KR100914791B1 - 열처리 시스템에서 워크피스의 이동을 제어하는 시스템 및 방법 - Google Patents

열처리 시스템에서 워크피스의 이동을 제어하는 시스템 및 방법

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Abstract

열처리로에서 워크피스의 온도를 측정하고, 의도된 온도 프로파일과 워크피스의 측정된 온도를 근거로, 상기 의도된 온도 프로파일에 따라 일반적으로 워크피스를 가열 처리하도록 상기 로를 통해 워크피스를 이동시키킴으로써, 열처리로에서 워크피스를 처리하는 시스템 및 방법.

Description

열처리 시스템에서 워크피스의 이동을 제어하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING MOVEMENT OF A WORKPIECE IN A THERMAL PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 반도체 워크피스(workpiece)와 같은 워크피스를 처리하는 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열처리 시스템에 있어서 워크피스의 온도를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
어닐링(annealing), 확산(diffusion), 산화(oxidation) 및 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)을 포함하는 여러 가지 반도체 제조 공정을 수행하기 위하여 열처리 시스템 또는 용광로(furnace)가 널리 알려져 있으며, 오랫 동안 사용되어 왔다. 그 결과, 이러한 공정들은 충분히 숙지되었으며, 특히 결과물의 품질과 균일성에 대한 공정 변수의 영향에 관하여 충분히 숙지되었다. 열처리로(thermal processing furnace)는 일반적으로 수평형로(horizontal-type frenace) 또는 수직형로(vertical-type furnace) 중 하나가 사용된다. 일부의 경우에는 수직형로가 더 좋은데, 이것은 사용 중에 티끌(paticles)의 발생이 적어서 오염율과 워크피스의 소모를 줄일 수 있고, 자동화를 용이하게 할 수 있고, 또한 풋프린트(footprint)가 상대적으로 작아서 바닥 공간(floor space)을 많이 요구하지 않기 때문이다.
종래 형태의 로는 모두 반도체 웨이퍼를 원하는 온도로 가열하기 위해 설계되어서, 산화층을 웨이퍼에 적용하거나 화학 기상층(chemical vapor layer)을 웨이퍼에 증착시키는 것과 같이, 원하는 깊이로 주입된 도펀트(dopant)의 확산을 촉진시키거나 다른 종래의 처리 기술을 실행한다. 일반적으로 웨이퍼의 가열 조건이 중요하기 때문에 이것은 면밀히 모니터링된다.
튜브로(tube furnace)와 같은 종래의 수직형 열처리로는 수직 위치에서 로 내에 처리 튜브를 지지하도록 설계되었다. 또한, 열처리로는 전형적으로 웨이퍼 보트(wafer boat)를 처리 튜브의 안팎으로 이동시키기 위한 적합한 중계 메커니즘(translation mechanism)에 장착된 웨이퍼-보트 어셈블리(wafer boat assembly)를 이용하고 있다. 웨이퍼-핸들링 어셈블리(wafer-handling assembly)는 웨이퍼-보트 어셈블리에 병렬로 인접 배치되어 반도체 웨이퍼를 웨이퍼 카세트(cassettes)에서 웨이퍼-보트 어셈블리로 옮긴다. 그 다음에, 상기 웨이퍼는 석영 또는 실리콘 가열 튜브로 올려진다. 이때, 상기 튜브는 원하는 온도로 서서히 올라가고, 미리 예정된 기간 동안 그 온도를 유지한다. 그 다음에, 상기 튜브는 서서히 냉각되고, 웨이퍼는 튜브로부터 제거되어 처리 공정이 완료된다. 이러한 처리 기술의 단점은 웨이퍼가 종속될 수 있는 온도-시간(time-at-temperature)의 제약에 놓여 있다는 것이다. 이런 유형 및 다른 유형의 종래 수직형 로는 Fuse 등에 의한 미국 특허 제5,217,501 및 Kakizaki 등에 의한 미국 특허 제5,387,265에서 설명된다.
종래의 열처리 시스템의 다른 문제점은, 웨이퍼에 가해지는 가열 또는 처리법이 시스템 한계에 기인한 표준 사전-설정 가열 프로파일(standard pre-established heating profile)을 정확히 만족시킬 수 없다는 것이다. 예를 들면, 종래 시스템에서는 다중 고온계(pyrometer)를 사용하여 여러 로의 위치에서 온도를 측정하고, 이 때, 고온계에 의해 발생된 다중 신호를 사용하여 램프(lamp)와 같은 다중 가열 유닛이 동작을 제어한다. 상기 시스템은 시스템의 가열 조건에 따라 램프의 온/오프를 반복한다. 이러한 가열 제어 구성은 시스템에 원하지 않는 잡음을 초래하고, 일반적으로 사전-설정 가열 프로파일에 따라 웨이퍼를 처리하는 것을 어렵게 만든다.
따라서, 온도 또는 가열 프로파일에 따라 웨이퍼 가열을 정밀하게 제어하는 열처리 시스템이 필요하다.
본 발명의 다른 일반적인 목적과 특별한 목적은 도면 및 아래의 설명으로부터 명백해질 것이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징, 및 장점들은 다음의 설명과 첨부한 도면으로부터 명백해질 것이며, 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 부분을 나타낸다. 도면은 본 발명의 원리를 나타낸 것으로서, 스케일링하지는 않았지만 상대적인 크기를 표시한다.
도 1은 본 발명에 따른 열처리로에서 웨이퍼의 이동을 제어하는 제어 시스템을 사용하는 웨이퍼 처리 시스템의 사시도.
도 2는 도 1의 웨이퍼 처리 시스템의 동작 양태를 나타내는 블록도.
도 3은 도 1의 제어 설비의 신호 처리 특징을 나타내는 상세도.
도 4는 본 발명에 따라, 도 1의 시스템에 의해 원하는 웨이퍼 온도를 달성하도록 웨이퍼를 가열하는 방법을 나타내는 흐름도.
도 5는 본 발명의 웨이퍼 처리 시스템에 의해 이용되는 경사도와 해당 온도 프로파일을 나타낸 그래프.
도 6은 도 1의 시스템(10)의 처리 튜브(18)의 온도 프로파일을 나타내는 그래프.
도 7은 서로 다른 형태의 웨이퍼의 온도 프로파일과 방사율을 나타내는 그래프.
도 8A는 이득값 2를 사용하여 원하는 궤적을 트래킹 할 때 피드백 선형화 방정식 14B의 사용을 나타내는 그래프.
도 8B는 이득에 따른 트래킹 오차를 나타내는 그래프.
도 9는 포화 및 비포화 모드에서 동작할 때, 본 발명의 웨이퍼 처리 시스템의 제어 영역을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 웨이퍼 처리 시스템으로서 선택된 처리 레시피에 따라 실리콘 웨이퍼를 처리한 결과를 나타내는 그래프.
도 11은 본 발명의 웨이퍼 처리 시스템으로서 선택된 처리 레시피에 따라 선택된 실리콘 웨이퍼를 처리한 경우 존재하는 트래킹 오차를 나타내는 그래프.
도 12A는 포화 모드에서 동작하는 본 발명의 웨이퍼 처리 시스템을 나타내는 그래프.
도 12B는 본 발명의 웨이퍼 처리 시스템으로서 선택된 처리 레시피에 따라 선택된 실리콘 웨이퍼를 처리한 경우 존재하는 트래킹 오차를 나타내는 그래프.
도 13A는 본 발명의 웨이퍼 처리 시스템을 사용하여 선택된 워크피스 처리 방법을 나타내는 그래프.
도 13B는 본 발명의 웨이퍼 처리 시스템으로서 선택된 처리 레시피에 따라 선택된 실리콘 웨이퍼를 처리한 경우에 존재하는 트래킹 오차를 나타내는 그래프.
본 발명은 상술한 열처리로에서 워크피스를 처리하는 시스템 및 방법을 달성하는 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 방법은 열처리로에서 워크피스의 온도를 측정하는 단계와, 의도된 온도 프로파일(intended temperature profile)과 워크피스의 측정된 온도를 근거로, 상기 의도된 온도 프로파일에 따라 일반적으로 워크피스를 가열 처리하도록 상기 로를 통해 워크피스를 이동시키는 단계를 포함한다.
한 양태에 따르면, 본 발명은 상기 워크피스의 의도된 온도 프로파일을 상기 열처리로에서의 처리 중에 일반적으로 달성되도록 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 사용자가 상기 열처리로의 하나 이상의 선택된 설정 포인트를 결정하도록 하며, 이것은 상기 의도된 온도 프로파일을 구성하는데 사용된다.
다른 양태에 따르면, 본 발명의 방법은, 상기 로 설정 포인트, 상기 의도된 온도 프로파일 및 상기 워크피스의 측정된 온도를 근거로, 상기 로를 통해 상기 워크피스를 이동시키는 단계를 이용한다. 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 웨이퍼 처리 레시피(wafer processing recipe)를 제공하는 단계, 상기 레시피로부터 상기 의도된 온도 프로파일을 발생시키는 단계, 및 상기 온도 프로파일에 따라 일반적으로 상기 워크피스를 가열하기 위해, 상기 로에서 상기 워크피스의 이동을 제어하는 단계를 포함한다. 상기 워크피스는 상기 워크피스의 측정된 온도에 응답하여 승강기 부시스템을 사용함으로써 이동된다. 상기 레시피는 온도 경사 증가율, 온도 경사 감소율 및 흡입 온도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 워크피스의 방사율을 결정하는 단계, 및상기 워크피스의 방사율을 근거로, 상기 워크피스의 온도를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 온도는 방사율 보상 고온계 시스템을 제공함으로써 측정될 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 워크피스 온도는 웨이퍼 온도를 감지하여 측정하는 피드백 부시스템으로 결정된다. 한 실시예에 따르면, 상기 온도는 웨이퍼의 방사율을 결정하고, 상기 웨이퍼 온도를 나타내는 고온계로 출력 신호를 발생시키고, 상기 출력 신호를 필터링하고, 상기 웨이퍼 방사율과 출력 신호를 근거로, 상기 웨이퍼 온도를 결정함으로써 측정된다. 상기 측정된 웨이퍼 온도에 응답하여 상기 열처리로 내의 웨이퍼의 이동을 제어하는 제어 설비가 제공된다. 제어 설비는 오차 신호를 형성하기 위해 상기 측정된 온도와 상기 온도 프로파일 사이의 차이를 결정하고, 승강기 부시스템으로 상기 열처리로 내에서 웨이퍼를 이동시킴으로써, 이러한 기능을 실행한다. 또한, 제어 설비는, 오차 신호를 스케일링 하는 단계, 하나 이상의 포인트에서 온도 프로파일을 샘플링하는 단계, 승강기 부시스템의 경계 조건을 결정하는 단계, 및 챔버 내에서 선택된 스피드로 웨이퍼를 이동시키는 단계를, 선택적으로 실행할 수 있다.
본 발명은 또한 워크피스를 처리하는 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 처리 챔버를 갖는 열처리로, 상기 처리 챔버에 위치했을 때의 워크피스의 파라미터를 검출하기 위한 열처리로와 결합된 피드백 부시스템, 상기 워크피스의 의도된 온도 프로파일 및 상기 워크피스의 파라미터를 근거로 제어 신호를 발생시키는 제어 설비, 및 상기 의도된 온도 프로파일에 따라 일반적으로 워크피스를 가열 처리하기 위해, 상기 제어 신호에 응답하여 상기 처리 챔버를 통해 워크피스를 이동시키는, 상기 제어 설비와 통신하는 승강기 부시스템을 포함한다. 상기 제어 설비는 의도된 온도 프로파일의 함수로서 처리 챔버를 통해 의도된 경로를 따라 상기 워크피스를 이동시키는 승강기 부시스템을 제어하도록 적응되어 있다.
상기 시스템은, 웨이퍼 처리 레시피를 제공하는 사용자 인터페이스를 더 포함하고, 상기 레시피는 온도 경사 증가율, 온도 경사 감소율 및/또는 흡입 온도를 포함한다. 상기 시스템은 상기 레시피에 응답하여 상기 의도된 온도 프로파일을 발생시키는 궤적 발생기를 이용할 수 있다.
다른 양태에 따르면, 상기 제어 설비는 상기 로 설정 포인트, 상기 의도된 온도 프로파일, 및 상기 워크피스의 측정된 온도를 근거로, 상기 로를 통해 워크피스를 이동시키는 제어 신호를 발생시킨다. 한 실시예에 따르면, 워크피스의 측정된 온도는 웨이퍼 열특성을 사용하여 결정된다.
다른 양태에 따르면, 상기 피드백 부시스템은 상기 워크피스의 온도를 측정하는 고온계, 상기 워크피스의 방사율을 측정하는 방사율 측정 스테이지, 및 상기 측정된 온도 및 방사율 중 하나를 필터링 하는 필터링 스테이지를 포함하며, 상기 피드백 부시스템은 상기 워크피스의 상기 필터링된 온도에 대응하는 신호를 발생시킨다.
다른 양태에 따르면, 상기 시스템은 하나 이상의 장소에서 상기 로의 온도를 측정하는 다수의 열전쌍을 포함할 수도 있다. 로 모델링 스테이지(furnace modeling stage)는 상기 열전쌍에 의해 발생된 신호에 응답하여 열전쌍이 실제 측정된 온도에 해당하는 출력 신호를 발생시키며, 이것은 상기 로의 열특성을 나타낸다. 선택적인 웨이퍼 온도 모델링 스테이지는 상기 승강기 부시스템에 의해 발생된 워크피스 위치 신호와 상기 로 열특성 모델링 스테이지의 출력 신호에 응답하여, 워크피스의 하나 이상의 파라미터(미처리 방사율 및 온도값 등)를 나타내는 하나 이상의 신호를 발생시킨다.
다른 일반적이고 보다 특별한 본 발명의 목적은 다음의 도면 및 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 측정된 웨이퍼 온도와 같은 단일 제어 입력에 응답하여, 열처리로 내에서 웨이퍼를 이동시킴으로써, 웨이퍼의 온도를 제어하는 제어 설비를 사용하는 웨이퍼 처리 시스템을 제공하는 것이다. 상기 웨이퍼 처리 시스템은 주어진 웨이퍼 처리 레시피(wafer processing recepe)를 근거로 한 의도된 온도 프로파일(intended temperature profile)을 발생시키는 단계와, 상기 의도된 온도 프로파일을 달성하는 제어 설비로 웨이퍼의 이동을 제어하는 단계를 더 제공한다. 따라서, 본 발명은 처리 중에 웨이퍼의 온도를 예측하는 적응 처리 시스템으로서, 실제로 측정된 온도를 근거로 웨이퍼의 위치를 제어한다.
도 1은 본 발명에 따른 웨이퍼 처리 시스템(10)을 나타낸다. 도시된 웨이퍼 처리 시스템(10)은, 웨이퍼를 로딩하고 반대로 웨이퍼를 제거하는데 적응되어 있는 웨이퍼 조종 시스템(wafer handling system)(12)과, 공지된 기술에 따른 열처리 시스템(14)을 포함한다. 도시된 열처리 시스템(14)은 주 외부 하우징(main outer housing)(16)을 포함하는데, 이것은 폐쇄단(closed end)(18a)과 그에 반대되는 개방단(open end)(18b)을 갖는 원통형 처리 튜브(18)를 갖는 수직로(vertical furnace)를 둘러싼다. 원통형 튜브(18)는 가열 및 처리 챔버(20)를 규정한다. 처리 튜브(18)는 일정한 또는 연속적인 열원(heat source)으로서 사용될 수 있다. 여기에서 사용된 것과 같이, 단어 "연속적(continous)"은 온도와 가열 표면 영역 모두에서 연속적인 것을 포함하고자 하는 것이다. 처리 튜브(18)는 알루미나, 실리콘 카바이드 및 다른 적절한 세라믹 재료와 같은 고온 재료로 형성될 수 있다.
처리 튜브(18)는 3-영역 저항 가열 모듈(three-zone resistive heating module)에 의해 둘러싸일 수 있는데, 이것은 주 가열원으로서 저항-가열 소자(resistance-heated element) 또는 RF 가열 흑체 캐비티 서셉터(RF heated block body cavity susceptor)를 사용하는 3개의 적합한 가열 소자(22A, 22B, 22C)를 포함한다. 이러한 특정 형태의 가열원은 실현하기가 단순하고 잘 특성화되어 있으며, 로의 온도를 안정되고 균일하게 제어하는 신뢰할 수 있는 기술로서, 널리 수용되고 있다. 한 실시예에 따르면, 가열 소자는 수직으로 향하는 가열기 모듈의 일부, 즉 3-영역 저항 가열 유닛을 형성한다. 가열 소자는 저질량(low mass), 고온 금속 와이어(wires)로 구성될 수 있다. 가열 소자를 둘러싸는 절연체(insulation)는 높은 절연값과 낮은 열질량의 세라믹 섬유(ceramic fibers)로 구성될 수 있다. 모든 것은 온도 변화에 빠르게 응답하도록 설계된다. 상기 모듈은 처리 챔버(20)의 냉각을 돕기 위해 공냉 시스템(air cooling system)을 포함할 수도 있다. 따라서, 처리 튜브(18)의 직경과 수직로의 크기는 웨이퍼 크기의 변화에 맞게 쉽게 스케일(scale) 될 수 있다.
도시한 열처리 시스템(14)은 선택된 온도에서 실리콘 웨이퍼의 열처리에 적응되어 있는 적절한 열처리로가 될 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 도시한 열처리 시스템(14)은 구체적으로 미국의 이튼 열처리 시스템부(Eaton Thermal Procesing System Division)에서 "Summit" 또는 "Reliance"라는 상품명으로 판매하는 고속 열처리로가 될 수 있다. "Summit" 설계 시스템은 상대적으로 낮은 유지비용으로 높은 반복성(repeatability) 및 균일한 결과를 달성하는 단일 웨이퍼로(single wafer furnace)이므로, 특히 유용하다. 열처리로는 다중 램프 뱅크(multiple lamp banks) 대신에 단일 웨이퍼 처리를 위한 핫월(hot wall) 수직 처리 챔버(20)를 사용함으로써 온도 기울기(temperature gradient)를 개발한다. 이러한 핫월 챔버는 로의 상부(top)에 가열기 모듈을 배치하고 챔버의 하부(bottom)(18B)에 냉각 시스템(도시하지 않음)을 배치함으로써 개발되고, 이에 따라 처리 챔버의 상부에서 하부까지의 온도 기울기가 생성된다. 처리 챔버(74)의 상부에서 하부까지의 완만한 온도 기울기가 형성되면서, 벨자(bell jar)의 상부는 실질적으로 흑체 복사기(block body radiator)에 근접한다. 가열 챔버 또는 로의 온도 프로파일을 고정시킨 채, 처리 챔버(20) 내에서 웨이퍼(W)의 위치를 간단히 조절함으로써 원하는 온도를 달성한다. 웨이퍼 온도의 경사 증가 및 경사 감소율(ramp up and ramp down rates)은 챔버 내에서 온도 기울기를 통해 웨이퍼가 수직으로 이동하는 속도(velocity)에 의해 제어된다. 통상의 기술을 가진 자라면, 도시한 단일 시스템(14) 이외에, 하나 이상의 가열 또는 냉각 스테이지도 제공될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 선택된 경사율 및 승강기 스피드(elevator speed)는 웨이퍼의 전체 가열율 및 냉각율을 결정한다.
도시한 웨이퍼 처리 시스템(10)은 로의 온도를 측정하기 위해 로에 부근에 분배된 열전쌍(thermocouples)(36A-36E)과 같은 일련의 열전쌍을 이용한다. 열전쌍은 제어 설비(30)에 의한 연속적인 사용을 위해 선택된 지역에서의 온도를 측정한다. 제어 설비는 처리 튜브를 따라 선택된 열 기울기(thermal gradient)를 설정할 수 있고, 열전쌍에 의해 발생된 출력신호[예를 들어, 스파이크 설정(spike setting)]는 원하는 온도 기울기의 유지를 보증하도록 샘플링될 수 있다. 열전쌍으로부터의 온도 측정은, 각 웨이퍼의 처리에 앞서서 특정 선택된 로의 설정 포인트(set point)의 결정에 있어서, 시스템을 보조하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼 처리가 시작되기 전에, 처리 튜브(18)에 따른 열 기울기는, 요구되는 열전쌍의 설정 포인트에 도달할 때까지 가열 소자(22A-22C)를 조절함으로써 설정할 수 있다. 전형적으로, 열전쌍 설정 포인트는 벨자(belljar)의 상부가 원하는 웨이퍼 처리 온도보다 높은 온도, 예를 들어 200°C에 있도록 조정된다. 가열 소자는 웨이퍼 처리 중에 열전쌍 측정을 통해 계속해서 활발히 제어되어 안정한 열 환경(stable thermal environment)을 유지한다.
가열 소자(22A,22B, 22C)는 처리 튜브(18) 부근에 배치되어 처리 챔버(20)를 소정의 온도로 가열하는데, 예를 들어 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)의 경우 400°C에서 1200°C로 가열하고, 산화 또는 확산의 경우에는 800°C에서 1200°C로 가열한다. 처리 기술의 필요에 따라, 제어 설비(30)가 처리 튜브(18)의 온도를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 한 실시예에 따라, 광 고온계(optical pyrometer)와 같은 온도 센서가 챔버 온도를 감지하기 위해 사용될 수 있으며, 웨이퍼 온도와 상관될 수 있는 신호를 제공하는 제어 설비와 결합될 수 있다. 가열 유닛은 본 기술분야에 공지된 바와 같이, 처리 챔버(20) 내에 등온 가열 영역(isothermal heating zone)을 형성하는 것이 바람직하다.
도시된 웨이퍼 조종 시스템(12)은 승강기 부시스템(elevator subsystem)(24) 위에 웨이퍼를 로딩 혹은 언로딩(unloading)하는 적합한 웨이퍼 운송 어셈블리(wafer transport assemblies)를 포함할 수도 있다. 웨이퍼 조종 시스템의 한 형태에 대한 일례가 미국특허 제5,820,366호에 기재되어 있는데, 그 내용을 여기에서 참조로서 포함한다. 승강기 부시스템(24)은 가이드 로드(guide rod)(28)에 미끄러질 수 있게 맞물리는 웨이퍼 승강기 튜브(26)에 놓인 석영 웨이퍼 홀더(quartz wafer holder)(36)를 포함할 수 있다. 적절한 서보 모터(servo motor)(도시하지 않음)가, 처리 챔버(20)의 안 또는 밖으로 가이드 로드를 따라 수직으로 승강기를 선택적으로 이동하기 위해, 가이드 로드 또는 승강기에 결합될 수 있다. 서보 모터는 제어 설비(30)에 의해 제어될 수 있고, 필요하다면 운동 제어기(motion controller)를 포함할 수 있다. 또한, 제어 설비는, 도시한 상기 로의 열처리 동작과 연동하여 선택된 처리 데이터를 축적하는 데이터 획득 스테이지(date aquisition stage)와, 시스템과 사용자 사이에서 선택된 정보를 시스템에 입력하게 하거나 교환하도록 하는 사용자 인터페이스(32)를 포함할 수도 있다. 사용자 인터페이스는 키보드, 모니터 및/또는 마우스 및 터치스크린(touchscreen)과 같은, 적절한 입력 장치가 이용될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 도시된 웨이퍼 처리 시스템(10)은 열처리 시스템(14) 내에서, 특히 처리 챔버(20) 내에서, 웨이퍼의 온도를 검출, 측정 및/또는 결정하는 피드백 부시스템(feedback subsystem)을 포함한다. 피드백 부시스템(14)은 고온계를 이용할 수 있는데, 온도와 같은 웨이퍼(W)의 하나 이상의 파라미터를 검출하는 단일 고온계가 바람직하다. 예를 들어, 고온계는 웨이퍼로부터 반사되는 광량을 검출할 수 있고, 이 때, 제어 설비(30)에 의해 수신된 신호를 발생시킨다. 이러한 데이터를 근거로, 제어 설비는 방사율과 그 때의 웨이퍼(W) 온도를 결정할 수 있다. 적합한 피드백 부시스템의 일례가 미국 특허출원 제09/280,308호("SYSTEM AND METHOD FOR THE REAL TIME DETERMINATION OF THE IN SITU EMISSIVITY OF A WORKPIECE DURING PROCESSING", 1999. 3. 29일자 출원)에 설명되어 있으며, 그 내용을 여기에서 참조로서 포함한다. 또한, 상기 고온계는 웨이퍼 온도를 비간섭적( non-invasively)으로 측정하는 데에 직접 사용될 수 있다. 상기 고온계는 웨이퍼 온도와 상관될 수 있는 출력신호를 발생시킬 수 있다. 상기 고온계는 제어 설비(30)와 결합된다.
도시한 제어 설비(30)은 컴퓨터 또는 데이터 처리기와 같은 적절한 기억소자 및 처리 소자를 갖는 적절한 계산 장치일 수도 있다. 제어 설비(30)는 웨이퍼 처리 시스템(10)의 동작을 제어하는 적절한 온도 제어 프로그램을 저장하여, 의도된 웨이퍼 온도 프로파일 및 궤적(trajectory)에 따라 웨이퍼를 가열하는 것이 바람직하다. 제어 프로그램은 피드백 부시스템(34)과 의도된 온도 프로파일에 의해 제공된 데이터를 이용하여, 챔버 내의 웨이퍼의 위치 뿐만 아니라 승강기 부시스템의 적합한 스피드를 결정한다.
제어 설비(30)는 의도된 온도 프로파일과 가능한 밀접하게 달성(achieve), 도달( attain), 추종(follow) 및 일치(match)하도록, 처리 챔버(20)에서 웨이퍼를 차례로 이동하는 승강기 부시스템을 구동한다. 승강기 부시스템(24)은 선택된 방식으로 웨이퍼 온도를 가열하기 위해, 선택된 방식으로 웨이퍼를 처리 챔버 내로 이동시킨다. 웨이퍼(W)는 원하는 레시피에 따라 가열될 수 있는데, 이것은 온도의 경사 감소율, 경사 증가율, 및 흡입 시간(soak time) 또는 온도, 그리고 다른 처리 파라미터를 포함한다. 여기서, 흡입 시간은 온도가 정상 상태 조건(steady state condition) 기간에 도달(reach or attain)할 때까지의 처리 챔버 내에 있는 웨이퍼의 가열 시간(time or duration)을 포함하는 것을 의미한다. 일반적으로, 흡입 시간은 경사 증가와 경사 감소 시간 사이에서의 상대적인 수평 영역으로서 실제 혹은 의도된 온도 프로파일의 그래프로 도시된다. 한 실시예에 따르면, 흡입 시간은 일반적으로 웨이퍼 온도 또는 약 1050°C에서 발생시킨다.
도 2는 도 1의 웨이퍼 처리 시스템의 통합과 동작을 나타내는 블록도이다. 도시된 웨이퍼 처리 시스템(10)은 시스템에 의해 발생된 선택 데이터 신호를 수신하고 처리하는 제어 설비(30)을 이용한다. 특히, 제어 설비(30)는 웨이퍼 처리 시스템(10)의 일부를 형성하는, 도 3의 궤적 발생기(74)에 의해 발생된 온도 궤적 신호(68)를 수신한다. 궤적 발생기(74)는 원하는 온도로서 참조되고 사용자 인터페이스(32)로부터 공급될 수 있는, 의도된 온도 프로파일 또는 궤적을 발생시킨다. 궤적 발생기(74)는, 경사 증가 시간, 경사 감소 시간 및 흡입 및 홀드 시간/온도와 같은 선택된 특정 웨이퍼 처리 파라미터를 포함할 수 있는, 사용자 정의 웨이퍼 처리 레시피를 근거로 한 의도된 온도 프로파일을 발생시킨다. 통상의 기술을 가진 자라면, 다른 선택된 특정의 파라미터도 사용자 인터페이스(32)를 통해 웨이퍼 처리 시스템(10)으로 입력되는 레시피의 일부를 형성할 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 열전쌍(36A-36E)은 처리 튜브(18)의 온도 프로파일을 측정한다.
도시된 시스템 10에서, 제어 설비(30)는 처리 튜브(18)를 따라 형성된 온도 기울기를 조정하고, 적당한 온도 기울기에 도달할 수 있도록 열전쌍을 이용한다. 열전쌍은 추가 처리를 위해 제어 설비(30)에 입력되는 신호(42)를 발생시킨다. 일반적으로 상기 신호(44)는 열전쌍의 스파이크 설정(spike setting)에 해당한다. 마찬가지로, 신호(44)로 표시한 열전쌍 신호는 로 열특성 스테이지(furnace thermal properties stage)(46)에 입력된다. 도시된 로 열특성 스테이지(46)는 열처리 시스템(14)의 열 특성을 결정 또는 설정하기 위해 로의 동역학(dynamics)을 나타내는 수학적 모델일 수 있다. 열전쌍에 의해 발생된 신호를 근거로, 도시된 웨이퍼 처리 시스템(10)은 처리 챔버(20) 내에서 원하는 열적 모델(thermal model)이 달성되었는지를 결정한다. 로 열특성 스테이지는 열전쌍의 실제의 미처리 측정값(actual raw measurements)을 나타내는 출력 신호(47)를 발생시킨다. 상기 신호(47)는 웨이퍼 열특성 스테이지(48)로 도입되거나 입력된다. 웨이퍼 열특성 스테이지(48)는 웨이퍼가 처리 챔버(20) 내에서 열처리된 방법을 모델링하는 예측 또는 적응 수학적 스테이지(predictive or adaptive mathematical stage)일 수 있다. 처리 챔버(14)가 어떤 열 상태(thermal state)에 도달하면, 웨이퍼의 물리적 특성은 웨이퍼의 열응답을 반영한다. 예를 들어, 웨이퍼 열특성 스테이지(48)는 처리 중의 웨이퍼의 실제 미처리 온도를 나타내는 출력 온도 신호(50)를 발생시킨다. 도시된 웨이퍼 열특성 스테이지(48)은 처리 중의 웨이퍼의 실제 미처리 방사율(emissivity)을 나타내는 출력 방사율 신호(52)도 발생시킨다. 상기 스테이지(48)에 의해 발생된 상기 출력 신호들(50, 52)은 피드백 부시스템(34)으로 입력된다.
도시된 피드백 부시스템(34)을 아래에서 더 상세히 설명한다. 상기 피드백 부시스템(34)은 온도 보정 및 필터링 스테이지(temperature correction and filtering stage)(62)와 통신하는(예를 들어, 입력으로 사용되는) 고온계(54)를 이용할 수 있다. 피드백 부시스템(34)은 온도 보정 및 필터링 스테이지(62)와 통신하도록 배치된 방사율 측정 스테이지(emissivity measurement stage)(56)도 포함할 수 있다. 웨이퍼 열특성 스테이지(48)에 의해 발생된 실제 온도 신호(50)는 고온계에 의해 검출되고, 고온계는 계속해서 웨이퍼의 온도를 보정할 수 있는 출력 신호(58)를 발생시킨다. 스테이지(48)에 의해 발생된 출력 방사율 신호(52)는 방사율 측정 스테이지(56)에 입력된다. 방사율 측정 스테이지는 상기 신호(52)를 처리하여 웨이퍼의 실제 측정된 방사율을 나타내는 출력 신호(60)을 발생시킨다. 출력 신호들(58, 60)은, 고온계(54) 또는 다른 시스템 구성요소에 의해 발생된 미처리 신호에 있는 잡음 등을 필터링함과 동시에, 적합한 방사율 보정을 실행하는 보정 및 필터링 스테이지(62)로 입력된다. 통상의 기술을 가진 자라면, 상기 시스템(10)에 의해 적합하게 결정된 신호의 적합한 스케일링 또는 바이어싱과 같이, 다른 기능들도 상기 필터링 스테이지(62)에 의해 실행될 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 상기 피드백 부시스템(34)은 웨이퍼의 필터링되고 측정된 온도를 나타내는 출력 신호(64)를 발생시킨다. 필터링된 온도 신호(64)는 제어 설비(30)에 입력된다.
도시된 제어 설비(30)은 하나 이상의 열전쌍 신호(42), 의도된 온도 프로파일 신호(68) 및 필터링된 온도 신호(64)를 처리하여 출력 신호(70)을 발생시키고, 이를 승강기 부시스템(24)에 입력한다. 출력 신호(70)는 승강기 튜브(26)를 축방향으로 이동시키는 적합한 스피드(Zc)를 나타낸다. 그러므로 승강기 부시스템(24)은 하나 이상의 앞선 적합한 입력 파라미터에 기초한 제어 설비(30)에 의해서 결정된 속도로 이동한다. 승강기 부시스템(24)은 승강기 출력 신호(72)에 의해 표시되는 위치(ZR)로 승강기를 이동시킨다. 이러한 신호는 제어 설비(30)와 함께 피드백 루프(66)을 통해 피드백 통신을 구성한다. 그러므로, 제어 설비(30)는 처리 챔버(20) 내에서의 웨이퍼 위치를 근거로 적합한 승강기 스피드를 결정한다. 상기 승강기 출력 신호(72)는 웨이퍼 열특성 스테이지(48)에도 입력되는데, 이것은 출력 신호(47)에 의해 표시된 로의 특성을 따라 처리되어, 처리 중의 웨이퍼에 대한 실제의 미처리 온도 및 방사율을 결정한다. 특히, 처리 챔버 내에서의 승강기 위치는 웨이퍼가 받는 열에너지를 결정한다. 이것은, 웨이퍼의 물리적 특성과 함께, 처리 중의 실제 웨이퍼 온도 및 방사율의 결과를 결정한다. 통상의 기술을 가진 자라면, 단순하고 분명하게 하기 위해 상기 도시된 스테이지(46, 48)를 분리된 스테이지로 나타내는 것은 쉽게 알 수 있을 것이다. 상기 스테이지(46, 48)는 제어 설비(30) 내에 쉽게 통합될 수 있고, 반드시 분리된 스테이지로 실현할 필요는 없다. 다른 실시예로서, 상기 스테이지(46, 48)는, 제어 설비(30)와 같이, 웨이퍼 처리 시스템(10) 내에 배치된 적절한 저장 매체에 저장되어 있는 적합한 소프트웨어로 실현될 수도 있다.
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본 발명의 중요한 장점은, 제어 설비(30)가 필터링된 온도 신호(64)를 처리하여 처리 튜브(18) 내의 웨이퍼의 위치를 결정한다는 것이다. 특히, 제어 설비(30)는 추정된 온도 신호(64)를 처리하여, 처리 중의 챔버(20) 내에서의 웨이퍼 스피드를 결정하는 적절한 승강기 스피드를 발생시킨다. 본 발명의 또 다른 중요한 장점은, 상술한 바와 같이, 제어 설비(30)가 하나 이상의 신호 입력을 근거로 처리 챔버(20) 내에서의 웨이퍼의 위치와 스피드를 제어 또는 조정한다는 것이다. 그러므로, 제어 설비(30)는 웨이퍼의 처리에 영향을 주는 다른 시스템 구성요소의 동작을 제어할 필요가 없다.
도 3은 본 발명의 피드백 부시스템(34)과 관련된 제어 설비(30)의 동작 및 기능을 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이, 궤적 발생기(74)는 처리 챔버(20)에서의 웨이퍼의 온도를 제어할 때 시스템이 도달하고자 하는 의도된 온도 프로파일을 발생시킨다. 궤적 발생기(74)는 가산기(summer element)(76)에 입력되는 출력 신호(68)을 발생시킨다. 더군다나, 상술한 바와 같이, 웨이퍼 열특성 스테이지(48)에 의해 발생된 실제 웨이퍼 온도 신호(50)는 고온계(54)에 의해 검출되고, 고온계(54)는 고온계 출력 신호(58)을 발생시킨다. 상기 출력 신호(58)는 원하지 않는 잡음을 필터링함과 동시에 웨이퍼의 방사율 또는 온도를 보정하기 위한 온도 보정 및 필터링 스테이지(62)에 입력된다. 필터링 스테이지(62)는 가산기(76)에 입력되는 출력 신호(64)를 발생시킨다. 출력 신호(64)는 처리 챔버(20) 내의 웨이퍼의 필터링된 측정 온도를 나타낸다. 도시한 가산기(76)는 상기 신호(68)와 관련된 값으로부터 상기 출력 신호(64)와 관련된 값을 감산하여 오차 신호(78)을 발생시킨다. 상기 오차 신호(78)는 스케일링(scaling) 스테이지(80)에 입력되어, 선택된 스케일 팩터(factor)로 상기 신호(78)를 스케일링한다. 상기 스케일링 스테이지(80)는 도시한 웨이퍼 처리 시스템(10)에 의해 실행되는 웨이퍼 가열의 최적화를 시도한다. 최종 사용자에 의해 요구되는 특별한 레시피가 상기 스케일링 스테이지(80)에 의해 이용된 특별한 스케일링 팩터에 영향을 준다. 예를 들어, 상기 레시피는 경사율 및 온도 궤적의 롤오버 부분(rollover portion)과 같은, 특별한 처리 파라미터에 따라 최종 사용자에 의해 결정될 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상대적으로 순수한 실리콘 웨이퍼를 처리할 때, 상기 스케일링 스테이지(80)는 스케일 팩터로서 1.2를 이용한다. 상기 스케일링 스테이지(80)가 특별한 웨이퍼 처리 레시피에 따라 특별한 스케일 팩터를 사용자가 선택할 수 있도록 한 선택 메뉴를 제공하도록 할 수 있다는 것은, 통상의 기술을 가진 자라면 알 수 있을 것이다. 상기 스케일링 스테이지(80)는 가산기(86)에 입력되는 출력 신호(82)를 발생시킨다. 궤적 샘플기(trajectory sampler)(88)는 특별한 시간에서 상기 의도된 온도 프로파일을 샘플링하고, 가산기(86)로 입력되는 신호를 발생시킨다. 이에 응답하여, 가산기(86)은 두 개의 입력 신호의 합에 해당하는 출력 신호(90)을 발생시킨다. 마찬가지로, 스케일링 스테이지(80)는 가산기(100)에 입력되는 출력 신호(84)를 발생시킨다. 제2 궤적 샘플기(102)는 상기 궤적 샘플기(88)와는 다른 시간에서 상기 의도된 온도 프로파일을 샘플링하고, 가산기(100)로 입력되는 출력 신호를 발생시킨다. 상기 가산기(100)는 두 개의 입력 신호의 합에 해당하는 출력 신호(104)를 발생시킨다.
가산기(86)의 출력 신호(90)는 위치 발생기(92)에 입력된다. 위치 발생기(82)는 상기 의도된 온도 프로파일의 기울기를 분석하여 특별한 변화점을 결정하고, 특별한 웨이퍼 위치를 나타내는 출력 신호(94)를 발생시킨다. 출력 신호(94)는 가산기(96)에 입력된다. 마찬가지로, 가산기 출력 신호(104)는 위치 발생기(106)에 입력되고, 가산기(110)의 입력이 되는 출력 신호(108)을 발생시킨다. 가산기들(96, 110)은 특별한 오프셋 값(offset value)을 나타내는 오프셋 신호를 수신하는데, 한 실시예에 따르면, 이것은 상수값일 수 있다. 도시한 가산기 96은 출력 신호 98을 발생시키고, 도시한 가산기 110은 출력 신호 111을 발생시키며, 각각의 출력 신호는 두 입력의 합을 나타낸다. 출력 신호들(98, 111)은 각각, 본 발명의 제어 설비(30)에 의해 수용될 수 있는 상한 및 하한값을 결정하는 경계 결정 스테이지(boundary determination stage)(120)로 입력된다. 예를 들어, 경계 결정 부시스템(112, 116)은, 본 발명에 따라 처리 튜브 내에 이용될 수 있는 웨이퍼 위치의 유효 범위를 결정한다. 상기 경계 결정 부시스템(114, 118)은 처리 챔버(20) 내에서의 웨이퍼 위치에 대한 허용가능한 범위를 결정한다. 상기 경계 결정 스테이지(120)는 출력 신호(119)를 발생시키고, 이것은 가산기(122, 124)에 입력된다. 가산기(122)는 상기 출력 신호들을 더해서 가산기 출력 신호(128)을 발생시킨다. 도시한 가산기(124)는 신호 121과 관련된 값을 신호 199로부터 감산하여 가산기 출력 신호 130을 발생시킨다.
도시한 가산기 출력 신호(128)는 스케일링 스테이지(134)로 입력되고, 이것은 특별한 스케일링 팩터로 이용될 수 있다. 도시한 바와 같이, 상기 스케일링 스테이지(134)는 스케일링 팩터로 0.5를 이용한다 (이것은 단지 설명을 위한 것이지 한정하는 의미로 해석될 수 없음). 도시한 스케일링 스테이지(134)는 가산기 출력 신호(128)을 스케일링하여, 원하는 수직 위치를 나타내는 신호를 얻는다. 이러한 신호는 수직축 신호(139)를 수신하는 가산기(138)에 입력된다. 수직축 신호(139)는 출력 신호(135)로부터 감산되어 출력 수직 위치 신호(141)를 얻는다. 이 출력 신호(141)는 상기 신호(141)에 증폭 이득을 인가하는 이득 스테이지(gain stage)(140)에 입력된다. 도시한 이득 스테이지(140)는 가산기(146)에 입력되는 출력 신호(142)를 발생시킨다.
도시한 가산기(124)는 신호 119로부터 신호 121과 관련한 값을 감산하여 출력 신호 130을 발생시킨다. 가산기 출력 신호(130)는 출력 신호(130)의 값에 대해 미분값을 취하는 도함수 스테이지(derivative stage)(132)에 입력된다. 상기 도함수 스테이지는 스케일링 스테이지(136)에 입력되는 출력 신호를 발시킨한다. 상기 스케일링 스테이지 136은 스케일링 스테이지 134와 동일하게 할 수 있다. 도시된 스케일링 스테이지(136)는 원하는 웨이퍼 위치의 미분값을 표시하는 출력 신호(144)를 발생시킨다. 이 출력 신호(144)는 가산기(146)에 입력되고, 이 신호는 신호 142와 결합된다. 가산기(146)는 가산기 출력 신호(148)를 발생시키고, 이것은 웨이퍼 속도의 상한 및 하한을 결정하는 또 다른 경계 결정 부시스템(150)에 입력된다. 도시한 바와 같이, 경계 결정 스테이지(120)과 경계 결정 부시스템(150)은 승강기 부시스템(124)이 포화되거나 어떤 특별한 동작 범위 밖의 신호를 수신하지 않도록 한다. 경계 결정 스테이지(120)는 허용 가능한 범위 내에 있는 특별한 위치를 결정하고, 경계 결정 부시스템(150)은 본 발명에 의해 신뢰할 수 있는 승강기의 최고 및 최저 스피드를 결정한다. 도시한 경계 결정 부시스템(150)은 스케일 팩터 스테이지(152)에 입력되는 출력 신호를 발생시킨다. 도시한 스케일 팩터 스테이지(152)는 승강기가 이동할 거리를 결정하고, 사전 선택된 양만큼 스테이지(150)의 출력 신호의 값을 스케일링한다. 도시한 스케일 팩터 스테이지(152)는 승강기의 스피드를 나타내는 경계 결정 부시스템(150)에 의해 발생된 출력 신호를, 시간당 카운트(count)와 같은 부호기(encoder)와 호환 가능한 출력 신호로 변환한다.
도시한 스케일 팩터 스테이지(152)는 카운팅 스테이지(counting stage)(154)로 입력되는 출력 신호를 발생시킨다. 카운팅 스테이지(154)는 승강기 부시스템이 특별한 입력 신호를 근거로 웨이퍼를 이동시키는 특별한 카운트가 얼마인가를 결정한다. 예를 들어, 상기 카운팅 스테이지(154)는 처리 챔버 내에서 이동된 웨이퍼가 어느 정도인지를 확인하여, 의도된 온도 프로파일(68)로 규정된 온도를 달성한다. 상기 카운팅 스테이지(154)는 출력 신호(70)을 발생시키고, 이것은 승강기 부시스템(24)으로 입력된다(도 2 참조).
동작에 있어서, 상기 웨이퍼 처리 시스템(10)은 처리 중의 웨이퍼 측정 온도에 응답하여 처리 챔버 내에서 웨이퍼의 위치를 이동시킨다. 웨이퍼는 선택된 온도 프로파일에 도달하기 위해 이동된다. 도 4를 참조하면, 상기 시스템(10)은 선택된 온도 기울기에 도달하기 위해 처리 튜브 근처에 배치된 가열 소자(22a~22c)를 구동한다. 열전쌍(36a~36e)은 선택된 위치에서 온도를 측정하기 위해 처리 튜브 근처에 배치된다. 상기 열전쌍은 제어 설비(30)와 로 열특성 스테이지(46)(예를 들어, 열처리 시스템 14)에 입력되는 출력 신호를 생성하여, 그 열특성을 결정한다(단계 160). 이 때, 시스템 사용자는 선택된 웨이퍼 처리 레시피를 결정하고, 사용자 인터페이스(32)를 통해 상기 레시피를 시스템에 입력한다(단계 162). 궤적 발생기(74)는 웨이퍼에 대한 원하는 온도 가열 방안(scheme)을 나타내는 선택된 온도 프로파일을 발생시킨다(단계 164). 상기 온도 프로파일은 선택된 경사 증가율 및 경사 감소율 및 흡입 온도 또는 시간을 포함한다.
도 2에서 신호 50 및 52로 표시한 바와 같이, 피드백 부시스템(34)에 입력되는 미처리 실제 웨이퍼 온도와 방사율은 웨이퍼 처리 시스템(10)에 의해 결정된다. 피드백 부시스템은 처리 챔버에서의 웨이퍼의 온도와 방사율을 측정하고(단계 168), 원하지 않은 잡음을 필터링 스테이지(62)로 보정한다. 피드백 부시스템은 필터링된 측정 웨이퍼 온도를 나타내는 신호를 발생시킨다. 웨이퍼 온도 신호(64)는 제어 설비(30)에 입력된다. 필요한 경우, 제어 설비(30)는 온도 프로파일과 열전쌍으로부터의 출력 신호를 수신할 수도 있다. 제어 설비는 다수의 선택된 시스템 기능을 수행한다. 한 가지 기능으로서, 측정된 온도가 온도 프로파일에 의해 규정된 원하는 온도와 동일하거나 약간의 선택된 변동 범위 내에 있는지를 결정한다(단계 170). 만일 그렇다면, 상기 시스템은 웨이퍼 방사율 및 온도를 결정하고, 웨이퍼 온도가 원하는 웨이퍼 온도와 적절히 관련되어 있는지를 확인하고 점검한다. 만일 웨이퍼의 온도가 선택된 양 이상으로 원하는 온도와 다르면, 상기 시스템은 승강기 부시스템(24)을 구동함으로써 처리 챔버(20)에서의 웨이퍼의 위치를 조절한다(단계 172). 도 2에 도시한 바와 같이, 웨이퍼가 선택된 스피드로 선택된 위치로 이동하도록 승강기를 구동하는 승강기 스피드 신호(70)가, 제어 설비(30)에 의해 발생된다. 웨이퍼가 놓인 위치는 웨이퍼를 가열하거나 원하는 온도에 근접시키기에 충분한 위치에 해당한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제어 설비(30)는 다수의 다른 기능도 수행한다. 예를 들어, 상기 제어 설비는 시스템에서의 오차의 양을 결정하고, 선택된 양으로 오차를 스케일링하고, 원하는 웨이퍼 위치를 결정한다. 제어 설비(30)는, 적어도 부분적으로는, 오차 신호에 근거한 웨이퍼 처리 시스템의 허용 가능한 동작 한계 또는 범위를 결정한다. 또한, 제어 설비(30)는 수신된 정보를, 처리 챔버 내에서 웨이퍼를 이동시키기 위한 적절한 웨이퍼 스피드 및/또는 위치 데이터로 변환하여, 원하는 온도 프로파일에 도달하거나 트래킹한다.
처리 챔버(20) 내에서 웨이퍼(W)의 이동을 결정하는 본 발명의 제어 설비(30)에서 사용되는 제어 프로그램에 대하여 아래에서 설명한다.
먼저, 일반적인 2차 열전도 방정식(two-dimensional heat conduction equation)을 초기 해석하고 이해하는 것이 도움이 된다. 원통 좌표계(cylindrical coordinates)에서, 웨이퍼에 대한 2차 열전도 방정식은 다음과 같이 주어진다.
여기서, θ-방향에서 축-대칭(axi-sysmetry)이라고 가정하고, 는 웨이퍼의 국부 좌표 시스템(local coordinate system)을 나타낸다(즉, 은 웨이퍼의 하부 표면을 정의하고, 는 웨이퍼의 상부 표면에 있다). 실리콘에 대해서, 비열(specific heat) 및 열전도성(thermal conductivity)은 C=C(T) 및 κ=κ(T)로 각각 주어진다. 식(1)의 적합한 경계 조건(boundary condition)은 다음과 같이 주어진다.
여기서, ε및 α는 웨이퍼의 방사율 및 흡수율이고, 첨자 t, b, e는 웨이퍼의 상부 표면, 하부 표면, 및 에지(edge)를 각각 나타낸다. 여러 가지 열원의 항들은 다음과 같이 정의된다.
여기서, Fw-r(r, z)는, 주어진 방사상 위치(radial location)(r) 및 높이(z)에서, 온도 Tt에 있는 벨자(bell jar)의 상부에 대한 웨이퍼 사이의 뷰 팩터(view factor)를 나타낸다. 마찬가지로, Fw-r(r, z)는 챔버의 하부에 대한 뷰 팩터를 나타내고, Fw-d(side)(r, z', z)는 벨자의 측벽 상의 높이 z'에서 링(ring)에 대한 뷰 팩터를 나타낸다(Ts(z)는 z-방향에 따른 벨자 온도를 나타내고, Hbj는 챔버의 높이다). 식(2)에서 적분과 z'을 알 수 있다. 또한, 에지[식(2)]에서의 경계 조건은 웨이퍼 에지로부터 벨자까지의 뷰 팩터에 의해 결정된다. 변수 z는 챔버의 하부로부터 측정된 웨이퍼 위치를 나타내기 위해 사용되는 것에 주목한다.
고정된 온도의 몸체(벨자)가 복사(radiation)에 의해 더 작은 목적물을 가열하고 있는 시스템에 있어서, 식(1a)에 의해 주어지는 경계 조건과 식(2a-2c)에 의해 주어지는 열원의 항들은 전형적이다. 또한, 식(1)에서는 상술한 바와 같이, 다음 사항이 고려된다.
a) 처리 중의 웨이퍼 온도는 매우 큰 온도 범위를 커버하며(예를 들어, 약 30~1100°C), 비선형 경계 조건은 실질적으로 이 범위를 넘어서 변화한다.
b) 웨이퍼 두께 대 직경의 비율은 매우 작고, 유한 요소(finite element) 또는 유한 차분법(finite difference)과 같은 수치 방법(numerical technique)의 실행을 실제로 매우 "스티프(stiff)"하게 만든다.
c) 웨이퍼 두께에 대한 온도 변화와 그 반경에 따른 온도 변화는 약 1°C의 차수로 된다. 전형적인 처리 온도인 1000°C에서, 이것은 약 0.1%에 해당한다. 따라서, 상세한 온도 분포를 분석하기 위해서는, 수치 방법이 약 0.01% 이하로 정밀해야 한다. 이것은 엄청난 수의 메쉬(mesh)에 대한 해석을 필요로 한다.
그 결과, 만일 상기 시스템(10)의 제어 설비(30)에 의해 단순하게 실행하는 경우에, 상기 식(1)을 직접 푸는 브루트 포스(brute force) 방법은 유효하지 않다. 그러므로, 한 실시예에 따라, 상기 제어 설비는 다음에 설명하는 섭동법(perturbation techniques)을 이용할 수 있다.
섭동 분석(Perturbation Analyssi)
계속해서, 웨이퍼의 작은 두께(hw) 대 직경(2Rw) 비율의 이점을 이용한다. 특히, 다음의 온도 변수에 대한 섭동 전개(perturbation expansion)를 도입한다.
여기서, T2/T0~δ2<<1 이고, δ≡hw/Rw 이다. 여기서, δ는 통상의 섭동 파라미터이다. 선행 차수의(leading order) 섭동 방정식은 다음과 같이 된다.
여기서, 표기의 편의를 위해 온도에서 첨자 "0"을 생략하였다[즉, T=T 0 (r,t)].
식(4)는 원하는 1차 방사 방정식(one dimensional radial equation)을 얻기 위해 웨이퍼의 두께에 대해 적분된다.
식(1a)에 의해 주어진 경계 조건의 일부를 사용한 경우, 식(5)는 웨이퍼의 1-D 열전도 방정식이다.
다음으로, 식(4)를 이용하여, T2에 대해 풀 수 있고, 또한 웨이퍼의 두께에 대해 온도차(temperature difference)를 구할 수 있다 , 이 온도차는 열 스트레스(thermal stress) 및 워핑 계산(warping calculation)에 매우 중요하며, 다음과 같이 주어진다.
다음으로, 식(6)에 사용된 T값이 웨이퍼 평균(방사상으로) 온도임을 아래에서 증명할 것이다.
웨이퍼 온도의 0차 방정식(The 0-D Equation for Wafer Temperature)
식(5)를 단순하게 하기 위해서, 시스템에서의 고유 열균일성(inherent thermal uniformity)의 이점을 이용한다. 다음의 전개식이 웨이퍼 온도에 대해 사용된다.
여기서, T1은 방사 방향에서의 온도 변화를 나타낸다(). 웨이퍼 방사상으로의 적분에 이어서 식(5)에서 이러한 전개식을 사용함으로써, 평균 온도에 대한 원하는 0차 방정식을 구한다.
여기서 열원 항의 상단에 있는 선(over-bars)은 방사상으로의 평균을 나타낸다. 즉,
식(8)은 웨이퍼에 대한 온도 변화율이 웨이퍼의 복사 열 특성(radiant thermal properties) 뿐만 아니라, 상부 및 하부 표면으로부터의 열 입력에 의해 좌우된다는 것을 말한다.
1차 방사상 방정식(The 1-D Radial Equation)
T1에 의한 1차(섭동) 방정식은 약간의 대수적 조작(algebraic manipulation) 후에 구할 수 있다. 그 결과는 T1에 의한 선형 열전도 방정식이 된다. 즉, 처리 중의 웨이퍼 온도의 방사상 의존성(radial dependence)을 나타낸다. T1에 대한 변화율을 결정하는 3가지 전달 메커니즘(transfer mechanisms)이 있다.
a) 고온 영역은 웨이퍼가 그 주변과 평형을 이루는 것만큼 빠르게 열을 발산한다.
b) 벨자로부터 웨이퍼로의 비균일 뷰 팩터(non-uniform view factor)는 웨이퍼 상에서 온도 비균일성을 초래할 수 있다.
c) 경계 조건에 의해 주어진 바와 같이, 웨이퍼의 에지 가열(또는 냉각)은 전도(conduction)를 통해 안쪽으로 전파될 것이다.
T1에 대한 결과적인 방정식은 의 함수로 되는 일부 계수와 선형적이라는 것이 중요하며, 여기서 는 식(8)을 풀어서 독립적이고 선험적(a priori)으로 계산된다. 즉, 웨이퍼에 대한 2차 열전도 방정식을 푸는 문제가 에 대한 0차 방정식, T1에 대한 선형 열전도 방정식, T1에 대한 선형 열전도 방정식, 및 ΔT에 대한 해석 관계(analytic relation)을 푸는 것으로 감소된다.
상기한 절차 없이, 일반적인 식(1)의 해를 계산적으로 구하는 것은 매우 어려운데, 그것은, 아래의 설명과 같이, 방사상 온도 변화가 실제로 sub 0.1%이기 때문이다. 이용할 수 있는 계산법 또는 현존하는 복사 열전달 소프트웨어는 이러한 정밀도로 결과를 쉽게 구할 수 있을 만큼 견실(robust)하지 않다. T1에 대한 방정식을 풀 경우에는 이러한 문제에 직면하지 않는데, 이것은 주된 변수가 섭동 온도이고 전체 웨이퍼 온도가 아니기 때문이다. 즉, T1에 대한 방정식의 해에서 0.1% 의 계산 부정확성(inaccuracy)은 T1(r,t)에서 동일한 레벨의 불확정성(uncertainty)을 발생시킨다. 그러나, 식(1)을 푸는 것에 있어서의 0.1% 부정확성은 T1(r,t)에서 100%의 불확정성을 발생시킨다. 0.1 % 내로 방사상 온도 분포를 풀기 위하여, 식(1)의 해는 0.001 내로 정밀해야 한다.
도 1~3에서, 석영 승강기 튜브(28)에 놓여 있는 석영 웨이퍼 홀더(quartz wafer holde)(38) 상에 웨이퍼가 배치된다. 이 때, 웨이퍼 온도는 처리 챔버(20) 내에서의 웨이퍼의 상하 이동에 의해 변화한다. 즉, 웨이퍼 온도 궤적은 그 복사 특성 뿐만 아니라 벨자에서의 위치 궤적에 따른다. 1200°C까지의 웨이퍼 온도와 220°C/sec 까지의 경사율이 웨이퍼 처리 시스템(10)에서 달성될 수 있다. 처리 중에, 웨이퍼 중심에서의 온도는 방사율 보상 고온 측정 시스템(emissivity compensated pyrometry system)을 사용해서 측정된다. 측정된 웨이퍼 온도는 제어 설비(30)에 저장된 제어 알고리즘과 결합하여, 원하는 온도 궤적을 생성하기 위해 필요한 승강기 위치를 결정한다. 도 5에서와 같이, 선택된 레시피에 따라 궤적 발생기(74)에 의해 발생된 온도 궤적 또는 프로파일은 다음과 같이 될 수 있다. a) 사용자 지정 온도에서 폐루프 제어(closed loop control)를 시작, b) 고정된 비율(사용자 지정)로 온도를 경사화(ramp), c) 한 구간에 대해 지정 흡입 온도에서 안정하게 유지 d) 웨이퍼가 언로딩 될 때 까지 주어진 비율로 경사 감소. 상기에서 규정한 바와 같이 온도 궤적의 각 부분은 입력 레시피에 따라 규정되고, 도 5에 도시한 것와 유사한 파형을 가진다. 예를 들어, 경사율 그래프(174)는 일련의 불연속 경사율로서 정의될 수 있고, 온도 궤적(176)은 시작을(start rate), 흡입 온도(soak temperature) 및 그 때의 경사 감소율을 가진다. 상기 궤적(174)은 경사율 그래프(176)의 미분값이다.
본 발명의 제어 설비(30)의 일반적 요구조건은 다음과 같이 될 수 있다.
a) 온도 경사 증가 중의 궤적 트래킹은, 필요할 경우 지정된 비율의 약 5% 내에 있을 수 있다. 다른 백분율 값도 사용될 수 있다.
b) 온도 오버슈트/언더슈트(over/undershoot)는 1.5°C 아래에 있다(이것은 1000°C 흡입 시간 또는 온도에 대해 0.15%에 해당함). 다른 값들도 사용될 수 있다.
c) 정상 상태(steady state)에 도달함에 따라 온도 오차가 급속히 0으로 접근한다.
d) 제어 설비(30)는 웨이퍼 복사 특성에서의 변화에 대해 견실하다.
웨이퍼 처리 시스템(10)은 처리 튜브(18)의 상부에서 승강기의 동작 포화(motion saturation)에 대해 견실하다. 특정 경우에, 필요한 경사율이 과도할 수 있어서, 웨이퍼는 최대 허용 가능한 행정 높이(travel height)에 위치할 수 있다. 그러한 경우, 흡입(정상 상태) 온도에 도달함에 따라 승강기는 급속히 포화 위치로부터 이동한다. 이에 대한 보정을 하는 시스템에서 큰 이득을 사용하는 것은, 원하지 않는 온도의 오버슈트 및 언더슈트를 일으킬 수 있다.
웨이퍼 처리 전에, 웨이퍼 온도의 상세한 일반적 모델이 설명된다. 처리 모델은 웨이퍼 온도에 대한 단일 비선형 상미분 방정식(ODE: ordinary differential equation)으로 구성된다. 모델의 유도에서의 주된 기본적인 가정은 다음과 같다.
a) 웨이퍼의 존재는 처리 튜브(18)의 온도 분포에 영향을 주지 않는다. 이러한 가정은 웨이퍼의 동역학(dynamics)과 열처리로의 동역학을 분리할 수 있게 한다. 따라서, 주어진 로 설정 포인트(furnace set point)에 대해, 처리 튜브 온도가 열전쌍(36A~36E)을 사용하여 먼저 측정되고, 웨이퍼에 대한 알려진 열원으로서 다루어진다. 이것은 처리 튜브의 열 질량(thremal mass)이 웨이퍼보다 더 큰 크기의 등급(orders of magnitude)이므로 잘 들어맞는다. 또한, 처리 튜브에서의 느린 온도 흐름(slow temperarute drift)은, 3개의 상부 열전쌍(36C~36)에 의해 트리거(trigger)되는 폐루프 온도 제어 시스템을 통해 보상된다.
b) 양호한 근사를 위해, 웨이퍼 온도를 결정하는데 있어서 다중 반사(multple reflection)는 무시될 수 있다. 이것은 처리 튜브가 약 0.05의 낮은 반사율(reflectivity)을 갖는 실리콘 탄화물(silicon-caride)로 만들어지므로 잘 들어맞는다.
일반적으로, 상기한 단순화는 상대적으로 단순하고 모든 관련 물리적 현상을 포함하는 모델을 생성하므로, 제어 설비에 의해 실행되는 제어 알고리즘의 개발에 사용된다.
식(1)의 일반적인 열전도 방정식은 θ방향으로 축대칭(axi-symmetry)이라고 가정하며, 여기서 는 웨이퍼의 국부 좌표 시스템(local coordinate system)을 나타낸다(즉, 는 웨이퍼의 하부 표면을 정의하고, 는 웨이퍼의 상부 표면을 정의한다). 실리콘에 대해, 비열 및 열전도성이 C=C(T) 및 κ=κ(T) 로 각각 주어진다. 식(1)에 대한 근사한 경계 조건은 식(1a)로 설명된다.
상기한 바와 같이, 웨이퍼에 대한 일반적 2차 열전도 방정식이 그 체적에 대해 적분(평균)될 수 있어서 평균 웨이퍼 온도에 대한 방정식을 구할 수 있다는 것을 알 수 있다. 웨이퍼 처리 시스템(10)에서의 웨이퍼 온도는 방사상 방향으로 두께에 대해 높은 균일성이 있기 때문에, 평균 온도와 중심 온도는 거의 동일하다. 따라서, 웨이퍼 온도에 대한 단일 방정식을 세울 수 있다.
여기서, T는 웨이퍼 평균 온도, h는 웨이퍼 두께, ρ는 밀도, C(T)는 비열이다. 또한, ε은 전체 방사율(emissivity)을 나타내고, α는 흡수율을 나타낸다. 또한, 첨자 t 및 b는 웨이퍼의 상부 및 하부 표면을 각각 나타낸다. 일반적으로, 방사율과 흡수율은 약 600°C까지 온도의 강세 함수(strong function)이며. 그 이상에서는 거의 상수로 유지된다(이것은 웨이퍼 표면에 있는 코팅(coating)에 따른다). 열원의 항은 다음과 같이 주어진다.
여기서, F w-t (Z)는, 높이 (z)가 주어졌을 때, 온도 Tt에서의 벨자의 상부에 대한 웨이퍼 사이의 뷰 팩터를 나타낸다. 마찬가지로, F w-b (Z)는 Tb 에서의 챔버의 하부에 대한 뷰 팩터를 나타내고, dF w-d(side) (z', z)는 벨자의 측벽 상의 높이 z'에서 링에 대한 뷰 팩터를 나타내고, T s (z)는 z 방향에 따른 벨자 온도를 나타내고, H bj 는 챔버의 높이를 나타내고, εbj는 약 0.95의 벨자 방사율을 나타낸다. 식(2a, 2b)에서 적분은 z'에 대한 것이고, 제어 변수(z)는 챔버의 하부로부터 측정된 웨이퍼 위치를 나타낸다.
도 6에서, Q t =A w q 1 및 Q b =A w q b 양과 함께, 벨자[ T s (z)]에 따른 온도 프로파일의 일례를 나타내었다. 단위 와트가 도면에 나타나 있고, 웨이퍼의 표면 영역(Aw)에 의한 방정식(2a, 2b) 양측을 곱해서 구해진다. 벨자 온도[T s (z)]는 평활 곡선(smooth curve)을 도 1의 열전쌍(36A~36E)으로부터 구한 데이터에 맞춤(fitting)으로써 구성된다. 처리 튜브(18) 아래에 약 100°C로 유지되는 수냉 스테인리스 스틸 링(water cooled stainless steel ring)이 있다. 벨자/냉각-링 인터페이스에서 온도 불연속이 관측된다.
식(10)은 웨이퍼에 대한 온도 변화율이 복사에 의한 열손실 뿐만 아니라, 상부 및 하부 표면을 통해 입력되는 열에 좌우된다는 것을 마찬가지의 방법으로 설명한다. 열전달 항들은 모두 웨이퍼의 복사 특성(상부 및 하부 표면 방사율 및 흡수율)에 좌우되는데, 이것은 웨이퍼에 증착된 필름의 형태에 따라 실질적으로 변화한다. 전형적으로, 웨이퍼의 방사율(또는 흡수율)은 0.2에서부터 0.9까지 변화할 수 있다. 이것은 실제 변화이다. 이러한 변화가 본 발명의 온도 제어 알고리즘의 정확성에서 어느 정도의 불확정성을 초래할 수 있는 지를 정량화하기 위해, 상부 표면 방사율이 다른 두 종류의 웨이퍼를 고려한다. 특히, 제1 형태의 웨이퍼는 εt=0.4, εb=0.68 이고, 제2 형태의 웨이퍼는 순수 실리콘으로서 εt=εb=0.68 이다. 두 경우 모두에 있어서, 일반적으로 잘 증명된 근사화로서 ε=α인 것으로 가정하는데, 이것은 웨이퍼 처리 시스템(10)이 주변과 거의 열평형(thermal equilibrium)이기 때문이다. 또한, 단순성을 위해서, 방사율의 온도 의존성을 무시한다. 이러한 가정은 관심있는 온도 범위인 600°C 이상의 온도를 사용할 때 잘 근사화된다. 도 7은 상기한 두 가지 형태의 웨이퍼에 대해 시간의 함수에 따른 웨이퍼 온도를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 전형적인 개루프 레시피(open loop recipe)가 벨자에서의 웨이퍼 위치 궤적을 위해 사용된다. 로 설정 포인트는 도 6에 나타낸 것과 동일할 수 있다. 웨이퍼 온도의 정상 상태 온도값(Tss) 뿐만 아니라, 변화율에서의 차이도 관심 사항이다. 이러한 결과는 제어 설비(30)에 의해 사용된 제어 알고리즘을, 웨이퍼 표면 특성에서의 이러한 형태의 변화에 대해 견실하게 되도록 개발하는 것이 얼마나 중요한지를 명백하게 나타낸다.
다시, 식(1)에서, z에 대해 요구되는 값을 한정하는 3개의 팩터, 즉 수직 방향으로의 행정 거리에 대한 물리적 한계, 웨이퍼 어셈블리를 구동하는 모터에 대한 가속도 한계(acceleration limit), 및 최대 모터 속도 한계가 있다. 즉, 제어 변수는 다음의 미분 방정식과 수반된 부등식을 만족해야 한다.
웨이퍼 처리 시스템(10)에서, amax는 최대 허용가능한 가속도로서 약 1000mm/s2 이 될 수 있고, 약 400 mm/s에서의 vmax는 승강기 스피드의 최대 한도이다. zmin 및 zmax 는 승강기의 행정 상한 및 하한을 각각 나타낸다. 상기한 부등식을 만족하지 않는 경우(예를 들어, a=amax 또는 z=zmax), 승강기 부시스템(24)은 포화 모드(saturated mode)에 놓일 수 있어서, 더 이상 시스템의 제어 하에 있지 않을 수 있다. 정상 동작 중에, 모터 한계 속도에 도달하는 일은 결코 없다. 그러나, 가속도 한계는, 만일 온도 궤적에 대한 특정한 "평활성(smoothness)" 기준에 만족하지 못하는 경우, 쉽게 넘어설 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 제어 설비(30)의 중요한 기능은 요구되는 온도 궤적이 승강기를 포화시키지 않도록 보장하는 것이다. 그러므로, 온도 궤적은 충분히 평활해야 한다. 또한, z=zmax 의 상태를 피하기 위해, 로 설정 포인트는, 벨자 온도 프로파일과 같이 충분히 높아야 한다. 즉, 웨이퍼로 전달되는 가열 파워는 원하는 경사율을 달성할 수 있도록 영역 z＜zmax 에서 충분히 커야 한다.
본 발명의 제어 설비(30)에 의해 실행되는 제어 알고리즘에 대해 아래에서 더 설명한다. 제어 설비에 입력되는 한 파라미터로서 궤적 발생기(74)에 의해 발생되는 온도 궤적 또는 프로파일이 있다. 웨이퍼 위치 신호가 제어 설비로 피드백 되기 때문에, 표준 피드백 선형화를 적용하여 웨이퍼 온도의 충분한 궤적 트래킹을 구할 수 있다. ε= α인 상태를 고려하고 εt=εb 로 가정한다(이것은 그 표면이 코팅되지 않은 실리콘 웨이퍼에 해당한다). 이 경우에 대해, q=0.5(q1+qb)이고 ε≡εt≡εb로 정의한다. 다음으로, 식(1)에서 제어 항 q(z)은 다음과 같이 표시할 수 있다.
또는 보다 정식 수학적 항으로서 다음과 같이 쓸 수 있다.
여기서 Tt(t)는 지정된 온도 궤적이고, τcc는 원하는 트래킹 성능을 얻기 위해 조절되는 폐루프 시간 상수(이득)이다. 이러한 공식은 웨이퍼 온도가 다음의 관계를 통해 궤적을 트래킹하도록 강제한다.
여기서, 및 는 웨이퍼에 대한 복사열 시간 상수(radiation thermal time constant)이다. 식(15)의 우변의 마지막 항에서 T( Tt 대해)를 전개하여 다음을 구한다.
여기서,
따라서, 정확한 모델에 대해, T(t)는 시상수 τ로 Tt(t)에 지수적으로(exponentially) 접근한다. 그러나, 모델에 부정확성이 존재할 경우에 승강기 부시스템(24)를 구동하기 위해 식(14b)를 사용하는 것은 정상 상태 오차에 영향을 끼친다. 도 8A에서, 전형적인 Tt(t), 식(14b)에 구한 바와 같은 요구되는 제어 변수 z, 및 결과 T(t)의 그래프가 주어진다. 약 580°C에서, 70°C/s의 요구되는 경사율 및 Tss=1000°C 로 폐루프 제어가 시작된다. 이 예에서, 식(14b)의 해에서의 벨자 열 프로파일에 10 %의 오차가 도입된다. 여기서 사용된 이득은 2이다(예를 들어, τcc =0.5 s). 도시한 바와 같이, 도 8A의 궤적은 정상 상태 오차를 포함한다. 더군다나, 시스템(10)은 시스템 요구사항에 따라 경사율을 잘 트래킹하고 있음을 나타낸다. 도 18B에서, 여러 이득 변수에 대한 트래킹 오차를 도시하였다. 원칙적으로, τcc →0 에 따라, 모든 과도 상태(transient state) 및 정상 상태(steady state) 오차는 소멸될 것이다. 그러나, 이 시스템에 사용될 수 있는 가장 작은 τcc의 실제 값은 ~0.3s이다. 이것은 현재의 온도 측정 시스템의 일부가 되는 제한된 샘플링 주파수와 잡음의 크기 때문이다.
정상 상태 오차와 τcc 사이의 상관관계를 더 이해하기 위하여, q(z)=q0z/H와 같이 q(z) 함수의 단순화를 고려한다[즉, 열유속(heat flux)에 대한 선형 z-종속(liner z-dependence)]. 여기서, H는 승강기의 전체 행정 길이(full travel length)이고 q0는 특별한 로 설정을 표시하는 상수이다. 또한, 고려할 웨이퍼는 특성이 알려진 실리콘이라고 가정한다. 그러므로, 열유속에는 단지 식(14a, 14b)에 의해 도입되는 오차만 있다. 즉, T(t)에 대해 풀기 위해 식(10)을 사용하는 경우, q(z)=q0z/H를 사용하고, 식(14b)로부터 z에 대해 푸는 경우에는 와 같이 모델과 측정의 불확정성에 기인한 열유속에서의 오차를 가정한다( 은 q0의 근사화 모델이다). 정상 상태에서, 식(10)으로부터 다음을 구한다.
한편, 식(14b)로부터 다음을 구한다.
여기서, Tss는 정상 상태(흡입) 온도이다(도 5 참조). 상기 식으로부터 z를 제거함으로써 다음을 구한다.
일반적인 경우, T는 Tt와 거의 같다. 따라서,
이것이 원하는 결과로서, 정상 상태 온도가 모델() 및 τcc 에서의 어떤 오차의 함수에 따라 궤적의 온도로부터 어떻게 벗어나는지를 나타낸다. τcc→ 0인 극한에서 오차는 소멸된다. 더욱 실제적인 한계인 τcc가 약 1s 이고, 가 약 1.1인 경우, Tss=1000°C에 대해 Tss-T는 약 -8.6°C임을 알 수 있다. 이러한 예에서, ρ=2200 kg/m3, h=0.75 mm, C=1000 J/kg-K, ε=0.68 인 전형적인 실리콘 특성이 사용된다. 일반적으로, 식(21)은 도 8B에 나타낸 그래프와 잘 일치한다.
또한, 도 5 및 8A에 도시한 궤적은 흡입 온도에 도달함에 따라 완만(rounded)해 진다. 상기한 바와 같이, 이것은 승강기 가속도에 대한 포화 문제를 피하기 위한 것이다(즉, 궤적에 대한 평활 요구조건이 만족되어야 함). 다음의 해석은 이러한 형태의 포화를 피하기 위해 필요한 궤적 평활 요구조건(trajectory smoothness requirements)을 정량화하는 것이다. 특히, 롤오버(rollover)가 개시된 후에 다음의 온도 궤적 함수가 고려된다.
t=0 에서 시간이 시프트되고, 롤오버가 시작된다. 또한, 식(22)는 t＜0 에 대해 선형 온도 경사 함수(linear temperature ramp function)(R의 경사율을 가짐)에 평활하게 연결된다. 제어 설비(30)의 목적은 이러한 함수를 트래킹하는 것이다. 만일 제어 알고리즘이 이러한 과업을 달성했다고 가정하면, 시스템은 모터 가속도 한계에 도달한 포인트를 결정한다. 즉, 시스템은 시스템이 규정을 만족할 수 있도록 하는 τR 의 최소값을 결정한다. 이를 구하기 위해 시간에 대해 식(14a)를 두 번 미분함으로써 시스템이 상기한 값에 도달한다.
이 방정식에서, 제어 알고리즘이 충분한 트래킹을 달성한다는 가정에 따라, T는 Tt로 대치된다. 또한, 고려한 전형적인 응용 및 특별한 궤적에 대해 보면, 식(19)에서 좌변의 제2항과 우변의 마지막 항이 우세한 값(dominant quantity)이다. 우세한 항만을 유지하고, 식(22)를 사용하고, 최대 허용 가능 모터 가속도 amax로 z를 대치함으로써, amax의 함수로서 τR의 한계값에 대해 풀어서, 다음의 닫힌 관계식를 구한다.
이러한 대수적 조작은 시간에 대해 τR을 최대화함으로써 상기 관계식으로부터 시간을 제거한다. 상기한 식에 의해 예측되는 것보다 적은 롤 오버 시간에 대해, 상기 승강기 부시스템(24)은 가속도-한계 포화 모드(acceleration-limited saturation mode)로 떨어진다. 또한, 식(24)는 무한대로 강력한 승강기 모터인 경우 또는 거의 0의 열 질량을 갖는 웨이퍼의 경우에, 롤 오버 시간이 0이 될 수 있음을 나타낸다. 또한, 벨자 상에서의 수직 열 기울기의 증가가 적용시에 한계값 τR을 어떻게 감소시키는지를 알 수 있는데, 여기서, R은 약 70°C/s, ∂q/∂z는 약 2x106 W/m3이고, amax는 1 m/s2로 설정된다. 실리콘에 대한 적합한 물리적 특성과 함께 상기한 값들을 사용하여, τR이 약 1.2 s임을 알 수 있다. 이 값은 시뮬레이션 및 실험 데이터와 잘 일치한다. 즉, 1 m/s2 아래의 값으로 설정된 amax에 대해, 롤 오버 시간의 요구값이 1.2 s 일 때, 웨이퍼 온도에서 오버슈트가 관측된다. 한 실시예에 따르면, 시스템(10)은 τR=1.5s 값을 이용한다. 롤 오버 시간의 최소화가 필수적인 "스파이크-어닐(spike-anneal)" 분야에 대해 τR을 실질적으로 감소시키 위해서, 상기 식(24)는 승강기 부시스템(23)의 업그레이드에 이용되는 중요한 상관 관계이다.
또한, 본 웨이퍼 처리 시스템(10)에서, 큰 이득값(작은 τcc)은 최대 승강기 행정 높이에 도달한 경우에 원하지 않은 오버슈트를 초래할 수 있다. 도 9에 본 발명의 시스템(10)에서 경사율 대 흡입 온도를 그래프로 도시하였다. 그래프에서 점선은 시스템에서 2개의 가능한 서로 다른 동작 상황으로 분리한다. 궤적 1 과 같이, 요구되는 궤적이 전부 대쉬 곡선의 왼쪽에 있는 상황에서, 시스템(10)은 완전한 제어 하에 있다. 그러나, 요구되는 경사율이 시스템에 대해 너무 높은 경우에(예를 들어, 궤적 2), 시간의 특정 포인트에서, 승강기는 최대 z-위치로 이동하고, 흡입 온도에 거의 도달될 때까지 거기에서 유지된다. 이 기간 동안 시스템(10)은 더 이상 제어 하에 있지 않으며, 경사율은 궤적을 트래킹하지 않는다. 이러한 형태의 시나리오에 대해, 승강기가 포화에서 나옴에 따라, 이득이 높을 경우 오버슈트가 생긴다. 이러한 경우에는 적당하게 큰 이득(τcc<0.3)을 사용하는 것도 금지된다. 통상의 기술의 가진 자라면, 경사율을 낮게 하는 것이 흥미로운 선택이 아니라는 것을 알 수 있는데, 이것은 주어진 로 설정 포인트에 대해, 다수의 서로 다른 웨이퍼 형태를 가동시킬 때, 웨이퍼가 궤적 2(웨이퍼 표면에 존재하는 코팅에 의존)에 대립되는 것으로 궤적 1을 따르는 선험성(priori)을 시스템이 알지 못하기 때문이다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 이러한 경우에 대한 가장 좋은 접근법은, 제어 설비(30)의 제어 알고리즘에 대한 상기 제안된 적응 기술의 부가와 더불어, 낮은 이득을 사용하는 것이다.
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제어 설비(30)에 의해 이용되는 제어 알고리즘은 더욱 견실한 제어 시스템을 얻기 위해 상기한 방법과 결합하여 사용될 수 있다. 특히, τcc가 매우 크지(시스템의 잡음 및 샘플링 주파수에 기인하여 터무니없이 큰) 않다면, 웨이퍼 온도에서의 정상 상태 오차는 0이 되지 않을 것이라는 점을 다시 고려한다. 알고리즘의 성공에 중요한, 정상 상태 온도의 정확한 값을 달성하기 위하여, 식(14b)에 의해 주어지는 제어 법칙이 다음과 같이 시불연속 포맷으로 표시될 수 있다.
여기서, 첨자 (n-1) 및 (n)은 시간 t 및 t-Δt에서 구해진 양을 각각 나타낸다. 여기서, Δt는 필터링된 온도 데이터의 샘플링 주파수의 역수이다. 본 해석을 간단히 하기 위하여 τcc는 무한대로 설정한다. 다음의 설명에서 시스템은 유한 이득을 이용할 수도 있다. 주로 정상 상태 오차를 제로-아웃(zero-out) 하기 위하여 Δz는 z값에 부가되고, 다음과 같이 주어진다.
정상 상태에서, 임을 알 수 있다.
식(26)은 T를 Tss와 같도록 한다.
즉, Δz를 부가함으로써 시스템(10)은 정상 상태에서 T→Tss를 보증한다.
다음으로, 제어 알고리즘의 동역학적 동작을 알아보기 위해 표준 분석이 사용된다. q=q0z/H로 다시 가정하고, 시간 스텝에서 구해진 모든 양을 식(25) 및 식(26)에 전개하면 다음과 같다.
모든 실제 상황에서, 샘플링 주파수는 Δt/τT≪1 을 만족할 만큼 크다. 따라서, Δt/τT의 차수의 항은 무시할 수 있다. 최종 결과는 다음과 같이 주어진다.
여기서, 이전과 같이, 이다. 식(27) 및 식(28)은 Δz항을 부가한 효과로서 더 좋은 궤적 트래킹을 얻을 수 있고, 더 중요한 것으로서, 정확한 정상 상태 값을 달성한다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 0, 1 및 2의 이득이 사용되고 상기 모델에서 사용된 가열 입력이 10%로 오프셋 되었다고 가정한 경우(도 8A에서 나타낸 경우), 제어 설비의 트래킹 응답은 식(25)로 표시될 수 있다. 이 경우에, 정상 상태 오차는 상술한 이득에 대해 영으로 향하며, 특히, 이득(1/ τcc)에 따라 감소된다. 또한, 이득이 1 보다 큰 경우, 트래킹 오차는 어느 곳에서나 약 ±1°C내에 유지된다.
식(28)을 사용하는데 있어서 하나의 중요한 팩터는 온도의 시간 미분을 가져야 할 필요성이다. 동작 중에, 웨이퍼 온도의 값은 고온계(54)에 의해 주어지는데, 여기서 백색(비상관) 및 상관 잡음 모두가 존재한다.
최종적으로, 제어 설비(30)는 식(25) 및 식(26)을 이용할 때 실제로 적응되는데, 이용된 제어 알고리즘이 온도 프로파일로부터 예측된 Tt와, 실제 온도 T 사이의 차와, 관련 시간 미분 계수를 근거로 z의 예측값을 보정하기 때문이다. 그러나, 이러한 알고리즘은 모델에서의 키 파라미터의 값이 모델 예측치와 측정치 사이의 차를 근거로 일정하게 갱신되는 종래의 기술과는 다르다. 여기서 제공된 접근법은 모델에서의 모든 파라미터 불확정성에 대해 동시에 보정하고, 따라서 더욱 견실하며 쉽게 실행할 수 있다.
제어 알고리즘 실행
웨이퍼 처리 시스템(10)의 제어 설비(30)에 이용되는 제어 알고리즘은 고온계 판독을 표시하기 위해 기호 Tp를 사용한다. 식(14b) 및 식(25)에 의해 주어진 알고리즘의 조합은 다음과 같이 표시할 수 있다.
여기서, 이전과 똑같이
식(30)에서, 고온계의 평활한 시간 미분 계수를 구하려고 할 때 발생되는 모드 어려움을 피하기 위하여, 는 에 대립하는 것으로서 사용된다. 는 다음과 같은 식으로 주어진다.
여기서, 우변의 마지막 항은 모델과 측정 사이에서 더 좋은 일치를 얻기 위해 사용되는 통상의 강제 항(forcing term)이다. 또한, 식(31)의 모든 물질적 특성은 순수 실리콘과 같다. τm에 대해 사용되는 전형적인 값은 약 0.2~0.3 s 이다.
τm을 포함하는"모델-이득(model-gain)"항의 유효성을 조사하기 위하여, 0.9의 상부 방사율을 갖는 웨이퍼와 같은, 또 다른 세트의 시뮬레이션 결과를 고려한다. 여러 가지 이득값(1/τcc)에 대한 트래킹 오차는 모델-이득이 변화함에 따라 변한다. 상기 알고리즘에 따르면, τm은 트래킹 오차에 영향을 주며, 웨이퍼 처리 시스템(10)의 표준 동작 조건에 따르기 위하여, 모델-이득은 6 보다 더 높을 수 있다. 통상의 기술을 가진 자라면, 실제적으로 더 높은 값의 τm을 사용하는 것은 고온계(54)와 관련된 샘플링 주파수와 잡음에 기인하여 시스템에서 불안정성이 발생시킬 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
따라서, 제어 설비(30)의 제어 알고리즘은, 명목적인 또는 영의 정상 상태 오차(norminal or zeor steady state errors)를 가진 양호한 궤적 트래킹(sub 1.5°C)을 허용하는 적응 능력과 함께, 피드백 선형화를 포함한다. 특히, 이것은 다음의 이득을 갖는 식(29)~(30)을 사용하여 실행된다. 즉, .
일례를 통해서, 제어 설비(30)는 사용 중에 온도의 정확한 트래킹을 보증하도록 이용될 수 있다. 도 10에서, 시스템 동작은 도 6에서와 같은 로 설정을 갖는 순수 실리콘 웨이퍼에 대해 나타내었다. 이 예에서, 경사 증가율은 70℃/s 및 경사 감소율은 -50℃/s이다. 또한, Tss=1050°C, τR= 1.5s, τcc=1.0s, τm=0.2s 이다. 도시한 바와 같이, 웨이퍼 온도 경사율은 원하는 값을 정확하게 따른다. 그러므로, 제어 설비(30)은 웨이퍼의 처리를 정확하게 제어한다. 도 11에서, 낮은 상부-방사율을 갖는 웨이퍼와 실리콘 웨이퍼 모두에 대한 트래킹 오차를 나타내었다. 트래킹 오차는 폐루프 제어가 시작된 이후에 급속히 떨어진다. 이 때, 오차값은 온도 궤적에서의 롤 오버가 시작될 때까지 약 3~4°C에서 피크(peak)를 가지며, 그 후에 약 ±1°C 내로 감소한다. 정상 상태 오차는 0이다.
일반적으로, 트래킹 오차는 상술한 예 및 시뮬레이션으로부터의 예측과 일치한다. 폐루프 제어의 시작점에서 트래킹 오차가 높은 값인 이유는 실제 고온계 시간 미분 계수와 경사율의 요구 값(70°C/s)가 서로 맞지 않기 때문이다. 즉, 시스템(10)은 웨이퍼(W)의 위치를 정확하고 적응적으로 이동시켜, 요구되는 경사율을 달성한다. 이러한 현상은 요구되는 온도 궤적에 "융합(blending in)"시킴으로써 감소될 수 있다. 이것은 고온계와 동일한 비율로 온도 프로파일 또는 궤적을 시작함으로서 실행되어, 요구되는 비율로 급속히 변이된다.
통상의 기술을 가진 자라면, 선형 온도 경사 영역 중에서 상술한 방정식 및 모델에 의해 예측된 바와 같이 1°C 아래로 트래킹 오차가 떨어지지 않는다는 것을 알 수 있을 것인데, 이것은 고온계(54)에 있는 잡음과 더불어 낮은 샘플링 주파수가 이러한 일이 일어나는 것을 방지하기 때문이다. 이러한 논점 모두는 온도 측정 시스템을 업그레이드 함으로써 분석되어, 낮은 잡음을 가지고 높은 비율의 샘플링을 실행한다.
도 12A에서, 매우 낮은 상부 방사율을 갖는 웨이퍼에 대한 시스템의 성능을 나타내었다. 궤적 및 로 설정은 도 10과 동일하다. "레시피(recipe)" 중의 특정 시간에서, 승강기는 최대 허용 한계까지 이동하고 거기에 머문다. 이 경우에 로 설정은 요구되는 경사율을 달성할 정도로 충분히 높지 않으며, 결과에 따라 승강기 동작은 포화 모드로 떨어진다. 포화 기간 중에 경사율은 요구된 70°C/s를 더 이상 트래킹하지 않고, 더군다나 트래킹 오차는 실질적으로 증가한다. 이것을 도 12B에 명료히 도시하였는데, 여기서 트래킹 오차는 시간의 함수로 도시되었다. 승강기가 포화에서 나옴에 따라 트래킹 오차는 급속히 0으로 접근하는데, 최대 오버슈트는 2°C 이다. 앞서 논의한 바와 같이, 높은 이득(1/τcc)의 사용은 높은 오버슈트를 발생시킨다. 도 12B에 나타낸 결과는 제어 설비의 견실도(robustness)와 이러한 형태의 시나리오에 대항하는 시스템(10)을 명료히 나타낸다.
실리콘 웨이퍼에 대한 추가적이 예를 도 13A 및 도 13B에 나타내었다, 여기서, 모든 파라미터는 경사율이 90°C/s 이고(경사 감소율은 -50°C/s), 롤 오버 시간이 2.2초인 것을 제외하고, 도 10~12에서의 경우와 동일하다. 도면은 1°C보다 작은 오버슈트를 갖는 매우 효과적인 궤적 트래킹을 나타낸다.
통상의 기술을 가진 자라면, 여러 가지 경사율과 다른 이득 파라미터를 사용하여 유사한 트래킹 성능을 달성할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 도시된 웨이퍼 처리 시스템(10)은, 다양한 서로 다른 동작 조건 하에서 다양한 표면 특성을 갖는 웨이퍼를 사용하여, 신뢰할 수 있는 궤적 트래킹 및 최소 오버/언더슈트( ≤2°C)를 나타낸다. 더군다나, 온도 오버슈트에 대한 승강기 기계적 한계와 관련된 중요한 상관관계를 제공한다. 이러한 상관관계는 오버슈트를 피하면서 시스템의 성능을 최적화하기 위하여 온도 궤적(또는 모터 재설계)을 이끌어 내는데 사용된다.
따라서, 본 발명은 앞서 언급한 목적을 효과적으로 달성할 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서, 상기한 구성에서 어떤 변화를 줄 수 있기 때문에, 상술한 설명에 포함되거나 첨부한 도면에 표시된 모든 것은, 한정의 의미가 아니라 설명을 위한 것으로 해석되어져야 한다.
다음의 청구범위는 여기서 설명된 본 발명의 모든 일반적이고 특정한 특성을 커버하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (44)

  1. 의도된 온도 프로파일에 따라 열처리로에서 워크피스를 처리하는 방법에 있어서,
    상기 열처리로에서 상기 워크피스의 온도를 측정하는 단계로서, 상기 열처리로는 측벽부 및 상부를 갖는 외부 하우징을 포함하며, 가열 소자가 상기 외부 하우징의 측벽부 및 상부 둘 모두에 배치되는, 온도 측정 단계, 및
    상기 의도된 온도 프로파일과 상기 워크피스의 측정된 온도를 근거로, 상기 의도된 온도 프로파일에 따라 상기 워크피스를 가열 처리하도록 상기 로를 통해 워크피스를 이동시키는 단계를 포함하며,
    상기 온도 측정 단계는,
    상기 워크피스의 방사율을 결정하는 단계, 및
    상기 워크피스의 방사율을 근거로, 상기 워크피스의 온도를 결정하는 단계를 포함하는, 워크피스 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열처리로에서의 처리 중에 달성될 워크피스의 의도된 온도 프로파일을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열처리로의 하나 이상의 선택된 설정 포인트를 결정하고 나서, 상기 설정 포인트를 이용하여 상기 워크피스의 목표 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 로 설정 포인트, 상기 의도된 온도 프로파일 및 상기 워크피스의 측정된 온도를 근거로, 상기 로를 통해 상기 워크피스를 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    워크피스 처리 레시피(workpiece processing recipe)을 제공하는 단계,
    상기 레시피로부터 상기 의도된 온도 프로파일을 발생시키는 단계, 및
    상기 온도 프로파일에 따라 상기 워크피스를 가열하기 위해, 상기 로에서 상기 워크피스의 이동을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레시피를 제공하는 단계는 온도 경사 증가율, 온도 경사 감소율, 및 흡입 온도 중에서 적어도 하나를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 온도 경사 증가율 및 상기 흡입 온도, 및 상기 온도 경사 감소율 및 상기 흡입 온도 중 적어도 하나의 사이에 평활한 전이(smooth transition)를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 온도를 측정하는 단계는 상기 워크피스의 파라미터를 측정하는 방사율 보상 고온계 시스템을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 워크피스를 이동시키는 단계는 처리 챔버를 통해 상기 워크피스를 이동시키는 승강기를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 워크피스의 측정된 온도에 응답하여 상기 승강기를 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 측정하는 단계는 다음 식
    에 따라 상기 워크피스의 온도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 측정하는 단계는 상기 워크피스의 온도를 감지하여 측정하는 피드백 부시스템을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 워크피스의 방사율을 결정하는 단계,
    상기 워크피스 온도를 나타내는 고온계로 출력 신호를 발생시키는 단계,
    상기 출력 신호를 필터링하는 단계, 및
    상기 워크피스 방사율과 출력 신호를 근거로, 상기 워크피스 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는 열처리로에서의 워크피스 처리 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 측정된 워크피스 온도에 응답하여 상기 열처리로 내의 워크피스의 이동을 제어하는 제어 설비를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    오차 신호를 형성하기 위해 상기 측정된 온도와 상기 온도 프로파일로부터 의도된 온도 사이의 차이를 결정하는 단계, 및
    상기 오차 신호를 근거로, 승강기 부시스템으로 상기 열처리로 내에서 상기 워크피스를 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    미리 결정된 값만큼 상기 오차 신호를 스케일링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    하나 이상의 포인트에서 상기 의도된 온도 프로파일을 샘플링하는 단계, 및
    상기 샘플링된 포인트를 근거로 상기 승강기 부시스템의 하나 이상의 경계 조건을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 경계 조건을 근거로 상기 승강기 부시스템의 하나 이상의 경계 조건을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 경계 조건 내에서와 챔버 내에서, 선택된 스피드로 상기 워크피스를 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    하나 이상의 서로 다른 포인트에서 상기 의도된 온도 프로파일을 샘플링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 방법.
  22. 워크피스를 처리하는 시스템에 있어서,
    처리 챔버를 갖는 열처리로로서, 상기 처리 챔버는 측벽부 및 상부에 의해 규정되고, 가열 소자가 측벽부 및 상부 둘 모두에 배치되는, 열처리로,
    상기 처리 챔버에 위치했을 때의 상기 워크피스의 파라미터를 검출하기 위한, 열처리로와 결합된 피드백 부시스템,
    상기 워크피스의 의도된 온도 프로파일 및 상기 워크피스의 파라미터를 근거로 제어 신호를 발생시키는 제어 설비, 및
    상기 의도된 온도 프로파일에 따라 워크피스를 가열 처리하기 위해, 상기 제어 신호에 응답하여 상기 처리 챔버를 통해 워크피스를 이동시키는, 상기 제어 설비와 통신하는 승강기 부시스템을 포함하며,
    상기 피드백 부시스템은,
    상기 워크피스의 온도를 측정하는 고온계,
    상기 워크피스의 방사율을 측정하는 방사율 측정 스테이지, 및
    상기 측정된 온도 및 방사율 중 하나를 필터링 하는 필터링 스테이지를 포함하고,
    상기 피드백 부시스템은 상기 워크피스의 상기 측정된 온도에 대응하는 신호를 발생시키는, 워크피스 처리 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제어 설비는 의도된 온도 프로파일의 함수로서 상기 처리 챔버를 통해 의도된 경로를 따라 상기 워크피스를 이동시키는 상기 승강기 부시스템을 제어하도록 적응되어 있는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 열처리로의 하나 이상의 선택된 설정 포인트를 획득하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  25. 제22항에 있어서,
    워크피스 처리 레시피를 제공하는 사용자 인터페이스를 더 포함하고, 상기 레시피는 온도 경사 증가율, 온도 경사 감소율 및 흡입 온도 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 제어 설비는 상기 로 설정 포인트, 상기 의도된 온도 프로파일, 및 상기 워크피스의 측정된 온도를 근거로, 상기 로를 통해 워크피스를 이동시키는 제어 신호 발생시키는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 레시피에 응답하여 상기 의도된 온도 프로파일을 발생하는 궤적 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 제어 설비는 다음 식
    에 따라 상기 워크피스의 온도를 결정하도록 적응된 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  29. 삭제
  30. 제22항에 있어서,
    하나 이상의 장소에서 상기 로의 온도를 측정하는 다수의 열전쌍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 제어 설비는 상기 열처리로의 열특성을 나타내는 하나 이상의 열전쌍에 의해 발생된 신호에 응답하여, 출력 신호를 발생시키는 로 열특성 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 제어 설비는 상기 승강기 부시스템에 의해 발생된 워크피스 위치 신호와 상기 로 열특성 스테이지의 출력 신호에 응답하여, 워크피스의 하나 이상의 파라미터를 나타내는 하나 이상의 신호를 발생시키는 워크피스 열특성 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 워크피스 파라미터는 온도와 방사율 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  34. 제22항에 있어서,
    상기 승강기 부시스템은 상기 워크피스의 위치를 나타내는 출력 신호를 발생시키고, 상기 시스템은 상기 출력 신호를 상기 제어 설비로 입력하는 피드백 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  35. 제30항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열전쌍은 상기 제어 설비로 입력되는 출력 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  36. 제22항에 있어서,
    상기 의도된 온도 프로파일을 발생시키고, 상기 프로파일을 상기 제어 설비로 입력하는 궤적 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로하는 워크피스 처리 시스템.
  37. 제36항에 있어서,
    오차 신호가 형성되도록, 상기 워크피스의 측정된 온도와 상기 온도 프로파일로부터 의도된 온도 사이의 차이를 결정하는 수단을 더 포함하고, 상기 승강기 부시스템은 상기 오차 신호를 근거로 상기 열처리로 내에서 상기 워크피스를 이동시키는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  38. 제37항에 있어서,
    미리 결정된 값만큼 상기 오차 신호를 스케일링하는 스케일링 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  39. 제38항에 있어서,
    하나 이상의 포인트에서 상기 의도된 온도 프로파일을 샘플링하는 샘플링 수단, 및 상기 샘플링된 포인트를 근거로 상기 승강기 부시스템의 하나 이상의 경계 조건을 결정하는 결정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 경계 조건을 근거로 상기 승강기 부시스템의 하나 이상의 경계 조건을 결정하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 경계 조건 내에서와 상기 처리 챔버 내에서, 선택된 스피드로 상기 워크피스를 이동시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  42. 제22항에 있어서,
    오차 신호를 형성하도록, 상기 워크피스의 측정된 온도와 상기 온도 프로파일로부터의 의도된 온도 사이의 차이를 결정하는 결정 수단,
    미리 결정된 값만큼 상기 오차 신호를 스케일링하는 스케일링 수단,
    하나 이상의 포인트에서 상기 의도된 온도 프로파일을 샘플링하는 샘플링 수단, 및
    상기 샘플링된 포인트를 근거로 상기 승강기 부시스템의 하나 이상의 경계 조건을 결정하는 결정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워크피스 처리 시스템.
  43. 열처리로에서 워크피스를 처리하는 방법에 있어서,
    상기 열처리로에서 상기 워크피스의 온도를 제공하는 단계로서, 상기 열처리로는 측벽부 및 상부를 갖는 외부 하우징을 포함하며, 가열 소자가 상기 외부 하우징의 측벽부 및 상부 둘 모두에 배치되는, 온도 제공 단계,
    상기 열처리로에서 처리 중에 달성될 상기 워크피스의 의도된 온도 프로파일을 제공하는 단계, 및
    상기 의도된 온도 프로파일 및 상기 워크피스의 측정된 온도를 근거로, 상기 의도된 온도 프로파일에 따라 상기 워크피스를 가열 처리하도록 상기 로를 통해 상기 워크피스의 이동을 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 온도 제공 단계는,
    상기 워크피스의 방사율을 결정하는 단계, 및
    상기 워크피스의 방사율을 근거로, 상기 워크피스의 온도를 결정하는 단계를 포함하는, 워크피스 처리 방법.
  44. 의도된 온도 프로파일에 따라 열처리로에서 워크피스를 처리하는 방법에 있어서,
    상기 열처리로에서 상기 워크피스의 온도를 결정하는 단계, 및
    상기 의도된 온도 프로파일과 상기 워크피스의 측정된 온도를 근거로, 상기 의도된 온도 프로파일에 따라 상기 워크피스를 가열 처리하도록 상기 로를 통해 상기 워크피스를 이동시키는 단계를 포함하며,
    상기 온도 결정 단계는,
    상기 워크피스의 방사율을 결정하는 단계, 및
    상기 워크피스의 방사율을 근거로, 상기 워크피스의 온도를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 열처리로는 측벽부 및 상부를 갖는 외부 하우징을 포함하며, 가열 소자가 상기 외부 하우징의 측벽부 및 상부 둘 모두에 배치되는, 워크피스 처리 방법.
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