KR0138869B1 - Sputter chamber for the metal film deposition and high temperature process - Google Patents
Sputter chamber for the metal film deposition and high temperature processInfo
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Abstract
본 발명은 금속박막의 증착을 위한 스퍼터 장비에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 증착공정과 열처리공정을 하나의 반응로에서 수행할 수 있도록 하는 금속박막 증착 및 고온 열처리 가능한 스퍼터 반응로에 관한 것으로 가열온도 범위가 넓고 정밀한 온도제어가 가능하며, 빠른 가열속도와 냉각속도에 의해 금속박막의 증착과 증착후의 가열에 의한 리플로우 등의 고온 열처리를 하나의 반응로 내에서 동시 또는 순차적으로 수행 가능한 구조를 가지는 금속박막 증착 및 고온 열처리 가능한 스퍼터 반응로를 제공하기 위하여 적외선 램프를 열원으로 하여 웨이퍼 가열을 적외광의 방사에 의한 직접가열로 수행하며 특히 금속박막의 증착과 증착후의 열처리를 하나의 반응로에서 순차적으로 또는 독립적으로 수행 가능한 스퍼터 장비의 반응로와 콜리메이터(collimator) 사용시의 구멍 막힘(clogging) 현상의 개선을 위한 원거리 스퍼터 공정 수행이 가능하도록 함을 특징으로 하는 것이다.The present invention relates to a sputtering equipment for the deposition of metal thin films, and more particularly to a sputter reactor capable of metal thin film deposition and high temperature heat treatment to perform the deposition process and the heat treatment process in one reactor. It has a wide range and precise temperature control, and has a structure capable of simultaneously or sequentially performing high temperature heat treatment such as metal thin film deposition and reflow by heating after deposition due to fast heating rate and cooling rate in one reactor. In order to provide a sputter reactor capable of metal thin film deposition and high temperature heat treatment, an infrared lamp is used as a heat source, and wafer heating is performed by direct heating by radiation of infrared light. In particular, deposition of metal thin film and heat treatment after deposition are performed in one reactor. Reactors and collies of sputter equipment, which can be carried out either independently or independently The sputtering process performed far for the improvement of data (collimator) for using the clogging (clogging) phenomenon to characterized in that it is possible.
Description
제1도는 본발명에서 제작한 금속박막 증착 및 고온 열처리 가능한 스퍼터 반응로의 단면도.1 is a cross-sectional view of the sputter reactor for metal thin film deposition and high temperature heat treatment prepared in the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
101:웨이퍼 클램퍼 어셈블리(wafer clamper assembly)101: wafer clamper assembly
102:웨이퍼 홀더 어셈블리(wafer holder assembly)102: wafer holder assembly
103:웨이퍼(wafer)103: Wafer
104:구동축(actuator shaft)104: actuator shaft
105:램프 어셈블리(lamp assembly)105: lamp assembly
106:벨로오즈A(bellows)106: Bellows A
107:웨이퍼 클램퍼/홀더 구동기구(wafer clamper/holder actuator mechanism)107: wafer clamper / holder actuator mechanism
108:램프 어셈블리 구동기구(lamp assembly actuator mechanism)108: lamp assembly actuator mechanism
109:피드쓰루 어셈블리(feedthrough assembly)109: feedthrough assembly
110:반사경(mirror)110: a mirror
111:적외광 램프(I.R lamp)111: I.R lamp
112:석영판(quartz window)112: quartz window
113:램프 어셈블리용 석영판(quartz plate for lamp assembly)113: quartz plate for lamp assembly
114:벨로오즈B(bellows)114: Bellows B
115:진공 배기구(vacuum exhaust port)115: vacuum exhaust port
116:가스 분사구(gas ahowerhead)116: gas ahowerhead
117:격리밸브(isolation valve)117: isolation valve
118:웨이퍼 반송구(wafer transfer port)118: wafer transfer port
119:알곤 가스 분사구(Ar gas showerhead)119: Ar gas showerhead
120:석영판 클램퍼(quartz plate clamper)120: quartz plate clamper
121:실드부(shield assembly)121: shield assembly
본 발명은 금속박막의 증착을 위한 스퍼터 장비에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 증착공정과 열처리공정을 하나의 반응로에서 수행할 수 있도록 하는 금속박막 증착 및 고온 열처리 가능한 스퍼터 반응로에 관한 것이다.The present invention relates to a sputtering equipment for the deposition of a metal thin film, and more particularly to a sputter reactor capable of metal thin film deposition and high temperature heat treatment to perform the deposition process and heat treatment process in one reactor.
반도체 소자의 제조를 위한 배선공정으로 낮은 저항의 고신뢰성 금속배선을 형성하기 위해서는 기본적으로 1.0E-9torr 이하의 base pressure와 E-3torr 수준의 동작 압력의 고진공 유지와 증착박막의 증착균일도 개선을 위한 금속 타겟부의 최적의 마그네트 설계 및 배열이 필수적으로 요구된다.In order to form low-resistance, high-reliability metallization as a wiring process for the manufacture of semiconductor devices, it is basically to maintain high vacuum at base pressure of 1.0E-9torr or lower and E-3torr level, and to improve deposition uniformity of the deposited thin film Optimal magnet design and arrangement of the metal target portion is essential.
이와 더불어 증착율의 향상 및 증착박막의 막질개선을 위해서는 웨이퍼의 가열이 부가적으로 요구된다.In addition, the heating of the wafer is additionally required for improving the deposition rate and improving the film quality of the deposited thin film.
또한 높은 단차비의 콘텍(contact) 또는 비아(via)에 등각도포성이 양호한 박막 증착을 위해서는 증착된 박막의 리플로우(reflow)등의 열처리가 필요하고, 이를 위해서는 낮은 압력하에서의 정밀한 웨이퍼 가열이 필수적이다.In addition, in order to deposit a thin film having good conformality to a high contact ratio or via, a heat treatment such as reflow of the deposited thin film is required, and precise wafer heating at low pressure is essential for this. to be.
따라서, 열처리 시간과 온도의 정밀한 조정으로 박막의 증착과 리플로우를 재현성 있게 수행할 수 있는 성능을 보유한 스퍼터 장비용 반응로가 필요하다.Therefore, there is a need for a reactor for sputtering equipment having the ability to perform reproducible deposition and reflow of thin films with precise adjustment of heat treatment time and temperature.
그러나 기존의 스퍼터 장비는 저항가열에 의한 웨이퍼 가열방식을 채택하고 있는 바, 웨이퍼의 가열 및 냉각속도가 매우 느려 기판 온도의 신속한 변환이 불가능 하다.However, the existing sputtering equipment adopts the wafer heating method by resistance heating, so the wafer heating and cooling rate is very slow, so it is impossible to change the substrate temperature quickly.
따라서 박막의 증착과 리플로우를 별개의 반응로에서 수행해야 할뿐 아니라 추가적인 고온 공정이 필요하며, 이에 따른 수율의 감소, 반응로간 웨이퍼 반송에 의한 오염 및 부가적인 열처리 사이클 등이 필요하게 된다.Therefore, not only the deposition and reflow of thin films need to be carried out in separate reactors, but also additional high temperature processes are required, resulting in reduced yield, contamination by wafer transfer between reactors, and additional heat treatment cycles.
이와 같은 요구를 충족하기 위하여 안출된 본 발명에서는 가열온도 범위가 넓고 정밀한 온도제어가 가능하며, 빠른 가열속도와 냉각속도에 의해 금속박막의 증착과 증착 후의 가열에 의한 리플로우 등의 고온 열처리를 하나의 반응로 내에서 동시 또는 순차적으로 수행 가능한 구조를 가지는 금속박막 증착 및 고온 열처리 가능한 스퍼터 반응로를 제공하는데 그 목적이 있다.In the present invention devised to meet such demands, the heating temperature range is wide and precise temperature control is possible, and high temperature heat treatment such as reflowing by deposition after heating and deposition of metal thin film is performed by fast heating rate and cooling rate. It is an object of the present invention to provide a sputtering reactor capable of depositing a metal thin film and having a high temperature heat treatment having a structure that can be simultaneously or sequentially performed in a reactor.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 적외선 램프를 열원으로 하여 웨이퍼 가열을 적외광의 방사에 의한 직접가열로 수행하며 특히 금속박막의 증착과 증착후의 열처리를 하나의 반응로에서 순차적으로 또는 독립적으로 수행 가능한 스퍼터 장비의 반응로와 콜리메이터(collimator) 사용시의 구멍 막힘(clogging) 현상의 개선을 위한 원거리 스퍼터 공정 수행이 가능하도록 함을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, in the present invention, an infrared lamp is used as a heat source, and wafer heating is performed by direct heating by radiation of infrared light. In particular, deposition of a metal thin film and heat treatment after deposition are sequentially or independently in one reactor. It is characterized in that it is possible to perform a remote sputtering process for improving the clogging phenomenon when using a reactor and a collimator of the sputtering equipment that can be performed.
본 발명에서 제안한 스퍼터 시스템은 회전모터에 의해 회전되는 마그네트가 장착된 타겟과 반응로 측벽에의 증착 방지를 위한 실드(shield)부와 웨이퍼의 가열을 위한 기판 가열 모듈과 반응로의 진공유지를 위한 진공시스템과 웨이퍼 반송시스템 등으로 구성 됨을 특징으로 한다.The sputtering system proposed in the present invention is a shield for preventing deposition on the side wall of the reactor and a target equipped with a magnet rotated by a rotating motor, a substrate heating module for heating the wafer, and a vacuum for maintaining the reactor. It consists of a vacuum system and a wafer transfer system.
이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 본 발명에서 제안한 적외선 가열 및 원거리 스퍼터 가능한 스퍼터 장비의 반응로의 내부 구조를 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the internal structure of the reactor of the infrared heating and remote sputterable sputter equipment proposed in the present invention.
적외선 가열방식을 채택하는 램프 어셈블리(105)는 벌브(bulb)형 또는 직선형 램프(111)를 사용하여 적외광의 직접가열에 의해 웨이퍼를 가열하는 모듈로서, 반사효율 및 온도의 균일도를 극대화한 반사경(110)을 부착하여 가열효율울 극대화 하였다.The lamp assembly 105 adopting the infrared heating method is a module that heats the wafer by direct heating of infrared light using a bulb type or a linear lamp 111. The reflector which maximizes reflection efficiency and uniformity of temperature 110 was attached to maximize the heating efficiency.
본 발명에서는 채택한 적외선 램프는 반도체 기판이 용이하게 흡수할 수 있는 파장 범위에서 높은 에너지의 스펙트럼을 방사하며, 빠른 응답속도에 의해 폐회로 온도조절이 용이하고 저온 및 고온 영역에서의 온도조절 능력이 우수할 뿐만 아니라 적외광의 투과율이 높은 특수 석영으로 제작되어 적외광을 장시간 안정되게 방출할 수 있다.The infrared lamp adopted in the present invention emits a spectrum of high energy in the wavelength range that can be easily absorbed by the semiconductor substrate, and the fast response speed makes it easy to control the closed circuit temperature and excellent in temperature control in the low and high temperature ranges. In addition, it is made of special quartz with high transmittance of infrared light, which can emit infrared light stably for a long time.
이러한 시스템은 기존의 스퍼터 시스템에서의 열전도형의 간접가열 방식과는 다른 복사가열 방식으로 램프로부터의 적외광의 직접 방사에 의해 웨이퍼가 직접 가열되므로 간접 가열방식에 비해 웨이퍼의 가열속도와 냉각속도가 향상된다.This system is different from the heat conduction type indirect heating method in the conventional sputtering system, so the wafer is directly heated by the direct radiation of infrared light from the lamp. Is improved.
따라서 웨이퍼의 직접가열 방식의 채택으로 간접가열 방식에 비해 넓은 온도 범위에서 공정 수행이 가능하고 열처리 시간과 온도의 정밀한 조정으로 빠른 응답속도에 의해 순간적인 온도의 변화도 가능하여 웨이퍼의 가열에 따른 부수적인 영향들을 최소화하면서 공정온도의 범위가 다른 별개의 공정을 하나의 반응로에서 연속적으로 또는 순차적으로 수행할 수 있도록 하여 금속박막의 증착과 증착된 박막의 열처리가 가능하도록 하였다.Therefore, it is possible to perform the process in a wider temperature range than the indirect heating method by adopting the direct heating method of the wafer, and it is possible to change the instantaneous temperature by fast response speed by precise adjustment of the heat treatment time and temperature. A separate process with a different process temperature range can be performed continuously or sequentially in one reactor while minimizing phosphorous effects, so that the deposition of the metal thin film and the heat treatment of the deposited thin film can be performed.
또한 기존의 스퍼터 시스템들이 반응로의 베이킹(BAKING)을 위해 별도의 열원을 설치하여 사용하고 있는데, 본 발명에서 제시한 시스템은 별도의 베이킹용 램프가 필요치 않고 웨이퍼 가열 램프로써 이를 병용할 수 있다.In addition, the existing sputter systems are installed by using a separate heat source for the baking (BAKING) of the reactor, the system proposed in the present invention can be used as a wafer heating lamp without a separate baking lamp.
웨이퍼(103)는 웨이퍼 반송구(118)를 통해 반응로 내부로 들어와 웨이퍼 홀더 어셈블리(102) 위에 놓여지고 격리밸브(117)에 의해 반응로가 외부와 차단된 후, 공정시 웨이퍼 클램프 어셈블리(101)에 의해 고정된다.The wafer 103 enters the reactor through the wafer carrier 118, is placed on the wafer holder assembly 102, and the reactor is isolated from the outside by the isolation valve 117, and then the wafer clamp assembly 101 during the process. It is fixed by).
이때 석영판 클램퍼(120)에 설치된 링(RING)형의 가스 분사구(116)로부터 웨이퍼의 뒷면에 질소 또는 열전도도가 큰 헬륨 가스를 균일하게 분사하여 웨이퍼의 온도 분포가 균일하게 이루어 지도록 하였다.At this time, nitrogen or helium gas having high thermal conductivity was uniformly sprayed on the back surface of the wafer from the ring-type gas injection hole 116 provided in the quartz plate clamper 120 so that the temperature distribution of the wafer was uniform.
웨이퍼의 위치는 웨이퍼 클램퍼/홀더 구동기구(107), 구동축(104) 및 벨로오즈 A(106)에 의해 가변되어 웨이퍼의 반송 및 원거리 스퍼터 공정시의 위치 변환이 가능하도록 하였다.The position of the wafer is varied by the wafer clamper / holder driving mechanism 107, the drive shaft 104, and the bellows A 106, so that the position of the wafer can be changed during the transfer and the distance sputtering process.
또한 이와 더불어 램프 어셈블리 구동기구(108)에 의해 램프 어셈블리(105)와 석영판(112) 사이의 위치도 가변시켜, 원거리 스퍼터 공정시의 웨이퍼 위치의 가변과 웨이퍼와 램프 사이의 거리 변화에 의한 온도 균일도 및 가열 속도의 변화가 가능토록 하였다.In addition, the position between the lamp assembly 105 and the quartz plate 112 is also changed by the lamp assembly driving mechanism 108, thereby changing the wafer position during the distance sputtering process and the temperature caused by the distance between the wafer and the lamp. Changes in uniformity and heating rate were made possible.
따라서 반응로는 벨로오즈B(114)에 의해 진공이 유지되면서 위치가변이 가능하며, 적외선 램프 모듈은 램프 어셈블리용 석영판(113)에 의해 격리된다.Therefore, the reactor can be repositioned while the vacuum is maintained by the bellows B 114, and the infrared lamp module is isolated by the quartz plate 113 for the lamp assembly.
램프모듈의 전력 및 냉각수 공급, 압축공기 및 온도감지를 위한 열전대, 파이로 메터 등을 위한 피드쓰루 어셈블리(109)는 램프 어셈블리 구동기구(108)의 내측벽에 설치하여 램프 어셈블리(105)의 위치가변을 용이하게 하였다.The feed-through assembly 109 for supplying power and cooling water of the lamp module, thermocouple for detecting compressed air and temperature, pyrometer, etc. is installed on the inner wall of the lamp assembly driving mechanism 108 so as to locate the lamp assembly 105. Variables were facilitated.
반응로벽의 내부에는 냉각수 라인을 관통 설치하고 반응로 벽면의 온도와 실드(shield)부(121)의 온도를 in-situ 측정하여 냉각기(chiller)를 궤환제어함으써 일정한 온도를 유지하게 하였다.A coolant line was installed inside the reactor wall, and the temperature of the reactor wall and the temperature of the shield 121 were measured in-situ to control the chiller to maintain a constant temperature.
반응로의 옆쪽에는 진공배기구(115)를 설치하고 진공계에 의해 내부의 압력을 측정할 수 있게 하였다.A vacuum exhaust port 115 was installed on the side of the reactor, and the internal pressure could be measured by a vacuum gauge.
또한 알곤가스의 균일한 공급을 위해 타겟의 측벽면에 원형의 알곤가스분사기(119)를 설치하여 타겟의 표면에 균일한 분사가 이루어지게 하여 질소 또는 헬륨가스의 잔류에 의한 영향을 무시할 수 있게 하였다.In addition, a circular argon gas injector 119 is installed on the side wall of the target to uniformly supply the argon gas, so that uniform spraying is performed on the surface of the target so that the influence of nitrogen or helium gas remaining can be ignored. .
이와 같은 본 발명 금속박막 증착 및 고온 열처리 가능한 스퍼터 반응로는 적외광의 방사에 의해 웨이퍼가 직접 복사 가열되게 하여 웨이퍼의 가열 속도와 냉각속도가 향상되어, 금속박막의 증착과 증착후의 부가적인 열처리를 하나의 반응로에서 순차적으로 또는 독립적으로 수행 가능하고, 콜리메이터 사용시의 구멍 막힘 현상에 의한 스텝 커버리지(step coverage)특성 및 증착율의 열화를 방지할 수 있는 원거리 스퍼터 공정의 수행이 가능하며, 기판가열용 램프 모듈에 의해 별도의 베이킹용 가열 모듈을 설치함이 없이 시스템의 베이킹을 수행할 수 있는 장점을 제공한다.The sputtering reactor capable of depositing the metal thin film and the high temperature heat treatment of the present invention allows the wafer to be directly radiated and heated by radiation of infrared light, thereby improving the heating rate and cooling rate of the wafer, and thus performing additional heat treatment after deposition and deposition of the metal thin film. It can be carried out sequentially or independently in one reactor, and it is possible to perform a long distance sputtering process to prevent deterioration of step coverage characteristics and deposition rate due to the blockage of the collimator when using the collimator. The lamp module provides the advantage of performing the baking of the system without installing a separate baking heating module.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명은 열원으로 적외선 램프가 사용되며 가열효율의 증대를 위해 반사경을 부착한 램프 어셈블리와 적외광 투과창을 적외광의 투과특성이 우수한 석영창으로 구성하여 적외광의 방사에 의한 직접가열 방식의 기판 가열기구를 사용하여 하나의 반응로내에서 박막 증착과 리플로우공정 등의 열처리 공정을 순차적으로 또는 독립적으로 수행 할 수 있게 하였다.As described above, the present invention uses an infrared lamp as a heat source, and in order to increase the heating efficiency, the lamp assembly with a reflector and the infrared light transmitting window are composed of a quartz window having excellent infrared light transmitting characteristics. Direct heating type substrate heating mechanism is used to perform heat treatment process such as thin film deposition and reflow process sequentially or independently in one reactor.
또한 가열판의 위치와 웨이퍼 홀더의 위치를 상하로 가변할 수 있게 하여 웨이퍼의 온도 균일도를 조절할 수 있고 가열 및 냉각 속도를 가변할 수 있도록 하였다.In addition, the position of the heating plate and the position of the wafer holder can be changed up and down to adjust the temperature uniformity of the wafer and to change the heating and cooling rates.
반응로의 베이킹을 위해 별도의 열원을 사용하지 않고 기판 가열용 적외광 가열원에 의해 이를 수행하도록 한다.This is done by an infrared light heating source for heating the substrate without using a separate heat source for baking the reactor.
또한 타겟과 웨이퍼 사이의 간격을 가변할 수 있도록 하여 웨이퍼 홀더의 위치가변과 가열기판의 위치가변을 통해 원거리 스퍼터 공정이 가능하여 박막의 스텝 커버리지 특성을 개선시킬 수 있도록 하며 석영판 클램퍼 하부에 설치된 링 형태의 가스 공급 라인 내부에서 질소 또는 헬륨가스가 가열되어 공급되고, 타겟의 측벽면에 링 형태의 알곤 가스 라인을 설치하여 알곤 가스가 타겟의 표면에 균일하게 분사되도록 하여 질소 및 헬륨가스의 잔류에 의한 영향을 무시할 수 있다.In addition, the distance between the target and the wafer can be varied so that the sputtering process can be performed through the change of the position of the wafer holder and the position of the heating substrate to improve the step coverage characteristics of the thin film, and a ring installed under the quartz plate clamper. Nitrogen or helium gas is heated and supplied inside the gas supply line in the form, and argon gas line in the form of a ring is installed on the side wall surface of the target so that the argon gas is uniformly sprayed on the surface of the target, thereby preventing Can be ignored.
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20080214 Year of fee payment: 11 |
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |