KR20030007466A - 기판의 국부 가열 및 냉각 - Google Patents

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KR20030007466A
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맷슨 써멀 프로덕츠, 인크.
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Abstract

본 발명은 열처리 챔버 내에서 반도체 웨이퍼를 국부적으로 가열 및/또는 냉각하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 장치는 가열 사이클의 하나 이상의 단계 중에 웨이퍼의 국부 영역의 온도를 제어하기 위해 이러한 영역을 가열 또는 냉각하는 장치를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 가스 노즐은 국부 온도 제어를 제공하도록 웨이퍼의 바닥을 향해 가스를 분사시킨다. 또다른 실시예에서, 다양한 가스 배출구를 포함하는 투명 가스 파이프는 국부 온도 제어를 제공하도록 웨이퍼의 상부면을 향해 가스를 분배시킨다.

Description

기판의 국부 가열 및 냉각 {LOCALIZED HEATING AND COOLING OF SUBSTRATES}
본원에서 사용되는 열처리 챔버는 반도체 웨이퍼와 같은 대상물을 급속하게 가열하는 장치를 지칭한다. 이러한 장치는 일반적으로 반도체 웨이퍼를 유지하기 위한 기판 유지기와, 웨이퍼를 가열하기 위한 에너지를 방출하는 광원과 같은 열에너지원을 포함한다. 열처리 중에, 반도체 웨이퍼는 미리 조절된 온도 영역에 따라 제어된 조건 하에서 가열된다. 열처리 중 반도체 웨이퍼의 온도를 모니터링하기 위해, 열처리 챔버는 일반적으로 소정의 파장대역에서 반도체 웨이퍼에 의해 방출되는 복사선을 감지하는 고온계와 같은 온도 감지 장치를 포함한다. 웨이퍼에 의해 방출되는 열복사선을 감지함으로써, 웨이퍼의 온도는 적절한 정확도로 계산될 수 있다.
많은 반도체 가열 공정은 웨이퍼가 소자로 제조될 때 다양한 화학적 및 물리적 반응이 발생하도록 고온으로 가열될 것을 요한다. 반도체 공정의 일 형태인 급속 열처리 공정(rapid thermal processing) 중에, 반도체 웨이퍼는 일반적으로 수 분 이하의 시간 동안, 일련의 광원에 의해 예를 들어 약 400℃ 내지 약 1,200℃의온도로 가열된다.
예를 들어, 과거에 반도체 웨이퍼는 소정의 가열 사이클에 따라 가열되었다. 예를 들어, 웨이퍼는 일반적으로 초기 온도에서 소정의 온도로 매우 빠른 가열 속도로 가열되었다. 그후 웨이퍼는 소정의 공정이 수행되기에 충분한 시간 동안 소정의 온도로 유지되었다. 예를 들어, 이러한 가열 사이클 중에 웨이퍼는 어닐링될 수 있거나 산화물 막과 같은 다양한 막 및 코팅이 웨이퍼 상에 증착될 수 있다. 가열 사이클을 완성하기 위해, 웨이퍼가 소정의 시간 동안 소정의 온도로 유지된 후 광원은 꺼지고 웨이퍼는 냉각되었다. 일반적으로, 웨이퍼는 열원을 단순히 끄거나 제거함으로써 냉각되었다. 더욱이, 소정의 경우에, 냉각 장치가 또한 웨이퍼를 냉각시키기 위해 사용되었다.
최근에, 보다 효과적이고 보다 적은 작동 전력을 요하는 보다 얇고 보다 균일한 층을 갖는 집적 회로의 형성이 강조되었다. 이와 관련하여, 최근의 관심은 열처리 챔버 내에서 코팅 및 막을 보다 정확하게 형성하고, 예를 들어 온도 램프-업(ramp-up), 일정한 상태의 온도 유지, 및 냉각과 같은 챔버 내에서의 가열 사이클을 수행하는데 소요되는 시간을 감소시키는데 집중되었다. 일반적으로, 소정의 결과를 달성하기 위해, 웨이퍼는 일반적으로 가능한 한 균일하게 가열되고 냉각되어야 한다.
그러나, 반도체 웨이퍼의 가열 및 냉각과 관련된 하나의 문제점은 웨이퍼의 온도 프로파일이 웨이퍼의 상이한 지역에서 변할 수 있어서, 전체적인 가열 및 냉각의 균일성을 감소시킨다는 것이다. 예를 들어, 종래의 공정 시스템을 사용하여실리콘 웨이퍼 상에 산화물 층을 형성할 때, 웨이퍼의 온도 프로파일은 일반적으로 사용된 히터의 형태, 챔버의 구조 등과 같은 다양한 변수로 인해 발생하는 소정의 균일한 온도로부터의 편차를 갖는다. 이러한 편차는 일반적으로 웨이퍼의 단지 소정의 영역에서 국부적으로 일어난다. 예를 들어, 국부 온도 편차는 가열 사이클의 램프-다운 및 램프-업 단계 중에 용이하게 발생할 수 있다. 이러한 단계 중에, 웨이퍼의 국부 외측 영역이 웨이퍼의 국부 중앙 영역 보다 신속히 가열 또는 냉각되는 경향이 있다. 이는 웨이퍼를 가로질러 온도 프로파일의 불균일성을 초래한다.
이러한 국부 온도 편차는 일반적으로 수 도 정도의 크기를 갖고 웨이퍼 상의 수 센티미터 영역에서 국부적으로 발생한다. 특히, 급속 열처리 공정에서, 상기 편차는 일반적으로 균일한 타겟 온도로부터 약 0.1% 내지 약 10% 범위에 있다. 예를 들어, 종래의 급속 열처리 공정 시스템에서 일반적인 국부 편차는 약 1000℃의 공정 타겟 온도에 대해 약 5℃이다.
이처럼, 급속 열처리 공정 챔버 내에서 웨이퍼를 냉각 및 가열하기 위한 개선된 장치 및 방법이 현재 필요하다. 특히, 웨이퍼의 온도 프로파일의 편차를 최소화하기 위해 반도체 웨이퍼를 국부적으로 냉각 및/또는 가열할 수 있는 급속 열처리 공정 챔버가 현재 필요하다.
본 발명은 반도체 웨이퍼와 같은 기판을 열처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 당업자에 직결된 최상의 실시형태를 포함하는 본 발명의 완전하고 실현 가능한 설명들이 첨부도면을 참조하여 이후 보다 상세하게 개시된다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼를 열처리하기 위한 장치의 일 실시예의 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 국부 냉각 또는 가열을 위해 사용되는 장치의 일 실시예의 횡단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 장치의 횡단면도이다.
도 4는 예(example)의 그래픽 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 웨이퍼를 열처리하기 위한 장치의 또다른 실시예의 횡단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 국부 냉각 또는 가열을 위해 사용되는 장치의 또다른 실시예의 횡단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 장치의 횡단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 국부 냉각 또는 가열을 위해 사용되는 장치의 선택적인 실시예의 횡단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 국부 냉각 또는 가열을 위해 사용되는 장치의 또다른 실시예의 도면이다. 그리고,
도 10은 본 발명에 따른 국부 냉각 또는 가열을 위해 사용되는 장치의 또다른 실시예의 횡단면도이다.
이후의 상세한 설명 및 도면에서 반복 사용된 참조 부호는 본 발명의 동일한 또는 유사한 구성요소를 지칭한다.
본 발명은 선행 기술의 구성 및 방법의 전술한 단점 등을 인식하고 해결하고자 하는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 반도체 웨이퍼와 같은 대상물을 열처리하기 위한방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소정의 가열 사이클 중에 웨이퍼의 국부 영역을 가열 및 냉각할 수 있는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 소정의 가열 사이클 중에 반도체 웨이퍼의 국부 영역의 온도를 제어하는 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적은 집적 회로의 제조 공정 중에 반도체 웨이퍼의 열처리 장치를 제공함으로써 달성된다. 상기 장치는 이온 주입 단계 후 웨이퍼의 어닐링, 또는 도전성 재료, 절연체, 및 반도성 재료로부터 제조되는 코팅 및 막을 반도체 웨이퍼 상에 형성하거나 어닐링하는 다양한 작업을 위해 사용될 수 있다. 상기 장치는 반도체 웨이퍼를 수용하도록 구성된 열처리 챔버를 포함한다. 웨이퍼를 유지하고 회전시키기 위해 기판 유지기가 열처리 챔버 내에 포함될 수 있다. 웨이퍼를 가열하기 위해, 열원이 열처리 챔버와 연결되게 위치될 수 있다. 열원은 예를 들어 열복사선을 방출하는 복수의 램프일 수 있다.
본 발명에 따라, 상기 장치는 반도체 웨이퍼의 국부 영역을 가열 및/또는 냉각하는 장치를 포함한다. 웨이퍼의 소정 영역을 국부적으로 가열 및/또는 냉각함으로써, 온도 편차는 수정되거나 실질적으로 방지될 수 있다. 특히, 가열 사이클의 소정 단계 중에 웨이퍼를 소정의 온도로 가열하는 것이 일반적으로 바람직하다. 적합한 공정 결과(예를 들어, 균일한 산화물 두께)를 달성하기 위해, 전체 웨이퍼는 일반적으로 이러한 소정의 온도로 유지되어야 한다. 이처럼, 본 발명에 따라,이러한 소정의 온도 편차가 적절히 수정될 수 있어서 웨이퍼에 대해 실질적으로 균일한 온도 프로파일이 얻어진다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서, 국부 가열 및/또는 냉각 장치가 웨이퍼 아래에 위치될 수 있다. 상기 실시예에서, 상기 장치에는 하나 이상의 가스를 웨이퍼에 공급할 수 있는 하나 이상의 가스 배출구가 설치될 수 있다. 공정 중에, 이러한 가스들은 웨이퍼를 가열 또는 냉각하기 위해 공급될 수 있다. 예를 들어, 램프-업 단계 중에 웨이퍼를 가열할 때, 웨이퍼의 여러 국부 영역(예를 들어, 외측 영역)은 이러한 가스들에 의해 냉각될 수 있어서 균일한 가열을 방해하는 "과 가열(over-heating)"을 보상한다.
더욱이, 웨이퍼로의 가스 도포를 제어하기 위해 다양한 제어 기구가 또한 이용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 제어 기구는 가스 유동율의 제어, 가스 온도의 제어, 가스 형태의 변화, 둘 이상의 가스의 이용, 가스의 스프레드 프로파일의 조절, 가스가 분사되는 각도의 변화, 배출구의 위치 조작, 가스 배출구의 직경 변화, 가스 배출구 사이의 거리 변경, 소정의 방향으로 웨이퍼의 회전, 반사 소자를 통한 가스 배출구의 장착, 등에 사용되지만, 이에 한정되지 않는다. 더욱이, 이러한 제어 기구는 하나 이상의 온도 감지 장치와 연결되는 시스템 제어기를 사용하여 자동적으로 조절될 수 있다.
게다가, 본 발명의 또다른 실시예는 국부 가열 및/또는 냉각을 위한 가스 파이프를 이용한다. 반드시 그럴 필요는 없지만, 가스 파이프는 일반적으로 웨이퍼 상에 위치된다. 가열이 램프에 의해 방해받지 않도록, 가스 파이프는 일반적으로사파이어(sapphire) 또는 석영(quartz)과 같은 투명 재료로 제조된다. 또한, 전술된 실시예와 유사하게, 상기 실시예의 장치에는 웨이퍼의 국부 영역을 가열 또는 냉각하기 위해 하나 이상의 가스를 공급할 수 있는 하나 이상의 가스 배출구가 설치될 수 있다.
또한, 전술된 소정의 제어 기구가 가스 파이프와 함께 사용될 수 있다. 그러나, 상기 실시예에 따라 다른 기구가 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 제어 기구의 예로는 가스 파이프의 직경 및/또는 길이의 변화, 가스 파이프를 여러 부분으로 분리, 다중 가스 파이프(예를 들어, 내측 파이프)의 사용, 단일 가스 파이프를 갖는 가스 배출구의 다중 라인 또는 채널을 사용하는 제어 기구들이 포함되지만, 이에 한정되지 않는다. 또한, 전술된 실시예와 유사하게, 이러한 제어 기구는 하나 이상의 온도 감지 장치와 연결된 시스템 제어기를 사용하여 자동적으로 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 측면이 이후 보다 상세히 설명된다.
본 설명은 단지 예시적인 실시예의 설명이지, 예시적인 구성에서 구현된 본 발명의 보다 넓은 측면을 한정하려는 것은 아니라는 것을 당업자는 이해할 것이다.
일반적으로, 본 발명은 열처리 챔버 내에서 웨이퍼를 국부적으로 냉각 및/또는 가열하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 반도체 웨이퍼를 가열하기 위해, 열처리 챔버는 복사 에너지를 방출하는 복수의 램프와 같은 종래의 가열원을 포함할 수 있다. 더욱이, 열처리 챔버는 웨이퍼가 가열된 후 전체 반도체 웨이퍼를 활발히 냉각시키는 냉각 장치를 또한 포함한다.
본 발명에 따라, 가열원 및/또는 냉각 장치는 또한 웨이퍼의 하나 이상의 "국부 영역"에 따른 온도 편차를 수정하는 장치와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 장치는 일반적으로 "온도 편차"를 수정하기 위해 반도체 웨이퍼의 선택된 국부 영역에 고온의 및/또는 저온의 가스를 제공할 수 있다.
본원에 사용된 "국부 영역(들)"은 기판의 하나 이상의 축을 따라 한정된 분리 영역을 일반적으로 지칭한다. 예를 들어, 디스크 형태의 웨이퍼는 그 반경 축을 따라 한정된 국부 영역을 갖는다. 일반적으로, 상기 분리 영역은 기판의 총 단면적의 약 50% 이하, 바람직하게 총 단면적의 35% 이하, 보다 바람직하게 총 단면적의 25% 이하, 가장 바람직하게 총 단면적의 약 15% 이하이다.
본원에 사용된 "온도 편차"는 가열 사이클에 의해 한정된 소정의 온도와, 가열 사이클의 단계 중에 소정의 국부 영역의 실제 온도 사이의 절대차를 일반적으로 지칭한다. 일반적으로, 본 발명의 온도 편차는 약 100℃ 이하, 바람직하게 약 50℃ 이하, 보다 바람직하게 25℃ 이하, 가장 바람직하게 약 5℃ 이하이다. 그러나, 국부 가열 및/또는 냉각은 약 3℃ 이하, 보다 바람직하게 약 1℃ 이하의 온도 편차에 대해서는 일반적으로 요구되지 않는다.
일반적으로, 국부 가열 및/또는 냉각을 위해 사용되는 본 발명의 장치는 다양한 형태를 취할 수 있으며 상이한 방식으로 작동할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상기 장치는 웨이퍼의 국부 영역에 고온의 및/또는 저온의 가스를 제공하기 위한 가스 제트를 포함할 수 있다. 더욱이, 또다른 실시예에서, 상기 장치는 웨이퍼의 국부 영역에 고온의 및/또는 저온의 가스를 분배하는 노즐을 갖는 가스 파이프를 포함할 수 있다.
본 발명의 장치 및 방법을 통해 다양한 장점 및 잇점이 달성된다. 예를 들어, 본 발명의 장치를 사용함으로써, 반도체 웨이퍼의 온도 프로파일은 램프-업, 정상 상태, 및 램프-다운 단계를 포함하는 전체 가열 사이클을 통해 실질적으로 균일한 온도에서 유지될 수 있다. 웨이퍼의 온도 프로파일을 실질적으로 균일한 온도로 유지시킴으로써, 실리콘 내에 이온 주입된 불순물의 활성화 및 손상을 효과적으로 어닐링하고, 반도체 웨이퍼 상에 초박막의 코팅 및 막을 형성하며, 반도체 웨이퍼 상에 미리 증착된 도전성 또는 절연성 박막을 어닐링하도록 하는데 본 발명의 열처리 챔버는 특히 적합하다. 본 발명의 열처리 챔버는 또한 개선된 전기적 특성을 갖는 매우 균일한 코팅 및 막을 형성할 수 있다.
도 1을 참조하면, 실리콘과 같은 반도성 재료로 제조된 웨이퍼를 열처리하기 위해 본 발명에 따라 제조된 시스템(10)이 도시된다. 시스템(10)은 다양한 공정을 수행하기 위해 웨이퍼(14)와 같은 기판을 수용하도록 구성된 열처리 챔버(12)를 포함한다. 도시된 것처럼, 웨이퍼(14)는 석영과 같은 열절연 재료로 제조된 기판 유지기(15) 상에 위치된다. 챔버(12)는 신중하게 제어된 조건 하에서 매우 신속한 비율로 웨이퍼(14)를 가열하도록 설계된다. 챔버(12)는 예를 들어 금속 및/또는 투명 재료를 포함하는 다양한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서,챔버(12)의 모든 부분 또는 일부분은 스테인레스 강, 황동 또는 알루미늄으로 제조될 수 있다. 더욱이, 또다른 실시예에서, 챔버(12)의 모든 부분 또는 일부분(예를 들어, 벽)은 석영 또는 사파이어와 같은 투명 재료로 제조될 수 있다. 이러한 투명 재료는 가열 램프(예를 들어, 할로겐 램프)에 의해 발생된 열 복사로 웨이퍼(14)를 일 측면 이상으로부터 가열할 때 특히 유용할 수 있다.
소정의 실시예에서, 챔버(12)는 또한 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 것처럼, 챔버(12)는 챔버의 원주부 둘레에 감긴 냉각 도관(16)을 포함한다. 도관(16)은 챔버(12)의 벽을 상대적으로 낮은 온도로 유지시키는데 사용되는 물과 같은 냉각액을 순환시키도록 구성된다. 챔버(12)는 또한 가스를 챔버 내로 유입 및/또는 챔버를 소정의 압력 범위 내로 유지시키기 위한 가스 입구(18) 및 가스 출구(20)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스는 예를 들어 산화물 코팅, 도전성 층 등을 형성하기 위해 가스 입구(18)를 통해 챔버(12) 내로 유입되어 웨이퍼(14)와 반응할 수 있다. 일단 가스가 처리되면, 가스는 가스 출구(20)를 이용하여 챔버로부터 배기될 수 있다.
선택적으로, 불활성 가스는 소정의 원치 않는 또는 바람직하지 않은 측면 반응이 챔버 내에서 발생하는 것을 방지하기 위해 가스 입구(18)를 통해 챔버(12)에 공급될 수 있다. 또다른 실시예에서, 가스 입구(18)와 가스 출구(20)는 챔버(12)를 가압하기 위해 사용될 수 있다. 진공이 요구될 때 웨이퍼의 아래에 위치된 보다 큰 추가 출구 또는 가스 출구(20)를 사용하여, 챔버(12) 내에 진공이 형성될 수 있다.
공정 중에, 일 실시예에서 기판 유지기(15)는 웨이퍼 회전 기구(21)를 사용하여 웨이퍼(14)를 회전시키도록 구성될 수 있다. 웨이퍼의 회전으로 인해 웨이퍼의 표면 상에서의 온도 균일성이 개선되고 챔버 내에 유입된 소정의 가스와 웨이퍼(14) 사이의 접촉이 향상된다. 그러나, 웨이퍼 외에도 챔버(12)는 소정의 특정 형태를 갖는 광학 부품, 막, 섬유, 리본, 및 다른 기판을 처리하도록 구성된다는 것을 이해해야 한다.
열원 또는 가열 장치(22)는 일반적으로 공정 중에 웨이퍼(14)를 가열하기 위해 챔버(12)와 연결되어 포함된다. 가열 장치(22)는 텅스텐-할로겐 램프와 같은 복수의 램프(24)를 포함한다. 도 1에 도시된 것처럼, 램프(24)는 웨이퍼(14) 상에 위치된다. 그러나, 램프(24)는 소정의 특정 위치에 위치될 수도 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 램프(24)는 웨이퍼(14)의 아래에, 웨이퍼(14)의 측면에, 및 이들의 조합 위치에 위치될 수 있다. 따라서, 요구된다면 추가 램프가 시스템(10) 내에 포함될 수 있다.
열원으로서 램프(24)를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 예를 들어, 램프는 전기적 장치 또는 종래의 로와 같은 가열 장치 보다 훨씬 높은 가열 및 냉각 비율을 갖는다. 램프(24)는 순간 에너지를 제공하고, 일반적으로 매우 짧고 잘 제어된 개시 기간을 요구하는 급속 등온 열처리 시스템을 형성한다. 램프(24)로부터의 에너지 유동은 소정의 시기에 갑자기 정지될 수 있다. 도면에 도시된 것처럼, 램프(24)에는 소정의 램프에 의해 방출되는 복사 에너지를 증가 또는 감소시키기 위해 사용될 수 있는 점진적 전력 제어기(25)가 설치된다.
상기 실시예에서, 가열 사이클 중에 웨이퍼(14)의 온도를 모니터하기 위해, 열처리 챔버(12)는 일반적으로 복수의 복사 감지 장치(27)를 포함한다. 복사 감지 장치(27)는 복수의 대응하는 광 탐지기(30)와 차례로 연결되는 광 섬유 또는 광 파이프(28)를 포함한다. 광 섬유(28)는 특정 파장에서 웨이퍼(14)에 의해 방출된 열 에너지를 수용하도록 형성된다. 감지된 복사양은 부분적으로 플랭크 법칙(Planck's Law)에 기초해서 계산될 수 있는 웨이퍼의 온도를 결정하는 사용가능한 전압 신호를 발생시키는 광 탐지기(30)에 연결된다. 일 실시예에서, 광 탐지기(30)와 조합된 각각의 광 섬유(28)는 고온계를 포함한다.
일반적으로, 열처리 챔버(12)는 하나 또는 복수의 복사 감지 장치를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 열처리 챔버(12)는 상이한 위치에서 웨이퍼의 온도를 측정하는 복수의 복사 감지 장치를 함유한다. 상이한 위치에서 웨이퍼의 온도를 인식하면 웨이퍼에 적용되는 가열 및/또는 냉각의 필요 양을 제어할 수 있다.
본 발명의 공정 중에, 시스템(10)은 광 섬유(28)가 웨이퍼(14)에 의해 방출되는 열 복사만을 탐지하고 램프(24)에 의해 방출되는 복사를 탐지하지 않도록 설계되어야 한다. 이와 관련하여, 시스템(10)은 광 탐지기(30)가 작동하는 파장에서 램프(24)에 의해 방출되는 열 복사가 챔버(12)로 유입되는 것을 방지하는 필터(32)를 포함한다. 필터(32)는 또한 웨이퍼(14)로부터 램프(24)를 고립시키고 챔버의 오염을 방지하는 작용을 한다. 도 1에 도시된 필터(32)는 챔버(12)와 열원(22) 사이에 위치된 윈도우일 수 있고 예를 들어 용융 실리카 또는 석영으로 제조될 수 있다. 선택적인 실시예에서, 각각의 램프(24)는 별도의 필터로 덮힐 수 있다.
복사 감지 장치의 사용 외에, 다른 온도 감지 장치가 본 발명의 시스템 내에 사용될 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열전쌍이 단일 위치 또는 복수의 위치에서 웨이퍼의 온도를 모니터하기 위해 시스템 내에 형성될 수도 있다. 상기 열전쌍은 웨이퍼와 직접 접촉할 수 있고 또는 온도가 추정될 수 있는 웨이퍼에 인접하게 위치될 수 있다.
게다가, 반사 장치(26)는 또한 챔버(12) 내에서 웨이퍼(14)에 인접하게 놓여진다. 반사 장치(26)는 전술한 것처럼 대응하는 복수의 광 탐지기(30)와 연결된 광 파이프(28)에 연결된다. 더욱이, 광 파이프(28), 고온계, 및/또는 열전쌍은 웨이퍼(14)와 반사 장치(26) 사이의 공간 내의 복사를 탐지하고, 또는 웨이퍼(14)의 온도를 탐지하기 위해 반사 장치(26)를 통해 공급될 수 있다.
일반적으로, 반사 장치(26)는 광 탐지기(30)가 작동하는 파장에서 웨이퍼(14)에 의해 방출되는 열 복사를 반사시키도록 설계된다. 반사 장치(26)는 웨이퍼(14)에 의해 방출된 복사가 웨이퍼(14)의 표면과 반사 장치(26)의 표면 사이에서 여러번 반사되도록 한다.
반사 장치(26)는 일반적으로 웨이퍼에 의해 방출된 열 복사가 반사되는 양을 증가시키기 위해 웨이퍼(14)에 가능한 한 근접하게 위치되어야 한다. 그러나, 일반적으로 반사 장치(26)가 웨이퍼(14) 보다 낮은 온도이기 때문에, 반사 장치를 웨이퍼에 너무 근접하게 위치시키면 가열 공정을 방해할 수도 있으며 또는 웨이퍼가 균일한 비율로 가열되는 것을 방지할 수도 있다. 웨이퍼(14)와 반사 장치(26) 사이의 거리 또는 공간의 선택은 웨이퍼(14)의 크기에 좌우된다. 직경이 200㎜인 웨이퍼에 있어서, 반사 장치(26)는 일반적으로 웨이퍼(14)로부터 약 3㎜ 내지 약 15㎜ 범위에 위치될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 웨이퍼 크기에 있어서, 반사 장치(26)는 일반적으로 웨이퍼(14)로부터 약 6㎜ 내지 약 8㎜ 범위의 거리에 위치된다. 보다 큰 웨이퍼에 대해 보다 큰 정도의 거리가 바람직하다.
반사 장치(26)는 반사가 광 섬유(28) 및 광 탐지기(30)에 의해 추출되는 파장에서 바람직하게 0.9 이상의 매우 높은 반사도를 가져야 한다. 반사 장치(26)는 다양한 재료로 제조될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 반사 표면은 스테인레스 강과 같은 금속 기판을 유전체 막으로 코팅함으로써 형성된다. 유전체 막은 소정의 파장에서 적절한 반사도를 갖도록 특별히 설계된 다층 광학 막일 수 있다. 이러한 막은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지되어 있으며 캘리포니아, 산타 로사 소재의 디포지션 사이언스(Deposition Sciences)사로부터 얻을 수 있다.
유전체 막 외에, 반사 표면은 투명한 유전체 코팅과 같은 투명한 보호 코팅으로 코팅된 고연마 금속으로 제조될 수 있다. 이러한 금속으로는 금, 은, 및 니켈이 있다. 그러나, 특정의 바람직한 파장에 있어서, 금속 표면은 일반적으로 전술된 유전체 막 보다 반사적이지 않다. 또한, 금속은 고온으로 가열될 때 공정 챔버(12) 내에 오염을 야기할 수도 있다. 반사 플레이트의 사용은 본원에 참조된 미국 특허 제 5,874,711호에 보다 구체적으로 개시된다.
슬립 프리(slip-free) 링(또는 가드 링, 17)이 본 발명에서 이용될 수 있다. 일반적으로 실리콘, 탄화규소, 또는 다른 유사한 재료로 제조되는 슬립 프리링(17)은 웨이퍼(14)를 둘러싸도록 설계되어 웨이퍼(14)가 링(17)의 내측 직경 내에 위치된다. 열처리 챔버의 작동 중에, 링(17)은 가열 램프(24)에 의해 방출된 에너지를 흡수하고 그후 에너지를 웨이퍼(14)의 에지로 복사한다. 링(17)은 웨이퍼(14)의 에지에 의해 방출된 열 복사를 웨이퍼 상으로 반사할 수 있다. 이러한 방식으로, 수동적으로(passively) 가열된 링은 웨이퍼(14)의 에지에서 소정의 열 손실을 보상하고 처리 가스가 챔버를 통해 유동할 때 웨이퍼의 대류 냉각을 감소시킬 수 있다.
시스템(10)은 예를 들어 마이크로프로세서일 수 있는 시스템 제어기(50)를 더 포함한다. 제어기(50)는 광 탐지기(30)로부터 다양한 위치에서 추출된 복사 양을 나타내는 전압 신호를 수용한다. 수용된 신호에 기초해서, 제어기(50)는 상이한 위치에서 웨이퍼(14)의 온도를 계산하도록 형성된다.
도 1에 도시된 시스템 제어기(50)는 또한 램프 전력 제어기(25)와 연결될 수 있다. 이러한 배열에서, 제어기(50)는 웨이퍼(14)의 온도를 결정할 수 있으며, 상기 정보에 기초해서, 램프(24)에 의해 방출되는 열 에너지의 양을 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 웨이퍼(14)를 주의깊게 제어된 한계 내에서 처리하기 위해 챔버(12) 내의 조건에 관해 순간 조절이 가능하다.
본 발명에 따라, 본 발명의 시스템은 일반적으로 웨이퍼가 가열 또는 냉각될 때 기판을 국부적으로 가열 및/또는 냉각하기 위한 장치를 포함한다. 그러므로, 가열 램프의 출력 제어 외에, 기판을 국부적으로 가열 및/또는 냉각시키는 장치가 온도 균일성을 향상시키기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 도 1에 도시된 것처럼 열처리 챔버(12)는 일반적으로 웨이퍼(14)의 소정 영역을 국부적으로 냉각 및/또는 가열하는 장치(60)를 포함할 수 있다. 특히, 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 적어도 하나의 가스 배출구(62, 예를 들어, 제트 또는 노즐)는 웨이퍼(14) 아래에 위치되고 가스가 반도체 웨이퍼(14)의 별개 부분 또는 국부 영역에 도포되도록 반사 장치(26)를 통해 연장한다. 그러나, 가스 배출구(62)가 반사 장치(26)를 통해 연장할 필요가 없음을 이해해야 한다. 사실, 배출구(62)는 가스를 웨이퍼(14)의 바닥 표면의 국부 영역에 공급하기 위해 소정의 바람직한 방식으로 형성될 수 있다. 더욱이, 가스 배출구(62)는 가스를 웨이퍼(14)의 측면 또는 상부면에 공급하기 위해 형성될 수 있다.
전술된 방식으로 가스를 제공함으로써, 웨이퍼(14)의 하나 이상의 국부 영역의 온도는 제어될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 저온의 가스가 반도체 웨이퍼(14)의 국부 영역의 온도를 감소시키기 위해 가스 배출구(62)에 의해 공급될 수 있다. 또다른 실시예에서, 고온의 가스는 배출구(62)에 의해 공급될 수 있다. 더욱이, 소정의 실시예에서, 고온 및 저온의 가스는 상이한 배출구에 의해 동시에 공급될 수 있다. 일반적으로, 기판을 냉각 또는 가열하는데 일반적으로 사용되는 소정 형태의 가스가 본 발명에서 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 소정 가스의 예로는 질소, 아르곤, 등과 같은 불활성 가스, 높은 열 전도성을 갖는 예를 들어 헬륨, 수소, 산소, 이들의 혼합물 등과 같은 가스를 포함한다.
가열 사이클 중에 웨이퍼의 국부 영역의 온도를 제어하기 위해, 다양한 변수가 일반적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 가스 배출구(62)의 수는 웨이퍼(14)의 하나 이상의 별개 영역에 대한 국부 가열 및/또는 냉각을 제공하도록 증가될 수 있다. 결과적으로, 가스 배출구(62)는 반도체 웨이퍼의 많은 국부 영역의 온도를 보다 양호하게 제어하여, 보다 양호한 전체 온도 균일성을 허용한다.
더욱이, 소정의 실시예에서, 배출구(62)의 위치는 제어된 국부 가열 및/또는 냉각을 허용하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 웨이퍼의 국부 에지 영역에 대한 냉각 또는 가열이 더 제공될 것이 요구될 수도 있다. 따라서, 가스 배출구는 웨이퍼의 외측 에지에 대응하도록 복사상으로 위치될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 도 3에 도시된 것처럼, 배출구의 수가 웨이퍼 중앙으로부터 외측으로 증가하도록 배출구(62)는 반사 장치(26)를 관통해서 위치될 수 있다. 더욱이, 또다른 실시예에서, 가스 배출구(도시되지 않음)는 실질적으로 웨이퍼 중앙 아래에 위치될 수 있다.
게다가, 웨이퍼의 국부 가열 및/또는 냉각을 제공하도록 웨이퍼의 회전을 이용할 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼가 회전될 때, 배출구를 통해 챔버 내로 유동하는 가스는 외측 반경 방향으로 유동하는 경향이 있다. 그러므로, 가스 유동은 웨이퍼의 바닥 표면 상에 충돌하여 복사상으로 퍼지기 때문에, 웨이퍼에 대한 대류 냉각 또는 가열 효과는 웨이퍼의 반경 위치에서 최대일 것이다. 반면, 웨이퍼가 정지 상태로 유지될 때, 웨이퍼에 대한 대류 냉각 또는 가열 효과는 가스 배출구의 상부 또는 하부에 위치된 웨이퍼의 반경 원환에서 최대일 것이다.
소정의 경우에, 개개 가스 배출구의 가스 유동율은 본 발명에 따라 제어될수 있다. 가스 유동율을 제어함으로써, 본 발명의 시스템은 웨이퍼의 각각의 국부 영역에 대해 향상된 제어를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것처럼, 밸브(65)는 배출구(62)로부터 유동하는 가스를 독립적으로 제어하기 위해 이용될 수 있다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 소정의 가스 유동 제어 장치가 본 발명에 따라 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 가스 유동율의 제어 외에, 배출구를 통해 유동하는 가스의 온도 또한 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것처럼, 가열 장치(67)는 가스를 소정의 온도로 가열하는데 사용될 수 있다. 냉각 장치가 유사하게 가스를 소정의 온도로 냉각하기 위해 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 더욱이, 상이한 가스는 웨이퍼의 국부 영역의 온도에 대해 향상된 제어를 제공하기 위해 소정의 또는 모든 가스 배출구(62)에 공급될 수 있다.
게다가, 반사 장치 상에 가스 배출구의 존재만으로 웨이퍼의 국부 영역의 온도에 대한 제어를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 가스 배출구(62)가 반사 장치(26) 상에 존재함으로 인해 배출구가 장치를 통해 연장하는 위치에서 장치(26)의 반사도를 일반적으로 감소시킨다. 반사도를 감소시킴으로써, 가스 배출구(62)는 배출구(62)에 의해 점유된 반사 장치의 영역에 대응하는 웨이퍼(14)의 국부 영역의 온도를 감소시킬 수 있다. 그러므로, 국부 영역으로의 가스 제공 외에, 가스 배출구(62)는 또한 국부 영역으로 반사된 에너지를 감소시킴으로써 국부 영역의 온도에 대한 제어를 향상시킬 수 있다. 이러한 반사도 감소는 전술한 것처럼, 가열 사이클 중에 웨이퍼를 냉각할 때 특히 유용할 수 있다.
더욱이, 웨이퍼의 국부 영역의 온도에 대한 제어를 보다 향상시키기 위해,대상 웨이퍼에 관한 각각의 배출구의 분사각이 조절될 수 있다. 예를 들어, 노즐을 웨이퍼에 관해 90°로 위치시킴으로써, 가스는 노즐 직상에 형성된 국부 영역에 공급될 것이다. 그러나, 예를 들어 노즐을 45°로 위치시킴으로써, 가스는 노즐로부터 웨이퍼의 에지에 근접하게 향해질 수 있다.
전술된 실시예 외에, 국부 냉각 및/또는 가열은 다양한 다른 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 또다른 실시예에서 도 5 내지 도 9에 도시된 것처럼, 열처리 챔버(12)는 전술한 것처럼, 램프(24)와 웨이퍼(14) 사이에 위치된 적어도 하나의 가스 파이프(70)를 포함할 수 있다. 이러한 파이프를 통해 유동하여 가스 배출구를 통해 배출되는 가스는 웨이퍼의 국부 영역 상으로 흘러, 웨이퍼를 균일하게 가열 또는 냉각할 수 있다. 그러나, 가스 파이프(70)가 대안으로서 웨이퍼 아래에 위치될 수 있으며, 또는 이외에 파이프를 웨이퍼 상에 위치시킬 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일반적으로, 본 발명의 가스 파이프는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 파이프(70)는 웨이퍼 가열에 대한 가스 파이프의 영향을 최소화하기 위해 석영 또는 사파이어와 같은 투명 재료로 제조된다. 대부분의 실시예에서, 가스 파이프는 웨이퍼(14)를 회전시키기 위해 구성될 수 있는 회전 기구(21, 전술됨)와 함께 이용된다. 웨이퍼를 회전시킴으로써 가스 파이프는 전술된 도 1 내지 도 4에 도시된 실시예에서 처럼, 웨이퍼(14)의 국부 영역을 가열 및/또는 냉각할 뿐만 아니라 램프-다운 중에 전체 웨이퍼의 냉각을 돕는다.
더욱이, 가스 파이프는 다양한 크기 및/또는 형상을 갖도록 형성될 수 있다.예를 들어, 소정 직경(횡단면)의 가스 파이프(70)가 일반적으로 사용될 수 있다. 그러나, 대부분의 실시예에서, 가스 파이프(70)의 직경은, 특히 선형 램프가 이용될 때, 램프의 직경을 초과하지 않는다. 특히, 가스 파이프(70)는 램프(24)에 평행한 갭 내에 위치될 수 있도록 두 인접한 램프(24) 사이의 거리 이하의 직경을 일반적으로 갖는다.
게다가, 파이프(70)는 일반적으로 소정의 길이를 가질 수 있다. 대부분의 실시예에서, 파이프(70)는 적어도 일 단부가 웨이퍼(14)의 중심과 실질적으로 정렬될 수 있는 충분한 길이를 갖는다. 그러나, 소정의 예에서, 파이프(70)의 길이가 연속적일 필요는 없다. 예를 들어, 일 실시예에서, 분할 벽은 파이프가 두 부분을 포함하도록 파이프(70)의 중심에 제공될 수 있다. 그러므로, 일 가스는 파이프의 일 단부를 통해 유입될 수 있고 다른 가스는 파이프의 다른 단부를 통해 유입될 수 있다. 게다가, 파이프는 소정 수의 부분, 예를 들어 세 개의 부분으로 분할 될 수 있다. 세 개의 부분(예를 들어, 중심 및 두 단부)을 포함하는 파이프는 일 가스를 웨이퍼의 중심에 그리고 다른 가스를 웨이퍼의 에지에 제공할 수 있다. 이러한 가스 공급 방법은 후술하는 "포톤 박스 효과(photon box effect)"를 최소화하는 것을 목적으로 한다.
일반적으로, 파이프(70)는 온도를 바람직하게 제어하기 위해 다양한 방식으로 위치될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 파이프(70)는 웨이퍼 표면에 평행하게 정렬된다. 더욱이, 소정의 실시예에서 가스 파이프(70)는 선형 가열 램프의 방향 및/또는 웨이퍼에 수직하게 정렬될 수 있다. 일반적으로, 파이프(70)로부터웨이퍼 표면까지의 거리는 파이프의 존재로 인해 공정 결과에 영향을 미치지 않도록 설정된다. 특히, 공정 챔버의 크기에 따라, 파이프로부터 웨이퍼 표면까지의 거리는 일반적으로 약 0.5㎝ 내지 약 10㎝ 범위이다.
또한, 파이프(70)는 바람직하게 파이프(70)의 적어도 일부분이 웨이퍼의 회전 중심, 즉 웨이퍼의 중심 직상에 위치되도록 배열된다. 그러나, 회전 속도(각속도)에 따라 또는 부가적인 파이프가 존재하는지에 따라, 파이프(70)는 약 300㎜의 직경을 갖는 웨이퍼의 중심으로부터 약 5㎝ 이하와 같이 소정의 거리 만큼 일 방향으로 이동될 수 있다. 두 개의 파이프가 사용된다면, 파이프는 유리하게 웨이퍼 중심 주위에 대칭으로 배열된다.
도 6을 참조하면, 파이프(70)는 또한 가스를 웨이퍼 표면의 국부 영역 상에 분사하기 위한 하나 이상의 가스 배출구(72, 예를 들어 구멍 또는 노즐)를 일반적으로 포함한다. 이러한 국부 영역에 가스를 공급함으로써 가열 사이클 중에 웨이퍼의 온도 균일성을 보다 양호하게 제어할 수 있다. 특히, 전술된 다양한 가스가 가스 배출구(72)를 통해 가해질 수 있다. 또한, 가스 파이프는 상이한 가스 배출구를 통해 둘 이상의 상이한 가스를 분사할 수도 있다. 이러한 두 가스는 동일한 또는 상이한 고온의 가스, 냉각 가스, 또는 다른 공정 가스일 수도 있다.
일반적으로, 가스 배출구의 직경은 동일할 수 있으며 또는 상이한 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 웨이퍼(14)의 에지에 대응하는 배출구의 직경은 웨이퍼(14)의 중심에 대응하는 배출구의 직경 보다 크다. 이러한 방식으로 배출구의 직경을 변화시킴으로써, 배출구의 직경은 웨이퍼와 같은 디스크 형태의대상물에 대응할 수 있어서, 웨이퍼의 총 열용량은 반경 거리에 따라 선형적으로 증가한다.
더욱이, 배출구는 일반적으로 가스를 웨이퍼(14)의 국부 영역 상에 분사하도록 다양한 방식으로 위치될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 배출구(72)는 각각의 배출구가 웨이퍼(14)의 소정의 국부 영역에 대응하도록 서로 동일한 거리에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 웨이퍼(14)의 에지에 대응하는 배출구의 수는 웨이퍼(14)가 중심에 대응하는 수 보다 많을 수 있다. 게다가, 웨이퍼의 에지에 대응하는 인접한 가스 배출구 사이의 거리는 웨이퍼의 중심에 대응하는 인접한 가스 배출구 사이의 거리와 비교할 때 감소될 수 있다. 더욱이, 도 5 및 도 7에 도시된 것처럼, 슬립-프리 링(또는 가드 링, 17)으로 둘러싸일 때, 어떠한 가스 배출구도 냉각시 웨이퍼와 가드 링 사이의 갭 직상에 위치되지 않게 보장하는 것이 유익하다. 그러나, 램프-업 중에는, 상기 갭 직상에 위치된 가스 배출구가 바람직할 수도 있다. 또한, 본 발명의 파이프는 웨이퍼와 별개로 가드 링을 냉각 또는 가열하는데 사용될 수 있다.
전술한 것처럼 가스 배출구를 적절히 위치시키거나 가스 배출구의 크기를 결정함으로써, 웨이퍼의 국부 영역의 가열 및/또는 냉각은 효과적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 가열 사이클의 램프-업 또는 램프-다운 중에, 웨이퍼의 에지는 웨이퍼의 중심 보다 신속히 가열 또는 냉각되는 경향이 있다. 이러한 경향은 "포톤 박스 효과"로 공지되어 있다. 이러한 포톤 박스 효과를 보상하기 위해, 가스 배출구는 웨이퍼의 에지에 보다 많은 가스를 분배하도록 위치가 결정되고 또는 크기가결정될 수 있다. 그러므로, 예를 들어 램프-업 중에, 많은 냉각 가스가 웨이퍼 에지의 온도를 제어하는데 이용되어 온도 균일성을 향상시킬 수 있다.
일반적으로, 전술된 가스 배출구는 온도 균일성의 제어를 돕도록 소정의 "스프레드 프로파일(spread profile)"로 가스를 분사하도록 위치될 수 있다. 여기서 사용된 것처럼, "스프레드 프로파일"이란 용어는 일반적으로 특정 가스 배출구로부터 가스에 의해 접촉되는 기판의 영역을 지칭한다. 가스 배출구에 의해 분사된 가스의 스프레드 프로파일은 웨이퍼의 온도 균일성을 추가적으로 제어하기 위해 선택될 수도 있다. 특히, 가스 배출구의 위치는 일반적으로 인접한 가스 배출구의 스프레드 프로파일이 웨이퍼의 표면에서 약간 겹치도록 선택된다. 이처럼, 전체 웨이퍼는 슬립 라인이 발생하지 않도록 파이프의 가스 배출구 체인을 따라 충분한 균일도로 냉각 및/또는 가열된다. 이러한 겹침은 전술한 다양한 방식, 예를 들어 가스 유속을 제어, 가스 파이프를 따라 배출구의 위치를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 웨이퍼를 가로질러 온도 프로파일에서 최대 온도 기울기는 약 700℃ 이상의 온도에서 약 1℃/㎝ 이하이어야 한다.
가스 배출구가 가스를 분사하는 각도는 가스의 스프레드 프로파일을 제어하기 위해 조절될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 것처럼, 가스 배출구(72)는 도 9a에서 화살표 방향으로 표시된 것처럼 웨이퍼의 회전 방향과 반대로, 또는 도 9b에서 화살표 방향으로 표시된 것처럼 웨이퍼의 회전 방향과 일치하도록 각도가 정해질 수 있다. 대부분의 실시예에서, 가스 배출구는 웨이퍼에 대해 약 60°내지 약 120°범위의 각도로 위치된다. 예를 들어, 도 6에 도시된 것처럼, 가스 배출구는 웨이퍼에 대해 약 90°로 위치된다. 더욱이, 소정의 실시예에서, 가스 배출구(72)는 가스 분사 각도가 공정에 따라 변할 수 있도록 가스 파이프(70) 상에 이동가능하게 장착될 수 있다.
본 발명에 따라, 하나 이상의 가스 파이프가 가스를 웨이퍼에 공급하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 도 8에 도시된 것처럼, 외측 가스 파이프(80)는 외측 가스 파이프의 가스 배출구(82)와 연결되게 배열된 내측 가스 파이프(86)를 포함할 수 있다. 요구되는 것은 아니지만, 상기 실시예에서 내측 파이프(86)는 가스를 웨이퍼의 에지에 분배하고 포톤 박스 효과를 최소화하는 것을 돕도록 위치된다. 특히, 제 1 가스는 외측 가스 파이프(80)를 통해 웨이퍼의 중심 영역으로 유동하지만, 제 2 가스는 내측 가스 파이프(86)를 통해 웨이퍼의 에지 영역으로 유동한다. 상기 제 1 및 제 2 가스는 동일한 또는 상이한 가스일 수 있으며, 상이한 비율로 냉각 및/또는 가열하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 각각의 가스의 유속 및/또는 온도는 웨이퍼의 각각의 국부 영역에 대해 보다 양호한 온도 균일성을 제공하도록 독립적으로 제어될 수 있다.
또한, 소정의 실시예에서, 가스 파이프는 가스 배출구의 하나 이상의 라인을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 것처럼, 가스 파이프(90)는 가스 배출구의 세 라인을 포함할 수 있다. 특히, 제 2 라인(101)이 가스 파이프의 제 1 단부(105)로부터 중심으로 연장하도록 가스 배출구(92)의 제 1 라인(91)은 파이프(90)의 바닥에 위치되고 제 2 라인(101)은 파이프(90)의 바닥 상에 위치된다. 게다가, 제 3 라인(111)은 파이프(90)의 중앙으로부터 제 2 단부(115)로 연장한다. 소정의 실시예에서, 제 3 라인(111)은 제 2 라인(101)과 거의 동일한 높이에 위치된다. 도 10에 도시된 것처럼, 제 2 라인(101) 및 제 3 라인(111)은 이러한 라인의 배출구가 라인(91)의 배출구(92)에 대응하도록 위치될 수 있다. 그러나, 도시되진 않았지만, 라인은 라인(101 및/또는 111)의 배출구가 라인(91)의 배출구(92) 사이에 또는 인접하게 위치되도록 배열될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
다중 라인을 이용함으로써 일반적으로 둘 이상의 가스 흐름을 이용하는 적절한 기구를 제공할 수 있다. 특히, 가스의 제 1 흐름은 제 1 라인에 의해 웨이퍼 상에 분사될 수 있고 제 2 흐름은 제 2 및 제 3 라인에 의한 각도로 웨이퍼 상에 분사될 수 있다. 소정의 실시예에서, 상기 라인은 또한 가스를 상이한 각도로 분사할 수 있다. 일반적으로, 이러한 둘 이상의 흐름을 이용하면 많은 장점이 있다. 예를 들어, 웨이퍼의 회전 방향에 따라, 일 흐름은 전처리 냉각(pre-cooling) 유속으로 작용하며, 다른 흐름은 후처리 냉각(post-cooling) 유속으로 이용될 수 있다. 가스 배출구의 라인이 일반적으로 소정의 방식으로 배열될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제 2 및 제 3 라인은 제 1 라인 직상에 위치될 수 있다. 더욱이, 소정 수의 라인이 또한 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 소정의 라인에는 도 8에 도시된 것처럼 내측 가스 파이프가 제공될 수 있다.
본 발명에 따라, 전술된 소정의 공정 조건 또는 변수는 시스템 제어기(50)에 의해 자동적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 전술된 것처럼, 광 파이프(28) 및 탐지기(30)는 웨이퍼(14)의 상이한 국부 영역에서의 온도를 결정하고 이러한 정보를 제어기(50)에 제공하도록 형성될 수 있다. 그후, 제어기(50)는 바람직한 온도로부터의 이탈(deviation)을 수정하도록 다양한 공정 조건을 적절히 조절할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 웨이퍼의 국부 영역의 온도는 이용된 가스의 유동율, 형태, 온도 등을 자동적으로 조절함으로써 제어될 수 있다. 특히, 밸브(65) 및/또는 가열 장치(67)는 제어기(50)와 연결되고 필요에 따라 조절될 수 있다.
예
가열 사이클 중 온도 편차를 최소화하기 위한 본 발명에 따른 장치 및 방법의 성능이 설명되었다. 도 4를 참조하면, 1100℃에서 50초 동안 산화 공정 후 실리콘 웨이퍼의 산화물 두께의 121개 지점에 대한 측정치의 복사상 분포가 도시되어 있다. 상기 실시예에서, 링 형태의 램프가 사용되었고 각각 전력 제어된 약 4개의 동심 링 형태의 영역 내에 배열되었다. 가로축은 수가 증가함에 따라 반경 거리가 증가함을 나타내는 121개 지점의 측정치를 도시한다. 국부 냉각 없이(즉, "밀폐됨"), 투명한 단계 프로파일은 램프로 가열될 때 확인된다. 이러한 프로파일은 가열 램프의 공간적 배열에 대응한다.
제 2 예에서, 국부 냉각(즉, "개방됨")이 상기에 사용된 동일한 램프에 의한 가열과 함께 적용되었다. 국부 냉각은 예를 들어 질소를 웨이퍼 배면 상에 분사하는 단지 하나의 가스 라인으로 웨이퍼 중앙의 바닥 표면에 적용되었다. 상기 국부 중앙 영역에서 추가적인 냉각은 중심에서 높은 램프 복사를 약간 보상하기 위해 사용되었다. 도 4에서 감소된 "피크"로 도시된 것처럼, 국부 냉각은 산화물 두께의 복사상 균일성을 개선시킨다. 이는 웨이퍼를 가로질러 복사상 온도 균일성의 개선에 의한 것이다.
따라서, 본 발명의 장치 및 방법의 결과로서, 반도체 웨이퍼와 같은 기판의 국부 영역은 가열 사이클을 통해 온도 균일성을 향상시키기 위해 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 온도 램프-업 및 램프-다운 단계 중에 "포톤 박스 효과"를 보상할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 결과로서 기판의 파손 없이 더 높은 온도로의 가열을 허용하는 더 높은 전력의 램프 사용이 가능하다. 이는 가능하게 가열 중 웨이퍼의 에지를 균일한 온도로 냉각시키는 본 발명의 성능에 의한 것이다.
추가적으로, 본 발명의 다른 장점으로는 웨이퍼의 선택적인 냉각 또는 가열, 제어성을 개선하기 위해 웨이퍼에 대한 국부 온도 수정, 웨이퍼의 냉각 중 개선된 냉각에 의해 증가된 작업처리량을 포함한다. 더욱이, 웨이퍼 상하에서 상이한 가스의 이용으로 캘리브레이션(calibration) 중 불활성 가스의 사용 및 처리 공정 중 반응성 가스의 사용으로부터 발생하는 에러를 감소시킬 수 있다.
전술된 응용 외에, 본 발명의 다른 응용이 가능하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 공정 가스는 가스 노즐을 통해 시스템에 공급될 수 있다. 예를 들어, 가스 노즐은 시스템의 캘리브레이션이 불활성 분위기(예를 들어, 질소, 아르곤 등)에서 수행되고 공정이 수소 분위기에서 수행되는 구리 리플로우(reflow) 공정에 사용될 수 있다. 이러한 공정은 상이한 열전도성을 갖는 상이한 가스의 사용으로 인해 캘리브레이션에서 온도 편차를 야기할 수 있다. 본 발명의 시스템은 웨이퍼의 바닥 표면에 대해 불활성 가스를 직접 불어 넣고, 동시에 웨이퍼의 상부 표면을 수소 가스로 처리함으로써 웨이퍼의 온도 균일성을 돕는다. 도 1에 도시된 것처럼, 가스 배출구의 노즐을 웨이퍼의 평면 아래에 위치시킴으로써, 가스의 혼합 경향은 감소될 수 있다. 결과적으로, 웨이퍼로부터 반사 플레이트로 열 전도에 의해 발생되는 에러는 제거될 수도 있다.
본 발명의 이러한 수정 및 변형예와 그 이외의 예들은 청구범위에 보다 구체적으로 개시된 본 발명의 취지 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 실시될 것이다. 게다가, 다양한 실시예의 측면은 전체적으로 또는 부분적으로 상호 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 더욱이, 당업자는 전술한 설명은 단지 예시적인 것이지, 청구범위에서 보다 자세히 설명된 본 발명을 제한하기 위한 것이 아님을 이해할 것이다.

Claims (41)

  1. 반도체 웨이퍼의 열처리 방법으로서,
    반경 축을 따라 하나 이상의 국부 영역을 형성하는 반도체 웨이퍼를 열처리 챔버 내에 위치시키는 단계,
    가열 단계를 포함하는 소정의 가열 사이클에 따라 상기 반도체 웨이퍼의 온도를 소정의 온도로 조절하는 단계, 및
    상기 소정의 가열 사이클 중 하나 이상의 단계 중에, 상기 소정의 온도로부터의 온도 편차를 최소화하도록 상기 반도체 웨이퍼의 상기 하나 이상의 국부 영역의 국부 온도를 제어하는 단계를 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제어기와 연결된 온도 감지 장치로 상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 모니터하는 단계, 및
    상기 제어기에 의해 상기 온도 감지 장치로부터 수용된 정보에 기초해서, 상기 소정의 가열 사이클에 따라 상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 적어도 부분적으로 제어하도록 가스를제공하는 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스의 유동율을 제어하는 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 편차가 약 100℃ 이하인 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 편차가 약 25℃ 이하인 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국부 영역이 상기 반도체 웨이퍼 단면적의 약 50% 이하인 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국부 영역이 상기 반도체 웨이퍼 단면적의 약 25% 이하인 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국부 영역이 상기 반도체 웨이퍼 단면적의 약 15% 이하인 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 국부 온도가 상기 소정의 가열 사이클의 상기 가열 단계 중에 감소되는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정의 가열 사이클이 냉각 단계를 더 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 국부 온도가 상기 소정의 가열 사이클의 상기 냉각 단계 중에 증가되는 반도체 웨이퍼의 열처리 방법.
  14. 반도체 웨이퍼의 열처리 장치로서,
    반경 축을 따라 하나 이상의 국부 영역을 형성하는 하나 이상의 반도체 웨이퍼를 포함하는 열처리 챔버,
    상기 챔버 내에 포함된 반도체 웨이퍼를 가열하도록 상기 열처리 챔버와 연결된 열원, 및
    가스를 상기 반도체 웨이퍼의 하나 이상의 국부 영역에 공급하는 하나 이상의 가스 배출구를 가지며, 상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 조절하는 장치를 포함하며, 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 반도체 웨이퍼의 아래에 위치되는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 가스 배출구가 노즐을 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 장치가 복수의 가스 배출구를 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼 아래에 위치된 반사 장치를 더 포함하며, 상기 복수의 가스 배출구가 상기 반사 장치를 통해 연장하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 장치가 상기 반도체 웨이퍼 상에 위치되는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 장치가 복수의 가스 배출구를 갖는 가스 파이프를 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 가스가 상기 국부 영역의 온도를 감소시키는 냉각제를 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국부 영역이 상기 반도체 웨이퍼 단면적의 약 50% 이하인 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국부 영역이 상기 반도체 웨이퍼 단면적의 약 25% 이하인 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  24. 제 14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국부 영역이 상기 반도체 웨이퍼 단면적의 약 15% 이하인 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  25. 제 14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 결정하는 온도 감지 장치, 및
    상기 온도 감지 장치와 연결되며 상기 온도 감지 장치로부터 상기 제어기에 의해 수용된 정보에 기초한 소정의 가열 사이클에 따라 상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 조절하는 제어기를 더 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  26. 제 14 항에 있어서,
    상기 열원은 복수의 광 에너지원을 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  27. 반도체 웨이퍼의 열처리 장치로서,
    상기 반도체 웨이퍼 단면적의 약 50% 이하인 국부 영역이 반경 축을 따라 형성된 하나 이상의 반도체 웨이퍼를 포함하는 열처리 챔버,
    상기 챔버 내에 포함된 반도체 웨이퍼를 가열하도록 상기 열처리 챔버와 연결된 복수의 광 에너지원, 및
    상기 반도체 웨이퍼의 상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 조절하도록 상기 반도체 웨이퍼 아래에 위치된 복수의 가스 노즐을 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼 아래에 위치된 반사 장치를 더 포함하며, 상기 복수의 가스 노즐이 상기 반사 장치를 통해 연장하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 결정하는 온도 감지 장치,
    상기 온도 감지 장치와 연결된 제어기를 더 포함하며,
    상기 제어기는 상기 온도 감지 장치로부터 상기 제어기에 의해 수용된 정보에 기초한 소정의 가열 사이클에 따라 상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 조절하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  30. 반도체 웨이퍼의 열처리 장치로서,
    상기 반도체 웨이퍼 단면적의 약 50% 이하인 국부 영역이 반경 축을 따라 형성된 하나 이상의 반도체 웨이퍼를 포함하는 열처리 챔버,
    상기 챔버 내에 포함된 반도체 웨이퍼를 가열하도록 상기 열처리 챔버와 연결된 복수의 광 에너지원, 및
    복수의 가스 배출구를 가지고, 상기 반도체 웨이퍼 상에 위치되며 상기 반도체 웨이퍼의 상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 조절하는 가스 파이프를 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 가스 파이프는 사파이어와 석영으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  32. 제 30 항에 있어서,
    웨이퍼 회전 기구를 더 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  33. 제 30 항에 있어서,
    상기 가스 배출구는 동일한 거리에 위치되는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  34. 제 30 항에 있어서,
    상기 가스 배출구는 상기 웨이퍼의 외측 국부 영역에 대응하는 가스 배출구의 수가 상기 웨이퍼의 중앙 국부 영역에 대응하는 가스 배출구의 수 보다 크도록 위치되는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  35. 제 30 항에 있어서,
    가드 링을 더 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  36. 제 30 항에 있어서,
    상기 가스 파이프 내에 적어도 부분적으로 포함되고, 상기 반도체 웨이퍼의 하나 이상의 외측 국부 영역에 가스를 분배하도록 위치된 내측 가스 파이프를 더 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  37. 제 30 항에 있어서,
    상기 가스 파이프는 두 개 이상의 가스 배출구의 라인을 포함하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  38. 제 30 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가스 배출구는 상기 반도체 웨이퍼의 반경 축에 대해 약 60°내지 약 120°범위의 각도로 위치되는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  39. 제 30 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가스 배출구는 상기 반도체 웨이퍼의 상기 반경 축에 대해 약 90°의 각도로 위치되는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  40. 제 30 항에 있어서,
    상기 가스 파이프는 상기 두 개 이상의 광 에너지원에 의해 형성된 공간 사이에 위치되는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
  41. 제 27 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 결정하는 온도 감지 장치, 및
    상기 온도 감지 장치와 연결된 제어기를 더 포함하며,
    상기 제어기는 상기 온도 감지 장치로부터 상기 제어기에 의해 수용된 정보에 기초한 소정의 가열 사이클에 따라 상기 하나 이상의 국부 영역의 온도를 조절하는 반도체 웨이퍼의 열처리 장치.
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