KR101855217B1 - 캐리어 연장부를 이용한 웨이퍼 처리 - Google Patents

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Abstract

축을 중심으로 회전되는 웨이퍼 캐리어(40)를 이용하여 웨이퍼(74)를 처리하는 장치는 작동 동안 웨이퍼 캐리어를 둘러싸는 링(52)이 제공된다. 웨이퍼 캐리어의 상면(64) 위로 지향된 처리 가스는 축으로부터 멀어지도록 외측으로 웨이퍼 캐리어 위와 링 위에 흐르고, 링 외측에서 하류측으로 통과하게 된다. 외측으로 흐르는 가스는 캐리어 및 링 위에 경계층(B)을 형성한다. 링은 웨이퍼 캐리어 위에서 실질적으로 균일한 두께의 경계층을 유지하는데 도움을 주며, 이것은 웨이퍼의 균일한 처리를 촉진한다.

Description

캐리어 연장부를 이용한 웨이퍼 처리{WAFER PROCESSING WITH CARRIER EXTENSION}
본 발명은 2010년 12월 30일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/428,250의 출원 일자의 이점을 주장하며, 상기 특허 출원의 개시 내용이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
본 발명은 웨이퍼 처리 장치, 이러한 처리 장치에 사용하기 위한 웨이퍼 캐리어, 및 웨이퍼 처리 방법에 관한 것이다.
다수의 반도체 장치는 기판 상에 수행되는 공정에 의해 형성된다. 기판은 통상적으로 흔히 "웨이퍼"로 지칭되는 결정질 재료의 슬랩(slab)이다. 통상적으로, 웨이퍼는 결정질 재료로 형성되며, 디스크 형태로 된다. 이러한 공정의 보편적인 공정 중의 하나는 에피택셜 성장이다. 예컨대, Ⅲ-Ⅴ족 반도체와 같은 화합물 반도체로 형성된 소자는 통상적으로 금속 유기 화학적 기상 증착법 또는 "MOCVD"법을 이용하여 화합물 반도체의 연속층을 성장시킴으로써 형성된다. 이 공정에서, 웨이퍼는 통상적으로 웨이퍼를 상승된 온도로 유지하면서 웨이퍼의 표면 위에 흐르게 되는 Ⅴ족 원소의 소스와 Ⅲ족 금속의 소스와 같은 금속 유기 화합물을 포함하는 가스의 조성물에 노출된다. 통상적으로, 금속 유기 화합물 및 Ⅴ족 소스는 예컨대 질소와 같이 반응에 크게 참여하지 않는 캐리어 가스와 조합된다. Ⅲ-Ⅴ족 반도체의 일례로는 갈륨 니트라이드(gallium nitride)가 있으며, 갈륨 니트라이드는 예컨대 사파이어 웨이퍼와 같은 적합한 결정 격자 간격을 갖는 기판 상에서의 유기 갈륨 화합물(organo gallium compound)과 암모니아의 반응에 의해 형성될 수 있다. 통상적으로, 웨이퍼는 갈륨 니트라이드 및 관련 화합물의 증착 동안 1000∼1100℃ 정도의 온도로 유지된다.
복합 소자는 예컨대 반도체의 결정 구조와 밴드갭을 변화시키기 위해 다른 Ⅲ족 또는 Ⅴ족 원소를 추가하는 것과 같은 다소 상이한 반응 조건 하에서 웨이퍼의 표면 상에 다수의 층을 연속적으로 증착함으로써 제조될 수 있다. 예컨대, 갈륨 니트라이드계 반도체에서, 반도체의 밴드갭을 변화시키기 위해 인듐과 알루미늄 중의 하나 이상이 다른 비율로 이용될 수 있다. 또한, 각각의 층의 도전율을 제어하기 위해 p-형 또는 n-형 도펀트(dopant)가 추가될 수 있다. 반도체층의 전부가 형성된 후, 그리고 통상적으로 적합한 전기 컨택이 적용된 후, 웨이퍼는 개별 소자로 절단된다. 발광 다이오드(LED)와 같은 소자, 레이저, 및 기타 광전자 소자가 이러한 방식으로 제조될 수 있다.
대표적인 화학적 기상 증착 공정에서, 다수의 웨이퍼는 흔히 웨이퍼 캐리어로 지칭되는 장치 상에 각각의 웨이퍼의 상면이 웨이퍼 캐리어의 상면에서 노출되도록 유지된다. 웨이퍼 캐리어는 그 후 반응 챔버 내에 위치되고, 요구된 온도로 유지되면서 가스 혼합물이 웨이퍼 캐리어의 표면 위에 흐르게 된다. 이 공정 동안 웨이퍼 캐리어 상의 다양한 웨이퍼의 상면 상의 모든 지점에서 균일한 조건을 유지하는 것이 중요하다. 공정 조건의 변동은 그 결과의 반도체 소자의 성질의 원하지 않은 변동을 초래할 수 있다. 예컨대, 증착 속도(rate of deposition)의 변동은 증착된 층의 두께의 변동을 초래할 수 있으며, 이러한 증착된 층의 두께의 변동은 그 결과의 소자에서의 균일하지 않은 특성을 유발할 수 있다. 그러므로, 당해 기술 분야에서는 지금까지 균일한 조건을 유지하는 것에 관하여 상당한 노력이 기울어져 왔다.
본 산업 분야에서 널리 수용되었던 CVD 장치 중의 한 가지 유형은, 각각의 웨이퍼-유지 영역에 하나의 웨이퍼가 유지되는 다수의 웨이퍼-유지 영역을 갖는 대형 디스크 형태의 웨이퍼 캐리어를 이용한다. 웨이퍼 캐리어는 웨이퍼의 노출 표면을 갖는 웨이퍼 캐리어의 상면이 가스 분배 요소를 향해 위쪽으로 바라보도록 반응 챔버 내의 스핀들 상에 지지된다. 스핀들이 회전되는 동안, 가스가 웨이퍼 캐리어의 상면 상으로 아래쪽으로 향하게 되고, 상면을 가로질러 웨이퍼 캐리어의 외곽 쪽으로 흐르게 된다. 외측으로 흐르는 가스는 웨이퍼 캐리어의 상면을 덮는 경계층을 형성한다. 사용된 가스는 웨이퍼의 외곽 부근에서 아래쪽으로 흐르게 되고, 웨이퍼 캐리어 아래에 배치된 포트를 통해 반응 챔버로부터 진공 배기된다. 웨이퍼 캐리어는 가열 요소, 통상적으로는 웨이퍼 캐리어의 하면 아래에 배치된 전기 저항성 가열 요소에 의해 원하는 상승 온도로 유지된다.
매스-트랜스포트-리미티드 성장 조건(mass-transport-limited growth condition) 하의 MOCVD 공정에서의 성장 속도와 같은 특정한 처리 공정의 속도는, 경계층 두께에 반대로 관련된다. 대단히 큰 캐리어의 경우에는, 이론적으로는 속도가 경계층 두께에 반비례하는 것으로 예측된다. 이것은 더 얇은 경계층에 대해서는 성장 속도가 더 높아지게 된다는 것을 의미한다. 이것은 경계층이 더 얇게 될 때에 반응성 부분(reactive moieties)이 경계층을 통해 웨이퍼 캐리어의 표면 및 웨이퍼의 표면으로 확산하는데 더 적은 시간을 소요한다는 사실로 나타나게 된다. 그러므로, MOCVD 에피택셜 성장 동안 균일하고 빠른 증착 속도를 달성하기 위해서는 얇고 균일한 확산 경계층이 바람직하다. 경계층 두께는 반응기 내의 압력 및 회전 속도를 변경함으로써 제어될 수 있으며, 이들 2가지 파라미터의 제곱근에 반비례한다. 경계층 두께는 또한 가스 혼합물의 동점도 계수(dynamic viscosity)를 변경함으로써 제어될 수 있다. 동점도 계수는 혼합물 내에서의 상이한 가스의 분율(fraction)뿐만 아니라 캐리어 및 유입구 온도의 함수이다.
통상적으로, 반응기 내의 안정한 흐름 조건 및 웨이퍼 캐리어의 실질적으로 균일한 가열에 의해, 대부분의 웨이퍼 캐리어 표면 위에서 균일한 경계층 두께가 달성될 수 있다. 그러나, 웨이퍼 캐리어의 외곽 부근에서, 가스 흐름은 웨이퍼 캐리어 위의 방사상 방향으로부터 아래쪽 흐름으로 방향을 변경하기 시작하여, 웨이퍼 캐리어로부터의 가스를 배기관 쪽으로 운반한다. 외곽에 인접한 웨이퍼 캐리어의 에지 영역에서, 경계층은 더 얇아지게 되고, 그러므로 공정 속도가 크게 증가한다. 예컨대, 웨이퍼의 일부분이 에지 영역에 배치되는 상태로 웨이퍼가 캐리어 상에 위치되면, 화학적 기상 증착 공정은 고르지 않은 두께의 층을 형성할 것이다. 에지 영역에 배치된 웨이퍼의 부분들 상에는 더 두꺼운 부분이 형성될 것이다.
이 문제를 방지하기 위해, 웨이퍼는 에지 영역에 위치되지 않는다. 그러므로, 웨이퍼 캐리어의 포켓 또는 기타 웨이퍼-유지 특징부가 통상적으로 외곽으로부터 떨어져 있는 웨이퍼 캐리어의 영역에만 제공된다. 이것은 소정의 크기의 캐리어 상에 수용될 수 있는 웨이퍼의 개수 및 크기를 제한하며, 그에 따라 장비 및 공정의 생산성을 제한한다. 더 큰 웨이퍼 캐리어가 더 많은 웨이퍼를 수용할 수 있지만, 더 큰 캐리어는 커다란 단점을 갖는다. 더 큰 캐리어는 보다 고가이고, 더욱 무거우며, 그에 따라 특히 캐리어를 반응 챔버 내로 이동시키고 반응 챔버의 외부로 이동시키는 동안의 핸들링을 더욱 어렵게 한다. 더욱이, 기존의 가공 장비에서 사용되는 웨이퍼 캐리어의 크기를 증가시키는 것은 통상적으로 현실적이지 못하다.
그러므로, 이러한 시스템의 최적화를 고안하기 위해 지금까지 본 기술 분야에서 커다란 노력이 기울어져 왔지만, 여전히 추가의 개선이 바람직할 것이다.
본 발명의 일특징은 반응기를 제공한다. 본 발명의 이 특징에 따른 반응기는, 내측면을 형성하는 벽부 구조물을 갖는 챔버를 포함한다. 또한, 상기 반응기는, 상기 챔버 내에 배치되고, 상류-하류 축(upstream-to-downstream axis)을 중심으로 회전할 수 있는 스핀들을 포함하며, 상기 스핀들은 웨이퍼 캐리어의 상면이 캐리어 위치에서 상류측 방향으로 바라보도록 상기 축을 중심으로 하는 회전을 위해 상기 웨이퍼 캐리어를 지지하도록 구성된다. 본 발명의 이 특징에 따른 반응기는, 또한, 상기 챔버 내에 장착되는 링을 포함하며, 상기 링은 상류측 방향으로 바라보는 상면을 가지며, 상기 링은, 상기 반응기가 작동 상태에 있을 때, 상기 링이 상기 스핀들 상에 지지된 상기 웨이퍼 캐리어를 근접하게 둘러싸고, 상기 링의 상면이 상기 웨이퍼 캐리어의 상면과 실질적으로 연속하게 되도록, 구성되어 배치된다. 링은 통상적으로 웨이퍼 캐리어의 로딩 또는 언로딩을 방해하지 않도록 챔버 내에 이동 가능하게 장착된다.
통상적으로, 상기 반응기는 또한 상기 캐리어 위치의 상류측에서 상기 챔버와 연통되어 있는 가스 유입구 요소와, 상기 캐리어 위치의 하류측에서 상기 챔버와 연통되어 있는 가스 배기관을 더 포함한다. 상기 링은 상기 축으로부터 먼 쪽으로 외측으로 바라보는 외주면을 가지며, 상기 링은, 상기 반응기가 작동 상태에 있을 때, 상기 링의 외주면과 상기 챔버의 내측면 사이에 갭이 존재하도록, 배치된다. 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 반응기의 작동 동안, 가스 유입구 요소로부터 방출된 가스는 웨이퍼 캐리어를 향해 하류측으로 흐르게 되고, 웨이퍼 캐리어 및 웨이퍼 캐리어에 유지된 웨이퍼의 상면 위에서 흐르게 되고, 링을 거쳐 외측으로 흐르게 된다. 실제로, 가스 흐름이 더 큰 직경의 웨이퍼로 획득되는 가스 흐름과 유사하게 되도록, 링은 웨이퍼 캐리어의 연장부를 형성한다. 경계층은 전체 웨이퍼 캐리어 위에서 또는 거의 전체 웨이퍼 캐리어 위에서 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있게 되어, 웨이퍼부(wafer part) 또는 웨이퍼가 캐리어의 에지 영역에 위치될 수 있게 된다.
본 발명의 다른 특징은 웨이퍼를 처리하는 방법을 제공한다. 본 발명의 이 특징에 따른 방법은, 반응 챔버 내의 링이 웨이퍼 캐리어를 둘러싸도록, 상류측 방향으로 바라보고 있는 상기 웨이퍼 캐리어의 상면 및 상기 링의 상면이 실질적으로 서로 연속하게 되도록, 그리고 상기 웨이퍼 캐리어 상에 배치된 웨이퍼의 표면이 상류측 방향으로 바라보도록, 상기 웨이퍼 캐리어를 상기 반응 챔버 내측에 위치시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 방법은, 또한, 처리 가스가 상기 웨이퍼 캐리어의 상면 및 상기 웨이퍼의 상면 위에서 외측으로 흐르게 되고, 상기 웨이퍼 캐리어의 상면으로부터 상기 링의 상면 위에서 외측으로 흐르게 되도록, 상기 웨이퍼 캐리어 및 상기 웨이퍼를 상류-하류 축 주위를 회전시키면서, 하나 이상의 상기 처리 가스를 상류측 방향과 반대인 하류측 방향으로, 상기 웨이퍼 캐리어의 상면 및 상기 웨이퍼의 상면 상으로 지향시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 방법은, 통상적으로, 상기 링의 상면 위에서 외측으로 흐르는 상기 처리 가스가 상기 링과 상기 반응 챔버의 벽부 사이의 갭 내에서 하류측으로 통과하도록, 상기 처리 가스를 상기 챔버로부터 상기 링의 하류측으로 배기하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징은 웨이퍼 캐리어를 제공하는 것이다. 본 발명의 이 특징에 따른 웨이퍼 캐리어는 몸체를 포함하며, 상기 몸체는, 원형의 상면과, 상기 상면과 경계를 이루는 외주면과, 상기 상면 및 상기 외주면이 스핀들과 동심을 이루도록 웨이퍼 가공 반응기의 스핀들과 결합하도록 구성된 피팅(fitting)을 포함한다. 상기 몸체는 또한 각각 웨이퍼를 유지하도록 구성된 복수의 포켓을 형성하고 있고, 상기 포켓은 상기 웨이퍼의 일부분이 상기 외주면의 약 5mm 이내에 있도록 상기 웨이퍼를 유지하도록 구성된 외측 포켓을 포함한다.
아래의 첨부 도면을 참조하여 이루어진 상세한 설명을 참조함으로써 본원의 발명의 대상 및 그 다양한 장점을 더욱 완전하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 개략 단면도이다.
도 2는 도 1에 도면부호 "2"로 표시된 영역의 부분 확대도이다.
도 3은 도 2의 3-3 라인을 따라 절취한 부분 확대도이다.
도 4는 도 2와 유사한 도면이지만 종래 기술에 따른 종래의 장치의 일부분을 도시하는 도면이다.
도 5는 도 1 내지 도 3에 따른 장치 및 도 4의 장치에 대한 예측된 성능을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 2와 유사한 도면이지만 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 일부분을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨이퍼 캐리어의 개략 평면도이다.
도 8은 도 2와 유사한 도면이지만 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 일부분을 도시하는 도면이다.
도 9는 도 6과 유사한 도면이지만 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 일부분을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 개략도이다.
도 11은 도 10의 어셈블리의 평면도이다.
도면에 예시되고 도면을 참조하여 설명될 대상의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 명료하게 설명하기 위해 구체적인 용어가 사용될 것이다. 그러나, 본 발명은 본 명세서에 사용된 임의의 구체적인 용어로 제한되지 않으며, 각각의 구체적인 용어는 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 작동하는 기술적 동등 구성물 전부를 포함하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 장치는 고정 벽부(12)를 포함하는 벽부 구조물을 갖는 반응 챔버(10)를 포함하며, 고정 벽부는 중심축(14)을 갖는 전반적으로 원통형의 공간(15) 및 내부 공간과 연통되는 개구부(16)를 형성한다. 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 작동 동안의 반응 챔버 내에서의 가스 흐름은 전반적으로 도 1의 도면의 상단에 있는 영역에서부터 도면의 하단에 있는 영역 쪽으로 이루어진다. 따라서, 도면의 하단 쪽으로의 축을 따르는 방향, 즉 도 1에서 화살표 D로 나타낸 방향은 본 명세서에서 "하류측" 방향으로서 지칭되며, 화살표 U로 나타낸 반대 방향은 본 명세서에서 "상류측" 방향으로서 지칭된다.
챔버의 벽 구조물은 또한 링형 셔터(18)를 포함한다. 셔터(18)는 중심축(14)과 일치하는 중심축을 갖는다. 셔터(18)는 상류측 방향 및 하류측 방향으로의 고정 벽부에 대한 이동을 위해 탑재되며, 이동 액추에이터(20)에 연결되어 있다. 액추에이터(20)는 셔터를 도 1에 실선으로 도시된 작동 위치와 도 1에 도면부호 18'의 파선으로 도시된 개방 위치 사이에서 이동시키도록 배치된다. 셔터(18)가 작동 위치에 있을 때, 셔터는 개구부(16)를 덮는다. 통상적으로, 셔터(18)는 개구부(16)에서 기밀 밀봉(gas-tight seal)을 형성하지 않는다. 고정 벽부(12) 및 셔터(18)는 벽부의 내측에 또는 이들의 외부 표면 상에 냉각제 통로(도시하지 않음)가 제공된다. 냉각제 통로는 냉각제 공급 장치(도시하지 않음)에 연결되며, 이로써 고정 벽부 및 셔터가 공정 동안에 요구된 온도로 유지될 수 있다.
챔버(10)의 상류측 끝에는 도 1의 도면의 상단 쪽으로 가스 유입구 요소(22)가 제공된다. 가스 유입구 요소는 하나 이상의 처리 가스(treatment gas)를 공급하도록 배치된 하나 이상의 소스(24)에 연결되어 있다. 가스 유입구 요소(22)는 전반적으로 통상의 것이어도 되며, 전반적으로 하류측 방향 D로 향하는 흐름으로 처리 가스를 방출하도록 배치될 수 있다. 가스 유입구 요소는 통상적으로 중심축(14) 주위에 이격되고 중심축으로부터 다양한 방사상 간격으로 분포되는 방출 패턴으로 처리 가스를 방출하도록 배치된다. 가스 유입구 요소는 통상적으로 또한 공정 동안 자신의 온도를 유지하기 위해 냉각제 채널(도시하지 않음)이 제공된다.
속이 빈 후프 형상 배기 다기관(hollow hoop-like exhaust manifold)(26)이 챔버의 하류측 끝에 인접하여 제공된다. 배기 다기관은 내부 통로(28)와 챔버의 내부에 대해 개방된 다수의 포트(30)를 갖는다. 배기 다기관의 내부 통로(28)는 가스를 내부 공간(15)의 밖으로 펌핑하여 가스를 폐기물로 방출하도록 배치된 배기 시스템(32)에 연결된다.
중심축(14)을 중심으로 하는 회전을 위해 고정 벽부 구조물(12)에 스핀들(34)이 탑재된다. 스핀들(34)은 로터리 드라이브 기구(36)에 연결된다. 스핀들은 상류측 끝에 피팅(fitting)(38)을 갖는다. 피팅은 도 1에 도시된 캐리어 위치에서 웨이퍼 캐리어(40)와 분리 가능하게 결합하고 유지하도록 배치된다. 캐리어 위치는 가스 유입구 요소(22)로부터는 하류측에 위치되지만, 배기 다기관(26)으로부터는 상류측에 위치된다. 히터(42)는 캐리어 위치로부터 하류측에 배치되고, 스핀들(34)을 둘러싼다. 히터(42)는 고정 벽부 구조물(12)에 고정된 지지부(도시하지 않음)에 의해 챔버 내에 지지된다. 원형 배플(baffle)(44)이 히터를 둘러싸고, 캐리어 위치로부터 하류측으로 연장한다. 히터 퍼지 가스(heater purge gas)의 소스(45)가 배플(44)의 내측에 있는 공간과 연통된다. 도 2에 최상으로 도시된 바와 같이, 배플은, 웨이퍼 캐리어(40)가 캐리어 위치에 탑재될 때에, 배플과 캐리어 간에 작은 갭(47)이 존재하게 되도록 하는 치수로 된다. 작동 동안, 히터 퍼지 가스 소스(45)는 질소와 같은 퍼지 가스를 배플(44) 내의 공간에 공급하여, 퍼지 가스가 갭(47)을 통해 이 공간의 바깥으로 흐르고, 아래에 설명되는 다른 가스 흐름과 함께 배기관(32)에 통과하게 된다. 히터 퍼지 가스는 처리 가스가 히터(42)와 접촉하여 공격하는 것을 방지한다.
앤티챔버(antechamber)(48)가 고정 벽부 구조물의 개구부(16)와 연통된다. 앤티챔버(48)는 도 1에 개략적으로 도시된 게이트 밸브 요소(50)와 같은 클로저(closure)가 제공된다. 게이트 밸브 요소는 앤티챔버를 밀봉하여 앤티챔버와 내부 공간(15) 간의 연통을 차단하도록 배치된다. 게이트 밸브 요소(50)는 앤티챔버와 내부 공간(15) 간의 연통을 허용하도록 퇴각 위치(도시하지 않음)로 이동될 수 있다. 게이트 밸브 요소가 퇴각 위치에 있고, 셔터(18)가 개방 위치(18')에 있을 때, 웨이퍼 캐리어(40)는 스핀들의 피팅(38)과의 결합으로부터 벗어나고, 로봇 핸들링 장치(도시하지 않음)를 이용하여 개구부(16)를 통해 앤티챔버 내로 이동될 수 있다. 새로운 웨이퍼 캐리어(40')가 앤티챔버로부터 반응 챔버 내로 이동되고, 새로운 웨이퍼 캐리어가 캐리어 위치에 위치되도록 피팅(38)과 결합될 수 있다.
링(52)이 셔터(18)에 장착되고, 챔버의 내부 공간(15) 내에 위치된다. 도 2 및 도 3에 최상으로 도시된 바와 같이, 링(52)은, 상류측 방향으로 향하고 있는 상면(54)과, 중심축으로부터 멀어지도록 방사상으로 외측으로 향하고 있는 외주면(56)과, 중심축 쪽으로 방사상으로 내측으로 향하고 있는 내측면(58)을 갖는다. 링(52)은 챔버의 둘레 주위에 배치된 스트러트(strut)(60)에 의해 셔터(18)에 탑재된다. 스트러트는 상면(54) 아래에 위치된다. 링의 외주면(56)은 셔터(18)의 인접한 표면의 방사상으로 안쪽에 배치되어, 셔터의 표면과 링 사이에 갭(62)이 존재하게 된다. 예컨대, 465mm 직경의 웨이퍼 캐리어를 유지하도록 구성된 장치에서, 그 장치의 가장 좁은 지점에서의 갭(62)의 폭은 13mm 정도로 될 수 있다. 스트러트(60)가 비교적 얇기 때문에, 스트러트는 갭(62)을 물질적으로(materially) 가로막지 않는다. 링(52)의 치수 및 셔터(18)에의 링의 장착은, 셔터(18)가 도 1에 실선으로 나타낸 바와 같이 그리고 도 2에 도시된 바와 같이 작동 상태에 있을 때에, 또한 웨이퍼 캐리어(40)가 작동 상태로 배치되고, 스핀들(34) 상의 피팅(38)과의 결합으로 캐리어 위치에 위치될 때에, 링의 상면(54)이 캐리어(40)의 상면 또는 상류측 표면(64)과 실질적으로 공통 평면으로 되도록 선택된다. 링(52)의 폭 또는 반경 방향 크기는 약 13 내지 15mm인 것이 바람직할 것이며, 더 큰 링 폭이 더욱 바람직하다. 일반적으로, 링(52)은 실현 가능한 만큼 넓어야 한다. 링이 원래는 링 없이 구성된 기존의 시스템에 끼워지게 될 경우, 링 폭은 충분한 폭의 갭(62)을 제공하기 위한 요구에 의해 제한된다.
또한, 링(52)은 이러한 작동 상태에서 링의 내측면(58)이 웨이퍼 캐리어(40)의 외주면(66)에 인접하게 놓여져 이들 면 사이에 작은 갭(70)이 남게 되도록 하는 크기로 되어 장착된다. 갭(70)은 제조 허용오차 및 부품의 상이한 열팽창의 허용에 부합하도록 현실적으로 가능한 정도로 작은 것이 바람직하다. 예컨대, 갭(70)은 약 2mm 또는 그 미만일 수 있다. 바람직하게는, 갭(70)의 횡단면 면적은, 갭(62)의 가장 폭이 좁은 지점에서 측정된 바와 같은, 링의 외주면과 셔터(18) 사이의 갭(62)의 횡단면 면적의 약 5% 미만이다.
도 1 및 도 2에 최상으로 도시된 바와 같이, 각각의 웨이퍼 캐리어(40)는 다수의 포켓(72)을 규정하며, 각각의 포켓은 웨이퍼의 상면이 캐리어의 상면(64)과 실질적으로 공통 평면으로 되게 웨이퍼(74)를 유지하도록 구성된다. 바람직하게는, 웨이퍼 캐리어(40)는 웨이퍼 캐리어의 상면(64)과 외주면(66)의 연접부(juncture)에서 비교적 뾰족한 에지를 가지며, 링(52) 또한 링의 내측면(58) 및 외주면(56)과 링의 상면의 연접부에서 뾰족한 에지를 갖는 것이 바람직하다. 이들 뾰족한 에지는 약 0.1mm 미만의 반경을 갖는 것이 바람직하다.
작동 시에, 본 장치는 도 1 내지 도 3에 도시된 작동 상태로 되어, 웨이퍼(74)를 수용하고 있는 웨이퍼 캐리어(40)가 스핀들 상에 배치되고, 셔터(18)가 실선으로 도시된 작동 위치에 있게 되어, 링(52)이 캐리어(40)의 외주면을 근접하여 둘러싸게 된다. 로터리 드라이브(36)가 작동되어 스핀들(34) 및 웨이퍼 캐리어(40)를 중심축(14)에 대해 회전시키면서, 히터(42)가 작동되어 웨이퍼 캐리어 및 웨이퍼가 요구된 온도로 되고, 가스 유입구 요소(22)가 작동되어 처리 가스를 방출한다. 가스 유입구 요소(22)에 의해 방출된 가스는 전반적으로 도 1에 흐름 화살표 F에 의해 나타낸 바와 같이 통과하게 된다. 그러므로, 가스는 유입구 요소로부터 캐리어 위치 쪽으로 하류측으로 통과하게 되고, 캐리어(40)의 상면 또는 상류측 표면 위에 전반적으로 방사상으로 외측으로 흐르게 된다. 흐르고 있는 가스는 웨이퍼 캐리어의 외곽 및 링(52) 위를 지나 외측으로 통과하게 되고, 그리고나서 링과 셔터(18)에 의해 형성된 내벽 표면 사이의 갭 "62"를 통해 아래쪽으로 통과하게 된다. 소량의 가스가 갭 "70"을 통해 아래쪽으로 통과하게 되지만, 이러한 소량은 시스템의 흐름 역학에 실질적으로 영향을 주지 않는다. 바람직하게는, 웨이퍼 캐리어의 상면 위를 통과하는 가스의 약 5% 미만이 갭 "70"을 통과하고, 나머지는 링(52)의 바깥쪽의 갭 "62"을 통과하게 된다. 가스는 지속하여 배기 다기관(26)을 향해 아래쪽으로 흐르게 되고, 배기 다기관을 통과하여 배기 시스템(32)을 통해 시스템의 밖으로 배출된다.
도 2에 최상으로 도시된 바와 같이, 웨이퍼 캐리어의 상면(64) 위와 웨이퍼(74)의 표면 위에서 외측으로 흐르는 가스는 경계층 B를 형성한다. 이 경계층 내에서, 가스 흐름 유선(gas flow streamline)들은 캐리어의 상면에 거의 평행하며, 이로써 경계층은 실질적으로 균일한 두께를 갖는다. 그러나, 가스가 갭(62)에 접근할 때, 유선들은 영역 R에서 주목할 수 있을 정도로 수렴하게 되며, 경계층의 두께는 이 영역 내에서 주목할 수 있을 정도로 감소된다. 그러나, 이 영역은 링(52) 위에 위치되고, 웨이퍼 캐리어 위에 위치되는 것이 아니다. 따라서, 경계층은 웨이퍼 캐리어의 실질적으로 전체 상면 위에서 실질적으로 균일한 두께를 유지한다. 이것은 웨이퍼(74)가 캐리어의 외주면(66)에 바로 인접하게 배치되는 경우에도 웨이퍼(74)의 표면 위에서 실질적으로 고른 반응 속도를 제공한다.
가공 후에, 셔터(18)는 개방 구성(18')으로 이동된다. 링(52)은 셔터와 함께 도 1에 도면부호 52'으로 나타낸 위치로 이동된다. 셔터가 퇴각 위치에 있을 때, 링과 셔터 모두가 개구부(16)로부터 떨어져 있게 되고, 웨이퍼 캐리어가 챔버 내로 및 챔버 바깥으로 이동하는 것을 방해하지 않는다.
도 4는 도 2에 도시된 시스템과 유사하지만, 링(52)을 포함하고 있지 않고, 캐리어의 상면과 캐리어의 외주면 사이의 연접부에서 주목할만한 반경을 갖는 전형적인 웨이퍼 캐리어를 이용하는 시스템을 도시하고 있다. 이 시스템에서, 가스는 웨이퍼 캐리어의 외주면(66)의 바로 외측에서 아래쪽으로 흐르게 된다. 그러므로, 유선들은 웨이퍼 캐리어 자체의 외측부 위에서 주목할 수 있을 정도로 수렴하게 된다. 경계층의 두께가 고르지 않은 영역 R은 웨이퍼 캐리어의 외주면(66)으로부터 내측으로 연장하고, 캐리어 상면의 상당 부분을 차지하고 있다. 그러므로, 웨이퍼(74)의 일부분이 영역 R이 차지하고 있는 캐리어의 영역 내에 위치되면, 이들 웨이퍼는 고르지않은 성장 속도를 받게 될 것이다. 그러므로, 링(52)이 없는 시스템에서, 웨이퍼 유지 포켓은 웨이퍼를 캐리어의 외곽으로부터 멀리 떨어지게 하기 위해 통상적으로 상이하게 위치될 것이다. 이것은 웨이퍼 캐리어의 용량을 감소시킬 것이다. 달리 말하면, 링(52)(도 1 내지 도 3)의 존재는 웨이퍼 캐리어 포켓이 캐리어의 외곽에 근접하게 위치될 수 있도록 하고, 그러므로 캐리어의 용량을 증가시킨다. 이것은 시스템의 처리량, 즉 단위 시간당 가공될 수 있는 웨이퍼의 개수를 증가시킨다.
더욱이, 웨이퍼를 캐리어의 외곽에 더 근접하게 위치시키는 것은 처리 가스의 효율적인 사용을 촉진한다. 이들 처리 가스는 통상적으로 고가이고 고순도의 재료이다. 통상적으로, 각각의 가스의 양은 웨이퍼 캐리어의 전체 면적에 걸쳐 단위 면적당 일정한 양을 제공하도록 결정된다. 웨이퍼를 캐리어의 외곽에 더 근접하게 위치시킴으로써, 캐리어의 면적의 더 많은 부분이 웨이퍼에 의해 덮여질 수 있으며, 가스의 더 많은 부분이 웨이퍼를 처리하는데 이용될 것이다.
링(52)의 추가에 의해 제공되는 흐름 역학의 변화에 의해 효과가 도 5에 추가로 도시되어 있다. 도 5에서의 곡선 100은, 링을 포함하지 않고, 방사상 에지를 갖는 웨이퍼 캐리어를 사용하는, 도 4에 도시된 반응기를 이용한 화학적 기상 증착 공정에서의 방사상 위치에 대한 두께의 계산된 플로트를 나타낸다. 곡선 102는, 링(52)을 포함하고, 외곽에 날카로운 에지를 갖는 웨이퍼 캐리어를 사용하는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 반응기를 이용한 동일한 화학적 기상 증착 공정에서의 계산된 증착 두께에 대한 유사한 플로트이다. 증착된 층의 두께는 정규화된 두께, 즉 중심선으로부터 190mm 떨어진 반경 위치에서의 두께에 대한 각각의 반경 위치에서의 두께의 비율로서 표시되어 있다. 각각의 경우에, 웨이퍼 캐리어는 465mm의 직경을 가지며, 이로써 웨이퍼 캐리어의 외주면이 중심축으로부터 232.5mm의 반경 거리에 위치된다. 중심선으로부터 대략 223mm 떨어진 반경 거리에 있는 수직선 104는, 캐리어가 각각의 직경이 2 인치인 54개의 웨이퍼를 수용하도록 구성되는 경우, 캐리어 상의 웨이퍼의 가장 바깥쪽의 지점의 방사상 위치를 나타낸다. 대략 127mm의 반경 거리에 있는 수직선 106은, 캐리어가 6개의 6-인치 직경 웨이퍼를 수용하도록 구성된 경우, 웨이퍼 상의 가장 바깥쪽 지점의 반경 위치를 나타낸다. 도 4의 종래의 반응기에 대한 곡선 100은, 수직선 104에서, 정규화된 두께가 1.1을 초과하는 것을 보여주고 있다. 이에 비해, 곡선 102는 수직선 104에서 대략 1.02의 정규화된 두께를 나타낸다. 달리 말하면, 웨이퍼 캐리어가 54개의 2-인치 직경 웨이퍼를 수용하도록 구성되면, 링을 포함하지 않는 시스템은 일부 지점이 동일 웨이퍼 상의 다른 지점보다 대략 12% 더 큰 두께를 갖는 웨이퍼를 산출할 것인 반면, 링을 갖는 시스템은 실질적으로 약 2% 이내의 두께 균일성을 갖는 증착층을 갖는 웨이퍼를 산출할 것이다. 또한, 웨이퍼 캐리어가 6개의 6-인치 직경 웨이퍼를 유지하도록 구성되면, 링을 포함하지 않는 시스템은 40%를 초과하는 증착층 두께 변동, 즉 수직선 106에서 1.4의 정규화된 두께를 갖는 웨이퍼를 산출할 것이다. 이에 반해, 곡선 102는 수직선 106에서 대략 7%의 두께 변동을 나타내며, 이것은 여전히 다수의 애플리케이션에서 수용 가능한 한계치 이내에 있는 것이다. 따라서, 링을 갖는 시스템은 링을 포함하지 않는 시스템과 동일한 직경의 웨이퍼 캐리어를 이용하여 6개의 6-인치 웨이퍼를 가공하기 위해 더욱 용이하게 이용될 수 있다.
그러므로, 링에 의해 제공되는 향상은 여전히 웨이퍼의 균일한 처리를 제공하면서 캐리어의 외곽에 근접한 포켓을 갖는 웨이퍼 캐리어를 구성하는 것을 가능하게 한다. 도 7에 도시된 웨이퍼 캐리어(340)는 전반적으로 평면형의 상면(364) 및 외주면(366)을 갖는 원형 몸체를 갖는다. 몸체는 도 1에 도시된 가공 장치의 스핀들(34)과 같은 가공 장치의 스핀들과 부합하도록 구성된 피팅(367)을 갖는다. 피팅은 어떠한 구성의 것이어도 가능하며, 도 1에 도시된 바와 같이 원뿔형 피팅(38)을 갖는 스핀들에 대해서는, 캐리어 몸체의 피팅은 통상적으로 몸체의 바닥에 있는 원뿔형 개구부이다. 웨이퍼 캐리어는 웨이퍼를 유지하도록 각각 구성된 포켓(372) 형태의 웨이퍼 유지 요소를 갖는다. 각각의 포켓(372)은 외주면(366)에 근접하게 놓이게 된다. 그러므로, 각각의 포켓의 가장 바깥쪽의 부분과 외주면(366) 간의 거리 X는 약 5mm 미만이다. 포켓을 외주면에 이와 같이 근접하게 위치시키는 것은 고르지 않은 두께 때문에 지금까지는 받아들여질 수 없었다. 포켓과 외주면 간의 거리는 상면이 외주면과 연결되는 에지와 포켓 사이로 측정된다. 캐리어(340)의 몸체는 어떠한 직경도 가질 수 있지만, 300mm보다 큰 직경을 갖는 것이 바람직하다. 일례에서, 캐리어는 약 465mm의 직경을 가지며, 도 7에 도시된 바와 같이 6개의 포켓을 갖고, 각각의 포켓이 하나의 6-인치 직경 웨이퍼를 유지하도록 구성된다. 캐리어는 더 많은 수의 더 작은 직경의 포켓을 포함할 수도 있으며, 포켓은 외주면에 인접한 몸체의 외측에 몇몇 포켓만이 배치되는 상태로 배열될 수 있다.
링(52)은 또한 웨이퍼 캐리어의 외곽부와 셔터(18)에 의해 형성된 챔버의 인접한 벽부 구조물 사이에 열 장벽으로서 작용한다. 통상적으로, 웨이퍼 캐리어는 반응기의 벽보다 실질적으로 높은 온도로 유지된다. 예컨대, 웨이퍼 캐리어는 1000∼1200℃ 정도 또는 그 이상의 온도로 유지될 수 있는 반면, 반응기의 벽은 100℃ 미만의 온도로 유지될 수 있다. 웨이퍼 캐리어의 에지와 인접 벽부 구조물 간에는 상당한 복사 열전달(radiant heat transfer)이 있다. 이것은 웨이퍼 캐리어의 에지 영역을 웨이퍼 캐리어의 다른 영역보다 저온으로 만들며, 그러므로 마찬가지로 에지 영역에 있는 웨이퍼를 더 저온으로 만든다. 이러한 불균일한 온도 분포는 불균일한 반응 속도 및 증착층의 불균일한 조성을 야기할 수 있다. 이러한 작용이 히터(42)를 외곽부 부근의 웨이퍼 캐리어의 영역에 더 많은 열을 가하도록 구성함으로써 어느 정도 상쇄될 수 있지만, 이 작용을 감소시키는 것이 바람직하다. 링(52)은 복사 장벽으로서 작용하며, 웨이퍼 캐리어의 외주면으로부터 셔터(18)에 의해 형성된 챔버의 벽면으로의 직접적인 복사를 차단한다. 이것은 웨이퍼 캐리어에 걸쳐 균일한 온도 분포를 유지하는데 도움을 주어, 웨이퍼의 모든 부분에 걸쳐 공정 상태의 균일성을 촉진한다.
링의 절연 효과를 추가로 향상시키기 위해, 링(52)은 링의 내측면과 링의 외측면 간의 열전도를 최소화하는데 도움을 주는 추가의 특징부가 제공될 수도 있다. 예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이, 링(152)은 속이 빈 내부 공간(153)을 갖는 전반적으로 반전된 U자 형태의 횡단면 형상을 갖는다. 속이 빈 내부 공간은 내측면(158)과 외주면 또는 외측면(156) 간의 열전도를 감소시킨다. 링의 상면 또는 상류측 표면(154)은 연속적이고 단절되지 않은 표면인 것이 바람직하다. 공간(153)은 도 6에 도시된 바와 같이 하류측 단부에서 개방될 수도 있거나, 또는 하류측 단부에서 폐쇄될 수도 있다. 내측면(158)과 외측면(156) 간의 열전도를 감소시킴으로써, 도 6에 도시된 링은 웨이퍼 캐리어(40)와 셔터(18) 간의 열전도를 추가로 차단한다.
다른 변형예에서, 링(52)은 복수의 동심 링으로 형성될 수 있으며, 각각의 동심 링은 동일한 재료로 형성될 수도 있고 또는 상이한 재료로 형성될 수도 있다. 예컨대, 동심 링은 그래파이트, 탄화규소, 및/또는 실리콘 코팅된 그래파이트와 같은 내화재뿐만 아니라 몰리브덴, 레늄(rhenium), 텅스텐, 니오븀, 탄탈, 및 이들의 합금과 같은 내화 금속으로 형성될 수 있다. 링(52)을 구성하는 재료뿐만 아니라 동심 링의 크기 및 개수는 반응기의 타입 및/또는 반응기 내에서 발생하는 반응에 따라 변화되거나 조절될 수 있다. 또 다른 변형예에서, 링(52)은 전기 저항 히터와 같은 히터를 포함할 수도 있다. 예컨대, 링이 복수의 링의 복합체로 형성되는 경우, 복수의 링 중의 하나 이상은 히터 요소를 구성할 수도 있다. 일변형예에서, 웨이퍼 캐리어(40)의 외주면(66)에 가장 근접한 링이 발열 요소일 수도 있다. 링의 발열은 웨이퍼 캐리어 에지의 온도를 제어하기 위해 이용될 수 있다. 링에 통합된 히터는, 예컨대 웨이퍼 캐리어 온도를 모니터링하기 위해 하나 이상의 고온계(pyrometer)를 사용하는 제어 시스템과 같은, 에지 부근의 웨이퍼 캐리어(40)의 온도에 감응하는 피드백 제어 시스템(도시하지 않음)에 의해 제어될 수 있다. 이러한 변형예 및 기타 변형예에 따른 링의 치수는 링(52)(도 1 및 도 2)과 관련하여 앞에서 설명한 것과 같이 선택될 수 있다. 그러므로, 여기에서도, 링은 실현 가능한 만큼의 폭으로 되고, 웨이퍼 캐리어와 링 사이의 갭의 크기를 최소화하기 위해 웨이퍼 캐리어 주위의 실현 가능한 최소의 간극을 제공하는 것이 바람직하다.
도 8에 도시된 장치는 링(252)이 중심축과 동심을 이루는 원뿔의 일부분의 형태의 상류측 표면 또는 상면(254)을 갖는다는 것을 제외하고는 도 1에 도시된 것과 유사하다. 상면(254)은 챔버의 중심축으로부터 멀어지는 방사상 외측 방향으로 위쪽으로 경사져 있다. 달리 말하면, 상면(254)의 상류측과 외주면(256) 간의 연접부는 상류측 표면(254)과 링의 내측면(258) 간의 연접부의 상류측에 있게 된다. 내측면(258)과 외측면(256) 간의 상면의 수직선 V는 약 1∼2mm 사이인 것이 바람직하다. 이러한 상방향 경사는 링 위와 웨이퍼 캐리어(40)의 외곽 영역 위의 영역에서의 유선들의 수렴을 추가로 억제하는데 도움을 준다. 셔터(218)는 링과 셔터 또는 벽부 구조물의 가장 인접한 부분 간의 동일 간극 C을 제공하기 위해 다른 도면에 도시된 것으로부터 다소 수정될 수 있다. 추가의 변형예에서, 위쪽으로 경사지는 상면은 중심축에 대해 곡선 모선(curved generatrix)의 회전면(surface of revolution)으로서 제공될 수도 있다. 그러므로, 이 실시예에서, 상류측 표면 또는 상면은 직선을 형성하지 않고, 위쪽으로 경사를 이루는 곡선을 형성할 것이다.
상면(254)은 이와 달리 방사상 외측 방향으로, 즉 챔버의 중심축으로부터 먼 쪽으로 아래쪽으로 경사질 수도 있다. 또 다른 변형예에서, 상류측 표면 또는 상면(254)은 형상이 반구형으로 될 수도 있고, 또는 표면에 걸쳐 다양한 형상의 리지(ridge) 또는 리플(ripple)을 갖는 평면형으로 될 수도 있다.
다른 실시예는 웨이퍼 캐리어의 상면의 외곽부 주위에 위쪽으로 돌출하는 립(lip)을 자체적으로 가질 수도 있는 웨이퍼 캐리어(40)를 포함할 수 있다. 상방향 경사 립을 갖는 웨이퍼 캐리어는 미국 공개 특허 2011-0215071에 개시되어 있으며, 이 특허의 개시 내용는 참조에 의해 본 명세서에 원용된다. 이들 실시예에서, 웨이퍼 캐리어의 상방향 경사 립은 위에서 설명한 바와 같은 링(252)의 상방향 경사 표면(254)과 조합될 수도 있다. 이러한 표면들은, 웨이퍼 캐리어가 캐리어 위치에 장착될 때에, 캐리어 립과 링(252)의 상방향 경사 표면이 서로 거의 연속적으로 이어지게 되고, 서로 협동하여 복합 상방향 경사 표면을 형성하도록, 배열될 수 있다.
전술한 구성의 변형예에서, 웨이퍼 캐리어(40)와 링(52) 간의 접촉에 대한 추가의 보장을 위해 롤러 및 가이드 핀(도시하지 않음)과 같은 구조물이 링(52)(도 1 및 도 2) 또는 배플(44)에 장착될 수 있다. 배플(44)은 또한 캐리어(40)의 상면 또는 상류측 표면(64)과 링(52)의 정렬을 돕기 위해 롤러에 근접한 벽부 상에 범프 또는 리지를 포함하도록 추가로 변형될 수 있다. 일부 경우에, 캐리어의 상면 또는 상류측 표면(64)보다 높거나 낮은 링(52)의 상면 또는 상류측 표면을 갖는 것이 바람직할 수도 있다. 다른 경우에, 링(52)의 상면 또는 상류측 표면보다 높거나 낮은 링(52)의 내측면(58)을 갖는 것이 바람직할 수도 있다. 이것은 예컨대 전술한 범프 또는 리지 상에 거치되는 배플(44) 내에 위치된 롤러를 가짐으로써 달성될 수 있다.
전술한 실시예들에서는, 링이 셔터에 장착된다. 그러나, 이것은 필수적인 것은 아니다. 예컨대, 링은 별도의 액추에이터 상에 장착될 수 있고, 셔터에 대해 독립적으로 이동될 수 있다. 다른 실시예에서, 반응기의 벽부 구조물은 셔터를 포함하지 않을 수도 있다. 이 경우, 링은 웨이퍼 캐리어의 위치와 반응기의 고정 벽부 구조물 사이에 배치된다. 전술한 실시예들에서, 링은 셔터와 함께 또는 셔터에 대해 독립적으로 반응기의 고정 벽부 구조물에 대해 이동할 수 있으며, 이로써 링은 웨이퍼 캐리어를 챔버에 로딩하거나 챔버로부터 언로딩하는 동안의 경로에서 벗어나도록 이동될 수 있다. 그러나, 이것은 필수적인 것은 아니다. 웨이퍼 캐리어를 반응기의 안쪽과 바깥쪽으로 이동시키기 위해 사용되는 요소의 구성 및 웨이퍼 캐리어의 구성이 허용되면, 웨이퍼 캐리어는 링을 이동시키지 않고서도 설치되거나 제거될 수 있다.
CVD 공정 동안, 간혹 의도한 기판 표면 외에 반응 챔버 부분 상에 막 성장(film growth)이 발생할 것이다. 반응기 챔버 부분 상의 추가의 막 성장은 청소되지 않을 경우에는 CVD 공정의 효율에 영향을 주어, 기대한 것보다 낮은 수율뿐만 아니라 반응기 챔버에 대한 추가의 유지보수를 유발할 것이다. 링(52) 상의 추가의 막 성장을 제거하는 한 가지 방법은 추가의 막 성장을 가열로 제거하는 온도까지 링(52)을 가열하는 것이다. 이러한 용도를 위해 구성된 히터는 전술한 바와 같이 링(52)에 통합될 수 있다.
또 다른 방법은 링(52)의 진동을 유발하는 것이다. 이것은 링(52)을 상승시키고 하강시키는 동시에 배플(44)의 롤러가 그 위에 위치된 범프 또는 리지를 롤링하도록 함으로써 달성될 수 있다. 진동은 또한 링(52)(또는 링의 지지 요소)에 초음파 트랜스듀서를 부착함으로써 달성될 수 있다.
링 또는 셔터(예컨대, 셔터 18)로부터 추가의 막 성장을 청소하기 위한 또 다른 방법으로는 반응기 챔버의 내부를 향하고 있는 셔터 벽부 및/또는 링의 상면에 하나 이상의 구멍(orifice)을 제공하여, 반응하지 않은 가스가 구멍을 통해 흐르게 하고, 추가의 막 성장에 분사하여 각각의 표면으로부터 떨어져 나가게 하는 것이 있다.
도 9에 도시된 바와 같이(여기서, 도면부호 300, 305, 310, 315, 320 및 325를 제외한 도면 부호는 앞에서 설명된 바와 같다), 가스 유입구(300)는 오리피스(orifice)(325)에 연결되어 이 오리피스에 가스를 제공하는 가스 튜브(320)를 통해 가스를 공급할 수 있다. 이 변형예에서, 오리피스(325)는 또한 셔터(18)의 벽부를 통해 빠져나갈 수 있다. 더욱이, 언급한 바와 같이, 반응 챔버의 내부를 향하고 있는 오리피스(325)와 같이, 하나 이상의 오리피스(325)가 셔터(18)의 벽부의 다양한 위치를 따라 배치될 수 있다.
별도의 가스 유입구(305)가 또한 오리피스(315)에 연결되어 그 오리피스에 가스를 제공하는 가스 튜브(310)를 통해 가스를 공급할 수 있다. 그러나, 이 변형예에서, 오리피스 325와 달리, 오리피스 315는 링(152)의 상면 또는 상류측 표면(154)를 통해 빠져나갈 수 있다. 전술한 것과 마찬가지로, 하나 이상의 오리피스(315)가 상면 또는 상류측 표면(154) 내에 배치될 수 있다. 추가로, 오리피스(315)는 링(152)의 원주 주위에 연속 또는 반연속(semi-continuous) 슬릿의 형상을 가질 수 있다.
오리피스(315, 325)는 순차적이거나 동시적인 작동으로 링(또는 다른 표면) 상의 추가의 막 성장을 청소하기 위해 이용될 수 있다. 사용에 적합한 가스는 예컨대, H2, N2, Ar 및 기타 불활성 가스를 포함한다. 가스는 대략 실온에서부터 약 1600℃까지의 범위의 온도로 반응기에 도입될 수 있다.
전술한 바와 같은 오리피스(315, 325)에 대한 다른 변형예는 반응기의 베이스 플레이트를 통해 연장하는 가스 튜브(322)(도 9에 점선으로 도시된)를 갖도록 될 것이다. 가스 튜브(322)는, 본 실시예에서는, 가요성 벨로우즈 튜브(flexible bellows tube)이어도 되며, 오리피스(315, 325)와 유사한 방식으로 링(152) 및/또는 셔터(18)로부터 추가의 막 성장을 청소하기 위해 작용할 수 있다.
링(152)에 있는 하나 이상의 오리피스(315)는, 청소 이외에, 성장 공정 동안 링(152) 상의 오리피스(315)를 통해 퍼지 가스를 통과시키기 위해서도 이용될 수 있다. 이와 같이 하면, 가스의 유속을 조절함으로써 퍼지 가스의 국소 영역에서의 경계층의 높이를 조절할 수 있으며, 이것은 링(152)을 설치함으로써 야기되는 임의의 높이 변동을 보상하기 위해 이용될 수 있다. 즉, 웨이퍼 캐리어의 상단 평면(154) 위로 돌출하는 "더 높은" 흐름 연장부(링 152)가 요구되면, 링(152) 상의 하나 이상의 오리피스(315)를 통해 퍼지 가스를 푸시하기 위해 더 높은 가스 유속이 이용될 수 있다. 반대로, 웨이퍼 캐리어의 "z" 평면에 더 근접한 경계층이 요구되면, 가스 유속이 감소될 수 있다. 경계층을 조절하기 위해 오리피스(315)를 통한 가스 유속을 높이거나 낮춤으로써 링(152)의 효율을 조절할 수 있음으로써, MOCVD 시스템에의 링(152)의 설치 동안의 정밀한 높이 조절이 제거됨에 의해 툴 간의 매칭(tool-to-tool matching)이 보다 간편하게 된다.
링이 복수의 동심 링으로 형성되는 링(152)의 변형예의 경우, 링은 링이 상이한 재료로 형성되는지의 여부에 따라 작동 동안 상이한 비율로 확장할 수 있다. 이 작용은 링의 상류측 표면 또는 상면에 전술한 추가의 막 성장이 이루어지지 않게 한다.
전술한 실시예들에서, 링은, 작동 위치에 있는 동안, 웨이퍼의 가공 동안 정지 상태로 유지된다. 다른 실시예에서, 링은 가공 동안 중심축 주위를 회전하게 될 수 있다. 예컨대, 링은 링이 별도의 로터리 드라이브에 의해 가공 동안 중심축 주위를 회전하게 될 수 있도록 스핀들에 장착될 수 있다. 이 실시예의 개략도가 도 10에 도시되어 있다. 링은 웨이퍼 캐리어 및 스핀들과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 회전할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 어셈블리(200)는 외측 스핀들(134) 및 내측 스핀들(168)을 가지며, 이들 스핀들은 로터리 드라이브 기구(136)에 연결되어 있다. 내측 스핀들(168)은 그 상류측 끝에 피팅(138)을 가질 수 있다. 피팅은 도 1에 도시된 것과 유사한 캐리어 위치에서 웨이퍼 캐리어(440)와 분리 가능하게 결합하여 유지하도록 구성될 수 있다. 웨이퍼 캐리어(440)는 다수의 포켓(172)을 포함할 수 있으며, 각각의 포켓은 웨이퍼의 상면이 웨이퍼 캐리어(440)의 상면(464)과 실질적으로 공통 평면으로 되도록 웨이퍼(174)를 유지하도록 배열된다. 외측 스핀들(134) 또한 자신의 상류측 끝에 피팅(238)을 가질 수 있다. 피팅은 링(352)이 장착되는 지지부(360)와 결합하도록(다른 실시예에서는 분리 가능하게 결합하도록) 구성될 수 있다. 로터리 드라이브(136)는 내측 스핀들(168) 및 외측 스핀들(134)의 독립적인 회전을 허용하도록 설계되어, 웨이퍼 캐리어가 링과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 회전할 수 있도록 하거나, 또는 웨이퍼 캐리어가 회전할 때 링을 정지 상태로 유지할 수 있도록 한다.
지지부(360)는 다수의 형상을 가질 수 있다. 일부 경우에, 지지부(360)는 서셉터(susceptor)이어도 되거나, 또는 외측 스핀들(134)로부터 웨이퍼 캐리어(464)의 외측 에지를 약간 넘어서까지 방사상으로 연장하는 일련의 지지 암(support arm)이어도 되며, 외측 에지를 약간 넘어선 지점에서 링(352)이 지지 암 상에 장착된다. 지지부(360)는 MOCVD 반응기의 반응 챔버 내부의 고온을 견뎌낼 수 있는 어떠한 적합한 재료로도 형성될 수 있으며, 이와 동시에 히터(142)로부터 웨이퍼 캐리어(440)로의 적합한 열전달을 허용할 수 있다. 어셈블리(200)의 히터(142)는 전술한 히터(42)와 유사한 방식으로 장착되고 구성될 수 있다.
도 11은 도 10의 어셈블리(200)의 평면도를 도시하고 있으며, 지지부(360)가 가상의 선으로 표시되어 있다. 웨이퍼 캐리어(440)의 외곽 에지(466)와 링(352)의 내측면(358) 사이의 갭(170)은 전술한 갭(70)의 크기와 유사하다.
또한, 로터리 드라이브(136)는, 링(352)의 회전을 허용하는 것과 별도로, 링(352)의 상면(564)에 관련하여 웨이퍼 캐리어(440)의 상면(464)의 별도의 높이 조절을 허용한다. 몇몇 성장 공정 단계에 대해, 웨이퍼 캐리어(440)의 상면(464)이 링(352)의 상면(564)과 본질적으로 공통 평면으로 되도록 하는 것이 이로울 수 있다. 다른 성장 공정 단계에서는, 웨이퍼 캐리어(440)의 상면(464)이 링(352)의 상면(564)보다 높게 되도록 하거나 낮게 되도록 하는 것이 이로울 수도 있다. 링(352)은 또한 전술한 바와 같은 링(252)의 형상 및 특성을 가질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 링은 챔버 내에 배치되고, 웨이퍼 캐리어의 외측 에지와 분리 가능하게 결합하도록 구성되어, 링이 실제로는 작동 동안 웨이퍼 캐리어의 임시적인 부분이 되도록 할 수도 있다.
반응기 요소의 구조물의 재료 및 처리 가스의 조성은 통상적인 것이어도 된다. 예컨대, 웨이퍼 캐리어는 전체적으로 또는 부분적으로 그래파이트, 탄화규소, 및 탄화규소가 코팅된 그래파이트와 같은 내화재로 형성될 수 있는 반면, 링과 같은 요소는 유사 재료로 형성되거나 또는 몰리브덴과 같은 내화 금속으로 형성될 수도 있다. 링을 형성하기 위해 사용된 금속은 필요한 경우 금속의 복사율(emissivity)을 증가시키기 위해 검게 될 수 있다(blackened). 처리 가스는 예컨대 화학적 기상 증착 반응에서 반응하도록 선택된 가스 또는 웨이퍼의 표면을 에칭하거나 처리하도록 선택된 가스이어도 된다.
특정 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 이들 실시예는 단지 본 발명의 원리 및 적용에 대한 예에 불과하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위에 의해 정해지는 것과 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고서도 예시 실시예 및 이들의 기타 구성에 대해 다수의 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (26)

  1. 반응기에 있어서,
    (a) 내측면을 형성하는 벽부 구조물을 갖는 챔버;
    (b) 상기 챔버 내에 배치되고, 상류-하류 축(upstream-to-downstream axis)을 중심으로 회전할 수 있으며, 웨이퍼 캐리어의 상면이 캐리어 위치에서 상류측 방향으로 바라보도록 상기 축을 중심으로 하는 회전을 위해 상기 웨이퍼 캐리어를 지지하도록 구성된 스핀들;
    (c) 상기 챔버 내에 장착되는 링으로서, 상기 링은 상류측 방향으로 바라보는 상면을 가지며, 상기 링은, 상기 반응기가 작동 상태에 있을 때, 상기 링이 상기 스핀들 상에 지지된 상기 웨이퍼 캐리어를 근접하게 둘러싸고, 상기 링의 상기 상면이 상기 웨이퍼 캐리어의 상면과 연속하게 되도록, 구성되어 배치되는, 상기 링; 및
    (d) 상기 캐리어 위치의 상류측에서 상기 챔버와 연통되어 있는 가스 유입구 요소와, 상기 캐리어 위치의 하류측에서 상기 챔버와 연통되어 있는 가스 배기관
    을 포함하며,
    상기 링은 상기 축으로부터 먼 쪽으로 외측으로 바라보는 외주면을 가지며, 상기 링은, 상기 반응기가 작동 상태에 있을 때, 상기 링의 외주면과 상기 챔버의 내측면 사이에 갭이 존재하도록, 배치되는,
    반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스핀들은 상기 웨이퍼 캐리어와 분리 가능하게 결합하도록 구성되며, 상기 챔버는 상기 웨이퍼 캐리어의 삽입 및 제거를 위한 개구부를 갖는, 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 챔버의 벽부 구조물은 고정 벽부 구조물을 포함하며, 상기 링은 상기 고정 벽부 구조물에 대하여 상류측 및 하류측 방향으로 이동할 수 있는, 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 챔버의 벽부 구조물은 상기 내측면의 일부분을 형성하는 셔터를 포함하며, 상기 셔터는 상기 챔버의 고정 벽부 구조물에 관하여 상류측 및 하류측 방향으로 이동할 수 있으며, 상기 링의 외주면과 상기 셔터 사이에 갭이 형성되는, 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 링은 상기 셔터에 부착되어 상기 셔터와 함께 상류측 및 하류측 방향으로 이동하는, 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 링은 상기 축 주위의 회전에 대해 고정되는, 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 링은 상기 축을 중심으로 회전할 수 있는, 반응기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 링은 상기 스핀들에 대해 독립적으로 상기 축을 중심으로 회전할 수 있는, 반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내의 히터를 더 포함하며, 상기 히터는 상기 스핀들 상에 지지된 상기 웨이퍼 캐리어를 가열하도록 구성되는, 반응기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 링은 상기 링의 상면 아래에 속이 빈 공간(hollow space)이 형성되어 있는, 반응기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 링은 복수의 동심 링으로 형성되는, 반응기.
  12. 제11항에 있어서,
    각각의 상기 동심 링은 동일한 재료를 포함하거나 또는 상이한 재료를 포함하는, 반응기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 링은 상기 챔버에 포함된 히터에 의해 발생된 열에 대한 절연체로서 작용하는, 반응기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 동심 링 중의 하나 이상은 발열 요소를 포함하는, 반응기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 링의 상면은 가스를 상기 챔버 내로 도입하기 위한 하나 이상의 오리피스를 포함하는, 반응기.
  16. 제4항에 있어서,
    상기 셔터는 가스를 상기 챔버 내로 도입하기 위한 하나 이상의 오리피스를 포함하는, 반응기.
  17. 웨이퍼를 처리하는 방법에 있어서,
    (a) 반응 챔버 내의 링이 웨이퍼 캐리어를 둘러싸도록, 상류측 방향으로 바라보고 있는 상기 웨이퍼 캐리어의 상면 및 상기 링의 상면이 서로 연속하게 되도록, 상기 웨이퍼 캐리어 상에 배치된 웨이퍼의 표면이 상류측 방향으로 바라보도록, 상기 웨이퍼 캐리어를 상기 반응 챔버 내측에 위치시키는 단계;
    (b) 처리 가스가 상기 웨이퍼 캐리어의 상면 및 상기 웨이퍼의 상면 위에서 외측으로 흐르게 되고, 상기 웨이퍼 캐리어의 상면으로부터 상기 링의 상면을 거쳐 외측으로 흐르게 되도록, 상기 웨이퍼 캐리어 및 상기 웨이퍼를 상류-하류 축 주위를 회전시키면서, 하나 이상의 상기 처리 가스를 상류측 방향과 반대인 하류측 방향으로, 상기 웨이퍼 캐리어의 상면 및 상기 웨이퍼의 상면 상으로 지향시키는 단계; 및
    (c) 상기 링의 상면을 거쳐 외측으로 흐르는 상기 처리 가스가 상기 링과 상기 반응 챔버의 벽부 사이의 갭 내에서 하류측으로 통과하도록, 상기 처리 가스를 상기 챔버로부터 상기 링의 하류측으로 배기하는 단계
    를 포함하는 웨이퍼 처리 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 지향시키는 단계 후에 상기 웨이퍼 캐리어를 상기 반응 챔버로부터 제거하는 단계와, 새로운 웨이퍼가 그 위에 배치된 또 다른 웨이퍼 캐리어로 상기한 단계들을 반복하는 단계를 더 포함하는, 웨이퍼 처리 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 지향시키는 단계 후와 상기 웨이퍼 캐리어를 제거하는 단계 전에, 상기 링을 상류측 또는 하류측으로 이동시키는 단계를 더 포함하는, 웨이퍼 처리 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 지향시키는 단계 후에 상기 링을 이동시키는 단계는, 상기 링에 기계식으로 연결된 셔터를, 작동 위치로부터, 상기 셔터가 챔버 벽부의 개구부를 폐색하지 않는 개방 위치로 이동시키는 단계를 포함하며, 상기 웨이퍼 캐리어를 제거하는 단계는, 상기 웨이퍼 캐리어가 개방 위치에 있는 동안 상기 웨이퍼 캐리어를 상기 챔버로부터 상기 개구부를 통해 제거하는 단계를 포함하는, 웨이퍼 처리 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 셔터 및 상기 링은 상기 셔터와 상기 링이 작동 위치에 있을 때에 협동하여 상기 갭을 형성하는, 웨이퍼 처리 방법.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 웨이퍼 캐리어를 가열하는 단계를 더 포함하며, 상기 링은 상기 웨이퍼 캐리어로부터 상기 챔버의 벽부로의 열전달을 차단하도록 작용하는, 웨이퍼 처리 방법.
  23. 몸체를 포함하는 웨이퍼 캐리어로서, 상기 몸체는, 원형의 상면과, 상기 상면과 경계를 이루는 외주면과, 상기 상면 및 상기 외주면이 스핀들과 동심을 이루도록 웨이퍼 가공 반응기의 스핀들과 결합하도록 구성된 피팅(fitting)을 가지며, 상기 몸체는 또한 각각 웨이퍼를 유지하도록 구성된 복수의 포켓을 형성하고 있고, 상기 포켓은 상기 웨이퍼의 일부분이 상기 외주면의 5mm 이내에 있도록 상기 웨이퍼를 유지하도록 구성된 외측 포켓을 포함하는, 웨이퍼 캐리어.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 상면은 465mm의 직경을 가지며, 상기 포켓은 각각의 포켓이 6인치의 직경을 갖는 웨이퍼를 유지하도록 구성된 6개 이상의 포켓을 포함하는, 웨이퍼 캐리어.
  25. 삭제
  26. 삭제
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