KR20050083837A - 강제 대류가 지원된 급속 열로 - Google Patents

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KR20050083837A
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Abstract

처리하는 동안 웨이퍼를 가열하는 장치 및 그 방법이 제공된다. 장치는 처리 영역을 한정하는 처리튜브를 에워싸는 처리챔버를 포함한다. 처리튜브는 제 1 벽 및 제 2 벽을 구비하여 그 사이에 공동 또는 통로를 한정한다. 제 2 벽은 공동과 처리 영역 사이의 환경적 소통(environmental communication)을 허용하는 그 위에 형성된 복수의 홀 도는 아웃렛을 포함한다. 장치는 또한 처리튜브 근처에 배치된 복수의 저항성 가열소자를 포함한다. 저항성 가열소자로부터의 열 에너지 출력은 공동을 통해 흐르는 가스를 가열한다. 공동을 통해 흐르는 가스는 복수의 홀을 통해 공동에서 배출되며 처리튜브에 배치된 웨이퍼의 온도를 대류에 의해 변화시킨다.

Description

강제 대류가 지원된 급속 열로{FORCED CONVECTION ASSISTED RAPID THERMAL FURNACE}
본 발명은 일반적으로 반도체 제조 장비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼의 처리에 사용되는 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 처리 동안에, 장치가 처리 동안 노출되는 열처리를 정확히 제어하는 것이 아주 바람직하다.
반도체 산업에서, 감소된 치수를 갖는 반도체 장치의 발전에서의 진보는 새로운 처리 및 제조 기술의 발전을 필요로 한다. 하나의 이러한 처리 기술은 급속 열처리(RTP : Rapid Thermal Processing)로서 알려져 있다. RTP 기술은 반도체 장치가 처리 동안 고온에 노출되는 시간의 양을 줄인다. RTP 기술은, 웨이퍼의 온도를 즉시 올릴 수 있도록 충분한 파워로 반도체 장치 또는 웨이퍼를 조사하고, 제조 공정을 성공적으로 실행하도록 충분히 긴 시간 주기 동안 온도를 유지하는 것을 일반적으로 포함하나, 그렇지 않은 경우 높은 처리 온도에의 긴 노출 동안 발생할 수 있는 원하지 않는 도펀트 확산과 같은 문제들을 회피한다.
상기와 같은 이유 때문에, 급속 열처리 동안 반도체 장치의 표면을 가로질러 온도를 등온으로 분포시키는 장치 및 방법을 필요로한다.
도 1은 본 발명의 대표적인 환경을 나타낸 반도체 웨이퍼 처리 시스템의 일 실시예의 측면의 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 노의 단순화된 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 처리튜브를 포함하는 처리챔버의 단순화된 도면,
도 4는 도 3의 처리튜브의 일 부분의 단순화된 도면,
도 5는 웨이퍼 가열 상에서 본 발명의 효과를 나타내는 그래프, 및
도 6은 웨이퍼 냉각 상에서 본 발명의 효과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 처리 온도 및 압력의 변경 범위 하에서 처리 동안 반도체 장치 또는 웨이퍼의 표면을 가로질러 온도를 등온으로 분포시키는 가열 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명은 잠재적인 슬립-프리(slip-free) RTP 처리를 제공한다.
노는 처리튜브를 하우징하는 공동을 한정하는 처리챔버를 포함하여 제공된다. 노는 또한 거기에 이롭게 배치된 복수의 저항성 가열소자를 포함한다. 가열소자는 노를 가로질로 배치될 수 있으며 평탄한 가열 온도 분포를 제공하기 위해서 서로 가까운 근처에 배치될 수 있다. 저항성 가열소자는 처리 동안 이중-측면 가열을 제공하기 위해서 처리튜브를 에워싸도록 배치될 수 있다. 유리하게, 가열소자는 저항성 가열소자에 의해 제공된 열 에너지의 균일한 온도 방산을 제공하기 위해서 열확산재료로 덮여질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 처리하는 동안 웨이퍼를 가열하는 장치가 제공된다. 상기 가열 장치는 처리 영역을 한정하는 처리튜브를 에워싸는 처리챔버를 포함한다. 처리튜브는 제 1 벽 및 제 2 벽을 구비하여 그 사이에 공동 또는 통로를 한정한다. 제 2 벽은 공동과 처리 영역 사이의 환경적 소통(environmental communication)을 허용하는 그 위에 형성된 복수의 홀 또는 아웃렛을 포함한다. 상기 가열 장치는 또한 처리튜브 근처에 배치된 복수의 저항성 가열소자를 포함한다. 저항성 가열소자로부터의 열 에너지 출력은 공동을 통해 흐르는 가스를 가열하도록 구성된다. 공동을 통해 흐르는 가스는 복수의 홀을 통해 공동에서 배출되며 처리튜브에 배치된 웨이퍼의 온도를 대류에 의해 변화시킨다.
본 발명의 다른 측면에 있어서, 처리튜브의 벽에 의해 한정되는 공동을 통해 가스를 흐르게 하는 단계와, 복수의 저항성 가열소자로부터 열 출력을 생성하여 가스가 공동에 체류하는 동안 가스의 온도를 변화시키는 단계와, 공동으로부터 웨이퍼 처리 영역으로 가열된 가스를 흘러나오게 하여 내부에 배치된 웨이퍼의 온도를 변화시키는 단계를 포함하는 반도체 웨이퍼를 처리하는 방법이 제공된다. 다행이도, 본 발명의 급속 열처리는 특히 웨이퍼 에지 근처에서, 온도의 및 시간 도메인의 넓은 범위에 대해 잠재적인 슬립-프리 처리 기술일 수 있다.
리프트 핀 또는 웨이퍼 스피너(spinner)와 같은 어떤 이동하는 부품도, 웨이퍼를 로딩하기 위해 처리 영역 내에 필요치 않으며, 반사기, 엑츄에이터, 및 복잡한 변압기 및 제어기와 같은 다른 복잡하고 값비싼 구성요소도 또한 필요치 않다. 노는 가열을 위한 큰 램프 또는 이동하는 부품이 필요치 않기 때문에, 처리 영역의 부피 뿐만 아니라 노의 크기는 다른 노에 비례하여 실질적으로 감소될 수 있다. 감소된 부피 및 크기는 이하에서 명백해지는 이유때문에 특히 이롭다.
본 발명의 이런 및 다른 피처 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 설명되는 실시예들의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 대표적인 환경을 나타낸 반도체 웨이퍼 처리 시스템(100)의 일 실시예의 측면의 개략도이다. 본 발명은 임의의 특정 웨이퍼 처리 시스템과 함께 또는 시스템에서의 사용에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 처리 시스템(100)은, 웨이퍼 카세트(106)를 지지하고 로드록(108) 위로 또는 내부로 이동하는 다중 플랫폼(104)을 갖는 로딩 스테이션(102)를 포함한다. 웨이퍼 카세트(106)는 수동으로 또는 자동화된 안내 비클(AGV : automated guided vehicle)로 플랫폼(104)으로 로딩되는 착탈식 카세트일 수 있다. 웨이퍼 카세트(106)는 또한 웨이퍼가 종래의 대기 로봇(Atmospheric robot) 또는 로더(loader)(도시 안됨)를 사용하여 카세트(106)로 로딩되는 고정카세트일 수 있다. 일단 웨이퍼 카세트(106)가 로드록(108) 내에 존재하면, 로드록(108) 및 전송 챔버(110)는 대기압에서 유지되거나, 또는 다르게는 펌프(112)를 사용하여 진공압까지 펌핑되어 낮아진다. 전송 챔버(110) 내의 로봇(114)은 로드록(108) 방향으로 회전하고 카세트(106)로부터 웨이퍼(116)를 집는다. 대기압 또는 진공압 상태에 있을 수도 있는 노(120)는 게이트 밸브(118)를 통해 로봇(114)으로부터 웨이퍼(116)를 받아들인다.
그러면 로봇(114)은 철수되고, 그다음 게이트 밸브(118)는 웨이퍼(116)의 처리를 시작하기 위해 닫힌다. 웨이퍼(116)가 처리된 이후에, 게이트 밸브(118)는 로봇(114)이 웨이퍼(116)를 집어서 제거 하도록 개방된다.
선택적으로, 예컨대 노(122)와 같은 추가적인 노가 처리 시스템(100)에 추가될 수 있다. 본 발명에 따르면, 노(120 및 122)는 열 어닐링에 사용된 것과 같은 RTP 반응로이다. 다른 실시예에서, 반응로(120 및 122)는 또한 도펀트 확산, 열 산화, 질화, 화학 증기 증착, 및 유사한 처리에 사용된 것과 같은 다른 형태의 반응로일 수도 있다. 반응로(120 및 122)는 일반적으로 수평으로 배치되나, 일 실시예에서 반응로(120 및 122)는 시스템(100)에 의해 차지된 플로어 공간을 최소화하기 위해서 수직으로 배치된다(즉, 다른 것 위로 하나를 쌓는다).
반응로(120 및 122)는 전송 챔버(110) 상에 볼트로 고정되고 지지 프레임(124)에 의해 추가로 지지된다. 처리 가스, 냉매, 및 전기 연결은 인터페이스(126)를 사용하여 반응기의 후방 끝을 통해 제공될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 노(200)는 일반적으로 내부 공동(210)을 한정하는 폐쇄형(closed-end) 처리챔버(208)을 포함할 수 있다. 처리튜브(212)는 내부 공동(210) 내에 배치된다. 외부에서, 노(200)는, 처리를 위한 웨이퍼(116)를 받아들이기 위해 구성된 알루미늄 또는 유사한 금속으로 이루어진 금속 쉘(202)일 수 있으며, 상기 쉘(200)의 면에는 개구가 제공된다. 노(200)는 쉘(202)를 통하여 열 에너지의 탈출을 최소화하거나 또는 제거하기 위해서 처리챔버(208)를 거의 둘러싸는 단열재(204)와 같은 단열 재료를 포함할 수 있다. 단열재(204)는 세라믹 섬유와 같은 임의의 적절한 단열 재료를 포함할 수 있다.
선택적으로, 노(200) 근처의 사용자 및/또는 장비를 보호하기 위해서, 상기 노는 노(200)를 외부에서 둘러싸는데 사용될 수 있는 분리가능한 수냉식 재킷(jacket)(도시 안됨) 또는 유사한 장치를 포함할 수 있다. 수냉식 재킷은 노(200)가 과열되어 근처의 장비 또는 직원이 위험하지 않게 하는 것을 보장한다.
일 실시예에서, 복수의 가열소자(220)는 처리튜브(212)의 상부 및 바닥 부분을 둘러싸기 위해 사용된다. 이 실시예에서, 저항성 가열소자(220)는 처리챔버(208)를 가로질러 평행으로 및 외부에 배치될 수 있다. 각 가열소자(220)는 서로에 대해 상대적으로 가까운 근처에 존재한다. 예컨대, 각 저항성 가열소자(220)는 약 5mm와 약 50mm 사이의, 예컨대 약 10mm와 약 20mm 사이의 공간을 둘 수 있다. 따라서, 가열소자(220)의 간격을 가깝게 하는 것은 처리튜브(212)에서 균일한 가열 온도 분포를 제공한다.
저항성 가열소자(220)는 필라멘트 와이어에 의해 둘러싸여진 저항성 가열소자 코어를 포함할 수 있다. 코어는 세라믹 재료로 이루어질 수 있으나, 임의의 고온 비율의, 비전도성 재료로 이루어질 수 있다. 필라멘트 와이어는 일반적으로 방사된 열 에너지의 최적량이 소자로부터 방사하는 것을 허용하기 위해 코어 주위에 둘러싸여 진다. 필라멘크 와이어는 예컨대, SiC, SiC 코팅된 흑연, 흑연, NiCr, AlNi 및 다른 합금과 같이 증가된 열 응답 및 고온 안정성을 위해 높은 질량 재료로부터 만들어진 임의의 적절한 저항성 가열가능한 와이어일 수 있다. 일 실시예에서, 저항성 가열 필라멘트 와이어는 코네티컷주 스탬포드의 Omega Corp.로부터 입수가능한 Kantal A-1 또는 AF로서 일반적으로 알려진 Al--Ni--Fe 재료의 조합으로 이루어진다.
선택적으로, 저항성 가열소자(220)는 예컨대 원형, 지그재그, 교차된 평행선 무늬가 넣어진 패턴 등을 포함할 수 있는 다양한 모양으로 배치될 수 있다. 다양한 패턴은 더욱 최적의 온도 분포를 제공할 수 있고 웨이퍼의 표면에 걸쳐서 온도 변화의 가능성을 추가로 감소시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 노(200)는 가열소자(220)와 처리챔버(208) 근처 및 사이에 배치되는 열확산부재(222)를 포함한다. 열확산부재(222)는 가열소자(220)로부터 출력된 열 에너지를 흡수하고 처리챔버(208)와 튜브(212)를 가로질러 열을 균일하게 방사한다. 열확산부재(222)는 충분히 높은 열 전도성을 갖는 임의의 적절한 열확산재료, 바람직하게는 실리콘 카바이드, Al2O3, 또는 흑연일 수 있다.
일 실시예에서, 노(200)는 임의의 개수의 가열 구역까지 포함할 수 있다. 도 2에 나타난 실시예에서, 노(200)는 구역 2로서 참조된 하나의 중앙 구역, 및 구역 1 및 구역 3으로서 참조된 2개의 이웃하는 외부 구역을 포함하는 3개의 평행한 가열 구역을 포함한다. 각 가열소자(220)는 특정 가열 구역에 할당될 수 있다.
이하에서 더욱 상세히 설명되는 것과 같이, 각 가열 구역은, 콘트롤러(226)에 피드백을 제공하는 적어도 하나의 온도센서(224)를 갖는다. 가역 구역 내의 온도의 변화는 온도센서에 의해 감지되기 때문에, 실시간 콘트롤러(226)는 각 저항성 소자(220)로부터 에너지 출력(열)을 증가시키거나 또는 감소시키기 위해 필요한 만큼 전원 공급기(232)로부터의 전원을 증가하게 하거나 또는 감소하게 할 수 있다. 예컨대, 온도 하강이 구역 1에서 감지되면, 구역 1에 할당된 저항성 가열소자(220)로부터의 열 에너지 출력은 구역 1의 온도가 원하는 레벨로 되돌아갈 때까지 증가한다. 이 방식으로, 웨이퍼(116)의 표면을 가로지르는 구역 구역의 온도는 실질적으로 등온으로 유지될 수 있다.
구역의 개수 및 각 구역에 할당된 저항성 소자(220)의 개수는 원하는 에너지 출력에 기초하여 변화될 수 있다. 각 구역의 크기(즉, 가열 부피)는 또한 변화가능하다. 유리하게, 각 구역의 크기는 필요에 따라 증가되거나 또는 줄어들 수 있다. 예컨대, 구역 2는 더 큰 웨이퍼의 처리를 위해 구역 1 및 구역 3으로부터 구역 2로 가열소자(220)를 재할당함으로써 크기가 증가될 수 있다. 이는 구역 2에 할당된 가열소자(220)의 개수가 증가되고, 반면 구역 1에 할당된 가열소자의 개수가 감소됨을 의미한다. 구역 2에 추가된 가열소자는 이미 구역 2에 할당된 가열소자와 동일한 방식으로 응답하도록 콘트롤러(226)에 의해 제어된다.
일 실시예에서, 열전쌍과 같은 온도센서는 열확산부재(222) 내에 포함된다. 예컨대, 열전쌍(224a, 224b, 및 224c)은 열확산부재(222)의 온도 조건에 관하여 라인(230)을 통해 피드백을 제공할 수 있도록 전략적으로 배치될 수 있다. 예컨대, 제 1 및 제 2 열전쌍(224a, 224c)은 열확산부재(222)의 각 끝에 배치된다. 제 3 열전쌍(224b)은 열확산부재(222)의 중앙에 배치된다. 이 구성에서, 구역(예컨대, 구역 1, 구역 2 및 구역 3)의 온도는 콘트롤러(226)에 제공된 피드백에 의해 모니터링될 수 있다. 열확산부재(222) 상의 알려진 위치에 열전쌍(224a-224c)를 배치함으로써, 온도 경사율은 처리챔버(208) 내의 한 위치를 기준으로 판정될 수 있다. 이 데이터는 각 구역 내의 온도를 더욱 정밀하게 제어하기 위해서 콘트롤러(226)에 의해 사용된다. 열전쌍(224a, 224b 및 224c)는 코네티컷주 스탬포드의 Omega Corporation으로부터 입수가능한 일반적인 R-타입 또는 K-타입 열전쌍일 수 있다.
마이크로프로세서 또는 프로세스 제어 컴퓨터(228)는 일반적으로 RTP 반응로에 배치된 반도체 웨이퍼의 처리를 제어하고 진단의 목적으로 시스템의 상태를 모니터링하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 프로세스 컴퓨터(228)는 온도센서(224)로부터 수신된 온도 데이터에 응답하여 콘트롤러(226)로 제어 신호를 제공한다. 프로세스 컴퓨터(228)는 가스 네트워크(도시 안됨)에서 질량-흐름 콘트롤러(mass-flow controller)로 가스 및 플라즈마 인입 흐름 신호를 지시할 뿐만 아니라 또한 펌프 어셈블리(112)(도 1)에 압력 설정 포인트(setpoint)를 지시할 수 있다. 일 실시예에서, 콘트롤러(226)는 Omega Corporation으로부터 입수가능한 실시간 PID(Proportional Integral Derivative), 멀티-존 콘트롤러이다. 콘트롤러(226)는 저항성 가열소자(220)에 전원을 제공하는 SCR-기반 위상 제어 전원 공급기(232)로 제어 신호를 제공한다. 유리하게, 약 100 볼트와 약 500 볼트 사이의 직선 전압은 저항성 가열소자(220)에 전원을 가하는데 사용될 수 있다. 따라서, 저항성 가열소자(220)의 출력을 제어하기 위해 본 발명에서는 복잡한 전원 변압기가 전혀 필요없다.
동작에서, 멀티-존 콘트롤러(226)는 컴퓨터(228)로부터 원하는 웨이퍼 온도 설정 포인트 뿐만 아니라 감지라인(230)을 통해 온도센서 출력을 수신하고 가열소자 전원 공급기(232)에 제어된 전원 설정 포인트를 전달한다. 가열소자(220)는 전원 공급기(232)로부터 공급된 전원의 증가 또는 감소에 응답하여 에너지 출력을 증가하거나 또는 감소한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 처리튜브(212)를 포함하는 처리챔버(208)의 단순화된 도면이다. 일 실시예에서, 처리튜브(212)는 웨이퍼(116)를 둘러싸는 최소의 내부 부피를 갖는 실질적으로 직사각형의 단면으로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 처리튜브(212)의 부피는 일반적으로 약 5000 ㎤ 보다 크지 않다; 바람직하게는 부피는 3000 ㎤ 보다 작다. 작은 부피의 한 결과는 온도의 균일성이 더욱 쉽게 유지되는 것이다. 추가적으로, 작은 튜브 부피는 노(200)(도 2)를 더욱 작게 만들 수 있도록 하며, 결과적으로 시스템(100)이 더 작게 만들어질 수 있어서, 필요로 하는 청정실 플로어 공간이 더욱 작아지게 될 수 있다. 로봇 로더의 사용과 관련된 더욱 작은 노 크기는 도 1에 도시된 것과 같이 반응로를 수직으로 쌓음으로써 시스템(100)에서 다수의 노가 사용되게 한다.
처리를 실행하기 위해서, 처리튜브(212)는 압력이 가해질 수 있어야 한다. 통상적으로, 처리튜브(212)는 약 0.001 토르 ~ 1000 토르, 바람직하게는 약 0.1 토르와 약 760 토르 사이의 내부 압력을 견딜 수 있어야 한다. 일 실시예에서, 처리튜브(212)는 석영으로 만들어 질 수 있으나, 실리콘 카바이드, Al2O3, 또는 다른 유사한 적합한 재료로 또한 만들어질 수 있다.
웨이퍼 지지장치(302)는 처리튜브(212) 내의 단일 웨이퍼를 지지하는데 사용될 수 있다. 지지장치(302)는 석영과 같은 임의의 내 고온 재료로 만들어질 수 있다. 지지장치(302)는 필요한 임의의 높이 예컨대 약 50 ㎛와 약 20 mm 사이의 높이를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 지지장치(302)는 처리튜브(212) 내에 배치된 스탠드오프(standoffs) 들을 포함한다. 상기 스탠트오프는 일반적으로 약 50 ㎛와 약 20 mm 사이의 높이를 가질 것이다. 상기 스탠드오프와 웨이퍼(116) 사이의 전체 접촉 면적은 약 350 ㎟ 보다 작을 수 있고, 바람직하게는 300 ㎟ 보다 작을 수 있다. 스탠드오프(302)는 석영 또는 유사한 재료로 만들어질 수 있다.
개구(304)는 처리튜브(212)의 일 끝에서 한정되며, 상기 개구는 처리 전후에 웨이퍼(116)의 로딩 및 언로딩을 위해 처리영역(310)에 대한 액세스를 제공한다. 개구(304)는 상대적으로 작은 개구일 수 있으나, 로봇(114)(도 1)의 로봇아암이 그것을 통과하면서, 약 0.5 mm ~ 약 2 mm 두께와 약 300 mm(~ 12 인치) 직경 사이의 웨이퍼와 그것을 통과하는 로봇(114)의 로봇아암(도 1)을 수용하기에 충분히 큰 높이와 너비를 갖는다. 개구(304)의 높이는 약 18 mm와 약 50 mm 사이보다 크지 않고, 바람직하게는 약 30 mm 보다 크지 않아야 한다. 상기 상대적으로 작은 개구는 처리튜브(212)로부터 방사 열 손실을 줄이는 것을 돕는다. 또한, 작은 개구는 처리튜브(212)의 처리영역(310)으로 들어가는 입자의 개수를 작게 유지시키고 등온 환경의 쉬운 유지를 허용한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 처리튜브(212)의 확대된 부분을 도시한다. 도시된 바와 같이, 처리튜브(212)는 중공의 벽을 가지며 형성될 수 있다. 예컨대, 처리튜브(212)는 내부 공동 또는 통로(406)를 에워싸는 외벽(402) 및 내벽(404)을 가지며 형성될 수 있다. 외벽(402) 및 내벽(404)의 두께는 다양한 압력 조건에서 웨이퍼의 고온 처리를 허용하기에 적합한 임의의 두께일 수 있다. 예컨대, 벽 두께는 약 1 mm와 약 5 mm 사이에 존재할 수 있다. 공동(406)은 또한 웨이퍼 처리를 돕기 위해 필요한 임의의 부피로 한정될 수 있다. 예컨대, 공동(406)은 약 0.5 mm와 약 5 mm 사이의 두께(d)를 가질 수 있다.
공동(406)은 가스가 가스 저장소(도시 안됨)로부터 공동(406)으로 공급되게 하는 인렛(311)(도 3)을 갖는다. 가스는 예컨대 He, H2, O2, Ar, N2 등과 같은 임의의 적절한 운반 가스 및 NH3, O3, SiH4, Si2H6, B2H6와 CVD 적용에 적합한 다른 가스와 같은 임의의 처리 가스, 또는 양 가스의 조합을 포함할 수 있다. 이하에서는, 운반 가스, 처리 가스 및 양 가스의 조합이 "가스"로서 일반적으로 참조될 것이다.
일 실시예에서, 복수의 홀 또는 아웃렛(408)은 공동(406)과 처리영역(310)(도 3) 사이의 환경적 소통(environmental communication)을 허용하기 위해 내벽(404)을 통해 형성된다. 각 아웃렛(408)은 다양한 형태의 가스가 공동(406)과 처리영역(310) 사이에서 이동하도록 사이징될 수 있다. 일 실시예에서, 아웃렛(408)은 직경이 약 0.1 mm ~ 약 2 mm 사이에 존재할 수 있다.
아웃렛(408)은 개구(304)에서 처리튜브(212)의 거의 끝(301)으로부터, 처리튜브(212)의 가스 진입단으로부터 고정된 거리(305)의 지점(303)까지 연장될 수 있다. 거리(305)는 흐르는 가스가 아웃렛(408)으로부터 배출되기 전에 소정의 유량에서 최저의 온도에 도달하게 하도록 설계된다.
처리튜브(212)는 많이 잘 알려진 제조 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 예컨대, 처리튜브(212)는 용접될 수 있고, 브레이징될(braised) 수 있고, 조립될 수 있거나 또는 주조될 수 있다.
흐르는 가스로 전달된 열은 가스의 형태, 공동(406)에서 가스의 체류 시간 및 공동(406)의 액면 온도 뿐만 아니라 히터의 열 질량, 가스의 유량 및 아웃렛의 직경의 함수이다. 이러한 각 파라미터는 배출 가스 온도가 특정 공정에 적절할 때까지 조절될 수 있다.
일반적으로, 열 질량 및 열 에너지 출력 및 가열소자의 용량은 알려진다. 따라서, 주어진 열 에너지 출력에 대해 가스는 임의의 원하는 유량으로, 예컨대 약 10 sccm ~ 약 100 slm 사이로 공동(406)을 통해 흐르도록 만들어질 수 있다. 가스의 유량은, 웨이퍼가 스탠드오프 상에서 안정된 상태로 유지하고, 및 처리튜브의 외부와 내부 사이의 주변 환경의 압력차가 상대적으로 작게 보장하도록 선택된다.
공동(406)은 가스가 인렛(311)으로부터 아웃렛(408)의 배출 포인트까지 통과할 때 가열될 수 있게끔 열 교환을 제공한다. 인렛(311)으로 진입하는 가스는 주위 온도로 존재할 수 있거나 또는 공동(406)으로 들어가지 전에 미리-가열될 수 있다. 가스가 아웃렛(408)에서 배출되기 전에, 가스는 공동(406)의 거리(305)를 통해 흐르게 된다. 거리(305)의 길이는 변화가 가능하나, 가스가 적어도 아웃렛(408)에서 배출되어 처리 영역(310)으로 진입하기 전에 원하는 최소의 온도에 도달하도록 체류 시간을 제공하기에 충분히 길다.
일 실시예에서, 상기 가스는 약 1℃/s 와 1000℃/s 사이의 비율로 대략 100℃와 1400℃ 사이 까지 가열되게 하는 유량으로 공동(406)을 통해 이동하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 동작 실시예에서, 웨이퍼(116)는 처리튜브(212) 내 스탠드오프(302) 상에 배치된다. 처리 가스와 결합된 캐리어 가스와 같은 가스가 공동(406)을 통해 흐르게된다. 일 실시예에서, 공동(406)으로 들어가는 가스는 미리 가열될 수 있거나, 또는 선택적으로 주위 온도일 수 있다. 이 예에서, 가스는 대략 룸 온도(~25℃)에서 화살표(312)에 의해 표시된 것과 같이 공동(406)으로 들어간다. 그러나, 다른 실시예에서, 가스는 가열소자(220)로부터 열 확산 재료(222)와 처리챔버(208)로 그리고 최종적으로, 외벽(402) 및 내벽(404)을 통해 전달된 열로부터 처리 온도로 가열된다. 초기에, 가스는 최소의 원하는 처리 온도에 도달하기 위해서 공동(406) 내의 거리(305)를 흐른다. 그다음 흐르는 가스는 처리 영역(310)에 들어가기 위해서 아웃렛(408)에 도달한다. 흐르는 가스는 강제 대류의 효과를 사용하여 웨이퍼(116)을 가열하는 처리영역(310)에서 웨이퍼(116)와 접촉한다.
가열된 가스는 제어된 비율로 공동(406)으로 흐른다. 따라서, 웨이퍼(116)를 가열하는 경사율 제어(ramp rate control)는 가스 유량 제어와 서로 관련될 수 있다. 이하에서 상세히 설명될 것과 같이, 가스 흐름은 웨이퍼(116)의 처리를 통해 연속적일 수 있고, 펄스로 발생될 수 있으며, 온도 경사가 상승하는 동안만 흐르게 될 수 있거나, 또는 냉각되는 동안 흐를 수 있거나, 또는 양자의 조합일 수 있다.
도 5의 그래프(500)에 도시된 바와 같이, 노(200)에 위치하고 가열된 웨이퍼는 웨이퍼의 센터 부분과 에지 부분 사이에 다른 가열 프로필과 가열 비율을 갖는다. 예컨대, 처리튜브(212)의 공동(406)을 통한 가스 흐름이 없다면, 웨이퍼 센터(502)는 약 1000℃ 의 처리 온도에 도달하기 위해 대략 3.5 시간 단위를 필요로한다. 웨이퍼의 에지는 동일 온도에 도달하기 위해 약 2.5 시간 단위를 필요로 한다.
본 발명에 따른 강제 대류 지원을 사용하여 가열되고, 가스를 공동(406)을 통해 처리 영역(310)으로 흐르게 함으로써 생성된 웨이퍼는 거의 동일한 가열 프로필에 의해 웨이퍼의 센터부 및 에지부에서 가열된다. 예컨대, 웨이퍼 센터(506) 및 웨이퍼 에지(508)는 1 시간 단위 보다 작은, 대략 동일한 시간에서 약 1000℃의 처리 온도에 도달한다.
본 발명의 주요 장점은 더욱 작은 방사율 의존 및 더욱 낮은 패턴 유발된 국부 가열 효과에 의해 실리콘 웨이퍼에 대해 거의 슬립-프리 RTP를 행하는 능력이다. 더욱이, 가스 유량 제어를 사용하여 경사율 제어를 제어함으로써, 웨이퍼는 도 5에 도시된 것과 같이 급속으로 및 균일하게 가열될 수 있다.
도 6은 웨이퍼가 처리튜브(212) 내에 있는 동안 강제 대류가 웨이퍼의 강제 냉각을 가능하게 하는 본 발명의 다른 실시예의 효과를 나타낸다. 그래프(600)에 나타난 바와 같이, 공동(406)(도 4)을 통해 가스의 유량이 증가할 때, 웨이퍼 온도 경사율은 증가한다. 그러나, 도면에서 '602'로 참조된 것과 같이, 주어진 열 출력과 특정 가스 유량에서, 웨이퍼 온도 경사율은 감소하기 시작한다. 이 때, 강제 대류의 효과는 웨이퍼가 냉각되게끔 웨이퍼로부터 에너지를 제거하는 것이다. 상기 강제 냉각은 후-처리되는 웨이퍼를 전체 처리챔버(208)의 냉각 또는 별도의 냉각챔버가 필요 없이 임계 슬립 형성 온도 이하의 온도로 감소시킨다.
상기와 같이 설명된 웨이퍼는 실리콘, 비소화 갈륨, 또는 다른 유사한 화합물과 같은 산업에서 흔히 사용되는 일반적인 재료로 이루어질 수 있거나, 또는 웨이퍼는 석영 또는 유리로부터 만들어진 반도체 웨이퍼가 될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
바람직한 실시예에 대해 이와 같이 설명했지만, 기술분야의 통상의 지식인은 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어남이 없이 형태 및 상세에서 변경이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 따라서 본 발명은 다음의 청구의 범위에 의해서만 한정된다.

Claims (18)

  1. 처리(process)하는 동안 웨이퍼를 가열하는 장치에 있어서,
    처리챔버와,
    상기 처리챔버 내에 배치되는 처리 영역을 한정하는 처리튜브와,
    상기 처리튜브에 이웃하여 배치되는 복수의 저항성 가열소자를
    포함하고,
    상기 처리튜브는 제 1 벽 및 제 2 벽을 구비하여 그 사이에 공동을 마련하고,
    상기 제 2 벽에는 상기 공동과 상기 처리 영역 사이의 환경적 소통(environmental communication)을 허용하는 복수의 홀이 형성되고,
    상기 저항성 가열소자로부터의 열 에너지 출력은 상기 공동을 통해 흐르는 가스를 가열하고,
    상기 공동을 통해 흐르는 상기 가스는 상기 처리튜브에 배치된 웨이퍼의 온도를 대류에 의해 변화시키는 상기 복수의 홀을 통해 상기 공동에서 배출되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동을 통해 흐르면서 대류에 의해 상기 복수의 홀을 통해 상기 공동에서 배출되는 상기 가스는 상기 처리튜브에 배치되는 상기 웨이퍼의 온도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동을 통해 흐르면서 대류에 의해 상기 복수의 홀을 통해 상기 공동에서 배출되는 상기 가스는 상기 처리튜브에 배치되는 상기 웨이퍼의 온도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리튜브는 석영, Al2O3, 및 실리콘 카바이드로 이루어진 그룹에서 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리튜브는 내부 이동 부분이 없는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스는 He, H2, O2, Ar, N2, NH3, O3, SiH4, Si2H6, B2H6 및 CVD 적용에 적합한 다른 가스 및 이 가스들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항성 가열소자 각각의 열 에너지 출력은 콘트롤러를 사용하여 제어가능한 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스는 약 10 sccm ~ 100 slm 사이의 비율로 상기 공동을 통해 흐르는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도의 변화는 약 1℃/s와 약 1000℃/s 사이의 비율로 발생하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 상기 온도는 약 100℃와 약 1400℃ 사이에서 변화되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리튜브 내의 상기 압력은 약 0.01 토르와 약 1000 토르 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리챔버는 복수의 가열 구역을 한정하고,
    상기 복수의 가열 구역의 각각은 상기 복수의 저항성 가열소자의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 가열 구역의 각각은 마이크로프로세서로 피드백 정보를 송신하는 온도 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 저항성 가열소자에 인접한 열확산재료를 추가로 포함하고,
    상기 열확산재료는 상기 저항성 가열소자의 각각으로부터 출력된 상기 열 에너지가 상기 공동으로 흐르는 상기 가스를 가열하게 하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 가열 장치.
  15. 반도체 웨이퍼를 처리하는 방법에 있어서,
    처리튜브의 벽에 의해 한정되는 공동을 통해 가스를 흐르게 하는 단계와,
    복수의 저항성 가열소자로부터 열 출력을 생성하여 상기 가스가 상기 공동에 체류하는 동안 상기 가스의 온도를 변화시키는 단계와,
    상기 공동으로부터 웨이퍼 처리 영역으로 상기 가열된 가스를 흘러나오게 하여 내부에 배치된 웨이퍼의 상기 온도를 변화시키는 단계를
    포함하는 반도체 웨이퍼 처리 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 공동으로부터 웨이퍼 처리 영역으로 상기 가열된 가스를 흘러나오게 하여 내부에 배치된 웨이퍼의 상기 온도를 변화시키는 단계는 상기 처리튜브에 배치된 상기 웨이퍼의 온도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 공동으로부터 웨이퍼 처리 영역으로 상기 가열된 가스를 흘러나오게 하는 내부에 배치된 웨이퍼의 상기 온도를 변화시키는 단계는 상기 처리튜브에 배치된 상기 웨이퍼의 온도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 처리튜브는 금속, 석영, Al2O3, 및 실리콘 카바이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 처리 방법.
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