KR100344054B1

KR100344054B1 - 반도체재료를균일하게처리하기위한방법및장치

Info

Publication number: KR100344054B1
Application number: KR1019940021522A
Authority: KR
Inventors: 메르다드엠.모슬레히
Original assignee: 텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 2002-12-02
Also published as: TW268146B; KR950006971A; DE69424725T2; US5525780A; EP0641017B1; EP0641017A1; DE69424725D1

Abstract

다목적 척 장치(100)는 매질(114)을 보유하기 위한 챔버(112)를 가지고 있다. 상기 매질(114)은 고주파 유도 가열 코일(132)에 의해 고온의 용융된 상태로 가열된다. 상기 매질(114)은 상기 매질(114)을 반도체 재료(118)로부터 격리시키는 척 부재(115)를 통하여 상기 반도체 재료(118)를 가열시킨다. 고주파 유도 가열 코일(132)에 의해 행해진 가열로 인해 상기 매질(114) 내에 유체 흐름이 생기게 되고 매질(114) 전체에 걸쳐 균일한 온도 분포가 제공되어 진다. 자기 회전 장치(144, 146)는 매질(114) 전체에 걸쳐, 특히 상기 척 부재(115)의 근처에서 균일한 온도 분포를 완전하게 달성하기 위하여 혼합 부재(121) 및 회전 날개(184, 186)를 갖는 회전 부재(131)의 운동을 제어한다. 매질(114)로부터 절연되어 있는 유입 냉각관(210) 및 배출 냉각관(212)은 반도체 재료(118)의 온도 제어를 위해 척 부재(115)에 냉각 유체를 제공한다.

Description

반도체 재료를 균일하게 처리하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR UNIFORM SEMICONDUCTOR MATERIAL PROCESSING}

본 발명은 일반적으로 마이크로 전자 디바이스 제조 공정들에 관한 것으로서, 특히 반도체 디바이스 제조 설비에서 반도체 재료를 균일하게 처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

여러가지의 반도체 디바이스 제조 공정들에서 반도체 웨이퍼는 가열되거나 냉각되어 소망의 제조 공정이 온도가 제어된 반도체 기판 상에서 행해지게 된다. 생산 공정을 양호하게 제어하기 위해서는 반도체 기판이 제조 공정의 불균일성 및 생산 수율 감소를 피하기 위해 상기 기판의 전면에 걸쳐 균일한 온도 분포를 가져야만 한다.

그러나, 종래의 반도체 처리 반응실(reactor)은 특히 보다 높은 처리 온도에서는 반도체 웨이퍼 전표면에 걸쳐 균일한 온도 분포를 효과적으로 제공하지 못하고 있다. 게다가, 종래의 제조 반응실은 저온 처리에서부터 고온 처리까지의 넓은 범위에 걸쳐 작동하면서도 여전히 반도체 웨이퍼 전체에 균일한 온도 분포를 유지시키는 적응성(flexibility)을 가지고 있지 못하다. 보다 높은 처리 온도(예를 들어 300 ℃ 내지 1000 ℃)가 실리콘 기술에서의 다양한 디바이스 제조 공정 단계들에서 요구되고 있다. 이들 기술들에는 여러가지 물질층들을 증착시키기 위한 화학적 기상 증착{chemical- vapor deposition(CVD)} 공정 및 플라즈마 활성 CVD{plazma enhanced CVD (PECVD)} 공정들이 포함된다. 그 외의 열적으로 활성화된 고온의 디바이스 제조 공정들에는 열적 산화(thermal oxidation) 뿐만 아니라 주입 활성화(implant activation) 및 도펀트 재분포(dopant redistribution)를 위한 열적 어닐링(thermal anneals)이 포함된다. 반면에 대부분의 플라즈마 에칭 공정들은 보통보다 낮은 기판 온도(예를 들어 -150 ℃ 내지 150 ℃)가 요구된다.

상기한 내용으로부터 알 수 있는 바와 같이 재료 기판 반도체 웨이퍼의 전면에 걸쳐서 균일한 온도 분포를 유지하는 제조 척(fabrication chuck)이 필요하게 된다. 또한 플라즈마 에칭, 증착 및 열적 어닐링 등을 포함하는 여러가지의 응용 분야에 있어서 광범위한 처리 온도에 걸쳐 반도체 웨이퍼를 균일하게 처리할 수 있는 능력을 갖춘 열질량이 작은 장치(low thermal mass apparatus)의 필요성이 대두되었다.

본 발명에 따르면, 반도체 처리 시스템에 있어서 종래의 가열 및 냉각 척과관련된 단점 및 문제점들을 실질적으로 제거 또는 감소시켜주는 반도체를 균일하게 처리하기 위한 방법 및 장치가 제공된다.

본 발명은 매질(medium)을 보유하기 위한 챔버(chamber) 포함하고 있다.

이 챔버는 상기 매질을 상기 챔버 외부의 처리 환경 내에서 상기 척 부재와 접촉하고 있는 반도체 웨이퍼로부터 격리시키고 있는 척 부재에 의해 한쪽 단부가 밀폐되어 있다. 고주파 유도 가열 코일(radio-frequency induction heating coil)이 상기 챔버를 둘러싸고 있으며 상기 매질을 고온의 용융된 유체 상태로 변환시킨다. 이 용융된 매질은 열적 활성화되는 제조 공정동안 상기 척 부재를 통하여 반도체 재료를 균일하게 가열한다.

본 발명은 종래의 반도체 처리 척에 비해서 여러가지 기술적 잇점을 제공하고 있다. 예를 들면, 한 기술적 잇점으로는 반도체 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 제공한다는 점이고 다른 기술적 잇점으로는 넓은 범위의 처리 온도에 걸쳐 반도체의 고온 및 저온 처리를 균일하게 할 수 있다는 점이다. 그 외의 기술적 잇점으로는 소망의 가열 및 냉각을 신속히 행하여 반도체 재료의 온도를 제어함으로써 그 결과 신속한 웨이퍼 온도 제어 및 처리를 위한 가열 및 냉각 속도가 비교적 빨라지게 되었다. 기타의 기술적 잇점들은 해당 기술 분야의 당업자라면 이후의 상세한 설명, 청구의 범위와 첨부된 도면으로부터 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명 및 본 발명의 잇점들을 보다 완벽히 이해하기 위하여 첨부된 도면과 관련하여 이하의 설명이 이루어지며, 유사한 도면 부호는 유사한 부분을 나타낸다.

제1도는 최신식 진공 처리기(advanced vacuum processor(AVP)) 시스템(10)을간략화한 도면이다. AVP 시스템(10)은 디스플레이 모니터(14)와 키보드(16)를 갖춘 컴퓨터(12)를 구비하고 있다. 반도체 웨이퍼는 처리 챔버(19)에서 제조하기 위하여 로드 록 챔버(load lock chamber)(18) 내에 둔다. 다목적 척 장치(100)는 처리 챔버(19) 내부의 윗쪽에 설치되어 있다. AVP 시스템(10)은 또한 제어 패널(20, 22), 배면판(backplane, 24)과 배전함(power distribution box, 26)을 구비하고 있다. 처리 챔버(19)로 주입되는 가스는 가스함(28)으로부터 나온다. AVP 시스템(10)에 대한 회로는 카드 상자(card cage)(30) 내에 위치하고 있다. AVP 시스템(10)에 대한 드로틀 제어(throttle control)는 드로틀 밸브(32)에 의해 행해진다. AVP 시스템(10)은 단일 웨이퍼 제조 공정을 수행한다.

제2도는 AVP 시스템(10) 등의 반도체 제조 설비에서 사용하는 다목적 척 장치(100)의 단면도이다. 다목적 척 장치(100)는 매질(114)로 채워진 챔버(114)를 구비하고 있다. 매질(114)은 처리 챔버(19) 내에 있는 반도체 재료(118)로부터 매질(114)을 격리시키고 있는 척 플레이트(116)를 갖는 척 부재(115)와 접촉하고 있으며 상기 척 플레이트(116)과 접촉하고 있다. 챔버(112)는 용융 챔버 벽(melt chamber wall)(120) 내부에 형성되어 있다. 교반용 실린더(122)와 교반용 디스크(124)를 갖는 혼합 부재 어셈블리(mixing member assembly, 121)가 (112) 내에 위치하고 있어서 혼합 부재 어셈블리(121)를 용융실 벽(120) 또는 척 플레이트(116)과 접촉하지 않도록 하고 있다. 중심관(center tube)(126)은 전체가 혼합 부재 어셈블리(121)의 내부에 위치하고 있으며 척 플레이트(116)에 연결되어 있다. 다목적 척 장치(100)는 또한 고주파(RF) 유도 가열 코일(132)을 봉입하고 있는 관재(tubing)(130)로부터 챔저(112) 및 용융 챔버 벽(120)을 격리시키고 있는 내부 절연 재킷(inner insulating jacket, 128)을 구비하고 있다. 외부 절연 재킷(134)은 관재(130)를 둘러싸고 있으며 외부 하우징(136)에 의해 밀폐되어 있다. 외부 하우징(136)은 유입구(138)을 통하여 유체 냉각(fluid cooled)되어 질 수 있다.

관재(130)는 고주파 유도 가열 코일(132)을 냉각시키기 위하여 상부 유체 냉각 모듈(140)로부터 유체를 공급받아서 하부 유체 냉각 모듈(142)을 통하여 유체를 내보낸다. 혼합 부재 어셈블리(121)은 내부 자기 어셈블리(144)에 연결되어 있으며 외부 자기 어셈블리(146)를 따라서 베어링 상에서 회전하게 된다. 모터(148)는 외부 자기 어셈블리(146)를 베어링 상에서 회전시키기 위하여 풀리 어셈블리(pully assembly)(149)를 구동시켜서 내부 자기 어셈블리(144) 및 혼합 부재 어셈블리(121)가 외부 자기 어셈블리(146)의 회전을 따라 회전하도록 한다. 또한 절연 링(150), 절연 판(152), 절연 하우징(154), 절연 캡(156), 절연 부재(158), 절연 세그먼트(160) 및 절연 블럭(162)에 의하여 다목적 척 장치(100)를 부가적으로 절연시키고 있다.

제3도는 외부 하우징(136)의 단면도이다. 외부 하우징(136)은 하부판(170)에서 다목적 척 장치(100)을 처리 챔버(119)에 연결시켜주고 있다. 외부 하우징(136)에 의해 다목적 척 장치(100)의 구성 요소들은 측벽(172) 안에 밀폐되어 있다. 파이프(174)가 측벽(172)에 연결되어 외부 하우징(136)을 냉각시키기 위하여 유체가 유입구(138)로부터 측벽(172) 내로 들어올 수 있도록 한다. 외부 하우징(13)은 양호하게도 316L 스테인레스 강으로 만들어져 있으며 약 0.5 인치(1.27 cm)의 두께를 가진다.

제4도는 용융실(112)의 단면도이다. 용융실(112)은 측면 용융 챔버 벽(120)과 하부 용융 챔버 벽(176)에 의해 밀폐되어 있다. 측면 용융 챔버 벽(120)은 다목적 척 장치(100) 내에서의 내부 연결 및 구조 브레이싱(structural bracing)을 위하여 장착 블럭(178)에 연결되어 있다. 용융실(112)을 밀폐시키고 있는 측면 용융 챔버 벽(120), 하부 용융 챔버 벽(176) 및 장착 블럭(178) 모두는 양호하게도 316L 스테인레스 강으로 만들어져 있으며 약 0.1 인치(0.254 cm) 정도의 두께를 가지고 있다.

제5A도 내지 제5D도는 혼합 부재 어셈블리(121)의 단면도 및 평면도이다. 제5A도는 혼합 부재 어셈블리(121)의 단면도를 나타낸다. 혼합 부재 어셈블리(121)는 측벽(182)에 연결되어 있는 연결 링(180)을 구비하고 있다. 교반 실린더(122)는 측벽(182)에 연결되어 있다. 측벽(182)은 또한 상부 교반 날개(184) 및 하부 교반 날개(186)를 구비하고 있는 교반 디스크(124)에 연결되어 있다. 제5B도는 연결 링(180)의 단면도이다. 연결 링(180)은 혼합 부재 어셈블리(121)를 내부 자기 어셈블리(144)에 부착시킨다. 내부 자기 어셈블리(144)의 베어링 상에서의 회전으로 인해 혼합 부재 어셈블리(121)는 부착된 연결 링(180)을 통하여 회전하게 된다. 제5C도는 교반 실린더(122)의 평면도이다. 교반 실린더(122)는 챔버(112) 내에서 유체 매질(114)을 교반시키는데 도움이 되는 나사(thread,188)를 가지고 있다. 제5D도는 교반 디스크(124)의 상부 평면도이다. 교반 디스크(124)는 측벽(182)에 연결되어있으며 내부 자기 어셈블리(144)의 회전을 따라 회전하게 된다. 교반 디스크(124)의 위에 있는 상부 교반 날개(184)는 챔버(112) 내에서 유체 매질(114)를 혼합시키는데 도움이 된다. 하부 교반 날개(186)는 교반 디스크(124)의 하부 측면에 위치하고 있다. 교반 디스크(124)는 또한 매질(114) 흐름을 극대화하기 위해 매질(114)이 교반 디스크(124)를 통하여 흐를 수 있도록 하는 급유 통과 구멍(feedthrough hole, 190)을 구비하고 있다. 중심관(126)은 교반 디스크(124)를 통하여 뻗어있다. 혼합 부재 어셈블리(121)의 모든 구성 요소는 양호하게도 316L 스테인레스 강으로 만들어져 있다.

제6A도 및 제6B도는 중심관(126)의 단면도 및 하부 척 플레이트(116)의 평면도이다. 제6A도는 중심관(126) 및 하부 척 플레이트(116)의 단면도를 나타낸다. 중심관(126)은 하부 척 플레이트(116)의 헬륨 세정(helium purge) 및 하부 척 플레이트(116)의 중심에 열전쌍을 배치할 수 있도록 하기 위한 통로(192)를 제공하고 있다. 중심관(126) 및 하부 척 플레이트(116)는 양호하게도 316L 스테인레스 강으로 만들어져 있다. 제6B도는 척 부재(115)의 평면도이다. 척 부재(115)는 세정 가스 흐름을 분산시키기 위한 방사성 홈(groove)(196) 및 원형 홈(195)을 가지고 있다.

제7A도 및 제7B도는 상부 유체 냉각 모듈(140)의 단면도 및 평면도이다. 제7A도는 상부 유체 냉각 모듈(140)의 단면도이고, 제7B도는 상부 유체 냉각 모듈 (140)의 평면도이다. 상부 유체 냉각 모듈(140)은 유체를 받아들여 상부 유체 냉각 모듈(140) 내에서 관재(130) 안으로 보내 고주파 유도 가열 코일(132) 주위를 흐르도록 하는 유체 수유관(fluid receiving tube, 198)을 구비하고 있다. 상부 유체냉각 모듈(140)은 양호하게도 알루미늄으로 만들어져 있다.

제8A도 및 제8B도는 하부 유체 냉각 모듈(142)의 단면도 및 평면도이다. 제8A도는 하부 유체 냉각 모듈(142)의 단면도이고, 제8B도는 하부 유체 냉각 모듈(142)의 평면도이다. 하부 유체 냉각 모듈(142)은 상부 유체 냉각 모듈(140)로 삽입되어 있는 관재(130)로부터 유체를 제거시키기 위한 유체 인출 파이프(200)를 구비하고 있다. 하부 유체 냉각 모듈(142)은 양호하게도 알루미늄으로 만들어져 있다.

제9A도 및 제9B도는 고주파 유도 가열 코일(132)을 봉입하고 있는 관재(130)의 측면도 및 평면도이다. 제9A도는 관재(130)의 상부 평면도이며 원형 구성을 하고 있다. 제9B도는 관재(130)의 측면도이다. 비록 8개의 코일 권선만이 도시되어 있지만, 관재(130)는 임의의 수의 코일을 가질 수 있다. 관재(130)는 양호하게도 알루미늄 또는 구리 합금으로 만들어져 있다.

다목적 척 장치(100)의 동작 중에 고주파 유도 가열 코일(132)이 활성화되어 매질(114)을 용융된 상태로 변화시켜 매질(114) 내에 와전류 손실을 야기시킨다. 제10도의 간략화된 도식도에서 나타낸 바와 같이 고주파 유도 가열 코일(132) 내의 1차 전류가 매질(114)에 전압을 유도하는 교번 자속을 발생하게 되며 그 결과 2차 전류가 매질(114) 내에서 고주파 유도 가열 코일(132)의 1차 전류와 반대 방향으로 흐르게 된다. 상기 2차 전류, 즉,포콜트 전류(Focault current)에 의해 매질(114)을 가열시키는 와전류 손실이 야기된다. 와전류 손실은 또한 유체 흐름을 혼합시키는 작용을 하므로 그 결과 척 부재(116)상의 온도 분포가 균일하게 된다.

반도체 재료가 8 인치인 척 부재(116) 상에 있는 6 인치의 웨이퍼인 경우에 교반 효과 및 가열 능력을 최대로 하기 위하여, 고주파 유도 가열 코일(132)을 구동시키는 고주파 유도 가열 전원 공급 장치(RF1)는 반도체 재료(118) 전체에 걸쳐 300 ℃ 내지 1000 ℃의 정상 상태 온도에 신속히 도달하기 위하여 10 내지 50 kHz의 주파수에서 5000 내지 10000 와트의 전력 출력을 가질 수 있다. 주파수 선택은 매질(114)의 소망의 가열 정도, 전기 효율 및 소망의 교반 정도에 따라 결정된다. 일반적으로 고주파 유도 가열 코일(132)을 구동하는 전원 장치의 주파수는 매질(114)의 교반 효과를 극대화하고 하우징(136), 혼합 부재 어셈블리(121), 용융 챔버 벽(118) 및 중심관(126)을 직접 가열하는 것을 최소화할 수 있는 가능한 최저 주파수가 선택된다. 매질(114)에 대한 교반 효과는 고주파 유도 가열 코일(132)의 암페어 턴(Ampere turns)의 제곱에 비례한다.

저온에서의 가열 효과를 증대시키기 위해 매질(114) 내에 실린더를 둘 수 있다. 상기 실린더는 (약 1000 ℃ 이상의) 높은 큐리 점 온도를 가지는 강자성 재료로 만들어질 수 있다. 이 규격을 만족하는 강자성 재료에는 코발트, 철 또는 철-코발트 합금이 있다.

와전류 손실을 통하여 고온의 균일한 분포를 최적으로 행하기 위하여 매질(114)은 높은 끓는 점(1200 ℃ 정도의 상기 장치에 대한 가장 높은 동작 온도 이상), 가장 높은 동작 온도에서 낮은 증기압(1 Torr 미만), 낮은 용융점(고온 처리에 요구되는 최저 온도 이하) 및 낮은 전기 저항을 가져야 한다. 상기 규격 내에 들어 가는 금속 재료에는 주석, 인듐 및 갈륨이 있다. 그 외의 금속 재료는 특정온도의 응용 분야에서 선택될 수 있다. 가열 속도는 매질(114)의 전기적 및 자기적 성질, 고주파 유도 가열 코일(132)에 대한 전원 공급 장치의 주파수 및 챔버(112)의 실린더 반경의 함수이다. 표 I는 주파수가 45 kHz이고 챔버 반경이 4 인치인 경우에 주석(tin)에 대한 다목적 척 장치(100)의 실험 과정 중 짧은 기간동안의 온도상승을 나타내고 있다.

비록 와전류 손실이 매질(114)의 혼합을 야기시키고 있지만, 척 부재(116)전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 완전하게 하기 위하여는 매질(114)을 부가적으로 더 혼합시켜야 한다. 제11도에 나타낸 바와 같이 원통상의 매질(114)에 유도된 2차 전류는 챔버(112) 내에 분포되어 있는 원형 경로를 따라 흐른다. 이 2차 전류의 세기는 방사상 방향으로 감소하게 되므로, 챔버(112)의 중심에 더 가까운 매질(114) 부분보다 고주파 유도 가열 코일(132)에 더 가까운 바깥쪽 매질(114) 부분의 온도가 더 높아지게 된다. 제12도는 매질(114)을 보유하고 있는 챔버(112) 내의 여러 다른 점들에서의 열 농도 퍼센트(heat concentration percentage)를 나타내는 그래프이다. 매질(114)로 사용된 재료, 고주파 유도 가열 코일(132)의 주파수 및 다목적 척 장치(100)의 크기에 따라서 균일한 온도 분포를 완전하게 하기 위하여 매질(114)을 부가적으로 더 혼합할 필요가 있을 수 있다.

이와 같은 웨이퍼 접촉 표면(116)에서의 매질(114)의 온도 불균일성을 상쇄시키기 위하여 매질(114)을 부가적으로 더 혼합시키기 위한 혼합 부재 어셈블리(121)를 챔버(112) 내에 두고 있다. 외부 자기 어셈블리(146)의 회전으로 인해 혼합 부재 어셈블리(121)는 내부 자기 어셈블리(144)를 따라 챔버(112) 내에서 회전하게 된다. 혼합 부재 어셈블리(121)는 척 플레이트(116) 표면에서의 매질(114)의 온도를 균일하게 유지시키고 따라서 반도체 웨이퍼(118) 전체에 걸쳐 온도 분포를 균일하게 하기 위하여 척 플레이트(116)의 길이를 연장시켜주는 교반 날개(184, 186)를 갖는 교반 디스크(124)를 사용한다. 혼합 부재 어셈블리(121)에 부착되어 있는 교반 실린더(122)는 고주파 유도 가열 코일(132)의 근처의 챔버(112) 내에 있는 매질(114)을 혼합시켜 준다. 내부 및 외부 자기어셈블리(144, 146)를 사용함으로써 교반 실린더(122) 및 교반 디스크(124)를 갖는 혼합 부재 어셈블리(121)는 챔버(112)의 하부 또는 측벽과 접촉하지 않게 되고 반도체 재료(118)에 진동력이 가해지는 것을 피하게 된다. 이 자기 결합 장치는 또한 고온 처리동안 유체 매질(114)의 산화를 막기 위하여 매질(114)에 진공을 가할 수 있도록 한다. 제13A도 및 제13B도는 교반 디스크(124)의 가능한 다른 날개 구성을 도시하고 있다.

부가적인 가열은 불활성 가스와 같은 유체를 상부 챔버(112)에 유입시킴으로써 제공될 수 있다. 이 유체가 일정 압력으로 매질(114) 상부의 챔버(112) 내 공간을 채우고 있게 된다. 플라즈마 발생을 통하여 상기 유체에 흡수된 부가의 에너지가 열로써 매질(114)에 전달되어 진다.

제14도는 다목적 척 장치(100)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 유입 냉각관(210)과 배출 냉각 관(212)은 혼합 부재 어셈블리(121)내에 있으며 중심관(126)을 둘러싸고 있다. 유입 냉각 관(210)과 배출 냉각 관(212)은 매질(114) 및 혼합 부재 어셈블리(121)로부터 격리되어 있다. 척 부재(115)는 유입 냉각 관(210)으로부터 냉각 유체를 받아들여 배출 냉각 관(212)을 통하여 분산시키기 위한 개구(212)를 가지고 있다. 냉각 유체는 압축공기 또는 액체 질소 냉각된 압축 헬륨(compressed liquid-mitrigen-cooled helium)일 수 있다.

저온 및 고속 열 처리의 경우에 챔버(112)내의 유입 냉각 관(210)은 냉각 유체를 척 부재(115) 내의 개구(214) 안으로 보내고 챔버(112) 내의 배출 냉각관(212)을 통하여 이 냉각 유체를 배기(return)시킬 수 있다. 이와 같은 방식으로 반도체 재료(118)의 온도의 제어를 극대화시킬 수 있게 된다. 다목적 척 장치(100)는 반도체 재료(118)의 온도를 약 -150 ℃의 저온에서부터 1000 ℃ 이상의 고온으로 변화시킬 수 있다.

제15도는 반도체 재료(118)의 온도를 측정하기 위하여 척 부재(115) 내에 열전쌍 디바이스를 배치하는 가능한 구성을 도시하고 있다. 열전쌍 디바이스는 반도체 재료(118)의 전 면적에 걸쳐 온도를 모니터 및 제어하기 위하여 척 부재(115) 내에서 반도체 재료(118) 근처에 배치할 수 있다. 열전쌍 유입 및 헬륨 세정 중심관(126)은 반도체 재료(118)의 중심에 열전쌍을 배치할 수 있도록 해주며 또한 양호한 열 접촉을 위하여 반도체 재료(118)의 뒷쪽으로 헬륨과 같은 유체를 흐르도록 해준다. 챔버(112) 내의 매질(114)로부터 척 부재(115)로 냉각 유체를 제공하는 유입 냉각 관(210) 및 배출 냉각 관(212)을 절연시킴으로써 반도체 재료(118)의 온도 제어를 효과적으로 하게 된다.

모든 정연층들은 다목적 척 장치(100)의 외각(outer shell)이 챔버(112) 내의 매질(114)의 고온에도 불구하고 상온에서 유지되도록 해준다. 외부 하우징(136)은 또한 다목적 척 장치(100)의 외각을 상온에서 유지시키기 위하여 외부 하우징(136) 내에서 물이 흐르도록 하기 위한 냉각 유입구(138)를 가질 수 있다. 상부 및 하부 유체 냉각 모듈(140, 142)로부터 관재(130) 내로 물을 흐르도록 함으로써 고주파 유도 가열 코일(132)에 부가적인 냉각을 제공할 수 있다.

다목적 척 장치(100)는 화학적 기상 증착, 열적 어닐링 및 산화, 에피텍셜 성장(epitaxial growth) 및 플라즈마 에칭 등의 광범위한 반도체 처리 기술에서 사용될 수 있다. 유용성을 더하기 위하여 다목적 척 장치(100)는 마그네트론 플라즈마 여기(magnctron plasma exitation)와의 양립성을 위해 스테인레스 강 또는 몰리브덴등의 높은 열 전도성 및 전기적 저항이 있는 비자성 금속으로 만들어질 수 있다. 반도체 재료(118)는 척 플레이트(116)에 의해 반도체 재료(118)가 오염되는 것을 막기 위하여 중간층(도시안됨)에 의해서 척 플레이트(116)로부터 격리될 수 있다. 다목적 척 장치(100) 구성 요소들은 외부 벽{실린더(136, 120)}을 직접 가열하는 것을 피하기 위하여 와전류 손실이 다목적 척 장치(100)의 외부벽 내에서가 아니라 매질(114) 내에서 일어나도록 하기 위해 높은 전기적 저항을 가진다.

요약하자면, 다목적 척 장치는 챔버 내에서 매질을 가열하기 위하여 고주파 유도 가열 코일을 사용하고 있다. 이 매질은 주석, 인듐 또는 비스무트(bismuth) 또는 이들의 합금과 같이 비교적 낮은 전기적 저항을 가지며 녹는 점이 낮고 끓는 점이 높은(증기압이 낮은) 재료로 이루어져 있다. 척 부재는 반도체를 적당히 처리하기 위한 처리 영역 내에 위치한 반도체 웨이퍼로부터 상기 매질을 격리시키고 있다. 상기 매질은 고온 처리를 위하여 척 부재를 통하여 반도체 재료를 가열시킨다. 고주파 유도 가열 코일은 매질을 가열시키는 와전류 손실을 야기하는 매질 내의 2차 전류를 발생시킨다. 와전류 손실은 또한 매질 전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 제공하기 위하여 매질 내에 유체 흐름을 유도한다. 챔버내의 혼합 부재 어셈블리는 또한 균일한 웨이퍼 온도 분포를 완전하게 하기 위하여 매질을 혼합시킨다. 넓은 범위에 걸쳐 반도체 재료의 온도를 제어하는 것도 역시 챔버 내의 척 부재안으로 지나가고 있는 냉각관들을 통하여 행해지게 된다. 냉각관들은 압축 공기 또는 헬륨등의 냉각 유체를 척 플레이트에 공급하여 저온 처리 및 고속 열 처리에서의 온도 제어를 위해 반도체 재료의 온도를 낮추기 위하여 매질로부터 절연되어 있다. 고주파 유도 가열 코일 및 다목적 척 장치의 외부 하우징을 유체 냉각함과 동시에 적당히 절연시킴으로써 다목적 척 장치의 외각은 상온에서 유지될 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 따르면 상술한 잇점들을 충족시키는 반도체 재료를 균일하게 처리하기 위한 방법 및 장치가 제공되어짐은 분명하다. 비록 양호한 실시예를 상세히 기술하고 있지만, 본 발명에 여러가지 변화, 대체 및 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어 척 장치의 특정 부분에 대해서 특정 재료가 언급되어 있지만. 상기 척 장치는 그 밖의 재료로 만들어질 수 있으며 유사한 효과를 가지는 다른 요소를 사용할 수 있다. 기타 다른 예들도 당해 기술 분야의 당업자에 의해 곧바로 인지될 수 있으며 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 이루어질 수 있다.

제1도는 최신식 진공 처리기(AVP) 시스템의 일반적인 개략도.

제2도는 다목적 척(chuck) 장치의 단면도.

제3도는 다목적 척 장치의 외부 금속 하우징의 단면도.

제4도는 (평면도와 함께) 다목적 척 장치의 용융 챔버의 단면도.

제5A도 내지 제5D도는 다목적 척 장치의 용융 챔버의 용융 혼합기 어셈블리 (melt mixer assembly)의 단면도 및 평면도.

제6A도 및 제6B도는 다목적 척 장치의 중심관(center tube)의 단면도 및 하부 금속판(bottom metallic plate)의 평면도.

제7A도 및 제7B도는 다목적 척 장치의 상부 수냉식 모듈(upper water cooling module)의 단면도 및 평면도.

제8A도 및 제8B도는 다목적 척 장치의 하부 수냉식 모듈의 단면도 및 평면도.

제9A도 및 제9B도는 다목적 척 장치의 고주파(RF) 유도 가열 코일의 단면도 및 평면도.

제10도는 다목적 척 장치의 챔버 내에서의 전류 흐름을 간략화한 도식도.

제11도는 다목적 척 장치 내의 챔버를 간략화한 도식도.

제12도는 챔버내의 열 농도 퍼센트(heat concentration percentage)를 도시한 그래프.

제13A도 내지 제13C도는 챔버내의 회전 날개(rotating fin)의 여러 구성을 나타낸 도면.

제14도는 다목적 척 장치의 다른 실시예를 간략화한 도면.

제15도는 다목적 척 장치의 척 부재 내에서의 열전쌍 디바이스의 여러가지 배치를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 최신식 진공 처리기

12 : 컴퓨터

14 : 모니터

16 : 키보드

18 : 로드 록 챔버

19 : 처리실

20, 22 : 제어 패널

24 : 배면판

26 : 배전함

28 : 가스함

30 : 카드 상자

32 : 드로틀 밸브

100 : 다목적 척 장치

112 : 챔버

114 : 매질

115 : 척 부재

116 : 척 플레이트

118 : 반도체 재료

120 : 용융실 벽

122 : 교반용 실린더

124 : 교반용 디스크

126 : 중심관

128 : 내부 절연 재킷

130 : 관재

132 : 고주파 유도 가열 코일

134 : 외부 절연 재킷

136 : 외부 하우징

138 : 유입구

140 : 상부 유체 냉각 모듈

142 : 하부 유체 냉각 모듈

144 : 내부 자기 어셈블리

146 : 외부 자기 어셈블리

148 : 모터

150 : 절연 링

152 : 절연판

154 : 절연 하우징

156 : 절연 캡

158 : 절연 부재

160 : 절연 세그먼트

162 : 절연 블럭

Claims

반도체 재료를 균일하게 처리하기 위한 다목적 척(chuck) 장치에 있어서,

매질을 보유하기 위한 챔버,

상기 챔버의 일단을 밀폐하는 척 부재 - 상기 척 부재는 상기 매질을 상기 챔버의 외부에서 상기 척 부재와 접촉하고 있는 반도체 재료로부터 분리함 - , 및

상기 매질 내에 와전류 손실(Eddy current loss)을 발생시키기 위하여 상기 챔버를 둘러싸고 있는 고주파 유도 가열 코일 - 상기 와전류 손실은 상기 매질을 가열시키고 상기 매질 내의 유체 흐름이 상호 혼합(inter-mixing)되도록 하여 상기 매질 전체에 걸쳐 온도가 균일하게 분포되게 하며, 상기 매질은 상기 척 부재를 통하여 상기 반도체 재료를 가열함 -

을 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 척 장치.
제1항에 있어서, 상기 반도체 재료 전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 제공하기 위하여 상기 매질을 혼합하기 위한 회전 부재를 상기 챔버 내에 더 구비한 것을 특징으로 하는 다목적 척 장치.
제2항에 있어서, 상기 회전 부재는 상기 반도체 재료 전체에 걸쳐 상기의 균일한 온도 분포가 일어나도록 상기 척 부재 근처에서 상기 회전 부재에 부착된 날개(fin)를 갖는 것을 특징으로 하는 다목적 척 장치.
제2항에 있어서, 상기 회전 부재에 연결되어, 상기 챔버 외부로부터 상기 회전 부재를 회전시키기 위한 자기 회전 장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 다목적 척 장치.
제1항에 있어서, 상기 척 부재 내에 냉각 유체를 공급하기 위한 냉각관을 상기 챔버 내에 더 구비한 것을 특징으로 하는 다목적 척 장치.
제5항에 있어서, 상기 반도체 재료는 약 -150 ℃ 내지 1000 ℃의 온도 범위 내에서 냉각 및 가열되는 것을 특징으로 하는 다목적 척 장치.
제1항에 있어서, 상기 다목적 척 장치 외부의 온도가 상기 매질의 온도에 상관없이 상온에 가깝게 유지되도록 상기 고주파 유도 가열 코일을 둘러싸는 절연층을 더 구비한 것을 특징으로 하는 다목적 척 장치.
반도체 재료 전체에 걸쳐 온도 분포를 균일하게 하기 위한 장치에 있어서,

금속 매질을 보유하기 위한 챔버,

상기 챔버의 일단을 밀폐하는 척 부재 - 상기 척 부재는 상기 금속 매질을 상기 챔버 외부에서 상기 척 부재와 접촉하는 반도체 재료로부터 분리함 - , 및

상기 금속 매질 내에 와전류 손실을 발생시키기 위하여 상기 챔버를 둘러싸고 있는 고주파 유도 가열 코일 - 상기 와전류 손실은 상기 금속 매질을 가열시키고 상기 금속 매질 내의 유체 흐름이 상호 혼합되도록 하여 상기 금속 매질 전체에 걸쳐 온도가 균일하게 분포되게 하며, 상기 금속 매질은 상기 척 부재를 통하여 상기 반도체 재료를 가열함 -

을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제8항에 있어서, 상기 반도체 재료의 균일한 온도 분포를 완전하게 달성하기 위하여 상기 척 부재의 근처에서 상기 금속 매질을 교반시키기 위한 회전 부재를 상기 챔버 내에 더 구비한 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 상기 회전 부재에 연결되어, 상기 챔버의 외부로부터 상기 회전 부재를 회전시키기 위한 자기 회전 장치를 더 구비하며, 상기 회전 부재는 상기 금속 매질과는 접촉하지만 상기 챔버의 내벽과는 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
제8항에 있어서, 상기 반도체 재료의 온도를 제어하기 위하여 상기 척 부재 내로 냉각 유체를 유입시키기 위한 냉각관을 상기 챔버내에 더 구비한 것을 특징으로 하는 장치.
제8항에 있어서, 상기 금속 매질이 주석인 것을 특징으로 하는 장치.
제8항에 있어서, 상기 고주파 유도 가열 코일은 10 내지 50 kHz의 주파수 범위 내에서 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
반도체 제조 공정에서 온도 분포를 균일하게 하는 방법에 있어서,

척 부재로 밀폐되어 있는 챔버 내에 금속 매질을 배치하는 단계, 및

상기 금속 매질 내에 와전류 손실을 발생시키는 단계 - 상기 와전류 손실은 상기 금속 매질을 가열시키고 상기 금속 매질 내의 유체 흐름이 상호 혼합되도록 하여 상기 금속 매질 전체에 걸쳐 온도가 균일하게 분포되게 하며, 상기 금속 매질은 상기 챔버 외부에서 상기 척 부재와 접촉하는 반도체 재료를 가열함 -

을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 반도체 재료가 상기 반도체 재료의 전 영역에 걸쳐 서로 다른 지점에서 동일한 온도를 가지도록 상기 척 부재 근처에서 상기 금속 매질 내의 균일한 온도 분포를 완전하게 달성하기 위하여 상기 금속 매질을 교반시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 반도체 재료의 온도를 제어하기 위하여 상기 척 부재 내로 냉각 유체를 유입시키는 단계를 더 포함하며, 상기 냉각 유체는 저온 및 급속 열처리 제조 능력을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 금속 매질 위의 상기 챔버를 채워 상기 금속 매질의 가열을 강화하기 위하여 상기 챔버내로 가열 유체를 유입시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
반도체 재료를 균일하게 처리하기 위한 다목적 척 장치에 있어서,

매질을 보유하기 위한 챔버,

상기 챔버의 일단을 밀폐하는 척 부재 - 상기 척 부재는 상기 매질을 상기 챔버의 외부에서 상기 척 부재와 접촉하고 있는 반도체 재료로부터 분리함 - ,

상기 챔버를 둘러싸고, 상기 매질을 고온 유체 상태로 변형하기 위한 고주파 유도 가열 코일 - 상기 매질은 상기 척 부재를 통해 상기 반도체 재료를 가열함 -, 및

상기 챔버 내에 위치하고, 상기 척 부재 내에 냉각 유체를 공급하기 위한 냉각관

을 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 척 장치.
제18항에 있어서, 상기 반도체 재료는 약 -150 ℃ 내지 1000 ℃의 온도 범위 내에서 냉각 및 가열되는 것을 특징으로 하는 다목적 척 장치.
반도체 재료를 균일하게 처리하기 위한 다목적 척 장치에 있어서,

매질을 보유하기 위한 챔버,

상기 챔버의 일단을 밀폐하는 척 부재 - 상기 척 부재는 상기 매질을 상기 챔버의 외부에서 상기 척 부재와 접촉하고 있는 반도체 재료로부터 분리함 - ,

상기 챔버를 둘러싸고, 상기 매질을 고온 유체 상태로 변형하기 위한 고주파 유도 가열 코일 - 상기 매질은 상기 척 부재를 통해 상기 반도체 재료를 가열함 -, 및

상기 다목적 척 장치 외부의 온도가 상기 매질의 온도에 상관없이 상온에 가깝게 유지되도록 상기 고주파 유도 가열 코일을 둘러싸는 절연층

을 포함하는 것을 특징으로 하는 다목적 척 장치.