KR100699738B1

KR100699738B1 - 열 보상 히터 모듈을 구비한 레이저 열처리 척

Info

Publication number: KR100699738B1
Application number: KR1020040106652A
Authority: KR
Inventors: 쉐리프이크발에이; 랜도이고르; 마클데이비드에이; 탈워소미트; 톰슨마이클오; 앤젤로브이블린에이; 저우써나안
Original assignee: 울트라테크 인크.
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2007-03-27
Also published as: US20070004232A1; JP2006156916A; TW200620601A; KR20060061197A; US7326877B2; JP4651372B2

Abstract

공간적 및 시간적으로 변동하는 열부하 하에 있을 때에도, 반도체 기판을 지지하며, 기판을 실질적으로 일정한 배경 온도로 유지하는 척 방법 및 장치를 제공한다. 척은 히터 소자, 윅 및 알칼리 금속 액체/증기를 포함하는 밀봉된 챔버를 가지는 열적 보상 히터 모듈을 포함한다. 챔버는 열 파이프 원리를 채택하여 모듈내의 온도 차를 평준화한다. 공간적으로 변동하는 열부하는 히터 모듈의 열전도율에 의해 빠르게 균일화한다. 히터 모듈의 바닥으로부터 일정한 양의 열을 히트 싱킹하는 것은 열적인 열부하에서 대량의 시간적 변동을 조절한다. 입력 열부하에서 적어도 최대 변동만큼 크게 되고, 복사 및 대류를 통해 잃어버리는 열보다 적게 되도록 일정한 열 손실이 일어나게 되므로, 전기 가열 소자를 통하여 입력되는 열을 요구하는 것이 바람직하다. 이는 척의 온도 제어를 허용하여, 따라서 기판의 온도도 제어된다.

레이저 열처리 척, 열 보상 히터 모듈

Description

열 보상 히터 모듈을 구비한 레이저 열처리 척{LASER THERMAL PROCESSING CHUCK WITH A THERMAL COMPENSATING HEATER MODULE}

도 1은 모듈 챔버를 정의하는 상판 및 저판에 의해 덮인 짧은, 공동의 원통형 중심부를 도시하며, 제 1 절단면 (C1) 은 챔버 내부의 액체 및 금속 증기, 챔버를 관통하여 금속의 순환을 허용하는 브레이스내의 개구를 함께 가지는 지지 브레이스를 도시하고, 제 2 절단면 (C2) 는 챔버 내부면의 대부분 또는 전부를 따라 늘어서는 윅을 도시하며, 챔버 주변 내부면을 덮는 윅 (wick) 의 동작에 의해 액체 금속이 전해지는, 본 발명의 히터 모듈의 예시적인 실시형태의 분해조립 측면도.

도 2는 상판이 제거되고 윅의 일부가 제거되어 모듈 챔버 내부의 내부 소자를 드러내며, 측벽의 내면에 인접한 윅의 일부 (점선) 를 도시한, 본 발명의 히터 모듈의 예시적인 실시형태의 평면도.

도 3은 LTP 레이저 빔을 이용한 기판의 LTP를 수행하는 가열된 척으로서, 척이 도 1의 히터 모듈을 포함하고, LTP 조사 동안 일어나는 챔버 내부의 핫스팟 (812) 및 냉각 영역 (814) 를 도시하는, 가열된 척의 단면도.

도 4는 기판의 오염을 방지하는 기판 상부에 형성된 보호층을 가지는 상판의 예시적인 실시형태의 상세 측면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 히터 모듈 50: 챔버

100: 브레이스 150: 가열 소자

200: 전원 220: 히터 모듈 제어기

300: 온도 프로브 360: 윅

500: 척 600: 히트 싱크

700: 기판

관련 출원에 대한 상호참조

본 발명은 현재 출원과 동일 날짜인, 2004년 12월 1일 출원한 "레이저 열처리를 위한 가열 척(Heated Chuck for Laser Thermal Processing)"이란 명칭의, 참조로 본 명세서에 통합되는 캘리포니아, 산 호세 (San Jose) 의 특허 양수인 울트라테크 잉크 (Ultratech, Inc.) 에 양도된 미국 특허 출원 제 11/001,954 호에 관한 것이다.

본 발명은 반도체 제조시에 반도체 기판을 열적으로 처리하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 레이저 열 처리 (LTP) 동안 기판 (반도체 웨이퍼)를 지지하는 지지 부재 ("척 (chuck)") 에 관한 것이다.

집적 회로 (IC) 의 제조는, 포토레지스트 코팅, 포토리소그래픽 노출, 포토레지스트 현상, 에칭, 폴리싱과 같은 여러 공정 및 가열 또는 "열 처리"의 상황에 기판이 영향받는 것을 수반한다. 열 처리는 예를 들면, 소정 유형의 IC 기판에 대한 도핑 영역 (예를 들면, 소스 및 드레인 영역) 내의 도펀트를 활성화시키는데 이용된다. 열 처리는, 고속 가열 어닐링 (rapid thermal annealing, RTA) 및 레이저 열 처리 (LTP) 와 같은 다양한 가열 (및 냉각) 기술을 포함한다.

반도체 기판 ("웨이퍼") 의 LTP를 수행하는 다양한 기술 및 시스템이 공지되어 있고 반도체 장치 제조에서 사용된다. 예시적인 LTP 시스템 및 방법이 참조로서 본 명세서에 통합되는 "열처리를 위한 레이저 스캔 장치 및 방법(Laser Scanning Apparatus and Methods for Thermal Processing)" 라는 명칭의 미국 특허 6,747,245 호 ('245 특허) 및 "레이저 열처리 장치 및 방법(Laser Thermal Processing Apparatus and Method)" 라는 명칭의 미국 특허 6,366,308 호 ('308 특허) 에 설명되어 있다.

LTP는 어닐링 온도까지 웨이퍼의 온도를 고속으로 이르게 한 다음 단일 사이클에서의 시작 (예를 들면, 대기 또는 배경) 온도까지 고속으로 다운시키는 것을 수반한다. 반도체 제조에 사용되는 통상적인 웨이퍼의 상대적으로 큰 사이즈 (예를 들어, 직경이 300㎜) 로 인해, 열은 소정 시간에서 웨이퍼의 단지 작은 영역으로 더 효과적으로 인가된다.

예를 들어, '245 특허 및 '308 특허를 이용하면, 레이저 빔은, 예를 들어 래스터 (raster) 패턴으로 웨이퍼 표면상에서 스캔되는 좁은 고강도 이미지 (예를 들면, 라인 이미지) 를 형성한다. 이 공정은 좁은 이미지 상에서 1000W/㎟를 초과하는 열속을 포함할 수 있다. LTP 동안 조사될 영역에서 웨이퍼 표면에 의 해 도달된 피크 온도 TP는 비교적 높다 (예를 들면, ~1,300℃).

피크 온도 TP의 균일성은 구성된 반도체 장치의 성능을 차례로 결정하는 그 안에 형성된 활성 도핑 영역의 시트 저항 균일성을 결정한다.

웨이퍼상에 균일한 피크 온도 TP를 달성하는 것은 레이저 전력의 안정성 및 웨이퍼 표면의 온도 균일성 (이하, "배경 기판 온도"라 칭함) 에 의존한다. 그러나, 기판의 일정한 배경 온도를 유지하는 것은 LTP 공정이 스캔된 레이저 빔과 같은 공간적으로 변화하는 열 부하를 이용할 때 문제가 있다.

따라서, LTP 의 기술과 관련 기술에서는, 기판의 위치가 공간적으로 변동하는 열부하 상태에 직접 영향받지 않는 경우, 일정한 배경 온도에서 기판을 처리하는 것을 유지하는 장치 및 방법으로 이득을 얻을 것이다.

본 발명의 일 양태는 기판을 레이저 열 처리하는 척 장치이다. 본 장치는 평평한 상면, 저면 및 밀폐된 내부 챔버를 가지는 하우징을 포함한다. 이 챔버는, 일반적으로 하우징의 외부의 내면, 예를 들어 상판의 저면, 저판의 상면 및 상판과 저판에 의해 덮이는 원통형 측벽의 내면으로 구성되는 주변 내부면을 가진다. 챔버는 액체 및 증기 형태의 금속 (본 명세서에서 간단히 "금속 액체/증기" 라 함) 을 포함하도록 구성된다. 척 장치는 챔버 내부의 안쪽에 배열되는 1 이상의 가열 소자를 포함한다. 1 이상의 가열 소자는 하우징 및 금속 액체/증기를 배경 온도까지 가열하도록 구성된다. 또한, 이 장치는 챔버 주변 내부면에 인접하게 배열되는 1 이상의 윅을 포함한다. 1 이상의 윅은 챔버 주변 내 부면의 대부분 또는 전체에 액체 금속을 공급하도록 구성된다. 금속 액체/증기의 일부는 기판으로부터 챔버로 전달되는 열에 의해 형성되는 챔버 내부의 핫스팟 (hot spot) 에서 액체 금속을 기화시키며, 핫스팟으로부터 떨어져서 금속 증기를 응축함으로써 챔버 내부에서 재분배된다. 금속 액체/증기의 재분배는 하우징의 온도를 신속히 균일화하도록 제공되어, 하우징의 온도가 배경 온도로 유지될 수 있도록 한다.

본 발명의 다른 양태는, 기판이 공간적으로 변동하는 열부하 상태에 있는 동안, 예를 들어 기판으로서 반도체 웨이퍼의 LTP를 수행하는데 이용되는 레이저 빔으로부터 기판을 실질적으로 일정한 배경 온도로 유지하는 방법이다. 이 방법은 기판으로부터 상기 기판과 열적 소통하는 밀봉 챔버 내부에 보유되는 금속 액체/증기로 공간적으로 변동하는 열부하와 연관되는 열을 전달하는 단계를 포함한다. 전달된 열은 냉각 영역으로 둘러싸이는 핫스팟을 챔버 내부에 형성한다. 또한, 이 방법은 상기 밀봉 챔버의 온도를 균일화하기 위하여 핫스팟에서 액체 금속을 기화시키고 냉각 영역에서 금속 증기를 응축함으로써 금속 액체/증기의 일부를 재분배하는 단계를 포함하여, 결과적으로 기판이 양호한 열적 소통상태에 있게 한다. 또한, 이 방법은 예를 들어, 챔버와 양호한 열적 소통 상태에 있는 히트 싱크를 이용하여 챔버로부터 열을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

도면에 표시된 다양한 소자는 단지 설명하기 위한 것이며 척도를 도시한 것은 아니다. 특정 부분이 과장될 수도 있으며, 다른 부분이 축소될 수도 있다. 본 도면은 본 발명의 다양한 구현을 설명하기 위한 것으로 당해 기술분야의 통상의 기술을 가진 자가 이해하고 쉽게 실시할 수 있다.

본 발명의 실시형태의 다음의 상세한 설명에서, 그 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시형태를 예시적으로 나타낸다. 이러한 실시형태는 당업자가 본 발명의 실시할 수 있도록 상세히 설명하며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시형태를 이용할 수 있으며 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 다음의 상세한 설명은 한정적인 측면으로 이해되어서는 않되며, 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 정의된다.

상술한 바와 같이, LTP 동안에 기판 표면 위에서 균일한 피크 온도를 달성하는 것은 활성화되는 도핑 영역의 균일한 시트 저항을 요구하는 반도체 장치를 제조하는데 중요하다. LTP에서 피크 온도 균일성의 달성은, 기판이 투사하는 LTP 레이저 빔으로부터 에너지를 효율적으로 흡수하는 환경을 만들어냄으로써 촉진된다. 기판이 도핑되지 않거나 약간 도핑된 경우에는, 레이저 빔의 흡수를 증가시키기 위해서 기판을 LTP 레이저 빔으로 조사하기 이전에 기판을 일정한 배경 온도 TC 에 이르도록 할 필요가 있다. 이것이 이루어지 않으면, 빔이 기판을 통과하게 되며, 어떤 경우에는 척으로 통과하게 될 수 있다. 또한, 스캔되는 LTP 레이저 빔이 기판을 공간적으로 변동하는 열부하 하에 영향을 받도록 하는 경우에도, 기판을 일정한 배경 온도 TC 로 유지하는 것을 수반한다.

본 발명의 척은, 기판이 스캔되는 LTP 레이저 빔으로부터 공간적으로 변동하는 열부하에 있게 되는 경우에도 실온보다는 상당히 높은 일정한 배경 기판 온도 TC를 유지하도록 구성된다. 예시적인 실시형태에서, 일정한 배경 온도 TC는 약 350 ℃ 내지 약 450℃의 범위에 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서는 일정한 배경 온도 TC는 기판을 횡단하여 +/-4℃ 로 균일하게 유지되며, 다른 예시적인 실시형태에서는 기판을 횡단하여 +/-6℃ 로 균일하게 유지된다.

이하의 설명에서, "공간적으로 변동하는 열부하" 라는 구절은 예를 들어 처리될 기판 표면 위로 LTP 레이저를 스캔함으로써, 다른 시간에 기판위의 다른 위치 (포지션) 으로 열을 전달하는 것을 설명하는데 이용된다. 후술하는 바와 같이, 기판상의 공간적으로 변동하는 열부하는 히터 모듈 챔버 내부의 대응하는 위치로 소통된다.

또한, "일정한 배경 온도" 라는 구절은 "일정한 또는 실질적으로 일정한"을 의미하며, 배경 온도에서의 변동이 결과로서 일어나는 LTP 공정에 실질적으로 영향을 미치지 않는 범위내로 유지되는 것을 의미한다고 이해된다. 유사하게, "일정한 배경 온도"는 실질적으로 균일한 것으로 간주되는 것, 즉 실질적인 부작용없이 기판의 LTP를 수행하는데 필요한 온도로 기판위가 균일한 것이다.

또한, 바람직한 실시형태에서, "일정한 배경 온도" 는 상승된 것으로 즉, 실온보다 상당히 높은 온도로 예를 들면 350℃ 내지 450℃이다. 또한, "일정한 배경 온도" 는 소정의 시간에서 공간적으로 변동하는 열부하를 즉시 둘러싸는 부분과 다른 물체 (예를 들면, 기판) 의 일부의 온도를 가리킨다.

또한, "가스" 및 "증기" 라는 용어는 본 명세서에서 상호교환적으로 사용된다. 또한, 후술하는 바와 같이, "금속" 이라는 용어는 액체 및 기체 상태 양자 를 포함하도록 의도되며, 간략 명료하게 "금속 액체/증기" 로 사용한다.

히터 모듈

도 1은 본 발명의 척에 이용되는 히터 모듈 (10) 의 예시적인 실시형태의 분해조립 측면도이다. 척은 후술한다. 히터 모듈 (10) 은 개별적인 상부 림 (rim) (22) 및 하부 림 (24)을 가지는 공동의 원통형 부분 (측벽; 20) 및 개개의 내면 (26) 과 외면 (28) (도 2) 을 포함한다. 상부 림 (22) 에는 상판 (30) 이 부착되며, 하부 림 (24) 에는 저판 (40) 이 부착된다. 상판 (30) 은 상면 (32) 및 저면 (34) 을 가지며, 저판 (40) 은 상면 (42) 과 저면 (44) 을 가진다. 측벽 (20), 상판 (30) 및 저판 (40) 은 밀폐된 내부 챔버 (50) 를 가지는, 밀폐되며 밀봉된 하우징을 구성한다. 예시적인 실시형태에서, 상판 (30) 및 저판 (40) 은 예를 들면 용접에 의해 각각 상부 측벽 림 (22) 및 하부 측벽 림 (24) 으로 밀봉된다.

챔버 (50) 는, 실온에서는 고체일 수 있으며, 상승된 동작 또는 배경 온도에서는 액체 및 기체 양자일 수 있는 금속 (51) 을 보유한다. 설명을 위해, 증기 상태의 금속 (51) 의 일부가 도 1에 작은 원형으로 도시된다. 예시적인 실시형태에서, 금속 (51) 은 칼륨, 세슘 및 나트륨 중 1 이상과 같은, 알칼리 금속이거나 알칼리 금속을 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 금속 (51) 은 조립동안에 내부 챔버 (50) 로 도입되며, 히터 모듈의 동작 동안에 내부에 영구적으로 밀봉된다. 예시적인 실시형태에서, 측벽 (20) 의 내면 (26), 저판 상면 (42) 및 상판 저면 (34) 은 "챔버 주변 내부면" 의 예를 정의한다.

예시적인 실시형태에서, 측벽 (20) 은 모넬-금속 (Monel-metal) 으로 형성된다. 또한 예시적인 실시형태에서, 칼륨 같은 알칼리 금속의 경우에 매우 반응성이 강한 금속 액체/증기 (51) 를 안전하게 보유하기 위해서, 상판 (30) 및 저판 (40) 이 모넬-금속으로 형성되거나 그렇지 않으면 모넬-금속을 포함한다.

도 2는 상판 (30) 이 제거되어 챔버 (50) 내부에 상주하는 모듈의 내부 컴포넌트가 드러나는 것을 도시한, 도 1의 히터 모듈 (10) 의 평면도이다. 예시적인 실시형태에서, 히터 모듈 (10) 은, 챔버 (50) 측벽 내면 (26) 의 일부에서 다른 부분까지 이르며, 저판 상면 (42) 으로부터 상부 림 (22) 에 의해 규정되는 평면까지 위로 연장하는, 1 이상의 얇은 직사각형 형상의 브레이스 (100) 를 포함한다. 브레이스 (100) 는 하부 챔버 (50a, 50b, 50c 및 50d) 와 같은 하부 챔버를 챔버 (50) 내부에 규정하도록 한다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 브레이스 (100) 는 금속 액체/증기 (51) 가 하부 챔버들 사이에 전체 챔버 (50)를 관통하여 흐르도록 허용하는 크기의 개구 (110; 도 1) 를 포함하는 것이 바람직하다. 예시적인 실시형태에서, 브레이스 (100) 는 서로에 대해 동일한 각도로 배열되며, 설명한 바와 같이 4 개의 하부 챔버 (50a - 50d) 와 같은 동일한 크기의 하부 챔버로 챔버 (50) 를 분할한다. 예시적인 실시형태에서, 히터 모듈 (10) 은, 챔버 (50) 내에 배열되며 상판 (30) 및 저판 (40) 에 기계적으로 결합되어 히터 모듈 (10) 에 강성도를 더하는 지지 부재 (55) 도 포함한다.

히터 모듈 (10) 은 열 챔버 (50) 에 배열되는, 히터 카트리지와 같은 1 이상의 가열 소자 (150) 도 포함한다. 가열 소자 (150) 는 열 챔버 (50) 에 제공 되어 액체 금속의 일부를 증기로 변환시킨다. 예시적인 실시형태에서, 다수의 가열 소자 (예를 들어, 도 2에서는 8개) 는 측벽 (20) 의 내면 (26) 에 인접하게 배열되어 챔버의 중심방향으로 안쪽으로 연장한다. 예시적인 실시형태에서, 각각의 챔버 (50a - 50d) 가 2개의 가열 소자를 포함하도록 가열 소자 (150) 는 각각의 브레이스 (100) 의 일측상에 배열된다.

각각의 가열 소자 (150) 는, 전원 (200) 에 가열 소자를 접속시키는 리드 (190) (예를 들어, 와이어) 에 접속된다. 이하에서 더 자세히 설명하는 바와 같이, 전원 (200) 은 가열 소자에 선택한 양의 전력을 공급하도록 구성된다. 후술하는 바와 같이, 히터 모듈 (10) 의 동작을 제어하는 히터 모듈 제어기 (220) 에 전원 (200) 이 작동가능하게 접속된다. 각각의 가열 소자 (150) 는 전원 (200) 에 의해 공급된 전력을 분산시킴으로써 열을 발생시킨다.

또한, 히터 모듈 (10) 은 1 이상의 온도 프로브 (300) 를 챔버 (50) 내부에 대응하는 1 이상의 위치에 포함한다. 온도 프로브 (300) 는 1 이상의 위치 각각에 챔버 (50) 의 온도를 측정하여 이에 응답하여 대응하는 온도 신호 ST를 발생시킨다. 온도 신호를 수신하며 처리하도록 구성되는 히터 모듈 제어기 (220) 에, 온도 프로브 (330) 가 작동가능하게 결합된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 히터 모듈 (10) 은 챔버 (50) 주변 내부면의 대부분 또는 전체를 커버하는 1 이상의 위킹 소자 ("윅"; 360) 을 포함한다. 윅 (360) 은 모세관 작용에 의해 액체 금속을 챔버 주변 내부면의 대부분 또는 전체로 운반하도록 제공된다. 이러한 방법은, 챔버 (50) 주변 내부면이 얇은 코팅 또 는 액체 금속막으로 피복되도록 액체 금속 (51) 이 상판 저면 (34) 쪽으로 윅 (360) 위로 전해지는 것을 나타내는 도 1 의 절단면 C1 에 도시되어 있다.

예시적인 실시형태에서, 1 이상의 윅 (360) 은 저판 상면 (42) 에 의해 지지되거나 저판 상면 (42) 에 고정되며 측벽 (20)의 내벽면 (26)을 따라 위로 연장하며 상판 저면 (34) 을 횡단하여 연장하다. 예시적인 실시형태에서, 1 이상의 윅 (360) 은 또한 가열 소자 (150) 를 커버하여 액체 금속 (51) 의 가열을 촉진시킨다.

도 1에서, 인접한 상판 (30) 및 저판 (40) 에 도시된 윅 (360) 은 측벽 (20) 의 내면 (26) 을 따라 아래로 그리고 위로 연장하는 개별적인 꺽어진 단부 (361) 를 가진다. 이 윅 배열은, 꺽어진 단부가 내면 (26) 을 따라 배열되는 존재하고 있는 윅과의 접촉을 확립하거나, 측벽 내면의 일부 또는 전부를 커버하도록 서로와 만나는 예시적인 실시형태를 설명한다.

각각의 예시적인 실시형태에서, 각각의 윅 (360) 은 금속 액체/증기와 융화할 수 있는 금속, 세라믹 또는 유리로 만들어진 스크린 또는 섬유 다발의 형태이다. 윅 (360) 에 이용되는 물질은 액체 금속에 의해 쉽게 "웨트" 되는 것이 바람직하다. 윅 (360) 은 챔버 주변 내부면의 일부로 액체 금속 (51) 의 모세관 이동을 지지하도록 하는 크기의 간격 (362) 을 가지며, 그렇지 않으면 챔버 내부에 정지한 상태로 액체 금속이 접근할 수 없게 된다. 본 명세서에서 이용되는 "웨트" 라는 용어는 액체 금속과 윅 물질 사이의 작은 컨택트 각도에 대한 필요를 가리킨다. 1 이상의 윅 (360) 의 위킹 동작은, 후술하는 바와 같이, 챔버로 그리 고 챔버로부터의 열의 이동에서 상당한 역할을 수행하는 챔버 주변 내부면의 일부상에 액체 금속막을 유지하게 한다. 예시적인 실시형태에서, 1 이상의 윅 (360) 을 이용하여 전체적인 챔버 주변 내부면이 액체 금속막으로 피복된다.

히터 모듈을 가진 척

도 3은 본 발명에 따른 레이저 열 처리를 위한 것으로 상술한 히터 모듈 (10) 을 포함하는 가열되는 척 (500) 의 측면도이다. 척 (500) 은 상면 (522) 및 하면 (524) 을 가지는 열 절연층 (520) 을 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 절연층 및 히터 모듈이 양호한 열적 소통 상태에 있게 되도록 저판 (40) 의 저면 (44) 에 매우 인접한 상면 (522) 으로 배열된다. 예시적인 실시형태에서, 절연층 (520) 은 저판 (40) 과 직접 접촉하는 한편, 다른 실시형태에서 절연층과 저판 사이에 GRAFOIL (캘리포니아, 파운틴 밸리(Fountain Valley)의 아메리칸 실 앤드 패킹 (American Seal and Packing Co.) 으로부터 입수가능하며 등록상표임) 와 같은 얇은 층의 가요성 그래파이트 (미도시) 가 배열된다. 예시적인 실시형태에서, 절연층 (520) 은 용융 실리카 또는 석영의 판이다. 예시적인 실시형태에서, 절연층 (520) 은 오하이오, 윌로우비 (Willoughby) 의 피로매틱스 (Pyromatics) 로부터 입수가능한 LD-80 을 포함한다.

또한, 척 (500) 은 저면 (524) 을 통해 절연층 (520) 과 양호한 열적 소통 상태가 되도록 배열되는 히트 싱크 (600) 를 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 히트 싱크 (600) 는 고도의 열전도율을 가진 물질로 만들어진 냉각판의 형태이다. 예시적인 실시형태에서, 히트 싱크의 냉각판은 알루미늄으로 만들어진다. 예시적인 실시형태에서, 히트 싱크 (600) 는 히트 싱크로부터 열을 제거하기 위하여, 냉각 채널을 통해 냉각 유체가 흐르도록 구성된 냉각부 (540) 에 유동가능하게 결합된 냉각 채널 (602; 도 3에 부분적으로 도시됨) 을 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 냉각 채널 (602) 은 냉각판으로 형성된다.

히터 모듈 (10) 과 히트 싱크 (600) 사이에 절연층 (520) 이 배열되며, 이 둘 사이에 실질적으로 일정한 열 구배를 유지하도록 구성된다. 예시적인 실시형태에서, 히터 모듈 (10) 은 온도가 약 400℃ 이며, 한편 히트 싱크 (600) 는 온도가 약 20℃이다.

상판 (30) 의 상면 (32) 은, 상면 (702), 저면 (704) 및 외연 (706) 을 가지는 기판 (반도체 웨이퍼; 700) 를 지지하도록 구성된다. 도 4를 참조하면, 예시적인 실시형태에서, 상판 (30) 은 최상면 (32), 기판 (700) 을 위에서 지지하는 상면 (712) 을 가지는 물질층 (710; 예를 들면 코팅 또는 판) 을 포함한다. 층 (710) 을 구성하는 물질은 기판 (700) 을 오염시키지 않는 물질이다. 예시적인 층 (710) 의 물질은, 실리콘 (silicon), 산화 실리콘 또는 질화 실리콘 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

도 3을 참조하면, 척 (500) 은 히터 모듈 제어기 (220) 에 작동가능하게 결합된 척 제어기 (720) 도 포함한다. 척 제어기 (720) 는 후술하는 바와 같이, 히터 모듈을 포함하는 척의 동작을 제어한다. 또한, 척 제어기 (720) 는 히트 싱크 (600) 의 냉각 채널 (602) 을 통하여 냉각 유체 (예를 들면, 물) 의 흐름을 제어하는 냉각부 (540) 에 작동가능하게 결합된다.

동작의 방법

계속하여 도 3을 참조하면, 기판 상면 (702) 상에 투사하는 LTP 레이저 빔 (880) 이 도시된다. 기판 (700) 의 LTP 를 수행하는 일부로서 기판 표면 (702) 위로 LTP 레이저 빔 (880) 이 이동 ("스캔") 되어, 예를 들어 기판 상면에서 또는 기판 상면 근처에서 기판내의 도펀트를 활성화시킨다.

LTP 레이저 빔 (880) 은, 기판에 열을 생성시켜서 열이 적절히 분산되지 않으면, 기판의 배경 온도를 궁극적으로 증가시키게 할 공간적으로 변동하는 열부하를 기판에 제공한다. 기판 배경 온도에서의 임의의 변화는 LTP 공정에서 바람직하지 않은 변동을 발생시키며, 특히 LTP 동안 기판내의 도펀트의 활성에 영향을 미친다.

따라서, LTP 레이저 빔 (880) 으로 기판 (700) 을 조사하기 전에, 척 제어기 (720) 는 신호 S1 를 통해 히터 모듈 제어기 (220) 에 지시하여, 신호 S2 를 통해 전원 (200) 을 활성화시킨다. 이에 응답하여, 전원 (200) 은 전력 신호 SP를 통해 가열부 (150) 로 전력 (개략적으로 화살표 810 으로 도시함) 을 제공하며, 열을 챔버 (50) 내부로 도입하여 히터 모듈 (10) 을 가열한다. 예시적인 실시형태에서, 전원 (200) 으로부터 입력되는 전력은 약 3.5㎾ 의 정상 상태에서 약 400℃ 로 히터 모듈 (10) 을 유지시킨다.

챔버 (50) 내에 보유되는 액체 금속 (51) 은 가열부 (150) 에 의해 가열된다. 이 열은, 윅 (360) 의 위킹 동작을 통해 히터 모듈 (10) 의 챔버 (50) 의 전체 내면위로 신속하고 균일하게 확산하며 챔버 내부에 금속 액체/증기를 증발 및 응축시킨다. 열의 이동은 윅 (360) 에 의해 대부분 또는 전체적으로 피복되는 챔버 주변 내부면에서 가장 높다. 기판 (700) 이 히터 모듈 (10) 과 양호한 열적 접촉 상태에 있으면, 기판은 히터 모듈의 일정한 배경 온도 TC 로 된다.

또한, 히터 모듈 제어기 (220) 로 온도 정보를 제공함으로써 히터 모듈 제어기 (220) 는 온도 프로브 (300) 로부터 온도 신호 ST 를 수신하고 이들 신호를 이용하여 히터 모듈 (10) 의 온도를 조절한다. 응답하여, 히터 모듈 제어기 (220) 는 가열부 (150) 로의 전원 (200) 에 의해 공급되는 전력 (810) 의 양을 (전력 신호 SP 를 통하여) 조절한다. 이러한 방식으로, 온도 프로브 (300) 에 의해 측정되는 히터 모듈의 온도는, 예를 들면 1℃ 내로 정확히 제어될 수 있다.

계속하여 도 3을 참조하면, 기판 (700) 이 소망의 일정한 배경 온도 TC 까지 이르게 되면, 기판 상면 (702) 위로 LTP 레이저 빔 (880) 이 스캔된다. 이는 기판 상에 공간적으로 변동하는 열부하를 도입하여, 기판 위에 공간적으로 변동하는 온도로 변형된다. 이는, 차례로, 히터 모듈 (10) 의 챔버 (50) 내부에 상응하는 공간적으로 변동하는 온도를 생성한다. 챔버 (500) 는 기판 표면 (702) 에서 LTP 레이저 빔의 위치에 대응하는 "핫스팟" (812) 및 핫스팟을 둘러싸는 "냉각 영역" (814) 을 가진다. LTP 레이저 빔 (880) 이 기판 표면 (702) 위로 스캔함에 따라 핫스팟 (812) 은 챔버 (50) 주위로 이동한다.

공간적으로 변동하는 열부하에 의해 발생되는 챔버 (50) 내의 온도 변동은, 챔버 체적을 관통하는 금속 증기의 이동에 의하여 그리고 챔버 주변 내부면을 피복하는 1 이상의 윅 (360) 을 통하여 모세관 작용을 통한 액체 금속의 이동에 의하 여, 챔버 내부에 금속 액체/증기 (51) 의 증발 및 응축에 의해서, 재빨리 변동이 억제된다. 핫스팟 (812) 으로부터 냉각 영역 (814) 으로 열 및 금속 증기의 이동은 화살표 (816) 에 의해 도 3에서 도시된다.

액체 형태의 금속 (51) 은, 잠재적인 대량의 기화열 때문에 기화에 의하여 풍분한 열량을 흡수할 수 있다. 기판 (700) 에서 스캔되는 LTP 레이저 빔 (880) 의 위치에 대응하는 공동에서의 "핫스팟" (812) 에서 금속 액체는 증기로 변환된다. 그 후, 기화된 금속은 1 이상의 윅 (360) 의 모세관 작용을 통하여 액체 금속에 의해 대체된다. 그 후, 공간적으로 변동하는 열부하가 챔버의 다른 영역으로 이동함에 따라, 금속 증기는 챔버의 냉각 영역 (814) 에서 액체 상태로 응축한다. 히터 모듈 (10) 에 의해 흡수되는 열은 절연층 (520) 을 통해 히트 싱크 (600) 로 전달되며, 전력 방출 방향 (820) 으로 도시된 바와 같이 분산된다.

절연층 (520) 은 히터 모듈과 히트 싱크 사이에 실질적으로 일정한 열 구배를 유지하도록 구성되며, 따라서 실질적으로 일정한 비율로 하나에서 다른 것으로 열을 전달한다. 이 비율은, 레이저가 최대 전력에서 동작되는 때에도, 히터 모듈이 일정한 배경 온도에서 전기적으로 제어될 수 있도록 선택된다.

예시적인 실시형태에서, 챔버 (50) 로부터 제거되는 열량은, LTP 레이저 빔 (880) 과 연관된 공간적으로 변동하는 열부하에 의해 제공되는 것보다 더 크고, 기판 (700) 및 히터 챔버로부터의 복사 및 대류에 의해 잃어버리는 열량보다 작다. 이는 가열 시스템 (즉, 가열 소자 (150), 전원 (200), 히터 모듈 제어기 (220) 및 온도 프로브 (300)) 이 히터 모듈 및 그에 따른 기판을 실질적으로 일정한 배경 온 도 TC 로 유지하기 위해 어떤 열을 제공하는 것이 필요하다는 것을 보증한다.

히터 모듈 (10) 에 의해 효과적으로 제공되는 매우 고도의 열전도율은, 물론 열부하, 예를 들면 LTP 레이저 빔 (880) 에 의해 지배되는 기판상의 위치 또는 이 위치에 매우 근접한 경우를 제외하고는 고도의 온도 균일성 (예를 들면 +/-4℃ 내) 를 보증한다. 이는, 차례로, LTP 레이저 빔 (880) 에 의해 조사되지 않는 위치에서 기판이 균일한 일정한 배경 온도 TC 를 가지도록 허용한다. LTP 공정동안에 도달되는 최대 온도는, 어닐링 사이클의 초기에는 기판 온도에 주로 의존하며, 레이저 빔에서의 전력 안정성에 의존한다. 따라서 기판 온도를 균일하게 유지하는 것은, LTP 어닐링 공정을 균일하게 유지하는 것을 보조한다. 이는 일관되고 신뢰성있는 장치 성능으로 변화된다.

본 발명의 많은 특성 및 이점은 상세한 설명으로부터 명백하며, 따라서 본 발명의 본질 및 범위를 따르는 설명한 장치의 이와 같은 특성 및 이점을 모두 포함하도록 청구범위에 의해 의도된다. 또한, 다양한 수정 및 변형이 당업자에 의해 쉽게 이루어질 수 있으며, 본 명세서에 설명된 정확한 구성 및 동작으로 본 발명을 한정하는 것은 요망되지 않는다. 따라서, 다른 실시형태들이 청구범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따르면, 기판의 위치가 공간적으로 변동하는 열부하 상태에 직접 지배받지 않는 때에도 일정한 배경 온도에서 기판을 처리하는 것을 유지하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

Claims

레이저 열처리 척을 위한 히터 모듈 장치로서,

챔버 주변 내부면을 가진 밀폐된 내부 챔버, 평평한 상면 및 저면을 가지는 하우징;

일정한 배경 온도에서 챔버내에 보유되는 액체 및 증기 형태의 금속 ("금속 액체/증기") ;

챔버 내부에 배열되며 상기 하우징 및 상기 금속 액체/증기를 배경 온도까지 가열하는 1 이상의 가열 소자; 및

상기 챔버 주변 내부면에 인접하게 배열되며 상기 챔버 주변 내부면의 적어도 일부에 액체 금속을 공급하는 1 이상의 윅 (wick) 을 포함하며,

적어도 일부의 금속 액체는 상기 하우징 상면에 제공되는 공간적으로 변동하는 열부하로부터 열을 흡수하고, 상기 금속의 증발 및 응축을 통하여 상기 챔버에 대하여 흡수열을 재분배하는, 히터 모듈 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 하우징은,

상기 하우징 상면을 정의하는 상판;

상기 하우징 저면을 정의하는 평평한 저판; 및

상부 림 및 하부 림을 가지는 환상의 측벽을 포함하며,

상기 상판은 상기 상부 림에서 상기 하우징을 밀봉하고 상기 저판은 상기 하부 림에서 상기 하우징을 밀봉하는, 히터 모듈 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 금속은 알칼리 금속을 포함하는, 히터 모듈 장치.
기판을 지지하는 척 장치로서,

챔버 주변 내부면을 가진 밀폐된 내부 챔버, 평평한 상면 및 저면을 가지는 하우징; 일정한 배경 온도에서 챔버내에 보유되는 액체 및 증기 형태의 금속 ("금속 액체/증기") ; 챔버 내부의 안쪽으로 배열되며 상기 하우징 및 상기 금속 액체/증기를 배경 온도까지 가열하는 1 이상의 가열 소자; 및 상기 챔버 주변 내부면에 인접하게 배열되며 상기 챔버 주변 내부면의 적어도 일부에 상기 액체 금속을 공급하는 1 이상의 윅을 포함하되, 적어도 일부의 금속 액체는 상기 하우징 상면에 제공되는 공간적으로 변동하는 열부하로부터 열을 흡수하고, 상기 금속의 증발 및 응축을 통하여 상기 챔버에 대하여 흡수열을 재분배하는, 히터 모듈;

히트 싱크; 및

상기 하우징 저면과 상기 히트 싱크의 상면 사이에 배열되며, 상기 히터 모듈과 상기 히트 싱크 사이에서 일정한 열 구배를 유지하는 절연층을 포함하는, 척 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 1 이상의 가열 소자에 작동가능하게 결합되며 상기 1 이상의 가열 소자에 가변량의 전력을 공급하는 전원;

상기 전원에 작동가능하게 결합되며 상기 전원을 제어하여 상기 1 이상의 가열 소자에 가변량의 전력을 전달하는 히터 제어기; 및

상기 챔버 내부에 배열되며 상기 히터 제어기에 작동가능하게 결합되고, 상기 히터 제어기에 각각 1 이상의 온도 신호를 제공하는 1 이상의 온도 프로브를 포함하며,

상기 1 이상의 가열 소자로 공급되는 상기 가변량의 전력은, 상기 소망의 배경 온도와 상기 1 이상의 온도 측정 신호 사이의 차이에 기초하는, 척 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 금속은 세슘, 나트륨 및 칼륨 중 하나를 포함하는, 척 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 절연층은 용융 실리카 및 석영 중 적어도 하나를 포함하는, 척 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 히트 싱크는, 내부에 형성된 냉각 채널을 가지는 냉각판 및 상기 냉각 채널에 작동가능하게 결합되며 상기 냉각 채널을 통해 냉각 유체를 흐르게 하는 냉 각부를 포함하는, 척 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 일정한 배경 온도는 350℃ 와 450℃ 사이인, 히터 모듈 장치.
기판을 레이저 열처리하기 위한 척 장치로서,

챔버 주변 내부면을 가진 밀폐된 내부 챔버, 평평한 상면 및 저면을 가지는 하우징으로서, 상기 챔버가 액체 및 증기 형태의 금속을 포함하도록 구성되어 있는, 상기 하우징;

챔버 내부의 안쪽으로 배열되며 상기 하우징 및 상기 금속 액체/증기를 배경 온도까지 가열하는 1 이상의 가열 소자; 및

상기 챔버 주변 내부면에 인접하게 배열되며 상기 챔버 주변 내부면의 대부분 또는 전부로 액체 금속을 공급하는 1 이상의 윅을 포함하며,

상기 기판으로부터 상기 챔버로 전달되는 열에 의해 형성되는 상기 챔버 내부의 핫스팟에서 상기 액체 금속을 기화시키고, 상기 핫스팟으로부터 떨어져서 금속 증기를 응축시킴으로써 일부의 금속 액체가 상기 챔버 내부에 재분배되는, 척 장치.
제 10 항에 있어서,

상기 금속은 알칼리 금속을 포함하는, 척 장치.
제 10 항에 있어서,

상기 하우징과 열적으로 소통하며, 상기 챔버로부터 열을 제거하는 히트 싱크를 더 포함하는, 척 장치.
공간적으로 변동하는 열부하 상태에 있는 기판을 일정한 배경 온도로 유지하는 방법으로서,

상기 공간적으로 변동하는 열부하를 상기 기판으로부터 상기 기판을 지지하는 상부 및 주변 내부면을 갖는 밀봉 챔버를 가지는 히터 모듈로 전달하는 단계로서, 상기 챔버가 상기 주변 내부면의 대부분 또는 전부에 인접하게 액체 금속의 일부를 보유하는 것을 포함하여, 상기 금속 액체/증기를 보유하도록 구성되어 있는, 상기 전달 단계;

상기 히터 모듈 및 내부에 보유되는 상기 금속 액체/증기를 일정한 배경 온도로 유지하는 단계;

상기 기판으로부터 상기 챔버로 상기 금속 액체/증기의 선택적인 증발 및 응축을 통하여 전달되는 열을 분배하는 단계; 및

열투입량을 변동시킴으로써 일정한 배경 온도를 유지하는 단계를 수행할 수 있도록, 공간적으로 변동하는 열부하에 의해 제공되는 양보다 더 많으며 상기 히터 모듈 및 상기 기판으로부터 복사 및 대류에 의해 잃어버리는 열량보다 적은 열을 상기 챔버로부터 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 기판의 레이저 열 처리를 수행하기 위하여 레이저 빔으로 상기 기판을 조사함으로써 공간적으로 변동하는 열부하를 상기 기판에 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 금속 액체/증기로서 칼륨, 나트륨 및 세슘 중 1 이상을 상기 챔버로 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 챔버로부터 열을 제거하는 단계는, 절연층을 통하여 상기 히터 모듈 챔버와 열적으로 소통하는 냉각판 형태의 히트 싱크를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 히터 모듈과 상기 히트 싱크 사이에 일정한 열 구배를 유지하기 위하여 상기 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
기판이 공간적으로 변동하는 열부하상태에 있는 동안 상기 기판을 일정한 배경 온도로 유지하는 방법으로서,

상기 공간적으로 변동하는 열부하와 연관되는 열을 상기 기판으로부터 상기 기판과 열적으로 소통하는 밀봉 챔버 내부에 보유되는 금속 액체/증기로 전달하여, 냉각 영역으로 둘러싸인 핫스팟을 상기 챔버 내부에 형성하는 단계; 및

상기 핫스팟에서 상기 액체 금속을 기화시키고 상기 냉각 영역에서 상기 금속 증기를 응축시킴으로써, 상기 금속 액체/증기의 일부를 재분배하여 상기 밀봉 챔버 및 상기 기판의 온도를 균일화하는 단계를 포함하는, 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 밀봉 챔버 및 상기 금속 액체/증기의 온도를 일정한 배경 온도로 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 열부하에서의 최대 순시 변동과 적어도 동일하고 상기 기판 및 상기 챔버로부터 대류 및 복사를 통하여 잃어버린 열량보다 적은, 일정한 열량을 제거하도록 구성된 히트 싱크에 상기 밀봉 챔버를 열적으로 결합하는 단계를 더 포함하는, 방법.