KR20050062520A

KR20050062520A - 핫 플레이트 어닐링 시스템

Info

Publication number: KR20050062520A
Application number: KR1020057001858A
Authority: KR
Inventors: 유우식
Original assignee: 웨이퍼마스터스, 인코퍼레이티드
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-06-23
Also published as: US6809035B2; TW200406033A; WO2004013902A3; EP1530799A2; US20040023504A1; WO2004013902A2; KR100728407B1; JP2005535129A

Abstract

프로세스 챔버를 가지며, 가열가능한 덩어리의 형태로 안정적 열 소스를 구비한 급속 열처리기. 열은 일련의 가열 장치를 이용하여 가열가능한 덩어리에 제공된다. 가열가능한 덩어리의 온도는 가열가능한 덩어리에 근접하거나 접촉되어 위치한 반도체 웨이퍼의 온도를 확립한다. 열 변화도를 감소시키기 위해, 가열가능한 덩어리는 불투명한 석영 등과 같은 절연 물질로 만들어진 절연 구획에 포함될 수 있다. 절연 구획의 상부는 그 안에 배치된 가열가능한 덩어리 위에 반도체 웨이퍼가 놓이는 것을 허용하기 위한 액세스 부분을 포함할 수 있다. 처리 중에, 웨이퍼는 짧은 시간 구간 동안 고강도 방사 에너지 소스에 추가로 노출될 수 있다.

Description

핫 플레이트 어닐링 시스템{HOT PLATE ANNEALING}

본 발명은 반도체 처리에 관한 것이며, 특히 반도체 기판의 급속 열처리를 위한 방법과 장치에 관한 것이다.

제조 프로세스, 특히 감소된 크기의 반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서의 진전은 새로운 처리와 제조 기술의 발전을 필요로 해 왔다. 그러한 하나의 처리 기술은 급속 열처리(Rapid Thermal Processing: RTP)로 알려져 있으며, 이것은 처리 반도체 디바이스가 처리 중에 고온에 노출되는 시간을 줄인다.

반도체 기판의 RTP에서, 기판은 정밀한 시간량 동안에 고온의 환경에 노출된다. 대부분의 RTP 시스템은 차가운 벽 노(wall furnace) 내에서 기판을 가열하기 위해 고강도 램프(대개 텅스텐-할로겐 램프 또는 아크 램프)를 이용한다. 램프는 낮은 열질량 때문에 에너지 소스로서 사용되는데, 이는 그것을 매우 빨리 켜고 끄는 것을 용이하게 한다. RTP 기술은 일반적으로, 웨이퍼의 온도를 급격히 올리고 제조 프로세스를 성공적으로 수행하기에 충분히 긴 시간동안 그것을 그 온도에서 유지하기에 충분한 파워로 반도체 기판이나 웨이퍼를 조사(irradiate)하는 단계를 포함하는데, 이것은 그렇지 않은 경우 높은 처리 온도에서 발생할 수 있는 원하지 않는 도펀트(dopant) 확산과 같은 문제를 피한다.

불행히도, 종래의 램프-기반 RTP 시스템은 균일한 온도 분포에 대해서 상당한 단점을 가지고 있다. 램프로부터의 파워 출력에 있어서의 임의의 단일 변동은 웨이퍼에 걸친 온도 분포에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 또한, 대부분의 램프-기반 시스템은 필라멘트를 갖는 램프를 이용하기 때문에, 웨이퍼는 필라멘트 어레이로 인한 온도 비균일성이 노출 중에 웨이퍼로 전달되지 않는 것을 보장하기 위해서 대개 회전될 필요가 있다. 웨이퍼를 회전시키기 위해 필요한 기동 부분은 시스템의 비용과 복잡도를 증가시킨다.

균일한 온도 분포를 유지하는데 있어서의 또다른 특별한 문제적 영역은 웨이퍼의 바깥쪽 에지에 있다. 대개의 종래 RTP 시스템은 이러한 유형의 온도 비균일성에 대해 조정할 수 있는 적절한 수단을 가지고 있지 않다. 그 결과, 고온(예를 들면, 약 1000℃)에서 웨이퍼에서의 슬립 탈구(slip dislocation)의 형성을 야기할 수 있는 일시적인 온도 변동이 발생한다.

램프 RTP 시스템은 일반적으로, 균일한 처리의 반복가능성을 어렵게 한다. 대개의 경우에, 온도 비균일성은 증가된 표면적 때문에 기판 에지 부근에서 나타난다. 비균일성은 기판, 특히 에지 부근에서 결정 슬립 라인을 생성할 수 있다. 온도 비균일성은 비균일성 합금 내용, 그레인 크기, 및 도펀트 농도와 같은 비균일성 물질 특성의 형성을 또한 야기할 수 있다. 비균일성 물질 특성은 회로를 열화시키고 수율을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프로세스 챔버의 간략한 단면도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 절연 구획을 갖는 배치로 된 가열 조립체의 간략화된 사시도;

도 3A-3F는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 프로세스 챔버를 포함하는 프로세스의 간략화된 단면도;

도 4는 도 3A-3F에 예시된 프로세스의 다양한 단계에서의 웨이퍼 온도 시간 프로파일을 나타내는 그래프;

도 5는 본 발명의 실시예에 다른 프로세스 챔버에 대한 간략화된 단면도;

도 6A-6G는 본 발명의 실시예에 따른 도 5의 프로세스 챔버를 포함하는 프로세스의 간략화된 단면도; 및

도 7은 도 6A-6G에 예시된 프로세스의 다양한 단계에서의 웨이퍼 온도 시간 프로파일을 나타내는 그래프이다.

본 발명은 가열가능한 덩어리(heatable mass)의 형태로 안정적인 열 소스를 포함하며 프로세스 챔버를 갖는 처리기를 제공한다. 열은 일련의 가열 요소와 같은 열 소스를 이용하여 가열가능한 덩어리에 제공된다. 가열 요소의 사용으로부터 발생할 수 있는 프로세스의 오염을 피하기 위해서, 각 가열 요소는 깨끗한 석영 튜브에 포함될 수 있다. 각 석영 튜브는 가열가능한 덩어리를 요구되는 안정적인 온도까지 가열하도록 만들어질 수 있다. 가열가능한 덩어리의 온도는 가열가능한 덩어리에 접촉하거나 또는 근접하여 위치한 반도체 웨이퍼의 온도를 확립한다.

열 변화도(gradients)를 감소시키기 위해서, 가열가능한 덩어리는 열 절연체로써 둘러싸일 수 있는데, 이 때 열 절연체는 불투명한 석영 등과 같은 절연 물질로 만들어진 절연 구획을 형성한다. 절연 구획의 상부는 반도체 웨이퍼가 그 안에 배치된 가열가능한 덩어리 위에 놓일 수 있도록 하는 액세스 부분을 포함할 수 있다.

프로세스 챔버로/로부터 웨이퍼를 로딩하고 언로딩하기 위한 개구(opening)가 프로세스 챔버상에 제공된다. 만약 필요하다면, 게이트 밸브가 개구를 봉합하기 위해 사용될 수 있다. 게이트는 열리고 닫기어 로보트 이송 암으로 하여금 웨이퍼를 서플라이로부터 프로세스 챔버로 전달하는 것을 허용한다. 또한 게이트는 열리고 닫기어 로보트 이송 암이 처리된 웨이퍼를 프로세스 챔버로부터 제거하는 것을 허용한다. 또는, 프로세스 챔버의 상부는 가열가능한 덩어리와 프로세스 챔버의 상부 부분 사이에서의 온도 차이를 달성하기 위해서 냉각 수단이 제공될 수 있다.

가열가능한 덩어리는 웨이퍼 지지 메카니즘을 포함할 수 있으며, 프로세스 챔버의 기저를 통해서 그리고 가열가능한 덩어리를 통해서 이동가능하게 연장된다. 웨이퍼 지지 메카니즘은 처리를 위해 웨이퍼를 받고 이후 웨이퍼를 가열을 위해서 가열가능한 덩어리 위나 근처의 위치로 이동시키는데 사용될 수 있다. 처리 후에, 웨이퍼 지지 메카니즘은 웨이퍼를 가열가능한 덩어리로부터 떨어진 위치로 이동시킬 수 있도록 하며, 그리하여 웨이퍼가 프로세스 챔버로부터 제거되기 전에 냉각되는 것을 허용한다. 웨이퍼 지지 메카니즘은 가열가능한 덩어리에 형성된 구멍이나 도관(conduits)을 통해 연장되는 일군의 리프트 핀의 형태를 취할 수 있다.

가열가능한 덩어리는 웨이퍼 저장소를 포함할 수 있는데, 이는 가열가능한 덩어리의 작업 표면에 있는 만입으로서 형성된다. 웨이퍼 저장소는 필요하다면, 웨이퍼로 하여금 가열가능한 덩어리와의 표면 포용 접촉을 갖도록 허용하기 위해 웨이퍼의 외부 치수보다 조금 더 큰 치수이며, 이는 처리 중에 웨이퍼의 지름에 걸친 그리고 웨이퍼의 에지를 따르는 온도의 균일성을 유지하는 것을 돕는다.

또는, 웨이퍼는 짧은 시간 구간 동안에 매우 고강도의 방사 에너지 소스에 가열 중 추가로 노출될 수 있으며, 이는 "섬광(flash)" 프로세스라고도 불린다. 섬광 프로세스는 웨이퍼 몸체의 벌크의 정상상태(steady-state) 온도 너머로 웨이퍼 표면의 활성층의 온도를 올리기 위해서 사용될 수 있다. 그리하여, 섬광 프로세스는 얕은 접합, 극도로 얕은 접합, 및 소스 드레인 어닐과 같은 이식 어닐 응용분야에 대해 이점을 갖는다. 섬광 프로세스는 또한 열적 도너 소멸, 재결정화, 및 불순물 도핑을 위해 효과적으로 사용될 수 있다.

본 발명의 일국면에서, 내부 공동(cavity)을 정의하는 프로세스 챔버를 포함하는 열처리 시스템이 제공된다. 내부 공동 내에는 가열가능한 덩어리를 포함하는 절연 구획이 배치된다. 절연 구획은 또한 반도체 웨이퍼가 가열가능한 덩어리에 근접하여 위치하도록 허용하기 위해 제공된 액세스 부분을 포함한다. 시스템은 반도체 웨이퍼를 받고, 반도체 웨이퍼가 절연 구획 내에서 가열가능한 덩어리에 근접해 있는 제 1 위치와 반도체 웨이퍼가 절연 구획 밖에서 가열가능한 덩어리로부터 떨어져 있는 제 2 위치 사이로부터 반도체 웨이퍼를 이동시키도록 구성된 웨이퍼 지지 메카니즘을 또한 포함한다.

본 발명의 다른 국면에서, 내부 공동을 함께 정의하는 절연 물질과 벽과 창을 갖는 프로세스 챔버를 포함하는 열처리 시스템이 제공된다. 내부 공동 내에는 가열가능한 덩어리를 포함하는 절연 구획이 배치된다. 절연 구획은 그것을 통해 반도체 웨이퍼를 받도록 구성되어 그것 위에 제공된 액세스 부분을 추가로 포함한다. 웨이퍼 지지 메카니즘은 시스템에 포함되어 있으며 반도체 웨이퍼를 받고, 반도체 웨이퍼가 챔버 내의 절연 처리 영역 내에서 가열가능한 덩어리에 근접한 제 1 위치와 반도체 웨이퍼가 절연 구획 밖에서 가열가능한 덩어리로부터 떨어진 제 2 위치 사이로부터 반도체 웨이퍼를 이동시키도록 구성된다. 또한, 시스템은 방사 에너지가 내부 공동으로 들어가 반도체 웨이퍼의 표면에 작용하는 것을 허용하기 위한 창에 근접하여 배치된 방사 에너지 소스를 포함한다.

본 발명의 또다른 국면에서, 열처리 방법을 위한 방법이 제공되는데, 이는 내부 공동을 정의하는 프로세스 챔버를 제공하는 단계; 반도체 웨이퍼를 절연 구획 내에 배치된 가열가능한 덩어리에 근접하게 이동시킴으로써 반도체 웨이퍼를 가열하는 단계; 및 반도체 웨이퍼를 가열가능한 덩어리로부터 절연 구획 밖이면서 프로세스 챔버 내부에 있는 위치로 멀리 이동시킴으로써 반도체 웨이퍼를 냉각시키는 단계를 포함한다. 이 국면에서, 가열하는 단계는 반도체 웨이퍼를 방사 에너지로 조사하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 특징과 이점은 첨부한 도면과 함께 아래에 제시된 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 보다 쉽게 명백해질 것이다.

도 1은 반도체 웨이퍼(102)에 대한 취급과 처리를 위한 처리기 장치(100)의 실시예를 도시하고 있으며, 그러한 취급과 처리는 가스제거, 막 밀도높이기, 스핀-온(spin-on) 유전체 어닐, 유리 리플로우, 산화, 이식 어닐, 니트리데이션(nitridation), 구리 어닐링, 실리키데이션(silicidation), 유전체 및 금속 막 증착을 포함하지만 그것에 한정되지는 않는다.

일 실시예에서, 처리기 장치(100)는 급속 열처리기 장치(100)이며, 이는 프로세스 챔버(104), 웨이퍼 가열 조립체(106), 및 웨이퍼 지지 조립체(108)를 포함한다. 엔드-이펙터(end-effector)를 갖는 로보트 암과 같은 로보트 웨이퍼 로더(도시되지 않음)는 챔버(104)내에 웨이퍼(102)를 놓기 위해 사용될 수 있다. 대부분의 실시예에서, 급속 열처리기 장치(100)는 적어도 20℃/초의 비율로 약 1400℃의 최대 온도까지 열을 제공할 수 있으며, 적어도 20℃/초의 비율로 냉각될 수 있다.

프로세스 챔버(104)는 금속 쉘일 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄이나 유사한 물질로 만들어지고, 이는 벽(130)과 커버(134)를 포함하며, 이들은 조립될 때 내부 공동(112)을 함께 정의한다. 일실시예에서, 커버(134)는 경첩으로 벽(130)에 결합될 수 있거나 또는 완전히 제거가능하다. 어느 실시예에서, 오-링(o-ring)과 같은 봉합(136)은 외부 환경으로부터 내부 공동(112)을 봉합하기 위해 공동에 제공하기 위하여 벽(130)과 커버(134) 사이에 위치될 수 있다.

일 실시예에서, 커버(134)는 외부적으로 또는 내부적으로 배치된, 냉각 수단(138)을 포함할 수 있다. 수냉 재킷과 같은 냉각 수단(138)은 커버(134)에 상대적으로 근접하여 위치한 웨이퍼로부터 열을 제거하기 위한 피동적 수단을 제공한다. 냉각 수단(138)은 커버(134)가 그것을 통해 흐르는 물이나 다른 냉각제에 의해 냉각되는 것을 허용함에 의한 것과 같이, 열을 제거하기 위한 능동적 수단을 또한 제공할 수 있다.

프로세스 챔버(104)는 처리 전후에 웨이퍼(102)의 로딩과 언로딩을 대비하도록 구성된 개구(110)를 포함한다. 개구(110)는 상대적으로 작은 개구일 수 있지만, 약 0.5 내지 2mm 사이의 두께와 300mm(약 12인치)까지의 지름을 갖는 웨이퍼를 수용하고, 그것을 통과하는 로보트 로더를 수용하기에 충분히 넓은 폭을 갖는다. 개구(110)는 프로세스 챔버(104)에 의해 정의된 내부 공동(112)에 대한 액세스르르 제공한다. 바람직한 실시예에서, 프로세스 챔버(104)의 크기는 급속 열처리기 장치(100)가 작게 유지되는 것을 허용하도록 작게 유지되며, 그 결과, 급속 열처리기 장치(100)는 보다 소형으로 제조될 수 있으며, 그리하여 작은 클린 룸 바닥 공간을 필요로 한다.

게이트(140)는 프로세스 챔버(104)의 내부 공동(112)을 고립시키기 위해 개구(110) 위로 클로저(closure)를 제공하도록 구성될 수 있다. 게이트(140)는 로보트 암과 엔드-이펙터의 통과를 허용하기 위해 옮겨질 수 있는 문을 포함할 수 있다. 회로는 게이트(140)의 문을 열고 닫기 위해 제공되며, 그리하여 상세히 후술될 바와 같이, 복수의 변위가능한 지지 핀으로부터/으로 로보트 암과 엔드-이펙터가 웨이퍼를 전달하고 인출하는 것을 허용한다.

프로세스 챔버(104)는 프로세스 챔버(104)를 비우기 위해 사용되는 펌프(도시되지 않음) 및 처리를 위해 필요한 대로 챔버 내로 프로세스 또는 반응물 기체의 흐름을 대비하기 위한 기체 입구(도시되지 않음)에 또한 결합될 수 있다.

내부 공동(112) 내에는 웨이퍼 가열 조립체(106)가 배치되어 있다. 웨이퍼 가열 조립체(106)는 웨이퍼(102)에 비해 상대적으로 큰 열질량을 갖는 가열가능한 덩어리 또는 가열 플레이트(114), 절연 구획(116), 및 가열 장치(118)를 포함한다.

일 실시예에서, 가열 플레이트(114)는 실리콘 카바이드, 석영, 인코넬(inconel), 또는 프로세스 챔버(104)에서의 임의의 주위 기체와 또는 웨이퍼(102)와 예상된 처리 온도에서 반응하지 않거나 단지 미량의 반응만을 하는 기타 물질과 같은 높은 열질량 물질의 블록이다. 가열 플레이트(114)는 균일한 가열을 대비하기 위해 10% 내지 50% 더 큰 범위에서 웨이퍼(102)의 예상된 지름보다 더 크게 만들어 질 수 있다.

일 실시예에서, 가열 플레이트(114)는, 보다 상세히 후술되는 것과 같이, 변위가능한 리프트 핀이 통과하는 것을 허용할 수 있는 구멍이나 도관(120)을 포함한다. 일 실시예에서, 세 개의 구멍(120)은 세 개의 분리된 변위가능 리프트 핀을 지지하기 위해 사용된다.

일 실시예에서, 가열 플레이트(114)의 상부 또는 작업 표면(122)은 웨이퍼 저장소(124)에 웨이퍼(102)를 받도록 구성된다. 이 실시예에서, 웨이퍼 저장소(124)는 웨이퍼(102)의 예상된 두께보다 조금 더 큰 깊이와, 웨이퍼(102)의 예상된 지름보다 조금 더 큰 지름을 갖는, 가열 플레이트(114)내로의 만곡으로서 형성된다. 만곡은 웨이퍼 에지에서의 균일한 가열을 대비하기 위해 웨이퍼(102)의 에지보다 더 높게 연장된 올려진 에지를 제공한다. 웨이퍼(102)는 저장소(124) 내에 위치한 격리절연기(standoffs) 위에 놓여질 수 있다. 그 결과, 저장소(124)의 깊이는 격리절연기(121)의 높이와 웨이퍼(102)의 두께의 결합보다 더 크게 되어질 수 있다.

가열 플레이트(114)는 가열 플레이트(114)로부터 주위의 프로세스 챔버 벽(130)으로의 열 손실을 방지하기 위해 절연 물질에 의해 둘러싸여 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 절연 물질은 가열 플레이트(114) 둘레의 절연 경계를 형성하는 절연 구획(116)으로서 일반적으로 형성된다. 절연 구획(116)은 일반적으로 가열 플레이트(114)를 둘러싸는데 이는 웨이퍼 저장소(124) 바로 위의 절연 구획(116)의 상부 표면(117)을 통해 정의된 액세스 부분(202)으로써 이다. 액세스 부분(202)은 웨이퍼 저장소(124)의 예상되는 지름보다 조금 더 큰 지름을 가질 수 있다. 절연 구획(116)은 불투명 석영 등과 같은 임의의 적절한 절연 물질로 만들어 질 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 절연 구획(116)의 경계 내에 그리고 가열 플레이트(114)에 근접하여 가열 조립체(118)가 위치한다. 일 실시예에서, 가열 조립체(118)는 온도 제어 수단(126)에 결합된 열 소스(204)를 포함한다(도 1). 일 실시예에서, 열 소스(204)는 적어도 한 개 내지 복수의 저항성 가열 요소(206)이거나 또는 다른 전도성/복사성 가열 장치(206)일 수 있으며, 이는 가열 플레이트(114)로부터 떨어져 있거나, 접촉해 있거나, 또는 임베딩되어 있도록 만들어질 수 있다. 저항성 가열 요소(206)는 적절하게 저항적으로 가열가능한 와이어와 같은 임의의 높은 온도 등급 물질로 만들어 질 수 있으며, 이는 SiC, SiC 코딩된 흑연, 흑연, AlCr, AlNi 및 기타 합금과 같이, 증가된 열 반응과 고온 안정성을 위해 고질량 물질로부터 만들어진다. 적절한 저항성 가열 요소(206)의 한 종류는 코네티컷주 스탬포드 소재의 Omega Engineering Inc. 로부터 이용가능하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 각각의 저항성 가열 요소(206)는 투명한 석영 튜브(208)에 의해 둘러싸여 그 내부에 배치될 수 있다. 석영 튜브(208)는 예를 들면, 약 4mm와 8mm 사이의 내부 지름을 갖고 약 8mm와 12mm 사이의 외부 지름을 갖는, 임의의 적절한 크기로 만들어진 원통형 모양의 튜브일 수 있다. 석영 튜브(208)는 프로세스들 중에서 발생할 수 있는 금속 오염과 산화로부터의 보호를 제공한다. 예를 들면, 석영 튜브(208)를 이용하여, 프로세스 챔버(104)에서 수행된 프로세스들은 오염 입자에 대한 노출 없이 일어날 수 있는데, 이 오염 입자는 그렇지 않다면 각각의 가열 요소(206)로부터 챔버 처리 환경 내로 불타버릴 수 있다. 또한, 일반적으로 산소를 이용하는 프로세스들은 가열 요소(206)를 산화시키는 두려움 없이 프로세스 챔버(104)내에서 수행될 수 있다.

가열 플레이트(114)의 온도는 응용분야에 따라 가변적인 온도를 제공하기 위해 열 소스(204)를 제어함으로써 제어가능할 수 있다. 제어 수단(126)은 저항성 가열 요소의 온도를 조정하는데 일반적으로 사용되는 것과 같이, 종래의 온도 제어기일 수 있다. 프로세스 챔버(104) 밖으로 연장되는 전기 리드(128)(도 1)는 전원 공급 장치(도시되지 않음)와 제어 수단(126) 사이에 제공될 수 있다. 제어 수단(126)은 요구되는 가열을 제공하기 위해 가열 요소(206)에 적절한 전류를 인가한다. 전원 공급 장치는 약 100볼트와 약 500볼트 사이의 직류 전압일 수 있다.

일 실시예에서, 가열 플레이트(114)의 온도는 저온 및 고온 응용분야를 위해서 약 50℃와 약 1500℃ 사이, 바람직하게는 약 100℃와 1200℃ 사이에서 변할 수 있다. 그러나, 일단 가열 플레이트(114)가 요구되는 온도까지 가열되면, 가열 플레이트(114)의 온도는 균일하고 일정하게 유지될 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 웨이퍼 지지 조립체(108)는 복수의 변위가능 웨이퍼 지지 핀(142), 바람직하게는 세 개의 변위가능 웨이퍼 지지 핀, 및 웨이퍼 상승 수단(144)을 포함한다. 일 실시예에서, 웨이퍼 상승 수단(144)은 지지 토대(146)와 구동기(148)를 포함할 수 있으며, 웨이퍼(102)를 소정의 속도로 가열 플레이트(114)에 인접하게 및 가열 플레이트(114)로부터 멀리 들어올리거나 내리는데 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 구멍(120)의 배치는 가열 플레이트(114)와 가열 조립체(118)을 통해 배치되어 제공된다. 웨이퍼 지지 핀(142)은 미끄러지듯 봉합된 방식으로 각각의 구멍(120)을 통해 연장된다. 웨이퍼 지지 핀(142)은 상승 수단(144)의 토대(146)를 지지하기 위해 결합된다. 구동기(148)는 토대 지지(146)로 하여금 원하는 바대로 웨이퍼 지지 핀(142)을 옮기기 위해 화살표(150)의 방향으로 아래 위로 움직이도록 야기한다. 구동기(148)는 전원이 공급된 리드 스크루, 유압식이나 기압식 리프트 또는 다른 리프트 수단과 같은 임의의 선형 작용 장치를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상승 수단(144)는 원하는 속도로 가열 플레이트(114)로부터 거리(h) 만큼 웨이퍼(102)를 옮길 수 있다. 예를 들면, 거리(h)는 0.05mm와 100mm 사이의 범위일 수 있다. 이동은 약 1mm/초와 10mm/초 사이, 예를 들면 5mm/초의 속도로 발생할 수 있다. 웨이퍼(102)가 가열 플레이트(114) 위로 올려지는 속도와 실제 거리(h)는 소정의 웨이퍼 냉각 속도를 산출하기 위해서 사용자의 사정에 맞추어 질 수 있다.

도 3A-3F는 급속 열처리기 장치(100)의 동작 모드의 예시를 제공한다. 로보트 암과 엔트-이펙터(도시되지 않음)는 웨이퍼(102)를 내부 공동(112)에 전달하며(도 3A), 웨이퍼(102)를 웨이퍼 지지 핀(142) 위에 위치시킨다(도 3B). 상승 수단(148)은 처리를 위해 웨이퍼(102)를 가열 플레이트(114) 위로 내리기 위해서(도 3C와 3D) 웨이퍼 지지 핀(142)을 움직인다. 응용분야에 따라서, 가열 플레이트(114) 위로 웨이퍼(102)를 내리는 것은 웨이퍼(102)로 하여금 가열 플레이트(114)에 접촉하는 것을 허용하는 단계를 포함할 수 있으며, 또는 웨이퍼 지지 핀(142)의 부분으로 하여금 구멍(120)의 외부에 머물도록 허용함에 의해서 또는 격리절연기(121)을 이용하여 가열 플레이트(114) 약간 위에서 웨이퍼(102)를 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 웨이퍼(102)는 가열 플레이트(114) 위 약 0.05mm와 5mm 사이의 거리로 격리절연기(121)위에 놓여지거나 유지될 수 있다.

웨이퍼(102)의 처리가 완료된 후 또는 원하는 바 임의의 시간에서, 웨이퍼(102)는 상승 수단(148)을 이용하여 가열 플레이트(114)로부터 멀리 상승된다(도 3E). 일례에서, 본 발명을 제한하려는 의도 없이, 웨이퍼(102)는 10℃/초 보다 큰 원하는 냉각 속도를 대비하기 위해 가열 플레이트(114) 위에서 1mm/초 내지 약 1000mm/초의 속도로 2mm 내지 100mm의 거리를 이동될 수 있다. 일 실시예에서, 커버(134)는 약 -20℃와 약 300℃ 사이의 온도를 가지도록 만들어질 수 있으며, 이는 냉각 속도를 한층 더 증가시킨다.

일단 웨이퍼(102)의 온도가 프로세스 온도보다 약 50℃ 내지 약 200℃ 낮은 임계 온도 아래로 균일하게 감소되면, 웨이퍼(102)는 프로세스 챔버(104)로부터 제거될 수 있다(도 3F).

도 4는 도 3A-3F에서 설명된 프로세스 동안에, 다양한 시간(402 내지 412)에서의 웨이퍼 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 웨이퍼 온도는 웨이퍼(102)가 프로세스 챔버(104) 내로 이동되고 웨이퍼 지지 핀(142) 위로 위치됨에 따라(도 3A와 3B) 올라간다(402, 404). 웨이퍼 온도는 웨이퍼 지지 핀(142)이 낮추어져 웨이퍼(102)를 가열 플레이트(114)에 근접하게 함에 따라(도 3C) 계속해서 올라간다(406). 일단 웨이퍼(102)가 가열 플레이트(114) 위나 근처에 위치하면, 온도는 프로세스 온도(도 3D)에서 안정화된다(408). 처리는 임의의 필요한 시간 구간, 예를 들면 약 5초 내지 약 600초 동안 계속될 수 있다. 일단 처리가 완료되면, 웨이퍼 지지 핀(142)은 웨이퍼(102)를 가열 플레이트(114)로부터 멀리 이동시키도록 올려진다(도 3E). 웨이퍼(102)의 온도는 임계 온도 아래로 떨어지기 시작한다(410, 412). 웨이퍼(102)는 이후 프로세스 챔버(104)로부터 제거될 수 있다(도 3F).

도 5는 반도체 웨이퍼(102)의 취급을 위한 급속 열처리기 장치(500)의 실시예를 도시한다. 프로세스 챔버(502)는 사실상 동일한 기능을 제공하기 위해 프로세스 챔버(104)에 대해 전술한 바와 동일한 구성요소를 포함하며, 예외사항은 아래에서 설명된다.

본 실시예에서, 프로세스 챔버(502)는 창(504)을 포함하며, 이는 웨이퍼(102)의 최대 지름을 외부 방사 에너지 소스에 노출시키도록 크기가 만들어질 수 있다. 창(504)은 방사 에너지가 프로세스 챔버(504)로 들어가 웨이퍼(102)에 작용하도록 허용한다. 창(504)은 방사 에너지의 전달을 대비하는 임의의 물질로 만들어질 수 있으며, 바람직하게는 투명 석영이다. 어떤 실시예에서, 창(504)은 약 1mm와 약 5mm 사이의 두께와, 웨이퍼(102)와 적어도 같거나 보다 큰 지름을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 창(504)은 프로세스 챔버(504)의 벽(520)에 경첩으로 결합될 수 있거나 또는 완전히 제거가능할 수 있다. 어떤 실시예에서, 오-링과 같은 봉합(522)은 내부 공동(112)을 외부 환경으로부터 봉합하기 위해 공동에 제공하기 위하여 벽(520)과 창(504) 사이의 인터페이스에 위치될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 프로세스 챔버(502)는 반사기 조립체(506)에 근접하게 위치될 수 있다. 반사기 조립체(506)는 반사기(508)와 방사 에너지 소스(510)를 포함할 수 있다.

반사기(508)는 웨이퍼(102)와 동작 배치되어 있다. 일 실시예에서, 반사기(508)는 내부 표면(514)을 포함하는데, 이것은 어떤 파장에 대해서는 고도로 반사성을 띠며 다른 파장에 대해서는 흡수성이거나 비반사성일 수 있다. 일 실시예에서, 내부 표면(514)은 이러한 반사/흡수 특성을 갖는 물질로 코팅될 수 있다. 예를 들면, 내부 표면(514)은 금이나 은으로 코팅될 수 있는데, 여기서 은은 SiN이나 임의의 다른 투명 코팅과 같은 보호 코팅으로써 추가로 코팅되며, 이는 은의 산화를 방지한다. 코팅은 900nm 보다 작은 파장을 효율적으로 반사하여 약 900nm와 약 200nm 사이의 평균 파장을 생성한다. 다른 실시예에서, 내부 표면(514)은 자외선(UV), 적외선(IR), 및 가시광 파장의 전스펙트럼에 걸쳐 고도록 반사성이다.

반사기(508)는 임의의 적절한 기하학적 모양으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 반사기(508)는 평면, 구형, 타원형, 또는 포물선형일 수 있다. 방사 에너지 소스(510)는 웨이퍼(102)쪽으로 향하도록 반사기(508)의 중심이나 초점에 포커싱될 수 있다. 방사 에너지 소스(510)로부터 방출되고 반사기(506)의 내부 표면(514)으로부터 반사된 방사는 웨이퍼(102)에 작용하여 웨이퍼(102)의 표면에 걸쳐 균일한 온도 분포를 제공한다.

일 실시예에서, 방사 에너지 소스(510)는 램프 가열 동작에서 종래에 사용되는 유형의 고강도 램프일 수 있다. 이 실시예에서, 방사 에너지 소스(510)는 Xe 아크 램프와 같은 무필라멘트 램프(이하, "램프(510)"로 지칭)이다. 램프(510)는 임의의 적절한 모양을 갖는 램프, 예를 들면 적어도 웨이퍼(102)의 지름만큼 긴 길이를 갖는 튜브 모양의 램프일 수 있다. 또는, 램프(510)는 플로우(flow) 튜브(512)로 둘러싸일 수 있다. 플로우 튜브(512)는 예를 들면, 탈이온화된 물과 같은 냉각 유체를 포함할 수 있다. 냉각 유체는 작동 중에 램프(510)가 과열하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 예를 들면, 냉각 유체는 램프(510)의 임의의 석영 구성성분이 녹는 것을 방지하기 위해 100℃ 아래로 램프(510)의 온도를 유지할 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각 유체는 비도전성 다이(die)와 혼합될 수 있다. 비도전성 다이는 어떤 파장만이 램프(510)로부터 플로우 튜브(512)를 통해 방사되는 것을 방지하는 필터로서 행동할 수 있다.

램프(510)에 대한 노출의 결과로 웨이퍼(102)의 표면이 가열되는 온도는 램프(510)에 공급되는 전력과 웨이퍼 표면에 작용하도록 허용된 방사 에너지의 시간 길이 사이의 관계의 함수이다. 일 실시예에서, 웨이퍼 표면(503)(또는 활성층(503))의 온도는 약 500℃ 내지 약 1400℃ 사이의 범위까지 올려질 수 있다. 이들 온도를 성취하기 위해, 웨이퍼(102)는 램프(510)의 "섬광"에 노출될 수 있다. 섬광은 갑자기 또는 사실상 순간적으로, 예를 들면, 약 0.5J/㎠와 100J/㎠ 사이의 전력 레벨에서 약 1나노초와 약 10초 사이의 시간 구간동안, 방사 에너지를 발산하는 램프를 지칭한다. 섬광 기술을 사용하는 유형 리액터 시스템은 2001년 7월 20일에 출원되었고, 공통으로 양도된, 현재 미국 특허 제_____호인, 미국 특허 출원번호 제09/910,298호에 설명되어 있으며, 이것은 모든 목적을 위해 여기에 통합되어 있다.

도 6A-6G는 본 발명에 다른 프로세서 챔버(502)의 동작 실시예에 대한 간략화된 예시이다. 로보트 암과 엔드-이펙터(도시되지 않음)는 내부 공동(112)에 웨이퍼(102)를 전달하며(도 6A), 웨이퍼(102)를 웨이퍼 지지 핀(142)상에 위치시킨다(도 6B). 상승 수단(148)은 처리를 위해 웨이퍼(102)를 가열 플레이트(114) 위나 근처로 내리기 위해 웨이퍼 지지 핀(142)을 움직인다(도 6C와 6D).

도 6E에 도시된 바와 같이, 반사기 조립체(506)의 램프(510)는 웨이퍼 표면(503)의 온도를 추가로 올리기 위해서 섬광을 내도록 만들어진다. 이 실시예에서, 섬광의 지속구간은 섬광 동안에 웨이퍼 표면(503)의 온도를 약 10℃와 약 1000℃ 사이에서 증가시키기 위해 약 10m초와 약 1000m초 사이일 수 있다.

웨이퍼(102)의 처리가 완료된 후 또는 원하는 임의의 시간에, 웨이퍼(102)는 상승 수단(148)을 이용하여 가열 플레이트(114)로부터 멀리 상승된다(도 6F).

일단 웨이퍼(102)의 온도가 벌크 웨이퍼 몸체의 정상상태 온도보다 50℃ 내지 약 200℃ 낮은 임계 온도 아래로 균일하게 감소되면, 웨이퍼(102)는 프로세스 챔버(502)로부터 제거될 수 있다(도 6G).

도 7은 도 6A-6G에서 설명된 프로세스 동안에, 다양한 시간(702 내지 714)에서의 웨이퍼 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 웨이퍼 온도는 웨이퍼(102)가 프로세스 챔버(504)내로 이동되고 웨이퍼 지지 핀(142)상에 위치됨에 따라(도 6A와 6B) 올라간다(702, 704). 웨이퍼 온도는 웨이퍼 지지 핀(142)이 가열 플레이트(114) 부근으로 웨이퍼(102)를 가져다놓기 위해 낮추어짐에 따라(도 6C) 계속해서 올라간다(706). 일단 웨이퍼(102)가 가열 플레이트 위나 부근에 위치되면, 온도는 제 1 처리 온도에서 안정화되거나 정상상태 온도에 도달한다(708)(도 6D). 처리는 임의의 필요한 시간 구간 동안, 예를 들면 약 5초 내지 약 600초 사이 동안 계속될 수 있다. 처리 중에, 웨이퍼(102)는 반사기 조립체(506)를 이용하여 창(504)을 통해 섬광이 쐬여질 수 있다(도 6E). 예를 들어, 10m초와 1000m초 사이의 시간 구간동안 웨이퍼(102)에 섬광을 쐬는 것은 제 2 처리 온도까지 웨이퍼 표면(503)의 온도를 증가시킨다(710).

일단 처리가 완료되면, 웨이퍼 지지 핀(142)은 웨이퍼(102)를 가열 플레이트(114)로부터 멀리 이동시키기 위해 올려진다(도 6F). 웨이퍼(102)의 온도는 임계 온도 아래로 떨어지기 시작한다(712). 웨이퍼(102)는 이후 프로세스 챔버(502)로부터 제거될 수 있으며, 이것은 웨이퍼의 냉각(714)을 계속한다(도 6G).

본 발명의 실시예가 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 형태와 상세에서 변경이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 그리하여 본 발명은 다음의 청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims

반도체 처리 시스템에 있어서,

내부 공동(cavity)을 형성하는 프로세스 챔버;

상기 내부 공동내에 배치된 가열가능한 덩어리(heatable mass)를 구비하는 절연 구획; 및

반도체 웨이퍼를 수용하고, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 절연 구획 내에서 상기 가열가능한 덩어리에 근접하는 제 1 위치와, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 절연 구획 밖에서 상기 가열가능한 덩어리로부터 떨어져 있는 제 2 위치 사이로부터 상기 반도체 웨이퍼를 옮기도록 구성된 웨이퍼 지지 메카니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 처리 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 프로세스 챔버는 커버를 포함하며,

상기 커버는 능동적으로 냉각되고, 상기 제 2 위치는 상기 능동적으로 냉각되는 커버로부터 약 1mm 내지 약 100mm 사이의 거리에 상기 반도체 웨이퍼를 위치시키는 것을 특징으로 하는 반도체 처리 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 프로세스 챔버는 커버를 포함하며, 상기 커버는 투명한 석영 창을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 처리 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 가열가능한 덩어리는 상기 절연 구획내에 위치한 복수의 가열 요소를 이용하여 가열되는 것을 특징으로 하는 반도체 처리 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 복수의 가열 요소는 각각 석영 튜브 내에 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 반도체 처리 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 웨이퍼 지지 메카니즘은 적어도 세 개의 웨이퍼 지지 핀을 포함하며, 상기 웨이퍼 지지 핀은 상기 가열가능한 덩어리를 통해 미끄러지듯 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 처리 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 절연 구획은 불투명한 석영의 벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 처리 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 웨이퍼 지지 메카니즘은 상기 반도체 웨이퍼가 상기 절연 구획 내에서 상기 가열가능한 덩어리로부터 약 0.05mm와 약 100mm 사이의 거리에 있는 상기 제 1 위치와, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 절연 구획 밖에서 상기 가열가능한 덩어리로부터 약 0.1mm와 약 100mm 사이의 거리에 있는 상기 제 2 위치 사이로부터 상기 반도체 웨이퍼를 옮기는 것을 특징으로 하는 반도체 처리 시스템.
반도체 처리 시스템에 있어서,

내부 공동을 형성하는 창과 벽을 구비하는 프로세스 챔버;

상기 내부 공동 내에 배치된 가열가능한 덩어리를 구비하는 절연 구획;

반도체 웨이퍼를 수용하고, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 절연 구획 내에서 상기 가열가능한 덩어리에 근접하는 제 1 위치와, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 절연 구획 밖에서 상기 가열가능한 덩어리로부터 떨어져 있는 제 2 위치 사이로부터 상기 반도체 웨이퍼를 옮기도록 구성된 웨이퍼 지지 메카니즘; 및

방사 에너지로 하여금 상기 내부 공동에 들어가 상기 반도체 웨이퍼의 표면에 작용하도록 허용하는 상기 창에 근접하여 배치된 방사 에너지 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 창은 투명한 석영 창을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 가열가능한 덩어리는 상기 절연 구획내에 위치한 복수의 가열 요소를 이용하여 가열되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 복수의 가열 요소는 각각 석영 튜브 내에 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 웨이퍼 지지 메카니즘은 적어도 세 개의 웨이퍼 지지 핀을 포함하며, 상기 웨이퍼 지지 핀은 상기 가열가능한 덩어리를 통해 미끄러지듯 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 절연 구획은 불투명한 석영의 벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 웨이퍼 지지 메카니즘은 상기 반도체 웨이퍼가 상기 절연 구획 내에서 상기 가열가능한 덩어리로부터 약 0.05mm와 약 100mm 사이의 거리에 있는 상기 제 1 위치와, 상기 반도체 웨이퍼가 상기 절연 구획 밖에서 상기 가열가능한 덩어리로부터 약 0.05mm와 약 100mm 사이의 거리에 있는 상기 제 2 위치 사이로부터 상기 반도체 웨이퍼를 옮기는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 방사 에너지 소스는 상기 반도체 웨이퍼의 온도를 사실상 순간적으로 올리기 위해서 섬광을 발하도록 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 시스템.
웨이퍼 처리 방법에 있어서,

내부 공동을 형성하는 프로세스 챔버를 제공하는 단계;

반도체 웨이퍼를 가열가능한 덩어리에 근접하게 이동시킴으로써 상기 반도체 웨이퍼를 가열하는 단계 - 여기서, 상기 가열가능한 덩어리는 절연 구획 내에 배치됨 - ; 및

상기 가열가능한 덩어리로부터 상기 프로세스 챔버 내이면서 상기 절연 구획 밖인 위치로 상기 반도체 웨이퍼를 이동시킴으로써 상기 반도체 웨이퍼를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 가열 단계는 방사 에너지로써 상기 반도체 웨이퍼를 조사(radiate)하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 조사 단계는 고강도 광에너지로써 상기 반도체 웨이퍼에 섬광을 쐬는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 냉각 단계는 상기 가열가능한 덩어리로부터 상기 절연 구획 밖, 상기 프로세스 챔버 내, 및 상기 프로세스 챔버의 능동적으로 냉각되는 커버에 근접한 상기 위치로 상기 반도체 웨이퍼를 이동시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 처리 방법.