KR20010004005A - 비접촉 온도 계측 장치 및 이를 이용한 히터 제어 시스템 - Google Patents

비접촉 온도 계측 장치 및 이를 이용한 히터 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 메모리 제작 공정에 있어서, 비접촉 온도 계측 장치를 이용하여 히터의 온도와 표면 상태를 감지하고 히터에 공급되는 전원을 제어하기 위한 히터 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 반응기 내부의 히터 온도와 표면 상태를 감지하기 위한 비접촉 온도 계측 장치에 있어서, 반응기 외부에 설치되어 반응기 내부를 계측하기 위한 비접촉 온도 센서 유닛; 상기 비접촉 온도 센서 유닛에서 감지된 신호를 증폭하기 위한 증폭부; 상기 증폭부의 신호를 특정 주파수의 범위로 제한하기 위한 필터부; 상기 비접촉 온도 센서 유닛을 구성하는 초퍼의 온도 변동에 따른 보정을 수행하는 온도 보정부; 상기 필터부와 온도 보정부의 출력 신호를 합산하기 위한 혼합부; 및, 상기 혼합부의 출력 신호를 표시하기 위한 디스플레이를 포함한다.
본 발명은 비접촉 온도 계측 장치를 이용하여 히터의 온도와 표면 상태를 감지하고 히터에 공급되는 전원을 제어하기 위한 히터 제어 시스템에 있어서, 상기 비접촉 온도 계측 장치와; 상기 비접촉 온도 계측 장치의 출력 신호에 따라 히터의 온도를 제어하기 위한 히터 제어부를 포함한다.

Description

비접촉 온도 계측 장치 및 이를 이용한 히터 제어 시스템{Temperature detector and heater control system with non-contact sense}
본 발명은 반도체 메모리 제작 공정에 관한 것으로서, 비접촉 온도 계측 장치를 사용하여 히터의 온도와 표면 상태를 감지하고 히터에 공급되는 전원을 제어하기 위한 히터 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제작 공정에 있어서 반응기 내부의 온도를 측정하기 위한 열전쌍(Thermocouple)은 반응기 내부에 설치되어 직접 반응기 내부의 온도를 측정하게 된다. 그러나, 반응기가 작동하는 동안에 발생한 부산물(By-product)이 열전쌍에 증착되고, 이렇게 증착된 부산물을 제거하기 위해서 반응 과정이 끝난 후에 세척 과정(Clean Step)을 거치게 된다.
상기 세척 과정(Clean Step)에서는 자동 세척(Auto Clean)을 통해 반응기 내부를 세척하며, 세척 정도를 판단하기 위해 끝점 감지기(End Point Detector)를 사용한다. 세척에 사용하는 세척 가스(Clean Gas)는 주로 NF3, CF4등을 사용하는데, 상기 끝점 감지기는 NF3, CF4등의 세척 가스가 반응한 후에 잔존하는 플루오르(F)의 성분을 분석함으로써 세척 상태를 판단한다.
그러나, 상기와 같이 반응기 내부에 설치된 열전쌍은 반응이 진행됨에 따라 증착된 부산물에 의해서 감도(Sensibility)가 떨어지게 되고, 결국 열전쌍에 의해 측정된 온도는 정확한 값을 가지지 못한다.
또한, 상기 끝점 감지기에 의한 분석 방법은 세척 가스 성분을 분석하여 세척 여부를 판정하기 때문에 히터의 상태를 직접 알 수 없으며, 반응이 모두 끝난 상태에서 성분 분석을 하기 때문에 반응이 일어나고 있는 동안의 히터의 상태를 파악할 수 없게 된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 반응기 외부에 설치되어 반응기 내부의 히터 온도와 표면 상태를 감지하기 위한 비접촉 온도 계측 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 상기 비접촉 온도 계측 장치를 이용하여 히터의 온도와 표면 상태를 감지하고 히터에 공급되는 전원을 제어하기 위한 히터 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 온도 계측 장치의 블록도,
도 2는 상기 도 1의 비접촉 온도 계측 장치의 회로도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상기 도 1의 비접촉 온도 계측 장치를 이용한 히터 제어 시스템의 블록도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 명칭)
100: 비접촉 온도 계측 장치 200: 히터 제어부
10: 비접촉 온도 센서 유닛 20: 증폭부
30: 필터부 40: 온도 보정부
50: 혼합부 60: 디스플레이
110: 교류 전원 공급부 120: 변압기
130: 온도 제어부 140: 정류기
1: 히터 2: 계측 창
11: 센서 12: 초퍼
13: 다이오드 OP1, ... , OP4: OP 앰프
R1, ... , R18: 저항 VR1, VR2, VR3: 가변 저항
C1, ... , C4: 커패시터 D1, ... , D4: 다이오드
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 비접촉 온도 계측 장치에 있어서, 반응기 외부에 설치되어 반응기 내부를 계측하기 위한 비접촉 온도 센서 유닛(Sensor Unit); 상기 비접촉 온도 센서 유닛에서 감지된 신호를 증폭하기 위한 증폭부; 상기 증폭부의 신호를 특정 주파수의 범위로 제한하기 위한 필터(Filter)부; 상기 비접촉 온도 센서 유닛을 구성하는 초퍼(chopper)의 온도 변동에 따른 보정을 수행하는 온도 보정부; 상기 필터부와 온도 보정부의 출력 신호를 합산하기 위한 혼합부; 및, 상기 혼합부의 출력 신호를 표시하기 위한 디스플레이(Display)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 히터 감지 시스템에 있어서, 비접촉 온도 계측 장치와; 상기 비접촉 온도 계측 장치의 출력 신호에 따라 히터의 온도를 제어하기 위한 히터 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 히터 제어부는 교류 전원을 공급하는 교류 전원 공급부(AC Power Supply); 상기 교류 전원의 크기를 변환하는 변압기(Transformer); 상기 비접촉 온도 계측 장치의 출력 신호에 따라 히터의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부; 및 상기 변압기 출력 신호와 온도 제어부 출력 신호에 따라 히터에 인가되는 전압을 조절하는 정류기(Rectifier)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 온도 계측 장치의 블록도를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비접촉 온도 계측 장치(100)는 반응기 외부에 설치되어 반응기 내부를 계측하기 위한 비접촉 온도 센서 유닛(10)과; 비접촉 센서 유닛(10)의 센서(11)가 감지한 신호를 증폭하기 위한 증폭부(20)와; 상기 증폭부(20)에서 출력된 신호를 특정 주파수의 범위로 제한하기 위한 필터부(30)와; 상기 비접촉 센서 유닛(10)의 초퍼의 온도 변동에 따른 보정을 수행하는 온도 보정부(40)와; 상기 필터부(30) 및 온도 보정부(40)의 출력 신호를 합산하기 위한 혼합부(50)와; 상기 혼합부(50)의 출력 신호를 표시하기 위한 디스플레이(60)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 비접촉 온도 센서 유닛(10)은 계측창(View Port: 2)을 통하여 반응기 내부의 히터(1)를 관측하기 위한 센서(11)와; 감지된 온도의 에너지 변화를 만들어내기 위한 초퍼(12)와; 신호 흐름을 제어하기 위한 다이오드(13)로 구성된다. 이 때, 상기 센서(11)에서 감지된 신호는 수 헤르쯔(Hertz: Hz)의 주파수를 가지는 출력 신호로 전환되어 증폭부(20)로 제공되며, 상기 다이오드(13)의 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 단자는 온도 보정부(40)에 연결된다.
적외선 센서는 방사 에너지의 양과 피측정물 사이의 온도 차이인 에너지 차이를 보정하여 출력하는 미분형 센서(Differential Sensor)이므로 정상 온도 또는 서서히 변화하는 물체를 감지(Sensing)할 수 없어서, 센서 앞에 초퍼를 붙이고 강제적으로 온도에 따른 에너지 변화를 만들어 준다. 이 때, 상기와 같은 초퍼를 내장한 형태가 비접촉 센서 유닛(10)으로 스테핑 모터 구동 방식과 압전 바이모-프(Bimorph) 진동자에 의한 방식이 있다.
도 2는 상기 도 1의 비접촉 온도 계측 장치(100)의 회로도를 도시한 것이다.
상기 비접촉 온도 센서 유닛(10)은 계측창(2)을 통하여 반응기 내부의 히터(1)의 방사 에너지 변화를 감지한다. 센서(11)에 의해 감지된 센서 신호(S)는 증폭부(20)로 전달되고, 다이오드(13)의 애노드 단자(A)와 캐소드 단자(C)는 온도 보정부(40)에 연결된다.
상기 증폭부(20)는 반전 증폭(Inverting Amplifier)을 수행하는 OP 앰프(Operational Amplifier: OP1)로 구성되는데, 직류 성분을 차단하기 위한 커패시터(Capacitor: C1)와 센서 신호를 증폭하기 위한 저항(R1, R2, R3) 및 출력 전압을 분배하기 위한 저항(R4)과 가변 저항(VR1)으로 이루어 진다. 상기 OP 앰프(OP1)의 입력단에는 다이오드(D1, D2)가 설치되어서 전류가 양방향으로 모두 흐를 수 있도록 하고 있다. 상기 증폭부(20)의 전압 이득은 (R1 + R3)/R2의 값을 갖는다.
상기 필터부(30)는 특정 주파수의 범위로 제한할 수 있는데, 본 발명에서는 반도체 제조 공정에 사용되는 저 주파수(Low Frequency)의 신호를 통과시키는 저역 통과 필터(Low Pass Filter)로 구성하였다. OP 앰프(OP2)의 비반전 입력 단자(Noninverting Input: +)에 연결되는 저항(R5, R6)은 같은 값을 갖고, 반전 입력 단자(Inverting Input: -)에 연결되는 저항(R7)은 비반전 입력 단자의 저항(R5, R6)의 2 배 정도의 값을 가진다. 입력 단의 커패시터(C2)도 비반전 입력단의 커패시터(C3)의 2 배 정도의 값을 가진다.
본 발명에서는 9 헤르쯔(Hz) 정도의 컷-오프(Cut-Off) 주파수를 설정하기 위하여, R5 = 100㏀, R6 = 100㏀, R7 = 220㏀, C2 = 0.24㎌, C3 = 0.12㎌의 값으로 설정하였다. 이 때, 컷-오프 주파수(fc)는 1/(2π(R5)(C3))가 되어 fc = 1/(2×3.14×105×0.12×10-6) = 9.383 Hz가 된다.
상기 온도 보정부(40)는 12 볼트의 직류 전원(Vcc)과 상기 비접촉 온도 센서 유닛(10)를 구성하는 다이오드(13)의 애노드 단자(A)와 캐소드 단자(C)를 입력으로 하여 초퍼(12)의 온도 변화에 따른 출력 신호(Vout)의 변화를 보정하기 위한 것으로서 초퍼(12)의 온도 변화가 필터부(30)의 신호와 함께 혼합부(50)로 전달된다. 상기 온도 보정부(40)는 OP 앰프(OP4)와 다수의 저항(R12, ... , R18)과 가변 저항(VR2, VR3) 및 커패시터(C4) 그리고 다이오드(D3, D4)로 이루어진다. 비접촉 온도 센서 유닛(10)을 구성하는 다이오드의 애노드 단자(A)와 캐소드 단자(C)의 신호 차이를 증폭하여 이를 혼합부(50)로 제공하는 것으로서, 상기 가변 저항(VR2, VR3)을 조정하여 출력 전압을 조절할 수 있다.
상기 혼합부(50)는 상기 필터부(30)의 출력 신호와 온도 보정부(40)의 출력 신호를 병렬로 입력받아 이를 단순 합산하는 비반전 합산 회로(Noninverting Summing Circuit)이다. 상기 필터부(30)의 출력 신호와 온도 보정부(40)의 출력 신호는 각각 저항(R8, R9)을 통하여 입력되는데 각각의 저항(R8, R9, R10, R11)은 값이 동일하다.
이 때, 저항값이 동일하므로 전압 이득은 (R10 + R11)/R10 = 2 가 되지만 비반전 입력 단자(+)의 전압(Vi)이 상기 필터부(30)의 출력 전압(Vf)과 온도 보정부(40)의 출력 전압(Vc)의 합의 절반((Vf + Vc)/2)이 되기 때문에 상기 혼합부(50)의 출력 전압(Vout)은 필터부(30)의 출력 전압(Vf)과 온도 보정부(40)의 출력 전압(Vc)의 합이 된다.
상기 혼합부(50)의 출력 신호(Vout)을 화면에 표시하여 직접 관찰할 수 있도록 디스플레이(60)를 설치한다.
상기의 비접촉 온도 계측 장치(100)를 이용하여 반응기 내부의 히터의 온도와 표면 상태를 감지하고 이를 제어하기 위한 히터 제어 시스템을 도 3에 도시하였다. 도 3을 참조하면, 히터 제어 시스템은 상기 도 1의 비접촉 온도 계측 장치(100)와; 상기 비접촉 온도 계측 장치(100)를 통하여 감지한 히터의 온도에 따라 상기 히터에 공급되는 전압을 제어하기 위한 히터 제어부(200)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 히터 제어부(200)는 교류 전원을 공급하는 교류 전원 공급부(110); 상기 교류 전원을 변환하는 변압기(120); 상기 비접촉 온도 계측 장치(100)의 출력 신호에 따라 히터의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부(130); 및 상기 변압기(120) 출력 신호와 온도 제어부(130) 출력 신호에 따라 히터에 인가되는 전압을 조절하는 정류기(140)로 구성된다.
먼저, 히터(1)의 표면 상태가 양호할 때, 증폭부(20)의 가변 저항(VR1)과 온도 보정부(40)의 가변 저항(VR2, VR3)을 조정하여 혼합부(50) 출력 전압을 설정하고 이를 기록한다. 반응 공정에 의해서 히터(1)에 부산물이 증착하지 않은 경우에는 다이오드(13)를 통한 온도 보정부(40)에 출력 전압이 나타나지 않게 되어 혼합부(50)에서는 초기에 설정한 필터부(30)의 출력 전압 만이 나타나게 된다. 그러나, 반응 공정에서 히터(1)에 부산물이 증착하게 되면, 히터(1)의 방사 에너지량이 변화하게 되고, 다이오드(13)를 통한 온도 보정부(40)에서 전압이 발생하여 혼합부(50)의 출력 전압이 변화하게 된다.
온도 제어부(130)에서는 혼합부(50)의 출력 전압과 히터(1)의 표면 상태가 양호할 때 기록해둔 값과 비교하여 상기 두 값이 동일하면, 정류기(140)는 더 이상 히터(1)에 교류 전원을 공급하지 않는다. 반면에, 혼합부(50)의 출력 전압이 증가하게 되면, 히터(1)에 부산물이 증착했음을 알 수 있고 정류기(140)는 증가한 전압에 해당하는 만큼의 교류 전원을 히터(1)에 공급하게 된다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명의 비접촉 온도 계측 장치 및 이를 이용한 히터 제어 시스템에 따르면, 반응기 외부에 비접촉 온도 계측 장치를 설치하여 히터의 온도 및 표면 상태를 감지함으로써 열전쌍을 반응기 내부에 설치하지 않고도 히터에 부산물이 증착했는지를 알 수 있다.
따라서, 반응과정에서 열전쌍에 부산물이 증착되지 않기 때문에 열전쌍의 수명을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 반응기가 작동 중인 상태에서 비접촉 온도 센서 유닛을 이용하여 히터의 상태를 감지함으로써, 반응기 동작 상의 실제 온도를 측정할 수 있어서 반도체 제조 공정에서 나타나는 불순물의 영향을 줄일 수 있는 이점이 있다.
상기 비접촉 온도 센서는 비접촉식 적외선 센서 대신에 광 파이버 센서를 사용할 수도 있다.
이하, 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (14)

  1. 반응기 내부의 히터의 온도와 표면 상태를 감지하기 위한 비접촉 온도 계측 장치에 있어서,
    반응기 외부에 설치되어 반응기 내부를 계측하기 위한 비접촉 온도 센서 유닛;
    상기 비접촉 온도 센서 유닛에서 감지된 신호를 증폭하기 위한 증폭부;
    상기 증폭부의 신호를 특정 주파수의 범위로 제한하기 위한 필터부;
    상기 비접촉 온도 센서 유닛을 구성하는 초퍼의 온도 변동에 따른 보정을 수행하는 온도 보정부;
    상기 필터부와 온도 보정부의 출력 신호를 합산하기 위한 혼합부; 및,
    상기 혼합부의 출력 신호를 표시하기 위한 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 비접촉 온도 센서 유닛은
    비접촉식 적외선 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 비접촉 온도 센서 유닛은
    광 파이버 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 증폭부는
    반전 증폭을 수행하는 OP 앰프;
    직류 성분을 차단하기 위해서 상기 OP 앰프의 반전 입력 단자에 연결되는 커패시터;
    상기 비접촉 온도 센서 유닛의 센서 신호를 증폭하기 위한 다수의 저항; 및,
    출력 전압을 분배하기 위하여 직렬로 연결된 저항 및 가변 저항으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 필터부는
    저 주파수를 통과시키기 위한 OP 앰프의 비반전 입력 단자에 연결되는 저항과;
    반전 입력 단자에 연결되는 저항과;
    상기 두 저항 사이에 연결된 커패시터와;
    비반전 입력 단자와 접지 사이의 커패시터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 필터부는
    10 헤르쯔 미만의 주파수를 통과시키는 저역 통과 필터인 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 보정부는
    12 볼트의 직류 전원과 상기 비접촉 온도 센서 유닛을 구성하는 다이오드의 애노드 단자와 캐소드 단자를 입력으로 하고
    OP 앰프와 다수의 저항과 가변 저항 및 커패시터 그리고 다이오드로 이루어져서,
    상기 가변 저항을 조정함으로써 비접촉 온도 센서 유닛을 구성하는 다이오드의 애노드와 캐소드의 신호 차이를 증폭하여 출력 전압을 조절하는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합부는
    상기 필터부의 출력 신호와 온도 보정부의 출력 신호가 각각 저항을 통하여 병렬로 입력되고,
    입력 신호를 증폭하기 위한 저항이 연결되어서
    상기의 입력된 신호를 단순 합산하는 비반전 합산 회로인 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 회로.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 디스플레이는
    상기 혼합부의 출력 신호를 화면에 표시하여 직접 관찰할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치.
  10. 비접촉 온도 계측 장치를 이용하여 히터의 온도와 표면 상태를 감지하고 이를 제어하기 위한 히터 제어 시스템에 있어서,
    비접촉 온도 계측 장치와;
    상기 비접촉 온도 계측 장치의 출력 신호에 따라 히터의 온도를 제어하기 위한 히터 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치를 이용한 히터 제어 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 비접촉 온도 계측 장치는
    상기 제 1 항의 비접촉 온도 계측 장치인 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치를 이용한 히터 제어 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 히터 제어부는
    교류 전원을 공급하는 교류 전원 공급부;
    상기 교류 전원을 변환하는 변압기;
    상기 비접촉 온도 계측 장치의 출력 신호에 따라 히터의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부; 및,
    상기 변압기 출력 신호와 온도 제어부 출력 신호에 따라 히터에 인가되는 전압을 조절하는 정류기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치를 이용한 히터 제어 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 온도 제어부는
    히터의 표면 상태가 양호할 때 기록해둔 값과 상기 혼합부의 출력 전압을 비교하여 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치를 이용한 히터 제어 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 정류기는
    상기 온도 제어부에서 비교한 두 값이 동일하면, 히터에 교류 전원을 공급하지 않고,
    상기 두 값이 동일하지 않으면, 교류 전원을 히터에 공급하는 것을 특징으로 하는 비접촉 온도 계측 장치를 이용한 히터 제어 시스템.
KR1019990024590A 1999-06-28 1999-06-28 비접촉 온도 계측 장치 및 이를 이용한 히터 제어 시스템 KR100701677B1 (ko)

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