KR100644336B1 - 웨이퍼 처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

반도체 처리 시스템은 처리 챔버, 챔버내로 연장하는 회전가능한 샤프트, 및 챔버내의 웨이퍼 홀더를 포함한다. 회전가능한 샤프트는 그것을 통과하는 가스 흐름 통로를 갖는다. 웨이퍼 홀더는 웨이퍼의 일면 상으로 처리 가스 흐름 통로가 지향하도록 챔버내의 위치에 웨이퍼를 지지할 수 있다.

Description

웨이퍼 처리 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING WAFERS}

본 발명은 반도체 처리 시스템에 관한 것으로, 특히 처리될 웨이퍼 위에 처리 가스의 공핍을 보상하는 반도체 처리 시스템에 관한 것이다.

반도체 장치는 웨이퍼상에 층의 에칭이나 웨이퍼상에 층의 증착과 같은 각각의 처리 단계들에 실리콘 웨이퍼를 노출시킴으로써 제조된다. 웨이퍼는 반도체 처리 챔버내에 삽입되고 처리하기에 충분한 온도로 가열된다. 이어 가스가 웨이퍼를 처리하기 위하여 서로 또는 웨이퍼와 반응하는 챔버내에 유입된다. 웨이퍼상에서 수행되는 비정질 또는 폴리실리콘 처리 단계들중 하나는 웨이퍼상에 에피텍셜 실리콘층의 형성이다. 웨이퍼의 적당한 밀봉과 같은 어떤 이점들은 웨이퍼의 대향면상에 비정질 또는 폴리실리콘층을 증착함으로써 달성될 수 있다.

웨이퍼는 웨이퍼의 하부면과 접촉하는 작은 시트(seat)에 의해 지지된다. 웨이퍼를 그렇게 지지함으로써, 웨이퍼의 하부면은 처리가스에 노출될 수 있다.

어떤 예에서는 웨이퍼 아래에 가열판(heat plate)을 배치시키는 것이 요구될 수 있다. 가열 램프는 가열판이 가열되도록 가열판상에 방사하기 위해 위치될 수 있다. 가열판은 웨이퍼의 하부면을 가열하는데 사용된다. 처리 가스는 웨이퍼의 하부면을 처리할 목적으로 가열판과 웨이퍼 사이의 공간내로 흐른다.

이러한 웨이퍼-가열판 구성과 연관된 한가지 문제는 웨이퍼와 가열판 사이의 공간을 통해 처리가스가 흐르기에는 공간의 크기가 불충분하다는 것이다. 처리 가스는 웨이퍼의 에지 근방에서 공핍하는 경향이 있어 웨이퍼의 중앙 부분이 불충분하게 처리되어진다. 달리 말하면, 처리 가스의 공핍은 웨이퍼의 중앙 부분에서보다 웨이퍼의 에지 근방의 웨이퍼의 하부면상에서 보다 많은 처리가 이루어지는 경향을 초래한다.

반도체 처리 시스템이 개시된다. 일 실시예에 따르면, 반도체 처리 시스템은 회전 샤프트에 연결된 웨이퍼 홀더를 가지는 처리 챔버를 포함한다. 회전 샤프트는 그것을 통과하는 가스 흐름 통로를 갖는다. 처리 동안, 웨이퍼 홀더는 처리 가스 흐름 통로가 웨이퍼의 면상으로 가스 흐름을 지향하도록 챔버내에서 웨이퍼를 지지한다.

도1은 본 발명에 따른 반도체 처리 시스템의 부분 측면도.

도2는 도1의 시스템의 일부를 형성하는 반도체 처리 챔버내에 위치된 웨이퍼 지지 어셈블리의 측면도.

도3은 도2의 웨이퍼 지지 어셈블리에 대한 개선을 제공하는데 사용되는 어셈블리의 측면도.

웨이퍼를 처리하기 위한 반도체 처리 시스템 및 방법이 개시된다. 다음 설명에서, 본 발명의 이해를 제공하기 위해 다양한 구체적인 실시예가 설정되어 있다. 그러나, 본 발명은 이들 구체적인 실시예없이 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예에서, 공지된 엘리먼트 및 처리 기술들은 본 발명을 불필요하게 불명료하게 하는 것을 피하기 위하여 더 상세하게 도시되지 않았다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 반도체 처리 챔버 내에 배치된 웨이퍼 홀더는 종방향으로 연장되는 가스 흐름 통로를 가지는 회전가능한 샤프트에 연결된다. 처리 중에, 가스는 샤프트 가스 통로를 통하여 웨이퍼의 한쪽면에 유입된다.

첨부된 도면의 도 1은 반도체 처리 시스템(10)을 도시하며, 상기 시스템은 본 발명의 일 실시예에서, 화학 기상 증착 원리에 따라 웨이퍼(12)를 처리하기 위하여 이용된다. 시스템(10)은 반도체 처리 챔버(14), 챔버(14)내에 배치된 웨이퍼 지지 어셈블리(16), 반도체 처리 챔버(14)내에서 연장되며 종방향으로 형성된 처리 가스 흐름 통로(20)를 가지는 회전가능한 샤프트(18) 및 반도체 처리 챔버(14) 하부에 배치되어 샤프트(18)를 사용하여 웨이퍼(12)에 대한 운동을 전달하기 위하여 이용되는 어셈블리(22)를 포함한다. 적외선 가열 램프(24)의 원형 어래이는 챔버(14)위에 배치되며, 적외선 가열 램프(26)의 원형 어래이는 챔버(14) 아래에 배치된다.

챔버(14)는 스테인리스 강철 베이스 링(28), 상기 베이스 링의 상부 에지 주변을 밀봉하는 상부 석영 윈도우(30) 및 베이스 링(28)의 하부 에지 주변을 밀봉하는 하부 석영 윈도우(32)로 이루어진다. 처리 가스 입구 포트(34)는 베이스 링(28)을 통하여 챔버(14) 내부로 형성되며, 처리 가스 출구 포트(36)는 베이스 링(28)을 통하여 챔버(14)의 외부로 형성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 지지 어셈블리(16)는 웨이퍼 지지 구조체(42) 및 암(40)에 의하여 수평 위치에서 샤프트(18)에 고정되는 가열 판(38)을 포함하는데, 상기 암은 샤프트(18)에 가열판(38)을 연결한다. 지지 구조체(42)는 샤프트(18) 주위의 슬리브(44) 및 상기 슬리브(44)로부터 가열판(38)의 개구부(48)를 통하여 바깥쪽으로 연장하는 암(46)을 포함한다. 암(46)은 수평 위치로 웨이퍼(12)를 지지하는 소형 시트(50)에서 종료하여 공간(52)이 웨이퍼(12)의 하부면과 가열판(38)의 상부면 사이에 형성되도록 한다.

슬리브(44)는 다수의 슬롯(54)으로 형성되고, 상기 슬롯을 통해 암(40)이 연장한다. 슬리브(44)의 슬롯(54)은 암(40)과 회전가능하게 맞물려서 지지 구조체(42) 및 웨이퍼(12)는 샤프트(18)와 함께 일제히 회전한다. 슬롯(54)은 슬리브가 암(40)상에 안착되는 위치 및 슬리브(44)가 시트(50) 및 웨이퍼(12)를 가열 플레이트(38)에 대하여 상승시켜 상승된 위치 사이에서 슬리브의 축방향 운동이 가능하게 한다.

도 1과 관련하여, 가열 램프(24)는 상부 윈도우(30)를 통하여 적외선광을 웨이퍼(12)의 상부면에 방사하도록 배치되며, 가열 램프(26)는 하부 윈도우(32)를 통하여 적외선광을 웨이퍼(12)의 하부면에 방사하도록 배치된다.

실린더(56)는 샤프트(18) 주위에 배치되며, 샤프트(18)에 대하여 축방향으로 이동된다. 실린더(56) 및 샤프트(18) 모두는 하부 윈도우(32)의 튜브형 개구부(57)를 통하여 연장된다.

반도체 처리 챔버(14)하부에 배치된 어셈블리(22)는 샤프트(19)를 회전시키고 샤프트(19)와 실린더(56)의 병진 운동을 발생시킨다. 어셈블리(22)는 비회전 콤포넌트 및 회전 콤포넌트를 포함하며, 이에 대하여는 이하에서 상세히 설명한다. 도 1 및 3을 참조로, 비회전 콤포넌트는 하부 윈도우(32)의 튜브형 개구부(57)의 주변을 밀봉시키는 상부 링(58), 상기 상부 링(58) 하부의 실린더 액추에이터 링(60) 및 실린더 액추에이터 링(60) 하부의 하부 컵(62)을 포함한다. 상부 링(58) 및 실린더 액추에이터 링(60) 사이의 벨로우즈(64)는 상부 링(58)에 대하여 실린더 액추에이터 링(60)의 운동을 허용한다. 실린더 액추에이터 링(60)과 하부 컵(60)사이의 벨로우즈(66)는 실린더 액추에이터 링(60)에 대하여 하부 컵(62)의 이동을 허용한다.

도 3에서, 회전 콤포넌트는 상부 링(58)과 실린더 액추에이터 링(60)을 통하여 하부 컵(62)으로 하방향으로 연장되는 샤프트(18), 하부 컵(62)내의 테프론(상표명 Teflon) 시트(68), 시트(68)와 맞물린 제 1자석(70) 및 하부 컵(62) 주위의 제 2자석(72)을 포함한다. 샤프트(18), 시트(68) 및 제 1자석(70)은 내부 베어링(74)에 의하여 하부 컵(62)에 회전가능하게 장착된다. 제 2자석(72)은 외부 베어링(76)에 의하여 하부 컵(62)에 회전가능하게 장착된다.

기어(78)가 제 2자석(72)을 감싸며 맞물린다. 모터(80)는 하부 컵(62)에 장착되며 기어(78)로 망사 구조인 피니온(82)을 구동시킨다. 모터(80)에 의한 피니온(82)의 회전은 기어(78)와 제 2자석(72)을 회전시킨다. 제 2자석(72)은 하부 컵(62)을 통한 제 1자석(70)의 회전을 유도한다. 제 1자석(70)의 회전은 시트(68)와 샤프트(18)를 회전시킨다. 이전에 설명한, 샤프트(18)의 회전은 가열 플레이트(38)와 웨이퍼(12)를 회전시킨다.

샤프트(18) 축을 따른 하부 컵(62)의 운동은 벨로우즈(66)의 압축과 확장에 의하여 허용된다. 상기와 같은 하부 컵(62)의 축방향 운동은 샤프트(18)의 축방향 운동을 발생시켜 가열판(38)의 높이를 변동시킨다.

실린더(56)는 실린더 액추에이터 링(60)상에 안착된다. 실린더(56)의 축방향으로 실린더 액추에이터 링(60)의 운동은 벨로우즈(64)의 압축과 확장에 의하여 허용된다. 상기와 같은 실린더 액추에이터 링(60)의 축방향 운동은 웨이퍼 지지 구조체(42)의 슬리브(44)와 실린더(56)가 맞물렸다 떨어졌다하도록 한다. 실린더 액추에이터 링(60)의 추가 운동은 웨이퍼(12)의 높이를 변동시킨다.

이와 같이 웨이퍼(12)의 높이 및 가열판(38)의 높이를 변동시킴으로써, 웨이퍼(12)와 가열판(38)사이의 공간은 조절될 수 있으며, 웨이퍼(12)와 가열 판(38)은 처리 챔버의 베이스 링(28)내의 슬롯(도시 안됨)을 통하여 웨이퍼 이송 블레이드를 삽입하기 위하여 하강될 수 있다.

도 3에서, 가스 통로(20)의 일부가 시트(68)와 샤프트(18)를 통하여 연장되는 것이 도시된다.

하부 컵(62)의 하부 개구부(89)를 통하여 연장하는 노즐(88)은 가스 통로(20)에 배치된 팁(90)을 가진다.

도 2에 도시된 대로, 가스 통로(20)는 샤프트(18)의 상부 단부(82)를 통해 모든 방향으로 연장한다. 샤프트의 상부 단부(82)는 부분적으로 가열판(38)의 홀(84)을 통해 부분적으로 연장한다.

사용시, 열 램프(24)는 적외선 방사에 의해 필요한 처리 온도까지 웨이퍼(12)의 상부면을 가열하며, 열 램프(26)는 적외선 방사에 의해 가열판(38)을 가열한다. 가열판(38)은 차례로 공간(52)을 통해 방사 열 전달 및 대류에 의해 웨이퍼(12)의 하부를 가열한다. 고온계(86)는 가열판(28)의 하부 표면 온도를 검출한다.

웨이퍼 처리(12)는 인입구(34)를 통해 챔버(14)로 제 1 처리 가스 흐름을 유도함으로써 달성된다. 제 1 처리 가스는 웨이퍼(12)의 상부면 위로 주로 흐른다. 제 1 처리 가스 흐름은 실질적으로 웨이퍼(12)의 상부면과 평행한 방향이다. 제 1 처리 가스 흐름의 일부는 웨이퍼(12)의 하부면과 가열판(38)의 상부면 사이의 공간으로 흐른다.

전술한 대로, 공간(52)의 제한된 용적으로 인해, 공간(52)으로 유도된 처리 가스는 웨이퍼의 하부면 상의 중심부에 도달하기 전에 소멸되기 쉽다.

제 2 처리 가스 흐름은 하부 컵(62)을 거쳐 통로(20) 내로 연장하는 노즐(88)을 통해 유도된다. 처리 가스는 통로(20)를 통해 챔버(14) 내로 흐르며 공간(52) 및 웨이퍼(12)의 하부면의 중심 영역에서의 웨이퍼(12)의 하부면 위로 향한다. 제 2 가스 흐름 출구 통로(20)는 실질적으로 웨이퍼의 하부면과 평행한 방향이다. 통로(20)를 통한 처리 가스 흐름은 웨이퍼(12)의 하부면의 중심 영역의 웨이퍼(12)를 주로 처리하기 위해 사용된다. 따라서 인입구(34) 및 노즐(88)을 통해 각각 유도된 처리 가스는 공동으로 웨이퍼(12)의 하부면이 보다 균일하게 처리되는 것을 보장한다.

전술한 대로 반도체 처리 시스템의 주요한 장점은 처리 가스가 웨이퍼(12)의 하부면 위로 통로(20)를 통하여 향할 수 있다는 것이다. 따라서 웨이퍼의 하부면이 처리될 수 있다. 샤프트(18)를 통해 통로(20)를 형성함으로써, 웨이퍼 하부면을 처리하기 위한 간단한 해결책이 제공된다. 특히, 제한된 용적을 가지는 공간(52)이 가열판(38)과 웨이퍼(12) 사이에 제공될지라도 웨이퍼(12) 하부면의 중심부는 처리될 수 있다. 두 면들 사이에 열 전달을 최대화하기 위해 가열판(38)과 웨이퍼의 하부면 사이의 거리를 최소화하는 것이 중요하다는 것을 주의하라. 인입구(34) 및 통로(20)를 통해 유도된 처리 가스와 공동으로 웨이퍼의 하부면을 처리함으로써, 웨이퍼의 전체 하부면의 보다 균일한 처리가 달성될 수 있다. 더욱이, 웨이퍼의 전체 하부면은 가열판(38)을 제거하지 않고 처리될 수 있다. 따라서 가열판(38)은 웨이퍼(12)의 간접 가열 및 고온계(86)가 온도를 검출할 수 있는 기준 포인트를 제공하기 위해 사용된다.

처리 가스가 통로(20)를 통해 웨이퍼(12)의 하부면 위로 향할 경우, 웨이퍼(12)는 시트(50)로부터 장착되지 않게 되기 쉬울 수도 있다. 도 2를 참조하면, 시트(50)는 내부 시팅 부분(90) 및 외부 부분(92)으로 형성된다. 외부 부분(92)은 웨이퍼가 시팅 면(50)을 미끄러지지 않게 하는 경사면을 가진다.

비록 처리 시스템(10)이 택일적으로 웨이퍼 상에 에피텍셜 실리콘 층의 제공 또는 다른 적절한 목적을 위해 사용될 수 있더라도, 처리 시스템(10)은 예를 들어, 웨이퍼 대향면 상에 균일하게 비결정질 실리콘 또는 폴리실리콘 층을 형성하기 위해 응용된다.

기술 분야의 당업자에 의해 변경이 가해질 수도 있기 때문에, 소정의 실시예가 서술되고 덧붙인 도면에 도시되지만, 그러한 실시예는 단지 예시이며 본 발명을 한정하지 않으며, 본 발명은 도시하고 설명한 구조 및 장치에 한정되지 않는다.

Claims (28)

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15. 처리 가스 입구 포트 및 처리 가스 출구 포트를 구비한 처리 챔버;

    상기 챔버 내에 위치한 웨이퍼 홀더;

    상기 홀더에 의해 지지될 때 상기 웨이퍼로부터 이격된 위치에서 챔버 내에 위치한 가열판으로서, 처리 가스 흐름 공간을 상기 가열판의 표면과 상기 웨이퍼의 일면 사이에 한정하는, 가열판;

    상기 가열판을 가열하는 가열 장치;

    상기 챔버 내로 연장하는 회전가능한 샤프트로서, 처리 가스 흐름 통로를 상기 챔버 내로 한정하고, 상기 처리 가스 흐름 공간 내에서 상기 웨이퍼의 일면 상으로 흐름을 지향하도록 하는, 회전가능한 샤프트; 및

    상기 처리 챔버의 외측에 위치한 액츄에이터로서, 상기 웨이퍼 홀더 및 상기 가열판 중 어느 하나에 연결되어 상기 웨이퍼 홀더 및 상기 가열판이 서로에 대해 상대적으로 이동하여 이에 따라 상기 처리 가스 흐름 공간의 너비를 변경하는 액츄에이터를 포함하는, 반도체 처리 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 웨이퍼 홀더가 상기 샤프트에 연결되어, 상기 샤프트가 상기 웨이퍼 홀더를 회전시키는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 시스템.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 통로는 상기 가열판을 통하도록 연장하는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 시스템.
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 액츄에이터가, 상기 챔버 내에서 상기 웨이퍼 홀더를 상기 가열판에 대해 상대적으로 이동시키도록 상기 웨이퍼 홀더에 연결된 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 시스템.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 샤프트는 그 축방향으로 상기 챔버 안팎으로 이동가능하며, 상기 가열판은 상기 챔버 내에서 상기 웨이퍼에 대해 상대적으로 이동하도록 상기 샤프트에 연결된 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 시스템.
20. 제 15 항에 있어서,

    상기 샤프트는 그 축방향으로 상기 챔버 안팎으로 이동가능하며, 상기 가열판은 상기 챔버 내에서 상기 웨이퍼에 대해 상대적으로 이동하도록 상기 샤프트에 연결된 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 시스템.
21. 제 15 항에 있어서,

    상기 반도체 처리 시스템은 사용시 상기 가열판을 가열하는 가열원을 포함하는 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 시스템.
22. 처리 챔버;

    상기 챔버 내의 웨이퍼를 지지하도록 상기 챔버 내에 위치한 웨이퍼 홀더;

    상기 웨이퍼로부터 이격된 위치에서 상기 챔버 내에 위치한 가열판으로서, 처리 가스 흐름 공간을 상기 가열판의 표면과 상기 웨이퍼의 일면 사이에 한정하는, 가열판;

    상기 가열판을 가열하는 가열 장치;

    상기 챔버 내에 연장된 구조체로서, 처리 가스 흐름 통로가 상기 처리 가스 흐름 공간 내로 연장하도록 한정하는 구조체; 및

    상기 처리 챔버의 외측에 위치한 액츄에이터로서, 상기 웨이퍼 홀더 및 상기 가열판 중 어느 하나에 연결되어 상기 웨이퍼 홀더 및 상기 가열판이 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하며 이에 따라 상기 처리 가스 흐름 공간의 너비를 변경 가능한 액츄에이터를 포함하는, 반도체 처리 시스템.
23. 제 22 항에 있어서,

    상기 구조체는 회전가능한 샤프트를 포함하는, 반도체 처리 시스템.
24. 제 23 항에 있어서,

    상기 웨이퍼 홀더는 상기 샤프트에 연결되어, 상기 샤프트가 상기 웨이퍼 홀더를 회전시키는, 반도체 처리 시스템.
25. 처리 가스 입구 포트 및 처리 가스 출구 포트를 구비한 처리 챔버;

    상기 챔버 내에 있는 웨이퍼 홀더;

    상기 홀더에 의해 지지될 때 상기 웨이퍼로부터 이격된 위치에서 챔버 내에 위치한 가열판으로서, 상기 홀더에 의해 지지될 때 상기 가열판의 표면과 상기 웨이퍼의 일면 사이에 처리 가스 흐름 공간을 한정하는, 가열판;

    상기 가열판을 가열하는 가열 장치;

    상기 챔버 내로 연장하는 회전가능한 샤프트로서, 상기 샤프트는, 상기 챔버 내로 처리 가스를 유입하며 상기 처리 가스 흐름 공간 내에서 상기 웨이퍼의 일면 상으로 흐름을 지향하기 위해 처리 가스 흐름 통로를 상기 샤프트를 통해 연장되도록 한정하며, 상기 통로가 상기 가열판을 통해 연장되는, 회전가능한 샤프트; 및

    상기 처리 챔버의 외측에 위치한 액츄에이터로서, 상기 웨이퍼 홀더 및 상기 가열판 중 어느 하나에 연결되어 상기 웨이퍼 홀더 및 상기 가열판이 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하며 이에 따라 상기 처리 가스 흐름 공간의 너비를 변경 가능한 액츄에이터를 포함하는, 반도체 처리 시스템.
26. 제 25 항에 있어서,

    상기 샤프트는 그 축방향으로 상기 챔버 안팎으로 이동가능하며, 상기 가열판은 상기 챔버 내에서 상기 웨이퍼에 대해 상대적으로 이동하도록 상기 샤프트에 연결된 것을 특징으로 하는, 반도체 처리 시스템.
27. 처리 챔버 내의 가열판의 표면과 웨이퍼의 일면 사이에 한정된 처리 가스 흐름 공간을 구비한 상기 처리 챔버 내에 상기 웨이퍼를 붙잡는 단계;

    상기 처리 챔버 외측에서 장치를 구동하여, 상기 가열판을 상기 웨이퍼에 대해 상대적으로 이동시키며, 이에 따라 상기 처리 가스 흐름 공간의 너비를 제어하는 단계; 및

    상기 가열판을 통과하여 상기 처리 가스 흐름 공간 내로 그리고 상기 웨이퍼의 일면 상으로 배출하는 처리 가스 흐름 통로를 통해서 가스를 지향시키는 단계를 포함하는, 웨이퍼 처리 방법.
28. 대향하는 제 1 면 및 제 2 면을 구비한 웨이퍼를 제공하는 단계;

    상기 챔버 내에 위치한 가열판의 표면과 상기 웨이퍼의 상기 제 1 면 사이에서 한정된 처리 가스 흐름 공간을 구비한 처리 챔버 내에 웨이퍼를 위치시키는 단계;

    상기 처리 챔버 외측에서 장치를 구동하여, 상기 가열판을 상기 웨이퍼에 대해 상대적으로 이동시키며, 이에 따라 상기 처리 가스 흐름 공간의 너비를 제어하는 단계;

    상기 가열판을 통과하여 상기 웨이퍼의 상기 제 1 면 상으로 배출하는 처리 가스 흐름 통로를 통해서 제 1 가스 흐름을 지향시키는 단계로서, 상기 제 1 가스 흐름은 상기 제 1 면에 대체로 평행한, 제 1 가스를 지향시키는 단계; 및

    상기 웨이퍼의 상기 제 2 면 상으로 제 2 가스 흐름을 지향시키는 단계로서, 상기 제 2 가스 흐름은 상기 제 2 면에 대체로 평행한, 제 2 가스를 지향시키는 단계를 포함하는, 웨이퍼 처리 방법.

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