KR20070020752A - PID controlled rapid thermal process apparatus for semiconductor fabrication - Google Patents
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Abstract
반도체 제조용 급속 열처리 장치는 내부에 반도체 기판이 안착되는 공정챔버와 상기 반도체 기판과 이격되어 상기 반도체 기판에 열 에너지를 공급하는 히팅유닛과 상기 반도체 기판의 온도를 측정하는 온도센서와 상기 히팅유닛에 전원을 공급하는 전원공급부 및 상기 온도센서로부터 측정된 온도를 피드백받아 상기 전원공급부에 상기 히팅유닛에 공급하는 전류량을 조절하는 신호를 PID 제어기에 의해 생성하는 제어부를 포함한다. PID 제어기를 통해 히팅유닛의 발열량을 조절함으로써, 급속 열처리 장치의 효율을 높일 수 있다. The rapid heat treatment apparatus for manufacturing a semiconductor includes a process chamber in which a semiconductor substrate is placed, a heating unit spaced apart from the semiconductor substrate, a temperature sensor for supplying thermal energy to the semiconductor substrate, a temperature sensor for measuring a temperature of the semiconductor substrate, and a power source for the heating unit. And a controller configured to generate a signal by the PID controller to control the amount of current supplied to the heating unit by receiving a feedback of the temperature measured by the temperature sensor. By adjusting the heating value of the heating unit through the PID controller, it is possible to increase the efficiency of the rapid heat treatment apparatus.
반도체, 열처리, 히팅유닛, PID Semiconductor, Heat Treatment, Heating Unit, PID
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조용 급속 열처리 장치의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a rapid heat treatment apparatus for manufacturing a semiconductor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 제어부의 블록도이다.FIG. 2 is a block diagram of the controller shown in FIG. 1.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 급속 열처리 장치를 이용한 온도 변화를 나타낸 온도-시간 그래프이다.Figure 3 is a temperature-time graph showing the temperature change using the rapid heat treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
** 도면의 주요부분의 부호에 대한 설명 **** Explanation of symbols in main part of drawing **
110 : 공정챔버110: process chamber
120 : 히팅유닛120: heating unit
130 : 온도센서130: temperature sensor
140 : 전원공급부140: power supply
150 : 제어부150: control unit
본 발명은 반도체 제조용 급속 열처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 는 PID 제어되는 반도체 제조용 급속 열처리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a rapid heat treatment apparatus for semiconductor manufacturing, and more particularly, to a rapid heat treatment apparatus for semiconductor manufacturing with PID control.
최근에 반도체 제조 공정은 반도체 제조 장치의 제조 시간을 단축해서 반도체 소자의 제조 비용을 절감하는 방향으로 유도되고 있다. 이에 대한 방안으로써 반도체 제조 공정은 급속 열처리(rapid thermal process; RTP) 장치를 통해 반도체 기판의 온도를 단시간 내에 높일 수 있는 단위 공정을 포함하게 된다. In recent years, the semiconductor manufacturing process has been directed toward shortening the manufacturing time of the semiconductor manufacturing apparatus and reducing the manufacturing cost of the semiconductor element. As a solution to this, the semiconductor manufacturing process includes a unit process that can raise the temperature of a semiconductor substrate in a short time through a rapid thermal process (RTP) apparatus.
상기의 급속 열처리 장치가 사용되는 단위 공정에는 예를 들어 반도체 기판을 산화시켜 실리콘 산화막을 만들어 절연층, 에칭 마스크 또는 트랜지스터용 게이트 옥사이드(gate oxide)막을 형성하는 공정이 있다. 또한, 여러 가지 방법으로 형성된 박막의 어닐링(anealing) 공정 및 BPSG(borophosphorsilicate glass)막과 같은 유동성 막의 평탄화를 위한 리플로우(reflow) 공정 등이 있다. The unit process in which the rapid heat treatment apparatus is used includes, for example, a step of oxidizing a semiconductor substrate to form a silicon oxide film to form an insulating layer, an etching mask, or a gate oxide film for a transistor. In addition, there is an annealing process of a thin film formed by various methods and a reflow process for planarization of a flowable film such as a borophosphorsilicate glass (BPSG) film.
급속 열처리 장치는 반도체 기판의 온도를 가능하면 빠르게 높이는 것이 필요하다. 즉, 일반적으로 원하는 온도까지 반도체 기판의 온도를 높인 후 반도체 제조 공정이 진행되므로, 반도체 기판의 온도를 높이는 데 시간이 걸리면 이에 따라 후속하는 반도체 공정이 그만큼 지체되는 결과가 되기 때문이다.The rapid heat treatment apparatus needs to raise the temperature of the semiconductor substrate as quickly as possible. That is, in general, since the semiconductor manufacturing process proceeds after raising the temperature of the semiconductor substrate to a desired temperature, if the time taken to increase the temperature of the semiconductor substrate takes place, the subsequent semiconductor process is delayed by that much.
급속 열처리 장치의 효율을 높이기 위해 반도체 기판을 가열하기 위한 히팅유닛의 배열을 변경하거나 내부에 안착된 반도체 기판을 회전시키는 등 다양한 방안이 제안되고 있다. In order to increase the efficiency of the rapid heat treatment apparatus, various methods, such as changing the arrangement of the heating unit for heating the semiconductor substrate or rotating the semiconductor substrate seated therein, have been proposed.
그러나 상기의 방법은 급속 열처리 장치의 전체적인 변경을 가져와 이에 따른 추가 비용이 많이 드는 문제점이 있다.However, the above method has the problem of bringing the whole change of the rapid heat treatment apparatus and thus additional cost.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기의 문제점을 해결하기 위해 PID 제어를 통해 반도체 기판의 온도를 보다 단시간에 원하는 온도로 높일 수 있는 반도체 제조용 급속 열처리 장치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a rapid heat treatment apparatus for manufacturing a semiconductor that can raise the temperature of a semiconductor substrate to a desired temperature in a shorter time through PID control in order to solve the above problems.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 반도체 제조용 급속 열처리 장치는 내부에 반도체 기판이 안착되는 공정챔버와 상기 반도체 기판과 이격되어 상기 반도체 기판에 열 에너지를 공급하는 히팅유닛과 상기 반도체 기판의 온도를 측정하는 온도센서와 상기 히팅유닛에 전원을 공급하는 전원공급부 및 상기 온도센서로부터 측정된 온도를 피드백받아 상기 전원공급부에 상기 히팅유닛에 공급하는 전류량을 조절하는 신호를 PID 제어기에 의해 생성하는 제어부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, a rapid heat treatment apparatus for manufacturing a semiconductor according to the present invention includes a process chamber in which a semiconductor substrate is mounted and a heating unit spaced apart from the semiconductor substrate to supply thermal energy to the semiconductor substrate, and a temperature of the semiconductor substrate. Control unit for generating a temperature sensor for measuring the power supply unit for supplying power to the heating unit and the heating unit and a signal for controlling the amount of current supplied to the heating unit by receiving the temperature measured from the temperature sensor by the PID controller It includes.
바람직하게는 상기 PID 제어기의 비례게인, 미분게인, 적분게인은 단말기를 통해 조정할 수 있다.Preferably, the proportional gain, differential gain, and integral gain of the PID controller can be adjusted through the terminal.
본 발명에 의하면 온도센서로부터 측정된 온도를 피드백하여 PID 제어기를 통해 히팅유닛의 발열량을 조절함으로써, 급속 열처리 장치의 효율을 높일 수 있다. According to the present invention by feeding back the temperature measured from the temperature sensor to adjust the heating value of the heating unit through the PID controller, it is possible to increase the efficiency of the rapid heat treatment apparatus.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예가 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 구 성요소를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present embodiment is not limited to the embodiment disclosed below and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. Like numbers refer to like elements throughout.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조용 급속 열처리 장치의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a rapid heat treatment apparatus for manufacturing a semiconductor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 반도체 제조용 급속 열처리 장치(100)는 내부에 반도체 기판(W)이 안착되는 공정챔버(110), 반도체 기판(W)에 열 에너지를 공급하는 히팅유닛(120), 반도체 기판(W)의 온도를 측정하는 온도센서(130), 히팅유닛(140)에 전원을 공급하는 전원공급부(140) 및 온도센서(130)로부터 측정된 온도를 피드백받아 전원공급부(140)에 제어신호를 보내는 제어부(150)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the rapid
공정챔버(110) 내부에는 반도체 기판(W)이 안착되는 안착부(112)가 구비되고, 안착부(112)에 안착된 반도체 기판(W)에 소정의 열처리 공정이 진행된다. 안착부(112)의 하측에는 안착부(112)를 지지하는 지지부(114)가 구비된다.In the
반도체 기판(W)의 상측에는 반도체 기판(W)에 열 에너지를 공급하여 반도체 기판(W)의 온도를 높이는 히팅유닛(120)이 이격되어 배치된다. 히팅유닛(120)은 텅스켄-할로겐 램프일 수 있고, 또는 히터일 수 있다. 히팅유닛(120)은 복수개가 행렬 형태 또는 일자형 등 다양한 형태로 배치될 수 있다.On the upper side of the semiconductor substrate W, the
히팅유닛(120)과 반도체 기판(W) 사이에는 히팅유닛(120)이 발생시키는 열 에너지가 반도체 기판(W) 상에 두루 방사될 수 있도록 방사판 역할을 하는 쿼츠 윈도우 어셈블리(quartz window assembly; 128)가 배치된다. A quartz window assembly (128) serving as a radiating plate between the heating unit (120) and the semiconductor substrate (W) to radiate heat energy generated by the heating unit (120) onto the semiconductor substrate (W); ) Is placed.
반도체 기판(W)의 하측에는 고반사율의 코팅면을 가지는 리플렉터(reflector; 118)가 마련된다. 즉, 히팅유닛(120)이 반도체 기판(W)이 안착된 하측 으로 열 에너지를 방출하여 일부는 반도체 기판(W)을 가열하고, 나머지 일부는 반도체 기판(W)을 지나 리플렉터(118)에 의해 반사된다. 반사된 열 에너지는 다시 반도체 기판(W)으로 전달되어 보다 열 전달 효율을 높인다.Under the semiconductor substrate W, a
반도체 기판(W)의 하측에는 반도체 기판(W)의 온도를 측정하기 위한 온도센서(130)가 배치된다. 온도센서(130)의 종류나 배치에 대해서는 제한이 없으며, 도시한 것과 달리 반도체 기판(W)의 상측이나 그 측면에 배치될 수 있다. 또한 온도센서(130)의 갯수도 하나 또는 복수개가 필요에 따라 다양하게 배치될 수 있다.Below the semiconductor substrate W, a
한편, 공정챔버(110)에는 반도체 제조 공정이 완료된 후 고온의 반도체 기판을 신속하게 상온으로 냉각하기 위해 도시하지 않은 가스공급부 및 가스배출구가 더 형성될 수 있다. 가스공급부를 통해 질소 가스와 같은 냉각 가스를 공정챔버(110) 내부로 투입하여 반도체 기판을 냉각시킨다.Meanwhile, the
히팅유닛(120)을 통해 반도체 기판(W)의 온도를 높이는 공정챔버(110)의 구성에 대하여는 잘 알려져 있으므로 이하 자세한 설명은 생략한다. 또한 공정챔버(110)의 내부 구성은 기타 잘 알려진 다양한 형태로 변형이 가능하다. 예를 들어, 히팅유닛(120)은 반도체 기판(W)의 상측와 하측에 다같이 배치될 수 있으며, 또는 반도체 기판(W)의 하측에만 배치될 수도 있다. 또한, 반도체 기판(W)이 안착되는 안착부(112)가 일정속도로 회전하는 타입일 수도 있다. Since the configuration of the
히팅유닛(120)에는 전원공급부(140)가 연결되어, 전원공급부(140)가 공급하는 전류량에 비례하여 히팅유닛(120)이 방출하는 열 에너지가 조절된다. 전원공급부(140)가 공급하는 전류량은 제어부(150)의 제어 신호에 따라 조절된다.The
제어부(150)는 온도센서(130)로부터 측정된 반도체 기판(W)의 온도와 설정된 온도값을 비교하여 PID(proportional-plus-integral-plus-derivative) 제어기를 통해 전원공급부(140)에 제어 신호를 보낸다. The
도 2는 도 1에 도시된 제어부의 블록도이다.FIG. 2 is a block diagram of the controller shown in FIG. 1.
도 2를 참조하면, PID 제어기(155)의 입력값(e)은 수학식 1과 같다.Referring to FIG. 2, the input value e of the
여기서, r은 급속 열처리 장치가 도달하기 원하는 온도, 미리 설정된 온도를 말하고, q는 온도센서(130)로부터 측정되어 피드백된 반도체 기판(W)의 현재 온도(q)이다. 즉 PID 제어기(155)에 입력되는 입력값(e)은 미리 설정된 온도(r)와 현재 반도체 기판(W)의 온도(q)의 차이가 된다.Here, r denotes a temperature to be reached by the rapid heat treatment apparatus, a preset temperature, and q is a current temperature q of the semiconductor substrate W measured and fed back from the
입력값(e)을 기초로 한 PID 제어기(155)의 출력값(y)은 수학식 2와 같이 표현된다.The output value y of the
여기서, y는 PID 제어기(155)의 출력값으로 전원공급부(140)에 전달되는 제어신호이고, Kp 는 입력값(e)에 곱해지는 비례이득이고, KI는 입력값(e)을 적분한 값에 곱해지는 적분이득이며, KD는 입력값(e)을 미분한 값에 곱해지는 미분이득이다.Here, y is a control signal transmitted to the
수학식 2를 라플라스(Laplace) 변환한 PID 제어기(155)의 전달함수는 수학식 3과 같다.The transfer function of the
PID 제어기(155)의 성능은 비례이득, 적분이득, 미분이득의 값에 따라 정해진다. 각 이득값들은 급속 열처리 장치(100)에 따라 다르며 일정하지 않다. The performance of the
상기와 같이 구성된 PID 제어기(155)는 제어부(150)에 소프트웨어적으로 구현이 가능하다. 즉 본 발명에 의하면 급속 열처리 장치(100)의 하드웨어적인 변경이 아닌 소프트웨어적으로 제어부(150)에 PID 제어기(155)를 구현하도록 함으로써 비용이 저렴하고, 간단하게 추가가 가능하다.The
비례이득, 적분이득, 미분이득은 급속 열처리 장치(100)의 상태에 따라 변화할 수 있다. 따라서 비례이득, 적분이득, 미분이득은 사용자가 단말기(도 1의 200)를 통해 언제든지 입력이 가능하도록 한다. 즉, 제어부(150)는 네트워크 등의 통신수단을 통해 단말기(200)와 연결되어 사용자가 원하는 때에 간편하게 비례이득, 적분이득, 미분이득을 각각 조정할 수 있도록 한다. The proportional gain, the integral gain, and the derivative gain may vary depending on the state of the rapid
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 급속 열처리 장치를 이용한 온도 변화를 나타낸 온도-시간 그래프이다.Figure 3 is a temperature-time graph showing the temperature change using the rapid heat treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
공정챔버(110) 내부에 반도체 기판(W)을 안착시키고, 27℃에서 270℃까지 반도체 기판(W)의 온도를 높이는 데 걸리는 시간을 측정하였다.The semiconductor substrate W was placed inside the
먼저, 비례이득을 40으로 주고, 비례제어만을 사용하여 27℃에서 270℃까지 반도체 기판(W)의 온도를 높이는 데는 약 27초가 소요되었다.First, it took about 27 seconds to increase the temperature of the semiconductor substrate W from 27 ° C to 270 ° C using only proportional control with 40.
비례이득 20, 적분이득 2.5, 미분이득 0.01을 주고, PID 제어기를 사용하여 27℃에서 270℃까지 반도체 기판(W)의 온도를 높이는 데는 약 15초가 소요되었다.It took about 15 seconds to increase the temperature of the semiconductor substrate W from 27 ° C to 270 ° C by using a PID controller with proportional gain 20, integral gain 2.5, and differential gain 0.01.
즉 PID 제어기를 사용하여 제어부(150)의 성능을 향상시켜, 반도체 기판(W)의 온도를 높이는 데 소요되는 시간을 줄일 수 있다. 따라서 반도체 제조 공정시간을 단축할 수 있고, 반도체 소자의 원가를 절감할 수 있다.In other words, by using the PID controller to improve the performance of the
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 명세서에서 사용된 용어 및 표현들은 서술의 목적으로 사용된 것일 뿐 어떠한 제한을 가지는 것은 아니며, 이와 같은 용어 및 표현의 사용은 도시되고 기술된 구성 요소 또는 그 일부분들의 등가물을 배제하고자 하는 것이 아니며, 청구된 발명의 범주 안에서 다양한 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the terms and expressions used herein are used for descriptive purposes only and do not have any limitation, and the use of such terms and expressions is illustrated. It is not intended to exclude equivalents of the described components or portions thereof, and various modifications are of course possible within the scope of the claimed invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
상기에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 온도센서로부터 측정된 온도를 피드백하여 PID 제어기를 통해 히팅유닛의 열 에너지 공급량을 조절한다. 이로써 반도체 기판의 온도를 높이는 데 소요되는 시간을 줄일 수 있고, 반도체 제조 공정시간을 단축할 수 있다. As described above, according to the present invention, the temperature measured from the temperature sensor is fed back to adjust the heat energy supply amount of the heating unit through the PID controller. As a result, the time required to increase the temperature of the semiconductor substrate can be reduced, and the semiconductor manufacturing process time can be shortened.
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2005
- 2005-08-16 KR KR1020050074972A patent/KR20070020752A/en not_active Application Discontinuation
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