KR100432135B1 - 급속 열처리 장치 - Google Patents

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KR100432135B1
KR100432135B1 KR10-2001-0038606A KR20010038606A KR100432135B1 KR 100432135 B1 KR100432135 B1 KR 100432135B1 KR 20010038606 A KR20010038606 A KR 20010038606A KR 100432135 B1 KR100432135 B1 KR 100432135B1
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Abstract

본 발명은 급속 열처리 장치에 관한 것으로서, 베이스(14) 내측에 설치되되 베이스(14)의 중심으로부터 위치를 달리하여 분포되어 웨이퍼(W)의 여러 부분의 온도를 감지하는 복수의 제 1 및 제 2 온도센서로 이루어지며, 제 1 온도센서는 온도측정범위가 개방형 루프공정이 진행되는 온도범위를 포함하며, 제 2 온도센서는 온도측정범위가 폐쇄형 루프공정이 진행되는 온도범위를 포함하는 감지부(300)와; 감지부(300)로부터 감지된 온도측정값을 각각 수신하되, 개방형 루프공정 진행시에는 제 1 온도센서로부터 온도측정값을 수신하고, 폐쇄형 루프공정 진행시에는 제 2 온도센서로부터 온도측정값을 수신하며, 이들로부터 수신된 온도측정값과 설정된 공정 온도조건을 서로 비교하여 웨이퍼(W)의 온도가 공정 온도조건을 만족하도록 멀티존 램프드라이버(500)를 제어하는 온도제어부(400)를 포함하는 것으로서, 급속 열처리 공정에서 개방형 루프공정 진행시 웨이퍼의 각각의 부분에 해당하는 온도를 감지하여 웨이퍼의 부분별 온도분포가 일정하도록 유지함으로써 폐쇄형 루프공정 진행시 웨이퍼의 온도 급강하 및 급상승에 따른 파손을 방지하며, 웨이퍼의 파손을 방지함으로써 웨이퍼의 수율을 증대시키는 효과를 가지고 있다.

Description

급속 열처리 장치{RAPID THERMAL PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 급속 열처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급속 열처리 공정에서 개방형 루프공정 진행시 웨이퍼의 각각의 부분에 해당하는 온도를 감지하여 웨이퍼의 부분별 온도분포가 일정하도록 유지함으로써 폐쇄형 루프공정 진행시 웨이퍼의 온도 급강하 및 급상승에 따른 파손을 방지하는 급속 열처리 장치에 관한 것이다.
반도체소자를 제조하기 위한 공정에는 여러가지 열처리 기술이 사용된다. 예를 들면, 실리콘 기판을 산화시켜 실리콘산화막(SiO2)으로 만들어 절연층, 에칭 마스크 또는 트랜지스터용 게이트 산화막으로 사용할 경우, 여러가지 방법으로 형성된 박막의 어닐링(annealing) 공정 및 BPSG(borophosphosilicate glass)막과 같은 유동성 막의 평탄화를 위한 리플로우(reflow) 공정 등과 같이 여러가지 목적으로 열처리 공정이 사용되고 있다.
이와 같은 열처리 공정에 사용되는 반도체 소자가 점점 고집적화됨에 따라 소자의 크기가 작아지게 되어 제조 공정에서 받는 전체 열다발(thermal budget)을 줄이기 위해 매엽식 급속 열처리 장치(Rapid Thermal Processing;RTP) 장치가 이용되고 있다.
급속 열처리 장치는 기존의 확산로에서 수행하던 다양한 공정을 대부분 수행할 수 있으며, 가열과 냉각이 웨이퍼에서 고속으로 이루어지므로 초고집적 회로(VLSI) 공정에 적합한 불순물 재확산과 확산로 벽면으로부터 방출되는 오염 등을 방지할 수 있는 장점이 있다.
열처리 공정에 사용되는 급속 열처리 장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 급속 열처리 장치의 부분 단면도이고, 도 2는 종래의 급속 열처리 장치의 온도 제어 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 급속 열처리 장치는 웨이퍼(W)가 로딩되어 공정이 진행되는 공정 챔버(10), 웨이퍼(W)를 가열하는 램프 어레이(20), 웨이퍼(W)의 각각의 부분의 온도를 감지하는 감지부(30) 및 감지부(30)로부터 감지된 온도측정값(t1,...,t4)을 감지하여 램프 어레이(20)를 제어하는 온도제어부(40)를 포함하고 있다.
공정 챔버(10)는 본체(11)의 일측에 웨이퍼(W)가 로딩/언로딩되는 웨이퍼 포트(12)를 형성하고, 본체(11)의 하측에는 하우징(13)의 내측에 장착되며 웨이퍼(W)를 냉각시키기 위한 냉각수가 공급되는 스테인레스 스틸 재질의 베이스(14)가 설치된다.
베이스(14) 내측으로 감지부(30)가 설치되며, 베이스(14)의 상측면에는 감지부(30)가 온도를 측정함에 있어서 온도측정의 정확성을 향상시키기 위해 리플렉터(reflector; 미도시)가 형성된다.
또한, 하우징(13)과 베이스(14)의 사이에는 회전가능하게 설치된 실린더(15)가 설치되며, 이 실린더(15)의 상단에는 로딩된 웨이퍼(W)를 지지하는 에지링(16)이 결합되어 있다.
램프어레이(20)는 방사상의 다수의 존(zone)으로 배열된 복수의 램프(21)로 이루어지며, 하측에 쿼츠 윈도우 어셈블리(22;quartz window assembly)가 구비된다. 램프어레이(20)는 멀티존 램프드라이버(50)로부터 각각의 존마다 분리하여 램프(21)에 전압을 공급받는다.
감지부(30)는 복수의 온도센서(TS1,...,TS4)로 이루어지며, 베이스(14)의 중심으로부터 위치를 달리하여 분포됨으로써 공정 챔버(10) 내에 로딩된 웨이퍼(W)의 여러 부분의 온도를 감지한다.
각각의 온도센서(TS1,...,TS4)는 일실시예로 온도 프루브(31;temperature probe)와 고온계(pyrometer; 미도시)로 구성되고, 온도 프루브(31)는 베이스(14) 내측에 설치되어 인접하는 웨이퍼(W)의 일정 부분의 복사 세기를 추출하며, 고온계는 온도 프루브(31)에 연결되어 온도 프루브(31)가 추출한 복사 세기로부터 온도를 측정한다.
제어부(40)는 감지부(30)의 각각의 온도센서(TS1,...,TS4)로부터 측정된 온도측정값(t1,...,t4)과 미리 설정된 공정 온도조건을 서로 비교하여 멀티존 램프드라이버(50)를 제어함으로써 웨이퍼(W)가 설정된 공정 온도조건을 만족하도록 한다.
이러한 급속 열처리 장치는 개방형 루프(open loop)공정과 폐쇄형 루프(close loop)공정을 수행하게 되는데, 개방형 루프공정은 공정을 수행하는 웨이퍼(W)의 온도가 매우 낮아 온도 센서(TS1,...,TS4)의 신뢰성있는 측정에 의존할 수 없는 경우에 수행하는 공정으로서 피이드백을 수행함이 없이 웨이퍼(W)를 일정 온도에 도달할 때까지 가열한다.
반면, 폐쇄형 루프공정은 공정을 수행하는 웨이퍼(W)의 온도에 대한 재현이가능하고 온도센서(TS1,...,TS4)로부터 신뢰성 있는 측정에 의존할 수 있는 경우에 수행하는 공정으로서 온도센서(TS1,...,TS4)로부터 감지된 온도측정값(t1,...,t4)과 설정된 공정 온도조건을 비교하여 피이드백을 수행함으로써 웨이퍼(W)가 설정된 공정 온도조건에 일치하도록 한다.
통상, 개방형 루프공정과 폐쇄형 루프공정의 경계를 이루는 온도는 500도씨이다.
이와 같은, 종래의 급속 열처리 장치는 개방형 루프공정에서 피이드백없이 일정 온도까지 순간 가열하기 때문에 램프어레이(20)로부터 가열되는 웨이퍼(W) 전체의 온도가 일정하지 않게 된다.
특히, 개방형 루프공정이 종료될 때의 웨이퍼(W)의 중심부분과 가장자리부분의 온도차이가 40도씨 정도에 도달하는 경우에는 폐쇄형 루프공정을 시작하자 마자 온도제어부(40)는 감지부(30)로부터 수신된 웨이퍼(W)의 가장자리부분의 온도측정값이 매우 낮다고 판단하여 웨이퍼(W)의 가장자리부분에 해당하는 존의 램프(21)에 공급되는 전압을 급격하게 상승시키게 되고, 이로 인해 웨이퍼(W)의 가장자리부분의 온도가 급격히 상승하면 이를 감지한 감지부(30)로부터 온도측정값을 수신한 온도제어부(40)는 반대로 웨이퍼(W)의 가장자리부분에 해당하는 존의 램프(21)에 공급되는 전압을 급격하게 낮추게 된다.
이러한 급속 열처리 공정시 웨이퍼의 급속한 온도상승과 하강으로 인해 웨이퍼가 파손된다.
또한, 주어지는 공정 온도조건에 따라 상이하지만, 일반적으로 급속 열처리 공정은 상온(常溫)에서 1100도씨에 달하는 고온을 공정 온도조건으로 가진다. 따라서, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 상온에서부터 1100도씨에 달하는 온도측정범위를 가지는 온도 센서를 채용하더라도 온도 센서의 비용이 문제될 뿐만 아니라 온도측정범위가 광범위하기 때문에 온도 센서의 온도측정값에 대한 오차는 커질수 밖에 없으며, 이는 정확을 요구하는 웨이퍼 제조공정에 사용되는 급속 열처리 장치에 적용시키기가 어렵다는 문제점을 발생시킨다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 개방형 루프공정과 폐쇄형 루프공정이 각각 진행되는 온도범위를 온도측정범위에 포함하는 제 1 및 제 2 온도센서를 각각 구비하여 측정범위의 과다로 인한 온도센서의 오차범위를 최대한 줄임으로써 급속 열처리 공정을 수행하는 웨이퍼의 각각의 부분에 대한 온도를 정확히 측정할 수 있고, 급속 열처리 공정에서 개방형 루프공정 진행시 웨이퍼의 각각의 부분에 해당하는 온도를 감지하여 웨이퍼의 부분별 온도분포가 일정하도록 유지함으로써 폐쇄형 루프공정 진행시 웨이퍼의 온도 급강하 및 급상승에 따른 파손을 방지하며, 웨이퍼의 파손을 방지함으로써 웨이퍼의 수율을 증대시키는 급속 열처리 장치를 제공하는 데에 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 베이스 내측에 설치되되 베이스의 중심으로부터 위치를 달리하여 분포되어 웨이퍼의 여러 부분의 온도를 감지하는 복수의 제 1 및 제 2 온도센서로 이루어지며, 제 1 온도센서는 온도측정범위가 개방형 루프공정이 진행되는 온도범위를 포함하며, 제 2 온도센서는 온도측정범위가 폐쇄형 루프공정이 진행되는 온도범위를 포함하는 감지부와; 감지부로부터 감지된 온도측정값을 각각 수신하되, 개방형 루프공정 진행시에는 제 1 온도센서로부터 온도측정값을 수신하고, 폐쇄형 루프공정 진행시에는 제 2 온도센서로부터 온도측정값을 수신하며, 이들로부터 수신된 온도측정값과 설정된 공정 온도조건을 서로 비교하여 웨이퍼의 온도가 공정 온도조건을 만족하도록 멀티존 램프드라이버를 제어하는 온도제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
감지부는 제 1 및 제 2 온도센서를 한 쌍으로 하는 복수의 온도감지수단을 구비하며, 온도감지수단의 제 1 및 제 2 온도센서는 웨이퍼의 동일한 부분의 온도를 감지하는 것을 특징으로 한다.
제어부는 개방형 루프공정 진행시 온도감지수단의 제 1 온도센서로부터 각각 수신된 온도측정값으로부터 웨이퍼의 부분별 온도를 감지하여 웨이퍼의 부분별 최대 온도 차이가 설정값 이하로 유지되도록 멀티존 램프 드라이버를 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 급속 열처리 장치의 부분단면도,
도 2는 종래의 급속 열처리 장치의 온도 제어 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 급속 열처리 장치의 온도 제어 블럭도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 ; 공정 챔버 14 ; 베이스
200 ; 램프어레이 210 ; 램프
220 ; 쿼츠 윈도우 어셈블리 300 ; 감지부
310,320,330,340 ; 감지수단 TSC1,...,TSC4 ;제 1 온도센서
TSO1,...,TSO4; 제 2 온도센서 400 ; 온도제어부
500 ; 멀티존 램프드라이버
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.
또한, 종래의 급속 열처리 장치와 동일한 부분에 대해서는 본 발명과 관련되는 부분을 제외하고는 설명을 생략하며, 도 3에 도시된 것을 제외하고는 도 1과 동일한 부분에 대해서는 동일부호를 부여하기로 하겠다.
도 3은 본 발명에 따른 급속 열처리 장치의 온도 제어 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 공정 챔버(10) 내의 베이스 상측에 로딩된 웨이퍼(W)를 가열하기 위해 웨이퍼(W)의 상측에 설치되는 램프어레이(200)는 방사상의 다수의 존(zone)으로 배열된 복수의 램프(210)로 이루어지며, 하측에 쿼츠 윈도우 어셈블리(220;quartz window assembly)가 구비된다.
이러한 램프어레이(200)는 멀티존 램프드라이버(500)로부터 각각의 존마다 분리하여 램프(210)에 전압을 공급받는다.
감지부(300)는 웨이퍼(W)의 하측에 위치하는 베이스(14)에 설치되되 베이스(14)의 중심으로부터 위치를 달리하여 분포되어 웨이퍼(W)의 여러 부분의 온도를 감지하는 복수의 제 1 온도센서(TSC1,...,TSC4) 및 제 2 온도센서(TSO1,...,TSO4)로 이루어지며, 제 1 온도센서(TSC1,...,TSC4)는 온도측정범위가 개방형 루프공정이 진행되는 온도범위를 포함하며, 제 2 온도센서(TSO1,...,TSO4)는 온도측정범위가 폐쇄형 루프공정이 진행되는 온도범위를 포함한다.
한편, 도 3에서는 제 1 온도센서(TSC1,...,TSC4) 및 제 2 온도센서(TSO1,...,TSO4)가 각각 네 개인 예를 도시하였으나, 이에 한하지 않는다.
또한, 감지부(300)는 제 1 온도센서(TSC1,...,TSC4) 및 제 2온도센서(TSO1,...,TSO4)를 한 쌍으로 하는 복수의 온도감지수단(310,...340)을 구비하며, 온도감지수단(310,...,340)의 제 1 온도센서(TSC1,...,TSC4) 및 제 2 온도센서(TSO1,...,TSO4)는 웨이퍼(W)의 동일한 부분의 온도를 감지함이 바람직하다.
따라서, 제 1 온도센서(TSC1,...,TSC4) 및 제 2 온도센서(TSO1,...,TSO4)를 베이스(14)에 설치시 한 쌍씩 설치되므로 제 1 온도센서(TSC1,...,TSC4) 및 제 2 온도센서(TSO1,...,TSO4)의 설치가 용이해진다.
온도제어부(400)는 감지부(300)로부터 감지된 온도측정값(tC1,...,tC4,tO1,...,tO4)을 각각 수신하되, 개방형 루프공정 진행시에는 온도감지수단(310,...340)의 제 1 온도센서(TSC1,...,TSC4)로부터 온도측정값(tC1,...,tC4)을 수신하고, 폐쇄형 루프공정 진행시에는 온도감지수단(310,...340)의 제 2 온도센서(TSO1,...,TSO4)로부터 온도측정값(tO1,...,tO4)을 수신하며, 이들로부터 각각 수신된 온도측정값(tC1,...,tC4)(tO1,...,tO4)과 설정된 공정 온도조건을 서로 비교하여 멀티존 램프드라이버(500)를 제어하여 웨이퍼(W)의 온도가 공정 온도조건을 만족하도록 한다.
또한, 온도제어부(400)는 개방형 루프공정 진행시 온도감지수단(310,...340)의 제 1 온도센서(TSC1,...,TSC4)로부터 각각 수신된 온도측정값(tC1,...,tC4)으로부터 웨이퍼(W)의 부분별 온도를 감지하여 웨이퍼(W)의 부분별 최대 온도 차이가 설정값 이하로 유지되도록 멀티존 램프 드라이버(500)를 제어한다. 즉, 온도제어부(400)는 웨이퍼(W)의 부분별 최대 온도 차이가 발생하는 웨이퍼(W)부분에 해당하는 램프어레이(200)의 존에 해당하는 램프(210)에 공급되는 전압을 조절함으로써 웨이퍼(W)의 부분별 최대 온도 차이가 설정값 이하가 되도록 한다.
따라서, 웨이퍼(W)의 부분별 최대 온도 차이를 설정값 이하로 유지토록 함으로써 개방형 루프공정 완료후 폐쇄형 루프공정을 진행하더라도 온도제어부(400)는 감지부(300)로부터 웨이퍼(W)의 전체 온도가 거의 일정하다고 판단하여 램프어레이(200)의 일정 존의 램프(210)에 과도한 전압을 공급하지 않고서 안정적으로 피이드백을 수행하면서 웨이퍼(W)의 온도가 설정된 공정 온도조건에 만족하도록 한다.
온도제어부(400)가 웨이퍼(W)의 부분별 최대 온도 차이를 설정값 이하로 유지시 설정값은 10도씨 내지 50도씨인 것이 바람직하다. 이처럼 설정값의 하한선을 10도씨로 정한 것은 제 1 온도센서(TSC1,...,TSC4)의 경우 오차범위가 10도씨인 점을 고려하여 웨이퍼(W)의 부분별 최대 온도차이를 10도씨 이내로 유지토록 하는 것은 별의미가 없기 때문이며, 설정값의 상한선을 50도씨로 정한 것은 웨이퍼(W)의 부분별 최대 온도차이가 50도씨 정도이면 개방형 루프공정 진행후 폐쇄형 루프공정 진행시 웨이퍼(W)가 파손되기 때문이다.
한편, 각각의 온도센서(TSC1,...,TSC4,TSO1,...,TSO4)는 일실시예로 복사고온계의 일종으로서 온도 프루브(31;temperature probe)와 고온계(pyrometer; 미도시)로 구성되며, 온도 프루브(31)는 베이스(14) 내측에 설치되어 인접하는 웨이퍼(W)의 일정 부분의 복사 세기를 추출하며, 고온계는 온도 프루브(31)에 연결되어 온도 프루브(31)가 추출한 복사 세기로부터 온도를 측정한다. 또한 이외에도 광온도계, 광전고온계, 색고온계 등 웨이퍼(W)에 직접 접촉하지 않고서도 편리하게 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 포함한다.
이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 개방형 루프공정과 오픈형 루프공정이 각각 진행되는 온도범위를 온도측정범위에 포함하는 제 1 및 제 2 온도센서를 각각 구비하여 측정범위의 과다로 인한 제 1 및 제 2 온도센서의 오차범위를 최대한 줄임으로써 급속 열처리 공정을 수행하는 웨이퍼의 각각의 부분에 대한 온도를 정확히 측정할 수 있으며, 이로 인해 급속 열처리 공정에서 개방형 루프공정 진행시 웨이퍼의 각각의 부분에 해당하는 온도를 감지하여 웨이퍼의 부분별 온도분포가 일정하도록 유지함으로써 폐쇄형 루프공정 진행시 웨이퍼의 온도 급강하 및 급상승에 따른 파손을 방지한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 급속 열처리 장치는 개방형 루프공정과 오픈형 루프공정이 각각 진행되는 온도범위를 온도측정범위에 포함하는 제 1 및 제 2 온도센서를 각각 구비하여 측정범위의 과다로 인한 온도센서의 오차범위를 최대한 줄임으로써 급속 열처리 공정을 수행하는 웨이퍼의 각각의 부분에 대한 온도를 정확히 측정할 수 있고, 급속 열처리 공정에서 개방형 루프공정 진행시 웨이퍼의 각각의 부분에 해당하는 온도를 감지하여 웨이퍼의 부분별 온도분포가 일정하도록 유지함으로써 폐쇄형 루프공정 진행시 웨이퍼의 온도 급강하 및 급상승에 따른 파손을 방지하며, 웨이퍼의 파손을 방지함으로써 웨이퍼의 수율을 증대시키는 효과를 가지고 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 급속 열처리 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (4)

  1. 공정 챔버 내로 로딩되어 베이스 상측에 위치하는 웨이퍼가 방사상의 존으로 배열된 복수의 램프로 이루어지며 멀티존 램프드라이버로부터 각각의 존마다 분리하여 램프에 전압을 공급받는 램프어레이에 의해 가열되는 급속 열처리 장치에 있어서,
    상기 베이스 내측에 설치되되 상기 베이스의 중심으로부터 위치를 달리하여 분포되어 상기 웨이퍼의 여러 부분의 온도를 감지하는 복수의 제 1 및 제 2 온도센서로 이루어지며, 상기 제 1 온도센서는 온도측정범위가 개방형 루프공정이 진행되는 온도범위를 포함하며, 상기 제 2 온도센서는 온도측정범위가 폐쇄형 루프공정이 진행되는 온도범위를 포함하는 감지부와;
    상기 감지부로부터 감지된 온도측정값을 각각 수신하되, 개방형 루프공정 진행시에는 상기 제 1 온도센서로부터 온도측정값을 수신하고, 수신된 온도 측정값으로부터 웨이퍼의 부분별 온도를 감지하여 웨이퍼의 부분별 최대온도 차이가 설정값을 유지하도록 하며, 폐쇄형 루프공정 진행시에는 상기 제 2 온도센서로부터 온도측정값을 수신하며, 이들로부터 수신된 온도측정값과 설정된 공정 온도조건을 서로 비교하여 상기 웨이퍼의 온도가 상기 공정 온도조건을 만족하도록 상기 멀티존 램프드라이버를 제어하는 온도제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 감지부는 상기 제 1 및 제 2 온도센서를 한 쌍으로 하는 복수의 온도감지수단을 구비하며, 상기 온도감지수단의 제 1 및 제 2 온도센서는 상기 웨이퍼의 동일한 부분의 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 설정값은 10도씨 내지 50도씨인 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치.
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