High-efficiency / high-precision heater driver

本発明は、ウエハを処理するときにより効率的な動作をもたらすために急速熱処理チャンバで使用することができるヒータドライバに関する。

急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバは、半導体ウエハを処理するときにランプに印加される電力を制御してランプによって発生される熱の量を制御する必要がある。 現在のＲＴＰチャンバは、位相角制御型シリコン制御整流器（ＳＣＲ）を含むランプドライバ回路を使用して、ランプに印加される電力を制御し、ウエハ処理を制御する。 これらのＳＣＲベースのランプドライバ回路は、ウエハ処理の効率を制限するいくつかの欠点を抱えている。 ＳＣＲベースの手法の一連の欠点は回路の力率が低いことである。 これは低い電力レベルで特に当てはまり、力率が５０％未満となることがある。 このため、半導体処理エネルギーの無駄が多くなる。

さらに、ＳＣＲベースのランプドライバ回路は、電圧がゼロを横切る点の近くでオンにすることができない。 これは、ＳＣＲはオンにするのに最小電圧を必要とするからである。 したがって、制御される出力電流の極小値は閾値を有する。 これも処理の非能率の一因になる。

別の問題は、ＳＣＲの性質のために、ＳＣＲは１周期当たり２回しかオン／オフの切り替えができないことである。 これは、ＳＣＲはデバイスを通る電流がゼロであるときにしかオフに切り替えないからである。 ランプドライバ回路に対するより正確な制御が達成されるならば、高速の温度処理がより良いものになるはずである。

したがって、ＲＴＰチャンバのＳＣＲベースのランプドライバ回路に関連する欠点に鑑みて、新しいおよび改善されたランプドライバ回路が必要とされる。

本発明の１つの態様は、ウエハを処理する急速熱処理チャンバを提供する。 急速熱処理チャンバは、交流電力が供給され、複数のハロゲンランプと、ランプドライバと、ウエハ温度を測定する温度センサと、温度センサとランプドライバとに接続された温度コントローラであり、ウエハ温度と所望の温度との関数としての制御信号を第１のトランジスタの制御入力部と第２のトランジスタの制御入力部とに供給する、温度コントローラとを含むことができる。 ランプドライバは、第２のトランジスタの第１の端子に接続されたカソードを有する第２のダイオードと並列に第１のトランジスタの第１の端子に接続されたカソードを有する第１のダイオードを備え、第１のダイオードのアノードおよび第２のトランジスタの第２の端子は複数のハロゲンランプの１つまたは複数に接続され、第２のダイオードのアノードおよび第１のトランジスタの第２の端子は交流電力供給装置に接続される。

本発明の別の態様によれば、ウエハを処理する急速熱処理チャンバは、複数のハロゲンランプと、第１のスイッチと第２のスイッチとをもつ交流電源を含む電源であり、複数のハロゲンランプに接続され、複数のハロゲンランプに電力を供給する電源と、ウエハの温度を測定する温度センサと、温度センサと電源の第１のスイッチおよび第２のスイッチとに接続された温度コントローラであり、その温度コントローラが、第１の制御信号を第１のスイッチに、および第２の制御信号を第２のスイッチに供給し、第１の制御信号および第２の制御信号がウエハ温度と所望の温度との関数である、温度コントローラとを備える。 第１の制御信号が第１のスイッチを交流電力の半サイクル当たり複数回オン／オフし、第２の制御信号が第２のスイッチを交流電力の半サイクル当たり複数回オン／オフする。

本発明の別の態様によれば、第２のスイッチがオフにされる間第１のスイッチがオンにされる。 さらに、第２のスイッチがオンにされる間第１のスイッチがオフにされる。

本発明の別の態様によれば、温度コントローラは、第１の制御信号と第２の制御信号とを交流電力のパルスバージョンとして形成する。

本発明の別の態様によれば、複数のハロゲンランプに供給される電力の力率は約１である。 一般に、力率は０．９と１との間にある。

本発明の別の態様によれば、第１のスイッチおよび第２のスイッチはトランジスタである。 トランジスタは、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、バイポーラトランジスタ、または絶縁ゲートバイポーラトランジスタとすることができる。

本発明の別の態様によれば、ウエハを処理する急速熱処理チャンバを制御する方法が提供される。 この方法は、ウエハの温度を感知するステップと、所望の温度を決定するステップと、温度コントローラが、ウエハの温度および所望の温度に従って第１の制御信号および第２の制御信号を生成するステップと、第１の制御信号が、第１のスイッチを、温度コントローラに供給される交流電力の半サイクル当たり複数回オン／オフするステップと、第２の制御信号が、第２のスイッチを、温度コントローラに供給される交流電力の半サイクル当たり複数回オン／オフするステップと、第１および第２のスイッチが複数のハロゲンランプに電力を供給するステップとを含む。

本発明の別の態様によれば、第１のスイッチおよび第２のスイッチは異なる時間にオンにされる。 第２のスイッチがオフにされる間第１のスイッチがオンにされ、第２のスイッチがオンにされる間第１のスイッチがオフにされる。

本発明の別の態様によれば、温度コントローラは、第１の制御信号と第２の制御信号とを交流電力のパルスバージョンとして形成する。

本発明の別の態様によれば、複数のハロゲンランプに供給される電力の力率は約１である。

既に述べたように、第１のスイッチおよび第２のスイッチはトランジスタとすることができる。 トランジスタは、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、バイポーラトランジスタ、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなる群から選択することができる。

本発明の別の態様では、ウエハを処理する急速熱処理チャンバは、交流電力が供給され、複数のハロゲンランプと、第１のダイオードおよび第１のトランジスタと第２のダイオードおよび第２のトランジスタとの並列接続を含むランプドライバであり、交流電力の発生源と複数のハロゲンランプとに接続され、複数のハロゲンランプに電力を供給するランプドライバと、ウエハ温度を測定する温度センサと、温度センサとランプドライバとに接続された温度コントローラであり、ウエハ温度と所望の温度との関数としての第１の制御信号を第１のトランジスタに、およびウエハ温度と所望の温度との関数としての第２の制御信号を第２のトランジスタに供給する、温度コントローラとを備える。 第１のトランジスタが第２のトランジスタと異なる時間にオンにされる。

トランジスタは共にＭＯＳＦＥＴとすることができ、共にバイポーラトランジスタとすることができ、または共に絶縁ゲートバイポーラトランジスタとすることができる。 すでに述べたように、第１および第２のトランジスタは、供給される交流電圧の半周期当たり２回以上オン／オフすることができる。 複数のハロゲンランプに供給される電力の力率は０．９と１との間にある。

ハロゲンランプ、ランプドライバ、ウエハ温度コントローラ、温度センサ、および温度コントローラを有する急速熱処理チャンバを示す図である。

本発明の１つの態様によるランプドライバを示す図である。

本発明の一態様による電源からの電圧およびドライバ出力電圧を示す図である。

本発明の一態様によるドライバ回路を示す図である。

本発明の一態様による本発明の回路に関連する波形を示す図である。

本発明の１つの態様による本発明の動作を示す図である。

図１は急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバ１０を示す。 ＲＴＰチャンバ１０は、ハロゲンランプ１２のいくつかのグループ、いくつかのランプドライバ１４、および処理されるウエハ１６を含む。 ランプドライバ１４はハロゲンランプ１２に接続され、ハロゲンランプ１２に供給される電力を制御する。 ハロゲンランプ１２は熱をウエハ１６に供給し、それにより、ウエハ１６は既知の方法で処理できるようになる。

ウエハ温度コントローラ１８は、温度センサ２０に接続される入力部と、ランプドライバ１４に接続される出力部とを有する。 温度センサ２０は、本発明の１つの態様による非接触温度センサであり、ウエハ１６の温度を測定する。 その温度は、温度センサ２０から温度コントローラ１８に提供される。 ウエハ１６での所要温度が、さらに、温度コントローラ１８に提供される。 温度コントローラ１８は、測定された温度および所要温度に基づく制御信号をランプドライバ１４に送ってハロゲンランプ１２を制御する。 ランプドライバ１４はハロゲンランプ１２での所要ランプ電力を維持し、それにより、赤外線放出を引き起こしてウエハ１６を加熱する。

１つの先行技術のランプドライバ１４が図２に示される。 ランプドライバ１４は電源３０に接続される。 電源３０は配電線とすることができる。 ランプドライバ１４は電力制御要素からなる。 先行技術では、例えば、ＳＣＲコントローラ３６を有するバイポーラシリコン制御整流器（ＳＣＲ）３４が設けられる。 最初、ＳＣＲは電流を伝導しない。 コントローラ１８からの外部命令に基づいて、ＳＣＲコントローラ３６はＳＣＲ３４をオン／オフし、それにより、電流がランプ１２を通って流れる。 ＳＣＲ３４に供給される制御信号の極性が反転されると、ＳＣＲ３４は伝導を停止し、ランプ１２はオフになる。

図３は、電源３０からの電圧４０を左側に示す。 ＳＣＲ３４が使用される場合、ＳＣＲ３４からのドライバ出力電圧４２が右側に示される。 注目すべきことに、ＳＣＲ３４は、一般に、電源３０の交流サイクルの半分当たり１回オン／オフされる。

図４は、本発明の１つの態様によるランプドライバを示す。 ランプドライバは電子スイッチ４６およびコントローラ４８を有する。 電子スイッチ４６は、本発明の１つの態様によれば、第１のトランジスタ５０、第２のトランジスタ５２、第１のダイオード５４、および第２のダイオード５６を含む。 図４に示されるように、第１のダイオード５４は、第１のトランジスタ５０の第１の端子に接続されるカソードを有する。 第２のダイオード５６は、第２のトランジスタ５２の第１の端子に接続されるカソードを有する。 第１のダイオード５４と第１のトランジスタ５０との直列接続は、第２のダイオード５６と第２のトランジスタ５２との直列接続に並列に接続される。

第１のダイオード５４のアノードおよび第２のトランジスタ５２の第２の端子は複数のハロゲンランプ１２の１つまたは複数に接続される。 第２のダイオード５６のアノードおよび第１のトランジスタ５０の第２の端子は交流電力供給装置に接続される。

トランジスタ５０および５２はほとんどのタイプのトランジスタで実施することができる。 例えば、トランジスタ５０および５２は、本発明の１つの態様によればＭＯＳＦＥＴトランジスタで実施することができる。 トランジスタ５０および５２は、本発明の他の態様によればバイポーラトランジスタで実施することもできる。 さらに、トランジスタ５０および５２は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で実施することができる。 図４では、トランジスタ５０および５２はＭＯＳＦＥＴトランジスタとして示される。 ダイオード５６およびトランジスタ５２は入力正弦波の正の部分の間導通する。 ダイオード５４およびトランジスタ５０は、入力正弦波の負の部分の間導通する。

図４を参照すると、コントローラ４８は温度コントローラ１８からの命令を受け取る。 温度コントローラ１８は、所望の温度ならびに温度センサ２０からの感知温度を受け取る。 コントローラ４８は感知温度および所望の温度を分析し、トランジスタ５０および５２の制御入力部に制御信号を出し、それにより、トランジスタ５０および５２をオン／オフしてランプ１２の両端の所望の電圧を維持し、その結果、所望の温度が維持される。

図５に示されるように、コントローラ４８は、入力交流電圧の半周期当たり数回、トランジスタ５０および５２をオン／オフすることができる。 コントローラ４８は、入力電圧６０の正弦波形をパルス電圧６２にチョップすることによってこれを達成する。 したがって、温度コントローラ１８は、入力交流電圧の周期の間、トランジスタ５０および５２を入力交流電圧源の１周期当たり２回以上オン／オフすることによってランプ１２の両端の電圧を正確に調整することができる。

図６は、本発明の一態様による２つのドライバ回路９０および９２を含むランプヒータ回路を示す。 ドライバ回路９０および９２の各々は１つまたは複数のランプのグループを制御する。 本発明の別の態様によれば、コントローラ９４は、ドライバ９０の切替えフェーズを交互に配置し、交流電圧の周期の間にわたり導電性フェーズを広げる。 出力電圧９６および９８は５０％のデューティサイクルで示されている。 抵抗器またはランプなどの能動負荷の場合には、入力電流９９および１００は出力電圧９６および９８と同じ形状を有する。 入力ヒータ電流２７は多数のドライバの出力電流の重ね合わせである。 したがって、入力電流は多数のドライバの出力電流の重ね合わせである。 所与の例では、入力電流の得られる形状は正弦波である。 ヒータ入力電圧２６と入力電流２７とは互いの間に位相ずれがなく、力率は約１である。

本発明のランプドライバは、シリコン制御整流器を利用した以前のランプ回路よりもはるかに高い制御速度を有することができる。 これは、トランジスタが、遅い応答時間を有するＳＣＲよりも非常に速くオン／オフすることができるからである。 したがって、ハロゲンランプ１２のはるかにより正確な制御が本発明を使用して可能である。

ウエハを処理する急速熱処理チャンバを制御する方法がさらに提供される。 急速熱処理チャンバは、交流電力が供給され、既に説明したように、複数のハロゲンランプを有し、その出力はランプドライバによって制御される。 説明したように、ランプドライバは、第２のトランジスタの第１の端子に接続されたカソードを有する第２のダイオードと並列に第１のトランジスタの第１の端子に接続されたカソードを有する第１のダイオードを含み、第１のダイオードのアノードおよび第２のトランジスタの第２の端子は複数のハロゲンランプの１つまたは複数に接続され、第２のダイオードのアノードおよび第１のトランジスタの第２の端子は交流電力供給装置に接続される。

本発明の１つの態様によるプロセスは、温度センサによりウエハの温度を感知することと、感知したウエハ温度および所要温度を温度コントローラに送出することと、温度コントローラが制御信号を生成し、それを第１のトランジスタの制御入力部および第２のトランジスタの制御入力部に送り、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタをオン／オフすることと、信号を複数のハロゲンランプに供給して放出される熱を制御することとを含む。

ランプドライバの各々の第１および第２のトランジスタが共にＭＯＳＦＥＴである場合、第１および第２のトランジスタの制御入力部はＭＯＳＦＥＴゲートである。 バイポーラトランジスタが使用される場合、第１および第２のトランジスタの制御入力部はベース端子である。

本発明の別の態様によれば、温度コントローラは、第１および第２のトランジスタを供給された交流電圧の半周期当たり２回以上オン／オフする第１および第２のトランジスタのための制御信号を生成するために供給される交流電圧をチョップする。

本発明のドライバ回路は３つの利点を提供する。 このドライバ回路は、出力電圧のより速い整定時間を可能にし、プロセス温度制御のより良好な動的精度を可能にする。 本発明の実施形態によるドライバは、開ループモードに働くので最大達成可能速度を有する。 開ループモードは、内部閉ループに関連する悪影響のすべて、すなわち、整定時間の増加とオーバーシューティングとを排除する。 ドライバの静的誤差は外部ウエハ温度制御閉ループで補償される。

さらに、このドライバ回路は、低温でのプロセス温度制御の精度の向上を可能にする。 位相角制御法を利用する一般に用いられているＳＣＲベースのドライバと異なり、このドライバは、事実上、最小出力電圧を有していないが、先行技術のＳＣＲベースのドライバの最小制御可能出力電圧は５％である。 さらに、本発明の実施形態のドライバは低い出力電圧でより良好な精度を有する。 したがって、新しいドライバはより良好な力率を有し、したがって、中間および低い電力領域でより低いエネルギーコストを有する。 これは、急速熱処理の間の平均電力が２７％〜３５％の範囲になるので有利である。 ＳＣＲドライバを使用している従前の急速熱プロセスシステムの典型的な力率は０．４である。 新しいドライバはいかなる制御電力レベルでも０．９よりも良好な力率を有する。 ほとんどの場合、力率はほぼ１である。

本発明の好ましい実施態様に適用されるような本発明の基本的な新規な特徴が示され、説明され、指摘されたが、例証されたデバイスの形態および詳細と、その動作とにおける様々な省略、置換、および変更を、本発明の趣旨から逸脱することなく、当業者なら行うことができることが理解されよう。 したがって、本発明は、本明細書に添付された特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されるものである。