KR20020094016A - 라디얼 델타 온도 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

라디얼 델타 온도 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

변수의 현재 값의 함수로서 경사율을 제한함으로써 변수의 경사율과 관련된 응력을 최소화하는 시스템 및 방법이 제공된다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 처리 동안에 온도 경사율을 다이나믹하게 제어함으로써, 반도체 기판 또는 다른 가열된 바디의 라디얼 델터 온도를 결정 슬립 곡선 이하로 유지하는 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

라디얼 델타 온도 제어 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD TO CONTROL RADIAL DELTA TEMPERATURE}
제조 및 다른 처리 시스템은 통상적으로 온도, 압력, 가스 흐름율, 농도, 장력, 전압, 인가된 힘 및 위치를 포함하는, (이에 한정되는 것은 아니나) 하나 이상의 제어 변수의 값을 변화시키는 것을 포함한다. 제어 변수가 개시값에서 종료값으로 변화되는 비율은 경사율(ramp rate) 또는 일반적으로 경사율로 알려진 변수의 1차 도함수이다. 이를 테면, (dx/dt와 같이) 시간에 대한 거리의 경사율 또는 1차 도함수는 속도이다. 종종 프로세스 동안에 부과되는 설비 및/또는 제품에 대한 응력을 최소화하는 것이 바람직하다. 과도한 응력은 설비 또는 제품의 조급한 실패 또는 프로세스의 감소된 효율을 야기할 수 있다. 많은 시스템에서, 응력은 하나 이상의 제어 변수의 경사율의 함수이다. 경사율은 수용가능한 임계값 이하의 응력을 유지하기 위하여 감소될 수 있다. 그러나, 불필요할 정도로 심각한 경사율의 제한은 프로세스 처리량을 느리게 하기 때문에 바람직하지 못하다. 이러한 개념의 예시는 반조체 처리 시스템으로부터 알 수 있게 된다. 그러나, 경사율 관련 문제는 여기서 상세히 논의된 출원에 유일한 것이 아니라는 것을 유의해야 한다. 예들은 단지 예시적인 것이며, 그에 제한되는 것은 아니다.
반도체 및 집적회로의 제조시에 중요한 측면은 반도체 웨이퍼가 처리 동안에 변하기 쉬운 온도 변화 및 값이다. 2가지 중요한 제한이 반도체 웨이퍼의 가열과 냉각에 적용되며, 상기 제한은 다음과 같다. 1) 온도 경사율의 가속 및 감속은 웨이퍼가 허용할 수 있는 열 기준보다 급속하게 발생할 수 없으며, 2) 웨이퍼의 중심 및 에지 사이의 온도 차이는 웨이퍼에 열 팽창 손상을 방지하도록 충분히 작게 유지되어야 한다. 열 기준은 질량의 저항이 정상 상태 온도 또는 제로 경사율에서한정된 넌-제로 경사율과 다시 정상 상태로 즉시 점핑하는 것을 나타낸다. 실제 대상은 이러한 이상적인 요구조건하에서 가열시키거나 냉각시키는데 필요한 온도 경사율의 즉각적이며 무한의 "가속" 및 "감속"을 할 수 없다. 온도 가속 또는 감속은 온도의 제 2 시간 도함수이다. 정지시 질량의 거리 가속 및 감속에 대하여, 온도 가속 및 감속 비율은 무한대가 될 수 없다.
반도체 웨이퍼 처리 시스템과 같이, 노(furnace)내에서 한 온도에서 다른 온도로 가열 또는 냉각할 때, 최소 시간내에 목적된 세트포인트 온도에 도달하는 것은 중요하다. 노는 한 온도 세트포인트에서 다른 온도로 가기 위하여 제어된 선형 램프를 사용할 것이다. 선형 램핑(ramping)은 2가지 단점에 의해 제한 받는다: 즉, 기판이 가열됨으로써 목적하는 온도 경사율 달성의 지연; 및 목적하는 세트포인트를 오버슈트하고, 그리고 나서 정상 상태 온도를 얻기 전에 세트 포인트 온도 주위를 진동하는 기판 온도 경향. 물리적으로 획득가능한 온도 경사율 가속 및 감속 상태를 사용하여 이러한 문제를 해결하는 해법은 공동 계류중인 미국 특허 출원 제 10/068,127호에 개시되며, 이하에서 참조된다.
대상물 내의 과도한 내부 온도 증감으로 인하여 가열되는 대상 또는 대상물상의 네거티브 열 효과를 보호하기 위하여 최대 온도 경사율을 제한하는 것이 부가적으로 중요하다. 이는 반도체 웨이퍼 처리 시스템에서 특히 중요하며, 중요한 제조 측면은 처리 동안에 변하기 쉬운 온도 변화 및 값이다. 특히, 급속 열처리 노 또는 다른 유사한 설비에서 처리하는 동안에 웨이퍼의 중심과 에지 사이의 온도 차이는 중요한 관심사이며, 그 이유는 웨이퍼의 중심에 비하여 웨이퍼 에지의 과도한가열 또는 냉각은 웨이퍼로부터 생산된 반도체 칩의 조속한 실패를 야기하거나 또는 웨이퍼를 사용할 수 없게 만드는 물리적 및/또는 화학적 손상을 가져올 수 있기 때문이다. 이러한 에지-중심 온도 차이는 라디얼 델타 온도(radial delta temperature) 또는 라이얼 델타-T(RDT)로 불린다. 상기 문제는 웨이퍼 스택의 외부 에지에 열을 공급하는 배치 노(batch furnace)에 특히 영향을 준다. 저항성 가열 코일 또는 가열 램프와 같은 방사성 가열원으로 가열하는 동안에, 방사성 가열 전도는 웨이퍼 에지에서 가장 크기 때문에, 웨이퍼 에지는 웨이퍼 중심보다 몇 배(또는 수 십배) 더 뜨겁다. 거꾸로, 냉각 동안에, 에지는 방사성 냉각을 통하여 더욱 급속한 열 손실이 생기므로, 웨이퍼 중심보다 대체로 더 차가워질 수 있다. 고온에서, 이러한 RDT는 웨이퍼상에 결정 슬립(crtstal slip)을 야기한다.
반도체 기판 상의 결정 슬립 손상을 야기하는 열 팽창 응력을 최소화하기 위한 온도 경사율을 제한하는 이점은 공지되어 있다. 기판상에서 발생하는 과도한 열 응력을 최소화하기 위해 처리동안에 RDT를 최소화하는 것이 바람직하다. 처리동안에 온도 경사율은 RDT를 결정하는데 주요한 요소이다. 더 높은 경사율에서, 가열되는 기판의 열 기준은 에지에 제공된 열이 기판의 중심에 즉시 도전되지 않으므로, 웨이퍼의 에지와 중심 사이의 온도 변화를 더욱 악화시킬 수 있다. 더 낮은 온도에서, 더 큰 RDT는 실리콘 원자 대 원자 결합이 더 강하기 때문에 과도한 열 응력을 야기하지 않으면서 허용될 수 있으며, 그리고 더 낮은 온도에서 더 많은 열 응력을 견딜 수 있다. 그러므로, 기판상에 RDT의 제어를 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 웨이퍼상의 허용가능한 최대 열 응력을 초과하는 것을피하기 위하여, 종래기술의 방법은 고정된 경사율의 수동으로 프로그램된 시퀀스에 의존한다. 열 응력 손상 유도 RDT을 피하기 위한 실제적인 최대 허용가능 경사율은 상기에서 설명한 바와 같이 온도와 함께 변하기 때문에, 이러한 접근법은 처리가 가열 또는 냉각 처리를 통한 최대 가능 경사율에서 작동하는 것을 방지한다. 더욱이, 이러한 분할된 경사율 프로파일은 소정의 온도에 대한 허용가능한 최대 RDT를 초과하는 경사율을 가져올 수도 있다. 그러므로, 비연속적인 온도 램프 프로파일을 갖는 가열은 이상적인 최대 경사율 곡선으로부터 벗어난다.
따라서, 온도 제어의 개선된 시스템 및 방법은 가열되거나 또는 냉각되는 바디 또는 기판 온도의 함수로서 경사율을 지배하는데 요구된다.
본 출원은 2001년 3월 9일에 출원된 미국 가명세서 출원 제 60/274,532호 및 2002년 2월 6일 출원된 미국 특허출원 제 10/068,127호를 우선권으로 청구하며, 상기 내용은 이하에서 참조된다.
본 발명은 일반적으로 기판의 처리 동안에 반도체 기판 또는 웨이퍼의 온도와 같은 제조 공정 동안에 제어 변수의 경사율(ramp rate)에 관련된 응력(stress)을 최소화시키기 위한 시스템 및 방법에 관련된 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 처리 동안에 온도 경사율을 제어함으로써, 처리 동안에 웨이퍼의 라디얼 델타 온도(RDT)를 과도 열응력 커브 이하로 유지하는 개선된 시스템 및 방법을 제공한다. 반도체 산업에서, 기판의 온도 주기 동안에 기판내의 온도 균일성을 획득하는 것이 바람직하다. 온도 균일성은 층 두께, 저항성, 막 증착을 포함하는 활성화 온도 단계를 위한 접합 깊이, 산화물 성장 및 도펀트의 확산과 같은 기판상의 균일한 프로세스 출력을 제공한다. 또한, 기판내의 균일한 온도 균일성은 휨, 결함 생성 및 "슬립" 결정 구조와 같은 웨이퍼 손상을 유도하는 열 응렬을 방지하는데 필요하다.
도 1은 본 발명의 시스템 및 방법을 사용하는 반도체 제조에 사용된 노의 일 실시예의 간략화된 다이어그램이다.
도 2는 식 1로부터 획득된 실리콘 기판을 위한 최대 라디얼 델타 온도 대 웨이퍼 에지 온도 표이다.
도 3은 본 발명의 방법의 일 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 (ⅰ) 램프된 세트포인트 및 (ⅱ) 전 구간의 웨이퍼 온도 가중 평균을도시하는 그래프이다.
도 5는 (ⅰ) 전 구간의 실제 중심 및 에지 온도; (ⅱ) 전 구간의 RDT 값; 및 (ⅲ) 본 발명의 일 실시예에 따른 시간별 각 구간의 노 전력(furnace power)을 도시하는 그래프이다.
도 6은 (ⅰ) 전체 웨이퍼 온도를 나타내기 위하여 사용되는, 반도체 기판 웨이퍼상의 중심 및 에지 온도의 가중 평균(2/3 에지 + 1/3 중심), (ⅱ) 전 구간의 RDT 값; 및 (ⅲ) 본 발명의 일 실시예에 따른 시간별 각 구간의 노 전력을 도시하는 그래프이다.
도 7은 (ⅰ) 도 5에 도시된 웨이퍼 온도 프로파일의 상부의 확대를 도시하며, (ⅱ) 본 발명의 일 실시예에 따른 전 구간의 가중 평균을 나타내는 그래프이다.
도 8은 (ⅰ) 5, 10, 15 및 20 deg.C min-1온도 경사율의 전 구간 동안의 실제 웨이퍼 중심 및 에지 온도; (ⅱ) 각각의 경사율의 각 구간 동안의 RDT 값; 및 (ⅲ) 본 발명의 RDT 제어 방법을 사용하지 않고, 램핑을 위한 시간별 각 경사율에 대한 각 구간의 노 전력을 도시하는 그래프이다.
본 발명의 목적은 기판이 가열될 때, 처리동안에 온도 경사율을 제어함으로써, 기판상의 라디얼 델타 온도를 제한하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, 본 발명은 다이나믹하게 변하는 온도 경사율을 사용함으로써 기판상의 라디얼 델타 온도(RDT)를 제어하는 시스템 및 방법을 제공한다. 일반적으로, 온도 경사율은 바디의 온도가 증가함에 따라 감소된다. 보다 구체적으로, 본 발명은 반도체 웨이퍼 처리 및 설비(이에 제한되는 것은 아니다)와 같은 제조 공정에서 기판이 가열될 때 발생하는 라디얼 델타 온도 제어의 개선된 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 변수의 램프되는 비율(강사율; ramp rate)을 제한하는 방법을 제공한다. 변수의 최대 허용가능 경사율(ramp rate)은 변수의 순간 세트포인트 값에서 계산된다. 제어하의 변수의 다음 세트포인트 값에 도달할때 까지, 변수는 이러한 최대 허용가능 경사율 보다 더 크지 않게 램프(ramp)된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 온도 제어 알고리즘을 사용하여 개시 온도에서 종료 온도까지 온도 제어된 노의 가열 챔버내에 설치된 바디의 온도를 변화시키기 위한 방법이 제공된다. 가열 챔버내의 하나 이상의 온도 감지 디바이스로부터 온도 데이터 및 온도 세트 포인트는 노 내의 하나 이상의 제어가능한 가열 소자에 전력 전달을 제어하는 온도 제어 알고리즘에 입력으로서 제공된다. 최대 허용가능 온도 경사율은 세트포인트 온도의 함수로서 계산된다. 현재 온도 세트포인트를 위해 계산된 최대 허용가능 온도 경사율이 달성될 때 까지, 온도 세트포인트는 개시 온도로부터 한정된 가속 비율로 가속된다. 바디의 온도가 종료 온도에 대하여 진동하거나 오버슈트없이 종료 세트 포인트 온도에 평탄하게 도달하도록 종료 온도가 도달될 때까지, 온도 세트 포인트는 한정된 감속 비율로 감속된다.
본 발명의 추가의 실시예는 상기 요약된 방법에 따라 노 내부의 바디의 온도를 변화시키는 노를 제공한다.
이러한 방법은 온도 세트 포인트, 가스 흐름 비율, 농도, 압력, 장력, 전압, 인가된 힘 및 위치와 같은 공정 변수의 정교한 제어를 요구하는 다양한 시스템에 응용가능하다. 예시적인 일 실시예에서, 본 발명의 시스템과 방법은 반도체 처리내에서 사용된 멀티-존 노 내에서 수행된다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 이하에 제공되는 본 발명의 상세한 설명 및 청구항 및 도면을 참조로 명백해질 것이다.
상술한 바와 같이, 바디 상의 과도한 열 응력 또는 결정 "슬립(slip)"의 발생을 피하기 위하여, 이를 테면 반도체 기판 또는 웨이퍼와 같은 바디상의 라디얼 델타 온도 또는 RDT를 최소화하는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법은 일반적으로 임의의 공정에 응용가능하며, 제어 변수의 최대 경사율은 시스템내의 응력을 최소화하기 위하여 제한된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, RDT는 온도 경사율을 제어함으로써 과도 열 응력 커브 이하로 유지된다. 최대 허용가능한 열 응력의 이러한 커브는 온도 함수이다. 본 발명은 과도 열 응력 커브를 가열되는 바디의 현재 온도를 위한 최대 허용 가능값 이하로 유지하도록 최대 온도 경사율이 온도를 변화시키도록 제공한다.
더 낮은 온도에서, 반도체 웨이퍼와 같은 바디는 더 높은 온도에서 보다 과도 열 응력 손상을 야기시키는 RDT에 영향을 덜 받는다. (도 1에서 도시된 바와 같이) 노 내의 온도의 경사율은 RDT를 결정하는 주요 유도 인자이기 때문에, 노 내에서 가열되거나 냉각되는 바디상의 RDT는 노 내의 현재 온도의 함수로서 최대 허용 가능 온도 경사율을 제한함으로써 제어된다. 더 낮은 온도에서, 경사율은 더 크게 허용된다. 경사율은 온도가 증가함에 따라 점차로 감소된다. 온도 경사율내의 이러한 점진적인 감소는 시간의 함수로서 대체로 평탄하고, 연속적인 온도 커브를 만든다. 이러한 방식으로, 본 발명은 변화가능한 최대 허용가능 온도 경사율을 제공한다. 이러한 방식으로 경사율 및 RDT를 제어함으로써, 본 발명은 기판에 과도한 응력이나 손상으로 야기하지 않으면서, 비디 또는 기판을 한 온도에서 다른 온도로 이동하는데 요구되는 시간을 최소화한다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어 변수(예를 들면, 온도)가 증가하거나 감소하는 최대 경사율을 제한하는 방법이 제공된다. 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 노상에서 수행될 수 있다. 도 1내의 노(10)는 5개의 분할 구간(14)을 갖는 가열기 소자(12) 및 하나 이상의 반도체 기판 웨이퍼(20)가 장착된 가열 챔버(16)를 포함한다. 전력 명령 또는 신호(22)는 각 구간(14)내에서 개별적으로 제어된다. 가열기 소자(12)의 목적은 목적된 온도(24)로 웨이퍼(20)를 가열하는 것이다. 온도 제어 소프트웨어(30)와 공정 제어 소프트웨어(32)를 갖는 온도 제어기(26)는 전력 명령 신호(22)를 노 가열기 소자에 보낸다. 5개의 구간(14)을 갖는 특정 반도체 노(10)가 도시되지만, 당업자는 본 발명의 시스템 및 방법은 다른 종류의 노가 사용될 수 있으며, 그리고 한 세트포인트 온도에서 다른 온도로 기판 또는 대상물의 온도를 제어가능하게 변화시키기 위하여 설계된 반도체 설비 또는 다른 장치가 사용될 수 있다. 본 발명은 도시된 특정 예들에 제한되지 않는다. 예를 들면, 본 발명은 상이한 구간 수를 갖는 노에서 사용될 수 있다. 이와 같이, 응력이 다른 변수의 함수로서 제어 변수의 경사율을 제한함으로써 제어될 수 있는 다른 공정 또는 시스템에 적용될 수 있다. 부가적으로, 상기 방법은 하나 이상의 변수의 함수로서 하나 이상의 변수의 경사율을 제한함으로써 응력을 제어하는데 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 온도 제어기(26)는 노(10)의 제어를 유지하기 위하여 구성된 PID 제어 소프트웨어와 같은 온도 제어 소프트웨어(30)를 포함한다. 세트 포인트의 램핑은 온도 및 최종 세트포인트에 의존하여 변화하며, 램핑동안에 만곡된다. 더욱 구체적으로, 경사율은 세트 포인트 온도의 경사이다. 반도체 기판은 (대략 600℃ 내지 1200℃의 범위와 같은) 상승된 온도에서 보다 (통상적으로 600℃ 이하) 낮은 온도에서 열 팽창 손상을 발생시키지 않으면서 더 높은 RDT를 용인하기 때문에, 본 발명은 온도가 비교적 낮은 동안에 세트 포인트의 더욱 급속한 램핑을 개시하도록 구성된다. 온도가 상승함에 따라, 최대 용인가능 RDT는 감소하여, 온도가 증가할 때 경사율은 느려진다. 기판 또는 웨이퍼의 온도가 높아질수록, 더 느린 경사율이 사용된다. 본 발명은 현재 세트 포인트 온도의 함수로서 최대 경사율을 다이나믹하게 변화시킨다. 이러한 최대 경사율은 온도의 함수로서 최대 경사율을 제공하는 어떤 다른 프로그램된 함수 또는 온도의 함수로서 최대 허용가능 RDT의 검색 테이블로부터 유도될 수 있다. 그러한 검색 테이블의 예가 테이블 1에 제공된다. 표로 제작된 값들 사이의 온도에서, 최대 허용가능 RDT는 온도의 함수로서 최대 허용가능 RDT를 매끄럽게 변화시키기 위해 삽입된다. 경험적으로 결정된 스케일링 요소는 최대 허용가능 RDT를 최대 온도 경사율로 전환시키기 위해 사용된다. 이러한 스케일링 요소는 상수일 수 있거나 그 자신이 온도의 함수일 수 있다. 300㎜ 웨이퍼의 경우, 스케일링 요소는 바람직하게는 0.5℃/분/RDT의 ℃이다. 상이한 경사율 테이블이 사용될 수 있으며, 본 발명을 구현하는 소프트웨어는 바람직하게는 이러한 경사율이 공정법내에 선택될 수 있도록 구성된다. 이와는 달리, 온도와 최대 경사율 사이의 관계는 하나 이상의 온도 수학적 함수의 시리즈로서 프로그램될 수 있다. 최대 허용가능 경사율 대 온도 함수는 온도의 함수로서 최대 ΔT에 대한 이하의 식을 산출하는 실험을 통하여 미리 결정된다.
여기서 ｆε/ｆt 는 응력 비율(strain rate),E는 영(Young)의 계수(E=1.9×1011Nm-2) ,α는 기판(여기서는 실리콘)의 열팽창 계수, C및 n은 상수(C=4.5×104Nm-2및 n=2.9), k는 볼츠만 상수(k=1.38×10-23JK-1) 및 T는 기판 에지의 절대온도이며, 열 변화도는 가장 높은것으로 가정된다. 상기 식은 반경에 무관하므로, 임의의 크기인 기판에 적용된다. 이렇게 계산된 최대 ΔT의 결과는 도 2에 도시된다.
테이블 1 : 최대 경사율 검색 테이블
온도 세트 포인트, ℃ 최대 허용가능 RDT, ℃
600 80
700 60
800 44
900 34
1000 26
1100 22
1200 18
더욱 구체적으로, 본 발명의 방법의 일 실시예는 도 3에 도시된다. 도 3은 본 발명의 방법의 일 실시예를 도시하는 흐름도이다. 방법은 단계 40에서 개시하며, 램핑 문의는 단계 42에서 행해진다. 결정이 '아니오'라면, 단계 44에서 종전의 세트포인트가 사용된다. 만약 결정이 '예'라면, 문의는 단계 46에서 경사율 감속을 개시할 것인지가 행해진다. 단계 46에서 결정이 '예'라면, 방법은 단계 48에서 감속율을 계산한다. 만약 단계 46에서 결정이 '아니오'라면, 알고리즘은 경사율이 현재 감속하고 있는지를 확인한다. 단계 50에서 경사율이 감속하고 있다면, 그러면 단계 52에서 감속율에 기초하여 세트포인트가 계산되며, 그리고 방법은 행해진다(단계 54). 만약 단계 50에서 경사율이 감속되지 않는 것으로 발견되면, 필요하다면 단계 56에서, 현재 온도에 대한 최대 RDT가 테이블 검색 및 보간법에 의해 결정된다. 또한, 단계 56에서, 테이블 검색으로부터 리턴된 최대 RDT 값은 스케일링 팩터를 사용하여 최대 경사율로 전환된다.
그 다음에, 단계 58에서 경사율이 최대 경사율 이하인지를 문의한다. 만약 '아니오'라면, 단계 60에서 최대 경사율은 새로운 세트포인트를 계산하기 위하여 사용된다. 만약, '예'라면, 단계 62에서 경사율은 최대 경사율을 항하여 가속된다.
그 결과 만곡된 세트 포인트의 예시적인 구현이 도 4에 도시된다. 실제로, 본 발명의 이러한 실시예는 이하의 개념적인 단계를 통하여 구현될 수 있다: 최대 허용가능 온도 경사율은 상술한 바와 같이 현재 세트 포인트 온도에 대하여 계산되며, 그리고 상기 세트포인트 온도는 이러한 최대 허용가능 경사율을 초과하지 않는 비율로 램프된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 개시 온도에서 영(zero)에서 최대 경사율로 증가 또는 가속하며, 그리고 나서 다시 종료 온도에서 최대 경사율에서 영으로감소 또는 감속하여 온도 세트 포인트가 만곡되어 정상 상태(제로 경사율)와 가열 또는 냉각 공정의 램핑 상태 간의 평탄한 변이를 제공하게 된다. 경사율은 최대까지 가속되며, 그리고 세트포인트 온도에 관하여 실제 바디 온도의 진동을 최소화하기 위하여 한정되고 물리적으로 획득가능한 비율로 최종 세트 포인트까지 감속된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 온도 램프는 선형 가속 및 감속 비율(시간에 관하여 온도 세트포인트의 2차 도함수는 상수이다)로 가속되며 감속된다. 그러나, 어떤 조건하에서는 비선형 감속이 바람직할 수 있다.
온도 제어기에 공급된 세트포인트 경사율은 a) 현재 세트포인트 온도를 위한 스케일링 요소 및 RDT 대 온도 테이블로부터 다이나믹하게 획득된 최대 허용가능 경사율, b) 상기 세트 포인트 곡선에 의해 제공된 경사율 및 c) 세트 포인트 온도가 최종 세트포인트에 도달할 때 까지, 노에 의해 획득가능한 최대 경사율 중 가장 적은 것을 따른다. 그리고 나서, 세트포인트 경사율은 최종 종료 온도와 만나기 위하여 평탄하게 감속된다. 본 발명의 방법은 RDT를 슬립 곡선 이하로 유지하도록 가능한 가장 신속한 비율로 웨이퍼를 목적하는 온도로 운반시킨다.
이러한 실시예에서, 바람직하게는 2세트의 열전쌍: 하나 이상의 스파이크 열전쌍(34)및 하나 이상의 프로파일 열전쌍(36)은 도 1에 도시된 바와 같이 온도 측정을 위해 사용된다. 스파이크 열전쌍(34)은 가열기 소자 권선(미도시)에 더 가까우며, 입력을 제어하기 위하여 더 빨리 응답한다. 프로파일 열전쌍(36)은 웨이퍼(20)에 더 가까우며, 그러므로 그들의 온도는 더 좋게 나타난다. 온도 제어 소프트웨어(30)를 갖는 온도 제어기(26)는 공정 제어 소프트웨어를 갖는 공정 제어기(32)로부터 목적하는 온도(24) 세트 포인트를 수신하며, 그리고 열전쌍의 측정된 온도(38)를 판독한다. 측정된 온도(38)는 웨이퍼(20)의 온도 평가를 제공하는 제어 온도(미도시)를 생성하기 위하여 수학적으로 조합된다. 제어 온도는 바람직하게는 스파이크 열전쌍(34) 및 프로파일 열전쌍(36)에 의해 측정된 온도의 가중 평균이다. 무게는 온도의 함수로서 변화하며, 스파이크 열전쌍(34) 온도는 더 높은 온도에서 더욱 강하게 가중된다. 더욱 바람직한 실시예에서, 측정된 온도(38)의 수학적 조합도 하나 이상의 온도 오프셋을 포함한다. 이러한 오프셋은 정적 또는 동적일 수 있다. 일 예에서, 정적인 오프셋은 가열되는 웨이퍼 또는 다른 바디의 온도와 열전쌍 온도간의 차이를 위한 제어 온도를 수정하기 위하여 사용된다. 이러한 오프셋은 열전쌍이 설치된 웨이퍼를 사용하여 실험적으로 결정될 수 있다. 제어 알고리즘 및 입력된 제어와 세트 포인트 온도에 기초하여, 온도 제어기(26)는 노 가열기 소자(12)의 각 구간에 제공할 전력량을 결정한다.
경사율이 특정되면, 세트포인트는 선택된 비율로 램프될 것이다. 바람직한 실시예에서, 세트포인트는 세트포인트 램프 상태의 종료 부근의 최종 세트포인트로 평탄하게 만곡된다. 세트포인트가 최종 세트포인트를 향하여 만곡되는 시간 동안에, 경사율은 선형적으로 감속한다. 프로그램된 온도 세트포인트의 이러한 곡선은 램프의 종료시에 우선적으로 사용된다. 그러나, 전력 수요의 큰 진동을 피하기 위하여 램프의 개시에도 적용된다.
본 발명의 방법으로 최대 온도 경사율로 램핑할 때, 순간 온도 세트포인트는 PID 시스템과 같은 온도 제어기를 통상적으로 사용했을 때와 같이 최종 세트포인트로 즉시 점프하지 않는다. 대신에, 구간 및 세트포인트를 위한 최대 획득가능한 경사율, 또는 테이블 1과 스케일링 요소로부터 현재 세트포인트 온도를 위한 최대 허용가능한 RDT의 결과로부터 획득된 현재 온도를 위한 최대 허용가능 경사율에 도달할 때 까지, 세트포인트는 유한하고 물리적으로 획득가능한 비율로 가속된다. 현재 세트포인트 온도의 함수로서 최대 허용가능 온도 경사율은 라디얼 델타-T 대 온도 함수와 스케일링 요소의 결과로부터 실시간으로 획득된다. 상기 RDT 대 온도 함수는 전술한 실시예에서 상술된 바와 같이 수학적 관계로서 제공되거나 또는 검색 테이블내에 제공된다. 만약 검색 테이블이 사용된다면, 소프트웨어는 표로 만들어진 값이 제공되지 않는 온도에서 최대 허용가능 RDT를 삽입하도록 구성된다. 소정의 온도에서 최대 허용가능 RDT에서 온도의 함수인 최대 허용가능 경사율로 전환하기 위하여 사용된 스케일링 요소는 상수일 수 있거나, 또는 그 자체가 온도의 함수일 수도 있다.
추가적인 실시예에서, 시스템도 제공되며, 본 발명의 방법은 온도 제어된 노에서 세트포인트 온도의 경사율을 제어하는데 사용된다.
다른 실시예에서, 시스템이 제공되며, 본 발명의 방법은 공동 계류중인 미국 특허출원 제 10/068,127호내에 상술된 온도 제어 방법과 조합되며, 개시내용은 이하에서 참조된다.
도 1에 도시된 것과 유사한 노를 사용하며, 그리고 열전쌍이 설치된 웨이퍼(웨이퍼의 상이한 영역을 위한 온도 데이터를 제공하는 매입된 열전쌍을 갖는 반도체 웨이퍼)를 사용하는 본 발명의 시스템과 방법으로 몇 가지 실험이 행해졌다.도 4 내지 7은 예시적인 실험을 위한 열전쌍이 설치된 웨이퍼 온도 데이터 및 노 전력 전달을 도시하며, 온도 경사율은 선형적으로 가속 및 감속되며, 그리고 최대 경사율은 RDT를 최대 허용가능 열 응력 곡선 이하로 유지하기 위하여 제어된다. 열전쌍이 설치된 웨이퍼는 이러한 조건하에서 600℃ 에서 950℃까지 가열된다. 도 5는 (ⅰ) 전 구간을 위한 실제 중심 및 에지 온도; (ⅱ) 전 구간을 위한 RDT 값; 및 (ⅲ) 시간별 각 구간을 위한 노 전력을 보여주는 이러한 실험에서 수집된 데이터의 그래프이다. 도 6은 이러한 실험에서 열전쌍이 설치된 웨이퍼상의 중심 및 에지온도의 가중 평균(2/3 에지 + 1/3 중심)을 도시하며, 도 7은 도 5의 램프 상부의 확대도 및 전 구간을 위한 가중 평균을 도시한다.
다른 실시예에서, 본 발명의 시스템 및 방법은 도 1에 도시된 바와 같은 5개 구간을 갖는 급속 수직 처리(RVP)형 노내에서 수행되었다. 도 4는 램프된 세트포인트와 전 구간에 걸친 측정된 웨이퍼 온도 가중 평균을 도시한다. 이러한 도면은 실제 웨이퍼 온도가 온도 세트포인트 곡선에 어떻게 합치되는지를 보여준다.
도 8은 경사율이 본 발명에 의해 제어되지 않는 선형 경사율의 결과를 도시한다. 세트포인트는 램프의 상부에서 만곡되는 것을 제외하고, 선형으로 램프된다. 도 8은 5, 10, 15 및 20 deg.C min-1의 경사율에 대한 전 구간의 실제 웨이퍼 중심 및 에지 온도를 도시한다. 도 8의 섹션(ⅱ)는 웨이퍼를 위한 RDT를 도시하며, 그리고 섹션 (ⅲ)은 시간 함수로서 제공된 전력을 도시한다. 도 8이 도시한 바와 같이, RDT 기초 경사율 제어없이 경사율을 증가시키는 것은 본 발명의 방법이사용되었던 도 4 및 5에서 관측되었던 것 보다 매우 큰 RDT값을 유도한다.
본 발명의 시스템과 방법은 바람직한 실행을 제공한다. 본 발명의 특정 실시예와 예들의 전술한 상술은 예시와 설명의 목적이었으며, 그리고 본 발명이 선행하는 특정 예들에 의해 예시되었더라도, 이에 의해 제한되는 것은 아니다. 개시되었던 정확한 형태로 본 발명이 제한되는 것은 아니며, 상기 개시된 내용의 견지에서 많은 수정, 실시예 및 변화가 가능하다. 본 발명의 범주는 여기서 개시된 일반적인 영역, 부가되는 청구항 및 그것의 등가물을 포함한다.

Claims (13)

  1. 변수의 경사율을 제한하는 방법에 있어서,
    상기 변수의 현재 값에서 상기 변수의 최대 허용가능 경사율을 계산하는 단계; 및
    상기 최대 허용가능 경사율을 초과하지 않도록 상기 변수의 경사율을 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 변수는 가열되는 바디의 세트포인트 온도인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 가열되는 바디는 하나 이상의 반도체 기판인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 최대 허용가능 경사율은 현재 온도에서 웨이퍼상의 최대 라디얼 델타 온도의 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 온도 제어 알고리즘을 사용하여 개시 온도에서 종료 온도까지 온도 제어된 노의 가열 챔버내에 장착된 바디의 온도를 변화시키는 방법에 있어서,
    입력으로서 상기 가열 챔버내의 하나 이상의 온도 감지 디바이스로부터의 온도 데이터와 온도 세트 포인트를 상기 노내의 하나 이상의 제어가능 가열 소자에 전력 전송을 제어하는 온도 제어 알고리즘에 제공하는 단계;
    온도 함수로서 최대 허용가능 온도 경사율을 계산하는 단계;
    현재 온도 세트포인트 값을 위한 상기 최대 허용가능 온도 경사율이 얻어질 때 까지, 상기 개시 온도에서 한정된 가속률로 상기 온도 세트포인트를 가속시키는 단계; 및
    상기 바디의 온도가 상기 종료 온도에 대하여 대체로 오버슈트나 진동없이 평탄하게 상기 종료 세트 포인트 온도에 도달하도록, 상기 종료 온도가 도달될 때 까지 상기 온도 세트 포인트를 한정된 감속률로 감속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제어가능 가열 소자는 방사 가열 램프와 가열 코일로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 온도 감지 디바이스는 하나 이상의 온도를 상기 하나 이상의 제어가능한 가열 소자 각각에 제공하는 하나 이상의 열전쌍인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 하나 이상의 열전쌍 온도의 수학적 조합인 제어 온도는 상기 온도 제어 알고리즘의 입력인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제어 온도는 상기 열전쌍 온도로부터 알려진 오프셋을 갖도록 더욱 한정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 온도 오프셋은 상기 바디의 온도와 상기 열전쌍 온도간의 차이를 위해 상기 제어 온도를 수정하는 정적 오프셋인것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 바디는 반도체 기판인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 바디의 온도를 변화시키기 위한 온도 제어된 노에 있어서,
    하나 이상의 제어가능한 가열 소자 및 하나 이상의 온도 감지 디바이스를 장착하는 가열 챔버; 및
    제 1항의 방법을 수행하도록 구성된 온도 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 제어된 노.
  13. 바디의 온도를 변화시키기 위한 온도 제어된 노에 있어서,
    하나 이상의 제어가능 가열 소자 및 하나 이상의 온도 감지 디바이스를 장착한 가열 챔버; 및
    제 5항의 방법을 수행하도록 구성된 온도 제어기를 포함하는 것을 특징으로하는 온도 제어된 노.
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