KR20090080870A - 핀 마크를 방지할 수 있는 웨이퍼 리프트 핀 및 이를구비한 웨이퍼 가공 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼 가공 장치에서 웨이퍼를 뒷면으로부터 들어올리는 웨이퍼 리프트 핀에 관한 것으로, 웨이퍼와 접촉하는 헤드부; 및 헤드부에 연결되어 원주형으로 연장되는 몸통부;를 구비하고, 상기 몸통부가, 내부에 중공이 형성된 관 형태인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 내부에 중공을 형성함으로써 웨이퍼 리프트 핀에 의한 열손실을 최소화하여, 웨이퍼의 웨이퍼 리프트 핀에 의해 들어올려진 부분에서 발생하는 핀 마크(pin mark)를 저감할 수 있다.

웨이퍼 리프트 핀, 핀 마크, 열손실, 중공

Description

핀 마크를 방지할 수 있는 웨이퍼 리프트 핀 및 이를 구비한 웨이퍼 가공 장치{Wafer Lift Pin in Capable of Preventing Pin Mark and Wafer Processing Equipment Having the Wafer Lift Pin}

본 발명은 웨이퍼에 대하여 증착, 에칭, 열처리 등 각종 가공을 행하는 웨이퍼 가공 장치에 관한 것으로, 특히, 웨이퍼를 뒷면에서 들어올려 서셉터(susceptor) 상에 안착시키거나 챔버 밖으로 언로딩하도록 하는 웨이퍼 리프트 핀에 관한 것이다.

실리콘 단결정 웨이퍼 등의 웨이퍼는 그 표면 상에 소정 물질층을 증착하거나, 표면 상의 소정 물질층을 에칭하거나, 웨이퍼 전체를 열처리 하는 등의 각종 가공이 행해지게 된다. 이러한 가공은 반응기인 챔버 내에 여러 장의 웨이퍼를 동시에 수납하여 가공하는 배치(batch)식 가공과, 한 번에 한 장의 웨이퍼만 가공하는 매엽식 가공으로 나눌 수 있다. 이중 매엽식 가공 방식에서는, 웨이퍼를 서셉터 또는 척 상에 안착시키고 가공하게 되는데, 서셉터 상에 웨이퍼를 안착시키거나 가공이 끝난 웨이퍼를 서셉터로부터 분리할 때, 서셉터의 소정 개소에 형성된 관통 홀을 통해 웨이퍼 리프트 핀으로 웨이퍼의 뒷면을 들어올리는 구조의 웨이퍼 가공 장치가 알려져 있다.

도 1은 일본 특허공개 제2003-100855호에 개시된 매엽식 기상성장장치로서, 이 기상성장장치(10)는, 일측에 가스 공급로(17)가 형성된 반응용기(11)와, 웨이퍼(19)가 안착되는 서셉터(12)와, 서셉터를 지지하는 서셉터 지지부재(13)와, 서셉터(12)를 관통하여 웨이퍼를 뒷면으로부터 들어올리는 리프트 핀(14)과, 이 리프트 핀을 승강시키는 리프트 핀 승강부재(15) 등을 포함한다. 이러한 기상성장장치를 이용하여 웨이퍼 상에 소정의 물질층을 기상성장시키기 위해서는 먼저 로봇 암(미도시) 등에 의해 반응용기(11) 안으로 로딩된 웨이퍼(19)를 상승된 리프트 핀(14)으로 받아 서서히 하강시킴으로써 서셉터(12) 상에 안착시키게 된다. 또한, 소정 물질층의 기상성장이 완료된 웨이퍼(19)는 다시 리프트 핀(14)의 상승에 의해 들어올려져 로봇 암(미도시) 등에 의해 반응용기(11) 밖으로 언로딩되게 된다.

그런데, 웨이퍼(19)에서 이렇게 리프트 핀(14)에 의해 들어올려진 부분에는 핀 마크(pin mark)라 불리는 일종의 오염(결함)이 발생되는 경우가 종종 있다. 이러한 핀 마크의 발생 원인에 대해서는 아직 정확한 원인이 밝혀지지 않았지만, 특히 고온의 열을 수반하는 공정(에피택셜 성장이나 열처리 등)에서 많이 발생하는 것으로 봐서는, 리프트 핀(14)에 의한 국소적 열손실에 의해 웨이퍼의 온도 균일도가 나빠짐에 따라 발생하는 것으로 생각된다.

이러한 핀 마크를 줄이기 위해 일본 특허공개 제2002-305236호에서는 통상 그래파이트(graphite)로 제작하던 리프트 핀을 열전도율이 낮은 소재인 SiC, 석영 등의 소재로 제작하는 것을 제안하고 있다. 또한, 전술한 일본 특허공개 제2003- 100855호에서는 도 2의 (a)에 도시된 일반적인 형상의 리프트 핀 이외에, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 웨이퍼 뒷면과 접촉하게 되는 헤드 부분을 라운드지게 하는 등의 방안을 제안하고 있다.

그러나, 소모품인 리프트 핀의 재질을 그래파이트에서 고가의 SiC 등으로 변경하게 되면 비용상 손해이며, 이러한 재질 변경이나 형상의 개선에도 불구하고, 여전히 핀 마크의 발생을 유효하게 저감시키지 못하고 있는 실정이다.

또한, 웨이퍼 제조사의 열처리 웨이퍼(annealed wafer)나 에피택셜 웨이퍼(epitaxial wafer) 등에 대한 반도체 소자 제조사의 납품 기준은 갈수록 엄격해지고 있으며, 그에 따라 예전에는 문제시 되지 않던 핀 마크도 저감하지 않으면 안 되는 상황에 직면해 있다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 웨이퍼에 핀 마크가 발생하는 것을 방지할 수 있는 웨이퍼 리프트 핀 및 이를 구비한 웨이퍼 가공 장치를 제공하는 데에 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 웨이퍼 리프트 핀의 몸통부 내부가 비어있는 중공 관 형태의 웨이퍼 리프트 핀을 제공한다.

즉, 본 발명의 일 측면에 따른 웨이퍼 리프트 핀은, 웨이퍼를 뒷면으로부터 들어올리는 웨이퍼 리프트 핀으로서, 웨이퍼와 접촉하는 헤드부; 및 헤드부에 연결되어 원주형으로 연장되는 몸통부;를 구비하고, 상기 몸통부가, 내부에 중공이 형성된 관 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 몸통부의 중공에 몸통부를 이루는 물질보다 낮은 열전도율을 가지는 물질이 채워진다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 웨이퍼 가공 장치는, 적어도 3개소 이상에 관통 홀이 형성된 원반형으로 이루어져 웨이퍼가 안착되는 서셉터; 상기 관통 홀의 각각에 관통되어 상하로 승강가능하게 마련되어 웨이퍼를 뒷면으로부터 들어올리는 웨이퍼 리프트 핀으로서, 전술한 웨이퍼 리프트 핀; 및 웨이퍼 리프트 핀을 승강시키는 리프트 핀 승강부재;를 포함한다.

본 발명에 의하면, 웨이퍼 리프트 핀의 몸통부 내부를 비어있는 중공 관 형태로 하거나, 이 중공부에 열전도율이 낮은 물질을 채움으로써, 웨이퍼 리프트 핀에 의한 열손실을 방지하여 웨이퍼의 온도 균일도 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 웨이퍼 리프트 핀을 사용하는 웨이퍼 가공 장치에 의해 가공된 웨이퍼에는 핀 마크가 저감되어, 품질이 우수한 웨이퍼를 얻을 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

먼저, 본 발명자들은 서셉터와 웨이퍼 리프트 핀의 온도 분포를 시뮬레이션하였다.

도 3은 그 결과를 도시한 도면으로서, 도면에서 붉은색일수록 고온이고 파란색일수록 저온임을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 서셉터 및 웨이퍼 리프트 핀 각각의 내부에서도 온도 차이가 있지만, 서셉터와 웨이퍼 리프트 핀 간에는 현저한 온도차가 나는 것을 알 수 있다. 여기서, 현저한 온도차라고 했지만, 사실 온도 차이는 미소하다. 이 미소한 온도차이가 큰 차이가 아니라고 생각될 수도 있겠지만, 이러한 미소한 온도차로도 증착되는 물질의 균일도가 달라지거나, 결정 결함이 발생하는 것 등을 고려하면 결코 무시할 수 없는 온도차이다. 또한, 이는 현재의 반도체 산업이 이러한 미소한 결함까지 찾아내고 이를 문제시 할 정도로 그 기준이 엄격해졌음을 반증하는 것이기도 하다.

도 3의 결과로부터, 웨이퍼 리프트 핀에서의 상대적으로 높은 열전도에 의해 열손실이 발생하고 그로 인해 핀 마크가 발생한다고 생각할 수 있다. 따라서, 핀 마크를 저감하기 위해서는 웨이퍼 리프트 핀의 구조를 웨이퍼 리프트 핀에 의한 열손실이 저감되는 방향으로 개선해야 한다고 할 수 있다.

어떤 물질에서의 복사 열전달에 대해서는 다음의 관계식이 알려져 있다.

여기서, σ는 스테판-볼츠만 상수로 5.67×0^-8 W/(m²K⁴)이고, ε은 열복사율(emissivity)로서 0과 1 사이의 값을 갖는다.

또한, 전도 열전달에 관해서는 다음의 관계식이 알려져 있다.

여기서, K는 열전도율(conductivity)이고, A는 면적이다.

이상의 관계로부터 웨이퍼 리프트 핀에 의한 열손실을 줄이기 위해서는, 열복사율과 열전도율, 이중에서도 특히 열전도율이 낮은 소재로 웨이퍼 리프트 핀을 제작하여야 함을 알 수 있다. 한편, 웨이퍼 리프트 핀은 고온(예컨대, 1100℃를 넘는 온도)에 견뎌야 하며 적절한 강도를 가져야 한다.

이에, 본 발명자들은 웨이퍼 리프트 핀의 구조를 개선하여 웨이퍼 리프트 핀에서의 열손실을 줄이고자, 도 4에 도시된 바와 같은 세 가지 구조의 웨이퍼 리프트 핀을 설계하고, 이들에 대해 복사에 의한 가열시 웨이퍼 리프트 핀의 온도 분포를 시뮬레이션 하였다. 즉, 도 4의 (a)에 도시된 웨이퍼 리프트 핀은 종래와 동일한 구조로서, 웨이퍼와 접촉하는 편평한 헤드부(21)와 막대 형상의 몸통부(22)로 이루어진다. 한편, 도 4의 (b)에 도시된 웨이퍼 리프트 핀은 몸통부(22)의 내부에 중공부(23)를 마련한 관 형태의 것이고, 도 4의 (c)에 도시된 웨이퍼 리프트 핀은 상기 중공부(23)에 몸통부(22)보다 낮은 열전도율을 가지는 물질(24)을 채워 넣은 것이다. 구체적으로, 이 중공부(23)에 채워 넣은 물질(24)은 전형적으로 단열재이고, 본 실시예에서는 1400℃에서의 열전도율이 0.43W/mK인 연성 그래파이트 펠트(flexible graphite felt)를 사용하였다. 한편, 위의 세 가지 구조의 웨이퍼 리프트 핀(헤드부와 몸통부)의 재질은 그래파이트로 하였다.

이어서, 위와 같은 세 가지 형태의 웨이퍼 리프트 핀에 대해, 밀폐 시스템에서 헤드부(21) 근방에서 복사에 의한 가열이 이루어질 때의 온도 분포를 시뮬레이션 하였다.

도 5는 그 결과를 도시한 도면으로, 종래 구조의 웨이퍼 리프트 핀(도 4의 (a))의 온도가 가장 낮게 나타났고, 중공부(23)를 가졌거나 중공부(23)에 단열재(24)를 채워 넣은 구조의 웨이퍼 리프트 핀(도 4의 (b),(c))의 경우 거의 비슷한 온도 분포를 보였다. 이 시뮬레이션에서 온도가 상대적으로 낮게 나타났다는 것은 웨이퍼 리프트 핀에 의한 열손실이 많이 발생하고 그 결과 웨이퍼의 온도 균일도를 저하시킴을 의미한다. 따라서, 종래 구조의 웨이퍼 리프트 핀보다는 몸통부(22)에 중공(23)이 형성된 본 발명에 따른 구조의 웨이퍼 리프트 핀이 웨이퍼 리프트 핀에 의한 열손실을 줄이고, 그 결과 핀 마크를 저감하는 데에 효과가 있다고 할 수 있다.

본 발명에 따른 웨이퍼 리프트 핀의 재질로서는 저렴한 그래파이트를 선택할 수 있다. 그래파이트는 SiC와 비교하여 열전도율이 높지만 상기와 같이 중공부(23) 또는 중공부 안에 단열재(24)를 채워 넣은 구조로 함으로써 종래 구조에 비해 열손실을 줄일 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 웨이퍼 리프트 핀의 재질로서 열전도율이 낮은 SiC나 석영을 선택할 수도 있음은 물론이다.

한편, 전술한 실시예에서 웨이퍼 리프트 핀의 중공부(23)에 채워 넣는 단열재(24)는 그래파이트 펠트로 설명하였지만, 이 단열재의 재질은 웨이퍼 리프트 핀의 재질에 따라 다양하게 변경할 수 있다. 즉, SiC, 그래파이트 펠트, 석영, 그래파이트는 이 순서로 열전도율이 낮다. 따라서, 웨이퍼 리프트 핀의 재질을 그래파이트나 석영으로 하는 경우, 중공부(23)에 채워 넣는 단열재(24)는 그래파이트 펠트나 SiC가 선택 가능하지만, 웨이퍼 리프트 핀의 재질을 SiC로 하는 경우에는 중공부에 채워 넣는 단열재로서 그래파이트 펠트가 부적절하다. 요컨대, 중공부에 채 워 넣는 단열재는 웨이퍼 리프트 핀을 이루는 물질보다 열전도율이 낮은 물질을 선택하면 된다.

또한, 헤드부(21)의 형상을 전술한 종래기술에서 제안된 바와 같이, 라운드지게 할 수도 있다(도 2의 (b) 참조).

한편, 본 발명에 따른 웨이퍼 가공 장치는, 상기와 같이 구조가 개선된 웨이퍼 리프트 핀을 구비한다. 즉, 본 발명에 따른 웨이퍼 가공 장치는, 서셉터와, 전술한 구조의 웨이퍼 리프트 핀과, 웨이퍼 리프트 핀을 승강시키는 리프트 핀 승강부재를 포함한다. 서셉터는 기본적으로 원반형으로 이루어져 웨이퍼가 안착되는 곳으로서, 서셉터에는 상기 웨이퍼 리프트 핀이 관통되는 관통 홀이 뚫려져 있다. 이 관통 홀의 개수는 웨이퍼 가공 장치에 따라 다를 수 있으나, 적어도 3개 이상 마련되어야 웨이퍼를 안정적으로 들어올릴 수 있다.

그 밖에 웨이퍼 가공 장치의 구체적인 구성은 전술한 종래기술의 기상성장장치(도 1)와 기본적으로 유사하고, 또한 본 발명의 특징은 웨이퍼 리프트 핀의 구조에 있으므로, 상세한 설명을 생략한다. 다만, 웨이퍼 리프트 핀의 구조를 제외한 웨이퍼 가공 장치의 다른 구성은 구체적인 응용을 위해 얼마든지 변경가능함은 물론이다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 종래의 웨이퍼 리프트 핀을 사용하는 매엽식 기상성장장치의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2는 종래의 웨이퍼 리프트 핀을 도시한 정면도이다.

도 3은 종래의 웨이퍼 리프트 핀을 사용한 경우의 서셉터와 웨이퍼 리프트 핀의 온도 분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.

도 4는 종래기술과 본 발명에 따른 웨이퍼 리프트 핀의 구조를 도시한 정면도이다.

도 5는 도 4에 도시된 웨이퍼 리프트 핀들에 대해 헤드부 근방에서 복사에 의한 가열이 이루어질 때 웨이퍼 리프트 핀의 온도 분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다.

Claims (8)

1. 웨이퍼를 뒷면으로부터 들어올리는 웨이퍼 리프트 핀에 있어서,

   웨이퍼와 접촉하는 헤드부; 및

   상기 헤드부에 연결되어 원주형으로 연장되는 몸통부;를 구비하고,

   상기 몸통부가, 내부에 중공이 형성된 관 형태인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 리프트 핀.
2. 제1항에 있어서,

   상기 헤드부 및 몸통부가 그래파이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 웨이퍼 리프트 핀.
3. 제1항에 있어서,

   상기 헤드부 및 몸통부가 SiC 또는 석영으로 이루어진 것을 특징으로 하는 웨이퍼 리프트 핀.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 몸통부의 중공에 상기 몸통부를 이루는 물질보다 낮은 열전도율을 가지는 물질이 채워진 것을 특징으로 하는 웨이퍼 리프트 핀.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 헤드부의 상면이 볼록한 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 리프트 핀.
6. 제4항에 있어서,

   상기 헤드부의 상면이 볼록한 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 리프트 핀.
7. 적어도 3개소 이상에 관통 홀이 형성된 원반형으로 이루어져 웨이퍼가 안착되는 서셉터;

   상기 관통 홀의 각각에 관통되어 상하로 승강가능하게 마련되어 상기 웨이퍼를 뒷면으로부터 들어올리는 웨이퍼 리프트 핀으로서, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 웨이퍼 리프트 핀; 및

   상기 웨이퍼 리프트 핀을 승강시키는 리프트 핀 승강부재;를 포함하는 웨이퍼 가공 장치.
8. 적어도 3개소 이상에 관통 홀이 형성된 원반형으로 이루어져 웨이퍼가 안착되는 서셉터;

   상기 관통 홀의 각각에 관통되어 상하로 승강가능하게 마련되어 상기 웨이퍼를 뒷면으로부터 들어올리는 웨이퍼 리프트 핀으로서, 제4항에 기재된 웨이퍼 리 프트 핀; 및

   상기 웨이퍼 리프트 핀을 승강시키는 리프트 핀 승강부재;를 포함하는 웨이퍼 가공 장치.

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