KR100378210B1 - 고온 고압 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼를 처리하기에 적합하게 되어 있는 소형의 고온 고압 처리 장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다. 본 발명의 고온 고압 장치는 고온 고압 가스의 분위기에서 반도체 웨이퍼를 처리하도록 의도되어 있고, 반도체 웨이퍼를 넣고 꺼내기 위한 개구를 하부에서 가지고 있는 압력 용기, 하부 개구를 개폐하기 위하여 상하방향으로 이동 가능하게 배치된 하부 덮개, 하부 덮개 상으로 및 하부 덮개으로부터 웨이퍼를 적층 및 적층 해제하기 위한 웨이퍼 이송 수단, 그리고 반도체 웨이퍼를 가열시키기 위하여 하부 덮개에 부착된 가열기를 포함하고 있다.

Description

고온 고압 처리 장치{HIGH-TEMPERATURE AND HIGH-PRESSURE TREATMENT DEVICE}

본 발명은 고온, 고압 분위기에서 Si 웨이퍼에 의해 대표되는 ULSI 반도체를 처리하는 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 불활성 가스의 압력을 사용하여 와이어링 필름을 그 내부에 형성한 웨이퍼를 처리하는 소위 와이어링 필름의 압력 충전 방법(고온 리플로우 처리)과 같이, 불활성 가스의 압력에 의해 미세한 구멍을 제거하는 처리를 위하여 사용되는 장치에 관한 것이다.

고온 가스 처리를 포함하는 공지된 반도체 웨이퍼 제작 공정의 일예로는 PVD 방법에 의해 알루미늄 합금 와이어링 필름을 그 내부에 형성한 웨이퍼가 불활성 가스를 사용하여 처리되는 소위 와이어링 필름의 압력 충전 방법(고온 리플로우 처리; 일본 특개평 2-205678, 3-225829, 7-193063 호에 개시됨)이 있다.

또한, 대기압보다 수십 배 높은 압력을 가진 가스를 사용하는 공지된 반도체 처리 기법으로는 Si 웨이퍼의 표면을 산화시킴으로써 유전체 층이 형성되는 고압 산화 처리가 있다. 이러한 처리는 산화를 의도하기 때문에, 산소 또는 물이 필수적으로 압력 매체 내로 혼합된다.

전자의 처리공정은 소위 단일 웨이퍼 처리용 클러스터 툴 타입 장치를 사용하는데 여기에서 반도체 웨이퍼는 한장씩 PVD 처리되어 고압 처리된다. 일본 특개평 7-193063 호(상기 공개공보의 도 6 참조)에 개시된 바와 같이, 이러한 장치는 코어 챔버 내의 이송 아암을 사용하여 록 챔버 내의 웨이퍼를 순차적으로 코어 주위에 배치된 일련의 처리 모듈로 이송하므로써 웨이퍼를 처리한다. 코어 챔버에 직접 설치된 고압 모듈이 모듈들 중 하나(제1 종래 기술)로서 제안되었다. 이러한 고압 모듈의 보다 상세한 구조의 일 예는 동일한 출원인의 일본 특개평 7-502376 호(제2 종래 기술)에 제안되어 있다.

후자의 처리공정은, 특히 상하방향 보트(웨이퍼 적층용 지그)를 사용하여 고압의분위기에서 수행되는 처리공정은 일본 특개평 4-234119 호(제3 종래 기술)에 개시된 장치를 채용하고 있는 것이 공지되어 있다.

적용에 있어서 본 발명의 장치와 완전히 상이하지만, 이러한 장치는 구조가 본 발명의 장치와 유사하기 때문에 참조용 종래 기술로서 지정되어 있다. 제3 종래 기술은 "반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 장치로서, 압력 용기; 압력 용기 내에 처리 챔버를 가지고 있고, 복수의 웨이퍼가 압력 용기의 하부 영역에서 처리 챔버 내의 위치로 일군으로서 이동될 때 복수의 웨이퍼를 수용하기 위한 하부 개구를 가지고 있는 중공체; 개구를 폐쇄시키기 위하여 압력 용기로 상하방향으로 이동 가능한 작동 수단; 처리 챔버 내에서 산화용 약품을 가열하기 위한 수단; 처리 챔버 내에서 웨이퍼가 처리된 후 중공체를 냉각시키기 위한 수단; 그리고 압력 용기 및 중공체에 연결되어 불활성 가스 및 산화용 약품의 압력을 균등하게 하고 불활성 가스 및 산화용 약품의 압력을 균등하게 하기 위하여 본체에 연결되어서, 산화용 약품으로부터 주입용 가스를 분리시키는 수단;을 포함하고 있다". 처리되어야 할 웨이퍼는 수십 개 내지 백 수십 개의 웨이퍼를 적층시킬 수 있는 상하방향 보트 상에 저장되어서 처리된다.

제1 및 제2 종래 기술과 같이 본 발명에 따르는 소위 배치(batch) 타입 장치의 것과 처리 모드가 상이한 단일 웨이퍼 타입 장치에서는, 이들의 구조를 원인으로 하는 결점보다 처리 모드에 있어서의 고유적인 문제가 더욱 더 심각하다.

즉, 단일 웨이퍼 처리 작업의 사이클 시간이 동시에 수행되는 PVD 처리의 시간과 대체로 동일해야된다는 필요 조건을 만족하기 위하여, 짧은 사이클 작업은 매 달 수만회 이상 반복되어야 한다.

이러한 과도한 작업에서, 여러 가지 부품 및 용기의 개구 및 폐쇄부의 밀봉구조, 밀봉 재료 등의 구성요소는 매우 호된 조건하에서 사용되어서 이러한 장치들의 안전성 및 처리에 대한 신뢰도를 보장하기 매우 어렵다.

특히, 예로서 와이어링 필름의 압력 충전 방법을 들면, 수명이 1,000,000회 또는 그 이상의 작업 회수를 견딜 수 있는 수명을 충족하는 단일 웨이퍼 처리 장치를 설계하는 것은 다음 설명되는 이유로 매우 어렵다. 와이어링 필름의 압력 충전 방법에서, 최근 몇 년 구리 필름이 종래의 알루미늄 필름을 대체하고 있고, 이러한 구리 필름의 압력 충전 방법은 100MPa 또는 그 이상의 고압을 요구하며, 350 ~ 400℃의 저온에서는 150MPa까지도 요구된다. 처리공정에서 수반되는 이러한 고압으로 인해, 만족스러운 수명을 갖춘 단일 웨이퍼 처리 장치를 설계하는 것이 어렵다.

더하여, 제3 종래 기술과 같은 고압 산화 장치는 산화용 약품이 도입되지 않으면 불활성 가스로 작동된다. 이러한 타입의 장치는 본래 산화 처리를 수행하도록 의도되어 있기 때문에, 용기에 처리될 물체가 넣어지고 꺼내어질 때 압력 용기 내로 불가피하게 유입하는 공기를 고려하지 않는다. 즉, 웨이퍼에 대한 산화 문제를 극복해야하는 압력 충전 방법과 달리, 산화 처리는 산소의 혼합 가능성 즉, 공기에 동반된 산소의 혼합에 대한 방지책을 요구하지 않기 때문에 이러한 고려 사항은 전혀 대두되지 않는다. 따라서, 이러한 장치는 불활성 분위기 특히, 산소가 없는 분위기에서 작동될 때의 문제를 다루고 있다.

이러한 종래 기술의 상황에서, 최근 경향은 웨이퍼가 8인치에서 12 인치로 큰 직경을 갖도록 되는 것뿐만 아니라, 보다 작은 로트(lot)로 관리된다는 것이다. 8 인치 웨이퍼의 일반적인 제작 공정에서는, 하나의 카세트에 25개의 웨이퍼가 저장되고 제품 품질 관리는 로트 단위로 수행되며, 하나의 로트의 크기는 25,50 또는 100개의 웨이퍼 즉, 25의 배수가 된다.

하지만, 25개인 최소 로트 크기는 웨이퍼의 직경이 12인치로 증가되면서 예컨대 13개로 바뀔 가능성이 높다. 특히, 로트의 크기는 작은 수량과 다양한 종류로 제작될 로직(logic) 부품에 적용되는 반도체의 생산을 위하여 감소될 가능성이 높다. 이러한 상황에서, 최소의 로트 크기를 가지고 융통성 있게 다양한 생산 수량을 수용할 수 있는 장치가 제작 장치의 앞으로의 설계를 주도할 가능성이 높다.

상기 단일 웨이퍼 처리 장치(제1 및 제2 종래 기술)는 이러한 필요 조건에 응할 수 있다. 하지만, 선행하는 스퍼터링 단계에서 사용되는 필름 형성용 장치에 일체화되는 이들의 구조는 다른 필름 형성용 방법 예컨대, 플레이팅 방법과 조합된 상태로 작동될 필요가 있을 때 다소 곤란한 상황을 발생시킨다.

이러한 필요성을 만족시키기 위하여, 앞서 수행되거나 다음으로 수행되는 단계와 독립적으로 작동될 뿐만 아니라, 생산 수량에 따라 1개 내지 10개 정도의 작은 웨이퍼의 로트를 효과적으로 처리할 수 있는 장치 또는 시스템을 사용하는 것이 바람직하다. 하지만, 이러한 장치 또는 시스템은 아직 제안되지 않았다.

또한, 산화에 의한 산화물 필름의 형성이 시간에 의존한다는 사실 때문에, 제3 종래 기술에서 개시된 산화 처리 장치는 불가피하게 작은 웨이퍼의 로트를 처리하는데에도 많은 시간을 요구하고 있다. 따라서, 이러한 타입의 장치는 극복해야할 많은 문제를 수반하고 있다.

상기된 바와 같이 시간 제한적인 처리공정이 아닌 처리공정에 대해서는, 작은 웨이퍼의 로트를 생산성의 일정 레벨을 유지하면서 신속하게 처리할 수 있는 장치 또는 시스템이 만들어질 수 있다. 와이어링 필름의 압력 충전 방법과 같은 고온 고압 처리가 시간에 대해서 보다 덜 제한적이라는 것은 공지되어 있다.

따라서, 이러한 고온 고압 처리를 위한 장치 또는 시스템은 작은 로트 처리에 대한 필요 조건을 또한 만족해야 한다. 이러한 경우에, 얼마나 작은 장치가 어떠한 로트 크기로 된 웨이퍼들을 취급할 수 있는가에 대한 해답을 제시하는 것이 중요하다. 즉, 문제의 핵심은 작은 처리 용량의 장치가 어떻게 가장 많은 웨이퍼의 개수를 처리할 수 있는가이다.

본 발명은 상기 상황을 고려하여 제작되며, 이에 따라 본 발명의 목적은 고온 고압 가스가 상당히 용이하게 자연 대류를 경험할 수 있으며 그 온도는 또한 용이하게 균등해지게 되는 경향이 있다는 사실을 근거로 하여 비교적 작은 웨이퍼의 로트를 처리하기에 적합하게 되어 있는 반도체 웨이퍼를 위한 고온 고압 처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 추가적으로 단위 군(群)당 1개 내지 25개의 웨이퍼를 가진 일군의 단위로 고온 고압 불활성 분위기에서 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 장치를 제안하고 있다. 보다 상세하게, 본 발명은 예컨대 처리 단계에서 야기될 수 있는 입자 등에 의한 반도체 웨이퍼의 오염과 같이 반도체를 생산하는데 있어서 공존하는 기술적 문제를 해결하면서 높은 생산성을 갖춘 상태로 고압 처리를 할 수 있게 한다.

도 1은 압력 용기가 프레스 프레임에 의해 지지되어 있는 제1 실시예에 따르는 고온 고압 처리 장치에 대한 평면도;

도 2는 도 1의 정면도;

도 3은 하부 덮개가 하강된 상태의 처리 장치에 대한 평면도;

도 4는 도 3의 정면도;

도 5는 처리 장치의 확대된 정면도;

도 6은 압력 용기의 내부를 도시하고 있는 단면도;

도 7은 압력 용기 내의 가스 유동을 도시하는 도면;

도 8은 2개의 고압 모듈이 장착된 처리 장치의 평면도;

도 9는 로봇이 1개의 손만 가지고 있는 고온 고압 처리 장치의 확대된 정면도;

도 10은 가스의 자연대류에 의한 명목 열전도 증가를 도시하고 있는 그래프;

도 11a 및 도 11b는 도 11a가 종래의 장치에 따르는 예를 도시하고 있고 도 11b가 본 발명의 장치에 따르는 예를 도시하고 있는, 서로 상이한 웨이퍼의 적층 피치에 의한 서로 상이한 적층 높이를 도시하고 있는 도면;

도 12는 웨이퍼가 적층되는 방법을 도시하고 있는 도면;

도 13은 제2 실시예에 따르는 고온 고압 처리 장치의 내부를 도시하고 있는 단면도;

도 14는 제2 실시예에 대한 비교예인 고온 고압 처리 장치의 내부를 도시하고 있는 단면도;

도 15는 온도 측정 수단의 배열상태를 중점적으로 도시하고 있는 내부 단면도;

도 16은 제3 실시예에 따르는 고온 고압 처리 장치의 내부를 도시하고 있는 단면도;

도 17은 제4 실시예에 따르는 고온 고압 처리 장치의 내부를 도시하고 있는 단면도이다.

본 발명은 상기 목적을 성취하기 위하여 다음과 같은 기술적 수단을 제공하고 있다.

즉, 본 발명의 하나의 양태에 따라, 고온 고압 가스의 분위기에서 반도체 웨이퍼를 처리하도록 의도된 고온 고압 처리 장치가 제공되어 있으며, 이 장치는: 그 하부에서 반도체 웨이퍼를 넣고 꺼내기 위한 개구를 가지고 있는 압력 용기; 하부 개구를 개폐하기 위하여 상하방향으로 이동 가능하게 배치된 하부 덮개; 하부 덮개 상으로 그리고 덮개로부터 반도체 웨이퍼를 적층 또는 적층해제하기 위한 이송 수단; 그리고 하부 덮개에 부착되어 반도체 웨이퍼를 가열시키기 위한 가열기;를 포함하고 있다.

고온 고압 처리 장치에서, 가열기는 압력 용기 내에서 처리될 제품인 반도체 웨이퍼를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 상세하게, 상하방향으로 적층된 웨이퍼가 일군 단위로 처리될 경우에, 각각의 웨이퍼에 균등한 온도 분포를 성취하기 위하여 이러한 방식으로 가열기를 배열시키는 것이 바람직하다고 인정될 것이다. 하지만, 이러한 가열기의 배열상태는 압력 용기로 하여금 보다 큰 직경을 갖게 한다.

본 발명의 발명자들은 자연대류 현상 때문에 고온 가스가 사용될 때 비균등한 온도 분포가 발생하기는 어렵다는 사실을 발견하였다. 이러한 사실에 주목하여, 발명자들은 본 발명에 대해 가열기를 하부 덮개에 배열시키기로 하였다.

즉, 가열기가 하부 덮개에 배열되어 있다는 사실은 가열기가 압력 용기의 하부 영역에 위치되어 있다는 것을 의미한다. 이렇게 위치된 가열기는 이의 열 때문에 상향 유동을 야기하며, 이러한 상향 유동은 고압 가스의 격렬한 자연대류 기류와 함께 압력 용기 내의 온도를 균등하게 만든다. 본 발명의 이러한 가열기의 배열상태는 비교적 작은 로트 생산에 대하여 특히 효과적이며, 또한 압력 용기가 보다 큰 직경을 갖는 것을 방지하여서 장치 크기의 축소에 기여한다.

더하여, 본 발명에 따라, 하부 덮개는 하향으로 이동 가능하고, 그 상에 배치된 가열기도 마찬가지이며, 이에 따라 가열기는 압력 용기의 내외에서 제거 가능하게 배열된다. 즉, 하부 덮개를 하강시킴으로써, 가열기는 하부 덮개와 함께 압력 용기에서 꺼내어질 수 있고, 이에 따라 가열기의 유지보수는 압력 용기 내에 고정되어 있는 가열기보다 쉬워진다.

가열기는 하부 덮개에 직접 또는 다른 부재들을 통하여 배치될 수 있다는 점이 주목되어야 한다.

가열기가 전체적으로 원반 형상의 형태를 가지고 있는 것이 바람직하며 그리고 서로에 대하여 독립적으로 제어될 수 있는 복수의 방사상으로 분리된 가열 요소를 포함하고 있는 것도 바람직하다.

이러한 가열기의 디자인이 방사상 방향으로 온도 분포를 제어할 수 있게 하므로, 추가적인 균등한 온도 분포가 성취될 수 있다.

또한 바람직한 것은: 압력 용기가, 압력 용기 안에 제공된 처리 챔버 내로 고압 가스를 도입하기 위한 고압 가스 도입용 통로와 처리 챔버로부터 고압 가스를 배출하기 위한 고압 가스 배출용 통로를 용기 상부에 가지고 있으며; 압력 용기가 그 내부에 반도체 웨이퍼의 처리 챔버로서 공간의 일부를 구획형성하는 처리 챔버 형성용 부재를 가지고 있고; 가스 도입용 통로가 처리 챔버 형성용 부재의 내면에 도달하도록 형성되어서 가스가 처리 챔버의 상부 영역에 직접 공급될 수 있도록 되어 있으며; 그리고 처리 챔버 형성용 부재가 하부에 개구를 가지고 있어서 하부 개구로부터 배출된 가스가 처리 챔버를 형성하는 부재의 외부 공간을 통하여 유동하면서 고압 가스 배출 통로에 도달하게 되는 것이다.

추가적으로 바람직한 것은, 압력 용기가 진공이거나 저압하에 있는 동안 압력 용기 내의 가스 및 입자들을 방출하도록 하부 덮개가 독립적인 가스 배출용 통로를 가지고 있는 것이다.

추가적으로 바람직한 것은, 가스 도입용 통로가 가스 유동을 제어하기 위한 스톱 밸브를 가지고 있으며 그리고 입자들을 포획하기 위한 필터가 스톱 밸브의 하류에 배치되어 있는 것이다.

본 발명의 또 하나의 양태에 따라, 고온 고압 가스의 분위기에서 반도체 웨이퍼를 처리하도록 의도된 고온 고압 처리 장치가 제공되는데, 이 장치는: 압력 용기; 압력 용기 내에서 복수의 적층된 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 처리 챔버; 처리 챔버 내에 배치되어서 복수의 적층된 반도체 웨이퍼 밑에 위치되도록 되어 있는 가열기; 그리고 처리 챔버 내에 제1 통로와 제2 통로를 형성하기 위한 대류 기류 통로 형성용 부재를 포함하고 있으며, 제1 통로는 그 안에 반도체 웨이퍼를 가지고 있고 가열기의 가열작용으로부터 결과하는 상향 유동을 통과시키며, 그리고 제2 통로는 처리 챔버의 상부 및 하부 영역에서 제1 챔버와 연통하고 있고 그 내부를 통과하는 하향 유동에 의해 제 1 통로와 제2 통로 사이에서 순환하는 대류 기류를 형성시키고 있다.

상기 구조에서, 가열기는 반도체 웨이퍼 밑에 위치되어 있고, 그리고 이러한 구조는 가열기가 반도체 웨이퍼의 측면에 배치되는 경우와 비교하여 압력 용기가 보다 큰 직경을 갖게 되는 것을 방지한다.

더하여, 대류 기류 형성용 부재는 이러한 구조에 배치되어서 처리 챔버 내에서 온도의 균등성을 향상시키도록 한다. 따라서, 제1 통로는 가열기로부터의 가열작용에 의한 상향 유동을 야기하고, 이러한 상향 유동은 제2 통로 내로 유입하여 처리 챔버의 하부 영역으로 내려가서 제1 통로로 복귀하는 하향 유동이 되고, 이에 따라 제1 및 제2 통로에 걸친 순환 대류 기류를 형성한다. 이러한 순환 대류 현상은 처리 챔버 내에서 온도의 균등성을 추가적으로 향상시키는데 기여한다.

더하여, 온도 측정 수단이 제1 통로에 배치되는 것이 바람직하다.

정상적인 고온 고압 작업 예컨대, 20MPa 또는 그 이상만큼 높은 압력하에서 균등한 열 분포가 성취될 수 있지만, 반도체 웨이퍼의 특정 온도 기록을 보장하도록 작업의 전반에 걸쳐 온도를 모니터하는 것이 중요하다. 더하여, 저압 상태에서 가열을 요구하는 작업을 위하여 가열기에 대량의 파워가 공급되어야 할 경우도 있다. 이러한 경우에서는, 가열기의 과열을 방지하기 위하여, 가열기 주위의 온도가 모니터될 수 있도록 별개의 온도 측정 수단이 가열기와 근접한 위치에서 배열설치되는 것이 권장된다.

또한 대류 기류용 통로를 형성하는 부재는 상부 및 하부에서 개구를 가지고 있고 복수의 적층된 반도체 웨이퍼를 둘러싸도록 배치된 소킹(soaking) 원통형 부재인 것이 바람직하며, 원통형 부재 내부 공간이 제1 통로의 기능을 하고 원통형부재의 외부 공간이 제2 통로의 기능을 하는 것이 바람직하다.

이러한 경우에, 가열기로부터의 열에 의해 소킹 원통형 부재 내에서 상향 유동이 야기되고, 그리고 원통형 부재의 상부 및 하부 개구에 의해 원통형 부재의 외부에서 하향 유동이 야기된다. 결과적으로, 순환하는 대류 기류가 원통형 부재의 내부 및 외부에서 형성된다. 이러한 순환하는 대류 현상은 처리 챔버 내에서 균등한 열 분포를 보장한다.

이러한 경우에서는, 차폐용 부재가 원통형 부재 및 압력 용기의 하부 내면 사이에 배치되는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 배열상태는 압력 용기의 하부 내면에 머물고 있는 입자들이 통로로 유입되는 것을 방지한다.

본 발명의 또 하나의 양태에 따라, 고온 고압 가스의 분위기에서 반도체 웨이퍼를 처리하도록 의도된 고온 고압 처리 장치를 제공하고 있는데, 이 장치는: 압력 용기; 압력 용기 내에서 복수의 적층된 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 처리 챔버; 처리 챔버 내에 배치되어서 복수의 적층된 반도체 웨이퍼 밑에 위치되도록 되어 있는 가열기; 기밀식 케이싱의 내부 및 외부 공간이 서로에 대해 연통되도록 기밀식 케이싱 내에 형성된 제1 가스 통로; 그리고 입자들을 포획하기 위하여 제1 가스 통로 상에 배치되는 필터;를 포함하고 있다.

압력 용기 내에서의 입자들의 생성에 대한 원인으로는 다양한 요소들이 있는 한편, 가열기가 이들 중 가장 유력하다.

이러한 구조에 따라, 입자들을 생성하는 가열기는 케이싱 내에 에워싸여 있어서, 이에 의해 가열기에서 형성된 입자들이 반도체를 오염시키는 것을 방지한다.

더하여, 이러한 장치는 예컨대 200MPa 만큼 높은 최대압력 보다 낮은 압력에서 사용되도록 설계되어 있는 고압용 장치이고, 기밀식 케이싱에 외부와 연통하기 위한 통로가 제공되지 않으면, 케이싱은 내외의 압력차 때문에 파손될 것이다. 따라서, 기밀식 케이싱이 파손되지 않도록 케이싱에는 제1 가스 통로가 제공되어 있다. 더하여, 필터는 입자들이 케이싱의 내외로 유동하는 가스와 함께 이동하지 않도록 케이싱에 또한 배치되어 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 배열상태는 기밀식 케이싱의 파손을 방지하면서 압력 용기 내의 웨이퍼에 대한 오염을 방지한다.

장치는 기밀식 케이싱 내외의 공간이 서로에 대하여 연통할 수 있도록 기밀식 케이싱에 형성된 제2 가스 통로를 포함하는 것이 바람직하며, 제2 가스 통로는 가스로 하여금 외부로부터 기밀식 케이싱 내로만 유동할 수 있도록 역류를 방지하는 장치를 가지고 있는 것도 바람직하다.

이러한 배열상태로, 가스는 제2 가스 통로를 통하여 케이싱으로 유입되며, 제1 가스 통로를 통하여 케이싱으로부터 유출된다. 즉, 제1 가스 통로는 입자들을 포획하기 위한 필터가 배치되어 있기 때문에 높은 공기 유동 저항을 가지고 있고, 이에 따라 제1 가스 통로만이 제공되었다면, 가스가 케이싱 내로 유입하기 위해서는 많은 시간이 소요될 것이다. 하지만, 필터가 없는 제2 가스 통로가 배치되어 있기 때문에, 가스는 케이싱을 보다 빠르게 유입할 수 있다.

추가적으로, 제2 가스 통로는 역류 방지 장치가 있어서, 이에 따라, 입자들과 가스는 제2 가스 통로를 통하여 케이싱으로부터 유출되지 않는다. 가스는 제1 가스 통로의 필터를 통하여 유동하여서, 이에 따라 입자들이 케이싱 밖으로 나가는것을 방지한다. 더하여, 필터를 통과하는 가스는 케이싱 밖으로 나가는 방향으로만 유동하기 때문에, 가스가 입자들을 퍼트릴 가능성이 낮다.

기밀식 케이싱이 압력 용기의 내면과 연결되도록 연결용 개구를 가지고 있어서 연결용 개구가 압력 용기의 내면과 연결되어서 연결용 개구를 기밀적으로 밀폐시키는 것이 바람직하며, 압력 용기의 외부로부터 가열기로 전기를 공급하기 위한 전기 케이블이 배치되어서 압력 용기의 내면으로 하여금 연결용 개구를 밀폐시킬 수 있게 하는 길이로 연장되면서 케이블이 기밀식 케이싱 내에서 가열기에 도달할 수 있게 하는 것 또한 바람직하다.

이러한 구조에 따라, 가열기는 기밀식 케이싱과 압력 용기의 내면 양자에 의해 에워싸인다. 더하여, 전기 케이블은 압력 용기의 내면으로부터 바로 케이싱 내의 가열기로 연장되어서, 이에 따라 케이블을 케이싱의 벽을 통하여 통과시킬 필요가 없다. 더하여, 결과하는 간단한 구조는 용이한 유지보수를 보장한다. 반도체 제작 장치가 신속한 유지보수 작업을 이행하는 것은 매우 중요하다.

본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 하기 설명될 것이다.

(바람직한 실시예의 설명)

도 1 및 도 2는 본 발명에 따르는 반도체용 고온 고압 처리 장치(1)의 본체의 예를 도시하고 있다. 이러한 도면들은 상세하게, 압력 용기(2)가 고압 가스로 채워진 상태로 높은 압력하에서 장치(1)가 작동되는 것을 도시하고 있다.

본체는 프레스 프레임(3)을 포함하는 압력 용기(2), 웨이퍼를 이송하는 로봇(4)(이송 수단), 그리고 이러한 부재 모두를 수용하기 위한 하우징(5)을 포함하고 있다.

도 5에 또한 도시된 바와 같이, 압력 용기(2)는 상단부 및 하단부에 개구를 가지고 있는 고압 실린더(6), 상부 덮개(7), 하부 덮개(8), 그리고 상부 및 하부 덮개(7,8)에 작용하는 축선방향 하중을 지지하기 위한 프레스 프레임(3)을 포함하고 있다. 단열 층(10)(단열용 구조체)은 상부 덮개(7) 및 실린더(6)에 의해 구획형성되는 공간(S) 내로 포함된다. 단열 층(10)은 또한 반도체 웨이퍼(15)를 처리하기 위한 처리 챔버를 구획형성하는 처리 챔버 형성용 부재로서 기능한다. 단열용 부재(12) 상에 바로 위치된 가열기(13)는 금속성 차폐용 블럭(11)을 통하여 하부 덮개(8) 위에 배치된다. 블럭(11)은 열 차폐용 판, 가열기의 단자 등을 수용하고 있다. 가열기(13)는 2개의 영역(가열 요소 13a,13b)으로 방사상으로 나누어져 있고, 처리 챔버 내에 위치되어 있을 뿐만 아니라 하부 덮개(8) 위에 적층된 웨이퍼(15) 밑에 위치되어 있다. 가열기(13)는 저항 가열식이다.

처리될 제품인 반도체 웨이퍼(15)를 압력 용기(2)의 내외로 이동시키기 위하여 프레스 프레임의 하단에 고정된 미끄럼 블럭(19)을 베이스 프레임(17)에 설치된 궤도(18)를 따라 미끄럼하도록 하는 것에 의해 프레스 프레임(3)이 측방으로 이동되고, 그 후 하부 덮개(8)가 하부 덮개(8) 승강 조작기에 의해 하향으로 이동된다. 이러한 상태는 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.

프레스 프레임(3)의 이동 방향과 반대 측에 배치된 웨이퍼 취급용 로봇(4)은 우선적으로 로봇의 손(26)을 하부 덮개(8)의 상면을 향하여 뻗어서 그 후 아래로부터 노출된 웨이퍼(15)를 수용하므로써 반도체 웨이퍼(15)를 유지한다. 이에 따라 로봇 손(26)에 의해 유지된 웨이퍼는 그 후 로봇(4)을 구동시킴으로써 웨이퍼 승강기 상에 있는 웨이퍼 카세트(28)로 이송되면서 회수된다. 장치(1)를 웨이퍼(15)로 다시 장전시키기 위하여, 상기 절차가 역순으로 수행된다.

도 1 내지 도 4에 도시된 웨이퍼 취급용 로봇(4)은 아암(30)이 수평방향으로 회전 가능하고 확장 가능한 것과 더불어 상하방향으로도 이동 가능한 타입이다. 상기된 바와 같이 웨이퍼 카세트(28)가 카세트 승강기 상에 위치될 때, 로봇 아암(30)에 요구되는 작업은 카세트 상으로 또는 카세트로부터 웨이퍼를 퍼 올리거나 내려놓는 것이기 때문에 로봇 아암(30)은 몇 밀리미터밖에 되지 않는 행정거리를 가져야 한다. 카세트 승강기가 사용되지 않으면, 로봇(4)은 보다 큰 상하방향 행정거리를 가져서 웨이퍼(15)가 카세트(28)에 넣어지고 꺼내어질 수 있도록 한다.

아암(30)의 선단부에 배치되어 있는 로봇 손(26)은 포크 형태의 금속 판이며 예컨대 알루미늄 또는 예컨대 알루미나로 이루어진 세라믹 판으로 이루어질 수 있다. 손(26)은 아래로부터 퍼 올리는 방식으로 웨이퍼를 들어올리는 한편 이들을 이송시킨다. 도 5에는 2개의 손(26)이 도시되어 있지만, 1개의 손(26)이 있을 수 있고, 적층 시간을 줄이기 위하여 웨이퍼의 적층 피치에 동일한 피치로 적층된 3개 또는 그 이상의 손이 있을 수 있다.

도 5는 장치(1)의 본체를 확대된 상태로 도시하고 있다. 워터 냉각식 자켓(32)이 압력 용기(2)의 고압 실린더(6)에 부착되어 있어서 자켓(32)은 압력 용기(2)에 있는 가열기(13)에 의해 공급된 열을 시스템 밖으로 몰아내고, 이에 따라용기(2)의 온도는 실온에서 백 몇십 ℃의 온도 범위에서 유지될 수 있다. 동일한 이유로 용기(2)의 상부 덮개(7)에 다량의 열이 축적되기 때문에, 워터 냉각식 홈 또는 홈들(도시되지 않음)이 상부 덮개(7)에 형성되는 것이 권장된다. 고압 가스 도입용 구멍(34) 및 고압 가스 배출용 구멍(35)은 서로로부터 독립된 상태로 압력 용기의 상부 덮개(7)에 형성되어 있다.

상부 덮개(7)의 하면 상에는 복수의 컵 형 금속 부재(37)가 이격된 층으로 되어 있는 단열용 구조체(10)가 있다(상세한 설명은 하기 기재된다).

더하여, (단열용 재료 상에 있는) 하부 덮개(8) 위에는 상기된 바와 같이 반도체 웨이퍼(15)를 가열하기 위한 가열기(13), 트레이의 형태로 되어 웨이퍼를 지지하기 위한 웨이퍼 지지용 지그(39)(보트) 등이 있고, 금속성 차폐용 블럭(11)은 하부 덮개(8)와 이러한 부재(13,39)들을 수용하는 공간 사이에 삽입되어서 하부 덮개(8)로의 열전달이 방지된다. 블럭(11)은 또한 연결용 단자 등을 수용하고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 반도체 웨이퍼는 좌측으로부터 이들을 향해 움직이는 로봇(4)의 손(26)과 간섭되지 않는 위치에서 웨이퍼 지지용 지그(39) 상에 위치결정된다. 지그(39)는 1개 내지 25개(도 5에서는 5개)의 웨이퍼를 3개 내지 4개의 원주상의 지점에서 지지한다. 도 5의 예에서는 적층된 웨이퍼(15)의 개수가 5개인 반면, 가열기(13)의 배열상태와 온도 및 압력으로 조정되는 소킹 영역이 상하방향으로 충족히 보장되어 있는 한 보다 많은 웨이퍼들이 적층될 수 있다.

부재들을 수용하는 하부 덮개(8)는, 예컨대 전기적으로 또는 공압으로 구동되는 하부 덮개 조작기(41)에 의해 상하방향으로 이동 가능하다. 도 5는웨이퍼(15)를 넣고 꺼내기 위한 위치로 세트되어 있는 하부 덮개(8)를 도시하고 있다. 웨이퍼(15)를 꺼내기 위하여, 좌측에 있는 로봇(4)의 아암(30)은 우측으로 확장되어서 로봇의 손(26)이 웨이퍼(15)의 하단 내로 들어가는 것을 야기한다. 이러한 상태로 손과 아암을 몇 밀리미터 상승시킴으로써, 웨이퍼(15)는 로봇의 손(26)으로 퍼내어진다. 그 후, 로봇 아암(30)은 좌측으로 이동된다. 웨이퍼 카세트(28)가 도 1 내지 도 4에 도시된 위치에 있을 때, 웨이퍼(15)는 로봇 아암(30)을 90도로 회전시킴으로써 카세트(28)로 이송된다.

도 6은 장치(1)의 본체의 추가적인 상세한 내부 구조를 도시하고 있다.

단열 층(10)은 복수의 컵 형 금속 부재(37)가 처리 챔버 내에서 하단부에 개구가 제공되어 있는 상태로 이격되어 적층되어 있는 구조를 가지고 있어서, 고압 가스의 자연대류에 의한 열의 방출이 효과적으로 억제될 수 있게 한다.

아르곤 가스가 압력 매체로서 사용될 때, 이러한 금속 부재들 사이의 효과적인 간격은 0.5mm 내지 3mm이다. 복사에 의한 열의 방출도 억제하기 위하여, 3개 또는 그 이상의 부재를 적층하는 것이 효과적이다. 4중 층 구조가 도 6에 도시되어 있다. 보다 많은 개수의 층이 자연대류 및 복사를 우수하게 억제할 수 있는 반면, 보다 작은 간격은 컵 형 금속 부재들의 서로 다른 열팽창성 때문에 인접한 컵 형 금속 부재들이 서로 맞닿게 하기 때문에 이러한 것으로부터 입자들의 문제가 비롯된다.

이러한 관점에서, 그리고 내부 온도가 300 ~ 500℃의 범위 내에 있으면, 두께가 0.5mm 내지 2mm인 3개 내지 6개의 컵 형 부재(37)를 갖추는 것이 실용적이다.단열 층(10)은 상부 덮개(7)에 형성되어 있는 고압 가스 도입용 통로(34)의 용기측 개구 내로 나사결합되어 고정되어 있는 것이 주목되어야 한다.

고압 가스 도입용 통로(34)를 통하여 공급되는 고압 가스는 단열 층(10)을 통하여 통과하는 구멍을 경유하여 처리 챔버 공간 내로 도입된다. 도 7의 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같이, 고속 가압 작업 시 반도체 웨이퍼(15)들의 변칙적인 움직임(웨이퍼의 댄싱)을 방지하기 위하여 가스가 유동되어 수평방향으로 방산될 수 있도록 구멍을 구성하는 것이 바람직하다.

이러한 가스 방산용 구멍(43)은 3개 내지 6개의 원주상의 위치에 배열된다. 온도의 비균등한 분포를 방지하기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 가스 방산용 구멍(43)과 처리 챔버 내에 있는 웨이퍼(15) 사이에 가스 방산용 판(44)이 삽입되는 것이 또한 권장된다. 구멍이 가스 방산용 판(44)의 두께방향으로 형성되면, 가스 유동은 의도적으로 조절될 수 있다.

하부 덮개(8)에 원반 형태로 배치된 가열기(13)가 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 방사상 방향으로 복수의 영역으로 분리되어서, 복수의 영역을 걸쳐 독립적인 열의 제어가 적용될 수 있도록 하는 것이 권장된다. 즉, 하기 설명된 이유로 복수의 링 형 가열 요소(13a, 13b)를 동심으로 배열하는 것이 바람직하다.

웨이퍼(15)가 하나의 가열기로 가열되면, 가열기 자체의 열의 방출 때문에, 중앙에 있는 웨이퍼가 고온이 되고 외측 에지에서는 저온이 되는 비균등한 온도 분포가 불가피하게 발생한다. 또한, 이러한 비균등한 온도 분포는 압력과 온도의 조건에 따라 변한다.

이러한 문제의 실용적인 해결책은, 가열기(13)를 내측 및 외측 영역으로 분리하고, 다수의 온도 측정 수단(46)을 이러한 영역의 개수에 맞게 배치시키고, 그리고 이러한 영역에서 측정된 온도값을 가열용 파워 제어기(도시되지 않음)로 연속적으로 입력시킴으로써 방사상 방향으로 균등한 가열을 보장하는 것이다.

상세하게, 본 실시예의 가열기(13)는 링 형 외측 가열기(13a), 외측 가열기(13a)에 동심으로 배치된 링 형 내측 가열기(13b), 외측 가열기(13a)에 근접하여 위치되는 외측 온도 측정 수단(46a), 그리고 내측 가열기(13b)에 근접하여 위치되는 내측 온도 측정 수단(46b)을 포함하고 있다.

온도 측정 수단(46)으로서 열전대를 사용하는 것이 편리하나, 다른 타입의 온도 측정 수단도 적절하게 사용될 수 있다.

도 5에 도시된 5개의 웨이퍼(15)는 처리되는 온도 및 압력 조건에 따라 상하방향으로 비균등한 온도 분포를 가지고 있을 수도 있다. 이러한 불편을 방지하기 위하여, 중앙에 있는 3개의 웨이퍼만 웨이퍼 제품이 되도록 5개의 웨이퍼(15)들 중 가장 위쪽 그리고 가장 아래쪽 웨이퍼를 더미(dummy) 웨이퍼(15)로 교체하는 것이 권장된다.

가장 아래쪽 웨이퍼는 가열기(13)로부터의 직접적인 복사로 가열되고 그리고 다른 웨이퍼(15)들은 주로 고온 가스의 자연대류에 의해 가열된다는 사실의 관점에서, 가장 아래쪽 웨이퍼(15)가 더미 웨이퍼로 교체되는 것이 권장된다. 가장 아래쪽 웨이퍼(15)가 적외선을 쉽게 투과시키는 Si 웨이퍼이면, 더미 웨이퍼는 Si 웨이퍼를 복사 차폐용 재료로 코팅시킴으로써 준비될 수 있다. 가장 위쪽 웨이퍼를 더미로 교체하여서 예컨대 하부 덮개를 상하방향으로 이동시킬 때 압력 용기(2) 내로 투하될 가능성이 높은 입자들에 의한 오염을 방지하는 것 또한 권장된다.

가압 작업, 즉, 고압 가스의 공급 및 배출은 도 6 및 도 7을 참조하여 설명된다. 압력 매체인 고압 가스는 가스의 소스(도시되지 않음)로서 가스 실린더(통상 15MPa)를 사용하여 가스 압축기(도시되지 않음)로부터 공급된다. 와이어링 필름에서 미세한 구멍의 형성을 방지하기 위한 고압 어닐(anneal) 방법에서는, 70 내지 200MPa의 고온의 처리 압력을 갖춘 아르곤과 같은 불활성 가스가 사용된다.

통상적으로 압축기와 압력 용기(2)의 상부 덮개(7)에 형성된 고압 가스 도입용 구멍(34) 사이에 스톱 밸브(48)가 배열된다. 밸브(48)는 가스의 공급을 제어(허용 및 차단)한다. 실제로, 다수의 추가적인 스톱 밸브가 통상적으로 가스 소스와 압력 용기 사이의 통로를 따라 배열되어 있다.

이러한 스톱 밸브 또는 가스 압축기는 통상적으로 금속들이 또는 금속과 밀봉 부재가 서로에 대하여 맞닿아 미끄럼하는 미끄럼 부재를 포함하고 있고, 미끄럼 운동 및 맞비빔으로부터 결과하는 마모에 의한 입자들과 같은 입자들은 Si 웨이퍼와 같은 반도체 웨이퍼의 처리 작업 시 정교한 상호 연결 구조에서 단락 경로가 형성되는 것을 야기한다. 따라서, 처리 챔버 내로의 이러한 입자들의 출입을 방지하는 것이 요구된다.

본 발명에서는, 스톱 밸브(48)의 하류에 또는 보다 상세하게 압력 용기(2) 내의 가스 방산용 구멍(43)과 스톱 밸브(48) 사이에 필터(49)가 배치되어서, 상기된 이유로 인해 형성된 입자들이 처리 챔버 바로 직전에 포획되어서 이에 따라 입자들이 처리 챔버 내로 들어가는 것을 방지하도록 되어 있다. 직경이 0.01μm 또는 그 이상의 크기인 입자들을 포획할 수 있는 필터는 통상적으로 반도체 제작에서 사용되고, 그리고 이러한 필터는 본 발명에 적용된다. 하지만, 수μm 의 크기를 가질 정도로 굵은 마모에 의한 입자들을 포획하기 위하여, 미세한 입자들을 위한 필터 그리고 굵은 입자들을 위한 필터를 갖춘 이중 필터 시스템을 사용하는 것이 권장되며, 굵은 입자용 필터는 미세한 입자용 필터보다 더 압축기 쪽으로 배치된다. 필터의 개수는 2개 또는 그 이상일 수 있다.

필터가 압력 용기의 상부 덮개(7)와 도 6의 스톱 밸브(48) 사이의 라인을 따라 있는 위치에 위치되어 있지만, 필터는 가스 방산용 구멍(43)의 입구 내로 즉, 압력 용기(2)를 면하는 고압 가스 도입용 통로(34)의 개구 내로 포함될 수 있다. 이러한 경우에, 미세한 필터를 이 위치에 위치결정시키고 굵은 필터를 라인을 따라 있는 위치에 위치결정시켜서 필터 요소의 교체 작업과 같은 유지보수 작업을 용이하게 하도록 하는 것이 권장된다.

실제 처리공정에서의 고압 가스 등의 유동이 공정의 단계순으로 설명될 것이다.

압력 용기(2)를 웨이퍼(15)로 장전시킨 후, 용기에 유입한 공기는 통상 도 6에 도시된 하부 덮개(8)에 형성된 가스 배출용 통로(51) 또는 고온 가스 배출용 통로(35)로부터의 배출에 의해 방출된다.

그 후, 불활성 가스가 1MPa 또는 그 이하의 압력으로 공급되어 배출되는 대체 작업이 반복적으로 수행된다. 이러한 경우, 가스는 고압 가스 도입용 통로(34)로부터 도입되어 고압 가스 배출 구멍(35)으로부터 배출된다. 그 후, 가스는 고압 가스 도입용 통로(34)로부터 공급된다. 이 시점에서, 고압 가스는 가스 방산 구멍(43)으로부터 수평방향으로 보내지고, 그리고 가스 방산용 판(44)은 처리 챔버 내에서 커다란 집중된 스트림이 형성되지 않도록 방산된 가스를 안내한다. 동시에, 가열기(13)는 가열 작업을 위하여 전원이 공급된다.

고압 가스의 가열로부터 결과하는 자연대류 현상은 가스로 하여금 처리 챔버 내에서만 순환하도록 하는 경로를 형성한다. 일단 처리 챔버가 소정의 온도 및 압력으로 유지되면, 가열기(13)는 전원 해제되고, 그리고 그 후 가스는 고압 가스 배출용 통로(35)에 연결된 라인을 따라 있는 위치에서 배치된 스톱 밸브(53)를 개방하므로써 방출된다.

이 시점에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 압력 용기(2) 내에 있는 가스는 단열 층(10) 및 실린더(6) 사이에 있는 공간을 경유하여 그리고 단열 층(10)의 상면에 걸쳐 뻗고 있는 가스 통로를 경유하여 단열 층(10)의 하부 개구로부터 고압 가스 배출용 통로(35)로 안내된다.

처리 챔버 내에 있는 가스는 처리 챔버를 구획형성하는 단열 층(10)의 하부 개구로부터 유출되어, 층(10) 밖으로(처리 챔버 밖으로) 유동하여서, 상기된 바와 같이 고압 가스 배출용 통로(35) 내로 들어간다. 즉, 고압 가스는 항상 단방향으로 유동하고, 이것은 입자들이 형성되어도 가스가 반도체 웨이퍼를 향하여 역방향으로 유동하는 것을 방지한다. 따라서, 입자들에 의한 오염이 방지될 수 있다.

실제 처리 작업에 있어서, 특히 챔버가 몇 몇 개의 분위기로부터 진공 상태로 비워지는 초기 배출 단계에서 입자들의 확산은 문제가 된다. 이러한 문제를 극복하기 위하여, 스톱 밸브(55)를 배치하여서 처리 챔버가 저압 또는 진공 상태에 있을 때만 하부 덮개(8)에 제공된 가스 배출용 통로(51)가 개방되도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 배열상태로, 입자들에 의한 웨이퍼의 오염이 효과적으로 억제될 수 있다.

산업 규모의 반도체 웨이퍼 생산 플랜트에서는, 매 시간 10개 내지 50개의 웨이퍼가 처리된다. 상기 설명된 장치(1)는 웨이퍼를 300 ~ 500℃와 100 ~ 200MPa에서 처리할 때, 20분 내지 60분의 처리 사이클을 갖는다. 한 번에 25개의 웨이퍼를 장전하는 장전율은 일반적인 산업 생산 수준에 동일하지만, 한 번에 5개의 장전율은 산업 생산의 요건을 충족하지 않는다. 후자의 경우에, 복수의 모듈(60)과 공용되는 웨이퍼 공급용 및 이송용 로봇 또는 유닛을 포함하는 시스템을 구성하는 것이 권장되며, 각각의 모듈(60)은 상기 설명된 장치의 압력 용기(2)를 포함하고 있다.

도 8은 이에 따라 조직된 장치의 예를 도시하고 있다. 이 예에서는, 2개의 고압 모듈(60)은 순차적으로 웨이퍼(15)를 4개의 카세트(28)에서 꺼내어 고압 모듈(60)로 이송하는 유닛과 결합되어 있다. 고압 모듈(60)의 개수는 소정의 생산량에 따라 결정될 수 있다.

이러한 구조로, 소정의 생산량에 따라 융통성 있게 확장 가능한 장치는 작은 공간에서 설치될 수 있다. 다수의 장치(1)를 나란히 배열하는 것과는 달리, 이러한 구조는 카세트 취급 작업을 용이하게 하고, 이에 따라 총 생산성을 향상시킨다.

상기된 본 발명의 장치(1)에서 웨이퍼가 카세트(28)로부터 압력 용기(2)로 그리고 반대의 경우에서도 마찬가지로 이송될 때 웨이퍼는 대기에 노출되는 것에 주목해야 한다. 이송시 웨이퍼가 입자들에 의해 오염되는 것을 방지하기 위하여, 웨이퍼 이송 통로가 기밀적인 케이싱으로 에워싸이고 청결한 필터에 의한 수단으로 입자들이 제거된 청결한 에어를 각각의 통로로 도입시키는 것이 권장된다.

상기 장치(1)에 있어서, 프레스 프레임(3)을 포함한 전체적인 구조물이 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 기밀적인 재료로부터 만들어진 하우징(5)에 수용된다. 도시되지는 않았지만, 청결한 에어를 공급하기 위한 필터 유닛이 로봇(4)과 카세트 승강기 위의 천정부에 설치되어 있어서, 에어가 천정으로부터 프레스 프레임(3)을 향하여 단방향으로 유동할 수 있도록 한다.

상기된 바와 같이, 본 발명은, 입자들의 형성 및 불활성 가스에서 산소에 의해 야기되는 산화 등, 최근의 0.1μm 이하 법칙에 의한 제작을 향하여 방향잡힌 ULSI 기술이 향상되는 상태에서 그 효과가 주목되고 있는 와이어링 필름의 압력 충전 방법과 같이 고압 불활성 가스를 사용한 처리공정에서 접하게 되는 심각한 문제들을 극복하기 위한 노력에 두드러지게 기여한다.

본 발명은, 단일 챔버에 통합적으로 수용된 고압 가스 시설로 기존의 PVD 시스템과의 융통성 있는 결합 및 용이한 안전 제어 그리고 플랜트 관리에 의해 특히 와이어링 필름을 형성하는 처리에 있어서, ULSI 산업 생산의 추가적인 개발에 또한 두드러지게 기여할 수 있다.

다음은, 웨이퍼(15)를 웨이퍼 지지용 지그(39) 상에 적층하기 위한 피치에대한 설명이 도 9 내지 도 12를 참조하여 기재되어 있다. 도 9에 도시된 장치(1)는 로봇(4)이 하나의 손(26)만을 가지고 있다는 점 이외에 도 5에 도시된 장치와 동일하다는 것에 주목해야 한다.

우선적으로, 직경이 200mm인 현재 사용되는 Si 웨이퍼는 1/4(6.35mm)인치의 피치로 지그 상에 적층된다.

이러한 피치는 제품의 품질을 저하시키는 비균등성 온도 분포를 방지하기 위하여 요구된다. 즉, 산화용 노, 방산용 노, 또는 환류(還流) 노와 같이, 웨이퍼를 상하방향으로 적층하므로써 분위기의 압력하에 처리하는 장치에서, 분위기의 압력하의 공기 또는 불활성 가스에서 웨이퍼가 너무 짧은 피치로 적층될 때, 공기 또는 불활성 가스가 인접한 웨이퍼들 사이에서 열을 우수하게 전달하지 않거나 자연대류가 발생하기 어렵다. 따라서, 웨이퍼들 사이에 특정한 피치가 제공되지 않는 한, 비균등한 온도 분포가 발생하고, 이것은 웨이퍼에 대하여 신뢰성 있는 품질을 유지하기 어렵게 만든다.

추가적으로, 상기 피치는, 기존의 웨이퍼 이송용 로봇을 사용하여 웨이퍼를 적층 또는 적층해제하기 위하여 2mm 길이의 상하방향 행정 거리가 필요하고 웨이퍼를 취급하는 로봇의 손이 1.5 내지 2mm의 두께를 갖는다는 사실 때문에 요구된다.

본 발명의 발명자들은 300 ~ 500℃ 및 70 ~ 200MPa의 아르곤 가스를 사용한 고온 고압 처리에 대한 실험을 수행했다. 처리공정은 미세한 구멍을 제거하기 위하여 수행되었는데, 이 구멍들은 PVD 방법 또는 전해질 플레이팅 방법에 의해 형성되는 Al 및 Cu 와이어링 필름 밑에 또는 그 안에 존재하는 콘택트 구멍으로 명명된다. 이러한 실험들의 결과로부터, 발명자들은 고압하에서의 아르곤 가스로부터 결과하는 격렬한 자연대류에 의해 온도 분포는 보다 적게 비균등성을 가지며 제품의 품질이 작은 피치를 갖도록 만족스러웠다는 것을 알게 되었다.

도 10은 명목 열전도성이 증가하는 것을 양적으로 나타내고 있으며, 수평축선은 압력을 가리키고 있다. 도 10에 있는 수직축선의 "Ke/K"의 K 값은 아르곤 가스의 열전도성을 나타내고 있으며 Ke는 자연대류에 의해 증가되는 명목 열전도성을 나타내고 있다.

명목 열전도성(Ke/K)에 있어서의 증가는 웨이퍼의 치수, 온도 등에 의존한다. 아르곤 가스의 경우에서는, 명목 열전도성이 30MPa 또는 그 이상에서 극도로 증가한다.

실제로, 이러한 효과는 웨이퍼를 처리하고 이들의 온도 분포를 다음과 같은 조건하에서 조사하므로써 입증되었다.

200mm(두께 0.725mm) 직경의 Si 웨이퍼가 1mm 또는 그 이상으로 이격되었을 때, 자연대류가 격렬하게 발생하였고, 이들이 1.5mm(또는 피치가 2.225mm)로 이격되었을 때는, 웨이퍼가 소정의 온도 및 압력(300 ~ 500℃ 및 100 ~ 200MPa)으로 5분간만 유지되어도 웨이퍼의 표면 전체(중앙 및 외측 에지 간의 온도차는 5℃ 내에 있었다)에 걸쳐 균등한 온도가 성취되었다.

하지만, 통상의 로봇(4)은 이러한 작은 간격에서 웨이퍼를 적층 및 적층해제할 수 없다. 이러한 불편을 극복하기 위하여, 웨이퍼(15)의 두께(t)의 4배 내지 8배로 되도록 한 올바른 적층 피치가 선정되었고, 그리고 웨이퍼가 가장 위쪽에서부터 하향으로 순차적으로 적층되고 그리고 가장 아래쪽으로부터 상향으로 적층해제하도록 하는 올바른 적층 작업이 또한 선정되었다. 이러한 작업은 로봇(4)의 손(26)이 하부에서 웨이퍼와 간섭되는 것을 방지하며, 이에 따라 용이한 적층 및 적층해제 작업을 허용한다. 이것이 도 9에 도시된 장치의 로봇(4)이 손(26)을 하나 밖에 안갖고 있는 이유이다.

상기 조건을 확인하기 위하여, (200mm 웨이퍼에 대해) 통상적인 로봇(4)의 1.75mm 두께의 손(26)을 사용하여 작업이 수행되었다. 즉, 200mm의 직경 및 0.725mm의 두께를 가진 웨이퍼가 4mm로 피치되었고, 그리고 2mm의 정규 행정으로 상하방향으로 움직이는 로봇으로 적층 및 적층해제되었을 때, 불만족스러울만한 이유가 발생하지 않았다.

도 12는 상기 작업에서의 기하학적 배열상태를 도시하고 있다. 도면은 25개의 웨이퍼를 (4mm로 피치된 상태로) 보관할 수 있는 상하방향 보트를 도시하고 있다. 실험 결과로부터, 2.9mm에서 5.8mm까지의 범위에 있는 웨이퍼의 적층 피치(웨이퍼 두께의 4배 내지 8배)는 만족스럽다고 판단되었다. 하지만, 보다 바람직한 피치는 웨이퍼 두께의 4배 내지 7배의 범위 내에 있다.

로봇의 손(26)이 더 강성이어서 보다 덜 변형 가능한 세라믹으로부터 만들어지면 손(26)의 두께는 0.7mm 내지 1mm로 감소될 수 있는 것이 주목되어야 한다.

실제 처리 작업에 있어서, 웨이퍼는 다층으로 된 와이어링 필름의 형성 후 그 후의 단계에서 웨이퍼의 완전한 편평성을 상실하게 되는 경향이 있고, 그리고 고온 고압 처리 시 증가된 온도에 의한 열적 변형도 가능하다. 따라서, 이러한 사실을 고려하여, 올바른 피치를 지정하는데 있어서 적절한 여유틈이 주어지는 것이 권장된다.

도 11a 및 도 11b는, 25개의 200mm 직경의 웨이퍼들이 처리되었을 때, 종래의 피치(6.35mm)에 따르는 적층 높이(도 11a)와 본 발명에 따라 여유틈을 포함한 4mm의 올바르게 지정된 피치를 갖는 적층 높이(도 11b) 간의 차이를 도시하고 있다. 6.35mm의 적층 피치는 153mm의 총 높이를 요구하는 반면, 본 발명에 따르는 4mm의 적층 피치는 97mm의 총 높이를 요구하고 있다. 본 발명에 따르는 이러한 낮은 총 높이는 종래 장치의 처리 용량에서 15개에서 25개의 웨이퍼로의 증가를 의미하고 있으며, 이것은 작은 크기의 장치로 수행되는 생산성의 급증가(1.67배)를 의미하고 있다.

도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따르는 고온 고압 처리 장치(101)를 도시하고 있다. 장치(101)도 고온 고압 가스의 분위기에서 처리될 제품(102)인 반도체 (Si) 웨이퍼를 어닐하고, 그리고 웨이퍼(102)를 수용하기 위한 압력 용기를 가지고 있다.

압력 용기(103)는, 상단부 및 하단부에서 개구를 가지고 있는 원통체(104), 원통체(104)의 상단 개구를 폐쇄하기 위한 상부 덮개(105), 원통체(104)의 하단 개구를 폐쇄하기 위한 하부 덮개(106)를 포함하고 있다.

지그(107)(보트)는 하부 덮개(106)에 대하여 배치되어 있고 복수의 웨이퍼(102)를 상하방향으로 지지한다.

단열 층(108)은 상부 덮개(105)로부터 매달려 있다. 단열 층(108)은 복수의컵 형 금속 부재가 이격된 적층된 구조를 가지고 있다. 웨이퍼(102)는 트레이 형태로 지그에 의해 쌓여서 단열 층(108)의 가장 아래쪽에 있는 부재에 의해 덮인다.

단열 층(108)은 상부 덮개(105)에 고정되어 있는 한편, 고압 가스 도입용 통로(110)의 용기측 개구 내로 나사결합되어 있다.

압력 매체인 고압 가스는 가스의 소스로서 가스 실린더를 사용하는 가스 압축기에 의해 공급된다. 와이어링 필름에서 미세한 구멍의 형성을 방지하기 위한 고압 어닐링 처리 등에서, 70 ~ 200MPa의 높은 처리 압력을 가진 아르곤과 같은 불활성 가스가 사용된다.

고압 가스 도입용 통로(110)를 통하여 공급되는 고압 가스는 단열 층(108)을 통하여 통과하는 구멍을 경유하여 (단열 층 내의) 처리 챔버 공간 내로 도입된다. 도 13의 화살표에 의해 나타내어지는 바와 같이, 고속 가압 작업 시 반도체 웨이퍼(102)들의 변칙적인 움직임을 방지하도록 가스를 확산시키기 위하여 가스가 유동되어 수평방향으로 방산될 수 있도록 구멍을 구성하는 것이 바람직하다.

가스 방산용 판(112)이 단열 층의 상부 내면으로부터 이격되는 방식으로 판(112)을 배치하는 것이 바람직하다는 것을 주목해야 한다.

가스는 상부 덮개(105)에 형성된 고압 가스 배출용 통로(113)를 통하여 처리 챔버로부터 배출된다. 처리 챔버 내에 있는 가스는 단열 층(108)과 원통체(104) 사이에 형성된 가스 통로를 경유하여 고압 가스 배출용 구멍(113) 내로 안내된다.

웨이퍼(102) 밑에는 고온 고압 어닐링을 위한 열을 제공하는 저항 타입 가열기가 있다. 가열기(115)는 지지 부재(116)를 통하여 하부 덮개(106)에 고정되어 있고, 그리고 2개의 영역(가열 요소 115a, 115b)으로 방사상으로 분리되어 있다. 이러한 가열 요소(115a, 115b)에 걸쳐 독립적인 온도 제어를 적용하므로써, 균등한 열 분포가 방사상 방향으로 성취될 수 있다.

단열 층(108)과 처리될 제품(102) 사이에 있는 공간은, 고온 고압 가스로부터 결과하는 자연대류를 제어하므로써 처리 챔버에서 상하방향으로의 비균등한 온도 분포의 발생을 방지하는 기능을 가지고 있다. 상세하게, 균등한 열 분포는 다음 현상을 활용하므로써 성취될 수 있다.

고온 고압 아르곤 가스와 같은 처리용 매체 가스는 높은 밀도와 낮은 점성을 가지고 있고, 자연대류 현상은 이러한 가스로부터 매우 용이하게 얻어진다. 하부 영역에서 가열되는 가스는 처리될 제품(102)을 가열시키기 위하여 빠르게 상승한다. 하지만, 단열 층(108)의 뒤집힌 컵 형상 때문에, 고온 가스는 단열 층(108)에 의해 형성된 공간의 상부 영역에 머물게 되고, 이것은 상부 영역에서 온도가 높고 하부 영역에서는 온도가 낮은 비균등한 온도 분포를 야기하는 경향이 있다.

가스의 이러한 현상은 특히 단열 층(108)의 원통 측벽부의 내면으로부터 외부로의 열 방출에 의해 촉진된다.

본 실시예에서, 이러한 현상을 방지하기 위하여, 상단부 및 하단부에서 개구를 가지고 있는 원통형 부재(117)(대류 기류용 통로를 형성하는 부재)가 처리될 제품(102)과 (처리 챔버 내에 있는) 단열 층(108) 사이에 배치되어 있다. 이러한 원통형 부재(117)는 처리된 제품(102)을 가장 위쪽에 있는 제품(102)으로부터 가장 아래쪽에 있는 제품(102)까지 에워싸도록 만들어져 있다.

소킹 원통형 부재(117)는 가스의 자연대류 기류를 그 안에서는 상향 유동으로 그리고 그 밖에서는 하향 유동으로 전환시키는 기능을 가지고 있다. 가열기(115)로부터의 열은 우선적으로 처리될 제품(102)에 적용되고, 그 후 처리 챔버 내의 온도를 유지하도록 단열 층(108)의 내면으로부터 밖으로 방출되는 열을 보상한다.

다른 관점에서 보면, 소킹 원통형 부재(117)는 상향 유동을 위한 제1 통로(S1) 그리고 부재의 외부 공간에서 하향 유동을 위한 제2 통로(S2)로 이루어져 있으며, 이에 따라 제1 및 제2 통로(S1, S2) 사이에서 상하방향으로 순환하는 대류 현상이 발생하고 있다고 말할 수 있다.

도 14는 제2 실시예와 비교될 예(제1 실시예와 동일)로서 가스가 소킹 원통형 부재(117) 없이 유동하는 방법을 도시하고 있다. 도면은 상부 영역을 고온으로 만드는 밀집된 자연대류 현상을 도시하고 있다. 도 14의 구조로는 방사상 방향으로도 비균등한 온도 분포가 발생한다는 것이 주목되어야 하는데, 도 13에 도시된 구조로는 온도의 분포가 상하방향 그리고 방사상 방향 양자에서 보다 균등하게 되는 경향이 있다. 13개의 8인치 웨이퍼가 수용되었을 때 온도가 분포되는 방식을 관찰하기 위하여 도 13에 도시된 구조와 도 14에 도시된 비교상의 구조 사이의 비교가 이루어졌다. 450℃의 제어 온도(상하방향으로 중앙에서)에서, 도 14에 도시된 비교상의 구조의 상부 및 하부 영역 간 15℃의 온도 차이가 관찰된 반면, 본 실시예의 구조의 온도 차이는 3℃였다. 허용되는 온도차는 ±5℃ 내에 있도록 지정되어 있기 때문에 Si 웨이퍼에 수행되는 통상의 열 처리에서, 본 실시예에 따르는 구조는 이러한 온도차에 대한 지정 사항을 만족스럽게 충족할 수 있다.

소킹 원통형 부재(117)의 형상 및 배열상태는 부재가 상기된 기능을 수행할 수 있는 한 도 13에 도시된 것에 제한되어 있지 않다. 하지만, 처리된 제품(102)의 군 전체를 에워싸서 가열기의 측면이 그 안에 수용되도록 하는 것이 바람직하다.

소킹 원통형 부재(117)는 상하방향으로 개방되어 있다. 즉, 부재의 상단부 및 하단부는 가스 스트림이 외부로부터 내부로 또는 그 반대로 생성되도록 개방되어 있어야 한다.

하지만, 상기 스트림을 생성하기 위한 상부 및 하부 개구는 도 13에 도시된 바와 같이 반드시 원통형 부재(117)의 상단부 및 하단부에 제공되어 있지는 않고, 이러한 개구는 원통형 부재(117)의 측면에 있는 상부 및 하부 위치에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 원통형 부재(117)의 하단부는 하부 덮개(106)에 근접한 위치까지 뻗고 있고, 그리고 가열기(115)의 측부와 접하고 있는 이러한 원통형 부재(117)의 하부 영역에서 개구가 형성되어서, 원통형 부재(117) 밖에 위치하는 공간을 통하여 하향으로 유동하는 고온 고압 가스가 가열기(115)를 향하여 안내될 수 있게 한다. 이러한 구조는 또한 본 발명의 실시예에 포함되어 있다.

더하여, 원통형 부재(117)가 도 13에 도시된 바와 같이 간단한 원통형 형상을 가질 수 있지만, 단열 층(108) 위로 방출되는 열의 정도에 따라, 상부 개구가 좁혀져서 단면적이 감소되는 도 15에 도시된 구조를 가질 수 있다.

더하여, 다른 관점에서 보면, 소킹 수단은 원통형 부재(117)에만 제한되어 있지 않다. 상향 유동을 위한 제1 통로(S1) 및 하향 유동을 위한 제2 통로(S)를 포함하고 있는 한 임의의 수단이 사용될 수 있다.

처리되는 제품(102)을 가열시키기 위한 가열기(115)와 처리되는 제품(102) 자체는 하부 덮개(106) 상에 고정되어 있고, 그리고 처리되는 제품(102)인 Si 웨이퍼는 하부 덮개(106)를 승강시킴으로써 넣어지고 꺼내어질 수 있다. 소킹 원통형 부재(117)가 하부 덮개(106)에 고정될 수 있지만, 부재(117)는 하기 설명된 이유로 상기된 바와 같이 단열 층(108)의 내면으로부터 매달려 있는 것이 권장된다. 즉 Si 웨이퍼는 취급시 통상적으로 측방으로부터 로봇 등을 사용하여 수평방향으로 이송된다는 사실 때문에, 소킹 원통형 부재(117)가 하부 덮개(106)에 고정되어 있으면, 부재(117)는 웨이퍼 이송 작업이 수행될 때마다 덮개(106)로부터 제거되어야 하기 때문이다.

더하여, 처리 챔버 내에서 온도 분포를 모니터하기 위하여, 열전대와 같은 온도 측정 수단(120,121)이 소킹 원통형 부재(117) 내에서 상부 및 하부의 처리되는 제품(102)에 근접한 위치에 배치되는 것이 권장된다(도 5 참조). 통상적인 고온 고압 작업에 있어서, 상기된 바와 동일한 소킹 상태는 30MPa 또는 그 이상에서 얻어질 수 있다. 하지만, 처리되는 제품(102)의 지정된 온도 변화 과정을 보장하기 위하여, 처리과정 전체에 걸쳐 온도를 모니터하는 것이 중요하다. 처리되는 제품(102)들을 저압하에서 가열하는 것이 요구되면, 온도 분포를 상하방향으로 모니터하면서 가열 속도 등이 제어되는 것이 권장된다. 신속한 가열 작업을 위하여 간혹 가열기(115)에는 대량의 파워가 공급된다는 것이 주목되어야 한다. 이러한 경우에, 가열기(115)가 과열되는 것을 방지하기 위하여, 별도의 온도 측정 수단(122)이 가열기에 근접하여 배치되어서 가열기 주위의 온도가 측정될 수 있도록 하는 것이 권장된다(도 15 참조).

본 실시예에 따르는 반도체 기판을 위한 고온 고압 가스 어닐링 장치(101)에 있어서, Si 웨이퍼로의 입자들의 고착은 온도 분포에 관한 문제 다음으로 극복해야 될 문제이다. 입자들은 단열 구조와 같은 노를 형성하는 부재의 산화, 그리고 구성 요소들 간의 마찰 및 진동에 의해 생성된다. 고밀도 고압 가스의 증가된 부력에 의해 매우 용이하게 떠다닐 수 있게 된 미세하고 가벼운 입자들의 경우, 입자들은 가스의 자연대류에 의해 처리되는 제품들 사이의 공간으로 운반된다. 이것을 방지하기 위하여, 다음 조치를 취하는 것이 권장된다.

우선적으로, 이러한 입자들은 종종 용기의 하단 내부 영역으로 오는 경향이 있고, 보다 명확하게 입자들은 하부 덮개 상에 침전되는 경향이 있다. 따라서, 하나의 조치는 소킹 원통형 부재(117) 외측의 자연대류의 하향 유동이 하부 덮개(106)의 상면에 도달하지 않도록 차폐용 판(125)(차폐 부재)을 배치하는 것이다. 차폐용 판(125)은 소킹 원통형 부재(117)와 하부 덮개(106) 사이(압력 용기(103)의 하부 내면으로)에 배치된다. 환언하면, 차폐용 판의 형상은 도 13에 도시된 바와 같은데, 여기에서 제1 및 제2 통로(S1, S2)는 차폐용 판(125)에 의해 분리되어 있으면서 하부 덮개(106)의 상면으로부터 떨어져 있도록 형성되어 있다.

더하여, 가열기(115)에 교류 파워가 공급되고 가열 요소들이 밴드 및 와이어로 만들어질 때, 진동이 발생하여서 이들 사이 및 부착된 절연재 사이의 마찰을 야기하여서, 이에 따라 입자들이 형성된다. 따라서, 직류 파워가 공급되는 가열기를 사용하는 것이 권장된다.

펠트(felt)와 같은 단열용 재료가 통상적으로 단열 층(108)으로 사용된다. 하지만, 펠트와 같은 단열용 재료는 통상 세라믹 섬유로 만들어지고, 이들은 반복적으로 온도 사이클에 노출되는 것에 의해 부서지기 쉽게 되어 이에 따라 입자들을 생성한다. 이것을 방지하고 만족스러운 실용적인 레벨의 단열 능력을 얻기 위하여, 가장 적절한 구조는 복수의 뒤집힌 컵 형 금속인 열 차폐성 부재들이 도 13에 도시된 바와 같이 소정의 간격을 두고 적층되는 것이다. 500℃의 처리 온도에 대해서는, SUS 304 스틸과 같은 오스테나이트 스텐레스 스틸로부터 만들어진 3개 내지 5개의 뒤집힌 컵 형 열 차폐성 부재가 실용적으로 만족스러운 레벨의 단열 능력을 제공할 수 있다. 이러한 부재는 서로에 대해 맞닿는 이동을 하지 않도록 2mm 내지 3mm로 이격되어 적층되는 것이 권장된다.

단열 층(108)은 단열 능력을 제공할 수 있는 한 상기 구조에 제한되어 있지 않다는 것이 주목되어야 한다.

더하여, 가열 요소의 산화에 의한 입자들의 생성을 억제하도록 노를 형성하는 부재의 표면에 전해연마 처리와 같은 연마 처리를 하여서 표면 상의 거친 상태가 감소되도록 하는 것이 효과적이다. 이러한 처리가 효과적인 이유는 산화가 뾰족한 부분에서 두드러지게 발생하며 이러한 부분은 산화될 때 쉽게 벗겨진다.

상기 실시예에 따라, 압력 용기(103)의 내경은 8인치 웨이퍼를 위한 종래의 HIP 장치에서 요구되는 350mm 내지 400mm와 대조적으로 단지 300mm에 불과하다. 즉, 압력을 수용하는 면적에 대하여 30 ~ 40% 감소가 가능하고, 이것은 압력 용기의 치수와 더불어 중량을 감소시키는데 매우 효과적이다. 더하여, 처리를 위해 요구되는 압력 매체 가스의 수요는 동일한 비율로 감소될 수 있고, 이것은 처리비용을 줄이는데 매우 효과적이다. 제2 실시예의 구조에 대해 생략된 기타 설명은 제1 실시예의 것과 유사하다는 것이 주목되어야 한다.

도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따르는 반도체를 위한 고온 고압 처리 장치(201)를 도시하고 있다. 장치(201)는 반도체 (Si) 웨이퍼를 저장하기 위한 압력 용기(203)를 가지고 있다. 압력 용기(203)는 상단부 및 하단부에서 개구를 가지고 있는 원통체(204), 원통체(204)의 상부 개구를 폐쇄하기 위한 상부 덮개(205), 그리고 원통체(204)의 하부 개구를 폐쇄하기 위한 하부 덮개(206)를 가지고 있다. 상부 및 하부 덮개(205,206)는 원통체(204)에 착탈 가능하게 부착되고, 반도체는 하부 덮개(206)를 개방시킴으로써 용기에 넣어지고 꺼내어진다. 상부 덮개(205)는 원통체(204)와 일체형으로 된 구조일 수 있다.

원통체(204), 상부 및 하부 덮개(205,206)에 의해 구획형성되는 공간은 고압 분위기가 성취되는 고압 챔버이다. 하단부에 개구를 가지고 있는 뒤집힌 컵 형 단열 층(229)이 고압 챔버 내에 배치되어 있다. 고압 챔버 내에서, 반도체를 저장하기 위한 처리 챔버(229a)가 단열 층(229) 내의 공간에 의해 구획형성되어 있다. 도시되지 않았지만, 처리될 제품인 복수의 웨이퍼가 처리 챔버(229a)에서 보트 상에 소정된 간격으로 쌓여 있다. 이 단계는 통상적으로 오염되지 않은 로봇에 의해 수행된다.

가스 도입 및 배출용 통로(230)가 상부 덮개(205)에 형성되어 있어서 외부로부터 공급된 가스는 압력 용기(203) 내로 도입되고 용기로부터 배출된다. 고압하에서 반도체를 처리하기 위하여, 고압 가스가 가스 도입 및 배출용 통로(230)를 경유하여 가스 압축기(도시되지 않음)로부터 공급된다. 아르곤 가스와 같은 불활성 가스가 사용된다. 더하여, 처리 작업이 완료되면, 고압 가스는 통로(230)를 통하여 배출되고 감압용 밸브에 의해 방출된 후 가스 저장기(도시되지 않음)로 회수되거나 대기로 배출된다.

기밀식 케이싱(235)은 지지 부재(234)를 통하여 하부 덮개(206)의 상면(내면) 상에 배치된다. 지지 부재(234)는 생략될 수 있다. 기밀식 케이싱(235)은 스텐레스 스틸 또는 석영과 같이 보다 덜 가스-침투성인 재료로 만들어지고, 하기 설명될 바와 같이, 가스 통로(240)를 제외하고 기밀적으로 만들어진다.

처리 챔버(229a)를 가열시키기 위한 가열기(215)가 기밀식 케이싱(235) 내에 배치되어 있다. 통상적으로, 저항 가열 타입 가열기(215)가 사용될 수 있다. 기밀식 케이싱(235)은 단열 층(229)에 의해 구획형성되는 처리 챔버(229a)의 하부 영역에 위치될 수 있다. 가열기(215)는 이에 따라 처리 챔버(229a)에 수용된 반도체 밑에 위치되어 있다. 이러한 방식으로 가열기(215)가 처리 챔버(229a)의 하부 영역에 위치될 때, 원통체(204)의 내경은 최소화될 수 있고, 이에 따라 장치는 구조적으로 보다 소형 및 경량으로 만들어질 수 있다. 즉, 가열기는 처리 챔버 옆에 배치될 수 있지만, 이러한 경우에, 원통체(204)의 내경은 처리 챔버의 요구되는 크기에 비해 너무 클 것이다. 다른 한편, 가열기가 처리 챔버의 하부 영역에 위치될 때, 원통체(204)의 내경을 증가시킬 필요가 없으며, 이에 따라 장치는 구조적으로 보다 소형 및 경량으로 만들어질 수 있다.

가열기(215)에 전기를 공급하기 위한 전기 배선은, 가열기(215)로부터 케이싱(235) 밖으로 연장되는 케이블(236)을 하부 덮개(206)에 배치된 단자(237)에 연결시킴으로써 제공될 수 있다. 전기 파워는 압력 용기(203)의 외부에 있는 파워 소스로부터 단자(237)로 공급된다. 케이싱(235)은 케이블(236)로부터 전기적으로 절연되어 있고, 또한 케이블(236)의 통로를 기밀적으로 유지하기 위하여 밀봉 부재가 제공되어 있다.

가스 통로(240)(제1 가스 통로)는 기밀식 케이싱(235)에 형성되어서 케이싱(235) 내외 공간이 서로에 대해 연통될 수 있게 한다. 더하여, 입자들을 포획하기 위한 필터는 기밀식 케이싱(235) 내의 통로(240)에 부착되어 있어서, 케이싱(235)의 외부로 유동하는 가스가 반드시 필터(241)를 통하여 통과하도록 한다. 0.1μm만큼 미세한 입자들을 제거할 수 있는 필터가 바람직하다. 이러한 경우에, 각각의 통로(240)를 순환하는 가스가 필터 또는 필터들을 통과하는 것이 요구된다.

다음, 장치(201)를 사용하는 실제 처리공정이 설명될 것이다. 우선, 처리될 제품인 반도체 웨이퍼가 원통체(204)의 외부에서 기밀식 케이싱(235)에 배열된 보트 상에 적층된다. 이러한 작업은 통상적으로 오염되지 않은 로봇에 의해 수행된다. 그 후, 웨이퍼가 위치된 하부 덮개(206) 및 케이싱(235)은 이를 취급하는 유닛(도시되지 않음)에 의해 원통체(204) 내로 상승된다.

연속적으로, 압력 용기(203)는 일단 진공되어, 그 안에 있던 잔여 공기가 배출된다. 진공작업을 한 후, 압력 범위가 4,5 내지 10atm인 아르곤 가스를 용기 내로 도입시켜 용기로부터 공기를 빼내는 단계가 반복되어서 압력 용기 내에 아르곤의 분위기를 얻는다.

그 후, 압축기에 의해 가스 도입 및 배출용 통로(230)를 경유하여 아르곤을 공급하므로써 고압 챔버는 가압되고, 가열기(215)에는 챔버를 가열시키도록 파워가 공급된다. 그 후, 반도체가 처리되는 한편, 처리 챔버는 소정의 상태(예컨대 380℃ × 120MPa)로 유지된다. 처리 시, 가스는 제1 가스 통로(240)를 통하여 또한 케이싱(235) 내로 유동하여, 이에 따라 케이싱(235)의 내외 공간 사이의 압력 차이를 감소시키고, 이에 따라 케이싱(235)이 파손되는 것을 방지한다. 더하여, 케이싱(235)으로부터 유출되는 가스는 필터(241)의 기능으로 인해 입자들을 포함하고 있지 않고, 이에 따라 입자들이 케이싱(235) 밖으로 나오는 것을 방지한다.

처리 후, 가열기(215)는 전원 해제되고 챔버는 냉각된다. 그 후, 고압 챔버 내에 있는 아르곤 가스는 통로(230)를 통하여 배출되고, 이에 따라 챔버를 비우게 된다. 아르곤 가스를 배출시킴으로써 챔버가 대기압으로 된 후, 처리된 웨이퍼는 하부 덮개(206)를 개방시킴으로써 회수된다.

도 16은 가열기(215)가 처리 챔버(229a)의 하부 영역에만 배치된 예를 도시하고 있지만, 챔버가 넓은 범위의 온도 및 압력하에서 작동되어야 한다면, 처리 챔버(229a) 주위에 또 하나의 가열기(215)가 배치될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 이러한 경우에, 기밀식 벽(기밀식 케이싱)이 처리 챔버와 처리 챔버 주위에 배치된 가열기 사이에 삽입되어서 기밀식 벽이 도 16에 도시된 기밀식 케이싱(235)을 대체하도록 하므로써, 가열기로부터의 입자들이 처리 챔버 내로 유입되지 않도록 한다. 이러한 경우에, 기밀식 벽에는 제1 가스 통로(240) 및 필터(241)가 제공되어야 한다. 제3 실시예의 구조에 대해 생략된 기타 설명은 제1 또는 제2 실시예의 것과 유사하다는 것이 주목되어야 한다.

도 17은 본 발명의 제4 실시예를 도시하고 있다. 제3 실시예에서는 가열기(215)를 에워싸는 것이 단지 케이싱(235)뿐이지만, 제4 실시예에서는 케이싱(245)이 압력 용기(204)의 내면과 함께 가열기(215)를 에워싼다. 즉, 도 17의 기밀식 케이싱(245)은 연결용 개구(246)를 하단부에 가지고 있고, 이 개구가 외부 에지 주위에서 하부 덮개(206)와 연결된다. 케이싱(245) 및 하부 에지(206)는 밀봉 부재로 서로에 대해 기밀적으로 연결되고, 케이싱(245) 및 하부 덮개(206)의 상면이 가열기(215)를 에워싼다. 본 발명의 기밀식 케이싱은 이러한 형태를 또한 포함하고 있다.

가열기(215)로 파워를 공급하기 위한 단자(237)는 덮개(206)가 가열기(215)를 에워쌀 수 있도록 하는 위치에서 하부 덮개(206)에 위치된다. 이러한 배열상태로, 가열기(215)를 단자(237)로 연결하는 케이블(236)을 케이싱(245)의 외부로 연장시키는 것이 요구되지 않아서, 이에 따라 도 17의 장치는 도 16의 장치보다 간단한 구조가 될 수 있고 보다 용이하게 유지보수할 수 있다.

케이싱(245)은 제1 가스 통로(240) 및 필터(241)를 가지고 있을 뿐만 아니라, 추가적인 제2 가스 통로(250)를 또한 가지고 있다. 역류를 방지하는 유닛(251)이 제2 가스 통로(250)에 배치되어 있어서 아르곤 가스가 케이싱(245) 내로만 유동할 수 있도록 되어 있고, 반대의 경우는 가능하지 않다. 이러한 필터(241)의 낮은 공기-유동 저항 때문에, 역류 방지용 유닛(251)은 제2 통로(250)를 통하여 케이싱(245) 내로 가스를 신속하게 유입할 수 있게 하고, 그 후 필터(241) 및 제1 통로(240)는 가스를 케이싱(245) 밖으로 유동할 수 있게 하면서 입자들이 함께 나가는 것을 방지한다.

더하여, 제4 실시예에 있어서, 가스 도입용 통로(253) 및 가스 배출용 통로(254)는 상부 덮개(205)에 형성되어 있다. 이러한 통로들 중 하나만이 가스 도입 및 배출을 위하여 사용될 때, 이러한 통로는 간혹 배출시 청결하지 않은 가스로 오염될 수 있다. 이러한 경우에, 도입용 통로(253) 및 배출용 통로(254)는 별개로 제공되어서, 이에 따라 깨끗한 가스가 공급될 수 있게 한다.

더하여, 단열 층(229)이 상부 덮개(205)의 하면에 단열 층의 상부로 고정된다. 이러한 배열상태는 도입용 통로(253)로 하여금 상부 덮개(205)로부터 층(229)을 통하여 통과할 수 있게 하고, 이에 따라 통로(253)가 처리 챔버와 바로 연통되는 것을 야기하고 층(229)의 내면에 가스 도입용 포트가 형성될 수 있게 한다. 즉, 단열 층(229)의 내면에 도달할 수 있도록 가스 도입용 통로가 형성되어서 가스는 처리 챔버(229a)로 바로 공급된다. 따라서, 외부로부터 공급될 가장 청결한 아르곤 가스는 우선적으로 처리 챔버를 유입하고, 그 후 처리가 끝나면, 단열 층(229) 밑으로 단열 층(229)과 압력 용기(203)(원통체(204)) 사이의 공간을 통하여 통과하고, 최종적으로 가스 배출용 통로(254)를 통하여 압력 용기의 외부로 배출된다. 제4 실시예의 구조에 대해 생략된 기타 설명은 제3 실시예의 것과 유사하다.

상기된 예 및 실시예는 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구의 범위에 의해 정의되며, 청구의 범위의 범주 내에 포함된 모든 변경사항 또는 범주와 동일한 사항은 이에 따라 본 발명에 포함되도록 의도되는 것이다.

상기된 바와 같은 고온 처리 장치를 구성하므로써, 고온 고압 가스가 상당히 용이하게 자연 대류를 경험할 수 있게 되며 처리 챔버 내의 온도는 용이하게 균등해지게 되고, 비교적 작은 웨이퍼의 로트를 처리하기에 적합하게 되어 있는 반도체 웨이퍼를 위한 고온 고압 처리 장치가 얻어질 수 있다.

또한, 단위 군(群)당 1개 내지 25개의 웨이퍼를 가진 일군의 단위로 고온 고압 불활성 분위기에서 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 소형의 장치가 제공되어서, 예컨대 처리 단계에서 야기될 수 있는 입자들 등에 의한 반도체 웨이퍼의 오염과 같이 반도체를 생산하는데 있어서 공존하는 기술적 문제를 해결할 수 있고 높은 생산성 및 신속한 처리공정을 성취할 수 있다.

Claims (12)

1. 고온 고압 가스의 분위기에서 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 고온 고압 처리 장치에 있어서,

   반도체 웨이퍼를 넣고 꺼내기 위한 개구를 하부에 가지고 있는 압력 용기;

   개구의 개폐를 위하여 상하방향으로 이동 가능하도록 배치되는 하부 덮개;

   반도체 웨이퍼를 하부 덮개 위로 장전하거나 하부 덮개로부터 장전 해제하기 위한 웨이퍼 이송 수단; 그리고

   반도체 웨이퍼를 가열시키기 위하여 하부 덮개에 부착되는 가열기;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 가열기가 전체적으로 원반형의 형태를 가지며, 서로에 대하여 독립적으로 제어되는 복수의 방사상으로 분리된 가열 요소를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 압력 용기가, 용기 내에 제공된 처리 챔버 내로 고압 가스를 도입시키기 위한 고압 가스 도입용 통로 및 처리 챔버로부터 고압 가스를 배출시키기 위한 고압 가스 배출용 통로를 용기의 상부에 가지고 있고,

   압력 용기가, 반도체 웨이퍼의 처리 챔버로서 공간의 일부를 구획형성하기 위한 처리 챔버 형성용 부재를 용기 안에 가지고 있으며,

   가스 도입용 통로가 처리 챔버 형성용 부재의 내면에 도달하도록 형성되어서 가스가 처리 챔버의 상부 영역에 바로 공급될 수 있도록 되어 있으며, 그리고

   처리 챔버 형성용 부재가 하부에서 개구를 가지고 있어서 하부 개구로부터 배출되는 가스가 처리 챔버 형성용 부재의 외부 공간을 통하여 통과하면서 고압 가스 배출용 통로에 도달할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 하부 덮개는 압력 용기가 저압하에 있을 때 또는 진공일 때 압력 용기 내의 가스 및 입자들을 방출하도록 개방되는 독립적인 가스 배출용 통로를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
5. 제 3 항에 있어서, 가스 도입용 통로가 가스의 유동을 제어하기 위한 스톱 밸브를 가지고 있고, 그리고 입자들을 포획하기 위하여 스톱 밸브의 하류에 필터가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
6. 고온 고압 가스의 분위기에서 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 고온 고압 처리 장치에 있어서,

   압력 용기;

   압력 용기 내에서 복수의 적층된 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 처리 챔버;

   복수의 적층된 반도체 웨이퍼 밑에 위치되도록 처리 챔버 내에 배치되는 가열기; 그리고

   처리 챔버 내에 제1 통로와 제2 통로를 형성하기 위한 대류 기류 통로 형성용 부재를 포함하고 있으며;

   제1 통로는 반도체 웨이퍼를 그 내부에 가지고 있고 가열기에 의한 가열로부터 야기된 상향 유동을 통과시키며, 그리고 제2 통로는 처리 챔버의 상부 및 하부 영역에서 제1 통로와 연통하고 있고 그 내부를 통과하는 하향 유동에 의해 제1 통로와 제2 통로 사이에서 형성되는 순환하는 대류 기류를 형성하는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 제1 통로에 온도 측정용 수단이 배치되는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
8. 제 6 항에 있어서,

   대류 기류 통로 형성용 부재가 상부 및 하부에서 개구를 가지고 있는 소킹 원통 부재이고 그리고 복수의 적층된 반도체 웨이퍼를 에워싸도록 배치되어 있고, 그리고

   원통형 부재 내의 공간이 제1 통로로서 기능하고 원통형 부재 외부의 공간이 제2 통로로서 기능하는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 원통형 부재와 압력 용기의 하부 내면 사이에 차폐용 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
10. 고온 고압 가스의 분위기에서 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 고온 고압 처리 장치에 있어서,

    압력 용기;

    압력 용기 내에서 복수의 적층된 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 처리 챔버;

    복수의 적층된 반도체 웨이퍼 밑에 위치되도록 처리 챔버 내에 배치되어 있는 가열기;

    가열기를 에워싸도록 구조된 기밀식 케이싱;

    기밀식 케이싱 내외의 공간이 서로 연통하도록 기밀식 케이싱 내에 형성된 제1 가스 통로; 그리고

    입자들을 포획하기 위하여 제1 가스 통로 상에 배치된 필터;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 기밀식 케이싱 외부의 공간이 기밀식 케이싱 내부의 공간과 연통하도록 기밀식 케이싱에 형성되어 있으며, 외부로부터 기밀식 케이싱 내로만 가스를 유동할 수 있도록 하는 역류 방지 장치를 가지고 있는 제2 가스 통로를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.
12. 제 10 항에 있어서, 기밀식 케이싱이 압력 용기의 내면에 연결되는 연결용 개구를 가지고 있으며, 연결용 개구가 압력 용기의 내면과 연결됨으로써 연결용 개구가 기밀적으로 폐쇄되도록 하고, 그리고

    압력 용기의 외부로부터 가열기로 전기를 공급하기 위한 전기 케이블이 배치되며, 케이블이 압력 용기의 내면이 연결용 개구를 폐쇄시킬 수 있도록 하는 거리로 연장되면서 기밀식 케이싱 내에 있는 가열기에 도달될 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 고온 고압 처리 장치.