KR20100129777A - 열처리 챔버에서 웨이퍼 지지부의 온도 측정 및 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

급속 열처리 동안 기판의 균일한 가열 또는 냉각을 이루기 위한 장치 및 방법에 개시된다. 특히, 기판에 걸쳐 온도 균일성을 향상시키도록 급속 열처리 동안 기판 및/또는 반사기 플레이트를 지지하는 엣지 링의 온도를 제어하기 위한 장치 및 방법이 개시되고, 이는 엣지 링을 가열 또는 냉각하기 위해 엣지 링에 인접한 플레이트 또는 열 매스를 포함한다.

Description

열처리 챔버에서 웨이퍼 지지부의 온도 측정 및 제어 장치 및 방법 {TEMPERATURE MEASUREMENT AND CONTROL OF WAFER SUPPORT IN THERMAL PROCESSING CHAMBER}
본 발명은 반도체 처리의 영역에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 기판을 열적으로 처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
실리콘 또는 다른 웨이퍼로 된 직접 회로의 제작은 층을 증착하는 단계, 층을 포토 리소그래피적으로(photo lighographically) 패턴화하는 단계, 및 패턴화된 층을 에칭하는 단계의 다수의 단계를 포함한다. 이온 주입은 반도성(semiconductive) 실리콘으로 활성 영역을 도핑하는데 이용된다. 또한, 제작 순서는, 주입 손상의 큐어링(curing) 및 도펀트(dopant) 활성, 결정화, 열적 산화 및 질화, 실리콘 화합물화, 화학 증착, 증기 상 도핑, 열적 세정, 및 다른 이유를 포함한 다양한 이용에 대한 웨이퍼의 열적 어닐링을 포함한다. 실리콘 기술의 초기 단계에서의 어닐링이 일반적으로 어닐링 오븐에서 긴 시간 주기 동안 다수의 웨이퍼의 가열을 포함하지만, 급속 열처리(rapid thermal processing; RTP)가 더 작은 회로 피처(feature)에 대해 더욱 엄격한 요구사항을 만족시키기 위한 이용이 증가되어 왔다. RTP는 직접 회로가 형성된 웨이퍼의 전면에서 지향된 고강도 램프의 배열로부터의 광으로 웨이퍼를 조사(照射)함에 의해 단일 웨이퍼 챔버에서 일반적으로 수행된다. 복사는 웨이퍼에 의해 적어도 부분적으로 흡수되고, 예를 들어 600℃ 초과와 같은 바람직한 고온 또는 일정한 이용에서 1000℃를 넘는 고온으로 웨이퍼를 신속하게 가열한다. 복사 가열은 신속하게 턴 온 및 오프(turn on and off)될 수 있고, 이에 의해 예를 들어 일분 또는 그 미만, 혹은 수초의 비교적 짧은 시간 주기에 걸쳐 웨이퍼를 제어 가능하고 균일하게 가열한다. RTP 챔버는 예를 들어 100 내지 150℃/초, 그리고 200 내지 400℃/초의 속도와 같이 약 50℃/초 또는 그 초과의 속도로 웨이퍼를 균일하게 가열할 수 있다. RTP 챔버에서의 일반적인 램프-다운(냉각) 속도는 80 내지 150℃/초의 범위이다. RTP 챔버에서 수행된 일부 공정은 수 ℃ 미만의 기판에 걸친 온도에서의 변경을 요구한다.
급속 열처리가 매번 단일 반도체 상에서 작업되기 때문에, 최적의 가열 및 냉각 수단이 최적의 RTP 성능에 필요하다. 기판의 열처리 동안 기판 온도 균일성을 최적화시키는 것이 바람직하다. 온도 균일성은 필름 증착, 산화물 성장 및 에칭과 같은 온도 활성화 단계를 위해 기판 상에 균일한 공정 변수들(예를 들어 층 두께, 비저항, 에칭 깊이)를 제공한다. 또한, 기판 온도 균일성은 뒤틀림(warpage), 결함 생성 및 슬립(slip)과 같은 열적 응력-유도된 기판 손상을 방지하는데 필요하다. 예를 들어 1150℃에서, 대략 5℃의 4인치 실리콘 웨이퍼 상의 중앙 대 엣지 온도 차이는 전위 형성(dislocation formation) 및 슬립을 유도할 수 있다. 또한, 온도 변화도는 다른 소스에 의해 유도될 수 있다. 예를 들면, 기판은 기판의 표면 구역 또는 부피에 대한 부분적인 개조에 의해 불균일성 방사율을 가질 수 있다. 이러한 개조는 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor)를 위한 매몰된 층과 같은 포토리소그래피 또는 국부적으로 도핑된 영역에 의해 패턴화된 필름을 포함할 수 있다. 또한, 기판 온도 변화도는 처리 동안 기판 표면 상에서 일어날 수 있는 불균일성 흡열성 또는 발열성 반응뿐만 아니라 처리 챔버에 관련된 국부화된 가스 냉각 또는 가열 효과에 의해 유도될 수 있다. 향상된 온도 균일성을 제공하는 RTP 챔버를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
상기 언급된 것처럼, RTP는 기판에 걸쳐 거의 균일한 온도 프로파일을 일반적으로 요구한다. 분 발명의 기술분야의 공정에서, 후면 상의 반사면이 열을 기판으로 다시 반사시키는 동안, 전면 상에서 기판을 가열하도록 구성된 레이저, 램프의 배열과 같은 열 소스를 제어함에 의해 온도 균일성이 향상될 수 있다. 방사율 측정 및 보상 방법론은 기판에 걸친 온도 균일성을 향상시키는데 이용되었다.
반도체 산업이 발전함에 따라, RTP 동안 온도 균일성에 대한 요구 사항이 증가한다. 일부 공정에서, 기판의 엣지 내부에서 약 2mm로부터 거의 작은 온도 변화도를 갖는 것이 중요한다. 특히, 약 1℃ 내지 1.5℃의 온도 편차와 함께 약 200℃ 내지 약 1350℃의 온도에서 기판을 가열하는 것이 필요할 수 있다. 최신식 RTP 시스템은 특히 기판의 엣지 근처에서 이러한 종류의 균일성에 도달하는데 어려움을 갖는다. RTP 시스템에서, 엣지 링은 둘레 근처에서 기판을 지지하는데 일반적으로 이용된다. 엣지 링 및 기판은 기판의 엣지 근처에서 복잡한 가열 상황을 만드는 것을 오버랩한다. 일 태양에서, 기판은 엣지 근처에서 상이한 열적 성질을 가질 수 있다. 이는 실리콘-온 절연체(SOI) 기판에 대해 또는 패턴화된 기판에 대해 주로 현저하게 나타난다(pronounced). 다른 태양에서, 기판 및 엣지 링은 엣지 근처에서 오버랩되고, 단독으로 기판의 온도를 측정하고 조정함에 의해 엣지 근처에서 균일한 온도 프로파일을 얻는 것이 어렵다. 기판의 열적 및 광학적 성질에 대한 엣지 링의 열적 성질에 기초하여, 기판의 온도 프로파일은 일반적으로 엣지 하이(edge high) 또는 엣지 로우(edge low)이다.
도 1은 RTP 챔버에서 처리된 기판의 공통적인 온도 프로파일의 두 가지 유형을 개략적으로 도시한다. 수직축은 기판 상에서 측정된 온도를 표시한다. 수평축은 기판의 엣지로부터의 거리를 표시한다. 프로파일 1은 기판의 엣지가 가장 높은 온도 측정을 가지는 경우의 엣지 하이 프로파일이다. 프로파일 2는 기판의 엣지가 가장 낮은 온도 측정을 가지는 경우의 엣지 로우 프로파일이다. 최신식 RTP 시스템에서 기판의 엣지 근처에서 온도 편차를 제거하는 것이 어렵다.
잔류 열이 웨이퍼를 처리한 이후 RTP 챔버에 남아 있게 된다. 나쁜 영향을 받는 부품 중 하나는 웨이퍼 지지대(다시 말하면, 엣지 링)이다. 핫 엣지 링(hot edge ring)에 의해 웨이퍼 균일성의 향상 그리고 웨이퍼의 부서짐/뒤틀림을 피하기 위해, 웨이퍼는 엣지 링 상에 놓이기 이전에 가열되어야만 하고, 이에 의해 전체 처리량에서의 감소를 일으킨다. 웨이퍼는 부서짐 또는 뒤틀림을 피하기 위해 엣지 링 온도에 가깝게 가열되어야 한다. 반대로, 엣지 링은 동일한 원하는 효과를 얻도록 냉각될 수 있고, 이는 엣지 링 및 웨이퍼 사이의 온도 차이를 최소화시킨다.
엣지 링 온도를 제어하는 다른 장점은 웨이퍼 처리 동안 관찰된다. 엣지 링 온도는 엣지 링 및 웨이퍼 사이의 온도 차이를 최소화시키기 위해, 엣지 링 온도는 가열 또는 냉각될 수 있다. 이러한 제어는 웨이퍼 및 엣지 링의 겹침(overlap)에 의해 야기된 불연속의 뛰어난 관리를 가능하게 할 것이다. 복사는 엣지 링보다 큰 구역을 커버하기 때문에, 이는 현재 RTP 램프 조립체와 함께 잘 수행될 수 없다. 열 소스는 거의 오직 엣지 링만을 복사하도록 이루어질 수 있고, 이에 의해 엣지 링 가열은 전체 공정 사이클 동안 웨이퍼에 대해 복사 열 특성을 변경시키는 것을 수용하도록 변경될 수 있다.
따라서, 향상된 온도 균일성에 대한 RTP에 이용된 장치 방법에 대한 요구가 있다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 급속 열처리 동안 기판에 대해 더욱 균일한 가열을 이루기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 기판을 처리하기 위한 챔버는, 처리 용적을 형성하는 챔버 인클로저; 처리 용적에 배치된 기판 지지대; 기판 지지대 상에 배치된 엣지 링으로서 기판의 둘레 상에서 기판을 지지하도록 구성된, 엣지 링; 기판을 가열하도록 구성된 제 1 열 소스; 엣지 링의 온도를 변경시키도록 구성된 제 2 열 소스; 및 엣지 링에 인접하여 위치한 열 매스(thermal mass)로서, 열 매스를 가열 또는 냉각시키는 유체를 포함한 하나 이상의 채널을 포함하는, 열 매스를 포함한다.
일 실시예에서, 제 2 열 소스 및 열 매스의 온도는 독립적으로 제어된다. 일 실시예에서, 엣지 링은 열 매스에 근접하게 엣지 링을 위치시킴에 의해 냉각된다. 일 실시예에서, 제 2 열 소스는 복사 히터, 전도성 열 소스, 저항성 히터, 유도성 히터, 및 마이크로파 히터 중 하나이다.
일정한 실시예에서, 챔버는 엣지 링을 향해 냉각 가스를 지향시키도록 구성된 가스 분사부를 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 열 소스 및 열 매스는 엣지 링의 대향부들(opposite sides) 상에 배치된다. 다른 실시예에서, 제 1 열 소스 및 열 매스는 엣지 링의 동일한 부분 상에 배치된다.
일 실시예에서, 열 매스는 반사기 플레이트를 포함한다. 열 매스는 토로이드 형상일 수 있다.
다른 실시예에서, 급속 열처리 챔버는 챔버 용적을 형성하는 챔버 바디; 챔버 용적에 배치된 온도 제어된 엣지 링으로서, 기판의 둘레 근처에서 처리되는 기판과 열적으로 커플링된, 엣지 링; 기판 온도를 주로 변경시키도록 구성된 제 1 열 소스; 온도 제어된 엣지 링을 주로 가열시키도록 구성된 제 2 열 소스; 및 플레이트를 가열 또는 냉각시키기 위한 가스 또는 액체를 포함한 하나 이상의 채널을 가지며 엣지 링에 인접하여 위치하는 플레이트를 포함한다.
일 실시예에서, 급속 열처리 챔버는 온도 제어된 엣지 링을 냉각시키도록 구성된 냉각 장치를 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 열 소스 및 플레이트는 온도 제어된 엣지 링의 대향 측부들 상에 배치된다. 일 실시예에서, 엣지 링은 플레이트에 가까이 근접하여 위치함에 의해 냉각된다. 하나 이상의 실시예에서, 제 1 열 소스, 제 2 열 소스 및 플레이트의 온도는 독립적으로 제어된다.
본 발명의 다른 태양은 타겟 온도로 기판을 균일하게 가열 또는 냉각시키기 위한 방법에 관한 것이고, 이러한 방법은, 제 1 열 소스에 연결된 처리 챔버에 기판을 위치시키는 단계; 엣지 링에 기판의 둘레를 열적으로 커플링시키는 단계; 제 1 열 소스로 기판의 표면을 가열 또는 냉각시키는 단계; 엣지 링을 엣지 링에 인접한 온도 제어된 플레이트로 타겟 온도와 상이한 링 온도로 유지시키는 단계를 포함하고, 온도 제어된 플레이트는 플레이트를 가열 또는 냉각시키기 위한 가스 또는 액체를 함유한 채널을 포함한다. 이러한 방법은 퍼지 가스를 이용하여 엣지 링을 냉각시키는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 상기 언급된 특징이 자세하게 이해될 수 있도록, 상기 간략히 요약된 본 발명의 더욱 특별한 설명은 첨부된 도면에서 도시된 실시예를 참고하여 이루어진다. 첨부된 도면은 본 발명의 일반적인 실시예를 도시하고, 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 다른 동등한 유효한 실시예를 허용할 수 있다.
도 1은 RTP 챔버에서 처리된 기판의 공통적인 온도 프로파일의 두 가지 유형을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 열처리 시스템의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 급속 열처리 시스템의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엣지 링의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 5는 채널을 통해 가열 유체 또는 냉각 유체를 제공하기 위해 플레이트를 통한 채널을 가진 플레이트의 평면도이다.
본 발명은 급속 열처리 동안 기판으로의 균일한 가열을 얻는 것을 돕기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 실시예는 기판에 걸쳐 온도 균일성을 향상시키기 위해 급속 열처리 동안 기판을 지지하는 엣지 링의 온도를 제어하는 장치 및 방법을 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 급속 열처리 시스템(10)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 급속 열처리 시스템(10)은 내부에 디스크 형상의 기판(12)을 어닐링하도록 구성된 처리 용적(14)을 형성하는 챔버 바디(35)를 포함한다. 챔버 바디(35)는 스테인리스강으로 만들어질 수 있으며, 석영으로 라이닝(lined)될 수 있다. 처리 용적(14)은 급속 열처리 시스템(10)의 석영 윈도우(18) 상에 배치된 가열 조립체(16)에 의해 복사적으로 가열되도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 석영 윈도우(18)는 수 냉각될 수 있다.
슬릿 밸브(30)는 챔버 바디(35)의 측면 상에 형성되어 처리 용적(14)으로 기판(12)에 대한 통로를 제공한다. 가스 입구(44)는 가스 소스(45)에 연결될 수 있고, 이에 의해 처리 용적(14)으로 처리 가스, 퍼지 가스 및/또는 세정 가스를 제공한다. 진공 펌프(53)는 처리 용적(14) 밖으로 펌프하기 위한 출구(54)를 통해 처리 용적(14)에 유체식으로(fluidly) 연결될 수 있다.
원형 채널(22)은 챔버 바디(35)의 바닥부 근처에 형성된다. 자기 회전자(magnetic rotor; 21)는 원형 채널(22)에 배치된다. 관형 상승부(tubular riser; 39)는 자기 회전자(21) 상에 위치하거나 또는 그렇지 아니하면 자기 회전자(21)에 커플링된다. 기판(12)은 관형 상승부(39) 상에 배치된 엣지 링(20)에 의해 주변 엣지에 의해 지지된다. 자기 스테이터(23)는 자기 회전자(21)의 외부에 위치하고, 챔버 바디(35)를 통해 자기적으로 커플링되며 이에 의해 자기 회전자(21)의 회전 및 엣지 링과 그 위에서 지지되는 기판(12)의 회전을 유도한다. 또한, 자기 스테이터(23)는 자기 회전자(21)의 상승을 조정하도록 구성될 수 있고, 따라서 처리되는 기판을 리프트한다. 추가적인 자기 회전 및 공중 상승 정보는 여기서 참조로 인용된 미국 특허 제 6,800,833호에서 이용 가능하다.
챔버 바디(35)는 기판(12)의 후면 근처에 반사기 플레이트(27)를 포함할 수 있다. 반사기 플레이트(27)는 기판(12)의 후면을 향한 광학 반사면(28)을 갖고, 이에 의해 기판(12)의 방사율(emissivity)을 향상시킨다. 일 실시예에서, 반사기 플레이트(27)는 수 냉각될 수 있다. 반사면(28) 및 기판(12)의 후면은 반사 공동(reflective cavity; 15)을 형성한다. 일 실시예에서, 반사기 플레이트(27)는 처리되는 기판(12)의 지름보다 약간 큰 지름을 갖는다. 예를 들면, 급속 열처리 시스템(10)이 12인치 기판을 처리하도록 구성된다면, 반사기 플레이트(27)의 지름은 약 13인치일 수 있다.
퍼지 가스는 퍼지 가스 소스(46)에 연결된 퍼지 가스 입구(48)를 통해 반사기 플레이트(27)에 제공될 수 있다. 반사기 플레이트(27)로 방출된 퍼지 가스는 특히 열이 기판(12)으로 다시 반사되지 않는 구멍(25) 근처에서 반사기 플레이트(27)의 냉각을 돕는다. 또한, 퍼지 가스는 고온도계 프로브(pyrometer probe; 24) 및 반사기 플레이트(27) 상에 증착되는 상류 공정으로부터 생성된 오염 물질의 확산을 방지하도록(counter) 이루어진다.
일 실시예에서, 외부 링(19)은 처리 용적(14)으로부터 반사 공동(15)을 분리시키기 위해 챔버 바디(35) 및 엣지 링(20) 사이에 커플링될 수 있다. 반사 공동(15) 및 처리 용적(14)은 상이한 환경을 가질 수 있다.
가열 조립체(16)는 가열 요소(37)의 배열을 포함할 수 있다. 가열 요소(37)의 배열은 UV 램프, 할로겐 램프, 레이저 다이오드, 저항 히터, 마이크로파 전력 히터, 발광 다이오드(LEDs), 또는 단독으로 혹은 조합한 다른 적절한 가열 요소일 수 있다. 가열 요소(37)의 배열은 반사기 바디(53)에 형성된 수직 홀에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 가열 요소(37)는 육각형 패턴에 배열될 수 있다. 냉각 채널(40)은 반사기 바디(53)에 형성될 수 있다. 물과 같은 냉각제는 입구(41)로부터 반사기 바디(53)로 들어가고, 가열 요소(37)의 배열을 냉각시키는 수직 홀에 인접하여 이동하며, 출구(42)로부터 반사기 바디로부터 빠져나갈 수 있다.
가열 요소(37)의 배열은 가열 요소(37)의 가열 효과를 조정할 수 있는 제어기(52)에 연결된다. 일 실시예에서, 가열 요소(37)의 배열은 다수의 가열 그룹으로 분할될 수 있고, 이에 의해 다수의 동심 구역에 의해 기판(12)을 가열한다. 각각의 가열 그룹은 독립적으로 제어될 수 있고, 이에 의해 기판(12)의 반경에 걸쳐 원하는 온도 프로파일을 제공한다. 가열 조립체(16)의 상세한 설명은 여기서 참조로 인용된 미국 특허 제 6,350,964호 및 제 6,927,169호에서 찾을 수 있다.
여기서 이용된 것처럼, 급속 열처리 또는 RTP는 예를 들어 100℃ 내지 150℃/초, 그리고 200℃ 내지 400℃/초의 속도와 같이 약 50℃/초 또는 그 초과의 속도로 웨이퍼를 균일하게 가열할 수 있는 장치 또는 공정을 지칭한다. RTP 챔버에서 일반적인 램프-다운(ramp-down)(냉각) 속도는 80 내지 150℃/초의 범위에 있다. RTP 챔버에서 수행된 일부 공정은 수 ℃ 미만의 기판에 걸친 온도 변화를 요구한다. 따라서, RTP 챔버는 100 내지 150℃/초, 그리고 200 내지 400℃/초의 속도로 가열할 수 있는 램프 또는 다른 적절한 가열 시스템 및 가열 시스템 제어장치를 포함해야만 하고, 이는 이러한 속도로 빠르게 가열할 수 있는 가열 시스템 및 가열 제어 시스템을 갖지 않는 다른 유형의 열적 챔버로부터 급속 열처리 챔버를 분별한다.
일 실시예에서, 엣지 링(20)을 주로 가열하도록 구성된 엣지 링 가열 조립체(38)는 가열 요소(37)의 배열 외부에 배치될 수 있다. 엣지 링 가열 조립체(38)는 엣지 링 가열 조립체(38)의 가열 전력을 조정할 수 있는 제어기(52)에 연결된다. 엣지 링 가열 조립체(38)는 가열 요소(38)의 배열로부터 독립적으로 제어 가능하고, 따라서 기판(12)의 온도와 무관하게 엣지 링(20)의 온도를 제어한다. 일 실시예에서, 엣지 링 가열 조립체(38)는 가열 요소(37)의 배열의 가열 그룹 중 하나일 수 있다.
급속 열처리 시스템(10)은 상이한 반경 위치에서 기판(12)의 열적 성질을 측정하도록 구성된 다수의 열적 프로브(24)를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 다수의 열적 프로브(24)는 기판(12)의 상이한 반경부의 온도 또는 다른 열적 성질을 탐지하기 위해 반사기 플레이트(27)에 형성된 다수의 구멍(25)에 배치되며 광학적으로 커플링된 다수의 고온도계일 수 있다. 유사한 온도 프로브의 상세한 설명은 여기서 참조로 인용된 미국 특허 제 5,755,511호에서 발견될 수 있다. 다수의 온도 프로브(24)는 제어기(52)에 연결되고, 제어기(52)는 기판(12)에 걸쳐 수정된(tailored) 반경 방향 열적 프로파일을 제공하도록 가열 요소(37)의 배열로의 전력 공급을 조정하도록 폐쇄 루프 제어를 수행할 수 있다.
급속 열처리 시스템(10)은 엣지 링(20) 근처에서 반사기 플레이트(27) 상의 구멍(32)에 배치되며 커플링된 엣지 링 열적 프로브(31)를 추가로 포함한다. 엣지 링 열적 프로브(31)는 엣지 링(20)의 온도 또는 다른 열적 성질을 측정하도록 구성된 고온도계일 수 있다. 엣지 링 열적 프로브(31)는 엣지 링 가열 조립체(38)에 연결된 제어기(52)와 연결된다. 제어기(52)는 엣지 링 열적 프로브(31)로부터의 측정 단독으로 또는 웨이퍼 프로브(24)와 함께한 측정을 이용하여 엣지 링 가열 조립체(38)로의 폐쇄 루프 제어를 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 엣지 링(20)은 열처리 동안 기판(12)으로부터 독립적으로 원하는 온도로 가열될 수 있다.
가스 분사부(47)는 엣지 링(20)을 냉각시키기 위해 엣지 링(20) 근처에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 가스 분사부(47)는 퍼지 가스 입구(48)와 동일한 퍼지 가스 소스(46)를 공유할 수 있다. 가스 분사부(47)는 엣지 링(20)으로 지향될 수 있고, 엣지 링(20)을 냉각시키도록 헬륨과 같은 냉각 가스를 방출한다. 가스 분사부(47)는 제어기(52)에 의해 제어될 수 있는 밸브(49)를 통해 퍼지 가스 소스(46)에 연결될 수 있다. 따라서, 제어기(52)는 엣지 링(20)의 폐쇄 루프된 온도 제어에서 가스 분사부(47)의 냉각 효과를 포함할 수 있다.
엣지 링(20)은 기판 온도 프로파일을 향상시키도록 처리된 기판(12)의 열적 성질에 따라 열 매스, 방사율 및 흡수율과 같은 열적 성질을 갖도록 설계될 수 있다. 엣지 링(20)의 열적 성질은 상이한 물질, 상이한 두께 및 상이한 코팅을 선택함에 의해 변경될 수 있다. 엣지 링 설계의 상세한 설명은 미국 특허 제 7,127,367호에서 발견될 수 있고, 이는 여기서 참조로 인용된다. 일 실시예에서, 엣지 링(20)은 니켈 코팅과 함께 실리콘으로 만들어질 수 있다.
급속 열처리 동안, 기판(12)은 슬릿 밸브(30)를 통해 처리 용적(14)으로 전달될 수 있고, 엣지 링(20)에 의해 지지될 수 있다. 자기 회전자(21)는 기판(12)을 회전시키고 원하는 높이로 기판(12)을 위치시킬 수 있다. 대부분의 처리 동안, 목적은 타겟 온도로 균일하게 기판(12)을 빠르게 가열하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 기판(12)으로의 열 전달은 가열 요소(37)의 배열의 복사와 원하는 온도에서 가열된 엣지 링(20)으로부터의 전도 및/또는 복사로부터 주로 일어난다. 기판(12)에 걸친 균일한 온도 프로파일은, 가열 요소(37)의 배열을 제어함에 의해, 그리고 기판(12)을 위한 타겟 온도와 일반적으로 상이한 원하는 온도에서 엣지 링(20)을 유지시킴에 의해 이루어질 수 있다.
가열 요소(37)의 배열을 제어함에 의해, 다수의 열적 프로브(24)를 이용하여 반경에 걸쳐 기판(12)의 온도를 측정함에 의해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 다수의 열적 프로브(24)는 기판(12)의 반경에 상응하는 반사기 플레이트(27)에 걸쳐 균등하게 분포될 수 있다. 다수의 열적 프로브(24)로부터의 측정 온도는 제어기(52)에 의해 샘플링된다(sampled). 제어기(52)는 가열 요소(37)의 배열을 조정하도록 측정 온도를 이용할 수 있고, 이에 의해 기판(12)의 반경에 걸쳐 온도가 균일하게 된다. 일 실시예에서, 제어기(52)는 다수의 동심 구역에 의해 가열 요소(37)의 배열을 조정할 수 있다. 다수의 구역에 의해 가열 요소를 제어하는 상세한 설명은 여기서 참조로 인용된 미국 특허 출원 공개 번호 제 2006/0066193호로서 공개된 미국 특허 출원 제 11/195,395호와 미국 특허 제 5,755,511호에서 발견될 수 있다.
일 실시예에서, 엣지 링(20) 및 기판(12)의 주위 사이의 열 교환이 기판(12)의 엣지 근처의 온도 프로파일을 조정하는데 이용된다. 열 교환은 기판(12) 및 엣지 링(20) 사이에 전도 및/또는 복사에 의해 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 열 교환은 기판(12)의 타겟 온도와 상이한 온도로 엣지 링(20)을 가열함에 의해 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 원하는 온도는 엣지 링(20) 및 기판(12) 모두의 공정 요구사항 및 열적 성질에 따라 엣지 링(20)에 대해 미리 정해질 수 있다. 일 실시예에서, 엣지 링(20)의 미리 정해진 원하는 온도는 기판(12)의 타겟 온도와 상이한 약 10℃ 내지 약 15℃일 수 있다. 일 실시예에서, 엣지 링(20)의 예정된 원하는 온도는 기판(12)의 타겟 온도보다 높을 수 있다. 다른 실시예에서, 엣지 링(20)의 예정된 원하는 온도는 기판(12)의 타겟 온도 미만일 수 있다. 원하는 엣지 링 온도는 열 전달 모델링(전도성, 복사성, 대류성)으로부터, 또는 실험 결과로부터 결정될 수 있다. 어느 경우에서나, 기판 및/또는 엣지 링의 광학 성질은 변경되고, 웨이퍼의 온도 균일성이 측정된다. 이러한 실험 결과는 기판 상에서 최고의 균일성을 얻기 위해 엣지 링에 대한 원하는 온도 프로파일의 예상을 유도한다.
다른 실시예에서, 엣지 링(20)에 대한 원하는 온도는 기판(12) 및 엣지 링(20)의 인-시츄(in-situ) 열적 측정에 따라 조정 가능하고 동적일 수 있다.
엣지 링(20)을 가열하는 것은, 엣지 링 가열 조립체(38)를 이용함에 의해 주로 이루어질 수 있다. 폐쇄 루프 제어는 엣지 링 열적 프로브(31)의 측정으로부터 엣지 링(20)의 온도를 조정함에 의해 제어기(52)에 의해 이루어질 수 있다. 엣지 링(20)의 온도 조정은 엣지 링 가열 조립체(38)의 전력 공급 및/또는 가스 분사부(47)로부터 냉각 가스의 유동 속도를 조정함에 의해 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 엣지 링(20)은 과열될 수 있고, 이후 가스 분사부(47)로부터의 냉각 가스와 함께 원하는 온도로 냉각될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 가스 분사부(47)를 위한 냉각 가스는 하나의 기판을 처리한 이후 그리고 다음 기판의 유입 이전에 약 100℃ 내지 약 200℃로 엣지 링(20)을 냉각시키는데 이용될 수 있다.
본 발명의 방법은 스파이크 어닐링에 대해 2℃ 미만, 3 시그마 온도 균일성(less than 2℃, 3 sigma temperature uniformity)을 제공할 수 있다. 본 발명의 방법은 1350℃ 이하로 고온 소우크(soak) 어닐링에 대해 1℃ 미만, 3 시그마 온도 균일성을 제공한다. 일 실시예에서, 본 발명이 방법은 약 1℃ 내지 약 1.5℃의 온도 편차로 약 200℃ 내지 약 1350℃의 온도에서 기판을 가열할 수 있다.
급속 열처리 시스템(10)의 엣지 링 가열 요소(38)는 다수의 가열 램프로서 도시된다. 예를 들어 고체 상태 히터(즉, LEDs), 레이저 히터, 유도성 히터, 마이크로파 히터, 및 전기적 히터(예를 들어 저항성 가열)와 같은 다른 적절한 가열 장치는 본 발명의 급속 열처리 시스템에서 이용될 수 있다.
추가적으로, 엣지 링 가열 요소가 엣지 링의 측부 상에서 엣지 링 하부에서와 같은 다른 적절한 위치에 위치할 수 있다. 도 3은 엣지 링(20) 아래에 위치한 엣지 링 가열 요소(51)를 가진 급속 열처리 시스템(100)의 단면도를 개략적으로 도시한다.
다른 실시예에서, 기판은 열처리 동안 후면으로부터 가열될 수 있다. 예시적 후면 가열 챔버는 전면(생산면)이 위로 향한 채로 주위에 의해 기판을 지지하기 위한 엣지 링을 포함할 수 있다. 가열 요소(37)에 유사한 가열 요소의 배열은 엣지 링 하부에 위치할 수 있으며, 이에 의해 기판은 후면으로부터 가열될 수 있다. 다수의 프로브는 열처리 동안 기판의 온도 프로파일을 측정하도록 엣지 링 위에서 기판의 반경에 걸쳐 위치할 수 있다. 엣지 링을 독립적으로 가열하도록 기여된 엣지 링 히터는, 엣지 링 근처에, 엣지 링 하부에, 엣지 링 위에, 또는 엣지 링의 측면에 위치할 수 있다. 엣지 링 프로브는 엣지 링의 온도를 측정하도록 구성되며 엣지 링에 인접하여 위치할 수 있다. 제어기는 엣지 링 히터, 엣지 링 프로브, 가열 요소의 배열, 및 다수의 프로브에 연결될 수 있고, 이에 의해 인-시츄로 엣지의 온도 및 기판의 온도 프로파일을 제어한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엣지 링(110)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 엣지 링(110)은 기판(12)을 지지하도록 구성된 경사 립(slant lip; 111)을 갖는다. 엣지 링(110)은 기판(12)과 접촉 구역을 감소시키도록 설계된다. 기판(12) 및 엣지 링(110) 사이의 접촉 구역을 감소시킴에 의해, 기판(12)의 엣지 근처의 가열 조건은 단순화될 수 있고, 엣지 하이/로우 효과(edge high/low effect)는 감소될 수 있다. 추가적으로 접촉 구역을 감소시킴에 의해 처리 챔버에서 입자 오염을 감소시킨다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 반사기 플레이트(27)를 개략적으로 도시하고, 이 경우 반사기 플레이트(27)가 채널 벽(59)에 의해 형성된 채널(58)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 반사기 플레이트(27)는 입구(56) 및 출구(57)를 갖고, 액체 또는 가스는 도면에서 도시된 화살표의 경로를 따라 반사기 플레이트를 통해 유동할 수 있다. 다른 실시예에서, 입구 및 출구는 반대로 될 수 있고, 이에 의해 반사기 플레이트를 통한 액체 또는 가스의 유동을 반대로 한다. 이러한 실시예의 액체 또는 가스는 반사기 플레이트를 냉각시키고, 반사기 플레이트를 가열하며, 또는 반사기 플레이트의 온도를 제어하는데 이용될 수 있고, 이에 의해 반사기 플레이트는 이하에서 추가적으로 설명된 것과 같은 엣지 링을 가열 또는 냉각시키는데 이용될 수 있다.
따라서, 하나 이상의 실시예에 따르면, 도 2 및 3에서 도시된 장치에서, 엣지 링(20)은 반사기 플레이트(27)에 가까이 근접하여 가열 또는 냉각되고, 이는 엣지 링 및 반사기 플레이트 사이의 온도차를 감소시키도록 엣지 링의 온도에 영향을 주기에 충분한 정도로 가열 또는 냉각된다. 일 실시예에서, 기판의 처리 동안, 기판 및 엣지 링이 기판을 제거하기에 충분하게 냉각된 이후(예를 들어 약 500℃), 기판은 챔버로부터 제거되고, 엣지 링은 약 100℃에 근접한 온도로 엣지 링을 가열하고 냉각시키는 반사기 플레이트에 인접하도록 이동된다. 100℃로 엣지 링을 냉각시킴에 의해 즉시 새로운 상온 기판이 냉각된 엣지 링 상에 위치하는 것을 가능하게 할 것이고, 이는 기판 처리량을 증가시킬 것이다. 또한, 이는 인접하게 반사기 플레이트의 부품을 이동시키거나 또는 엣지 링을 터치함에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 엣지 링의 온도는 다음과 같은 공정의 두 부분 동안 제어될 수 있다: 1) 웨이퍼 온도 균일성을 제어하기 위해 기판 처리 동안, 그리고 2) 처리량을 향상시키기 위해 웨이퍼가 챔버에 있지 아니할 때 기판 처리 이후 엣지 링을 냉각시키는 동안. 가열/냉각 플레이트에 인접하게 하기 위한 엣지 링의 이동은 챔버 내에서 위 아래로 이동되도록 이루어진 기판 지지대를 이용함에 의해 수행될 수 있다.
따라서, 반사기 플레이트는 엣지 링의 온도를 변화시키는데 이용될 수 있는 열 매스이다. 추가적인 실시예에서, 엣지 링(20)은 온도 제어된 반사기 플레이트로의 근접 및 온도 조절된 가스의 조합에 의해 가열 또는 냉각될 수 있다. 다른 실시예에서, 각각의 열 매스 또는 플레이트가 엣지 링(20)에 인접하여 제공될 수 있다. 일정한 실시예에서, 열 매스는 반사기 플레이트 및 엣지 링 사이에 위치할 수 있다. 이러한 실시예에서, 열 매스는 토로이드(toroid) 또는 도우넛(donut)의 형상으로 되는 것이 바람직할 수 있고, 이에 의해 열 매스는 반사기 플레이트(27)에 방해받지 않는다. 상기 설명된 실시예와 유사하게, 유체 채널은 열 매스에 제공될 수 있고, 이에 의해 냉각 또는 가열 유체는 열 매스를 통해 유동하는 것이 가능하게 된다.
상기 설명은 기판에 걸쳐 균일한 온도 프로파일을 이루도록 집중되지만, 불균일 온도 프로파일은 본 발명의 장치 및 방법을 이용하여 이루어질 수 있다.
"일 실시예", "일정한 실시예", "하나 이상의 실시예", 또는 "실시예"에 대한 이 명세서를 통한 참조는, 실시예와 연결되어 설명된 특별한 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 이 명세서의 다양한 곳에서 "하나 이상의 실시예에서", "일정한 실시예에서", "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"와 같은 문구는 반드시 본 발명의 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특별한 특징, 구조, 물질 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
여기서 본 발명은 특별한 실시예를 참고로 하여 설명되었지만, 이러한 실시예는 본 발명의 원리 및 응용에 대한 단순한 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 아니한 채로 본 발명의 방법 및 장치에 대해 다양한 개조 및 변경을 만들 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 및 동등물의 범위 내에 있는 개조 및 변경을 포함한다.

Claims (15)

  1. 기판을 처리하기 위한 챔버로서,
    처리 용적을 형성하는 챔버 인클로저(enclosure);
    상기 처리 용적에 배치된 기판 지지대;
    상기 기판 지지대 상에 배치되며, 상기 기판의 둘레 상에서 기판을 지지하도록 구성된 엣지 링(edge ring);
    상기 기판을 가열시키도록 구성된 제 1 열 소스;
    상기 엣지 링의 온도를 변화시키도록 구성된 제 2 열 소스; 및
    상기 엣지 링에 인접하여 위치한 열 매스(thermal mass)를 포함하고,
    상기 열 매스는 상기 열 매스를 가열 또는 냉각시키는 유체를 함유한 하나 이상의 채널을 포함하는,
    기판을 처리하기 위한 챔버.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 열 소스 및 상기 열 매스의 온도는 독립적으로 제어되는,
    기판을 처리하기 위한 챔버.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 엣지 링은 상기 열 매스에 인접하게 상기 엣지 링을 위치시킴에 의해 냉각되고,
    상기 제 2 열 소스는 복사 히터, 전도성 열 소스, 저항성 히터, 유도성 히터, 및 마이크로파 히터 중 하나인,
    기판을 처리하기 위한 챔버.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 엣지 링을 향해 냉각 가스를 지향시키도록 구성된 가스 분사부(gas jet)를 추가로 포함하는,
    기판을 처리하기 위한 챔버.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열 소스 및 상기 열 매스는 상기 엣지 링의 대향 측부들 상에 배치되는,
    기판을 처리하기 위한 챔버.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열 소스 및 상기 열 매스는 상기 엣지 링의 동일한 측부 상에 배치되는,
    기판을 처리하기 위한 챔버.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 매스는 반사기 플레이트(reflector plate)를 포함하는,
    기판을 처리하기 위한 챔버.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 매스가 토로이드 형상인,
    기판을 처리하기 위한 챔버.
  9. 급속 열처리 챔버로서,
    챔버 용적을 형성하는 챔버 바디;
    상기 챔버 용적에 배치되고, 기판의 둘레 근처에서 처리되는 기판과 열적으로 커플링되는, 온도 제어된 엣지 링;
    상기 기판의 온도를 주로 변화시키도록 구성된 제 1 열 소스;
    상기 온도 제어된 엣지 링을 주로 가열시키도록 구성된 제 2 열 소스; 및
    상기 엣지 링에 인접한 플레이트를 포함하고,
    상기 플레이트는 상기 플레이트를 가열 또는 냉각시키기 위한 가스 또는 액체를 함유한 하나 이상의 채널을 가지며,
    상기 제 1 열 소스, 상기 제 2 열 소스 및 상기 플레이트의 온도가 독립적으로 제어되는,
    급속 열처리 챔버.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 온도 제어된 엣지 링을 냉각시키도록 구성된 냉각 장치를 더 포함하는,
    급속 열처리 챔버.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 열 소스 및 상기 플레이트는 상기 온도 제어된 엣지 링의 대향 측부들 상에 각각 배치되는,
    급속 열처리 챔버.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 엣지 링은 상기 플레이트에 인접하게 위치하여 냉각되는,
    급속 열처리 챔버.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 플레이트는 토로이드의 형상인,
    급속 열처리 챔버.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 플레이트는 반사기 플레이트를 포함하는,
    급속 열처리 챔버.
  15. 타겟 온도로 기판을 균일하게 가열 또는 냉각시키기 위한 방법으로서,
    제 1 열 소스에 연결된 처리 챔버에서 기판을 위치시키는 단계;
    상기 기판의 둘레를 엣지 링에 열적으로 커플링시키는 단계;
    상기 기판의 표면을 제 1 열 소스로 가열 또는 냉각시키는 단계; 및
    상기 엣지 링을 상기 엣지 링에 인접하여 온도 제어된 플레이트로 타겟 온도와 상이한 링 온도로 유지시키는 단계를 포함하고,
    상기 온도 제어된 플레이트가 상기 플레이트를 가열 또는 냉각시키기 위해 가스 또는 액체를 함유한 채널을 포함하며,
    상기 엣지 링을 상기 링 온도로 유지시키는 단계는 제 2 열 소스로 상기 엣지 링을 가열 또는 냉각시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 1 열 소스 및 상기 제 2 열 소스는 독립적으로 제어 가능한,
    타겟 온도로 기판을 균일하게 가열 또는 냉각시키기 위한 방법.
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