KR101310521B1 - Heating apparatus with enhanced thermal uniformity and method for making thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판의 표면 온도를 조정/조절하기 위한 가열 장치에 관한 것이다. 기판상의 최고 온도 지점과 최저 온도 지점의 온도차가 10℃ 미만인 비교적 균일한 기판 온도를 위해, 하나 이상의 열분해 흑연(TPG)층이 가열기에 매립되어 있어서 가열 장치내의 다양한 구성성분의 온도차를 방산(diffuse)시키고, 기판의 표면 온도를 시간 및 공간 측면에서 조절한다.The present invention relates to a heating device for adjusting / adjusting the surface temperature of a substrate. For relatively uniform substrate temperatures where the temperature difference between the highest and lowest temperature points on the substrate is less than 10 ° C., at least one layer of pyrolytic graphite (TPG) is embedded in the heater to diffuse the temperature difference of the various components in the heating device. And the surface temperature of the substrate is controlled in terms of time and space.
Description
도 1은 가열 장치의 한 양태를 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing one embodiment of a heating device.
도 2는 선행 기술의 금속 가열기의 한 양태의 횡단면도이다.2 is a cross-sectional view of one embodiment of a metal heater of the prior art.
도 3a, 3b 및 3c는 금속계 기판을 포함하는 가열기의 다양한 양태의 횡단면도이다.3A, 3B and 3C are cross-sectional views of various embodiments of a heater including a metal based substrate.
도 4는 세라믹 코어를 갖는 가열기에 있어 선행 기술의 가열기의 한 양태의 횡단면도이다.4 is a cross-sectional view of one embodiment of a heater of the prior art in a heater having a ceramic core.
도 5a, 5b, 5c, 5d 및 5e는 기판을 위한 세라믹 코어를 포함하는 가열기의 다양한 양태의 횡단면도이다.5A, 5B, 5C, 5D and 5E are cross-sectional views of various aspects of a heater including a ceramic core for a substrate.
도 5f 및 5g는 전극으로서 열분해 흑연층을 포함하는 가열기의 다양한 양태의 횡단면도이다.5F and 5G are cross-sectional views of various embodiments of a heater that includes a pyrolytic graphite layer as an electrode.
도 5h는 열분해 흑연층이 서셉터(susceptor)내에 캡슐화되어 있는 가열기의 한 양태의 횡단면도이다.5H is a cross-sectional view of one embodiment of a heater in which a pyrolytic graphite layer is encapsulated in a susceptor.
도 5i는 열분해 흑연이 수직으로 중첩되는 구성형태로 사용되는 가열기의 한 양태의 횡단면도이다.5I is a cross-sectional view of one embodiment of a heater used in a configuration in which pyrolytic graphite is vertically superimposed.
도 5j는 도 5i의 양태의 상면도이다.5J is a top view of the embodiment of FIG. 5I.
도 6은 흑연 코어를 갖는 가열기에 있어 선행 기술의 가열기의 한 양태의 횡단면도이다.6 is a cross-sectional view of one embodiment of a heater of the prior art in a heater having a graphite core.
도 7a, 7b, 7c, 7d 및 7e는 흑연 코어를 이용하는 가열기의 다양한 양태의 횡단면도이다.7A, 7B, 7C, 7D and 7E are cross-sectional views of various embodiments of heaters utilizing a graphite core.
도 8a 및 8b는 선행 기술의 가열기를 포함하는 열 모듈(AlN 기판을 갖는 도 8a) 및 본 발명의 가열기의 양태(TPG층이 AlN 기판에 매립되어 있음)의 개략적인 도면이다. 모듈은 반도체 가공 작업에서 웨이퍼 기판의 표면 온도를 검사하기 위하여 전산유체역학(CFD)을 이용한다.8A and 8B are schematic diagrams of a thermal module (FIG. 8A with an AlN substrate) comprising a prior art heater and an embodiment of the heater of the present invention (TPG layer embedded in an AlN substrate). The module uses computational fluid dynamics (CFD) to examine the surface temperature of the wafer substrate in semiconductor processing operations.
도 9는 AlN 기판을 갖는 선행 기술 가열기에서 기판 상부면의 온도 분포를 예시한 그래프이다.9 is a graph illustrating the temperature distribution of the top surface of a substrate in a prior art heater with an AlN substrate.
도 10, 11 및 12는 AlN 기판에 1mm, 3mm 및 6mm 두께를 갖는 TPG층이 매립되어 있는, 본 발명의 다양한 가열기 양태의 기판 상부면의 온도 분포를 예시한 그래프이다.10, 11 and 12 are graphs illustrating the temperature distribution of the top surface of a substrate of various heater embodiments of the present invention in which TPG layers having 1 mm, 3 mm and 6 mm thickness are embedded in an AlN substrate.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS
1, 1000 금속 기판1, 1000 metal substrates
2 수-냉각 경로2 can-cooling path
3 전기 가열 코일3 electric heating coil
4 TPG층4 TPG layer
5, 7 유전층5, 7 dielectric layers
6 전도성 전극층6 conductive electrode layer
8 열 절연 물질로 된 환형 고리8 annular rings of heat insulating material
10 기재 기판10 base plate
12 세라믹 기판12 ceramic substrate
13 상부 표면13 upper surface
15 전기 단자15 electrical terminals
30, 200 오버코트층30, 200 overcoat layer
33 가열 장치33 heating device
41, 401, 4001 전극41, 401, 4001 electrodes
70, 71, 72 층70, 71, 72 layers
300 내에칭성 보호 코팅 필름300 etching resistant protective coating film
600 TPG 열 방출판600 TPG Heat Dissipation Plate
600a, 600b 일렬의 TPG 스트립600a, 600b line of TPG strips
본 출원은 본원에서 전체적으로 참고문헌으로 인용된 2006년 9월 26일자 미국특허출원 60/826931호의 이익을 주장한다.This application claims the benefit of US patent application Ser. No. 60/826931, filed Sep. 26, 2006, which is incorporated herein by reference in its entirety.
본 발명은 일반적으로 반도체 가공 챔버에서 기판에 비교적 균일한 온도 분 포를 제공하거나 또는 압축 성형 유리 렌즈를 위한 금속 또는 세라믹 금형을 가열하기 위한 가열 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention generally relates to heating apparatus for providing a relatively uniform temperature distribution to a substrate in a semiconductor processing chamber or for heating a metal or ceramic mold for a compression molded glass lens.
많은 반도체 공정은 전형적으로 진공 환경, 즉 그 내부에 배치된 웨이퍼 기판을 지지하기 위한 어셈블리(assembly)를 함유하는 밀봉된 챔버에서 실시된다. 반도체 공정에서 전형적으로 가열 장치는, 지지물을 가열하기 위해 그 내부에 전극이 배치되어 있을 수 있는 세라믹 지지물과 추가적으로 웨이퍼 또는 기판을 세라믹 지지물에 대해 정전기적으로 고정시키는 전극, 즉 정전척(electrostatic chuck) 또는 ESC(또는 서셉터라고도 함)를 가질 수 있다. 반도체 소자 제작 공정은 증착, 에칭, 주입(implantation), 산화 등을 포함하며 챔버에서 일어날 수 있다. 증착 공정의 한 예로서, 웨이퍼 기판상에 증착될 물질로 일반적으로 구성되는 표적이 기판상에 지지되어 전형적으로는 챔버 상부에 고착되는, 스퍼터링 증착으로 알려진 물리 기상 증착(PVD) 공정을 고려해볼 수 있다. 플라즈마는 기판과 표적 사이에 공급되는 아르곤과 같은 기체로부터 형성된다. 표적은 바이어스(bias)되어 있어서 플라즈마 내의 이온이 표적을 향해 가속되도록 한다. 플라즈마의 이온은 표적 물질과 상호작용하며, 물질 원자가 스퍼터링되게 하며, 챔버를 지나 웨이퍼쪽으로 이동하게 하고, 집적회로(IC)로 가공될 반도체 웨이퍼 표면상에 재증착되게 한다. 다른 증착 공정은 플라즈마 강화된 화학 기상 증착법(PECVD), 고밀도 플라즈마 화학 기상 증착법(HDP-CVD), 저압 화학 기상 증착법(LPCVD), 대기압하 화학 기상 증착법(SACVD), 금속유기 화학 기상 증착법(MOCVD), 분자빔 증발 증착법(MBE) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.Many semiconductor processes are typically performed in a sealed chamber containing a vacuum environment, ie an assembly for supporting a wafer substrate disposed therein. In a semiconductor process, a heating device is typically a ceramic support, in which an electrode may be disposed therein for heating the support, and additionally an electrode, ie an electrostatic chuck, that electrostatically holds the wafer or substrate to the ceramic support. Or ESC (or susceptor). Semiconductor device fabrication processes include deposition, etching, implantation, oxidation, and the like, and can occur in a chamber. As an example of a deposition process, a physical vapor deposition (PVD) process, known as sputter deposition, may be considered where a target, typically comprised of a material to be deposited on a wafer substrate, is supported on a substrate and typically adheres to the top of the chamber. have. The plasma is formed from a gas such as argon supplied between the substrate and the target. The target is biased to allow ions in the plasma to accelerate towards the target. Ions in the plasma interact with the target material, causing material atoms to sputter, move past the chamber towards the wafer, and cause redeposition on the semiconductor wafer surface to be processed into an integrated circuit (IC). Other deposition processes include plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), high density plasma chemical vapor deposition (HDP-CVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), atmospheric chemical vapor deposition (SACVD), and metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). And molecular beam evaporation deposition (MBE), but are not limited thereto.
상기 공정중 일부에서는 지지물을 가열함으로써 웨이퍼를 가열하는 것이 바람직하다. 증착, 에칭, 주입 등이 될 물질의 화학반응속도는 웨이퍼 온도에 의해 어느 정도 조절된다. 웨이퍼 전체 영역에서 웨이퍼 온도가 크게 변한다면, 웨이퍼 면상의 증착, 에칭, 주입 등에서 바람직하지 않은 요철형태(unevenness)가 쉽게 발생할 수 있다. 대부분의 경우, 증착, 에칭, 주입이 거의 완벽할 정도로 균일할 것이 요구되는데, 그렇지 않으면 웨이퍼상의 다양한 위치에서 제작되는 IC가 바람직한 것 이상으로 기준에서 벗어나는 전자 특징을 갖기 때문이다.In some of the processes, it is preferable to heat the wafer by heating the support. The chemical reaction rate of the material to be deposited, etched, or implanted is controlled to some extent by the wafer temperature. If the wafer temperature is greatly changed in the entire wafer area, undesirable unevenness may easily occur in deposition, etching, implantation, etc. on the wafer surface. In most cases, deposition, etching, and implantation are required to be nearly uniform, since otherwise ICs fabricated at various locations on the wafer have off-standard electronic features beyond what is desirable.
성형 비구면 렌즈는 저비용 및 우수한 성능으로 인해 일반 카메라, 카메라폰 및 CD 플레이어에서 통상적으로 사용된다. 이들은 레이저 다이오드 시준화에 통상적으로 사용되며, 또한 광학섬유 내부로 또는 그로부터 외부로 빛을 커플링하는데 사용된다. 비구면 렌즈를 제조하기 위해 유리 덩어리를 성형하는데 있어 한 쌍의 금속 또는 세라믹 금형이 사용된다. 이 공정에서 다수의 가열기가 사용되어서, 유리 덩어리가 연화되어서 유리 덩어리 온도가 600℃에 이를 때까지 금형을 가열한다. 반도체 가공 챔버를 사용하는 경우 금형이 균일하게 가열되고 그 온도가 면밀히 조절되는 것이 바람직하다.Molded aspherical lenses are commonly used in ordinary cameras, camera phones and CD players because of their low cost and good performance. They are commonly used for laser diode collimation and are also used to couple light into or out of the optical fiber. A pair of metal or ceramic molds are used to mold the glass gob to make aspherical lenses. In this process a number of heaters are used to heat the mold until the glass mass softens and the glass mass temperature reaches 600 ° C. In the case of using a semiconductor processing chamber, it is preferable that the mold is uniformly heated and its temperature is closely controlled.
선행 기술에서 웨이퍼 또는 성형 렌즈와 같은 기판의 온도를 조절하기 위하여 다양한 시도가 시도되어 왔다. 반도체 공정의 한 예에서 불활성 냉각 기체(헬륨 또는 아르곤과 같은)가 웨이퍼를 고정시키는 ESC 상부와 웨이퍼 하부 사이의 단일의 좁은 공간내에 단일 압력에서 도입된다. 이러한 방법을 후방 기체 냉각법(backside gas cooling)이라고 한다. 대역 냉각, 즉 균일한 온도 조절에 대한 필요성을 취급하는 또 다른 선행 기술은 국소 접촉 면적을 효과적으로 변화시키기 위해 릴리프 패턴(relief pattern)을 절단시키거나 표면 조도를 변화시키는 것이다. 그러나, 대역 냉각에 대한 필요성을 취급하는 또 다른 방법은 그 압력 변화에 의해 열적 이동을 증가시키고 미세-조정(fine-tune)하는 냉각 기체를 사용하는 것이다.Various attempts have been made in the prior art to adjust the temperature of a substrate such as a wafer or a molded lens. In one example of a semiconductor process, an inert cooling gas (such as helium or argon) is introduced at a single pressure in a single narrow space between the top of the ESC and the bottom of the wafer holding the wafer. This method is called backside gas cooling. Another prior art dealing with the need for zone cooling, ie uniform temperature control, is to cut the relief pattern or change the surface roughness to effectively change the local contact area. However, another way to deal with the need for zone cooling is to use a cooling gas that increases and fine-tunes the thermal shift by its pressure change.
미국 특허공보 제2006/0144516A1은 부착물질, 즉 금속 플레이트 및 가열기를 온도 조절되는 기재의 상부 표면에 결합시키는 접착 물질 제 1 층, 및 유전 물질층을 금속 플레이트 상부 표면에 결합시키는 접착 물질 제 2 층을 사용하여 기판 온도를 조절하는 것이다. 접착제는 변화하는 외부 공정 조건하에서 열적 패턴이 유지되도록 하는 물리적 특성을 갖는다.US Patent Publication No. 2006 / 0144516A1 describes an adhesive material, ie, a first layer of adhesive material that couples a metal plate and a heater to a top surface of a temperature controlled substrate, and a second layer of adhesive material that couples a dielectric material layer to a top surface of a metal plate. To control the substrate temperature. The adhesive has a physical property that allows the thermal pattern to be maintained under changing external process conditions.
반도체 소자 제작에서의 웨이퍼 가공동안에 및 유사한 공정에서의 다른 기판에 대해서, 기판에 비교적 균일한 온도 분포를 제공하는 가열 장치 및 그 위에 놓인 기판의 온도를 조절하는 방법이 여전히 필요하다.During wafer processing in semiconductor device fabrication and for other substrates in similar processes, there is still a need for a heating device that provides a relatively uniform temperature distribution to the substrate and a method of controlling the temperature of the substrate thereon.
한 측면에서, 본 발명은 기판을 지지하도록 변형된 상부 표면을 갖는 기재 지지물; 기판을 300℃ 이상의 온도로 가열하기 위한 가열 요소; 및 지지될 기판에 평행한 평면에서 1000W/m℃ 이상의 열 전도성을 가지면서 기판에 배치되어 있는 열분해 흑연 물질층을 포함하되, 이때 기판의 표면 온도는 기판 표면상의 최저 온도 지점과 최고 온도 지점의 최대 온도 차이가 10℃이도록 조정되는, 가공 챔버에서 기판을 지지하고 기판의 표면 온도를 조정하기 위한 장치에 관한 것이다.In one aspect, the invention provides a substrate support having a top surface modified to support a substrate; A heating element for heating the substrate to a temperature of at least 300 ° C .; And a layer of pyrolytic graphite material disposed on the substrate with a thermal conductivity of at least 1000 W / m ° C. in a plane parallel to the substrate to be supported, wherein the surface temperature of the substrate is a maximum of the lowest and highest temperature points on the substrate surface. A device for supporting a substrate in a processing chamber and adjusting the surface temperature of the substrate, the temperature difference being adjusted to be 10 ° C.
또 다른 측면에서 본 발명은 기판을 지지하도록 변형된 상부 표면을 갖는 기재 지지물; 기판을 300℃ 이상의 온도로 가열하기 위한 가열 요소; 및 지지될 기판에 평행한 평면에서 1000W/m℃ 이상의 열 전도성을 가지면서 기판에 배치되어 있는 열분해 흑연 물질(TPG)층을 갖는 장치상에서 기판을 가공하되, 이때 기판의 표면 온도는 기판 표면상의 최저 온도 지점과 최고 온도 지점의 최대 온도 차이가 10℃이도록 조정되는, 기판의 표면 온도를 조정하는 방법에 관한 것이다.In another aspect, the invention provides a substrate support having a top surface modified to support a substrate; A heating element for heating the substrate to a temperature of at least 300 ° C .; And processing the substrate on a device having a layer of pyrolytic graphite material (TPG) disposed on the substrate with thermal conductivity of at least 1000 W / m ° C. in a plane parallel to the substrate to be supported, wherein the surface temperature of the substrate is at the lowest A method of adjusting the surface temperature of a substrate is adjusted such that the maximum temperature difference between the temperature point and the highest temperature point is 10 ° C.
어림잡는(approximating) 용어가 본원에서 사용될 때에는 관련되는 기본적인 기능에 변화를 주지 않으면서 변할 수 있는 임의의 정량적인 표현을 조정하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약" 및 "실질적으로"와 같은 용어에 의해 조정되는 값은 일부 경우에는 명시된 정확한 값에 한정되지 않을 수 있다.Approximating terms, when used herein, may be applied to adjust any quantitative expression that may change without changing the underlying function involved. Thus, the value adjusted by terms such as "about" and "substantially" may not in some cases be limited to the exact value specified.
"가열 장치"가 본원에서 사용될 때에는 구체적으로는 기판을 가열 또는 냉각시킴으로써 그 위에 지지된 기판의 온도를 조정하는 하나 이상의 가열 및/또는 냉각 요소를 함유하는 장치를 말하는 "처리 장치", "가열기", "정전척", "척" 또는 "가공 장치"와 바꿔 사용할 수 있다.When a "heating device" is used herein, specifically "processing device", "heater" refers to a device containing one or more heating and / or cooling elements that adjust the temperature of the substrate supported thereon by heating or cooling the substrate. It can be used interchangeably with "electrostatic chuck", "chuck" or "processing device".
"기판"이란 용어가 본원에서 사용될 때에는 본 발명의 가공 장치에 의해 지지/가열되는 반도체 웨이퍼 또는 유리 금형을 말한다. 본원에서 사용될 때 "시이트(sheet)"는 "층"과 바꿔 사용할 수 있다.The term "substrate" as used herein refers to a semiconductor wafer or glass mold supported / heated by the processing apparatus of the present invention. As used herein, "sheet" can be used interchangeably with "layer."
"회로"라는 용어가 본원에서 사용될 때에는 "전극"과 바꿔 사용할 수 있으며, "가열 요소"라는 용어는 "가열 전극", "전극", "레지스터", "가열 레지스터" 또는 "가열기"와 바꿔 사용할 수 있다. "회로"란 용어는 하나 이상의 단위가 존재함을 나타내면서 단수 형태 또는 복수 형태로 사용될 수 있다.As used herein, the term "circuit" can be used interchangeably with "electrode" and the term "heating element" is used interchangeably with "heating electrode", "electrode", "register", "heating resistor" or "heater". Can be. The term "circuit" may be used in the singular or plural form indicating that one or more units are present.
본원에서 사용될 때 열 균일성 또는 비교적 균일한 온도는 기판상의 최고 및 최저 온도 지점간의 차이가 10℃ 미만임을 의미한다. 한 양태에서 열 균일성은 기판 온도가 최고 및 최저 온도간의 차이가 7℃ 미만이 되도록 비교적 균일함을 의미한다. 또 다른 양태에서, 기판 온도는 5℃ 미만의 편차 범위내에서 유지된다. 제 4 양태에서 기판 온도는 2℃ 미만의 편차를 갖도록 균일하게 유지된다.As used herein, thermal uniformity or relatively uniform temperature means that the difference between the highest and lowest temperature points on the substrate is less than 10 ° C. In one embodiment thermal uniformity means that the substrate temperature is relatively uniform such that the difference between the highest and lowest temperatures is less than 7 ° C. In another embodiment, the substrate temperature is maintained within a deviation range of less than 5 ° C. In a fourth aspect, the substrate temperature is kept uniform so as to have a deviation of less than 2 ° C.
반도체 웨이퍼 또는 유리 렌즈와 같은 기판을 가공하기 위한 플라즈마 챔버에서 기판 온도는 공정에 크게 영향을 미친다. 처리되는 기판 온도를 균일하게 조정하는 가공 장치의 경우, 장치가 기판 표면 온도를 시간적 및 공간적으로 조절하는 것이 바람직하다. 흑연은 지정된 방향으로 열을 보내는 독특한 능력을 갖는 이방성 물질이다. 열분해 흑연(TPG)은, 서로에 대해 고도로 정렬 또는 배향되고 잘 정렬된 탄소층 또는 고도의 지정된 미소결정 배향을 갖는 상당한 크기의 미소결정으로 이루어진 독특한 흑연 물질이다. TPG는 "고 배향된 열분해 흑연("HOPG") 또는 압축 단련된 열분해 흑연("CAPG")과 바꿔 사용될 수 있다. TPG는 1000W/m-K보다 큰 면내(in-plane)(a-b 방향) 열 전도성을 갖는 반면, 면외(out-of-plane)(z-방향) 열 전도성은 20 내지 30W/m-K 범위인 극단적인 열 전도성이다. 한 양태에서, TPG는 1,500W/m-K보다 큰 면내 열 전도성을 갖는다.In a plasma chamber for processing a substrate such as a semiconductor wafer or glass lens, the substrate temperature greatly affects the process. In the case of a processing apparatus that uniformly adjusts the substrate temperature to be treated, it is preferable that the apparatus adjust the substrate surface temperature temporally and spatially. Graphite is an anisotropic material with a unique ability to send heat in a specified direction. Pyrolytic graphite (TPG) is a unique graphite material consisting of highly aligned or oriented and well aligned carbon layers or highly sized microcrystals with highly specified microcrystalline orientations with respect to each other. TPG can be used interchangeably with "highly oriented pyrolytic graphite (" HOPG ") or compression-annealed pyrolytic graphite (" CAPG "). TPG has an in-plane (ab direction) thermal conductivity of greater than 1000 W / mK. Whereas the out-of-plane (z-direction) thermal conductivity is extreme thermal conductivity ranging from 20 to 30 W / mK In one embodiment, the TPG has an in-plane thermal conductivity of greater than 1,500 W / mK.
가열기 장치의 다양한 양태에서 TPG 한층 이상이 가열기에 매립되어 있어서 기판의 표면 온도를 공간적으로 조절하고 가열기 장치내의 다양한 구성성분의 온도차를 방산시켜서, 예컨대 불완전한 요철 형태의 접촉 표면을 갖는 가열 요소에서도 표적 기판 온도가 비교적 균일하도록 한다. 작업시에 반도체 웨이퍼 기판 또는 유리 금형은 전형적으로 300℃ 이상의 온도로 가열된 다음 실온으로 냉각된다. 하나 이상의 매립된 TPG층을 갖는 가열 장치는 가열/냉각 요소 사이에서 효과적인 열 전도/냉각 및 우수한 열 균일성을 갖는 기판을 제공한다.In various embodiments of the heater device, one or more layers of TPG are embedded in the heater to spatially adjust the surface temperature of the substrate and to dissipate the temperature difference of the various components in the heater device, such as in a heating element having a contact surface in the form of an indented concave-convex shape. Allow the temperature to be relatively uniform. In operation, the semiconductor wafer substrate or glass mold is typically heated to a temperature of at least 300 ° C. and then cooled to room temperature. Heating devices having one or more embedded TPG layers provide a substrate with effective thermal conduction / cooling and good thermal uniformity between heating / cooling elements.
한 양태에서, TPG층은 약 0.5mm 내지 15mm 범위의 두께를 가지며, 두께 편차(평행 위치)는 0.005mm 이내이다. 또 다른 양태에서, TPG층은 1mm 내지 10mm 범위의 두께를 갖는다. 제 3 양태에서, TPG층은 2mm 내지 8mm 범위의 두께를 갖는다. TPG층은 그 자체로 단일 층으로서 본 발명의 가열기에 매립되어 있거나, 또는 금속 기판을 갖는 가열기에 대한 한 양태에서는(도 2 및 도 3a 내지 3c 참고) TPG층은 캡슐화된 형태, 예컨대 구조적 금속 쉘(shell)내에 캡슐화된 TPG 코어일 수 있다. 캡슐화된 TPG는 지이 어드밴스트 세라믹스(GE Advanced Ceramics, 미국 오하이오주 스트롱즈빌 소재)에서 TC1050(등록상표명) 캡슐화된 TPG로 시판되고 있다. TPG는 연속된 단일 시이트로서, 또는 도 5b 및 7e에 예시된 바와 같은 한 양태에서는 중첩/모자이크 구성형태의 복수의 작은 TPG 조각으로서 가열기에 포함될 수 있다.In one embodiment, the TPG layer has a thickness in the range of about 0.5 mm to 15 mm and the thickness deviation (parallel position) is within 0.005 mm. In another embodiment, the TPG layer has a thickness in the range of 1 mm to 10 mm. In a third aspect, the TPG layer has a thickness in the range of 2 mm to 8 mm. The TPG layer is itself embedded as a single layer in the heater of the present invention, or in one embodiment for a heater having a metal substrate (see FIGS. 2 and 3A-3C), the TPG layer is in encapsulated form, such as a structural metal shell. TPG core encapsulated in (shell). Encapsulated TPG is commercially available as TC1050® encapsulated TPG from GE Advanced Ceramics (Strongsville, Ohio). The TPG may be included in the heater as a single continuous sheet or in one aspect as illustrated in FIGS. 5B and 7E as a plurality of small TPG pieces in an overlap / mosaic configuration.
한 양태에서 TPG는 이들이 접촉하는 아래에 놓인 기판 및/또는 오버코트를 단지 접착시킴으로써 가열기내에서 적소에 고정되고 매립되어 있다. 또 다른 양태에서 TPG(순수한 TPG 시이트 형태, 또는 직사각형, 정사각형 조각과 같은 작은 조각 크기; 무작위 크기; 또는 "스트립" 형태의 순수한 열분해 흑연으로서 금속 외피내에 캡슐화된 TPG 코어로서)는 당업계에 공지된 고온 접착제, 예컨대 열이동계수를 갖는 실리콘 결합제인 아렘코(Aremco)사의 세람본드(CERAMBOND)를 이용하여 적소에 접착된다.In one embodiment the TPG is fixed and embedded in place in the heater by merely adhering the underlying substrate and / or overcoat they contact. In another embodiment, TPG (pure TPG sheet form, or small piece sizes such as rectangular, square pieces; random sizes; or as TPG cores encapsulated in the metal shell as pure pyrolytic graphite in "strip" form) are known in the art. It is bonded in place using a high temperature adhesive, such as CERAMBOND from Aremco, a silicone binder having a thermal transfer coefficient.
이용되는 물질, 구성성분의 어셈블리, 이들의 제조방법 및 도면에 관련된 언급과 함께 가열 장치의 양태가 하기와 같이 설명된다.Embodiments of the heating apparatus are described as follows with reference to the materials used, the assembly of the components, their preparation methods and the figures.
가열 장치의 일반적인 양태General aspect of the heating device
한 양태에서 내부에 전극(16)이 묻혀 있는(도시되어 있지 않음) 원반형 금속 또는 세라믹 기판(12)을 포함하며 이의 상부 표면(13)이 예컨대 300mm의 전형적인 직경을 갖는 웨이퍼 또는 유리 금형인 기판(W)에 대한 지지 표면으로 기능하는 가열 장치(33)가 도 1에 예시되어 있다. 한 양태에서 상부 표면(13)은 높은 평면도(0.05mm 표면 편차내)로 제조되어서 기판(W)의 온도 조절을 보다 강화시킨다. 가열 레지스터에 전기를 공급하기 위한 전기 단자(15)가 기판(12)의 하부 표면 중심에 또는 한 양태에서는 기판(12)의 측면에 부착되어 있을 수 있다.In one embodiment a substrate comprising a disk metal or
한 양태에서 상부 표면(13)은 비교적 균일한 온도를 가져서, 즉 상부 표면상의 최고 및 최저 온도간의 차이가 10℃ 미만이다. 제 2 양태에서 온도차는 5℃ 미만이다. 상부 표면(13)의 온도 균일성은 가열될 기판(W)의 균일한 온도에 상응한다. 한 양태에서 기판(W)의 최대 온도 편차는 5℃이고, 제 2 양태에서 기판의 최대 온도 편차는 2℃이다.In one embodiment the
가열기 장치에서 하나 이상의 전극이 이용될 수 있다. 용도에 따라 전극은 저항 가열 요소, 플라즈마-발생 전극, 정전척 전극 또는 전자-빔 전극으로 기능할 수 있다. 전극은 가열기 기판내에서 상부쪽으로(웨이퍼 기판에 근접하게) 매립되어 있거나 하부쪽으로(웨이퍼 기판으로부터 멀리) 매립되어 있을 수 있다. 하부 위치는 전극 패턴을 방산시키고 웨이퍼 기판으로의 열 분포를 돕는다.One or more electrodes may be used in the heater device. Depending on the application, the electrodes can function as resistive heating elements, plasma-generating electrodes, electrostatic chuck electrodes or electron-beam electrodes. The electrode may be buried upwards (close to the wafer substrate) or buried downwards (away from the wafer substrate) in the heater substrate. The lower position dissipates the electrode pattern and aids in the heat distribution to the wafer substrate.
한 양태에서 전극은 필름 전극 형태이고, 스크린-프린팅, 스핀 코팅, 플라즈마 스프레이, 스프레이 열분해, 반응성 스프레이 증착, 졸-겔, 연소 토치(torch), 전기 아크, 이온 도금, 이온 주입, 스퍼터링 증착, 레이저 융제, 증발 증착, 전기도금 및 레이저 표면 합금을 비롯한 당업계에 공지된 공정에 의해 형성된다. 한 양태에서, 필름 전극은 고 융점을 갖는 금속, 예컨대 텅스텐, 몰리브덴, 레늄, 백금 또는 이들의 합금을 포함한다. 또 다른 양태에서 필름 전극은 하프늄, 지르코늄, 세륨의 탄화물 또는 산화물, 및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함한다.In one embodiment the electrode is in the form of a film electrode, screen-printing, spin coating, plasma spray, spray pyrolysis, reactive spray deposition, sol-gel, combustion torch, electric arc, ion plating, ion implantation, sputter deposition, laser It is formed by processes known in the art including flux, evaporation deposition, electroplating and laser surface alloys. In one embodiment, the film electrode comprises a metal having a high melting point, such as tungsten, molybdenum, rhenium, platinum or alloys thereof. In another embodiment the film electrode comprises one or more of hafnium, zirconium, carbides or oxides of cerium, and mixtures thereof.
또 다른 양태에서 전극층은 긴 연속된 열분해 흑연 스트립의 형태이다. 열분해 흑연("PG")은 우선 화학적 기상 증착법과 같은 당업계에 공지된 공정에 의해 가열기 기재, 예컨대 열분해 질화붕소 코팅된 흑연 기재상에 우선 증착된다. 이어서, PG는 예정된 패턴, 예컨대 나선형 또는 꾸불꾸불한 형태 등으로 기계가공된다. 가열 대역의 전기 패턴의 형성, 즉 전기적으로 단리된 저항 가열기 경로는 미세 기계가공, 미세 브레이딩(micro-brading), 레이저 절단, 화학적 에칭 또는 e-빔 에칭을 비롯한(그러나, 이에 한정되지는 않는다) 당업계에 공지된 방법에 의해 실시될 수 있다.In another embodiment the electrode layer is in the form of a long continuous pyrolytic graphite strip. Pyrolytic graphite (“PG”) is first deposited on heater substrates, such as pyrolytic boron nitride coated graphite substrates, first by processes known in the art such as chemical vapor deposition. The PG is then machined into a predetermined pattern, such as a spiral or serpentine shape. The formation of the electrical pattern of the heating zone, ie the electrically isolated resistive heater path, includes, but is not limited to, micromachining, micro-brading, laser cutting, chemical etching or e-beam etching. ) May be carried out by a method known in the art.
금속 가열기Metal burner
가열기의 양태는 도 2에 예시된 바와 같이 선행 기술의 다양한 양태를 먼저 언급함으로써 설명될 수 있다. 도 2에서 선행 기술의 가열기(33)는 고온 물질, 예컨대 A6061과 같은 구리 또는 알루미늄 합금으로 제조된 금속 기판(1000)을 포함한다. 전극(4001)은 금속 기판(1000)내에 매립되어 있다. 한 양태에서 전극은 칼로드(Calrod: 등록상표명) 가열 요소로 시판되는 열 전도성 세라믹 절연체에 의해 둘러싸인 전기 와이어를 포함한다. 한 양태에서 칼로드(등록상표명) 가열 요소는 가열기의 상부 표면에 걸쳐 맞춤형(tailored) 열 분포를 제공하기 위하여 균일하지 않은 꾸불꾸불한 패턴을 갖는다.Aspects of the heater can be described by first referring to various aspects of the prior art as illustrated in FIG. 2. The
도 2에 예시된 바와 같은 선행 기술의 전형적인 양태에서 매립된 가열 요소(4001)에 의해 발생되는 온도는 균일하게 분포되지 않아서, T1-T2는 실질적으로 50℃ 이상 차이날 수 있다. 결과적으로 가열기의 상부면상의 온도, 예컨대 T1' 및 T2'는 일반적으로 20℃ 또는 그 이상일 수 있는 온도차를 가지며 균일하게 분포되지 않는다. 결과적으로, 기판(W)상의 온도 분포는 2개의 극단적인 온도 지점 사이에서 10℃ 보다 클 수 있는 온도차를 가지며 균일하게 분포되지 않는다. 균일하지 않은 웨이퍼 온도(예컨대, T1"-T2" > 10℃)는 반도체 소자 제작에서 수율에 손실을 일으킬 수 있으므로 반도체 가공 측면에서 바람직하지 않다.In a typical embodiment of the prior art as illustrated in FIG. 2, the temperature generated by the embedded
도 3a 내지 3c에 예시된 바와 같은 금속 가열기의 양태에서, 기판(W)에 걸쳐 비교적 균일한 온도를 갖도록 하나 이상의 TPG 열 방출판(600)이 금속 기판(1000)에 매립되어 있어서 기판(W)에 대한 열 제거 및/또는 분포를 공간적으로 분포시키 고 조정한다. 한 양태에서 열 방출판(600)은 구조적 금속 쉘내에 캡슐화된 TPG 코어를 포함한다.In embodiments of the metal heater as illustrated in FIGS. 3A-3C, one or more TPG
도 3a는 열 전도성 세라믹 절연체(도시되어 있지 않음)에 의해 둘러싸여 있고 금속 기판(1000)내에 매립되어 있는 전기 와이어 형태의 전극(4001)을 갖는 금속 가열기의 한 양태를 예시한다. 도 3b는 금속 기판, 및 5 내지 1000㎛ 범위의 두께를 갖고 전기적으로 절연되어 있으며 금속 기재 기판(18)상에 형성된 필름 전극(4001)을 갖는 가열기의 또 다른 양태를 예시한다. 도 3c는 금속 기판을 갖는 가열기(33)의 또 다른 양태를 예시한다. 금속 기판(1)은 구리 또는 알루미늄 합금을 포함하고, 및 다수의 수-냉각 경로(2) 및 전기 가열 코일(3)을 하우징한다. 금속 기판(1)의 상부면은 다이아몬드형 탄소(DLC)를 포함하는 2개의 유전층(5, 7) 사이에 위치한 전도성 전극층(6)을 포함한다. TPG층(4)은 가열기(3), 냉각기(2) 및 상부면 사이에 첨가된다. TPG층은 이의 이방성 열 전도성으로 인해 열 전도성을 강화시키고, 가열기(33)(도시되지 않음)상에 위치한 웨이퍼에 대한 온도 분포를 조정한다. 가열기 어셈블리 외부에는 열 균일성을 추가로 강화시키기 위하여 알루미나와 같은 열 절연 물질로 된 환형 고리(8)를 갖는다.3A illustrates one aspect of a metal heater having an
세라믹 코어 가열기Ceramic core burner
세라믹 코어를 갖는 가열기의 양태는 도 4에 도시된 바와 같이 선행 기술의 세라믹 코어 가열기를 우선 언급함으로써 설명될 수 있다. 세라믹 코어 가열기에서 기재 기판(18)은 B, Al, Si, Ga, Y, 내화경질합금 및 전이 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 탄질화물 및 산질화물; 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 전기 절연 물질(예컨대, 소결된 기판)을 포함한다. 기재 기판(10)은 높은 내마모성 및 높은 내열성을 갖는 것을 특징으로 한다. 한 양태에서, 기재 기판(10)은 99.7%보다 높은 순도의 AlN, 및 Y2O3, Er2O3 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 소결제를 포함한다.The aspect of the heater with the ceramic core can be described by first referring to the ceramic core heater of the prior art as shown in FIG. The substrate substrate 18 in the ceramic core heater comprises oxides, nitrides, carbides, carbonitrides and oxynitrides of elements selected from the group consisting of B, Al, Si, Ga, Y, refractory hard alloys and transition metals; And electrically insulating materials selected from the group consisting of combinations thereof (eg, sintered substrates). The
기재 기판(10)은 전기 절연성인 오버코트층(30)으로 코팅된다. 한 양태에는 오버코트층(30)과 기재 기판(10) 사이의 접착 강화를 돕기 위해 임의의 연결층(도시되어 있지 않음)이 존재한다. 전기 전도성 물질의 예는 흑연; W 및 Mo와 같은 내화성 금속, 전이 금속, 희토류 금속 및 합금; 하프늄, 지르코늄 및 세륨의 산화물 및 탄화물; 및 이들의 혼합물을 포함한다.
오버코트층(30)과 관련하여, 상기 층(30)은 B, Al, Si, Ga, Y, 내화경질합금 및 전이 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 탄질화물 또는 산질화물; 알루미늄의 산화물 또는 산질화물; 이들의 조합물; NaZr2(PO4)3의 NZP 구조를 갖는 고-열 안정성 지르코늄 포스페이트; 2a족, 3a족 및 4a족 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 함유하는 유리-세라믹 조성물; BaO-Al2O3-B2O3-SiO2 유리; 및 SiO2, 및 Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu, Dy 등의 산화물 또는 불화물, 또는 이트륨-알루미늄-가닛(YAG)을 포함하는 내플라즈마성 물질의 혼합물; 및 이들의 조합물중 하나 이상을 포함한다.With respect to the
임의적인 연결층과 관련하여, 상기 층은 Al, Si, 및 Ta, W, Mo을 비롯한 내화성 금속, 및 티탄, 크롬, 철을 비롯한 전이 금속으로 이루어진 군으로부터 선택 된 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕소화물, 산화물, 산질화물; 및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함한다. 예로는 TiC, TaC, SiC, MoC 및 이들의 혼합물을 포함한다.With regard to the optional linking layer, the layer is Al, Si, and nitrides, carbides, carbonitrides of elements selected from the group consisting of refractory metals including Ta, W, Mo, and transition metals including titanium, chromium, iron Borides, oxides, oxynitrides; And mixtures thereof. Examples include TiC, TaC, SiC, MoC and mixtures thereof.
최적의 회로 디자인을 갖는 전도성 전극(41)은 세라믹 기판(10)상에 형성된다. 전극(41)은 텅스텐, 몰리브덴, 레늄, 백금 및 이들의 합금; 주기율표의 IVa, Va 및 VIa족에 속하는 금속의 탄화물 및 질화물; 하프늄, 지르코늄 및 세륨의 탄화물 또는 산화물, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함한다. 한 양태에서 전극(41)은 기판(10)(또는 이의 코팅층(30))의 CTE에 근접한 CTE를 갖는 물질을 포함한다. CTE를 근접하게 한다는 것은 한 물질이 제 2 물질의 CTE의 0.75 내지 1.25 범위의 CTE를 가짐을 의미한다.
선행 기술의 가열기에서 기판(W)상의 온도 분포는 전형적으로 균일하게 분포되지 않는데, 예를 들어 T1"-T2"가 10℃보다 크다. 도 5a 내지 5e에 예시된 바와 같은 세라믹 코어를 갖는 가열기의 다양한 양태에서, 한 양태에서 T1"-T2"가 10℃ 미만, 다른 양태에서는 5℃ 미만인 비교적 균일한 온도 분포를 갖는 기판(W)에서 비교적 균일한 온도가 되도록, 매립되어 있는 TPG 열 방출판(600)은 기판(W)에 대한 열 제거 및/또는 분포를 공간적으로 분포시키고 조정한다.In prior art heaters the temperature distribution on the substrate W is typically not uniformly distributed, for example T1 "-T2" is greater than 10 ° C. In various embodiments of a heater with a ceramic core as illustrated in FIGS. 5A-5E, in a substrate W having a relatively uniform temperature distribution in which, in one embodiment, T1 "-T2" is less than 10 ° C and in other embodiments less than 5 ° C. The embedded TPG
도 5a에 예시된 바와 같은 한 양태에서 하나 이상의 TPG층(600)이 최종 소결 공정 이전에 그린체(green body)의 두 층(또는 슬래브) 사이에 삽입된다. 또 다른 양태에서 TPG층은 고온 압축 이전에 세라믹 물질, 예컨대 AlN내로 삽입된다. 또 다른 양태에서, TPG층(순수한 TPG 형태 또는 캡슐화된 TPG 형태)은 슬립 캐스 팅(slip casting)을 비롯한(그러나, 이에 한정되지는 않는다) 당업계에 공지된 공정을 통해 세라믹 기판내에 매립된다. TPG층이 매립된 후에 전극(41)은 세라믹 기판(10)상에서 패턴화되며, 전극(41)을 따라 기재 기판은 전기 절연층(30)으로 오버코트된다.In one embodiment as illustrated in FIG. 5A, one or more TPG layers 600 are inserted between two layers (or slabs) of green body prior to the final sintering process. In another embodiment, the TPG layer is inserted into a ceramic material, such as AlN, prior to hot compression. In another embodiment, the TPG layer (pure TPG form or encapsulated TPG form) is embedded in the ceramic substrate through processes known in the art, including but not limited to slip casting. After the TPG layer is embedded, the
도 5b에 예시된 바와 같은 가열기의 또 다른 양태에서, TPG 두 층은 세라믹 기판에서 이용된다. 도시된 바와 같이 세라믹 물질층간의 접착을 증진시키기 위하여 TPG층을 통해 정공이 천공된다. 정공은 보다 우수한 온도 분포 및 조정을 위해 서로 오프셋(offset)되도록 위치할 수 있다.In another embodiment of the heater as illustrated in FIG. 5B, two layers of TPG are used in the ceramic substrate. As shown, holes are drilled through the TPG layer to promote adhesion between the ceramic material layers. Holes can be positioned to offset one another for better temperature distribution and adjustment.
도 5c에서 TPG층은 이전 양태에서와 같이 세라믹 기판(10)내에 매립되어 있지 않다. 본 양태에서 TPG층은 오버코트(30)를 적용하기 이전에 세라믹 기판(10)의 상부(전극(41)의 반대편)에 위치한다. 한 양태에서 TPG층(600)은 오버코트(30)가 적용되기 이전에 우선 세라믹 기판(10)에 단단히 접착된다.In FIG. 5C, the TPG layer is not embedded in the
도 5d에, 소결을 통해 세라믹 기판(10)에 매립되기 이전에 TPG층(600)은 세라믹 코팅층 또는 연결층(도시되어 있지 않음)에 의해 우선 코팅되는 가열기(33)가 제공되어 있다. 한 양태에서 TPG층(600)의 코팅은 Al, Si, 및 Ta, W, Mo을 비롯한 내화성 금속, 및 티탄, 크롬, 철을 비롯한 전이 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕소화물, 산화물, 산질화물; 및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함한다. In FIG. 5D, a
도 5e는 가열기가 또한 정전척으로 기능하는 양태를 예시한다. 본 양태에서 층(70, 72)은 동일하거나 상이한 유전물질, 예컨대 알루미나 또는 다이아몬드형 탄 소(DLC)를 포함한다. 층(71)은 척 전극, 예컨대 금속화 필름과 같은 전도성 층이다. 상기 층은 당업계에 공지된 고온 접착제를 사용하여 서로에 또한 기판(10)에 결합된다. 하나 이상의 TPG층(TPG 시이트 또는 캡슐화된 TPG 코어로서)(600)은 당업계에 공지된 세라믹 제작 방법을 이용하여 패턴화되고 세라믹 코어(10)에 매립된다.5E illustrates an embodiment in which the heater also functions as an electrostatic chuck.
도 5f에서 열분해 흑연층(600)은 당업계에 공지된 세라믹 제작 방법을 이용하여 패턴화되고 세라믹 코어(10)에 매립되지만, 본 양태에서 TPG층(600)은 또한 열 방출판 뿐만 아니라 연속 전극으로도 기능한다. TPG는 또한 ~0.5 x 10-3ohm-cm 저항을 갖는 전기 전도성이므로, 기판 온도가 조정될 수 있는 경우에는 가열 요소로서 기능한다. 또한, TPG의 높은 열 전도성은 발생되는 열을 더욱 균일하게 분포시키고, 그 결과 원하는 열 균일성을 얻을 수 있도록 돕는다.In FIG. 5F, the
도 5g에서 TPG층은 세라믹 기판내에 매립되어 있고 외부 전원 또는 접지에 전기적으로 접속된다. 높은 열 전도성 평면으로의 기능 이외에, 상기 구성형태의 TPG층은 웨이퍼 가공 장치내부의 플라즈마를 강화시키기 위한 RF 전극으로, 또는 RF장 및 가열 요소 사이의 전기 간섭을 제거하기 위한 RF 차폐물로서 사용될 수도 있다.In FIG. 5G, the TPG layer is embedded in the ceramic substrate and electrically connected to an external power source or ground. In addition to its function as a high thermal conductivity plane, the TPG layer of this configuration may be used as an RF electrode to enhance plasma inside the wafer processing apparatus, or as an RF shield to eliminate electrical interference between the RF field and the heating element. .
도 5h는 서셉터(20)가 가열기(33)의 상부상에 놓인 양태를 예시한다. 서셉터를 제조하기 위해 당업계에 공지된 물질, 예컨대 금속, 세라믹, 흑연, 중합성 물질 또는 이들의 조합물을 포함하는 서셉터(20)내에 TPG층(600)이 캡슐화되어 있다. TPG의 높은 열 전도성 방향은 TPG층(600)의 평면내에 있다. 한 양태에서 서셉터(20)는 알루미늄을 포함한다. 또 다른 양태에서 서셉터(20)는 TPG층(600)이 캡슐화되어 있는 양극처리된(anodized) 알루미늄을 포함한다.5H illustrates an embodiment in which susceptor 20 rests on top of
도 5i의 양태에서 다수의 작은 TPG 조각 또는 스트립이 수직으로 중첩되는 구성형태로 이용되어서 "줄무늬(stripe)"를 형성한다. 한 양태에서 TPG 스트립의 종방향이 서로에 실질적으로 평행하도록 일렬의 TPG 스트립(600a)이 한 평면내에서 가열기내에 매립되어 있다. 또 다른 일렬의 TPG 스트립(600b)이 제 1 평면(600a)보다 낮은 또 다른 평면에 매립되어 있으며, 스트립(600b)의 종방향은 제 1 평면의 TPG 스트립(600a)의 종방향에 실질적으로 수직이다. 양 평면에서 TPG의 높은 열 전도성 방향은 TPG 스트립의 동일 평면내에 있다. 도 5j는 도 5i의 중첩되는 구성형태의 상면도이다.In the embodiment of FIG. 5I a number of small TPG pieces or strips are used in a vertically overlapping configuration to form a “stripe”. In one embodiment, a row of
흑연 코어 가열기Graphite core burner
흑연 코어 기판(100)을 갖는 선행 기술의 흑연 코어 가열기(33)의 한 양태에 대하여 도 6과 관련하여 언급한다. 흑연이 코어(100)로 표시되어 있으나, 그 용도에 따라 흑연; W 및 Mo와 같은 내화성 금속, 전이 금속, 희토류 금속 및 합금; 하프늄, 지르코늄 및 세륨의 산화물 및 탄화물, 및 이들의 혼합물을 포함한(그러나, 이에 한정되는 것은 아니다) 다른 전기 전도성 물질이 사용될 수 있다. 코어(100)는 전기 절연성인 오버코트층(200), 및 임의로는 오버코트층(200)과 기재 기판 코어(100) 사이의 접착 강화를 돕는 연결층(도시되어 있지 않음)으로 코팅된다. 오버코트층(200)과 관련하여, 상기 층은 B, Al, Si, Ga, Y, 내화경질합금 및 전이 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 탄질화물, 산질화물; 알루미늄의 산화물, 산질화물; 및 이들의 조합물중 하나 이상을 포함한다. 한 예는 열분해 질화붕소(pBN)이다. 임의적인 연결층과 관련하여, 상기 층은 Al, Si, 및 Ta, W, Mo을 비롯한 내화성 금속, 및 티탄, 크롬, 철을 비롯한 전이 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕소화물, 산화물, 산질화물, 및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함한다. 예로는 TiC, TaC, SiC, MoC 및 이들의 혼합물을 포함한다.One aspect of a prior art
전극(401)은, 5 내지 1000㎛ 범위의 두께를 가지며 당업계에 공지된 방법에 의해 전기 절연층(200)상에 형성된 필름 전극(16)을 포함한다. 한 양태에서 필름 전극(401)은 고 융점을 갖는 금속, 예컨대 텅스텐, 몰리브덴, 레늄, 백금 또는 이들의 합금을 포함한다. 또 다른 양태에서 필름 전극(401)은 하프늄, 지르코늄, 세륨의 탄화물 또는 산화물, 및 이들의 혼합물중 하나 이상을 포함한다. 한 실시예에서 18㎛ 필름 두께를 갖는 전해질 구리 포일(foil)이 전극(401)으로 사용된다. 가열기(33)는, B, Al, Si, Ga, Y, 내화경질합금 및 전이 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물 또는 산질화물, 및 이들의 조합물중 하나 이상을 포함하고 25 내지 1000℃ 온도 범위에서 2.0 x 10-6/K 내지 10 x 10-6/K 범위의 CTE를 갖는 내에칭성 보호 코팅 필름(300)으로 추가로 코팅된다. 또 다른 양태에서, 상기 층(300)은 고-열 안정성 지르코늄 포스페이트를 포함한다. 제 3 양태에서 상기 층(300)은 원소주기율표의 2a족, 3a족 및 4a족의 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 함유하는 유리-세라믹 조성물을 함유한다. 적합한 유리-세라믹 조성물의 예는 란탄 알루미노실리케이트(LAS), 마그네슘 알루미노실리케이트(MAS), 칼슘 알루미노실리케이트(CAS) 및 이트륨 알루미노실리케이트(YAS)를 포함한다. 보호 코팅층(300)의 두께는 용도 및 이용되는 공정, 예컨대 CVD, 이온 도금, ETP 등에 따라 1㎛ 내지 수백㎛에서 변한다.The
도 6에 예시된 선행 기술 가열기의 변형으로서 흑연 코어를 갖는 가열기의 다양한 양태에서 가열기는 비교적 균일한 온도 분포를 위해 T1"-T2"가 한 양태에서는 10℃ 미만, 다른 양태에서는 5℃ 미만인 기판(W) 전체에서의 온도를 분포 및/또는 조정하기 위해 하나 이상의 매립된 TPG 열 방출판(600)을 이용한다. 가열기(33)의 다양한 양태가 도 7a 내지 7e에 예시되어 있다.In various embodiments of a heater having a graphite core as a variant of the prior art heater illustrated in FIG. 6, the heater has a substrate (T1 " -T2 " W) Use one or more embedded TPG
도 7a는 TPG 열 방출판(600)이 기재 코팅(200)과 오버코트층(300) 사이에서 가열기에 매립되어 있는 가열기(33)를 예시한다. TPG층(600)은 이들이 접촉하는 오버코트 및 기재 코트를 단지 접착시킴으로써 적소에 고정된다. 한 양태에서 TPG층(600)은 오버코트와 기재 코트 층이 접속되어 접착될 수 있는 선택된 위치에서 다수의 관통정공(through-hole)을 포함한다. 또 다른 양태에서 TPG(600)는 고온 상용성 접착제, 예컨대 아렘코사의 세라마본드(등록상표명) 접착제에 의해 적소에 접착된다.FIG. 7A illustrates a
도 7b에서 TPG 열 방출판(600)이 흑연 기판(100)과 기재 코팅층(200)(기판(W)에 근접한 상부면상에) 사이의 가열기에 매립되어 있다. TPG(600)는 이들이 접촉하고 있는 기재 코트와 기판을 단지 접착시켜서, 또는 기판(100)에 접속되어 더 접착되도록 하기 위하여 기재 코트에 다수의 관통정공을 단지 포함시켜서, 또는 단지 고온 접착제를 사용하여서 적소에 고정될 수 있다. 또 다른 양태에서 열분해 흑연은 흑연 기판(100)상에 증착되며, 이어서 열 단련 공정을 통해 이동되어 흑연 기판(100)에 직접 접착되는 TPG층(600)을 형성한다.In FIG. 7B, the TPG
도 7c는 TPG 열 방출판(600)의 위치를 변화시킨 도 7b의 가열기(33)의 변형으로, TPG 열 방출판(600)이 흑연 기판(100)과 기재 코트(200) 사이에서, 또한 흑연 기판(100)의 하부에서 가열기내에 매립되어 있다.FIG. 7C is a variation of the
도 7d에서 흑연 기판(100)과 기재 코트층(200) 사이에서 가열기의 상부 및 하부 둘다 위에 매립되어 있는 둘 이상의 TPG 열 방출판(600)이 사용된다.In FIG. 7D, two or more TPG
도 7e는 다수의 TPG 열 방출판(600)이 이용되고 가열기(33)의 상부에 매립되어 있는 가열기(33)의 한 양태를 예시한다. 한 양태에서 다수의 관통정공이 TPG층(600)에 제공되어서 흑연 기판, 기재 코트(200) 및 오버코트(300)간의 접착을 증진시킨다. 또 다른 양태에서 작은 TPG 조각이 사용되어서, 대부분의 정공 및 경계의 대부분이 서로에 대해 오프셋되며 중첩층에서 모자이크 구성형태를 형성한다.FIG. 7E illustrates one embodiment of a
예시된 양태에서 최적의 열 디자인을 위해 가열기(33)의 하부에(또는 하부 근처에) 전극이 위치한다. 그러나, 기판상의 균일한 온도 분포를 갖는 가열기를 위해 가열기(33)의 상부(지지 웨이퍼 근처)에 패턴화된 전극을 갖는 다른 양태가 고려된다(도시되어 있지 않음). 또 다른 양태(도시되지 않음)에서, TPG층은 가열기(33)의 상부에 위치한 패턴화된 전극 및 웨이퍼 기판(W) 사이에 위치한다. 또 다른 양태(도시되어 있지 않음)에서 TPG층의 c-방향이 열 유동에 차단물이 되는 TPG층은 개선된 효능 및 가열기 분포를 위해 가열기 패턴아래에 위치한 것만큼 효과적이다.In the illustrated embodiment, the electrode is located at the bottom of (or near) the
본 발명의 가열기는 가공 유리 금형을 위한 플라즈마-에칭 챔버를 비롯한 많은 상이한 공정에서, 또는 원자층 에피택시(ALD), 저압 CVD(LPCVD) 및 플라즈마-강화 CVD(PECVD)를 포함한(그러나, 이에 한정되는 것은 아니다) 반도체 가공 챔버에서 사용될 수 있다.Heaters of the present invention include, but are not limited to, many different processes, including, but not limited to, plasma-etching chambers for processed glass molds, or atomic layer epitaxy (ALD), low pressure CVD (LPCVD), and plasma-enhanced CVD (PECVD). It may be used in a semiconductor processing chamber.
본 발명은 하기 비제한적인 실시예에 의해 추가로 예시된다.The invention is further illustrated by the following non-limiting examples.
실시예Example
실시예에서 가열기 어셈블리를 설계하기 위하여 전산유체역학(CFD) 계산을 실시하였다. 도 8a 및 8b는 선행 기술의 가열기의 성능을 하나 이상의 매립된 TPG층을 갖는 가열기의 한 양태와 비교하기 위해 제작한 모델의 개략적인 도면이다. 모델은 축-대칭적인 2차원 모델이다.In the examples, computational fluid dynamics (CFD) calculations were performed to design heater assemblies. 8A and 8B are schematic diagrams of models fabricated to compare the performance of prior art heaters with one embodiment of a heater having one or more embedded TPG layers. The model is an axis-symmetric two-dimensional model.
선행 기술의 가열기 모델에서 소결된 AlN은 160W/m-K의 등방성 열 전도성을 갖는 세라믹 코어에 사용된다. 본 발명의 가열기의 한 양태의 모델에서 TPG층은 소결된 AlN 세라믹 코어에 매립되어 있다. TPG층은 수평면에서 1500W/m-K의 이방성 열 전도성을 갖고, 수직면에서 20W/m-K의 이방성 열 전도성을 갖는다. 계산에서 TPG와 AlN 사이의 완전한 접촉이 예상된다. TPG 두께(th) 및 TPG가 위치하는 상부 표면으로부터의 거리(d)는 변한다.Sintered AlN in prior art heater models is used in ceramic cores with isotropic thermal conductivity of 160 W / m-K. In a model of one embodiment of the heater of the present invention, the TPG layer is embedded in a sintered AlN ceramic core. The TPG layer has anisotropic thermal conductivity of 1500 W / m-K in the horizontal plane and anisotropic thermal conductivity of 20 W / m-K in the vertical plane. In the calculations, full contact between TPG and AlN is expected. The TPG thickness th and the distance d from the top surface on which the TPG is located vary.
모델에서, 단일 웨이퍼를 변하는 전력 입력 수준에 의해 가열한다. 전력을 기판/전극 시스템의 하부에 있는 전극에 입력하고, 온도는 위치 함수로서 구조물 상부에서 결정한다. 상기 데이터로부터 최고 및 최저 온도차가 계산된다. 설명된 바와 같이, 표면(0.4의 가상 방사율을 가짐)은 0℃ 배경 온도를 갖는 자유 공간으로 방사된다. 웨이퍼 표면상의 온도 균일성은 웨이퍼 표면에 걸쳐 놓인 열전쌍에 의해 측정되는 최고 온도 및 최저 온도간의 차로 정의된다. 균일성의 필요는 금속유기 화학 기상 증착법(MOCVD) 공정의 경우에 엄격하다. 따라서, 온도 균일성에서의 1℃ 변화가 증착 공정에 영향을 끼친다. 컴퓨터 모델의 결과가 도 9 내지 12에 예시되어 있다.In the model, a single wafer is heated by varying power input levels. Power is input to the electrode at the bottom of the substrate / electrode system and the temperature is determined on top of the structure as a function of position. From these data, the highest and lowest temperature differences are calculated. As explained, the surface (with a virtual emissivity of 0.4) is radiated into free space with a 0 ° C. background temperature. Temperature uniformity on the wafer surface is defined as the difference between the highest temperature and the lowest temperature measured by a thermocouple placed across the wafer surface. The need for uniformity is strict for metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) processes. Thus, a 1 ° C. change in temperature uniformity affects the deposition process. The results of the computer model are illustrated in Figures 9-12.
도 9는 전극내에 10W, 200W 및 1000W 전력을 입력한 선행 기술 가열기에서 웨이퍼 온도의 프로필이다. 웨이퍼 구조물의 상부면상의 온도 분포를 모델로 한다.9 is a profile of wafer temperature in a prior art heater with 10 W, 200 W and 1000 W power inputs in the electrode. Model the temperature distribution on the top surface of the wafer structure.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 가열기의 다양한 양태의 프로필이다. 도 10은 AlN 코어 기판에 매립된 1mm 두께의 TPG층이 사용된 가열기의 온도 프로필을 나타낸다. TPG층은 상부로부터 2.5mm 떨어진 곳에 위치하지만, 상기 결과는 온도 분포가 TPG층의 위치에 비교적 영향을 받지 않음을 나타낸다.10-12 are profiles of various embodiments of heaters of the present invention. 10 shows the temperature profile of a heater using a 1 mm thick TPG layer embedded in an AlN core substrate. The TPG layer is located 2.5 mm away from the top, but the results indicate that the temperature distribution is relatively unaffected by the position of the TPG layer.
도 11에서, 보다 두꺼운 3mm 두께의 TPG층이 AlN 코어 가열기의 한 양태에 매립되어 있으며, 이때 10W, 200W 또는 1000W 전력이 전극에 입력된다. 결과는 특히 보다 낮은 전력 입력에서 온도 균일성이 크게 향상됨을 나타낸다. 또한, 모델 결과는 온도 분포가 TPG층의 위치에 비교적 영향을 받지 않음을 나타낸다.In FIG. 11, a thicker 3 mm thick TPG layer is embedded in one embodiment of an AlN core heater, with 10 W, 200 W or 1000 W power input to the electrode. The results show a significant improvement in temperature uniformity, especially at lower power inputs. The model results also indicate that the temperature distribution is relatively unaffected by the position of the TPG layer.
도 12는 가열기 상부로부터(웨이퍼에서 멀어지는 쪽으로) 2.5mm 떨어진 곳에 6mm 두께의 TPG층이 매립된 구조물 상부면상에서의 현저하게 균일한 온도 분포를 나타낸다. Tmax-Tmin은 전력 입력 수준에 따라 0.03 내지 7.7℃에서 변한다. 도시된 바와 같이, 각 전력 수준에서 TPG 두께는 웨이퍼 기판에 걸쳐 최대 온도 균일성을 갖도록, 즉 한 양태에서 Tmax-Tmin가 5℃ 미만이 되도록, 몇몇 용도에서는 Tmax-Tmin가 2℃ 미만이 되도록 최적화될 수 있다.12 shows a remarkably uniform temperature distribution on the top surface of the structure in which a 6 mm thick TPG layer is embedded 2.5 mm away from the top of the heater (away from the wafer). T max -T min varies from 0.03 to 7.7 ° C. depending on the power input level. As shown, at each power level, the TPG thickness has a maximum temperature uniformity across the wafer substrate, i.e. in one embodiment T max -T min is less than 5 ° C., in some applications, T max -T min is 2 ° C. Can be optimized to be less than.
발명의 상세한 설명은 최상의 실시형태를 비롯한 본 발명을 기재하기 위하여, 또한 당업자가 본 발명을 제조하고 이용할 수 있도록 실시예를 이용한다. 본 발명의 특허받을 수 있는 범주는 하기 특허청구범위에 의해 규정되며, 당업자에게 쉽게 생각나는 다른 실시예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예는 특허청구범위의 기재 내용으로부터 벗어나지 않는 구조물 요소를 갖거나, 특허청구범위의 기재 내용으로부터 그다지 차이나지 않는 동등한 구조물 요소를 포함한다면 특허청구범위 범주내에 있는 것으로 본다. 본원에 기재된 모든 인용문헌은 본원에서 참고문헌으로 명백하게 인용된다.The detailed description of the invention uses examples to describe the invention, including the best embodiments, and also to enable any person skilled in the art to make and use the invention. The patentable scope of the invention is defined by the following claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other embodiments are considered to be within the scope of the claims as long as they have structural elements that do not depart from the description of the claims, or include equivalent structural elements that do not differ substantially from the claims. All citations described herein are expressly incorporated herein by reference.
본 발명에 따라, 반도체 소자 제작에서의 웨이퍼 가공동안에 다른 기판에 대해서 기판에 비교적 균일한 온도 분포를 제공하는 가열 장치 및 그 위에 놓인 기판의 온도를 조절하는 방법이 제공되어서 웨이퍼 전체 영역에서 웨이퍼 온도가 거의 변하지 않고, 그 결과 웨이퍼 면상의 증착, 에칭, 주입 등이 균일하게 실시될 수 있다.According to the present invention, there is provided a heating device that provides a relatively uniform temperature distribution to a substrate for another substrate during wafer processing in semiconductor device fabrication, and a method of controlling the temperature of the substrate overlying the wafer temperature so that It hardly changes, and as a result, deposition, etching, implantation, etc. on the wafer surface can be performed uniformly.
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