KR100712756B1 - 웨이퍼 열처리용 보트 - Google Patents

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KR100712756B1
KR100712756B1 KR1020050125922A KR20050125922A KR100712756B1 KR 100712756 B1 KR100712756 B1 KR 100712756B1 KR 1020050125922 A KR1020050125922 A KR 1020050125922A KR 20050125922 A KR20050125922 A KR 20050125922A KR 100712756 B1 KR100712756 B1 KR 100712756B1
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김건
서우현
송경환
황돈하
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Abstract

본 발명은, 수직 방향으로 뻗은 지지축과, 상기 지지축에 일단이 고정되고, 상기 지지대의 타단은 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 부분을 지지하도록 구비되어 웨이퍼가 장착되는 지지대를 포함하며, 적어도 3개의 지지대에 의해 하나의 웨이퍼를 지지할 수 있는 구조를 갖는 웨이퍼 열처리용 보트에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 웨이퍼 하중에 의한 스트레스 및 열적 스트레스를 최소화하여 슬립의 발생을 억제하고 보트에 의한 웨이퍼의 오염을 최소화할 수가 있다.
보트(Boat), 열처리, 웨이퍼, 무게 중심

Description

웨이퍼 열처리용 보트{Boat for heat treatment of wafer}
도 1은 웨이퍼 열처리용 보트 상에 장착된 웨이퍼의 모습을 도시한 도면이다.
도 2는 웨이퍼 에지부와 웨이퍼 중심부에서의 온도 편차에 의해 장력이 발생된 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 웨이퍼 에지부와 웨이퍼 중심부에서의 온도 편차에 의해 압축력이 발생된 모습을 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 웨이퍼가 압축력을 받을 경우 웨이퍼 중심부와 웨이퍼 에지부에 작용하는 중력의 힘을 도시한 도면들이다.
도 5a 내지 도 5c는 웨이퍼 열처리용 보트를 도시한 도면들이다.
도 6a 내지 도 6c는 웨이퍼 열처리용 보트의 형태에 따른 XRT 사진들이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리용 보트를 도시한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
W: 웨이퍼 100, 200, 300: 보트
110, 210, 310: 지지대 120, 220, 320: 지지축
330: 돌출부
본 발명은 웨이퍼 열처리용 보트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 웨이퍼 하중에 의한 스트레스 및 열적 스트레스를 최소화하여 슬립의 발생을 억제하고 보트에 의한 웨이퍼의 오염을 최소화할 수 있는 웨이퍼 열처리용 보트에 관한 것이다.
일반적인 실리콘 웨이퍼의 제조방법은, 단결정 잉곳(Ingot)을 만들기 위한 단결정 성장 공정과, 단결정 잉곳을 슬라이싱(Slicing)하여 얇은 원판 모양의 웨이퍼를 얻는 슬라이싱 공정과, 상기 슬라이싱 공정에 의해 얻어진 웨이퍼의 깨짐, 일그러짐을 방지하기 위해 그 외주부를 가공하는 그라인딩(Grinding) 공정과, 상기 웨이퍼에 잔존하는 기계적 가공에 의한 손상(Damage)을 제거하는 랩핑(Lapping) 공정과, 상기 웨이퍼를 경면화하는 연마(Polishing) 공정과, 연마된 웨이퍼를 세정하고 웨이퍼에 부착된 연마제나 이물질을 제거하는 세정 공정을 포함한다.
일반적으로 쵸크랄스키(Czochralski; CZ)법으로 인상 성장된 실리콘 단결정을 가공하여 제작된 실리콘 웨이퍼는 산소 불순물을 많이 포함하고 있으며, 이 산소 불순물은 전위나 결함 등을 발생시키는 산소석출물이 된다. 이 산소석출물이 디바이스(Device)가 형성되는 표면에 존재하는 경우, 누설 전류 증대 및 산화막 내압 저하 등의 원인이 되어 반도체 소자의 특성에 큰 영향을 미친다.
보이드성 결함이나, 산소석출물 등의 내부 결함들을 제어하는 방법에는 단결정 성장시 제어하는 방법과 결정성장 후 열처리 방법에 의하여 제어하는 방법이 있다. 열처리 방법으로는 확산로(Diffusion Furnace)를 이용한 방법이나 할로겐 램프를 이용한 RTP(Rapid Thermal Processing) 방법이 있다.
웨이퍼 열처리는 1150℃ 이상의 고온에서 열처리하여 단결정 잉곳(Ingot) 성장시 발생하는 공공에 의한 결함 및 산소에 의한 석출결함을 웨이퍼 표면으로부터 10㎛ 이상의 깊이까지 무결함층을 형성하기 위하여 실시하고 있다. 웨이퍼를 고온에서 열처리할 경우 웨이퍼에 슬립이 발생할 수 있으며, 이러한 슬립은 누설 전류의 원인으로 작용하여 웨이퍼 표면의 전기적 특성의 변화를 유발하며 이는 반도체 소자 제작시 수율 저하의 원인으로 작용한다. 따라서, 웨이퍼 제조 공정에서 발생하는 슬립을 최소화하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다.
특히, 고온 열처리 과정에서 램프-업(Ramp-up) 또는 램프-다운(Ramp-down) 시에 열적 스트레스(Thermal Stress) 및 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 보트(Boat)의 디자인에 따라 슬립(Slip) 발생 정도가 다르게 나타난다. 웨이퍼가 대구경화 됨에 따라 웨이퍼 무게에 따른 스트레스(Stress)가 증가하여 슬립을 제어하는데 어려움이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 웨이퍼 하중에 의한 스트레스와 열 적 스트레스를 최소화하여 슬립의 발생을 억제하고 보트에 의한 웨이퍼의 오염을 최소화할 수 있는 웨이퍼 열처리용 보트를 제공함에 있다.
본 발명은, 수직 방향으로 뻗은 지지축과, 상기 지지축에 일단이 고정되고, 상기 지지대의 타단은 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 부분을 지지하도록 구비되어 웨이퍼가 장착되는 지지대를 포함하며, 적어도 3개의 지지대에 의해 하나의 웨이퍼를 지지할 수 있는 구조를 갖는 웨이퍼 열처리용 보트를 제공한다.
상기 지지대는 수평 방향에 대하여 경사지게 구비되고, 상기 지지축에 연결된 상기 지지대의 일단과 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 부분을 지지하기 위한 상기 지지대의 타단은 적어도 0.05 ㎜ 이상의 높이 편차를 갖도록 구비될 수 있다.
상기 지지대는 수평하게 배열되고, 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 부분을 지지하도록 돌출부가 구비되어 있을 수 있다. 상기 돌출부는 1∼5㎜의 높이를 가질 수 있다.
상기 지지대는 웨이퍼를 수직 방향으로 복수 개 장착할 수 있도록 수직 방향으로 일렬로 복수 개 배열되어 있는 구조를 가질 수 있다.
상기 지지대는 4∼8㎝ 정도의 길이를 가질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 웨이퍼 열처리용 보트 상에 장착된 웨이퍼의 모습을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 웨이퍼 열처리용 보트는 웨이퍼의 무게 중심에 3개의 지지대가 접촉될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 고온 열처리 공정에서 슬립은 램프-업(Ramp-up) 또는 램프-다운(Ramp-down) 시에 열적 스트레스(Thermal Stress) 및 웨이퍼 무게에 의한 스트레스에 의해 주로 발생한다. 웨이퍼 무게는 보트의 지지대에 의해 무게 중심에서 웨이퍼를 지지하므로 중력에 의한 스트레스를 최소화할 수 있다.
열처리를 위한 램프-업 또는 램프-다운 시에 웨이퍼에 발생하는 스트레스는 웨이퍼 중심부(Center)와 웨이퍼 에지부(Edge) 사이의 온도 편차에 의해 발생한다.
일반적으로 램프-업 시에는 도 2에 도시된 바와 같이 웨이퍼(W) 에지부(Edge) 온도가 웨이퍼(W) 중심부(Center) 온도보다 높기 때문에 장력이 발생하게 된다. 보트와 웨이퍼가 접촉하는 부분을 볼 때 웨이퍼 무게 중심에서 웨이퍼와 접촉하는 것이 열적으로 적은 스트레스를 받는다.
램프-다운 시에는 램프-업 시와는 반대로 도 3에 도시된 바와 같이 웨이퍼 중심부가 웨이퍼 에지부 보다 온도가 높기 때문에 인력에 의해 웨이퍼에 압축력이 발생하게 된다. 따라서, 웨이퍼가 위로 또는 아래로 휠 수 있는 힘을 받게 된다.
인력에 의한 압축력이 웨이퍼의 위 또는 아래로 휘게 하는 힘이 중력에 의한 힘에 가중되어 웨이퍼 중심부와 웨이퍼 에지부에 작용하는 중력의 힘이 다르게 나타난다. 도 4a 및 도 4b는 웨이퍼가 압축력을 받을 경우 웨이퍼 중심부와 웨이퍼 에지부에 작용하는 중력의 힘을 도시한 도면들이다. 도 4a는 압축력에 의해 웨이퍼가 아래로 휘는 힘을 받는 경우를 도시한 도면이고, 도 4b는 압축력에 의해 웨이퍼가 위로 휘는 힘을 받는 경우를 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 압축력에 의해 웨이퍼가 아래로 휘는 힘(F1)을 받을 경우, 웨이퍼 중심부는 웨이퍼 에지부보다 중력에 의한 스트레스가 가중된다.
도 4b를 참조하면, 압축력에 의해 웨이퍼가 위로 휘는 힘(F2)을 받을 경우, 열적 스트레스에 의한 웨이퍼 에지부에 중력에 의한 스트레스를 가중시켜 웨이퍼 중심부보다 많은 힘을 받게 된다.
도 5a 내지 도 5c는 웨이퍼 열처리용 보트를 도시한 도면들이다.
도 5a를 참조하면, 웨이퍼 열처리용 보트는 수직 방향으로 뻗은 지지축(120)과, 상기 지지축(120)에 일단이 고정되고 지지대(110)의 타단은 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 부분에 접촉되도록 구비되어 웨이퍼를 장착하는 지지대(110)를 포함한다. 지지대(110)는 수평 방향에 대하여 경사지게 형성되어 있고, 웨이퍼의 에지부에 대응하는 부분에서는 접촉되지 않도록 구비된다. 웨이퍼 열처리용 보트는 적어도 3개의 지지대(110)에 의해 하나의 웨이퍼를 지지할 수 있는 구조(도 1 참조)로 되어 있다. 지지대(110)은 웨이퍼를 수직 방향으로 복수 개 장착할 수 있도록 수직 방향으로 일렬로 복수 개 배열되어 있는 구조를 갖는다.
압축력에 의해 웨이퍼가 위로 휘는 힘을 받을 경우(도 4b 참조), 열적 스트레스에 의한 웨이퍼 에지부에 중력에 의한 스트레스를 가중시켜 웨이퍼 중심부보다 높은 힘을 받게 된다. 이러한 점을 고려하여 가중된 중력에 의한 스트레스를 최소화하기 위하여 웨이퍼의 무게 중심에 보트의 지지대 일단이 접촉되도록 하고, 보트의 지지대가 웨이퍼의 에지부에 대응하는 부분에서는 접촉이 되지 않도록 설계하였다. 이를 위해 보트의 지지대는 수형 방향에 대하여 경사지게 구비되고, 웨이퍼 에지부에 대응하는 지지대의 일단과 웨이퍼 무게 중심에 해당하는 부분과 접촉되는 보트 지지대의 타단은 소정의 높이 편차(예컨대, 0,1㎜)를 갖도록 구비된다. 보트의 지지대(110)는 웨이퍼의 크기 등을 고려하여 4∼8㎝ 정도의 길이를 갖는다.
도 5b를 참조하면, 압축력에 의해 웨이퍼가 아래로 휘는 힘을 받는 경우를 고려하여 설계된 구조이다. 압축력에 의해 웨이퍼가 아래로 휘는 힘을 받을 경우(도 4a 참조), 웨이퍼 중심부는 웨이퍼 에지부보다 중력에 의한 스트레스가 가중된다. 웨이퍼 중심부가 받는 스트레스를 최소화하기 위하여 웨이퍼 에지부에 보트의 지지대 일단이 접촉되도록 하고, 보트가 웨이퍼의 중심부에서 접촉이 되지 않도록 설계하였다. 이를 위해 보트의 지지대는 수형 방향에 대하여 경사지게 구비되고, 웨이퍼 에지부와 접촉되는 지지대의 일단은 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 지지대의 타단과 소정의 높이 편차(예컨대, 0.1 ㎜ 정도)를 갖도록 구비된다.
도 5c를 참조하면, 보트의 지지대가 웨이퍼 무게 중심과 웨이퍼 에지부 사이의 전체에 접촉하도록 구비된다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같은 웨이퍼 열처리용 보트들을 제작 한 후, 슬립(Slip) 발생 정도를 평가하기 위하여 웨이퍼를 보트에 장착하고 1200℃의 온도에서 1시간 동안 열처리를 실시하였다. 열처리는 다음과 같은 과정으로 실시하였다. 웨이퍼를 웨이퍼 지지대에 안착하고, 퍼니스의 온도를 700℃에서 1200℃까지 1∼10℃/min로 램프-업(Ramp-up) 시켰다. 700℃에서 1200℃까지 램프-업하는 동안에는 아르곤(Ar) 가스를 10 slm의 유량으로 공급하하였다. 1200℃에서 1시간 동안 아르곤(Ar) 가스를 계속적으로 공급하면서 열처리를 실시하였다. 1200℃에서 1시간 동안 열처리를 실시한 후, 아르곤(Ar) 가스를 계속적으로 공급하면서 700℃로 램프-다운(Ramp-down) 시켰다.
열처리 후 웨이퍼의 슬립은 XRT(X-ray Topography)를 이용하여 평가하였다. 도 6a 내지 도 6c는 웨이퍼 열처리용 보트의 형태에 따른 XRT 사진들이다. 도 6a는 도 5a에 도시된 보트에 웨이퍼를 장착하여 열처리를 실시한 경우이고, 도 6b는 도 5b에 도시된 보트에 웨이퍼를 장착하여 열처리를 실시한 경우이며, 도 6c는 도 5c에 도시된 보트에 웨이퍼를 장착하여 열처리를 실시한 경우를 보여주는 사진이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 도 5a에 도시된 보트에 웨이퍼를 장착하여 열처리를 실시한 경우가 가장 슬립이 적게 발생함을 알 수 있다. 보트의 지지대가 웨이퍼 무게 중심에 접촉하고 웨이퍼 에지부에서는 접촉하지 않는 구조로 된 보트에서 웨이퍼 표면에 슬립이 거의 발생하지 않았다.
상술한 점들을 종합적으로 고려하여 보건데, 웨이퍼 무게 중심에 해당하는 부분만을 지지하는 형태의 웨이퍼 열처리용 보트에서 가장 슬립이 작게 발생함을 알 수 있다. 따라서, 웨이퍼 열처리용 보트는 다음과 같은 구조를 갖는 것이 바람 직하다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리용 보트를 도시한 도면들이다.
도 7을 참조하면, 웨이퍼 열처리용 보트는 수직 방향으로 뻗은 지지축(220)과, 상기 지지축(220)에 일단이 고정되고 지지대(210)의 타단은 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 부분에 접촉되도록 구비되어 웨이퍼를 장착하는 지지대(210)를 포함한다. 지지대(210)는 수평 방향에 대하여 경사지게 형성되어 있고, 웨이퍼의 에지부에 대응하는 부분에서는 접촉되지 않도록 구비된다. 웨이퍼 열처리용 보트는 적어도 3개의 지지대(210)에 의해 하나의 웨이퍼를 지지할 수 있는 구조(도 1 참조)로 되어 있다. 지지대(210)은 웨이퍼를 수직 방향으로 복수 개 장착할 수 있도록 수직 방향으로 일렬로 복수 개 배열되어 있는 구조를 갖는다.
압축력에 의해 웨이퍼가 위로 휘는 힘을 받을 경우(도 4b 참조), 열적 스트레스에 의한 웨이퍼 에지부에 중력에 의한 스트레스를 가중시켜 웨이퍼 중심부보다 높은 힘을 받게 된다. 이러한 점을 고려하여 가중된 중력에 의한 스트레스를 최소화하기 위하여 웨이퍼의 무게 중심에 보트의 지지대 일단이 접촉되도록 하고, 보트의 지지대가 웨이퍼의 에지부에 대응하는 부분에서는 접촉이 되지 않도록 구비된다. 이를 위해 보트의 지지대는 수형 방향에 대하여 경사지게 구비되고, 웨이퍼 에지부에 대응하는 지지대의 일단과 웨이퍼 무게 중심에 해당하는 부분과 접촉되는 보트 지지대의 타단은 소정의 높이 편차를 갖도록 구비된다. 상기 높이 편차는 적어도 0.05 ㎜ 이상이 되도록 하는 것이 바람직하며, 웨이퍼의 크기, 웨이퍼의 무 게, 보트에 장착되는 웨이퍼의 수, 보트가 쓰러지지 않고 지지할 수 있는 안정도 등을 고려하여 적절하게 조절한다. 보트의 지지대(210)는 웨이퍼의 크기 등을 고려하여 4∼8㎝ 정도의 길이를 갖는 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면, 웨이퍼 열처리용 보트는 수직 방향으로 뻗은 지지축(320)과, 상기 지지축(320)에 일단이 고정되고 지지대(310)의 타단에는 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 부분을 지지하도록 돌출부(330)가 구비되어 있다. 지지대(310)는 수평하게 배열되어 있고, 웨이퍼의 에지부에 대응하는 부분에서는 접촉되지 않도록 구비된다. 웨이퍼 열처리용 보트는 적어도 3개의 지지대(310)에 의해 하나의 웨이퍼를 지지할 수 있는 구조(도 1 참조)로 되어 있다. 지지대(310)은 웨이퍼를 수직 방향으로 복수 개 장착할 수 있도록 수직 방향으로 일렬로 복수 개 배열되어 있는 구조를 갖는다.
압축력에 의해 웨이퍼가 위로 휘는 힘을 받을 경우(도 4b 참조), 열적 스트레스에 의한 웨이퍼 에지부에 중력에 의한 스트레스를 가중시켜 웨이퍼 중심부보다 높은 힘을 받게 된다. 이러한 점을 고려하여 가중된 중력에 의한 스트레스를 최소화하기 위하여 웨이퍼의 무게 중심에 지지대의 돌출부(330)가 접촉되도록 하고, 보트의 지지대가 웨이퍼의 에지부에 대응하는 부분에서는 접촉이 되지 않도록 구비된다. 이를 위해 지지대의 돌출부(330) 높이(H)는 적어도 0.05 ㎜ 이상(예컨대, 1∼5㎜)이 되도록 하는 것이 바람직하며, 웨이퍼의 크기, 웨이퍼의 무게, 보트에 장착되는 웨이퍼의 수, 보트가 쓰러지지 않고 지지할 수 있는 안정도 등을 고려하여 적절하게 조절한다. 돌출부(330)의 폭(Wd)은 적어도 0.05 ㎜ 이상(예컨대, 1∼5㎜)이 되도록 하는 것이 바람직하며, 웨이퍼의 크기, 웨이퍼의 무게 등을 고려하여 적절하게 조절한다. 보트의 지지대(310)는 웨이퍼의 크기 등을 고려하여 4∼8㎝ 정도의 길이를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 웨이퍼 열처리용 보트에 의하면, 지지대가 웨이퍼 무게 중심에 해당하는 부분에만 접촉되도록 함으로서 웨이퍼 하중에 의한 스트레스 및 열적 스트레스를 최소화하여 슬립의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 웨이퍼와의 접촉 면적이 무게 중심 부분에만 한정되므로 보트에 의해 웨이퍼가 오염되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 열처리를 위한 램프-업 및 램프-다운 동안에 웨이퍼 중앙부와 웨이퍼 에지부 사이의 열적 편차를 최소화할 수 있으므로 슬립의 발생을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (6)

  1. 수직 방향으로 뻗은 지지축; 및
    상기 지지축에 일단이 고정되고, 상기 지지대의 타단은 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 부분을 지지하도록 구비되어 웨이퍼가 장착되는 지지대를 포함하며,
    적어도 3개의 지지대에 의해 하나의 웨이퍼를 지지할 수 있는 구조를 갖는 웨이퍼 열처리용 보트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지대는 수평 방향에 대하여 경사지게 구비되고, 상기 지지축에 연결된 상기 지지대의 일단과 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 부분을 지지하기 위한 상기 지지대의 타단은 적어도 0.05 ㎜ 이상의 높이 편차를 갖도록 구비된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 열처리용 보트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 지지대는 수평하게 배열되고, 웨이퍼의 무게 중심에 대응하는 부분을 지지하도록 돌출부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 열처리용 보트.
  4. 제3항에 있어서, 상기 돌출부는 1∼5㎜의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 열처리용 보트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지지대는 수직 방향으로 일렬로 복수 개 배열되어 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 열처리용 보트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지지대는 4∼8㎝의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 열처리용 보트.
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