KR20120131194A - 온도 분포 제어를 이용한 처리 방법 및 장치 - Google Patents

온도 분포 제어를 이용한 처리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

웨이퍼(124)를 유지하고 웨이퍼와 웨이퍼 캐리어(80) 사이의 갭(130) 내로 충전 가스를 주입하도록 되어 있는 웨이퍼 캐리어(80)를 구비한 웨이퍼 처리 방법 및 장치를 제공한다. 상기 장치는 충전 가스의 조성, 유량, 또는 이 둘 다를 변화시켜 웨이퍼의 온도 불균일에 대한 바람직하지 못한 패턴에 대응하도록 되어 있다.

Description

온도 분포 제어를 이용한 처리 방법 및 장치 {PROCESSING METHODS AND APPARATUS WITH TEMPERATURE DISTRIBUTION CONTROL}
본 발명은 웨이퍼 처리 장치, 이 웨이퍼 처리 장치에 사용하기 위한 웨이퍼 캐리어, 및 웨이퍼 처리 방법에 관한 것이다.
관련출원의 상호 참조
본 출원은 2010년 2월 24일 출원된 미국 가특허출원 제61/307,497호에 대해 혜택을 주장하며, 그 개시 내용는 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
많은 반도체 디바이스가 기판 상에서 수행되는 프로세스에 의해 만들어진다. 기판은 일반적으로 결정 물질로 이루어진 판(slab)이며, 흔히 "웨이퍼"라고 불린다. 일반적으로, 웨이퍼는 결정 물질로 형성되고, 디스크 형태이다. 하나의 일반적인 프로세스는 에피택셜 성장이다. 예를 들면, III-V 반도체와 같은 화합물 반도체로 형성된 디바이스는, 일반적으로 금속 유기 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapor deposition), 즉 "MOCVD"를 사용하여 화합물 반도체의 연속적인 층을 성장시킴으로써 형성된다. 이 과정에서, 웨이퍼는 일반적으로 III족 금속의 소스인 금속 유기 화합물 포함하고, 또한 웨이퍼가 높은 온도로 유지되는 동안에 웨이퍼의 표면 위에 흐르는 V족 원소의 소스를 포함하는, 가스들의 조합에 노출된다. 일반적으로, 금속 유기 화합물 및 V족 소스는, 예를 들면, 질소와 같이 반응에 뚜렷하게 참여하지 않는 캐리어 가스와 결합된다. III-V 반도체의 일례는, 예를 들면, 사파이어 웨이퍼처럼, 적당한 결정 격자 간격을 가지는 기판 위에서 유기 갈륨 화합물과 암모니아의 반응에 의해 형성될 수 있는 갈륨 질화물이다. 일반적으로, 웨이퍼는 갈륨 질화물 및 관련 화합물들을 증착(deposition)하는 동안에 대략 1000-1100℃의 온도로 유지된다.
합성 디바이스(composite device)는, 예를 들면, 반도체의 결정 구조 및 밴드갭을 변화시키기 위한 다른 III족 또는 V족 원소의 첨가와 같이, 약간 다른 반응 조건들 하에서 웨이퍼의 표면 상에 연속하여 다수의 층을 증착함으로써 제조될 수 있다. 예를 들면, 갈륨 질화물계 반도체에는, 인듐, 알루미늄 또는 이 둘 다가 반도체의 밴드갭을 변화시키기 위해 비율을 변화시키는 데 사용될 수 있다. 또한, p형 또는 n형 도펀트가 각 층의 전도성을 제어하기 위해 첨가될 수 있다. 모든 반도체층이 형성된 후, 그리고 일반적으로 적절한 전기 접점이 적용된 후, 웨이퍼는 개별 디바이스로 절단된다. 발광 다이오드 ("LED"), 레이저 및 기타 광전자 디바이스와 같은 디바이스가 이 방법으로 제조될 수 있다.
일반적인 화학 기상 증착 프로세스에서, 수많은 웨이퍼가, 각 웨이퍼의 상면(top surface)이 웨이퍼 캐리어의 상면에서 노출되도록 보통 웨이퍼 캐리어라고 하는 디바이스 상에 유지되어 있다. 웨이퍼 캐리어는, 그 후 반응 챔버 내에 배치되고 가스 혼합물이 웨이퍼 캐리어의 표면 위에 흐르는 동안에 원하는 온도로 유지된다. 이 프로세스 동안에 캐리어 상의 여러 웨이퍼의 상면의 모든 지점에서 균일한 상태를 유지하는 것이 중요하다. 반응 가스의 조성 및 웨이퍼 표면의 온도에 있어 작은 변화는, 결과물 반도체 디바이스의 특성에 바람직하지 못한 변화를 야기한다. 예를 들어, 갈륨 및 인듐 질화물층을 증착하는 경우, 웨이퍼 표면 온도의 변화가 증착된 층의 조성과 밴드갭의 변화를 야기할 것이다. 인듐은 상대적으로 증기압이 높기 때문에, 증착된 층은 표면 온도가 더 높은 웨이퍼의 영역에서 더 낮은 인듐의 비율 및 더 큰 밴드갭을 갖게 된다. 증착된 층이 LED 구조체의 활성, 발광층인 경우, 그 웨이퍼로 형성된 LED의 방출 파장도 변화하게 된다. 따라서, 지금까지 본 발명이 속한 기술 분야에서는 균일한 상태 유지에 상당한 노력을 다해오고 있다.
널리 업계에서 채택되어 온 CVD 장치의 한 종류는, 각각 하나의 웨이퍼를 유지하도록 구성된 다수의 웨이퍼 유지 영역을 가진 디스크 형태의 웨이퍼 캐리어를 사용한다. 웨이퍼 캐리어는, 웨이퍼의 표면이 노출되어 있는 웨이퍼 캐리어의 상면이 가스 분배 요소(gas distribution element)에 위쪽으로 면하도록, 반응 챔버 내의 스핀들 상에 지지되어 있다. 스핀들이 회전하는 동안, 가스가 아래쪽을 향해 웨이퍼 캐리어의 상면 위로 이동하여 웨이퍼 캐리어의 주변부(periphery)를 향해 그 상면 전체에 흐른다. 사용된 가스는 웨이퍼 캐리어 아래에 배치된 포트를 통해 반응 챔버로부터 배출된다. 웨이퍼 캐리어는, 가열 요소, 일반적으로 웨이퍼 캐리어의 하면(bottom surface) 아래에 배치된 전기 저항 가열 요소에 의해 원하는 높은 온도로 유지됩니다. 이러한 가열 요소는 웨이퍼 표면의 원하는 온도보다 높은 온도로 유지되는 반면, 가스 분배 요소는 일반적으로 가스의 조기 반응을 방지할 수 있도록 원하는 반응 온도보다 훨씬 낮은 온도로 유지된다. 따라서 열은 가열 요소에서 웨이퍼 캐리어의 하면으로 전달되고 웨이퍼 캐리어를 통해 위쪽으로 개별 웨이퍼로 흐른다.
지금까지 본 발명이 속한 기술 분야에서 이러한 시스템의 최적화를 위해 상당한 노력을 다해오고 있지만, 여전히 추가적인 개선이 바람직할 것이다. 특히, 각 웨이퍼의 표면 전체에 걸쳐 더 나은 온도 균일성을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 일 측면은 웨이퍼 처리 방법을 제공한다. 상기 방법은 바람직하게, 각 웨이퍼의 하면이 대향면(confronting surface)과의 사이에 갭을 형성한 상태로 캐리어의 표면과 직면(directly confront)하고 각 웨이퍼의 상면이 노출되도록, 상기 캐리어 상에 하나 이상의 웨이퍼를 유지하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 바람직하게, 상기 갭을 가로질러 상기 캐리어로부터의 열 전달에 의해 상기 웨이퍼를 적어도 부분적으로 가열하는 단계, 및 상기 가열하는 단계 동안에, 상기 웨이퍼의 노출된 상면에 프로세스 가스를 인가하는 단계를 더 포함한다. 가장 바람직하게, 상기 방법은 상기 인가하는 단계 동안에 상기 갭에 배치된 충전 가스(fill gas)의 열전도도(thermal conductivity)를 변화시키는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 충전 가스는, 인가하는 단계 동안에 갭에 공급될 수 있고, 공급된 충전 가스의 유량(flow rate), 충전 가스의 조성, 또는 이 둘 다는, 인가하는 단계 동안 시간이 흐름에 따라 변화될 수 있다. 아래에 더욱 자세하게 설명하는 바와 같이, 충전 가스의 열전도도의 변화는 웨이퍼의 표면 온도의 변화를 최소화할 수 있다. 충전 가스의 열전도도를 변화시키는 단계는 웨이퍼의 온도 분포의 모니터링에 대한 응답으로 수행될 수 있다.
특정 실시예에서, 프로세스 가스는 웨이퍼의 주변에 있는 웨이퍼와 캐리어 사이의 갭에 들어가는 경향이 있다. 충전 가스는, 각 웨이퍼 아래의 갭 내의 충전 가스의 농도 경사를, 예를 들면, 웨이퍼의 주변 근처에는 프로세스 가스의 농도를 비교적 높게 하고 충전 가스의 농도를 낮게 하며, 웨이퍼의 중심 근처에는 충전 가스의 농도를 더 높게 하는 것과 같이, 유지하도록 공급될 수 있다. 이는 각 웨이퍼에 걸쳐 표면 온도의 변화를 야기하기 쉬운 다른 영향에 대항하기 위한 등급이 나뉜(graded) 열전도도를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 웨이퍼 캐리어를 제공한다. 본 발명의 이 측면에 따른 웨이퍼 캐리어는, 바람직하게 중심축과 이 중심축에 가로 놓인 상면을 형성하는 본체(body)를 가진다. 상기 본체는 바람직하게, 상기 웨이퍼의 상면이 노출되고 각 웨이퍼의 하면과 상기 본체의 표면 사이에 갭이 존재하도록, 복수의 웨이퍼를 유지하도록 구성된 웨이퍼 유지 형상부(wafer-holding feature)를 가진다. 상기 웨이퍼 캐리어는 바람직하게, 가스 도관에 공급된 충전 가스가 상기 웨이퍼의 하면과 상기 본체 사이의 갭 내로 이동되도록 상기 본체의 웨이퍼 유지 형상부로 연장되는 하나 이상을 가스 도관을 형성하는 구조를 가진다. 가장 바람직하게는, 상기 웨이퍼 캐리어는 또한 상기 본체의 중심축에서 피팅(fitting)을 포함하고, 상기 피팅은, 웨이퍼 처리 장치의 스핀들에 분리 가능하게(releasably) 맞물려 하나 이상의 상기 가스 도관이 상기 스핀들의 하나 이상의 가스 통로와 연결되게 상기 스핀들 상에 상기 웨이퍼 캐리어를 유지하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 상기 피팅은 상기 스핀들을 수용하기 위해 아래 방향으로 개방된 리세스(recess)를 형성할 수 있고, 상기 하나 이상의 가스 도관은 상기 리세스와 연결될 수 있다. 상기 웨이퍼 유지 형상부는 상기 본체의 상면에 복수의 포켓을 포함할 수 있고, 상기 가스 통로는 상기 포켓과 연결되어 통할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 웨이퍼 처리 장치를 제공한다. 본 발명의 이 측면에 따른 웨이퍼 처리 장치는 바람직하게, 처리 챔버와, 상하 방향으로 연장되는 축에 대한 회전을 위해 상기 처리 챔버 내에 장착된 스핀들을 포함한다. 상기 스핀들은 바람직하게, 상기 스핀들의 상단에 인접한 개구가 있는 가스 통로를 가진다. 상기 스핀들의 상단은, 웨이퍼 캐리어가 상기 스핀들에 기계적으로 연결되고 상기 웨이퍼 캐리어의 가스 도관이 상기 가스 통로의 개구와 통하도록, 상기 웨이퍼 캐리어와 분리 가능하게 맞물리도록 구성되어 있다. 예를 들면, 상기 스핀들은 앞서 설명한 바와 같은 상기 웨이퍼 캐리어의 피팅에 상보적인 피팅을 가질 수 있다. 상기 장치는 바람직하게, 상기 스핀들의 가스 통로와 통하는 유입구(inlet)를 가지는 회전 연결부(rotary connection)을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치를 단순화한 개략 단면도이다.
도 2는 도 1 내지 도 3의 장치의 구성요소를 웨이퍼와 함께 나타낸 부분 단면도이다.
도 3은 도 1의 장치에 사용되는 구성요소의 평면도이다.
도 4는 도 1의 구성요소의 일부를 나타낸 부분 평면도이다.
도 5는 다른 동작 조건 중의 도 2에 나타낸 장치의 구성요소와 웨이퍼를 나타낸 도 4와 유사한 도면이다.
도 6은 도 1 내지 도 5의 장치에 사용되는 특정 신호를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 구성요소를 나타낸 부분 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치는, 그 일단에 배치된 가스 분배 요소(12)를 가지는 반응 챔버(10)를 포함한다. 가스 분배 요소(12)를 갖는 상기 일단을 여기서는 반응 챔버(10)의 "상단"이라고 한다. 반응 챔버(10)의 이 상단은 일반적으로 기준(reference)의 표준 중력 프레임(normal gravitational frame) 내의 챔버의 상부에 배치되어 있지만, 필수적인 것은 아니다. 따라서, 여기서 사용되는 아래쪽 방향은 가스 분배 요소(12)로부터 멀어지는 방향을 나타내는 반면; 위쪽 방향은 챔버 내에서 가스 분배 요소(12)로 향하는 방향을 나타내며, 이들 방향이 중력의 위쪽 방향과 아래쪽 방향과 정렬되어 있는지와는 무관하다. 마찬가지로, 요소의 "상"면 및 "하"면은 가스 분배 요소(12)와 반응 챔버(10)의 기준 프레임과 관련하여 여기에 설명된다.
가스 분배 요소(12)는, 캐리어 가스와 같은, 웨이퍼 처리 공정에 사용되는 프로세스 가스와 금속 유기 화합물과 같은, 반응 가스를 공급하는 소스(14a, 14b, 14c)와 V족 금속의 소스에 연결되어 있다. 가스 분배 요소(12)는 각종 가스를 받아들이고 대략 아래쪽 방향으로 프로세스 가스의 흐름을 유도하도록 배치되어 있다. 가스 분배 요소(12)는 바람직하게 또한 작업 중에 원하는 온도로 가스 분배 요소(12)의 온도를 유지하기 위해 가스 분배 요소(12)를 통해 액체를 순환시키도록 배치된 냉각수 시스템(16)에 연결되어 있다. 비슷한 냉각수 장치(도시되지 않음)가 반응 챔버 (10)의 벽을 냉각하기 위해 제공될 수 있다. 냉각 챔버(10)는 또한 가스 분배 요소(12)에서 아래쪽 방향으로 가스가 지속적으로 흐를 수 있도록 반응 챔버(10)의 하부에 또는 그 근처에 있는 포트(도시되지 않음)를 통해 반응 챔버(10)의 내부로부터 이미 사용한 가스를 제거하기 하도록 배치된 배기 시스템(18)을 갖추고 있다.
반응 챔버(10) 내에는 스핀들의 중심축(22)이 상하 방향으로 연장되게 하여 스핀들(20)이 배치되어 있다. 스핀들(20)은, 스핀들(20)과 챔버(10)의 벽 사이에 밀봉부(seal)(도시되지 않음)를 유지하면서, 스핀들(20)이 중심축(22)에 대해 회전할 수 있도록 베어링과 밀봉부를 결합시키는 종래의 회전식의 통과 디바이스(rotary pass-through device)(25)에 의해 챔버에 장착된다. 스핀들은 그 상단에, 즉 가스 분배 요소(12)에 가까운 스핀들의 단부에 피팅(24)을 가진다. 아래에 더욱 상세하게 설명하는 바와 같이, 웨이퍼 캐리어를 분리 가능하게 결합하도록 되어 있다. 설명한 특정한 실시예에서, 피팅(24)은 스핀들의 상단 쪽으로 점점 가늘어지고 상면이 평평하게 끝나는 대략 원뿔대형(frustoconical)의 요소이다. 원뿔대형의 요소는 원뿔대(a frustum of a cone)의 형상을 갖는 요소이다. 스핀들(20)은, 스핀들(20)을 축(22)에 대해 회전시키도록 배치된 전기 모터 드라이브와 같은 회전 구동 기구(26)에 연결되어 있다. 도 2에서 가장 잘 볼 수 있듯이, 스핀들(22)은, 스핀들(22)의 상단에 인접한, 피팅(24) 내의 개구부(30)에서 끝나는 내부의 가스 통로(28)를 가진다.
스핀들은 챔버(10) 및 통로(25) 아래에, 스핀들의 상단에서 멀리 떨어진 가스 통로(28)와 통하는 가스 진입 포트(38)를 가진다. 회전 연결부 어셈블리(40)가 가스 진입 포트(38)를 둘러싸는 공간(42)을 규정하므로, 가스 진입 포트(38)는 스핀들이 회전하는 동안에 공간(42)과 통하는 상태를 유지한다. 회전 연결부 어셈블리(40)는 또한 공간(42)과 통하고 따라서 가스 진입 포트(38) 및 스핀들의 가스 통로(28)와 통하는 유입구(44)를 가진다. 회전 연결부는 또한 공간(42)을 외부 환경과 격리시키는 종래의 밀봉부(seal)(46)들을 포함한다. 이들 밀봉부는 도면의 단순함을 위해 단순한 O링으로 도해하여 설명되어 있지만, 밀봉부는 임의의 종래의 유형일 수 있다.
회전 연결(40)의 유입구(44)는 충전 가스 공급 소스(48a, 48b)(도 1)에 연결되어 있다. 이들 충전 가스 공급 소스(이하, 간단히 소스라고도 한다)(48a, 48b)는 상이한 열전도도를 가지는 두 가지 상이한 가스 성분을 공급하도록 되어 있다. 흐름 제어 요소(50a, 50b)는 각각의 소스(48a, 48b)로부터의 흐름을 독립적으로 조절하기 위해 제공된다. 흐름 제어 요소(50a, 50b)는 제어 시스템(52)의 신호 출력에 연결되어 있다. 흐름 제어 요소(50a, 50b)는 제어 시스템(52)에 의해 인가된 제어 신호에 대한 응답으로 동작 중에 조절될 수 있도록 되어 있다. 예를 들어, 흐름 제어 요소(50a, 50b)는 종래의 전기적으로 제어 가능한 밸브 또는 회전 연결(40)과 소스(48a, 48b) 사이의 연결에 제공된 질량 유량 컨트롤러(mass flow controller)일 수 있다. 그러나, 제어 신호에 대한 응답으로 가스 소스의 흐름을 조절하는 데 사용될 수 있는 임의의 다른 요소가 사용될 수도 있다.
스핀들은 가스 통로(28) 내의 스핀들의 대략 축 방향으로 연장되는 내부 냉각수 통로(54, 56)(도 2)를 구비한다. 내부 냉각수 통로(54, 56)는 추가적인 로터리 연결부(58)(도 1)를 통해 냉각수 소스(60)에 연결되어 있으므로, 유체 냉각수는 소스에 의해 냉각수 통로를 통해 순환될 수 있어 냉각수 소스로 돌아갈 수 있다. 냉각수 소스(60)는 순환하는 냉각수의 온도 및 흐름을 조절하는 종래의 디바이스를 포함할 수 있다.
가열 요소(70)는 챔버 내에 장착되어 피팅(24) 아래의 스핀들(20)을 둘러싼다. 챔버는 또한 대기실(antechamber)(76)로 이어지는 진입 개구부(72)와, 이 진입 개구부(72)를 폐쇄하는 도어(74)를 구비한다. 도어(74)는 도 1에 개략적으로만 도시되어 있고, 챔버(10)의 내부와 대기실(76)을 격리시키는, 실선으로 도시된 폐쇄 위치와, 부호 74'의 점선으로 도시된 개방 위치 사이를 이동할 수 있는 것으로 도시되어 있다. 도어(74)는, 도어(74)를 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에 이동시키기 위해 적당한 제어 및 작동 기구를 갖추고 있다. 실제로, 도어(74)는 예를 들면 미국 특허 제7,276,124에 개시된 바와 같이 상하 방향으로 움직이는 셔터를 포함할 수 있으며, 이 특허문헌의 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 상기 장치는 또한 웨어퍼 캐리어를 대기실(76)에서 챔버 내로 이동시키고 이 웨이퍼 캐리어와 동작 상태의 스핀들을 맞물리게 할 수 있고, 또한 웨이퍼 캐리어를 스핀들에서 대기실로 이동시킬 수 있는 적재 기구(loading mechanism)(도시되지 않음)를 더 포함한다.
장치는 또한 복수의 웨이퍼 캐리어(80)를 포함한다. 도 1에 도시된 동작 상태에서, 제1 웨이퍼 캐리어(80a)는 챔버(10) 내부에 동작 위치에 배치되어 있는 반면, 제2 웨이퍼 캐리어(80b)는 대기실(76) 내에 배치되어 있다. 각 웨이퍼 캐리어(80)는 실질적으로 중심축(84)(도 2, 3)을 가지는 원형 디스크 형태인 본체(body)(82)를 포함한다. 도 2에 도시된 동작 위치에서, 웨이퍼 캐리어 본체(82)의 중심축(84)은 스핀들의 축(22)과 일치한다. 본체(82)는 단일체 또는 복수 부분을 합성한 것으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 그 개시내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함되는 미국 공개특허공보 제20090155028호에 개시된 바와 같이, 웨이퍼 캐리어 본체(82)는 중심축(84)을 둘러싸는 본체의 작은 영역을 형성하는 허브(86)와 디스크형 본체(82)의 나머지 부분을 규정하는 큰 부분을 포함할 수 있다. 본체(82)는 바람직하게 프로세스를 오염시키지 않고 프로세스 중에 겪는 온도를 견딜 수 있는 재료로 형성된다. 예를 들면, 디스크의 큰 부분은 그래파이트, 실리콘 탄화물, 또는 기타 내화 재료(refractory meterial) 등의 재료로 주로 또는 전적으로 형성될 수 있다. 본체(82)는 대략 서로 평행하게 연장되고 디스크의 중심축(84)에 대략 수직인 대략 평평한 상면(88)과 하면(90)을 가진다. 본체(82)는 또한 복수의 웨이퍼를 유지하도록 되어 있는 복수의 웨이퍼 유지 형상부를 가진다.
도 2, 도 3, 및 도 4에서 가장 잘 보이듯이, 각 웨이퍼 유지 형상부는 상면(88)에서 아래쪽으로 본체 내에까지 연장되는 대략 원형의 포켓(92)을 포함한다. 각 포켓은 상면(88)의 주변 부분 아래에 배치된 바닥면(floor surface)(94)을 가진다. 각 포켓(92)은 또한 바닥면을 둘러싸서 포켓의 외연(periphery)을 형성하는 주변 벽면(96)을 가진다. 이 주변 벽면(96)은 본체의 상면(88)에서 아래쪽으로 바닥면까지 연장된다. 도 2에서 가장 잘 보이듯이, 주변 벽면(96)은 포켓의 중심에서 멀고, 그 외연의 적어도 일부 너머로 바깥쪽으로 경사질 수 있다. 특히, 웨이퍼 캐리어의 중심축(84)에서 가장 먼 주변 벽면의 그러한 부분들은, 바람직하게 바닥면(94)을 향해 아래 방향으로 웨이퍼 캐리어의 중심축(84)에서 멀어지는, 바깥쪽으로 경사질 수 있다. 각 포켓(90)은 또한 바닥면(94)에서 위쪽으로 연장되고 바닥면 위이지만 웨이퍼 캐리어 본체의 주(main) 상면(88) 아래에서 끝나는, 간격을 두고 떨어져 있는 복수의 지지체(support)(98)를 구비한다.
웨이퍼 캐리어는 또한 중심축(84)에 피팅(100)을 포함한다. 피팅(100)은 스핀들의 피팅(24)과 맞물리도록 배치된다. 피팅(100)은 아래쪽을 향하는 개방단(102)(도 2)을 갖는 원뿔대형의 리세스(100)를 포함한다. 원뿔대형의 리세스는 그 상단(104)이 폐쇄되어 있고, 위쪽 방향으로 점점 가늘어진다. 원뿔대형의 피팅(100)은 스핀들의 원뿔대형의 수형(male) 피팅(24)의 끼인각(included angle)보다 약간 큰 끼인각을 가진다. 도시된 동작 상태에서, 스핀들의 원뿔대형의 피팅(24)은 웨이퍼 캐리어의 피팅(100)과 맞물리고 대략 원형의 맞물림의 선을 따라 웨이퍼 캐리어에 인접해 있다. 이 맞물림은 웨이퍼 캐리어에 대한 안정된 장착을 제공하므로, 웨이퍼 캐리어는 제자리에 고정되어 확실하게 유지되지만, 축(22)을 따라 웨이퍼 캐리어를 위쪽으로 들어올림으로써 분리될 수 있다. 맞물림 위치에서, 스핀들의 수형 피팅(24)은 암형(female) 피팅(100)의 상단(104) 아래에서 끝나서, 스핀들의 상단과 웨이퍼 캐리어 내의 피팅(100)의 상단(104) 사이에 공간(106)을 제공한다. 피팅들 간의 맞물림은 실질적으로 공간(106)과 챔버 내의 주변 내부면 사이에 유체 기밀 상태(fluid-tight seal)를 제공한다. 이 맞물림 과정에서 절대적으로 완전한 밀봉 상태를 제공하는 것이 필수적인 것은 아니다.
웨이퍼 캐리어의 구조는 웨이퍼 캐리어 내에서 대략 수평으로 연장되는 복수의 도관(108)을 규정한다. 도관(108)은 피팅(100)의 상부 벽에 인접한 개구부(110)를 통해 피팅(100)의 내부와 통한다. 동작 상태에서, 웨이퍼 캐리어와 맞물린 피팅(24)에 의해, 개구부(110)는 스핀들의 상단과 피팅(100)의 맨 윗부분과의 사이에 형성된 공간(106)과 통한다. 도관(108)은 또한 유입 포트(112)를 통해 포켓(90)과 통한다. 도 2와 도 4에서 가장 잘 보이듯이, 각 포켓(92)은 포켓(92)의 중심에 인접하여, 바람직하게는 포켓(92)의 중심에서 포켓(92)의 바닥면(94)을 통해 개방되는 유입 포트(112)를 가진다. 도 3에 도시된 도관(108)의 패턴은 단지 개략도이다. 실제로, 도관은 하나의 포켓까지 연장되는 도관이 다른 포켓 아래를 지나지 않도록 하여 경로가 정해질 수 있다. 또한, 도관은 분기될 수 있다. 반드시 모든 포켓에 대해 피팅에 개별 개구부(110)를 제공할 필요는 없다. 여러 포켓에 연결된 도관은 단 하나의 포트(110)에 연결될 수 있다.
장치는 프로세스 중에 처리되고 있는 웨이퍼의 표면 온도를 모니터링하고, 프로세스 중에 웨이퍼 전체의 표면 온도의 분포를 나타내는 신호를 제공하도록 배치된 온도 모니터링 장치(120)를 더 포함한다. 온도 모니터링 장치(120)는 챔버에 또는, 도시된 바와 같이, 가스 분배 부재(12)에 장착된 고온계(pyrometer)(122)를 포함할 수 있다. 도시된 특정 실시예에서, 온도 모니터링 장치(120)는 두 개의 고온계(122a 및 122b)를 포함한다. 고온계(122a)는 디스크형 캐리어 본체(82)의 주변에 인접하여 배치된 포켓 내에 수용된 웨이퍼들의 표면 온도 분포를 모니터링하도록 배치되는 반면, 고온계(122b)는 중심축(84)에 인접하여 배치된 내부 포켓에 수용된 웨이퍼들의 표면 온도 분포를 모니터링하도록 배치되어 있다. 고온계 자체는, 예를 들면, 미국 뉴욕주 플레인뷰 소재의 비코 인스트루먼츠 코포레이션(Veeco Instrument Corporation)의 상표 REALTEMPTM로 판매되는 것과 같은 유형의 종래의 수단일 수 있다. 고온계는 바람직하게, 모니터링되는 표면의 방사율(emissivity)을 교정하도록 되어 있다. 예를 들면, 각 고온계는 모니터링되는 지점에서 방출되는 방사선을 나타내는 제1 신호와 그 지점의 방사율을 나타내는 제2 신호를 전달하도록 구성될 수 있다. 고온계로부터의 신호는 제어 시스템(52)에 보내진다. 이하에 더 자세하게 설명하는 바와 같이, 제어 시스템(52)은 포켓 내에 수용된 웨이퍼의 외연과 그 웨이퍼의 중심과의 온도차를 나타내는 신호를 생성하도록 되어 있다. 이 신호는 모든 포켓 내에 수용된 모든 여러 웨이퍼에 대한 평균 차를 나타내는 종합 신호(aggregate signal)일 수 있다. 제어 시스템은 또한, 이하에 더 자세하게 설명하는 바와 같이, 바람직한 값으로부터의 종합 온도차 신호의 편차(deviation)를 나타내는 에러 신호를 생성하고, 이 에러 신호에 응답하여 흐름 제어 요소(50a, 50b)를 제어하도록 되어 있다.
동작 시에, 사파이어, 실리콘 카바이드, 또는 다른 결정 기판으로 형성된 디스크형 웨이퍼와 같은, 웨이퍼(124)는, 각 웨이퍼 캐리어의 각 포켓(90) 내에 배치된다. 일반적으로, 웨이퍼의 두께는 주 표면의 치수에 비해 작다. 예를 들어, 직경이 약 2 인치(50mm)인 원형 웨이퍼의 두께는 430㎛ 이하일 수 있다. 도 2에서 가장 잘 보이는 바와 같이, 웨이퍼는 상면(126)이 웨이퍼 캐리어의 상단에서 노출되도록, 상면(126)이 위쪽을 향해 배치된다. 웨이퍼의 반대쪽, 하면(128)은 웨이퍼의 외연에서 지지체(98)에 받쳐져 있다. 지지체(98)는 하면의 작은 부분만을 맞물리게 한다. 하면의 나머지 부분은 포켓의 바닥면(94)과 직면(directly confront)하지만, 바닥면보다 위로 올라가 있어 웨이퍼의 바닥면(128)과 포켓의 바닥면(94) 사이에는 갭(130)이 존재한다. 두 개의 표면과 관련하여 본 개시내용에 사용된 바와 같이, "직면"이라는 용어는, 언급된 표면 중 하나의 적어도 일부에 대해, 언급된 표면들 사이에 개재하는 고체 물체가 없다는 것을 의미한다. 달리 말하면, 하나의 표면에 수직인 선은 어떠한 고체 물체도 통과하지 않고 그 표면에서 다른 표면으로 나아간다. 예를 들면, 웨이퍼(124)의 하면(128)에 수직인 지지체(98)로부터 멀어지는 선(132)은 어떠한 고체 물체도 통과하지 않고 바닥면(94)까지 연장된다. 갭(130)은 웨이퍼 캐리어의 외부와 통하고, 따라서 웨이퍼의 에지와 포켓의 주변 벽(96) 사이의 작은 공간(131)을 통해, 챔버(10) 내의 분위기와 통한다.
동작 시에, 본 발명에 따른 프로세스에서, 그 위에 웨이퍼들이 적재된 웨이퍼 캐리어(80)는, 대기실(76)에서 챔버(10) 내로 적재되어, 도 1 및 도 2에 도시된 동작 위치에 놓인다. 이 상태에서, 웨이퍼의 상면은 위쪽으로 가스 유입 구조체(12)와 마주하고 있다. 히터(70)가 작동되고, 회전 드라이브(26)가 동작하여 축(22) 주위에 스핀들(20)을 회전시키고 따라서 웨이퍼 캐리어(80)를 회전시킨다. 일반적으로, 분당 약 50?1500 회전의 회전 속도로 회전된다. 프로세스 가스 공급 유닛(14a, 14b, 14c)은 가스 유입 요소(12)를 통해 가스를 공급하도록 작동된다. 가스는 아래쪽으로 웨이퍼 캐리어를 향하여, 웨이퍼 캐리어의 상면(88) 및 웨이퍼의 상면(126) 위를 지나, 아래쪽으로 웨이퍼 캐리어의 주변 주위에서 유출구 및 배기 시스템(18)까지 지난다. 따라서, 웨이퍼 캐리어의 상면(80) 및 웨이퍼의 상면(126)은 다양한 프로세스 가스 공급 유닛에 의해 공급된 다양한 가스의 혼합물을 포함하는 프로세스 가스에 노출된다. 가장 일반적으로, 상면의 프로세스 가스는 주로 캐리어 가스 공급 유닛(14b)에서 공급된 캐리어 가스로 구성되어 있다. 일반적인 화학 기상 증착 프로세스에서, 캐리어 가스는 질소일 수 있으며, 따라서 웨이퍼 캐리어의 상면의 프로세스 가스는 주로 일정량의 반응성 가스 성분과 질소로 구성되어 있다.
충전 가스 공급 유닛(48b)은 제1 충전 가스를 공급하는 반면, 제2 충전 가스 공급 유닛(48a)은 제2 충전 가스를 공급한다. 충전 가스는, 충전 가스 중 적어도 하나는 프로세스 가스와 상이한 열전도도를 가지고, 두 가지 상이한 충전 가스가 상이한 열전도도를 가지도록 선택된다. 바람직하게는, 충전 가스는 그것들이 원하는 반응을 방해하지 않도록 선택된다. 일반적인 화학 기상 증착 반응에서, 충전 가스 공급 유닛(48a)에 의해 공급된 제1 충전 가스는, 수소, 헬륨 또는 그 혼합물일 수 있는 반면, 제2 충전 가스 공급 유닛(48b)에 의해 공급된 제2 충전 가스는 질소일 수 있다. 수소와 헬륨은 질소보다 실질적으로 높은 열전도도를 가진다.
충전 가스는 흐름 제어 요소(50a, 50b)를 통과하여 회전 연결부(40)를 지나 가스 진입 포트(38)(도 2) 내로 이동할 때 서로 혼합되고, 위쪽으로 가스 통로(28)를 통하여 유출구(30)로 이동한다. 따라서, 혼합된 충전 가스는 짝을 이루는 피팅(24)과 피팅(100)에 의해 규정된 공간(106) 내로 이동하고 포트(110), 도관(108), 및 유입 포트(112)를 통과하여 웨이퍼 하면(128)과 포켓의 바닥면(94) 사이의 갭(130) 내로 이동한다. 충전 가스 중 일부는 웨이퍼의 외연 주위 밖으로 누설될 것이다. 또한, 충전 가스 중 일부는 짝을 이루는 피팅(24)과 피팅(100) 사이의 작은 틈(leak)을 통해 공간(106)에서 누설될 수 있다. 그러나, 짝을 이루는 피팅들 통해 누설되는 모든 충전 가스는 아래쪽으로 웨이퍼 캐리어의 하면(90) 아래로 이동하게 되고, 따라서 실질적으로 프로세스에 영향을 미치지 않고, 배기 시스템(18)에 의해 시스템 밖으로 배출될 것이다. 웨이퍼 하면과 바닥면 사이의 갭(130)은, 충전 가스를 포함하고 프로세스 가스의 일부를 포함할 수도 있는, 가스로 채워질 것이다.
웨이퍼 캐리어 내로 이동하는 충전 가스 혼합물은 제1 충전 가스의 일부를 포함하기 때문에, 이 충전 가스 혼합물은 열전도도 면에서 프로세스 가스와 다르다. 제1 충전 가스가 프로세스 가스에 포함된 캐리어 가스보다 실질적으로 더 높은 열전도도를 가지는 가스를 포함하는 할 경우, 충전 가스 혼합물은 일반적으로 프로세스 가스의 열전도도보다 높은 열전도도를 가질 것이다. 충전 가스의 유량은 갭(130) 내의 충전 가스가 지지체(98)에서 웨이퍼를 들어올리지 않을 정도로 낮다. 달리 설명하면, 충진 가스의 유입(in-flow)은 갭(130) 내의 가스 압력을 상승시키는 경향이 있다. 그러나 웨이퍼의 에지 주위의 공간(131)이 충전 가스가 포켓 밖으로 누설될 수 있도록 해준다. 따라서 포켓 내의 압력은, 그 압력이 지지체에서 웨이퍼를 들어올리는 지점까지 상승하지 않는다. 단지 예로서, 직경 4 인치(100 ㎜)의 웨이퍼를 처리하는 시스템의 경우, 포켓의 직경이 100mm보다 약간 크기 때문에, 각 포켓 내로의 충전 가스의 총 유량은 일반적으로 약 100 표준 cm3 미만이다.
히터(70)는 웨이퍼 캐리어의 하면(90)에, 주로 복사열 전달에 의해, 열을 전달한다. 웨이퍼 캐리어의 하면(90)에 인가된 열은 웨이퍼 캐리어의 본체(82)를 통해 위쪽으로 웨이퍼 캐리어의 상면(88)으로 흐른다. 위쪽으로 본체(82)를 통과하는 열은 또한 위쪽으로 갭(130)을 통과하여 각 웨이퍼의 하면(128)으로, 그리고 위쪽으로 웨이퍼를 통과하여 웨이퍼의 상면(126)으로 이동한다. 열은 웨이퍼 캐리어의 상면(88) 및 웨이퍼의 상면(126)으로부터, 예를 들면, 프로세스 챔버의 벽과 가스 유입 요소(12)와 같은, 프로세스 챔버의 차가운 요소(colder element)에 방사된다. 열은 또한 웨이퍼 캐리어의 상면(88) 및 웨이퍼의 상면(126)으로부터 이들의 표면 위를 지나는 프로세스 가스에 전달된다. 웨이퍼의 상면(126)에서의 온도는, 웨이퍼 캐리어의 고체 본체(82) 및 갭(130)을 통해 전달되는 열과 웨이퍼의 상면으로부터 전달되는 열 사이에 균형을 나타낸다. 갭(130 내의 가스의 열전도도는 본체(82)를 구성하는 고체 재료의 열전도도보다 작다. 그러므로, 웨이퍼 캐리어 상면(88)은 웨이퍼 상면(126)의 방사율과 같거나 작은 방사율을 가지고, 각 웨이퍼 상면(126)의 온도는 웨이퍼 캐리어의 상면(88) 주위의 온도보다 낮은 값에 도달하는 경향이 있다. 웨이퍼의 에지에 인접한 캐리어의 영역들은 웨이퍼 캐리어의 주위의 더 뜨거운 부분에 의해 가열되게 된다. 이것은, 웨이퍼의 에지 영역이 중앙 영역보다 뜨거운, 불균일한 표면 온도 분포를 초래하기 쉽다. 반대로, 웨이퍼 캐리어 상면의 방사율이 웨이퍼 표면의 방사율보다 실질적으로 클 경우, 웨이퍼 캐리어의 상면은 웨이퍼의 상면보다 차가울 수 있고, 이것은 반대의 효과를 초래하기 쉽다.
웨이퍼 범위에 걸친 갭의 높이(h)의 차이는 열 전달의 차이를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 중심에서 위쪽으로 구부러진 웨이퍼는 웨이퍼의 에지에서의 갭의 높이(he)보다 높은 웨이퍼 중심에서의 높이(hc)를 가지는 갭(130)을 제공한다. 중심에서의 갭의 열저항이 증대하므로, 웨이퍼의 하면(128)에 대한 단위면적당 열전달률이 에지에서보다 중심에서 더 낮아진다. 이것은 중심에서의 웨이퍼 상면(126)의 온도를 에지에서의 온도보다 낮추는 경향이 있다. 이 반대의 효과는, 갭의 중심에서의 높이(hc)가 갭의 에지에서의 높이(he)보다 작아지도록, 웨이퍼가 중심에서 아래쪽으로 휠 때 발생한다. 또한, 포켓의 바닥면(94)의 비평탄성도 유사한 효과를 발생시킬 수 있다.
또한, 비균일의 패턴은 처리 중에 변화하는 경향이 있다. 예를 들면, 프로세스가 기판의 상면에 대한 화학 기상 증착 및 에피택셜 성장을 포함하는 경우, 증착되는 물질은, 웨이퍼 재료와는 상이한, 정상의, 제약 없는 격자 간격을 가질 수 있다. 이것은, 웨이퍼의 뒤틀림(warpage)으로 이어지는, 상면의 압축 또는 인장 변형을 유도하는 경향이 있다. 웨이퍼 상면의 방사율 또한 프로세스 중에 변화될 수 있다.
고온계(122a, 122b)는 프로세스 중에 웨이퍼 캐리어 및 웨이퍼로부터의 방출을 모니터링한다. 축(122)에 대한 웨이퍼 캐리어의 회전은 웨이퍼 캐리어 상면과 웨이퍼 상면의 연속 부분을 각 고온계와 정렬시키기 때문에, 고온계로부터의 신호는 변화하게 된다. 고온계에 의해 모니터링될 때의 표면들로부터의 방출을 나타내는 신호의 변화의 전형적인 패턴은 도 6에 도시되어 있다. 이 패턴에서, 웨이퍼 캐리어의 상면(88)은 웨이퍼의 상면(126)보다 실질적으로 높은 방사율을 가지고, 이러한 방사율의 차이는 웨이퍼 캐리어와 웨이퍼 사이의 온도의 어떤 차이보다 크다. 그러므로, 웨이퍼 캐리어 상면(88)의 일부가 고온계와 정렬될 때 제공되는 그 표면에 의해 방출된 방사선을 나타내는 신호(S88)는, 웨이퍼 상면(126)이 고온계와 정렬될 때 제공되는 대응하는 신호(S126)보다 크기가 크다. 따라서 고온계로부터의 신호는 크기에 있어 단계적(step-wise)으로 변화하는 반복 패턴을 포함한다. 이 변화를 검출함으로써, 제어 신스템(52)은 웨이퍼 캐리어 상면으로부터의 방출을 나타내는 신호(S88)의 그러한 부분과 웨이퍼 상면으로부터의 방출을 나타내는 신호(S126)의 그러한 부분을 구별할 수 있다. 단지 예로서, 하나의 간단한 방식으로, 제어 시스템은 연속적인 샘플링 간격(Is)으로 그 신호를 샘플링하고 일정한 크기보다 큰 신호에서의 단계적인 감소 후 및 신호의 단계적인 증가 후에 발생하는 샘플만을 개별 웨이퍼로부터 취득한 샘플을 나타내는 것, 따라서 웨이퍼 상면으로부터의 방출을 나타내는 것으로서 취득한다. 그 후, 제어 시스템은 개별 웨이퍼로부터의 샘플 세트를 처리하여 온도 변화의 패턴을 결정할 수 있다. 제어 시스템은 세트의 시작 부분에서 하나 이상의 샘플을, 세트의 끝 부분에서 하나 이상의 샘플을, 또는 양쪽 모두를, 웨이퍼의 에지 영역의 방출을 나타내는 것으로서 선택할 수 있고, 세트의 중간 부분에서 하나 이상의 샘플을 웨이퍼의 중심 부분으로부터의 방출을 나타내는 것으로서 선택할 수 있다. 이 신호들은 종래의 방식으로 고온계로부터의 방사율 신호를 적용함으로써 웨이퍼의 온도로 변환될 수 있다. 제어 시스템은 웨이퍼의 에지와 중심 사이의 온도차 ΔT를 계산할 수 있다. 이 온도차는 크기를 가질 것이고 웨이퍼의 중심이 에지보다 뜨거운지 차가운지를 나타내는 부호(양 또는 음)를 가질 것이다. 여러 웨이퍼에 대한 온도차 신호는 수학적으로(예를 들면, 이 신호들의 평균 또는 중앙값을 계산함으로써) 결합되어, 웨이퍼 전체의 평균 온도차를 나타내는 종합 신호를 생성할 수 있다. 이 신호를 온도차에 대한 바람직한 값(보통은 0)과 비교하여 에러 신호를 생성할 수 있다. 도 6에 도시된 특정한 예에서, 웨이퍼의 중심은 웨이퍼의 에지보다 차가우므로, 온도차 ΔT는 양(positive)이다.
제어 시스템은 종합 에러 신호에 응답하여 충전 가스 혼합물의 조성, 흐름, 또는 이 둘 다를 변화시키고, 이에 따라 웨이퍼와 포켓의 바닥면 사이의 갭(130) 내의 충전 가스의 조성을 변화시킨다. 예를 들면, 종합 에러 신호가, 웨이퍼의 중심이 에지보다 차갑다는 것을 나타내는, 양인 경우, 제어 시스템은 충전 가스 혼합물의 총 유량을 일정하게 유지하면서 제1 충전 가스 소스(48)로부터의 상대적으로 높은 전도도의 충전 가스의 비율을 증가시키도록 흐름 컨트롤러(50a, 50b)를 작동시킬 수 있고, 이에 따라 포켓(130) 내에 존재하는 혼합된 충전 가스의 열전도도를 증가시킬 수 있다. 이것은 웨이퍼 상면(126)의 중심부의 온도를 웨이퍼 상면의 주변부에 비해 상승시키는 경향이 있다. 이 효과의 메커니즘은 변화할 수 있다. 비교적 낮은 충전 가스 유량에서, 각 포켓(130) 내에는 농도 경사가 존재한다. 웨이퍼의 에지 근처에서, 프로세스 가스의 포켓 내로의 확산은 일부의 프로세스 가스가 포켓에 공급된 충전 가스와 혼합되게 한다. 프로세스 가스는 상이한 열전도도를 가지므로, 포켓의 에지 영역에서의 결과 혼합 가스는 포켓 중심에서의 실질적으로 순수한 충전 가스와는 상이한 열전도도를 가질 것이다. 예를 들면, 충전 가스의 열전도도가 프로세스 가스보다 높은 경우, 포켓의 중심 영역에 있는 가스는 포켓의 에지 영역에 있는 가스보다 높은 열전도도를 가질 것이다. 충전 가스 내의 높은 전도도의 가스 성분의 비율을 증대시킴으로써, 이 효과는 두드러질 수 있다. 포켓의 중심에서의 충전 가스의 더 높은 전도도는 웨이퍼 중심의 온도를 에지 영역의 온도에 비해 증가시키는 경향이 있으므로, 온도차에 대응한다. 온도 변화의 패턴이 도 6에 도시된 것과 반대인 경우, 중심 영역이 에지 영역보다 더 뜨거우므로, 제어 시스템은 보다 낮은 전도도의 충전 가스 성분의 증대시키는 반대의 조치를 취할 수 있다.
제어 시스템은 또한 충전 가스 혼합물의 유량을 변화시킬 수 있다. 이 효과는 전술한 농도 경사에서의 변화를 야기할 수 있다. 높은 유량으로, 중심의 포트(112)를 통해 공급된 충전 가스 혼합물의 증대된 흐름은, 포켓 내로의 프로세스 가스의 확산 효과를 더 높은 정도로 대응하므로, 농도 경사를 줄인다. 반대로, 보다 낮은 유량은 농도 경사를 증대시킬 수 있고 따라서 포켓의 중심 영역에서의 가스와 포켓의 주변 영역에서의 가스 사이의 열전도도의 차를 증대시킬 수 있다. 다른 상황에서, 충전 가스의 증대된 유량은 다른 메커니즘을 통해 웨이퍼 표면 온도에 영향을 미칠 수 있다. 웨이퍼 캐리어 본체 내의 도관(108)을 통과하여 흐름 가스는 본체의 주변부와의 열 평형에 도달하는 경향이 있다. 중심의 포트(112)를 통해 포켓에 들어가는 충전 가스의 온도는 포켓(130) 내의 다른 가스의 온도보다 약간 높을 수 있다. 이 효과는 웨이퍼 중심에 대해 증대된 열 전달을 야기할 수 있고, 이에 따라 웨이퍼의 중심 영역에서의 온도를 웨이퍼의 에지 영역에서의 온도에 비해 상승시킬 수 있다. 충전 가스의 조성의 변화는 충전 가스의 비열(specific heat)을 변화시킬 수 있고 따라서 온도 분포에 대한 충전 가스의 영향을 변화시킬 수 있다.
본 발명은 동작의 어떤 이론에 의해 한정되지 않는다. 일정한 크기와 구성의 웨이퍼 캐리어 및 일정한 크기의 웨이퍼의 경우, 충전 가스 조성, 충전 가스 흐름, 또는 이 둘 다의 변화의 효과는 재현 가능하다. 충전 가스 유량, 충전 가스 조성, 또는 이 둘 다의 특정한 변화는 반복적으로 웨이퍼의 에지에서의 표면 장력에 대해 웨이퍼의 중심에서의 표면 온도를 높이거나 낮추는 경향이 있을 것이다. 그러므로, 상이한 변화의 효과는 실험에 의해 결정될 수 있고, 제어 시스템은 그에 따라 프로그램될 수 있다. 따라서, 종합 에러 신호가, 웨이퍼 중심에서의 표면 오도가 웨이퍼 주변에서의 표면 온도보다 높다는 것을 나타내면, 제어 시스템은 웨이퍼의 중심에서의 온도를 감소시키기 위해 실험에 의해 결정된 방식으로 충전 가스 유량, 조성 또는 이 둘 다를 변화시키게 된다. 종합 에러 신호가 반대의 교정이 필요하다는 것을 나타내면, 반대의 효과를 낳기 위해 실험에 의해 결정된, 충전 가스 유량, 충전 가스 조성, 또는 이 둘 다의 변화를 초래하도록 제어 시스템은 흐름 제어 디바이스(50a, 50b)에 명령한다.
따라서 제어 시스템은, 프로세스 중에 시간이 흐름에 따라 충전 가스 유량, 충전 가스 조성, 또는 이 둘 다를 변화시키고 프로세스 중에 표면 온도의 바람직하지 못한 차이를 효과적으로 억제하기 위해, 동적으로 작용할 수 있다. 웨이퍼는 비교적 얇고 낮은 열적 관성(thermal inertia)을 가지기 때문에, 시스템의 응답 시간은 프로세스의 시간 척도에 비해, 그리고 바람직하지 못한 온도 변화의 시간 척도에 비해 비교적 짧다.
프로세스는 웨이퍼의 대한 원하는 처리가 완료될 때까지 계속된다. 프로세스 중에, 제어 시스템(52)은 전술한 바와 같이 충전 가스 유량, 조정 또는 이 둘 다를 계속하여 변화시킬 수 있고, 웨이퍼 캐리어(80)는 스핀들에서 제거되고 새로운 웨이퍼 캐리어로 교체된다.
분리 가능한 웨이퍼 캐리어의 웨이퍼 운반 영역에 충전 가스를 제공하는 상기 장치의 능력은 상당한 이점을 제공한다. 전술한 바와 같이, 예를 들면, 인용에 의해 그 개시내용이 본 명세서에 포함되는, 미국특허 제685,774호 및 미국 공개특허공보 제20090155028호에서, 웨이퍼 캐리어와 스핀들 상의 짝을 이루는 피팅들은 용이한 분리(removability) 및 설치(seating)를 제공하고, 또한 확실한 연결도 제공한다. 분리 가능한 웨이퍼 캐리어는 연속적인 프로세스 내내 웨이퍼를 운반하는 데 사용될 수 있다. 챔버가 다른 캐리어에 대한 동작이 남아 있는 동안에, 웨이퍼는 실리고 내려질 수 있다. 또, 캐리어는 쉽게 세정할 수 있다. 흐름 가스 연결은, 전술한 바와 같이, 이러한 이점들을 유지하는 동시에, 탈착 가능한 웨이퍼 캐리어에 흐름 가스의 효과적인 연결을 가능하게 한다.
이상에서 설명한 특징들의 수많은 조합을 채용할 수 있다. 웨이퍼 캐리어는 이상에서 도시하고 설명한 것보다 많거나 적은 웨이퍼 운반 영역을 포함할 수 있다. 웨이퍼 운반 영역의 구성은 변경될 수 있다. 제어 시스템은 웨이퍼로부터의 방출을 나타내는 신호와 웨이퍼 캐리어부터의 방출을 나타내는 신호 간을 앞서 설명한 것과 다른 방식으로 구별할 수 있다. 예를 들면, 웨이퍼 캐리어의 회전 위치는 프로세스 중에 스핀들에 대해 고정된 채로 유지된다. 그러므로, 제어 시스템은 스핀들의 회전 위치를 나타내는 신호를 공급할 수 있고, 이 신호들을 고온계로부터의 방출 신호 중 어느 샘플이 웨이퍼의 에지를 나타내는 것이고 웨이퍼의 중심을 나타내는 것인지를 결정하는 데 사용할 수 있다.
프로세스 중에 온도 변화의 패턴을 모니터링하는 것이 필수적인 것은 아니다. 일정한 조성과 두께의 웨이퍼와 일정한 구성의 웨이퍼 캐리어를 사용하는 일정한 웨이퍼 처리 프로세스의 경우, 교정 조치가 없는 프로세스에 발생하는 온도 비균일성의 패턴은 반복될 수 있을 것이다. 그러므로, 시간이 흐름에 따라 충전 가스 유량, 조성, 또는 이 둘 다의 변화에 있어 일정한 패턴은 표면 온도 분포에서의 이러한 바람지하지 못한 변화를 억제하는 경향이 있다. 이 패턴은, 예를 들면, 전술한 바와 같은 모니터링, 및 충전 가스 유량, 조성, 또는 이 둘 다의 변화 패턴의 기록을 수행하는 장비를 사용한 프로토타입 프로세스를 실행함으로써, 실험적으로 결정될 수 있다. 그 후 이 패턴은 온도 변화의 패턴의 적극적인 모니터링 없이 제어 시스템에 의해 반복될 수 있다. 다른 변형예에서, 시간이 흐름에 따라 충전 가스 유량, 조성, 또는 이 둘 다의 변화 패턴은 몇 개의 상이한 패턴을 사용한 웨이퍼의 처리, 이 웨이퍼들의 특성 측정, 및 최선의 특성을 제공하는 패턴의 선택에 의해 선택될 수 있다. 예를 들면, 광루미네선스(photoluminescence) 파장, 반도체의 표면 저항(sheet resistance), 표면 형상(surface morphology), 또는 프로세스 중의 표면 온도와 관련 있는 기타 특성과 같은 하나 이상의 특성이 제1 패턴을 사용한 프로세스에서 형성된 각 웨이퍼 상의 복수의 지점에서 측정될 수 있다. 시간이 흐름에 따라 충전 가스 조성 및 유량의 패턴은 관찰된 웨이퍼의 특성의 변화에 기초하여 조정될 수 있다. 이 절차는 원하는 결과를 얻을 때까지 반복될 수 있다.
설명한 바와 같이, 예를 들면, 그 개시내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함되는, 일반적으로 미국 가특허출원 번호 제61/190,494호와 미국 특허출원 번호 제12/549,768호가 부여된 동시계속출원(co-pending)에서, 포켓의 하면은 평평하지 않은 면을 가질 수 있다. 예를 들면, 포켓의 하면은, 웨이퍼가 평평할 때 웨이퍼의 중심에서 작은 갭을 제공하기 위해 에지에서보다 중심에서 약간 높을 수 있다. 또한 상기 가특허출원 제61/190,494호에 기술된 바와 같이, 웨이퍼 캐리어의 하면은, 각 포켓을 운반하는 영역에서 웨이퍼 캐리어 본체의 열 저항의 차이를 제공하기 위해 평평하지 않은 형상부를 가질 수 있다. 또 다른 변형예에서, 웨이퍼 캐리어 본체는 캐리어 본체의 주변 물질보다 높은 열 저항을 가지는 계면(인터페이스)를 제공하기 위해 복수의 부분으로 형성될 수 있다. 이러한 구성은, 예를 들면 미국 공개특허공보 제20070186853호에 기재되어 있으며, 그 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
다른 변형예에서, 스핀들, 웨이퍼 캐리어, 또는 이 둘 다의 충전 가스 전달 특성은, 웨이퍼 캐리어의 상이한 웨이퍼 유지 영역들에 대해 충전 가스의 상이한 흐름을 제공하기 위해 변화될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 각 웨이퍼 캐리어의 피팅(200)은 전술한 피팅(100)과 유사한 대략 원뿔대형의 피팅일 수 있다. 웨이퍼 캐리어는 피팅의 상부 근처의 제1 포트 세트에 연결되는 제1 도관 세트를 포함할 수 있다. 이 도관들은 웨이퍼 캐리어의 중심축 근처의 제1 포켓 세트와 같은 제1 웨이퍼 유지 세트와 연결될 수 있다. 웨이퍼 캐리어는 또한, 예를 들면, 피팅의 상면(204)에서 더 나아간 위치와 같이, 제1 포트 세트로부터 축 방향으로 떨어진 위치에 피팅 내로 개방되는 제2 포트 세트(211)를 포함할 수 있다. 도관(209)은 바람직하게, 예를 들면, 웨이퍼 캐리어의 주변 근처의 포켓 세트와 같은, 제2 웨이퍼 유지 영역의 제2 도관 세트(209)를 포함할 수 있다. 스핀들(220)은 도 2를 참조하여 앞서 설명한 피팅(224)과 유사한 대략 원뿔대형의 수형 피팅(224)을 포함할 수 있다. 피팅(224)은 스핀들의 중심축(222) 주위에 원주 방향으로 연장되는 그루브(225)를 가질 수 있다. 이 스핀들은 그루브(225)와 통하는 유출 포트(231)를 가지는 제2 가스 통로(229)를 포함할 수 있다. 제1 가스 통로(228) 및 제2 가스 통로(229)는 충전 가스 제어 요소의 세트를 분리하도록 개별 회전 연결부(도시되지 않음)를 통해 연결되어 있다. 피팅(220)과 피팅(224)이 서로 맞물릴 때, 스핀들 상의 동작 상태에 있는 웨이퍼 캐리어에 의해, 제1 포트 세트(210)와 제1 도관 세트가 피팅(224)의 상단과 피팅(100)의 상면 사이의 공간과 통하는 상태이고, 따라서 제2 충전 가스 통로(229)와 통하는 상태이다. 따라서, 상이한 세트의 웨이퍼 유지 영역에 공급되는 충전 가스는 독립적으로 조절될 수 있다.
다른 변형예에서는, 둘 이상의 구역(zone)이 제공될 수 있다. 전술한 원뿔대형의 피팅 이외의 분리 가능한 피팅이 사용될 수 있다. 예를 들면, 앞서 언급한 미국특허 제6,685,774호와 미국 공개특허공보 제2009155028호에 도시된 것과 같은 다른 피팅이 사용될 수 있다.
본 발명은, 예를 들면, 웨이퍼의 화학 기상 증착, 화학적 에칭, 등과 같은, 각종 웨이퍼 처리에 적용될 수 있다.
전술한 특징들의 이러한 변형예들과 다른 변형예 및 조합이 적용될 때, 전술한 바람직한 실시예들에 대한 설명은, 청구범위에 의해 정의되는 본 발명을 한정하는 것이 아니라 설명하는 것으로 받아들여져야 한다.

Claims (22)

  1. (a) 각 웨이퍼의 하면과 캐리어의 대향면 사이에 갭을 형성한 상태에서 각 웨이퍼의 하면이 캐리어의 표면과 직면하고 각 웨이퍼의 상면이 노출되도록, 상기 캐리어 상에 하나 이상의 웨이퍼를 유지하는 단계;
    (b) 각 웨이퍼의 상기 하면과 상기 캐리어의 대향면 사이의 갭을 가로질러 상기 캐리어로부터의 열 전달에 의해 상기 웨이퍼를 적어도 부분적으로 가열하는 단계;
    (c) 상기 가열하는 단계 동안에, 상기 웨이퍼의 노출된 상면에 하나 이상의 프로세스 가스를 인가하는 단계; 및
    (d) 상기 인가하는 단계 동안에, 각 웨이퍼의 상기 하면과 상기 캐리어의 대향면 사이의 갭에 배치된 충전 가스의 열전도도를 변화시키는 단계
    를 포함하는 웨이퍼 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 상면의 온도 분포를 모니터링하는 단계를 더 포함하고,
    상기 충전 가스의 열전도도를 변화시키는 단계는 상기 모니터링하는 단계의 결과에 대한 응답으로 적어도 부분적으로 수행되는, 웨이퍼 처리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 웨이퍼는, 상기 인가하는 단계 동안에 시간이 흐름이 따라 상기 갭의 형태가 변화하도록 비틀리고,
    상기 충전 가스의 전도도의 변화는 상기 웨이퍼의 상면의 온도 분포에 대해 그러한 형태 변화의 효과에 적어도 부분적으로 대항하는, 웨이퍼 처리 방법.,
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캐리어 상에 하나 이상의 웨이퍼를 유지하는 단계는, 각 웨이퍼의 상면이 상기 캐리어의 상면과 실질적으로 동일 평면이 되도록 상기 캐리어의 상면에 의해 형성된 포켓들 내에 복수의 웨이퍼를 유지하는 단계를 포함하는, 웨이퍼 처리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캐리어 상에 복수의 웨이퍼를 유지하는 단계는 상기 웨이퍼의 외연에서만 각 웨이퍼를 지지하는 단계를 포함하는, 웨이퍼 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    각 웨이퍼를 지지하는 단계는 상기 캐리어와 일체인 복수의 지지체에 의해 상기 웨이퍼를 지지하는 단계를 포함하고, 상기 지지체는 상기 웨이퍼의 외연 주위에 이격되어 있는, 웨이퍼 처리 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 각 웨이퍼의 상기 하면과 상기 캐리어의 대향면 사이의 갭에 배치된 충전 가스의 열전도도를 변화시키는 단계는, 충전 가스를 상기 갭에 공급하는 단계 및 상기 공급되는 충전 가스의 조성과 상기 공급되는 충전 가스의 유량 중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함하는, 웨이퍼 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프로세스 가스의 하나 이상의 구성 성분이 상기 웨이퍼의 상면에 퇴적물을 형성하는, 웨이퍼 처리 방법.
  9. (a) 각 웨이퍼의 하면과 캐리어의 표면 사이에 갭을 형성한 상태에서 각 웨이퍼의 하면이 캐리어의 표면과 겹쳐지고 각 웨이퍼의 상면이 노출되도록, 상기 캐리어 상에 하나 이상의 웨이퍼를 유지하는 단계;
    (b) 상기 갭을 가로질러 상기 캐리어로부터의 열 전달에 의해 상기 웨이퍼를 적어도 부분적으로 가열하는 단계;
    (c) 상기 가열하는 단계 동안에, 상기 프로세스 가스가 상기 웨이퍼의 외연에서 상기 갭 내로 들어가기 쉽도록 상기 웨이퍼의 상면 및 상기 캐리어를 프로세스 가스 혼합물에 노출시키는 단계; 및
    (d) 상기 노출시키는 단계 동안에, 각 웨이퍼 아래의 상기 갭 내의 상기 충전 가스의 농도에 경사가 있도록 각 웨이퍼 아래의 상기 갭 내로 상기 프로세스 가스와는 상이한 열전도도를 가지는 충전 가스를 공급하는 단계
    를 포함하는 웨이퍼 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 충전 가스를 공급하는 단계는, 상기 갭 내의 가스의 조성을 변화시키기 위해 상기 충전 가스의 유량과 상기 충전 가스의 조성 중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함하는, 웨이퍼 처리 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 상면의 온도 분포를 모니터링하는 단계를 더 포함하고,
    상기 변화시키는 단계는 상기 모니터링하는 단계의 결과에 대한 응답으로 적어도 부분적으로 수행되는, 웨이퍼 처리 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 충전 가스를 공급하는 단계는 상기 웨이퍼의 중심에 인접한 상기 캐리어 내의 포트를 통해 각 갭 내로 상기 충전 가스를 도입함으로써 수행되는, 웨이퍼 처리 방법.
  13. (a) 처리 챔버;
    (b) 상하 방향으로 연장되는 축에 대해 회전하도록 상기 챔버 내에 장착되는 스핀들 - 상기 스핀들은 상단 및 상기 스핀들의 상단에 인접한 개구부를 가지는 가스 통로를 가지고, 상기 스핀들의 상단은 웨이퍼 캐리어가 상기 스핀들에 기계적으로 연결되고, 또한 상기 웨이퍼 캐리어의 가스 도관이 상기 가스 통로의 개구부와 통하도록, 상기 웨이퍼 캐리어 분리 가능하게 맞물리도록 구성됨 -; 및
    (c) 상기 스핀들의 가스 통로와 통하는 유입구를 가지는 회전 연결부
    를 포함하는 웨이퍼 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    (d) 상기 스핀들을 상기 축에 대해 회전시키는 모터 드라이브를 더 포함하는 웨이퍼 처리 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    (e) 상기 챔버 상단에 인접하여 상기 챔버에 장착되고, 프로세스 가스를 상기 스핀들을 향해 그리고 상기 스핀들 상에 탑재된 웨이퍼 캐리어를 행해 아래쪽으로 보내도록 구성 및 배치된, 가스 유입 요소; 및
    (f) 상기 스핀들 상에 탑재 운반되는 웨이퍼 캐리어를 가열하도록 상기 챔버 내에 배치된 히터를 더 포함하는 웨이퍼 처리 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 스핀들의 상단은, 상단과 하단을 가지는 끝이 가늘어지는 부분(tapered section)을 포함하고,
    상기 가스 통로의 개구부는 상기 끝이 가늘어지는 부분의 하단 위에 배치되어 있는, 웨이퍼 처리 장치.
  17. (a) 중심축과 상기 중심축에 가로 놓인 상면을 규정하는 본체 - 상기 본체는 웨이퍼들의 상면이 노출되고 또한 각 웨이퍼의 하면과 본체의 표면 사이에 갭이 존재하도록, 복수의 웨이퍼를 유지하도록 구성된 웨이퍼 유지 형상부를 가짐 -;
    (b) 가스 도관에 공급된 충전 가스가 상기 웨이퍼의 하면과 상기 본체 사이의 갭 내로 이동하도록 상기 본체의 웨이퍼 유지 형상부까지 연장되는 하나 이상을 가스 도관을 규정하는 구조체; 및
    (c) 상기 본체의 중심축에 있고, 웨이퍼 처리 장치의 스핀들에 분리 가능하게 맞물리며, 하나 이상의 상기 가스 도관이 상기 스핀들의 하나 이상의 가스 통로와 통하게 상기 스핀들 상에 상기 웨이퍼 캐리어를 유지하도록 구성되는, 피팅
    을 포함하는 웨이퍼 캐리어.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 피팅은 상기 스핀들을 수용하기 위해 아래 방향으로 개방된 리세스를 규정하고,
    상기 하나 이상의 가스 도관은 상기 리세스와 통하는, 웨이퍼 캐리어.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 리세스는 위 방향으로 끝이 가늘어지는, 웨이퍼 캐리어.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 웨이퍼 유지 형상부는 상기 본체의 상면에 복수의 포켓을 포함하고,
    상기 가스 도관은 상기 포켓과 통하는, 웨이퍼 캐리어.
  21. 제20항에 있어서,
    각 포켓은, 상면 아래로 오목한 바닥면, 상기 바닥면에서 위쪽으로 상기 상면까지 연장되는 주변 벽, 및 상기 바닥면 위로 연장되지만 상기 상면 아래까지 연장되어 상기 바닥면 위의 웨이퍼를 지지하는 복수의 지지체를 포함하는, 웨이퍼 캐리어.
  22. 제21항에 있어서,
    각 바닥면은 상기 포켓의 중심에 인접하여 배치된 포트를 가지고,
    상기 도관은 상기 포트를 통해 상기 포켓과 통하는, 웨이퍼 캐리어.
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