KR101046043B1 - 노용 다중 구역 히터 - Google Patents

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KR101046043B1
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죠셉 유도브스키
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

본 발명은 반도체 처리 챔버를 가열하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예는 반도체 처리 챔버를 가열하는 노를 제공한다. 노는 반도체 처리 챔버의 측벽을 둘러싸며 2개 이상의 독립적으로 제어되는 구역에 연결된 복수의 가열 요소를 포함하는 히터 및 히터를 둘러싸는 쉘을 포함한다.

Description

노용 다중 구역 히터{MULTIZONE HEATER FOR FURNACE}
본 발명의 실시예는 일반적으로 반도체 처리 챔버를 가열하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 처리 챔버를 가열하는 다중 구역 히터(multizone heater)를 갖는 노(furnace)에 관한 것이다.
상승된 온도에서 하나 또는 그보다 많은 기판이 처리되는 노에서 반도체 처리중의 일부 프로세스가 실행된다. 특히 하나의 영역에서 동시에 둘 또는 그보다 많은 기판을 처리할 수 있는 일반적으로 사용되는 프로세스 단계인 뱃치 처리시 기판 또는 기판들을 균일하게 가열하는 것이 필수적이다. 뱃치 처리는 소유 비용을 감소시키고 장치 수율을 증가시키는데 효과적인 것으로 입증되었다. 뱃치 처리 챔버는 일반적으로 챔버 체적 내에서 한 묶음의 수직으로 적층된 기판을 처리한다. 원자층 증착(ALD) 및 화학기상증착(CVD)과 같이, 뱃치 처리 챔버 내에서 실행되는 프로세스 단계는 일반적으로 기판이 균일하게 가열될 것을 요구한다. 따라서, 뱃치 처리 챔버는 일반적으로 한 묶음의 기판을 가열하도록 구성되는 가열 시스템을 포함한다. 그러나 한 묶음의 기판을 균일하게 가열하는 것은 어려우며, 이러한 가열 시스템은 복잡하고 유지하기 힘들며 수리 비용이 많이 들 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 공지되어 있는 가열된 뱃치 처리 챔버를 도시한다. 도 1은 처리 상태의 뱃치 처리 챔버(100)를 도시한다. 이 상태에서, 기판 보트(101)에 의해 지지되는 한 묶음의 기판(102)은 상부(104), 측벽(105), 및 바닥(106)에 의해 형성되는 프로세스 체적(103) 내에서 처리된다. 바닥(106)에 형성된 개구(122)는 기판 보트를 프로세스 체적(103)으로부터 제거되거나 프로세스 체적(103) 내부로 삽입되게 하는 수단을 제공한다. 프로세스 중에 개구(122)를 밀봉하기 위해 시일 플레이트(107)가 제공된다.
각각의 측벽(105)의 외부 표면상에는 가열 구조물(110)이 일반적으로 장착된다. 각각의 가열 구조물(110)은 복수의 할로겐 램프(119)를 포함하며, 할로겐 램프는 측벽(105) 상에 장착된 석영 윈도우(109)를 통해 프로세스 체적(103) 내의 기판(102)으로 에너지를 제공하는데 사용된다. 측벽(105)의 내부 표면상에 장착되는 열차폐 플레이트(108)가 프로세스 체적(103)에 추가되어 기판(102)에 열 에너지의 균일한 분배를 제공하도록 가열 구조물(110)로부터 방출되는 에너지를 확산시킨다.
측벽(105) 및 상부(104)는 원치 않는 증착을 방지하고 또한 안전상의 이유로 측벽에 형성된 밀링 채널(116)(도 2에 도시됨)에 의해 일반적으로 온도 제어된다. 석영 윈도우(109)가 고온이며 프로세스 체적(103)이 진공하에 있을 때, 과도한 응력은 석영 윈도우(109)가 온도 제어된 측벽(105)과 직접 접촉하는 경우에 내파(implosion)를 일으킬 것이다. 따라서, (예를 들면 바이톤(viton), 실리콘 고무, 또는 칼-레즈 그래파이트 섬유(cal-rez graphite fiber)와 같이 적합한 재료로 구성되는) O-링형 개스킷(124) 및 유사하고 적합한 재료로 된 스트립 개스킷(123)이 석영 윈도우(109)와 측벽(105) 사이에 제공되어, 석영 윈도우(109)가 측벽(105) 과 직접 접촉하게 되지 않도록 보장한다. 열차폐 플레이트(108)는 절연 스트립(125) 및 유지 클램프(126)에 의해 측벽(105) 상에 일반적으로 장착된다. 열차폐 플레이트(108) 및 절연 스트립(125)은, 예를 들면 그래파이트 또는 실리콘 카바이드와 같이 적합한 고온 재료로 제조된다. 유지 클램프(126)는 티타늄과 같이 적합한 고온 재료로 제조된다. 측벽(105)에 형성된 밀링 채널(116)은 밀링 채널(116)을 통해 연속적으로 유동하는 열교환 유체의 사용에 의해 온도 제어될 수 있다.
가열 구조물(110)은, 본 명세서에 참조로 통합되며 2002년 8월 9일자로 제출되었고 제목이 "High Rate Deposition At Low Pressure In A Small Batch Reactor"인 US특허출원번호 제10/216,079호 및 1997년 8월 11일자로 제출되었고 제목이 "Mini-batch Process Chamber"인 특허출원 제6,352,593호에서 추가로 설명된다.
이제, 도 2를 참조하면, 기판(102) 상에 층을 증착하는데 사용되는 프로세스 가스는 가스 주입 조립체(114)를 통해 제공된다. 가스 주입 조립체(114)는 O-링(127)을 통해 측벽(105)에 진공 밀봉된다. 배출 조립체(115)는 가스 주입 조립체(114)의 대향 측면상에 배치된다. 측벽(105), 상부(104) 및 바닥(106)은 통상적으로 알루미늄과 같은 금속으로 제조된다.
뱃치 처리 챔버(100)는 가열, 진공 밀봉 및 단열을 위해 복잡한 시스템을 포함한다. 가열 구조물(110)은 조립 및 서비스가 어려운데, 이는 교체 및 제거를 위해 특정한 고정물을 필요로 하기 때문이다. 또한, 가열 구조물(110)을 사용하여 가열 균일성을 제어하는 것이 어려울 것이다.
따라서, 반도체 처리 챔버 내에서 한 묶음의 기판을 균일하게 가열하도록 단순화된 가열 시스템이 요구된다.
본 발명은 일반적으로 뱃치 처리 챔버를 가열하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 반도체 처리 챔버를 가열하기 위한 노를 제공한다. 상기 노는, 상기 반도체 처리 챔버를 둘러싸며 2개 이상의 독립적으로 제어되는 구역에 연결된 복수의 가열 요소를 포함하는 히터 및 상기 히터를 둘러싸는 쉘을 포함하며, 상기 히터는 상기 쉘에 고정된다.
본 발명의 다른 실시예는 반도체 처리 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 내부의 기판을 처리하기 위한 챔버, 상기 챔버의 측벽을 둘러싸며, 복수의 독립적으로 제어되는 구역을 갖는 히터, 상기 히터를 덮는 쉘, 및 상기 쉘과 히터 사이에 배치되는 제 1 반사기 요소를 포함하며, 상기 히터, 상기 제 1 반사기 요소 및 상기 쉘은 함께 고정된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 반도체 처리 챔버용 노를 제공한다. 상기 노는 상기 반도체 처리 챔버를 가열하도록 구성된 복수의 독립적으로 제어되는 구역을 갖는 인쇄 회로 히터, 상기 인쇄 회로 히터의 외부에 배치되는 반사기, 및 상기 반사기의 외부에 배치되는 쉘을 포함하며, 상기 인쇄 회로 히터, 상기 반사기 및 상기 쉘은 함께 고정된다.
본 발명의 전술한 특징이 보다 상세히 이해될 수 있도록, 본 발명에 대한 보다 상세한 설명 및 전술한 간단한 요약은 첨부 도면에 일부가 도시된 실시예를 참조할 수 있다. 그러나 첨부 도면은 본 발명의 일반적인 실시예만을 도시하며, 따라서 본 발명이 다른 동등한 효과의 실시예를 인정할 수 있도록 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 생각되지 않음에 주의한다.
도 1은 최신 기술상의 처리 시스템의 평단면도를 도시하고,
도 2는 도 1의 처리 시스템의 측단면도를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 처리 시스템의 평단면도이며,
도 4는 도 3의 예시적인 기판 처리 시스템의 측단면도이며,
도 5a는 본 발명에 따른 가열 요소의 개략적 단면도이며,
도 5b는 도 5a의 가열 요소의 개략적 저면도이며,
도 6은 본 발명에 따른 예시적인 처리 시스템의 평면도이며,
도 7은 도 6의 처리 시스템의 사시도이다.
본 발명은 일반적으로 다중 구역 히터를 갖는 반도체 처리 시스템을 제공한다. 본 발명에서 히터는 프로세스 온도에 따라 다양한 제어 및 와트수(wattage) 요구조건을 제공할 수 있으며, 뱃치 처리 챔버 내의 상이한 구역들에 상이한 가열 전력을 제공할 수 있다. 본 발명은 캘리포니아, 산타클라라에 소재한 Applied Materials, Inc.로부터 시판중인 FLEXSTAR™의 변형을 참조로 하기에 예시적으로 설명된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 반도체 처리 시스템(200)의 일 실시예를 도시한 다. 반도체 처리 시스템(200)은, 예를 들면 화학기상증착(CVD) 또는 원자층 증착(ALD)을 실행하기 위해 상승된 온도에서 한 묶음의 기판을 처리하도록 구성될 수 있다.
반도체 처리 시스템(200)은 내부에 둘러싸인 내부 체적(212)에서 하나 또는 그보다 많은 기판을 처리하도록 구성되는 처리 챔버(205)를 포함한다. 일 실시예에서, 처리 챔버(205)는 원통형 석영 챔버일 수 있다. 처리 챔버(205)는 일 측면에 위치되는 배출 포트(211) 및 배출 포트(211)의 대향 측면에 위치되는 유입 포트(206)를 가질 수 있다. 유입 포트(206)는 처리 챔버(205)의 내부 체적(212) 안으로 하나 또는 그보다 많은 처리 가스를 공급하도록 구성된다. 배출 포트(211)는 일반적으로 진공원에 맞춰지며, 내부 체적(212)으로부터 처리 가스를 펌핑하도록 구성된다. 처리되는 기판은 기판 보트 내에 수직으로 적층 배치될 수 있으며, 처리 가스 및 열에 대한 균일한 노출을 얻도록 프로세스 중에 일반적으로 회전된다. 처리 챔버(205)에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서 참조되며, 제목이 "Reaction Chamber with Opposing Pockets for Injection and Exhaust"이고, 2005년 10월 13일자로 제출된, 동시계류중인 미합중국 특허출원번호 제11/249,555호에서 얻을 수 있다.
히터(202)는 처리 챔버(205) 외부에 배치되며, 프로세스 중에 처리 챔버(205)를 가열하도록 구성된다. 히터(202)는 저항 히터일 수 있다. 일 실시예에서, 히터(202)는 처리 챔버(205)와 실질적으로 동일한 형상이어서 처리 챔버(205)의 원주 둘레에 균일한 가열 효과를 제공할 수 있다. 히터(202)는 복수의 독립적 으로 제어되는 구역을 포함하여 바람직한 가열 프로파일(heating profile), 예를 들면 수직 레벨(vertical level)을 따라 균일한 가열을 얻는다. 일 실시예에서, 히터(202)는 도 4에 도시된 바와 같이, 함께 수직으로 적층된 복수의 독립적으로 제어되는 구역(202i)(이때, i=1, 2, ... n)을 포함할 수 있다. 뱃치 처리중에, 기판 보트의 상부 및 바닥에 인접하여 위치되는 기판은 기판 보트의 중심에 인접하여 위치된 기판보다 일반적으로 덜 가열되어서 한 묶음의 기판들 사이에서 상이한 처리 효과를 초래한다. 수직으로 적층된 구성은 처리 챔버(205) 내의 내부 체적(212) 내에서 상이한 수직 레벨의 고르지 않은 가열을 감소 또는 제거하는데 특히 유용하다. 수직 구역, 수직 및 수평 구역의 조합 및 처리 챔버(205)의 열 프로파일에 대응하는 구역과 같은, 다중 구역의 다른 구성도 본 발명에 의해 예측될 수 있다.
일 실시예에서, 히터(202)는 복수의 저항 가열 요소에 의해 형성될 수 있다. 도 5a는 도 3 및 도 4의 히터(202)를 형성하는데 사용될 수 있는 가열 요소(220)의 개략적 단면도를 도시한다. 도 5b는 가열 요소(220)의 배면(일반적으로 가열 타겟으로부터 떨어져 위치되는 측면)도를 도시한다. 일 실시예에서, 가열 요소(220)는 그래파이트 디스크 또는 다른 형상의 그래파이트 재료로 제조될 수 있다. 열분해성 붕소 질화물(pyrolytic boron nitride; PBN)이 그래파이트 디스크 상에 먼저 코팅된다. 코팅된 그래파이트 디스크는 그 후 배면으로부터 원하는 패턴으로 기계가공된다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 가열 요소(220)의 저항 요소(221)를 형성하는 그래파이트 디스크 상에 채널(224)이 기계가공된다. 열분해성 붕소 질화물 코팅 층(233)은 가열 요소(220)의 절연 물질로서 작용한다. 열분해성 붕소 질화물은 높은 전기 저항 및 우수한 열 전도성을 갖는 이방성 고온 세라믹이다. 가열 요소(220)는 그래파이트 기둥(graphite posts; 222)을 통해 전력원에 연결될 수 있다. 가열 요소(220)는 대부분의 기체 및 액체에 대해 화학적으로 비활성적이고, 기계적 및 열적으로 균일하며 초고속 응답을 갖는 충격 저항이다. 상이한 디자인의 저항 요소(221)가 가열 요소(220)에 상이한 가열 효과를 제공한다. 따라서, 하나 또는 그보다 많은 가열 요소(220)로 제조되는 히터(202)는 하나 또는 그보다 많은 상이한 가열 효과의 구역을 형성하는 유연성을 가질 수도 있다. 다른 세라믹 히터와 같이, 다른 적합한 유형의 가열 요소가 히터(202)를 형성하는데 사용될 수도 있음에 주의해야 한다.
도 4를 참조하면, 각각의 독립적으로 제어되는 구역(202i)은 도 5의 가열 요소(220)와 같은 하나 이상의 가열 요소를 포함할 수 있다. 각각의 독립적으로 제어되는 구역(220i)은 한 쌍의 그래파이트 기둥(207)을 통해 개별적으로 제어되는 전력원에 연결될 수 있다.
도 3을 참조하면, 반도체 처리 시스템(200)은 내부에 히터(202)를 둘러싸도록 구성되는 외부 쉘(201)을 더 포함한다. 외부 쉘(201)은 금속 쉘일 수 있다. 일 실시예에서, 외부 쉘(201)은 스테인리스 스틸로 제조될 수 있으며, 약 1.5㎜의 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 외부 쉘(201)은 로드록 또는 기부에 반도체 처리 시스템(200)을 고정시키도록 구성된 몇몇 발부분(210)을 가질 수 있다. 히터(202)는 외부 쉘(201)에 고정될 수 있다. 일 실시예에서, 히터(202)는 복수의 볼트 및 너트(208)에 의해 외부 쉘(201)에 고정될 수 있다. 다른 실시예에서, 히터(202)는 반도체 처리 시스템(200)이 부착되는 기부에 직접적으로 고정될 수 있다.
반사기(203)는 외부 쉘(201)과 히터(202) 사이에 배치될 수 있다. 반사기(203)는 히터(202)로 다시 복사열을 반사시키고 외부 쉘(201)이 뜨거워지지 않게 하도록 구성된다. 반사기(203)는 하스테로이(hastelloy) 또는 스테인리스 스틸과 같은 금속으로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 반사기(204)는 배출 포트(211)에 인접하여 위치될 수 있다.
일 실시예에서, 히터(202)는 2개의 호형 섹션을 포함할 수 있으며, 이 호형 섹션은 처리 챔버(205)를 둘러싸며 유입 포트 및 배출 포트를 덮여지지 않도록 둔다. 일 실시예에서, 2개의 호형 섹션은 동일한 구역 형태를 가질 수 있으며, 반대 부분 구역은 모든 부분이 제어된 구역을 형성하면서 서로 연결될 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 반도체 처리 시스템(300)의 다른 실시예를 개략적으로 도시한다. 반도체 처리 시스템(300)은 처리 챔버(305)를 포함하며, 처리 챔버는 내부에 위치된 하나 또는 그보다 많은 기판(310)을 처리하도록 구성되는 내부 체적(312)을 형성한다. 처리 챔버(305)는 일 측면에 위치된 배출 포트(311) 및 배출 포트(311)의 대향 측면상에 위치된 유입 포트(306)를 갖는다. 반도체 처리 시스템(300)은 처리 챔버(305)를 둘러싸는 외부 쉘(301)을 더 포함한다. 유입 포트(306)는 외부 쉘(301) 내에 형성된 개구(314)에 대해 밀봉될 수 있다.
외부 쉘(301)의 내부 및 처리 챔버(305)의 외부에 히터(302)가 배치된다. 히터(302)는 처리 챔버(305)를 가열하도록 구성된다. 일 실시예에서, 히터(302)는 처리 챔버(305)를 둘러싸는 처리 챔버(305)와 실질적으로 유사한 형상을 갖는다. 일 실시예에서, 히터(302)는 배출 포트(311)와 유입 포트(306)를 덮지 않은 상태로 되게 하는 2개의 히터 섹션(302a, 302b)을 포함할 수 있다.
도 7은 외부 쉘(301)이 없이 반도체 처리 시스템(300)을 도시한다. 2개의 히터 섹션(302a, 302b)은 하나 또는 그보다 많은 브래킷(304)에 의해 연결될 수 있다. 하나 또는 그보다 많은 그래파이트 기둥(313)이 브래킷(304) 내에 배치되어 히터 섹션(302a, 302b)을 전자적으로 연결시키도록 구성될 수 있다. 각각의 히터 섹션(302a, 302b)은 하나 또는 그보다 많은 개별적으로 제어된 구역(302)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 개별적으로 제어된 구역(302i)은 수직으로 적층될 수 있다. 히터 섹션(302a, 302b)은 동일한 구성을 가질 수 있어서, 처리 챔버(305)를 가로지르는 상이한 수직 레벨에서 개별적으로 제어된 구역을 형성한다.
하나 또는 그보다 많은 개별적으로 제어된 구역(302i) 각각은 도 5에 도시된 가열 요소(220)와 같은, 하나 또는 그보다 많은 가열 요소를 가질 수 있다.
하나 또는 그보다 많은 브래킷(304)이 기둥(315)에 의해 함께 연결될 수 있다. 하나 또는 그보다 많은 기둥(308)은 히터 섹션(302a, 302b)에 부착될 수도 있다. 기둥(315, 308)은 기부에 또한 고정되어서 히터(302)를 고정시킬 수 있다.
전술한 바는 본 발명의 실시예에 관한 것이지만, 본 발명의 여타 실시예가 그 기본 범주를 벗어나지 않고 안출될 수 있으며, 그 범주는 이어지는 특허청구범위에 의해 결정된다.

Claims (20)

  1. 반도체 처리 챔버를 가열하는 노로서:
    상기 반도체 처리 챔버의 측벽을 둘러싸는 히터; 및
    상기 히터를 둘러싸는 쉘;을 포함하고,
    상기 히터가 2개 이상의 독립적으로 제어되는 구역에 연결된 복수의 가열 요소를 구비하며, 상기 복수의 가열 요소 각각이 열분해성 붕소 질화물(pyrolytic boron nitride) 내에서 절연되는 저항 요소로서 그래파이트를 포함하고, 상기 복수의 가열 요소가 저항 요소로서 그래파이트와 절연 기판으로서 열분해성 붕소 질화물을 사용하는 인쇄 회로 히터(printed circuit heaters)이며,
    상기 히터가 상기 쉘에 고정되는
    반도체 처리 챔버 가열 노.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 가열 요소 각각이 열분해성 붕소 질화물로 코팅된 그래파이트 기둥을 통해 각각의 전력원에 연결되는
    반도체 처리 챔버 가열 노.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터와 상기 쉘 사이에 배치되는 제 1 반사기 요소를 더 포함하는
    반도체 처리 챔버 가열 노.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 반사기가 하스테로이(hastelloy)로 제조되는
    반도체 처리 챔버 가열 노.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 반도체 처리 챔버의 배출 포트 영역을 둘러싸는 제 2 반사기 요소를 더 포함하는
    반도체 처리 챔버 가열 노.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개 이상의 독립적으로 제어되는 구역이 수직으로 적층되는
    반도체 처리 챔버 가열 노.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 2개 이상의 독립적으로 제어되는 구역 각각이 상기 복수의 가열 요소 중 2개 이상을 포함하는
    반도체 처리 챔버 가열 노.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 쉘이 스테인리스 스틸로 제조되는
    반도체 처리 챔버 가열 노.
  10. 반도체 처리 장치로서:
    내부의 기판을 처리하기 위한 챔버;
    상기 챔버의 측벽을 둘러싸는 히터;
    상기 히터를 덮는 쉘; 및
    상기 쉘과 히터 사이에 배치되는 제 1 반사기 요소를 포함하고,
    상기 히터가 복수의 독립적으로 제어되는 구역을 가지며, 상기 히터의 복수의 독립적으로 제어되는 구역 각각이 저항 요소로서 그래파이트와 절연 기판으로서 열분해성 붕소 질화물을 사용하는 하나 이상의 인쇄 회로 가열 요소를 포함하며,
    상기 히터, 상기 제 1 반사기 요소 및 상기 쉘이 함께 고정되는
    반도체 처리 장치.
  11. 삭제
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 독립적으로 제어되는 구역이 수직으로 적층되는
    반도체 처리 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버가 상기 히터에 의해 노출되는 수직 배출 포트를 갖는 원통형 석영 챔버인
    반도체 처리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 쉘과 히터 사이에 고정되며, 상기 수직 배출 포트에 인접하여 배치되는 제 2 반사기 요소를 더 포함하는
    반도체 처리 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    하나 이상의 인쇄 회로 가열 요소가 열분해성 붕소 질화물로 코팅된 하나 또는 그보다 많은 그래파이트 기둥을 통해 각각의 전력원에 연결되는
    반도체 처리 장치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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