KR20010090716A

KR20010090716A - 기판 온도 측정 시스템 및 온도 측정값 조절 방법

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Publication number: KR20010090716A
Application number: KR1020017001931A
Authority: KR
Inventors: 볼프강 에더홀드; 아브히라쉬 제이. 마이어; 피터 에이. 크누트
Original assignee: 조셉 제이. 스위니; 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 1998-08-14
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2001-10-19
Also published as: DE69930649D1; ATE321999T1; DE69930649T2; WO2000009976A1; US6164816A; EP1116011B1; WO2000009976A9; EP1116011A1; KR100564788B1; JP2002522912A; TW440685B

Abstract

본 발명은 열처리 챔버내에서 온도 센서를 이용하여 측정된 값을 조절하는 방법 및 시스템에 관한 것이며, 상기 방법은 기판의 측정에 기초하여 기판에 대한 실질적인 온도 곡선을 결정하는 단계를 포함한다. 기판에 대한 모의 온도 곡선은 챔버에 관한 하나 이상의 온도 센서에 대해 각각의 임시 온도 보정값을 이용하여 계산된다. 챔버 내의 여러 방사선 소스로부터의 열에 대한 가우스형 분포는 온도 곡선을 모의 테스트하도록 사용될 수 있다. 모의 온도 곡선 및 실제의 온도 곡선은 평가 온도 곡선을 형성하도록 조합된다. 각각의 온도 보정값의 최종값은 평가 온도 곡선이 기판 표면에서 균일하게 되는 최적의 알고리즘을 이용하여 결정된다. 각각의 최종 온도 보정값은 대응 온도 센서로부터 얻어진 온도 측정값에 대한 오프셋으로 사용된다.

Description

기판 온도 측정 시스템 및 온도 측정값 조절 방법 {TUNING A SUBSTRATE TEMPERATURE MEASUREMENT SYSTEM}

여러 반도체 디바이스 제조 공정에서, 요구되는 높은 레벨의 디바이스 성능, 수율, 및 처리 반복성은 처리 동안 기판의 온도(예를 들어, 반도체 웨이퍼)가 완전하게 제어될 때에만 달성될 수 있다. 높은 레벨의 제어를 달성하기 위하여, 보통 실시간 및 인시츄(in situ)에서 기판 온도를 측정하는 것이 바람직하며, 따라서 전혀 예상치 못한 온도 변화가 즉시 검출되어 수정될 수 있다.

예를 들어, 급속 열 어닐링(RTA), 급속 열 세정(RTC), 급속 열 화학 기상 증착(RTCVD), 급속 열 산화(RTO), 및 급속 열 질화(RTN) 처리를 포함하는 상이한 여러 제조 공정에 사용되는 급속 열 처리(RTP)에 대해 기술한다. RTO 또는 RTN에 의한 CMOS 게이트 유전체 형성의 특정 응용에서, 게이트 유전체의 두께, 성장 온도, 및 균일성은 전체 디바이스 성능 및 제조 수율에 영향을 주는 중요한 파라미터이다. 현재, CMOS 디바이스는 두께가 단지 60-80Å이며, 두께의 균일성이 ±2 옹스트롬(Å) 이내에서 유지되는 유전층으로 만들어지고 있다. 높은 레벨의 균일성은고온 처리 동안 기판에 걸쳐 온도 변화가 섭씨 수 도(℃)를 초과하지 않는 것이 요구된다.

보통 웨이퍼 그 자체로는 고온 처리 동안 작은 온도차에도 견딜 수 없다. 만일 약 1000℃의 온도에서 온도차가 1-2℃/cm 이상으로 상승 가능하면, 그 결과로 생기는 응력은 실리콘 결정에서 슬립(slip)을 초래할 수 있다. 상기 슬립 평면은 상기 평면이 통과하는 임의의 디바이스를 파괴할 것이다. 높은 레벨의 온도 균일성을 달성하기 위하여, 폐쇄-루프 온도 제어를 위한 신뢰성 있는 실시간, 다중점 온도 측정이 필요하다.

광학 고온계는 RTP 시스템에서 온도를 측정하기 위해 광범위하게 사용된다. 고온계는 대상물의 일반적인 특성을 이용한다, 즉, 대상물은 그 온도의 특성을 나타내는 특정 스펙트럼 함유량 및 세기를 가진 방사선을 방출한다. 따라서, 방출된 방사선을 측정함으로써, 대상물의 온도가 결정될 수 있다. 고온계는 방출된 방사선의 세기를 측정하며 온도를 얻기 위해 적절한 변환을 수행한다.

RTP 시스템에서 기판의 온도 측정을 위해 고온계가 사용되는 경우에 발생하는 한 가지 난점은 각 온도 센서 사이의 변화 및 챔버 내의 특정 기판에 대한 위치 차가 정확한 온도 측정에 영향을 줄 수 있다는 것이다. 따라서, 센서로부터 측정된 기판 온도는 상기 변화에 의한 공지되지 않은 에러 성분을 가질 수 있다. 상기 변화는 예를 들어, 기판 표면 위에 증착된 층의 두께의 차로서 나타나는데, 이는 센서가 폐쇄-루프 온도 제어부의 일부로서 사용되기 때문이다.

상기 에러를 처리하는 한 가지 방법은 온도 편차의 위치에서 온도 오프셋을감소시키거나 증가시키는 것이다. 온도 편차의 위치가 온도 탐지기의 위치와 정합되면, 편차를 보정하는데 필요한 온도 변화량은 증착된 층 두께에서의 편차량에 대략 비례한다. 그러나, 상기 방법은 가열 소스로부터 국부적으로 가열을 나타낸다. 그러나, 램프 영역 사이에서의 상호-결합, 기판 에지에서의 열적 불연속성, 및 탐지기의 관찰각 때문에, 상기 방법은 일반적으로 비효과적이다. 따라서, 기판 표면 상에 균일한 처리 조건을 제공하여 정확한 기판 온도 측정을 얻기 위해서는 추가의 방법이 필요하다.

본 발명은 반도체 또는 다른 기판에 대한 개선된 비-접촉 온도 측정 방법에 관한 것이다.

도 1은 급속 열처리(RTP) 시스템의 측단면도이다.

도 2는 도 1의 시스템에서의 가열 엘리먼트에 대한 예시적인 램프 구성을 도시한다.

도 3은 도 1의 시스템에서의 기판을 가열하기 위한 제어 루프를 도시한다.

도 4는 도 1의 시스템에서의 온도 센서로부터 얻어진 온도에 대한 수정 값을 계산하는 방법을 도시한다.

도 5-6은 가열 엘리먼트에 대한 예시적인 램프 구성의 보다 상세한 설명이다.

일반적으로, 일 측면에서, 열처리 챔버 내에서 온도 센서를 통해 측정된 값을 조절하는 방법은 기판에 대한 실제 온도 곡선 또는 기판의 온도 측정을 기초로 한 기판에 대한 온도 관련 수량의 실제 곡선을 결정하는 단계를 포함한다. 기판에 대해 모의 온도 곡선은 챔버에 연결된 하나 이상의 온도 센서의 각각의 임시 온도 보정값을 이용하여 계산된다. 모의 온도 곡선 및 실제 곡선은 평가 곡선을 형성하도록 조합된다. 각각의 온도 보정값에 대한 최종값은 평가 곡선이 기판 표면 상에서 균일하게 만드는 최적의 알고리즘을 이용하여 결정된다. 각각의 최종 온도 보정값은 대응 온도 센서로부터 얻어진 온도 측정값에 대한 오프셋으로서 사용된다.

다른 측면에서, 기판 온도를 측정하는 여러개의 온도 센서를 조절하는 시스템은 기판에 대한 실제 온도 곡선 또는 기판에 대한 온도 관련 수량의 실제 곡선을 얻도록 배치된 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는 다음의 기능을 수행하도록 구성된다: (a) 다수의 온도 센서에 대한 각각의 임시 온도 보정값에 기초한 기판의모의 온도 곡선을 계산하는 기능; (b) 평가 곡선을 형성하기 위해 모의 온도 곡선과 실제 곡선을 수학적으로 조합하는 기능; (c) 평가 곡선이 기판 표면에서 균일할 때가지 기능 (a) 및 (b)를 반복함으로써 각각의 온도 보정값에 대한 최종값을 결정하는 기능; 및 (d) 온도 센서 중 대응하는 센서로부터 얻어진 온도 측정값에 대한 오프셋으로서 각각의 최종값을 사용하는 기능.

일부 실시예에서는, 이하의 하나 이상의 특징이 있다. 모의 온도 곡선을 계산하기 위하여, 챔버 내의 여러 방사선 소스로부터 열에 대한 벨형(bell-shaped) 분포가 사용될 수 있다. 본 발명을 위하여, 벨형 분포는 가우스(Gaussian) 및 가우스형 분포 뿐만 아니라, 정상 분포를 포함하는 피어스(Pearson) 분포를 포함하고, 이런 분포로 제한되지는 않는다. 각각의 방사선 소스에 대한 피크 진폭은 상기 소스에 대응하는 방사 위치에 배치되도록 할 수 있다. 각 방사선 소스로부터의 온도 곡선은 상기 각각의 방사선 소스로부터의 각 분포를 추가함으로써 결정될 수 있다.

실제 곡선을 결정하기 위해, 온도 관련 수량이 측정될 수 있으며, 상기 수량은 실제 온도 곡선으로 바뀔 수 있다. 온도 관련 수량은 예를 들어, 열처리 또는 저항률 측정 동안 기판상에 증착된 층의 두께 측정값일 수 있다. 측정된 수량과 기판 온도 사이에 공지된 관계가 존재하면, 다른 온도 관련 수량의 측정은 사용될 수 있다.

하나의 실시예에서, 모의 온도 곡선과 실제 곡선은 예를 들어, 실제 온도 곡선과 모의 온도 곡선의 합을 계산함으로써 수학적으로 조합될 수 있다. 각각의 온도 보정값에 대한 최종값을 결정하는 단계는 평가 온도 곡선의 표준 편차 함수 및 방사 위치에 따라 가중치가 주어지는 기판 상의 점에 대한 평가 온도 곡선의 편차 함수인 값을 최소화하는 단계를 포함할 수 있다.

조절 절차는 단순해서 일반적으로 소정의 챔버 구조에 대해 일회 실행만으로 충분하다. 더욱 정확한 온도 측정값은 기판 처리 동안 각 온도 센서 사이의 변화 및 특정 기판에 대한 위치 차를 보정함으로써 얻어질 수 있다. 더욱 정확한 온도 측정은 챔버내에서 처리된 기판 상에 더욱 균일한 층을 제공하는데 도움이 될 수 있다. 따라서, 본 발명은 향상된 반복성 및 균일성으로 신뢰성 있게 온도를 측정할 수 잇다.

다른 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명, 첨부된 도면 및 청구항으로부터 분명해질 것이다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 급속 열처리(RTP) 시스템은 직경이 8 인치(200mm)인 디스크형 실리콘 기판(106)을 처리하기 위한 처리 챔버(100)를 포함한다. 기판(106)은 챔버 내부의 기판지지 구조(108) 상의 장착되고 기판 바로 위에 배치된 가열 엘리먼트(110)에 의해 가열된다. 가열 엘리먼트(110)는 방사선(112)을 발생시키며, 상기 방사선은 기판 위의 수냉식 결정 원도우 어셈블리(114)를 통해 처리 챔버(100)로 향한다. 기판(106) 하부에 배치된 반사기(102)는 수냉식 스텐레스강 베이스(116) 상에 장착된다. 반사기(102)는 알루미늄으로 구성되며 고반사 표면 코팅(120)을 가진다. 기판(106)의 하부와 반사기(102)의 상부는 기판의 유효 방사율(emissivity)을 향상시키기 위해 반사 공통(118)을 형성한다.

기판(106)의 국부 영역(109)의 온도는 각각의 고온계(128)(도 1의 3개 중 하나만)에 커플링된 여러개의 온도 탐지기(126)에 의해 측정된다. 온도 탐지기(126)는 베이스(116)의 후면부에서 반사기(102)의 상부까지 연장되는 각각의 도관(124)를 통과하는 사파이어 광 파이프이다. 일반적으로 사파이어 광 파이프가 바람직한데, 이는 상기 파이프가 비교적 낮은 산포 계수를 가지며 큰 가로 광 리젝션을 가지는 경향이 있어, 큰 위치 측정값을 제공하기 때문이다. 그러나, 광 파이프는 고온계에 샘플링된 방사선을 전송할 수 있는 적절한 내열 및 내부식 물질, 예를 들어, 수정으로 이루어질 수 있다. 적절한 수정 섬유 광 파이프, 사파이어 광 파이프, 및 광 파이프/도관 커플러는 캘리포니아, 산타 클라라에 소재한 럭스트론 코포레이션-어큐파이퍼 디비젼에서 얻어질 수 있다. 선택적으로, 방사선 샘플링 시스템은 반사기(102)에 장착된 소 반경의 대물 렌즈 및 렌즈에 의해 모인 방사선을 고온계에 보내는 거울 및 렌즈 시스템을 포함하는 광학 시스템일 수 있다. 상기 방법은 사파이어 광 파이프 보다 비용이 적게 들 수 있으며 바람직하게는, 기성품의 광학 엘리먼트가 발견될 수 있다. 선택적으로, 광 파이프는 또한 잘 연마된 반사성 내부면을 가지는 튜브로 만들어질 수 있다. 전술한 방법에서, 고온계(128)는 약 950 nm에 배치된 좁은 밴드폭(예를 들어, 약 40 nm)을 가진다. 적절한 고온계(128) 또한 캘리포니아, 산타 클라라에 소재한 럭스트론 코포레이션-어큐파이퍼 디비젼에서 얻어질 수 있다.

전술한 실시 방법은 실제로는 다른 반경의 기판의 온도를 측정하는 데 사용될 수 있는 반사기 위에 분포된 8개의 탐지기를 가진다. 열처리 동안, 지지 구조(108)는 분 당 약 90 회전속도(RPM)로 회전한다. 따라서, 각 탐지기는 실제로는 기판 상의 대응하는 환상형 링 영역의 온도 곡선을 샘플링한다. 일부 실시 방법에서, 전체 탐지기 중 일부만이 사용된다.

기판을 회전시키는 지지 구조는 기판의 외경 주위에 기판을 접촉하여, 외경 주위의 작은 환상형 영역을 제외하고 노출된 기판의 하부측 전체가 남게 되는 지지 링(134)을 포함한다. 처리 공정 동안 기판(106)의 에지에서 발생할 열적 불연속성을 최소화하기 위해, 지지 링(134)은 기판, 예를 들어, 실리콘 또는 탄화 실리콘과 동일한 또는 유사한 물질로 이루어진다.

지지 링(134)은 실리콘으로 코팅되어 고온계의 주파수 범위내에서 실린더를불투명하게 하는 회전 가능한 관형 수정 실린더(136) 상에 위치한다. 수정 실린터 상의 실리콘 코팅은 밀도 측정 장치를 오염시킬 수 있는 외부 소스로부터의 방사선을 차단하는 차폐 장치(baffle)로서 동작한다. 수정 실린더의 바닥면은 정지한 환상형 하부 베어링 레이스(139) 내부에 차례로 배치된 다수의 볼 베어링(137) 상에 위치한 환상형 상부 베어링 레이스(141)에 의해 지지된다. 볼 베어링(137)은 철로 이루어지며 동작시 미립자 형성을 감소시키기 위해 질화 실리콘으로 코팅된다. 상부 베어링 레이스(141)는 실린더(136), 지지 링(136) 및 기판(106)을 열처리 동안 약 90 RPM으로 회전시키는 액추에이터(도시되지 않음)에 자기적으로 커플링된다. 지지 링(134)은 수정 실린더(136)로 광 밀봉부를 형성하도록 설계된다. 챔버 몸체 내에 장착되는 퍼지(purge) 링(145)은 수정 실린더를 둘러싼다. 퍼지 링(145)은 상부 베어링 레이스(141) 위의 영역까지 개방된 내부의 환상형 공동을 가진다. 내부 공동은 통로(147)를 통해 가스 공급기(도시되지 않음)에 연결된다. 처리 공정 동안, 퍼지 가스는 퍼지 링(145)을 통해 챔버로 유입된다.

적절한 가열 엘리먼트(110)는 본 명세서에서 참조되는 미국 특허 5,155,336에 개시되어 있다. 이 가열 엘리먼트는 187개의 광 파이프를 사용하여 처리 챔버(100)에 텅스텐-할로겐 램프로부터의 높게 시준된 방사선을 전달한다. 가열 엘리먼트(110)에서의 각 램프는 지수(u,v)(도 2에 도시됨)에 의해 확인된다. 램프는 방사선 대칭 방법으로 배치된 12 그룹(1-12)으로 나뉜다. 특정 배열이 챔버의 구성에 따라 다르지만, 12 그룹은 6개의 제어 영역(도 6)을 제공하도록 함께 그??화될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 중앙 램프는 지수(-1, 0)에 의해 식별되며, 영역(Z1)에 위치한 그룹(1)에 배치된다. 영역은 기판(106)의 상이한 영역의 방사선 가열을 제어하도록 개별적으로 조절될 수 있다.

도 3은 원하는 온도까지 기판을 가열하는 제어 루프를 도시한다. 제어 루프는 온도 센서(190)(즉, 고온계(128)와 광 파이프(126))로부터의 샘플링된 출력을 사용한다. 가열 엘리먼트(110)는 방사 영역에 배치된 187개의 텅스텐-할로겐 램프를 포함한다. 램프의 각 영역은 다중 입력, 다중 출력 제어기(192)에 의해 차례로 제어되는 다중 영역 램프 드라이버(194)에 의해 개별적으로 파워가 인가된다. 기판은 약 90 rpm으로 회전하고 온도 측정은 기판(106) 후면의 상이한 방사 위치에서 이루어지기 때문에, 각 온도 센서는 기판의 상이한 환상 영역 위에 평균 온도를 발생시킨다. 환상 영역은 가열 램프의 방사 영역과 일치한다.

제어기(192)는 온도 센서(190)에 의해 발생된 온도 측정을 받아들이고, 온도 수정 알고리즘에 기초하여 온도를 수정하며, 제어기(192)에 공급되는 소정의 온도 사이클 곡선(196)에 의해 확인된 기판 온도를 달성하도록 가열 램프의 파워 레벨을 조절한다. 가열 램프의 파워 레벨을 결정하기 위하여, 제어기(192)는 특정 영역에서 램프에 공급되는 파워의 원하는 변화 및 온도의 대응 변환 사이의 수학적 관계를 설명한 매트릭스(G)를 사용한다. 특히, 매트릭스(G)는 램프 전압의 변화 및 온도의 대응 변화 사이의 관계, 즉,

dV_n× G = dT_n(방정식1)

여기서 dV_n은 램프 영역(n)에서의 전압 변화이고, dT_n은 온도 탐지기(n)의 방사 위치에서의 온도 변화인데, 여기서 n은 센서 지수이다. 매트릭스(G)의 특정 세부 사항은 하나의 시스템에서 다른 시스템으로 변화할 것이고 실험을 통해서 얻어질 수 있다.

온도 수정 알고리즘은 센서(190)로부터 얻어진 온도 측정치까지 조절한다. 센서(190)로부터 얻어진 온도와 실제 기판 온도 사이에 일반적으로 약간의 차이가 있기 때문에 상기 조절이 필요하다. 공정 사이클을 통해, 제어기는 상이한 램프 영역에 전달된 파워 레벨을 자동으로 조절하여 원하는 온도 곡선과 다른 온도 편차가 수정된다.

온도 수정 값을 더욱 상세히 계산하는 방법을 설명하기 전에, 열처리 시스템의 민감도를 정의하는 것이 바람직할 것이다. 민감도는 실험으로 얻어지는 파라미터이며, 그 값은 처리 챔버(100)내의 상이한 온도에서 산화 처리와 같은 열처리 공정을 반복적으로 수행함으로써 성립될 수 있다. 산화물의 평균 두께는 각 온도에 대해 측정된다. 평균 두께 대 온도의 기울기는 온도 당 옹스트롬의 시스템 민감도를 나타낸다. 선택적으로, 챔버(100) 내에서 열처리를 반복 수행한 후에, 증착층의 고유 저항과 같은 다른 온도-의존 수량이 측정된다. 평균 고유 저항 대 온도의 기울기는 온도 당 오옴의 민감도를 제공한다.

도 4는 각 센서(190)(즉, 고온계 및 광 파이프)로부터 얻어진 온도에 대한 수정 값(△T_n)을 계산하는 방법을 설명한다. 우선, 단계(200)에서 도시된 바와 같이, 블랭크 웨이퍼 또는 기판은 처리 챔버(100) 내에 배치되고 온도-의존 처리공정이 수행된다. 온도-종속 처리공정은 예를 들어, 산화 처리 또는 주입 어닐링 처리공정을 포함할 수도 있다. 그러나, 일반적으로, 기판 온도 및 막 두께 또는 고유 저항과 같은 측정 가능한 다른 수량 사이의 공지된 상호관계인 온도-의존 처리공정이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 온도와 측정 수량 사이의 관계는 선형이다.

일단 온도-의존 처리공정이 수행되면, 기판은 챔버(100)로부터 제거되고 온도-관련 수량(M(k))의 측정은 측정 디바이스(199)(단계(202))를 이용하여 기판의 반경을 가로질러 행해진다. 예를 들어, 산화 처리가 단계(200)에서 수행되었다면, 산화층 두께가 측정될 수 있다. 타원측정기는 예를 들어, 두께를 측정하는데 사용될 수 있다. 선택적으로, 단계(200)에서 규화 처리가 수행되면, 저항이 측정될 수 있다. 4개의 점 탐지기와 같은 박막 고유 저항 측정 기구는 저항을 측정하는데 사용될 수 있다. 다른 방법 및 측정 디바이스는 온도-관련 수량을 측정하는데 사용될 수 있다.

하나의 실시예에서, 온도-관련 수량은 기판 반경을 따라 여러 점(k)에서 측정된다. 예를 들어, 온도-관련 수량은 기판 중심으로부터 에지까지 25개의 점(k)에서 측정된다. 다른 실시예에서, 기판 중심에서 측정되며 기판의 중심과 에지 사이의 각기 다른 24개의 방사 거리에서 2번 이상 측정된다. 기판의 중심으로부터 소정의 거리에서의 측정은 각각의 방사 거리에 대해 평균 측정을 얻도록 결합될 수 있다. 곡선(M(k))은 절대 측정값보다는 기판 표면을 따라 측정된 수량의 변화를 반영해야 하며, 기판 반경을 따르는 1 차원 곡선을 반영한다.

온도 관련 수량(M(k))의 측정값은 측정된 수량과 온도(단계(204)) 사이의 공지된 관계를 이용하여 온도 곡선(P(k))로 바뀐다. 즉, 챔버(100)의 시스템 민감도(s)는 측정된 수량(M(k))(예를 들어, 산화물 두께 또는 고유 저항)을 방정식2에 따라 대응 온도 곡선(P(k))로 바꾸는데 사용된다:

P(k) = [(M(k) - M_mean)/S] + P₀(M_mean) (방정식 2)

여기서

(방정식 2A)

P₀(M_mean)는 M_mean'에 대응하는 온도이고 k는 점 해상도(예를 들어, k = [0, 1, 2, ...., 24]이다.

제어기(192) 또는 개인 범용 컴퓨터 또는 프로세서(198)와 같은 프로세서는 자동 변화되도록 구성되고 프로그램될 수 있다. 온도 곡선(P(k))은 온도 변화를 반영하고 기판 반경을 따르는 1차원 온도 곡선을 반영한다.

하나의 실시예에서, 예를 들어, 측정된 곡선(M(k))은 예를 들어, 키보드를 이용하여 프로세서(198)에 입력된다. 선택적으로, 곡선(M(k))에 대한 데이터는 자기, 광학 또는 다른 저장 매체에 저장되어 프로세서(198)에 전송될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 측정된 곡선(M(k))은 측정 디바이스(199)로부터 프로세서(198)에 의해 자동으로 얻어지거나 받아들여질 수 있다.

일단 프로세서(198)가 측정된 곡선(M(k))을 얻거나 받아들이면, 보정값(△T_n)은 하기되는 바와 같이, 프로세서(198)에 의해 계산된 후에,제어기(192)에 입력된다. 그러나, 다른 실시예에서, 온도 보정값(△T_n)을 얻기 위한 장치는 제어기(192)와 같은 단일의 전체 온도 제어기의 일부로서 형성될 수 있다.

일반적으로, 프로세서(198)는 기판 평면을 따라 모의 온도 수정 곡선(dT(k))에 대한 프로그램을 실행하여 센서(190)에 대한 온도 보정값(△T_n)의 최적의 세트를 결정한다. 모의 온도 곡선(dT(k))은 연속적인 차 곡선이며 아래에서 더욱 상세히 논의된다. 각 센서(190)에 대한 온도 보정값은 상호 변화되어 양수, 음수 또는 영의 값을 가질 수 있다.

차 온도 수정 곡선(dT(k))을 얻기 위해, 초기 온도 보정값(△T_n0)은 각 센서(190)(단계 206)에 대해 성립된다. 초기 온도 보정값(△T_n0)은 0으로 설정될 수 있거나 실제 측정으로부터 얻어진 온도 곡선(P(k))에 기초하여 경험에 근거한 추측을 나타내는 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 초기 온도 보정값(△T_n0)은 ±1 또는 ±2℃일 수 있다. 선택적으로, 다음의 방법은 초기 온도 보정값(△T_n0)을 선택하는데 사용될 수 있다. 각 센서(190)에 있어서, 평균 온도는 특정 센서 위치에 대략 중심인 소정수의 점을 이용하여 계산된다. 예를 들어, 각 탐지기의 관찰 각이 약 1 센티미터(cm)의 직경을 가지는 영역이면, 각각의 특정 탐지기에 근접한 기판상에 균일하게 간격진 5개의 점은 탐지기에 대해 평균 온도값(T_n(mean))을 얻는데 사용될 수 있다. 즉,

(방정식 3)

여기서 k_n은 탐지기(n)에 대한 관찰 각의 시작을 나타낸다. 필요에 따라서는, 외삽법(extrapolation) 또한 기판 에지로 향하는 점의 온도값을 결정하는데 사용될 수 있다. 다음으로 특정 탐지기(n)에 대한 초기 온도값(△T_n0)은 기판 중심(즉, n = 1)에 위치한 탐지기에 대한 평균 온도값(T_1(mean))으로부터 특정 탐지기(n)에 대한 평균값(T_n(mean))을 뺌으로써 계산된다:

△T_n0= T_1(mean)- T_n(mean)(방정식 4)

역 매트릭스(G^-1)는 각각의 초기 온도 보정값(△T_n0)을 램프 전압(dV_uv)에서의 대응하는 상대적 변화로 바꾸는데 상요되는데, dV_uv는 퍼센트(단계 208)로 표현된다. 특히,

dV_n=△T_n0× G^-1(방정식 5)

와 각각의 램프 전압(dV_uv)은 도 5 및 6의 정보를 기초로 얻어진다. 따라서, 예를 들어, dV₁= dV_-1,0= dV_0,0및 dV₃= dV_2,0= dV_1,1= dV_0,2.

연속적인 차 온도 곡선(dT(k))(단계 210)을 모의 테스트하기 위해, 가열 엘리먼트(110)에서 각 램프에 분배되는 온도는 피크 진폭을 가지며 피크의 다른 측면상에 0으로 감소되는 대칭 분포에 의해 맞추어진다. 따라서, 예를 들어, 각 램프의 온도 분포는 벨 타입 분포에 의해 맞추어질 수 있으며, 상기 분포는 본 발명을 위해, 정상적인 분포를 포함하는 피어슨 분포 및 가우스 및 가우스와 유사한 분포로서 형성된다. 다음으로, 전체 온도 곡선은 각 램프로부터의 온도 곡선의 합을 계산함으로써 결정될 수 있다. 램프 구성은 대칭형이기 때문에, (-1,0)에 우치한 중심 램프와 잔류 램프(도 2와 5에서 도시됨)의 1/6만이 명확히 고려될 필요가 있으며, 중심으로부터 특정 반경 거리에 위치한 다른 램프는 상기 램프의 수에 의해 곱해진 단일 곡선을 이용하여 고려된다. 상기 방법은 필요한 메모리 량을 감소시킬 수 있으며 알고리즘이 실행되는 속도를 증가시킬 수 있다.

소정의 램프로부터의 피크 진폭은 램프의 특정 반경 위치에서 생각된다. 피크 진폭은 램프 전압에 따라 다르다. 모의 온도 곡선(dT(k))은 여러 램프로부터의 분배를 고려한다. 하나의 특징 실시예에서,

(방정식 6)

여기서 dT(k)는 섭씨 온도(℃)로 표현되며 (방정식 3)의 여러 용어는 다음과 같다:

u,v 램프 식별 지수;

c 변환 상수(℃);

r_u,v중심으로부터의 방사 거리 당 램프의 수,

여기서 r_u,v=u+v+1(u,v≥0),

및 r_-1,0=2;

dV_u,v지수(u,v)에 의해 확인된 램프에 대한 상대적 전압 변화(%);

x(k) 램프 배열의 중심으로부터의 점(k)의 방사 거리(밀리미터(mm));

L_u,v배열 중심으로부터의 지수(u,v)에 의해 확인되는 램프의 방사거리

(mm);

△w 단일 램프(mm)로부터의 가우스 온도 분포의 폭; 및

k 점 해상도(즉, k=[0,1,2, ....., 24]).

변환 상수(c)와 온도 분포(△w)에 대한 값은 실험을 통해서 얻어진다. 이 값들을 결정하는 한 가지 방법은 챔버 내의 제 1 테스트 기판 상에 급속 열 산화 처리를 수행하며 예를 들어, 처리된 기판의 산화 두께의 곡선을 측정하는 것이다. 다음을 임의의 0이 아닌 온도 오프셋이 온도 센서(190) 중 하나에 대해 도입되며, 산화 처리는 챔버 내의 제 2 테스트 기판으로 수행된다. 온도 오프셋은 예를 들어, +1℃일 수 있다. 측정은 제 2 테스트 기판의 산화물 두께 곡선을 결정하기위해 이루어지며, 제 1 및 제 2 기판에 대한 산화물 두께 곡선들 사이의 차이가 계산된다. 다음에 산화물 두께차는 대응 온도 차 만큼 바뀐다. 다음으로 온도 오프셋은 온도 센서(190) 중 상이한 하나에 대해 도입되며, 상기 처리공정은 반복된다. 상기 처리공정은 여러번 반복되며, 온도 센서(190) 중 상이한 센서에 대한 오프셋이 매번 변할 때 마다, 상기 처리공정은 반복된다. 실험을 통해 얻어진 데이터는,방정식1과 방정식2와 관련하여, 변환 상수C와 온도 분포△w에 대해 적절한 값을 결정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 어플라이드 머티리얼스사의 RTP 센츄라^TM및 RTP 센츄라 XE^TM에 관하여, 약 900-1100℃ 사이의 온도에 있어서, 변환 상수는 3.8로, 분포 폭△w는 28mm로 설정될 수 있다.

다시 도 4에서, 일단 모의 온도 곡선(dT(k))이 방정식6(단계 210)을 통해서 계산되면, 평가 곡선(E(k))을 형성하는 측정된 온도 곡선(P(k))(단계 212)과 수학적으로 조합되는데, 여기서

E(k) = dT(k) + P(k) (방정식 7)

최적의 알고리즘은 모의 온도 곡선(dT(k))을 발생시키는 온도 보정값(△T_n)을 결정하도록 수행되며 그 결과 평가 곡선(E(k))은 동일하게 된다. 특히, 최적의 알고리즘은 값(Z)(단계 214)를 최소화하는 센서(190)에 대한 온도 보정값(△T_n)을 결정하는데, 여기서

Z = σE(k)·D(E(k)) (방정식 8)

여기서 σE(k)는 E(k)의 표준 편차를 나타내며, D(E(k))는 반경 위치에 따라 가중치가 주어지는 기판 상의 모든 점(k)에 대한 E(k)의 편차를 나타낸다. 특히,

(방정식 9)

및

(방정식 10A)

(방정식 10B)

여기서 x(k)는 램프 배열 중심으로부터 점(k)의 반경(mm)이며, "a"는 k의 최대값 이하로 설정된다. 예를 들어, "a"는 k가 24와 동일한 최대값을 가질 때, 10으로 설정될 수 있다. 방정식10A에서와 같이 편차에 가중치를 부여하는 것은 윤곽 맵에 있어서 점의 수가 방사 위치에 따라 증가되며, 따라서, 기판 에지에 더욱 가까운 점의 편차는 기판 중심에 가까운 점보다 균일성에 강한 영향을 준다는 사실을 고려한다. 보다 일반적으로는, 방정식10A는 평가 곡선(E(k))에서의 편차를 일반화하는 방법을 반영한다.

최적의 알고리즘이 실행됨에 따라, 온도 보정값(△T_n)에 대한 임시값이 결정되며, 단계(208, 210 및 212)는 온도 보정값(△T_n)의 최종값이 얻어져 방정식8에서 설정된 Z값이 최소가 될 때까지 반복적으로 수행된다. 최적의 알고리즘은 예를 들어, 마이크로소프트사의 윈도우 95용 마이크로소프트 엑셀, 7.0 버전(솔버.xls 포함)을 이용하여 수행될 수 있다. 선택적으로, 상업적으로 이용 가능한 다른 소프트웨어 패키지 역시 사용될 수 있다.

일단 최적의 알고리즘이 최종 온도 보정값(△T_n)을 결정하면, 온도 보정값(△T_n)은 기판 처리(단계 216) 동안 센서(190)로부터 얻어진 온도값을 조절하는 오프셋으로서 사용된다. 특히, 기판이 챔버내에서 처리될 때, 제어기(192)는 가열 램프의 파워 레벨을 조절하기 이전에 온도 센서(190) 중 대응하는 센서로부터 얻어진 온도에서 각 온도 보정값(△T_n)을 뺀다. 일부 시스템에서, 보정값(△T_n)은 계산된 다른 온도 오프셋에 추가되어 사용될 수 있다.

전술한 방법에서, 측정된 온도 관련 수량의 프로프일(M(k)), 예를 들어 산화물 두께 또는 고유 저항은 대응 온도 곡선(단계 204)로 바뀐다. 선택적 실시예에서, 단계(204)를 수행하는 대신에, 측정된 온도 관련 수량의 곡선(M(k))은 평가 곡선(E'(k))을 얻도록 모의 온도 곡선(d(T(k))과 수학적으로 조합될 수 있는데, 여기서,

E'(k) = s·dT(k) + M(k) (방정식 11)

상기와 같이, 최적의 알고리즘은 균일한 평가 곡선(E'(k))의 결과를 초래하는 최종 온도 보정값(△T_n)을 결정하기 위해 수행된다. 방정식8, 9, 10A 및 10B는 E(k)를 E'(k)로 대체하여 사용될 수 있다.

전술한 방법이 특정 열처리 시스템의 상황에서 기술되었지만, 상기 방법은 일반적으로 처리 동안 기판의 온도를 정확히 측정할 필요가 있는 또는 그러는 것이 바람직한 다른 열처리 시스템에 적용될 수 있다. 또한, 방법은 특정수의 온도 센서로 제한되지 않는다. 유사하게, 전술한 방법은 150 mm 또는 300 mm의 직경을 가지는 기판과 같은 200 mm 이외의 직경을 가진 기판에 대해 사용될 수 있다. 여러실시예에서, 상기 시스템은 하나 이상의 온도 센서(190)를 포함할 수 있다.

다른 실시예는 아래의 청구의 범위내에서 존재한다.

Claims

열 처리 챔버 내에서의 온도 센서 측정값을 조절하는 방법에 있어서,

(a) 기판의 측정값에 기초하여 상기 기판에 대한 실제 온도 곡선을 결정하는 단계;

(b) 상기 챔버에 연결된 적어도 하나의 온도 센서에 대한 각각의 중간 온도 보정값에 기초하여 상기 기판에 대한 모의 온도 곡선을 계산하는 단계;

(c) 평가 온도 곡선을 형성하기 위해 상기 모의 온도 곡선과 상기 실제 온도 곡선을 수학적으로 결합하는 단계;

(d) 상기 평가 온도 곡선이 상기 기판 표면에서 균일할 때까지 단계(b)와 (c)를 반복하여 각각의 온도 보정값에 대한 최종값을 결정하는 단계; 및

(e) 적어도 하나의 대응 온도 센서로부터 얻어진 온도 측정값에 대한 오프셋으로서 각각의 최종값을 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
열 처리 챔버 내에서의 온도 센서 측정값을 조절하는 방법에 있어서,

(a) 기판의 측정값에 기초하여 상기 기판에 대한 온도 관련 값의 실제 곡선을 결정하는 단계;

(b) 상기 챔버에 연결된 적어도 하나의 온도 센서에 대한 각각의 중간 온도 보정값을 이용하여 상기 기판에 대한 모의 온도 곡선을 계산하는 단계;

(c) 평가 곡선을 형성하기 위해, 상기 모의 온도 곡선과 상기 실제 곡선을수학적으로 결합하는 단계;

(d) 상기 평가 곡선이 상기 기판 표면에서 균일할 때까지 단계(b)와 (c)를 반복하여 각각의 온도 보정값에 대한 최종값을 결정하는 단계; 및

(e) 적어도 하나의 대응 온도 센서로부터 얻어진 온도 측정값에 대한 오프셋으로서 각각의 최종값을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 또는 제 2항에 있어서,

상기 모의 온도 곡선을 계산하는 단계는 상기 챔버 내의 각기 다수의 방사선 소스로부터의 열에 대한 벨형 분포를 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 3항에 있어서,

상기 모의 온도 곡선을 계산하는 단계는 상기 각각의 방사선 소스로부터의 온도 곡선의 합을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4항에 있어서,

상기 모의 온도 곡선을 계산하는 단계는 상기 방사선 소스의 대응하는 방사 위치에 있는 각각의 방사선 소스에 대한 피크 진폭을 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 3항에 있어서,

상기 모의 온도 곡선을 계산하는 단계는 각각의 온도 보정값을 대응 전압 변화로 바꾸는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 실제 온도 곡선을 결정하는 단계는:

온도 관련 값을 측정하는 단계; 및

상기 온도 관련 값을 상기 실제 온도 곡선으로 바꾸는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 실제 온도 곡선을 결정하는 단계는 열 처리에 의해 상기 기판상에 증착된 층의 두께를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 8항에 있어서,

상기 실제 온도 곡선을 결정하는 단계는 상기 두께 측정값을 상기 실제 온도 곡선으로 바꾸는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 실제 온도 곡선을 결정하는 단계는 열 처리에 의해 상기 기판상에 증착된 층의 저항률을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 10항에 있어서,

상기 실제 온도 곡선을 결정하는 단계는 상기 저항률 측정값을 상기 실제 온도 곡선으로 바꾸는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 모의 온도 곡선과 상기 실제 온도 곡선을 수학적으로 결합하는 단계는 상기 실제 온도 곡선과 상기 모의 온도 곡선의 합을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

각각의 온도 보정값에 대한 최종값을 결정하는 단계는 상기 평가 온도 곡선의 표준 편차 함수값을 최소화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서,

상기 최소화되는 값은 방사 위치에 따라 가중치가 주어지는 상기 기판상의 점들에 대한 평가 온도 곡선의 편차의 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 또는 2항에 있어서,

상기 모의 온도 곡선을 계산하는 단계는 다수의 센서에 대한 각각의 초기 온도 보정값을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15항에 있어서,

상기 각각의 초기 온도 보정값을 계산하는 단계는:

상기 처리된 기판의 측정값에 기초하여 각 센서에 대한 평균 온도를 계산하는 단계; 및

상기 센서에 대한 평균 온도와 기준 온도 사이의 차와 동일한 특정 센서에 대한 상기 초기 온도 보정값을 설정하는 단계를 포함하며, 상기 기준 온도는 다수의 센서 중 하나에 대해 평균 온도에 대응하는 것을 특징으로 하는 방법.
열 처리 챔버 내의 온도 센서 측정값을 조절하는 방법에 있어서,

(a) 기판의 측정값에 기초하여 상기 기판에 대한 실제 온도 곡선을 결정하는 단계;

(b) 상기 챔버에 연결된 다수의 온도 센서에 대한 각각의 온도 보정값에 기초하여 상기 기판에 대한 모의 온도 곡선을 계산하는 단계;

(c) 평가 온도 곡선을 형성하기 위해 상기 모의 온도 곡선과 상기 실제 온도 곡선을 수학적으로 결합하는 단계;

(d) 상기 평가 온도 곡선이 상기 기판 표면에서 균일할 때까지 단계(b)와 (c)를 반복하여 각각의 온도 보정값에 대한 최종값을 결정하는 단계; 및

(e) 상기 온도 센서의 대응 센서로부터 얻어진 온도 측정값에 대한 오프셋으로서 각각의 최종값을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
기판의 온도를 측정하는 다수의 온도 센서를 조절하는 시스템에 있어서,

상기 기판에 대한 실제 온도 곡선을 얻도록 배치되며,

(a) 상기 다수의 온도 센서에 대한 각각의 중간 온도 보정값에 기초하여 상기 기판에 대한 모의 온도 곡선을 계산하는 기능;

(b) 평가 온도 곡선을 형성하기 위해 상기 모의 온도 곡선과 상기 실제 온도 곡선을 수학적으로 결합하는 기능;

(c) 상기 평가 온도 곡선이 상기 기판 표면에서 균일할 때까지 기능(a)와 (b)를 반복하여 각각의 온도 보정값에 대한 최종값을 결정하는 기능; 및

(d) 상기 온도 센서 중 대응 센서로부터 얻어진 온도 측정값에 대한 오프셋으로서 각각의 최종값을 이용하는 기능을 수행하도록 구성되는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 18항에 있어서,

상기 기판을 가열하기 위한 다수의 방사선 소스를 더 포함하며, 상기 프로세서는 상기 각기 다수의 방사선 소스로부터의 열에 대한 벨형 분포를 이용하여 상기 모의 온도 곡선을 계산하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 19항에 있어서,

상기 프로세서는 상기 각각의 방사선 소스로부터의 온도 곡선의 합을 결정하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 20항에 있어서,

상기 프로세서는 상기 방사선 소스의 대응 방사 위치에 배치된 각각의 방사선 소스에 대한 피크 진폭을 이용하여 상기 모의 온도 곡선을 계산하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 18항에 있어서,

상기 기판으로부터 온도 관련 측정값을 얻는 측정 디바이스를 더 포함하며, 상기 프로세서는 상기 온도 관련 측정값을 받아들이고, 상기 온도 관련 측정값을 상기 실제 온도 곡선으로 바꾸도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
재 18항에 있어서,

상기 기판 두께를 측정하는 측정 디바이스를 더 포함하며, 상기 프로세서는 상기 두께 측정값을 받아들이고, 상기 두께 측정값을 상기 실제 온도 곡선으로 바꾸도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 18항에 있어서,

상기 기판의 저항률을 측정하는 측정 디바이스를 더 포함하며, 상기 프로세서는 상기 저항률 측정값을 받아들이고, 상기 저항률 측정값을 상기 실제 온도 곡선으로 바꾸도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 18항에 있어서,

상기 프로세서는 상기 평가 온도 곡선을 얻기 위해 상기 실제 온도 곡선과 상기 모의 온도 곡선의 합을 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 18항에 있어서,

상기 프로세서는 각각의 온도 보정값에 대한 상기 최종값을 얻기 위해 상기 평가 온도 곡선의 표준 편차 함수값을 최소화하도록 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.