KR19980080382A - 기판 웨이퍼 처리 장치 및 이 장치의 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
기판 웨이퍼(14)를 처리하는 장치는 반응챔버(11), 기판 웨이퍼(14)를 유지하기 위한 웨이퍼 홀더(13) 및 서스셉터(12)를 갖는다. 두 개의 센서 엘리먼트(161,162)를 갖는 온도 센서(16)는 서스셉터(12)와 기판 웨이퍼(14) 사이의 장소와 서스셉터(12) 장소에서의 온도 차를 측정하기 위해 제공된다. 특히, 두 접점을 갖는 열전쌍이 온도 센서(16)로서의 역할을 한다.
Description
대다수 반도체 제조공정에서, 처리되어야 할 기판 웨이퍼의 온도는 1퍼센트 미만의 오차를 갖는 정확도로 측정 및/또는 조절되어야 한다. 이러한 기술적 문제는 반도체 제조 이외에 유리 또는 플라스틱 기판 웨이퍼에 박층을 도포 및/또는 열 처리 동안과 같은 기판 웨이퍼에 대한 기타 처리시 발생한다.
반도체 제조에서, 관련되는 온도는 흔히 1000℃를 훨씬 넘는다. 기판 웨이퍼가 자신의 주위부와 열 평형상태를 이루도록 온도가 서서히 변하는 반응기와, 온도가 초당 50℃씩 급격하게 변하는 소위 RTP 반응기 모두에서 발생한다.
처리되어야 할 기판 웨이퍼의 온도를 측정하는 다양한 방법이 제안되어 왔다(예로서, Solid State Technology, 1996년 12월, 34 내지 36 쪽을 참조). 광학식 방법으로, 기판 웨이퍼로부터 또는 기판 웨이퍼를 통하는 방사 강도가 측정된다. 이들 방법의 정확도는 방사 강도가 기판 웨이퍼의 광학 특성에 좌우되어 방사되거나 전송된다는 사실에 의해 제한된다. 이들 특성은 기판 웨이퍼 마다 상이하므로 고비용의 보정 방법이 필요로 된다. 더욱이, 광학 특성은 층 증착과 같은 처리 동작동안 변화될 수 있다.
반응기에 서스셉터를 설치하는 방법도 제안되었다. 서스셉터는 기판 웨이퍼에 이웃하여 배열되는 몸체이다. 서스셉터의 매스는 응용에 대한 열 필요조건에 좌우된다. 온도가 급격히 변화될 것이 요구되는 RTP 반응기에서, 서스셉터는 작은 매스를 가지므로 일반적으로 작은 두께를 갖는다. 균일한 온도를 가질것이 필요로 되는 층 증착 반응기 또는 에피택시 반응기에서, 서스셉터는 일반적으로 커다란 크기를 가지므로 커다란 두께를 갖는다. 핫 플레이트, 핫 라이너 및 열 차폐와 같은 용어는 본 명세서에서 모두 용어 서스셉터를 대신하는 용어이다. 기판 웨이퍼의 온도를 측정하기 위해, 서스셉터의 온도가 측정되고, 서스셉터의 온도는 실질적으로 기판 웨이퍼의 온도와 동일한 것으로 가정된다. 그러나, 광학 방법 또는 열전쌍을 이용한 서스셉터의 온도 측정치가 매우 정확할 지라도, 기판 웨이퍼의 온도가 서스셉터의 온도와 동일하다는 가정은 적어도 일반적으로 신뢰성을 갖지 못한다.
마지막으로, 음향방법도 제안되었지만, 이들 방법은 정확성 및 재현성으로 인해 현재까지는 만족스럽지 못한 것으로 알려졌다.
본 발명의 목적은 향상된 정확도로 기판 웨이퍼의 온도를 측정하기 위해 사용될 수 있는 수단이 구비된 기판 웨이퍼 처리 장치를 제공하는 것이다. 또다른 목적은 이러한 유형의 장치를 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 서로 독립적으로 제어될 수 있는 두 개의 가열 디바이스와 제어 유닛을 갖춘, 기판 웨이퍼 처리장치를 나타낸 도.
도 2는 냉각 디바이스를 갖는 기판 웨이퍼 처리 장치를 나타낸 도.
* 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 *
11, 21 ; 반응챔버 12, 22 ; 서스셉터
221 ; 오목부 13, 23 ; 웨이퍼 홀더
14, 24 ; 기판 웨이퍼 15, 25 ; 세라믹 실린더
16, 26 ; 열전쌍 161, 261 ; 제 1 접점
162, 262 ; 제 2 접점 163, 263 ; 와이어
171 ; 제 1 가열 디바이스 172 ; 제 2 가열 디바이스
27 ; 냉각 디바이스 18, 28 ; 측정 계기
19, 29 ; 제어 유닛
상기 목적은 청구항 1 에 따른 본 발명의 장치에 따라 달성된다. 본 발명의 추가 상세사항 및 이 장치의 작동방법은 이후의 청구항에 나타나 있다.
기판 웨이퍼 처리장치는 유리 또는 플라스틱 기판상에 박층을 증착하는 경우 및 반도체 제조에 사용될 수 있다. 반도체 제조시, 기판 웨이퍼 처리장치는 특히 RTP 반응기, 에피택시 반응기, CVD 반응기, 드라이 에칭 반응기 또는 플라즈마-강화 CVD 반응기 형태로 제조될 수 있다.
기판 웨이퍼 처리장치는 기판 웨이퍼를 쥐는 기판 홀더 및 서스셉터가 구비된 반응 챔버를 포함한다. 서스셉터와 웨이퍼 홀더 사이에 있는 위치의 온도와 서스셉터 위치에서의 온도 간의 온도 차를 측정하는 데 적합한 온도 센서가 더 구비된다. 이러한 목적으로, 온도 센서는 적어도 두 개의 온도 센서를 가지며, 이중 하나는 서스셉터상에 배열되고, 다른 하나는 서스셉터와 웨이퍼 홀더 사이의 위치에 배열된다.
기판 웨이퍼의 온도를 측정하기 위해, 본 발명은 이 장치로 측정되어야 할 기판 웨이퍼와 서스셉터 사이의 위치와 서스셉터간의 온도 차를 위해 제공한다. 이와는 별도로, 고정밀도로 측정될 수 있는 서스셉터 온도에 대한 측정이 행해진다. 서스셉터의 온도와 온도차를 기초로 하여, 기판의 온도를 측정하기 위해 교정 곡선이 사용된다.
이것은 단지 온도 센서가 측정한 온도차이고, 이 차이는 서스셉터의 온도 보다 훨씬 작으므로, 기판 웨이퍼의 온도에 관하여 향상된 정확도가 달성된다. 서스셉터의 온도가 1000℃ 이면, 온도 차가 섭씨 수 도이고, 온도센서를 위한 측정 에러가 10 퍼센트 범위내이면, 기판 웨이퍼의 온도에 대해 1 퍼센트 미만의 오차를 갖는 정확도가 달성된다.
적절한 서스셉터의 예는 기판 웨이퍼의 표면 영역과 비교될 수 있는 (1 cm)2내지 (1 m)2사이의 표면영역을 가지며 두께가 0.1 mm 내지 수 cm인, 그래파이트, 반도체, 유리, 세라믹 또는 금속으로 제조된 몸체이다.
바람직하게, 두 접점(junction)을 갖는 열전쌍은 온도 센서로서 사용되고, 접점은 온도센서의 엘리먼트를 나타낸다. 두 접점중의 하나는 서스셉터의 표면에 배열되고, 다른 접점은 서스셉터와 기판 웨이퍼의 사이에 배열된다. 열전쌍은 측정 온도차에 비례하여 전압을 전달한다.
바람직하게, 유리 또는 세라믹과 같은 열 절연재로 된 프레임은 열전쌍을 유지하기 위해 서스셉터의 표면에 배열된다. 예를들어, 하나의 접점은 리테이닝 디바이스의 베이스에 배열되고, 다른 접점은 반대측에 고정된다. 이 프로시저는 기하학적 배열을 결정한다. 동시에, 프레임은 서스셉터와 기판 웨이퍼 사이에 배열된 접점과 서스셉터간에 열 접촉을 방지한다. 이러한 유형의 프레임은 중공 세라믹 실린더 형태로 제조될 수 있다.
본 발명은 웨이퍼 홀더에 결합되어질 서스셉터를 제공한다. 이 경우에, 서스셉터와 기판 웨이퍼 사이의 간격은 매우 작다. 본 실시예에서, 서스셉터는 웨이퍼 홀더와 대면하는 일측상에 있는 오목부를 가지며 여기에 온도센서 엘리먼트가 배열된다. 이 경우에 서스셉터 호모지니어스에 온도를 배분시키기 위해 오목부의 크기를 가능한한 작은 크기로 유지하는 것이 유익하다.
본 발명의 장치는 서로가 독립적으로 구동될 수 있는 제 1 가열 디바이스 및 제 2 가열 디바이스를 갖는다. 적절한 가열 디바이스의 예는 램프 히터 및 저항성 히터를 포함한다. 제 1 가열 디바이스는 기판 웨이퍼를 가열시키는 것을 목적으로 하고, 제 2 가열 디바이스는 서스셉터를 가열시키는 것을 목적으로 한다. 더욱이, 이 장치는 제어 유닛을 가지며, 이 유닛을 이용하여 제 1 가열 디바이스는 온도 센서에 의해 측정된 온도 차의 함수로서 제어될 수 있다. 바람직하게 제 1 가열 디바이스는 온도 차가 제로가 되도록 제어된다. 기판 웨이퍼의 온도는 따라서 서스셉터의 온도와 동일하게 될 것이다. 그러므로 그것은 서스셉터의 온도를 측정하므로써 정확히 측정될 수 있다.
본 발명의 추가 실시예에 따라, 웨이퍼 홀더에 열적으로 결합된 냉각장치가 구비된다. 적절한 냉각 디바이스는 서스셉터와 기판 웨이퍼 사이에 헬륨으로채워진 냉각 디바이스, 또는 기계적 힘 또는 정전기력을 이용하여 인가된 압력 또는 서스셉터 냉각제를 포함한다. 냉각 디바이스를 제어할 수 있는 제어 유닛이 제공된다. 이 장치는 기판 웨이퍼가 처리에 따른 결과로 가열되는 반응기에 특히 유익하다. 이것은 플라즈마-강화 처리의 경우이다. 이 장치에서, 기판 웨이퍼의 온도는 온도차를 측정하므로써 모니터링되고, 따라서 냉각 디바이스는 기판 웨이퍼의 온도에 따라 제어될 수 있다.
본 발명은 도면에 예시된 실시예를 참조하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다.
서스셉터(12)는 그래파이트 또는 SiC 또는 Si로 이루어지고, 웨이퍼 홀더(13)는 반응 챔버(11)에 배열된다(도 1 참조). 서스셉터(12)는 디스크 형태이고 1mm의 두께를 가지며 수십 cm의 직경을 갖는다. 웨이퍼 홀더(13)는 수정 유리이고 서스셉터(12)에 기계적으로 연결된다.
웨이퍼 홀더(13) 위에는 기판 웨이퍼(14)가 있다. 기판 웨이퍼(14)는 예를들어 직경이 수십 cm이고 약 1mm의 두께를 갖는다. 기판 웨이퍼(14)는 예를들어 단결정 실리콘 웨이퍼, SOI 웨이퍼, 유리 웨이퍼 또는 플라스틱 웨이퍼이다. 기판 웨이퍼(14)와 서스셉터간의 간격은 예를들어 10mm이다.
열 절연재로 이루어 진 프레임(15)은 서스셉터(12)의 표면상에 배열된다. 프레임(15)은 예를들어 세라믹 실린더이고 높이가 약 8mm, 직경이 1mm 이고 벽 두께가 0.2mm이다.
제 1 접점(161), 제 2 접점(162) 및 와이어(163)를 포함하는 열전쌍(16)은 반응 챔버(11)에 배열된다. 제 1 접점(161)은 서스셉터(12)의 표면상에 있는 프레이(15)의 최하부에 배열된다. 제 2 접점(162)은 프레임(15)의 대향 측부 예를들어 실린더의 협폭부에 고정된다. 열전쌍의 단자를 형성하는 와이어(163)는 피드스루(feed-through)를 통해 반응챔버(11)로부터 인출된다(상세히 도시되지 않음). 와이어(163)의 직경은 예를들어 0.1 mm이다. 열전쌍(16)은 예를들어 플라티늄/로듐으로 이루어 진다.
제 1 가열 디바이스(171) 및 제 2 가열 디바이스(172)는 반응 챔버(11)에 설치된다. 제 1 가열 디바이스(171) 및 제 2 가열 디바이스(172)는 서로가 독립적으로 구동될 수 있다. 예를들어 램프 히터가 사용될 수 있다. 제 1 가열 디바이스(171)는 기판 웨이퍼(14)를 가열시키는 데 사용된다. 제 2 가열 디바이스(172)는 서스셉터(12)를 가열시키는 데 사용된다.
열전쌍(16)의 단자를 형성하는 와이어(163)는 측정계기(18)에 연결된다. 측정계기(18)에 걸치는 전압강하는 제1 접점(161)과 제 2 접점(162)간의 온도차에 좌우되는 신호이다. 이 전압신호는 제어유닛(19)의 입력단에 공급된다. 제어유닛(19)은 제 1 가열 디바이스(171)에 연결된다. 제어유닛(19)은 열전쌍(16)에 의해 측정된 온도차에 비례하는 전압신호가 제로로 되도록 제 1 가열 디바이스(171)를 제어한다. 이 경우에, 서스셉터(12)와 기판 웨이퍼(14)가 동일온도이면, 서스셉터(12)와 기판 웨이퍼(14)사이의 임의의 지점도 동일 온도라는 사실을 이용한다. 제 2 접점(162)은 결과적으로 서스셉터(12)와 기판 웨이퍼(14)사이의 임의의 지점에 배열될 수 있다.
기판 웨이퍼(14)의 절대온도를 측정하기 위해, 서스셉터(12)의 온도는 공지된 방식으로 측정된다. 설명된 제어방법은 기판 웨이퍼(14)의 온도가 서스셉터(12)의 온도와 동일하게 되는 것을 보장한다.
추가의 예시적 실시예에서, 기판 웨이퍼 처리 장치는 서스셉터(22)와 웨이퍼 홀더(23)가 배열된 반응 챔버(21)를 포함한다(도 2 참조). 웨이퍼 홀더(23)는 서스셉터(22)에 견고하게 연결된다. 이것은 서스셉터(22)의 에지에 대한 확장부를 형성하므로, 기판 웨이퍼(24)는 실질적으로 서스셉터(22)상에 놓인다. 서스셉터(22)는 예를들어 SiC-코팅된 그래파이트로 이루어진다. 이것은 직경이 수십 cm이고 두께가 수 cm인 실질적으로 실린더 형태를 갖는다.
오목부(221)는 서스셉터(22)의 베이스 표면에 배열된다. 오목부(221)는 기판 웨이퍼(24)가 놓이는 서스셉터(22)의 베이스 표면에 인접한다. 오목부(221)는 예를들어 반경이 약 1.8 mm이고, 깊이가 약 4.5mm이다.
프레임(25)은 오목부(221)의 각각에 배열된다. 이 프레임(25)은 세라믹 실린더이고 직경이 예를들어 1mm이고 벽 두께는 0.2 mm이고 높이는 4.3 mm이다.
각각의 세라믹 실린더는 하나의 열전쌍(26)을 위한 프레임을 나타낸다. 열전쌍(26)의 각각은 제 1 접점(261), 제 2 접점(262) 및 와이어(263)를 포함한다. 와이어(263)의 직경은 예를들어 0.1mm 이다. 열전쌍(26)은 플라티늄/로듐으로 이루어진다. 이 경우에 제 1 접점(261)은 서스셉터(22)의 표면상에서, 오목부(221)의 최하부에 배열된다. 제 2 접점(262)은 프레임(25)의 대향측상에 고정된다. 두 와이어(263)는 열전쌍의 단자 역할을 하며 피드스루를 통해 측정계기에 연결된다. 제 1 접점(261)과 제 2 접점(262)의 위치의 온도차에 비례하는 전압신호는 측정계기(28)에서 생성된다.
또한 냉각 디바이스(27)가 반응챔버(21)에 배열된다. 냉각 디바이스(27)는 서스셉터(22)에 열적으로 결합된다. 따라서 이것은 서스셉터(22)의 표면상에서 웨이퍼 홀더(23)의 내부에 놓이는 기판 웨이퍼(24)에 열적으로 결합된다. 냉각 디바이스(27)는 예를들어 자체적으로 냉각되는 플레이트로 이루어진다. 대안으로, 냉각 디바이스는 서스셉터와 기판 웨이퍼(24)사이의 헬륨 세정에 의해 또는 역학적 힘 또는 정전기력을 이용하여 기판 웨이퍼에 압력을 인가하므로써 산출된다.
측정계기(28)에 의해 측정된 온도차의 함수로서 냉각 디바이스(27)를 제어하는 제어 디바이스(29)가 제공된다. 대다수 프로세스에서, 온도차는 어떠한 경우에도 소정 값을 초과하지 않도록 제어하는 것이 바람직하다. 특히 플라즈마-강화 프로세스의 경우에, 이온 충격에 의한 기판 웨이퍼(24)에 대한 수용할 수 없는 가열은 이러한 방식으로 방지된다.
본 발명은 상기한 두 실시예에 한정되지 않는다. 특히, 도 2 에 설계된 서스셉터와 마찬가지의 서스셉터가 도 1을 참조하여 설명된 실시예에서도 사용될 수 있다. 더우기, 서로가 독립적으로 제어될 수 없는 가열 디바이스도 사용가능하다. 제어방법은 이 경우에 불필요하다. 따라서 측정계기(18)는 온도차를 측정하고, 이로부터 서스셉터의 온도와 함께 서스셉터의 온도도 보정곡선을 이용하여 결정될 수 있다. 더우기, 냉각 디바이스는 도 1을 참조하여 설명된 예시적인 실시예에서 가열 디바이스 대신 구비될 수 있다.
또한 도 2를 참조하여 설명된 예시적인 실시예에서 유사한 변형, 특히 기판 웨이퍼(24)의 표면에서의 온도 비균등성이 중요하지 않다면, 단 하나의 오목부 설치, 또는 도 1을 참조하여 설명된 서스셉터와 마찬가지의 서스셉터의 사용, 또는 도 1을 참조하여 설명된 바와 같은 제어 방법 또는 독립적으로 제어가능한 가열 디바이스의 사용과 같은 변형을 갖는 것도 가능하다. 이 제어방법에 대한 추가 설명은 생략한다.
상기와 같은 구성에 의해 기판 웨이퍼의 온도를 정확히 측정하여 기판 웨이퍼를 고정밀도로 처리할 수 있다.
Claims (10)
- 기판 웨이퍼(14)를 유지하기 위한 웨이퍼 홀더(13)와 서스셉터(12)가 반응챔버(11)에 구비되고,서스셉터(12)와 기판 웨이퍼(14)사이의 위치와 서스셉터의 위치간의 온도차를 측정하는 온도 센서(16)가 구비되고, 이 온도센서는 두 개의 센서 엘리먼트(161,162)를 가지는 데, 이 센서엘리먼트 중에서 센서 엘리먼트(161)는 서스셉터(12)상에 배열되고 하나의 센서 엘리먼트(162)는 서스셉터(12)와 기판 웨이퍼(14) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 기판 웨이퍼 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서, 센서 엘리먼트를 나타내는 두 개의 접점(161,162)을 갖는 열전쌍은 온도 센서(16)로서 이용되는 것을 특징으로 하는 기판 웨이퍼 처리 장치.
- 제 2 항에 있어서, 열절연재로 된 프레임(15)은 열전쌍(16)을 유지하기 위해 서스셉터(12)의 표면에 배열되는 것을 특징으로 하는 기판 웨이퍼 처리 장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,서스셉터(22)는 웨이퍼 홀더(23)에 연결되고,서스셉터(22)에는 웨이퍼 홀더와 대면하는 측상에 있고 센서 엘리먼트(261,262)가 배열된 오목부(221)가 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 웨이퍼 처리 장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,기판 웨이퍼를 가열시키기 위한 제 1 가열 디바이스(171)와 서스셉터(12)를 가열시키기 위한 제 2 가열 디바이스(172)가 구비되는 데, 상기 제 1 가열 디바이스(171)와 제 2 가열 디바이스(172)는 서로가 독립적으로 구동되며,제어 유닛(19)이 구비되는 데, 제 1 가열디바이스(171)는 제어유닛(19)을 이용하여 온도 센서(60)에 의해 측정된 온도 차의 함수로서 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 기판 웨이퍼 처리 장치.
- 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,웨이퍼 홀더(23)에 열적으로 결합된 냉각 디바이스(27)가 구비되고,냉각 유닛(29)이 구비되는 데, 냉각 디바이스(27)는 냉각 유닛(29)을 이용하여 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 기판 웨이퍼 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,각각이 두 개의 센서 엘리먼트(261,262)를 갖춘 다수의 온도 센서(26)가 구비되는 데, 하나의 센서 엘리먼트(261)는 각각의 경우에 서스셉터(22)상의 상이한 위치에 배열되며 다른 하나의 센서 엘리먼트(262)는 서스셉터(22)와 기판 웨이퍼(24)사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 기판 웨이퍼 처리 장치.
- 제 1 항에 따른 장치로 기판 웨이퍼의 온도를 측정하는 방법에 있어서,서스셉터(12)의 온도가 측정되고,기판 웨이퍼(14)의 온도는, 보정 곡선을 이용하여 온도 센서로 측정된 온도차와 서스셉터의 온도에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 따른 장치를 작동하는 방법에 있어서,제 1 가열 디바이스(171)는 측정된 온도차가 실질적으로 제로가 되도록 제어 유닛(19)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6 항에 따른 장치를 작동하는 방법에 있어서,서스셉터(22)의 온도가 측정되고,기판 웨이퍼의 온도는 온도 센서(26)로 측정된 온도차와 서스셉터의 온도에 의해 결정되며,냉각 디바이스(27)는 기판 웨이퍼(24)의 온도의 함수로서 제어 유닛(29)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
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