KR20030031183A - 열 처리된 반도체 기판상의 오염을 감소시키기 위한 장치및 방법 - Google Patents
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Abstract
반도체 웨이퍼와 같은, 반도체 기판 열 처리 장치 및 방법에서, 기판이 챔버내에 유지될 때, 반응 가스로 각각의 기판을 처리하기 위한 반응 챔버가 제공된다. 챔버의 일부 또는 챔버와 관련된 부분을 형성하는 적어도 하나의 구성요소는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅된 금속으로 구성되며, 열처리를 위해 사용된 반응 가스와 접촉할 것이다. 사용된 실리콘이나 실리카 코팅된 금속은 스테인리스 강이나 알루미늄 또는 알루미늄 합금이다. 스테인리스 강의 경우 300-400℃이고 알루미늄의 경우 200-600℃ 범위의 온도에서 화학 기상 증착(CVD)을 사용하여, 약 1000Å 보다 큰, 바람직하게는 1200Å 내지 4800Å의 범위의 코팅 두께로 실리콘이나 실리카 함유층으로 스테인리스 강 반응 챔버 입구 및 배기 플랜지 및 관련 튜빙을 코팅하는 것이 이익이 된다는 것이 발견되었다. 실리콘이나 실리카 코팅된 스테인리스 강의 사용은 플랜지와 튜빙이 증기와 같은 반응 가스와 접촉할 때 발생할 수 있는 금속 부식을 감소시키며, 그 결과 반응 챔버내의 반응 가스로 열 처리된 반도체 기판상의 철 및 산화철 오염물과 같은 오염물을 감소시키거나 제거시킨다.
Description
반도체 웨이퍼와 같은 반도체 기판상의 디바이스 제조시, 도전층의 다중 레벨이 기판상에 제공된다. 기판상의 구조물, 회로, 비아 및 디바이스를 제조하기 위하여, 기판상에 재료를 증착하고 에칭하기 위하여 다양한 기술이 사용된다. 증착 기술은 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 스퍼터링 및 전해질 용액에 기판의 담금과 같은 프로세스를 포함한다. 그러한 증착 후에, 반도체 기판은 형성된 구조물을 어닐하기 위하여 오븐 또는 급속 열처리(RTP) 챔버내에서 상승된 온도로 가열될 수 있다.
많은 반도체 기판은 실리콘으로 형성된다. 통상적으로, 실리콘 웨이퍼의 열 처리는 RTP 챔버내에서 발생한다. 각각의 웨이퍼는 주로 석영으로 형성된 RTP 반응 챔버내에 놓여지며, 챔버의 특정 성분은 스테인리스 강, 알루미늄 또는 다른 일반적으로 비부식성 재료로 이루어질 수 있다. 열 처리 가스, 예를 들면, 증기, 산소, 수소, 질소, NH3, N2O, NO, 염소 함유 가스, 산소 함유 가스, 질소 함유 가스, 오존, 탄화수소 화합물, 금속-유기 화합물, 그러한 가스 라디컬 또는 조합 및 (1150℃ 이하 온도로 실리콘을 처리하기 위한) 질소와 같은 불활성 가스를 흡입하고 배출하기 위한 플랜지 및 배관은 스테인리스 강 및/또는 알루미늄으로 형성될 수 있는 RTP 챔버와 관련된 성분이다.
처리되지 않은 스테인리스 강 표면은 일반적으로 표면 내에 많은 미세 함유물, 틈 및 깨어진 틈내에 자유 철(Fe) 및 산화철(FeO)을 함유한다. 자유 니켈과 같은 다른 가능성 있는 중금속 표면 오염물이 존재할 수도 있다. 증기 또는 다른 부식성 처리 가스나 유체가 반등 챔버나 그와 관련된 소자의 스테인리스 강 표면과 접촉할 때, 매입된 Fe, FeO 일부 및 다른 오염 입자들은 스테인리스 강 표면으로부터 분리되며, 처리 유체와 함께 이동되는 경향이 있다. 처리 유체에 의해 운반된 이러한 제거된 입자는 반응 챔버내에서 열 처리 동안에 반도체 기판(웨이퍼) 표면과 접촉하여 오염시킨다.
반도체 제조자는 가능하면 최고순도의 반도체 기판을 생산하려고 한다. 예를 들면, 산업계는 현재 실리콘 반도체 기판의 세제곱 센티미터당 100억 Fe 원자나 1E10㎤ 에서, 또는 이하의 철(Fe) 및 산화철(FeO)을 제한하려고 노력한다.
반도체 기판 처리 챔버의 성분을 형성하기 위하여 사용된 스테인리스 강의 부식을 제한하기 위하여 5가지 접근법이 채택되었다.
첫째, 자연적으로 패시베이트된 스테인리스 강이 사용될 수 있다. 스테인리스 강 표면은 산소에 노출될 때, 패시베이트된다. 산소에 노출된 깨끗한 강 표면은 CrO층, 소위 패시베이트 층을 형성할 것이다. 패시베이트 층은 강 표면으로부터 Fe와 같은 중금속 입자가 분리되는 것을 지체시킨다. 그러나, 자연 패시베이션은 얇으며, 비균일한 CrO층을 생산한다. 이러한 자연 패시베이션은 제어된 조건하의 패시베이션후의 전해 연마에 의해 개선될 수 있다.
둘째, 전해 연마된 강이 사용될 수 있다. 전해 연마 동안에, 노출된 강 표면은 캐소드(네가티브 단자)에 접속된 금속 플레이트를 함유하는 가열된 전해질 배스내에 담겨진다. 애노드는 강 표면에 접속된다. 직류 전류가 인가되면, 전기 반응은 강 표면으로부터 금속 입자를 제거하는 이온 전도를 야기한다. 원치않는 Fe 조각, 돌출부, 구석 및 틈은 전해 반응으로 우선적으로 제거될 것이다. 최종 결과물은 강 표면상에 자유 Fe이 거의 없게된다.
셋째, 스테인리스 강은 테플론이나 고체 중합체 재료로 코팅될 수 있다. 코팅은 강 표면상에 오염된 중금속 입자를 유지시킨다. 불행히도, 그러한 코팅은 약 300℃ 이상의 온도를 견딜 수 없으며, RTP 프로세스는 1000℃를 초과하며, 반응 챔버와 관련된 소자의 온도는 종종 300℃를 초과한다.
네번째 접근법으로서, 전해 연마된 스테인리스 강 표면은 ASTM 380-99와 같은 표준에 의해서 추천된 바와 같이, (구연산 또는 질소산과 같은) 산내에 담겨짐으로써 패시베이트될 수 있다. 산 전해조에서, 자유 철은 제거되며, 강 표면은 산화가 진행되며, Cr, Ni 및 Mo는 여분의 보호 코팅을 형성하기 위해 매우 신속히 산화된다. CrO 보호층은 자연 패시베이션으로 형성된 CrO층 보다 더 두껍고 부식에 대하여 더욱 효과적이다. 강 표면은 열 처리된 반도체 기판을 오염시키는 금속 성분의 배출 및 침식에 대비한 강으로 형성된 반응 챔버 성분 및 관련 소자를 보호할 정도로 충분히 균일하고 완전히 시일되는 것은 아니다.
다섯번째, 스테인리스 강 그 자체가 부식을 저지하도록 특별히 제조될 수 있다. 소위 진공 유도 용융-진공 아크 재용융(VIM-VAR)이라 불리는 특별한 프로세스는 낮은 레벨의 잔여 Fe 및 FeO와 (나트륨이나 칼륨과 같은) 다른 표면 오염물을 갖는 스테인리스 강을 생성한다. 낮은 황 함유물(표준 316L 스테인리스를 위하여 0.005 내지 0.015% 대 0.03%) 및 일반적으로 낮은 표면 오염물을 갖는 특정 316L-SCQ(반도체 애플리케이션용 초순수 품질) 스테인리스 강을 생성하기 위해 사용된다. 또한, 높은 비율의 Cr, Ni 및 Mo를 갖는 317LM과 같은 다른 스테인리스 강 합금이 이용될 수도 있다. 그러한 특정 강은 316L과 같은 표준 스테인리스 보다 상당히 비싸다. 더욱이, 반도체 산업은 Fe 및 다른 중금속 및 증착물에 의한 반도체 표면 오염물을 제한하기 위한 정밀한 요구를 부과하며, 이러한 특정 스테인리스 강이 부식성 열처리 가스 및 유체에 노출될 때, 과도한 오염물을 유리시키면, 추가적인 처리 없이 사용될 수 없다.
그러므로, 업계는 스테인리스 강 또는 알루미늄 성분 또는 관련된 스테인리스 강이나 알루미늄 성분으로 형성된 반도체 기판을 열처리하기 위한 반응 챔버를 추구하며, 이는 종래 기술과 관련된 중금속 오염 결점을 갖지 않는다.
본 발명은 반도체 기판의 열 처리 분야에 관련되며, 특히 열처리된 반도체 기판 표면상의 알루미늄 철 및 구리 오염물과 같은 금속 오염물을 감소시키는 것과 관련된다.
도 1은 스테인리스 강 반응 챔버, 질소 공급부, 증기 발생기 및 반도체 기판 전송 장치의 측면도의 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 라인 2-2를 따라 취해진 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 도 1의 라인 3-3을 따라 취해진 개략적인 횡단면도이다.
도 4는 도 1의 라인 4-4를 따라 취해진 개략적인 횡단면도이다.
실리콘 반도체 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 예를 들면, 증기, 산소, 수소, 질소, NH3, N2O, NO, 염소 함유 가스, 산소 함유 가스, 질소 함유 가스, 오존, 탄화수소 화합물, 금속-유기 화합물, 그러한 가스의 라디컬이나 조합과 같은 반응 가스로 열 처리하기 위한 장치는 기판이 챔버내에 유지될 때, 기판을 반응 가스로 처리하기 위한 반응 챔버를 갖는다. 챔버안으로 유입된 반응 가스를 접촉하기 위하여 채택되며, 반응 챔버와 관련되거나 일부를 형성하는 적어도 하나의 소자는 실리콘이나 실리카 함유 화합물을 포함하는 층으로 코팅된 금속으로 형성된다. 바람직하게는, 실리콘이나 실리카 함유 화합물로 코팅된 베이스 금속은 스테인리스 강, 316L 스테인리스 강, 316L-SCQ 스테인리스 강, 317LM 스테인리스 강 또는 알루미늄이나 알루미늄 합금에서 선택된다. 316L, 317LM 및 316L-SCQ와 유사한 성분을 갖는 다른 스테인리스 강이 사용될 수 있다. 예를 들면, 304와 같은 값이 비싸지 않은 스테인리스 강 및 4404, X2CrNiMo18-14-3, Z3CND17-12-03, Z3CND18-14-03, 316S11, 316S13, 316S14, 316S31, LW22, LWC22, LWCF22, X2CrNiMo17-13, SUS 316L, 2353, 2375 및 2367과 같은 미국 외부에서 통상적으로 발견된 강이 사용될 수 있다. 만약 알루미늄이나 알루미늄 합금이 베이스 금속으로서 사용된다면, 실리콘이나 실리카-함유층은 바람직하게는 SiO2나 Si3N4이다.
상기 기판이 열처리 될 때, 본 발명에 따른 반도체 기판의 표면상의 금속 오염물을 감소시키기 위한 방법은 (a) 챔버안으로 유입된 반응 가스를 접촉시키기에 적합하며, 상기 챔버와 관련되거나 상기 챔버 일부를 형성하는 금속으로 이루어진적어도 하나의 소자를 반응 챔버에 제공하는 단계로서, 반응 가스를 접촉하기에 적합한 상기 소자의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 단계;
(b) 반도체 기판을 챔버에 삽입시키는 단계;
(c) 반응 가스를 챔버안으로 유입시키는 단계; 및
(d) 챔버내에 유지될 때, 반도체 기판을 가열시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 금속으로 이루어진 적어도 하나의 소자는 스테인리스 강, 316L 스테인리스 강, 316L-SCQ 스테인리스 강 또는 317LM 스테인리스 강 또는 상기 언급한 임의의 강으로 이루어진다. 상기 금속은 알루미늄이나 알루미늄 합금이 될 수 있다. 반응 가스와 접촉하기에 적합한 스테인리스 강 소자상의 실리콘이나 실리카 함유 코팅을 인가한 후에, 철 오염물(Fe)은 1E10㎤ 및 그 이하에 근접하는 레벨로 감소될 수 있다. 상기 코팅 상태, 코팅 두께, 표면 마무리(코팅 전의 표면 거침이나 물리적 상태 및 코팅 전의 표면 화학 성분, 예를 들면 칼륨 및 나트륨 농도) 및 코팅층에 따라, 철 오염물의 레벨은 1E10㎤ 이하 레벨보다 더욱 감속될 수 있다. 니켈, 아연, 구리, 마그네슘 및 다른 금속 표면 오염물은 수용 가능한 레벨로 감소된다.
금속 소자가 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 방법의 다른 이점은 증기나 염소 함유 반응 가스가 열처리에서 사용될 때, 금속의 부식 속도가 감소된다는 것이다.
본 발명의 이점은 증기나 다른 반응 가스와 접촉하는 반응 챔버와 관련된 것과 반응 챔버의 모든 금속 소자가 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅될 때 최상으로 선택된다. 반응 챔버와 관련된 그러한 소자는 반응 가스를 위한 입구에서 반응 챔버에 부착되는 플랜지이다. 플랜지는 바람직하게는 스테인리스 강과 같은 금속으로 이루어지며, 반응 가스와 접촉하기에 적합한 플랜지의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유 층으로 코팅된다. 반응 챔버와 관련된 그러한 소자중 다른 것은 반응 가스를 위한 출구에서 챔버에 부착되는 플랜지이다. 플랜지는 바람직하게는 스테인리스 강과 같은 금속으로 이루어지며, 반응 가스와 접촉하기에 적합한 플랜지의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅된다. 반응 가스와 접촉하는, 예를 들면, 질소 막 플랜지와 같은 다른 플랜지는 바람직하게는 실리카나 실리콘 코팅 금속으로 구성될 수 있다. 또한, 반응 챔버의 입구 및/또는 출구와 관련된 다양한 배관은 금속으로 구성될 수 있으며, 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅된 반응 가스와 접촉하기에 적합한 관의 적어도 일부를 갖는다.
실리콘이나 실리카 함유 층은 약 1000Å 보다 더 큰 코팅 두께가 금속(바람직하게는 스테인리스 강이나 알루미늄)에 인가될 수 있으며, 바람직하게는 약 1200Å 내지 약 4800Å의 범위로 인가될 수 있다. 실리카 함유층이 300℃ 내지 400℃의 범위내의 온도에서 진공내의 실리카를 사용한 화학 기상 증착(CVD)으로 스테인 리스 강 부분에 제공될 때, 양호한 결과가 획득된다. 가장 바람직한 실시예에서, 실리콘이나 실리카 함유층은 반응 가스와 접촉하는 반응 챔버와 관련된 것 또는 반응 챔버 일부의 모든 스테인리스 강 표면에 제공된다. 알루미늄 부분을 위하여, 실리카 함유층은 바람직하게는 200℃내지 600℃의 범위내의 온도에서 진공내에서 실리카를 사용한 화학 기상 증착(CVD) 공정으로 제공된다.
본 발명은 열처리 시스템, 특히 급속 열처리(RTP)시스템을 위한 반응 챔버나 그와 관련된 코팅 재료 소자에 초점을 맞추며, 반응 가스는 실리콘 반도체 웨이퍼와 같은 반도체 기판의 열 처리를 위해 사용된다. 반응 가스와 접촉하는 금속 소자는 반응 가스와의 반응에 의해 유리된 금속 소자내에 함유된 불순물 이나 합금 소자 및/또는 금속에 의해 야기될 수 있는 반도체 기판상의 오염물을 감소시키기 위해 실리콘이나 실리카 함유층으로 적어도 부분적으로 코팅된다. 만약 열처리가 보호되지 않은 금속의 부식을 야기하는 반응 가스로 행해진다면, 코팅층은 금속 소자의 부식 속도를 감소시키는 이점도 갖는다. 코팅층은 금속 소자가 부식할 때 방출되는 오염물로부터 반도체 기판(즉, 실리콘 웨이퍼)을 보호한다.
일반적으로, 코팅층을 위한 다른 성분은 반도체 기판의 성분이 반응 챔버내에서 처리되는 것에 따라, 선택될 수 있다. 바람직하게는, 코팅층 성분은 반도체 기판의 성분을 보상하기 위하여 선택된다. 예를 들면, 처리될 반도체 기판이 Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ-Ⅵ 또는 Ⅳ-Ⅳ 반도체 웨이퍼이면, 반응 챔버 및 반응 챔버와 관련된 금속 소자를 위한 코팅층은 (혼합 반도체 웨이퍼가 실리콘 카바이드(SiC) 및/또는 실리콘, SiC, SiO2나 Si3N4이면 실리콘이나 실리카를 함유하는)혼합 반도체 웨이퍼의 적어도 한 소자를 포함한다.
도 1을 참조하면, 예시적인 스테인리스 강 RTP 처리 챔버(100) 구성성분의 개략적인 측면 횡단면도가 도시된다. 반응 챔버(20)는 석영 슬리브(22)를 하우징한다. 석영 슬리브(22)는 반도체 웨이퍼(30)와 같은 반도체 기판이 삽입되고, 상기 기판이 나오는 엔벌로프를 형성한다. 석영 슬리브는 입구(23)를 갖는다. 반도체 웨이퍼(30)는 지지부(28)상에 유지되며, 반응 챔버(20)의 공동 내부의 석영 슬리브(22)내에 위치한다(도 3 참조). 반면에, 알루미늄 RTP 처리 챔버는 통상적으로 석영 슬리브를 포함하지 않으며, 챔버내에 유입된 증기 및 처리 가스가 챔버 표면과 접촉한다.
도 1에 개략적으로 도시된 로봇(14)은 반도체 웨이퍼(30)를 반응 챔버(20)내의 슬리브(22) 안팎으로 이동한다. 로봇(14)은 화살표(17)에 의해 지시된 방향으로 선택적으로 전방 및 후방 왕복 운동하는 암(16)이 제공된다. 다양한 로보틱 운송 시스템은 반도체 기판 열처리 분야의 당업자에게 공지되어 있다.
반응 챔버(20)내의 석영 슬리브(22) 상부 및 하부에는 도 1 및 2에 도시된 가열 램프(32, 32') 어레이가 있다. 상부 어레이는 서로 거의 평행하게 배치된 일련의 14개 가열 램프(32)를 갖는다. 하부 어레이는 서로 거의 평행하며, 상부 어레이내의 램프(32)와 거의 수직으로 배치된 일련의 14개 가열 램프(32')를 갖는다.가열 램프는 반도체 기판과 석영 슬리브 엔벌로프(22)내에 유지된 반응 가스를 가열하기 위하여 동작된다. 램프(32, 32')가 동작되면, 슬리브(22)의 석영 벽은 반도체 기판(30)보다 더 차갑게 유지된다.
예를 들면, 미국 특허 제 4,331,485, 4,356,384 및 4,680,451호에 상술된 통상적인 RTP 처리는 대기 온도에서 전술된 상승된 처리 온도(예를 들면, 1내지 300초 동안에 200℃ 내지 1700℃)로 반도체 기판을 가열하는 단계를 포함한다. 반도체 기판(30)은 30 내지 60초와 같이 짧은 시간 동안만 상승된 온도에서 유지된다. 선택된 온도와 시간은 반도체 기판에 대한 의도된 프로세싱이나 처리 및 반도체 재료의 타입에 의존한다. 실리콘 반도체 웨이퍼의 경우, 주로 2가지 형태의 가열 처리 응용이 있다: 첫째, 임플란트 어닐링이나 막 어닐링또는 재구성 프로세스; 및 둘째, 반도체 기판상에 특정 두께의 SiO2층의 형성과 같은 막 성장 프로세스. 실리콘 반도체 웨이퍼에 대한 대부분의 처리는 1과 180초 사이의 프로세스 시간과 1250℃ 이하의 온도를 사용한다. 임플란트 어닐링 SiC(Ⅳ-Ⅳ 다이아몬드) 반도체이면, 더 높은 온도가 제공된다. 그러한 웨이퍼의 경우, 수 십초에서 60초 동안에 약 1700℃의 온도가 사용된다.
반응 챔버(20)의 석영 슬리브(22)는 후방 가스 플랜지(46)와 프로세스 배기 플랜지(7) 사이에 유지된다. 전방 질소 커튼 플랜지(24)는 바람직하게는 배기 플랜지(7)에 인접하게 제공된다. 챔버 도어(미도시)가 오픈될 때, 공기나 다른 대기 오염물이 슬리브(22)로 유입되는 것을 방지하기 위하여, 질소 가스는 입구(26)를통하여 질소 공급원(12)으로부터 석영 슬리브(22), 질소 커튼 플랜지(24), 반응 챔버(20) 안으로 흐르며, 플랜지(6)안의 모든 통로를 흐른다. 챔버 도어는 챔버(20)와 슬리브(22)로부터 반도체 웨이퍼(30)가 삽입되거나 나오도록 오픈된다. 반도체 웨이퍼가 챔버내에서 열 처리될 때, 도어는 닫혀진 상태로 유지된다.
도 1 및 4에 도시된 질소 커튼 플랜지(24)는 스테인리스 강으로 형성되며, 스테인리스 강으로 형성된 일련의 튜브(45)에 연결된다. 입구 통로(26)와 내부 공동(27) 및 반응 가스와 접촉될 수 있는 모든 개구를 포함하는 질소 커튼 플랜지(24)는 실리콘이나 실리카 함유층으로 약 1200 내지 4800Å의 코팅 두께로 코팅된다.
도 1 및 3에 도시된 증기 및 처리 가스 입구 플랜지(18)는 스테인리스 강으로형성되며, 바람직한 실시예에서 증기나 수증기와 같은 반응 가스를 통과시키는 일련의 튜브(50)에 연결된다. 증기 및 처리 가스 입구 플랜지(18)는 석영 엔벌로프(22)의 내부(23)와 통해 있는 내부 공동(42)을 형성하며, 로보틱 운송 시스템(14)은 반도체 웨이퍼(30)를 석영 엔벌로프(22) 안팎으로 삽입하여, 나오게 한다. 입구 통로(44)와 내부 공동(42) 및 반응 가스와 접촉하는 모든 개구를 포함하는 증기 및 처리 가스 입구 플랜지(18)는 실리콘이나 실리카 함유층으로 약 1200내지 4800Å의 두께로 코팅된다.
도 1 및 4에 도시된 처리 가스 배기 플랜지(7)는 반응 챔버(20)와 관련되고, 석영 슬리브(22)에 인접하며, 바람직하게는 질소 커튼 플랜지(24)에 인접하게 있다. 배기 플랜지(7)는 가스 입구 플랜지(18) 및 반응 챔버 석영 슬리브(22)로 부터 나오는 반응 가스를 선택적으로 배기한다. 배기 플랜지(7)는 석영 슬리브(22) 엔벌로프 내부와 통하는 내부 공동(23)을 형성한다. 내부 공동(23)은 배기를 위한 출구(45)와 통해있다. 배기 플랜지(7)는 바람직하게는 챔버(20)내에 유지된 가스 함유물을 위한 도전 산소 샘플링을 위한 수단으로 작용한다. 배기 플랜지(7)는 스테인리스 강으로 형성되며, 실리콘이나 실리카 함유층으로 약 1200내지 4800Å의 코팅 두께로 코팅된다.
후방 플랜지(6)는 중앙 공동(40)과 질소 누설을 위한 출구(38)를 형성한다. 열 처리 동안에, 누설 질소는 바람직하게는 중앙 공동(40)으로부터 플랜지(6)내의 O-링(미도시) 외부로 배출된다. 후방 플랜지(6)는 스테인리스 강으로 형성된다. 중앙 공동(40) 및 질소 커튼 플랜지(6)내에 가스가 흐르는 모든 통로는 실리콘이나 실라카 함유층은 약 1200 내지 4800Å의 균일한 두께로 코팅된다.
바람직하게는, 반응 가스가 통과하는 임의의 스테인리스 강 튜빙 어셈블리는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅된다. 예를 들면, 가스 공급원(바람직한 실시예에서 증기 발생기(10))을 가스 입구 플랜지(18)에 연결시키는 스테인리스 강 튜빙(50)은 실리콘으로 약 1200내지 4800Å의 코팅 두께로 코팅된다. 유사하게, 질소 공급원(12)과 질소 커튼 플랜지(24)를 연결하는 스테인리스 강 튜빙(48) 및 배기를 위해 사용된 스테인리스 강 튜빙(52)은 보호 실리콘이나 실리카 함유 층으로 코팅된다.
바람직하게는, 실리콘이나 실리카 함유층은 화학 기상 증착(CVD)공정을 사용하여 스테인리스 강에 인가되며, 스테인리스 강 부분은 닫혀진 챔버내에 놓여진다.이러한 챔버에서 진공이 이루어지며, 실리카는 300℃ 내지 400℃의 범위 온도에서 금속 표면상에 증착된다. 실리카 함유 코팅은 1200Å 내지 4800Å의 두께로 제공된다. 그러한 실리카 함유 코팅된 스테인리스 강은 600℃ 이상의 온도에서 안정하다. 더 두꺼운 코팅은 입자를 떨어뜨리는데 더욱 적합할 수 있으며, 더 얇은 코팅은 부식이나 입자 방출로부터 강 표면을 충분히 보호하지 못한다.
미국 펜실베니아 벨레폰트의 레스텍 코포레이션은 불활성 실리카 코팅을 스테인리스 강에 제공하기 위하여, SILICOSTEEL 프로세스로 불리는 CVD 프로세스를 사용한다. SILICOSTEEL 프로세스를 사용하면, 불활성 실리카층은 베이스 금속에 영구적으로 접합되어, 미네랄 산과 알코올로부터 베이스 금속을 실드함으로써 부식 저항을 개선시킨다. SILICOSTEEL 프로세스를 사용하여 실리콘/실리카로 코팅된 스테인리스 강 플랜지와 튜빙이 바람직한 실시예의 RTP 열 처리 장치에 통합될 때, RTP 장치내에서 처리된 반도체 기판은 실리콘 코팅된 부분이 없는 장치내에서 처리된 것보다 더 낮은 철 오염을 갖는다.
처리 챔버나 그와 관련된 부분이 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 형성되는 본 발명의 실시예에서, 실리콘이나 실리카 함유층은 약 200℃ 내지 600℃의 범위의 온도에서 실행된 CVD 프로세스를 사용하여 제공된다. 실리카 함유 코팅은 적어도 약 1000Å(100㎚)의 두께로 알루미늄에 제공된다. SiO2코팅이 제공될 때, 증기나 열 처리 가스의 부식 저항성은 10배 이상 개선될 수 있다.
스테인리스 강 위의 실리콘이나 실리카 함유 코팅이 부식 에칭 중량과 반도체 기판의 오염을 어느 정도 감소시키는지를 연구하기 위하여 테스트가 실행되었다. 다양한 등급(316L, 317M, 316L-SCQ)의 스테인리스 강이 준비되었다. 표 Ⅰ은 이러한 스테인리스 강의 통상적인 성분을 도시한다.
표 Ⅱ는 기판 재료, 실리콘 코팅 두께, 처리 및 강 표면 마무리의 함수로서 부식율을 연구하기 위한 실험의 결과를 도시한다. 316L 스테인리스 강의 몇몇 샘플이 전자연마되었다. 이러한 2가지 샘플은 실리카 함유 코팅을 사용한 부식율과 사용하지 않은 부식율을 결정하기 위하여 18% 염화수소산 용액내에 24시간 동안 담겨졌다. 코팅된 샘플은 부식율을 결정하기 위하여 24시간 동안에 염화수소산 용액에 담겨졌다. 추가의 상세한 설명과 테스트 결과는 표 Ⅱ에서 설명된다.
표 Ⅱ로부터 볼 수 있는 바와 같이, 실리카 코팅된 316L 스테인리스 강 샘플은 전자 연마되거나 패시베이트되었든지 간에, 코팅되지 않은 동일 등급의 강보다 5내지 6배 개선된 부식 저항을 나타낸다. 샘플 표면 영역의 ㎠당 시간당 그램의 100배로 표현된 부식율은 샘플이 18% 염화수소산 용액내에서 24시간 담겨진 후에 중량 손실을 측정함으로써 평가된다.
표 Ⅰ : 통상적인 오스테나이트계 스테인리스 강의 성분(%)
표 Ⅱ : 기판, 실리콘 코팅 두께, 처리 및 표면 마무리의 함수로서 부식율 비교
| 전자연마 | 전자연마 | 전자연마 | 전자연마안됨 | 전자연마안됨 | 전자연마안됨 | 전자연마안됨 | 전자연마안됨 | |
| 패시베이트된C#2 | 패시베이트된N#5 | 패시베이트 안됨 | 패시베이트 안됨 | 패시베이트 안됨 | 패시베이트 안됨 | 패시베이트 안됨 | 패시베이트 안됨 | |
| 베이스 금속 | 316L | 316L | 316L | 316L-SCQ | 317LM | 316L | 316L | 316L |
| 표면마무리 | 16μ" | 16μ" | 16μ" | 16μ | 16μ" | 16μ" | 16μ" | 16μ" |
| 부식율 Aw/o실리콘 코팅 | 0.2136 | 0.2056 | 0.2106 | 0.2222 | 0.0061 | 0.2252 | 0.1149 | 0.2252 |
| 실리콘 코팅두께 | 2400Å | 2400Å | 2400Å | 2400Å | 2400Å | 2400Å | 2400Å | 4800Å |
| 부식율 B(400℃에서 제공된 코팅) | 0.0837 | 0.1708 | NA | 0.0006 | 0.0021 | 0.1745 | 0.1921 | 0.1553 |
| 부식율 C(345℃에서 제공된 코팅) | 0.0402 | 0.0401 | 0.0353 | 0.0004 | 0.0011 | NA | 0.1149 | NA |
| 개선율(A/C) | 5.3 | 5.1 | 6.0 | 517 | 5.6 | - | 1.0 | - |
| 개선C/C-316L-SCQ | 93 | 93 | 82 | 1 | 2.5 | - | 2.7 | - |
표 Ⅱ로부터, 이러한 부식 테스트에서 코팅되고 코팅되지 않은 스테인리스 강 샘플 사이의 개선이 중요하며, 부식 저항이 100배 이상까지 개선될 수 있다는 것이 도시된다. 결과는 표면 마무리가 부식 저항에 상당히 영향을 준다는 것을 보여 주기도 한다. RTP 응용의 경우, 코팅전 표면 마무리는 약 60 마이크로 인치 이상이며, 바람직하게는 25 마이크로 인치 이상이며, 더욱 바람직하게는 1과 20 마이크로 인치 사이의 범위이다. 고품질의 표면 마무리를 준비하기 위한 비용을 고려하면, 충분히 양호한 결과가 16마이크로 인치로 획득된다. 그러나, Fe나 FeO 오염 레벨의 요구는 장래에 더욱 정확해지며, 더 높은 표면 마무리가 필요하게 된다.
더욱이, 반도체 기판을 처리하기 위한 반응 가스는 염소를 포함하며, 테스트 결과는 317LM과 같은 더 높은 Mo 농도를 갖는 강이 코팅될 금속 성분을 형성하기 위해 선택될 수 있다는 것을 보여준다. 코팅되지 않은 317LM 스테인리스 강은 모든 코팅되지 않은 강의 최선 부식 저항성을 가지며, 코팅되지 않은 316L-SCQ 스테인리스 강은 보통의 316L 스테인리스 강과 유사한 비율을 갖는다. 그러나, 316L-SCQ 표면은 더 낮은 오염물을 갖기 때문에, 코팅 후에, 다른 샘플보다 HCl에 의한 부식에 대하여 더 높은 부식 저항성을 갖는다. 실리콘이나 실리카 함유 코팅은 Na 및 K과 같은 표면 불순물에 의해 영향을 받으며, VIM-VAR 처리로 인하여 316L-SCQ의 경우 표면 불순물이 더 낮다. 더 높은 Mo 농도(317LM의 경우 3% 이상)를 갖는 특정 강은 VIM-VAR 처리를 수행하며, 이는 부가적으로 HCl에 대한 부식 저항성을 증가시킨다.
또한, 양자의 코팅 두께 및 양자의 애플리케이션 온도는 성공적으로 감소된 부식을 갖지만, 2400Å 코팅은 4800Å 코팅 만큼 양호하거나 더 좋은 부식 저항을 제공하며, 345AC에서 코팅을 제공하는 것은 400AC 보다 일부 개선을 보인다.
추가적인 실험은 실리콘이나 실리카 함유 코팅층(400℃)이 있고, 없는 스테인리스 강의 부식-저항 효율성을 비교하기 위하여 행해졌다. 스테인리스 강 테스트 조각은 뜨거운(95℃) 이온이 제거된(DI)물에 담겨지며, 450내지 500시간 동안물속에서 유지된다. 그리고 나서, 물안에 용해된 철의 양은 마이크로샘플 x-레이 분석(MXA)을 사용하여 측정되었다. 물속의 10억 철(Fe)당 측정된 부분은 다음과 같다:
처리없는 316L : 5.1 PPB
실리카 코팅한 316 L : 4.0 PPB
실리카 코팅한 316L-SCQ : 0.9 PPB
그러므로, 코팅된 샘플은 코팅되지 않은 샘플보다 더 큰 부식 저항을 나타내며, Fe 입자 방출을 방해한다.
본 발명은 몇몇 바람직한 실시예와 예시에 의해 상술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되는 것은 아니다. 이에 반하여, 출원인은 상술된 특징들의 조합으로부터 도출되는 변형을 포함한 다양한 변형및 유사한 배치 및 이하의 청구항에서 청구된 본 발명의 사상과 범주내의 모든 것을 포함하려고 의도한다.
Claims (30)
- 반도체 기판을 열 처리하기 위한 장치에 있어서,기판이 챔버내에 유지될 때, 상기 챔버와 관련되거나 적어도 상기 챔버의 일부를 형성하는 금속으로 구성되며, 상기 챔버 안으로 유입된 반응 가스와 접촉하는데 적합한 적어도 하나의 구성요소를 가지며, 기판을 반응 가스로 처리하기 위한 반응 챔버를 포함하며, 상기 반응 가스와 접촉하는데 적합한 상기 구성요소중 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유 층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속으로 구성된 적어도 하나의 구성요소는 스테인리스 강, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 반응 챔버는 반응 가스를 챔버안으로 유입하는데 적합한 입구를 가지며, 상기 적어도 하나의 구성요소는 상기 입구에서 상기 챔버에 부착된 플랜지이며, 상기 플랜지는 금속으로 구성되며, 그리고 상기 반응 가스와 접촉하는데 적합한 상기 플랜지의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 반응 챔버는 챔버로부터 반응 가스를 배기하기에 적합한 출구를 가지며, 상기 적어도 하나의 구성요소는 상기 출구에서 상기 챔버에부착된 플랜지이며, 상기 플랜지는 금속으로 구성되며, 그리고 상기 반응 가스와 접촉하는데 적합한 상기 플랜지의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 반응 챔버는 챔버 안으로 반응 가스를 유입하는데 적합한 입구와 챔버로부터 반응 가스를 배기하는데 적합한 출구를 가지며, 상기 적어도 하나의 구성요소는 상기 입구나 상기 출구에서 상기 챔버에 부착된 질소 커튼 플랜지이며, 상기 질소 커튼 플랜지는 금속으로 구성되며, 그리고 상기 반응 가스와 접촉하는데 적합한 상기 플랜지의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 반응 챔버는 챔버 안으로 반응 가스를 유입하는데 적합한 입구 및 챔버로부터 반응 가스를 배기하는데 적합한 출구를 가지며, 하나 이상의 튜브가 상기 입구와 결합되며, 상기 튜브는 금속으로 구성되며, 그리고 반응 가스와 접촉하는데 적합한 상기 튜브의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 3항에 있어서, 상기 플랜지는 스테인리스 강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 4항에 있어서, 상기 플랜지는 스테인리스 강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 5항에 있어서, 상기 질소 커튼 플랜지는 스테인리스 강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 6항에 있어서, 상기 하나 이상의 튜브는 스테인리스 강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 실리콘이나 실리콘 함유층은 약 1200Å 내지 약 4800Å의 범위의 코팅 두께로 상기 스테인리스 강에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 11항에 있어서, 상기 실리콘이나 실리카 함유층은 300℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 화학 기상 증착(CVD) 공정으로 상기 스테인리스 강에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 실리콘이나 실리카 함유층은 200℃ 내지 600℃ 범위의 온도에서 화학 기상 증착(CVD) 공정으로 알루미늄에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 반응 가스는 산소, 수소, 질소, NH3, N2O, NO, 아르곤, 염소 함유 가스, 산소 함유 가스, 질소 함유 가스, 탄화수소 화합물, 금속-유기 화합물, 라디칼, 수증기 및 증기로 구성되는 그룹으로부터 선택된 단일 가스나 가스들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 챔버와 관련되거나 챔버의 일부를 형성하는 금속으로 구성된 적어도 하나의 구성요소는 챔버 안으로 유입된 반응 가스와 접촉하는데 적합한 표면을 가지며, 상기 표면 모두는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 기판이 열 처리될 때, 반도체 기판의 표면상의 금속 오염물을 감소시키기 위한 방법에 있어서,상기 챔버와 관련되거나 챔버의 적어도 일부를 형성하는 금속으로 구성되며, 챔버 안으로 유입된 반응 가스와 접촉하는데 적합한 적어도 하나의 구성요소를 반응 챔버에 제공하는 단계를 포함하며, 상기 반응 가스와 접촉하는데 적합한 상기 구성요소중 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되며;상기 반도체 기판을 상기 챔버 안으로 삽입시키는 단계;반응 가스를 상기 챔버 안으로 유입시키는 단계; 및상기 반도체 기판을 상기 챔버내에 유지된 채로 가열시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 금속으로 구성된 적어도 하나의 구성요소는 스테인리스 강, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 반응 챔버는 반응 가스를 챔버 안으로 유입시키는데 적합한 입구를 가지며, 상기 적어도 하나의 구성요소는 상기 입구에서 상기 챔버에 부착된 플랜지이며, 상기 플랜지는 금속으로 구성되며, 그리고 상기 반응 가스와 접촉하는데 적합한 상기 플랜지의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 것을 특징으로 방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 반응 챔버는 반응 가스를 챔버로부터 배기하는데 적합한 출구를 가지며, 상기 적어도 하나의 구성요소는 상기 출구에서 상기 챔버에 부착된 플랜지이며, 상기 플랜지는 금속으로 구성되며, 상기 반응 가스와 접촉하는데 적합한 상기 플랜지의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 반응 챔버는 챔버 안으로 반응 가스를 유입시키는데 적합한 입구와 챔버로부터 반응 가스를 배기하는데 적합한 출구를 가지며, 적어도하나의 구성요소는 상기 입구나 상기 출구에서 상기 챔버에 부착된 질소 커튼 플랜지이며, 상기 질소 커튼 플랜지는 금속으로 구성되며, 상기 반응 가스와 접촉하는데 적합한 상기 플랜지의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 반응 챔버는 챔버 안으로 반응 가스를 유입하는데 적합한 입구와 챔버로부터 반응 가스를 배기하는데 적합한 출구를 가지며, 하나 이상의 튜브가 상기 입구와 결합되며, 상기 튜브는 금속으로 구성되며, 그리고 반응 가스와 접촉하는데 적합한 상기 튜브의 적어도 일부는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 18항에 있어서, 상기 플랜지는 스테인리스 강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 19항에 있어서, 상기 플랜지는 스테인리스 강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 20항에 있어서, 상기 질소 커튼 플랜지는 스테인리스 강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 21항에 있어서, 상기 하나 이상의 튜브는 스테인리스 강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 실리콘이나 실리카 함유층은 약 1200Å 내지 약 4800Å의 범위의 코팅 두께로 상기 스테인리스 강에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 실리콘이나 실리카 함유층은 300℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 화학 기상 증착(CVD) 공정으로 상기 스테인리스 강에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 실리콘이나 실리카 함유층은 200℃ 내지 600℃ 범위의 온도에서 화학 기상 증착(CVD) 공정으로 알루미늄에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 반응 가스는 산소, 수소, 질소, NH3, N2O, NO, 아르곤, 염소 함유 가스, 산소 함유 가스, 질소 함유 가스, 탄화수소 화합물, 금속-유기 화합물, 라디칼, 수증기 및 증기로 구성되는 그룹으로부터 선택된 단일 가스나 가스들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 챔버와 관련되거나 챔버의 일부를 형성하는 금속으로 구성된 적어도 하나의 구성요소는 챔버 안으로 유입된 반응 가스와 접촉하는데 적합한 표면을 가지며, 상기 표면 모두는 실리콘이나 실리카 함유층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
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