KR20010067027A - 급속열처리 장치용 온도제어기 - Google Patents

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Abstract

급속열처리 장치용 온도제어기에 관하여 개시한다. 본 발명의 급속열처리 장치용 온도제어기는, 웨이퍼의 온도를 측정하는 파이로미터 및 파이로미터 판독기와; 웨이퍼의 온도를 측정하는 보조 온도 측정장치와; 파이로미터 판독기 및 보조 온도 측정장치로부터 측정된 각각의 온도를 입력받아, 파이로미터 판독기 및 상기 보조 온도 측정장치로부터 입력된 각각의 온도와 설정된 공정 온도를 비교 분석하여 데이터를 발생시키고 공정 중지 신호 및 경고 신호를 발생시키는 분석기와; 분석기로부터 데이터를 입력받아 열원장치로 공급되는 전력의 세기를 조절하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 급속열처리 공정을 진행하는 동안 웨이퍼의 온도와 설정된 공정 온도를 비교 분석하여 데이터를 발생시켜 모니터링 할 수 있을 뿐 만 아니라, 공정에 문제가 발생할 경우에 경고 신호 및 공정 중지 신호를 발생시킴으로써 문제가 발생된 상태에서 공정이 계속 진행되는 방지하게 되어 반도체의 생산 수율을 향상시킬 수 있고, 또한, 파이로미터로부터 측정되는 온도의 오차를 파악할 수 있으므로 파이로미터로부터 온도가 잘못 측정됨으로써 발생되는 문제점을 미연에 방지할 수 있다.

Description

급속열처리 장치용 온도제어기 {Temperature Controller for Rapid Thermal Process Apparatus}
본 발명은 급속열처리 장치용 온도제어기에 관한 것으로 특히, 급속 열처리 공정 진행 중에 발생되는 문제점들을 모니터링 할 수 있는 급속열처리 장치용 온도제어기에 관한 것이다.
최근 반도체 장치의 고집적화와 함께 반도체 소자에 사용되는 웨이퍼의 구경이 점점 커지고 있는 반면, 반도체 소자의 제조시 열적 예산(Thermal Budget)은 낮아지는 관계로 반도체 소자의 제조에 급속열처리가 많이 이용되고 있다. 이와 같이 급속열처리를 함에 있어서, 웨이퍼의 모든 면적에 걸친 온도균일성은 웨이퍼에 주입된 불순물층의 균일한 확산과 산화막과 같은 물질막을 균일하게 성장시키기 위하여 매우 중요하다.
도 1a는 종래 급속열처리 장치를 설명하기 위한 개략도이고, 도 1b는 도 1a에 따른 급속열처리 장치에서 온도 제어기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1a를 참조하면, 급속열처리 장치는 열원장치(20), 석영창(30) 또는 석영챔버, 파이로미터(41)로 이루어진 온도측정부 및 온도제어부로 구성된 온도제어기, 및 가스공급부 등으로 이루어진다.
열원장치(20)로는 텅스텐-할로겐 램프가 주로 사용되며, 텅스텐-할로겐 램프로부터 방사되는 적외선에 의하여 웨이퍼(10)를 가열하게 된다. 석영창(30) 또는석영챔버는 대기로부터 워이퍼(10)를 분리시켜 급속열처리 공정을 진행하는 동한 일정한 분위기를 유지시켜 주고 대기 중의 먼지 등의 오염물질로부터 웨이퍼(10)를 보호하는 한편, 열원장치(20)로부터 방사되는 적외선을 투과시켜주는 역할을 한다.
온도측정부는 비접촉 방식으로 웨이퍼(10)의 온도를 빠르게 측정하기 위하여 주로 파이로미터(Pyrometer)(41)가 사용된다. 파이로미터(41)는 웨이퍼(10)가 가열되어 방출하는 특정 파장의 세기 검출하게 된다.
도 1b를 참조하면, 파이로미터(41)에 의하여 검출된 파장은 파이로미터 판독기(42)에 의하여 온도로 판독되고, 판독된 온도가 온도제어부(50)에 입력되면 온도제어부(50)에서는 설정된 공정 조건 즉, 레시피(Recipe)에서 지정하는 온도와 웨이퍼(10)의 온도를 맞추기 위하여 비교 제어값을 출력하게 된다. 파워 콘트롤러(60)에서는 온도제어부(50)에서 출력된 신호를 입력받아 제어된 전력을 열원장치(20)로 공급하게 된다.
이와 같은 급속열처리 장치에 있어서 웨이퍼의 온도를 정확히 측정하는 것은 급속열처리 공정의 신뢰성과 반도체장치의 질을 결정하는 매우 중요한 요소이므로 파이로미터의 성능은 매우 중요하다. 하지만, 파이로미터는 공정을 진행하는 동안의 웨이퍼 상태 즉, 온도에 따른 방사율(Emissivity), 챔버의 기하학적 특성, 파이로미터의 스펙트럼 파장, 및 웨이퍼 상에 형성된 박막의 종류 및 두께에 의하여 매우 민감하게 동작한다.
따라서, 공정 진행 중의 여러 조건에 의하여 파이로미터에서 검출되는 온도가 변화하게 될 뿐 만 아니라, 파이로미터와 웨이퍼와의 거리, 파이로미터에서 측정 부분의 오염 등으로 온도에 대한 오차 범위가 ±1℃ 이하인 정확도를 유지해야 하는 급속열처리 공정에서 웨이퍼 상의 온도 균일도나 웨이퍼 간의 온도 균일도 형성에 많은 장애를 유발하고 있다. 따라서, 초기 설치시 및 챔버를 클린링 하기 위하여 파이로미터를 챔버로부터 분리 한 후 다시 장착하는 등의 공정 뿐 만 이나라, 정기적으로 오차 보정 절차가 필요하게 된다.
그런데, 파이로미터의 정기적인 오차 보정 절차를 실시함에도 불구하고 파이로미터를 사용하여 온도를 검출함에 있어서 검출되는 온도의 오차에 의하여 많은 문제점이 야기되고 있다. 이것은 급속열처리 공정의 특성 상 급속열처리 공정 직후에 공정의 결과를 직접 확인할 수 없고 후 공정으로 넘어간 웨이퍼가 최종 완성된 다음에야 열처리 공정의 문제점을 발견할 수 있기 때문이다. 따라서, 이것은 웨이퍼 생산수율을 향상시키는 데 있어서 커다란 걸림돌로 작용하고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열처리 공정을 진행하는 동안 웨이퍼의 온도와 설정된 공정 온도를 모니터링 할 수 있을 뿐 만 아니라 파이로미터로부터 측정되는 온도의 오차를 파악할 수 있는 급속열처리 장치용 온도제어기를 제공하는 데 있다.
도 1a는 종래 급속열처리 장치를 설명하기 위한 개략도;
도 1b는 도 1a에 따른 급속열처리 장치에서 온도 제어기를 설명하기 위한 개략도;
도 2a는 본 발명의 급속열처리 장치용 온도제어기를 설명하기 위한 개략도;
도 2b 및 2c는 도 2a에 따른 급속열처리 장치용 온도제어기에서 파이로미터로부터 측정된 시간에 대한 온도 변화와 열전대에서 측정된 시간에 대한 온도 변화를 나타낸 각각의 그래프이다.
* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
110 : 파이로미터 120 : 파이로미터 판독기
210 : 열전대 220 : 열전대 컨버터
300 : 분석기
410 : 메인제어기 420 : 파워 제어기
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 급속열처리 장치용 온도제어기는, 웨이퍼의 온도를 측정하는 파이로미터 및 파이로미터 판독기와; 웨이퍼의 온도를 측정하는 보조 온도 측정장치와; 상기 파이로미터 판독기 및 보조 온도 측정장치로부터 측정된 각각의 온도를 입력받아, 상기 파이로미터 판독기 및 상기 보조 온도 측정장치로부터 입력된 각각의 온도와 설정된 공정 온도를 비교 분석하여 데이터를 발생시키고 공정 중지 신호 및 경고 신호를 발생시키는 분석기와; 상기 분석기로부터 데이터를 입력받아 상기 열원장치로 공급되는 전력의 세기를 조절하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 보조 온도 측정장치는 열전대 및 열전대 컨버터로 이루어져도 좋다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 2a는 본 발명의 급속열처리 장치용 온도제어기를 설명하기 위한 개략도이고, 도 2b 및 2c는 도 2a에 따른 급속열처리 장치용 온도제어기에서 설정된 공정 조건 즉, 시간에 대한 온도 변화율과 열전대에서 측정된 시간에 대한 온도 변화를 나타낸 각각의 그래프이다.
도 2a를 참조하면, 파이로미터(110)와 열전대(210)가 급속열처리 장치에 안착된 웨이퍼(10)로부터 이격되어 설치되며, 파이로미터(110)에는 파이로미터 판독기(120)가 설치되고, 열전대(210)에는 열전대 컨버터(220)가 설치된다. 일반적으로 열전대(210)는 웨이퍼(10)에 접촉되어 설치되지만, 파이로미터(110)에서 측정되는온도와 열전대(210)에서 측정된 온도에 일정한 편차를 발생시킬 뿐 만 아니라 회전하는 웨이퍼(10)로부터 온도를 용이하게 검출하며 접촉에 의해 발생되는 부수적인 문제점들을 방지하기 위하여 열전대(210)를 웨이퍼(10)로부터 이격시켜 설치한다. 파이로미터(110)에서 측정되는 웨이퍼(10)의 파장은 파이로미터 판독기(120)에서 온도로 판독되고, 열전대(210)에서 발생되는 기전력은 열전대 컨버터(220)에서 온도로 변환된다. 파이로미터 판독기(120) 및 열전대 컨버터(220)에서 판독 및 변환된 온도는 각각 온도 분석기(300)로 입력된다. 이 때, 파이로미터 판독기(120)에서 판독된 온도와 열전대 컨버터(220)에서 변환된 온도는 일정한 편차가 있게 된다.
도 2a에서 참조 부호 'A'는 열전대(210)의 확대도이다. 참조 부호 'A'를 참조하면, 열전대(210)는 열전대 소선(211)과, 열전대 소선(211)을 감싸주는 열전대 보호막(212)과, 열전대 소선(211)의 일단과 연결되는 열전대 보상 도선(214)과, 열전대 소선(211)을 외부와 차단시키기 위하여 열전대 소선(211)과 열전대 보상 도선(214)의 연결 부위에 설치되는 실링 컨넥터(213)와, 열전대 보상 도선(214)과 연결되어 열전대 보상 도선(214)으로부터 출력되는 신호를 열전대 컨버터(220)로 전달하는 열전대 컨넥터(215)로 이루어진다. 여기서, 열전대 보호막(212)은 열전대 소선(211)의 반응속도를 연장시키지 않으면서 산화 및 고온에 견딜 수 있는 물질을 사용함으로써 챔버 내부의 가스에 의하여 열전대 소선(211)이 열화 및 산화되는 것을 방지한다.
분석기(300)에서는 분석기(300)로 입력된 각각의 온도들을 미리 설정된 공정 조건 예컨대, 시간에 대한 온도 변화 등과 비교 분석하여 데이터를 발생시킨 다음메인제어기(410)로 데이터를 출력시킨다. 그리고, 분석된 데이터들이 분석기(300)에 모니터링 된다. 한편, 분석기(300)에서는 설정된 공정 시간에 대한 온도 변화와 공정 초기에서부터 공정을 진행하는 동안 파이로미터(110) 및 열전대(210)에서 측정되는 시간에 대한 온도 변화를 비교 분석하여 이상이 발생하게 되면 공정 중지 신호 및 경고 신호를 발생시키게 된다. 이와 같이, 분석기(300)에서 경고 신호 또는 공정 중지 신호를 공정에 문제가 발생하였을 때 발생시킴으로써 문제가 생긴 상태에서 공정이 계속 진행되는 것을 방지하게 된다.
예를 들어, 도 2b를 참조하여 설정된 공정 조건 즉, 파이로미터로부터 측정된 시간에 대한 온도 변화율을 나타낸 그래프(ⓐ)와 열전대에서의 온도 변화율을 나타낸 그래프(ⓑ)를 비교하면, 특정한 시간대(A)에서 열전대로부터 측정된 온도가 설정된 공정 조건에서 지정하는 온도와 일정한 편차를 나타낸다. 이 편차는 열전대의 구성방법, 구조, 재질, 및 웨이퍼와의 거리 등에 따라 변화될 수 있다. 예를 들어, 'A'구간에서의 열전대로부터 측정된 온도와 파이로미터로부터 측정된 온도를 비교하여 공정의 감시를 할 경우에 'A'구간에서의 열전대로부터 측정될 온도는 미리 실험에 의하여 도출하고, 그 온도와 허용 오차 범위 및 경고 범위의 값을 분석기(300)에 지정한다.
도 2c는 도 2b에 따른 그래프에서 'A'구간의 확대도이다. 도 2c에서 ⓐ 및 ⓑ는 도 2b와 마찬가지로 'A'구간에서 파이로미터 및 열전대로부터 측정된 온도를 각각 나타내는 그래프이다. 그리고, 도 2c의 ⓑ 그래프를 중심으로 하여 상하로 형성된 참조 부호 ①은 허용 범위 영역이고, ②는 경고 신호 발생 영역이다.
도 2c를 참조하면, 분석기에서 지정된 열전대의 온도는 450℃이며 그 허용 범위(①)는 ±10℃로서 440∼460℃이다. 그리고, 경고 신호 발생 영역(②)은 420∼440℃ 및 460∼480℃이며, 공정 중지 신호 발생 영역은 420℃이하 및 480℃이상이다. 따라서, 공정 진행 중에 분석기는 지정된 'A'구간의 온도(450℃)와 열전대로부터 측정된 온도를 비교 분석하여 공정의 계속 진행 여부 및 경고 신호 또는 공정 중지 신호의 발생 여부를 판단하게 된다.
만약 'A'구간에서 열전대로부터 측정된 온도가 허용범위(①)를 벗어나 경고 신호 발생 영역(②)에 들어갈 경우 공정 상의 심각한 문제는 없으나 설비를 점검할 필요가 있으므로 분석기에서는 경고 신호를 발생시키되 공정은 계속 진행된다. 그리고, 열전대에서 측정되는 온도가 공정 중지 신호 발생 영역으로 들어갈 경우에는 분석기에서는 공정 중지 신호를 발생시키고 공정을 중지시키게 된다. 이 때, 사용자는 생산을 위한 공정을 중지시키고 장비의 온도 측정 및 제어 부분을 점검, 조치하게 된다.
이와 같이, 파이로미터에서 측정된 온도와 열전대에서 측정된 온도를 분석하여 경고 신호 및 공정 중지 신호를 발생시킴으로써 후공정의 진행 없이 곧바로 파이로미터의 보정 절차를 수행하게 된다.
한편, 본 실시예에서는 설정된 공정 조건 중에서 파이로미터와 열전대로부터 측정되는 온도의 편차와 허용되는 특정 온도 범위를 이용하여 경고 신호 또는 공정 중지 신호를 발생시켰지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
다시 도 2a를 참조하면, 메인제어기(410)는 분석기(300)로부터 데이터를 입력받아 열원장치(20)로 공급되는 전력의 세기를 조절하는 신호를 발생시키면, 파워제어기(420)에서는 메인제어기(410)로부터 신호를 입력받아 열원장치(20)로 공급되는 전력을 증감시킴으로써 기판(10)의 온도를 설정된 공정 조건으로 유지시키게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 급속열처리 장치용 온도제어기에 의하면, 급속열처리 공정을 진행하는 동안 웨이퍼의 온도와 설정된 공정 온도를 비교 분석하여 데이터를 발생시켜 모니터링 할 수 있을 뿐 만 아니라, 공정에 문제가 발생할 경우에 경고 신호 및 공정 중지 신호를 발생시킴으로써 문제가 발생된 상태에서 공정이 계속 진행되는 방지하게 되어 반도체의 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 파이로미터로부터 측정되는 온도의 오차를 파악할 수 있으므로 파이로미터로부터 온도가 잘못 측정됨으로써 발생되는 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (4)

  1. 열원장치에 의하여 웨이퍼를 설정된 공정 온도로 설정된 시간 동안 급속열처리하는 급속열처리 장치용 온도제어기에 있어서;
    상기 웨이퍼의 온도를 측정하는 파이로미터 및 파이로미터 판독기와;
    상기 웨이퍼의 온도를 측정하는 보조 온도 측정장치와;
    상기 파이로미터 판독기 및 보조 온도 측정장치로부터 측정된 각각의 온도를 입력받아, 상기 파이로미터 판독기 및 상기 보조 온도 측정장치로부터 입력된 각각의 온도와 상기 설정된 공정 온도를 비교 분석하여 데이터를 발생시키고 공정 중지 신호 및 경고 신호를 발생시키는 분석기와;
    상기 분석기로부터 데이터를 입력받아 상기 열원장치로 공급되는 전력의 세기를 조절하는 제어기를 구비하는 급속열처리 장치용 온도제어기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 파이로미터에 의하여 측정된 온도와 상기 보조 온도 측정장치에 의하여 측정된 온도에 일정한 편차가 발생하도록 상기 보조 온도 측정장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치용 온도제어기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 보조 온도 측정장치는 열전대 및 열전대 컨버터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치용 온도제어기.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 분석기는 상기 파이로미터에 의하여 측정된 온도와 상기 보조 온도 측정장치에 의하여 측정된 온도가 일정한 편차를 벗어나는 경우에 공정 중지 신호 및 경고 신호를 더 발생시키는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치용 온도제어기.
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