KR20010035982A - 반도체 제조 설비용 서셉터 시스템 - Google Patents

반도체 제조 설비용 서셉터 시스템 Download PDF

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Abstract

HT-USG(high temperature-undoped silicate glass) 재질의 고온 절연막 증착시 야기되는 공정 불량 발생과 서셉터의 교환주기 단축을 막을 수 있도록 한 반도체 제조 설비용 서셉터 시스템이 개시된다.
이를 구현하기 위하여 본 발명에서는, 웨이퍼로의 열전달 기능을 담당하는 히터와; 상기 히터 상에 배치되며, 실질적인 웨이퍼 로딩이 이루어지는 서셉터와; 상기 서셉터 내에 형성되며, 중앙부를 수직 관통하는 진공 홀과, 상기 진공 홀에 대하여 동심원 상으로 배치되도록 상기 진공 홀의 주변부를 따라 상면이 개구되고 소정 깊이를 가지도록 형성된 복수의 진공 링과, 상기 진공 홀을 센터점으로 하여 상기 진공 홀과 상기 진공 링 사이의 공간 내에서 X자 형상으로 배치되어 이들 간을 일체로 연결하며, 상면이 개구되고 소정 깊이를 가지도록 형성된 연결용 홈으로 이루어진 진공 공급 라인; 및 상기 진공 공급 라인 외곽쪽의 상기 서셉터 내에 형성되며, 상기 진공 링에 대하여 동심원 상으로 배치되도록 상기 진공 링의 주변부를 따라 상면이 개구되고 소정 깊이를 가지도록 형성된 N2공급 링과, 상기 N2공급 링과 일체로 연결되도록 상기 진공 홀과 소정 간격 이격된 지점의 상기 서셉터 내부를 수직 관통하여 형성된 N2공급 홀로 이루어진 N2공급 라인을 포함하는 반도체 제조 설비용 서셉터 시스템이 제공된다.

Description

반도체 제조 설비용 서셉터 시스템{susceptor system of semiconductor equipment}
본 발명은 반도체 제조 설비에 관한 것으로, 특히 서셉터 시스템의 구조 변경을 통하여 고온 절연막(예컨대, HT-USG(high temperature-undoped silicate glass)) 증착시 야기되는 공정 불량 발생을 막고, 서셉터의 교환주기 단축으로 인한 설비의 가동율 저하를 방지할 수 있도록 한 반도체 제조 설비용 서셉터 시스템에 관한 것이다.
반도체 소자 제조시 널리 이용되어 왔던 저온 절연막의 대표적인 예로는 CVD 산화막이나 USG막의 일종인 O3-TEOS등을 들 수 있다. 이중, O3-TEOS는 CVD 산화막에 비해 갭 필(gap fill) 능력이 우수하다는 잇점을 지녀 그 사용 범위가 확대되고 있기는 하나, 상기 O3-TEOS의 경우 하지막 의존성이 강하여 막질 증착전에 반드시 NH3플라즈마 처리를 실시해 주어야 하는 공정 진행상의 번거로움이 뒤따른다. 이와 같이, NH3플라즈마 처리를 실시한 것은 하지막의 표면 친화성을 높여 막질 접착 특성을 향상시켜 주므로써, O3-TEOS의 하지막 의존성을 없애기 위함이다.
이로 인해, 현재는 반도체 소자의 고집적화에 발맞추어 O3-TEOS보다 우수한 갭 필 능력을 가지면서도 하지막 의존성을 갖지 않는 고온 절연막, 예컨대 HT-USG를 적용하여 절연막을 형성하고 있는 추세이다.
HT-USG 재질의 절연막 형성 공정은 통상, 반도체 제조 설비(예컨대, 막질 증착 설비) 내의 서셉터 시스템 상에 진공 흡착 방식으로 웨이퍼(반도체 기판)를 탑재한 후, 상기 설비 내로 증착 개스를 공급하여 원하는 재질의 절연 막질을 형성하고, 서셉터 시스템으로부터 웨이퍼를 분리해 주는 방식으로 진행되고 있다.
도 1에는 상기 막질 증착시 널리 사용되어 오던 종래의 서셉터 시스템 구조를 도시한 평면도가 제시되어 있다. 도 2는 도 1의 X-X' 절단면 구조를 보인 단면도를 나타낸다.
도 1 및 도 2에 의하면, 종래의 서셉터 시스템은 크게, 하단부에는 히터(미 도시)가 놓여지고, 그 위에는 원통 형상을 갖는 SiC 재질의 서셉터(10)가 놓여지며, 상기 서셉터(10) 내에는 진공 흡착 방식으로 웨이퍼(20)를 서셉터(10) 상에 붙들어 두는 역할을 하는 진공 공급 라인(18)이 형성되어 있는 구조로 이루어져 있음을 알 수 있다.
이때, 상기 진공 공급 라인(18)은 중앙부를 수직 관통하도록 형성된 진공 홀(12)과, 상기 진공 홀(12)에 대하여 동심원 상으로 배치되도록 상기 진공 홀(12)의 주변부를 따라 형성된 복수의 진공 링(14:14a,14b,14c) 및 상기 진공 홀(12)을 센터점(center point)으로 하여 진공 홀(12)과 진공 링(14) 사이의 공간 내에서 X자 형상으로 배치되어 이들 간을 일체로 연결해 주는 역할을 하는 연결용 홈(16)으로 구성된다. 이 경우, 상기 복수의 진공 링(14)과 상기 연결용 홈(16)은 단면도 상에서 상면이 개구(open)된 소정 깊이의 홈 형상을 가지도록 설계되며, 진공 공급 라인(18)은 웨이퍼(20)보다 작은 사이즈를 가지도록 형성된다.
따라서, 상기 서셉터 시스템을 이용해서는 다음과 같은 방식으로 웨이퍼(20)의 탈·착이 이루어지게 된다.
즉, 서셉터(10) 상에 웨이퍼를 위치 정렬함과 동시에 진공 공급 라인(18)을 통해 에어(air)를 흡입하게 되면 진공 흡착 방식에 의해 웨이퍼(20)가 서셉터(10) 상에 부착되어지는 반면, 이 상태에서 진공의 공급을 중단하고 상기 진공 공급 라인(18) 내로 소량의 에어(예컨대, N2)를 공급하게 되면 웨이퍼(20)가 서셉터(10)로부터 떨어져 나오게 되는 것이다.
그러나, 상기 구조의 서셉터 시스템을 적용하여 HT-USG 재질의 고온 절연막을 형성할 경우에는 소자 제조시 다음과 같은 몇가지의 문제가 발생된다.
첫째, HT-USG의 경우 막질 증착시 기존 노멀 공정(normal process)보다 높은 온도(약 500℃)가 요구되므로, 절연막을 형성하는 과정에서 기존보다 서셉터의 온도가 높아질 수밖에 없기 때문에, 이때 가해지는 열적 스트레스로 인해 웨이퍼의 가장자리부가 위로 휘게 된다. 이와 같이 웨이퍼(20)의 가장자리부가 휠 경우, 막질 증착을 위한 반응 개스 공급시 서셉터(10)와 웨이퍼(20) 에지 사이의 들뜬 부분(도 2에서 Ⅰ로 표시된 부분)으로도 이들 반응 개스들이 치고 들어와 반응물(산화물)이 쌓이게 되므로, 서셉터 자체가 오염될 뿐 아니라 웨이퍼의 백 사이드(back side)쪽에도 막질 증착이 이루어지는 문제가 발생된다. 도 3에는 이해를 돕기 위하여 상기에 언급된 불량이 발생된 경우에 있어서의 도 2의 Ⅰ부분을 확대 도시한 요부 상세도를 제시해 놓았다. 도 3에서 화살표는 서셉터(10)와 웨이퍼(20) 에지 간의 들뜬 부분으로 치고 들어오는 막질 증착용 반응 개스를 나타낸다.
둘째, 웨이퍼(20)의 휨이 심하여 그 들뜸 정도가 매우 클 경우에는 진공 공급 라인(18)의 내부까지 이들 반응 개스들이 치고 들어가므로, 이 흡입 개스들로 인해 진공 공급 라인(18)의 웨이퍼 흡착 능력(달리, chucking 능력이라고도 함)이 떨어지게 되어 막질 증착중에 서셉터(10)로부터 웨이퍼(20)가 드랍(drop)되는 문제가 발생하게 된다.
셋째, 사진식각공정 진행시 웨이퍼의 백 사이드쪽에 쌓인 반응물로 인해 웨이퍼의 플랫존 정렬(flatzone align)이 제대로 이루어지지 않게 되므로, 미스얼라인(misalign)으로 인한 공정 불량이 발생될 가능성이 높아지게 된다.
넷째, 상기에 언급된 문제들이 발생되는 것을 최대한 억제하기 위해서는 서셉터의 교환 주기를 기존 노멀 저온 프로세스 진행시에 비해 단축시켜 주어야 하므로 반도체 설비의 가동율이 저하되는 문제가 발생된다.
이에 본 발명의 목적은, 진공 공급 라인을 이루는 진공 링 외곽쪽의 서셉터 내에 N2공급 라인이 더 구비되도록 서셉터 시스템의 구조를 변경해 주므로써, 웨이퍼의 휨 발생으로 인해 서셉터와 웨이퍼 에지 간에 들뜨는 부분이 생기더라도 상기 N2공급 라인을 통해 공급되는 N2개스를 이용하여 막질 증착용 반응 개스가 상기 들뜬 영역내로 치고 들어가는 것을 차단할 수 있도록 하여, HT-USG 재질의 고온 절연막 증착시 공정 불량이 야기되는 것을 막을 수 있도록 하고, 서셉터의 교환주기 단축으로 인해 설비의 가동율이 저하되는 것을 방지할 수 있도록 한 반도체 제조 설비용 서셉터 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 서셉터 시스템 구조를 도시한 평면도,
도 2는 도 1의 X-X' 절단면 구조를 도시한 단면도,
도 3은 도 1의 서셉터 시스템을 적용한 고온 절연막 증착시 도 2의 Ⅰ 부분에서의 반응개스 흐름을 도시한 요부상세도,
도 4은 본 발명에 의한 서셉터 시스템 구조를 도시한 평면도,
도 5는 도 4의 X-X' 절단면 구조를 도시한 단면도,
도 6은 도 3의 Y- Y' 절단면 구조를 도시한 단면도,
도 7은 도 4의 서셉터 시스템을 적용한 고온 절연막 증착시 도 5의 Ⅰ 부분에서의 반응개스 흐름을 도시한 요부상세도이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 웨이퍼로의 열전달 기능을 담당하는 히터와; 상기 히터 상에 배치되며, 실질적인 웨이퍼 로딩이 이루어지는 서셉터와; 상기 서셉터 내에 형성되며, 중앙부를 수직 관통하는 진공 홀과, 상기 진공 홀에 대하여 동심원 상으로 배치되도록 상기 진공 홀의 주변부를 따라 상면이 개구되고 소정 깊이를 가지도록 형성된 복수의 진공 링과, 상기 진공 홀을 센터점으로 하여 상기 진공 홀과 상기 진공 링 사이의 공간 내에서 X자 형상으로 배치되어 이들 간을 일체로 연결하며, 상면이 개구되고 소정 깊이를 가지도록 형성된 연결용 홈으로 이루어진 진공 공급 라인; 및 상기 진공 공급 라인 외곽쪽의 상기 서셉터 내에 형성되며, 상기 진공 링에 대하여 동심원 상으로 배치되도록 상기 진공 링의 주변부를 따라 상면이 개구되고 소정 깊이를 가지도록 형성된 N2공급 링과, 상기 N2공급 링과 일체로 연결되도록 상기 진공 홀과 소정 간격 이격된 지점의 상기 서셉터 내부를 수직 관통하여 형성된 N2공급 홀로 이루어진 N2공급 라인을 포함하는 반도체 제조 설비용 서셉터 시스템이 제공된다.
상기 구조를 가지도록 서셉터 시스템을 설계할 경우, 고온 절연막 증착시 열적 스트레스로 인해 서셉터와 웨이퍼 에지 간에 들뜨는 영역이 발생되더라도 N2공급 라인을 통해 공급되는 N2개스를 이용하여 상기 들뜬 부분으로 치고 들어오는 막질 증착용 반응 개스를 외부로 빼낼 수 있게 되므로, 공정 불량이 야기되는 것과 서셉터의 교환주기가 노멀 저온 프로세스 공정 진행시에 비해 단축되는 것을 막을 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에서 제안된 반도체 제조 설비의 서셉터 시스템 구조를 도시한 평면도를 나타내고, 도 5는 도 4의 X-X' 절단면 구조를 도시한 단면도를 나타내며, 도 6은 도 4의 Y-Y' 절단면 구조를 도시한 단면도를 나타낸다.
도 4 내지 도 6에 의하면, 본 발명에서 제안된 서셉터 시스템은 크게, 하단부에는 웨이퍼(20)로의 열전달 기능을 담당하는 히터(미 도시)가 놓여지고, 그 위에는 웨이퍼(20)가 로딩(loading)되어질 부분이 다른 부분에 비해 높은 위치를 점유할 수 있도록 이 부분이 볼록하게 위로 올라온 구조를 갖는 SiC 재질의 서셉터(10)가 놓여지며, 상기 서셉터(10) 내에는 진공 흡착 방식으로 웨이퍼(20)를 서셉터(10) 상에 붙들어 두는 역할을 하는 진공 공급 라인(18)이 형성되고, 상기 진공 공급 라인(18) 외곽쪽의 서셉터(10) 내에는 N2공급 라인(26)이 형성되도록 구성되어 있음을 알 수 있다.
이때, 상기 진공 공급 라인(18)은 종래의 경우와 동일하게 중앙부를 수직 관통하도록 형성된 진공 홀(12)과, 상기 진공 홀(12)에 대하여 동심원 상으로 배치되도록 상기 진공 홀(12)의 주변부를 따라 형성된 복수의 진공 링(14:14a,14b,14c) 및 상기 진공 홀(12)을 센터점(center point)으로 하여 진공 홀(12)과 진공 링(14) 사이의 공간 내에서 X자 형상으로 배치되어 이들 간을 일체로 연결해 주는 역할을 하는 연결용 홈(16)으로 구성된다. 이 경우 역시, 상기 복수의 진공 링(14)과 상기 연결용 홈(16)은 단면도 상에서 상면이 개구된 소정 깊이의 홈 형상을 가지도록 설계된다.
반면, 상기 N2공급 라인(26)은 진공 링(14)에 대하여 동심원 상으로 배치되도록 상기 진공 링(14)의 주변부를 따라 형성된 N2공급 링(22)과, 상기 N2공급 링(22)과 일체로 연결되도록 상기 진공 홀(12)과 소정 간격 이격된 지점의 상기 서셉터(10) 내부를 수직 관통하여 형성된 N2공급 홀(24)로 구성된다. 이때, 상기 N2공급 링(22)은 단면도 상에서 상면이 개구된 소정 깊이의 홈 형상을 가지도록 설계되며, 진공 링(14)보다는 크고 웨이퍼(20)보다는 작은 사이즈를 가지도록 형성된다.
따라서, 상기 구조의 서셉터 시스템은 진공 흡착 방식으로 서셉터(10) 상에 웨이퍼(20)가 진공 흡착되자 마자 N2공급 라인(26)을 통해 N2개스 공급이 이루어지게 되고, 이 상태에서 막질 증착을 위한 반응 개스가 공급되는 방식으로 시스템이 구동이 이루어지게 된다.
그러므로, 도 3의 서셉터 시스템을 적용하여 HT-USG 재질의 고온 절연막을 증착하게 되면, 열적 스트레스로 인해 웨이퍼(20)의 가장자리부가 위로 휘는 현상이 발생되어져 서셉터(10)와 웨이퍼(20) 에지 간에 들뜨는 영역이 생기더라도 N2공급 라인(26)을 통해 공급되는 N2개스가 이 들뜬 부분으로 치고 들어오는 반응 개스를 서셉터 바깥쪽으로 밀어내게 되므로, 막질 증착용 반응 개스가 서셉터(10)와 웨이퍼(20) 에지 간의 들뜬 영역 내로 침투하는 것을 막을 수 있게 된다.
그 결과, 세셉터(10) 상의 특정 부분에 반응물이 쌓임으로 인해 야기되던 서셉터 자체의 오염이나 웨이퍼(20)의 백 사이드쪽에 증착된 막질로 인해 야기되던 포토 공정 진행시의 미스얼라인 발생 그리고 진공 공급 라인(18) 내로의 반응개스 침입으로 인한 웨이퍼 드랍 등과 형태의 문제 발생이 야기되지 않게 된다. 게다가, 이로 인해 서셉터의 교환주기가 기존 노멀 저온 프로세스 공정 진행시에 비해 단축되는 것을 막을 수 있게 되므로, 반도체 설비의 가동율 향상을 이룰 수 있게 된다.
도 7에는 이해를 돕기 위하여 도 5의 Ⅰ 부분에서 세셉터(10)와 웨이퍼(20) 에지 간에 들뜬 영역이 발생된 경우에 있어서의 막질 증착용 반응개스의 흐름을 도시한 요부상세도를 제시해 놓았다. 도 7에서 화살표 ⓐ는 상기 들뜬 부분으로 치고 들어오는 막질 증착용 반응개스를 나타내고, 화살표 ⓑ는 N2공급 라인(26)을 통해 공급되는 N2개스를 나타낸다.
도 7에 의하면, 세셉터(10)와 웨이퍼(20) 에지 간의 들뜬 영역 내로 유입되어지던 반응개스(ⓐ)가 N2개스(ⓑ)의 압력에 밀려 상기 들뜬 영역내로 들어오지 못하고 외부 즉, 서셉터(10)의 바깥쪽으로 빠져나감을 확인할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 서셉터 시스템 설계시 진공 공급 라인을 이루는 진공 링 외곽쪽에 웨이퍼보다 작은 사이즈의 N2공급 라인이 더 구비되도록 그 구조를 변경해 주므로써, 1) 열적 스트레스로 인해 서셉터와 웨이퍼 에지 간에 들뜨는 부분이 발생되더라도 상기 N2공급 라인을 통해 공급되는 N2개스를 이용하여 막질 증착용 반응 개스가 상기 들뜬 영역내로 치고 들어가는 것을 막을 수 있게 되므로 고온 절연막 증착시 공정 불량이 유발되는 것을 사전에 차단할 수 있게 되고, 2) 서셉터의 교환주기 단축으로 인한 설비의 가동율 저하를 막을 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 웨이퍼로의 열전달 기능을 담당하는 히터와;
    상기 히터 상에 배치되며, 실질적인 웨이퍼 로딩이 이루어지는 서셉터와;
    상기 서셉터 내에 형성되며, 중앙부를 수직 관통하는 진공 홀과, 상기 진공 홀에 대하여 동심원 상으로 배치되도록 상기 진공 홀의 주변부를 따라 상면이 개구되고 소정 깊이를 가지도록 형성된 복수의 진공 링과, 상기 진공 홀을 센터점으로 하여 상기 진공 홀과 상기 진공 링 사이의 공간 내에서 X자 형상으로 배치되어 이들 간을 일체로 연결하며, 상면이 개구되고 소정 깊이를 가지도록 형성된 연결용 홈으로 이루어진 진공 공급 라인; 및
    상기 진공 공급 라인 외곽쪽의 상기 서셉터 내에 형성되며, 상기 진공 링에 대하여 동심원 상으로 배치되도록 상기 진공 링의 주변부를 따라 상면이 개구되고 소정 깊이를 가지도록 형성된 N2공급 링과, 상기 N2공급 링과 일체로 연결되도록 상기 진공 홀과 소정 간격 이격된 지점의 상기 서셉터 내부를 수직 관통하여 형성된 N2공급 홀로 이루어진 N2공급 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 설비용 서셉터 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 서셉터는 웨이퍼 로딩이 이루어질 부분이 다른 부분보다 높은 위치를 점유하도록 위로 볼록하게 올라온 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 설비용 서셉터 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 세셉터는 SiC 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 제조 설비의 서셉터 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 N2공급 링은 웨이퍼보다 작은 사이즈를 가지도록 설계된 것을 특징으로 하는 반도체 제조 설비의 서셉터 시스템.
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