KR20030092091A - 공정 가스의 생성 방법 및 생성 장치 - Google Patents

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맷슨 써멀 프로덕츠 게엠베하
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Abstract

본 발명의 목적은 수증기와 수소로부터 수소-과잉 공정 가스를 단순하고 경제적으로 생산하는 것으로서, 여기서 수소에 대한 수증기의 비율은 정밀하게 제어가능하고 재생가능할 수 있다. 상기 목적은 기판, 특히 반도체 기판의 처리를 위한 공정 가스의 생산을 위한 방법 및 장치로써 달성되는데, 여기에서 수증기와 수소를 포함하는 공정 가스의 형성을 위한 산소는 연소 챔버의 수소-과잉 환경에서 연소된다.

Description

공정 가스의 생성 방법 및 생성 장치{METHOD AND DEVICE FOR THE PRODUCTION OF PROCESS GASES}
다른 전자 구성품(component) 뿐만 아니라, 컴퓨터 칩은 소위 웨이퍼라 불리는 반도체 디스크 상에서 제조된다. 이를 위해, 예를 들어 스트럭처링(structuring), 리소그래피(lithography), 이온 주입(implantation), 에칭 또는 코팅과 같은 많은 동작 단계와 공정이 필요하다. 코팅 공정은 종종 규정된 공정 가스 대기에서 웨이퍼의 열 처리 동안에 수행된다. 여기에서, 웨이퍼의 산소-과잉 습식 산화(oxygen-rich wet oxidation)를 위해 수증기와 산소를 포함하는 공정 가스를 사용하는 것이 알려져 있다. 산소-과잉 공정 가스는 대략 40 옹스트롬 이하의 층 두께를 가진 얇은 게이트-산화물의 생산에 대해서 뿐만 아니라, 낮은 열수지(thermal budget)에서 2000 옹스트롬의 두꺼운 산화물층을 형성하는 것에 대해서도 특히 적당하다. 나아가, 수소-과잉 습식 산화(hydrogen-rich wet oxidation)는 공정 가스가 수증기와 수소를 포함하는 것으로 알려져 있다. 수소-과잉 공정 가스는 금속 게이트 또는 금속 게이트 콘택을 가진 게이트-스택(gate-stack)의 선택적인 산화에 특히 적당하다.
산소-과잉 공정 가스 및 수소-과잉 공정 가스(즉, 수증기와 산소 또는 수소를 포함하는 공정 가스)의 생산에 대해, 다른 방법들이 과거에 사용되었다.
산소-과잉 공정 가스는, 예를 들어, 산소와 수소가 수증기를 생산하면서 연소되는 연소 챔버(combustion chamber)를 구비한 버너(burner)에서 생산된다. 연소를 위해서, 수소와 함께 연소될 수 있는 것보다 언제나 더 많은 산소가 이용되었다. 이런 식으로, 산소의 잉여를 초래하면서, 수증기와 산소를 포함하는 공정 가스가 형성되었다. 후속하여, 이러한 공정 가스는 반도체 웨이퍼의 처리를 위한 공정 챔버 내로 적당한 콘듀트(conduit)를 통해 운반되었다. 추가적인 산소가 공정 가스의 산소 함량을 달성하기 위해서 콘듀트 내로 도입될 수 있었다.
수소-과잉 공정 가스의 생산을 위해, 과거에는 수소 가스가 수증기와 혼합되었는데, 여기에서 수증기는 증류수의 증발(evaporation)에 의해 생산되었다. 그러나, 이 방법은 높은 가스 유량(high gas flow)을 허용하지 못한다. 나아가, 수증기와 수소의 비율이 정밀하게 제어되고 재생될 수 없다. 이 방법의 추가적인 단점은 오염이 자주 발생한다는 것이다.
본 발명은 기판의, 특히 반도체 기판의 처리를 위한 공정 가스의 생산 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 버너를 관통한 개략적인 단면도이고;
도 2는 본 발명에 따른 공정 가스의 생산을 위한 장치가 통합되는 기판 처리 장치의 개략적인 블록도이다.
공지된 최신 기술에서 나아가, 본 발명의 목적은 간단하고 경제적인 방식으로 수증기와 수소를 포함하는 수소-과잉 공정 가스를 생산할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이며, 이에 의해 수증기와 물의 혼합 비율은 정밀하게 제어되고 재생될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 기판, 특히 반도체 기판의 처리를 위한 공정 가스의 생산 방법으로 구현되는데, 여기에서 수증기와 수소를 포함하는 공정 가스의 형성을 위해서 산소가 연소 챔버 내의 수소-과잉 환경에서 연소된다. 이런 방법으로써, 공정 가스로부터 높은 가스 유량(high gas flow)이 달성될 수 있다. 나아가, 수증기와 수소 사이의 비율은 정밀하게 제어되고 재생될 수 있는데, 왜냐하면, 생산되는 수증기의 양이, 도입되어 수소와 함께 연소되는 산소에 직접 비례하기 때문이다. 나아가, 순수 수소가 연소 동안 생산되어, 공정 가스는 높은 순도를 가진다.
산소 대신에, 일반적으로 예를 들어 NO 또는 O3와 같은 산소 함유 가스가 사용될 수 있고, 마찬가지로 수소 대신에 예를 들어 NH3, 중수소(deuterium) 또는 NO3와 같은 수소 또는 수소 동위체(hydrogen isotope)를 포함하는 가스가 사용될 수 있다.
연소 챔버의 모든 산소가 연소되는 것을 보장하기 위해서, 연소되지 않은 산소의 존재가 연소 챔버의 하방(downstream)에서 탐지된다. 만일 본 발명의 일실시예에 따라, 연소되지 않은 산소가 연소 챔버의 하방에서 탐지된다면, 본 방법은 중단되는데, 왜냐하면 연소되지 않은 산소가 공정 가스에 있는 수소와 함께 폭발성 가스 혼합물을 형성할 수 있기 때문이다. 이런 이유로, 연소 챔버의 하방에서 폭발성 가스 형성의 위험을 방지하기 위해서, 만일 연소되지 않은 산소가 연소 챔버의 하방에서 탐지된다면, 바람직하게는 불활성 가스가 또한 공정 가스 내로 도입된다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 수소가 연소 챔버의 하방에서 공정 가스 내로 도입되는데, 그 결과로서 공정 가스에서의 수소 농도가 원하는 대로 달성될 수 있다. 바람직하게는 수증기에 대한 수소의 비율은 화학량적 연소(stoichiometric combustion)(0% H2)와 1000/1 (0.1% H2O) 사이에서 설정된다.
바람직하게는 연소의 트리거링 후에 완전히 연소되지 않고 연소 챔버를 빠져나가는 폭발성 가스가 연소 챔버에 형성되는 것을 방지하기 위해서, 연소 챔버는 산소의 연소 이전에 순수 수소로 충진되고, 연소를 트리거링(triggering)하기 위한 산소가 먼저 도입된다. 수소의 충진 이전에, 연소 챔버 및/또는 하방 가스 시스템(downstream gas system)은 가능한 대기중의 산소를 제거하기 위해서 바람직하게는 불활성 가스(예를 들어 N2,He 또는 Ar)로 플러싱된다(flushed).
같은 유닛에서 산소-과잉 공정 가스를 생산하기 위해서, 바람직하게는 연소 챔버의 수소 대 산소의 비율은 연소 동안에 변화된다. 이런 방식에서, 단순하고 경제적인 방식으로, 후속의 공정에 대해 필요한 정도까지 수소-과잉 공정 가스로부터 산소-과잉 공정 가스까지 변화시키는 것이 가능하다. 나아가, 이런 방식으로, 같은 장치를 사용하여, 다른 공정들이, 예를 들어 별도의 급속 가열 유닛과 같은 후속의 장치에서 또는 기판(반도체) 열 처리를 위한 일반적인 유닛에서 진행될 수 있다. 수소-과잉과 산소-과잉 공정 가스 사이의 변화 동안에 폭발성 가스가 생산되지 않는 것을 보장하기 위해서, 산소와 수소의 화학량적 연소가 미리 설정된 시간의 주기 동안 수행된다. 화학량적 연소로 인하여, 이전의 초과 수소는 생산되는 수증기에 의해 챔버로부터 이탈된다. 모든 수소가 이탈된 후에야, 산소 함량이 산소-과잉 연소를 제공하기 위해서 다시 증가된다. 이런 식으로, 폭발성 가스가, 예를 들어 급속 가열 유닛의 공정 챔버와 같은 연소 챔버 및/또는 하방 가스 시스템에서 형성되지 않는 것이 보장된다. 여기에서, 안전을 위해, 연소되지 않은 산소 및/또는 수소의 농도가 모니터링될 수 있고, 이에 의해 가능한 산소/수소 혼합물이, 압력, 온도 및, 예를 들어 자외선 광선과 같은 추가 변수들의 함수인 폭발 한계(explosion limit) 이하가 되도록 보장된다.
산소-과잉 공정 가스에서 산소 농도의 정밀한 설정을 위해, 바람직하게는 추가적인 산소가 연소 챔버의 하방으로 도입된다. 바람직하게는 수소에 대한 산소의 농도는 0%(완전 연소 또는 100% H2O)와 100%(0.1% H2O) 사이이다.
연소 챔버의 하방에 배치되는 콘듀트 내의 폭발성 가스의 생산을 방지하기 위해서, 만일 수소-과잉 공정 가스가 연소 챔버에서 생산된다면, 바람직하게는 산소 공급 라인은 연소 챔버의 하방에서 차단된다(blocked). 같은 방식으로, 만일 산소-과잉 공정 가스가 연소 챔버에서 생산된다면, 바람직하게는 수소 공급 라인은 연소 챔버의 하방에서 차단된다. 나아가, 수소 공급 라인과 산소 공급 라인은 서로 반대로 연동되어(engaged), 즉 항상 두개의 공급 라인 중에서 하나 만이 개방된다. 공정 가스를 변화시키기 위해서, 바람직하게는 추가적인 유체(fluid)가 후속의 기판 처리 동안에 별도의 메커니즘을 수행할 수 있도록 하기 위하여 연소 챔버의 하방의 공정 가스 내로 도입된다. 추가적인 유체는 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 후속의 열 처리에 대해 반응성이거나 불활성인 가스일 수 있고, 또는 그런 가스(예를 들어 Ar, N2)의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 먼저 산소-과잉 공정 가스가 산소가 수소-희박(hydrogen-poor) 환경에서 연소되는 연소 챔버에서 생산되고, 이에 따라 연소 챔버의 산소 대 수소의 비율이 수소-과잉 환경의 산소의 연소 동안에 변화된다. 따라서, 수소-과잉 또는 산소-과잉 공정 가스의 생산을 선택적으로 시작하는 것이 가능하고, 이에 따라 버너를 셧 다운(shut down)하는 것 없이 이러한 두개의 공정 가스의 생산 사이에서 원하는 대로 변화시키는 것이 가능하다.
산소-과잉 연소가 연소 챔버에서 일어났다면, 바람직하게는 본 방법은 중단되고/중단되거나 연소 챔버의 하방에서 연소되지 않은 수소가 수소 탐지 장치(예를 들어 소수 감지기)에 의해 탐지된다면, 불활성 가스가 공정 가스 내로 도입된다. 이런 방식으로, 연소 챔버의 하방에서 폭발성 가스 혼합물의 형성이 방지된다.
수소-희박 환경에서의 산소의 연소로부터 수소-과잉 환경으로 변화할 때, 미리 설정된 시간의 주기 동안, 바람직하게는 산소와 수소의 화학량적 연소가 연소 챔버가 단지 수증기만 포함하고, 연소되지 않은 산소나 수소를 전혀 포함하지 않다는 것을 보장하기 위해서 수행된다.
폭발성 가스의 형성을 방지하기 위해서, 바람직하게는 연소 챔버는 연소 공정 이전에 불활성 가스로써 린스(rinse)된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 바람직하게는 공정 가스가 적어도 하나의 반도체 웨이퍼 또는 반도체 물질의 열 처리를 위해 사용되고, 처리 사이클(treatment cycle) 내에서 수소-과잉과 산소-과잉 공정 가스 사이에서 변화된다. 처리 사이클이라는 용어는 반도체(예를 들어 반도체 웨이퍼)가 적어도 반도체의 가열(heating-up) 및 냉각(cooling-off)을 포함하는 온도-시간 사이클에 놓여진다는 것을 의미하는 것으로 의도되었다. 일반적으로 기판 형태인, 반도체는 Si를 포함할 수 있고, Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ-Ⅵ 또는 Ⅳ-Ⅳ 반도체일 수 있다.
택일적인 실시예에 따르면, 공정 가스는 적어도 하나의 반도체 웨이퍼의 열 처리를 위해 사용되고, 연속적인 열 처리 사이클 동안에 수소-과잉과 산소-과잉 공정 가스 사이에 변화된다. 열 처리 사이클 동안에, 바람직하게는 공정 가스의 수증기 내의 수소 또는 산소의 농도는 변화된다.
본 발명의 목적은 또한 기판, 특히 반도체 기판의 처리를 위한 공정 가스의 생산 장치에 의해 구현되는데, 본 장치는 연소 챔버를 가진 버너(burner), 연소 챔버 내로의 적어도 하나의 산소 공급 라인(oxygen supply line) 및 적어도 하나의 수소 공급 라인(hydrogen supply line), 연소 챔버에서 산소/수소 혼합물을 발화시키기 위한 발화 유닛(ignition unit) 및, 수증기와 수소를 포함하는 공정 가스의 형성 동안에 산소가 수소-과잉 환경에서 발화되고 완전히 연소되는 방식으로 제어가능한 제어 유닛(control unit)을 구비한다. 상기 장치는 이미 전술한 장점을 가진다.
후속하여 본 발명은 도면을 참조한 바람직한 실시예를 이용하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 산소와 수소가 수증기를 포함하는 가스를 형성하기 위해서 연소되는 버너(1)의 개략도이다.
버너(1)는 내부에 연소 챔버(5)를 포함하는 하우징(housing)(3)을 구비한다. 연소 챔버(5)는 제 1 가스 유입 라인(8)과 연통하는 유입구(inlet)(7)를 구비한다. 제 1 가스 유입 라인(8)은 공급 라인(10)과 연통하는데, 후에 더 자세히 설명될 것처럼, 수소가 버너(1) 내로 도입된다.
제 1 가스 유입 라인(8)의 영역에서, 제 2 가스 유입 라인(12)이 또한 제공된다. 제 2 가스 유입 라인(12)은 제 1 가스 유입 라인(8)으로 적어도 부분적으로 연장되고, 소위 랜스(lance)로서 합체된다. 후에 더 자세히 설명되는, 제 2 가스 유입구의 수단에 의해, 산소가 버너(1) 내로 도입된다. 제 2 유입 라인(12)은 제 1 유입 라인(8)의 영역에 배치되는 유출 말단(outlet end)(14)을 구비하는데, 혼합물이 연소 챔버 내로 들어오기 전에, 두개의 유입 라인(8, 12)을 통해 도입되는 가스들의 혼합은 이미 제 1 유입 라인(8)의 영역에서 만들어진다.
제 2 유입 라인(12)이 내부로 통하는, 제 1 유입 라인(8)의 영역은 발화 온도 이상으로 상기 영역에서 생산되는 산소/수소 가스 혼합물을 가열하여 발화시키기 위해서 가열 링(17)에 의해 둘러싸인다. 택일적으로, 일부 다른 장치가 또한 혼합물의 발화를 위해 제공될 수 있다.
연소 공정을 모니터링하기 위해서 산소/수소 가스 혼합물의 연소 영역 쪽으로 안내되는, 자외선 탐지기(20)가 버너(1)의 하우징(3)에 추가로 제공된다. 산소와 수소가 가시적인 불꽃(visible flame)을 내며 연소되기 때문에, 자외선 탐지기는 260nm의 측정 범위에서 연소 공정을 모니터링할 수 있다. 자외선 탐지기는 탐지기가 불꽃이 소멸되었다고 결정할 때 유입 라인(8 및 12)을 통한 가스의 공급을 중단시키는 적당한 제어 장치와 함께 결합된다.
연소 챔버(5)는 또한, 도 2를 참조하여 후에 더 자세히 설명되는 바와 같이, 급속 가열 유닛 또는 일반적으로는 반도체 열 처리용 공정 챔버와 연통하는 유출 콘듀트(24)와 연통하는 유출 말단(21)을 구비한다.
콘듀트(24)내의 연소되지 않은 산소나 연소되지 않은 수소를 탐지하기 위해서, 도시되지 않은 산소 및 수소 감지기, 또는 적당한 탐지 장치가 유출 콘듀트(24)에 제공된다.
도 2는 반도체 웨이퍼의 처리를 위한 장치(30)의 개략적인 블록도인데; 도 1의 버너(1)가 상기 장치 내로 통합되어 있다.
상기 장치(30)는 공정 가스 생산부(31) 및, 예를 들어 적어도 하나의 반도체 웨이퍼가 배치되고 열적으로 처리되는 급속 가열 유닛(32)을 구비한다. 상기 급속 가열 유닛(32)은, 예를 들어, DE-A-199 05 524로 알려진 구조체(construction)를구비하고, 상기 구조체는 본원발명과 동일한 출원인에 의해 발명되었고, 반족을 피하기 위해 본원 발명의 대상은 이 정도의 범위까지 설명한다. 버너(1)의 유출 콘듀트(24)는 급속 가열 유닛 내로 버너(1)에서 생산된 공정 가스를 운반할 수 있도록 급속 가열 유닛(32)의 공정 챔버의 유입구와 연통한다.
상기 장치(30)의 공정 가스 생산부(31)는 통과하는 가스 유량을 제어하는 제어 유닛(34)에 의해 각각 제어되는, 다수의 유량 제어기(mass flow controller) 또는 가스 유량 제어 유닛(36 내지 41) 뿐만 아니라, 버너(1), 전자 제어 유닛(34)을 포함한다.
유량 제어기(36)는 유출 라인(44) 뿐만 아니라 가스 공급 라인(43)을 구비한다. 공급 라인(43)은 가스 소스(gas source)와 연통한다. 유출 라인(44)은, 후속 공정에서 필요한 추가적인 가스를 버너(1)에서 생산되는 공정 가스 내로 도입하기 위해서 버너(1)와 급속 가열 유닛(32) 사이에서 콘듀트(24)와 연통한다.
유량 제어기(37)는 유출 라인(47) 뿐만 아니라 공급 라인(46)을 구비한다. 공급 라인(46)은 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스의 소스와 연통한다. 유출 라인(47)은 버너(1)의 제 2 유입 라인 뿐만 아니라. 버너(1)의 제 1 유입 라인(8)의 공급 라인(10)과 연통한다.
유량 제어기(38)는 유출 라인(51) 뿐만 아니라 공급 라인(50)을 구비한다. 공급 라인(50)은 산소 소스와, 또는 어떤 다른 산소-함유 가스용 소스와 연통하는 반면, 유출 라인(51)은 버너(1)의 제 2 유입 라인(12)와 연통한다.
유량 제어기(39)는 공급 라인(10)과 연통하는 유출 라인(55) 뿐만 아니라,수소 소스와, 또는 어떤 다른 수소-함유 가스용 소스와 연통하는 유출 라인(54)을 구비한다.
유량 제어기(40)는 유출 라인(59) 뿐만 아니라 유입 라인(58)과 연통한다. 공급 라인(58)은 산소 소스와, 또는 어떤 다른 산소-함유 가스용 소스와 연결되는 반면, 유출 라인(59)은 버너(1)와 급속 가열 유닛(32) 사이에서 콘듀트(24)와 연통한다.
유량 제어기(41)는 또한 유출 라인(63) 뿐만 아니라 공급 라인(62)을 구비한다. 공급 라인(62)은 수소 소스와, 또는 어떤 다른 수소-함유 가스용 소스와 연통하는 반면, 유출 라인(63)은 버너(1)와 급속 가열 유닛(32) 사이의 콘듀트(24)와 연통한다.
전술한 바와 같이, 유량 제어기(36 내지 41)는 각각의 공급 라인으로부터 각각의 유출 라인까지 제어된 가스의 양을 각각 운반하도록 제어기 유닛(34)에 의해 제어되거나, 닫힌다.
공정 가스 생산부(31)의 기능, 및 상기 생산부를 동작하기 위한 방법이 도 1과 도 2를 참조하여 후속하여 더 자세히 설명될 것이다.
공정 가스의 생산 이전에, 모든 유량 제어기(36 내지 41)는 처음에 닫혀있다. 후속하여, 유량 제어기(37)는 제 2 유입 라인(12) 뿐만 아니라 공급 라인(10)을 통해 버너(1) 내로 불활성 가스를 도입하기 위해서 가동된다. 이런 방식으로, 유출 콘듀트(24) 뿐만 아니라 공급 라인(10, 12), 버너(1) 및 가능하게는 급속 가열 유닛(32)의 공정 챔버는 산소 또는 수소가 급속 가열 유닛(32) 뿐만 아니라 버너(1), 콘듀트(24)에 전혀 존재하지 않는 것을 보장하기 위해서 불활성 가스로서 린스(rinse)된다. 나아가, 공기와 같은 잔류 가스와의 제어되지 않는 반응이 방지될 수 있다.
규정된 린스 시간 후에, 유량 제어기(37)가 닫힌다. 이제 수소가 유량 제어기(39)와 공급 라인(10)을 통해 버너(1) 내로 도입되는데, 이에 의해 적어도 연소 챔버(5) 및, 가능하게는 또한 부분적으로 콘듀트(24)와 급속 가열 유닛(32)의 공정 챔버가 순수 수소로 충진된다. 여기에서, 수소의 유속은 원하는 대로 제어될 수 있다. 연소 챔버가 완전히 수소로 충진된 후에, 가열 장치(17)가 가동되면서 산소가 유량 제어기(38) 및 제 2 유입 라인(12)를 통해 연소 챔버(5) 내로 도입된다. 산소가, 예를 들어 수소에 대해 5초의 시간 지연을 가지고 도입된다. 산소가 제 2 유입 라인(12)의 유출 말단(14)으로부터 유출되기 시작할 때, 산소는 즉시 발화되고 수소와 함께 연소된다. 여기에서, 이 시점에 이미 가열 장치(17)가 연소 챔버(5)에서 대량의 산소와 수소의 폭발성 혼합물의 형성을 방지하기 위해 요구되는 온도에 도달했다는 것이 중요하다. 예를 들어, 가열 장치(17)는 유입 라인(12)의 유출 말단(14) 영역을 700℃까지 가열시킨다. 연소 동안에 연소 챔버(5)로 연장하는 불꽃이 생기고, 자외선 탐지기에 의해 탐지된다.
제어 유닛(34)은 산소의 연소를 위해 필요한 것보다 더 많은 수소가 존재하는 방식으로 수소와 산소가 유량 제어기(38 및 39)를 통해 연소 챔버(5) 내로 흐르도록 설정하여, 산소가 수소 환경에서 연소되도록 한다. 산소와 수소의 연소로 인하여, 연소 챔버(5)에 초과 수소와 함께, 수증기가 생산되어, 콘듀트(24)를 통해급속 가열 유닛(32)의 공정 챔버 내로 운반된다. 공정 가스는 30slm(분당 표준 리터, standard liters per minute)까지의 높은 흐름으로 생산될 수 있고, 공정 챔버 내로 운반된다. 전술한 바와 같이, 콘듀트(24)의 연소되지 않은 산소의 존재를 탐지하는 산소 감지기가 콘듀트(24) 내에 배치된다. 만일 연소되지 않은 산소가 콘튜트(24)에서 탐지된다면, 감지기는 잉여의 수소와 함께 콘듀트(24) 내의 산소가 급속 가열 유닛(32)의 공정 챔버 내로 도입 시에 폭발하여 내부에 위치된 웨이퍼 및 가능하게는 또한 공정 챔버 자신에 손상을 줄 수 있는 폭발성 가스를 형성할 수 있기 때문에, 제어 유닛(34)에 경고 신호를 방출한다. 경고 신호가 수신된 후에, 제어 유닛(34)은 유량 제어기들을 닫아서 버너(1)에서 공정 가스의 생산을 중단시키기 위해서 유량 제어기(38 및 39)에 적당한 신호를 송신한다. 택일적으로, 또는 부가적으로, 버너(1)의 폭발성 가스의 형성을 방지하고 버너를 다시 린스하기 위해서, 불활성 가스가 유량 제어기(37)를 통해 버너(1) 내로, 그리고 콘듀트(24) 내로 도입될 수 있다.
만일 연소되지 않은 산소가 콘듀트(24)에서 전혀 탐지되지 않는다면, 공정 가스 내의 수소 함량을 원하는 값까지 증가시키기 위해서, 추가적인 수소가 유량 제어기(41)와 라인(63)을 통해 콘듀트(24)에 배치되고 수증기와 수소를 포함하는 공정 가스 내로 도입될 수 있다. 나아가, 필요한 정도까지, 추가 가스가 유량 제어기(36)를 통해 수증기와 수소 내로 도입될 수 있다. 이제 생산된 공정 가스 혼합물이 반도체 웨이퍼의 처리를 위해 급속 가열 유닛(32)의 공정 챔버 내로 도입된다. 공정 가열 유닛(32)의 공정 챔버는 웨이퍼의 열 처리가 시작되기 전에 공정가스로써 먼저 플러싱된다. 예를 들어, 공정 챔버는 실재 부피의 세 배로써 플러싱되는데, 이는, 예를 들어 60초를 필요로 한다. 바로 그 때, 공정 챔버에 배치된 웨이퍼의 열 처리가 시작된다. 플러싱 동안에, 웨이퍼는 공정 가스의 자기 발화를 방지하기 위해서 20℃ 내지 560℃의 저온으로 있고, 처음의 공정 가스는 여전히 정해진 조성으로 존재할 수있다. 나아가, 웨이퍼가 아직 최종적으로 한정되지 않은 공정 가스와 먼저 반응하는 것을 방지하기를 원한다. 웨이퍼의 상부 온도는 공정과 웨이퍼 타입에 의존한다. 예를 들어, 금속-코팅된 웨이퍼에 있어서, 가능하게도 한정되지 않은 공정 가스에서의 산화 또는 반응 공정을 방지하기 위해서, 온도는 250℃ 이하, 또는 심지어 100℃ 이하일 수 있다. 그 후에, 예를 들어 금속 게이트 또는 금속 게이트 콘택을 구비한 게이트-스택의 선택적인 산화를 위해, 수소-과잉 습식 산화가 공정 챔버에서 수행될 수 있다.
만일 급속 가열 유닛(32)에서의 공정에 대해, 수소-과잉 공정 가스가 수증기와 수소를 포함한 후에, 수증기와 산소를 포함하는 산소-과잉 공정 가스를 제공하는 것이 필요하다면, 수소-과잉 대기에서의 산소의 연소는 수소-희박 대기에서의 연소로 변화될 수 있다. 이를 위해, 제어 유닛(34)은 화학량적 비율(stoichiometric ratio)의 산소와 수소가 버너(1)의 연소 챔버(5) 내로 도입되는 방식으로 유량 제어기(38 및 39)를 먼저 가동시킨다. 이는 화학량적 연소를 초래하는데, 이에 의해 순수 수증기가 생산되고 잔류 부산물이 전혀 남지 않는다. 화학량적 산화 또는 연소가 이전의 수소-과잉 연소로부터의 초과 수소가 연소 챔버(5)로부터 이탈되어 가능하게는 급속 가열 유닛의 공정 챔버를 형성할 때까지수행된다. 유량 제어기(38)를 통해 도입된 산소의 양은 이제 증가될 수 있어서, 산소-과잉 연소가 일어날 것이고, 즉 수소와 함께 연소될 수 있는 것 보다 더 많은 산소가 존재할 수 있어서, 수증기와 산소를 포함하는 공정 가스가 형성된다. 수증기와 산소의 이러한 혼합물은 이제 콘듀트(24)를 통해 급속 가열 유닛(32) 내로 운반될 수 있다. 나아가, 추가적인 산소가 수증기와 산소를 포함하는 공정 가스에서 원하는 방식으로 산소 비율을 증가시키기 위해 유량 제어기(40)를 통해 콘듀트(24) 내로 도입될 수 있다. 유사한 방식으로, 산소-과잉 공정 가스의 생산으로부터 수소-과잉 공정 가스의 생산으로 되돌리는 것도 역시 가능하고, 이에 의해 다시 중간 단계(intermediate phase)가 제공되고, 화학량적 연소가 연소 챔버(5)에서 일어난다.
물론, 처음에 산소-과잉 공정 가스를 생산하고 가능하게는 후속하여 수소-과잉 공정 가스로 변화되는 방식으로 버너(1)를 가동시키는 것도 역시 가능하다.
따라서 본 장치(30)의 공정 가스 생산부(31)는 수증기 및, 선택적으로 산소 또는 수소를 포함하는 공정 가스를 생산하는 위치에 놓인다. 유량제어기(40 및 41)에 의하여, 산소에 대한 수증기의 또는 수소에 대한 수증기의 소정의 원하는 혼합비가 공정 가스에서 달성될 수 있다.
제어 유닛(34)은 항상 유량 제어기들(40 및 41)을 서로에 대해 반대로 연동시키는 방식으로 설계되는데, 왜냐하면 수소와 산소의 콘듀트(24)로의 동시 도입은 폭발성 가스의 형성을 초래할 수 있기 때문이다. 나아가, 유량 제어기들이 서로에 대해 반대로 연동되는, 즉 항상 두개의 유량 제어기들(40, 41) 중에서 하나 만이개방될 수 있는 방식으로 유량 제어기(40, 41)를 기계적으로 결합시키는 것도 또한 가능하다. 나아가 제어기 유닛(34)은 만일 수소-과잉 연소가 버너(1)에서 일어난다면 항상 닫히도록 하는데, 왜냐하면 수증기와 수소를 포함하는 공정 가스 내로의 산소의 도입에 있어서도 폭발성 가스가 생산될 수 있기 때문이다. 유사한 방식으로, 유량 제어기(41)는 만일 산소-과잉 연소가 버너(1)에서 일어난다면 항상 닫히는 방식으로 제어된다.
신뢰성을 증대시키기 위해서, 이미 전술한 바와 같이, 산소와 수소 감지기가 콘듀트에서 연소되지 않은 산소 또는 연소되지 않은 수소를 각각 탐지하기 위해서 콘듀트(24)에 제공된다. 만일 버너에서의 수소-과잉 연소 후에 산소가 콘듀트(24)에서 탐지된다면, 이는 에러(error)를 나타내는 것으로, 폭발성 가스가 콘듀트(24) 및/또는 하방 급속 가열 유닛(32)의 공정 챔버에서 형성되는 위험이 존재한다는 것을 나타낸다. 따라서, 적당한 감지기가 공정을 중단시키고 가능하게는 불활성 가스를 버너 내로 도입시킬 수 있는 제어 유닛(34)에 경고 신호를 보낸다.
이는 만일 버너(1)의 산소-과잉 연소 후에 연소되지 않은 수소가 콘듀트(24)에서 탐지된다면 유사한 방식으로 적용될 수 있다.
상기 장치(30)는 이제 급속 가열 유닛(32)의 반도체 웨이퍼에 수소-과잉과/또는 수증기를 포함하는 산소-과잉 공정 가스를 제공하는 위치에 놓인다. 단일 열 처리 사이클 동안에, 수소-과잉과 수증기를 포함하는 산소-과잉 공정 가스 사이에서 스위칭하는 것이 가능하다. 물론, 열 처리 사이클 동안에 이러한 두개의 공정 가스 사이에서 여러번 스위칭하는 것도 또한 가능하다. 스위칭-오버는 또한 연속적인 열 처리 사이클 사이에서 공정 챔버 내에서 일어날 수 있다.
상기 장치는 본 발명의 바람직한 실시예를 가지고서 기술되었지만, 본 발명은 구체적인 실시예에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 공정 가스 생산부(31)는 동일한 공정 가스와, 또는 순차적으로 동일하거나 다른 공정 가스 혼합물과 평행하게 공급되는 다수의 급속 가열 유닛(32)(또는 반도체 웨이퍼의 처리를 위한 일반적인 공정 챔버)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 급속 가열 유닛은 각각 수증기를 포함하는 산소-과잉 공정 가스를 필요로 할 수 있지만, 한편으로는 다른 급속 가열 유닛에서는 수증기를 포함하는 수소-과잉 공정 가스가 각각 요구된다. 따라서 버너(1)는 한 유닛과 다른 유닛의 공급 사이에서 버너를 셧 다운해야 할, 그리고 가능하게는 불활성 가스로써 버너를 린스해야할 필요성 없는 양 유닛에 대해 순차적으로 사용될 수 있는데, 왜냐하면 산소-과잉과, 수증기를 포함하는 수소-과잉 공정 가스의 생산 사이에서 원하는 대로 바꿀 수 있기 때문이다. 버너는 초과 압력(overpressure) 또는 미달 압력(underpressure)에서 동작될 수 있는데, 여기서 미달 압력에서의 동작이 가스가 연소 챔버의 미달 압력에 의해 유출구로 운반되기 때문에 바람직하다. 이런 방식으로 동작시키는 것은 또한 연소 조건을 통일시키게 된다.
본 발명은 또한 전술된 실시예들의 특징들의 조합 및/또는 교환을 초래하는 실시예들을 포함한다. 나아가 반도체 또는 기판 대신에, 소정의 원하는 대상(object)이 본 발명의 방법 또는 장치에 따라 생산된 공정 가스로서 처리될 수 있다는 것이 유의되어야 하며, 여기서 공정은 열 처리, 즉 온도-시간 처리 사이클에 배타적으로 제한되지는 않는다.
대상이, 예를 들어 전자기 복사를 통해 가열되는 장치에서, 복사된 전력-시간 처리 사이클이 또한 포함될 수 있다.

Claims (28)

  1. 기판, 특히 반도체 기판 처리를 위한 적어도 하나의 공정 가스(process gas)를 생산하는 방법으로서, 수증기와 수소를 포함하는 제 1 공정 가스의 형성을 위해, 산소가 연소 챔버(combustion chamber) 내의 초과 화학량적(over stoichiometric) 수소-과잉 환경(hydrogen rich environment))에서 연소되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연소 챔버의 하방(downstream)에서, 연소되지 않은 산소의 존재가 탐지되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    만일 상기 연소 챔버의 하방에서 연소되지 않은 산소가 탐지된다면, 상기 기판 처리 방법이 중단되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    만일 상기 연소 챔버의 하방에서 연소되지 않은 산소가 탐지된다면, 불활성 가스가 상기 공정 가스 내로 도입되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연소 챔버의 하방에서 수소가 상기 공정 가스 내로 도입되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    산소의 연소 이전에, 상기 연소 챔버는 순수 수소로 충진되고, 산소는 상기 연소를 단지 트리거링(triggering)하기 위해서 도입되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    제 2 산소-과잉(oxygen-rich) 공정 가스의 생산을 위해서, 상기 연소 챔버의 수소에 대한 산소의 비율은 상기 연소 동안에 변화되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    수소-과잉과 산소-과잉 공정 가스의 생산 사이에서의 변화 동안에, 미리 설정된 시간의 주기 동안 산소와 수소의 화학량적 연소(stoichiometric combustion)가 수행되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    산소-과잉 공정 가스의 생산 후에, 추가적인 산소가 상기 연소 챔버의 하방에 도입되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    만일 수소-과잉 공정 가스가 상기 연소 챔버에서 생성된다면, 산소 공급 라인(oxygen supply line)이 상기 연소 챔버의 하방에서 차단되는(blocked) 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    만일 산소-과잉 공정 가스가 상기 연소 챔버에 도입된다면, 수소 공급 라인(hydrogen supply line)이 상기 연소 챔버의 하방에서 차단되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    추가적인 유체(fluid)가 상기 연소 챔버의 하방에서 상기 공정 가스 내로 도입되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    처음에는 산소-과잉 공정 가스가 산소가 수소-희박(hydrogen-poor) 환경에서 연소될 때 상기 연소 챔버에서 생산되고, 상기 연소 챔버에서의 수소에 대한 산소의 비율이 수소-과잉 환경에서의 산소의 연소 동안에 변화되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  14. 제 8항 내지 제 13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 산소-과잉 공정 가스의 생산 동안에, 연소되지 않은 수소의 존재가 상기 연소 챔버의 하방에서 탐지되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  15. 제 8항 내지 제 14항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    만일 연소되지 않은 수소가 상기 연소 챔버의 하방에서 탐지된다면, 상기 기판 처리 방법이 중단되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,
    만일 연소되지 않은 수소가 상기 연소 챔버의 하방에서 탐지된다면, 불활성 가스가 상기 공정 가스 내로 도입되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  17. 제 8항 내지 제 16항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    수소-희박 환경에서의 산소의 연소로부터 수소-과잉 환경으로의 변화 동안에, 미리 설정된 시간의 주기 동안에 산소와 수소의 화학량적 연소가 수행되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 연소 챔버는 상기 연소 공정 이전에 불활성 가스로서 린스(rinse)되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  19. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 공정 가스는 적어도 하나의 반도체 웨이퍼의 열 처리를 위해 사용되고, 상기 처리 사이클(treatment cycle) 중에 수소-과잉과 산소-과잉 공정 가스 사이에서 변화되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  20. 제 1항 내지 제 19항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 공정 가스는 적어도 하나의 반도체 웨이퍼의 열 처리를 위해 사용되고, 연속적인 열 처리 사이클 동안에 수소-과잉과 산소-과잉 공정 가스 사이에서 변화되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  21. 제 19항 또는 제 20항에 있어서,
    상기 공정 가스의 수소 또는 산소의 농도는 열 처리 사이클 동안에 변화되는 기판 처리용 공정 가스 생산 방법.
  22. 기판, 특히 반도체 기판의 처리를 위한 공정 가스를 생산하는 장치로서, 연소 챔버(5)를 구비한 버너(burner)(1), 상기 연소 챔버(5) 내로의 적어도 하나의산소 공급 라인(12)과 적어도 하나의 수소 공급 라인(8), 상기 연소 챔버(5)에서의 산소/수소 혼합물의 발화를 위한 발화 유닛(ignition unit)(17) 및 수증기와 수소를 포함하는 공정 가스의 형성을 위해 상기 산소가 초과 화학량적 수소-과잉 환경에서 발화되어, 완전히 연소되는 방식으로 제어가능한 제어 유닛(control unit)(34)을 포함하는 기판 처리용 공정 가스 생산 장치.
  23. 제 22항에 있어서,
    산소 및/또는 수소 감지기가 상기 버너(1)의 유출 콘듀트(outlet conduit)(24)에 있는 기판 처리용 공정 가스 생산 장치.
  24. 제 22항 또는 제 23항에 있어서,
    수소 라인(hydrogen line)(63)이 상기 버너(1)의 유출 콘듀트(24)와 연결되는 기판 처리용 공정 가스 생산 장치.
  25. 제 22항 내지 제 24항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    산소 라인(oxygen line)(59)이 상기 버너(1)의 유출 콘듀트(24)와 연통하는 기판 처리용 공정 가스 생산 장치.
  26. 제 24항 및 제 25항에 있어서,
    상기 산소 라인 및 상기 수소 라인은 서로 반대로 연동되는(engaged) 기판처리용 공정 가스 생산 장치.
  27. 제 22항 내지 제 26항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 연소 챔버(5)에서의 연소가 수소-과잉 연소로부터 산소-과잉 연소까지 변화되는 방식으로 제어가능한 기판 처리용 공정 가스 생산 장치.
  28. 제 22항 내지 제 26항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 유출 콘듀트(24)는 반도체 웨이퍼의 열 처리를 위한 적어도 하나의 공정 챔버와 연결되는 기판 처리용 공정 가스 생산 장치.
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