KR101019932B1 - 기판의 급속열처리를 위한 적응성 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전반적으로 기판의 급속열처리(RTP) 방법들에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들은 실시간 적응성 제어 알고리즘 또는 다양한 기판 형태에 대해 설계된 고정된 제어 알고리즘들의 슈트(suite)로부터 선택되는 제어 알고리즘을 사용함으로써 열처리를 제어한다. 제어 알고리즘의 선택은 열처리 동안 측정되는 기판의 광학적 특성들을 기초로 한다. 일 실시예에서, 제어 알고리즘들의 조합이 이용되며, 다수의 램프 그룹들은 고정된 제어 알고리즘에 따라 제어되며 실질적으로 소수의 램프 영역들은 적응성 제어 알고리즘에 의해 제어된다.

Description

기판의 급속열처리를 위한 적응성 제어 방법{ADAPTIVE CONTROL METHOD FOR RAPID THERMAL PROCESSING OF A SUBSTRATE}
본 발명의 실시예들은 전반적으로 반도체 기판과 같은 물질을 열적으로 처리하는 방법들에 관한 것이다.
다수의 애플리케이션들은 반도체 및 다른 물질들의 열처리를 수반하며, 이는 물질의 온도의 정확한 측정 및 제어를 요구한다. 이를 테면, 반도체 기판 처리는 광범위한 온도 범위에서 정확한 온도 측정 및 제어를 요구한다. 이러한 처리의 일례로는 급속열처리(RTP)가 있으며, 이는 급속 열어닐링(RTA), 급속 열세정(RTC), 급속 열 화학적 기상 증착(RTCVD), 급속 열산화(RTO), 및 급속 열질화(RTN)를 포함하는 다수의 제조 프로세스들에 이용된다. RTO 또는 RTN에 의해 CMOS 게이트 유전체를 형성하는 특정 애플리케이션에서, 게이트 유전체의 두께, 성장 온도, 및 균일성은 전체 소자 성능 및 제조 수율에 영향을 미치는 파라미터들이다. 이들 프로세스들중 일부는 기판 양단의 온도에서 약간의(a few) 섭씨도 미만의 편차를 요구한다.
기판을 열처리하는 동안 기판의 온도 균일성을 얻는 것이 바람직하다. 온도 균일성은 막 증착, 산화물 성장 및 에칭과 같은 온도 활성화 단계들 동안 기판상에 균일한 처리 변수들(예를 들어, 층 두께, 저항률, 에칭 깊이)을 제공한다. 또한, 기판의 온도 균일성은 휨(warpage), 결함 생성 및 슬립(slip)과 같은 열적 스트레스로 유도되는 기판 손상을 방지하는데 필요하다. 예를 들어, 1150℃에서, 4인치 실리콘 웨이퍼 상에서 중심부 대 에지의 약 5℃의 온도차는 전위(dislocation) 형성 및 슬립을 유도할 수 있다.
또한 다른 소스들에 의해 온도 변화도(gradient)가 유도될 수 있다. 예를 들면, 기판의 표면적 또는 볼륨들에 대한 공간적 변형으로 인해 기판은 불균일한 방사율을 가질 수 있다. 이러한 변형들은 바이폴라 트랜지스터들에 대한 포토리소그래피방식으로 패터닝되거나 또는 국부적으로 도핑된 영역들을 갖는 막들을 포함할 수 있다. 또한, 기판 온도 변화도는 처리 동안 기판 표면상에서 발생할 수 있는 불균일한 흡열 반응 또는 발열 반응 및 프로세싱 챔버 설계와 관련된 국부적인 가스 냉각 또는 가열 작용들에 의해 유도될 수 있다.
급속열처리 동안 기판의 모든 영역들 사이에 온도 불균일성을 최소화시키는 것 이외에, 기판의 원하는 시간-온도 궤적(trajectory), 특히 피크 온도로부터 기판의 실제 시간-온도 궤적를 가능한 적게 변화시키는 것이 중요하다. 시간-온도 궤적 및 피크 온도는 도 1과 관련하여 하기에 설명된다.
도 1은 스파이크 어닐링 프로세스의 경우에, 예시적인 급속 열 처리에 대한 목표 시간-온도 궤적(100)으로 간주되는 이상적 시간-온도 궤적을 나타낸다. 가로좌표는 시간을 나타내며, 세로좌표는 기판 온도를 나타내며, 목표 시간-온도 궤적(100)은 스파이크 어닐링 프로세스 동안 임의의 시간에서 기판의 원하는 온도를 나타낸다. 시간(120)에서, 기판의 열처리는 실질적으로 실온인 온도(130)의 기판으로 시작된다. 기판 온도는 도 2를 참조로 하기에 개시되는, 초기 온도 램프(201) 동안 온도(132)로 증가된다. 기판 온도는 예시적인 RTP 챔버의 일부로서, 도 3과 관련하여 하기에 개시되는 고강도(high-intensity) 램프들을 사용하여 증가된다. 시간(122)에서 시작하여, 기판 온도는 안정화 기간(202) 동안 온도(132)로 일정하게 유지된다. 시간(123)에서, 기판 온도는 시간(124)에서의 피크 온도(133)로 급격히 증가된 다음 시간(125)에서의 온도(134)로 즉각 감소된다. 기판의 피크 온도(133)를 RTP 동안 겪지 않는 경우, 기판상에서의 중요한 프로세스, 이를 테면 포스트(post)-이온주입 어닐링은 완료되지 못할 수 있다. RTP 동안 피크 온도(133)를 초과하는 경우, 프로세스는 다른 방식으로, 예를 들어 기판 속으로 이온주입된 원자들이 원치않는 확산에 의해 또는 기판 상에 형성된 소자들의 열적 예산 초과에 의해, 유해한 영향을 받을 수 있다.
도 2는 도 1과 관련하여 앞서 개시된 스파크 어닐링 프로세스와 같은 급속열처리에 대한 전형적인 프로세스 시퀀스(200)를 나타내는 흐름도이다. 일반적으로 이러한 프로세스들은 기판의 초기 온도 램핑(201)으로 시작된다. 기판이 약 300℃ 내지 약 400℃의 온도에 있을 때까지, 초기 온도 램핑(201)의 제 1 세그먼트 동안 개방-루프(open-loop) 가열이 수행된다. 다시 도 1을 참조로, 개방-루프 가열은 시간(120)과 시간(121) 사이에서 이루어진다. 개방-루프 가열 동안, 기판 온도 피드백은 프로세스 제어에 통합되며 대신 램프 전력은 예정된 기간 동안 예정된 값들로 기판에 인가되어, 기판에 인가되는 대부분의 램프 에너지에 대해 기판이 실질적 으로 불투명한 온도 범위로 기판이 가열된다. 300℃ 이하에서, 전형적인 RTP 기판, 이를 테면 실리콘 웨이퍼는 전형적인 가열 램프들에 의해 생성된 많은 복사 에너지를 대부분 투과시킨다. 이런 경우, 기판을 통과한 복사 에너지는 부정확한 기판 온도 측정을 산출하는 기판 후방 온도를 측정하는 고온계에 의해 검출될 수 있다. 폐쇄-루프 가열 제어 알고리즘에 대해, 부정확한 기판 온도 측정은 초기 온도 램핑(201) 동안 심각한 제어 문제들, 이를 테면 불안정성 및/또는 난조(hunting)를 야기시킬 수 있다. 개방-루프 가열은 통상적으로 이러한 문제점을 해결하기 위해 RTP 시작시 이용된다. 개방-루프 가열을 위한 설정 포인트들은 일반적으로 실험적으로 결정된다.
기판이 약 300℃ 내지 약 400℃ 사이로 가열된 후, 초기 온도 램핑(201)은 폐쇄-루프 제어 알고리즘을 사용하여 완료되어 기판 온도는 약 500℃ 내지 약 700℃의 안정화 온도가 된다. 폐쇄-루프 제어는 순차적인 시간 스텝(time step)을 위한 가열 램프들의 전력-출력의 미세-조절을 위해, 하나 이상의 고온계 구역들에서의 열 처리시 주어진 시간 단계에서 기판의 온도 측정을 제어 알고리즘에 통합한다. 시간 스텝들은 예를 들어, 0.1 또는 0.01초로 비교적 작을 수 있다. 일반적으로, 최소 시간 스텝 크기는 가열 프로세스들을 제어하기 위해 이용되는 온도 센서들의 샘플링 속도에 의해 제한된다. 폐쇄-루프 제어의 사용은 원하는 기판 온도와 실제 기판 온도 간의 에러를 최소화시킨다.
정확한 온도 제어는 RTP에서 중요하기 때문에, 때로 열처리 동안 폐쇄-루프 온도 제어의 일부로서 종래의 PID 제어 알고리즘들 대신에 모델-기반 제어 알고리 즘들이 사용된다. 모델-기반 제어기로도 공지된 모델-기반 제어 알고리즘은 표준 PID 제어 루프와 비교할 때 처리 동안 실제 기판 온도와 목표 온도 간의 에러를 보다 감소시킬 수 있다. 측정된 에러와 비례하는 입력(이 경우 램프 전력)을 변화시킴으로써 측정된 에러에 응답하기 보다, 모델-기반 제어 알고리즘은 기판이 다음 시간 스텝에서 열적으로 어떻게 반응하는지를 예측하기 위해 각각의 시간 스텝에서 기판 및 챔버의 에너지 전송 모델을 적용한다. 시뮬레이션 프로그램과 마찬가지로, 모델-기반 제어기는 기판 및 챔버 벽들의 광학적 특성, 전력 출력 및 램프들의 위치 등을 포함하는 열전달 모델에 시스템과 관련된 모든 면(aspect)들을 포함한다. 제어기는 이러한 모든 팩터들을 고려한 다음 기판의 현재 온도, 원하는 온도 및 전체 시스템의 모델화(modeled) 응답을 기초로 각각의 램프 또는 램프들의 그룹의 전력 출력을 제어한다. 이러한 예측 방법은 특히 목표 온도가 시간의 함수로서 빠르게 변하는 경우, 열처리 동안 목표 온도로부터의 적은 편차를 허용하여, 스파이크 어닐링 및 관련된 급속열처리에 유용하게 이용된다.
모델-기반 제어기들에 대해 주목할만한 단점은 모델이 기초로하는 가정들의 정밀도에 의해 원하는 시간-온도 궤적으로 기판 온도를 정확히 제어하는 능력이 제한된다는 것이다. 모델-기반 제어기에 의해 정확하게 고려되도록 요구되는 가장 중요한 팩터들은 프로세스 챔버의 양상들, 이를 테면 챔버의 크기 및 형상, 램프 전력 등 및 기판 방사율, 흡수율, 반사율 및 투과율을 포함하는 기판의 광학적 특성들이다. 본 발명에서 사용되는 "방사율", "흡수율", "반사율" 및 "투과율"은 약 0.2㎛ 내지 약 5㎛ 사이의 광 파장들에 대한 물질들의 특성으로 간주된다. 모델- 기반 제어기는 열처리 동안 특정한 RTP 챔버의 특성을 보다 정확히 나타내도록 테스트를 통해 교정될 수 있다: "퍼지 팩터들(fudge factors)"로 공지된 실험 팩터들은 통상적으로 모델-기반 제어 알고리즘에 포함되며 제어기의 정밀도를 미세하게 조정하기 위해 시험 착오(trial and error)를 통해 결정될 수 있다. 그러나, 제어기들의 계산은 고정된 광학적 특성들을 갖는 특정한 기판 형태를 기초로 하기 때문에, 모델-기반 알고리즘은 단일형 기판 모두에 대해 잠재적으로 정확하지 않을 수 있다. 이는 상이한 기판의 광학적 특성들은 기판이 RTP 이전에 어떻게 처리되는지에 따라 극적으로 변하기 때문이다. 예를 들면, 금속성 기판들과 같은 고반사성 기판들 및 중량으로(heavily) 패터닝된 기판들과 같은 광-흡수성 기판들은 모두 동일한 제어 알고리즘을 이용하여 동일한 RTP 챔버에서 처리될 수 있다. 상이한 제어기가 처리될 각각의 기판 형태를 고려하여 개발되지 않는다면, 서브-최적(sub-optimal) 온도 제어가 이루어질 것이다. 단일의 RTP 챔버에서 다중 제어기들이 사용되도록 프로그램될 수 있으나, 각각의 제어기는 반복된 실험을 기초한 미세-조정을 요구한다. 이러한 상황에서, 예를 들어, 반도체를 기초로 하는 상황에서, 주어진 RTP 챔버에서 수 백개의 상이한 형태의 기판이 처리될 수 있고 각각의 기판 형태는 광학적 특성들의 독특한 조합을 가질 수 있다. 이는 처리 불가능한 각각의 기판 형태에 대해 특정화된 제어기를 최적화시킨다.
다시 도 2를 참조로, 일단 기판이 초기 온도 램핑(201)의 마지막에서 안정화 온도에 도달하면, 이후 안정화 주기(202)가 개시된다. 안정화 주기(202)는 스파이크 어닐링(203)이 시작하기 이전에 기판을 평형화시킴으로써 초기 온도 램핑(201) 동안 기판 상에서 임프린트되는 열적 변화도를 소거하며, 이는 열적 프로세스의 온도 감지 세그먼트이다. 스파이크 어닐링(203)의 시작시 제공되는 기판 온도의 불균일성은 처리 동안 교정되지 않을 것이다. 안정화 주기(202)의 길이는 약 5초 내지 약 30초 사이이며, 통상적으로는 약 10 초 내지 약 20초 사이이다. 기판 온도는 도 1에 도시된 것처럼, 안정화 온도(132)에서 유지되도록 제어되며, 특정 열처리를 기초로 약 500℃ 내지 약 700℃ 사이일 수 있다.
안정화 주기(202)가 완료된 다음, 스파크 어닐링(203)이 시작된다. 본 예에서, 스파크 어닐링(203)은 실제 기판의 열처리가 발생하는 프로세스의 세그먼트이다. 스파크 어닐링 프로세스의 바람직한 애플리케이션은 붕소 주입후 기판 상에서 어닐링을 수행하는 것이다. 이 경우, 스파크 어닐링(203)은 기판의 열적 노출을 최소화시키면서 결정의 랜덤한 위치들로부터 주입된 붕소를 실리콘 격자에서 전기적으로 활성인 지점들에 할당한다. 도 1에 도시된 것처럼, 스파크 어닐링(203)은 시간들(123, 124) 사이에서 이루어지며 냉각(cool-down)(204)으로 이어진다. 스파이크 어닐링(203) 동안 기판 온도의 램핑 속도들은 일반적으로 약 150℃/s 내지 약 300℃/s이며 피크 온도(133)는 약 1000℃ 내지 약 1200℃이며, 이는 스파크 어닐링(203)이 단지 몇 초만 진행된다는 것을 의미한다. 따라서, 제어 알고리즘에 대해 열처리의 대부분의 온도 감지 세그먼트 동안 목표 시간-온도 궤적(100)으로부터 기판 온도의 변화를 교정하는데는 약간이 시간이 소요된다. 이러한 급속열처리의 세그먼트 동안 목표 온도로부터 기판 온도에서 일어나는 임의의 편차, 예를 들어, 오버슈트(overshoot), 언더슈트(undershoot) 또는 와일드스파이크(wildspike)는 기 판들 간에 핀크 온도 재현성을 감소시킬 것이다. 다시 도 2를 참조로, 스파이크 어닐링(203)은 냉각(204)으로 이어져, 기판의 급속열처리가 종결된다.
앞서 주목한 바와 같이, 기판을 열처리하는 동안 가능한 기판 온도를 균일하게 하는 것은 중요하다. 실제, 기판의 에지 영역은 기판의 다른 영역들 보다 RTP 챔버의 주변부에 의해 열적으로 영향을 받아, 에지 영역에 존재하는 만성적인 온도 불균일성을 유도한다. 표준 제어 알고리즘들은 일단 검출되면 방사상 온도 불균일성에 응답하도록 설계된다. 매우 짧은 프로세스들에 대해, 이를 테면, 스파크 어닐링 프로세스들에 대해, 제어 알고리즘은 충분히 빠르게 보상될 수 없어, 기판 에지 부근에 온도 불균일성이 야기된다. 또한, RTP 챔버들의 현재 설계는 원형 기판에서 방사상 온도 불균일성을 고려하여 조정되기 때문에, 이러한 온도 조절 방법은, 예를 들어 기판 상에 대칭으로 집중되지 않는 "냉각 스폿(cold spot)"과 같은 비-방사상 온도 불균일성을 교정하는데는 이용될 수 없다.
따라서, 광범위한 기판에 대해 이용될 수 있고, 최소 조정을 요구하며 피크 온도 재현성을 개선하고, 보다 낮은 온도에서 폐쇄-루프 제어가 이용될 수 있게 하며, 기판 상의 온도 불균일성을 최소화시키는 기판 급속열처리 제어 방법 및 장치가 요구된다.
본 발명은 전반적으로 기판의 급속열처리(RTP) 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들은 실시간 적응성 제어 알고리즘을 사용하거나 또는 다양한 기판 형태에 대해 설계된 고정 제어 알고리즘들의 슈트(suite)로부터 선택된 제어 알고리즘을 사용함으로써 열처리를 제어한다. 제어 알고리즘의 선택은 열처리 동안 측정되는 기판의 광학적 특성을 기초로한다. 일 실시예에서, 제어 알고리즘들의 조합이 이용되며, 여기서 다수의 램프 그룹화는 고정 제어 알고리즘으로 제어되며 실질적으로 소수의 램프 영역들은 적응성 제어 알고리즘에 의해 제어된다.
본 발명의 앞서 언급된 특징들을 본 발명의 보다 상세한 설명, 상기 간략한 설명을 통해 이해할 수 있도록, 첨부되는 도면에 도시된 몇 가지 실시예를 참조한다. 그러나 첨부되는 도면은 단지 본 발명의 전형적인 실시예만을 나타내는 것으로, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니며, 본 발명은 등가적인 다른 실시예를 구현할 수 있다는 것을 주지해야 한다.
도 1(종래기술)은 예시적인 급속열처리에 대한 이상적인 시간-온도 궤적을 나타낸다.
도 2(종래기술)는 급속열처리의 정형적인 프로세스 시퀀스를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들이 통합될 수 있는 예시적인 RTP 챔버의 부분 투시도이다.
도 4는 고온계 구역들로 나뉜 기판의 개략적 평면도이다.
도 5는 RTP 챔버에 대한 벌집모양 어레이에서 가능한 램프들의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 6은 RTP 동안 기판의 하나의 고온계 구역의 시간-온도 궤적을 나타내는 그래프로, 입력 전력은 프로세스 동안 일정하다.
도 7은 본 발명의 면들에 포함될 수 있는 적응성 제어 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 8A는 시간의 함수로서 백열 램프의 출력 전력의 그래프이다.
도 8B는 시간의 함수로서 백열 램프의 출력 전력의 그래프로, 램프 출력 전력은 목표 램프 전력 이상의 오버슈트 전력으로 설정된다.
도 9는 저장형(binned) 제어기 방법에 통합될 수 있는 간략화된 적응성 제어 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 10은 조합형(combined) 제어기 방법과 조합하여 사용될 수 있는 램프 그룹의 일 구성을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일면에 대한 프로세스 시퀀스를 나타내는 흐름도이다.
도 12A-12C는 8개의 램프 그룹들을 포함하는 RTP 챔버에 대한 전력 프로파일들을 나타낸다.
도 12D는 ART에 대한 동작의 온도 범위를 그래프로 나타낸다.
도 12E는 ART를 이용하여 기판을 제어가능하게 가열하는 프로세스 흐름도를 나타낸다.
도 13은 램프 전력 스케일링 방법을 이용하여 RTP 동안 기판 온도 균일성을 개선하는 프로세스 시퀀스의 흐름도를 나타낸다.
도 14는 환형 영역, 중심점 및 방사상 대칭이 아닌 영역을 갖는 기판의 개략적 평면도이다.
도 15는 RTP 챔버에 대한 램프 그룹들의 가능성있는 비중심 구성의 개략적 평면도이다.
명료성을 위해, 도면들 중에서 공통되는 동일한 부재를 나타내기 위해 동일한 참조 부호가 사용되었다.
본 발명은 전바적으로 기판의 급속열처리 방법 및 장치에 관한 것이다. 실시예들은 개선된 피크 온도 재현성을 제공하며 실시간 적응성 제어 알고리즘을 포함하는 제어 알고리즘들의 사용, 기판 특성을 기초로 고정된 제어 알고리즘을 선택하는 방법 및 조합된 방법을 고려하며, 소수의 영역들만이 적응성 제어 알고리즘을 이용하며 나머지들은 연산적으로(computationally) 덜 민감한 제어 알고리즘에 의해 제어된다.
도 3은 본 발명의 실시예들이 통합될 수 있는 예시적인 RTP 챔버의 부분 투시도이다. 이후 챔버(300)로 간주되는 예시적인 RTP 챔버는 명료성을 위해 단면으로 도시된다. 일반적으로 챔버(300)는 램프 어셈블리(310), 챔버 바디(320) 및 기판 지지 어셈블리(330)로 구성된다. 명료성을 위해, 챔버 바디(320)의 상위 부분이 도 3에 도시된다.
램프 어셈블리(310)는 다수의 램프들(311)을 포함하며, 이들 각각은 반사성 광 파이프(312) 내부에 위치된다. 램프들은 이를 테면, 텅스텐 할로겐과 같은 백열 램프들, 또는 방전 램프들과 같은 다른 고출력 램프들일 수 있다. 통상적으로, 램프 출력은 램프당 약 500W까지 변할 수 있다. 동시에, 반사성 광 파이프들(312) 은 수냉 하우징(314) 내부에 벌집모양 어레이(313)를 형성한다. 반사성 광 파이이프들(312)의 벌집모양 어레이(313)는 도 5츨 참조로 하기에 설명된다. 매우 얇은 석영 윈도우(315)는 램프 어셈블리(310)의 바닥 표면을 형성하며 통상적으로 램프 어셈블리(310)를 챔버(300)에 존재하는 진공과 분리시킨다. 통상적으로, 석영은 석영 윈도우(315)를 위해 사용되며 이는 석영은 저외선광에 대해 투과성이기 때문이다. 램프 어셈블리(310)는 진공-밀폐(vaccum-tight) 방식으로 챔버 바디(320)의 상위 표면에 부착된다.
챔버 바디(320)는 벽들 및 챔버(300) 플로워 뿐만 아니라 기판 개구(321) 및 배기 개구(322)를 포함한다. 기판들은 기판 개구(321)를 통해 챔버(300)로 전달되고 챔버(300)로부터 제거되며 진공 펌프(미도시)는 배기 개구(322)를 통해 챔버(300)를 배기시킨다. 슬릿 또는 게이트 밸브들(미도시)은 기판 개구(321)를 밀폐시키고 필요한 경우 개구(322)를 배기시키는데 이용된다.
기판 지지 어셈블리(330)는 챔버 바디(320) 내부에 포함되며 에지 링(331), 회전 석영 실린더(332), 반사기 플레이트(333) 및 광 섬유 프로브(334)의 어레이를 포함한다. 에지 링(331)은 회전 석영 실린더(332) 상에 놓이며 기판 프로세싱 동안 석영 윈도우(315) 아래로 약 25mm에서 기판(미도시)을 지지한다. 통상적으로 에지 링(331)은 열처리 동안 과도한 팽창 및 수축을 방지되도록 실리콘 카바이드와 같이, 열 팽창 계수가 작은 단단한(hard) 물질로 구성된다. 회전 석영 실린더(332)는 챔버(300)의 열적 비대칭성 효과를 최소화시킴으로써 기판 상에서의 처리 동안 기판 온도 균일성을 최대화시키기 위해 약 50rpm 내지 약 300rpm으로 회전 한다. 반사기 플레이트(333)는 기판 아래로 약 5mm에 위치된다. 고온계 프로브들로 공지된 광섬유 프로브들(334)은 반사기 플레이트(333)를 관통하여 열처리 동안 기판의 바닥부로 향한다. 광섬유 프로브들(334)은 기판 온도를 결정하기 위해 고온계들(미도시)에 복사(radiant) 에너지, 및 일부 실시예에서는, 열처리 동안 기판 정면 방사율 및 반사율을 전달한다. 램프들(311)이 백열 램프들인 경우, 통상적으로 고온계들은 약 0.2㎛ 내지 약 5㎛의 파장에서 기판의 후면으로부터의 광대역 방사를 측정하도록 구성된다. 이는 대부분의 복사 에너지가 기판에 인가되는 스펙트럼의 범위이다.
기판 양단의 보다 나은 온도 균일성 제어를 위해, 기판은 고온계 구역들로 공지된 다수의 구역들로 나뉜다. 각각의 고온계 구역은 열처리 동안 기판이 회전함에 따라 주어진 고온계에 의해 측정되는 기판의 영역이다. 통상적으로 고온계 구역들은 원형일 수 있는 기판의 중심부에 위치되는 구역을 제외하고 환형의 영역들이다. 도 4는 고온계 구역들(401-406)로 나뉜 기판(400)의 개략적 평면도이다. 참고로, 고온계 위치들(411-416)은 기판(400)이 RTP 챔버에서 처리될 때 고온계 구역들과 관련하여 도시된다. 각각의 고온계 위치는 기판의 중심부로부터의 독특한 방사상 변위가 된다. 고온계 구역들의 이러한 구성은 직경이 300mm인 기판(400)에 대해 도시된다. 이러한 구성은 다른 직경의 기판들에 대해서도 이용될 수 있다. 반대로, 상이한 구성의 고온계 구역들이 300mm 직경의 기판들에 대해 이용될 수 있으며, 예를 들어 보다 많은 또는 보다 적은 구역들이 본 실시예 이외의 실시예에서 사용될 수 있다. 또한, 각각의 구역의 방사상 치수는 다른 고온계 구역들과 동일 한 것으로 가정되지 않는다.
온도 균일성을 보다 개선시키기 위해, 램프 어셈블리(310)에 포함된 램프들(311)은 램프 구역들로 공지된 그룹들에서 제어된다. 도 5는 챔버(300)에 대해 벌집모양 어레이(313)에서 램프들(311)의 가능성 있는 구성(500)에 대한 개략적 평면도이다. 참고로, 챔버(300)의 내부 직경(501), 에지 링(331)의 외부 직경(502) 및 기판의 외부 직경(503)은 벌집모양 어레이(313)와 관련하여 도시된다. 또한, 도 5는 특정한 램프 구성과 관련하여 사용될 수 있는 대응하는 고온계 위치들(521-526)을 포함한다. 벌집모양 어레이(313)의 램프들(311)은 램프 그룹들(531-538)로 그룹화된다. 램프 그룹들은 램프 그룹들(531-535)과 같이 실질적으로 동심인 램프들의 그룹, 램프 그룹들(538)과 같이 대칭이나 동심은 아닌 램프들의 그룹들, 또는 램프 그룹들(536, 537)과 같이 상기 그룹들의 조합으로 구성될 수 있다. 일 면에서, 벌집모양 어레이(313)에서 하나 이상의 램프 그룹들은 도 15와 관련하여 하기 개시되는 비동심, 비대칭 램프들의 그룹으로 구성될 수 있다. 램프 그룹에서 각각의 램프들의 전력 출력은 통상적으로 램프 그룹에서 모든 램프들에 대해 동일하다.
고온계 데이터 수집, 램프들 및 밸브들의 동작 및 기판 처리 로봇들의 제어를 포함하는 챔버(300)의 모든 양상들의 동작은 시간에 따라 이루어지며(timed) 통상적으로 시스템 제어기(미도시)라 불리는 컴퓨터 또는 프로그램가능 로직 제어기에 의해 관리된다. 일부 경우에서, 시스템 제어기는 특정 RTP 챔버만을 동작시키는 것으로 전용되며, 다른 경우 시스템 제어기는 모든 챔버들, 센서들 및 최종 기판 처리 시스템상에 위치되는 기판 전달 로봇들을 동작시키고 조정하는데 이용될 수 있다.
RTP 동안 기판의 시간-온도 궤적의 보다 나은 제어를 위해, 열처리는 시간 스텝들로서 본 발명에서 간주되는 연속적인 시간 증분들(time increments)으로 제어될 수 있다. 목표된 시간-온도 궤적으로부터 기판의 편차를 최소화시키기 위해, 시간 스텝들은 가능한 짧은 기간, 예를 들면 약 0.1sec 내지 약 0.001 sec 이하 정도인 것이 바람직하다.
열처리시 주어진 시간 스텝에 대해, 기판의 각각의 고온계 구역은 원하는 온도로 가열된다. 통상적으로, RTP에서, 각각의 고온계 구역의 목표 온도는 전체 기판에 대해 동일하다. 통합적으로, 각각의 시간 스텝에 대해 원하는 온도는 도 1에 도시된, 기판에 대한 목표 시간-온도 궤적(100)을 형성한다.
일반적으로, 주어진 시간 스텝에서, 각각의 고온계는 각각의 고온계 구역에서 기판의 온도를 측정한다. 이러한 정보는 시스템 제어기로 중계되고, 시간 스텝에 대해 원하는 온도로 기판을 가열하기 위해 다음 시간 스텝에 대해 그룹화되는 각각의 램프에 대한 전력 출력을 결정하는데 제어 알고리즘을 이용한다. 주어진 고온계 구역을 가열하는 다수의 복사 에너지는 고온계 구역에 가장 가까운 램프 그룹들로부터 발생된다. 예를 들어, 도 5를 참조로, 고온계 위치(521)에 의해 측정되는 고온계 구역은 램프 그룹(531)에 의해 주로 영향을 받는다. 이 때문에, 하나 이상의 램프 그룹들은 고온계 구역에 대해 측정되는 온도를 기초로 주로 제어되는 특정한 고온계 구역으로 "맵핑"될 수 있다. 그러나, 예를 들면, 근접한(proximal) 램프 그룹들과 같이, 주어진 고온계 구역을 가열하는 다른 충분한 에너지 소스들이 있기 때문에, 기판의 정확한 온도 제어, 특히 스파이크 어닐링과 같이 짧고, 빠른 프로세스 변화를 고려한 다른 에너지 소스들을 선택하는 것은 제어 알고리즘에 있어 중요하다. 각각의 시간 스텝에 대해 입력 전력의 부정확한 예측은 열처리 동안 원하는 시간-온도 궤적으로부터 상당한 기판 온도 편차를 유도할 수 있다.
고온계 구역에 대해 입력 전력의 정확한 예측을 초래하는 팩터들로는, 방사율, 투과율 및 반사율, 챔버 벽들로부터의 복사 가열, 램프 응답 시간 및 기판의 에지 영역에 해당하는 고온계 구역에 대해, 에지 링으로부터의 열 전달과 같은, 기판의 광학적 특성들이 포함된다. 다른 교란(confounding) 팩터는 보다 먼 고온계 구역들상에서 각각의 램프 그룹의 작용이다. 이는 챔버 기하학구조 뿐만 아니라 기판 정면 반사율의 함수로 인플루언스 매트릭스(influence matrix)로 간주된다. 임의의 입사 복사 에너지를 반사하는, 즉, 기판 반사율>0인 기판에 대해 제어 알고리즘은 램프 그룹으로부터의 복사 에너지가 램프 그룹 바로 아래의 고온계 구역에만 영향을 미치는 것으로 가정되지 말아야 한다. 상당량의 입사 복사 에너지가 기판으로부터 반사되어 대신 다른 고온계 구역들이 가열될 수 있다. 예를 들어, 다시 도 5를 참조로, 고반사율 기판을 처리할 때, 램프 그룹(531)으로부터 5% 정도(as much as)의 에너지가 고온계 위치(524)에 의해 측정되는 고온계 구역을 가열할 수 있다.
상기 팩터는 앞서 개시된 모델-기반 제어 알고리즘들과 같이, 종래의 제어 알고리즘들에 통합될 수 있다. 그러나 적용가능한 열전달 모델의 다수의 중요한 콤포넌트들은 특정 기판의 광학적 특성과 관련되기 때문에, 모델-기반 제어기들의 예측 정확도는 기판 형태에 따라 변한다. 기판의 정면 방사율이 모델-기반 제어 알고리즘을 전개하는데 이용되는 것과 상이한 경우, 온도 제어 정확도는 악화될 수 있다(suffer). 본 발명의 면들은 이를테면, 가정된 정면 방사율 또는 반사율과 같은 기판의 특성을 기초로 하지 않고 기판의 급속열처리를 제어하여 각각의 램프 그룹으로부터 요구되는 전력을 보다 정확히 예측하는 방법을 고려한다.
기판 온도의 폐쇄-루프 제어
제어 알고리즘들을 수반하는 몇가지 방법들이 개선된 피크 온도 재현성을 제공하는 본 발명에 의해 고려되었다. 일면에서, 실시간 적응성 제어 알고리즘은 기판의 가열을 제어하는데 이용되며, 기판의 순간적인 가열 속도가 프로세스의 각각의 시간 스텝에 대해 결정되어 프로세스에서 다음 스텝에 대해 원하는 전력 입력이 계산될 수 있다. 또 다른 면에서, 가능한 고정된 제어 알고리즘들의 슈트(suite)로부터 적절한 제어 알고리즘을 선택하는 방법이 이용된다. 고정된 제어 알고리즘의 선택은 투과율 또는 정면(frontside) 방사율과 같이, 측정된 기판 특성들을 기초로 한다. 또 다른 면에서, 조합된 방법이 개시되며, 단지 소수의 램프 그룹들만이 적응성 제어 알고리즘을 이용하며 나머지들은 저장형(binned) 알고리즘과 같이, 연산적으로 덜 민감한 제어 알고리즘에 의해 제어된다.
적응성 제어 방법
일 면에서, 적응성 제어 알고리즘은 기판을 열처리하는 동안 램프 전력을 제 어하는데 이용된다. 종래 기술과는 달리, 본 발명에 개시된 제어 알고리즘은 기판의 광학적 특성에 대해 추정된 값들에 의존하지 않는다. 대신, 알고리즘은 전류 시간 스텝에 대해 기판의 순간적인 가열 속도를 결정하기 위해 이전 시간 스텝에서 인가된 전력 및 현재 측정된 기판 온도를 이용한다. 순간적인 가열 속도는 주로 정면 방사율, 투과율, 및 정면 반사율을 포함하는, 기판의 광학적 특성들의 함수이다. 기판의 이러한 특성들은 기판 온도에 따라 크게 변하기 때문에, 모델-기반 제어 알고리즘과 같이 기판의 특성들을 기초로한 알고리즘은 모델에 의해 추정되는 값들로부터 실제 기판의 실제 광학적 특성이 달라짐에 따라 부정확도가 증가하 게된다. 이러한 부정확도는 매 시간 스텝 동안, 기판의 반응(behavior)이 부정확하게 계산되기 때문에 제어 알고리즘의 예측 정확도를 제한한다. 이는 열악한 프로세스 재현성 및 혹은 제어 불안정성을 유도한다. 반대로, 본 발명에 개시되는 알고리즘은 이전의 시간 스텝에서 기판의 실제 반응을 기초로 순간적인 가열 속도를 계산하고 기판의 광학적 특성의 가정된 값에 의존하지 않는다.
각각의 고온계 구역에 대해, 목표 온도에 도달하도록 구역에 대해 요구되는 전체 전력은 식(1)로 표시된다 :
(1) Ptotal = Pramp + Psteady state
여기서, Ptotal = 원하는 온도에 도달하도록 고온계 구역에 대해 다음 시간 스텝 동안 요구되는 전체 전력이다.
Pramp = 현재 특정된 온도로부터 원하는 온도로 다음 시간 스텝 동안 고온계 구역을 가열하는데 요구되는 전력이다.
Psteady state = 시간 스텝 동안 고온계 구역으로부터 열 손실을 제거하고 동일한 온도에서 고온계 구역을 유지하는데 요구되는 전력이다.
도 2를 참조로 앞서 개시된 안정화 주기(202) 동안, Pramp는 0이다. 정확한 온도 제어는 기판의 열처리의 이러한 세그먼트 동안 중요하지 않지만, 기판 온도 균일성은 필요하다. 앞서 주목한 바와 같이, 안정화 단계는 초기 온도 램핑(201)으로부터 기판 상에 제공되는 온도 변화도가 균일하게 한다. 이는 기판의 모든 영역들이 동일한 열적 "개시 포인트(starting point)"로부터 온도 민감 스파이크 어닐링(203)을 시작하여, 기판 상에서의 모든 영역들이 동일한 열처리를 겪게할 가능성을 강화시키게 한다.
스파이크 어닐링(203) 동안, Pramp 또는 Psteady state의 계산시 존재하는 임의의 부정확도는 열처리의 결과에 큰 영향을 미칠 수 있다. 두개 항목(Pramp 및 Psteady state) 모두는 기판 광학적 특성에 큰 영향을 미친다. 전형적인 스파이크 어닐링 프로세스 온도에서, 즉, 약 700℃ 이상의 온도에서, 기판 정면 반사율 및 방사율은 가장 중요한 특성이며, 이는 상기 온도에서 전형적인 기판의 투과율은 본질적으로 제로이기 때문이다. 이러한 특성들의 값들은 기판 온도에 따라 변하며 임의의 모델-기반 제어기는, 모델이 기판을 기초로 하지 않는 경우 - 상기 기판의 특성은 처리될 기판과 정확히 동일한 온도에 따라 특성이 변함- 점차 부정확도가 증가할 것 이다. 주어진 RTP 챔버에서 처리될 수 있는 다양한 형태의 기판들이 제공되며, 이는 일반적인 경우는 아니다. 상이한 기판 형태들의 범위는 고반사율, 상대적 암흑부(relatively dark)에 대한 금속성 기판, 중량으로 패터닝된 기판이다. 에러를 감소시키기 위해 다음, 시간 스텝에서 기판의 열적 반응을 적절한 모델을 기초로 예측을 위해 온도 시행 착오를 측정하기 보다는, 본 발명은 가장 최근의 시간 스텝들에서의 기판의 실제 열적 반응, 즉, 기판의 순간적 가열 속도를 계산한 다음 기판의 각각의 고온계 구역에 대해 요구되는 순간적인 전력 입력을 보다 정확히 예측하기 위해 상기 정보를 이용하는 방법을 고려한다.
RTP 동안, 기판의 가열 속도, 즉, 주어진 입력 전력에 대한 기판의 온도 증가는 일정한 값이 아니다. 이는 Pramp 및 Psteady state 모두는 기판의 광학적 특성의 함수들로, 기판 온도에 따라 변하기 때문이다. 예를 들어, 보다 높은 온도에서, 기판의 Psteady state 크기는 보다 낮은 온도에서의 Psteady state 크기 보다 크다. 이는 도 6에 도시된다. 일례로써, 도 6은 RTP동안 기판의 하나의 고온계 구역의 시간-온도 궤적(601)을 나타내는 그래프로, 입력 전력, 즉 Ptotal은 프로세스 전체에서 일정하다. 가로좌표는 시간을 나타내며 세로좌표는 고온계 구역의 온도를 나타낸다. 제 1 시간 간격(t1)은 시간들(602, 603) 사이에서 발생되며 제 2 시간 간격(t2)은 시간들(604, 605) 사이에서 발생한다. 시간 간격들(t1, t2)은 길이가 동일하다. 시간 간격(t1) 동안, 구역은 온도(606)에서 온도(607)로 온도가 증가된다. 하나의 시간 스텝에 대해 기판의 하나의 고온계 구역에 대한 램핑 속도로 공지된 온도 램 핑 속도는 하나의 시간 단계, 이를 테면 시간 간격(t1 또는 t2) 동안 고온계 구역의 온도 증가 속도에 따라 한정된다. 시간 간격(t1)에 대한 램핑 속도(RR1)는 시간 간격(t1) 동안 시간-온도 궤적(601)의 평균 기울기를 그래프로 나타내며 연산적으로 다음과 같이 정의된다.
(2)
Figure 112008073919821-pct00001
여기서,
Figure 112008073919821-pct00002
는 온도(607)와 온도(606) 간의 온도차이다.
t1은 시간 간격(t1)의 기간이다.
유사하게, 시간 간격(t2)에 대한 램핑 속도(RR2)는 다음과 같이 정의된다.
(3)
Figure 112008073919821-pct00003
여기서,
Figure 112008073919821-pct00004
는 온도(609)와 온도(608) 간의 온도차이다.
t2은 시간 간격(t2)의 기간이다.
도 6에 의해 도시된 것처럼, Ptotal이 열처리 동안 일정하게 유지될 때
Figure 112008073919821-pct00005
이다. 이는 시간 간격(t2) 동안 보다 높은 기판 온도와 관련된 열 손실 증가로 인한 것이다. 보다 높은 열 손실은 Psteady state 또한 높다는 것을 의미한다. Ptotal이 본 예에서 일정하기 때문에, Pramp 에 대해 보다 적은 전력이 이용되어, 동일한 입력 전력이 고온계 구역에 인가된다 하더라도 PR2는 PR1보다 작다.
도 6은 기판으로부터의 실제 열손실이 기판 온도, 정면 방사율, 흡수율 및 반사율의 복잡한 함수임을 나타내며, 이는 열처리의 매 시간 스텝 동안 기판 열 반응을 정확히 예측하기 어렵게 한다. 이는 각각의 고온계 구역에 대해 요구되는 입력 전력이 계산될 때 모델-기반 제어기가 수행하고자 하는 것이다. 반대로, 본 발명에 개시되는 적응성 제어 방법은 기판의 고온계 구역의 순간적인 가열 속도 또는 가열 속도 함수는 고온계 구역에 대한 입력 전력의 간단한 선형 함수인 것으로 가정한다. 본 발명에서 이용되는 "순간적인 가열 속도"는 하나의 시간 스텝에 대해 기판의 하나의 고온계 구역에 대한 가열 속도를 나타내는 함수로서 정의된다. 임의의 시간 스텝에 대한 순간적 가열 속도는 이전의 시간 스텝에서 고온계 구역의 열적 반응을 기초로 각각의 시간 스텝에 대해 다시 계산된다. 시간 스텝들이 약 0.01초 정도로 비교적 짧은 경우, 이러한 가정의 매우 정확할 수 있다.
앞서 개시된 것처럼, 기판의 고온계 구역의 순간적 가열 속도는 입력 전력에 비례하는 선형 함수로 가정되며 연산적으로 다음과 같이 정의될 수 있다:
(4)
Figure 112008073919821-pct00006
여기서, RR은 시간 스텝 동안 고온계 구역의 램핑 속도이다.
m은 가열 속도 함수의 기울기이다(주의: 이는 램핑 속도인 도 6에 도시된 시간-온도 궤적의 기울기와는 구별되는 것이다).
Pp는 시간 스텝 동안 고온계 구역에 인가되는 전력이다.
C는 상수로, 식(4)와 같은 선형 식에 대한 "인터셉트(intercept)"로 공지되어 있다.
고온계 구역에 대한 순간적인 가열 속도를 알고 있는 경우, 즉, 식(4)에서 기울기(m)와 인터셉트(C)가 결정되면, 고온계 구역에 대해 요구되는 전력은 다음 시간 스텝을 위해 고온계 구역에 대한 램핑 속도를 기초로 결정될 수 있다. 식(2) 및 식(3)에 도시된 것처럼, 주어진 시간 스텝에 대한 고온계 구역의 램핑 속도는 고온계 구역의 현재 온도, 고온계 구역의 목표 온도 및 시간 간격의 길이의 함수이다. 각각의 시간 스텝에 대한 고온계 구역의 목표 온도는 원하는 시간-온도 궤적을 기초로 룩업 테이블로부터 취해진다. 시간 스텝의 기간 또한 공지된다. 따라서, 일단 현재 온도가 현재 시간 스텝의 시작시 측정되면, 식(4)에서 원하는 램핑 속도(RR)는 시간 스텝 동안 기지수(known quantity)가 된다. 이는 고온계 구역의 시간 스텝 동안 요구되는 전력(Pp)의 계산을 허용하여 고온계 구역의 원하는 램핑 속도(RR)을 산출한다.
고온계 구역의 열적 반응 및 순간적인 가열 속도는 열처리 동안 변하기 때문에, 식(4)의 기울기(m) 및 인터셉트(C)는 열처리의 각각의 시간 스텝 동안 해결될 필요가 있다. 이는 비교적 짧은 시간 주기에 걸쳐, 이를 테면 가열 속도 함수가 2개의 연속하는 시간 스텝들 사이에서 크게 변하지 않는다고 가정하고, 최종 2개의 시간 스텝에서 기판의 열적 반응을 기초로 기울기(m)와 인터셉트(C)를 해결함으로써 수행된다. 예를 들어, 제 1 시간 단계에서, 공지된 전력(Pp1)이 고온계 구역에 인가되어 구역의 온도가 증가되어, 공지된 램핑 속도(RR1)가 생성된다. 제 2 시간 스텝에서, 상이한, 공지된 전력(Pp2)이 고온계 구역에 인가되고 구역은 다시 온도가 증가하며, 공지된 램핑 속도(RR2)가 생성된다 일예에서, 공지된 전력(Pp2)의 크기는 공지된 전력(Pp1)의 값의 적어도 약 10% 만큼 공지된 전력(Pp1)과 상이하 다. 따라서, 2개 또는 3개의 시간 스텝들을 포함하는 시간의 비교적 짧은 간격에 대해 기울기(m)와 인터셉트(C)가 실질적으로 일정하게 유지된다고 가정하면, 이들 2개의 미지수는 하기 2개의 식에 의해 해결될 수 있다.
Figure 112008073919821-pct00007
이러한 과정은 기판의 각각의 고온계 구역에 대한 열처리의 각각의 시간 스텝에 대해 반복된다. 기판의 순간적인 가열 속도는 열처리의 각각의 시간 단계에 대해 업데이트되기 때문에, 기판의 실제 시간-온도 궤적은 모델-기반 제어 알고리즘 보다 원하는 시간-온도 궤적에 보다 가깝게 추적될 수 있다. 이는 특히 모델-기반 제어기가 처리되는 기판과 실질적으로 상이한 광학적 특성을 갖는 기판 형태를 기초로하는 경우 그러하다.
공지의 전력(Pp1) 및 공지의 전력(Pp2) 값들의 정확도는 열처리의 정확한 제어를 위해 중요하다는 것을 주목해야 한다. 이 때문에, RTP 챔버에 사용되는 램프들이 백열 램프들인 경우, 백열 램프 전력, 즉 시간의 임의의 포인트에서 램프 또는 램프 그룹에 의해 생성되는 복사 전력은 램프 또는 램프 그룹에 인가되는 전압 만을 사용하여 결정될 수 없다. 램프 필라멘트의 과도 응답(transient response)으로 인해, 램프 전력이 증가 또는 감소할 때마다, 인가되는 전압은 램프가 전력에서 열적 평형에 도달하지 않는다면 백열 램프의 전력을 나타내지 않는다. 이는 램프 전력들이 짧은 시간 주기들에 대해 자주 변함에 따라 RTP 동안에는 일반적인 경우가 아니다. 대신, RTP 챔버에서 사용되는 백열 램프의 순간적 전력은 하기 식으 로부터 순간적인 램프 저항(Rlamp)을 계산함으로써 정확히 결정될 수 있다.
Figure 112008073919821-pct00008
여기서, V는 램프 또는 램프 그룹에 인가되는 전압이다.
Figure 112008073919821-pct00009
는 순간적인 램프 전류이다.
주어진 순간적 램프에 대해, 순간적 램프 저항은 정확한 전력에 상응하는 것으로 공지되었다.
도 7은 본 발명의 면들에 포함될 수 있는 적응성 제어 방법(700)의 흐름도를 나타낸다. 다시 도 1을 참조로, 이러한 제어 방법은 안정화 주기(202), 스파이크 어닐링(203), 및 초기 온도 램핑(201)의 높은 온도 세그먼트를 포함하는 RTP 동안 기판 온도를 제어하는 폐쇄-루프 제어 알고리즘으로서 사용하기에 가장 적합하다.
적응성 제어 방법(700)의 제 1 단계에서, 고온계 구역 온도 측정(701)이 이루어진다.
다음 기판의 각각의 고온계 구역에 대해 순간적인 가열 속도 결정(702)이 수행된다. 식(4), (4a), (4b)롸 관련하여 앞서 설명된 바와 같이, 기울기(m)와 인터셉트(C)의 값들은 이전 시간 스텝들에 대해 공지된 값들인 RR1, RR2, 공지 전력(Pp1), 및 공지 전력(Pp2)을 이용하여 식(4a) 및 식(4b)의 시스템을 해결함으로써 식(4)에 대해 구해진다. 일 면에서, 현재 시간 스텝의 순간적인 가열 속도에 대한 기울기(m) 및 인터셉트(C)의 값들은 식들(4a, 4b)의 솔루션으로부터 직접 취해진다. 또 다른 면에서, 현재 시간 스텝에 대한 기울기(m) 및 인터셉트(C)의 업 데이트된 값들은 식(4)에 대한 솔루션 및 기울기(m) 및 인터셉트(C)의 하나 이상의 이전 값들에 대한 가중 평균치이다. 일례에서, 기울기(m) 및 인터셉트(C)의 업데이트된 값들에 대한 가중 평균치 계산은 지수적인 가중 평균치이며, 기울기(m) 및 인터셉트(C)에 대한 가장 최근 값들은 기울기(m) 및 인터셉트(C)에 대한 구식(older) 값들 보다는 기울기(m) 및 인터셉트(C)의 업데이트된 값들에 대해 불균형하게(disproportionately) 큰 기여도를 갖는다. 이러한 면에서, 연속하는 시간 스텝들 사이에서 기울기(m) 및/또는 인터셉트(C)의 갑작스런 큰 변화가 발생할 때 식(4)의 수학적 불안정성은 방지될 수 있다. 이러한 경우에 대한 또 다른 예에서, 기울기(m)와 인터셉트(C)에 대한 가중 설계는 동일하지 않다.
다음 적응성 제어 방법(700)에서, 램핑 속도(703) 계산이 이루어지며, 각각의 고온계 구역에 대한 램핑 속도(RR)는 하기 식을 사용하여 계산된다.
Figure 112008073919821-pct00010
여기서,
Figure 112008073919821-pct00011
는 기판에 대해 원하는 시간-온도 궤적을 기초로한 룩업 테이블에 의해 지정된 것처럼, 시간 스텝의 마지막에 요구되는 온도와 고온계 구역에 대해 현재 측정된 온도 간의 온도 차이다.
그리고, t는 현재 시간 스텝의 기간이다.
일 면에서, 기판의 전체 램핑 속도는 시간-온도 궤적 룩업 테이블에 의해 시간 스텝에 대해 특정된 하기 값들로 전체 기판에 대해 요구되는 온도를 감소시킴으로써 느려진다. 이는 특정된 시간-온도 궤적으로의 추적이 불가능한 일부 고온계 구역들이 다른 고온계 구역들과 평행해지도록 함으로써 고온계 구역들 간의 온도 불균일성을 제한한다. 이러한 방법은 고온계 구역에 맵핑되는 관련된 램프 그룹들로부터 최대 램프 출력을 갖더라도 고온계 구역이 충분히 빠르게 가열될 수 없을 때 심각한 온도 불균일성을 방지하는데 이용될 수 있다. 일례에서, 기판의 전체 램핑 속도는 기판의 하나 이상의 고온계 구역들이 2개 이상의 연속하는 시간 스텝들에 대해 목표 온도 보다 약 3℃ 작을 때 감소된다. 또 다른 예에서, 기판의 전체 램핑 속도는 2개 이상의 연속하는 시간 스텝들에 대한 목표 온도보다 약 5℃ 작은 경우 감소된다.
고온계 구역 전력들의 계산(704)이 적응성 제어 방법(700)의 다음 단계이다. 현재 시간 스텝에 대한 각각의 고온계 구역의 고온계 구역 전력(Pp)은 램핑 속도 계산(703)시 결정되는 램핑 속도를 기초로 식(4)을 사용하여 직접 계산된다.
다음 램프 그룹 전력 계산(705)이 실행된다. 특정 램프 그룹에 대한 램프 그룹 전력(Plg)은 일반적으로 램프 그룹과 매칭되는 고온계 구역에 대한 고온계 구역 전력(Pp)과 동일하지 않다. 이는 하나의 램프 그룹이 단지 맵핑되는 고온계 구역 보다 많은 영향을 받기 때문이다. 이러한 작용, 인플루언스 매트릭스(influence matrix)는 도 5를 참조로 앞서 개시되었다. 특정 RTP 챔버에 대해, 인플루언스 매트릭스, 즉 램프 그룹들 모두의 모든 전력들이 특정 고온계 구역에 대한 국부적 조사(irradiance)를 어떻게 산출하는지는 통상적으로 공지되어 있다. 일반적으로, 이러한 정보는 실험적 테스트를 통해 얻어지며, 각각의 고온계 구역에서 각각의 램프 그룹에 대한 최종 조사는 RTP 챔버에 대해 정량화된 다(quantified). 이러한 테스트는 RTP 챔버를 특성화시키는 전형적인 콤포넌트이며 업계에 공지되어 있다. 이러한 인플루언스 매트릭스 및 적응성 제어 방법(700)의 이전 단계들에서 계산되는 각각의 고온계 구역들의 고온계 구역 전력(Pp)이 주어지면, 램프 그룹 전력(Plg)은 인플루언스 매트릭스를 반전시킴으로써 RTP 챔버의 각각의 램프 그룹에 대해 직접 계산될 수 있다. 또한 본 발명의 면들은 "온 더 플라이(on the fly)", 즉, RTP의 초기 비임계적인 스테이지 동안 각각의 기판에 대한 인플루언스 매트릭스의 결정을 고려한다. 이러한 면들은 하기 기판 광학적 특성들의 결정에서 개시된다.
일 면에서, 램프 그룹 전력은 소정의 램프 형태, 이를 테면 백열 램프들에서 고유한 과도 응답을 예상하도록 변형된다. 백열 램프의 응답 시간은 전형적인 RTP 타임 스텝처럼 길 수 있기 때문에, 램프 그룹은 시간 스텝의 마지막까지, 램프 그룹 전력들의 계산 처리 단계(705)에서 계산되는 것처럼 램프 그룹 전력(Plg)을 제공하지 않을 수 있다. 식(4)에서 RR은 고온계 구역 전력(Pp)의 일정한 인가를 가정하기 때문에, 임의의 변이 램프 응답은 주어진 램프 그룹에 대해 원하는 램프 그룹 전력(Plg) 보다 작은 실제 전력을 램프 그룹에 의해 생성하게 된다. 이는 하기 도 8A에 도시된다. 램프 그룹에 의해 생성되는 실제 램프 그룹 전력(Plg)과 원하는 램프 그룹 전력 간의 이러한 불일치는 기판에 대한 부정확한 전력 입력을 야기시켜, 원하는 시간-온도 궤적에 대한 기판 온도의 열악한 추적이 야기될 수 있다.
도 8A는 시간의 함수(800)로서 백열 램프의 출력 전력의 그래프이다. 가로좌표는 시간을 나타내며 세로좌표는 백열 램프에 의해 생성되는 순간적 전력을 나 타낸다. 시간(801)은 RTP 시간 스텝(811)의 시작을 나타내며 시간(802)은 RTP 시간 스텝(811)의 종료를 나타낸다. RTP 시간 스텝(811)의 기간은 0.01초 정도이며, 이는 통상적인 RTP 스파이크 어닐링 프로세스이다. 시간(801)에서, 램프에 의해 생성된 전력은 초기 램프 전력(803)과 동일하다. RTP 시간 스텝(811)에 대해, 램프에 대해 요구되는 출력 전력은 타겟 램프 전력(804)과 같다. 실제 램프 전력은 함수(800)로 표시된다. 전압이 백열 램프 필라멘트에 인가될 때, 램프의 전력 출력은 필라멘트 온도가 증가함에 따라 변하게 되며, 이는 필라멘트의 저항이 온도 함수로서 변하기 때문이다. 일단 필라멘트가 열적 균형에 도달하면, 램프의 전력 출력은 일정하게 유지된다. 이는 도 8A에 도시된다. 램프 출력 전력은 RTP 시간 스텝(811)의 마지막 부근에서 목표 램프 전력(804)과 동일하여, 램프 그룹 전력들의 계산 처리 단계(705)에서 특정된 것보다 기판에 인가되는 전체 에너지는 작다. 이러한 에너지 결손은 영역(805)의 구역으로 표시된다. 음영 영역(805)으로 표시된 에너지 결손의 크기는 긴 램프 응답 시간, 짧은 시간 스텝 및 목표 램프 전력(804)과 초기 램프 전력(803) 간의 상당한 전력차에 의해 악화된다. 이러한 면에서, 이러한 문제점을 개선하기 위해 오버슈트 전력(806)(도 8B 참조)에 해당하는 전압이 백열 램프에 인가된다. 오버슈트 전력(806)은 도 8A를 참조로 앞서 개시된 과도 램프(transient lamp) 반응으로부터 야기되는 에너지 결손을 보상하도록 계산된다.
도 8B는 시간의 함수(820)로서 백열 램프의 출력 전력에 대한 그래프로, 램프 출력 전력은 목표 램프 전력(804) 이상의 오버슈트 전력(806)으로 설정된다. 함수(820)는 RTP 시간 스텝(811) 동안 램프의 실제 전력 출력을 나타낸다. 영역(807)은 함수(820)로 표시되는 실제 램프 전력과 시간들(801, 809) 사이의 목표 램프 전력(804) 사이에서 램프에 의해 생성되는 에너지 차, 이 경우 에너지 손실을 나타낸다. 영역(808)은 실제 램프 전력(함수(820))와 시간들(809, 802) 사이의 목표 램프 전력(804) 사이에서 램프에 의해 생성되는 에너지 차, 이 경우 과잉 에너지를 나타낸다. 오버슈트 전력(806)은 영역(807)이 영역(808)과 동일한 면적을 갖도록 선택된다. 이는 RTP 시간 스텝(811) 동안 램프에 의해 생성되는 전체 에너지가 목표 램프 전력(804)의 일정한 전력 출력을 갖는 램프, 즉 과도 응답이 없는 램프에 의해 생성된 전체 에너지와 동일하다는 것을 의미한다. 오버슈트 전력(806)은 예를 들어, 영역들(807, 808)의 면적의 반복적인 통합 계산을 이용하여, 각각의 램프 그룹에 대해 각각의 시간 스텝에서 수학적으로 결정될 수 있다. 선택적으로, 오버슈트 전력(806)은 룩업 테이블로부터 선택될 수 있으며, 주어진 램프 형태, 시간 스텝 기간 및 램프 전력의 변화에 대해 필요한 오버슈트 전력은 램프의 실험적 테스트로부터 미리 수집된다.
적응성 제어 방법(700)의 다음 단계인 기판 가열(706)에서, 각각의 램프 그룹은 이전의 단계에서 계산된 램프 그룹 전력(Plg)을 발생시키고 기판을 가열한다. 앞서 주목한 바와 같이, 앞서 개시된 처리 단계들은 원하는 시간-온도 궤적이 기판에 의해 이루어질 때까지 열처리시 각각의 순차적인 시간 스텝에 대해 반복된다.
일례에서, 적응성 제어 방법(700)은 도 1에 도시된 스파이크 어닐링(203)과 같은 RTP 프로세스의 스파이크 어닐링 세그먼트 동안 램프들의 폐쇄 루프 제어에 이용된다. 또 다른 예에서, 적응성 제어 방법(700)은 RTP 프로세스의 스파이크 어닐링(203) 및 안정화 주기(202) 동안 램프들의 폐쇄 루프 제어를 위해 이용된다. 또 다른 예에서, 적응성 제어 방법(700)은 안정화 주기(202), 스파이크 어닐링(203) 및 초기 온도 램핑(201)의 보다 높은 온도 세그먼트 동안 램프들의 폐쇄 루프 제어에 이용된다.
본 발명에 개시된 적응성 제어 방법의 장점중 하나는 단일 제어기가 재조정 및 변형 없이 광범위한 정면 방사율을 갖는 상이한 기판 형태에서 동일한 열처리를 반복적으로 수행할 수 있다는 것이다. 또 다른 점은, 종래의 모델-기반 제어기들에 비해, 적응성 제어 방법은 연산적으로 덜 민감하다는 것이다. 또 다른 장점은 다양한 형태의 기판을 처리할 수 있다는 것 이외에, 적응성 제어 방법은 특히 매우 짧은 온도-감지 프로세스, 이를 테면 스파이크 어닐링 프로세스 동안 보다 적은 프로세스 편차를 갖는 RTP 프로세스를 제공할 수 있다는 것이다.
저장형( binned ) 제어기 방법
또 다른 면에서, RTP 동안 램프 전력은 기판을 처리하는 동안 인시튜로 측정될 수 있는 기판의 하나 이상의 광학적 특성을 기초로 기판을 처리하도록 선택되는 고정된 제어 알고리즘을 이용함으로써 제어된다. 이는 "저장형(binned)" 제어기를 사용하는 것으로서 간주되며, 다수의 상이한 제어 알고리즘들은 상이한 기판 특성에 대해 최적화되고 기판 특성의 값에 따라 시스템 제어기에 기억 또는 저장된다. 예를 들어, 표 1은 각각 상이한 범위의 기판 정면 방사율에 대해 최적화되는 10개 의 제어 알고리즘이 저장될 수 있는 방법을 나타낸다.
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표 1: 정면 방사율에 따라 저장된 제어기들
표 1에서 언급되는 정면 방사율은 바람직하게 도 1에 도시된 안정화 주기(202)에서 또는 그 마지막 부근에서 기판의 정면 방사율이다. 일반적으로 기판 방사율은 550℃의 온도 즉, 전형적인 안정화 온도와 1100℃, 즉 전형적인 스파이크 어닐링 온도 사이에서 크게 변하지 않기 때문에, 안정화 주기(202)에서 또는 안정화 주기(202)의 마지막 부근에서 기판의 정면 방사율은 열처리의 스파이크 어닐링(203) 세그먼트 동안 실질적으로 정면 방사율을 나타내는 것으로 간주될 수 있다. 표 1에서 참조되는 예시적인 제어기들은, 예를 들어 Emis1, Emis2 등은 순수하게 이론적인 시뮬레이션, 이를 테면 종래 기술이 모델-기반 제어기들에 통합되는 광학 모델을 기초로 전개될 수 있다. 선택적으로, 제어기는 이론적 시뮬레이션 및 실험적 테스트의 조합으로 또는 다수의 상이한 기판 형태들에 대한 조직적 실험 테스트를 기초로 할 수 있다.
이러한 방법은 종래 기술의 모델-기반 제어기들에 비해 장점을 가질 수 있으며, 이는 주어진 기판에 대해 선택된 제어 알고리즘이 기판의 특정한 가열 특성을 위해 최적화되어 열처리의 각각의 시간 스텝에서 기판의 열적 반응을 보다 정확히 예측할 수 있다. 도한, "저장형" 제어기의 사용은 도 7을 참조로 앞서 개시된 적 응성 제어 방법(700)과 같이, 열처리의 각각의 시간 스텝에 대해 상당 수의 계산을 요구하는 방법 보다 연산적으로 덜 민감하다. 또한, 상기 방법은 하나 이상의 정량화(quantifiable) 기준을 기초로 제어기 선택 프로세스를 자동화시켜, 사람 관련 에러 및 장비 오퍼레이터 프로세싱으로부터의 최소 입력으로 광범위한 형태의 기판 상에서 동일한 열처리를 정확히 반복적으로 제어할 수 있다.
기판에 대한 최적의 제어 알고리즘에 대한 선택 기준으로 작용할 수 있는 기판 광학적 특성으로는 정면 방사율, 흡수율 및 반사율이 포함된다. 주어진 기판을 처리하도록 최적의 제어기를 선택하기 위해 이러한 광학적 특성들을 직접적으로 측정하거나 또는 추론하는 방법들은 하기 기판 광학적 특성들의 결정에 개시된다. 기판의 다른 광학적 특성들과 비교할 때, 방사율은 선택 기준으로서 사용하기에 가장 적합한 것으로 간주되며, 이는 방사율이 기판의 열 반응, 즉, 가열 특성에 큰 영향을 미치기 때문이다. 또 다른 예에서, 기판 흡수율 및/또는 정면 반사율이 선택 기준에 포함될 수 있다.
저장형 제어기 방법의 일 실시예에서, 일련의 실험적 테스트들이 실행되며, 도 7을 참조로 앞서 개시된 적응성 제어 방법(700)은 상이한 다수의 정면 방사율들을 가지는 상이한 기판들을 열적으로 처리하는 제어기로 이용된다. 각각의 정면 방사율에 대해, 순간적 가열 속도의 기울기(m) 및 인터셉트(C)의 값들은(도 4 참조) 기판의 각각의 온도에 대한 룩업 테이블로 기록되고 작성된다. 순차적으로, 기판들은 도 9에 도시된 간략화된 적응성 제어 알고리즘(900)을 이용하여 처리되며, 기울기(m) 및 인터셉트(C)의 값들은 이전 시간 스텝들 동안 기판의 가열 특성 을 기초로 계산되지 않는다. 대신, 각각의 시간 스텝에 대한 기울기(m) 및 인터셉트(C)는 앞서 개시된 실험적 테스트를 통해 설정된 룩업 테이블에서 얻어진다. 도 9는 저장형 제어기 방법의 일례에 통합될 수 있는 간략화된 적응성 제어 방법(900)의 흐름도를 나타낸다. 순간적 가열 속도 결정(902)을 제외하고, 간략화된 적응성 제어 방법(900)의 다른 모든 프로세스 단계들은 도 7을 참조로 적응성 제어 방법(700)에 대해 앞서 개시된 해당 프로세스 단계들과 실질적으로 동일하다. 순간적인 가열 속도 결정(902)시, 식(4)에서 기울기(m) 및 인터셉트(C)의 값들은 기판 온도 및 정면 방사율을 기초로 룩업 테이블로부터 얻어진다.
저장형 제어기 방법의 또 다른 예에서, 모델-기반 제어기와 같은 종래 기술의 제어기의 다양한 버전은 각각 특정 범위에 대한 정면 방사율과 같은 기판의 광학적 특성을 전개하고 저장한다. 예를 들어, 모델-기반 제어기는 기판상에서의 특정 열처리를 제어하도록 미세조정될 수 있으며 기판의 정면 방사율은 특정 범위, 이를 테면 0.30-0.39로 떨어진다. 이는 대부분 시뮬레이션 모델링 프로그램들에 통상적으로 포함되는 실험적 팩터들을 조정함으로써 달성된다. 이들에 대한 최적의 값들은 실험적 테스트를 통해 결정될 수 있다. 특정 범위의 기판 정면 방사율에 대해 제어기를 미세조정함으로써, 기판이 처리될 때 제어기의 성능이 개선되며 기판의 정면 방사율은 특정 범위 내로 떨어진다. 반대로, 특정 범위 밖의 정면 방사율을 갖는 기판들에 대해, 제어기 성능은 심각하게 감소될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 기판 광학적 특성의 결정으로 하기 개시된 하나 이상의 방법들을 이용함으로써 기판의 정면 방사율을 알고 있는 경우, 적절한 저장형 제어기는 표 1을 참 조로 앞서 개시된 것처럼 기판 정면 방사율을 기초로 이용될 수 있다.
조합형 제어기 방법
또 다른 면에서, 조합형 방법은 기판을 열 처리하는 동안 램프 전력 제어를 개시한다. 이 면에서, RTP 챔버에서 다수의 램프 그룹들은 연산적으로 덜 민감한 제어 알고리즘, 이를 테면 프리-셋(pre-set) 램프 그룹 전력들로 이루어진 제어기에 의해 제어된다. 바람직하게 소수의 램프 그룹들로 이루어진 나머지 램프 그룹들은 보다 복잡한(sophisticated) 제어 알고리즘, 이를 테면 적응성 제어 알고리즘 또는 저장형 제어 알고리즘을 이용한다. 이러한 방법은 모든 램프 그룹들이 적응성 제어 방법에 의해 제어되는 방법처럼 연산적으로 민감하지 않게, 적응성 제어 알고리즘의 장점들, 즉 개선된 온도 제어 정확도 및 광범위한 기판들을 처리하는 능력을 제공한다. 제어 알고리즘에 대해 시스템 제어기의 오버헬밍(overwhelming)을 방지하기 위해 각각의 시간 스텝 동안 최소 수의 계산을 요구하는 것이 바람직다. 시스템 제어기는 기판 처리 시스템을 통해 다수의 콤포넌트들 및 센서들을 동시에 제어하고 모니터링하도록 응답하기 때문에, 계산 민감 알고리즘은 모든 필요한 동작들을 적절히 수행할 수 있는 능력이 방해되어, 프로세싱 에러들 및/또는 지연이 야기될 수 있다.
본 면에서, 예를 들어 약 90% 정도의, 기판에 대한 다수의 복사 에너지는 비교적 작은 양의 연산(computing) 리소스들을 요구하며, 기판 온도의 "대충 조정(coarse adjustment)"으로 간주될 수 있는 방법을 통해 제어된다. 예를 들어 약 10% 정도의, 기판에 대한 나머지 소량의 복사 에너지는 보다 정확하나, 보다 연산적으로 민감한 제어 알고리즘에 의해 제어된다. 이는 기판 온도의 "미세 조정(fine adjustment)"으로 간주되며 기판에 의해 체험되는 시간-온도 궤적이 다수의 램프 그룹들이 프리-셋 램프 전력들에 의해 제어되더라도 원하는 시간-온도 궤적을 정확히 따르도록 할 수 있다.
도 10은 조합형 제어기 방법과 관련하여 사용될 수 있는 램프 그룹들의 배치형태(1000)를 나타내며, 적어도 하나의 대충 조정 램프 그룹 및 적어도 하나의 미세 조정 램프 그룹이 고온계 구역에 전력을 인가한다. 참고로, RTP 챔버의 내부 직경(501), 에지 링의 외부 직경(502) 및 기판의 외부 직경(503)이 배치형태(1000)와 관련하여 도시된다. 램프 그룹들(1031-1038)은 열처리의 각각의 시간 스텝에 대해 프리-셋 출력 전력들을 이용하여 제어된다. 램프 그룹들(1041-1043)은 앞서 개시된 적응성 제어 방법, 저장형 제어기, 또는 종래의 모델-기반 제어기에 의해 제어된다.
본 발명에 개시되는 조합형 제어기 방법의 추가 장점은 기판 온도를 약간 조절하여 램프 그룹들에 대한 신호-대-잡음 비율이 개선된다는 것이다. 일반적으로, 비교적 많은 수의 램프들로 구성된 램프 그룹에 의해 가열되는 고온계 구역에 대해 제어 알고리즘에 의해 기판 온도의 약간의 조절이 요구될 때, 종종 정밀한 제어는 문제시된다. 이는 고온계 구역 온도에서 요구되는 증가 램프 당 출력 전력에서 매우 작은 변화만을 요구할 수 있으며 출력 전력에서의 이러한 변화는 램프 출력 제어의 정밀도와 비슷하기 때문이다. 예를 들어, 10개의 램프들로 이루어진 램프 그 룹에 대한 램프 당 출력 전력의 요구되는 변화는 1W이다. 램프 출력 제어의 정확도가 1W 정도이면, 기판 온도에서 요구되는 변화는 큰 램프 그룹이 이렇게 작은 변화에 정확히 응답할 수 없기 때문에 실현될 수 없다. 전체 출력 전력에서의 동일한 변화가 단지 하나의 램프로 이루어진 램프 그룹을 요구할 경우, 램프 당 출력 전력 변화는 10W이다. 이는 정확한 램프 출력 제어가 최소 10회이다.
기판 광학적 특성들의 결정
앞서 주목한 바와 같이, 열처리 동안 정면 방사율, 정면 반사율, 흡수율 또는 열처리 동안의 변화에 따른 광대역 투과율과 같은 기판의 광학적 특성들의 현재 값을 아는 것이 바람직하다. 특히 모델-기반이 아닌 온도 제어 방법, 이를 테면 앞서 개시된 적응성 제어 방법, 저장형 제어 방법 또는 조합형 제어 방법 사용시 그러하다. 본 발명의 면들은 기판을 열적으로 교란시키고 기판의 하나 이상의 광학적 특성들을 추론하기 위해 순차적으로 기판의 온도 증가를 측정하는 방법을 고려한다. 다른 면들에서, 광학적 특성들은 열적 교란을 요구하지 않고 직접 결정될 수 있다.
기판의 정면 방사율
일부 열처리에 대해, 열처리 동안 기판의 정면 방사율을 아는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 다시 도 1을 참조로, 스파이크 어닐링 프로세스의 초기 온도 램핑(201)에서, 기판 정면 방사율 및 투과율의 정확한 결정은 시간(121) 보다 빨리 기판 온도의 폐쇄 루프 제어가 시작되게 한다. 이는 초기 온도 램핑(201) 동안 기판 상에서의 원치 않는 열적 변화를 최소화시켜, 스파이크 어닐링(203) 이전에 짧은 안정화 주기(202)를 요구한다. 또 다른 예에서, 스파이크 어닐링(203)과 같은 짧은 기간의 프로세스 직전에 기판 정면 방사율의 정확한 측정은 온도 제어에 대해 유용하다. 이는 기판의 앞으로의 온도를 예측하고 정확한 시간-온도 궤적으로 기판을 유지하기 위한 제어기의 능력이 기판의 광학적 특성과 크게 관련될 수 있기 때문이다. 앞서 개시된 저장형 제어기 방법이 이러한 경우이다. 이전의(past) 온도 에러에 응답하는 방법에 따라 이러한 짧은 기간의 프로세스는 너무 느리며, 이는 이를 테면 백열 램프들과 같은 표준 램프들에 대한 응답 시간은 길거나 또는 하나의 시간 스텝보다도 더 길 수 있기 때문이다(도 8A 및 도 8B 참조). 대신, 앞으로의 기판 온도를 예측하는 정확한 방법이 요구된다. 제 3 예에서, 임의의 기판에 대해 최적의 제어 알고리즘을 선택하는 프로세스는 열처리의 대부분의 온도 감지 세그먼트 이전에 기판의 정면 방사율을 결정하고 이에 따라 제어 알고리즘을 선택함으로써 자동화될 수 있다.
일 실시예에서, 기판의 정면 방사율은 기판의 하나 이상의 영역들에 전력을 인가하고 산출되는 온도 변화를 측정함으로써, 열처리의 온도 감지 세그먼트, 이를 테면 도 1의 스파이크 어닐링(203) 이전에 추론된다. 이 면에서, 기판은 미리 적어도 약 500℃의 온도에 있어야 한다. 표준 RTP 챔버, 이를 테면 도 3을 참조로 앞서 개시된 챔버(300)에 대해, 상기 방법은 앞서 개시된 고온계들 및 광섬유 프로브들(334)와 같은 추가의 계측(metrolgy)이 요구되지 않는다. 정면 방사율은 고온 계들에 의해 측정되는 파장에서 기판이 실질적으로 불투명하다면, 즉 기판의 투과율=0이라면 이러한 방법에 의해 결정될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 백열 램프들을 사용하는 챔버에 대해 파장은 약 0.2 마이크로미터 내지 약 5 마이크로미터일 수 있다. 일반적으로, 기판은 스파이크 어닐링(203) 이전의 안정화 주기(202)의 전형적 온도, 예를 들면 약 500℃ 내지 약 700℃ 사이의 온도에 있을 때, 광의 파장들에 대해 실질적으로 불투명하다.
임의의 이전 시간 스텝에 대한 입력 전력은 공지되어 있다. 기판의 흡수율은 기판의 온도 변화, 입력 전력 및 입력 전력 기간의 함수로 알려져 있다. 기판이 열적 균형상태에 있는 경우, 방사율은 기판의 흡수율과 같은 것으로 알려져 있다. 또한, 기판의 방사율은 가열 및 냉각 조건들에서도 기판의 흡수율과 실질적으로 같다고 업계에서는 가정된다. 따라서, 기판의 정면 방사율은 기판이 본질적으로 불투명하고 정면 방사율이 실질적으로 기판의 흡수율과 동일하다는 가정이 정확하다면, 기판의 온도 변화로부터 직접 결정될 수 있다. 후자의 가정은 기판이 열적 평형 상태에 비교적 근사한 경우, 즉 기판이 상대적으로 느리게 온도가 증가하거나 감소할 경우, 대체로 정확하다. 이 면에서, 입력 전력은 예를 들어, 안정화 주기(202) 동안, 기판이 열적 안정화상태에 있는 시간에서 기판의 하나 이상의 구역들에 바람직하게 인가된다. 또한, 하나 이상의 고온계 구역에 인가되는 입력 전력의 기간은 기판의 열적 응답 시간 보다 긴 것이 바람직하다. 예를 들어, 현재의 온도에서 기판을 유지하기 위해 요구되는 입력 전력 이상으로 증가된 입력 전력(P1)의 주어진 크기에 대해, 기판 온도를 적절히 증가시키기 위해 요구되는 시간 은 0.1초 정도일 수 있다. 따라서, 기판에 대한 증가된 전력 입력의 바람직한 기간은 전력 입력의 크기가 P1과 거의 같을 때 0.2초 이상일 수 있다. 이는 기판의 온도 응답을 측정가능하게 하여, 흡수율 및 방사율을 계산할 수 있게 한다. 일례에서, 증가된 전력 입력(P1)의 기간은 변한다; 고온계 구역들에서의 온도가 예정된 양으로 증가될 때까지 증가된 전력 입력(P1)이 기판의 하나 이상의 고온계 구역에 인가된다.
원한다면, 기판의 정면 반사율은 이러한 면을 이용한 열처리의 임의의 시간 스텝에 대해 결정될 수 있다. 기판의 투과율이 실질적으로 0인 것으로 가정될 수 있기 때문에, 기판의 정면 반사율은 식(5)을 식(5a)로 간략화시킴으로써 결정될 수 있다:
Figure 112008073919821-pct00013
여기서, A는 시간 스텝 동안 0.2㎛ 내지 5㎛ 파장의 방사선에 대한 고온계 구역의 흡수율이다.
T는 시간 스텝 동안 0.2㎛ 내지 5㎛ 파장의 방사선에 대한 고온계 구역의 투과율이다.
R은 시간 스텝 동안 0.2㎛ 내지 5㎛ 파장의 방사선에 대한 고온계 구역의 정면 반사율이다.
이 방법은 비교적 일정한 기판 온도 주기 동안, 이를 테면 안정화 주기(202) 동안 정면 방사율 및 반사율을 결정하는데 이용될 수 있으며 및/또는 기판 온도가 급격히 변하는 동안, 이를 테면 스파크 어닐링(203) 동안 실시간 방사율/반사율 계산으로 이용될 수 있다. 후자의 경우, 예를 들어 kHz 범위로의 높은 센서 샘플링 속도 및 높은 램프 제어 주파수가 요구될 수 있다. 백열 램프들의 제어 주파수는 약 100Hz 정도이기 때문에, 상이한 램프 형태가 요구될 수 있다. 또한 각각의 시간 스텝에 대한 방사율의 추가 계산을 수행하면서 열처리의 대부분의 감지 세그먼트를 제어하기 위해 적절한 연산 리소스들을 갖는 시스템 제어기를 갖는 것이 필요할 수 있다. 이러한 이유로, 정면 방사율의 인시튜 측정은 스파이크 어닐링 프로세스 동안 보다는, 예를 들어, 안정화 주기(202) 동안 수행될 때 보다 바람직할 수 있다. 일반적으로 방사율은 약 500℃ 내지 약 1000℃ 사이의 기판들에 대해서 실질적으로 변하지 않기 때문에, 스파크 어닐링 프로세스는 이전의 안정화 주기(202) 동안 측정되는 정면 방사율 및 정면 반사율의 값들을 기초로 정확히 제어될 수 있다.
또 다른 면에서, 기판의 정면 방사율은 파형으로서, 즉, 진동 함수(oscillating function)로서 기판의 하나 이상의 영역들에 전력 입력을 인가함으로써 기판이 비교적 낮은 온도에 있는 경우 추론된다. 전력 입력 파형은 기판의 현재 투과율의 측정을 가능케하여, 기판의 실제 온도의 계산이 이루어진다. 기판 흡수율 및 정면 방사율은 기판 온도 증가를 통해 결정될 수 있다. 정면 반사율은 식(5a)를 참조로 앞서 개시된 것처럼, 원하는 경우 계산될 수 있다.
기판이 약 500℃ 이상의 온도인 경우, 고온계는 기판의 후면으로부터 방출되 는 광을 측정함으로써 기판의 온도를 결정할 수 있다. 도 1과 관련하여 앞서 주목한 바와 같이, 약 300℃ 내지 약 400℃ 미만의 기판은 공통적으로 사용되는 램프들에 의해 생성된 방사선의 파장들에 대해 실질적으로 투명하다. 이 때문에, 낮은 온도에서 종래의 고온계는 기판의 후면에 의해 방출되는 광 이외에, 기판에 의해 투과되는 램프들로부터의 이의의 광을 검출하여, 매우 부정확한 기판 온도 측정이 야기된다. 따라서, 기판 온도 피드백이 열처리 제어에 통합되지 않는 개방 루프 제어는 충분히 높은 온도에서 기판이 램프 방사선에 대해 대략 불투명할 때까지, 열처리에 바람직하다. 이는 폐쇄 루프 제어가 약 250℃로 낮은 온도에서 기판 투과율 및 정면 방사율을 결정함으로써 프로세스의 초반부에 이용될 수 있게 한다. 예를 들어, 스파이크 어닐링 프로세스의 초기 온도 램핑(201)(도 1에 도시됨)에서, 기판 정면 방사율 및 투과율의 정확한 결정은 온도의 폐쇄 루프 제어가 시간(121) 보다 빨리 시작되게 허용한다. 이는 초기 온도 램핑(201) 동안 기판상에 임프린트되는 원치 않는 열 변화를 최소화시켜, 스파이크 어닐링(203) 이전에 보다 짧은 안정화 주기(202)가 요구된다.
도 11은 이러한 본 발명에 대한 프로세스 시퀀스(1100)를 나타내는 흐름도이다. 기판의 전방 방사율 및 특히 투과율은 온도의 함수로서 크게 변하기 때문에, 기판 온도를 제어하기 위해 이용될 때 이러한 광학적 특성들의 값을 자주 업데이트된다는 것이 중요하다. 일예에서, 프로세스 시퀀스(1100)은 기판의 열처리 동안 연속적으로 이루어진다. 또 다른 예에서, 프로세스 시퀀스(1100)는 기판을 열처리하는 동안 주기적으로, 예를 들어 각 초마다 이루어져, 이에 따라 투과율 및 정면 방사율이 업데이트된다. 또한, 이러한 면은 전체 열 프로세스에 걸쳐 또는 열 프로세스의 특정 세그먼트 동안에만, 이를 테면 도 1에 도시된 초기 온도 램핑(201) 및 안정화 주기(202)에만 이용될 수 있다. 이러한 면은 초기 온도 램핑(201) 및 안정화 기간(202) 동안 가장 바람직하며, 이는 기판 투과율이 700℃ 이상(>700℃)의 온도에서 일반적으로 0이고 정면 방사율은 약 700℃ 이상의 온도에서 단지 약간만 변하기 때문이다.
다시 도 11을 참조로, 제 1 프로세스 단계, 전력 인가(1101)에서, 전력은 진동 함수 또는 파형으로 기판에 인가된다. 진동 함수는 사인곡선 함수, 정형파, 톱니형파, 또는 공지된 크기 및 주파수의 다른 파형일 수 있다. 바람직하게, 진동 함수의 주파수 및 크기는 일정하다. 또한 진동 함수의 주파수는 기판의 열적 응답 시간 보다는 실질적으로 높으나, 고온계 샘플링 속도 보다는 높지 않은 것이 바람직하다. 예를 들어, 주어진 크기의 전력 입력(P2), 기판 온도를 적절히 증가시키기 위해 요구되는 시간은 0.1초 정도일 수 있다. 기판 온도를 모니터링하는 고온계의 샘플링 속도는 0.001초 정도이다. 따라서, 진동 전력 입력의 바람직한 주파수는 전력 입력의 크기가 대략 P2와 같을 때 0.01초 정도일 수 있다. 이렇게 하여, 기판을 관통하는 방사 전력의 프랙션(fraction), 즉, 투과율은 램프들로부터의 입력 전력 파형의 크기를 고온계에 의해 결정되는 전송된 전력 파형의 크기와 비교함으로써 결정된다. 전송된 전력 파형의 크기는 기판의 투과율과 직접 비례한다.
일례에서, 전력을 인가하는(1101) 프로세스 단계 동안, 전력 입력 파형은 기판의 고온계 구역마다 인가되며 각각의 고온계 구역의 투과율은 앞서 개시된 것처 럼 직접 결정된다. 또 다른 예에서, 시간 스텝 당 소수의(fewer) 계산을 이용하기 위해, 모든 고온계 구역들에 대해 투과율이 결정되지 않는다. 시간 스텝 동안 기판 양단의 온도차는 기판 양단의 투과율의 상당한 차를 생성하기에는 너무 작아, 투과율은 임의의 주어진 시간 스텝 동안 기판 양단에 대해 일정한 것으로 가정될 수 있다. 따라서, 투과율은 기판의 단일 고온계 구역에 대해서만 결정되며 하나의 고온계 구역에 대한 투과율은 실질적으로 전체 기판에 대한 투과율을 나타내는 것으로 가정될 수 있다. 또 다른 예에서, 교번하는 고온계 구역들의 투과율은 전력 인가(1101)와 관련하여 앞서 개시된 방법을 통해 결정되며 고온계 구역들 간의 투과율은 측정된 고온계 구역들의 투과율로부터 기입된다.
다음 프로세스 단계인 투과율 계산(1102)에서, 제어 알고리즘은 열 처리 단계의 시간 스텝에 대해 고온계 구역 또는 구역들에 대한 투과율을 계산한다. 이러한 계산은 전력 인가(1101)에서 얻어진 정보를 기초로 한다.
다음 프로세스 단계인 온도 계산(1103)에서, 제어 알고리즘은 기판의 투과율 및 시간 스텝에 대해 램프로부터의 입력 전력의 크기를 인수분해(factoring)함으로써 시간 스텝에 대해 기판의 모든 고온계 구역들의 실제 온도를 계산한다.
다음 프로세스 단계인 온도 변화 계산(1104)에서, 제어 알고리즘은 열처리시 현재 시간 스텝과 이전의 시간 스텝 사이에서 기판의 모든 고온계 구역들의 온도 변화를 계산한다.
다음 프로세스 단계인 방사율 계산(1105)에서, 기판의 각각의 고온계 구역의 정면 방사율은 기판 흡수율과 실질적으로 동일한 것으로 가정된다. 흡수율은 보다 높은 온도 기판 온도에 대한 정면 방사율을 결정하기 위해 앞서 개시된 것처럼, 기판 온도 변화, 입력 전력 및 시간 스텝 기간의 공지된 함수이다.
선택적으로, 다음 프로세스 단계인 반사율 계산(1106)에서, 정면 방사율은 식(5) 및 식(5a)와 관련하여 앞서 개시된 것처럼 결정될 수 있다.
이러한 면은 보다 낮은 온도에서, 열처리 초반에 기판 온도의 폐쇄-루프 제어를 허용한다. 이는 요구되는 안정화 기간의 단축 및 보다 균일한 기판 온도를 산출할 수 있다. 또한 이러한 방법은 열처리에 걸쳐 낮은 온도의 불균일성을 유지하면서 복사 에너지에 대해 전체적으로 불투명하지 않은 기판의 열처리를 가능케한다. 종래의 고온계에 대한 장치들은 프로세스를 제어하는데 이용될 수 있다.
또 다른 면에서, 기판 정면 방사율은 도 3에 도시된 에지 링(331)과 같은 에지 링과 기판 간의 방사율 차를 보상하도록 열처리 초반에 제어기가 어떻게 응답하는지를 기초로 처리 동안 추론될 수 있다. 이러한 방법은 비교적 긴 시간 주기, 예를 들면 5 내지 10초 이상에 걸쳐 평균화된 제어 알고리즘의 반응과 관련되기 때문에, 이러한 방법은 스파이크 어닐링 프로세스 또는 다른 온도 감지 프로세스 직전에 기판의 정면 방사율을 결정하는데 가장 적합하다. 이러한 면은 주변 램프 그룹들에 대한 전력 출력을 변화시킴으로써 "에지 링 작용(edge ring effect)"(도 3 및 도 12A-12C를 참조로 하기에 개시됨)에 응답할 수 있는 임의의 폐쇄 루프 제어 방법과 관련하여 사용될 수 있다. 폐쇄 루프 제어 방법들의 예는 본 발명에 개시된 적응성 제어 방법 및 저장형 제어기 방법을 포함하는 본 면과 호환가능하다.
다시 도 3을 참조로, 에지 링(331)은 챔버(300)에서 RTP 동안 기판을 지지한 다. 일반적으로 에지 링(331)은 기판 에지 링(331)과 접촉하는 영역에 대한 가열을 수행하는 능력이 최소화되도록, 매우 얇게 구성될 수 있다. 그러나 기판 온도에 대한 에지 링(331) 작용은 열전달을 수행하는 것으로 제한되지 않는다. 에지 링(331)의 방사율이 기판의 정면 방사율과 상이할 때, 에지 링(331)은 전도성 및/또는 방사상 열전달을 통해 기판의 에지 영역에 대한 히트 싱크(heat shink) 또는 상당한 가열 소스로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 높은 반사성 기판에 대해, 즉, 에지 링 보다 낮은 기판 방사율 및 흡수율을 갖는 기판에 대해, 에지 링은 기판에 대한 가열 소스로 작용하며, 이는 기판 보다 복사 에너지가 빨리 흡수되기 때문이다. 빠르게 흡수되는 높은 방사율 기판이 동일한 챔버(300)에서 처리될 때, 그 반대로 역시 그러하며 에지 링은 히트 싱크로서 작용한다. 이후 "에지 링 작용"으로 간주되는 이러한 작용은 에지 링(331)과 처리될 기판 간의 방사율 차와 직접적으로 관려된다.
통상적으로, 램프 그룹들의 상이한 전력 출력들이 서로를 기준으로 고정되지 않는 경우, 즉, 이들이 독립적으로 제어되는 경우, 램프 그룹들은 기판 정면 방사율의 주어진 값에 대해, 램프 곡선으로 공지된 유사한 전력 프로파일을 일관되게 나타낸다. 본 발명에서 사용되는 전력 프로파일은 RTP 챔버의 각각의 램프그룹에 대해, 평균 램프 전력, 즉 각각의 개별 램프의 전력 출력을 나타내는 그래프로 정의된다. 유사한 전력 프로파일의 반복적 논증은 에지 링과 기판의 정면 사이의 방사율차에 의해 유도된다. 예를 들어, 기판 방사율이 에지 링의 방사율과 대략 동일할 때, 제어 알고리즘에 의해 요구되는 개별 램프 전력들은 램프 그룹들 사이에 서 대략 동일하다. 이는 RTP 동안 에지 링이 상당한 가열 소스 또는 히트 싱크로 작용하지 않기 때문이다. 기판 방사율이 에지 링의 방사율보다 실질적으로 낮은 경우, 외부 램프 그룹들의 램프 전력은 내부 램프 그룹들의 램프 전력 보다 낮아지며, 이는 에지 링이 기판 에지에 대한 가열 소스로 작용하기 때문이다. 반대로, 기판 방사율이 에지 링 보다 실질적으로 높은 경우 외부 램프 그룹들의 램프 전력은 내부 램프 그룹들의 램프 전력 보다 높으며, 이는 에지 링이 기판 에지에 대한 가열 소스로 작용하기 때문이다. 이러한 세 가지 시나리오들이 도 12A-12C에 도시된다.
도 12A-12C는 8개의 램프 그룹을 포함하는, RTP 챔버, 이를 테면 챔버(300)에 대한 전력 프로파일을 나타낸다. 개별 램프 전력들은 각각의 램프 그룹에 대한 전체 전력 대신 상이한 램프 그룹들의 비교를 위해 사용되며, 이는 일반적으로 램프 그룹들은 기판의 동일한 전체 표면적을 처리하지 않기 때문이다. 각각의 램프 그룹에 대한 램프 전력은 RTP 프로세스 전체에 대해 또는 RTP 프로세스의 온도-감지 세그먼트에 대해, 이를 테면 스파이크 어닐링 세그먼트에 대해 평균화될 수 있다.
도 12A는 에지 링과 거의 동일한 정면 방사율을 갖는 기판을 처리하는 RTP 챔버에 대한 전력 프로파일을 나타낸다. 전력 프로파일(1200A)은 RTP 프로세스의 스파이크 어닐링 세그먼트, 이를 테면 스파이크 어닐링(203) 동안 모두 8개의 램프 그룹들(531-538)에 대한 램프 전력들(1211A-1218A)을 포함한다. 램프 전력들(1211A-1218A) 각각은 스파이크 어닐링 단계(203)의 기간에 대한 평균 출력 전력 을 나타낸다. 일부 경우에 있어, 가스 흐름 및 벽 반사율 작용으로 인해, 램프 전력들(1211A-1218A)은 도 12A에 예시를 위해 도시된 것처럼 실제 서로 정확히 동일한 것은 아니나, 그럼에도 불구하고 " 에지 링" 작용이 실질적으로 거의 없는 공지의 재현가능한 프로파일임이 밝혀졌다. 임의의 경우, 에지 링은 상당한 가열 소스 또는 히트 싱크로 작용하지 않기 때문에, 기판의 주변부 부근의 각각의 램프 그룹에 대한 램프 전력들은 도 12A에 도시된 것처럼 서로 대략 균일하다.
도 12B는 에지 링 보다 상당히 낮은 정면 방사율을 갖는 기판을 처리하는 RTP 챔버에 대한 전력 프로파일(1200B)을 나타낸다. 전력 프로파일(1200B)은 각각 RTP 프로세스의 스파이크 어닐링 세그먼트의 기간에 걸쳐 평균화되는 모두 8개의 램프 그룹(531 -538)에 대한 램프 전력들(1211B-1218B)을 포함한다. 에지 링은 상당한 가열 소스로 작용하기 때문에, 기판의 에지 부근에서의 램프 전력은 강하된다. 이는 RTP 챔버에 대한 제어 알고리즘이 에지 링 작용을 보상하는 방법에 대한 실험적 표시기이다.
도 12C는 에지 링 보다 상당히 큰 정면 방사율을 갖는 기판을 처리하는 RTP 챔버에 대한 전력 프로파일(1200C)을 나타낸다. 전력 프로파일(1200C)은 각각 RTP 프로세스의 스파이크 어닐링 세그먼트의 기간에 걸쳐 평균화되는 모두 8개의 램프 그룹들(531-538)에 대한 램프 전력들(1211C-1218C)을 포함한다. 에지 링은 상당한 시크 싱크로 작용하기 때문에, 기판의 에지 부근의 램프 전력들은 중심 램프 그룹들 보다 높다. 도 12B에 따라, 이는 RTP 챔버에 대한 제어 알고리즘이 에지 링 작용을 보상하는 방법에 대한 실험적 표시기이다.
전력 프로파일의 반응은 기판 정면 방사율의 예측가능하고 재현가능한 함수이기 때문에, 이러한 정보는 기판이 열처리 동안 인시튜 상태에 있는 동안 기판의 정면 방사율을 실험적으로 추론하는데 이용될 수 있다. 본 발명은 열처리의 초반 단계에서, 예를 들어 도 1에 도시된 스파이크 어닐링 프로세스의 초기 온도 램핑(201) 동안 기판의 정면 방사율 추론을 고려한다. 정면 방사율은 기판의 측정된 전력 프로파일을 기판 정면 방사율의 상이한 값들에 상응하는 실험적으로 결정된 "저장형(binned)" 전력 프로파일들의 슈트(suite)와 비교함으로써 선택된다. 이 경우 일례에서, 측정된 전력 프로파일이 2개의 저장형 전력 프로파일들 사이에서 실질적으로 동일하게 떨어질 때, 정면 방사율의 값이 이들 사이에 기재된다.
이 경우 실험적 정보를 기초로한 열처리에 대한 최적의 제어기 선택이 허용된다. 즉, 제어기 알고리즘의 기록된 반응 즉, 전력 프로파일은 특정 챔버에 대한 경험적 테스트 테이터에 대한 상관성을 기초로 기판의 정면 방사율을 나타낼 수 있다. 전력 프로파일은 특정 챔버에서 특정 기판의 열적 반응을 기초로 하기 때문에, 정면 방사율의 정확한 결정을 위해 추가 모델링 또는 교정 팩터들이 요구되지 않는다. 또한, 정면 방사율을 결정하는데 있어 열처리의 각각의 시간 스텝에서 다수의 추가 계산이 요구되지 않는다; 전력 프로파일은 기록된 데이터로부터 직접 취해지며 열처리의 온도 감지 스텝 직전에 해당 방사율과 상관될 수 있다.
기판의 투과율
앞서 주목한 바와 같이, 열처리 동안 기판의 투과율을 아는 것이 바람직하 다. 특히, 기판 투과율이 실질적으로 온도에 따라 변할 경우, 400℃ 이하의 낮은 온도에서 그러하다. 기판의 투과율을 계산하기 위해 본 발명에 의해 고려되는 한가지 방법은 도 11을 참조로 앞서 개시되었다. 2가지 추가 방법이 개시되며, 여기서 기판의 투과율은 400℃ 이하의 온도에서 결정된다.
일 면에서, 기판의 투과율 및 다른 광학적 특성들은 기판의 각각의 고온계 구역에 대해 2-채널 고온계 방법으로 결정된다. 다시 도 3을 참조로, 광섬유 프로브(334)로부터의 광은 2개의 광학 경로로 분할되며, 하나의 경로는 통상 기판 후면으로부터 방출되는 광 주파수, 즉 실리콘 기판의 밴드갭 이하의 파장들, 예를 들어 약 1㎛ 미만의 파장들을 측정하는 제 1 고온계로 향한다. 이러한 고온계는 표준 RTP 고온계와 동일할 수 있다. 제 2 광학 경로부터의 광은 보다 긴 파장 및 전형적인 기판의 밴드갭 에너지 보다 실질적으로 낮은 에너지에서 광을 측정하는 제 2 고온계로 향한다.
반도체, 이를 테면 전형적인 RTP 기판에 포함된 완전한 실리콘 결정에 대한 밴드 갭은 가전대의 상부와 전도대의 하부 간의 에너지 차로 정의된다. 반도체 의해 가열 에너지로서 입사광이 흡수되도록 하기 위해, 즉, 원자가 껍질에서 전도 껍질(conduction shell)로 전자가 조장되기에 충분하게 활성화되도록 하기 위해, 입사 방사선의 에너지는 반도체의 밴드갭 이상이어야 한다. 밴드갭 이하로, 입사광이 충분히 짧은 파장과 충분히 높은 에너지를 갖는 경우, 모든 광은 반도체에 의해 완전히 흡수되거나 또는 반사된다-전혀 투과되지 않는다. 그러나, 임의의 물질 에 대한 밴드갭은 온도에 따라, 물질 증가 온도에 따라 변하며, 낮은 에너지(즉, 긴 파장) 광은 반도체 물질에 의해 가열 에너지로서 흡수된다. 또한, 보다 높은 온도에서, 보다 많은 전자들은 최소 밴드갭 에너지 요구조건을 갖지 않는 입사 광 에너지를 흡수할 수 있어, 긴 주파수 광 에너지 또한 흡수할 수 있다. 대체로 이러한 2-에너지 흡수 메커니즘으로 인해, 전형적인 RTP 기판은 RTP 프로세스의 시작시 입사 램프 방사선의 거의 100% 내지 RTP 프로세스의 마지막 단계 동안 0% 투과율의 범위를 가질 수 있다.
RTP 애플리케이션들에 이용되는 표준 고온계는 RTP 동안 가장 중요한 프로세스 온도, 예를 들면 약 500℃ 이상에서 완전히 흡수되는 파장에서 광을 측정한다. 이라한 파장 범위는 약 0.2㎛ 내지 약 3㎛이다. 보다 낮은 온도, 이를 테면 20℃에서, 이러한 광 파장은 실리콘 결정의 밴드갭 이상이며 기판을 통해 거의 완전히 투과된다. 앞서 개시된 제 2 고온계는 제 1 고온계 보다 약간 긴 파장에서의 광, 특히 다소 긴 또는 해당 기판 온도에서 실리콘 밴드 갭 부근의 광을 검출하도록 필터링될 수 있다. 이렇게 함으로써, 기판 온도가 증가함에 따라, 기판 투과율 범위는 약 0.2㎛ 내지 약 3㎛ 범위의 투과율을 검출할 수 있다. 도 11 및 식(5) 및 (5a)를 참조로 앞서 개시된 것처럼, 기판의 투과율, 시간 스텝 동안의 입력 전력 및 시간 스텝 동안 관련된 온도 증가 모두를 알고 있다면, 흡수율, 정면 방사율 및 정면 반사율을 포함하는 나머지 기판의 광학적 특성들이 계산 및/또는 추론될 수 있다.
또 다른 면에서, 기판의 투과율은 분광계(spectrometer) 또는 투과 고온계를 사용하여 기판 물질의 밴드갭의 온도 관계를 기초로한 방법을 통해 결정된다.
일 예에서, 분광계는 약 400℃ 이하의 온도에서의 열처리 동안 기판의 스펙트럼 방사율을 분석하는데 이용될 수 있다. 선형 적외선 분광계, 이를 테면 인듐-갈륨-아세나이드(InGaAs) 다이오드 광검출기가 이러한 방법에 이용될 수 있다. 다시 도 3을 참조로, 분광계(337)는 열처리 동안 기판의 후면으로 지향되는 하나 이상의 광섬유 프로브들(334)에 광학적으로 부착될 수 있다. 주어진 밴드경로에 대해, 즉, 2개의 선택된 파장들 사이의 스펙트럼 파장에 대해, 낮은 온도, 예를 들어 약 100℃ 미만의 온도에서 기판을 통해 투과되는 에너지의 스펙트럼 프로파일은 분광계에 의해 측정되고 기록될 수 있다. 기판 온도가 증가하고 투과율이 변함에 따라, 선택된 밴드경로에서의 기판 방출의 제 2 스펙트럼 프로파일이 분광계에 의해 측정된다. 2개의 스펙트럼 프로파일들 간의 차를 분석함으로써, 현재 온도에서 기판의 투과율은 기판에 의해 얼마나 많은 에너지 흡수되었는지를 기초로 결정될 수 있다. 스펙트럼 분석을 위한 밴드경로는 약 0.1㎛ 내지 약 1.5㎛ 범위의 파장 또는 약 900nm 내지 약 2.2㎛의 넓은 범위의 파장들을 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 스펙트럼 분석을 위한 밴드경로는 약 0.2㎛ 내지 약 3.0㎛ 범위의 파장을 포함한다. 도 11 및 식(5) 및 (5a)와 관련하여 앞서 개시된 것처럼, 기판의 투과율, 시간 스텝 동안 입력 전력 및 시간 스텝 동안 관련된 온도 증가를 모두 알고 있다면, 기판의 나머지 특성들은 계산 및/또는 추론될 수 있다. 기판이 400℃ 이하인 경우 기판 온도의 신뢰성있는 측정 방법을 통해, 폐쇄-루프 제어는 기판 가열을 제어하기 위해 열처리 초반에 이용될 수 있다. 이는 스파이크 어닐링 이전에 열적 안정화를 위해 요구되는 시간을 단축시키고 폐쇄 루프 제어 이전에 기판의 상당한 변형을 방지하는 개방-루프 제어에 의해 야기되는 기판 상에서의 열적 변화를 최소화시킨다.
일례로, 기판 방출의 스펙트럼 분석 및 투과율 결정은 약 500℃ 이하의 열처리의 각각의 시간 스텝에 대해 기판 각각의 고온계 구역에 대해 수행될 수 있다. 또 다른 경우, 스펙트럼 분석 및 투과율 결정은 단일 고온계 구역에 대해서만 수행되고 다른 모든 구역들은 대략 동일한 투과율을 갖는 것으로 가정된다. 또 다른 경우, 스펙트럼 분석은 교대로 고온계 구역들 상에서 수행되고 나머지 고온계 구역들의 투과율은 인접한 고온계 구역들로부터 기입된다.
낮은 온도에서 투과율을 결정하는 또 다른 예에서, 거의 실온인 고온계(ART)로 공지된 방법이 이용될 수 있으며, 여기서 기판 물질의 밴드갭의 시간-관련성으로 인해 기판의 온도가 추론될 수 있다.
ART는 기판의 투과율을 기초로 낮은 온도, 예를 들어 500℃ 미만의 온도에서의 처리 동안 기판의 온도를 추론하기 위해 하나 이상의 투과 고온계를 이용한다. 투과 고온계는 실리콘 기판에 의해 여과됨에 따라 복사 가열 램프들로부터의 광학적 방사선을 검출한다. 일부 파장 대역에서 실리콘의 흡수, 즉, 실리콘 투과율은 기판 온도와 상당히 관련된다. 상이한 온도에서 기판에 대한 투과 고온계의 단일 출력과 램프 출력들 간의 상관성은 기판 처리 이전의 실험적 테스트를 기초로 유추될 수 있다. 일단 이러한 상관성이 정량화되면, 기판 온도는 고온계 출력 신호, 또는 광전류, 및 낮은 온도 처리 동안 임의의 시간에서 램프 출력 전력으로부터 추론될 수 있다.
복사 가열 램프 또는 이들의 다른 전기적 특성들에 의해 전달되는 복사 전력, 기판 온도, 및 투과 고온계의 광전류 간의 일반적 관계를 알고 있는 경우, 투과 고온계가 실행될 수 있다. 광전류, 기판 온도 및 램프 출력 간의 이러한 특성 관계를 수집하는 방법에서, 2차원 테이블은 실험적 테스트를 통해 기판 및 램프 온도의 함수로서 비정상화된, 즉, 교정되지 않은 광전류로 채워진다. 표로 작성된 데이터는 베이스라인 전도를 위해 램프 전류 및 기판 온도에 따라 투과 고온계 광전류의 관계를 설정한다. 요구되는 램프 및 기판 특성들은 다양한 방법으로 설정될 수 있다. 램프 온도 및 기판 온도 - 및 가능한 기판 두께 -의 다수의 조합에 대해 고온계 광전류를 측정하고 기판 온도에 광전류를 관련시키기 위해 이러한 실험적 값들을 이용하는 것이 가능하다. 일반적으로, 바람직하게는 정규화 팩터로 공지된 스케일링 팩터(scaling factor)는 챔버 조건, 이를 테면 상이한 램프들 등의 변화 및 기판의 광학적 특성들의 편차를 고려하기 위해 각각의 처리된 기판에 대해 표로작성된 실험 데이터에 적용될 수 있다. 스케일링 팩터 또는 정규화 팩터는 하기 도 12E를 참조로 개시된 교정 단계에서 결정된다. 이후, 기판이 처리될 때, 기판의 공지된 온도에서 광전류의 초기 측정은 표로만든 데이터가 처리될 특정 기판에 대해 적절한 정규화 팩터로 스케일링될 수 있게 한다. 기판의 초기 측정은 열처리가 시작될 때 그리고 기판이 가열되기 이전에 취해진다. 기판의 순차적인 열처리 동안, 고온계 광전류가 공지된 램프 온도 또는 저항에서 측정될 때, 정규화된 테이블은 해당 기판 온도를 얻는데 참조된다.
투과 고온계의 필터 및 광검출기는 해당 기판 온도, 이를 테면 200-450℃ 또 는 100℃ 내지 250℃에서 흡수 갭의 파장을 감지하는 스펙트럼 응답을 제공한다. 여기서 사용되는 특정 광검출기는 약 350℃ 이하의 온도에 대한 실리콘 광검출기일 수 있으며, 이는 실리콘의 흡수 갭은 실온 내지 350℃의 온도에 대해 약 1㎛ 내지 약 1.2㎛로 변하고, 실리콘 광검출기는 약 1.1㎛ 이상의 파장을 갖는 방사선에 대해 민감하기 때문이다. 약 350℃ 이상의 온도에 대해, 흡수 에지는 실리콘 광검출기의 검출 한계치를 넘어 흡수 에지 파장에서 임의의 추가적인 증가는 쉽게 검출되지 않을 수 있다. 따라서, 보다 높은 기판 온도를 이용한 동작에 대해, 보다 긴 파장들을 감지하는 광검출기 사용이 요구된다. 이러한 검출기의 예로는 InGaAs 다이오드 광검출기가 있으며, 이는 약 0.9 내지 1.7㎛ 사이의 검출 대역을 갖는다.
ART에 대한 동작 온도 범위는 도 12D의 그래프를 참조로 개시된다. 라인(1226)은 램프 전류의 하나의 설정치에 대한 기판 온도의 함수로서 투과 고온계로부터의 전체 광전류를 나타낸다. 낮은 온도에서, 전체 광전류는 원칙적으로 광전류(1228)로, 이는 웜(warm) 램프들로부터의 선속(photon flux)으로부터 야기되며 기판을 통과한다. 그러나, 라인(1230)으로 표시된 것처럼, 일정한 백그라운드 방사선, 이를 테면 스트레이(stray) 방사선이 제공되며 챔버 부품들을 가열한다. 보다 높은 온도에서는 라인(1232)으로 표시된 것처럼, 기판 자체의 흑체 방사선으로부터의 기여도가 증가된다. 램프 및 기판 흑체 기여도에 대한 크로스 오버(cross over)는 약 400℃의 온도에서 이루어지며, 이는 방사선 고온계가 효율적이게 되는 영역의 하부 단부 부근에서의 온도이다.
기판을 제어가능하게 가열하는 기본 알고리즘이 도 12E의 프로세스 흐름도에 도시된다. 단계(1236)에서, 공지된 온도의 기판이 RTP 챔버로 삽입되고 단계(1238)에서 램프들이 낮은 설정 전류, 예를 들면 최대 램프 전류의 약 20%로 조정된다. 단계(1240)에서, 투과 고온계로부터의 광전류는 기판이 램프 방사선으로 따뜻해지는 것을 나타내는 시간에 이르기 전에 측정된다. 이러한 측정은 램프 전류 및 기판 온도의 공지된 값들을 이용하여 이루어지며 공지된 특성들이 적절한 스케일링 팩터로 적절히 정규화/교정될 수 있게 한다. 단계(1242)에서, 공지되어 있으나, 정규화되지 않은 광전류의 특성 값들 대 램프 및 기판 온도는 교정 단계에서 결정된 스케일링 팩터로 정규화된다. 단계(1244)에서, 램프 전류는 적어도 초기 예비-가열 값으로 상승된다. 단계(1246)에서, 투과 고온계로부터의 광전류는 동일한 기판에 대해 그리고 상승된 램프 전류에 대해 측정된다. 단계(1248)에서, 기판 온도는 기판 및 램프 온도의 함수로서 적절히 스케일링되어 표로작성된 광전류 데이터와 측정된 광전류 및 램프 전력을 비교함으로써 결정된다. 단계들(1246, 1248)은 단계(1250)에서 소정의 최종 예비-가열 기판 온도가 달성되었다는 것이 결정될 때까지 반복된다.
본 발명의 일부 구성형태에 포함될 수 있는 ART 방법들 및 장치들에 대한 보다 상세한 설명은 2004년 10월 26일자로 "열처리 실리콘 웨이퍼들에 유용한 저온 고온계용 장치 및 방법"이란 명칭으로 공동 양도된 미국 특허 출원 No. 10/974,003[9376]호에 개시되어 있으며, 상기 문헌은 본 발명에 청구된 것과 모순되지 않는 범위로 참조된다.
본 발명의 이러한 면은 동일한 제어 알고리즘을 사용하여 기판 형태의 범위 에 대해 충분히(well)-제어된 열처리의 적용을 허용한다. 상이한 기판 형태들은 낮은 온도에서 광범위하게 다른 밴드갭들 및 투과율을 가질 수 있고, 이 경우, 폐쇄-루프 제어의 초기 도입을 통해 동일한 열처리를 위해 각각 상이한 기판 형태에 대한 상이한 제어기를 맞춰야하는 필요성이 제거된다. 또한, 부분적인 투명도에서 완전한 불투명도로의 크로스-오버는 각각 기판 형태에 대해 상이한 온도에서 이루어지기 때문에, 개방 루프 제어 사용은 필요한 것보다 긴 안정화 주기를 요구한다. 열처리시 초반에 이용가능한 폐쇄 루프 제어를 통해, 온도 불균일성이 개선되고 전체 열처리 기간이 감소된다. 일 실시예에서, 앞서 개시된 것처럼 적응성 제어 방법 또는 저장형 제어 방법은 이 경우 조합되어 이용될 수 있다. 또한, 이 경우 낮은 온도, 이를 테면 <400℃에서 신뢰성있고, 재현가능한 기판 열처리가 가능할 수 있다.
400℃ 이하의 기판 온도의 결정을 허용하고, 이러한 온도에서 폐쇄 루프 제어를 허용하는 것 이외에, 비교적 낮은 온도에서 기판 투과율을 결정하는 본 발명의 면들은 기판이 처리됨에 따라 램프 그룹들의 인플루언스 매트릭스를 정량화시키는데 이용될 수 있다. 이는 예를 들어, 도 1 및 도 2와 관련하여 앞서 개시된 초기 온도 램핑(201) 동안 열처리시 비교적 초반에 이루어질 수 있다. 이러한 열처리 세그먼트 동안 기판 온도를 지속적으로 램핑하기 보다는, 이 시간의 일부를 짧은 시간 동안 순차적으로 각각의 램프 그룹을 반복하도록 제공될 수 있다. 기판의 각각의 고온계 구역의 실제 온도는 공지되어 있고 전력 입력의 크기 및 기간 또한 공지되어 있기 때문에, 모든 고온계 구역들에서 각각의 램프 그룹의 비례 인플루언 스는 열처리 초반에 정량화될 수 있다. 정확히 정량화된 인플루언스 매트릭스는 본 발명의 다른 면들, 이를 테면 적응성 제어 방법- 도 7과 관련하여 앞서 개시됨-에 유용할 수 있다.
기판의 정면 반사율
일부 경우에서, 열처리 동안 기판의 정면 반사율을 아는 것이 바람직하다. 예를 들어, 기판의 흡수율이 정면 방사율과 거의 같다는 가정 대신에, 기판의 흡수율은 정면 반사율을 알고 있을 때 식(5a)를 이용하여 직접 구할 수 있다. 기판의 정면 반사율 및 흡수율은 열처리 동안 기판의 열 반응에 크게 작용하기 때문에, 표 1과 관련하여 앞서 개시된 것처럼 미리 최적화된 제어 알고리즘 또는 알고리즘들에 대한 선택 기준으로 사용될 수 있다. 기판의 정면 반사율을 계산하기 위해 본 발명에 의해 고려되는 일부 방법들은 도 11 및 식(5a)를 참조로 앞서 개시되었다.
본 발명에는 또 다른 방법이 개시되며, 기판의 정면 반사율은 기판의 정면으로부터 공지된 크기의 반사 신호를 측정함으로써 계산된다. 반사 신호의 크기를 측정하고 이를 램프들로부터의 입력 신호의 크기와 비교함으로써, 정면 반사율이 결정될 수 있다. 바람직하게, 입력 신호는 일정한 주파수의 진동 함수, 이를 테면 사인곡선 함수, 정형파, 톱니형파, 또는 다른 파형일 수 있다. 일 예에서, 백열 램프들로 통상 이루어지는 현존하는 A/C 리플 시그니쳐(ripple signature)가 파형으로 이용될 수 있다. 임의의 경우, 이러한 방법은 도 11을 참조로 앞서 개시된 정면 방사율을 추론하는 방법에 대한 개념과 매우 유사하다.
기판의 정면으로부터 반사된 복사 에너지는 챔버(300)(도 3 참조)의 램프 어셈블리(310)에 장착되는 센서(350)를 이용하여 인시튜로 측정된다. 일례에서, 센서(350)는 표준 고온계이다. 또 다른 예에서, 다중 고온계들은 챔버(300)의 램프 어셈블리(310)에 장착되어 반사된 에너지는 기판의 다중 위치들, 이를 테면 각각의 고온계 구역에서 측정된다.
일례에서, 이러한 방법은 정면 반사율의 값을 업데이트하기 위해 기판의 열처리를 통해 이용될 수 있다. 또 다른 예에서, 이러한 방법은 기판을 열처리하는 동안 주기적으로, 예를 들면 1초 마다 수행되며 이에 따라 반사율이 업데이트될 수 있다. 또 다른 예에서, 이러한 방법은 열처리의 특정 세그먼트 동안에만, 이를 테면 도 1에 도시된 초기 온도 램핑(201) 및 안정화 기간(202)에만 이용될 수 있다.
또 다른 면에서, 기판의 정면 반사율은 챔버(300)(도 3 참조)의 램프 어셈블리(310)에 장착된 센서(350)를 이용하여 인시튜로 직접 측정된다. 이 경우, 센서(350)는 반사율측정기(reflectometer)이다. 열처리 이전 열처리 전반에 걸쳐, 기판의 반사율의 직접적인 측정은 비간접적인 방법들보다 연산적으로 덜 요구된다. 이러한 정보는 원하는 시간-온도 궤적에 대해 기판 온도의 보다 정확한 추적을 위해 램프 입력 전력을 변형하는데 이용될 수 있다.
기판 온도 균일성
또한 본 발명은 RTP 이전에 온도 균일성을 개선하기 위한 방법 및 장치들을 고려한다. 앞서 주목한 바와 같이, 열처리 동안, 기판의 모든 영역들에 대해 균일 한 온도 분포를 갖는 것은 중요하다. 일 실시예에서, 기판은 앞서 개시된 방법들중 하나에 의해 인시튜로 결정되는 바와 같이, 기판의 정면 방사율을 기초로 예정된 방식으로 모든 램프 그룹들의 전력 출력을 스케일링함으로써 RTP 동안 균일하게 가열된다. 또 다른 실시예에서, 기판 온도 균일성은 에지 링의 직접적인 온도 제어를 통해 에지 링 작용을 감소시킴으로써 개선된다. 또 다른 실시예에서, 램프 그룹들은 기판 정면 방사율의 함수로서 재구성된다. 또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 램프 그룹은 RTP 동안 기판상에서 검출되는 비-방사상 온도 불균일성을 처리하도록 구성되는 램프들의 방사상 비대칭 그룹으로 구성된다.
일 실시예에서, 온도 균일성에 대한 에지 링 작용은 기판의 정면 방사율을 기초로 예정된 방식으로 서로를 기준으로 모든 램프 그룹들의 램프 전력을 스케일링함으로써 개선될 수 있다. 도 12A-12C를 참조로 앞서 언급된 바와 같이, 특정 프로세스 동안 RTP 챔버의 전력 프로파일은 기판 정면 방사율의 예측가능하고 재현가능한 함수이다. 기판의 방사율이 공지되어 있다면, 챔버에서 각각의 램프 그룹에 대한 각각의 램프 전력은 원하는 기판 및 프로세스에 대한 온도 불균일성을 최소화시키기 위해 미리 공지된 전력 프로파일과 매칭되도록 스케일링될 수 있다. 예를 들어, 에지 링의 정면 방사율보다 낮은 정면 방사율을 갖는 기판 처리를 위해, 램프 전력들은 도 12B에 의해 도시된 것처럼, 기판 에지 부근의 램프 그룹들에 대해 낮아질 수 있다.
각각의 램프 그룹에 대한 램프 전력의 상대 스케일링은 순수한 실험적 함수이거나 또는 대신 이상화된 전력 프로파일일 수 있으며, 램프 그룹들의 전력 프로 파일은 수학적 표현, 이를 테면, 선형, 포선형 또는 지시 함수에 따라 변한다.
도 13은 이러한 램프 전력 스케일링 방법을 사용하여 RTP 동안 기판 온도 균일성을 개선하기 위한 프로세스 시퀀스(1300)의 흐름도를 나타낸다. 프로세스 시퀀스(1300)는 온도 불균일성을 감소시키기 위해 미리 공지된 전력 프로파일로 램프 그룹들 사이의 램프 전력의 상대 스케일링을 제한한다.
먼저, 초기 방사율의 결정(1320)이 시작되며, 기판의 정면 방사율은 기판의 광학적 특성들의 결정으로 하기에 개시된 방법들중 하나를 사용하여 인시튜로 결정된다. 선택적으로, 기판의 정면 방사율은 RTP 프로세스 챔버 외부에서 결정될 수 있다. 바람직하게, 초기 방사율의 결정(1320)은 인시튜로 수행되며, 보다 바랍직하게는 RTP 프로세스의 온도-감지 세그먼트의 개시 온도와 비교적 근사한 온도에서 수행된다. 방사율은 기판 온도의 함수이기 때문에, 방사율의 가장 정확한 측정은 시간-감지 단계 직전에 이루어진다. 예를 들어, 기판이 1200℃로 가열될 수 있는 스파이크 어닐링 프로세스에 대해, 정면 방사율의 결정이 안정화 단계 동안 바람직하며, 기판은 약 500℃ 내지 약 700℃ 사이의 온도에서 유지될 수 있다. 기판의 방사율의 실온 추정치는 정확하지 않을 수 있다. 정면 방사율의 정확한 측정은 열처리에 대해 가장 적합한 램프 전력 프로파일의 선택을 허용하는 것이 중요하다.
적절한 램프 전력 프로파일의 선택(1325)은 방사율 결정(1320) 이후 수행되며, 상기 선택은 측정된 또는 추론된 기판의 정면 방사율을 기초로 한다.
다음 각각의 고온계 구역의 온도 측정(1301)이 수행된다. 이러한 프로세스 단계는 급속열처리의 각각의 시간 스텝에서 이루어진다.
다음 전력 결정(1302)이 수행되며, 제어 알고리즘은 다음 시간 스텝 동안 요구되는 온도에 도달하거나 유지되도록 각각의 고온계 구역에 대해 요구되는 전력을 계산한다. 이러한 프로세스 단계에서, 이를 테면 종래의 모델-기반 제어기들에 포함되는 기판의 에너지 전달 모델들을 포함하는 다수의 알고리즘들이 이러한 계산을 수행할 수 있다. 바람직한 예에서, 적응성 제어 방법의 일부로서 앞서 개시된 것처럼, 순간적 가열 속도는 각각의 고온계 구역에 대해 요구되는 전력을 결정하는데 이용된다.
다음 전력 결정(1303)이 수행되며, 제어 알고리즘은 모든 고온계 구역들에 대해 요구되는 전력을 합산함으로써, 전체 기판에 대해 요구되는 전체 전력을 계산한다.
다음 단계인 램프 그룹들의 전력 결정(1304)에서, 제어 알고리즘은 다음 시간 스텝에 대해 각각의 램프 그룹에 대한 적절한 전력 출력을 계산한다. 계산은 선택된 램프 전력 프로파일 및 전력 결정(1303)에서 계산된 것처럼 전체 기판에 대해 요구되는 전체 전력을 기초로 한다.
다음 시간 스텝의 기간 동안 기판 가열(1305)이 수행된다.
일면에서, 방법은 다음 시간 스텝에 대해 고온계 구역들의 온도 측정(1301)으로 복귀되어 기판의 열처리가 완료될 때까지 상기 프로세스 단계들을 반복한다. 선택적으로, 또 다른 면에서, 기판 정면 방사율은 각각의 시간 스텝 마지막에 재계산될 수 있다. 이는 방사율 결정(1330) 동안 수행된다. 이 경우, 새로운 전력 프로파일이 적절한 램프 전력 프로파일(1325)을 선택하는 동안 각각의 시간 스텝에 대해 선택된다. 기판 방사율은 기판 온도의 함수이기 때문에, 이 경우 기판 방사율이 RTP 동안 변함에 따라 매 시간 스텝에 대해 업데이트된 방사율 값 및 최상의 램프 전력 프로파일 선택이 허용된다.
이러한 방법의 한 가지 장점은 순수한 모델-기반 제어 알고리즘보다 연산적으로 덜 민감하다는 것이며, 이는 특히 인플루언스 매트릭스의 반전은 주어진 시간 스텝에 대해 각각의 램프 그룹으로부터 상대 전력 출력을 결정하기 위해 요구되지 않기 때문이다. 매 고온계 구역에서 매 램프 그룹의 작용을 계산하는 대신, 기판 온도 균일성은 실험적으로 결정된 램프 전력 곡선들을 기초로 각각의 램프 그룹의 상대 램프 전력들을 스케일링함으로써 유지된다.
또한, 본 방법은 열처리 동안 기판 상에서 측정되는 온도 불균일성에 응답하지 않는다. 대신, 램프 전력들은 온도 불균일성이 발생하기 이전에 에지 링 작용을 보상하기 위해 램프 그룹들 간에 스케일링되어, 전체 기판 온도 균일성이 개선될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 기판 온도 균일성은 RTP 동안 에지 링의 직접적인 온도 제어를 통해 기판 상에서의 에지 링 작용을 감소시킴으로써 개선된다. 다시 도 3 및 도 4를 참조로, 챔버(300)에서의 열처리 동안 기판의 바닥부의 상이한 방사상 위치들에서 모든 광섬유 프로브들(334)이 지향되는 것을 볼 수 있다. 이는 기판의 동심 영역들의 온도 측정 및 제어를 허용한다. 에지 링은 기판 온도 균일성에 대해 상당한 작용을 하는 것으로 공지되어 있기 때문에, 이러한 작용은 가장 바깥쪽 기판 고온계 구역의 온도와 에지 링의 온도를 보다 근사하게 매칭시킴으로써 감소 될 수 있다. 에지 링(331)의 바닥부로 지향된 광섬유 프로브(334a)의 추가로, 에지 링은 본질적으로 추가 고온계 구역으로서 처리될 수 있다. 이러한 외부 고온계 구역, 즉 에지 링의 온도를 제어함으로써, 기판상의 에지 링의 열적 영향력은 심지어 에지 링의 방사율이 기판의 정면 방사율과 실질적으로 다르더라도 상당히 감소될 수 있다. 일 면에서, 하나 이상의 외부 램프 그룹들은 광섬유 프로브(334a)와 관련된 고온계로 맵핑되며, 램프 그룹들은 에지 링에 대해 전용 가열 소스로 작용할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 램프 그룹들은 에지 링 온도의 최적의 독립적인 제어를 제공하기 위해, 기판 정면 방사율의 함수로서 재구성된다. 예를 들어, 앞서 개시된 방법들에 의해 기판의 정면 방사율이 공지되어 있다면, 고온계 구역들에 대한 램프 그룹들의 맵핑은 기판의 가장 바깥쪽 고온계 구역들을 기준으로 에지 링에 최적의 전력 입력이 부여되도록 재구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4 및 도 5를 참조로, 어둡고(darker), 높은 방사율 기판에 대해, 램프 그룹들은 램프 그룹(535)이 고온계 구역(405)으로 맵핑되고 램프 그룹들(536-538)이 고온계 구역(406)으로 맵핑되도록 조직될 수 있다. 비교적 높은 반사율 기판에 대한 에지 링 작용으로 인해, 램프 그룹들(535, 536)이 고온계 구역(405)에 맵핑되고 램프 그룹들(537, 538)이 고온계 구역(405)에 맵핑되도록 외부 램프 그룹들이 재맵핑되는 것이 바람직할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 그룹은 RTP 동안 기판상에서 검출되는 비-방사상 온도 불균일성을 처리하도록 구성된 방사상 비대칭 램프 그룹으로 구성 된다. 기판상에서 이루어지는 가장큰 온도 불균일성은 일반적으로 방사상으로 이루어지며, 이를 테면 기판의 다른 모든 영역들 보다 차가울 수 있는 기판의 에지 영역 부근의 환형 영역에서 이루어진다. 도 14는 환형 영역(1501), 중심점(1502) 및 중심점(1502) 부근에서 방사상 대칭이 아닌 영역(1503)을 갖는 기판(1500)의 개략적 평면도이다. 일예에서, 환형 영역(1501)은 기판(1500)의 나머지 보다 통상적으로 더 뜨겁거나 더 차가운 기판(1500)의 영역에 해당한다. 환형 영역(1501)에서 온도 불균일성은 기판의 다른 영역들을 기준으로 영역들에 대한 전력 입력을 증가 또는 감소시킴으로써 바람직하게 제거된다. 이로 인해, RTP 챔버에서 램프 그룹들은 도 5 및 도 10에 도시된 것처럼, 실질적으로 동심 구역들에 배열된다. 이는 해당 램프 그룹 또는 그룹들로부터 영역에 대한 전력 입력을 증가 또는 감소시킴으로써, 환형 영역(1501)과 같은 기판의 환형 영역에서의 간단한 온도 교정을 허용한다.
그러나, 동심 램프 그룹들은 기판(1500)의 영역(1503)에서의 온도 불균일성과 같이, 실제 방사상이 아닌 온도 불균일성을 보상할 수는 없다. 대신, 하나 이상의 램프 그룹들은 도 15의 램프들의 벌집모양 어레이(1600)로 도시된 것처럼, 비-동심 형태로 구성될 수 있다. 일 면에서, 비-동심 램프 그룹은 방사상 배향된 라인, 이를 테면 램프 그룹(1601)으로 구성될 수 있다. 또 다른 면에서, 비-동심 램프 그룹은 방사상 배향된 라인을 함께 형성하는 2개 이상의 개별 램프 그룹들, 이를 테면 램프 그룹들(1602, 1603)의 조합으로 구성될 수 있다. 또 다른 면에서, 웨지-형상(wedge-shaped) 램프 그룹들, 이를 테면 램프 그룹(1604)이 사용되어 각 각의 동심 고온계 구역에 동일한 분량(fraction)의 영향을 미칠 수 있다. 또 다른 면에서, 비-동심 램프 그룹은 램프 그룹들(1605)의 조합을 포함할 수 있으며, 램프 그룹들(1605)중 하나 이상은 방사상 배향된 선형 그룹, 이를 테면 램프 그룹(1605a)으로 구성되며, 하나 이상은 웨지-형상 그룹, 이를 테면 램프 그룹(1605b)으로 구성된다. 다른 비-동심 램프 그룹들의 구성이 구현될 수 있다.
도 15와 관련하여 앞서 개시된 램프 그룹들중 하나가 기판(1500) 각각의 회전과 통합되면, 영역(1503)이 기판(1500)의 다른 모든 영역들과 열적으로 균등화되도록, 영역(1503)은 기판(1500)의 다른 모든 영역들 보다, 요구에 따라, 보다 많은 또는 보다 적은 전력을 수신할 수 있다.
램프 그룹들(1602, 1603)과 같은 비-동심 램프 그룹들 이외에, 제어 알고리즘은 기판 상에서의 측면-대-측면 온도 불균일성을 효과적으로 완화시킬 필요가 있다. 일반적으로 제어 알고리즘은 기판 회전을 기준으로 각각의 램프 그룹에 대한 전력 분포를 동기화시켜야 한다. 일 면에서, 앞서 개시된 적응성 제어 알고리즘은 고온계 구역과 같이, 기판의 환형 영역에 대한 평균 전력을 설정할 수 있다. 다음 제 2차 "회전 알고리즘(rotation algorithm)"은 고온계 구역에 존재하는 측면-대-측면 온도 불균일성을 감소시키기 위해, 기판 회전 과정에 대해 요구되는 평균 전력을 비대칭되게 분배하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 설명이 통합되는 몇 가지 바람직한 실시예들이 도시되고 개시되었지만, 당업자들은 이러한 설명이 통합되는 다른 다수의 변형된 실시예들을 쉽게 고안할 수 있을 것이다.
지금까지는 본 발명의 실시예들과 관련한 것이지만, 첨부되는 특허청구항들에 의해 결정되는 본 발명의 기본 사상 및 범주를 이탈하지 않고 본 발명의 다른 추가적 실시예들이 고안될 수 있다.

Claims (33)

  1. 시간 간격 동안 처리 챔버에 있는 적어도 하나의 구역을 포함하는 기판의 온도를 제어하는 방법으로서,
    상기 시간 간격 이전에 상기 기판의 각각의 구역의 온도를 측정하는 단계;
    적어도 하나의 이전 시간 간격에서 각각의 구역에 대한 열적 반응(hehavior)을 기초로 상기 시간 간격에 대해 각각의 구역의 순간적 가열 속도를 계산하는 단계;
    상기 순간적 가열 속도를 기초로 상기 시간 간격의 마지막에 각각의 구역을 원하는 온도로 유도하기 위해 각각의 구역에 대한 입력 전력을 결정하는 단계; 및
    각각의 개별 구역에 각각의 구역에 대한 상기 입력 전력을 인가하는 단계
    를 포함하는, 기판 온도 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 온도는 500℃ 미만이며, 상기 각각의 구역의 온도를 측정하는 단계는 상기 기판의 투과율을 결정하는 단계 및 상기 기판을 통해 투과된 에너지를 팩터링(factoring)함으로써 상기 각각의 구역의 온도를 측정하는 단계를 포함하는, 기판 온도 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 온도는 500℃ 미만이며, 상기 각각의 구역의 온도를 측정하는 단계는 실온 고온계를 이용하는 단계를 포함하는, 기판 온도 제어 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 기판의 투과율을 결정하는 단계는,
    적어도 하나의 구역의 후방으로부터 방출된 광을 포착하는 단계;
    각각의 구역으로부터 상기 포착된 광을 제 1 광학 경로 및 제 2 광학 경로로 분할하는 단계;
    상기 제 1 광학 경로의 광을 제 1 고온계로 지향시키는 단계 ― 상기 제 1 고온계는 제 1 밴드경로에서 광이 검출되도록 필터링됨 ― ;
    상기 제 2 광학 경로의 광을 제 2 고온계로 지향시키는 단계 ― 상기 제 2 고온계는 제 2 밴드경로에서 광이 검출되도록 필터링되며, 상기 제 2 밴드경로는 상기 제 1 밴드경로보다 긴 주파수의 광을 포함함 ― ; 및
    상기 제 1 고온계와 상기 제 2 고온계에 의해 검출된 전체 에너지를 비교하는 단계
    를 포함하는, 기판 온도 제어 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 기판의 투과율을 결정하는 단계는,
    적어도 하나의 구역에 전력 입력 파형을 인가하는 단계 ― 상기 전력 입력 파형은 제 1 크기를 가짐 ― ;
    상기 적어도 하나의 구역을 통해 투과된 에너지 및 상기 적어도 하나의 구역의 후방으로부터 방출된 에너지의 합에 해당하는 전력 파형을 측정하는 단계 ― 상기 전력 파형은 제 2 크기를 가짐 ― ; 및
    상기 제 1 크기와 상기 제 2 크기를 비교하는 단계
    를 포함하는, 기판 온도 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 구역의 순간적 가열 속도를 계산하는 단계는,
    제 1 시간 간격 동안 제 1 전력 입력으로부터 산출되는 상기 구역의 제 1 온도 램핑 속도를 계산하는 단계;
    제 2 시간 간격 동안 제 2 전력 입력으로부터 산출되는 상기 구역의 제 2 온도 램핑 속도를 계산하는 단계;
    상기 구역의 순간적 가열 속도가 입력 전력에 비례하는 선형 함수라고 가정하는 단계 ― 상기 선형 함수는 일정한 기울기 및 일정한 인터셉트(intercept)를 포함함 ― ; 및
    상기 제 1 램핑 속도, 상기 제 2 램핑 속도, 상기 제 1 전력 입력 및 상기 제 2 전력 입력을 사용하여 새로운 기울기 값 및 새로운 인터셉트 값을 구하는 단계
    를 포함하는, 기판 온도 제어 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 새로운 기울기 값과 이전의 기울기 값들의 가중 평균치인 기울기 값을 이용하는 단계; 및
    상기 새로운 인터셉트 값과 이전의 인터셉트 값들의 가중 평균치인 인터셉트 값을 이용하는 단계
    를 더 포함하는, 기판 온도 제어 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 구역은 실질적으로 동심인 다수의 구역들을 포함하며, 각각의 구역은 출력 전력을 생성하는 해당 가열 소스에 의해 실질적으로 가열되는, 기판 온도 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    인플루언스(influence) 매트릭스 및 각각의 구역에 대한 상기 입력 전력을 기초로 각각의 가열 소스에 대한 출력 전력을 계산하는 단계를 더 포함하는, 기판 온도 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인플루언스 매트릭스는 상기 챔버에서 결정되는, 기판 온도 제어 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    각각의 가열 소스는 램프 그룹이며, 상기 각각의 가열 소스에 대한 출력 전력을 계산하는 단계는 각각의 램프 그룹에 대한 상기 출력 전력에 오버슈트 전력을 포함시킴으로써 램프 과도 응답을 보상하는 단계를 더 포함하는, 기판 온도 제어 방법.
  12. 급속 열처리 동안 기판을 처리하는 방법으로서,
    급속 열처리 동안 상기 기판의 광학적 특성의 값을 결정하는 단계;
    상기 광학적 특성의 값을 기초로 저장형(binned) 제어 알고리즘을 선택하는 단계; 및
    상기 저장형 제어 알고리즘을 사용하여 상기 급속 열처리의 제 1 부분에 대해 상기 기판의 온도를 제어하는 단계
    를 포함하는, 기판 처리 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광학적 특성은 정면 방사율, 정면 반사율 및 흡수율로 이루어진 그룹에서 선택되는, 기판 처리 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 기판의 광학적 특성의 값을 결정하는 단계는,
    상기 기판의 영역의 온도를 측정하는 단계;
    시간 증분에 대해 상기 영역의 정면에 입력 전력을 인가하는 단계;
    상기 시간 증분 이후 상기 영역의 온도를 재측정하는 단계; 및
    상기 시간 증분 동안의 온도 증가를 기초로 상기 기판의 정면 방사율을 추론하는 단계
    를 더 포함하는, 기판 처리 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 정면 방사율을 기초로 상기 정면 반사율을 추론하는 단계를 더 포함하는, 기판 처리 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 광학적 특성은 정면 방사율을 포함하며, 상기 광학적 특성의 값을 결정하는 단계는,
    폐쇄-루프 제어 알고리즘을 사용하여 상기 급속 열처리의 초반부 동안 상기 기판 온도를 제어하는 단계; 및
    상기 급속 열처리의 초반부 동안 논증된 전력 프로파일을 기초로 정면 방사율을 추론하는 단계
    를 포함하는, 기판 처리 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 기판은 적어도 하나의 구역을 포함하며, 상기 저장형 제어 알고리즘은,
    시간 간격 이전에 상기 기판의 각각의 구역의 온도를 측정하는 단계 ― 상기 시간 간격은 상기 열처리 동안 이루어짐 ― ;
    적어도 하나의 이전 시간 간격에서 각각의 구역의 열적 반응을 기초로 상기 시간 간격에 대한 각각의 구역의 순간적 가열 속도를 계산하는 단계;
    상기 순간적 가열 속도를 기초로 상기 시간 간격 마지막에 각각의 구역을 원하는 온도로 유도하기 위해 각각의 구역에 대한 입력 전력을 결정하는 단계; 및
    각각의 구역에 대한 상기 입력 전력을 각각의 개별 구역에 인가하는 단계
    를 포함하는, 기판 처리 방법.
  18. 급속 열처리 동안 챔버에 있는 기판을 처리하는 방법으로서,
    상기 챔버는 제 1 램프 그룹 및 적어도 하나의 추가 램프 그룹을 포함하며, 상기 방법은,
    급속 열처리 동안 상기 기판의 광학적 특성의 값을 결정하는 단계;
    상기 광학적 특성의 값을 기초로 저장형 제어 알고리즘을 선택하는 단계; 및
    상기 급속 열처리의 일부 동안 상기 기판의 온도를 제어하는 단계
    를 포함하며, 상기 온도를 제어하는 단계는,
    개방-루프 제어를 이용하여 상기 제 1 램프 그룹의 전력 출력을 제어하는 단계; 및
    상기 저장형 제어 알고리즘을 사용하여 상기 적어도 하나의 추가 램프 그룹의 전력 출력을 제어하는 단계
    를 포함하는, 기판 처리 방법.
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