KR20010031714A - 수명이 긴 고온 공정 챔버 - Google Patents

Abstract

챔버를 상부 구역과 하부 구역으로 분할하는, 중앙에 위치한 서셉터(20)에 인접하고 온도 조절 링(22)을 둘러싼 전방 및 후방 챔버 분할판(16, 18)을 갖는 전체적으로 수평 방향의 석영 CVD 챔버(10)가 개시된다. 이에 의해 CVD 공정 부품의 수명 및 이와 관련된 처리 능력이 개선된다. 미사용 반응가스의 일부를 끌어들이기 위한 게터 플레이트(30)는 상기 분할판과 상기 챔버 상부벽과 전체적으로 평행하게 연장하고 양자 사이에서 이격 위치한 서셉터의 하류에 위치한다. 이 게터 플레이트는 또 챔버벽 상의 증착을 최소화하여 세척 단계의 효율을 개선시킨다. 재복사 열 흡수기도 챔버의 측벽 근처에 위치하여 더 차가운 챔버 벽 영역을 가열시킨다. 게터 플레이트와 재복사 열 흡수기와 더불어 서셉터와 서라운드 링은 모두 화학증착된 고체 SiC로 만들어져 챔버의 수명을 개선한다. 또한, 상기 서셉터에 인접한 열전쌍(34)에 SiC 덮개가 마련되어 열전쌍이 석영 덮개보다 더 많은 공정의 주기를 견딜 수 있게 해준다. SiC 덮개는 챔버 전체에 있는 석영 부품에 제공되어 석영의 투명성 상실을 막아줄 수도 있다. 정지 시간을 줄여주고 공정 사이클의 세척 단계의 시간을 줄여주므로 처리 능력이 개선된다.

Description

수명이 긴 고온 공정 챔버{Long life high temperature process chamber}

일반적으로 CVD 리액터에서 증착되는 재료는 원하는 웨이퍼 상에 증착할 뿐만 아니라, 웨이퍼 상의 재료와 반드시 같지는 않은 일부 재료가 리액터 챔버벽에 그리고 리액터 내의 다른 부분에 증착되는데, 대부분의 리액터에 있어 웨이퍼 지지체 및 지지체 주위에 위치한 링 부분에서 눈에 띈다. 반복되는 공정을 유지하기 위해서 챔버는 주기적으로 세척되어야 한다. 그러한 챔버 세척은 일반적으로 웨이퍼 지지체, 챔버벽 및 기타 다른 부분을 적당히 고온으로 가열시키고, Hcl과 같은 할로겐 함유 가스를 유동시킴으로써 행해진다.

에피택셜 증착로(reactors for epitaxial deposition)는 보통 서셉터와 서셉터의 온도 조절을 도와주는 서라운드 링(surrounding ring)을 채용한다. 이들 구성요소는 대개 그라파이트로 만들어지며 실리콘 카바이드(SiC)로 도포된다. 궁극적으로 Hcl 식각은 SiC 코팅을 침투하여 증착막의 특성을 급격히 악화시킨다. 그렇게 되면 교체해야 한다. 잘 알려진 유형의 반응로는 서셉터를 에워싼 링의 온도를 감지하기 위해 링 주위에 열전쌍을 채용하며, 그로써 서셉터와 서셉터 상에 위치한 웨이퍼의 온도를 간접 측정한다. 이들 열전쌍은 대개 석영으로 싸여져 있다. 1000℃ 이상의 온도로 석영에 반복되는 빈번한 열 주기가 석영 덮개의 투명성 상실 및 열전쌍의 고장을 일으키므로 교체를 필요로 한다.

일반적으로 챔버는 석영으로 형성된다. 반응가스가 석영 챔버 벽 내부를 도포시킨다는 것이 고온 화학증착 공정에서의 문제다. 석영 챔버 벽의 도포는 입자들이 벽에서 떨어져 나오는 문제와 석영 챔버의 보다 빈번한 세척 필요를 비롯하여, 바람직하지 못한 여러 양상을 야기한다. 석영 챔버 벽에 증착되는 재료들 중 일부는 챔버를 세척할 때 식각되지 않고 잔류할 수도 있다. 증착물이 누적되면 석영 챔버는 국부적으로 투과성을 상실하여, 보통은 챔버 상부벽의 외부 및 챔버 하부벽의 외부와 인접하게 위치한 램프로부터의 방사열에 의해 급속히 가열된다. 이것은 궁극적으로 물 세척을 필요로 할 뿐만 아니라 심지어는 챔버를 교체하게 할 수도 있다.

챔버벽이 너무 뜨거워지면 반응가스가 웨이퍼 상에 증착하는 것과 비슷한 방식으로 챔버 벽에 증착될 수 있다. 석영이 챔버 벽 재료로 선택되는데, 그 이유는 램프가 제공하는 열 에너지에 대하여 투과성이 상당히 높기 때문이다. 웨이퍼, 서셉터 및 서라운드 보상 링은 이 방사 에너지에 의해 가열될 때 에너지를 다시 챔버 벽을 향하여 재방사시킨다. 재방사된 에너지의 일부는 상당 부분의 에너지가 석영 챔버 벽에 흡수되는 파장을 갖는다. 그 결과 챔버 벽에 증착이 일어나는 온도 이하로 챔버 벽의 온도를 유지하기 위해서 공기 또는 다른 냉각제(coolant)가 램프를 가로질러 챔버 벽 근처로 유동하게 하는 것이 통상적이다. 그러나 이러한 냉각은 챔버 벽의 일부 구역을 반응가스가 응축될 수 있는 차가운 온도로 유지되게 할 수 있다. 서셉터 지지에 사용되는 스파이더 및 링 지지에 사용되는 스탠드와 같은 다른 챔버 구성요소들도 통상 석영으로 만들어지기 때문에 투명성 상실 및 공정가스에 대한 노출 등의 동일한 문제를 갖는다.

서셉터, 링, 열전쌍, 챔버 및 기타 여러 가지 챔버 구성요소들을 교체해야 할 필요성은 당연히 리액터의 작동 정지와 상당한 구성요소 교체를 위한 비용을 발생시킨다. 이 외에도 도포되는 웨이퍼 상에 원하는 막 성질을 제공하는 상태로 리액터를 재가동시키는데 상당한 시간과 경비가 필요하다.

본 발명의 목적은 CVD 챔버 내의 구성요소들의 수명을 상당히 늘리는 것이다. 나아가 본 발명의 목적은 CVD 챔버 내의 구성요소들의 수명을 늘리 기 위해 챔버 벽 및 일부 구성요소의 증착물의 양을 감소시키는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 세척제의 세척 효율을 향상시키는 것이다. 나중의 두가지 목적과 관련하여 본 발명의 목적은 정지 시간을 줄이고 이로써 공정처리능력을 증가시키는 것이다.

[발명의 요약]

본 발명에 따라서, 챔버 및 챔버 내부 구성요소 전부의 수명이 연장되어, 그 수명이 적외선을 흡수하는 부분/재료 및 적외선을 흡수하지 않는 부분/재료를 적절히 선택하여 공정 챔버의 수명과 일치해지는 반도체 웨이퍼 공정을 위한 화학증착 리액터를 제공한다. 일 실시예에서, 챔버는 전방 분할판, 온도 보상링이나 슬립 링으로 둘러싸인 서셉터 및 후방 분할판에 의해 상부 영역과 하부 영역으로 분리된 수평 방향의 석영관 형태이다. 상부 영역에는 반응가스가 유입되어 서셉터에 위치한 웨이퍼에 실리콘이나 기타 재료가 성장하게 한다. 리액터의 하부 영역에는 퍼지가스가 도입되어 반응가스가 리액터의 저부로 확산 또는 유동하지 못하게 한다.

서셉터 하류의 챔버벽 상에서의 미사용 반응가스의 증착을 최소화하기 위해 가스 스트림상에 면부(surfaces)를 위치시켜, 미사용 반응가스의 일부가 인접한 챔버 벽 보다는 이들 면부에 증착하게 한다. 이들 면부는 적외선 흡수 재료로 만들어져 고온에 견딜 수 있는데, 예를 들면 실리콘 카바이드 같은 것이다. 일 실시예에서 이들 면부는 대개 가스 플로우와 평행하게 연장되고 후방 챔버 분할판과 챔버의 상부 벽 사이에 이격 위치한 플레이트 상에 있다. 이들 소위 게터 플레이트의 상면과 하면 모두가 미사용 반응가스에 노출된다. 또한 플레이트는 석영 벽에 의해 더 쉽게 흡수되는 파장이 포함된 광역 스펙트럼에서 에너지를 재방사한다. 플레이트를 상부 챔버벽 가까이 위치시키면 그러한 영향을 최소화할 수 있다. 온도를 적절히 조절함으로써, 이러한 구조는 쿨러와 인접 석영 챔버벽 상에 증착이나 응축을 최소화하고 또한 벽의 세척을 개선시키므로 챔버의 수명을 연장시킨다.

이러한 식으로 석영 챔버벽에 대한 증착을 최소화하는 또 다른 기술은 냉각되는 경향이 있거나 아니면 증착이나 응축을 최대한 수용하는 경향이 있는 벽의 챔버에 인접하게 쉴드나 열 흡수기를 위치시키는 것이다. 챔버 구성을 달리함으로써 구조를 변경할 수 있다. 예를 들면, 어떤 챔버에서는 서셉터를 둘러싼 벽이 그러한 쉴드를 사용하여 혜택을 볼 수도 있다. 챔버의 수명을 연장시킬 뿐만 아니라 그러한 쉴드는 증착 코팅의 벗겨짐으로 인한 입자 문제를 최소화할 수 있다. 더욱이 챔버 상의 증착물 첨가제(dopant)가 잔류한 결과로 발생되는 이후의 웨이퍼의 도핑도 최소화된다. 서셉터를 에워싼 챔버 벽을 통해 복사열을 차단함으로써 챔버 가장자리의 냉각을 제한한다.

석영보다 내구력이 더 긴 외부 덮개, 예를 들면 실리콘 카바이드같은 외부 덮개를 갖는 하나 이상의 열전쌍이 서셉터에 인접하게 설치된다. 실리콘 카바이드는 고온 주기에 대해 투명성을 상실하거나 마모되지 않으므로 열전쌍 덮개의 수명이 기존에 사용했던 석영 덮개의 수명보다 상당히 늘어난다. 실리콘 카바이드가 열전쌍에 불리하게 반응할 수도 있으므로 석영이나 다른 미반응(nonreacting) 재료로 된 얇은 슬리브가 실리콘 카바이드 덮개 내의 열전쌍 접합부 위에 위치한다.

실리콘 카바이드 덮개가 챔버 전체를 덮어서 석영 리액터 구성요소들이 투명성을 상실하는 것을 방지한다. 일 실시예에서, 실리콘 카바이드 캡이 중앙 열전쌍을 덮는 석영 덮개 위에 제공되어 석영을 공정가스로부터 보호한다. 실리콘 카바이드 덮개는 또 부분적으로 아니면 전체적으로 서셉터를 지지하는 석영 스파이더나 슬립 링을 지지하는 석영 스탠드와 같은 다른 석영 구성요소들을 덮는데 사용될 수도 있다.

서셉터와 서셉터를 둘러싼 링은 모두 실리콘 카바이드가 도포된 그라파이트 보다는 단일의 실리콘 카바이드 같은 재료로 만들어진다. 단일의 CVD 실리콘 카바이드 부품의 수명은 실리콘 카본이 도포된 그라파이트 부품보다 약 5배 길다. 이렇게 연장된 수명은 전술한 게터 플레이트를 채용하는 리액터 챔버의 수명과 거의 비슷하다. 실리콘 카바이드가 덮힌 열전쌍과 실리콘 카바이드로 덮힌 석영 부품이 거의 비슷한 기간 존속할 것으로 예상된다. 그 결과 리액터 내부 부품들의 수명과 석영 챔버의 수명 개선으로 리액터에 대한 유지보수 주기를 약 1,500 내지 4,000매의 웨이퍼에서 20,000매 이상의 웨이퍼로 개선시킬 수 있을 것으로 믿어진다.

본 발명은 기판의 고온 처리 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 화학 증착 (Chemical vapor deposition; 이하, ″CVD″로도 표현됨) 리액터에서 반도체 웨이퍼 상에 재료를 화학 증착시키는 것에 관한 것이다.

도1은 본 발명에 따라 개선된 내부 부품들과 개선된 챔버에 대한 분리사시도,

도2는 도1의 챔버에 대한 횡단면도,

도3은 도1에 도시된 열전쌍에 대한 확대횡단면도,

도4는 열전쌍 지지체 및 서셉터와 링의 얇은 두께를 도시하는 횡단면도,

도5는 웨이퍼 지지체의 또 다른 형태에 대한 부분 횡단면도,

도6은 실리콘 카바이드 캡을 갖는 중앙 열전쌍에 대한 횡단면도,

도7a, 7b는 서셉터를 둘러싼 챔버벽에 인접한 열 흡수기 (heat absorber)를 갖는 전체적으로 원형인 챔버 내부의 개략도이다.

[바람직한 실시예의 상세한 설명]

도1과 도2를 참조하면, 석영으로 만들어진 전체적으로 가늘고 길고 평평한 직사각형의 챔버(10)가 도시되어 있다. 챔버는 평평한 상부벽(10a), 한쌍의 낮은 수직 측벽(10c)과 연결된 평평한 하부벽(10b)을 포함한다. 두꺼운 유입 플렌지(12)가 이들 챔버 벽들에 부착된 챔버의 가스 유입단을 가로질러 연장되어 있다. 비슷한 가스 유출구(14)가 챔버 벽들에 부착된 챔버의 하류단에 도시되어 있다.

챔버는 챔버 측벽(10c) 사이에서 연장되고 전체적으로 상부벽과 하부벽에 대해 평행한 평평한 전방 또는 하류 분할판(16)과 후방 또는 하류 분할판(18)에 의해 상부 구역(15)과 하부 구역(17)으로 분할된다. 분할판(16, 18)은 측벽(10c)에 형성된 지지체(19)나 또는 챔버 바닥벽에서 상향 연장되는 지지체(미도시)에 의해 지지된다. 후방 챔버 분할판(18)은 대략 전방 분할판(16)과 동일한 평면에 있다. 나아가 챔버는 전체적으로 평평한 원형 서셉터(20)와 때때로 온도 보상링이나 (결정학적 슬립을 막기 위한) 슬립 링으로 불리는 서라운드 링(22)에 의해 분할된다. 최선의 결과를 위해 슬립 링의 조사되는(irradiated) 단위 영역에 대한 열 질량은 서셉터의 열 질량과 비슷해야 한다. 개별 구성에 따라, 최적의 슬립 링과 열 질량은 서셉터보다 약간 크거나 작을 수도 있다. 최적의 슬립 링과 열 질량을 확인하기 위해서는 실험이 적당하다. 도2의 횡단면도에서 가장 잘 도시된 것처럼 서셉터와 슬립 링은 또 분할판(18, 16)과 실질적으로 같은 평면에 위치해 있다.

서셉터(20)는 중심 허브에서 반경 방향으로 외부로 연장되는 3개의 아암과, 서셉터와 결합되는 아암의 종단에 있는 상향 연장 돌기를 갖는 스파이더(24)에 의해 지지된다. 서셉터의 저면에는 또 돌기의 단부를 수용하기 위한 하나 이상의 홈(미도시)이 마련되어 서셉터를 중앙에 위치시킬 수 있고 서셉터를 회전시키기 위한 커플링을 형성할 수 있다. 스파이더는 챔버의 하부벽(10b)을 통해 연장되고 또 챔버의 하부벽에 부착되어 하부벽에 달린 석영관(27)을 통해 연장되는, 개략적으로 도시된 관상 샤프트(26) 위에 설치된다. 샤프트는 샤프트, 스파이더와 서셉터를 회전시키기 위해 구동 수단(미도시)에 연결되도록 조절된다. 구동 메커니즘과 더불어 그러한 구조에 대한 세부내용이 미국 특허 제4,821,674호에 들어있는데, 본 명세서에서 참고한다. 링(22)은 챔버의 하부벽(10b)에 얹혀있는 스탠드(23)에 의해 지지되는 것으로 도시되어 있다. 아니면 링은 챔버의 측벽에서 내부로 연장하는 레지(ledge)나 분할판(16, 18)에서 연장되는 레지에 지지될 수도 있다.

후방의 챔버 분할판(18)에서 상향 연장되는 복수의 핀(31)에 지지되는 게터 플레이트(30)는 서셉터와 링의 하류에 위치해 있다. 게터 플레이트는 전체적으로 챔버 상부벽(10a)과 분할판(18)에 평행하게 연장되고 이들 사이의 대략 중간 정도에 있다. 이들 플레이트는 하나 이상 사용될 수 있다. 플레이트는 시스템의 가스 흐름 동역학(gas flow dynamics)에 맞는 형태를 가질 수 있다. 단일의 평평한 플레이트를 가지고 수용가능한 결과를 얻을 수 있다. 그러나 당해 기술의 숙련자에게는 플레이트 형태의 최적화는 간단한 일이다. 또한 게터 플레이트의 각 사이드에 그리고 측벽(10c)의 하류 부분에 인접하게 위치한 실드나 열 흡수기(32)가 선택적으로 서셉터의 하향부에 위치해 있다. 게다가 실드나 열 흡수기(33)가 측벽(10c)의 중앙 부분에 인접한 챔버의 중앙 영역의 각 사이드에 채용될 수도 있다. 챔버벽에 인접한 실리콘 카바이드 링(22)이 이들 인접한 챔버벽에 대하여 상당한 가열 효과를 갖기 때문에 열 흡수기(33)가 불필요할 수도 있다. 이들 열 흡수기(32, 33)는 적당한 수단에 의해 제자리에 있을 수 있다. 예를 들면 열 흡수기(32)는 핀(31)에 의해 자리를 잡고 챔버 측벽(10c)과 약간 이격 위치할 수 있다. 필요하다면 챔버 측벽과 하류 분할판(18)에 돌기를 마련하여 열 흡수기(32)가 측벽과 약간 이격되게 할 수도 있다. 마찬가지로 열 흡수기(33)는 측벽(10c)과 측벽에 설치된 적절한 지지체에 의해 자리가 정해지는 스탠드(23) 사이에서 챔버 하부벽(10b)의 지지체에 얹혀지며 열 흡수기(33)의 상단이 측벽에서 약간 이격 위치할 수 있다.

열 흡수기(32, 33)는 실리콘 카바이드, 또는 실리콘 카바이드가 도포된 그라파이트 또는 열을 흡수하는 적당한 다른 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 열 흡수기(32, 33)의 목적은 챔버벽 상에 재료의 증착을 최소화하기 위해 약간의 열을 흡수하는 것이다. 증착이 감소한다는 것은 챔버벽의 코팅이 벗겨짐으로 인한 입자 문제가 줄어든다는 것을 의미한다. 나아가 챔버 상의 첨가제 및 증착물 잔류의 결과로서 생기는 웨이퍼 도핑이 최소화된다. 또한 온도 조절 루프에 의해 직접 웨이퍼 온도에 영향을 주는 복사열의 차단도 최소화된다.

열 흡수기(32, 33)가 인접한 측벽과 어느 정도 같은 공간에 있는 얇은 플레이트로 예시되었지만 다른 구성을 채용할 수도 있다. 예를 들면, 열 흡수기는 기본적으로 열을 흡수한 후 측벽에 대해 재방사하여 챔버 가장자리의 냉각을 최소화하는 것이라는 점에서 더 두껍지만 높이가 더 낮은 열 흡수기가 채용될 수도 있다. 이렇게 더 낮고 두꺼운 부분은 벽과 같은 공간에 있지 않은 경우에도 인접 챔버벽의 온도를 증가시키는 경향이 있다.

도7a는 전체적으로 원형의 구성을 갖는 CVD 챔버의 측벽(63)과 인접한 일련의 실리콘 카바이드 피스(62)를 개략적으로 도시한다. 짧고 직선형인 일련의 피스(62)가 예시되었지만 도7b에서처럼 더 긴 곡선형 부분(64)이 이용될 수 있다. 이들 피스(62)는 챔버 측벽에 인접하여 적당한 방법으로, 예컨대 석영 챔버 플렌지(65)에 지지되는 적당한 석영 핀(미도시) 상에서 지지된다. 도 7b는 돔형 상부벽(66)을 갖는 챔버를 개략적으로 도시한다.

물론 챔버가 깨끗할수록 전술한 이유로 더 나은 처리 결과를 이끌어낸다. 나아가 깨끗한 챔버는 빈번히 분해될 필요가 없으므로 정지 시간이 더 적어지고 덜 빈번하게 세척되는 챔버는 세척 처리로 인해 발생되는 마모가 줄어들기 때문에 수명이 더 길어진다.

링(22)의 양쪽에 한쌍의 열전쌍(34)이 보이는데, 열전쌍은 챔버 측벽(10c)과 전체적으로 평행하게 연장되어 있다. 열전쌍은 링(22) 아래에 위치하고 링(22)에 의해 지지되며, 도4에서 가장 잘 도시된대로 각 열전쌍은 링의 관상 부분 (22a)을 통과하여 연장된다. 열전쌍은 또한 허용범위 내의 온도 판독 에러에 따라 슬립링과 아주 가깝게 위치할 수도 있다. 도3을 참조하면 각각의 열전쌍(34)은 세라믹 지지체(37)를 둘러싼 외부 덮개(35)를 포함하며, 세라믹 지지체(37)는 그 내부를 관통하여 연장되고 접합부(36a)를 형성하는 한쌍의 열전쌍 와이어(36)를 갖는다. 덮개(35)가 열전쌍 와이어와 화학적으로 조화되지 않는 경우에는 추가로 작은 석영 슬리브나 캡(30)이 열전쌍 접합부(36a) 위로 연장되어 덮개(35)로부터 열전쌍 와이어를 보호한다. 대안으로 질화붕소(boron nitride) 코팅이 와이어에 사용될 수 있다.

바람직하게는 열전쌍 접합부(36a)가 링(22)의 전방이나 상류 코너 각각에 위치한다. 또한 하나 또는 두 개의 추가 열전쌍 접합부가 각각의 덮개(35)에 위치하며, 제2의 와이어 쌍의 접합부가 링(22)의 후방이나 하류 코너에 인접하게 위치하는 것이 바람직하다. 또한 접합부가 상류 코너와 하류 코너 사이에 위치할 수 있다. 게다가, 비슷한 열전쌍(38)이 관상 샤프트(26)를 통과해 상부로 연장되어, 그 끝이 서셉터(20)의 중심 가까이 위치해 있다.

서셉터와 서라운드 링 모두는 아주 낮은 열 질량을 갖도록 형성된다. 바람직하게는 서셉터가 지지하는 반도체 웨이퍼의 질량과 유사한 질량, 즉 계수 3 이내의 질량을 갖는 것이다. 서셉터는 도4에 도시된 것처럼 하나의 피스로, 또는 도5에 도시된 것처럼 두 개의 피스로 구성될 수 있다. 이것은 중앙의 평평한 디스크(44)를 지지하는, 하부 내측으로 연장된 플렌지를 갖는 외부 지지 링(42)을 포함한다. 링은 나아가 링(42) 안에 꼭 맞는 웨이퍼(45)를 지지하기 위한 3개 내지 6개의 돌출부(42b)를 갖는 에지를 포함한다. 돌출부는 웨이퍼를 디스크(44)와 이격 위치시킨다. 하나의 스파이더 아암 돌기(24a)의 끝이 링(42)의 하면 내의 그루브(42a)에 위치한 것으로 도시되어 있다.

본 발명에 따르면 서셉터, 링 및 게터 플레이트는 모두 SiC가 도포된 그라파이트와 같거나 그보다 나은, CVD 공정에 견딜 수 있는 재료로 만들어진다. 열전쌍 덮개는 투명성을 손실하지 않는 재료로 만들어진다. 그 재료는 도2에서 개략적으로 도시된 것처럼 서셉터와 가열 램프(46)에서 나오는 복사 에너지를 잘 흡수해야 한다. 더욱이, 그 재료는 상당히 양호한 열 전도체여야 하고 여러 번의 주기에 걸친 CVD 공정시 발생되는 고온에 견딜 수 있어야 한다. 이것은 또한 비교적 차가운 웨이퍼를 뜨거운 서셉터 상에 위치시킬 때 반복적으로 생기는 열 쇼크에 견딜 수 있는 능력을 함께 갖고 있어야 한다. 이 외에도 상기 재료는 내구력이 있어야 하고 세척이나 식각시 채용되는 다양한 화학제는 물론 증착 공정에서 채용되는 다양한 재료와 조화될 수 있어야 하고 뛰어난 화학적 안정성을 가져야 한다. 화학에서 Si나 Si-Ge 에피택시에 일반적으로 이용되는 이러한 요건을 만족시키는 기본적인 재료는 실리콘 카바이드이다. 그러므로 서셉터와 그것을 에워싼 링은, 실리콘 카바이드로 도포된 그라파이트를 사용했던 선행기술의 접근 방식과는 달리 단일의 실리콘 카바이드로 만들어진다. 게터 플레이트와 열전쌍 덮개는 물론 링과 서셉터는 바람직하게는 CVD 실리콘 카바이드로 만들어진다. 이로써 서셉터와 링이 기존에 사용된 실리콘 카바이드가 도포된 그라파이트 부품 보다도 훨씬 더 많은 가열 주기 내내 사용될 수 있게 한다. 서셉터 하류의 온도가 서셉터에서의 온도보다 낮아지기 때문에 게터 장치는 시스템의 다른 구성요소 보다도 수명이 더 길어진다. 실리콘 카바이드 열전쌍 덮개는 이전에 사용된 석영 덮개보다도 훨씬 더 많은 주기를 견딜 수 있다.

리액터 구성요소의 수명은 또 챔버 전체 중 특정 위치에 실리콘 카바이드 덮개를 제공함으로써 개선된다. (Si 같은) 석영 피스에 재료를 증착시키면 석영이 빨리 파손될 수 있다. SiC가 있는 쉴딩 임계 영역은 석영의 열화를 방지함으로써 공정 챔버의 수명을 연장시킨다. 실리콘 카바이드가 챔버 작동을 실질적으로 방해하지 않는 한은, 챔버 내의 스파이더(24), 스탠드(23), 열전쌍(34, 38) 및 기타 다른 적당한 위치에서 석영이 발견되는 곳마다 실리콘 카바이드 실드가 제공될 수 있다는 것을 알 수 있다.

도6을 참조하면, 실리콘 카바이드 실드로 석영 부품을 보호하는 일 실시예가 중앙 열전쌍(38)과 관련하여 도시되어 있다. 열전쌍(38)은 석영 덮개(52)로 둘러싸인 열전쌍 와이어(50)를 포함한다. 열전쌍 팁에 증착하는 경향이 있는 가스로부터 열전쌍(38)을 보호하기 위해, 그리고 공정가스 증착물을 제거하는데 이용되는 식각 공정의 효과로부터 석영 덮개를 절연시키기 위해 석영 덮개(52) 위에 실리콘 카바이드 캡(54)이 제공된다.

도6에 도시된 캡(54)과 같은 실리콘 카바이드 덮개는 구성요소를 챔버의 공정가스로부터 부분적으로 또는 완전히 절연시키기 위해 해당 석영 부품에 맞도록 조정할 수 있는 간단한 기하학적 구성으로 형성되는 것이 바람직하다. 실리콘 카바이드 부품은 일반적으로 비교적 비싸고 복합적인 형태로 구성하는 것이 어렵기 때문에 캡, 평평판 플레이트, L 자형, U 자형, T 자형 및 다양한 다른 평면형, 곡선형 및 곡면형과 같은 간단한 기하학적 형태를 이용하는 것이 생산비를 최소화하고 전체적인 생산 공정을 단순화시킨다. 이는 나아가 챔버의 복합적인 구성요소들이, 비교적 값싸고 기계 가공 및 용접이 쉬운 석영으로 만들어질 수 있게 해준다. 그러므로 도1과 도2의 바람직한 실시예에 예시된 챔버(10)에서 열전쌍(34, 38), 스파이더(34)와 스탠드(23)와 같은 구성요소들은 석영을 이용하여 생산되는 것이 바람직하고 그리고 나서 간단한 구성을 갖는 실리콘 카바이드 덮개로 덮는다.

실리콘 카바이드 외에도 만족스러운 다른 재료로는 질화붕소(boron nitride), 질화규소(silicon nitride), 이산화규소(silicon dioxide), 질화알루미늄(aluminum nitride), 산화알루미늄(aluminum oxide), 이들의 조합이나 3원계 화합물 또는 4원계 화합물, 피롤리틱 그라파이트(pyrolytic graphite) 및 비슷한 다른 고온 세라믹 화합물이 있다. 실리콘 카바이드 부품은 SiC의 CVD와 재료 제거 기술의 조합으로 만들어질 수 있다. 그러한 기술의 예들이 본 명세서에서 참고하는 미국 특허 제4,978,567호 및 제5,514,439호에 개시되어 있다.

[발명의 작용]

발명의 작용에 있어서, 두 종의 가스가 리액터로 유입된다. 상부에서는, 유입 플렌지(12)를 통해 반응가스가 유입되어 실리콘이나 다른 재료가 서셉터 상면 내의 중앙 홈에 위치한 웨이퍼 상에서 성장하도록 한다. 리액터의 바닥에서는, 퍼지가스가 유입 플렌지를 통해 유입되어 반응가스나 세척가스가 링과 분할판 사이 및 서셉터와 링 사이의 작은 틈을 통해 리액터의 저부로 유입되지 못하게 한다. 챔버의 하부 영역의 하류단은 플러그나 벽(48)으로 막혀서 퍼지가스가 틈을 통해 챔버 상부의 유출구로 강제로 나가도록 하며, 그로써 상부 챔버로부터의 가스가 하부 챔버로 유입될 가능성을 최소화한다.

서셉터와 링에서 하류로 유동하는 미사용 반응가스는 도1의 게터 플레이트 양쪽에 증착되므로 리액터의 상부 석영벽 상에서의 증착을 최소화한다. 게터 플레이트는 증착 자체를 수용할 뿐만 아니라 상당 부분이 석영벽에 의해 흡수되는 파장 범위에 있는 에너지를 포함하여 더 차가운 상부 챔버벽으로 에너지를 재방사한다. 측벽에 자리잡은 피스들도 비슷하게 작용한다. 방사 에너지의 흡수를 최대로 하기 위해서는 이들 열 흡수기를 가열되기를 바라는 면 가까이 위치시키는 것이 중요하다는 것에 유의해야 한다.

마찬가지로 도7의 실시예에서, 실리콘 카바이드 피스는 둘러싼 챔버 측벽과 돔형 상부벽(66)의 가장자리 부분을 가열시킬 수 있도록 위치한다. 돔형 챔버에서 가스 플로우는 상부 챔버벽의 중앙에서 하향하거나 챔버를 가로질러 수평으로 유동할 수 있다. 후자의 상황에서 수평으로는 넓지만 수직으로는 짧은 슬롯(미도시)이 챔버의 측벽에 형성되어 그 영역에서 실리콘 카바이드 피스를 가질 필요가 없지만, 가스 유출 슬롯(미도시)과 인접한 것을 비롯하여 챔버 측벽 가장자리의 나머지 부분 주위에 실리콘 카바이드 피스를 갖는 것은 바람직하다. 챔버 세척 주기 동안에 챔버를 따뜻하게 유지하는 것도 Hcl 같은 세정제의 식각 효율을 최대화시킨다.

전술한 기술의 결과로써 공정 챔버의 수명이 상당히 연장되어 약 10,000매의 웨이퍼에서 약 20,000매 이상의 웨이퍼로 늘어날 것으로 추정된다. 더욱이, 챔버 하부의 구성요소들을 보호함으로써 링을 위한 석영 스파이더와 석영 스탠드도 수명을 연장시키고 챔버 자체보다 더 자주 교체할 필요가 없다. 또한 실리콘 카바이드나 언급한 다른 재료가 이들 구성요소로 사용될 수도 있다.

전술한 것처럼 서셉터, 서라운드 링과 열전쌍 덮개도 하류 게터 플레이트 같은 단일의 실리콘 카바이드로 제작된다. 단일의 실리콘 카바이드는 고온에서의 Hcl 챔버 식각에 의해 현저히 침식되지 않는다. 단일의 실리콘 카바이드 부품의 수명은 약 20,000매의 웨이퍼로 예측되는데, 실리콘 카바이드로 도포된 그라파이트 부품의 수명(약 3,000 내지 4,000매의 웨이퍼)의 약 5배이다. 이로써 빛을 흡수하는 서셉터 및 링의 수명과 반응 챔버의 수명 사이의 균형을 잡아준다. 더욱이, 열전쌍 덮개는 대략 그 기간 또는 그 이상 지속할 것으로 예상된다. 결론적으로 리액터 내부 부품과 석영 챔버의 수명 개선으로 리액터 상의 유지보수 빈도를 최고 약 1,500 내지 4,000매의 웨이퍼에서 약 20,000매의 웨이퍼로 개선시킬 수 있다.

물론 리액터 부품과 공정 챔버의 수명이 길어질수록 소모비는 더 줄어드는 결과가 된다. 마찬가지로 예방적 유지보수를 위한 간격이 길어질수록 정지 시간이 더 짧아지고 리액터의 조정도 더 짧아지는 결과가 된다. 또, 리액터 조정이 짧아질수록 모니터 웨이퍼의 사용도 더 적어지는 결과가 된다. 그러므로 이러한 통합 챔버 시스템이 아주 상당한 장점을 제공한다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 특정 챔버와 관련 구성요소와 관련하여 개시되었지만 다른 챔버 형태와 구성요소에 대해서도 적용될 수 있다.

Claims (25)

1. 반도체 웨이퍼 같은 기판을 처리하기 위한 화학증착 장치에 있어서,

   석영벽과 증착가스를 수용하기 위한 유입구를 갖는 공정 챔버,

   상기 챔버 내에 위치하여 웨이퍼를 수용하는 단일의 실리콘 카바이드 서셉터,

   상기 서셉터를 가까이 둘러싼 실리콘 카바이드 링, 및

   상기 서셉터와 상기 링으로부터 하류에 위치하여 미사용 반응가스의 증착을 수용하는 실리콘 카바이드 게터 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치
2. 제1항에 있어서,

   서셉터 온도를 모니터하기 위해 상기 서셉터에 인접하게 연장되는 실리콘 카바이드로 덮힌 열전쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 열전쌍은 전체적으로 직선으로 연장되는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
4. 제3항에 있어서,

   실리콘 카바이드로 덮힌 열전쌍이 상기 서셉터의 마주보는 양쪽에 각각 위치하고, 각 열전쌍이 상기 챔버의 하류단을 향하여 연장되는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 서셉터를 지지하는 관상 샤프트와, 상기 샤프트를 통해 상향 연장되고 상기 서셉터와 충분히 가까운 곳에서 종료하여 그 위치에서 서셉터의 온도와 관련한 입력을 제공하는 열전쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 링 및 상기 서셉터와 대략 동일한 평면에서 상기 링으로부터 상류로 연장되는 분할판, 및

   상기 서셉터 및 상기 링의 하류에 위치하고 상기 서셉터 및 상기 링과 전체적으로 동일한 평면에서 상기 챔버를 가로질러 연장되는 분할판을 포함하고,

   상기 챔버는 상기 분할판들, 상기 링 및 상기 서셉터에 의해 상부 구역과 하부 구역으로 분할되는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 상부 구역으로 개방되는 상기 챔버 내의 반응가스 유입구와, 상기 하부 구역으로 개방되는 퍼지가스 유입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 하부 구역으로부터의 가스 유출구와, 퍼지가스가 구성요소 간의 틈을 통해서 상기 상부 구역으로 강제로 상향하여 빠져나가도록 상기 하부구역의 하류단을 차단하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 서셉터 아래에 배치된 중앙의 열전쌍은 실리콘 카바이드 캡으로 덮여진 석영 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 챔버벽에 인접하게 상기 챔버 내에 위치하여, 상기 석영벽을 통해 상기 챔버로 전달되는 가열 램프에서 나오는 복사 에너지를 흡수하고, 상기 인접한 챔버 벽을 가열시키도록 에너지를 재방사하여, 상기 인접한 챔버벽에 상기 증착가스가 도포되는 것을 최소화하는 하나 이상의 열 흡수기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 열 흡수기는 각각 상기 게터 플레이트의 양쪽에 있는 챔버벽에 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치
12. 제10항에 있어서,

    상기 열 흡수기는 실리콘 카바이드로 만들어지는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
13. 반응가스 유입구를 갖는 반응실,

    챔버 내에 위치하고 반도체 웨이퍼를 지지하는 전체적으로 판상인 서셉터, 및

    상기 서셉터에서 하류쪽으로 위치하고, 상기 서셉터의 평면과 인접한 석영 챔버벽 사이의 평면에서 상기 서셉터와 전체적으로 평행한 실리콘 카바이드로 된 게터 플레이트를 포함하고, 미사용 반응가스가 상기 게터 플레이트의 양쪽에 인접하게 유동하여 미사용 반응가스가 인접한 챔버벽보다는 오히려 상기 게터 플레이트에 증착하도록 하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
14. 제13항에 있어서,

    상기 챔버는 전체적으로 수평 방향을 향하고, 상기 서셉터의 상류에 있는 전방 플레이트 및 상기 서셉터의 하류에 상기 챔버를 상부 구역과 하부 구역으로 분할하는 분할판을 포함하며,

    상기 게터 플레이트가 상기 분할판 위에서 이격 위치하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치
15. 제13항에 있어서,

    상기 챔버의 측벽에 인접하게 위치한 하나 이상의 열 흡수기를 포함하며, 상기 열 흡수기가 챔벽의 측벽보다 열 흡수가 더 나은 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
16. 제15항에 있어서,

    상기 열 흡수기는 각각 상기 게터 플레이트 양쪽의 챔버벽에 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
17. 제13항에 있어서,

    상기 열 흡수기가 실리콘 카바이드로 만들어지는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
18. 반도체 웨이퍼 같은 기판을 처리하기 위한 화학증착 장치에 있어서,

    석영벽을 갖는 공정 챔버,

    웨이퍼를 수용하기 위한 상기 챔버 내의 서셉터,

    상기 웨이퍼를 가까이 둘러싼 링,

    상기 서셉터 내의 상기 링과 대략 동일한 평면에서 상기 링에서 상류로 연장된 석영 챔버 분할판,

    상기 분할판, 상기 링 및 상기 서셉터에 의해 상부 구역과 하부 구역으로 분할되는 상기 챔버를 가로질러 연장되며, 상기 서셉터와 상기 링과 전체적으로 동일한 평면에서 상기 서셉터와 상기 링의 하류에 위치하는 석영판,

    상기 하류 분할판 위에서 이격되어 상기 하류 분할판과 전체적으로 평행하게 연장하고, 상기 서셉터와 상기 링의 하류에 위치한 게터 플레이트, 및

    서셉터 온도를 모니터하기 위해 상기 서셉터에 인접하게 연장하는 열전쌍을 포함하고,

    상기 서셉터, 상기 링, 상기 게터 플레이트와 상기 열전쌍의 외부 덮개가 실리콘 카바이드로 도포된 그라파이트 구성요소보다 더 긴 시간 동안 CVD 공정 중에 접하는 고온과 열 충격에 견딜 수 있고 CVD 공정 중에 접하는 환경과 조화될 수 있는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
19. 화학증착 공정 챔버에서 사용하기 위한 열전쌍을 포함하고,

    상기 열전쌍은 열전쌍 와이어, 상기 와이어를 에워싼 석영 덮개 및 상기 석영 덮개 위로 노출되는 실리콘 카바이드 캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학증착 장치.
20. 기판을 처리하기 위한 증착 장치에 있어서,

    석영벽을 갖는 공정 챔버 및 상기 측벽의 하나 이상의 영역에 인접해 있는 하나 이상의 열 흡수기를 포함하고,

    상기 열 흡수기는 가열 램프에서 나오는 복사 에너지의 흡수가 석영보다 더 양호한 재료로 만들어지고, 상기 하나 이상의 열 흡수기가 상기 복사 에너지를 흡수하고 상기 하나 이상의 벽 영역에 의해 흡수될 에너지를 재방사하여, 상기 하나 이상의 벽 영역에 가스가 증착하는 것을 최소화하도록 된 것을 특징으로 하는 증착 장치.
21. 제20항에 있어서,

    상기 챔버 내의 서셉터를 포함하고, 상기 하나 이상의 열 흡수기가 상기 서셉터와 상기 하나 이상의 측벽 영역 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
22. 제20항에 있어서,

    상기 챔버가 중앙 구역이 있는 돔형 상부 벽을 가지고, 상기 중앙 구역을 통해 가열 램프로부터의 복사 에너지가 상기 돔형 벽 위로 전달되고, 상기 돔형 벽의 가장자리를 향하여 에너지를 재방사하도록 상기 열 흡수기가 위치하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
23. 제20항에 있어서,

    기판을 수용하기 위한 서셉터를 포함하며,

    상기 챔버는 반응 가스를 상기 챔버로 도입하여 상기 서셉터 상에 위치한 기판을 가로질러 유동시키는 유입구와 상기 유입구 하류에 위치한 측벽을 가지며, 상기 하나 이상의 열 흡수기는 상기 유입구의 하류에 있는 상기 하나 이상의 측벽에 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
24. 반응가스가 석영 챔버의 내부 벽에 증착하는 것을 최소화하기 위한 방법에 있어서,

    상기 챔버 내의 서셉터 상에 위치한 기판을 가열시키는데 사용되는 복사 에너지를 흡수하기 위해 상기 챔버의 하나 이상의 내부 벽에 인접하게 하나 이상의 열 흡수기를 위치시켜, 상기 하나 이상의 벽에 상기 가스의 도포를 최소화하는 수준으로 상기 하나 이상의 벽의 온도를 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 화학증착 공정 챔버용 열전쌍에 있어서,

    열전쌍 와이어,

    상기 와이어를 에워싼 석영 덮개, 및

    상기 석영 덮개 위에 배치된 실리콘 카바이드 캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전쌍.