KR20030076382A - 열처리 방법 및 열처리 장치 - Google Patents
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Abstract
다수의 기판이 하나씩 처리될 때 온도 하강이 방지되어, 기판간의 처리 품질의 균일성을 개선한다. 오프셋 온도값은 피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입되기 직전의 처리 분위기의 온도와 상기 피처리체가 하나씩 연속적으로 열처리된 후 온도가 일정해지는 시간의 처리 분위기의 온도 사이의 차이이다. 처리 분위기의 온도를 열처리 공정을 위한 설정 온도보다 오프셋 온도값만큼 높은 온도로 상승시키는데 필요한 시간을 획득하도록 가열기에 전력이 공급된다. 피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입될 때, 획득된 시간 동안만 가열기에 전력이 공급되며, 그 후 반응 용기 외부에 설치된 온도 검출부의 온도 검출값에 기초하여 가열기의 전력 제어를 수행한다.
Description
본 발명은 열처리 방법 및 장치에 관한 것이며, 특히 예를 들어 반도체 웨이퍼 또는 액정 디스플레이용 유리 기판 등의 각종 기판에 열처리를 가하기 위한 열처리 방법 및 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정중의 하나인 어닐링 공정을 수행하기 위한 열처리 장치에는 다양한 유형이 존재한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 단일 웨이퍼 타입의 열처리 장치는 어닐링 공정중에 기판상의 폴리실리콘층에 주입된 이온을 활성화하기 위한 처리에 사용되는 장치이다. 도 1에 있어서, 가열로(1) 내부에는 석영으로 제조되며 그 내부에 처리 분위기를 형성하는 반응 용기(11)가 설치된다. 반응 용기(11)내에는 피처리체로서의 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼로 지칭함)(W)를 수평방향으로 지지하는 기판 배치부(12)가 설치된다. 가열로(1)의 반응 용기(11)의 일측상에는 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 위한 개구부(13)가 형성되며, 타측상에는 반응 용기(11)의 내부에 연결된 정화 가스 공급 파이프(14)가 가열로(1)의 측벽을 관통 연장하여 설치된다.
또한, 가열로(1)의 천정부, 저면부 및 측벽에는 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 가열기(15)(일점쇄선으로 표시됨)가 설치된다. 반응 용기(11)와 각각의 가열기(15) 사이에는 균일 가열 플레이트(16)가 설치된다. 균일 가열 플레이트(16)는 큰 열용량을 갖는 탄화규소(SiC) 등의 재료로 형성되어 가열기(15)에 의해 발생된 열을 확산시키며, 기판 전체를 균일하게 가열한다. 균일 가열 플레이트(16)의 외부에는 가열기(15) 주변의 온도를 검출하기 위해 열전쌍(thermocouple)(17)이 설치된다. 열전쌍(17)에 의해 검출된 온도값은 제어부(18)에 전달되어 가열기(15)에 공급된 전력량을 조절함으로써 웨이퍼(W)의 표면 온도를 설정 온도로 유지한다. 그러한 온도 제어 시스템에 따르면, 온도 제어가 용이하다는 이점이 있다.
그러나, 상술한 구조를 갖는 열처리 장치에 있어서, 웨이퍼(W)를 처리하기 위해 가열로(1)내로 웨이퍼(W)를 반입하고 웨이퍼(W)를 하나씩 반출하도록 연속 반복 동작이 수행되는 경우, 제 2 시트의 웨이퍼(W)를 처리할 때 노 내부의 온도가 제 1 시트의 웨이퍼(W)를 처리할 때의 온도보다 낮아진다는 문제가 있다. 즉, 반응 용기(11)내로 반입된 차가운 웨이퍼(W)가 가열로(1) 내부의 처리 분위기의 온도를 낮출 수도 있지만, 균일 가열 플레이트(16)의 온도는 그것의 큰 열용량으로 인해 거의 감소하지 않는다. 이러한 이유 때문에, 균일 가열 플레이트(16) 외부에 설치된 열전쌍(17)에 의한 반응 용기(11) 내부의 온도의 검출에 있어서 지연이 존재하며, 이는 처리 분위기의 온도가 설정 온도로 복귀하지 않는 결과를 초래한다. 더구나, 유사하게 균일 가열 플레이트(16)를 갖지 않는 열처리 장치에 있어서, 반응 용기의 열용량이 클 때, 온도 하강의 검출에 지연이 존재한다.
즉, 노 내부의 온도는 사전에 설정된 처리 온도로 복귀하지 못하는데, 이는 제 1 또는 제 2 시트의 웨이퍼를 반입할 때와 같은 초기 단계에서의 웨이퍼의 반입으로 인한 외부 방해에 대한 반응 때문이다. 더구나, 최근 수년 동안 웨이퍼의 크기의 증가가 진행되었기 때문에, 웨이퍼의 반입시에 반응 용기(11) 내부의 냉각 정도가 커진다. 상술한 이유 때문에, 온도 하강이 증가하는 경향이 있다.
상세하게는, 도 6에 도시된 예(처리 온도 600℃, 처리 시간 60초, 반입 및 반출 시간 120초)에 있어서, 처리 분위기의 온도는 제 1 웨이퍼 처리시부터 제 5 웨이퍼 처리시까지 점진적으로 감소하며, 그 후 처리 온도보다 25℃ 낮은 온도에 머무른다. 처리 온도에 발생한 처리 온도의 하강 범위는 도시된 웨이퍼 시트 하나당 처리 시간(A1)(시간 간격)이 감소함에 따라 증가하는 경향이 있다. 시간 간격이 도 6의 경우에서 보다 짧고, 예를 들어 60초로 설정된 경우, 온도 하강의 범위가 상당해질 수 있다.
또한, 웨이퍼의 열처리시에 차가운 웨이퍼로 인한 문제를 해결하기 위한 수단으로서 가열 플레이트를 사용하여 수행되는 베이킹(baking) 처리가 있다. 그러한 베이킹 처리의 수행시, 가열 플레이트에 설치된 가열기는 각각의 웨이퍼가 가열 플레이트상에 배치될 때마다 최대 전력으로 구동되며, 그 후 자동 온도 제어 상태로 스위칭된다. 최대 전력으로 가열기를 구동하는 시간은 가열 플레이트에 의해 발생된 열 및 웨이퍼에 의해 흡수된 열의 양에 해당하는 양의 열을 공급하기에 충분한 시간으로 설정된다. 일본 특허 공개 공보 제 1999-74187 호는 그러한 기술에 대하여 개시한다. 가열 플레이트(고온 플레이트)에 의한 레지스트 필름을 위한 베이킹 처리와 유사하게, 웨이퍼로의 열의 공급이 가열기로의 전력 공급에 민감하게 반응하는 경우, 각각의 웨이퍼에 열처리가 균일하게 가해질 수 있다. 그러나, 반응 용기 또는 균일 가열 플레이트와 같은 큰 열용량을 가진 부재가 가열기와 웨이퍼 사이에 개재될 때, 제 2 시트의 웨이퍼의 처리후의 처리 온도는 제 1 시트의 웨이퍼 처리시의 처리 온도와 항상 동일할 수는 없다. 따라서, 각각의 웨이퍼에 균일한 처리가 가해질 수 없다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점이 제거된, 개선되고 유용한 열처리 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 상세한 목적은 다수의 피처리체를 하나씩 연속적으로 처리할 때 온도 하강을 저감시켜 피처리체간의 처리 품질의 균일성을 개선할 수 있는 열처리 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 특징에 따르면, 반응 용기에 순차적으로 공급되는 다수의 피처리체에 열처리를 연속적으로 가하기 위한 것으로서, 반응 용기 외부에 설치된 가열기에 의해 반응 용기 내부에 배치된 피처리체를 가열하는 열처리 장치를 사용하는 열처리 방법에 있어서, 피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입되기 직전의 처리 분위기의 온도와, 상기 피처리체가 하나씩 연속적으로 열처리된 후 온도가 일정해지는 시간의 처리 분위기의 온도 사이의 차이인 오프셋 온도값을 획득하는 단계와, 처리 분위기의 온도를 열처리 공정을 위한 설정 온도보다 오프셋 온도값만큼 높은 온도로 상승시키는데 필요한 시간을 획득하기 위해 가열기에 전력을 공급하는 단계와, 피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입될 때, 선행 단계에서 획득된 시간 동안만 가열기에 전력을 공급하고, 그 후에 반응 용기 외부에 설치된 온도 검출부의 온도 검출값에 기초하여 가열기의 전력 제어를 수행하는 단계를 포함하는, 열처리 방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 반응 용기에 순차적으로 공급되는 다수의 피처리체에 열처리를 가하기 위한 것으로서, 반응 용기 외부에 설치된 가열기에 의해 반응 용기 내부에 배치된 피처리체를 처리 온도로 하나씩 연속적으로 가열하는 열처리 장치를 사용하는 열처리 방법에 있어서,
시간 간격과 오프셋 온도값 사이의 제 1 관계를 획득하는 단계로서, 시간 간격은 피처리체중 하나가 반응 용기내로 반입되는 시간으로부터 후속 피처리체가 반응 용기내로 반입되는 시간까지의 시간이며, 오프셋 온도값은 피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입되기 직전의 처리 분위기의 온도와, 상기 피처리체가하나씩 연속적으로 열처리된 후 온도가 일정해지는 시간의 처리 분위기의 온도 사이의 차이인, 제 1 관계 획득 단계와, 처리 분위기의 온도를 오프셋 온도값만큼 상승시키기 위해 가열기에 전력을 공급하고, 오프셋 온도값과 전력이 공급되는 시간 사이의 제 2 관계를 획득하는 단계와, 제 1 관계 및 제 2 관계에 기초하여 처리 온도와 시간 간격에 상응하는 전력을 공급하는 시간을 획득하는 단계와, 피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입될 때, 선행 단계에서 획득된 시간 동안만 가열기에 전력을 공급하고, 그 후에 반응 용기 외부에 설치된 온도 검출부의 온도 검출값에 기초하여 가열기의 전력 제어를 수행하는 단계를 포함하는, 열처리 방법이 제공된다.
본 발명의 열처리 방법에 따르면, 반응 용기의 외부에 설치된 온도 검출부로부터의 온도 검출값에 기초하여 가열기의 전력 제어(규칙적인 전력 제어)를 수행하기 전에, 처리 분위기의 온도가 처리 온도보다 높아지도록 소정 시간 동안만 가열기에 전력이 공급된다. 이러한 이유 때문에, 예를 들어, 피처리체상에 열처리를 연속적으로 수행할 때, 오프셋 온도값이 보상될 수 있으며, 모든 피처리체에 대한 처리 온도가 균일해질 수 있다. 따라서, 피처리체간의 열처리 균일성이 개선된다.
본 발명에 따른 열처리 방법에 있어서, 가열기에 전력이 공급된 후 수행되는 가열기의 전력 제어를 위한 설정 온도는 열처리 처리를 위한 온도에 오프셋 온도값을 합하여 산출된 온도에 해당할 수 있다. 또한, 온도 검출값을 이용하여 피드백 제어 루프의 외부로부터 공급된 제어 신호에 기초하여 전력이 가공기에 공급될 수 있다. 또한, 반응 용기와 가열기 사이에는 반응 용기를 균일하게 가열하는 기능을하는 균일 가열 부재가 설치될 수 있다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 다수의 피처리체를 하나씩 연속적으로 가열하기 위한 열처리 장치로서, 상기 피처리체는 반응 용기 내부에 배치되며, 반응 용기 외부에 설치된 가열기에 의해 처리 온도로 가열되는, 열처리 장치에 있어서,
시간 간격과 오프셋 시간 값 사이의 제 1 관계를 처리 온도에 관하여 저장하는 제 1 메모리부로서, 시간 간격은 피처리체중 하나가 반응 용기내로 반입되는 시간으로부터 후속 피처리체가 반응 용기내로 반입되는 시간까지의 시간이며, 오프셋 온도값은 피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입되기 직전의 처리 분위기의 온도와 상기 피처리체가 하나씩 연속적으로 열처리된 후 온도가 일정해지는 시간의 처리 분위기의 온도 사이의 차이인, 제 1 메모리부와, 오프셋 온도값과, 처리 분위기의 온도를 오프셋 온도값만큼 상승시키기 위해 가열기에 전력이 공급되는 시간 사이의 제 2 관계를 처리 온도에 관하여 저장하는 제 2 메모리부와, 제 1 관계 및 제 2 관계에 기초하여 처리 온도와 시간 간격에 상응하는 전력을 공급하는 시간을 획득하기 위한 수단과, 반응 용기 외부에 설치된 온도 검출부와, 피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입될 때 상기 수단에 의해 획득된 시간 동안만 가열기에 전력을 공급하고, 그 후에 온도 검출부의 온도 검출값에 기초하여 가열기의 전력 제어를 수행하는 제어부를 포함하는, 열처리 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 열처리 장치는 제 1 관계 및 제 2 관계를 생성하기 위한 프로그램을 포함할 수 있다. 또한, 온도 검출값을 이용하여 피드백 제어 루프 외부로부터 공급된 제어 신호에 기초하여 가열기에 전력이 가열기에 공급될 수 있다. 본발명에 따른 열처리 장치는 반응 용기와 가열기 사이에 설치되어 반응 용기를 균일하게 가열하는 기능을 하는 균일 가열 부재를 더 포함할 수 있다. 또한, 처리될 피처리체는 기판이며, 기판용 반송 개구가 반응 용기의 일측면에 설치되며, 가열기는 각 기판의 양측면을 가열하도록 구성 및 배열될 수 있다.
도 1은 종래의 열처리 장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열처리 장치의 단면도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열처리 장치의 평면도,
도 4는 도 2에 도시된 열처리 장치에 설치된 제어 시스템의 블록 다이어그램,
도 5는 도 2에 도시된 열처리 장치에 의해 수행되는 동작의 흐름도,
도 6은 제 1 관계를 획득하기 위해 수행되는 시험의 결과를 나타내는 그래프,
도 7은 제 1 관계를 획득하하기 위해 수행되는 시험의 결과를 나타내는 그래프,
도 8은 제 2 관계를 획득하하기 위해 수행되는 시험의 결과를 나타내는 그래프,
도 9는 제 2 관계를 획득하하기 위해 수행되는 시험의 결과를 나타내는 그래프,
도 10은 다수의 웨이퍼가 순차적으로 열처리될 때의 처리 분위기의 온도를 나타내는 그래프.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 가열로3 : 균일 가열 부재
7 : 처리 제어기21 : 처리 분위기
26 : 반응 용기41 내지 44 : 가열기
51 내지 54 : 온도 제어기61 내지 64 : 열전쌍
72 : 제 1 메모리부73 : 제 2 메모리부
81 : PID 동작부82 : 큰 전력 공급 출력부
83 : 스위칭부W : 웨이퍼
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 열처리 장치에 대해 설명된다.
우선, 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열처리 장치의 구조 전체에 대해 설명될 것이다. 도 2는 본 실시예에 따른 열처리 장치의 단면도이다. 도 3은 본 실시예에 따른 열처리 장치의 평면도이다. 본 실시예에 따른 열처리 장치는 상자형의 가열로(2)를 구비한다. 가열로(2)의 내부에는 처리 분위기(21)가 형성되며, 피처리체인 웨이퍼(W)를 실질적인 수평 위치로 지지하도록 배치부(22)가 설치된다. 가열로(2)의 일측상에는 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 위한 개구(23)가 형성되어, 예를 들어 기판 운반 아암(도시되지 않음)과 배치부(22) 사이로 웨이퍼가 운반될 수 있다.
가열로(2)의 외측 표면은 예를 들어 알루미늄제의 시스(sheath) 부재(24)에 의해 전체가 커버된다. 가열로(2)의 내부에는 단열 재료(25)가 설치된다. 또한, 반응 용기(26)는 가열로(2)내에 설치된다. 반응 용기(26)는 예를 들어 석영으로제조되고, 편평한 상자 형상을 가져, 그 내부에 처리 분위기(21)를 형성한다. 석영으로 제조된 가스 공급 파이프(27)의 일단부는 반응 용기(26)에 연결된다. 가스 공급 파이프(27)의 타단부는 가열로(2)의 측벽을 관통하여 연장함으로써 정화 가스 공급원(도시되지 않음)에 연결되어 처리 시간 동안 처리 분위기(21)내에 N2와 같은 정화 가스를 공급한다.
반응 용기(26)의 외부에는 탄화규소(SiC)와 같이 큰 열용량을 갖는 재료로 제조된 상자형 균일 가열 부재(3)가 설치되어 반응 용기(26)를 둘러싼다. 균일 가열 플레이트(3)는 각각의 표면에서 보았을 때 플레이트 부재이기 때문에, 이하에서는 균일 가열 플레이트(3)로 지칭될 것이다. 균일 가열 플레이트(3)의 외부에는 저항 가열 요소로 제조된 가열기(4)가 갭을 사이에 두고 설치된다. 가열기(4)는 전방 가열기(41), 중앙 가열기(42) 및 후방 가열기(43)를 구비하여 처리 분위기(21)가 웨이퍼(W)의 반입 방향을 따라 3개의 구역으로 분할되고 각 구역의 온도가 개별적으로 제어될 수 있다. 또한, 가열기(4)는 반응 용기(26)의 각 측면상에 측면 가열기(44)를 더 구비한다. 석영 튜브에 봉입된 탄소 섬유를 갖는 가열기 요소는 실제로 각각의 가열기(41 내지 44)로서 사용될 수 있지만, 가열기는 편의를 위해 도면에서 일점쇄선 안의 영역으로 표시되는 것이 주목되어야 한다. 또한, 가열기(41 내지 44)는 대향 영역에 위치된 한쌍의 가열기 요소에 기초하여 제어된다. 예를 들어, 전방 가열기(41), 중앙 가열기(42) 및 후방 가열기(43)를 살펴보면, 반응 용기(26)의 상면 및 저면상에 설치된 2개의 가열기 요소는 한 쌍 및여러 쌍의 가열기 요소를 형성하며, 이들은 각각 온도 제어기(51 내지 53)에 의해 제어된다. 또한, 측면 가열기(44)는 온도 제어기(54)에 의해 제어된다.
균일 가열 플레이트(3)와 각각의 가열기(41 내지 44) 사이에는, 가열기(42 내지 44) 각각의 주변 온도를 검출하기 위해 온도 검출부를 형성하는 열전쌍(61 내지 64)이 설치되며, 이 열전쌍(61 내지 64)은 각각 온도 제어기(51 내지 54)에 연결된다. 이 온도 제어기(51 내지 54)는 처리 제어기(7)에 연결된다.
각각의 온도 제어기(51 내지 54)는 처리 제어기(7)로부터 송신된 설정 신호 및 온도 검출부중 대응하는 하나로부터 공급된 온도 설정값에 기초하여 가열기(41 내지 44)중 대응하는 하나를 독립적으로 제어한다. 큰 전력을 공급하기 위한 제어는 각각의 가열기(41 내지 44)에 대해 후술하는 바와 같이 제 1 웨이퍼를 반입하기 전에 수행되기 때문에, 처리 제어기는 도 4에 도시된 바와 같이 구성된다. 즉, 각각의 가열기(41 내지 44)에는 제 1 출력부로서 기능을 하는 PID(Proportional Integration and Differentiation) 동작부(81)와, 제 2 출력부로서 기능을 하는 큰 전력 공급 출력부(82)와, 스위칭부(83)가 제공된다. PID 동작부(81)는 처리 제어기로부터 송신되고 처리 제어기에 배정된 온도 설정값, 및 온도 검출부중 대응부로부터 송신된 온도 검출값이 제공됨으로써 PID 제어를 수행한다. 큰 전력 공급 출력부(82)는 100%-출력이 전력 공급부(도시되지 않음)로부터 각각의 가열기(41 내지 44)에 공급되도록 제어 신호를 출력한다. 스위칭부(83)는 PID 동작부(81)와 큰 전력 공급 출력부(82) 사이에서 처리 제어기로부터의 설정 신호의 공급을 스위칭한다.
처리 제어기(7)에는 CPU(Central Processing Unit; 중앙 처리 장치)(71), 제 1 메모리부(72), 제 2 메모리부(73) 및 데이터 생성 프로그램 저장부(74)가 제공된다. 제 1 메모리부(72)는 각 처리 온도에 대한 오프셋 온도값과 시간 간격 사이의 관계(제 1 관계)를 표시하는 데이터를 저장한다. 시간 간격은 웨이퍼(W)를 가열로(2)내로 운반하는 시간으로부터 후속 웨이퍼(W)를 가열로(2)내로 운반하는 시간까지의 시간에 해당한다. 오프셋 온도값은 다수의 웨이퍼(W)가 가열로(2)내에서 연속적으로 처리될 때 제 1 웨이퍼(W)가 가열로(2)내로 반입되기 직전 처리 분위기의 온도로부터 처리 분위기가 일정해지는 처리 분위기 온도를 추출하여 획득된 차이에 해당한다. 제 2 메모리부(73)는 큰 전력 공급 출력부(82)의 출력을 위한 시간, 즉 각각의 가열기(41 내지 44)에 큰 전력을 공급하기 위한 시간과, 이 시간에 응답하여 증가하는 오프셋 온도값 사이의 관계(제 2 관계)를 표시하는 데이터를 저장한다.
데이터 생성 프로그램 저장부(74)에 저장된 프로그램은 웨이퍼를 처리하기 전에 제 1 메모리부(72)에 저장된 제 1 관계를 표시하는 데이터, 및 웨이퍼를 처리하기 전에 제 2 메모리부(73)에 저장된 제 2 관계를 표시하는 데이터를 생성하기 위한 것이다. 제 1 관계 및 제 2 관계를 표시하는 각각의 데이터는 특정 공정에서 가열로(2)내로 제 1 웨퍼(W)를 반입하기 직전 큰 전력(초기 온도 상승을 위한 전력)인 100%-출력을 전력 공급부(도시되지 않음)로부터 각각의 가열기(41 내지 44)에 공급하는 시간의 길이를 결정하기 위한 것이다. 데이터는 반응 용기(26)내의 중심 구역의 온도에 기초하여 생성되며, 이 데이터에 기초하여 획득한 큰 전력의공급 시간은 각각의 가열기(41 내지 44)에 공통으로 적용된다. 또한, 처리 제어기(7)의 각 부분은 버스(70)를 통해 각각의 온도 제어기(51 내지 54)에 연결된다.
이하에는 본 실시예에 따른 열처리 장치의 동작에 대해 설명할 것이다. 여기에서, 동작 흐름의 개요가 간략히 설명된다. 우선, 제 1 메모리부(72) 및 제 2 메모리부(73)는 그 안에 저장될 데이터를 획득한다. 그 후, 제 1 메모리부(72) 및 제 2 메모리부(73)에 저장된 데이터에 따라 웨이퍼(W)에 열처리가 가해진다. 하기의 설명은 이 순서에 따른다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 시간 간격과 오프셋 온도값 사이의 제 1 관계가 다양한 처리 온도에 대해 획득되며, S1 단계에서 제 1 관계는 제 1 메모리부(72)에 저장된다. 이 때, 온도 제어기(51 내지 54)내의 스위칭부(83)가 PID 동작부(81)측으로 스위칭되었기 때문에, 가열기(41 내지 44)에 공급된 전력량의 제어는 처리 제어기(7)로부터 송신된 각각의 온도 설정값 및 열전쌍(61 내지 64)로부터 획득된 온도 검출값을 입력함으로써 획득된 제어 신호에 기초하여 피드백 제어함으로써 수행된다.
도 6은 웨이퍼(W)가 연속 처리되는 경우의 처리 분위기(21) 내부의 온도 변화를 나타내는 그래프이다. 처리 분위기(21) 내부의 온도는 도 2에 도시된 반응 용기(26)의 중심 섹션에 설치된 내부 열전쌍(75)로부터의 온도 검출값으로 표시될 수 잇다. 도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 웨이퍼 시트를 처리하는 동안, 반응 용기(26) 내부의 온도는 점점 하강한다. 예를 들어, 처리 온도가 600℃로 설정되고, 10개의 웨이퍼(W)가 연속 처리될 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 처리 용기(26) 내부의 온도는 575℃로 일정하게 되며, 이 온도는 도 6에 도시된 바와 같이 처리 온도보다 25℃가 낮다.
25℃의 값은 열처리가 600℃로 설정된 처리 온도로 수행되는 경우의 오프셋 온도값에 해당한다. 도 6에 A1로 표시된 시간 간격을 변화시키면서 상술한 오프셋 온도값의 상기 측정 작업을 수행함으로써, 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 오프셋 온도값과 시간 간격 사이의 관계(제 1 관계)를 획득하는 것이 가능하다. 시간 간격은 n번째 웨이퍼(W)가 반응 용기(26)내로 반입되기 시작하는 시간으로부터 n+1번째 웨이퍼(W)가 반응 용기(26)내로 반입되기 시작하는 시간까지의 시간이다.
도 7에 나타낸 제 1 관계 데이터는 처리 온도가 600℃이고, 시간 간격을 180초, 240초 및 300초 등으로 3회 변경할 때 오프셋 온도값을 플롯팅함으로써 획득된다. 시간 간격의 설정값 및 측정 회수는 자유롭게 변경될 수 있다. 그 후, 데이터 획득 작업이 다양한 처리 온도에 대해 수행되며, 그 결과 획득된 오프셋 온도값과 시간 간격 사이의 관계에 대한 데이터는 제 1 메모리부(72)에 저장된다.
그 후, S2 단계에서 오프셋 온도값과 가열기(41 내지 44)에 100%-출력을 공급하는 시간 사이의 제 2 관계가 획득된다. 제 2 관계는 후술되는 웨이퍼(W)에 열처리를 가할 때 각각의 제어기(51 내지 54)가 큰 전력 공급 출력부(82)를 사용하는 시간을 결정하는데 사용된다. 상세하게는, 온도 제어기(51 내지 54)의 스위칭부(83)는, 내부 열전쌍(75)의 온도 검출값이 안정적인 상태에서 큰 전력 공급 출력부(82)측으로 스위칭되며, 처리 분위기의 온도가 단계적으로 상승된다. 웨이퍼(W)는 제 2 관계를 획득할 때 가열로내로 반입되지 않는 것을 주목해야 한다. 특정 시간(A2)이 지난 후, 각각의 전력 공급은 0으로 바뀌며[PID 동작부(81)로 스위칭되며, 설정 신호가 "0"으로 변경됨], 내부 열전쌍(75)의 온도 검출값이 얼마나 상승하는지를 관찰한다. 시간(A2)과 온도 상승 값 사이의 관계는 시간(A2)을 변화시킴으로써 획득될 수 있다. 온도 상승 값은 웨이퍼(W)가 가열로(2)내로 반입될 때 오프셋 온도값을 상쇄시킴으로써 반응 용기 내부의 온도를 처리 온도로 안정화시키는 기능을 하기 때문에, 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이, 이 관계는 오프셋 온도값과 100%-출력 시간 사이의 관계에 해당한다. 도 7에 도시된 바와 같이 그래프의 수직 축은 처리 온도에 온도 상승 값을 합하여 획득된 온도를 나타낸다.
상술한 단계(S1, S2)의 공정은 열처리 처리를 수행하기 전해 수행된다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, S3 단계의 고정이 또한 수행된다. 즉, 웨이퍼의 연속 반입 시기, 사전 설정된 시간 간격 및 처리 온도는 처리 제어기(7)의 입력부(도시되지 않음)에 입력된다. 이 입력에 기초하여, 처리 제어기(7)는 제 1 메모리부(72)에 저장된 해당 처리 온도에 상응하는 제 2 관계를 선택하여 시간 간격과 제 1 관계로부터 오프셋 온도값을 획득한다. 또한, 처리 제어기(7)는 제 2 메모리부(73)에 저장된 해당 처리 온도에 상응하는 제 2 관계를 선택하여, 오프셋 온도값과 제 2 관계 사이의 관계에 기초하여 100%-출력 공급 시간을 획득한다. 이러한 예에 있어서, 시간 간격이 190초이기 때문에, 오프셋 온도는 25℃이며, 상술한 공급 시간은 95.6초이다.
설정이 완료된 후, 실제로 열처리 처리가 수행된다. 먼저, 가열로(2)의 내부가 600℃의 처리 온도로 설정된다. 이러한 상태에서, 열처리(예를 들어, 어닐링 공정)가 제 2 시트의 웨이퍼(W)로부터 수행된다. 제 1 시트의 웨이퍼(W)를 반입할 때, 가열로(2)내로의 웨이퍼(W)의 반입 작업이 완료되면 각각의 제어기(51 내지 54)에서 100%-출력으로 출력이 스위칭된다. 그 후, S4 단계에서 설정 시간 동안만 100%-출력이 가열기(41 내지 44)에 공급되며, 온도 설정값은 처리 온도와 오프셋 온도값을 합한 값으로 설정된다. 그 후, S5 단계에서 규칙적인 PID 제어가 수행된다, 본 명세서에서는, 웨이퍼(W)의 반입시 가열로(2)내의 온도에 대해 설명하기 전에, 도 9를 참조하여 가열로(2) 내부의 온도 제어 및 온도에 대하여 설명할 것이다. 도면으로부터 해석될 수 있는 바와 같이, 가열로(2)의 내부 온도가 600℃로 안정된 상태에서 100%-출력이 가열기(41 내지 46)에 공급되는 경우, 가열로(2) 내부의 온도는 625℃로 상승하며, 이 온도는 600℃의 처리 온도와 오프셋 온도값을 합한 값이다. 그 후, 625℃에 도달하면 스위칭부(83)는 PID 동작부(81)측으로 스위칭된다. 그와 동시에, 규칙적인 PID 제어를 수행하기 위해 625℃의 처리 온도에 해당하는 온도 설정값이 처리 제어기로부터 각각의 온도 제어기(51 내지 54)에 공급된다. 온도 설정값이 625℃이며, 그 후 제 2 시트의 웨이퍼(W)가 반입될 때 온도 설정값도 또한 625℃이기 때문에, 제 2 시트의 웨이퍼(W)의 반입시 처리 분위기의 온도는 625℃로 일정하게 유지된다.
도 10은 웨이퍼(W)가 제 1 시트로부터 제 10 시트까지 차례로 열처리될 때 처리 분위기(21)의 온도[내부 열전쌍(75)의 온도 검출값]를 나타내는 그래프이다. 웨이퍼가 저온이므로 가열로(2)의 온도가 하강하는 경향이 있지만, 도 9에 도시된바와 같이 큰 전력인 100%-출력이 가열기(41 내지 44)에 공급되기 때문에 온도는 처리 온도로 유지된다. 제 2 시트의 웨이퍼(W)가 가열로(2)내에 순차적으로 반입된 후, 가열로(2) 내부의 온도는 다시 하강하는 경향이 있다. 그러나, 온도 하강을 고려한 큰 전력이 가열기(41 내지 44)에 공급되며, 가열기의 열량은 균일 가열 플레이트(3)를 통해 가열로(2) 내부에 공급된다. 따라서, 처리 온도에 온도 하강 값(오프셋 온도값)을 합하여 획득된 값에 해당하는 온도 설정값으로 한계 제어가 수행된다. 결과적으로, 각 웨이퍼(W)의 열처리를 위한 온도는 일정하게 유지된다. 가열기(4)로의 전력 공급은 최종 웨이퍼(W)가 반입되는 시점에 0으로 바뀌며, 온도가 점진적으로 하강하고, 처리 분위기(21)의 온도가 처리 온도로 설정되도록 PID 동작부(81)에 의해 출력 제어가 다시 수행된다. 따라서, 처리 분위기의 온도는 처리 온도로 점진적으로 수렴한다.
이상 설명된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 예를 들어 소정 시간 동안 100%-출력으로 가열기에 전력이 공급되도록 가열기(41 내지 44) 주위의 온도에 기초한 PID 제어 이전에 출력 결정부의 스위칭이 수행된다. 이들 사이의 스위칭 시점에 관하여, 제 1 및 제 2 관계가 사전에 준비되어 있기 때문에, 웨이퍼(W)의 반입 시점의 처리 분위기의 온도 하강은 보상될 수 있다. 또한, 연속적으로 처리되는 모든 웨이퍼(W)는 동일한 처리 온도에서 열처리될 수 있기 때문에, 웨이퍼(W)들 간의 열처리의 균일성이 개선된다. 또한, 처리 분위기의 온도 제어를 수행하기 위해, 반응 용기(11) 내부에 열전쌍이 설치된 온도 제어 시스템을 사용하는 것도 고려해 볼 수 있다. 이 경우에 있어서, 웨이퍼(W)를 탑재하는 동안 온도 검출값이변동하기 때문에, 처리 온도로 온도를 안정화시키기 위하여 제어가 복잡해질 수 있다. 또한, 열전쌍이 위치된 부분의 온도와 웨이퍼(W)의 온도가 서로 항상 동일하지는 않기 때문에 상기 실시예의 방법은 반응 용기 내부에 설치된 열전쌍을 사용하는 방법보다 우수하다. 본 발명에 있어서, 가열로(2)내에 제 1 웨이퍼(W)를 반입할 때, 소정 시간 동안만 가열기(41 내지 44)로 출력을 공급하도록 각각의 온도 제어기(51 내지 54)에서 100%-출력으로 스위칭이 수행된다. 100%-출력으로 스위칭하기 위한 시기, 즉 "제 1 웨이퍼(W)가 가열로(2)내로 반입되는 시간"은 제 1 웨이퍼(W)의 가열로(2)내로의 반입 완료 시점에 한정되지 않으며, 제 1 웨이퍼(W)가 가열로(2)의 입구에 도달한 시점일 수 있다. 즉, 이 시점은 100%-출력으로 스위칭된 후 소정 시간이 경과하였을 때 획득될 것으로 기대되는 온도(예를 들어, 600℃)에서 또는 그 근처에서 온도가 안정화되는 시점으로 규정될 수 있다. 또한, 스위칭부(83)가 큰 전력 공급 출력부(82)측으로 스위칭되어 가열기(41 내지 44)에 큰 전력이 공급될 때 가열기에 100%-출력을 공급하지만, PID 동작부(81)의 온도 설정값은 예를 들어 최대로 설정될 수 있거나, 또는 다른 기술에 의해 큰 전력이 공급될 수 있다. 큰 전력의 출력 값은 100%로 한정되는 것은 아님을 주목하여야 한다. 또한, 상술한 실시예에서는 균일 가열 플레이트가 제공되지만, 본 발명은 균일 가열 플레이트가 제공되지 않는 경우에 적용이 가능하다. 또한, 본 발명은 예를 들어 탄화규소 등의 큰 열용량을 갖는 재료로 제조된 반응 용기를 구비한 장치에 적합하다.
또한, 본 발명은 상술한 제 1 및 제 2 관계를 획득하는 기술에만 한정되지않는다. 본 발명은 사전에 준비된 모조 웨이퍼에 의해 오프셋 온도값이 획득되고, 처리 온도로부터 처리 온도와 오프셋 온도값을 합한 온도로 승온시켜 큰 전력을 공급하기 위한 시간을 획득함으로써 그에 따라 획득된 큰 전력 공급 시간을 이용하여 공정을 수행하는 경우를 포함한다.
또한, 피처리체는 반도체 웨이퍼에 한정되지 않으며, 예를 들어 액정 디스플레이용의 유리 기판 등이 사용될 수 있다.
본 발명은 상세히 설명된 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범위내에서 변형 및 수정이 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 다수의 피처리체를 하나씩 연속적으로 처리될 때 온도 하강을 저감할 수 있는 열처리 방법 및 열처리 장치를 제공함으로써 피처리체간의 처리 품질의 균일성을 개선할 수 있다.
Claims (13)
- 반응 용기에 순차적으로 공급되는 다수의 피처리체에 열처리를 연속적으로 가하기 위한 것으로서, 반응 용기 외부에 설치된 가열기에 의해 반응 용기 내부에 배치된 피처리체를 가열하는 열처리 장치를 사용하는 열처리 방법에 있어서,피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입되기 직전의 처리 분위기의 온도와, 상기 피처리체가 하나씩 연속적으로 열처리된 후 온도가 일정해지는 시간의 처리 분위기의 온도 사이의 차이인 오프셋 온도값을 획득하는 단계와,처리 분위기의 온도를 열처리 공정을 위한 설정 온도보다 오프셋 온도값만큼 높은 온도로 상승시키는데 필요한 시간을 획득하기 위해 가열기에 전력을 공급하는 단계와,피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입될 때, 선행 단계에서 획득된 시간 동안만 가열기에 전력을 공급하고, 그 후에 반응 용기 외부에 설치된 온도 검출부의 온도 검출값에 기초하여 가열기의 전력 제어를 수행하는 단계를 포함하는열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,가열기에 전력이 공급된 후에 수행되는 가열기의 전력 제어를 위한 설정 온도는 열처리 처리를 위한 온도에 오프셋 온도값을 합하여 산출된 온도에 해당하는열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,온도 검출값을 이용하여 피드백 제어 루프의 외부로부터 공급된 제어 신호에 기초하여 전력이 가열기에 공급되는열처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,반응 용기와 가열기 사이에는 반응 용기를 균일하게 가열하는 기능을 하는 균일 가열 부재가 설치되는열처리 방법.
- 반응 용기에 순차적으로 공급되는 다수의 피처리체에 열처리를 가하기 위한 것으로서, 반응 용기 외부에 설치된 가열기에 의해 반응 용기 내부에 배치된 피처리체를 처리 온도로 하나씩 연속적으로 가열하는 열처리 장치를 사용하는 열처리 방법에 있어서,시간 간격과 오프셋 온도값 사이의 제 1 관계를 획득하는 단계로서, 시간 간격은 피처리체중 하나가 반응 용기내로 반입되는 시간으로부터 후속 피처리체가 반응 용기내로 반입되는 시간까지의 시간이며, 오프셋 온도값은 피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입되기 직전의 처리 분위기의 온도와, 상기 피처리체가 하나씩 연속적으로 열처리된 후 온도가 일정해지는 시간의 처리 분위기의 온도 사이의 차이인, 제 1 관계 획득 단계와,처리 분위기의 온도를 오프셋 온도값만큼 상승시키기 위해 가열기에 전력을 공급하고, 오프셋 온도값과 전력이 공급되는 시간 사이의 제 2 관계를 획득하는 단계와,제 1 관계 및 제 2 관계에 기초하여 처리 온도와 시간 간격에 상응하는 전력을 공급하는 시간을 획득하는 단계와,피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입될 때, 선행 단계에서 획득된 시간 동안만 가열기에 전력을 공급하고, 그 후에 반응 용기 외부에 설치된 온도 검출부의 온도 검출값에 기초하여 가열기의 전력 제어를 수행하는 단계를 포함하는열처리 방법.
- 제 5 항에 있어서,가열기에 전력이 공급된 후에 수행되는 가열기의 전력 제어를 위한 설정 온도는 열처리 처리를 위한 온도에 오프셋 온도값을 합하여 산출된 온도에 해당하는열처리 방법.
- 제 5 항에 있어서,온도 검출값을 이용하여 피드백 제어 루프의 외부로부터 공급된 제어 신호에 기초하여 전력이 가열기에 공급되는열처리 방법.
- 제 5 항에 있어서,반응 용기와 가열기 사이에는 반응 용기를 균일하게 가열하는 기능을 하는 균일 가열 부재가 설치되는열처리 방법.
- 다수의 피처리체를 하나씩 연속적으로 가열하기 위한 열처리 장치로서, 상기 피처리체는 반응 용기 내부에 배치되며, 반응 용기 외부에 설치된 가열기에 의해 처리 온도로 가열되는, 열처리 장치에 있어서,시간 간격과 오프셋 온도 값 사이의 제 1 관계를 처리 온도에 관하여 저장하는 제 1 메모리부로서, 시간 간격은 피처리체중 하나가 반응 용기내로 반입되는 시간으로부터 후속 피처리체가 반응 용기내로 반입되는 시간까지의 시간이며, 오프셋온도값은 피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입되기 직전의 처리 분위기의 온도와 상기 피처리체가 하나씩 연속적으로 열처리된 후 온도가 일정해지는 시간의 처리 분위기의 온도 사이의 차이인, 제 1 메모리부와,오프셋 온도값과, 처리 분위기의 온도를 오프셋 온도값만큼 상승시키기 위해 가열기에 전력이 공급되는 시간 사이의 제 2 관계를 처리 온도에 관하여 저장하는 제 2 메모리부와,제 1 관계 및 제 2 관계에 기초하여 처리 온도와 시간 간격에 상응하는 전력을 공급하는 시간을 획득하기 위한 수단과,반응 용기 외부에 설치된 온도 검출부와,피처리체중 제 1 피처리체가 반응 용기내로 반입될 때 상기 수단에 의해 획득된 시간 동안만 가열기에 전력을 공급하고, 그 후에 온도 검출부의 온도 검출값에 기초하여 가열기의 전력 제어를 수행하는 제어부를 포함하는열처리 장치.
- 제 9 항에 있어서,제 1 관계 및 제 2 관계를 생성하기 위한 프로그램을 포함하는열처리 장치.
- 제 9 항에 있어서,온도 검출값을 이용하여 피드백 제어 루프 외부로부터 공급된 제어 신호에 기초하여 전력이 가열기에 공급되는열처리 장치.
- 제 9 항에 있어서,반응 용기와 가열기 사이에 설치되어 반응 용기를 균일하게 가열하는 기능을 하는 균일 가열 부재를 더 포함하는열처리 장치.
- 제 9 항에 있어서,피처리체는 기판이며, 기판용 반송 개구가 반응 용기의 일측면에 설치되며, 가열기는 각 기판의 양측면을 가열하도록 구성 및 배열되는열처리 장치.
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