KR101966566B1 - 열 처리 챔버를 위한 지지 실린더 - Google Patents

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Abstract

본 개시물의 실시예들은 일반적으로 열 프로세스 챔버 내에서 이용되는 지지 실린더에 관한 것이다. 일 실시예에서, 지지 실린더는, 내측 주변 표면과 외측 주변 표면을 갖는 링 바디를 포함하고, 링 바디는 불투명한 석영 유리 재료를 포함하고, 링 바디는 광학적 투명 층으로 코팅된다. 광학적 투명 층은, 높은 열 부하들 하에서 열 응력을 야기할 수 있는 열 팽창 불일치를 감소시키기 위해, 불투명한 석영 유리 재료와 실질적으로 일치하거나 유사한 열 팽창 계수를 갖는다. 일례에서, 불투명한 석영 유리 재료는 합성 흑색 석영이고, 광학적 투명 층은 투명한 용융 석영 재료를 포함한다.

Description

열 처리 챔버를 위한 지지 실린더{SUPPORT CYLINDER FOR THERMAL PROCESSING CHAMBER}
본 개시물의 실시예들은 일반적으로 열 프로세스 챔버 내에서 이용되는 웨이퍼 지지 실린더에 관한 것이다.
많은 반도체 디바이스 제조 프로세스에서 요구되는 고수준의 디바이스 성능, 수율 및 프로세스 반복가능성은 기판(예를 들어, 반도체 웨이퍼)의 온도가 기판의 처리 동안 엄격하게 모니터링되고 제어되는 경우에만 달성될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 상이한 제조 프로세스를 위하여, 급속 열 어닐링(rapid thermal annealing)(RTA), 급속 열 세정(rapid thermal cleaning)(RTC), 급속 열 화학 기상 증착(rapid thermal chemical vapor deposition)(RTCVD), 급속 열 산화(rapid thermal oxidation)(RTO), 및 급속 열 질화(rapid thermal nitridation)(RTN)를 포함하는 급속 열 처리(rapid thermal processing)(RTP)가 이용된다.
예를 들어, RTP 챔버에서, 기판은 그것의 주변부에서, 챔버 벽으로부터 내측으로 연장되며 기판의 주변부를 둘러싸는 기판 지지 링의 에지에 의해 지지될 수 있다. 기판 지지 링은, 처리 동안 기판 온도 균일성을 최대화하기 위해 기판 지지 링 및 지지된 기판을 회전시키는 회전가능한 튜브형 지지 실린더 상에 위치된다. 처리 영역 및/또는 열원으로부터의 열이 지지 실린더 주변에서 실질적으로 약해지도록 차광 속성들 및 낮은 열 전도율을 제공하기 위해, 지지 실린더는 불투명한 석영(opaque quartz)으로 이루어진다. 통상적으로, 지지 실린더는 기판의 온도 측정을 위해 이용되는 주파수 범위 내의 복사에 불투명해지도록 폴리실리콘 층으로 코팅된다.
그러나, 높은 온도들 하에서의 폴리실리콘 층 및 불투명한 석영의 열 팽창 계수의 불일치가 폴리실리콘 층에서, 그리고/또는 폴리실리콘 층과 불투명한 석영 사이의 계면의 부근에서 균열을 야기할 수 있다는 것이 관측되었다. 그러한 균열은 기판에 해로울 수 있는데, 그 이유는 균열들이 하부의 석영 내로 전파될 수 있고, 그것은 폴리실리콘 층, 및 폴리실리콘 층에 부착된 하부의 석영의 일부가 열 사이클링(thermal cycling) 후에 박리되게 하기 때문이다. 폴리실리콘 층 및 석영 조각들의 박리는 지지 실린더의 불투명도를 손상시킬 뿐만 아니라, 프로세스 챔버 및 기판을 입자들로 오염시킨다.
그러므로, 열 처리 동안 프로세스 챔버 및 기판의 오염을 방지하는 증대된 차광 속성들을 갖는 개선된 지지 실린더가 필요하다.
본 개시물의 실시예들은 일반적으로 열 프로세스 챔버 내에서 이용되는 지지 실린더에 관한 것이다. 일 실시예에서, 지지 실린더는, 내측 주변 표면(inner peripheral surface), 및 내측 주변 표면에 평행한 외측 주변 표면(outer peripheral surface)을 갖는 링 바디; 및 외측 주변 표면으로부터 내측 주변 표면으로 방사상으로 연장되는 평면 표면(planar surface)을 포함하고, 링 바디는 불투명한 석영 유리 재료를 포함하고, 링 바디는 광학적 투명 층(optical transparent layer)으로 코팅된다. 광학적 투명 층은, 높은 열 부하들 하에서 열 응력을 야기할 수 있는 열 팽창 불일치를 감소시키기 위해, 불투명한 석영 유리 재료와 실질적으로 일치하거나 유사한 열 팽창 계수를 갖는다. 일례에서, 불투명한 석영 유리 재료는 합성 흑색 석영(synthetic black quartz)이고, 광학적 투명 층은 투명한 용융 석영 재료(clear fused quartz material)를 포함한다.
다른 실시예에서, 열 처리 챔버 내에서 이용되는 링 바디를 처리하는 방법이 제공된다. 이 방법은 불투명한 석영 유리 재료를 포함하는 링 바디 상에 광학적 투명 층을 형성하는 단계 - 링 바디는 내측 주변 표면, 외측 주변 표면, 및 외측 주변 표면으로부터 내측 주변 표면으로 방사상으로 연장되는 평면 표면을 가짐 -; 및 약 1.5의 굴절률을 갖는 광학적 투명 층으로 링 바디의 적어도 일부를 코팅하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 열 처리 챔버 내에서 기판을 처리하는 방법이 제공된다. 이 방법은 열 처리 챔버의 내측 둘레 표면(inner circumferential surface)의 방사상 내측에 링 바디를 위치시키는 단계 - 링 바디는 불투명한 석영 유리 재료를 포함하고, 그 위에 형성된 광학적 투명 층을 가지며, 링 바디는 내측 주변 표면, 외측 주변 표면, 및 내측 주변 표면으로부터 외측 주변 표면으로 방사상으로 연장되는 평면 표면을 가짐 -; 및 링 바디의 평면 표면에 의해 지지 링을 지지하는 단계 - 지지 링은, 반도체 기판의 후면(back side)으로부터 반도체 기판의 주변부를 지지하기 위해 지지 링의 표면으로부터 방사상 내측으로 연장되는 에지 립(edge lip)을 가짐 - 를 포함한다.
위에서 언급된 본 개시물의 특징들이 상세하게 이해될 수 있도록, 위에 간략하게 요약된 본 개시물의 더 구체적인 설명은 실시예들을 참조할 수 있으며, 그들 중 일부는 첨부 도면들에 도시되어 있다. 그러나, 본 개시물은 동등한 효과의 다른 실시예들을 허용할 수 있으므로, 첨부 도면들은 본 개시물의 전형적인 실시예들만을 도시하며, 따라서 그것의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점에 유의해야 한다.
도 1은 급속 열 처리 챔버의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 2a는 본 개시물의 일 실시예에 따른 도 1의 지지 실린더를 대신하여 이용될 수 있는 지지 실린더의 개략적인 상부도이다.
도 2b는 도 2a의 라인 2B-2B를 따라 취해진 지지 실린더의 단면도이다.
도 2c는 도 2b에 도시된 지지 실린더의 일부 "2C"의 확대도이다.
도 3은 본 개시물의 일 실시예에 따른 도 2b에 도시된 지지 실린더의 일부의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 4는 본 개시물의 다른 실시예에 따른 반사 코팅 층을 이용하는 도 3에 도시된 지지 실린더의 일부의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 5는 본 개시물의 또 다른 실시예에 따른 도 3에 도시된 지지 실린더의 일부의 개략적인 측면도를 도시한다.
본 개시물의 실시예들은 일반적으로 열 프로세스 챔버 내에서 이용되는 지지 실린더에 관한 것이다. 열 처리될 기판은 그것의 주변부에서 지지 링에 의해 지지된다. 지지 링은 프로세스 챔버의 내측 둘레 표면들을 따라 방사상 내측으로 연장되며, 기판의 주변부를 둘러싼다. 지지 링은, 기판의 주변부를 후면으로부터 지지하기 위해 지지 링의 표면으로부터 방사상 내측으로 연장되는 에지 립을 갖는다. 지지 링은 지지 실린더에 대한 하부 결합부(bottom coupling)를 갖는다. 지지 실린더는 내측 주변 표면과 외측 주변 표면을 갖는 링 바디를 포함한다. 외측 주변 표면은, 내측 주변 표면에 비해, 지지 실린더의 중심 종방향 축(central longitudinal axis)으로부터 더 멀리 떨어져 있다. 지지 실린더는 적외선 복사에 불투명한 합성 흑색 석영 재료로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 지지 실린더는 원적외선 영역에서 높은 복사율(emissivity)을 갖는 투명한 용융 석영으로 코팅된다. 투명한 용융 석영 및 하부의 합성 흑색 석영은 모두 유사한 열 팽창 계수를 갖는 석영 컴포넌트들이므로, 본 발명의 지지 실린더는, 종래의 지지 실린더에서 통상적으로 보이는 바와 같이, 불투명한 석영과 그 위에 코팅된 폴리실리콘 층 사이의 열 팽창 계수 불일치로 인한 입자 오염 문제들을 갖지 않는다. 지지 실린더의 다양한 실시예들이 이하에 더 상세하게 논의된다.
예시적인 급속 열 처리 챔버
도 1은 급속 열 처리 챔버(10)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 적합한 RTP 챔버의 예들은 캘리포니아주 산타 클라라에 있는 Applied Materials, Inc.로부터 입수가능한 RADIANCE® RTP 또는 CENTURA® RTP 챔버를 포함할 수 있다. 처리 챔버(10)는 상부 가열 구성(즉, 기판보다 상대적으로 위에 제공되는 가열 램프들)을 보여주지만, 하부 가열 구성(즉, 기판보다 상대적으로 아래에 제공되는 가열 램프들)도 본 개시물로부터 혜택을 받도록 이용될 수 있다고 고려된다. 열 처리될 기판(12), 예를 들어 실리콘 기판과 같은 반도체 기판은 밸브 또는 액세스 포트(13)를 통하여 처리 챔버(10)의 프로세스 영역(18)으로 전달된다. 기판(12)은 기판의 주변부에서 고리형 지지 링(14)에 의해 지지된다. 에지 립(15)은 고리형 지지 링(14)의 내측으로 연장되며, 기판(12)의 후면의 일부와 접촉한다. 기판은, 기판(12)의 정면 표면에 이미 형성되어 있는 가공된 피쳐들(processed features)(16)이 투명 석영 윈도우(20)에 의해 그것의 상부측에 정의되는 프로세스 영역(18)을 향하여 위를 향하도록 배향될 수 있다. 기판(12)의 정면 표면은 램프들(26)의 어레이를 향하고 있다. 일부 실시예들에서, 가공된 피쳐들이 위에 형성되어 있는 기판(12)의 정면 표면은 램프들(26)의 어레이의 반대 방향, 즉 고온계들(40)을 향할 수 있다. 이 개략도와 달리, 대부분의 피쳐들(16)은 기판(12)의 정면 표면을 넘어 상당 거리만큼 돌출하지는 않고, 정면 표면의 평면 내에서 그리고 그 부근에서 패터닝을 구성한다.
3개의 리프트 핀(lift pin)과 같은 복수의 리프트 핀(22)은, 기판을 처리 챔버로 그리고 지지 링(14) 상으로 옮기는 패들(paddle) 또는 로봇 블레이드(robot blade)(도시되지 않음) 사이에서 기판이 건네질 때, 기판(12)의 후면을 지지하도록 상승 및 하강될 수 있다. 복사 가열 장치(24)는 윈도우(20) 위에 위치되고, 복사 에너지를 윈도우(20)를 통해 기판(12)을 향하여 지향시키도록 구성된다. 처리 챔버(10)에서, 복사 가열 장치는, 윈도우(20) 위에 육각형의 조밀 어레이(hexagonal close-packed array)로 배열된 개별 반사 튜브들(27)에 위치된 많은 수의, 예를 들어 409개의 고강도 텅스텐-할로겐 램프(26)를 포함할 수 있다. 램프들(26)의 어레이는 때로는 램프헤드라고 지칭된다. 그러나, 다른 복사 가열 장치로 대체될 수 있다는 점이 고려된다. 일반적으로, 이들은 복사 소스의 온도를 신속하게 상승시키기 위한 저항성 가열(resistive heating)을 수반한다. 적합한 램프들의 예들은, 필라멘트를 둘러싸는 유리 또는 실리카의 엔벨로프(envelope)를 갖는 수은 증기 램프, 및 가스가 활성화될(energized) 때 열원을 제공하는 제논과 같은 가스를 둘러싸는 유리 또는 실리카의 엔벨로프를 포함하는 플래시 램프를 포함한다. 본 명세서에서 언급된 램프라는 용어는 열원을 둘러싸는 엔벨로프를 포함하는 램프들을 포괄하는 것으로 의도된다. 램프의 "열원"은 기판의 온도를 증가시킬 수 있는 재료 또는 요소, 예를 들어 활성화될 수 있는 가스 또는 필라멘트, 또는 LED 또는 고체 레이저(solid state lasers) 및 레이저 다이오드와 같이 복사를 방출하는 재료의 고체 영역을 지칭한다.
본 명세서에서 언급된 급속 열 처리 또는 RTP는 기판을 약 50℃/초 이상의 속도, 예를 들어 약 100℃/초 내지 150℃/초, 및 약 200℃/초 내지 400℃/초의 속도로 균일하게 가열할 수 있는 장치 또는 프로세스를 지칭한다. RTP 챔버들에서의 전형적인 하강(냉각) 속도는 약 80℃/초 내지 150℃/초의 범위에 있다. RTP 챔버들에서 수행되는 일부 프로세스들은 기판에 걸친 온도의 변동이 수도의 섭씨 온도보다 작을 것을 요구한다. 따라서, RTP 챔버는 약 100℃/초 내지 150℃/초, 및 약 200℃/초 내지 400℃/초까지의 속도로 가열할 수 있는 램프 또는 다른 적합한 가열 시스템 및 가열 시스템 제어부를 포함해야 하며, 이로 인해 급속 열 처리 챔버들은 이들 속도로 급속하게 가열할 수 있는 가열 시스템 및 가열 제어 시스템을 갖지 않는 다른 유형의 열 챔버들과 구별된다. 그러한 가열 제어 시스템을 갖는 RTP 챔버는 5초 미만, 예를 들어 1초 미만, 그리고 일부 실시예들에서는 수 밀리초 내에 샘플을 어닐링할 수 있다.
기판(12)에 걸친 온도를 엄밀하게 정의된(closely defined) 온도로 기판(12)에 걸쳐 균일하게 제어하는 것이 중요하다. 균일성을 개선하는 하나의 수동적인 수단은 기판(12) 아래에 배치되는 반사기(28)를 포함할 수 있다. 반사기(28)는 기판(12)보다 큰 영역에 걸쳐서 해당 기판에 평행하게 연장된다. 반사기(28)는, 기판(12)의 겉보기 복사율(apparent emissivity)을 증대시키기 위해서 기판(12)으로부터 방출된 열 복사를 다시 기판(12)을 향하여 효율적으로 반사한다. 기판(12)과 반사기(28) 사이의 간격은 약 3mm 내지 9mm일 수 있고, 공동(cavity)의 두께에 대한 폭의 종횡비는 유리하게는 20보다 크다. 알루미늄으로 이루어질 수 있으며 고반사성 표면 코팅 또는 다층 유전체 간섭 미러(multi-layer dielectric interference mirror)를 갖는 반사기(28)의 상부와, 기판(12)의 후면은 기판의 유효 복사율을 증대시키기 위한 반사 공동을 형성하며, 그에 의해 온도 측정의 정확도를 개선한다. 특정 실시예들에서, 반사기(28)는 흑체 벽과 더 많이 닮도록 흑색 또는 다른 컬러의 표면을 가질 수 있거나, 또는 더 불규칙한 표면을 가질 수 있다. 반사기(28)는, 특히 냉각 동안 기판으로부터의 과잉 복사를 열 제거(heat sink)하기 위해 금속으로 이루어진 수냉식 베이스인 제2 벽(53) 상에 놓여질 수 있다. 따라서, 처리 챔버(10)의 프로세스 영역은 적어도 2개의 실질적으로 평행한 벽을 갖는데, 그 중 제1 벽은 석영과 같이 복사에 투명한 재료로 이루어진 윈도우(20)이고, 제2 벽(53)은 상당히 투명하지 않은 금속으로 이루어지며 제1 벽에 실질적으로 평행하다.
균일성을 개선하는 하나의 방식은 처리 챔버(10)의 내측 둘레 표면들(60)의 방사상 내측에 배치되는 회전가능한 지지 실린더(30) 상에서 지지 링(14)을 지지하는 것을 포함한다. 지지 실린더(30)는 처리 챔버(10)의 외부에 위치된 회전가능한 플랜지(32)에 자기적으로 결합된다. 모터(도시되지 않음)가 플랜지(32)를 회전시키고, 그에 따라 기판을 기판의 중심(34)에 대하여 회전시키는데, 이 중심은 또한 일반적으로 대칭인 챔버의 중심선이다. 대안적으로, 지지 실린더(30)의 하부는, 회전가능한 플랜지(32)에 배치된 자석들에 의해 제 위치에 유지되고 회전가능한 플랜지(32)에서의 코일들로부터 발생되는 회전가능한 플랜지(32) 내 회전 자기장에 의해 회전되는 자기 부상(magnetically levitated) 실린더일 수 있다.
균일성을 개선하는 다른 방식은 램프들(26)을 중심 축(34)에 대하여 대체로 링형으로 배열된 구역들로 분할한다. 제어 회로는 상이한 구역들에서의 램프들(26)에 전달되는 전압을 변화시킴으로써, 복사 에너지의 방사상 분포를 맞춤 조정(tailor)한다. 구역화된 가열의 동적 제어는, 회전하는 기판(12)의 반경에 걸쳐 온도를 측정하기 위해서 반사기(28)에서의 어퍼쳐들을 통하여 기판(12)의 후면을 향하도록 위치된 하나 이상의 광학적 광 파이프(42)를 통해 결합되는 하나의 또는 복수의 고온계(40)에 의해 영향을 받는다. 광 파이프들(42)은 사파이어, 금속 및 실리카 섬유를 포함하는 다양한 구조물들로 형성될 수 있다. 컴퓨터화된 제어기(44)는 고온계들(40)의 출력을 수신하고, 그에 따라 램프들(26)의 상이한 링들에 공급되는 전압들을 제어함으로써, 처리 동안 복사 가열 강도 및 패턴을 동적으로 제어한다. 일반적으로, 고온계들은, 약 700 내지 1000nm의 범위에서, 예를 들어 40nm의 좁은 파장 대역폭의 광 강도를 측정한다. 제어기(44) 또는 다른 계측 장비는, 해당 온도로 유지되는 흑체로부터 복사되는 광 강도의 스펙트럼 분포의 주지의 플랑크 분포를 통해 광 강도를 온도로 변환한다. 그러나, 고온계는 스캐닝되고 있는 기판(12)의 부분의 복사율에 의해 영향을 받는다. 복사율 ε는 흑체에 대한 1과 완전 반사체에 대한 0 사이에서 변할 수 있으므로, 기판 후면의 반사율 R=1-ε의 역 척도(inverse measure)이다. 기판의 후면 표면은 균일한 복사율이 예상되도록 전형적으로 균일하지만, 후면 조성은 이전의 처리에 따라 변할 수 있다. 고온계는, 관련 파장 범위에서 그것이 대면하고 있는 기판의 부분의 복사율 또는 반사율을 측정하기 위해 기판을 광학적으로 탐지(probe)하는 복사계(emissometer)를 더 포함하고, 측정된 복사율을 포함하도록 제어기(44) 내의 제어 알고리즘을 포함함으로써 개선될 수 있다.
예시적인 지지 실린더
도 2a는 본 개시물의 일 실시예에 따른 도 1의 지지 실린더(30)를 대신하여 이용될 수 있는 지지 실린더(200)의 개략적인 상부도이다. 도 2a에 도시된 지지 실린더(200)는 처리 챔버, 예를 들어 도 1에 도시된 급속 열 처리 챔버(10) 내에 배치될 수 있다. 지지 실린더(200)는 일반적으로 실질적으로 일관된 반경 폭 "W"를 갖는 연속적 링 바디(continuous ring body)이다. 지지 실린더(200)는 내측 주변 표면(202), 및 내측 주변 표면(202)에 평행한 외측 주변 표면(204)을 갖는다. 외측 주변 표면(204)은, 내측 주변 표면(202)에 비해, 지지 실린더(200)의 중심 종방향 축 "C"로부터 더 멀리 떨어져 있다. 도시되지는 않았지만, 지지 실린더(200)는, 도 1과 관련하여 위에서 논의된 바와 같이, 외측 주변 표면(204)이 처리 챔버의 내측 둘레 표면들의 방사상 내측에 배치되도록 크기가 정해진다.
도 2b는 도 2a의 라인 2B-2B를 따라 취해진 지지 실린더(200)의 단면도이다. 도 2c는 도 2b에 도시된 지지 실린더(200)의 일부 "2C"의 확대도이다. 300mm 기판에 대하여, 지지 실린더(200)는 약 310mm 내지 약 360mm, 예를 들어 약 330mm의 외측 직경 "D1"(외측 주변 표면(204)으로부터 측정됨), 및 약 305mm 내지 약 350mm, 예를 들어 약 324mm의 내측 직경 "D2"(내측 주변 표면(202)으로부터 측정됨)를 가질 수 있다. 지지 실린더(200)는 약 10mm 내지 약 80mm, 예를 들어 약 24mm의 두께 "T1"(도 2b)을 가질 수 있다. 지지 실린더(200)는 약 2.5mm 내지 약 35mm, 예를 들어 약 6mm의 반경 폭(W1)을 가질 수 있다. 일반적으로, 반경 폭(W)의 치수는, 프로세스 동안 지지 실린더(200) 및 지지 링이 회전할 때, 지지 실린더 위에 배치될 지지 링(즉, 도 1의 지지 링(14))이 지지 실린더(200)로부터 미끄러져 떨어지지 않는 것을 보장하도록 선택된다. 더 크거나 작은 기판 및/또는 처리 챔버가 이용되는 경우에 상술한 치수들이 달라질 수 있다고 고려된다.
도 2c에 도시된 일 실시예에서, 지지 실린더(200)의 제1 단부(206)는 사면형 표면 부분(beveled surface portion)(208) 및 둥근 표면 부분(rounded surface portion)(210)을 가질 수 있다. 둥근 표면 부분(210)은 지지 실린더(200) 내의 기계적 응력을 감소시키기 위해 약 0.25mm 내지 약 0.5mm의 반경을 가질 수 있다. 사면형 표면 부분(208)은 지지 실린더(200)의 외측 주변 표면(204)으로부터 내측 주변 표면(202)으로 방사상 연장되는 평면 표면(212)을 통해 둥근 표면 부분(210)에 연결된다. 사면형 표면 부분(208)은 내측 주변 표면(202)에 대하여 약 15° 내지 약 40°, 예를 들어 약 30°의 각도 "α"로 내측 주변 표면(202)을 향해 아래로 기울어진다. 평면 표면(212)은 약 0.5mm의 폭 "W2"를 가질 수 있다. 평면 표면(212)은 반도체 기판을 지지하는 지지 링(도시되지 않음)과 물리적으로 접촉하도록 구성된다. 그러므로, 지지 실린더(200)는, 지지 실린더(200)와 지지 링(및 그에 따른 기판) 사이의 열 전도 전달에 이용가능한 접촉 면적을 실질적으로 감소시키기 위해, 평면 표면(212)과만 지지 링을 접촉시킨다.
유사하게, 지지 실린더(200)의 제2 단부(214)는 사면형 표면 부분(216) 및 둥근 표면 부분(218)을 가질 수 있다. 사면형 표면 부분(216)은 지지 실린더(200)의 외측 주변 표면(204)으로부터 내측 주변 표면(202)으로 방사상 연장되는 평면 표면(220)을 통해 둥근 표면 부분(218)에 연결된다. 사면형 표면 부분(216)은 외측 주변 표면(204)에 대하여 약 15° 내지 약 40°, 예를 들어 약 30°의 각도 "θ"로 외측 주변 표면(204)을 향해 아래로 기울어진다. 평면 표면(220)은 자기 로터(도시되지 않음)에 결합되도록 구성되며, 이 자기 로터는, 지지 실린더(200)의 중심 종방향 축 "C"에 대한 자기 로터의 회전, 및 그에 따른 지지 실린더(200), 지지 링 및 지지된 기판의 회전을 유도하기 위해 회전가능한 플랜지(32)(도 1)에 자기적으로 결합된다.
지지 실린더(200)의 사면형 표면 부분들은 레이저 머시닝 기법 또는 임의의 적합한 기법을 이용하여 형성될 수 있다. 평면 표면(212)을 이용하여 지지 링에 접촉하는 대신에, 지지 실린더(200)의 제1 단부(206)는 지지 실린더(200)와 그 위에 배치될 지지 링 사이의 열 전도 전달을 위한 제한된 접촉 면적을 갖는 범프 또는 돌출부를 제공하도록 구성될 수 있다. 범프 또는 돌출부는 직사각형, 마름모형, 정사각형, 반구형, 육각형, 또는 삼각형 돌기들과 같은 임의의 적합한 형상일 수 있다. 반구형 형상의 범프들 또는 돌출부들은 유효 열 용량 감소에 있어서 유리할 수 있는데, 그 이유는 반구형 형상의 범프들 또는 돌출부들이 면 접촉(surface contact)을 점 접촉(point contact)으로 변화시킴으로써 지지 실린더(200)와 지지 링(및 그에 따른 그 위에 배치된 기판) 사이의 표면 접촉 면적을 더 감소시키기 때문이다. 지지 링이 기판 지지체와 지지 실린더(200) 사이의 접촉 면적을 최소화하면서 견고하게 지지되는 한, 평면 표면(212)(또는 이용된다면 범프들/돌기들)의 형상 및/또는 치수는 변할 수 있다.
일 실시예에서, 지지 실린더(200)는 불투명한 석영 유리 재료로 이루어진다. 지지 실린더(200)가 기판의 온도 측정을 위해 이용되는 고온계(예를 들어, 도 1의 고온계들(40))의 주파수 범위 내의 복사에 불투명해지도록, 불투명한 석영 유리 재료는 미시적으로 작은 가스 함유물 또는 공극들을 높은 농도로 가질 수 있다. 본 명세서에 언급된 "불투명한"이라는 용어는, 1.7-2.2g/cm3 범위의 겉보기 밀도(apparent density), 10 내지 100㎛ 범위의 평균 기포(bubble) 또는 가스 함유물 직경, 및 6x105 내지 9x108 기포/cm3의 기포 또는 가스 함유량을 갖는 석영 유리를 지칭할 수 있다. 불투명한 석영 유리 재료는 온도 측정을 방해할 수 있는 외부 소스들로부터의 복사를 차단할 수 있으므로, 기판의 온도 측정의 정확도가 개선된다. 추가로, 불투명한 석영 유리 재료로 이루어진 지지 실린더는 지지 실린더(200)의 중심으로부터 지지 링과 같은 주변 컴포넌트들로의 열 전도를 저하시키는 더 높은 열 저항률을 갖는다. 또한, 불투명한 석영 유리 재료 내의 가스 함유물들 또는 공극들은, 지지 실린더(200)가 히트 싱크(heat sink)가 되는 것을 방지하기 위해, 석영 내에 가두어진 광을 산란시킨다. 하나의 예시적인 불투명한 석영 유리 재료는 독일 Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG로부터 입수가능한 합성 흑색 석영(SBQ)이다. 대안적으로, 불투명한 석영 유리 재료는, 다양한 형상의 가스 함유물들 또는 공극들로 이루어진 것들에 더하여, 또는 그들 이외에, 미시적 고체 입자들 ZrO2 및 HfO2로 이루어질 수 있다. 합성 흑색 석영은 열적으로 단열성이고 높은 온도들에서 치수 안정적(dimensionally stable)이고, 기판으로부터의 고온계 신호와의 바람직하지 않은 간섭을 회피하기 위해, 고온계(예를 들어, 도 1의 고온계들(40))의 주파수 범위 내의 적외선 복사에 본질적으로 불투명하다. 구체적으로, 높은 열 부하들 하에서 열 응력을 야기할 수 있는 열 팽창 불일치를 감소시키기 위해 지지 실린더(200) 및 그 위에 형성될 코팅 층(아래에 논의됨)이 서로와 실질적으로 일치하거나 유사한 열 팽창 계수를 갖도록, 합성 흑색 석영 재료는 낮은 열 팽창 계수(약 5.1x10-7/℃)를 갖는다. 합성 흑색 석영 재료는 또한 매우 낮은 불순물 레벨을 갖는다. 여기에서 설명된 바와 같은 낮은 불순물 레벨은 Na, K, Li, Al, Fe, Cu, Mg, Ca 및 Ti와 같은 금속 불순물의 총 함량이 5wt ppm 미만인 고순수 흑색 석영을 지칭한다. 합성 흑색 석영 재료의 속성들 중 일부가 표 1에 제공된다.
Figure 112017019875619-pat00001
일부 실시예들에서, 합성 흑색 석영은 흑색화(blackening) 원소 또는 화합물을 석영 유리의 재료에 첨가함으로써 형성될 수 있다. 적합한 화합물은 V, Mo, Nb, C, Si, 산화 철 또는 텅스텐을 포함할 수 있다. 첨가되는 흑색화 원소의 양은 구체적으로 제한되지는 않지만, 일반적으로는 석영 유리의 중량에 기초한 중량으로 0.1 내지 10%이다. 일부 실시예들에서, 합성 흑색 석영은 석영 유리, 금속 또는 세라믹과 같은 기판 상에 석영 유리 또는 흑색 실리카를 열 스프레이(thermal spraying)함으로써 이루어질 수 있다. 기판 상에 형성된 그러한 흑색 석영 유리 열 스프레이 필름을 갖는 지지 실린더는 우수한 차광 속성 및 열 차폐 속성뿐만 아니라, 우수한 원적외선 복사 속성을 갖는다. 원한다면, 불투명한 석영 유리 열 스프레이 필름이 흑색 석영 유리 열 스프레이 필름 상에 추가로 적층될 수 있다. 그러한 불투명한 석영 유리 열 스프레이 필름이 적층된 흑색 석영 유리 열 스프레이 필름은 적외선을 산란시키고, 가시광선에 영향받지 않으며, 따라서 단열 속성을 위해 더 효과적이다.
일부 실시예들에서, 불투명한 석영 유리 재료는, 약 900℃ 내지 약 2500℃와 같은 높은 온도들에서, 진공 하에서, 대기압 하에서, 또는 0.05MPa 이상(예를 들어, 1000MPa)의 높은 압력 하에서, 석영 유리 다공성 바디를 가열 및 버닝(burning)함으로써 획득될 수 있다.
합성 흑색 석영 재료를 이용하는 지지 실린더(200)의 다른 변형들도 고려된다. 예를 들어, 지지 실린더(200)는 투명한 석영, 실리콘 탄화물, 실리콘 함침된 실리콘 탄화물(silicon-impregnated silicon carbide) 등으로 이루어진 코어 바디(core body)일 수 있으며, 위에서 논의된 바와 같은 합성 흑색 석영 재료로 이루어진 코팅 층이 코어 바디의 노출된 표면 대부분을 덮는다.
도 3은 본 개시물의 다른 실시예에 따른 도 2b에 도시된 지지 실린더(200)의 일부의 개략적인 측면도를 도시한다. 이러한 실시예에서, 지지 실린더(200)는 광학적 투명 층, 예를 들어 투명한 용융 석영 재료(302)로 추가로 코팅된다. 투명한 용융 석영 재료(302)는 약 1.5의 굴절률을 가질 수 있다. 투명한 용융 석영 재료 층(302)은 약 30㎛ 내지 약 200㎛, 예를 들어 약 100㎛의 두께 "T2"를 가질 수 있다. 투명한 용융 석영 재료 층(302)은, 로터 또는 다른 컴포넌트들에 결합될 위치인 사면형 표면 부분(216), 평면 표면(220) 및 둥근 표면 부분(218)을 제외하고, 지지 실린더(200)의 노출된 표면들 대부분을 덮을 수 있다. 대안적으로, 투명한 용융 석영 재료 층(302)은 지지 실린더(200)의 전체 표면을 덮을 수 있다. 투명한 용융 석영 재료 층(302)이 선택되는데, 그 이유는 그것이 약 300℃ 내지 약 1450℃의 관련 온도 범위에서 낮은 열 팽창 계수(약 5.5x10-7/℃)를 갖기 때문이다. 투명한 용융 석영 재료 층은 SiO2의 중량의 적어도 99.9%인 순도를 가질 수 있다.
석영 재료(즉, 합성 흑색 석영)로 또한 이루어지는 지지 실린더(200) 상에 투명한 용융 석영 재료 층을 제공하는 것이 유리한데, 그 이유는 투명한 용융 석영 재료 층(302)이 하부의 합성 흑색 석영 재료에 대해 양호한 부착성을 나타내기 때문이다. 더 중요하게는, 투명한 용융 석영 재료 층(302)은 하부의 합성 흑색 석영 재료와 실질적으로 일치하거나 유사한 열 팽창 계수를 갖고, 그에 따라 불투명도를 손상시키는 코팅 내의 균열 및 급속한 부품 열화, 및 입자 문제들을 초래할 수 있는 지지 실린더 상의 열 응력을 감소시키거나 심지어는 회피한다. 투명한 용융 석영 재료 층(302)은 또한 적외선 범위에서 지지 실린더(200)의 복사율을 개선한다. 적외선 범위에서 지지 실린더(200)의 복사율을 증가시킴으로써, 지지 실린더(200)는 더 신속하게 가열될 수 있고, 그에 의해, 지지 실린더(200)는 지지 링으로부터 열을 빼앗는 열 부하의 역할을 하지 않고, 기판의 온도 측정들을 방해할 수 있는 히트 싱크가 되지 않는다.
하부 가열 유형의 구성(즉, 기판은, 기판의 후면 표면이 복사 열원에 대향하는 한편, 집적 회로들과 같은 피쳐들이 있는 기판의 상부 표면이 복사 열원의 반대를 향하는 상태로 유지됨)을 채택하는 급속 열 처리 챔버들에 대하여, 지지 실린더(200)의 온도 분포를 제어하기 위해, 지지 실린더는 투명한 용융 석영 재료 층의 일부 또는 그 위에 형성된 반사 코팅 층을 더 가질 수 있다. 도 4는 본 개시물의 또 다른 실시예에 따른 반사 코팅 층을 이용하는 도 3에 도시된 지지 실린더(200)의 일부의 개략적인 측면도를 도시한다. 지지 실린더(200)는 복사 열원에 직접적으로 노출되면 지나치게 뜨거워지고 변형될 수 있으며, 이는 결국 지지 링, 그리고 그에 따른 지지된 기판이 수평으로 시프트하게 할 수 있다는 것이 관측되었다. 그러므로, 기판 온도 균일성이 바람직하지 않게 영향을 받는다. 지지 실린더(200)가 지나치게 뜨거워지는 것을 방지하기 위해, 복사 열원을 향하는 내측 주변 표면(202) 상의 투명한 용융 석영 재료 층(302) 상에 반사 코팅 층(402)이 도포될 수 있고, 그에 의해 열 복사는 가열 램프들에 다시 반사되어, 처리 동안 지지 실린더(200)를 더 낮은 온도로 유지하는 것을 돕는다. 반사 코팅 층(402)은 내측 주변 표면(202)의 표면적의 약 20% 내지 약 100%를 덮을 수 있다. 다양한 예들에서, 반사 코팅 층(402)은 내측 주변 표면(202)의 표면적의 약 25%, 약 30%, 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 70%, 약 80%, 약 90%, 약 95%를 덮을 수 있다. 일부 경우들에서, 반사 코팅 층(402)은 지지 실린더(200)로부터의 열 소산을 돕기 위해 지지 실린더(200)의 전체 표면을 덮을 수 있다. 그러한 반사 코팅 층(402)은 도시된 것과 같이 지지 실린더(200)의 내측 주변 표면(202)에 걸쳐 균일할 수 있고, 또는 지지 실린더(200) 상에 충돌하는 복사 열원으로부터의 적외선 복사의 불균일성에 반작용하도록 불균일하게 도포될 수 있다. 어느 경우에서든, 반사 코팅 층(402)은 약 20㎛ 내지 약 150㎛, 예를 들어 약 60㎛의 두께 "T3"을 가질 수 있다.
높은 열 부하들 하에서 균열을 동반하는 층 내의 열 응력을 야기할 수 있는 열 팽창 불일치를 감소시키기 위해, 반사 코팅 층(402)을 제조하기 위해 선택되는 재료들은 중간의 투명한 용융 석영 재료 층(302)과 실질적으로 일치하거나 유사한 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 반사 코팅 층(402)을 위해 이용될 수 있는 예시적인 재료들은 용융 실리카, 붕규산염 유리 등을 포함할 수 있다.
본 개시물의 예시적인 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자라면, 본 개시물을 통합하며 본 개시물의 범위 내에 또한 있는 다른 실시예들을 고안할 수 있다. 예를 들어, 반사 코팅 층(402)은, 복사 열원 및/또는 처리 챔버 내의 하나 이상의 컴포넌트로부터의 열 복사를 흡수함으로써 지지 실린더(200)로부터의 열 소산을 돕기 위한 열 흡수성 코팅 층으로 대체될 수 있다. 열 흡수성 코팅 층의 재료는 1 마이크로미터 내지 4 마이크로미터의 파장, 또는 다른 관심 파장들에서 열 복사를 흡수하도록 선택될 수 있다. 일부 가능한 재료들은 폴리우레탄 재료, 카본 블랙 페인트, 또는 흑연 함유 조성물(composition including graphite)을 포함할 수 있다.
대안적으로, 반사 코팅 층(402)을 이용하는 대신에, 중간의 투명한 용융 석영 재료 층(302)은 복사 열원 및/또는 처리 챔버 내의 하나 이상의 컴포넌트로부터의 복사를 흡수하는 원자들(502)로 도핑될 수 있다(도 5). 원자들(502)은 내측 주변 표면(202)에서의 투명한 용융 석영 재료(302) 내에서, 또는 도 5에 도시된 것과 같이 투명한 용융 석영 재료(302) 전체 위에서 고르게 제공될 수 있다. 도펀트들이 지지 실린더(200)의 전체 표면 또는 내측 주변 표면(202) 위에 균일하게 분포되는 경우, 도핑은 지지 실린더(200)의 더 균일한 온도 프로파일을 야기할 수 있다.
전술한 것은 본 개시물의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시물의 다른 실시예들 및 추가 실시예들은 그것의 기본 범위로부터 벗어나지 않고서 고안될 수 있으며, 그것의 범위는 이하의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (16)

  1. 처리 챔버를 위한 지지 실린더로서,
    중공 원통형 바디를 포함하고, 상기 중공 원통형 바디는,
    내측 주변 표면(inner peripheral surface);
    상기 내측 주변 표면에 평행한 외측 주변 표면(outer peripheral surface) -상기 내측 주변 표면 및 상기 외측 주변 표면은 상기 지지 실린더의 종방향 축에 평행한 방향을 따라 연장됨-; 및
    상기 외측 주변 표면으로부터 상기 내측 주변 표면으로 방사상으로 연장되는 횡방향 부분(lateral portion)
    을 포함하고, 상기 횡방향 부분은,
    제1 사면형(beveled) 부분, 제1 둥근(rounded) 부분, 및 상기 제1 사면형 부분과 상기 제1 둥근 부분 사이의 제1 평면 부분을 갖는 제1 단부 -상기 제1 단부의 상기 제1 사면형 부분은 상기 내측 주변 표면에 대하여 제1 각도로 상기 내측 주변 표면을 향하여 경사져 있으며, 상기 제1 각도는 15도 내지 40도임-; 및
    상기 제1 단부와 대향하는 제2 단부 -상기 제2 단부는 제2 사면형 부분, 제2 둥근 부분, 및 상기 제2 단부의 상기 제2 사면형 부분과 상기 제2 단부의 상기 제2 둥근 부분 사이의 제2 평면 부분을 가지며, 상기 제2 단부의 상기 제2 사면형 부분은 상기 외측 주변 표면에 대하여 제2 각도로 상기 외측 주변 표면을 향하여 경사져 있고, 상기 제2 각도는 15도 내지 40도임-
    를 포함하는, 지지 실린더.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 단부의 상기 제1 둥근 부분은 0.25mm 내지 0.5mm의 반경을 갖는, 지지 실린더.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 처리 챔버를 위한 지지 실린더로서,
    중공 원통형 바디를 포함하고, 상기 중공 원통형 바디는,
    내측 주변 표면;
    상기 내측 주변 표면에 평행한 외측 주변 표면 -상기 내측 주변 표면 및 상기 외측 주변 표면은 상기 지지 실린더의 종방향 축에 평행한 방향을 따라 연장됨-; 및
    상기 외측 주변 표면으로부터 상기 내측 주변 표면으로 방사상으로 연장되는 횡방향 부분
    을 포함하고, 상기 횡방향 부분은,
    제1 사면형 부분, 제1 둥근 부분, 및 상기 제1 사면형 부분과 상기 제1 둥근 부분 사이의 제1 평면 부분을 갖는 제1 단부 -상기 제1 평면 부분은 범프(bump) 또는 돌출부를 가짐-; 및
    상기 제1 단부와 대향하는 제2 단부 -상기 제2 단부는 제1 부분, 제2 부분, 및 상기 제2 단부의 상기 제1 부분과 상기 제2 단부의 상기 제2 부분 사이의 제2 평면 부분을 가짐-
    를 포함하는, 지지 실린더.
  8. 제1항에 있어서, 상기 중공 원통형 바디는 불투명한 석영 유리 재료로 이루어지는, 지지 실린더.
  9. 제1항에 있어서, 상기 중공 원통형 바디는 실리카 코팅을 갖는 석영 유리인, 지지 실린더.
  10. 제1항에 있어서, 상기 중공 원통형 바디는 투명한 석영, 실리콘 카바이드, 또는 실리콘 함침된 실리콘 카바이드로 형성되는, 지지 실린더.
  11. 제1항에 있어서, 상기 중공 원통형 바디는 투명한 용융 석영으로 코팅되는, 지지 실린더.
  12. 제11항에 있어서, 상기 내측 주변 표면 상에 형성된 상기 투명한 용융 석영은 반사 코팅 층에 의해 덮여지는, 지지 실린더.
  13. 제12항에 있어서, 상기 반사 코팅 층은 용융 실리카, 붕규산염 유리인, 지지 실린더.
  14. 제11항에 있어서, 상기 내측 주변 표면 상에 형성된 상기 투명한 용융 석영은 1 마이크로미터 내지 4 마이크로미터의 파장에서 열 복사를 흡수하는 열 흡수성 코팅 층에 의해 덮여지는, 지지 실린더.
  15. 제14항에 있어서, 상기 열 흡수성 코팅 층은 카본 블랙 페인트 또는 흑연을 함유하는 조성물인, 지지 실린더.
  16. 삭제
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