KR20040007609A - 평판상 대상물의 단기열처리방법과 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체, 유리 또는 금속기판과 같은 평판상 대상물의 단기열처리를 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 열이 열전도매체를 통한 열전도를 통하여 적어도 부분적으로 기판의 양측 표면에서 공급 또는 분산된다. 본 발명은 효율적으로 이용될 수 있도록 방법과 장치를 개선하는데 그 목적이 있다. 이를 위하여, 매우 상이한 열전도율을 갖는 두 가스로 구성되는 혼합체가 열전도매체로서 사용된다. 기판(1)의 양측에서 이 혼합체는 각 표면온도가 열방사를 통한 각각의 열교환을 고려하여 시간조절되는 방식으로 각각 조절된다.

Description

평판상 대상물의 단기열처리방법과 장치 {METHOD AND DEVICE FOR SHORT-TERM THERMAL TREATMENT OF FLAT OBJECTS}
본 발명은 반도체, 유리 또는 금속기판과 같은 평판상 대상물의 단기열처리를 위한 방법과 장치에 관한 것으로, 기판과의 열교환이 이루어질 수 있도록 기판 표면의 양측에 배치되는 온도영향장치를 이용하고 열교환이 열전도매체를 통한 열전도를 통하여 적어도 부분적으로 이루어지는 평판상 대상물의 단기열처리방법과 장치에 관한 것이다.
반도체 물질로부터 부품을 생산할 때, 코팅 또는 예를 들어, 임플란테이션 단계(implantation steps) 등으로 전처리된 기판 또는 패턴처리된 기판이 추가로 열처리되는 것이 필요하다. 이러한 과정은 신속열처리방법(RTP)으로 불리는 방법을 이용하여 수행된다. 기판의 양측 표면은 상이한 표면방사율을 가질 수 있다. 균일하게, 즉 내부온도기울기가 없이 균일하게 기판이 가열되기 위하여서는 기판의 양측 표면을 가열하는 방사력이 상이한 표면방사율과 매칭되어야 한다. 예를 들어, 가열은 적외선 방사 또는 가스와 같은, 기판의 표면에 접촉하는 매체를 통하여 이루어지는 열전도를 통하여 이루어진다. 또한 냉각속도는 표면방사율에 따라서 달라질 수 있다. 따라서, 기판의 양측 표면에서 온도를 균일하게 낮추거나 높일 수 있도록 하는 적당한 수단이 갖추어져야 한다. 가열과 냉각은 신속히 이루어져야 한다. 표면방사율은 RTP 과정 중에 달라질 수 있다. 이러한 방사율은 기판이 열을 방사하거나 방사된 열을 흡수하는 척도가 된다. 기판으로부터 열, 특히 고열을 제거하는 것은 해당 표면의 방사율에 크게 의존하고 양측 표면의 방사율이 일반적으로 동일하지 않으므로 기판이 냉각 또는 가열될 때 기판이 휘어지는 근본적인 위험이 있다. 기판이 넓으면 넓을 수록 이러한 현상이 보다 현저하게 나타난다. 원형 웨이퍼의 형태인 기판은 그 직경이 예를 들어, 300 mm 정도이다. 종래에는 이러한 현상을 방지하기 위하여 기판의 양측 표면의 가열을 각각 분리하여 제어하는 것이 알려져 있다. 이는 매우 정확한 방사율-보상형의 온도측정을 요구한다. 이는 제한된 정확성을 갖는 고가의 측정 및 제어장치가 사용되어야 한다는 결점을 갖는다. 더욱이, 이러한 형태의 구조에 있어서는 예를 들어, 냉각 중에 전면으로부터 배면의 온도기울기를 완전히 피할 수는 없다.
본 발명은 일반적인 평판상 대상물의 열처리방법과 장치를 효율적으로 이용할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이러한 본 발명의 목적은 청구범위 제 1 항에 기술된 방법과 청구범위 제 2 항에 기술된 장치에 의하여 달성될 수 있는 바, 여기에서, 열전도매체는 매우 상이한 열전도율을 갖는 적어도 두 가스의 혼합체이며, 이 혼합체는 기판의 양측 표면에 각각 공급될 수 있다. 이 혼합체는 기판의 표면온도가 열방사를 통한 전체의 열교환을 고려하여 시간조절되는 방식으로 각각 조절된다. 특히, 가열 또는 냉각 중의 온도 프로파일과 기판의 양측 표면에서 각각의 그 값은 동일하다. 열방사를 통한 증가된 열교환은 낮은 열전도율을 갖는 가스가 지배적인 가스혼합비를 이용하여 보상될 수 있다.
마찬가지로 열방사를 통한 낮은 레벨의 열교환은 높은 열전도율을 갖는 가스가 지배적인 가스혼합체를 이용하여 보상될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따라서는 양측에서 열교환이 상이한 레벨로 유지될 수 있도록 하여 기판의 가열 또는 냉각 중에 기판 내에서 전면으로부터 배면까지 특히 전체 열처리시간 또는 열교환시간을 통하여 동일하게 온도기울기가 유지될 수 있도록 한다. 두 가스혼합체는 별도로 제어된다. 가스혼합체는 고순도이고 상이한 특정의 열전도성을 갖는 불활성 가스로부터 선택될 수 있다. 제어는 간단한 질량유량제어기에 의하여 이루어질 수 있다. 높은 열전도율을 갖는 가스는 예를 들어, 수소 또는 헬륨이다. 낮은 열전도율을 갖는 가스는 질소 또는 아르곤이다. 혼합체는 열전도에 의하여 기판과의 충분한 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 전체 압력과 비율로 기판의 상측 및/또는 하측으로부터 공정챔버에 도입된다. 따라서 특히 기판을 냉각시키는데 사용되는 온도영향장치는 기판의 상측 또는 하측에서 근거리에 배치된다. 만약 기판이 공정챔버 내에서 수직위치에 놓인 경우, 두 개의 온도영향장치는 기판에 근접하여 수평으로 배치되며, 온도영향장치의 배열과 구성은 기판으로부터의 열전달 또는 기판으로의 열전달이 전체 기판의 표면을 통하여 균일하게 이루어져 전체 기판 표면을 통하여 현저한온도차이를 보이지 않도록 선택될 수 있다. 온도영향장치와 두 가스의 혼합체는 열방사에 의한 열전도를 고려하여 양측에서 단위 시간 당 열교환된 양이 기판의 전면으로부터 배면까지의 온도기울기가 제로가 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 혼합체는 기판의 상측 및/또는 하측에 놓이는 간극을 통하여 유동하도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 연속적인 가스의 교환으로 가스혼합체의 신속한 교환이 이루어질 수 있다. 열교환 중 혼합비의 변화는 가변열전도율에 의한 열유량을 제어할 수 있도록 한다. 또한 열응력이 허용되는 경우, 각 표면에 대하여 열평형이 상이하도록 정교하게 조절할 수 있다. 이는 또한 가스혼합체의 트리밍, 즉 혼합비조절에 의하여 이루어질 수 있다. 기판의 하측에는 비교적 좁은 가스간극이 배치되는 것이 바람직하다. 가스량은 기판이 안치되는 가스쿠션을 형성할 수 있을 정도이면 충분하다. 가스쿠션은 이러한 양으로 가스혼합체를 유동시킴으로서 형성된다. 유동되는 가스질량은 낮은 레벨로 유지되어 가스유동을 통하여 열이 현저히 분산되지 않도록 한다. 기판은 균일하게 부상된 상태에서 가스흐름에 의하여 회전구동될 수 있다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 기판의 상하측에 온도영향장치가 배치된 본 발명의 제 1 실시형태를 보인 개략구성도.
도 2 는 기판이 가스쿠션 상에서 자유롭게 부상되어 있는 것을 보인 본 발명 제 2 실시형태의 구성도.
도 3 은 가열 또는 냉각 중에 기판의 두 표면의 온도를 보인 그래프.
도 1 에서 보인 실시형태에서, 기판(1)은 지지스커트(10) 상에 안치된다. 이들 지지스커트(10)는 기판(1)이 하측의 온도영향장치(3)로부터 간격을 둔 간극(5) 상에 놓이도록 한다. 이 온도영향장치(3)는 히트 싱크 또는 열원일 수 있다. 기판의 상부에 배치되는 온도영향장치(2)는 기판(1)과 간격을 두고 배치되는 온도영향장치(2)와 마찬가지로 간극(4)을 두고 기판의 상부에 배치되며 역시 히트 싱크 또는 열원일 수 있다. 이들 온도영향장치(2)(3)는 두가지의 기능을 수행한다. 예를 들어, 한편으로는 열을 분산시켜 기판을 냉각시키고 다른 한편으로는 열을 공급하여 기판을 가열하기 위하여 이들은 냉각표면을 형성하고 동시에 적외선을 방사하는 효과를 가질 수 있다.
공급라인(6)(7)이 각 온도영향장치(2)(3)를 통하여 연장되어 있다. 이러한 공급라인(6)(7)은 달리 구성될 수도 있다. 이들의 목적은 두개의 간극(4)(5)에 예를 들어, 헬륨과 아르곤 또는 수소와 질소로 구성되는 가스혼합체를 도입하는 것이다.
수소와 질소 또는 헬륨과 아르곤을 포함하는 각 가스혼합체는 두 간극(4)(5)의 각각에 연속적으로 도입된다. 두 가스혼합체의 전체 압력은 실질적으로 동일하다. 간극(4)(5) 내 가스의 압력은 열전도작용을 가질 수 있을 정도로 높으면 된다.또한 간극(4)(5)의 폭은 이에 기초하여 적당히 선택될 수 있다.
수소와 질소는 각각의 질량유량제어기(8)(9)에 의하여 각 공급라인(6)(7)으로 공급된다.
도 2 에서 보인 실시형태에서, 기판(1)은 열교환 중에 기판(1)의 변부를 지지하는 스커트(10) 상에 배치되지 않고 공급라인(7)을 통하여 간극(5)으로 도입된 가스혼합체에 의하여 유지되는 가스쿠션에 의한 자유로운 부상에 의해 안치된다. 예를 들어, 이와 같은 경우, 기판(1)이 안치되는 위치에 간단히 지지웨브(11)만을 배치하면된다. 그러나, 이들이 꼭 필요한 것은 아니다. 기판은 가스쿠션 상에 자동적으로 중심이 맞추어지는 방식으로 부상지지될 수 있다.
아울러, 도 2 에는 공정챔버에 기판(1)을 로딩 또는 언로딩하기 위하여 기판(1)을 인상시킬 수 있는 선택적인 지지스커트(10)가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 장치의 기능은 다음과 같다. 기판(1)은 그 양측 표면의 열방사율이 다를 수 있다. 따라서, 가열기능을 수행하는 온도영향장치(2)(3)로부터의 방사력이 동일한 경우, 기판의 양측 표면이 가열되는 정도는 다를 수 있다. 어느 경우든지 열방사를 통한 기판으로의 열유동은 상이하다. 기판(1)의 냉각에 있어서도 효과는 유사하다. 상이한 방사율은 열방사 중에 기판의 양측 표면으로 방출되는열유량이 상이하도록 한다. 따라서, 기판의 가열 또는 냉각 중에 기판의 표면은 온도가 다를 수 있다. 이러한 내부온도기울기가 바람직하지 않은 변형이 일어나도록 한다.
수소와 질소를 포함하는 가스혼합체가 기판의 상하측 간극(4)(5)측으로 도입된다. 높은 방사율을 갖는 기판의 측면에서는 이러한 가스혼합체는 높은 질소함량을 갖는다. 따라서 가스혼합체는 낮은 열전도율을 갖는다. 방사율이 낮은 기판의 측면측에서는 가스혼합체가 높은 수소함량을 가짐으로써 가스혼합체는 높은 열전도율을 갖는다. 상이한 열방사를 감안하여 일측면에 다소 적은 양으로 방사 또는 공급되는 열은 그 만큼의 열의 분산 또는 열전도를 통한 열의 공급에 의하여 보상되므로 기판은 열교환 중에 양측 표면의 온도가 실질적으로 동일하게 유지된다. 본 발명에 있어서, 질량유량제어기(8)(9)에 의하여 설정되는 가스혼합체는 가열 또는 냉각과정 중에 조절되는 것이 필요하다.
도 2 에서 보인 실시형태에서, 기판(1)이 자유롭게 부상지지되는 가스쿠션은 질량유량제어기(8')(9')에 의하여 공급되는 가스유동에 의하여 형성된다. 따라서 지지스커트 등과의 면접촉에 의한 열교환이 방지될 수 있다. 공급라인(7)의 단부에 배치된 노즐은 기판(1)에 회전운동을 전달할 수 있도록 방향이 정하여져 있다. 특히, 기판(1)의 상하측에 다수의 노즐이 배치되는 것이 바람직하다. 기판(1)은 이들 노즐에 의하여 균일하게 회전구동된다.
어떤 경우에 있어서는 두 표면의 열편형이 상이한 레벨로 신중하게 설정되는 것이 유리하다. 이는 특히 전면과 배면 사이의 온도차이에 의한 열응력을 신중하게 도입하는 것이 바람직한 경우에 요구될 수 있다.
공정 중에, 두 표면의 온도는 광학적으로 측정될 수 있다. 온도편차는 가스혼합체의 조성을 변경시키는 적당한 수단에 의하여 상쇄될 수 있다.
도 3 은 가열, 열처리 및 냉각 중에 기판의 일측 표면의 온도 T1과 타측 표면의 온도 T2를 보이고 있다. 이 그래프에서, 온도 T1의 변화는 실선으로 도시하였으며, 온도 T2는 점선으로 도시하였다. 이들 두 선은 변화하는 형태가 동일하다. 이는 한편으로는 열방사와 다른 한편으로는 제어된 열전도에 의하여 기판의 양측 표면에 대한 열공급을 최적하게 조절한 결과로 나타난 것이다. 또한 냉각공정도 방사 및 전도에 의한 열의 분산에 의하여 이루어진다. 이 경우에 있어서도 열의 전도가 제어된다.
이상의 모든 특징은 본질적으로 본 발명에 속한다. 첨부된 우선권주장서류(선행출원의 사본)의 기술된 내용은 이들 서류 내용의 특징에 비추어 본 발명에 포함된다.

Claims (12)

  1. 반도체, 유리 또는 금속기판과 같은 평판상 대상물의 단기열처리를 위한 방법으로서, 열전도매체를 통한 열전도를 통하여 적어도 부분적으로 기판의 양측에서 열의 공급 또는 분산이 이루어지는 평판상 대상물의 단기열처리방법에 있어서, 사용된 열전도매체가 매우 상이한 열전도율을 갖는 둘 또는 그 이상의 가스의 혼합체이며, 이 혼합체가 기판(1)의 양측에서 각 표면온도가 열방사를 통한 각각의 열교환을 고려하여 시간조절되는 방식으로 각각 조절됨을 특징으로 하는 평판상 대상물의 단기열처리방법.
  2. 반도체, 유리 또는 금속기판과 같은 평판상 대상물의 단기열처리를 위한 장치로서, 기판(1)과의 열교환을 위하여 기판 표면의 양측에 온도영향장치(2, 3)가 배치되어 있고 열전도매체를 통한 열전도를 통하여 적어도 부분적으로 열교환이 이루어질 수 있도록 한 평판상 대상물의 단기열처리장치에 있어서, 열전도매체가 매우 상이한 열전도율을 갖는 둘 또는 그 이상의 가스의 혼합체이며, 이 혼합체가 기판의 양측에서 각각 조절됨을 특징으로 하는 평판상 대상물의 단기열처리장치.
  3. 상기 전 항 중 하나 또는 그 이상의 항에 있어서, 온도영향작용 중에 기판 양측의 온도가 동일함을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  4. 상기 전 항 중 하나 또는 그 이상의 항에 있어서, 온도영향작용 중에 기판 양측의 온도가 상이함을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  5. 상기 전 항 중 하나 또는 그 이상의 항에 있어서, 가스가 수소와 질소 또는 헬륨과 아르곤임을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  6. 상기 전 항 중 하나 또는 그 이상의 항에 있어서, 온도영향장치(2, 3)와 기판(1) 사이의 간극(4, 5)으로 가스가 연속유동함을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  7. 상기 전 항 중 하나 또는 그 이상의 항에 있어서, 가스의 유동이 질량유량제어기(8, 9; 8', 9')에 의하여 제어됨을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  8. 상기 전 항 중 하나 또는 그 이상의 항에 있어서, 기판(1)이 기판의 하측에서 가스흐름에 의하여 형성된 가스쿠션에 의하여 자유롭게 부상토록 배치됨을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  9. 상기 전 항 중 하나 또는 그 이상의 항에 있어서, 기판(1)이 열전도매체를 구성하는 가스흐름에 의하여 자유롭게 부상된 상태에서 회전구동됨을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  10. 상기 전 항 중 하나 또는 그 이상의 항에 있어서, 온도제어로 열의 분산 또는 열의 공급이 이루어짐을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  11. 상기 전 항 중 하나 또는 그 이상의 항에 있어서, 가스조성 또는 가스압력이 전 시간을 통하여 열교환 중에 변화함을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
  12. 상기 전 항 중 하나 또는 그 이상의 항에 있어서, 간극(4, 5)측으로 향하는 열전도매체의 질량유량이 적어서 가스질량유량을 통하여 공급 또는 분산되는 열정량이 열전도를 통하여 분산 또는 공급되는 열보다 현저히 적음을 특징으로 하는 방법 또는 장치.
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