KR20070081078A - 에칭 저항성 히터 및 그의 어셈블리 - Google Patents

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KR20070081078A
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아키노부 오타카
다케시 히구치
스리드하르 라마프라사드 프라사드
웨이 판
마르크 쉐프켄즈
더글라스 에이 롱워스
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 20℃/분 이상의 탁월한 램프(ramp) 속도, 표면을 가로지르는 최대 온도 차이(예컨대, 300mm에 걸쳐 >100℃), 하나 이상의 전극을 갖는, 웨이퍼 가공 어셈블리에 사용하기 위한 에칭 저항성 히터에 관한 것이다. 히터는, 히터가 1500℃보다 높은 히터 온도에서 70%보다 높은 복사 효율 및 600℃의 NF3 중에서 100Å/분 미만의 에칭 속도를 갖도록 하는 보호성 오버코팅 층으로 코팅된다.

Description

에칭 저항성 히터 및 그의 어셈블리{ETCH RESISTANT HEATER AND ASSEMBLY THEREOF}
도 1a 내지 도 1c는 히터의 한 표면에 열분해성 흑연 오버코팅(overcoat)을 갖는, 다양한 공정 단계에서 제조되는 히터의 한 실시양태를 도시하는 단면도이다.
도 1d 및 도 1e는 서셉터의 다양한 실시양태의 단면도이다.
도 1f 내지 1i는 코일 형상을 갖는(코일형의 기판으로부터 제조됨) 히터의 다양한 실시양태의 단면도이다.
도 2a 및 2b는 전체 히터 구조체를 보호하는 열분해성 흑연 오버코팅 층을 갖는, 다양한 공정 단계에서 제조되는 세라믹 히터의 두 번째 실시양태를 도시하는 단면도이다.
도 3a는 열분해성 흑연 가열 소자의 기하학적 패턴이 보이도록 상부 코팅 층이 제거된, 세라믹 히터의 한 실시양태의 평면도이다.
도 3b는 상부 및 하부의 비교적 편평한 표면 및 기판 홀더까지 실질적으로 횡단하여 연장되는 샤프트를 갖는 기판 홀더가 있는 히터 어셈블리의 다른 실시양태의 단면도이다.
도 4는 웨이퍼가 1500℃까지 가열될 때 히터 표면 온도를 조사하는 전산 유 체 역학(computational fluid dynamics; CFD) 계산에 사용하기 위한, 종래 기술의 히터를 사용하는 열 모듈을 도시하는 단면도이다.
도 5는 웨이퍼가 1500℃까지 가열될 때 히터 표면 온도를 조사하는 전산 유체 역학(CFD) 계산에 사용하기 위한, 도 1a 내지 도 1c의 히터를 사용하는 열 모듈을 도시하는 단면도이다.
도 6은 실온의 NF3 환경에서 다양한 물질의 에칭 속도를 도시하는 그래프이다.
도 7은 400℃에서 히터의 오버코팅 층의 한 실시양태의 에칭 속도를 열분해성 질화붕소 및 소결된 질화알루미늄을 비롯한 종래 기술의 다른 물질과 비교하는 그래프이다.
도 8은 에칭시킨 후 열분해성 질화붕소 코팅을 갖는 종래 기술의 히터의 사진(1/4배)이다.
도 9a는 종래 기술의 히터와 본 발명의 히터의 한 실시양태(PG 오버-코팅을 갖는 PBN 히터)를 비교하는 히터 램핑(ramping) 시험의 실험적인 구성의 다이어그램이다.
도 9b는 히터의 근접 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 종래 기술의 히터 및 본 발명의 히터의 한 실시양태(PG 오버-코팅을 갖는 PBN 히터)로부터 수득되는 히터 온도 및 서셉터 온도를 비교하는 그래프이다.
도 11은 400℃에서 1시간 및 5시간동안 에칭시킨 후, 본 발명의 히터의 오버코팅 층의 에칭 속도를 비교하는 그래프이다.
도 12는 600℃에서 1시간동안 연속적으로 에칭시킨 후 및 펄스식으로 에칭시킨 후에, 본 발명의 히터의 오버코팅 층의 에칭 속도를 비교하는 그래프이다.
본 발명은 일반적으로 전자 장치의 제조에 사용하기 위한 히터 및 히터 어셈블리에 관한 것이다.
본원은 본원에 참고로 인용된, 2006년 2월 9일자로 출원된 미국 특허원 제 60/771,745 호 및 2006년 4월 12일자로 출원된 미국 특허원 제 60/744,741 호에 기초한 우선권을 주장한다.
집적회로(IC), 미세-전기기계 시스템(MEM), 광전자 장치, 평면 패널 디스플레이 장치를 비롯한 전자 장치의 제조 방법은 물질의 조절된 침착 또는 성장 및 이미 침착/성장된 물질의 조절되고 때로는 선택적인 제거 또는 변형을 비롯한 몇 가지 주요 공정 단계를 포함한다. 저압 화학적 증착(LPCVD), 원자층 화학적 증착(ALD 또는 ALCVD), 열 화학적 증착(TCVD), 플라스마 향상된 화학적 증착(PECVD), 고밀도 플라즈마 화학적 증착(HDP CVD), 팽창 열 플라즈마 화학적 증착(ETP CVD), 열 플라즈마 화학적 증착(TPCVD) 및 금속 유기 화학적 증착(MOCVD) 등을 비롯한 화 학적 증착(CVD)은 통상적인 침착 공정이다.
CVD 공정중 일부에서는, 저압 및 고온 조건하에 반응기 내부에서 하나 이상의 기상 반응물을 사용하여, 반응기에 있는 기판 홀더에 위치된 반도체 웨이퍼 표면상에 고체 절연 또는 전도 층을 형성시킨다. CVD 공정의 기판 홀더/서셉터(susceptor)는 전형적으로 웨이퍼를 가열하기 위한 하나 이상의 가열 소자를 함유하는 히터로서의 기능을 할 수 있거나; 또는 웨이퍼를 정전기적으로 클램핑시키기 위한 하나 이상의 전극을 포함하는 정전척(electrostatic chuck; ESC)으로서의 기능을 할 수 있거나; 또는 가열 및 클램핑 둘 다를 위한 전극을 갖는 히터/ESC 조합체일 수 있다. 실리콘 웨이퍼상에 소정 두께의 필름을 침착시킨 후에는, 침착 공정에 노출된 반응기 벽, 반응기 창, 기체 주입기 표면, 배기 시스템 표면 및 기판 홀더 표면을 비롯한 반응기 내부의 다른 노출된 표면에 원하지 않는 침착물이 존재한다. 이러한 원치 않는 침착물은 후속 침착시 문제를 야기할 수 있는 바, 세정 공정으로 주기적으로, 즉 몇몇 경우에는 매번 웨이퍼를 침착시킨 후마다, 또한 다른 경우에는 웨이퍼 배치(batch)를 처리한 후에, 제거한다. 당해 분야의 통상적인 세정 공정은 원자 플루오르에 기초한 세정, 탄화플루오르 플라즈마 세정, 육플루오르화황 플라즈마 세정, 삼플루오르화질소 플라즈마 세정 및 삼플루오르화염소 세정을 포함한다. 세정 공정에서는, 반응기 구성요소, 예컨대 벽, 창, 기판 홀더 및 어셈블리 등이 부식/침범될 것으로 예측된다.
CVD 공정에서의 매우 부식성인 환경 외에, 이들 공정은 또한 고온, 즉 실리콘 웨이퍼의 경우 1000℃보다 높이 가열된다. 또한, 이들 공정에서, 웨이퍼는 동 시에 규정된 온도 균일성으로 유지되어야 한다. 대부분의 용도에서, 가열되어야 하는 표면이 가열 소자와 직접 물리적으로 접촉되어 위치될 때, 열은 전도를 통해 웨이퍼로 전달된다. 그러나, 몇몇 용도에서는 가열되어야 하는 표면과 가열 소자가 항상 실제로 물리적으로 접촉되는 것은 아니다. 금속 유기 화학적 증착(MOCVD) 공정은 하이테크 미세가공의 결정적인 단계인 박막 성장에 널리 이용된다. MOCVD 용도에서는, 시스템을 매우 높은 진공의 환경에 위치시키는데, 웨이퍼를 회전하는 표면(서셉터)상에 위치시켜 에피층(epilayer)의 균일성을 개선시킨다. 따라서, 이 회전하는 서셉터는 가열 소자에 직접 접촉할 수 없다. 가열 소자로부터 웨이퍼로의 열 전달은 대류에 의해서도 불가능하고(진공 조건 때문에) 전도에 의해서도 불가능하다(접촉하지 않기 때문에). 그러므로, 열 전달에 이용될 수 있는 유일한 메카니즘은 복사(또는 복사 가열 소자의 사용)이다. 또한, 웨이퍼를 지지하는 흑연 서셉터에 요구되는 온도 범위는 1200℃보다 높을 수 있다.
종래 기술의 한 실시양태에서는, 서셉터/히터/기판 홀더 같은 구성요소에 에칭-저항성 물질을 사용한다. CVD 공정의 고온에서, 종래 기술의 에칭-저항성 물질의 침식 속도는 기하급수적으로 증가한다. 이 때문에, 종래 기술의 히터는 예컨대 분해가 이루어지기도 하는 600 내지 1000℃에서 세정이 이루어질 수 있는 400℃까지 급감한다. 이러한 방법은 히터의 수명을 증가시키지만, 전체적인 처리량을 실질적으로 감소시킨다.
MOCVD 용도를 위해 고안된 열 모듈(thermal module)은 전형적으로 복사 가열 소자로서 고강도 램프를 사용한다. 이들 램프는 낮은 열 질량으로 인해 신속한 가 열 및 급속한 냉각이 가능하다. 이들은 또한 느린 온도 감소 없이 즉시 꺼질 수 있다. 고강도 램프에 의한 가열은 항상 웨이퍼 표면상에 목적하는 온도 균일성을 제공하지는 않는다. 온도 균일성을 개선시키기 위하여 다중-대역 램프를 사용할 수 있으나, 이들은 비용 및 유지 조건을 증가시킨다. 또한, 다수개의 램프는 선형 필라멘트를 사용하는데, 이는 둥근 웨이퍼에 균일한 열을 제공하는데 비효과적이다. MOCVD 용도의 몇몇 열 모듈에서는, 복사 가열 소자로서 저항성 기판 히터를 사용하여 안정하고 반복가능한 열원을 제공한다. 종래 기술의 대부분의 저항성 히터는 큰 열 질량을 갖는 경향이 있고, 이에 따라 흑연 서셉터 상에 1000℃보다 높은 온도를 가하는데는 부적합하다.
저항성 기판 히터(및 가열되지 않는 기판 홀더)용으로 흔히 사용되는 한 에칭-저항성 물질은 질화알루미늄이고, 소결된 질화알루미늄(AlN)이 가장 통상적이다. 불행하게도, 종래 기술의 소결된 AlN 기판 홀더는 분당 20℃ 미만의 속도로만 가열 또는 냉각될 수 있다는 중요한 한계를 갖는다. 조금이라도 더 빨리 변화시키면, 세라믹은 전형적으로 균열을 일으키게 된다. 뿐만 아니라, 세라믹에 균열이 생기기 전에도 기판 표면을 가로질러 절제된 온도 차이만이 유지될 수 있다.
미국 특허 제 6,140,624 호는 80%보다 높은 복사 효율을 위해 탄화규소 및 탄화붕소로 이루어진 군으로부터 선택되는 외부 코팅을 갖는 저항성 히터를 개시한다. 그러나, 매우 고온의 용도, 즉 요구되는 히터 온도가 1500℃보다 높은 경우에는, 탄화규소가 이렇게 높은 온도에서 분해되기 때문에 탄화규소 코팅이 제대로 작용하지 않게 된다. 반면, 탄화붕소 외부 코팅 층을 갖는 히터는 기술적으로 가능 하기는 하지만, 제조시 상업적으로 실용적이지 못하다.
본 발명은 개선된 장치, 즉 개선된 히터가 사용되는 세라믹 히터 또는 열 모듈 같은 웨이퍼 가공 어셈블리에 관한 것이고, 이 장치는 요구되는 고온까지 열 모듈의 웨이퍼를 가열하는데 탁월한 열 효율을 갖는다. 본 발명의 장치는 작동시 열화 및 분해의 위험성을 최소화하고 작동시 연장된 수명을 위한 탁월한 에칭 저항성을 가지면서, 웨이퍼에서 우수한 온도 균일성을 유지한다.
한 요지에서, 본 발명은 1500℃보다 높은 히터 온도에서 70%보다 높은 복사 효율을 갖는, 열 모듈의 부품으로서 사용될 수 있는 복사 히터 같은 장치에 관한 것이다. 한 실시양태에서, 장치는 질화붕소를 포함하는 베이스 기판(base substrate), 베이스 기판의 한쪽 면에 겹쳐지고 한 쌍의 접촉 말단을 형성하는 패턴화된 기하학적 구조를 갖는 가열 소자를 포함한다. 이 가열 소자를 둘러싸는 제 1 외부 코팅은 B, Al, Si, Ga, 내화성 경질 금속, 전이금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소의 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물중 하나 이상으로 구성되며, 제 2 외부 코팅은 1500℃보다 높은 히터 온도에서 70%보다 높은(바람직하게는 80% 이상) 복사 효율로 제 1 외부 코팅을 둘러싼다.
한 실시양태에서, 제 2 외부 코팅은 히터의 복사 표면상에서의 온도 균일성 을 개선시키도록(이는 웨이퍼의 열 균일성을 직접적으로 개선시킴) 제 1 외부 코팅의 평면 열 전도율의 3배 이상의 평면 열 전도율을 갖는다. 세번째 실시양태에서, 제 2 코팅은 열분해성 흑연을 포함한다.
다른 요지에서, 본 발명은 MOCVD 같은 고온 반도체 공정에 사용하기 위한 열 모듈에 관한 것이다. 열 모듈은 복사 가열 소자로서 상기 히터를 함유한다. 한 실시양태에서, 모듈은 히터 아래에 위치된 고반사성 물질을 포함하는 반사판 스택(reflector stack)을 추가로 포함하여, 발생된 열을 더욱 우수하게 보존한다. 추가적인 관상 반사판 차폐재(tubular reflector shield) 및 커버를 또한 부가하여 히터 동력을 더욱 더 우수하게 보존하는데 도움을 준다.
본원에 사용되는 어림하는 용어는 이에 관련된 기본적인 기능을 변화시키지 않으면서 변화될 수 있는 임의의 양 표현을 변형시키는데 사용될 수 있다. 따라서, "약" 및 "실질적으로" 같은 용어에 의해 수식된 값은 일부 경우에 규정된 정확한 값으로 한정되지 않을 수도 있다.
본원에 사용되는 용어 "히터"는 세라믹 히터로 한정되지 않으며, 열 모듈, 배치 로(batch furnace), CVD 공정 챔버 또는 반응기에서 실리콘 웨이퍼를 가열하거나 지지하는데 사용하기 위한 "서셉터", "웨이퍼 홀더" 또는 "히터/정전척 조합체"를 나타내는데 사용될 수 있다.
본원에 사용되는 "히터 어셈블리"는 "열 모듈", "배치 로", "CVD 공정 챔버" 또는 "반응기"와 호환가능하게 사용되어, 전자 장치 또는 웨이퍼가 가공되는 어셈블리를 일컫는다.
본원에 사용되는 "웨이퍼 기판" 또는 "기판"은 복수형으로 사용되지만, 이 용어를 사용하여 하나 또는 복수개의 기판이 사용될 수 있고 "웨이퍼"가 "기판" 또는 "웨이퍼 기판"과 호환가능하게 사용될 수 있음을 나타낸다. 마찬가지로, "히터", "서셉터", "전극" 또는 "가열 소자"는 복수형으로 사용될 수 있지만, 이 용어를 사용하여 하나 또는 복수개의 품목이 사용될 수 있음을 나타낸다.
이후, 히터의 제일 안쪽 층부터 바깥쪽으로, 즉 베이스 기판, 전극, 제 1 보호 코팅 층으로부터 상부 오버코팅 층으로 가면서 더욱 상세하게 본 발명을 설명한다.
베이스 기판: 한 실시양태에서, 장치는 요구되는 일체성 및 목적하는 형상으로의 기계 가공성을 갖는 디스크 형태의 베이스 기판(6)으로 도 1a에 도시된 바와 같이 단일 층으로 이루어진 베이스 기판을 포함한다. 도 1f에 도시된 다른 실시양태에서, 베이스 기판(6)은 연속적인 디스크 형태가 아니라, 코일 히터(5)용으로 성형된 코일로 패턴화되어 있다. 도 1g 및 도 1h는 코일형 베이스 기판을 갖는 히터의 다양한 실시양태의 단면도이다.
베이스 기판(6)은 내열성 및 강도 같은 탁월한 물리적 특성을 가짐을 그 특징으로 한다. 한 실시양태에서, 베이스 기판(6)은 흑연; W, 전이금속, 희토류 금속 및 합금 같은 내화성 금속; 및 이들의 조합조합이스 기판(6)은 B, Al, Si, Ga, 내화성 경질 금속, 전이금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물; 알루미늄의 산화물, 산화질화물; 및 이들의 조합중 하나 이상을 포함하는 소결된 물질을 포함한다. 또 다른 실시양태 에서, 베이스 기판(6)은 질화붕소와 질화알루미늄의 블렌드 같은 탁월한 기계 가공 특징을 가져서, 요구되는 일체성 및 목적하는 형상으로의 기계 가공성을 베이스 기판에 부여함을 그 특징으로 하는 물질을 포함한다.
한 실시양태의 베이스 기판(6)은 질화붕소 소결체, 질화붕소와 질화알루미늄의 혼합된 소결체중 임의의 하나로 이루어진다. 두 번째 실시양태에서, 베이스 기판(6)은 CVD 공정을 통해 형성된 열분해성 아질산붕소 판을 포함한다. 장치가 서셉터의 형태인 도 1d 및 1e에 도시된 한 실시양태에서, 베이스 기판(6)은 벌크 흑연을 포함한다.
도 2a에 도시된 또 다른 실시양태에서, 베이스 기판(6)은 제 1 오버코팅 층(6B)으로 코팅된 코어 베이스 판(6A)을 포함한다. 층(6B)은 적어도 B, Al, Si, Ga, 내화성 경질 금속, 전이금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소의 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물을 포함한다. 한 실시양태에서, 제 1 오버코팅 층(6B)은 1500℃ 이상의 고온에서 안정한 보호 층으로 pBN을 포함한다. 제 1 오버코팅 층(6B)은 팽창 열 플라즈마(ETP), 이온 도금, 화학적 증착(CVD), 플라즈마 향상된 화학적 증착(PECVD), 금속 유기 화학적 증착(MOCVD)(또한 유기금속 화학적 증착(OMCVD)라고도 불림), 금속 유기 증기상 적층성장(MOVPE), 스퍼터링 같은 물리적 증착 공정, 반응성 전자 빔(e-빔) 침착 및 플라즈마 분무를 포함하지만 이들로 국한되지는 않는 공정에 의해 베이스 판(6A) 상에 침착될 수 있다. 예시적인 공정은 ETP, CVD 및 이온 도금이다. 제 1 오버코팅 층(6B)의 두께는 용도에 따라 1㎛ 내지 수백㎛로 변하는 등, 용도 및 이용되는 공정(예컨대, CVD, 이온 도금, ETP 등)에 따라 변할 수 있다. 한 실시양태에서, 코팅(6B)은 약 10㎛ 이상의 두께를 갖는다. 다른 실시양태에서, 보호 코팅 두께는 약 50㎛ 이상이다. 세 번째 실시양태에서, 두께는 약 100㎛ 이상이다. 또 다른 실시양태에서, 두께는 500㎛ 이하이다.
전극 층/가열 소자: 장치가 세라믹 히터의 형태인 실시양태에서, 장치는 도 1a에 도시되어 있는 바와 같이 전극 층/가열 소자(7)를 추가로 포함한다. 한 실시양태에서, 전극(7)은 1500℃ 이상의 온도를 견딜 수 있는 금, 백금, 은, 금 또는 백금과 은의 혼합물, 티탄, 텅스텐, 탄탈, 열분해성 흑연 및 붕소 및/또는 탄화붕소를 함유하는 열분해성 흑연중 임의의 하나로 이루어진다.
한 실시양태에서, 전극(7)은 약 5 내지 500㎛의 두께를 갖는다. 두 번째 실시양태에서, 이는 10 내지 300㎛의 두께를 갖는다. 세 번째 실시양태에서, 전극 층은 30 내지 200㎛의 두께를 갖는다. 네 번째 실시양태에서, 전극(7)의 두께는 1 내지 30㎛이다. 다섯 번째 실시양태에서는 1 내지 10㎛이다.
한 실시양태에서, 전극(7)의 패턴 폭은 0.1 내지 20mm이다. 두 번째 실시양태에서, 패턴 폭은 0.1 내지 5mm이다. 세 번째 실시양태에서는, 5 내지 20㎛이다.
한 실시양태에서, 전극 층(7)은 베이스 기판의 상부 표면 또는 바닥 표면을 덮는다. 다른 실시양태에서, 전극 층(7)은 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이 베이스 기판(6)의 상부 표면과 바닥 표면 둘 다를 덮는다.
전극 층(7)을 베이스 기판(6) 상으로 침착시키는데, 물리적 증착(PVD), 스퍼터링, 이온 도금, 플라즈마-지지되는 증착 또는 화학적 증착을 비롯한 상이한 방법 을 이용할 수 있다.
한 실시양태에서는, 대향하는 말단을 갖는 열분해성 흑연의 긴 연속 스트립 형태로 전류 경로를 형성시키기 위하여, 상부 또는 바닥 전극 층(7)중 하나(또는 상부 및 바닥 전극 층 둘 다)를 소정 패턴, 예컨대 도 2a에 도시된 바와 같은 소용돌이형 또는 S자형의 기하학적 구조로 가공한다. 전류 경로는 소용돌이형 패턴, S자형 패턴, 나선형 패턴, 지그재그 패턴, 연속 미로 패턴, 소용돌이형 코일 패턴, 휘감긴 패턴, 무작위적인 회선형 패턴 및 이들의 조합중 하나일 수 있다. 가열 대역의 전기적 패턴, 즉 전기적으로 절연된 저항성 히터 경로의 제조는 미세 가공, 마이크로-브레이딩(micro-brading), 레이저 절삭, 화학적 에칭 또는 e-빔 에칭을 비롯한 당해 분야에 공지되어 있는 기법에 의해 수행될 수 있다.
전극 층(7)은 외부 동력 공급원(도시되지 않음)에 연결될 때 가열 소자를 형성한다. 한 실시양태에서, 전극(7)은 다양한 크기의 물체를 독립적으로 조절되어 가열 또는 냉각시키기 위한 복수개의 전극 대역을 한정하며, 이들 각 대역은 하나 이상의 전극 소자(7)를 포함한다.
보호 코팅 층: 히터 실시양태에서는, 전극 층을 갖는 베이스 기판을 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이 제 1 보호 코팅 층(8)으로 코팅시킨다. 도 1e에 도시된 서셉터 실시양태에서는, 제 1 보호 코팅 층(8)을 직접 베이스 기판(6) 상으로 도포한다.
보호 코팅 층(8)은 B, Al, Si, Ga, 내화성 경질 금속, 전이금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소의 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물; NaZr2(PO4)3의 NZP 구조를 갖는 높은 열안정성의 인산지르코늄; 원소 주기율표의 2a족, 3a족 및 4a족의 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 함유하는 유리-세라믹 조성물; Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu, Dy 등의 산화물을 포함하는 플라즈마-저항성 물질과 SiO2의 혼합물중 하나 이상을 포함한다.
한 실시양태에서, 질화물은 열분해성 질화붕소(pBN), 탄소 도핑된 pBN, 질화알루미늄(AlN), 탄소 도핑된 AlN, 산소-도핑된 AlN, 산화알루미늄, 산화질화알루미늄, 질화규소 또는 이들의 착체중 하나로부터 선택된다. 본원에 사용된 바와 같이, 질화알루미늄은 AlN, AlON 또는 이들의 조합을 지칭한다. 한 실시양태에서, 보호 코팅 층(8)은 AlN, AlON, Al2O3 또는 이들의 조합의 단일 층이다. 다른 실시양태에서, 이는 동일한 물질, 예컨대 AlN, AlON, Al2O3 등의 다중 코팅 또는 연속적으로 코팅되는 AlN, AlON, pBN, SiN 등의 복수개의 상이한 층을 포함하는 다층이다.
보호 코팅 층(8)은 ETP, 이온 도금, CVD, PECVD, MOCVD, OMCVD, MOVPE, 이온 플라즈마 침착, 스퍼터링 같은 물리적 증착 공정, 반응성 전자 빔(e-빔) 침착, 플라즈마 분무 및 이들의 조합중 임의의 방법에 의해 침착될 수 있다. 예시적인 공정은 ETP, CVD 및 이온 도금이다.
보호 코팅 층(8)의 두께는 용도 및 이용되는 공정(예컨대, CVD, 이온 도금, ETP 등)에 따라 달라진다. 한 실시양태에서, 층(8)은 1 내지 500㎛이다. 보다 두꺼운 보호 층이 사용될 때 통상적으로 보다 긴 수명 싸이클이 기대된다. 한 실시 양태에서, 보호 코팅 층(8)은 5 내지 500㎛의 두께를 갖는다. 두 번째 실시양태에서, 두께는 약 100㎛ 이상이다. 또 다른 실시양태에서, 두께는 약 300㎛ 이하이다.
상부 오버코팅 층: 도 1c에 도시된 한 실시양태에서, 장치는 코팅 층(8)의 상부 표면상에 형성되는 오버코팅 층(9)으로 추가로 코팅된다. 도 1d에서와 같은 서셉터의 한 실시양태에서, 오버코팅 층(9)은 아래에 놓인 기판(8)을 직접 덮는다. 도 1e에 도시된 바와 같은 서셉터의 또 다른 실시양태에서는, 기판(8)을 먼저 제 1 코팅 층(8)으로 코팅시킨 다음 오버코팅 층(9)으로 코팅한다.
상부 오버코팅 층(9)은 열 방출판(thermal spreader)으로서의 기능을 하며, 승온, 즉 1500℃ 이상에서 히터의 방사율(emissivity)을 향상시키며, 따라서 복사 열 전달 속도도 증가시킨다. 이는 다시 작동 히터 온도를 감소시키고 따라서 히터의 조기 열화를 방지하는데 도움이 된다. 오버코팅 층(9)은 또한 전극(7)이 기계적으로 손상되지 않도록 보호하는 기능을 한다.
도 2b에 도시된 한 실시양태에서는, 전체 히터 구조체가 밀폐성 보호 층(9)(상부 표면 및 바닥 표면 둘 다)으로 오버코팅되어 히터 구조체, 특히 코팅/절연 층(8)을 플라즈마 또는 세정 공정에 사용되는 화학 약품에 의한 공격으로부터 보호한다.
한 실시양태에서, 오버코팅 층(9)은 코팅 층(8)을 구성하는 물질의 열 전도율의 3배 이상의 평면 열 전도율을 갖는 물질을 포함하여, 웨이퍼상에서의 열 균일성을 개선시킨다. 두번째 실시양태에서, 오버코팅 층(9)은 오버코팅 층(8)의 열 전도율의 4배 이상의 평면 열 전도율을 갖는 물질을 포함한다. 한 실시양태에서, 오버코팅 층(9)은 100W/m°K보다 큰 열 전도율을 갖는 물질을 포함한다. 두번째 실시양태에서, 오버코팅 층(9)은 200W/m°K보다 큰 열 전도율을 갖는 물질을 포함한다. 세 번째 실시양태에서, 오버코팅 층(9)은 극히 높은 온도에서 잘 작용하고 2200℃까지 안정한 열분해성 흑연("PG")을 포함한다. CVD에 의한 침착 공정의 특성 때문에, PG는 2.25의 이론상 밀도에 근접하고 본질적으로 비-다공성이다.
ETP, 이온 도금, CVD, PECVD, MOCVD, OMCVD, MOVPE, 스퍼터링 같은 물리적 증착 공정, 반응성 전자 빔(e-빔) 침착, 플라즈마 분무 및 이들의 조합중 임의의 방법에 의해 오버코팅 층(9)을 침착할 수 있다.
오버코팅 층(9)의 두께는 용도 및 이용되는 공정, 예컨대 CVD, 이온 도금, ETP 등에 따라 변화한다. 한 실시양태에서, 층(9)의 두께는 1 내지 500㎛이다. 두 번째 실시양태에서, 보호 코팅 층(8)은 5 내지 500㎛의 두께를 갖는다. 세 번째 실시양태에서, 두께는 약 100㎛ 이상이다. 또 다른 실시양태에서, 두께는 약 300㎛ 이하이다.
한 실시양태에서, 오버코팅 층(9)은 0.05㎛ 이하의 Ra를 충족시키는 평균 표면 조도 및 0.6㎛ 이하의 Rmax를 충족시키는 최대 표면 조도를 갖는다. 다른 실시양태에서, 층은 0.5㎛ 초과 3㎛ 미만의 Ra의 표면 조도를 갖는다. 또 다른 실시양태에서, 오버코팅 층은 A 방향에서 103 및 C 방향에서 68의 쉐로스코프(Scheroscope) 경도를 갖는다.
도 6은 실온의 NF3 환경에서 다양한 물질의 에칭 속도를 도시하는 그래프이다. 도 7에서는, 400℃에서 열분해성 흑연(PG)의 에칭 속도를 열분해성 질화붕소(pBN) 및 소결된 질화알루미늄을 비롯한 다른 물질과 비교한다. CVD AlN 및 PG의 에칭 속도는, 종래 기술에서 히터에 통상적으로 사용되는 다른 물질, 즉 석영, 열분해성 질화붕소, 소결된 AlN이 모두 부식성 공격으로 인해 중량 손실을 나타냄과는 대조적으로, 중량 증가를 보인다. 연속적인 원격 NF3 플라즈마 중에서 400℃에서 60분간 에칭시킨 후, PG 전극 층상에 pBN 오버코팅을 포함하는 종래 기술의 히터의 사진인 도 8에서, pBN 오버코팅 층은 아래에 놓인 PG 전극으로부터 급속하게 제거된다. 그러나, PG 전극은 에칭 공정에서 완전하게 유지되는 것으로 나타난다.
에칭에 의한 부식 문제 외에, pBN 오버코팅 층을 포함하는 종래 기술의 히터는 비교적 연질 표면을 갖고 실리콘 웨이퍼가 그 위에 위치될 때 약간 침식될 수 있음에 주목해야 한다. 생성된 pBN 입자는 전형적으로 웨이퍼의 배면에 들러붙는데, 이는 후속 실리콘 웨이퍼 가공 단계에서 오염 및 정렬 문제를 야기할 수 있다. 본 발명의 히터는 외부 코팅 층의 특징(즉, 열분해성 흑연("pG")이 pBN("열분해성 질화붕소"), AlN 등보다 훨씬 더 경질임)때문에 이러한 배면 문제를 덜 야기한다. 뿐만 아니라, 물질은 매우 작은 입자 크기를 갖고, 따라서 입자가 생성되는 경우에도 이들은 실질적인 문제를 야기하기에는 비교적 작은 크기(예컨대, 0.1마이크론 미만)이다. 또한, 이들 입자는 오존 또는 산소 플라즈마 세정시 제거하기가 용이 하다.
열 방출과 관련하여, 평면내(in-plane) 방향에서의 매우 높은 열 전도율 및 평면-통과(through-plane) 방향에서의 보다 낮은 열 전도율 때문에, 히터상의 pG 코팅은 히터 패턴에서의 임의의 열 불균일을 "확산" 또는 퍼뜨리는데 도움이 되며, 따라서 더욱 균일한 표면 온도를 생성시킨다. 또한, pBN의 방사율(∼0.4)에 비해 pG의 방사율(>0.7)이 더 높기 때문에, 본 발명의 히터는 더욱 효과적인 복사 히터이다.
도면에 도시된 바와 같이, 오버코팅 층(9)은 종래 기술에 비해 개선을 제공하는 바, 히터가 플라즈마 공격 및/또는 반응기 챔버를 세정하기 위해 다수의 반도체 가공 단계에서 사용되는 플루오르-함유 세정 화학 약품에 대해 더욱 저항성이 되게 하고, 따라서 히터의 수명을 연장시킬 수 있다. 열분해성 흑연의 보호성 오버코팅 층으로 밀폐된 한 실시양태에서, 히터는 600℃의 NF3에서 100Å/분 미만의 에칭 속도를 갖는다. 두 번째 실시양태에서, 이는 600℃의 NF3에서 50Å/분 미만의 에칭 속도를 갖는다. 히터가 부식성 공격을 덜 받기 쉽고 히터 표면으로부터 더 적은 입자가 방출될 것으로 예측되기 때문에, 종래 기술의 히터에 비해 오염 문제가 적다.
히터 장치의 한 실시양태에서, 히터(5)는 최종 사용 용도에 적합한 임의의 형상/기하학적 구조일 수 있다. 한 실시양태에서, 이는 도 3a에 도시된 바와 같이 원형 플레이트 형상이다. 다른 실시양태에서, 이는 다각형 플레이트 형상, 원통 형, 오목부 또는 볼록부를 갖는 원형 플레이트의 형상 또는 원통형일 수 있다. 도 3b에 도시된 또 다른 실시양태에서, 히터는 웨이퍼(13) 및 플랫폼으로부터 연장되어 플랫폼의 종방향 축까지 실질적으로 횡단하는 샤프트(20)를 지지하는 플랫폼을 포함한다. 하나 이상의 가열 소자(7)가 플랫폼에 의해 지지되는 웨이퍼(13)를 가열한다.
CVD 반응기에서 히터의 램프(ramp) 속도는 이용가능한 동력, 히터 구성, 웨이퍼 직경 및 웨이퍼 간격의 함수이지만, 본 발명의 히터는 분당 20℃ 이상의 램프 속도로 가열할 수 있어서, 가열되어야 하는 웨이퍼 표면을 가로질러 균일하게 가열할 수 있다. 한 실시양태에서, 히터는 분당 30℃ 이상의 램프 속도를 갖는다. 다중 대역을 갖는 히터의 한 실시양태에서, 본 발명의 히터는 300mm 직경의 표면상의 임의의 두 지점에 대해 75℃ 이상의 표면을 가로지르는 최대 온도차를 갖는다. 두 번째 실시양태에서, 히터는 300mm 직경의 표면에 대해 100℃ 이상의 표면을 가로지르는 최대 온도차를 갖는다.
웨이퍼 캐리어 보트, 흑연 코일 히터, 포커스 링, 포커스 링 및 정전척을 보유하기 위한 대좌(pedestal) 어셈블리, 정전척 위에 한정되는 기체 분배 판 등과 같은, 플루오르 플라즈마 저항성을 필요로 하는 열 모듈 또는 CVD 가공 챔버에서의 다른 구성요소는 본 발명의 히터와 유사한 방식으로, 즉 에칭 저항성 특징을 갖는 pG 같은 물질을 포함하는 오버코팅 층을 사용하여 제작될 수 있다.
하기 비한정적인 실시예에 의해 본 발명을 추가로 설명한다.
실시예 1 및 2: 열 모듈(히터 어셈블리)을 설계하기 위하여 전산 유체 역 학(CFD) 계산을 수행한다. 제 1 열 모듈은 도 4에 도시되어 있는 종래 기술의 세라믹 히터를 사용한다. 제 2 열 모듈은 도 5에 도시되어 있는 본 발명의 히터의 한 실시양태를 사용한다. 모듈은 약 ±3℃의 균일성으로 단일 2" 웨이퍼를 1300℃까지 가열한다. 균일성 조건은 금속 유기 화학적 증착(MOCVD) 공정의 경우에 매우 엄격하다. 따라서, 온도 균일성에서의 1℃씩의 온도 변화도 침착 공정에 영향을 끼친다. 웨이퍼 표면상에서의 온도 균일성은 웨이퍼 표면을 가로질러 위치된 9개의 열전쌍에 의해 측정되는 최고 온도와 최저 온도 사이의 차이로서 정의된다.
도면에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(13)는 회전하여 히터(5)와 직접 접촉할 수 없는 서셉터(14) 위에 위치된다. 베이스 판(30)은 PBN 코팅을 갖는 흑연을 포함한다. PBN 반사판(20)은 2개의 시트 및 2개의 컵을 포함하고 0.7mm의 두께를 갖는다. Mo 반사판(21)은 3개의 시트 및 1개의 관을 포함하며, 각각 0.2mm의 두께를 갖는다. 어셈블리에서, 히터(5)는 복사를 통해 회전하는 서셉터(14)를 가열하고, 이 열이 전도에 의해 웨이퍼로 전달된다.
실시예 1에서, 세라믹 히터(5)는 직경 약 95mm 및 두께 2mm의 PBN 코어 판, 열분해성 흑연의 얇은 패턴화된 전극 및 두께 15마이크론의 PBN을 포함하는 오버코팅 층을 갖는 종래 기술의 복사 히터이다. 실시예 2에서는, 실시예 1의 종래 기술의 히터에 40㎛ 두께의 열분해성 흑현을 포함하는 상부 코팅이 추가로 제공된다.
실시예 1 및 2의 히터 어셈블리의 열 시뮬레이션을 위해 3차원 모델(셀 87만개의 메쉬 크기)를 구축한다. 하기 2가지의 통상적으로 경험하게 되는 공정 챔버에서의 온도 범위하에 열 모듈의 다양한 구성요소 사이의 표면 대 표면 복사를 설 계하기 위하여 각분할 복사 모델(Discrete Ordinates Radiation Model)을 이용한다: 1) 공정 챔버내의 주위 온도가 500℃일 때; 2) 공정 챔버내의 주위 온도가 800℃일 때. 또한, 히터 내에서의 주울(Joule) 가열을 설계하고 온도의 함수로서의 흑연 전기 비저항을 설계하기 위하여 사용자 서브루틴을 개발한다.
표 1은 두 실시예의 CFD 모델로부터 수득된 데이터를 제공한다.
Figure 112006088560580-PAT00001
종래 기술의 히터를 갖는 실시예 1A에서는, 웨이퍼를 약 1300℃의 표적 온도로 가열할 때, 평균 히터 온도가 약 1933℃일 것으로 예측된다. 그러나, PBN 표면은 내재적으로 1800℃보다 높은 온도를 견딜 수 없으며, 따라서 이 온도 지점(1933℃) 이상에서는 종래 기술의 히터의 PBN 표면이 균열을 개시하여 히터의 오작동을 야기할 것으로 충분히 예견된다. 또한 종래 기술의 히터를 갖고 800℃의 주위 온도를 갖는 실시예 1B에서는, 히터가 1300℃의 표적 온도로 가열될 때, 평균 히터 온도가 1851℃에 달하여, PBN 표면이 1800℃보다 높은 온도를 견딜 수 없다는 종래 기술의 히터에 대해 예측되는 동일한 효과를 나타낸다.
본 발명의 히터를 사용하는 실시예 2A 및 2B에서는, 웨이퍼를 다시 1300℃의 동일한 표적 온도로 가열한다. 실시예 2A에서는, 1800℃의 요구되는 평균 히터 온도가 예측된다. 이 모델은 열분해성 흑연 상부 코팅의 탁월한 더욱 우수한 평면 열 전도율 때문에 웨이퍼 표면의 열 균일성 면에서 명백한 개선을 보여준다. 개선은 2 내지 3℃ 수준이며, 이는 MOCVD 공정의 엄격한 균일성 조건 때문에 이들 공정에서 여전히 매우 중요하다. 2 내지 3℃의 변화가 웨이퍼의 온도 균일성을 약 15 내지 20% 개선시킴에 주목해야 한다.
실시예 2B에서, 모델은 약 1743℃의 요구되는 평균 히터 온도를 예기하는데, 이는 종래 기술의 pBN 상부-코팅된 히터의 임계 작동 온도 아래이다. 이 모델은 또한 웨이퍼 표면의 열 균일성에서 2 내지 3℃ 정도의 개선을 추가로 예측한다.
CFD 데이터는 PBN 히터상의 PG 물질의 상부 코팅이 MOCVD 같은 고온 용도에 특히 적합함을 입증한다. PG 같은 오버-코팅 물질로 코팅된 히터는 PG 오버-코팅이 없는 히터보다 약 100 내지 150℃ 더 낮은 온도에서 작동될 수 있으며, 이 둘은 동일한 서셉터 온도를 달성한다. 히터 작동 온도에서의 이러한 차이는 특히 히터가 1800℃의 허용가능한 피크 온도 근처에서 작동될 필요가 있을 때 매우 중요하다.
실시예 3: 이 실시예에서는, 종래 기술의 복사 세라믹 히터를 도 9a 및 도 9b에 도시된 설치된 열 모듈(90)에서 실험에 의해 시험한다. 9a에서, 세라믹 히터(5)는 직경 약 40mm 및 두께 2mm의 pBN 코어 판, 열분해성 흑연의 얇고 패턴화된 전극 및 두께 0.15mm의 pBN을 포함하는 오버코팅 층을 갖는다. 설치된 열 모듈(90)은 30pa(진공 조건에 가까움)의 주위 압력을 갖는다. 히터(5)는 pBN(93), Mo(94) 및 흑연(95)을 포함하는 동심 원통형 관(직경 90mm)(이는 복사 차폐재로서 기능함)으로 둘러싸여 있다. 도 9b에서는, pBN 및 Mo를 포함하는 반사판 스택(97)이 히터 아래에 위치하여 흑연 서셉터(91)(이는 히터 상부 표면에서 3 내지 5mm 위에 위치됨)를 향해 반사시킴으로써 열을 보존하는데 도움을 준다. 직경 55mm의 서셉터는 열 복사에 의해서만 가열된다.
회전하여 히터와 직접 접촉할 수 없는 서셉터(91) 위에 웨이퍼를 놓는다. 이 히터 구성에서는, 2개의 열전쌍을 사용하는데, 하나는 히터 중심 온도를 측정하고 다른 하나는 서셉터 중심 온도를 측정한다. 실험에서는, 히터 동력을 점차적으로 증가시키고 히터 온도가 25℃의 실온으로부터 램핑하기 시작하며, 히터 동력은 약 1170와트(히터 전압=65V 및 히터 전류=18A)까지 증가시킨다. 이 동력 설정치에서, 측정된 히터 온도는 1700℃이고 측정된 서셉터 온도는 1100℃이다.
실시예 4: 이는 본 발명의 히터를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3의 복사판이다. 이 실시예에서는, 직경 약 40mm 및 두께 2mm의 pBN 코어 판, 열분해성 흑연의 얇고 패턴화된 전극, 및 0.15mm 두께의 PBN을 포함하는 오버코팅 층을 갖는 40mm 직경의 세라믹 히터를 사용한다. 이 코팅 위에, 약 40㎛ 두께의 열분해성 흑연을 포함하는 상부 코팅이 히터에 추가로 제공된다.
표 2는 서셉터를 약 1700℃로 가열함에 있어서 실시예 3 및 4의 열 모듈의 작동으로부터 수득되는 데이터를 제공한다. 데이터는 또한 두 히터의 램핑 시험을 비교하는 도 10a 및 도 10b에도 도시된다.
Figure 112006088560580-PAT00002
표 2에 기재된 바와 같이, 두 히터가 1700℃의 동일한 온도로 설정될 때, 본 발명의 히터(실시예 4-PB 오버코팅된 PBN 히터)의 서셉터 온도가 종래 기술의 히터(실시예 3-PBN 히터)에 의해 수득되는 서셉터 온도보다 ∼300℃ 더 높다. 동일하게 설정된 히터 온도에 대해 더 높은 서셉터 온도를 달성할 수 있을 때 열 모듈이 더욱 복사 효율적이며, 이것이 바로 관찰된 것이다.
이 복사 효율을 관찰하는 다른 방법은 1700℃에서 작동될 필요가 있는 종래 기술과는 대조적으로, 종래 기술의 히터의 1100℃의 서셉터 온도에 맞추는데 본 발명의 히터를 더 낮은 온도(예를 들어, 1500℃ 미만 또는 ∼1400℃)에서 작동시킬 수 있다는 것이다. 따라서, 동일한 표적 웨이퍼 온도를 달성하기 위해, 본 발명의 히터를 종래 기술의 히터보다 더 낮은 온도에서 작동시킬 수 있다. 이 인자는 또한 보다 낮은 작동 온도 때문에 세라믹 히터의 수명을 연장시키는데도 도움이 된다.
또한, 본 발명의 히터가 종래 기술의 히터에 비해 약 15 내지 20% 개선된 서셉터 표면상에서의 더욱 균일한 온도 프로파일을 보임도 관찰되었다.
실시예 5: 이 실험에서는, 열분해성 흑연으로 코팅된 히터를 400 내지 600℃의 원격 NF3 플라즈마에 노출시킨 후, 순 질량 증가를 관찰한다. 중량 증가는 약 151Cm2의 노출된 면적을 갖는 샘플의 경우 연속적인 원격 NF3 플라즈마 노출 1시간당 약 0.02g이다. NF3 에칭된 PG 샘플의 표면의 에너지 분산 분광(EDS) 분석으로부터, 중량 증가가 PG 표면상의 탄화플루오르 반응 층의 형성에 기인한 것으로 밝혀졌다. 고해상도 C(1s) 스펙트럼의 X-선 광전자 분광법(XPS)에 의한 추가의 분석으로부터, PG상의 플루오르 반응 층이 주로 CF2로 이루어진 것으로 밝혀졌다. 진공에서 가열한 후, 대부분의 탄화플루오르는 증발된다.
실험으로부터, 탄화플루오르 층의 형성에서 단위시간당 소비되는 PG의 실제량을 산출할 수 있다. 결과는 아래 표 3에 기재되어 있다. 보이는 바와 같이, 열분해성 흑연 코팅 층은 151Cm2 샘플의 경우 1시간당 0.02g의 중량 증가를 보이는데, 이는 1시간당 약 0.19μ(또는 31Å/분)의 PG 소비 속도에 상응한다. 이는 ∼1E6Å/분의 열분해성 질화붕소의 에칭 속도에 필적한다.
Figure 112006088560580-PAT00003
실시예 6: 실시예 5로부터의 샘플중 하나를 동적 XPS, 즉 아르곤 스퍼터링과 XPS 분석 사이의 순환을 통한 깊이 분석에 의해 분석할 때, 60분동안의 연속적인 NF3 플라즈마 노출시 열분해성 흑연 코팅 층상에 생성된 탄화플루오르 층이 500Å보다 더 두꺼운 것으로 밝혀졌다. 가열 후, 소량의 F(10% 미만)가 열분해성 흑연에 존재하는 것으로 밝혀졌다.
실시예 7: 실험 5(에칭 후)의 샘플을 진공에서 2시간동안 700℃에 노출시키고, 탄화플루오르 층의 두께가 상당히 감소되는 것으로 밝혀졌다. 결과는 또한 EDS 및 XPS 분석에 의해서도 확인된다. 이는, 충분히 높은 농도의 원자 플루오르가 샘플 표면 근처에 기상으로 존재하는 경우, 탄화플루오르 층만이 고온(400 내지 600℃)에서 안정함을 나타낸다. 플루오르 농도가 떨어지면, 플루오르 층의 증발이 우선된다.
실시예 8: 실험 5를 반복하고, 하나의 샘플을 400℃에서 5시간동안(1시간 대신) 연속적으로 에칭시킨다. 평균 PG 소비 속도(에칭 속도)는 도 11에 도시된 바와 같이 실험 5(1시간 실험)에서 이미 나타낸 것보다 더 낮다. 이 실험은 천연 PG 표면만이 있는 경우에 플루오르화가 급속하게 이루어짐을 보여준다. 그러나, 어느 정도의 탄화플루오르 층의 두께가 생성된 후, 플루오르는 플루오르화될 수 있는 새로운 열분해 흑연을 발견하기 전에 이 탄화플루오르 층을 통해 확산될 필요가 있다. 몇 지점 후, 플루오르화 속도는 플루오르 확산 속도에 의해 제한받게 된다.
실시예 9: 이 실험은 플루오르 확산 속도가 PG 플루오르화를 추가로 한정하는 효과를 입증한다. PG 코팅을 갖는 샘플을 600℃에서 1분간 에칭시킨 다음, PG를 600℃로 유지하면서 플라즈마를 1분간 스위칭 오프시킨다. 이 싸이클을 60회 반복하여, 총 플라즈마 노출 시간이 1시간이 되도록 한다. 이 실험의 평균 PG 소비 속도를 앞서 60분간 계속 에칭시킨 샘플과 비교한다. 도 12에 도시된 결과는 평균 에칭 속도가 연속 에칭의 경우보다 펄스식 에칭의 경우가 더 높음을 보여준다.
이는 다음과 같이 설명된다. 펄스식 에칭의 경우, 오버코팅 층이 먼저 NF3 플라즈마가 온 상태인 1분동안 탄화플루오르 층을 형성한다. 이어, NF3 플라즈마가 오프 상태로 된 후, 이미 형성된 탄화플루오르 층이 부분적으로 증발된다(실시예 7과 유사함). 플라즈마를 다시 켠 후에는, 플루오르가 더 얇은 탄화플루오르 층을 형성하고 더 빨리 확산되며 PG를 더 빨리 소비한다. 연속 에칭의 경우에는, 탄화플루오르 층이 시간에 따라 지속적으로 성장하고, 따라서 PG 플루오르화 속도가 느려진다. 그러므로, 동일한 총 노출 시간에 있어서, 펄스식 실험이 더 빨리 에칭된다. 그러나, 탄화플루오르 증발 속도는 펄스식 실험이 약간만 더 빠르도록 하기에 충분히 낮다.
실시예 10: 400℃ 및 600℃에서 PG의 연속적인 NF3 플라즈마 에칭 속도를 비교하면(도 11 및 도 12 참조), 에칭 속도에 비교적 작은 증가만이 있을 뿐이다. 또한, 600℃에서의 에칭 속도는 50Å/분보다 훨씬 적다. 보여지는 바와 같이, 본 발명의 히터는 히터를 600℃로 유지시키면서 반응기를 세정할 수 있도록 한다.
실시예 11: 웨이퍼의 배면과 접촉하는 탄화플루오르 층을 갖는 것이 바람직하지 못한 경우에는, 세정한 후 반응기 내로 새 웨이퍼를 들여오기 전에, 웨이퍼 챔버에서 단시간 침착을 수행하여 챔버를 조절하고 벽 및 히터에 얇은 코팅을 침착시킨다. 다르게는, 세정 후, 반응기 챔버를 플라즈마 에칭제를 함유하는 매우 간단한 산소 펄스로 플러쉬시켜, 본 발명의 기판 홀더의 표면에서 탄화플루오르 층을 제거한다. 다른 예에서는, 히터 어셈블리를 단시간동안 진공에 두어, 표면에서 탄화플루오르 층을 자동적으로 증발시킨다.
이 기재된 상세한 설명에서는 최선의 방식을 비롯한 본 발명을 개시하기 위하여, 또한 당해 분야의 숙련자가 본 발명을 제조 및 사용할 수 있게 하기 위하여 예를 이용한다. 본 발명의 특허가능한 영역은 특허청구범위에 의해 한정되며, 당해 분야의 숙련자가 알아내는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는 특허청구범위의 용어와 상이하지 않은 구조적 요소를 갖거나 또는 특허청구범위의 용어와 실질적으로 차이가 없는 동등한 구조적 요소를 포함하는 경우, 특허청구범위의 영역 내에 속한다.
본원에 인용된 모든 참조문헌은 본원에 참고로 포함된다.
본 발명에 따른 히터는 작동시 열화 및 분해의 위험이 적고, 탁월한 에칭 저항성을 가져 작동시 수명이 연장되며, 웨이퍼에서의 온도 균일성이 우수하게 유지된다.

Claims (13)

  1. 흑연; 내화성 금속, 전이금속, 희토류 금속 및 이들의 합금; B, Al, Si, Ga, 내화성 경질 금속, 전이금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물중 하나 이상을 포함하는 소결된 물질; 알루미늄의 산화물, 산화질화물; 및 이들의 혼합물중 하나를 포함하는 베이스 기판(base substrate)을 포함하고, 상기 베이스 기판이 100W/m°K보다 큰 열 전도율을 갖는 오버-코팅(over-coating) 층으로 코팅된, 웨이퍼 가공 챔버에 사용하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    장치가 히터이고, 베이스 기판상에 겹쳐진 열분해성 흑연을 포함하는 가열 소자; 가열 소자 및 베이스 기판을 코팅하는 제 1 층을 추가로 포함하며,
    상기 제 1 층 코팅이 B, Al, Si, Ga, 내화성 경질 금속, 전이금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소의 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물중 하나 이상을 포함하고, 100W/m°K보다 큰 열 전도율을 갖는 오버-코팅 층으로 코팅된 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    오버-코팅 층이 제 1 코팅 층의 평면 열 전도율의 3배 이상의 평면 열 전도율을 갖 는 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 외부 코팅 층이 열분해성 질화붕소, 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄, 산화질화알루미늄, 질화규소 또는 이들의 착체중 하나 이상을 포함하는 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    장치가 서셉터(susceptor)이고,
    베이스 기판이 흑연을 포함하며,
    오버 코팅 층이 열분해성 흑연을 포함하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    오버코팅 층이 200W/m°K보다 높은 열 전도율을 갖는 물질을 포함하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    오버코팅 층이 열분해성 흑연("PG")을 포함하고, ETP, 이온 도금, 이온 플라즈마 도금, CVD, PECVD, MOCVD, OMCVD, MOVPE, e-빔 침착, 플라즈마 분무 및 이들의 조합중 임의의 방법에 의해 침착되는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    600℃의 NF3에서의 에칭 속도가 100Å/분 미만임을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    20℃/분 이상의 램프(ramp) 속도로 가열할 수 있는 히터인 장치.
  10. 제 2 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    베이스 기판이 흑연을 포함하고;
    베이스 기판상에 겹쳐진 가열 소자가 열분해성 흑연을 포함하고;
    제 1 외부 코팅 층이 질화붕소 및 질화알루미늄중 하나 이상을 포함하며;
    오버 코팅 층이 1 내지 500㎛의 두께를 갖는 열분해성 흑연을 포함하는 장치.
  11. 웨이퍼를 가열하기 위한 하나 이상의 세라믹 히터;
    정전척(electrostatic chuck) 위에 한정된 기체 분배 판;
    정전척을 보유하기 위한 대좌(pedestal);
    챔버와 선택적으로 연통되는 세정 기체의 공급원을 포함하며, 이 때
    히터, 기체 분배 판 및 대좌중 하나 이상이 열분해성 흑연을 포함하는 오버 코팅 층으로 표면 코팅되고, 세정 기체의 공급원이 NF3 및 Cl2를 포함하는,
    적어도 반도체 웨이퍼를 가공하기 위한 플라즈마 가공 챔버.
  12. 제 11 항에 있어서,
    히터가 열분해성 흑연을 포함하는 오버 코팅 층으로 코팅되고,
    히터가, 흑연; 내화성 금속, 전이금속, 희토류 금속 및 이들의 합금; B, Al, Si, Ga, 내화성 경질 금속, 전이금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소의 산화물, 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물중 하나 이상을 포함하는 소결된 물질; 알루미늄의 산화물, 산화질화물; 및 이들의 조합중 하나를 포함하는 베이스 기판; 베이스 기판상에 겹쳐진 열분해성 흑연을 포함하는 가열 소자; B, Al, Si, Ga, 내화성 경질 금속, 전이금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 원소의 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물중 하나 이상을 포함하는 제 1 외부 코팅을 포함하며,
    열분해성 흑연 오버 코팅 층이 아래에 놓인 제 1 코팅 층, 가열 소자 및 베이스 기판을 세정 기체로부터 보호하여, 히터가 600℃의 NF3에서 100Å/분 미만의 에칭 속도를 갖도록 하는 플라즈마 가공 챔버.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    히터가 600℃의 NF3에서 50Å/분 미만의 에칭 속도를 갖는 플라즈마 가공 챔버.
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