KR100375396B1 - 준고온벽을갖춘반응챔버 - Google Patents

Abstract

열원을 가지는 화학증착 반응기는 가공중에 기판을 가로질러 열 분포를 이루기 위해 상기 반응기 내부에 반도체 기판에 열을 조절한다. 하나의 실시예에서, 열원은 가공되어지는 기판 웨이퍼와 평행이며 동심인 디스크의 형태이며 상기 디스크는 가공에 적합한 온도에서 웨이퍼를 균일하게 가열하는 웨이퍼로부터 근접하게 이격되어 있다. 열원 디스크는 웨이퍼와 접한 이 디스크의 다른 표면이 웨이퍼 가공시 균일한 효력에 따라 균일한 온도를 가지기 위해 웨이퍼로부터 멀리 배향된 디스크의 한 표면에 광선이 충돌한 광원에 의해 가열되어진다.

Description

준 고온 벽을 갖춘 반응챔버

본 발명은 1995년 2월 23일 출원된 미합중국 특허출원 제 08/394,317호의 일부 계속 출원으로서, 대체로 화학기상증착(CVD) 프로세싱 챔버에 관한 것이며, 보다 상세히 설명하면 처리되는 기판에 거의 등온의 환경을 제공하는 동시에 챔버의 벽이 기판보다 냉각된 상태로 유지되는 프로세싱 챔버에 관한 것이다. 본 발명은,특히 기판 상으로 폴리실리콘을 증착시키는데 사용하기 적합하다.

화학기상증착(CVD) 반응기는 많은 집적회로의 제조 과정에서 다양한 물질의 증착에 사용되고 있다. 일반적으로, 반응챔버 내의 가스의 온도 및 웨이퍼의 온도는 이러한 반응챔버 내에서 이루어지는 증착단계를 최적화하도록 조절된다. 이러한 최적의 온도는 증착 방법 및 증착될 층의 특성에 따라서 다르다. 그러나 일반적으로 웨이퍼 전체 표면에 걸쳐서 균일한 증착속도를 제공하여서 화학적으로 처리된 층의 두께가 전체 웨이퍼의 표면상에서 동일하게 되도록 구성하는 것에 유리하다. 증착된 층의 두께가 웨이퍼 표면에서 차이가 있을 때, 결과적으로 집적회로의 전기적 특성도 웨이퍼의 표면에서 차이가 있다. 또 에칭 단계와 같은 일부의 처리 단계에서는 층의 두께가 다를 경우에, 이러한 층의 가장 두께가 두꺼운 부분을 통하여 충분한 에칭이 수행되도록 충분한 시간 동안 에칭 처리가 수행된다면 두께가 얇은 지역은 과잉 처리될 것이다. 이와 같은 국부적인 과잉 처리는 일반적으로 가공될 라인의 폭에 있어서 공간적인 변화를 초래하며, 이에 따라서 웨이퍼 상의 서로 다른 위치에서의 회로의 가변적인 작동을 가져온다. 따라서, 전체 웨이퍼를 가로질러 거의 균일한 온도를 제공하여서 다양한 여러 처리 단계에서의 처리속도가 전체 웨이퍼를 가로질러 균일하게 되는 것이 중요하다.

가공될 라인의 폭이 작은 집적회로는, 이러한 집적회로의 제조과정중에 웨이퍼의 처리 속도의 공간적인 변화에 특히 많은 영향을 받는다. 증착단계 및 에칭단계에서의 속도 등과 같은 소정의 처리 속도 변화에 대해서, 결과 라인 폭 상의 부분적인 영향과 다른 회로 치수 변수는 라인 폭과 역으로 비례한다. 처리 속도 변화의 소량은 소형 라인 폭 집적회로 조립 가공의 수율에 많은 영향을 준다. 따라서 공지의 집적회로 조립 장치에 있어서, 에이퍼 전체에 걸린 처리 공정의 변화를 최소화하는 것이 특히 중요하다.

화학기상증착 반응기는 넓게 고온 벽 반응기와 냉각 벽 반응기의 두가지 범주로 나뉜다. 고온 벽 반응기에서, 프로세싱 챔버의 벽은 이러한 벽들에 근접하여 위치한 가열기 코일과 같은 일부 수단에 의해 가열된다. 그러한 시스템 내에서, 벽들은 반응기에서 가장 고온인 부분이고 열은 이러한 고온 벽으로부터 전도와 복사에 의해 웨이퍼에 전달된다. 일반적으로 열이 가스의 대류에 의해 웨이퍼에 전달되도록 웨이퍼를 가로지르는 반응물의 흐름이 있다.

화학반응 속도는 온도 의존적이고, 집적회로 처리에서 이용되는 많은 반응의 경우, 반응 속도는 온도에 따라 급격하게 변화한다. 왜냐하면, 반응기의 벽이 프로세싱 챔버의 가장 고온 부분이기 때문에, 증착 처리 동안 벽위에는 상당한 속도의 증착이 이루어진다. 벽 상의 최종적으로 처리된 코팅은 웨이퍼 상에서 부식되며 회로 결합 또는 효력이 없는 단점 등을 초래한다. 왜냐하면 많은 집적회로 가공은 주어진 프로세싱 챔버 내에서 시간에 따라 온도 변화를 초래하며, 그러한 온도의 사이클링은 웨이퍼 상에 부식을 가져오는 벽 위의 코팅 부분의 속도에 많은 영향을 끼친다.

냉각 벽 반응기는 벽의 온도를 웨이퍼 온도보다 낮게 유지하며, 벽상에의 증착량이 감소된다. 반응기 내의 웨이퍼 처리 공정 동안 웨이퍼 가열의 한 형태에서 (1987년 3월 31일, 로빈슨에게 부여되었으며 제목이 "축방향으로 대칭 에피택시얼증착 장치 내의 기판 가열용 방법과 장치(Method and apparatus for substrate heating I an axially symrnetric epitaxial deposition apparatus)"인 미국특허 4,654,509호) 웨이퍼는 챔버 내에 부분적으로 위치된 램프의 배열로부터 광선의 고 플럭스 강도에 의해 가열된 서셉터(susceptor) 상에 위치한다. 서셉터를 가열하기 위해서, 서셉터용 광선의 파장과 물질은 서셉터가 빛이 통하지 않게 선택된다. 1988년 3월 1일자로 로저 이. 로커에게 부여된 "미립자가 없는 에피택시얼 처리(Particle-free epitaxial process)"로 제목 붙여진 미국 특허 제 4,728,389호의 유사한 시스템에서, 서셉터는 반응기 챔버 밖으로 위치된 램프 장치로부터 광선에 의해 가열된다. 이 광선에 의해 벽이 가열되는 것을 막으려면, 벽은 이 광선에 투명인 물질이어야 한다. 왜냐하면, 프로세싱 챔버 내의 고온 가스는 챔버의 벽을 가열시키고 더욱이 벽과 웨이피 사이의 온도 차이를 높이며 이러한 냉각 벽 시스템은 또한 벽의 외부 표면에 대항하여 냉각 공기를 불어넣음으로써 활발하게 벽을 냉각시킨다. 그러한 냉각 벽 시스템 내의 웨이퍼와 벽의 전형적인 온도는 각각 1200℃와 600℃이다.

유감스럽게도, 램프 장치로부터 광선에 의해 가열된 서셉터 내의 시스템에서 서셉터와 웨이퍼 사이 표면의 광선 강도는 균일하지 않다. 이것은 서셉터의 온도에 대해 공간적인 변화를 초래하여, 웨이퍼 온도의 공간적인 변화를 초래한다. 비록 광원의 배열로부터 복사 플럭스 내의 작은 변화일지라도, 웨이퍼에서의 처리 균일성에 충분한 영향을 준다. 따라서, 반응기는 웨이퍼가 직접적으로 접촉하는 서셉터에 의해서만 가열되는 반응기에 의해 생산되는 것 보다 웨이퍼 내에 더 균일한 온도 구배를 형성하는 것이 유리하다.

웨이퍼에 직접 접촉한 서셉터에 의해서만 가열되는 웨이퍼 내 반응기의 또 다른 단점은 서셉터의 높은 열용량으로 인해 웨이퍼의 온도 변화 속도가 느린 점이다. 웨이퍼의 온도 내에 원치 않는 급격한 온도 변동을 고르게 하는데는 이러한 높은 열용량이 유리하지만, 온도 변화 속도가 느리면 처리 시간이 증가된다. 따라서 웨이퍼의 온도가 공간적으로 더 균일하게 분포될 뿐 아니라, 웨이퍼를 가열시키는 서셉터에서만 이용하는 시스템보다 더 빠른 속도로 웨이퍼 상부면의 온도를 변화시킬 수 있는 반응기를 가지는 것이 유리하다.

새로운 화학기상증착 프로세싱 챔버 구조는 대상 챔버 내에서 처리된 반도체 웨이퍼 기판의 온도 균일성의 수준을 증가시킨다. 웨이퍼는 그 밑면에서 가열되는 서셉터에 지지된다. 균일성이 향상된 에너지 플럭스를 웨이퍼의 상부면에 제공되는 디스크 형태의 열원이 웨이퍼의 상부면으로부터 근접하여 이격되어 있다. 서셉터와 디스크형 열원 양자로부터 온도 플럭스에 의해, 웨이퍼의 상부면은 서셉터에 의해서만 가열되는 것 보다 더 온도가 더 균일하게 된다. 디스크와 웨이퍼 사이의 작은 간극(gap)에 의해, 웨이퍼의 각 점은, 불투명 디스크 밑면 온도 분포의 평균에 비례하는 에너지 플럭스를 받아들일 수 있다. 웨이퍼 상부면의 어떤 주어진 점에 대해, 이 평균 공정에 대한 하중 함수(weighting function)는 불투명 디스크 밑면의 각 지역에 대한 입체각이다. 이에 따라 열원의 밑면으로부터 웨이퍼 상부로의 에너지 플럭스가 이 디스크의 밑면 온도 분포보다 더 균일하게 된다.

한 실시예에서 열원은, 불투명 디스크와 이 디스크를 소정 온도로 가열하는고 에너지 광원으로 이루어져 있다. 불투명 디스크는 상기 웨이퍼에 근접하게 이격되어 프로세싱 챔버 내에 존재한다. 광원은 프로세싱 챔버 외부에 있으며, 챔버의 상부벽은 빛이 이 광원으로부터 불투명 디스크로 향할 수 있게 한다.

불투명 디스크는 "열 플라이휠(thermal flywheel)"로서의 가능하여, 웨이퍼를 향한 광선의 플럭스가 균일하지 않을 때조차도 웨이퍼 온도를 균일하게 한다. 종래의 플라이휠이, 회전 부분이 구비된 시스템의 회전 속도를 고르게 하는 것처럼, 이 열 플라이휠은 웨이퍼 내 온도 변화를 고르게 한다. 가공 중 불투명 디스크에 대한 상당량의 코팅을 피하기 위해서는, 불투명 디스크의 온도를 웨이퍼의 온도보다 더 낮게 유지하여, 불투명 디스크상의 증착 속도가 웨이퍼 상의 증착 속도보다 훨씬 낮게 하는 것이 중요하다. 왜냐하면, 실제적으로 반응 속도는 온도의 역수에 지수 함수적으로 의존하므로, 증착 속도에 있어서 이러한 차이를 얻기 위해 불투명 디스크는 웨이퍼보다 50℃~150℃ 아래의 온도에 있으면 된다.

불투명 디스크는 웨이퍼와 동축이며 평행하게 위치되고 디스크가 웨이퍼에 효과적으로 에너지를 전달할 수 있도록 웨이퍼로부터 근접하여 이격된다. 고 강도 광선 빔의 근원은 불투명 디스크에 광선의 강도를 균일하게 제공하도록 분포된 광원의 배열이다. 그러나, 빛이 입사되는 디스크 표면(이하 "불투명 디스크의 상부면")에의 빛의 세기는 공간적으로 가변인 요소를 가지기 때문에, 그 결과 앞면 상의 온도 분포는 같은 공간 패턴을 나타낸다. 그러나 디스크의 두께가 충분하여, ("불투명 디스크의 뒷면"으로 기술된) 디스크 반대면 위 온도 분포의 일부 공간적 변화는, 앞면 상에서의 일부 공간 변화와 비교할 때 그 크기가 현저하게 감소된다.

불투명 디스크의 지름이 충분히 커서, 디스크 주변의 점이, 디스크 위의 점으로부터 웨이퍼 중심의 점과 실질적으로 같은 입체각에 걸친 에너지를 수용하여, 이들 둘레 부근의 점으로 향한 에너지 플럭스와 디스크 중심으로 향하는 에너지 플럭스가 실질적으로 동일해야 한다. 이 에너지 분포를 이루기 위해서는, 디스크의 지름은 처리되는 웨이퍼보다 같거나 커야 한다. 따라서 불투명 디스크의 지름은 웨이퍼의 지름보다 크며, 프로세싱 챔버의 지름과 실제적으로 같게 치수를 연장할 수 있다.

디스크는 디스크 상에 입사하는 광선에 불투명하거나 또는 불투명 코팅으로 덮인 (바람직하게는 상부면인) 코팅 면을 가진다. 디스크와 임의의 코팅은 챔버 내에서 경험하게 되는 화학적, 물리적 및 온도 조건 하에서 화학적으로 반응하지 않도록 선택된다. 디스크 재료는 상부면에 입사하는 에너지가 밑면에 효과적으로 전달되도록 하기 위해 열전도율이 높은 것이 유리하다. 게다가 이 전도율은 불투명 디스크 밑면 위에서 온도의 공간적인 변화를 감소시킨다.

웨이퍼가 웨이퍼 쪽뿐 아니라 벽쪽으로도 에너지를 전달하기 때문에, 챔버 내에서 열 플라이휠의 존재에 의해 챔버 벽의 온도는, 이 열 플라이휠만이 없고 다른 점은 유사한 챔버에서보다 더 높게 될 것이다. 게다가 이러한 챔버 내에서 이루어지는 많은 웨이퍼 조립 과정에서, 벽이 실온으로 유지될 필요는 없다. 따라서 그러한 처리를 위한 냉각 메커니즘은 실온 부근의 벽을 냉각시키는 것을 포함하지 않는다. 이에 따라 반응기 벽을 냉각시키는데 필요한 비용이 감소될 뿐 아니라 반응기의 비용도 감소된다. 이는 기존의 냉각 벽 형태 반응기보다 벽을 약간 더 데워주기 때문에, 이러한 형태의 반응기는 "따뜻한 벽 반응기(warm wall rector)"로 기재될 것이다.

이 반응기의 또 다른 실시예에서, 열원은 가열기를 내장하는 벽과 냉각 조립체인 프로세싱 챔버의 비교적 얇은 상부벽이다. 후자인 냉각 조립체는 유체 냉각 코일을 가지거나 동일 평면 상에 부착된 금속판으로 이루어진다. 냉각 조립체와 열원 조립체의 조작에 의해 이 얇은 상부 벽 내의 온도는 거의 균일하게 되는데, 이는 냉각 조립체를 더욱 조정함으로써 신속하게 변경될 수 있다. 이 실시예의 얇은 상부벽은 일반적으로 평면이고 웨이퍼로부터 근접하여 이격되어 있어 상기 벽은 웨이퍼 위에 균일한 에너지 플럭스를 생성할 수 있다. 웨이퍼 상에 크고 균일한 에너지 플럭스를 가지게 하기에 충분히 얇게 되도록, 상기 벽 위에 진공이 형성되어 벽에 걸친 압력 차이를 실질적으로 감소시킨다.

제 1도는 반응기 내에서 처리되는 웨이퍼의 상부면에 공급되는 에너지의 열원으로서 기능하는 불투명 디스크(12)를 포함하는 반응기(10)를 나타낸다. 도시된 디스크(12)는 웨이퍼(13)의 지름보다 크며 원형 도넛(11) 위에 지지되어 있다. 특히 이 불투명 디스크(12)는 반응기 내에서 처리되는 웨이퍼(13) 위에, 개선된 균일성의 입사 에너지를 분배시키기 위한 열 플라이휠로서 작용한다. 이 반응기는 처리용으로 위치된 웨이퍼(13) 내에 프로세싱 챔버(17)를 둘러싸는 밑면 벽(16), 석영 상부 벽(14) 및 스테인레스강 측벽(15)을 포함한다. 석영 라이너(18)는 프로세싱 챔버 내의 가스가 금속 측면벽과 반응하는 것을 막는다. 측벽(15)의 웨이퍼 이동 배출은(19)에 의해 웨이퍼는 챔버(17)로부터 밖으로 또는 챔버 내로 이송될 수 있다.

프로세싱 챔버 내에서, 웨이퍼는 서셉터(110) 위에 지지되며, 서셉터는 페데스탈(111)에 의해 지지된다. 이 폐데스탈은 모터(112)에 의해 회전축(A) 주위를 회전하여, 웨이퍼에 대해 시간 평균 회전 대칭 처리 환경(time-averaged rotationally symmetric process environment)을 생성한다. 가공 중, 원형 웨이퍼는 대칭축(A)과 거의 나란한 선형 회전 대칭축에 대해 위치된다. 이 실시예에서 벽(14∼16)은 각각 축(A)에 대해 회전 대칭이다.

20개의 램프(113)의 제 1 배열은 서셉터(110)의 밑면(114)에서 램프가 20겹(20-fold)의 회전 대칭을 가지는 광선 플럭스를 발생하도록 각거리 π/10의 원형 패턴으로 위치된다. 이러한 램프들은 파장이 적외선 스펙트럼 영역인 약 0.9마이크론일 때 강도가 최대로 되는 텅스텐-할로겐 사이클 램프이다. 페데스탈(111)은, 석영과 같이, 램프(113)로부터의 광선에 대해 투명한 재료로서, 이들 램프로부터의 광선이 밑면 벽(16)과 서셉터를 통과함으로써 서셉터의 온도를 높인다.

각 램프는 이들 램프로부터 서셉터로부터 향하는 광선의 양을 증대시키고 서셉터 위로의 광선의 분포를 제어하는 반사체(reflector)를 포함한다. 서셉터의 외주 부분은 반응기의 냉각 측벽(15)에 가깝기 때문에, 회전 대칭축(A) 부근의 서셉터 부분보다 온도가 더 낮은 경향이 있다. 이를 보상하기위해, 반사물의 형태와 위치는, 서셉터 주변에의 광선 플럭스가 더 크게 되어, 서셉터 밑면(114) 내의 반경 방향 온도 분포가 공간적으로 균일하게 되도록 선택된다. 그러나 이 플럭스는 일부 공간적인 변화가 있기 때문에, 서셉터는 웨이퍼 표면(117)에서 일부 공간적인 온도변화를 초래할 것이다.

석영은 여러 가지 바람직한 물리적 성질을 가지므로 벽(14,16)과 페데스탈(111)로 선택하면 특히 유용하다. 석영은 상기 광원의 파장에 대해 상당히 투명하여, 광원으로부터의 광선에 의한 직접 가열은 무시될 수 있다. 석영은 기계적으로 강하여, 프로세싱 챔버 내에서 이루어지는 대부분의 접착회로 기공 단계 동안 경험하게 되는 약 1 기압의 압력차를 견디어내는데 있어 오직 3-6mm의 벽 두께면 충분하다. 석영은 다공성이 낮아, 프로세싱 챔버 내의 물리적인 조건(예를 들어 압력, 온도, 가스 조성)이 변화할 때 가스발생이 거의 없다. 또 석영은 프로세싱 챔버 내에서 이루어지는 처리에 대해 화학적으로 비활성이다.

램프(115)의 2차 배열은 불투명 디스크(12)의 상부면(116)에 램프가 20겹의 회전 대칭을 가지는 광선 플럭스를 발생하도록 π/10의 각거리를 가지고 원형 패턴으로 위치된다. 이들 램프는 적외선 스펙트럼 영역 내인 0.9 마이크론 정도의 파장에서 최대 강도를 발생하는 텅스텐-할로겐 사이클 램프이다. 이 램프는, 램프(115)로부터 오는 광선 플럭스의 반경방향 분포에 의해, 웨이퍼 및 불투명 디스크의 에지 냉각이 보상되도록 하는 반사체를 포함한다. 이 온도 분포에 의해, 디스크 중심에서보다 디스크 주변부에서 약 100℃가 더 낮은 온도가 형성될 것이다. 이 분포는 또 디스크 주변부의 바로 안쪽에서, 디스크 중심 온도에서 약 10∼30℃ 높은 피크 온도를 가질 것이다.

서셉터는 챔버 내의 프로세스 및 챔버 내로 도입된 반응물에 의존하는 온도로 가열된다. 예를 들어 다결정 실리콘을 증착하기 위한 서셉터의 온도는 : SiCl₄에 대해서는 1100∼1200℃, SiHCl₃에 대해서는 1050∼1150℃, SiH₂Cl₂에 대해서는 900∼1000℃, 그리고 SiH₄에 대해서는 550∼1050℃이다. 다결정 실리콘의 증착 속도는 온도 의존성이 크기 때문에, 이 반응기는 특히 다결정 실리콘 증착에 유리하다. 증착 속도는 온도의 역에 따라 지수함수적으로 변화하므로, 150℃ 보다 낮은 온도의 불투명 디스크와 웨이퍼 사이의 온도차는, 불투명 디스크 위에의 다결정 실리콘 증착 속도가 웨이퍼 위에의 증착 속도보다 느리게 하기에 충분하다.

램프(115)로부터의 광선 플럭스는 불투명 디스크의 온도를 상부 한계 값 Tu 보다 높게 해서는 안되는데, 이 한계값에서는 단 한 번의 처리에 의해 불투명 디스크 위에 충분한 양의 코팅이 형성되어, 상당량의 입자가 이 코팅으로부터 웨이퍼 위에 증착된다. 그러나 상당량의 입자를 발생시키지 않고 또는 수율에 나쁜 영향을 미치지 않으면서, 가능한 한 온도를 높게 유지하는 것이 유리하므로, 디스크를 수 회(예를 들어 5회 내지 10회의 처리) 처리한 뒤에만 세정해주면 되는 디스크 온도가 산출되도록 플럭스가 선택될 것이다. 이러한 세정은, 불투명 디스크가 1200℃ 정도의 온도로 가열되고, 약 1000torr의 압력에서 염산 증기가 2∼4분간 도입되고, 이후 프로세싱 챔버가 약 10ℓ/분의 속도로 약 30초 동안 H₂나 N₂같은 운반 기체를 세정되는 공정에 의해 이루어진다.

램프(115)로부터의 광선은 불투명 디스크 상부면(116)에서 그 강도가 공간에 따라 근소하게 변하기 때문에, 이 상부면에서 온도도 근소하게 변할 것이다. 불투명 디스크(12)는, 그 밑면(118) 위 온도의 공간적인 분포가 감소될 정도로 (0.08 내지 0.64cm, 0.030 내지 0.25인치 정도로) 충분히 두껍다.

웨이퍼의 밑면(118)과 상부면(116) 사이의 간극이 가능한 한 작아서, 불투명 디스크와 웨이퍼 사이의 열 이동을 좋게 하는 것이 바람직하다. 이 반응기에서 반응 가스는 가스 유입구(119)로부터 공급되고, 웨이퍼를 거쳐 배출구(120)로 흐른다. 웨이퍼에 걸쳐 반응물 플럭스와 간섭하는 것을 막기위해, 이 차이는 1.27 내지 2.54cm(0.5 내지 1인치)이다. 이와 같이 웨이퍼를 가로지르는 가스 유동 및 축(A) 주위를 따르는 웨이퍼의 회전이 함께 작용하여, 웨이퍼 상부면의 온도 프로필을 고르게 한다.

밑면의 각 영역으로부터 웨이퍼 상부면(116)의 각 점에 수용된 에너지 플럭스는, 웨이퍼의 상기 점과 상기 밑면의 영역 사이의 입체각에 비례한다. 웨이퍼와 불투명 디스크는 거의 평행하여 불투명 디스크의 바닥으로부터 웨이퍼 상부면의 각 점을 향해 거의 일정한 에너지 플럭스를 생성하기 때문에, 불투명 디스크는 웨이퍼보다 지름이 훨신 더 커야 한다. 따라서 불투명 디스크의 지름은 실린더형 측벽(15)의 내부 표면 지름과 거의 같다. 지름 20.3cm(8인치)의 웨이퍼 처리 실시예에서 불투명 디스크(12)의 지름은 약 33.0cm(13인치)이다.

웨이퍼 상부면 온도를 변화시키는 속도를 제공하기 위해, 불투명 디스크(12)는 열용량이 낮은 재료로 이루어져, 불투명 디스크로부터 웨이퍼로의 에너지 플럭스가 가능한 빨리 바뀌는 것이 좋다. 또 불투명 디스크는 열전도계수가 높아, 그 하면(118)의 온도 분포가, 그 상부면으로의 에너지 플럭스 분포에 비해 더 완만하게 되는 것이 유리하다. 그러나 불투명 디스크 재료 선택에 있어 가장 중요한 요소는 이 디스크가 램프(115)로부터의 광선에 대해 불투명하고 프로세싱 챔버 내에서 이루어지는 처리에 대해 화학적으로 비활성이어야 하는 점이다.

이러한 두 가지 기준을 만족하는 3가지 물질로서 카바이드, 카바이드 코팅된 흑연 및 불투명 석영이 있다. 카바이드와 석영은 가스 배출이 없으므로 유리하다. 흑연은 열전도율이 높아 유리하다. 흑연 역시 열용량이 높아, 주어진 처리 단계 동안 웨이퍼의 온도가 일시적으로 변하는 것을 피하기에 유리하다. 높은 열용량에 의해, 각 불투명 디스크는 램프(113,115)로부터의 에너지가 일시적으로 변하는데 대해 열 플라이휠로서 작용하게 된다. 열전도율이 높음으로써, 각 불투명 디스크는 램프(113,115)로부터 에너지가 공간적으로 변하는데 대해 열 플라이휠로서 작용하게 된다.

제 2도는 디스크형 열원이 프로세싱 챔버 상부벽의 원형 영역인 다른 반응기의 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서 챔버(24)는 챔버(24)를 둘러싸는 얇은 석영 상부 벽(21), 측벽(22) 및 석영 바닥 벽(23)을 포함한다. 바닥벽은 원형 배열된 텅스텐-할로겐 램프(26)로부터 서셉터(25)로 입사하는 광선 플럭스에 대해 투명하다. 프로세스 가스는 가스 유입구(27)를 통해 챔버(24)내로 공급되며 가스 배출구(도시되지 않음)를 통해 제거된다. 프로세싱 챔버 내의 압력은 웨이퍼를 처리하는 동안 100torr 정도의 차수로 감소된다. 부가적인 가스 유입구(28)가 포함되어, 퍼지 가스가 프로세싱 챔버(24) 내로 제공될 수 있다. 배출구(도시되지 않음)가 펌프에 연결되어, 100torr의 차수의 압력이 프로세싱 챔버 내에 발생할 수 있도록 한다.

상부 벽(21)의 온도는 석영 가열기(29)에 의해 제어된다. 석영은 도전율이 낮기 때문에, 상부벽의 두께를 얇게 (약 16인치) 유지하여, 열이 가열기로부터 프로세싱 챔버로 효과적으로 전달될 수 있도록 하는 것이 좋다. 게다가 상부벽을 웨이퍼에 가깝게 유지하도록, 이 벽은 대략 평면이어야 한다. 지름 15.2cm(6인치)인 웨이퍼를 처리하도록 설계된 반응기에서, 프로세싱 챔버의 지름은 약 30.5cm(12인치)이다. 이 30.5cm(12인치)에 걸쳐, 벽(21)은 평면으로부터 약 0.16cm(1/16인치) 정도로 벗어날 뿐이다.

이렇게 얇고 평면인 벽은 벽 전체에 걸친 압력차를 견디지 못하기 때문에, 가열기(29)는 진공챔버 벽(211)에 의해 둘러싸인 2차 진공챔버(210) 내에 포함된다. 파워는 입력 피드(212)를 통해 가열기와 결합되며 가열기 온도는 열전쌍(213)에 의해 측정된다. 가열기 상부의 불투명 석영의 단열층(214)은 가열기로부터 벽(21)을 거쳐, 서셉터 상에 지지된 웨이퍼(215)로의 열 에너지의 이동을 용이하게 한다.

단열층(214)의 상부에는 일반적으로, 구리와 같은 금속 물질, 금속 튜브의 평면 코일, 및 물을 냉각판(216)으로 공급하는 유체 공급원(217)으로 이루어지는 전도판(216)을 가지는 냉각 장치가 있다. 이 장치에서 냉각판(216)은 불투명한 절연층(214)에 의해 덮여진 석영 가열기(29)로 이루어지는 가열기 조립체를 냉각시키도록 작동한다. 조작시, 냉각 또는 가열판(216)은 가열기 조립체로부터 열원 석영 상부 벽(21)으로 전달되는 열을 증가시키거나 감소시킨다. 이러한 방식으로, 가열 및 냉각 조립체는 상부 벽(21)과 함께, 웨이퍼(215)용 열 플라이휠 및 제 1도의 불투명 디스크(12)와 동일하게 작동한다. 제 2도의 장치는 커버(30)가 있는 것으로 나타나 있는데, 이는 피팅(fitting) 및 제 2 진공 챔버 위의 모든 다른 구성요소 위를 덮기 위한 것이다.

이상 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니며, 당업자라면 최소한의 실험에 의해, 상술한 본 발명의 개념을 청구범위 내에서 확장할 수 있을 것이다.

제 1도는 반응기 내에서 처리되는 웨이퍼 상에 개선된 균등한 입사 에너지를 분포하는 열 플라이휠로서 디스크 요소를 포함하는 반응기를 도시한 도면,

제 2도는 반응기 내에서 처리되는 웨이퍼에 균일한 에너지 플럭스를 전환하는 가열 및 냉각 조립체를 포함하는 열원을 포함하는 반응기를 도시한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 반응기 12 : 디스크

13 : 웨이퍼 15 : 측벽

110 : 서셉터 111 : 페데스탈

112 : 모터 114 : 밑면

Claims (17)

1. 반도체 기판의 화학기상증착 프로세싱 장치로서,

   기판을 처리에 적합한 온도까지 가열하기에 충분한 강도의 제 1 광원;

   상기 기판 및 상기 제 1 광원으로부터 입사되는 광선을 수용하도록 위치된 서셉터;

   기판들이 처리되는 프로세싱 챔버를 둘러싸고 있으며, 상기 제 1 광원으로부터의 광선이 상기 서셉터에 입사될 수 있도록 적어도 일부가 투명한 벽; 및

   상기 기판의 상부면에 걸쳐 균일한 온도 프로필을 형성하기 위해, 처리되는 웨이퍼에 추가의 열을 제공하도록 상기 서셉터의 상부면으로부터 근접하게 이격되어 있는 열원을 포함하는 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열원이, 상기 서셉터에 대해 평행하게 동심으로 위치되어 있는 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 열원에 빛을 조사하여 가열하기에 충분한 강도를 갖는 제 2 광원을 더 포함하는 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 열원은,

   자신의 상부면 위의 제 1 광원으로부터 광선을 수용하여 온도가 상승되도록위치되고 배향되는 불투명 디스크로서, 상부면으로 입사되는 광선에 의해서 가열되고, 바닥면으로부터는 상기 웨이퍼를 향해 에너지 플럭스를 고르게 전달하는 불투명 디스크; 및

   상기 불투명 디스크의 온도를 소정의 온도로 상승시키는 제 2 광원으로서, 상당한 양의 입자를 발생시키지 않고 상기 웨이퍼 내의 온도 균일성이 개선되도록 상기 디스크의 온도가 선택되게 하는 제 2 광원을 포함하는 장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 디스크와 상기 서셉터 상에 위치된 임의의 기판 사이의 효과적인 열전달이 가능한 거리만큼 상기 디스크의 하부면이 상기 서셉터의 상부면으로부터 이격되어 있는 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 거리가 1.27 내지 2.54cm(0.5 내지 1인치)인 장치.
7. 제 4항에 있어서, 상기 디스크가, 카바이드, 카바이드로 코팅된 흑연, 및 불투명 석영으로 이루어진 물질 군으로부터 선택되는 조성을 갖는 장치.
8. 제 4항에 있어서, 상기 디스크의 두께가 0.08 내지 0.64cm(0.030 내지 0.25인치) 범위인 장치.
9. 제 4항에 있어서, 상기 디스크의 지름이, 상기 기판의 지름보다는 크고 상기프로세싱 챔버의 내경과 동일한 크기까지의 범위인 장치.
10. 제 4항에 있어서, 상기 디스크와 상기 기판이 각각 원통형인 장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 서셉터의 원통형 축선 둘레로 상기 기판을 회전시키는 수단을 더 포함하는 장치.
12. 제 3항에 있어서,

    상기 서셉터와 상기 기판을 수용하는 제 1 진공챔버;

    상기 열원을 수용하고 상기 제 1 진공챔버에 인접하여 위치하여, 상기 열원을 상기 기판에 대해 동심으로 평행하게 유지하는 제 2 진공챔버; 및

    상기 열원과 상기 제 1 및 제 2 진공챔버에 각각 인접하게 위치되어서, 상기 열원으로부터 상기 기판 표면으로 열 에너지를 전달하는 얇은 열전도성 벽을 더 포함하는 장치.
13. 제 12항에 있어서, 상기 열원이, 가열부재 층 및 절연층으로 이루어진 가열기 조립체를 포함하고 있으며, 상기 가열부재 층이 상부벽과 절연층의 사이에 위치하는 장치.
14. 제 13항에 있어서, 상기 가열부재 층에 인접한 냉각 조립체를 더 포함하는장치.
15. 제 14항에 있어서, 상기 냉각 조립체는 상기 가열부재 층과 동일한 평면 상으로 연통되는 층상 구조로 이루어지며, 상기 층상의 냉각 조립체는 금속 조성물로 조성되어 있으며 관형 유체 냉각수단을 가지는 장치.
16. 제 14항에 있어서, 상기 냉각 조립체는, 관형의 유체 냉각용 코일에 부착된 금속판으로 이루어지는 장치.
17. 제 15항에 있어서, 상기 관형 유체 냉각수단이 금속층 내에 매몰되어(embedded) 있는 장치.