KR100337109B1 - 급속 열처리 장치 - Google Patents

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Abstract

열처리되고 있는 웨이퍼의 온도를 정확히 측정할 수 있는 급속열처리장치에 관하여 개시한다. 웨이퍼가 실리콘으로 이루어진 경우에는 적외선 온도측정장치는 웨이퍼에서 방출되는 복사광 중에서 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장을 가지는 복사광을 감지하여 온도를 측정한다. 본 발명에 따른 급속열처리장치는 웨이퍼가 아닌 적외선램프에서 직접 방출되거나 혹은 챔버의 내벽에서 반사되는 복사광 중에서 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장을 가지는 복사광이 적외선 온도측정장치에 감지되지 못하도록 반사막 등으로 차단시킴으로써 적외선 온도측정장치가 보다 정확히 온도를 측정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

급속열처리장치 {Apparatus for rapid thermal processing}
본 발명은 급속열처리장치에 관한 것으로서, 특히 열처리되고 있는 웨이퍼의 온도를 정확히 측정할 수 있는 급속열처리장치에 관한 것이다.
반도체소자의 집적도가 증가함에 따라 그 제조공정에서 요구되는 공정마진도 감소하고 있다. 따라서, 급속열처리장치의 경우, 순간적인 온도 변화에 빠르게 반응하여 정확한 온도를 재현성 있게 측정할 수 있어야 한다. 그러나, 이 장치는 온도 변화가 초당 200℃ 정도 되어야 할뿐만 아니라 매우 높은 고온까지 가열시킬 수 있어야 하기 때문에, 기존에 사용되는 열전대나 기타 상용 온도계를 사용할 수는 없다.
급속열처리장치의 온도측정장치는 적어도 다음과 같은 요구사항을 만족해야 한다.
(ⅰ) 비접촉식 온도측정방식이어야 한다. 이는 웨이퍼의 회전에 대응하는 기구적 요구사항이다. (ⅱ) 빠른 응답 및 그 정확성이 요구된다. 즉, 온도가 초당 200℃ 정도로 변화하기 때문에 수 내지 수백 msec의 응답시간이 필요하다. (ⅲ) 방사율에 대해 보상이 되어야 한다. 즉, 웨이퍼의 방사율 변화를 실시간으로 측정하여 이론적인 온도와 실제온도와의 오차를 보정해야 한다.
특히, (ⅲ)의 경우가 일반적인 급속열처리장치가 가지고 있는 근본적인 문제점이므로, 이하에서 이를 구체적으로 설명한다.
비접촉식 온도계는 수학식 1에 나타낸 플랑크식(Plank's equation)을 이용하여 온도를 측정한다.
여기서, I는 복사광의 강도(radiation intensity), C1은 제1 복사상수(3.7415 ×10-16Wㆍm2), C2는 제2 복사상수(1.438×10-2mㆍK), λ는 복사광의 파장, T는 물체의 온도를 각각 나타낸다. 이 식에서 알 수 있듯이, 그 물체에서 방출되는 특정파장의 복사광의 강도를 측정함으로써 그 물체의 온도를 구할 수 있다.
그러나, 수학식 1은 이상적인 상태인 흑체에만 적용되는 것이며, 실제계에서는 물질마다의 방사율이 적용된 수학식 2를 사용하여 온도를 구해야 한다.
여기서, ε는 물질의 방사율(emissivity)을 나타내며, 나머지 부호들은 수학식 1과 동일한 것을 나타낸다. 이 식에서 알 수 있듯이, 특정파장을 가지는 복사광의 강도를 측정하여 이를 실제온도로 환산함에 있어서는 그 물질의 방사율을 정확히 알고 있어야 한다.
도 1 및 도 2는 종래의 급속열처리장치를 설명하기 위한 도면들로서, 도 1은 급속열처리장치의 개략적인 단면도이고, 도 2는 실리콘 웨이퍼의 방사율의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 열처리공간은 프로세스 챔버(10)에 의해 제공되며, 챔버(10)는 석영판(20)에 의해 상부와 하부공간으로 분할된다. 실리콘 웨이퍼(40)는 챔버(10)의 하부공간에 설치된 복수개의 석영핀(50) 또는 세라믹 등의 내열성기구에 의해 지지되며, 실리콘 웨이퍼(40)를 가열시키기 위한 가열부(30)는 챔버(10)의 상부공간에 설치된다. 실리콘 웨이퍼(40)에서 방출되는 복사광을 감지하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 적외선 온도측정장치(60)는 웨이퍼(40)의 하부에 설치된다.
도 2를 참조하면, 방사율은 실리콘 웨이퍼에서 방출되는 복사광의 파장 및 웨이퍼의 온도에 따라 변하며, 복사광이 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장범위를 가질 때 그 변화가 가장 작다. 따라서, 실리콘 웨이퍼의 온도를 보다 정확히 측정하기 위해서는, 실리콘 웨이퍼에서 방출되는 복사광 중에서 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장범위를 가지는 복사광의 강도를 감지하여 이를 온도로 환산하는 것이 바람직하다.
다시 도 1을 참조하면, 보다 정확한 실제온도를 측정하기 위하여, 적외선 온도측정장치(60)는 실리콘 웨이퍼(40)에서 방출되는 복사광 중에서 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장범위를 가지는 복사광의 강도를 감지하여 이를 온도로 환산한다.
이 때, 실리콘 웨이퍼(40)의 방사율은 실리콘 자체의 방사율 뿐만 아니라 웨이퍼(40)의 표면에 존재하는 물질 및 그 두께와, 웨이퍼가 놓여지는 프로세스 챔버(10)의 내벽 구조 및 그 내벽의 반사율 등에 따라서도 변화하므로 이들을 전체적으로 고려하여 방사율을 결정해야 한다.
그러나, 이렇게 방사율을 고려한다고 하여 실리콘 웨이퍼(40)의 온도가 정확히 측정되는 것은 아니다. 이는 참조번호 70으로 도시한 바와 같이 웨이퍼(40)에서 방출되는 복사광 뿐만 아니라 가열부(30)에서 방출되는 복사광도 적외선 온도측정장치(60)에 감지되기 때문이다.
즉, 적외선 온도측정장치(60)는 웨이퍼(40)에서 방출되는 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장범위를 가지는 복사광 뿐만 아니라 가열부(30)에서 방출되는 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장범위를 가지는 복사광도 함께 감지하기 때문에, 적외선 온도측정장치(60)에 의해 측정되는 온도는 실리콘 웨이퍼(40)의 실제온도보다 더 높게 나타난다.
상술한 바와 같이, 종래의 급속열처리장치에 의하면, 방사율을 고려하여 웨이퍼(40)의 실제온도를 측정한다 할지라도, 웨이퍼(40)가 아닌 가열부(30)에서 방출되는 특정파장의 복사광이 외란을 일으켜 적외선 온도측정장치(60)에 감지되기 때문에 웨이퍼(40)의 온도를 정확하게 측정하기가 곤란하다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가열부에서, 방출되는 복사광 중에서 적외선 온도측정장치에서 감지될 수 있는 특정파장의 복사광이 적외선 온도측정장치에 도달하지 못하도록 차단시킴으로써, 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 급속열처리장치를 제공하는 데 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 급속열처리장치를 설명하기 위한 도면들;
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 급속열처리장치를 설명하기 위한 도면들이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >
10, 110: 프로세스 챔버 20, 120: 석영판
30, 130: 가열부 40, 140: 실리콘 웨이퍼
50: 석영핀 60, 160: 적외선 온도측정장치
152: 웨이퍼 에지링 154: 석영링
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 급속열처리 장치는, 열처리공간을 제공하며, 내측벽을 따라 환형 돌출부위가 형성된 프로세스 챔버; 상기 환형 돌출부위가 하부공간에 위치하도록 상기 챔버를 상부와 하부공간으로 분할하는 석영판; 상기 챔버의 상부공간에 설치되는 적외선램프; 상기 환형 돌출부위에 외주부가 걸쳐지는 석영링; 자신의 외부면은 상기 석영링의 내주면상에 수평으로 올려 놓여지고, 자신의 내주면 상에는 웨이퍼가 올려놓여지는 불투명한 세락믹 재질의 웨이퍼 에지링; 및 상기 웨이퍼의 하부에 설치되어 웨이퍼에서 방출되는 특정파장의 복사광을 감지하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 적외선 온도측정장치를 포함하며, 상기 석영링 및 상기 석영판의 표면에는 상기 적외선 램프에서 방출되는 복사광 중에서 상기 적외선 온도측정장치에서 감지될 수 있는 파장의 복사광이 투과되지 못하도록 반사막이 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 예에 따른 급속열처리장치는, 상기 챔버의 내측벽을 따라 하부가 돌출되는 환형의 단차가 상기 석영링이 올려 놓여지는 돌출부위보다 아래쪽에 위치하는 부분에 설치되며, 상기 웨이퍼 에지링은 그 아랫면에 수직하게 환형 돌출부가 형성되어 그 돌출부가 상기 단차부위와 긴밀하게 접촉되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 석영링 및 석영판에 코팅된 반사막은 상기 적외선 온도측정장치에서 감지될 수 있는 파장을 가지는 복사광을 98% 이상 반사시키도록 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 예에 따른 급속열처리장치는, 상기 웨이퍼가 실리콘으로 이루어진 경우에는 상기 적외선 온도측정장치가 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장범위를 가지는 복사광을 감지하여 온도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 급속열처리장치에 의하면, 상기 적외선램프에서 방출되는 복사광 중에서 상기 적외선 온도측정장치에서 감지될 수 있는 특정파장의 복사광이 상기 적외선 온도측정장치에 도달하지 못하도록 차단시킬 수 있다. 따라서, 웨이퍼의 방사율을 고려하여 온도를 보정하기만 하면 종래의 경우보다 더욱 정확하게 웨이퍼의 온도를 측정할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 급속열처리장치를 설명하기 위한 도면들로서, 도 3은 급속열처리장치의 개략도이고, 도 4는 도 3의 참조부호 A로 도시한 부분의 부분확대도이며, 도 5는 도 3의 급속열처리장치의 가열부(130)에서 발생하는 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장을 가지는 복사광의 흐름을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 열처리공간은 프로세스 챔버(110)에 의해 제공되며, 챔버(110)는 석영판(120)에 의해 상부와 하부공간으로 분할된다. 석영링(154)은 챔버(110)의 하부공간 내측벽을 따라 형성된 환형의 돌출부위에 그 외주부가 걸쳐지도록 설치된다.
열전도도 등 열적 특성이 실리콘과 비슷하며 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장에서 불투명한 세라믹, 예컨대 SiC로 이루어진 웨이퍼 에지링(152)은 실리콘 웨이퍼(140)가 그 내주면상에 안착될 수 있도록 실리콘 웨이퍼(140)의 직경보다 작은 내경을 가지고, 석영링(154)의 내주면 상에 올려 놓여진다. 이러한 웨이퍼 에지링(152)은 가열 또는 냉각 시 발생될 수 있는 웨이퍼의 위치에 따른 온도차이에 의해 실리콘 웨이퍼(140)의 에지(edge) 부분에서 격자결함 특히, 선결함 등이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다. 그리고, 석영링(154)은 웨이퍼 에지링(152)이 직접 챔버(110)의 벽과 접촉하게 되면 금속으로 이루어진 챔버(110)의 벽으로 급격한 열 손실이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다. 또한 세라믹과 금속의 직접적인 접촉으로 인한 열적, 기계적 충격을 흡수하는 용도이기도 하다.
실리콘 웨이퍼(140)의 온도를 측정하기 위한 적외선 온도측정장치(pyrometer, 160)는 실리콘 웨이퍼(140)의 하부에 설치되어 실리콘 웨이퍼(140)에서 방출되는 복사광 중에서 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장을 갖는 복사광을 감지한다. 웨이퍼(140)를 가열시키기 위한 가열부(130)는 복수개의 적외선램프, 예컨대 텅스텐-할로겐 램프를 포함하여 이루어지며, 챔버(110)의 상부공간에 설치된다.
가열부(130)에서 방출되는 복사광 중에서 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장을 갖는 복사광이 석영링(154)을 투과하지 못하도록 석영링(154)에는 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장을 갖는 복사광을 98% 이상 반사시키는 반사막이 코팅되어 설치된다. 이러한 반사막은 동일한 목적으로 석영판(120)에도 설치된다.
석영링(154)이 올려 놓여지는 돌출부위보다 아래쪽에 위치하는 부분에는 챔버(110)의 내측벽을 따라 하부가 돌출되는 환형의 단차가 설치되며, 이 단차부위는 참조부호 B로 도시한 바와 같이, 웨이퍼 에지링(154)의 아랫면에 수직하게 형성된 환형 돌출부와 긴밀하게 접촉된다. 웨이퍼 에지링(154)은 불투명하기 때문에, 웨이퍼 에지링(154)이 챔버(110)의 내측벽에 형성된 단차부와 긴밀하게 접촉하게 되면, 적외선 온도측정장치(160)가 위치하는 웨이퍼(140)의 아랫부분이 광학적으로 외부와 고립되게 된다. 따라서, 가열수단(130)에서 방출되는 복사광이 적외선 온도측정장치(160)에 의해 감지되는 것이 매우 효과적으로 방지된다.
도 5를 참조하면, 가열수단(130)에서 방출되는 복사광 중에서 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장을 갖는 복사광은, 석영판(120)에서 약 98% 반사되고, 반사되지 않고 투과한 약 2%의 복사광은 다시 석영링(154)에서 98% 이상 반사되기 때문에, 석영판(120) 및 석영링(154)에 코팅된 반사막에 의해 차단되는 복사광은 99.96% 이상이 된다.
한편, 웨이퍼 에지링(154)이 챔버(110)의 내측벽에 형성된 단차부와 긴밀하게 접촉하기 때문에, 반사되지 않고 반사막을 투과한 0.04% 미만의 복사광도 적외선 온도측정장치(160)에 도달할 수 없게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 급속열처리장치에 의하면, 가열부(130)에서 방출되는 복사광 중에서 적외선 온도측정장치(160)에서 감지될 수 있는 특정파장의복사광이 적외선 온도측정장치(160)에 도달하지 못하도록 차단시킬 수 있다. 따라서, 웨이퍼(140)의 방사율을 고려하여 온도를 보정하기만 하면 종래의 경우보다 더욱 정확하게 웨이퍼(140)의 온도를 측정할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (5)

  1. 열처리공간을 제공하며, 내측벽을 따라 환형 돌출부위가 형성된 프로세스 챔버;상기 환형 돌출부위가 하부공간에 위치하도록 상기 챔버를 상부와 하부공간으로 분할하는 석영판;
    상기 챔버의 상부공간에 설치되는 적외선램프;
    상기 환형 돌출부위에 외주부가 걸쳐지는 석영링;
    자신의 외부면은 상기 석영링의 내주면상에 수평으로 올려 놓여지고, 자신의 내주면 상에는 웨이퍼가 올려놓여지는 불투명한 세락믹 재질의 웨이퍼 에지링; 및
    상기 웨이퍼의 하부에 설치되어 웨이퍼에서 방출되는 특정파장의 복사광을 감지하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 적외선 온도측정장치를 포함하며,
    상기 석영링 및 상기 석영판의 표면에는 상기 적외선 램프에서 방출되는 복사광 중에서 상기 적외선 온도측정장치에서 감지될 수 있는 파장의 복사광이 투과되지 못하도록 반사막이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 급속열처리장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 챔버의 내측벽을 따라 하부가 돌출되는 환형의 단차가 상기 석영링이 올려 놓여지는 돌출부위보다 아랫쪽에 위치하는 부분에 설치되며, 상기 웨이퍼 에지링은 그 아랫면에 수직하게 환형 돌출부가 형성되어 그 돌출부가 상기 단차부위와 긴밀하게 접촉되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 급속열처리장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 석영링 및 석영판에 코팅된 반사막은 상기 적외선 온도측정장치에서 감지될 수 있는 파장을 가지는 복사광을 98% 이상 반사시키는 것을 특징으로 하는 급속열처리장치.
  5. 제 1항 있어서, 상기 웨이퍼가 실리콘으로 이루어진 경우에는 상기 적외선 온도측정장치가 0.9㎛ 내지 1.0㎛의 파장범위를 가지는 복사광을 감지하여 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 급속열처리장치.
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JPH1140510A (ja) * 1997-07-16 1999-02-12 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 温度計測装置および温度計測方法ならびに基板熱処理装置

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