KR20030026965A - 물체의 열 처리를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물체를 열처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 열처리 중에 처리되어야할 물체의 온도 프로파일을 보다 양호하게 조절할 수 있게 하기 위한 장치와 방법, 특히 급속 가열 유닛 내의 반도체 웨이퍼를 열처리하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 이들에 의해 물체가 규정된 온도 과정에 따라 열처리되고 물체의 온도가 가열 장치 및 물체의 시뮬레이션에 근거한 PID 조절 및 순방향 작동 조절에 따라 조절된다. 상기 시뮬레이션 모델은 가열 장치 및/또는 물체의 성분들에 대한 개별적인 모델을 가지고 있으며, 하나 이상의 개별적인 모델에 대한 변수들은 열처리 중에 모니터링되고 시뮬레이션 모델이 모니터링된 변수들에 적용된다.

Description

물체의 열 처리를 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR THERMALLY TREATING OBJECTS}

이러한 방법과 장치는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지되어 있다. 예를 들어, 전자 부품을 제조하는 반도체 산업에서, 초당 100℃ 이상의 높은 가열율을 갖는 가열 램프를 통해 디스크형 반도체 기판을 열처리하는 것이 일반적이다. 이와 관련하여, 열처리는 일반적으로 규정된 시간순서의 온도 프로파일을 따른다. 이러한 온도 프로파일을 달성하기 위해, 램프로부터 방출되는 열 동력(heating power)의 조절이 필요하다. 가열 램프는 규정된 열 동력 프로파일로 제어되기 때문에, 웨이퍼의 온도는 특정한 온도 곡선을 따른다. 그러나, 이와 관련하여 램프로부터 방출된 열 동력과 웨이퍼의 온도 사이에는 선형 관계가 없음에 주목해야 하며, 이는 상이한 효과, 특히 (예를 들어, 미국 특허 제 4,761,538호에 개시된 것과같은)스테판 볼쯔만 원리(Stefan-Bolzmann principle) 뿐만 아니라 예를 들어, 처리 챔버의 형태, 처리 챔버 내측의 다양한 소자 배열, 가열 램프와 관련된 웨이퍼의 위치 등에 기여할 수 있다. 그러므로, 규정된 램프의 제어를 통하여 온도 프로파일을 단순하게 제어하기는 불가능하다.

이러한 이유로 인해, 이론 온도 값으로부터 오차가 있는 경우에는 주어진 소정의 시간에 웨이퍼 온도를 일정하게 모니터링하면서 동시에 웨이퍼 온도를 재조절하는 것이 효과적이다. 이와 관련하여, 두가지 상이한 조절 방법이 유용한데, 즉 폐쇄 온도 조절 회로, 예를 들어 한편으로는 PID 조절 및 다른 한편으로는 소위 선행 제어가 이용된다.

다음에, 적어도 하나의 시스템 변수가 소정의 값(또는 상기 값 주위의 간격 내)이 되어야 한다면 조절의 필요성이 있다는 것을 언급할 것이며, 이에 의해 상기 변수는 조절 장치로 전달되며 조절 장치는 관찰된 시스템 변수의 함수로서 가능한 한 최적의 소정의 값으로 조절할 수 있다. 이와 관련하여, 변수가 비록 가능한 한 양호한 방식으로 시스템을 재생산하는 모델로부터 도출될 수 있다 하여도, 예를 들어 측정에 의해 시스템 내에서 직접 탐지될 수 있다. 여기에서는 모델을 기초로 한 조절을 말할 수 있다. 유사하게, 몇가지 변수에 관련되어 조절되는 시스템으로서, 모델을 기초로 한 변수와 처음에 언급한 변수의 조합이 존재할 수 있다. 일반적으로, 이러한 변수들의 복귀는 피드백 연결로서 나타난다.

조절과는 대조적으로, 제어에 따라 제어되는 시스템의 변수를 조절함으로써 제어 장치로 복귀되지 않는다. 제어되는 변수들은 제어 장치 즉, 모델에 의하여결정되거나 및/또는 제어되어지는 변수보다 다른 다른 몇몇 변수를 통해 제어된다.

폐쇄 온도 조절 회로에서, 임의의 주어진 시간에서 웨이퍼 온도의 실제값은 규정된 이론값 또는 소정값과 비교된다. 만일 두가지 값들 사이에 편차가 발생하는 경우, 조절 장치는 대략적으로 예컨대 가열 램프를 제어함으로써 두가지 값의 조절을 일으켜 효과적이게 한다. 조절 차이가 커지면, 재조절도 커지게 된다. 이러한 조절의 결점은, a) 조절 장치가 이론적 값의 다른 변화에 대한 정보가 없다는 것이며, 그리고 b) 웨이퍼 특성이 고려되지 않는다는 것이고, 이는 조절 과정중에 가변될 수 있으며, 이러한 이유로 조절은 예상된 방식으로 반응하지 못한다.

이러한 결점들은 선행 제어, 즉 임의의 주어진 시간에서의 이론값과 실제값도 조절 과정에서의 이론값의 다른 단계로 넘어가는 종래의 단계에 부가한 선행 제어에 의해 보상된다. 결과적으로, 실제값을 이론값에 적용하는 것은 더욱 정확해지는데, 이는 조절 장치가 이론값의 다른 변화가 조절로 넘어가기 때문이다.

보다 더 정확한 조절을 위하여, 이론값의 미래의 특성은, 특별히 가열 장치 및 처리되는 물체 또는 웨이퍼를 포함한 시뮬레이션 모델을 보조로 하여 미리 계산된다. 이러한 경우, 예측 조절된 처리를 알 수 있다. 개별적인 챔버 요소의 열 용량이 알려져 있으며, 램프 동력이 챔버로 방출되는 것이 알려져 있기 때문에, 웨이퍼 온도 및 그 미래 단계가 열 동력의 진행 프로파일의 함수로서 시뮬레이션 모델의 예측에 의해 미리 평가될 수 있다.

엄격한 시뮬레이션 모델에서는 지금까지 효과적이었던 이러한 평가는, 그러나 매우 어려운데, 그 이유는 처리되어질 가열 장치와 가열 대상을 포함한 처리 챔버내의 상이한 요소가 비선형 시스템으로 나타나기 때문이다. 이러한 난관에도 불구하고, 이러한 방법으로 웨이퍼 온도의 진행의 적용은 개선될 수 있다.

전술한 바와 같이, 이러한 시뮬레이션 모델은 개별적인 요소 전체와 웨이퍼를 갖춘 챔버를 함께 하나의 시스템으로서 간주하였다. 개별적인 시스템 부재간에는 차이가 없다. 또한, 종래 알려진 시뮬레이션 모델은 하나의 시간으로 설정되고, 그리고 연속적으로 변경은, 특히 처리 동안은, 즉 물체가 온도-시간 처리를 겪게 되는 동안은 되지 않는다. 시스템내의 변경은, 예를 들어 상이한 광학적 특성을 갖는 상이한 웨이퍼(물체)의 처리 동안은 고려되지 못한다. 특히, 처리 과정에 의한, 및/또는 예를 들어 가열 램프에 의한 복사 방출과 같은 노화에 의한 변경이나 챔버내의 다른 변경은 고려되지 못한다. 처리 과정에 의한 변화는, 예를 들어 석영 글래스로 만들어진 처리 챔버의 가열 상승이 되고, 그리고 부가적인 열 복사가 초래되며 램프 복사의 파장과 일반적으로 상이하게 된다.

본 발명은 가열 유닛 내에서 물체를 열처리하는, 특히 급속 가열 유닛 내에서 반도체 웨이퍼를 열처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 상기 방법 및 장치에 따라 물체는 소정의 온도 과정에 따라 열처리되고, 물체의 온도는 적절한 온도 제어 방식, 예를 들어 가열 장치 및 물체의 시뮬레이션 모델에 기초한 선행 제어(forward-acting control) 방식 및 PID 조절(regulation) 방식으로 조절된다.

도 1은 물체의 열 처리를 위한 가열 장치의 개략적 구조,

도 2는 PID 조절로서 반도체 웨이퍼의 열 처리 동안의 이론적 및 실제 온도 프로파일의 그래프,

도 3은 램프로부터 발생된 복사의 결정을 위한 그래프,

도 4는 조절 회로에서 램프 모델의 그래프,

도 5a, 5b는 가열 상승 상태 또는 냉각 하강 상태동안 복사 조절없이 전류 점프동안의 램프 복사를 도시한 곡선,

도 6a, 6b는 복사 조절기로서 동력 점프르 도시한, 5a와 도 5b와 유사한 곡선,

도 7은 예비 제어 유닛의 그래프,

도 8은 확장된 예비 제어 유닛의 그래프.

이러한 본 기술분야의 상태에 기인하여, 본 발명의 목적은 처리되어지는 물체의 온도 프로파일의 향상된 조절이 가능한 가열 유닛내의 물체의 열 처리를 위한 방법과 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따라, 이러한 목적은 시뮬레이션 모델이 물체과 가열 장치중 하나 이상의 요소를 포함한 하나 이상의 개별적인 모델을 포함하고, 하나 이상의 개별적인 모델의 하나 이상의 변수가 열처리 동안에 모니터링되며 시뮬레이션 모델이 모니터링되는 변수중 하나 이상에 적용됨으로써 달성된다. 이는 시뮬레이션 모델이,예를 들어 노화에 기인한 램프의 열 동력의 변경과, 물체가 상이한 광학적 특성을 갖는 등과 같은 작동 조건의 변화에 동적으로 적용될 수 있다는 장점을 가져온다. 시뮬레이션 모델의 적용에 기인하여, 좀더 정확하게 처리되어질 물체의 온도 곡선의 조절은, 예를 들어 처리 챔버(처리 챔버내에 수용된 특별히 석영 요소 역시)의 전술한 가열 상승도 온도 조절 동안에 고려될 수 있게 된다. 이는, 예를 들어 소위 "제 1웨이퍼(first wafer)" 효과의 감소를 위하여 특징적으로 이용될 수 있다. 이는, 처리시 처리 챔버 온도의 영향이, 예를 들어 제 1웨이퍼의 처리중과 같은 웨이퍼의 처리 동안에 처리 챔버가 평균 "작동 온도(operating temperature)"를 미처 갖지 못하게 되는 결과를 가져온다. 이러한 효과는, 예를 들어 대량 생산의 초기에 항상 발생하거나 또는 개별적인 웨이퍼의 처리 사이에 처리 챔버가, 예를 들어 대량 생산시의 온도 이하로 냉각될 수 있는 시간이 매우 많이 존재하는 경우에 항상 발생한다. 그 결과, 설비에 기인하여, 처리 결과는 웨이퍼의 작업 처리량의 함수가 될 수 있으며, 이는 원하지 않는 과정이다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 물체는 가열 장치의 하나 이상의 가열 램프로 조사된다. 하나 이상의 모니터링된 변수를 갖는 개별적인 모델은 바람직하게는 가열 장치의 하나 이상의 가열 램프와, 가열 램프의 작동 변수에 제공되며, 특히 제어된 동력과 관련한 조사된 열 동력은 변경을 발견하기 위하여, 그리고 시뮬레이션 모델에 적용이 필요한 경우 모니터링된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 개별적인 모델은 처리되어질 물체를 위해 제공되고, 그리고 처리되어질 물체의 변수, 특히 그 광학적 특성은, 필요한 경우, 시뮬레이션 모델의 적용을 착수되기 위하여 모니터링된다. 특별히 중요한 것은 처리되어질 물체의 흡수 특성(또는 일반적으로 전도, 흡수 또는 반사와 같은 광학적 특성) 또는 특별히 선행 제어인 조절에 대단히 영향을 미칠 수 있는 상이한 온도에서 열 복사와의 커플링인데, 이는 이러한 특성들이, 예를 들어 실리콘 웨이퍼에 대하여 대단히 온도 종속적이다. 변수는 바람직하게는 물체의 반대 측면상에서 서로 분리되어 결정된다.

전체 모델의 다른 최적화를 위하여, 데이터 전송 시간 및/또는 계산 시간이 계산되며 이를 위해 제공된 개별적 모델은 결정값에 적용된다. 몇몇 측정 장치로서, 예컨대 고온계(pyrometer)와 같은 장치로서, 물체의 온도 결정이 불가능하거나, 또는 400℃이하에서만 대단히 어렵게 가능하다. 그리하여, 400℃이하의 물체의 온도는 바람직하게는 시뮬레이션 모델을 보조로 하여 이후의 단계에서 계산되고, 이러한 계산 정보는 조절시 처리된다.

본 발명의 목적은 가열 유닛 내부의 물체, 특히 급속 가열 유닛 내부의 반도체를 열처리하는 방법으로서, 물체가 규정된 온도 과정에 따라 열처리되며, 상기 물체의 온도가 가열 장치 및 물체의 시뮬레이션 모델에 근거한 온도 조절 및 선행 제어에 따라 조절되는 열처리 방법에 있어서, 시뮬레이션 모델은 가열 장치 및/또는 물체의 성분들을 포함하는 하나 이상의 개별적인 모델을 포함하며, 하나 이상의 개별적인 모델에 대한 하나 이상의 변수는 열처리 중에 모니터링되며, 시뮬레이션 모델은 하나 이상의 모니터링 변수에 적용되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 장치로서 전술한 장점이 방법을 참조로 하여 이루어진다.

도 1은 반도체 웨이퍼(2)의 열 처리를 위한 가열 장치(1)의 개략적 구조가 도시되었다. 장치(1)는 일반적으로 석영 글래스로 제조된 내측 처리 챔버(3)를 가지며 반도체 웨이퍼(2)를 수용하기 위해 지지 부재(5)가 제공된다.

처리 챔버(3)의 위와 아래에는, 예를 들어 텅스텐-할로겐 램프 또는 아크 램프와 같은 다수의 막대형 램프에 의해 형성된 램프의 층(7, 8)이 제공된다. 그러나, 예를 들어 물체의 일측을 가열하기 위해 단일한 램프 층만이 제공될 수도 있다. 물론, 다른 램프가 사용될 수도 있다. 웨이퍼(2)의 열 처리를 위하여, 램프는 공간 및/또는 스펙트럼 요소와 관련되어 제어될 수 있을 뿐만 아니라 강도와 관련되어 제어될 수 있는 특정 전자기 복사를 방출하는 방식으로 제어된다.

열 처리동안, 웨이퍼의 온도가 측정된다. 이를 위하여, 두개의 고온계가 제공되는데, 램프 고온계(10)는 하나 이상의 램프에서 방출된 전자기 복사 강도(I_O)를 측정하며, 웨이퍼 고온계(11)는 웨이퍼(2)로부터 방출된 복사 강도(I_W)와 웨이퍼(2)에서 반사된 복사 강도(I_r)를 측정하며, 웨이퍼를 통해 전달된 복사를 측정할 수도 있다. 램프에 의해 방출된 복사 강도(I_O)는 직접적으로 정의된 및/또는 조절가능한 복사의 조절에 의해 능동성, 또는 예컨대, 전압 공급의 주파수에서 발생하는시스템 예견 복사 변화의 이용에 의해 달성된 수동성중 하나의 임의의 조절을 갖는다. 이러한 조절은 웨이퍼(2)에 의해 반사된 복사 강도(I_r)에서도 알 수 있으며, 그리하여 실제로 웨이퍼(2)로부터 방출되는 웨이퍼 고온계(11)에서 측정된 열 복사의 일부가 램프 고온계(10)의 신호와 웨이퍼 고온계(11)의 신호를 전송하도록 신호 분석기(12)에서 결정될 수 있다. 이에 대한 상세한 측정 방법은 본 출원인에 의한 예를 들어, DE-A-198 55 683에 설명되었다. 이러한 방식으로 측정된 온도는 예를 들어, PID 조절과 연관된 소정의 웨이퍼 온도와 비교되고, 램프의 층(7, 8)에 대한 조절값은 결정되며, 그리고 이에 따라 제어된다.

도 2는 통상적인 열 처리동안의 웨이퍼의 이론적인, 또는 소정의 온도곡선(A)과 실제 온도 곡선(B)을 도시한다. 파단선 곡선(A)은 웨이퍼의 소정의, 또는 이론적인 온도 곡선을 도시하며, 실선 곡선(B)은 웨이퍼의 실제 온도 곡선을 도시한다. 파단선 곡선은 초기에 일정 온도(T₀)에서 도시되며, 시간 간격 t₀부터 t₁까지, 예를 들어 초당 100℃의 일정한 비율로 온도 T₁까지 증가하고, 이어서 이 온도에서 유지된다. 이러한 상태에 따른 전술한 조절로서, 예를 들어 순수 PID 조절로서, 웨이퍼의 실제 온도 곡선은 이러한 선형 곡선을 따르지 않는다. 오히려, 웨이퍼의 가열 상승은 이론적 곡선의 경우가 아니라 시간상 얼마 이후의 점에서 개시된다. 실제 곡선에 대한 가열 상승율은 이론적 곡선보다는 크고, 실제 곡선은 웨이퍼의 소정 최종 온도(T₁) 이상이며 T₁에서의 시간점 이후에 단지 몇차례만 소정의 최종 온도(T₁)로 비등하게 된다.

전술한 바와 같이, 이론적 곡선과 실제 곡선간의 차이는 이론적 값의 다른 단계가 조절에 유도되거나 또는 일체화되며 시뮬레이션 모델을 보조로 실제값의 다른 특성이 미리 계산되는 선행 제어의 추가 병합에 의해 개선될 수 있다. 이와 관련하여 여기에 사용된 시뮬레이션 모델은 정밀 시뮬레이션 모델로서 언급된다.

본 발명에 따라, 조절을 기초로 하는 시뮬레이션 모델은, 시뮬레이션 모델의 적용, 특히 처리 시퀀스 동안의 적용이, 변수가 될 수 있게 가변시키도록 적용시켜 개선될 수 있다. 이는 시뮬레이션 모델을 요소에 흩트리고, 적어도 하나에 대하여, 하지만 각각의, 모델의 요소에 대하여 적절한 단일 모델이 개발되고, 이러한 개별 모델(들)의 하나 이상의 변수의 측정 및 후속되는 개별 모델에 대한 변수의적용이 처리동안에 효과적이게 함으로써 달성된다.

이러한 전체 모델에 기인하여, 조절 변수는 전체 유닛의 조절 장치에 최종적으로 저장된 개별 요소에 대하여 설정될 수 있다. 이러한 방식에서, 웨이퍼의 온도 곡선은 개별 모델과 그 조절 변수를 통해 정확한 방식으로 제어 및 조절 될 수 있다. 전체 모델은 예를 들어, 측정된 변수의 변동 및 변화와 같은 가변되는 조건에 적용할 수 있다.

본 발명을 보다 잘 이해하기 위하여, 도 3 내지 도 8을 설명한다. 도 3은 모델과, 측정 및 적용 모델을 종석 복사 조절 회로에서 일체로 조합시켜 램프로부터 발생된 복사의 결정에 대한 다이아 그램이 도시된다. 램프 모델은 램프의 특성을 기초로 초기에 설정된다. 모델 변수로서 사용되어지는 램프의 특성은 램프를 통하는 전류 흐름과, 인가된 전아과, 그의 저항과, 수신된 동력 및 방출된 복사 동력을 포함한다. 정적 상태에서, 램프에 수신된 전기 동력은 방출된 동력과 동일하다. 또한, 램프의 방출된 복사 동력은 필라멘트 온도를 통해 직접적으로 그 저항과 상호 관련된다. 이러한 상호 관계를 기초로, 도 3에 도시된 램프 모델을 설정할 수 있는데, 이는 또한 본 기술분야에서 J. Urban et al.에 의한, 7th International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors - RPT'99의 "Thermal Model of Rapid Thermal Processing Systems"에서 설명되었다. 이러한 모델로서, 단일 램프는 3개의 변수에 의해 특정화되는데, 즉 온도(T)의 함수로서 램프의 저항 특성 R=f(T)과, 열 용량 C(역시 온도의 함수일 수 있는)와, 그리고 복사 동력을 결정하는 상수인 εσA이다. 여기에서, ε는 방출의 정도에 해당하고, σ는 스테판 볼쯔만 상수에 해당하며 A는 예를 들어, 램프 필라멘트의 유효 표면적과 같은 표면적에 해당한다.

램프 모델에 입력되는 조절값(g)은 램프에 인가된 전압(u)이다. 램프는 온도(T)에서 그 특성과 부합되는, 전압과 저항(R)으로부터, 램프를 통해 흐르는 전류(i)의 세기가 정해진다. P_el= u·i에 따라 램프에서 계산한 전기 동력(P_el)이 결정된다. 스테판 볼쯔만의 복사 원리를 보조로 하여, 램프 온도와 복사 상수(방출 상수)를 보조로 램프로부터 방출된 복사 동력(P_str)이 결정될 수 있다. 복사 동력은 순환 전기 동력에 대하여 감산되고, 그 결과 램프에서 열로 변환되며 필라멘트와 램프를 가열한 동력의 일부가 얻어진다. 본질적으로 필라멘트 와이어의 치수로서 규정된 램프의 열 용량(c)을 이용하여, 램프의 새로운 온도가 계산된다. 이는 도 3에서 1/c 및 일체형 부재로 도시된다. 새로운 온도를 보조로 하여, 램프의 새로운 필라멘트 저항(R)과, 그로부터 변환된 램프의 동력(P_el)이 재결정되고, 그리고 추가로 방출된 램프의 복사(P_str)가 재결정된다. 이러한 방식에서, 램프로부터 방출된 복사 동력(P_str)상의 조절값(g)이 영향이 결정되며, 특히 램프의 동적 특성이 설명된다.

다음 단계에서, 규정된 램프에 대하여 램프 모델에 취해진 변수가 측정된다. 이러한 방식에서, 모델은 최적화될 수 있으며 특정 램프를 위해 설정될 수 있다. 특히, 필라멘트 온도상의 저항의 종속성과, 필라멘트의 열 용량(c)과, 그리고상수(εσA)가 결정되는데, 여기에서 c, ε및 A는 온도의 함수로서 결정될 수도 있다. 가장 바람직하게는, ε와 A는 온도에 적용될 수도 있다. 결정된 변수는 램프 모델에 끼워지면서 램프에 대한 특정 모델을 도출한다.

도 3의 램프 모델의 사용은 도 4의 조절 회로(20)에 도시되었다. 조절 회로(20)에서, 램프 모델(25)을 기초로 계산된 복사된 동력(P_str;여기에서는 램프 모델의 모니터링된 변수)은 고온계(26)를 통해 측정된 실제 램프 복사(h)와 한번 비교된다. 계산된 램프 복사와 측정된 램프 복사 사이의 차이는, 예를 들어 R, ε, A 또는 c의 적용에 주의를 기울이는 모델 최적 유닛(28)을 통해 램프 모델(25)의 다른 최적화에 기여한다. 또한, 계산된 복사 동력(P_ist=P_str)은 이론적 복사값(e)와 비교되고, 램프 복사는 복사 조절기(30)를 통해 결정된 차이를 보조로 조절된다. 복사 조절기(30)에 의해 방출된 조절값(g)과, 유효 전압에 해당되는 값은 램프 모델에 대한 입력값으로서 램프의 제어에 추가적으로 역할을 한다. 전술한 설명으로부터, 웨이퍼의 온도의 조절에 사용되는 램프 모델은 조건을 가변시키도록 동적으로 적용될 수 있어 램프에 의해 실질적으로 방출된 복사 동력을 모델내에서 계산된 복사 동력과 비교한다. 추가적으로, 또는 이와는 달리, 처리동안에, 예컨대 전류 또는 전압과 같은 다른 램프 변수(m)들이 측정될 수 있고, 램프 모델은 측정된 변수를 보조로 하여 최적화될 수 있다. 그러나, 램프 모델을 초기에 측정된 변수값으로서 초기화될 수 있으며, 이러한 값들의 최적화와 동반되는 처리를 경감시킬 수 있다.

전술한 방법에서 특별히 중요한 것은 램프 제어를 위해 역할하는 조절값(g)은 더이상 결정되지 않으며, 종전과 마찬가지로, 이론적 복사값(e)과 측정된 실제 램프 복사값간의 비교를 기초로 이론적 복사값(e)과 램프 모델로부터 계산된 복사 동력(P_str)에서 야기된다고 볼 수 있다. 이는 조절 속도의 증가를 야기하며, 그리고 조절 과정내에서 거의 중단되지 않는다.

전술한 조절의 효과와 장점은 도 5a, 5b, 6a, 6b의 오실로그램 이미지로 도시되었다. 도 5a와 도 5b에서, 램프는 복사 조절기(램프 모델, 램프 모델-최적 유닛)없이 조절값으로서의 전압을 통해 통상적인 방식으로 제어된다. 이와 관련하여, 도 5a는 증가된 복사 동력을 도시하고 있으며, 도 5b에서는 감소된 복사 동력을 도시하고 있다. 이와 관련하여, 전압은 단계적 방식으로 가변되었다. 오실로그램 이미지로부터 한가지 알 수 있는 바와 같이, 램프로부터 복사된 동력은 단지 대단히 독립적인 방식으로 전압의 단계적 곡선을 반영한다. 램프 복사 강도의 단계적 변경에 대신하여, 웨이브형 곡선이 도시될 수 있다.

도 6a와 도 6b에서는, 램프 동력의 일단 증가되는 동안(6a) 및 일단 감소되는 동안(6b)의 램프의 방출 복사의 연대순 곡선을 도시하고 있다. 이러한 경우, 램프는 도 4의 조절 회로를 통해 제어되었다. 도 6a와 도 6b에 도시된 복사 강도의 곡선은 단계적 곡선으로 도시된다. 복사 조절기가 이용되었으며 모델로부터 계산된 복사 강도가 조절값으로서 제공되었다. 도 5a, 도 5b 및 도 6a, 6b의 오실로그램 이미지를 비교하는 동안, Y 축선이 상이하게 높은 값으로 도시된다는 것을 알수 있다. 이는 전압 점프동안에 전압만이 조절값으로서 가변되는 반면에 동력이 점프함으로써 이론값은 복사된 동력에 대하여 규정된다는 사실로부터 기인한다. 대체로, 도 4에 도시된 조절 회로를 통해 제어된 램프(도 6a, 6b)는 보다 동적인 특성을 갖는 조절 요소를 나타낸다. 이와 같이, 웨이퍼의 온도 곡선은 규정된 온도 프로파일에 보다 정확하게 적용될 수도 있다.

웨이퍼의 열 처리동안에, 가열 장치 램프의 각 개별 램프는 이러한 방식으로 개별적으로 조절될 수 있다.

도 7은 웨이퍼의 특성에 적용되며 웨이퍼의 모델을 포함한 예비 제어 조절기를 포함하는 예비 제어를 도시한다. 도시된 조절에서, 웨이퍼를 램프 복사에 커플링시키는 것이 측정되고, 측정된 커플링을 보조로 하여 웨이퍼에 적용된 예비 제어가 발생된다. 예비 제어 조절은 개별 램프 또는 램프의 층들에 대한 조절값이 온도와, 온도 변경과, 웨이퍼 크기 및 다른 가능한 웨이퍼 특성의 함수로서 발생시킨다.

웨이퍼로부터 방출되며 반사된 복사(i)는 측정 유닛(30)에서 측정되며 웨이퍼 온도(j)의 계산을 위해 이용된다. 웨이퍼로부터 방출된 복사(i)는 측정된 램프 복사(h)로서 커플링 측정 유닛(43)에서 비교되고, 그 결과 웨이퍼의 램프 복사의 커플링(k)은 결정될 수 있다. 웨이퍼의 램프 복사 커플링(k)의 결정에 대하여, 램프와 웨이퍼로부터 방출된 복사의 광대역의 능동 조절 측정치가 이용된다. 측정치는 두 고온계에 유효하며, 이는 본 출원인에 의한 DE-A-198 55 683.7호에 개시되었다. 웨이퍼와 램프 복사간의 커플링(k)은 다양한 변수의 함수이다. 예를 들어,웨이퍼는 다중으로 코팅될 수도 있고, 및/또는 다양한 물질로 구성될 수조차 있으며, 이는 웨이퍼 표면에 걸쳐 상이한 흡수 특성의 문제와 비균일한 온도 분포가 야기될 수도 있어 이러한 층들에서 열 복사의 효과를 방해할 수 있다. 웨이퍼와 램프 복사간의 커플링(k)이라는 용어는 웨이퍼와 복사장간의 변경 효과의 정도, 다른 말로 하면 모든 발생되는 파장에 걸친 흡수와 방출의 정도를 말하는 것으로 이해되어야 한다.

지점(45)에서, 계산된 웨이퍼 온도(j)가 이론 온도값(a)과 비교된다. 이론값과 실제값의 차이는 온도 조절기, 예컨대 PID 온도 조절기(47)로 전송되고, 여기에서 차이(b)를 기초로 공지된 방식으로 램프 제어값(c)이 결정된다. 이론값과 웨이퍼 및 램프 복사간의 계산된 커플링(k)은 예비 제어 조절기(50)로 전송되고, 여기에서 예비 제어값(d)이 웨이퍼 특성치(k)의 함수로서 배당된다. 예비 제어값(d)과, 그리고 온도 조절기의 출력값(c)은 지점(54)에서 조절값(e)으로 합산되어 실제 조절값(e)이 마지막 측정치를 기초로 계산이 결정된다. 이와 관련하여, 기초 모델은 챔버, 유지 장치 또는 램프의, 예를 들어 석영 온도, 주변 온도, 기타와 같은 다른 변수를 포함할 수도 있다. 조절값(e)은 램프의 상부 및 하부 층에 대한 조절기(55a, 55b)로 전송된다.

웨이퍼 위에 놓인 모든 램프는 램프의 상부층(7)에 조합되고, 웨이퍼의 아래에 놓인 램프는 램프(8)의 하부층에 조합된다. 램프의 상부층과 하부층의 각각의 램프(n)는 도 4에 설명된 것과 같은 개별 조절 회로(LCL)를 갖는다. 균일한 램프 장에서의 가열 상승동안, 디스크형 웨이퍼의 엣지 영역은 웨이퍼의 중앙보다 더 강하게 가열 상승된다. 웨이퍼에 걸친 균일한 온도 분포의 달성을 위하여, 램프 층의 개별 램프는 매우 상이하게 복사되어야 한다. 이러한 목적을 위하여, 제어 테이블(LCT)이 개별 램프를 위해 제공된다. 이러한 제어 테이블을 보조로 하여, 각 개별 램프의 복사 강도는 열 처리동안에 설정된다. 이를 위해 필요한 조절 장치는 램프이 조절 회로보다 우선한다. 이들은 조절값(e)을 통해 제어되고, 그리고 원하는 램프 복사(h)를 처리한다. 각각의 램프가 상이한 상태에서 상이한 동적 특성에 노출되기 때문에, 개별 특성을 보조로 하는 각 램프가 도 4에 따른 개별 조절 회로로 제어되는 특징이 있다. 이러한 방식에서, 웨이퍼의, 특별히 엣지 영역에서 보다 균일한 가열 상승이 달성된다. 웨이퍼의 램프 복사로의 커플링에 대한 표시를 제공하는 측정된 변수(h, i)에 기인하여, 램프 모델에 적용될 수 있는 램프 모델의 모델 변수에 관련한 정보를 얻는다. 특별히 램프가 아크 램프인 경우, 이러한 방법은 매우 장점을 갖는다. 제어 테이블(LCT) 자체가 개별 모델에 의해 설명될 수 있으며 하나 이상의 변수(예를 들어 방사상 웨이퍼 온도)를 통해 모니터링되며 적용될 수 있다는 사실을 주목하여야 한다.

웨이퍼 복사(i)가 조절되어지는 값이므로, 이는 웨이퍼 온도에 대한 지시를 할 수 있기 때문에, 그리고 커플링 측정 유닛(43)이 이러한 복사(i)를 램프 복사(h)에 비교하기 때문에, 피드백 커플링을 갖는 제어를 포함할 수 있다. 램프 복사(h) 자체는 여기에서 이해되는 차원에서 조절되지 않으며, 조절되어지는 값(i)을 보조로 하여 단지 소정의 값이 된다. 이러한 목적을 위하여, 램프 복사(h)는 대체로 조절되어질 변수의 규정된 값(i)을 유도하는 임의의 과정으로 간주될 수있으며, 이는 단지 보조적인 변수이다. 반대로, 조절되어지는 웨이퍼 복사(j)는 측정 유닛(40)에 공급된다. 여기에서 전술한 관점에서의 조절을 알 수 있다.

오랜 사용 수명에 기인한 램프의 노화 효과는 새로운 변수값으로 그 모델을단순히 적용함으로써 큰 비용 소비없이 신속하게 보상될 수 있다. 측정된 변수를 보조로 하는 램프 모델의 램프 변수의 동적 적용은 램프의 교체나 교환하는 동안에 매우 장점이 된다. 지금까지, 이러한 경우 적절한 테이블을 갖는 새로운 모델이 준비되었다. 그러나, 동적 적용 동안 램프는 자동으로 측정되며 모델은 자동으로 스스로 적용된다. 이러한 모델 적용을 수단으로, 램프는 오랜 기간동안 특징적으로 사용될 수도 있다. 또한, 예를 들어 도 4로부터의 P_str과 같은 모니터링된 변수 또는 개별 모델 변수 또는 그와 종속된 모델 변수는 신속 가열 유닛을 모니터링하는 역할을 할 수 있어, 예를 들어 개별 모델이 규정되거나 적용된 초기 범위에서 벗어나는 경우에 램프의 교체를 알릴 수 있다.

도 7에 도시된 예비 제어로서, 램프 복사로 웨이퍼의 하측의 커플링이 고려된다.

도 8은 웨이퍼 하부측과 램프 복사의 커플링 이외에, 웨이퍼 상부측과 램프 복사의 커프링에 고려될 수 있는 시스템을 도시한다. 도 8에 있어서, 동일한 도면부호가 도 7의 동일 또는 유사한 구성요소에 대하여 사용되었다.

상기 커플링의 개별적인 관측은 웨이퍼의 상부측 및 하부측이 다른 재료로 코팅되어 웨이퍼 양측면의 광학 특성이 다른 웨이퍼의 경우에 특히 유리하다. 특히 반도체 산업에 있어서, 대부분의 경우에 웨이퍼의 정면측에는 하나 이상의 상이한 재료층들이 제공되는 반면에, 웨이퍼 배면층은 처리되지 않는다. 또한, 표면들중 하나의 표면에는 미세 구조물이 제공될 수 있는 반면에, 다른 표면은 그렇지 않아 매끄럽다. 1차적인 제어를 위한 두 개의 상이한 모델에 이들 차이점을 고려해 넣는다면, 웨이퍼에 대한 온도 조절은 훨씬 더 향상될 수 있다. 램프 복사와 웨이퍼의 커플링에 의해 웨이퍼의 정면 및 배면측에 평균값을 제공할 수 있으므로, 1차적인 제어값은 서로 무관한 두 개의 커플링 측정값에 대한 평균값으로 결정될 수 있다.

도 8에 도시한 바와 같이, 램프의 상부 및 하부 뱅크로부터 방출되는 복사(h)는 별개로 결정되며 램프 복사와 웨이퍼 사이의 커플링의 결정에 의존한다. 이들 값들로부터 1차 제어 조절기(50a, 50b) 내부의 상부 및 하부 램프 뱅크를 위한 순방향 작동 조절에 대한 상이한 적응을 초래한다. 또한, 분배 유닛을 통해 램프의 상부 및 하부 뱅크의 상이한 조절을 초래한다.

상부 및 하부 뱅크를 위한 램프 복사의 조절값에 대한 상이한 결정으로 인해, 웨이퍼(12)의 정면 및 배면에 대한 보다 균일한 가열이 보장된다. 이는 특히 초소형 구조물에 특히 유리하다.

본 발명은 비제한적인 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명되었다. 예를들어, 추가의 실시예에 따라서 데이터 전송시스템과 개별 시스템 성분들에 대한 계산시간이 취해질 수 있으며 1차 제어를 위한 모델에 변수로서 제공될 수 있다. 상기 조절값과 직접적인 관련성이 없는 단위 변수의 측정도 유리할 수 있다. 예를들어,공정의 실행중에 발생할 수 있고 램프 복사열의 전달에 영향을 끼칠 수 있는 석영챔버의 불순물이나 오염물은 측정, 예를들어 반사율 또는 투과율을 측정한 후에 조절 회로의 영향을 평가하는 적합한 변수로서 모델에 제공될 수 있다. 웨이퍼의 이상적인 온도 제어를 위해서, 가능한한 시스템의 많은 개별 성분들을 고려함으로써 조절 비용과 성공율 사이의 절충안이 제시될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 모니터링 요소들과 같은 시스템 모니터링 기능들은 램프 모델 또는 (개별적인)모델들의 도움으로 통합화될 수 있다. 결국, 전술한 실시예들의 개개의 특징들은 서로 조합될 수 있다.

Claims (13)

1. 가열 유닛 내부의 물체, 특히 급속 가열 유닛 내부의 반도체를 열처리하는 방법으로서, 상기 물체가 규정된 온도 과정에 따라 열처리되며, 상기 물체의 온도가 가열 장치 및 물체의 시뮬레이션 모델에 근거한 온도 조절 및 선행 제어에 따라 조절되는 열처리 방법에 있어서,

   상기 시뮬레이션 모델은 가열 장치 및/또는 물체의 성분들을 포함하는 하나 이상의 개별적인 모델을 포함하며, 상기 하나 이상의 개별적인 모델에 대한 하나 이상의 변수는 열처리 중에 모니터링되며, 상기 시뮬레이션 모델은 하나 이상의 모니터링 변수에 적용되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 물체는 하나 이상의 가열 램프로 복사되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 하나 이상의 가열 램프에 대해 개별적인 모델이 제공되며, 상기 가열 램프의 작동 변수, 특히 복사에 의한 가열정도가 모니터링되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 한 항에 있어서, 처리되어야할 물체에 대한 변수들, 특히 물체의 광학 특성들이 모니터링되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 물체와 열 복사의 커플링이 결정되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 물체의 대향측에 대한 상기 변수들은 서로 별개로 결정되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중 한 항에 있어서, 데이타 전송 시간 및/또는 계산 시간이 결정되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서, 400℃ 이하의 상기 물체의 온도가 순차적으로 계산되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
9. 가열 장치(1), 특히 급속 가열장치와, PID 조절기(47)를 갖춘 조절 유닛, 및 상기 가열장치(1)와 물체(2)의 시뮬레이션 모델을 이용하는 선행 조절기(50)에 의해 물체(2), 특히 반도체를 열처리하는 장치에 있어서,

   상기 시뮬레이션 모델에 적합한, 상기 가열장치(1) 및/또는 물체(2)의 성분들에 대한 변수들을 감지하고, 측정된 변수들을 상기 시뮬레이션 모델의 변수들과 비교하고, 그리고 상기 시뮬레이션 모델의 변수들을 상기 측정 변수에 적용시키는 하나 이상의 모니터링 유닛에 의해 특징지워지는 열처리 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 하나 이상의 가열 램프에 의해 특징지워지는 열처리 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 모니터링 유닛에는 작동 변수, 특히 하나 이상의 가열 램프의 복사에 의한 가열 정도를 측정하는 하나 이상의 센서(10)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
12. 제 9 항 내지 제 11 항중 한 항에 있어서, 상기 모니터링 유닛에는 처리되어야할 물체(2)의 변수, 특히 물체의 광학 특성을 측정하는 하나 이상의 센서(11)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 물체(2)의 대향측에 대한 변수들을 결정하는 두 개의 센서가 제공되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.