KR100441046B1 - 관성 온도 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

관성 온도 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 제어 시스템 및 방법을 개시하며, 이러한 시스템 및 방법은 실질적인 온도 오버슈트 또는 진동없이 매끄럽게 최종 온도에 도달하도록 2개의 온도 사이에서 바디의 온도를 변화시키기 위해 제공된다. 온도 제어 알고리즘에는 물리적으로 획득가능한 비율로 가속 및 감속시키는 설정점 온도가 제공된다.

Description

관성 온도 제어 시스템 및 방법{INERTIAL TEMPERATURE CONTROL SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 하나의 설정점 온도를 다른 설정점 온도로 변화시키는데 이용되는 온도 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 제한된 것은 아니지만 반도체 제조 프로세싱과 같은 제조 프로세싱과 반도체 장비에 이용되는 관성 온도 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
온도 제어 시스템 및 방법은 여러 제조 프로세싱에서 중요한 역할을 한다. 제조 프로세싱에서의 온도를 제어하는 방법의 현재 단계는 비례, 적분, 미분(proportional, integral, derivative: PID) 알고리즘 또는 퍼지 논리(fuzzy logic)와 같은 온도 제어 알고리즘을 사용한다. 이러한 PID 알고리즘은 제어 이론에서 널리 공지되어 있으며, 현재 측정된 온도와 소망 온도 사이의 차이(오차값)를 사용하여 가열 회로에 적용하기 위한 동력의 양을 결정한다. 명칭이 시사하는 바와 같이, PID 계산에는 3가지 용어가 있다. 비례라는 용어는 오차값에 비례하는 동력에 대한 기여를 제공한다. 적분이라는 용어는 오차값 오버 타임의 적분(합)에 비례하는 동력에 대한 기여를 제공한다. 미분이라는 용어는 오차값의 미분(변화율)에 비례하는 동력에 대한 기여를 제공한다.
소망 온도를 변화시킬 때, PID 알고리즘은 (보다 높은 설정점까지 램핑 업(ramping up)된다면)동력을 증가시키거나 (보다 낮은 설정점으로 램핑 다운(ramping down)된다면)동력을 감소시킴으로써 변화하는 설정점(소망 온도)에 응답한다. 전형적으로, 보다 높은 온도로 램핑될 때 측정된 온도가 설정점보다 지연되며, 이후 소망하는 온도에서 오버슈트(overshoot)하고 소망하는 온도와 일치하도록 안정되기 전에 진동한다. 이것이 도 1에 도시되어 있다.
다른 중요한 점은, 물체 내부에서의 과도한 내부 온도 변화율로 인해 가열되는 물체 또는 물체들 상에 부정적인 열적 효과를 방지하도록 램프율을 제한하는 것이다. 이것은 반도체 웨이퍼 프로세싱 시스템에서 특히 중요하다. 웨이퍼의 중앙에 대해 웨이퍼의 엣지(edge)의 과도한 가열은 웨이퍼를 사용불가능하게 하거나 웨이퍼로부터 제조된 반도체 칩을 조기에 고장나게 하는 물리적 및/또는 화학적 손상을 가져올 수 있다.
노(furnaces)와 같은 반도체 웨이퍼 프로세싱 시스템 내부에서 하나의 온도로부터 다른 온도로 가열 또는 냉각될 때, 최소의 시간에서 소망하는 설정점 온도로 안정시키는 것이 중요하다. 전통적으로, 노는 하나의 설정점 온도에서 다른 온도로 진행하기 위해 제어된 선형 램프(controlled linear ramp)를 이용할 것이다. 이것은 연속적인 설정점 온도값을 제공하지만, 생성된 램프율(ramp rate)은 도 1에 도시된 바와 같이 연속적이지 못하다. 오히려, 램프율은 0으로부터 어떤값(램프율)으로 점핑(jumping)한 후, 최종 설정점에 도달할 때 0으로 돌아온다. 설정점의 제 2 도함수는 온도 가속도이며, 이것은 0의 램프율로부터 0이 아닌 값으로 순간적으로 점핑한 후 다시 되돌아오도록 무한값이어야 한다. 실제 물체는 이러한 이상적인 관리하에서 가열 또는 냉각시키는 것이 필요한 온도 램프율에서 순간적이며 무한인 "가속도"가 불가능하다. 이 결과 가열이 시작된 후 물체의 실제 온도 램프율이 소망 램프율을 달성하기 전에 시간 지연이 발생한다. "가열 관성 (heating inertia)"의 유사한 효과는 물체의 온도가 최종 설정점에 도달하면서 발생한다. 노가 폐쇄될 때, 온도 램프 "감속율"은 램프율이 0이 아닌 값으로부터 다시 0의 값으로 변화하도록 네가티브 무한대(negative infinity)이어야 한다. 이 결과, 물체의 온도는 설정점을 오버슈트한 후, 도 1에 도시된 안정 온도에서 최종적으로 안정되기 전에 설정점의 상하로 진동한다.
도 1에 도시된 바와 같은 종래의 제어 방법과 연관되는 램프 단계의 시작에서의 시간 지연 또는 지체, 소망 온도의 오버슈팅, 및 설정점에 대한 온도의 진동은 안정되고 정밀한 온도 제어가 요구되는 여러 응용 분야에서 바람직하지 못하다. 따라서, 개선된 온도 제어 시스템 및 방법을 필요로 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 온도 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 제한된 것은 아니지만 반도체 프로세싱과 같은 제조 프로세싱과 장비에서 개선된 온도 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, 본 발명은 시중에서 이용가능한 PID 제어기 또는 퍼니 논리에 근거한 다른 장치에 사용되는 것들과 같은 온도 제어 알고리즘과 관성 온도 제어를 이용하여 온도를 제어하는 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명은 온도 램프율 설정점의 가속도 및 감속도를 제어하여, 바디 내에서의 온도 변화가 유한하고 물리적으로 획득가능한 비율로 발생하게 한다. 이러한 방법은, 예컨대 반도체 프로세싱 노와 같이 가변 온도 설정점의 정밀 제어가 요구되는 여러 시스템에 적용가능하다. 일실시예에서, 본 발명의 시스템 및 방법은 반도체 프로세싱에 사용된 복수의 영역의 노에서 실행된다.
본 발명의 일실시예에서, 온도 제어 알고리즘을 이용하여 최초 온도로부터 최종 온도까지 온도 제어식 노의 가열 챔버 내에 보유된 바디의 온도를 변화시키는 방법이 제공된다. 하나 이상의 제어가능한 가열 부재와 하나 이상의 온도 감지 장치가 노의 가열 챔버 내부에 보유되어 있다. 온도 설정점을 변화시키는 것이 온도 제어 알고리즘에 제공된다. 이러한 설정점 온도는 최초 온도로부터 최종 온도를 향해 온도 램프율이 한정된 최대 램프율을 달성할 때 까지 유한 비율로 가속된다. 이러한 설정점 온도가 최종 온도에 접근할 때 까지 최대 램프율이 실질적으로 유지된다. 이후, 설정점 온도는 최대 램프율로부터 상기 최종 온도로 유한 비율에서 감속된다. 온도 제어 알고리즘은 제공된 설정점 온도에 따라서 바디의 온도를 실질적으로 유지시킨다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 다음 단계를 포함하는 온도 제어 알고리즘을 이용하여 최초 온도로부터 최종 온도까지 온도 제어식 노의 가열 챔버 내에 보유된 바디의 온도를 변화시키는 방법이 제공된다. 가열 챔버 내에 위치한 하나 이상의 감지 장치로부터의 온도 데이타, 및 온도 설정점이 온도 제어 알고리즘에 입력값으로서 제공된다. 온도 제어 알고리즘은 노 내부의 하나 이상의 제어가능한 가열 부재로의 동력 전달을 제어한다. 온도 설정점은 최초 설정점 온도로부터, 제한된 최대 온도 램프율이 달성될 때 까지 유한 프로그래밍된 가속율로 가속된다. 이후, 최종 온도에 도달할 때 까지 상기 최대 온도 램프율로 상기 설정점 온도가 유지된다. 최종적으로, 온도 설정점은 최대 램프율로부터 유한 프로그래밍된 감속율로 최종 설정점 온도에 도달할 때 까지 감속된다. 이러한 감속은 최종 설정점 온도 근처에서 실질적인 오버슈트 또는 진동없이, 바디의 온도가 최종 설정점 온도에 매끄럽게 도달하게 하는 방식으로 실행된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 바디의 온도를 변화시키는 온도 제어식 노가 제공된다. 이러한 노는 하나 이상의 제어가능한 가열 부재와 하나 이상의 온도 감지 장치를 보유하는 가열 챔버를 포함한다. 가열 부재로의 동력 전달은 온도 제어기에 의해 제어되며, 이러한 온도 제어기는 가열 챔버 내에 보유된 온도 감지 장치를 나타내는 온도 데이타 입력과 설정점 온도 프로파일을 수용하도록 구성되어 있다. 이러한 온도 제어기는 상기 바디의 온도가 온도 가속 단계, 일정한 램프율 단계 및 온도 감속 단계를 통해 바디의 온도를 램핑하도록 가열 동력 명령을 제공하여, 소망 온도 근처에서 최소 진동으로 소망 온도에 실질적으로 부드럽게 달성한다.
도 1은 종래의 온도 제어 방법에 따른 온도 제어를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 방법 및 시스템에 따른 온도 제어를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 시스템 및 방법이 채용될 수도 있는 반도체 제조에 사용된 노를 도시하며, 이러한 노는 온도 측정을 위한 열전쌍과 동력을 공급하기 위한 전열체를 포함한다. 여기의 예시적인 실시예에는 5개의 영역의 제어부가 있으며, 각각의 영역에는 2개의 측정용 열전쌍이 있다.
도 4는 본 발명의 방법에 의해 채용되는 제어 부재 및 시스템만을 도시하는 노의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 시스템 및 방법의 일실시예에 따른 온도 제어 소프트웨어의 내부 구조를 도시하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 방법의 일실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 7은 종래의 온도 제어 방법에 대한 시간에 걸쳐 온도와 적용된 동력 데이타를 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 노 12 : 가열 부재
14 : 제어가능한 영역 16 : 동력 명령(동력 신호)
20 : 바디 22 : 가열 챔버
24 : 소망 온도 26 : 스파이크 열전쌍
30 : 프로파일 열전쌍 32 : 온도 제어기
34 : 프로세스 제어기 36 : 측정된 스파이크 열전쌍
38 : 측정된 프로파일 열전쌍
본 발명의 다른 목적 및 장점은 아래에 기재된 본 발명의 상세한 설명과 첨부된 청구범위에 의해 명확해 질 것이다.
본 발명의 관성 온도 제어와 관련된 개념은 온도 설정점이 관리되는 방법을 다루어야 한다. 반도체 산업에 사용되는 종래의 온도 제어 방법에서, 반도체 웨이퍼와 같은 대상물 또는 바디는 전형적으로 선형 방식으로 램핑(ramping)되는 온도이다. 바디의 실제 온도는 선형 램프율(linear ramp rate)과 일치할 수 없어서, 출발시에 지연되며 최종점에서 오버슈트된다. 이와 반대로, 본 발명은 실제 물체가 뒤따르는 곡선과 거의 일치하는 온도 설정점 대 시간 곡선을 제공한다. 따라서, 본 발명은 온도 변화의 "관성(inertia)"의 성질을 고려하며, 바디의 실제 온도가 설정점을 보다 근접하게 따라가도록 설정점을 제어함으로써, 오버슈트를 최소화하는 한편, 종래의 곧은 선형 램프 방법보다 보다 신속하게 온도 안정을 달성한다.
바디에 적용되는 열은 그 바디에 순간적으로 전달되지는 않는다. 열전달의 전도, 대류 및 복사와 관련하여 지연이 발생한다. 상술한 종래의 온도 제어 방법이 가지는 문제점은 그 자체의 제어 알고리즘에 있는 것이 아니라, 온도 변화가 순간적으로 시작되거나 정지할 수 있다는 가정에 있다. 도 1에 도시된 종래의 방법에서 그래프로 도시된 바와 같이, 온도 변화는 순간적인 방식으로 주어진 램프율로 가속될 수 없거나, 또는 소망하는 최종 온도에 도달할 때 순간적으로 정지될 수 없다. 이러한 문제는 뉴톤 물리학에 대한 분석으로 설명될 수 있다. 정지된 물체는 0이 아닌 속도로 순간적으로 가속될 수 없다. 대신에, 최대 속도까지 점진적인 가속이 발생해야 한다. 바디가 정지 단계로 돌아올 때, 그 과정은 점진적인 감속을 통해 반대로 발생한다. 본 발명에 의해 제기된 문제에서, 온도는 위치와 유사하며, 램프율(온도의 제 1 도함수)은 속도와 유사하며, 램프율의 증가율(온도의 제 2 도함수)은 가속도 또는 감속도이다.
하나의 온도로부터 다른 온도까지 설정점이 선형으로 변화하기 위해서는 바디의 무한 가속 또는 무한 감속이 필요하다. 바디는 이러한 제어된 입력에 부합할 수 없으므로, 바디 온도가 램프의 단부에서 프로그래밍된 설정점을 초과하는 것과 같은 오버슈트에 의해 이상적 가설에 대한 바디의 온도가 지연되며, 이 후 프로그래밍된 온도에서 최종적으로 안정되기 전에 설정점을 중심으로 진동(oscillation)한다. 개선된 온도 제어를 위해, 본 발명은 바디에 대해 물리적으로 달성가능한 방식으로 변화하는 제어 입력(설정점)을 제공한다. 온도는 주어진 램프율까지 가속되고 설정점 온도에 도달할 때 까지 상기 램프율로 유지된다. 온도는 주어진 램프율까지 가속되고, 설정점 온도에 도달할 때까지 상기 램프율을 유지하며, 그후에 바디가 바람직한 안정 상태의 설정점 온도에 도달하도록 0의 램프율로 감속된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 변경된 제어 입력이 제공되어, 온도 제어 알고리즘에 의해 제어되는 가속도는 한정되며 바디가 가열됨으로써 물리적으로 달성가능하다. 바디가 가열되는 설정점이 제공됨으로써, 본 발명은 종래의 방법의 오버슈트 및 진동 문제를 최소화하거나, 이상적으로 제거한다.
도 3, 도 4 및 도 5에 본 발명이 추가로 도시되어 있다. 본 발명의 일실시예에서, 방법은, 한정된 바는 아니지만 도 3에 도시된 유형의 수직 급속 가열로(vertical rapid heating furnace)와 같은 반도체 노에 사용될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 노는 개별적으로 제어가능한 영역(14)으로 분리될 수도 있는 제거가능한 가열 부재(12)를 포함한다. 이러한 제어가능한 가열 부재(12)는 내열 코일, 복사열 램프, 또는 바디로부터 또는 바디로 열을 전달하기 위한 임의의 다른 제어가능한 기구 또는 시스템일 수도 있다. 도 4에 도시된 제어 시스템의 단순화된 실례는 이러한 5개의 영역(14)을 포함한다. 동력 명령 또는 신호(16)는 각각의 영역(14)에서 개별적으로 제어된다. 가열 부재(12)의 목적은 노(10)의 가열 챔버(22) 내부에 위치한 바디(20)-본 실시예에서는 실리콘 웨이퍼-를 소망 온도(24)로 가열시키는 것이다. 5개의 영역(14)을 가지는 특정 반도체 노를 도시하지만, 본 발명의 시스템 및 방법은 다른 유형의 반도체 노에 사용될 수 있으며, 정밀 온도 제어를 요구하는 다른 응용 분야와 다른 유형의 반도체 장비에서도 실행될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 본 발명은 도시된 특정 실시예에 한정되지 않는다. 예컨대, 본 발명은 다른 수의 영역을 가지는 노, 또는 하나 이상의 영역을 가지는 단일 웨이퍼 툴(tool)에 사용될 수도 있다. 여기에 기재된 것들 이외에 다른 가열 분야에 사용될 수도 있다. 관성 온도는 가열 루프에 추가로 냉각 루프를 제어하는데도 적합하다.
도 3 및 도 4의 예시적인 실시예를 다시 참조하면, 제어 시스템은 온도 제어 소프트웨어를 갖춘 온도 제어기(32)에 동작가능하게 연결된 프로세스 제어 소프트웨어를 구비한 프로세스 제어기(34)를 대개 포함한다. 하나 이상의 온도 감지 장치가 제공된다. 도시된 실시예에서, 이들은 가열 챔버(22) 내부의 온도 측정을 위해 제공되는 하나 이상의 프로파일 열전쌍(30) 및 하나 이상의 스파이크 열전쌍(26)으로 이루어진 2 세트의 열전쌍인 것이 바람직하다. 스파이크 열전쌍(26)은 가열 부재(12)와 인접하여 위치함으로써, 온도 제어 입력에 응답해서 가열 챔버(22) 내의 온도 변화에 보다 신속하게 응답한다. 프로파일 열전쌍(30)은 바디(20)-본 실시예에서는 실리콘 웨이퍼-에 보다 근접해서, 그 바디(20)의 온도를 보다 잘 나타낸다. 시판되어 이용가능한 온도 제어 소프트웨어로 프로그래밍되는 온도 제어기(32)는 프로세스 제어기(34)로부터 소망 온도(24) 설정점을 수용하고, 각각의 열전쌍(26,30)으로부터 측정된 스파이크 온도(36) 및 프로파일 온도(38)를 판독한다. 시간의 함수로서의 온도 설정점은 설정점 온도 프로파일와 같은 프로세스 제어 소프트웨어에 프로그래밍될 수 있는 것이 바람직하다. (아래에 설명되는 바와 같은)제어 알고리즘에 근거해서, 온도 제어기 소프트웨어(32)는 동력의 양을 결정하여 가열기 부재(12)의 노의 각각의 영역(14)에 적용한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 온도 제어기(32)의 내부 제어 소프트웨어를 도시하는 흐름도이다. 결정 제어 온도 함수(40)에서, 단일 제어 온도(41)는 각각의 열전쌍(26,30)으로부터 스파이크 온도 및 프로파일 온도(36,38)에 근거해서 계산된다. 본 발명의 이러한 예시적인 실시예에서, 이들 값은 특정 비율로 결합되며, 웨이퍼의 실제 온도를 보다 잘 반영하도록 오프셋을 포함할 수도 있다. 이러한 비율들은 상이한 온도 범위에 응답하는데 이용될 수 있다. 스파이크 열전쌍(26)은 가열 부재(12)와 바로 인접해서 위치하므로 동력 입력에 신속하게 응답한다. 프로파일 열전쌍(30)은 바디(22)에 보다 근접할 수록 보다 느리게 응답한다. 노 제어가 프로파일 열전쌍(30)에만 근거한다면, 바디(22)의 느린 응답 속도는 진동을 발생시킬 수 있다. 비율을 특정함으로써, 응답과 정확성은 최적화된다. 노, 영역 및 온도 단계의 주어진 범위에 대한 최상의 비율은 당업자에 의해 용이하게 실행될 수도 있는 바와 같이 경험적으로 결정되지만, 대개, 코일로부터 열전쌍(26,30)으로의 열전달이 더 빠른 보다 높은 온도에서는 프로파일 온도(38)에 보다 강하게 의존할 것이다. 5개의 영역 및 전기 코일을 갖춘 300mm 대기압의 고속 수직 프로세서(RVP)에서 실행된, 본 발명의 일 실시예에서, 제어 온도를 계산하는데 사용되는 프로파일 온도 대 스파이크 온도의 비율은 400℃에서 50% 프로파일+50% 스파이크로부터, 600℃에서 60% 프로파일+40% 스파이크로, 700℃에서 90% 프로파일+10% 스파이크로, 그리고 800℃이상에서의 100%로 변화된다. 바디의 복합체가 가열되고 노의 파라미터가 사용되는 것에 따라 다른 비율이 채용될 수도 있다.
계산 설정점 함수(42)는 중간 온도 설정점을 계산한다. 이러한 함수는 소망 설정점 온도(24)를 입력으로서 사용한다. 또한, 이러한 함수는 현재 설정점(44)을 유지한다. 현재 설정점(44)이 소망 설정점 온도(24)와 동일하다면, 이후 프로세싱이 실행되지 않고 현재 설정점이 온도 제어 알고리즘(46)까지 전달된다. 설정점(44)은 가변가능하며, 현재 설정점 온도 또는 중간 설정점 온도와 같은 다양한 방식으로 여기에 인용되어 있다. 현재 제어 온도(41)와 상이한 소망 설정점 온도(24)를 계산 설정점 함수(42)가 수용할 때, 이러한 계산 설정점 함수(42)는 사전설정된 가속율로 소망 설정점 온도(24)를 향해 현재 설정점(44)을 가속시킨다. 계산 설정점 함수(42)는 또한 사전설정된 온도 가속율을 유지한다. 온도 램프율이 최대 램프율에 도달하면, 온도가 종점 설정점에 도달할 때 까지 온도 램프율이 최대 램프율을 유지한다. 중간 온도 설정점(44)이 종점 설정점에 충분히 근접하여 중간 설정점이 종점 설정점(44)에 도달하게 하도록 감속율로 감속되면, 이후 램프율은 이것이 발생하도록 감소된다. 최대 램프율은 약 2℃/min-1내지 30℃/min-1의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 선택된 정확한 값은 노의 작동 온도를 포함하는 다수의 인자와 가열 또는 냉각이 발생하는지의 여부에 따라 결정된다. 가열 과정 동안, 약 2℃/min-1내지 10℃/min-1범위 내의 온도 램프율이 바람직하다. 보다 낮은 최대 램프율은 높은 온도에서 사용되어 가열되는 바디에 손상을 입히는 열팽창의 위험을 감소시킨다. 냉각 과정 동안, 최대 램프율은 노의 동력이외에 종종 물리적 요인에 의해 제한된다. 이러한 이유에 대해, 냉각을 위한 최대 램프율은 전형적으로 3℃/min-1미만이다.
가속율, 감속율 및 최대 램프율은 주어진 노에 대해 성립되는 사전설정된 값이다. 이러한 사전설정된 값은 부재의 성능의 경험적인 측정 근거한다. 상이한 유형의 부재는 상이한 성능을 나타낸다. 가속율 및 감속율은 부재가 공급할 수 있는 열 에너지의 양과 순서대로 관련되는 동력의 입력에 열전쌍이 얼마나 신속하게 응답하는 가에 달려있다. 보다 높은 와트(watt) 밀도를 가지는 부재들은 설정점 가속이 보다 클 수 있다. 바람직하게, 가속율은 대략 2℃/min-2내지 40℃/min-2의 범위에 있을 것이다. 보다 바람직하게, 가속율은 대략 4℃/min-2내지 15℃/min-2의 범위에 있을 것이다. 상술한 RVP 노에서, 대략 8℃/min-2의 가속율이 가장 바람직하다. 유사하게, 신속하게 냉각될 수 있는 단열되지 않는 부재들은 설정점 감속이 보다 클 수 있다. 대략 1℃/min-2내지 6℃/min-2의 범위, 가장 바람직하게 2℃/min-2에서의 온도 감속율이 사용된다.
일 실시예에서, 오프셋은 센서래이 웨이퍼(sensarray wafers)를 이용하여 성립된다. 이들 웨이퍼는 열전쌍이 부착된 테스트 웨이퍼이다. 구체적으로, 웨이퍼들은 약간의 시간의 기간 동안 주어진 노에서 유지되며, 프로파일 및 웨이퍼 온도 사이의 차이가 측정된다. 이러한 정적 오프셋이 일단 알려지면, 센서래이 웨이퍼가 노 챔버(22)로부터 제거된다. 이후, 비센서링(unsensored)된 웨이퍼가 프로파일 온도를 설점함으로써 오프셋을 뺀 소망 웨이퍼 온도까지 처리되며, 따라서 추정된 웨이퍼 온도을 정확하고 정밀하게 제어한다. PID 알고리즘 함수(46)는 제어 온도(41) 및 설정점(44)에 근거하여, 제어된 동력(16)을 결정할 것이다.
도 6는 본 발명의 일실시예의 흐름도를 도시한다. 도 6는 중간 설정점(44)을 계산하기 위해 계산 설정점 함수(42)에 포함된 논리의 상세한 설명이다. 이러한 흐름도는 하나의 온도로부터 다른 온도로 설정점(44)을 매끄럽게 변경시키는데 사용되는 논리를 설명하고 있다. 이것은 바디(20)가 현재 가열되는지 또는 냉각되는지를 우선적으로 점검함으로써 실행된다(50). 가열 또는 냉각되지 않는다면 램프를 필요로 하지 않아서, 프로그램은 현재 설정점(52)을 유지하고 빠져나온다(54). 온도 램프가 현재 진행 중이라면, 프로그램은 감속을 시작할 때인가를 점검한다(56). 감속이 지시되면, 감속율이 계산되어(60) 중간 설정점을 최종 설정점으로 매끄럽게 전환시킨다. 프로그램이 현재 램프율을 감속하고 있다면(62), 역전된 온도 설정점(44)은 현재 감속율(64)에 근거하여 계산된다. 램프율이 감속되지 않고 감속될 필요도 없다면, 프로그램은 램프율이 현재 최대 램프율(66) 미만인지를 확인한다. 이러한 조건 하에서 최대값보다 낮은 램프율에 대해, 프로그램은 최대 램프율을 향한 가속을 지시한다(70). 램프율이 현재 최대이면, 최종 설정점에 부드럽게 도달하도록 감속될 필요가 있는 포인트에 이르기까지 프로그램은 최대 램프율(72)을 유지한다.
실 험
본 발명의 방법과 종래의 온도 제어 방법을 비교하도록, 센서래이 반도체 웨이퍼가 수직 신속 가열로의 모의 산화 과정에서 가열되는 몇 몇의 실험들을 실행하였다. 아래에 기재된 실례는 단지 설명만을 위한 것이지 본 발명을 어떤 방식으로 한정할 의도는 아니다.
본 발명과 종래 방법의 발명의 비교를 위한 기저선을 성립하도록, 본 발명의 관성 온도 제어 시스템이 없는 PID 알고리즘에 의해 제어되는 노 내부의 5개의 가열기 부재에 의해 웨이퍼가 850℃까지 가열되는 실험이 실행되었다. 도 7은 온도 대 시간(상부 패널)과, 적용된 가열기 동력 대 5개의 노 가열기 부재 영역에 대한 시간 응답을 도시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 종래의 PID 제어에 의해, 온도 램프 후 온도 회복은 최종 온도 오버슈트가 대략 3℃ 내지 4℃이고 대략 10분의 회복 시간으로 발생한 후에, 이 동안 여러 노 영역의 온도가 대략 소정 온도에서 진동하고 인가된 동력이 반복적으로 스파이크 및 차단된다.
본 발명의 관성 온도 제어 방법과 동일한 상술된 PID 온도 제어 알고리즘 및 노를 이용하여 유사한 실험을 실행했다. 최초 단계 시간, 온도, 및 PID로부터의 가스 유동 실험 모두가 유지되었다. 본 발명에 제공된 바와 같은 관성 온도 제어만을 이용하는 것은 변경되었다. 도 8에 도시된 바와 같이, 관성 온도 제어는 열적 오버슈트과 안정 시간 모두를 감소시킨다. 열적 오버슈트는 모든 영역에 대해 0.5℃미만으로 제한되며, 온도 회복은 5분 미만에서 발생한다. 또한, 상술한 동력 조절에서의 개선은 2개의 데이타 플롯을 비교할 때 보여진다. 본 발명의 방법을 이용하면, 동력 진동이 진폭 및 주파수 모두에서 감쇠되며, 동일한 열적 사이클에 대해 전반적으로 상당히 감소된다. 감소된 동력의 사이클로 인해 부재들의 수명이 향상될 수 있고, 또한 노 코일과 인접하는 기계 조립체에 대한 응력이 감소될 것이다. 이로 인해 전반적으로 노의 신뢰성이 향상된다.
본 발명의 특정 실시예 및 실례의 전술한 설명은 도시 및 설명을 위해 제시되었으며, 본 발명이 상술한 실례에 의해 설명되었지만 이로 인해 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어선 안된다. 개시된 상세한 형태로 본 발명을 완전하게 하거나 제한하려는 것이 아니며, 상술한 교시의 견지에서 분명히 여러 변경예, 실시예 및 변화들이 가능하다. 본 발명의 범위는 여기에 개시된 바와 같은 포괄적 영역을 포함하며, 여기에 첨부된 청구범위와 이들 청구범위의 균등물로 정해진다.
본 발명에 따른 관성 온도 제어 시스템 및 방법에 의하면, 2개의 온도 사이에서 바디의 온도를 변화시켜서 실질적으로 온도 오버슈트 또는 진동없이 매끄럽게 최종 온도에 도달할 수 있다.

Claims (13)

  1. 온도 제어 알고리즘을 이용하여 최초 온도로부터 최종 설정점 온도까지 온도 제어식 노의 가열 챔버 내에 보유된 바디의 온도를 변화시키는 방법으로서,
    상기 가열 챔버는 하나 이상의 제어가능한 가열 부재와 하나 이상의 온도 감지 장치를 보유하며,
    설정점 온도는 온도 램프율이 한정된 최대 램프율에 도달할 때 까지 상기 최초 온도로부터 상기 최종 설정점 온도를 향해 유한 비율로 가속되고,
    상기 설정점 온도는 상기 최종 설정점 온도에 접근할 때 까지 실질적으로 상기 최대 램프율로 유지되며,
    상기 설정점 온도는 상기 최종 설정점 온도까지 상기 최대 램프율로부터 유한 비율로 감속되고, 그리고
    상기 온도 제어 알고리즘은 상기 설정점 온도와 일치하도록 상기 바디의 온도를 실질적으로 유지시키는 방법.
  2. 온도 제어 알고리즘을 이용하여 최초 온도로부터 최종 온도까지 온도 제어식 노의 가열 챔버 내에 보유된 바디의 온도를 변화시키는 방법으로서,
    상기 노 내부의 하나 이상의 제어가능한 가열 부재로 전달하는 동력을 제어하는 상기 온도 제어 알고리즘에, 상기 가열 챔버 내에 위치한 하나 이상의 감지 장치로부터의 온도 데이타와 온도 설정점을 입력으로서 제공하는 단계와,
    온도 램프율이 제한된 최대 온도 램프율에 도달할 때 까지 상기 최초 설정점 온도로부터 유한 프로그래밍된 가속율로 상기 온도 설정점을 가속시키는 단계와,
    상기 최종 온도에 접근할 때 까지 상기 최대 온도 램프율로 상기 설정점 온도를 유지시키는 단계와, 그리고
    상기 최종 설정점 주위에서 실질적인 오버슈트 또는 진동없이 상기 바디의 온도가 상기 최종 설정점 온도에 매끄럽게 도달하도록, 상기 최종 설정점 온도에 도달할 때 까지 상기 최대 램프율로부터 유한 프로그래밍된 감속율로 상기 온도 설정점을 감속시키는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제어가능한 가열 부재가 전열 코일인 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제어가능한 가열 부재가 복사열 램프인 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 온도 감지 장치는 상기 하나 이상의 제어가능한 가열 부재 각각에 대해 하나 이상의 온도를 제공하는 하나 이상의 열전쌍인 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 하나 이상의 열전쌍 온도의 수학적 결합인 제어 온도는 상기 온도 제어 알고리즘에 입력되는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어 온도가 상기 열전쌍 온도로부터 알려진 오프셋을 가지도록 더 한정되는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 온도 오프셋은 상기 바디의 온도와 상기 열전쌍의 온도 사이의 차이에 대해 상기 제어 온도를 보정하는 정적 오프셋인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 바디가 반도체 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 바디의 온도를 변화시키는 온도 제어식 노로서,
    하나 이상의 제어가능한 가열 부재와 하나 이상의 온도 감지 장치를 보유하는 가열 챔버와, 그리고
    제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 방법을 실행하도록 구성된 온도 제어기를 포함하는 노.
  11. 바디의 온도를 변화시키는 온도 제어식 노로서,
    하나 이상의 제어가능한 가열 부재와 하나 이상의 온도 감지 장치를 보유하는 가열 챔버와, 그리고
    상기 가열 챔버 내에 보유된 상기 온도 감지 장치를 나타내는 온도 데이타 입력과 설정점 온도 프로파일을 수용하도록 구성되며, 상기 바디의 온도가 온도 가속 단계, 일정한 램프율 단계 및 온도 감속 단계를 통해 램핑되어 소망 온도 근처에서 최소 진동으로 상기 소망 온도를 실질적으로 부드럽게 달성하도록 상기 하나 이상의 제어가능한 가열 부재에 전달하는 동력을 변경시키도록 구성된 온도 제어기를 포함하는 노.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제어가능한 가열 부재는 전열 코일 또는 복사열 램프인 노.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 온도 감지 장치는 상기 하나 이상의 제어가능한 가열 부재의 각각에 대해 하나 이상의 온도를 제공하는 하나 이상의 열전쌍인 노.
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