KR100210741B1 - 램프 어닐링 로의 램프 출력 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
램프 어닐링 로의 온도 제어 장치는, 피가열물을 가열하는 램프군, 피가열물의 온도를 측정하는 방사 온도계 및 방사 온도계의 출력에 의거하여 램프 출력을 제어하는 램프 출력 제어 장치를 구비하고 있으며, 램프 출력 제어 장치가 목표 온도 제어 패턴을 미리 기억하고 있으며, 방사 온도계의 출력이 방사 온도계로 측정 가능한 최저 온도 이상의 소정의 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달하기까지는 미리 정해진 램프 출력 재어 패턴에 따라 램프 출력을 제어하는 개방 루프 제어를 하고, 방사 온도계의 출력이 상기 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달한 다음은 방사 온도계에 의한 측정 온도의 기울기와 목표 온도 제어 패턴의 기울기를 비교하여 전자와 후자의 기울기의 비가 소정의 제어 전환 기준치보다 작은 동안은 상기 개방 루프 제어를 계속하며, 상기 기울기의 비가 상기 제어 전환 기준치 이상으로 된 다음에 측정 온도를 목표 온도 제어 패턴에 일치시키게끔 램프 출력을 제어하는 폐루프 제어를 하게끔 되어 있다.
Description
제1도는 램프 어닐링 로의 종단면도.
제2도는 본 발명에 의한 램프 어닐링 로의 온도 제어 장치의 일례를 나타낸 블록도.
제3도는 온도 제어 장치의 연산 장치의 블록도.
제4도는 연산 장치의 마이크로 컴퓨터 동작의 일례를 나타낸 플로차트.
제5도는 목표 온도 제어 패턴의 일례를 나타낸 그래프도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 튜브 5 : 램프
6 : 램프군 8 : 램프 하우스
14 : 램프 출력 제어 장치 15 : 연산 장치
16 : 램프 구동 장치 17 : 마이크로 컴퓨터
18 : 증폭기 19 : A/D 변환기
20 : D/A 변환기 21 : 입력 장치
22 : 표시 장치
본 발명은 램프 어닐링 로(annealing furnace)의 온도 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
램프 어닐링 로는 예를 들면 석영제 프로세스 튜브 내에 넣어진 피가열물을 할로겐 램프의 광조사에 의해 가열하는 것이며, 반도체 웨이퍼의 어닐링 등에 사용된다.
램프 어닐링 로를 이용하여 웨이퍼를 어닐링할 경우, 웨이퍼의 온도는 미리 설정된 목표 온도 제어 패턴과 일치하도록 제어된다. 제5도는 웨이퍼의 어닐링시 목표 온도 제어 패턴의 일례를 나타내고 있다. 이 경우, 웨이퍼의 온도는 가열 개시 후, 약 8초에 목표 도달 온도인 약 1000℃의 정온 구역에 달하며, 가열 개시후, 약 30초부터 서서히 냉각된다. 이와 같은 웨이퍼의 어닐링시에, 특히 정온 구역에 있어서 ± 2℃ 이내의 정밀도 높은 온도 제어가 요구되고 있다.
상기와 같은 목표 온도 제어 패턴에 따른 온도 제어 방법으로서, 실험 등에 의하여 미리 설정한 램프 출력 제어 패턴에 따라 램프 출력을 제어하는 개방 루프 제어 및 온도 센서로 웨이퍼의 온도를 측정하면서 측정 온도가 목표 온도 제어 패턴에 일치하도록 램프 출력을 제어하는 폐루프 제어가 있지만, 이러한 제어는 다음과 같은 문제가 있었다.
개방 루프 제어의 경우, 웨이퍼의 온도는 램프에서 주어지는 에너지에 의해 결정되지만, 프로세스 튜브나 처리 가스의 초기 온도, 웨이퍼의 초기 온도나 흡수율 등이 다르면, 동일한 에너지를 부여해도 온도 상승의 상태가 다르게 되어, 웨이퍼의 온도를 목표 온도 제어 패턴에 합치시켜서 재현성이 좋은 제어를 할 수 없었다.
한편, 폐루프 제어의 경우, 웨이퍼의 온도를 광범위에 걸쳐서 시간 지연이 생기지 않게 측정할 필요가 있지만, 열전대나 방사 온도계와 같은 종래의 온도 센서로는 이것이 곤란하며, 웨이퍼의 온도를 목표 온도 제어 패턴에 합치하도록 제어할 수 없었다. 즉, 웨이퍼의 어닐링의 경우, 웨이퍼의 온도는 단시간으로 상승하지만 열전대는 웨이퍼와 열평형의 상태로 되는데 시간이 걸려, 열전대가 웨이퍼와 열평형의 상태에 도달할 동안에 온도가 상승해 버린다. 그리고, 이처럼 웨이퍼의 온도 변화에 대해 열전대의 시간 지연이 크기 때문에, 실제의 웨이퍼의 온도를 목표 온도 제어 패턴에 합치시키기가 곤란했었다. 방사 온도계의 경우, 시간 지연은 작지만, 측정 범위에 한도가 있어서, 약 300℃ 이하의 온도를 측정하기가 불가능했었다. 이 때문에, 방사 온도계를 사용하여 폐루프 제어를 하는 것도 곤란했었다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 방사 온도계를 사용하여, 방사 온도계로 측정 가능한 온도 구역에 달하기까지는 미리 정해진 램프 출력 제어 패턴에 따라 램프 출력을 제어하는 개방 루프 제어를 하고, 상기 온도 구역에 달한 다음에 측정 온도를 목표 온도 제어 패턴에 일치시키도록 램프 출력을 제어하는 폐루프 제어를 하게끔 한 램프 어닐링 로의 온도 제어 장치가 제안되어 있다(특개소 62-98722 호 공보 참조).
이와 같은 종래의 램프 어닐링 로의 온도 제어 장치의 경우, 방사 온도계로 측정 가능한 온도 구역에 달하기까지의 개방 루프 제어에 있어서, 상기와 같이, 웨이퍼의 상태등에 의해 온도 상승의 상태가 다르게 된다. 이 때문에 방사 온도계로 측정 가능한 온도 구역에 달해 개방 루프 제어에서 폐루프 제어로 전환될 때의 측정 온도의 기울기도 웨이퍼의 상태등에 따라 다르다. 그리고, 이 때의 측정 온도의 기울기가 목표 온도 제어 패턴의 기울기와 크게 떨어져 있으면, 목표 도달 온도와의 사이에 정상 편차가 생겨서 정밀도 높은 제어를 할 수 없게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 정상 편차를 없애고 정밀도 높은 제어를 할 수 있는 램프 어닐링 로의 온도 제어 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
본 발명에 의한 램프 어닐링 로의 온도 제어 장치는 피가열물을 가열하는 램프군, 피가열물의 온도를 측정한 방사 온도계 및 방사 온도계의 출력에 의거하여 램프 출력을 제어하는 램프 출력 제어 장치를 구비하고 있으며, 방사 온도계의 출력이 방사 온도계로 측정 가능한 최저 온도 이상의 소정의 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달하기까지는 미리 정해진 램프 출력 제어 패턴에 따라 램프 출력을 제어하는 개방 루프 제어를 하고, 방사 온도계의 출력이 상기 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달한 다음은, 방사 온도계에 의한 측정 온도의 기울기와 목표 온도 제어 패턴의 기울기를 비교하여, 전자와 후자의 기울기의 비가 소정의 제어 전환 기준치보다 작은 동안은 상기 개방 루프 제어를 계속하고, 상기 기울기의 비가 상기 제어 전환 기준치 이상으로 된 다음에 측정 온도를 목표 온도 제어 패턴에 일치시키도록 램프 출력을 제어하는 폐루프 제어를 하게끔 되어 있는 것이다.
방사 온도계의 출력이 방사 온도계로 측정 가능한 최저 온도 이상의 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달해도, 방사 온도계에 의한 측정 온도의 기울기와 목표 온도 제어 패턴의 기울기와의 비가 제어 전환 기준치보다 작은 동안은 미리 정해진 램프 출력 제어 패턴에 따라 램프 출력을 제어하는 개방 루프 제어를 계속하고, 이 기울기의 비가 제어 전환 기준치 이상으로 되고나서 측정 온도를 목표 온도 제어 패턴에 일치시키도록 램프 출력을 제어하는 폐루프 제어를 하므로, 개방 루프 제어에서 폐루프 제어로 전환될 때의 측정 온도의 기울기와 목표 온도 제어 패턴의 기울기와의 차가 작아지며, 따라서 목표 도달 온도에 대한 정상 편차가 작아져서 정밀도 높은 온도 제어가 가능해진다.
바람직하게는 방사 온도계의 출력이 상기 루프 제어 가능 온도 구역에 달한 다음은, 방사 온도계에 의한 측정 온도의 기울기와 목표 온도 제어 패턴의 기울기의 비가 상기 제어 전환 기준치 보다 작아도, 방사 온도계의 출력이 목표 도달 온도에 대해 결정된 소정치 이상으로 되면 상기 폐루프 제어를 하게끔 되어 있다.
다음에 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
제1도는 램프 어닐링 로의 주요부의 일례를 나타내고 있다.
램프 어닐링 로는 편평각통(便平角筒) 모양의 석영제 프로세스 튜브(1)를 구비하고 있으며, 프로세스 튜브(1)의 일단부에 가스 공급구(2)가, 타단부의 뚜껑(3)에 가스 배출구(4)가 설치되어 있다. 프로세스 튜브(1)의 상하부에 복수의 할로겐 램프(5)가 배치되어, 램프군(6)이 구성되어 있다. 이들 램프(5)는 반사판(7)을 구비한 램프 하우스(8)에 수용되어 있다. 반도체 웨이퍼(9)는 프로세스 튜브(1) 내의 중앙부에 수용된 석영제 서셉터(suscept)(10) 위에 배치되며, 이와 같은 상태로 램프(5)의 조사에 의해 웨이퍼(9)가 가열된다.
아래쪽의 램프 하우스(8)의 하면 중앙부에 부착구(11)를 통해 방사 온도계(12)가 부착되어 있으며, 부착구(11)와 프로세스 튜브(1)의 아래벽 중앙부와의 사이에 램프 하우스(8)를 상하로 관통하는 중공관(中空管)(13)이 설치되어 있다. 그리고, 방사 온도계(12)가 중공관(13)을 통해 웨이퍼(9)로부터의 방사광을 받아들이고 웨이퍼(9)의 온도에 대응하는 신호를 출력하게끔 되어 있으며, 이것에 의해 웨이퍼(9)의 온도가 측정된다.
제2도는 상기 램프 어닐링 로의 온도 제어 장치의 구성의 일례를 나타내고 있다.
온도 제어 장치는 상기 램프군(6) 및 방사 온도계(12)와 램프 출력 제어 장치(14)로 구성되어 있다.
램프 출력 제어 장치(14)는 다음과 같이 램프군(6)의 출력을 제어한다. 가열 후, 방사 온도계(12)의 출력이 미리 정해진 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달하기까지는 미리 정해진 램프 출력 패턴에 따라 램프군(6)의 출력을 제어하는 개방 루프 제어를 한다. 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달하면, 방사 온도계(12)에 의한 측정 온도의 기울기(측정 온도 기울기)와 목표 온도 제어 패턴의 기울기(목표 온도 기울기)와의 비(온도 기울기 비)를 구한다. 그리고, 온도 기울기 비가 미리 정해진 제어 전환 기준치보다 작은 동안은 상기 개방 루프 제어를 계속하고, 온도 기울기 비가 제어 전환 기준치 이상으로 되면 측정 온도를 목표 온도 제어 패턴에 일치시키도록 램프 출력을 제어하는 폐루프 제어를 한다.
폐루프 제어 가능 온도 구역의 하한은 방사 온도계로 측정 가능한 최저 온도 이상이며, 예를 들면 300℃로 설정된다.
개방 루프 제어시의 출력 제어 패턴에는 램프 출력을 일정하게 유지하는 것과, 시간에 따라 램프 출력을 단계적으로 변화시키는 것 등이 있다.
램프 출력 제어 장치(14)는 연산 장치(15) 및 램프 구동 장치(16)로 구성되어 있다.
연산 장치(15)는 상기와 같은 제어를 하기 위한 연산 및 지령을 하는 것이다.
램프 구동 장치(16)는 연산 장치(15)로부터의 지령에 따라 램프군(6)의 출력을 제어하는 것이며, 예를 들면, 다이리스터나 트라이액에 의해 램프(5)의 전류를 제어한다.
제3도는 연산 장치(15)의 구성의 일례를 나타내고 있다.
연산 장치(15)는 마이크로 컴퓨터(17), 증폭기(18), A/D 변환기(19), D/A 변환기(20), 입력 장치(21) 및 표시 장치(22)로 구성되어 있다.
증폭기(18)는 방사 온도계(12)의 출력을 증폭하여 A/D 변환기(19)에 보내는 것이다.
A/D 변환기(19)는 증폭기(18)에 의해 증폭된 방사 온도계(12)의 출력을 A/D 변환하여 마이크로 컴퓨터(17)에 보내는 것이다.
D/A 변환기(20)는 마이크로 컴퓨터(17)의 출력을 D/A 변환하여 램프 구동 장치(16)에 보내는 것이다.
입력 장치(12)는 램프 출력 제어 패턴, 목표 온도 제어 패턴, 제어 파라미터의 설정 및 선택 등을 하기 위한 것이다.
표시 장치(22)는 입력 장치(21)에서 데이타를 입력할 때의 표시나 마이크로 컴퓨터(17)의 내부 상태를 표시하는 것이다.
마이크로 컴퓨터(17)의 메모리에는 입력 장치(21)에서 설정된 램프 출력 제어 패턴, 목표 온도 제어 패턴, 제어 파라미터 등이 기억되어 있다. 이들은 복수씩 설정할 수 있으며, 입력 장치(21)에서 하나씩 선택하여 사용할 수 있게 되어 있다. 그리고, 마이크로 컴퓨터(17)는 이들 데이타를 사용하여, 방사 온도계(12)의 출력에 근거하여 램프 구동 장치(16)를 제어한다.
다음에, 제4도의 연산 장치(15)의 마이크로 컴퓨터(17)의 작동을 나타낸 플로차트를 참조하여 온도 제어 동작의 일례를 설명한다.
연산 장치(15)에 있어서 램프 출력 제어 패턴, 목표 온도 제어 패턴 및 제어 파라미터 등의 설정, 선택 등을 한 다음에, 가열 개시 스위치를 누르면, 먼저 램프 출력 제어 패턴에 따른 개방 루프 제어가 개시된다(스텝 1). 다음에, 반사 온도계(12)의 출력을 리드 인하여 웨이퍼(9)의 온도를 측정하고(스텝 2), 이것이 폐루프 제어 가능 온도 구역(300℃ 이상)에 들어갔는지 아닌지를 조사한다(스텝 3). 스텝 3에 있어서 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달하고 있지 않으면, 스텝 4로 나아가 소정의 제어 주기를 경과시키는 타이머 처리를 한 다음, 스텝 2로 되돌아간다. 이처럼 측정 온도가 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달하기까지는 제어 주기마다 온도 측정을 하면서, 개루프 제어가 행해진다.
스텝 3에 있어서, 측정 온도가 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달하면, 스텝 5로 나아가, 온도가 목표 도달 온도(예를 들면, 1000℃)의 80% 이상으로 되었는지 어떤지를 조사한다. 스텝 5에 있어서, 목표 도달 온도의 80% 이상으로 되어 있지 않으면, 스텝 6으로 나아가 측정 온도 기울기와 목표 온도 기울기에서 온도 기울기 비를 구한다. 측정 온도 기울기는 측정 온도에서 구할 수 있다. 목표 온도 기울기는 목표 온도 제어 패턴중의 측정 온도에 가장 가까운 부분의 기울기를 구하는 것에 의해 구해진다. 온도 기울기 비는 이와 같이 해서 구한 측정 온도 기울기와 목표 온도 기울기의 비를 구함으로써 구해진다.
다음에, 온도 기울기 비가 소정의 제어 전환 기준치(예를 들면 0.9) 이상인지 아닌지를 조사한다(스텝 7). 스텝 7에 있어서, 제어 전환 기준치 이상이 아니면 스텝 4로 나아가 제어 주기를 경과시키는 타이머 처리를 한 다음, 스텝 2로 되돌아 간다. 이처럼 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달해도 온도 기울기 비가 제어 전환 기준치 이상으로 되기까지는 제어 주기마다 온도 측정을 하면서, 개방 루프 제어가 행해진다.
스텝 7에 있어서, 온도 기울기 비가 제어 전환 기준치 이상으로 되면, 스텝 8로 나아가, 다음의 설명처럼 폐루프 제어를 한다. 즉, 먼저 메모리에 기록되어 있는 목표 온도 제어 패턴의 데이터 중에서 그 때의 측정 온도에 가장 가까운 점을 찾아 이를 폐루프 제어의 출발 온도로 하고, 이후 측정 온도가 이 출발 온도 이후의 목표 온도 제어 패턴과 일치하도록 램프 출력을 제어한다. 그리고, 이 폐루프 제어는 예를 들어 상술한 특개소 제62-98722호의 경우와 같이 행해진다. 그리고, 목표 온도 제어 패턴의 종료점까지 폐루프 제어가 행해지면 처리를 종료한다.
폐루프 제어 가능 온도 구역에 달한 다음에 온도 기울기 비가 제어 전환 기준치 이상으로 되지 않아도, 스텝 5에 있어서 측정 온도가 목표 도달 온도의 80%이상으로 되면, 스텝 8로 나아가 폐루프 제어가 행해진다. 예를 들면 초기의 램프 출력이 작을 경우, 온도 상승의 기울기가 작고, 온도 기울기의 비가 제어 전환 기준치 이상으로 되지 않는 일이 있다. 이와 같은 경우는 상기와 같이 스텝 5에서 스텝 8로 나아가 강제적으로 폐루프 제어로 전환되게끔 되어 있다.
이와 같이, 측정 온도가 폐루프 제어 가능 온도 구역에 달해도 온도 기울기 비가 제어 전환 기준치보다 작은 동안은 개방 루프 제어를 계속하고, 온도 기울기의 비가 제어 전환 기준치 이상으로 되고 나서 폐루프 제어를 하므로, 개방 루프 제어에서 폐루프 제어로 전환될 때의 측정 온도의 기울기와 목표 온도 제어 패턴의 기울기와의 차가 작아지며, 따라서 목표 도달 온도에 대한 정상 편차가 작아져서 정밀도 높은 온도 제어를 할 수 있다.
반도체 웨이퍼의 어닐링의 경우, 열처리로서 의미가 있는 온도는 목표 도달 온도에서 {목표 도달 온도-(100~200)℃}까지의 범위이며, 이것은 상기 실시예의 경우, 최대에서도 1000~800℃의 범위이다. 그리고, 1000∼800℃의 범위 내에 있어서의 온도 변화의 차는 열처리에 영향을 주지만, 이 이하의 온도 범위에 있어서의 온도 변화의 차는 열처리에 영향을 주지 않는다. 상기 실시예에서는 개방 루프 제어를 하고 있는 동안은 웨이퍼의 상태등에 의해 온도 변화의 상태에 차가 생기지만, 폐루프 제어로 전환되면 목표 온도 제어 패턴에 따라 제어되기 때문에 온도 변환에 차가 생기지 않는다. 그리고 측정 온도가 800℃ 이상으로 되기 전에 반드시 개방 루프 제어에서 폐루프 제어로 전환되므로, 상기와 같이 개방 루프 제어에 의한 온도 변환의 열처리에 영향을 미치는 일이 없으며, 소정의 올바른 열처리가 행해진다.
Claims (2)
- 피가열물을 가열하는 램프군 및 피가열물의 온도를 측정하는 방사 온도계를 구비하는 램프 어닐링 로로서, 방사 온도계의 출력에 근거하여 램프 출력을 제어하는 방법에 있어서, 목표 온도 제어 패턴을 미리 기억하며, 방사 온도계의 출력이 방사 온도계로 측정 가능한 최저 온도 이상의 소정의 폐루프 제어 가능 온도 구역에 도달하기까지는 미리 정해진 램프 출력 제어 패턴에 따라서 램프 출력을 제어하는 개방 루프 제어를 행하고, 방사 온도계의 출력이 상기 폐루프 제어 가능 온도 구역에 도달한 다음은 방사 온도계에 의한 측정 온도의 기울기와 목표 온도 제어 패턴의 기울기를 비교하여, 전자와 후자의 기울기의 비가 소정의 제어 전환 기준치보다 작은 동안은 상기 개방 루프 제어를 계속하며, 상지 기울기의 비가 상기 제어 전환 기준치 이상으로된 다음에 측정 온도를 목표 온도 제어 패턴에 일치시키도록 램프 출력을 제어하는 폐루프 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 램프 어닐링 로의 램프 출력 제어 방법.
- 제1항에 있어서, 방사 온도계의 출력이 상기 폐루프 제어 가능 온도 구역에 도달한 다음은 방사 온도계에 의한 측정 온도의 기울기와 목표 온도 제어 패턴의 기울기의 비가 상기 제어 전환 기준치보다 작아도, 방사 온도계의 출력이 목표 도달 온도에 대해 결정된 소정치 이상일 때는 상기 폐루프 제어를 행하도록 한 것을 특징으로 하는 램프 어닐링 로의 램프 출력 제어 방법.
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