KR20060098373A - 교차 유동 라이너를 구비한 열처리 시스템 - Google Patents

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KR20060098373A
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보아 데일 알. 뒤
콜 포터
마틴 모가드
제프 베일리
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에비자 테크놀로지, 인크.
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Abstract

본 발명은 캐리어에 수용된 기판을 열처리하는 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 각 기판의 표면에 균일하게 가로지르는 가스 유동을 개선하는 교차 유동 라이너를 포함한다. 본 발명의 교차 유동 라이너는 교차 유동 주입 시스템을 수납하기 위한 길이 방향 볼록부를 포함한다. 상기 라이너의 패턴 및 크기는 웨이퍼 캐리어에 일치하도록 형성되어 있으며, 그 결과 라이너와 웨이퍼 캐리어 사이의 갭을 감소시킴으로써 웨이퍼 캐리어와 라이너 내벽 사이의 갭 부위에서 와류 및 정체가 감소되도록 또는 발생되지 않도록 할 수 있다.
웨이퍼, 열처리 장치, 교차 유동 라이너, 캐리어, 열 차폐물, 주입 오리피스

Description

교차 유동 라이너를 구비한 열처리 시스템{THERMAL PROCESSING SYSTEM WITH CROSS-FLOW LINER}
관련된 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2003년 9월 24일 출원된 미국특허 가출원 제60/505,833호에 대한 우선권을 주장하고, 상기 문헌의 내용은 전체로서 원용되어 본 명세서에 포함된다. 또한 본 출원은 "열처리 시스템 및 배열가능한 수직형 챔버"를 발명의 명칭으로 하고 미국특허 가출원 제60/396,536호 및 제60/428,526호에 대한 우선권을 주장하는 국제특허 출원번호 PCT/US03/21575와 관련되고, 이들 특허 문헌의 내용은 전체로서 원용되어 본 명세서에 포함된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로, 기판과 같은 물체를 열처리하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 반도체 웨이퍼 또는 기판 상에 재료층을 열처리, 어닐링 및 증착하거나, 반도체 웨이퍼 또는 기판으로부터 재료층을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
열처리 장치는 반도체 기판 또는 반도체 웨이퍼로부터 집적 회로(IC) 또는 반도체 소자를 제조하는 데 보편적으로 사용된다. 반도체 웨이퍼의 열처리는, 예 를 들면, 가열 처리, 어닐링, 도펀트 물질의 확산 또는 드라이빙(driving), 재료층의 증착 또는 성장, 및 기판으로부터 재료의 에칭 또는 제거를 포함한다. 이러한 공정들은 종종 공정 이전 또는 도중에, 1300℃에 달하는 고온과 300℃까지의 저온 범위의 온도로 웨이퍼를 가열해야 하고, 공정 가스 또는 반응제와 같은 하나 이상의 유체를 웨이퍼에 전달해야 한다. 게다가, 이들 공정들은 전형적으로, 공정 가스의 온도 또는 웨이퍼가 처리 챔버에 도입되는 속도가 변동되더라도 공정 전체를 통해 웨이퍼가 균일한 온도에서 유지되는 것을 필요로 한다.
종래의 열처리 장치는 전형적으로 가열로 내에 위치하거나 가열로로 둘러싸인 체적식 프로세스 챔버로 구성된다. 열처리할 기판은 프로세스 챔버 내에 밀봉되고, 이어서 가열로에 의해 처리가 행해지는 목표 온도로 가열된다. 화학적 증착 법(CVD)과 같은 여러 가지 프로세스에 있어서, 우선 밀봉된 프로세스 챔버를 배기시키고, 프로세스 챔버가 목표 온도에 도달했을 때 반응 가스 또는 공정 가스를 도입하여 기판 상에 반응종(reactant species)을 형성하거나 증착한다.
과거의 열처리 장치, 특히 수직형 열처리 장치는 제품 웨이퍼가 처리되는 프로세스 구역(process zone) 상하에 있는 프로세스 챔버의 측벽들에 인접하게 설치된 가드 히터(guard heater)를 필요로 했다. 이러한 배열은 펌프로 배기하여 공정 가스 또는 증기로 채우고 재충전(backfill) 또는 퍼지(purge)해야 하는 대용량의 챔버 체적을 수반함으로써 처리 시간의 증가를 초래하기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 이 구성은 히터로부터의 웨이퍼의 시각적 인자(view factor)가 불량함으로 인해 엄청난 공간과 파워를 필요로 한다.
종래의 열처리 장치가 갖는 다른 문제점으로는, 프로세스 챔버 및 처리할 웨이퍼의 온도를 상승시키는 처리 전에 걸리는 시간과, 온도를 강하시키는 처리 후에 걸리는 시간이 모두 상당히 길다는 점이 포함된다. 또한, 처리를 시작할 수 있기 전에 원하는 온도에서 프로세스 챔버가 균일하게 안정화되는 온도를 보장하기 위해서 종종 추가의 시간이 필요하다. 웨이퍼를 처리하는 데 필요한 실제 시간은 30분 이하일 수 있지만, 사전 및 사후 처리 시간은 1∼3시간 또는 그 이상 걸리는 것이 일반적이다. 따라서, 프로세스 챔버의 온도를 균일한 온도로 신속히 올리거나 내리는 데에 걸리는 시간에 의해 종래의 열처리 장치의 처리량이 상당히 제한된다.
비교적 긴 상승 및 하강 시간에 대한 근본적 이유는, 웨이퍼를 효과적으로 가열하거나 냉각하기 전에 가열 또는 냉각해야 하는 종래의 열처리 장치에서의 프로세스 챔버 및 또는 가열로의 열적 질량이다.
종래의 열처리 장치의 처리량에 대한 제한을 최소화하거나 상쇄하기 위한 통상적 접근법은 단일 사이클 또는 단일 가동에 처리될 수 있는 웨이퍼의 수를 증가시키는 것이었다. 많은 수의 웨이퍼를 동시에 처리하는 것은 단위 웨이퍼 기준의 유효 처리 시간을 단축함으로써 장치의 유효 처리량을 최대화하는 데 도움을 준다. 그러나, 이 접근법은 또한 처리 도중에 뭔가 잘못 진행될 경우에는 위험성을 증폭시킨다. 즉, 예를 들어 단일 처리 사이클 도중 장치 또는 공정의 고장이 있으면, 단일 고장에 의해 많은 수의 웨이퍼가 파괴되거나 손상될 수 있다. 이러한 문제는, 처리 단계에 따라 웨이퍼 하나의 가치가 $1,000 내지 $10,000인 대직경 웨이퍼 및 더욱 복잡한 집적 회로에 있어서는 특히 우려되는 문제이다.
이 해법과 관련된 또 다른 문제는 많은 수의 웨이퍼를 수납하기 위한 프로세스 챔버의 크기 증가는 프로세스 챔버의 열적 질량 효과를 증가시키고, 그 결과 웨이퍼를 가열하거나 냉각할 수 있는 속도를 저하시킨다. 또한, 웨이퍼의 큰 배치(batch)가 처리되는 프로세스 챔버의 크기가 클수록, 챔버에 로딩된 첫 번째 웨이퍼가 마지막으로 인출되는 선입후출(first-in-last-out) 신드롬으로 연계 또는 복합됨으로써, 이들 웨이퍼가 높은 온도에 더 오래 노출되어 웨이퍼의 배치에서의 균일성을 저하시킨다.
상기 접근법과 관련된 또 다른 문제는 열처리 전후의 많은 공정에 사용되는 시스템 및 장치가 다량의 웨이퍼를 동시에 처리하는 데에 순응하지 못한다는 점이다. 따라서, 큰 배치 또는 많은 수의 웨이퍼의 열처리는 열처리 장치의 처리량을 증가시키지만, 반도체 제조 설비의 전체 처리량의 향상에는 거의 기여할 수 없고, 실제로는 웨이퍼를 열처리 장치 전방에 누적시키거나, 다른 시스템과 장치에서는 그 하류에서 웨이퍼가 진행 방해(bottleneck)를 일으킬 수 있다.
전술한 종래의 열처리 장치의 대안은 웨이퍼를 신속히 열처리하기 위해 개발된 신속 열처리(rapid thermal processing; RTP) 시스템이다. 종래의 RTP 시스템은 일반적으로 작고 투명한, 보통 석영으로 된 프로세스 챔버 내에서 단일 웨이퍼 또는 소수의 웨이퍼를 선택적으로 가열하는 고강도 램프를 사용한다. RTP 시스템은 프로세스 챔버의 열적 질량 효과를 최소화하거나 배제하며, 램프가 매우 낮은 열적 질량을 가지기 때문에, 램프를 순간적으로 온 또는 오프시킴으로써 웨이퍼를 신속히 가열 및 냉각시킬 수 있다.
불행하게도, 종래의 RTP 시스템은, 과거에 프로세스 챔버의 측벽에 인접하여 소정 수의 램프로 각각 구성되는 구역 또는 뱅크에 배열되는 램프의 배치를 포함하는 큰 결점을 갖는다. 이 구성은 불량한 시각적 인자로 인해 효과를 나타내기 위해서는 엄청난 공간과 파워를 차지하기 때문에 문제가 있으며, 그 모든 것은 최근 세대의 반도체 처리 장치에서는 진귀한 것이다.
종래의 RTP 시스템과 관련된 또 다른 문제는, 웨이퍼의 단일 배치 내의 복수의 웨이퍼에 걸쳐, 심지어는 단일 웨이퍼에 걸쳐 균일한 온도 분포를 제공할 수 없다는 점이다. 이러한 불균일한 온도 분포에 대한 이유는, (i) 하나 이상의 램프에 의한 하나 이상의 웨이퍼의 불량한 시각적 인자 및 (ii) 램프로부터의 출력 파워의 변동을 포함하는 몇 가지 이유가 있다.
또한, 단일 램프의 출력 고장 또는 변동은 웨이퍼에서의 온도 분포에 악영향을 줄 수 있다. 이 때문에, 대부분의 램프 기반 시스템에서, 램프 출력의 변동으로 인한 온도 불균일이 공정중에 웨이퍼에 절대로 전달되지 않도록 웨이퍼(들)를 회전시킨다. 그러나, 웨이퍼를 회전시키는 데 필요한 이동형 부품, 특히 프로세스 챔버 내로의 회전형 피드스루(feedthrough)는 시스템의 비용 및 복잡성을 가중시키며, 전반적인 신뢰도를 저하시킨다.
RTP 시스템에 대한 또 다른 골치 아픈 영역은 웨이퍼의 외측 에지 및 중앙에서의 균일한 온도 분포를 유지하는 것이다. 거의 모든 종래의 RTP 시스템은 이 형태의 온도 불균일성을 조절하는 적절한 수단을 갖고 있지 않다. 그 결과, 웨이퍼보다 큰 직경을 가진 흑체 서셉터(black body susceptor)를 사용하지 않는 한, 웨 이퍼 표면에 걸쳐 일시적 온도 변동이 일어나서 고온에서 웨이퍼에 슬립 변위(slip dislocation)의 형성을 야기할 수 있다.
종래의 램프 기반 RTP 시스템은 다른 단점을 갖는다. 예를 들면, 전기적 노이즈를 생성하는 위상각 컨트롤(phase angle control)을 이용하지 않는 한, 램프의 전원이 온 및 오프되는 경우와 같은 일시적 기간 동안, 균일한 파워 분포 및 온도 균일성을 제공하는 적절한 수단이 없다. 각각의 램프는 시간 경과에 따라 상이한 성능을 나타내기 쉬우므로, 성능의 재현성도 램프 기반 시스템의 단점인 것이 보통이다. 램프를 교체하는 것도 비용과 시간 소모가 많으며, 특히 주어진 램프 시스템이 180개 이상의 램프를 가질 수 있음을 고려할 때에는 더욱 그러하다. 램프는 약 250 kW의 피크 전력 소모를 가질 수 있기 때문에, 파워 요건도 고비용일 수 있다.
따라서, 열처리 공정에서, 하나 이상의 기판의 배치를 각 기판의 표면에 걸쳐 원하는 온도로 신속하고 균일하게 가열하는 장치 및 방법이 요구된다.
본 발명은 전술한 문제점 및 기타 문제에 대한 해결책을 제공하고, 종래 기술에 비해 그 밖의 이점을 제공한다.
본 발명은, 반도체 기판 또는 웨이퍼와 같은 작업물을 등온 방식으로 가열하고, 어닐링, 도펀트 물질의 확산 또는 드라이빙, 물질 층의 증착 또는 성장, 및 웨이퍼로부터의 물질의 에칭 또는 제거와 같은 공정을 실행하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
고온 또는 가열된 온도에서 캐리어에 수용된 기판을 처리하기 위한 열처리 장치가 제공된다. 상기 장치는 상부 벽, 측벽 및 하부 벽을 가진 프로세스 챔버, 및 상기 기판을 열처리하기 위해 상기 캐리어를 위치시킨 프로세스 구역에 등온 환경을 제공하기 위해 상기 프로세스 챔버의 상부 벽, 측벽, 및 하부 벽에 근접한 소정 개수의 가열 엘리먼트를 가진 열원(heating source)을 포함한다. 일 태양에 따르면, 프로세스 챔버의 치수는 캐리어를 수납하는 데 필요한 체적보다 실질적으로 크지 않은 체적을 둘러싸도록 선택되고, 프로세스 구역은 실질적으로 프로세스 챔버 전체에 걸쳐 연장된다. 프로세스 챔버의 치수는 실질적으로 캐리어를 수납하는 데 필요한 치수의 125% 이하의 체적을 둘러싸도록 선택하는 것이 바람직하다. 상기 장치가, 압력을 인가하기 전에 프로세스 챔버를 배기시키기 위한 펌핑 시스템 및 처리가 완료된 후 프로세스 챔버를 재충전하기 위한 퍼지 시스템을 추가로 포함하고, 프로세스 챔버의 치수는 프로세스 챔버의 신속한 배기 및 신속한 재충전이 모두 충족되도록 선택하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 프로세스 챔버의 하부 벽은 하나 이상의 가열 엘리먼트를 내장한 가동형 받침대(movable pedestal)를 포함하고, 상기 가동형 받침대는, 기판을 수용한 캐리어를 프로세스 챔버에 삽입하고 프로세스 챔버로부터 제거할 수 있도록 승강시킬 수 있게 되어 있다. 일 실시예에서, 상기 장치는, 받침대 내의 가열 엘리먼트와 기판을 수용한 캐리어 사이에 삽입되도록 되어 있는 제거가능한 열 차폐물(thermal shield)을 추가로 포함한다. 열 차폐물은 받침대 내의 가열 엘리먼트로부터의 열 에너지를 반사하여 받침대 쪽으로 되돌림으로써, 받침대 내의 가열 엘리먼트에서 나오는 열 에너지로부터 캐리어 상의 기판을 차폐하도록 되어 있다. 이 실시예의 한 가지 형태에서, 상기 장치는 받침대가 하강 위치에 있을 때 프로세스 챔버를 분리하도록 캐리어 상부 위치로 이동될 수 있게 되어 있는 셔터(shutter)를 추가로 포함한다. 상기 장치가 프로세스 챔버를 배기시키는 펌핑 시스템을 포함할 경우, 셔터는 프로세스 챔버를 밀봉하도록 구성됨으로써, 받침대가 하강 위치에 있을 때 펌핑 시스템이 프로세스 챔버를 배기시킬 수 있게 되어 있을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 장치는 기판을 열처리하는 동안 캐리어를 재위치시키는 자기 결합형(magnetically coupled) 리포지셔닝 시스템(repositioning system)을 추가로 포함할 수 있다. 캐리어를 재위치시키는 데 사용되는 기계적 에너지는 프로세스 챔버 내로 가동형 피드스루를 이용하지 않고, 또한 실질적으로 받침대 내의 가열 엘리먼트를 이동시키지 않고 받침대를 통해 캐리어에 자기식으로 결합되는 것이 바람직하다. 자기 결합형 리포지셔닝 시스템은 기판을 열처리하는 동안 프로세스 구역 내에서 캐리어를 회전시키는, 자기 결합형 회전 시스템인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 장치는 기판 각각의 표면에서의 가스 유동 균일성을 향상시키기 위한 교차 유동 라이너(cross-flow liner)를 추가로 포함한다. 본 발명의 교차 유동 라이너는 교차 유동 주입 시스템을 수납하기 위한 길이 방향 볼록부(bulging section)을 포함한다. 라이너는 웨이퍼 캐리어에 일치하여 라이너와 웨이퍼 캐리어 사이의 갭을 줄이고, 그 결과 제조 공정에 불리한 갭 부위에서의 와류 또는 정체를 감소시키거나 배제하도록 패터닝되고 크기가 정해진다.
본 발명의 상기 및 기타 특징과 이점은 첨부된 도면 및 이하에 제시되는 청구의 범위와 함께 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 종래의 상방 유동(up-flow) 구성을 활용하여 본 발명에 따른 등온 제어 체적을 제공하는 받침대 히터를 가진 열처리 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 열처리 장치에서 유용한 베이스 플레이트의 다른 실시예의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 받침대 히터와 열 차폐물을 가진 열처리 장치의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도 3의 받침대 히터와 열 차폐물의 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른, 흡수율이 높은 물질로 된 상층 및 반사율이 높은 물질로 된 하층을 가진 열 차폐물의 실시예에 대한 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 냉각 채널을 가진 열 차폐물의 또 다른 실시예의 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 열 차폐물 및 액추에이터의 실시예의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 셔터를 가진 열처리 장치의 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 받침대 히터 및 자기 결합형 웨이퍼 회전 시스템을 가진 프로세스 챔버의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 주입기 시스템을 가진 열처리 장치의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 라이너에 관한 주입기 오리피스 및 웨이퍼에 관한 배기 슬롯의 위치를 나타내는 도 10의 열처리 장치의 부분 측면 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 1차 및 2차 주입기의 오리피스로부터 웨이퍼를 가로질러 배기구로 흐르는 가스 유동을 나타내는 도 10의 A-A 선을 따른 도 10의 열처리 장치의 부분 평면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 1차 및 2차 주입기의 오리피스로부터 웨이퍼를 가로질러 배기구로 흐르는 가스 유동을 나타내는 도 10의 A-A 선을 따른 도 10의 열처리 장치의 부분 평면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 1차 및 2차 주입기의 오리피스로부터 웨이퍼를 가로질러 배기구로 흐르는 가스 유동을 나타내는 도 10의 A-A 선을 따른 도 10의 열처리 장치의 부분 평면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 1차 및 2차 주입기의 오리피스로부터 웨이퍼를 가로질러 배기구로 흐르는 가스 유동을 나타내는 도 10의 A-A 선을 따른 도 10의 열처리 장치의 부분 평면도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른, 또 다른 상방 유동 주입기 시스템을 가진 열처리 장치의 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른, 또 다른 하방 유동 주입기 시스템을 가진 열처리 장치의 단면도이다.
도 18은 웨이퍼의 배치를 열처리하여 웨이퍼 배치의 각 웨이퍼를 목표 온도로 신속하고 균일하게 가열하는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 방법의 일 실시예를 나타내는 플로차트이다.
도 19는 웨이퍼의 배치를 열처리하여 웨이퍼 배치의 각 웨이퍼를 목표 온도로 신속하고 균일하게 가열하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열처리 방법의 일 실시예를 나타내는 플로차트이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너를 포함하는 열처리 장치의 단면도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 길이 방향 볼록부를 나타내는 교차 유동 스텝형(stepped) 라이너의 외부도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 라이너에서의 복수의 배기 슬롯을 나타내는 교차 유동 스텝형 라이너의 외부도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너의 측면도이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너의 상부 평면도이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너의 부분 상부 평면도이다.
도 26은 본 발명에 따라, 오리피스로부터의 가스 유동이 웨이퍼를 가로질러 배기 슬롯을 빠져나가기 전에 라이너 내벽에 충돌하는 것을 나타내는 볼록부를 구비한 교차 유동 라이너의 평면도이다.
도 27은 본 발명에 따라, 오리피스로부터의 가스 유동이 웨이퍼를 가로질러 배기 슬롯을 빠져나가기 전에 서로 충돌하는 것을 나타내는 볼록부를 구비한 교차 유동 라이너의 평면도이다.
도 28은 본 발명에 따른, 오리피스로부터의 가스 유동이 웨이퍼의 중심부를 지나 배기 슬롯을 빠져나가는 것을 나타내는 볼록부를 구비한 교차 유동 라이너의 평면도이다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른, 라이너 내벽을 향하고 있는 주입 오리피스를 가진 2개의 주입관 및 교차 유동 라이너를 포함하는 챔버 내부에서 웨이퍼의 표면을 가로지르는 가스 유동선(gas flow line)을 나타내는 그래프 방식의 도면이다.
도 30은 라이너 내벽을 향하고 있는 주입 오리피스를 가진 2개의 주입관 및 종래의 라이너를 포함하는 챔버 내부에서 웨이퍼의 표면을 가로지르는 가스 유동선을 나타내는 그래프 방식의 도면이다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른, 서로 마주보는 주입 오리피스를 가진 2개의 주입관 및 교차 유동 라이너를 포함하는 챔버 내부에서 웨이퍼의 표면을 가로지르는 가스 유동선을 나타내는 그래프 방식의 도면이다.
도 32는 서로 마주보는 주입 오리피스를 가진 2개의 주입관 및 종래의 라이너를 포함하는 챔버 내부에서 웨이퍼의 표면을 가로지르는 가스 유동선을 나타내는 그래프 방식의 도면이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른, 웨이퍼의 중심을 향하는 주입 오리피스를 가진 2개의 주입관 및 교차 유동 라이너를 포함하는 챔버 내부에서 웨이퍼의 표면을 가로지르는 가스 유동선을 나타내는 그래프 방식의 도면이다.
도 34는 웨이퍼의 중심을 향하고 있는 주입 오리피스를 가진 2개의 주입관 및 종래의 라이너를 포함하는 챔버 내부에서 웨이퍼의 표면을 가로지르는 가스 유동선을 나타내는 그래프 방식의 도면이다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른, 라이너 벽에 형성된 복수의 슬롯을 나타내는 교차 유동 라이너의 측면도이다.
도 36은 본 발명의 일 실시예에 따른, 열 차폐물을 나타내는 교차 유동 라이너의 단면도이다.
도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른, 열 차폐물을 구체적으로 나타내는 교차 유동 라이너의 단면도이다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른, 교차 유동 라이너에서의 기다란 주입관 및 T자형 관을 나타내는 그래픽이다.
도 39는 도 38에 도시된 기다란 주입관을 수용하기 위한 개구부를 나타내는 교차 유동 라이너의 상부 플레이트의 부분 평면도이다.
도 40은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너 및 상기 라이너 내벽을 향하고 있는 주입구를 가진 주입 시스템을 포함하는 열처리 장치에 대한 CFD 예시이다.
도 41은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너 및 서로 마주보는 주입구를 가진 주입 시스템을 포함하는 열처리 장치에 대한 CFD 예시이다.
도 42는 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너 및 기판의 중심을 향하고 있는 주입구를 가진 주입 시스템을 포함하는 열처리 장치에 대한 CFD 예시이다.
본 발명은, 카세트 또는 보드(boat)와 같은 캐리어에 수용된, 반도체 기판 또는 웨이퍼와 같은 작업물의 비교적 적은 수 또는 하나 이상의 소형 배치(mini-batch)를 처리하여 처리 사이클 시간을 단축하고 프로세스 불균일을 개선하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용하는 "소형 배치"라는 용어는 전형적 배치 시스템에서 볼 수 있는 100개 미만의 웨이퍼 수를 의미하며, 바람직하게는 1개 내지 약 53개 범위의 반도체 웨이퍼를 의미하는데, 상기 범위 중 1개 내지 50개는 제품 웨이퍼이고 나머지는 모니터링 목적 및 배플(baffle) 웨이퍼로서 사용되는 비제품 웨이퍼이다.
열처리라 함은, 작업물 또는 웨이퍼를 원하는 온도, 즉 전형적으로는 약 350∼1300℃ 범위의 온도로 가열하는 프로세스를 의미한다. 반도체 웨이퍼의 열처리는, 예를 들면, 가열 처리, 어닐링, 도펀트 물질의 확산 또는 드라이빙, 화학적 증착, 즉 CVD와 같은 물질층의 증착 또는 성장, 및 웨이퍼로부터 물질의 에칭 또는 제거를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열처리 장치를 도 1을 참조하여 설명한다. 명료한 설명을 위해, 널리 알려져 있거나 당업자에게 공지되어 있는 열처리 장치의 많은 상세한 사항은 생략했다. 그러한 상세 사항은, 예컨대, 공동 양도된 미국특허 제4,770,590호에 보다 구체적으로 설명되어 있으며, 상기 특허 문헌은 본 명세서에 인용되어 포함된다.
도 1은 반도체 웨이퍼의 배치를 열처리하기 위한 열처리 장치의 실시예의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 열처리 장치(100)는 일반적으로, 웨이퍼의 배치(108)를 탑재한 캐리어 또는 보트(06)를 수용하도록 되어 있는 지지체(104)를 가진 프로세스 챔버(102)를 형성하도록 소정의 체적을 둘러싸는 용기(101), 및 웨이퍼의 온도를 열처리용 목표 온도로 상승시키기 위한 소정 개수의 가열 엘리먼트(112-1, 112-2, 112-3)(이하, 일괄하여 가열 엘리먼트(112)라 칭함)를 가진 열원 또는 가열로(110)를 포함한다. 열처리 장치(100)는 추가로, 프로세스 챔버(102) 내부의 온도를 모니터하고 및/또는 가열 엘리먼트(112)의 작동을 제어하기 위한, 저항식 온도 장치(RTD) 또는 열전대(T/C)와 같은, 하나 이상의 광학적 또는 전기적 온도 감지 엘리먼트를 포함한다. 도시한 실시예에서, 온도 감지 엘리먼트는 프로세스 챔버(102) 내 복수의 지점에서 온도를 검출하기 위한 복수의 독립적 온도 감지 노드(node) 또는 포인트(도시되지 않음)를 가진 프로파일 T/C(114)이다. 열처리 장치(100)는 또한, 웨이퍼(108)의 처리 및/또는 냉각을 위해 가스 또는 증기와 같은 유체를 프로세스 챔버(102) 내로 도입하기 위한 하나 이상의 주입기(116)(도면에는 1개만 도시함), 및 프로세스 챔버의 퍼지 및/또는 웨이퍼의 냉각을 위해 가스를 도입하기 위한 하나 이상의 퍼지 포트(purge port) 또는 벤트(vent)(118)(도 면에는 1개만 도시함)를 포함할 수 있다. 라이너(120)는 웨이퍼가 처리되는 영역 또는 프로세스 구역(128)에서 웨이퍼(108) 근방에 처리 가스 또는 증기의 농도를 증가시키며, 프로세스 챔버(102)의 내측 표면 상에 형성될 수 있는 증착물의 박리로부터 웨이퍼의 오염을 감소시킨다. 처리 가스 또는 증기는 챔버 라이너(120)에 있는 배출구 또는 슬롯(121)을 통해 프로세스 구역을 빠져나간다.
일반적으로, 용기(101)는 O-링(122)과 같은 밀봉재에 의해 플랫폼 또는 베이스 플레이트(124)에 밀봉되어 프로세스 챔버(102)를 형성하고, 프로세스 챔버는 열처리가 진행되는 동안 웨이퍼(108)를 완전히 둘러싼다. 프로세스 챔버(102) 및 베이스 플레이트(124)의 치수는 프로세스 챔버의 신속한 배기, 신속한 가열 및 신속한 재충전을 제공하도록 선택된다. 유리하게는, 용기(101) 및 베이스 플레이트(124)의 크기는, 프로세스 챔버(102)의 치수가 웨이퍼(108)를 탑재한 캐리어(106)를 수납하는 데 필요한 것보다 크지 않은 체적을 둘러싸도록 선택되는 치수로 설정된다. 바람직하기로는, 용기(101) 및 베이스 플레이트(124)의 크기는, 프로세스 챔버(102)의 치수가 웨이퍼(108)를 탑재한 캐리어(106)를 수납하는 데 필요한 치수의 약 125% 내지 약 150%가 되도록, 보다 바람직하게는 챔버 체적을 최소화하여 펌프 다운 및 소요되는 재충전 시간에 도움이 되도록 프로세스 챔버의 치수가 캐리어 및 웨이퍼를 수납하는 데 필요한 치수의 약 125% 이하가 되도록 설정된다.
주입기(116), T/C(114) 및 벤트(118)의 개구는 O-링, VCR® 또는 CF® 피팅(fitting)과 같은 밀봉재를 사용하여 밀봉된다. 공정중에 방출되거나 도입되는 가스 또는 증기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 프로세스 챔버(102)의 벽(도시되지 않음) 또는 베이스 플레이트(124)의 플리넘(plenum)(127)에 형성된 전방 라인(foreline) 또는 배출구(126)를 통해 배기된다. 프로세스 챔버(102)는 열처리 동안 대기압으로 유지될 수 있고, 또는 하나 이상의 러핑 펌프(roughing pump), 송풍기, 고진공 펌프 및 러핑, 스로틀(throttle) 및 전방 라인 밸브를 포함하는 펌핑 시스템(도시되지 않음)을 통해 5 millitorr에 달하는 진공으로 배기될 수 있다.
도 2에 도시된 또 다른 실시예에서, 베이스 플레이트(124)는 소정 개수의 수직 주입관 또는 주입기(116A)가 의존하는 링(131)을 포함하여 주입기(116)를 수용하고 지지하도록 되어 있는, 실질적으로 환형의 유동 채널(129)를 추가로 포함한다. 주입기(116A)의 크기와 형상은 이하에 설명하는 바와 같이, 상방 유동, 하방 유동 또는 교차 유동의 유동 패턴을 제공하도록 설정된다. 링(131)과 주입기(116A)의 위치는 프로세스 챔버(102) 내로 보트(106)와 용기(101) 사이로 가스가 주입되도록 설정된다. 또한, 주입기(116A)는 프로세스 가스 또는 증기를 프로세스 챔버(102) 내로 균일하게 도입하도록 링(131) 주위에 소정 간격으로 이격되어 있고, 필요할 경우 퍼징 또는 재충전 시 프로세스 챔버에 퍼지 가스를 도입하는 데 이용될 수 있다. 베이스 플레이트(124)의 크기는 외부로 연장되는 상부 플랜지(133), 측벽(135) 및 내부로 연장되는 베이스(137)를 가진 짧은 원통형으로 설정된다. 상부 플랜지(133)는 용기(101)를 수용하고 지지하고, 용기를 상부 플랜지에 밀봉하는 O-링을 수용하도록 되어 있다. 베이스(137)는 라이너(120)를 수용하고 지지하도록 되어 있고, 그 외측에서 주입기(116)의 링(131)이 지지된다.
부가적으로, 도 2에 도시된 베이스 플레이트(124)에는, 재충전/퍼지 가스 유입구(139, 143), 베이스 플레이트(124)에 냉각 유체를 순환시키기 위해 제공된 냉각 포트(145, 147), 및 프로세스 챔버(102) 내의 압력을 모니터하기 위한 압력 모니터링 포트(149)를 포함하는 여러 가지 부품이 조합되어 있다. 프로세스 가스 유입구(151, 161)는 공급부(도시되지 않음)로부터 주입기(116)로 가스를 도입한다. 재충전/퍼지 포트(139, 143)는, 주로 벤트/퍼지 가스 공급부(도시되지 않음)로부터 벤트(118)로 가스를 도입하기 위해 베이스 플레이트(124)의 측벽(135)에 제공된다. 프로세스 챔버(102)로 유입되는 가스 유량을 제어하기 위해 가스 공급부와 포트(139, 143, 151, 161) 사이에 일치하여 질량 유량 제어기(도시되지 않음) 또는 임의의 적합한 유량 제어기가 설치된다.
용기(101) 및 라이너(120)는, 고온 및 고진공 조작의 열적, 기계적 응력을 견딜 수 있고, 처리 시 사용되거나 방출되는 가스와 증기로부터의 부식에 견딜 수 있는, 임의의 금속, 세라믹, 결정질 또는 유리질 재료로 만들어질 수 있다. 용기(101) 및 라이너(120)는, 기계적 응력을 견디는 충분한 두께를 가지고, 공정 부산물의 퇴적에 내성이고, 그에 따라 처리 환경의 잠재적 오염을 감소시키는, 불투명하거나, 반투명하거나 투명한 석영 유리로 만들어지는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 웨이퍼(108)의 처리가 이루어지는 영역 또는 프로세스 구역(128)으로부터 전도열을 감소시키거나 배제시키는 석영으로 용기(101) 및 라이너(120)가 만들어진다.
웨이퍼(108)의 배치는 로드 록(load lock) 또는 로드포트(loadport)(도시되 지 않음)를 통해 열처리 장치(100)에 도입된 다음, 프로세스 챔버의 액세스(access) 또는 개구부 또는 프로세스 챔버와 기밀 상태의 밀봉을 형성할 수 있는 베이스 플레이트(124)를 통해 프로세스 챔버(102)에 도입된다. 도 1에 도시된 구성에서는, 프로세스 챔버(102)는 수직형 반응기이며, 액세스는 가동형 받침대(130)를 활용하는데, 상기 받침대는 처리 시에는 O-링(132)과 같은 밀봉재로 베이스 플레이트(124) 상에 밀봉하도록 위로 올려지고, 작업자 또는 보트 핸들링 유닛(boat handling unit; BHU)(도시되지 않음)과 같은 자동화 취급 시스템이 받침대에 고정된 지지체(104) 상에 캐리어 또는 보트(106)를 위치시킬 수 있도록 아래로 내려진다.
가열 엘리먼트(112)는 프로세스 챔버(102)의 상부(134)(엘리먼트(112-3)), 측면(136)(엘리먼트(112-2)) 및 하부(138)(엘리먼트(112-1))에 근접하게 위치한 엘리먼트를 포함한다. 가열 엘리먼트(112)는, 양호한 시각적 인자를 달성하고 그 결과 웨이퍼(108)가 처리되는 프로세스 챔버의 등온 제어 체적 또는 프로세스 구역(128)을 제공하도록 웨이퍼를 둘러싸는 것이 유리하다. 프로세스 챔버(102)의 하부(138)에 근접한 가열 엘리먼트(112-1)는 받침대(130) 내부 또는 표면에 설치될 수 있다. 필요할 경우, 가열 엘리먼트(112-1)로부터 열을 보충하기 위해 추가 가열 엘리먼트를 베이스 플레이트(124) 내부 또는 표면에 설치할 수도 있다.
도 1에 도시한 실시예에서, 프로세스 챔버의 하부에 근접한 가열 엘리먼트(112-1)는 바람직하게 가동형 받침대(130) 내에 삽입되어 있다. 받침대(130)는 내장되거나 고정되어 있는 전기 저항 가열 엘리먼트(112-1)를 가진 열과 전기에 절 연성인 재료 또는 절연성 블록(140)으로 만들어진다. 받침대(130)는 가열 엘리먼트(112-1)의 제어에 사용되는 하나 이상의 피드백 센서 또는 T/C(141)를 추가로 포함한다. 도시된 구성에서, T/C(140)는 절연성 블록(140)의 중앙에 내장되어 있다.
측면 가열 엘리먼트(112-2) 및 상부 가열 엘리먼트(112-3)는 용기(101) 주위에 절연성 블록(110) 내부 또는 표면에 설치될 수 있다. 측면 가열 엘리먼트(112-2) 및 상부 가열 엘리먼트(112-3)는 절연성 블록(110) 내에 삽입되는 것이 바람직하다.
가열 엘리먼트(112) 및 절연성 블록(110, 140)은 다양한 방식 중 어느 하나로 구성될 수 있고 다양한 재료 중 어느 하나로 만들어질 수 있다.
1150℃ 이하의 원하는 처리 온도를 얻기 위해, 프로세스 챔버(102)의 하부(138)에 근접한 가열 엘리먼트(112-1)는 1150℃ 이하의 최대 처리 온도에서 약 0.1 kW 내지 약 10 kW의 최대 파워 출력을 갖는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 이들 하부 가열 엘리먼트(112-1)가 950℃ 이하의 최대 처리 온도에서 약 3.8 kW 이하의 최대 파워 출력을 갖는다. 일 실시예에서, 측면 가열 엘리먼트(112-2)는 기능면에서, 받침대(130)에 가장 근접한 하부 구역 및 상부 구역을 포함한 복수의 구역으로 분할되고, 각각의 구역은 독립적으로 상호간, 상부 가열 엘리먼트(112-3) 및 하부 가열 엘리먼트(112-1)와 상이한 파워 레벨 및 듀티 사이클(duty cycle)로 작동될 수 있다.
가열 엘리먼트(112)는 종래 기술에서 잘 알려진 형태의 제어 기법을 이용하거나 하는 임의의 적합한 방식으로 제어된다.
절연성 블록(140) 및 하부 가열 엘리먼트(112-1)로부터의 오염은 배제되지 않더라도 가열 엘리먼트와 절연성 블록을 전도된 석영 도가니(142) 내에 장착함으로써 감소될 수 있으며, 상기 도가니는 가열 엘리먼트와 절연성 블록과 프로세스 챔버(102) 사이에서 장벽 역할을 한다. 상기 도가니(142)는 또한 처리 환경의 오염을 더욱 감소시키거나 배제하기 위해 로드포트 및 BHU 환경에 대해 밀봉된다. 일반적으로, 도가니(142)의 내부는 표준 대기압 하에 있으므로, 도가니(142)는 프로세스 챔버(102)와 도가니(142)를 가로지르는 받침대(1300 사이에서 1기압에 달하는 압력차를 견딜 수 있도록 충분한 강도를 가져야 한다.
웨이퍼(108)가 로딩되거나 언로딩되는 동안, 즉 받침대(130)가 하강 위치(도 3)에 있는 동안, 하부 가열 엘리먼트(112-1)는 필요한 처리 온도보다 낮은 유휴(idle) 온도를 유지하도록 전력 공급된다. 예를 들면, 하부 가열 엘리먼트에 대한 필요한 처리 온도가 950℃인 프로세스에 있어서, 유휴 온도는 50∼150℃일 수 있다. 유휴 온도는, 더 높은 소요 처리 온도 및/또는 더 높은 원하는 승온 속도를 갖는 프로세스와 같은 특정 프로세스를 위해서, 또는 하부 가열 엘리먼트(112-1)에 대한 열 순환 효과를 감소시킴으로써 엘리먼트 수명을 연장하기 위해서 더 높게 설정할 수 있다.
예비 처리 시간, 즉 처리를 위해 열처리 장치(100)를 준비하는 데 필요한 시간을 더욱 단축하기 위해서, 푸시(push) 또는 로드하는 동안, 즉 웨이퍼(108)의 보트가 놓여있는 상태에서 받침대(130)를 상승시키는 동안, 원하는 처리 온도 또는 그보다 낮은 온도로 승온시킬 수 있다. 그러나, 웨이퍼(108) 및 열처리 장치(100) 의 부품에 대한 열 응력을 최소화하기 위해서, 하부 가열 엘리먼트(112-1)가, 프로세스 챔버(102)의 상부(134) 및 측면(136)에 각각 근접하게 위치한 가열 엘리먼트들(112-3, 112-2)과 동일한 시간에 원하는 처리 온도에 도달하도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 더 높은 처리 온도를 필요로 하는 경우와 같은 몇몇 프로세스에 있어서, 하부 가열 엘리먼트(112-1)의 온도는 배치의 웨이퍼(108) 중 최종 웨이퍼가 로딩되는 동안, 받침대(130)를 상승시키기 전에 승온되기 시작할 수 있다.
마찬가지로, 처리가 끝난 후 풀(pull) 또는 언로드 사이클이 진행되는 동안, 즉 받침대(128)를 하강시키는 동안, 웨이퍼(108)의 냉각 및 BHU에 의한 언로딩의 준비 단계로서, 받침대(130)를 유휴 온도까지 강하시키기 위해 하부 가열 엘리먼트(112-1)에 대한 전력을 감소시키거나 완전히 제거할 수 있음을 이해할 것이다.
풀 또는 언로드 사이클에 앞서 받침대(130)를 풀 온도로 냉각시키는 것을 보조하기 위해, 공기 또는 질소와 같은 불활성 퍼지 가스용 퍼지 라인을 절연성 블록(140)을 통해 설치한다. 질소는 절연성 블록(140)의 중심을 지나는 통로(144)를 통해 주입되어, 절연성 블록(140)의 상부 및 도가니(142)의 내부 사이로 흘러서 그 주위로 유출되도록 하는 것이 바람직하다. 이어서, 고온의 질소는 고효율 입자 공기(HEPA) 필터(도시되지 않음)를 통해 외부로 배출되거나 설비 배기부(도시되지 않음)로 배출된다. 이러한 중앙 주입 형태는 웨이퍼(108) 중앙의 보다 신속한 냉각을 용이하게 하고, 따라서 하부 웨이퍼(들)의 중앙/에지 온도 편차를 최소화하는 데 이상적이며, 그렇지 않은 경우에는 결정 격자 구조의 슬립-전위(slip-dislocation)로 인한 손상이 초래될 수 있다.
앞에서 언급한 바와 같이, 하부 가열 엘리먼트(112-1)의 수명을 연장하기 위해서, 열 사이클링 효과를 낮추도록 원하는 유휴 온도를 처리 온도에 더 근접한 온도로 더 높게 설정할 수 있다. 또한, 보호성 산화물 표면 코팅의 형성을 촉진하도록 산소 농후 분위기에서 가열 엘리먼트(112-1)를 주기적으로 베이크 아웃(bake out)하는 것이 바람직하다. 예를 들면, Kanthal®과 같은 알루미늄 함유 합금으로 저항식 가열 엘리먼트가 형성되어 있는 경우, 산소 농후 분위기에서 가열 엘리먼트(112-1)를 베이크 아웃하는 것은 알루미나 산화물 표면의 성장을 촉진한다. 따라서, 절연성 블록(140)은 가열 엘리먼트(112-1)를 베이크 아웃하는 동안 보호성 산화물 표면의 형성을 촉진하도록 산소 라인(도시되지 않음)을 추가로 포함할 수 있다. 이와는 달리, 3방 밸브를 통해 냉각용 질소를 공급하는 공정중에 사용되는 퍼지 라인을 통해 베이크 아웃용 산소를 도입할 수 있다.
도 3은 열처리 장치(100)의 부분 단면도이다. 도 3은 웨이퍼(108)가 로딩 또는 언로딩되는 동안, 즉 받침대(130)가 하강 위치에 있는 상태에서의 열처리 장치(100)를 나타낸다. 이 방식의 조작에서, 열처리 장치(100)는 받침대(130) 상부 및 보트(106) 내의 웨이퍼(108) 하부 위치로 회전 또는 슬라이딩하여 삽입될 수 있는 열 차폐물(146)을 추가로 포함한다. 열 차폐물(146)의 성능을 향상시키기 위해, 일반적으로 열 차폐물은 가열 엘리먼트(112-1)를 향하는 측면에서는 반사형이고, 웨이퍼(108)를 향하는 측면에서는 흡수형이다. 열 차폐물의 목적은 보트(106)에 있는 웨이퍼(108)의 냉각 속도를 증가시키고, 프로세스 챔버(102)를 원하는 처 리 온도로 승온시키는 데 필요한 시간을 단축하기 위해 받침대(130) 및 하부 가열 엘리먼트(112-1)의 유휴 온도 유지를 보조하는 것이다. 열 차폐물을 구비한 열처리 장치의 실시예를 도 3 내지 도 6을 참조하여 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 받침대 가열 엘리먼트(112-1) 및 열 차폐물(146)을 구비한 열처리 장치(100)의 실시예를 나타낸다. 도시된 실시예에서, 열 차폐물(146)은 암(148)을 거쳐, 풀 또는 언로드 사이클 도중에는 전기식, 공압식, 수압식 액추에이터에 의해 회전되어 열 차폐물(146)을 가열된 받침대(130)와 보트(106)에 있는 최저 웨이퍼(108) 사이의 제1 위치로 회전시키고, 보트(106)의 바닥이 챔버(102)에 진입하기 직전에 적어도 푸시 또는 로드 사이클의 최종 부분 또는 완료 시점에는 받침대와 웨이퍼들 사이에 있지 않은 제2 위치로 회전되거나 제거되도록 회전시키는 회전가능형 샤프트(150)에 부착되어 있다. 회전가능형 샤프트(150)는 받침대(130)를 승강시키는 데 사용되는 기구(도시되지 않음)에 장착되거나 고정됨으로써, 받침대의 상부가 프로세스 챔버(102)를 벗어나는 즉시 열 차폐물(146)을 정위치에 오도록 회전시킬 수 있다. 상기 차폐물(146)이 정위치에 설치되면, 로드 사이클 동안 가열 엘리먼트(112-1)는 다른 경우에 가능한 속도보다 빨리 원하는 온도로 가열될 수 있다. 마찬가지로, 언로드 사이클 동안 차폐물(146)은 받침대 가열 엘리먼트(112-1)로부터 방사되는 열을 반사함으로써 웨이퍼, 특히 받침대에 근접한 웨이퍼를 냉각시키는 데 도움을 준다.
이와는 달리, 회전가능형 샤프트(150)는 열처리 장치(100)의 다른 부분에 장 착되거나 고정되어 받침대(130)와 동기 상태로 축 방향으로 이동하도록 되어 있거나, 받침대가 완전히 하강되면 열 차폐물(146)을 정위치로 회전시키도록 되어 있다.
도 4는 도 3의 받침대 가열 엘리먼트(112-1)와 열 차폐물(146)의 모식도로서, 하부 가열 엘리먼트로부터의 열 에너지 또는 방사열을 반사하여 받침대(130)로 되돌리고, 배치 또는 웨이퍼 스택에 있는 하부 웨이퍼(108)로부터의 열 에너지 또는 방사열을 흡수하는 것을 나타낸다. 원하는 특징, 높은 반사율 및 높은 흡수율은 여러 가지 재료, 예를 들면 금속, 세라믹, 유리 또는 폴리머 코팅을 개별적으로 또는 조합하여 사용함으로써 얻어질 수 있다. 예로서, 하기 표에 여러 가지 적합한 재료 및 대응 파라미터를 수록한다.
[표 1]
재료 흡수율 반사율
스테인레스강 0.2 0.8
불투명 석영 0.5 0.5
폴리싱된 알루미늄 0.03 0.97
실리콘 카바이드 0.9 0.1
일 실시예에 따르면, 열 차폐물(146)은 일 면은 폴리싱되고 다른 면은 스커핑(scuffing)되거나, 연마 또는 조면화(roughening)된, 실리콘 카바이드(SiC), 불투명 석영 또는 스테인레스강과 같은 단일 재료로 만들어질 수 있다. 열 차폐물(146)의 표면을 조면화하는 것은 열전달 성질, 특히 반사율을 크게 변화시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 열 차폐물(146)은 2개의 상이한 재료층으로 만들어질 수 있다. 도 5는 SiC 또는 불투명 석영과 같이 흡수율이 높은 재료로 된 상층(152) 및 폴리싱된 스테인레스강 또는 폴리싱된 알루미늄과 같이 반사율이 높은 재료 또는 금속으로 된 하층(154)을 가진 열 차폐물의 모식도이다. 도면에서는 거의 동일한 두께를 가진 것으로 나타나 있지만, 상층(152)과 하층(154) 중 어느 하나는, 열팽창 계수의 차이로 인한 층들 사이의 열 응력의 최소화와 같은, 열 차폐물(146)에 대한 특수 요건에 따라 상대적으로 더 두꺼울 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예에서, 하층(154)은 상층(152)을 형성하는 석영판 상에 적층되거나, 성형되거나 도금된 폴리싱 금속으로 된 초박형 층 또는 필름일 수 있다. 상기 재료들은 일체식으로 성형 또는 인터록킹되거나, 본딩이나 파스너(fastener)와 같은 종래의 수단에 의해 결합될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 열 차폐물(146)은 하부 가열 엘리먼트(112-1)로부터 웨이퍼(108)를 더욱 단열시키기 위한 내부 냉각 채널(156)을 추가로 포함한다. 도 6에 나타낸 이 실시예의 한 형태에서, 냉각 채널(156)은 2개의 상이한 재료층(152, 154) 사이에 형성되어 있다. 예를 들면, 냉각 채널(156)은 밀링 또는 임의의 다른 적합한 기술을 이용하여 흡수율이 높은 불투명 석영층(152)에 형성되어, 티타늄이나 알루미늄 코팅과 같은 금속층(154) 또는 코팅으로 덮일 수 있다. 이와는 달리, 냉각 채널(156)은 금속층(154) 또는 금속층과 석영층(152) 모두에 형성될 수 있다.
도 7은 열 차폐물(146), 암(148), 회전가능형 샤프트(150) 및 액추에이터(155)를 포함하는 열 차폐물 어셈블리의 실시예의 사시도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 열처리 장치(100)는, 받침대(130)가 완전히 하강 된 위치에 있을 때 외부로부터 또는 로드 포트 환경으로부터 프로세스 챔버(102)를 분리하도록 보트(106) 상부의 위치에 회전, 슬라이딩 또는 다른 방법으로 이동시킬 수 있는 셔터(158)를 추가로 포함한다. 예를 들면, 셔터(158)는 받침대(130)가 하강된 위치에 있을 때 캐리어(106) 상부의 위치로 슬라이딩 삽입되고, 프로세스 챔버(106)가 분리되도록 상승시킬 수 있다. 대안적으로, 셔터(158)는 받침대(130)가 하강된 위치에 있을 때 캐리어(106) 상부의 위치로 회전되거나 스윙되고, 이어서 프로세스 챔버(106)가 분리되도록 상승시킬 수 있다. 선택적으로, 셔터(158)는 나사 또는 봉 주위로, 또는 상대적으로 회전되고, 그와 동시에 셔터가 스윙되어 캐리어(106) 상부의 위치로 삽입될 때 프로세스 챔버(102)가 분리되도록 상승시킬 수 있다.
CVD 시스템에서와 같이, 통상 진공 하에서 작동되는 프로세스 챔버(102)에 있어서, 셔터(158)는 프로세스 챔버(102)가 공정 압력 또는 진공까지 펌프 다운(pump down)될 수 있도록 베이스 플레이트(124)에 대해 진공 밀봉을 형성할 수 있다. 예를 들면, 공정 환경이 오염되는 잠재적 가능성을 감소 또는 배제하기 위해 웨이퍼의 순차적 배치들 사이에서 프로세스 챔버(102)를 펌프 다운하는 것이 바람직할 수 있다. 진공 밀봉의 형성은 O-링과 같은 대직경 밀봉재로 이루어짐으로써 셔터(158)가 밀봉재를 냉각하도록 소정 개수의 물 채널(160)을 포함할 수 있는 것이 바람직하다. 도 8에 도시한 실시예에서, 셔터(158)는 받침대(130)가 위로 올려진 위치에 있을 때 도가니(142)의 밀봉에 사용된 것과 동일한 O-링(132)으로 밀봉된다.
프로세스 챔버(102)가 통상 대기압에서 작동되는 열처리 장치(130)에 있어서, 셔터(158)는 단순히 프로세스 챔버의 바닥으로부터 열 손실을 줄이도록 설계된 단열 플러그(insulating plug)이다. 이를 달성하기 위한 일 실시예는 불투명 석영판의 이용을 수반하며, 상기 석영판은 그 밑 또는 내부에 소정 개수의 냉각 채널을 추가로 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다.
받침대(130)가 완전 하강 위치에 있을 때, 셔터(158)는 프로세스 챔버(102) 하부의 위치에 이동되어 들어간 다음, 하나 이상의 전기식, 수압식 또는 공압식 액추에이터(도시되지 않음)에 의해 프로세스 챔버를 분리하도록 위로 올려진다. 액추에이터는 압력 약 15∼60 paig의 공기를 이용하는 공압식 액추에이터인 것이 바람직하고, 상기 압력은 보통 열처리 장치(100)에서 공압식 밸브의 조작을 위해 활용된다. 예를 들면, 본 실시예의 한 방식에서, 셔터(158)는 짧은 암 또는 캔틸레버를 거쳐 두 측면에 부착되는 소정 개수의 휠(wheel)을 가진 플레이트를 포함할 수 있다. 작동 시, 상기 플레이트 또는 셔터(158)는 2개의 평행한 가이드 레일 상에서 프로세스 챔버(102) 하부의 정위치에 굴려 삽입된다. 그런 다음, 가이드 레일 상의 스톱(stop)이, 프로세스 챔버(102)가 밀봉되도록 캔틸레버를 피벗시켜 셔터(158)의 운동을 상방으로 평행이동시킨다.
도 9에 도시한 바와 같이, 열처리 장치(100)는, 처리중에 지지체(104) 및 보트(106)를 그 위에 지지된 웨이퍼(108)와 함께 회전시키는 자기 결합형 웨이퍼 회전 시스템(162)을 추가로 포함한다. 처리중에 웨이퍼(108)를 회전시키는 것은 가열 엘리먼트 및 프로세스 가스 유동에서의 모든 불균일성을 평균화하여 균일한 웨 이퍼 상의 온도 및 종 반응 프로파일(species reaction profile)을 생성함으로써 웨이퍼 내부(WIW) 불균일성을 개선한다. 일반적으로, 웨이퍼 회전 시스템(162)은 웨이퍼(108)를 약 0.1∼약 10 회전/분(RPM)의 속도로 회전시킬 수 있다.
웨이퍼 회전 시스템(162)은, 전기식 또는 공압식 모터와 같은 회전 모터(166)를 가진 구동 어셈블리 또는 회전 기구(164), 및 어닐링된 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 스테인레스강과 같은 내약품성 용기에 넣어진 자석(168)을 포함한다. 받침대(130)의 절연성 블록(140) 바로 밑에 위치한 스틸 링(170), 및 구동 샤프트(172)는 절연성 블록과 함께 회전 에너지를 받침대의 상부에 있는 절연성 블록 상부에 위치한 또 다른 자석(174)에 전달한다. 스틸 링(170), 구동 샤프트(172) 및 제2 자석(174)도 내약품성 용기에 넣어져 있다. 받침대(130)측에 위치한 자석(174)은 도가니(142)를 통해 프로세스 챔버(102)의 지지체에 내장되거나 고정된 스틸 링 또는 자석(176)과 자기식으로 결합된다.
받침대(130)를 통한 자기 결합형 회전 기구(164)는, 그것을 처리 환경 내에 위치시킬 필요성, 또는 기계적 피드스루를 가질 필요성을 배제함으로써, 잠재적 누설 및 오염의 원천을 배제한다. 또한, 회전 기구(164)를 외부에 처리 위치로부터 소정의 거리에 이격되게 위치시킴으로써, 회전 기구가 노출되는 최대 온도를 최소화하고, 그 결과 웨이퍼 회전 시스템(162)의 신뢰도 및 작동 수명을 증가시킨다.
전술한 바에 더하여, 웨이퍼 회전 시스템(162)은, 프로세스 챔버(102) 내의 스틸 링 또는 자석(176)과 받침대(130) 내의 자석(174) 사이에 적절한 보트(106) 위치 및 적절한 자기 결합을 보장하기 위해, 하나 이상의 센서(도시되지 않음)를 추가로 포함할 수 있다. 보트(106)의 상대적 위치를 결정하는 센서, 즉 보트 위치 확인 센서가 특히 유용하다. 일 실시예에서, 보트 위치 확인 센서는 보트(106) 상의 센서 돌출부(protrusion)(도시되지 않음) 및 베이스 플레이트(124) 하부에 위치한 광학적 또는 레이저 센서를 포함한다. 작동 시, 웨이퍼가 처리된 후, 받침대(130)는 베이스 플레이트(124)로부터 약 3인치 하강된다. 여기서, 웨이퍼 회전 시스템(162)은 보트 센서 돌출부가 보일 때까지 보트(106)의 회전을 시작한다. 이어서, 웨이퍼 회전 시스템(162)은 웨이퍼(108)의 언로딩이 가능하도록 보트를 정렬시킨다. 정렬이 이루어진 후, 보트를 로드/언로드 높이까지 하강시킨다. 초기 체크 후, 오직 플래그 센서(flag sensor)로부터 보트 위치를 확인할 수 있다.
도 10에 도시한 바와 같이, 개선된 주입기(216)를 열처리 장치(100)에 사용하는 것이 바람직하다. 상기 주입기(216)는 프로세스 가스 또는 증기가 웨이퍼(108) 및 보트(106)의 일 측면 상의 주입기 개구부 또는 오리피스(180)를 통해 도입되어, 웨이퍼의 표면을 가로질러 층류(laminar flow) 상태로 유동하여 반대측에 있는 챔버 라인(1200의 배출구 또는 슬롯(182)으로 배출되는 분배형 또는 교차 유동(X-유동) 주입기(216-1)이다. X-유동 주입기(116-1)는 종래의 상방 유동 또는 하방 유동 구성에 비해 향상된 프로세스 가스 또는 증기의 분배를 제공함으로써 웨이퍼(108)의 배치 내 웨이퍼(108)와 웨이퍼 사이의 균일성을 향상시킨다.
부가적으로, X-유동 주입기(216)는, 웨이퍼들(108) 사이의 강제 대류 냉각을 위한 냉각용 가스(예; 헬륨, 질소, 수소)의 주입을 포함하는 다른 목적에 이용될 수 있다. X-유동 주입기(216)를 이용함으로써, 종래의 상방 유동 또는 하방 유동 구성에 비해, 스택 또는 배치의 하부 또는 상부에 배치된 웨이퍼(108)와 중앙에 배치된 웨이퍼 사이에 보다 균일한 냉각이 이루어진다. 주입기(216) 오리피스(180)는 웨이퍼에 걸쳐 온도 구배를 크게 발생하지 않는 방식으로 웨이퍼들(108) 사이에 강제 대류 냉각을 촉진하는 분무 패턴을 제공하도록 하는 크기, 형상 및 위치를 갖는다.
도 11은 챔버 라이너(120)에 관한 주입기 오리피스(180) 및 웨이퍼(108)에 관한 배기 슬롯(182)의 예시적 부분을 나타내는 도 10의 열처리 장치(100)의 부분 측면 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 1차 및 2차 주입기(184, 186)의 오리피스(180-1, 180-2)로부터 예시적인 하나의 웨이퍼(108)를 가로질러 배기 슬롯(182-1, 182-2)으로 흐르는 가스의 층류를 나타내는, 도 10의 A-A 선을 따른 도 10의 열처리 장치(100)의 부분 평면도이다. 도 10에 도시된 배기 슬롯(182)의 위치는, 열처리 장치의 단일 단면도에서의 배기 슬롯 및 주입기(116-1)를 예시하는 도 12에 도시된 배기 슬롯(182-1, 182-2)의 위치로부터 변위되었음을 알아야 한다. 또한 웨이퍼(108) 및 챔버 라이너(120)에 대비한 주입기(184, 186) 및 배기 슬롯(182-1, 182-2)의 치수는 주입기로부터 배기 슬롯으로 흐르는 가스 흐름을 보다 명확히 하기 위해 과장된 것임을 알아야 한다.
또한 도 12에 도시한 바와 같이, 프로세스 가스 또는 증기는 초기에 웨이퍼(108)로부터 이격되게 라이너(120) 방향으로 진행하여 웨이퍼에 도달하기 전에 프로세스 가스 또는 증기의 혼합을 촉진시킨다. 이러한 오리피스(180-1, 180-2)의 구성은, 예를 들면 다성분 필름 또는 층을 형성하기 위해, 1치 및 2차 주입기(184, 186) 각각으로부터 상이한 반응제가 도입되는 프로세스 또는 방법에 특히 유용하다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 1차 및 2차 주입기(184, 186)의 오리피스(180)로부터 예시적인 하나의 웨이퍼(108)를 가로질러 배기 슬롯(182)으로 흐르는 가스의 다른 유동 경로를 나타내는, 도 10의 A-A 선을 따른 도 10의 열처리 장치(100)의 또 다른 부분 평면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 1차 및 2차 주입기(184, 186)의 오리피스(180)로부터 예시적인 하나의 웨이퍼(108)를 가로질러 배기 슬롯(182)으로 흐르는 가스의 다른 유동 경로를 나타내는, 도 10의 A-A 선을 따른 도 10의 열처리 장치(100)의 또 다른 부분 평면도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 1차 및 2차 주입기(184, 186)의 오리피스(180)로부터 예시적인 하나의 웨이퍼(108)를 가로질러 배기 슬롯(182)으로 흐르는 가스의 다른 유동 경로를 나타내는, 도 10의 A-A 선을 따른 도 10의 열처리 장치(100)의 또 다른 부분 평면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 2개 이상의 상방 유동 주입기(116-1, 116-2)를 가진 열처리 장치(100)의 단면도이다. 이 실시예에서, 프로세스 챔버(102) 하부에 각각의 유출 오리피스를 가진 프로세스 주입기(116-1, 116-2)로부터 도입된 프로세스 가스 또는 증기가 상방 및 웨이퍼(108)를 가로질러 흐르고, 폐가스는 라이너(120)의 상부에 있는 배기 슬롯(182)을 빠져나간다. 상방 유 동 주입기 시스템은 도 1에도 제시되어 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 하방 유동 주입기 시스템을 가진 열처리 장치(100)의 단면도이다. 이 실시예에서, 프로세스 챔버(102) 내 높은 위치에 각각의 오리피스를 가진 프로세스 주입기(116-1, 116-2)로부터 도입된 프로세스 가스 또는 증기는 하방으로 웨이퍼(108)를 가로질러 흐르고, 폐가스는 라이너(120)의 하부에 있는 배기 슬롯(182)을 빠져나간다.
유리한 점으로는, 주입기(116, 216) 및/또는 라이너(120)를 프로세스 구역(128)으로부터 프로세스 가스를 주입하고 배출하기 위한 지점이 상이한 다른 주입기 및 라이너로 신속하고 용이하게 교체할 수 있다. 당업자는 도 10에 도시된 x-유동 주입기(216)의 실시예가, 프로세스 챔버(102) 내의 유동 패턴을 도 10에 도시된 교차 유동 형태로부터 신속하고 용이하게 도 1 및 도 16에 도시된 바와 같은 상방 유동 형태, 또는 도 17에 도시된 바와 같은 하방 유동 형태로 변경할 수 있게 함으로써 어느 정도 공정의 융통성을 더하고 있음을 이해할 것이다. 이것은 유동 형태를 교차 유동으로부터 상방 또는 하방 유동으로 변환시키는 데에 설치가 용이한 주입기 어셈블리(216) 및 라이너(120)를 이용함으로써 달성될 수 있다.
주입기(116, 216) 및 라이너(120)는 분리된 구성 요소일 수도 있고, 또는 주입기를 라이너와 단일체가 되도록 일체로 형성할 수도 있다. 일체화 형태인 후자의 실시예는 프로세스 챔버(102)의 형태를 자주 바꾸는 것이 바람직한 응용분야에 특히 유용하다.
열처리 장치(100)를 조작하는 방법 또는 공정의 예를 도 18을 참조하여 설명 한다. 도 18은 웨이퍼의 배치에 있는 각각의 웨이퍼를 신속하고 균일하게 원하는 온도로 가열하는, 웨이퍼(108)의 배치를 열처리하는 방법의 단계를 나타내는 플로차트이다. 상기 방법에서, 받침대(130)를 하강시키고, 온도를 유지하는 한편 마감처리 웨이퍼(108)를 단열시키기 위해 하부 가열 엘리먼트(112-1)로부터의 열을 반사하여 받침대(130)로 되돌리기 위해 받침대(130)를 하강하는 동안 열 차폐물(142)을 소정 위치로 이동시킨다(단계 190). 선택적으로, 프로세스 챔버(102)를 밀봉 또는 격리시키는 위치로 셔터(158)를 이동시키고(단계 192), 프로세스 챔버(102)를 중간 온도 또는 유휴 온도로 예열을 시작하거나 유지하기 위해 가열 엘리먼트(112-2, 112-3)에 파워를 인가한다(단계 194). 새 웨이퍼(108)가 로딩된 캐리어 또는 보트(106)를 받침대(130) 상에 위치시킨다(단계 196). 보트를 프로세스 구역(128)에 위치시키기 위해 받침대(130)를 상승시키는 동시에, 셔터(158)와 열 차폐물(142)을 제거하고, 웨이퍼를 중간 온도로 예열하기 위해 하부 가열 엘리먼트(112-1)의 온도를 올린다(단계 197). 열 차폐물(142)은 보트(106)가 프로세스 구역(128)에 위치하기 직전에 제거하는 것이 바람직하다. 프로세스 가스 또는 증기와 같은 유체를 복수의 주입구(180)를 통해 웨이퍼(108)의 일 측면에서 도입한다(단계 198). 유체는 주입구(180)로부터 웨이퍼(108)의 표면을 가로질러 주입구에 대해 웨이퍼의 반대측에 있는 라이너(120)에 위치한 배기구(182)로 유동한다(단계 199). 선택적으로, 웨이퍼(108)의 배치를 열처리하는 동안 열처리의 균일성을 더욱 높이기 위해, 받침대(130)를 통해 기계적 에너지를 캐리어 또는 보트(106)에 자기적으로 결합하여 웨이퍼의 열처리 동안 캐리어 또는 보트를 원위 치(reposition)시킴으로써 보트(106)를 프로세스 구역(128) 내에서 회전시킬 수 있다(단계 200).
다음으로, 또 다른 실시예에 따라 열처리 장치(100)를 조작하는 방법 또는 공정을 도 19를 참조하여 설명한다. 도 19는 캐리어에 수용된 웨이퍼(108)의 배치를 열처리하는 방법의 실시예에서 이루어지는 단계를 나타내는 플로차트이다. 본 방법에서, 웨이퍼(108)가 탑재된 캐리어(106)를 수납하는 데 필요한(가드 히터는 없는) 것보다 실질적으로 더 크지 않은 치수와 체적의 프로세스 챔버(102)를 구비한 장치(100)를 제공한다. 받침대(130)를 하강시키고, 웨이퍼(108)를 탑재한 보트(106)를 받침대 상에 위치시킨다(단계 202). 보트를 프로세스 챔버(102)에 삽입하기 위해 받침대(130)를 상승시키는 동시에, 웨이퍼(108)를 중간 온도로 예열한다(단계 204). 프로세스 챔버의 가열을 시작하기 위해, 각각 프로세스 챔버(102)의 상부 벽(134), 측면 벽(136) 및 하부 벽(138) 중 적어도 하나에 근접하게 배치된 가열 엘리먼트(112-1, 112-2, 112-3)에 파워를 인가한다(단계 206). 선택적으로, 프로세스 챔버(102) 내 프로세스 구역(128)의 원하는 온도에서 실질적으로 등온 환경을 제공하기 위해 상기 가열 엘리먼트 중 적어도 하나에 인가하는 파워를 독립적으로 조절한다(단계 208). 웨이퍼(108)의 열처리가 완료되었을 때, 프로세스 구역(128) 내에 원하는 온도를 유지하면서 받침대(130)를 하강시키고, 마감처리된 웨이퍼(108)를 단열시키는 위치로 열 차폐물(142)을 이동시키고, 가열 엘리먼트(112-1)로부터의 열을 반사하여 받침대(130)로 되돌려 프로세스 챔버의 온도를 유지한다(단계 210). 또한, 선택적으로, 프로세스 챔버(102)를 밀봉 또는 격리시 키는 위치로 셔터(158)를 이동시키고, 프로세스 챔버의 온도를 유지하도록 가열 엘리먼트(112-2, 112-3)에 파워를 인가한다(단계 212). 이어서 보트(106)를 받침대(130)로부터 제거하고(단계 214), 처리할 웨이퍼의 새 배치가 로딩된 또 다른 보트를 받침대 상에 위치시킨다(단계 216). 셔터(158)를 원위치시키거나 제거하고(단계 (218), 보트(106)에 탑재된 웨이퍼(108)를 중간 온도로 예열하기 위해 열 차폐물을 철수 또는 원위치시키는 동시에, 웨이퍼의 새 배치를 열처리하기 위해 프로세스 챔버(102) 내에 보트를 삽입하도록 받침대(130)를 상승시킨다(단계 220).
이상 설명한 바와 같이 제공되어 작동되는 열처리 장치(100)는 종래의 시스템에 비해 처리 시간 또는 사이클 시간을 약 75% 만큼 단축하는 것으로 판정되었다. 예를 들면, 종래의 대형 배치 열처리 장치는 100개의 제품 웨이퍼를 전처리 시간과 후처리 시간을 포함하여 약 232분에 처리할 수 있다. 본 발명의 열처리 장치(100)는 제품 웨이퍼(108) 25개의 소형 배치에 대해 동일한 처리를 약 58분에 실행한다.
이하에서 도 20 내지 도 42를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 교차 유동(X-유동) 라이너를 설명한다.
스텝형 라이너는 일반적으로 프로세스 가스 속도를 증가시키는 전통적인 상방 유동 수직 가열로 및 확산 컨트롤에 사용된다. 상기 라이너는 또한 웨이퍼 내부의 균일성을 향상시키는 것을 보조하는 데 사용된다. 불행하게도, 스텝형 라이너는, 주입된 모든 가스를 강제로 스택 하부까지 모든 표면을 통과하여 흐르도록 하는 반응 가스의 단일 주입 지점으로 인해 일어나는 스택 하부 결핍(down-the- stack-depletion) 문제를 교정하지 못한다. 종래 기술의 수직 교차 유동 가열로에서는 상기 스택 하부 결핍 문제가 해결된다. 그러나, 웨이퍼들 사이 대신에 웨이퍼 캐리어와 라이너 내부 사이의 갭 부위에서 최소 저항(least resistance)의 유동 경로(flow path)가 생성될 수 있다. 이 최소 저항 경로는 제조 공정에 불리한 와류 또는 정체를 일으킬 수 있다. 가열로 내의 와류 및 정체는 일부 프로세스 화학에 대해서 웨이퍼 전체의 불균일성 문제를 생성할 수 있다.
본 발명은 캐리어 내에 지지된 각 기판의 표면을 가로질러 균일한 가스 유동을 제공함으로써 웨이퍼 내 균일성을 현저히 향상시키는 교차 유동 라이너를 제공한다. 일반적으로, 본 발명의 교차 유동 라이너는, 웨이퍼 캐리어에 일치하는 패턴과 사이즈를 라이너가 가질 수 있도록 교차 유동 주입 시스템을 수납하는 길이 방향 볼록부를 포함한다. 라이너와 웨이퍼 캐리어 사이의 갭은 크게 감소되고, 그 결과 종래의 가열로에서 일어나는 와류 및 정체를 줄이거나 피할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너(232)를 포함하는 열처리 장치(230)를 나타낸다. 본 발명의 설명을 간략히 하기 위해, 본 발명에 밀접하게 관련되지 않은 요소들은 도면에 표시되지 않고 설명을 생략한다. 일반적으로, 열처리 장치(230)는 프로세스 챔버(236)를 형성하는 용기(234)를 포함하고, 프로세스 챔버는 웨이퍼(242)의 배치가 내장된 캐리어(240)를 수용하도록 되어 있는 지지체(238)를 가진다. 열처리 장치(230)는 웨이퍼(242)의 온도를 열처리를 위해 필요한 온도까지 올리기 위한 열원 또는 가열로를 포함한다. 웨이퍼(242) 근방의 처리 가스 또는 증기의 농도를 증가시키고 프로세스 챔버(236)의 내면에 형성될 수 있는 퇴적물의 플레이킹(flaking) 또는 박리(peeling)로 인한 웨이퍼(242)의 오염을 감소시키기 위해, 교차 유동 라이너(232)를 제공한다. 상기 라이너(232)는 웨이퍼 캐리어(240)의 윤곽(contour)에 일치하는 패턴을 가지며, 웨이퍼 캐리어(242)와 라이너 벽 사이의 갭을 감소시키는 크기로 되어 있다. 라이너(232)는 베이스 플레이트(246)에 장착되어 밀봉된다. 라이너(232)와 웨이퍼 캐리어(240) 사이에는 교차 유동 주입 시스템(250)이 설치되어 있다. 가스는 웨이퍼(242) 및 캐리어(240)의 일 측면으로부터 복수의 주입구 또는 오리피스(252)를 통해 도입되어 이하에 설명하는 바와 같이 층류 상태로 웨이퍼의 표면을 가로질러 흐른다. 가스 또는 반응 부산물을 배출시키기 위해 라이너(232)의 반대측에는 복수의 슬롯(254)이 형성되어 있다.
교차 유동 라이너는 고온 및 고진공 조작의 열적, 기계적 응력을 견딜 수 있고, 처리 시 사용되거나 방출되는 가스와 증기로부터의 부식에 견딜 수 있는, 임의의 금속, 세라믹, 결정질 또는 유리질 재료로 만들어질 수 있다. 교차 유동 라이너는, 기계적 응력을 견디는 충분한 두께를 가지고, 공정 부산물의 퇴적에 내성이고, 그에 따라 처리 환경의 잠재적 오염을 감소시키는, 불투명하거나, 반투명하거나 투명한 석영 유리로 만들어지는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 라이너는 웨이퍼가 처리되는 영역 또는 프로세스 구역으로부터 이격시켜 전도열을 감소시키거나 제거하는 석영으로 만들어진다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너(232)의 외형을 나타낸다. 일반적으로, 교차 유동 라이너(232)는 폐쇄 단부(258) 및 개방 단 부(260)를 가진 실린더(256)를 포함한다. 실린더(256)에는 교차 유동 주입 시스템(도시되지 않음)을 수납하기 위한 길이 방향 볼록부(262)가 제공되어 있다. 바람직하게, 볼록부(262)는 실린더(256)의 실질적 길이 만큼 연장된다. 가스 및 반응 부산물을 배출시키기 위해, 실린더(256)의 길이 방향으로 볼록부(262)의 맞은편에는 복수의 길이 방향 슬롯(254)이 제공되어 있다. 교차 유동 라이너(232)는 웨이퍼 캐리어(240) 및 캐리어 지지체(238)의 윤곽에 일치하는 크기와 패턴을 갖는다. 일 실시예에서, 라이너(232)는 웨이퍼 캐리어(240)에 일치하는 크기의 제1 섹션(261) 및 캐리어 지지체(238)에 일치하는 크기의 제2 섹션(263)을 포함한다. 제1 섹션(261)의 직경은 제2 섹션(263)의 직경과 다를 수 있다. 즉, 라이너(232)는 웨이퍼 캐리어(240)와 캐리어 지지체(238)에 각각 일치하도록 "스텝형"으로 되어 있을 수 있다. 일 실시예에서, 라이너(232)의 제1 섹션(261)은 캐리어 외경의 약 104∼110%에 해당하는 내경을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 라이너(232)의 제2 섹션(263)은 캐리어 지지체(238)의 외경의 약 115∼120%에 해당하는 내경을 갖는다. 제2 섹션(263)에는 O-링과 같은 밀봉재가 가열 엘리먼트에 의해 과열되는 것을 막기 위한 하나 이상의 열 차폐물(264)이 제공될 수 있다.
도 23은 상기 제1 섹션(261)과 제2 섹션(263) 사이의 스텝을 나타내는 교차 유동 라이너(232)의 측면도이다. 길이 방향 볼록부(262)는 제1 섹션(261)의 길이 만큼 연장된다. 각 기판의 표면을 가로질러 하나 이상의 가스를 도입하기 위한 주입 시스템(도시되지 않음)이 볼록부(262)에 수납되어 있다. 제2 섹션(263)에는 하나 이상의 열 차폐물(264)이 제공될 수 있다.
도 24는 교차 유동 주입 시스템을 수용하기 위한 개구부(266)를 가진 실린더(256)의 폐쇄 단부(258)를 나타내는 교차 유동 라이너(232)의 평면도이다. 도 25에 상세히 도시된 바와 같이, 폐쇄 단부(258)에 있는 개구부(266)는 교차 유동 주입 시스템을 배향시키고 안정화하기 위한 노치(notch)(268)를 가진다. 예시를 위해서 3개의 노치가 개구부(266)에 도시되어 있지만, 주입 시스템의 주입구가 원하는 임의의 방향으로 배향될 수 있도록 임의 개수의 노치를 형성할 수 있음을 알아야 한다.
교차 유동 주입 시스템(250)은 축을 중심으로 360도 회전 가능한 하나 이상의 기다란 관을 포함할 수 있다. 본 출원과 동시에 출원된 미국 특허출원 제___호(대리인 사건 일람 번호 33606/US/2)는 주입 시스템의 일 실시예를 기술하고 있으며, 그 개시 내용은 전체로서 인용되어 본 명세서에 포함된다. 바람직한 실시예에서, 기다란 관에는 반응제 및 기타 가스를 각 기판의 표면에 가로질러 유동시키기 위한, 복수의 주입구 또는 오리피스(252)가 길이 방향으로 관에 분배되어 제공된다. 일 실시예에서, 기다란 관은 폐쇄 단부(258)의개구부(266)에 있는 노치(268) 중 하나에 기다란 관을 고정하기 위한 인덱스 핀(도시되지 않음)을 포함한다. 일 실시예에서, 관에 있는 주입구 또는 오리피스(252)는 인덱스 핀과 일렬로 형성되어 있다. 따라서, 기다란 관이 설치되어 있을 때, 핀은 노치(268) 중 하나에 고정되고, 관에 있는 주입구(252)는 노치에 고정된 인덱스 핀에 의해 정해지는 방향으로 배향된다.
본 발명의 교차 유동 라이너는, 라이너와 웨이퍼 캐리어 사이의 갭을 줄이기 위해 라이너가 웨이퍼 캐리어의 윤곽에 일치될 수 있도록 교차 유동 주입 시스템이 내부에 수납될 수 있는 볼록부를 포함하는 것이 유리하다. 이것은 라이너 내벽과 웨이퍼 캐리어 사이의 갭 부위에서 와류 및 정체를 감소시키는 데 도움이 되며, 그에 따라 유동 균일성을 향상시키고, 그와 연관되어 증착된 필름의 품질, 균일성 및 재현성을 향상시킨다.
도 23 내지 25에 도시된 실시예에서, 볼록부(262)에는 2개의 기다란 주입관(도시되지 않음)이 제공된다. 라이너(232)의 폐쇄 단부(258)에는 2개의 기다란 주입관을 수용하기 위한 2개의 개구부(266)가 형성되어 있다. 개구부(266)에는 주입구(252)를 특정 방향으로 배향시키기 위한 노치(268)가 형성되어 있다. 기다란 주입관이 360도로 조절될 수 있고 주입구(252)가 원하는 임의의 방향으로 배향될 수 있도록 노치는 임의의 개수로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 기다란 관의 인덱스 핀은 주입구(252)가 라이너(232)의 내면을 향하여 배향되도록 노치(268A)에 수용된다. 도 26에 나타낸 바와 같이, 주입구(252)에서 나오는 가스는 내벽(270)에 충돌하여 각 기판(242)의 표면을 가로질러 흐르기 전에 볼록부(262)에서 혼합된다. 또 다른 실시예에서, 기다란 관의 인덱스 핀은 각각의 주입관의 주입구(252)가 서로 마주보고 배향되도록 노치(268B)에 수용된다. 도 27에 나타낸 바와 같이, 주입구(252)에서 나오는 가스는 서로 충돌하여 각 기판(242)의 표면을 가로질러 흐르기 전에 볼록부(262)에서 혼합된다. 또 다른 실시예에서, 기다란 관의 인덱스 핀은, 도 28에 나타낸 바와 같이, 주입구(252)가 기판(242)의 중앙을 향하여 배향되도록 노치(268C)에 수용된다.
도 29 내지 34는 챔버 내부에서 기판의 표면을 가로지르는 가스 유동선을 나타내는 "입자 궤적(particle trace)" 그래픽이다. 도면의 그래픽은 주입구로부터 배기 슬롯까지의 입자 궤적(272)이 심하게 불균형을 이룬 유동 상태에 있는 것을 나타낸다. 제1(가장 왼쪽) 주입구로부터의 유동 모멘텀은 제2(가장 오른쪽) 주입구보다 10배 더 높다. 도 29, 31 및 33에 도시한 바와 같이, 본 발명의 교차 유동 라이너는 종래 기술의 라이너에 비해 기판 표면을 가로질러 균일한 가스 유동을 제거하는 데 크게 유리하다. 본 발명의 교차 유동 라이너의 볼록부는 기판 표면을 가로질러 흐르기 전에 주입구에서 나오는 가스를 위한 혼합 챔버를 제공하며, 따라서 가스의 "탄도형 혼합(ballistic mixing)"의 모멘텀 전달을 촉진한다. 이와 대조적으로, 본 발명의 볼록부가 없는 종래 기술의 라이너를 구비한 챔버에서는, 기판 표면을 가로지르는 가스 유동이 도 30, 32 및 34에 도시된 바와 같이 불규칙하고 불균일하다.
도 35는 라이너 실린더의 벽에 뚫려 있는 복수의 길이 방향 슬롯(254)을 나타내는 교차 유동 라이너(232)의 외부 측면도이다. 슬롯(254)의 크기와 패턴은 사전 결정되고 볼록부(262)의 반대측에 길이 방향으로 제공된다. 일 실시예에서, 가스를 용이하게 배기하도록, 라이너에 있는 주입구들의 간격과 수는 주입관에 있는 주입구들의 간격과 수에 대응한다. 도 36 및 37은 라이너(232)의 제2 섹션에 있는 열 차폐물(264) 및 기다란 관을 라이너의 제2 섹션에 수용하고 안정화하기 위한 2개의 노치(274)를 나타내는 단면도이다.
도 38 및 39는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 하나의 기다란 주입 관(276)이 볼록부(262)에 수납되어 있다. T자형 관(278)이 라이너(232)의 제2 섹션(263) 내 기다란 관(276)에 연결되어 있다. 두 가지 가스가 각각 기다란 관(276)과 T자형 관(278)에 도입되고, 주입구를 빠져나가기 전에 기다란 관(276)에서 예비혼합된다.
작동 시, 진공 시스템이 반응 챔버(236) 내에 진공압을 생성한다. 진공압은 용기(234)의 길이 방향으로 작용한다. 교차 유동 라이너(232)는 진공압에 응답하여 작동함으로써 교차 유동 라이너(232) 내부에 제2 진공을 생성한다. 제2 진공압은 용기(234)의 길이 방향을 횡단하는 방향으로 각 기판(242)의 표면을 가로질러 작용한다. 두 가지 가스, 예를 들면 제1 가스 및 제2 가스는 2개의 상이한 가스 소스로부터 주입 시스템의 2개의 연신된 관에 도입된다. 가스는 웨이퍼(242)의 일 측면 상의 주입구(252)를 빠져나가고, 2개의 인접한 웨이퍼 사이에 형성된 경로에서 웨이퍼(242)를 가로질러 층류로서 운반된다. 과량의 가스 또는 반응 부산물은 기다란 관에 있는 주입구(252)에 대응하는 라이너 벽의 길이 방향 슬롯(254)을 통해 배출된다.
도 40은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너를 포함하는 열처리 장치에 대한 컴퓨터 유체 동역학(computational fluid dynamics; CFD)를 나타낸다. 교차 유동 라이너는 감소된 직경을 가지며 웨이퍼 캐리어에 일치한다. 주입 시스템은 각각의 기판 표면을 가로질러 반응제 또는 다른 가스를 도입하기 위한 복수의 주입구를 각각 가진 2개의 기다란 주입관을 포함한다. 주입구는, 주입구를 빠져나가는 가스가 라이너 벽에 충돌하여 각 기판의 표면을 가로질러 유동하기 전에 볼록 부에서 혼합되도록 라이너 내측 표면을 향하여 배향된다. 일 실시예에서, 2개의 주입관에 도입된 가스는 각각 75 sccm 하에서 BTBAS(비스 tert-부틸아미노실란) 및 NH3였다. 도 40은 양호한 크로스-웨이퍼 속도를 나타낸다.
도 41은 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너를 포함하는 열처리 장치에 대한 컴퓨터 유체 동역학(CFD)을 나타낸다. 교차 유동 라이너는 감소된 직경을 가지며 웨이퍼 캐리어에 일치한다. 교차 유동 주입 시스템은 라이너의 볼록부에 수납된다. 주입 시스템은 각각의 기판 표면을 가로질러 반응제 또는 다른 가스를 도입하기 위한 복수의 주입구를 각각 가진 2개의 기다란 주입관을 포함한다. 주입구는 기판의 중심을 향한 방향으로 배향된다. 일 실시예에서, 2개의 주입관에 도입된 가스는 각각 75 sccm 하에서 BTBAS(비스 tert-부틸아미노실란) 및 NH3였다. 도 41은 양호한 크로스-웨이퍼 속도를 나타낸다.
도 42는 본 발명의 일 실시예에 따른 교차 유동 라이너를 포함하는 열처리 장치에 대한 컴퓨터 유체 동역학(CFD)을 나타낸다. 교차 유동 라이너는 감소된 직경을 가지며 웨이퍼 캐리어에 일치한다. 교차 유동 주입 시스템은 라이너의 볼록부에 수납된다. 주입 시스템은 각각의 기판 표면을 가로질러 반응제 또는 다른 가스를 도입하기 위한 복수의 주입구를 각각 가진 2개의 기다란 주입관을 포함한다. 주입구는, 주입구를 빠겨나가는 가스가 서로 충돌하여 각 기판의 표면을 가로질러 유동하기 전에 혼합되도록 서로 마주보는 방향으로 배향된다. 일 실시예에서, 2개의 주입관에 도입된 가스는 각각 75 sccm 하에서 BTBAS(비스 tert-부틸아미노실란) 및 NH3였다. 도 42는 양호한 크로스-웨이퍼 속도를 나타낸다.
이상과 같은 본 발명의 특정한 구현예 및 실시예는 예시와 설명을 위해 제시된 것이며, 특정한 선행예에 의해 본 발명을 설명하고 예시했지만, 그러한 예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 그러한 예는 철저한 것으로 의도되거나 정확히 개시된 형태에 본 발명을 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서의 교시를 통해 본 발명의 범위 내에서 여러 가지로 변형, 개선 및 변경할 수 있다. 본 발명의 범위는 여기에 개시된 바에 따라, 또한 첨부된 청구의 범위 및 그 등가물에 의해 포괄적 영역을 포함하는 것을 도모한다.

Claims (13)

  1. 캐리어(carrier)에 수용된 복수의 기판을 열처리하는 장치로서,
    상기 장치는 상기 캐리어를 둘러싸는 라이너(liner)를 포함하고,
    상기 라이너는, 상기 기판 각각의 표면을 가로질러 하나 이상의 가스를 도입하기 위한 주입 시스템(injection system)을 수납하는, 길이 방향 볼록부(bulging section)가 제공되어 있는 실린더를 포함하는
    열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라이너는 상기 캐리어에 일치하는 패턴 및 크기를 가지며, 상기 캐리어의 직경의 약 104∼110%인 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실린더에는 그 길이를 따라 가스 배기를 위한 복수의 슬롯이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실린더는 폐쇄 단부(closed end) 및 개방 단부(open end)를 포함하고, 상기 폐쇄 단부에는 상기 주입 시스템을 수용하는 하나 이상의 개구부가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실린더는 제1 섹션 및 제2 섹션을 가지고,
    상기 제1 섹션은 상기 캐리어에 일치하는 패턴 및 크기를 가지며, 상기 캐리어 직경의 약 104∼110%에 해당하는 제1 직경을 가지고,
    상기 제2 섹션은 상기 캐리어를 위한 지지체(support)에 일치하는 패턴 및 크기를 가지며, 상기 지지체 직경의 약 115∼120%에 해당하는 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 라이너는 상기 실린더의 상기 제2 섹션의 둘레 주위에 설치되는 하나 이상의 열 차폐물(heat shield)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주입 시스템은 복수의 주입구가 제공되어 있는 하나 이상의 기다란 관(tube)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기다란 관은 축을 중심으로 360도 회전 가능한 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  9. 폐쇄 단부 및 개방 단부를 가진 실린더를 포함하고,
    상기 실린더에는 주입 시스템을 수용하는 길이 방향 볼록부가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 교차 유동(cross-flow) 라이너.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실린더에는 상기 볼록부의 반대측에 복수의 폭 방향 슬롯이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 교차 유동 라이너.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 폐쇄 단부에는 상기 주입 시스템을 수용하는 크기를 가진 하나 이상의 개구부가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 교차 유동 라이너.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 개구부에는 하나 이상의 노치(notch)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 교차 유동 라이너.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 실린더는 제1 직경을 가진 제1 섹션 및 제2 직경을 가진 제2 섹션을 포함하고, 상기 제1 섹션에는 상기 볼록부의 반대측에 복수의 길이 방향 슬롯이 제공되어 있고, 상기 제2 섹션에는 상기 제2 섹션의 둘레 주위에 하나 이상의 열 차폐물이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 교차 유동 라이너.
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