KR100923695B1 - 반응과 이송 섹션으로 구분된 챔버를 포함하는 반도체가공장치 - Google Patents

반응과 이송 섹션으로 구분된 챔버를 포함하는 반도체가공장치 Download PDF

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타케시 와타나베
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에이에스엠 저펜 가부시기가이샤
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Abstract

감소된 비용, 풋프린트및 페이스프린트뿐만 아니라 향상된 효율, 처리량 및 안정성을 가진 반도체 가공 설비가 제공된다. 증착시 이외에는, 반응 챔버(30)와 이송 챔버(20) 양쪽의 대기는 이송 챔버 배기구(26)를 사용하여 배출되고 그 이송 챔버 배기구(26)는 반도체 웨이퍼의 표면 아래에 마련된다. 이런 구성에 의하면, 웨이퍼 이송시 또는 증착시에 발생된 파티클들이 반도체 웨이퍼의 표면에 부착되는 것을 막을 수 있다. 또한, 증착시에 이송 챔버(20)로 퍼지 가스를 도입함으로써, 그리고 절연 분리판(34)을 사용함으로써, 이송 챔버(20)와 반응 챔버(30)의 대기는 효율적으로 분리될 수 있어 이송 챔버(20)의 구성부분 또는 벽위의 증착을 막을 수 있다. 결국, 여기에 설명된 구성에 따르면, 웨이퍼 버퍼 메커니즘이 반도체 가공 설비에 이용될 수 있고 그에 의해 처리량과 효율을 더 높일 수 있다.

Description

반응과 이송 섹션으로 구분된 챔버를 포함하는 반도체 가공장치 {SEMICONDUCTOR PROCESSING APPARATUS COMPRISING CHAMBER PARTITIONED INTO REACTION AND TRANSFER SECTIONS}
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드락 챔버, 이송 챔버 및 반응 챔버의 개략적인 구성도이고,
도 1B는 본 발명의 일 실시예에 있는 로드락 챔버, 이송 챔버 및 반응 챔버의 개략적인 단면도이고,
도 2는 증착시, 본 발명의 일 실시예의 개략적인 단면도이고,
도 3은 반응 챔버로부터 웨이퍼 이송시, 본 발명의 일 실시예의 개략적인 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스와 진공 라인의 개략도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 로드락 챔버 12 : 로드락 챔버 배기구
14 : 게이트 밸브 20 : 이송 챔버
22 : 이송 로봇 24 : 이송 아암
26 : 이송 챔버 배기구 30 : 반응 챔버
32 : 반응 챔버 배기구 34 : 절연 분리판
40 : 반도체 웨이퍼 42 : 웨이퍼 버퍼 메커니즘
본 발명은, 진공 로드락 반도체 가공설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 효과적으로 웨이퍼를 연속적으로 또는 동시에 가공할 수 있는 콤팩트 설계의 단일웨이퍼(single-wafer) 가공법에 의한 반도체 가공 설비에 관한 것이다.
일반적으로, 진공 로드락 시스템(vacuum load lock system)을 사용하는 반도체 가공장치는 로드락 챔버, 이송 챔버 및 이송 챔버에 연결된 복수의 반응 챔버를 포함한다. 각 장치들에 대해서, 기판을 다루는 로봇은 반응 챔버들에 기판을 자동적으로 공급하는 데에 이용된다. 이러한 배치에서, 우선 대기압 로봇 (atmospheric robot)이 기판을 카세트나 푸프(FOUP: Front Opening Unified Pod)로부터 로드락 챔버 안으로 가져온다. 푸프는 착탈가능한 카세트와 전방 개구 인터페이스(front opening interface)를 가진 박스를 포함한다. 기판이 로드락 챔버에 놓여진 후, 로드락 챔버는 진공으로 되고, 기판은 통상적으로 다각형 형상으로 된 이송 챔버 안에 마련된 진공 로봇(vacuum robot)에 의해 반응 챔버로 이송된다. 기판이 반응 챔버 안에서 완전히 가공된 후, 그 기판은 진공 로봇에 의해 다시 로드락 챔버로 이송된다. 마지막으로, 로드락 챔버가 대기압으로 회복된 후, 그 가공된 기판은 대기압 로봇에 의해 카세트나 푸프로 되돌려진다. 이런 종류의 장치는 일반적으로 클러스터 툴("cluster tool")이라고 불린다.
반응 챔버의 수가 증가할수록, 가공장치가 차지하는 영역( 이하, "풋프린트": footprint)과 장치의 전면 패널의 폭 (이하, "페이스프린트": faceprint)도 증가한다. 이에 따라, 작동 비용도 증가한다. 종래의 단일웨이퍼 가공 장치는 각각의 반응 챔버가 모든 방향으로 방사상으로 부착되는, 통상적으로 다각형 형상으로 된 이송 챔버를 가지고 있기 때문이다. 또한, 설계시에 반응 챔버의 수는 다각형 형상의 이송 챔버의 측면의 수에 의해 한정된다. 게다가, 종래의 단일웨이퍼 가공 장치에서 각 반응 챔버는 독립된 가스와 진공 라인을 가지고 있고, 각 반응 챔버는 독립적으로 증착(필름 형성)을 행한다. 그래서 생산성을 향상하도록 반응 챔버의 수가 증가되려면, 가스 라인과 진공 펌프 수 또한 증가되어야 하고 그에 의해 그 가공 장치는 더욱 복잡해진다.
종래의 단일웨이퍼 가공 장치의 풋프린트 또는 페이스프린트를 감소시키기 위해서, 이송 메커니즘이 로드락 챔버 내에 포함되어져 왔다. 이 이송 메커니즘은 단순히 기판을 붙들 수 있고 반응 챔버로부터 기판을 로딩 및 언로딩할 수 있는 조작유닛이다. 로드락 챔버는 게이트 밸브를 사용하는 반응 챔버로부터 분리되어 있다. 이런 구성에 따르면, 가공 장치의 풋프린트 또는 페이스프린트가 어느 정도 감소될 수 있지만 그 감소가 만족할 수준이 아니며, 가공 효율 또는 생산성도 향상되지도 않고 전체 시스템이 일반적으로 단순하게 되지 않는다. 더욱이, 이런 구성을 하면, 연속적인 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)공정에서, 가령 에싱 가공(ashing process)등에서, 웨이퍼를 반응 챔버로 공급하기가 어렵게 된다. 마지막으로, 증착시 필름이 게이트 밸브 주위에 형성되기 쉬워 플라즈마를 이용한 CVD가공을 위한 값비싼 플라즈마 방지 O-링(plasma-proof O-ring)의 설치가 필요하게 된다.
비록 로드락 챔버에 W-형상의 이송 아암(arm)을 장착하여 이런 문제들 중 몇몇을 해결한다고 하더라도, 그렇게 하는 것은 로드락 챔버의 용적을 증가시켜서 로드락 챔버를 진공으로 만들고 가압하는 데 필요한 시간을 증가시키므로 가공용량을 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 낮은 비용, 작은 풋프린트, 작은 페이스프린트, 안정된 공정 및 높은 처리량을 실현시키는 반도체 가공 설비를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 반응 챔버들의 부피를 감소시켜 가스 소비를 줄이고 반응 챔버 벽에의 증착을 줄이는 것이다.
본 발명에 따르면, 반도체 가공 설비는 로드락 챔버와, 로드락 챔버 옆에 마련된 이송 챔버와 이송 챔버 위에 마련된 반응 챔버를 포함한다. 반도체 가공 설비는 진공에서 작동될 수 있고 각 챔버들 사이에서 웨이퍼들을 이송할 수 있는 얇은 링크 웨이퍼 이송 아암(thin link wafer transfer arm)을 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 로드락 챔버, 이송 챔버 및 반응 챔버가 각기 배기구를 구비한다. 이러한 구성에서, 대기는 이송 챔버 배기구와 반응 챔버 배기구 사이의 전환에 의해 이송 챔버와 반응 챔버로부터 배출된다.
또한, 본 발명에 따르면, 증착 중과 세정 중에, 이송 챔버의 대기는 절연 분 리판에 의해, 그리고 이송 챔버를 비활성 기체로 가압함으로써, 반응 챔버의 대기로부터 효과적으로 분리된다. 이런 구성에 따르면, 반응 챔버 내의 반응 기체가 이송 챔버로 유입되는 것을 막을 수 있다. 또한, 반응 챔버와 이송 챔버용으로 분리된 배기구들이 존재함으로써, 이송 챔버의 세정은 용이해진다.
또한, 본 발명에 따르면, 반응 챔버 측벽이기도 한 배기관이 절연성 물질로 되어 있다. 이런 구성으로 반응 챔버의 내벽에 플라즈마 증착은 감소된다.
또한, 본 발명에 따르면, 이송 챔버는 반응 챔버 아래에 마련되어 로드락 챔버를 이송 챔버로부터 분리하는 게이트 밸브주위의 필름 형성이 방지된다. 이 구성을 하면, 외래의 오염 물질의 생성없이 복수의 웨이퍼에의 증착도 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 이송 챔버는 반응 챔버 아래에 마련되어 반도체 가공 설비의 전체 처리량을 증가시키기위한 웨이퍼 임시 저장 메커니즘을 설치가능하게 한다. 웨이퍼 버퍼 메커니즘의 대한 상세한 설명은 2002년 7월 1일 출원된 미국 특허 출원 제 10/187670호를 참조하면 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 반응 챔버는 반응챔버로 이송되고 있는 반도체 웨이퍼의 표면아래의 위치로부터 진공화되어 반도체 웨이퍼가 이송 챔버로 이송될 때 또는 증착 중에 발생될 수 있는 파티클의 부착을 감소시킨다. 게다가, 이 구성을 하면, 반응 챔버의 크기가 작아져서 반도체 가공 설비의 효율이 향상된다.
도면 1에서 4는 진공 로드락 시스템을 사용하는 반도체 가공 설비의 일 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 실시예는 가공전 반도체 웨이퍼(40)를 정렬 대기시키기에 적합한 로드락 챔버(10), 이송 챔버(20), 및 반도체 웨이퍼(40) 상에 필름을 성장시키기 위한 반응 챔버(30)를 포함한다. 이송 챔버(20)는 로드락 챔버(10)에 인접하게 배치되며 반응챔버(30)는 이송 챔버(20)위에 배치된다. 이송 로봇(22)은 로드락 챔버(10)의 외부에 배치되며, 반도체 웨이퍼(40)를 이송 로봇(22)에서 로드락 챔버(10), 이송 챔버(20) 및 반응 챔버(30)로 이송할 수 있는 얇은 링크 웨이퍼 이송 아암(24)을 포함한다.
이러한 실시예들에서, 로드락 챔버(10)는 로드락 챔버 배기구(12)를 포함하며, 이송 챔버(20)는 이송 챔버 배기구(26)를 포함하며, 반응 챔버(30)는 반응 챔버 배기구(32)를 포함한다. 이러한 배기구들을 통해 이송 챔버(20)와 반응 챔버(30)는 진공으로 될 수 있다.
반도체 웨이퍼 증착 공정 동안, 그리고 반도체 가공설비의 세정 공정 동안에, 이송 챔버(20)의 대기는 반응 챔버(30)의 대기로부터 효과적으로 분리된다. 이러한 분리는 절연 분리판(34)을 사용하고 불활성 기체를 이송 챔버(20)에 도입함으로써 달성된다. 이들 단계들을 통해 반응 챔버(30) 내에 존재하는 반응 기체가 이송 챔버(20)로 유입되는 것이 방지된다.
또한, 절연성 물질은 반응 챔버 배기구(32)와 반응 챔버(30)의 측벽에 사용될 수 있다. 이런 구성은 반응 챔버의 측벽 상의 플라즈마 증착을 감소시켜 반도체 가공 설비의 효율을 증가시키고 설비 작동에 관계된 세정비용을 절감시킨다.
더욱이, 반응 챔버(30)의 아래에 이송 챔버(20)를 두는 것은 여러 장점들을 제공한다. 예를 들면, 이런 구성을 하면, 이송 챔버(20)를 로드락 챔버(10)로부터 분리시키는 게이트 밸브(14)주위의 필름 형성이 감소되어 오염 물질의 발생 없이 복수의 반도체 웨이퍼(40)에의 증착이 가능하다. 또한, 이런 구성에 따르면, 로드락 챔버(10) 와 이송 챔버(20)사이에 반도체 웨이퍼들의 이송에 사용될 수 있는 웨이퍼 버퍼 메커니즘(wafer buffer mechanism, 42)의 설치가 가능하다. 웨이퍼 버퍼 메커니즘(42)의 상세한 설명은 2002년 7월 1일 출원된 미국 특허 출원 제 10/187670호를 참조하면 된다.
이송 챔버(20)로부터 이송되고 있는 반도체 웨이퍼(40)의 표면 아래로부터 반응 챔버(30)가 진공화됨으로써, 웨이퍼 이송중 또는 증착중에 생성된 파티클의 부착이 감소되거나 방지된다. 게다가, 이런 배기 구조에 의하면 반응 챔버(30)의 크기가 작아질 수 있다. 활성 배기구를 이송 챔버(20)에서 반응 챔버(30)로 전환시키고 퍼지 가스(purge gas)를 이송 챔버(20)로 주입함으로써, 반응 기체가 이송 챔버(20)로 유입되는 것을 막을 수 있다. 비록 이송 챔버 배기구(26)를 사용하여 세정이 수행되더라도, 세정중에 이와 동일한 기체 유동 구조가 사용되어 이송 챔버(20) 내측의 세정을 가능하게 할 수 있다.
도 2는 반응 챔버(30) 내의 반응 기체가 이송 챔버(20)로 유입되는 것을 방지하는 메커니즘의 일 실시예의 개략적인 단면도이다. 이러한 실시예에서, 불활성 기체는 증착중에 이송 챔버(20)로 도입되며, 그에 의해 이송 챔버(20)가 반응 챔버(30)로부터 효과적으로 분리된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼(40)가 반응 챔버(30)로 이송되거나 이송 챔버(20)에 대기 정렬되고 있을 때, 반응 챔버(30)의 대기는 반도체 웨이퍼(40)의 표면 아래에 배치된 이송 챔버 배기구(26)로부터 배출된다. 이런 구조에 따르면, 웨이퍼 이송중이나 증착중에 생성되는 파티클이 반도체 웨이퍼(40)의 표면에 부착되는 것을 막을 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스와 진공 라인의 개략도이다.
위에 설명한 실시예에 따른 반도체 가공 설비는 운용비용, 풋프린트및 페이스프린트가 감소되는 특징을 나타낸다. 또한, 반응 챔버의 용적을 감소시키고 반응 챔버의 벽을 절연성 물질로 구성하여 반응 챔버 벽에의 증착을 최소화할 수 있으며, 이에 의해 이 설비의 효율과 처리량과 안정성이 증대될 수 있게 된다.

Claims (24)

  1. 로드락 챔버;
    이송 챔버;
    상기 이송 챔버의 바로 위에 배치된 반응 챔버; 및
    상기 로드락 챔버 외측에 배치되고, 웨이퍼 이송 아암을 포함하는 로봇을 포함하며,
    상기 웨이퍼 이송 아암은 상기 로드락 챔버의 내부 및 진공 내에서 동작하고, 상기 로드락 챔버, 상기 이송 챔버, 그리고 상기 반응 챔버 사이에서 반도체 웨이퍼를 이송하고,
    상기 이송 챔버와 상기 반응 챔버는, 상기 반도체 웨이퍼가 웨이퍼 가공 위치 내에 존재할 때, 상기 반도체 웨이퍼에 의해 분리되고,
    상기 이송 챔버와 상기 반응 챔버는, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 웨이퍼 가공 위치에 존재할 때, 상기 반도체 웨이퍼 주위의 갭을 통하여 연통되는 진공 로드락 반도체 웨이퍼 가공 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    로드락 챔버 배기구;
    이송 챔버 배기구; 및
    반응 챔버 배기구를 더 포함하며,
    상기 반응 챔버 배기구와 상기 이송 챔버 배기구 사이의 전환에 의해, 상기 반응 챔버와 상기 이송 챔버가 진공화되는 진공 로드락 반도체 가공 설비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이송 챔버는, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 웨이퍼 가공 위치 내에 존재할 때, 상기 반도체 웨이퍼보다 더 낮은 위치로부터 진공화되는 진공 로드락 반도체 가공 설비.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이송 챔버를 상기 반응 챔버로부터 분리하는 절연 분리판을 더 포함하는 진공 로드락 반도체 가공 설비.
  5. 제1항에 있어서,상기 반응 챔버는 절연성 물질을 포함하는 진공 로드락 반도체 가공 설비.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이송 챔버와 상기 반응 챔버는 상기 이송 챔버의 내측 표면 상의 필름 형성이 방지되도록 구성되는 진공 로드락 반도체 가공 설비.
  7. 로드락 챔버, 이송 챔버 및 상기 이송 챔버의 상부에 배치되는 반응 챔버를 제공하는 단계;
    상기 로드락 챔버의 내부 및 진공 내에서 동작하는 웨이퍼 이송 아암을 포함하는 로봇을 제공하는 단계; 및
    상기 로드락 챔버, 상기 이송 챔버, 그리고 상기 반응 챔버 사이에서 상기 웨이퍼 이송 아암을 사용하여 반도체 웨이퍼를 이송하는 단계를 포함하는 반도체 웨이퍼 가공 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    반응 챔버 배기구와 이송 챔버 배기구 사이의 전환에 의해, 상기 반응 챔버와 상기 이송 챔버를 진공화시키는 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼 가공 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 이송 챔버를 상기 반도체 웨이퍼보다 더 낮은 위치로부터 진공화시키는 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼 가공 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    불활성 기체를 상기 이송 챔버에 도입함으로써, 상기 반응 챔버 안의 반응 기체가 상기 이송 챔버로 들어가는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼 가공 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 내측 표면을 절연성 물질로 구성함으로써 상기 반응 챔버의 상기 내측 표면 상의 증착을 방지하는 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼 가공 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 이송 챔버를 상기 반응 챔버로부터 분리시킴으로써 상기 이송 챔버의 내측 표면 상의 증착을 방지하는 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼 가공 방법.
  13. 로드락 챔버;
    웨이퍼 가공 위치 내의 반도체 웨이퍼보다 더 낮게 배치된 이송 챔버 배기구를 갖고, 상기 반도체 웨이퍼에 의해 반응 챔버로부터 분리되는 이송 챔버; 및
    상기 로드락 챔버, 상기 이송 챔버 그리고 상기 반응 챔버 사이에서 상기 반도체 웨이퍼를 이송하는 웨이퍼 이송 아암을 포함하며,
    상기 이송 챔버는, 웨이퍼 가공 동작 이전에, 상기 이송 챔버 및 상기 반응 챔버의 내부로부터 상기 이송 챔버 배기구 밖으로 가스를 배출시키도록 구성되며,
    상기 반응 챔버는, 상기 이송 챔버의 상부에 배치되고, 상기 웨이퍼 가공 동작 동안에, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 웨이퍼 가공 위치에 존재할 때, 상기 반응 챔버 및 상기 이송 챔버의 내부로부터 반응 챔버 배기구 밖으로 가스를 배출시키도록 구성된 반도체 웨이퍼의 가공 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼의 가공 장치는, 상기 웨이퍼 가공 동작 동안에 상기 이송 챔버로 불활성 가스를 공급하고, 상기 웨이퍼 가공 동작 동안에 상기 반도체 웨이퍼 주위의 상기 불활성 가스를 상기 반응 챔부 내부로 그리고 상기 반응 챔버 배기구 밖으로 배출시키도록 구성된 반도체 웨이퍼의 가공 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼의 가공 장치는 상기 웨이퍼 가공 동작 이전에 상기 이송 챔버 배기구에서 상기 반응 챔버 배기구로 활성 배기구를 전환시키도록 구성된 반도체 웨이퍼의 가공 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 내부 표면 상에 절연성 물질이 배치되는 반도체 웨이퍼의 가공 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 이송 챔버와 상기 반응 챔버 사이에 봉합 부재(seal)가 없는 반도체 웨이퍼의 가공 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 반응 챔버 전체가 상기 이송 챔버의 상부에 배치되는 반도체 웨이퍼의 가공 장치.
  19. 웨이퍼 이송 아암을 사용하여 로드락 챔버로부터 이송 챔버로 반도체 웨이퍼를 이송하는 단계;
    상기 이송 챔버로부터 반응 챔버로 상기 반도체 웨이퍼를 이송하는 단계;
    웨이퍼 가공 동작 이전에, 상기 반도체 웨이퍼의 하부에 배치된 이송 챔버 배기구를 통하여 상기 반응 챔버 및 상기 이송 챔버로부터 가스를 배기시키는 단계;
    상기 반도체 웨이퍼가 상기 반응 챔버 내에 있는 동안, 상기 웨이퍼 가공 동작을 수행하는 단계; 및
    상기 웨이퍼 가공 동작 동안, 반응 챔버 배기구를 통하여 상기 반응 챔버 및 상기 이송 챔버를 배기하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 웨이퍼 가공 동작 동안, 상기 이송 챔버에 불활성 가스를 공급하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 웨이퍼 가공 동작 동안에, 상기 이송 챔버에 불활성 가스를 공급하는 단계; 및
    상기 이송 챔버 및 상기 반도체 웨이퍼의 가장자리 주변으로부터 상기 반응 챔버의 내부로 그리고 상기 반응 챔버 배기구 밖으로 상기 불활성 가스를 배기시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 내부 표면 상에 절연성 물질을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 이송 챔버와 상기 반응 챔버 사이에 절연 분리판이 제공되는 방법.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 이송 챔버 배기구로부터 상기 반응 챔버 배기구로 활성 배기구를 전환시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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