KR101606501B1 - 기판 프로세싱을 위한 고온측정 - Google Patents

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Abstract

기판 프로세싱 시스템은 프로세싱 챔버, 상기 프로세싱 챔버 내에 배치된 기판을 지지하는 페데스탈, 및 상기 프로세싱 챔버에 결합되어 실질적으로 상기 페데스탈 또는 기판의 일부로부터 발생되어 방출된 빛을 측정하는 광학 고온측정 조립체를 포함한다. 상기 광학 고온측정 조립체는 광수신기 및 광검출기를 더 포함한다. 상기 광학 고온측정 조립체는 상기 방출된 빛의 일부를 수신하고, 상기 기판의 온도는 하나 이상의 파장 부근에서 상기 방출된 빛의 일부의 강도로부터 결정된다. 프로세싱 과정중에 기판의 온도를 측정하는 방법은, 페데스탈 또는 페데스탈이 지지하는 기판의 일부 부근에 광 파이프를 배치하는 단계, 상기 페데스탈 또는 기판의 일부로부터의 빛을 상기 광 파이프의 단부가 수신하도록, 상기 광 파이프의 단부를 미광으로부터 차폐하는 단계; 상기 광 파이프의 단부의 오염을 저감시키기 위해 상기 광 파이프의 단부를 가스로 퍼징하는 단계; 상기 페데스탈로부터 방출되어 상기 광 파이프에 의해 수신된 빛의 일부를 검출하는 단계; 및 하나 이상의 파장 부근에서 상기 페데스탈 또는 기판으로부터 방출된 빛의 일부의 강도로부터 상기 기판의 온도를 결정하는 단계;를 포함한다.

Description

기판 프로세싱을 위한 고온측정{PYROMETRY FOR SUBSTRATE PROCESSING}
본원은 일반적으로 반도체 프로세싱 설비에 관한 것으로, 특히 비교적 낮은 온도에서 광학 기술을 이용한 페데스탈(pedestals) 및 서셉터(susceptors)의 온도 측정에 관한 것이다.
반도체 프로세싱 설비는 증착, 패터닝 그리고 박막 및 코팅의 처리에 이용된다. 통상의 기판 프로세싱 챔버는 페데스탈, 또는 프로세싱을 위해 기판을 지지하기 위한 동등한 몇몇 수단을 제공한다. 상기 페데스탈을 저항 메카니즘으로 가열하거나, 히트 램프를 이용하여 상기 페데스탈과 기판을 가열함으로써, 상기 기판에 열이 제공될 수 있다. 통상적으로, 램프는 프로세싱 챔버의 외부에 위치된다. 석영과 같이 광학적으로 투과율이 높은 재료로 제조된 뷰포트(viewports) 또는 돔(domes)을 통해 빛이 유입될 수 있다. 또한, 석영은 낮은 열팽창계수와 높은 융점으로 인해 매력적이다.
흔히, 고온 프로세스는 기판 온도를 프로세싱 온도로 신속하게 높이기 위해 석영 돔과 외부 램프를 이용한다. 그러한 설계를 채용한 프로세스 및 관련 프로세스 챔버의 예시적 실시예가 에피택셜 필름 성장(흔히 "EPI"라 칭함) 및 급속 열처리(RTP)이다. 흔히, 페데스탈은 가열을 위해 램프를 이용하는 프로세스에서 서셉터로 불리운다. 이 프로세스들과 아울러 다른 프로세스들에서, 프로세싱된 막 특성(예를 들어, 막 두께, 밀도, 도판트 밀도 등)은 기판 온도에 대해 민감할 수 있다.
온도를 결정하는 통상의 방법은 프로세싱 챔버 내부의 다양한 위치에 장착된 열전대를 포함한다. 열전대와 관련된 어려움은, 부분적으로, 열전대 조인트의 열화 또는 위치 변화로 인한 온도 측정에서의 변동(drifts)을 포함한다. 일반적으로 위로부터 상부 석영 돔을 통해 고온계를 기판에 조준함으로써 기판 온도가 모니터링될 수 있다. 기판 온도를 측정하는 다른 방법은 프로세싱 챔버의 하부면을 형성하는 하부 석영 돔을 통해 서셉터의 하부면에 고온계를 조준하는 것으로 구성된다.상기 기판의 온도는 룩업 테이블에서 또는 상관 인자나 또는 다른 계산을 이용 하여 상기 서셉터의 온도와 서로 연관될 수 있다.
통상의 고온 프로세스는 650℃ 내지 1150℃ 범위의 기판 온도를 포함한다. 300℃ 내지 650℃ 범위의 기판 온도를 포함하는 일부 프로세스는 사용중이거나 개발중이다. 그러한 증착 프로세스는 실리콘 기판에 실리콘 카바이드층의 형성을 포함한다. 이와 같이 낮은 온도에서 고온계를 이용하는 것은 기판 또는 서셉터로부터 발생되는 광량이 매우 작기 때문에 곤란하다. 챔버의 다른 영역으로부터 나오는 배경광 또는 히트 램프로부터 발생된 반사광 조차도 불량한 기판 온도 판독을 야기할 수 있다.
따라서, 낮은 온도에서도 기판 온도를 신뢰성 있고 신속하게 측정하는 시스템 및 방법이 요구된다.
개시된 실시예는 광학 고온측정으로 기판 및 페데스탈(예를 들어, 서셉터) 온도를 정확하고 재생가능하게 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 저온 측정이 이 방법의 시스템으로 이루어진다.
기판 프로세싱 시스템은 프로세싱 챔버, 상기 프로세싱 챔버 내에(가능하게는, 페데스탈 또는 서셉터 상에) 위치된 기판, 및 상기 프로세싱 챔버에 결합되어 실질적으로 (상부 또는 엣지와 같은) 상기 기판의 또는 (하부 또는 엣지와 같은) 페데스탈의 일부로부터 발생되어 방출되는 빛을 측정하는 광학 고온측정 조립체를 포함한다. 상기 광학 고온측정 조립체는 광수신기 및 광검출기를 더 포함한다. 상기 광수신기는 상기 프로세싱 챔버 내에 위치될 수 있다. 상기 광학 고온측정 조립체는 방출된 빛의 일부를 수신하고, 상기 서셉터, 페데스탈 또는 기판의 온도는 하나 이상의 파장 부근에서 방출된 빛의 일부의 강도로부터 결정된다. 프로세싱중에 기판의 온도를 측정하는 방법은, 기판을 지지하는 페데스탈 또는 기판 부근에 광 파이프를 배치하는 단계; 상기 광 파이프의 단부가 상기 페데스탈의 엣지로부터 나오는 빛을 대부분 수신하도록 상기 광 파이프의 단부를 미광(stray light)으로부터 차폐하는 단계; 상기 광 파이프의 단부의 오염을 줄이기 위해 가스로 상기 광 파이프의 단부를 퍼지하는 단계; 상기 기판 또는 페데스탈로부터 방출되어 상기 광 파이프에 의해 수신된 빛의 일부를 검출하는 단계; 및 하나 이상의 파장 부근에서 상기 기판 또는 페데스탈로부터 방출된 빛의 일부의 강도로부터 상기 기판 온도를 결정하는 단계를 포함한다. 본 명세서에서 사용되었을 때, "미광"은 기판 또는 페데스탈 이외의 소스(source)로부터 발생된 빛을 의미한다. 빛은 예를 들면 페데스탈로부터 나올 수는 있으나, 페데스탈로부터 발생된 것이 아닐 수 있음을 유의하여야 한다. 이는 히트 램프로부터 발생된 빛이 페데스탈에서 반사되는 경우에 일어날 수 있다.
후술하여 제공되는 상세한 설명으로부터 본 발명의 추가적인 적용 영역이 명백해질 것이다. 발명의 상세한 설명과 구체적인 예는 다양한 실시예를 나타내고 있지만 오직 설명을 위한 것일 뿐이며, 본질적으로 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
이하, 발명의 상세한 설명과 첨부도면을 참조하여 본 발명의 특징과 장점을 더 이해할 수 있을 것이다. 첨부도면이 발명의 상세한 설명에 통합된다.
도 1은 개시된 실시예들에 따른 광학 고온측정 조립체의 단면도이고,
도 2는 개시된 실시예들에 따른 기판 프로세싱 시스템에 장착된 광학 고온측정 조립체의 사시도이며,
도 3A 내지 도 3E는 개시된 실시예들에 따른 고온계 조립체의 단면도이고,
도 4는 2개의 상이한 유형의 석영에 대한 흡수 그래프이며,
도 5는 개시된 실시예들에 따른 기하학적 특징을 가진 고온계 조립체 및 서셉터의 개략도이고,
도 6은 상이한 온도 측정 그래프인데, 이들 중 일부는 개시된 실시예들에 따른 고온계 조립체로 얻어진 것이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 프로세싱 시스템의 단면도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 프로세싱 시스템의 일부를 도시한 평면도이며,
도 9A 및 도 9B는 개시된 실시예들에 따른 기판 프로세싱 시스템에서 기판의 온도를 결정하기 위해 사용될 수 있는 예시적 방법들을 도시한 흐름도이다.
첨부도면에서, 유사한 구성요소 및/또는 특징부들은 동일한 참조부호를 가질 수 있다. 또한, 동일한 유형의 다양한 구성요소는 대쉬(-)가 붙은 참조부호와 유사한 구성요소를 구분하는 제 2 참조부호로 구별될 수 있다. 명세서에서 오직 제 1 참조부호만 사용되었다면, 그 설명은 제 2 참조부호와 관계없이 동일한 제 1 참조부호를 가진 임의의 유사한 구성요소에 모두 적용가능하다.
본 명세서에 개시된 실시예의 양태는 기판 프로세싱 시스템에서 기판의 온도 결정의 정확성과 반복가능성을 개선함으로써 기판 프로세싱 시스템의 성능을 개선하기 위해 사용된다. 본 명세서에서, 기판의 온도는 광학 고온계를 이용하여 결정된다. 개시된 실시예는 광검출기에 충돌하는 미광을 줄이고 빛이 발생되는 재료의 방사율(emissivity)을 관리함으로써 기판 온도 판독을 개선한다.
본 명세서에 개시된 실시예들의 특성들은 고온에서 기판과 페데스탈로부터 나오는 큰 발광량으로 인하여 통상적으로 고온측정을 중용하고 있는 고온 기판 프로세싱 시스템과 특히 연관지어 본 명세서에서 종종 설명된다. 그러나, 현재 사용되고 있는 다른 프로세싱 설비 및 아직 개발되지 않은 설비 또한 개시된 실시예들의 양태들로부터 잇점을 얻을 수 있다. 이러한 양태들은 종래의 시스템에서보다 더 낮은 온도에서 고온측정의 이용을 가능하게 한다.
예시적 프로세스 및 관련 프로세스 챔버가 본 명세서의 실시예들을 개시하기 위한 수단으로서 사용된다. 예시적 프로세스는 에피택셜 박막 성장("EPI"로도 알려짐)이며, 통상적으로 EPI 프로세싱 챔버는 당해 프로세싱 챔버의 완전히 외부에 위치된 고온계를 이용한다. 상기 고온계는 기판 위에 종종 위치되고, 때로는 (서셉터를 향하여 올려보면서) 기판 아래에 위치된다. 이 위치들은 흔히 석영 돔 형태인 석영을 빛이 통과한 후, 상기 기판 및/또는 서셉터로부터의 빛을 수신하는 고온계에 따라 좌우된다.
일반적으로, 정확한 고온측정은 미지의 온도에서 물체(기판, 서셉터 등)의 방사율에 대한 지식을 필요로 한다. 불행하게도, 방사율은 일반적으로 온도, 표면 상태, 도판트 밀도 및 다른 많은 변수에 따라 좌우된다. 가상의 흑체 및 회색체 외부에서, 방사율은 또한 파장에 따라 변한다. 온도의 함수로서 방사율의 변화는, 온도를 알 수 없기 때문에, 가장 문제가 된다. 바람직하게 온도에 따른 방사율 변화가 거의 없는 물체에 대하여 고온측정이 이루어진다. 또한 더 높은 방사율 표면이 보다 정확한 고온측정을 가능하게 할 수도 있다.
표면 상태 및 도판트 유형 및 레벨에 따라, 실리콘 기판은 낮은 기판 온도에서 낮은 방사율을 가질 수 있으며, 파장에 대한 방사율 의존도가 강할 수 있다. 실리콘의 방사율은 약 250℃를 넘는 온도에 대하여 942㎚에서 균일하게 높지만, 상기 방사율은 250℃ 내지 600℃의 온도에 대하여 약 1.55㎛ 및 3.3㎛에서 10배 까지 변할 수 있으며, 이는 상기 2개의 장파장에서 정확한 판독을 어렵게 만든다. 기판으로부터 고온측정하는 대신, 서셉터(또는 일반적으로 페데스탈)에 대해 고온측정을 실시하는 것이 대안이 된다.
EPI 및 기타 다른 프로세스에서, 1㎛미만의 파장에서 실리콘으로부터 고온측정하는 것은 히트 램프로부터 발생된 배경광 신호에 대한 증가된 감도와 관련한 문제를 대신하여, 기판 온도에 따른 방사율 변화로 인한 문제를 회피할 수 있다. 상기 램프는 그 자신의 현저히 높은 온도로 인하여 기판보다 훨씬 더 많은 빛을 생산한다. 900℃의 기판은 2100℃의 램프로 가열될 수 있으며, 400℃의 기판은 1800℃의 히트 램프에 대응한다. 942㎚의 복사에 있어서, 2100℃의 램프에 의해 방출되는 강도는 900℃의 기판에 의해 방출되는 강도보다 약 100배 더 높다. 그러나, 1800℃의 램프에 의해 방출되는 강도는 400℃의 기판에 의해 방출되는 강도보다 약 1000000배 더 높다. 더 긴 파장에서, 이 효과는 저감된다. 3.3㎛의 복사에 있어서, 2100℃의 램프에 의해 방출되는 강도는 900℃의 흑체에 의해 방출되는 강도보다 약 10배 더 높은 반면, 1800℃의 램프에 의해 방출되는 강도는 900℃의 흑체에 의해 방출되는 강도보다 약 100배 더 높다.
특히 짧은 파장에 있어서, 상기 램프로부터의 배경광은 고온측정에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 개시된 실시예는 기판 복사에 대한 높은 강도비의 램프 복사를 위해 광학 고온측정이 사용될 수 있도록 한다. 이러한 개시된 실시예들은 낮은 기판 온도와 짧은 파장에서 특히 유용하다.
도 1은 개시된 실시예들에 따른 광학 고온측정 조립체의 단면도이다. 도 1에는 외피 지지체(110)로부터 연장되는 외피(sheath)(105) 내에 지지된 광 파이프(100)가 도시되어 있다. 페룰(ferrule)(115)이 광 파이프(100)에 대한 물리적 실(seal)을 만들 수 있다. 상기 광 파이프(100)는 프로세싱 챔버 외부로 (도면에서 좌측으로) 연장될 수 있다. 대안적으로, 상기 광 파이프(100)는 도시된 바와 같이 페룰(115) 부근에서 종료될 수 있으며, 상기 광 파이프(100)를 여기시킨 후 빛이 검출될 수 있다. 고온계 센서의 결합을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있는 커플러(120)가 또한 도시되어 있다. 상기 외피(105)는 프로세스 온도를 견디는 재료로 제조될 수 있다. 상기 외피는 내화물 및/또는 실리콘 카바이드, 실리콘 카바이드 코팅된 그라파이트, 실리콘 니트라이드 및 알루미늄 니트라이드와 같은 광 흡수 재료로 제조될 수 있다. 개시된 실시예들에서, 상기 광 파이프는 사파이어 로드, 반사재가 코팅된 사파이어 로드 또는 코어 및 일체로 된 피복을 갖는 광섬유 케이블일 수 있다.
프로세싱 영역으로 연장되는(도면에서 우측으로) 광 파이프(100)의 단부를 프로세싱 환경으로부터 보호하기 위하여, 퍼지 커넥션(125)을 통해 퍼지 가스가 유동될 수 있다. 퍼지 가스는 프로세싱 챔버에서의 프로세스에 영향을 전혀 또는 거의 주지 않는 가스 또는 가스들을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 상기 가스는 수소, 질소 및/또는 아르곤을 포함할 수 있다. 상기 퍼지 가스의 유량은 광 파이프의 수용 단부의 에칭 또는 증착을 억제할 만큼 충분히 높지만, 과잉 펌핑 속도를 필요로 하지 않을 만큼 충분히 낮으며, 약 200 sccm 내지 8 slm일 수 있다. 개시된 상이한 실시예들에서, 상기 외피는 실리콘 카바이드, 실리콘 니트라이드 또는 알루미나와 같은 다른 세라믹 등의 광 흡수성 세라믹 재료일 수 있다. 취성이 약한 재료(스테인레스강과 같은)로 제조된 제 2 외피가 손상이나 파손에 대한 지지 및 보호를 제공하기 위해 상기 광 흡수성 외피를 둘러쌀 수 있다. 상기 제 2 외피는 당해 제 2 외피와 프로세싱 챔버의 프로세싱 영역 사이의 거리를 유지하기 위해 상기 외피 길이 아래로 부분적으로 연장될 수 있다. 이 거리를 유지하는 것은 제 2 외피가 금속인 경우에 특히 유용한데, 그 이유는 일부 프로세스가 금속성 오염에 의해 악영향을 받기 때문이다.
도 2는 기판 프로세싱 시스템(200) 상에 장착된 광학 고온측정 조립체의 사시도이다. 기판 프로세싱 시스템(200)이 외피 지지체(205)와 함께 도시되어 있다. 상기 외피 지지체(205)는 예열 링(220)에 형성된 홀 또는 슬롯을 통해 연장되는 광 흡수성 외피(215)를 지지한다. 도 2에는 광 파이프가 도시되어 있지 않으나, 상기 광 흡수성 외피(215) 내에 위치될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상기 광 흡수성 외피(215) 내에 광 파이프(100)가 위치될 수 있다. 여기서는 상기 광학 고온측정 조립체가 서셉터(225)의 엣지를 조준하고 있는 것으로 도시되었으나, 또한 기판(미도시)을 조준할 수도 있다. 또한, 상기 조립체는 기판의 상부, 페데스탈의 바닥 또는 상기 기판 또는 페데스탈의 접근가능한 임의의 다른 부분을 조준할 수도 있다.
도 3A 내지 도 3E는 고온계 조립체를 보다 상세하게 도시한 단면도이다. 도 3A는 외피(305) 내부의 광 파이프(310)를 도시하고 있다. 실시예에서, 상기 외피(305)는 고온측정을 위해 이용되는 광 파장(들) 부근에서만 부분적으로 흡수성일 수 있다. 상기 외피(305)는 외피 지지체(300)에 의해 지지된다. 이 개시된 실시예에서, 광 수신기(320-1)는 기판(315)을 향하여 연장하는 광 파이프의 단부이다. 상기 광 수신기(320-1)를 기판(315) 부근에 위치시킴으로써, 기판(315) 이외의 소스(예를 들어, 히트 램프)로부터 광 파이프(310)가 수용하는 광량은 감소된다. 도 3B 내지 도 3E에 도시된 개시된 실시예들의 나머지에서 또 다른 감소가 이루어진다. 도 3B는 외피(305)에 대하여 광 파이프(310)가 수축됨으로써, 광 수신기(320-2)가 외피(305) 내부에 위치된 상태를 도시하고 있다. 기판(315) 이외의 소스로부터 나온 빛이 광 파이프(310)로 쉽게 유입되지 못하도록, 상기 외피(305)는 광 흡수성으로 제조될 수 있다. 상기 기판(315)으로부터의 광 수집 효율을 조절하고 다른 소스로부터 나온 빛의 거부(rejection)를 촉진하기 위해, 상기 외피(305)의 단부와 기판(315) 사이의 간격과 상기 광 수신기(320)와 기판(315) 사이의 간격이 변동될 수 있다.
도 3C는 광학 고온측정 조립체의 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 기판(315)의 엣지 영역으로부터 발생된 빛에 대한 광 파이프(310)의 수집 효율을 증대시키기 위해 렌즈(325)가 이용된다. 상기 렌즈도 광 파이프(310)로 유입되는 (상기 기판(315) 이외의 소스로부터 나온) 미광의 양을 줄일 수 있다. 이 경우, 상기 광 수신기는 광 파이프(310)의 표면이 아닌 상기 렌즈의 전면 계면(front interface)(320-3)이다. 상기 렌즈(325)는 외피(305)로 만들어진 물리적 커넥션에 의해 지지될 수 있으나, 대안적으로 또는 조합하여, 상기 광 파이프(310)로의 물리적 커넥션에 의해 지지될 수 있다. 상기 광 파이프(310) 또는 렌즈(325)의 수집 효율에 영향을 미칠 수 있는 프로세스에 있어서, 화학 반응 또는 증착으로부터 표면을 보호하기 위해 광 파이프(310)와 렌즈(325) 주위로 퍼지 가스가 유동할 수 있다. 상기 렌즈(325)는 도시된 바와 같이 외피(305)의 내경보다 더 작을 수 있고, 또는 실시예들에서 상기 외피(305)의 내경에 접할 정도로 더 크게 제조될 수 있다. 대형 렌즈(325)에 있어서, 퍼지 가스가 유동할 수 있도록 통공 또는 노치가 렌즈에 형성될 수 있다.
도 3D는 광학 고온측정 조립체의 다른 실시예를 도시하고 있다. 개시된 본 실시예에서, 전기적 피드스루(feed-through)가 전기 커넥션(335)을 거쳐 프로세싱 챔버속으로 광학 센서(330)까지 형성된다. 상기 전기 커넥션(335)은 전원과, 검출된 빛의 강도 표시를 출력하기 위한 신호선을 포함할 수 있다. 상기 광학 센서(330)는 기판(315)의 온도를 계산하는데 사용하기 위한 하나 또는 그 이상의 파장 또는 파장 범위를 선택하기 위해 사용되는 하나 또는 그 이상의 필터를 포함할 수 있다. 기판(315)과 광학 센서(330) 사이의 경로에 렌즈(325)가 도시되어 있다. 상기 렌즈(325)는 광학 센서(330)의 수집 효율을 높이기 위해 사용될 수 있다. 또 다시, 상기 광 수신기는 광학 센서(330)의 표면이 아니라 상기 렌즈의 전면 계면(320-4)이다. 상기 광학 센서(330)와 렌즈(325)는 외피(305)의 내경보다 더 작은 외경을 갖도록 제조될 수 있다. 개시된 다른 실시예에서, 상기 광학 센서(330)와 렌즈(325)는 외피(305)의 내경과 유사한 외경을 가질 수 있다. 상기 광학 엘리먼트들의 외경이 외피의 내경과 유사한 경우, 퍼지 가스가 도면의 좌측에서 우측으로 유동할 수 있도록 노치 또는 통공이 상기 엘리먼트에 형성될 수 있다. 도 3E는 렌즈가 없는 관련 실시예를 도시하고 있다. 특히 외피(305)가 광 흡수성 재료로 제조된 경우, 상기 외피(305)에 의해 미광이 여전히 억제될 수 있다. 이 경우에서의 광 수신기는 광학 센서(330)의 전면(320-5)이다.
약 1㎛ 를 넘는 높은 파장에서의 실리콘 기판 고온측정은 방사율의 온도 의존성과 방사율이 1보다 훨씬 더 작을 가능성 때문에 문제가 있다. 방사율의 온도 의존성은 약하게 도핑된 실리콘으로 제조된 계측기에 영향을 미쳐 EPI 챔버에서의 일반적인 기판의 고온측정을 신뢰할 수 없게 및/또는 재생불가능하게 만든다. 기판으로부터 측정을 하는 것 대신, 실리콘 기판을 지지하는 서셉터의 측면에 고온측정 조립체를 조준하는 것이 대안이 된다. 개시된 고온측정 조립체는 서셉터 온도 뿐만 아니라 다른 기판 페데스탈의 온도를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 상기 서셉터는 보다 양호한 광학 특성을 가진 재료로 흔히 제조된다. 실리콘 카바이드와 실리콘 카바이드 코팅된 그라파이트가 서셉터의 제조에 흔히 사용된다. 실리콘 카바이드의 방사율은 1에 가깝게 유지되고, 실리콘보다 온도에 의한 영향을 덜 받는다. 실제로, 실리콘 카바이드는 0.8㎛ 내지 6㎛ 범위의 광 파장에서 회색체에 상당히 가깝다. 고온계를 실리콘 카바이드 샘플에 조준하는 것은 고온측정을 위해 더 높은 파장을 이용할 수 있도록 한다.
높은 파장에서 고온측정을 실시하는 잇점이 도 3을 참조하여 논의되었다. 상기 잇점은 상당히 낮은 온도에서 열적으로 모니터링된 샘플로부터 발생된 광강도에 대하여 히트 램프로부터 발생된 광강도의 비율이 줄어드는 것이었다. 또 다른 잇점들은 프로세싱 챔버 내부에 광 수신기를 위치시킨 개시된 실시예에 의해 실현 가능하다. 히트 램프는 석영 돔에 의해 챔버 용적으로부터 분리된 상부와 바닥에 위치된다. 상기 석영 돔은 약 4.5㎛를 넘는 빛에 대해 거의 불투명하며, 따라서, 프로세싱 챔버 내부에 광 수신기가 위치된 경우, 이 긴 파장에서 이루어지는 고온측정을 위한 필터로서 이용될 수 있다. 도 4는 상이한 유형들의 석영에 대한 투과율을 도시한 그래프이다. 용융 석영이 EPI 프로세싱 챔버에 통상적으로 더 많이 사용되며, 용융 석영의 투과율 곡선(410)이 도시되어 있다. 수평축(405)이 마이크론 단위의 광 파장이고, 수직축(400)이 10㎜의 재료를 투과한 빛의 백분율이다. 3.0㎛를 넘는 또는 4.0㎛를 넘는 파장을 모니터링함으로써, 히트 램프로부터 프로세싱 챔버로의 빛의 투과를 각각 적어도 약 10% 또는 약 50% 줄일 수 있다. 4.5㎛ 부근에서 스트레이 램프 복사가 약 10배 억제될 수 있고, 석영 돔에 대해 선택된 두께에 따라 4.8㎛ 이상에서 거의 사라질 수 있기 때문에, 예를 들어 4.5㎛에서 광학 고온측정을 수행하면 훨씬 더 큰 잇점을 제공할 수 있다. 더 긴 파장에 대해 투과성을 유지하는 합성 석영의 투과율 곡선(415)이 또한 도시되어 있다. 합성 석영을 이용하여 유사한 잇점을 제공하기 위해 5.0㎛를 넘는 파장에서 광학 고온측정이 실시될 수 있다.
기판의 온도는, 광 수신기 부근에 제공된 미광을 최소로 차폐하거나 전혀 차폐하지 않고 서셉터 또는 기판 자체로부터 나오는 빛을 검출함으로써 결정될 수 있다. 기판으로부터 고온측정이 직접 실시되는 하나의 환경은, 기판이 서셉터 이외의 메카니즘에 의해 지지된 경우이다. 약 650℃ 내지 1300℃ 범위의 온도에서, 3㎛를 넘는 파장으로 방출되는 광 복사를 이용하여 서셉터 또는 기판에서 고온측정이 실시될 수 있다. 이러한 측정에 있어서, 상기 광 수신기는 기판 프로세싱 챔버의 내부 또는 외부에 위치될 수 있다. 훨씬 더 큰 파장(예를 들어, 4㎛ 또는 4.5㎛ 초과)에 대하여, 상기 광 수신기는 기판 프로세싱 챔버 내부에 위치될 수 있으며, 석영 돔 또는 뷰포트의 광 흡수에 의해 충분한 차폐가 제공될 수 있다. 모든 파장에 대하여, 기판 또는 서셉터로부터 열적으로 발생되지 않은 빛에 대한 차폐를 제공하기 위해 상기 광 수신기의 개구수(numerical aperture)가 줄어들 수 있다. 상이한 실시예들에서, 상기 개구수는 0.1, 0.05 또는 0.025 미만일 수 있다. 석영에 의해 제공된 흡수성 차폐 및 외피에 의해 제공된 임의의 차폐를 대신하여, 또는 그들과 함께 낮은 개구수가 이용될 수 있다.
약 300℃ 내지 650℃의 온도에 있어서, 충분히 높은 방사율을 유지하기 위하여, 실리콘 기판으로부터 고온측정을 실시할 때, 낮은 파장(실시예들에서, 약 1㎛ 또는 1.2㎛ 미만)이 바람직할 수 있다. 이러한 조건하에서, 석영에 의한 낮은 광흡수와 히트 램프로부터 나오는 많은 광량으로 인하여, 차폐는 더 큰 가치를 제공한다. 상기 광수신기의 범위를 넘어서 연장하는 외피에 의해 차폐가 제공될 수 있다. 단독으로 또는 외피와 조합하여, 차폐를 제공하기 위해 광수신기의 개구수가 감소될 수도 있다. 상기 개구수는 상이한 실시예들에서 0.1, 0.05 또는 0.025 미만일 수 있다. 1㎛ 부근의 파장에서 광 복사와 함께 사용되는 것보다 더 적게 광 차폐하면서, 약 2㎛ 내지 4㎛ 범위의 파장이 기판 프로세싱 챔버 내부 또는 외부에서의 고온측정을 위해 사용될 수 있다.
실리콘 카바이드의 방사율이 실리콘 기판 보다 온도 및 파장에 대해 훨씬 더 둔감할지라도, 남아 있는 의존성을 해소하도록 하는 동기부여는 계속된다. 서셉터를 제조하기 위해 사용되는 재료와 관계없이 방사율을 제어하는 한가지 방법은 광학 고온측정이 수행되는 영역에 내부 표면적이 큰 기하학적 피쳐(features)를 만드는 것이다. 도 5는 엣지를 따라 기하학적 피쳐(510)가 구비된 서셉터(505)와 고온측정 조립체(500)의 개략도이다. 1 미만의 방사율을 가진 재료로 형성된 기하학적 피쳐의 고온측정을 수행하는 광학 고온계는 동일한 재료로 제조된 피쳐없는 물체로부터 보다 더 많은 빛을 검출한다. 피쳐의 전체 내부면적이 광 입구에 걸친 면적에 비해 증가할수록, 감지된 방사율은 기하학적 피쳐를 형성하기 위해 사용된 재료와 관계없이 1에 가깝게 증가한다.
개구의 반경보다 더 큰 내부 반경을 갖는 형상을 만드는 것은 어렵고 비용을 증가시킨다. 전체 내부면적은 크면서도 광 입구 면적은 상대적으로 작은 기하학적 피쳐를 서셉터에 만드는 한가지 방법은 서셉터에 깊은 홀을 천공하는 것이다. 실리콘 카바이드가 코팅된 그라파이트, 실리콘 카바이드, 실리콘 니트라이드, 알루미늄 니트라이드 및 기타 다른 고방사율의 광학적으로 흡수성인 세라믹 재료로 제조된 서셉터에 깊은 홀을 형성함으로써, 그라파이트의 방사율에 의해 특징지어진 내부 표면을 가진 실린더가 얻어진다. 그라파이트의 방사율은 0.8㎛ 내지 6㎛ 범위의 파장에 대하여 1에 매우 가깝기 때문에, 상기 흑체 피쳐는 비교적 얕은 홀에 대해서 조차 높은 방사율을 갖는다. 광학 고온측정 조립체가 더 큰 방사율의 영역으로부터 빛을 수집할 때, 서셉터의 엣지로부터의 광신호는 더 큰 강도의 영역을 나타낸다. 피크에서 또는 그 부근의 신호(또는 그 통계적 표현)가 서셉터 온도의 표시로서 사용될 수 있다.
대안적으로, 서셉터의 둘레 주변에 그루브가 기계가공될 수 있으며, 그 경우 고온계로부터의 신호가 서셉터의 온도를 보다 일정하게 나타낸다. 유용한 데이터가 고온계 광 수신기와 홀을 정렬하는 회전 위치에 제한되지 않기 때문에, 상기 그루브는 서셉터의 온도를 더 고속으로 또는 보다 정확하게 모니터링할 수 있도록 할 것이다. 통상적으로, 그루브는 서셉터 제조 프로세스 흐름에 통합되기가 더 용이하고, 비용을 더 감소시킨다.
개시된 실시예들을 더 잘 이해하고 인식할 수 있도록 하기 위하여, 계단형 온도 램프 동안 얻어진 서셉터의 상이한 온도 측정들의 그래프를 도시한 도 6을 참조한다. 4개의 데이터 시퀀스중 3개는 광 수집 경로에 렌즈(NA 0.05)를 구비한 광 파이프로 얻은 것이다. 광수신기(렌즈의 서셉터 측)는 서셉터 엣지로부터 0.1인치에 위치한다. 외피는 서셉터에 훨씬 더 가깝게 연장되며, 간격은 0.075인치이다. 상기 외피는 실리콘 카바이드로 제조되며, 0.050인치의 내경과 0.118인치의 외경을 갖는다. 광 파이프는 0.032인치의 외경을 갖는다. 4개의 데이터 시퀀스중 1개는 서셉터의 엣지에 접한 예열 링 내부에 장착된 열전대 게이지로 얻은 것이다.
열전대 게이지에 의한 온도 측정을 나타내는 곡선은 점선(610)으로 표시되어 있고, 서셉터(또는 기판) 온도의 이상적인 표식이 아닐 수 있다. 그러나, 열전대 측정은 상이한 파장들에서 고온측정 조립체를 운영하는 것의 적합성을 알기 위해 이용될 수 있다. 수평축(605)은 초 단위의 시간이고, 수직축(600)은 ℃ 단위의 다양한 방법의 온도 측정값이다. 0.942㎛에서 작동하는 고온계에 의해 이루어진 온도 측정을 나타내는 곡선은 긴 점선(615)으로 표시되어 있다. 데이터는 2개의 다른 파장에서 개별적으로 수집하여 취합되었다. 1.550㎛에서 작동하는 고온계에 의해 이루어진 온도 측정을 나타내는 곡선은 짧은 점선(620)으로 표시되어 있다. 2.300㎛에서 작동하는 고온계에 이루어진 온도 측정을 나타내는 다른 곡선은 실선(625)으로 표시되어 있다. 220초에서, 히트 램프는 소등된다. 0.942㎛ 고온계로부터의 측정값(615)은 다른 측정값보다 훨씬 더 신속하게 반응하고, 그 신속함은 서셉터와 유사한 질량을 가진 물체의 냉각과 부합되지 않는다. 0.942㎛에서 작동하는 고온계는 이 특수한 구성으로 램프로부터 빛을 검출하는 것으로 보인다. 일관되게, 460초, 580초, 730초, 880초 및 1040초에서 히트 램프 복사의 이산적 증가는 0.942㎛ 고온계 신호에서 동일하게 신속한 상승을 야기한다. 이는 고온계 센서에서 히트 램프 빛의 검출을 확증하는 것으로 보인다.
1.550㎛에서의 고온계 측정(620)은 0.942㎛에서의 고온계 측정에 비해 급격한 하강(220초 부근) 또는 상승(1040초 및 880초를 포함한 몇몇의 위치)을 나타내지 않는다. 그러나, 1.550㎛에서의 고온계 측정(620)은 열전대 측정(610)과 상당히 다르다(460초 내지 780초 사이의 구간에 유의할 것). 이 시간 구간은 400℃ 내지 650℃ 사이의 서셉터 온도와 상관된다. 1.550㎛에서의 고온계 측정(620)과 열전대 측정(610)의 상당한 편차는 서셉터로부터의 강도에 대한 히트 램프로부터의 광강도의 비율이 400℃ 내지 650℃ 사이에서 여전히 너무 높아서, 외피에 의해 제공되는 보호를 불충분하게 만든다는 것을 나타낸다. 상기 비율은 더 높은 파장의 고온측정에 더 도움이 된다. 2.300㎛에서의 고온계 측정(625)은 400℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 상기 열전대 측정(610)을 긴밀하게 추종한다. 열전대 게이지는 (서셉터로부터 다소 떨어져 있는) 게이지의 위치 및 열부하로 인하여 서셉터 온도를 낮게 표시할 수 있다. 이러한 상이함이 2.300㎛에서의 고온계 측정(625)과 열전대 측정(610)간의 나머지 차이를 설명할 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "빛", "광" 및 "광학"의 사용은 관련된 전자기 복사가 스펙트럼의 가시적인 부분으로부터 기인한다는 어떠한 암시도 갖지 않는다. 빛은 임의의 파장일 수 있다.
예시적인 시스템들
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 기판 프로세싱 시스템의 예를 도시하고 있다. 도 7에 도시된 프로세싱 장치(710)는 증착 반응기이며, 상부 돔(714), 하부 돔(716) 및 상기 상부 돔(714)과 하부 돔(716) 사이의 측벽(718)을 가진 증착 챔버(712)를 포함한다. 상기 측벽(718)에 대하여 돔(714,716)을 밀봉하기 위해 사용된 O링을 냉각시키는 냉각 유체(미도시)가 측벽(718)을 통해 순환할 수 있다. 상기 측벽(718)의 내표면에 대하여 상부 라이너(782)와 하부 라이너(784)가 장착된다. 상기 상부 돔(714)과 하부 돔(716)은 가열광(heating light)이 증착 챔버(712)로 투과될 수 있도록 투명한 재료로 제조된다.
상기 챔버(712) 내부에는 평탄한 원형 페데스탈(720)이 웨이퍼를 수평 위치에 지지하기 위해 구비되어 있다. 상기 페데스탈(720)은 서셉터이거나, 다른 웨이퍼 지지 구조일 수 있으며, 챔버(712)를 가로질러 횡방향으로 측벽(718)에서 연장하여, 페데스탈(720) 위의 상부(722)와 페데스탈(720) 아래의 하부(724)로 챔버(712)를 분할한다. 상기 페데스탈(720)은 샤프트(726)상에 장착되며, 상기 샤프트는 페데스탈(720)의 바닥 중심으로부터 아래로 수직하게 연장된다. 상기 샤프트(726)는 모터(미도시)에 연결되며, 상기 모터는 샤프트(726)를 회전시키고 그로 인해 페데스탈(720)을 회전시키게 된다. 환형 예열 링(728)은 그 외주가 하부 라이너(784)의 내주에 연결되며, 페데스탈(720) 주위로 연장된다. 상기 예열 링(728)은 페데스탈(720)과 거의 동일한 평면을 점유하고, 예열 링(728)의 내부 엣지는 페데스탈(720)의 외부 엣지로부터의 간극에 의해 분리된다.
챔버(712)의 측벽(718)에 입구 매니폴드(730)가 위치되며, 탱크(741a 내지 741c)와 같은 가스 또는 가스들의 소스로부터 가스가 챔버(712)로 유입될 수 있도록 한다. 바람직하게, 탱크(741a 내지 741c)로부터의 가스 유동은 수동 밸브 및 컴퓨터 제어식 유동 제어기(742a 내지 742c)에 의해 독립적으로 제어된다. 출구 포트(732)는 입구 매니폴드(730)에서 직경방향으로 반대인 챔버(712)의 측면에 위치되며, 증착 챔버(712)로부터 가스를 배출하게 된다.
복수의 고강도 램프(734)가 챔버(712) 주위에 장착되며, 상하부 돔(714,716)을 통하여 페데스탈(720)(및 예열 링(728))상에 그 빛을 지향시켜 페데스탈(720)(및 예열 링(728))을 가열한다. 페데스탈(720)과 예열 링(728)은 램프(734)로부터 방출되는 복사에 대해 불투명한 실리콘 카바이드, 코팅된 그라파이트와 같은 재료로 제조됨으로써, 그것들은 램프(734)로부터의 복사에 의해 가열될 수 있다. 상기 상하부 돔(714,716)은 맑은 석영과 같이 램프(734)로부터의 복사에 투명한 재료로 제조된다. 석영이 가시 주파수와 적외선 주파수의 빛에 대해 모두 투명하기 때문에, 상기 상하부 돔(714,716)은 일반적으로 석영으로 제조된다. 석영은 비교적 높은 구조강도를 나타내며, 증착 챔버(712)의 프로세스 환경에서 화학적으로 안정적이다. 램프가 증착 챔버(712)에서 웨이퍼를 가열하기 위한 바람직한 수단이지만, 저항 히터 및 적외선 유도 히터와 같은 다른 방법이 사용될 수 있다. 고온계와 같은 적외선 온도 센서(736)가 하부 돔(716) 아래에 장착되며, 하부 돔(716)을 통해 페데스탈(720)의 바닥면을 향하고 있다. 상기 온도 센서(736)는 페데스탈(720)로부터 방출되는 적외선 복사를 수신함으로써 페데스탈(720)의 온도를 모니터하기 위해 사용된다. 개시된 몇몇 실시예에서, 웨이퍼의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(737)도 제공될 수 있다.
상부 돔(714)의 외표면 주위 둘레에 상부 클램핑 링(748)이 연장된다. 하부 돔(716)의 외표면 주위 둘레에 하부 클램핑 링(750)이 연장된다. 상하부 클램핑 링(748,750)은 함께 고정되어 측벽(718)에 대해 상하부 돔(714,716)을 클램핑하게 된다.
반응기(710)는 프로세스 가스를 챔버(712)로 공급하기 위한 가스 입구 매니폴드(730)를 포함한다. 가스 입구 매니폴드(730)는 커넥터 캡(738), 배플(774), 측벽(718) 내부에 위치된 인서트 플레이트(779), 및 상부 라이너(782)와 하부 라이너(784) 사이에 형성된 통로(760)를 포함한다. 통로(760)는 챔버(712)의 상부(722)에 연결된다. 가스 캡(738)으로부터 프로세스 가스가 배플(774), 인서트 플레이트(779) 및 통로(760)를 지나 챔버(712)의 상부(722)로 유입된다.
또한, 반응기(710)는 증착 챔버(712)의 하부(724)로, 이로 한정되는 것은 아니나, 수소(H2) 및 질소(N2)와 같은 불활성 퍼지 가스를 공급하기 위한 독립적인 불활성 가스 입구(761)를 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 불활성 퍼지 가스 입구(761)는 가스 입구 매니폴드(730)에 합체될 수 있으며, 바람직하다면, 배플(774), 인서트 플레이트(779) 및 하부 라이너(784)를 통과하여 물리적으로 분리되어 구별된 통로(761)가 불활성 가스를 위해 제공되는 한, 상기 불활성 퍼지 가스는 프로세스 가스와 독립적으로 제어되고 방향설정될 수 있다. 불활성 퍼지 가스 입구(761)가 필수적으로 가스 입구 매니폴드(730)와 함께 위치되거나 합체될 필요는 없으며, 예를 들면, 증착 가스 입구 매니폴드(730)로부터 90°각도를 이루며 반응기(710) 상에 위치될 수 있다.
반응기(710)는 또한 가스 출구(732)를 포함한다. 상기 가스 출구(732)는 챔버 상부(722)로부터 측벽(718)의 외경까지 연장하는 배기 통로(790)를 포함한다. 상기 배기 통로(790)는 상부 라이너(782)와 하부 라이너(784) 사이에 형성되어 챔버 상부(722)와 측벽(718)의 내경 사이로 연장하는 상부 통로(792)를 포함한다. 추가적으로, 배기 통로(790)는 측벽(718) 내부에 위치된 인서트 플레이트(779)에 형성된 배기 채널(794)을 포함한다. 챔버(712)로부터 재료를 제거하기 위한 펌프(미도시)와 같은 진공원이 출구 파이프(733)에 의해 측벽(718) 외부상의 배기 채널(794)에 연결된다. 따라서, 챔버 상부(722)로 공급된 프로세스 가스는 상부 통로(792) 및 배기 채널(794)을 통해 출구 파이프(733) 내로 배출된다.
도 7에 도시된 단일 웨이퍼 반응기는 "냉벽(cold wall)" 반응기이다. 즉, 측벽(718)과 상부 및 하부 라이너(782,784) 각각은 프로세싱 과정중에 예열 링(728) 및 페데스탈(720)(및 그 위에 배치된 웨이퍼) 보다 실질적으로 온도가 더 낮다. 예를 들면, 웨이퍼 상에 에피택셜 실리콘 막을 증착하는 프로세스에서, 상기 페데스탈과 웨이퍼는 550 내지 1200℃의 온도로 가열되는 반면, 측벽(및 라이너)은 약 400 내지 600℃의 온도이다. 상기 측벽과 라이너는 리플렉터(735)로 인해 램프(734)로부터 직접 조사되지 않고, 냉각 유체가 측벽(718)을 통해 순환되기 때문에, 온도가 더 낮다.
또한, 가스 출구(732)는 챔버 하부(724)로부터 하부 라이너(784)를 통해 배기 통로(790)로 연장하는 벤트(vent)(796)를 포함한다. 바람직하게, 벤트(796)는 도 7에 도시된 바와 같이 배기 통로(790)의 상부 통로(792)와 교차한다. 불활성 퍼지 가스는 챔버 하부(724)로부터 벤트(796), 상부 챔버 통로(792)의 일부 및 배기 채널(794)을 통해 출구 파이프(733)내로 배출된다. 벤트(796)는 챔버 하부로부터 배기 통로(790)까지 퍼지 가스의 직접 배출을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 프로세스 가스 또는 가스들(798)은 가스 입구 매니폴드(730)로부터 챔버 상부(722)로 공급된다. 본 발명에 따르면, 프로세스 가스는 챔버(712)에 위치된 웨이퍼 또는 기판상의 막을 제거, 처리 또는 증착하는 작용을 하는 가스 또는 가스 혼합물로서 규정된다. 본 발명에 따르면, 수소와 같은 불활성 가스와 HCl을 포함하는 프로세스 가스가 실리콘 표면을 제거하고 평활화함으로써 실리콘 표면을 처리하기 위해 사용된다. 본 발명의 일 실시예에서, 실리콘 표면이 처리된 후, 페데스탈(720)상에 위치된 웨이퍼의 실리콘 표면에 실리콘 에피택셜층을 증착하기 위해 프로세스 가스가 사용된다. 일반적으로, 프로세스 가스(798)는, 무엇보다도 이에 한정되지는 않지만, 모노실란, 트리클로로실란, 디클로로실란, 테트라클로로실란, 메틸실란과 같은 실리콘 소스와, 이에 한정되지는 않지만, 포스핀, 디보란, 저메인, 아르신과 같은 도판트 가스 소스와 아울러, 산소, 메탄, 암모니아 등 다른 프로세스 가스를 포함한다. 수소와 같은 캐리어 가스가 증착 가스 스트림에 일반적으로 포함된다. 체적이 약 5리터인 프로세스 챔버에 있어서, 통상적으로, (캐리어 가스를 포함하여) 35 내지 75 slm의 증착 프로세스 가스 스트림이 웨이퍼 상에 실리콘층을 증착하기 위해 챔버 상부(722)로 공급된다. 프로세스 가스(798)의 유동은 입구 통로(760)로부터 예열링(728), 페데스탈(720)(및 웨이퍼), 예열링(728)의 반대측 및 출구 배기 통로(790)를 거치는 본질적으로 층류이다. 프로세스 가스는 예열링(728), 페데스탈(720) 및 처리중인 웨이퍼에 의해 증착 또는 프로세스 온도로 가열된다. 웨이퍼에 에피택셜 실리콘층을 증착하는 프로세스에서, 페데스탈(720)과 예열링(728)은 800℃ 내지 1200℃의 온도로 가열된다. 감소된 증착 압력을 이용하여 실란으로 550℃까지의 낮은 온도에서 실리콘 에피택셜 막이 형성될 수 있다.
부가적으로, 프로세스 가스가 챔버 상부로 공급될 때, 불활성 퍼지 가스 또는 가스들(799)이 챔버 하부(724)에 독립적으로 공급된다. 불활성 퍼지 가스는 증착 챔버(712)에 위치된 웨이퍼 및 챔버 피쳐와 프로세스 온도에서 실질적으로 반응하지 않는 가스로서 규정된다. 상기 불활성 퍼지 가스는 예열링(728)과 페데스탈(720)에 의해 챔버(712) 내에 있는 동안 프로세스 가스와 본질적으로 동일한 온도로 가열된다. 불활성 퍼지 가스(799)는 챔버 상부(722)의 프로세스 가스 압력에 대하여 챔버 하부(724) 내에 양압을 만드는 속도로 챔버 하부(724)로 공급된다. 따라서, 프로세스 가스(798)가 간극을 통하여 챔버 하부(724)내로 스며들어 페데스탈(720)의 뒷면상에 증착하는 것이 방지된다.
도 8은 프로세싱 챔버의 상부 영역에 가스를 공급하는 가스 입구 매니폴드(730)의 일부를 도시한 도면이다. 도 8의 인서트 플레이트(779)는 내측 영역(828)과 외측 영역(830)으로 구성된 것으로 도시되어 있다. 본 발명의 본 실시예에 따르면, 내측 영역(828)으로 유동하는 프로세스 가스의 조성은 외측 영역(830)으로 유동하는 가스의 조성과는 독립적으로 제어될 수 있다. 아울러, 추가적으로 내측 영역(828)의 2개의 절반부(828a,828b)에 대한 가스의 유량은 서로에 대해 독립적으로 제어될 수 있다. 이것은, 반도체 웨이퍼의 상이한 영역에 대하여 프로세스 가스 혼합 조성을 제어하기 위한 목적으로 가스 유동에 대한 그 제어도(degrees of control)을 제공한다.
도 7에 도시된 프로세싱 장치(710)는 가스 유동, 기판 온도 및 챔버 압력의 제어와 같은 장치(710)의 다양한 동작을 제어하는 시스템 컨트롤러(762)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 시스템 컨트롤러(762)는 하드 디스크 드라이브(메모리(764)), 플로피 디스크 드라이브 및 프로세서(766)를 포함한다. 상기 프로세서는 단일 보드 컴퓨터(SBC), 아날로그 및 디지탈 입력/출력 보드, 인터페이스 보드 및 스텝퍼 모터 컨트롤러 보드를 포함한다. 프로세싱 장치(710)의 다양한 부분이 보드, 카드 케이지 및 커넥터의 크기와 유형을 규정한 VME(Versa Modular Europeans) 표준을 따를 수 있다. 또한, 상기 VME 표준은 16비트 데이타 버스 및 24비트 어드레스 버스를 가진 버스 구조를 규정한다.
시스템 컨트롤러(762)는 장치(710)의 동작을 제어한다. 상기 시스템 컨트롤러는 메모리(764)와 같은 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램인 시스템 컨트롤 소프트웨어를 실행시킨다. 메모리(764)는 하드 디스크 드라이브일 수 있으나, 메모리(764)는 다른 종류의 메모리일 수도 있다. 또한, 메모리(764)는 이러한 종류의 하나 또는 그 이상의 메모리의 조합일 수 있다. 상기 컴퓨터 프로그램은 타이밍, 가스들의 혼합, 챔버 압력, 챔버 온도, 램프 전력수준, 페데스탈 위치, 및 특정 프로세스의 다른 변수들을 좌우하는 인스트럭션 세트를 포함한다. 물론, 예를 들어, 플로피 디스크 또는 다른 적당한 드라이브를 포함하는 다른 메모리 디바이스 상에 저장된 프로그램과 같은 다른 컴퓨터 프로그램들이 시스템 컨트롤러(762)를 작동시키기 위해 사용될 수도 있다. LCD 모니터 및 키보드와 같은 입력/출력(I/O) 디바이스(768)가 사용자, 장비 및 시스템 컨트롤러(762) 간의 인터페이스로 사용된다.
본 발명에 따라 기판 온도를 측정하고 조절하는 프로세스는 메모리(764)에 저장되어 프로세서(766)에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 제품을 이용하여 구현될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 코드는 어셈블리 언어, C, C++, 파스칼, 포트란 등과 같은 임의의 컴퓨터 판독가능한 프로그래밍 언어로 기록될 수 있다. 적당한 프로그램 코드가 프로그램 편집기를 이용하여 단일 파일 또는 다중 파일로 입력되고, 컴퓨터의 메모리 시스템과 같은 컴퓨터 이용가능한 매체에 저장 또는 내장된다. 편집된 코드가 고급 언어로 되어 있으면, 상기 코드는 컴파일될 수 있으며, 이어서 컴파일된 최종 코드는 미리컴파일된 라이브러리 루틴의 오브젝트 코드와 링크된다. 링크된 컴파일된 오브젝트 코드를 실행하기 위해, 시스템 사용자는 오브젝트 코드를 호출하여, 컴퓨터 시스템이 그 코드를 메모리에 로드하도록 하고, 이로 부터 CPU가 상기 코드를 판독하여 실행함으로써 프로그램에서 식별된 작업을 수행하게 된다. 또한, 메모리(764)에는 본 발명에 따른 측정 및 조절을 하기 위해 필요한 프로세스 가스 유량(예를 들어, 수소 및 HCl의 유량), 프로세스 온도 및 프로세스 압력과 같은 프로세스 파라미터가 저장되어 있다.
도 9A 및 도 9B는 개시된 실시예들에 따른 기판 프로세싱 시스템에서 기판의 온도를 결정하기 위해 사용될 수 있는 예시적 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 9A에서, 회전가능한 페데스탈 부근에 광 파이프가 배치된다(905 단계). 페데스탈과 페데스탈상에 거치된 기판의 온도 결정 정확도 및/또는 정밀도를 향상시키기 위해, 상기 광 파이프의 단부가 미광으로부터 차폐된다(910 단계). 915 단계에서, 온도 결정에 영향을 줄 수 있는 오염을 저감시키기 위해 상기 광 파이프의 단부 부근에 불활성 가스를 유동시킨다. 페데스탈로부터 나오는 장파장(예를 들어, 4.5㎛ 초과)의 빛을 검출하여(920 단계), 페데스탈 온도를 결정하는데 이용한다(925 단계). 이어서, 930 단계에서, 상기 페데스탈 온도는 기판 온도를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
도 9B에서, 회전가능한 기판 부근에 광 파이프가 배치된다(955 단계). 기판의 온도 결정 정확도 및/또는 정밀도를 향상시키기 위해, 상기 광 파이프의 단부가 미광으로부터 차폐된다(960 단계). 965 단계에서, 온도 결정에 영향을 줄 수 있는 오염을 저감시키기 위해 상기 광 파이프의 단부 부근에 불활성 가스를 유동시킨다. 기판으로부터 나오는 단파장(예를 들어, 1.2㎛ 미만)의 빛을 검출하여(970 단계), 기판 온도를 결정하는데 이용한다(975 단계).
일 실시예에서, 기판 프로세싱 시스템은 프로세싱 챔버, 상기 프로세싱 챔버 내에 배치된 기판을 지지하는 페데스탈, 및 상기 프로세싱 챔버에 결합되어 실질적으로 상기 페데스탈의 엣지로부터 발생되어 방출된 빛을 측정하는 광학 고온측정 조립체를 포함한다. 상기 광학 고온측정 조립체는 광수신기 및 광검출기를 더 포함한다. 상기 광수신기는 프로세싱 챔버 내부에 위치할 수 있다. 상기 광학 고온측정 조립체는 방출된 빛의 일부를 수신하고, 상기 페데스탈의 온도는 하나 이상의 파장 부근에서 상기 방출된 빛의 일부의 강도로부터 결정된다.
다른 실시예에서, 상기 프로세싱 챔버의 일부는 히트 램프로부터의 빛의 일부가 프로세싱 챔버로 유입될 수 있도록 투명하다.
또 다른 실시예에서, 상기 하나 이상의 파장중 하나 또는 그 이상은, 온도 측정시 프로세싱 챔버 외부로부터의 미광의 영향을 저감하기 위해, 3㎛보다 크다.
또 다른 실시예에서, 상기 하나 이상의 파장중 하나 또는 그 이상은, 온도 측정시 프로세싱 챔버 외부로부터의 미광의 영향을 저감하기 위해, 4.5㎛보다 크다.
또 다른 실시예에서, 수신된 상기 방출된 빛의 일부는 제 1 강도를 가진 제 1 파장의 빛과, 제 2 강도를 가진 제 2 파장의 빛을 포함한다. 상기 페데스탈의 온도는 상기 제 2 강도에 대한 제 1 강도의 비로부터 결정된다.
또 다른 실시예에서, 상기 광수신기의 개구수는 약 0.1, 0.5 또는 0.025 보다 작다.
또 다른 실시예에서, 상기 광학 고온측정 조립체는 외피를 더 포함하고, 상기 외피는 광수신기로 유입되는 미광의 양을 저감하기 위해 상기 광수신기를 넘어서 적어도 0.005인치 연장된다.
또 다른 실시예에서, 상기 광수신기는 상기 페데스탈의 엣지로부터 0.200인치 이내에 있다.
또 다른 실시예에서, 기판 프로세싱 시스템은 프로세싱 챔버, 및 상기 프로세싱 챔버에 결합되어 실질적으로 상기 기판의 일부로부터 발생되어 방출된 빛을 측정하는 광학 고온측정 조립체를 포함한다. 상기 광학 고온측정 조립체는 광수신기 및 광검출기를 포함한다. 상기 광수신기는 프로세싱 챔버 내부에 위치된다. 상기 광학 고온측정 조립체는 방출된 빛의 일부를 수신하고, 상기 기판의 온도는 하나 이상의 파장 부근에서 상기 방출된 빛의 일부의 강도로부터 결정된다.
또 다른 실시예에서, 상기 기판의 온도는 약 650℃ 미만이다.
또 다른 실시예에서, 상기 하나 이상의 파장중 하나 또는 그 이상은 약 1.2㎛ 미만이다.
또 다른 실시예에서, 상기 하나 이상의 파장중 하나 또는 그 이상은 약 1.0㎛ 미만이다.
또 다른 실시예에서, 상기 광수신기의 개구수는 약 0.1, 0.5 또는 0.025 보다 작다.
또 다른 실시예에서, 상기 프로세싱 챔버의 일부는 히트 램프로부터의 빛의 일부가 프로세싱 챔버로 유입될 수 있도록 투명하다.
또 다른 실시예에서, 상기 하나 이상의 파장중 하나 또는 그 이상은, 온도 측정시 프로세싱 챔버 외부로부터의 미광의 영향을 저감하기 위해, 3㎛보다 크다.
또 다른 실시예에서, 상기 하나 이상의 파장중 하나 또는 그 이상은, 온도 측정시 프로세싱 챔버 외부로부터의 미광의 영향을 저감하기 위해, 4.5㎛보다 크다.
또 다른 실시예에서, 수신된 상기 방출된 빛의 일부는 제 1 강도를 가진 제 1 파장의 빛과, 제 2 강도를 가진 제 2 파장의 빛을 포함한다. 상기 기판의 온도는 상기 제 2 강도에 대한 제 1 강도의 비로부터 결정된다.
또 다른 실시예에서, 상기 광수신기는 상기 페데스탈 또는 상기 기판의 엣지로부터 0.200인치 이내에 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 기판 프로세싱 시스템은 외피를 더 포함하고, 상기 외피는 광수신기로 유입되는 미광의 양을 저감하기 위해 상기 광수신기를 넘어서 적어도 0.005인치 연장된다.
또 다른 실시예에서, 상기 기판의 일부는 상기 기판의 엣지를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 기판 프로세싱 시스템은 프로세싱 챔버, 상기 프로세싱 챔버 내에 배치된 기판을 지지하는 페데스탈로서, 하나 이상의 파장 부근에서 하나 또는 그 이상의 피쳐 근처에서의 광 방사율이 증대되도록 상기 페데스탈의 일부에 상기 하나 또는 그 이상의 피쳐를 가지는 페데스탈, 및 상기 프로세싱 챔버에 결합되어 실질적으로 상기 페데스탈의 일부로부터 발생되어 방출된 빛을 측정하는 광학 고온측정 조립체를 포함한다. 상기 광학 고온측정 조립체는 광 파이프의 제 1 단부에 결합된 광수신기를 더 포함한다. 또한, 상기 광학 고온측정 조립체는 상기 광수신기에 결합되어 상기 방출된 빛의 일부를 검출하는 광검출기를 포함한다. 상기 페데스탈의 온도는 하나 이상의 파장 부근에서 방출된 빛의 일부의 강도로부터 결정된다.
또 다른 실시예에서, 상기 광수신기는 상기 페데스탈의 일부와 실질적으로 정렬되어 있고, 상기 하나 또는 그 이상의 피쳐로부터 방출되는 빛을 수신한다.
또 다른 실시예에서, 상기 광학 고온측정 조립체는 상기 광수신기의 단부 부근에 배치되어 상기 광 파이프로 유입되는 미광을 저감시키는 외피를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 외피는 상기 광 파이프의 단부를 지나 연장하지만, 빛이 상기 페데스탈의 일부와 상기 광수신기 사이에서 이동하는 것을 방해하지 않는다.
또 다른 실시예에서, 상기 외피는 상기 광 파이프의 단부를 지나 연장하지만, 상기 광파이프의 단부의 개구를 덮지 않는다.
또 다른 실시예에서, 상기 페데스탈의 일부는 상기 페데스탈의 엣지를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 광학 고온측정 조립체는 상기 광 파이프의 제 2 단부 부근에 배치된 가스 입구를 더 포함한다. 상기 가스 입구는 상기 광 파이프 내부의 채널에 결합되며, 상기 가스 입구로 공급된 가스는 상기 채널을 통하여 상기 광 파이프의 제 1 단부로, 그리고 상기 가스로 상기 광 파이프의 제 1 단부를 퍼징하는 챔버내로 유동한다.
또 다른 실시예에서, 상기 가스는 수소, 질소 및 아르곤 중 하나 이상을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 가스의 유량은 약 200 sccm 내지 8 slm이다.
또 다른 실시예에서, 상기 페데스탈의 엣지의 상기 하나 또는 그 이상의 피쳐는 상기 페데스탈의 엣지 주위의 그루브를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 페데스탈의 엣지의 하나 또는 그 이상의 피쳐는 상기 페데스탈에 천공된 홀을 포함하며, 상기 홀 중 하나 이상은 상기 홀의 개구에 걸친 면적의 적어도 2배인 전체 내부 면적을 갖는다.
또 다른 실시예에서, 프로세싱 과정중에 기판의 온도를 측정하는 방법은, 페데스탈 또는 상기 기판의 일부 부근에 광 파이프를 배치하는 단계, 상기 페데스탈 또는 기판의 일부로부터의 빛을 상기 광 파이프의 단부가 수신하도록, 상기 광 파이프의 단부를 미광으로부터 차폐하는 단계; 상기 광 파이프의 단부의 오염을 저감시키기 위해 상기 광 파이프의 단부를 가스로 퍼징하는 단계; 상기 페데스탈 또는 기판으로부터 방출되어 상기 광 파이프에 의해 수신된 빛의 일부를 검출하는 단계; 및 하나 이상의 파장 부근에서 상기 페데스탈 또는 기판으로부터 방출된 빛의 일부의 강도로부터 상기 기판의 온도를 결정하는 단계;를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 방법은 상기 온도가 측정중 일 때, 상기 페데스탈 및/또는 기판을 회전시키는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 방법은 수소, 질소 및 아르곤 중 하나 이상을 포함하는 가스로 상기 광 파이프의 단부를 퍼징하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 방법은 상기 광 파이프의 단부를 퍼지하기 위해 약 200 sccm 내지 8 slm의 가스를 유동시키는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 하나 이상의 파장 부근에서 하나 또는 그 이상의 피쳐 근처에서의 겉보기 광 방사율을 증가시키도록, 상기 페데스탈은 상기 페데스탈의 엣지에 상기 하나 또는 그 이상의 피쳐를 가지고, 상기 페데스탈로부터 방출된 빛의 일부를 검출하는 단계는 상기 피쳐로부터 방출된 빛을 검출하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 하나 이상의 파장중 하나 또는 그 이상은, 온도 측정시 미광의 영향을 저감하기 위해, 3㎛보다 크다.
또 다른 실시예에서, 상기 하나 이상의 파장중 하나 또는 그 이상은, 온도 측정시 미광의 영향을 저감하기 위해, 4.5㎛보다 크다.
이상 바람직한 실시예의 관점에서 본 발명을 기술하였으나, 당업자라면 본 발명이 이에 한정되지 않음을 이해할 수 있을 것이다. 전술한 발명의 다양한 특징 및 양태가 개별적으로 또는 조합하여 이용될 수 있다. 아울러, 본 발명을 특수한 환경과 특수한 응용분야에 있어서의 구현에 대해 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 유용성이 그에 한정되지 않으며, 다수의 환경 및 구현들에서 활용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (25)

  1. 기판 프로세싱 시스템으로서,
    프로세싱 챔버;
    상기 프로세싱 챔버 내부에 배치된 기판을 지지하는 페데스탈; 및
    상기 페데스탈의 엣지로부터 발생되어 방출된 빛을 측정하는 광학 고온측정 조립체를 포함하며,
    상기 광학 고온측정 조립체는 광수신기 및 광검출기를 포함하고,
    상기 광학 고온측정 조립체는 상기 방출된 빛의 일부를 수신하고,
    상기 페데스탈의 온도는 하나 이상의 파장 부근에서 상기 방출된 빛의 일부의 강도로부터 결정되는,
    기판 프로세싱 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광수신기는 상기 프로세싱 챔버 내부에 배치되는,
    기판 프로세싱 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버의 일부는 히트 램프들로부터의 빛의 일부가 상기 프로세싱 챔버로 유입될 수 있도록 투명한,
    기판 프로세싱 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파장 중 하나 또는 그 이상은 3㎛보다 큰,
    기판 프로세싱 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파장 중 하나 또는 그 이상은 4.5㎛보다 큰,
    기판 프로세싱 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광수신기의 개구수(numerical aperture)는 0.1 미만인,
    기판 프로세싱 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광수신기의 개구수는 0.05 미만인,
    기판 프로세싱 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광수신기의 개구수는 0.025 미만인,
    기판 프로세싱 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    수신된 상기 방출된 빛의 일부는 제 1 강도를 가진 제 1 파장의 빛과, 제 2 강도를 가진 제 2 파장의 빛을 포함하고, 상기 페데스탈의 온도는 상기 제 2 강도에 대한 상기 제 1 강도의 비(ratio)로부터 결정되는,
    기판 프로세싱 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 프로세싱 시스템은 외피를 더 포함하고,
    상기 외피는 상기 광수신기를 넘어서 적어도 0.005인치 연장된,
    기판 프로세싱 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광수신기는 상기 페데스탈의 엣지로부터 0.200인치 이내에 있는,
    기판 프로세싱 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 페데스탈은, 상기 하나 이상의 파장 부근에서 하나 또는 그 이상의 피쳐들 근처에서의 겉보기 광 방사율이 증대되도록, 상기 페데스탈의 엣지에 상기 하나 또는 그 이상의 피쳐들을 갖는,
    기판 프로세싱 시스템.
  13. 기판 프로세싱 시스템으로서,
    프로세싱 챔버; 및
    기판의 일부로부터 발생되어 방출된 빛을 측정하는 광학 고온측정 조립체를 포함하며,
    상기 광학 고온측정 조립체는 광수신기 및 광검출기를 포함하고,
    상기 광학 고온측정 조립체는 상기 방출된 빛의 일부를 수신하며,
    상기 광수신기는 상기 프로세싱 챔버 내부에 배치되고,
    상기 기판의 온도는 하나 이상의 파장 부근에서 상기 방출된 빛의 일부의 강도로부터 결정되는,
    기판 프로세싱 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판의 온도는 650℃ 미만인,
    기판 프로세싱 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파장 중 하나 또는 그 이상은 1.2㎛ 미만인,
    기판 프로세싱 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파장 중 하나 또는 그 이상은 1.0㎛ 미만인,
    기판 프로세싱 시스템.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 광수신기의 개구수는 0.1 미만인,
    기판 프로세싱 시스템.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 광수신기의 개구수는 0.05 미만인,
    기판 프로세싱 시스템.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 광수신기의 개구수는 0.025 미만인,
    기판 프로세싱 시스템.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버의 일부는 히트 램프들로부터의 빛의 일부가 상기 프로세싱 챔버로 유입될 수 있도록 투명한,
    기판 프로세싱 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파장 중 하나 또는 그 이상은 3㎛보다 큰,
    기판 프로세싱 시스템.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파장 중 하나 또는 그 이상은 4.5㎛보다 큰,
    기판 프로세싱 시스템.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판 프로세싱 시스템은 외피를 더 포함하고,
    상기 외피는 상기 광수신기를 넘어서 적어도 0.005인치 연장된,
    기판 프로세싱 시스템.
  24. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판의 일부는 상기 기판의 엣지를 포함하는,
    기판 프로세싱 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 광수신기는 상기 기판의 상기 엣지로부터 0.200인치 이내에 있는,
    기판 프로세싱 시스템.
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