KR101759742B1 - 반도체 처리 장치에서 사용되는 히터용 열 차폐물 - Google Patents

Abstract

반도체 처리 장치에 사용되는 열 차폐물은 장치의 동작에 사용되는 넓은 온도 범위에 걸쳐서 예를 들어 정체 공기의 열 전도율보다 더 낮은 열 전도율을 갖는 고성능 절연물을 구비한다. 일례로서, 절연물의 열 전도율은 약 0℃ 내지 약 600℃ 또는 그 이상의 온도 범위에 걸쳐서 약 0.004W/m·h 내지 약 0.4W/m·h의 범위일 수 있다. 고성능 열 차폐물을 배치하는 것은 차폐물 없이 동일한 원하는 온도에 이르는데 필요한 히터 전력 소비의 경우에 비해 원하는 처리 온도에 이르는데 20%만큼 히터에 필요한 전력 소비를 감소시킨다. 나아가, 열 차폐물은 보다 구체적으로 온도 강하가 10자리수의 만큼 차이가 나므로 90%만큼 열 차폐물 아래나 이 열 차폐물을 넘어 장치의 챔버 내에 있는 부품 상에 가스 수반 성분이 원치 않게 증착되는 양을 상당히 감소시킨다.

Description

반도체 처리 장치에서 사용되는 히터용 열 차폐물{HEAT SHIELD FOR HEATER IN SEMICONDUCTOR PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 일반적으로 반도체 처리 및 반도체 처리 장치에 관한 것이며 보다 상세하게는 반도체 처리 장치의 사용과 동작에서의 효율을 개선하는 것에 관한 것이다.

반도체 처리 장치의 개발시 구체적으로 환경에 악영향이 적게 동작 효율을 증가시키고 보다 "친환경적"으로 동작하는 반도체 처리 장치의 개발이 개시되고 진행되는 것이 추세이다. 이 추세는 예를 들어 장치의 전력 소비를 감소시키고 생산 동작들 사이에 장치를 세정하는데 필요한 비용과 필요한 시간을 감소시키는 장치의 동작에 보다 "친환경적인" 단계를 포함한다. 이 장치의 예로는 반도체 기판이나 임의의 다른 타입과, 가열되고 처리되어 다른 종류의 필름으로 증착되는 종류의 기판일 수 있는 작업물 위에 여러 종류의 물질 및/또는 층들을 열 처리하고 증착하는 것들이 있다. 열 처리에 사용되는 공정은 일반적으로 이 기술 분야에 알려져 있는 작업물을 어닐링하는 것이다. 필름 층들을 증착하는데 사용되는 공정은 이 기술 분야에 알려진 바와 같이 예를 들어 화학적 증기 증착(CVD), 물리적 증기 증착(PVD) 및 플라즈마 개선 화학적 증기 증착(PECVD)일 수 있다. 오늘날 광범위하게 사용되는 특정 CVD 공정은 예를 들어 텅스텐 헥사플루오라이드(WF₄)를 포함하는 가스 수반 성분(gas-entrained constituent)으로부터 작업물 상에 텅스텐 필름을 증착하는 것이다. 이들 종류의 반도체 처리 장치는, 일반적으로 요구되는 유지보수가 필요하게 되어 생산이 중지되어야 할 때까지 그리고 장치의 내부를 광범위하게 세정하기 위해 장치 챔버를 개방하거나 건식 또는 습식 세정 가스 공정으로 장치를 세정할 때까지는 연속적으로 동작한다.

지금 해결하고자 하는 과제들 중 일부는 반복적인 세정으로 야기되는 작업물 테이블 조립체(workpiece platen assembly)와 히터 표면이 부식되는 것과 마모되는 것을 방지하고, 작업물을 위한 받침대 조립체를 구비하는 장치 챔버의 표면들 상에 증착 가스가 원치않게 증착하는 것을 감소시키는 것에 있으며, 이러한 증착은 장치의 동작에 영향을 미칠 수 있고 챔버 내에 원치 않게 증착된 물질에 노출된 면은 빈번한 세정을 초래할 수 있다. 대부분의 경우에, 이들 원치않는 증착은 챔버 내에 있는 스템과 받침대 조립체의 노출면에 뿐만 아니라 장치의 챔버 벽에 있다. 이들 원치 않는 증착은 또한 받침대 면 상에 불량하게 결합된 증착을 포함하고 이는 용이하게 벗겨질 수 있으며 작업물에 결함을 유발할 수 있다. 나아가, 이들 증착은 챔버 내 플라즈마의 형성에 악영향을 미칠 수 있고 이로 작업물 상에 증착된 필름이 균일치 않게 증착되는 것을 유발할 수 있으며 장치 챔버 내에 있는 부품들의 동작 성능을 저하시킬 수 있다. 필름 증착이 수반되지 않는 어닐링과 같은 작업물의 열 처리의 경우에도, 챔버 부품들 상에 불량하게 결합된 증착물은 높은 챔버 온도로 인해 보다 더 반응적이 되어 이동될 수 있고 이로 처리를 받는 작업물을 오염시킬 수 있다. 따라서, 작업물 생산의 중단을 요구하는 장치 챔버의 빈번한 세정을 제공하고, 또 챔버나 받침대/스템 면으로부터 원치 않는 증착과 반응하고 이 증착물을 에칭하여 이를 챔버로부터 배출하고 제거하는 반응 종(reactant species)을 제공하는 세정 가스를 챔버를 통과하여 지나가게 하는 것이 필요하다. 또한 주기적으로 챔버를 개방하고, 장치를 통해 흐르는 증착 가스에 노출된 챔버 벽과 부품 면의 세정을 보다 철저히 수행하는 것이 필요하다. 따라서, 세정 시간이 작업물 생산에 있어 장치를 동작시키는 총 시간을 감소시키는 주요 인자로 된다. 따라서, 요구되는 것은 작업물 생산량을 증가시키고 장치 챔버와 받침대 조립체를 세정하는데 소비되는 시간을 감소시켜 이에 의해 한 달마다 작업물 생산량의 전체 속도를 증가시키는 것이다.

많은 장치는 히터 몸체가 알루미늄으로 만들어진 히터 상에 테이블 면을 가지고 있으나, 일부 히터 몸체는 세라믹으로 만들어질 수 있다. 이들 타입의 히터 몸체는 증착 가스의 부식 작용에 저항한다. 그러나, 히터 면은 그 면들에 있을 수 있는 원치 않는 증착을 제거하는 과정에서 장치의 세정 동안 에칭되어 제거된다. 따라서, 시간에 따라 히터를 교체하는 것이 필요하게 된다. 그러므로, 요구되는 것은 금속 히터 몸체의 원치 않는 에칭을 감소시키거나 제거하는 것과, 나아가 챔버 세정 과정 동안 시간에 따라 금속 히터 몸체의 원치않는 에칭에 보다 저항하는 현존하는 반도체 처리 장치용 대체 히터를 제공하는 것이다.

요약하면, 장치 챔버를 세정하는데 필요한 시간의 양을 감소시켜 이에 의해 세정 공정에 요구되는 소비재의 양을 또한 감소시켜 "보다 친환경적"으로 동작하는 장치를 야기하는 연속적으로 동작되는 반도체 처리 장치로 작업물 생산 속도를 개선하는 것이 필요하다.

본 발명에 따르면 반도체 처리 장치에서 고성능 열 차폐물이 히터와 작업물 테이블 조립체와 연관되어 사용되어 이 열 차폐 절연물이 넓은 온도 범위에 걸쳐서 낮은 전도율을 가져 상당한 양의 열이 열 차폐물로부터 작업물을 가열하는 히터로 재지향(redirect)되도록 하는 새로운 접근법이 사용된다. 그 결과, 주어진 온도로 작업물을 가열하는데 필요한 전력이 이제 상당히 감소되어 히터의 전력 소비를 상당히 절감할 수 있다. 테스트에 따르면 본 명세서의 고성능 열 차폐물을 사용하는 반도체 처리 장치에서의 히터를 통해 약 20% 또는 그 이상의 전력 소비를 감소시키는 것이 달성되는 것을 보여주었다.

본 발명의 다른 특징은 예를 들어, 화학적 증기 증착(CVD)으로 작업물 상에 필름을 증착하는데 사용되는 반도체 처리 장치에 고성능 절연물을 가지는 열 차폐물을 배치하는 것이다. 고성능 열 차폐물은 히터에 인접하거나 히터와 연관된 열 차폐물의 제1 면과, 받침대의 나머지 부분에 인접하거나 나머지 부분과 연관된 열 차폐물의 제2 면 사이에 큰 온도 차를 제공한다. 필름 증착 처리 장치에서, 스템과 받침대를 구비하는 챔버 부품들 상에 원치 않는 증착의 양은, 가스 수반 성분을 통해 증착에 필요한 온도 레벨이 고성능 열 차폐물의 제2 면, 즉 히터 몸체와 열적으로 연통하는 면의 반대쪽 면을 넘는 것이 차단되어, 온도가 필름 증착 공정을 용이하게 가능하게 할만큼 충분히 높지 않으므로, 상당히 감소된다. 일례로서, 이 온도차는 고성능 열 차폐물의 일측과 타측 사이에 4배 또는 그 이상만큼 클 수 있다.

이런 유형의 장치를 위한 일반적인 세정 가스의 일례는 챔버의 상부와 외부에 원격 플라즈마 소스(RPS)로부터 플라즈마 생성 소스를 사용하는 것일 수 있다. 질소 불화물(NF₃)과 같은 세정 가스가 챔버 내에 제공되며, 여기서 받침대는 약 300℃ 내지 400℃의 온도로 가열되며 이는 가스로부터 불소 원자로 분리(dissociation)를 야기하여 챔버 받침대나 받침대들의 표면들로부터 원치 않는 증착물을 세정하는 활성 불소(원자) 종을 형성한다. 이들 원치않는 증착물은 받침대 테이블 위에 존재하는 작업물 상에 필름이 증착하는 동안 가스 수반 성분으로부터 증착된 필름을 또한 수용하도록 되어 있는 받침대의 표면 상에 있다. 그러나, 이들 세정 종(cleaning species)이 챔버의 바닥 쪽으로 이동함에 따라, 불소 원자는 용이하게 불소 분자로 결합하며 이 불소 분자는 활성 세정(에칭)력이 훨씬 덜 효과적이다. 그 결과, 장치 챔버 내 히터 아래 영역에서, 원치 않는 모든 증착물의 영역을 세정하는데 세정 가스 흐름을 통해 세정하는데 더 긴 세정 시간이 필요하다. 그러나, 본 발명의 고성능 열 차폐물이 존재하는 경우에는 이들 원치않는 증착물이 그러한 열 차폐물이 없는 경우 생기는 원치않는 증착물보다 10자리수 정도 덜 존재하며 이로 인해 자연히 분자 상태가 보다 많아 덜 반응적인 세정 종들이 있는 경우에도 이들을 제거하는데 훨씬 더 짧은 시간이 들 수 있다. 다시 말해, 고성능 열 차폐물 아래 장치 챔버의 하부 부분에서 고속의 세정을 위한 원자 종들이 덜 존재하더라도, 고성능 열 차폐물이 존재하는 것으로 인해 이 하부 부분 상에 원치 않는 증착물이 또한 덜 존재하게 된다. 따라서, 장치의 생산 동작 사이에 필요한 세정 시간이 감소한다. 따라서, 생산 동작에 기여할 수 있는 시간의 양이 증가하여 이로 단위 시간당 작업물의 전체 처리량이 개선되게 된다. 또한, 모델링에 따르면 작업물 상에 더 두께운 필름이 증착되는 경우에도 작업물 처리량 대 생산 동작들 사이의 세정 시간이 더 개선된다는 것을 보여 주었다. 이것은 본 발명의 고성능 열 차폐물의 사용을 통해 전체 세정 시간이 감소하는 것으로 인한 것이며 이로 더 두꺼운 필름을 증착하는데 더 많은 시간을 제공할 수 있다.

본 발명의 고성능 열 차폐물은 넓은 온도 범위에 걸쳐서 낮은 열 전도율 값을 유지하는 열 절연체를 포함한다. 특히, 온도에 따른 열 전도율이 다른 잘 알려진 열 절연체에 비해 상당히 균일하게 유지되며 온도 범위에 걸쳐 정체 공기의 열 전도율 아래로 유지된다. 과거에 사용되던 다른 알려진 열 절연체는 상응하는 온도 범위에 걸쳐 온도의 증가에 따라 상당히 증가하는 열 전도율 범위를 가지고 있었다. 예를 들어, 고성능 절연물의 열 전도율은 약 0℃ 내지 약 600℃ 또는 그 이상의 온도 범위에 걸쳐 약 0.004W/m·h 내지 약 0.4W/m·h의 범위에 있을 수 있다. 하나의 예로서 셀룰러 유리와 같은 다른 종래에 사용되던 절연 물질은 400℃ 이상의 온도에서 1.0W/m·h의 열 전도율 이상으로 연장된다. 본 발명에서 사용되는 고성능 절연물로는 Microtherm^®, Microsil^® 및 실리카 에어로겔이 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 열 차폐물은 히터와는 별개의 부품일 수도 있고 또는 히터 몸체와 일체화된 부분일 수도 있다. 하나의 형태에서, 고성능 열 차폐 절연물은 별개의 부품이며 금속 용기 내에 에워싸이거나 수용될 수 있다. 이 용기는 절연물로 채워진 용기 내에 있는 대기를 장치 챔버 내에 있으면서 배기(evacuated)할 수 있도록 배출구(vent)를 구비할 수 있다. 다른 형태에서, 열 차폐물은 히터 몸체와 동일한 몸체 내에 매립될 수 있다. 어느 형태이든, 열 차폐물은 또한 테이블 조립체와는 반대쪽 히터 측에 히터의 길이방향 측을 따라 연장하는 것 뿐만 아니라 히터의 측면을 둘러싸도록 히터의 에지에서 측방향 위로 연장할 수도 있다. 히터 몸체는 이 기술 분야에 알려져 있는 바와 같이, 예를 들어, 알루미늄이나 세라믹일 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 받침대 스템을 통해 받침대 부품들 사이에 있는 통로나 경로로 정화 가스를 유입하고 이를 장치 챔버 내로 배출하게 받침대 조립체의 내부에 정화 경로를 형성하는 것이다. 정화 경로를 형성하는 목적은 증착 가스와 세정 가스들이 받침대 조립체의 내부로 들어가는 것을 막는 것이다. 이것은 이에 따라 이들 가스들이 경로를 따라 펌핑되는 정화 가스로 인해 이들 통로나 경로에 들어가지 못하므로 이러한 가스에 의해 부식되거나 부착될 수 있는 받침대 부분에 금속을 사용하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 다른 특징에서, 고성능 열 차폐물은 예를 들어 받침대 위 히터 몸체에 인접한 금속 용기 면에 돌출 패턴을 그 길이방향 면들 중 하나 이상의 면 위에 포함할 수 있다. 대안적으로, 돌출 패턴은 열 차폐물에 인접한 히터 몸체 길이방향 면 위에 형성될 수 있다. 돌출 패턴은 또한 받침대 베이스와 맞물리는 열 차폐물의 반대쪽 길이방향 면 위에 형성될 수도 있다. 어느 경우이든, 돌출 패턴은 열 차폐물의 면들과 및 인접한 히터 몸체, 및 정화 가스가 장치 챔버 안으로 들어가고 나가는 받침대 베이스 사이에 가스 정화 경로를 형성하고 유지하는 것을 돕는다. 정화 가스 흐름을 보다 균일하고 고르게 분배시키고 확산시키기 위해 돌출 패턴은 챔버 내 배출점으로 분배된다. 따라서, 이들 돌출 패턴은, 히터 몸체와 열 차폐물의 표면들 사이에 균일하게 유지되는 갭이 존재하게 하여 히터 몸체와 열 차폐물의 측면 에지들에 단방향으로 정화 경로가 연장하여 장치 챔버 안으로의 흐름을 제공하는 2개의 면들 사이에 정화 가스 경로를 형성하는 것을 또한 보장한다. 이들 돌출 패턴은 히터 몸체와 열 차폐물의 하나 이상의 면들에 형성된 오목한 곳이나 볼록한 곳으로 구성될 수 있다.

또, 돌출 패턴을 배치하는 것은 히터 몸체의 면과 열 차폐물 또는 열 차폐물과 받침대 베이스 사이에 물리적 및 그리하여 직접적인 열 접촉을 최소화하며 이로 이들 부품들 사이의 금속 대 금속 접촉이 최소화되어 히터로부터 받침대 베이스로 열 전도를 더 감소시키도록 한다.

본 발명의 다른 특징에서, 받침대 스템은 세정 또는 유지 공정을 개시하는데 있어 보다 더 빠른 속도로 반도체 처리 장치를 냉각하는 냉각 메커니즘으로 사용될 수 있다. 받침대 스템은 스템의 바닥에 있는 개구를 통해 반도체 처리 장치의 외부에 노출되는 공동을 형성하는 중공 형상이다. 가스 공급은 바람직하게는 그 내부 단부에 인접한 스템 공동 내에 제공되어 공동 내 가스를 공동을 통해 공급하고 순환시켜 공동 개구를 통해 열을 운반하고 배출한다. 따라서, 그 면을 따라 흐르고 공동 개구 밖으로 나가는 가스는 고온의 내부 스템 벽을 신속하게 냉각시키고 이어서 장치 챔버를 신속하게 냉각시킨다.

스템 공동에 대한 냉각 작용은 스템 공동 내에 고정되고 공동의 내부 단부에서 받침대 바닥에 연결된 다른 현존하는 금속 공급 튜브와 다른 금속 부재의 존재에 의해 더 개선되며, 이로 이들 튜브와 부재는 또한 방열 핀으로의 기능을 한다. 냉각 가스는 압축 공기, 불활성 가스 또는 다른 냉각제 가스일 수 있으며 이로 스템 공동 벽과 공급 튜브 면으로부터 열을 운반해서 스템과 챔버의 냉각을 돕는다. 훨씬 더 효과적인 냉각을 제공하기 위해 그 내부면에 부착된 냉각 핀의 어레이를 받침대 스템 공동에 제공하는 것은 본 특징의 범위 내에 있다.

전술된 냉각 특징은 보다 더 신속한 냉각을 제공하며 특히 고성능 절연물과 연관하여 중요한데 이는 일반적으로 본 장치가 훨씬 더 신속한 속도로 냉각시킬 수 있어 세정 유지를 위해 장치 챔버에 더 신속히 접근할 수 있게 한다. 실제로, 본 명세서에서 개시된 스템 냉각을 배치하는 것은 약 400℃ 내지 약 100℃의 챔버 온도로부터 약 1시간에 냉각을 제공하였다. 본 발명의 냉각 특징이 없는 경우 동일한 장치의 냉각에는 수 시간이 걸린다.

본 발명의 다른 특징은 스템 상에 지지되는 작업물 테이블, 히터 및 열 차폐물을 구비하는 받침대 조립체이며, 이 조립체는 단위 시간당 전력 소비와 작업물 처리량에 대해 장치의 효율을 개선시키기 위해 더 오래된 반도체 처리 장치에 배치될 수 있는 대체가능한 받침대 조립체이다.

이제 첨부 도면에 예시된 본 발명의 예시적인 실시예를 설명할 것이다. 이들 도면은 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시하는 것이다. 본 발명이 일반적으로 본 실시예의 문맥에서 설명되고 있으나, 본 발명은 도시되고 기술된 실시예의 특정 특징으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 전혀 아니다.

본 발명에 의하면, 챔버 세정에 필요한 시간을 줄이고 세정에 필요한 소비재의 양을 줄일 수 있어, 친환경적으로 신속히 반도체 처리작업을 할 수 있다.

도 1은 반도체 처리 장치에서 본 발명의 고능성 열 차폐물의 제1 실시예의 개략적인 단면도.
도 2는 반도체 처리 장치에서 본 발명의 고성능 열 차폐물의 제2 실시예의 단면도.
도 3은 반도체 처리 장치에서 본 발명의 고성능 열 차폐물의 제3 실시예의 단면도.
도 4는 본 명세서에서 기술되고 청구된 열 차폐물을 위한 고성능 절연물을 포함하는 여러 절연물의 열 전도율을 나타내는 그래프.
도 5는 반도체 처리 장치에서 본 발명의 고성능 열 차폐물의 제4 실시예의 단면 등축도.
도 5a는 도 5의 열 차폐물의 단면 영역의 확대도.

예시를 위하여 이하 상세한 설명에서는, 본 발명의 이해를 제공하기 위하여 특정 상세사항이 개시된다. 그러나, 본 발명은 이들 상세사항 중 일부나 전부 없이 실시될 수 있다. 아래에서 기술된 본 발명의 실시예는 다수의 다른 전기 부품, 회로, 디바이스 및 시스템으로 통합될 수 있다. 블록도로 도시된 구조물과 디바이스는 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하는 것이며 이 블록도로 본 발명의 넓은 내용이 애매하다는 구실로 사용해서는 아니된다. 도면에 있는 부품들 사이의 연결은 직접 연결로 제한하려는 것이 아니다. 오히려, 부품들 사이의 연결은 중간 부품들에 의하여 변경되거나 재형성되거나 다른 경우에는 변화될 수도 있다.

본 명세서에서 "하나의 실시예" 또는 "실시예"라는 언급은 본 실시예와 연관하여 기술된 특정 특징, 구조, 특성 또는 기능이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 명세서에서 여러 곳에 있는 "하나의 실시예에서" 라는 어구의 표시는 반드시 단일 실시예만을 복수회 언급하는 것은 아니다.

"반도체 처리 장치"는, 어닐링, 열 처리, 필름 증착, 에칭, 금속 증착, 금속 플러그 처리 등을 위한 공정을 포함하나 이로 제한하지 않는 작업물에 일반적으로 형성된 반도체 칩과 디바이스를 제조하는데 사용되는 모든 장치와, 작업물의 처리, 증착 또는 변형에 공정 단계를 수행하기 위해 고온을 사용하여 장치의 진공 또는 가압 또는 가스 공급 챔버 내에서 작업물을 처리하는 임의의 다른 장치를 포함하는 것으로 의도된 것이다. "작업물"은 실리콘이나 Ⅲ-Ⅴ 반도체 웨이퍼와 같은 웨이퍼 또는 기판이거나 또는 이러한 웨이퍼나 기판의 하위 형태(sub-form)일 수 있다.

이제 도 1을 참조하면 챔버(12)를 포함하는 반도체 처리 장치(10)가 개략적 형태로 도시되어 있는데, 이 챔버(12)는 벽(13)으로 형성되고, 이 챔버 내에 챔버(12)의 벽(13)에 고정된 스템(20) 상에 지지되는 받침대 조립체(14)가 있다. 이 기술 분야에 알려진 바와 같이, 받침대(14)는, 챔버(12) 내에서 처리되거나 필름이 증착되는 작업물(22)을 지지하기 위해 히터(18) 상에 작업물 테이블 면(21)을 구비하는 테이블 조립체를 포함하는 히터(18)를 지지한다. 테이블 면(21)은 히터 면 상에 있는 히터 상부면이나 별도의 테이블 조립체의 일부일 수 있으나 테이블 구성은 본 발명에 직접 속한 것이 아니다.

본 발명의 고성능(H.P.) 열 차폐물(16)은 받침대(14)와 히터(18) 사이에 제공되며 히터(18)에 의해 제공되는 넓은 온도 범위에 걸쳐 상대적으로 연속적으로 낮은 열 전도율을 제공하는 고성능 절연 물질로 만들어진다. 하나의 예로서, 이 열 전도율은 넓은 온도 범위에 걸쳐서 정체 공기의 전도율보다 낮다. 다른 예로서, 이 열 전도율은 연장된 온도 범위에 걸쳐 0.4W/m·h이거나 이보다 낮다. 장치 히터(18) 아래에 이러한 고성능 열 차폐물(16)을 사용함으로써, 여러 잇점이 달성된다. 첫째, 이 고성능 절연물이 열 전도, 대류 또는 복사에 의하여 차폐물(16)로 열을 전달하는 레벨이 작거나 무시가능하게 하므로, 히터(18)로부터 열 차폐물(16)로 상당한 양의 열 전달이 크게 감소된다. 따라서, 히터(18)의 바닥으로부터 받침대(14)와 스템(20)으로 전달될 수 있었던 열 전달이 히터(18) 상에 지지되는 작업물(22)로 보다 용이하게 전달된다. 작업물(22)에 제공되는 열이 이렇게 증가하면, 동일한 처리 온도에 도달하는데 드는 히터(18)의 전력 소비량이 감소하며 이는 히터의 수명에 걸쳐 히터 동작에 상당한 전력 절감을 제공한다. 시뮬레이션과 테스트에 따르면 도 1에 도시된 바와 같이 히터(18)와 관련하여 고성능 열 차폐물(16)을 배치하여 약 20% 또는 그 이상의 전력 절감이 히터(18)의 동작시 실현될 수 있는 것으로 나타났다.

둘째, 반도체 처리 장치(10)에서 작업물(22) 상에 필름이 증착되는 것에 대해, 고성능 열 차폐물(16)을 사용하는 것은 챔버(12) 내 증착 가스에 일부가 노출될 수 있는 받침대(14)와 스템(20)을 구비하는 제1 부품들과 연관된 열 차폐물(16)의 제1 면(15)과, 히터(18)와 테이블(21)을 구비하는 제2 부품들과 연관된 열 차폐물의 제2 면(17) 사이에 높은 온도차를 제공한다. 제1 부품들의 면 온도는 고성능 열 차폐물(16)을 사용하는 것으로 인해 제2 부품의 표면 온도보다 약 10자리 정도 더 낮은 것으로 나타났다. 그 결과, 온도차의 90%만큼이 고성능 차폐물(16)로 인해 제1 부품과 제2 부품 사이에 나타날 수 있었다. 제1 부품에서 상당히 더 낮은 온도는, 이들 제1 부품의 표면에서의 온도가 증착 가스로부터 가스 수반 성분 종들의 분리를 거쳐 원치 않는 필름이나 증착물들을 용이하게 증착할 수 있을 만큼 충분히 높지 않기 때문에, 상당히 감소될 수 있다.

셋째, 증착 가스로부터 원치않는 증착물이 상당히 감소하는 것이 반도체 생산 동작 동안 전술된 제1 부품들 상에서 달성되기 때문에, 챔버(12)의 세정 시간의 감소가 또한 실현될 수 있고 이로 더 많은 장치 시간이 반도체 생산 동작에 사용될 수 있고 단위 시간당 작업물 처리량이 증가될 수 있다. 하나의 예로서, 챔버(12)의 세정은 일반적으로 가스 수반 성분에 노출되는 스템(20)의 챔버 노출된 부분 뿐만 아니라 특히 받침대(14), 히터(16) 및 테이블(21)의 챔버(12) 내 노출된 표면을 에칭하기 위한 반응 종들을 포함하는 일반적으로 질소 트리플루오라이드(NF₃)와 같은 에칭 가스를 사용하여 수행된다. 이러한 성분의 특정 예로는 {예를 들어, 입구에서 "샤워 헤드"를 구비할 수 있는} 입구(13A)를 통해 공급되는 텅스텐 트리플루오라이드(WF₃)와 같은 증착 가스로부터 반도체 생산 동작 동안 챔버(12)에 증착된 텅스텐(W)이 있다. 세정 시간의 감소는 대략 고성능 열 차폐물(16)이 존재하는 것으로 인해 이들 부품에서의 온도가 더 낮게 설정되고 유지되는 것으로 인해 반도체 생산 동작 동안 증착된 전술된 제1 부품 상에 증착물의 양이 상당히 감소된 것으로부터 유래한다. 전술된 바와 같이, 이들 제1 언급된 부품들에서는 증착 온도가 심지어 엄밀하게 달성되지 않았기 때문에 원치않는 증착이 감소한다. 이것은 NF₃와 같은 에칭 가스로 이들 제1 언급된 증착물의 표면 상에 원치않게 증착된 더 적은 양의 증착물을 제거하는데 더 적은 시간이 드는 것을 나타낸다.

나아가, 더 많은 양의 원치않는 증착물이 세정 가스의 입력부에 더 근접한 제2 언급된 부품의 노출된 면 상에 존재한다. 이들 면이 챔버(12)에서 활성 불소 종을 생성하는 에칭 플라즈마를 만날 때, 원치않는 필름과 증착물이 출구(13B)를 통해 신속하게 제거된다. 결과적으로, 활성이 적은 불소 종들이 제2 언급된 부품을 넘어 또는 아래에서 제1 언급된 부품들에 이용가능하다. 그러나, 이제는 제거될 증착물의 양이 더 적어, 챔버 내에 노출된 받침대 부분의 면으로부터 원치않는 증착물을 전체적으로 제거하는 것은 고성능 열 차폐물(16)을 포함하지 않는 동일한 장치에 비해 훨씬 더 신속하게 달성될 수 있게 된다. 이에 따라 전체적인 결과는 챔버/받침대 세정 작업을 완료하는데 단위 시간당 더 적은 에칭 가스의 양이 필요하며 이는 세정 공정을 완료하는데 더 적은 양의 독성 가스가 소비된다는 점에서 "더 친환경적인" 세정 공정으로 된다.

넷째, 이들 부품들로부터 원치않는 증착물을 세정하는데 더 적은 에칭 시간이 필요하므로 받침대와 히터의 기대 수명이 더 증가하는 것으로 이해된다. 장치(10)의 각 세정 사이클에서 노출된 스템, 받침대 베이스, 히터 및 테이블 조립체, 및 그 작업물 표면에서 작은 마이크로 양의 금속 면들이 에칭될 수 있는 것으로 이해된다. 챔버의 이들 영역에 원치않는 증착물의 양을 줄임으로써, 전체 세정 시간의 양이 줄어들고 이는 불소 종에 이들 부품을 에칭 노출하는데 드는 시간이 더 적게 소비된다는 것을 의미한다.

이제 도 2에 도시된 실시예를 참조하면, 도 2는 열 차폐물(16A)의 형상이 다르다는 점을 제외하고는 도 1의 제1 실시예와 유사하다. 고성능(H.P.) 열 차폐물(16A)은 히터의 바닥 면 뿐만 아니라 히터(18)의 측방 에지 또는 측면 에지를 둘러싸거나 에워싸는 립 또는 에지(16B)를 구비한다. 여기서 이 경우에, 히터(18)의 양측면을 에워싸는 것은 고성능 열 차폐물(16A)의 존재로 인해 히터(18)로부터 작업물 테이블(21)로 열의 재지향을 더 개선시킨다. 히터(18)에서 필요한 전력 소비량을 추가적으로 감소시키는 것이 이 랩어라운드(wrap-around)된 고성능 열 차폐물 설계를 사용하는 것을 통해 실현된다.

이제 도 3에 도시된 실시예를 참조한다. 히터(18)는 히터 몸체(18A)를 포함하며, 이 히터 몸체(18A) 내에는 매립된 고성능 열 차폐물(16C), 히터 요소(18B) 및 테이블 면(21)이 있으며, 후자는 히터(18)의 면 위에 형성된다. 히터(18)는 받침대(미도시) 상에 히터 몸체(18A)를 정렬하기 위해 정렬 특징부(26)를 구비하는 허브(24) 상에 지지된다. 히터 요소(18B)는 히터 요소에 전력을 제공하기 위해 연결 커플러(19)를 구비한다. 히터 요소(18B)는 인콜넬(incolnel)과 같은 이 기술분야에 알려진 표준 가열 요소일 수 있으며, 히터 몸체(18A) 내에 형성된 그루브에 매립되고 히터 몸체 부분(18C)에 에워싸이고 밀봉된다. 이들 히터 요소(18B) 아래에는 고성능 열 차폐물(16C)이 매립되어 있으며, 이 고성능 열 차폐물(16C)은 가열 요소(18B)를 둘러싸는 바닥측(16C1)과 측면 에지(16C2)를 구비하는 C자 형상을 구비한다. 테이블 면(21)은 이 기술 분야에 알려진 바와 같이 작업물의 하면으로 정화 가스를 제공하기 위해 어퍼처(aperture)(28)와 그루브(30)를 포함한다. 특정 예로서, 히터 몸체(18A)는 알루미늄 합금 6061, 바람직하게는 95%를 초과하는 순도를 갖는 알루미늄과 같은 알루미늄으로 구성될 수 있다. 이러한 알루미늄은 세정 가스의 부식 작용에 보다 저항적이다. 특정 예로서, 히터 몸체(18A)는 대략 4인치 두께일 수 있고 매립된 고성능 절연 히터 차폐물(16C)은 대략 1/4인치 두께일 수 있다. 차폐물(16C)을 위한 고성능 절연물은 Microtherm^®와 같은 시트 형태로 구입가능하며, 디스크 형상 부재인 차폐물 바닥 측(16C1)을 형성하도록 시트로부터 제조될 수 있으며 차폐물 측면(16C2)은 링 형상 부재로 형성된다.

또, 배출구 어퍼처(vent aperture)(32)가 히터 몸체(18A)를 통해 형성되고 이 히터 몸체(18A) 내로 형성될 수 있고 챔버(12)의 대기로 고성능 열 차폐물(16C)을 노출시킨다. 이들 배출구를 사용하는 것은 이후 다른 실시예에서 보다 상세하게 언급될 것이다.

이제 도 4에 있는 그래프를 참조하면, 도 4는 넓은 온도 범위, 예를 들어 약 0℃ 내지 약 700℃에 걸쳐서 본 발명에 사용되는 바람직한 고성능 절연 물질을 포함하는 여러 절연 물질의 W/m·h 단위의 열 전도율 특성을 도시한다. 이 도면의 중심에는 대시 라인(40)으로 도시된 정체 공기의 열 전도율이 있으며 이 정체 공기의 열 전도율은 온도의 증가에 따라 상당히 비례하여 증가한다. 라인(42)에는 유리, 라인(44)에는 석면, 라인(46)에는 세라믹 그리고 라인(48)에는 칼슘 실리케이트와 같은 다른 알려진 절연 물질은 0℃로부터의 열 전도율 값이 라인(40)에서의 정체 공기에서의 열 전도율보다 충분히 높은 값으로 상당히 증가하는 것을 보여준다. 그러나, 라인(50)에 있는 Microsil^®와 라인(52)에 있는 Microtherm^®와 라인(54)에 있는 실리카 에어로겔과 같은 고성능 절연물은 다른 절연 물질(42, 44, 46, 48)에 비해, 예를 들어 약 0℃ 내지 약 700℃ 그리고 그 이상의 온도와 같은 넓은 온도 범위에 걸쳐서 거의 증가 없이 훨씬 더 균일한 레벨의 열 전도율을 제공한다. 또, Microsil^®, Microtherm^® 및 실리카 에어로겔은 동일한 온도 범위에 걸쳐서 정체 공기의 열 전도율을 초과하지 않는다. 달리 말하면, 고성능 절연물의 원하는 열 전도율 특성은 반도체 처리 장치(10,10A)에서 사용되는 처리 온도를 포함하는 넓은 온도 범위에 걸쳐서 0.04W/m·h이거나 그 아래에 있다. 이 열 전도율 값보다 낮은 임의의 알려진 물질은 고성능 절연물이라고 말할 수 있으나, 우리는 Microtherm^®, Microsil^® 및 실리카 에어로겔과 같은 에어로겔의 열 전도성 특성이 현재 바람직하다는 것을 발견하였다.

에어로겔은 가장 낮은 밀도를 갖는 고체 상태의 물질이다; 이 에어로겔은 겔의 액체 성분이 가스로 교체된 겔로부터 얻어진다. 그 결과 수 개의 놀랄만한 특성, 가장 두드러지게는 열 절연체로서의 효과를 가지는 극히 낮은 밀도의 고체가 된다. 그러한 에어로겔 절연물, 예를 들어, Pyrogel^® XT는 매사추세츠주(MA) 01532, 노쓰보로(Northborough), 포르브 로드(Forbes Road) 40에 소재하는 아스펜 에어로겔(Aspen Aerogels, Inc.)사로부터 구입가능하다.

다른 적절한 고성능 절연물은 Microsil^®이다. Microsil^®는 저밀도를 가지는 마이크로포러스(microporous) 실리카 열 절연물 에어로겔이며, 이는 전도성 열 전달을 최소화시키며 대류를 차단하고 열 에너지를 다시 열원, 즉 히터(18)로 반사시키는 나노 포켓(nano-pockets), 보이드(void) 또는 마이크로 포어(micro-pore)를 포함한다. 이 절연물은 초미립자 실리카 분말, 특별히 처리된 내화 산화물과 유리의 조합이며, 뉴욕 10921, 플로리다, PO 박스 519, 노쓰 메인 스트리트 100에 소재하는 ZIRCAR 세라믹스사에 의해 제조되어 이로부터 구입가능하다. 특히, 실리카(실리콘 이산화물) 에어로겔은 실리콘과 산소 원자가 긴 스트랜드로 조합된 후 이들 사이에 공기의 포켓이 있게 랜덤하게 서로 링크된 비드로 조합된 본딩된 실리콘과 산소 원자로 구성된다. 실리카 에어로겔은 불연성, 비독성 및 환경적으로 안정한 "공동 샌드(common sand)"의 비정질 형태이다. 이들 에어로겔은 공기 마이크로 포어들이 제거되고 이전에 알려진 에어로겔보다 약 30배 이상 더 가벼우므로 공기보다 덜 조밀하게 만들어질 수 있다. 2-단계 농축 실리카 공정을 사용하여, ZICAR 세라믹스사는 99.98% 공기를 포함하는 지금까지 만든 것 중 가장 가벼운 에어로겔 중 하나를 생산하였다.

다른 적절한 고성능 절연물은 테네시주 37701, Alcoa, 리갈 드라이브(Regal Drive) 3269에 소재하는 미국 Microtherm 사(모기업은 영국, Microtherm Ltd.이다)로부터 구입가능한 Microtherm^®이다. Microtherm^®는 1000℃만큼 높은 온도에서도 안정한 필라멘트 보강된 실리카의 불투명 혼합물(opacified blend)이며, 마이크로포러스로 시판되는 시트 형태로 구입가능하며, 이는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 용이하게 절단, 성형하여 고성능 열 차폐물(16 또는 16C)로 형성될 수 있다. 보다 상세한 사항은 Microtherm^® 절연물에 대해서는 이후에 설명된다.

전술된 설명으로부터 Microsil^®, Microtherm^® 및 실리카 에어로겔의 경우에서와 같이 다공성(porous) 절연 물질이 반도체 처리 장치(10)에서 고성능 열 차폐물(16 또는 16C)로 가장 적합한 것으로 이해된다. 이것은 이들 마이크로포러스 절연 물질이 전부 형태의 열 전달에 대해 최대의 저항을 제공하도록 설계되었기 때문이다. 고체 열 전도, 기체 대류 및 복사선은 물질 내에 마이크로 포어들이 존재하는 것으로 인해 모두 절대적으로 최소한으로 유지된다. 열적 대류는 충분히 큰 공기 볼륨이 없는 것으로 인해 마이크로포러스 물질에서 발생할 수 없다. 이들은 공기가 절연물의 마이크로포러스 격자 전체를 통해 순환할 수 없기 때문에 우수한 대류 차단제이다. 고체 열 전도는 매우 효과적으로 3가지 방식으로 최소화된다. 볼륨의 약 90%는 보이드이며 여기서 오직 덜 효과적인 기체 대류만이 일어날 수 있다. 고성능 절연물을 구성하는 나노 사이즈 입자는 서로 접촉이 매우 제한되어 있어 열적 경로를 제한한다(열이 전달되는 양은 전도 경로의 단면에 직접 비례한다는 것 참조). 고체 매트릭스를 통한 열 경로는 매우 비비 꼬여 있어 매우 길다. 이것은 고체 열 전도에 의해 열이 흐를 수 있는 속도를 감소시킨다(열이 전도되는 양은 전도 경로의 길이에 반비례한다는 것 참조). 기체 열 전도는 구멍 효과에 의해 제한된다. 이것은 마이크로포러스 절연물에 고유한 것이고 종래 절연물에 비해 이들 고성능 절연 물질에 열 전도율이 작은 단계-변화로 감소하는 것(small step-change decrease)을 제공하는 특성이 있다.

전술된 마이크로포러스 효과는 열 전달을 야기하는 공기 분자들 사이에 충돌이 일어나는 것을 제한한다. 절연 물질에 있는 보이드(void)가 공기 분자들의 평균 자유 경로(대기압에서 약 100㎚)보다 더 작은 것을 보장함으로써, 상당한 열 전달이 크게 제한된다. 이런 상황에서, 마이크로포러스 절연물에서 공기 분자들이 경험하는 대부분의 충돌은 마이크로 포어의 벽 내에 있으므로, 이는 거의 에너지를 전달하지 않는 공정이다.

마이크로 포어를 가져 마이크로포러스인 고성능 열 절연물을 사용하는 것을 제외하고는, 일부 과학적인 정의에서, "마이크로포러스" 란 직경이 2㎚ 보다 적은 구멍(pore)이나 보이드를 가지는 물질을 말하는 것이라는 것을 주목해야 한다. 그러나, 본 발명에서 사용될 수 있는 고성능 절연물의 범위 내에는 더 큰 다공성 절연물이 있다는 것을 이해할 수 있다. 그리하여, 하나의 예로서, "메조포러스 (mesoporous)" (직경 2㎚ 내지 50㎚의 구멍이나 보이드)를 갖는 절연물과 "매크로포러스 (macroporous)" (직경 50㎚를 초과하는 구멍이나 보이드)를 갖는 절연물은 "마이크로포러스"에 상응하는 것으로 고려될 수 있으며 후자인 매크로포러스는 다른 가능한 치수의 다공성을 포함하는 것으로 의도된다. 그러므로, "다공성(porous)" 이란 마이크로포러스든지, 메조포러스든지 또는 매크로포러스든지 간에 상관없이 미세한 공간이나 보이드를 가지는 물질을 의미한다. 본 명세서에서 "마이크로포러스" 란 용어의 사용은 본 출원에서 언급되고 기술된 고성능 절연물 기준을 충족하는 마이크로포러스, 메조포러스 및 매크로포러스 절연물을 포함하는 다공성 절연물을 포함하는 것으로 의도된 것이다.

열 복사선은 더 높은 온도에서 열 전달을 수행하는 주요 형태이다. 이전에 언급된 고성능 절연물은 적외선 복사선에 거의 완전히 불투명한 것으로 형성되었다. 이것은 열 전도율이 도 4에서 다공성 절연물 곡선(50,52,54)으로 도시된 바와 같이 온도의 증가에 따라 약간만 증가한다는 것을 의미하며, 종래 절연물에 비해 특히 Microtherm^® 절연물을 갖는 열적 성능의 잇점은 1000℃(1832℉) 그리고 그 이상의 온도로 그 동작 온도가 증가할 때 보다 명확히 드러나게 된다.

요약하면, 전술된 고성능 다공성 절연성이 3가지 열 전달 방법, 즉 전도, 대류 및 복사를 거의 무능화하는 것을 볼 수 있다. 그러나, 본 출원에서 언급되고 청구된 고성능 절연물의 기준을 충족하는 다른 고성능 절연물도 본 명세서의 실시예에 언급된 열 차폐물을 위한 고성능 절연물로 채용가능하다는 것을 언급한다. 그러한 절연물은, 예를 들어 정체 공기의 열 전도율보다 낮게 유지되는 열 전도율 레벨 또는 다른 예로서 도 4에 도시된 바와 같이 예를 들어 0℃ 내지 약 700℃ 또는 그 이상의 온도와 같은 넓은 온도 범위에 걸쳐서 일반적으로 0.04W/m·h 또는 이보다 낮은 열 전도율과 같은 반도체 처리 장치에서 넓은 동작 온도 범위에 걸쳐서 상대적으로 균일한 열 전도율 레벨을 가진다.

이제 도 5를 참조하면 도 5는 받침대 조립체(60)를 구비하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부분적으로 상세하게 도시한 단면도를 나타낸다. 조립체(60)는 테이블 조립체(62A), 히터(62B) 및 작업물을 지지하기 위한 테이블 면(63)을 구비하는 히터 몸체(62)를 포함한다. 그러한 받침대 조립체(60) 중 몇몇은 하나의 반도체 처리 장치에 제공될 수 있다. 히터 몸체(62)는 히터 몸체(62)의 하나의 면(67)과 베이스(66)의 면(69) 사이에 고성능 열 차폐물(63)을 지지하고 에워싸는 받침대 베이스(66)로부터 지지된다. 베이스(66)는 알루미늄으로 만들어지며 환형 에지(66A) 부근에서 더 낮은 온도를 유지하기 위해 더 두껍게 만들어진다. 이런 방식으로, 베이스(66)는 받침대 조립체(60)가 내부에 장착된 챔버(13)와 같은 챔버로 열적으로 효과적으로 전도된다. 이러한 받침대 설계는 작업물 테이블(63)에서의 온도보다 상당히 더 낮은 받침대 외부면을 66A에서 제공한다. 또, 테이블 조립체(62A)와 금속 히터(62B) 및 금속 베이스(66) 사이에 금속 대 금속 간 직접적인 접촉이 없으므로 고성능 열 차폐물(63) 아래 받침대 조립체(60)의 부품에 열이 전도되는 양을 감소시킬 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 이것은 테이블 조립체(62A)와 받침대 베이스(66)의 면들 사이에 정화 가스 출구(104)가 있고 테이블 조립체(62A)와 금속 히터(62B) 및 금속 베이스(66) 사이에 출구(104)로 가는 정화 가스 경로(102)가 존재하기 때문이며, 이 정화 가스 경로에 대해서는 이후 보다 상세히 설명할 것이다.

전술된 바와 같이, 히터 몸체(62)는 2개의 부분(62A, 62B)을 포함하며, 이 부분(62)은 테이블 면(63)을 갖는 작업물 용접된 테이블 조립체를 포함하며, 부분(62B)은 받침대 스템(74)을 통해 히터 조립체(62B)의 바닥에 제공된 히터 전기 리드(미도시)를 통해 전력을 제공하는 하나의 영역의 인콜넬(incolnel) 기반의 히터 요소(61)를 포함한다. 열전쌍 조립체(72)는 스프링(70)에서 스프링 부하를 받으며 히터 조립체(62B)의 알루미늄 히터 보스(59A)에 있는 어퍼처 내에 조립체의 열 센서를 위로 유지하여 반도체 생산 처리 동안 히터(62)의 온도를 모니터링한다. 히터 몸체(62)는 세라믹이나 알루미늄일 수 있으나 전술된 바와 같이 고순도의 알루미늄이 바람직하다. 알루미늄의 경우에 여기서 언급된 바와 같이 히터 몸체(62B)의 알루미늄 환형 보스(68)가 알루미늄 커플러(76)에 용접된다. 커플러(76)는 용접된 스테인레스 스틸 커플러(74A)를 통해 73에서 스테인레스 스틸 스템(74)에 접합되어 스테인레스 스틸에 접합된 알루미늄의 바이메탈 결합체를 형성한다. 이 결합체(73)를 형성하는 방법은 이 기술 분야에 알려져 있는 폭발성 접합(explosive bonding)이다. 스템(74)은 히터 몸체(62)를 형성하는 알루미늄의 열 전도율에 비해 더 낮은 열 전도율을 가지므로 스테인레스 스틸이며, 이로 히터(62B)로부터 스테인레스 스틸 스템(74)으로 열의 열 전도율의 영향이 최소화된다. 또 스테인레스 스틸 스템(74)은 얇은 측벽이나 튜브 벽의 구성일 수 있으며, 이는 또한 히터(62A)로부터 열이 열적으로 전도되는 양을 감소시킨다. 스템(74)의 바닥은 용접된 스테인레스 스틸 허브 또는 장착 단부(80)를 포함하며 이때 패스너(84)가 스테인레스 스틸 단부 판(82)을 베이스 허브(80)에 고정하는데 사용되며, 이 베이스 허브(80)는 또한 열 센서를 보스(59A)에 고정한 채 열전쌍 조립체(72)의 장착을 유지하기 위해 스프링 압축력으로 스프링(70)을 홀딩한다.

도 5에 도시된 도관 또는 튜브(77)는 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된 US 특허 번호 제5,769,951호 및 제5,882,417호에서 기술되고 관련 특허로 언급된 MOER 링으로 알려진 배제 링(100)과 테이블 면(63) 사이에 포켓이나 출구(100A)로 가는 경로(96, 96A)를 따라 Ar 또는 H 또는 Ar 및 H의 조합과 같은 배제 가스(exclusion gas)를 공급하도록 테이블 조립체(62A)로 가는 배제 가스 라인이다. 이 배제 가스의 사용은 이 기술 분야에 알려져 있는 것이며 특히 테이블 면(63) 상에 위치된 작업물의 하면 뿐만 아니라 에지를 따라 증착 가스로부터 증착물이 증착하는 것을 방지하기 위한 것이다.

이 기술 분야에 알려진 바와 같이, 도 5에 도시되지 않은, 받침대 스템(74) 내에 있는 다른 튜브는 테이블 면(93)에 있는 어퍼처(97)와 그루브(99)에 진공이 형성되는 것을 제공하며 이 테이블 면(93)은 테이블 면(63) 상에 위치된 작업물 아래에 있고 작업물 처리 동안 테이블(63) 상에 작업물을 견고하게 홀딩한다.

도 5의 실시예의 특징은 금속 몸체 또는 용기(65) 내에 용접되거나 그렇지 않으면 그 내에 고정되는, 예를 들어 Microtherm^®, Microsil^® 및 실리카 에어로겔과 같은, 고성능 절연물(64)을 구비하는 고성능 열 차폐물(63)이다. 용기(65)는 예를 들어 낮은 열 전도율로 인해 스테인레스 스틸로 구성될 수 있다. 그러나, 용기(65)는 다른 금속이나 금속 합금으로 제조될 수 있다. 스테인레스 스틸 용기(65)는 예를 들어 1인치의 8/1000 두께만의 벽을 가질 수 있다. 절연물은 다공성이어서 얇은 절연물 격자 내에 공기를 포함하므로, 배출구(vent)나 배출구들(65A)은 열 차폐물(63)의 보스 부분(63A) 주위에 형성된다. 이들 배출구(65A)는 차폐 절연물(64)의 내부에 존재하는 임의의 가스가 반도체 처리 장치의 챔버가 다운 펌핑되어 진공 환경을 형성할 때 배기(evacuated)되게 한다. 장치 챔버가 배기되면, 고성능 절연물의 다공성 내부도 이에 따라 배출구(65A)를 통해 배기되어 이와 함께 장치 챔버에서 수행되는 처리를 오염시키지 않도록 장치 챔버의 배기 포트를 통해 다공성 절연물의 마이크로 입자를 손실할 것이다. 배출구(65A)는 예를 들어 10㎛의 소결된 스테인레스 스틸일 수 있으며, 여기서 소결 공정은 스테인레스 스틸에 배출구(65A)를 형성하는 다공성을 제공한다. 용기(65)는 대안적으로 니켈 합금으로 만들어질 수 있다.

테스트에 따르면 고성능 열 차폐물(63)은 히터(62B)에 공급되는 전력 소비를 적어도 20% 감소시킬 뿐만 아니라 테이블 면(63)의 온도가 히터(62B)가 제공하는 약 400℃ 에 있게 하면서 열 차폐물(63) 아래 받침대 베이스(66)와 같은 부품의 온도를 100℃ 아래 온도로 감소시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 그러한 열 차폐물(63)이 존재하지 않는 현재 양수인의 이전 받침대 조립체에서는 받침대 베이스(66)의 온도가 약 300℃ 또는 그 이상이고, 테이블 표면(63)의 온도는 약 400℃이다. 이것은 대략 200℃의 온도만큼 획기적으로 감소된 것을 보여준다. 받침대 베이스(66)에서 약 100℃의 온도로 필름을 증착하는 장치에서 대부분의 경우에 임의의 가스 수반 성분의 분리를 통해 나노미터 박막 또는 초박막 필름을 형성하는 노출된 베이스 면 상에는 아주 거의 증착이 허용되지 않는다. 이러한 박막 필름의 증착은 예를 들어 에칭에 의한 세정 공정을 통해서 시간 면에서 그리고 세정 비용 면에서 필름의 제거를 훨씬 더 용이하게 한다. 베이스(66) 상에 원치않는 증착물의 양이 고성능 열 차폐물(63)의 사용으로 인해 90% 이상 감소하는 것으로 계산되었다.

Microtherm^®의 고온 열 절연물을 구비하는 고성능 열 차폐물(63)의 특정 애플리케이션에서, 그러한 고성능 절연물은 다음 특성을 가지고 있다:

하나의 예로서 100℃ 내지 800℃의 온도 범위에 걸쳐 320Kg/m³ 밀도에서 Microtherm^® Super G에 대해 열 전도율(ISO 8302, ASTM C177)은 아래 테이블 1에 도시되어 있다.

[ 테이블 1 ]

테이블 조립체(62A)와 히터(62B)에 사용되는 알루미늄 99.9%의 열 전도율은 24W/m·k이다. 상기 데이터로부터 Microtherm^®의 열 전도율은 반도체 처리장치에서 사용되는 넓은 온도 범위에 걸쳐 상당히 균일하다는 것을 볼 수 있으며, 이로 테이블(62A)에서 반도체 작업물 처리를 위한 온도 요구조건을 여전히 충족하면서 전기 에너지의 상당한 전력 감소를 히터(62B)에 대해 달성할 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 5의 실시예에 대해 특히 중요한 것은 2가지 추가적인 특징에 있다. 첫째, 스템(74)의 공동(74A) 내에는 튜브(90)를 사용하는 냉각 메커니즘이 있으며, 둘째, 튜브나 라인(92)을 정화 경로(101, 102, 103)로 사용하는 정화 가스 특징이 있으며 여기서 후자의 2개의 정화 경로는 도 5에서 보는 바와 같이 열 차폐물(63)의 인접한 측면에 형성된다. 제2 언급된 특징과 연관하여, 정화 라인(92)은 알루미늄 베이스(66)의 몸통 부분과 스테인레스 스틸 스템(74) 사이에 형성된 공동(91)에 스템(74)의 측벽(74A)을 통해 연결된다. N₂와 같은 정화 가스는 도관(92)에서 공동(91)에 제공되며, 여기서 가스는 환형 경로(101)를 따라가며 그리하여 열 차폐물(63)의 인접한 측면을 따라 정화 경로(102,103)를 통해 간다. 경로(102,103)로부터 가압된 정화 가스를 배출하는 것은 베이스(66)와 테이블 조립체(62A)의 하부 바닥부와 히터(62B) 사이에 104에서 환형 정화 가스 출구 또는 배출구에 제공된다. 이 정화 가스는 증착 또는 세정(에칭) 가스가 테이블(62A), 히터(62B), 열 차폐물(63) 및 받침대 베이스(66)와 같은 받침대 조립체(60)의 내부로 들어가는 것을 막는다. 방금 언급된 바와 같이, 이 가압된 정화 가스는 증착이나 세정 가스가 이들 부품들 사이 받침대 조립체(62) 안으로 들어가는 것을 막으며, 이에 의해 세정 가스에 의해 통상 부식될 수 있는 받침대 조립체(60)의 부품 물질, 예를 들어 고성능 절연물(64)을 구비하는 스테인레스 스틸의 박막 용기(65)와 같은 부품 물질의 사용이 가능하게 된다. 전술된 바와 같이, 스테인레스 스틸은 알루미늄 히터 몸체(62)에 비해 상대적으로 낮은 열 전도율로 인해 열 차폐물로서 바람직한 용기 물질이다. 정화 가스 경로(102,103)를 용기(65)의 인접한 측면에 배치하는 것은 챔버 가스에 부식됨이 없이 스테인레스 스틸의 사용을 용이하게 가능하게 한다.

제1 언급된 특징에 대해, 반도체 처리 장치의 챔버의 개선된 냉각 메커니즘은 박막 스테인레스 스틸 스템(74) 내에 형성된 공동(74A)을 제공하는 것에 의해 달성되며, 이 스템(74) 내에 공기와 같은 압축 냉각 가스가 도관이나 튜브(90)를 통해 제공된다. 냉각 가스 공급 라인(90), 배제 가스 공급 라인(77) 및 정화 가스 공급 라인(92){테이블 면(63)으로 가는 진공 라인(미도시) 뿐만 아니라}은 스템 공동(74A) 내에 장착된다. 튜브(90)는 스템 공동(74)의 상부 단부(74C)에 인접한 상단부(90A)에서 개방되어 있으며 이로 화살표(108)로 표시된 바와 같이 스템(74)의 내부면을 따라 이 내부면 주위로 가압 공기가 흐를 수 있게 한다. 히터 요소(61)로의 전력이 턴오프되고 장치 챔버의 냉각이 시작될 때, 공기 흐름(108)을 사용하는 것은 스템 벽(74A)을 통해 챔버 열을 신속히 멀리 운반함으로써 냉각을 촉진시키고 단부 판(82)에 개구나 어퍼처로 가는 공동(74A)에 공기 흐름에 의해 멀리 운반함으로써 냉각을 촉진시킨다. 또, 공동(74A)에 있는 금속 보스(59A) 뿐만 아니라 도관(77, 92)은 방열 핀으로 기능하며 스템 공동(74A) 내에 있는 추가적인 표면 영역을 제공하여 스템 공동과 도관 표면으로부터 열을 멀리 제거하고 단부판(82)에 개구를 통해 스템(74)의 바닥을 거쳐 출구를 통해 스템(74)의 가열된 공기를 밖으로 이동시킨다. 또, 스템(74)의 벽(74A)의 내부면에 부착된 추가적인 냉각 핀을 더 사용하는 것에 의해 냉각을 더 개선시키는 것도 본 냉각 메커니즘의 범위 내에 있다. 이 냉각 메커니즘을 사용하는 테스트에 따르면 400℃로 가열된 장치를 100℃로 냉각하는데 약 1시간이 소요되었으나 그러한 냉각 메커니즘이 없는 과거에는 동일한 100℃에 도달하는데 약 4시간이 소요되었다는 것을 보여주었다. 그러므로, 장치 챔버의 개구가 가능한 온도에 이르는데 걸리는 시간을 상당히 절감할 수 있어 이에 의해 장치의 전체 작업정지 시간을 줄일 수 있고 반도체 처리 생산에 추가적인 시간을 사용할 수 있다는 것을 용이하게 이해할 수 있다.

도 5a는 도 5의 고성능 열 차폐물(63)의 확대 단면도를 도시한다. 이 실시예에 도시된 바와 같이, 박막 금속 용기(65)는 그 쉘 몸체 내에 형성된 돌출(110) 패턴을 구비할 수 있다. 이들 돌출부(110)는 히터 조립체(62B)와 베이스(66)로부터 차폐물(63)의 인접한 측면들 사이에 각각 떨어진 관계를 유지하여, 정화 경로(102, 103)를 형성하는 간격이 중심으로부터 이들 부품의 길이방향 면을 따라 그리고 장치 챔버 내 환형 출구(104)로 가는 에지에 대해 방사상 바깥쪽으로 유지된다. 돌출부(110)는 장치 챔버 내에 출구 점(104)으로 경로(101, 102) 주위로 보다 균일한 가스 정화 흐름을 제공하기 위해 경로(102,103)에 이들 부품의 면들 사이에 정화 가스 흐름을 편향, 분산, 재지향, 전환시키는 랜덤한 패턴으로 배열될 수 있다.

또, 돌출부(110)가 히터(62A)와 열 차폐물(63)의 면들 사이에 금속 대 금속 간의 물리적 접촉을 최소화시키며 이로 히터(62A)로부터 열 차폐물(63)로의 열 전도가 이들 2개의 부품의 표면들 사이에 이격 배치된 최소한의 면 접촉에 의하여 훨씬 더 최소화될 수 있다.

돌출부(110)의 예는 금속 용기 벽의 프레스 롤링에 의하여 형성된 절연물 용기(65)의 금속에 형성된 오목한 곳의 패턴이나, 또는 이들 돌출부는 환형으로 형성된 볼록한 곳의 하나의 방사상 군으로서 또는 환형으로 형성된 볼록한 곳의 복수의 방사상 군으로서 열 차폐물(63)의 중심으로부터 방사방향의 패턴으로 연장하는 절연물 용기(65)의 금속에서 볼록한 곳으로서 형성될 수 있다. 복수의 방사상 군의 경우에, 볼록한 곳의 군은 차폐물(63)의 중심 부근의 제1 군으로부터 이 중심으로부터 더 먼 환형의 볼록한 곳의 인접한 군 등으로 연장한다. 이러한 실시예에서, 방사상으로 연장된 군은 경로(102,103) 내 히터/차폐물 면들 사이에 정화 가스 흐름을 편향, 분산, 재지향 및 전환시키기 위하여 환형으로 연장하는 볼록한 곳의 이전의 군과 그 다음의 인접한 연속하는 군으로부터 오프셋된 환형으로 연장하는 볼록한 곳을 구비하며 이로 경로(102, 103) 주위로 장치 챔버 내 출구 점(104)으로 보다 균일한 가스 정화 흐름을 제공할 수 있다.

본 발명의 전술된 상세한 설명은 명료함과 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그러므로 본 상세한 설명은 개시된 정확한 형태로만 본 발명을 제한하고자 의도된이 전혀 아니다. 본 발명의 범위나 이와 균등한 범위를 벗어남이 없이 본 상세한 설명에 대한 여러 변형이 가능할 것이다.

전술된 바와 같이, 본 발명은 반도체 처리 장치의 사용과 동작에서의 효율을 개선하는 등에 이용가능하다.

13A : 입구 13B : 출구
14 : 받침대 16 : 고성능(H.P.) 열 차폐물
16A : 고성능(H.P.) 열 차폐물 18 : 히터
20 : 스템 22 : 작업물

Claims (26)

1. 적어도 하나의 히터가 지지되는 처리 챔버를 구비하며 상기 히터는 히터의 제1 면에 대해 지지되는 작업물을 가열하는 반도체 처리 장치의 효율을 개선하는 방법으로서,
   상기 작업물을 미리 결정된 온도로 가열하기 위해 전력 소스를 통해 챔버에서 처리하기 위해 상기 작업물을 가열하는 히터를 챔버 내에 제공하는 단계;
   상기 히터와 열 차폐물의 제2 면 사이에 온도차가 발생하도록 히터의 제2 면 상에 제1 면을 구비하는 열 차폐물을 형성하는 단계;
   상기 작업물을 미리 결정된 온도로 가열하는데 필요한 전력을 절감하기 위하여 넓은 온도 범위에 걸쳐서 정체 공기의 열 전도율보다 낮은 열 전도율을 갖는 열 차폐물을 위한 절연제를 선택하는 단계;
   금속 쉘로 열 차폐 절연물을 커버하는 단계;
   상기 히터의 상기 제2 면과 상기 금속 쉘 사이의 간격을 유지하도록 상기 금속 쉘의 외측면 상에 돌출부를 제공하는 단계;
   상기 히터의 동작 동안 상기 히터의 상기 제2 면과 상기 금속 쉘 사이로 정화 가스를 흐르게 하는 단계;
   상기 금속 쉘에 배출구(vent)를 제공하는 단계; 및
   상기 작업물을 처리하기 전에 상기 처리 챔버를 배기함으로써 상기 금속 쉘을 배기시키는 단계
   를 포함하는, 반도체 처리 장치의 효율을 개선하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 선택하는 단계는 0.004W/m·h 내지 0.4W/m·h의 범위에 있는 열 전도율을 갖는 절연물을 선택하는 단계를 포함하는, 반도체 처리 장치의 효율을 개선하는 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 절연물은 Microtherm^®, Microsil^® 및 실리카 에어로겔로 알려진 물질 군으로부터 선택되는, 반도체 처리 장치의 효율을 개선하는 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 챔버에 공급되는 가스 수반 성분을 통해 상기 작업물 상에 필름을 증착하는 단계와;
   상기 열 차폐물의 제2 면에 인접하며 상기 열 차폐물의 제2 면을 넘어 상기 챔버의 부분들 상에 가스 수반 성분이 증착하는 것을 최소화하기 위해 상기 열 차폐물의 제1 면과 제2 면 사이에 온도차를 제공하도록 절연물을 선택하는 단계
   를 더 포함하는, 반도체 처리 장치의 효율을 개선하는 방법.
6. 삭제
7. 삭제
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9. 삭제
10. 삭제
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