KR20070094445A - 반도체 뱃치 가열 어셈블리 - Google Patents

반도체 뱃치 가열 어셈블리 Download PDF

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KR20070094445A
KR20070094445A KR1020060120133A KR20060120133A KR20070094445A KR 20070094445 A KR20070094445 A KR 20070094445A KR 1020060120133 A KR1020060120133 A KR 1020060120133A KR 20060120133 A KR20060120133 A KR 20060120133A KR 20070094445 A KR20070094445 A KR 20070094445A
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heating
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heaters
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존 토마스 매리너
에릭 윈텐버거
더글라스 알란 롱워스
웨이 판
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

뱃치 가열/웨이퍼 처리에 사용하기 위한 열 처리 장치로서, 웨이퍼 보트(wafer boat)를 수납하는 처리 챔버와, 적어도 하나의 가열 구역에 대해 전기적 가열 회로를 형성하도록 구성되고 연속적인 오버코팅층(overcoating layer) 내에 캡슐화되는 기판 본체를 구비하는 적어도 하나의 가열 소자와, 가열 소자 상에 배치되는 열 반사 표면을 구비하는 열 반사기를 포함하며, 가열 소자는 웨이퍼 보트 내에서 웨이퍼를 가열하기 위한 초 당 적어도 1℃의 램프 레이트를 갖는 열 처리 장치가 제공된다.

Description

반도체 뱃치 가열 어셈블리{SEMICONDUCTOR BATCH HEATING ASSEMBLY}
도 1은 본 발명의 반도체 뱃치 챔버의 일 실시예에 대한 프로세싱 챔버의 단면도이며, 그 구조를 나타낸다.
도 2a는 정면도이며, 도 2b 및 도 2c는 도 1의 프로세싱 챔버에서 사용된 저항성 히터의 일 실시예에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 뱃치 가열 시스템의 원주형 부분의 일 실시예에 대한 정단면도이다.
도 4는 본 발명의 뱃치 가열 시스템의 원주형 부분의 제 2 실시예에 대한 정단면도이다.
도 5는 본 발명의 뱃치 가열 시스템의 6각형 실시예의 정단면도이다.
도 6은 플레이트 가열 소자를 사용하는 뱃치 가열 시스템의 4각형 실시예의 정 단면도이다.
도 7은 전기적 접속을 위한 외부 포스트(post)를 사용하는 본 발명의 원주형 부분 실시예의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 부분 원주형 실시예의 경사율을 도시한 그래프이다.
도 9는 2 부분 원주형 실시예의 재현가능성(repeatability)을 도시한 그래프이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 프로세싱 챔버 2 : 웨이퍼 보트
3 : 웨이퍼 4 : 샤프트
5 : 베이스 플레이트
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2006년 3월 17일에 제출된 미국 특허 출원 제 60/788,861 호에 대한 우선권을 주장하며, 그 특허 출원 전체를 여기에 참조로서 인용한다.
본 발명은 주로 반도체 웨이퍼 프로세싱 장비에서 사용하기 위한 가열 장치에 관한 것이다.
실리콘의 고온 프로세싱은 최근 마이크로전자 디바이스를 생산하는 데 있어서 중요하다. 규화물 형성, 임플랜트 어닐(implant anneal), 산화, 확산 유도(diffusion drive-in) 및 화학 기상 증착(CVD)을 포함하는 이러한 공정은 대략 300℃로부터 1200℃까지의 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 전형적으로 이러한 단계들은 챔버 내에서 온도, 압력 및 가스의 흐름에 대하여 매우 정확한 제어를 요구한다. 종래 기술의 일 실시예에서는, 그러한 공정 단계들은 튜브 노(tube furnace)에서 수행되며, 웨이퍼들은 처리량(throughput) 증가를 위하여 뱃 치(batch) 모드에서 프로세싱된다.
종래 기술의 기존 뱃치 노에서는, 전기 가열 소자가 일반적으로 사용된다. 금속 코일 구성요소 등의 전기 가열 소자는 통상적으로 열 순환을 겪는 경우에 크랙과 분진(particle)을 생성하는 메카니즘에 본래부터 민감한, 예컨대, 소결된 알루미나 또는 알루미늄 질화물 등의 세라믹 물질로 절연된다. 이러한 시스템의 열 질량(thermal mass)은 매우 크고(high), 저 가열 속도(heating rate) 및 저 냉각 속도를 유발한다. 또한, 기존 코일 구성요소의 불연속적인 표면으로 인하여, 전력 밀도가 가열될 지역에 걸쳐서 극적으로 변한다. 또한, 열 순환 중의 금속 가열 소자와 세라믹 절연체 간의 열 팽창의 차이로 인하여, 종래 기술에서의 히터의 이용은 분진 생성 또는 파손을 유발할 수 있다. 전력이 인가되는 동안의 프로세싱 공정 중에는, 분진은 전형적으로 반도체 기판 상에 서스펜딩(suspend)되기 때문에 프로세싱 문제를 일반적으로 유발하지는 않는다. 그러나, 프로세싱 사이클의 마지막에 전력이 감소되고, 분진을 서스펜딩하는 힘이 소산되어, 분진들이 반도체 기판 표면 위로 내려앉아 오염을 유발하게 된다. 이러한 내려앉는 동작은 반도체 기판에 대한 중력과 정전기적 인력 모두의 결과일 수 있다. 소결된 세라믹 재료를 포함하는 히터를 이용한 종래의 뱃치 노에 대한 분진 오염의 문제 이외에도, 가열 속도 및 냉각 속도에 의한 신뢰성 및 본래의 한계도 존재한다. 소결된 세라믹은 열 충격에 민감하고, 고온 변화를 겪는 경우에 파괴되는 경향이 있다.
원하지 않는 도펀트 확산, 또는 오염을 유발하는 반도체 기판 표면상으로 내려 않는 히터로부터의 분진에 대한 문제들을 감소시키기 위하여, 몇몇 기존 반도체 의 뱃치 프로세싱 챔버에서 고강도(high intensity) 램프가 사용된다. 방사(radiant) 램프는 그들의 극히 낮은 열 질량으로 인하여 빨리 가열될 수 있으며, 또한, 빠른 가열이 순간적으로 전환될 수 있기 때문에 빨리 냉각될 수 있다. 그러나, 고강도 램프들은 로컬화된 에너지원이므로, 고강도 램프의 사용에 대한 문제에 직면할 수 있다. 종래의 노에서와 같이 일시적인(transient) 가열 및 냉각 중의 온도차이의 발생뿐만 아니라, 비 균일성도 프로세싱 중에 지속한다. 전형적인 램프 기반 RTP 시스템의 내부 벽은 종래의 뱃치 노에서와 같이 통상 상대적으로 냉각되어 있고 균일 평형 공정 온도(equibrium process temperature)까지 가열되지 않는다. 보다 큰 직경의 웨이퍼들에 대해서는, 하나의 웨이퍼 전체에 걸쳐서 균일한 온도를 유지하는 것이 어렵다. 다른 시스템들에 있어서는, 균일하게 가열하는 웨이퍼-대-웨이퍼(wafer-to-wafer)를 다수의 웨이퍼들의 보트(boat)에 제공하지 못한다. 많은 램프는 선형 필라멘트(filament)를 사용하며, 이는 웨이퍼 주변에 균일한 열을 제공하는 것에 비효율적이게 한다. 온도 불균일성을 동적으로 검출하고 프로세싱 중에 가열을 능동적으로 조정하는 것이 필요할 수 있다. 이는 반대로, 복잡한 온도 관리 시스템을 요구할 수도 있다. 몇몇 램프 기반 시스템에서는, 램프 및 다른 성분들의 노화 및 열화로 인한 또다른 문제들에 직면할 수도 있다. 결과적으로, 재현가능한 성능을 유지하는 것은 어려울 수도 있으며, 부품의 빈번한 교체가 필요할 수도 있다.
또한, 오염 및 불균일성의 쟁점 이외에도, 종래 기술의 뱃치 시스템들에서는 일치성의 제한(conformity limitation)이 있다. 반도체 웨이퍼 프로세싱을 위한 뱃치 시스템은 원주 형상을 가지며, 이는 웨이퍼의 둥근 형상에 의해 유도된다. 가열 시스템의 형상은 종종 기판의 형상에 따르도록 한다. 종래 기술의 저항성 히터에서는, 세라믹 절연체 내에 내장된 금속 코일 구성요소가 연속적인 가열 표면을 제공하지 않았다. 일반적으로, 램프들의 어레이를 사용하는 시스템들은 원주형 가열 표면을 제공할 수 없다.
본 발명은 뱃치 프로세싱 장치에서 원하는 설계 융통성을 허여함과 동시에 복수의 웨이퍼에 빠르고 균일하며, 에너지-효율적인 무오염 가열 및 냉각을 제공한다.
일 실시예에서, 본 발명은 복수의 웨이퍼를 프로세싱하기 위한 웨이퍼 보트의 배치를 위한 내부구조(interior)를 가지는 챔버와, 외부에 위치되며 300~800℃의 범위에서 적어도 분당 40℃의 가열 램프 속도로 그 내부에 포함된 복수의 웨이퍼들을 가열하기 위한 챔버의 외부구조와 일치하는 적어도 하나의 방사 히터를 포함하되, 이 히터는 적어도 하나의 구역에서 독립적으로 제어되는 가열을 위하여 그 적어도 하나의 구역에서 정의되는 복수의 회로들로 패터닝(patterning)된 적어도 하나의 저항식 가열 소자-저항식 가열 소자의 적어도 일부 표면은 붕소(B), 알루미늄(Al), 규소(Si), 갈륨(Ga), 내화 경질 합금(refractory hard metal), 전이 금속 및 희토류 금속(rare earth metal) 또는 그 합성물 및/또는 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 구성요소의 질화물, 탄화물, 탄질화물(carbonitride) 또는 질산화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유전체 절연층으로 코팅됨-와, 웨이퍼 보트를 포함하는 챔버를 마주보는 히터 측에 대면하는 히터의 외부 측에 배열되는 적어도 하나의 가열 보호물과, 그 가열 보호물의 외부에 배열되는 절연 봉입물(insulting enclosure)을 가진다.
일 측면에서는, 이 방사 히터는 덮개 형상(encapsulant forms)을 가진 그래파이트 코어와, 붕소(B), 알루미늄(Al), 규소(Si), 갈륨(Ga), 내화 경질 합금(refractory hard metal), 전이 금속 및 희토류 금속(rare earth metal) 또는 그 화합물 및/또는 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 구성요소의 질화물, 탄화물, 탄질화물(carbonitride) 또는 질산화물로부터 선택되는 물질의 얇은 껍질(shell)인 덮개로 그 그래파이트 코어를 코팅한 실질적으로 연속적인 표면과, NaZr2(PO4)3의 NZP 구조를 가지는 고열 안정성 지르코늄 인산염(zirconium phsphates)과, 주기율표의 2a 족, 3a 족 및 4a 족의 원소로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 글래스 세라믹 화합물과, 이트륨(Y), 스칸듐(Sc), 란탄(La), 세륨(Ce), 가돌리늄(Gd), 유로품(Eu), 디스프로슘(Dy) 및 그 등가물의 산화물을 포함하는 플라즈마-저항성 물질과 SiO2의 혼합물을 포함한다.
일 측면에서, 본 발명은 적어도 하나의 구역에서 독립적으로 제어되는 가열을 위하여 그 적어도 하나의 구역에서 정의되는 복수의 회로들로 패터 닝(patterning)된 적어도 하나의 저항식 가열 소자- 저항식 가열 소자의 적어도 일부 표면은 붕소(B), 알루미늄(Al), 규소(Si), 갈륨(Ga), 내화 경질 합금(refractory hard metal), 전이 금속 및 희토류 금속(rare earth metal) 또는 그 합성물 및/또는 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 구성요소의 질화물, 탄화물, 탄질화물(carbonitride) 또는 질산화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 유전체 절연층으로 코팅됨-를 가지는 히터를 이용하며, 300~800℃의 범위에서 적어도 분당 40℃의 가열 램프 속도로 800℃까지의 온도로 웨이퍼 기판을 가열하기 위한, 뱃치 처리 장치에서 복수의 웨이퍼를 가열 방법에 관한 것이다.
(발명의 실시예)
여기서 사용된 바와 같이, 관련된 기본 기능에서의 변화를 유발하지 않은 채로 변경할 수 있는 임의의 양적 표현을 가감하기 위하여, 근사시키는 말이 적용될 수 있다. 따라서, "대략", "실질적으로"와 같은 용어 또는 어구에 의하여 가감되는 값들은 몇몇 경우에 있어서는 정확한 값을 특정하도록 제한하지 않을 수도 있다.
용어 "저항성 히터"는 "히터" 또는 "가열 소자"와 교체가능하게 사용될 수 있으며, 그 용어는 단수 또는 복수일 수 있고, 하나 또는 다수의 품목을 지시하는 것으로 나타낼 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, "열 보호물"은 "열 반사기" 또는 "방사 차단기(baffle)"과 교체가능하게 사용될 수 있다.
여기서 사용된 "웨이퍼 기판들" 또는 "기판들"은 복수이지만, 그 용어들은 하나 또는 다수의 기판을 가리키도록 사용하는 것도 가능하며, "웨이퍼"는 "기판"과 교체가능하게 사용될 수 있다. 이와 유사하게, "가열 플레이트들", "가열 소자들", "코팅층들", "반사 구성요소들" 또는 "반사기들"은 복수의 형태로 사용될 수도 있지만, 그 용어들은 하나 또는 다수의 품목들을 가리키도록 사용될 수도 있다.
"뱃치 프로세싱 챔버"는 그 안에 포함되는 둘러싸인 챔버가 300~800℃의 온도까지 하나 이상의 히터에 의하여 가열된 채로 진공하에서 둘러싸인 챔버를 가진 어셈블리를 지칭하는 "뱃치 가열 어셈블리" 또는 "뱃치 노"와 교체가능하게 사용될 수 있다.
본 발명은 캡슐화된 고체를 포함하는 저항성 히터가 사용되는 반도체 뱃치 프로세싱 챔버에 관한 것이다. 본 발명의 뱃치 가열 시스템은 낮은 열 질량 및 세라믹으로 캡슐화된 그래파이트 히터의 순수성에 기초하여, 다수의 웨이퍼들에 대한 빠르고, 균일하며, 상대적으로 무오염된 가열 프로세싱을 할 수 있게 한다. 이 어셈블리는 봉입된 챔버 내에 포함된 웨이퍼들의 보트를 균일하게 가열하도록 배열된 하나 또는 복수의 세라믹 히터들을 포함하며, 여기서, 세라믹 히터들은 열 보호물과 같은 저 축열체 절연체에 의하여 둘러싸인다.
배치(batch) 프로세싱 챔버
도 1은 수직 열 처리 장치에 대한 본 발명의 배치 노(batch furnace)의 실시예를 도시한다. 배치 노는 프로세스에 필요한 환경 조건(압력 레벨, 가스 흐름 레벨 등)을 관리하는 밀폐형 챔버(1)를 포함한다. 일 실시예에서, 챔버(1)는 웨이 퍼(3)의 오염을 감소시키기 위해 고순도 수정 물질로 만든다. 일 실시예(도시 생략)에서, 프로세스 챔버(1)는 내부 파이프 및 외부 파이프를 갖는 튜브 또는 이중 구조 유형의 형태로 존재한다. 복수의 웨이퍼(3)는 프로세싱 동안 웨이퍼의 배치용인 복수의 지지대 또는 선반을 구비하는 웨이퍼 보트(2)에 로딩된다. 일 실시예에서, 웨이퍼 보트(2)는 베이스 플레이트(5)을 통과하여 연장하는 축대(shaft)(4)에 의해 지탱된다. 축대(4)는 웨이퍼(3)의 로딩/언로딩을 위해 웨이퍼 보트를 프로세스 챔버(1)의 안팎으로 움직일 수 있다. 축대(4)는 전형적으로 자신의 축 주위를 회전하여 웨이퍼(3)에 대한 임의의 프로세스 불균일성을 평균화한다. 가스의 흐름을 수반하는 프로세스에 있어서, 가스 주입 포트 및 배출 포트는 베이스 플레이트(5) 또는 프로세스 챔버 벽(1)에 배치될 수 있다.
실제 프로세스가 시작하기 전에, 웨이퍼는 웨이퍼 보트에 로딩되어야 한다. 이와 유사하게, 프로세스의 종료시에, 웨이퍼는 보트로부터 언로딩되고, 새로운 웨이퍼가 로딩되어야 한다. 웨이퍼의 로딩/언로딩은 전형적으로 프로세스 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 수행된다. 따라서, 일단 웨이퍼가 웨이퍼 보트에 로딩되면, 로딩/언로딩 온도에서 프로세스 온도까지 노(furnace)를 가열하는 것이 필요하다. 노의 상태가 균일한 결과를 위해 안정된 상태에 도달할 때까지 기다리는 데에는 긴 프로세싱 시간이 필요하다. 이와 유사하게, 웨이퍼가 프로세스의 종료시에 언로딩될 수 있기 전에 노를 냉각하는 것이 필요하다. 노를 가열하고 냉각하는 데 필요한 시간은 전체 사이클 시간 중 현저한 부분을 나타낼 수 있고, 처리량 증가를 위해 최소화되어야 한다. 전체 시간-온도 사이클에서 웨이퍼로의 에너지 입력은 흔 히 열 수지(thermal budget)로 지칭된다. 요구되는 긴 프로세싱 시간은 프로세스 방법의 열 수지에 의해 부과되는 제한을 위반할 수 있다.
뱃치 가열 어셈블리에 대한 일 실시예에서, 웨이퍼(3)는 저항성 가열 소자(6a 내지 6c)에 의해 프로세스 온도까지 가열된다. 이들 저항성 가열 소자는 주변 환경으로의 열 손실을 감소시키고 시스템의 효율을 최적화하는 저열 질량 절연체에 수용된 세라믹으로 캡슐화된 그래파이트 히터(ceramic-capsulated graphite heater)이다. 이 세라믹으로 캡슐화된 그래파이트 히터(6a 내지 6c)는 프로세싱될 웨이퍼(3)를 포함하는 웨이퍼 보트(2)를 수용하는 수정 챔버(1) 주위에 배치된다.
일 실시예에서, 웨이퍼(3) 상의 뛰어난 온도 균일성을 달성하기 위해, 다수의 히터가 사용되어 전력 밀도가 독립적으로 제어될 수 있는 다수의 가열 영역(6a 내지 6c)을 생성한다. 각 가열 영역은 하나 또는 다수의 히터로 이루어 질 수 있다. 대형 가열 영역은 다수의 히터를 직렬식 또는 병렬식으로 함께 장착하고, 단일 온도 제어기를 사용하여 이들 히터에 전력을 공급함으로써 생성될 수 있다.
열 차폐물(shield)(7a 내지 7c)은 히터 주위 및 가까이에 배치되어 열 손실을 감소시킨다. 일 실시예에서, 차폐물은 히터와 직접 접촉한다. 다른 실시예에서, 차폐물과 히터 사이에 5 ㎜ 내지 20 ㎜의 갭이 존재한다. 열 차폐물은 세라믹 히터에 의해 방사된 열을 반사하여 챔버의 외부로 전달되는 열을 최소화하는 바와 같이, 사실상 가열률을 증가시키고, 프로세스의 열 수지를 감소시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열 차폐물은 히터의 외부에 배치된다. 다른 실시예에서, 열 차폐물은 수정 챔버의 위 또는 아래에 위치하여, 웨이퍼 보트의 상부 또는 하부를 통한 열 손실을 감소시키고 웨이퍼의 배치를 통해 양호한 온도 균일성을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.
일 실시예에서, 열 차폐물은 알루미늄, 스테인텐레스 스틸(stainless steel), 몰리브덴(molybdenum), 탄탈(tantalum) 등과 같은 고 반사 금속(Highly refelctive metal)을 포함한다. 제 2 실시예에서, 열 차폐물은 열 붕소 질화물(pyrolytic boron nitride), 알루미늄 질화물 등과 같은 세라믹 물질을 포함하여 열을 반사하는 임의의 물질로 만들어진다. 일 실시예에서, 열 차폐물의 표면은 연마되어 차폐물의 반사율을 증가시킨다. 반사율이 높을수록, 열은 히터에 더 잘 반사될 것이고, 시스템은 보다 열적으로 효율적일 것이다. 일 실시예에서, 열 차폐물은 두께가 "0.001 내지 0.05"인 얇은 금속박 또는 층을 포함한다. 이들은 너무 얇으므로, 열 차폐물은 본래 이들을 고속 가열 및 냉각이 글래스한 애플리케이션용으로 이상적이게 만드는 상당히 낮은 열 질량을 갖는다.
일 실시예에서, 열 차폐물(7a 내지 7c)은 방염제를 처리하고 일반적으로 구리와 같은 오염물이 없는 금도금 세라믹, 금속화 글래스 등과 같은 절연체를 더 포함한다.
분자 오염물이 감소한 고속 램프율 저항성 히터
예컨대, 오염물이 없거나 거의 없는, 분자 오염물이 감소한 뱃치 가열 어셈블리에 대한 일 실시예에서, 저항성 히터(6a 내지 6c)는 전기 가열 회로의 적어도 하나의 영역을 정의하는 전자 흐름 경로에 대한 패턴으로 구성된 가열 표면 및 패 터닝된 바디를 기판으로서 캡슐화하는 유전체 절연 코팅층을 갖는 기판 바디를 포함한다.
일 실시예에서, 가열 소자(6a 내지 6c)의 기판 바디는 그래파이트를 포함한다. 다른 실시예에서, 기판 바디는 수정, 붕소 질화물, 소결형(sintered) 알루미늄 질화물, 소결형 규소 질화물, 붕소 질화물과 알루미늄 질화물의 소결형 바디 중 하나로부터 선택된 물질 및 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 레늄 및 니오브로 이루어진 그룹으로부터 선택된 내화 금속을 포함한다. 본 발명의 가열 소자(6a 내지 6c)의 표면은 실질적으로 연속적이고, 전기적 접속을 위해 필요한 이들 표면보다 패터닝된 열 발생 저항기 바디를 밀봉하여 밀폐하는 층 또는 보호막 층으로 코팅됨으로써, 단락 및 전기적 변화의 발생을 방지하고, 그래파이트 입자 또는 분자가 없는 실질적으로 연속하는 표면을 보증한다.
일 실시예에서, 코팅층은 B, Al, Si, Ga를 구성하는 그룹으로부터 선택된 원소로 이루어진 질화물, 탄화물, 탄화질화물, 산화질화물, 내화 강화 금속, 전이 금속 및 희토류 금속 또는 이들의 합성 및/또는 화합 중 적어도 하나로 구성되어 있다.
일 실시예에서, 저항성 가열 소자(6a 내지 6c)의 코팅층은 관련된 등구조 인산염 및 유사한 수정 구조를 갖는 규소 인산염뿐만 아니라, NaZr2 (PO4)3의 NZP 구조를 갖는 열 안정도가 높은 지르코늄 인산염도 포함한다. 다른 실시예에서, 보호 코팅층(25)은 원소 주기표의 그룹 2a, 그룹 3a 및 그룹 4a의 원소를 구성하는 그룹 으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 글래스-세라믹 합성물을 포함한다. 여기서 지칭되는 그룹 2a는 Be, Mg, Ca, Sr 및 Ba를 포함하는 알칼리성 토류 금속 원소를 의미한다. 여기서 지칭되는 그룹 3a는 Sc, Y 또는 란탄족 원소를 의미한다. 여기서 지칭되는 그룹 4a는 Ti, Zr 또는 Hf를 의미한다. 코팅층(25)으로 사용하기에 적절한 글래스-세라믹 합성물의 예는 LAS(lanthanum aluminosilicate), MAS(magnesium aluminosilicate), CAS(calcium aluminosilicate) 및 YAS(yttrium aluminosilicate)을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 일 예에서, 보호 코팅층(25)은 SiO2의 혼합물, Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu, Dy 등을 포함하는 플라스마-저항성 물질 또는 YAG(yttrium-aluminum-garnet)를 포함한다. 이러한 금속의 산화물의 화합 및/또는 알루미늄 산화물을 갖는 금속 산화물의 화합이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 보호 코팅층(25)은 녹는점이 1600℃ 미만이고 글래스 전이 온도(Tg)가 884℃ 내지 895℃로서 25 wt. % 내지 55 wt. %로 변하는 산화이트륨 성분을 갖는 YAS(Y2O3-Al2O3-SiO2)에 기반한다. 다수의 코팅층을 갖는 저항성 히터에 대한 실시예에서, 외부 막은 동일한 물질로 이루어지거나 제 1 코팅층과는 다른 물질로 이루어질 수 있다.
그래파이트 코어를 갖는 저항성 히터(6a 내지 6c)에 대한 일 실시예에서, 그래파이트 바디로 정의되는 전기적 패턴은 예컨대, 나선형 또는 S자형, 나선형 코일, Z자형, 미로 패턴 등과 같은, 전기적 가열 회로의 적어도 한 영역에 대한 전자 흐름 경로를 정의하는 다양한 크기 및 형태로 이루어질 수 있다. 그래파이트 바디 의 두께는 전기적 경로의 두께가 그래파이트 기저(10)로 설계되는 당해 기술에 알려진 전기적 계산으로, 즉, S자형 전기적 경로의 두께, 폭, 길이에 기초하여 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 그래파이트 기저(10)의 두께는 적어도 0.05 인치이다. 제 2 실시예에서는, 적어도 약 0.10 인치이다. 일 실시예에서, 전기적 접촉부는 코팅층(들)을 통해 규격화되어(machined) 외부 전원으로의 접속을 위한 접촉 장소에서 그래파이트를 노출한다. 또한, 전기적 접촉부 확장은 착수시에 최종 코팅 프로세스 전에 그래파이트 기저로 규격화되거나 보호 코팅 동작 이전에 추가될 수 있다.
저항성 히터(6a 내지 6c)의 일 실시예에서, 코팅 물질은 탄소, 규소 또는 Y2O3와 같은 물질로 도핑된 형태 또는 도핑되지 않은 형태로 열 붕소 질화물, 알루미늄 질화물, 티타늄 알루미늄 질화물, 티타늄 질화물, 티타늄 알루미늄 탄화질화물, 티타늄 탄화물, 규소 탄화물 및 규소 질화물 중 하나이다. pBN과 AlN 모두 뛰어난 절연 및 도전 특성을 가지며, 기체 상태 단계로부터 쉽게 증착될 수 있다. 이들은 높은 온도 안정성도 갖는다. 추가적으로, 이들은 열 그래파이트 기저(흑색)와 다른 컬러(백색)를 가지므로, 전기적 패턴을 형성하는 단계에서, 코팅층은 패턴으로부터 시각적으로 쉽게 구별될 수 있다.
저항성 히터의 바디/기판에 코팅층 또는 층을 증착하는 데 ETP(expanding thermal plasma), 이온 도금, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)(OMCVD(Organometallic Chemical Vapor Deposition)으로도 불림), MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리 기상 증착 프로세스, 반응성 전자 빔(e-beam) 증착, 페인팅 후 가열(비교적 두꺼운 코팅층을 위한 것임), 열 분사 및 플라스마 분사를 포함하는 다른 방법이 사용될 수 있다. 이 방법은 히터의 기판 상의 복수의 코팅층에 관하여 조합될 수 있는데, 각 층은 서로 다른 방법에 의해 증착된다. 일 실시예에서, 이 코팅층의 두께는 0.005 인치 내지 0.10 인치이다. 제 2 실시예에서, 이 코팅층의 두께는 약 0.01 인치 내지 0.05 인치이다. 제 3 실시예에서, 이 코팅층의 두께는 약 0.02 인치 미만이다. 다른 제 4 실시예에서, 이 코팅층은 실질적으로 두께의 범위가 0.01 인치 내지 0.03 인치인 연속하는 표면층이다.
미국 특허 제 5,343,022 호에 설명된 가열 소자의 일 예에서, 가열 소자는 열 붕소 질화물(pBN) 플레이트를 가열 소자를 형성하는 자체 상에 배치된 패터닝된 그래파이트 층을 가지는 기판으로서 포함하고, 패터닝된 플레이트를 캡슐화하는 적어도 하나의 코팅층도 포함한다. 미국 특허 공보 제 US20040074899A1 호에 설명된 가열 소자에 대한 다른 예에서, 가열 소자는 저항성 히터에 대한 전자 흐름 경로의 패턴으로 구성되고, 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물 화합물 또는 이들의 혼합물 중 하나를 포함하는 적어도 하나의 코팅층으로 캡슐화된 그래파이트 바디를 포함한다. 미국 특허 공보 제 US20040173161A1 호에 개시된 가열 소자에 대한 또 다른 실시예에서, 가열 소자는 그래파이트 기판, 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 제 1 코팅층, 저항성 히터에 대한 전자 흐름 경로를 형성하는 것으로 패터닝된 그래파이트의 제 2 코팅층 및 패터닝된 기판 상의 표면 코팅층을 포함하는데, 이 표면 코팅층도 질화물, 탄화물, 탄화질화물 또는 산화질화물 화합물 중 적어도 하나를 포함한다. pBN이 보호막 층에 사용되는 일 실시예에서, 층의 두께는 pBN에서 고유한 고도의 열 도전성 이방성을 이용하여 열 균일성을 촉진하는 것으로 최적화된다. 제 2 실시예에서, 다수의 보호막 층은 열 균일성을 촉진하기 위해 이용된다.
뱃치 어셈블리에서 사용하기 위한 방사상 히터는 우수한 램프 레이트, 즉, 100℃ 및 300℃ 사이에서 분 당 40℃보다 큰 램프 레이트를 갖는 것으로서 특징지워진다. 100℃ 및 300℃ 사이의 온도 범위에 대한 일 실시예에서, 히터는 분 당 60℃보다 큰 램프 레이트를 갖고, 다른 실시예서, 분 당 80℃보다 큰 램프 레이트를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 램프 레이트는 분 당 100℃보다 크다. 제 5 실시예에서, 램프 레이트는 분 당 150℃보다 크다. 극단적인 조건, 및 예를 들면, 100-300℃ 온도 범위에 대해 초 당 5℃보다 큰 가열 레이트를 갖는 고속의 응답 레이트 하에서 열적 쇼크(thermal shock)에 대해 우수한 내성을 갖는 다른 히터가 또한 사용될 수 있다.
히터는 뱃치 가열 장치에서 사용하는데 적합한 치수를 갖는 실린더 형상, 평탄 디스크, 판형 등으로 이루어질 수도 있다. 일 실시예에서, 각 히터는 그의 가장 긴 치수(예를 들면, 직경, 길이 등)에 있어 2 내지 20 인치이고 0.05″내지 50″인치 두께이다. 일 실시예에서, 이는 2″길이×2″폭×0.01″㎜ 두께의 치수를 갖는 디스크로 이루어질 수도 있다. 실린더(또는 부분적인 단면에서 실린더 형상을 형성하는) 형상의 제 3 실시예에서, 실린더 형상의 히터는 2″내지 20″의 직경 을 갖고, 0.10″내지 0.50″의 내벽, 2″내지 40″길이의 내경을 갖는다.
도 2a는 실린더 형상을 갖는 히터(6a-6c)의 일 실시예의 평면도를 도시하다. 도 2b는 실린더 히터를 도 2a의 라인 A-A를 따라 취해진 단면도를 도시하고, 도 2c는 도 2b에 도시하는 그 주위 영역의 확대도를 나타낸다. 그래파이트 본체 또는 베이스(10)는 반도체 처리 애플리케이션에 적합한 임의의 소망하는 두께로 이루어질 수 있다. 외부 코팅층(12)은 그래파이트 베이스 본체(10)의 양쪽 표면을 캡슐화한다. 다른 실시예에서, 코팅층(12)은 단지 부식에 대한 내성 및 구조적 지원을 위한 그래파이트 베이스 본체(10)의 상부 표면을 덮는다. 패턴(13)은 외부 전원(도시하지 않음)에 접속하기 위한 개방 단부를 갖는, 나선 형상 또는 서펜타인(serpentine) 구성의 패턴이다.
뱃치 가열 장치의 각종 실시예
일 실시예에서, 일광 가열 시스템은 석영 챔버 주위에 연속적인 실린더 형상 열 표면을 제공하도록 원형 웨이퍼의 기하 구조에 부합한다. 도 3은 히터(6a-6c)의 실린더 형상 실시예의 평면도이다. 다른 실시예에서 석영 챔버가 히터에 의해 완전하게 둘러싸일 수 없으며 개구부가 몇몇 반경 위치에서 허용됨에 따라, 히터는 열 차폐물에 의해 둘러싸인 가열 소자의 실린더 형상 단면을 포함한다(도 4 참조). 실린더 형상 단면은 처리용 또는 측정용으로 식영 챔버에 대한 액세스를 허용하도록 이격되어 있고, 이들은 제조 관점에서 제조가 보다 용이하다. 또한, 단면은 기하 구조, 가스 흐름, 또는 임의의 다른 비선대칭(axisymmetric) 교란에 의해 야기 되는 반경 비균일성을 갖는 처리를 수용하도록 설계 유연성을 제공한다.
웨이퍼를 수용하는 실시예에서 반도체 처리에 수반되는 기하 구조는 정방형, 장방형, 또는 예를 들면, 평 패널 디스플레이 처리용의 보다 일반적인 다각형 형상을 포함하며, 히터(6a-6c)는 도 5에 도시한 바와 같은 다각형 기하 구조를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 가열 시스템은, 도 6에 도시한 바와 같이, 석영 챔버 주위에 배치된 플레이트 가열 소자로 구성된다. 플레이트 가열 소자는 통상적으로 제조가 보다 용이하며, 임의의 웨이퍼 기하 구조에 가상적으로 적합할 수 있다. 이들은 반경 온도 제어에 부가적인 유연성을 또한 제공한다.
일 실시예에서, 열 차폐물은 도 6에 도시한 바와 같이, 단일의 연속적인 단편을 포함한다. 열 차폐물은 압력 감지 접착제, 세라믹 본딩, 아교 등을 이용하는 본딩과 같은 몇몇 방법을 이용하거나, 또는, 통상 구리와 같은 오멸물이 없고, 처리 내성을 갖는 스크류, 볼트, 클립 등과 같은 패스너(fastener)에 의해 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 열 차폐물은 플레이트 히터 주위에 고정되는 개별적인 단편으로 구성된다. 제 2 실시예에서, 열 차폐물은 용이한 설치 및 제거를 위해 플레이트 히터의 후면에 고정된 평탄 플레이트이다. 또 다른 실시예에서, 열 차폐물은 절연 스크류, 볼트, 클립 등과 같은 절연 패스너를 이용하여 히터(6a=6c)로부터 이격되어, 이들 사이에 갭을 형성한다.
히터에 대한 전기적 접촉부는 각종 방식으로 제조될 수 있다. 플레이트 또는 다각형 형상 히터의 일 실시예에서, 코팅층은 주어진 위치에서 그래파이트를 노출시키도록 제거되고 나서, 향상된 접촉을 위해 쓰레디드 너트(threaded nuts) 및 그래파이트 워셔(washers)를 이용하여 노출된 그래파이트 상으로 도전성 로드(rod)를 볼팅(bolting)한다. 로드 및 너트는 알루미늄, 스테인리스 스틸, 몰리브덴, 탄탈륨 등과 같은 임의의 도전성 재료로 제조될 수 있다. 노출된 그래파이트가 허용되지 않는 애플리케이션, 또는 히터에 의해 규정된 내측 표면 내부의 돌출부가 바람직하지 않은 애플리케이션에서, 세라믹 코팅된 그래파이트 포스트를 이용하여 전기적 접속이 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 그래파이트 포스트는 그래파이트 스크류에 고정되거나, 또는 가열 소자의 그래파이트 베이스로 직접 쓰레디드된다. 이들 기법은 전기적 접속부가 가열된 표면으로부터 더욱 멀리, 예를 들어, 온도가 훨씬 낮은 열 차폐물의 외부에 위치하도록 한다. 전기적 접속부가 보다 낮은 온도 영역에 위치함에 따라, 이들은 유연성 있는 설계를 촉진하는 차동적인 옆 팽창에 덜 영향을 받게 된다.
도 7에 도시한 바와 같이, 전기적 접속을 위한 외부 포스트를 채용하는 뱃치 시스템의 일 실시예에서, 부분적인 실린더 형상 히터(6)에는 외부에 위치하는 복수의 열 차폐물(7a-7b)이 제공된다. pBN 코딩 그래파이트 포스트(8 및 0)를 통해 히터에 전력이 공급된다. 이들 포스트는 열 차폐물을 통과하여, 훨씬 낮은 온도에서 전기적 접속이 행해지게 될 가열 시스템의 외부에서 접촉하게 된다. 이러한 일 실시예에서, 히터 코어 온도는 700℃에서 측정되는 한편 포스트 단부 온도는 훨씬 낮은 500℃에서 측정된다. 그래파이트 포스트를 전력 케이블에 접속하는 데 다른 방법이 또한 사용될 수 있으며, 그래파이트 포스트에 쓰레드된 금속 로드, 포스트의 직경 외부의 클램프, 포스트 로드에 대해 평탄 스크류된 텅(tongue) 단자 등으로 제한되지는 않는다.
뱃치 가열 어셈블리의 특성
가열 어셈블리의 일 실시예에서, 히터(6a-6c)는 저 저항에 대해 가열 소자로서 그래파이트를 포함하므로, 저 전압, 고 전류 전원의 사용을 필요로 한다. 세라믹 캡슐화된 그래파이트 히터의 최종 저항은 제조 동안 엄격하게 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 히터는 0.5%보다 적은 부품 간의 편차가 통상적이며, 제 2 실시예에서는, 0.1%보다도 적다. 예를 들어, 8″내경, 130도 반경 확장부, 6.3″높이를 갖는, 2개의 실린더 형상 단면 히터(6a-6c)는 동일한 도전체 패턴으로 제조된다. 제 1 부품은 6.655Ω의 최종 저항을 갖는 반면, 제 2 부품은 제 1 부품 저항의 0.24% 이내에서, 6.639Ω의 최종 저항을 갖는다. 따라서, 일 실시예에서, 히터 중 몇 개는 직렬로 탑재되고 하나의 독립적인 가열 구역으로서 사용된다. 이들 히터를 직렬로 탑재하는 장점은, 전체 가열 구역 저항이 증가된다는 점이다. 적절한 수의 히터를 선택하여 직렬로 탑재함으로써, 히터에 전력을 공급하는데 통상적인 고 전류, 저 전압 전원(예를 들어, 200V, 20A)이 이용될 수 있다.
세라믹 캡슐화된 히터의 우수한 열적 쇼크 내성 및 열 차폐물 절연의 낮은 열 질량을 결합하는 것은 본 발명에 의해 매우 높은 램프 레이트가 얻어지도록 허용한다. pBN 캡슐화된 그래파이트 히터가 사용되는 일 실시예에서, 뱃치 가열 어셈블리는 히터 상에서 관측된 역효과 없이 600℃를 초과하는 램프 레이트에서 가열된다. 또한 열 차페물을 이용하고 히터에 의해 자신으로 방출된 열을 반사시키는 금속화 절연층에 의해, 보다 높은 램프 레이트가 획득된다. 열 차폐물 자신은 본질적으로 낮은 열 질량으로 인해 매우 신속하게 가열된다.
매우 고속의 열 응답을 갖는 캡슐화된 히터(6a-6c)를 이용하는 뱃치 가열 어셈블리의 일 실시예에서, 웨이퍼는 1℃/초의 레이트에서 대략 300-1000℃의 처리 온도로 웨이퍼가 놓여지도록 매우 신속하게 가열될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 히터는 적어도 분 당 10℃의 레이트("램프 레이트")에서 실온으로부터 01000℃로 가열된다. 제 2 실시예에서, 램프 레이트는 적어도 40℃/분이다. 제 3 실시예에서, 레이트는 60-300℃/분의 범위에 있다.
일 실시예에서, 뱃치 가열 어셈블리는 종래 기술에 있어서의 뱃치 가열 어셈블리 열 질량의 1/10보다 적은 총 열 질량을 갖는 것으로서 또한 특징지워진다. 이것은 동일한 전원에 대해, 본 발명의 뱃치 가열 어셈블리가 종래 기술의 뱃치 가열 어셈블리보다 10배 이상으로 빠르게 가열될 것임을 의미한다. 그래파이트는 다른 세라믹 재료보다 낮은 밀도를 갖고, 극단적인 열적 쇼트 내성을 가지며, 세라믹 캡슐화된 히터를 제조하도록 매우 얇게 가공될 수 있다. 열 차폐물은 두께 0.001″내지 0.05″의 시트(sheet) 금속으로 제조될 수 있어, 통상적으로 매우 작은 크기의 부품이 초래된다.
열 질량 계산은 다음과 같이 예시될 수 있다. 400㎜의 내경을 갖는 1 미터 높이 실린더 형상 가열 시스템의 경우(통상적으로 300㎜ 웨이퍼 처리의 경우), 40㎜ 두께의 알루미늄으로 제조된 통상적인 세라믹 가열 시스템은 184 kj/K의 25℃에서 총 열 질량을 가질 것이다. 이에 비해, 히터의 외부에 10㎜ 이격된 2개의 스테 인리스 스틸 열 차폐물에 의해 둘러싸인 매우 얇은(8㎜) 실린더 형상 세라믹 캡슐화된 그래파이트 히터를 구비하는 본 발명의 뱃치 가열 어셈블리의 실시예는 각각, 히터의 열 질량은 14.5 kj/K이고 반사기의 열 질량은 약 1.3kj/K이다. 총 열 질량은 17.1 kj/K이다. 이러한 저 열 질량은 세라믹 캡슐화된 그래파이트 히터의 저 열 질량 및 히터 차폐물의 저 열 질량의 결합으로부터 도출된다.
캡슐화된 히터를 사용하는 뱃치 가열 어셈블리(batch heating assembly)는 히터 내측면상의 우수한 온도 균일성에 의해 더 특징지어 지는데, 전력 밀도 분배가 흑연 패턴을 대응하게 제조함으로써 균일성을 위해 테일러링될 수 있다. 또한, 가열 소자 위를 코팅하는 세라믹에 의해 형성되는 연속면은 매우 높은 열 균일도를 생성한다. pBN 또는 AlN 코팅이 사용되는 일 실시예에서, 세라믹 코팅의 높은 열 전도성, 예를 들어 pBN에 대해 60W/mK 또는 AlN에 대해 200W/mK는, 알루미늄과 같은 더 낮은 전도성 물질을 사용하는 종래 기술의 배치 퍼니스(batch furnaces)보다 열이 더 균일하게 확산되는 것을 돕는다. 단면이 원통형인 (8″를 갖는) 히터를 사용하는 일 실시예에서는, 최대 온도와 최소 온도간 차이로 정의되는 열 균일성이 히터의 에지에서 멀어져서 위치되는 중심 영역(6″)에서는 5℃로 측정된다. 히터 표면의 우수한 열 균일성은 웨이퍼가 포함된 후 가열되는 챔버의 대응 열 균일성에 반영된다. 일 실시예에서, 웨이퍼 포함 챔버의 외측면상의 최대 온도와 최소 온도의 차이는 10℃ 미만이다.
종래 기술의 뱃치 가열 어셈블리와, 가열 소자가 서로 근접하게 위치되지 않거나 열 절연이 올바르게 설계되지 않은 경우, 에지 효과는 가열 소자의 에지에 더 근접한 영역의 열 균일성을 악화시키므로, 가열될 웨이퍼의 품질에 영향을 준다.
캡슐화된 히터를 사용하는 뱃치 가열 어셈블리의 다른 장점은 반도체 웨이퍼상으로 증착되는 입자 형성이 감소된다는 것이다. 전형적 배치 어셈블리에서는, 웨이퍼 공정 과정은 수정 챔버의 내부에서 발생하지만, 수정 챔버를 둘러싸는 가열 시스템의 입자 생성 및 청결성이 웨이퍼 표면에 영향을 주는 핵심 요소이다. 가스와 수정 챔버를 둘러싸는 입자(실(seal), 양(positive)의 압력 차 등)에 의한 수정 챔버 내부 공정 환경의 오염을 방지하기 위해 취해지는 많은 예방 조치에도 불구하고, 여전히 입자들이 수정 챔버로 침입하여 공정을 오염시킨다. 따라서, 오염되지 않는 가열 시스템을 구비하는 것이 중요하다. 본 발명의 일 실시예에서, 뱃치 가열 어셈블리는 화학 기상 증착과 같은 공정을 통해 증착되는 보호층으로 코팅되는 히터를 사용한다. 그러므로, 이 코팅층은 순수하고, 완전히 밀집되며, 열 충격에 저항성 있다. 예를 들어, pBN(pyrolytic boron nitride)가 3000℃/min를 초과하는 가열 비율로 순환되었으며, 입자 생성, 균열 또는 고장의 증거가 발생하지 않았다. 그들의 제조 공정으로 인해, 이들 층을 사용하는 히터는 소결 물질에서 균열 및 입자를 발생시키는 메커니즘으로 되지는 않는다. 그러므로, 이들은 열 순환을 포함하는 애플리케이션에 더 적합하다.
뱃치 가열 어셈블리는 종래 기술의 배치와 비교할 때 동작 수명이 더 길다는 특징을 더 포함한다. AIN 및/또는 pBN과 같은 코팅을 사용하는 히터는 높은 산화 저장성과 우수한 가스 밀봉성을 갖는 것으로 증명하였다. 가열 요소, 이 예에서는 흑연은 pBN 코팅에 의해 잘 보호될 것이다. 이 배치 장치는 고유 산화 문제점으로 인해 종래 금속 코일 히터에 대해 평가되지 않는 웨이퍼 공정에 사용될 수 있으며, 공정 툴에 대해 현저히 낮은 밀봉성과 가스 제거의 순도를 갖는다.
다음의 비한정적 예에 의해 본 발명을 추가로 설명한다.
예 1. 흑연 코어 및 파이롤리틱 보론 니트라이트 코팅(a pyrolytic boron nitride coating)을 갖는 General Electric Company("GE")로부터의 Boralectric 히터의 내측 직경 200㎜와 원추 단면 두께 8㎜ 형태로 세라믹-캡슐화 히터를 사용하는 배치 어셈블리의 램프 특성을 설명하기 위해 실험이 수행되었다. 원통형 섹션은 알루미늄 스페이서를 사용하는 스테인리스 실드 히트 실드로부터 10㎜의 간격을 두고 배치된다. 복사 배플(radiation baffle)/캡슐화 히터 어셈블리는 지지 구조에 부착된 후, 수정 실린더를 100℃로부터 700℃로 직접 가열하는 데 이용된다. 히터는 700℃에서 안정화되기 전에 신속히 700℃로 가열되어야 한다는 것을 유의하자.
도 8은 히터의 램프 레이트가 상이한 값으로 제어되는 상이한 시나리오를 도시하는 그래프이다. 이 실험에서, 히터 온도는 15, 30, 60℃/min의 비율로 증가되었다. 또한, 이 실험에서, 히터 램프 레이트는 제어되지 않았지만 전체 전력이 히터로 입력되었다(R이 드롭되고 I증가됨에 따라 전력이 증가됨). 100℃와 300℃ 사이의 램프 레이트는 300℃/min였다. 300℃ 내지 600℃ 사이에서, 이는 120℃/min로 측정되었다. 600℃ 내지 700℃ 사이에서, 이는 온도가 700℃로 일정하기 유지되기 전에 42℃/min로 감소되었다. 히터가 700℃의 일정한 온도를 달성하기에 9분미만이 소요되었다. 이는 내부 히터면상의 전력 밀도 8.5W/cm로 달성되었다. 비 교하면, 종래 기술의 뱃치 가열 어셈블리의 소결된 세라믹 물질에 의해 달성 가능한 최대 가열 비율은 약 20℃인데, 이는 공정 시간을 현저히 증가시킨다.
예 2. 도 9는 복사 배플로 사용되는 스테인리스 강철 반사기로부터 10㎜를 두고 배치되는 8㎜ 두께의 세라믹-캡슐화 히터를 사용하는 배치 어셈블리의 다른 실시예의 가속된 수명 테스트를 도시하는 그래프이다. 이 실험에서, 연속해서 장착되는 2개의 반원통형 단면이 테스트되었다. 이 단면 히터(도 7에 도시된 바와 같이 각 원통형 절반을 가짐)는 General Electric Company로부터 입수된 것으로, 흑연 코어 및 파이롤리틱 보론 니트라이트 코팅을 갖는 Boralectric 히터이다.
이 어셈블리는 45℃/min의 램프 레이트로 200℃ 내지 500℃ 사이에서 100회 이상 순환되었다. 그 결과는 이 시스템이 매우 반복 가능하여 우수한 열 균일성을 갖는다는 것을 보여준다. 6.5℃ 미만의 온도 변동이 좌측 히터와 우측 히터 사이에서 얻어졌다. 이는 본 발명의 뱃치 가열 어셈블리에서 사용되는 흑연 히터의 히터 저항에 관한 엄격한 제어로 인한 것이다.
예 3. 열 순환 중에 배치 어셈블리의 성능을 평가하기 위한 이 실험에서는, 2개의 절반-원통형 단면이 합쳐져 어셈블리에서 사용하기 위한 원통형 히터를 형성한다. 부합 스테인리스 강철 반사기는 알루미늄 스페이서를 이용하여 10㎚의 간격을 남기고 히터 단면의 후면에 부착되었다. 어셈블리는 그 후 지지 구조에 부착되어 200℃에서 600℃로 158개의 열 순환의 램프 테스트를 받게 된다. 이는 웨이퍼 기판 공정 시스템의 수정 챔버를 가열하기 위해 뱃치 가열 어셈블리에서 전형적으로 겪게 되는 바이다. 각 주기마다, 히터는 600℃로 램핑되고, 7분간 600℃로 유 지되며, 200℃로 냉각시킬 수 있으며, 10분간 200℃로 유지되었다. 도 10에 도시된 바와 같이, 어셈블리는 50℃/min를 초과하여 600℃로의 램프 레이트를 증명하였다.
바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있으며 균등물이 그 구성 요소를 대체할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 핵심적 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 특정한 상황 또는 물질을 적응시키기 위해 많은 변형이 이루어질 수 있다.
본 명세서에 인용된 모든 문헌은 참조로서 포함된다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 원하는 설계 융통성을 허여함과 동시에 복수의 웨이퍼에 빠르고 균일하며, 에너지-효율적인 무오염 가열 및 냉각을 제공하는 뱃치 프로세싱 장치가 얻어진다.

Claims (12)

  1. 다수의 웨이퍼 기판을 300 내지 800℃의 처리 온도로 가열시에 사용하기 위한 뱃치 처리 장치(batch treatment apparatus)에 있어서,
    상기 웨이퍼 기판을 지지하기 위한 다수의 선반(shelf)을 포함한 웨이퍼 보트의 배치를 위한 내부(interior)를 갖는 챔버와,
    상기 챔버 외부에 위치한 적어도 하나의 히터―상기 히터는 내부 측면과 외부 측면을 가지며, 상기 내부 측면은 상기 챔버와 마주하며 내부에 포함된 웨이퍼를 가열하기 위해 상기 챔버에 가열 에너지를 전달함―와,
    상기 히터의 외부 측면 상에 배치된 적어도 하나의 열 차폐층(heat shield layer)과,
    상기 차폐층의 외부에 배치된 적어도 하나의 금속화 절연층을 포함하되,
    상기 히터는, 적어도 하나의 구역을 규정하여 그 적어도 하나의 구역의 독립 제어 가열을 위한 다수의 회로 내에서 패터닝된 적어도 하나의 저항성 가열 소자를 가지며,
    상기 패터닝된 저항성 가열 소자의 적어도 일부는 질화물, 탄화물, 탄화질화물, 또는 B, Al, Si, Ga, 내화성 경화 금속, 전이 금속, 및 희토류 금속 또는 복합물 및/또는 그의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 원소의 산질화물 중의 적어도 하나와, NaZr2 (PO4)3의 NZP 구조를 갖는 고 열 안정성 지르코늄 포스파이트 와, 그룹 2a, 그룹 3a, 및 그룹 4a의 원소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 글래스 세라믹 조성과, BaO-Al2O3-B2O3-SiO2 글래스와, Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu, 또는 Dy의 산화물과 SiO2의 혼합물 중의 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 층으로 코팅되며,
    상기 코팅층은 팽창 열 플라즈마(ETP), 화학 기상 증착(CVD), 플라즈마 여기 화학 기상 증착, 이온 플라즈마 증착, 금속 유기 화학 기상 증착, 금속 유기 기상 에피택시, 스퍼터링, 전자빔 및 플라즈마 스프 레이 중의 적어도 하나에 의해 패터닝된 저항성 가열 소자 상에 배치되며,
    상기 챔버는 적어도 40℃/분의 램프 레이트(ramp rate)에서 상기 처리 온도로 가열되는
    뱃치 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터는 300 내지 800℃의 온도 범위에서 적어도 60℃/분의 램프 레이트를 갖는 뱃치 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 히터는 300 내지 800℃의 온도 범위에서 적어도 100℃/분의 램프 레이트를 갖는 뱃치 처리 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패터닝된 저항성 가열 소자는 그래파이트(graphite)를 포함하며, 파이로리틱 보론 질화물과 알루미늄 질화물 중의 하나를 포함한 유전성 절연층으로 코팅되는 뱃치 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 차폐층은 글래스, 세라믹, 알루미늄, 니켈, 철, 텅스텐, 탄탈륨, 몰리브덴 및 그 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 열 반사 표면을 포함하는 뱃치 처리 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터와 상기 열 차폐층 간에는 비접촉 갭(non-contacting gap)이 존재하는 뱃치 처리 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 상기 챔버의 형상에 부합하는 형상으로 이루어지며, 실린더, 직사각형, 정방형 및 다각형 중의 하나로부터 선택되는 단면 형상을 갖는 뱃치 처리 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히터는 플레이트, 실린더, 실린더형 단면, 반 실린더형 단면, 다각형 단면, 구형 단면, 디스크 및 판형 중의 하나인 뱃치 처리 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 저항성 가열 소자를 갖는 상기 히터는 다수의 회로에서 패턴화되어 다수의 가열 구역을 규정하고 각각의 구역은 독립적으로 제어되는 뱃치 처리 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상호 접속되어 적어도 하나의 가열 구역을 형성하는 다수의 히터를 포함하는 뱃치 처리 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    직렬로 혹은 병렬로 상호 접속되어 다수의 가열 구역을 규정하는 다수의 히터를 포함하는 뱃치 처리 장치.
  12. 다수의 웨이퍼 기판을 300 내지 800℃의 처리 온도로 가열시에 사용하기 위한 뱃치 처리 장치(batch treatment apparatus)에 있어서,
    상기 웨이퍼 기판을 지지하기 위한 다수의 선반(shelf)을 포함한 웨이퍼 보트의 배치를 위한 내부(interior)를 갖는 챔버와,
    상기 챔버 외부에 위치한 적어도 다수의 히터―상기 히터는 내부 측면과 외부 측면을 가지며, 상기 내부 측면은 상기 챔버와 마주하며 내부에 포함된 웨이퍼를 가열하기 위해 상기 챔버에 가열 에너지를 전달함―와,
    상기 히터의 외부 측면 상에 배치된 적어도 다수의 열 차폐층(heat shield layer)과,
    상기 열 차폐층의 외부에 배치된 다수의 금속화 절연층을 포함하되,
    상기 히터는, 적어도 하나의 구역을 규정하여 그 적어도 하나의 구역의 독립 제어 가열을 위한 다수의 회로 내에서 패터닝된 적어도 하나의 저항성 가열 소자를 가지며,
    상기 패터닝된 저항성 가열 소자의 적어도 일부는 질화물, 탄화물, 탄화질화물, 또는 B, Al, Si, Ga, 내화성 경화 금속, 전이 금속, 및 희토류 금속 또는 복합물 및/또는 그의 조합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 원소의 산질화물 중의 적어도 하나와, NaZr2 (PO4)3의 NZP 구조를 갖는 고 열 안전성 지르코늄 포스파이트와, 그룹 2a, 그룹 3a, 및 그룹 4a의 원소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 글래스 세라믹 조성과, BaO-Al2O3-B2O3-SiO2 글래스와, Y, Sc, La, Ce, Gd, Eu, 또는 Dy의 산화물과 SiO2의 혼합물 중의 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 층으로 코팅되며,
    상기 코팅층은 확장 열 플라즈마(ETP), 화학 기상 증착(CVD), 플라즈마 여기 화학 기상 증착, 이온 플라즈마 증착, 금속 유기 화학 기상 증착, 금속 유기 기상 에피택시, 스퍼터링, 전자빔 및 플라즈마 스프 레이 중의 적어도 하나에 의해 패터닝된 저항성 소자 상에 배치되며,
    상기 챔버는 적어도 40℃/분의 램프 레이트(ramp rate)에서 상기 처리 온도로 가열되며,
    상기 히터는 직렬로 혹은 병렬로 상호 접속되는
    뱃치 처리 장치.
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