KR100377012B1 - 급속열처리 장치의 온도보정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 급속열처리 장치의 온도보정 방법에 관한 것으로서, 급속열처리 장치에서 급속열처리 공정 수행온도의 신뢰성 확보를 위해 해당시간의 실측온도와 과거의 실측온도 및 피보정 온도의 과거 정보를 이용하여 온도 변화의 동특성에 따라 보정 파라미터를 획득하여 공정별로 독립적으로 적용하여 온도보정을 행함으로써 웨이퍼 상의 온도 균일도나 웨이퍼 간의 온도 균일도를 유지할 수 있으며, 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

급속열처리 장치의 온도보정 방법{METHOD FOR REPAIRING TEMPERATURE OF RAPID THERMAL APPARATUS}

본 발명은 급속열처리 장치의 온도보정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급속열처리 장치에서 급속열처리 공정 수행온도의 신뢰성 확보를 위해 해당시간의 실측온도와 과거의 실측온도 및 피보정 온도의 과거 정보를 이용하여 온도 변화의 동특성에 따라 보정 파라미터를 획득하여 공정별로 적용하도록 한 급속열처리 장치의 온도보정 방법에 관한 것이다.

최근 반도체 장치의 고집적화와 함께 반도체 소자에 사용되는 웨이퍼의 구경이 점점 커지고 있는 반면, 반도체 소자의 제조시 열적 예산(Thermal Budget)은 낮아지는 관계로 반도체 소자의 제조에 급속열처리가 많이 이용되고 있다. 이와 같이급속열처리를 함에 있어서, 웨이퍼의 모든 면적에 걸친 온도균일성은 웨이퍼에 주입된 불순물층의 균일한 확산과 산화막과 같은 물질막을 균일하게 성장시키기 위하여 매우 중요하다.

도 1a는 종래 급속열처리 장치를 설명하기 위한 개략도이고, 도 1b는 도 1a에 따른 급속열처리 장치에서 온도 제어기를 설명하기 위한 개략도이다.

도 1a를 참조하면, 급속열처리 장치는 열원장치(20), 석영창(30) 또는 석영챔버, 파이로미터(41)로 이루어진 온도측정부및 온도제어부로 구성된 온도제어기, 및 가스공급부 등으로 이루어진다.

열원장치(20)로는 텅스텐-할로겐 램프가 주로 사용되며, 텅스텐-할로겐 램프로부터 방사되는 적외선에 의하여 웨이퍼(10)를 가열하게 된다. 석영창(30) 또는 석영챔버는 대기로부터 웨이퍼(10)를 분리시켜 급속열처리 공정을 진행하는 동안 일정한 분위기를 유지시켜 주고 대기 중의 먼지 등의 오염물질로부터 웨이퍼(10)를 보호하는 한편, 열원장치(20)로부터 방사되는 적외선을 투과시켜주는 역할을 한다.

온도측정부는 비접촉 방식으로 웨이퍼(10)의 온도를 빠르게 측정하기 위하여 주로 파이로미터(Pyrometer)(41)가 사용된다. 파이로미터(41)는 웨이퍼(10)가 가열되어 방출하는 특정 파장의 세기를 검출하게 된다.

도 1b를 참조하면, 파이로미터(41)에 의하여 검출된 파장은 파이로미터 판독기(42)에 의하여 온도로 판독되고, 판독된 온도가 온도제어부(50)에 입력되면 온도제어부(50)에서는 설정된 공정 조건 즉, 레시피(Recipe)에서 지정하는 온도와 웨이퍼(10)의 온도를 맞추기 위하여 비교 제어값을 출력하게 된다. 파워 콘트롤러(60)에서는 온도제어부(50)에서 출력된 신호를 입력받아 제어된 전력을 열원장치(20)로 공급하게 된다.

이와 같은 급속열처리 장치에 있어서 웨이퍼의 온도를 정확히 측정하는 것은 급속열처리 공정의 신뢰성과 반도체장치의 질을 결정하는 매우 중요한 요소이므로 파이로미터의 성능은 매우 중요하다. 하지만, 파이로미터는 공정을 진행하는 동안의 웨이퍼 상태 즉, 온도에 따른 방사율(Emissivity), 챔버의 기하학적 특성, 파이로미터의 스펙트럼 파장, 및 웨이퍼 상에 형성된 박막의 종류 및 두께에 의하여 매우 민감하게 동작한다.

따라서, 공정 진행 중의 여러 조건에 의하여 파이로미터에서 검출되는 온도가 변화하게 될 뿐 만 아니라, 파이로미터와 웨이퍼와의 거리, 파이로미터에서 측정 부분의 오염 등으로 온도에 대한 오차 범위가 ±1℃ 이하인 정확도를 유지해야 하는 급속열처리 공정에서 웨이퍼 상의 온도 균일도나 웨이퍼 간의 온도 균일도 형성에 많은 장애를 유발하고 있다.

따라서, 초기 설치시 및 챔버를 클리링 하기 위하여 파이로미터를 챔버로부터 분리 한 후 다시 장착하는 등의 공정 뿐만 아니라, 정기적으로 오차 보정 절차를 수행하고 있다.

그런데, 파이로미터의 하드웨어적인 정기적인 오차 보정 절차를 수행함에도 불구하고 공정을 진행하는 공정조건에 따라 다르게 독립적으로 적용되지 못하고 있으며, 단면가열 방식 급속열처리 장치의 경우 웨이퍼의 배면에 설치된 파이로미터에 의해 온도를 측정하지만 실질적으로 중요한 부분은 막질이 올라가 있는 웨이퍼의 표면온도와 차이가 발생하기 때문에 도 2에 도시된 바와 같이 열처리 공정의 기준온도(B)에 따라 웨이퍼의 배면에 설치된 파이로미터에 의한 웨이퍼의 하부온도(A)를 측정하면서 온도제어를 수행하게 된다. 그러나, 웨이퍼의 상부에 설치된 열전대에 의해 측정된 웨이퍼의 상부온도(C)는 기준온도에 미치지 못하고 있음을 볼 수 있다.

또한, 온도대에 따라 웨이퍼의 배면온도와 표면온도의 차이가 다르게 발생하게 되는데 이를 반영하지 않고 보정이 이루어지는 문제점이 있다.

이것은 급속열처리 공정의 특성상 급속열처리 공정 직후에 공정의 결과를 직접 확인할 수 없고 후 공정으로 넘어간 웨이퍼가 최종 완성된 다음에야 열처리 공정의 문제점을 발견할 수 있기 때문이다. 따라서, 이것은 웨이퍼 생산수율을 향상시키는 데 있어서 커다란 걸림돌로 작용하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 급속열처리 장치에서 급속열처리 공정 수행온도의 신뢰성 확보를 위해 해당시간의 실측온도와 과거의 실측온도 및 피보정 온도의 과거 정보를 이용하여 온도 변화의 동특성에 따라 보정 파라미터를 획득하여 공정별로 적용하도록 한 급속열처리 장치의 온도보정 방법을 제공함에 있다.

도 1a는 종래 급속열처리 장치를 설명하기 위한 개략도이다.

도 1b는 도 1a에 따른 급속열처리 장치에서 온도 제어기를 설명하기 위한 개략도이다.

도 2는 종래의 급속열처리 장치에서 기준온도와 웨이퍼의 상하부 온도변화를 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명에 의한 온도보정이 이루어진 급속열처리 장치에서 기준온도와 웨이퍼의 상하부 온도변화를 나타낸 그래프이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

10 : 웨이퍼 20 : 열원장치

30 : 석영창 41 : 파이로미터

42 : 파이로미터 판독기 50 : 온도제어부

60 : 파워 콘트롤러

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 급속열처리 장치에서 온도보정을 위한 보정 시작온도를 설정하는 단계와, 다양한 열처리 공정조건에 따른 온도보정 파라미터를 획득하는 단계와, 획득된 온도보정 파라미터들을 각각 열처리 공정조건에 따라 저장하는 단계와, 저장된 온도보정 파라미터 중에서 공정조건에 해당되는 온도보정 파라미터를 읽어와 적용하여 해당시간의 실측온도와 과거의 실측온도 및 과거의 보정온도를 기반으로 하기식에 의해 보정온도를 산출하는 단계와, 산출된 보정온도에 따라 열처리 공정을 진행하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

(하기식)

이때,(t)은 해당스텝의 보정온도,(t-1)은 1스텝전의 보정온도,

(t-2)는 2스텝전의 보정온도, Ys(t)는 해당스텝의 측정온도,

Ys(t-1)은 1스텝전의 측정온도, Ys(t-2)는 2스텝전의 측정온도,

p1, p2, p3, ... 와 q1, q2, q3, ...는 공정조건에 따른 온도보정 파라미터이다.

위에서 온도보정 파라미터를 획득하는 단계는 웨이퍼의 하부온도와 웨이퍼의 상부온도간의 격차를 보상하기 위한 상관성을 파라미터로 획득하는 것을 특징으로 한다.

이때 웨이퍼 하부온도 측정지점과 웨이퍼 상부온도 측정지점은 동일한 지점의 웨이퍼 상하부인 것을 특징으로 한다.

위에서 하기식은 하기 전달함수를 z-트랜스폼하여 얻는 것을 특징으로 한다.

(전달함수)

이때,는 보정온도, Ys는 측정온도,

p1, p2, p3, ... 와 q1, q2, q3, ... 는 공정조건에 따른 온도보정 파라미터이다.

이와 같이 이루어진 본 발명은 다양한 열처리 공정조건에 따른 웨이퍼의 상부와 하부의 온도격차를 보상하기 위한 온도보상 파라미터를 획득한 후 해당 열처리 공정을 진행할 때 획득된 온도보상 파라미터를 적용하여 해당시간의 실측온도와 과거의 실측온도 및 과거의 보정온도를 기반으로 전달함수를 통해 보정온도를 산출하여 열처리 공정을 진행하여 온도의 반응 동특성을 고려하여 실제적으로 보정하고 해당 공정조건에 다른 웨이퍼의 단위별 표면온도 보정이 가능하여 개별공정의 특성에 따라 열처리가 가능하게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이며 종래 구성과 동일한 부분은 동일한 부호 및 명칭을 사용한다.

먼저, 본 발명에 의해 급속열처리 장치에서 온도보정의 신뢰성 확보를 위해 실제 보정을 진행하고자 하는 시작온도를 설정한다.

이는 파이로미터는 400℃부터 측정이 가능하지만 온도보정 파라미터를 획득하기 위해 측정하는 열전대는 20℃부터 측정이 가능하기 때문에 파이로미터와 열전대에서 측정한 온도에 의한 격차의 상관성을 온도보정 파라미터로 획득하기 위해서는 실제 보정을 진행하기 위한 시작온도를 설정하여 선택적으로 온도영역을 선택하여 온도보정을 진행한다.

본 실시예에서는 550℃를 보정 시작온도로 설정하였다.

그런다음 온도 보정을 진행하고자 하는 해당 공정 웨이퍼의 공정온도와 동일열처리 조건의 공정 레시피(recipe)를 750C_Origin으로 지정한다.

그런다음 급속열처리 장치를 통해 온도제어를 진행하면서 웨이퍼의 동일지점에서 파이로미터에 의해 웨이퍼 하부온도를 측정하고 보정을 위해 웨이퍼 상부온도를 열전대에 의해 측정한다.

이렇게 측정된 데이터를 참조하여 파라미터 취득을 위한 가우스 소거법이나 수치해석 기법을 이용하여 파라미터를 획득한다.

이때, 보정하고자 하는 온도의 정밀도에 따라 해당시간의 실측온도와 과거의 실측온도 및 과거의 보정온도를 기반으로 온도보정 파라미터를 획득할 때 과거의 실측온도와 과거의 보정온도를 참조하기 위한 스텝을 조절할 수 있다.

즉, 정밀도를 높이기 위해서는 과거 2스텝이상의 과거의 실측온도와 과거의 보정온도를 참조하게 되어 온도보정 파라미터를 5개 이상을 획득해야 되지만 정밀도가 낮은 경우에는 과거 1스텝의 과거의 실측온도와 과거의 보정온도를 참조하게 되어 온도보정 파라미터는 3개를 획득하게 된다.

본 실시예에서는 2스텝까지의 과거의 실측온도와 과거의 보정온도를 참조하도록 하였으며, 이렇게 획득된 파라미터는 q1:0.9571, q2:-0.8458, q3:0.0010, p1:0.8796, p2:0.0004 이다.

그러면 공정조건인 750C_Origin에 대한 파라미터들을 저장하여 동일 공정조건에 공정별로 온도보정 파라미터를 독립적으로 적용할 수 있도록 저장한다.

이후, 급속열처리 장치를 통해 해당 레시피에 의한 공정을 진행할 때 저장된 온도보정 파라미터 중에서 해당되는 온도보정 파라미터를 선택적으로 읽어와 온도결정에 적용한다.

이때 온도보정을 위해 현재 측정온도와 보정하고자 하는 보정온도 간의 전달함수를 다음과 같이 확립하여 온도보정을 실시한다.

전달함수는로써 이때,는 보정온도이고, Ys는 측정온도, p1, p2, p3, q1, q2는 공정조건에 따른 온도보정 파라미터이다.

이를 z-트랜스폼을 하게 되면,

이와 같은 결과식을 얻을 수 있다.

그래서, 현재의 보정온도((t))를 구하기 위해서 현재의 측정온도(Ys(t))와, 1스텝전의 보정온도((t-1)), 1스텝전의 측정온도(Ys(t-1)), 2스텝전의 측정온도(Ys(t-2)), 2스텝전의 보정온도((t-2))와 온도보정 파라미터(p1, p2, q1, q2, q3 )를 현재의 보정온도((t))를 산출하게 된다.

스텝은 온도보정을 위해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 입력하는 샘플링 시간을 의미하는 것으로써 1스텝전은 바로 전에 샘플링한 온도를 나타내는 것으로써 샘플링 시간은 본 실시예에서는 0.05초로 설정되어 있다.

이러한 온도보정 방법을 통해 웨이퍼의 하부에서 파이로미터에 의해 온도를 측정하면서 웨이퍼 상부의 온도를 파라미터에 의해 추론하면서 온도보정을 실시하면서 열공정을 진행한다.

도 3에 위와 같이 온도보정을 실시하여 열처리 공정을 진행한 온도변화를 나타낸 그래프를 도시하였다.

여기에 도시된 바와 같이 공정조건에 의한 기준온도(B)의 변화에 따라 웨이퍼 배면에서 파이로미터에 의해 측정된 웨이퍼의 하부온도(A)가 변화하고 있다. 이에 따라 온도보정을 실시한 결과 막질이 올라가는 웨이퍼의 상부온도(C)가 공정조건에 의한 기준온도(B)에 일치하도록 쫓아가고 있음을 알 수 있다.

위와 같은 온도보정 방법은 실리콘 웨이퍼에 국한 된 것이 아니고, 화합물 반도체와 같이 서셉터를 사용 할 경우 웨이퍼가 안착되는 서셉터 캡부분의 공정 웨이퍼 표면 온도를 보정함에 있어서, 본 발명에 의한 추론제어(Inferencial control)에 의한 보정방법을 적용할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 급속열처리 장치에서 급속열처리 공정 수행온도의 신뢰성 확보를 위해 해당시간의 실측온도와 과거의 실측온도 및 피보정 온도의 과거 정보를 이용하여 온도 변화의 동특성에 따라 보정 파라미터를 획득하여 공정별로 독립적으로 적용하여 온도보정을 행함으로써 웨이퍼 상의 온도 균일도나 웨이퍼 간의 온도 균일도를 유지할 수 있으며, 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 단면가열 방식의 급속열처리 장치에서 웨이퍼의 하부온도를 이용하여 상부온도를 추론하여 제어할 수 있는 이점이 있다.

또한, 파이로미터에 의해 정상적으로 측정할 수 있는 온도영역을 임의로 설정하여 온도보정을 실시함으로써 온도대역별 공정별 선택적인 온도보정을 실시할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (4)

1. 급속열처리 장치에서 온도보정을 위한 보정 시작온도를 설정하는 단계와,

   다양한 열처리 공정조건에 따른 온도보정 파라미터를 획득하는 단계와,

   상기에서 획득된 온도보정 파라미터들을 각각 열처리 공전조건에 따라 저장하는 단계와,

   상기에서 저장된 온도보정 파라미터 중에서 공정조건에 해당되는 온도보정 파라미터를 읽어와 적용하여 해당시간의 실측온도와 과거의 실측온도 및 과거의 보정온도를 기반으로 하기식에 의해 보정온도를 산출하는 단계와,

   상기에서 산출된 보정온도에 따라 열처리 공정을 진행하는 단계

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치의 온도보정 방법.

   (하기식)

   이때,(t)은 해당스텝의 보정온도,(t-1)은 1스텝전의 보정온도,

   (t-2)는 2스텝전의 보정온도, Ys(t)는 해당스텝의 측정온도,

   Ys(t-1)은 1스텝전의 측정온도, Ys(t-2)는 2스텝전의 측정온도,

   p1, p2, p3, ... 와 q1, q2, q3, ...는 공정조건에 따른 온도보정 파라미터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 온도보정 파라미터를 획득하는 단계는 웨이퍼의 하부온도와 웨이퍼의 상부온도간의 격차를 보상하기 위한 상관성을 파라미터로 획득하는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치의 온도보정 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 웨이퍼 하부온도 측정지점과 웨이퍼 상부온도 측정지점은 동일한 지점의 웨이퍼 상하부인 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치의 온도보정 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 하기식은 하기 전달함수를 z-트랜스폼하여 얻는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치의 온도보정 방법.

   (전달함수)

   이때,는 보정온도, Ys는 측정온도,

   p1, p2, p3, ...와 q1, q2, q3, ...는 공정조건에 따른 온도보정 파라미터.