KR20080100480A - 적외선 투과에 의한 기판 온도 측정 - Google Patents

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매튜 펜튼 데이비스
케네스 제이. 뱅
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

열처리 동안 기판 온도를 측정하는 방법 및 장치가 제공된다. 일 실시예에서, 열처리 동안 기판 온도를 측정하는 장치는, 배기가능한(evacutable) 챔버, 상기 챔버내에 배치된 기판을 가열하도록 배치된 기판 히터, 및 상기 기판이 상기 기판 히터에 의해 가열되는 동안 상기 기판을 통해 투과되는 에너지를 수신하도록 위치된 센서 - 상기 센서는 투과량을 나타내는 메트릭을 검출하도록 구성됨 - 를 포함한다. 다른 실시예에서, 기판 온도를 측정하는 방법은, 챔버내에 배치된 기판을 가열하는 단계, 가열하는 동안 기판의 투과량의 변화를 검출하는 단계, 및 상기 투과량의 변화에 기초하여 상기 기판의 온도를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

적외선 투과에 의한 기판 온도 측정{SUBSTRATE TEMPERATURE MEASUREMENT BY INFRARED TRANSMISSION}
본 발명의 측면들은 일반적으로 반도체 기판 온도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 측면들은 기판 적외선 송신에 의해 반도체 기판 온도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
초대규모 집적 (ultra large-scale integrated, ULSI) 회로들은, 실리콘(Si) 기판과 같은 반도체 기판 위에 형성된 백만 개 이상의 전자 디바이스(가령, 트랜지스터)를 포함할 수 있고, 이들은 디바이스 내부의 여러 기능들을 수행하도록 협력할 수 있다. 처리 동안, 다수의 열처리 단계들이 때때로 기판 표면상에 수행된다. 열처리는 일반적으로 프로세스 제어를 위한 정밀한 기판 온도 측정을 요한다. 부정확한 기판 온도 제어는 디바이스 성능에 악영향을 줄 수 있는 열악한 프로세스 결과에 이를 수 있고/있거나 기판 막 물질 손상에 이를 수 있다.
상이한 형태의 온도 측정 도구들이 열처리 동안 기판 온도를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 열전쌍은 기판 표면 위의 소정의 위치들에서 기판과 물리적으로 접촉함으로써 기판 온도를 측정하기 위해 종종 사용된다. 그러나, 더 큰 직경의 기판의 경우, 기판 표면에 대한 전반적인 온도 변화는 측정 위치들 사이 의 먼 거리로 인해 결정하기 어렵다. 또한, 기판 표면에 대한 열전쌍의 물리적 열 접촉의 신뢰성은 제어하기 어렵고 오염의 우려를 갖는다.
대안으로, 광 고온측정기(optical pyrometry)가 때때로 기판 온도를 측정하기 위해 사용된다. 열처리 동안 기판 표면으로부터 방출된 방사선(radiation)이 광 고온측정기 센서에 의해 측정되어 기판 온도를 결정한다. 그러나, 기판 표면으로부터의 광 방사의 측정은 가령, 가열 램프들로부터의 강렬한 조명, 챔버 벽으로부터의 광 방사, 및/또는 윈도우로부터의 산란광과 같은 배경 노이즈로부터 분리하기 어렵다. 기판 표면으로부터의 광 방사는 정확하게 측정되지 않을 수 있고 배경 노이즈는 온도 측정에 오차를 추가로 도입할 수 있기 때문에, 실제의 기판 표면 온도는 정밀하게 측정하기 어렵고, 이는 잘못된 기판 온도 결정 및 결과적으로 열악한 처리 결과에 이를 수 있다.
따라서, 열처리 동안 기판 온도 측정을 위한 개선된 방법 및 장치에 대한 필요성이 존재한다.
열처리 동안 기판 온도를 측정하는 방법 및 장치가 제공된다. 일 실시예에서, 열처리 동안 기판 온도를 측정하는 장치는, 배기가능한(evacutable) 챔버, 상기 챔버내에 배치된 기판을 가열하도록 배치된 기판 히터, 및 상기 기판이 가열되는 동안 상기 기판을 통해 투과되는 에너지를 수신하도록 위치된 센서 - 상기 센서는 투과량을 나타내는 메트릭을 검출하도록 구성됨 -를 포함한다.
다른 실시예에서, 기판 온도를 측정하는 방법은, 챔버내에 배치된 기판을 가열하는 단계, 가열하는 동안 기판의 투과량의 변화를 검출하는 단계, 및 상기 투과량의 변화에 기초하여 상기 기판의 온도를 결정하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 기판 온도를 측정하는 방법은, 할로겐 함유 원소의 존재하에 프로세싱(processing)된 기판을 처리(treating)하는 단계, 램프 어셈블리를 구비하는 배기가능한 챔버내에 배치된 페데스털 위에 기판을 이송하는 단계, 상기 램프 어셈블리에 의해 제공된 적외선 광으로 기판을 가열하는 단계, 상기 기판을 통한 적외선 광 투과를 검출하는 단계, 및 검출된 광에 기초하여 기판 온도를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 언급된 특징들이 상세히 이해될 수 있도록, 위에서 간략히 요약된 본원 발명의 보다 구체적인 기재가 첨부된 도면에 그 중 몇몇이 도시된 실시예들을 참조하여 이루어진다. 그러나, 첨부된 도면들은 단지 전형적인 본원 발명의 실시예들만을 도시하며 따라서 그 범위의 제한으로 간주되지 않아야 하는데, 이는 본 발명이 다른 균등하게 효과적인 실시예들에 수용되기 때문이다.
도 1은 본 발명을 실시하기에 적합한 예시적인 처리 장치의 간략화된 개략적 도면이며;
도 2는 서로 다른 기판 온도에서 실리콘 기판 흡수 대 IR 광 파장을 도시하는 그래프이며;
도 3은 투과된 에너지 대 시간을 도시하는 그래프이며,
도 4는 본원 발명의 일 실시예에 따라 기판 온도를 측정하는 방법을 도시하 는 공정도이며;
도 5는 본원 발명을 실시하도록 구성된 예시적인 처리 장치의 개략적인 도면이며;
도 6은 도 5의 로드락 챔버의 단면도이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 가능한 곳에서는 도면들에 공통되는 동일한 요소들을 지정하기 위해서는 동일한 도면 부호가 사용되었다. 일 실시예의 요소들과 특징들은 추가적인 언급 없이도 다른 실시예들에 유용하게 합체될 수 있다고 생각된다.
그러나, 첨부된 도면들은 본원 발명의 예시적인 실시예들만을 도시하며 따라서 그 범위의 제한으로 간주되지 않아야 하는데, 이는 본 발명이 다른 균등하게 효과적인 실시예들에 수용되기 때문이다.
본원 발명의 실시예들은 열처리 동안 기판 온도를 측정하는 방법 및 장치를 제공한다. 일 실시예에서, 기판 온도는 기판을 통한 에너지의 투과의 변화를 모니터링함으로써 결정될 수 있다.
도 1은 본원 발명을 실시하기에 적합한 처리 장치의 간략화된 개략도를 도시한다. 간략화된 처리 장치(100)는 진공하에서 동작된다. 장치(100)는 장치(100)에 배치된 기판(102)에 열 에너지를 제공하도록 적응된 열 소스(108)를 포함한다. 일 실시에서 열 소스는 램프 어셈블리와 같은 가열 모듈이다. 대안으로, 열 소스(108)는 가열된 기판 홀더, 가열된 지지 패데스털, 저항성 히터, 또는 판의 온도 를 상승시키는데 적합한 다른 열 소스일 수 있다. 신호 생성기(104) 및 센서(106)는 기판(102)의 대향 측부에 배치된다. 신호 생성기(104)는 기판(102)을 통해 투과된 신호(110)를 생성하도록 적응된 기판(102) 상부에 배치된다. 센서(106)는 신호 생성기(104)로부터 기판(102)을 통해 지나가는 신호(110)를 수신하도록 위치된다. 제어기(112)는 센서(106)에 연결되어 생성기(104)로부터 수신된 신호를 분석한다. 신호 생성기(104)는 기판에 파장 투과량으로 에너지를 제공하는 임의의 에너지 소스일 수 있고 레이저 및 광대역 광 소스들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 신호 생성기(104) 및 열 소스(108)는 가열 램프와 같은 단일 디바이스이다.
상이한 기판 물질들은 상이한 온도들 및 상이한 파장들에서 상이한 광 투과량을 가질 수 있다. 열 소스(108)가 기판 표면에 열 에너지를 제공할 때, 기판 온도는 변한다. 신호(110)의 일부는 기판(102)을 통해 투과되며, 기판에서 다른 일부는 흡수된다. 기판(102)을 통해 투과되는 신호의 양은 기판(102)의 온도에 의존한다. 따라서, 기판(102)이 가열될 때, 기판(102)을 통해 투과되는 신호(110)의 양은 변한다. 센서(106)는 신호(110)의 변화를 검출한다. 검출된 신호(110)의 변화에 기초하여, 기판 온도는 대응하여 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 신호 생성기(104)는 상이한 파장을 갖는 광 생성기일 수 있다. 예를 들어, 신호 생성기(104)는 기판(102)을 통해 센서(106)로 전송할 신호를 생성하도록 적응된 약 1150nm 내지 약 1250nm의 범위에서 집중된 협대역의 파장을 갖는 레이저 빔을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 신호 생성기(104)는 약 1100nm 내지 약 1300nm의 파장을 갖는 광 에너지를 제공할 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 신호 생성기(104)는 기판(102)을 가열하기 위해 광 에너지를 제공하고 기판(102)을 통해 센서(106)로 광 에너지를 전송하도록 적응된 열 소스(108)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 신호 생성기(104)는 기판(102)을 가열하고 이를 통해 투과시키기 위해 적외선(IR)을 제공하는 약 400nm 내지 14000nm의 파장 범위의 큰 전력을 생성하는 램프 어셈블리와 같은 가열 모듈일 수 있다.
도 2는 상이한 기판 온도들 및 상이한 파장들에서 기판 물질로 실리콘을 사용하는 기판의 광 흡수 거동을 도시한다. 흡수 자취선들(trace lines: 202, 204, 206)은 상이한 온도들에서 파장의 함수로써 실리콘 반도체 물질의 흡수를 도시한다. 자취들은 흡수가 기판 온도와 상관될 수 있음을 나타낸다. 기판 온도가 증가함에 따라, 각각의 흡수 자취선(202, 204, 206)의 경사면(216, 218, 220)의 변화는 더 긴 파장에서 시작한다. 따라서, 각각의 파장에 대하여, 기판은 흡수에서의 변화가 급속한 온도들의 범위를 갖는다. 따라서, 관심 있는 온도를 결정할 때 양호한 해를 보장하기 위하여, 관심 있는 온도를 포함하는 온도들의 범위에 대하여 기판이 흡수에서의 급속한 변화를 갖는 파장이 선택된다. 예를 들어, 약 1100nm의 파장과 같은 주어진 광 파장에서, 기판의 온도를 증가시키는 것은 실리콘 기판의 흡수량이 자취선(202)의 제 1 점(210)에서 제 2 점(212)쪽으로, 제 3 점으로 급속히 변하게 하는데, 이는 히터 모듈로부터의 IR 광에 의한 가열이 기판에 의한 광의 흡수를 증가시키기 때문이다. 따라서, 더 적은 광이 실리콘 기판을 통해 투과되는데, 이는 투과의 변화를 측정함으로써 온도를 분석하기 위해 이용될 수 있다.
도 3은 기판 온도의 함수로써 기판(102)을 통해 투과된 IR 광 에너지의 자 취(302)를 도시한다. 에너지 자취(302)는 기판의 온도가 증가함에 따라 기판(102)을 통해 투과되는 광 에너지에서의 변화를 나타낸다. 장치(100)에 진입하는 기판은 높은 투과량을 갖는 저온 T1을 가질 수 있다. 따라서, 열 소스(108) 및/또는 신호 생성기(104)로부터의 광 에너지의 실질적인 양이 기판(102)을 통해 센서(106)로 투과된다. 자취(302)에 있는 점(304)에 보이는 것처럼, 센서는 저온 T1에서 최초 검출 시간 t1에 높은 에너지 투과량을 나타낸다. IR 광이 일정한 레벨로 기판(102)에 공급될 때, 기판의 온도는 상승한다. 기판 온도가 높은 온도 T2로 증가함에 따라, 실리콘 기판을 통과하는 투과량의 변화는 보다 뜨거운 기판이 보다 많은 IR 광을 흡수하기 때문에 감소하며, 결국 투과된 IR 에너지의 감소에 이른다. 시간 t2에서의 점 306에 도시된 것처럼, 높은 기판 온도 T2에서의 높은 흡수로 인해 센서(106)에 의해 검출된 광 에너지는 낮다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라서 열처리 동안 기판 온도를 측정하는 방법(400)의 흐름도를 도시한다. 방법(400)은 도 1에 도시된 처리 장치(100)와 함께 수행되거나, 또는 도 5-6를 참조하여 추후 논의될 처리 시스템의 다른 적절하게 설비된 영역과 함께 수행되도록 구성된다. 방법(400)은 다른 제조자들에 의한 것을 포함하여, 다른 적절하게 설비된 시스템들에서 수행될 수 있다.
방법(400)은 챔버내에서 히터 모듈에 의해 기판을 가열함으로써 단계(402)에서 시작한다. 단계(404)에서, 센서가 사용되어 히터 모듈이 정상 상태 출력 조건에 도달할 때 기판을 통해 센서로 투과되는 광 투과량의 기준선 측정을 취한다. 단계 406에서, 센서는 가열 처리 동안 기판을 통해 투과되는 광 투과량을 연속적으 로 검출하고 분석한다. 단계 408에서, 기판을 통해 투과되어 측정된 단편적인 광 투과량이 기판의 온도를 계산하기 위해 사용된다. 기판 온도는 센서에 의해 최초로 검출된 기준선에 대한 광 투과량의 변화에 대응한다. 선택적 단계 410에서, 기판이 소정의 온도에 도달할 때 기판의 프로세스 종료점이 결정된다.
도 5는 본 발명의 열 처리(400)를 수행하기 위한 도 1에 도시된 장치(100)를 포함하도록 구성된 적어도 하나의 영역을 포함하는 예시적인 처리 시스템(500)의 개략적인 평면도이다. 일 실시예에서, 처리 시스템(500)은 캘리포니아 산타클라라 소재 Applied Materials사로부터 상업적으로 이용가능한 적절히 개조된 CENTURA® 일체형 처리 시스템일 수 있다. 다른 처리 시스템들(다른 제조사들로부터의 것들 포함)이 본원 발명으로부터 유용하도록 개조될 수 있다.
시스템(500)은 진공 밀폐된 처리 플랫폼(504), 팩토리 인터페이스(502), 및 시스템 제어기(544)를 포함한다. 플랫폼(504)은 다수의 처리 챔버들(510, 512, 532, 528, 520) 및 진공 기판 이송 챔버(536)에 결합된 적어도 하나의 로드락 챔버(522)를 포함한다. 두 개의 로드락 챔버(522)가 도 5에 도시되어 있다. 팩토리 인터페이스(502)는 로드락 챔버(522)에 의해 이송 챔버(536)에 결합된다.
일 실시예에서, 팩토리 인터페이스(502)는 기판들의 이송을 용이하게 하기 위하여 적어도 하나의 도킹 스테이션(508)과 적어도 하나의 팩토리 인터페이스 로봇(514)을 포함한다. 도킹 스테이션(508)은 하나 이상의 전면 개구 통합형 포드(FOUP)를 수용하도록 구성된다. 두 개의 FOUP(506A-B)가 도 5의 실시예에 도시 되어 있다. 일측 단부에 배치된 블레이드(516)를 구비하는 팩토리 인터페이스 로봇(514)은 기판을 팩토리 인터페이스(502)로부터 처리 플랫폼(504)의 로드락 챔버(522)로 이송하도록 구성된다. 선택적으로, 하나 이상의 측정 스테이션(518)이 팩토리 인터페이스(502)의 단부(526)에 연결되어 팩토리 인터페이스(502) 내에서의 기판들의 측정을 용이하게 할 수 있다.
각각의 로드락 챔버(522)는 팩토리 인터페이스(502)에 연결된 제 1 포트 및 이송 챔버(536)에 연결된 제 2 포트를 구비한다. 로드락 챔버(522)는 로드락 챔버(522)를 펌프 다운하고 배기하여 이송 챔버(536)의 진공 환경과 팩토리 인터페이스(502)의 실질적으로 주위의(가령, 대기의) 환경 사이에 기판을 통과시키는 것을 용이하게 하는 압력 제어 시스템(비도시)에 연결된다.
이송 챔버(536)는 그 내부에 배치된 진공 로봇(530)을 구비한다. 진공 로봇(530)은 로드락 챔버(522)와 처리 챔버들(510, 512, 532, 528, 520) 사이에 기판을 이송할 수 있는 블레이드(534)를 구비한다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 처리 챔버들(510, 512, 532, 528, 520)은 에칭 챔버이다. 예를 들어, 에칭 챔버는 Applied Materials사로부터 이용가능한 디커플드 플라즈마 소스(Decoupled Plasma Source; DPS) 챔버일 수 있다. DPS 에칭 챔버는 고밀도 플라즈마를 생성하도록 유도성 소스를 사용하며 기판을 바이어싱하기 위하여 고주파(RF) 전력의 소스를 포함한다. 대안으로, 적어도 하나의 처리 챔버들(510, 512, 532, 528, 520)은 역시 Applied Materials사로부터 이용가능한 HARTTM, E-MAX®, DPS®, DPSⅡ, PRODUCER E, 또는 ENABLER® 에칭 챔버 중 하나이거나, 다른 제조사들로부터의 것들을 포함하는 다른 챔버일 수 있다. 에칭 챔버, 예를 들어, 챔버(510)는 그 내부에 배치된 기판(524)을 에칭하기 위하여 할로겐 함유 가스를 사용할 수 있다. 할로겐 함유 가스의 예들은 브롬화수소(HBr), 염소(Cl2), 4플루오르화 탄소(CF4) 등을 포함한다. 기판(524)을 에칭한 후, 할로겐 함유 잔여물이 기판 표면에 남겨질 수 있다. 할로겐 함유 잔여물들은 열 처리 프로세스에 의해 제거될 수 있다. 열 처리 프로세스는 시스템에서 인-시튜(in-situ) 방식으로, 가령 적외선(IR) 램프 어셈블리와 같은 에너지 생성기를 구비한 처리 챔버들(510, 512, 532, 528, 및 520) 중 하나에서 수행될 수 있다. 센서는 기판 온도에 상관되는 열 처리 프로세스 동안 기판을 모니터링하기 위해 사용된다. 대안으로, 열 처리 프로세스는 가령, 이송 챔버(536), 로드락 챔버(522), 측정 스테이션(518), 또는 에너지 생성기와 투과량 센서를 구비한 팩토리 인터페이스(502)와 같은 시스템의 다른 영역에서 수행될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 열 처리 프로세스는 로드락 챔버(522)에서 수행되거나, 대안으로 시스템(500)의 적절히 설비된 영역에서 수행된다.
시스템 제어기(544)는 처리 시스템(500)에 결합된다. 시스템 제어기(544)는 시스템(500)의 처리 챔버들(510, 512, 532, 528, 520)의 직접 제어를 이용하거나, 대안으로, 시스템(500)의 처리 챔버들(510, 512, 532, 528, 520)과 연관된 컴퓨터들(또는, 제어기들)를 제어함으로써 시스템(500)의 동작을 제어한다. 동작시에, 시스템 제어기(544)는, 시스템(500)의 성능을 최적화하도록 각각의 챔버들 및 시스템 제어기(544)로부터의 데이터 수집 및 피드백을 가능하게 한다.
시스템 제어기(544)는 일반적으로 중앙제어유닛(CPU)(538), 메모리(540), 및 지원 회로(542)를 포함한다. CPU(538)는 산업적 세팅에 사용될 수 있는 범용 컴퓨터 프로세서의 임의의 형태 중 하나일 수 있다. 지원 회로(542)는 CPU(538)에 종래 방식으로 결합되며 캐쉬, 클락 회로들, 입/출력 서브시스템들, 파워 서플라이들, 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어 루틴들, 가령 도 4에 도시된 할로겐 함유 잔여물들을 제거하는 방법(400)은, CPU(538)에 의해 실행될 때, 특수용 컴퓨터(제어기)(544)로 CPU(538)를 변환한다. 소프트웨어 루틴들은 시스템(500)으로부터 원격 위치된 제2 제어기(비도시)에 의해 저장 및/또는 실행될 수도 있다.
도 6은 기판에 열 처리를 수행하기 위해 이용되는 로드락 챔버(522)의 일 실시예를 도시한다. 로드락 챔버(522)는 일반적으로 챔버 바디(602), 제 1 기판 홀더(604), 제 2 기판 홀더(606), 온도 제어 페데스털(640) 및 에너지 소스, 가령 히터 모듈(670)을 포함한다. 센서(698)는 온도 제어 페데스털(640) 내부에 배치된다. 챔버 바디(602)는 알루미늄과 같은 단일한 물질의 바디로부터 제조될 수 있다. 챔버 바디(602)는 챔버 볼륨을 규정하는 제 1 측벽(608), 제 2 측벽(610), 상부(614) 및 하부(616)를 포함한다. 일반적으로 석영으로 이루어지는 윈도우(650)는 챔버 바디(602)의 상부(614)에 배치되고 히터 모듈(670)에 의해 적어도 부분적으로 커버된다. 일 실시예에서, 다수의 램프들(694)이 히터 모듈(670) 내에 배치되어 기판 열 처리를 위한 열을 생성한다. 일 실시예에서, 램프들(694)은 약 1000nm 내지 약 1300nm, 가령 1050nm 내지 약 1200nm, 예를 들어, 약 1100nm 내지 약 1150nm 사이의 파장을 갖는 적외선 방사를 제공하는 적외선 램프들이다. 램프들(694)로부터 생성되는 적외선 방사는 기판에 열을 제공하여 기판 온도를 약 500℃까지 상승시킬 수 있다. 일반적으로, 램프들(694)의 파장은 측정을 하고자 하는 온도, 예를 들어, 열 처리 종료점의 온도의 범위에서 가열되고 있는 물질들 및/또는 막들을 통한 투과량의 큰 변화를 갖도록 선택된다.
일 실시예에서, 센서(698)는 약 150℃ 내지 약 350℃의 기판 온도 범위를 측정하도록 적응된 InGaAs 다이오드 센서이다. 센서(698)는 광 시준기(692) 및 필터(678)와 광학적으로 정렬된다. 광 시준기(692)는 광 도파로(676)(즉, 광섬유)의 단부(674)와 기판 사이에 있는 페데스털(640)내에 배치된다. 광 도파로(676)는 기판(696) 및 시준기(692)를 통해 필터(678)로 통과되는 수집된 에너지를 검출한다. 필터(678)는 광 시스템(500)로부터 수집된 신호를 필터링하도록 적응되며 원하는 파장을 갖는 IR 광만을 센서(698)로 제공한다.
일 실시예에서, 광 시준기(692)는 에너지가 각도(690)를 갖는 광 도파로(676)에 진입할 수 있도록 선택된 개구를 가지므로, 산란된 에너지 및 다른 노이즈를 배제한다. 예를 들어, 광 시준기(692)의 선택된 각도(690)는 수집될 각도(690)에서 기판을 통해 지나가는 광(688)만을 허용하고, 선택된 각도(690)의 외부에 있는 각도로 입사하는 광(686)이 광 도파로(676)에 진입하는 것을 방지한다. 챔버 벽(684)으로부터의 원치 않는 반사된 광 및/또는 배경(682, 680)로부터 생성된 노이즈는, 시준기(692)를 통해 광 도파로(676)에 진입하는 신호를 간섭하는 것 및 필터(678)를 통해 센서(698)에 궁극적으로 도달하는 것으로부터 방지된다. 센서(698)에 도달하는 광 에너지는 그 후 기판(698)의 온도를 계산하도록 추가로 분석된다.
챔버 볼륨(618)의 압력은 로드락 챔버(522)가 이송 챔버(536)의 환경과 실질적으로 매칭되게 배기(evacuating)되고 팩토리 인터페이스(502)의 환경과 실질적으로 매칭되게 배출(venting)되도록 제어될 수 있다. 챔버 바디(602)는 미립자 오염을 최소화하도록 배기 및 배출 동안 챔버 볼륨(618) 내부의 층류(laminar flow)를 제공하기 위하여 하나 이상의 배출 통로(630) 및 펌프 통로(632)를 포함한다. 배출 통로(630)는 챔버 볼륨(618)으로 가스 혼합물을 제공하기 위하여 가스 소스(652)에 부가적으로 결합될 수 있다. 가스 소스(652)로부터 제공될 수 있는 가스들의 예는 질소(N2), 아르곤(Ar), 수소(H2), 알칸, 알켄, 헬륨(He), 산소(O2), 오존(O3), 웨이퍼 수증기(H2O) 등을 포함한다. 펌프 통로(632)는 가스들을 펌프 다운하기 위하여 펌프(636)에 연결되고 원하는 점에서 로드락 챔버(522)의 압력을 제어한다.
제 1 로딩 포트(638)는 챔버 바디(602)의 제 1 벽(608) 내에 배치되어 기판(524)이 로드락 챔버(522)와 팩토리 인터페이스(502) 사이에서 이송될 수 있게 한다. 제 1 슬릿 밸브(644)는 제 1 로딩 포트(638)를 선택적으로 밀봉하여 팩토리 인터페이스(502)로부터 로드락 챔버(522)를 격리한다. 제 2 로딩 포트(639)는 챔버 바디(602)의 제 2 벽(610) 내에 배치되어 기판(524)이 로드락 챔버(522)와 이송 챔버(536) 사이에서 이송될 수 있게 한다. 제 1 슬릿 밸브(644)와 실질적으로 유사한 제 2 슬릿 밸브(646)는 제 2 로딩 포트(639)를 선택적으로 밀봉하여 이송 챔버(536)의 진공 환경으로부터 로드락 챔버(522)를 격리한다.
제 1 기판 홀더(604)는 챔버 저면(616) 상부에 배치된 제 2 기판 홀더(606)와 중심이 같도록 결합된다(즉 그 상부에 적층된다). 기판 홀더들(604, 606)은 일챔버 바디(602)의 저면(616)을 관통하여 연장하는 샤프트(658)와 결합된 후프(620)에 일반적으로 장착된다. 각각의 기판 홀더(604, 606)는 하나의 기판을 보유하도록 구성된다. 샤프트(658)는 챔버 바디(602) 내부에서 기판 홀더들(604 및 606)의 승강을 제어하는 로드락 챔버(522) 외부에 배치된 리프트 메커니즘(660)에 결합된다. 제 1 기판 홀더(604)는 팩토리 인터페이스(502)로부터의 처리되지 않은 기판을 파지하기 위해 사용되는 한편, 제 2 기판 홀더(606)는 이송 챔버(536)로부터 되돌려지는 처리된 기판(가령 에칭된 기판)을 파지하기 위해 사용된다. 도 6에 도시된 실시예에서, 처리된 기판(696)은 처리 챔버(510, 512, 532, 528 및 520) 중 어느 하나에서 처리한 후에 제 2 기판 홀더(606)사에 위치된다.
도 4를 다시 참조하면, 방법(400)은 도 5에 도시된 로드락 챔버(522)와 같은 히터 모듈을 갖는 챔버로 기판을 제공함으로써 실시될 수 있다. 일 실시예에서, 기판은 열처리를 수행하도록 적응된 임의의 기판 또는 물질일 수 있다. 일 실시예에서, 기판은 게이트 구조와 같은 구조를 형성하기 위해 이용되는 그 상부에 층 또는 층들을 갖는 실리콘 반도체 기판일 수 있다. 기판은 대안으로 피쳐들 또는 구조들의 기판으로의 전달을 촉진하기 위해 기판상에 배치된 에칭 마스크와 같은 마 스크 층 및/또는 에칭 스탑 층을 이용할 수 있다. 다른 실시예에서, 기판은 듀얼 다마신 구조 등과 같은 서로 다른 패턴들 및/또는 피쳐들을 형성하기 위해 이용되는 막 스택과 같은 다중층들을 갖는 실리콘 반도체 기판일 수 있다. 기판은 결정질 실리콘(가령 Si<100> 또는 Si<111>), 실리콘 산화물, 스트레인드 실리콘(strained silicon), 실리콘 게르마늄, 도핑되거나 도핑되지 않은 폴리실리콘, 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘 웨이퍼들 및 패터닝되거나 패터닝되지 않은 웨이퍼들 실리콘 온 인슐레이터(SOI), 탄소 도핑된 실리콘 산화물들, 실리콘 질화물, 도핑된 실리콘, 게르마늄, 갈륨 아세나이드, 유리, 사파이어, 실리콘상에 배치된 금속층 등과 같은 물질일 수 있다. 기판은 다양한 치수를 가질 수 있는데, 가령 200nm 또는 300nm 직경 웨이퍼 뿐만 아니라 직사각형 또는 정사각형 패널일 수 있다. 본원 발명에 도시된 실시예에서, 기판은 실리콘 반도체 기판일 수 있다.
일 실시예에서, 로드락 챔버(522)로 이송되는 기판은 적어도 할로겐 함유 가스를 갖는 가스 혼합물을 제공함으로써 처리 챔버들(510, 512, 532, 528, 520) 중 하나에서 이전에 에칭될 수 있다. 할로겐 함유 가스들의 적절한 예는 브롬화수소(HBr), 염소(Cl2), 4플루오르화 탄소(CF4) 등을 포함한다. 에칭 동안 기판상의 처리된 물질들은 에천트 케미스트리(etchant chemistry)의 원소들 뿐만 아니라 마스크 층들의 원소들과, 존재한다면 에칭 프로세스의 부산물과 결합할 수 있어서, 기판 표면에 할로겐 함유 잔여물들을 형성한다. 로드락 챔버(522)에 의해 제공된 열처리는 할로겐 함유 잔여물들을 가열하고 기판 표면으로부터 증발된 휘발성 화합 물을 형성함으로써, 기판 표면으로부터의 할로겐 함유 잔여물들의 제거를 촉진할 수 있다.
일 실시예에서, 열 처리를 수행하기 위하여 로드락 챔버(522)로 이송된 기판(102)은 약 80℃ 내지 약 120℃의 온도를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 로드락 챔버(522)로 이송된 기판(102)은 약 80℃ 미만의 온도를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 로드락 챔버(522)로 이송된 기판(102)은 이전에 그 상부에서 수행된 처리 온도와 같은 온도를 가질 수 있다.
단계 402에서, 에너지 소스, 가령 램프 어셈블리(670)는 기판 표면을 가열하기 위해 켜진다. 도 6을 부가적으로 참조하면, 기판(102)이 이송 챔버(536)로부터 로드락 챔버(522)로 이송되고, 슬릿 밸브(646)가 이송의 완료 이후에 후속적으로 닫힌다. 일단 슬릿 밸브(646)가 닫히고 기판(102)이 제 2 홀더(606)에 위치되면, 히터 모듈(670)이 켜져 기판(100) 상에서 열 처리를 수행한다. 히터 모듈(670)의 램프들(694)은 기판 표면을 가열하는 적외선 광을 생성한다. 일 실시예에서, 램프들(694)은 1200nm의 측정 파장에서 매우 강한 강도를 가지면서, 약 400nm 내지 약 14000nm의 파장에서 적외선 광을 생성한다.
일 실시예에서, 가스 혼합물은 에칭된 기판의 가열 동안 가스 소스(652)로부터 로드락 챔버(522)로 공급될 수 있다. 처리된 기판(100)은 가스 혼합물에 노출되고 이와 반응한다. 할로겐 함유 잔여물이 처리된 기판 표면에 존재하는 예시적인 실시예에서, 가스 혼합물은 기체를 뺀(outgassed) 할로겐 기저 반응물들을 로드락 챔버(522)로부터 밖으로 펌핑된 비부식성(non-corrosive) 휘발성 화합물로 변환 한다. 가스 혼합물은 산소(O2), 오존(O3), 수증기(H2O)와 같은 산소 함유 가스, 수소(H2), 성형 가스(forming gas), 수증기(H2O), 알칸, 알켄 등과 같은 수소 함유 가스, 또는 질소 가스(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He)과 같은 불활성 가스 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가스 혼합물은 산소, 질소, 및 산소 함유 가스를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 수소 함유 가스는 수소(H2)와 수증기(H2O) 중 적어도 하나이다. 마스크 층들이 기판상에 존재하는 실시예들에서, 마스크 층들은 할로겐 함유 잔여물들과 동시에 제거될 수 있는데, 가령 로드락 챔버내에서 마스크의 포토레지스트가 벗겨진다.
단계 404에서, 램프 어셈블리(670)가 기준선 투과량 판독을 설정하는 정상 상태 출력에 도달한 후에 기판(102)을 통해 투과된 히터 모듈(670)로부터 IR 광을 검출하기 위해 센서가 사용된다. 센서(698)는 히터 모듈(670)로부터의 출력이 안정화된 후 사용된다. 일 실시예에서, 열 출력은 약 2초 내지 약 5초 후에 안정화된다. 센서(698)에 대한 지연 시간은 두 가지 이점을 제공한다. 첫째, 히터 모듈(670)의 출력이 허용되어 투과량을 감지하면서 일정한 양의 에너지가 기판에 제공된다. 둘째, 기판은 흡수가 빠르게 변하는 온도 범위로 가열되도록 허용되어, 측정을 위한 양호한 해를 제공한다.
전술한 것처럼, 기판의 상이한 기판 온도에서의 흡수는 기판(696)을 통해 통과되는 광 에너지의 양에 그리고 추가로 센서(698)에 현저하게 영향을 미친다. 기판 온도가 상승함에 따라, 기판(102)을 통해 통과되는 광 에너지의 양은 변하며, 이에 의해 센서(698)로 투과된 광 에너지의 양의 변화를 일으킨다. 따라서, 센서(698)는 이러한 기간 동안 단계 406에서 흡수의 변화를 나타내는 메트릭을 제공하며, 이는 단계 408에서 기판 온도를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
단계 408에서, 기판 온도가 결정된다. 파장은 기판 온도와 실리콘 기판 흡수가 관심 있는 범위에 대하여 선형의 역 비율을 가지도록 선택되므로 기판 온도는 기판을 통한 IR 광 투과의 변화를 측정함으로써 계산될 수 있다. 센서(698)는 기판 온도와 상관된 비율로써 표현되는 IR 투과량의 두 메트릭을 제공한다. 표 1은 기판 온도 및 투과량 비율의 관계의 예시적인 실시예이다. 예시적인 실시예에서, 약 1의 비율이 약 70℃ 내지 약 120℃의 기판 온도와 상관된다. 기판 온도의 증가와 함께, 기판 IR 투과량은 떨어지고, 센서(698)로 통과되는 IR 광 에너지는 대응하여 감소한다. 센서(698)가 점진적으로 감소된 IR 에너지를 기록함에 따라, 투과량 비율이 감소한다. 센서(698)에 의해 검출된 기판 IR 투과량의 점진적인 변화에 기초하여, 기판 온도는 대응하여 계산될 수 있다. 이와 같이, 열 처리 동안의 기판 온도는 에너지 흡수에 있어서의 변화와 같은 실리콘 물질의 본질적인 특성을 상이한 온도의 함수로써 이용한 기판 IR 투과량을 측정함으로써 정확하게 측정되고 계산된다. 투과량 비율과 온도 사이의 관계는 경험적으로 계산되거나 얻어질 수 있다고 생각된다.
Figure 112008069632783-PCT00001
[10nm의 폭을 갖는 1200nm에 대한, 검출된 비율 및 기판 온도 사이의 관계]
일 실시예에서, 열 처리가 기판 표면에 수행될 때, 열이 기판의 표면의 온도를 상승시키고, 이에 의해, 처리된 기판 표면상에 배치된 할로겐 기재 반응물들이 (존재하는 경우) 방출되고/되거나 기체가 빠지도록 한다. 히터 모듈(670)에 의한 기판의 빠른 가열은, 처리 챔버들 중 하나에서 잔여물들이 제거되는 경우 발생하는 처리 사이클 시간의 증가 없이 처리된 기판위의 할로겐 함유 잔여물들이 제거될 수 있게 한다.
선택적으로, 단계 410에서, 히터 모듈(670)을 끄는 종료점은 기판이 소정의 기판 온도에 도달했을 때 결정된다. 종료점 온도는 투과량 비율을 이용하여 구해질 수 있다. 계산된 비율이 기판 온도가 소정의 온도에 도달했음을 나타낼 때, 센서(698)는 신호를 제어기(544)로 보내고, 이에 의해 히터 모듈(670)을 차단한다.
일 실시예에서, 히터 모듈(670)은, 기판 온도가 약 250℃ 내지 약 400℃ 사이에 도달했을 때 꺼질 수 있다. 다른 실시예에서, 히터 모듈(670)은 센서(698)에 의해 계산된 소정의 시간까지 꺼질 수 있다. 소정의 기간은 약 5초 내지 약 180초 사이의 범위일 수 있고, 모듈(670)의 열 생성 용량에 의존할 것이다. 할로겐 함유 잔여물이 기판 표면상에 존재하는 또 다른 실시예에서, 히터 모듈(670)은 처리된 기판상의 할로겐 함유 잔여물들이 기판 표면으로부터 제거될 때 소정의 기간에 꺼진다. 할로겐 함유 잔여물을 제거하기 위한 종료점 기간은 약 10초 내지 약 120, 가령 약 30초 내지 약 90초일 수 있다. 대안으로, 잔여물 가스 분석기(RGA)가 또한 에칭된 기판 표면상의 할로겐 함유 잔여물들을 검출하기 위해 이용될 수도 있다.
따라서, 본원 발명은 열 처리 동안 기판 온도를 측정하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 방법 및 장치는 유리하게도 기판을 통해 투과된 IR 투과량을 측정함으로써 열 처리 동안 센서에 의해 실제 기판 온도를 모니터링한다. 상이한 온도에서의 기판의 불투명도(opacity)는 기판을 통해 지나가는 IR 투과량의 상이한 양을 제공하고, 이에 의해 센서가 실제 기판 온도를 결정하는 것을 보조한다.
전술한 것이 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 다른 추가의 본 발명의 실시예들이 그 기본적인 범위를 벗어나지 않고 개량될 수 있고, 그 범위는 다음의 특허청구범위에 의해 결정된다.

Claims (25)

  1. 열처리 동안 기판 온도를 측정하는 장치로서,
    배기가능한(evacutable) 챔버;
    상기 챔버내에 배치된 기판을 가열하도록 배치된 기판 히터; 및
    상기 기판이 상기 기판 히터에 의해 가열되는 동안 상기 기판을 통해 투과되는 에너지를 수신하도록 위치된 센서 - 상기 센서는 투과량을 나타내는 메트릭(metric)을 검출하도록 구성됨 -
    를 포함하는 기판 온도 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 히터는 램프 또는 다수의 램프들인 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 히터는 상기 기판을 상기 챔버 내부로 또는 외부로 이송하도록 구성된 가열된 로봇 블레이드인 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 히터는 상기 챔버 내에 배치된 기판 지지부인 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는,
    상기 기판과 상기 센서 사이에 배치된 광 시준기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 장치는,
    광 도파로 - 상기 광 시준기는 상기 기판에 대한 소정의 각도에서의 에너지 입사를 상기 광 도파기로 수집하도록 위치됨 -를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 장치는,
    상기 광 시준기 및 상기 센서 사이에 배치된 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 램프는 약 400nm 내지 약 14000nm의 파장에서 적외선 광을 제공하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버는 로드락 챔버, 이송 챔버, 및 처리 챔버 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버는 처리 챔버내에 배치된 로드락 챔버인 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 장치.
  11. 열처리 동안 기판 온도를 측정하는 방법으로서,
    챔버내에 배치된 기판을 가열하는 단계,
    가열하는 동안 상기 기판의 투과량의 변화를 검출하는 단계, 및
    상기 투과량의 변화에 기초하여 상기 기판의 온도를 결정하는 단계
    를 포함하는 기판 온도 측정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 기판을 가열하는 단계는,
    로드락 챔버에서 상기 기판을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 기판을 가열하는 단계는,
    가열된 로봇 블레이드상에서 상기 기판을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 기판을 가열하는 단계는,
    처리 챔버에서 상기 기판을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 기판을 가열하는 단계는,
    진공 환경하에서 상기 기판을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 기판을 가열하는 단계는,
    검출하는 동안 상기 기판에 일정한 양의 에너지를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 투과량의 변화를 검출하는 단계는,
    광을 상기 기판을 통하고 광 시준기를 통하여 센서로 투과시켜 보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  18. 제 11 항에 있어서, 상기 기판을 가열하는 단계는,
    상기 기판을 광에 의해 가열하는 단계 - 상기 광의 일부는 상기 투과량의 변화를 측정하기 위해 사용됨 - 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  19. 제 11 항에 있어서, 상기 투과량의 변화를 검출하는 단계는,
    약 1200nm에 집중된 약 10nm의 파장 대역을 가지는 상기 기판을 통해 지나가는 적외선 광을 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판을 가열하기 전에 할로겐 함유 원소에 의해 상기 기판을 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  21. 열 처리 동안 기판 온도를 측정하는 방법으로서,
    할로겐 함유 원소의 존재하에 프로세싱(processing)된 기판을 처리(treating)하는 단계;
    램프 어셈블리를 구비하는 배기가능한 챔버에 배치된 페데스탈 위에 상기 기판을 이송하는 단계;
    상기 램프 어셈블리에 의해 제공되는 적외선 광으로 상기 기판을 가열하는 단계;
    상기 기판을 통해 투과되는 적외선 광을 검출하는 단계;
    상기 투과된 광에 기초하여 기판 온도를 계산하는 단계
    를 포함하는 기판 온도 측정 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 적외선 광을 검출하는 단계는,
    광 도파로를 통해 센서로 상기 투과된 광을 보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 방법은,
    가열하는 동안 상기 기판 표면으로부터 상기 할로겐 함유 원소를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 적외선 광을 검출하는 단계는,
    약 1200nm에 집중된 약 10nm의 파장 대역을 가지는 상기 기판을 통해 지나가는 적외선 광을 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 배기가능한 챔버는 처리 시스템에 배치된 로드락 챔버인 것을 특징으로 하는 기판 온도 측정 방법.
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