KR20020005375A - 반도체 웨이퍼 베이크 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 베이크 장치는, 웨이퍼가 탑재되는 플레이트와, 플레이트의 상부면에 플레이트와 동일한 크기를 갖는 원통형상으로 형성되어 웨이퍼가 플레이트의 바닥과 접촉되지 않도록 소정간격 이격시키는 웨이퍼 지지부와, 웨이퍼가 플레이트 상에 적절하게 정렬되도록 가이드하는 웨이퍼 안내부와, 웨이퍼 안내부의 상부에 위치하며, 상면에서 하면까지 관통된 홀이 내부에 형성되어 웨이퍼의 중심으로부터 일정거리를 반경으로 하는 원형부분을 대기중에 노출시키고, 웨이퍼의 에지 부분에서 방출되는 열을 보상하는 방출열 보상부를 포함한다.
그러면, 웨이퍼의 중심부분은 플레이트의 온도 영향을 받고 웨이퍼의 에지부분은 방출열 보상부의 온도 영향을 받기 때문에, 웨이퍼의 에지 부분에서 온도가 낮아지는 것을 방지하여 웨이퍼의 온도가 균일하게 유지되므로 미세한 패턴을 정확하게 형성할 수 있어서 공정의 신뢰성이 향상되고 양품의 수율 향상이 가능하다.

Description

반도체 웨이퍼 베이크 장치{Bake apparatus for semiconductor wafer}
본 발명은 반도체 웨이퍼 베이크 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 웨이퍼를 소정온도에서 굽는(baking) 베이크 공정에서 열방출로 인하여 웨이퍼의 중심 부분보다 웨이퍼 에지(edge)부분의 온도가 낮아지는 것을 방지하여 웨이퍼의 온도를 균일하게 유지할 수 있도록 한 반도체 웨이퍼 베이크 장치에 관한 것이다.
반도체 제조공정에 있어서, 사진식각(photolithography)의 포토레지스트(photoresist) 공정에는 웨이퍼를 소정온도에서 굽는 베이크 공정이 포함된다. 즉, 포토레지스트를 도포하기 전에 웨이퍼에 흡착된 수분을 제거하기 위한 베이크, 소정의 용제 및 포토레지스트 도포시에 생긴 전단 응력(shear stress)을 완화시키기 위해 가열된 열판(hot plate)상에서 웨이퍼를 가열하는 소프트 베이크, 노광시 자외선의 산란으로 인한 노광 부위의 화학적 구조의 불안정성을 회복시키기 위한 노광후 베이크 등이 있다.
이와 같이 웨이퍼를 베이킹하기 위해서는 웨이퍼가 안착하여 탑재될 수 있는 소정의 열판(또는, 플레이트)이 요구되며, 이때의 공정온도가 웨이퍼 내에서 얼마나 균일한가에 따라 패턴 크기의 균일도가 결정된다.
도 1을 참조하여 종래의 베이크 장치를 살펴보면, 웨이퍼 W를 가열하는 플레이트(1)와, 웨이퍼 W가 플레이트(1)의 바닥과 접촉되지 않도록 웨이퍼 W를 소정간격 이격시키는 웨이퍼 지지부(2)와, 웨이퍼 W가 플레이트(1) 상에 적절하게 정렬되도록 가이드하는 웨이퍼 안내부(3)와, 상부가 개방되어 플레이트(1)에서 웨이퍼 안내부(3)까지 감싸며 수직방향으로 상하 이동가능한 측벽(4)과, 웨이퍼 안내부(3)의 상부에 위치하며 수직방향으로 상하 이동가능한 덮개(5)가 형성된다. 여기서, 측벽(4)과 덮개(5)는 베이크 장치의 내부 온도와 기류를 안정화시킨다.
또한, 웨이퍼 지지부(2)는 플레이트(1)와 동일한 크기를 갖는 원통형상이고, 플레이트(1)의 상부면에 설치된다. 바람직하게 플레이트(1)에 탑재되는 웨이퍼 W를 지지할 수 있는 직경과, 100∼200um정도의 높이를 가진다.
또한, 웨이퍼 안내부(3) 중 웨이퍼 W와 접촉하는 일측면에는 바람직하게 소정 각도로 경사져 있는 경사면(3a)이 형성되어 있다.
이러한 구성을 갖는 베이크 장치의 동작을 간단히 살펴보면, 측벽(4)이 하방으로 이동하고, 덮개(5)가 상방으로 이동한 상태에서 웨이퍼 이송 아암(미도시)이 웨이퍼 W를 플레이트(1) 상에 내려놓으면, 웨이퍼 W는 웨이퍼 안내부(3)의 경사면(3a)을 따라 가이드되어 웨이퍼 지지부(2)에 안착된다.
이후, 측벽(4)이 상방으로 이동하고 덮개(5)가 하방으로 이동하여 맞닿게 되면, 플레이트(1)는 소정온도로 가열되고, 플레이트(1)에서 전달되는 열에 의해 웨이퍼 지지부(2)에 안착된 웨이퍼 W는 베이크된다.
웨이퍼 W가 베이크되면, 덮개(5)는 상방으로 측벽(4)은 하방으로 이동하며, 웨이퍼 이송 아암은 베이크된 웨이퍼 W를 배출하고, 새로운 웨이퍼들이 베이크될 수 있도록 상기와 같은 동작을 반복 수행한다.
그런데, 플레이트(1)에서 전달되는 열에 의해 베이크되는 웨이퍼 W는 대기중에 노출되어 있기 때문에, 가열된 웨이퍼 W에서 열이 방출되어 온도분포가 불균일하게 된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 W의 중심 부분보다 에지 부분에서 열 방출량이 많으므로, 웨이퍼 W의 에지 부분으로 갈수록 웨이퍼 W의 온도가 낮아지는 문제점이 발생하며, 이러한 경우는, 웨이퍼 W에 균일한 미세 패턴을 정확하게 형성할 수 없기 때문에, 결국에는 양품의 수율 하락을 가져온다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 웨이퍼 에지 부분에서의 열 방출을 방지하여 웨이퍼의 온도를 균일하게 유지하는데 있다.
도 1은 종래의 베이크 장치를 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 베이크 장치에 안착된 웨이퍼의 온도분포를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 베이크 장치를 도시한 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 베이크 장치에 안착된 웨이퍼의 온도분포를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 베이크 장치를 도시한 단면도.
도 6은 베이크 장치에서의 공기흐름을 도시한 단면도로서,
도 6a는 본 발명의 일실시예에 의한 베이크 장치,
도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 베이크 장치.
도 7a 또는 도 7b는 200mm 웨이퍼에서 베이크 공정중 온도 분포를 도시한 도면.
도 8a 또는 도 8b는 300mm 웨이퍼에서 베이크 공정 중 온도 분포를 도시한 도면.
도 9a는 200mm 웨이퍼에서 베이크 공정 중 온도 분포를 도시한 그래프.
도 9b는 300mm 웨이퍼에서 베이크 고정 중 온도 분포를 도시한 그래프.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 베이크 장치는, 웨이퍼가 탑재되는 플레이트와, 플레이트의 상부면에 플레이트와 동일한 크기를 갖는 원통형상으로 형성되어 웨이퍼가 플레이트의 바닥과 접촉되지 않도록 소정간격 이격시키는 웨이퍼 지지부와, 웨이퍼가 플레이트 상에 적절하게 정렬되도록 가이드하는 웨이퍼 안내부와, 웨이퍼 안내부의 상부에 위치하며, 상면에서 하면까지 관통된 홀이 내부에 형성되어 웨이퍼의 중심으로부터 일정거리를 반경으로 하는 원형부분을 대기중에 노출시키고, 웨이퍼의 에지 부분에서 방출되는 열을 보상하는 방출열 보상부를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일실시예에 의한 베이크 장치는 도 3에 도시되어 있는데, 웨이퍼 W를 가열하는 플레이트(10)와; 플레이트(10)와 동일한 크기를 갖는 원통형상으로 플레이트(10)의 상부면에 설치되고, 웨이퍼 W가 플레이트(10)의 바닥과 접촉되지 않도록 웨이퍼 W를 소정간격 이격시키는 웨이퍼 지지부(20)와; 웨이퍼 지지부(20)의 에지에서 웨이퍼 지지부(20)에 안착되는 웨이퍼 W의 에지 부분까지 설치되며, 웨이퍼 W가 플레이트(10) 상에 적절하게 정렬되도록 가이드하기 위해 바람직하게 웨이퍼 W와 접촉되는 일측면이 소정 각도로 경사져 있는 경사면(30a)이 형성된 웨이퍼 안내부(30)와; 웨이퍼 안내부(30)와 소정간격 이격된 상부에 위치하며, 플레이트(10)와 동일한 크기를 갖는 방출열 보상부(40)와; 수직방향으로 상하 이동가능하며, 플레이트(10)에서 방출열 보상부(40)까지 감싸는 측벽(50)과; 수직방향으로 상하 이동가능하며, 측벽(50)의 상단부와 맞닿는 덮개(60)를 포함한다.
여기서, 방출열 보상부(40)는 수직방향으로 상하 이동가능하며, 내부에는 웨이퍼 W를 대기중에 노출시키는 관통홀(41)이 형성된다. 이 관통홀(41)은 덮개(60)와 대향되는 상부 직경이 웨이퍼 W와 대향되는 하부 직경보다 크게 형성되어 방출열 보상부(40)의 상면에서 하면으로 갈수록 직경의 크기가 줄어든다. 즉, 방출열 보상부(40)의 내측면은 웨이퍼 안내부(30)의 단면 형상에 대응하도록 경사져 있다.
또한, 방출열 보상부(40)는 열의 방출량이 많은 웨이퍼 W의 에지 부분과 대응해야 하기 때문에, 웨이퍼 W와 대향되는 관통홀(41)의 하부 직경은 웨이퍼 W의 직경보다 작다.
한편, 도 5에는 본 발명의 다른 실시예에 의한 베이크 장치가 도시되어 있는데, 도 3에 도시된 본 발명의 일실시예와 중복되는 구성에 대해서는 동일한 번호를 사용하며, 그 구성이 상이한 방출열 보상부에 대해서만 살펴본다.
도 5에 도시된 방출열 보상부(45)는 수직방향으로 상하 이동가능하며, 내부에 웨이퍼 W를 대기중에 노출시키는 관통홀(46)이 형성된다. 이 관통홀(46)은 덮개(60)와 대향되는 상부 직경이 웨이퍼 W와 대향되는 하부 직경보다 작게 형성되어 방출열 보상부(45)의 상면에서 하면으로 갈수록 직경의 크기가 커진다.
또한, 웨이퍼 W와 대향되는 관통홀(46)의 하부 직경은 웨이퍼 W의 에지 부분에서 방출되는 열을 보상하기 위하여 웨이퍼 W의 직경보다 작다.
도 3 및 도 5에 도시된 바와 같은 방출열 보상부(40,45)의 하면은 웨이퍼 지지부(20)와 웨이퍼 안내부(30)에 균일하게 근접하기 위하여, 웨이퍼 안내부(30)의 일측면에 형성된 경사면(30a)과 대응되도록 상부면 쪽으로 홈이 형성된다.
또한, 방출열 보상부(40,45) 중 웨이퍼 W와 대향되는 하면의 내측에는 웨이퍼 W의 에지 부분에서 방출되는 열을 보상하기 위한 가열장치(42,47)가 설치되는데, 가열장치(42,47)는 일실시예로 온도 조절이 용이한 전기 히터를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 가열장치(42,47)는 웨이퍼 W의 에지 부분에서의 온도 분포를 조절하므로, 컨트롤러(미도시)는 필요에 따라 가열장치(42,47)의 온/오프를 제어한다.
이러한 구성을 갖는 베이크 장치는, 측벽(50)이 하방으로 이동하고 덮개(60)와 방출열 보상부(40,45)가 상방으로 이동한 상태에서 웨이퍼 이송 아암(미도시)이 웨이퍼 W를 플레이트(10) 상에 내려놓으면, 웨이퍼 W는 웨이퍼 안내부(30)의 경사면(30a)을 따라 가이드되어 웨이퍼 지지부(20)에 안착된다. 즉, 웨이퍼 W가 정확하게 탑재장치 상에 안착되지 않더라도 웨이퍼 W는 웨이퍼 안내부(30)의 경사면(30a)을 따라 내려오면서 정렬되어 효과적으로 안착되며, 웨이퍼 W가 움직이지 않는다.
웨이퍼 W가 웨이퍼 지지부(20)에 안착되면, 측벽(50)이 상방으로 이동하고, 덮개(60)와 방출열 보상부(40,45)가 하방으로 이동한다. 이때, 방출열 보상부(40,45)는 웨이퍼 W와 웨이퍼 안내부(30)에 균일하게 근접한다.
이후, 플레이트(10)는 소정온도로 가열되고, 플레이트(10)에서 전달되는 열에 의해 웨이퍼 지지부(20)에 안착된 웨이퍼 W는 베이크된다.
플레이트(10)의 가열이 시작되면, 방출열 보상부(40,45) 내에 설치된 가열장치(42,47)는 컨트롤러의 제어에 의해 온되어 소정온도로 가열되고, 가열장치(42,47)에서 전달되는 열은 웨이퍼 W의 에지 부분에서 방출되는 열을 보상해준다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 웨이어 W의 온도분포는 방출되는 열에 의해 웨이퍼 W의 에지 부분에서 갈수록 온도가 낮아지는데, 방출열 보상부(40,45) 내의 가열장치(42,47)의 열에 의해 웨이퍼 W의 에지 부분에서 방출된 열이 보상된다. 따라서, 결과적으로 웨이퍼 W의 온도분포는 플레이트(10)의 가열온도와 방출열 보상부(40,45)의 가열온도에 의해 웨이퍼 W의 중심부분과 에지부분에서 균일하게 나타난다.
웨이퍼 W가 베이크되면, 덮개(60)와 방출열 보상부(40,45)는 상방으로 측벽(50)은 하방으로 이동하며, 웨이퍼 이송 아암은 베이크된 웨이퍼 W를 배출하고, 새로운 웨이퍼들이 베이크될 수 있도록 상기와 같은 동작을 반복 수행한다.
한편, 도 5에 도시된 방출열 보상부(45)는 도 3에 도시된 방출열 보상부(40)에 비하여 웨이퍼 W의 에지 부분과 대응되는 부분이 적다. 그러나, 도 5에 도시된 방출열 보상부(45)는 가열장치(47) 뿐만 아니라 공기의 흐름을 이용하여 웨이퍼 W의 에지 부분에서 방출된 열을 보상한다.
즉, 도 3에 도시된 베이크 장치 내에서의 공기의 흐름을 도 6a를 참조하여 살펴보면, 방출열 보상부(40)에 형성된 관통홀(41)은 상부면에서 하부면으로 갈수록 좁아지는 경사면을 형성하고 있으므로, 공기의 흐름이 자연스럽게 웨이퍼 W의 중심 부분에서 웨이퍼 W의 에지 부분으로 이동한다.
그러나, 도 5에 도시된 베이크 장치 내에서의 공기의 흐름을 도 6b를 참조하여 살펴보면, 방출열 보상부(45)에 형성된 관통홀(46)은 상부면에서 하부면으로 갈수록 직경이 커지기 때문에, 공기의 흐름이 웨이퍼 W의 중심 부분에서 웨이퍼 W의 에지 부분으로 이동하다가 웨이퍼 W의 에지 부분에서 와류 또는 정체류가 형성되어 웨이퍼 W의 에지 부분의 온도를 보상하는데는 보다 효과적이다.
따라서, 웨이퍼 W의 중심 부분은 플레이트(10)의 온도 영향을 받고, 웨이퍼 W의 에지 부분은 플레이트(10)의 온도보다는 방출열 보상부(40,45)에 형성된 가열장치(42,47)의 온도 영향을 받는다. 그러므로, 웨이퍼 W의 에지 부분에서 방출되는 열을 보상하여, 웨이퍼 W의 온도를 균일하게 유지할 수 있다.
한편, 첨부된 도 7a 또는 도 7b, 도 9a의 그래프 및 <표 1>에는 본 발명에 의한 베이크 장치의 시뮬레이션 결과가 도시되어 있는 바, 도 7a 또는 도 7b 및 <표 1>은 베이크 중 200mm 웨이퍼에서의 위치별 온도 편차가 도시되어 있다.
종래 본 발명
Tmax Tmin Tmax Tmin
200mm웨이퍼 299.32 296.87 300.95 300.09
ΔT(Tmax-Tmin) 2.45 0.86
온도편차비율 100% 35%
첨부된 도 7a 또는 도 7b 및 <표 1>을 참조하면, 종래 베이크 설비에 의하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 200mm 웨이퍼의 중심부에서 최고 온도(Tmax)는 299.32℃이고, 웨이퍼의 에지에서 최저 온도(Tmin)는 296.87℃인 바, 온도 편차(ΔT)는 2.45℃이다.
한편, 본 발명에 의한 베이크 설비에 의하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 200mm 웨이퍼의 중심부에서 최고 온도(Tmax)는 300.95℃이고, 웨이퍼의 에지에서 최저 온도(Tmin)는 300.09℃인 바, 온도 편차(ΔT)는 0.86℃이다.
이들 결과를 비교하면 종래 베이크 설비에서의 웨이퍼 온도 편차를 100%라 하였을 때, 본 발명에 의한 베이크 설비의 웨이퍼 온도 편차는 종래 베이크 설비에 비하여 약 35%에 불과한 바, 웨이퍼에서의 온도 편차가 월등히 감소됨을 알 수 있다.
한편, 웨이퍼의 온도 편차는 구경에 비례하여 커지는 바, 도 8a 또는 도 8b 및 도 9b에는 200mm 웨이퍼보다 구경이 큰 300mm 웨이퍼에서의 온도 편차가 도시되어 있고, <표 2>에는 이들의 대조 분석 결과가 도시되어 있다.
종래 본 발명
Tmax Tmin Tmax Tmin
300mm 웨이퍼 300.96 296.13 302.23 300.23
ΔT(Tmax-Tmin) 4.83 2.00
온도편차 비율 100% 41%
첨부된 도 8a 또는 도 8b 및 <표 2>을 참조하면, 종래 베이크 설비에 의하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 300mm 웨이퍼의 중심부에서 최고 온도(Tmax)는 300.96℃이고, 웨이퍼의 에지에서 최저 온도(Tmin)는 296.13℃인 바, 온도 편차(ΔT)는 4.83℃이다.
한편, 본 발명에 의한 베이크 설비에 의하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 300mm 웨이퍼의 중심부에서 최고 온도(Tmax)는 302.23℃이고, 웨이퍼의 에지에서 최저 온도(Tmin)는 300.23℃인 바, 온도 편차(ΔT)는 2.00℃이다.
이들 결과를 비교하면 종래 베이크 설비에서의 웨이퍼 온도 편차를 100%라 하였을 때, 본 발명에 의한 베이크 설비의 웨이퍼 온도 편차는 종래 베이크 설비에 비하여 약 41%에 불과한 바, 웨이퍼에서의 온도 편차가 월등히 감소됨을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해정해져야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 베이크 장치는 웨이퍼의 에지 부분에 대응하여 가열장치가 형성된 방출열 보상부를 설치하여 웨이퍼의 에지 부분에서 방출되는 열에 의해 낮아진 온도를 보상한다.
따라서, 웨이퍼의 중심부분은 플레이트의 온도 영향을 받고 웨이퍼의 에지부분은 방출열 보상부의 온도 영향을 받아서 웨이퍼의 온도가 균일하게 유지되므로 미세한 패턴을 정확하게 형성할 수 있어서 공정의 신뢰성이 향상되고 양품의 수율 향상이 가능하다.

Claims (6)

  1. 웨이퍼가 탑재되는 플레이트;
    상기 플레이트의 상부면에 상기 플레이트와 동일한 크기를 갖는 원통형상으로 형성되어 상기 웨이퍼가 상기 플레이트의 바닥과 접촉되지 않도록 소정간격 이격시키는 웨이퍼 지지부;
    상기 웨이퍼가 상기 플레이트 상에 적절하게 정렬되도록 가이드하는 웨이퍼 안내부;
    상기 웨이퍼 안내부의 상부에 위치하며, 상면에서 하면까지 관통된 홀이 내부에 형성되어 상기 웨이퍼의 중심으로부터 일정거리를 반경으로 하는 원형부분을 대기중에 노출시키고, 상기 웨이퍼의 에지 부분에서 방출되는 열을 보상하는 방출열 보상부를 포함하는 반도체 웨이퍼 베이크 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관통홀은 상기 방출열 보상부의 상면에 형성된 직경이 상기 방출열 보상부의 하면에 형성된 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 베이크 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 관통홀은 상기 방출열 보상부의 상면에 형성된 직경이 상기 방출열 보상부의 하면에 형성된 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 베이크 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 방출열 보상부의 하면에 형성된 상기 관통홀의 직경은 상기 웨이퍼의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 베이크 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼와 접촉하는 상기 웨이퍼 안내부의 일측면은 소정 각도로 경사져 있으며,
    상기 방출열 보상부의 하면은 상기 웨이퍼와 상기 웨이퍼 안내부에 균일하게 근접하기 위하여, 상기 웨이퍼 안내부의 일측면에 형성된 경사면과 대응되도록 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼의 베이크 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 방출열 보상부는 상기 웨이퍼의 에지 부분에 대향되는 하면 내측에 가열장치를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 베이크 장치.
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