KR100885098B1

KR100885098B1 - 실리콘 웨이퍼의 열처리에 유용한 저온 고온계 장치 및 그이용 방법

Info

Publication number: KR100885098B1
Application number: KR1020077010369A
Authority: KR
Inventors: 아론 뮤이르 헌터; 발라수브라마니안 라마찬드란; 코리나 엘레나 타나사; 라제쉬 에스. 라마누잠; 타판 티. 디씨트
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2009-02-20
Also published as: EP1809111A4; US7112763B2; CN101128716A; CN101128716B; JP5064227B2; KR20070060158A; JP2008518472A; US20060086713A1; WO2006047062A2; EP1809111A2; JP5503679B2; JP2012156522A; WO2006047062A3

Abstract

급속 열처리 프로세싱(RTP) 시스템(110)이 감소된 전력 레벨에서 RTP 램프(46)로부터의 복사선에 대한 실리콘 웨이퍼(32)의 온도 의존성 흡수를 모니터링하는 투과 고온계(12)를 포함한다. 광탐지기 광전류의 노멀라이즈화되지 않은 값을 웨이퍼 및 복사 램프 온도와 연관시키는 검색 테이블이 만들어진다. 교정 단계(170)는 알고 있는 웨이퍼 및 램프 온도를 이용하여 광전류를 측정하고, 그 후에 측정된 모든 광전류가 노멀라이즈화된다(142). 투과 고온계는 500℃ 미만의 열처리에 대한 폐쇄 루프 제어에 이용될 수 있고, 또는 폐쇄 루프 제어에서 복사 고온계를 포함하는 고온 프로세스에 대한 예열 단계에서 이용될 수 있다. 예열 온도 상승률은 초기 상승률를 측정하고 그에 따라 램프 전력을 재조정함으로써 제어될 수 있을 것이다. 복사 및 투과 고온계는 웨이퍼로부터의 복사선을 분할하는 비임 스플리터(204)와 함께 통합 구조물(190)에 포함될 수 있다.

Description

실리콘 웨이퍼의 열처리에 유용한 저온 고온계 장치 및 그 이용 방법{METHOD AND APPARATUS FOR LOW TEMPERATURE PYROMETRY USEFUL FOR THERMALLY PROCESSING SILICON WAFERS}

본 발명은 개략적으로 반도체의 열 처리(thermal processing)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실리콘 웨이퍼의 급속 열처리(RTP)에 관한 것이다.

급속 열처리(RTP)는 어닐링, 도펀트 활성화, 산화, 및 질화 등을 포함하는 몇 가지 타입의 열처리(열적 프로세스)에 적용되는 용어이다. 통상적으로, 상기 프로세스들은 약 1000℃ 보다 높은 비교적 고온에서 실시된다. 또한, 전구체(precursor) 또는 에칭 가스의 존재하에서 화학기상증착 및 에칭하는 경우에도 적용될 수 있을 것이다. 상기 화학기상증착 및 에칭은 500℃ 내지 800℃의 다소 낮은 온도의 급속 열처리 챔버내에서 통상적으로 실시된다. 통상적으로, 급속 열처리는 램프헤드에 장착되고 처리 기판을 향해 지향되는 고강도 백열램프의 어레이(array)에 의존한다. 램프들은 전기 전력을 공급받고 매우 신속하게 켜지고 꺼질 수 있으며, 램프들의 복사선(radiation)의 상당 부분이 기판을 향해 지향될 수 있다. 결과적으로, 챔버의 상당량의 가열 없이 웨이퍼가 매우 신속하게 가열될 수 있으며, 그에 따라, 램프로부터 전력이 제거되면 매우 신속하게 냉각될 수 있다. 그에 따라, 소정 온도에서의 프로세싱 시간이 보다 정밀하게 제어될 수 있고, 총 열 소모 비용(thermal budget)을 줄일 수 있다. 또한, 총 프로세싱 시간을 줄일 수 있고, 그에 따라 생산량을 증대시킬 수 있다.

도 1은 미국 캘리포니아 산타클라라에 소재하는 어플라이드 머티어리얼스사로부터 구입할 수 있는 Radiance RTP 반응기에 관한 것으로서 본 명세서에서 참조하고 있는 Ranish 등의 미국 특허 제 6,376,804 호에 개시된 급속 열처리 반응기(10)의 단면을 개략적으로 도시한다. 반응기(10)는 프로세싱 챔버(12), 상기 챔버(12)내에 위치된 웨이퍼 지지부(14), 및 상기 챔버(12)의 상부에 위치된 램프헤드(16) 또는 열 공급원 조립체를 포함하며, 상기 구성요소들은 모두 중심 축선(18)에 대해 대략 대칭으로 배치되어 있다.

프로세싱 챔버는 본체(20) 및 상기 본체(20)상에 놓여진 윈도우(22)를 포함한다. 윈도우(22)는 예를 들어 투명 용융 실리카 석영(clear fused silica quartz)와 같이 적외선을 투과하는 물질로 제조된다.

본체는 스테인리스 스틸로 제조되고 석영(도시 안 됨)으로 라이닝될 수도 있다. 환형 채널(24)이 본체(20)의 바닥에 인접하여 형성된다. 웨이퍼 지지부(14)는 상기 채널(24)내에 위치된 회전가능한 자기 회전자(26)를 포함한다. 석영 튜브형 상승장치(quartz tubular riser)(28)가 자기 회전자(26)상에 놓이거나 커플링되며, 실리콘-코팅된 실리콘 카바이드, 불투명 실리콘 카바이드 또는 그라파이트로 이루어진 엣지 링(edge ring)(30)이 상기 상승장치(28)상에 놓인다. 프로세싱 중에, 웨이퍼(32) 또는 기타 기판이 엣지 링(30)상에 놓인다. 회전가능한 자기 고정 자(34)가 자기 회전자(26)에 대해 축방향으로 정렬된 위치에서 본체(20)의 외부에 위치되고 본체(20)를 통해 상기 자기 회전자와 자기적으로 커플링된다. 도시되지 않은 모터가 중심 축선(18)을 중심으로 자기 고정자(34)를 회전시키고, 그에 따라 자기적으로 커플링된 회전자(26)를 회전시키고 엣지 링(30) 및 지지된 웨이퍼(32)를 회전시킨다. 3 또는 4 개의 승강 핀(36)은 본체(20)의 바닥 벽을 형성하는 반사판(38)에 활주가능하게 밀봉된다. 도시되지 않은 메카니즘이 웨이퍼(32)와 선택적으로 결합되도록 모든 승강 핀(36)을 상승 및 하강시켜 그 웨이퍼를 엣지 링(30)으로부터 그리고 엣지 링으로 상승 및 하강시키며, 그리고 웨이퍼(32)의 챔버(12)내외로의 이송에 이용되는 도시되지 않은 패들(paddle)로부터 그리고 그 패들을 향해 상승 및 하강시킨다.

석영 윈도우(22)가 본체(20)의 상부 엣지에 놓이고, 상기 윈도우(22) 및 본체(20) 사이에 위치된 O-링(40)이 그들 사이에 기밀(氣密) 시일을 제공한다. 램프헤드(16)가 윈도우(22) 위쪽에 위치된다. 윈도우(22)와 램프헤드(16) 사이에 위치된 다른 O-링(42)이 제공되어 그들 사이에 기밀 시일을 제공한다. 그에 따라 상기 O-링(40, 42)과 함께 클램프(44)가 램프헤드(16)를 본체(20)에 대해 시일한다.

램프헤드(16)는 전기 소켓(48)에 의해 지지되고 전력을 공급받는 다수의 램프(46)를 포함한다. 바람직하게, 램프(46)는 텅스텐 할로겐 전구와 같이 강한 적외선을 방출하는 고강도 백열램프이며, 상기 텅스텐 할로겐 전구는 브롬과 같은 할로겐 가스를 포함하는 가스로 충진되고 석영 전구의 세척을 위해 불활성 가스로 희석된 석영 전구 내부의 텅스텐 필라멘트를 포함한다. 각 전구는 비교적 다공성인 세라믹 매립(potting) 화합물(50)로 매립된다. 램프(46)는 반사부 본체(54)내에 형성되고 수직 배향된 원통형 램프 홀(52)내부에 위치된다. 반사부 본체(54)의 램프 홀(52)의 개방 단부는 윈도우(22)에 인접하여 위치되며, 이때 램프(46)는 윈도우(22)와 이격된다.

액체 냉각 채널(56)이 각 램프 홀(52)을 둘러싸도록 반사부 본체(54)내에 형성된다. 유입구(60)를 통해 냉각 채널(56)내로 도입되고 배출구(62)에서 배출되는 물과 같은 냉매가 반사부 본체(54)를 냉각시키고, 램프 홀(52)에 인접한 유동이 램프(46)를 냉각시킨다.

7개 또는 그 이상의 고온계(70)와 같은 열 센서가 사파이어 로드와 같은 광 파이프(72)에 의해 각 개구(72)에 광학적으로 커플링되며, 상기 개구는 반사판(38)의 반경을 가로질러 배치되고 이격되며 상기 반사판을 통해 형성된다. 통상적으로, 강성(rigid)의 사파이어 광 파이프(72) 및 고온계가 본체(20)내에서 지지되나, 중간의 가요성 광섬유 또는 광 가이트가 있을 수도 있다. Peuse 등에게 허여된 미국 특허 제5,755,551호에 개시된 바와 같이, 고온계(70)는 엣지 링(30) 및 웨이퍼(32)의 하부 표면의 다른 방사상 부분의 온도나 기타 열적 특성을 탐지한다. 그러한 고온계가 Adams 등에게 허여되고 본 명세서에서 전체가 참조되는 미국 특허 제6,406,179호에 개시되어 있다. 특히, 고온계(70)는 복사 고온계이고 950nm 미만의 파장에서, 즉 약 1.1 eV(1.1㎛), 그 대신에 실리콘 웨이퍼의 밴드 갭 파장 미만의 광자 파장으로 표현되는 실리콘 밴드 갭 보다 다소 높은 광자 에너지에서, 통과대역이 약 20nm인 광학적 협대역 필터를 포함한다. 그러한 필터들은 다층 간섭 필 터로서 용이하게 형성된다. 그에 따라, 실리콘 웨이퍼(32)가 램프(46)로부터 방출되는 짧은 파장의 가시광선 복사선을 흡수하며, 그에 따라 고온계(70)가 램프(46)로부터의 복사선 보다 웨이퍼(32)로부터 방출된 흑체 복사선에 민감하다.

고온계(70)는 온도 신호를 램프 전력 공급 제어부(76)으로 공급하며, 상기 제어부는 측정 온도에 응답하여 적외선 램프(46)로 공급되는 전력을 제어한다. 적외선 램프(46)는 방사상으로 정렬된 구역(zone)들, 예를 들어 15개의 구역들 단위로 제어되어 열적 엣지 효과(thermal edge effect)를 고려하여 보다 정밀한 방사상 열 프로파일을 제공할 수 있다. 고온계(70)들은 웨이퍼(32)에 걸친 온도 프로파일을 나타내는 신호를 전력 공급 제어부(76)로 제공하며, 그 제어부는 측정된 온도에 응답하여 적외선 램프(46)의 각 구역으로 공급되는 전력을 제어함으로써 폐쇄 루프(closed loop) 열 제어를 제공한다.

프로세싱 챔버(12)의 본체(20)는 프로세싱 가스 유입구 포트(80) 및 가스 배출구 포트(82)를 포함한다. 사용시에, 유입구 포트(80)를 통해 프로세싱 가스를 도입하기 전에, 프로세싱 챔버(12)내의 압력이 대기압 이하로 감소될 수 있다. 진공 펌프(84)가 포트(76) 및 밸브(88)를 통해 펌핑함으로써 프로세스 챔버(86)를 배기한다. 통상적으로, 압력이 약 1 내지 160 torr까지 감소된다. 그러나, 특정 프로세스는 대기압에서 운전될 수 있으며, 특정 가스의 존재에도 불구하고, 프로세스 챔버를 배기할 필요가 없을 수도 있다.

특히, 석영 윈도우(22) 양쪽의 압력차를 감소시키기 위해 프로세싱 챔버가 낮은 압력으로 펌핑되는 경우에, 제 2 진공 펌프(90)가 램프헤드(16)내의 압력을 감소시킨다. 제 2 진공 펌프(90)가 밸브(94)를 포함하는 포트(92)를 통한 펌핑에 의해 램프헤드(16)내의 압력을 감소시킨다. 포트(92)는 램프 홀(92)을 포함하는 반사부 본체(54)의 내부 공간과 유체연통한다.

헬륨과 같은 열 전도성 가스의 가압 공급원(pressurized source)(98)이 열 전도성 가스로 램프헤드(16)를 충진하여, 램프(46)와 액채 냉각 채널(56) 사이의 열 전달을 촉진시킨다. 헬륨 공급원(98)이 밸브(100) 및 포트(102)를 통해 램프헤드(16)에 연결된다. 열 전도성 가스가 램프헤드 커버(106)와 각 램프(46)의 베이스 사이에 형성된 가스 매니폴드(104)내로 도입된다. 밸브(100)를 개방하면, 가스가 매니폴드(104)내로 유동한다. 램프 매립 화합물(50)이 상대적으로 다공성이기 때문에, 열 전도성 가스가 램프(46)와 램프 홀(52) 사이의 갭과 매립 화합물(50)을 통해 유동하여 램프(46)를 냉각시킨다.

그러나, 전술한 급속 열처리 챔버는 저온에서 사용시에 몇 가지 단점을 가진다. 실리콘 급속 열처리에 이용되는 통상적인 복사 고온계는 실리콘 포토다이오드 탐지기를 포함하며, 그 탐지기는 일반적으로 고온 본체로부터 방출되는 프랭크(Plankian) 복사선 스펙트럼의 좁은 대역폭의 강도를 탐지하고 탐지된 강도로부터 그 본체의 온도를 결정한다. 그러나, 고온계는 예를 들어 500 내지 800℃의 높은 온도를 측정하는데 주로 이용된다. 챔버 부품들이 비교적 고온이고 복사선 전구로부터의 광 누출이 존재하는 급속 열처리 반응기의 구성에서, 통상적인 고온계는 약 450℃ 미만의 웨이퍼 온도에서 비교적 효과가 없다. 350℃ 본체에 노출된 통상적인 고온계의 광전류는 0.8pA 부근이며, 이는 통상적인 급속 열처리 환경에서 의 열적 및 전기적 노이즈에 의해 용이하게 왜곡(overwhelm)될 수 있는 레벨이다. 또한, 웨이퍼는 이러한 온도에서 부분적으로 투명하고 챔버는 광에 대해 기밀성을 가지지 못한다. 저온 웨이퍼의 존재중에 백열램프가 켜진 직후에, 고온계가 직접적인 또는 간접적인 램프 복사선에 의해 약 350℃를 즉각적으로 기록한다는 것을 관찰하였다.

급속 열처리의 경우에, 웨이퍼 온도의 저온 제어가 둘 이상의 상황에서 이루어진다. 고온 급속 열처리에서, 높은 웨이퍼 온도는, 전술한 바와 같이 약 450℃ 이상에서만 효과적인 복사 고온계를 이용하는 폐쇄 루프 제어 시스템(장치)에 의해 매우 미세하게 제어된다. 그러나, 이러한 온도에 도달하기 위해서, 웨이퍼는 미리 정해진 전류량이 복사 램프로 공급되는 개방 루프 제어 시스템하에서 먼저 가열되어야 한다. 온도가 복사 고온계에 대한 하한 탐지 한계에 도달하였다는 것을 고온계가 탐지하였을 때, 열 제어부는 폐쇄 루프 시스템으로 전환한다. 개방-루프 기간 동안의 예열은 통상적인 스위치 오프(switch off) 조건 이상으로 엄밀하게 모니터링되지 않는다. 결과적으로, 온도 구배(句配) 또는 과다한 가열률이 발생할 수 있다. 예열 중에 웨이퍼가 돔형 또는 감자칩 형상으로 기형화될 수 있으며, 이는 고온에서 효과적인 급속 열처리를 방해한다. 따라서, 예열 조건을 엄밀하게 최적화할 필요가 있으며 균일한 예열을 달성하기 위해 구역적인 가열 분포가 필요할 수 있다. 그러한 예열 최적화는 휘어짐(warpage) 또는 기타 잘못된 결과를 피할 수 있는 예열 레시피(recipe)를 확립하기 위해 많은 수의 웨이퍼를 실험한 숙련된 엔지니어를 통상적으로 필요로 한다. 그러나, 최적화된 레시피는 웨이퍼에 이미 구축된 피쳐들(features)에 따라 크게 좌우된다. 매우 장시간 동안 제조 가동(run)된 경우를 제외하고, 각 칩 디자인의 각 레벨에 대해 최적화하는 것은 용이하지 않다. 그 대신에, 예를 들어 금속 또는 산화물과 같은 주어진 타입의 재료로 이루어진 상부 층을 갖는 패턴화되지 않은 스톡(stock) 웨이퍼의 일부 분류(class)에 대해 최적화가 실시된다. 제조를 위해, 유사한 상단 층에 대한 예열 레시피가 선택된다. 일반적으로, 이러한 해결방법은 만족스럽지 못한 것으로 입증되었으며, 결과적으로 불확실한 예열 속도 및 기타 균일성에 대한 추가적인 조정이 필요하다.

차세대 집적회로로 계획되고 있는 니켈, 코발트, 도는 티탄 실리사이드 콘택(contact)에서, 500℃ 미만 그리고 심지어는 250℃ 미만으로부터 거의 상온까지의 온도에서 실시되는 급속 열처리에 대한 수요가 발생되고 있다. 비교적 낮은 열처리 온도를 요구하는 이러한 진보된 프로세스에 종래의 복사 고온계를 적용하는 것일 편리할 것이다. 저온 벽 및 저온 복사 고온계를 구비하는 자동화된 저온 급속 열처리 챔버를 디자인할 수도 있을 것이나, 저온 프로세싱을 위해 상용화된 고온 급속 열처리 챔버를 채용하는 것이 보다 더 바람직할 것이다. 동일한 챔버를 상이한 프로세싱 단계에서 이용할 수 있도록, 저온 및 고온 프로세싱 모두에서 사용될 수 있는 급속 열처리 챔버를 제공하는 것이 보다 더 바람직할 것이다.

Hunter 등에게 허여되고 본 명세서에서 참조되는 미국 특허 제 6,151,446 호에는, 승강 핀상에서 지지되는 웨이퍼가 충분한 광전자를 광탐지기로 유도하여 웨이퍼가 엣지 링상으로 하강되기에 앞서서 그 웨이퍼가 챔버 온도에 도달하였다는 것을 대략적으로 나타내는 때를 결정하는데 있어서 유용한 과투(transmission) 고 온계가 개시되어 있다. 과투 고온계는 실리콘 밴드 갭 부근의 밴드내에서 유효한 일부 종류의 필터링를 포함한다. 투과 고온계는 일반적으로 낮은 강도(intensity)로 유지되는 복사선 가열 램프로부터의 복사선을 실리콘 웨이퍼에 의해 필터링된 상태로 탐지한다. 실리콘 밴드 갭이 탐지기의 밴드폭의 내외로 통과(pass)함에 따라, 탐지기 신호가 상당히 변화되며, 그에 따라 실리콘 웨이퍼 온도의 표시를 제공한다. 상기 Hunter의 투과 고온계가 챔버의 승강 핀에 통합되어, 웨이퍼를 고온의 엣지 링으로 안전하게 하깅시킬 수 있는 시점을 결정한다. 약 400℃ 까지에서만 작동되는 것으로 기재되어 있다. 비록 Hunter가 램프 전력의 일부 피드백 제어를 제공하지만, 웨이퍼 온도의 엄격하고 미세한 제어가 요구된다.

본 발명의 일 측면에서는, 급속 열처리 챔버내에서 500℃ 미만 그리고 심지어는 250℃ 미만의 실리콘 웨이퍼 온도를 측정하기 위한 투과 고온계를 이용하는 것을 포함한다. 투과 고온계는 복사선 가열 램프로부터의 광학적 복사선을 실리콘 웨이퍼에 의해 필터링된 상태로 탐지한다. 일부 파장 밴드에서의 실리콘 흡수는 웨이퍼 온도에 따라 크게 좌우된다. 그러한 온도 측정이, 상기 온도 이하에서의 열적 프로세싱에 이용될 수 있으며, 또는 복사 고온계를 이용하여 폐쇄 루프에 의해 제어되는 온도 보다 높은 웨이퍼 온도, 예를 들어 400 내지 500℃를 복사 고온계가 측정할 수 있는 포인트(point)까지의 예열을 제어하는데 이용될 수 있다.

약 350℃ 미만에서 유용한 저온 투과 고온계가 1 내지 1.2㎛의 파장 밴드에서 필터링이 없거나 거의 없는 실리콘 광다이오드를 이용할 수 있다. 500℃까지 연장되는 파장 범위에서 유용한 투과 고온계는 InGaAs 다이오드 광탐지기 및 약 1.2㎛를 초과하는 복사선을 차단하는 필터를 포함한다. 복사 및 투과 고온계가 광 파이프 또는 기타 광학적 광 가이드로부터 복사선을 수신하고 그 복사선을 투과 고온계 및 복사 고온계의 필터를 향하는 각각의 비임(beam)으로 분할하는 광학적 스플리터(splitter)를 포함하는 구조물로 통합될 수 있다.

바람직하게, 투과 고온계는 복사선 가열 램프로 공급되는 전력과 관련한 일반적인 특성 또는 기타 전기적 특성, 웨이퍼 온도, 및 투과 고온계의 광전류를 아는 상태로 실시된다. 상기 특성들을 수집하는 하나의 방법에서, 램프 및 탐지기 특성으로부터 광전류가 하나의 상수로 계산될 수 있다. 웨이퍼 및 램프 온도를 함수로 하여 2차원적 테이블(two-dimension table)이 노멀라이즈되지 않은(unnormalized) 광전류로 채워질 수 있고, 또는 알려진 특성을 획득하는 기타 방법을 이용할 수도 있을 것이다. 알려진 웨이퍼 온도에서 광전류를 초기 측정함으로써, 웨이퍼에 대해 노멀라이즈화되는 테이블형식(tabular)의 데이터가 처리될 수 있다. 그 후에, 고온계 광전류가 알고 있는 램프 온도 또는 저항에서 측정되면, 테이블을 참조하여 대응하는 웨이퍼 온도를 얻을 수 있다.

통합된 듀얼(dual) 고온계가 단일 하우징내에 형성될 수 있고 투과 고온계 및 복사 고온계 모두를 포함할 수 있다. 단일 광 가이드가 웨이퍼의 뒷면에서 광을 공급한다. 비임 스플리터가 수신된 광을 두 개의 고온계로 분할한다. 하우징이 급속 열처리 반사판상에서 지지될 수 있다.

도 1은 하나 이상의 복사 고온계를 포함하는 종래의 급속 열처리(RTP) 챔버의 단면도이다.

도 2는 투과 고온계 및 복사 고온계 모두를 포함하는 본 발명의 급속 열처리 챔버의 일 실시예의 단면도이다.

도 3은 실리콘 흡수 엣지의 온도에 따른 이동을 도시한 그래프이다.

도 4는 웨이퍼 온도의 함수로서 투과 고온계내의 광전류에 대한 여러 가지 기여(contribution)를 도시한 그래프이다.

도 5는 급속 열처리 챔버내의 웨이퍼의 온도를 측정하기 위해 투과 고온계를 이용하는 기본적인 방법에 대한 프로세스 흐름도이다.

도 6은 실리콘 웨이퍼가 가열됨에 따라 투과 및 복사 고온계의 성능을 비교한 그래프이다.

도 7은 측정 초기 온도 상승률의 관점에서 램프 전력을 조정하는 것을 포함하여, 급속 열처리 챔버내의 가열률을 제어하기 위해 투과 고온계를 이용하는 다른 방법에 대한 프로세스 흐름도이다.

도 8은 급속 열처리 프로세싱에 유용하게 적용되는 복합식 복사 및 투과 고온계의 단면도이다.

본 발명의 급속 열처리(RTP) 챔버(110)의 일 실시예가 도 2의 단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 그 실시예는 하나 이상의 투과 고온계(112)를 포함한다. 비록, 본 발명의 일부 특징들이 투과 고온계만으로 실시될 수 있지만, 본 발명의 챔버(110)가 하나 이상의 복사 고온계(70)를 부가적으로 포함하는 것이 바람직하다. 두 개의 고온계(70, 102)가 광 파이프(72)로부터의 광학적 복사선을 수신하는 하나의 시스템을 포함할 것이고, 광학적 스플리터(104)가 수신된 복사선을 두 개의 고온계(70, 102) 사이에서 분할한다. 전술한 바와 같이, 복사 고온계(70)는 미크론 이하인(sub-micron) 파장의 협대역 필터, 즉 실리콘 밴드 갭 보다 큰 에너지를 가지는 광자를 통과시키는 필터를 포함한다. 그에 따라, 복사 고온계(70)는 웨이퍼(32)의 뒷면에서의 흑체 복사 온도를 측정하는데 있어서 효과적인데, 이는 실리콘 웨이퍼(32)가 램프(46)로부터의 짧은 파장 광을 차단하기 때문이다. 한편, 투과 고온계(112)는 장파장 광에 민감하며, 특히 관심 웨이퍼 온도에서의 실리콘 밴드 갭 부근의 광 또는 그보다 다소 긴 파장의 광에 민감하다.

균일한 웨이퍼를 통과하는 특정 파장의 광학적 복사선에 대한 투과율 또는 투과 계수(τ)는 다음과 같으며:

τ(α,x) = e^-α·x,

이때, α는 흡수 계수이고, x는 웨이퍼의 두께이다. 밴드 갭 부근에서의 실리콘의 흡수 계수는, 상온(20℃) 및 200℃에 대해 도 3의 그래프에 도시된 바와 같이, 알려진 온도 의존도(dependence)를 가진다. 급격한 기울기를 가지는 부분들이 광학 밴드 갭의 흡수 엣지로 식별되며, 이는 음향양자 기여(phonon contribution) 및 열적으로 활성화된 자유 캐리어(free carrier)의 열적 변화 모두에 따라 달라진 다. 파장이 커지면, 흡수 엣지가 보다 긴 파장(보다 작은 양자 에너지) 쪽으로 이동한다.

투과 고온계에 필요한 스펙트럼 필터링은 복사 고온계에서 요구되는 것과 상이하다. 투과 고온계 필터 및 광탐지기는 관심 웨이퍼 온도에서 흡수 갭의 파장에 민감할 필요가 있는 스펙트럼 응답을 함께 제공한다. 이러한 요건은 투과 고온계가 250℃ 미만의 온도만을 측정할 필요가 있는지의 여부 또는 450℃ 까지의 온도 및 그 보다 다소 높은 온도까지 측정할 필요가 있는지의 여부에 따라 달라질 것이다. 그러나, 합리적인 신호-대-잡음 비율을 유지하기 위해, 흑체 복사선 스펙트럼의 제한된 대역폭만이 탐지되어야 한다.

광학적 필터링이 없는 실리콘 광탐지기는 이러한 기능을 약 250 내지 350℃에서 실행할 수 있다. 실리콘 광탐지기는 약 1.1㎛를 초과하는 파장을 가지는 복사선에 대해서는 둔감하다. 웨이퍼가 상온으로부터 350℃로 가열됨에 따라 웨이퍼 흡수 엣지는 1㎛로부터 1.2㎛를 향해 상승된다. 그에 따라, 순수한 효과는 다소 좁은 패스 밴드이다. 그러나, 약 350℃ 보다 높은 웨이퍼 온도에서, 흡수 엣지가 실리콘 광탐지기의 탐지 한계를 넘게 되어, 흡수 엣지 파장의 추가적 증가가 용이하게 탐지되지 않는다. 그에 따라, 보다 높은 웨이퍼 온도에서의 작동에 대해서는, 보다 긴 파장에 대해 민감한 광탐지기를 이용하는 것이 바람직하다. 그러한 탐지기의 예를 들면, InGaAs 다이오드 광탐지기가 있으며, 그러한 광탐지기의 탐지 밴드는 0.9 내지 1.7㎛이다. 1.7㎛까지의 큰 기여를 회피하기 위해, InGaAs는, 1.2 또는 1.3㎛ 미만 파장을 통과시키는 즉, 투과 고온계에 의해 측정되는 가장 높 은 온도에서 실리콘 웨이퍼의 밴드 갭 파장 보다 작은 파장을 가지는 복사선을 대부분 통과시키고 상기 밴드 갭 파장 보다 큰 플랭크 스펙트럼의 대부분을 차단하는 로우-패스 필터를 이용하여야 한다. 또한, 필터가 약 1 또는 1.1㎛의 복사선을 차단하는 밴드패스 필터일 수 있다.

도 4의 그래프를 참조하여 작동 절차를 설명한다. 라인(126)은 램프 전류의 하나의 셋팅(setting)에 대한 웨이퍼 온도의 함수로서 투과 고온계로부터의 총 광전류를 나타낸다. 저온에서, 총 광전류는 주로 고온 램프로부터의 광자 플럭스로부터 발생하고 웨이퍼를 통과하는 광전류(128)이다. 그러나, 라인(130)으로 나타낸 바와 같이, 일정한 배경 복사선, 예를 들어, 스트레이(stray) 복사선 및 고온 챔버 부분들이 있다. 높은 온도에서, 라인(132)으로 나타낸 바와 같이 웨이퍼 자체의 흑체 복사선으로부터의 증대된 기여가 있다. 웨이퍼 흑체 기여 및 램프에 대한 교차(cross over)가 약 400℃의 온도에서 발생하고, 이는 복사 고온계가 유효하게 되는 영역의 하단부에 인접한 것이다.

본 발명의 일 측면은 램프 전류 및 웨이퍼 온도에 대한 투과 고온계 광전류의 공지된 의존성에 따라 달라지며, 이를 고온계 특성이라 칭한다. 제조 웨이퍼에 웨이퍼 두께가 엄밀하게 제어되며, 예를 들어 300mm 웨이퍼의 경우에 0.75±0.02mm로 제어되고, 그에 따라 그 양(quantity)를 알고 있다고 할 수 있다. 웨이퍼의 제어가능한 가열을 위한 기본 알고리즘이 도 5의 프로세스 흐름도에 도시되어 있다. 단계(136)에서, 온도를 알고 있는 웨이퍼가 급속 열처리 챔버내로 삽입되고, 단계(138)에서 램프가 설정 저전류, 예를 들어, 최종 램프 전류의 약 20%로 켜진다. 단계(140)에서, 웨이퍼가 램프 복사선내에서 충분히 가열될 시간을 갖기에 앞서서, 투과 고온계로부터의 광전류가 측정된다. 이러한 측정은 램프 전류 및 웨이퍼 온도의 공지된 값을 이용하여 실시되며, 공지된 특성들이 적절하게 노멀라이즈화될 수 있게 한다.

단계(142)에서, 알고는 있으나 노멀라이즈화되지 않은 광전류 대 램프의 특성들 그리고 웨이퍼 온도가 노멀라이즈화된다. 이러한 작업은 다양한 방식으로 이루어질 수 있을 것이나, 가장 쉬운 방법은 광탐지기의 광전류 출력에 비례 인자(scaling factor)를 적용하여, 측정된 광전류가 초기 웨이퍼 및 램프 온도에서의 노멀라이즈화되지 않은 광전류 특성의 값과 부합되게 하는 것이다.

웨이퍼의 초기 온도를 설정하는 것은 다양한 절차를 포함할 수 있다. 유입 웨이퍼는 그러한 웨이퍼가 로딩되는 이송 챔버의 주변 온도, 예를 들어 25℃일 수 있다. 그러나, 램프가 켜진 후에 시작되고 15% 램프 전력의 경우에 약 8초가 소요되며 비록 온도 상승이 웨이퍼 타입에 따라 달라지지만 약 10℃의 오류를 초래할 수 있는 온도 특성화 단계라는 프로세스 중에 가열된다. 특성화 단계중의 온도 상승은 램프를 켠 후의 램프 강도를 측정함으로써 그리고 그 강도 프로파일에 대한 해당 웨이퍼의 열적 응답을 모델링(modeling)함으로써 달성될 수 있다. 40℃의 초기 온도가 모델링을 위해 가정될 수 있을 것이다. 주어진 램프 전력 및 결과적인 강도 프로파일을 위해 얼마나 웨이퍼를 가열하여야 하는지를 알면, 웨이퍼 온도가 특성화 기간의 말기에 정확하게 측정될 수 있을 것이고 후속 고온계를 위한 정확한 초기 웨이퍼 온도를 제공할 수 있을 것이다.

그 후에, 단계(144)에서, 램프 전류가 적어도 초기 예열 값으로 상승된다. 그 후에, 단계(146)에서, 투과 고온계로부터의 광전류가 동일한 웨이퍼 및 상승된 램프 전류에 대해 측정된다. 단계(148)에서, 측정된 광전류 및 노멀라이즈화된 특성으로부터 웨이퍼 온도가 결정된다. 일부 최종 예열 웨이퍼 온도에 도달하였다는 것이 단계(150)에서 결정될 때까지, 단계(146, 148)가 반복된다.

요구되는 램프 및 웨이퍼 특성이 다양한 방식으로 설정될 수 있다. 가능한 경우에 웨이퍼의 두께 그리고 램프 전류와 웨이퍼 온도의 많은 수의 조합에 대한 고온계 광전류를 측정할 수 있고 그러한 실험값을 추후의 웨이퍼 온도에 대한 관련 광전류로 이용할 수 있다. 여러 램프 등을 포함하는 챔버 조건의 변화 및 웨이퍼 편차를 고려하는데 있어서, 여전히 노멀라이제이션이 바람직하다고 믿어진다.

바람직한 해결 방법은 광탐지기의 응답 및 실리콘 웨이퍼를 통한 투과의 온도 의존성 그리고 램프의 전기 측정치에 대한 광전류의 의존성을 완전히 이해하는 것에 의지한다. 투과 고온계에 대한 광 전류(I_PD)는 웨이퍼 온도(T_W) 및 램프 온도(T_L)에 주로 의존하며, 다음과 같이 표현될 수 있으며,

이때, λ1 및 λ2는 광탐지기의 응답성(responsivity)의 스펙트럼 한계를 나타내는 적분의 한계들로서 0.8 내지 1.7㎛일 수 있으며, R(λ)는 이용되는 임의 필 터를 포함하는 광탐지기의 응답 함수이며, L(λ,T_L)은 램프 온도(T_L)에서 램프의 복사선 강도 스펙트럼이고, Ω는 배경 복사선 편차, 웨이퍼 상부 표면의 반사도, 투과 채널의 뷰 인자(view factor), 그리고 램프 복사선 강도의 편차를 고려한 노멀라이제이션 인자이다. 상부 웨이퍼 표면상의 반사도에 대한 적절한 노멀라이제이션은, 구조물의 각 타입에 대한 급속 열처리 예열의 개별적인 최적화 없이, 여러가지 수평 및 수직 구조물을 가지는 여러 가지 타입의 웨이퍼가 처리될 수 있게 한다. 그 대신에, 단일 노멀라이제이션 측정의 대부분은 주로 상부-표면 반사도에 영향을 미치는 그러한 편차를 설명한다.

램프 복사선 강도(L)는 램프 필라멘트내에서 산개되는 전력 및 그에 따른 램프의 온도(T_L), 필라멘트에 이용된 물질의 방사율

, 그리고 램프 필라멘트의 코일링으로 인한 방사율에 대한 교정δ(λ,T_L)의 함수이다. 램프 온도(T_L)는 다음의 텅스텐 필라멘트에 대한 실험식으로부터 결정될 수 있으며;

이때, a는 램프 클래스(class)에 의해 방출되는 복사선에 대한 스펙트럼 측정에 의해 결정될 수 있는 상수이고, R_L은 순간적으로 인가된 전압 및 램프에 대한 SCR 드라이버로부터의 전류 피드백에 의해 결정될 수 있는 램프 필라멘트의 저항이다. 필라멘트 온도를 알면, 램프의 복사선 강도는 다음으로부터 계산될 수 있으 며:

이때, L_BB는 온도가 T_L인 표면으로부터의 플랭크 흑체 복사선 스펙트럼이며,

이때, c₁ 및 c₂는 3.742 x 10-16 Wm² 및 0.1439 mK의 값을 각각 가지는 공지된 복사선 상수이다. 텅스텐의 방사율(

)은 온도 및 파장의 함수로서 잘 알려져 있다. 냉각 및 교정 인자(δ)를 교정할 필요가 있으며, 또는 그 대신에 각 램프 클래스에 대해 측정될 필요가 있다.

T_W의 온도에서 두께가 x인 실리콘 웨이퍼를 통한 투과율(τ)은 다음과 같이 주어지며:

이때, α는 T_W의 온도 및 λ의 파장에서 실리콘의 흡수 계수이다. 흡수 계수는 Timans가 'Journal of Applied Physics, vol 74, no. 10,15 November 1993, pp 6353-6364'에 기고한 "고온에서의 실리콘의 방사율(Emissivity of silicon at elevated temperatures)"에 의해 설명되는 모델로부터 계산되거나 측정될 수 있을 것이다. 이러한 Timans 모델은 음향양자 및 자유 캐리어에 의한 흡수를 설명하고, 약간 도핑된 실리콘에 대해 측정된 흡수도와 양호하게 일치된다는 것을 보여준다. Timans의 기고문은 고온계에 관한 일반적인 논의에서도 그 가치가 있다.

실시간 조정을 실시할 수 있도록, 측정된 광전류를 기초로 웨이퍼 온도를 찾아내기 위해 수학식(2)의 적분을 역전(invert)시키는 근사식(closed expression)을 찾는 것은 컴퓨터적으로(computationally) 어렵고도 곤란하다. 그 대신에, 검색 테이블을 작성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 램프 필라멘트 온도(T_L)가 하나의 축에 기재되고 웨이퍼 온도(T_W)가 다른 축에 기재된 2-차원적 테이블을 구성한다. 광전류의 계산된, 노멀라이즈화되지 않은 값이 테이블의 셀(cell)을 차지한다.

알고 있는 웨이퍼 온도(T_W)에서의 초기 광전류 측정치 및 전기적으로 측정된 램프 필라멘트 온도(T_L)가 테이블내의 노멀라이즈화되지 않은 계산된 광전류 값과 계산된 광전류 값을 상호연관시키며, 그에 따라 전체 테이블에 대해 노멀라이즈화 상수(Ω)가 결정될 수 있다. 테이블내의 모든 값을 노멀라이즈화할 수 있지만, 그 대신에, 이제까지 알려진 노멀라이즈화 상수에 의해 광탐지기의 출력에서 모든 측정된 광전류를 비례화(scale)하는 것이 바람직하다.

교정 단계 후에 웨이퍼를 프로세싱 하는 동안에, 램프 전력 공급원의 전류 및 전압의 공지된 전기적 측정치에서 투과 고온계로부터의 광전류가 측정되며, 이 는 수학식(3)을 통해 램프 온도를 제공한다. 이어서, 검색 테이블을 참조하여 알고 있는 램프 온도에서 측정되고 비례화된 광전류를 웨이퍼 온도와 연관시킨다. 테이블화된 광전류들 사이에서, 그리고 필요하다면, 램프 온도들 사이에서 내삽(interpolation)을 할 수도 있다. 광전류 대 램프 그리고 웨이퍼 온도의 특성들을 저장하고 검색하기 위한 다른 방법을 이용할 수도 있다. 주어진 램프 온도에서 광전류를 웨이퍼 온도와 연관시키는 다항식, 멱급수, 또는 기타 수학적 함수의 계수에 의해 테이블의 각 컬럼이 표시될 수도 있다. 그러한 수학적 함수는 실시간을 기초로 용이하게 계산될 수 있다. 그 대신에, 전체 테이블을 2-번수 멱급수로 변활할 수도 있다. 원한다면, 다항식 또는 멱급수가 다항식의 값으로서의 웨이퍼 온도와 함께 광전류를 하나의 변수로서 포함할 수 있다.

웨이퍼의 뒷면을 통해 램프들 중 하나와 마주하고 좁은 시계(field of view)를 가지며 실리콘 광다이오드 응답성의 약 1㎛ 하한치를 넘어서는 추가적인 필터링이 없으며 흡수 엣지가 관심 온도에서 약 1.2㎛ 미만인 실리콘 광다이오드를 이용하여 본 발명을 확인하였다. 별개의 종래 복사선 고온계가 웨이퍼의 동일한 전체 영역을 향하며, 이때 그 고온계는 필터 및 보다 넓은 시계를 가진다. 추가적으로, 확인 테스트중의 실제 온도를 측정하기 위해, 열전쌍을 순수(bare) 웨이퍼내에 삽입하였다. 그 결과를 도 6의 그래프에 도시하였으며, 그 그래프는 램프가 켜진 후에 여러 방법으로 결정된 온도를 시간을 함수로 하여 나타낸다. 라인(154)은 열전쌍에 의해 측정된 온도를 나타낸다. 라인(156)은 본 발명의 투과 고온계에 의해 결정되고 전술한 검색 테이블과 관련하여 결정된 웨이퍼 온도를 보여준다. 라 인(158)은 종래의 복사 고온계에 의해 결정된 온도를 나타낸다. 모든 온도에서, 투과 고온계는 열전쌍의 온도에 비교적 가까운 온도를 측정한다. 약 300℃ 미만의 온도에서, 종래의 복사 고온계는 웨이퍼 온도를 정확하게 측정하지 못하였으나, 높은 온도에서는 적절하게 기능을 하였다. 도 4에 추가적으로 도시된 바와 같이, 그러한 디자인의 투과 고온계는 약 350℃ 또는 400℃ 이상에서 평탄한 응답을 가진다. 그에 따라, 약 350℃의 전이 온도 미만의 온도에서는 투과 고온계에 의존하고 그 보다 높은 온도에서는 복사 고온계에 의존하는 것이 바람직하다. 그러나, 전이 온도는 두 고온계의 디자인에 따라 달라질 것이나, 현재의 디자인은 300 내지 400℃의 전이 온도를 나타낸다.

본 발명이 적용될 수 있는 둘 이상의 프로세스 즉, 예열이라고도 지칭하는 개방-루프 튜닝(tuning) 및 거의 상온의 고온계가 있다. 바람직하게, 본 발명에 따른 거의 상온의 고온계는 높은 온도에서의 복사 고온계와 함께 이용되는 것과 유사한 아키텍쳐(architecture)로 열 제어 시스템의 피드백 루프내에 다수의 방사상으로 정렬된 투과 고온계를 이용한다. 그에 따라, 몇몇의 진보적인 집적회로 구조에서 예상되는 바와 같은 250℃ 미만의 온도에서 정확한 열 제어가 가능하다. 그러한 저온 작업은, 보다 장파장의 광탐지기 및 필터, 예를 들어 InGaAs 광탐지기 및 간섭 필터를 제조하는데 보다 적합한데, 이는 전술한 실리콘 광다이오드가 약 300℃ 보다 높은 웨이퍼 온도에서 열악한 성능을 나타내기 때문이다. 전술한 바와 같이, 급속 열처리 챔버가 모든 웨이퍼 온도에서 작동가능한 열 피드백 제어와 함께 저온 및 고온 모두의 프로세싱을 할 수 있는 것이 바람직할 것이다.

저온 고온계의 경우에, 가열 램프와 별개로 투과 복사선에 대한 광원을 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 광원은 레이저 또는 LED일 수 있으나, 별도의 낮은-강도의 백열 전구가 보다 장시간의 안정성을 제공한다고 믿어진다.

복사 고온계를 포함하지 않고도 예열 단계(phase)(개방-루프 튜닝이라고도 한다)를 보다 엄격하게 제어하기 위해, 본 발명은 또한 표준 고온 급속 열처리와 함께 적용될 수 있을 것이다. 단순한 예열 프로세스가 도 7의 흐름도에 도시되어 있다. 알고 있는 온도의 웨이퍼가 급속 열처리 반응기내로 삽입된 후에, 단계(170)에서, 검색 테이블에 대한 노멀라이즈 인자를 설정함으로써 또는 시스템의 특성들을 저장하는 기타 방법에 의해 투과 고온계가 교정된다. 단계(172)에서, 급속 열처리 램프가 미리 정해진 낮은 전력 레벨, 예를 들어, 전체 고온 레벨의 15%로 셋팅되고, 이는 10℃/초 미만의 상대적으로 느린 가열률을 만든다. 단계(172)에서, 교정된 투과 고온계가 램프가 낮은 전력 레벨로 셋팅된 후에 적어도 두 차례에 걸쳐 웨이퍼 온도를 측정하고 그에 따라 두 측정 사이의 간격중에 웨이퍼가 가열됨에 따른 온도의 초기 상승률(ramp rate)을 측정한다. 단계(176)에서, 전력 공급 제어부가 조절된 램프 전력 레벨을 계산하고, 이는 초기에 측정된 값으로부터 원하는 온도 상승률까지 온도 상승률을 변화시킬 것이며, 이는 10 내지 20℃/초의 셋팅 값이 될 것이다. 그 후에, 단계(178)가 웨이퍼 온도가 전이 온도에 도달하였다는 것을 결정할 때까지 예열이 계속되고, 종래의 고온 급속 열처리 제어 시스템에서 실시되는 바와 같이, 그러한 결정시에 제어부가 단계(180)에서 주로 복사 고온계에 의존하는 폐쇄 루프 제어로 전환된다.

초기 상승률에 대한 조정 후의 예열이 다양한 방식으로 실시될 수 있다. 그 것은 단지 시간의 경과에 의존할 수도 있는데, 이는 램프 전력이 재조정되었기 때문이다. 복사 고온계 또는 투과 고온계를 이용하여 전이 온도에 도달하였을 때를 탐지할 수 있으며, 그러한 전이 온도는 통상적으로 두 고온계 모두가 민감한 온도이다. 보다 엄밀한 제어를 위해서, 램프 전류를 동적으로(dynamically) 조정하여 예열 중에 원하는 온도 상승률을 유지하기 위해 예열 단계 동안에 폐쇄 루프 제어 시스템에서 투과 고온계를 이용할 수 있다. 또한, 예열 단계의 여러 부분들에서 원하는 상승률을 조정할 수 있다.

비록 단일 투과 고온계에 초점을 맞춰 이상의 내용을 설명하고 하나의 램프 전력 셋팅만을 언급하였지만, 다수의 투과 고온계가 다양한 반경부(radii)에 위치되고 일부 차등 구역(differential zone) 가열이 이용된다면, 정밀도가 개선될 것이다. 예를 들어, 하나의 투과 고온계가 웨이퍼 중심 부근의 제 1 포인트, 웨이퍼로부터 엣지 링으로의 전이부 부근의 제 2 포인트, 및 엣지 링상의 제 3 포인트를 가질 수 있다. 이어서, 램프들을 3 이상의 유사한 예열 구역으로 분할할 수 있다. 도 7의 초기 상승률에서, 3개의 초기 온도 상승률이 3개의 투과 고온계로부터 측정된다. 이어서, 여러 가열 구역내의 램프들이 독립적으로 재조절되어 좁은 중간 구역들내에서 몇몇 내삽(interpolation) 값을 가질 수 있는 공통의 원하는 상승률을 획득할 수 있다.

웨이퍼가 승강 핀에 의해 지지되는 동안에 엣지 링의 온도, 예를 들어, 약 200℃로 가열되는 초기 예열중에, 본 발명의 투과 고온계가 유용할 것이다. 웨이 퍼가 이러한 온도에 도달하면, 승강 핀이 웨이퍼를 엣지 링상으로 하강시키고, 이어서 엣지 링이 회전된다. 복사 고온계는 이러한 구성에서는 거의 쓸모가 없는데, 이는 특히 현가된 웨이퍼 주변의 램프로부터 하부의 고온계로 상당한 빛이 누설되기 때문이다. 비록, 전술한 Hunter의 투과 고온계를 유사한 기능에 이용하였지만, 그 고온계들은 승강 핀내에 매립되었고 그에 따라 약 200℃ 이상의 예열 온도를 모니터링하는게 이용하기가 용이하지 않다.

반사판내의 여러 개구에 결합된 독립된 복사 및 투과 고온계를 제공할 수도 있다. 그러나, 복사 고온계 필터 앞에 경사진 부분 반사부를 포함하도록 Adams 등의 복사 고온계를 개선함으로서 두 개의 고온계를 통합하는 것이 편리하다. 반사된 복사선이 필터링되지 않은 실리콘 광탐지기로 향하며, 그에 따라 상기 광탐지기가 투과 고온계로서 작용한다.

도 8에 단면 도시된 듀얼 고온계(190)의 예가 Adams 등으로부터 채택되었다. 사파이어 광 파이프(192) 및 금속 슬리브(194)가 급속 열처리 반사판의 바닥에서 고온계(190)를 지지한다. 통상적으로 다수-층 간섭 필터로 이루어진 협대역 필터(200)로 광 파이프 복사선을 시준(collimate)하기 위해 광 파이프(192)의 출력부에 인접한 시준기(198)내의 축방향 개구(199)로부터 방사상 외측으로 펼쳐진 반사 내측 벽(22)을 구비하는 시준기(198)를 수용하는 하우징(196) 내부에 고온계가 형성된다. 협대역 필터(200)가 하우징(196)내에서 지지되고 복사 고온계와 연관된다. 그러나, 조정가능한 도금 핀(204)이 시준기 벽(202)으로부터 돌출하고 경사진 반사면(206)을 구비하여, 비임 스플리터로서 작용하고, 광 파이프(192)로부터의 복 사선의 일부를 시준기(198)내의 개구(210)를 통해 반사면(206)과 마주하는 광 탐지기(208)를 향해 지향시킨다. 광 탐지기(208)는 실리콘 광다이오드일 수 있으며, 그 경우에 그 광다이오드 하나 만이 낮은 웨이퍼 온도에 대한 투과 고온계로서 작용할 것이다. 그러나, 웨이퍼 온도가 보다 높은 경우에, 광 탐지기(208)가 InGaAs 광다이오드와 같이 보다 긴 파장 응답을 가질 수 있으며, 그 경우에 도시되지 않은 독립적인 투과 고온계 필터가 광탐지기(208)와 비임 스플리터(206) 사이에 삽입된다.

복사선의 나머지가 비임 스플리터(206)를 통과하고 선광기(concentrator; 212)의 단부에서 좁은 축방향 개구(216)를 통해 노출된 제 2 광 탐지기(214)를 향해 필터링된 복사선을 집중시키는 내측 테이퍼형 반사 벽(214)을 가지는 선광기(212)의 넓고 좁은 단부를 들어가기 전에 복사 고온계 필터(200)에 의해 필터링된다. 광 탐지기(214)가 복사 고온계를 완성하며 통상적으로 실리콘 광다이오드로서 구현된다. 두 개의 광 탐지기(208, 214)로부터의 독립적인 전기 리드가 광 탐지기 전력 공급부 그리고 램프 전력 공급 제어부로 연결되어 두 고온계 광전류를 공급한다.

이상의 구조는 급속 열처리 반사판 및 그 개구 및 광 파이프를 위한 현재 디자인을 바람직하게 이용한다. 비임 스플리터의 다른 구조 및 기타 타입을 이용할 수도 있다. 파장-민감성 비임 스플리터에 의해 민감성이 개선된다.

따라서, 저온에서 효과적인 열 프로세스를 포함하든지 또는 복사선 고온계가 통상적으로 이용되는 높은 온도 획득에 필요한 예열을 포함하든지 간에, 본 발명은 급속 열처리 프로세스의 보다 양호한 저온 제어를 제공한다. 투과 고온계는 고온 급속 열처리 챔버의 현재 디자인에 용이하고도 경제적으로 통합될 수 있으며, 그에 따라 작동 온도 범위를 확장할 수 있고 예열 단계를 보다 엄밀하게 제어할 수 있게 된다.

Claims

열처리 장치로서:

제어가능한 복사 열 공급원;

상기 복사 열 공급원의 반대쪽에서 기판을 지지하도록 구성된 지지 부재;

상기 기판이 지지되는 동안에 상기 지지 부재의 반대쪽 측면상에 배치되고 상기 복사 열 공급원으로부터의 복사선을 탐지하도록 구성된 하나 이상의 투과 고온계; 및

상기 하나 이상의 투과 고온계의 출력에 응답하여 상기 복사 열 공급원으로 공급되는 전력의 양을 제어하는 전력 공급 제어 장치를 포함하며;

상기 전력 공급 제어 장치가:

상기 복사 열 공급원내의 램프의 필라멘트의 온도를 나타내는 다수의 변수의 값과 상기 기판의 온도의 다수의 값에 대해 상기 투과 고온계에 의해 얻어지는 광전류와 관련된 노멀라이즈화되지 않은 특성들이 저장된 메모리;

상기 기판의 알고 있는 온도 및 상기 필라멘트의 셋팅 온도에 대한 상기 투과 고온계로부터의 노멀라이징 광전류를 측정하는 수단; 및

상기 측정된 노멀라이징 광전류에 따라 상기 저장된 노멀라이즈화되지 않은 특성들을 노멀라이징하는 수단을 포함하는

는 열처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 투과 고온계가 상기 기판의 온도를 측정하도록 구성되는 열처리 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 다수의 투과 고온계가 상기 기판의 중심에 대한 여러 방사상 위치들에 배치되는 열처리 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 투과 고온계들 중 하나가 상기 기판의 중심 부분을 향해 배향되고, 상기 투과 고온계들 중 다른 하나는 상기 지지 부재로 배향되는 열처리 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판이 실리콘 웨이퍼를 포함하는 열처리 장치.
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제 1 항에 있어서, 상기 메모리가 상기 필라멘트의 상기 온도를 나타내는 다수의 변수들 및 상기 기판의 상기 다수의 온도에 대해 계산된 광전류에 대한 목록(entries)을 가지는 검색 테이블을 포함하는 열처리 장치.
열처리 장치로서:

전방 측면상에 놓일 수 있는 기판을 가열하기 위한 제어가능한 복사 열 공급원;

상기 복사 열 공급원의 반대쪽에서 상기 기판의 측면상에 배치된 하나 이상의 투과 고온계; 및

상기 복사 열 공급원으로 공급되는 전력의 양을 제어하는 전력 공급 제어 장치를 포함하며,

상기 전력 공급 제어 장치가:

상기 복사 열 공급원내의 램프의 필라멘트의 온도를 나타내는 다수의 변수의 값과 상기 기판의 온도의 다수의 값에 대해 상기 투과 고온계에 의해 얻어지는 광전류와 관련된 노멀라이즈화되지 않은 특성들이 저장된 메모리;

상기 기판의 알고 있는 온도 및 상기 필라멘트의 셋팅 온도에 대한 상기 투과 고온계로부터의 노멀라이징 광전류를 측정하는 수단; 및

상기 측정된 노멀라이징 광전류에 따라 상기 저장된 노멀라이즈화되지 않은 특성들을 노멀라이징하는 수단을 포함하는 열처리 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 하나 이상의 투과 고온계가 상기 기판의 온도를 측정하도록 구성되는 열처리 장치.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 메모리에 상기 다수의 변수 값 및 상기 기판의 다수의 온도에 대해 계산된 값 광전류가 저장되는 열처리 장치.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 기판이 실리콘 웨이퍼를 포함하는 열처리 장치.
열처리 장치으로서:

백열 램프를 포함하는 복사 열 공급원;

상기 복사 열 공급원의 반대쪽에서 웨이퍼를 지지하는 지지부;

상기 복사 열 공급원 반대쪽의 상기 지지부 측면에 배치된 반사판;

상기 반사판에 의해 지지되고, 상기 웨이퍼를 지향하고, 상기 반사판내의 개구를 통해 광학적으로 결합된 입력 단부를 가지는 광 파이프;

상기 광 파이프의 출력을 수신하고 상기 출력을 제 1 및 제 2 비임으로 분할하는 광학적 비임 스플리터;

상기 제 1 비임을 수신하는 투과 고온계; 및

상기 제 2 비임을 수신하는 복사 고온계를 포함하는 열처리 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 투과 및 복사 고온계의 출력을 수신하고 그에 응답하여 상기 램프로 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 더 포함하는 열처리 장치.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 웨이퍼를 선택적으로 지지하기 위해 반사판의 개구내에 이동가능하게 배치되는 승강 핀을 더 포함하고, 상기 광 파이프는 상기 승강 핀과 기계적으로(mechanically) 독립되는 열처리 장치.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 광 파이프와 상기 광학적 비임 스플리터를 결합시키는 가요성 광 가이드를 더 포함하는 열처리 장치.
기판 가열 방법으로서:

기판을 조사(irradiate)하는 복사 열 공급원에 인가되는 제 1 전력 레벨에서, 상기 복사 열 공급원으로부터 복사선에 민감한 투과 고온계를 이용하여 초기 온도 상승률을 측정하는 단계로서, 둘 이상의 온도 측정 시점들 사이의 하나 이상의 간격에 의해 초기 온도 레이트(rate)를 설정하기 위해 상기 투과 고온계가 상기 기판의 둘 이상의 온도를 측정하는, 초기 온도 상승률 측정 단계; 및

상기 초기 온도 상승률을 기초로 하여, 상기 기판이 원하는 온도 상승률로 가열되도록 상기 복사 열 공급원으로 제 2 전력 레벨을 인가하는 단계를 포함하는 기판 가열 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 원하는 온도 상승률이 상기 초기 온도 상승률 보다 큰 기판 가열 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 제 2 전력 레벨이 상기 복사 열 공급원에 인가되는 동안에 상기 기판의 온도를 모니터링하는 단계; 및

상기 모니터링되는 온도가 미리 정해진 전이 온도에 도달하였을 때, 복사 고온계를 이용하여 상기 복사 열 공급원으로 인가되는 전력의 폐쇄 루프 제어를 개시하는 단계를 더 포함하는 기판 가열 방법.
제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과 고온계를 미리 알고 있는 온도의 기판에 노출시켜 상기 투과 고온계를 교정하는 단계를 더 포함하는 기판 가열 방법.
제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판이 실리콘 웨이퍼를 포함하는 기판 가열 방법.
듀얼 고온계로서:

광 가이드로부터의 신호를 수신하고 상기 수신된 신호를 반사면으로부터 반사되는 제 1 비임 및 반사면으로부터 반사되지 않는 제 2 비임으로 분할하는 비임 스플리터;

상기 제 1 비임을 수신하는 투과 고온계; 및

상기 제 2 비임을 수신하는 복사 고온계를 포함하는 듀얼 고온계.
제 21 항에 있어서, 상기 비임 스플리터를 수용하고, 상기 광 가이드로부터의 복사선을 수신하는 입구 개구를 구비하는 하우징을 더 포함하고;

상기 투과 고온계는 상기 하우징에 의해 지지되는 제 1 광탐지기를 포함하며;

상기 복사 고온계는 상기 하우징에 의해 지지되는 제 2 광탐지기 및 상기 하우징에 의해 지지되는 제 1 광학 필터를 포함하며; 그리고

상기 비임 스플리터는 상기 입구 개구 및 상기 필터 사이의 광학적 경로상에 배치되는 듀얼 고온계.
제 22 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 광탐지기 모두가 실리콘 광 다이오드인 듀얼 고온계.
제 23 항에 있어서, 상기 비임 스플리터와 상기 제 1 광탐지기 사이의 광학적 경로상에서 필터링이 실질적으로 실시되지 않는 듀얼 고온계.
제 22 항에 있어서, 상기 투과 고온계가 InGaAs 광다이오드 및 상기 InGaAs 광다이오드와 상기 비임 스플리터 사이의 광학적 경로상에 배치된 제 2 광학 필터를 포함하는 듀얼 고온계.
제 22 항에 있어서, 상기 광 가이드의 출력을 좁은 단부상에서 수신하고 넓은 단부가 상기 필터에 인접하여 배치되는 시준기로서, 상기 비임 스플리터가 상기 좁은 단부와 상기 필터 사이에 배치되고, 상기 제 1 광탐지기가 상기 시준기의 측벽내의 개구를 통해 상기 비임 스플리터로부터의 광을 수신하는, 시준기; 및

넓은 단부를 통해 상기 필터를 통한 복사선을 수신하는 선광기를 더 포함하 며;

상기 제 2 광탐지기가 상기 선광기의 좁은 단부를 통해 광을 수신하는 듀얼 고온계.
듀얼 고온계로서:

광 가이드로부터 신호를 수신하고 상기 수신된 신호를 제 1 비임과 제 2 비임으로 분할하는 비임 스플리터;

상기 제 1 비임을 수신하는 투과 고온계; 및

상기 제 2 비임을 수신하는 복사 고온계를 포함하며

상기 투과 및 복사 고온계가 실리콘 웨이퍼의 온도를 탐지하도록 구성되는 듀얼 고온계.