KR20050087103A - 급속 열 처리 장치 - Google Patents

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KR20050087103A
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Abstract

반도체 소자 제조를 위한 급속 열처리 장치가 개시되어 있다. 상기 급속 열처리 장치는 반도체 소자 제조 공정이 진행되기 위한 공간을 제공하는 챔버의 내부에 웨이퍼의 에지 부위를 지지하기 위한 지지대를 구비한다. 상기 챔버에는 상기 웨이퍼를 가열하기 위한 히터 및 상기 챔버의 바닥을 관통하여 상기 챔버의 내측 바닥면과 일측 단부가 일치하도록 파이로미터(pyrometer)가 구비된다. 또한 상기 챔버에는 바닥을 관통하여 상기 챔버의 바닥면으로부터 열전대 소선이 보호관에 둘러싸인 상태로 돌출되도록 구비되는 열전대가 구비된다. 따라서 급속 열처리 공정 중이나 상기 급속 열처리 장치의 유지 보수 시에도 상기 파이로미터 및 열전대의 손상을 방지할 수 있다.

Description

급속 열 처리 장치{Apparatus for rapid thermal processing}
본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위한 급속 열 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼의 온도를 측정할 수 있는 반도체 소자를 제조하기 위한 급속 열 처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자를 제조하기 위한 공정에는 여러 가지 열처리 기술이 사용된다. 예를 들면, 실리콘 기판을 산화시켜 실리콘산화막(SiO2)으로 만들어 절연층, 에칭 마스크 또는 트랜지스터용 게이트 산화막으로 사용할 경우, 여러 가지 방법으로 형성된 박막의 어닐링(annealing) 공정 및 BPSG(borophosphosilicate glass)막과 같은 유동성 막의 평탄화를 위한 리플로우(reflow) 공정 등과 같이 여러 가지 목적으로 열처리 공정이 사용되고 있다.
열처리 공정을 실시하기 위해 사용되는 장치로는 기존의 확산로에서 수행하던 다양한 공정을 대부분 수행할 수 있으며, 가열과 냉각이 웨이퍼에서 고속으로 이루어지므로 초고집적 회로(VLSI) 공정에 적합한 불순물 재확산과 확산로 벽면으로부터 방출되는 오염 등을 방지하는 장점을 가진 매엽식 급속 열처리(Rapid Thermal Processing) 장치가 이용되고 있다.
RTP 장치에서 공정 진행시 웨이퍼의 온도균일성은 웨이퍼에 주입된 불순물층의 균일한 확산과 산화막과 같은 물질막을 균일하게 성장시키는데 매우 중요하므로 웨이퍼의 온도를 정확히 측정하는 것은 RTP 공정의 신뢰성과 반도체 소자의 질을 결정하는 중요한 요소이다.
도 1은 종래 기술에 따른 급속 열 처리 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 급속 열 처리 장치는 반도체 소자 제조 공정이 진행되기 위한 공간을 제공하는 챔버(10), 챔버(10)의 내부에 구비되어 웨이퍼(W)를 지지하기 위한 지지대(30), 웨이퍼(W)의 상부에 구비되고, 웨이퍼(W)를 가열하기 위한 히터(20) 및 히터(20)의 하부에 위치하며 히터(20)에서 복사되는 열은 투과하되 히터(20)가 설치된 영역과 웨이퍼(W)가 안착되는 영역을 구분하기 위한 석영창(12)을 포함한다.
웨이퍼(W)는 지지대(30)에 의해 챔버(10)의 바닥면으로부터 이격되어 있다. 파이로미터(50)는 웨이퍼(W)로부터 방출된 일정 파장을 흡수하여 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다. 도 2는 도 1에 도시된 파이로미터의 설치 상태를 설명하기 위한 단면도로, 도 2를 참조하면, 파이로미터(50)는 외부로부터 챔버(10)의 바닥을 관통하여 상기 웨이퍼(W)와 바닥면 사이의 공간에 웨이퍼(W)의 뒷면과 인접하도록 바닥면으로부터 돌출된다.
도 3은 도 1에 도시된 열전대의 설치 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 열전대(60) 역시 웨이퍼(W)의 온도를 측정하기 위한 것으로, 파이로미터(50)와 마찬가지로 외부로부터 챔버(10)의 바닥을 관통하여 상기 웨이퍼(W)와 바닥면 사이의 공간에 웨이퍼(W)의 뒷면과 인접하도록 바닥면으로부터 돌출된다. 열전대(60)는 열전대 소선(62)과 열전대 소선(62)을 보호하기 위한 보호관(64)으로 구성된다. 열전대 소선(62)은 보호관(64)의 단부로부터 돌출된 상태이다.
한편 챔버(10)의 일측 측면에는 챔버(10)의 내부로 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(70)가 구비된다. 가스 공급부(70)가 구비된 챔버(10)의 일측 측면과 대응하는 타측 측면에는 웨이퍼(W)를 챔버(10) 내부 및 외부로 이송하기 위한 통로인 웨이퍼 출입구(14)가 구비된다.
또한 챔버(10)의 타측 측면에는 가스 공급부(70)로부터 공급된 반응 가스를 배출하기 위한 배기구(16)가 구비된다. 상기 반응 가스를 배출하기 위한 흡입력을 제공하는 진공 펌프(18)는 배기 라인을 통해 배기구(16)와 연결된다. 상기 배기 라인에는 상기 배기 라인을 개폐하기 위한 밸브(17)가 구비된다.
상기 급속 열처리 장치는 파이로미터(50)가 웨이퍼(W)의 뒷면과 인접하도록 배치되므로, 장치의 유지 보수시 파이로미터(50)에 스크래치가 발생할 수 있다. 또한 상기 급속 열처리 장치에서 사용된 열전대(60)는 열전대 소선(62)의 열접점이 보호관(64)으로부터 노출된 노출형 열전대(60)로, 응답 속도가 가장 빠르고, 근소한 온도 변화에도 민감하다. 하지만 노출형 열전대(60)는 웨이퍼(W)의 뒷면과 인접하므로 장치의 유지 보수시 접촉으로 인해 열전대 소선(62)이 휘어질 수 있다. 한편 반도체 소자 제조 공정 중 웨이퍼(W)가 부러지는 경우에도 파이로미터(50)와 열전대(60)에 상기와 같은 문제점이 발생할 수 있다. 상기와 같이 파이로미터(50)에 스크래치가 발생하거나 열전대(60)의 열전대 소선(62)이 휘어지는 경우, 웨이퍼(W)의 온도를 정확하게 판단할 수 없게 되는 문제점이 발생한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 유지 보수시나 웨이퍼 파손시에도 파이로미터 및 열전대의 손상을 방지할 수 있는 급속 열처리 장치를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반도체 소자 제조 공정이 진행되기 위한 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버의 내부에 구비되어 웨이퍼의 에지 부위를 지지하기 위한 지지대와, 상기 지지대 상에 지지된 웨이퍼를 가열하기 위한 히터 및 상기 챔버의 바닥을 관통하여 상기 챔버의 내측 바닥면과 일측 단부가 일치하도록 구비되고, 상기 웨이퍼로부터 방출된 일정 파장을 흡수하여 상기 웨이퍼의 온도를 측정하기 위한 파이로미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치를 제공한다.
상기 파이로미터는 상기 웨이퍼의 중앙 하부에 위치하는 상기 챔버의 바닥을 관통하여 구비된다.
상기 급속 열 처리 장치는 상기 지지대의 하부에 위치한 상기 챔버의 바닥을 관통하여 구비되며, 상기 웨이퍼의 표면 재질에 따른 웨이퍼 온도를 보상하기 위해 상기 지지대의 온도를 측정하기 위한 제2 파이로미터를 더 포함한다. 또한 상기 급속 열 처리 장치는 상기 챔버의 바닥을 관통하여 상기 챔버의 내측 바닥면으로부터 상방으로 돌출되도록 구비되고, 열전대 소선이 보호관에 둘러싸인 상태에서 상기 웨이퍼의 온도를 측정하기 위한 열전대를 더 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 급속 열 처리 장치는 유지 보수 시나 상기 웨이퍼 파손 시에도 상기 파이로미터가 상기 챔버의 바닥면으로부터 돌출되어 있지 않으므로 스크래치가 발생하지 않는다. 또한 급속 열처리 장치는 상기 열전대의 열전대 소선이 상기 보호관에 의해 둘러싸여 있으므로 유지 보수 시나 상기 웨이퍼 파손 시에 상기 열전대 소선이 휘어지는 문제점의 발생을 막을 수 있다. 따라서 상기 파이로미터와 열전대를 이용하여 상기 웨이퍼의 온도를 정확하게 확인할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 급속 열처리 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 급속 열 처리 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4를 참조하면, 급속 열 처리 장치(100)는 크게 챔버(110), 히터(120), 지지대(130), 파이로미터(150) 및 열전대(160)를 포함한다.
챔버(110)는 히터(120)에서 방사된 빛이 반사되어 웨이퍼에 균일하게 집약될 수 있도록 높은 반사율을 가지는 내면과 온도상승을 방지하는 냉각수 통로(미도시)가 형성되며 공정이 진행되는 공간을 제공한다.
챔버(110)의 일측에는 웨이퍼(W)가 출입하도록 웨이퍼 출입구(114)가 형성된다. 웨이퍼 출입구(114)에는 도시되지는 않았지만, 공압에 의해 작동되어 개폐되는 도어가 설치되며, 웨이퍼 출입구(114)를 형성하는 통로에는 상측과 하측에 질소(N2)를 분사하는 복수의 분사노즐이 각각 설치된다.
또한, 챔버(110)는 타측에는 반응가스를 공급하는 가스분사부(170)가 형성되고, 가스 분사부(170)는 외측 튜브(171) 및 내측 튜브(172)로 이루어진다.
플라즈마 공급부(180)는 가스 분사부(170)에 연결되며, 챔버(110)의 외측벽에 위치한다. 플라즈마 공급부(180)는 반응 가스의 공급 및 흐름을 제어하는 가스공급 모듈(185)과, 석영 또는 사파이어로 이루어지고 가스 분사부(170)와 가스공급 모듈(185)을 연결하며 방전영역을 형성하는 방전관(181)과, 도파관(183)이 방전관(181)을 감싸도록 설치되어 방전관(183)에 마이크로웨이브(Microwave)를 공급하는 마이크로파 공급부(184)를 포함하여 이루어진다. 따라서, 가스공급 모듈(185)로부터 유입된 공정가스는 방전관(181), 즉 방전영역을 지나면서 마이크로웨이브에 의해 라디칼 상태로 여기되고, 라디칼 상태인 원자종들의 공정가스는 가스 분사부(170)를 통하여 챔버(110) 내부로 공급된다. 가스공급 모듈(185)에는 열처리 목적에 따라 N2, O2, H2, N2O, NO, NO2, Ar, NH3, O3 등으로 이루어지는 가스들 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 가스가 연결되도록 구성된다.
상기 공정 가스가 챔버(110) 내부로 분사될 때 압력이 불균일 할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 가스 분사부(160)는, 방전관(181)과 챔버(110)의 내부를 연결하는 외측 튜브(171)와, 외측 튜브(171)보다 길이가 작으며 일단은 방전관(181)과 연결되고 외측 튜브(171)에 내삽되는 내측 튜브(172)로 형성한다. 그리고, 내측 튜브(172)의 분사구는 내측 튜브(172)로 유입된 라디칼 상태의 공정 가스가 외측 튜브(171)의 측벽쪽으로 분사되도록 내측 튜브(172)의 측벽에 형성한다. 따라서, 내측 튜브(172)로부터 분사된 라디칼 상태의 공정가스는 내측 튜브(172)와 외측 튜브(171) 사이의 공간에서 혼합되어 압력의 불균일이 해소된다. 나아가, 외측 튜브(171)의 분사단은 미세한 분사홀로 형성되어 균일한 분사가 이루어짐으로써, 라디칼 상태의 공정 가스가 프로세스 챔버 내부영역을 적층된 형태(laminar)로 흐르게 된다.
배기구(170)는 가스 분사부(170)를 통해 공급된 반응 가스를 배출하며, 챔버(110)의 일측에 웨이퍼 출입구(114)와 인접하도록 형성된다. 배기구(170)는 상기 반응 가스를 강제로 배출하기 위해 배기 라인을 통해 진공 펌프(118)와 연결된다. 상기 배기 라인에는 라디칼 상태의 원자종들의 방전조건 및 압력제어를 위하여 압력제어용 밸브(117)가 설치된다.
히터(120)는 챔버(110)의 내측 상부에 구비되어 웨이퍼(W)가 고르게 가열되도록 열을 발산한다. 히터(120)로는 적외선 램프가 사용될 수 있다. 히터(120)의 주위에는 냉각수가 흐르도록 냉각 수로(미도시)가 형성된다. 한편, 빠른 강온을 위하여 냉각용 에어 주입로(미도시)와, 그 공기를 강제로 배출할 수 있는 배기로(미도시)가 형성되며, 상기 배기로에는 고온 상태의 배기 가스를 냉각시키기 위한 냉각수판(미도시)이 형성된다.
석영창(112)은 석영 재질로 형성되며, 히터(120)로부터 복사되는 열을 투과하고, 히터(120)가 설치되는 영역과 웨이퍼(W)가 놓여지는 영역을 구분한다.
지지대(130)는 웨이퍼(W)는 지지하기 위한 것으로, 중공의 실린더 형태를 갖는 수직부(132)와, 수직부(132)의 상부면으로부터 수직부(132)의 중심축 방향을 향하여 일정 길이만큼 연장되는 수평부(134)를 포함한다. 수평부(132)와 수직부(134)는 일체로 형성된다. 수평부(132)는 웨이퍼(W)의 가장자리 부위를 지지한다.
지지대(130)의 재질로는 고농도 도프드 실리콘(heavily doped silicon), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 보론 나이트라이드(boron nitride), 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride), 그래파이트(graphite) 등의 재질로 형성됨이 바람직하며, 히터(120)로부터 방사되는 모든 빛을 흡수하여 온도에 의존하는 열을 복사한다.
또한, 지지대(130)는 웨이퍼 출입구(114)를 통해 챔버(110) 내측으로 이송된 웨이퍼(W)가 안착되도록 수평부(134)의 내주면에 경사면을 형성한다. 그러므로, 지지대(130)의 내주면에 형성된 경사면에 웨이퍼(W)의 에지 부분이 지지됨으로써 지지대(130)의 상부면과 웨이퍼(W)는 동일 높이에 위치함과 아울러 웨이퍼(W)의 외주연 둘레에 지지대(130)가 위치한다.
리프트 모듈(140)은 지지대(130)가 배치된 챔버(110)의 바닥을 관통하여 구비되어 웨이퍼(W)를 상승 또는 하강시킨다. 즉 리프트 모듈(140)은 웨이퍼 출입구(114)를 통해 이송된 웨이퍼(W)를 지지대(130)로 로딩하기 위해 웨이퍼(W)를 지지하여 하강시키거나, 지지대(130)로부터 웨이퍼(W)를 언로딩하기 위해 웨이퍼(W)를 지지하여 상승시킨다.
도 5는 도 4에 도시된 파이로미터의 설치 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 파이로미터(150)는 웨이퍼(W)로부터 방출된 일정 파장을 흡수하여 웨이퍼(W)의 온도를 측정한다. 파이로미터(150)는 비접촉 방식으로 웨이퍼(W)의 온도를 빠르게 측정하기 위해 웨이퍼(W)의 후면에서 사용되는데, 웨이퍼(W)의 상태 즉, 온도에 따른 방사율(Emissivity), 챔버(110)의 기하학적 특성, 파이로미터(150)의 스펙트럼 파장, 웨이퍼(W) 상에 형성된 박막의 종류 및 두께에 의해 매우 민감하게 동작한다.
파이로미터(150)는 제1 파이로미터(152)와 제2 파이로미터(154)로 구성된다. 제1 파이로미터(152)는 지지대(130)에 의해 지지되는 웨이퍼(W)의 중심부의 하부에 챔버(110)를 관통하여 일단부가 챔버(110)의 바닥면과 일치하도록 구비된다. 제2 파이로미터(154)는 지지대(130)의 수평부(134) 하부에 챔버(110)를 관통하여 일단부가 챔버(110)의 바닥면과 일치하도록 구비된다.
제1 파이로미터(152) 및 제2 파이로미터(152)의 단부는 각각 챔버(110)의 바닥면과 일치하도록, 즉 제1 파이로미터(152) 및 제2 파이로미터(152)가 챔버││10)의 바닥면으로부터 돌출되지 않도록 구비됨으로써 급속 열 처리 장치(100)의 유지 보수 시 또는 급속 열 처리 공정 중 웨이퍼(W)의 로딩 불량 및 파손 시에도 제1 파이로미터(152) 및 제2 파이로미터(152)에 스크래치가 발생하는 등 손상의 발생이 방지된다.
제1 파이로미터(152)는 웨이퍼(W)로부터 방출되는 열 복사를 측정함으로써 웨이퍼(W) 뒷면의 온도를 측정한다. 웨이퍼(W)의 후면의 온도를 측정하는 것이 증착되는 물질에 따라 표면 재질이 다양한 웨이퍼(W)의 앞면을 측정할 때보다 온도 변화가 적어 웨이퍼(W)의 실제 온도에 가까운 정확한 온도를 측정할 수 있다.
제2 파이로미터(154)는 지지대(130)으로부터 방출되는 열 복사를 측정함으로써 지지대(130)의 온도를 측정한다. 따라서, 지지대(130)는 웨이퍼(W)와는 달리 일정한 재질을 가지므로 온도마다 방출되는 열 복사가 일정하여 웨이퍼(W)의 표면 재질에 따른 온도를 보상하게 된다.
도 6은 도 4에 도시된 열전대의 설치 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 열전대(160)는 챔버(110) 내부의 온도를 측정하기 위해 지지대(130)에 의해 지지되는 웨이퍼(W)의 뒷면을 관통하여 바닥면으로부터 돌출되도록 구비된다. 열전대(160)는 두 개의 서로 다른 금속으로 이루어진 열전대 소선(162) 및 열전대 소선(162)을 보호하기 위한 보호관(164)으로 구성된다. 열전대(160)는 열전대 소선(162)의 열접점이 보호관(164)의 내부에 구비되는 비접지형 열전대(160)이다. 비접지형 열전대(160)는 급속 열 처리 장치(100)의 유지 보수시 부딪히거나, 급속 열 처리 공정 중 웨이퍼(W)의 로딩이 불량하거나 파손되어 웨이퍼(W)와 부딪히더라도 열전대 소선(162)이 손상되지 않고 안정적이다. 또한 비접지형 열전대(160)는 열기전력의 작은 변화가 적고, 비교적 장시간 사용이 가능하며, 또한 잡음, 전압에도 영향을 주지 않고 사용 가능하다.
열전대(230)는 일반적으로 보상도선 접속부(단자 박스), 보강 금속링 및 보상도선을 더 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 급속 열 처리 장치는 파이로미터를 챔버의 바닥면으로부터 돌출되지 않도록 구비하고, 열전대를 비접지형으로 구비함으로써 상기 장치의 유지 보수 시나 급속 열처리 공정시에 상기 파이로미터 및 상기 열전대가 손상되는 것을 방지한다. 따라서 웨이퍼 및 챔버 내부의 온도를 정확하게 확인할 수 있으므로 급속 열 처리 공정을 안정적으로 진행할 수 있고, 반도체 소자 제조 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 급속 열 처리 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 파이로미터의 설치 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 열전대의 설치 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 급속 열 처리 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 파이로미터의 설치 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 열전대의 설치 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 챔버 114 : 웨이퍼 출입구
116 : 배기구 117 : 밸브
118 : 진공 펌프 120 : 히터
130 : 지지대 132 : 수직부
134 : 수평부 140 : 리프트 모듈
150 : 파이로미터 160 : 열전대
162 : 열전대 소선 164 : 보호관
170 : 가스 공급부 171 : 외측 튜브
172 : 내측 튜브 180 : 플라즈마 공급부
181 : 방전관 182 : 가열부
183 : 도파관 184 : 마이크로파 공급부
185 : 가스 공급 모듈 W : 웨이퍼

Claims (4)

  1. 반도체 소자 제조 공정이 진행되기 위한 공간을 제공하는 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되어 웨이퍼의 에지 부위를 지지하기 위한 지지대;
    상기 지지대 상에 지지된 웨이퍼를 가열하기 위한 히터; 및
    상기 챔버의 바닥을 관통하여 상기 챔버의 내측 바닥면과 일측 단부가 일치하도록 구비되고, 상기 웨이퍼로부터 방출된 일정 파장을 흡수하여 상기 웨이퍼의 온도를 측정하기 위한 파이로미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파이로미터는 상기 웨이퍼의 중앙 하부에 위치하는 상기 챔버의 바닥을 관통하여 구비되는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지지대의 하부에 위치한 상기 챔버의 바닥을 관통하여 구비되며, 상기 웨이퍼의 표면 재질에 따른 웨이퍼 온도를 보상하기 위해 상기 지지대의 온도를 측정하기 위한 제2 파이로미터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 챔버의 바닥을 관통하여 상기 챔버의 내측 바닥면으로부터 상방으로 돌출되도록 구비되고, 열전대 소선이 보호관에 둘러싸인 상태에서 상기 웨이퍼의 온도를 측정하기 위한 열전대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 열 처리 장치.
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