KR102296883B1 - 기판을 열처리하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판들을 열처리하기 위한 장치(200)에 관한 것이다. 이러한 경우에, 가스 방전 램프(110)는 대기 작동시에 소위 시머 모드로 동작한다. 일정 전력의 전력 공급장치(280)는 제1 전자 스위치(290)를 통해 가스 방전 램프에 연결될 수 있다. 적어도 하나의 충전식 커패시터(120)는 제2 전자 스위치(170)를 통해 가스 방전 램프에 연결될 수 있다. 예를 들어, 20 밀리초(millisecond) 내지 500 밀리초의 지속 기간으로 기판의 단부 측의 열처리는 광 흡수에 관리되는 방식으로 장치(200)의 보조로 가능하다. 이러한 시간 창은, 특히, 2 내지 200 마이크로미터의 두께를 가지는 코팅들의 열처리를 위한 관심의 대상이며, 여기서 기판의 후방 측의 온도는 단부 측의 온도 미만을 유지할 수 있다. 또한, 단부 측 상의 온도는 시간 창의 종료 시에 제2 전자 스위치(170)를 통해 커패시터(120)에 연결되는 가스 방전 램프(110)에 의해 상당히 증가될 수 있다.

Description

기판을 열처리하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 적어도 하나의 가스 방전 램프(gas discharge lamp)에 의해 기판을 간단히 열처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 방법은 산업의 매우 다양한 분야들에서, 예를 들어, 반도체 제조(semiconductor production), 광기전력 모듈들(photovoltaic modules)의 제작, 또는 디스플레이 스크린(display screen) 제조에 적용된다. 적용의 새로운 영역들은, 특히, 나노입자들로의 인쇄된 전자장치들 또는 표면들의 코팅들을 포함한다. 열처리의 짧은 지속 기간 동안 때문에, 예를 들어, 확산 공정들은 최소화되며, 그리고 연속적인 산업용 시설들에서 노들(furnaces)에서 일상적인 것과 같은 가열 및/또는 냉각 라인들은 회피된다.
도 1은 반도체를 도핑하기 위한 다양한 방법들의 열처리의 시간의 지속 기간(chronological duration)을 도시한다.
도 2는 제조시에 플래쉬 램프들을 작동시키기 위해 전형적인, 장치(100)의 종래 기술을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 장치(100)에 대한 확장예(expansion)를 도시하며, 이는 부가의 전자 스위치 1(290) 및 부가의 전력 공급장치(280)로 구성된다.
도 1은 반도체를 도핑하기 위한 다양한 방법들의 열처리의 시간의 지속 기간(chronological duration)을 도시한다. 이들은 플래쉬 램프들을 사용하고(FLA = flash lamp annealing), 할로겐 및/또는 적외선 램프들을 사용하는(RTA = rapid thermal annealing) 열처리, 및 노들에서의 열처리(FA = furnace annealing)를 포함한다.
그러나, 실험들 및 열 시뮬레이션들에서, 하나 또는 다른 방법 또는 이들의 조합이 적용에 따라 열처리를 위해 적합한 것이 나타났다. 예를 들어, 소위 “광자 경화(photonic curing)”에서, 제1 공정 단계에서, 구리-함유 잉크는 플라스틱 필름 상에 인쇄되며, 제2 공정 단계에서, 구리-함유 잉크는 적외선 방사기에 의해 대략 1초 내에서 대략 120℃의 온도에서 건조되며, 그리고, 제3 공정 단계에서, 구리-함유 잉크는 1 ms 동안 800℃ 초과에서 플래쉬 램프들의 보조로 소결된다. 소결 공정은 플라스틱의 최대 작동 온도 때문에, 적외선 방사기들을 사용하거나 종래의 노에서 실행될 수 없다. 이에 반해, 건조 공정은, 인쇄된 잉크에 함유된 용제들이 증발될 때까지, 특히 필름의 두께에 따라, 소정의 시간을 요구한다. 이러한 건조 시간은 실제로 가능한 플래쉬 램프들의 펄스 지속 기간보다 열배 내지 수십배만큼 더 크다. 원칙적으로, 연속 플랜트들에서, 기판에 대한 적외선 방사기 또는 할로겐 램프 각각의 작용의 지속 기간은 또한 서로에 대해 높은 상대 속도로 1 ms의 범위에 설정될 수 있다. 그러나, 적외선 방사기들 또는 할로겐 램프들의 최대 가능 전력들은 800℃로의 신속한 온도 증가를 위해 요구되는 전력들 수십배 아래이다.
반도체 산업에서, 예를 들어, 이식 후에 도판트들(dopants)을 활성화하기 위해 또는 산소로 표면들을 산화시키기 위해 할로겐 램프들의 도움으로 RTA는 제조시에 고정된 컴포넌트이다. 기판 표면 상에서 보다 높은 온도들을 달성할 수 있기 위해, 일부 경우들에서, 할로겐 램프들 이외에도 플래쉬 램프들이 사용된다. 할로겐 램프들의 도움으로, 예를 들어, 1초 내지 수초 내에서 900℃로 반도체들을 가지는 전체 웨이퍼의 완전한 가열 후에, 플래쉬 램프들을 사용하는 열처리는, 대략 1300℃의 최대 표면 온도를 간단히 달성하기 위해, 직후에 일어난다. 할로겐 램프들에 의한 완전한 가열은 전체 웨이퍼 내에서 무시가능한 온도 구배를 의미한다. 플래쉬 램프들에 의해 유도되는 부가의 온도 증가는, 이에 반해, 단지 플래쉬 램프들에 의해 조명되는 웨이퍼의 측의 처음의 수 마이크로미터에 영향을 준다. 할로겐 램프들 및 플래쉬 램프들의 조합은 또한, “플래쉬 램프 보조식 스파이크 어닐링(flash lamp assisted spike annealing)”으로서 지칭된다. 플래쉬 램프들을 사용하여 유발되는 것보다 더 긴 1300℃의 범위에서의 온도들의 작용의 지속 기간은 트랜지스터에서 pn-트랜지션(transition)의 확산 프로파일들에 대한 불리한 효과들을 갖는다. 오직 플래쉬 램프들에 의해 실온으로부터 1300℃로 웨이퍼를 가열시키는 것은 과도하게 높은 온도 구배들 및 이에 링킹되는(linked) 열기계적 장력(웨이퍼의 분쇄(shattering)까지 이어짐)을 초래할뿐만 아니라, 오히려 이러한 목적을 위해 요구되는 전력들은 실시예에 따라, 플래쉬 램프들의 노출 제한에 가깝게 또는 심지어 그 초과이다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, FLA와 RTA 사이의 열처리에 대한 시간 갭(gap)이 존재한다. 이러한 갭은, 특히, 기판들 상의 코팅들에 관한 것이며, 이 코팅들은 대략 2 내지 최대 대략 200 μm의 두께를 갖는다. 예를 들어, 이들은 나노입자들 또는 래커들을 가지는 졸-겔 필름을 포함한다. “플래쉬 램프 보조식 스파이크 어닐링” 에 따라 기판 내측에서의 더 적은 온도 구배들을 생성하지만 동시에 기판의 후방 측이 실온으로 유지되는 방법을 발견하는 것은 또한 큰 관심의 대상이다. 이론적으로, 이러한 방법은 다수의 에너지 소스들 대신에 단일 유형을 사용하여 관리해야 한다. 공간의 이유들로, 플래쉬 램프 보조식 스파이크 어닐링에서, 할로겐 램프들은 통상적으로, 웨이퍼의 후방 측을 조사하도록 배열되며, 그리고 플래쉬 램프들은 트랜지스터들이 위치되는 전방 측을 조사하도록 배열된다. 이러한 특별한 배열은 단지, 할로겐 램프들에 의한 웨이퍼의 완전한 가열 때문에 가능하다. 그러나, 열처리를 위한 기판의 완전한 가열이 회피되어야 한다면, 즉 기판의 후방 측이 특정 온도를 초과할 수 없다면, 이에 따라, 양자 모두의 에너지 소스들은 단지 전방 측 상에 배열될 수 있다. 이는, 특히, 광 광학 유닛(light optical unit)에 대한 공간 또는 제한들의 이유들로 항상 가능하지 않다.
할로겐 램프들 또는 적외선 램프들의 추가의 단점은 상대적으로 긴 스위칭-온 또는 스위칭-오프 시간이다. 예를 들어, 할로겐 램프들의 백열 코일(incandescent coil)이 할로겐 램프들이 스위치 온될 때의 완전 방사 전력(full radiant power)으로 가열될 때까지 대략적으로 0.5초가 걸린다. 플래쉬 램프들의 경우에, 이에 반해, 스위칭-온-시간은 1 마이크로초 내지 수 마이크로초의 범위에 있을 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 위해, 에너지 소스를 위한 스위칭-온 및 스위칭-오프 시간들은 총 노출 지속 기간의 10%보다 더 짧을 수 있다. 이는, 이론적으로, 플래쉬 램프들의 경우와 같이 짧으며, 이는 수 마이크로초의 범위에 있다.
원칙적으로, 레이저들은 도 1에서 스케칭되는(sketched) FLA와 RTP 사이의 시간 갭을 위해 사용될 수 있다. 그러나, 위에서 언급된 에너지 소스들에 대한 레이저들의 생성 및 작동에 대한 실질적으로 보다 높은 비용들을 무시한다면, 제조시에 달성가능한 처리량은 대부분의 경우들에서 아주 너무 낮다. 처리량을 증가시키기 위한 다수의 레이저들의 사용은, 특히, 비용의 이유들로, 특히, 레이저들이 서로 함께 조정되어야하기 때문에 실행가능하지 않다. 또한, 상이한 온도 프로파일들이 레이저들을 통해 초래되는데, 왜냐하면 평행하게 배열되는 플래쉬 램프들 또는 할로겐 램프들 및/또는 적외선 방사기들의 구역들의 평면 작용과는 대조적으로, 레이저들의 점 모양 작용(punctiform action) 및 이로부터 초래되는 기판 상의 온도 프로파일들 때문이다. 상이한 온도 프로파일들은 기판의 열처리의 결과에 대한 상이한 효과들을 수반할 수 있다.
도 2는 제조시에 플래쉬 램프들을 작동시키기 위해 전형적인, 장치(100)의 종래 기술을 도시한다. 원칙적으로, 회로는 플래쉬 램프(110), 에너지 소스로서 커패시터(capacitor)(120), 및 전류 제한을 위한 스로틀 코일(throttle coil)(130)로 구성된다. 별도의 전력 공급장치(140)는 플래쉬 램프의 점화(ignition)를 위해 필요하며, 이는 소위 “외부 점화”로서 도면에 구체화된다. 외부 점화는, 예를 들어, 금속으로 제조된 광학 반사체로 구성되며, 이 광학 반사체는 플래쉬 램프 주위에 배열되고 그리고 점화의 전력 공급장치에 전기식으로 연결된다. 다른 점화 변경들은 또한 플래쉬 램프들의 적용에 따라 사용된다.
레이저들의 광학 펌핑을 위해 플래쉬 램프들을 사용하는 동안, 플래쉬 램프들이 소위 시머(simmer) 전력 공급장치에 의해 대기 모드(standby mode)에서 작동된다면, 플래쉬 램프들의 서비스 수명이 연장될 수 있는 것으로 나타난다. 시머들(simmers)은, 점화 스파크(ignition spark)와 유사하게 플래쉬 램프에서의 얇은 플라즈마 스레드 버닝(thin plasma thread burning)을 유지하는 전력 공급장치들이다. 예를 들어, 플래쉬 램프를 통과하는 시머 전류는, 플래쉬 램프의 점화 후에 0.5 A이다. 플래쉬 램프의 실제 작동 모드로 전환하기 위해, 커패시터(120)는 전력 공급장치(150)에 의해 미리 충전되어야 한다. 후속하여, 커패시터(120)는 전자 스위치(electronic switch)(170)를 통하여 플래쉬 램프(110)를 통해 방출된다. 작동 모드에서의 전류는, 실시예 및 플래쉬 램프의 요망되는 광 강도에 따라, 수백 암페어(amp) 내지 최대 수천 암페어일 수 있다. 플래쉬 램프들의 작동 모드에서의 방전의 펄스 지속 기간은 전형적으로, 50 μs 내지 20 ms이며, 여기서 플래쉬 램프를 통과하는 전류는 시간에 대한 가우스 함수(Gaussian function)의 형태를 취한다. 커패시터의 방전 절차는 제 시간에(in time) 임의 지점에서 전자 스위치(170)에 의해 이러한 경우에 정지될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 장치(100)에 대한 확장예(expansion)를 도시하며, 이는 부가의 전자 스위치 1(290) 및 부가의 전력 공급장치(280)로 구성된다. 전력 공급장치(280)는 가장 간단한 구성의 표유 전자계 변압기일 수 있으며, 이 표유 전자계 변압기는 플래쉬 램프(110)의 아크 길이에 따른 충분히 높은 무부하 전압(no-load voltage)을 위해 고려되고 그리고 수동으로 그리고 기계적으로 설정가능한 단락 전류(short-circuit current)를 갖는다. 수동으로 그리고 기계적으로 설정가능한 표유 전자계 변압기들은 또한, 금속들의 전기 용접을 위해 사용된다. 변압기의 출력은 정류기를 통해 전자 스위치 및 접지 라인(ground line)에 연결된다. 전력 공급장치(280)를 위한 전형적인 출력 전류들은 10 내지 100 A이다. 커패시터(120)와는 대조적으로, 표유 전자계 변압기는 일정한 전류를 공급해서, 플래쉬 램프(110)는 연속적으로 버닝하는 가스 방전 램프로서, 하지만 커패시터(120)보다 열배 내지 수십배만큼 적은 전력으로 및/또는 플래쉬 램프를 통과하는 전류의 강도에 대응하는 전력으로 작동될 수 있다. 표유 전자계 변압기에 대한 대안적인 전력 공급장치들, 예를 들어, 스위칭 전력 공급장치들은 또한 적합하다.
전력 공급장치(280)를 위한 공공 전력 네트워크(public power network)에 대한 간단하고 매우 높은 전력 요구들을 회피하기 위해, 재충전가능한 배터리들이 버퍼들(buffers)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 수백 볼트 내지 수천 볼트의 범위에서의 전압은 많은 재충전가능한 배터리들의 일련의 회로에 의해 1000 A보다 더 큰 전류들로 발생될 수 있으며, 이는 자동차의 시동을 거는 데 사용된다. 재충전가능한 배터리의 화학 반응 시간은 전형적으로 수 마이크로초의 범위에 있어서, 1 ms 내지 수초의 시간 범위의 노출 시간들은 문제들 없이 구현될 수 있다. 재충전가능한 배터리들은 2개의 연속적인 노출들 사이의 공공 네트워크로부터 연속 전력 회수(continuous power withdrawal) 동안 충전되며, 이는, 예를 들어, 30초의 시간 간격을 갖는다.
램프(110)는 전자 스위치 2(170)를 사용하는 경우와 동일하게 빠르게 전자 스위치 1(290)을 사용하여 스위칭 온 및 오프될 수 있어서, 노출 시간은, 할로겐 램프들 또는 적외선 램프들을 갖는 경우와 같이, 스위칭-온 또는 스위칭-오프 절차 동안 상당한 지연들 없이 거의 임시적으로 짧게 설정될 수 있다.
하나의 중요하고 제한된 인자는, 예를 들어, 공기 또는 물을 사용하는 램프의 냉각이다. 석영 유리 또는 플래쉬 램프 또는 텅스텐으로 주로 구성되는 플래쉬 램프의 전극들은 제 시간에 임의의 지점에서 용융될 수 없다. 그러나, 연속 작동에서 최대 전류들 훨씬 위의 전류들은 플래쉬 램프들에서와 유사하게, 예를 들어, 500 ms의 지속 기간 동안 기판의 열처리를 위해 간단히 설정될 수 있다.
원칙적으로, 양자 모두의 전자 스위치들(170, 290)은 제 시간에 임의의 지점에서 그리고 서로 독립적으로 폐쇄되거나 개방될 수 있다. 그러나, 다음의 3개의 변경들만이 기판의 열처리를 위해 실제 관련된다(practice-relevant): a) 배타적으로는, 전자 스위치 1(290)은 시간의 요망되는 길이 동안 폐쇄되고 그리고 후속하여 다시 개방되며, b) 배타적으로는, 전자 스위치 2(170)가 폐쇄되며, 여기서 기판의 최대 열처리 시간은 커패시터의 정전용량(capacitance)에 의존하며, c) 전력 공급장치(280)를 채택하면서, 램프(110)를 사용하여 기판의 요망되는 노출 시간의 종료 시에, 전자 스위치 2(170)는 폐쇄되며 그리고 대략적으로 동시에 램프의 전력 공급장치는 전자 스위치 1(290)의 개방을 통해 연속 작동(280)을 위한 전력 공급장치로부터 분리되어서, “플래쉬 램프 보조식 스파이크 어닐링”과 유사한 온도 곡선이 발생한다. 이러한 경우에, 가열은 일 측으로부터, 하지만 예를 들어, 기판의 전방 측으로부터 항상 일어난다.
도 3의 장치는, 도 1에 따른 FLA와 RTP 사이의 범위에서, 즉, 대략 20 ms 내지 대략 500 ms의 범위에서 플래쉬 램프들 및/또는 할로겐 램프들 또는 적외선 램프들에 대한 부가의 노출 시간들을 제안한다. 게다가, 램프(110)의 보다 높은 광 전력들은, 또한 전형적인 노출 시간들의 RTP를 위해 할로겐 또는 적외선 램프들과 비교하여 달성될 수 있다. 더욱이, 단지 단일 유형의 램프들만이 “플래쉬 램프 보조식 스파이크 어닐링”과 비교하여 기판의 열처리를 위해 요구된다.
100: 종래 기술에 따른 장치
110: 가스 방전 램프
120: 커패시터
130: 스로틀 코일
140: 점화를 위한 전력 공급장치
150: 커패시터를 충전하기 위한 전력 공급장치
160: 시머 작동을 위한 전력 공급장치
170: 전자 스위치 2
200: 본 발명에 따른 장치
280: 연속 작동을 위한 일정 전력을 가지는 전력 공급장치
290: 전자 스위치 1

Claims (8)

  1. 적어도 하나의 가스 방전 램프(gas discharge lamp)(110)를 사용하여 기판을 열처리하기 위한 방법으로서,
    하나의 작동 모드에서, 전력 공급장치(150)에 의해 미리 충전된 커패시터(120)는 상기 가스 방전 램프(110)를 통해 방전되고,
    상기 가스 방전 램프(110)는 상기 작동 모드에서보다 적어도 열배(one order of magnitude) 만큼 적은 전력인 일정한 전기 전력(constant electrical power)으로 20 ms 내지 5초의 지속 기간을 가지는 제1 시간 기간 동안 작동되며, 그리고 상기 제1 시간 기간의 종료시에, 상기 가스 방전 램프의 평균 전기 전력은 50 μs 내지 20 ms의 지속 기간을 가지는 제2 시간 기간 동안 적어도 열배 만큼 증가되는 것을 특징으로 하는,
    적어도 하나의 가스 방전 램프를 사용하여 기판을 열처리하기 위한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 2 μm 내지 200 μm의 두께를 갖는 코팅(coating)을 가지는,
    적어도 하나의 가스 방전 램프를 사용하여 기판을 열처리하기 위한 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 코팅은 적어도 하나의 졸-겔 필름(sol-gel film), 래커(lacquer), 또는 나노입자들(nanoparticles)로 구성되는,
    적어도 하나의 가스 방전 램프를 사용하여 기판을 열처리하기 위한 방법.
  4. 적어도 하나의 가스 방전 램프(110)를 사용하여 기판을 열처리하기 위한 장치로서,
    상기 장치는, 대기 모드(standby mode)에서 시머 작동(simmer operation)을 가지며, 작동 모드에서 제1 전자 스위치(electronic switch)(170)를 통해 적어도 하나의 전기 충전된 커패시터(120)에 연결될 수 있고,
    상기 가스 방전 램프는 제2 전자 스위치(290)를 통해 20 ms 내지 5초의 지속 시간 동안 상기 작동 모드에서보다 적어도 열배 만큼 적은 일정 전력의 전력 공급장치(280)로 연결되는 것을 특징으로 하는,
    적어도 하나의 가스 방전 램프를 사용하여 기판을 열처리하기 위한 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전력 공급장치(280)는 표유 전자계 변압기(stray field transformer) 및 정류기(rectifier)를 보유하는,
    적어도 하나의 가스 방전 램프를 사용하여 기판을 열처리하기 위한 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 표유 전자계 변압기의 최대 전류 세기는 기계적인 레귤레이터(regulator)를 통해 수동으로 설정 가능한,
    적어도 하나의 가스 방전 램프를 사용하여 기판을 열처리하기 위한 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 전력 공급장치(280)는 적어도 하나의 재충전가능한 배터리(rechargeable battery)를 보유하는,
    적어도 하나의 가스 방전 램프를 사용하여 기판을 열처리하기 위한 장치.
  8. 삭제
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