KR102435174B1 - 기판 가열 시스템 및 기판 처리 장치 - Google Patents

기판 가열 시스템 및 기판 처리 장치 Download PDF

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닛신덴키 가부시키 가이샤
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Abstract

본 발명은 톱 플레이트와 히터의 열팽창의 치우침을 저감해서 히터의 파손을 방지하는 것이며, 기판(W)이 재치되는 톱 플레이트(2)와, 톱 플레이트(2)의 하면에 설치된 히터(3)와, 톱 플레이트(2)의 온도를 검출하는 플레이트 온도 검출부(4)와, 히터(3)의 온도를 검출하는 히터 온도 검출부(5)와, 히터(3)의 검출 온도와 톱 플레이트(2)의 검출 온도에 의거하여 히터(3)의 출력을 제어하는 히터 제어부(6)를 구비하고, 히터 제어부(6)는 히터(3)의 검출 온도와 톱 플레이트(2)의 검출 온도의 검출 온도차가 소정 온도차 상한값을 초과하지 않도록 히터(3)의 출력을 제어하여 톱 플레이트(2)의 검출 온도가 소정 설정 온도가 되도록 제어한다.

Description

기판 가열 시스템 및 기판 처리 장치
본 발명은 기판 가열 시스템 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
종래 성막 등의 기판 처리가 행해지는 기판을 가열하는 것으로서는 특허문헌 1에 나타내는 기판 가열 제어 시스템이 있다.
이 기판 가열 제어 시스템은 기판이 재치되는 톱 플레이트의 온도를 검출하고, 상기 톱 플레이트의 검출 온도가 소정 역치보다 낮을 경우에는 미리 준비해 있는 복수의 온도 관리 모드(시간 경과와 함께 히터의 설정 온도를 변경한다)에 의해 제어를 행한다. 톱 플레이트의 온도가 소정 역치보다 높을 경우에는 PID 제어를 행한다.
그러나 승온 개시 시에 히터의 온도를 높게 설정하면 톱 플레이트와 히터의 온도차가 커지며, 톱 플레이트와 히터의 열팽창의 차에 의해 히터가 파손될 우려가 있다.
일본 특허 제3810726호 공보
그래서 본 발명은 상기 문제점을 해결하도록 이루어진 것이며, 톱 플레이트와 히터의 열팽창의 치우침을 저감해서 히터의 파손을 방지하는 것을 그 주된 과제로 하는 것이다.
즉, 본 발명에 의한 기판 가열 시스템은 기판이 재치되는 톱 플레이트와, 상기 톱 플레이트의 하면에 설치된 히터와, 상기 톱 플레이트의 온도를 검출하는 플레이트 온도 검출부와, 상기 히터의 온도를 검출하는 히터 온도 검출부와, 상기 히터의 검출 온도와 상기 톱 플레이트의 검출 온도에 의거하여 상기 히터의 출력을 제어하는 히터 제어부를 구비하고, 상기 히터 제어부는 상기 히터의 검출 온도와 상기 톱 플레이트의 검출 온도의 검출 온도차가 소정 온도차 상한값을 초과하지 않도록 상기 히터의 출력을 제어하고, 상기 톱 플레이트의 검출 온도가 소정 설정 온도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명이면 히터의 검출 온도와 톱 플레이트의 검출 온도의 검출 온도차가 소정 온도차 상한값을 초과하지 않도록 히터의 출력을 제어하고 있으므로 톱 플레이트와 히터의 열팽창의 치우침을 저감하여 히터의 파손을 방지할 수 있다.
구체적으로는 상기 히터 제어부는 상기 검출 온도차에 의거하여 상기 히터의 출력 상한값을 설정하는 것이 바람직하다. 이 구성이면 톱 플레이트의 검출 온도를 설정 온도를 향해서 상승시킴과 아울러, 히터의 검출 온도와 톱 플레이트의 검출 온도의 검출 온도차가 온도차 상한값을 초과하지 않도록 할 수 있다.
상세하게는 상기 히터 제어부는 상기 검출 온도차가 소정 온도차 목표값보다 클 경우 현재의 출력 상한값으로부터 소정값을 감산하여 다음 출력 상한값으로서 설정하고, 상기 검출 온도차가 소정 온도차 목표값보다 작을 경우 현재의 출력 상한값으로부터 소정값을 가산하여 다음 출력 상한값으로서 설정하는 것이 바람직하다.
상기 히터 제어부는 상기 검출 온도차가 소정 온도차 목표값보다 작을 경우에 있어서 상기 온도차 목표값과 상기 검출 온도차의 차가 소정 역치보다 클 경우 현재의 출력 상한값으로부터 소정값을 가산하여 다음 출력 상한값으로서 설정하고, 상기 온도차 목표값과 상기 검출 온도차의 차가 소정 역치보다 작을 경우 현재의 출력 상한값을 변경하지 않는 것이 바람직하다. 이 구성이면 온도 제어의 응답성의 지연을 고려하여 히터의 검출 온도와 톱 플레이트의 검출 온도의 검출 온도차가 온도차 상한값을 초과하지 않도록 할 수 있다.
상기 히터 제어부는 상기 온도차 목표값을 상기 톱 플레이트의 검출 온도에 의거하여 스위칭하는 것이 바람직하다. 톱 플레이트의 검출 온도가 오름에 따라, 예를 들면 단계적으로 온도차 목표값이 커지도록 스위칭함으로써 톱 플레이트의 승온 시간을 단축할 수 있다.
히터 제어부의 구체적인 제어 상태로서는 상기 톱 플레이트의 검출 온도가 상기 설정 온도로부터 소정 온도를 뺀 역치 온도보다 낮을 경우 상기 검출 온도차가 상기 온도차 상한값을 초과하지 않도록 상기 히터의 출력을 제어하고, 상기 톱 플레이트의 검출 온도가 상기 역치 온도보다 높을 경우 상기 톱 플레이트의 검출 온도가 상기 설정 온도가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기 히터 제어부는 상기 히터의 검출 온도가 소정 히터 온도 상한값을 초과했을 경우 소정 제 1 출력 상한값을 사용하여 상기 히터의 출력을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 히터 제어부는 상기 검출 온도차가 상기 온도차 상한값을 초과했을 경우 소정 제 2 출력 상한값을 사용하여 상기 히터의 출력을 제어하는 것이 바람직하다.
(발명의 효과)
이와 같이 구성한 본 발명에 의하면 톱 플레이트와 히터의 열팽창의 치우침을 저감해서 히터의 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 의한 기판 가열 시스템의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 동실시형태에 있어서의 히터의 전원 투입으로부터 승온 완료까지의 플로우 차트이다.
도 3은 동실시형태에 있어서의 출력 상한값의 연산 처리를 나타내는 플로우 차트이다.
도 4는 동실시형태에 있어서의 설정 온도와 톱 플레이트의 검출 온도의 시계열적 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 변형 실시형태에 있어서의 설정 온도와 톱 플레이트의 검출 온도의 시계열적 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 변형 실시형태의 개시 출력량의 자동 연산 처리를 나타내는 플로우 차트이다.
이하에 본 발명에 의한 기판 가열 시스템의 일실시형태에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.
본 실시형태의 기판 가열 시스템(100)은 도 1에 나타내는 바와 같이 플라스마 CVD 장치나 ICP 스퍼터 장치 등의 성막 장치에 사용되는 것이며, 구체적으로는 진공 용기(200) 내에 설치되고, 재치된 기판(W)을 소정 설정 온도로 가열하는 것이다.
구체적으로 기판 가열 시스템(100)은 기판(W)이 재치되는 톱 플레이트(2)와, 톱 플레이트(2)의 하면에 설치된 히터(3)와, 톱 플레이트(2)의 온도 TP)를 검출하는 플레이트 온도 검출부(4)와, 히터(3)의 온도 TH를 검출하는, 예를 들면 열전대 등의 히터 온도 검출부(5)와, 히터(3)의 검출 온도 TH와 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP)에 의거하여 히터(3)의 출력을 제어하는 히터 제어부(6)를 구비하고 있다.
본 실시형태의 히터(3)는 사이리스터 등의 파워 반도체 디바이스를 사용한 통전 제어 기기(7)에 의해 통전량이 조정된다. 또한, 히터(3)는 톱 플레이트(2)와 베이스 플레이트(8)에 의해 끼워져 설치되어 있으며, 톱 플레이트(2)와 베이스 플레이트(8)에 의해 히터 플레이트가 구성된다. 또한, 플레이트 온도 검출부(4)는 톱 플레이트(2)에 접촉해서 형성되어 있으며, 예를 들면 열전대 등을 사용할 수 있다. 또한, 히터 온도 검출부(5)는 히터(3)에 접촉해서 형성되어 있으며, 예를 들면 열전대 등을 사용할 수 있다. 이들 온도 검출부(4)의 검출 온도 TH, TP)는 히터 제어부(6)에 입력된다.
히터 제어부(6)는 통전 제어 기기(7)에 제어 신호를 출력해서 통전 제어 기기(7)를 제어함으로써 히터(3)의 출력을 제어하는 것이다. 또한, 히터 제어부(6)는 CPU, 내부 메모리, 입출력 인터페이스, AD 변환기 등을 갖는 전용 또는 범용의 컴퓨터로 구성되어 있다. 여기에서 히터 제어부(6)는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)를 사용해서 구성해도 좋다.
구체적으로 히터 제어부(6)는 히터(3)의 검출 온도 TH와 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP의 검출 온도차 ΔT(=TH-TP)가 소정 온도차 상한값 ΔTMAX를 초과하지 않도록 히터(3)의 출력을 제어하고, 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP가 소정 설정 온도 TSET가 되도록 제어한다.
이어서, 히터 제어부(6)의 기능과 함께 기판 가열 시스템(100)의 동작에 대해서 설명한다.
기판 가열 시스템(100)의 동작의 개략은 도 2에 나타내는 바와 같다.
즉, 히터(3)가 ON되었을 경우 또는 설정 온도 TSET가 고온측으로 변경되었을 경우에 히터 제어부(6)는 통전 제어 기기(7)에 제어 신호를 출력하고, 톱 플레이트(2)의 승온을 개시한다(S1-1). 또한, 설정 온도 TSET는 유저에 의해 입력되는 온도이며, 이하에서는 400°로 했을 경우를 생각한다.
그리고 히터 제어부(6)는 설정 온도 TSET와 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP의 온도차(편차=TSET-TP)에 의거하여 히터(3)의 출력을 램프 제어 및 PID 제어함으로써 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP가 설정 온도 TSET가 되도록 제어한다(S1-2). 여기에서 램프 제어에서는 단위 시간(예를 들면, 1분)마다 목표값이 소정 온도(예를 들면, 1°)씩 상승하는 입력을 부여한다.
또한, 히터 제어부(6)는 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP와 설정 온도 TSET를 비교한다(S1-3). 그 비교의 결과, 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP가 설정 온도 TSET보다 작을 경우에는 S1-2로 되돌아온다. 한편, 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP가 설정 온도 TSET에 도달해 있을 경우에는 승온을 종료한다(S1-4).
이어서, 히터 제어부(6)의 구체적인 제어 내용에 대해서 설명한다.
히터 제어부(6)는 상기 S1-2에 있어서 히터(3)의 검출 온도 TH와 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP의 검출 온도차 ΔT에 의거하여 히터(3)의 출력 상한값(예를 들면, 750°)을 설정하고, 상기 설정한 출력 상한값을 초과하지 않도록 히터(3)의 출력을 램프 제어 및 PID 제어한다.
이 때문에 히터 제어부(6)는 승온 개시(S1-1) 후에 있어서 출력 상한값을 설정하는지의 여부를 판단한다(S2-1). 구체적으로 히터 제어부(6)는 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP와, 설정 온도 TSET로부터 소정 온도(예를 들면, 10°)를 뺀 역치 온도(=TSET-10°)를 비교해서 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP가 역치 온도보다 낮으면 출력 상한값을 설정한다(S2-2). 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP가 역치 온도보다 높을 경우에는 출력 상한값을 설정하지 않고, 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP가 설정 온도 TSET가 되도록 히터(3)의 출력을 램프 제어 및 PID 제어한다(S1-2).
히터 제어부(6)는 히터(3)의 검출 온도 TH 및 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP의 검출 온도차 ΔT와 소정 온도차 목표값 α를 비교한다(S2-3).
검출 온도차 ΔT가 온도차 목표값 α보다 작을(α>ΔT) 경우 히터 제어부(6)는 온도차 목표값 α 및 검출 온도차 ΔT의 차(=α-ΔT)와 소정 역치 β를 비교한다(S2-4). 여기에서 역치 β는 S2-4의 처리에 의해 톱 플레이트(2)의 검출 온도의 급한 상승을 방지하는 것을 고려하여 실제 기판 가열 시스템(100)의 가열 시험 결과에 의해 정할 수 있다.
온도차 목표값 α 및 검출 온도차 ΔT의 차(=α-ΔT)가 역치 β보다 클(α-ΔT>β) 경우에는 현재의 출력 상한값에 소정값을 가산하고, 다음 출력 상한값으로서 설정한다(S2-5). 또한, α-ΔT≤β일 경우에는 S2-3으로 되돌아온다.
한편, S2-3에 있어서 검출 온도차 ΔT가 온도차 목표값 α보다 클(ΔT≥α) 경우 히터 제어부(6)는 현재의 출력 상한값으로부터 소정값을 감산하고, 다음 출력 상한값으로서 설정한다(S2-6).
그리고 히터 제어부(6)는 상기에서 설정된 출력 상한값을 바탕으로 하여 히터(3)의 출력을 램프 제어 및 PID 제어한다(S1-2).
<본 실시형태의 효과>
이렇게 구성한 본 실시형태의 기판 가열 시스템(100)에 의하면 히터(3)의 검출 온도 TH와 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP의 검출 온도차 ΔT가 소정 온도차 상한값 TMAX를 초과하지 않도록 히터(3)의 출력을 제어하고 있으므로 톱 플레이트(2)와 히터(3)의 열팽창의 치우침을 저감해서 히터(3)의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 히터 제어부(6)는 히터의 출력을 램프 제어 및 PID 제어하므로 승온 시간을 단축할 수 있다.
<변형 실시형태>
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 히터 제어부(6)는 도 5에 나타내는 바와 같이 온도차 목표값 α를 톱 플레이트(2)의 검출 온도 TP에 의거하여 스위칭하도록 구성해도 좋다. 도 5에서는 검출 온도 TP가 50°에 도달했을 때에 온도차 목표값 α를 α1로부터 α2로 상승시킨 경우를 나타내고 있다.
또한, 히터 제어부(6)는 톱 플레이트의 승온에 있어서 히터의 개시 출력량을 1%로 하는 것 외, 유저가 설정한 개시 출력량으로부터 출력 제어해도 좋고, 도 6에 나타내는 바와 같이 자동 연산에 의해 구한 개시 출력량으로부터 출력 제어해도 좋다.
이하에 도 6에 나타내는 자동 연산에 대해서 설명한다.
개시 출력량의 연산이 개시되면(S3-1) 히터 제어부(6)는 상기 자동 연산에 있어서의 개시 출력을 설정한다(S3-2). 여기에서는 1사이클째는 1%를 설정한다. 1사이클째 이후는 갱신된 값을 설정한다.
이 설정 후에 히터 제어부(6)는 설정된 출력량에 의해 히터(3)를 제어해서 승온을 개시한다(S3-3). 또한, 히터 제어부(6)는 승온 개시로부터 검출 온도차 ΔT가 일정 또는 하강이 될 때까지의 온도차 최대값 γ를 검출해서 저장한다(S3-4). 또한, S3-4에서는 γ는 온도차 상한값 ΔTMAX를 초과하지 않는 것으로 한다.
그리고 히터 제어부(6)는 온도차 목표값 α와 온도차 최대값 γ를 비교한다(S3-5).
이 비교의 결과, 온도차 목표값 α가 온도차 최대값 γ보다 클(α>γ) 경우 현재의 개시 출력에 소정값(예를 들면, 1%)을 가산하여 다음 개시 출력으로 한다(S3-6). 그 후 승온을 종료하고, 톱 플레이트(2)의 검출 온도가 상온(예를 들면, 25℃)까지 내려가면 다시 S3-2부터 실시한다(S3-7).
한편, S3-5에 있어서 온도차 목표값 α가 온도차 최대값 γ보다 작을(α <γ) 경우 승온을 종료한다(S3-8). 이상의 처리를 행함으로써 개시 출력량의 자동 연산이 완료된다(S3-9). 이렇게 개시 출력량을 자동 연산해 둠으로써 승온 개시 직후로부터 히터의 출력량을 일거에 올릴 수 있고, 승온 시간을 단축할 수 있다.
또한, 히터 제어부는 히터의 검출 온도가 소정 히터 온도 상한값을 초과했을 경우 소정 제 1 출력 상한값을 사용하여 상기 히터의 출력을 제어하도록 해도 좋다.
또한, 히터 제어부는 검출 온도차가 온도차 상한값을 초과했을 경우 소정 제 2 출력 상한값을 사용하여 히터의 출력을 제어하도록 해도 좋다.
그 외 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
본 발명에 의하면 톱 플레이트와 히터의 열팽창의 치우침을 저감해서 히터의 파손을 방지할 수 있다.
100: 기판 가열 시스템 W: 기판
2: 톱 플레이트 3: 히터
4: 플레이트 온도 검출부 5: 히터 온도 검출부
6: 히터 제어부

Claims (9)

  1. 기판이 재치되는 톱 플레이트와,
    상기 톱 플레이트의 하면에 설치된 히터와,
    상기 톱 플레이트의 온도를 검출하는 플레이트 온도 검출부와,
    상기 히터의 온도를 검출하는 히터 온도 검출부와,
    상기 히터의 검출 온도와 상기 톱 플레이트의 검출 온도에 의거하여 상기 히터의 출력을 제어하는 히터 제어부를 구비하고,
    상기 히터 제어부는 상기 톱 플레이트의 승온을 개시하여 상기 톱 플레이트의 검출 온도가 소정 설정 온도가 될 때까지 상기 히터의 검출 온도와 상기 톱 플레이트의 검출 온도의 검출 온도차가 소정 온도차 상한값을 초과하지 않도록 상기 히터의 출력을 제어하면서 상기 톱 플레이트의 검출 온도가 상기 소정 설정 온도가 되도록 제어하는 기판 가열 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터 제어부는 상기 검출 온도차에 의거하여 상기 히터의 출력 상한값을 설정하는 기판 가열 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 히터 제어부는 상기 검출 온도차가 소정 온도차 목표값보다 클 경우 현재의 출력 상한값으로부터 소정값을 감산해서 다음 출력 상한값으로서 설정하고, 상기 검출 온도차가 소정 온도차 목표값보다 작을 경우 현재의 출력 상한값으로부터 소정값을 가산하여 다음 출력 상한값으로서 설정하는 기판 가열 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 히터 제어부는 상기 검출 온도차가 소정 온도차 목표값보다 작을 경우에 있어서 상기 온도차 목표값과 상기 검출 온도차의 차가 소정 역치보다 클 경우 현재의 출력 상한값으로부터 소정값을 가산하여 다음 출력 상한값으로서 설정하고, 상기 온도차 목표값과 상기 검출 온도차의 차가 소정 역치보다 작을 경우 현재의 출력 상한값을 변경하지 않는 기판 가열 시스템.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 히터 제어부는 상기 온도차 목표값을 상기 톱 플레이트의 검출 온도에 의거하여 스위칭하는 기판 가열 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터 제어부는 상기 톱 플레이트의 검출 온도가 상기 설정 온도로부터 소정 온도를 뺀 역치 온도보다 낮을 경우 상기 검출 온도차가 상기 온도차 상한값을 초과하지 않도록 상기 히터의 출력을 제어하고, 상기 톱 플레이트의 검출 온도가 상기 역치 온도보다 높을 경우 상기 톱 플레이트의 검출 온도가 상기 설정 온도가 되도록 제어하는 기판 가열 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터 제어부는 상기 히터의 검출 온도가 소정 히터 온도 상한값을 초과했을 경우 소정 제 1 출력 상한값을 사용하여 상기 히터의 출력을 제어하는 기판 가열 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터 제어부는 상기 검출 온도차가 상기 온도차 상한값을 초과했을 경우 소정 제 2 출력 상한값을 사용하여 상기 히터의 출력을 제어하는 기판 가열 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 기판 가열 시스템을 사용한 기판 처리 장치.
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