KR100282464B1

KR100282464B1 - 열처리장치의 온도제어방법 및 장치

Info

Publication number: KR100282464B1
Application number: KR1019940022311A
Authority: KR
Inventors: 후지오 스즈키
Original assignee: 마쓰바 구니유키; 도오교오 에레구토론 도오호쿠 가부시키가이샤; 히가시 데쓰로; 동경 엘렉트론주식회사
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1994-09-06
Publication date: 2001-04-02
Also published as: TW266230B; US5593608A; KR950009971A

Abstract

피처리체가 수납되고 여러개의 분할영역으로 나누어지는 열처리실에 설치되는 히터에 의해서, 열처리실의 여러개의 분할영역을 가열하는 스텝과, 열처리실의 여러개의 분할영역이 소정온도로부터 기준온도까지 온도상승되는 온도상승 시간을 측정하고, 이들 온도상승시간의 차를 구하여,기억하는 스텝과, 온도상승 시간차가 작아지도록 가장 온도상승의 빠른 분할영역에 맞도록, 온도상승이 늦은 분할영역을 시간차 분만큼 빠른 타이밍으로 상기 분할영역을 각각 가열하도록 상기 가열수단을 제어하는 열처리장치의 온도제어방법.

Description

열처리장치의 온도제어방법 및 장치

제1도는 본 발명의 한 실시예에 따른 온도제어방법을 적용가능한 세로형 고속 열처리로의 단면도.

제2도는 존 마다의 온도상승 시간차를 나타내는 그래프.

제3(a)도 및 제3(b)도는 본 발명의 실시예 1에 의거하여 온도상승 시간차를 보정하는 방법을 나타내는 그래프.

제4도는 실시예 1에 따른 온도제어방법을 실시하는 온도제어장치의 블록도.

제5도는 실시예 1에 따른 온도제어방법에 사용가능한 시간차 테이블.

제6도는 본 발명의 실시예 2에 따른 온도제어방법을 적용 가능한 세로형 열처리장치의 개략적인 단면도.

제7도는 실시예 2에 의거해서 형성된 피드포워드 신호(FF신호)의 파형을 나타내는 설명도.

제8도는 실시예 2에 의거하여 설정온도신호와 FF신호를 합성해서 구한 합성설정온도 신호의 모습을 나타내는 설명도.

제9도는 실시예 2에 온도제어방법을 실시하는 온도제어장치의 블록도.

제10도는 실시예 2에 온도제어방법에 의해서 얻어지는 합성신호를 나타내는 도면.

제11도는 실시예 2에 의거하여 온도제어의 결과와 종래의 온도제어 결과를 나타내는 그래프.

제12도는 실시예 3에 의거한 온조수단을 구동하는 조작량 신호와 설정온도신호와 FF 신호를 합성해서 구한 합성조작량 신호의 모양을 나타내는 설명도.

제13도는 실시예 3에 의거하는 온도제어방법을 실시하는 온도제어장치의 블록도.

제14도는 실시예 3에 의거하는 온도제어의 결과와 종래의 온도제어결과를 비교하는 그래프.

제15도는 실시예 4에 따른 온도제어방법을 실시하는 온도제어장치의 블록도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 51 : 기초대 2, 52 : 관형상 로

3, 53 : 간격 4, 54 : 반응관

5a∼5c,55,86,96 : 히터 6,56 : 웨이퍼 보트

6a,56a : 유지부 7,57 : 승강기구

8,58 : 흡기구 9,59 : 매니폴드

10,60 : 급기팬 11,61 : 배기구

12 : 배기팬 13,62 : 가스도입관로

14,63 : 처리실 15,64 : 배기관로

16,65 : 보온통 17,66 : 덮개체

18 : 석영관 19a∼19c : 내부열전대

20,69 : 히터전원 21,68,84,92,94 : 온도콘트롤러

22a∼22c : 외부열전대 23 : 메모리

24a∼24c : 웨이퍼 열전대 25 : 관형상 공간

26 : 노즐 27,28,71,72 : 셔터

29 : 덕트 30 : 배기덕트

31 : 열교환기 32,33,70 : 인버터

34 : 카운터 41 : 프로세스 콘트롤러

42 : 발생회로 43 : PID콘트롤러

44 : 설정회로 45,67,97 : 온도센서

46 : 시간차 계측회로 62 : 반응가스 공급관로

81 : 설정온도회로 82 : FF신호 발생기

83,95 : 합성회로 85,93,95 : 전력제어기기

87 : 외부온도센서 91 : 설정온도

W : 웨이퍼 DW : 더미 웨이퍼

TA, TB : 외부온도 tb : 내부온도

TW1∼TW3 : 온도 T11∼T13 : 검출온도

본 발명은 열처리장치에 관한 것이며, 특히 열처리장치의 필드 포워드 온도제어방법 및 장치에 관한 것이다.

종래부터 반도체 제조공정에 있어서는 피처리체인 반도체 웨이퍼 표면에 박막(thin film)이나 산화막(oxide film)을 적층하거나 혹은 불순물의 확산을 하기 위하여 CVD장치(chemical vapor desposition apparatus), 산화막형성장치(oxide film forming apparatus), 혹은 확산장치(diffusion apparatus)등이 사용되고 있으며, 최근에는 정밀도가 높은 처리를 하기 위하여 세로형의 열처리로에 의하면 일반적으로 가열용의 관형상 노(thermal tube furnace)가 수직으로 배치되고, 이 관형상 노 속에 설치된 석영(silica)등으로서 이루어지는 반응관(reator)(처리실(processing chamber))이 설치도며, 다수의 반도체 웨이퍼 따위의 피처리체(to-be-processed members)를 수평상태로 세로방향에 수용한 보트(wafer boat)가 적당한 승강장치(elevator)에 의해서 상승되어서 상기 반응관 내로 반입되고, 처리실 내로 도입되는 적당한 반응가스(reactive gas)에 의해서 산화막 형성등의 소정 열처리가 노 내에서 행하여진다.

그런데, 집적회로의 고속화(high speed operation), 고집적화(high-density intergrating)에 따라서 반도체 웨이퍼 표면의 처리를 고정밀도로 제어할 필요가 있으나, 그러기 위해서 가열처리시의 온도제어의 정밀도를 높이는 것이 중요하며, 특히 처리실 내의 균일한 온도상승(temperature increasing) 및 강온(temperature decreasing) 제어를 할 필요가 있다.

그러나, 처리실의 외부에 설치된 가열수단(heating means)의 출력을 균일하게 유지하고, 가열을 하였다 하여도 예로서 반응로의 상방은 열이 잘 도망하지 않는 것에 대해서 반응로의 하방의 매니폴드 부근에서는 열의 누설이 많고 온도 상승되기 어려운등, 처리실내의 각 부위에 의해서 열손실 특성(thermal loss charateristics)가 다르기 때문에, 처리실 내의 온도분포(temperature distribution)는 장소에 따라서 크게 다르며, 피처리체를 균일하게 온도상승 혹은 강온시킬 수가 없어 문제가 되고 있었다.

그래서, 최근에는 처리실 내를 여러개의 가열영역(존)으로 분할하고, 여러 조의 가열 수단에 의하여 별개로 가열영역을 온도제어함으로써 처리실 내의 온도분포를 균일하게 하는 방법이 개발되고 있다.

그러나 이와 같이 여러개의 존으로 분할된 반응로의 가열수단을 같은 타이밍으로 온도상승 강하 제어(이하 램핑(Ramping)이라 칭한다)시키는 경우라 할지라도, 상술한 바와 같이 존마다에 열전달 특성(thermal transfer characteristics)이 다른 조건하에서 여하히 하여 피처리체, 즉 여러개의 반도체 웨이퍼의 온도가 존마다 다르지 않도록 균일하게 온도상승 혹은 강온시키는가가 문제였었다. 그 해결을 위하여 종래로부터 존마다에 램핑 설정이 가능한 여러개의 온도 콘트롤러를 설치하고, 각 존마다 다른 램핑설정을 하고 있었으나, 이와 같은 온도제어는 번잡스럽고 숙련을 요하는 램핑 설정을 여러번 행할 필요가 있으므로, 실용상에는 문제가 있었다. 또, 존마다에 램핑 설정을 할 수가 없는 온도 콘트롤러의 경우에는 처리실의 균일가열을 달성할 수가 없어 문제였었다.

또, 가열처리에 있어서는 예로서 피처리체인 반도체 웨이퍼를 단시간에 소정 온도, 즉 500℃로부터 소정온도 예컨대, 1000℃까지 상승시킴과 동시에, 처리중에는 소정온도 즉 1000℃로 유지하고, 처리 종료 후에는 다시 단시간에 소정 온도 즉 500℃까지 하강시킬 필요가 있다.

그러나, 종래의 세로형 가열로(Vertical heating furnace)의 구성에서는 피처리체는 처리실 외부에 설치된 가열 수단에 의하여 가열되므로 가열수단으로부터 피처리체로의 전열은 석영등으로 이루어지는 처리실의 벽체 혹은 균일하게 온도 전반시키기 위한 균열수단등을 통해서 간접적으로 행하여지고 있었다. 따라서 처리실의 외부와 내부에서는 소정온도 도달시간에 차가 생기므로 처리실 외부에서 가열수단 근방에 설치된 외부 온도 검출수단에 의한 온도제어만으로서는 처리실 내 온도의 제어 응답이 늦어 처리실 내의 정확하고도 신속한 온도제어를 할 수 없었다.

특히, 처리실 내에 웨이퍼를 재치한 보토를 삽입하는 경우에 일단 처리실 내의 온도가 내려가는 일이 있는데, 종래의 온도제어방법으로는 제어응답이 늦어 처리실 내의 온도의 회복(온도 리커버리)이 늦어지는 것도 문제였다.

그 때문에, 종래의 온도제어시스템에서는 피처리체 근방의 온도를 검출하기 위한 내부 온도 검출수단을 처리실 내에 설치하고, 그 내부 온도 검출수단에 의하여 검출된 내부 온도에 따라서 온도 제어를 하여 온도 리커버리를 신속하게 하는 방법이 시도되고 있다. 그러나, 이 방법에서는 온도 검출 수단 자체가 처리실 내에 설치되므로 처리 중에 온도 검출수단에 프로세스의 막이 부착하여 정확한 온도제어를 할 수가 없어 문제였었다.

또한, 최근에는 절선근사기법(Interpolation on the basis of the look-up-table)에 의해서 얻어진 설정온도 레시피(setting temperature receipe)에 따라서 외부 온도 검출 수단에만 의해서 처리실 내 온도의 제어를 행하는 방법도 개발되어 있으나, 설정온도 레시피를 작성하기 위해서 필요한 입력 파라미터도 많고, 또 설정온도 레시피에 숙련을 요하므로 실용상에 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 온도 콘트롤러로 여러 개의 가열수단을 제어해서 처리실 내의 온도가 균일하게 되도록 온도조절하여 처리실 내의 각 존에 수용된 피처리체 사이에 온도차를 발생시키지 않고, 균일하게 열처리하는 것이 가능한 신규이며, 개량된 열처리장치의 온도 제어 방법을 제공하는 것이다.

또, 본 발명의 목적은 매우 간단한 방법으로 구한 보정 신호에 의하여 설정온도의 제어 레시피를 보정하므로서 내부 온도 검출 수단을 사용하지 않고 외부 온도 검출 수단만으로도 정확하고도 신속한 처리실 내 온도 제어를 하는 것이 가능한 신규이면서도 개량된 열처리장치의 피드포워드 온도제어방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 제1의 국면에 의하면, 피처리체가 수납되고 여러개의 분할영역으로 나누어지는 열처리실에 설치되는 가열수단에 의하여, 상기 열처시실의 여러개의 분할영역을 가열하는 스텝과 상기 열처리실의 상기 여러개의 분할영역이 소정온도로부터 적어도 하나의 기준온도까지 온도상승되는 온도상승시간을 측정하고, 이들 온도상승시간의 차를 구하여 기억하는 스텝과, 상기 온도상승시간차가 작아지도록 가장 온도상승의 빠른 분할영역에 맞도록, 온도상승이 늦은 분할 영역을 시간차 분 만큼 빠른 타이밍으로 상기 분할영역을 각각 가열하도록 상기 가열수단을 제어하는 스텝을 포함하는 열처리장치의 온도제어방법이 제공된다.

본 발명의 제2의 국면에 의하면 피처리체가 수납되는 열처리실에 설치되는 가열수단에 의하여 상기 열처리실을 소정의 설정온도로 상승시키기 위한 설정온도 신호를 생성하는 스텝과, 상기 열처리실의 외부로부터 내부로의 열의 전달 지연에 대응하는 피드포워드 신호를 생성하는 스텝과, 상기 설정온도 신호 및 상기 피드포워드를 합성하고, 합성 신호를 생성하는 스텝과, 상기 열의 전달 지연을 상쇄하도록 상기 합성신호에 따라서 상기 열처리실을 가열하는 가열수단을 제어하는 스텝을 포함하는 열처리장치의 온도 제어방법이 제공된다.

본 발명의 제1의 국면 방법에 의하면, 우선 같은 타이밍으로 가열수단을 승강온(램핑)구동하고, 처리실 내의 각 존으 온도를 검출하며, 각 존에서 소정온도, 즉, 500℃로부터 기준온도, 즉 800℃에 도달하는 데 요하는 시간을 계측하고 임의로 선택된 기준 존, 즉 가장 늦은 존과 다른 존과의 기준 온도 도달시간의 시간차를 구하여, 온도콘트롤러의 메모리에 기억시킨다. 이 온도 콘트롤러는 기억된 시간차가 상쇄되도록 가령 가장 늦었던 존에 다른 모든 존이 일치하도록 가열수단의 구동 타이밍을 제어하는 것이 가능하다. 또 온도 콘트롤러는 그와 같은 시간차 정보,즉 가열수단의 구동 타이밍 정보를 프로세스 콘트롤러에 보고한다.

프로세스 콘트롤러는 이 시간차 정보에 의거해서 가령 가장 늦은 시간차 분만큼 사전에 온도상승 또는 강온 지령을 온도 콘트롤러에 부여한다. 이 지령에 응하여 단일 온도 콘트롤러가 각 존에 대응하는 여러개의 가열수단을 구동함으로써 처리실 내의 각 부위에서 열 손실 특성이 다른 데에도 불구하고, 프로세스로 의도한 대로의 균일한 온도 제어를 달성할 수가 있다.

또, 실험적으로 혹은 시뮬레이션에 의하여 프로세스 콘트롤러에 사전에 부여되어 있는 최적 처리를 위한 설정온도와 실제의 각 존의 온도와의 시간차에 대해서도 계측하고, 그 시간차가 상쇄되도록 각 가열수단을 구동함으로써, 처리실 내의 각 부위에서 열손실 특성이 다른 데에도 불구하고, 프로세스가 의도하는 최적의 설정온도로 균일한 온도제어를 하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 제2의 국면의 방법에 의하면, 외부 온도의 설정 온도와의 피드포워드 신호르 합성하고, 외부온도와 내부온도와의 시간 지연을 사전에 보정한 신호에 의해서 온도상승을 함으로써 내부 온도의 제어응답을 신속하게 하는 것이 가능하다. 특히 본 발명자의 지식에 의하면, 처리실의 외부온도와 내부온도의 전달 함수는 1차 지연계에서 양호하게 근사할 수가 있으므로, 다음 식에 표시하는 바와 같은 지수함수 f(t)

f(t) = E * exp (-t / T)

(여기에서, E는 최대 진폭 온도를 나타내며, T는 시정수를 나타낸다)를 소망하는 설정온도에 가함으로써 용이하고 신속하게 지연을 보정하는 것이 가능하다. 즉, 외부 온도가 보정된 합성 설정온도에 따라서 일단 오버슈트시킴으로써 내부 온도의 제어 응답을 신속하게 하는 것이 가능하다. 더욱이 그 때에 종래의 방법과 같이 많은 제어 파라미터를 필요로 하지 않고, 보정에 필요한 최대 진폭 온도 및 시정수를 실험적으로 혹은 시뮬레이션에 의하여 사전에 구하여 온도제어기에 입력하는 것만으로, 더욱이 내부 온도 검출기를 사용하지 않고, 외부 온도 검출 수단에 의하여 검출된 외부 온도의 변화를 감시하는 것만으로 용이하게 처리실의 내부 온도의 제어 반응 속도를 높힐 수가 있다. 그 결과 피처리체 표면의 보다 미세한 가공이 가능하게 되며, 더욱 열처리장치의 제어성능을 높이므로써 제품의 수율이나 슬루우풋을 향상시킬 수가 있다.

[실시예]

이하에, 첨부 도면에 참조하면서, 본 발명에 의거하여 구성된 열처리장치의 온도 제어 방법을 반도체 웨이퍼의 세로형 고속 열처리로에 적용한 제1의 실시예에 관해서 상세히 설명한다.

제1도에 도시하는 세로형 열처리로는 수평으로 고정된 기초대(1)상에 수직으로 지지된 단열성의 정상부를 가지는 대략 원통형상의 관형상로(2)와 그 관형상 로(2)의 내측에 소정간격(3)을 두고 삽입된 석영 따위로서 이루어지는 정상부를 가지는 대략 원통형상의 반응관(4)과 관형상 로(2)의 내주벽에 나선형상으로 배열설치된, 예컨대, 저항 발열체 따위의 히터(5)와 여러개의 피처리체, 즉 반도체 웨이퍼(W)를 수평상태에서 수직방향으로 다수 배열 유지하는 것이 가능한 석영으로서 이루어지는 웨이퍼 보트(6)와, 이 웨이퍼 보트(6)를 승강시키기위한 승강기구(elevator mechanism)(7)에 의해서 구성되어 있다.

또한, 관 형상로(2)의 저면부에는 간격(3)과 연이어 통하는 흡기구(8)가 설치되어 있으며, 적당한 매니폴드(9)를 통해서 접속된 급기펜(10)에 의해서 간격(3)내에 냉각공기를 공급하는 것이 가능하다. 또, 관 형상로(2)의 정상부에는 마찬가지로 간격(3)에 연이어 통하는 배기구(11)가 설치되어 있으며, 배기팬(exhaust fan)(12)에 의해서 간격(3)내의 공기를 강제 배기하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.

또, 도시가 생략된 가스원에 유량제어장치(flow control device)를 통해서 접속된 반응가스 공급관로(reactive gas supply pipe)(13)가 반응관(reactor tube)(4)의 저면부로부터 수직방향으로 상방으로 뻗도록 설치되어 있으며, 이 반응가스 공급관로(13)의 길이방향으로 적절한 간격을 두고 개설된 가스 도입구(gas inlet)(13a)로부터 반응관(4)의 내부 처리실(processing chamber)(14)에 소정의 반응가스를 균일하게 도입하는 것이 가능하다. 또한 반응관(4) 저면부에는 도시하지 않은 진공펌프 따위의 배기장치에 접속된 배기관로(15)가 접속되어 있으며, 처리실(14)내를 소정 압력이 되게 진공흡인함과 동시에, 반응가스의 환기를 적절히 행하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.

또, 웨이퍼 보트(6)는 반도체 웨이퍼(W)를 다단 형상으로 유지하는 유지부(holding members)(6a)밑에 보온통(heat insulating mould)(16)를 통해서 덮개체(cover)(17)를 갖추고 있으며, 승강기구(7)에 의하여 웨이퍼 보트(6)를 상승시킴으로써 덮개체(17)가 반응관(4)의 저부의 개구를 기밀하게 봉하는 것이 가능하므로 처리시에는 처리실(14)내를 배기관로(exhaust pipe)(15)를 사용하여 진공흡인하고, 또한 배기관로(15)로부터의 배기를 하면서 반응가스 공급관로(13)로부터 소정의 반응가스를 처리실(14)내로 도입하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.

다음에, 상기와 같이 구성된 세로형 열처리로의 온도 제어계에 관해서 설명한다. 온도 제어계는 반도체 웨이퍼(W)의 배열방향을 따라 여러개(도시의 예에서는 상부, 중앙부, 하부)로 분할 배치되는 상부히터(5a), 중앙부히터(5b) 및 하부히터(5c)와, 반응관(4)내에 수직으로 배치되는 석영관(18)내에 삽입되어서 웨이퍼 보트(6)로 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 근방의 여러 개소(도시한 예에서는 상부, 중앙부 및 하부)에 배치되는 온도검출기인 내부 상부 열전대(inner upper thermocouple)(19a), 내부 중앙부 열전대(inner central thermocouple)(19b), 내부 하부 열전대(inner lower thermocouple)(19c)로부터의 검출온도 신호를 받아서 히터(5a,5b 및 5c)를 구동하는 구동신호를 히터전원(heater power source)(20)으로 보내고 제어하는 온도 콘트롤러(temperature controller)(21)로서 구성되어 있다.

또, 각 히터(5a,5b 및 5c)의 온도는 각각의 근방에 배치되는외부 열전대(22a,22b 및 22c)에 의해서 검출되고, 이들 검출 신호도 온도 콘트롤러(21)로 보내어져 히터전원을 통해서 히터 (5a,5b 및 5c)를 제어하기 위하여 사용된다. 이 온도 콘트롤러(21)는 마이크로 컴퓨터를 내장함과 동시에 카운터(34) 및 메모리(23)에 접속되고 있으며, 실제의 처리에 앞서서, 수집한 상부, 중앙부 및 하부의 반도체 웨이퍼(W)의 온도(TW1, TW2 및 TW3), 히터부 열전대(22a,22b, 및 22c)의 검출온도(TH1, THW 및 TH3), 또한 내부열전대(19a,19b 및 19c)의 검출온도(T11, T12 및 T13)에 관한 온도데이터를 시간함수 혹은 시간차 테이블로서 메모리(23)에 기억시키고, 그 데이터를 뒤에 설명하는 바와 같이 본 실시예 방법에 따라 처리함으로써 피드포워드 제어용 신호를 작성하여 그 피드 포워드 제어용 신호에 따라서 히터전원(20)을 제어하도록 프로그램되어 있다.

이 경우, 반도체 웨이퍼(W)의 온도(TW1,TW2 및 TW3)를 사전에 예측하기 위한 데이터 작성용의 웨이퍼(이하 더미 웨이퍼라 한다)(DW)는 예로서 상부용(DWa), 중간부용(DWb) 및 하부용(DWc)등 계 3매가 준비되며, 각 더미 웨이퍼(DWa,DWb 및 DWc) 각각에 열전대(24a,24b 및 24)가 장착된다. 웨이퍼 열전대(24a,24b 및 24)의 검출온도(TW1,TW2 및 TW3)가 온도 콘트롤러(21)에 입력되도록 되어 있다. 그리고, 더미웨이퍼(DWa,DWb 및 DWc)는 온도 데이터 수집시에 장착되며, 실제의 처리시에는 탈거되는 것이다.

다음에, 강제공냉장치(forced-air cooling device)에 관해서 이하 설명을 한다.

관형상 로(2)와 반응관(4)과의 사이에서 간격(3)에 연이어 통하는 흡기구(air inlet)(8)는 예로서 관형상 로(2) 하부에 설치된 관형상 공간(25)의 둘레방향으로 등간격으로 여러개, 즉 8개 설치되어 있다. 이들 흡기구(8)에는 간격(3)내에 돌출하도록 노즐(26)이 장착되어 있으며, 셔터(27)를 통해서 급기팬(10)으로부터 공급되는 냉각공기가 균일하게 간격(3)내를 흐르도록 되어 있다. 또, 배기구(exhaust outlet)(11)는 셔터(28) 및 덕트(29)를 통해서 공장 등에 설치되는 배기덕트(exhaust duct)(30)에 접속되어 있다. 이 덕트(29)에는 노 내를 순환한 결과 고온이 된 배기공기를 실온까지 냉각하는 열교환기(heat exchanger)(31)와 이 배기공기를 원활하게 배기덕트(30)에 흡인하기 위한 배기팬(12)이 사이에 설치되어 있다. 이 배기팬(12)과 급기팬(10)에는 각각 인버터(32) 및 (33)가 장착되어 있으며, 온도 콘트롤러(21)로부터의 지령에 의해서 팬회전수를 제어하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.

다음에 상기와 같이 구성된 고속 열처리로(high-speed thermal processing furnace)에 대해서 본 발명에 의거하여 구성된 온도제어방법을 적용한 예에 관해서 제2도∼제5도를 참조하면서 설명하기로 한다.

실시예 1에 의거한 온도제어방법에서는 실제의 처리를 하기 전에 처리시에 사용되는 피드포워드 제어용 신호를 형성하기 위한 온도 데이터의 수집을 행할 필요가 있다. 그러기 위해서는 프로세스 콘트롤러(41)는 제4도와 같이 소망하는 열처리를 하는데 최적인 설정온도를 램프 신호 발생회로(42)로 보냄과 동시에, 온도 데이터 수집을 위한 비교 기준온도를 비교 기준 온도 설정회로(44)에 설정한다. 램프 신호 발생회로(42)는 설정온도에 의거해서 히터(5)를 구동시키기 위한 램프 신호를 발생하여 그 램프 신호를 PID콘트롤러(43)로 보내는 것이 가능하다.

그리고, 설정된 비교 기준온도는 예로서 750℃등과 같이 하나의 기준온도로 설정하여도 좋고, 제5도와 같이 가령 500℃, 750℃, 1000℃, 1200℃등과 같이 여러개의 기준 온도로 설정하여도 상관없다. 또, 프로세스 콘트롤러(41), 램프신호 발생회로(42), PID콘트롤러(43)는 도시한 예에서는 설명의 편의를 위하여 별개로 구성하고 있으나, 일체로 하여 혹은 임의의 조합으로 온도 콘트롤러(21)를 구성한다. PID콘트롤러(43)는 노(2)의 히터전원(20)에 접속되고, 노(2)에 설치된 히터(5)를 제어한다.

데이터 수집모드에서는 흡기구(8) 및 배기구(11)의 셔터(27 및 28)를 닫고 흡기(8) 및 배기구(11)를 막는다. 웨이퍼 보트(6)의 상부, 중앙부 및 하부에 각각 더미웨이퍼(DWa,DWb 및 DWc)를 장착하고, 승강기구(7)의 구동에 의하여 웨이퍼 보트(6)를 상승시켜서 3개의 히터(5a,5b 및 5c)로 소정의 로딩온도 즉 500℃로 설정된 반응관(4)내에 삽입한다. 이어서 같은 타이밍으로 3개의 히터(5a,5b 및 5c)로의 공급전력을 더욱 증가시켜서 카운터(34)로 측정하면서 노 내의 온도상승을 시키고, 웨이퍼 열전대(24a,24b 및 24)와 내부 열전대(19a,19b 및 19c)와 히터부 열전대(22a,22b 및 22c)로 구성되는 온도센서(45)에 의한 온도 측정을 개시한다.

측정의 결과, 같은 타이밍으로 히터를 구동시킨 경우에는, 히터부 열전대(22a,22b 및 22c)에 의한 측정온도는, 출력이 같으면 마찬가지로 경시적으로 온도상승하여 존마다에 차이가 생기는 일은 없다. 그러나, 히터부로부터 반응관내로의 전열경로 혹은 반응관 내의 각 부분에 있어서의 열전달 특성 혹은 열손실 특성을 존마다 다르기 때문에 웨이퍼 열전대(24a, 24b 및 24) 또는 내부 열전대(19a, 19b 및 19c)에 의한 측정온도는, 설정온도에 대하여 제2도와 같이 존마다에 경시적인 차이가 생긴다.

본 실시예에 의하면, 반응관(4)내부에서의 각 존의 경시적 차이는, 시간차 계측회로(46)에 의해서 소정의 비교 기준 온도점에서의 온도상승 지연시간인 시간차(TD1,TD2 및 TD3)로서 측정되며, 측정시간차를 제5도와 같은 500℃를 기준하여 750℃, 1000℃, 1200℃로 온도상승시킨 온도상승시간차 테이블로서 메모리(23)내에 기억된다.

이와 같이 하여, 반도체웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도로 될 때까지 온도차의 측정을 하여, 온도제어용 데이터를 수집한 후, 강제 공냉장치를 동작시켜, 히터 전원(20)을 오프로 하거나, 혹은 공급전력을 저하시켜 소정의 언로딩온도, 즉 500℃로 하여, 웨이퍼보트(6)를 재차 하강시켜서 더미웨이퍼(DWa,DWb 및 DWc)를 탈거한다. 그 때, 강온시에 생기는 시간차에 대해서도 시간차 테이블로서 메모리(23)내에 기억시켜 두는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 예에서는, 피처리체인 반도체웨이퍼(W)의 표면 영역에서의 균일한 온도제어를 하기 위하여 웨이퍼 열전대(24a,24b 및 24c)를 사용하여 온도제어용 데이터를 수집하였으나, 그렇게 하지 않고, 단순히 내부열전대(19a,19b 및 19c)에 의하여 반응관(4)내의 각 존의 온도상승시간차를 계측하므로서 온도제어용 데이터를 얻는 것보다 간편한 방법을 채용하는 것도 가능하다.

이상과 같이 하여, 온도제어용의 데이터를 작성한 후, 실제의 처리동작에 들어간다. 이 때, 우선 흡기구(8) 및 배기구(11)의 셔터(27 및 28)를 닫아서 흡기구(8)와 배기구(11)를 막는다.

웨이퍼보트(6)에 미처리 반도체웨이퍼(W)를 장착하고, 승강기구(7)의 구동에의해서 웨이퍼보드(6)를 상승시켜 반응관(4)내에 삽입한다.

다음에, 온도콘트롤러(21)를 실처리 모드로 하여, 각 존마다의 히터(5a,5b 및 5c)의 구동을 한다. 그 때에, 본 발명에 의하면, 데이터 수집모드에서 획득된 제5도의 시간차 테이블로부터 산출된 시간차에 의거해서, 각 히터(5a,5b 및 5c)의 구동 타이밍을 제어하는 것이 가능하다. 그 구동 타이밍제어의 모양을 제3(a)도 및 제3(b)도에 도시한다.

실시예의 제1의 제어예에 의하면, 제3(a)도와 같이, 메모리(23)에 기억되어 있는 시간차 테이블에 의거해서, 각 존의 시간차에 상쇄되도록 예로서 가장 온도상승이 빠른 존에 맞게, 온도상승이 늦은 존의 히터를 시간차 분만큼 빠른 타이밍으로 구동시키기 위한 램프신호를 온도 콘트롤러(21)의 램프신호 발생회로(42)에 의하여 작성하여, 시간차 보정을 한 설정온도에 대응하는 램프신호를 PID콘트롤러(43)로 보내는 것이 가능하다. 이와 같이 하여 사전에 시간차 보정을 한 설정온도에 의하여 각 존의 히터(5a,5b,5c)를 피드포워드 제어하여 줌으로써, 존마다 다른 온도상승특성 혹은 열손실 특성을 가짐에도 불구하고, 피처리체를 균일하게 온도상승 혹은 강온시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 다른 예에 의하면, 제3(b)도와 같이, 각 존의 히터(5a,5b,5c)사이의 온도상승 타이밍만을 조정할 뿐만 아니라, 프로세스 콘트롤러(41)가 사전에 가지고 있는 최적치를 위한 설정온도와 실제의 온도상승시간과의 시간차에 대해서도 계측하여, 그 시간차가 상쇄되도록 시간차 보정을 한 설정온도를 PID콘트롤러(43)로 보내서, 각 존의 히터가 각각 최적 처리를 위한 설정온도와 일치하도록, 구동 타이밍을 조정하는 것도 가능하다. 그와 같은 피드포워드제어에 의하여, 피처리체를 프로세스가 의도하는 최적 온도조건으로, 또한 균일하게 온도상승 혹은 강온시키는 것이 가능하게 된다.

이상과 같이 온도제어하여, 반도체웨이퍼(W)를 목표온도까지 가열하고, 그 온도를 유지한 상태에서 반응가스 도입관로(13)로부터 소정의 처리가스, 즉 산호를 반응관 내로 도입하여 반도체웨이퍼(W)의 표면에 산화막을 형성한다. 이 산화막 형성처리를 소정시간 행한 후, 배기팬(12) 및 급기팬(10)을 회전시켜 강온을 한다. 이 강온시에도, 메모리(23)에 기억시킨 강온시의 시간차 테이블에 의해서, 각 존의 히터(5a,5b,5c)를 오프로 하는 타이밍을 조정해서, 시간차를 상쇄하므로서, 균일한 온도로 반도체웨이퍼(W)를 강온시키는 것이 가능하게 된다. 다만 온도상승이 늦은 타이밍으로 구동하여도 좋다.

또, 강온시에는 내부 열전대(19a,19b 및 19c)의 온도를 검출하여 희망하는 강온속도가 되도록 하고, 배기팬(12) 및 급기팬(10)의 회전수를 변화시키도록 온도 콘트롤러(21)로 제어함과 동시에, 반응관(4)내에 퍼지가스를 도입하여, 퍼지처리를 한다. 이와 같이 하여 반응관(4)내의 온도가 소정온도, 즉 실온까지 저하한 후, 배기팬(12) 및 급기팬(10)을 정지시키고, 승강기구(7)의 구동에 의하여 웨이퍼보트(6)를 하강시켜서, 처리가 완료된 반도체웨이퍼(W)를 꺼내어 처리작업은 완료한다.

그리고, 상기 실시예에서는, 히터(5)를 반도체웨이퍼(W)의 배열방향을 따라서 3분할하여 설치함과 동시에, 온도검출수단인 히터부 열전대(22), 내부 열전대(19) 및 웨이퍼 열전대를 각각 3개소에 존 분할하여 온도측정을 하는 경우에 관해서 설명하였으나, 본 발명은 그와 같은 예에 한정되지 않는다. 히터 및 온도측정수단은, 반드시 3분할일 필요는 없고, 2분할 이상이면 임의의 수로 분할하는 것이 가능하다.

이상 설명과 같이, 상기 실시예의 온도제어 방법에 의하면, 처리로 내의 각 존의 상이하는 열손실 특성에 의하여, 각 존의 온도상승시간이 불균일 하여도, 그 시간차가 사전에 상쇄되도록 각 존의 가열장치의 구동타이밍이 조정되므로, 최적이면서도 균일한 온도상승 혹은 강온을 실시하는 것이 가능하다. 더욱이 그와 같은 온도제어를 단일의 온도 콘트롤러로 실시하는 것이 가능하므로 장치 구성을 간단하게 하는 것이 가능하다.

다음에, 열처리장치의 온도제어 방법을 반도체웨이퍼의 세로형 고속 열처리로에 적용한 제2의 실시예에 관해서 상세히 설명한다.

제6도에 도시한 세로형 열처리로는, 수평으로 고정된 기초대(51)상에 수직으로 지지된 단열성의 정상부를 가지는 대략 원통형상인 관 형상로(52)와, 그 관형상 로(52)의 내측에 소정의 간격(53)을 두고 삽입된 석영 등으로서 이루어지는 정상부를 가지는 대략 원통형상의 반응관(54)과, 관 형상로(52)의 내부 둘레벽에 나선형상으로 배열 설치된 예컨대 저항 발열체 따위의 히터(55)와, 여러개의 피처리체, 예로서 반도체웨이퍼(W)를 수평상태로 수직방향에 다수 배열 유지하는 것이 가능한 석영 따위의 웨이퍼보트(6)와, 이 웨이퍼보트(56)를 승강시키기 위한 승강기구(57)로서 주요부가 구성되어 있다.

또한, 관형상 로(52)의 저면부에는 간격(53)에 연이어 통하는 흡기구(58)가 설치되어 있으며, 적당한 매니폴드(59)를 통해서 접속된 급기팬(60)에 의하여 간격(53)내에 냉각공기를 공급하는 것이 가능하다. 또, 관형상 로(52)의 정상부에는 마찬가지로 간격(53)에 연이어 통하는 배기구(61)가 설치되어 있으며, 간격(53)내의 공기를 배기하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.

또, 반응관(4) 저면부에는 도시가 생략된 가스원에 유량제어장치를 통해서 접속된 반응가스 공급관로(62)가 설치되어 있으며, 반응관(54)내부의 처리실(63)에 소정의 반응가스를 도입하는 것이 가능하다. 또한, 반응관(54) 저면부에는 도시가 생략된 진공펌프 따위의 배기수단에 접속된 배기관로(64)가 접속되어 있으며, 처리실(63)내를 소정 압력으로 진공흡인하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.

또, 웨이퍼 보트(56)는 반도체 웨이퍼(W)를 다단 형상으로 유지하는 유지부(56a) 아래에 보온통(65)을 통해서 덮개체(66)를 갖추고 있으며, 승강기구(57)에 의하여 웨이퍼보트(56)를 상승시키므로서, 덮개체(66)가 반응관(54)의 저면부의 개구를 기밀하게 봉하는 것이 가능하므로, 처리시에는 처리실(63)내를 배기관로(64)를 사용해서 진공흡인하고, 또한 배기관로(60)로부터의 배기를 하면서 반응가스 공급관로(62)로 부터 소정의 반응가스를 처리실(63)내로 도입하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.

다음에 상술한 바와 같이 구성된 세로형 처리로의 온도제어계에 관해서 설명한다.

온도제어계는, 반도체웨이퍼(W)의 배열방향에 따라서 여러개(도시한 예에서는 상부, 중앙부, 하부)로 분할 배치되는 상부히터(55a), 중앙부히터(55b) 및 하부히터(55c)와 관형상로(52)의 각 히터에 대응한 여러개소(도시의 예에서는 상부, 중앙부 및 하부)에 배치되는 온도 검출수단, 이를테면 열전대 따위로부터 구성되는 온도센서(67a,67b,67c)를 갖추고 있다. 이와 같이, 본 발명에 의하면 온도센서(67a,67b,67c)는 반응관(54)의 외부에서 히터(55a,55b,55c)의 근방에 설치하는 것만으로도 충분하며, 종래의 온도제어 방법과 같이 반응관(54) 내부에 온도센서를 설치할 필요가 없다. 그리고 도시한 예에서는, 온도센서(67a,67b,67c) 3개를 상부, 중앙부 및 하부에 배치하고 있으나, 온도센서의 수 및 설치장소는 본 실시예에 한정되지 않는다. 온도의 존 제어를 행하지 않는 경우에는 단일 온도센서에 의하여 온도제어를 하는 것도 가능하다. 또, 도시한 예에서는, 외부 온도센서(67a,67b,67c) 뿐이며, 내부 온도센서를 설치하고 있지 않으나, 필요에 따라서 적절히 내부 센서를 설치하여, 예컨대 보정신호의 파라미터를 얻는 구성으로 하는 것도 가능하다.

온도센서(67a,67b,67c)에 의하여 검출된 온도신호는, 적절히 온도제어기(68)에 송신되어, 뒤에 설명하는 바와 같이 본 발명에 의거 보정된 설정온도 레시피에 의거해서 가공되고, 제어신호로서 히터 전원(69)에 보내어져 히터(55a,55b,55c)의 출력을 제어하거나 혹은 인버터(70)로 보내어져, 급기팬(60)을 주파수 제어하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.

그리고, 도시한 예에서는 히터전원(69) 및 인버터(70)는 각각 하나가 설치되는 것에 불과하나, 예로서 위 설명과 같이 온도를 존 제어하는 경우에는 각각의 존에 설치된 히터에 대응하는 여러개의 히터전원을 설치하는 것도 가능하며,혹은 냉각성능을 향상시키기 위하여 배기구(61)에 도시하지 않은 강제 배기팬을 설치하는 경우에는 그 배기팬의 회전수를 제어하기 위한 인버터를 설치하는 것도 가능하다.

다음에, 상술한 바와 같이 구성된 세로형 열처리로를 실시예 2의 온도제어방법에 의하여 온도제어 하는 것에 관하여 설명한다. 제7도는 실시예 2에서 사용되는 피드포워드신호의 파형을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이 본 실시예에 의해서 사용되는 피드포워드(FF)신호는 식(1)에 도시하는 바와 같은 지수함수 f(t)

f(t) = E * exp (-t / T)

(여기에서, E는 최대 진폭온도를 나타내며, T는 시정수를 나타낸다)에 의하여 근사되는 신호이다. 즉, 발명자들의 지식에 의하면, 처리실의 내부온도와 외부온도가 1차 지연계의 전달함수에 의하여 근사되므로, 상기와 같은 지수함수로 근사되는 피드포워드 신호 f(t)에 의하여 제어응답을 신속하게 할 수가 있다.

그 합성의 모양을 제8도에 도시한다. 도시한 바와 같이 가령 500℃로 부터 1000℃까지 처리실 내의 설정온도를 상승시키키 위한 램프신호(A)가 있었을 경우, 이 램프신호(A)를 그대로 온도콘트롤러(18)에 입력하면, 처리실 외부로부터 내부로의 열의 전달지연 때문에, 처리실내의 온도제어 응답은 늦어, 램프신호에 표시되는 소망하는 상승을 얻을 수는 없다. 그래서, 본 실시예에 의해서 구한 피드포워드신호f(t) (B)를 램프신호(A)와 합성하여, 합성 설정온도신호(C)를 구하고, 그 신호(C)를 온도 콘트롤러에 입력한 경우에는, 시정수(T)와 최대 진폭 온도(E)에 의하여 최초 결정되는 피드포워드 신호분만큼 앞당겨 히터 출력이 높아지므로, 그 신호분 만큼 처리실내의 온도제어 응답을 빠르게 하는 것이 가능하게 된다.

그리고, 피드포워드신호 f(t)를 구하기 위한 최대진폭온도(E) 및 시정수(T)는, 실험적으로 혹은 시뮬레이션에 의하여 구하는 것이 가능하다. 또, 상기 예에서는 램프신호(A)에 대해서 하나의 피드포워드신호(B)를 가하고 있으나, 예로서 웨이퍼보트 삽입시에 온도가 저하한 시점에서 혹은 램프신호의 상승 시점에서, 혹은 램프신호의 종점 시점에서, 적절하게 최적 피드포워드신호(B)를 램프 신호(A)에 가하여, 절정 온도를 피드포워드 제어하는 것이 가능하다. 또한, 여러개의 존마다에 온도제어를 행하는 경우에는, 여러개의 램프신호(A1,A2…………)에 대해서 동일한 혹은 상이한 피드포워드신호(B1,B2…………)를 인가해서, 최적 제어조건을 구하는 것이 가능하다.

제9도에는 실시예 2에 의거하는 온도제어 방법을 실시하는 블록도가 도시되어 있다. 도시하는 바와 같이 설정온도회로(81)는 사전에 설정되어 있는 소망하는 설정온도에 대응하는 설정온도 신호를 합성회로(83)에 출력하며, 피드포워드신호 발생기(FF신호 발생기)(82)는 식(1)에 따라서 생성된 피드포워드신호(FF신호)를 합성회로(83)에 출력한다.

제10도에 도시하는 바와 같이 설정온도 신호(A) 및 FF신호(B)를 합성하여, 합성설정온도 신호(C)를 생성한다. 그리고, FF신호를 만들어 내는 타이밍과 설정온도는 예로서 도시가 생략된 프로세스 콘트롤러의 레시피에 사전에 지정하는 것이 가능하다. 또, FF신호를 만들어내기 위한 최대 진폭치(E)와 시정수(T)는, 예로서 FF신호 발생기(82)에 한 조 이상의 데이터패턴으로서 기억시켜 두는 것이가능하다. 또한, 이 FF신호 발생기(82)는, 뒤에 설명하는 온도콘트롤러(84)의 일부로서 혹은, 프로세서 콘트롤러의 일부로서 혹은 독립된 장치로서 구성하는 것이 가능하다.

상기와 같이 하여 FF와 설정온도 신호를 합성한 합성설정온도 신호(C)는, 실제의 온도제어의 설정온도로서 온도콘트롤러(84)에 부여되고, 그곳으로부터 제어신호가 전력제어기기(85)로 보내어져서, 히터(86)의 출력이 조정된다. 이 히터(86)에 의한 가열온도는 외부 온도센서(87)에 의하여 적절히 검출되고, 온도콘트롤러(84)에 피드백되며, 그 온도신호와 합성설정온도 신호를 일치시키도록 온도콘트롤러(84)는 전력제어기기(85) 및 히터(86)를 제어한다.

실시예 2에 의한 온도제어의 결과를 제11도에 도시한다. 도시와 같이 통상적인 오도제어를 행한 경우에는 외부온도(TB)가 오버슈트를 발생시키지 않도록 제어되어서 목표온도, 예컨대 700℃로 램프업된다. 이에 따라서 내부온도(tb)는 완만하게, 즉 늦은 제어응답으로 목표온도에 점차 접근하여 간다. 그러나, 본 실시예에 의거하는 온도제어를 행한 경우에는, 외부온도(TA)가 달성온도 보다도 일단 오버슈트하며, 그 오버슈트에 따라서 내부온도(ta)도 종래의 방법보다도 신속하게 응답해서 목표온도에 까지 도달하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 실시예의 방법에 의하면, 간단하게 형성 가능한 보정신호를 설정온도 신호에 가하는 것만으로, 외부온도센서에 의한 검출온도를 감시만 하여 처리실의 내부온도의 응답성을 높이는 것이 가능하다.

마지막으로 제2실시예에 의거하는 온도제어 방법을 제6도에 도시한 세로형 열처리장치에 적용하여 산화막 형성처리를 행한 경우에 관해서 간단하게 설명한다.

우선 흡기구(59) 및 배기구(61)의 각각의 셔터(71 및 72)를 닫고, 웨이퍼 보트(56)를 상승시켜서 반도체웨이퍼(W)를 반응관(54)내에 수용한다. 이어서, 히터(55a,55b,55c)에 의하여 반응관(54)내의 처리실(63)을 소정온도, 예로서 1000℃로 가열하는데, 그 경우에, 본 실시예에 의하면, 사전에 설정된 설정온도 신호에 대하여 FF신호가 가하여지고, 히터(55a,55b,55c)의 출력이 일단 오버슈트되어, 내부온도의 응답성이 높아지므로, 신속하게 소망 온도로까지 처리실(63)의 내부온도를 상승시키는 것이 가능하다.

그후, 반응가스 도입관로(62)로부터 소정의 반응가스, 예컨대 산소가 처리실(63)내로 도입되어, 반도체웨이퍼(W)표면에 산화막을 형성하는 것이 가능하다. 처리 종료후에는, 배기관로(64)로 부터 반응가스를 배기함과 동시에, 노 내의 온도를 신속하게 낮추기 위하여, 셔터(71 및 72)를 개방하고, 급기팬(60)에 의해서 관형상로(52)와 반응관(54)과의 사이의 간격(53)에 냉각 공기를 공급하는 것이 가능하다. 이와 같이 하여 처리실(63)내의 온도가 소정 온도까지 저하한 후, 승강기구(57)를 하강시켜서 반도체웨이퍼(W)를 꺼내어, 열처리장치에 의한 산화막 형성처리는 종료된다.

그리고, 실시예 2에서는, 램프업신호 즉 가열신호에 FF신호를 합성하여 보정한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 램프다운 신호 즉, 냉각신호에 FF신호를 합성하여 보정하는 것도 가능하다.

즉, 상기 예에 따라서 설명한다면, 노 내의 냉각시에 급기팬(60)을 인버터(70)에 의해서 주파수 제어를 하는데, 그 때에, 실시예 2 방법에 의하면 인버터(70)로 보내는 램프다운신호에 실시예 2에 의거해서 형성된 FF신호를 합성부가 하므로서, 노 내의 냉각 응답을 빠르게 하는 것도 가능하다. 단, 이 경우에는, FF신호를 형성하기 위해서 사용되는 최대 진폭온도치는 가열의 경우와 달리 마이너스치로 되는 것에 유의할 필요가 있다.

이와 같이 실시예2의 방법에서는, 최대 진폭치를 마이너스치로부터 플러스치까지 제어대상에 따라 적절히 선택하므로서, 가열시에도 냉각시에도 최적인 온도제어를 달성하는 것이 가능하다.

이상 설명과 같이, 제2의 실시예 의하면, 불과 2개의 파라미터에 의해서 최초에 결정되는 FF신호와 소망하는 설정온도 신호를 합성하여, 외부온도를 일단 오버슈트 시키므로, 내부온도의 제어응답을 종래 방법과 비교해서 높이는 것이 가능하다. 그 경우에, 그 합성 설정온도 신호와 외부온도 센서에 의한 검출치가 일치하도록 제어하면 충분하므로, 내부온도센서를 사용하지 않아도 정확하게 신속한 온도제어를 하는 것이 가능하다.

다음에, 제6도에 도시하는 바와 같이 구성된 세로형 열처리로를 본 발명의 실시예 3의 온도제어 방법에 의하여 온도제어하는 방법에 관해서 설명한다. 이 실시예의 온도제어 방법에 사용되는 피드포워드 신호의 파형은 실시예 2의 제7도에 도시한 그것과 같다. 따라서, 피드포워드(FF) 신호는 식(1)에 표시하는 바와 같은 지수함수f(t)에 의하여 근사되는 신호이다.

단, 이 실시예의 경우 E는 최대 진폭조작량을 나타내며, T는 시정수를 나타낸다. 그리고, 조작량으로서는 제어대상에 따라서 최적인 수치, 즉 전력치, 전압치, 전류치, 주파수 등을 선택하는 것이 가능하다.

다음에, 조작량과 보정신호와의 합성의 모양을 제12도를 참조하면서 설명한다. 도시하는 바와 같이 예로서 500℃로부터 1000℃로 까지 처리실내의 설정온도를 상승시키기 위해서는, 가령 히터 전원(69)에 스텝 신호(A′)를 공급할 필요가 있다. 그러나, 이 스텝신호(A′)를 그대로 사용하여 히터전원(69)에 의해서 히터(55a,55b,55c)를 구동시킨 경우에는, 처리실 외부로부터 내부로의 전달지연 때문에, 처리실내의 온도제어 응답은 늦고, 소망하는 설정온도대로의 상승을 얻을 수 없다. 그래서, 본 실시예로 구한 피드포워드 신호 f(t) (B′)를 스텝신호(A′)에 합성하여 합성조작량신호(C′)를 얻고, 그 합성신호에 의거하여 히터(55a,55b,55c)를 구동시킨 경우에는, 시정수(T)와 최대진폭 조작량(E)에 의하여 최초에 결정되는 포드포워드 신호분 만큼 히터 출력이 높아지므로, 그 분 만큼 처리실내의 온도제어 응답을 빠르게 하는 것이 가능하게 된다.

그리고, 피드포워드 신호f(t)를 구하기 위한 최대 진폭조작량(E) 및 시정수(T)는, 실험적으로 혹은 시뮬레이션에 의하여 구하는 것이 가능하다. 또, 상기예에서는 스텝신호(A′)에 대해서 하나의 피드포워드신호(B′)를 가하고 있으나, 예로서 스텝 신호의 상승전에, 혹은 스텝신호의 상승 시점에서 혹은 스텝 신호가 상승한 후에, 적절히 최적 피드포워드신호(B′)를 가하여, 설정온도를 피드포워드 제어하는 것이 가능하다. 또한 여러개의 존마다 온도제어를 하는 경우에는, 여러개의 스텝신호(A1′, A2′,…)에, 동일한 혹은 상이하는 피드포워드신호(B1′, B2′,…)를 합성해서, 최적의 제어조건을 구하는 것이 가능하다.

제13도는, 실시예 3에 의거하는 온도제어방법을 실시하는 블록도를 나타내고 있다. 제시하는 바와 같이 사전에 설정되어 있는 소망하는 설정온도(91)를 온도콘트롤러(92)에 입력하므로서, 온도콘트롤러(92)는 전력제어기기(93)에 구동을 위한 조작량을 결정하는 구동신호를 출력한다. 이 구동신호는, 피드포워드 신호발생기(FF신호 발생기)(94)에 의하여 형성된 피드포워드 신호(FF신호)에 합성회로(95)에서 합성되어, 합성구동신호가 생성된다. 이와 같이 하여 얻어진 합성구동신호가 전력제어기기(93)로 보내어져, 그 신호에 따라서 히터(96)의 출력이 조정된다. 이 히터(96)에 의한 가열 온도는 외부 온도센서(97)에 의하여 적절히 검출되고, 온도콘트롤러(92)에 피드백되며, 그 온도신호와 사전에 설정된 설정온도를 일치시키도록 온도 콘트롤러(94)는 구동신호를 다시 출력하여, 전력제어기기(95) 및 히터(96)를 제어한다. 이와 같이 실시예 3의 방법에 의하면, 온도콘트롤러(92)보다도 후단에서 피드포워드 신호(94)가 입력되므로, 가령 피드포워드 신호가 잘못되어 있어도, 온도센서(97)로부터의 피드백시에 그 잘못을 보정할 수가 있으므로, 처리에 대하여 심각한 데미지를 주지 않는 페일세이프의 시스템을 구축할 수가 있다.

그리고, FF신호를 만들어 내는 타이밍과 설정온도는 도시하지 않은 프로세스콘트롤러의 레시피에 사전에 지정하는 것이 가능하다. 또 FF 신호를 만들어 내기 위한 최대 진폭치(E)와 시정수(T)는, 예로서 FF신호 발생기(92)에 한조 이상의 데이터 패턴으로서 기억시켜 두는 것이 가능하다. 또한 이 FF신호 발생기(92)는, 뒤에 설명하는 온도콘트롤러(94)의 일부로서, 혹은 프로세서 콘트롤러의 일부로서, 혹은 독립된 장치로서 구성하는 것이 가능하다.

또, FF 신호와 구동신호의 합성기능은, 온도콘트롤러(94)의 일부로서, 혹은 전력제어기기(93)의 일부로서, 혹은 독립된 장치로서 구성하는 것이 가능하다.

실시예 3에 의한 오도제어의 결과가 제14도에 도시되어 있다. 도시와 같이 통상적인 온도제어를 한 경우에는, 외부온도(TB)가 오버슈트를 발생시키지 않도록 제어되어서 목표온도, 즉 700℃로 램프업된다. 이에 따라서 내부 온도(슈)는 완만하게, 즉 늦은 제어응답으로 달성온도로 점차 근접한다. 그러나, 이 실시예에 의거하는 온도제어를 한 경우에는, 외부온도(TA)가 목표온도보다도 일단 오버슈트하고, 그 오버슈트에 따라서 내부온도(ta)도 종래의 방법보다도 신속하게 응답해서 목표온도에 까지 도달하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명 방법에 의하면, 간단하게 형성 가능한 보정신호를 설정온도 신호에 가하는 것만으로, 외부온도센서에 의한 검출온도를 감시만하여 처리실의 내부온도의 응답성을 높이는 것이 가능하다.

마지막으로, 실시예 3에 의거하는 온도제어방법을 제6도에 도시한 세로형 열처리장치에 적용하여 산화막 형성처리를 한 경우에 관하여 간단히 설명한다. 우선 흡기구(59) 및 배기구(61)의 각각의 셔터(71 및 72)를 닫고, 웨이퍼 보트(56)를 상승시켜서 반도체 웨이퍼(W)를 반응관(54)내에 수용한다. 이어서, 히터(55a,55b,55c)에 의하여 반응관(54)내의 처리실(63)을 소정온도, 가령 1000℃로 가열하는데, 그 경우, 본 실시예에 의하면, 사전에 설정된 설정온도로까지 온도상승시키기 위한 구동신호가 온도 콘트롤러(68)에 의해서 출력되고, 그 구동신호에 대해서 FF신호가 가하여져, 그 보정구동신호에 의하여 히터(55)가 구동되므로, 히터(55)의 출력이 일단 오버슈트하여, 내부온도의 응답성이 높여져, 신속하게 소망하는 설정온도까지 처리실(63)의 내부온도를 상승시키는 것이 가능하다. 그 때에, 외부온도센서(67a,67b,67c)에 의하여 감시한 외부온도가 FF신호의 인가보다도 전단의 적절 온도콘트롤러(68)에 피드백되므로, 가령 FF신호에 가오가 생긴 경우라도, 그 과오를 보정할 수가 있다.

이와 같이 하여 소망하는 온도까지 온도상승된 처리실(63)내에, 반응가스 도입관로(62)로부터 소정의 반응가스, 즉 산소가 도입되고 반도체 웨이퍼(W)표면에 산화막을 형성하는 것이 가능하다. 처리종료후에는, 배기관로(64)로부터 반응가스를 배기함과 동시에, 노 내의 온도를 신속하게 낮추기 위하여, 셔터(71 및 72)를 개방하고, 급기팬(60)으로 관형상로(52)와 반응관(54)과의 사이에 간격(53)에 냉각공기를 공급하는 것이 가능하다. 이와 같이 하여 처리실(63)내의온도가 소정 온도까지 저하한 후, 승강기구(57)를 하강시켜서 반도체 웨이퍼(W)를 꺼내고, 열처리 장치에 의한 산화막 형성처리는 종료된다.

그리고 실시예에서는, 히터를 구동하기 위한 스텝신호에 FF신호를 합성하고 보정한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 냉각장치를 구동하기 위한 스텝신호에 FF신호를 합성하고 보정하는 것도 가능하다. 즉, 상기예에 따라서 설명하면, 노내의 냉각시에 급기팬(60)을 인버터(70)로 주파수 제어를 하는데 그 때에, 본 실시예의 방법에 의하면, 인버터(70)로 보내는 램프다운 신호에 본 실시예에 의거해서 형성된 FF신호를 합성부가 하므로서, 노 내의 냉각 응답을 빠르게 하는 것도 가능하다. 또한, 보노 실시예에 의하면, 제어대상에 인가되는 조작량 신호의 종류에 따라서, FF신호의 최대 진폭치를 마이너스치로부터 플러스치까지 적절히 선택하는 것이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 불과 2개의 파라미터로 최초에 결정되는 FF신호와 소망하는 설정온도를 달성하고자 온조수단을 구동하기 위한 조작량을 결정하는 구동신호를 합성하고, 외부 온도를 일단 오버슈트시키므로 내부 온도의 제어반응을 종래의 방법과 비교해서 높이는 것이 가능하다. 그 경우에, 그 소망하는 설정온도와 외부온도센서에 의한 검출치가 일치하도록 제어하면 충분하므로, 내부온도 센서를 사용하지 않아도 정확하고 신속한 온도제어를 행하는 것이 가능하다. 또 외부온도 센서에 의한 피드백 신호가 FF제어보다도 전단에 인가되므로, 가령 피드백 신호가 잘못되어 있어도 보정이 가능하며, 페일 세이프한 온도제어 시스템을 구축할 수가 있다.

다음에, 실시예 4를 설명한다. 이 실시예는, 실시예 1과 실시예 2, 3을 조합시킨 실시예이다. 즉 실시예 4는, 실시예 1에서 얻은, 제3(a)도 또는 제3(b)도에 도시되는 램프신호에, 실시예 2, 3에서 얻는 FF신호를 합성한 신호에 의하여 히터전원(20)을 통제하는 실시예이다.

더 자세히 설명하면, 실시예 1의 램프신호 발생회로(42)와 PID콘트롤러(43)와의 사이에 예로서 합성회로(83)가 접속된다. 이 합성회로(83)는 램프신호 발생회로(83)로부터의 램프신호에 FF신호 발생기(82)로부터의 FF신호를 합성하여, 합성신호를 PID콘트롤러(43)에 입력한다. PID콘트롤러(43)는 합성신호에 따라서 히터전원(20)을 제어한다. 따라서, 이 실시예 4에 의하면, 실시예 1 및 실시예 2, 3의 특징을 겸한 효과가 얻어진다. 즉, 처리로내의 각 존의 상이하는 열손실 특성에 의하여, 각 존의 온도상승시간이 불균일하여도, 그 시간차가 사전에 상쇄되도록 각 존의 가열장치의 구동타이밍이 조정되므로, 최적이며 균일한 온도상승 혹은 강온을 실시할 수가 있음과 동시에 내부 온도의 제어응답을 종래의 방법과 비교해서 높일 수가 있다.

상술한 실시예 1 내지 4의 온도제어방법을 반도체 웨이퍼의 세로형 열처리장치에 적용한 경우에 관해서 설명하였으나, 반도체 웨이퍼 이외의 가령 유리기반, LCD기반 따위의 피처리체의 열처리장치의 온도제어에도 응용하는 것이 가능하다.

Claims

피처리체가 수납되고 여러개의 분할영역으로 나누어지는 열처리실에 설치되는 가열수단에 의하여, 상기 열처리실의 여러개의 분할영역을 가열하는 스텝과, 상기 열처리실의 상기 여러개의 분할영역이 소정온도로부터 적어도 하나의 기준온도까지 온도상승되는 온도상승시간을 측정하고, 이들 온도상승시간의 차를 구하여 기억하는 스텝과, 상기 온도상승시간차가 작아지도록 가장 온도상승의 빠른 분할영역에 맞도록, 온도상승이 늦은 분할영역을 시간차 분 만큼 빠른 타이밍으로 상기 분할영역을 각각 가열하도록 상기 가열수단을 제어하는 스텝을 포함하는 열처리장치의 온도제어방법.
제1항에 있어서, 시간차를 구하고 기억하는 상기 스텝은, 최적 처리를 위한 설정온도와 측정한 온도상승시간과의 시간차도 계측하며, 이들 시간차를 상쇄하도록 상기 온도상승 시간차를 보정하는 스텝을 포함하는 온도제어방법.
제1항에 있어서, 시간차를 구하고 기억하는 상기 스텝은, 상기 소정온도를 500℃로 하고, 상기 기준온도를 750℃, 1000℃, 1200℃중 적어도 하나로 하여 상기 분할영역을 온도상승시켰을 때의 온도상승시간차를 구하고 온도상승시간차 테이블을 기억하는 온도제어방법.
피처리체가 수납되고 여러개의 분할영역으로 나누어지는 열처리실에 설치되는 가열수단에 의하여, 상기 열처리실을 소정의 설정온도로 상승시키기 위한 제1신호를 생성하는 스텝과, 상기 열처리실의 외부로부터 내부로의 열의 전달지연에 대응하는 제2신호를 생성하는 스텝과, 상기 제1신호 및 상기 제2신호를 합성하고 합성신호를 생성하는 스텝과, 상기 열의 전달지연을 상쇄하도록 상기 합성신호에 따라서 상기 열처리실의 여러개의 분할영역을 각각 가열하는 가열수단을 제어하는 스텝을 포함하는 열처리장치의 온도제어방법.
제4항에 있어서, 제2신호를 생성하는 스텝은, 다음 식에 의해서 구하여지는 지수함수 f(t)에 근사하는 피드포워드 신호를 상기 제2신호로서 생성하고, f(t) = E * exp(-t/T) ……… (1) (단, E는 최대진폭온도를 나타내며, T는 시정수를 나타냄) 합성신호를 생성하는 상기 스텝은 상기 제1신호와 상기 제2신호를 직접 합성하는 온도제어 방법.
제4항에 있어서, 상기 제1신호를 제어조작량 신호로 변환하는 스텝을 가지며, 제2신호 생성 스텝은 다음식에 의하여 구하여지는 지수함수 f(t)에 근사하는 피드포워드 신호를 상기 제2신호로서 생성하고, f(t) = E*exp(-t/T) ………(1) (단, E는 최대진폭 조작량을 나타내며, T는 시정수를 나타냄) 합성하는 상기 스텝은, 상기 제어조작량 신호와 상기 피드포워드 신호를 합성하는 온도제어방법.
피처리체가 수납되고 여러개의 분할영역으로 나누어지는 열처리실에 설치되는 가열수단에 의하여, 상기 열처리실을 소정의 설정온도로 상승시키기 위한 제1신호를 생성하는 스텝과, 상기 열처리실의 외부로부터 내부로의 열 전달 지연에 대응하는 제2신호를 생성하는 스텝과, 상기 제1신호 및 상기 제2신호를 합성하고 합성신호를 생성하는 스텝과, 상기 열의 전달지연을 상쇄하도록 상기 합성신호에 따라, 상기 열처리실에 설치되는 가열수단에 의해서, 상기 열처리실의 여러개의 분할영역을 가열하는 스텝과, 상기 열처리실의 상기 여러개의 분할영역이 소정 온도로부터 적어도 하나의 기준온도까지 온도상승되는 온도상승시간을 측정하고, 이들 온도상승시간의 차를 구하여 기억하는 스텝과, 상기 온도상승시간차가 작아지도록 가장 온도상승의 빠른 분할영역에 맞도록, 온도상승의 늦은 분할영역을 시간차 분 만큼 빠른 타이밍으로 상기 분할영역을 각각 가열하도록 상기 가열수단을 제어하는 스텝을 포함하는 열처리장치의 온도제어방법.
제7항에 있어서, 시간차를 구하여, 기억하는 상기 스텝은, 최적 처리를 위한 설정온도와 측정한 온도상승시간과의 시간차도 계측하여, 이들 시간차를 상쇄하도록 상기 온도상승시간차를 보정하는 스텝을 포함하는 온도제어방법.
제7항에 있어서, 제2신호를 생성하는 스텝은, 다음 식에 의하여 구하여지는 지수함수 f(t)에 근사하는 피드포워드 신호를 상기 제2신호로서 생성하고, f(t) = E*exp(-t/T) (단, E는 최대 진폭온도를 나타내며, T는 시정수를 나타냄) 합성신호를 생성하는 상기 스텝은, 상기 제1신호와 상기 제2신호를 직접 합성하는 온도제어방법.
제7항에 있어서, 상기 제1신호를 제어 조작량 신호로 변환하는 스텝을 가지며, 제2신호 생성 스텝은, 다음식에 의해서 구하여지는 지수함수 f(t)에 근사하는 피드포워드 신호를 상기 제2신호로서 생성하고, f(t) = E*exp (-t/T)(단, E는 최대진폭 조작량을 나타내며, T는 시정수를 나타냄) 합성하는 상기 스텝은, 상기 제어조작량 신호와 상기 피드포워드 신호를 합성하는 온도제어방법.
피처리체를 수납하고, 여러개의 분할영역으로 나누어지는 열처리실과, 상기 열처리실에 설치되고, 상기 여러개의 분할영역을 가열하는 가열수단과, 상기 여러개의 분할영역의 소정 온도로부터 적어도 하나의 기준온도까지 온도상승되는 온도상승시간을 측정하고, 이들 온도상승시간의 차를 구하여, 온도 상승시간차를 기억하는 온도상승시간 측정수단과 상기 온도상승시간차가 작아지도록 가장 온도상승이 빠른 분할영역에 맞도록, 온도상승이 늦은 분할영역을 시간차 분만큼 빠른 타이밍으로 상기 분할영역을 각각 가열하도록 상기 가열수단을 제어하는 가열제어수단을 포함하는 열처리장치의 온도제어장치.
제11항에 있어서, 상기 온도상승시간차 측정수단은, 최적처리를 위한 설정온도와 측정한 온도상승시간과의 시간차도 계측하여, 이들 시간차를 상쇄하도록 상기 온도상승시간차를 보정하는 수단을 포함하는 온도제어장치.
피처리체를 수납하고, 여러개의 분할영역으로 나누어지는 열처리실과, 상기 열처리실에 설치되고, 상기 여러개의 분할영역을 가열하는 가열수단과, 상기 열처리실을 소정의 설정온도로 상승시키기 위한 제1신호를 생성하는 제1신호 발생수단과, 상기 열처리실의 외부로부터 내부로의 열 전달지연에 대응하는 제2신호를 생성하는 제2신호 생성수단과, 상기 제1신호 및 상기 제2신호를 합성하여, 합성신호를 생성하는 합성수단과, 상기 열의 전달지연을 상쇄하도록 상기 합성신호에 따라서 상기 열처리실의 여러개의 분할영역을 각각 가열하는 상기 가열수단을 제어하는 제어수단을 포함하는 열처리장치의 온도제어장치.
제13항에 있어서, 상기 제2신호 생성수단은, 다음 식에 의하여 구하여지는 지수함수 f(t)에 근사하는 피드포워드 신호를 상기 제2신호로서 생성하고, f(t) = E*exp(-t/T) ……… (1) (단, E는 최대 진폭온도를 나타내고, T는 시정수를 나타냄) 합성신호를 생성하는 상기 스텝은 상기 제1신호와 상기 제2신호를 직접 합성하는 온도제어장치.
제13항에 있어서, 상기 제1신호를 제어조작량 신호로 변환하는 수단을 가지며, 제2신호 생성수단은, 다음 식에서 구하여지는 지수함수 f(t)에 근사하는 피드포워드 신호를 상기 제2신호로서 생성하고, f(t) = E*exp(-t/T) (단, E는 최대진폭조작량을 나타내며, T는 시정수를 나타냄) 합성하는 상기 스텝은 상기 제어조작량 신호와 상기 피드포워드 신호를 합성하는 온도제어장치.
피처리체를 수납하고, 여러개의 분할영역으로 나누어지는 열처리실과, 상기 열처리실에 설치되고, 상기 여러개의 분할영역을 가열하는 가열수단과, 상기 열처리실을 소정의 설정온도로 상승시키기 위한 제1신호를 생성하는 제1신호 생성수단과, 상기 열처리실의 외부로부터 내부로의 열의 전달지연에 대응하는 제2신호를 생성하는 제2신호 생성수단과, 상기 제1신호 및 상기 제2신호를 합성하여, 합성신호르 생성하는 합성신호 생성수단과, 상기 열의 전달지연을 상쇄시키도록 상기 합성신호에 따라서 상기 열처리실의 여러개의 분할영역을 가열하기 위하여 상기 가열수단으르 제어하는 제어수단과, 상기 열처리실의 상기 여러개의 분할 영역이 소정 온도로부터 적어도 하나의 기준온도까지 온도상승되는 온도상승시간을 측정하고, 이들 온도상승시간의 차를 구하여, 온도상승시간차를 기억하는 온도상승 시간차 측정수단과, 상기 온도상승 시간차가 작아지도록 가장 온도상승이 빠른 분할영역에 맞도록, 온도상승이 늦은 분할영역을 시간차 분만큼 빠른 타이밍으로 상기 분할영역을 각각 가열하도록 상기 가열수단을 제어하는 가열수단을 포함하는 열처리장치의 온도제어장치.