KR20180030231A - 밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 예열 공정 - Google Patents

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맷슨 테크놀로지, 인크.
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Abstract

밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 에열 공정이 제공된다. 일 예시적인 실시에에서, 예열 공정은, 밀리세컨드 어닐 시스템의 처리 챔버 내의 웨이퍼 지지 플레이트 상에 기판을 수용하는 단계; 온도 센서를 이용하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정을 얻는 단계; 및 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 예열 레시피(preheat recipe)를 적용하는 단계를 구비할 수 있다. 일 예시적인 실시에에서, 예열 공정은 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 웨이퍼 지지 플레이트의 시야(field of view)를 갖는 온도 센서로부터 하나 이상의 온도 측정을 얻는 단계; 및 상기 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여, 상기 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 맥동성 예열 레시피(pulsed preheat recipe)를 적용하는 단계를 구비할 수 있다.

Description

밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 예열 공정
본 출원은 2015년 12월 30일자로 "밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 예열 공정(Pre-heat Process for Millisecond Anneal System)"의 명칭으로 출원된 미국 가출원 62/272,811호를 우선권으로 하며, 그 내용은 본원에 참고로 편입된다.
본 개시내용은 일반적으로 열처리 챔버와, 더 구체적으로 반도체 기판 등의 기판을 처리하는데 이용되는 밀리세컨드 어닐 열처리 챔버에 관한 것이다.
밀리세컨드 어닐 시스템은 실리콘 웨이퍼 등의 기판의 초고속 열처리를 위한 반도체 처리에 이용될 수 있다. 반도체 처리에서, 신속한 열처리는 임플란트 손상을 보수하고, 증착된 층의 품질을 개선하고, 층 계면부의 품질을 개선하여 도펀트를 활성화하고, 다른 목적을 성취하는 동시에, 도펀트 종(dopant species)의 확산을 제어하도록 어닐 단계로서 이용될 수 있다.
반도체 기판의 밀리세컨드 또는 초고속 온도처리는 104℃/초를 초과할 수 있는 속도로 기판의 전체 상부면을 가열하도록 강렬하고 짧은 광 노출을 이용하여 성취될 수 있다. 기판의 일 표면만에 대한 신속한 가열은 기판의 두께를 통해 높은 온도 구배를 생성하는 한편, 대부분의 기판은 광 노출 전의 온도를 유지할 수 있다. 따라서, 대부분의 기판은 상부면의 신속한 냉각 속도를 일으키는 히트 싱크로서 작용한다.
본 개시내용의 실시예에 대한 관점 및 이점은 하기의 설명에서 부분적으로 기술되거나, 또는 그 설명으로부터 알 수 있거나, 혹은 그 실시예에 대한 실시를 통해 알 수 있다.
본 개시내용의 일례의 관점은 밀리세컨드 어닐 시스템(millisecond anneal system)을 위한 예열 공정에 관한 것이다. 상기 예열 공정은 밀리세컨드 어닐 시스템의 처리 챔버 내의 웨이퍼 지지 플레이트 상에 기판을 수용하는 단계를 구비한다. 상기 처리 챔버는 상부 챔버와 하부 챔버로 나뉜다. 상기 공정은 온도 센서를 이용하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정을 얻는 단계를 구비한다. 상기 공정은 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 예열 레시피(preheat recipe)를 적용하는 단계를 구비한다.
본 개시내용의 또 다른 일례의 관점은 밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 온도 측정 시스템에 관한 것이다. 상기 온도 측정 시스템은 약 450℃ 미만의 처리 온도에서 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 기판의 하나 이상의 온도 측정을 얻도록 구성된 원적외선 온도 센서(far infrared temperature sensor)를 구비한다. 상기 밀리세컨드 어닐 시스템은 웨이퍼 평면 플레이트를 갖는 처리 챔버를 구비할 수 있다. 상기 웨이퍼 평면 플레이트는 상기 처리 챔버를 상부 챔버와 하부 챔버로 나눌 수 있다. 상기 온도 측정 시스템은 약 450℃ 미만의 처리 온도에서 상기 기판의 온도를 결정하기 위해 상기 온도 센서로부터의 측정을 처리하도록 구성된 처리 회로를 구비할 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 일례의 관점은 밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 예열 공정에 관한 것이다. 상기 예열 공정은 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 웨이퍼 지지 플레이트의 시야(field of view)를 갖는 온도 센서로부터 하나 이상의 온도 측정을 얻는 단계를 구비한다. 상기 밀리세컨드 어닐 시스템은 상부 처리 챔버와 하부 처리 챔버로 나뉜 처리 챔버를 갖는다. 상기 공정은 상기 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여, 상기 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 맥동성 예열 레시피(pulsed preheat recipe)를 적용하는 단계를 구비한다. 상기 맥동성 예열 레시피의 적용 동안에 상기 웨이퍼 지지 플레이트 상에는 기판이 없다.
본 개시내용의 예시적인 관점에 대한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다.
본 개시내용의 다른 예시적인 관점은 반도체 기판을 열처리하기 위한 시스템, 레시피, 장치 및 공정에 관한 것이다.
각종 실시예에 대한 특징, 관점 및 이점은 하기의 설명 및 첨부한 청구범위를 참조하면 더욱 잘 이해될 것이다. 본 명세서의 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부한 도면은 본 개시내용의 실시예를 기술하고, 그 설명과 함께 관련된 원리를 설명하게 된다.
당업자에게 관한 실시예에 대한 상세한 설명이 첨부한 도면을 참조하여 본 명세서에 기술된다.
도 1은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 밀리세컨드 어닐 가열 프로파일에 대한 도면,
도 2는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템의 일부에 대한 예시적인 사시도,
도 3은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템에 대한 분해도,
도 4는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템에 대한 단면도,
도 5는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템에 이용되는 예시적인 램프에 대한 사시도,
도 6은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템의 웨이퍼 평면 플레이트에 이용되는 예시적인 에지 반사기에 대한 도면,
도 7은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템에 이용될 수 있는 예시적인 반사기에 대한 도면,
도 8은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템에 이용될 수 있는 예시적인 아크 램프에 대한 도면,
도 9-10은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 아크 램프에 대한 작동을 도시한 도면,
도 11은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 전극에 대한 단면도,
도 12는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템에 이용되는 예시적인 아크 램프에 물과 가스(예컨대, 아르곤 가스)를 공급하기 위한 예시적인 폐쇄 루프 시스템에 대한 도면,
도 13은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 예시적인 온도 측정 시스템에 대한 도면,
도 14는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따라 반도체 기판을 중간 온도로 가열하기 위한 텅스텐 할로겐 램프를 갖는 예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템의 도면,
도 15는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 공정에 대한 흐름도,
도 16은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 결정하도록 구성된 고온계 온도 센서를 갖는 예시적인 처리 챔버에 대한 도면,
도 17은 석영으로 제조된 웨이퍼 지지 플레이트와 관련된 일반적인 열방출 스펙트럼을 도시한 도면,
도 18은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 완화에 의한 웨이퍼 지지 플레이트 온도 분포에 대한 그래프,
도 19는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 공정에 대한 흐름도,
도 20은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 맥동성 예열 레시피를 도시한 도면,
도 21은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 맥동성 예열 레시피를 도시한 도면,
도 22는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 원적외선 온도 센서를 갖는 예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템을 도시한 도면.
실시예에 대해 상세하게 참조될 것이고, 그 실시예의 하나 이상의 예는 도면에 도시된다. 각각의 예는 실시예에 대한 설명으로서 제공되며, 본 개시내용을 제한하지 않는다. 실제로, 본 개시내용의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고서 각종 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 예컨대, 일 실시예의 일부로서 도시 또는 기술된 특징이 또 다른 실시예를 산출하도록 다른 실시예와 함께 이용될 수 있다. 이에 따라, 본 개시내용의 관점은 이러한 변경 및 수정을 포함하도록 의도된다.
개요
본 개시내용의 예시적인 관점은 기판의 밀리세컨드 열처리 동안에 제1 기판(예컨대, 실리콘 웨이퍼) 영향을 감소시키도록 밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 예열 공정에 관한 것이다. 본 개시내용의 관점은 도시 및 설명을 위해 "웨이퍼" 또는 반도체 웨이퍼를 참조하여 기술된다. 본원에 제공된 개시내용을 이용하여 당업자는 본 개시내용의 예시적인 관점이 임의의 워크피스, 반도체 기판 또는 다른 적절한 기판과 관련하여 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 수치와 관련된 용어 "약"에 대한 사용은 기술된 수치의 10% 이내를 지칭하도록 의도된다.
밀리세컨드 어닐 처리 챔버 내의 반도체 기판에 대한 열처리는 104℃/초를 초과할 수 있는 속도로 웨이퍼의 전체 상부면을 가열하도록 강렬하고 짧은 광 노출(예컨대, "플래시")을 이용하여 성취될 수 있다. 일반적인 열처리 사이클은, (a) 챔버 내에 저온 반도체 기판을 반입하는 단계; (b) 예컨대 질소 가스(대기압)로 챔버를 퍼징하는 단계; (c) 반도체 기판을 중간 온도(Ti)로 가열하는 단계; (d) 반도체 기판의 상부면에 대한 플래시 노출에 의해 밀리세컨드 가열하는 한편, 대부분의 웨이퍼를 Ti로 유지하는 단계; (e) 반도체 기판의 상부면을 전도성으로 결합된 히트 싱크인 대부분의 반도체 기판으로 전도성 냉각; (f) 냉각제로서 대기압에서 공정 가스에 의한 열방사 및 대류에 의해 대부분의 반도체 기판에 대한 서냉; 및 (g) 반도체 기판을 카세트로 다시 운반하는 단계를 구비할 수 있다.
열처리 사이클(예컨대, 지속기간, 온도 설정점, 가열 속도 등)에서의 처리 단계의 정확한 변수는 공정 레시피에서 규정될 수 있다. 공정 레시피는 편집가능하여 사용자에 의해 변경될 수 있다. 상기 레시피는 하나 이상의 전자 시스템 제어기에 의해 런타임 시에 수행될 수 있다. 제어기(들)는 하나 이상의 프로세서 및 하나 이상의 메모리 장치를 구비할 수 있다. 메모리 장치는 하나 이상의 프로세서에 의해 수행될 때, 제어기(들)가 상기 레시피를 실시하게 하는 컴퓨터 판독가능한 지시로서 상기 레시피를 저장할 수 있다.
상기 시스템은 하나 이상의 메모리 장치 내에 저장된 다수의 사전 정의된 레시피를 가질 수 있다. 적용 또는 열처리 타입이 결정되어 그 레시피가 수행된다. 반도체 기판은, 예컨대 25개 반도체 기판 또는 다른 적절한 입력 메커니즘을 보유하는 카세트를 수용하는 FOUP(Front Opening Unified Pods: 전방개방 통합포드)에 의해 상기 시스템 상에 반입될 수 있다. 25개 반도체 기판의 엔티티는 반도체 기판의 "배치(batch)" 또는 "로트(lot)"를 구성할 수 있다. 일반적으로, 로트는 동일한 공정 레시피로 처리된다. 동일한 레시피를 갖는 처리 레시피들 간의 중단이 없다면, 상기 시스템은 연속 모드에서 계속하도록 할 수 있다.
상세하게 후술되는 바와 같이, 이러한 처리 사이클이 수행되는 처리 챔버는, (1) 예컨대 석영유리로 제조된 웨이퍼 지지 플레이트; (2) 높은 반사성 수냉식 알루미늄 플레이트로 제조된 챔버; (3) 수냉식 석영유리로 제조된, 가열 광을 위해 투명한 상부 및 하부의 워터 윈도우를 구비할 수 있다. 웨이퍼 지지 플레이트를 제외하고, 챔버의 모든 구성요소는 능동적으로 냉각될 수 있고, 반도체 기판의 열처리 동안에 일정한 온도로 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 웨이퍼 지지 플레이트는 능동적으로 냉각되지 않는다.
냉각 시스템으로 시동하는 경우, 각 열처리 사이클은 반도체 기판이 가열될 때 능동적으로 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하고, 사이클의 쿨다운 동안에 웨이퍼 지지 플레이트를 냉각한다. 가열 상(heating phase)이 일반적으로 냉각 상(cooling phase)보다 더 주요함에 따라, 상기 플레이트의 평균 온도는 평형 온도(equilibrium temperature)에 도달할 때까지 각 사이클과 함께 증가하고 있다. 평형 온도에 도달할 때까지, 열처리를 받는 모든 반도체 기판은 상이한 열방사 배경을 만나서, 열처리의 열적 효율성 및 그에 따른 공정 결과에 영향을 미친다. 양호한 반복성을 성취하기 위해, 저온 처리 챔버는 평형 온도로 예열될 필요가 있을 수 있다. 이는 다수의 예열 더미 웨이퍼 상에 공정 레시피를 수행함으로써 성취될 수 있다. 예컨대, 6개의 예열 더미 웨이퍼가 이러한 목적을 위해 이용될 수 있고, 제1 로트가 처리되기 전에 러닝될 수 있다. 상기 시스템이 연속 모드로 러닝되고 있을 때에는, 웨이퍼 지지 플레이트가 평형 온도로 자동으로 정지하고 있음에 따라, 예열 더미 웨이퍼를 필요로 하지 않는다.
더미 웨이퍼의 하측부는 예열 더미 웨이퍼가 요구되고, 예열 사이클이 상당한 양의 처리 시간을 차지한다는 점이다. 이는 상기 시스템이 연속 모드에서 계속 러닝될 수 없거나 또는 각종 적용이 러닝되어야 할 때 특히 그러하며, 각각은 웨이퍼 지지 플레이트의 상이한 평형 온도를 요구한다. 그 결과, 예열 더미 웨이퍼는 로트들 간에 러닝되어야 할 수 있다.
본 개시내용의 예시적인 관점은 예열 처리 시간을 감소시키고 그리고/또는 처리 챔버를 평형 온도로 예열하도록 더미 웨이퍼의 개수를 감소시키는 것에 관한 것이다. 이로써, 밀리세컨드 어닐 시스템의 작동 효율이 개선될 수 있다.
예컨대, 일 예시적인 실시예는 밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 예열 공정에 관한 것이다. 상기 공정은 밀리세컨드 어닐 시스템의 처리 챔버 내의 웨이퍼 지지 플레이트 상에 기판을 수용하는 단계를 구비할 수 있다. 상기 처리 챔버는 상부 챔버와 하부 챔버로 나뉠 수 있다. 상기 공정은 온도 센서를 이용하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정을 얻는 단계; 및 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 예열 레시피(preheat recipe)를 적용하는 단계를 구비할 수 있다.
이러한 예시적인 실시예에 변경 및 수정이 이루어질 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 상기 웨이퍼 지지 플레이트는 석영 물질일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 기판은 더미 반도체 기판을 구비할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 예열 레시피를 적용하는 단계는, 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 사전 설정 온도에 도달할 때까지 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 예열 레시피를 적용하는 단계를 구비할 수 있다. 상기 웨이퍼 지지 플레이트가 상기 사전 설정 온도에 도달할 때, 상기 공정은, 상기 예열 레시피를 중지하는 단계; 및 상기 처리 챔버 내의 제2 기판에 공정 레시피를 적용하는 단계를 구비할 수 있다. 상기 공정 레시피는 상기 예열 레시피와는 상이하다.
일부 실시예에서, 상기 예열 레시피는, 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 하부 처리 챔버에 근접하게 위치된 하나 이상의 연속적인 모드 램프를 이용하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트와 상기 기판을 가열하는 단계를 특정한다. 상기 하나 이상의 연속적인 모드 램프는 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여 제어된다.
일부 실시예에서, 상기 온도 센서는 약 4 ㎛보다 큰 파장과 관련된 측정 온도를 갖는 고온계(pyrometer)를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 온도 센서는 상기 하부 챔버 내에 위치되고, 상기 밀리세컨드 어닐 시스템의 워터 윈도우에 의해 방해 없이 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 시야(field of view)를 갖는다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 실시예는 밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 온도 측정 시스템에 관한 것이다. 상기 온도 측정 시스템은 약 450℃ 미만, 예컨대 약 300℃ 미만, 예컨대 약 250℃ 미만의 처리 온도에서 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 기판의 하나 이상의 온도 측정을 얻도록 구성된 원적외선 온도 센서(far infrared temperature sensor)를 구비할 수 있다. 상기 밀리세컨드 어닐 시스템은 웨이퍼 평면 플레이트를 갖는 처리 챔버를 구비할 수 있다. 상기 웨이퍼 평면 플레이트는 상기 처리 챔버를 상부 챔버와 하부 챔버로 나눌 수 있다. 상기 온도 측정 시스템은 약 450℃ 미만, 예컨대 약 300℃ 미만, 예컨대 약 250℃ 미만의 처리 온도에서 상기 기판의 온도를 결정하기 위해 상기 온도 센서로부터의 측정을 처리하도록 구성된 처리 회로를 구비할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 원적외선 온도 센서는 약 8 ㎛ 내지 약 14 ㎛의 스펙트럼 범위와 관련된 고온계를 구비한다. 일부 실시예에서, 상기 원적외선 온도 센서는 밀리세컨드 어닐 시스템의 상부 챔버의 코너 내에 장착된다. 상기 원적외선 온도 센서는 상기 밀리세컨드 어닐 시스템의 워터 윈도우에 의해 방해받지 않는다.
일부 실시예에서, 상기 온도 측정 시스템은 상기 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 측정하도록 구성된 제2 온도 센서를 더 구비한다. 상기 제2 온도 센서는 하부의 처리 챔버 내에 위치될 수 있으며 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 시야를 갖는다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 실시예는 밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 예열 공정에 관한 것이다. 상기 예열 공정은 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 웨이퍼 지지 플레이트의 시야를 갖는 온도 센서로부터 하나 이상의 온도 측정을 얻는 단계를 구비할 수 있다. 상기 밀리세컨드 어닐 시스템은 상부 처리 챔버와 하부 처리 챔버로 나뉜 처리 챔버를 가질 수 있다. 상기 공정은 상기 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여, 상기 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 맥동성 예열 레시피(pulsed preheat recipe)를 적용하는 단계를 구비한다. 상기 맥동성 예열 레시피의 적용 동안에 상기 웨이퍼 지지 플레이트 상에는 기판이 없다. 일부 실시예에서, 상기 웨이퍼 지지 플레이트는 석영 물질이다.
일부 실시예에서, 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 맥동성 예열 레시피를 적용하는 단계는, 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 사전 설정 온도에 도달할 때까지 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 상기 예열 레시피를 적용하는 단계를 포함한다. 상기 웨이퍼 지지 플레이트가 상기 사전 설정 온도에 도달할 때, 상기 공정은, 상기 예열 레시피를 중지하는 단계; 및 상기 처리 챔버 내의 제2 기판에 공정 레시피를 적용하는 단계를 구비할 수 있다. 상기 공정 레시피는 상기 예열 레시피와는 상이하다.
일부 실시예에서, 상기 맥동성 예열 레시피는 광을 가열하는 복수의 펄스를 특정할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 온도 센서는 약 4 ㎛보다 큰 파장과 관련된 측정 온도를 갖는 고온계를 구비할 수 있다.
예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템
예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템은, 예컨대 약 104℃/초를 초과할 수 있는 속도로 웨이퍼의 전체 상부면을 가열하도록 강렬하고 짧은 광 노출을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 1은 밀리세컨드 어닐 시스템을 이용하여 성취된 반도체 기판의 예시적인 온도 프로파일(100)을 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 대부분의 반도체 기판(예컨대, 실리콘 웨이퍼)은 램프 상(ramp phase)(102) 동안에 중간 온도(Ti)로 가열된다. 중간 온도는 약 450℃ 내지 약 900℃ 범위일 수 있다. 중간 온도(Ti)에 도달하면, 반도체 기판의 상측부는 최대 약 104℃/초의 가열 속도를 초래하는 매우 짧고 강렬한 광 플래시에 노출될 수 있다. 원도우(110)는 짧고 강렬한 광 플래시 동안의 반도체 기판의 온도 프로파일을 나타낸다. 곡선(112)은 플래시 노출 동안의 반도체 기판의 상부면에 대한 급속한 가열을 나타낸다. 곡선(116)은 플래시 노출 동안의 반도체 기판의 대부분 또는 나머지 부분의 온도를 도시한다. 곡선(114)은 히트 싱크로서 작용하는 대부분의 반도체 기판에 의한 반도체 기판의 상부면의 냉각에 대한 전도에 의해 급속한 냉각을 나타낸다. 대부분의 반도체 기판은 기판을 위한 높은 상측부 냉각 속도를 발생시키는 히트 싱크로서 작용한다. 곡선(104)은 냉각제로서 처리 가스에 의해 열방사 및 대류에 의한 대부분의 반도체 기판의 느린 냉각을 나타낸다.
예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템은 반도체 기판의 상부면에 대한 강렬한 밀리세컨드의 긴 노출, 소위 "플래시"를 위한 광원으로서 복수의 아크 램프(예컨대, 4개의 아르곤 아크 램프)를 구비할 수 있다. 상기 플래시는 기판이 중간 온도(예컨대, 약 450℃ 내지 약 900℃)로 가열되었을 때에 반도체 기판에 가해질 수 있다. 복수의 연속적인 모드 아크 램프(예컨대, 2개의 아르곤 아크 램프)가 반도체 기판을 중간 온도로 가열하는데 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 반도체 기판을 중간 온도로 가열하는 것은 웨이퍼의 전체 부피를 가열하는 램프 속도로 반도체 기판의 하부면을 통해 성취된다.
도 2 내지 5는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템(80)에 대한 각종 관점을 도시한다. 도 2-4에 도시한 바와 같이, 밀리세컨드 어닐 시스템(80)은 처리 챔버(200)를 구비할 수 있다. 처리 챔버(200)는 웨이퍼 평면 플레이트(210)에 의해 상부 챔버(202)와 하부 챔버(204)로 나뉠 수 있다. 반도체 기판(60)(예컨대, 실리콘 웨이퍼)은 웨이퍼 지지 플레이트(214)(예컨대, 웨이퍼 평면 플레이트(210) 내에 삽입된 석영유리 플레이트)에 장착된 지지 핀(212)(예컨대, 석영 지지핀)에 의해 지지될 수 있다.
도 2 및 4에 도시한 바와 같이, 밀리세컨드 어닐 시스템(80)은 반도체 기판(60)의 상부면에 대한 강렬한 밀리세컨드의 긴 노출, 소위 "플래시"를 위한 광원으로서, 상부 챔버(202)에 근접하에 배치된 복수의 아크 램프(220)(예컨대, 4개의 아르곤 아크 램프)를 구비할 수 있다. 상기 플래시는 기판이 중간 온도(예컨대, 약 450℃ 내지 약 900℃)로 가열되었을 때에 반도체 기판에 가해질 수 있다.
하부 챔버(204)에 근접하게 위치된 복수의 연속적인 모드 아크 램프(240)(예컨대, 2개의 아르곤 아크 램프)가 반도체 기판(60)을 중간 온도로 가열하는데 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 반도체 기판(60)을 중간 온도로 가열하는 것은 반도체 기판(60)의 전체 부피를 가열하는 램프 속도로 반도체 기판의 하부면을 통해 하부챔버(204)로부터 성취된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 하부 아크 램프(240)(예컨대, 반도체 기판을 중간 온도로 가열할 때 사용)로부터 그리고 상부 아크 램프(220)(예컨대, 플래시에 의해 밀리세컨드 가열을 제공할 때 사용)로부터 반도체 기판(60)을 가열하는 광은 워터 윈도우(260)(예컨대, 수냉식 석영유리 윈도우)를 통해 처리 챔버(200)에 도입될 수 있다. 일부 실시예에서, 워터 윈도우(260)는 4 mm 두께의 워터층이 석영 판(panes)을 냉각하도록 순환되고 있는 것과 예컨대 약 1400 nm 이상의 파장에 광 필터를 제공하는 것 사이에 2개의 석영유리 판의 샌드위치를 구비할 수 있다.
도 3에 또 도시한 바와 같이, 처리 챔버 벽(250)은 가열 광을 반사시키기 위한 반사 미러(270)를 구비할 수 있다. 반사 미러(270)는, 예컨대 수냉식 광택 알루미늄 패널일 수 있다. 일부 실시예에서, 밀리세컨드 어닐 시스템에 이용되는 아크 램프의 메인 바디는 램프 방사를 위한 반사기를 구비할 수 있다. 예컨대, 도 5는 밀리세컨드 어닐 시스템(80)에 이용될 수 있는 상부 램프 어레이(220)와 하부 램프 어레이(240) 양자에 대한 사시도를 도시한다. 도시한 바와 같이, 각 램프 어레이(220, 240)의 메인 바디는 가열 광을 반사시키기 위한 반사기(262)를 구비할 수 있다. 이들 반사기(262)는 밀리세컨드 어닐 시스템(80)의 처리 챔버(200)의 반사 표면의 일부를 형성할 수 있다.
반도체 기판의 온도 균일성은 반도체 기판의 상이한 영역 상에 낙하하는 광 밀도를 조작함으로써 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 균일성 조율(uniformity tuning)은 작은 사이즈의 반사기의 반사 등급을 메인 반사기로 변경함으로써 그리고/또는 웨이퍼를 둘러싸는 웨이퍼 지지 평면 상에 장착된 에지 반사기의 사용에 의해 성취될 수 있다.
예컨대, 에지 반사기는 하부 램프(240)로부터 반도체 기판(60)의 에지로 광을 재지향시키는데 이용될 수 있다. 일례로서, 도 6은 하부 램프(240)로부터 반도체 기판(60)의 에지로 광을 지향시키는데 이용될 수 있는 웨이퍼 평면 플레이트(210)의 일부를 형성하는 예시적인 에지 반사기(264)를 도시한다. 에지 반사기(264)는 웨이퍼 평면 플레이트(210)에 장착될 수 있고, 반도체 기판(60)을 둘러싸거나 또는 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다.
일부 실시예에서, 웨이퍼 평면 플레이트(210) 근방의 챔버 벽 상에 추가적인 반사기가 장착될 수도 있다. 예컨대, 도 7은 가열 광을 위한 반사기 미러로서 작용할 수 있는 처리 챔버 벽에 장착될 수 있는 예시적인 반사기를 도시한다. 더 구체적으로, 도 7은 하부 챔버 벽(254)에 장착된 예시적인 웨지 반사기(272)를 도시한다. 또한, 도 7은 상부 챔버 벽(252)의 반사기(270)에 장착된 반사 요소(274)를 도시한다. 반도체 기판(60)의 처리에 대한 균일성은 처리 챔버(200) 내의 웨지 반사기(272) 및/또는 다른 반사 요소(예컨대, 반사 요소(274))의 반사 등급을 변경시킴으로써 조율될 수 있다.
도 8-11은 반도체 기판(60)의 상부면의 강렬한 밀리세컨드의 긴 노출(예컨대, "플래시")을 위한 광원으로서 이용될 수 있는 예시적인 상부 아크 램프(220)에 대한 관점을 도시한다. 예컨대, 도 8은 예시적인 아크 램프(220)의 단면도를 도시한다. 아크 램프(220)는, 예컨대 개방 흐름 아크 램프일 수 있으며, 여기서 아크 방전 동안에 가압된 아르곤 가스(또는 다른 적절한 가스)가 고압 플라즈마로 변환된다. 아크 방전은 음전하 캐소드(222)와 이격된 양전하 애노드(230)(예컨대, 약 300 mm 이격됨) 사이의 석영 튜브(225)에서 일어난다. 캐소드(222)와 애노드(230) 사이의 전압이 아르곤 또는 다른 적절한 가스의 파괴 전압(예컨대, 약 30 kV)에 도달하자마자, 전자기 스펙트럼의 가시적 및 UV 범위에서 광을 방출하는 안정된 낮은 유도 플라즈마가 형성된다. 도 9에 도시한 바와 같이, 램프는 반도체 기판(60)의 처리를 위해 램프에 의해 제공된 광을 반사시키는데 이용될 수 있는 램프 반사기(262)를 구비할 수 있다.
도 10 및 11은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템(80) 내의 아크 램프(220)에 대한 예시적인 작동의 관점을 도시한다. 더 구체적으로, 워터 벽(228)에 의해 내부로부터 수냉된 석영 튜브(225) 내에는 플라즈마(226)가 수용된다. 워터 벽(228)은 램프(220)의 캐소드 단부 상에서 높은 유속으로 주입되어 애노드 단부에서 배출된다. 캐소드 단부에서 램프(220)에 도입되어 애노드 단부로부터 배출되는 아르곤 가스(229)에 대해서도 마찬가지이다. 워터 벽(228)을 형성하는 물은 원심 작용이 물 소용돌이를 발생시키도록 램프 축에 수직하게 주입된다. 이런 이유로, 램프의 중심선을 따라, 아르곤 가스(229)를 위해 채널이 형성된다. 아르곤 가스 칼럼(229)은 워터 벽(228)과 동일한 방향으로 회전하고 있다. 플라즈마(226)가 형성되기만 하면, 워터 벽(228)은 석영 튜브(225)를 보호하고 있고 플라즈마(226)를 중심축에 구속하고 있다. 워터 벽(228)과 전극(캐소드(230)와 애노드(222))만이 고 에너지 플라즈마(226)와 직접 접촉한다.
도 11은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 아크 램프와 함께 이용되는 예시적인 전극(예컨대, 캐소드(230))에 대한 단면도를 도시한다. 도 11은 캐소드(230)를 도시한다. 그러나, 애노드(222)를 위해 유사한 구성이 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 전극이 높은 열부하를 받음에 따라, 전극 중 하나 이상은 각각 팁(232)을 구비할 수 있다. 팁은 텅스텐으로 제조될 수 있다. 팁은 수냉식 구리 히트 싱크(234)에 결합 및/또는 융합될 수 있다. 구리 히트 싱크(234)는 전극의 내부 냉각 시스템(예컨대, 하나 이상의 워터 냉각 채널(236))의 적어도 일부를 구비할 수 있다. 전극은 워터 냉각 채널(236)을 갖는 황동 베이스(235)를 더 구비하여, 물 또는 다른 유체의 순환과, 전극의 냉각을 제공할 수 있다.
본 개시내용의 관점에 따른 예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템에 이용되는 아크 램프는 물과 아르곤 가스를 위한 개방 흐름일 수 있다. 그러나, 관리를 이유로, 일부 실시예에서는 양자의 매체가 폐쇄 루프 시스템에서 순환될 수 있다.
도 12는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템에 이용되는 개방 흐름 아르곤 아크 램프를 작동시키는데 요구되는 물과 아르곤 가스를 공급하기 위한 예시적인 폐쇄 루프 시스템(300)을 도시한다.
더 구체적으로, 램프(220)에는 고순도 물(302)과 아르곤(304)이 공급된다. 고순도 물(302)은 워터 벽과, 전극의 냉각을 위해 이용된다. 램프에서 나오는 것은 가스/물 혼합물(306)이다. 이러한 가스/물 혼합물(306)은 램프(220)의 입구로 재공급될 수 있기 전에 분리기(310)에 의해 무가스 물(302) 및 건조 아르곤(304)으로 분리된다. 램프(220)를 가로질러 요구되는 압력 강하를 발생시키기 위해, 가스/물 혼합물(306)은 워터 구동식 제트 펌프(320)에 의해 펌핑된다.
고전력 전기 펌프(330)는 램프(220) 내의 워터 벽을 구동하는 수압, 램프 전극을 위한 냉각수, 및 제트 펌프(320)를 위한 모티브 흐름(motive flow)을 공급한다. 제트 펌프(320)의 하류에 있는 분리기(310)는 혼합물로부터 액상 및 기상(아르곤)을 추출하는데 이용될 수 있다. 아르곤은 램프(220)에 재도입하기 전에 복합 필터(340) 내에서 더욱 건조된다. 필요하다면, 추가적인 아르곤이 아르곤 공급원(350)으로부터 공급될 수 있다.
물은 아크에 의해 물 내에 스퍼터링되는 입자를 제거하도록 하나 이상의 입자 필터(350)를 통과하고 있다. 이온성 오염물은 이온교환 수지에 의해 제거된다. 물의 일부는 혼합층 이온교환 필터(370)를 통해 흐르게 된다. 이온교환 바이패스(370)로의 입구 밸브(372)는 물 저항률에 의해 제어될 수 있다. 물 저항률이 하한값으로 떨어지면, 밸브(372)가 개방되고, 상한값에 도달할 때, 밸브(372)가 폐쇄된다. 상기 시스템은 물의 일부가 유기 오염물을 제거하도록 추가적으로 여과될 수 있는 활성탄 필터 바이패스 루프(380)를 수용할 수 있다. 수온을 유지하기 위해, 물은 열교환기(390)를 통과할 수 있다.
본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템은 반도체 기판의 양자의 표면(예컨대, 상부면과 하부면)의 온도를 독립적으로 측정하는 능력을 구비할 수 있다. 도 13은 밀리세컨드 어닐 시스템(200)을 위한 예시적인 온도 측정 시스템(150)을 도시한다.
도 13에서는 밀리세컨드 어닐 시스템(200)의 단순화된 도시를 나타낸다. 반도체 기판(60)의 양측부의 온도는 온도 센서(152)와 온도 센서(154) 등의 온도 센서에 의해 독립적으로 측정될 수 있다. 온도 센서(152)는 반도체 기판(60)의 상부면의 온도를 측정할 수 있다. 온도 센서(154)는 반도체 기판(60)의 하부면의 온도를 측정할 수 있다. 일부 실시예에서, 약 1400 nm의 측정 파장을 갖는 좁은 밴드 고온측정 센서는 온도 센서(152 및/또는 154)로서 이용되어, 예컨대 반도체 기판(60)의 중앙 영역의 온도를 측정할 수 있다. 일부 실시예에서, 온도 센서(152, 154)는 플래시 가열에 의해 야기되는 밀리세컨드 온도 스파이크를 해결하기에 충분히 높은 샘플링 레이트(sampling rate)를 갖는 초고속 라디오미터(ultra-fast radiometers: UFR)일 수 있다.
온도 센서(152, 154)의 판독은 방사율 보상형((emissivity compensated)일 수 있다. 도 13에 도시한 바와 같이, 방사율 보상 스킴(emissivity compensation scheme)은 진단 플래시(156), 참조 온도 센서(158) 및 반도체 웨이퍼의 상하부면을 측정하도록 구성된 온도 센서(152, 154)를 구비할 수 있다. 진단 가열 및 측정이 진단 플래시(156)(예컨대, 테스트 플래시)와 함께 이용될 수 있다. 참조 온도 센서(158)로부터의 측정은 온도 센서(152, 154)의 방사율 보상을 위해 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 밀리세컨드 어닐 시스템(200)은 워터 윈도우를 구비할 수 있다. 워터 윈도우는 온도 센서(152, 154)의 측정 밴드에서 램프 방사를 억제하는 광 필터를 제공하여, 온도 센서(152, 154)만이 반도체 기판으로부터의 방사를 측정할 수 있다.
온도 센서(152, 154)의 판독은 프로세서 회로(160)에 제공될 수 있다. 프로세서 회로(160)는 밀리세컨드 어닐 시스템(200)의 하우징 내에 위치될 수 있지만, 변형적으로, 프로세서 회로(160)는 밀리세컨드 어닐 시스템(200)으로부터 이격되게 위치될 수 있다. 본원에 기술된 각종 기능은 소망한다면 단일의 프로세서 회로에 의해, 또는 국부 및/또는 원격 프로세서 회로의 다른 조합에 의해 수행될 수 있다.
상세하게 후술되는 바와 같이, 온도 측정 시스템은 웨이퍼 지지 플레이트(예컨대, 도 16에 도시)의 하나 이상의 온도 측정을 얻도록 구성된 온도 센서와 같은 다른 온도 센서, 및/또는 예컨대 약 450℃ 미만, 예컨대 약 300℃ 미만, 예컨대 약 250℃ 미만의 온도에서 반도체 기판의 하나 이상의 온도 측정을 얻도록 구성된 원적외선 온도 센서(예컨대, 도 22에 도시)를 구비할 수 있다. 프로세서 회로(160)는 반도체 기판 및/또는 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 결정하기 위해 온도 센서로부터 얻어진 측정을 처리하도록 구성될 수 있다.
반도체 기판을 중간 온도(Ti)로 가열하기 위한 변형 공급원은 하부 처리 챔버 내에 위치된 텅스텐 할로겐 램프의 어레이일 수 있다. 예컨대, 2개의 연속적인 모드 아크 램프 각각은 250 kW의 총 파워를 위한 125 kW의 전력을 각각 가질 수 있다. 6 kW의 40개 텅스텐 할로겐 램프의 어레이 각각은 동일한 파워를 제공할 수 있다. 도 14는 반도체 기판(60)을 중간 온도(Ti)로 가열하기 위한 텅스텐 할로겐 램프(245)를 갖는 예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템을 도시한다. 할로겐 램프로 가열하는 이점은 경제적인 것이다. 텅스텐 할로겐 램프는 비용이 쌀 수 있고, 훨씬 더 긴 수명을 가질 수 있다. 또한, 텅스텐 할로겐 램프는 단지 전기 연결만을 요구하므로, 값비싼 물 냉각 및 수처리 유닛에 대한 필요성을 없앨 수 있다.
챔버 프리 -컨디셔닝을 위한 예시적인 예열 공정
본 개시내용의 예시적인 관점에 의하면, 챔버를 예열하는데 필요한 예열 더미 웨이퍼의 시간 및 개수는 평형 온도에 도달했을 때에 결정하도록 웨이퍼 지지 플레이트의 온도 측정 시스템의 사용을 통해 감소될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 웨이퍼 지지 플레이트는 특정 예열 레시피로 더미 웨이퍼에 열을 적용함으로써 가열될 수 있다. 웨이퍼 지지 플레이트 온도가 소정의 온도가 되자마자, 예열 레시피 실행이 중지될 수 있고, 웨이퍼 로트 내의 제1 장치 웨이퍼에 의한 공정 레시피 수행이 시작될 수 있다.
도 15는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 공정(400)의 흐름도를 도시한다. 공정(400)은 밀리세컨드 어닐 시스템, 예컨대 도 1-14를 참조하여 기술된 예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템 중 하나에서 수행될 수 있다. 도 15는 도시 및 기술의 목적을 위해 특정한 순서로 수행되는 단계를 도시한다. 본원에 제공된 개시내용을 이용하는 당업자는, 본원에 기술된 방법 또는 공정 중 어느 것의 각종 단계는 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않고서 각종 방식으로 변경, 채택, 확장, 생략 및/또는 재배치될 수 있음을 이해할 것이다.
(402)에서, 상기 방법은 밀리세컨드 어닐 시스템의 처리 챔버 내의 웨이퍼 지지 플레이트 상에 반도체 기판을 수용하는 단계를 구비한다. 예컨대, 더미 웨이퍼는 도 2-4에 도시한 처리 챔버(200) 내의 웨이퍼 지지 플레이트(214) 상에 수용될 수 있다. 반도체 기판은 지지핀에 의해 지지될 수 있다. 웨이퍼 지지 플레이트는 석영 물질로 제조될 수 있다. 예컨대, 웨이퍼 지지 플레이트는 석영유리 플레이트일 수 있다.
(404)에서, 상기 공정은 온도 센서를 이용하여 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정을 얻는 단계를 구비할 수 있다. 도 16은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 웨이퍼 지지 플레이트(214)의 온도를 결정하도록 구성된 온도 센서(162)(예컨대, 석영 고온계)를 갖는 예시적인 처리 챔버(80)를 도시한다. 도시한 바와 같이, 온도 센서(162)는 하부 챔버(204)의 코너 중 하나에서 처리 챔버의 하부 상에 장착됨으로써, 온도 센서(162)의 시야가 반도체 기판(60)과 워터 윈도우(260)에 의해 방해받지 않는다. 일부 실시예에서, 온도 센서(162)는 웨이퍼 지지 플레이트(214)의 중앙으로 지향될 수 있다.
일부 실시예에서, 온도 센서(162)는 석영의 전달 절결부(예컨대, 약 4 ㎛ 이상)를 넘는 측정 파장을 갖는 고온계일 수 있다. 예컨대, 도 17은 석영으로 제조된 웨이퍼 지지 플레이트와 관련된 일반적인 열방출 스펙트럼(502)을 도시한다. 도시한 바와 같이, 약 4 ㎛를 넘으면, 지지 플레이트의 석영은 불투명하고 열방사를 방출한다. 열방사는 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 결정하도록 온도 센서(162)에 의해 고온 측정될 수 있다.
도 15의 (406)에서, 상기 공정은 웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 임계 온도(예컨대, 사전 설정 온도)에 도달했는지의 여부를 결정하는 단계를 구비할 수 있다. 임계 온도는 웨이퍼 지지 플레이트의 평형 온도와 관련될 수 있다. 웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 임계 온도에 도달하지 않으면(예컨대, 임계 온도이거나 또는 그 이하), 상기 공정(400)은 도 15의 (408)에 도시한 바와 같이 웨이퍼 지지 플레이트 및 반도체 기판(예컨대, 더미 웨이퍼)을 가열하도록 예열 레시피를 적용하는 단계를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 예열 레시피는 웨이퍼 지지 플레이트 상에 위치된 더미 웨이퍼를 가열하도록 연속적인 모드 램프만을 이용할 수 있다. 일수 실시예에서, 램프는 제어 입력으로서 반도체 기판 온도 및/또는 웨이퍼 지지 플레이트 온도를 갖는 폐쇄 루프 제어로 작동될 수 있다.
일부 실시예에서, 예열 레시피의 가열 사이클은 플래시 램프를 이용하는 플래시 가열뿐만 아니라, 소크(soak) 및 스파이크(spike) 웨이퍼 온도 설정점의 하나 이상의 조합을 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 가열 사이클은 폐쇄 루프 모드를 이용하지 않는다. 오히려, 연속적인 모드 램프는 개방 루프 방식으로 고정된 파워값으로 작동된다. 일부 실시예에서, 예열 레시피의 가열 사이클은 시작 온도 일정성을 개선하여 프리-컨디셔닝의 반복성을 개선하도록 가열 상 전에 쿨다운 상을 구비한다.
웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 임계 온도에 도달한 경우에, 공정(400)은 예열 레시피(410)를 중지하는 단계를 구비할 수 있다. 그 다음, 공정(400)은 반도체 기판(414)을 열처리하도록 공정 레시피를 처리 및 적용하도록 장치 반도체 기판(412)을 반입하는 단계를 구비할 수 있다. 공정 레시피는 예열 레시피와는 상이할 수 있고, 반도체 기판의 로트로부터 장치 반도체 기판을 처리하기 위한 레시피를 구비할 수 있다.
예시적인 더미 웨이퍼 없는 예열 공정
본 개시내용의 예시적인 관점에 의하면, 예열 공정은 예열 더미 웨이퍼를 필요로 하지 않고 수행될 수 있다. 웨이퍼 지지 플레이트는, 그 광 특성에 의해 광으로 쉽게 가열되지 않는 석영으로 제조될 수 있다. 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템에서, 아크 램프(예컨대, 아르곤 아크 램프)가 반도체 기판을 처리하는데 이용될 수 있다. 램프로부터 방출된 램프 방사선은 원터 윈도우에 의해 전달되는 파장 범위인 1.5 ㎛보다 짧은 파장으로 광을 주로 구비할 수 있다. 다른 신속한 열처리 시스템에서, 광원은 약 3000K에서 텅스턴 할로겐 램프일 수 있고, 그 스펙트럼의 피크는 약 1 ㎛에 있다. 석영유리가 약 90% 이상의 전달 계수를 갖는 최대 약 2 ㎛까지 비추도록 투명할 수 있다. 그 결과, 아크 램프로부터의 램프 광의 직접적인 흡수에 의한 웨이퍼 지지 플레이트의 가열 속도는 낮다.
도 15에 도시한 공정과 같은 예열 더미 웨이퍼를 이용하는 예열 공정에서는, 이러한 어려움이 회피될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 램프 광은 반도체 기판을 주로 가열하는데 이용되어, 근적외선 계획(예컨대, 0.2 ㎛ 내지 약 1 ㎛)까지 UV에서의 램프 광을 위한 양호한 흡수기이다. 더미 웨이퍼가 그 온도에 의해 결정된 파장 범위로 광을 재방출하고 있기 때문에(플랑크의 법칙), 가열원의 짧은 파장 광은 긴 파장 범위로 변환된다. 예컨대, 1000℃에서 반도체 기판은 약 2 ㎛ 이상의 파장 범위에서 거의 모든 방사선을 방출하여, 석영 물질에 의해 쉽게 흡수된다. 이에 따라, 석영 웨이퍼 지지 플레이트는 반도체 기판으로부터 생기는 2차 방사선에 의해 간접적으로 가열된다.
본 개시내용의 예시적인 실시예에 의하면, 반도체 기판의 존재를 요구하지 않고서 웨이퍼 지지 플레이트의 고 투명성 석영을 가열하는 방법이 제공된다. 그 공정은 도 15의 공정과 동일한 원리를 이용할 수 있다. 예컨대, 웨이퍼 지지 플레이트 온도는, 예컨대 석영 고온계 센서에 의해 측정된다. 예열 레시피는 웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 임계 온도(예컨대, 웨이퍼 지지 플레이트의 평형 온도와 관련된 온도)에 도달할 때까지 적용될 수 있다.
가열원이 할로겐 램프인 시스템에서, 센서 신호는 웨이퍼 지지 플레이트로부터 나오는 방사선을 함유할 뿐만 아니라, 광원 자체로부터의 방사선을 함유한다. 이에 따라, 웨이퍼 지지 플레이트 온도는 램프가 오프일 때만 정확하게 측정될 수 있다.
일부 적용에서, 실리콘의 작은 피스는 챔버의 일부이다. 이러한 실리콘의 작은 피스는 챔버 내에 반도체 기판이 없을 때에도 챔버 내에 유지된다. 웨이퍼 지지 플레이트의 석영 물질 이외에, 이러한 실리콘 피스는 램프 광의 양호한 흡수기이고, 능동적으로 냉각되지 않으므로, 용융점 온도에 신속하게 도달할 수 있다. 더 높은 램프 광의 흡수율 및 석영과 같은 더 낮은 용융점을 갖는 다른 모든 물질(예컨대, 고무 가스켓)에서도 그러하다. 따라서, 챔버 내의 물질에 의해 최대한으로 허용가능한 가열 파워가 결정될 수 있다.
석영 플레이트를 직접 가열하는 추가적인 어려움은 석영의 열전도가 매우 낮다는 점이다. 그런 이유로, 반도체 기판 없이 가열될 때 석영 플레이트의 온도 분포는 반도체 기판을 갖는 고정된 경우와는 상이하다. 온도 분포는 가열원의 형상을 주로 가정한다. 반도체 기판을 통한 2차 가열의 경우, 이는 원형 패턴이다. 선형 가열원(예컨대, 아크 램프 및 텅스텐 할로겐 램프)을 통한 직접적인 가열의 경우, 이는 줄무늬 패턴이다.
본 개시내용의 예시적인 관점에 따른 예열 공정은 온도 분포가 경시적으로 고른 쿨다운에 의한 완화를 이용하여 이러한 어려움을 극복할 수 있다. 예컨대, 도 19는 완화에 의한 웨이퍼 지지 플레이트 온도 분포에 대한 그래프를 도시한다. 도시한 바와 같이, 열전도에 의해, 램프 어레이에 의해 형성된 줄무늬 열패턴은 웨이퍼 지지 플레이트의 쿨다운 동안에 평균이 된다. 더 구체적으로, 곡선(504)은 제1 시간(t1)에서 웨이퍼 지지 플레이트 상의 위치 함수로서 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 나타낸다. 곡선(506)은 제2 시간(t2)에서 웨이퍼 지지 플레이트 상의 위치 함수로서 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 나타낸다. 곡선(508)은 제3 시간(t3)에서 웨이퍼 지지 플레이트 상의 위치 함수로서 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 나타낸다. 곡선(510)은 제4 시간(t4)에서 웨이퍼 지지 플레이트 상의 위치 함수로서 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 시간이 t1에서 t4로 지남에 따라, 웨이퍼 지지 플레이트의 온도 분포는 웨이퍼 지지 플레이트를 가로지르는 평균 온도(512)에 도달한다.
온도 분포를 고르게 하는데 요구되는 시간은 물질의 열전도 및 온도차에 의해 좌우된다. 이는 (일차원 형태로 단순한 이유로) 열전도에 대한 푸리에 법칙에서 알 수 있다.
Figure pct00001
Qx: 열플럭스 밀도
k: 물질의 열전도율
dT/dx: 온도 구배
웨이퍼 지지 플레이트의 투명한 석영 물질을 가열하는 것은 등온성 챔버(isothermal chamber)에 근거할 수 있다. 평형 상태에서, 가열될 기판은 등온성 챔버의 벽 온도를 가정하고, 온도 분포가 균일할 수 있다. 1차 근사치에서, 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 밀리세컨드 어닐 시스템은 높은 반사성 챔버 벽으로 인해 등온성 챔버일 수 있다. 그 광 특성에 관계없이 충분히 긴 시간, 임의의 물질을 고려해 볼때, 가열원의 온도를 가정할 것이다. 즉, 가열 광이 챔버의 반사 박스 내에 가둬지기 때문에, 웨이퍼 지지 플레이트를 통한 다수의 패스(passes)가 있으며, 각 패스는 예컨대 광의 10%를 흡수한다. 결국, 모든 광이 흡수되어 웨이퍼 지지 플레이트는 평형 온도에 도달하고 있다. 처리될 반도체 기판이 없는 빈 처리 챔버 내에서는, 주요 흡수기가 웨이퍼 지지 플레이트의 석영일 수 있다.
본 개시내용의 예시적인 관점은 평형 온도에 도달하는데 요구되는 시간을 수분으로 단축하는 것에 관한 것이다. 이를 성취하기 위해, 램프는 맥동성 방식으로 작동될 수 있다. 각 펄스의 가열 파워는 비맥동성 경우(오버-히팅)에 평형 온도에 도달하는데 필요한 가열 파워보다 훨씬 높을 수 있다. 가열 펄스들 간에, 온도 분포는 열확산에 의해 완화할 수 있다. 열구배가 높기 때문에, 완화를 위해 필요한 시간은 비맥동성 경우에서보다 훨씬 더 짧다. 다수의 펄스 후에, 웨이퍼 지지 플레이트는 평균의 균일 온도에 도달할 수 있다.
도 19는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 공정(600)에 대한 흐름도를 도시한다. 공정(600)은 밀리세컨드 어닐 시스템, 예컨대 도 1-14를 참조하여 기술된 예시적인 밀리세컨드 어닐 시스템 중 하나에서 수행될 수 있다. 도 19는 도시 및 기술의 목적을 위해 특정한 순서로 수행되는 단계를 도시한다. 본원에 제공된 개시내용을 이용하는 당업자는, 본원에 기술된 방법 또는 공정 중 어느 것의 각종 단계는 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않고서 각종 방식으로 변경, 채택, 확장, 생략 및/또는 재배치될 수 있음을 이해할 것이다. 공정(600)은 웨이퍼 지지 플레이트 상에 위치된 반도체 기판 없이 수행될 수 있다.
(602)에서, 상기 공정은 온도 센서를 이용하여 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정을 얻는 단계를 구비할 수 있다. 예컨대, 웨이퍼 지지 플레이트의 온도 측정은 도 16의 온도 센서(162)로부터 얻어질 수 있다.
도 19의 (604)에서, 상기 공정은 웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 임계 온도(예컨대, 사전 설정 온도)에 도달했는지의 여부를 결정하는 단계를 구비할 수 있다. 임계 온도는 웨이퍼 지지 플레이트의 평형 온도와 관련될 수 있다. 웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 임계 온도에 도달하지 않으면(예컨대, 임계 온도이거나 또는 그 이하), 상기 공정(600)은 도 19의 (606)에 도시한 바와 같이 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 맥동성 예열 레시피를 적용하는 단계를 구비할 수 있다.
도 20은 평형 온도 및 균일한 온도 분포에 도달하도록 웨이퍼 지지 플레이트를 위해 요구되는 시간을 가속하는 예시적인 맥동성 예열 레시피에 대한 그래프를 도시한다. 더 구체적으로, 곡선(520)은 본 개시내용의 예시적인 관점에 따른 맥동성 예열 레시피를 실시하는 램프의 맥동성 가열을 나타낸다. 곡선(522)은 램프의 맥동성 가열에 응답하는 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 나타낸다. 예시적인 일부 실시예에서, 펄스의 가열 파워는 챔버의 열부하 사양이 초과되지 않도록 한다. 펄스 개수는 10 내지 100일 수 있고, 예열 사이클의 총 시간은 3 내지 4분이다.
일부 실시예에서, 맥동성 가열은 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서(예컨대, 고온계)에 의한 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여 제어될 수 있다. 온도 센서 신호가 램프 광에 의해 영향을 받고 웨이퍼 지지 플레이트 상의 작은 영역만을 측정하고 있음에 따라, 온도 센서 신호는 평균 웨이퍼 플레이트 온도와 동일하지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 램프 파워는 온도 센서 신호가 상한값에 도달할 때 꺼지고, 석영 고온계가 하한값에 도달할 때 켜진다.
예컨대, 도 20은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 온도 센서에 의해 웨이퍼 지지 플레이트의 온도 측정에 근거하여 웨이퍼 지지 플레이트의 예시적인 맥동성 예열을 도시한다. 곡선(540)은 본 개시내용의 예시적인 관점에 따른 맥동성 예열 레시피를 실히하는 램프의 맥동성 가열을 나타낸다. 도시한 바와 같이, 온도 센서로부터의 신호(550)가 상한값(552)에 도달하면, 맥동성 가열이 꺼진다. 온도 센서로부터의 신호(550)가 하한값(554)에 도달하면, 맥동성 가열이 켜진다. 수회 사이클 후에, 웨이퍼 지지 플레이트를 가로질러 대체로 균일한 곡선(560)으로 나타낸 평균 온도가 성취된다.
일부 실시예에서, 평형 온도에 도달하는 시간은 온도 센서 신호가 목표 온도에 도달할 때 일정한 파워 및 정지(shutting off)로 "오버-히팅"에 의해 단축될 수 있다. 맥동성 오버-히팅 방법은 비맥동성 오버-히팅에 비해 몇 가지의 이점을 가질 수 있다. 예컨대, 평균 온도는 예열 사이클의 지속 시간 또는 펄스의 개수와는 독립적일 수 있다. 더욱이, 맥동성 예열 방법은 석영 온도 센서 신호가 기생 신호에 의해 절충되는 경우에 작동할 수도 있다.
도 19를 참조하면, 웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 임계 온도에 도달한 경우에, 공정(600)은 예열 레시피(610)를 중지하는 단계를 구비할 수 있다. 그 다음, 공정(600)은 반도체 기판(614)을 열처리하도록 공정 레시피를 처리 및 적용하기 위한 장치 반도체 기판(612)을 반입하는 단계를 구비할 수 있다. 공정 레시피는 예열 레시피와는 상이할 수 있고, 반도체 기판의 로트로부터 장치 반도체 기판을 처리하기 위한 레시피를 구비할 수 있다.
웨이퍼 지지 플레이트의 온도 센서 측정을 이용한 예시적인 저온 제어
본 개시내용의 또 다른 예시적인 관점은 밀리세컨드 어닐 시스템이 원적외선으로 온도 센서를 이용함으로써 작동할 수 있는 최소 중간 온도를 감소시키는 것에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 열처리 동안에 반도체 기판의 온도를 측정하는데 이용되는 일반적인 온도 센서는 UFR을 구비한다. UFR은 일반적으로 반도체 기판의 온도를 결정하도록 1.45 ㎛의 파장을 이용한다. 이러한 파장에서, 가볍게 도프한 실리콘은 약 450℃ 미만에서 투명하다. 따라서, UFR 온도 센서는 약 450℃ 미만의 온도를 측정하는데 이용될 수 없다.
본 개시내용의 예시적인 실시예에 의하면, 원적외선 온도 센서(예컨대, 석영 고온계 온도 센서)는 반도체 기판의 온도를 측정하는데 이용될 수 있다. 그 센서는 약 8 ㎛ 내지 약 14 ㎛의 원적외선의 스펙트럼을 가질 수 있으며, 이는 저온에서의 실리콘 방사율이 0이 아니고 방사선 신호가 픽업될 수 있는 범위에 있다.
일부 실시예에서, 원적외선 온도 센서는 밀리세컨드 어닐 시스템의 상부 챔버 내의 코너 중 하나에 장착되어, 그 시야가 워터 윈도우에 의해 방해되지 않을 수 있다. 예컨대, 도 22는 본 개시내용의 또 다른 예시적인 관점은 밀리세컨드 어닐 시스템(80)의 상부 챔버(202)의 코너 내의 원적외선 온도 센서(164)에 대한 예시적인 위치를 도시한다. 온도 센서(164)는 워터 윈도우에 의한 방해 없이 처리 챔버 내에 장착된 기판(60)의 시야를 가질 수 있다.
일부 실시에에서, 하반부 챔버 상에 장착되며 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 직접 측정하는 센서는 실리콘 웨이퍼에 열적으로 결합된다. 반도체 기판보다는 웨이퍼 지지 플레이트를 직접 측정하는 이점은 장치 패턴에 의존하여 변경할 수 있는 한편, 석영 웨이퍼 지지 플레이트의 방사율이 일정하다는 점이다.
본 요지가 특정의 예시적인 실시예에 대해 상세하게 기술되었지만, 전술한 바에 대한 이해를 달성할 때 당업자는 이러한 실시예에 대한 변경물, 변형물 및 동등물이 쉽게 만들어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시내용의 범위는 제한이라기보다는 예시로서이고, 본 개시내용은 당업자에게 명백한 바와 같이 본 요지에 대한 변경물, 변형물 및 동등물에 대한 포함을 배제하지 않는다.

Claims (20)

  1. 밀리세컨드 어닐 시스템(millisecond anneal system)을 위한 예열 공정(preheat process)에 있어서,
    밀리세컨드 어닐 시스템의 처리 챔버 내의 웨이퍼 지지 플레이트 상에 기판을 수용하는 단계로서, 상기 처리 챔버는 상부 챔버와 하부 챔버로 나뉘는, 상기 기판 수용 단계;
    온도 센서를 이용하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정을 얻는 단계; 및
    상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 예열 레시피(preheat recipe)를 적용하는 단계
    를 포함하는,
    예열 공정.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼 지지 플레이트는 석영 물질을 포함하는,
    예열 공정.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 더미 반도체 기판(dummy semiconductor substrate)을 포함하는,
    예열 공정.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 예열 레시피를 적용하는 단계는, 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 사전 설정 온도에 도달할 때까지 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 예열 레시피를 적용하는 단계를 포함하는,
    예열 공정.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 웨이퍼 지지 플레이트가 상기 사전 설정 온도에 도달할 때,
    상기 공정은,
    상기 예열 레시피를 중지하는 단계; 및
    상기 처리 챔버 내의 제2 기판에 공정 레시피를 적용하는 단계
    를 포함하며,
    상기 공정 레시피는 상기 예열 레시피와는 상이한,
    예열 공정.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 예열 레시피는, 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 하부 처리 챔버에 근접하게 위치된 하나 이상의 연속적인 모드 램프를 이용하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트와 상기 기판을 가열하는 단계를 특정하는,
    예열 공정.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하나 이상의 연속적인 모드 램프는 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여 제어되는,
    예열 공정.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센서는 약 4 ㎛보다 큰 파장과 관련된 측정 온도를 갖는 고온계(pyrometer)를 포함하는,
    예열 공정.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센서는 상기 하부 챔버 내에 위치되고, 상기 밀리세컨드 어닐 시스템의 워터 윈도우에 의해 방해 없이 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 시야(field of view)를 갖는,
    예열 공정.
  10. 밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 온도 측정 시스템에 있어서,
    약 450℃ 미만의 처리 온도에서 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 기판의 하나 이상의 온도 측정을 얻도록 구성된 원적외선 온도 센서(far infrared temperature sensor)로서, 상기 밀리세컨드 어닐 시스템은 웨이퍼 평면 플레이트를 갖는 처리 챔버를 포함하고, 상기 웨이퍼 평면 플레이트는 상기 처리 챔버를 상부 챔버와 하부 챔버로 나누는, 상기 원적외선 온도 센서; 및
    약 450℃ 미만의 처리 온도에서 상기 기판의 온도를 결정하기 위해 상기 온도 센서로부터의 측정을 처리하도록 구성된 처리 회로
    를 포함하는,
    온도 측정 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 원적외선 온도 센서는 약 8 ㎛ 내지 약 14 ㎛의 스펙트럼 범위와 관련된 고온계를 포함하는,
    온도 측정 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 원적외선 온도 센서는 밀리세컨드 어닐 시스템의 상부 챔버의 코너 내에 장착되는,
    온도 측정 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 원적외선 온도 센서는 상기 밀리세컨드 어닐 시스템의 워터 윈도우에 의해 방해받지 않는,
    온도 측정 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 온도 측정 시스템은 상기 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 웨이퍼 지지 플레이트의 온도를 측정하도록 구성된 제2 온도 센서를 더 포함하며, 상기 제2 온도 센서는 하부의 처리 챔버 내에 위치되며 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 시야를 갖는,
    온도 측정 시스템.
  15. 밀리세컨드 어닐 시스템을 위한 예열 공정에 있어서,
    밀리세컨드 어닐 시스템 내의 웨이퍼 지지 플레이트의 시야를 갖는 온도 센서로부터 하나 이상의 온도 측정을 얻는 단계로서, 상기 밀리세컨드 어닐 시스템은 상부 처리 챔버와 하부 처리 챔버로 나뉜 처리 챔버를 갖는, 상기 온도 측정을 얻는 단계; 및
    상기 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여, 상기 밀리세컨드 어닐 시스템 내의 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 맥동성 예열 레시피(pulsed preheat recipe)를 적용하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 맥동성 예열 레시피의 적용 동안에 상기 웨이퍼 지지 플레이트 상에는 기판이 없는,
    예열 공정.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 웨이퍼 지지 플레이트는 석영 물질을 포함하는,
    예열 공정.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 웨이퍼 지지 플레이트의 하나 이상의 온도 측정에 적어도 부분적으로 근거하여 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 맥동성 예열 레시피를 적용하는 단계는, 상기 웨이퍼 지지 플레이트의 온도가 사전 설정 온도에 도달할 때까지 상기 웨이퍼 지지 플레이트를 가열하도록 상기 예열 레시피를 적용하는 단계를 포함하는,
    예열 공정.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 웨이퍼 지지 플레이트가 상기 사전 설정 온도에 도달할 때,
    상기 공정은,
    상기 예열 레시피를 중지하는 단계; 및
    상기 처리 챔버 내의 제2 기판에 공정 레시피를 적용하는 단계
    를 포함하며,
    상기 공정 레시피는 상기 예열 레시피와는 상이한,
    예열 공정.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 맥동성 예열 레시피는 광을 가열하는 복수의 펄스를 특정하는,
    예열 공정.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 온도 센서는 약 4 ㎛보다 큰 파장과 관련된 측정 온도를 갖는 고온계를 포함하는,
    예열 공정.
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