KR100697468B1 - 급속 열 처리 시스템용 냉각 샤워헤드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바디가 방사 소스로부터의 가시광 및 IR 부근의 방사선을 투과시키며 공급된 유체를 이동시키고 분포시키기 위한 내부 채널을 포함한다.
Description
본 발명은 온도가 신속하고 균일하게 변화해야 하는 반도체 웨이퍼 및 부품과 같은 물체의 급속 열 처리(RTP) 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 분야는 유체가 처리될 물체의 표면 상에 매우 균일하고 제어가능한 방식으로 영향을 미치도록 RTP 시스템으로 유체를 주입시키는 것에 관한 것이다.
급속 열 처리(RTP) 분야는 주로 RTP 시스템에서 처리되는 반도체 웨이퍼의 균일한 가열 처리에 이용되었다. 일반적으로 RTP 시스템은 램프와 같은 방사 소스로부터의 방사선을 투과시키는 적어도 하나의 벽을 갖춘 챔버를 포함한다. 처리될 물체는 챔버 내에 위치되고 방사 소스로부터의 방사선에 의해 조사되어 가열된다. 시스템이 처리공정 동안 물체가 위치되는 분위기를 제어하는 경우에는, 투과 벽을 갖는 챔버가 시스템에서 반드시 필요한 것은 아니다. 이 때 램프가 윈도우를 방해하지 않고 물체 부근에 위치될 수 있다. 조사되는 방사선의 균일성을 증가시키기 위해 램프의 배터리를 사용하여 각각의 램프를 개별적으로 제어하는 것이 많이 발전하였다. 이제 이러한 균일성은 산화물 또는 질화물의 매우 얇은 층을 수초 내에 실리콘 웨이퍼 상에서 성장시키기에 충분하다.
이러한 RTP 시스템은 화학적 기상 증착(CVD) 또는 플라즈마 강화 CVD(PE-CVD) 증착에 사용될 수 있다. 종래 시스템에서, 처리될 물체, 일반적으로 반도체 웨이퍼는 가열될 수 있는 서셉터에 의해 시스템 내에서 보유되고, 웨이퍼로 열이 전달된다. 반응 가스는 서셉터 보다는 웨이퍼의 맞은편 측으로부터 시스템 내로 주입된다. 일반적으로, 서셉터와 떨어진 웨이퍼 측면이 RTP 시스템의 방사 소스에 의해 조사되는 경우, 반응 가스가 웨이퍼 측면들로부터 주입된다. 측면으로부터의 반응 가스 주입은 웨이퍼의 표면 위로 가스의 불균일한 밀도를 야기시키며, 증착 또는 반응된 물질의 불균일한 막은 이러한 불균일한 개시 상태로 인한 것이다.
종래의 시스템은 반응 가스가 웨이퍼 상에 매우 균일하게 공급하기 위해 샤워헤드 장치를 사용한다. 이러한 종래 시스템은 웨이퍼 후방으로부터 웨이퍼로 적외선 광을 반사시키도록 반사형 샤워헤드를 사용하며, 이는 웨이퍼의 온도 균일성을 증가시킨다. 그러나, 이러한 샤워헤드는 증착 측면으로부터 웨이퍼의 방사를 방해한다.
RTP 시스템이 점점 더 큰 웨이퍼(현재 300mm 직경)를 처리함에 따라, RTP 챔버의 상대적 크기가 변화되어, RTP 시스템의 보조 부품들이 웨이퍼와 상대적으로 가깝게 접근하게 된다. 뜨거운 웨이퍼로부터의 긴 파장의 적외선에 의해 보조 부품이 가열되는 문제가 점점 심각해지게 되고, 이는 긴 파장의 방사선이 도달하는 챔버 벽 등을 냉각시키는 것을 더욱 더 어렵게 한다. 특히, RTP 시스템 방사 소스로부터의 가시광 및 근적외선(near-IR)을 투과시키는 샤워헤드는 증착 측면으로부터 방사되는 CVD 또는 PE-CVD RTP 시스템에서의 반응 가스의 균일한 공급을 위해 요구된다. 이러한 샤워헤드는 뜨거운 웨이퍼로부터의 긴 파장의 IR에 의해 가열되며, 반응 가스는 샤워헤드의 뜨거운 표면 상에서 반응한다. 예를 들어, 샤워헤드 상에서의 실리콘 막의 형성은 실리콘이 가시광 및 근적외선을 흡수하여 보다 뜨거워지고 반응을 가속시키는 급속한 런어웨이 상태에 이르게 한다.
RTP 원리에 기초한 반응기는 웨이퍼 조작 처리 동안 반응기 챔버의 한쪽 단부의 전체 단면이 개방된다. 이러한 구성은 공정이 변화되거나 또는 예를 들어 상이한 크기의 웨이퍼가 사용되는 경우, 크기가 상당히 크고 웨이퍼 보다 두꺼울 수 있는 다양한 웨이퍼 홀더, 가드 링, 및 가스 분포 판이 챔버 속으로 삽입되고 빠르고 쉽게 변화되어야 하기 때문에 설정된다. 반응 챔버 크기는 보조 부품에 맞게 설계된다. 미국 특허 5,580,830호에는 처리 챔버내에서 가스 흐름을 조절하고 불순물을 제어하기 위해 가스 흐름의 중요성과 도어에 개구부를 사용하는 것을 개시하고 있다.
미국 특허 5,628,564호에는 넓은 범위의 스펙트럼에 응답하는 고온계를 사용하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 것에 대한 중요성이 개시되어 있다.
일반적으로 종래의 RTP 시스템에서 가열되는 웨이퍼는 시스템의 반사벽에 정확히 평행하게 웨이퍼를 홀딩하는 다수의 석영 핀 상에 위치된다. 종래 시스템은 기계식 서셉터 상에 일반적으로 균일한 실리콘 웨이퍼인, 웨이퍼를 위치시킨다. 공동계류중인 특허 출원 번호 08/537,409호에는 웨이퍼로부터 분리되는 서섭터 판의 중요성이 개시되어 있다.
Ⅲ-Ⅴ 반도체의 급속 열 처리는 실리콘의 RTP만큼 성공적이지 못했다. 이에 대한 한가지 이유는 표면이 예를 들어, 갈륨 비소(GaAs)의 경우에 비소(As)가 상대적으로 높은 증기압을 갖기 때문이다. 표면 영역은 As가 고갈되어 재료 품질이 저하된다. 공동계류중인 특허 출원 번호 08/631,265는 이러한 문제를 해결하는 방법 및 장치를 제공한다.
펄스형 광선으로 웨이퍼를 국부적으로 가열함으로써 저농도로 도핑되고, 상대적으로 낮은 온도인 웨이퍼의 방사율을 증가시키는 방법이 공동계류중인 출원 번호 08/632,364호에 개시되어 있다.
물체의 RTP를 위한 방법, 장치 및 시스템은 1997년 10월 17일자로 Lerch 등에 의해 출원된 공동계류중인 출원 번호 08/953,590호에 개시되어 있다.
소량의 반응 가스를 산화물 또는 반도체의 에칭을 제어하는데 사용하는 기판의 RTP 방법은 1997년 7월 1일자로 Nenyei 등에 의해 출원된 공동 계류중인 출원 번호 08/886,215호에 개시되어 있다.
실리콘의 증발이 제어되는 기판의 RTP 방법은 1998년 1월 29일자로 Marcus 등에 의해 출원된 공동 계류중인 출원 번호 09/015,441호에 개시되어 있다.
실리콘 산화질화물 막을 제조하는 방법은 1998년 12월 15일자로 Kwong 등에 의해 출원된 출원 번호 09/212,495호에 개시되어 있다.
RTP 시스템에서 웨이퍼를 회전시키는 방법은 1997년 10월 29일자로 Blersch 등에 의해 출원된 출원 번호 08/960,150호, Aschner등에 의해 1997년 11월 24일자로 출원된 출원 번호 08/977,019호 및 1998년 12월 11일자로 Aschner에 의해 출원된 출원 번호 09/209,735호에 개시되어 있다. 상기 출원들은 본 발명자의 양수인에게 양도되었으며 본 명세서에서 참조로 포함된다.
본 발명의 목적은 RTP 시스템 내에서 가열되는 물체의 표면에 반응 유체를 공급하기 위한 샤워헤드를 제조하는 것이다.
본 발명의 목적은 RTP 시스템 내에서 가열되는 물체의 표면에 반응 유체를 공급하기 위한 냉각 샤워헤드를 제조하는 것이다.
본 발명의 목적은 표면이 RTP 시스템의 방사 소스에 의해 방사될 수 있도록 RTP 시스템 내에서 가열되는 물체의 표면에 반응 유체를 공급하기 위한 샤워헤드를 제조하는 것이다.
본 발명의 목적은, 샤워헤드를 냉각시키는 냉각 시스템이 저렴한, RTP 시스템 내에서 가열되는 물체의 표면에 반응 유체를 공급하기 위한 냉각 샤워헤드를 제조하는 것이다.
본 발명의 목적은, 다수의 가스가 물체의 표면에 공급될 수 있도록, RTP 시스템 내에서 가열되는 물체의 표면에 반응 유체를 공급하기 위한 냉각 샤워헤드를 제조하는 것이며, 다수의 가스는 샤워헤드 및 물체 사이의 공간에서 먼저 혼합된다.
RTP 시스템 내에서 가열되는 물체의 표면에 반응 유체를 공급하기 위한 투과 샤워헤드에 관한 장치, 방법 및 시스템이 제공된다. 유체를 냉각 및 혼합시키는 혁신적인 방법이 개시된다. 채널에 있는 개구부를 통해 배출되는 유체의 흐름을 공급하기 위해 서로 맞물린(interdigitated) 채널이 제공된다. 서로 맞물려 반대로 진행하는(counterpropagating) 흐름은 샤워헤드와 처리될 물체 표면 사이의 공간에 반응 유체를 상호혼합시킨다. RTP 시스템의 윈도우 및 샤워헤드는 혁신적인 방식으로 조합되어 윈도우 및 샤워헤드의 냉각이 동일한 냉각 장치와 조합될 수 있다.
도 1은 RTP 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 반응 유체의 흐름을 분포시키기 위한 수단을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 또다른 실시예를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예를 나타내는 도면.
도 7은 다수의 냉각 하프(half) 튜브(72)에 부착된 투과판(70)을 나타내는 도면.
도 1은 본 발명의 적절한 실시예에 따른 RTP 시스템을 개략적으로 나타낸다. 챔버(10)는 방사 소스(14A, 14B)로부터의 광을 처리될 물체(18) 상으로 반사시키는 반사벽(12)을 포함한다. 일반적으로 물체(18)는 반도체 웨이퍼이지만, 임의의 다른 물질일 수도 있다. 일반적으로 물체는 편평하고 둥글지만, 편평한 사각형 또는 임의의 다른 형상이라도 가능하다. 물체는 핀(16) 상에 위치된다. 반응기(11)는 물체가 처리 가스 내에서 처리될 수 있도록 물체를 둘러싼다. 이전 시스템 내에서의 반응기(11)는 물체(18)를 삽입하기 위해 한쪽 단부가 개방된 편평한 사각형 박스인 반면, 후자의 챔버는 알루미늄 또는 스테인레스 강 또는 다른 구조적 물질의 측벽을 갖는 석영 또는 사파이어의 편평한 둥근 판이다. 반응 챔버 속으로 물체(18)를 삽입하기 위한 도어를 갖춘 개구부는 공지되어 있다. 방사 소스(14A, 14B)로부터 방사 세기를 상승시키고 조절하기 위한 수단(15A), 물체 온도를 측정하기 위한 수단(15B), 온도를 계산하기 위한 수단(15C), 웨이퍼를 둘러싸는 분위기 가스를 제어하기 위한 수단(15D), 유체의 흐름을 제어하기 위한 수단(15E)이 도시되어 있으며, 이는 공지되어 있다. 수단(15A-E)은 자체에 마이크로프로세서 제어기를 각각 갖춘 장치의 독립형 부품이거나, 또는 임의의 수단(15A-E)에 포함됨으로써 형성된 중앙 컴퓨터 시스템에 의해 제어될 수 있고, 또는 내장형 컴퓨터 수단 또는 중앙 컴퓨터 수단의 임의의 조합일 수 있다. 웨이퍼의 표면 상에 반응 가스의 흐름을 균일하게 분포시키기 위한 샤워헤드(13)가 도 1에 개략적으로 도시되어 있으며, 이하 도면들에서는 보다 상세한 설명과 다양한 실시예가 도시된다. 냉각 가스(17)는 챔버(10)를 냉각시킬 목적으로 챔버(10)의 벽, 방사 소스(14A, 14B), 및 반응기(11)의 벽을 통해 전달되는 것으로 도시된다.
물체(18)의 표면 상으로 반응 유체의 흐름을 분포시키기 위한 샤워헤드(13)에 대한 바람직한 실시예가 도 2에 도시된다. 교차된 튜브의 그리드가 나타나 있으며, 한 세트의 평행한 튜브(20)는 또다른 세트의 평행한 튜브(22)를 냉각시키기 위해 냉각 유체(24)를 보유한다. 냉각 유체(24)는 공기, 질소, 아르곤, 또는 다른 불활성 또는 반응 가스이거나, 또는 물 또는 글리콜 또는 다른 일반적인 냉각 유체와 같은 액체일 수 있다. 튜브(20, 22)는 방사 소스(14B)로부터의 가시광 및/또는 근적외선을 투과시킨다. 반응 가스(26)는 튜브(22)로 흘러, 물체(18)의 표면 상에 균일하게 영향을 미치도록 개구부(28)를 통해 튜브(22)로 배출된다. 튜브(20, 22)는 바람직하게 석영으로 구성되지만 램프로부터의 가시광 및 근적외선의 방사선을 투과시키는 임의의 물질로 구성될 수 있고, 바람직하게 튜브가 도 2와 관련하여 도시된 곳에서 조합된다. 도시된 튜브(20, 22)는 둥글이지만, 사각형 또는 다른 단면의 튜브로 교체될 수 있다. 사용되는 석영은 반응기(11)를 제조하는데 사용되는 동일한 형태의 석영 또는 다른 물질일 수 있으며, 또는 다른 형태의 석영 또는 또 다른 물질일 수 있고, 또는 방사 소스(14B)로부터 방출되는 가시광 및/또는 근적외선의 상당량을 투과시키는 임의의 물질로 챔버를 구성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또다른 실시예를 나타내며, 도 2의 단면형 그리드 장치는 튜브 대신에 평탄한 판에 의해 형성된 2개의 챔버 시스템으로 교체된다. 냉각 유체(24)는 인입구(32)에서 챔버(30)로 진입되어 챔버를 따라 또는 챔버에서의 채널을 흘러 배기구(34)에서 배출된다. 챔버(30)는 챔버(36)와 공통 벽을 공유한다. 반응 가스(26)가 챔버(36)로 들어가 챔버(36)의 외부 벽에 있는 개구부(28) 쪽으로 챔버(36) 또는 챔버(36)의 채널을 향해 흘러가, 반응 가스가 물체(18) 표면 상에 균일하게 공급된다. 챔버(30, 36)의 벽은 일반적으로 석영으로 구성되며, 반응기(11) 물질과 동일한 또는 다른 석영으로 구성되거나, 또는 방사 소스(14B)로부터 방출되는 가시광 및/또는 근적외선의 상당량을 투과시키는 임의의 물질로 구성될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 나타낸 것이다. RTP 반응기(11)의 한쪽 전체 벽은 석영판(40)으로 교체된다. 석영판(40)과 연결된 하프 튜브(42)로 절단된 세트에 의해 형성된 일련의 채널(46)이 도시된다. 냉각 유체 또는 냉각 가스(44)는 방사 소스(14B)를 냉각시키며, 하프 튜브(42) 및 석영판(40) 상에 공급되어 이들을 냉각시킨다. 석영판(40) 및 하프 튜브(42)는 RTP 시스템에서 표준으로사용되는 윈도우 대신에 사용될 수 있다. 냉각 시스템은 RTP 시스템의 램프 및 윈도우를 냉각시키는데 일반적으로 사용되는 냉각 시스템일 수 있다. 반응 가스(26)가 채널(46) 속으로 주입되고(도시되지 않음) 여기서는 웨이퍼로서 도시된 물체(18) 상에 균일하게 공급되도록 개구부(28)로 배출된다. 냉각 유체 또는 냉각 가스(44)는 채널(46)의 벽 및 반응 가스(26)를 냉각시켜, 반응 가스(26)가 채널(46)의 내부 벽 상에서 반응 및 증착되지 않도록 한다. 도시된 것처럼, 하프 튜브(42)는 단면이 원형이거나, 또는 사각형, 삼각형 또는 상기 부재의 압출성형을 위해 필요에 따라 그리고 편의상 다른 단면을 갖을 수 있다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예를 나타내며, 2개의 평행한 채널형상 채널(46)이 2세트의 채널(50, 52)에 의해 형성된다. 제 2 반응 가스(53)가 튜브(54)로부터 채널(50)로 들어가고, 제 1 반응 가스(55)가 튜브(56)로부터 채널(52)로 들어간다. 가스(53, 55)의 서로 맞물려 반대로 진행하는 가스 흐름은 채널(50, 52)에 의해 형성된 채널 내의 개구부(도시되지 않음)를 통해 나란히 유입된다. 이러한 방식으로, 2개의 반응 가스(53, 55)는 이들이 도 5에서 원형 점선으로 도시된 위치에 있는, 샤워헤드(13)와 물체(18) 사이의 공간에 있을 때까지 전혀 혼합되지 않는다. 이는 2개 가스가 낮은 온도에서 반응하여 서로 혼합될 때 매우 중요하다. 사실상, 가스(53, 55)들 중 하나는 다른 하나에 대해 불활성 희석제일 수 있기 때문에, 양쪽 모두가 반응성이 아닐 수 있다. 도 5에 도시된 서로 맞물린 채널은 도 2의 튜브를 사용할 수 있고, 도 3의 챔버(36)에서 (도시되지 않은) 적절한 채널 벽들이 추가된 도 3의 챔버, 또는 도 4에 도시된 하프 튜브를 사용할 수 있다.
도 6은 처리될 물체(18)가 자계 발생 수단(62)에 의해 발생되는 자계(60)에 포함되는 경우 본 발명의 실시예를 나타낸 것이다. 자계는 증착이 일어나는 경우 물체(18)의 표면과 평행하게 도 6에 도시되나, 자계는 또한 임의의 다른 방향으로 또는 물체(18)의 표면과 수직일 수 있다. 회전식 샤프트(66)에 의해 지지되는 서셉터(64)는 물체(18)가 증착하는 동안 회전할 수 있다는 것을 나타내도록 도시된다. 샤프트는 기술상 이전에 공지된 것과 같은 회전 수단을 나타내는 것으로 도시된다. RTP 시스템에서 웨이퍼를 회전시키는 방법은 Blersch 등 및 Aschner 등에 의해 각각 1997년 10월 29일과 1997년 11월 24일 출원된 출원 번호 08/960,150호 및 08/977,019호에 보다 상세하게 기술된다.
샤워헤드가 반응 가스를 균일하게 분포시키더라도, 일부 분야에 있어서 샤워헤드를 사용하여 균일한 층을 얻기는 상당히 어렵다. 이는 예를 들어 처리 챔버, 웨이퍼, 또는 물체, 물체 보유 수단, 가이드 링 또는 링 세그먼트 등에 의해 영향을 받는 가스의 공기역학적 작용으로 인한 것이다. 이러한 물체의 회전은 웨이퍼(또는 처리될 물체)의 표면 상에 구성되는 층의 균일성을 상당히 개선시킨다.
샤워헤드는 실리콘 상에 티타늄 질화물(TiN)의 화학적 기상 증착을 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 이러한 층은 중간층 및 확산 배리어로서 사용된다. TiN층을 제조하기 위해서, 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4) 및 암모니아(NH3)가 사용된다. 여기서 중요한 것은 이들이 실온에서도 서로 반응하여 고체 NH4Cl을 야기시키기 때문에, 2개 가스는 각각 서로 개별적으로 유지되어야 한다는 것이다. 본 발명의 이러한 샤워헤드는 가스 처리 시스템에서 2개 가스를 분리시켜 유지하는 이상적인 장치이다. 본 발명은, 가스를 웨이퍼의 표면에 부근에서 먼저 혼합시키고(이전의 혼합은 방지된다), 심지어 처리 챔버에서 2개 가스의 비율 조절을 허용한다. 층의 품질과 반응 비율은 제어될 수 있다. 전체 반응은 6TiCl4 + 8NH3--> 6TiN + 24HCl + N2이다. CVD를 적용하고 샤워헤드를 사용함으로써 이러한 TiN 층을 제조하는 것은, 본 명세서에서 참조로 하는 "B. Fruechle, Die Chemische Gasphasenabscheidung von Titannitrid durch Einwirkung thermischer Strahlung auf monokristalline Siliciumsubstrate zur Herstellung von Diffusionsbarrieren in der Mikroelektronik, Shaker Verlag, Aachen, 1997"에 상세히 개시되어 있다. 상기 참조문에서는, 불투과성 샤워헤드가 사용되며 웨이퍼는 단지 하부쪽으로부터 가열된다. TiN 층의 균일성(기판 상에서 처리되는 층의 최소 및 최대 두께의 비(Dmin/Dmax)로 정의된다)은 회전 옵션을 사용함으로써 상당히 개선될 수 있다. 예를 들어 회전이 없는 경우 프뤠슐레(Froeschle)의 기판은 이와 상이한 공정에 대해 상당히 우수한 83%의 균일성을 얻는다. 웨이퍼의 회전과 함께 본 발명의 샤워헤드의 사용은 94% 범위로 균일성을 크게 개선시킨다. 본 발명의 부가적 장점은 양측면 가열 방법에 있다.
도 1 내지 도 5에 도시된 장치를 사용하는 경우 이러한 장치를 사용하지 않는 시스템에 비해 웨이퍼 냉각이 보다 신속하게 이루어진다는 것을 주목해야 한다. 반응 가스 대신에, 일반적인 처리 가스 또는 심지어 불활성 가스가 냉각에 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기 설명된 것과 유사한 채널 시스템을 사용함으로써 웨이퍼 또는 물체를 냉각시키기 위한 부가적 실시예를 포함하며, 채널은 폐쇄된 유체 전달 시스템의 일부이다. 사실상, 냉각 가스를 흘려보내는데 개구부 없이 도 7에 도시된 새로운 장치가 사용되는 경우, RTP 장치에 대한 냉각 시간 및 사이클링(cycling) 시간이 감소된다.
도 7은 다수의 냉각 하프 튜브(72)에 부착된 투과판(70)을 나타낸다. 냉각 유체(76)는 냉각 튜브에서 순환한다. 물체(18) 표면 부근에 있는 투과판(70)은 물체(18)에서의 에너지를 다시 재방사하지 않고 물체(18)로부터의 적외선을 흡수한다. 도 2 및 도 3에 도시된 내부 채널을 갖춘 단독형 바디는 개구부(28)가 설치되지 않은 경우 냉각 목적을 위해 사용될 수 있다. 샤워헤드의 채널 시스템의 또다른 변형은 웨이퍼의 급속 냉각과 관련된다. 도 7에 도시된 실시예에서, 채널 수단은 석영 챔버의 내부 공간에 접속부를 갖지 않는다. 이는 도 2에 도시된 것처럼 개구부 또는 노즐(28)을 포함하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 채널 수단은 완전히 폐쇄되는 것을 의미하며 유체(예를 들어 물 또는 파라핀 오일 또는 가스)가 그 안에서 순환될 수 있다. 가열 공정 동안, 제 1 유체는 채널 수단에서 순환되며, 이러한 제 1 유체는 가열 램프로부터의 가시광 및 근적외선의 방사선을 약간 흡수한다. 이러한 제 1 유체는 예를 들어 질소 또는 건조 공기일 수 있다. 웨이퍼의 온도가 빠르게 램핑 다운되는 경우, 채널 수단에 있는 제 1 유체는 (적절한 교체 수단을 사용하여) 제 2 유체로 교체되며, 제 2 유체는 램프의 필라멘트 및 웨이퍼에 의해 방사되는 IR 에너지를 흡수한다. 웨이퍼 및 필라멘트는 1 마이크로미터에서 긴 파장의 스펙트럼 범위에서 방출되기 때문에, 제 2 유체는 이러한 파장 범위에서 투과되지 않는다. 이러한 방안은 웨이퍼에 의해 방출되는 거의 모든 에너지가 제 2 유체에 의해 흡수된다는 장점이 있고, 반응기 내에서의 석영 벽으로부터 또는 다른 표면으로부터 웨이퍼로 다시 어떠한 에너지도 방출되지 않는다는 장점을 갖는다. 웨이퍼는 자유 진공(free vacuum) 상태인 경우 가장 빠르게 냉각된다. 이러한 냉각은 웨이퍼가 진공 상태하에서 처리되는 경우, 그리고 또 다른 냉각, 예를 들어 이전의 샤워헤드가 사용되지 않는 경우 바람직하다.
도 7에 도시된 것처럼 RTP에 자계를 인가하는 것은 자성 막의 급속 열 자계 어닐링을 위해 사용될 수 있다. 이는 바람직한 방식으로 고체 상태 반응(예를 들어, 상 전이)을 제어하는 방법을 제공한다.
예: 자성 기록 시스템용 박막 헤드 장치의 제조: 자성 저장 매체의 비트 밀도를 증가시키기 위해서, 높은 보자력을 갖는 물질을 개발하고, 반대 부호를 갖는 이웃 비트로부터의 자성제거(demagnetization)를 방지하고, 저장된 정보의 양호한 열 안정성을 얻는 것이 요구된다.
이러한 자성 저장 물질을 갖는 것은, 기록 헤드의 자계 물질에 대한 특별한 요구사항을 요구한다. 일반적으로 기록 헤드를 위해 사용되는 물질은 작은 보자력 및 잔류 자기 파라미터를 갖는 소위 연자성(soft magnetic) 물질이라 칭한다. 또한 연자성 물질은 큰 포화 자속 밀도를 갖으며, 이러한 이유를 위해 상대적 투과성은 저장 매체의 비트-정보를 변화시키기에 충분한 자계를 생성하기에 충분히 높다. 또다른 요구사항으로는 투과성은 고주파수에서 상당히 높아야 한다는 것이며 이는 빠른 판독 및 기록 동작을 가능케한다. 추가의 요구사항은 자기변형(magnetostriction)이 가능한 낮아야 하며, 그 밖에 기록 헤드에서 발생하는 불가피한 기계적 응력이 투과성 보다 낮아야 한다는 것이다.
10MHz의 주파수 범위에 대한 높은 투과성을 얻기 위해서, 작은 그레인의 결정성 강자성 구조(또는 나노결정성 구조)를 형성하는 것이 요구된다. 또한, 일반적으로 자성 도메인 패턴의 배향이 예정된 방향을 갖는 경우, 자성 막 또는 구조의 응용에 따라 장점이 될 수 있다. 이는 자성 물질의 급속 열 처리의 공정 사이클 동안 자계를 부가적으로 인가함으로써 달성될 수 있다. 성장하는 나노결정의 자성 도메인 패턴의 배향은 제어할 수 있다. 이는 도 6과 관련하여 도시된 것처럼, 제어가능한 자계를 사용하는 RTP 시스템을 사용함으로써 행해질 수 있다. 이를 행하는 적절한 연자성 물질로는 예를 들어 FeNbSiN 합금이 있다. 이러한 합금에서 2개의 흥미로운 상 전이는 약 350℃ 및 530℃에서 발생한다. 350℃에서 (체심 입방 브라베(Bravais) 격자인 bcc 구조 형태로) 나노결정 Fe가 형성되며, 530℃에서는 (면심 입방 구조인) fcc NbN이 형성된다.
bcc Fe의 형성 및 fcc NbN의 분리 비율은 Arrhenius 법칙에 따라 온도에 의존한다. 강자성 물질(이 경우 Fe)의 작은 그레인을 얻기 위해, RTP는 350℃ 및 530℃ 사이에서 신속하게 온도를 증가시킬 수 있는 방안을 제공한다. 530℃에서 Fe-그레인의 입계를 따르는 NbN의 분리가 발생하며, Fe-그레인의 성장은 중지된다. 또한 NbN의 형성 비율은 Arrhenius의 법칙으로 인해 온도에 의해 제어될 수 있다. 또한 중요한 것은 연자성 물질은 NbN이 너무 많이 분리되는 것을 방지하면서 신속하게 냉각된다는 것이다. 급속 열처리 및 금속 냉각처리로, RTP는 큰 투과성 및 극히 낮은 자기변형을 갖는 기록 헤드용 연자성 물질을 발생시키기 위한 이상적인 장치를 제공한다. 2시간의 처리시간 및 585℃에서의 종래의 노 어닐링과의 비교하면, 상기 언급된 합금은 7000 범위에 있는 상대 투과율을 갖는다. 급속 열 자성 어닐링으로 1100의 투과율을 갖는 것이 가능하며(예를 들어, 30초간 700℃), 자기변형값은 종래의 노 어닐링과 거의 동일하다. RTP는 온도의 신속한 램핑 업 및 램핑 다운으로 인해 자성 구조물의 상 변이를 우수하게 제어할 수 있다.
분명한 것은, 본 발명의 다양한 변형 및 변조가 상기 기술의 분야에서 가능하다는 것이다. 따라서, 첨부된 청구항의 범주내에서, 본 발명은 상세히 설명된 것처럼 실행될 수 있다.
Claims (41)
- RTP 시스템에서 물체(18)를 급속 열 처리(RTP)하는 장치로서,상기 물체(18)의 표면 위로 제 1 반응 가스(26, 55)를 전달하고 상기 제 1 반응 가스(26, 55)를 분포시키고, 상기 RTP 시스템의 방사 소스(14B)로부터 가시광 또는 근적외선을 투과시키는 제 1 수단(13, 22, 36, 40, 42, 52); 및냉각 유체 또는 냉각 가스(24, 44)를 보유하고 가시광 또는 근적외선을 투과시키며, 상기 제 1 반응 가스(26, 55)가 상기 제 1 수단(13, 22, 36, 40, 42, 52)에서 배출되어 상기 물체(18)의 표면으로 향하게 될 때까지, 상기 제 1 반응 가스(26, 55)를 냉각시키도록 상기 제 1 수단(13, 22, 36, 40, 42, 52) 부근에 배열되는 제 2 수단(20, 30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 반응 가스(26, 55)를 전달하는 상기 제 1 수단(13, 22, 36, 40, 42, 52)은 상기 물체(18)의 표면 부근에 샤워헤드를 포함하며, 상기 샤워헤드는 상기 제 1 반응 가스(26, 55)를 전달하는 적어도 하나의 제 1 채널 수단(22, 36, 52)을 포함하며, 상기 제 1 채널 수단은 상기 물체(18)의 표면 위로 상기 제 1 반응 가스(26, 55)를 분포시키는 다수의 개구부(28)를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 샤워헤드는 다수의 채널(50, 52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 샤워헤드는 상기 샤워헤드를 냉각시키는 냉각 유체(24)를 전달하는 적어도 하나의 제 2 채널(20, 30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 샤워헤드는 상기 물체(18)의 표면 위로 제 2 반응 가스(53)를 전달하고 상기 제 2 반응 가스를 분포시키는 적어도 하나의 제 3 채널(50)을 더 포함하며, 상기 제 1 반응 가스(26, 55) 및 상기 제 2 반응 가스(53)는 상기 샤워헤드와 상기 물체(18) 사이의 공간에서 먼저 접촉되는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 채널 수단(22, 36, 52) 및 상기 제 3 채널(50)은 상기 제 1 반응 가스(26, 55) 및 상기 제 2 반응 가스(53)를 분포시키기 위한 서로 맞물린 채널 시스템(interdigitated system of channels)의 일부인 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 RTP 시스템은 처리될 상기 물체(18) 및 상기 물체를 처리하기 위한 처리 가스를 함유하는 챔버(10)를 포함하며, 상기 샤워헤드는 상기 챔버(10)의 벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 샤워헤드는 상기 챔버(10)를 제조하는데 사용된 것과 상이한 형태의 석영으로 형성되는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
- 물체(18)를 급속 열처리하는 방법으로서,RTP 시스템의 챔버 속으로 제 1 반응 가스(26, 55)를 전달하고 제 1 수단(13, 22, 36, 40, 42, 52)을 이용하여 상기 물체(18)의 표면 위로 상기 제 1 반응 가스를 분포시키는 단계 - 상기 RTP 시스템은 방사선으로 상기 물체(18)를 조사하기 위한 방사 소스(14A, 14B)를 포함하며, 상기 제 1 수단은 상기 방사 소스(14B)로부터의 가시광 또는 근적외선을 투과시킴 - ; 및상기 제 1 반응 가스(26, 55)가 상기 제 1 수단(13, 22, 36, 40, 42, 52)에서 배출되어 상기 물체(18)의 표면 상으로 향하게 될 때까지, 상기 제 1 수단 부근에 배열된 제 2 수단(20, 30)에 의해 보유된 냉각 유체 또는 냉각 가스(24, 44)로 상기 제 1 반응 가스(26, 55)를 냉각시키는 단계를 포함하며,상기 제 2 수단(20, 30)은 가시광 또는 근적외선을 투과시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 1 반응 가스(26, 55)를 전달하기 위한 상기 제 1 수단(13, 22, 36, 40, 42, 52)은 상기 물체(18) 부근에 샤워헤드를 포함하며, 상기 샤워헤드는 상기 제 1 반응 가스(26, 55)를 전달하며 상기 물체(18)의 표면 위로 상기 제 1 반응 가스(26, 55)를 균일하게 분포시키기 위한 다수의 개구부(28)를 갖는 적어도 하나의 제 1 채널 수단(22, 36, 52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 샤워헤드는 다수의 채널(52, 50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 샤워헤드는 상기 샤워헤드를 냉각시키는 냉각 유체(24)를 전달하기 위해 적어도 하나의 제 2 채널(20, 30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 샤워헤드는 제 2 반응 가스(53)를 전달하고 상기 물체(18)의 표면 위로 상기 제 2 반응 가스(53)를 분포시키기 위한 적어도 하나의 제 3 채널(50)을 더 포함하며, 상기 제 1 반응 가스(26, 55) 및 상기 제 2 반응 가스(53)는 상기 샤워헤드와 상기 물체(18) 사이의 공간에서 먼저 접촉되는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 제 1 채널(22, 52) 및 상기 제 3 채널(50)은 상기 제 1 반응 가스(26, 55) 및 상기 제 2 반응 가스(53)를 분포시키기 위한 서로 맞물린 채널 시스템(interdigitated system of channels)의 일부인 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 방법.
- 제 9 항에 있어서,상기 물체(18)의 표면에서 자계(60)를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 방법.
- 제 1 항에 있어서,자계 발생 수단(62)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
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