KR20060074499A - 급속 열처리 장치의 온도 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 급속 열처리 장치의 온도 제어 방법에 관한 것으로, 특히 급속 열처리 장치에서 웨이퍼 온도를 설정된 온도까지 승온시키는 퍼지 단계를 수행하는 과정과, 설정된 온도에서 급속 열처리의 공정 온도까지 웨이퍼 온도를 승온시키는 램프 업 단계를 수행하는 과정과, 램프 업 단계 이후, 웨이퍼 온도를 공정 온도로 일정 시간 유지하는 단계를 수행하는 과정과, 웨이퍼 온도를 설정된 온도까지 감온하는 램프 다운 단계를 수행하는 과정을 포함한다. 그러므로 본 발명은 급속 열처리 공정시 퍼지 단계에서 안정화 단계를 거치지 않고 바로 램프 업 단계를 수행하고, 급속 열처리 공정에서 실제 열처리 공정 시간은 제외하고 램프 업 단계의 승온 온도 비율과 램프 다운 단계의 감온 온도 비율을 빠르게 조정함으로써 전체 급속 열처리 공정 시간을 빠르게 단축할 수 있다.
급속 열처리, 온도, 램프 업, 램프 다운, 시간
Description
도 1은 일반적인 급속 열처리 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 2는 종래 기술에 의한 급속 열처리 장치에서 시간에 따른 온도 제어 과정을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명이 적용된 급속 열처리 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 급속 열처리 장치에서 시간에 따른 온도 제어 과정을 나타낸 도면.
본 발명은 급속 열처리 장치의 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 급속 열처리(RTP : Rapid Thermal Process) 시간을 단축할 수 있는 급속 열처리 장치의 온도 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자가 제조되는 웨이퍼에는 화학기상증착(CVD : Chemical Vapor Deposition; CVD) 공정, 이온 주입(ion implant) 공정을 진행한 후에, 급속 열처리(RTP) 공정을 진행하게 된다. 예를 들어, 급속 열처리(RTA) 공정 으로는 고온 열처리(RTA : Rapid Thermal Anneal), 급속 열 세정(RTC : Rapid Thermal Cleaning), 급속 열산화(RTO : Rapid Thermal Oxidation) 및 급속 열 질화(RTN : Rapid Thermal Nitridation) 등이 알려져 있다.
이러한 급속 열처리(RTP) 장치는 순간적인 열에너지를 웨이퍼에 전달시킴으로써 이루어진다. 이러한 열에너지는 적어도 하나 이상의 적외선 램프 등의 가열 수단에 의해 제공되며, 이 적외선 램프에서 방출되는 복사 빛이 효과적으로 웨이퍼상에 균일하게 집약되도록 하는 것이 웨이퍼를 순간적으로 고온으로 만드는데 필요한 핵심요건이다.
도 1은 일반적인 급속 열처리 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 급속 열처리 장치는 상하, 좌우에 쿼츠 내벽(12)으로 둘러싸여 형성된 열처리 공간을 제공하고 있으며, 상기 쿼츠 내벽(12) 외부에는 적외선 램프 등의 가열 수단(14)이 설치되어 있다. 그리고, 가열 수단(14) 및 쿼츠 내벽(12)을 반응 장치 덮개(10)가 덮어서 외형을 유지하고 있다.
쿼츠 내벽(12)이 형성하는 공간의 하부에는 웨이퍼(30)를 지지하기 위한 웨이퍼 스테이지(24)가 설치되어 있고, 웨이퍼 스테이지(24)에는 웨이퍼(30)의 배면에서 웨이퍼를 직접 지지하기 위한 웨이퍼 지지대(22)가 설치되어 있다.
그리고 급속 열처리동안 웨이퍼(30)의 온도를 측정하는 온도 측정부(18)가 설치되어 있다. 이때 온도 측정부(18)는 예를 들어, 하나 이상의 광학적 탐지기 및 웨이퍼의 배면에 대향하는 광학상 반사면과 같은 하나 이상의 다른 광학적 소자를 포함하여 웨이퍼(30)의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 쿼츠 내벽(12)을 포함하 는 열처리 장치에서의 쿼츠 튜브의 온도를 측정하는 튜브 측정기(20)가 설치되어 있다.
또 급속 열처리 장치는 가열 수단(14)의 적외선 램프에 전력을 공급하여 웨이퍼(30) 온도를 설정된 온도까지 승온시키고 공급 전력을 조절하여 웨이퍼(30) 온도를 감온시키도록 제어하는 제어 수단(40)을 포함한다.
이와 같은 급속 열처리 장치는 웨이퍼를 한 장씩 웨이퍼 스테이지(24)에 올려놓고 열처리를 진행하는 매엽식 장치이다. 급속 열처리 초기에 웨이퍼(30)가 열처리 장치의 작업 공간으로 로딩되어 웨이퍼 스테이지(24)에 위치하게 되면 제어 수단(40)은 가열 수단(14)의 적외선 램프에 전력을 공급하여 발열시킨다.
이에 따라 쿼츠 내벽(12)의 온도가 올라가고, 쿼츠 내벽(12)의 작업 공간을 채우고 있는 온도가 승온됨으로써, 웨이퍼 스테이지(24)에 있는 웨이퍼(30)를 승온시키는 방식으로 고온 열처리 작업을 진행한다. 이때 온도 측정부(18)를 통해 웨이퍼(30)의 현재 온도를 측정하며 튜브 측정기(20)를 통해 쿼츠 튜브의 내부 온도를 측정하여 가열 수단(14)의 승온 온도(ramp up) 또는 감온 온도(ramp down)를 조정하여 고온 열처리 작업을 진행한다.
도 2는 종래 기술에 의한 급속 열처리 장치에서 시간에 따른 온도 제어 과정을 나타낸 도면으로서, 종래 급속 열처리 온도 제어 시퀀스는 퍼지 단계(a), 안정화 단계(b), 램프 업 단계(c), 공정 온도 유지 단계(d), 램프 다운 단계(e)로 구성된다. 여기서, 퍼지 단계(a)는 가열 수단의 전력을 제어하는 구간으로 오픈 루프(open loop) 구간이라고 한다. 안정화 단계(b)는 실제 원하는 공정 온도로 제어될 수 있도록 하는 클로우즈 루프(close loop) 구간으로 바뀌기 전에 10초∼20초 정도 일정 온도에서 머무르는 구간이다.
이러한 온도 제어 시퀀스의 램프 업 단계에서 승온 온도는 약 50℃/s의 비율로 승온되며 설정된 공정 온도, 예를 들어 1000℃∼1100℃에 도달하기까지 약 10초가 소요된다. 그리고 램프 업 단계에서 감온 온도는 약 20℃/s 비율로 감온된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 기술에 의한 급속 열처리 장치의 제어 수단에서는 다음과 같이 급속 열처리 온도를 제어한다.
우선, 급속 열처리 장치에 웨이퍼(30)가 로딩되어 웨이퍼 스테이지(114)에 위치하게 되면, 제어 수단(40)은 퍼지 단계 및 안정화 단계의 오픈 루프 구간에 해당하는 온도 제어 시퀀스에 따라 가열 수단(14)에 전력을 공급하도록 제어하여 웨이퍼(30)의 온도를 상온으로부터 일정 온도(예를 들어, 500℃)로 승온시키고, 10초∼20초 정도 일정 온도(예를 들어, 500℃)에서 머무르도록 한다.
그리고 제어 수단(40)은 램프 업 단계의 온도 제어 시퀀스에 따라 가열 수단(14)에 전력을 공급하도록 제어하여 웨이퍼(30)의 온도를 약 50℃/s의 비율로 승온시켜 설정된 공정 온도, 예를 들어 1000℃∼1100℃에 도달하도록 한다.
다음에 제어 수단(40)은 공정 온도 유지 단계의 온도 제어 시퀀스에 따라 가열 수단(14)의 공급 전력을 조절하여 1000℃∼1100℃ 사이의 고온 온도를 수초 내지 수십 초 동안 유지시킴으로써 열처리(thermal process)를 진행한다.
그 다음 제어 수단(40)은 램프 다운 단계의 온도 제어 시퀀스에 따라 가열 수단(14)의 공급 전력을 조절하여 웨이퍼(30)의 온도를 약 20℃/s 비율로 감온시킨 다. 램프 다운에 의해 웨이퍼(30)의 온도가 설정된 온도(예를 들어 500℃)까지 내려간다.
그리고나서 급속 열처리 장치에 있는 웨이퍼(30)를 쿨 다운(cool down) 챔버로 옮겨 N2 분위기에서 상온보다 낮은 온도로 유지되어 있는 냉각대에 웨이퍼(30)를 접촉시킴으로써 20초∼30초간 급속 냉각하고, 냉각된 웨이퍼를 다음 제조 공정을 진행하기 위한 챔버로 이동한다.
그러므로, 종래에는 급속 열처리 공정시 퍼지 단계에서 램프 다운 단계까지 진행하는데 그 소요 시간이 오래 걸리는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 퍼지 단계에서 바로 램프 업 단계를 수행하며 램프 다운 단계의 감온 온도 비율을 빠르게 조정함으로써 급속 열처리 시간을 보다 빠르게 단축할 수 있는 급속 열처리 장치의 온도 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 급속 열처리 장치에서 온도 제어 시퀀스를 제어하는 방법에 있어서, 급속 열처리 장치에서 웨이퍼 온도를 설정된 온도까지 승온시키는 퍼지 단계를 수행하는 과정과, 설정된 온도에서 급속 열처리의 공정 온도까지 웨이퍼 온도를 승온시키는 램프 업 단계를 수행하는 과정과, 램프 업 단계 이후, 웨이퍼 온도를 공정 온도로 일정 시간 유지하는 단계를 수행하는 과정과, 웨이퍼 온도를 설정된 온도까지 감온하는 램프 다운 단계를 수행하는 과정을 포함한다.
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명이 적용된 급속 열처리 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명이 적용된 급속 열처리 장치는 상하, 좌우에 쿼츠 내벽(102)으로 둘러싸여 형성된 열처리 공간을 제공하고 있으며, 상기 쿼츠 내벽(102) 외부에는 적외선 램프 등의 가열 수단(104)이 설치되어 있다. 그리고, 가열 수단(104) 및 쿼츠 내벽(102)을 반응 장치 덮개(100)가 덮어서 외형을 유지하고 있다.
쿼츠 내벽(102)이 형성하는 공간의 하부에는 웨이퍼(120)를 지지하기 위한 웨이퍼 스테이지(114)가 설치되어 있고, 웨이퍼 스테이지(114)에는 웨이퍼(120)의 배면에서 웨이퍼를 직접 지지하기 위한 웨이퍼 지지대(112)가 설치되어 있다.
그리고 급속 열처리동안 웨이퍼(120)의 온도를 측정하는 온도 측정부(108)가 설치되어 있다. 이때 온도 측정부(108)는 예를 들어, 하나 이상의 광학적 탐지기 및 웨이퍼의 배면에 대향하는 광학상 반사면과 같은 하나 이상의 다른 광학적 소자를 포함하여 웨이퍼(120)의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 쿼츠 내벽(102)을 포함하는 열처리 장치에서의 쿼츠 튜브의 온도를 측정하는 튜브 측정기(110)가 설치되어 있다.
또 급속 열처리 장치는 가열 수단(104)의 적외선 램프에 전력을 공급하여 웨이퍼(120) 온도를 설정된 온도까지 승온시키되, 퍼지 단계에서 바로 램프 업 단계를 수행하여 웨이퍼(120)에 열처리하며, 가열 수단(104)에 공급되는 전력을 조절하여 램프 다운 단계의 감온 온도 비율을 빠르게 조정함으로써 웨이퍼(120) 온도를 감온시키도록 제어하는 제어 수단(130)을 포함한다.
도 4는 본 발명에 따른 급속 열처리 장치에서 시간에 따른 온도 제어 과정을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 급속 열처리 온도 제어 시퀀스는 퍼지 단계(A), 램프 업 단계(B), 공정 온도 유지 단계(C), 램프 다운 단계(D)로 구성된다. 여기서, 퍼지 단계(A)는 가열 수단의 전력을 제어하는 구간으로 오픈 루프 구간이다.
본 발명의 급속 열처리에서는 실제 원하는 공정 온도로 제어될 수 있도록 하는 클로우즈 루프를 진행하기 전에 일정 온도에서 머무르는 안정화 단계를 생략하고 오픈 루프 구간의 퍼지 단계(A)에서 바로 램프 업 단계(B)를 수행한다. 이러한 온도 제어 시퀀스의 램프 업 단계(B)에서 승온 온도는 약 75℃/s의 비율로 승온되며 설정된 공정 온도, 예를 들어 1000℃∼1100℃에 도달하기까지 약 5초이내의 시간이 소요된다. 그리고 램프 업 단계에서 감온 온도는 약 50℃/s 비율로 감온된다.
이에 따라 본 발명의 급속 열처리 장치의 온도 제어 방법에 의해 퍼지 단계에서 바로 램프 업 단계를 수행하며 램프 다운 단계의 감온 온도 비율을 빠르게 조정함으로써 급속 열처리 시간을 보다 빠르게 단축할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 종래 기술에 의한 급속 열처리 장치의 제어 수단에서는 다음과 같이 급속 열처리 온도를 제어한다.
우선, 급속 열처리 장치에 웨이퍼(120)가 로딩되어 웨이퍼 스테이지(114)에 위치하게 되면, 제어 수단(130)은 퍼지 단계의 오픈 루프 구간에 해당하는 온도 제어 시퀀스에 따라 가열 수단(104)에 전력을 공급하도록 제어하여 웨이퍼(120)의 온도를 상온으로부터 일정 온도(예를 들어, 500℃)로 승온시킨다.
일정 온도(예를 들어, 500℃)까지 승온되면, 제어 수단(130)은 램프 업 단계의 온도 제어 시퀀스에 따라 가열 수단(104)에 전력을 공급하도록 제어하여 웨이퍼(120)의 온도를 약 75℃/s의 비율로 승온시켜 설정된 공정 온도, 예를 들어 1000℃∼1100℃에 도달하도록 한다.
다음에 제어 수단(130)은 공정 온도 유지 단계의 온도 제어 시퀀스에 따라 가열 수단(104)의 공급 전력을 조절하여 1000℃∼1100℃ 사이의 고온 온도를 수초 내지 수십 초 동안 유지시킴으로써 열처리를 진행한다. 예를 들어, 이온 주입된 웨이퍼(120)의 이온을 활성화시키기 위하여 10초∼15초동안 1000℃∼1050℃로 열처리를 진행한다.
그 다음 제어 수단(130)은 램프 다운 단계의 온도 제어 시퀀스에 따라 가열 수단(104)의 공급 전력을 조절하여 웨이퍼(120)의 온도를 약 50℃/s 비율로 감온킴으로써 웨이퍼(120)의 온도를 설정된 온도(예를 들어 500℃)까지 내려가게 하여 본 발명의 급속 열처리 장치의 온도 제어를 종료한다.
그리고나서 급속 열처리 장치는 열처리가 완료된 웨이퍼(120)를 쿨 다운 챔 버로 옮겨 N2 분위기에서 상온보다 낮은 온도로 유지되어 있는 냉각대에 웨이퍼(120)를 접촉시킴으로써 20초∼30초간 급속 냉각하고, 냉각된 웨이퍼를 다음 제조 공정을 진행하기 위한 챔버로 이동한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 급속 열처리 공정시 퍼지 단계에서 안정화 단계를 거치지 않고 바로 램프 업 단계를 수행한다. 그리고 본 발명은 급속 열처리 공정의 온도 제어 시퀀스에서 실제 열처리 공정 시간은 제외하고 램프 업 단계의 승온 온도 비율과 램프 다운 단계의 감온 온도 비율을 빠르게 조정한다. 그러므로 본 발명은 전체 급속 열처리 공정에 소요되는 시간을 보다 빠르게 단축할 수 있어 반도체 제조 공정의 생산성을 높일 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.
Claims (3)
- 급속 열처리 장치에서 온도 제어 시퀀스를 제어하는 방법에 있어서,상기 급속 열처리 장치에서 웨이퍼 온도를 설정된 온도까지 승온시키는 퍼지 단계를 수행하는 과정과,상기 설정된 온도에서 상기 급속 열처리의 공정 온도까지 상기 웨이퍼 온도를 승온시키는 램프 업 단계를 수행하는 과정과,상기 램프 업 단계 이후, 상기 웨이퍼 온도를 공정 온도로 일정 시간 유지하는 단계를 수행하는 과정과,상기 웨이퍼 온도를 설정된 온도까지 감온하는 램프 다운 단계를 수행하는 과정을 포함하는 급속 열처리 장치의 온도 제어 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 램프 업 단계의 승온 온도는 약 75℃/s의 비율인 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치의 온도 제어 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 램프 업 단계의 감온 온도는 약 50℃/s의 비율인 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치의 온도 제어 방법.
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