KR101724423B1 - 복사성 가열된 기판들의 냉각을 향상시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일반적으로 기판들을 프로세싱하기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들은 기판을 프로세싱하기 위한 장치들을 포함하며, 이러한 장치들은 복사 열 소스로부터의 광에 대해 실질적으로 투명한 동적 열 싱크를 포함하며, 동적 열 싱크가 기판 근처에서 위치되어 양자가 커플링된다. 본 발명의 부가적인 실시예들은 설명된 장치들을 사용하여 기판을 프로세싱하는 방법들에 관한 것이다.
Description
본 발명의 실시예들은 일반적으로 반도체 프로세싱의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 복사성 프로세스들을 통해 가열된 기판들의 냉각을 향상시키기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다.
다수의 애플리케이션들은 반도체 및 다른 재료들의 열적 프로세싱을 수반하고, 그 열적 프로세싱은 재료의 온도의 정밀한 측정 및 제어를 요구한다. 예를 들어, 반도체 기판의 프로세싱은 온도들의 넓은 범위에 걸쳐 온도의 정밀한 측정 및 제어를 요구한다. 이러한 프로세싱의 일례는 급속 열적 프로세싱(RTP)이고, 이는 급속 열적 어닐링(RTA), 급속 열적 세정(RTC), 급속 열적 화학적 기상 증착(RTCVD), 급속 열적 산화(RTO), 및 급속 열적 질화(RTN)를 포함하는 다수의 제조 프로세스들을 위해 사용된다. RTO 또는 RTN에 의한 CMOS 게이트 유전체 형성의 특정한 애플리케이션에서, 게이트 유전체들의 두께, 성장 온도, 및 균일성은 전체적인 디바이스 성능 및 제조 수율에 영향을 미치는 파라미터들이다. 이러한 프로세스들 중 몇몇은 기판에 걸쳐서 섭씨 몇도 미만의 온도의 변화들을 요구한다.
반도체에 대한 국제 기술 로드맵(International Technology Roadmap for Semiconductors)에 따르면, 다음 노드들에 대해 11nm의 트랜지스터 SDE 접합 깊이들이 요구된다. 급속 열적 프로세싱 스파이크 어닐링은, 현재의 기술로는 온도에서의 시간이 대략 1초로 제한되기 때문에 한계에 도달하고 있다. 밀리초 어닐링이 가능한 해결책이지만, 일부 RTP와 조합되지 않는 한 통합하기 어렵다. 즉각적인 해결책으로서, 온도에서의 시간이 추가로 감소될 수 있는 경우에 RTP가 확장될 수 있다.
기판의 열적 프로세싱 동안에 온도들은 기판에서 실시할 수 있는 만큼 균일한 것이 바람직하다. 부가적으로, 특정 프로세스들, 예를 들어 스파이크 어닐링이 완료된 후에 기판을 냉각하는데 요구되는 시간의 양을 감소시키는 것이 바람직하다. 실제로, 기판의 에지 구역은 기판의 다른 구역들보다 RTP 챔버의 주변부에 의해 열적으로 더 많이 영향을 받게 되어, 만성적인(chronic) 온도 불균일성들이 에지 구역에서 존재하게 된다. 표준 제어 알고리즘들은, 일단 검출되면 방사상 온도 불균일성들에 응답하도록 설계된다. 스파이크 어닐링 프로세스들과 같은 매우 짧은 프로세스들에 있어서, 제어 알고리즘이 충분히 신속하게 보상하는 것이 가능하지 않을 수 있어서, 기판의 에지 근처에서 온도 불균일성들을 초래할 수 있다. 추가로, RTP 챔버들의 현재의 설계가 원형 기판 상의 방사상 온도 불균일성에 적응되어 있기 때문에, 이러한 온도 제어의 방법은 비-방사상 온도 불균일성들, 예를 들어 기판 상에서 대칭적으로 중심을 두고 있지 않은 "냉점(cold spot)"을 교정할 수 없다.
따라서, 기판들의 냉각 속도를 향상시키는, 기판들의 넓은 범위에 대해 사용될 수 있는 기판의 급속 열적 프로세싱을 제어하기 위한 방법들 및 장치에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
따라서, 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들은 전면 및 후면을 갖는 기판을 프로세싱하기 위한 장치들에 관한 것이다. 장치들은 프로세스 영역 외부에 위치된 복사 열 소스 근처의 윈도우에 의해 일 측이 정의된, 챔버 내의 프로세스 영역을 포함한다. 동적 열 싱크는 프로세스 영역에 위치되고 복사 열 소스로부터의 광에 실질적으로 투명하다. 기판 지지체가 열적 프로세싱 동안에 동적 열 싱크 근처에서 기판을 유지하기 위해 프로세스 영역에 있다. 기판 지지체는, 기판의 전면과 후면 중 적어도 하나가 복사 열 소스를 향하도록 하고 동적 열 싱크가 기판에 커플링되어 기판으로부터 열을 흡수하도록 하는 위치에서 기판을 유지한다.
상세한 실시예들에서, 동적 열 싱크는, 기판에 전도성 커플링되어 열을 흡수하는 미리 선택된 열 흡수를 갖고 복사 열 소스로부터의 복사에 대해 실질적으로 투명한 반투명한 플레이트이고, 반투명한 플레이트는, 기판의 가열 동안에 반투명한 플레이트가 기판보다 온도가 더 낮게 유지되도록, 열적 프로세싱 동안에 기판으로부터 갭 거리에 위치된다.
상세한 실시예들에서, 기판의 열적 프로세싱 동안에, 동적 열 싱크와 기판 사이에 갭이 존재한다. 특정 실시예들에서, 갭은 폭이 약 1mm 까지이다. 본 발명의 상세한 실시예들은, 갭이 전도성 유체로 충진될 수 있거나 또는 기존의 유체를 교체(displace)/기존의 유체와 혼합할 수 있고 실질적으로 정적으로 유지될 수 있도록, 갭과 유체 연통하는 전도성 유체 소스를 더 포함한다. 특정 실시예들에서, 유체는 질소 가스, 산소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스, 수소 가스, 및 이들의 조합들로 이루어진 그룹에서 선택된다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따르면, 열적 프로세싱 동안에, 동적 열 싱크는 기판 근처에서 복사 열 소스와 반대되는 측에 위치된다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 열적 프로세싱 동안에, 동적 열 싱크는 기판 근처에서 복사 열 소스와 동일한 측에 복사 열 소스와 기판 사이에서 위치된다.
상세한 실시예들에서, 동적 열 싱크는 기판 지지체에 의해 지지된다.
몇몇 상세한 실시예들에 따르면, 동적 열 싱크는 독립적인 열 싱크 지지체에 의해 지지되고, 독립적인 열 싱크 지지체 및 기판 지지체는 별개로 이동가능하다. 특정 실시예들에서, 기판의 열적 프로세싱 동안에, 독립적인 열 싱크 지지체는, 동적 열 싱크와 기판 사이에서 변화될 수 있는 갭이 존재하게끔 동적 열 싱크를 이동시키도록 동작가능하다.
몇몇 실시예들에서, 장치는 복사 열 소스로부터의 광을 반사시키기 위한 반사기 플레이트를 더 포함하고, 반사기 플레이트는, 전면과 후면 중 하나가 복사 열 소스를 향하고, 전면과 후면 중 나머지 하나가 반사기 플레이트를 향하도록 위치된다.
상세한 실시예들에서, 동적 열 싱크는 석영, 사파이어, 및 투명한 YAG로 이루어진 그룹에서 선택된다.
본 발명의 부가적인 실시예들은, 전면 및 후면을 갖는 기판을 프로세싱하기 위한 장치들에 관한 것이다. 장치들은, 프로세스 영역 외부에 위치된 복사 열 소스 근처의 윈도우에 의해 일 측이 정의된, 챔버 내의 프로세스 영역을 포함한다. 기판 지지체 어셈블리는, 기판의 전면과 후면 중 적어도 하나가 복사 열 소스를 향하도록 하는 위치에서 열적 프로세싱 동안에 기판을 유지하기 위해 프로세스 영역 내에 있다. 기판에 전도성 커플링되어 열을 흡수하는 미리 선택된 열 흡수를 갖고 복사 열 소스로부터의 복사에 대해 실질적으로 투명한 반투명한 플레이트가 프로세스 영역에 있다. 반투명한 플레이트는, 기판의 가열 동안에 반투명한 플레이트가 기판보다 온도가 더 낮게 유지되도록 열적 프로세싱 동안에 기판으로부터 갭 거리에 위치된다.
상세한 실시예들에서, 반투명한 플레이트는 기판 재료의 열 흡수 미만의 열 흡수를 갖는 재료로 이루어진다.
하나 또는 둘 이상의 실시예들에서, 갭 거리는 반투명한 플레이트의 열 흡수가 동적이도록 조정가능하다.
특정 실시예들에서, 기판은 실리콘이고, 반투명한 플레이트는 석영을 포함한다.
몇몇 실시예들에 따르면, 장치들은, 갭이 전도성 유체로 충진될 수 있거나 또는 기존의 유체를 교체(displace)/기존의 유체와 혼합할 수 있고 실질적으로 정적으로 유지될 수 있도록 갭과 유체 연통하는 전도성 유체 소스를 더 포함한다.
본 발명의 추가적인 실시예들은, 복사 열 소스를 포함하는 챔버에서 전면 및 후면을 갖는 기판을 프로세싱하는 방법들에 관한 것이다. 기판은 챔버의 프로세스 영역 내에서 지지되고, 프로세스 영역은 프로세스 영역으로부터 복사 열 소스를 분리하는 램프에 의해 일 측이 정의된다. 동적 열 싱크가 프로세스 영역 내에서 지지되고, 동적 열 싱크는 복사 열 소스에 의해 방출되는 광에 대해 실질적으로 투명하다. 복사 열 소스는 기판을 제1 온도로 가열하도록 동작된다. 복사 열 소스는 비활성화되고, 동적 열 싱크가 기판으로부터의 열을 흡수하도록 위치된다.
상세한 실시예들에서, 동적 열 싱크는 기판 근처에서 복사 열 소스와 반대되는 측에 위치된다.
몇몇 상세한 실시예들에서, 동적 열 싱크는 기판 근처에서 그리고 복사 열 소스와 동일한 측에 위치된다.
하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따르면, 동적 열 싱크와 기판 사이에 갭이 존재한다. 특정 실시예들에서, 방법들은 동적 열 싱크와 기판 사이의 갭에 유체를 부가하는 단계를 더 포함한다.
상세한 실시예들에서, 동적 열 싱크는, 복사 열 소스의 비활성화 시에, 기판에 더 근접한 위치로 이동된다.
위에서 간략하게 요약된 본 발명의 보다 특정한 설명은 첨부된 도면들에 도시된 본 발명의 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있다. 그러나, 첨부된 도면들이 본 발명의 전형적인 실시예들만을 예시하는 것이고 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되지 않아야 한다는 것이 주의되어야 하며, 이는 본 발명이 다른 동등하게 효과적인 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은 종래의 급속 열적 프로세싱 챔버를 예시한다.
도 2는 예시적인 급속 열적 프로세스에 대한 이상적인 시간-온도 궤적을 예시한다.
도 3은 급속 열적 프로세스에 대한 전형적인 프로세스 시퀀스를 예시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따른 프로세싱 장치를 예시한다.
도 5는 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따른 프로세싱 장치를 예시한다.
도 6은 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따른 동적 열 싱크 지지체 및 기판의 조합을 예시한다.
도 7은 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따른 프로세싱 장치를 예시한다.
도 8은 시간에 따른 기판 온도들의 그래프이다.
이해를 돕기 위해, 가능한 경우 도면들에 공통되는 동일한 엘리먼트들을 나타내기 위해서 동일한 참조 번호들이 사용되었다.
도 1은 종래의 급속 열적 프로세싱 챔버를 예시한다.
도 2는 예시적인 급속 열적 프로세스에 대한 이상적인 시간-온도 궤적을 예시한다.
도 3은 급속 열적 프로세스에 대한 전형적인 프로세스 시퀀스를 예시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따른 프로세싱 장치를 예시한다.
도 5는 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따른 프로세싱 장치를 예시한다.
도 6은 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따른 동적 열 싱크 지지체 및 기판의 조합을 예시한다.
도 7은 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따른 프로세싱 장치를 예시한다.
도 8은 시간에 따른 기판 온도들의 그래프이다.
이해를 돕기 위해, 가능한 경우 도면들에 공통되는 동일한 엘리먼트들을 나타내기 위해서 동일한 참조 번호들이 사용되었다.
본 발명의 몇몇 예시적인 실시예들을 설명하기 전에, 본 발명이 다음의 설명에서 제시되는 구성 또는 프로세스 단계들의 세부사항들로 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하며 다양한 방식들로 실시 또는 수행될 수 있다.
상술된 바와 같이, 기판의 열적 프로세싱 동안에 기판에서 온도 균일성을 갖는 것이 바람직하다. 온도 균일성은, 막 증착, 산화물 성장, 및 에칭과 같은 온도 활성화된 단계들에 대해 기판 상에 균일한 프로세스 변수들(예를 들어, 층 두께, 비저항, 에칭 깊이)을 제공한다. 부가하여, 기판에서의 온도 균일성은 휨(warpage), 결함 생성, 및 슬립(slip)과 같은 열적 응력-유발 기판 손상을 방지하는데 필요하다. 예를 들어, 1150℃에서, 대략 5℃의 4인치 실리콘 웨이퍼 상의 중심 대 에지 온도 차이는 전위(dislocation) 형성 및 슬립을 유발할 수 있다.
온도 구배들은 또한 다른 소스들에 의해 유발될 수 있다. 예를 들어, 기판의 표면 면적들 또는 볼륨들에 대한 공간적인 변형(modification)들 때문에, 기판은 불균일한 복사율(emissivity)을 가질 수 있다. 이러한 변형들은 바이폴라 트랜지스터들에 대한 매립된 층들과 같은 국부적으로 도핑된 구역들 또는 포토리소그래피에 의해 패터닝된 막들을 포함할 수 있다. 부가하여, 기판 온도 구배들은, 프로세싱 동안에 기판 표면 상에서 발생할 수 있는 불균일한 흡열성 또는 발열성 반응들뿐만 아니라, 프로세싱 챔버 설계에 관련된 국소화된 가스 냉각 또는 가열 효과들에 의해 유발될 수 있다.
도 1은 종래의 급속 열적 프로세싱 챔버(10)를 개략적으로 표현한다. Peuse 등은 미국 특허 제5,848,842호 및 제6,179,466호에서 이러한 타입의 반응기 및 그 반응기의 기기 장치(instrumentation)의 추가적인 세부사항들을 설명한다. 기판 또는 웨이퍼(12), 예를 들어 열적 프로세싱될 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 웨이퍼가, 밸브 또는 액세스 포트(13)를 통해 챔버(10)의 프로세스 영역(18) 내로 전달된다. 웨이퍼(12)는 웨이퍼(12)의 주변부 상에서 기판 지지체에 의해 지지되며, 본 실시예에서 기판 지지체는, 웨이퍼(12)의 코너에 접촉하는 환형 경사 쉘프(annular sloping shelf; 15)를 갖는 환형 에지 링(14)으로서 도시된다. Ballance 등은 미국 특허 제6,395,363호에서 에지 링 및 에지 링의 지지 기능을 보다 완전하게 설명한다. 웨이퍼(12)의 전면 표면에서 이미 형성된 프로세싱된 피쳐들(16)이 하향 중력 필드에 대하여 상향으로, 투명한 석영 윈도우(20)에 의해 상단 측이 정의된 프로세스 영역(18)을 향하도록, 웨이퍼가 배향된다. 투명한 석영 윈도우(20)는, 프로세싱 동안에 윈도우가 기판의 냉각에 최소의 영향을 미치도록 웨이퍼(12)로부터 상당한 거리에 위치된다. 전형적으로, 웨이퍼(12)와 윈도우(20) 사이의 거리는 대략 20mm이다. 개략적인 예시와는 다르게, 피쳐들(16)은 대부분 웨이퍼(12)의 표면을 넘어서 상당한 거리들로 돌출(project)하지 않으며, 표면의 평면 내에서 그리고 그 근처에서 패터닝을 구성한다. 챔버 내로 그리고 에지 링(14) 상으로 웨이퍼를 운반하는 패들 또는 로봇 블레이드(미도시) 사이에서 웨이퍼가 전달되는 경우에, 3개의 리프트 핀(22)들이 웨이퍼(12)의 후면을 지지하도록 상승 및 하강될 수 있다. 복사 가열 장치(24)는 복사 에너지를 웨이퍼(12)를 향하여 지향시키고 그에 따라 웨이퍼를 가열하도록, 윈도우(20) 위에 위치된다. 반응기 또는 프로세싱 챔버(10)에서, 복사 가열 장치는 다수, 즉 예시적인 수로서 409개의 고강도 텅스텐-할로겐 램프들(26)을 포함하며, 이러한 램프들은 윈도우(20) 위에서 육각형 밀집-패킹된(close-packed) 어레이로 배열된 각각의 반사성 튜브들(27) 내에 위치된다. 램프들(26)의 어레이는 종종 램프헤드라고 지칭된다. 그러나, 다른 복사 가열 장치로 대체될 수 있다. 일반적으로, 램프들은 복사 소스의 온도를 신속하게 램프 업(ramp up)시키기 위해 저항성 가열을 수반한다. 적합한 램프들의 예들은, 필라멘트를 둘러싸는 유리 또는 실리카의 엔벨로프(envelope)를 갖는 수은 증기 램프들, 및 가스가 에너자이징(energize)되는 경우에 열 소스를 제공하는 제논과 같은 가스를 둘러싸는 유리 또는 실리카의 엔벨로프를 포함하는 플래시 램프들을 포함한다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 램프라는 용어는 열 소스를 둘러싸는 엔벨로프를 포함하는 램프들을 커버하도록 의도된다. 램프의 "열 소스"는 기판의 온도를 증가시킬 수 있는 재료 또는 엘리먼트, 예를 들어 에너자이징될 수 있는 가스 또는 필라멘트를 지칭한다.
여기에서 사용되는 바와 같이, 급속 열적 프로세싱 또는 RTP는 약 50 ℃/초 및 그 초과의 레이트들, 예를 들어 100° 내지 150 ℃/초, 및 200° 내지 400 ℃/초의 레이트들로 웨이퍼를 균일하게 가열할 수 있는 장치 또는 프로세스를 지칭한다. RTP 챔버들에서의 전형적인 램프-다운(냉각) 레이트들은 80-150 ℃/초의 범위 내에 있다. RTP 챔버들에서 수행되는 몇몇 프로세스들은 섭씨 몇도 미만의 기판에 걸친 온도에서의 변화들을 요구한다. 따라서, RTP 챔버는 100° 내지 150 ℃/초 및 200° 내지 400 ℃/초까지의 레이트로 가열할 수 있는 램프 또는 다른 적합한 가열 시스템 및 가열 시스템 제어를 포함해야만 하며, 이는 이들 레이트들로 급속 가열할 수 있는 가열 시스템 및 가열 제어 시스템을 갖지 않은 다른 타입들의 열적 챔버들과 급속 열적 프로세싱 챔버들을 구별한다.
본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 본 발명의 실시예들은 또한 플래시 어닐링에 적용될 수 있다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 플래시 어닐링은 5초 미만, 구체적으로 1초 미만, 그리고 몇몇 실시예들에서 밀리초로 샘플을 어닐링하는 것을 지칭한다.
웨이퍼(12)에 걸친 온도를, 웨이퍼(12)에 걸쳐 균일한 엄밀하게 정의된 온도(closely defined temperature)로 제어하는 것이 중요하다. 균일성을 개선하는 하나의 수동적인 수단은, 웨이퍼(12)보다 더 큰 영역에 걸쳐 그리고 그 웨이퍼에 평행하게 연장하고, 웨이퍼(12)의 후면을 향하는 반사기(28)를 포함한다. 반사기(28)는 웨이퍼(12)로부터 방출된 열 복사를 웨이퍼(12)를 향하여 다시 효율적으로 반사시킨다. 웨이퍼(12)와 반사기(28) 사이의 간격은 3 내지 9 mm의 범위 내에 있을 수 있고, 공동(cavity)의 폭 대 두께의 종횡비는 20을 초과하는 것이 유리하다. 금 코팅 또는 다중 층 유전체 간섭 미러로 형성될 수 있는 반사기(28)는, 웨이퍼(12)의 온도가 더 높은 부분들로부터 온도가 더 낮은 부분들로 열을 분산시키는 경향이 있는, 웨이퍼(12)의 후면에서의 흑체 공동을 효과적으로 형성한다. 다른 실시예들에서, 예를 들어, 미국 특허 제6,839,507호 및 제7,041,931호에서 개시된 바와 같이, 반사기(28)는 더 불규칙적인 표면을 가질 수 있거나 또는 검은색 또는 다른 컬러의 표면을 가질 수 있다. 반사기(28)는, 특히 냉각 동안에 웨이퍼로부터의 과도한 복사를 열 싱크하도록 금속으로 제조된 수냉(water-cooled) 베이스(53) 상에 증착될 수 있다. 따라서, 프로세싱 챔버의 프로세스 영역(18)은 적어도 2개의 실질적으로 평행한 벽들을 갖고, 이들 벽들 중 첫 번째는 석영과 같이 복사에 대해 투명한 재료로 이루어진 윈도우(20)이고, 두 번째 벽/베이스(53)는 첫 번째 벽에 실질적으로 평행하며 금속으로 이루어지고 상당히 투명하지 않다.
균일성을 개선하는 하나의 방식은, 챔버의 외부에 위치된 회전가능한 플랜지(32)에 자기적으로 커플링된 회전가능한 실린더(30) 상에서 에지 링(14)을 지지하는 것을 포함한다. 로터(미도시)는 플랜지(32)를 회전시키고 이에 따라, 또한 일반적으로 대칭적인 챔버의 중심선인 웨이퍼의 중심(34)을 중심으로 웨이퍼를 회전시킨다.
균일성을 개선하는 다른 방식은, 중심 축(34)을 중심으로 일반적으로 링-형으로 배열된 구역들로 램프들(26)을 분할하는 것이다. 제어 회로는 상이한 구역들에서의 램프들(26)에 전달되는 전압을 변화시켜서 이에 의해 복사 에너지의 방사상 분포를 조절(tailor)한다. 회전하는 웨이퍼(12)의 반경에 걸친 온도를 측정하기 위해 반사기(28)에서의 애퍼쳐들을 통하여 웨이퍼(12)의 후면을 향하도록 위치된 하나 또는 둘 이상의 광학적 광 파이프들(42)을 통해 커플링된 하나 또는 복수의 고온계들(40)에 의해, 구역화된 가열의 동적 제어가 영향을 받는다. 광 파이프들(42)은 사파이어, 금속, 및 실리카 섬유를 포함하는 다양한 구조들로 형성될 수 있다. 컴퓨터화된 제어기(44)는 고온계들(40)의 출력들을 수신하고 그에 따라 램프들(26)의 상이한 링들에 공급되는 전압들을 제어하여 그에 의해 프로세싱 동안에 복사 가열 세기 및 패턴을 동적으로 제어한다. 고온계들은 일반적으로, 예를 들면 약 700 내지 1000nm의 범위 내의 40nm의 좁은 파장 대역폭에서 광 세기를 측정한다. 제어기(44) 또는 다른 기기 장치는, 소정의 온도로 유지되는 흑체로부터 복사되는 광 세기의 스펙트럼 분포의 공지된 플랑크 분포(Planck distribution)를 통해 광 세기를 그 온도로 변환한다.
도 1에 도시된 챔버는 기판의 열적 노출의 제어를 허가하도록 웨이퍼(12) 지지체로 하여금 챔버 내부에서의 상이한 수직 위치들에서 용이하게 부양되게 허용한다. 도 1에 도시된 구성이 제한적이도록 의도되지 않았다는 것이 이해될 것이다. 특히, 본 발명은, 열 소스 또는 램프들이 기판의 일 측 또는 표면으로 지향되고 고온계들이 웨이퍼의 반대 측으로 지향되는 구성들로 제한되지 않는다.
상술된 바와 같이, 프로세싱 챔버의 프로세스 영역에서의 웨이퍼 온도는 복사 고온측정법에 의해 보통 측정된다. 복사 고온측정법이 고도로 정확할 수 있지만, 복사 고온계 대역폭 내에 있고 열 소스로부터 발원하는 복사는, 이러한 복사가 고온계에 의해 검출되는 경우에 고온계 신호의 해석(interpretation)과 간섭할 수 있다. Applied Materials의 RTP 시스템들에서, 이러한 간섭이 프로세스 키트 및 웨이퍼 그 자체에 의해 최소화되었다. 프로세스 키트는 회전 시스템과 웨이퍼를 커플링시킨다. 프로세스 키트는 도 1에 30으로 도시된 지지 실린더를 포함할 수 있다. 프로세스 키트는 또한, 도면들에는 도시되어 있지 않지만 특정 프로세싱 챔버 구성들에서 사용될 수 있는 지지 링을 포함할 수 있다. 이러한 지지 링은 기본적으로, 도 1에 14로 도시된 에지 링을 지지하는 보조 에지 링이다.
급속 열적 프로세싱 동안에 기판의 모든 구역들 사이의 온도 불균일성을 최소화하는 것에 부가하여, 기판의 실제 시간-온도 궤적이, 기판의 원하는 시간-온도 궤적으로부터, 특히 피크 온도로부터, 가능한 작게 변화하는 것이 또한 중요하다. 시간-온도 궤적 및 피크 온도는 도 2와 관련하여 아래에서 설명된다.
따라서, 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들은 RTP 프로세스들에서 이상적인 시간-온도 궤적을 달성하는데 유용하다. 도 2는 이상적인 시간-온도 궤적을 예시하며, 그 이상적인 시간-온도 궤적은, 예시적인 급속 열적 프로세스, 이 경우에는 스파이크 어닐링 프로세스에 대한 목표 시간-온도 궤적(100)이라고 이하에서 지칭된다. 가로좌표는 시간을 표현하고, 세로좌표는 기판 온도를 표현하며, 목표 시간-온도 궤적(100)은 스파이크 어닐링 프로세스 동안의 임의의 시간에서의 기판의 원하는 온도를 표현한다. 시간(120)에서, 기판이 실질적으로 실온인 온도(130)에 있으면서 기판의 열적 프로세싱이 시작된다. 기판 온도는 도 3과 관련하여 아래에서 설명되는 초기 온도 램프(201) 동안에 온도(132)로 증가된다. 기판 온도는 고강도 램프들을 사용하여 증가된다. 시간(122)에서 시작하여, 기판 온도는 안정화 기간(202)의 지속기간 동안에 온도(132)에서 일정하게 유지된다. 시간(123)에서, 기판 온도는 시간(124)에서의 피크 온도(133)로 신속하게 증가되고, 그 후에, 시간(125)에서 온도(134)로 즉시 감소된다. RTP 동안에 기판의 피크 온도(133)가 충족되지 않은 경우에, 주입-후 어닐링과 같은 기판에 대한 중요한 프로세스들이 완료되지 않을 수 있다. RTP 동안에 피크 온도(133)가 초과되는 경우에, 프로세스는 다른 방식들로, 예를 들어 기판 내로의 주입된 원자들의 원하지 않는 확산으로부터, 또는 기판 상에 형성된 디바이스들의 열 처리량(thermal budget)을 초과함으로써, 악영향을 받을 수 있다.
도 3은 도 2와 관련하여 상술된 스파이크 어닐링 프로세스와 같은 급속 열적 프로세스에 대한 전형적인 프로세스 시퀀스(200)를 예시하는 흐름도이다. 일반적으로, 이러한 프로세스는 기판의 초기 온도 램프(201)에서 시작된다. 기판이 약 300℃ 내지 약 400℃의 온도에 있을 때까지, 초기 온도 램프(201)의 제 1 세그먼트 동안에 개방-루프 가열이 수행된다. 도 2를 다시 참조하면, 개방-루프 가열은 시간(120)과 시간(121) 사이에서 발생한다. 개방-루프 가열 동안에, 어떠한 기판 온도 피드백도 프로세스를 제어하는 것에 통합되지 않고, 대신에, 기판에 가해지는 램프 에너지의 대부분에 대해 기판이 실질적으로 불투명하게 될 온도상(temperature regime)으로 기판을 가열하도록 램프 전력이 미리 결정된 지속기간 동안에 미리 결정된 값들로 기판에 가해진다. 약 300℃ 미만에서, 실리콘 웨이퍼와 같은 전형적인 RTP 기판은, 전형적인 가열 램프들에 의해 생성되는 복사 에너지의 많은 부분에 대해 대체로(largely) 투명하다. 이러한 경우에, 기판을 통과하는 복사 에너지는 기판 후면 온도를 측정하는 고온계들에 의해 검출될 수 있어서, 부정확한 기판 온도 측정을 생성할 수 있다. 폐쇄-루프 가열 제어 알고리즘에 있어서, 부정확한 기판 온도 측정은, 초기 온도 램프(201) 동안에 불안정성 및/또는 난조(hunting)와 같은 심각한 제어 문제들을 초래할 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위해 RTP의 시작에서 개방-루프 가열이 전형적으로 사용된다. 개방-루프 가열에 대한 세트 포인트들은 일반적으로, 실증적으로 결정된다.
기판이 약 300℃ 내지 약 400℃로 가열된 후에, 그 후, 초기 온도 램프(201)는 일반적으로, 기판 온도를 약 500℃ 내지 약 700℃의 안정화 온도가 되게 하도록, 폐쇄-루프 제어 알고리즘을 사용하여 완료된다. 폐쇄-루프 제어는, 하나 또는 둘 이상의 고온계 구역들에서의 열적 프로세스의 주어진 시간 스텝에서의 기판의 온도 측정을 제어 알고리즘에 통합하여, 후속하는 시간 스텝 동안에 가열 램프들의 전력-출력을 미세-튜닝한다. 시간 스텝들은 비교적 짧을 수 있고, 예를 들어 0.1 또는 0.01 초일 수 있다. 최소 시간 스텝 사이즈는 일반적으로, 가열 프로세스를 제어하는데 사용되는 온도 센서들의 샘플링 레이트에 의해 제한된다. 폐쇄-루프 제어의 사용은 원하는 기판 온도와 실제 기판 온도 사이의 에러를 최소화한다.
기판이 초기 온도 램프(201)의 끝에서 안정화 온도에 도달하면, 그 후에 일반적으로 안정화 기간(202)이 발생된다. 안정화 기간(202)은, 열적 프로세스의 온도 민감 세그먼트인 스파이크 어닐링(203)을 시작하기 전에 기판이 평형이 되게 허용함으로써, 초기 온도 램프(201) 동안에 기판 상에 임프린트(imprint)된 열 구배들을 제거하도록 의도된다. 스파이크 어닐링(203)의 시작에서 존재하는 기판 온도에서의 불균일성들은 프로세스 동안에 교정될 가능성이 작다. 안정화 기간(202)은 길이가 약 5초 내지 약 30초, 전형적으로 약 10초 내지 약 20초이다. 기판 온도는, 도 2에 예시된 바와 같이, 안정화 온도(132)에서 유지되도록 제어되고, 이러한 안정화 온도(132)는 특정한 열적 프로세스에 따라 약 500℃ 내지 약 700℃일 수 있다.
안정화 기간(202)의 완료 시에, 그 후, 스파이크 어닐링(203)이 시작된다. 본 예에서, 스파이크 어닐링(203)은, 기판의 열적 프로세싱이 실제로 발생하는 프로세스의 세그먼트이다. 스파이크 어닐링 프로세스의 특정한 애플리케이션은, 붕소 주입 후에 기판에 대해 어닐링을 수행하는 것이다. 이러한 경우에, 스파이크 어닐링(203)은, 기판의 열적 노출을 최소화하면서, 주입된 붕소를 결정 내의 랜덤한 위치들로부터 실리콘 격자 내의 전기적으로 활성인 사이트들로 재배치한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 스파이크 어닐링(203)은 시간(123)과 시간(124) 사이에 발생하고, 냉각(204)이 뒤따른다. 스파이크 어닐링(203) 동안의 기판 온도의 램프 레이트들은 일반적으로, 약 150℃/s 내지 약 300℃/s이고, 피크 온도(133)는 약 1000℃ 내지 약 1200℃/s이며, 이는 스파이크 어닐링(203)이 일반적으로 수 초 동안만 지속된다는 것을 의미한다. 따라서, 열적 프로세스의 가장 온도에 민감한 세그먼트 동안에, 제어 알고리즘이 목표 시간-온도 궤적(100)으로부터의 기판 온도에서의 변화를 교정할 수 있는 시간이 적다. 급속 열적 프로세스의 이러한 세그먼트 동안의 목표 온도로부터의 기판 온도에서 발생하는 임의의 변화, 예를 들면 오버슈트(overshoot), 언더슈트(undershoot), 또는 와이드스파이크(widespike)는 기판들 사이의 피크 온도 반복가능성(repeatability)을 감소시킬 것이다. 도 3을 다시 참조하면, 그 후에, 냉각(204)이 스파이크 어닐링(203)에 뒤따라서, 기판의 급속 열적 프로세싱을 종료한다.
도 4 및 5는 도 1에 도시된 기판 프로세싱 장치에 대한 변형들의 예시적인 실시예들을 도시한다. 도 4는 급속 열적 어닐링을 포함하지만 이에 제한되지 않는 급속 열적 프로세싱 타입 프로세스들에 대해 사용될 수 있는 바와 같은 프로세싱 챔버(300)의 표현을 도시한다. 전면(322) 및 후면(324)을 갖는 기판(321)은 윈도우(320)에 의해 일 측이 정의된, 챔버(300)의 프로세스 영역(318) 내에서 지지된다. 챔버(300)는 윈도우(320)에 의해 프로세스 영역(318)으로부터 분리된 복사 열 소스(310)를 포함하며, 이러한 윈도우는 열 소스(310)에 의해 생성된 복사에 대해 실질적으로 투명한 석영 윈도우일 수 있다. 윈도우(320)가 프로세싱 동안에 기판의 냉각에 최소의 영향을 미치도록 하는 거리에 윈도우(320)가 위치되며, 전형적으로 기판으로부터 대략 적어도 약 15 내지 20mm에 있다는 것이 인식될 것이다. 복사 열 소스(310)의 구성은 원하는 가열 특성들에 따라 변화할 수 있지만, 특정 실시예에서, 복사 열 소스(310)는 육각형 구성으로 배열된 복수의 고강도 램프들을 포함한다. 램프들은 텅스텐 할로겐 램프들에서 사용되는 텅스텐과 같은 금속 가열 엘리먼트들을 포함하는 저항성 가열 램프들일 수 있다. 대안적으로, 복사 열 소스는 플래시 램프들일 수 있고, 여기서 가열 엘리먼트는 제논과 같은 에너자이징된 가스를 포함한다.
동적 열 싱크(330)는 기판(321) 근처의 위치에서 프로세스 영역(318) 내에 위치된다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "동적 열 싱크" 및 "반투명한 플레이트"라는 용어들은 상호 교환가능하게 사용된다. "동적 열 싱크"는, 직접적인 소스 복사 에너지에 의해 동적 열 싱크가 기판/웨이퍼보다 더 적게 가열되도록 프로세싱 동안에 기판 근처의 프로세스 영역 내에 배치되는 엘리먼트를 지칭한다. 하나 또는 둘 이상의 실시예들에서, 동적 열 싱크는 기판에 전도성 커플링됨으로써 기판을 냉각하는데 사용될 수 있다. "동적"이라는 용어는 프로세싱 동안에 기판과는 상이한 온도들 및/또는 상이한 레이트들로 열 싱크가 가열될 수 있는 능력을 지칭한다. 동적 열 싱크의 온도 및/또는 가열 레이트는 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 기판과 동적 열 싱크 사이에 (진공을 포함하는) 상이한 유체들을 통합함으로써 변형될 수 있다. 특정 실시예들에서, 동적 열 싱크는 실질적으로 기판에 대한 전도성 커플링에 의해서만 기판을 냉각한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "실질적으로 전도성 커플링에 의해서만"은 전도성 커플링이 동적 열 싱크의 총 가열의 약 90% 를 넘게 차지하는 것을 의미한다.
도 4에 도시된 실시예에서, 동적 열 싱크(330)는 기판(321) 근처에서 복사 열 소스(310)와 동일한 측에 위치되고, 기판(321)과 복사 열 소스(310) 사이에서 위치된다. 도 5에 도시된 실시예에서, 동적 열 싱크(330)는 기판(321) 근처에서 복사 열 소스(310)와 반대되는 측에 위치된다. 상세한 실시예들에서, 동적 열 싱크(330)는 복사 열 소스(310)에 의해 생성된 복사에 대해 실질적으로 투명하다.
챔버(300)는, 프로세스 영역(318)에서 위치되고 열적 프로세싱 동안에 기판(321)을 유지하도록 적응되는 기판 지지체(325)를 포함한다. 기판 지지체(325)는, 기판(321)의 전면(322)과 후면(324) 중 적어도 하나가 복사 열 소스(310)를 향하도록 기판(321)을 유지한다. 도 4 및 도 5에서, 기판 지지체(325)는 기판(321)의 후면(324)의 저부 에지에 접촉하는 작은 부분으로 도시된다. 이는 단지 예시적인 목적들을 위한 것이고, 특정 타입의 기판 지지체(325) 또는 구성을 암시하는 것으로 받아들여지지 않아야 한다. 상세한 실시예들에서, 기판 지지체(325)는 기판(321)의 에지의 일부와 접촉하도록 적응된 환형 에지 링일 수 있다.
상세한 실시예에서, 동적 열 싱크(330)는 독립적인 열 싱크 지지체(326)에 의해 지지된다. 독립적인 열 싱크 지지체(326)는 동적 열 싱크(330)의 저부 에지에 접촉하는 작은 부분으로서 도시된다. 이는 단지 예시적인 목적들을 위한 것이고, 특정 타입의 동적 열 싱크 지지체(326)를 암시하는 것으로 받아들여지지 않아야 한다. 상세한 실시예들에서, 동적 열 싱크 지지체(326)는 동적 열 싱크(330)의 에지의 일부와 접촉하도록 적응된 환형 에지 링일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 독립적인 열 싱크 지지체(326)는, 열적 프로세싱 동안에, 동적 열 싱크(330)와 기판(321) 사이에 갭(335)이 존재하게 동적 열 싱크(330)를 이동시키도록 동작가능하다. 이러한 타입의 실시예들은, 갭(335) 사이즈가 변화될 수 있도록 프로세싱 동안에 갭(335)의 사이즈를 조정할 수 있는 능력을 갖는다. 따라서, 열 싱크(330)는, 기판(321)에 대하여 이동가능할 수 있다. 동적 열 싱크(330)는, 임의의 적합한 수단에 의해, 예를 들어 독립적인 열 싱크 지지체를 위 또는 아래로 이동시키도록 바이어스(bias)하는 자석들에 독립적인 열 싱크 지지체(326)를 자기적으로 링크시킴으로써, 이동될 수 있다. 다른 실시예들에서, 공압 또는 유압으로 작동될 수 있는 리프트 핀들이, 프로세싱 동안에 기판(321)과 동적 열 싱크(330) 사이의 거리를 변화시키기 위해, 동적 열 싱크(330)를 리프트 및 하강시키도록 위치될 수 있다. 특정 실시예들에서, 동적 열 싱크(330)는 독립적인 열 싱크 지지체(326)에 의해 지지되고, 기판 지지체(325) 및 독립적인 열 싱크 지지체(326)는 별개로 이동가능하다.
특정 실시예에서, 동적 열 싱크(330)는 기판 지지체(325)에 의해 지지된다. 도 6은 기판(321) 및 동적 열 싱크(330) 양자 모두를 동시에 유지할 수 있는 예시적인 기판 지지체(325)의 단면을 도시한다. 기판 지지체(325)는 기판(321)과 동적 열 싱크(330) 사이의 갭(335)으로의 액세스를 허용하는 액세스 포트들(327)을 포함할 수 있다. 액세스 포트들(327)의 수, 형상, 및 사이즈는 필요에 따라 결정될 수 있으며, 도시된 설계로 제한되는 것은 아니다.
웨이퍼에서 동적 열 싱크까지의 갭은 비교적 큰 갭으로부터 0에 근접한 갭까지 변화될 수 있다. 그러나 실제의 경우에, 갭은 기판 및/또는 동적 열 싱크의 거칠기 및 평탄성으로 인해 0보다 약간 더 커야 한다. 일 실시예에서, 갭 거리는 기판과 동적 열 싱크 사이의 열 전도에 정비례한다. 거리의 변화는 프로세스의 임의의 주어진 시간에서 열 전달의 양을 제어하게 허용한다. 갭이 기판의 냉각을 실시하기 위한 임의의 적합한 거리일 수 있지만, 특정 실시예에서, 기판과 동적 열 싱크 사이의 갭은 적어도 약 10mm이다. 상세한 실시예들에서, 갭(335)은 폭이 약 5mm 까지이다. 다른 상세한 실시예들에서, 갭(335)은 폭이 약 3mm, 2mm, 1mm, 또는 0.5mm 까지이다. 상세한 실시예들에서, 갭(335)은 폭이 약 5mm 미만이다. 다른 상세한 실시예들에서, 갭(335)은 폭이 약 3mm, 2mm, 1mm, 0.5mm, 0.2mm, 또는 0.1mm 미만이다. 다양한 상세한 실시예들에서, 갭(335)은 폭이 약 0.05mm 내지 약 5mm의 범위에서 프로세싱 동안에 변화된다. 특정 실시예에서, 갭(335)은 폭이 약 0.1mm 미만이다.
기판과 동적 열 싱크 사이의 매질(medium)이 변화될 수 있거나, 또는 매우 낮은 전도성으로부터 높은 전도성으로 교환될 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 실시예들에서, 기판과 동적 열 싱크 사이의 매질로서의 상이한 가스들의 사용이 고려된다. 예를 들어, 상이한 열 용량을 갖고 기판과 동적 열 싱크 사이에서 상이한 전도성 커플링을 허용하는 산소 또는 헬륨이 사용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 가열 레이트는 큰 갭 폭, 및 전도성이 더 낮고 열 용량이 더 낮은 매질에 의해 최대화되고, 냉각 레이트는 작은 갭, 및 전도성이 높고 열 용량이 높은 매질에 의해 최대화된다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 챔버(300)는, 전도성 유체가 가변 레이트 또는 양으로 갭(335) 내로 유동될 수 있도록 갭(335)과 유체 연통하는 전도성 유체 소스(370)를 더 포함한다. 상세한 실시예들에서, 갭(335)은 전도성 유체로 충진될 수 있거나 또는 기존의 유체를 교체(displace)/기존의 유체와 혼합할 수 있고 실질적으로 정적으로 유지될 수 있다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "실질적으로 정적"은, 유체가 갭(335) 내로 활발히 유동되지 않지만 대류성 혼합(convective mixing) 및 잔여 움직임(residual motion)은 발생할 수 있다는 것을 의미한다. 상세한 실시예들에서, 유체는 질소 가스, 산소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스, 수소 가스, 및 이들의 조합들로 이루어진 그룹에서 선택된다.
다른 변형예에서, 동적 열 싱크(330)는 실질적으로 평행한 관계로 배열된 2개의 투명한 플레이트들을 포함할 수 있으며, 그 실시예는 도 7에 도시되어 있다. 이러한 플레이트들은 내부의 낮은 열 전도성의 지지 구조들(미도시)에 의해 지지될 수 있다. 다양한 실시예들의 플레이트 간격(372)은 약 0.1mm 내지 약 5mm의 범위 내에 있다. 기판의 가열 동안에, 2개의 투명한 플레이트들 사이에서 높은 진공이 확립될 수 있고, 냉각 동안에는, 헬륨과 같은 높은 전도성의 유체가 플레이트들 사이에서 유동될 수 있다. 도 7이 단일의 전도성 유체 소스(370)를 도시하지만, 특정 실시예들은 하나보다 더 많은 전도성 유체 소스(370)를 통합한다. 부가적인 유체 소스들은 짧은 헬륨 유입 시간들 동안에 온도 균일성을 더 양호하게 할 수 있다. 상세한 실시예들에서, 프로세싱 동안에 실질적으로 어떠한 유체 유동도 없다.
하나 또는 둘 이상의 실시예들에서, 챔버(300)는 복사 열 소스(310)로부터의 광(350)을 반사시키기 위한 반사기 플레이트(340)를 더 포함한다. 반사기 플레이트(340)는, 기판(321)의 전면(322)과 후면(324) 중 하나가 복사 열 소스(310)를 향하고, 기판(321)의 전면(322)과 후면(324) 중 나머지 하나가 반사기 플레이트(340)를 향하도록 위치될 수 있다.
특정 실시예들에서, 동적 열 싱크(330)는 석영, 사파이어, 및 투명한 YAG로 이루어진 그룹에서 선택되는 재료로 이루어진다.
복사 에너지 소스가 비활성화되는 경우에, 기판(321)은 동적 열 싱크(330)보다 더 높은 온도에 있다. 동적 열 싱크(330)가 기판(321)보다 온도가 더 낮기 때문에, 챔버 내에 동적 열 싱크(330)가 존재하지 않았던 경우보다 기판(321)의 온도가 더 빠르게 감소하게 된다.
동작의 임의의 특정한 이론에 의해 구속되지 않으면서, 복사 열 소스(310)로부터의 광에 대해 실질적으로 투명한 동적 열 싱크(330)를 사용하는 특정 실시예에서, 동적 열 싱크(330)는 실질적으로 기판(321)에 대한 전도성 커플링에 의해서만 가열될 것이다. 전도성 커플링이 복사 가열보다 동적 열 싱크(330)를 가열하는데 덜 효율적인 수단이므로, 동적 열 싱크(330)는 기판(321)보다 더 낮은 온도를 가질 것이다. 복사 열 소스(310)가 너무 오래 방치되는 경우에, 기판(321) 및 동적 열 싱크(330)의 온도들은 대략적으로 동일한 온도에서 평형에 도달할 것이다.
하나 또는 둘 이상의 특정 실시예들에서, 동적 열 싱크(330)는 기판(321)에 대한 전도성 커플링과 복사 에너지의 조합에 의해 가열된다. 동적 열 싱크(330)의 온도가 기판(321)의 온도보다 더 낮게 유지되는 한, 동적 열 싱크(330)의 총 가열에 대한 전도성 커플링 및 복사 에너지의 상대적인 기여도는 변화될 수 있다. 상세한 실시예들에서, 최종적인(net) 가열은, 동적 열 싱크(330)의 온도가 가열 동안에 기판(321)의 온도 미만이도록 한다. 동작의 임의의 특정한 이론에 의해 구속되지 않으면서, 열 질량/면적에 기초하여, 동적 열 싱크(330)가 기판(321)보다 더 적은 복사 에너지를 흡수하는 것으로 생각된다.
상세한 실시예들에서, 반투명한 플레이트(330)(동적 열 싱크라고 또한 지칭됨)는 기판(321) 재료의 열 흡수보다 더 적은 열 흡수를 갖는 재료로 이루어진다. 이는, 동적 열 싱크(330)의 온도가 가열 시에 기판(321)의 온도보다 더 낮도록 보장하는 것을 돕는다.
몇몇 상세한 실시예들에서, 반투명한 플레이트와 기판 사이의 갭 거리는, 반투명한 플레이트(330)의 열 흡수가 동적이도록 조정가능하다. 특정 실시예에서, 갭(335) 거리는 약 1mm 미만이다. 다른 상세한 실시예들에서, 갭(335) 거리는 약 3mm, 2mm, 1mm, 또는 0.5mm 미만이다.
상세한 실시예들에서, 기판(321)은 실리콘이고, 반투명한 플레이트(330)는 석영을 포함한다.
몇몇 상세한 실시예들에서, 챔버(300)는, 전도성 유체가 가변 레이트 또는 양으로 갭(335) 내로 유동될 수 있도록 갭(335)과 유체 연통하는 전도성 유체 소스(370)를 더 포함한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "전도성 유체"라는 용어는 기판(321)과 동적 열 싱크(330) 사이의 전도성 커플링에 영향을 미칠 수 있는 임의의 유체를 의미하기 위해 사용된다. 따라서, 이는 전도성 커플링의 정도를 증가 또는 감소시키는 유체들을 포함한다.
특정 실시예에서, 동적 열 싱크(330)는 기판(321)으로부터 둘 사이의 전도성 커플링을 상당히 감소시키기에 충분한 거리를 두고 유지된다. 이는, 동적 열 싱크(330)가 기판(321)보다 훨씬 더 낮은 온도를 갖게 할 것이다. 그 후에, 유체는 기판(321)과 동적 열 싱크(330) 사이의 갭(335) 내로 유동될 수 있으며, 이에 따라 둘 사이의 전도성 커플링을 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 기판(321)과 동적 열 싱크(330) 사이의 온도 차이가 기판(321)에 보다 큰 영향을 미칠 것이기 때문에, 기판(321)은 전도성 유체가 없는 경우보다 더 빠르게 냉각될 것이다.
다른 특정 실시예에서, 동적 열 싱크(330)는, 기판(321)에 대해 고정된 거리에서, 갭(335) 내에 둘 사이의 전도성 커플링을 감소시키는 전도성 유체를 가지면서 유지된다. 가열 후에, 전도성 유체는 전도성 커플링을 증가시키는 다른 유체로 플러싱(flush)될 수 있다. 이는, 동적 열 싱크(330)가 전도성 유체 간섭이 없는 경우보다 가열 시에 더 낮은 온도를 갖게 할 것이며, 전도성 유체가 변경된 후에 기판(321)에 보다 큰 영향을 미치게 할 것이다. 하나 또는 둘 이상의 상세한 실시예들에서, 가열은 낮은 압력의 낮은 열 전도성의 가스에서 발생할 수 있고, 냉각은 보다 높은 압력의 보다 높은 열 전도성의 가스에서 발생할 수 있다. 동작의 임의의 특정한 이론에 구속되지 않으면서, 압력 비율이 높은 경우에, 가스 조성 변화 동안에 열 전도성의 공간적인 변화가 더 작아야 한다고 생각된다. (압력은 가스 교환/교체가 발생할 수 있는 것보다 더 빠르게 평형이 될 것이다.)
본 발명의 추가적인 실시예들은, 복사 열 소스(310)를 포함하는 프로세싱 챔버(300)에서 전면(322) 및 후면(324)을 갖는 기판(321)을 프로세싱하는 방법들에 관한 것이다. 방법은 프로세싱 챔버(300) 내에서 기판(321)을 지지하는 단계를 포함한다. 동적 열 싱크(330)는 프로세싱 챔버(300) 내에서 지지되고, 동적 열 싱크(330)는 복사 열 소스(310)에 의해 방출되는 광에 대해 실질적으로 투명하다. 복사 열 소스(310)는 기판(321)을 제1 온도로 가열하도록 동작가능하다. 실질적으로 기판(321)에 대한 전도성 커플링에 의해서만, 동적 열 싱크(330)가 제2 온도로 가열된다. 제2 온도는 제1 온도 미만이다. 복사 열 소스(310)는 그 후에 비활성화된다.
상세한 실시예들에서, 동적 열 싱크(330)는 복사 열 소스(310)를 비활성화할 시에 기판(321)에 더 근접한 위치로 이동된다. 기판(321)과 동적 열 싱크(330) 사이의 갭의 사이즈를 변경함으로써, 전도성 커플링의 정도가 변형될 수 있다. 가열 동안에 전도성 커플링을 감소시킴으로써, 동적 열 싱크(330)의 온도는 기판(321)보다 더 낮아질 것이다. 복사 열 소스(310)가 디스인게이지(disengage)되면, 동적 열 싱크(330)는 전도성 커플링을 증가시키기 위해 기판(321)에 더 근접하게 이동될 수 있다. 이는 전도성 커플링이 프로세스 전반에 걸쳐 일정하게 유지되는 경우보다 기판(321)이 더 빠른 레이트로 냉각되게 할 수 있다.
매우 특정한 실시예에서, 약 1mm의 갭(335) 그리고 갭(335) 내의 전도성 유체로서 산소 가스를 가지고, 기판(321) 및 동적 열 싱크(330)가 가열된다. 가열 후에, 갭(335)은 약 0.5mm로 감소되고, 전도성 유체는 헬륨 가스로 대체되어 기판(321)의 냉각의 레이트를 증가시키게 된다.
상세한 실시예들에서, 방법들은 동적 열 싱크(330)와 기판(321) 사이의 갭(335)에 유체를 부가하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 부가적인 실시예들은, 복사 에너지를 사용하여 기판(321)을 제1 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 기판(321)을 프로세싱하는 방법들에 관한 것이다. 복사 에너지는 복사 열 소스(310)로부터 방출될 수 있다. 복사 에너지를 사용하여 기판(321)이 제1 온도로 가열된다. 동적 열 싱크(330)는 실질적으로 기판(321)과의 전도성 커플링에 의해서만 제2 온도로 가열되고, 제2 온도는 제1 온도 미만이다. 기판(321)은 동적 열 싱크(330)와의 전도성 커플링을 사용하여 냉각된다.
여기에서 설명된 본 발명의 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따라, 냉각 레이트가 상당히 증가될 것이다. 특정 실시예들에서, 이러한 급속한 냉각 레이트들이 제공될 수 있으며, 여기서 동적 열 싱크와 기판 사이의 갭은 약 0.1mm 미만이며, 이는 200°K/초 보다 더 빠른 냉각 레이트를 허용한다.
따라서, 하나 또는 둘 이상의 실시예들에 따르면, 반투명한 변형자 플레이트(SMP; semitransparent modifier plate)라고 또한 호칭되는 동적 열 싱크가 제공되며, 그 동적 열 싱크는 챔버에서 프로세싱될 기판보다 가열 램프들로부터 복사를 더 적게 흡수하는 재료로 이루어진다. 실리콘 기판들에 있어서, 석영이 동적 열 싱크에 대해 사용될 수 있다. 텅스텐 할로겐 램프들을 사용하는 챔버들에서, 가열 동안에 그리고 레시피의 일정한 온도 부분 동안에, 석영은 텅스텐 할로겐 램프 스펙트럼의 더 짧은 파장 부분을 더 적게 흡수하고 웨이퍼보다 온도가 더 낮게 유지된다. 동적 열 싱크와 기판 사이의 갭은 기판의 온도가 동적 열 싱크보다 더 높게 유지되게 허용한다.
본 발명의 실시예들은 기판의 냉각 레이트를 증가시키는데 유용하다. 도 8은 3개의 기판들에 대해 시간에 따른 온도의 그래프를 도시한다. 기판들의 각각은 베어(bare) 실리콘이었고, 챔버 내에 수동으로 배치되었다. 기판들은 약 530℃로 가열되었고, 냉각되게 허용되었다. 그래프에서의 실선은 챔버에서 석영 플레이트(동적 열 싱크) 없이 가열 및 냉각된 기판을 도시한다. 2개의 점선들은 석영 플레이트(동적 열 싱크)의 근처에서 가열되었고 냉각되게 허용된 기판들에 대한 온도 프로파일들을 도시한다. 석영 플레이트는 기판의 표면으로부터 약 0.75mm 및 기판의 표면으로부터 약 1.5mm에 위치되었다. 기판의 냉각 레이트가, 동적 열 싱크가 없는 경우보다 동적 열 싱크 근처에 있는 경우에 더 크다는 것을 도 8로부터 알 수 있다. 특정 실시예들에서, 8초 미만의 기간에 걸쳐 약 530℃로 가열된 기판의 온도는, 동적 열 싱크가 없는 챔버 내의 유사한 기판보다 열의 분기점(turning) 후 약 10초 경에 적어도 약 25℃ 더 낮다. 상세한 실시예에서, 약 1323K(1050℃)로 가열된 기판의 냉각 레이트는 냉각의 첫 번째 초(second) 내에 약 70 내지 약 150 K/s(℃/s)의 범위 내에 있다. 다른 특정 실시예들에서, 약 1323 K(1050℃)로 가열된 기판의 평균 냉각 레이트는 냉각의 첫 번째 초에 걸쳐, 약 70 K/s, 80 K/s, 90 K/s, 100 K/s, 110 K/s, 120 K/s, 130 K/s, 또는 140 K/s(℃/s)를 초과한다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예" "특정 실시예들" "하나 또는 둘 이상의 실시예들", 또는 "실시예"에 대한 언급은, 실시예와 관련하여 설명된 특정한 피쳐, 구조, 재료, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치들에서의 "하나 또는 둘 이상의 실시예에서" "특정 실시예들에서" "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"와 같은 구절들의 출현이 반드시 본 발명의 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 더욱이, 특정한 피쳐들, 구조들, 재료들, 또는 특성들은 하나 또는 둘 이상의 실시예들에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
여기에서 본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 이러한 실시예들이 본 발명의 원리들 및 애플리케이션들을 단지 예시하고자 하는 것임을 이해해야 한다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 본 발명의 방법 및 장치에 다양한 변형들 및 변화들이 이루어질 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 예를 들면, 본 발명이 특정한 타입의 가열 램프에 대하여 설명되었지만, 다른 변형들이 가능하다. 본 발명의 실시예들은 기판의 냉각 레이트를 증가시키기 위해서 UV 내지 IR 복사에 의해 기판이 가열되는 임의의 분야에서 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명이 첨부된 청구범위 및 이들의 균등물들의 범위 내에 있는 변형들 및 변화들을 포함하도록 의도된다.
Claims (15)
- 전면 및 후면을 갖는 기판을 프로세싱하기 위한 장치로서,
프로세스 영역 외부에 위치된 복사 열 소스 근처의 윈도우에 의해 일 측이 정의된, 챔버 내의 상기 프로세스 영역;
상기 프로세스 영역 내에 위치되고 상기 복사 열 소스로부터의 광에 대해 투명한(transparent) 동적 열 싱크; 및
상기 기판의 전면과 후면 중 적어도 하나가 상기 복사 열 소스를 향하도록 하고 상기 동적 열 싱크가 상기 기판에 커플링되어 상기 기판으로부터 열을 흡수하도록 하는 위치에서, 열적 프로세싱 동안에 상기 동적 열 싱크 근처에 상기 기판을 유지하기 위한, 상기 프로세스 영역 내의 기판 지지체
를 포함하고,
상기 동적 열 싱크와 상기 기판 사이에는 갭이 존재하고,
상기 열적 프로세싱 동안 상기 갭은 제1 전도성 유체를 포함하고, 상기 열적 프로세싱 후에 상기 제1 전도성 유체는 제2 전도성 유체로 플러싱(flush)되고,
상기 제1 전도성 유체는 상기 동적 열 싱크와 상기 기판 사이의 전도성 커플링을 상기 제1 전도성 유체가 충진되지 않았을 경우에 비해 감소시키고, 상기 제2 전도성 유체는 상기 동적 열 싱크와 상기 기판 사이의 전도성 커플링을 상기 제2 전도성 유체가 충진되지 않았을 때보다 증가시키는,
기판을 프로세싱하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
상기 동적 열 싱크는, 상기 기판에 전도성 커플링되어 열을 흡수하는 미리 선택된 열 흡수를 갖고 상기 복사 열 소스로부터의 복사에 대해 반투명한 플레이트이며, 상기 반투명한 플레이트는, 상기 기판의 가열 동안에 상기 반투명한 플레이트가 상기 기판보다 온도가 더 낮게 유지되도록, 열적 프로세싱 동안에 상기 기판으로부터 갭 거리에서 위치되는,
기판을 프로세싱하기 위한 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
열적 프로세싱 동안에 상기 동적 열 싱크는, 상기 기판 근처에서 상기 복사 열 소스와 반대되는 측에 위치되거나, 또는 상기 기판 근처에서 상기 복사 열 소스와 동일한 측에 상기 복사 열 소스와 상기 기판 사이에서 위치되는,
기판을 프로세싱하기 위한 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 동적 열 싱크는 상기 기판 지지체에 의해 또는 독립적인 열 싱크 지지체에 의해 지지되며, 상기 독립적인 열 싱크 지지체 및 기판 지지체는 별개로 이동가능한,
기판을 프로세싱하기 위한 장치. - 제4항에 있어서,
기판의 열적 프로세싱 동안에, 독립적인 열 싱크 지지체는, 상기 동적 열 싱크와 상기 기판 사이에서 변화될 수 있는 갭이 존재하게, 상기 동적 열 싱크를 이동시키도록 동작가능한,
기판을 프로세싱하기 위한 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 갭이 전도성 유체로 충진될 수 있거나 또는 기존의 유체를 교체(displace)/기존의 유체와 혼합할 수 있고 정적으로 유지될 수 있도록, 상기 갭과 유체 연통하는 전도성 유체 소스를 더 포함하는,
기판을 프로세싱하기 위한 장치. - 제6항에 있어서,
상기 유체는 질소 가스, 산소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스, 수소 가스 및 이들의 조합들로 이루어진 그룹에서 선택되는,
기판을 프로세싱하기 위한 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복사 열 소스로부터의 광을 반사시키기 위한 반사기 플레이트를 더 포함하며, 상기 반사기 플레이트는, 상기 전면과 상기 후면 중 하나가 상기 복사 열 소스를 향하고, 상기 전면과 상기 후면 중 나머지 하나가 상기 반사기 플레이트를 향하도록 위치되는,
기판을 프로세싱하기 위한 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 동적 열 싱크는 석영, 사파이어, 및 투명한 YAG로 이루어진 그룹에서 선택되는,
기판을 프로세싱하기 위한 장치. - 제2항에 있어서,
상기 갭 거리는 상기 반투명한 플레이트의 열 흡수가 동적이도록 조정가능한,
기판을 프로세싱하기 위한 장치. - 복사 열 소스를 포함하는 챔버에서 전면 및 후면을 갖는 기판을 프로세싱하는 방법으로서,
상기 챔버의 프로세스 영역 내에서 기판을 지지하는 단계 ― 상기 프로세스 영역은 상기 프로세스 영역으로부터 상기 복사 열 소스를 분리시키는 램프에 의해 일 측이 정의됨 ―;
상기 프로세스 영역 내에서 동적 열 싱크를 지지하는 단계 ― 상기 동적 열 싱크는 상기 복사 열 소스에 의해 방출되는 광에 대해 투명함 ―;
상기 동적 열 싱크와 상기 기판 사이의 갭에 제1 전도성 유체를 부가하는 단계 ― 상기 제1 전도성 유체는 상기 동적 열 싱크와 상기 기판 사이의 전도성 커플링을 상기 제1 전도성 유체가 충진되지 않았을 경우에 비해 감소시킴 ―;
상기 기판을 제1 온도로 가열하도록 상기 복사 열 소스를 동작시키는 단계; 및
상기 복사 열 소스를 비활성화시키는 단계;
상기 동적 열 싱크와 상기 기판 사이의 갭에 제2 전도성 유체를 부가하는 단계 ― 상기 제2 전도성 유체는 상기 동적 열 싱크와 상기 기판 사이의 전도성 커플링을 상기 제2 전도성 유체가 충진되지 않았을 때보다 증가시킴 ― ; 및
상기 동적 열 싱크가 상기 기판으로부터의 열을 흡수하도록 상기 동적 열 싱크를 위치시키는 단계
를 포함하는,
기판을 프로세싱하는 방법. - 제11항에 있어서,
상기 동적 열 싱크는, 상기 기판 근처에서 상기 복사 열 소스와 반대되는 측에 위치되거나, 또는 상기 기판 근처에서 상기 복사 열 소스와 동일한 측에 위치되는,
기판을 프로세싱하는 방법. - 삭제
- 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 동적 열 싱크는, 상기 복사 열 소스를 비활성화할 시에, 상기 기판에 더 근접한 위치로 이동되는,
기판을 프로세싱하는 방법. - 삭제
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