KR20050114527A - 온도 균일성을 위한 급속열처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 균일성을 위한 급속열처리 장치에 관한 것이다. 본 발명에 온도 균일성을 위한 급속열처리 장치는 웨이퍼 상부에 배치되는 복수의 가열 램프와, 가열 램프의 하부에 배치되는 수정판과, 웨이퍼의 하부에 배치되는 반사판으로 이루어지는 급속열처리 장치에 있어서, 가열 램프와 웨이퍼 간의 직선 거리는 웨이퍼의 중심부에서 반경방향으로 진행할수록 순차적으로 짧아지는 것을 특징으로 한다.

Description

온도 균일성을 위한 급속열처리 장치{Apparatus of Rapid Thermal Process for thermal equilibrium}
본 발명은 온도 균일성을 위한 급속열처리 장치의 램프 배열방법에 관한 것이다. 고성능 반도체 소자의 제작과 단위시간당 확보할 수 있는 소자의 수율 향상, 그리고 공정의 지속적인 재연성은 반도체 공정이 이루어지는 모든 장비에서 공통적으로 요구되어지는 사항이다. 특히, 웨이퍼(Wafer)의 열처리 공정의 경우에는 웨이퍼의 전면에 걸쳐서 균일한 열처리가 이루어 져야한다.
웨이퍼의 열처리 장비의 대표적인 예로 급속열처리(Rapid Thermal Process, RTP)장치를 들 수 있다. 급속열처리 장치는 고속열처리(Rapid Thermal Annealing), 고속열세정(Rapid Thermal Cleaning), 고속열화학증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition), 고속열산화(Rapid Thermal Oxidation), 고속열질화(Rapid Thermal Nitrification) 공정을 수행하는데 사용된다.
급속열처리 장치를 이용하여 열처리하는 경우에 웨이퍼의 승온 및 강온이 매우 짧은 시간동안 넓은 온도범위에서 이루어지므로 정밀한 온도제어가 필수적으로 요구된다. 그리고 웨이퍼의 온도분포를 균일하게 유지한 상태로 열처리 공정을 수행하기 위해서는 웨이퍼의 모든 영역에 걸쳐서 열적 특성이 동일하도록 유지하는 것이 매우 중요하다. 여기에는 적외선을 방사하는 램프의 형태, 개수, 구성, 열원장치의 구조 등이 중요한 요소로 작용한다.
일반적으로 웨이퍼 전면(全面)에 걸쳐서 온도균일성을 이루기 위해서는, 웨이퍼 전면에 균일한 열류(Heat flux)가 형성될 수 있도록 램프들을 배열하고, 배열된 램프의 전력을 조절하는 방법이 사용된다. 급속열처리 장치의 열원으로는 가격 및 전력대비 효율이 좋고, 아크램프(Arc lamp) 등에 비해서 오래 쓸 수 있기 때문에 텅스텐-할로겐 램프가 사용된다. 그런데, 챔버 내로 유출입되는 가스의 유량 및 흐름, 웨이퍼 하단과 측면의 챔버 구조 등의 변수가 가변적이기 때문에, 대면적의 웨이퍼 상의 온도를 하드웨어적인 설계의 최적화를 통해 균일하게 형성하는 것은 매우 어렵다.
도 1은 종래의 급속열처리를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 급속열처리 장치는 램프 모듈(Lamp module)(101), 램프 배열체(Lamp array)(103), 반사판(Reflector plate)(105) 및 챔버 베이스(Chamber base)(107)를 포함한다.
상기 램프 모듈(Lamp module)(101)은 급속열처리 장치에서 텅스텐-할로겐램프를 감싸는 각각의 튜브와 도금한 스테인리스 구조로 이루어져 있으며, 텅스텐-할로겐램프를 육각모양으로 배열시킨다.
상기 램프 배열체(Lamp array)(103)는 웨이퍼의 온도를 높여주는 역할을 하며, 텅스텐-할로겐램프는 고 반사체인 튜브에 둘러싸여 있으며, 각각의 램프는 독립적으로 전원세기가 제어된다. 또한 액체 냉각방식이 적용된다.
상기 반사판(Reflector plate)(105)은 급속열처리 장치에서 텅스텐-할로겐램프의 에너지를 반사하여 웨이퍼의 온도를 균일하게 해 주는 역할을 한다.
상기 챔버 베이스(Chamber base)(107)는 급속열처리 장치에서 웨이퍼의 온도를 재고, 가스를 배출하며, 웨이퍼가 들어가고 나가는 포트를 가지는 등의 역할을 하는 부분으로, 베어링 조립체(Bearing assembly), 베이스 링(Base-ring), 반사판(Reflector plate), 챔버 바닥(Chamber bottom)이 포함되어 있는 부분이다.
도 2는 종래의 급속열처리 장치의 전면부를 나타낸 개략도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 급속열처리 장치의 전면부는 수정판(Quartz window)(201), 수관 접속부(Water connection)(203), 웨이퍼 포트(Wafer port)(205)등을 포함한다.
상기 수정판(Quarts window)(201)은 상기 램프 배열(Lamp array)과 챔버 사이에 위치한다. 챔버의 압력을 제거하는 역할을 하며, 텅스텐-할로겐램프에서 발하는 에너지를 투과시키는 광학적으로 투명한 창(Window)이다.
상기 수관 접속부(Water connection)(203)는 상기 텅스텐-할로겐램프의 온도를 낮추는 역할을 하는 냉각수를 유출입하는 역할을 한다.
상기 웨이퍼 포트(Wafer port)(205)는 급속열처리를 위해서 로봇 암이 웨이퍼를 급속열처리 장치에 웨이퍼를 삽입하는 용도로 사용된다.
도 3은 종래의 급속열처리 장치의 측면부를 나타낸 개략도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 급속열처리 장치의 측면부는 램프 배열(Lamp Array)(301), 수정판(Quartz window)(303), 챔버 바디(Chamber body)(305), 온도 탐침(Temperature probe)(307), 웨이퍼 회전 장치(Wafer rotation)(309), 웨이퍼 상승 장치(Wafer lift)(311)등을 포함한다.
상기 램프 배열(lamp Array)(301)은 상기 도 1의 103에서 설명한 바와 같다.
상기 수정판(Quartz window)(303)은 상기 도 2의 201에서 설명한 바와 같다.
상기 챔버 바디(Chamber body)(305)는 상기 웨이퍼의 급속열처리 과정을 진행할 때 압력을 진공 상태나 평압 상태로 전환하는 역할을 하며, 수냉 방식으로 웨이퍼를 냉각시키는 역할도 한다.
상기 온도 탐침(Temperature probe)(307)은 웨이퍼의 온도를 측정하기 위한 탐침이다. 측정된 온도는 시리얼 링크를 통하여 제어 컴퓨터로 전달된다.
상기 웨이퍼 회전 장치(Wafer rotation)(309)는 웨이퍼의 온도의 균질성을 높이기 위해서 웨이퍼를 가열하는 동안 회전시키는 장치이다. 솔 없는 DC 모터가 챔버의 바깥에서 마그네틱 링을 회전시킴으로서 웨이퍼를 회전시킨다.
상기 웨이퍼 상승 장치(Wafer lift)(311)는 웨이퍼를 운송할 때, 혹은 웨이퍼에 급속열처리 과정을 실시할 때 웨이퍼의 위치를 상승시키거나 하강시키는 장치이다.
도 4는 종래의 급속열처리 장치의 열처리 방법의 대략적인 개념도이다.
도 4를 참조하면, 종래의 급속열처리 장치는 웨이퍼와 거리가 균일하고 원형으로 배열된 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401), 텅스텐-할로겐램프와 결합하여 텅스텐-할로겐램프에서 방사하는 에너지를 반사시키는 고반사체 튜브(high-reflectivity tube)(403), 텅스텐-할로겐램프와 웨이퍼사이의 압력을 제거하는 수정판(Quartz window), 웨이퍼, 반사판으로 이루어져있다.
상기 텅스텐-할로겐램프(401)는 웨이퍼와의 거리가 균일하므로 웨이퍼의 중앙부에 위치한 램프와 웨이퍼의 가장자리에 위치한 램프의 방사 에너지가 균일하다면, 상기 웨이퍼의 열손실 등의 요소로 상기 웨이퍼의 온도는 균일하게 되지 아니한다. 그러므로 상기 웨이퍼의 온도를 균일하게 하기 위하여, 상기 웨이퍼의 가장자리에 위치한 텅스텐-할로겐램프(401)는 고 에너지를 방사하고, 중심부는 상대적으로 저 에너지를 방사해야 웨이퍼의 온도가 균일하게 된다. 그런데 이런 방법을 사용하면, 가장자리에 위치한 텅스텐-할로겐램프의 수명이 중심부에 위치한 텅스텐-할로겐램프의 수명보다 짧아서 자주 교체해야 할 뿐만 아니라, 그로 인하여 급속열처리 장치의 가동시간이 짧아지는 불편이 있었다.
상기의 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 웨이퍼의 전 영역을 균일하게 가열할 수 있는 급속열처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 급속열처리 장치의 램프의 수명을 증가 시킬 수 있는 급속열처리 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 급속열처리 장치의 램프 조사 각도를 조절할 수 있는 급속열처리 장치를 제공하는데 있다.
상술한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 웨이퍼 상부에 배치되는 복수의 가열 램프와, 상기 가열 램프의 하부에 배치되는 수정판과, 웨이퍼의 하부에 배치되는 반사판으로 이루어지는 급속열처리 장치에 있어서, 상기 가열 램프와 웨이퍼 간의 직선 거리는 웨이퍼의 중심부에서 반경방향으로 진행할수록 순차적으로 짧아지는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치를 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 복수의 가열 램프의 배치는 웨이퍼의 중심부에 위치한 램프는 웨이퍼의 표면에 대해서 수직으로 배치되며, 웨이퍼의 반경방향으로 진행할수록 가열 램프의 경사도가 순차적으로 커지는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 웨이퍼 상부에 배치되는 복수의 가열 램프와, 상기 가열 램프의 하부에 배치되는 수정판과, 웨이퍼의 하부에 배치되는 반사판으로 이루어지는 급속열처리 장치에 있어서,상기 수정판은 볼록 렌즈의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치를 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 수정판의 형태는 중심부에 배치되며, 일정한 두께를 갖는 평평부와 상기 평평부의 외주부에 배치되며, 외곽으로 갈수록 두께가 감소하는 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치를 제공할 수 있다.
이어서, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 급속열처리 장치의 대략적인 개념도이다.
도 5를 참조하면, 상기 급속열처리 장치는 급속열처리 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(501), 고반사체 튜브(high-reflectivity tube)(503), 수정판(quartz window), 웨이퍼(wafer), 반사판(reflector plate) 등을 포함한다.
상기 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(501)는 상기 고반사체 튜브(high-reflectivity tube)(503)와 각각 결합하여 원형의 웨이퍼의 전면부의 일정부분에 에너지를 조사하는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(501)는 특히 종래의 급속열처리 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)에 비교하여 상기 웨이퍼의 가장자리 부분에서 에너지를 조사하는 램프와 웨이퍼의 중앙부에서 에너지를 조사하는 램프의 거리가 차이가나는 것을 특징으로 한다.
상기 구조를 바탕으로 도 5의 내용을 설명하면, 기존의 급속열처리 장치(도 4)와 비교하여 상기 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(501)에서 웨이퍼까지 거리는 상기 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(501)의 조사 영역에 따라 상이하게 설정된다. 상대적으로 온도가 낮은 부위인 웨이터의 외각 영역에서 에너지를 조사하는 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(501)와 웨이퍼의 거리가 상대적으로 온도가 높은 웨이퍼의 중심 영역에서 에너지를 조사하는 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(501)와 웨이퍼의 거리에 비하여 좁게 설정된다. 즉, 상기 웨이퍼에서 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(501)까지 거리는 웨이퍼의 중심부에서 외각으로 나아갈수록 점차적으로 좁아진다. 그러므로 기존의 급속열처리 장치와 비교하여, 각각의 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(501)가 동일한 전력을 소비할 때 웨이퍼의 온도는 기존의 급속열처리 장치에 비해서 균일하다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 또 다른 급속열처리 장치의 대략적인 개념도이다.
도 6을 참조하면, 상기 급속열처리 장치는 상기 도 4에서 설명한 기존의 구성을 포함할 수 있으며, 상기 기존의 급속열처리 장치에, 상기 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(601)와 램프의 주위를 감싸는 고반사체 튜브(high-reflectivity tube)(503)는 상기 기존의 급속 열처리 장치와 비교하여 각각의 램프에서 조사하는 에너지의 각도가 웨이퍼에 수직이 되지 않는다. 상기 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(601)에서 웨이퍼의 중앙부로 에너지를 조사하는 램프는 기존의 급속열처리 장치에서의 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)와 마찬가지로 웨이퍼에 수직으로 에너지를 조사한다. 그러나 상기 웨이퍼의 가장자리로 근접할수록 에너지를 조사하는 램프는 램프의 각도를 점점 일정하게 기울여 웨이퍼에 도달하는 복사 에너지가 웨이퍼에 수직을 이루지 않고 일정하게 기울어지게 된다. 그러므로 웨이퍼의 중앙부보다 웨이퍼의 가장자리에 더 많은 에너지를 조사하게 되어, 기존의 급속열처리 장치와 비교하여, 각각의 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(601)가 동일한 전력을 소비할 때 웨이퍼의 온도는 기존의 급속열처리 장치에 비해서 균일하다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 또 다른 급속열처리 장치의 대략적인 개념도이다.
도 7을 참조하면, 상기 급속열처리 장치는 상기 도 4에서 설명한 기존의 구성을 포함할 수 있으며, 상기 도 4에서 설명한 급속열처리 장치와 비교하여 상기 수정판(quartz window)(701)의 모양이 상기 기존의 급속열처리 장치의 수정판(quartz window)과 다르다.
상기 구조를 바탕으로 도 7의 내용을 설명하면, 기존의 급속열처리 장치( 도 4)와 비교하여 상기 수정판(quartz window)(701)의 모양을 한 쪽 면이 구면이고 다른 쪽 면이 평면인 볼록 렌즈와 유사한 모양으로 하여, 상기 기존의 급속열처리 장치의 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)에서 조사하는 에너지가 상기 볼록 렌즈 모양의 수정판(quartz window)(701)에서 굴절되어 상기 웨이퍼에 조사된다. 상기 수정판(quartz window)(701)의 한쪽면의 곡률 반지름은 외각부분에 비해서 중심부를 크게 하여 외각부에 위치하는 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)에서 조사하는 에너지의 굴절이 중심부에 위치하는 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)의 굴절에 비해서 크게 된다. 그러므로 웨이퍼의 중심부 보다 가장자리에 좀더 많은 에너지를 조사하여 기존의 급속열처리 장치와 비교하여, 각각의 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)가 동일한 전력을 소비할 때 웨이퍼의 온도는 기존의 급속열처리 장치에 비해서 균일하다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 또 다른 급속열처리 장치의 대략적인 개념도이다.
도 8을 참조하면, 상기 급속열처리 장치는 상기 도 4에서 설명한 기존의 구성을 포함할 수 있으며, 상기 도 4에서 설명한 급속열처리 장치와 비교하여 상기 수정판(quartz window)과 각각의 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)사이에 광학적으로 투명한 파형 굴절 장치(801)를 추가한다.
상기 구조를 바탕으로 도 8의 내용을 설명하면, 기존의 급속열처리 장치( 도 4)와 비교하여 상기 수정판(quartz window)과 각각의 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)사이에 광학적으로 투명한 파형 굴절 장치(801)를 추가하여, 상기 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)에서 조사하는 에너지가 상기 광학적으로 투명한 파형 굴절 장치(801)에서 굴절되어 상기 웨이퍼에 조사된다. 상기 웨이퍼의 외각에 위치하는 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)에 결합하는 상기 광학적으로 투명한 파형 굴절 장치(801)의 굴절율과 상기 웨이퍼의 중심에 위치하는 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)에 결합하는 상기 광학적으로 투명한 파형 굴절 장치(801)의 굴절률은 차이가 난다.
즉, 상기 외부에 결합하는 파형 굴절 장치(801)의 굴절률이 상기 중심부에 결합하는 파형 굴절 장치(801)의 굴절률 보다 큰 것을 특징으로 한다.
그러므로 웨이퍼의 중심부 보다 가장자리에 좀 더 많은 에너지를 조사하여 기존의 급속열처리 장치와 비교하여, 각각의 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)(401)가 동일한 전력을 소비할 때 웨이퍼의 온도는 기존의 급속열처리 장치에 비해서 균일하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.
본 발명에 의하면, 웨이퍼의 전 영역을 균일하게 가열할 수 있는 급속열처리 장치를 제공할 수 있다. 따라서 웨이퍼의 단위 시간당 수율과 공정의 재현성을 개선할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 급속열처리 장치의 램프의 수명을 증가 시킬 수 있는 급속열처리 장치를 제공할 수 있다. 따라서 램프의 교환을 위해 공정을 멈추는 시간이 짧아지며, 유지비용을 절감할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 급속열처리 장치의 램프 조사 각도를 조절할 수 있는 급속열처리 장치를 제공하는데 있다. 따라서 웨이퍼의 온도의 균질화를 위한 제어를 좀더 효과적으로 할 수 있다.
도 1은 종래의 급속열처리를 나타낸 개략도.
도 2는 종래의 급속열처리 장치의 전면부를 나타낸 개략도.
도 3은 종래의 급속열처리 장치의 측면부를 나타낸 개략도.
도 4는 종래의 급속열처리 장치의 열처리 방법의 대략적인 개념도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 급속열처리 장치의 대략적인 개념도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 또 다른 급속열처리 장치의 대략적인 개념도.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 또 다른 급속열처리 장치의 대략적인 개념도.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 또 다른 급속열처리 장치의 대략적인 개념도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
201 : 수정판(Quartz window)
105 : 반사판(Reflector plate)
401 : 텅스텐-할로겐램프(Tungsten-halogen lamp)
403 : 고반사체 튜브(high-reflectivity tube)

Claims (4)

  1. 웨이퍼 상부에 배치되는 복수의 가열 램프와, 상기 가열 램프의 하부에 배치되는 수정판과, 웨이퍼의 하부에 배치되는 반사판으로 이루어지는 급속열처리 장치에 있어서,
    상기 가열 램프와 웨이퍼 간의 직선 거리는 웨이퍼의 중심부에서 반경방향으로 진행할수록 순차적으로 짧아지는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가열 램프의 배치는 웨이퍼의 중심부에 위치한 램프는 웨이퍼의 표면에 대해서 수직이 되며, 웨이퍼의 반경방향으로 진행할수록 가열 램프의 경사도가 순차적으로 커지는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치.
  3. 웨이퍼 상부에 배치되는 복수의 가열 램프와, 상기 가열 램프의 하부에 배치되는 수정판과, 웨이퍼의 하부에 배치되는 반사판으로 이루어지는 급속열처리 장치에 있어서,
    상기 수정판은 볼록 렌즈의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수정판의 형태는 중심부에 배치되며, 일정한 두께를 갖는 평평부와;
    상기 평평부의 외주부에 배치되며, 외곽으로 갈수록 두께가 감소하는 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치.
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