KR20110054837A - 온도제어시스템 - Google Patents

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KR20110054837A
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temperature control
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기종일
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백동석
신재봉
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Abstract

냉매관의 길이에 의한 시간 지연과 설비에서 발생되는 플라즈마에 의한 외란을 고려한 온도제어장치를 포함하는 온도제어시스템을 개시한다. 온도제어장치는 냉매관의 길이에 의하여 발생하는 냉매의 시간 지연에 의한 온도 편차를 상쇄시킬 수 있도록 시간 지연에 비례하여 냉매의 온도를 미리 보상하여 공급하며, 설비에서 플라즈마가 발생할 때까지의 시간 지연 및 온도 상승값을 고려하여 냉매의 온도를 미리 보상하여 공급함으로써 설비의 온도를 제어한다.

Description

온도제어시스템{Temperature Controlling System}
냉매관의 길이에 의한 시간 지연 및 설비측 플라즈마로 인한 외란으로 발생하는 온도 편차를 상쇄시킬 수 있는 온도제어시스템에 관한 것이다.
공정 설비에서 냉매관을 포함하는 온도제어시스템이 널리 사용되고 있다. 특히 고밀도 집적 회로인 반도체의 공정 설비에서 반도체 웨이퍼의 온도를 조절하는 온도제어시스템은 매우 중요한 장치 중의 하나이다. 반도체 웨이퍼는 공정이 진행되는 동안 정전척(Electrostatic Chuck: ESC) 위에 놓여져 있는데, 원하는 반도체 품질을 얻기 위해서는 설정된 온도대로 반도체 웨이퍼의 온도를 유지시키는 것이 매우 중요하다.
이 반도체 소자의 제조과정에서 반도에 웨이퍼의 온도를 조절하는 장치 중의 하나가 바로 냉동기(Chiller)이다. 냉동기는 반도체 웨이퍼와 정전적을 포함하는 챔버에 연결되어 있는데, 냉매를 공급하여 정전척 내부에 냉매를 흐르게 하여 반도체 웨이퍼의 온도를 제어한다. 냉동기와 챔버는 냉매가 이동되는 냉매관으로 연결되어 있는데, 냉동기에서 챔버로 냉매가 이동되도록 설치된 냉매공급관과 챔버에서 칠러로 냉매가 이동되도록 설치된 냉매복귀관이 있다.
냉동기는 실제 온도 제어 대상인 정전척의 온도를 측정하여 공급되는 냉매의 온도를 제어하는 것이 바람직하나, 설계구조상의 문제로 인하여 챔버로부터 수십 미터 떨어진 냉동기측의 냉매공급관 및 냉매복귀관의 온도를 측정하여 그 편차를 이용하여 냉매공급관의 냉매의 온도를 제어한다. 따라서, 냉매가 냉매공급관 및 냉매복귀관을 이동하면서 생기는 시간 지연에 따른 제어 온도 오차가 발생하였다. 또한, 반도체 웨이퍼에서 생기는 플라즈마 발생에 의한 온도 상승에 의한 제어 온도의 오차 또한 발생하였다.
냉매공급관 및 냉매복귀관의 길이에 의한 시간 지연으로 발생하는 냉매의 시간 지연에 의한 냉매공급관의 온도제어장치측 온도와 냉매공급관의 설비측 온도와의 편차를 상쇄시킬 수 있는 온도제어시스템을 개시한다.
또한, 설비측 플라즈마 발생으로 인한 온도 상승에 의한 온도 편차를 상쇄시킬 수 있는 온도제어시스템을 개시한다.
이를 위해 본 발명의 일측면에 의한 온도제어시스템은 온도제어장치; 온도제어장치에 의해서 온도가 제어되는 설비; 온도제어장치 및 설비 사이에 냉매가 이동될 수 있도록 설치된 냉매관을 포함하고, 온도제어장치는 냉매관의 길이에 의하여 발생하는 냉매의 시간 지연에 따른 온도 변화를 상쇄시킬 수 있도록 냉매의 이동 속도 및 상기 냉매관의 길이를 이용하여 계산된 시간 지연에 비례하여 냉매의 온도를 미리 보상하여 공급함으로써 상기 설비의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
이때, 온도제어장치는 반도체 웨이퍼의 온도를 제어하는 냉동기일 수 있으며, 설비는 반도에 웨이퍼 및 반도체 웨이퍼가 놓여지는 정전척(ESC)을 포함하는 챔버일 수 있다.
본 발명의 일측면에 의한 온도제어시스템은 냉매관이 온도제어장치에서 설비로 냉매가 이동되도록 설치된 냉매공급관과 설비에서 온도제어장치로 냉매가 이동되도록 설치된 냉매복귀관으로 이루어지고, 냉매공급관의 온도제어장치측에 설치되 는 제1온도센서와, 냉매복귀관의 온도제어장치측에 설치되는 제2온도센서를 더 포함할 수 있으며, 온도제어장치 내에 제어정보 수신부와 냉매관에 공급되는 냉매의 온도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일측면에 의한 온도제어시스템은 온도제어장치; 온도제어장치에 의해서 온도가 제어되는 설비; 및 온도제어장치와 설비 사이에 냉매가 이동될 수 있도록 설치된 냉매관을 포함하고, 온도제어장치는 설비에서 플라즈마가 발생할 시점을 판단하고, 플라즈마가 발생하는 경우 플라즈마에 의한 설비의 온도 상승값을 예측하고, 플라즈마가 발생할 때까지의 시간 지연 및 온도 상승에 의한 온도 변화를 상쇄시킬 수 있도록 플라즈마가 발생할 때까지의 시간 지연 및 온도 상승값을 고려하여 냉매의 온도를 미리 보상하여 공급함으로써 설비의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 위의 온도제어장치는 냉매관의 길이에 의하여 발생하는 냉매의 시간 지연에 따른 온도 변화를 상쇄시킬 수 있도록 냉매의 이동속도 및 냉매관의 길이를 이용하여 계산된 시간 지연에 비례하여 냉매의 온도를 미리 보상하여 공급함으로써 설비의 온도를 제어하는 것을 더 포함할 수 있다.
이때, 온도제어장치는 반도체 웨이퍼의 온도를 제어하는 냉동기일 수 있으며, 설비는 반도에 웨이퍼 및 반도체 웨이퍼가 놓여지는 정전척(ESC)을 포함하는 챔버일 수 있다.
또한, 위 온도제어시스템은 냉매관이 온도제어장치에서 설비로 냉매가 이동되도록 설치된 냉매공급관과 설비에서 온도제어장치로 냉매가 이동되도록 설치된 냉매복귀관으로 이루어지고, 냉매공급관의 온도제어장치측에 설치되는 제1온도센서와, 냉매복귀관의 온도제어장치측에 설치되는 제2온도센서를 더 포함할 수 있으며, 온도제어장치 내에 제어정보 수신부와 냉매관에 공급되는 냉매의 온도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
냉매공급관 및 냉매복귀관의 길이에 의한 시간 지연 및 설비측 플라즈마 발생으로 인한 효과를 상쇄시킬 수 있도록 냉매의 온도를 미리 보상하여 공급함으로써 설비측의 온도를 보다 더 신속하고 정확하게 제어할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 온도제어시스템의 개략도이다. 온도제어시스템은 여러 종류가 있을 수 있으나 이하에서는 반도체 웨이퍼의 온도를 제어하는 냉동기를 예로 들어 설명하기로 한다. 도 1에서, 본 발명의 일실시예에 의한 온도제어시스템은 냉동기(100), 냉동기(100) 내에 설치되는 제어정보 수신부(102)와 제어부(104), 반도체 웨이퍼(112) 및 반도체 웨이퍼(112)가 놓여지는 정전척(114)을 포함하는 챔버(110), 냉동기(100)와 챔버(110) 사이에 연결된 냉매관 즉, 냉매공급관(106)과 냉매복귀관(108), 냉매공급관(106)과 냉매복귀관(108)에 각각 설치된 제1온도센서(116)와 제2온도센서(118)을 포함한다.
냉동기(100)는 반도체 웨이퍼(112)의 온도를 조절하는 장치로서 챔버(110)와 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)으로 연결되어 있다. 챔버(110)는 반도체 웨이 퍼(112)와 반도체 웨이퍼(112)가 놓여지는 정전척(114)를 포함한다. 냉동기(100)에서 연결된 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)은 챔버(110) 내부의 정전척(114)에 연결되어 있어, 정전척(114)의 온도를 조절함으로써 반도체 웨이퍼(112)의 온도를 제어하게 된다.
냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(118)의 칠러(100)측에는 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(118)의 온도를 각각 측정하는 제1온도센서(116)와 제2온도센서(118)가 설치된다.
냉동기(100) 내부에는 제어정보 수신부(102)와 제어부(104)가 설치된다. 제어정보 수신부(102)는 제1온도센서(116)와 제2온도센서(118)로부터 측정된 온도 정보와 플라즈마 발생에 관한 정보를 포함하는 챔버(110)의 정보들을 수신한다. 도면에 도시하지는 않았지만 제어정보 수신부(102)가 제어정보를 수신할 수 있도록 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)과는 별도로 유선의 정보 전송선이 냉동기(100)와 챔버(110) 사이에 설치될 수도 있으며, 무선 통신 모듈이 설치되어 무선 통신 방식으로 제어정보를 수신할 수 도 있다. 무선 통신 방식으로 제어정보를 수신하는 경우에는 제어정보 수신부(102)에 무선 통신 모듈의 수신부가 구비되고 각각의 제어정보를 송신하는 곳에 무선 통신 모듈의 송신부가 구비될 수 있다.
제어부(104)는 제어정보 수신부(102)에서 수신한 제어정보를 바탕으로 냉매공급관(106)에서 공급되는 냉매의 온도를 조절함으로써 반도체 웨이퍼(112)의 온도를 제어하게 된다. 제어부(104)의 자세한 동작에 대해서는 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)의 길이에 의하여 발생하는 시간 지연을 고려한 제어부의 게인 최적화를 나타내는 도면이다.
즉, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 제어부의 개략도로서, 제어부의 주파수 영역인 S영역에서의 각 모델링 값을 도시하고 있다. 도 2는 설비에서 발생하는 플라즈마에 의한 영향을 무시하고, 냉매공급관 및 냉매복귀관의 길이에 의해 발생하는 시간 지연을 고려한 제어부의 개략도이다.
반도체 설비는 크게 공정이 진행되는 동안 공정 구간(Process Time)과 휴지 구간(Idle Time)으로 나누어진다. 공정 구간에는 플라즈마가 발생하면서 온도가 급격하게 증가하게 되는 외란과 냉매가 공급되는 관에 의한 시간 지연이 모두 발생하며, 유지 구간에는 플라즈마의 발행에 의한 온도 변화는 없이 냉매가 공급되는 관에 의한 시간 지연만이 존재한다. 도 2는 휴지 구간에 적합한 제어기를 나타낸 것이다.
도 2에서 C(s)(202)는 본 발명에 의한 온도제어시스템의 제어 로직을 모델링한 값이며, G(s)(204)는 본 발명에 의한 온도제어시스템의 플랜트(plant)를 모델링한 값이다. T1(s)(206)는 냉매공급관(106)의 길이에 의해 발생하는 냉동기(100)에서 챔버(110)로 공급되는 냉매의 시간 지연를 모델링한 값이며, T2(s)(208)는 냉매복귀관(108)의 길이에 의해 발생하는 챔버(110)에서 칠러(100)로 복귀하는 냉매의 시간 지연을 모델링한 값이다. X(s)(200)는 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)의 길이에 의해 발생하는 시간 지연인 T1(s)(206)와 T2(s)(208)를 보상하기 위한 모델링 값 이다. 다른 다양한 식이 가능할 수 있지만, 예를 들어 X(s)(200)은 보통
Figure 112009070878496-PAT00001
의 형태도 표현된다. α값은 시간 지연인 T1(s)(206)와 T2(s)(208)를 고려하여 결정된다. 시간 지연은 냉매공급관(106)의 길이를 냉매의 이동 속도로 나눈 값과 냉매복귀관(108)의 길이는 냉매의 이동 속도로 나눈 값을 고려하여 결정된다.
위와 같이 모델링한 이유는 냉매공급관(106)의 챔버(100)측과 냉매복귀관(108)의 챔버(100)측에 각각 제1온도센서(116)와 제2온도센서(118)이 설치되어 있기 때문에, 냉매공급관(106)에서 공급된 냉매가 챔버(110)의 정전척(114)에 도달할 때까지의 온도 편차와 정전척(118)에서 복귀하는 냉매가 칠러(100)측 냉매복귀관(108)에 도달할 때까지의 온도 편차를 고려하지 못하여 반도체 웨이퍼(112)의 정밀한 온도 제어에 미흡하였기 때문이다.
즉, 칠러(100) 설계시에 미리 시간 지연인 T1(s)(206)와 T2(s)(208)를 고려하고 이를 보상하는 X(s)(200)를 추가하여 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)의 길이에 따른 시간 지연에 의한 제어 온도 편차를 상쇄시켜 반도체 웨이퍼(112)의 정확한 온도제어가 가능할 수 있게 된다.
T1(s)(206), T2(s)(208), X(s)(200)는 칠러(100)의 설치시에 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)의 길이 및 냉매의 이동속도 정보를 이용하여 미리 설정되어 제작될 수도 있으며, 제어정보 수신부(102)로부터 제어정보를 수신 받아 자동적으로 가변되게 설정되게 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)의 길이에 의하여 발생하는 시간 지연과 플라즈마에 의해 발생하는 온도 상승을 고려한 제어부의 게인 최적화를 나타내는 도면이다. 즉, 도 3은 도 2의 제어부에 챔버(110)의 반도체 웨이퍼(112)에 발생하는 플라즈마에 의한 온도 상승에 의한 제어 온도 편차를 보상하기 위한 모델링을 부가한 것을 도시한 것이다. 앞에서 설명한 바와 같이 반도체 제조 공정 중 공정 구간에 적합한 제어부를 나타낸 것이다. 따라서, 도 2와 중복되는 모델링 값에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
D(s)(210)은 반도체 웨이퍼(112)에 발생하는 플라즈마 발생에 의한 온도 상승에 의한 효과를 모델링한 값이며, K(s)(212)는 이 플라즈마 발생에 의한 온도 상승에 의한 효과를 보상하기 위해서 모델링한 값이다.
즉, 반도체 웨이퍼(112)에 플라즈마가 발생하는 경우에는 이를 모델링 하지 않을 경우 제어 온도에 오차가 발생하게 되며, 프라즈마가 이미 발생한 경우에 공급되는 냉매의 온도 또는 양을 조절하여도 냉매공급관(106)의 길이에 의한 시간 지연 때문에 역시 제어 온도에 오차가 발생하기 때문에 제어부의 설계시에 이를 미리 반영한 것이다. 다른 다양한 식이 가능할 수 있지만, 예를 들어 K(s)(212)은 보통
Figure 112009070878496-PAT00002
의 형태로 표현된다. 이 식은 열방정식의 하나로서 변수 T는 플라즈마에 의한 효과를 보상하도록 설정된다. 더욱 자세하게는, 변수 T는 플라즈마가 발생할 때 예측되는 온도 상승값과 플라즈마가 발생할 때까지의 시간 지연을 고려하여 설정된다.
D(s)(210)와 K(s)(212)는 칠러(100)의 설치시에 플라즈마 발생 정보를 이용하여 미리 설정되어 제작될 수도 있으며, 제어정보 수신부(102)로부터 제어정보를 수신 받아 자동적으로 가변되게 설정되게 할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 온도제어시스템의 제어부(104)의 동작을 나타내는 순서도이다.
제어정보 수신부(300)는 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)의 길이 정보를 수신하고(300), 냉매의 이동속도와 앞의 길이 정보를 이용하여 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)에서의 시간 지연을 계산한다.(302) 제어부는 반도체 웨이퍼(112)에 플라즈마가 발생하는지 판단하고(304), 플라즈마가 발생하지 않는 경우에는 이 시간 지연의 값만 고려하여 제어부(104)의 게인을 최적화한다.(310)
플라즈마가 발생한다고 판단되면 제어정보 수신부(102)는 플라즈마의 발생 시점 및 플라즈마 발생으로 인한 RF 파워(Power) 정보를 수신한다.(306) 제어부(104)는 제어정보 수신부(102)에서 수신된 정보를 이용하여 RF 파워(Power) 인가로 발생할 반도체 웨이퍼(112)의 온도 상승값을 예측하고(310), 플라즈마 발생 시점 및 반도체 웨이퍼(112)의 온도 상승값을 이용하여 제어부의 게인을 최적화한다.(310)
위와 같은 방법으로 제어부의 게인을 최적하면(310), 제1온도센서(116)와 제2온도센서(118)는 냉매공급관(106) 및 냉매복귀관(108)의 냉동기측(100)의 온도를 측정하고(312), 이 측정된 온도를 제어정보 수신부(102)가 수신받아 제어부(104)는 이 온도 정보로부터 편차를 계산한다.(314) 이 온도 편차를 이용하여 제어부(104) 는 냉매공급관(106)과 냉매복귀관(108)에 의한 시간 지연과 플라즈마의 발생에 의한 온도 상승에 대한 외란을 고려하여 최적의 게인으로 냉매공급관(106)에서 공급되는 냉매의 온도 또는 양을 조절하게 된다.
위와 같은 구성으로, 본 발명의 일실시예에 따른 온도제어시스템은 냉매공급관(106)와 냉매복귀관(108)에 의한 시간 지연과 플라즈마의 발생에 의한 외란에 의한 효과를 보상함으로써, 반도체 웨이퍼(112)의 온도를 신속하고 정확하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 온도제어시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 냉매공급관 및 냉매복귀관의 길이에 의하여 발생하는 시간 지연을 고려한 제어부의 게인 최적화를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 냉매공급관 및 냉매복귀관의 길이에 의하여 발생하는 시간 지연과 플라즈마에 의해 발생하는 시간 지연 및 온도 상승을 고려한 제어부의 게인 최적화를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 온도제어시스템의 제어부의 동작을 나타내는 순서도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 냉동기 102 : 제어정보 수신부
104 : 제어부 106 : 냉매공급관
108 : 냉매복귀관 110 : 챔버
112 : 반도체 웨이퍼 114 : 정전척
116 : 제1온도센서 118 : 제2온도센서

Claims (13)

  1. 온도제어장치;
    상기 온도제어장치에 의해서 온도가 제어되는 설비; 및
    상기 온도제어장치 및 상기 설비 사이에 냉매가 이동될 수 있도록 설치된 냉매관을 포함하고,
    상기 온도제어장치는 상기 냉매관의 길이에 의하여 발생하는 냉매의 시간 지연에 따른 온도 변화를 상쇄시킬 수 있도록 냉매의 이동 속도 및 상기 냉매관의 길이를 이용하여 계산된 시간 지연에 비례하여 냉매의 온도를 미리 보상하여 공급함으로써 상기 설비의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 온도제어시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도제어장치는 반도체 웨이퍼의 온도를 제어하는 냉동기인 온도제어시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 설비는 반도체 웨이퍼 및 반도체 웨이퍼가 놓여지는 정전척을 포함하는 챔버인 온도제어시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉매관은 상기 온도제어장치에서 상기 설비로 냉매가 이동되도록 설치된 냉매공급관과 상기 설비에서 상기 온도제어장치로 냉매가 이동되도록 설치된 냉매복귀관으로 이루어지고,
    상기 냉매공급관의 온도제어장치측에 설치되는 제1온도센서와;
    상기 냉매복귀관의 온도제어장치측에 설치되는 제2온도센서를 더 포함하는 온도제어시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 온도제어장치 내에 제어정보 수신부를 더 포함하는 온도제어시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온도제어장치 상기 냉매관에 공급되는 냉매의 온도를 제어하는 제어부를 더 포함하는 온도제어시스템.
  7. 온도제어장치;
    상기 온도제어장치에 의해서 온도가 제어되는 설비; 및
    상기 온도제어장치와 상기 설비 사이에 냉매가 이동될 수 있도록 설치된 냉매관을 포함하고,
    상기 온도제어장치는 상기 설비에서 플라즈마가 발생할 시점을 판단하고,
    상기 플라즈마가 발생하는 경우 상기 플라즈마에 의한 상기 설비의 온도 상 승값을 예측하고,
    상기 플라즈마가 발생할 때까지의 시간 지연 및 온도 상승에 의한 온도 변화를 상쇄시킬 수 있도록 상기 플라즈마가 발생할 때까지의 시간 지연 및 온도 상승값을 고려하여 냉매의 온도를 미리 보상하여 공급함으로써 상기 설비의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 온도제어시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 온도제어장치는 상기 냉매관의 길이에 의하여 발생하는 냉매의 시간 지연에 따른 온도 변화를 상쇄시킬 수 있도록 냉매의 이동속도 및 상기 냉매관의 길이를 이용하여 계산된 시간지연에 비례하여 냉매의 온도를 미리 보상하는 공급함으로써 상기 설비의 온도를 제어하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온도제어시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 온도제어장치는 상기 반도체 웨이퍼의 온도를 제어하는 냉동기인 온도제어시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 설비는 반도체 웨이퍼 및 반도체 웨이퍼가 놓여지는 정전척을 포함하는 챔버인 온도제어시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 냉매관은 상기 온도제어장치에서 상기 설비로 냉매가 이동되도록 설치된 냉매공급관과 상기 설비에서 상기 온도제어장치로 냉매가 이동되도록 설치된 냉매복귀관으로 이루어지고,
    상기 냉매공급관의 온도제어장치측에 설치되는 제1온도센서와;
    상기 냉매복귀관의 온도제어장치측에 설치되는 제2온도센서를 더 포함하는 온도제어시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 온도제어장치 내에 제어정보수신부를 더 포함하는 온도제어시스템.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 온도제어장치 내에 상기 냉매관에 공급되는 냉매의 온도를 제어하는 제어부를 더 포함하는 온도제어시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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