KR19990022729A - 패시브 가스기판 열 조절장치 및 그 조절방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 챔버, 이 챔버내에 위치한 플레이트 및 가스공급기를 갖는 기판열 조절장치에 관한 것이다. 상기 플레이트는 그곳을 따라 홈을 갖는 상단 열젼달 표면을 가진다. 기판은 열전달 표면의 스탠드오프상에 배치되고, 가스는 챔버로 펌프된다. 상기 플레이트는 기판의 온도를 변화시키기 위해 가열 또는 냉각된다. 열은 가스전도 가열에 의해 주로 기판과 플레이트 사이로 전달된다. 상기 플레이트내의 홈 때문에, 가스는 매우 신속하고 균일하게 기판과 열전달 표면 사이에서 분배 및 배기될 수 있다.

Description

패시브 가스기판 열 조절장치 및 그 조절방법
본원은 1993년 12월 17일 출원된 미합중국 특허출원 제 08/169,432 호의 연속출원이다.
미합중국 특허 제 5,060,354 호; 제 5,252,807 호 및 제 4,597,736 호에는 반도체 웨치퍼에 대한 열처리장치가 개시되어 있다. 미합중국 특허 제 4,534,816 호에는 단일 웨이퍼 플라즈마 에칭 리액터가 개시되어 있다. 미합중국 특허 제 5,013,385 호에는 복수의 단일 웨이퍼 플라즈마 리액터를 갖춘 시스템이 개시되어 있다.
본 발명은 기판을 가열하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 웨이퍼와 플랫 패널(plat pannel)과 같은 평면물체에 사용하기 위한 패시브 가스기판열 조절장치 및 그 조절방법에 관한 것이다.
본 발명의 전술한 관점 및 특징들이 첨부 도면과 관련하여 아래에서 설명된다.
도 1은 본 발명의 특징을 구현하는 열조정장치의 개략적인 부분 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 장치의 가열/냉각된 플레이트의 평면도,
도 3은 도 2에 도시된 플레이트의 다른 실시예의 부분 평면도,
도 4는 압력과 전도성의 관계를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 개략적인 부분 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 기판의 온도를 변화시키기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 챔버, 플레이트, 가스를 챔버로 유입시키기 위한 수단 및 플레이트를 가열시키기 위한 수단을 갖추고 있다. 플레이트는 챔버에 위치된다. 플레이트는 그곳을 따라 홈을 형성된 상부면을 가진다. 열은 가스전도에 의해 상단 표면상에 떨어진 위치한 기판과 플레이트 사이로 전달된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 평면기판의 온도를 변화시키기 위한 장치는 기판수용챔버, 열전달표면을 갖춘 챔버내에 위치한 플레이트 및 기판의 온도를 제어하기 위한 수단을 갖추고 있다. 상기 플레이트의 열전달 표면이, 플레이트상에 위치한 기판과 플레이트 사이로 가스를 신속하게 분배하기 위한 홈을 갖춘 점에 특징이 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 열조정장치내의 평면기판 및 플레이트로부터 열을 전달하는 방법은 상기 장치의 챔버내에서 홈이 그곳을 따라 형성된 열전달표면을 갖는 플레이트상에 기판을 위치시키는 단계; 가스를 챔버로 유입시키는 단계; 및 가스전도에 의해 플레이트와 기판 사이로 열을 전달하는 단계로 이루어진다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 특징을 구현하는 상승 또는 개방위치에 있는 열조절장치(10)의 개략적인 부분 단면도가 도시된다. 비록, 본 발명이 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다고 할지라도, 본 발명은 다양한 상이한 형태 및 종류의 다른 실시예에서도 구현될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 더욱이, 모든 적절한 크기, 형상 또는 형태의 엘리먼트 또는 용구(material)가 사용될 수 있다.
일반적으로, 상기 장치(10)는 챔버(12), 가스공급기(14) 및 진공원(16)을 포함한다. 유사한 열처리장치가 미합중국 특허출원 제 08/169,432 호에 기술되어 있는데, 이것은 본 명세서에 참조로만 기재된다. 챔버(12)는 본 명세서에 참조로만 기재된 미합중국 특허번호 제 5,013,385 호에 기술된 바와 같은 그러한 기판처리 시스템에 연결되기에 적합하다. 그러나, 장치(10)는 모든 적절한 형태의 기판 처리 시스템에서 사용될 수 있다.
상단 플레이트(22)는 2 개의 기둥(26, 27)에 의해 바닥 플레이트(24)에 연결된다. 상단 플레이트(22)는 기판(S)이 챔버(12)의 수용영역(20)으로 로드되어 제거될 때, 기판(S)을 지지하는 지지체(18)를 포함한다. 상기 지지체(18)는 상단 플레이트(22)로부터 아래로 연장한다. 열조립체(28; thermal assembly)는 챔버(12)의 바닥부를 형성한다. 일반적으로, 열조립체(28)는 열전달 엘리먼트(30)와 열전달 플레이트(32)을 포함한다. 상기 열전달 엘리먼트(30)는 기둥(26, 27)이 그곳에 위치된 2개의 호울(34, 35)을 가진다. 열전달 엘리먼트(30)는 가열램프 또는 가열코일과 같은 그러한 히터, 또는 그곳을 통과하는 냉각제 도관과 같은 그러한 냉각기로서 제공될 수 있다.
수직한 구동 메커니즘(36)은 바닥 플레이트(24)에 연결된다. 구동 메커니즘(36)은 바닥 플레이트(24)를 챔버(12) 및 열전달 플레이트(32)에 대해 상하로 이동시키기에 적합하다. 상기 기둥(26, 27)이 바닥 플레이트(24)에 연결되어 있기 때문에, 기둥 (26, 27)은 바닥 플레이트(24)와 함께 상하로 이동된다. 상기 상단 플레이트(22)가 기둥(26, 27)에 연결되어 있기 때문에, 상단 플레이트(22)는 바닥 플레이트(24)와 함께 상하로 이동된다. 또한, 상단 플레이트(22)는 히터 또는 냉각기를 포함할 수 있다. 팽창 가능한 시일(38,39)이 바닥 플레이트(24)와 챔버(12) 사이에서 기둥(26, 27)을 에워싼다.
상기 열전달 플레이트(32)는 열전달 엘리먼트(30)의 상단에 연결된다. 도 2를 참조하면, 열전달 플레이트(32)에는 그곳에 기판(S)을 접촉 및 지지 하기에 적합한 3 개의 스탠드오프(41)(standoffs)를 갖는 상단 표면(40)이 제공된다. 스탠드오프(41)는 기판(S)과의 접촉을 한정하도록 매우 작다. 스탠드오프(41)는, 상단 표면(40)상에 약 0.1mm의 갭 또는 소정 거리를 둔 상태에서 기판(S)을 지지하기에 적합하다. 그러나, 모든 적절한 수 또는 형태의 스탠드오프가 제공될 수 있다. 더욱이, 모든 적절한 갭이 제공될 수 있지만, 갭은 가열 또는 냉각중에 갭내에 있는 가스의 점성작용을 제공하기 위해 기판의 크기에 따라 약 0.05mm 내지 약 0.5mm 정도로 매우 작은 것이 바람직하다. 상기 상단 표면(40)에는 그곳을 따라 홈(42)이 제공된다. 도시된 실시예에 있어서, 홈(42)은 평행하면서 기다란 슬롯이다. 상기 홈(42)은 약 3mm의 폭과 약 2mm의 깊이를 가진다. 그러나, 다른 치수가 제공될 수 있다. 상기 홈(42)은 약 15mm의 거리(X)로 서로 간격을 가진다. 그러나, 다른 간격이 제공될 수도 있다. 또한, 플레이트(32)는 상단 플레이트(22)에 하강 위치로 이동될 때 상단 플레이트(22)상의 지지체(18)를 수용하기 위한 시트(19)를 가진다. 상단 표면(40)의 주변 둘레에는 상단 표면(40)이 하강 위치로 이동될 때 상단 플레이트(22)와 접촉하여, 상단 플레이트(22)와 열전달 플레이트(32) 사이에 시일을 형성하기 위해 씨일(43)이 제공된다. 도 3은 열전달 플레이트(32a)의 다른 실시예의 부분 평면도를 나타낸다. 플레이트(32a)는 2 세트의 홈, 즉 제 1 세트의 원형 홈(42a) 및 제 2 세트의 직선 홈(42b)을 가진다. 상기 2 개의 세트(42a, 42b)는 일반적으로 직각으로 서로 교차한다. 중심 원형홈의 직경(D)은 약 50mm이다. 중심 원형홈으로부터 일련의 원형홈까지의 반경(R1, R2등)의 증가는 약 25mm이다. 직선홈은 약 30°의 각도(A)로 서로 각을 이루게 된다. 얌 세트의 홈(42a, 42b)에서의 홈의 폭(W)은 약 3mm이고, 깊이는 약 2mm이다. 다른 실시예에 있어서도, 모든 적절한 형태 또는 형상의 홈이 제공될 수 있다. 상기 장치(10)는 기판(S)을 가열 또는 냉각시키기에 적합하다. 상기 기판(S)은 적절한 기판운반장치(도시되지 않음)에 의해 지지체(18)의 수용영역(20)으로 삽입된다. 상기 운반장치가 챔버(12)를 나갈 때, 챔버(12)의 입구는 폐쇄된다.
이때, 구동 메카니즘(36)은 열전달 플레이트(32)를 향해 상단 플레이트(22)를 하강시킨다. 상기 스탠드오프(41)는 기판(S)의 바닥측에 접촉하여 지지체(18)로부터 기판(S)을 들어올린다. 상기 지지체(18)의 바닥이 플레이트(32)내의 시트(19)에 수용된다. 삭이 상단 플레이트(22)는 시일(43)과 접촉함으로써 상단 플레이트(22)와 열전달 플레이트(32) 사이에서 기판(S)을 밀폐시키게 된다. 이것은, 수용영역(20)의 내측에 서브-엔클로저(sub-enclosure)를 형성한다. 아르곤과 같은 그러한 삽입가스는 가스공급기(14)로부터 수용영역(20) 내측의 서브-엔클로저로 공급되게 된다. 열전달 엘리먼트(30)는 플레이트(32)로 열을 공급하거나, 플레이트(32)로부터 열을 제거한다. 상기 열전달 엘리먼트(30)가 히터인 실시예에 있어서, 열이 히터에 의해 발생하게 되어 플레이트(32)로 직접 전도된다. 상기 플레이트(32)는 가스전도에 의해 열을 기판으로 전달한다. 특히, 상단 표면(40)과 기판(S)간의 매우 작은 갭과 낮은 가스압력은 유체와 유사하게 가스의 점성작용을 허용한다. 이러한 가스전도에 의한 열전달의 원리는 본 명세서에 참조로만 기재된 미합중국 특허출원 제 08/145,343 호에 개시되어 있다. 상기 기판(S)이 소정 온도로 가열된 후, 불활성 가스는 진공원(16)에 의해 챔버(12)로부터 배기되고, 구동 매커니즘(36)은 상단 플레이트(22)를 상승시킨다. 상단 플레이트가 상승될 때, 기판(S)은 지지체(18)로 복귀된다. 이때, 챔버(12)에 대한 입구가 개방되고, 운반장치(도시되지 않음)는 챔버(12)로부터 기판을 제거한다. 열전달을 향상시키기 위해, 가스환경이 사용된다. 기판을 진공환경의 온도로 유지시키기 위해, 진공환경이 이용되게 된다. 또한, 진공환경은 수용영역(20)의 서브-엔클로저를 가스로 채우는 것을 가속화시키는데에 유익하다.
열전달 엘리먼트(30)가 냉각기인 실시예에 있어서, 열전달 공정은 간단히 열전환되어 열이 기판(S)으로부터 가스전도에 의해 표면(40)에서 직접 플레이트(32)로 전달된다. 엘리먼트(30)내의 냉각제 채널은 적절한 열교환기, 압축기, 또는 챔버(12)의 외측에 위치한 열펌프(도시되지 않음)에 연결된다.
본 발명의 이점들중 하나는 기판(S)상에서 끌어 당기는 어떠한 이면 또는 바닥 진공이 없다는 것이다. 다른 이점은, 비록 수용영역(20)의 서브-엔클로저내의 가스 압력이 감소된다고 할지라도, 종래 기술의 장치와 같이 동일한 시간에 동일한 열전달량을 제공한다는 것이다. 기판으로부터 또는 기판으로의 열전달 비율(전도성)은 장치내에서 가열/냉각된 플레이트에 대항하여 기판 압력의 증가에 의해 증가하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 수용영역내의 가스로부터 증가한 압력과 가열/냉각된 플레이트상에 유지하고 있는 진공에 기판을 노출하는 것은 바람직하지 않은 것으로 밝혀졌다. 본 발명은, 플레이트(32)에 대항하여 기판을 가압하기 위해 후방 압력(진공 유지) 또는 (가압가스로부터의) 상부압력을 사용하지 않는다. 양호 실시예에 있어서, 수용영역(20)의 서브-엔클로저는 가스가 공급되어 열전달이 발생할 때 약 50Torr(약 0.1 기압)의 압력을 가진다. 도 4를 참조하면, 장치(10)의 전도성은 가스압력이 약 50Torr에 도달할 때 750Torr(1 기압)에 대한 전도성의 약 80%에서 안정상태가 되는 것이 밝혀졌다. 이러한 낮은 압력은 수용영역(20)의 서브-엔클로저를 비교적 신속하게 채워지고 또 비워지게 한다.
상기 홈(42)은, 기판(S)과 상단 표면(40)간의 갭으로 가스 전송이 신속히 되도록 제공된다. 특히, 갭이 상당히 작은, 예컨대 약 0.1mm이고, 가스압력이 매우 낮기(약 50Torr) 때문에, 가스가 갭으로 전송되는 경우에만 기판 중심으로 이동하는 것은 상대적으로 오랜 시간이 걸린다. 가스전도가 가스 포켓(pocket)을 생성 및 보호하도록 가스가 적절히 분배됨으로써 기판이 이동되게 된다. 따라서, 홈(42)은 기판과 상단 표면(40)간의 전체 영역을 통해 가스를 매우 신속히 운반시키기 위해 가스 매니폴드와 같은 기능을 갖추게 된다. 가스가 신속히 갭으로 분배되기 때문에, 기판의 가열이 보다 빠르게 시작될 수 있어 기판에 대한 파손의 위험이 감소되게 된다. 그러나, 최적 열전달을 위해, 홈(42)이 상단 표면(40)의 전체 영역중 5% 이하를 점유하는 것이 바람직하다.
가열/냉각 시스템에서의 개별 제어는, 때때로 동일한 장치에 있어서도 기판의 형태 및 크기가 달리 설정되기 때문에 어렵고, 기판이 가열 또는 냉각되는 동안 개개의 기판온도를 정확히 측정하는 것도 어렵다. 또한, 기판은 과열에 상당히 민감하다. 본 발명은, 가열/냉각 시스템에 의해 상대적으로 일정한 온도로 유지됨으로써 더욱 일정하면서 신뢰할 수 있는 열전달 시스템이라 생각된다. 진공에서의 열전달은 방사(radiation)에 의해 제한되고, 방사는 300℃ 내지 400℃ 보다 적은 온도차에 대해서는 상당히 느리게 되기 때문에, 기판과 플레이트(32)간의 상당한 열전달은 가스가 서브-엔클로저로 유입되기까지는 발생되지 않게 된다. 상기 홈(42) 때문에, 가스가 기판과 상단 표면(40)간의 전체 영역으로 신속하게 분배되게 된다. 이에 의해, 일정하지 않거나 균일하지 않은 열전달이 방지되게 된다. 따라서 기판이 균일하게 가열/냉각되어, 과열에 대한 민감성에 의해 기판이 파손될 위험이 감소하게 된다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 장치(110)는 챔버(112), 가스공급기(114), 진공원(116), 수직구동 매커니즘(136), 2 개의 플레이트(122, 124), 2 개의 기둥(126, 127) 및 2 개의 열교환 플레이트(121, 132)를 갖춘다. 상기 바닥 플레이트(124)는 구동 매커니즘(136)에 접속되어 있다. 상단 플레이트(122)는 기둥(126, 127)에 의해 바닥 플레이트(124)에 접속되어 있다. 상기 기둥(126, 127)은 챔버(112)내의 호울을 통해 뻗치게 된다. 팽창가능한 시일(138, 139)이 바닥 플레이트(124)와 챔버(112)간의 기둥(126, 127)둘레에 제공되게 된다. 상기 상단 열교환 플레이트(121)가 단열 마운트(129)에 의해 상단 플레이트(122)의 이면에 설치되게 된다. 지지체(118)는 기판(S)을 지지하기 위해 상단 열교환기(121)의 바닥으로부터 아래쪽으로 연장한다. 상기 상단 열교환기 플레이트(121)는 라인(133)을 통해 열 또는 냉각제가 공급될 수 있다.
상기 바닥 플레이트(124)는 도 2에 도시된 바와 같은 플레이트(24)와 실질적으로 유사하다. 그러나, 본 실시예에 있어서 엔클로저(133)는 바닥 플레이트(124) 주위에 갖추어지게 된다. 상기 엔클로저(133)는 시일(143)을 갖춘 상단끝과 챔버(112)에 접속된 바닥을 갖추게 된다. 상기 바닥 플레이트(132)는 바닥 열전달 엘리먼트(130)의 상단에 설치된다. 상기 바닥 엘리먼트(130)는 라인(131)에 의해 적절히 가열 또는 냉각원에 연결되게 된다. 상기 바닥 엘리먼트(130)는 열절연 마운트(129)에 의해 챔버(112)상에 지지되게 된다.
구동 매커니즘(136)이, 도 5에 도시된 개방위치로부터 폐쇄위치로 상단 플레이트(122)를 이동시키는 경우 시일(143)이 상단 플레이트(122)와 엔클로저(133)간에서 스위치된다. 이에 의해, 챔버(112) 내측에 서브-엔클로저가 형성된다. 플레이트(132)의 상단 표면과 기판(S)의 바닥 사이에, 예컨대 약 0.1mm의 작은 갭을 갖춘 플레이트(132)상의 스탠드오프상에 기판(S)이 위치되게 된다. 상기 장치(110)는, 기판(S)을 가열 또는 냉각시키기 위해 열교환기(121, 132) 모두를 사용할 수 있다. 이러한 양측면을 갖춘 열전달기는 열전달 비율을 증가시킬 수 있다. 또한, 단일 측면 열전달기에 대립되는 것으로서, 양측면을 갖춘 열전달기는 또한 기판(S)에서의 열에 의한 왜곡 가능성이 적어지게 된다. 상기 기판(S)의 두 측면간에서의 일정하지 않은 열 스트레스에 의해, 단일 측면 열전달 시스템에서의 온도 변화가 결과적으로 기판을 왜곡시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 양측면을 갖춘 열전달 시스템은 일정하지 않은 가열 또는 냉각으로부터 기판(S)에 대한 파손의 가능성이 적어지게 된다.
양호하게는, 상단 열교환기(121)의 바닥 표면은, 예컨대 약 0.1mm의 갭을 갖춘 기판(S)의 상단 표면에 매우 근접하게 위치시키는 것은 바람직하다. 따라서, 가스전도에 의한 열전달이 상단 및 바닥 열전달 조립체 모두에 제공될 수 있게 된다. 상기 상단 열교환 플레이트(121)가 가스운반 매니폴드와 같은 역할을 하도록, 도 2 및 도 3에 도시된 홈과 유사한 홈(142)을 갖출 수 있다. 또한, 가스를 기판(S)상으로 유입시키기 위해, 라인(114a)에 의해 도시된 바와 같이, 가스공급기(114)가 상단 열교환 플레이트(121)에 접속될 수 있게 된다.
다른 실시예에 있어서는, 다른 압력이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 진공상태에서 기판을 끌어 당기는 것을 포함한 시스템도 사용될 수 있게 된다. 홈에 대한 적절한 형태의 설계가 제공될 수 있다. 적절한 형태의 가열 및/또는 냉각 시스템이 제공될 수 있다. 또한, 소정 적절한 형태의 가스공급기 및 진공원이 제공될 수 있다. 또, 소정 형태의 구동 매커니즘 또는 운동 매커니즘이 제공될 수 있다.
본원 발명의 실시예는 이해를 용이하게 하기 위해 기술한 것으로, 본원 발명의 기술적 사상을 이탈하지 않는 범위내에서 다양하게 실시 가능하다. 따라서, 본원 발명은 청구의 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.

Claims (12)

  1. 평면 기판의 온도를 변화시키기 위한 장치에 있어서,
    챔버;
    그곳을 따라 홈이 형성된 상단 표면을 가짐과 동시에, 상기 상단 표면에 기판과 상단 표면 사이의 작은 갭에 의해 그 위에 기판을 지지하기 위한 수단을 가지는 챔버내에 위치한 플레이트;
    가스를 챔버로 유입시키기 위한 수단; 및
    열이 가스전도에 의해 플레이트의 상단 표면과 기판 사이로 전달되는 플레이트를 가열하기 위한 수단을 구비함을 특징으로 하는 평면기판의 온도를 변화시키기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 홈은 기다란 평행 홈인 것을 특징으로 하는 평면기판의 온도를 변화시키기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 홈은 폭이 약 3mm이고, 깊이가 약 2mm인 것을 특징으로 하는 평면기판의 온도를 변화시키기 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 홈은 교차하는 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면기판의 온도를 변화시키기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 갭은 약 0.1mm인 것을 특징으로 하는 평면기판의 온도를 변화시키기 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버로부터 가스를 비우기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 평면기판의 온도를 변화시키기 위한 장치.
  7. 기판수용챔버, 열전달 표면을 갖는 챔버내에 위치한 플레이트, 및 플레이트의 온도를 제어하기 위한 수단을 가지는 평면 기판의 온도를 변화시키기 위한 장치에 있어서,
    가스전도를 위해 그곳에 매우 근접하게 플레이트상에 위치한 기판과 플레이트 사이로 가스를 신속하게 분배시키기 위해 그곳을 따라 홈을 갖는 플레이트의 열전달 표면을 구비함을 특징으로 하는 평면기판의 온도를 변화시키기 위한 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 홈은 제 1의 긴 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면기판의 온도를 변화시키기 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 홈은 제 1의 긴 홈과 교차하는 제 2의 원형 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면기판의 온도를 변화시키기 위한 장치.
  10. 열조절장치에서 평면 기판과 플레이트 사이로 열을 전달하는 방법에 있어서,
    그곳을 따라 홈을 갖는 열전달 표면 및 열전달 표면으로부터 약 0.05mm 내지 약 0.5mm의 일정 간격으로 기판을 지지하기 위한 스탠드오프를 가지는 상기 장치의 챔버내의 플레이트상에 기판을 배치하는 단계;
    상기 홈을 통해 상기 기판과 상기 열전달 표면 사이의 전체 영역으로 신속하게 분배되는 가스를 상기 챔버로 유입시키는 단계; 및
    가스전도에 의해 열을 상기 플레이트와 상기 기판 사이로 전달시키는 단계를 구비함을 특징으로 하는 열전달 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 열을 전달시키는 단계는 가스전도를 통해 기판을 가열하는 플레이트를 구비함을 특징으로 하는 열전달 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 열을 전달시키는 단계는 가스전도를 통해 플레이트를 가열하는 기판을 구비함을 특징으로 하는 열전달 방법.
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