KR20170083383A - 에피택셜 웨이퍼 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 반응 챔버 내부에 서셉터를 배치하고, 서셉터 상에 올려진 웨이퍼에 소스 가스를 반응시켜 에피택셜 웨이퍼를 제조하기 위한 장치로서, 상기 반응 챔버 하부에 배치되며 상기 반응 챔버 내부 및 웨이퍼를 가열시키는 열원, 상기 서셉터를 수직방향으로 지지하는 메인 샤프트, 상기 메인 샤프트 상에서 복수개의 암으로 연장되어 서셉터의 외주부를 지지하는 서셉터 지지대, 상기 메인 샤프트를 감싸며 웨이퍼의 교체시 상하 방향으로 이동되는 리프트 샤프트 및 상기 리프트 샤프트의 상부 둘레에서 연장되며, 상방향으로 갈수록 직경이 커지는 원통형으로 형성된 리프트 지지대를 포함한다. 따라서, 웨이퍼 표면의 국부적인 온도 편차를 제어할 수 있고 이에 에피택셜 웨이퍼의 두께를 평탄하도록 제어할 수 있다.

Description

에피택셜 웨이퍼 성장 장치{Apparatus for Growing Epitaxial Wafer}
본 발명은 에피택셜 성장장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 웨이퍼 상의 국부적인 온도 차이를 제어하여 웨이퍼 상에 에피택셜 박막을 균일하게 성장시킬 수 있는 에피택셜 성장 장치에 관한 것이다.
경면 가공된 실리콘 웨이퍼에 실리콘 단결정의 에피택셜 박막을 성장시킨 것을 에피택셜 실리콘 웨이퍼(epitaxial silicon wafer)라고 한다. 상기 에피택셜 실리콘 웨이퍼는 에피택셜 반응기 내부에 배치된 서셉터 위에 웨이퍼를 안착시키고, 에피택셜 반응기의 측면에 마련된 가스 공급부를 통해 원료 가스를 공급하고, 공급되는 원료 가스와 웨이퍼를 반응시켜 웨이퍼 표면에 에피택셜막을 성장시킨 것이다.
도 1은 일반적인 에피택셜 성장 장치를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 반응 챔버(100)의 외주면을 형성하는 하부 라이너(102) 및 그 상부에 상부 라이너(109)가 배치될 수 있다.
그리고, 반응 챔버(101)의 중심부의 공간에는 웨이퍼(W)가 안착되는 서셉터(105)가 마련된다. 그리고, 반응 챔버(101) 측면에 배치되는 가스 도입구(103)를 통하여 공급되는 원료 가스는 서셉터 지지대(106)에 의해 지지되는 서셉터(105) 상에 안착된 웨이퍼(W) 표면을 따라 흐르면서 에피택셜막을 성장시키고, 가스 배출구(104)를 통해 배출된다.
도 2는 종래의 에피택셜 반응기 중에서 서셉터가 놓여지는 부분의 일면을 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 반응 챔버(101) 내부에는 웨이퍼(W)가 놓여지는 서셉터(105)가 배치되고, 서셉터는 다수개의 갈래로 뻗어진 서셉터 지지대(106)에 의해 지지된다.
반응 챔버 하부에는 에피택셜 성장 장치 내부에 배치된 웨이퍼(W)에 열을 공급하는 열원(113)이 배치되며, 상기 열원(113)에서 발생되는 열은 서셉터를 통과하여 웨이퍼에 전달되어 웨이퍼에 대한 에피택셜 반응이 진행될 수 있다. 그러나, 하부에 배치된 열원(113)에서 발생되는 열의 전달 경로에는 반응 챔버(101) 내부의 각종 구조물이 배치되어 있어 웨이퍼로 균일하게 전달되지 못한다. 특히, 서셉터 지지대(106)는 열의 전달 경로를 차단함으로 인해, 서셉터 지지대가 위치하는 지점 상부의 웨이퍼 영역에는 상대적으로 적은 열이 전달된다. 예를 들어, 웨이퍼의 A영역과 열원(113) 사이에 장애물이 없는 경우 A 영역에는 상대적으로 많은 열이 전달되지만, 웨이퍼의 B영역과 같이 열원 사이에 장애물이 있는 경우 B 영역에는 상대적으로 적은 열이 전달된다.
도 3은 종래의 에피택셜 성장 장치에서 공정을 실시한 웨이퍼의 온도 분포를 나타낸 평면도이다. 도 3을 참조하면, 웨이퍼의 중심부 근처의 점선 영역은 증착된 에피막의 두께가 상대적으로 얇은 것을 나타내고 있다. 상기 빗금친 영역은 서로 연결되어 있지 않고 독립된 섬 모양으로 형성되어 있기 때문에, 웨이퍼의 직경 방향으로 에피막의 두께가 일부 파여지는 부분이 발생하므로 에피막이 웨이퍼의 동일 직경 상에서 비대칭적으로 형성된다.
이에, 에피택셜 공정을 거치는 웨이퍼는 직경 방향으로 그 두께 편차가 커지고, 에피택셜 웨이퍼의 품질에도 큰 영향을 미치게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 웨이퍼에 열을 가해주는 열원이 웨이퍼가 안착되는 서셉터의 하부에 배치되는 에피택셜 성장 장치에 있어서, 상기 열원과 서셉터 사이에서 웨이퍼로 전달되는 열을 차단하는 것을 방지하면서 웨이퍼로 균일하게 열이 전달될 수 있는 에피택셜 성장 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예는 반응 챔버 내부에 서셉터를 배치하고, 서셉터 상에 올려진 웨이퍼에 소스 가스를 반응시켜 에피택셜 웨이퍼를 제조하기 위한 장치로서, 상기 반응 챔버 하부에 배치되며 상기 반응 챔버 내부 및 웨이퍼를 가열시키는 열원; 상기 서셉터를 수직방향으로 지지하는 메인 샤프트; 상기 메인 샤프트 상에서 복수개의 암으로 연장되어 서셉터의 외주부를 지지하는 서셉터 지지대; 상기 메인 샤프트를 감싸며 웨이퍼의 교체시 상하 방향으로 이동되는 리프트 샤프트; 및 상기 리프트 샤프트의 상부 둘레에서 연장되며, 상방향으로 갈수록 직경이 커지는 원통형으로 형성된 리프트 지지대를 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 웨이퍼 상의 동일한 직경에 해당되는 지점은 상기 열원에서 전달되는 열량이 동일한 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 리프트 지지대는 상기 리프트 샤프트와 일체형으로 형성될 수 있으며, 상기 리프트 지지대의 표면은 동일한 두께로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 리프트 지지대는 투명 쿼츠(quartz)로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 서셉터 지지대에는 상기 웨이퍼를 상하 이동시키는 리프트 핀이 삽입되기 위한 관통홀이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 리프트 지지대의 상면에는 상기 리프트 샤프트가 상승시 상기 리프트 핀과 접촉하여 상기 리프트 핀을 상승시키는 접촉부가 마련될 수 있다.
본 발명에 따른 에피택셜 웨이퍼 성장 장치는 웨이퍼가 안착되는 서셉터의 하부에서 전달되는 열이 상기 웨이퍼로 균일하게 전달될 수 있도록 열의 전달 경로를 변경하여 줌으로써, 웨이퍼 표면의 국부적인 온도 편차를 제어할 수 있고 이에 에피택셜 웨이퍼의 두께를 평탄하도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 에피택셜 웨이퍼 공정을 실시함에 있어서 추가적인 공정 조건을 변경하지 않고도 웨이퍼의 국부적인 온도 불균일 현상을 제어할 수 있고, 특히 웨이퍼의 중심부에 해당하는 영역의 두께의 평탄도를 개선하여 에피택셜 웨이퍼의 품질 및 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 에피택셜 성장 장치를 나타낸 단면도
도 2는 종래의 에피택셜 반응기 중에서 서셉터가 놓여지는 부분의 일면을 나타낸 단면도
도 3은 종래의 에피택셜 반응기에서 공정을 실시한 웨이퍼의 온도 분포를 나타낸 평면도
도 4는 에피택셜 성장 장치에서 본 발명의 구성이 포함되는 영역을 구체적으로 나타낸 단면도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에피택셜 성장 장치를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 리프트 지지대를 나타낸 도면
도 7은 본 발명에 따른 에피택셜 성장 장치에서 성장된 웨이퍼의 온도 분포를 나타낸 도면
도 8은 종래와 본 발명의 실시예에 따른 에피택셜 성장 장치에서 성장된 에피막의 두께 프로파일을 나타낸 그래프
도 9는 에피택셜 성장 장치에서 성장된 에피막의 직경(㎜)에 따른 두께 편차(㎛)를 나타낸 그래프
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
본 발명의 실시예는 에피택셜 성장 장치 내부에서 웨이퍼에 에피택셜막을 성장시키는 에피택셜 성장 장치에 있어서, 서셉터 하부에 마련된 부재에 특징이 있으며 그 외의 구성은 종래와 동일하게 적용될 수 있다. 특히, 본 발명은 웨이퍼에 전달되는 열을 균일하게 제어하기 위한 것으로 상기 웨이퍼에 열을 가하는 열원이 반응 챔버의 하부에 적어도 한 개 이상 배치되어 있는 에피택셜 성장 장치인 것으로 가정한다.
도 4는 에피택셜 성장 장치에서 본 발명의 구성이 포함되는 영역을 구체적으로 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 서셉터(105)에는 웨이퍼(w)가 얹혀지며, 상기 서셉터는 적어도 3개의 서셉터 지지대(106)가 그 외주면을 받치고 있다. 상기 서셉터 지지대의 단부에는 서셉터와 결합하는 연결부(116)가 형성되어 서셉터의 중심이 흔들리지 않도록 한다.
그리고, 서셉터 지지대(106)들은 각각 복수개의 관통홀이 형성될 수 있으며, 복수개의 관통홀 중 하나에는 리프트 핀(114)이 삽입될 수 있고, 서셉터 상에 마련된 관통홀에 리프트 핀의 상부가 끼워질 수 있다. 상기 리프트 핀(114) 또한 서셉터를 안정적으로 지지하기 위하여 적어도 3개 이상 마련될 수 있다.
공정 챔버의 중심부에는 원형 기둥으로 형성되어 상기 서셉터를 지지하는 중심축 역할을 하는 메인 샤프트(117)가 마련되며, 상기 메인 샤프트의 상면에서 서셉터 지지대가 복수개가 연장 형성될 수 있다. 상기 메인 샤프트(117)의 하부는 회전구동장치와 연결되며, 에피택셜 웨이퍼를 성장시키는 공정 중에 서셉터(106)를 지지하면서 회전이 이루어지게 된다.
그리고, 상기 메인 샤프트 (117)의 표면을 감싸도록 중심이 관통된 형상의 리프트 샤프트(118)가 마련된다. 상기 리프트 샤프트(118)의 하부는 구동 장치와 연결되며, 메인 샤프트(117)의 표면을 따라 상하 방향으로 이동이 가능하다. 상기 리프트 샤프트(118)의 상면에는 리프트 핀의 개수와 동일한 개수로 형성되는 리프트 지지암(107)이 마련될 수 있고, 상기 리프트 지지암(107)의 상면에는 리프트 핀(114)의 하면이 접촉하기 위한 접촉부(115)가 마련될 수 있다.
상기 리프트 샤프트(118)는 에피택셜 웨이퍼의 성장 공정이 끝난 후 서셉터로부터 웨이퍼를 분리하는 과정에서 구동되는 부재이다. 상기 리프트 샤프트(118)가 상승하게 되면 접촉부(115)에 리프트 핀(114)이 접촉하게 되고, 리프트 핀(114)이 상승함에 따라 웨이퍼(W)가 서셉터의 상부로 분리되므로, 이 때 새로운 웨이퍼로 교체가 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 에피택셜 성장 장치를 나타낸 도면이다.
실시예는 웨이퍼의 국부적인 온도 불균일 현상을 제어하기 위한 것으로, 특히 반응 챔버 하부에 마련된 열원에서 전달되는 열을 웨이퍼 상에 균일하게 전달되도록 하는데에 그 목적이 있다. 도 4와 같은 구조하에서는 열원에서 전달되는 열이 서셉터와 열원 사이에 배치되어 있는 구조물에 의해 차단되는 영역이 발생하게 된다. 따라서, 실시예는 웨이퍼에 전달되는 열이 웨이퍼의 동일한 직경 내에서 일정하게 제어될 수 있도록 특히 리프트 지지암의 형상을 변경하는 점에 특징이 있다.
종래와 같이 리프트 지지암이 복수개의 암(arm)으로 이루어지는 경우에는 열원과 서셉터 사이에서 열 전달을 차단하는 소스가 되기 때문에 실시예는 리프트 샤프트(118) 상면에서 연장 형성되는 리프트 지지암을 복수개의 암으로 형성하지 않고 일체형 표면을 갖는 지지대가 되도록 형성한다.
도 5를 참조하면, 실시예의 리프트 지지대(110)는 상기 리프트 샤프트(118)의 상부 둘레에서 연장 형성되며, 상방향으로 갈수록 직경이 커지는 원통형으로 형성될 수 있다. 즉, 리프트 지지대(110)는 상부로 갈수록 직경이 커지기 때문에 수직방향에 대해 경사면이 형성되며, 실시예의 리프트 지지대는 깔때기(funnel) 형상으로 형성될 수 있다.
상기 리프트 지지대(110)의 경사면은 균일한 두께로 형성되며, 투명한 재질의 쿼츠(Quartz)로 이루어질 수 있다.
실시예의 리프트 지지대(110)의 표면은 두께가 균일하면서 하나의 표면을 갖도록 형성됨으로써, 열원에서 전달되는 열은 서셉터의 회전이 실시되는 동안 리프트 지지대(110)의 표면을 따라 동일한 양이 투과되며, 이에 웨이퍼의 동일한 직경에 해당되는 영역에는 동일한 열량이 전달될 수 있다.
또한, 실시예의 리프트 지지대(110)는 에피택셜 성장 공정이 수행되는 동안에는 일정한 위치에 고정되어 움직이지 않고, 에피택셜 성장 공정이 완료된 후에 웨이퍼의 교체시에만 구동하기 때문에 에피택셜 공정을 수행하는 도중에 열원에 의한 열투과량이 더욱 균일하게 이루어질 수 있다.
에피택셜 공정의 수행 과정에서 메인 샤프트(117)의 회전에 따라 웨이퍼는 일정한 속도로 회전하므로, 열원에서 전달되는 다수개의 열의 전달 경로는 웨이퍼의 동일 직경 지점에서 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 웨이퍼 상의 동일한 직경에 해당되는 지점은 상기 열원에서 전달되는 열량이 동일할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 에피택셜 성장 장치를 나타낸 사시도이다.
도 6을 참조하면, 리프트 지지대(110)의 상단부에는 리프트 샤프트(118)의 중심을 기준으로 복수개의 접촉부(115)가 서로 동일한 각도로 이격되어 형성될 수 있다. 상기 접촉부(115)는 리프트 핀(114) 하부와 접촉하여 리프트 샤프트(118)의 상승에 따라 리프트 핀을 상승시키기 위한 수단으로서 웨이퍼를 안정적으로 지지하기 위하여 적어도 3개 이상 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 실시예의 리프트 지지대(110)는 리프트 샤프트(118)의 상부로부터 직경이 점점 커지는 깔대기 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 리프트 지지대(110)의 측면은 리프트 샤프트 방향으로의 경사면이 형성되는데 상기 경사면의 각도는 리프트 핀을 향하도록 소정의 각도로 형성될 수 있으며, 리프트 지지대의 두께는 동일하게 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 실시예의 에피택셜 성장 장치를 적용하여 에피택셜 웨이퍼의 제조시에는 리프트 지지대에 의한 열전달이 차등적으로 일어나지 않게 되므로, 에피택셜 웨이퍼의 품질을 개선할 수 있다. 하기에서는 본 발명의 에피택셜 성장 장치를 사용시 특히 에피택셜 웨이퍼의 두께 평탄도가 개선되는 것을 실험으로서 평가하였다.
도 7은 에피택셜 성장 장치에서 성장된 에피막의 두께맵을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 종래 도 3에 나타난 바와 같은 섬 모양의 색상 영역이 제거되고 동일한 온도를 나타내는 영역이 웨이퍼의 중심을 기준으로 동심원을 이루는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 웨이퍼의 직경 방향으로 에피막의 두께는 웨이퍼의 중심을 기준으로 대칭적으로 형성됨을 확인할 수 있다.
도 8은 에피택셜 성장 장치에서 성장된 에피막의 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 웨이퍼에 직경(㎜)에 따른 에피막의 두께(㎛)를 측정한 것으로 종래의 경우에는 특히 점선 영역과 같이 에피막의 두께가 급격히 얇아지는 구간이 발생하게 된다. 그러나 실시예의 경우에는 점선 영역에서 에피막의 두께의 증감이 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 이는 에피택셜 웨이퍼의 두께 균일도가 향상된 것으로 판단할 수 있다.
도 9는 에피택셜 성장 장치에서 성장된 에피막의 직경(㎜)에 따른 두께 편차(㎛)를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 웨이퍼의 직경에 따른 각 지점에서의 에피막의 최대 두께와 최소 두께의 편차를 나타낸 것으로서, 종래의 경우에는 에피막 두께 편차가 0.1㎛의 범위에서 나타나지만, 실시예에서는 그 편차가 최대 0.03㎛ 이내의 범위에서 나타나므로 에피택셜 웨이퍼의 두께의 평탄도가 개선되었음을 확인할 수 있었다.
표 1은 본 발명의 에피택셜 성장 장치로 성장된 에피택셜 웨이퍼의 유니포머티(Uniformity)와 에피막 두께 편차의 최대값을 나타낸 것이다.
종래 실시예
Uniformity(%) 1.33 0.37
Peak-Valley(㎛) 0.104 0.028
유니포머티(Uniformity(%))는 에피막의 최대 두께(Epimax)와 에피막의 최소 두께(Epimin)에 관련된 것으로, (Epimax-Epimin)/ (Epimax+Epimin)와 같이 나타내어진다. 즉, 유니포머티가 작을수록 에피택셜 웨이퍼의 평탄도가 높은 것으로 판단할 수 있다. 에피택셜 웨이퍼의 직경 방향을 따라서 33 포인트의 유니포미티를 측정해본 결과 종래의 경우에는 1.33이 나타났으나 실시예는 이 값이 0.37로 감소하였다.
또한, 에피막의 최대 두께(peak)와 최소 두께(valley)를 감산하면 최대 편차가 도출되는데, 종래의 경우 0.104㎛로 측정되었으나, 실시예는 이 값이 0.028㎛로 감소하였다. 즉, 도 9와 표 1의 결과를 토대로 실시예에 따른 에피택셜 웨이퍼 성장 장치를 적용하여 제조되는 에피택셜 웨이퍼의 두께 평탄도를 현저히 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 실시예와 같이 구성된 리프트 샤프트(118)가 포함되는 에피택셜 성장 장치는 웨이퍼가 안착되는 서셉터의 하부에 위치한 열원에서 전달되는 열량이 웨이퍼의 직경방향으로 동일하도록 변경되므로, 웨이퍼 표면의 국부적인 온도 편차를 제어할 수 있고 이에 에피택셜 웨이퍼의 두께를 평탄하도록 제어할 수 있다.
또한, 에피택셜 웨이퍼 공정을 실시함에 있어서 추가적인 공정 조건을 변경하지 않고도 웨이퍼의 국부적인 온도 불균일 현상을 제어할 수 있고, 특히 웨이퍼의 중심부에 해당하는 영역의 두께 평탄도를 개선하여 에피택셜 웨이퍼의 품질 및 수율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
105: 서셉터
106: 서셉터 지지대
110: 리프트 지지대
114: 리프트 핀
115: 접촉부
116: 연결부
117: 메인 샤프트
118: 리프트 샤프트

Claims (7)

  1. 반응 챔버 내부에 서셉터를 배치하고, 서셉터 상에 올려진 웨이퍼에 소스 가스를 반응시켜 에피택셜 웨이퍼를 제조하기 위한 장치로서,
    상기 반응 챔버 하부에 배치되며 상기 반응 챔버 내부 및 웨이퍼를 가열시키는 열원;
    상기 서셉터를 수직방향으로 지지하는 메인 샤프트;
    상기 메인 샤프트 상에서 복수개의 암으로 연장되어 서셉터의 외주부를 지지하는 서셉터 지지대;
    상기 메인 샤프트를 감싸며 웨이퍼의 교체시 상하 방향으로 이동되는 리프트 샤프트; 및
    상기 리프트 샤프트의 상부 둘레에서 연장되며, 상방향으로 갈수록 직경이 커지는 원통형으로 형성된 리프트 지지대를 포함하는 에피택셜 웨이퍼 성장 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 웨이퍼 상의 동일한 직경에 해당되는 지점은 상기 열원에서 전달되는 열량이 동일한 에피택셜 웨이퍼 성장 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 리프트 지지대는 상기 리프트 샤프트와 일체형으로 형성되는 에피택셜 웨이퍼 성장 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 리프트 지지대의 표면은 동일한 두께로 형성되는 에피택셜 웨이퍼 성장 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 리프트 지지대는 투명 쿼츠(quartz)로 이루어지는 에피택셜 웨이퍼 성장 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 서셉터 지지대에는 상기 웨이퍼를 상하 이동시키는 리프트 핀이 삽입되기 위한 관통홀이 형성되는 에피택셜 웨이퍼 성장 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 리프트 지지대의 상면에는 상기 리프트 샤프트가 상승시 상기 리프트 핀과 접촉하여 상기 리프트 핀을 상승시키는 접촉부가 마련되는 에피택셜 웨이퍼 성장 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220082877A (ko) * 2019-12-19 2022-06-17 가부시키가이샤 사무코 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법

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