KR100930148B1 - 후면 가열 챔버 - Google Patents

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데이비드 케이. 칼슨
로저 엔. 앤더슨
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Abstract

본 발명은 하향 거울면을 구비한 반사기, 반사기 하부에 배치된 유리 구조물, 유리 구조물 내에 배치되고 표면이 상향하며 프로세싱될 대상물을 홀딩할 수 있는 서셉터, 및 상기 유리 구조물을 향하고 그 하부에 배치된 하나 이상의 방사 열원을 포함한 장치에 관한 것이다.

Description

후면 가열 챔버{BACKSIDE HEATING CHAMBER FOR EMISSIVITY INDEPENDENT THERMAL PROCESSES}
본 발명은 반도체 웨이퍼의 열처리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 프로세싱 동안 웨이퍼의 독립 복사 가열용 방법 및 장치에 관한 것이다.
화학 기상 증착(CVD) 또는 원자 층 증착(ALD)과 같은 기술에 사용하는 박막 제조 장치는 반도체 웨이퍼의 제조에 통상적으로 사용된다. 장치를 형성하는 막에서, 웨이퍼에 대해 반복가능한 온도 분포는 막 균일성을 위해 상당히 중요하다.
현대의 실리콘(Si) 기술에서 가장 보편적인 에피택셜(epi) 막 증착 반응기는 디자인이 유사하다. 석영 반응기 챔버는 웨이퍼 지지부, 및 웨이퍼에 대한 막 균일성을 향상시키도록 회전하는 서셉터를 포함한다. 한 번에 단지 하나의 웨이퍼만이 프로세싱된다. 프로세스 및 캐리어 가스는 층방식 및 웨이퍼 표면에 평행하게 웨이퍼 위로 흐른다. 웨이퍼는 하부에 그리고 반응 챔버 위에 위치하고, 석영을 통해 방사하고 웨이퍼 및 서셉터를 직접 가열하는 텅스텐-할로겐 램프에 의해 가열된다. 램프 및 챔버의 석영벽은 램프를 보호하고 반응기 벽에 Si가 증착되는 것을 방지하기 위해 공랭(air-cooled)된다. 웨이퍼는 전자동으로 로딩 및 언로딩되며, 반응 챔버는 로드록 챔버 및 웨이퍼 이송 챔버에 의해 주위로부터 격리된다.
서셉터는 방사 가열원으로부터의 국부적인 온도 변화에 안정하도록 SiC 코팅된 그래파이트 디스크일 수 있다. 500-900℃ 범위의 온도에서, epi Si(실리콘) 및 SiGe(실리콘 게르마늄)의 성장은 매우 온도 의존적이며, epi 성장은 종종 선택적 또는 블랑켓 성장 모드에서 패턴화된 웨이퍼에 영향을 준다.
(회로 및 소자를 구비한) 패턴화된 웨이퍼는 블랑켓 웨이퍼와는 상이한 방사 특성을 갖는다. 게다가, 웨이퍼상의 패턴은 다른 웨이퍼상의 상이한 패턴과 다른 방사 특성을 가질 수 있다. 열은 상기 상이한 패턴과는 다른 제1 패턴을 갖는 웨이퍼로부터 방사되며, 다른 패턴을 갖는 웨이퍼들의 온도 분포는 변할 수 있고, 이는 웨이퍼상에 배치될 막의 증착율 및 특성을 변화시킬 수 있다. 웨이퍼상의 변화하는 열 프로파일이 반응 속도에 영향을 줄 수 있기 때문에, 변화하는 열 프로파일은 막 증착율을 결정할 수 있다. 그 결과, 웨이퍼 패턴에서의 변화는 웨이퍼의 정확한 가열이 완료되는 것을 보장하기 위해 프로세스의 재조정(re-tuning)을 필요로 할 수 있다. 막 증착 프로세스 외에도, 베이킹, 어닐링 등의 온도 처리를 포함하는 소정의 프로세싱이 웨이퍼 방사에 의해 영향을 받을 수 있다.
종종 Epi CVD 장치와 같은 열 프로세싱 반응기에서는, 기판이 소자 장착면(device side) 및 소자 비장착면(non-device side)으로부터 가열된다. 이러한 이중 가열 방식을 사용할 경우, 웨이퍼에 대한 온도 분포는 막이 증착되는 표면의 방사율에 매우 민감하다. 그 결과, 증착율은 웨이퍼상의 다양한 위치에서 상이할 것이다. 증착율은 또한 웨이퍼 패턴의 다른 방사율로 인해 전면에 서로 다른 패턴들을 갖는 웨이퍼들 사이에서 변화한다. 더욱이, 증착율은 증착되는 종이 웨이퍼의 방사율을 변화시킬 수 있기 때문에 증착 그 자체 동안 변화할 수 있다. 방사율에 대한 증착율의 의존성 이외에, 증착된 막의 화학적 조성도, 성장된 막들로의 종의 혼입이 온도 종속적이기 때문에 방사에 민감할 것이다.
웨이퍼상의 온도 분포의 웨이퍼 방사에 대한 의존성을 감소시키는 웨이퍼 가열 및 모니터링 장치가 개시된다. 상기 장치는 석영 돔내의 프로세싱 챔버에 배치된 웨이퍼를 홀딩시킬 수 있는 서셉터를 제공한다. 석영 돔 외부에 배치된 램프들의 어레이는 서셉터 후면을 가열한다. 거울면이 웨이퍼의 소자 장착면을 향하도록 거울면이 석영 돔 외부에 배치되어, 열을 웨이퍼로 반사시킨다. 반사기의 형상은 최적의 온도 균일성을 제공하도록 최적화된다. 챔버는 램프로부터의 광이 서셉터 주위로 누설되는 것을 방지하여 웨이퍼를 직접 가열시킨다. 광학 온도계가 반사기 위에 배치되어 반사기의 홀을 통해 웨이퍼의 소자 장착면의 온도를 판독할 수 있다.
도1은 독립 방사 열 프로세싱용 후면 가열 챔버를 나타낸 도면이다.
도2는 상부가 평평한 돔을 갖는 후면 가열 챔버를 나타낸 도면이다.
도3a는 리브가 포함된 상부가 평평한 돔을 갖는 후면 가열 챔버를 나타낸 도면이다.
도3b는 상부가 평평한 리브형 돔을 갖는 후면 가열 챔버를 나타낸 도면이다.
도4는 클러스터 툴 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명은 덧붙인 도면을 참조로 예를 들어 설명되지만, 이에 한정되지 않으며, 동일한 도면 번호는 유사한 구성 요소를 나타낸다.
웨이퍼 열처리 장치가 개시된다. 장치는 웨이퍼의 후면으로 열을 제공하는데, 거울면이 웨이퍼의 맞은편으로 탈출하는 열을 반사시킨다. 웨이퍼 후면(소자 비장착면) 가열은 웨이퍼 가열시 웨이퍼의 소자 장착면의 방사율에 대한 영향을 감소시킨다. 이러한 장치는 웨이퍼의 양면에 직사 방사열을 제공하는 장치에 비해 막 증착시 웨이퍼 방사의 종속성을 감소시킨다. 이러한 열 프로세싱은 예를 들어, 실리콘, 실리콘 게르마늄, 및 실리콘 게르마늄 카본 막과 같은 다양한 코팅의 에피택셜 증착일 수 있다. 증착은 화학기상증착 또는 원자층 증착과 같은 막증착을 위한 다양한 방법 중 하나로 달성될 수 있다. 본 발명이 사용될 수 있는 다른 프로세스는 산화실리콘, 질화실리콘, 다결정 증착 및 더욱 광범위하게는 소정의 온도 의존 처리 또는 프로세스이지만, 이에 한정되지는 않는다.
이하에서는 설명의 목적으로, 본 발명의 완전한 이해를 위해 다양한 특정 실시예가 설명된다. 그러나, 당업자라면 이러한 특정 실시예 없이도 본원 발명을 실행할 수 있음이 명백하다. 몇몇 예에서, 공지된 구조 및 장치가 본 발명을 모호하게 하지 않기 위해 상세한 도시보다는 블록도의 형태로 도시된다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 충분히 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명되며, 다른 실시예가 사용될 수 있으며, 논리적, 기계적, 전기적 및 다른 변화가 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 행해질 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명은 조작을 실행하는 장치에 의해 실행될 수 있다. 이러한 장치는 필요한 목적을 위해 특정하게 구성될 수도 있고, 원하는 목적을 달성하기 위해 선택적으로 활성화되거나 재구성된 범용 챔버를 포함할 수도 있다.
다양한 조건과 기술이 통신, 프로토콜, 응용예, 실시예, 메커니즘 등을 설명하기 위해 당업자에 의해 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
도1은 설명된 기술이 적용된 독립 방사 열처리용 후면 가열 챔버를 도시한다. 일 실시예에서, 독립 방사 열처리(프로세스 챔버)(100)용 후면 가열 챔버는 서셉터(106)의 후면(104)을 가열하기 위해 방사 열 램프(102)의 배열을 포함한다. 웨이퍼(108)(일정 비율은 아님)는 프로세스 챔버(100)로 도입되어 로딩 포트(103)를 통해 서셉터(106) 위로 배치될 수 있다. 서셉터(106)의 홀들을 통해 지나가는 핀 리프트(105)는 융기하여 웨이퍼를 수용한 후 아래로 이동하여 서셉터(106)의 전면(110)상에 웨이퍼(108)를 소자 장착면(116)이 위를 향하게 위치시킨다. 서셉터(106)는 프로세스 챔버(100) 내부에 상부 돔(128) 및 하부 돔(114) 내에 배치될 수 있는데, 돔(128 및 114)은 석영과 같은 투명 유리로 만들어질 수 있다. 램프(102)의 어레이와 같은 하나 이상의 램프들은 하부 돔(114)의 외부 및 아래에 배치될 수 있다. 로딩 포트(103)는 램프들(102)로부터 웨이퍼 전면(소자 장착면)(116)으로 열의 누설을 최소화 또는 방지하기 위해 서셉터(106)의 에지를 라이닝할 수 있는 라이너로서 동작하는 하나 이상의 링들 또는 부분 링들을 포함할 수 있다. 라이너(112)는 불투명 석영과 같은 비-광전도성 재료로 만들어질 수 있다. 불투명 석영의 라이너(112)를 사용함으로써, 웨이퍼(108)에 도달하는 가열 에너지의 대부분은 서셉터(106) 주위의 램프들(102)로부터 웨이퍼 전면(116)으로의 누설에 의하기보다는 서셉터를 통해 전도된다. 서셉터(106)를 통한 웨이퍼(108)로의 열 전달이 전도성이 있고 결국 방사 독립적이기 때문에, 웨이퍼(108)상의 막의 증착은 방사 독립적이다.
서셉터(106)로부터의 웨이퍼(102) 후면 가열로 인해, 웨이퍼 전면(소자 장착면)(116)상의 온도 측정을 위한 광학 온도계(118)의 사용이 실행될 수 있다. 광학 온도계(118)에 의한 이러한 온도 측정은 상기 방식으로 웨이퍼 전면(116)을 가열하는 것이 방사 독립적이기 때문에 미지의 방사율을 갖는 웨이퍼의 소자 장착면(116)상에서 행해질 수 있다. 그 결과, 광학 온도계(118)는 서셉터(106)로부터 전도하는 가열된 웨이퍼(108)로부터의 방사만을 감지할 수 있으며, 램프들(102)로부터의 최소한의 후면 방사가 웨이퍼 전면(116) 또는 광학 온도계(118)에 직접 도달한다.
반사기(122)는 상부 돔(128)의 외부에 배치되어 웨이퍼(108)에서 방사하는 적외선을 웨이퍼(108)상으로 다시 반사시킨다. 반사된 적외선으로 인해, 그렇지 않으면 시스템(100) 밖으로 이탈할 열을 수용함으로써 가열 효율은 향상될 것이다. 또 다른 특징은, 웨이퍼를 방사상으로 이탈하고, 연속적으로 다시 웨이퍼로 반사되는 열로 인해, 이러한 열의 주파수 분포가 웨이퍼(108)의 거의 흑체 방사에 도달할 것이라는 것이다. 그 결과, 웨이퍼 전면(116)으로 반사하는 웨이퍼 하부로부터의 직사 광 누설은 웨이퍼에 대한 전체 열의 작은 비율만 기여하므로 이러한 누설로 인한 전면(116)의 방사 영향은 최소화될 것이다.
웨이퍼 가열의 웨이퍼 방사에 대한 의존성을 감소시킴으로써, 웨이퍼의 소자 장착면(116)의 표면 온도를 판독하기 위한 광학 온도계(118)의 사용은 효율적이 될 수 있다. 램프로 인한 감소된 광의 비율이 광학 온도계에서 "기생" 신호의 비율을 감소시키기 때문에 광학 온도계(118)의 효율성이 초래된다. 게다가, 웨이퍼 가열이 누설로 인한 낮은 에러를 갖는 방사 독립적이기 때문에, 광학 온도계(118)는 웨이퍼 회로 설계(패턴)가 변화될 경우, 재조정될 필요가 없다.
일 실시예에서, 반사기(122)는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸과 같은 금속으로 만들어질 수 있다. 알루미늄은 반사기(122)를 냉각시키기 위한 물과 같은 유체(126)의 흐름을 운반하는 규격화된 채널(124)을 가질 수 있다. 게다가, 반사 효율은 금과 같은 높은 반사율의 코팅을 사용하여 반사기 영역을 코팅함으로써 향상될 수 있다. 반사기(122)는 반사기의 중앙과 같은 위치를 통과하는 홀(120)을 가질 수 있으며, 이를 통해 광학 온도계(118)를 사용하여 웨이퍼(108)의 온도를 감지한다. 일 실시예에서, 서셉터(106)는 그래파이트와 같은 재료로 생산되고 실리콘 카바이드로 코팅될 수 있다. 서셉터(106)는 지주(130), 및 웨이퍼(108)를 웨이퍼의 로딩 및 언로딩 동안 웨이퍼를 상부 및 하부 방향(134)으로 이동시킬 수 있는 중앙축(132)에 의해 지지될 수 있다.
일 실시예(도1)에서, 프로세스 챔버(110)의 상부 돔(128)은 만곡되어 있다. 상부 돔(128)의 석영 유리 재료의 만곡 정도 및 두께는 상부 돔(128)의 측면에 작용하는 압력차에 종속될 수 있다. 이러한 실시예에서, 외부 압력은 일종의 대기압이며 상부 돔(128) 및 하부 돔(114) 내의 프로세싱 동안의 압력은 약 0.1-700Torr이다. 그 결과, 상부 돔(128)의 석영 유리 두께는 약 0.12인치이며 만곡 반경은 약 15.0인치가 될 수 있다.
도2에 도시된 또 다른 실시예에서, 석영 돔의 두 측(230 및 232)의 압력은 거의 동일하게 유지될 수 있다. 구성에는 관계없이, 상부 돔(228)은 평평할 수 있고 반사기(222)는 효율을 증대시키기 위해 웨이퍼(208)에 근접하게 배치될 수 있다. 상부 돔(228)의 두 측에 작용하는 동일한 압력을 보장하기 위해, 상부 돔(228)의 두 측(230 및 232)의 공간은 서로에 연결될 수 있다. 만일 상부 돔(228)의 두 측(230 및 232)의 공간이 연결되지 않으면, 압력 제어 시스템(미도시)이 상부 돔(228)을 파손하지 않기 위해 두 공간(230 및 232)의 압력을 밀접하게 보장하게 적소에 배치될 수 있다.
도3a 및 3b에 도시된 다른 실시예에서, 프로세스 챔버의 상부 돔(328)은 리브(330)로 강화된다. 상부 돔(32)에 작용하는 압력차기 현저히 존재하는 경우, 상부 돔(328)은 이러한 강화 리브(330)를 사용하여 더 강하게 형성될 수 있다. 리브(330)를 사용한 결과로서, 상부 돔(328)은 웨이퍼(308)와 마주하면서 실질적으로 평평하게 유지될 수 있다. 도3a는 서셉터(334)에 홀이 존재하고 웨이퍼(308)가 서셉터(306)와 홀의 에지부에서 접촉할 수 있음을 의미하는 무심 구조(centerless)의 서셉터(306)를 도시한다. 무심 서셉터(centerless susceptor)(306)는 램프(302)로부터의 방사가 웨이퍼(308)의 후면을 직접 타격하는 것을 가능하게 하며, 열은 웨이퍼의 전면(316)을 가열하기 위해 웨이퍼(308)의 두께를 통해 전파할 수 있다. 단지 하나의 리브(330)가 도시되었지만, 다양한 리브의 설계가 압력차에 대처하기 위해 가능하다. 또한 도1-3에 도시된 원형 구조 이외에 다양한 챔버 형태가 가능하다. 압력차를 견디는 상부 돔(328)의 성능을 향상시키기 위해, 직사각형 또는 타원형 챔버 형태도 가능하다.
도4는 클러스터 툴 시스템을 도시한다. Epi Centura와 같은 클러스터 툴(400)은 다수의 후면 가열 챔버(402 및 402')를 포함하는데, 웨이퍼(403)는 카트리지(401 및 401')로부터 챔버(402 및 402') 또는 챔버(402 및 402')로부터 로봇식으로 공급(407)된다. 후면 가열 챔버(402 및 402')는 모두 에피택셜 증착과 같은 유사한 기능을 수행하거나, 또는 각각 상이한 기능을 수행한다. 도4에는 저온 epi 증착용 시스템의 구조가 도시되어 있으며, 이는 사전 에피택셜 세정을 위한 1개의 EpiClean 챔버(404) 및 3개의 증착 챔버(402 및 402')가 도시된다. 각각의 챔버(402, 406' 및 404)는 광학 온도계(406 및 406')를 포함할 수 있다. 온도계(406 및 406')는 개별적으로 제어될 수 있거나, 다수의 채널을 갖는 단일 제어 유닛(408)에 의해 동시에 제어될 수 있다. 웨이퍼 위로의 직접적인 램프 방사가 최소화되기 때문에, 광학 온도계에서의 기생 신호가 또한 최소화될 것이다. 광학 온도계(406 및 406')는 웨이퍼 크기 및/또는 회로 패턴의 각각의 변화에 따라 재조정되어야 하지 않기 때문에, 프로세싱 사이클 시간을 단축시킨다.
후면 가열만이 온도 의존 프로세스에서 방사율에 영향을 받지 않는다. 이는 웨이퍼 회로 설계(패턴) 또는 고유한 막 방사율에 무관하게 열처리의 반복성을 가능하게 한다. 프로세스를 조절하기 위해 소비되는 시간은 이러한 특징으로 인해 단축될 수 있다. 반응기(프로세스 챔버)는 상부 램프 어레이의 존재로 인해 더욱 소형화될 수 있다. 결론적으로, 이러한 장치는 미지의 방사율을 갖는 패턴화된 웨 이퍼의 웨이퍼 온도의 신속한 검출을 가능하게 한다.
상기와 같이, 웨이퍼 후면 가열, 웨이퍼로의 웨이퍼 방사열 반사 및 램프 열 누설의 영향을 감소시킴으로서 방사 독립적인 웨이퍼 가열용 장치를 개시하였다. 비록 본 발명이 특정한 실시예를 개시하였지만, 다양한 변경과 변화가 청구항에 설명된 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 행해질 수 있다. 결론적으로 상세한 설명 및 도면은 본원 발명을 한정하기보다는 설명을 위한 것이다.

Claims (17)

  1. 하향 거울면을 구비한 반사기;
    상기 반사기 직하(beneath)에 위치한 유리 구조물;
    상기 유리 구조물 내에 위치하고 프로세싱될 대상물을 홀딩할 수 있는 표면이 상향하는 서셉터; 및
    상기 유리 구조물을 향하고 상기 유리 구조물 직하에 배치된 하나 이상의 방사 열원
    을 포함하고,
    상기 유리 구조물의 위(above)에는 어떠한 방사 열원도 위치되지 않는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서셉터와 상기 반사기 사이에 배치된 상기 유리 구조물의 일부는 압력차에 구조적으로 저항하도록 만곡된 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 서셉터와 상기 반사기 사이에 배치된 상기 유리 구조물의 일부는 압력차에 구조적으로 저항하도록 리빙(ribbed)된 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반사기는 반사성 재료로 된 외부층을 포함하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반사기는 온도를 측정하기 위한 홀(hole)을 포함하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 홀은 0.50-1.50 인치의 직경을 갖는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반사기는 실질적으로 평평한 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반사기는 상기 대상물 위로 열을 되돌려 균일하게 집중시키도록 만곡된 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반사기는 수냉되는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 대상물은 반도체 웨이퍼인 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 반도체 웨이퍼는 소자 장착면(device side)이 위를 향하는 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 서셉터는 무심 구조(centerless)이며, 방사열은 웨이퍼의 후면을 직접 가열하는 장치.
  13. 하향 거울면을 구비한 평면형 반사기;
    상기 반사기 직하에 위치한 석영 프로세스 챔버;
    상기 석영 프로세스 챔버 내에 위치하고 웨이퍼를 홀딩할 수 있는 표면이 상향하는 서셉터;
    상기 서셉터와 상기 반사기 사이에 배치되고 균일한 두께를 갖는 상기 석영 프로세스 챔버의 일부;
    상기 서셉터를 향하며 상기 석영 프로세스 챔버 직하에 배치된 하나 이상의 방사 열원; 및
    상기 평면형 반사기의 홀을 통해 웨이퍼 표면 온도를 판독하도록 배치된 온도 감지 장치
    를 포함하고,
    상기 석영 프로세스 챔버의 위에는 어떠한 방사 열원도 위치되지 않는 웨이퍼 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 석영 프로세스 챔버의 공간과 상기 반사기 주위의 공간을 연결하여 압력차가 없게 하는 통로를 더 포함하는 웨이퍼 처리 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 석영 프로세스 챔버에 작용하는 제1 압력,
    상기 석영 프로세스 챔버와 상기 반사기 사이에 작용하는 제2 압력, 및
    상기 두 압력을 매칭시킬 수 있는 압력 제어 시스템
    을 더 포함하는 웨이퍼 처리 장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 반사기는 반사성 재료로 된 외부층을 포함하는 웨이퍼 처리 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 반사성 재료는 금인 웨이퍼 처리 장치.
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