KR100444756B1 - 저질량서스셉터 - Google Patents

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KR100444756B1
KR100444756B1 KR10-1998-0701287A KR19980701287A KR100444756B1 KR 100444756 B1 KR100444756 B1 KR 100444756B1 KR 19980701287 A KR19980701287 A KR 19980701287A KR 100444756 B1 KR100444756 B1 KR 100444756B1
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데릭 더블유 포스터
데어 쥬그드 코넬리우스 에이 반
존 에프 웬거트
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에이에스엠 아메리카, 인코포레이티드
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Abstract

본 반도체 처리장치용 웨이퍼서스셉터는 웨이퍼의 열질량과 거의 동등한 열질량을 가진다. 서스셉터와 웨이퍼의 열질량의 동등함에 의해 수율이 증대되고 웨이퍼의 온도불균일성이 감소된다. 본 저질량 서스셉터는 중앙의 웨이퍼 지지함몰부을 갖거나 갖지 아니하는 얇은 고형의 디스크로 만들어질 수 있다. 웨이퍼온도감지구멍은 서스셉터의 중앙에 형성될 수 있다. 저질량 서스셉터는 오픈셀 실리콘탄화물발포물으로 형성될 수 있고, 고체 실리콘탄화물의 얇은 스킨을 웨이퍼지지면을 형성하는 상부에 또는 오픈셀발포물을 완전히 둘러싸도록 구비하거나 구비하지 않을 수 있다. 웨이퍼는 서스셉터로부터 상향 연장된 다수의 핀들 위에 지지되는 것이 바람직하다. 세 번째 실시예에서는, 초저질량 서스셉터가 중앙 관통구멍과 외부융기부 하부 주변의 웨이퍼지지셸프를 가지고 링형상으로 형성된다.

Description

저질량 서스셉터
고온의 오븐, 소위 반응기는 전자산업용의 집적회로를 만드는데 사용되는 반도체웨이퍼를 처리하는데 사용된다. 일반적으로 실리콘으로 만들어지는 원형의 웨이퍼 또는 기재(Substrate)는 서스셉터라고 불리우는 웨이퍼지지체상에 놓여진다. 웨이퍼와 서스셉터는 수정챔버에 의해 둘러싸여지고, 일반적으로, 수정챔버를 둘러싸고 있는 다수의 방사램프에 의해 가열된다. 반응가스는 가열된 웨이퍼상을 통과하여, 웨이퍼상에 반응물질의 얇은 층을 형성하는 화학적진공증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 유발시킨다. 이들 층은 다른 장치에서의 일련의 처리과정을 통하여 집적회로로 만들어지며, 여기서, 단일의 층은 웨이퍼의 크기나 회로의 복잡성에 따라 수십 내지는 수천개의 집적회로를 생성한다.
증착층이 하부의 실리콘웨이퍼와 동일한 결정학적 구조를 가질 경우, 이를 에피택셜층(Epitaxial layer)이라 부른다. 이것은 또한 단 하나의 크리스탈구조를 가지고 있기 때문에, 모노크리스탈 층(Monocrystalline layer)이라고도 불리어진다.
양질의 반도체를 얻기 위해서는 여러 가지 화학적 진공증착과정의 파라미터들을 조심스럽게 제어하여야 한다. 증착가스는 특정 온도에서 반응하여 웨이퍼상에 증착된다. 웨이퍼의 표면에 가로방향에서 온도변동이 크면, 반응가스의 증착이 불균일하게 된다.
일괄처리기 즉, 동시에 다수의 웨이퍼를 처리하는 화학적 진공증착 반응기에서는, 웨이퍼의 온도가 균일하게 유지되도록 하기 위하여 흑연등의 흡열재질로 제작된 비교적 고질량의 서스셉터에 웨이퍼를 재치한다. 이러한 관점에서, "고질량"서스셉터는 웨이퍼에 대하여 상대적으로 높은 열질량을 가지고 있는 것이다. 고체의 열질량(Thermal Mass) 또는 집중열용량(Lumped Thermal Capacitance)은 다음의 식으로 주어진다.
여기서, p은 고체의 밀도, V는 고체의 부피, 그리고, c는 고체의 비열(열용량)이다.
따라서, 열질량은 밀도와 부피의 곱인 질량과 그의 비열에 정비례한다.
맥네일리(McNeilly)의 미국특허 제 4,496,609호에 개시된 CVD처리에 채용된 고질량 서스셉터의 일예에서는, 웨이퍼가 비교적 고질량의 슬라브(Slab)형상의 서스셉터위에 직접 배치되어 상호 열전도가 가능하도록 긴밀한 접촉을 유지한다. 이 흑연 서스셉터는 열"플라이휠"로서 역할하여 웨이퍼에 열을 전달함으로써, 그 온도를 균일하게 유지시키는 것으로 여겨진다. 그 목적은 서스셉터의 플라이휠효과가없을 때, 발생될 수 있는 웨이퍼 주위의 일시적인 온도변동을 줄이기 위한 것이다.
고질량 서스셉터는 이론적으로는, 안정상태 동안에 웨이퍼를 가로지르는 온도의 균일성을 증대시키지만, 서스셉터는 그의 높은 열질량 때문에, 과도적인 온도 변동에 대한 반응이 웨이퍼보다 늦어져, 두 요소의 온도가 달라지는 경우가 발생한다. 이것은, 과도적인 온도변동이 발생하는 동안 웨이퍼의 온도와 서스셉터의 온도가 일치하지 아니하고, 또 작업과정을 제어하기 어렵기 때문에, 바람직하지 못하다. 온도의 불균일성이 이러한 과도적 온도상태에서 웨이퍼의 표면에 가로방향으로 발생할 가능성이 높다.
최근에는, 큰 직경을 가지는 웨이퍼들을 단일웨이퍼 처리하는 것이 웨이퍼들을 동시에 일괄적으로 처리하는 것에 비하여, 정밀성이 높다는 등의 이유로 인하여 증대하고 있다. 전형적인 웨이퍼는 200mm의 직경과 0.725mm의 두께의 공통된 크기를 가지는 실리콘으로 제작된다. 실리콘의 밀도가 2330kg/㎥이고 열용량이 800°K에서 913J/kg/°K라고 가정하면, 단일웨이퍼처리에 사용된 이러한 웨이퍼의 열질량은 약 48J/°K이다. 최근에는, 0.775mm의 두께 직경 300mm를 가지는 큰 실리콘 웨이퍼가 제안되어, 대형 단일웨이퍼처리의 이점을 보다 효과적으로 이용하고 있다. 이 300mm웨이퍼의 열질량는 약 117J/°K이다. 그리고, 미래에는 더 큰 웨이퍼들이 개발될 것이다.
단일웨이퍼처리 그 자체는 일괄처리에 비해 이점들을 제공하지만, 처리변수들의 제어가 여전히 어렵고, 큰 웨이퍼의 경우 비용증가 때문에 더욱 더 그러할 것이다. 단일웨이퍼처리의 일 예가 미국특허 제 4,821,674호에 제안되어 있고, 여기서는 웨이퍼보다 약간 더 큰 직경을 가지는 원형의 회전서스셉터가 사용되고 있다. 이 서스셉터는 바람직하게는 흑연으로 제작되고, 전술한 슬라브형상의 일괄처리 서스셉터보다 훨씬 적은 열질량을 가진다. 열질량의 감소에 의한 잇점들 중의 하나는 사이클 타임이 단축되어 수율이 증가한다는 것이다. 그럼에도 불구하고, 미국특허 제 4,821,674호에 개시되어 있는 서스셉터의 열질량은 웨이퍼의 열질량보다 훨씬 크기 때문에, 처리과정동안 과도적인 온도변동에 의해 웨이퍼와 서스셉터 사이의 온도차이를 유발시킬 수 있다. 게다가, 이들 시스템에서는, 서스셉터와 웨이퍼 주위의 여러 위치에서 온도를 감시하여야 하며, 이를 위하여 복잡한 써머커플이나 고온계(Pyrometor)장치들이 필요하다.
서스셉터와 웨이퍼 사이에서의 열전도도는 상대에 대한 일측 표면의 기하학적 투영면적에 의존한다. 따라서, 웨이퍼의 바로 하부의 면적은 서스셉터의 열질량은 계산 및 비교하는데 가장 잘 이용되고 있다. 웨이퍼의 바로 하부의 서스셉터 영역의 열질량을 "유효"열질량이라 부르기로 한다. 이 영역의 바깥의 주변면적은, 큰 연부손실에 의해 서스셉터내에서 원치 않은 온도차가 발생될 수 있지만, 서스셉터와 웨이퍼 사이의 열전달에 미치는 영향은 비교적 적다. 다양한 사이즈를 가지는 표준 디스크타입의 서스셉터의 열질량은, 지지되고 있는 웨이퍼의 직경에 대한 상수 x의 곱으로 표현될 수 있다. 한편, 열질량에 대한 상기 식으로부터 다음의 비가 유도될 수 있다.
여기서, CT,eff는 서스셉터의 유효열질량(J/°K)이고, D는 웨이퍼의 직경(m), x는 증배계수(J/°K/m2)로서,
이며,
여기서, p는 고체의 밀도(kg/m3), t는 서스셉터의 두께(m), c는 고체의 비열(열용량)(J/°K)이다.
미국특허 제 4,821, 674호에 개시되어 있는 단일웨이퍼처리에 사용되고 있는 하나의 흑연 서스셉터는, 예를 들어, 220mm의 직경과, 6.4mm의 두께와, 2250 kg/㎥의 밀도 및 0.57kg의 질량을 갖는다. 이 흑연 서스셉터는, 800°K에서 1650J/kg/° K의 열용량을 가지므로, 800°K에서 약 746J/°K의 유효열질량(200mm 웨이퍼의 바로 하부에서)를 가지고, 이것은 200mm 웨이퍼의 열질량의 15배이상이다. 이들 서스셉터를 대한 증배계수 x는, SI단위로, 약 18,66IJ/°K/m2이다. 따라서, 300mm 웨이퍼의 경우, 흑연 서스셉터의 유효열질량은
로서, 이것은 300mm 웨이퍼의 열질량의 14배 이상이다. (물론, 이들 숫자들은 영국단위와 상수들을 사용할 경우 수정된다.) 이와 같이 서스셉터와 웨이퍼의 열질량의 차이가 크다는 것은, 고속 가열과 냉각 사이클과정에서 서스셉터가 웨이퍼보다 현저히 지연되게 된다는 것을 의미한다.
도 1은 종래의 단일웨이퍼처리기의 원형 서스셉터와 그 위에 있는 웨이퍼에 대한 일련의 가열 및 냉각을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 도시된 바와 같이, 웨이퍼는 가열단계 중에 가파른 온도상승을 나타내어, 서스셉터보다 훨씬 빨리 안정상태 온도에 이른 다음 그것을 지나쳐간다. 그래서, 방사가열램프의 변동강도에 대한 웨이퍼와 서스셉터의 반응지연으로 인하여, 도면에서는 다소 과장되게 도시되어 있지만, 약간의 온도오버슈트가 발생할 수 있다. 결국, 두 요소는 냉각주기까지는 안정상태온도에 도달하고, 그 이후 웨이퍼는 서스셉터보다 훨씬 빠르게 냉각된다. 온도차는 웨이퍼의 불균일한 온도분포를 유발할 뿐만아니라, 서스셉터의 가열 및 냉각에 소요되는 시간에 의해 처리수율이 제한된다. 고수율은, 단일웨이퍼 반도체처리에 있어서 최상의 관심거리로 남아 있다.
서스셉터가 상부 및/또는 하부로부터 균일하게 조사될 때, 서스셉터의 연부는 센터보다 온도가 낮다. 많은 두꺼운 서스셉터들에서는, 연부의 표면적이 크기 때문에, 연부손실이 현저하다. 이러한 상태는 도 2에 개략적으로 표시되어 있으며, 여기서 두꺼운 서스셉터의 연부에서 비교적 큰 열손실이 발생함을 볼 수 있다. 종래 단일웨이퍼처리에 사용된 흑연 서스셉터의 연부표면적은 4.5×10-3㎡로서 이것은 전체 표면적의 약 5%이다. 큰 연부손실에 기인한 서스셉터의 온도불균일성은, 도 3의 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 웨이퍼의 온도불균일을 유발시키고, 이것은 얻어지는 반도체의 품질에 영향을 미친다. 서스셉터의 연부에서의 온도강하를 조절하기 위하여, 서스셉터 주위에 구조물을 배치하는 것 및 서스셉터의 다른 영역으로방사되는 열의 강도를 수정하는 것 등을 포함하는 다양한 조치들이 제안되어 있다. 이들 조치는 모두, 복잡하고, 처리장치의 가격을 상승시킨다.
결론적으로 말하면, 반도체처리장치의 수율을 증대시키는 동시에 웨이퍼표면의 가로방향에서의 온도균일성을 보장하는 개선된 서스셉터가 요구되고 있다.
본 발명은 반도체프로세싱챔버내의 웨이퍼 지지체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화학적 진공증착챔버내에서 웨이퍼를 지지하는 저질량 서스셉터에 관한 것이다.
도 1은 종래의 단일웨이퍼처리용 서스셉터상에 있는 웨이퍼의 가열 및 냉각사이클의 개략적인 다이어그램,
도 2는 종래의 단일웨이퍼처리용 서스셉터에서 발생하는 연부열손실의 개략적인 표시도,
도 3은 도 2의 서스셉터의 가로방향에서의 온도 다이어그램,
도 4는 저질량 서스셉터상에 있는 웨이퍼의 가열 및 냉각사이클의 개략적 다이어그램,
도 5는 본 발명의 저질량 서스셉터에서 발생하는 연부열손실의 개략적 표시도,
도 6은 도 5의 저질량 서스셉터의 가로방향에서의 온도 다이어그램,
도 7은 본 발명에 따른 저질량 서스셉터의 일 실시예의 평면도,
도 8은 도 7의 8-8선에 따른 저질량 서스셉터의 단면도,
도 9는 도 8의 9-9선내의 저질량 서스셉터의 일측 연부의 상세도,
도 10은 저질량 서스셉터의 다른 실시예의 일 연부의 상세도,
도 11은 오픈셀발포물로 만들어진 본 발명에 따른 저질량 서스셉터의 다른 실시예의 저면도,
도 12는 도 11의 12-12선에 따른 오픈셀발포물 서스셉터의 단면도,
도 13은 도 12의 13-13선내의 저질량 서스셉터의 부분들의 상세도,
도 14는 실린콘 탄화물로 된 상부층을 가지는 오픈셀발포물 서스셉터의 다른 실시예의 상세도,
도 15는 본 발명에 따른 저질량 서스셉터의 링형상 실시예의 평면도,
도 16은 도 15의 15-15선내의 저질량 서스셉터의 일측 연부의 상세도,
도 17은 중앙온도센싱홀을 가지는 도 7과 유사한 본 발명에 따른 저질량 서스셉터의 다른 실시예의 평면도,
도 18은 본 발명에 따른 저질량 서스셉터를 사용하는 웨이퍼 처리용 반응기 챔버의 개략적 단면도이다.
본 발명은, 웨이퍼와 동등한 크기의 열질량을 가지는 저질량 서스셉터를 제공함으로서, 웨이퍼와 서스셉터 사이의 온도차이에 관련된 많은 문제들을 해결한다. 일 실시예에서, 저질량 서스셉터는 처리되는 웨이퍼의 두께에 거의 근접한 두께를 가지는 얇은 디스크형상의 원형체로 형성된다. 통상의 0.029인치(0.74mm) 두께의 웨이퍼용의 경우, 서스셉터는 0.032인치(0.81mm)이하의 두께를 가진다. 연부열손실을 최소화하기 위하여, 서스셉터의 외주연부는 본체와 동일한 두께를 가진다. 처리될 웨이퍼를 수용하기 위한 큰 중앙함몰부가 상부면내에 형성될 수 있다. 여기서, 중앙함몰부은 외측 융기부내에 형성되어 있고, 웨이퍼의 상부면을 융기부의 평면내에 위치시키기에 충분한 깊이를 가진다. 바람직하게는, 서스셉터의 상부면과 일체로 형성되거나 그에 부착된 스페이서들이 서스셉터와 웨이퍼 사이에 갭을 생성하기 위한 웨이퍼플랫폼을 형성한다. 이러한 갭은 로봇아암픽업장치를 사용한 웨이퍼의 픽업을 용이하게 한다. 특정의 일 실시예에서는, 스페이서들이 세라믹핀으로 형성되어, 서스셉터의 표면에 균등하게 이격되어 있는 구멍들에 삽입된다. 큰중앙구멍이 함몰부내에 마련되어, 웨이퍼의 열질량보다 적은 열질량을 가지는 링형상의 서스셉터를 형성한다.
다른 실시예에서는, 이전의 흑연 서스셉터보다 작은 열질량을 가지고 더 두껍게 제작된 서스셉터가 오픈셀 실리콘 탄화물발포물(open-cell silicon carbide foam)로 형성된다. 발포물 서스셉터의 삼차원적 특성에 의해, 서스셉터 지지체의 아암들을 그들간의 회전레지스트리(Rotation Registry)에 관계없이 수용하는 거의 완전한 원형의 그루브가 서스셉터의 하부면에 형성될 수 있다. 또한, 중앙영역의 하향 캐비티는 써모커플의 감지단부를 수용하도록 마련되어 있다. 캐비티는 서스셉터 상부면의 바로 아래에서 종료되어, 웨이퍼의 중심에서의 온도판독성에 대한 정밀도를 향상시킨다. 혹은, 서스셉터내에 웨이퍼의 하부측 온도감지를 가능하게 하는 관통홀을 형성할 수도 있다. 첫 번째 실시예에서와 같이, 상부면에 큰 중앙함몰부를 형성하여 처리될 웨이퍼를 수용하도록 할 수 있다. 중앙함몰부은 외측 융기부내에 형성되어 있고, 웨이퍼의 상부면을 융기부의 평면내에 위치시키기에 충분한 깊이를 가진다. 바람직하게는, 서스셉터의 상부면과 일체로 형성되거나 그에 부착된 스페이서들이 서스셉터와 웨이퍼 사이에 갭을 생성하기 위한 웨이퍼플랫폼을 형성한다. 조밀한 실리콘 탄화물로 된 얇은 스킨(skin)을 적어도 발포물 서스셉터의 상부면에 경우에 따라서는 전체 발포물 서스셉터를 덮도록 부착하거나 장착하여도 좋다.
[바람직한 실시예들의 상세한 설명]
본 발명은 웨이퍼의 열질량과 동등한 열질량을 가지는 저질량 서스셉터를 제공한다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 상부에 웨이퍼를 지지하고 있는 본 서스셉터의 가열 및 냉각사이클 동안의 온도응답은, 종래의 단일웨이퍼처리용 서스셉터에 관련한 도 1에 도시된 것보다, 웨이퍼응답에 훨씬 더 밀접하게 연관되어 있다. 특히, 반응기챔버내에서의 과도적 온도상태동안의 서스셉터와 웨이퍼간의 온도차이는, 도 1의 장치보다 적으며, 따라서, 시스템의 균일성 및 수율이 개선되어 있다.
웨이퍼와 서스셉터의 물리적 특성(즉, 밀도와 비열)이 대체로 동등하다고 가정하면, 이들 둘의 크기도 그들의 열질량이 등가적이기 위해서는 거의 동일하여야 한다. 웨이퍼와 직경이 거의 동일할 경우, 이러한 서스셉터는 종래의 서스셉터에 비해 비교적 얇다. 도 5에는 비교적 얇은 서스셉터의 연부에서 발생하는 온도손실을 개략적으로 나타낸 것으로서, 그 온도손실은 도 2에 도시된 두꺼운 서스셉터와 관련한 온도손실보다 현저히 저감되어 있다. 도 6은 그 온도프로파일을 나타낸 것으로서, 서스셉터를 가로지르는 온도가 도 3의 다이아그램에서 볼 수 있는 두꺼운 서스셉터보다 더 긴 거리에 걸쳐 일정하다는 것을 알 수 있다. 즉, 서스셉터의 연부손실은 얇은 서스셉터에서 적게 발생하며, 이에 의해 웨이퍼상의 온도균일성이더 증대된다.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 저질량 서스셉터(20)의 일 실시예를 나타낸 것이다. 서스셉터(20)는 대체로, 대향하는 상부면 및 하부면과 원형의 외주 연부(21)를 가지는 얇은 디스크형상의 원형본체를 구비하고 있다. 서스셉터(20)는 그 상부면에, 내부의 웨이퍼함몰부(24)을 둘러싸는 외부융기부(22)을 가지고, 웨이퍼함몰부(24)는 숄더(26)에 있는 융기부의 상부평면 하부에 형성되어 있다. 웨이퍼함몰부(24)은 내부에 웨이퍼를 수용할 수 있는 크기를 가지므로, 웨이퍼의 연부는 숄더(26)에 매우 근접하게 된다.
일 특정의 실시예에서, 저밀도 서스셉터(20)는 약 8.8인치(223.5mm)의 외경을 갖는 고체실리콘 탄화물로 구성되어 있고, 웨이퍼함몰부(24)은 약 7.9인치(200.6mm)의 외경을 갖는다. 일반적으로, 단일웨이퍼처리 시스템은 200mm 직경의 웨이퍼를 처리하므로, 웨이퍼의 외측 연부는 숄더(26)의 1mm내에 있다. 서스셉터(20)는 약 0.32인치(0.812mm) 이내이고, 바람직하게는 0.03인치(0.762mm)의 두께를 가진다.
저질량 서스셉터(20)의 연부면적은 5×10-3㎡이며, 이것은 전체 표면적의 약 6%로서, 미국특허 4,821,674에 개시된 서스셉터의 예와 같은 종래의 흑연서스셉터보다 현저하게 적다. 외부융기부(22)의 평면에 대한 웨이퍼함몰부(24)의 깊이는 약 0.028인치(0.71mm)이다. 저질량 서스셉터(20)의 밀도를 약 3200kg/㎥이라 가정하면, 질량은 9.2×10-2kg이다. 또한, 800°K에서 1135J/kg/°K의 비열을 가지면, 서스셉터는 웨이퍼의 하부에서 약 83J/°K의 유효 열질량을 가지며, 이것은 200mm 웨이퍼의 열질량에 두배보다 적고, 미국특허 4,821,674에 개시된 서스셉터의 예와 같은 종래의 흑연서스셉터의 거의 10분의 1이다. 웨이퍼 아래 원형영역의 외측에 있는 외주부분을 포함한 전체 서스셉터(20)를 고려하면, 서스셉터(20)의 열질량은 겨우 약 105J/°K로서, 200mm 웨이퍼의 열질량의 두배보다 약간 크다. 이 서스셉터(20)의 경우, 유효열질량에 대한 증배계수 x는 약 2,068J/°K/m2이다. 따라서, 웨이퍼가 300mm인 경우, 저질량 서스셉터(20)의 유효열질량은 약 186J/°K로서 웨이퍼 열질량의 두배 이하이다. 이와 같이 웨이퍼와 서스셉터의 열질량이 거의 동등하므로, 그들 사이의 온도편차가 감소되고 시스템 수율이 향상된다.
일 바람직한 실시예에서, 본 저질량 서스셉터(20)는 8.845 - 8.855인치(224.66 - 224.92mm)의 외경과 0.0295 - 0.0315인치(0.750 - 0.800mm)의 두께를 가지며, 웨이퍼함몰부(24)는 7.931 - 7.953인치(201.45 - 202.00mm)의 외경을 가진다. 외부 융기부(22)의 평면에 대한 웨이퍼함몰부(24)의 깊이는 바람직하게는 0.0275 - 0.0285인치(0.700 - 0.725mm)의 범위내에 있다.
서스셉터(20)와 웨이퍼 사이에 갭을 형성하기 위해 복수의 스페이서가 마련되어 있다. 이를 위해, 도시된 서스셉터(20)에는 세 개의 작은 구멍(28)이 형성되어 있으며, 이들은 융기부(22)의 외주로부터 중앙까지의 길이의 약 1/3지점에 형성된 서클(30) 주위에 균등하게 이격되어 있다. 이들 구멍(28)들은, 웨이퍼함몰부(24)의 상측으로 연장되는 웨이퍼지지핀(29)들을 수용한다. 센터(32)로부터 약간 편위된 단일의 구멍(33)도 마찬가지로 지지핀(29)을 수용한다. 제 1 서클(30)보다 서스셉터(20)의 센터에 더 근접하는 서클(36)에 대해 균등하게 이격배치된 세 개의 구멍(34)들도 웨이퍼지지핀(29)들을 수용한다. 구멍들(28, 33, 34)들은 바람직하게는 서스셉터의 본체를 상부면부터 하부면까지 관통하여 연장되거나, 혹은 그들을 부분적으로 통과하도록 형성될 수 있다. 구멍(28, 34)들의 원형그룹들은 서스셉터의 센터(32)에 대해 상호 60°정도의 각도로 편위되어 있기 때문에, 오프셋 중앙구멍(33)과 함께 핀들의 집합은 웨이퍼를 서스셉터(20)의 상측으로부터 이격시키는 균등하게 분배된 평탄한 평면상의 지지플랫폼을 형성한다. 도시된 7개의 지지핀이 웨이퍼의 하측에 많은 지지포인트들을 제공하여 중력에 의한 웨이퍼의 휨을 방지하고 있지만, 웨이퍼플랫폼을 형성하기 위해서는 단지 세 개의 스페이서 또는 지지핀만이 필요하다.
일반적으로, 웨이퍼를 서스셉터에 공급하는 것은, 베르누이원리를 이용한 원드(Wand)등의 픽업장치에 의해 하향하는 가스유동을 이용하여 상측으로부터 웨이퍼를 들어올려 이송시킨다. 주걱형상의 픽업원드가 사용될 수도 있다. 원드가 처리된 웨이퍼를 들어올리기 위하여 복귀할 때, 지지핀들은 웨이퍼와 웨이퍼함몰부(24)사이에 공간을 형성하여, 그들 사이에 형성될 수 있는 흡인현상을 제거한다. 지지핀들은 구멍(28, 34) 내에 위치되어, 웨이퍼함몰부(24)의 상측으로 특정의 거리만큼 연장되어 원드에 의해 하강되는 웨이퍼를 수령한다. 일반적으로, 핀(29)들은, 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 웨이퍼의 상면이 가스유동을 고려하여 융기부(22)와 동등하거나 약간 높은 위치에 있게 되도록 웨이퍼를 지지하기에 충분한 만큼 웨이퍼함몰부(24)의 상측으로 돌출된 높이를 가진다. 더 구체적으로 말하자면, 바람직한 실시예에서, 가스는 우선 융기부(22)상을 유동한 다음, 웨이퍼의 상부면을 그에 평행하게 가로지른다. 융기부(22)로부터 웨이퍼까지의 수직계단과 같이, 가스흐름에 대한 갑작스런 물리적 방해물이 있을 경우에는, 유동의 불연속을 유발시켜 웨이퍼상에서의 원하는 균일 증착에 악영향을 미친다. 따라서, 웨이퍼는 융기부(22)와 평탄하게 되도록 서스셉터(20) 상에 이격배치되는 것이 바람직하다.
지지핀들은 세라믹이나 자연산 또는 합성제조된 사파이어, 또는 알루미늄산화물로부터 유도된 사파이어에로 제조될 수 있다. 다양한 형태의 지지핀들은 필라델피아의 스위스보석주식회사의 것을 사용할 수 있다. 알루미나는 사용될 수 있는 바람직한 세라믹이다. 대안적인 구성예에서, 수정이 화학적 증착환경내에서 반복된 열적 사이클에 의해 투명성을 상실할 수도 있는 재질이기는 하지만, 지지핀의 재료로서 사용될 수 있다. 구멍들은 약 0.025인치(0.64mm)의 직경을 가지며, 핀들은 구멍에 끼워지는 소경의 테일부와 구멍의 연부에 지지되는 대경의 헤더부를 가지는 계단상의 원통형 구조를 가지고 있다. 또 다른 실시예에서는, 구멍(28, 34)들은 제거되고, 실리콘 탄화물 지지핀, 스페이서, 혹은 기타 돌기부들이 웨이퍼함몰부(24)내에 직접 가공형성된다.
세 개의 서스셉터 지지캐비티(44)들이 제 2서클(36)으로부터 반경방향 내측에 위치된 제 3서클(42)에 대해 균등하게 이격배치되어 있다. 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 서스셉터 지지캐비티(44)들은 각각 반응챔버내에 위치된 지지체나 스파이더 조립체(도시않음)의 아암을 수용한다. 스파이더 조립체는 정지상태일 수 있지만, 일반적으로는 회전사프트에 설치되어 웨이퍼상에 균일한 화학증착이 이루어지도록 서스셉터에 회전운동을 제공한다. 바람직한 일실시예에서는, 스파이더 조립체는, 방사상으로 외향 연장된 후 서스셉터(20)의 하부면을 향해 상향 연장된 3개의 아암을 가진 중앙허브를 가지고 있다. 스파이더 조립체는 일반적으로, 반복된 과도한 열사이클링에 견딜 수 있는 수정 등의 광투과성 재질로 제작된다.
서스셉터(20)의 열질량은 웨이퍼보다 약간 크지만 동등한 크기를 갖는다. 그리하여, 가열 및 냉각사이클이 도 4에 도시된 것과 유사하며, 그 결과 종래의 큰 열질량을 가지는 서스셉터에 비해 수율이 증대된다.
다른 일 실시예에서, 저질량 서스셉터(50)는 도 10에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 7에 도시된 서스셉터(20)와 유사한 두께를 가지는 평탄한 디스크형상의 본체를 가지고, 웨이퍼함몰부(24)와 숄더(26)에 의해 형성되는 함몰부를 가지지 아니한다. 다른 한편으로는, 서스셉터(50)는 도 7에 도시된 것과 마찬가지로 웨이퍼지지핀 구멍(28, 29, 34)들과 지지아암 캐비티(44)들을 가진다.
도 11 내지 13은 오픈셀 실리콘 탄화물발포물로 형성된 저질량 서스셉터(60)의 두 번째 실시예를 나타낸 것이다. 도 11의 저면도에는 서스셉터지지체와 회전아암들을 수용하기 위해 서스셉터(60)의 하부측에 형성된 거의 완전한 원형의 그루브(62)가 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 이들 지지아암은 바람직하게는 회전샤프트상에 설치된 수정 스파이더로부터 연장된다. 아암들 중의 하나는 그루브 (62)의 폐쇄된 단부(64a 또는 64b)중 하나에 접촉하여, 서스셉터(60)에 각력 (angular force) 및 회전운동을 제공한다.
도 12는 계단(68)과 웨이퍼함몰부(70)에서 내부직경이 종료되는 외부 원형융기부(66)를 나타내는 서스셉터(60)의 단면도이다. 지지핀(71)은 균등하게 분포된 구멍들내에 끼워져 웨이퍼를 웨이퍼함몰부(70)의 약간 상부에 지지한다. 200mm 웨이퍼를 지지하기 위한 특정한 서스셉터의 일예에서, 함몰부(70)은 약 7.9인치(20.1 cm)의 직경을 가진다. 따라서, 200mm 웨이퍼는 둘레 계단(68)의 1mm내에까지 연장된다. 웨이퍼함몰부(70)의 깊이는 약 0.056인치(1.42mm)이다. 서스셉터(60)의 외경은 약 8.85인치(22.5 cm)이고, 융기부(66)의 두께는 약 0.25인치(6.35mm)이다.
서스셉터(60)의 재질은 오픈셀 실린콘 탄화물발포물로 제조되는 것이 바람직하다. 특히, 이 재질은 인치당 10 -200개의 공극밀도를 갖는 오픈셀 실리콘 탄화물일 수 있으며, 50-150개의 공극을 가지면 더욱 바람직하다. 다양한 밀도의 발포물재료는 캐나다 오클랜드의 에너지리서치 앤드 제너레이션사로부터 구입할 수 있다.
밀도가 약 911kg/㎥라고 가정하면, 본 저질량 서스셉터(60)은 2.3×10-1kg의 질량을 갖는다. 또한, 800°K에서 1135J/kg/°K의 비열과 인치당 200개의 공극을 갖는 실리콘 탄화물발포물의 경우, 서스셉터(60)은 약 206J/°K의 유효열질량 (200mm 웨이퍼의 바로 아래에서)을 가지며, 이것을 웨이퍼의 열질량의 약 4배이고, 미국특허 4,821,674에 개시된 서스셉터와 같은 종래 흑연 서스셉터의 유효열질량의 약 1/4이다. 웨이퍼 아래 원형영역의 외측에 있는 외주부분을 포함한 전체 서스셉터(60)를 고려하면, 서스셉터(60)의 열질량은 약 261J/°K로서, 웨이퍼의 열질량의 5배보다 약간 크다. 이 서스셉터(60)의 경우, 유효열질량에 대한 증배계수 x는 약5,157J/°K/m2이다. 따라서, 웨이퍼가 300mm인 경우, 오픈셀 발포물 서스셉터(60)의 유효열질량은 약 464J/°K로서 웨이퍼 열질량의 약 4배이다. 서스셉터(60)의 열질량이 웨이퍼보다 크기는 하지만, 거의 동등한 크기이며, 이에 의해 처리과정동안 과도적 온도변화에 의해 야기되는 두 요소사이의 온도편차가 현저하게 개선된다. 중요한 점은, 이 서스셉터(60)는 종래의 서스셉터들보다 훨씬 더 빠르게 냉각되어, 이에 따라 시스템의 수율이 증대된다는 것이다.
일 바람직한 실시예에서, 웨이퍼함몰부(70)은 7.931 - 7,953인치(201.45 - 202.00mm)의 직경을 가지고, 웨이퍼함몰부(70)의 깊이는 바람직하게는 0.0555 - 0.0565인치(1.41 - 1.43mm)이다. 서스셉터(60)의 외경은 8.845 - 8.855인치(224.66 - 224.92mm)인 것이 바람직하다.
도 11은 서스셉터(60)의 중앙영역 하부에서 온도센싱장치를 수용하는 함몰부(72)가 도시되어 있다. 특히, 중앙함몰부(72)은 서스셉터(60)의 상면 바로 하부에서 종료되어 있는 온도센싱 써머커플의 접근을 가능하게 한다. 즉, 서스셉터(60)의 두께는 함몰부(72)의 상부에서 최소화되어, 웨이퍼의 중심에서 온도를 검출할 때, 온도센싱 써머커플의 정확도를 높인다. 이 두께는 0.03인치 (0.76mm) 이하인 것이 바람직하다. 혹은, 서스셉터를 관통하는 구멍을 형성하여, 웨이퍼의 중심의 하부 온도를 직접 감지할 수 있도록 할 수도 있다. 서스셉터의 반경방향 외측에서 온도를 감지하기 위한 외측 온도센싱 써머커플을 서스셉터를 둘러싸는 고정링(도시않음)내에 배치할 수도 있다. 써머커플은 수정챔버의 외측에 설치된 방사램프에 의해 공급되는 열을 조정하는 제어시스템에 피드백을 제공하는 데 이용된다.
도 14에는 오픈셀발포물의 제 2실시예인 저질량 서스셉터(80)가 도시되어 있다. 서스셉터(80)는 하부의 발포물부(82)와 상부의 웨이퍼지지면 또는 스킨(84)을 가지고 있다. 발포물부(82)는 도 11 내지 13에서 볼 수 있는 발포물서스셉터(60)와 거의 동일하며, 계단(68)과 웨이퍼함몰부(70)에 의해 형성된 중앙함몰부을 가지고 있지 아니하다. 스킨(84)은 평평한 웨이퍼지지면을 형성하는 조밀한 실리콘 탄화물 또는 그와 유사한 다른 재질로 형성하는 것이 바람직하다. 스킨(84)의 두께는 웨이퍼의 두께보다 작은 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 수백미크론이다. 스킨(84)은 발포물부(82)상에 증착에 의해 형성된다. 도시되어 있지 아니하지만, 스킨(84)의 상부로 연장되는 지지핀들을 마련할 수 있다.
도시된 실시예에서는 평탄한 스킨(84)이 서스셉터(80)의 상면에 있지만, 그러하지 아니하고 전체 서스셉터를 조집한 실리콘 탄화물로 피복할 수도 있다. 실리콘 탄화물의 스킨으로 전체 오픈셀함몰부 서스셉터(80)를 피복할 경우, 노출된 오플셀 발포물재질상에 흡착되거나 모이는 경향을 가진 반응챔버내의 입자들을 줄이는 데 도움이 된다. 더욱이, 오픈셀발포물은 새로운 처리에 대한 사이클링의 이전에 반응제 등의 가스들을 인출하는데 더 많은 시간을 소요할 수 있으며, 이에 의해 수율이 저하된다. 실리콘 탄화물 스킨은 그 흡착을 방지한다. 다시 말해서, 실리콘 탄화물 스킨으로 완전히 코팅된 오픈셀발포물 서스셉터는 캐나다 오클랜드의 에너지리서치 앤드 제너레이션사로부터 구입할 수 있다. 실리콘 탄화물의 스킨은 코딩작업후에 그라인딩 또는 폴리싱등의 가공에 의해 매끄러운 외면을 가짐으로써 오염물질이 부착성을 줄일 수 있을 것으로 생각된다.
도 15 및 16에는 초저질량 링형상 서스셉터(90)가 도시되어 있다. 서스셉터(90)는 계단(96)에서 반경방향 내측의 셀프(94)의 상측으로 융기된 외부융기부(92)을 가지고 있다. 외부융기부(92)내에 형성되어 있는 다수의 노치(98)들은 회전가능한 서스셉터 지지체(도시않음)의 구동아암을 수용한다. 도 16은 셀프(94)의 상부에 지지된 웨이퍼(100)가 가상선으로 도시되어 있다.
서스셉터(90)의 칫수는, 도 7의 저질량 서스셉터(20)와 유사하게, 약 0.03인치(0.76mm)의 두께 및 약 8.8인치(22.35cm)의 외경, 그리고, 약 7.9인치(20.06cm)의 계단(96) 직경을 가진다. 계단(96)는 웨이퍼(100)와 거의 동일한 깊이를 가지고 있다. 웨이퍼(100)의 하부에 구멍을 형성하는 셀프(94)의 내경은 약 7.7인치(19.56cm)이다. 바람직한 실시예에서, 서스셉터(90)는 실리콘 탄화물로 형성되어 있고, 그 유효 열질량은 약 3.7J/°K로서, 이것은 200mm웨이퍼(48J/°K)의 열질량의 약 10배 이하이고, 미국특허 4,821,874에 개시된 서스셉터와 같은 종래의 흑연 서스셉터 보다 약 200배 적다.
도 17은 도 7에 도시된 것과 유사하지만 중앙관통홀(112)을 갖지 아니하는 본 발명에 따른 또 하나의 저질량 서스셉터(110)를 나타낸 것이다. 이 예에서는, 써머커플 또는 고온계와 같은 온도감지장치가 웨이퍼배면의 온도를 검출하는 데 사용될 수 있다. 관통홀(112)은 내부서클(36)내에 서스셉터영역에 6개의 구멍(28, 34)을 형성하여 지지핀(29)들을 수용할 수 있는 크기로 형성되어 있고, 중앙오프셋구멍(33)은 사용되지 아니한다.
도 18에는 저질량 서스셉터(124)가 회전받침대(126)상에 위치고정되어 있는 챔버(122)를 가지는 웨이퍼처리반응기(120)가 개략적으로 도시되어 있다. 웨이퍼(128)는 서스셉터(124)의 상부에 지지되어 있다. 챔버(122)는 상부와 하부에 위치고정된 다수의 방사램프로부터의 방사에너지를 서스셉터(124)와 웨이퍼(128)에까지 효과적으로 전달하는 데 적합한 수정 등의 재질로 제작될 수 있다. 챔버의 일측단부에 형성된 가스유입구(132)는 반응가스를 도입하고, 반응가스는 서스셉터(124)와 웨이퍼(128)의 상부를 가로지르는 방향을 따라 가스유출구(134)로 유동한다. 방사가열램프(130)로부터의 열에너지는 웨이퍼를 가열시켜 반응가스가 웨이퍼상에 증착되도록 한다. 물론, 저질량 서스셉터(124)는 플라스마강화 반응기나 수직유동 "샤워헤드(Showerhead)"형 반응기 등과 같은 다른 반응기(120)에서 적절히 사용될 수 있다.
본 저질량 서스셉터(124)는 주위의 램프(130)들에 의해 발생된 방사열에 매우 균일하게 반응하며, 그래서 서스셉터 주위의 포인트들에서의 온도를 감시하기 위한 복잡한 센싱수단을 필요로 하지 않음을 알 수 있다. 전술한 바와 같이, 중앙의 써모커플(도시않음)은 서스셉터(124)의 중앙영역의 바로 하부 또는 서스셉터의 중앙에 형성된 개방 혹은 차단된 구멍에 위치고정되어, 그 지점에서 서스셉터를 가로지르는 온도의 대표값을 얻을 수 있다. 그리하여, 써머커플은 회전받침대(126)의 비어있는 중앙부를 통해 연장되어 서스셉터(124)의 하부측에 이르도록 할 수 있다.
몇가지 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 명백한 다른 실시예들도 본 발명의 범위내에 속한다. 예를 들어, 실시예의 서스셉터들이 비교적 낮은 열질량을 가지고 있기 때문에 고온의 반응기에 사용하기 특히 적합하기는 하지만, 이들을 저온응용분야에 이용할 수도 있다.

Claims (25)

  1. 반응챔버와, 상기의 반응챔버를 둘러싸는 복수의 가열램프와, 상기 반응챔버의 반응가스 유입구와 반응가스 유출구, 및 약 0.81mm이하의 두께를 가진 디스크 형상의 본체와 거의 상기 본체의 두께이하의 두께를 가진 외주연부를 가지고 상기 챔버내에서 처리되는 웨이퍼를 지지하는 서스셉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼처리시스템.
  2. 웨이퍼의 화학적 증착처리를 위해 배치되는 저질량 서스셉터에 있어서, 상기 서스셉터의 직경을 한정하는 외주연부를 갖는 디스크형상의 본체를 가지며, 상기 디스크형상의 본체의 평면에 직각을 이루고 상기 본체의 두께와 거의 동일한 외주연부를 가지며, 상기 서스셉터의 열질량은 SI단위로, 상기 서스셉터의 직경의 제곱의 6000배 이하인 것을 특징으로 하는 저질량 서스셉터.
  3. 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치에 있어서, 반도체웨이퍼와, 상기 웨이퍼를 지지하는 디스크 형상의 서스셉터를 가지고, 상기 서스셉터의 열질량은 웨이퍼 열질량의 4배 이하이며, 상기 서스셉터는 상기 서스셉터의 상부면으로부터 돌출되어 상기 서스셉터의 상부면에 이격되고 평행한 웨이퍼 지지플랫폼을 형성하는 적어도 3개의 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 서스셉터의 하부면에 형성된 적어도 3개의 서스셉터 수용지지체 수용캐비티를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼처리시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 서스셉터는 약 3200kg/㎥의 밀도를 가지는 실리콘 탄화물로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼처리시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 서스셉터는 상기 상부면에 동심적으로 형성되어 외주계단을 형성하는 원형상의 웨이퍼수용함몰부를 갖는 것을 특징으로 하는 웨이퍼처리시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 서스셉터는 지지되는 웨이퍼의 크기와 동일한 크기를 가진 중앙의 원형부를 가지며, 상기 중앙원형부의 열질량은 SI단위로, 상기 중앙원형부의 직경의 제곱의 6000배 이하인 것을 특징으로 하는 웨이퍼처리시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 서스셉터는 실질적으로 링형상의 커다란 중앙개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 웨이퍼처리시스템.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 스페이서들은 상기 서스셉터로부터 분리되어 형성되거나 상기 서스셉터에 일체성형되며, 상기 서스셉터는 상기 서스셉터의 상부면으로 개구된 스페이서수용구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 스페이서들은 사파이어, 수정 또는 실리콘 탄화물로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치.
  11. 제 3항에 있어서,
    상기 서스셉터는 밀도가 높은 실리콘 탄화물의 박막을 가지는 오픈셀 실리콘 탄화물 발포질을 형성하는 것을 특징으로 하는 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치.
  12. 화학적 증착시스템내에서 웨이퍼를 지지하는 초저질량 서스셉터에 있어서,
    상기 서스셉터는 링형상을 하고 지지되는 웨이퍼의 열질량 이하의 열질량을 가지는 것을 특징으로 하는 초저질량 서스셉터.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 서스셉터의 열질량은 지지되는 상기 웨이퍼의 열질량의 1/10이하인 것을 특징으로 하는 초저질량 서스셉터.
  14. 제 3항에 있어서,
    상기 서스셉터의 열질량은 상기 웨이퍼의 열질량의 약 2배 이하인 것을 특징으로 하는 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치.
  15. 제 2항에 있어서,
    상기 서스셉터는 하부면에 형성된 적어도 3개의 서스셉터 수용지지체 수용캐비티를 포함하는 것을 특징으로 하는 저질량 서스셉터.
  16. 제 2항에 있어서,
    상기 서스셉터는 약 3200kg/㎥의 밀도를 가지는 실리콘 탄화물로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 저질량 서스셉터.
  17. 제 2항에 있어서,
    상기 서스셉터는 상기 상부면에 동심적으로 형성되어 외주계단을 형성하는 원형상의 웨이퍼수용함몰부를 갖는 것을 특징으로 하는 저질량 서스셉터.
  18. 제 2항에 있어서,
    상기 서스셉터는 지지되는 웨이퍼의 크기와 동일한 크기를 가진 중앙의 원형부를 가지며, 상기 중앙원형부의 열질량은 SI단위로, 상기 중앙원형부의 직경의 제곱의 6000배 이하인 것을 특징으로 하는 저질량 서스셉터.
  19. 제 2항에 있어서,
    상기 서스셉터는 실질적으로 링형상의 커다란 중앙개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 저질량 서스셉터.
  20. 제 2항에 있어서,
    상기 서스셉터는 밀도가 높은 실리콘 탄화물의 박막을 가지는 오픈셀 실리콘 탄화물 발포질을 형성하는 것을 특징으로 하는 저질량 서스셉터.
  21. 제 3항에 있어서,
    상기 서스셉터는 하부면에 형성된 적어도 3개의 서스셉터 수용지지체 수용캐비티를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치.
  22. 제 3항에 있어서,
    상기 서스셉터는 약 3200kg/㎥의 밀도를 가지는 실리콘 탄화물로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치.
  23. 제 3항에 있어서,
    상기 서스셉터는 상기 상부면에 동심적으로 형성되어 외주계단을 형성하는 원형상의 웨이퍼수용함몰부를 갖는 것을 특징으로 하는 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치.
  24. 제 3항에 있어서,
    상기 서스셉터는 지지되는 웨이퍼의 크기와 동일한 크기를 가진 중앙의 원형부를 가지며, 상기 중앙원형부의 열질량은 SI단위로, 상기 중앙원형부의 직경의 제곱의 6000배 이하인 것을 특징으로 하는 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치.
  25. 제 3항에 있어서,
    상기 서스셉터는 실질적으로 링형상의 커다란 중앙개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 화학적 증착시스템에 적용을 위한 조합장치.
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