KR101810645B1 - 챔버 작동방법 - Google Patents

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Abstract

챔버 작동방법의 일 실시예는, 웨이퍼 증착용 챔버 내부로 상기 웨이퍼를 인입하는 웨이퍼 인입단계; 리프트핀 상에 상기 웨이퍼가 안착한 후, 상기 리프트핀과, 상기 웨이퍼가 배치되는 서셉터가 동시에 상승하는 제1상승단계; 상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상에 안착할 때까지 상승하는 제2상승단계; 및 상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상에 안착한 상태로 상기 웨이퍼 상에 증착이 진행되는 증착위치까지 상승하는 제3상승단계를 포함하고, 상기 제2상승단계는, 상기 서셉터가 상기 리프트핀보다 빠른 속도로 상승하는 것일 수 있다.

Description

챔버 작동방법{Chamber operating method}
실시예는, 실리콘 단결정 구조의 웨이퍼에 에피층을 증착하는 공정에 사용되는 챔버 작동방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
일반적으로 단결정실리콘을 제조하는 방법으로서, 플로우팅존 (FZ: Floating Zone)법 또는 초크랄스키(CZ:CZochralski)법이 많이 이용되고 있다. FZ 법을 적용하여 단결정실리콘 잉곳을 성장시키는 경우, 대구경의 실리콘 웨이퍼를 제조하기 어려울 뿐만 아니라 공정 비용이 매우 비싼 문제가 있기 때문에, CZ 법에 의하여 단결정실리콘 잉곳을 성장시키는 것이 일반화되어 있다.
CZ 법에 의하면, 석영 도가니에 폴리실리콘(poly silicon)을 장입하고, 흑연 발열체를 가열하여 이를 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 시드 결정(Seed Crystal)을 침지시키고, 용융액 계면에서 결정화가 일어나도록 하여 시드 결정을 회전하면서 인상시킴으로써 단결정실리콘 잉곳이 성장된다.
한편, 단결정 실리콘 구조의 웨이퍼는, 필요한 경우 단결정 실리콘 구조를 가진 에피층을 증착하여 완제품 웨이퍼를 제작할 수도 있다.
실시예는, 실리콘 단결정 구조의 웨이퍼에 에피층을 증착하는 공정에 사용되는 챔버 작동방법에 관한 것이다.
실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
챔버 작동방법의 일 실시예는, 웨이퍼 증착용 챔버 내부로 상기 웨이퍼를 인입하는 웨이퍼 인입단계; 리프트핀 상에 상기 웨이퍼가 안착한 후, 상기 리프트핀과, 상기 웨이퍼가 배치되는 서셉터가 동시에 상승하는 제1상승단계; 상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상에 안착할 때까지 상승하는 제2상승단계; 및 상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상에 안착한 상태로 상기 웨이퍼 상에 증착이 진행되는 증착위치까지 상승하는 제3상승단계를 포함하고, 상기 제2상승단계는, 상기 서셉터가 상기 리프트핀보다 빠른 속도로 상승하는 것일 수 있다.
상기 제1상승단계 및 상기 제3상승단계는, 상기 리프트핀과 상기 서셉터의 상승속도가 동일한 것일 수 있다.
상기 서셉터는 상하방향으로 복수의 관통홀이 구비되고, 상기 리프트핀은 상기 관통홀에 삽입되어 상기 서셉터에 대하여 이동 가능하도록 구비되는 것일 수 있다.
상기 웨이퍼는, 상기 제1상승단계에서의 상승속도가 상기 제2상승단계보다 빠른 것일 수 있다.
상기 웨이퍼는, 상기 제1상승단계에서의 상승거리가 상기 제2상승단계보다 긴 것일 수 있다.
상기 웨이퍼는, 상기 제3상승단계에서의 상승속도가 상기 제2상승단계보다 빠른 것일 수 있다.
상기 웨이퍼는, 상기 제3상승단계에서의 상승거리가 상기 제2상승단계보다 긴 것일 수 있다.
상기 웨이퍼 인입단계는, 상기 웨이퍼가 상기 챔버 내부로 인입된 후 상기 제1상승단계가 진행되기 전까지, 상기 웨이퍼가 예열되는 것일 수 있다.
상기 웨이퍼 인입단계에서 상기 웨이퍼가 예열되는 시간은 10초 내지 30초인 것일 수 있다.
챔버 작동방법의 일 실시예는, 웨이퍼가 웨이퍼 증착용 챔버 외부에서 대기함과 동시에 상기 챔버 내부가 예열되는 대기단계; 상기 챔버 내부로 상기 웨이퍼를 인입하는 웨이퍼 인입단계; 리프트핀 상에 상기 웨이퍼가 안착한 후, 상기 리프트핀과, 상기 웨이퍼가 배치되는 서셉터가 동시에 상승하는 제1상승단계; 상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상에 안착할 때까지 상승하는 제2상승단계; 및 상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상에 안착한 상태로 상기 웨이퍼 상에 증착이 진행되는 증착위치까지 상승하는 제3상승단계를 포함하고, 상기 웨이퍼는, 상기 제1상승단계 및 상기 제3상승단계에서의 상승속도가 상기 제2상승단계보다 빠르고, 상기 제1상승단계 및 상기 제3상승단계에서의 상승거리가 상기 제2상승단계보다 긴 것일 수 있다.
실시예에서는, 리프트핀만이 웨이퍼를 지지하는 시간 즉, 제1상승단계와 제2상승단계를 합한 시간을 현저히 줄였다. 이로인해, 리프트핀과 웨이퍼의 접촉부위에 상기 열응력과 결함발생을 억제할 수 있고, 따라서, 에피층에 슬립발생을 억제할 수 있다.
실시예에서, 제3상승단계를 빠르게 진행하여 에피층 증착공정 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
실시예에서, 에피층 증착공정 진행위치에 웨이퍼를 배치하는 시간을 단축할 수 있으므로, 에피층 증착공정 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 일 실시예의 챔버를 포함하는 기판 처리장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 일 실시예의 챔버 작동방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 일 실시예의 대기단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 일 실시예의 웨이퍼 인입단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 일 실시예의 제1상승단계, 제2상승단계 및 제3상승단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 일 실시예의 제1상승단계, 제2상승단계 및 제3상승단계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 일 실시예의 가열장치의 출력과 제1상승단계에서의 웨이퍼의 상승속도의 관계를 설명하기 위한 도표이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 또한, 실시예의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 실시예의 범위를 한정하는 것이 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
도 1은 일 실시예의 챔버(100)를 포함하는 기판 처리장치(1000)를 나타낸 개략도이다. 실시예의 기판 처리장치(1000)에서는 웨이퍼(10)의 증착을 진행할 수 있다.
상기 웨이퍼(10)는 예를 들어, 단결정실리콘 구조로 형성될 수 있다. 단결정실리콘은 실리콘(Si)원자가 규칙적으로 배열되어 이루어진 결정구조를 가진 실리콘을 말한다. 이때, 상기 단결정실리콘은 복수의 실리콘결정이 배열되어 형성될 수도 있으나, 각 결정들의 크기 및 형상 등이 유사하고, 그 배열상태 또한 규칙적일 수 있다.
상기 단결정실리콘 구조의 웨이퍼(10)는, 예를 들어, 잉곳 성장단계 및 웨이퍼(10) 제작단계를 거쳐 제작될 수 있다.
상기 잉곳 성장단계에서는 도가니(미도시) 등을 포함하는 잉곳 성장장치에서 단결정실리콘 구조의 잉곳을 제작할 수 있다. 이때, 잉곳(ingot)은 대체로 단면적이 원형이 원기둥 형상을 가질 수 있다.
웨이퍼(10) 제작단계에서는 상기 잉곳을 적당한 두께로 슬라이싱(slicing)하고, 슬라이싱된 웨이퍼(10)를 세척하는 공정을 거칠 수 있다. 세척이 완료된 웨이퍼(10)는 양면을 연마장치를 사용하여 연마하는 공정을 거칠 수 있다.
상기 연마공정을 마친 후, 세척 등 필요한 처리공정을 거치면 상기 웨이퍼(10)가 마련될 수 있다.
실시예의 기판 처리장치(1000)에서는 예를 들어, 상기 웨이퍼(10) 상에 상기 웨이퍼(10)와 동일 또는 유사한 실리콘 단결정 구조를 가진 에피층(epitaxial layer)을 증착하는 공정을 진행할 수 있다.
웨이퍼(10)에 에피층은 증착하는 이유는 웨이퍼(10)가 원하는 두께, 사이즈를 가지도록 하고, 에피층 형성과정에서 상기 에피층에 필요한 도핑을 진행하여 에피층이 p형 또는 n형 반도체의 성질을 가지도록 하는 등의 목적을 달성하기 위함이다.
이때, 에피층에 도핑되는 도펀트(dopant)의 종류에 따라 상기 에피층은 p형 또는 n형 반도체의 성질을 가질 수 있다. 또한, 예를 들어 p형 반도체의 성질을 가지더라도, 도핑되는 도펀트의 종류, 양에 따라, 상기 에피층은 p형 반도체의 성질이 강한 p(+)형 반도체 또는 p형 반도체의 성질이 상대적으로 약한 p(-)형 반도체가 될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실시예의 기판 처리장치(1000)는 챔버(100), 파이로미터(200), 메인제어부(300), 가열장치(400) 및 냉각유닛(500)을 포함할 수 있다.
챔버(100)는 내부에 상기 웨이퍼(10)가 배치되어 상기 웨이퍼(10) 상에 소스가스가 분사되어 에피층이 증착되는 공간이다. 상기 챔버(100)는 전체가 투명하고 고온에 견딜 수 재질, 예를 들어 석영으로 제작될 수 있다. 다만, 서셉터(120)(susceptor)와 같은 일부 구성부품은 다른 재질로 제작될 수도 있다.
상기 챔버(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상부돔(111), 하부돔(112), 서셉터(120), 제1지지부(121), 리프트핀(130), 제2지지부(131), 가스입구(141), 가스출구(142), 기판출입구(150), 지지축(160)을 포함할 수 있다.
상부돔(111)과 하부돔(112)은 챔버(100)의 외벽을 형성하여, 증착공정 진행을 위한 반응공간을 형성할 수 있다. 따라서, 상부돔(111)과 하부돔(112)이 형성하는 상기 반응공간에는 서셉터(120), 제1지지부(121), 리프트핀(130), 제2지지부(131) 및 지지축(160) 일부가 수용될 수 있다.
서셉터(120)에는 웨이퍼(10)가 안착할 수 있다. 제1지지부(121)는 상기 서셉터(120)를 지지할 수 있다. 하기에 설명하는 지지축(160)이 기판 처리장치(1000)의 상하방향으로 이동함에 따라 상기 제1지지부(121)도 상하방향으로 이동할 수 있고, 이에 따라 상기 서셉터(120)도 상하방향으로 이동할 수 있다.
이러한 구조로 인해, 웨이퍼(10)가 챔버(100) 내부로 인입되면 상기 서셉터(120)는 상하방향으로 이동함으로써, 상기 웨이퍼(10)가 서셉터(120)의 상면에 안착할 수 있다.
리프트핀(130)은 상기 서셉터(120)를 관통하도록 배치될 수 있다. 이를 위해 상기 상기 서셉터(120)는 상하방향으로 복수의 관통홀(122)이 구비되고, 상기 리프트핀(130)은 상기 관통홀(122)에 삽입될 수 있다. 이때, 상기 리프트핀(130)은 상기 서셉터(120)에 대하여 이동 가능하도록 구비될 수 있다.
예를 들어, 웨이퍼(10)가 챔버(100) 내부로 인입되면 먼저 상기 리프트핀(130) 상단에 상기 웨이퍼(10)가 안착한 후, 상기 서셉터(120)가 다시 상승하여 최종적으로 상기 웨이퍼(10)는 서셉터(120)에 안착할 수 있다.
따라서, 상기 리프트핀(130)과 상기 서셉터(120)는 상승속도가 서로 다른 구간이 존재하고, 이 구간에서는 상기 리프트핀(130)은 상기 서셉터(120)에 대하여 이동할 수 있다.
가스입구(141)는 상기 웨이퍼(10)에 에피층 증착을 위한 소스물질을 함유하는 소스가스가 상기 챔버(100) 내부로 유입되는 입구이다. 소스가스는 상기 가스입구(141)와 배관 등으로 연결된 소스가스저장부(미도시)로부터 상기 가스입구(141)를 통해 상기 챔버(100) 내부로 유입될 수 있다.
가스출구(142)는 상기 챔버(100) 내부에 존재하는 가스가 배출되는 출구이다. 이때, 배출가스는 에피층 증착에 사용되지 않은 소스가스와 챔버(100) 내부에 존재하는 이물질 등일 수 있다.
한편, 상기 가스입구(141)와 상기 가스출구(142)를 통해 상기 챔버(100) 내부를 퍼지하기 위한 퍼지가스가 상기 챔버(100)를 출입할 수도 있다.
기판출입구(150)는 챔버(100)의 일측에 배치될 수 있다. 상기 기판출입구(150)는 개폐가 가능하도록 구비되고, 상기 기판출입구(150)를 통해 증착의 대상이 되는 웨이퍼(10)가 출입할 수 있다. 상기 기판출입구(150)의 개폐는 하기에 설명하는 메인제어부(300)에 의해 제어될 수 있다.
예를 들어, 상기 기판출입구(150)를 개폐하는 게이트밸브(미도시)가 구비될 수 있고, 메인제어부(300)는 상기 게이트밸브를 제어함으로써 상기 기판출입구(150)를 개폐할 수 있다.
지지축(160)은 일부는 상기 챔버(100)에 수용될 수 있고, 나머지는 상기 챔버(100) 외부에 배치될 수 있다. 즉, 상기 하부돔(112)을 관통하여 배치될 수 있다. 지지축(160)의 상부는 상기 제1지지부(121) 및 제2지지부(131)와 결합할 수 있고, 하부에는 상기 지지축(160)을 상승, 하강 또는 회전시킬 수 있는 구동장치가 구비될 수 있다.
이때, 상기 구동장치는 예를 들어 지지축(160)의 상승 및 하강거리와 속도, 지지축(160)의 회전각도 등을 정밀하게 제어할 수 있는 스텝모터(step motor)로 구비될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서는 상기 스텝모터를 구동장치로 사용하여 상기 지지축(160), 리프트핀(130) 및 서셉터(120)의 이동을 제어하는 기판 처리장치(1000)를 예를 들어 설명한다.
파이로미터(200)(pyrometer)는 상기 챔버(100)의 내부온도를 측정할 수 있는 장치이다. 상기 챔버(100)의 내부온도는 약 1000℃ 이상의 고온의 상태인 경우도 있으므로, 비접촉식으로 고온을 측정할 수 있는 파이로미터(200)를 사용하여 상기 챔버(100)의 내부온도를 측정하는 것이 적절하다.
상기 파이로미터(200)는 제1측정부(210)와 제2측정부(220)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제1측정부(210)는 기판 처리장치(1000)의 상부에 배치되고, 상기 제2측정부(220)는 기판 처리장치(1000)의 하부에 배치될 수 있다.
상기 제1측정부(210)는 상기 웨이퍼(10)의 온도를 측정할 수 있다. 파이로미터(200)는 온도측정을 위해 예를 들어 적외선을 측정대상에 조사할 수 있고, 제1측정부(210)에서 조사되는 적외선은 투명재질로 구비되는 상부돔(111)을 통과하여 측정대상인 서셉터(120)에 안착된 웨이퍼(10)에 입사할 수 있다.
상기 제2측정부(220)는 상기 서셉터(120)의 온도를 측정할 수 있다. 제2측정부(220)에서 조사되는 적외선은 투명재질로 구비되는 하부돔(112)을 통과하여 측정대상인 서셉터(120)에 입사할 수 있다.
이때, 하부돔(112)과 서셉터(120) 사이에 배치되는 리프트핀(130), 제1지지부(121) 및 제2지지부(131)는 투명한 재질로 구비되므로, 제2측정부(220)에서 조사되는 적외선은 이들을 통과하여 서셉터(120)에 입사할 수 있다.
서셉터(120)와 이에 안착한 웨이퍼(10)는 챔버(100) 내부온도의 평균값과 극히 유사하므로, 서셉터(120)와 웨이퍼(10) 온도의 평균값을 상기 챔버(100) 내부온도, 구체적으로 사이 챔버(100) 내부온도의 평균값으로 취급할 수 있고, 이하에서는 상기 서셉터(120)와 웨이퍼(10) 온도의 평균값을 챔버(100) 내부온도로 정의한다.
다만, 상기 웨이퍼(10)가 챔버(100) 외부에 배치되는 상태에서는 상기 서셉터(120)의 온도를 상기 챔버(100) 내부온도로 정의할 수 있다.
가열장치(400)는 상기 기판 처리장치(1000) 내부 및 상기 챔버(100) 외부에 마련되는 공간에 복수로 배치될 수 있고, 구체적으로 상기 챔버(100)의 상부 및 하부에 복수로 배치될 수 있다.
가열장치(400)에서 발생하는 열은 투명재질의 상부돔(111)과 하부돔(112)을 통과하여 챔버(100) 내부온도를 승온할 수 있다. 즉, 상기 챔버(100) 내부는 주로 복사가열 방식으로 승온될 수 있다.
상기 가열장치(400)는 예를 들어 가열램프로 구비될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 유도가열방식, 전기가열방식 기타 다양한 방식의 장치로 구비될 수 있다.
냉각유닛(500)은 상기 기판 처리장치(1000)와 그 내부에 배치되는 챔버(100)가 과도하게 가열되는 것을 방지하기 위해 기판 처리장치(1000)와 챔버(100)를 냉각하는 역할을 할 수 있다. 이때, 상기 냉각유닛(500)은 예를 들어 냉각팬으로 구비될 수 있다.
상기 냉각유닛(500)은 메인제어부(300)에 의해 피드백 제어되고, 냉각유닛(500)이 적절하게 작동함으로써, 상기 기판 처리장치(1000)와 상기 챔버(100)는 과도하게 가열되지 않고, 설정된 온도범위를 유지할 수 있다.
메인제어부(300)는 상기 기판 처리장치(1000)에 그 내부에 배치되는 챔버(100) 기타 앞에서 설명한 장치들의 작동을 제어하는 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 메인제어부(300)는 기판 처리장치(1000)에 구비되는 상기한 각종 장치들과 전기적으로 연결되어 상기 장치들을 전체적으로 제어할 수 있다.
도 2는 일 실시예의 챔버(100) 작동방법을 나타낸 순서도이다. 실시예의 챔버(100) 작동방법은 대기단계(S110), 웨이퍼(10) 인입단계(S120), 제1상승단계(S130), 제2상승단계(S140) 및 제3상승단계(S150)를 포함할 수 있다. 이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 실시예의 챔버(100) 작동방법을 구체적으로 설명한다.
도 3은 일 실시예의 대기단계(S110)를 설명하기 위한 개략도이다. 대기단계(S110)에서는, 상기 웨이퍼(10)가 상기 챔버(100) 외부에서 대기하고, 이때, 상기 웨이퍼(10)는 로봇암(600)에 놓여 상기 챔버(100) 외부에 대기할 수 있다.
이때, 상기 로봇암(600)은 상기 웨이퍼(10)를 챔버(100) 내부로 인입하거나 인출하는 장치이고, 상기 로봇암(600)은 기판 처리장치(1000)의 상기 메인제어부(300)에 의해 동작이 제어될 수도 있고, 다른 별도의 제어장치를 통해 동작이 제어될 수도 있다.
한편, 상기 대기단계(S110)에서는 상기 챔버(100) 내부가 예열될 수 있다. 상기 웨이퍼(10)가 상기 챔버(100) 내부로 인입되기전 상기 챔버(100) 내부를 상기 가열장치(400)로 예열하여 에피층 증착공정 진행속도를 높이기 위함이다. 즉, 상기 챔버(100)를 미리 예열한 상태에서 챔버(100)에 웨이퍼(10)를 인입함으로써, 에피 증착공정 시간을 단축하기 위함이다.
도 4는 일 실시예의 웨이퍼(10) 인입단계(S120)를 설명하기 위한 개략도이다. 한편, 도 4 및 도 5에서는 명확한 설명을 위해 상리 리프트핀(130)의 개수를 2개로 도시하였으나, 상기 리프트핀(130)의 개수는, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 3개일 수도 있고, 다른 실시예로 4개 이상일 수도 있다.
이때, 상기 리프트핀(130)이 상기 웨이퍼(10)를 안정적으로 지지할 수 있도록, 상기 복수의 리프트핀(130) 상기 챔버(100) 상부에서 보아 상기 서셉터(120)의 중심을 기준으로 방사형으로 배치될 수 있다.
웨이퍼(10) 인입단계(S120)에서는, 웨이퍼(10) 증착용 챔버(100) 내부로 상기 웨이퍼(10)를 인입할 수 있다. 즉, 메인제어부(300)의 제어에 따라 기판출입구(150)가 개방되고, 증착의 대상인 웨이퍼(10)가 놓인 로봇암(600)이 동작하여 상기 웨이퍼(10)가 챔버(100)내부로 인입될 수 있다.
상기 웨이퍼(10) 인입단게에서는, 웨이퍼(10)가 챔버(100) 내부로 인입된 후, 상기 리프트핀(130)과 상기 서셉터(120)와 상하방향으로 오버랩되는 위치에 멈추게 되고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 리프트핀(130) 및 상기 서셉터(120)가 동시에 상승할 수 있다.
상승한 리프트핀(130)이 상기 웨이퍼(10)를 지지함과 동시에 상기 로봇암(600)은 다시 기판출입구(150) 외부로 빠져나가고, 다시 기판출입구(150)가 폐쇄되면, 웨이퍼(10)는 상기 리프트핀(130) 상에 놓인 상태가 된다.
한편, 상기 웨이퍼(10) 인입단계(S120)에서는, 상기 웨이퍼(10)가 상기 챔버(100) 내부로 인입된 후 상기 제1상승단계(S130)가 진행되기 전까지, 상기 웨이퍼(10)가 예열될 수 있다. 상기 기판 처리장치(1000)에 구비되어 상기 챔버(100) 내부를 가열하는 가열장치(400)에 의해 상기 웨이퍼(10)가 예열될 수 있다.
상기 웨이퍼(10)의 에피층 증착공정이 시작되기 전에 상기 웨이퍼(10)를 미리 예열하여 에피층 증착공정이 원활하게 진행되도록 하고, 에피층 증착공정 시간을 단축하기 위해 상기 웨이퍼(10)를 예열하는 것이다.
한편, 상기 가열장치(400)의 출력을 제어하여 상기 챔버(100) 내부 및 이에 배치되는 웨이퍼(10)를 예열할 수 있는데, 가열장치(400)는 상기 대기단계(S110)에서 상기 챔버(100) 내부를 예열하고, 상기 웨이퍼(10) 인입단계(S120)에서 상기 웨이퍼(10)를 예열할 수 있다.
물론, 상기 웨이퍼(10) 인입단계(S120)에서 웨이퍼(10) 예열은 가열장치(400)가 상기 챔버(100) 내부를 가열함으로써 이루어질 수 있다.
가열장치(400)의 출력이 클 수록 가열장치(400)의 발열량은 크기 때문에, 가열장치(400)의 출력을 높일수록 상기 챔버(100) 내부온도는 급격히 증가할 수 있다.
대기단계(S110)에서는 웨이퍼(10)가 챔버(100) 외부에 존재하므로, 웨이퍼(10)가 열에 의한 손상을 받을 염려가 없으므로 비교적 가열장치(400)의 출력을 높여 챔버(100) 내부온도를 급격히 올려 에피층 증착공정 시간을 단축하는 것이 적절하다.
그러나, 상기 웨이퍼(10) 인입단계(S120)에서 웨이퍼(10)를 급격하게 예열할 경우, 상기 웨이퍼(10)에 열응력이 발생하거나, 실리콘 단결정 구조가 파괴되는 결함이 발생할 수 있다.
상기한 열응력, 결함은 에피층 증착공정에서, 상기 웨이퍼(10) 상에 증착되는 에피층의 결정구조를 변화시키는 원인이 될 수 있다. 즉, 상기 열응력, 결함이 발생한 부위에서 에피층 실리콘의 결정은 상기 웨이퍼(10) 실리콘과 다른 구조를 가지도록 성장할 수 있고, 이는 에피층의 결정구조의 결함 즉, 슬립(slip) 발생의 원인이 될 수 있다.
한편, 상기 웨이퍼(10) 인입단계(S120)에서 상기 웨이퍼(10)가 예열되는 시간을 적절하게 조절할 필요가 있다. 상기 웨이퍼(10) 예열시간이 너무 짧은 경우, 이는 짧은 시간에 웨이퍼(10)의 온도가 급격히 오르는 것이므로, 이로 인해, 상기 열응력, 결함 발생의 원인이 될 수 있다.
또한, 상기 웨이퍼(10) 예열시간이 너무 긴 경우, 챔버(100) 내부에서 노출된 웨이퍼(10)의 상면에 인접한 웨이퍼(10) 상부와, 서셉터(120)에 접촉하여 노출되지 않은 웨이퍼(10)의 하부에 인접한 웨이퍼(10) 하부 사이에 온도차가 발생할 수 있다. 이러한 웨이퍼(10) 상부와 하부 사이의 상기 온도차는 상기 열응력, 결함 발생의 원인이 될 수 있다.
또한, 상기 웨이퍼(10) 예열시간이 너무 긴 경우, 에피층 증착공정 시간이 과도하게 길어져 에피층이 형성된 웨이퍼(10) 완제품의 생산시간이 과도하게 늘어나는 단점이 있다.
상기한 점을 고려하면, 실시예에서 상기 웨이퍼(10) 인입단계(S120)에서 상기 웨이퍼(10)가 예열되는 시간은, 예를 들어 10초 내지 30초일 수 있다.
도 5는 일 실시예의 제1상승단계(S130), 제2상승단계(S140) 및 제3상승단계(S150)를 설명하기 위한 개략도이다. 웨이퍼(10)가 챔버(100) 내부로 인입되어 상기 리프트핀(130)에 안착한 후, 상기 웨이퍼(10)는 에피층 증착공정이 진행되는 위치까지 상승할 수 있고, 따라서 실시예에서 웨이퍼(10) 상승단계가 존재할 수 있다. 이때, 상기 웨이퍼(10) 상승단계의 각 단계에서 상승속도, 상승거리 등은 메인제어부(300)가 상기 스텝모터의 스텝을 조절함으로써 제어할 수 있다.
이하에서는 상기 웨이퍼(10) 상승단계를 구성하는 제1상승단계(S130), 제2상승단계(S140) 및 제3상승단계(S150)를 구체적으로 설명한다.
제1상승단계(S130)에서는, 리프트핀(130) 상에 상기 웨이퍼(10)가 안착한 후, 상기 리프트핀(130)과 서셉터(120)가 동시에 상승할 수 있다. 상기 제1상승단계(S130)에서는 상기 리프트핀(130)과 상기 서셉터(120)의 상승속도가 동일할 수 있다. 따라서, 제1상승단계(S130)에서는 상기 리프트핀(130), 서셉터(120) 및 웨이퍼(10)가 동일한 속도로 상승할 수 있다.
제2상승단계(S140)에서는, 상기 웨이퍼(10)가 상기 서셉터(120) 상에 안착할 때까지 상승할 수 있다. 이때, 상기 제2상승단계(S140)는 상기 서셉터(120)가 상기 리프트핀(130)보다 빠른 속도로 상승할 수 있고, 상기 서셉터(120)의 상면에 상기 웨이퍼(10)가 안착되면 상기 제2상승단계(S140)는 종료될 수 있다.
제2상승단계(S140)는 웨이퍼(10)가 서셉터(120) 상에 안착하는 단계이므로, 상기 서셉터(120)가 상기 리프트핀(130)보다 빠른 속도로 상승하는 것이다. 따라서, 상기 제2상승단계(S140)에서 리프트 핀은 상기 서셉터(120)에 대해 상대적으로 운동할 수 있다.
이를 위해, 상기 서셉터(120)는 상하방향으로 복수의 관통홀(122)이 구비되고, 상기 리프트핀(130)은 상기 관통홀(122)에 삽입되어 상기 서셉터(120)에 대하여 이동 가능하도록 구비될 수 있다.
따라서, 상기 제2상승단계(S140)에서는 상기 리프트핀(130)의 상승속도와 상기 웨이퍼(10)의 상승속도는 동일하고, 상기 서셉터(120)의 상승속도는 상리 리프트핀(130) 및 웨이퍼(10) 상승속도보다 빠를 수 있다.
한편, 제2상승단계(S140)에서 상기 리프트핀(130)의 상승속도는 일정하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2상승단계(S140)의 전반부에서는 상기 리프트핀(130)의 상승속도가 상대적으로 빠르고, 제2상승단계(S140)의 후반부에서는 상기 리프트핀(130)의 상승속도가 상대적으로 느릴 수 있다.
즉, 상기 제2상승단계(S140)의 끝에서 서셉터(120)와 웨이퍼(10)가 서로 접촉하고, 서셉터(120)와 웨이퍼(10)의 접촉시 서셉터(120)에 가해지는 충격을 완화할 필요가 있으므로, 제2상승단계(S140)의 후반부에서는 상기 리프트핀(130)의 상승속도가 상대적으로 느릴 수 있다.
물론, 상기 제2상승단계(S140)의 끝에서는 상기 서셉터(120)와 웨이퍼(10)가 서로 접촉하여 서셉터(120)에 웨이퍼(10)가 안착하고, 상기 리프트핀(130)은 상기 서셉터(120)에 대해 이동하지 않는다.
제3상승단계(S150)에서는, 상기 웨이퍼(10)가 상기 서셉터(120) 상에 안착한 상태로 상기 웨이퍼(10) 상에 증착이 진행되는 증착위치까지 상승할 수 있다. 상기 제3상승단계(S150)에서는 서셉터(120) 상에 상기 웨이퍼(10)가 안착한 후, 상기 리프트핀(130)과, 상기 웨이퍼(10)가 안착한 서셉터(120)가 동시에 상승할 수 있다.
상기 제3상승단계(S150)에서는 상기 리프트핀(130)과 상기 서셉터(120)의 상승속도가 동일할 수 있다. 따라서, 제3상승단계(S150)에서는 상기 리프트핀(130), 서셉터(120) 및 웨이퍼(10)가 동일한 속도로 상승할 수 있다.
도 6은 일 실시예의 제1상승단계(S130), 제2상승단계(S140) 및 제3상승단계(S150)를 설명하기 위한 그래프이다. 그래프에서 y축 즉, 세로축은 스텝모터의 작동에 따른 웨이퍼(10)의 높이를 의미한다.
즉, 세로축에서 스텝(step) 수가 증가할수록, 웨이퍼(10)의 높이는 상승하였음을 나타낸다. 세로축에서 스텝수가 약 20000인 위치는 상기 웨이퍼(10) 인입단계(S120) 완료후, 웨이퍼(10)의 높이 즉 챔버(100)의 상하방향 위치를 나타내고, 스텝수가 약 185000인 위치는 에피층 증착공정이 진행되는 경우의 웨이퍼(10)의 높이를 나타낸다.
즉, 스텝수가 약 20000인 위치보다 스텝수가 약 185000인 위치가 더 높은 위치임을 의미한다. 또한 세로축에서, 비교기술의 제1상승공정(S13), 제2상승공정(S14) 및 제3상승공정(S15)는 실시예의 제1상승단계(S130), 제2상승단계(S140) 및 제3상승단계(S150)에 대응할 수 있다.
이때, 비교기술은 실시예의 챔버(100) 작동방법의 이점, 효과를 설명하기 위해 편의상 도입된 것이고, 종래기술을 형성하는 것은 아니며, 비교기술의 일부는 실시예의 챔버(100) 작동방법의 특징적 구성을 일부 포함할 수 있다.
비교기술의 각 공정과 실시예의 각 단계는 웨이퍼(10), 리프트핀(130) 및 서셉터(120)의 상승속도 또는 상승거리가 서로 명확히 다르지만, 나머지 진행방식은 서로 유사할 수 있다.
그래프에서 L1은 실시예의 제1상승단계(S130), 제2상승단계(S140) 및 제3상승단계(S150)에 따른 시간변화 추이를 나타낸 것이고, L2는 비교기술의 제1상승공정(S13), 제2상승공정(S14) 및 제3상승공정(S15)에 따른 시간변화 추이를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 실시예에서, 상기 웨이퍼(10)는 상기 제1상승단계(S130)에서의 상승속도가 상기 제2상승단계(S140)보다 빠를 수 있다. 이는, 상기 리프트핀(130) 및 상기 서셉터(120)의 속도가 제1상승단계(S130)에서 상기 제2상승단계(S140)보다 빠르기 때문이다. 또한, 상기 웨이퍼(10)는 상기 제1상승단계(S130)에서의 상승거리가 상기 제2상승단계(S140)보다 길 수 있다.
따라서, 상기 제1상승단계(S130)는 상기 제1상승공정(S13)보다 상승속도가 빠르고 상승거리가 길 수 있다. 이는, 실시예의 웨이퍼(10) 상승단계에서 리프트핀(130)만이 웨이퍼(10)를 지지하는 시간 즉, 제1상승단계(S130)와 제2상승단계(S140)의 진행시간을 줄이기 위함이다.
비교기술의 경우, 리프트핀(130)만이 웨이퍼(10)를 지지하는 시간 즉, 제1상승공정(S13) 및 제2상승공정(S14)을 합한 시간이 과도하게 길었다. 이로 인해 가열된 리프트핀(130)의 상단이 웨이퍼(10)를 지지하는 시간이 길어지게 된다.
가열된 리프트핀(130)의 상단이 웨이퍼(10)를 지지하는 시간이 길어지면, 리프트핀(130) 상단과 웨이퍼(10) 하면이 접촉하는 시간이 길어지고, 이에 따라 리프트핀(130) 상단과 웨이퍼(10) 하면의 접촉부위에서 웨이퍼(10)에 열응력, 실리콘 단결정 구조가 파괴되는 결함이 발생할 수 있고, 상기 열응력과 결함은 에피층에 슬립발생의 원인이 되었다.
따라서, 실시예에서는 리프트핀(130)만이 웨이퍼(10)를 지지하는 시간 즉, 제1상승단계(S130)와 제2상승단계(S140)를 합한 시간을 비교기술에 비해 현저히 줄였다. 이로 인해, 리프트핀(130)과 웨이퍼(10)의 접촉부위에 상기 열응력과 결함발생을 억제할 수 있고, 따라서, 에피층에 슬립발생을 억제할 수 있다.
다만, 상기한 바와 같이, 제2상승단계(S140)에서 웨이퍼(10)와 서셉터(120)의 접촉시 충격발생을 완화하기 위해, 제2상승단계(S140)에서 웨이퍼(10)의 상승속도를 높이는데는 한계가 있다.
따라서, 실시예에서는 제1상승단계(S130)에서의 웨이퍼(10)의 상승속도 및 상승거리를 현저히 높이고, 제2상승단계(S140)에서의 상승거리는 현저히 줄였다.
L1과 L2의 변화추이를 검토하면, 실시예의 제1상승단계(S130)에서 웨이퍼(10)의 상승속도 및 상승거리는 비교기술의 제1상승공정(S13)에 비해 현저히 증가하였음을 할 수 있다.
또한, 실시예의 제2상승단계(S140)와 비교기술의 제2상승공정(S14)을 비교하면, 웨이퍼(10)의 상승거리는 제2상승단계(S140)에서 제2상승공정(S14)에 비해 현저히 줄어들었음을 알 수 있다. 다만, 웨이퍼(10)의 상승속도는 제2상승단계(S140)와 제2상승공정(S14)이 서로 현저한 차이가 없음을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2상승단계(S140)와 제2상승공정(S14) 종료시점에서 공정진행시간차(ΔT1)가 현저해 지고, 이는 실시예에서 리프트핀(130)만이 웨이퍼(10)를 지지하는 시간의 비교기술에 현저히 줄어들었음을 알 수 있다.
다시 말하면, 실시예의 경우 비교기술에 비해 리프트핀(130)만이 웨이퍼(10)를 지지하는 시간을 현저히 줄일 수 있으므로, 리프트핀(130)과 웨이퍼(10)의 접촉부위에 상기 열응력과 결함발생을 억제할 수 있고, 따라서, 에피층에 슬립발생을 억제할 수 있다.
실시예에서, 상기 웨이퍼(10)는 상기 제3상승단계(S150)에서의 상승속도가 상기 제2상승단계(S140)보다 빠를 수 있다. 또한, 상기 웨이퍼(10)는 상기 제3상승단계(S150)에서의 상승거리가 상기 제2상승단계(S140)보다 길 수 있다.
이는 제3상승단계(S150)를 빠르게 진행하여 에피층 증착공정 시간을 단축하는데 도움이 될 수 있기 때문이다.
제3상승단계(S150)에서는 웨이퍼(10)가 서셉터(120)에 안착한 상태일 수 있다. 또한, 웨이퍼(10)의 일부는 상기 리프트핀(130)의 상단과 접촉을 유지할 수도 있다. 다른 실시예로, 웨이퍼(10)와 상기 리프트핀(130)의 상단과 이격간격을 두어 웨이퍼(10)와 리프트핀(130)이 서로 접촉하지 않도록 구성될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 제3상승단계(S150)에서는, 제2상승단계(S140)에 비해, 웨이퍼(10)의 상승속도 및 상승거리가 현저히 증가하였음을 알 수 있다. 실시예에서, 제3상승단계(S150)를 빠르게 진행하여 에피층 증착공정 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
도 6을 참조하면, 제3상승단계(S150)와 제3상승공정(S15) 종료시점에서 공정진행시간차(ΔT2)가 현저해 지고, 이는 제2상승단계(S140)와 제2상승공정(S14) 종료시점에서 공정진행시간차(ΔT1)가 현저하기 때문이다. 이때, 도 6에 도시된 실험결과에서 상기 ΔT1과 상기 ΔT2는 약 13초 이다.
실시예의 제3상승단계(S150) 또는 비교기술의 제3상승공정(S15)이 완료되면 웨이퍼(10)는 증착공정 진행위치에 배치되고, 이후 에피층 증착공정이 진행될 수 있다.
따라서, 상기 제1상승단계(S130), 제2상승단계(S140) 및 제3상승단계(S150)를 진행하는 경우, 제1상승공정(S13), 제2상승공정(S14) 및 제3상승공정(S15)을 진행하는 비교기술에 비해 더욱 빠른 시간에 에피층 증착 준비를 완료할 수 있으므로, 에피층 증착공정을 단축할 수 있는 효과가 있다.
실시예에서, 에피층 증착공정 진행위치에 웨이퍼(10)를 배치하는 시간을 단축할 수 있으므로, 에피층 증착공정 시간을 단축할 수 있다.
도 7은 일 실시예의 가열장치(400)의 출력과 제1상승단계(S130)에서의 웨이퍼(10)의 상승속도의 관계를 설명하기 위한 도표이다. 도 7의 실험결과를 얻기 위한 실험에서 사용된 에피층이 형성된 웨이퍼(10)는, 에피층 두께를 포함하여 총 두께가 755μm 내지 790μm인 것 중 복수를 임의로 선택한 것이고, 실험결과는 복수의 웨이퍼(10)에 대한 실험결과를 평균한 결과이다..
도표에서 O는 증착공정에 의해 에피층이 형성된 웨이퍼(10)에 슬립이 발생하지 않거나, 슬립이 설계상 인용되는 범위 내에서 발생한 것을 의미하고, X는 에피층이 형성된 웨이퍼(10)에 발생한 슬립의 크기, 개수 등이 설계상 인용되는 범위를 벗어난 것을 의미할 수 있다.
즉, O의 경우 에피층이 형성된 웨이퍼(10) 완제품이 사용 가능한 경우이고, X의 경우 웨이퍼(10)는 폐기되어야 하는 것이다.
실험결과를 고려하면, 제1상승단계(S130)에서의 웨이퍼(10)의 상승속도가 증가할수록, 제1상승단계(S130)에서의 가열장치(400)의 출력 즉, 발열량이 증가할수록, 슬립발생은 억제됨을 알 수 있다.
이는 제1상승단계(S130)에서의 웨이퍼(10)의 상승속도가 증가할수록, 리프트핀(130)만이 웨이퍼(10)를 지지하는 시간이 줄어들 수 있기 때문이다.
또한, 제1상승단계(S130)에서의 가열장치(400)의 발열량이 증가할수록 웨이퍼(10)에 가해지는 열전달량이 증가하여 상기 웨이퍼(10) 전체가 균일하게 승온될 수 있으므로, 리프트핀(130)과 웨이퍼(10)의 접촉부위에 온도차로 인해 발생할 수 있는 상기 열응력, 결함의 발생을 완화할 수 있기 때문이다.
실시예와 관련하여 전술한 바와 같이 몇 가지만을 기술하였지만, 이외에도 다양한 형태의 실시가 가능하다. 앞서 설명한 실시예들의 기술적 내용들은 서로 양립할 수 없는 기술이 아닌 이상은 다양한 형태로 조합될 수 있으며, 이를 통해 새로운 실시형태로 구현될 수도 있다.
1000: 기판 처리장치
10: 웨이퍼
100: 챔버
120: 서셉터
130: 리프트핀
150: 기판출입구
160: 지지축
200: 파이로미터
210: 제1측정부
220: 제2측정부
300: 메인제어부
400: 가열장치
500: 냉각유닛
600: 로봇암

Claims (10)

  1. 웨이퍼 증착용 챔버 내부로 상기 웨이퍼를 인입하는 웨이퍼 인입단계;
    리프트핀 상에 상기 웨이퍼가 안착한 후, 상기 리프트핀과, 상기 웨이퍼가 배치되는 서셉터가 동시에 상승하는 제1상승단계;
    상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상에 안착할 때까지 상승하는 제2상승단계; 및
    상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상에 안착한 상태로 상기 웨이퍼 상에 증착이 진행되는 증착위치까지 상승하는 제3상승단계를 포함하고,
    상기 제2상승단계는,
    상기 서셉터가 상기 리프트핀보다 빠른 속도로 상승하는 것을 특징으로 하는 챔버 작동방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1상승단계 및 상기 제3상승단계는,
    상기 리프트핀과 상기 서셉터의 상승속도가 동일한 것을 특징으로 하는 챔버 작동방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터는 상하방향으로 복수의 관통홀이 구비되고, 상기 리프트핀은 상기 관통홀에 삽입되어 상기 서셉터에 대하여 이동 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 챔버 작동방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼는,
    상기 제1상승단계에서의 상승속도가 상기 제2상승단계보다 빠른 것을 특징으로 하는 챔버 작동방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼는,
    상기 제1상승단계에서의 상승거리가 상기 제2상승단계보다 긴 것을 특징으로 하는 챔버 작동방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼는,
    상기 제3상승단계에서의 상승속도가 상기 제2상승단계보다 빠른 것을 특징으로 하는 챔버 작동방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼는,
    상기 제3상승단계에서의 상승거리가 상기 제2상승단계보다 긴 것을 특징으로 하는 챔버 작동방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼 인입단계는,
    상기 웨이퍼가 상기 챔버 내부로 인입된 후 상기 제1상승단계가 진행되기 전까지, 상기 웨이퍼가 예열되는 것을 특징으로 하는 챔버 작동방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 웨이퍼 인입단계에서 상기 웨이퍼가 예열되는 시간은 10초 내지 30초인 것을 특징으로 하는 챔버 작동방법.
  10. 웨이퍼가 웨이퍼 증착용 챔버 외부에서 대기함과 동시에 상기 챔버 내부가 예열되는 대기단계;
    상기 챔버 내부로 상기 웨이퍼를 인입하는 웨이퍼 인입단계;
    리프트핀 상에 상기 웨이퍼가 안착한 후, 상기 리프트핀과, 상기 웨이퍼가 배치되는 서셉터가 동시에 상승하는 제1상승단계;
    상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상에 안착할 때까지 상승하는 제2상승단계; 및
    상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상에 안착한 상태로 상기 웨이퍼 상에 증착이 진행되는 증착위치까지 상승하는 제3상승단계를 포함하고,
    상기 웨이퍼는,
    상기 제1상승단계 및 상기 제3상승단계에서의 상승속도가 상기 제2상승단계보다 빠르고,
    상기 제1상승단계 및 상기 제3상승단계에서의 상승거리가 상기 제2상승단계보다 긴 것을 특징으로 하는 챔버 작동방법.
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