KR100935290B1 - 기판 처리 장치 및 반도체 장치 제조 방법 - Google Patents

기판 처리 장치 및 반도체 장치 제조 방법 Download PDF

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가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
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Abstract

기판을 처리하는 처리 공간을 형성하는, 금속으로 이루어진 챔버와, 상기 기판을 가열하는 적어도 하나의 막대형 가열체와, 상기 가열체를 수용하고, 상기 챔버와 상이한 재질로 이루어진 통체를 가지며, 상기 통체가 상기 챔버의 벽을 관통하고 있는 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 처리 공간측의 외경은, 상기 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 챔버의 외부측의 외경보다 작은 치수로 설정되어 있는 기판 처리 장치가 개시되어 있다.

Description

기판 처리 장치 및 반도체 장치 제조 방법{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, 막대형 램프를 이용해 웨이퍼 가열을 행하는 반도체 제조 장치 및 그것을 이용한 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 웨이퍼 이면을 막대형 램프로 가열하는 장치에 있어서, 가열 효율을 향상시키는 데에는 웨이퍼와 램프의 거리를 짧게 할 필요가 있다. 막대형 램프를 웨이퍼 바로 아래에 설치한 경우, 막대형 램프의 석영관이나 봉지(封止) 단자부 등에서 막대형 램프 자체의 내열에 문제가 있어, 단자부의 냉각 등을 고려하면 감압하에 직접 막대형 램프를 배치하여 가열 처리하는 것은 곤란하다. 또한, 웨이퍼 처리 환경과 동일한 감압이 된 챔버 내에 냉각 구조를 대책하여 만들어 램프를 설치했을 경우에 있어서도, 램프의 단자부, 봉지부에 사용되고 있는 금속이 웨이퍼와 동일한 환경에 노출되는 것으로 금속 오염이 발생할 가능성이 있다. 감압의 챔버와 대기압의 막대형 램프 에리어를 석영판으로 차단하면, 램프의 공냉(空冷)도 가능하지만, 진공시에 석영판에 걸리는 압력을 고려하면 석영판의 판두께는 두꺼워져, 그 결과 웨이퍼와 램프의 거리는 멀어져 가열 효율이 떨어진다.
이 때문에, 챔버 내에 막대형 램프를 가리는 석영통을 걸침으로써, 대기와 진공을 분리하는 구조를 이전에 출원(일본국 특개 2005－101228호)하고 있지만, 금속제 챔버에 석영통을 격자 형상으로 설치하여, 석영통 내부와 챔버 안을 진공 분리시키는 경우에는, 금속 챔버 자체가 내외의 온도차에 의한 열팽창 차이에 의해 일그러지게 변형해, 그 결과 취성(脆性) 재료인 석영통에 휨응력이 발생하여 파손된다고 하는 문제점이 있다.
[특허 문헌 1：일본국 특개 2005－101228호]
따라서, 본 발명의 주된 목적은, 기판을 처리하는 처리 공간을 형성하는, 금속으로 이루어지는 챔버와 기판을 가열하는 적어도 하나의 막대 모양 가열체와 가열체를 수용하고, 챔버와 상이한 재질로 이루어진 통체를 가지며, 통체가 챔버의 벽을 관통하고 있는 구조의 기판 처리 장치에 있어서, 통체의 파손을 방지할 수 있는 기판 처리 장치 및 그것을 이용한 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 한 양태에 의하면,
기판을 처리하는 처리 공간을 형성하는, 금속으로 이루어진 챔버와,
상기 기판을 가열하는 적어도 하나의 막대 모양의 가열체와,
상기 가열체를 수용하고, 상기 챔버와 상이한 재질로 이루어진 통체를 가지며,
상기 통체가 상기 챔버의 벽을 관통하고 있는 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 처리 공간측의 외경은, 상기 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 챔버의 외부측의 외경보다 작은 치수로 설정되어 있는, 기판 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 의하면,
기판을 처리하는 처리 공간을 형성하는, 금속으로 이루어진 챔버와,
상기 기판을 가열하는 적어도 하나의 막대형의 가열체와,
상기 가열체를 수용하고, 상기 챔버와 상이한 재질로 이루어진 통체를 가지며,
상기 통체가 상기 챔버의 벽을 관통하고 있는 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 처리 공간측의 외경은, 상기 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 챔버의 외부측의 외경보다 작은 치수로 설정되어 있는, 기판 처리 장치를 이용하여 상기 기판을 처리하는 과정을 갖추는 반도체 장치의 제조 방법이며,
상기 처리 공간에 상기 기판을 반입하는 공정과,
상기 통체에 수용된 상기 발열체에 의해 상기 처리 공간을 가열하는 공정과,
상기 처리 공간에서 상기 기판을 처리하는 공정과,
상기 처리 공간으로부터 상기 기판을 반출하는 공정을 가진 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치를 설명하기 위한 개략 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치의 처리로를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 관련하는 기판 처리 장치의 처리로를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치의 처리로를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 관련하는 기판 처리 장치의 처리로를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치의 처리로를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 관련하는 기판 처리 장치의 처리로를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치의 처리로를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 바람직한 형태)
다음으로, 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치를 설명하기 위한 개략 횡단면도이고, 도 2는, 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치를 설명하기 위한 개략 종단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치의 개요를 설명한다.
또한, 본 발명이 적용되는 기판 처리 장치에 있어서는, 웨이퍼 등의 기판을 반송하는 캐리어로서는, FOUP(Front Opening Unified Pod, 이하, 포드라고 한다.)가 사용되고 있다. 또, 이하의 설명에 있어서, 전후 좌우는 도 1을 기준으로 한다. 즉, 도 1이 도시하고 있는 지면에 대해, 앞은 지면 아래, 뒤는 지면 위, 좌우는 지면의 왼쪽 오른쪽으로 한다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 기판 처리 장치는 진공 상태 등의 대기압 미만의 압력(부압)에 견딜 수 있는 로드락 챔버 구조로 구성된 제1 반송실(103)을 갖추고 있고, 제1 반송실(103)의 케이스(101)는 평면시가 육각형으로 상하 양단을 폐색(閉塞)한 상자 형상으로 형성되어 있다. 제1 반송실(103)에는 부압하에서 웨이퍼(200)를 이재(移載)하는 제1 웨이퍼 이재기(112)가 설치되어 있다. 제1 웨이퍼 이재기(112)는, 승강기(115)에 의해, 제1 반송실(103)의 기밀성(氣密性)을 유지하면서 승강할 수 있도록 구성되어 있다.
케이스(101)의 6매의 측벽 중 앞측에 위치하는 2매의 측벽에는, 반입용의 예비실(122)과 반출용 예비실(123)이 각각 게이트 밸브(244, 127)를 통해 연결되어 있고, 각각 부압에 견딜 수 있는 로드락 챔버 구조로 구성되어 있다. 또한, 예비실(122)에는 반입실용의 기판 받침대(140)가 설치되고, 예비실(123)에는 반출실용의 기판 받침대(141)가 설치되어 있다.
예비실(122) 및 예비실(123)의 앞측에는, 대략 대기압하에서 이용되는 제2 반송실(121)이 게이트 밸브(128, 129)를 통해 연결되고 있다. 제2 반송실(121)에는 웨이퍼(200)를 이재하는 제2 웨이퍼 이재기(124)가 설치되어 있다. 제2 웨이퍼 이재기(124)는 제2 반송실(121)에 설치된 승강기(126)에 의해 승강되도록 구성되어 있는 동시에, 리니어 액츄에이터(132)에 의해서 좌우 방향으로 왕복 이동되도록 구성되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제2 반송실(121)의 좌측에는 넛치 또는 오리엔테이션 플랫 맞춤 장치(106)가 설치되어 있다. 또, 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 반송실(121)의 상부에는 깨끗한 공기를 공급하는 클린 유니트(118)가 설치되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 반송실(121)의 케이스(125) 앞측에는, 웨이퍼(200)를 제2 반송실(121)에 대해서 반입 반출하기 위한 웨이퍼 반입 반출구(134)와 포드 오프너(pod opener)(108)가 설치되어 있다. 웨이퍼 반입 반출구(134)를 사이에 두고 포드 오프너(108)와 반대측, 즉 케이스(125)의 외측에는 IO 스테이지(105)가 설치되어 있다. 포드 오프너(108)는, 포드(100)의 캡(100a)을 개폐하는 동시에 웨이퍼 반입 반출구(134)를 폐색 가능한 폐색기(142)와 폐색기(142)를 구동하는 구동 기구(136)를 갖추고 있어 IO 스테이지(105)에 재치(載置)된 포드(100)의 캡(100a)을 개폐함으로써, 포드(100)에 대한 웨이퍼(200)의 출납을 가능하게 한다. 또, 포드(100)는 도시하지 않는 공정 내 반송 장치(RGV)에 의해, IO 스테이지(105)에 대해서, 공급 및 배출되도록 되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 케이스(101)의 6매의 측벽 중 뒤측(배면측)에 위 치한 2매의 측벽에는, 웨이퍼에 원하는 처리를 행하는 제1 처리로(202)와 제2 처리로(137)가 게이트 밸브(130, 131)를 통해 각각 인접하여 연결되어 있다. 제1 처리로(202) 및 제2 처리로(137)는 모두 콜드 월(cold wall)식의 처리로에 의해 구성되어 있다. 또, 케이스(101)에 있어서의 6매의 측벽 중 나머지의 서로 대향하는 2매의 측벽에는, 제1 쿨링 유니트(138)와 제2 쿨링 유니트(139)로 각각 연결되고 있고, 제1 쿨링 유니트(138) 및 제2 쿨링 유니트(139)는 모두 처리 완료된 웨이퍼(200)를 냉각하도록 구성되어 있다.
이하, 상기 구성을 가진 기판 처리 장치를 사용한 처리 공정을 설명한다.
미처리된 웨이퍼(200)는 25매가 포드(100)에 수납된 상태로, 처리 공정을 실시하는 기판 처리 장치에 공정 내 반송 장치에 의해 반송되어 온다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 반송되어 온 포드(100)는 IO 스테이지(105) 위에 공정 내 반송 장치로부터 주고 받아져 재치된다. 포드(100)의 캡(100a)이 포드 오프너(108)에 의해 떼어져 포드(100)의 웨이퍼 출납구가 개방된다.
포드(100)가 포드 오프너(108)에 의해 개방되면, 제2 반송실(121)에 설치된 제2 웨이퍼 이재기(124)는, 포드(100)로부터 웨이퍼(200)를 픽업하여 예비실(122)에 반입하고, 웨이퍼(200)를 기판 받침대(140)에 이재한다. 이 이재 작업 중에는, 예비실(122)의 제1 반송실(103)측의 게이트 밸브(244)는 닫혀지고 있어 제1 반송실(103) 내의 부압은 유지되고 있다. 포드(100)에 수납된 소정 매수, 예를 들면 25매의 웨이퍼(200)의 기판 받침대(140)에의 이재가 완료되면, 게이트 밸브(128)가 닫혀져 예비실(122) 안이 배기 장치(도시하지 않는다)에 의해 부압으로 배기된다.
예비실(122) 안이 미리 설정된 압력치가 되면, 게이트 밸브(244)가 열려 예비실(122)과 제1 반송실(103)이 연통된다. 계속해서, 제1 반송실(103)의 제1 웨이퍼 이재기(112)는 기판 받침대(140)로부터 웨이퍼(200)를 픽업하여 제1 반송실(103)에 반입한다. 게이트 밸브(244)가 닫혀진 후, 게이트 밸브(130)가 열려 제1 반송실(103)과 제1 처리로(202)가 연통된다. 계속해서 제1 웨이퍼 이재기(112)는, 웨이퍼(200)를 제1 반송실(103)로부터 제1 처리로(202)에 반입하고, 제1 처리로(202)내의 지지 도구에 이재한다. 게이트 밸브(130)가 닫혀진 후, 제1 처리로(202)내에 처리 가스가 공급되어 웨이퍼(200)에 원하는 처리가 시행된다.
제1 처리로(202)에서 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료되면, 게이트 밸브(130)가 열려 처리 완료된 웨이퍼(200)는 제1 웨이퍼 이재기(112)에 의해 제1 반송실(103)에 반출된다. 반출 후, 게이트 밸브(130)는 닫혀진다.
제1 웨이퍼 이재기(112)는 제1 처리로(202)로부터 반출한 웨이퍼(200)를 제1 쿨링 유니트(138)에 반송하고, 처리 완료된 웨이퍼는 냉각된다.
제1 쿨링 유니트(138)에 처리 완료된 웨이퍼(200)를 반송하면, 제1 웨이퍼 이재기(112)는 예비실(122)의 기판 받침대(140)에 미리 준비된 웨이퍼(200)를 전술한 작동과 마찬가지로, 제1 처리로(202)에 반송하여, 제1 처리로(202) 내에서 웨이퍼(200)에 원하는 처리가 시행된다.
제1 쿨링 유니트(138)에 있어서 미리 설정된 냉각 시간이 경과하면, 냉각 완료된 웨이퍼(200)는 제1 웨이퍼 이재기(112)에 의해 제1 쿨링 유니트(138)로부터 제1 반송실(103)에 반출된다.
냉각 완료된 웨이퍼(200)가 제1 쿨링 유니트(138)로부터 제1 반송실(103)에 반출된 후, 게이트 밸브(127)가 열린다. 제1 웨이퍼 이재기(112)는 제1 쿨링 유니트(138)로부터 반출한 웨이퍼(200)를 예비실(123)에 반송하여, 기판 받침대(141)에 이재한 후, 예비실(123)은 게이트 밸브(127)에 의해서 닫혀진다.
이상의 작동이 반복됨으로써, 예비실(122)내에 반입된 소정 매수, 예를 들면 25매의 웨이퍼(200)가 순차적으로 처리되어 간다.
예비실(122)내에 반입된 모든 웨이퍼(200)에 대한 처리가 종료되고, 모든 처리가 끝난 웨이퍼(200)가 예비실(123)에 수납되어 예비실(123)이 게이트 밸브(127)에 의해 닫혀지면, 예비실(123) 안이 불활성 가스에 의해서 대략 대기압으로 되돌려진다. 예비실(123) 안이 대략 대기압으로 되돌려지면, 게이트 밸브(129)가 열리고, IO 스테이지(105)에 재치된 빈 포드(100)의 캡(100a)이 포드 오프너(108)에 의해 열린다. 계속해서, 제2 반송실(121)의 제2 웨이퍼 이재기(124)는 기판 받침대(141)로부터 웨이퍼(200)를 픽업하여 제2 반송실(121)에 반출하고, 제2 반송실(121)의 웨이퍼 반입 반출구(134)를 통해 포드(100)에 수납해 간다. 25매의 처리 완료된 웨이퍼(200)의 포드(100)에의 수납이 완료되면, 포드(100)의 캡(100a)이 포드 오프너(108)에 의해 닫혀진다. 닫혀진 포드(100)는 IO 스테이지(105) 위로부터 다음 공정으로 공정 내 반송 장치에 의해 반송되어 간다.
이상의 작동은 제1 처리로(202) 및 제1 쿨링 유니트(138)가 사용되는 경우를 예로 하여 설명했지만, 제2 처리로(137) 및 제2 쿨링 유니트(139)가 사용되는 경우에 대해서도 같은 작동이 실시된다. 또, 상술한 기판 처리 장치에서는, 예비 실(122)을 반입용, 예비실(123)을 반출용으로 하였지만, 예비실(123)을 반입용, 예비실(122)을 반출용이라고 해도 된다.
또, 제1 처리로(202)와 제2 처리로(137)은, 각각 같은 처리를 행해도 되고, 다른 처리를 행해도 된다. 제1 처리로(202)와 제2 처리로(137)로 다른 처리를 행할 경우, 예를 들면 제1 처리로(202)로 웨이퍼(200)에 어느 처리를 행한 후, 계속해서 제2 처리로(137)로 다른 처리를 행해도 된다. 또, 제1 처리로(202)로 웨이퍼(200)에 어느 처리를 행한 후, 제2 처리로(137)로 다른 처리를 행하게 할 경우, 제1 쿨링 유니트(138) 또는 제2 쿨링 유니트(139)를 경유하도록 해도 된다.
도 3은, 본 발명의 바람직한 실시예의 기판 처리 장치의 처리로를 설명하기 위한 개략 종단면도이다. 도 3을 참조하여, 본 실시예로 적합하게 이용되는 처리로를 상세하게 설명한다.
또한, 본 실시예로 적합하게 이용되는 기판 처리 장치는 메인 콘트롤러로서의 주 제어부(280)를 갖추어 주 제어부(280)에 의해 기판 처리 장치 및 처리로를 구성하는 각 부의 동작 등이 제어된다.
또, 주 제어부(280)는, 주 제어부(280)에 지배되는 온도 검출부(281), 구동 제어부(282), 가열 제어부(283), 가스 제어부(284)로 주로 구성된다.
처리로는 그 전체가 부호(202)로 나타난다. 예시한 양태에 있어서는, 처리로(202)는, 반도체 웨이퍼 등의 기판(200)(이하, 웨이퍼라고 한다.)의 여러 가지 처리 공정을 실행하는데 적합한 매엽(枚葉)식의 처리로이다. 또 처리로(202)는, 특히 반도체 웨이퍼의 열처리에 적합하다. 이러한 열처리의 예로서는, 반도체 디바이 스의 처리에 있어서의, 반도체 웨이퍼의 열 아닐, 붕소-인으로 이루어진 유리의 열 리플로우, 고온 산화막, 저온 산화막, 고온 질화막, 도프 폴리실리콘, 논도프 폴리실리콘, 실리콘 에피택셜(silicon epitaxial), 텅스텐 금속, 또는 규화 텅스텐 등의 박막을 형성하기 위한 화학 증착을 들 수 있다.
처리로(202)는, 복수의 위쪽 램프(207) 및 아래쪽 램프(223)로 이루어진 히터 어셈블리(heater assembly)를 포함한다. 이 히터 어셈블리는, 기판 온도가 거의 균일하게 되도록 방사열을 웨이퍼(200)에 공급한다. 바람직한 형태에 있어서는, 히터 어셈블리는, 방사 피크 0.95 미크론으로 조사하고, 복수의 가열 존을 형성하여, 웨이퍼 중심부보다 많은 열을 기판 주변부에 가하는 집중적 가열 프로파일을 제공하는 일련의 탕스텐-할로겐 직선 램프(207, 223) 등의 가열 요소를 포함한다.
위쪽 램프(207) 및 아래쪽 램프(223)에는 각각 전극(224)이 접속되어 각 램프에 전력을 공급하는 동시에, 각 램프의 가열 상태는 가열 제어부(283)에서 제어되고 있다.
또, 위쪽 램프(207) 및 아래쪽 램프(223)의 각각의 램프는, 석영제의 통체(286)로 각각 덮여 있고 또한 통체(286)는 O링 등의 기밀 부재에 의해, 챔버 본체(227)에 대해서 기밀로 고정되어 있다. 또, 통체(286)와 각 램프 사이의 빈 공간에는, 구동 제어부(282)에서 제어되는 공냉(空冷) 가스용 블로워(285)로부터 공냉 가스가 공급되어 램프 외측의 온도 상승을 억제하여 소정의 온도로 유지하고 있다. 챔버 본체(227)는 여러 가지 금속 재료로 형성할 수 있다. 예를 들면, 몇 개의 적용예로는 알루미늄이 적합하고 다른 적용예로는 스텐레스 강철이 적합하다. 재료의 선택은, 아닐이나 화학 증착 등의 처리에 이용되는 화학 물질의 종류, 및 선택된 금속에 대한 이들 화학 물질의 반응성에 좌우된다. 통상 상기 챔버벽은, 본 기술 분야에서 주지의 순환식 냉수 플로우 시스템에 의해 화씨 약 45 ~ 47도까지 수냉된다.
웨이퍼(200)는, 웨이퍼(200)의 외주(外周)에 설치되는 균열링(289)(예를 들면, 탄화 규소 그리고 피복한 흑연, 쿼츠, 순탄화 규소, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 알루미늄, 또는 강철 등의 적합한 재료로 구성된다)과 함께, 지지핀(279)(예를 들면, 석영으로 구성된다)으로 지지(保持)된다.
또, 균열링(289)의 외주 측에는, 균열링(289)의 표면을 덮도록, 도너츠형의 평판 형상인 차광 플레이트(217)(예를 들면, 탄화 규소로 구성된다)가 챔버 본체(227)에서 지지되고 있다.
또, 지지핀(279)은, 구동 제어부(282)에서 제어되는 구동 기구(267)로 회전가능하게 된다. 또한, 회전 속도는, 개개의 처리에 따라 적절한 속도로 설정되지만, 5 ~ 60 rpm 정도인 것이 바람직하다.
처리로(202)는, 챔버 본체(227), 챔버 뚜껑(226) 및 챔버 바닥(228)으로 구성되는 챔버(225)를 가져, 챔버(225)로 둘러싸여진 공간에서 처리실(201)을 형성하고 있다.
챔버 뚜껑(226)에는 가스 공급관(232)이 관통해서 설치되어 처리실(201)에 처리 가스(230)를 공급할 수 있게 되어 있다. 가스 공급관(232)은, 개폐 밸브(243), 유량 제어 수단인 매스 플로우 콘트롤러(이하, MFC라고 한다.)(241)를 통 해, 가스 A, 가스 B의 가스원에 접속되고 있다. 여기서 사용되는 가스는, 아르곤이나 질소 등의 불활성 가스나 수소, 불화 텅스텐 등의 원하는 가스가 이용된다.
또, 개폐 밸브(243) 및 MFC(241)는, 가스 제어부(284)에서 제어되어 가스의 공급, 정지 및 가스의 유량이 제어된다.
또한, 가스 공급관(232)으로부터 공급된 처리 가스(230)는 처리실(201) 내에서 웨이퍼(200)에의 원하는 처리에 이용되고, 잔여 가스는 챔버 본체(227)에 설치된 배기구인 가스 배기구(235)로부터 도시하지 않은 진공 펌프 등으로 이루어진 배기 장치를 통해, 처리실 밖으로 배출된다.
챔버 본체(227)의 배기구(235)의 반대 측에는 게이트 밸브(244)에 의해 개폐되는 웨이퍼 반입 반출구(247)가 설치되어 웨이퍼(200)를 처리실(201)에 반입 반출할 수 있도록 구성되어 있다.
처리로(202)는, 여러 가지 제조 공정에 있어서 웨이퍼(200)의 방사율(emissivity)을 측정하며, 그 온도를 계산하기 위한 비접촉식의 방사율 측정 장치(방사율 측정 수단)도 포함한다. 이 방사율 측정 수단은, 주로 방사율 측정용 프로브(260), 방사율 측정용 레퍼런스 램프(참조광)(265), 온도 검출부(281), 프로브(260)와 온도 검출부(281)를 연결하는 광 섬유 통신 케이블을 포함한다. 이 케이블은 사파이어제의 광 섬유 통신 케이블로 구성되는 것이 바람직하다.
프로브(260)는 프로브 회전 기구(274)에 의해 회전 자재로 설치되어 프로브(260)의 첨단을 웨이퍼(200) 또는 참조광인 레퍼런스 램프(265)의 방향으로 방향짓는 것이 가능해지고 있다. 또, 프로브(260)는 광 섬유 통신 케이블과 슬립 결합 으로 결합되고 있으므로, 상술한 바와 같이 프로브(260)가 회전해도 접속 상태는 유지된다.
즉, 프로브 회전 기구(274)는 방사율 측정용 프로브(260)를 회전시켜, 이것에 의해 프로브(260)의 첨단이 거의 위쪽(즉 방사율 측정용 레퍼런스 램프(265)측)으로 향해지는 제1 포지션과 프로브(260)의 첨단이 거의 아래쪽(즉 웨이퍼(200)측)으로 향해지는 제2 포지션 사이에서 프로브(260)의 방향을 바꾸는 것이 가능하도록 구성되어 있다. 따라서, 프로브(260)의 첨단은, 프로브(260)의 회전축에 대해 직각 방향으로 향해지고 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 하여, 프로브(260)는 레퍼런스 램프(265)로부터 방사된 광자(光子)의 밀도와 웨이퍼(200)로부터 반사된 광자의 밀도를 검지할 수 있다. 레퍼런스 램프(265)는, 웨이퍼(200)에 있어서의 광(光)의 투과율이 최소가 되는 파장, 바람직하게는 0.95 미크론의 파장의 광을 방사하는 백색 광원으로 구성되는 것이 바람직하다. 상술한 방사율 측정 수단은, 레퍼런스 램프(265)로부터의 방사와 웨이퍼(200)로부터의 방사를 비교함으로써, 웨이퍼(200)의 온도를 측정한다.
히터 어셈블리와 방사율 측정용 프로브(260) 사이에는, 차광 플레이트(217), 균열링(289) 및 웨이퍼(200)가 설치되어 있으므로, 히터 어셈블리에 의한 방사율 측정용 프로브(260)의 독출 오차의 영향을 억제할 수 있다.
다음에, 상술한 구성과 관련되는 처리로(202)를 이용하여, 반도체 디바이스의 제조 공정의 제1 공정으로서 웨이퍼(200)에 처리를 시행하는 방법에 대해 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 기판 처리 장치를 구성하는 각 부의 동작은 주 제어부(280)에 의해 제어된다.
칸막이 밸브인 게이트 밸브(244)를 개방하여, 챔버 본체(227)에 설치된 웨이퍼 반입 반출구(247)를 통하여 웨이퍼(기판)(200)를 처리실(201) 내에 반입한다. 반입된 웨이퍼(200)는 구동 기구(승강 수단)(267)에 의해 상승된 웨이퍼 돌상(突上)핀(266)상에 재치된다. 그 후, 구동 기구(267)에 의해 웨이퍼 돌상핀(266)을 하강시키고, 웨이퍼(200)를 지지핀(279)에 재치한다. 웨이퍼(200)를 지지핀(279)상에 재치한 후, 구동 기구(회전 수단)(267)에 의한 처리 중에 지지핀(279)과 웨이퍼(200)를 회전시킨다.
웨이퍼(200)의 방사율의 측정시에는, 프로브(260)의 첨단은 웨이퍼(200) 바로 위의 레퍼런스 램프(265)에 향하도록 회전하고(제1 포지션), 레퍼런스 램프(265)가 점등한다. 그리고, 프로브(260)는 레퍼런스 램프(265)로부터의 입사 광자 밀도를 측정한다. 레퍼런스 램프(265)가 점등하고 있는 동안, 프로브(260)는 제1 포지션에서 제2 포지션으로 회전하고, 회전하고 있는 동안에 레퍼런스 램프(265) 바로 밑의 웨이퍼(200)에 향한다. 이 포지션에 있어서, 프로브(260)는 웨이퍼(200)의 디바이스면(웨이퍼(200)의 표면)의 반사 광자 밀도를 측정한다. 계속해서 레퍼런스 램프(265)가 소등된다. 프로브(260)의 첨단이 웨이퍼(200)에 직접 향하고 있는 동안, 프로브(260)는 가열된 웨이퍼(200)로부터의 방사 광자를 측정한다. 플랑크의 법칙에 의하면, 특정 표면에 방출된 에너지는 표면 온도의 4제곱에 관계된다. 그 비례 정수는 스테판·볼츠만 정수와 표면 방사율의 곱으로 이루어진다. 따라서, 비접촉법에 있어서의 표면 온도의 결정시에는, 표면 방사율을 사용하는 것이 바람 직하다. 이하의 식을 이용하여 웨이퍼(200)의 디바이스면의 전반구 반사율을 계산하고, 계속해서 키르히호프의 법칙에 의해 방사율이 얻어진다.
(1) 웨이퍼 반사율 = 반사광 강도／입사광 강도
(2) 방사율 = (1 - 웨이퍼 반사율)
일단 웨이퍼의 방사율을 얻을 수 있으면, 플랑크의 식으로부터 웨이퍼 온도를 얻을 수 있다. 이 기술법은, 웨이퍼가 고온에서, 그리고 이러한 적용에 있어서 상기 계산의 실행 전에 기본 열방사가 감산되는 경우에도 이용된다. 프로브(260)는, 제2 포지션 즉 웨이퍼에 향해지는 포지션에 머물고, 레퍼런스 램프(265)의 점등시에는 항상 방사율 데이타를 계속 제공하는 것이 바람직하다.
웨이퍼(200)는 회전하고 있으므로, 프로브(260)는, 그 회전 중에 웨이퍼(200)의 디바이스면으로부터 반사되는 광자 밀도를 측정하고, 기판에 석판화(lithograph)될 변화하는 디바이스 구조의 평균 표면 토폴러지로부터의 반사를 측정한다. 또 방사율 측정은 박막 증착 과정을 포함하는 처리 사이클에 걸쳐서 행해지므로, 방사율의 순간 변화가 모니터되어 온도 보정이 동적이면서 연속적으로 행해진다.
처리로(202)는 또한 온도 검출 장치(온도 검출 수단)인 복수의 온도 측정용 프로브(261)를 포함한다. 이러한 프로브(261)는 챔버 뚜껑(226)에 고정되어 모든 처리 조건에 있어서 웨이퍼(200)의 디바이스면으로부터 방사되는 광자 밀도를 항상 측정한다. 프로브(261)에 의해 측정된 광자 밀도에 근거하여 온도 검출부(281)에서 웨이퍼 온도로 산출되고, 주 제어부(280)에서 설정 온도와 비교된다. 주 제어 부(280)는 비교 결과, 모든 편차를 계산하여, 가열 제어부(283)를 통해 히터 어셈블리 내의 가열 장치(가열 수단)인 위쪽 램프(207), 아래쪽 램프(223)의 복수의 존으로의 전력 공급량을 제어한다. 바람직하게는, 웨이퍼(200)가 다른 부분의 온도를 측정하기 위하여 위치 결정된 3개의 프로브(261)를 포함한다. 이것에 의해서 처리 사이클 중의 온도의 균일성이 확보된다.
또한, 온도 측정용 프로브(261)에서 산출된 웨이퍼 온도는, 방사율 측정용 프로브(260)에서 산출된 웨이퍼 온도와 비교되어 보정됨으로써 보다 정확한 웨이퍼 온도의 검출을 가능하게 하고 있다.
그리고, 원하는 처리 가스(230)를 가스 공급관(232)으로부터 처리실(201)내에 공급하면서, 가스 배기구(235)에서 배출하여, 웨이퍼(200)에 원하는 처리를 시행한다.
웨이퍼(200)의 처리 후, 웨이퍼(200)는, 복수의 돌상핀(266)에 의해 지지핀(279)으로부터 들어 올릴 수 있어 처리로(202)내에서 웨이퍼(200)를 자동적으로 앤로딩할 수 있도록 하기 위하여, 웨이퍼(200) 아래에 공간을 형성한다. 돌상 핀(266)은 구동 제어부(282)의 제어 아래, 구동 기구(267)에 의해 오르내린다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예로 이용되는 챔버(225) 및 통체(286)에 관하여 설명한다.
웨이퍼를 가열하는 챔버(225)를 금속(예를 들면 스텐레스)으로 구성하고 있다. 챔버(225)의 온도 상승을 막기 위하여, 냉각 매체에 의해 냉각을 행하고 있다. 그러나, 램프 광이 직접 닿는 챔버 내벽은, 외벽과 비교해 어느 정도 온도차가 발 생한다. 냉각 효율과 램프 출력에 의존하지만, 약 80℃ ~ 200℃의 온도차가 발생한다. 챔버의 온도가 균일하면, 균등하게 열팽창하고, 온도차가 발생하면 내외벽의 열팽창의 차이에 의해 챔버는 변형을 일으킨다. 금속 챔버는 연성재이며 허용 응력 내에서의 변형이라면 특별히 문제는 발생하지 않는다.
그러나, 본 실시예에서는, 이종 재료 어셈블리이며 금속에 비해 열팽창율이 작고 또 취성 재료인 석영제의 통체(286)를 설치하는 하이브리드 구조가 되기 때문에, 금속 챔버(225)의 응력 허용 내의 변형이라도, 함께 변형하는 석영제의 통체(286)에는 허용을 넘는 응력이 발생하여 파손할 가능성이 있다.
따라서, 본 실시예에서는, 웨이퍼를 처리하는 처리 공간을 형성하는, 금속으로 이루어진 챔버(225)와 웨이퍼를 가열하는 적어도 하나의 막대형의 가열체인 막대형 램프(207, 223)와 막대형 램프(207, 223)를 수용하고, 챔버(225)와 상이한 재질, 본 실시예에서는 석영으로 이루어진 통체(286)를 가진 기판 처리 장치에 있어서, 취성재인 석영제의 통체(286)를 파손이나 누전이 없이, 확실하게 감압, 승온(昇溫) 처리할 수 있도록 하였다.
이를 위해, 우선, 챔버(225)의 내외벽의 온도차에 의한 휨방향으로의 챔버(225)의 변형을 억제하는 구조를 채용하였다. 웨이퍼 가열면보다 아래(램프광의 영향이 직접 가열하는 벽면)를 생각했을 경우, 도 4에 도시한 바와 같은 측면 및 저면이 일체 구조인 챔버(225)에서는, 내외벽의 온도차에 의해 석영제의 통체(286)의 휨방향의 힘이 작용하는 것과 같은 변형이 발생한다. 따라서, 본 실시예에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 챔버(225)를 측면 블록(301)과 저면 블록(302)으로 분할 하여, 측면과 저면의 뒤틀림 방향으로의 구속을 완화하고 있다. 또, 냉각 매체가 흐른 냉각 플레이트(303)를 저면 블록(302)상에 설치함으로써, 저면 블록(302)의 가열을 억제하고 있다.
다음에, 챔버(225)의 내외벽의 온도차에 의한 휨에 기인하는 석영제의 통체(286)의 파손을 방지하는 구조를 채용하였다.
금속 챔버(225)는, 온도 상승을 막기 위하여, 냉각 매체에 의해 냉각을 행하고 있다. 챔버 측면에 있어서도 마찬가지로 냉각 경로(304)를 확보할 필요가 있어, 챔버(225)의 측면 블록(301)의 두께가 늘어난다. 석영제의 통체(286)가 챔버(225)의 측면 블록(301)의 벽을 관통하는 관통공(305)을 만들어 관통공(305)에 통체(286)을 삽입하여, 챔버(225)내에 석영제의 통체(286)를 걸침으로써, 대기, 진공을 분리하는 구조로 하는 경우, 측면 블록(301)의 두께가 두꺼울수록, 챔버의 뒤틀림 방향으로의 변형에 의해서, 도 6에 도시한 바와 같이, 측면 블록(301)이 각도θ 기울어, 석영제의 통체(286)와 챔버(225)의 측면 블록(301)에 열린 관통공(305)이 접촉하여, 응력 집중의 기점이 되어 파손할 가능성이 있다. 또, 가공상의 제약에 의해, 도 8에 도시한 바와 같이 챔버(225)의 측면 블록(301)의 내벽면 측만의 직경을 크게 하는 것은 곤란하다.
따라서, 본 실시예에서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 관통공(305)에 있어서의 통체(286)의 처리 공간측의 외경 b를, 관통공(305)에 있어서의 통체(286)의 챔버의 외부측의 외경 a보다도 작은 치수로 설정하고 있다. 석영제의 통체(286)의 직경을 외벽측 a ＞ 내벽측 b로 하는 것으로, 메탈 터치할 때까지(석영제의 통 체(286)가 금속으로 이루어진 챔버(225)와 접촉할 때까지)의 측면 블록(301)의 기울기의 허용 각도(θ＇)를 벌어(θ＇〉θ로 해), 챔버(225)의 뒤틀림 방향으로의 변형에 대처하고 있다.　본 실시예에서는, 통체(286)를, 외벽측(306), 테이퍼부(307), 내벽측(308)으로 분할함으로써, 외벽측(306)의 외경 a를 내벽측(308)의 외경 b보다도 크게 하고 있다.
본 실시예에서는, 또한, 금속 및 석영의 열팽창 차이에 의한 응력 집중을 억제하는 구조를 채용하였다.
상기와 같이, 챔버(225)를 측면 블록(301)과 저면 블록(302)으로 분할하여, 챔버(225)의 뒤틀림 방향 변형을 억제하여도, 금속과 석영의 열팽창 차이에 의해, 승온시에는, 석영제의 통체(286)에는, 도 9(b), 9(c)에 도시한 바와 같이, 외측에(x 방향) 변형이 발생한다. 이 상태에서, 도 9(b)에 도시한 바와 같이, 석영제의 통체(286)를 전방향으로 완전하게 구속하면, 금속과 비교해 열팽창율이 작고 또 취성 재료인 석영제의 통체(286)에는, 허용을 넘는 응력이 발생하여, 파손한다.
따라서, 본 실시예에서는, 팽창의 차이에 의한 응력 집중을 방지하기 위하여, x 방향의 구속을 완화하고 있다. 예를 들면 도 9(c)에 도시한 바와 같이, 석영제의 통체(286)의 원주 방향으로 0링(309)을 배치해, 진공 실링을 유지하면서 x 방향의 구속을 완화하여, 누전 및 석영의 파손을 방지하고 있다.
이상과 같이, 본 실시예에서는, 석영제의 통체(286)를 사용하고, 램프(207, 223)를 챔버 환경으로부터 분리함으로써, 금속 오염을 방지하고, 또, 램프 수명의 향상을 도모할 수 있다. 또, 램프(207, 223)의 챔버 환경으로부터의 분리를, 판이 아니라 통체(286)에서 실시함으로써, 두께를 얇게 하여, 웨이퍼(200)와 램프(207, 223)의 필라멘트(filament)의 거리가 짧아지는 것으로 효율이 향상해 에너지 절약을 도모할 수 있다. 또한, 챔버(225)를 측면 블록(301)과 저면 블록(302)으로 분할하는 것으로, 챔버(225)의 뒤틀림 방향 변형을 억제하여 석영제의 통체(286)의 파손을 방지하고 있다. 또 다시 석영제의 통체(286)의 직경을 외벽측 a ＞ 내벽측 b로 하는 것으로, 석영제의 통체(286)의 파손을 방지하고 있다.
명세서, 특허청구의 범위, 도면 및 요약서를 포함한 2005년 11월 30일 제출한 일본국 특허출원 2005－345873호의 개시 내용 전체는, 본국에서 출원시에 지정한 지정국, 또는 선택한 선택국의 국내 법령이 허가하는 한, 그대로 인용하여 여기에 구성된다.
여러 가지의 전형적인 실시 형태를 도시하면서 설명하였지만, 본 발명은 그러한 실시 형태에 한정되지 않는다. 따라서, 본 발명의 범위는, 다음의 청구의 범위에 의해서만 한정되는 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 기판을 처리하는 처리 공간을 형성하는, 금속으로 이루어진 챔버와 기판을 가열하는 적어도 하나의 막대형의 가열체와 가열체를 수용하고, 챔버와 상이한 재질로 이루어진 통체를 가지며, 통체가 챔버의 벽을 관통하고 있는 구조의 기판 처리 장치에 있어서, 통체의 파손을 방지할 수 있다.
그 결과, 본 발명은 반도체 웨이퍼를 처리하는 반도체 웨이퍼 처리 장치나 그 장치를 이용한 반도체 장치의 제조 방법으로 특히 적합하게 이용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판을 처리하는 처리 공간을 형성하는, 금속으로 구성된 챔버와,
    상기 기판을 가열하는 적어도 하나의 막대형의 가열체와,
    상기 가열체를 수용하고, 상기 챔버와 상이한 재질로 이루어진 통체를 가지며,
    상기 통체가 상기 챔버의 벽을 관통하고 있는 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 처리 공간측의 외경은, 상기 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 챔버의 외부측의 외경보다 작은 치수로 설정되어 있는 기판 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버는, 측면 블록과 저면 블록으로 분할되어 있는 기판 처리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 관통부의 원주 방향으로 0링을 배치하고 있는 기판 처리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 통체는, 석영제인 기판 처리 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 측면 블록에는, 냉각 매체가 유통하는 냉각 경로가 형성되어 있는 기판 처리 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 통체와 상기 저면 블록 사이에 있어서, 상기 저면 블록 상에 냉각 매체를 흐르게한 냉각 플레이트를 설치하고 있는 기판 처리 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 통체의 양단에 있어서 상기 챔버의 외벽측과 상기 챔버의 내벽측 사이에 테이퍼부를 설치함으로써, 상기 통체의 상기 내벽측의 외경을 상기 외벽측의 외경보다 작게 한 기판 처리 장치.
  8. 기판을 처리하는 처리 공간을 형성하는, 금속으로 구성된 챔버와,
    상기 기판을 가열하는 적어도 하나의 막대 모양의 가열체와,
    상기 가열체를 수용하고, 상기 챔버와 상이한 재질로 이루어진 통체를 가지며,
    상기 통체가 상기 챔버의 벽을 관통하고 있는 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 처리 공간측의 외경은, 상기 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 챔버의 외부측의 외경보다 작은 치수로 설정되어 있는, 기판 처리 장치를 이용하여 상기 기판을 처리하는 과정을 갖는 반도체 장치의 제조 방법으로서,
    상기 처리 공간에 상기 기판을 반입하는 공정과,
    상기 통체에 수용된 상기 가열체에 의해 상기 처리 공간을 가열하는 공정과,
    상기 처리 공간에서 상기 기판을 처리하는 공정과,
    상기 처리 공간으로부터 상기 기판을 반출하는 공정을 가지는 반도체 장치 제조 방법.
  9. 금속으로 구성된 챔버내의 처리공간에 기판을 반입하는 공정과,
    상기 챔버와 상이한 재질로 구성된 통체로서, 상기 챔버의 벽을 관통하고 있는 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 처리 공간측의 외경이, 상기 관통부에 있어서의 상기 통체의 상기 챔버의 외부측의 외경보다 작은 치수로 설정된 상기 통체내에 수용된 막대형의 가열체에 의해 상기 기판을 가열처리하는 공정과,
    상기 처리공간으로부터 상기 기판을 반출하는 공정을 가지는 반도체 장치 제조방법.
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