KR102287466B1 - 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램 - Google Patents

기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 형태에 따르면, 보트에 재치된 상태의 기판을 가열하는 히터 유닛; 소정의 온도로 유지하도록 상기 히터 유닛을 제어하는 온도 제어부; 상기 히터 유닛에 출력하는 조작량을 연산하면서 반응관을 향하여 공급하는 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브의 개도(開度)를 조정하는 밸브 제어부; 및 소정의 승온 레이트로 상기 소정의 온도까지 승온시키는 승온 스텝과 상기 히터 유닛에 의해 상기 소정의 온도로 상기 기판을 처리하는 처리 스텝과 상기 소정의 온도로부터 소정의 강온 레이트로 강온시키는 강온 스텝을 포함하는 레시피를 실행 지시할 때, 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행하도록 상기 온도 제어부 및 상기 밸브 제어부를 제어하도록 구성되는 제어부;를 구비하고, 상기 밸브 제어부는, 상기 제어부에서 설정되는 설정값과 상기 조작량을 감산한 결과를 출력하는 감산기와, 상기 감산한 결과로부터 상기 제어 밸브의 개도로 변환하는 변환기를 포함하고, 상기 온도 제어부로부터 출력되는 상기 조작량과 상기 설정값을 감산한 결과가 0이 되도록 상기 제어 밸브의 개도를 제어하는 구성이 제공된다.

Description

기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램
본 발명은 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램에 관한 것이다.
기판 처리 장치의 일례로서 반도체 제조 장치가 있고, 또한 반도체 제조 장치의 일례로서 종형(縱型) 장치가 있다는 것이 알려져 있다. 종형 장치에서는 복수의 기판(이하, 웨이퍼라고도 부른다.)을 다단으로 보지(保持)하는 기판 보지부로서의 보트를 기판을 보지한 상태에서 반응관 내의 처리실에 반입하고, 복수의 존에서 온도 제어 하면서 기판을 소정의 온도로 처리하는 것이 수행되고 있다. 지금까지 종래 히터의 온도 제어에서는 강온 시에 히터를 오프로 했지만, 최근 기판 처리후의 강온 특성을 적극적으로 향상시키는 것이 수행되고 있다.
특허문헌 1은 개폐 밸브를 개폐하는 것에 의해 성막 시와 강온 시와 온도 리커버리 시 각각에서 냉각 가스의 흐름을 변경하는 기술을 개시한다. 또한 특허문헌 2는 취출공(吹出孔)의 수나 배치를 바꾸는 것에 의해 히터 각(各) 부(部)의 강온 속도를 설정하는 기술이 기재되어 있다. 하지만 전술한 쿨링 유닛 구성에서의 냉각 가스 유량의 제어에서는 급속 냉각 중에 반응관을 균일하게 냉각할 수 없기 때문에 각 존의 강온 속도의 변화가 달라 존 간(間)에서 온도 이력에 차이가 발생하는 문제가 있었다.
한편, 최근 생산성을 향상시키기 위해서 승온 레이트를 최대한 크게 하는 요구가 있다. 이에 의해 각 존의 승온 속도의 변화가 달라 존 사이에서 온도 이력에 차이가 발생하는 문제도 발생하고 있다.
1: 일본 특개 2014-209569호 공보 2: 국제 일본 특개 2008/099449호 공보
본 발명의 목적은 존 간의 온도 편차를 개선하는 구성을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 보트에 재치된 상태의 기판을 가열하는 히터 유닛; 소정의 온도로 유지하도록 상기 히터 유닛을 제어하는 온도 제어부; 상기 히터 유닛에 출력하는 조작량을 연산하면서 반응관을 향하여 공급하는 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브의 개도(開度)를 조정하는 밸브 제어부; 및 소정의 승온 레이트로 상기 소정의 온도까지 승온시키는 승온 스텝과 상기 히터 유닛에 의해 상기 소정의 온도로 상기 기판을 처리하는 처리 스텝과 상기 소정의 온도로부터 소정의 강온 레이트로 강온시키는 강온 스텝을 포함하는 레시피를 실행 지시할 때, 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행하도록 상기 온도 제어부 및 상기 밸브 제어부를 제어하도록 구성되는 제어부;를 구비하고, 상기 밸브 제어부는, 상기 제어부에서 설정되는 설정값과 상기 조작량을 감산한 결과를 출력하는 감산기와, 상기 감산한 결과로부터 상기 제어 밸브의 개도로 변환하는 변환기를 포함하고, 상기 온도 제어부로부터 출력되는 상기 조작량과 상기 설정값을 감산한 결과가 0이 되도록 상기 제어 밸브의 개도를 제어하는 구성이 제공된다.
본 발명의 기술에 따르면, 존 간에서의 온도 편차를 개선할 수 있고, 기판의 온도 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 장치를 도시하는 일부절단 정면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 장치의 정면 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 처리 중 온도에 관한 처리의 일례를 도시하는 흐름도.
도 4는 도 3에 도시한 흐름도에서의 노(爐) 내 온도 변화를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판 처리 장치의 주요부를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 컴퓨터의 하드웨어 구성을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 따른 쿨링 유닛에서 제어 밸브와 냉각 능력의 관계를 설명하는 도면.
도 8a는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 밸브 제어부와 제어 밸브의 관계를 모식적으로 도시하는 도면.
도 8b는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 밸브 제어부와 제어 밸브의 관계를 모식적으로 도시하는 도면.
도 9a는 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 밸브 제어부에서 이용되는 PD 연산기를 도시하는 도면.
도 9b는 본 발명의 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 온도 제어부에서 이용되는 PID 연산기를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 온도 제어부와 밸브 제어부 및 제어 밸브의 관계를 모식적으로 도시하는 도면.
도 11은 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 온도 제어부와 밸브 제어부 및 제어 밸브의 관계를 모식적으로 도시하는 도면.
도 12는 본 발명의 실시예 1에서 제3 실시 형태를 스텝(S3)에 적용한 도시예.
도 13은 도 12의 A를 확대한 도면.
도 14는 본 발명의 실시예 1에서 제3 실시 형태를 스텝(S5)에 적용한 도시예.
도 15는 본 발명의 실시예 2에서 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태를 스텝(S5)에 적용한 도시예.
도 16은 본 발명의 실시예 1에서 제3 실시 형태를 스텝(S2)에 적용한 도시예.
이하, 본 발명의 일 실시 형태를 도면에 입각해서 설명한다.
본 실시 형태에서 도 1 및 도 2에 도시되는 바와 같이 본 발명에 따른 기판 처리 장치(10)는 반도체 장치의 제조 방법에서의 성막 공정을 실시하는 처리 장치(10)로서 구성된다.
도 1에 도시된 기판 처리 장치(10)는 지지된 종형의 반응관으로서의 프로세스 튜브(반응관이라고도 지칭됨)(11)를 구비하고, 프로세스 튜브(11)는 서로 동심원으로 배치된 아우터 튜브(12)와 이너 튜브(13)로 구성된다. 아우터 튜브(12)는 석영(SiO2)이 사용되고, 상단이 폐색(閉塞)되고 하단이 개구(開口)된 원통 형상으로 일체적으로 성형된다. 이너 튜브(13)는 상하 양단이 개구된 원통 형상으로 형성된다. 이너 튜브(13)의 통중공부(筒中空部)는 후술하는 보트가 반입되는 처리실(14)을 형성하고, 이너 튜브(13)의 하단 개구는 보트를 출납하기 위한 노구(爐口)(15)를 구성한다. 후술하는 바와 같이 보트(31)는 복수 매의 웨이퍼를 길게 정렬한 상태에서 보지하도록 구성된다. 따라서 이너 튜브(13)의 내경은 취급하는 웨이퍼(기판이라고도 지칭됨)(1)의 최대 외경(예컨대 지름 300mm)보다 크게 설정된다.
아우터 튜브(12)와 이너 튜브(13) 사이의 하단부는 대략 원통 형상으로 구축된 매니폴드(16)에 의해 기밀 봉지된다. 아우터 튜브(12) 및 이너 튜브(13)의 교환 등을 위해서 매니폴드(16)는 아우터 튜브(12) 및 이너 튜브(13)에 각각 탈착 가능하도록 설치된다. 매니폴드(16)가 CVD 장치의 광체(筐體)(2)에 지지되는 것에 의해 프로세스 튜브(11)는 수직으로 설치된 상태로 이루어진다. 이후, 도면에서는 반응관(11)으로서 아우터 튜브(12)만을 도시하는 경우도 있다.
아우터 튜브(12)와 이너 튜브(13)의 극간에 의해 배기로(17)가, 횡단면(橫斷面) 형상이 일정 폭의 원형 링 형상으로 구성된다. 도 1에 도시되는 바와 같이 매니폴드(16)의 측벽의 상부에는 배기관(18)의 일단(一端)이 접속되고, 배기관(18)은 배기로(17)의 최하단부에 통한 상태로 이루어진다. 배기관(18)의 타단(他端)에는 압력 컨트롤러(21)에 의해 제어되는 배기 장치(19)가 접속되고, 배기관(18)의 도중에는 압력 센서(20)가 접속된다. 압력 컨트롤러(21)는 압력 센서(20)로부터의 측정 결과에 기초하여 배기 장치(19)를 피드백 제어하도록 구성된다.
매니폴드(16)의 하방(下方)에는 가스 도입관(22)이 이너 튜브(13)의 노구(15)에 통하도록 배설되고, 가스 도입관(22)에는 원료 가스 공급 장치 및 불활성 가스 공급 장치(23)(이하, 가스 공급 장치라고 한다.)가 접속된다. 가스 공급 장치(23)는 가스 유량 컨트롤러(24)에 의해 제어되도록 구성된다. 가스 도입관(22)으로부터 노구(15)에 도입된 가스는 이너 튜브(13)의 처리실(14) 내를 흘러 배기로(17)를 통해서 배기관(18)에 의해 배기된다.
매니폴드(16)에는 하단 개구를 폐색하는 씰 캡(25)이 수직 방향 하측으로부터 접하도록 이루어진다. 씰 캡(25)은 매니폴드(16)의 외경과 대략 마찬가지의 원반 형상으로 구축되고, 광체(2)의 대기실(3)에 설비된 보트 엘리베이터(26)에 의해 수직 방향으로 승강되도록 구성된다. 보트 엘리베이터(26)는 모터 구동의 이송 나사축 장치 및 벨로즈 등에 의해 구성되고, 보트 엘리베이터(26)의 모터(27)는 구동(驅動) 컨트롤러(28)에 의해 제어되도록 구성된다. 씰 캡(25)의 중심선 상에는 회전축(30)이 배치되어 회전 가능하도록 지지되고, 회전축(30)은 구동 컨트롤러(28)에 의해 제어되는 모터로서의 회전 기구(29)에 의해 회전 구동되도록 구성된다. 회전축(30)의 상단에는 보트(31)가 수직으로 지지된다.
보트(31)는 상하 한 쌍의 단판(端板)(32, 33)과, 이들 사이에 수직으로 가설(架設)된 3개의 보지 부재(34)를 구비하고, 3개의 보지 부재(34)에는 다수의 보지 홈[溝](35)이 길이 방향에 등간격으로 새겨져 있다. 3개의 보지 부재(34)에서 동일한 단에 새겨진 보지 홈(35)끼리는 서로 대향하여 개구되도록 이루어진다. 보트(31)는 3개의 보지 부재(34)의 동일한 단의 보지 홈(35) 간에 웨이퍼(1)를 삽입하는 것에 의해 복수 매의 웨이퍼(1)를 수평하게 또한 서로 중심을 맞춘 상태에 정렬시켜서 보지하도록 이루어진다. 보트(31)와 회전축(30) 사이에는 단열 캡부(36)가 배치된다. 회전축(30)은 보트(31)를 씰 캡(25)의 상면으로부터 들어 올린 상태로 지지하는 것에 의해 보트(31)의 하단을 노구(15)의 위치로부터 적당한 거리만큼 이간시키도록 구성된다. 단열 캡부(36)는 노구(15)의 근방을 단열하도록 이루어진다.
반응관(11)의 외측에는 수직으로 설치되는 가열 장치로서의 히터 유닛(40)이 동심원으로 배치되고, 광체(2)에 지지된 상태에서 설치된다. 히터 유닛(40)은 케이스(41)를 구비한다. 케이스(41)는 스텐레스 강철(SUS)이 사용되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 통 형상, 바람직하게는 원통 형상으로 형성된다. 케이스(41)의 내경 및 전체 길이는 아우터 튜브(12)의 외경 및 전체 길이보다 크게 설정된다. 또한 본 실시 형태에서는 복수의 제어 존으로서 히터 유닛(40)의 상단측으로부터 하단측에 걸쳐서 ７개의 제어 존(U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)으로 분할된다.
케이스(41) 내에는 본 발명의 일 실시 형태인 단열 구조체(42)가 설치된다. 본 실시 형태에 따른 단열 구조체(42)는 통 형상, 바람직하게는 원통 형상으로 형성되고, 그 원통체의 측벽부(43)가 복수층 구조로 형성된다. 즉 단열 구조체(42)는 측벽부(43) 중 외측에 배치된 측벽 외층(45)과, 측벽부 중 내측에 배치된 측벽 내층(44)을 구비하고, 측벽 외층(45)과 측벽 내층(44) 사이에는 상기 측벽부(43)를 상하 방향에서 복수의 존(영역)으로 격리하는 경계부(105)와, 상기 경계부와 인접하는 경계부 사이에 설치되는 환 형상[環狀] 버퍼(106)를 구비한다.
또한 케이스(41) 내에는 각 존에 역확산 방지부로서의 체크 댐퍼(104)가 설치된다. 이 역확산 방지체(104a)의 개폐에 의해 냉각 에어(90)가 가스 도입로(107)를 개재하여 버퍼부로서의 환 형상 버퍼(106)에 공급되도록 구성된다. 미도시의 가스원으로부터 냉각 에어(90)가 공급되지 않을 때는 이 역확산 방지체(104a)가 덮개가 되어 내부 공간(75)의 분위기가 역류되지 않도록 구성된다. 이 역확산 방지체(104a)가 여는 압력을 존에 따라서 변경하도록 구성해도 좋다. 또한 측벽 외층(45)의 외주면과 케이스(41)의 내주면 사이에는 금속의 열팽창을 흡수하도록 블랭킷으로서의 단열천(111)이 설치된다.
그리고 버퍼부(106)에 공급된 냉각 에어(90)는 도 2에서는 미도시의 측벽 내층(44) 내에 설치된 가스 공급 유로(냉각 가스 통로라고도 지칭됨)(108)를 흘러, 상기 가스 공급 유로(108)를 포함하는 공급 경로의 일부로서의 개구 구멍(110)으로부터 냉각 에어(90)를 내부 공간(75)에 공급하도록 구성된다.
도 1 및 도 2에 도시되는 바와 같이 단열 구조체(42)의 측벽부(43)의 상단측에는 천장부로서의 천장 벽부(80)가 내측 공간(75)을 닫도록 피복된다. 천장 벽부(80)에는 내측 공간(75)의 분위기를 배기하는 배기 경로의 일부로서의 배기공(배기구라고도 지칭됨)(81)이 환 형상으로 형성되고, 배기공(81)의 상류측 단인 하단은 내측 공간(75)에 통한다. 배기공(81)의 하류측 단은 배기 덕트(82)에 접속된다.
다음으로 기판 처리 장치(10)의 동작에 대해서 설명한다.
도 1에 도시되는 바와 같이 미리 지정된 매수의 웨이퍼(1)가 보트(31)에 장전(裝塡)되면, 웨이퍼(1) 군(群)을 보지한 보트(31)는 씰 캡(25)이 보트 엘리베이터(26)에 의해 상승되는 것에 의해 이너 튜브(13)의 처리실(14)에 반입(보트 로딩)된다. 상한에 달한 씰 캡(25)은 매니폴드(16)에 압접(押接)하는 것에 의해 반응관(11)의 내부를 밀봉한 상태가 된다. 보트(31)는 씰 캡(25)에 지지된 상태에서 처리실(14)에 존치된다.
계속해서 반응관(11)의 내부가 배기관(18)에 의해 배기된다. 또한 온도 컨트롤러(64)가 시퀀스 제어 하는 것에 의해 측벽 발열체(56)에 의해 반응관(11)의 내부가 목표 온도로 가열된다. 프로세스 튜브(11) 내부의 실제 상승 온도와, 온도 컨트롤러(64)의 시퀀스 제어의 목표 온도의 오차는 열전대(65)의 계측 결과에 기초한 피드백 제어에 의해 보정된다. 또한 보트(31)가 모터(29)에 의해 회전된다.
반응관(11)의 내압(內壓) 및 온도, 보트(31)의 회전이 전체적으로 일정한 안정된 상태가 되면, 반응관(11)의 처리실(14)에는 원료 가스가 가스 공급 장치(23)에 의해 가스 도입관(22)으로부터 도입된다. 가스 도입관(22)에 의해 도입된 원료 가스는 이너 튜브(13)의 처리실(14) 내를 흘러 배기로(17)를 통해서 배기관(18)에 의해 배기된다. 처리실(14)을 유통할 때에 원료 가스가 소정의 처리 온도로 가열된 웨이퍼(1)에 접촉하는 것에 의한 열 CVD 반응에 의해 웨이퍼(1)에 소정의 막이 형성된다.
소정의 처리 시간이 경과하면, 처리 가스의 도입이 정지된 후에 질소 가스 등의 퍼지 가스가 반응관(11)의 내부에 가스 도입관(22)으로부터 도입된다. 동시에 냉각 가스로서의 냉각 에어(90)가 흡기관(101)으로부터 역확산 방지체(104)를 개재하여 가스 도입로(107)에 공급된다. 공급된 냉각 에어(90)는 환 형상 덕트로서의 환 형상 버퍼(106) 내에서 일시적으로 저장되고, 복수 개의 냉각 가스 공급구로서의 개구 구멍(110)으로부터 냉각 가스 통로(108)를 개재하여 내측 공간(75)에 취출한다. 그리고 개구 구멍(110)으로부터 내측 공간(75)에 취출한 냉각 에어(90)는 배기공(81) 및 배기 덕트(82)에 의해 배기된다.
이상의 냉각 에어(90)의 흐름에 의해 히터 유닛(40) 전체가 강제적으로 냉각되기 때문에 단열 구조체(42)는 반응관(11)과 함께 큰 레이트(속도)를 가지고 급속히 냉각된다. 또한 내측 공간(75)은 처리실(14)로부터 격리되기 때문에 냉각 가스로서 냉각 에어(90)를 사용할 수 있다. 하지만 냉각 효과를 한층 더 높이기 위해서, 에어 내의 불순물에 의한 고온 하에서의 발열체(56)의 부식을 방지하기 위해서 질소 가스 등의 불활성 가스를 냉각 가스로서 사용해도 좋다.
처리실(14)의 온도가 소정의 온도로 하강되면, 씰 캡(25)에 지지된 보트(31)는 보트 엘리베이터(26)에 의해 하강되는 것에 의해 처리실(14)로부터 반출(보트 언로딩)된다.
이후, 상기 작용이 반복되는 것에 의해 기판 처리 장치(10)에 의해 웨이퍼(1)에 대한 성막 처리가 실시된다.
다음으로 도 3 및 도 4를 이용하여 기판 처리 장치(10)에서 수행되는 처리의 일례에 대해서 설명한다. 도 4에 기재된 부호 S1 내지 S6은 도 3의 각 스텝(S1 내지 S6)이 수행되는 것을 나타낸다.
스텝(S1)(대기 스텝)은 노 내의 온도를 비교적 낮은 온도(T0)로 안정시키는 처리다. 스텝(S1)에서는 기판(1)은 아직 노 내에 삽입되지 않는다.
스텝(S2)(보트 로드 스텝)은 보트(31)에 보지된 기판(1)을 노 내에 삽입하는 처리다. 보트(31) 및 기판(1)의 온도는 이 시점에서 노 내의 온도(T0)보다 낮고, 또한 보트(31)에 보지된 기판(1)을 노 내에 삽입한 결과, 노 외의 분위기(실온)가 노 내에 도입되기 때문에 노 내의 온도는 일시적으로 T0보다 낮아지지만, 후술하는 본 실시 형태에서의 멀티 쿨링 유닛을 이용한 온도 제어에 의해 노 내의 온도는 약간의 시간이 경과하고 다시 온도(T0)로 안정된다.
스텝(S3)(승온 스텝)은 온도(T0)로부터 기판(1)에 소정의 처리를 수행하기 위한 목표 온도(T1)까지 서서히 노 내의 온도를 상승시키는 처리다. 후술하는 본 실시 형태에서의 쿨링 유닛을 이용한 온도 제어에 의해 온도(T0)로부터 목표 온도(T1)까지 노 내의 온도를 상승시키는 것에 의해 목표 온도(T1) 부근에서의 오버슈트를 낮게 억제할 수 있다.
스텝(S4)(처리 스텝)은 기판(1)에 소정의 처리를 수행하기 위해서 노 내의 온도를 목표 온도(T1)로 유지해서 안정시키는 처리다.
스텝(S5)(강온 스텝)은 처리 종료 후에 온도(T1)로부터 다시 비교적 낮은 온도(T0)까지 서서히 노 내의 온도를 하강시키는 처리다. 후술하는 본 실시 형태에서의 쿨링 유닛을 이용한 온도 제어에 의해 온도(T1)로부터 온도(T0)까지 노 내의 온도를 하강시키는 것에 의해 존 간의 온도 편차를 작게 할 수 있다.
스텝(S6)(보트 언로드 스텝)은 처리가 수행된 기판(1)을 보트(31)와 함께 노 내로부터 인출(引出)하는 처리다. 보트(31)에 보지된 처리가 수행된 기판(1)을 노 내로부터 인출한 결과, 노 외의 분위기(실온)가 노 내에 도입되기 때문에 노 내의 온도는 일시적으로 T0보다 낮아진다. 노 내의 온도는 약간의 시간이 경과하고 다시 온도(T0)로 안정되고, 스텝(S1)으로 이행한다. 또한 계속해서 미처리 기판(1)을 처리하는 경우, 후술하는 본 실시 형태에서의 쿨링 유닛을 이용한 온도 제어에 의해 노 내의 온도를 온도(T0)로 안정시키는 것이 좋다.
처리를 수행해야 하는 미처리 기판(1)이 남아 있는 경우에는 보트(31) 상의 처리 완료 기판(1)이 미처리 기판(1)과 교체되고, 이들 스텝(S1 내지 S6)의 일련의 처리가 반복된다.
스텝(S1 내지 S6)의 처리는, 모두 목표 온도에 대하여 노 내 온도가 미리 정해진 미소 온도 범위에 있으며 또한 미리 정해진 시간동안 그 상태가 계속되는 안정 상태를 얻은 후, 다음 스텝으로 이행하도록 이루어진다. 또는 최근에는 일정 시간에서의 기판(1)의 처리 매수를 크게 하는 것을 목적으로 하여 스텝(S1, S2, S5, S6) 등에서는 안정 상태를 얻지 않고 다음 스텝으로 이행하는 것도 수행된다.
도 5는 본 실시 형태에서의 멀티 쿨링 유닛을 도시하는 도시예다. 또한 아우터 튜브(12)와 이너 튜브(13)를 합쳐서 반응관(11)으로 간략화해서 도시하고, 가열 장치(40)에 관한 구성은 생략된다.
도 5에 도시하는 멀티 쿨링 구조는 복수의 존(U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)마다 노 내를 냉각하는 가스로서의 냉각 에어(90)를 공급하는 흡기관(101)과, 흡기관(101)에 설치되고, 가스의 유량을 조정하는 컨덕턴스 밸브로서의 제어 밸브(102)와, 반응관을 향하여 가스를 분출하는 복수의 개구 구멍(급냉 구멍)(110)과, 존마다 설치된 흡기관(101)과 연통되고, 흡기관(101)으로부터 공급된 가스를 일시적으로 저장하는 환 형상 버퍼(106)를 구비한 구성으로 이루어진다. 각 개구 구멍(110)은 환 형상 버퍼(106)에 저장되는 냉각 에어(90)를 측벽 내층(44)에 설치되는 냉각 가스 통로(108)를 개재하여 내측 공간(75)에 취출하도록 구성된다.
각 존의 길이 비율에 따라 흡기관(101)에 도입되는 냉각 에어(90)의 유량을 설정하고, 제어 밸브(102)를 개폐시키는 것에 의해 개구 구멍(110)으로부터 반응관(11)을 향하여 분출되는 가스의 유량 및 유속을 조정하도록 구성된다. 또한 제어 밸브(102)는 반응관(11) 내의 구성물에 따라 미도시의 온도 컨트롤러에 의해 밸브의 개도가 조정됨으로써 각 존에 도입되는 냉각 에어의 유량 및 유속을 변경할 수 있다.
또한 흡기관(101)에는 처리실(14)로부터의 분위기의 역확산을 방지하는 역확산 방지체(체크 댐퍼)(104)가 설치된다. 이 역확산 방지체(104)는 내측 공간(75)의 상측에 배기공(81)로부터 배기되기 때문에 환 형상 버퍼(106)에 냉각 에어(90)를 효율적으로 저장하도록 각 존에 설치된 환 형상 버퍼(106)의 하측에 연통되도록 구성된다. 급냉 미사용 시에는 흡기관(101)과 단열 구조체(42) 사이의 대류를 방지한다.
또한 흡기관(101)에는 개구 구멍(110)으로부터 분출하는 냉각 에어(90)의 유량을 억제하는 오리피스로서의 교축부(103)가 설치되도록 구성된다. 단, 이 교축부(103)는 필요에 따라 존마다 설치된다.
존마다 설치되는 흡기관(101)의 유로 단면적 및 환 형상 버퍼(106)의 유로 단면적은 존마다 설치되는 개구 구멍(110)의 단면적의 합계보다 크게 구성된다. 또한 보트(31)에 재치되는 제품 웨이퍼가 있는 영역(AR)의 최상단과 대략 같은 높이로부터 제품 웨이퍼가 있는 영역(AR)의 최하단까지의 각 존(예컨대 도 5에서는 U2, CU, C, CL, L1)에 취출되는 냉각 에어(90)의 유량 및 유속이 균등해지도록 개구 구멍(110)이 설치된다. 구체적으로는 개구 구멍(110)은 존 내에서 주(周)방향 및 상하 방향으로 같은 간격으로 설치되고, 환 형상 버퍼(106)에 저장되는 냉각 에어(90)를 측벽 내층(44)에 설치되는 냉각 가스 통로(108)를 개재하여 내측 공간(75)에 취출하도록 구성된다.
복수의 제어 존(본 실시 형태에서는 U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)을 포함하는 가열 장치(40)에 사용되는 단열 구조체(42)는 원통 형상으로 형성된 측벽부(43)를 포함하고, 상기 측벽부(43)가 복수층 구조로 형성되고, 측벽부(43)를 상하 방향에서 복수의 냉각 존(U1, U2, CU, C, CL, L1, L2)으로 격리하는 경계부(105)와, 측벽 내층(44)과 측벽 외층(45) 사이의 원통 형상의 공간이며, 상하 방향에서 인접하는 경계부(105) 간의 공간에서 구성된 환 형상 버퍼(106)와, 냉각 존마다 측벽부(43)의 복수층 중 외측에 배치된 측벽 외층(45)에 설치되고, 환 형상 버퍼(106)와 연통하는 가스 도입로(107)와, 존마다 측벽부(43)의 복수층 중 내측에 배치된 측벽 내층(44)에 설치되고, 환 형상 버퍼(106)와 연통하는 냉각 가스 통로(108)와, 측벽 내층(44)의 내측에 설치되는 공간(75)과, 냉각 존마다 냉각 가스 통로(108)로부터 공간(75)에 냉각 에어(90)를 취출하도록 측벽 내층(44)의 주방향 및 상하 방향에 같은 간격으로 설치되는 개구 구멍(110)을 구비한 구성이다.
가스 도입로(107)는 환 형상 버퍼(106)의 하측에 연통되도록 형성되고, 개구 구멍(110)은 가스 도입로(107)와 대향하는 위치를 피하도록 설치된다. 또한 개구 구멍(110)으로부터 취출된 냉각 에어(90)가 발열체(56)를 피하도록 배치된다는 것은 말할 필요도 없다.
또한 본 실시 형태에서는 제어 존의 수와 냉각 존의 수가 일치하도록 경계부(105)가 배치되도록 구성된다. 이 형태에 한정되지 않고, 제어 존의 수와 냉각 존의 수가 임의로 설정된다.
도 5에 도시하는 바와 같이 존(U1)과 존(L2)에 대향하는 프로세스 튜브(11) 내의 구조물은, 존(U1)은 공간(천장 공간부)이며, 단열 캡부(36)를 포함하는 단열 영역이며, 영역(AR)과 다르기 때문에 실제로는 존(U1)과 존(L2)에 대향하는 반응관(11)의 냉각이 균등하지 않을 가능성이 있다. 단, 존(U1)과 존(U2)의 경계선 및 존(L1)과 존(L2)의 경계선에 대응하는 반응관(11) 내에는 소위 사이드 더미 웨이퍼라고 불리는 온도 조정을 위해 이용되는 더미 웨이퍼가 보트(31)에 재치된다. 따라서 반응관(11) 냉각이 불균일한 제품이 되는 웨이퍼(1)로의 온도에 미치는 영향을 저감할 수 있다.
도 6에 도시하는 바와 같이 제어부로서의 제어용 컴퓨터(제어부라고도 지칭됨)(200)는 CPU(Central Precessing Unit)(201) 및 메모리(202) 등을 포함하는 컴퓨터 본체(203)와, 통신부로서의 통신 IF(Interface)(204)와, 기억부로서의 기억 장치(205)와, 조작부로서의 표시·입력 장치(206)를 포함한다. 즉 제어용 컴퓨터(200)는 일반적인 컴퓨터로서의 구성 부분을 포함한다.
CPU(201)은 조작부의 중추를 구성하고, 기억 장치(205)에 기억된 제어 프로그램을 실행하고, 조작부(206)로부터의 지시에 따라 기억 장치(205)에 기록된 레시피(예컨대 프로세스용 레시피)를 실행한다.
또한 CPU(201)의 동작 프로그램 등을 기억하는 기록 매체(207)로서 ROM(Read Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), 플래시 메모리, 하드 디스크 등이 이용된다. 여기서 RAM(Random Access Memory)은 CPU의 work area 등으로서 기능한다.
통신부(204)는 압력 컨트롤러(21), 가스 유량 컨트롤러(24), 구동 컨트롤러(28), 온도 컨트롤러(64)(이들을 총칭하여 서브 컨트롤러라고도 부른다.)와 전기적으로 접속되어 각 부품의 동작에 관한 데이터를 주고받을 수 있다. 또한 후술하는 밸브 제어부(300)와도 전기적으로 접속되어, 멀티 쿨링 유닛을 제어하기 위한 데이터의 교환을 할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에서 제어용 컴퓨터(200)를 예로 들어 설명했지만 이에 한정되지 않고, 통상의 컴퓨터 시스템을 이용해도 실현 가능하다. 예컨대 범용 컴퓨터에 전술한 처리를 실행하기 위한 프로그램을 격납한 CDROM, USB 등의 기록 매체(207)로부터 상기 프로그램을 인스톨하는 것에 의해 전술한 처리를 실행할 수 있다. 또한 통신 회선, 통신 네트워크, 통신 시스템 등의 통신 IF(204)을 이용해도 좋다. 이 경우, 예컨대 통신 네트워크의 게시판에 상기 프로그램을 게시하고, 이것을 네트워크를 개재하여 반송파에 중첩해서 제공해도 좋다. 그리고 이렇게 제공된 프로그램을 기동하여 OS(Operating System)의 제어 하에서 다른 어플리케이션 프로그램과 마찬가지로 실행하는 것에 의해 전술한 처리를 실행할 수 있다.
본 실시 형태에서의 쿨링 유닛의 구조는 특히 존에 제어 밸브(102)를 설치하고, 급냉 시에서의 고객 공장 시설 배기의 변동 또는 부품 단체의 편차, 장치 설치 상태에 의해 발생하는 장치 간 기차(機差)를 저감시키는 구성으로 이루어진다. 또한 제어 밸브(102)의 개도에 의해 공급되는 유량 등을 조정하는 것에 의해 냉각 능력을 조정할 수 있다. 예컨대 도 7에 도시하는 바와 같이 제어 밸브(102)의 개도와 냉각 능력의 관계가 미리 요구되고, 개도 50%로 냉각 능력 87%라는 것을 알고 있다. 또한 도 7의 횡축이 냉각 능력(단위 %)이고, 종축이 제어 밸브(102)의 개도(단위 %)다.
강온 스텝에서는 개도 100%(냉각 능력 100%)로 하는 경우가 많지만, 예컨대 스텝(S5)의 강온 스텝에서 설정된 레이트에 따라 강온하는 경우, 또는 도 3에서의 스텝(S3)의 승온 스텝과 스텝(S4)의 성막 스텝 사이에 반드시 발생하는 오버슈트를 안정화시키는 경우 등, 종래의 온도 제어에 더해서 제어 밸브(102)의 개도에 의한 냉각 능력의 제어가 필요가 된다.
이하, 본 실시 형태에서의 쿨링 유닛을 이용한 온도 제어에 대해서 설명한다. 즉 본 실시 형태에서의 온도 제어와 밸브 개도 제어에 대해서 설명한다. 또한 본 실시 형태에서의 쿨링 유닛을 이용한 제1 제어 방식을 제1 실시 형태라고 부른다.
(제1 실시 형태)
각 존에 도입되는 배기 풍량과 강온 레이트의 상관도를 미리 실측하고, 인출된 관계식에 따라 도입되는 냉각 에어(90)의 풍량을 설정한다. 제어 밸브(102)의 개도를 고정하는 것에 의해 존마다 미리 일정 유량을 공급하고, 어느 설정된 목적으로 하는 강온 레이트를 얻을 수 있다. 저렴하고 또한 단순한 방법으로 강온 레이트를 얻을 수 있지만, 장치 구성 및 장치 환경(예컨대 장치 간 기차가 발생하기 쉽거나, 또는 부품에 의한 편차, 공장의 배기 설비)에 크게 영향을 받기 때문에 장치 신뢰성이 낮다.
또한 제1 실시 형태에서의 냉각 에어(90)의 배기 풍량을 고정하는 방법은 배기 풍량과 강온 레이트의 상관을 실제로 측정하기 때문에 견실하지만 시간이 오래 걸리고 수고로워, 결국 기판 처리 장치(10)의 가동[立上]이 대폭 늦어질 가능성이 높다.
(제2 실시 형태)
도 8에는 설명을 위해서 제어 밸브(102)를 하나밖에 표시하지 않았지만, 다른 존에 대해서도 마찬가지의인 제어 밸브(102)가 설치되고, 각각의 존에서 다른 개도로 할 수 있다. 또한 도입되는 냉각 가스도 존마다 공급된다. 또한 본 실시예에서의 제어는 도 3에 도시하는 강온 스텝(S5) 시에 수행되는 제어다.
본 실시 형태에서의 히터 유닛(40)은 강온 스텝(S5)에서 히터 파워가 상시 0%이기 때문에 히터 파워 산출 방법에 대해서는 기재를 생략한다. 여기서는 제어 밸브(102)의 개도를 산출하는 제어에 대해서 기재한다. 본 실시 형태에서의 제어 밸브(102)의 개도를 산출하는 제어는 기준 존과 기준 존 이외에서 차이가 있다.
도 8a를 이용하여 먼저 기준 존의 제어 밸브(102)의 제어에 대해서 기술한다. 도 8a에 도시하는 기준 설정값 산출기(301)는 제어부(200)에서 설정되는 전회 설정값과, 금회 설정값 및 기준 램프 레이트로부터 기준 설정값을 산출한다. 기준 설정값을 산출하는 식은 다음과 같다.
(1) 램핑 온도 편차 = 금회 설정값 - 전회 설정값
(2) 램핑 시간 = 램핑 온도 편차 / 기준 램프 레이트
(3) 기준 설정값 = 전회 설정값 + (램핑 온도 편차) × [1 - exp{경과 시간 / (램핑 시간 / 시정수)}]
감산기(302)는 상기 식에서 구해진 기준 설정값(Bs)과 기준 존에 설정된 기준 존의 열전대(66)의 온도(Ba)를 감산한 결과를 편차(Bd)로서 산출하고, 제어 밸브 산출용 PD 연산기(303)에 출력하는 것이다.
제어 밸브 산출용 PD 연산기에 대해서 도 9a에 기초하여 설명한다. 제어 밸브 PD 연산기는 가산기(311)와 비례 연산기(312)와 미분 연산기(313)로 구성된다. 비례 연산기(312)는 편차(I)를 입력하고, 미리 설정된 파라미터(Kp)를 곱한(P 연산) 값을 비례값(О)으로서 출력하는 것이다. 어느 특정 시간(t)에서의 편차(I)를 I(t), 그 때의 비례값(О)을 О(t)로 나타내면, 비례값(О)은 다음 수식에 따라 구해진다.
[수식 1]
Figure 112019054523418-pct00026
미분 연산기(313)는 편차(I)를 입력하고, 편차(I)를 시간 미분 연산(D 연산)한 결과에 미리 설정된 파라미터(Kd)를 곱한 값을 미분값(R)으로서 출력하는 것이다. 어느 특정 시간(t)에서의 편차(I)를 I(t), 그 때의 미분값(R)을 R(t)로 나타내면, 미분값(R)은 다음 수식에 따라 구해진다.
[수식 2]
Figure 112019054523418-pct00027
가산기(311)는 비례값(О)과 미분값(R)을 입력하고, 그것들의 총화를 산출하여 조작량(M)을 출력하는 것이다. 어느 특정 시간(t)에서의 편차(I)를 I(t), 그 때의 조작량(M)을 M(t) 나타내면, 전술한 수식 1, 수식 2로부터 제어 밸브(102)의 조작량(M)은 다음 수식에 따라 구해진다.
[수식 3]
Figure 112019054523418-pct00028
도 8a에 도시하는 제어부(200)로부터 밸브 제어부(300)에 전회 설정값, 금회 설정값, 기준 램프 레이트가 입력되어 기준 설정값 산출기(301)로 기준 설정값(Bs)이 산출되고, 추가로 기준 존의 열전대 온도(Ba)가 입력되고, 밸브 제어부(300) 내의 감산기(302)에서는 기준 존의 열전대 온도(Ba)로부터 기준 설정값(Bs)을 감산한 편차(Bd)가 출력되고, 제어 밸브용 PD 연산기(303)에서는 편차(Bd)를 이용하여 PD 연산되어 조작량(X)이 결정된다. 이 조작량(X)은 개도 변환기(304)에 의해 개도(X')로 변환되고, 제어 밸브(102)의 개도가 변경된다. 그리고 기준 존의 열전대(66)로부터 판독한 온도(Ba)는 다시 밸브 제어부(300)에 귀환된다. 이처럼 기준 존의 열전대 온도(Ba)를 기준 설정값(Bs)과의 편차(Bd)가 0이 되도록 제어 밸브(102)의 개도를 시시각각 변화시킨다.
다음으로 도 8b를 이용하여 기준 존 이외의 제어 밸브(102)에 대해서 설명한다. 도 8b에 도시하는 바와 같이 감산기(302)는 기준 존 이외의 온도(Ta)로부터 기준 존의 열전대 온도(Ba)를 감산한 결과를 편차(Td)로서 산출하고, 제어 밸브 산출용 PD 연산기(303)에 출력하는 것이다. PD 연산기에 대해서는 전술한 바와 같으며, 내용은 같기 때문에 설명을 생략한다.
도 8b에 도시하는 바와 같이, 먼저 기준 존의 열전대 온도(Ba)가 입력되고, 추가로 기준 존 이외의 열전대 온도(Ta)가 입력되고, 밸브 제어부(300) 내의 감산기(302)에서는 기준 존 이외의 온도(Ta)로부터 기준 존의 열전대 온도(Ba)를 감산한 편차(Td)가 출력되고, 제어 밸브용 PD 연산기(303)에서는 편차(Td)를 이용하여 PD 연산되어 조작량(X)이 결정된다. 이 조작량(X)은 개도 변환기(304)에 의해 개도(X')로 변환되고, 제어 밸브(102)의 개도가 변경된다. 그리고 기준 존의 열전대(66) 및 기준 존 이외의 열전대(65)로부터 판독한 온도(Ba) 및 온도(Ta)는 다시 밸브 제어부(300)에 귀환된다. 이처럼 기준 존 이외의 열전대 온도를 기준 존의 열전대 온도(Ba)와의 편차(Td)가 0이 되도록 제어 밸브(102)의 개도를 시시각각 변화시킨다.
제2 실시 형태에 따르면 다음 효과 중 적어도 하나 이상의 효과를 기대할 수 있다.
(a) 기준 존 이외의 온도는 목표값으로서 일정 존, 기준 존과 온도 편차가 0이 되도록 제어 밸브(102)의 개도를 제어하는 것에 의해 존 간 편차의 저감이 가능해진다.
(b) 기준 존은 전술한 설정값으로부터 산출되는 기준 설정값과의 편차가 0이 되도록 제어 밸브(102)를 제어하는 것에 의해 공장 시설의 배기 능력의 변동 등에 의해 복수 장치 사이의 기차, 또는 경시(經時) 변화가 발생한 경우에도 항상 일정한 기준 설정값을 설치함으로써 기준 존 온도의 재현성을 향상시킬 수 있다.
(c) 전체 존을 기준 설정값과의 편차가 0이 되도록 제어 밸브(102)를 제어하는 방법도 생각해볼 수 있지만, 예컨대 어느 하나의 존이 기준 설정값에 추종하지 못하는 경우, 존 간 편차가 악화될 가능성이 있다. 따라서 본 실시 형태와 같이 기준 존만 기준 설정값에 추종하도록 제어하는 것에 의해, 만약 기준 존의 온도가 기준 설정값에 추종하지 못하는 경우에도 기준 존 이외는 기준 존 온도에 대하여 0이 되도록 제어하기 때문에 존 간의 편차가 악화되는 것을 회피할 수 있다.
(제3 실시 형태)
도 10에는 설명을 위해서 제어 밸브(102)를 하나밖에 표시하지 않았지만, 본 실시예에서의 제어를 다른 존에 대해서도 실시하고 있으며, 또한 각각의 존에서 다른 개도로 할 수 있다. 또한 도입되는 냉각 가스(냉각 에어)(90)도 존마다 공급된다.
히터 파워를 산출하는 연산은 종래대로 실시한다. 즉 감산기(321)는 상위 컨트롤러로 설정되는 설정값(S)과 제어량(A)을 감산한 결과를 편차(D)로서 산출하고, PID 연산기(322)에 출력하는 것이다.
여기서 PID 연산기에 대해서 도 9b에 기초하여 설명한다. PID 연산기는 가산기(331)와 적분 연산기(332)와 비례 연산기(333)와 미분 연산기(334)로 구성된다. 적분 연산기(332)는 편차(I)를 입력하고, 편차(I)를 시간 적분 연산(I 연산)한 결과에 미리 설정된 파라미터(Ki)를 곱한 값을 적분값(N)으로서 출력하는 것이다. 어느 특정 시간(t)에서의 편차(I)를 I(t), 그 때의 적분값(N)을 N(t)로 나타내면, 적분값(N)은 다음 수식에 따라 구해진다.
[수식 4]
Figure 112019054523418-pct00029
비례 연산기(333)는 편차(I)를 입력하고, 미리 설정된 파라미터(Kp)를 곱한(P 연산) 값을 비례값(О)으로서 출력하는 것이다. 어느 특정 시간(t)에서의 편차(I)를 I(t), 그 때의 비례값(О)으로 나타내면, 비례값(О)은 다음 수식에 따라 구해진다.
[수식 5]
Figure 112019054523418-pct00030
미분 연산기(334)는 편차(I)를 입력하고, 편차(I)를 시간 미분 연산(D 연산)한 결과에 미리 설정된 파라미터(Kd)를 곱한 값을 미분값(R)으로서 출력하는 것이다. 어느 특정 시간(t)에서의 편차(I)를 I(t), 그 때의 미분값(R)을 R(t)로 나타내면, 미분값(R)은 다음 수식에 따라 구해진다.
[수식 6]
Figure 112019054523418-pct00031
가산기(331)는 적분값(N)과 비례값(О)과 미분값(R)을 입력하고, 그것들의 총화를 산출하여 조작량(M)을 출력하는 것이다. 어느 특정 시간(t)에서의 편차(I)를 I(t), 그 때의 조작량(M)을 M(t)로 나타내면, 전술한 수식 4, 수식 5, 수식 6으로부터 조작량(M)은 다음 수식에 따라 구해지고, 이를 PID 연산이라고 부른다.
[수식 7]
Figure 112019054523418-pct00032
도 10에 도시하는 바와 같이, 먼저 제어부(200)로부터 온도 제어부(64)에 목표값(S)이 입력되고, 추가로 캐스케이드 열전대(65)로부터의 제어량(A)이 입력되고, 온도 제어부(64) 내의 감산기(321)에서는 목표값(S)으로부터 제어량(A)을 감산한 편차(D)가 출력되고, PID 연산기(322)에서는 편차(D)를 이용하여 PID 연산되어 조작량(X)이 결정된다. 이 조작량(X)은 미도시의 변환기에 의해 목표값(W)으로 변환되고, 이 목표값(W)과 히터 열전대로부터의 제어량(B)이 감산기(323)에 입력되고, 감산기(323)에서는 목표값(W)으로부터 제어량(B)을 감산한 편차(E)가 출력되고, PID 연산기(324)에서는 편차(E)를 이용하여 PID 연산되고, 온도 제어부(64)의 출력으로서 조작량(Z)이 출력되고, 히터 유닛(40)에 입력된다. 그리고 히터 유닛(40)으로부터 출력된 제어량(A, B)은 다시 온도 제어부(64)에 귀환된다. 이처럼 온도 제어부(64)로부터 출력되는 조작량(Z)을 목표값(S)과 제어량(A)의 편차(D)가 0이 되도록 시시각각 변화시킨다. 이러한 제어 방식을 PID 제어라고 부른다.
제어 밸브(102)의 개도를 산출하는 제어에 대해서 기재한다. 감산기(302)는 제어부(200)로 설정되는 파워 설정값(Zs)과 온도 제어부(64)에서 산출되는 조작량(Z)을 감산한 결과를 편차(Zd)로서 산출하고, 제어 밸브 산출용 PD 연산기(303)에 출력하는 것이다.
도 10에 도시하는 바와 같이 우선 제어부(200)로부터 밸브 제어부(300)에 파워 목표값(Zs)이 입력되고, 추가로 히터 파워 조작량(Z)이 입력되고, 밸브 제어부(300) 내의 감산기(302)에서는 파워 목표값(Zs)으로부터 히터 파워 조작량(Z)을 감산한 편차(Zd)가 출력되고, 제어 밸브용 PD 연산기(303)에서는 편차(Zd)를 이용하여 PD 연산되어 조작량(X)이 결정된다. 이 조작량(X)은 개도 변환기(304)에 의해 개도(X')로 변환되고, 제어 밸브(102)의 개도가 변경된다.
그리고 히터 유닛(40)으로부터 출력된 히터 파워 조작량(Z)은 다시 밸브 제어부(300)에 귀환된다. 이처럼 온도 제어부(64)로부터 출력되는 히터 파워 조작량(Z)을 히터 파워 목표값(Zs)과의 편차(Zd)가 0이 되도록 제어 밸브(102)의 개도를 시시각각 변화시킨다.
제3 실시 형태에 따르면, 다음 효과 중 적어도 하나 이상의 효과를 기대할 수 있다.
(d) 존마다의 냉각 능력을 편차시키는 수단으로서 개도를 조정할 수 있는 컨덕턴스 밸브를 존마다 설치하고, 컨덕턴스 밸브를 처리실의 상황에 따라 가변시키는 것에 의해 존마다 냉각 능력을 변화시켜 존 간 온도 편차의 개선을 실현한다.
(e) 고객 공장 시설 배기의 변동, 또는 부품 단체의 편차, 장치설치 상태에 의해 발생하는 장치 간 기차를 컨덕턴스 밸브의 제어에 의해 흡수하고 저감할 수 있다.
(f) 공냉(空冷)에 의한 급냉 시에서의 반응관 내의 구조에 의한 존마다의 강온 속도의 차이로부터 발생하는 히터 파워의 과잉 출력을 컨덕턴스 밸브의 제어에 의해 냉각 능력을 변화시키는 것에 의해 저감할 수 있고, 에너지 절약 효과를 기대할 수 있다.
(g) 온도 리커버리 시에 온도 안정 시에서 존마다 공냉에 의해 과잉 열량에 의한 온도 오버슈트를 신속하게 해소할 수 있다.
(h) 온도 리커버리 시의 온도 안정 시간의 단축에 의해 온도 안정성 향상을 기대할 수 있다.
(제4 실시 형태)
히터 파워를 산출하는 연산은 종래대로 실시한다. 감산기(302)는 제어부(200)에서 설정되는 편차 목표값(Ds)과 전술한 온도 제어부(64)에서 산출되는 편차(D)를 감산한 결과를 편차(Dd)로서 산출하고, 제어 밸브 산출용 PD 연산기(303)에 출력하는 것이다. 또한 PD 연산기(303)의 동작 설명은 이미 전술했으므로 생략한다.
도 11에 도시하는 바와 같이 우선 제어부(200)로부터 밸브 제어부(300)에 편차 목표값(Ds)이 입력되고, 추가로 편차(D)가 입력되고, 밸브 제어부(300) 내의 감산기(302)에서는 편차(D)로부터 편차 목표값(Ds)을 감산한 편차(Dd)가 출력되고, 제어 밸브용 PD 연산기(303)에서는 편차(Dd)를 이용하여 PD 연산되어 조작량(X)이 결정된다. 이 조작량(X)은 개도 변환기(304)에 의해 개도(X')로 변환되고, 제어 밸브(102)의 개도가 변경된다.
그리고 온도 제어부(64)에서 산출되는 편차(D)는 다시 밸브 제어부(300)에 귀환된다. 이처럼 온도 제어부(64)에서 차출(差出)되는 편차(D)와, 편차 목표값(Ds)의 편차(Dd)가 0이 되도록 제어 밸브(102)의 개도를 시시각각 변화시킨다.
제4 실시 형태는 실질적으로 제3 실시 형태와 같은 제어를 수행하므로 제3 실시 형태와 마찬가지의 효과(전술한 (d) 내지 (h) 중 적어도 하나 이상의 효과)를 갖는다. 단, 실시예 4의 경우, 편차(D)(예컨대 오버슈트)가 발생하지 않으면 제어 밸브(102)의 개도를 열어서 냉각하지 않기 때문에, 조작량(Z)을 트리거로 하여 제어 밸브(102)의 개도를 조정하는 실시예 3이 바람직하다.
다음으로 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태를 도 3에 도시하는 흐름도에 적용한 예를 아래에 나타낸다.
(실시예 1)
승온 스텝(S3)에 제3 실시 형태, 강온 스텝(S5)에 제3 실시 형태를 사용한다. 또한 승온 스텝(S3)과 강온 스텝(S5) 중 적어도 어느 하나의 스텝을 제4 실시 형태로 바꿔도 좋다.
승온 스텝(S3)에서는 온도 제어부(64)는 종래의 PID 제어에 의해 열전대(65)가 목표 온도(T1)가 되도록 조작량(Z)을 제어하도록 구성된다. 그리고 이 조작량(Z)과 제어부(200)로부터의 설정 조작량(Zs)과의 편차(Zd)가 0이 되도록 밸브 제어부(300)가 PD 제어하도록 구성된다. 이에 의해 제어 밸브(102)의 개도가 조정되고, 냉각 능력이 제어된다. 여기서 I 동작(적분 동작)을 없애면 통상 오프셋이 발생하여 설정값과의 편차가 일정한 값이 된 상태에서 일치하지 않는 경우가 있는 한편, I 동작에 의해 설정값과 일치하지만 지연 시간이 발생한다. 본 실시 형태(제3 실시 형태 및 제4 실시 형태)에 따르면, 종래의 히터 유닛(40)에 의한 히터 제어로 I 동작을 포함하는 PID 연산에 의해 파워값[조작량(Z)]은 제어하므로 멀티 쿨링 유닛에서의 제어에서는 I 동작은 생략한다.
이때 파워값이 목표 파워값 이하의 상태는 승온 능력(파워값)이 냉각 능력[제어 밸브(102) 개도]보다 큰 상태가 되고, 밸브 제어부(300)는 냉각 능력 부족으로 판단하여 제어 밸브(102)의 개도를 크게 하여 냉각 능력을 강하게 하고, 파워 출력을 크게 하는 방향으로 제어하도록 구성된다. 반대로 파워값이 목표 파워값 이상의 상태는 승온 능력(파워값)이 냉각 능력[제어 밸브(102) 개도]보다 작은 상태가 되고, 밸브 제어부(300)는 냉각 능력 과잉으로 판단하여 제어 밸브(102)의 개도를 작게 하여 냉각 능력을 약하게 하고, 파워 출력을 작게 하는 방향으로 제어하도록 구성된다.
여기서 최근 생산성 향상 때문에 가능한 승온 레이트를 크게 하는 요구가 높아지고 있다. 단순하게 히터 유닛(40)의 파워를 크게 하면 승온 레이트는 높게 할 수 있지만, 승온 레이트가 커지면 오버슈트의 진폭도 커져 종래의 히터 유닛(40)만의 제어로는 이것을 수렴시키는 데 시간이 걸린다. 따라서 목표로 하는 온도에 어느 정도 수렴하면 다음 스텝으로 이행한다.
본 실시예에 따르면, 승온 레이트가 큰 경우에도 승온 중에 쿨링 유닛에 의한 냉각을 수행한다. 예컨대 온도가 승온 레이트에서 상측으로 벗어나면 파워값[조작량(Z)]이 작아지고 파워값이 목표 파워값 이하의 상태가 되기 때문에, 밸브 제어부(300)는 제어 밸브(102)의 개도를 크게 하여 냉각 능력을 강화시키고, 반대로 온도가 승온 레이트에서 하측으로 벗어나면 조작량(Z)은 커지고 파워값이 목표 파워값 이상의 상태가 되기 때문에, 밸브 제어부(300)는 제어 밸브(102)의 개도를 작게 해서 냉각 능력을 약화시킨다. 이처럼 히터 유닛(40)에 의한 가열과 쿨링 유닛에 의한 냉각을 병행하는 것에 의해 승온 레이트에 추종시키므로 승온 레이트가 커도 오버슈트의 억제가 가능하다. 따라서 승온 스텝(S3)으로부터 성막 스텝(S4)으로의 이행 시의 온도 리커버리 시간이나 온도 안정성을 향상시킬 수 있다.
그리고 승온 스텝(S3)과 성막 스텝(S4)의 경계에서 오버슈트가 발생하면 파워값[조작량(Z)]이 작아져 파워값이 목표 파워값 이하의 상태가 되기 때문에, 밸브 제어부(300)는 제어 밸브(102)의 개도를 크게 하여 냉각 능력을 강화시키므로 종래의 히터 제어와 비교해서 목표 온도(T1)에 근접시킬 수 있다. 반대로 목표 온도(T1) 이하가 되면, 반대로 파워값[조작량(Z)]이 커지기 때문에, 밸브 제어부(300)는 제어 밸브(102)의 개도를 작게 하므로 목표 온도(T1)에 근접시킬 수 있다. 이러한 동작이 반복되어 목표 온도(T1)에 수렴된다.
이 밸브 제어부(300)의 제어(쿨링 유닛에 의한 어시스트)에 의해 온도 리커버리의 시간이 단축된다. 또한 지금까지의 히터 유닛(40)의 온도 제어만의 경우와 비교하여 승온 스텝(S3)으로부터 성막 스텝(S4)으로의 이행 시의 온도 안정화를 현격히 향상시킬 수 있다.
그리고 성막 스텝(S4)에서 기판(1)에 소정의 처리가 수행된 후, 또한 강온 스텝(S5)에서 목표 온도(T0)로 강온된다.
강온 스텝(S5)에서 승온 스텝(S3)과 마찬가지로 온도 제어부(64)는 종래의 PID 제어에 의해 열전대(65)가 목표 온도(T0)가 되도록 조작량(Z)을 제어하도록 구성된다. 그리고 이 조작량(Z)과 제어부(200)로부터의 설정 조작량(Zs)의 편차(Zd)가 0이 되도록 밸브 제어부(300)가 PD 제어하도록 구성된다. 이에 의해 제어 밸브(102)의 개도가 조정되고, 냉각 능력이 제어된다.
강온 스텝(S5)에서는 온도(T1)로부터 온도(T0)까지 저하시키기 위해서 조작량(Z)이 작게 설정된다. 이에 의해 밸브 제어부(300)는 제어 밸브(102)의 개도를 크게 하여 냉각 능력을 강화한다. 한편, 냉각 능력을 지나치게 크게 하여 온도가 강온 레이트보다 하측이 되면 조작량(Z)이 크게 설정된다. 그러면 밸브 제어부(300)는 제어 밸브(102)의 개도를 작게 해서 냉각 능력을 약화한다. 이러한 히터 유닛(40)에 의한 가열과 밸브 제어부(300)에 의한 냉각을 반복하면서 미리 설정된 강온 레이트에 추종할 수 있다. 이와 같이 밸브 제어부(300)의 제어(쿨링 유닛에 의한 어시스트)에 의해 지금까지의 히터 제어만의 경우와 비교해서 현격하게 강온 시의 존 간 온도 편차의 개선과 에너지 절약을 기대할 수 있다.
또한 제3 실시 형태를 바꿔서 제4 실시 형태이어도 파워값[조작량(Z)]을편차(Dd)로 변경할 뿐 마찬가지이므로 설명은 생략한다.
(실시예 2)
승온 스텝(S3)에 제3 실시 형태, 강온 스텝(S5)에 제2 실시 형태를 사용한다. 또한 승온 스텝(S3)을 제4 실시 형태로 바꿔도 좋고, 또한 강온 스텝(S5)을 제1 실시 형태로 바꿔도 좋다. 이렇게 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태의 조합은 임의로 설정할 수 있다.
승온 스텝(S3)에 대해서는 실시예 1과 마찬가지이므로 설명을 생략한다. 그리고 스텝(S4)에서 기판(1)에 소정의 처리가 수행된 후, 강온 스텝(S5)에서 온도(T1), 목표 온도(T0)로 강온된다. 실시예 2에서는 강온 스텝(S5)에서의 히터 유닛(40)의 파워는 늘 0%로 하여 급속 강온시키는 것에 의해 스루풋 향상(생산성 향상)을 도모한다.
강온 스텝(S5)에서 제어 밸브(102)의 개도는 미리 설정된 기준 존의 실측 온도(Ba)에 기초하여 제어된다. 구체적으로는 기준 존에 관해서 제어부(200)로부터 밸브 제어부(300)에 전회 설정값(T1), 금회 설정값(T0), 기준 램프 레이트가 입력되어 기준 설정값 산출기(301)로 기준 설정값(Bs)이 산출된다. 밸브 제어부(300) 내의 감산기(302)에서는 기준 존의 열전대 온도(Ba)가 입력되고, 기준 존의 열전대 온도(Ba)로부터 기준 설정값(Bs)을 감산한 편차(Bd)가 출력된다. 제어 밸브용 PD 연산기(303)에서는 편차(Bd)를 이용하여 PD 연산되어 조작량(X)이 결정되도록 구성된다. 이 조작량(X)이 변환되어 개도(X')가 되고, 제어 밸브(102)의 개도가 조정되도록 구성된다.
한편, 기준 존 이외의 존에 관해서 밸브 제어부(300) 내의 감산기(302)에서는 기준 존의 열전대 온도(Ba)가 입력되고, 추가로 기준 존 이외의 열전대 온도(Ta)가 입력되고, 기준 존 이외의 온도(Ta)로부터 기준 존의 열전대 온도(Ba)를 감산한 편차(Td)가 출력되도록 구성된다. 제어 밸브용 PD 연산기(303)에서는 편차(Td)를 이용하여 PD 연산되고, 조작량(X)이 결정되도록 구성된다. 이 조작량(X)이 변환되어 개도(X')가 되고, 제어 밸브(102)의 개도가 조정되도록 구성된다.
이와 같이 기준 존만 기준 설정값에 추종하도록 제어하는 것에 의해, 만약 기준 존의 온도가 기준 설정값에 추종하지 못하는 경우에도 기준 존 이외는 기준 존 온도에 대하여 0이 되도록 제어하기 때문에 존 간의 편차가 악화되는 것을 회피할 수 있다.
다음으로 도 12 내지 도 15를 사용하여 전술한 실시예에 대하여 검증을 수행한 결과에 대해서 설명한다. 이하, 온도 편차는 복수의 제어 존에서 측정된 온도의 최대값과 최소값의 차이(최대값-최소값의 값)를 나타낸다.
우선, 도 12 및 도 13은 전술한 실시 형태 3에서의 쿨링 유닛을 이용한 온도 제어에 의한 효과를 승온 스텝(S3)에 적용한 도시예이며, 승온 스텝(S3)에서의 노 내의 온도 변화를 비교예(쿨링 유닛 없음)와 전술한 실시 형태 3에서 비교했을 때의 도면이다.
도 12에서는 승온 스텝(S3) 시작으로부터 처리 스텝(S4)으로 이행할 때까지의 온도 추이를 복수의 제어 존 중 CU 존의 온도로 예시한다. 도 12에 도시하는 횡축이 시간(단위 분), 종축이 온도(단위 ℃)로 이루어지고, 승온 스텝(S3)의 시작 시간을 0분으로 나타낸다. 또한 도 12에서는 승온 스텝(S3)으로부터 처리 스텝(S4) 으로 이행할 때까지의 존 간의 온도 편차를 점선으로 나타내고, 500℃[대기 온도(T0)]부터 650℃[목표 온도(T1)]까지, 레이트 10℃/분으로 승온시켰을 때의 노 내의 온도 변화를 실선으로 나타낸다.
본 실시 형태에 따르면, 승온 스텝(S3)의 시작부터 15[=(650-500)/10]분까지는 실시 형태 3에 의한 쿨링 유닛(100)을 이용한 온도 제어를 수행하는 데도 불구하고, 쿨링 유닛(100)을 이용하지 않는 통상의 온도 제어(도 12에서는 비교예라고 부른다)와의 차이가 명확하게 도시되지 않는다. 특히 노 내의 온도 변화는 비교예와 본 발명이 거의 전체적으로 중첩되어 분별할 수 없다.
도 13은 승온 스텝(S3)으로부터 처리 스텝(S4)으로 이행하는 부분(도 12의 A)을 확대한 도면이다. 여기서 도 13은 승온 스텝(S3)의 시작부터 15분 이후의 노 내의 온도 변화를 도시하지만, 이 15분이라는 시간은 가열 장치(40)에서의 가열과 쿨링 유닛(100)에 의한 냉각의 양방을 이용하여 온도 제어를 수행한 시간이다.
도 13에 따르면, 비교예에서의 오버슈트가 2℃이며, 상하한값 1℃ 내에 안정되는 시간이 승온 스텝(S3)의 시작부터 대강 21분인 것에 대해서 본 실시 형태에서의 쿨링 유닛(100)을 이용한 온도 제어(실시 형태 3)에서의 오버슈트가 0.5℃이며, 상하한값 1℃ 내에 안정될 때까지의 시간이 대강 17분이었다. 이와 같이 비교예보다 온도 안정성이 현격히 향상된다.
또한 17분은 500℃ 내지 650℃까지 승온시킬 때 649℃(목표 온도-하한값)에 노 내의 온도(CU 존의 온도)가 도달한 시간이며, 실시 형태 3에서 649℃에 도달한 후 상하한값(1℃)의 범위에 수렴된다. 이와 같이 실시 형태 3에 따르면, 미리 승온 시에 비교예보다 온도 제어성이 현격히 향상된다.
또한 도 13에 도시하는 바와 같이 승온 시에 상하한값의 범위 내에 노 내의 온도(CU 존의 온도)가 도달하기 전에 실시 형태 3에 의한 온도 제어가 종료되기 때문에 결과적으로 과가열이 억제된다. 한편, 비교예에서는 오버슈트가 발생하고, CU 존의 온도가 상하한값의 범위 내에 수렴하는 데 시간이 걸린다.
이와 같이 승온 스텝(S3)에서, 실시 형태 3에서는 가열 장치(40)에서의 가열과 쿨링 유닛(100)에 의한 냉각의 양방(兩方)을 이용하여 소정의 레이트(이 경우 10도/분)에 따르도록 제어하기 때문에 비교예(쿨링 유닛 없음)보다 상하한값에 수렴하는 시간을 단축할 수 있다. 또한 실시 형태 3에 따르면, 오버슈트 해도 온도를 상하한값 내에 수렴할 수 있다. 따라서 비교예보다 다음 처리 스텝(S4)에 신속하게 이행할 수 있고, 스루풋을 향상시킬 수 있다.
도 14는 전술한 실시 형태 3에서의 쿨링 유닛(100)을 이용한 온도 제어를 강온 스텝(S5)에 적용한 도시예이며, 강온 스텝(S5)에서의 노 내의 온도 변화를 비교예(밸브 100% 개도 고정)와 실시 형태 3(밸브 개도 제어 있음)에서 비교했을 때의 도면이다.
도 14에서는 강온 스텝(S5)으로부터 다음 스텝(S6)으로 이행하기 전까지의 온도 전환을 전체 존의 열전대에서 측정한 노 내 온도의 평균 온도로 도시한다. 도 14에 도시하는 횡축이 시간(단위 분), 종축이 온도(단위 ℃)로 이루어지고, 특히 좌측의 종축은 노 내의 온도이며, 우측의 종축은 온도 편차다. 또한 비교예로서 쿨링 유닛 없이 비교해야 하지만, 냉각 없음[가열 장치(40)의 전력 오프만]의 경우, 레이트 10℃/분으로 강온할 수 없기 때문에, 밸브 고정(개도 100%)을 비교예로 하여 실시 형태 3(밸브의 개도를 제어)과 비교했다.
도 14는 강온 스텝(S5)으로부터 다음 스텝(S6)으로 이행하기 전까지의 존 간의 온도 편차를 점선으로 도시하고, 전체 존의 평균 온도의 온도 변화를 실선으로 도시한 도면이다. 도 14에 도시하는 바와 같이 800℃ 내지 400℃까지, 레이트 10℃/분으로 강온시켰을 때의 노 내 온도 변화를 도시한다. 이 온도 변화는 전체 존의 열전대로 측정한 노 내 온도의 평균 온도로 표시된다. 그리고 이 노 내의 온도 변화 및 존 간의 온도 편차는 비교예와 실시 형태 3에서 거의 동등하다.
하지만 비교예는 히터 파워를 더해서 가열 장치(40)로 가열하고, 레이트 10℃/분으로 강온을 늦추도록 조정한다. 한편, 실시 형태 3에서는 냉각 에어(90)에 의해 냉각과 가열 장치(40)에 의한 가열의 양방을 조정한다. 따라서 히터 파워만으로 강온 레이트(10℃/분)를 제어하는 비교예보다 에너지 절약화를 실현할 수 있다.
도 15는 전술한 실시 형태 1 및 실시 형태 2에서의 쿨링 유닛(100)을 이용한 온도 제어를 강온 스텝(S5)에 적용한 도시예이며, 강온 스텝(S5)에서의 노 내의 온도 변화를 비교예(밸브 100% 열림 고정)와 실시 형태 1(밸브 개도를 냉각 존마다 고정) 및 실시 형태 2(밸브 개도 제어 있음)에서 비교했을 때의 도면이다.
도 15도 도 14와 마찬가지로 강온 스텝(S5)으로부터 다음 스텝(S6)으로 이행하기 전까지의 온도 전환(실선)을 전체 존의 열전대로 측정한 노 내 온도의 평균 온도로 도시한다. 도 15에 도시하는 횡축이 시간(단위 분), 종축이 온도(단위 ℃)로 이루어지고, 특히 좌측의 종축은 노 내의 온도이며, 우측의 종축은 온도 편차다. 800℃로부터 가열 장치(40)를 전력 오프(히터 파워 0%)로 강온시켰을 때의 노 내의 온도 변화를 도시한다.
도 15에 도시하는 바와 같이 800℃부터 400℃까지 도달하는 시간은 당연히 냉각 가스를 많이 공급하는 순서대로 비교예(밸브 개도 100% 고정)가 약 12분으로 가장 빠르고, 계속해서 실시 형태 1(밸브 개도 존마다 고정)이 약 13분, 실시 형태 2(밸브 개도제어 유)가 약 14분이다.
또한 도 15에 800℃로부터 가열 장치(40)를 전력 오프(히터 파워 0%)로 강온시켰을 때의 존 간의 온도 편차(점선)를 도시한다. 이에 따르면 비교예(밸브 개도 100%)의 존 간의 온도 편차가 최대 60℃를 초과하고 있다. 또한 800℃로부터의 강온 시작 3분 후부터 계속 존 간의 온도 편차가 20℃ 이상이라는 결과가 되어 있다. 여기서 실시 형태 1(밸브 개도 존마다 고정)에서도 800℃로부터의 강온 시작 10분 후부터 계속 존 간의 온도 편차가 20℃ 정도라는 결과가 되어 있다. 비교예(밸브 개도 100% 고정)보다 존 간의 온도 편차가 저감되어 있지만, 냉각 에어(90)의 밸브 개도를 고정하는 제어에는 한계가 있을 것으로 생각된다.
한편, 실시 형태 2(밸브 개도 제어 있음)의 존 간의 온도 편차는 강온 스텝(S5) 동안, 존 간의 온도 편차의 최대값이 10℃를 초과하지 않고, 존 간의 온도 편차의 평균값이 8℃ 정도다.
즉 처리 후의 온도 이력을 그다지 고려할 필요가 없는 처리라면, 실시 형태 2(또는 실시 형태 1)에 의한 쿨링 유닛(100)을 이용한 온도 제어를 수행하는 것에 의해 실시 형태 3보다 스루풋 향상을 도모할 수 있다.
도 16은 전술한 실시 형태 3에서의 쿨링 유닛(100)을 이용한 온도 제어에 의한 효과를 보트 로드 스텝(S2)으로 도시하는 도면이며, 스텝(S2)에서의 노 내의 온도 변화를 비교예(쿨링 유닛 없음)과 전술한 실시 형태 3에서 비교했을 때의 도면이다. 도 16에 도시하는 바와 같이 스텝(S2)과 같은 외란에 의한 온도 저하를 피하지 못할 때의 온도 리커버리 시간을 단축할 수 있다.
도 16에서는 스텝(S2)의 온도 전환을 복수의 제어 존 중 존(L1)의 온도로 예시한다. 도 16에 나타내는 횡축이 시간(단위 분), 종축이 온도(단위 ℃)로 이루어지고, 특히 좌측의 종축은 노 내의 온도이며, 우측의 종축은 온도 편차다. 500℃로 유지하면서 보트(31)를 노 내에 장입시켰을 때의 노 내의 온도 변화(실선) 및 존 간의 온도 편차(점선)를 도시한다.
도 16에 도시하는 바와 같이 비교예(쿨링 유닛 없음)에서는 온도 저하가 최대값 25℃, 온도 편차의 최대값이 약 20℃가 되고, 한편, 전술한 실시 형태 3에서의 쿨링 유닛을 이용한 온도 제어에서는 온도 저하가 최대라도 10℃보다 작고, 온도 편차의 최대값도 약 10℃가 되었다. 또한 재차 500℃(±2℃)로 안정된 시간은 비교예에서는 35분인데 반해, 실시 형태 3에서는 21분이었다. 이와 같이 전술한 실시 형태 3에서의 쿨링 유닛을 이용한 온도 제어에서는 스텝(S2)과 같은 외란에 의한 온도 저하를 피하지 못할 때의 온도 리커버리 시간을 단축할 수 있다. 따라서 실시 형태 3에 따르면, 비교예보다 다음 승온 스텝(S3)으로 신속하게 이행할 수 있고, 스루풋을 향상시킬 수 있다.
또한 말하면, 비교적 낮은 온도(도 16에서는 500℃)로 보트 로드 스텝(S2)을 실시한 경우, 비교예에서는 보트 로드의 외란에 의한 온도 변동에 대하여 파워를 과잉하게 출력하여 노 내 온도가 설정값 이상이 되고, 파워를 저하시키도록 전력 오프(히터 파워 0%)의 상태가 된다. 이 전력 오프(히터 파워 0%) 상태에서 노 내 온도가 설정값이 되도록 저하될 때까지 오랜 시간이 소요되고, 온도 리커버리 시간이 길어지고 있었다. 한편, 본 실시 형태 3에서의 쿨링 유닛(100)의 제어는 미리 설정한 파워값 이하의 출력인 경우 냉각을 강하게(밸브 OPEN), 미리 설정한 파워값 이상인 경우 냉각을 약하게(밸브 Close) 하는 것에 의해 어떤 일정한 파워를 출력시키는 것을 목적으로 한다. 그 결과, 비교예와 같은 전력 오프(히터 파워 0%) 상태가 짧아져, 외란에 의한 온도 변동에 대하여 파워값을 상하시키는 것이 가능해져 온도 제어성이 향상되고, 온도 리커버리 시간을 단축할 수 있다.
또한 전술한 실시 형태 3에서의 쿨링 유닛을 이용한 온도 제어는 스텝(S6)(보트 언로드 스텝)에서도 온도 리커버리 시간을 비교예와 비교해서 단축할 수 있다.
또한 본 발명은 반도체 제조 장치뿐만 아니라 LCD 장치와 같은 유리 기판을 처리하는 장치에도 적용할 수 있다. 예컨대 반도체 집적 회로 장치(반도체 디바이스)가 제작되는 반도체 웨이퍼에 산화 처리나 확산 처리, 이온 주입 후의 캐리어 활성화나 평탄화를 위한 리플로우나 어닐링 및 열 CVD 반응에 의한 성막 처리 등에 사용되는 기판 처리 장치에 이용하여 유효한 것에 적용할 수 있다.
이 출원은 2016년 11월 30일에 출원된 일본 출원 특원 2016-232813을 기초로서 우선권의 이익을 주장하는 것이며, 그 개시를 모두 인용하여 여기에 취입한다.
본 발명은 피처리 기판을 처리실에 수용하여 가열 장치에 의해 가열한 상태에서 처리를 수행하는 처리 장치라면 적용할 수 있다.
1: 기판(웨이퍼) 10: 기판 처리 장치
11: 반응관(프로세스 튜브) 14: 처리실(노 내 공간)
31: 보트 40: 가열 장치(히터 유닛)
64: 온도 제어부(온도 컨트롤러) 300: 밸브 제어부

Claims (17)

  1. 보트에 재치된 상태의 기판을 가열하는 히터 유닛;
    소정의 온도로 유지하도록 상기 히터 유닛을 제어하는 온도 제어부;
    상기 히터 유닛에 출력하는 조작량을 연산하면서 반응관을 향하여 공급하는 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브의 개도(開度)를 조정하는 밸브 제어부; 및
    소정의 승온 레이트로 상기 소정의 온도까지 승온시키는 승온 스텝과 상기 히터 유닛에 의해 상기 소정의 온도로 상기 기판을 처리하는 처리 스텝과 상기 소정의 온도로부터 소정의 강온 레이트로 강온시키는 강온 스텝을 포함하는 레시피를 실행 지시할 때, 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행하도록 상기 온도 제어부 및 상기 밸브 제어부를 제어하도록 구성되는 제어부;
    를 구비하고,
    상기 밸브 제어부는, 상기 제어부에서 설정되는 설정값과 상기 조작량을 감산한 결과를 출력하는 감산기와, 상기 감산한 결과로부터 상기 제어 밸브의 개도로 변환하는 변환기를 포함하고,
    상기 온도 제어부로부터 출력되는 상기 조작량과 상기 설정값을 감산한 결과가 0이 되도록 상기 제어 밸브의 개도를 제어하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 냉각 존으로 분할되고, 상기 냉각 존마다 상기 제어 밸브를 설치하는 쿨링 유닛을 포함하고, 상기 제어 밸브는 상기 냉각 존마다 개별로 개도가 조정되도록 구성되는 기판 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 히터는 복수의 제어 존으로 분할되고,
    상기 제어 존의 수와 상기 냉각 존의 수가 일치하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행하여 상기 승온 스텝으로부터 상기 처리 스텝으로의 이행 시에 발생하는 오버슈트로부터 상기 소정의 온도로 안정될 때까지의 시간을 단축시키도록 상기 온도 제어부 및 상기 밸브 제어부를 제어하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각에 의해 상기 강온 스텝의 시간을 단축시키도록 상기 밸브 제어부를 제어하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어 존마다 설치된 열전대를 포함하고, 상기 제어부는 기준 존에 선택된 기준 존의 온도를 검출하는 열전대와, 기준 존 이외에 설치된 열전대의 온도 편차가 0이 되도록 상기 온도 제어부 및 상기 제어 밸브를 제어하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 온도 제어부는 상기 기준 존의 온도를 검출하는 열전대와 상기 제어부로부터의 설정값으로부터 산출된 기준 설정값과의 편차가 0이 되도록 상기 제어 밸브를 제어하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행하여 상기 승온 스텝으로부터 상기 처리 스텝으로의 이행 시에 발생하는 오버슈트로부터 상기 소정의 온도로 안정될 때까지의 시간을 단축시키도록 상기 온도 제어부 및 상기 밸브 제어부에 제어하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 레시피는 복수 매의 기판을 보트에 보지(保持)시켜서 상기 반응관 내에 장입(裝入)하는 보트 로드 스텝을 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행하여 상기 보트 로드 스텝에서 발생하는 오버슈트의 시간을 단축시키도록 상기 온도 제어부 및 상기 밸브 제어부에 제어하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 가열과 상기 냉각을 병행하는 동안, 상기 제어 밸브의 개도를 연속적으로 제어하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 히터 유닛은 기준 영역과 상기 기준 영역 이외의 영역을 적어도 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 기준 영역의 온도와 상기 제어부로부터의 설정값으로부터 산출된 기준 설정값의 편차를 입력하는 PID 제어에 따라서, 상기 제어 밸브의 개도를 제어하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  13. 복수 매의 기판을 보트에 보지시켜서 반응관 내에 장입하는 공정;
    상기 반응관 내의 온도를 소정의 승온 레이트로 소정의 온도로 하는 승온 공정;
    히터 유닛에 의해 상기 소정의 온도로 제어하면서 상기 기판을 처리하는 공정; 및
    상기 반응관 내의 온도를 소정의 강온 레이트로 상기 소정의 온도보다 낮은 온도로 하는 강온 공정;
    을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법으로서,
    상기 승온 공정 및 상기 강온 공정 중 적어도 하나에서 상기 히터 유닛에 입력되는 조작량에 기초하는 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 조작량과 소정의 설정값을 감산한 결과로부터 변환되는 제어 밸브의 개도에 기초하는 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행할 때, 상기 조작량과 상기 설정값을 감산한 결과가 0이 되도록 상기 제어 밸브의 개도를 제어하는 반도체 장치의 제조 방법.
  14. 히터 유닛에 출력하는 조작량을 연산하면서 반응관 내의 온도를 소정의 온도로 유지하도록 상기 반응관 내에 장입된 보트에 재치된 기판을 가열하는 히터 유닛을 제어하는 온도 제어부와, 상기 반응관을 향하여 공급되는 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브의 개도를 조정하는 밸브 제어부를 구비한 기판 처리 장치에,
    복수 매의 기판을 보트에 보지시키는 순서;
    상기 보트를 반응관에 장입하는 순서;
    상기 반응관 내의 온도를 소정의 승온 레이트로 소정의 온도로 승온하는 순서;
    상기 소정의 온도로 제어하면서 상기 기판을 처리하는 순서; 및
    상기 반응관 내의 온도를 소정의 강온 레이트로 상기 소정의 온도보다 낮은 온도로 강온하는 순서;
    를 실행시키는 기록 매체에 기록된 프로그램으로서,
    상기 승온하는 순서 및 상기 강온하는 순서 중 적어도 하나에서 상기 조작량에 기초하는 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 조작량과 소정의 설정값을 감산한 결과로부터 변환되는 제어 밸브의 개도에 기초하는 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행할 때, 상기 조작량과 상기 설정값을 감산한 결과가 0이 되도록 상기 제어 밸브의 개도를 제어하도록 구성되는 것인 기록 매체에 기록된 프로그램.
  15. 보트에 재치된 상태의 기판을 가열하는 히터 유닛;
    소정의 온도로 유지하도록 상기 히터 유닛을 제어하는 온도 제어부;
    반응관을 향하여 공급하는 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브의 개도를 조정하는 밸브 제어부; 및
    소정의 승온 레이트로 상기 소정의 온도까지 승온시키는 승온 스텝과 상기 소정의 온도로 상기 기판을 처리하는 처리 스텝과 상기 소정의 온도로부터 소정의 강온 레이트로 강온시키는 강온 스텝을 포함하는 레시피를 실행 지시할 때, 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행하도록 상기 온도 제어부 및 상기 밸브 제어부를 제어하도록 구성되는 제어부;를 구비하고,
    상기 밸브 제어부는, 상기 제어부에서 설정되는 편차 목표값과 상기 온도 제어부에서 산출되는 편차를 감산한 결과를 출력하는 감산기와, 상기 감산한 결과로부터 상기 제어 밸브의 개도로 변환하는 변환기를 포함하고,
    상기 편차와 상기 편차 목표값을 감산한 결과가 0이 되도록 상기 제어 밸브의 개도를 제어하는 기판 처리 장치.
  16. 복수 매의 기판을 보트에 보지시켜서 반응관 내에 장입하는 공정;
    상기 반응관 내의 온도를 소정의 승온 레이트로 소정의 온도로 하는 승온 공정;
    히터 유닛에 의해 상기 소정의 온도로 제어하면서 상기 기판을 처리하는 공정; 및
    상기 반응관 내의 온도를 소정의 강온 레이트로 상기 소정의 온도보다 낮은 온도로 하는 강온 공정;을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법으로서,
    상기 승온 공정 및/또는 상기 강온 공정에서 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 소정의 온도와의 온도 차이를 나타내는 편차와 미리 설정되는 편차 목표값을 감산한 결과로부터 변환되는 제어 밸브의 개도에 기초하는 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행할 때, 상기 편차와 상기 편차 목표값을 감산한 결과가 0이 되도록 상기 제어 밸브의 개도를 제어하는 반도체 장치의 제조 방법.
  17. 반응관 내의 온도를 소정의 온도로 유지하도록 상기 반응관 내에 장입된 보트에 재치된 기판을 가열하는 히터 유닛을 제어하는 온도 제어부와, 상기 반응관을 향하여 공급되는 가스의 유량을 조정하는 제어 밸브의 개도를 조정하는 밸브 제어부를 구비한 기판 처리 장치에,
    복수 매의 기판을 보트에 보지시키는 순서;
    상기 보트를 반응관에 장입하는 순서;
    상기 반응관 내의 온도를 소정의 승온 레이트로 소정의 온도로 승온하는 순서;
    상기 소정의 온도로 제어하면서 상기 기판을 처리하는 순서; 및
    상기 반응관 내의 온도를 소정의 강온 레이트로 상기 소정의 온도보다 낮은 온도로 강온하는 순서;
    를 실행시키는 기록 매체에 기록된 프로그램으로서,
    상기 승온하는 순서 및/또는 상기 강온하는 순서에서 상기 히터 유닛에 의한 가열 및 상기 소정의 온도와의 온도 차이를 나타내는 편차와 미리 설정되는 편차 목표값을 감산한 결과로부터 변환되는 제어 밸브의 개도에 기초하는 상기 제어 밸브로부터 공급되는 가스에 의한 냉각을 병행할 때, 상기 편차와 상기 편차 목표값을 감산한 결과가 0이 되도록 상기 제어 밸브의 개도를 제어하도록 구성되는 것인 기록 매체에 기록된 프로그램.
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