KR20080080113A - 열처리 시스템, 열처리 부품 및 열처리 방법 - Google Patents

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제프리 마이클 코왈스키
제프리 에드워드 코왈스키
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디에스지 테크놀로지스
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Abstract

열 처리는 집적회로의 제조에서 중요한 공정이다. 집적회로는 소형화 및 고속화되어 가고 있으며, 접적 회로를 손상시키지 않고 접적 회로를 효과적이고 균일하게 가열할 수 있는 고정밀의 열 처리 시스템에 대한 요구가 증가되고 있다. 따라서, 본 발명의 발명자는 다른 것 중에서 마이크로파 반사 포함 챔버, 상기 마이크로파 반사 포함 챔버 내에 내부 마이크로파 투과 공정 챔버, 상기 공정 챔버 내의 마이크로파 투과 웨이퍼 캐리어, 및 외측 챔버 내에 마이크로파 방사선을 유입시키기 위한 5.8㎓ 마이크로파 소소를 포함하는 전형적인 열 처리 시스템을 발명하였다. 이 시스템은 10% 농도의 오존을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 수직으로 적층된 배치를 효과적으로 산화하기 위하여 이용될 수 있다.
열 처리, 집적회로, 마이크로파, 반사, 투과, 웨이퍼, 캐리어, 오존

Description

열처리 시스템, 열처리 부품 및 열처리 방법{THERMAL PROCESSING SYSTEM, COMPONENTS, AND METHODS}
저작권 고시 및 허가
본 특허 명세서의 일부분은 저작권 보호를 받아야 할 부분을 포함한다. 저작권자는 특허 서류 명세서 특허 공개물을 복사 재생산하는 것을 반대하지 않으며, 또는 특허 서류 또는 특허 공개물이 특허청에서 파일 또는 기록물로 특허 공개될 때 모든 저작권을 소유한다. 아래 고시는 본 명세서에 적용된다: 저작권 2005, DSG 테크놀로지이스(Technologies).
관련 출원
본 출원은 본 명세서 내에 원용되어 있는 2005년 11월 11일 출원된 미국 가 특허 출원 제60/735,382호를 우선권으로 주장한다.
기술 분야
본 발명의 다양한 실시예는 집적회로, 특히 웨이퍼를 가열하기 위한 시스템, 장치 및 방법과, 집적회로 조립체와, 관련 부품에 관한 것이다.
수 천의 전자 및 컴퓨터 제품의 주요 부품인 집적회로는 공통 파운데이션(foundation) 또는 기판상에 제조되는 전기 부품의 상호 연결 네트워크이다. 제 조업체는 일반적으로 증착, 도핑, 마스킹, 및 에칭과 같은 기술을 이용하여 집적회로를 겹겹이 제조하여 웨이퍼로서 알려진 기판 상에 수 천, 수 백만, 또는 수 십억 개의 초소형 트랜지스터, 레지스터 및 다른 전자 부품을 형성 및 상호 연결하도록 한다. 웨이퍼는 통상적으로 실리콘과 같은 반도체 재료로 구성된다.
집적회로를 제조하는 데 이용되는 매우 다양한 기술 중에서, 가장 보편적인 것 중 하나는 열처리이다. 이 기술은 일반적으로 단일의 폐쇄된 적외선 가열 챔버 내에 하나 또는 그 이상의 웨이퍼(또는 집적회로 조립체)를 배치하는 단계, 특정 압력으로 챔버 내에 불활성 가스 또는 반응성 가스를 주입하는 단계, 이어서 가스 및 웨이퍼를 특정 온도로 가열하는 단계를 수반한다. 일부의 경우, 가스는 서로 반응하거나 및/또는 웨이퍼 표면과 반응하여, 실리콘 산화물과 같은 원하는 막이 형성되도록 한다. 다른 것 중에서, 가열은 금속 구조물과 같은 웨이퍼의 다양한 부분들을 효과적으로 양생(curing)한다. 효과적인 열처리는 때때로 특별한 온도로 웨이퍼를 상승시키는 단계뿐만 아니라 웨이퍼를 온도 극한치들 사이에서 순환시키는 단계를 포함한다.
비록 종래의 열처리 시스템이 65 나노미터와 같이 작은 피쳐(feature)를 가지는 집적회로에 대해 효과적이지만, 본원의 발명자는 더 작고 더 빠른 회로를 갖는 웨이퍼를 처리하는 것은 이러한 시스템에 대해 적어도 두 가지의 문제점을 야기한다는 것을 인식하였다.
첫 번째, 이러한 소형의 고속 집적회로는 니켈 실리사이드(nickel silicide) 와 같은 낮은 용융점 재료를 포함하며, 이 재료는 400℃보다 더 높은 온도에서 용 융된다. 그러나, 종래의 시스템은 실제로 650℃ 아래에서는 실용적이지 못하며, 그 이유는 이러한 온도가 종래의 저항 가열(ohmic heating)이 유효하게 되는 방사 밴드 아래에 있기 때문이다.
두 번째, 작은 피쳐 및 더 복잡한 형상(30:1의 종횡비(폭 대 높이)를 가진 트렌치(trench))을 가지므로, 웨이퍼 내에서 및 웨이퍼에 걸쳐 상대적인 고온 스폿과 저온 스폿을 형성하는 비균일한 가열을 회피하는 것이 매우 중요하다. 이러한 스폿들이 웨이퍼의 복접한 피쳐를 파괴하는 기계적인 응력 및 변형을 발생시키기 때문에, 이러한 스폿은 문제가 된다. 그러나, 종래의 시스템은 외부로부터 내부로 웨이퍼를 가열하며, 이는 열을 웨이퍼의 외측부로부터 내측부로 이동 또는 전파시키는 것에 의존한다. 이러한 외부에서 내부로의 열 전달(outside-in heat transfer)은 본래 불균일하여, 작고 빠른 집적회로의 복잡한 피쳐를 손상시킬 수도 있는 기계적 응력을 발생시킨다.
이러한 문제점에 대한 부분적인 해결 방안으로, 일부 제조업체는 웨이퍼를 한 번에 하나씩 처리하는 급속 열처리(RTP) 챔버를 개발하였다. RTP 챔버가 종래의 배치 가열 챔버(batch heating chamber)보다 더 균일하고 신속한 가열을 제공하지만, 균일성 및 신속성은 여전히 원하는 것보다 부족하다. 더욱이, 웨이퍼의 배치를 가열할 수 없다는 점은 웨이퍼의 가공을 느리게 하였으며, 더 빠른 집적회로를 제조하는 비용을 상승시켰을 뿐만 아니라 장비를 소유하는 비용을 상승시켰다.
따라서, 본원의 발명자는 웨이퍼를 열처리하는 다른 시스템 및 방법에 대한 요구를 인식하였다.
이러한 요구 및/또는 다른 요구를 해소하기 위하여, 본원의 발명자들은 다른 것 중에서, 열처리 시스템, 열처리 부품, 및 열처리 방법을 발명하였으며, 이들 중 일부는 집적회로 웨이퍼 및 조립체의 급속하고 실질적으로 균일한 가열 및 냉각을 제공한다. 일례의 시스템은 0.9 GHz 내지 28 GHz 마이크로파 에너지를 반사 및 수용하기 위한 저 벌크 저항율(low bulk resistivity)의 외측 챔버, 상기 외측 챔버 내의 내부 마이크로파 투과성 챔버, 및 내측 챔버 내의 마이크로파 투과성 웨이퍼 캐리어를 포함한다. 전형적인 웨이퍼 캐리어는 고정된 물리적 형상뿐만 아니라 공지된 가열 및 유전체 특성을 가지는 수직 마이크로파-흡수성의 실리콘 웨이퍼 적층체를 운반하도록 구성된다.
작동 시에, 전형적인 시스템은 수직 적층체를 균일하게 가열하며, 마이크로파의 공지된 이용과 관련된 고온 스폿 및 아킹(arcing)의 발생을 감소시킨다.
보다 구체적으로, 예를 들면 직각 팔각형 실린더의 형상을 갖는 외측 챔버는 원형 웨이퍼를 가열하기 위해 요구되는 마이크로파 파워를 억제 및 감소시킬 뿐만 아니라, 웨이퍼의 수직 적층체 위에 마이크로파를 균일하게 분배한다. 마이크로파는 웨이퍼를 내측에서 외측으로(from inside out) 분자 레벨로 가열하여, 각각의 웨이퍼뿐만 아니라 적층체에 걸쳐 열 처리 균일도를 향상시킨다. 또한, 웨이퍼를 적층함으로써, 임의의 다른 웨이퍼의 상하의 웨이퍼가 각각의 웨이퍼에 걸친 균일한 가열을 추가로 증진시키는 사실상의 고온 플레이트로서 기능하게 된다. 사실상의 고온 플레이트는 또한 서셉터 플레이트(susceptor plate)로서 기능하여, 웨이퍼들 사이의 균일한 전력 소산을 증진시킨다(일부 실시예는 유사한 효과를 달성하기 위하여 웨이퍼들 사이에 실리콘 카바이드 플레이트 또는 구조물과 같은, 다른 마이크로파 흡수 물체를 적층 또는 배치할 수 있다).
더욱이, 외측 챔버 벽이 마이크로파 반사성이고, 내측 챔버 벽 및 웨이퍼 캐리어가 마이크로파 투과성이기 때문에, 시스템은 웨이퍼만을 효과적으로 가열한다. 이는 전형적인 시스템이 일부의 경우 종래의 저항 가열 챔버의 열적 매스(thermal mass)보다 낮은 열적 매스, 일부 경우는 90% 작은 열적 매스를 가지는 것을 의미하며, 이는 급속하고 균일한 가열, 온도 안정화 및 급속 냉각을 허용한다. 일부의 경우, 냉각은 종래의 배치 가열(batch heating)보다 50 배 정도 빨라질 수 있다.
다른 실시예는 고온 스폿 및 아킹을 감소시키고 균일한 가열을 증진하기 위한 다른 강화책을 포함한다. 예를 들면, 일부 실시예는 더 높은 주파수 마이크로파 에너지(> 2.45 GHz)를 이용하여, 마이크로파 에너지의 파장을 감소시키고, 그 결과 정재파(standing wave)의 크기를 감소시켜 전자기력 균일도의 관리를 용이하게 한다. 일부 실시예는 마이크로파 에너지를 공칭의 중심 주파수에 대해 ±1% 변화시키는 반면, 다른 실시예는 주파수를 더 급격하게, 예를 들면 ±5, 10, 20, 또는 심지어 더 큰 퍼센티지만큼 변화시킨다. 그리고, 이들 다른 실시예는 각각의 실리콘 웨이퍼 아래 또는 부근에 마이크로파 흡수 재료를 배치하여 각각의 실리콘 웨이퍼 주위의 마이크로파 에너지의 균일한 분배를 추가로 증진시킨다.
이들 실시예 및/또는 다른 실시예는 아래 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.
도 1a는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 대응하는 전형적인 열처리 시스템(100)의 수직 단면 블록도이며,
도 1b는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 대응하는 열처리 시스템(100)의 정부 단면도이며,
도 1c는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 대응하는 열처리 시스템(100)의 부분 사시도이며,
도 1d는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 대응하는 열처리 시스템(100) 내의 웨이퍼 적층 조립체(132)의 사시도이며,
도 1e는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 대응하는 열처리 시스템(100)의 개략적인 블록도로, 열처리 시스템(100)의 일부 특징부에 대한 제어를 예시하는 도면이며,
도 2는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 대응하는 열처리 시스템(100)을 작동시키는 전형적인 방법의 흐름도이며,
도 3은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 대응하는, 열처리 시스템(100) 내의 3개의 적층된 웨이퍼에서의 마이크로파 전력 분포도이며,
도 4는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예에 대응하는 수 개의 공정 온도에 대한 산화물 두께 대 시간의 그래프이다.
본 명세서는 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예를 설명한다. 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라 본 발명을 설명하고 예시하기 위해 제공된 것인 이러한 실시예는 본 기술분야의 기술자가 본 발명을 실행 또는 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 도시되고 설명된다. 따라서, 본 발명을 불명확하게 하는 것을 피하기 위해, 상세한 설명은 본 기술분야의 기술자에게 공지되어 있는 기술 내용을 생략할 수 있다.
전형적인 열처리 시스템
도 1a 및 1b는 전형적인 열처리 시스템(100)을 보여준다. 도 1a는 열처리 시스템(100)의 종방향 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 라인 B-B에 의해 형성된 수평면을 따라 도시한 정부 단면도이다. 열처리 시스템(100)은 외측 챔버 조립체(110), 내측 챔버 조립체(120), 웨이퍼 캐리어 조립체(130), 및 제어기(140)를 포함한다.
외측 챔버 조립체(110)는 외측 챔버(112), 재순환 조립체(114), 마이크로파 발생기 조립체(116), 및 베이스 조립체(118)를 포함한다. 전형적인 실시예에서, 수직의(right) 8각 알루미늄 실린더의 형태를 갖는 외측 챔버(112)는 상부 부분(112A), 바닥 부분(112B), 및 중간 부분(112C)을 포함한다. 8각 실린더의 일례의 높이 및 직경은 각각 37.5 및 21 인치(또는 0.953 및 0.544 미터)이다. 또한, 외측 챔버(112)는 명확성을 위해 도 1b에만 도시된 내부면(112I) 및 외부면(112X)을 포함한다. 도 1c는 외측 챔버(112)를 강조하여 도시하고 있는 열처리 시스템(100)의 부분 사시도이다(일부 실시예는 열처리 시스템의 명확한 외향을 변화시키기 위해 하우징 내에 외측 챔버(112)를 클래딩(clad)하거나 부가적인 차폐물을 결합할 수 있다).
내부면(112I)은, 필수적으로 이리다이트(iridite) 또는 낮은 벌크 저항율의 다른 재료로 구성되고, 전자기 에너지의 반사 및 수용에 적합한 반사 코팅(113)을 갖는다. 다른 적절한 재료는 구리, 은, 알루미늄, 및 스테인레스 강을 포함한다. 이리다이트는 기본 재료의 반사 특성을 강화한다. 일부 실시예는 플라스틱과 같은 적절하게 코팅된 높은 벌크 저항율 재료를 사용할 수도 있다.
전형적인 8각 챔버 형상은 두 개의 상충하는 관심사를 효과적으로 처리하는데, 그 하나는 전력 요구를 감소시켜서 마이크로파 가열의 일반적인 특성인 아킹(arcing)을 완화하는 것이고, 나머지 하나는 챔버를 통하여 마이크로파 에너지를 균일하게 분배하여 균일한 가열을 향상시키는 것이다. 전력 요구를 감소시키는 관점 및 아킹의 관련된 위험으로부터, 원형 풋프린트(circular footprint )(평면도)를 갖는 챔버가 원형 웨이퍼에 대해 이상적인데, 그 이유는 이 챔버가 캐비티 또는 챔버 용적을 감소시켜 주어진 대상물을 특정 온도로 가열하기 위해 낮은 전력 레벨을 요구하기 때문이다(모든 다른 요소가 동일하다는 가정하에서). 그러나, 원형 풋프린트를 갖는 챔버는 균등하게 분배되는 마이크로파 에너지에서는 비효율적이다. 한편, 정사각형 또는 직사각형 챔버는 균일한 에너지 분배 및 이에 따른 균일한 가열을 증진시키기 위해 이상적인 것으로 고려되는 반사 특성을 구비한 평행한 벽을 갖는다. 따라서, 8각 챔버는 원형 챔버의 아킹 감소 특징과 정사각형 또는 직사각형 챔버의 파워 분배 장점을 효과적으로 조합한다.
다른 실시예는 다른 형상, 예를 들면, 6각형 또는 10각형과 같은 짝수의 다각형을 이용한다. 비록 전형적인 실시예는 외측 챔버를 알루미늄으로 형성하지만, 일부 실시예는 저항 가열에 대해 내성을 가지는 다른 재료를 이용할 수도 있다.
외측 챔버(112)는 재순환 조립체(114) 및 마이크로파 발생기 조립체(116)와 유체 소통된다.
재순환 조립체(114)는 외측 챔버(112)와 내측 챔버(120) 사이의 영역으로 냉각 공기를 재순환 및/또는 주입하여, 대류성 전류가 챔버의 상부 부분과 하부 부분 사이에서 상당한 온도 차이를 일으키는 것을 방지하여 웨이퍼의 균일한 열 처리를 추가로 증진시킨다. 특히, 조립체(114)는 블로어(blower)(114A), 덕트(114B, 114C, 114D, 114E)를 포함한다(덕트(114D 및 114E)는 도 1a에는 도시되어 있지 않지만, 도 1b 및 도 1c에는 도시되어 있다). 블로어(114A)는 덕트(114B 내지 114E)와 유체 소통된다(일부 실시예는 복수의 블로어가 제공되며, 예를 들면, 각각의 덕트에 대해 하나씩 제공되거나 또는 각각의 쌍의 덕트에 대해 하나씩 제공된다).
덕트(114B 내지 114E)는 실질적으로 동일한 길이이고, 외측 챔버(112)의 주변 둘레에서 실질적으로 동일한 간격을 가지며, 덕트 114B와 114D는 각각 덕트 114C와 114E의 정반대측에 위치한다. 전형적인 실시예에서 스테인레스 강 배관으로 형성되는 각각의 덕트는 개략적으로 챔버(112)의 높이로 연장하여, 챔버(112)의 상부 부분(112A)과 바닥 부분(112B) 내의 대응하는 개구들 사이에서의 유체 소통을 제공한다. 일부 실시예에서, 덕트(114B 내지 114E)는 주위 대기로의 열 전달을 용이하게 하도록 외부 핀 또는 다른 구조물을 포함할 수 있다. 부가적으로, 다른 실시예는 전형적인 실시예에서의 4개보다 많거나 적은 덕트를 포함할 수 있다.
마이크로파 신호 발생기 조립체(116)는 마이크로파 신호 발생기(또는 마이크 로파 신호 공급원)(116A, 116B), 웨이브 가이드(wave guide)(116C, 116D), 및 절연 유닛(116E, 116F)을 포함한다. 마이크로파 신호 발생기(116A)는 마그네트론(magnetron), 자이로트론(gyrotron), 클리스트론 튜브(klystron tube), 또는 이동 웨이브 튜브 증폭기(traveling wave tube amplifier)와 같은, 하나 또는 그 이상의 0.90GHz∼28GHz 신호 발생기를 포함한다. 전형적인 실시예는 외측 챔버의 하나의 측부 상에 수직으로 적층된 마그네트론 쌍과 그 반대 측부 상에 수직으로 적층된 또 다른 쌍을 결합하는, 4개의 700-watt의 5.8GHz 고정-주파수 마그네트론을 제공한다. 이러한 실시예에서, 각각의 마그네트론의 출력은 개별 포트에서 외측 챔버(112)에 결합된다. 한 쌍의 포트는 외측 챔버의 반대측의 측부 상에 챔버의 바닥으로부터 12.75 인치(0.324 m)에 위치하고, 다른 쌍의 포트는 첫 번째 쌍의 포트와 동일한 반대측의 측부 상에 바닥으로부터 25 인치(0.635 m)에 위치한다(도 1c는 다른 웨이브 가이드 및 마이크로파 신호 발생기에 연결하기 위한 웨이브 가이드(116C, 116D), 및 포트(116I, 116J)를 도시하고 있다).
복수의 포트를 통하여 외측 챔버 내로 마이크로파 에너지를 동시에 또는 동기하여 유입시키는 것은 챔버에 걸쳐 균일한 전력 분배를 증진하여, 아킹의 위험을 감소 또는 최소화하고, 또한 균일한 가열을 증진한다. 다중 공급원, 다중 포트 구성은 또한 전력 분배의 더욱 복잡한 제어를 위해 공급원의 전력 레벨 및/또는 출력 주파수를 독립적으로 변화시키는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 다중 공급원, 다중 포트 구성은 상부 또는 하부 영역 내의 웨이퍼가 충분히 고온이 되지 못하였다는 것을 온도 측정치를 이용하여 동적으로 결정하고 가장 근접한 마이크로파 공 급원의 출력 주파수 및/또는 진폭을 조정함으로써 그 영역 내의 전력 집중을 동적으로 증가시킨다. 그러나, 일부 실시예는 단일 포트를 구비한 단일 공급원, 다중 포트를 구비한 단일 공급원, 또는 단일 포트를 구비한 다중 공급원을 이용할 수 있다.
전형적인 실시예는 이탈리아의 알터 파워 시스템즈(Alter Power Systems)(이탈리아의 유한 책임 회사 알터 에스. 알. 엘(Alter S. R. L.))에 의해 제조되는 CM340 또는 CM440 전력공급장치와 같은 상업적으로 입수가능한 스위치 모드 전력공급장치를 이용하여 5.8 GHz 마그네트론에 전력을 공급하고, 전력 설정을 기초로 하여 0 내지 700 watts 범위의 마이크로파 전력의 연속파를 제공한다. 이로써, 원하는 온도로 웨이퍼를 가열하도록 챔버 내의 전력 레벨을 제한하는 것이 가능하게 되어, 아킹의 위험을 감소시킨다. 1/2 전압의 스위치 모드 전력공급장치를 이용하면, 마그네트론은 자신의 전력의 50%를 연속적으로 출력할 수 있다(예를 들면, 700-watt 최대 정격 마그네트론인 경우에는 350 watt를 연속적으로 출력할 수 있다).
또한, 전형적인 실시예는 전력공급장치에 대한 AC-입력 전력의 소정의 여과를 생략하여, 50 내지 60 Hz의 입력 라인 주파수에서 마그네트론 제어 전압의 진동(oscillation)을 허용하고, 이에 따라 5.8 GHz 중심 주파수 부근에서 마그네트론의 출력 주파수±30 MHz(0.5%)의 출력 주파수를 조절하도록 하여, 정재파 및 정재 모드가 완전하게 형성되는 것을 방지한다. 일부 실시예는 라인 필터를 포함할 수 있어, AC 라인 전압과 관계없는 출력 마이크로파 에너지를 특별히 조절하기 위해 조절 회로를 제공할 수 있다. 다른 실시예는 마그네트론의 출력 전력을 변경시키기 위해 마그네트론의 온/오프를 상이한 비율 또는 듀티 사이클로 스위치하는 전력공급장치를 이용한다.
일부 실시예는 마이크로파 공급원으로서 더 높은 주파수의 자이로트론 또는 클리스트론 튜브(28 GHz)를 이용하여, 파장을 추가로 감소시키고, 또한 마이크로파 전력 균일성을 추가로 증가시킨다. 또한, 다른 실시예는, 챔버 내의 마이크로파 필드(microwave field)의 균일도를 개선하기 위해, 하나 또는 그 이상의 이동 웨이브 튜브(TWT) 또는 다른 가변 주파수 마이크로파(VFM) 공급원을 포함하고, 다중 주파수를 통하여 스캔한다. 예를 들면, 주파수는 4096개의 주파수 단계에 걸쳐 5.58과 7.0 GHz 사이에서 주기적으로 변화될 수 있으며, 각각의 단계는 260 Hz 폭이며 25 마이크로초의 지속시간(duration)을 가진다. 더욱 일반적으로, 주파수는 중심 주파수 부근에서 ±5%, 10%, 20% 또는 심지어 그보다 더 큰 백분율로 변화될 수 있다. 마이크로파 주파수 범위가 산업-과학-의학(ISM) 대역을 넘어서기 때문에, VFM 기술은 또한 외측 챔버 주위의 차폐를 포함한다.
웨이브 가이드(116C, 116D)는 각각의 마이크로파 신호 발생기로부터 외측 챔버(112)의 내부로 마이크로파 에너지를 전달한다. 전형적인 실시예에서, 상용 기성(off-the-shelf) 부품으로서 구입되는 웨이브 가이드는 알루미늄으로 형성되고, 이리다이트 내부 코팅을 하여 외측 챔버(112)의 내부를 통한 마이크로파 에너지의 균일한 분배를 추가로 증진한다. 웨이브가이드의 크기는 마이크로파 공급원의 주파수를 기초로 하며, 종래의 마이크로웨이브 공학 기술을 이용하여 결정된다.
웨이브 가이드(116C, 116D)에 결합된, 각각의 절연체(116E, 116F)가 절연체 내의 더미(dummy) 마이크로파 로드에 이러한 에너지를 전달함으로써 웨이브가이드로부터 반사된 마이크로파 에너지를 제거한다(챔버 내로 흡수되지 않는 전력은 웨이브 가이드 내로 역으로 반사하게 된다). 각각의 절연체는 또한 온도를 제어하기 위해 내부 수냉 루프(도시안됨)를 포함한다.
절연체(116E, 116F)에 각각 결합되는 커플러(116G, 116H)는 웨이브가이드를 통하여 외측 챔버로 얼마나 많은 전력이 유입되는가 뿐만 아니라 챔버로부터 웨이브가이드를 통하여 역으로 얼마나 많은 전력이 반사되는가를 결정하기 위해 이용된다. 전형적인 실시예는 작동 중에(from run to run) 공정 장애를 감지하거나 유지보수 사항을 송신하기 위해 공정 일관성 매개변수(process consistency parameter)로서 반사된 전력을 모니터링한다.
내측 챔버 조립체(120)는 내측 챔버(또는 공정 튜브)(122), 유체 도관(123 및 124), 유체 공급원(125), 매스-흐름(mass-flow) 제어기(126), 진공 펌프(127), 및 가스 주입 튜브(128)를 포함한다. 가열 작동 동안 외측 챔버(112)의 내부에 담겨지는 내측 챔버(122)는 내부에서의 열적 또는 확산 처리 환경을 형성한다. 전형적인 실시예에서, 용융된 석영과 같은, 실질적인 마이크로파 투과 재료로 제조되는 내측 챔버(122)는 약 36 인치 높이의 수직의(right) 원형 실린더의 형태를 가지며, 이 원형 실린더는 돔형의 상부와 중앙에 개구를 갖는 평평한 바닥을 갖는다. 전형적인 실시예의 대략적인 내경은 16.25인치(0.413 m)이다. 일부 실시예는 내측 챔버를 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 퍼플루오르알콕시(PFA)와 같은 다른 재료, 또는 통상적으로 관련 작동 온도 및 주파수에서 낮은 유전 손실 계수(tan(δ))를 나타내는 다른 재료로 형성된다. 일부 실시예는 챔버를 시스템의 작동 온도 범위 내에서 0.004 보다 작은 유전체 손실 계수를 가지는 재료로 형성한다. 그러나, 다른 실시예는 다른 손실 계수값 및/또는 온도 범위를 이용할 수 있다. 일부 실시예는 또한 개별적으로 마이크로파 흡수를 방지 또는 감소하기 위한 낮은 유전체 손실 계수를 가지는 다양한 재료의 복합물을 이용할 수도 있다.
내측 챔버(122)는 각각의 유체 도관(123, 124)과 유체 소통되는 개구(122B, 122C)를 포함하는 하부 부분(122A)을 가진다.
주입기 부분(123A)을 포함하는 유체 도관(123)은 개구(122B)를 매스 흐름 제어기(126)를 경유하여 유체 공급원(125)에 연결한다. 주입기 부분(123A)은 내측 챔버(120)의 돔형 상부를 향하여 개구(122B)로부터 수직으로 연장하며, 유체를 배출시켜 웨이퍼 캐리어 조립체(130)를 거쳐 개구(122C) 및 진공 펌프(127)를 향해 하방으로 흐르게 하는 유출구(123B)를 가진다.
전형적인 실시예에서, 유출구(123B)는 유체 공급원(125)의 가장 높은 웨이퍼 위에 위치 설정되고, 유체 공급원(125)은 웨이퍼 캐리어 조립체(130)에 의해 고정되는 실리콘 또는 다른 재료의 웨이퍼 상의 산화물층의 형성을 용이하게 하도록 산소 및/또는 오존 또는 산소-오존 혼합물과 같은 하나 또는 그 이상의 가스를 포함한다. 유체 도관(124)은 내측 챔버(122)를 진공 상태로 하고 긍극적으로 웨이퍼 캐리어 조립체(130)에 의해 고정되는 웨이퍼를 처리하기 위한 저압 상태를 구축하는 기능을 하는 진공 펌프(127)에 개구(122C)를 연결시킨다. 작동 중, 주입기 부 분(123A)은 내측 챔버(122) 내부에 공기(또는 다른 불활성 가스 또는 반응성 가스)를 혼합하고, 챔버 내의 대류(convection current)를 제거 및/또는 관리한다. 일부 실시예는 외측 챔버 내에 모드 교반기(mode stirrer)(예를 들면, 금속 또는 마이크로파 반사 팬) 또는 댐퍼를 포함하여 특별한 적용을 위해 챔버 내의 균일한 EMW 필드를 추가로 증진 또는 최적화하도록 한다.
내측 챔버(122)의 바닥의 개구를 통하여 연장하는 웨이퍼 캐리어 조립체(130)는 수직 웨이퍼 적층 랙(보트)(132), 웨이퍼(134), 및 상승기-회전기 조립체(136)를 포함한다. 도 1d에 사시도로 도시된 수직 웨이퍼 적층 랙(132)은 웨이퍼 지지 레그(132A, 132B, 132C, 132D)와 상부 및 하부 링(132E 및 132F)을 포함한다(레그(132C 및 132D)는 도 1d에만 도시되어 있다). 지지 레그(또는 수직 부재)(132A, 132B)는 단부가 상부 및 하부 링(132E 및 132F)에 부착된다(기준 직경 라인(132X)이 링(132F) 상에 도시되어, 레그 132A 및 132B가 레그 132C 및 132D보다 직경 라인의 상이한 측부 상에 그리고 더 근접하게 배치된다). 지지 레그는 대응하는 개수의 웨이퍼(134)를 확고하게 고정하기 위한 대표 슬롯(132G)과 같은 50, 75 또는 100개의 대응하는 세트의 웨이퍼 슬롯을 포함한다.
전형적인 실시예에서, 웨이퍼 적층 랙(132)은 용융된 석영과 같은, 실질적인 마이크로파 투과 재료로 형성되고, 슬롯 간격은 포괄적으로 0.1875 내지 1.00(4.78 내지 25.4 밀리미터) 범위의 웨이퍼 피치를 제공한다. 그러나, 일반적으로, 피치는 공정 타입, 시간, 웨이퍼 크기, 및 온도에 좌우되며, 다른 실시예는 다른 피치를 이용할 수도 있다. 특히, 전형적인 웨이퍼 적층 랙의 석영 구성은 낮은 열적 매스를 제공하여 각각의 웨이퍼에 걸쳐 실질적으로 일정한 열적 구배를 증진하도록 한다. 랙의 열적 매스가 너무 높은 경우, 랙 자신이 히트 싱크(heat sink)로서 작용하여, 각각의 웨이퍼에 걸친 열 구배의 균일도에 역효과를 미칠뿐 아니라 시스템의 열 상승(ramping) 및 하강(de-ramping) 비율을 감쇄하는 열적 매스를 추가한다. 일부 실시예에서, 웨이퍼 적층 랙은 석영 및/또는 다른 마이크로파 투과 또는 비투과 재료를 포함하는 복합 재료로 형성된다.
웨이퍼(134)는 가공 웨이퍼(1341), 상부 하부 배플 또는 더미 웨이퍼(1342 및 1343), 및 열전쌍 웨이퍼(thermocouple wafer)(1344)를 포함한다. 끝단의 가공 웨이퍼(1341A 및 1341B)를 제외하고, 각각의 가공 웨이퍼(1341)는 상부 및 하부의 가공 웨이퍼 사이에 배치되어 웨이퍼 적층부 내의 중간의 가공 웨이퍼로 간주된다. 예를 들면, 가공 웨이퍼(1341E)는 웨이퍼(1341D 및 1341F) 사이에 배치되어, 중간 웨이퍼로 간주된다(도면에서는, "1341"의 접두어 표기를 생략하여, 예를 들면 끝단의 가공 웨이퍼 1341A는 "A"로 표시된다). 실질적으로 중간의 가공 웨이퍼와 동일한 물리적 특성 및 치수를 가지는 상부 및 하부의 가공 웨이퍼는 중간 웨이퍼에 대해 가상의 고온 플레이트 및/또는 서셉터 플레이트(마이크로파 로드)로서 기능한다. 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 상부 및 하부의 가공 웨이퍼는 중간의 가공 웨이퍼에 대한 마이크로파 에너지의 효과적인 커플링뿐만 아니라 중간의 가공 웨이퍼에 걸친 균일한 온도 구배를 증진한다.
일부 실시예는 유사한 결과를 얻기 위해 하나 또는 그 이상의 중간 웨이퍼를 상이한 마이크로파 흡수 재료 및 형상의 다른 "적층된" 대상물로 대체한다. 예를 들면, 일실시예는 모든 다른 가공 웨이퍼를 실리콘 카바이드 디스크 또는 플레이트로 대체한다. 이상적으로, 마이크로파-흡수 대상물은 가공 웨이퍼의 유전체 특성과 유사한 유전체 특성을 가지며, 그러나, 가공 웨이퍼와 상이한 유전체 특성을 가지는 대상물 또한 열 균일성을 증진시킬 것으로 예상된다.
가공 웨이퍼(1341)와 실질적으로 동일한 물리적 특성 및 치수를 가지는 하나 또는 그 이상, 예를 들면 3개의 웨이퍼를 포함하는 상부 및 하부의 배플 웨이퍼(1342 및 1343)는 각각의 인접한 끝단의 가공 웨이퍼(1341A 및 1341B)에 대해 가상의 고온 플레이트 및/또는 서셉터 플레이트로서 기능한다. 또한, 상부 및 하부의 배플 웨이퍼는 가공 웨이퍼(1341)가 마이크로파 에너지의 실질적으로 균일한 분배를 나타내는 내측 챔버의 영역 내에 배치되는 것을 추가로 보장하기 위해 제공된다.
전형적인 실시예에서, 각각의 가공 및 배플 웨이퍼는 실질적으로 동일하며, 주로 실리콘과 같은 반도체 재료로 이루어진다. 실리콘은 마이크로파 공급원(116A 및 116B)으로부터의 0.90 GHz 내지 28 GHz 마이크로파 에너지로 충분히 잘 결합하여, 실질적으로 균일한 체적 방식의(내부에서 외부로의) 가열(uniform volumetric heating)을 가능하게 한다(또한, 일부 실시예에서, 웨이퍼(134)는 유리 기판이다). 전형적인 실시예에서 각각의 웨이퍼의 두께는 0.01 인치(0.0254 밀리미터)의 범위에 있어, 0.90 GHz 내지 28 GHz 마이크로파 에너지의 균일한 깊이의 투과 및 더욱 균일한 용량 가열을 추가로 증진하도록 한다.
일부 실시예에서, 웨이퍼는 집적된 트랜지스터 및/또는 하나 또는 그 이상의 집적회로 또는 더욱 일반적으로 부분적인 집적회로 또는 집적회로 조립체를 형성하는 전도성 및 절연성 구조물을 포함한다. 예를 들면, 다양한 실시예에서, 각각의 가공 웨이퍼는 적어도 30 대 1의 큰 종횡비를 가지는 트렌치 및/또는 65 나노미터 보다 작거나 같은 정상적인 크기를 갖는 집적회로 조립체 또는 구조물을 포함한다. 다른 실시예는 더 크거나 더 작은 공칭 피쳐 치수를 가지는 웨이퍼를 제공한다.
웨이퍼 적층 랙(132) 및 웨이퍼(134)에 추가하여, 웨이퍼 캐리어 조립체(130)는 상승기-회전기 조립체(136)를 포함한다. 조립체(136)는 외부 및 내측 챔버(112 및 122) 내측과 외측으로 웨이퍼 적층 랙(132)을 상승 및 하강시키기 위한 전자기 장치(별도로 도시하지 않음)를 포함한다. 또한, 조립체(136)는 내측 챔버(122)의 중심축(136A)에 대해 웨이퍼 적층 랙(132)을 회전시키기 위한 전자기적 회전기 장치(별도로 도시하지 않음)를 포함한다. 전형적인 실시예에서, 회전기 장치는 벨트를 경유하여 풀리(pulley)에 결합되는 전기 모터를 포함하며, 풀리는 웨이퍼 캐리어 조립체의 축방향 샤프트 부분에 결합된다. 전형적인 실시예는 분당 1 내지 15 회전으로 조정가능한 속도를 제공한다.
제어기(140)는 열전쌍 웨이퍼(1344), 마이크로파 공급원(116A 및 116B) 및 커플러(116G 및 116H)에 결합된다. 전형적인 실시예에서, 제어기(140)는 제어 입력으로서 온도 설정점(temperature set point)을 수신하는 비례-적분-미분(PID) 제어기의 형태를 가지며, 열전쌍 웨이퍼(1344)로부터 측정된 온도와 기준 설정점 값의 차이를 기초로 하는 오차 신호를 결정한다. 차이(또는 "오차" 신호)는 온도를 요구된 설정점으로 되돌리기 위해 마이크로파 출력을 조절하는 마이크로파 공급원 에 대한 제어 전압을 계산하기 위하여 이용된다. PID 제어기는 일반적으로 사용될 수 있는 간단한 비례 제어 시스템보다 더 정확하고 안정된 제어를 제공하는, 히스토리(history)(및 에러 신호의 변화 속도)를 기초로 하여 공정 출력을 조정할 수 있다. 커플러는 입력된 전력 측정치 및 반사된 전력 측정치 등의 전력 측정치를 제어기(140)에 제공한다. 제어기(140)는 전력 측정치에 응답하는 것에 부가하여 전력 측정치를 저장한다. 반사된 전력 측정치는 작동하는 동안의 공정 일관성(process consistency) 및 반복가능성을 모니터링하기에 유용하며, 반사된 전력에서의 상당한 편차는 잠재적인 장비 결함 또는 유지보수 필요성을 나타낸다. 도 1e는 시스템(100)의 다른 부품과 상호 작용하는 제어기(140)의 간단한 블록도를 보여준다.
일반적인 작동에서, 열처리 시스템(100)은, 웨이퍼(134)를 회전시키면서, 웨이브 가이드(116C, 116D)를 통해, 0.90 GHz 내지 28 GHz, 예를 들면, 5.8 GHz 마이크로파 에너지를 마이크로파 공급원(116A, 116B)으로부터 외측 챔버(112) 내에 유입시킨다. 유입된 마이크로파 에너지는 외측 챔버(112)의 경사진 각도의 내부면으로부터 반사되어, 복수의 마이크로파 양태(microwave modality)를 생성한다. 내부면의 반사 특성은 외측 챔버(112)가 가열되는 것을 방지하여, 웨이퍼(134) 및 내측 챔버(122)에 비해 온도가 낮은 냉각 벽 챔버(cold wall chamber)가 이루어지도록 한다. 예를 들면, 웨이퍼 온도가 350℃인 경우, 내부 및 외측 챔버의 벽은 50 내지 60℃의 범위 내의 실질적인 낮은 온도가 된다. 이와 달리, 고온 벽 챔버(hot wall chamber)의 챔버 벽은 대략적으로 웨이퍼와 동일한 온도가 될 것이다.
외측 챔버로 유입된 후, 마이크로파 에너지는 내측 챔버(122) 및 웨이퍼 랙(132)의 마이크로파 투과 재료를 통과하여 웨이퍼(134)에 도달한다. 일부 실시예에서, 내측 챔버는 마이크로파 에너지를 흡수하여 웨이퍼 적층부를 균등하게 가열하는 아르곤, 네온, 헬륨, 크립톤, 제논, 또는 다른 희가스(noble gas )와 같은 마이크로파 흡수 가스를 포함한다. 제어기는 감지된 온도를 기초로 마이크로파 전력 및/또는 블로어(blower)를 조절하여, 요구된 온도 대 시간 특성을 획득한다. 또한, 전형적인 실시예에서 제어기.
전형적인 작동 방법
보다 구체적으로, 도 2는 열처리 시스템(100)을 작동하는 하나 또는 그 이상의 전형적인 방법의 흐름도(200)를 보여준다. 흐름도(200)는 전형적인 실시예에서 일련의 순서로 배열되어 설명되는 블록(202 내지 222)을 포함한다. 그러나, 다른 실시예는 두 개 또는 그 이상의 블록을 병렬로 실행할 수 있거나, 하나 또는 그 이상의 블록을 생략할 수 있거나, 공정 순서를 변경할 수 있거나, 유사 결과를 달성하기 위하여 상이한 기능적 분할을 제공할 수도 있다. 또한, 다른 실시예는, 두 개 또는 그 이상의 상호접속된 하드웨어 모듈 및 부품을 조합하고, 이들 모듈 또는 부품 간에 또한 이들 모듈 또는 부품을 통해 관련 제어 신호 및 데이터 신호가 통신되도록 함으로써, 이러한 블록을 구현한다.
블록(202)은 웨이퍼의 배치(batch)를 웨이퍼 캐리어 조립체 내로 탑재하는 단계를 수반한다. 전형적인 실시예에서, 이 단계는, 웨이퍼 적층 랙을 하강시키는 단계와, 로봇을 이용하여 수직 랙 내에 10 내지 150개 범위의 실리콘 웨이퍼를 0.5 인치(12.7 밀리미터) 또는 다른 간격을 두고 하나씩 수직으로 탑재하는 단계를 포함한다. 일반적으로 0.188 인치 내지 0.750 인치의 범위에 있는 웨이퍼 간격은 예를 들면, 150, 200, 또는 300 밀리미터인 웨이퍼 크기에 좌우된다. 일부 실시예는 10개 미만의 웨이퍼가 탑재될 수 있다. 웨이퍼 탑재가 완료될 때, 랙은 정상 작동 위치로 상승되어, 내측 챔버를 밀봉한다. 일부 실시예는 웨이퍼 적층 랙을 내측 챔버 내로 하강시키며, 다른 실시예는 웨이퍼 적층부를 고정된 위치에 유지하고, 웨이퍼 적층부를 둘러싸기 위해 챔버(112, 122)를 상승 또는 하강시키고, 또 다른 실시예는 챔버를 개방 및 폐쇄할 수 있거나 종방향으로 분리할 수 있어 웨이퍼 적층 랙의 측면 또는 종방향 탑재를 허용하도록 한다. 그 후, 블록(204)으로 진행한다.
블록(204)은 웨이퍼를 처리하기 위한 원하는 압력 상태를 설정하는 단계를 수반한다. 전형적인 실시예에서, 이는 진공 펌프(127)를 이용하여 내측 챔버(122)를 진공 상태로 하는 단계를 수반한다. 챔버 내부의 압력이 원하는 압력에 도달할 때(예를 들면, 내측 챔버(122)에 연결된 마노미터(manometer)에 의해 10 torr가 측정됨), 블록(230)으로 진행한다(일부 실시예는 또한 후속하는 가열을 용이하게 하도록 마이크로파 흡수 가스를 유입시킬 수 있다. 그리고, 일부 실시예는 또한 압력 제어 모두를 생략할 수 있다).
블록(206)은 웨이퍼 적층부의 회전을 초기화하는 단계를 수반한다. 전형적인 실시예에서, 이 단계는, 모터를 작동시키는 단계와, 상승기-회전기 조립체(136)와 관련된 가변 속도 제어 입력을 1 내지 15 RPM으로 수동 또는 자동으로 설정하는 단계를 포함한다. 그러나, 다른 실시예는 더 빠르거나 더 느린 속도의 회전을 이용할 수 있다. 그 후, 블록(208)으로 진행한다.
블록(208)은 외부 및 내측 챔버 내로 마이크로파 에너지를 유입시키는 단계를 수반한다. 전형적인 실시예에서, 이 단계는, 마이크로파 공급원(116), 예를 들면, 4개의 700 Watt 5.8 ㎓ 마그네트론을 작동시키는 단계를 포함하며, 이 마그네트론은 상술된 바와 같이 스위치 모드 전력공급장치의 필터링되지 않은 출력을 통해 전력이 공급되어, 약간 조정된 마이크로파 에너지, 예를 들면 ±30 ㎒를 제공한다. 이 주파수 조정은 정재파 또는 정재 모드가 완전히 형성되는 것을 방지 또는 금지한다. 그 후, 조정된 마이크로파 에너지는 웨이브 가이드를 통해 외측 챔버(112) 내로 전달되고, 내측 챔버(122)를 통하여 외측 챔버(112)의 수직의 8각 실린더로부터 반사되어 멀티모드 패턴을 형성한다. 실질적으로 일정한 모드의 패턴이 여전히 외측 챔버 내에 남아 있지만 저전력밀도로 남아 있으며, 따라서, 소정의 고온 및 저온 스폿에 의하여 발생되는 소정의 결과적인 온도의 범위가 상당히 압축된다.
블록(210)은 원하는 웨이퍼 온도를 설정하는 단계를 수반한다. 전형적인 실시예에서, 웨이퍼 온도는 열전쌍 웨이퍼를 이용하여 모니터링되고, 원하는 공정 온도, 예를 들면, 350℃, 더욱 일반적으로 50 내지 550 ℃의 범위를 신속하게 얻도록 마이크로파 공급원의 전력 출력을 변화시키는 폐루프 피드백 제어를 이용하여 제어된다. 블로어(114A)가 외부 및 내측 챔버 사이의 영역에서의 대류(convection current)를 유지하는 데 필요한만큼 연속적으로 또는 단속적으로 작동함으로써, 이 온도는 공정 전반에 걸쳐 동적으로 유지된다. 특히, 전형적인 실시예는, 커플러를 이용하여 챔버(112) 외부로 반사되는 마이크로파 파워를 모니터하고, 이러한 반사된 레벨을 감소 또는 최소화하기 위해 입력 전력을 감소시킴으로써, 웨이퍼를 원하는 온도로 유지하기 위해 요구되는 입력 마이크로파 파워를 최소화시키거나 감소시킨다. 이로써, 챔버 내의 전체적인 전력 집중이, 요구된 웨이퍼 온도를 유지하는 데 가장 적합한 정도 또는 그 부근까지 감소되어, 소정의 아킹 문제를 추가로 감소시킨다.
특히, 외측 챔버(112)의 반사 내부면 및 내측 챔버 및 웨이퍼 적층 랙의 마이크로파 투과 특성은 저온 벽 성능 특성을 가지는 내부 및 외측 챔버를 발생하며, 웨이퍼 적층 랙 내의 웨이퍼가 시스템 내에서 유일하게 가열된 항목이 된다(본 명세서에서 이용된 바와 같이, 저온 벽은 웨이퍼 적층부 보다 실질적으로 더 냉각되는, 예를 들면, 250 내지 300 도로 더 냉각되는 외부 또는 내측 챔버를 지칭한다). 더욱 일반적으로, 웨이퍼 처리 동안 표면과의 원하지 않는 반응을 방지하기에 충분한 낮은 온도를 가지는 소정의 챔버 벽은 웨이퍼에 비해 저온으로서 간주된다.
더욱이, 적층부 내의 각각의 웨이퍼가 내부에서부터 바깥쪽을 향해 상승하는 멀티모드 마이크로파 에너지 열과(즉, 체적 측정 방식으로) 결합할 때, 이것은 웨이퍼 위 및 아래에 대한 가상의 고온 플레이트로서 기능하여, 두 개의 웨이퍼에 걸쳐 균일한 온도 구배를 증진한다. 각각의 웨이퍼의 낮은 열적 매스는 저온 벽 환경 내에서 중요하며, 그 이유는 적층된 웨이퍼 조립체가 각각의 웨이퍼 위 및 아래에서 실질적으로 균일한 열적 유동(thermal field)을 형성하여, 저전력 모드의 마 이크로파 에너지에 의해 공통적으로 야기되는 균일하지 않은 가열 효과를 효과적으로 제거하기 때문이다.
또한, 각각의 웨이퍼는 일반적으로 챔버의 형상, 챔버 내의 웨이퍼의 위치, 및 챔버 내의 마이크로파 모드 형성에 좌우되는 고유한 모드 패턴을 경험하거나 나타낸다. 모드 패턴이 변하면, 각각의 웨이퍼는 웨이퍼의 위와 아래에서 웨이퍼의 고온 및 냉각 스폿을 균형을 맞추거나 상쇄시키는 경향이 있는 최소 또는 감소된 고온 및 냉각 스폿을 가진다. 도 3은 웨이퍼(340, 350, 360 및 370)도 함께 포함하고 있는 웨이퍼 적층부(300) 내의 각각의 웨이퍼(310, 320, 및 330)에 대해 간략화된 1/4 단면의 마이크로파 전력 소산 다이어그램(311, 321 및 331)을 보여준다.
이러한 예에서, 웨이퍼(310), 즉 상부 웨이퍼에 대한 소산 다이어그램(311)은, 그 웨이퍼(310) 위에 다른 웨이퍼가 없기 때문에, 고온 스폿으로 지칭되는 상대적으로 높은 전력 소산의 다양한 영역을 포함한다. 고온 스폿은 크로스-해칭 영역으로 표시되고, 웨이퍼의 나머지 부분은 실질적으로 낮은 전력 소산 레벨을 보여준다. 웨이퍼(320)는 웨이퍼 위에 웨이퍼(310)를 갖는 이점이 있어 서셉터 플레이트로서 작용하며, 그 웨이퍼의 소산 다이어그램(321)은 웨이퍼(310) 보다 총면적이 실질적으로 감소된 고온 스폿을 보여준다. 웨이퍼(330)는 그 위에 웨이퍼(310, 320)를 갖는 이점이 있어, 그 웨이퍼의 소산 다이어그램(331)은 무시할 수는 없는 경우에는 아주 작은 고온 스폿을 나타낸다.
비록 웨이퍼(340 내지 370)에 대한 전력 소산 다이어그램이 도시되지 않았지만, 이러한 웨이퍼들에 대한 고온 스폿팅의 정도는 적층부 내에 유사하게 위치한 웨이퍼로부터 추측될 수 있다. 웨이퍼(340 및 350)는 예를 들면 각각 이들 웨이퍼의 위와 아래에 적어도 두 개의 웨이퍼를 가져서, 고온 스폿의 발생이 웨이퍼(330)의 고온 스폿의 발생과 유사하게 된다. 한편, 웨이퍼(350 및 360)는 각각 웨이퍼(320 및 310)와 비슷하므로, 유사하게 증가된 고온 스폿팅을 보여준다. 결국, 도 3은 웨이퍼의 적층의 장점을 예시하고 있을 뿐만 아니라 웨이퍼 적층부의 마지막에 배플 웨이퍼를 제공하는 이점도 예시하고 있다.
전형적인 실시예에서, 온도 구배는 각각의 웨이퍼에 걸쳐 실질적으로 균일하고, 또한 적층부에 걸쳐서도 균일하다(±5℃). 온도 균일성을 추가로 최적화하기 위해, 웨이퍼 적층부는 가열하는 동안 챔버 내에서 회전된다. 이로써, 각각의 웨이퍼에 의해 보여지는 모드 패턴이 변화되어, 온도 균일성을 추가로 최적화할 것이다. 적층부 내의 상부 및 하부의 웨이퍼는 배플 웨이퍼로서 이용되고, 열 처리의 대상이 되는 웨이퍼가 모두 그 사이에 있기 때문에 온도 균일성이 중요하지 않다. 일부 실시예는 5 내지 7 ㎓에서 4096개의 25-마이크로초 주파수 단계로 순환하는 가변 주파수 마이크로파 에너지를 이용한다. 더욱 일반적으로, 주파수는 그 범위의 최소 주파수에서부터 최대 주파수까지 스캔되는 중심 주파수 또는 사이클에 대해 ±5, 10, 15, 20 또는 그 이상과 같은 백분율의 양으로 변화될 수 있다. 그 후, 블록(212)로 진행한다.
블록(212)은 웨이퍼를 처리하는 단계를 수반한다. 전형적인 실시예에서, 이러한 처리 단계는 웨이퍼의 하나 또는 그 이상의 막을 양생, 어닐링, 및/또는 형성하는 단계를 수반한다. 양생 및 어닐링 단계는 일반적으로 특정 시간 동안 원하는 온도로 웨이퍼를 유지하는 단계를 포함한다.
하나의 전형적인 양생 단계에서, 탑재된 하나 또는 그 이상의 웨이퍼는 하나 또는 그 이상의 폴리이미드, 에폭시, 또는 벤조사이클로부틴(BCB) 구조를 포함한다. 특히, 완전히 양생된 중합체막 또는 중합체 구조물은 마이크로파에 대해 투과성을 나타내며, 따라서 중합체막이 열적 배리어인 종래의 저항성 가열 양생에 비해, 중합체막의 표면 아래에서 연속적으로 양생하는 것을 허용한다.
일례의 어닐링 공정에서, 하나 또는 그 이상의 웨이퍼는 높은 종횡비, 예를 들면, 10 대 1, 20 대 1, 또는 30 대 1로 인트렌치(entrench)되는 구리 전도체와 같은 금속 구조물을 포함한다. 높은 종횡비로 인트렌치되는 재료는 종래의 외부에서 내부로의 가열 기술(outside-in heating technique)을 이용하여 가열하는 것이 어렵다. 다른 실시예는 저유전상수(낮은-K) 유전체, 고유전상수(높은-K) 유전체, 또는 실리콘 상의 절연체(silicon-on-insulator) 구조물을 어닐링한다.
막 또는 재료층을 형성하는 단계는 일반적으로 내측 챔버(122) 내로 하나 또는 그 이상의 유체(액체 또는 가스)를 유입시키는 단계를 포함한다. 이를 위해, 전형적인 실시예는 도관(123) 및 가스 주입기(123A)를 통해 챔버(122)와 유체 연통되는 유체 공급원(125)을 작동시킨다. 일실시예에서, 유체 공급원(125)은 10% 또는 25% 오존(체적 단위)과 산소의 혼합물을 제공하는, 상업적으로 입수가능한 오존 발생기의 형태를 갖는다. 다른 실시예는 70%, 60%, 50%, 40% 및 30%와 같은 75% 미만의 농도를 이용할 수 있다. 일부 실시예는 질소와 같은 다른 가스를 유입시켜 실리콘 니트라이드(Si3N4)와 같은 다른 재료를 원자 레벨의 두께로 형성하도록 한다.
가스 주입기는 가스를 웨이퍼 적층부의 상부로 전달하고, 가스는 진공 챔버(127)를 통해 내측 챔버로부터 웨이퍼 위로 이끌어져, 웨이퍼의 각각의 노출된 표면과 반응하여 실리콘 산화물과 같은 재료층을 형성한다. 가스의 흐름은 층(실리콘 산화물)의 원하는 두께와 압력 및 온도 설정치에 따라 좌우되는 시간 동안 계속된다. 내측 챔버는 냉각되고(약 50℃), 그러므로 유체, 예를 들면 오존은 350℃인 웨이퍼에만 반응하고, 박막의 조밀한 실리콘 이산화물 막을 형성하며, 이 실리콘 이산화물 막은 반도체 장치용의 고품질 절연체로서 널리 이용된다. 일반적으로, 주어진 압력 및 조건 하에서 원하는 막 두께를 얻기 위한 시간의 양은 실험적으로 결정된다. 도 4는 25% 오존 농도를 이용한 3개의 상이한 공정 온도, 350, 400, 및 500℃에서의 산화물 두께(Tox) 대 산화 시간을 보여준다. 재료층의 형성은 유체 흐름을 차단하고 내측 챔버를 진공 상태로 함으로써 종료된다. 그 후, 블록(214)으로 진행한다.
블록(214)은 웨이퍼의 회전을 종료하는 단계를 수반한다. 이를 위해, 전형적인 실시예는 상승기-회전기 조립체(136)의 모터 부분을 수동 또는 자동으로 차단한다. 그 후, 블록(216)으로 진행한다.
블록(216)은 내측 챔버(122) 내에서 웨이퍼를 냉각하는 단계를 수반한다. 전형적인 실시예에서, 이 단계는, 마이크로파 에너지 공급원의 작동을 중지하는 단 계와, 내측 챔버(122)의 벽을 가로질러 외측 챔버(112)의 내부로의 열 전달을 가속화하기 위해 재순환 블로어(114A)를 작동시키는 단계를 포함한다. 이 예의 챔버 내 냉각과는 달리, 종래의 배치 웨이퍼 가열기는 웨이퍼를 무산소 세정실로 이동시키며, 이 세정실에서는 웨이퍼를 상온으로 냉각시키기 위해 수 시간이 걸릴 수 있다. 웨이퍼의 온도가 50℃ 아래 또는 소정의 다른 원하는 임계치로 떨어질 때, 통상적으로 한 시간 미만, 블록(218)으로 진행한다.
블록(218)에서, 냉각된 웨이퍼 적층부가 이동된다. 전형적인 실시예에서, 웨이퍼의 이동은 탑재된 웨이퍼 캐리어를 내측 챔버(122) 및 결론적으로 외측 챔버(112)로부터 낮추기 위하여 상승기-회전기 조립체(136)를 이용하는 단계를 포함한다. 특히, 웨이퍼는 통상적인 레벨의 대기 산소를 포함하는 종래의 세정실 환경 내로 낮추어진다.
블록(220)은 웨이퍼 적층 랙(132)으로부터 웨이퍼를 언로딩하는 단계를 수반한다. 전형적인 실시예에서, 배플 웨이퍼를 제외한 웨이퍼 모두 로봇을 이용하여 이동된다. 일부 실시예에서, 웨이퍼 적층 랙 및 웨이퍼가 이동되어, 또 다른 처리 스테이션으로 전달된다.
위에서 설명된 시스템 및 방법은 일반적으로 기판의 균일한 저온 가열로부터 이점을 얻을 수 있는 소정의 응용 분야에 적합한 것이다. 예를 들면, 본 발명의 발명자는 본 명세서에서 설명된 장치 및/또는 방법이 알루미늄 소결, H2 어닐링, SiLK 어닐링, 포토리지스트 베이킹 및 리플로잉(reflowing), 래디컬 산화 및 질화(radical oxidation and nitridation), 초저온 저압 화학적 증기 증착(LPCVD)(예 를 들면, 니트라이드), 및 초박막 게이트 유전체 형성에 적용가능하다.
결론
본 기술분야에서, 본 발명의 발명자는 특히 실리콘 웨이퍼 또는 집적회로 조립체의 신속하고 균일한 열 처리를 용이하게 하기 위해 멀티모드 마이크로파 에너지를 이용하는 시스템 방법 및 부품을 발명하여 제시하였다. 일례의 시스템은 마이크로파 에너지를 수용하기 위한 외측 챔버, 압력을 유지하고 유체를 수용하기 위한 외측 챔버 내의 마이크로파 투과 압력 챔버, 및 내측 챔버 내의 마이크로파 투과 웨이퍼 적층 조립체를 포함한다. 외측 챔버는 웨이퍼 적층 조립체 내의 실리콘 웨이퍼 상에 멀티모드의 전자기 에너지, 예를 들면 멀티모드의 5.8 ㎓ 에너지를 균일하게 분배한다. 실리콘 웨이퍼는 체적 측정 방식으로(volumetrically) 또한 실질적으로 균일하게 가열되며, 반면에 마이크로파 투과 내측 챔버 및 웨이퍼 적층 조립체는 거의 가열되지 않거나 가능하게는 전혀 가열되지 않는다. 인접 웨이퍼의 균일한 처리를 증진시키기 위해 웨이퍼 적층부에 배플 웨이퍼가 포함되며, 이러한 인접 웨이퍼는 배플 웨이퍼가 없는 경우에는 수용 불가능한 고온 스폿 집중을 갖는 영역에 노출될 것이다. 전형적인 마이크로파 시스템 및 방법은 동일하거나 더 우수한 처리 결과를 유지하면서 열 처리 시간을 감소시키고, 종래의 공정 온도를 낮추게 하는 가능성을 갖는다.
위에서 설명된 실시예는 단지 본 발명을 구성하여 이용하는 하나 또는 그 이상의 방법을 설명하였으며, 이는 본 발명의 범위 및 사상을 제한하려는 것은 아니다. 본 발명의 교시를 실행하거나 실시하는 모든 방식을 채택하는 본 발명의 실제 범위는 단지 하나 또는 그 이상의 발행된 특허 청구범위 및 그 균등물에 의해 한정된다.

Claims (37)

  1. 제1 챔버;
    상기 제1 챔버 내로 마이크로파 에너지를 유입시키기 위해 결합되는 하나 이상의 공칭의(nominal) 5.8 ㎓ 마이크로파 신호 발생기; 및
    복수의 실리콘 웨이퍼를 유지하기 위해 상기 제1 챔버 내에 수용되고, 필수적으로 실질적인 마이크로파 투과성 재료로 이루어지는, 웨이퍼 적층 랙
    을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 신호 발생기는 ISM 컴플라이언트성(Industrial-Scientific-Medical compliant)을 나타내는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 챔버는 상기 마이크로파 에너지의 파장보다 큰 하나 이상의 치수를 가지며,
    상기 제1 챔버는 상기 마이크로파 에너지를 수용하고 반사하기 위한 5개 이상의 복수의 마이크로파 반사 측벽을 포함하는,
    장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 에너지는 5.8㎓ ± 30㎒의 시간 가변 주파수 범위(time variant frequency range)를 가지는, 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 챔버를 수용하는 제 2 챔버를 더 포함하며,
    상기 제1 챔버는 실질적인 마이크로파 투과성 재료를 함유하고, 상기 제2 챔버는 실질적인 마이크로파 반사성 측벽을 포함하는,
    장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼 적층 랙은 25개 이상의 웨이퍼를 수직 적층으로 지지하고 균일하게 이격하도록 구성되는, 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼 적층 랙은, 두 개 이상의 고리형 부재와, 상기 두 개의 고리형 부재 사이에서 수직으로 연장하는 적어도 수직 부재를 포함하는, 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공칭의 5.8㎓ 마이크로파 신호 발생기를 2개 이상 포함하며, 상기 마이 크로파 신호 발생기는 상이한 포트에서 상기 제1 챔버 내로 마이크로파 에너지를 유입시키도록 결합되는, 장치.
  9. 마이크로파 반사성 챔버;
    상기 마이크로파 반사성 챔버 내의 실질적인 마이크로파 투과성 챔버;
    복수의 실리콘 웨이퍼를 수직 배열로 유지하기 위해 상기 마이크로파 투과성 챔버 내에 수용되는 실질적인 마이크로파 투과성 웨이퍼 랙, 및
    상기 복수의 실리콘 웨이퍼를 가열하기 위해 상기 마이크로파 반사성 챔버 내로 마이크로파 에너지를 유입시키도록 결합되는 하나 이상의 공칭의 5.8㎓ 마이크로파 신호 발생기
    를 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 마이크로파 반사성 챔버는 상기 마이크로파 에너지의 파장보다 더 큰 하나 이상의 치수를 가지며,
    상기 제1 챔버는 상기 마이크로파 에너지를 수용하고 반사하기 위한 5개 이상의 복수의 마이크로파 반사성 측벽을 포함하는,
    장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 웨이퍼 랙은 25개 이상의 웨이퍼를 수직 적층으로 지지하고 균일하게 이격하도록 구성되는, 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 마이크로파 투과성 챔버 및 상기 웨이퍼 랙은 필수적으로 석영으로 이루어지는, 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    유체를 상기 마이크로파 반사성 챔버의 높은 내부 영역으로부터 상기 마이크로파 반사성 챔버의 낮은 내부 영역으로 유체를 순환시키기 위한 재순환 수단을 더 포함하는, 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 마이크로파 반사성 챔버는 내부면을 포함하며, 상기 내부면은 이리다이트 코팅(iridite coating)을 포함하는 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    유체 공급원에 결합하기 위한 매스-흐름 제어기, 및 상기 매스-흐름 제어기와 유체 연통되고, 상기 마이크로파 투과성 챔버 내에 위치되는 유체 주입기를 더 포함하는 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 공칭의 5.8㎓ 마이크로파 신호 발생기를 2개 이상 포함하며, 상기 마이크로파 신호 발생기는 상이한 포트에서 마이크로파 에너지를 상기 마이크로파 반사성 챔버 내에 유입시키도록 결합되는, 장치.
  17. 복수의 실리콘 웨이퍼를 수직 적층 배열로 지지하는 랙;
    상기 랙을 둘러싸는 제1 챔버;
    상기 제 1 챔버를 둘러싸기 위한 제2 챔버;
    상기 복수의 실리콘 웨이퍼를 가열하기 위해 상기 마이크로파 반사성 챔버 내로 마이크로파 에너지를 유입시키도록 결합되는 하나 이상의 공칭의 5.8㎓ 마이크로파 신호 발생기; 및
    상기 제1 챔버 내로 유체를 이송하기 위한 가스 주입 수단
    을 포함하는 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 챔버 수단 내로 및 상기 제1 챔버 수단 외부로 상기 랙을 이동하기 위한 수단을 더 포함하는, 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제2 챔버의 높은 내부 영역으로부터 상기 제2 챔버의 낮은 내부 영역으로 유체를 재순환하기 위한 재순환 수단을 더 포함하는, 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제2 챔버는, 상기 마이크로파 에너지를 수용하고 반사하는 5개 이상의 복수의 마이크로파 반사성 측벽을 포함하는, 장치.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 제1 챔버 및 상기 랙은 필수적으로 석영으로 이루어지는, 장치.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 랙은 필수적으로 마이크로파 투과성 재료로 이루어지고, 50개 이상의 웨이퍼를 수직 적층 배열로 지지하도록 구성되는, 장치.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 공칭의 5.8㎓ 마이크로파 신호 발생기를 2개 이상 포함하며, 상기 마이크로파 신호 발생기는 마이크로파 에너지를 상이한 포트에서 상기 마이크로파 반사성 챔버 내로 유입시키도록 결합되는, 장치.
  24. 두 개 또는 그 이상의 실리콘 웨이퍼를 가열하는 방법으로서,
    상기 실리콘 웨이퍼를 수직 적층으로 배열하는 단계; 및
    상기 수직 적층의 실리콘 웨이퍼를 하나 이상의 공칭의 5.8㎓ 마이크로파 공급원으로부터의 멀티모드 마이크로파 에너지를 이용하여 조사(irradiation)하는 단계
    를 포함하는 웨이퍼 가열 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 수직 적층의 실리콘 웨이퍼를 멀티모드 마이크로파 에너지를 이용하여 조사하는 단계는, 상기 수직 적층을 둘러싸는 챔버의 5개 이상의 측벽으로부터 반사되는 마이크로파 에너지에 상기 수직 적층의 웨이퍼를 노출시키는 단계를 포함하는, 웨이퍼 가열 방법.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 수직 적층의 실리콘 웨이퍼를 멀티모드 마이크로파 에너지를 이용하여 조사하는 단계는, 5.8㎓ 마그네트론(magnetron)의 주파수를 조절하는 단계를 포함하는, 웨이퍼 가열 방법.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 수직 적층의 실리콘 웨이퍼를 멀티모드 마이크로파 에너지를 이용하여 조사하는 단계는, 상기 웨이퍼를 1℃/웨이퍼 또는 그 이상의 열적 균일도로 체적 방식으로 가열하는(volumetrically heating) 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제24항에 있어서,
    두 개 또는 그 이상의 웨이퍼는 65 나노미터 또는 그 미만의 공칭 치수를 가지는 집적회로 구조물을 포함하는, 웨이퍼 가열 방법.
  29. 복수의 실리콘 웨이퍼를 수직 적층으로 배열하는 단계;
    원하는 온도를 달성하도록 멀티모드 마이크로파 에너지를 이용하여 상기 수직 적층의 실리콘 웨이퍼를 조사하는 단계; 및
    상기 웨이퍼의 각각에 산화물층을 형성하기 위해, 선택된 시간 동안 90 볼륨 % 미만의 농도의 오존에 상기 수직 적층부의 실리콘 웨이퍼를 노출시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 수직 적층의 실리콘 웨이퍼를 조사하는 단계는, 마이크로파 반사성 챔버 내에 수용되는 마이크로파 투과성 챔버 내에 상기 수직 적층의 웨이퍼를 수용시키는 단계를 포함하는, 방법.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 수직 적층의 실리콘 웨이퍼는 25개 이상의 웨이퍼를 포함하는, 방법.
  32. 제29항에 있어서, 상기 복수의 실리콘 웨이퍼를 조사하는 단계는, 두 개 이상의 마이크로파 공급원으로부터 마이크로파 에너지를 출력하는 단계를 포함하는, 방법.
  33. 멀티모드 마이크로파 에너지를 이용하여 복수의 실리콘 웨이퍼를 마이크로웨이빙(microwaving)하는 단계를 포함하며,
    상기 멀티모드 마이크로파 에너지가 상기 웨이퍼를 둘러싸는 챔버의 5개 이상의 실질적인 수직 측벽으로부터 반사되는,
    방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 복수의 실리콘 웨이퍼를 마이크로웨이빙하는 단계 전에, 상기 복수의 실리콘 웨이퍼를 수직 적층으로 배열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 복수의 실리콘 웨이퍼를 수직 적층으로 배치하는 단계는, 각각의 웨이퍼가 상기 웨이퍼 아래에 하나 이상의 웨이퍼와 상기 웨이퍼 위에 하나 이상의 웨이퍼를 가지도록 상기 웨이퍼를 배치하는 단계, 및 위의 하나의 웨이퍼 및 아래의 하나의 웨이퍼가 상기 웨이퍼의 균일한 가열을 증진하도록 서셉터 플레이 트(susceptor plate)로서 작용하도록 상기 웨이퍼를 일정한 간격을 두고 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 복수의 실리콘 웨이퍼를 마이크로웨이빙하는 단계 동안 상기 수직 적층의 웨이퍼를 회전시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  37. 제33항에 있어서,
    상기 복수의 실리콘 웨이퍼를 마이크로웨이빙하는 단계 동안 상기 웨이퍼가 상기 웨이퍼의 온도보다 50℃ 이상 낮은 온도를 가지는 챔버에 둘러싸이는, 방법.
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