KR20120084807A - 방사성 가열된 기판들의 냉각을 개선하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일반적으로 기판들을 처리하기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예들은 기판을 처리하기 위한 장치들을 포함하고, 이러한 장치들은 방사 열원으로부터의 빛에 실질적으로 투명한 동적 히트 싱크를 포함하며, 상기 동적 히트 싱크는 상기 기판 근처에 위치하여 양자가 커플링된다. 본 발명의 부가적인 실시예들은 기술된 장치들을 이용하여 기판을 처리하는 방법들에 관한 것이다.
Description
본 발명의 실시예들은 일반적으로 반도체 처리 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 방사성 공정들을 통해 가열된 기판들의 냉각을 개선하기 위한 방법들 및 장치에 관한 것이다.
수많은 응용예들은 반도체 및 다른 재료들의 열 처리를 수반하고, 이는 재료의 온도를 정확히 측정하고 제어하는 것을 요한다. 예를 들어, 반도체 기판의 처리는 넓은 범위의 온도에 걸쳐 온도를 정확히 측정하고 제어하는 것을 요한다. 이러한 처리의 일례는 급속 열 처리(RTP)이고, 이는 수많은 제조 공정들을 위해 이용되며, 여기에는 급속 열 어닐링(RTA), 급속 열 세정(RTC), 급속 열 화학 기상 증착(RTCVD), 급속 열 산화(RTO), 및 급속 열 질화(RTN)를 포함한다. RTO 또는 RTN에 의한 CMOS 게이트 유전체 형성의 특정한 응용에서, 게이트 유전체들의 두께, 성장 온도 및 균일도는 전체 디바이스 성능 및 제조 수율에 영향을 미치는 파라미터들이다. 이러한 공정들 중 일부는 기판을 통한 온도의 편차가 섭씨 몇도 이하가 될 것을 요한다.
전 세계 반도체 기술 로드맵에 따르면, 11nm의 트랜지스터 SDE 접합 깊이가 다음의 노드들을 위해 요구된다. 급속 열 처리 스파이크 어닐링은, 현재의 기술로는 온도에서의 시간이 대략 1초로 제한되기 때문에 한계에 다다르고 있다. 밀리초 어닐링이 가능한 해결책이지만, 몇몇 RTP와 조합되지 않는다면 통합하기 곤란하다. 즉각적인 해결책으로서, 온도에서의 시간이 추가로 감소될 수 있는 경우 RTP는 연장될 수 있다.
기판의 열 처리 중에 기판에서 온도가 가능한 균일하게 되는 것이 바람직하다. 부가적으로, 몇몇 공정들, 예를 들어 스파이크 어닐링이 완료된 후 기판을 냉각하는데 필요한 시간의 양을 줄이는 것이 바람직하다. 실제로, 기판의 에지 영역은 기판의 다른 영역들보다 RTP 챔버의 주변부에 의해 열적으로 더 많은 영향을 받게 되어, 만성적인 온도 불균일이 에지 영역에 존재하게 된다. 표준 제어 알고리즘들은, 반경방향 온도 불균일이 일단 검출되면 이에 대응하도록 설계된다. 스파이크 어닐링 공정들과 같은 매우 짧은 공정들에 대해서, 제어 알고리즘은 충분히 신속하게 보상해주지 못할 수도 있고, 결과적으로 기판의 에지 근처에서 온도 불균일을 유발하게 된다. 또한, RTP 챔버들의 현재의 설계는 원형 기판 상에서 반경방향 온도 불균일에 맞추어져 있어, 이러한 온도 제어 방법은 비-반경방향 온도 불균일, 예를 들어 기판 상에서 대칭적으로 중심을 두고 있지 않은 "냉점(cold spot)"을 교정할 수 없다.
따라서, 넓은 범위의 기판들을 위해 이용될 수 있으며, 기판들의 냉각 속도를 개선하는 기판의 급속 열 처리를 제어하기 위한 방법들 및 장치가 여전히 필요하다.
따라서, 본 발명의 하나 이상의 실시예들은 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치들에 관한 것이다. 장치들은 공정 영역 외부에 위치한 방사 열원에 인접하는 윈도우에 의해 일측이 형성되는 챔버 내의 공정 영역을 포함한다. 동적 히트 싱크는 상기 공정 영역에 위치하고 상기 방사 열원으로부터의 빛에 실질적으로 투명하다. 기판 지지체가 열 처리 중에 상기 기판을 상기 동적 히트 싱크에 인접하도록 유지하기 위해 상기 공정 영역에 있다. 기판 지지체는, 상기 기판의 전방 측 및 후방 측 중 적어도 하나가 상기 방사 열원에 대면하고 상기 동적 히트 싱크가 상기 기판으로부터 열을 흡수하도록 상기 기판에 커플링되도록 하는 위치에 기판을 유지한다.
세부적인 실시예들에서, 동적 히트 싱크는 상기 방사 열원으로부터의 방사에 실질적으로 투명하고, 열을 흡수하도록 상기 기판에 도전성 커플링되는 사전선택된 열 흡수율을 갖는 반투명 플레이트이고, 상기 반투명 플레이트는 상기 기판의 가열 중에 상기 반투명 플레이트가 상기 기판보다 냉각된 상태로 유지되도록 열 처리 중에 상기 기판으로부터 간극 거리에 위치된다.
세부적인 실시예들에서, 기판의 열 처리 중에 상기 동적 히트 싱크와 상기 기판 사이에 간극이 존재한다. 특정 실시예들에서는, 이러한 간극의 폭은 대략 1mm 이하이다. 본 발명의 세부적인 실시예들은, 상기 간극이 도전성 유체로 충진되거나 기존 유체와 혼합/대체(displace)되고 실질적으로 정적인 상태로 유지될 수 있도록 상기 간극과 유체 연통하는 도전성 유체 소스를 더 포함한다. 특정 실시예들에서, 상기 유체는 질소 가스, 산소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스, 수소 가스 및 이들의 조합물들로 이루어진 그룹에서 선택된다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따르면, 열 처리 중에 상기 동적 히트 싱크는, 상기 방사 열원의 반대측에서 상기 기판에 인접하게 위치한다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 열 처리 중에 상기 동적 히트 싱크는, 상기 방사 열원과 상기 기판 사이에 상기 방사 열원과 동일한 측에서 상기 기판에 인접하게 위치한다.
세부적인 실시예들에서, 동적 히트 싱크는 기판 지지체에 의해 지지된다.
몇몇 세부적인 실시예들에 따르면, 상기 동적 히트 싱크는 독립적인 히트 싱크 지지체에 의해 지지되고 상기 독립적인 히트 싱크 지지체 및 기판 지지체는 별개로 이동가능하다. 특정 실시예들에서, 기판의 열 처리 중에, 상기 독립적인 히트 싱크 지지체는 상기 동적 히트 싱크와 상기 기판 사이에 변화될 수 있는 간극이 존재하게끔 상기 동적 히트 싱크를 이동시키도록 동작가능하다.
몇몇 실시예들에서, 상기 장치는 상기 방사 열원으로부터의 빛을 반사시키기 위한 반사기 플레이트를 더 포함하고, 상기 반사기 플레이트는 상기 전방 측 및 상기 후방 측 중 하나가 상기 방사 열원과 대면하고 상기 전방 측 및 상기 후방 측 중 나머지 하나가 상기 반사기 플레이트와 대면하도록 위치한다.
세부적인 실시예들에서, 상기 동적 히트 싱크는 석영, 사파이어 및 투명한 YAG로 이루어진 그룹에서 선택된다.
본 발명의 부가적인 실시예들은, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치들에 관한 것이다. 이러한 장치들은 공정 영역 외부에 위치한 방사 열원에 인접하는 윈도우에 의해 일측이 형성되는 챔버 내의 공정 영역을 포함한다. 기판 지지체 어셈블리는, 열 처리 중에, 상기 기판의 전방 측 및 후방 측 중 적어도 하나가 상기 방사 열원에 대면하도록 하는 위치에 기판을 유지하기 위해 공정 영역 내에 있다. 상기 방사 열원으로부터의 방사에 실질적으로 투명하고, 열을 흡수하도록 상기 기판에 도전성 커플링되는 사전선택된 열 흡수율을 갖는 반투명 플레이트가 공정 영역에 있다. 반투명 플레이트는 상기 기판의 가열 중에 상기 반투명 플레이트가 상기 기판보다 냉각된 상태로 유지되도록 열 처리 중에 상기 기판으로부터 간극 거리에 위치된다.
세부적인 실시예들에서, 반투명 플레이트는 기판 재료의 열 흡수율보다 작은 열 흡수율을 갖는 재료로 제조된다.
하나 이상의 실시예들에서, 상기 간극 거리는 상기 반투명 플레이트의 열 흡수율이 동적(dynamic)이도록 조정가능하다.
특정 실시예들에서, 기판은 실리콘이고 반투명 플레이트는 수정을 포함한다.
몇몇 실시예들에 따르면, 이러한 장치들은 상기 간극이 도전성 유체로 충진되거나 기존 유체와 혼합/대체(displace)되고 실질적으로 정적인 상태로 유지될 수 있도록 상기 간극과 유체 연통하는 도전성 유체 소스를 더 포함한다.
본 발명의 추가적인 실시예들은 방사 열원을 포함하는 챔버에서 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하는 방법들에 관한 것이다. 기판은 챔버의 공정 영역 내에서 지지되고, 상기 공정 영역은 상기 공정 영역으로부터 상기 방사 열원을 분리하는 램프에 의해 일측이 형성된다. 동적 히트 싱크가 상기 공정 영역 내에서 지지되고, 상기 동적 히트 싱크는 상기 방사 열원에 의해 방출되는 빛에 실질적으로 투명하다. 상기 방사 열원은 상기 기판을 제1 온도로 가열하도록 작동된다. 상기 방사 열원은 비활성화되고, 상기 동적 히트 싱크는 상기 기판으로부터의 열을 흡수하도록 위치된다.
세부적인 실시예들에서, 상기 동적 히트 싱크는, 상기 방사 열원의 반대측에서 상기 기판에 인접하게 위치한다.
몇몇 세부적인 실시예들에서, 상기 동적 히트 싱크는, 상기 방사 열원과 동일한 측에서 상기 기판에 인접하게 위치한다.
하나 이상의 실시예들에 따르면, 상기 동적 히트 싱크와 상기 기판 사이에 간극이 존재한다. 특정 실시예들에서, 상기 방법들은 상기 동적 히트 싱크와 상기 기판 사이의 상기 갭에 유체를 부가하는 단계를 더 포함한다.
세부적인 실시예들에서, 상기 동적 히트 싱크는, 상기 방사 열원의 비활성화 시, 상기 기판에 더 가까운 위치로 이동된다.
위에서 간략하게 요약된 본 발명에 대한 보다 특정한 설명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있다. 그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 전형적인 실시예들만을 예시하는 것이고 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점에 주목해야 하고, 이는 본 발명이 다른 동등하게 효과적인 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은 기존의 급속 열 처리 챔버를 도시한다.
도 2는 예시적인 급속 열 공정을 위한 이상적인 시간-온도 궤적을 도시한다.
도 3은 급속 열 공정을 위한 전형적인 공정 시퀀스를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 처리 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 처리 장치를 도시한다.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 동적 히트 싱크 지지체 및 기판의 조합을 도시한다.
도 7은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 처리 장치를 도시한다.
도 8은 시간의 함수로서의 기판 온도의 그래프를 도시한다.
이해를 돕기 위해, 가능한 경우 도면에 공통되는 동일한 요소들을 나타내기 위해서 동일한 도면 부호들이 이용되었다.
도 1은 기존의 급속 열 처리 챔버를 도시한다.
도 2는 예시적인 급속 열 공정을 위한 이상적인 시간-온도 궤적을 도시한다.
도 3은 급속 열 공정을 위한 전형적인 공정 시퀀스를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 처리 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 처리 장치를 도시한다.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 동적 히트 싱크 지지체 및 기판의 조합을 도시한다.
도 7은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 처리 장치를 도시한다.
도 8은 시간의 함수로서의 기판 온도의 그래프를 도시한다.
이해를 돕기 위해, 가능한 경우 도면에 공통되는 동일한 요소들을 나타내기 위해서 동일한 도면 부호들이 이용되었다.
본 발명의 몇몇 예시적인 실시예들에 관해 기술하기 전에, 본 발명은 이하의 설명에서 제시되는 구성 또는 공정 단계들에 대한 세부사항들로 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능하며 다양한 방식들로 실시 또는 수행될 수 있다.
위에서 논의된 것처럼, 기판의 열 처리 중에 기판에서 온도 균일성을 갖는 것이 바람직하다. 온도 균일성은 막 증착, 산화물 성장 및 에칭과 같은 온도 활성화된 단계들에 대해 기판 상에 균일한 공정 변수들(예를 들어, 층 두께, 비저항, 에칭 깊이)을 제공한다. 부가적으로, 기판에 있어서 온도 균일성은 휨, 결함 생성 및 슬립과 같은 열적 응력-유발 기판 손상을 방지하는데 필수적이다. 예를 들어, 1150℃에서, 4인치 실리콘 웨이퍼 상에서 중심 대 에지 온도 차이가 대략 5℃인 경우 전위(dislocation) 형성 및 슬립을 유발할 수 있다.
온도 구배는 또한 다른 원인들에 의해 유발될 수 있다. 예를 들어, 기판의 표면적 또는 체적에 대한 공간적인 변형(modification)들 때문에 기판은 불균일한 방사율을 가질 수 있다. 이러한 변형들은 양극 트랜지스터들에 대한 매립된 층들과 같은 포토리소그래피에 의해 패터닝된 막들 또는 국부적으로 도핑된 영역들을 포함할 수 있다. 부가적으로, 기판 온도 구배는, 처리 중에 기판 표면 상에서 발생할 수 있는 불균일한 흡열성 또는 발열성 반응들뿐만 아니라, 처리 챔버 설계와 관련된 국소화된 가스 냉각 또는 가열 효과에 의해 유발될 수 있다.
도 1은 기존 급속 열 처리 챔버(10)를 개략적으로 나타낸다. Peuse 등은 미국 특허 제5,848,842호 및 제6,179,466호에서 이러한 유형의 반응기 및 이의 기기 장치에 대한 추가적인 세부사항들을 기술한다. 기판 또는 웨이퍼(12), 예를 들어 열 처리될 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 웨이퍼가, 밸브 또는 액세스 포트(13)를 통해 챔버(10)의 공정 영역(18) 내로 전달된다. 웨이퍼(12)는 주변부에서 기판 지지체에 의해 지지되고, 본 실시예에서 기판 지지체는 웨이퍼(12)의 모서리에 접촉하는 환형 경사 쉘프(annular sloping shelf; 15)를 갖는 환형 에지 링(14)으로 도시된다. Ballance 등은 미국 특허 제6,395,363호에서 에지 링 및 이의 지지 기능을 보다 완벽하게 기술한다. 웨이퍼(12)의 전면에 이미 형성된 처리된 피처들(16)이 하향 중력장에 대하여 위쪽으로, 투명한 수정 윈도우(20)에 의해 상부측이 형성된 공정 영역(18)을 향하도록 웨이퍼가 배향된다. 투명한 수정 윈도우(20)는 웨이퍼(12)로부터 상당한 거리에 위치하여 윈도우는 처리 중에 기판의 냉각에 최소 영향을 미친다. 통상적으로, 웨이퍼(12)와 윈도우(20) 사이의 거리는 대략 20mm 정도이다. 개략적인 도시와는 반대로, 대부분 피처들(16)은 웨이퍼(12)의 표면을 넘어 상당한 거리까지 돌출(project)되지 않고, 표면 평면 내에 그리고 그 주변에 패터닝을 구성한다. 3개의 리프트 핀들(22)은 웨이퍼(12)의 후방 측을 지지하도록 상승 및 하강될 수 있고, 이때 웨이퍼는 패들 또는 로봇 블레이드(미도시) 사이에 전달되어 챔버 내로 그리고 에지 링(14) 상으로 웨이퍼를 가져오게 된다. 방사 가열 장치(24)는 방사 에너지를 웨이퍼(12) 쪽으로 지향시켜 웨이퍼를 가열하도록 윈도우(20) 위에 위치된다. 반응기 또는 처리 챔버(10)에서, 방사 가열 장치는 많은 수, 예를 들면 409개의 집속 텅스텐 할로겐 램프들(26)을 포함하고, 이러한 램프들은 윈도우(20) 위에서 육각형 밀집-패킹 어레이로 배열된 각각의 반사성 튜브들(27)에 위치된다. 램프들(26)의 어레이는 종종 램프헤드로 지칭된다. 그러나, 다른 방사 가열 장치로 대체될 수 있다. 일반적으로, 이들은 방사 소스의 온도를 신속히 증가(ramp up)시키기 위해 저항성 가열을 수반한다. 적합한 램프들의 예들은 필라멘트를 둘러싸는 유리 또는 실리카의 엔벨로프(envelope)를 갖는 수은 증기 램프들 및 제논과 같은 가스를 둘러싸는 유리 또는 실리카의 엔벨로프를 포함하는 플래시 램프들을 포함하고, 이러한 엔벨로프는 가스가 활성화될 때 열원을 공급한다. 본원에서 사용될 때, 용어 램프는 열원을 둘러싸는 엔벨로프를 포함하는 램프들을 포함하도록 의도된다. 램프의 "열원"은 기판의 온도를 증가시킬 수 있는 재료 또는 요소, 예를 들어 활성화될 수 있는 가스 또는 필라멘트를 지칭한다.
본원에서 사용될 때, 금속 열 처리 또는 RTP는 약 50 ℃/초 이상, 예를 들어 100° 내지 150 ℃/초, 및 200° 내지 400 ℃/초의 속도로 웨이퍼를 균일하게 가열할 수 있는 장치 또는 공정을 지칭한다. RTP 챔버들에서 전형적인 하강(냉각) 속도는 80-150 ℃/초의 범위이다. RTP 챔버들에서 수행되는 몇몇 공정들은 기판을 통한 온도의 편차가 섭씨 몇도보다 작을 것을 요한다. 따라서, RTP 챔버는 100° 내지 150 ℃/초에 이르는 속도 및 200° 내지 400 ℃/초의 속도로 가열할 수 있는 램프 또는 다른 적합한 가열 시스템 및 가열 시스템 제어를 포함해야 하고, 이러한 점에서 이러한 속도로 급속 가열할 수 있는 가열 시스템 및 가열 제어 시스템을 갖지 못한 다른 유형의 열 챔버들과 급속 열 처리 챔버들은 구별된다.
본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 본 발명의 실시예들은 플래시 어닐링에도 적용될 수 있다. 본원에서 사용될 때 플래시 어닐링은 5초 미만, 특히 1초 미만, 몇몇 실시예들에서 밀리초로 샘플을 어닐링하는 것을 지칭한다.
웨이퍼(12)를 통한 온도를, 웨이퍼(12)를 통해 균일한 면밀히 규정된 온도로 제어하는 것이 중요하다. 균일성을 개선하는 한 가지 수동적인 수단은 웨이퍼(12)보다 큰 영역에 걸쳐 이에 평행하게 연장되고 웨이퍼(12)의 후방 측과 대면하는 반사기(28)를 포함한다. 반사기(28)는 웨이퍼(12)로부터 방출된 열 방사를 다시 웨이퍼(12)를 향해 효율적으로 반사시킨다. 웨이퍼(12)와 반사기(28) 사이의 간격은 3 내지 9 mm의 범위 내에 있을 수 있고, 공동의 폭 대 두께의 종횡비는 20 이상인 것이 유리하다. 금 코팅 또는 다중 층 유전체 간섭 미러로 형성될 수 있는 반사기(28)는, 웨이퍼(12)의 후방에 흑체 공동을 효율적으로 형성하고, 이는 웨이퍼(12)의 온도가 높은 부분들로부터 온도가 낮은 부분으로 열을 분산시키는 경향이 있다. 다른 실시예들에서, 예를 들어 미국 특허 제6,839,507호 및 제7,041,931호에 개시되어 있는 것처럼, 반사기(28)는 보다 불규칙적인 표면을 갖거나 검은색 또는 다른 색깔의 표면을 가질 수 있다. 반사기(28)는 금속으로 제조된 웨이퍼-냉각 베이스(53) 상에 증착되어 특히 냉각 중에 웨이퍼로부터의 과도한 방사를 히트 싱크할 수 있다. 따라서, 처리 챔버의 공정 영역(18)은 적어도 2개의 실질적으로 평행한 벽들을 갖고, 이들 중 첫 번째는 수정과 같이 방사에 투명한 재료로 만들어진 윈도우(20)이고, 두 번째 벽/베이스(53)는 첫 번째 벽에 실질적으로 평행하며 금속으로 제조되고 상당히 불투명하다.
균일성을 개선하는 한 가지 방법은 챔버의 외부에 위치한 회전가능한 플랜지(32)에 자기적으로 커플링되어 있는 회전가능한 실린더(30) 상에 에지 링(14)을 지지하는 것을 포함한다. 회전자(미도시)는 플랜지(32)를 회전시키고 이에 따라 웨이퍼를 중심(34) 주위로 회전시키며, 이러한 중심은 또한 일반적으로 대칭인 챔버의 중심선이다.
균일성을 개선하는 다른 방법은 램프들(26)을 중심 축(34) 주위로 일반적으로 링형으로 배열된 구역들로 나누는 것이다. 제어 회로는 상이한 구역들에서 램프들(26)에 인가되는 전압을 변화시키고 이에 의해 방사 에너지의 반경방향 분포를 조정하게 된다. 구역화된 가열의 동적 제어는, 회전하는 웨이퍼(12)의 반지름을 통한 온도를 측정하기 위해, 반사기(28)에서 개구들을 통해 웨이퍼(12)의 후방 측에 대면하도록 위치된 하나 이상의 광학적 광 파이프들(42)을 통해 커플링된 하나 또는 복수의 고온계들(40)에 의해 영향을 받는다. 광 파이프들(42)은 사파이어, 금속 및 실리카 섬유를 포함하는 다양한 구조들로 형성될 수 있다. 컴퓨터화된 제어기(44)는 고온계들(40)의 출력들을 수신하고 이에 따라 램프들(26)의 상이한 링들에 공급되는 전압들을 제어함으로써 처리 중에 방사 가열 세기 및 패턴을 동적으로 제어하게 된다. 고온계들은 일반적으로, 예를 들면 약 700 내지 1000nm의 범위에서 40nm의 협소한 파장 대역폭으로 광 세기를 측정한다. 제어기(44) 또는 다른 기기는 온도로 유지되는 흑체로부터 방사되는 광 세기의 스펙트럼 분포의 공지된 플랑크 분포를 통해 광 세기를 온도로 변환한다.
도 1에 도시된 챔버는 웨이퍼(12) 지지체가 챔버 내부에서 상이한 수직 위치들에 용이하게 부양될 수 있게 하여 기판의 열적 노출의 제어를 가능하게 한다. 도 1에 도시된 구성은 제한적인 것으로 의도되지 않음을 이해할 것이다. 특히, 본 발명은, 열원 또는 램프들이 기판의 일 측 또는 표면으로 지향되고 고온계들이 웨이퍼의 반대측으로 지향되는 구성들로 제한되지 않는다.
위에서 논의된 것처럼, 처리 챔버의 공정 영역에서 웨이퍼 온도는 방사 고온계에 의해 통상 측정된다. 방사 고온계가 고도로 정확할 수 있지만, 방사 고온계 대역폭 내에 있고 열원으로부터 발생되는 방사는 이러한 방사가 고온계에 의해 검출되는 경우 고온계 신호의 해석과 간섭할 수 있다. Applied Materials의 RTP 시스템들에서, 이는 공정 키트 및 웨이퍼에 의해 최소화된다. 공정 키트는 회전 시스템과 웨이퍼를 커플링한다. 이는 도 1에 30으로 도시된 지지 실린더를 포함할 수 있다. 이는 또한 도 1에는 도시되어 있지 않은 지지 링을 포함할 수 있지만, 몇몇 처리 챔버 구성들에서 이용될 수 있다. 이러한 지지 링은 기본적으로, 도 1에 14로 도시된 에지 링을 지지하는 보조 에지 링이다.
급속 열 처리 중에 기판의 모든 영역들 간의 온도 불균일을 최소화하는 것에 부가하여, 기판의 실제 시간-온도 궤적이 기판의 요구되는 시간-온도 궤적으로부터, 특히 피크 온도로부터 가능한 작게 변화해야 하는 점 또한 중요하다. 시간-온도 궤적 및 피크 온도는 도 2와 관련하여 이하 기술된다.
따라서, 본 발명의 하나 이상의 실시예들은 RTP 공정들에서 이상적인 시간-온도 궤적을 달성하는데 도움이 된다. 도 2는 이상적인 시간-온도 궤적을 도시하고, 이하 예시적인 급속 열 공정, 본 예에서는 스파이크 어닐링 공정에 대해 목표 시간-온도 궤적(100)이라 지칭된다. 가로 좌표는 시간을 나타내고, 세로 좌표는 기판 온도를 나타내며, 목표 시간-온도 궤적(100)은 스파이크 어닐링 공정 동안 임의의 시간에 요구되는 기판 온도를 나타낸다. 시간(120)에서, 기판의 열 처리가 기판에 온도(130)에서 시작되고, 이러한 온도(130)는 실질적으로 상온이다. 기판 온도는 도 3과 관련하여 이하 기술되는 것처럼, 초기 온도 상승(201) 동안 온도(132)로 증가된다. 기판 온도는 집속 램프들을 이용하여 증가된다. 시간(122)에서 시작하여, 기판 온도는 안정화 기간(202) 동안 온도(132)로 일정하게 유지된다. 시간(123)에서 기판 온도는 시간(124)에서의 피크 온도(133)로 빠르게 증가되고 이후 즉시 시간(125)에서 온도(134)로 감소된다. 기판의 피크 온도(133)가 RTP 동안 충족되지 않는 경우, 주입-후 어닐링과 같은 기판 상의 중요한 공정들이 완료되지 않을 수 있다. RTP 동안 피크 온도(133)를 초과하는 경우, 공정은 다른 방식으로, 예를 들어 기판 내로 주입된 원자들의 원치 않는 확산으로부터, 또는 기판 상에 형성된 디바이스들의 열 처리량(budget)을 초과함으로써, 악영향을 받을 수 있다.
도 3은 도 2와 관련하여 위에서 기술한 스파이크 어닐링 공정과 같은 급속 열 공정에 대한 전형적인 공정 시퀀스(200)를 도시하는 흐름도이다. 일반적으로, 이러한 공정은 기판의 초기 온도 상승(201)으로 시작된다. 기판이 약 300℃ 내지 약 400℃의 온도에 있을 때까지, 초기 온도 상승(201)의 첫 번째 부분 동안 개방-루프 가열이 수행된다. 도 2를 다시 참조하면, 개방 루프 가열은 시간(120)과 시간(121) 사이에서 발생한다. 개방-루프 가열 동안, 어떠한 기판 온도 피드백도 공정의 제어로 통합되지 않고, 대신에 기판에 가해지는 램프 에너지의 대부분이 실질적으로 기판에 투과될 수 없게 되는 온도 조건으로 기판을 가열하기 위해 램프 전력이 사전 결정된 기간 동안 사전 결정된 값들로 기판에 인가된다. 약 300℃ 이하에서, 실리콘 웨이퍼와 같은 전형적인 RTP 기판은, 전형적인 가열 램프들에 의해 생성되는 방사 에너지 중 많은 부분에 대해 전반적으로 투명하다. 이러한 경우, 기판을 통과하는 방사 에너지는 기판 후방 측 온도를 측정하는 고온계들에 의해 검출될 수 있어, 부정확한 기판 온도 측정을 유발하게 된다. 폐쇄-루프 가열 제어 알고리즘에 대해, 부정확한 기판 온도 측정은 결과적으로, 초기 온도 상승(201) 동안 불안정 및/또는 헌팅(hunting)과 같은 심각한 제어 문제들을 발생시킬 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위해 RTP가 시작될 때 개방-루프 가열이 통상 이용된다. 개방-루프 가열에 대한 설정 값들은 일반적으로, 실험적으로 결정된다.
기판이 약 300℃ 내지 약 400℃로 가열된 후, 초기 온도 상승(201)은 일반적으로 폐쇄-루프 제어 알고리즘을 이용하여 완료되어, 기판 온도가 약 500℃ 내지 700℃의 안정화 온도가 되게 한다. 폐쇄-루프 제어는, 이후의 시간 단계에 대해 가열 램프들의 전력-출력을 미세-조정하기 위해, 하나 이상의 고온계 구역들에서 열 공정에 있어서 주어진 시간 단계에서의 기판에 대한 온도 측정을 제어 알고리즘으로 통합한다. 시간 단계들은 비교적 작게, 예를 들어 0.1 또는 0.01 초일 수 있다. 최소 시간 단계 크기는 일반적으로 가열 공정을 제어하는데 이용되는 온도 센서들의 샘플링 레이트에 의해 제한된다. 폐쇄-루프 제어의 이용은 요구되는 기판 온도와 실제 기판 온도 사이의 오차를 최소화한다.
기판이 초기 온도 상승(201)의 마지막에서 안정화 온도에 도달하면, 이후 안정화 기간(202)이 일반적으로 발생된다. 이러한 안정화 기간(202)은, 열 공정의 온도 감응 부분인, 스파이크 어닐링(203)을 시작하기 전에 기판이 평형상태가 될 수 있게 함으로써, 초기 온도 상승(201) 동안 기판 상에 임프린트된 열 구배를 제거하도록 의도된다. 스파이크 어닐링(203)의 시작 시에 존재하는 기판 온도의 불균일은 공정 중에 교정될 가능성이 작다. 안정화 기간(202)은 길이가 약 5초 내지 약 30초, 전형적으로 약 10초 내지 약 20초이다. 기판 온도는, 도 2에 도시된 것처럼 안정화 온도(132)로 남아 있도록 제어되고, 이러한 안정화 온도(132)는 특정 열 공정에 따라 약 500℃ 내지 약 700℃일 수 있다.
안정화 기간(202)의 완료 시에, 스파이크 어닐링(203)이 시작된다. 본 예에서, 스파이크 어닐링(203)은 기판의 열적 처리가 실제로 발생하는 공정 부분이다. 스파이크 어닐링 공정의 특정 응용은, 붕소 주입 후에 기판 상에 어닐링을 수행하는 것이다. 이러한 경우, 스파이크 어닐링(203)은 기판의 열적 노출을 최소화시키면서 주입된 붕소를 결정 내의 임의의 위치들로부터 실리콘 격자 내의 전기적으로 활성인 위치들로 재배치한다. 도 2에 도시된 것처럼, 스파이크 어닐링(203)은 시간(123)과 시간(124) 사이에 발생하고 이후 냉각(204)이 뒤따른다. 스파이크 어닐링(203) 동안 기판 온도의 상승 속도는 일반적으로 약 150℃/s 내지 약 300℃/s이고, 피크 온도(133)는 약 1000℃ 내지 약 1200℃이며, 이는 스파이크 어닐링(203)이 일반적으로 수 초 동안만 지속됨을 의미한다. 따라서, 제어 알고리즘에 의해, 열 공정의 온도 감응성이 가장 높은 부분 동안 목표 시간-온도 궤적(100)으로부터 기판 온도의 편차를 교정할 수 있는 시간이 거의 없다. 급속 열 공정의 이러한 부분 동안 목표 온도로부터 기판 온도에 생기는 임의의 편차, 예를 들면 오버슈트, 언더슈트 또는 와이드스파이크는 기판들 간의 피크 온도 반복가능성을 줄일 것이다. 도 3을 다시 참조하면, 스파이크 어닐링(203)에 이어 냉각(204)이 뒤따르고, 이로써 기판의 급속 열 처리가 종료된다.
도 4 및 5는 도 1에 도시된 기판 처리 장치에 대한 수정들의 예시적인 실시예들을 도시한다. 도 4는 급속 열 어닐링을 포함하지만 이에 제한되지 않는 급속 열 처리 유형 공정들을 위해 이용될 수 있는 처리 챔버(300)에 대한 도시이다. 전방 측(322) 및 후방 측(324)을 갖는 기판(321)은 윈도우(320)에 의해 일측이 형성되는 챔버(300)의 공정 영역(318) 내에 지지된다. 챔버(300)는 윈도우(320)에 의해 공정 영역(318)으로부터 분리된 방사 열원(310)을 포함하고, 이러한 윈도우는 열원(310)에 의해 생성된 방사에 실질적으로 투명한 수정 윈도우일 수 있다. 윈도우(320)는 처리 중에 기판의 냉각에 최소 영향을 미치도록 하는 거리에 위치하고, 전형적으로 기판으로부터 적어도 약 15 내지 20nm 정도에 있음을 인식할 것이다. 방사 열원(310)의 구성은 요구되는 가열 특성에 따라 변화할 수 있지만, 특정 실시예에서, 방사 열원(310)는 육각형 구성으로 배열된 복수의 집속 램프들을 포함한다. 램프들은 텅스텐 할로겐 램프들에서 이용되는 텅스텐과 같은 금속 가열 요소들을 포함하는 저항성 가열 램프들일 수 있다. 대안적으로, 방사 열원은 플래시 램프들일 수 있고, 여기서 가열 요소는 제논과 같은 활성화된 가스를 포함한다.
동적 히트 싱크(330)는 기판(321)에 인접한 위치에서 공정 영역(318) 내에 위치한다. 본원에서 사용될 때, 용어 "동적 히트 싱크" 및 "반투명 플레이트"는 상호교환하여 사용된다. "동적 히트 싱크"는 동적 히트 싱크가 직접적인 소스 방사 에너지에 의해 기판/웨이퍼보다 적게 가열되도록 처리 중에 기판에 인접한 공정 영역 내에 배치되는 요소를 지칭한다. 하나 이상의 실시예들에서, 동적 히트 싱크는 기판에 도전성 커플링됨으로서 기판을 냉각하는데 이용될 수 있다. "동적"이라는 용어는 처리 중에 기판과는 상이한 온도 및/또는 상이한 속도로 히트 싱크가 가열될 수 있는 능력을 지칭한다. 동적 히트 싱크의 온도 및/또는 가열 속도는 이하 추가로 기술하는 것처럼 기판과 동적 히트 싱크 사이에 (진공을 포함하여) 상이한 유체들을 통합함으로써 변동될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 동적 히트 싱크는 실질적으로 기판에 도전성 커플링되는 것에 의해서만 기판을 냉각한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용될 때, "실질적으로 도전성 커플링되는 것에 의해서만"이라는 표현은 도전성 커플링이 동적 히트 싱크의 전체 가열중 약 90% 이상을 담당하고 있음을 의미한다.
도 4에 도시된 실시예에서, 동적 히트 싱크(330)는 방사 열원(310)의 동일한 측에서 기판(321)에 인접하게 위치하고, 기판(321)과 방사 열원(310) 사이에 위치된다. 도 5에 도시된 실시예에서, 동적 히트 싱크(330)는 방사 열원(310)의 반대측에서 기판(321)에 인접하게 위치된다. 상세한 실시예들에서, 동적 히트 싱크(330)는 방사 열원(310)에 의해 생성된 방사에 실질적으로 투명하다.
챔버(300)는 공정 영역(318)에 위치되어 열 처리 중에 기판(321)을 유지하도록 구성되는 기판 지지체(325)를 포함한다. 기판 지지체(325)는, 기판(321)의 전방 측(322) 및 후방 측(324) 중 적어도 하나의 측이 방사 열원(310)과 대면하도록 기판(321)을 유지한다. 도 4 및 5에서, 기판 지지체(325)는 기판(321)의 후방 측(324)의 바닥 에지에 접촉하는 작은 부분으로 도시된다. 이는 예시적인 목적일 뿐 기판 지지체(325)의 특정 유형 또는 구성을 의미하는 것으로 취급되어서는 안된다. 상세한 실시예들에서, 기판 지지체(325)는 기판(321)의 에지 중 일부와 접촉하도록 구성된 환형 에지 링일 수 있다.
세부적인 실시예들에서, 동적 히트 싱크(330)는 독립적인 히트 싱크 지지체(326)에 의해 지지된다. 독립적인 히트 싱크 지지체(326)는 동적 히트 싱크(330)의 바닥 에지에 접촉하는 작은 부분으로서 도시된다. 이는 단지 예시의 목적을 위한 것이며 동적 히트 싱크(330)의 특정 유형을 의미하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 상세한 실시예들에서, 동적 히트 싱크 지지체(326)는 동적 히트 싱크(330)의 에지 중 일부와 접촉하도록 구성된 환형 에지 링일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 독립적인 히트 싱크 지지체(326)는 열 처리 중에, 동적 히트 싱크(330)와 기판(321) 사이에 간극(335)이 존재하도록 동적 히트 싱크(330)를 이동시키도록 동작할 수 있다. 이러한 유형의 실시예들은 간극(335)이 변화될 수 있도록 처리 중에 간극(335)의 크기를 조정할 수 있는 가능성을 갖는다. 따라서, 동적 히트 싱크(330)는 기판(321)에 대해 이동가능할 수 있다. 동적 히트 싱크(330)는 임의의 적합한 수단, 예를 들어 독립적인 히트 싱크 지지체를 상하로 이동하도록 편향시키는 자석들에 상기 독립적인 히트 싱크 지지체(326)를 자기적으로 링크시킴으로써, 이동될 수 있다. 다른 실시예들에서, 공압 또는 유압으로 작동될 수 있는 리프트 핀들이 위치되어 동적 히트 싱크(330)를 상승 및 하강시킬 수 있고, 이에 의해 처리 중에 기판(321)과 동적 히트 싱크(330) 간의 거리를 변화시키게 된다. 특정 실시예들에서, 동적 히트 싱크(330)는 독립적인 히트 싱크 지지체(326)에 의해 지지되고, 기판 지지체(325) 및 독립적인 히트 싱크 지지체(326)는 별개로 이동가능하다.
특정 실시예에서, 동적 히트 싱크(330)는 기판 지지체(325)에 의해 지지된다. 도 6은 기판(321) 및 동적 히트 싱크(330) 모두를 동시에 유지할 수 있는 예시적인 기판 지지체(325)의 단면도이다. 기판 지지체(325)는 기판(321)과 동적 히트 싱크(330) 간의 간극(335)에 액세스할 수 있게 하는 액세스 포트들(327)을 포함할 수 있다. 액세스 포트들(327)의 수, 형상 및 크기는 필요에 따라 결정될 수 있으며 도시된 설계로 제한되는 것은 아니다.
웨이퍼에서 동적 히트 싱크까지의 간극은 비교적 큰 간극으로부터 0에 가까운 간극까지 변화될 수 있다. 그러나 실제의 경우, 이러한 간극은 기판 및/또는 동적 히트 싱크의 거칠기 및 평탄성에 기인하여 0보다 약간 클 것이다. 일 실시예에서, 간극 거리는 기판과 동적 히트 싱크 간의 열 전도율에 정비례한다. 간극 거리의 변화는 공정 중 임의의 주어진 시간에 열 전달의 양을 제어할 수 있게 한다. 간극은 기판의 냉각을 달성하기 위한 임의의 적합한 거리일 수 있지만, 특정 실시예에서, 기판과 동적 히트 싱크 간의 간극은 적어도 약 10mm이다. 상세한 실시예들에서, 간극(335)은 폭이 약 5mm 이하이다. 다른 상세한 실시예들에서, 간극(335)은 폭이 약 3mm 이하, 2mm 이하, 1mm 이하 또는 0.5mm 이하이다. 상세한 실시예들에서, 간극(335)은 폭이 약 5mm 미만이다. 다른 세부적인 실시예들에서, 간극(335)은 폭이 약 3mm 미만, 2mm 미만, 1mm 미만, 0.5mm 미만, 0.2mm 미만 또는 0.1mm 미만이다. 다양한 세부적 실시예들에서, 간극(335)은 폭이 약 0.05mm 내지 약 5mm의 범위에서 처리 중에 변화된다. 특정 실시예에서, 간극(335)은 폭이 약 0.1mm 미만이다.
기판과 동적 히트 싱크 사이의 매질이 변화될 수 있거나, 매우 낮은 전도도로부터 높은 전도도로 교환될 수 있다. 하나 이상의 실시예들에서, 기판과 동적 히트 싱크 사이의 매질로서 상이한 가스들을 이용하는 것이 예상된다. 예를 들어, 상이한 열 용량을 갖고 기판과 동적 히트 싱크 사이에 상이한 도전성 커플링을 가능하게 하는 산소 또는 헬륨이 이용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 가열 속도는 큰 간극 폭 및 도전성이 낮고, 열 용량이 보다 낮은 매질에 의해 최대화되고 냉각 속도는 작은 간극 및 도전성이 높고 열 용량이 높은 매질에 의해 최대화된다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 챔버(300)는 도전성 유체가 가변 속도 또는 유량으로 간극(335) 내에 유입될 수 있도록 간극(335)과 유체 연통하는 도전성 유체 소스(370)를 더 포함한다. 상세한 실시예들에서, 간극(335)은 도전성 유체로 충진되거나 기존 유체와 혼합/대체(displace)되고 실질적으로 정적인 상태로 유지될 수 있다. 본 명세서 및 첨부된 청구 범위에서 사용될 때, "실질적으로 정적인"이란 유체가 간극(335) 내로 활발히 유입되진 않지만, 대류성 혼합 및 나머지 운동이 발생할 수 있음을 의미한다. 상세한 실시예들에서, 유체는 질소 가스, 산소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스, 수소 가스 및 이들의 조합물들로 이루어진 그룹에서 선택된다.
다른 변형예에서, 동적 히트 싱크(330)는 도 7에 도시된 실시예처럼, 실질적으로 평행한 관계로 배열된 2개의 투명한 플레이트들을 포함할 수 있다. 이러한 플레이트들은 내부의, 낮은 열 전도율 지지 구조들(미도시)에 의해 지지될 수 있다. 다양한 실시예들의 플레이트 간격(372)은 약 0.1mm 내지 약 5mm의 범위이다. 기판의 가열 중에, 높은 진공상태가 2개의 투명 플레이트들 사이에 형성될 수 있고, 냉각 중에는 헬륨과 같은 높은 전도도의 유체가 플레이트들 사이에 유입될 수 있다. 도 7은 하나의 도전성 유체 소스(370)를 도시하지만, 특정 실시예들은 둘 이상의 도전성 유체 소스(370)를 통합한다. 부가적인 유체 소스들은 짧은 헬륨 인입 시간 중에 온도 균일도를 더 양호하게 할 수 있다. 상세한 실시예들에서, 처리 중에 실질적으로 어떠한 유체 흐름도 없다.
하나 이상의 실시예들에서, 챔버(300)는 방사 열원(310)으로부터의 빛(350)을 반사시키기 위한 반사기 플레이트(340)를 더 포함한다. 반사기 플레이트(340)는 기판(321)의 전방 측(322) 및 후방 측(324) 중 하나가 방사 열원(310)과 대면하고 기판(321)의 전방 측(322) 및 후방 측(324) 중 나머지 하나가 반사기 플레이트(340)와 대면하도록 위치한다.
특정 실시예들에서, 동적 히트 싱크(330)는 석영, 사파이어 및 투명한 YAG로 이루어진 그룹에서 선택되는 재료로 제조된다.
방사 에너지 소스가 비활성화될 때, 기판(321)은 동적 히트 싱크(330)보다 높은 온도에 있다. 동적 히트 싱크(330)가 기판(321)보다 온도가 낮기 때문에, 이에 의해 기판(321)의 온도는, 동적 히트 싱크(330)가 챔버 내에 존재하지 않는 경우보다 더 신속하게 떨어진다.
어떠한 특정 동작 이론에 의해서도 제한되지 않고, 방사 열원(310)으로부터의 빛에 실질적으로 투명한 동적 히트 싱크(330)를 이용하는 특정 실시예에서, 동적 히트 싱크(330)는 실질적으로 단지 기판(321)에 도전성 커플링됨으로써 가열될 것이다. 도전성 커플링은 방사 가열보다 동적 히트 싱크(330)를 가열하는데 덜 효율적인 수단이므로, 동적 히트 싱크(330)는 기판(321)보다 낮은 온도를 가질 것이다. 방사 열원(310)을 너무 오랫동안 놔두게 되면, 기판(321) 및 동적 히트 싱크(330)의 온도는 대략적으로 동일한 온도에서 평형에 도달할 것이다.
하나 이상의 특정 실시예들에서, 동적 히트 싱크(330)는 기판(321)에 대한 도전성 커플링 및 방사 에너지의 조합에 의해 가열된다. 동적 히트 싱크(330)의 온도가 기판(321)의 온도보다 낮게 유지되는 한, 동적 히트 싱크(330)의 전체 가열에 대한 도전성 커플링 및 방사 에너지의 상대적인 기여도는 변화될 수 있다. 상세한 실시예들에서, 순수한(net) 가열에 의해 동적 히트 싱크(330)의 온도가 가열 동안 기판(321)의 온도보다 낮게 된다. 어떠한 특정 동작 이론에 의해서도 제한되지 않고, 열적 질량/면적에 근거하여 동적 히트 싱크(330)는 기판(321)보다 작은 방사 에너지를 흡수한다.
상세한 실시예들에서, 반투명 플레이트(330)(동적 히트 싱크로도 지칭됨)는 기판(321) 재료의 열 흡수율보다 작은 열 흡수율을 갖는 재료로 제조된다. 이는, 동적 히트 싱크(330)의 온도가 가열 시에 기판(321)의 온도보다 낮게 되도록 하는데 도움이 된다.
몇몇 상세한 실시예들에서, 반투명 플레이트와 기판 간의 간극 거리는, 반투명 플레이트(330)의 열 흡수율이 동적(dynamic)이도록 조정가능하다. 특정 실시예에서, 간극(335) 거리는 약 1mm 이하이다. 다른 상세한 실시예들에서, 간극(335) 거리는 약 3mm 이하, 2mm 이하, 1mm 이하 또는 0.5mm 이하이다.
상세한 실시예들에서, 기판(321)은 실리콘이고 반투명 플레이트(330)는 수정을 포함한다.
몇몇 상세한 실시예들에서, 챔버(300)는 도전성 유체가 가변 속도 또는 유량으로 간극(335) 내에 유입될 수 있도록 간극(335)과 유체 연통하는 도전성 유체 소스(370)를 더 포함한다. 본 명세서 및 첨부된 청구 범위에서 사용될 때, 용어 "도전성 유체"는 기판(321)과 동적 히트 싱크(330) 사이에 도전성 커플링을 이룰 수 있는 임의의 유체를 의미하도록 사용된다. 따라서, 이는 도전성 커플링의 정도를 증가 또는 감소시키는 유체들을 포함한다.
특정 실시예에서, 동적 히트 싱크(330)는 기판(321)으로부터 충분히 거리를 두고 유지되어 둘 사이에 도전성 커플링을 상당히 감소시키게 된다. 이에 의해서 결과적으로, 동적 히트 싱크(330)가 기판(321)보다 훨씬 더 낮은 온도를 갖게 된다. 그 다음에, 유체는 기판(321)과 동적 히트 싱크(330) 간의 간극(335) 내로 유입되어 둘 사이의 도전성 커플링을 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 기판(321)은 도전성 유체가 없는 경우보다 더 신속하게 냉각되는데, 이는 기판(321)과 동적 히트 싱크(330) 간의 온도 차이가 기판(321)에 보다 큰 영향을 미칠 것이기 때문이다.
또 다른 특정 실시예에서, 동적 히트 싱크(330)는 기판(321)에 대해 고정된 거리에 유지되며 간극(335)에 둘 사이에 도전성 커플링을 감소시키는 도전성 유체를 갖게 된다. 가열 이후에, 도전성 유체는 도전성 커플링을 증가시키는 또 다른 유체로 씻길(flushed) 수 있다. 이에 따라서 결과적으로, 동적 히트 싱크(330)가 도전성 유체 간섭이 없는 경우보다 가열 시 더 낮은 온도를 갖게 되고 도전성 유체가 변경된 후 기판(321) 상에 보다 큰 영향을 미치게 된다. 하나 이상의 상세한 실시예들에서, 가열은 낮은 압력과 낮은 열 전도율의 가스에서 발생될 수 있고, 냉각은 보다 높은 압력과 보다 높은 열 전도율의 가스에서 발생될 수 있다. 어떠한 특정 동작 이론에 의해서도 제한되지 않고, 압력 비율이 높은 경우, 가스 조성 변화 동안 열 전도율의 공간적 편차가 더 작아질 것이라 예상된다. (압력은 가스 교환/대체가 발생할 수 있는 것보다 더 신속하게 평형을 이루게 된다.)
본 발명의 추가적인 실시예들은 방사 열원(310)을 포함하는 처리 챔버(300)에서 전방 측(322) 및 후방 측(324)을 갖는 기판(321)을 처리하는 방법들에 관한 것이다. 방법은 기판(321)을 처리 챔버(300) 내에서 지지하는 단계를 포함한다. 동적 히트 싱크(330)는 처리 챔버(300) 내에서 지지되고, 상기 동적 히트 싱크(330)는 상기 방사 열원(310)에 의해 방출되는 빛에 실질적으로 투명하다. 방사 열원(310)은 기판을 제1 온도로 가열하도록 동작할 수 있다. 실질적으로 단지 기판(321)에 대한 도전성 커플링에 의해서만, 제2 온도로 동적 히트 싱크(330)가 가열된다. 제2 온도는 제1 온도보다 낮다. 방사 열원(310)은 그 후 비활성화된다.
상세한 실시예들에서, 동적 히트 싱크(330)는 방사 열원(310)을 비활성화할 때 기판(321)에 더 가까운 위치로 이동된다. 기판(321)과 동적 히트 싱크(330) 간의 간극의 크기를 변경함으로써, 도전성 커플링의 정도가 수정될 수 있다. 가열 중에 도전성 커플링을 감소시킴으로써, 동적 히트 싱크(330)의 온도는 기판(321)보다 낮아지게 될 것이다. 일단 방사 열원(310)이 맞물리지 않게 되면, 동적 히트 싱크(330)는 기판(321)에 더 가까이 이동될 수 있고 이는 도전성 커플링을 증가시킨다. 결과적으로 기판(321)은, 도전성 커플링이 공정을 통해 일정하게 유지되는 경우보다 더 신속한 속도로 냉각될 수 있다.
매우 특정한 실시예에서, 기판(321) 및 동적 히트 싱크(330)는 간극(335) 내의 도전성 유체로서 산소 가스와 약 1mm의 간극(335)으로 가열된다. 가열 이후에, 간극(335)은 약 0.5mm로 감소되고 도전성 유체는 헬륨 가스로 대체되어 기판(321)의 냉각 속도를 높이게 된다.
상세한 실시예들에서, 이러한 방법들은 동적 히트 싱크(330)와 기판(321) 간의 간극(335)에 유체를 부가하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 부가적인 실시예들은 기판(321)을 처리하는 방법들에 관한 것이고, 이러한 방법은 방사 에너지를 이용하여 기판(321)을 제1 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 방사 에너지는 방사 열원(310)으로부터 방출될 수 있다. 기판(321)은 방사 에너지를 이용하여 제1 온도로 가열된다. 동적 히트 싱크(330)는 실질적으로 단지 기판(321)과의 도전성 커플링에 의해서 제2 온도로 가열되고, 제2 온도는 제1 온도보다 낮다. 기판(321)은 동적 히트 싱크(330)와의 도전성 커플링을 이용하여 냉각된다.
본원에서 기술된 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라, 냉각 속도는 상당히 증가될 것이다. 특정 실시예들에서, 이러한 급속한 냉각 속도가 제공될 수 있고, 여기서 동적 히트 싱크와 기판 간의 간극은 약 0.1mm 이하이며, 이는 200°K/초 보다 신속한 냉각 속도를 가능하게 한다.
따라서, 하나 이상의 실시예들에 따르면, 반투명 수정자 플레이트(SMP; semitransparent modifier plate)라도도 불리는 동적 히트 싱크가 제공되고, 이는 챔버에서 처리될 기판보다 가열 램프들로부터 방사를 더 적게 흡수하는 재료로 만들어진다. 실리콘 기판들에 대해서, 수정이 동적 히트 싱크 용도로 이용될 수 있다. 텅스텐 할로겐 램프들을 이용하는 챔버들에서, 가열 중에 그리고 레시피의 일정한 온도 부분 동안, 웨이퍼보다 수정은 텅스텐 할로겐 램프 스펙트럼 중 더 짧은 파장 부분을 더 적게 흡수하여 웨이퍼보다 더 냉각된 상태로 유지된다. 동적 히트 싱크와 기판 간의 간극은 기판의 온도가 동적 히트 싱크보다 높게 유지될 수 있게 한다.
본 발명의 실시예들은 기판의 냉각 속도를 높이는데 유용하다. 도 8은 3개의 기판들에 대한 시간의 함수로서 온도의 그래프를 도시한다. 각각의 기판들은 베어(bare) 실리콘이었고, 챔버에 수동으로 배치되었다. 기판들은 약 530℃로 가열되었고 냉각될 수 있게 하였다. 그래프에서 실선은 챔버에 수정 플레이트(동적 히트 싱크)가 없는 경우 가열 및 냉각된 기판을 도시한다. 2개의 점선들은 수정 플레이트(동적 히트 싱크)에 인접하여 가열되고 냉각될 수 있었던 기판들에 대한 온도 프로파일들을 도시한다. 수정 플레이트는 기판 표면으로부터 약 0.75mm 및 기판 표면으로부터 약 1.5mm에 위치하였다. 도 8로부터 알 수 있는 것처럼, 기판의 냉각 속도는, 동적 히트 싱크가 없는 경우보다 동적 히트 싱크에 인접할 때 더 크다. 특정 실시예들에서, 8초 이하의 기간에 걸쳐 약 530℃로 가열된 기판의 온도는 동적 히트 싱크가 없는 경우 챔버 내의 유사한 기판보다 가열의 선회(turning) 이후 약 10초에 적어도 약 25℃ 더 낮다. 상세한 실시예에서, 약 1323K(1050℃)로 가열된 기판의 냉각 속도는 냉각의 첫 번째 초(second)에 약 70 내지 약 150 K/s(℃/s)의 범위이다. 다른 특정 실시예들에서, 기판의 평균 냉각 속도는 냉각의 첫 번째 초에 걸쳐 약 70 K/s, 80 K/s, 90 K/s, 100 K/s, 110 K/s, 120 K/s, 130 K/s 또는 140 K/s(℃/s) 이상이다.
본 명세서를 통해 "하나의 실시예" "특정 실시예들" "하나 이상의 실시예들" 또는 "실시예"에 대한 언급은, 실시예와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 재료 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서를 통해 다양한 곳에서 "하나의 실시예" "특정 실시예들" "하나 이상의 실시예들" 또는 "실시예"와 같은 구절들이 언급될 때, 반드시 본 발명에서 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 이러한 특정 특징들, 구조들, 재료들 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
본원에서 본 발명은 특정 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 이러한 실시예들은 본 발명의 원리들 및 응용들을 단지 예시하고자 하는 것임을 이해해야 한다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 방법 및 장치에 다양한 수정들 및 변형들이 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다. 예를 들면, 본 발명은 특정 유형의 가열 램프와 관련하여 기술되었지만, 다른 변형들도 가능하다. 본 발명의 실시예들은 기판의 냉각 속도를 높이기 위해서 UV 내지 IR 방사에 의해 기판이 가열되는 임의의 분야에서 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위 및 이들의 균등물들의 범위 내에 있는 수정들 및 변형들을 포함하도록 의도된다.
Claims (15)
- 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치로서,
공정 영역 외부에 위치한 방사 열원에 인접하는 윈도우에 의해 일측이 형성되는 챔버 내의 공정 영역;
상기 공정 영역에 위치하고 상기 방사 열원으로부터의 빛에 실질적으로 투명한 동적 히트 싱크; 및
상기 기판의 전방 측 및 후방 측 중 적어도 하나가 상기 방사 열원에 대면하고 상기 동적 히트 싱크가 상기 기판으로부터 열을 흡수하도록 상기 기판에 커플링되도록 하는 위치에서 열 처리 중에 상기 기판을 상기 동적 히트 싱크에 인접하도록 유지하기 위한 상기 공정 영역 내의 기판 지지체
를 포함하는, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
상기 동적 히트 싱크는, 상기 방사 열원으로부터의 방사에 실질적으로 투명하고, 열을 흡수하도록 상기 기판에 도전성 커플링되는 사전선택된 열 흡수율을 갖는 반투명 플레이트이고, 상기 반투명 플레이트는 상기 기판의 가열 중에 상기 반투명 플레이트가 상기 기판보다 냉각된 상태로 유지되도록 열 처리 중에 상기 기판으로부터 간극 거리에 위치되는, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
열 처리 중에 상기 동적 히트 싱크는, 상기 방사 열원의 반대측에서 상기 기판에 인접하거나 상기 방사 열원과 상기 기판 사이에 상기 방사 열원과 동일한 측에서 상기 기판에 인접하게 위치하는, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 동적 히트 싱크는 상기 기판 지지체에 의해 또는 독립적인 히트 싱크 지지체에 의해 지지되고 상기 독립적인 히트 싱크 지지체 및 기판 지지체는 별개로 이동가능한, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치. - 제4항에 있어서,
기판의 열 처리 중에, 상기 독립적인 히트 싱크 지지체는 상기 동적 히트 싱크와 상기 기판 사이에 변화될 수 있는 간극이 존재하게끔 상기 동적 히트 싱크를 이동시키도록 동작가능한, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 간극이 도전성 유체로 충진되거나 기존 유체와 혼합/대체(displace)되고 실질적으로 정적인 상태로 유지될 수 있도록 상기 간극과 유체 연통하는 도전성 유체 소스를 더 포함하는, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치. - 제6항에 있어서,
상기 유체는 질소 가스, 산소 가스, 헬륨 가스, 아르곤 가스, 수소 가스 및 이들의 조합물들로 이루어진 그룹에서 선택되는, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사 열원으로부터의 빛을 반사시키기 위한 반사기 플레이트를 더 포함하고, 상기 반사기 플레이트는 상기 전방 측 및 상기 후방 측 중 하나가 상기 방사 열원과 대면하고 상기 전방 측 및 상기 후방 측 중 나머지 하나가 상기 반사기 플레이트와 대면하도록 위치하는, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 동적 히트 싱크는 석영, 사파이어 및 투명한 YAG로 이루어진 그룹에서 선택되는, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치. - 제2항 또는 제5항에 있어서,
상기 간극 거리는 상기 반투명 플레이트의 열 흡수율이 동적(dynamic)이도록 조정가능한, 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하기 위한 장치. - 방사 열원을 포함하는 챔버에서 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하는 방법으로서,
상기 챔버의 공정 영역 내에서 기판을 지지하는 단계 ? 상기 공정 영역은 상기 공정 영역으로부터 상기 방사 열원을 분리하는 램프에 의해 일측이 형성됨 ?;
상기 공정 영역 내에서 동적 히트 싱크를 지지하는 단계 ? 상기 동적 히트 싱크는 상기 방사 열원에 의해 방출되는 빛에 실질적으로 투명함 ?;
상기 기판을 제1 온도로 가열하도록 상기 방사 열원을 작동시키는 단계; 및
상기 방사 열원을 비활성화시키고, 상기 기판으로부터의 열을 흡수하도록 상기 동적 히트 싱크를 위치시키는 단계
를 포함하는, 방사 열원을 포함하는 챔버에서 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하는 방법. - 제11항에 있어서,
상기 동적 히트 싱크는, 상기 방사 열원의 반대측에서 상기 기판에 인접하거나 상기 방사 열원과 동일한 측에서 상기 기판에 인접하게 위치하는, 방사 열원을 포함하는 챔버에서 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하는 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 동적 히트 싱크와 상기 기판 사이에 간극이 존재하는, 방사 열원을 포함하는 챔버에서 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하는 방법. - 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 동적 히트 싱크는, 상기 방사 열원의 비활성화 시, 상기 기판에 더 가까운 위치로 이동되는, 방사 열원을 포함하는 챔버에서 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 동적 히트 싱크와 상기 기판 사이의 상기 갭에 유체를 부가하는 단계를 더 포함하는, 방사 열원을 포함하는 챔버에서 전방 측 및 후방 측을 갖는 기판을 처리하는 방법.
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