KR100269564B1 - 반도체웨이퍼처리용서셉터 - Google Patents

반도체웨이퍼처리용서셉터 Download PDF

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KR100269564B1
KR100269564B1 KR1019960064328A KR19960064328A KR100269564B1 KR 100269564 B1 KR100269564 B1 KR 100269564B1 KR 1019960064328 A KR1019960064328 A KR 1019960064328A KR 19960064328 A KR19960064328 A KR 19960064328A KR 100269564 B1 KR100269564 B1 KR 100269564B1
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에이. 피커링 마이클
이. 번즈 리
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제럴드 케이. 화이트
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Abstract

본 발명의 서셉터는 반도체 웨이퍼상의 에피택셜 증착을 위한 급속 열처리에 사용된다. 이 서셉터는 웨이퍼가 배치되는 외부 지지 링을 포함한다. 이 외부 지지 링은 모노리식 물질의 탄화 규소로 형성하는 것이 바람직하며, 고순도 β-위상(면심 입방) 탄화 규소로 형성하는 것이 가장 바람직하다. 웨이퍼는 링의 작은 웨이퍼 쇼울더 상에 지지된다. 웨이퍼의 뒷면, 즉 바닥면상의 에피택셜 증착을 막기 위해 블록커 쇼울더는 링내의 웨이퍼 쇼울더 아래에 제공되며, 블록커는 이 블록터 쇼울더 상에 배치된다. 블록커는 석영으로 형성하는 것이 바람직하며, 쇼울더 상에 간단하게 배치된다. 이러한 방식에서 링 및 블록커는 온도의 급변화에서 서로 다른 비율로 팽창될 수 있으며, 블록커 또는 링은 교체 가능하다.

Description

반도체 웨이퍼 처리용 서셉터{IMPROVED SUSCEPTOR FOR SEMICONDUCTOR WAFER PROCESSING}
본 발명은 일반적으로 반도체 웨이퍼 처리용 서셉터에 관한 것이며, 구체적으로 말하면 반도체 웨이퍼의 급속 열 처리를 위한 개선된 멀티파트 서셉터에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 제조에는 여러 가지 공정 단계가 있으며, 그 중에서 에피택셜 증착으로 칭해지는 한 형태의 공정 단계는 일반적으로 웨이퍼 상에 얇은 층의 에피택셜 규소(대략적으로 10마이크론 내지 1마이크론 이하의 두께)를 증착하는 것이다. 이러한 증착은 특별한 장비 및 화학기상 증착(CVD)을 사용하여 행해진다. CVD 공정에서는 웨이퍼를 약 1200℃(2000℉)의 매우 높은 온도에서 가열해야 한다.
당업계에서는 최근 웨이퍼군보다는 단일 웨이퍼로 작업하는 장비를 사용하려는 경향이 있다. 이 단일 웨이퍼 장비에서, 웨이퍼는 CVD 온도에서 매우 빠르게 가열되기 때문에, 웨이퍼는 통상적으로 대략 30초 동안에 실온에서 고온으로 가열된다. 이러한 것은 급속 열처리, 즉 RTP(rapid thermal processing)라고 알려져 있다. 규소 웨이퍼에 상기의 급속 열 변화가 가해지는 동안, 웨이퍼는 서셉터로 알려진 기계적 소자에 의해 적당한 위치에 유지되어야 한다. 서셉터는 그 형상을 유지하면서 온도 변화를 견디기 위해, 탄화 규소층으로 둘러싸인 그래파이트 코어(graphite core)로 형성되어 왔다.
서셉터가 급속 열처리 및 CVD 공정을 거치는 동안, 에피택셜 규소층이 웨이퍼 상에만 증착되는 것은 아니다. 다시 말하면, 규소는 웨이퍼를 홀딩하고 있는 서셉터 상에도 증착된다. 규소의 과도한 증착을 막기 위해, 염화수소의 산성 증기 또는 유사한 에칭물을 사용하여 서셉터를 주기적으로 깨끗하게 클리닝한다. 이 산성 증기는 서셉터에 증착된 규소를 제거하지만, 핀 홀을 형성하는 소량의 탄화 규소층을 제거하기도 한다. 이로 인해, 그래파이트 코어가 노출된다.
반도체 제조시에는 순도 및 깨끗함의 표준 규격이 엄격해야 한다. 서셉터상의 탄화 규소 코팅은 공정시에 불활성이어서 해가 되지 않지만 그래파이트는 그렇지 않다. 이와 같이, 서셉터의 그래파이트 코어를 노출하는 핀홀의 형성으로 웨이퍼가 오염된다. 서셉터를 클리닝할수록 핀홀의 수가 증가하고, 이에 따라 서셉터의 오염의 양도 증가하게 된다. 어떤 시점(통상적으로 약 1천 내지 5천 사이클까지)에서 다량의 웨이퍼 오염은 용인될 수 없으며 서셉터를 교체해야 한다.
본 발명의 목적은 RTP형의 에피택셜 웨이퍼 처리용 서셉터를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 상기의 공정에서의 온도 변화를 확고히 견디는 서셉터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 불활성이고 웨이퍼를 오염시키지 않는 서셉터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 심한 손상 및 오염 물질의 노출없이 클리닝될 수 있는 서셉터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수천 사이클 내지 수만 사이클까지 증가된 긴 수명을 갖는 서셉터를 제공하는 것이다.
상기의 목적 및 다른 목적은 반도체 웨이퍼 상에 에피택셜을 증착하는 급속 열처리용 서셉터에 의해 달성된다. 이 서셉터는 웨이퍼가 얹혀 있는 외부 지지 링을 포함한다. 이 외부 링은 모노리식 물질의 탄화 규소로 형성하는 것이 바람직하며, 고순도의 β-위상(면심 입방) 탄화 규소로 형성하는 것이 가장 바람직하다. 이 웨이퍼는 링내의 작은 웨이퍼 쇼울더 상에 지지된다. 또한, 웨이퍼의 뒷면, 즉 바닥면상의 에피택셜 증착을 막기 위해, 블록커 쇼울더가 링내의 웨이퍼 쇼울더 아래에 제공되며, 블록커는 이 블록커 쇼울더 상에 위치된다. 블록커는 석영으로 형성하는 것이 바람직하며, 쇼울더 상에 간단하게 위치된다. 이와 같은 방식에서, 링 및 블록커는 온도의 급변화시에 서로 다른 비율로 팽창될 수 있으며, 블록커 또는 링은 교체 가능하다.
상술된 본 발명의 목적 및 특징은 도면을 참조하여 상세히 설명되며, 동일 참조 부호는 동일한 소자를 나타낸다.
도 1은 웨이퍼를 지지하는 본 발명에 따른 서셉터를 부분적으로 절결하여 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 서셉터 및 웨이퍼의 단면도.
도 3 및 도 4는 서셉터 링과 블록커 사이의 결합 스터드 및 돌출부를 상세히 나타내는 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 서셉터
14 : 링
16 : 블록커
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 서셉터는 일반적으로 참조 부호 10으로 표시된다. 도시된 바와 같이, 서셉터(10)는 도핑 등과 같은 웨이퍼에 대한 다양한 제조 공정동안 반도체 웨이퍼(12)를 지지하는데 사용된다. 공지된 바와 같이, 이러한 웨이퍼는 비교적 얇고 단단한 디스크의 형태를 갖는다.
서셉터(10)는 2개의 기본적인 구성 소자, 즉 링(14)과 블록커(16)로 이루어져 있다. 링(14)은 일반적으로 상부면 및 하부면(18, 20)과 내측벽 및 외측벽(22, 24)을 갖는 환형 부재이다. 또한, 링은 내측벽(22)에 형성되는 2개의 쇼율더로서, 웨이퍼 쇼울더(26)와, 블록커 쇼울더(28)(도 1 참조)를 포함할 수 있다. 웨이퍼 쇼울더(26)는 상부면(18)쪽으로 오픈되어 있고, 블록커 쇼울더(28)는 웨이퍼 쇼울더쪽으로 오픈되어 있다.
특히, 웨이퍼 쇼울더는 링의 세로 축에 수직인 방향으로 연장하는 평면 시트(30)와, 세로축과 동일한 축 방향으로 연장하는 관형의 후벽(back wall)(32)을 포함한다. 후벽(32)은 상부면(18)과 면이 교차한다. 유사하게, 블록커 쇼울더는 시트(34)와 후벽(36)을 포함하며, 블록커 쇼울더의 후벽(36)은 웨이퍼 쇼울더의 평면 시트(30)와 면이 교차한다. 도시된 바와 같이, 시트는 웨이퍼 및 블록커를 중력에 대항하여 지지하며, 후벽은 웨이퍼 또는 블록커의 측면으로의 이동을 막도록 지지한다. 각각의 경우에 후벽의 직경은 웨이퍼 및 블록커가 링에 쉽게 삽입되고 또 링으로부터 쉽게 제거될 수 있도록 각각 웨이퍼 또는 블록커의 직경보다 약간 더 크다. 또한, 상기의 2개 시트는 도 2에 도시된 바와 같이 블록커의 두께보다 크게 이격되어 있어, 웨이퍼의 바닥면과 블록커의 상부면 사이에 공간이 생긴다.
쇼울더는 도면에 과장되게 도시되어 있다. 바람직한 형태에서, 쇼울더(즉, 시트(30, 34))의 방사 방향 깊이는 실제로 약 0.1∼0.65 cm(0.05∼0.25 인치) 정도이다. 이는 웨이퍼 또는 블록커를 지지하는데 충분하다. 부가적으로, 링은 웨이퍼 및/또는 블록커와 다른 물질로 형성되어 열 확산에 있어서의 차가 발생할 수 있다. 링 및 블록커를 형성하는 물질에 대해서는 더 자세히 차후 설명될 것이다.
블록커가 블록커 쇼울더(28) 상에 간단히 얹여 있는 것처럼 도시되었지만, 링 의 적절한 위치에 블록커를 고정시키는 어떤 다른 장치가 사용될 수 있다. 또한, 기존의 웨이퍼 공정 장비로 사용하기 위해서, 블록커 및/또는 링에 적절한 얼라인먼트 소자(alignment element)를 제공할 수 있다. 예컨대, 링에는 서셉터 리프팅 핑거(lifting finger)와 결합하기 위한 적절한 오목부(recess)(도시되지 않음)가 제공될 수 있다. 유사하게, 블록커에는 서셉터로부터 웨이퍼를 제거하는데 사용되는 당업계에 공지된 웨이퍼 리프팅 핑거가 통과하도록 다수의 관통홀(38)(도 2)이 제공될 수 있다.
블록커에 홀(38)이 제공된다면, 홀이 핑거를 수납하도록 적절한 위치에 있어야 하며, 이와 같이 블록커는 링에 관하여 블록커를 적절한 방향에 위치시키는 구성으로 되어 있어야 한다. 바람직한 구성은 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 링(14)은 일정 간격으로 배치되는 다수의 각진 형상의 얼라인먼트 스터드(40)(바람직하게는 3개)를 구비한다. 스터드(40)는 블록커 쇼울더(28)의 시트(34) 상에 위치된다. 특히, 스터드(40)는 시트(34)를 따라 후벽(36)으로부터 외부로 연장되며 웨이퍼 쇼울더의 시트(30)로부터 이격되어 있다. 스터드는 블록커 쇼울더를 형성하기 위한 기계 가공 작업동안 형성될 수 있다. 블록커(16)에는 다수의 결합(mating) 얼라인먼트 오목부(42)가 제공되는데, 각 오목부는 하나의 관련 스터드(40)를 수납할 수 있는 크기 및 모양으로 위치된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 블록커의 주변부로부터 안쪽으로 연장하는 오목부(42)이다. 도면에서 알 수 있듯이, 오목부에 수납된 스터드를 이용하여 쇼울더 상에 블록커를 위치시킴으로써 블록커가 쇼울더 상에서 수직으로 지지되며, 링에 관하여 세로축에 대하여 회전하지 못하게 지지된다.
상기의 얼라인먼트 장치는 단지 홀(38)을 통해 연장하는 웨이퍼 리프팅 핑거를 갖는 장비를 사용하기 위해서 필요하다. 다른 공지된 웨이퍼 처리 장치는 진공형 웨이퍼 리프터를 사용하며, 이러한 형태의 장치에서 블록커는 홀 또는 얼라인먼트 장치를 구비할 필요가 없다.
상기 설명은 본 발명의 외형적, 즉 구조적인 것에 관한 것이다. 설명을 완전하게 하기 위해, 상기 링 및 블록커를 형성하는데 사용될 수 있는 다양한 재료가 차후 설명된다.
일반적으로, 링 또는 블록커는 동일하거나 또는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 상기 2가지 구성 성분은 상당히 단단하고 편편하면서 웨이퍼를 과도하게 오염시키지 않고 공정 온도를 견디는 재료이어야 한다. 물론, 다양한 재료들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 링 및/또는 블록커는 석영, 규소, 탄화 규소로 코팅된 그래파이트 또는 통상의(예컨대 α위상의) 탄화 규소로 형성될 수 있다.
블록커에 석영을 사용하는 데에는 몇 가지의 장점이 있다. 첫번째로, 석영은 비교적 저가의 재료이기 때문에 석영으로 블록커를 형성하는 것은 매우 경제적이다. 또한, 석영은 열저항 및 열팽창 특성이 양호할 뿐만 아니라, 고온에서 단단함을 유지한다. 그 외의 장점으로는 석영은 투명하거나, 또는 거의 투명하여 열복사를 많이 한다는 것이다. 이와 같이, 가열시 열복사의 일부는 석영을 통과하여 웨이퍼를 가열시킨다. 에피택셜 증착을 위해서는 웨이퍼를 가열해야 하기 때문에, 증착을 위해 웨이퍼를 가열시키는데 요구되는 시간을 감소시킬 수 있다. 이로써, 사이클 시간을 감소시키고 웨이퍼 생산을 증가시키는 것이 가능하다.
블록커는 석영으로 형성하는 것이 바람직하며, 링은 모노리식 물질의 고순도 β-위상 탄화 규소로 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 모노리식 물질은 본 발명의 양수인으로부터 입수 가능하며, 여기에 참조로 기술되는 피커링 등(Pickering et al)에게 특허 허여된 미국 특허 제 5,465,184호에 개시된 화학 기상 증착 공정에서 형성된 고순도의 β(면심 입방) 탄화 규소로 구성된다. 이 바람직한 물질은 순도가 99.999%인 탄화 규소이며 무공극(void free)이며, 화학량론적이고(Si 및 C 원자수가 동일하며), 낟알 크기가 매우 크다. 그러나, 링(및 바람직하게 블록커)은 실온 및 고온에 강하며, 정밀한 크기로 가공될 수 있고, 가열 및 냉각 사이클을 반복한 후에도 그 형태(구체적으로 편편함)를 유지하며, 열 전도성이 양호하며, 불활성이기 때문에 증착 분위기 및 웨이퍼를 전혀 오염시키지 않는 산성 증기 클리닝에 잘 견딜 수 있다. 이러한 이유로 링의 구성 재료로 모노리식 물질의 β-위상 탄화 규소가 바람직하다.
전술된 재료 중 어느 것이라도 본 발명의 서셉터를 형성하는데 사용될 수 있지만 모노리식 물질의 β탄화 규소의 사용은 적어도 경제적으로 유리한 이점을 제공한다. 특히, 탄화 규소가 상기 설명된 이유로 바람직한 재료이지만, 통상적인 종래의 서셉터 디자인에 탄화 규소를 사용할 때 효과적으로 실행되지 않는다.
예컨대, 종래에 웨이퍼의 측면의 이동을 막기 위해 에지에 낮은 가장자리(rim)를 갖는 평판과 유사한 서셉터를 형성하는 것은 공지되어 있다. 이것은 웨이퍼가 위치하는 평면을 연속되게 형성하기 위해 링의 중앙 부분을 가로질러 연장하는 본 발명의 웨이퍼 쇼울더 시트(30)와 유사하다. 이 디자인은 표준 탄화 규소로 코팅된 그래파이트 코어로 형성될 때 잘 동작한다. 그러나, β-위상 탄화 규소로 상기 서셉터를 형성할 때 성능은 한정적이고 가격은 증가된다. 특히, 성능은 β탄화 규소 서셉터가 웨이퍼와 함께 급속하게 가열되는 경우에만 용인 가능하다. 그러나, 이러한 서셉터를 단독으로 가열하면(산 에칭/클리닝 동안 발생할 때), 열 경사도를 제어하지 않으면 소수의 사이클 후에 서셉터에 균열이 발생할 수 있다.
이러한 균열에 대한 정확한 원인은 알려져 있지 않지만, 두꺼운 외부 가장자리와 웨이퍼를 지지하기 위한 얇은 중앙 영역 사이의 열적 질량의 차에 의해 생성되는 변형력(stress)에 기인한다고 여겨지고 있다. 모노리식 물질의 β-위상 탄화 규소로 형성하면 비용이 증가되고, 이러한 균열이 발생하기 이전의 소수의 사이클 동안에는 이 재료를 종래의 디자인에 사용하기에 부적절하다. 그러나, 본 발명에서는 분리된 블록커를 갖는 링으로 서셉터를 형성함으로써 균열 문제를 해결한다. 쇼울더(26, 28)가 두께에서 차이가 나지만, 쇼울더의 작은 방사 방향 깊이는 링을 손상시키기에 충분한 변형력을 야기하지 않는다.
또한, 블록커는 링으로부터 분리되어 있으며, 그에 따라 링에 관하여 팽창할 수 있기 때문에 어떠한 변형력도 전달되지 않는다. 실제로, 에피택셜 증착으로 블록커 및 링의 접합부 상에 규소의 얇은 층이 증착되며, 이 층은 상기 2개의 구성 소자를 함께 고정시킨다. 그러나, 모든 이러한 코팅의 얇은 특성은 코팅이 링과 블록커 사이에 위험한 변형력이 전달되기 전에 파괴되는 것으로 여겨진다.
이와 같이 본 발명의 서셉터는 종래의 재료를 사용할 때 보다 무게, 비용 및 생산성 면에서 이점을 제공한다. 또한, 본 발명의 서셉터는 종래 서셉터에서 가능하지 않았던 개선된 β위상 탄화 규소를 사용할 수 있도록 한다.
상기 전술된 것으로부터, 본 발명이 명백한 구조 고유의 다른 장점과 함께 전술된 목적을 달성하는데 적합함을 알 수 있다.
어떤 특징 및 부차적인 조합이 유용하고, 다른 특징 및 부차적인 조합과는 상관없이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이것은 청구 범위에 의해 예상되고 또 청구 범위의 사상 내에 있다.
많은 가능한 실시예가 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 행해질 수 있으며, 전술되거나 또는 첨부 도면에 도시된 모든 것들이 예시적으로 해석되는 것이지 한정의 의미는 아니다라는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 급속 열처리 화학 기상 증착 공정 동안 단일 반도체 웨이퍼를 지지하는 서셉터에 있어서,
    상부면, 하부면, 내측벽 및 외측벽을 가지는 것으로서, 상기 내측벽은 웨이퍼를 그 위에 수납하도록 구성 및 배치되는 웨이퍼 쇼울더를 갖는 환형의 링―여기서 링은 모노리식 물질의 고순도 β-위상 탄화 규소로 형성됨―과;
    상기 링 내에서 상기 웨이퍼 쇼울더의 아래쪽에 설치되는 블록커
    를 포함하는데,
    상기 블록커는 열팽창의 차를 수용하도록 상기 링과 상기 블록커 사이에서 방사상의 갭을 두어 상기 링에 대하여 방사상의 방향으로 상대적 이동이 가능하게 설치되고 상기 웨이퍼의 뒷면 또는 바닥면 상에 증착을 방지하는 데 사용되고,
    상기 서셉터는 30초 동안에 실온에서 1200 ℃로 가열될 수 있으며, 성능 열화 없이 산성 증기로 자주 클리닝되는 것을 특징으로 하는 서셉터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 블록커는 석영으로 형성되는 것을 특징으로 하는 서셉터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 링의 상기 내측벽은 블록커 쇼울더를 더 가지며, 상기 블록커는 상기 블록커 쇼울더 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 서셉터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 블록커는 석영으로 형성되는 것을 특징으로 하는 서셉터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 웨이퍼 쇼울더는 시트 및 후벽을 포함하며, 상기 후벽은 상기 링의 상부면과 면이 교차하고, 상기 블록커 쇼울더는 시트 및 후벽을 포함하며, 상기 블록커 쇼울더의 후벽은 상기 웨이퍼 쇼울더의 상기 시트와 면이 교차하는 것을 특징으로 하는 서셉터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 블록커는 석영으로 형성되는 것을 특징으로 하는 서셉터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 블록커 쇼울더는 적어도 하나의 스터드를 포함하며, 상기 블록커는 상기 스터드를 수납하는 적어도 하나의 결합 오목부를 포함하는 것을 특징으로 하는 서셉터.
KR1019960064328A 1995-12-14 1996-12-11 반도체웨이퍼처리용서셉터 KR100269564B1 (ko)

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