KR100847367B1 - 열 프로세싱 시스템을 저항적으로 가열하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

비도핑 세라믹 재료의 매트릭스 내에 부분적으로 또는 완전히 매립된 도핑 세라믹 가열 소자를 포함하는 저항성 히터를 제공한다. 상기 세라믹은 실리콘 카바이드가 될 수 있고, 도펀트는 질소가 될 수 있다. 본 발명의 히터 시스템은 가열 소자들을 포함하는 재료들과 이들 소자들을 둘러싸는 매트릭스 재료가 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는다는 사실로부터 많은 이점이 있다. 일실시예에서, 상기 히터는 컴팩트하고, 강하고, 단단하며, 열적 질량(thermal mass)이 낮아서 전원 입력 변동에 빠르게 반응할 수 있는 모노리식 플레이트이다. 상기 저항성 히터는, 에피택셜 막들을 증착하고 급속 열 프로세싱을 수행하는 것들과 같은 집적 회로들을 제조하는데 사용되는, 많은 리액터들 및 프로세싱 챔버들에 사용될 수 있다.

반도체 기판, 프로세싱 챔버, 가스 공급 장치, 도핑 세라믹 가열 소자, 가열 유닛, 열 팽창 계수

Description

열 프로세싱 시스템을 저항적으로 가열하는 장치 및 방법{APPARATUSES AND METHODS FOR RESISTIVELY HEATING A THERMAL PROCESSING SYSTEM}

본 발명의 실시예들은 반도체 기판들을 프로세싱하는 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 열 프로세싱 시스템을 저항적으로 가열하는 장치들 및 방법들에 관한 것이다.

반도체 기판 상의 집적회로(IC)의 제조는 범위(scope), 특징(nature) 또는 목적 면에서 폭넓게 변화하는 일련의 프로세싱 단계들을 수반할 수 있지만, 이들 프로세싱 단계들은 상승 온도(elevated temperature)에서 수행된다는 사실을 공통적으로 갖고 있다. 가열 단계를 수반할 수 있는 IC 제조 기술의 예로서는 에피택시, 유전층 및 전도층 양측에 대한 박막 증착, 이온 주입, 어닐링, 접합 형성 등이 있다. 열 프로세싱은, 램프들과 같은 복사열 소스들, 유도적으로 가열하는 RF 소스들, 또는 히터 블록들이나 기판 지지체에 인접하는 서셉터들(susceptors)과 같은 저항적으로 가열된 소스들을 갖는 프로세싱 챔버에서 수행될 수 있다.

열 프로세싱 챔버들은 저항적으로 가열될 수 있다. 이러한 유형의 열 프로세서는 전원 공급 장치에 접속되는 가열 소자들을 포함할 수 있다. 상기 가열 소자들에 전압을 인가할 때, 전류의 흐름에 대한 가열 소자들의 저항으로 인해 전력이 낭 비되고, 이것은 상기 프로세싱 챔버에 열 흐름을 제공한다.

프로세싱 챔버를 저항적으로 가열하는 종래의 방법은 실리콘 카바이드 층으로 코팅된 그래파이트 코어(graphite core)를 포함하는 가열 소자를 사용한다. 상기 그래파이트 코어는 불순물을 포함할 수 있기 때문에 상기 그래파이트 코어를 봉인하는데 실리콘 카바이드를 사용한다. 금속성의 불순물이 될 수 있는 이러한 불순물들의 존재는 IC 제조업자들에게는 바람직하지 않은데, 왜냐하면 상기 불순물들은 프로세싱 되는 반도체 기판에 도달되어 디바이스 성능에 손상을 입힐 수 있기 때문이다. 실리콘 카바이드 코팅은 보호층을 제공하는데, 이 보호층은 그래파이트 코어를 포함하는 히터가 그것의 불순물들과 오염물질을 지닌 채 반응 챔버에 삽입될 수 있게 한다.

종래의 가열 소자들은 많은 문제를 일으킨다. 하나의 문제는 상기 코어 및 코팅 재료들이 상이한 열 팽창 계수들을 가질 수 있고, 상기 그래파이트 코어가 실리콘 카바이드의 속도와는 다른 속도로 확장하기 때문에, 히터는 구부려지거나 상기 가열 소자가 온도를 변화시킴에 따라 형상이 일그러질 수 있다는 것이다.

두 번째 문제는 가열 소자를 포함하는 2개 재료들의 두께의 차이로 인해 생길 수 있다. 몇몇 시스템에서, 실리콘 카바이드 코팅은 단지 약 0.004 인치의 두께일 수 있다. 또한, 2개 재료들간의 열 팽창 계수들의 차이로 인해, 실리콘 카바이드 코팅은 가열 소자의 가열 및 냉각 시에 크랙이 발생되어 프로세싱 챔버의 내부및 프로세싱되는 기판들을 그래파이트의 불순물에 대해 노출시키게 된다. 그런 다음, 그래파이트에서 나온 불순물은 실리콘 카바이드 코팅 내의 크랙들을 통해 상기 저항성 가열 소자를 벗어나 확산되어 반응 챔버로 유입됨으로써 오염을 일으킬 수 있다.

이 문제는 상기 반응 챔버 내의 산소 환경이 존재하는 경우에 더욱 악화되는 바, 포토레지스트가 기판으로부터 스트립되는 경우나, 열 산화 프로세스가 급속 열 프로세스(Rapid Thermal Processing : RTP) 챔버에서 수행되는 경우에 그러하다. 또한, 상기 챔버를 외부 환경으로부터 격리시키는 봉인을 통해 산소가 상기 챔버로 누설될 수 있다. 산소는 상기 실리콘 카바이드 코팅의 크랙들을 통해 확산하여 그래파이트 코어와 반응할 수 있다. 그래파이트는 산소와 반응하여 일산화탄소 가스 및 이산화탄소 가스를 형성하므로(이 프로세스를 "애싱(ashing)"이라 함) 가열 소자의 내부 코어가 급속히 부식될 수 있다. 히터의 저항은 상기 애싱이 발생하는 그 위치에서 급격하게 증가하기 때문에 핫 스폿(hot spot)이 생기게 된다. 이것은 매우 활동적인 반응이어서 가열 소자의 내부 코어가 단지 10초만에 소모될 수 있다.

종래의 저항성 가열 소자들에서 생길 수 있는 세 번째 문제는 종종 코어 재료가 특히 강하지 않다는 것이다. 그래파이트 역시 그러하다. 그래파이트와 같은 코어 재료의 상대적인 기계적 약함 때문에, 그 강도 부족을 보상하기 위해 가열 소자의 단면을 종종 크게 한다. 그렇지만, 이렇게 할 경우 다른 문제들이 야기된다. 큰 히터는 또한 큰 열적 질량(thermal mass)을 가질 수 있으며, 이것은 온도가 전력의 변화에 덜 반응하게 할 수 있다. 지연된 온도 변화로 인해 온도 반복성(temperature repeatability)을 좋지 않게 할 수 있다. 다른 결과는, 챔버가 원하는 프로세싱 온도에 도달할 때 직면하는 지연들로 인해 단위 시간 당 프로세싱 될 수 있는 기판의 수(작업 처리량)를 감소시킬 수 있다.

종래의 가열 방식은 도 1에 도시된 바와 같이 가열 소자들을 봉입체 내에 봉입함으로써 상기 문제들의 일부를 해결하였다. 도1에 도면 부호 100으로 개괄적으로 도시된 저항성 히터는 4개의 가열 소자들(101, 102, 103 및 104)(이것들은 도면의 평면 내외로 와인딩하는 동일한 트레이스의 일부가 될 수 있음)을, 상부 차폐부(106) 및 하부 차폐부(108)로 구성되는 봉입체 내에 포함한다. 가열 소자들 각각은 그래파이트 코어(110)와 실리콘 카바이드 코팅(112)을 포함한다. 상기 봉입체는 그래파이트부(114)와 실리콘 카바이드 코팅(116)을 포함한다. 상기 가열 소자들은 지지체(118)에 의해 상기 봉입체에 부착될 수 있다. 이 예에서, 가열 소자들 및 봉입체 부분들의 두께는 약 0.25 인치이고, 실리콘 카바이드 코팅의 두께는 약 0.004 인치이다. 질소, 헬륨 또는 아르곤과 같은 내부 기체가 스페이스(122)를 통해 흐를 수 있다.

또한, 상기 가열 소자들을 SiC-코팅된 그래파이트의 쉘 내에서 에워싸는 이유는 가열 소자의 SiC 코팅이 두 재료의 서로 다른 열 팽창 계수(coefficients of thermal expansion : CTE)로 인한 크랙에 민감하기 때문이다. 상기 코팅이 크랙되는 경우, 특히 상기 가열 소자가 산화 환경에 노출되는 경우, 그래파이트 코어는 애싱되기 쉽다. 그래파이트의 애싱은 즉각적인 "타버림(burn out)"을 야기하여 히터에 손상을 입힐 뿐만 아니라 챔버 내로 불순물을 유입시킬 수 있다. 가열 소자들을 쉘(또는 차폐부) 내에 에워쌈으로써, 가열 소자들을 둘러싸는 스페이스 내에 내부 가스를 흐르게 하여 이들 불순물들을 챔버 밖으로 배출할 수 있다. 상기 내부 가스는 또한 반응 챔버 내의 어떠한 산소도 그래파이트 코어에 접근하지 못하게 하는 역할을 한다.

그래서, 예시적인 종래의 히터들은 다음 3가지의 요소 즉, 1) 실리콘 카바이드로 코팅된 그래파이트를 포함하는 가열 소자, 2) 실리콘 카바이드로 코팅된 그래파이트를 포함하는 봉입 쉘, 및 3) 상기 가열 소자의 외측이면서 상기 쉘의 내측인 공간을 깨끗하게 하는데 사용되는 내부 가스를 갖는 것으로 생각될 수 있다. 상부 및 하부 차폐부들(106 및 108)은 또한 개개의 가열 소자들로부터의 열 흐름을 분배함으로써 보다 규칙적인 가열 환경을 제공하는 역할을 한다. 상기 차폐부들이 상기 가열 소자들로부터의 열을 성공적으로 확산시켜 보다 규칙적인 출력을 생성하지만, 상기 차폐부들은 또한 히터의 열적 질량을 증가시켜 그 히터가 전력의 변화에 덜 반응하게 할 수 있다. 종래 히터의 차폐를 사용하면 하드웨어가 커져서 다루기 힘들게 될 수 있다. 각각 종래의 히터들(202 및 204), 상부 및 하부 서셉터들, 및 측면 히터(206)를 포함하는 예시적인 프로세싱 챔버가 도 2에 도면 부호 200으로 개괄적으로 도시되어 있다. 이 도면은 종래의 저항성 히터를 활용하는 프로세싱 챔버 내에서 차지하는 큰 스페이스를 도시하고 있다.

무엇보다도 특히, 컴팩트하고, 보다 작은 구성이고, 산소 환경에 내성이 있고, 오염 및 성능 저하의 잠재성이 낮으며, 열 팽창 및 수축 동안 형상의 변화를 더욱 예측할 수 있는, 반도체 프로세싱의 저항성 가열을 위한 장치들 및 방법이 요망된다.

본 발명의 양상들은 비도핑 세라믹 재료의 매트릭스에 부분적으로 매립되거 나 완전히 매립될 수 있는 도핑 세라믹 가열 소자를 구비하는 저항성 히터를 포함한다. 예시적 실시예에서, 세라믹은 실리콘 카바이드로 될 수 있고, 도펀트는 질소로 될 수 있다. 가열 소자들의 열 팽창 계수가 실질적으로 동일한 재료들 및 이들 가열 소자들을 에워싸는 매트릭스 재료들을 사용함으로써 장점들을 꾀할 수 있다. 그래서, 전력이 저항성 히터에 인가될 때, 부품들(소자들 및 매트릭스) 각각은 실질적으로 일제히 확장하고 수축한다. 가열 시의 플레이트의 확장이 예측가능하게 됨으로써, 기판 지지체 핀들 또는 웨이퍼 올림 핀들(wafer lift pins)과 같은 다른 하드웨어와 관련한 엄밀한 허용공차(tolerance)가 허용된다. 일실시예에서, 히터는 컴팩트하고, 실질적으로 순수하고 오염되지 않고, 산화나 부식성 가스 또는 재료와 반응하지 않고, 강하고, 단단하며, 열적 질량이 낮은 모노리식 플레이트이며, 전력 입력 변동에 빠르게 반응할 수 있다. 상기 저항성 히터는 에피택셜 막들과 화학 증기 증착(CVD) 막들의 증착을 위한 것들 및 급속 열 프로세싱을 수행하는 것들과 같은 집적회로들을 제조하는데 흔히 사용되는 많은 리액터들과 프로세싱 챔버들에 사용될 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 특징들과 이점들은 첨부된 도면을 참조로 한 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 보다 분명하게 될 것이다.

도 1은 실리콘 카바이드 코팅된 그래파이트 가열 소자들 및 차폐부들을 포함하는 종래의 3-부분 저항성 히터의 단면도.

도 2는 종래의 저항성 히터들을 상부 및 하부에 구비하는 열 프로세싱 시스 템의 단면도.

도 3a 내지 3e는 본 발명의 일실시예에 따라 히터를 제조하는 예시적 프로세스 흐름도.

도 3f 내지 3h는 본 발명의 일실시예에 따라 히터를 제조하는 제2 예시적 프로세스 흐름도.

도 3i 내지 3o는 본 발명의 일실시예에 따라 히터를 제조하는 제3 예시적 프로세스 흐름도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히터의 단면도.

도 5는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 모노리식 히터 플레이트의 평면도.

도 6은 예시적 모노리식 히터 플레이트와 기판 올림/지지 핀들을 포함하는 프로세싱 챔버의 단면도.

도 7은 히터 트레이스의 설계 상에서 기판 지지 핀 홀이 갖는 효과를 설명하는 개략도.

도 8은 모노리식 가열 플레이트가 기판/지지 핀과 관련해서 확장되는 방식을 도시하는 개략도.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 모노리식 플레이트 히터들을 갖는 예시적 프로세싱 챔버의 측단면도.

도 10은 2개의 상부 플레이트 히터들을 포함하는 수평면을 통하는 이중의 기판 프로세싱 챔버의 평면도.

도 11은 2개의 하부 플레이트 히터들을 포함하는 수평면을 통하는 이중의 기 판 프로세싱 챔버의 평면도.

본 발명의 양상들은 반도체 기판들을 프로세싱하는 장치들 및 방법들을 제공한다. 다음의 설명은 당업자가 본 발명을 제작하고 사용할 수 있게 하기 위해 제공된다. 특정한 어플리케이션들에 대한 설명은 예시로서만 제공된다. 당업자는 양호한 실시예에 대한 다양한 변형을 용이하게 행할 수 있으며, 여기서 정의되는 일반적인 원리들은 다른 실시예들 및 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않는 어플리케이션들에 적용될 수 있다. 그래서, 본 발명은 설명되거나 도시된 실시예들에 제한되도록 의도된 것이 아니며, 여기서 기재하는 원리들 및 특징들에 일관하는 가장 넓은 범주에 일치되어야 한다.

몇몇 양상들에서, 실리콘 카바이드의 속성들은 저항성 히터의 가열 소자에 매우 바람직하다. 실리콘 카바이드는 기계적으로 매우 단단하고, 반도체 프로세싱 챔버 내에 배치될 때 오염되지 않는다는 점에서 순수하다. 금속들은 실리콘 카바이드 막을 통해 쉽게 확산되지 않는다. 실리콘 카바이드를 통한 금속의 확산은 상승 온도에서조차도 매우 느리다. 다른 세라믹들도 마찬가지로 바람직한 속성들을 가질 수 있다.

다른 양상들에서, 실리콘 카바이드는 저항성 가열 소자의 이상적인 재료는 아니다. 실리콘 카바이드는 높은 저항을 가지고 있기 때문에, 이 실리콘 카바이드를 구동하기 위해서는 매운 적은 양의 전류에서 매우 높은 전류가 요구된다. 또한, 그 단단함으로 인해 머시닝이 매우 어렵다. 히터를 임의의 유용한 형상으로 만드는 것은 다이아몬드 절단 도구들을 필요로 할 것이다. 그래서, 실리콘 카바이드는 상업적인 가열 소자로 실용적이지 않을 수 있다.

본 발명의 실시예들은 종래의 실리콘 카바이드로 코팅된 그래파이트 히터들의 문제점들을 회피하고, 또한 도핑 세라믹으로 제조되는 가열 소자(히터 트레이스)를 제공함으로써, "순수" 실리콘 카바이드로 히터들을 제조하는 어려움을 회피한다. 그러한 도핑 세라믹의 예가 질소로 도핑된 실리콘 카바이드이다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 가열 트레이스는 "Performance Materials Inc."사로부터 입수가능한 질소 도핑 실리콘 카바이드 재료로 제조된다. 이 재료는 Low Resistivity Performance SiC^TM으로 칭해지고 있다.

세라믹의 저항성을 낮추기 위해 사용될 수 있는 다른 소자들이 있다. 이들 소자들은 지르코늄, 티타늄 및/또는 붕소를 포함하며, 이것들은 단독으로 또는 질소와 결합해서 사용될 수 있다. 대안의 소자들은 이것들이 높은 온도에서 안정적이기만 하면 사용될 수 있는데, 상기 도핑 세라믹은 높은 온도에서 안정적이며, 도펀트들이 도핑 세라믹으로부터 가스를 배출할 수 있는 비휘발성 화합물들을 생성하지 않는 한, 상기 도펀트들은 낮은 저항성 영역들로부터 인접하는 높은 저항성 영역층들로 확산하지 않는다. 대안의 세라믹들은 알루미늄 산화물, 붕소 질화물, 및 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 낮은 저항성 재료를 위한 대안의 도펀트들은 As, Sb 및 P를 포함한다.

도핑 재료는 도핑 실리콘으로 될 수 있다. 이 경우, 도펀트들은 또한 B, As, Sb, N 및 P를 포함한다. 이들 재료들은 실리콘 카바이드로 될 수 있는 세라믹 위에, 화학 증기 증착법(CVD) 기술을 이용해서 증착될 수 있다. 에피택셜 실리콘 막들이 SiC로 코팅된 서셉터들 상에서 통상적으로 성장되기 때문에, CVD 실리콘 카바이드가 도핑 실리콘의 막들에 부착한다는 것은 잘 알려져 있다.

도핑 실리콘 카바이드는 CVD 방법들을 이용해서 제조될 수 있다. CVD 성장 재료들은, 이전의 방법에 의해 성장한 재료들이 보다 우수한 보전성을 갖고 비다공성의 경향이 있는 소결 형태(sintered form)에 비해 이점을 제공한다. (부품을 만들기 위해 재료의 미세 입자들을 서로 압축함으로써 만들어진) 소결 재료가 사용될 수 있지만, 그 입자들을 코팅하는데 사용되는 바인더들(binders)이 그 자체 내에 불순물들을 가지고 이 불순물들은 제품의 일부가 되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 소결 제품은 CVD-성장 변종(CVD-grown variety)보다 훨씬 다공성의 경향이 있으며 보다 덜 균질(homogeneous)하다.

비도핑 실리콘 카바이드는 저항성 히터의 바람직한 재료가 아닌데, 왜냐하면 용이하게 머시닝할 수 없고 그 저항이 높기 때문이다. 그렇지만, 본 발명의 출원인들은, 원하는 속성들을 달성하도록, 도핑 실리콘 카바이드가 저항성 히터에 사용될 수도 있다는 점을 알아냈다. 도핑 실리콘 카바이드의 일례는 질소 도핑 실리콘 카바이드이다. 실리콘 카바이드를 예를 들어, 질소로 도핑한 결과, 재료의 전기적 저항은 비도핑 또는 "순수" 재료에 비하여 4 자릿수 내지 5 자릿수(order of magnitude) 범위만큼 감소된다. 예시적인 실시예들에서, 도핑 세라믹의 저항성은 비도핑 세라믹의 저항성보다 약 2 자릿수 내지 5 자릿수(order of magnitude) 범위만큼 더 작을 수 있다. 물론, 하나 이상의 도핑 소자가 사용될 수 있으며, 각각의 소자가 반드시 동일한 목적의 역할을 할 필요는 없다. 몇몇 실시예들에서, 예를 들어, 제1 소자는 저항성을 감소시키는데 사용되고 제2 소자는 머시닝가능성을 향상시키는데 사용될 수 있다. 예시적 도핑 레벨은 중량에 있어서 약 150 내지 약 2000 ppm(parts per million)이 될 수 있으며, 일실시예에서는 약 1400 ppm이다.

도핑 세라믹들은 폭넓은 범위의 원하는 저항성 히터 속성들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성을 증가시키면 상기 도핑 재료를 상기 비도핑 재료보다 합리적인 전압/전류 체제에서 구동시킬 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 질소 도핑 SiC와 같은 도핑 세라믹은, 비도핑 SiC의 저항성보다는 낮지만 그래파이트보다는 높은 저항성을 갖는 히터 트레이스를 생성하는데 사용될 수 있다. 그래파이트와 같은 낮은 저항성 재료들을 포함하는 가열 트레이스들은 적절하게 구동되는 충분한 저항을 제공하도록 현저한 길이로 제조되어야 함이 요구될 수 있다(여기서 "적절하게 구동되는"은 무엇보다도 특히, 낮은 전압 및 높은 전류량의 전원 공급의 필요성을 회피함을 의미한다). 대안적으로, 그래파이트 소자를 얇게 만들어서 저항을 증가시킬 수 있지만, 전형적으로 세기를 고려하여 그 부품을 얼마나 얇게 만들 수 있는지에 대해서는 제한이 있을 것이다. 도핑 실리콘 카바이드의 사용으로 적절한 전압 및 전류 체제로 동작할 수 있으며 몇몇 어플리케이션에서는 히터 트레이스의 길이를 가변시킬 수 있다.

도핑 실리콘 카바이드를 가열 소자 재료로서 사용하는 다른 이점은 도핑 실리콘 카바이드가 전기 방전 머시닝(electrical discharge machining)(EDM)으로 알 려진 기술에 의해 용이하게 머시닝될 수 있다는 점이다. 이것은 재료의 슬랩(slab)이 헤드를 갖는 장치에 의해 와이어 피드(wire feed)를 이용해서 절단될 수 있는 머시닝 기술이며, 상기 와이어 피드는 롤러 주위에 감겨 있어 머신의 외측으로 배출한다. 상기 롤러는 머신의 외측으로 와이어를 지속적으로 배출한다. 상기 슬랩은 접지되어 있고 전위가 그 와이어에 인가된다. 와이어가 슬랩을 통해 당겨질 때 재료는 반드시 증발된다. 절단은 0.001 인치 정도로 얇게 행해질 수 있다. EDM에 의해 행해질 수 있는 다른 유형의 절단이 플런지 절단(plunge cutting)이며, 여기서는 전위가 그래파이트 만드렐(graphite mandrel)에 인가되며, 이 그래파이트 만드렐은 재료를 통해 밀어 넣어져서 홀을 뚫는다. EDM 절단에 따라, 매우 정밀한 홀들이 정교한 치수 안정성을 갖는 재료에 머시닝될 수 있다.

적절하게 저렴하고 매우 정밀한 머시닝을 제공할 수 있는 EDM 기술을 사용하는 방식이 몇 가지 있다. EDM 머시닝의 이점들은 이전에 제조된 부품들을 용이하게 재가공하는 능력을 포함할 수 있다. 예시적 실시예들에 따라 도핑 실리콘 카바이드를 사용하는 저항성 히터 소자들의 제조에서, 히터를 제조한 후 그 히터의 서로 다른 부분들의 가열 특성들을 비교적 용이하게 변형할 수 있다. 예를 들어, 히터의 어느 한 부분에서 보다 많은 전력을 필요로 한다면, EDM 기술을 이용해서 도핑-SiC의 조그만 부분을 제거하고, 조그만 단면과 높은 저항을 갖는 영역을 생성해서, 히터의 그 영역으로부터 보다 많은 전력이 전달되게 할 수 있다. 대조적으로, SiC-코팅 그래파이트 부품들은, SiC 층이 그래파이트에 적용된 후에는 그러한 변형에 용이하게 적응되지 않는다.

종래의 EDM 기술은 순수 실리콘 카바이드를 머시닝하는데는 사용되지 않는데, 왜냐하면 이 재료는, 높은 유전 상수(높은 저항성)를 갖기 때문에 와이어로부터 머시닝되는 부품까지의 전도 경로가 없으며, 상기 와이어가 상기 순수 실리콘 카바이드를 증발시킬 수 없기 때문이다. 도핑 실리콘 카바이드는 저항성 히터로서는 우수한 재료인 바, 이는 저항률이 순수 실리콘 카바이드에 비해 낮을 뿐만 아니라 EDM 기술을 이용해서 머시닝될 수 있기 때문이다. 이에 반하여, 순수 실리콘 카바이드는 다이아몬드 트립 도구들(diamond tripped tools)에 의한 머시닝을 필요로 한다.

단면도에서 예시적인 종래의 그래파이트 소자의 치수들은 폭이 약 0.2 내지 0.5 인치이고 높이가 약 0.5 내지 1.0 인치이다. 이러한 치수들은 전기적 속성들뿐만 아니라 기계적 강도에 의해 결정된다. 그래파이트의 저항성은 거의 0.00076 내지 0.001 ohm cm의 범위이며, 이 범위는 낮다. 전원 공급 장치를 위한 적절한 전압 및 전류량 특성들에 대해 충분한 저항을 갖는 그래파이트로부터 히터를 제조하기 위해, 상기 히터는 매우 길거나 매우 작은 단면을 가질 수 있다. 그렇지만, 상기 단면의 크기는 기계적 강도 때문에 다소 제한 받고 있다. 전형적으로, 히터는 그 구동 전압이 사용될 수 있도록 충분한 저항이 제공되게 길어야 한다. 30 볼트에서 동작하는 RTP 어플리케이션에서의 히터들은 예를 들어, 120 암페어의 전류를 제공받을 수 있다. 이것은 특별한 전력 공급을 필요로 하며 통상적인 교류 콘센트(AC wall outlet)로부터 직접적으로 입수가능하지 않다. 그렇지만, 원하는 온도 균일성을 달성하기 위해, 가열 소자들은 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 서로에 대해 매우 밀접하게 적층될 수 있다.

도핑 실리콘 카바이드의 저항성은 비도핑 실리콘 카바이드의 저항성보다 4 자릿수 내지 5 자릿수 범위만큼 더 작을 수 있지만, 이 저항성은 그래파이트보다 여전히 높을 수 있다. 이것은 제조되는 가열 소자의 사용을 허용하여, 단면에 있어서, 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 가열 소자들이 편평하게 위치하기 때문에 장점이 있다. 본 발명의 예시적 실시예에 따른 도핑 실리콘 카바이드 가열 소자들(트레이스들)의 치수들은 높이가 약 0.1 내지 약 0.3 인치이고 폭이 약 0.5 인치이다. 세라믹 대 그래파이트의 전기적 속성의 차이로 인해 보다 컴팩트한 가열 설계가 가능하고, 가열 트레이스의 방향은 결과적으로 온도 균일성을 보다 우수하게 한다.

다양한 프로세스 흐름이 본 발명의 실시예들에 따른 히터들을 제조하는데 사용될 수 있다. 3가지 예시적인 절차들이 도 3a-3e, 3f-3h, 및 3i-3o에 각각 도시되어 있다.

도 3a-3e는 본 발명의 실시예들에 따른 가열 플레이트를 제조하는데 사용될 수 있는 예시적인 프로세스 흐름을 도시한다. 가열 소자들은, 도핑 실리콘 카바이드의 스톡 시트(stock sheet)(이후 "도핑-SiC"라 칭함)(301)로부터 스페이스(304)를 플런지 절단함으로써 상기 시트(301)로부터 머시닝될 수 있다. 플런지 절단 단계는 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 시트의 영역들(304)로부터 재료를 제거한다. 이 단계는 단면도에서 가열 소자들(302)로서 표시될 수 있는 가열 트레이스의 격리 소자들을 생성한다. 상기 플런지 절단 단계는 지지체 블록(306)에 부착되어 있는 도핑-SiC의 스톡 시트로 행해질 수 있으며, 이 스톡 시트는 예시적 실시예들에서 그래파이트이다. 가열 소자들(302)이 연속적인 가열 트레이스를 포함하여 도 3b에 도시된 소자들 각각이 동일한 트레이스의 일부이거나, 복수의 트레이스들이 존재하여 어떤 하나의 특별한 가열 소자(302)가 반드시 그것의 이웃으로서 동일한 전기 회로의 일부인 것은 아님을 이해해야 한다.

예시적 제조 프로세스의 다음 단계에서, (그 정상 전기 저항을 갖는) 비도핑 SiC의 층은, 그래파이트 지지 블록(306)을 화학 증기 증착(CVD) 챔버와 같은, 막들을 증착할 수 있는 프로세싱 챔버에 배치함으로써 소자들 위에 증착될 수 있다. 증착이 완료된 후, 비도핑의 정상 저항 SiC 층(308)이 도 3c에 도시되어 있다. 이 점에서, 상기 그래파이트 지지 블록(306)은, 이 그래파이트 지지 블록을 머시닝 오프시키거나, 그 구조체를 산소 환경에서 상승 온도에 두어 상기 그래파이트가 애싱되게 함으로써 제거될 수 있다. 어느 경우이든지, 남는 것은 합성층(312)이다. 비도핑 세라믹 층(308)의 두께(도 3d에 310으로 표시됨)는 가열 소자들(302)이 그 안에 부분적으로 매립되어 합성층(312)을 형성하여, 본 예시적인 실시예에서 약 0.05 인치이다.

그래파이트 블록이 도 3d의 구조에서 제거된 후 제조 프로세스의 스테이지는 비도핑-SiC의 플레이트를 포함하는 결과적인 합성층(312)을 가지게 되며 가열 소자(302)가 부분적으로 그 안에 배치된다. 도핑-SiC 가열 소자 재료에서 도펀트의 농도는 매우 낮기 때문에, 상기 결과적인 합성층(312)은 본질적으로 하나의 재료인 것처럼 실질적으로 기능하는 고체 모노리식 플레이트를 포함한다. 그래서, 이 스테이지에서도, 상기 플레이트는 매우 강하며, 열 팽창 동안 잘 작동한다.

이 스테이지에서 프로세스된 가열 플레이트의 예가 도 4에 도시되어 있으며, 여기서 상기 플레이트는 그것이 제조되는 방식에 역방향으로 사용된다. 가열 트레이스는 층(308)에 단지 부분적으로 매립되어 있기 때문에, 가열 소자(302)의 노출 표면이 이 예시적인 실시예에서는 표면(404)과 같은 높이가 아니다. 터미널(420)에서 트레이스 및 전원 공급 장치간의 전기적 접속이 이루어질 수 있다.

도 3d를 참조하면, 그래파이트 기판 블록(306)이 제거된 후 합성층(312)의 하측부가 비도핑-SiC의 제2 층(314)으로 코팅될 수 있다. 본 실시예에서, 가열 소자들(302)은 이제 (층들(308 및 314)에 의해) 비도핑-SiC 매트릭스로 완전하게 싸여질 수 있다. 몇몇 실시예들은 비도핑-SiC의 제2 층(314)을 사용할 수 없지만, 상기 플레이트는 두께 증가(도 3e에 316으로 표시됨)의 결과로 기계적으로 약간 더 강하다.

모노리식 히터 플레이트를 제조하는 제2 예시적인 프로세스 흐름이 도 3f-3h에 도시되어 있다. 도 3f에서, 낮은 저항의 도핑 세라믹(이것은 SiC가 될 수 있다) 의 층(320)이 정상(높은) 저항의 비도핑 세라믹(이것도 또한 SiC가 될 수 있다)의 플레이트(322) 위에 증착된다. 그런 다음, 상기 낮은 저항의 도핑 세라믹 층(320)은 예를 들어 전술한 EDM 기술을 이용해서 머시닝되어, 도 3g의 영역들(324)에서 재료를 제거함으로써 가열 트레이스 소자들(326)이 형성된다. 가열 소자들의 완전한 캡슐화를 원한다면, 정상 저항의 비도핑 세라믹(예를 들어 SiC)의 층(328)이 도 3h에 도시된 바와 같이, 그 구조체 위에 증착될 수 있다.

모노리식 히터 플레이트를 제조하는 제3 예시적인 프로세스 흐름이 도 3i-3o 에 도시되어 있다. 도 3i에서, 도핑 다결정 실리콘("폴리실리콘")의 층(330)이 정상 저항 세라믹(예를 들어 SiC)의 층(332) 위에 증착된다. 다음, 마스킹 층(334)이 폴리실리콘 층(330)의 상부에 증착되고(도 3j), 패턴화되어 패터닝 마스크(336)를 형성한다(도 3k). 예시적 실시예에서, 마스킹 재료는 실리콘 이산화물이 될 수 있으며, 실리콘 이산화물은 증착의 대안으로서 산소와 폴리실리콘의 열 반응(thermal reaction)에 의해 형성될 수 있다. 다른 마스킹 재료들, 예를 들어 실리콘 질화물이 사용될 수 있음을 이해하여야 한다.

그런 다음, 상기 패터닝 마스크(336)는 노출된 영역들을 에칭함으로써 마스킹 층(334)으로 전사되어 패터닝 마스크(338)를 형성하며(도 3l), 그 패턴은 실질적으로 도핑 폴리실리콘 층(330)으로 전사되어 패터닝 마스크(340)를 형성한다(도 3m). 그래서 소자들(342)을 포함하는 가열 트레이스가 포토레지스트 및 폴리실리콘 마스크를 스트립 오프한 후 형성된다(도 3n). 완전한 캡슐화를 원한다면, 정상 저항 세라믹(예를 들어 SiC)의 층(344)이 가열 소자들(342) 위에 증착되어 이 가열 소자들이 층들(332 및 344)에 의해 완전하게 에워싸여질 수 있다.

도핑 세라믹 가열 소자들을 동일한(또는 양립될 수 있는) 세라믹의 비도핑 버전의 매트릭스 내에 배치하는 것은 추가의 이점이 있다. 이러한 배경에서, "융화성" 세라믹은 예를 들어, 실질적으로 동일한 CTE, 경도, 또는 강도를 갖는 세라믹 재료들을 지칭한다. 상기 도핑 세라믹 가열 트레이스를 둘러싸는 비도핑 세라믹 재료의 매트릭스는 트레이스의 다양한 부분들을 일정한 형상으로 굳어지게 한다. 또한, 도 3a 내지 3o의 가열 소자들이 단면도에서 분리된 직사각형들로 도시되어 있지만, 트레이스 자체는 도면의 지면을 관통하는 전기적으로 도전성인 재료의 연속적인 스트립이 될 수 있다. 상기 트레이스는 다양한 형상들로 구성될 수 있으며, 몇몇 실시예에서는 단일의 평면 내에 놓이지 않을 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 위에서 볼 때 트레이스의 형상은 둥근 코일, 정사각형의 나선, 구불구불한 뱀 모양, 미로 모양, 또는 원하는 가열 속성들을 제공하는 임의의 다양한 구성의 형태를 취할 수 있다.

그러한 하나의 구성이 도 5에 평면도로 도시되어 있으며, 여기서 3개의 개별적인 가열 트레이스들이 단일의 평면에 위치되어 있다. 각 스트립의 단부들은 전원 공급 장치에 전기적으로 접속될 수 있다. 외측 트레이스는 2개의 단부들(502 및 504)을 가지며 이 단부들은 서로 인접하여 위치되어 있다. 단부(502)에서 시작하면, 상기 트레이스는 외측 주변 주위를 시계방향으로 선회한다. 상기 주변을 완주한 후, 방향을 반대로 바꾸어 보다 작은 반경을 갖는 인접하는 루프 주위를 반시계방향으로 선회하여 단부(504)에서 종료한다. 단부(508)에서 시작하면, 중간의 트레이스가 하나의 반경을 갖는 루프 주위를 시계방향으로 선회하고, 방향을 바꾸어 보다 짧은 반경을 갖는 루프를 반시계방향으로 선회하며, 다시 방향을 바꾸어 훨씬 작은 반경을 갖는 루프를 시계방향으로 선회하여 단부(506)에서 종료한다. 그래서, 중간의 가열 소자는 일련의 동심의 루프들을 포함하며, 이 동심의 루프들은 원 주위의 각각의 턴(turn)에 따라 방향이 교대로 된다. 내부 트레이스는 그 원형의 영역을 전후로 가로질러 선형으로 구부러짐으로써 상기 평면의 원형의 중심 영역을 채우고, 상기 원형의 영역의 한 쪽에 있는 단부(510)로부터 그 원형의 영역의 다른 쪽에 있는 단부(512)로 그 진로를 이동한다.

복수의 트레이스들의 사용으로 히터는 서로 다른 온도 존들(zones)을 가지도록 구성될 수 있으며, 이 존들은 트레이스들이 전원 공급 장치에 어떻게 접속되느냐에 따라 가변한다. 예를 들어, 단부들(502 및 504)은 제1 전원 공급 장치에 접속될 수 있고, 단부들(506 및 508)은 제2 전원 공급 장치에 접속될 수 있으며, 단부들(510 및 512)은 제3 전원 공급 장치에 접속될 수 있다. 그래서, 이 예시적인 히터는 독립적으로 전원을 공급받는 3개의 존들을 갖는다.

멀티존 히터의 사용으로 특정한 반도체 프로세싱 챔버들의 설계 시에 직면하는 현재의 문제들을 해결할 수 있다. 챔버의 측벽들이 열을 흡수한다는 사실로 인해, 프로세싱 동안 기판의 가장자리들에서 열이 손실될 수 있다. 이 열 손실은 본 발명의 예시적인 실시예들에서 주변 엣지 히터를 제공함으로써 보상될 수 있다. 복수의 트레이스들을 이용하는 몇몇 실시예들에서, 높은 전력이 외측의 히터 존들에 제공된다.

히터를 구성하는 재료들은 온도의 증가로 인해 확장하기 때문에, 가열 소자들에 전력을 공급할 때 종래의 히터에서 트레이스의 단부들을 제자리에 유지(register)시키기가 어렵다. 특정한 예시적인 실시예들에서는, 상기 단부들을 서로에 대한 분리 및 방향에 있어서 일정한 거리를 두고 유지하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 상기 단부들은 히터의 확장을 보상하지 않는 고정된 구성의 전원 공급 장치에 접속되기 때문이다. 예를 들어, 코일 형상의 히터는 열 팽창 시에 이완하는 경향이 있으며, 단부들은 해제될 때 풀리는 태엽 시계의 스프링처럼 서로에 관련해서 움직인다. 히터 및 그 소자들의 부분들은 올려지거나 턴하거나 휘어지거나 그렇지 않으면 다른 부분들과 관련해서 비틀려질 수 있다. 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 재료의 매트릭스 내에 가열 소자를 매립하면 가열 소자의 단부들을 한 위치에 고정시키기 때문에 이러한 효과를 감소시킨다.

열적으로 확장 또는 수축할 때 주기적으로 형상이 변하는 모노리식 히터 플레이트는 치수의 허용공차를 보다 엄밀하게 할 수 있는 추가의 이점을 갖는다. 이것은 플레이트가 컴팩트 영역의 프로세싱 챔버 내에 장착되거나 다른 약한 하드웨어에 매우 인접하여 장착될 때 중요할 수 있다. 예를 들어, 반도체 프로세싱 챔버들은 서셉터, 히터 플레이트 또는 히터 블록을 통해 통과하는 올림 핀들을 이용해서 기판의 로딩/언로딩 프로세스 동안 반도체 기판을 올리고 내릴 수 있다. 이것을 나타내는 간략화된 다이어그램이 도 6에 도시되어 있다. 도면 부호 600으로 개괄적으로 도시된 예시적 프로세싱 챔버는 히터 플레이트(604)의 위에 그리고 평행하게 장착된 서셉터(602)를 포함하며, 이 서셉터는 또한 올림 핀 지지 플레이트(606) 위에 장착된다. 올림 핀 지지 플레이트는 샤프트(608)에 의해 올라가고 내려간다. 반도체 기판(612)은 로보틱 암(도시되지 않음)에 의해 개구(610)를 통해 프로세싱 챔버로 유입되거나 제거된다. 샤프트(608)는 올림/지지 핀들(614)이 프로세스될 반도체 기판과 접촉할 때까지 올려지고, 그 기판을 하부로부터 올려서, 움츠려질 수 있는 로보틱 암 위에서 상기 기판을 지지한다. 그런 다음 상기 샤프트는 내려져서 상기 기판이 프로세싱을 위해 서셉터(602) 위에 또는 인접해서 배치되게 할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 히터 플레이트(604)는 또한 서셉터로서 사용되어, 기판을 지지하고 가열하는 2개의 개별적인 하드웨어 부분들을 필요하지 않게 할 수 있다. 본 방식의 예시적인 실시예에서, 서셉터(602)는 리액터로부터 제거될 수 있고 올림/지지 핀들(614)은 프로세싱을 위해 기판을 히터 플레이트(604) 위에 또는 인접해서 위치시킨다. 이러한 이점은 도 3c의 히터 및 본 발명의 다른 실시예로 달성될 수 있다.

올림/지지 핀들(614)은 히터(604)와 서셉터(602)를 통해 통과해서 기판(612)과 접촉한다. 지지 핀들이 히터 내의 홀들(616)을 통해 자유롭게 움직이는 것이 바람직하다. 히터 플레이트는 전력이 플레이트에 인가될 때 그리고 플레이트를 포함하는 재료들이 가열 시에 열 팽창을 겪을 때, 챔버 내의 다른 하드웨어 부품들과 관련해서 이동할 수 있다. 올림/지지 핀들(614)은 수정이나 실리콘 카바이드와 같은 재료로 만들어질 수 있는데, 왜냐하면 이러한 재료들은 통상적인 반도체 프로세싱 절차들에 양립되지만, 통상적인 지지 포스트의 작은 크기는 올림 핀들을 약하게 만들 수도 있다. 히터 플레이트의 일부가 지지 핀에 대해 확장하거나, 그 홀에 대해 핀의 얼라인먼트를 변화시키면 바람직하지 않은 상황이 발생하여, 홀을 통한 핀의 이동을 제한시킴으로써 핀과 히터 플레이트로부터의 입자들을 챔버로 방출시킨다는 것을 이해하여야 한다. 핀은 플레이트가 확장하면 더욱 박탈되어, 플레이트 내의 홀이 그 핀과 결합하지 않을 수 있다. 몇몇 예에서, 지지 핀과 홀의 엣지간의 허용공차는 0.05 인치가 될 수 있으며, 플레이트의 비교적 작은 시프팅은 문제를 야기할 수 있다.

히터 플레이트 내의 가열 소자들은 플레이트를 통하는 포선형 경로를 취할 수 있어서 기판 지지 홀들의 배치 설계를 복잡하게 할 수 있다. 일례가 도 7에 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 다른 경우라면 소자(720)의 경로 내에 있었을 개구(710)가 위치하여 반경 방향(730)을 따라 소자의 변위를 필요로 한다. 가열 소자(들)의 구성에 의존하여, 동일한 소자 또는 서로 다른 소자가 될 수 있는, 740에 도시된 가열 소자의 일부가 또한 영향을 받을 수 있다는 것에 유념하라. 두 재료의 열 팽창 계수의 비정합과 같은 그러한 가열 소자와 인접하는 재료들의 속성에 의해 야기되는 도면부호 760과 같은 불규칙성들에서의 스트레스 레벨들의 증대로 인해 종래의 히터들은 갈라짐, 크랙 또는 다른 유형의 물리적 충격을 겪을 수 있다. 이들 문제들은 소자(720) 및 매트릭스(750) 재료들이 실질적으로 동일한 열 팽창 계수들을 가질 때 회피되며, 그 회피되는 경우는 본 발명의 일실시예에서 SiC 및 질소 도핑 SiC를 갖는 경우이다.

본 발명의 예시적 실시예들에서 가열 소자들은 유사한 재료 내에 싸여지거나 매립되어 고체의 모노리식 플레이트를 형성할 수 있다. 이것은 열적 및 기계적 이점을 제공한다. 팽창 및 수축으로 인한 플레이트의 열적 이동은 보다 예측가능하여, 프로세싱 챔버 내의 물리적 및 치수 관계들과 관련해서 보다 유효하고 복잡한 설계를 허용한다. 모노리식 가열 플레이트의 움직임들에 대한 향상된 예측가능성ㅇ을 기판 지지 핀들에 관한 다음의 예에서 볼수 있다.

가열 플레이트는 도 8의 축(618)을 따르는 것과 같이 프로세싱 챔버의 중심에 위치될 수 있다. 전력이 가열 소자들에 인가되고 플레이트가 열 팽창을 겪게 될 때, 플레이트 내의 재료들은 레지스트리(registry)의 중심 축을 벗어나는 반경 방 향으로 예측 가능하게 이동한다. 본 발명의 실시예들은 지지 핀을 통과시키기 위해 플레이트 내에 타원형의 홀(514)을 포함한다. 홀은 타원형으로 되어, 가열 시에 플레이트의 예측 가능한 외측의 반경 방향 확장을 허용한다.

도 8을 참조하면, 핀(802)은 히터가 냉각될 때 타원형의 핀 홀(806) 내의 위치(804)에 위치될 수 있다. 전력이 히터에 인가되고 플레이트가 축(618)으로부터 반경 방향의 외측으로 확장할 때, 핀은 홀(806)과 관련해서, 대략적인 위치(804)로부터 대략적인 위치(808)로, 위치가 시프트할 수 있다. 핀 홀은 이러한 팽창을 허용하는 형상으로 되어 있다. 가열 소자와 매트릭스 재료들은 실질적으로 동일한 열 팽창 계수들 갖고 있기 때문에, 플레이트의 이러한 이동은 매우 예측 가능하다. 그러므로, 플레이트 지지 핀 홀들과 지지 핀들 자체 사이의 관계는 엄밀한 허용공차로 설계될 수 있어서 보다 컴팩트한 설계 및 보다 신뢰성 있는 성능을 가능하게 한다.

열적 속성들과 관련해서 모노리식 히터 플레이트의 다른 이점들이 존재한다. 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 히터의 온도 프로파일(temperature profile)은 소자들에 인접하는 스폿들과 소자들 사이의 콜드 영역들에 의해 불규칙적이다. 도 1의 종래의 예에서 상부 차폐부들(106 및 108)을 이용하는 한 가지 이유는 열이 보다 규칙적인 프로파일로 확산하는 것을 도와주는 것임을 상기하라. 대조적으로, 매트릭스 재료는 소자들(302)과 밀접한 접촉을 이루어 상기 소자들로부터 상기 소자들 사이의 영역들로 열의 확산/전도를 보다 용이하게 한다. 예를 들어, 실리콘 카바이드의 열 전도성을 이용하는 경우, 열적 모델링 결과는, 소자들의 온도가 약 1150℃ 인 플레이트가 임의의 2개의 인접하는 소자들간의 매트릭스 재료를 통해서 단지 약 3℃ 정도의 온도 강하를 경험한다는 것을 보여주었다. 그러므로, 본 발명의 실시예들은 향상된 온도 균일성을 갖는 모노리식 플레이트를 제공하는데 사용될 수 있다.

모노리식 히터 플레이트의 다른 이점은 그 열적 속성들의 역학과 관계가 있다. 도 1에 도시된 종래의 히터는 (그래파이트가 약한 재료이기 때문에 적절한 기계적 강도를 달성하기 위해) 그 그래파이트 가열 소자들의 (단면도에 있어서) 큰 크기 때문에, 뿐만 아니라 그 가열 소자들을 에워싸도록 조립되는 부가적인 차폐부(106/108) 때문에 "거대하다". 따라서, 가열 소자들로부터 방출되는 열을 확산시키고, 가열 소자들 주위에 정화 가스(purge gas)를 흐르게 하는 스페이스를 에워싸도록, 외측 쉘(outer shell)이 사용된다. 본 발명의 예시적 모노리식 플레이트는 종래의 예에서의 단지 쉘만의 두께(도 1에서 120)에 비해, 전체 두께가 단지 약 0.15 내지 약 0.3 인치(도 3e에서 316)이다. 완전한 종래 히터의 높이는 예를 들어 약 1.5인치일 수 있다. 그래서, 모노리식 플레이트 히터는 종래 설계의 1/10의 크기로 보다 컴팩트한 설계를 제공하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 히터는 또한 개별의 서셉터를 요구하지 않을 수 있다.

종래 히터의 질량에 비해, 모노리식 플레이트 히터의 감소된 질량은 히터가 프로세싱 온도를 달성하고 유지하는 속도와 관련해서 의미를 갖는다. 히터의 질량이 낮을수록 온도 램프 업(temperature ramp up) 동안 가열해야 하는 재료는 작아지므로 상기 히터는 프로세싱 온도에 보다 빨리 도달한다. 다양한 반도체 프로세싱 도구들은, 프로세싱 온도에 빨리 도달하는 목표를 달성하고, 반도체 기판들이 로딩 및 언로딩되는 동안에도 그 온도를 유지하도록 설계된다. 실내 온도에 있는 기판은 프로세싱 챔버가 프로세싱 온도에 또는 그 온도의 근처에 있는 동안 상기 프로세싱 챔버로 로딩될 때 프로세싱 챔버로부터의 열을 제거한다. 그렇지만, 특정한 어플리케이션들에 있어서는 챔버의 온도를 가능한 한 일정하게 유지하는 것이 바람직할 수 있다.

한편, 프로세싱 챔버가 일정한 온도를 유지하여, 기판들이 상기 챔버의 내외로 순환될 때 그 챔버가 큰 온도 변동을 겪지 않도록 설계하는 것이 가능할 수 있다. 낮은 열적 질량을 갖는 히터는 빠르게 가열하고 마찬가지로 빠르게 냉각될 수 있기 때문에 이러한 관점에서 이점이 있을 수 있다.

다른 한편, 급속한 열 변화를 요구하는 어플리케이션들이 존재한다. 예를 들어, 후속으로 수행되는 증착에서의 온도보다 50℃ 높은 온도에서 기판을 소성(bake)하는 것이 이로울 수 있다. 이 예에서, 소성 후에 증착을 수행하기 위해 온도는 50℃만큼 낮아질 수 있으며, 소성 및 증착 프로세스 단계들은 동일한 챔버 내에서 수행된다. 부가적으로, 챔버 보수를 위해서 챔버에 대한 액세스가 요구될 때에는 급속히 냉각시키는 능력이 바람직하다.

느린 반응을 갖는 프로세싱 챔버는 몇몇 실시예에 있어서 시간당 처리량을 감소시킬 수 있는바, 예를 들면 시간당 약 40개 에서 시간당 약 15개로, 시간당 기판 처리량이 감소될 수 있다. 물론 그러한 처리량 개수는 프로세스의 특징, 기판의 크기, 제조되는 집적회로들의 기술 및 많은 다른 요인들에 좌우된다. 본 발명의 실시예들에 따른 모노리식 히터 플레이트를 갖는 프로세싱 챔버는, 부분적으로, 종래 히터에 대한 모노리식 플레이트 히터의 감소된 열적 질량으로 인해 그러한 온도 변화(가열 및 냉각 모두)의 요구에 응하도록 구성될 수 있다.

모노리식 플레이트 히터의 또 다른 이점은, 챔버 내로의 전기적 공급통로들(electrical feedthroughs)의 개수를 최소화하도록 트레이스들의 단부들이 위치될 수 있게, 개별 가열 소자들을 라우팅(routing)할 수 있는 능력과 관계가 있다. 상기 개별 가열 소자들은 개별 가열 존을 포함할 수도 있다. 다시 말해서, 이것은 모노리식 가열 플레이트의 컴팩트한 특징, 및 히터 내의 가열 트레이스의 효율적인 경로를 설계할 수 있는 능력 때문에 가능하다.

도 9는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 모노리식 플레이트 히터들을 포함하는 예시적인 반도체 프로세싱 챔버를 도시한다. 상기 챔버는 도면 부호 900으로 개괄적으로 표시되어 있다. 상기 챔버는 상부 히터(902), 하부 히터(904) 및 측면(주변) 히터(906)를 포함한다. 이들 히터들은 상부측 히터(908) 및 하부측 히터(910)와 같은 복수의 존들을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 모노리식 히터들을 갖는 챔버의 컴팩트 특징은 도 9를 도 2와 비교하면 이해될 것이다.

챔버(900)는 서셉터(912), 기판 지지체들(914), 기판 지지 플레이트(916), 및 챔버 벽들(918)을 더 포함한다. 상기 챔버는 광학 고온계와 같은 기판 온도를 측정하는 시스템(920)을 포함할 수 있다. 전기적 공급통로는 참조번호 922로 도시되어 있으며, 이 경우 상부측 히터(908)에 접속되어 있다. 반응성 가스들은 가스 공급 포트(924)에서 주입되어 도관(conduit)(926)을 통해 흐르며, 위치(928)로부터 시작하여 기판 위로 흐른다. 기판(도시되지 않음)은 표면(930) 위의 서셉터의 상부에 배치된다. 가스들은 포트(960)를 통해 배출될 수 있다. 전원 공급 시스템은 전기적 공급통로들(이것들 중 하나가 922로 도시되어 있다)에 접속되어 상기 상부, 하부, 및 측면 히터들의 다양한 존들을 구동시킨다. 제어 시스템은 전원 공급 시스템, 가스 공급 포트(924), 가스 배출기(960), 온도 측정 시스템(920), 및 기판 상승 및 하강 플레이트(916)에 접속될 수 있다.

2개의 기판을 프로세싱할 수 있는 예시적인 챔버의 평면도가 도 10 및 11에 도시되어 있다. 비록, 도9는 단일 기판 챔버를 도시하는 도면으로 이해될 것이지만, 도9의 대략적인 위치(940)에서 챔버를 수평적으로 잘라낸 절단면이 도10에 예시된다. 도 11의 히터들은 도 9의 참조번호 950에 의해서 개략적으로 도시된 위치에서 얻어진 챔버의 수평 절단면을 도시한다. 모노리식 가열 히터에서 가열 트레이스가 가질 수도 있는 수많은 상이한 가능한 구성들 및 패턴들이 도 10 및 도 11에 예시된다. 예시적 실시예에서 도 10의 히터의 패턴(1010)은 상부 히터용으로 이용될 수 있고, 도 11의 히터의 패턴(1110)은 하부 히터용으로 이용될 수 있다. 양 도면 모두 1012로 표시된 측면 히터의 단면을 도시하고 있다.

비록, 본 발명은 예시적인 실시예들을 참조하여 서술되었지만, 본 발명은 상술된 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 그와 반대로, 다음 청구범위의 기술적 사상 및 범위에 포함된 수많은 다른 변형예들 및 광범위한 등가물들을 망라하도록 의도된다는 점은 해당 기술분야의 당업자들에게 쉽게 이해될 것이다.

Claims (35)

1. 상승 온도에서 반도체 기판을 프로세싱하는 시스템에 있어서,

   상기 반도체 기판을 프로세싱하는 프로세싱 챔버;

   상기 프로세싱 챔버에 가스를 주입하도록 구성되는 가스 공급 장치; 및

   프로세싱 동안 상기 반도체 기판에 열을 제공하도록 구성되며, 비도핑 세라믹 재료에 매립된 도핑 세라믹 가열 소자를 포함하는 가열 유닛을 포함하며,

   상기 도핑 세라믹 가열 소자의 열 팽창 계수는 상기 비도핑 세라믹 재료의 열 팽창 계수와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자와 상기 비도핑 세라믹 재료는 실리콘 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자의 도펀트는 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자 내의 질소의 도펀트 레벨은 150 내지 2000 ppm인 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 제2항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자는 상기 비도핑 세라믹 재료 내에 부분적으로 매립되어 모노리식 플레이트를 형성하는 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 플레이트는 프로세싱 동안 상기 반도체 기판을 지지하는 서셉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 제5항에 있어서, 상기 플레이트는 그 안에 형성된 하나 또는 다수의 실질적으로 타원형인 구멍을 포함하여 기판 지지핀의 통과를 허용하며, 상기 실질적으로 타원형인 구멍은 상기 플레이트의 반경에 실질적으로 평행한 주 축을 가지며 상기 플레이트의 열 팽창을 허용하는 크기를 가진 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자는 연속적인 전기 경로를 형성하며, 상기 비도핑 세라믹 재료는 상기 도핑 세라믹 가열 소자를 일정한 형상으로 유지하는 것을 특징으로 하는 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 연속적인 전기 경로는 방향을 교대시키는 복수의 동심 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제1항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자는 상기 비도핑 세라믹 재료 내 에 완전히 매립되는 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 비도핑 세라믹 재료는 상기 도핑 가열 소자의 인접하는 부분들 사이에 전도성 가열 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
12. 제1항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자와 상기 비도핑 세라믹 재료는 알루미늄 산화물 또는 붕소 질화물 또는 실리콘 질화물 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
13. 제1항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자의 도펀트는 붕소 또는 비소 또는 안티몬 또는 인 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
14. 제1항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자의 전기 저항성의 크기는 상기 비도핑 세라믹 재료의 전기 저항성의 크기보다 2 자릿수 내지 5 자릿수(order of magnitude) 범위만큼 더 작은 것을 특징으로 하는 시스템.
15. 반도체 프로세싱 챔버를 가열하는 저항성 히터에 있어서,

    하나 또는 다수의 연속적인 전기 경로를 형성하는 형상으로 된 도핑 세라믹 가열 소자; 및

    상기 도핑 세라믹 가열 소자의 적어도 일부를 봉입해서 모노리식 플레이트를 형성하는 비도핑 세라믹 재료를 포함하며,

    상기 도핑 세라믹 가열 소자의 열 팽창 계수는 상기 비도핑 세라믹 재료의 열 팽창 계수와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
16. 제15항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자와 상기 비도핑 세라믹 재료는 실리콘 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
17. 제16항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자의 도펀트는 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
18. 제17항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자 내의 질소의 도펀트 레벨은 150 내지 2000 ppm인 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
19. 제15항에 있어서, 상기 플레이트는 프로세싱 동안 반도체 기판을 지지하도록 구성되는 서셉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
20. 제15항에 있어서, 상기 플레이트는 그 안에 형성된 하나 또는 다수의 실질적으로 타원형인 구멍을 포함하여 기판 지지핀의 통과를 허용하며, 상기 실질적으로 타원형인 구멍은 상기 플레이트의 반경에 실질적으로 평행한 주축을 가지며 상기 플레이트의 열 팽창을 허용하는 크기를 가진 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
21. 제15항에 있어서, 연속적인 전기 경로는 방향을 교대시키는 복수의 동심 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
22. 제15항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자는 상기 비도핑 세라믹 재료 내에 완전히 봉입되는 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
23. 제15항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자와 상기 비도핑 세라믹 재료는 알루미늄 산화물 또는 붕소 질화물 또는 실리콘 질화물 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
24. 제15항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자의 도펀트는 붕소 또는 비소 또는 안티몬 또는 인 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
25. 제15항에 있어서, 상기 저항성 히터의 두께는 0.1 내지 0.3 인치의 범위인 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
26. 제15항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자의 전기 저항성의 크기는 상기 비도핑 세라믹 재료의 전기 저항성의 크기보다 2 자릿수 내지 5 자릿수(order of magnitude) 범위만큼 더 작은 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
27. 제15항에 있어서, 상기 도핑 세라믹 가열 소자는 다수의 분리된 전기 경로들을 형성하여 다수의 분리된 가열 존들을 제공하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터.
28. 상승 온도에서 집적 회로들을 제조하는데 사용하기 위한 저항성 히터를 제조하는 방법에 있어서,

    하나 또는 다수의 연속적인 전기적 전도성 트레이스를 형성하기 위해 도핑 실리콘 카바이드 층의 일부를 제거하는 단계; 및

    상기 제거하는 단계 후, 모노리식 플레이트를 형성하기 위해 상기 하나 또는 다수의 트레이스의 적어도 일부 위에 비도핑 실리콘 카바이드 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터 제조 방법.
29. 제28항에 있어서, 상기 제거하는 단계는 상기 도핑 실리콘 카바이드 층의 일부를 플런지 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터 제조 방법.
30. 제28항에 있어서, 상기 제거하는 단계는 상기 도핑 실리콘 카바이드 층의 일부를 전기 방전 머시닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터 제조 방법.
31. 제28항에 있어서, 상기 제거하는 단계는 상기 도핑 실리콘 카바이드 층의 일부를 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터 제조 방법.
32. 제28항에 있어서, 상기 도핑 실리콘 카바이드 층을 형성하기 위해 비도핑 실리콘 카바이드의 제1층 위에 실리콘 카바이드 및 도펀트를 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터 제조 방법.
33. 제32항에 있어서, 상기 도펀트는 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터 제조 방법.
34. 제28항에 있어서,

    상기 도핑 실리콘 카바이드 층을 형성하기 위해 그래파이트 지지체 위에 실리콘 카바이드 및 도펀트를 증착하는 단계; 및

    상기 비도핑 실리콘 카바이드 층의 형성 후에 상기 그래파이트 지지체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터 제조 방법.
35. 제34항에 있어서, 상기 하나 또는 다수의 트레이스를 완전히 봉입하기 위해 상기 하나 또는 다수의 트레이스 위에 비도핑 실리콘 카바이드의 제2 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항성 히터 제조 방법.

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