KR20020064976A - 기재의 열처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

웨이퍼와 같은 반도체 기재를 열처리하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 웨이퍼는 열처리 장치 내로 도입되고, 열처리 장치는 웨이퍼의 도입 위치와 평행한 2개의 실질적으로 편평한 부분을 포함하며, 웨이퍼가 사이에 수용되는 이들 2개 부분 중 제1 부분은 고온인 제1 온도로 가열되고 제2 부분은 냉각 수단의 도움으로 냉각되어 70℃ 미만의 저온인 제2 온도로 된다. 상기 2개 부분 중 적어도 하나와 웨이퍼 간의 열전도를 제어함으로써, 소정 기간 동안 웨이퍼가 고온인 상기 제1 온도에 비교적 더 가까운 온도에 있은 후 저온인 상기 제2 온도에 비교적 더 가까운 온도에 있도록 웨이퍼의 온도에 영향을 줄 수 있다.

Description

기재의 열처리 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR THE TREATMENT OF SUBSTRATES}

그러한 방법은 에이에스엠 인터내셔널(ASM International)의 WO 98/01890으로부터 공지되어 있다. 그러한 열처리 장치[부동(浮動)형 웨이퍼 반응 장치]에서는 웨이퍼와 반응 장치의 부분 사이에서 강한 열적 결합이 일어날 수 있기 때문에, 웨이퍼를 도입할 때 매우 신속한 워밍업이 가능한 것으로 생각된다. 다양한 공정에 있어서, 어떤 반응이 제어되지 않는 상태로 계속되는 과도 기간이 가능한 한 짧게 유지되도록 가열이 신속하게 일어나는 것이 중요하다.

그러나, 고온에서 실행되는 반응의 말기에서는 문제가 발생한다. 실제로, 웨이퍼를 제어되는 상태로 냉각하는 것은 특히 어려운 것으로 밝혀졌다. 웨이퍼를 반응 장치로부터 꺼내어 공기 중에서 냉각하는 것은 분명 가능하다. 그러한 냉각은 비교적 신속하지만, 웨이퍼의 외측 엣지가 중앙부보다 더 빨리 냉각되기 때문에 웨이퍼에 장력을 발생시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이 문제를 피하기 위해서, 웨이퍼 주위에 열용량이 상당한 링을 배치하는 것이 제안되었다. 이 방식으로는, 균일하게 냉각할 수는 있지만 온도를 빠르게 감소시킬 수는 없다. 따라서, 여러 종류의 열적/화학적 처리 중의 반응을 소정 처리 시간 후에 제어되는 상태로 정지시킬 수 없게 된다.

본 발명은 웨이퍼와 같은 기재의 열처리 방법에 관한 것으로, 이 열처리 방법은 웨이퍼를 열처리 장치 내로 도입하는 것을 포함하고, 상기 열처리 장치는 웨이퍼의 도입 위치와 평행한 2개의 실질적으로 편평한 부분을 포함하며, 웨이퍼가 사이에 수용되는 이들 2개 부분 중 제1 부분은 고온인 제1 온도로 가열하고, 열처리의 실행을 위해 웨이퍼의 양 측부로 가스 흐름을 각각 공급한다.

도 1은 본 발명의 제1 방법에 따라 웨이퍼에 도포된 구리층 어닐링하는 것을 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 제2 방법에 따른 처리를 개략적으로 도시한 도면.

도 3은 도 1에 따른 구조에서 시간의 함수로서의 온도 경로를 도시한 도면.

본 발명의 목적은, 전술한 불리한 점을 피하여, 신속한 냉각 및 가열이 가능하고, 구배를 제어되는 방식으로 관리할 수 있는 더 정확한 제어기를 제공하는 것이다.

이 목적은 전술한 방법에 의해서 달성되는데, 처리 중에 2개 부분 중 제2 부분을 70℃ 미만의 온도로 냉각 수단의 도움으로 냉각하고, 처리 중에 상기 2개 부분 중 적어도 하나와 웨이퍼 간의 열전도를, 소정 시간 동안 웨이퍼가 고온인 제1 온도와 비교적 더 가까운 온도에 있은 후 저온인 제2 온도로 되도록 제어한다.

웨이퍼가 가스를 통한 열전도에 의해 가열되는 부동형 웨이퍼 반응 장치 및 기타 구조에서, 반응 장치의 부분들을 웨이퍼의 표면으로부터 매우 가까운 거리에 배치함으로써 반응 장치의 부분들과 웨이퍼 간에 강한 열적 결합이 일어날 수 있기 때문에 매우 신속한 가열이 가능하다는 것이 발견되었다. 상기 거리는 1 mm 미만인 것이 바람직하고, 특히 0.1 mm 미만일 수 있다. 반응 장치의 부분들의 열용량이 웨이퍼의 열용량보다 몇 배 더 크므로, 반응 장치의 2개 부분이 동일 온도에 있으면, 반응 장치의 부분들의 온도는 결과적으로 크게 변하지 않게 되는 반면 웨이퍼의 온도는 매우 신속하게 반응 장치의 부분들의 온도로 된다. 공급되는 가스 흐름이 이를 위해 핵심적이다. 가스가 양 측부로부터 웨이퍼와 마주하여 흐를 때, 가스들의 열전도가 다르고 웨이퍼가 가스가 흘러오는 2개 부분의 중간에 있는 경우, 전도성이 더 양호한 가스가 흘러오는 반응 장치 부분에 웨이퍼가 더 강하게 열적으로 결합된다. 부동형 웨이퍼 반응 장치의 경우, 대향하는 부분들의 온도를 다르게 하기는 비교적 쉽다. 그러면, 웨이퍼의 온도가 반응 장치의 2개 부분들의 온도 사이의 값이 된다. 부동형 웨이퍼 반응 장치에 있어서, 가스는 처리실의 경계를 형성하는 대향 부품 내의 채널을 통과하는 것이 보통이다. 주위 재료의 열용량으로 인해, 특정 부품으로부터 흘러오는 가스의 온도를 제어되는 방식으로 신속하게 변화시키는 것은 실제로 쉽지 않다. 그러나, 가스 자체는 쉽게 변화시킬 수 있다. 다시 말하면, 제1 상황에서 한쪽 측부 상에 전도성이 양호한 가스를 낮은 온도로 사용하고, 다른 측부 상에 전도성이 덜 양호한 가스를 높은 온도로 사용하면, 기재의 온도는 낮은 온도에 비교적 더 가까운 일정한 온도로 된다. 만약 반응 장치 부분들의 온도를 동일하게 유지하고 가스들을 바꾸면, 즉 전도성이 덜 양호한 가스를 온도가 낮은 반응 장치 부분을 경유하여 처리 구역으로 도입하고, 전도성이 양호한 가스를 온도가 높은 반응 장치 부분을 경유하여 처리 구역으로 도입하면 웨이퍼가 매우 빠르게 가열된다. 원래의 상황과 비교할 때의 유일한 변화는 가스 형태를 바꾼 것이다. 웨이퍼를 매우 빠르게 냉각하기 위해서, 상기 처리를 고온으로부터 방향만 반대로 하여 이용할 수 있다.

본 발명을 이용하면 매우 급격한 온도 구배를 얻을 수 있는 것으로 드러났다. 고온에서의 많은 형태의 처리가 이 방법에 적절하다는 것도 이해할 것이다. 온도는 처리에 좌우되며 일반적으로 400℃ 미만이다. 필요한 조건을 충족시키는 한 어떠한 가스도 사용할 수 있다. 질소의 열전도율은 헬륨의 열전도율보다 크게 낮기 때문에, 이들 2종의 가스를 조합함으로써 신속한 가열에 이은 신속한 냉각이 가능하다는 것이 알려져 있다.

어떤 방식으로 화학 반응을 일으키거나 화학 반응에 영향을 끼칠 수 있는 가스를 사용할 수 있다는 것은 명백하다. 반응 장치의 2개 부분으로부터 흘러오는 가스에 의해 웨이퍼가 제자리에서 부동하는 상태로 유지되는 본 발명의 한 가지 실시 형태에 따르면, 전술한 방법을 대신하여, 또는 전술한 방법과의 조합을 통해, 가스 흐름의 크기를 제어함으로써 부동하는 웨이퍼 반응 장치의 2개 대향 부분과 웨이퍼 간의 거리를 변화시키는 것도 가능하다. 웨이퍼가 한 부분과는 매우 가깝고 다른 부분과는 멀리 있으면, 이러한 배치의 효과를 전도성이 다소 양호한 가스를 사용하는 경우와 비교할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

전도율이나 기타 열용량의 차이에 따라, 웨이퍼의 온도는 2개의 떨어진 부분들의 온도 사이의 어떤 값으로 된다.

전술한 방법은 생각할 수 있는 모든 처리에 대해 실시할 수 있다. 구리를 어닐링하는 경우를 일례로 든다. 구리층을 예컨대 250℃에서의 침적 후에 어닐링하여 구리의 저항을 낮춘다. 이 경우 1초 내지 90초의 어닐링 시간이 보통이다. 짧은 처리 시간을 고려하면, 충분한 제조 능력을 위해서는 웨이퍼의 강제 냉각이필요하다. 구리의 산화를 허용 가능한 한계 내로 유지하기 위해서, 웨이퍼 온도가 100℃이상일 때 웨이퍼를 불활성 대기 중에 유지하는 것이 중요하다. 이 때문에, 별도의 냉각 스테이션을 사용하는 경우, 어닐링 스테이션으로부터 냉각 스테이션으로 웨이퍼는 운반하는 것은 불활성 대기 중에서 행해야 한다. 본 발명에 따른 방법의 경우, 가열 및 냉각이 동일한 반응실 내에서 이루어지고 매번 웨이퍼를 운반할 필요가 없기 때문에 장치를 크게 단순화하고 축소시킬 수 있다. 또 다른 예로서, 낮은 k의 유전 재료를 200℃ 내지 대략 400℃의 온도에서 어닐링하는 것을 들 수 있다.

본 발명은 또한, 웨이퍼와 평행하고 서로 대향하는 2개의 실질적으로 편평한 부분을 포함하고, 이들 2개 부분 사이에 웨이퍼가 수용되며, 상기 2개 부분 중 제1 부분에는 그 제1 부분이 고온인 제1 온도에 있도록 하는 가열 수단이 마련되고, 상기 2개 부분에는 이들 부분 사이 구역으로 개방되는 가스 공급 채널이 각각 마련되어 있는 열처리 장치에 관한 것으로, 이 열처리 장치는 상기 2개 부분 중 제2 부분에 그 제2 수단을 70℃ 미만의 저온인 제2 온도로 유지하기 위한 냉각 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참고로 본 발명을 더 상세히 설명한다.

도 1에는 부동형 웨이퍼의 여러 부분들을 매우 간략하게 도시하였다. 서로 대향하는 부분들을 도면 부호 1과 2로 지시하였다. 다수의 채널(3)이 각 부분 내로 연장되어 중심 수집 지점 또는 캐비넷(4)과 연결되어 있다. 이것은 상세히 도시하지 않은 방식으로 적어도 2개의 가스 공급원에 연결되며, 연관된 가스의 제어는 도시하지 않은 컷오프 밸브(cut-off valve)를 통해 관리된다.

부동형 웨이퍼 반응 장치의 아래쪽 부분(2)에는 웨이퍼(6)를 위한 지지 오르간(support organ)(5)이 마련되어 있으며, 웨이퍼(6)는 2개 부분(1 및 2)이 서로 일정 거리만큼 떨어져 있을 때 링과 같은 운반 수단(7)의 도움으로 지지 오르간(5) 상에 위치하게 된다. 그 후, 도 1b에 도시된 바와 같이 가스가 흐르기 시작하게 함으로써 상기 부분들이 서로 더욱 가까와진다. 다음으로, 도 1b 내지 도 1d에 도시된 바와 같이 열처리를 행한다. 열처리후, 도 1e 및 도 1f에 도시된 바와 같이, 2개 부분(1 및 2)이 다시 서로로부터 떨어지고, 처리된 웨이퍼가 지지 오르간(5)에 의해 다시 지지된 후 운반 오르간(7)에 의해 제거된다.

도 1a에 도시된 바와 같이 웨이퍼를 수용할 때, 반응 장치의 위쪽 부분(1)의 온도는 예를 들면 285℃이다. 부분(1)의 채널(3)을 통과하는 가스 흐름은 전도성이 비교적 불량한 질소로 이루어진다. 또한, 20℃ 온도의 일정량의 질소도 아래쪽으로부터 도입한다. 이는 아래쪽 부분(2)의 온도이다. 웨이퍼 자체의 온도는 실온이다. 고온의 반응 장치 부분으로부터 저온의 반응 장치 부분으로 전달되는 열을 제거하기 위해 저온의 반응 장치 부분에 냉각 수단이 마련된다. 그러한 수단은 채널과, 그 채널을 통해 흐르는 냉각수와 같은 냉각 매체와, 그 냉각 매체의 공급 장치 및 배출 장치로 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서, 반응 장치의 부분들에는 그 부분들의 온도를 실질적으로 일정한 값으로 유지하기 위한 수단도 마련된다. 저온의 반응 장치 부분의 온도는 20℃일 수 있지만, 여전히 웨이퍼을 충분히 냉각하는 최대 70℃까지의 다소 낮거나 높은 값일 수도 있다. 다른 실시 형태의 경우, 저온의 반응 장치 부분에 그 반응 장치 부분의 온도를 예를 들면 -20℃까지 실온보다 크게 낮추는 펠티에(Peltier) 냉각 소자를 마련할 수도 있다.

부분(1)과 부분(2)이 서로를 향해 이동하면, 아래쪽 부분을 통과하는 질소 가스 흐름이 헬륨 가스 흐름으로 교체된다. 헬륨은 질소보다 열을 상당히 잘 전도시킨다. 이 상태에서 웨이퍼는 위쪽에서는 비교적 고온인 전도성이 불량한 질소 가스로 둘러싸이고, 아래쪽에서는 저온인 비교적 전도성이 양호한 헬륨 가스에 의해 둘러싸인다. 그 결과, 웨이퍼 온도는 대략 70℃가 된다.

도 1c에 도시된 처리 상태에서는 가스의 위치가 역전되었다. 다시 말하면, 전도성이 양호한 헬륨이 위쪽으로 공급되고 전도성이 불량한 질소가 아래쪽로부터 공급된다. 그 결과, 온도가 대략 250℃까지 매우 빠르게 상승하여 열처리가 일어날 수 있다.

그러한 열처리가 일정 시간 계속된 후, 가스 흐름을 다시 역전시킴으로써, 다시 말하면 고온의 전도성이 불량한 질소 가스를 위쪽으로부터 공급하고 저온의전도성이 양호한 헬륨 가스를 아래쪽으로부터 공급함으로써 매우 신속하게 냉각시킬 수 있다. 온도는 70℃까지 매우 빠르게 떨어지며, 그 후 웨이퍼를 통상적인 방법으로 제거할 수 있다.

온도 곡선이 도 3에 도시되어 있다. 웨이퍼 도입 중에, 실온으로부터 대략 70℃까지 온도가 점진적으로 증가한다. 가스 흐름을 역전시키면 대략 70℃로부터 250℃까지 온도가 매우 빠르게 증가한다. 대략 45초가 지난 후 급속하게 냉각된다.

도 2에는 본 발명의 방법의 또 다른 실시 형태가 도시되어 있다. 이 실시 형태에서는 질소와 같은 가스만을 이용할 수 있다. 반응 장치의 2개 부분으로부터 상이한 양의 가스를 흐르게 함으로써, 웨이퍼는 가스가 가장 적게 흐르는 부분에 가깝게 이동한다. 이런 방식으로, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 더 높은 온도 또는 더 낮은 온도를 달성할 수 있다. 도 2a 및 도 2c의 상황에서, 웨이퍼가 아래쪽의 저온의 반응 부분과 기계적으로 접촉하도록 그 아래쪽 반응 부분으로부터의 가스 흐름을 완전히 전환시킬 수 있다.

가스를 교체하는 전술한 방법과 함께 거리를 변화시키는 방법을 조합하여 이용할 수 있다는 것은 자명하다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시 형태를 참고로 설명했지만, 많은 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 전술한 경우보다 몇 배 더 높거나 몇 배 더 낮은 상이한 가스, 가스 혼합물 및/또는 온도를 이용할 수 있다. 또한, 가스는 처리 반응 중에 발생할 수 있으며, 그러한 처리를 촉진 또는 억제할 수 있다. 모든 그러한 변형은 전술한 내용을 읽은 당업자에게라면 자명하며, 후술하는 청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (12)

1. 웨이퍼와 같은 기재를 열처리하기 위한 방법으로서, 웨이퍼를 열처리 장치 내로 도입하는 것을 포함하며, 상기 열처리 장치는 웨이퍼의 도입 위치와 평행한 2개의 실질적으로 편평한 부분을 포함하고, 웨이퍼가 사이에 수용되는 이들 2개 부분 중 제1 부분을 고온인 제1 온도로 가열하고, 열처리의 실시를 위해 처리 시간 중 적어도 일부 동안 웨이퍼의 양 측부로 가스 흐름을 각각 공급하는 열처리 방법에 있어서, 상기 2개 부분 중 제2 부분을 냉각 수단의 도움으로 70℃ 미만의 저온인 제2 온도로 능동적으로 냉각하며, 처리 중에, 소정 시간 동안, 웨이퍼가 고온인 상기 제1 온도에 비교적 더 가까운 온도에 있은 후 저온인 상기 제2 온도에 비교적 더 가까운 온도에 있도록 상기 2개 부분 중 적어도 하나와 웨이퍼 간의 열전도를 제어하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 열전달의 제어는 공급되는 가스 흐름 중 적어도 하나의 특성을 제어함으로써 상기 2개 부분 중 적어도 하나와 웨이퍼 간의 전도에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 처리 시간 중 적어도 일부 동안 웨이퍼를 가스 흐름과 함께 부동(浮動) 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
4. 선행항 중 한 항에 있어서, 처리 시간 중 적어도 일부 동안, 상기 2개 부분 중 적어도 하나의 웨이퍼로 지향된 표면과 웨이퍼 간의 거리가 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
5. 제1항 내지 제3항에 있어서, 처리 동안 가스 흐름 중 적어도 하나의 열전달 특성을 그 가스 흐름의 조성을 변화시킴으로써 제어하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 가스는 질소 및/또는 헬륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
7. 제3항에 있어서, 처리 중에, 가스 흐름의 크기를, 웨이퍼가 상기 2개 부분 중 한 부분보다 다른 부분에 더 가깝게 위치하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
8. 제7항에 있어서, 처리 중에, 가스 흐름의 유량을, 웨이퍼가 먼저 저온인 상기 제2 온도에 있는 제2 부분에 더 가깝게 위치한 후, 고온인 상기 제1 온도에 있는 제1 부분에 더 가깝게 위치하고, 마지막으로 다시 저온인 상기 제2 온도에 있는 제2 부분에 더 가깝게 위치하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
9. 웨이퍼와 평행하고 서로 대향하는 2개의 실질적으로 편평한 부분을 포함하고, 웨이퍼가 사이에 수용되는 상기 2개 부분 중 제1 부분에는 그 제1 부분을 고온인 제1 온도로 만들기 위한 가열 수단이 마련되어 있고, 상기 2개 부분에는 그 2개 부분 사이로 개방되는 가스 공급 채널이 각각 마련되어 있는 열처리 장치에 있어서, 상기 제2 부분에는 그 제2 부분을 70℃ 미만의 저온인 제2 온도로 유지하기 위한 냉각 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
10. 제9항에 있어서, 처리 중에 상기 2개 부분 중 적어도 하나와 웨이퍼 간의 열전도를 제어하기 위한 수단이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
11. 제10항에 있어서, 처리 중에 상기 2개 부분 중 적어도 하나와 웨이퍼 간의 열전도를 제어하기 위한 상기 수단은, 상기 2개 부분 중 적어도 하나에 연결되어 여러 가스를 연속적으로 공급하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
12. 제9항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 제2 부분을 냉각하기 위한 수단은 펠티에 냉각 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.