- 1 -

중 간 연 구 보 고 서

고성능 장비개발- RTP -Ⅰ

주관연구기관 한국전자통신연구소:

과 학 기 술 처

- 2 -

과학기술처장관 귀하

고성능 장비개발 에 관한 연구의 중간보고서를 별첨과 같이 제출합니다" RTP " .Ⅰ

1988. 12. 22

주관연구기관 : 한국전자통신연구소

협동연구기관 : 동일반도체장비 주( )

주관연구기관장 : 경 상 현 직인

총괄연구책임자 : 강 봉 구 인( )

- 3 -

중 간 연 구 보 고 서

현재1988. 12. 22

과제명 고성능 장비 개발1. : RTP

주관연구기관 한국전자통신연구소2. :

총괄연구책임자 강 봉 구3. :

계획대진도4. :

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가 진도설명.

장비의 기술현황분석(1) RTP

급속 열처리 공정 기술 및 이의 실현을 위한 기존장비의(RTP : Rapid Thermal Process)

변화추세를 파악하고 집적회로 제조공정 중 필요로 하는 열처리 공정의 특성을 분석함으로,

써 개발되어야 할 장비의 목표성능을 결정하고 그에 따른 급속열처리 장비의 반응로 및, ,

제어시스템이 갖추어야 할 기능과 성능을 설정하였다.

이를 위하여 관련 자료의 조사 및 분석 설문서를 통한 국내의 급속열처리 장비사용자들의,

의견 수렴 외국 장비회사의 방문등에 의해 최신 급속열처리 장비의 제작 기술 추세를 살펴,

보았다 이는 첨단의 급속 열처리 장비의 개발을 위해서 선행되어야 할 연구 내용으로서. ,

새로운 공정기술 및 장비의 발전 동향을 파악하여 계속 보완해 나갈 예정이다.

장비의 설계(2) RTP

기술현황분석으로 확립된 장비의 기능과 성능에 맞게 급속 열처리 장비를 모듈별로 구분하

고 각 모듈의 성능 결정으로 개념설계를 수행하였으며 모듈간의 연결방안을 강구하여 장, ,

비의 기초설계를 수행하였다 실제 부품 구입 후 시제품 제작단계까지 수정 보완 및 개선.

방안을 검토하고 상세설계에 의해 제작도면을 완성 시킬 예정이다, .

장비의 제작(3) RTP

설계도면에 의해 각 모듈들을 구성하는 부품들의 원리 및 장단점 공급회사 등을 조사하여,

구입 할 부품을 선정하였고 기초적인 모듈들은 시제품 제작 의뢰를 통해 조립할 예정이다, .

제어시스템의 모듈제작은 조기에 실행하여 시제품 제작과 동시에 제어프로그램의 개발 및

이식을 완성할 예정이다.

장비의 성능분석(4) RTP

완성된 모듈들을 조립하고 장비의 각종 들을 연결하여 시제품 장비에 대한, utility test-run

을 실시한다 이에 각 모듈들이 지니고 있는 문제점을 파악하여 최상의 성능을 발휘 할 수. ,

있는 모듈로 개조한다 성능분석과 병행하여 시스템 모델링을 수행함으로써 온도 균일도를.

비롯한 장비의 성능 향상을 위한 시스템 변수를 추출할 예정이다.

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장비의 공정실험 및 장비의 성능보완(5) RTP

각 모듈별 성능 및 반응기 해석의 결과를 기초로 실제 공정 실험을 통하여 최적의 공정조,

건을 확립하고 발생된 문제점에 대한 개선책을 강구하여 차기년도의 급속 열처리 장비의,

상품화에 반영시킬 예정이다.

주요 연구개발 내용 및 중간결과5.

가 기술현황 반응기구 및 공정 분석 기존 장비의 구조 및 특성 분석 사용자의 의견. RTP , , ,

수렴을 위한 설문조사 등을 통하여 개발 장비의 성능과 사양을 확정하였다.

나 장비를 구성하는 각 모듈의 성능 결정에 의한 개념설계와 각 모듈의 조합에 의한 장비.

의 기초설계도면을 작성 하였다.

다 각 모듈들을 구성하는 부품들의 원리 및 장단점 공급회사 등을 조사하여 구입 할 부품. ,

을 선정 완료 하였다.

라 제어기의 기능을 확정하였고 기초설계와 제어프로그램의 개발을 수행하였다. , .

기대되는 성과6.

가 장비의 자체개발 제작을 통해 반도체 제조장비의 국내개발을 선도. RTP ,

나 반도체 관련 주변산업의 발달 및 육성도모.

다 수입대체에 의한 외화절감 효과.

라 얇은 접합 얇은 절연박막 및 실리사이드 형성기술의 연구에 활용. ,

마 유사장비의 개발과 새로운 공정연구에 의한 첨단 기술의 확보.

문제점 및 건의사항7.

가 시스템 제작관련 자료 수집의 어려움.

나 국내 관련업체의 기술축적 미흡.

다 부품의 국산화율이 극히 저조하고 국내조달이 어렵다. , .

- 6 -

구체적인 중간결과8.

별첨내용 참조

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별 첨< >

고성능 장비개발 에 관한 중간결과- RTP -Ⅰ

참 여 연 구 원- -

● 총괄연구책임자 강 봉 구: (ETRI)

● 시스템설계 및 공정분야

김 윤 태 (ETRI)

전 치 훈 (ETRI)

장 원 익 (ETRI)

권 오 균 동일반도체( )

● 제어기 설계 및 제작 분야

정 기 로 (ETRI)

이 두 영 동일반도체( )

● 기구물 설계 및 제작 분야

이 영 수 (ETRI)

안 성 호 동일반도체( )

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목 차

제 장 서 론1

제 장 기술현황분석2 RTP

제 절 장비의 연구사례 및 특징1 RTP

제 절 반응기구 분석2 RTP

제 절 공정분석3 RTP

제 장 장비의 구조 및 특성 분석3 RTP

제 절 장비의 구성 및 개요1 RTP

제 절 장비의 모듈별 특성 분석2 RTP

제 절 기존장비의 성능 및 특성분석3

제 장 시스템 기초 설계4 RTP

제 절 반응로 및 열원1

제 절 온도감지장치2

제 절 가스공급장치 및 진공계3

제 절 웨이퍼 반송장치4

제 장 제어기 설계5 RTP

제 절 제어시스템의 구성 및 제어기 설계1

제 절 온도 제어부 설계2

제 절 가스 압력 및 웨이퍼 운송제어3 ,

제 절 의 구성4 Software

제 장 중간 결과6

- 9 -

제 장 서 론1

- 10 -

제 장 서 론1

초고집적 반도체 소자의 제작을 위해서는 집적회로의 설계기술과 설계된 소자의 제작을 가

능하게 하는 공정 기술의 개발이 필수적으로 요구된다 이러한 재현성과 정확도가 우수한.

공정기술의 확보를 위해서는 성능이 우수한 반도체 공정장비의 개발이 선결되어야 한다.

특히 앞으로의 소자의 구현을 위한 공정들이 대부분 공정장비의 성능에 의존, sub-micron

하기 때문에 미국과 일본을 비롯한 반도체 분야의 경쟁국들의 반도체 공정장비 분야에의 관

심과 투자가 급속히 증가하고 있다 또한 이들 반도체 분야의 선도 국가들은 개발된 새로. ,

운 개념의 고성능반도체 제조장비의 타 국가로의 유출을 엄격히 규제 할 것으로 예측되는

바 거의 모든 반도체 공정장비를 수입에 의존하고 있는 우리나라에서도 반도체 제조장비,

분야에의 관심과 설비투자가 시급히 요망되고 있다.

본 연구에서는 이러한 시대적 요구에 부응하고 고유모델 국산장비의 설계 및 제작 기술의,

확보를 위해 최근 새로운 개념의 열처리 공정 시스템으로 주목을 받기 시작한 RTP(Rapid

급속열처리 장비를 선정하여 차적인 개발목표로 각 모듈의 연구와 이Thermal Process, ) 1

의 조립에 의한 형태의 시스템을 제작하려 한다desk top .

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제작장비의 성능과 사양의 설정을 위해 먼저 공정분석과 설문조사를 통하여 사용자 요구조

건과 다양한 열처리 공정조건들을 만족 시킬 수 있는 제작 장비의 목표기능을 설정 하였고,

기존의 시판장비의 성능을 비교분석하였다 장비의 기능도 및 각 모듈에 대한 연구와 필요.

부품의 선정을 통하여 개념설계와 기초설계를 수행하였고 장비의 제작과 병행하여 상세설,

계를 완성할 예정이다 각 모듈의 성능시험 후 이들의 조립으로 시제품 제작을 완성하고. ,

을 수행하여 제작 장비의 성능을 분석하여 완전한 형태의 고성능 장비의 제작test run RTP

을 위한 공정 및 장비에 대한 를 확립할 예정이다DB .

- 12 -

제 장 기술현황분석2 RTP

- 13 -

제 장 급속 열처리의 기술현황분석2

제 절 급속열처리의 연구사례 및 특징1

급속 열처리에 관한 연구가 시작된 지 약 여년이 경과한 지금 국내의 경우 몇몇 연구기10 ,

관과 대학에서 간단한 구조의 시스템 제작에 의한 실험실 수준의 연구가 시작되고 있고 일

부 기업체에서는 외국시스템의 도입에 의해 실제 반도체소자 제조에 응용 가능한 공정을 개

발하고 있다.

미국과 일본을 비롯한 외국의 경우 상용 장비의 개발 제작과 이를 사용한 공정의 개발이 상

당한 수준까지 진행되어 실제 소자 제조 공정에 사용되어지고 있다 다음의 표 은 대표. 2-1

적인 반도체 제조공정 중 급속 열처리 장비의 사용이 요구되거나 응용이 가능한 공정들을,

나타내고 있다 급속 열처리 공정의 대표적인 응용 분야를 보면 실리콘 공정중 각종 불순. ,

물 이온의 주입후의 결함 제거와 활성화 다결정 실리콘에 주입된 이온의 활성화, , MoSi2 및

TiSi2를 비롯한 실리사이드의 형성과 열처리 의 알루미늄을 비롯한, PSG & BPSG reflow,

금속박막의 열처리 및 절연 박막의 형성에 사용되어 지고 있다 이외에도 와 등의. , GaAs InP

화합물반도체공정에서의 이온주입에 의한 표면결함의 제거와 활성화 등에 관한 연구가 진행

되고 있다 이들 대표적인 공정들의 각각의 공정변수와 공정수행 후의 결과는 표 에 잘. 2-2

나타나 있다.

표 급속 열처리 장비가 사용되는 공정< 2-1>

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표 급속열처리 공정의 공정변수와 공정결과< 2-2>

APPLICATIONCYCLE

PARAMETERS

RESULTS

O X I D EREFLOW

1050-1150℃-Can rellow at high temperatures with high dopantactivation.

10-40 sec. -Limited junction movement(5x less than furnace)

SILICIDES 1.600-650℃ -Minimal dopant diffusion from poly gate.

5-10sec -Reduced lateral diffusion of silicide.

2900℃ -Increased gate oxide breakdown voltage.

10sec

S I N G L ECRYSTAL

-Preserve shallow junctions

I M P L A N TANNEAL

-High implant activation

1050 -1150℃℃

10-15sec

POLYCRYSTALLINE

-Precise control of poly grain size.

I M P L A N TANNEAL

OXIDATION 900-1150℃ -High quality oxides

5-300sec -Precise thickness control

C O N T A C TALLOY

450-520℃ -Reduction of

5-40sec hillocks

spiking

surface states

radiation induced damage

GaAs -Reduces impurity out-diffusion

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이와같이 앞으로 다가올 초고집적 반도체 소자 제조에 급속 열처리 공정이 필수적으로 사용

될 전망으로 있어 미국의, AG Associates, Peak System, Eaton, Varian, Process

등과 불란서의 등의 기업체들이 상용 장비의 제작을 시작하고 있고 새로운Products AET ,

열원의 개발에 의한 더욱 효율적인 장비의 제작에 관한 연구가 진행되고 있다.

급속 열처리 공정은 의 온도와 시간 공정 가스의 신속하고 정밀한 조절이 가thermal cycle ,

능한 열처리 공정으로 의 공정온도와 초의 공정시간을 요구한다 공정상400-1200 0-200 .℃

의 요구조건중 가장 중요한 것은 웨이퍼내의 온도의 균일도이며 온도의 불균일에서 야기되,

는 웨이퍼의 표면저항 및 박막 두께의 불균일성을 극소화 하여야 한crack, slip, warpage,

다.

제 절 반응기구 분석2

열원 및 가열방법1.

급속열처리 공정에 사용되는 열원의 종류는 매우 다양하여 가시광선에서 적외선 영역의 파,

장을 가지는 레이저광과 램프 전자 및 이온 저항가열등의 여러가지가 있다 그리고, beam, .

기판의 가열방법은 열원으로부터 조사된 에너지와 그 파장 및 조사시간에 따라 분류할 수

있으며 기판상의 온도분포는 기판의 광흡수계수 반사율 열전도도 및 기판의 기하학적 형, , ,

태 불순물주입농도 결정방향 등에 따라 달라진다, , .

열원을 조사시간과 가열방식에 따라 분류해 보면 그림 과 같이 된다( 2-1) .

경우의 이하인 조사시간을 실리콘 웨이퍼의 열전도도를 이용하여 계산Pulsed laser 100ns

한 열반응시간인 이하와 비교해 보면 훨씬 짧으므로 에너지가 기판의 표면에서1 ms order ,

순간적으로 흡수 가열되는 가열로 볼 수 있다 이와같이 가열은 높은 에adiabatic . adiabatic

너지를 가진 등으로 기판의 표면을 순간적으로 가열하여 용융 및 재결정화하므로beam

의 가열효과를 배제할 수 있고 또 국부적인 공정이 가능하다 그러나 큰 온도buried layer , .

구배로 인해 기판상의 형성 및 현상을 초래하여 추후 공정에의 문제를 유slip line warpage

발하고 소자의 성능저하를 가져오게 된다 또 기판의 용융으로 인한 불순물의 재분포현상. ,

재결정화과정에서 나타나는 현상 시의 중첩 및 간섭효과와 낮은 생산성ripple , scan beam

등도 큰 문제로 지적되고 있다.

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그림 2-1 Schematic showing of various annealing processes.

인 경우 조사시간이Scanned cw laser 10-4 -10-2 정도이므로 실리콘 웨이퍼의 열반응시s

간과 비슷하다 이러한 방식을 가열이라 하며 가열의 단점보완과. thermal flux , adiabatic

가열의 장점을 얻을 수 있도록 열원의 수준을 조정할 필요가 있다 일반isothermal power .

적으로 수준은 기판의 용융에 필요한 의 정도를 사용한다power power 75% .

열원으로 램프 등 주로 광과 를 사용할 경우 조사시arc, tungsten incoherent area source

간이 실리콘 웨이퍼의 열반응시간보다 크므로 기판이 전체적으로 가열된다는 점에서

가열로 볼 수 있다 이는 고체상태에서 열처리가 이루어지므로 불순물의 재분포isothermal .

를 최소로 억제할 수 있고 또 시편내의 온도분포가 비교적 균일하여 열응력의 발생이 타가,

열방식보다 적다 그리고 저렴한 가격 높은 효율성 및 생산성 등의 장점이 있기 때. , power

문에 현재 가장 많은 상용화되어 있다.

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가열방식에 따른 기판내에서의 온도분포를 비교하면 그림 와 같다( 2-2) .

그림 가열방식에 따른 기판에서의 온도 분포2-2

시스템 모델링2.

급속열처리시스템의 공정변수를 추출하고 이를 최적화하기 위해 전산모사를 행하였다 열원.

으로는 빠른 웨이퍼 가열속도와 냉각속도 높은 온도균일도 넓은 평형온도 범위 높은 면저, , ,

항 균일도 등의 사용자 요구조건을 최대한 만족시킬 수 있는 텅스텐 할로겐램프를 채택하

고 석영판 반사경 등으로 반응기를 그림 과 같이 구성하였다, , ( 2-3) .

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그림 2-3 Schematic diagram of IR heating system

그림 2-4 IR irradiance at a reference point on wafer

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적외선 가열 시스템의 성능 분석을 위한 모델링을 위해 다음과 같이 각 모듈을 가정하였다.

즉 반사경의 파면 왜곡과 적외광 흡수 및 열전달에 의한 반사특성의 변화는 무시하였다, .

그리고 램프의 적외선 발광원은 필리멘트의 장축선뿐이고 파장 복사분포는 회색체 분포이, ,

며 램프 필라멘트의 고온에서의 변형과 텅스텐 증발은 무시하였다 투과창은 순수석영이며, . ,

투과특성은 석영의 투과특성에 의하고 산란 및 적외광 복사는 무시하였다 또 웨이퍼 지지, .

기에서의 적외광 흡수 및 열전대에 의한 열손실은 무시하였다 이와 같은 모델에 의해 웨. ,

이퍼 위의 한점에서의 적외광 조도는 그림 와 같이 나타나고 다음의 식 로 표현( 2-4) ( 2-1,2)

된다.

여기서 IP는 조도 TλP는 투과창의 투과율, R

λM은 반사경의 반사율, θL은 램프축과의 경사i

각, Pλ 는 램프의 광량 필라멘트의 단위길이당( ), θ1, θ2는 램프 양끝에서의 시각i , a0는 수직

거리 는 파장 는 램프지표 등이다 식 의 첫째 항은 직사광 둘째 항은 차 반사광, , i . ( 2-2) , 1λ

에 의한 조도이며 반사경의 표면이 거울면과 같이 되어 있는 경우이다 웨이퍼에 조사된, .

적외광은 실리콘 분자들이 흡수하는데 그 흡수량은 식 과 같다, ( 2-3) .

여기서 dIa는 단위 체적당 흡수량, Rλ는 실리콘의 반사율 없는 aλ는 실리콘의 흡수율 는, y

실리콘 내부의 깊이이다.

이와 같이 흡수된 적외광은 대부분 실리콘 분자의 격자내 진동 에너지로 변하여 웨이퍼가

가열되어 온도가 상승하고 웨이퍼이 복사열 웨이퍼지지기 및 반응가스로의 열전달 등으로, ,

일부 냉각되어 식 와 같은 열전달 방정식으로 표현할 수 있다( 2-4) .

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여기서 Ts는 기판의 온도, ρs는 밀도, Cp는 열용량 는 체적, V , σs는 복사열, Ks는

상수Stephan-Boltzman , S△ s는 표면적, Kp는 열전달율, Qs는 단위체적당 흡수량 는 시, t

간이다 그리고 웨이퍼 지지기의 열전달 방정식은 식 와 같다. ( 2-5) .

이 모델링에서는 반응가스의 열전달과 열대류 및 복사열 등은 무시하였다( .

식 의 적외광 조도 분포 식 의 적외광 흡수 식 및 식 의 웨이퍼 주위의 온( 2-2) ( 2-3) , ( 2-4) ( 2-5)

도분포 등의 지배방정식을 수치해석하여 급속 열처리 시스템의 성능을 다음과 같이 분석하,

였다.

램프의 높이에 따른 적외광 조도의 세기를 식 에 의해 계산하면 그림 와 같이 거리( 2-2) ( 2-5)

에 반비례하여 변화한다 또 조도의 세기를 조절하기 위해 램프에 입력되는 전력을 변화시. ,

키면 램프온도가 변하여 적외광의 복사량이 달라지는데 램프온도에 따른 웨이퍼의 적외광

흡수량의 변화는 식 에의해 그림 와 같이 필라멘트의 온도에 따라 지수함수적으로( 2-3) ( 2-6)

증가한다.

그림 2-5 Irradiance variation of the wafer center dependent on lamp height

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그림 2-6 IR absorption of the silicon wafer for lamp filament temperature

흡수된 적외광에 의한 웨이퍼의 가열 현상은 식 에 따라 그림 와 같이 나타나는데( 2-4) ( 2-7)

이 결과에 의하면 적외광 흡수량이 일때 평형온도는100,200,400 / 900K, 1100K,Ｗ ㎤

초기 가열속도는 이다 이 때 사용된 수치해석 방법1300K, 70K/sec, 140K/sec, 280K/sec (

은 유한 차분법을 사용하였다 웨이퍼의 온도균일도는 적외광조도분포와 웨이퍼 지지기의)

구조에 따라 크게 달라진다.

그림 2-7 Time-temp. profile of wafer heating for several IR absorption powers.

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그런데 적외광 가열 시스템의 최대 단점은 직선형램프를 사용하기 때문에 적외광의 조도분,

포를 균일하게 하는데 한계점이 있다는 것이다 이의 해결을 위해 램프배열의 변화에 의한.

온도 균일도 변화를 알아보았다 램프의 배열을 등간격으로 하였을 때 적외광 조도분포와.

준평형 상태에서의 온도분포는 그림 와 같이 되어 온도균일도가 에 이른다 이와( 2-8) 0.6% .

같은 현상을 고려하여 램프간격을 웨이퍼의 양 끝단에서 조도가 높아지도록 조정하면 그림(

와 같이 이내의 좋은 온도균일도를 가지게 된다 또한 그림 는 램프의 점등시2-9) 0.2% . ( 2-10)

부터 소등시까지의 웨이퍼의 온도 변화에 대한 이론적 분석 결과와 열전대에 의해 측정한

실제 웨이퍼의 온도를 비교하여 나타내고 있는데 두 결과가 거의 일치하게 나타나고 있어,

웨이퍼 온도 및 적외광 램프 체계 등의 이론적인 모델링이 적절하게 수행되었음을 알 수 있

다.

그림 2-8. Temperature profile in wafer for equal spaced lamp arrange.

- 23 -

그림 2-9. Temperature profile in wafer for optimized lamp arrange.

그림 2-10 Comparison of simulated wafer temperature with the experimental.

(at wafer center, 15 sec heating, lamp temperature: 2600°K)

- 24 -

현상3. Slip

공정은 차세대공정으로 각광받고 있지만 짧은 시간 동안에 고온가열 및 냉각을 하므RTA ,

로 이에 수반되는 열응력에 의한 기판상의 형성 및 이 중요한 문제한 문제로 대slip warping

두되고 있다 이 현상은 특히 등 추후의 공정에 치명적인 영향을 미친다. photolithography .

은 공정 중 냉각단계에서 기판의 중앙부보다 가장자리부분이 더Crystallographic slip RTA

신속히 냉각되는 현상 또 부적절한 기판지지대로 인해 기판이 또는 되는 현, warping ripple

상에 기인된 압축성 열응력이 기판의 임계전단응력보다 클 경우에 발생된다.

일반적으로 박막의 고유응력 열응력 외력에 의한 응력의 합인 식 으로 표현되며 식, , ( 2-6) , (

의 의 식을 이용하면 측정할 수 있다2-7) Stoney .

여기에서 σt, σi, σthσext 총응력 고유응력 열응력 외력에 의한 응력: , , ,

Es : Si 기판의 계수Young

vs 의 비: Poisson

박막의 두께t :

기판의 두께d :

Ro 초기 상태의 기판 곡율반경:

특정 상태의 기판 곡율반경R :

박막의 고유응력은 박막의 미세구조에 의한 물성치로서 특히 박막의 성장방법 및 오염정보,

등에 민감하게 변화하는 것으로 나타나고 있다 열응력은 기판과 박막간의 열팽창계수차. ,

공정시 기판상의 시공간에 따른 온도구배 그리고 온도에 따른 박막의 결정구조 변화에 의,

해 발생되며 공정에서의 형성의 직접적인 원인으로 볼 수 있다 식 은 박막의, RTP slip . ( 2-8)

열응력을 나타내는 일반적인 식이다.

- 25 -

여기에서 σth(T1), σth(T2) : T1, T2온도에서의 박막의 열응력

박막의 계수Ef : Young

vf 박막의 비: Poisson

αs 기판의 열팽창계수(T) :

α 박막의 열팽창계수f(T) :

⌠⌡

T 2

T 1

g(T)dT : shrinkage-originated crystallization effect

따라서 공정에서의 현상을 억제하기 위해서는 기판의 다단가열 및 냉각 기판지RTP slip ,

지대의 적절한 설계가 필요하다.

제 절 급속 열처리 공정의 응용3

이온주입된 단결정 실리콘의 급속 열처리1.

단결정 실리콘 웨이퍼에 인 비소 보론 안티몬 등의 불순물들을 이온주입한 후 이들의 농, , ,

도 분포 변화를 최소화 하면서 활성화 시키는 공정으로 접합의 깊이를 얕게 유지 시킬 수

있고 공정의 여러 결점들을 극복할 수 있어 급속 열처리로 수행 가능한 여러 공정, furnace

중 가장 기본적인 고유의 공정이다.

가 비소 주입 실리콘의 급속 열처리.

성장방향이 인 실리콘 웨이퍼에 비소를 에너지 로 이온 주입후(100) 6E14/ ( : 100KeV)㎠

초 열처리한 결과 그림 과 같은 측정결과를 보여주고 있는데 불순1000 , 10 ( 2-11) SIMS ,℃

물의 확산을 정도로 유지시키면서 이상의 주입 이온을 활성화 시킬 수 있음을 보0.1 90%㎛

여 주고 있다(2-1) 그림 는 열처리 온도와 불순물 주입량의 변화에 따른 박막의 표면 저. 2-12

항의 변화를 나타내고 있다(2-2) 이상의 고온에서 초 이상의 열처리로 거의 모든1000 10℃

불순물들이 활성화됨을 보여주고 있다 특히 비정질 실리콘의 경우 이온주입 후의 급속 열. ,

처리 공정으로 불순물의 활성화와 재결정화에 의해 박막특성을 크게 개선시킨 결과도 보고

되고 있다(2-3).

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그림 급속열처리에 의한 주입웨이퍼의 불순물 농도 분포2-11. AS

- 27 -

그림 급속열처리 온도와 불순물 주입량의 변화에 따른 박막의 표면저항 변화2-12.

나 보론 주입 실리콘의 급속 열처리.

그림 은 성장방향이 인 실리콘 웨이퍼에 보론을 에너지 로 이( 2-13) (100) 1E15/ ( : 50KeV)㎠

온 주입후 의 열원으로 초간 급속 열처리 한 박막의 불순물 농도분포를1250 graphite 10℃

측정결과로 보여주고 있다SIMS (2-4) 인 보론의 확산은 로 나타나. Fast diffuser 1000Å

의 분 열처리 결과와 큰 대조를 보이고 있다furnace 1000 , 30 .℃

- 28 -

그림 는 보론의 주입량과 열처리 시간의 변화에 따른 박막의 표면저항의 변화를 나( 2-14)

타내고 있다 초 이상의 열처리에 의해 주입된 이온의 완전한 전기적 활성화에 의해 표면. 15

저항의 급격한 감소를 보이고 있고 실리콘과 같은 수준의 홀이동도를 얻은 결과가 보, bulk

고 된바 있다(2-5).

그림 급속열처리에 의한 주입웨이퍼의 불순물 농도 분포2-13. B

- 29 -

그림 보론의 주입량과 급속열처리 시간의 변화에 따른 박막의 표면저항 변화2-14.

또 보론 대신, BF2+를 이온주입하고 급속 열처리에 의해 주입된 불순물을 활성화시킨 결과

도 보고되고 있는데 그림 는, 2-15 BF2+를 이온주입하고 초 열처리에 의해2E15/ , ㎠ ℃

의 얇은 접합과 의 표면저항을 형성한 결과를 나타내고 있다0.1 85ohm/squ.㎛ (2-6).

다 인 주입 실리콘의 급속 열처리.

인 주입의 경우도 비소와 보론 주입의 경우와 같이 고온에서의 매우 짧은 열처리에 의해 불

순물 이온의 전기적 활성화를 쉽게 얻을 수 있다 그림 은 인의 주입량과 열처리 온도. ( 2-16)

의 변화에 따른 박막의 표면저항의 변화를 나타내고 있는데 초 이상의 고온 열, 1000 , 10℃

처리에 의해 주입된 이온의 완전한 전기적 활성화와 표면저항의 급격한 감소를 보이고 있다(2-2).

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이상과 같이 이온 주입 불순물 이온에 대한 전기적 활성화는 의 온도에서1000-1200 , 10℃

초 정도의 단시간 열처리로써 가능한데 공정이 갖는 문제점들을 해결 할 수 있고, furnace

결함의 제거가 용이하며 낮은 에너지의 이온 주입에 의해 얇은 접합을 얻을 수 있어,

급 소자제조에 유용함을 알 수 있다submicron .

그림 보론 주입 의2-15. 0.1 junction doping profile㎛

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그림 인 주입량과 열처리 온도의 변화에 따른 박막의 표면저항의 변화2-16. .

- 32 -

이온주입된 다결정 실리콘의 급속 열처리2.

다결정 실리콘은 소자의 게이트와 연결재료용으로 그리고 바이폴라 트랜지스터의 에MOS ,

미터와 의 고저항재료 등의 소자 제조에 널리 사용되고 있다 특히 불순물이 주입된SRAM . ,

다결정 실리콘인 경우 고온 열처리 공정을 거침에 따라 이온주입 불순물들의 활성화와 재,

분포 결정립 크기의 변화에 의해 박막의 특성이 변하기 때문에 회로의 안정성과 성능에 큰,

영향을 미치게 된다 최근 급속 열처리 공정을 이용하여 다결정 구조의 실리콘에 이온주입.

한 불순물들을 초 정도의 매우 짧은 시간의 열처리로 불순물들의 재분포를 최소화하10-20

면서 완벽하게 활성화시킨 결과가 보고되고 있다(2-7).

그림 과 그림 은 보론을 불순물로 이온주입한 다결정 실리콘 박막의 급속 열처( 2-17) ( 2-18)

리 후의 전기저항 변화를 열처리 온도와 시간의 변화에 따라 나타낸 것이다 전기저항이.

범위임을 보여주고 있다 전기저항은 열처리 온도의 중가에 따라 현저하1.OE-3 ohm-cm .

게 감소하고 있으나 열처리 시간의 증가에 따른 변화는 극히 미소함을 보여주고 있고, ,

이상의 고온에서 초 이상의 열처리로 이온 주입된 불순물 이온들이 거의 모두 활1000 10℃

성화됨을 알 수 있다.

Fig 2-17. Resistivity versus annealing time for polysilicon films implanted with

B(50KeV, 5E15/ )㎠

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Fig 2-18. Resistivity versus annealing temperature for polysilicon films implanted

with B(50KeV, 5E15/ )㎠

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그림 는 인을 이온주입한 다결정 실리콘 박막의 전기저항의 변화를 나타낸 것이다( 2-19) .

전기저항은 보론 주입의 경우와 같이 범위를 나타내고 있으나 보론 주입1.OE-3 ohm-cm ,

의 경우보다 조금 높게 나타나고 있다.

그림 은 의( 2-20) 800 SÅ 1O2위에 의 다결정 실리콘을 증착 시키고 인을4400 , 1E15/ ,Å ㎠

로 이온 주입시킨 후 다시90KeV , S1O2를 증착시킨 웨이퍼를 의 진공도에서10Torr

로 급속 열처리한 후의 불순물 이온의 분포를 나타내고 있다graphite heater (2-8). 1150 ,℃

초 열처리 한 경우의 불순물 농도 분포는 비소를 주입 한 경우15 (projected range 0.11

와 거의 같게 나타나고 있고 온도를 로 올리거나, standard deviation 0.042 ) , 1300㎛ ㎛ ℃

열처리 시간을 초로 길게 하면 다결정 실리콘 내부의 활성화된 불순물 이온들의 재분포25

에 의해 비교적 균일한 케리어 농도 분포를 얻게 됨을 보여준다 이와같이 다결정 실리콘.

내에서의 케리어 농도분포의 조절은 급속열처리 공정에 의해 쉽게 이뤄지고 있다.

Fig 2-19. Resistivity versus annealing time for polysilicon films implanted with

p(90KeV, 5E15/ )㎠

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그림 급속열처리에 의한 주입 웨이퍼의 농도 분포2-20 P poly-Si carrier

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절연 박막의 형성 및 열처리3.

최근의 소자는 고품위 고신뢰성의 절연 박막을 요구하고 있다 이들은 매우 얇은 두MOS , .

께와 균일한 박막두께 높은 절연강도 낮은 결함밀도 등의 특성을 요구하고 있(

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그림 산화막 공정의 산화막 성장곡선2-21. two-step

나 급속 열처리에 의한 질화막 형성공정.

와 박막은 이온 주입 이온과 기타 불순물에의 우수한 확산 장벽 특Nitride nitrided oxide

성 높은 절연강도 및 산화막과 실리콘 계면에서의 특성이 우수하다, radiation resistance .

그러나 열산화막에 비해 높은 와 낮은 등의 결, interface trapped charge channel mobility

점에 의해 실제 소자제조에의 응용은 아직 어려운 실정이다 이러한 고온 공정의 문제점은.

급속 열처리공정으로 최소화 할 수 있는데 질화막은 실리콘 웨이퍼에 순수암모니아 가스의,

유입으로 형성 시킬 수 있고 박막은 산소와 암모니아 가스의 연속적인 교, nitrided oxide

환에 의한 공정에 의해 쉽게 얻을 수 있다 그림 는 급속 열질화 공정에2-3 step . ( 2-24)

의해 성장시킨 질화막의 와 를 공정 시간의 변화에 따라 나타fixed charge interface state

내고 있는데 열산화막의 값과 거의 같은 수준임을 알 수 있다, (2-12) 또 그림 는. , ( 2-25)

공정에 의해 성장시킨 이중 절연 박막의two-step oxide-nitrided oxide average

의 분포를 나타내고 있다breakdown voltage (2-13) 열질화에 의해 박막의 절연 강도가 크게.

개선됨을 알 수 있는데 이 값은 같은 를 갖는 열산화막의 와, effective thickness 13MV/cm

급속 열산화 공정에 의한 에 비해 크게 개선된 결과이다 이러한 주목할 만한13.2MV/cm .

결과로 보아 미래의 고집적 소자의 제조에 급속 열처리에 의한 산화막 또는 이중구조의 절

연박막이 기존의 에 의한 산화막을 대신할 수 있음을 보여 준다furnace .

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그림 산화막으로 제작한 의 특성2-22. 104 RTO MOS Capactor I - VÅ

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그림 인 주입 실리콘웨이퍼의 공정에 의한 산화막의2-23. RTO 250 breakdown fieldÅ

히스토그램.

그림 급속열질화 박막의 의 변화에 의한 와2-24. nitridation time fixed charge interface

의 변화state

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Fig 2-25. A typical dielectirc breakdown distribution of the MIS capacitors

(Average breakdown strength A : 12.20MV/ , B : 14.17MV/ , C : 15.09MV/cm)㎝ ㎝

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실리사이드 박막의 형성 및 열처리4.

다결정 실리콘은 공정에서 이 가능하고 고온에서의 온도 안정성 때문에 게MOS self-align ,

리트와 연결 재료로 많이 사용되어왔다 그러나 다결정 실리콘이 갖는 비교적 높은 저항에. ,

의한 의 문제로 인하여 소자의 동작속도를 제한하게 되어 다결정 실리콘과RC delay time ,

알루니늄은 점차 로 대체되고 있고 의 형성과metal silicide , refractory metal silicide

를 위한 의 사용이 증대되고 있다 등에 의한 실리schottky barrier noble metal . Ti, W, Pt ,

사이드 형성 기술에는 금속과 실리콘 소오스와의 동시스퍼트링이나 증착, single composite

으로 부터의 스퍼트링 화학증착 반응을 이용하는 방법 실리콘과 과target , , sputtered metal

의 반응 혹은 실리콘과 과의 반응 등이 있는데 마지막 방법이 광 리소그evaporated metal ,

라피 단계의 축소와 구조의 식각 단계 축소를 위해 가장 많이 사용된다 급속 열처polycide .

리에 의한 실리사이드 형성은 의 온도에서 초 동안 수행되어지고 있는400-1000 10-20℃

데 공정 시간의 조절을 정확히 할 수 있어 반응된 금속의 총량과 이온주입 불순물의 확산,

에 의한 소오스와 드레인 영역 및 실리사이드의 측면성장을 정밀하게 조절 할 수 있어 실리

사이드 형성에 급속 열처리를 도입하고 있다.

그림 은 의 급속 열처리 기술을 나타내고( 2-26) titanium self-aligned silicide (SALICIDE)

있고(2-14) 그림 은 다결정 실리콘 위에 증착된 을 열처리 하여 형성한, ( 2-27) titanium TiSix

의 표면 저항값의 변화를 열처리 온도의 변화에 따라 나타내고 있는데 온도의 변화에 매우

민감한 변화를 보여 주고 있다 초 이상의 열처리에 의해 의 매우 낮. 700 , 10 1-2ohm/sq.℃

은 면저항을 얻을 수 있다(2-15).

그림 은 와 급속 열처리에 의해 형성 시킨 실리사이드 박막의 분2-28 furnace titanium AES

석 결과를 나타내고 있다(2-16) 미반응의 와. Ti TiSi2에서 급속 열처리에 의해 형성 시킨 박

막은 훨씬 작은 산소 양을 나타내고 있고 질소를 비롯한 도 같은 수준으로, contamination

나타나고 있다.

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이와 같은 결과는 등의 실리사이드 형성 공정과 열처리에서도 같게 나타나고Ta, W, Mo

있는바 정확한 온도의 조절과 균일한 가열에 의해 저저항 저 의 성질을 갖는 실리, , , stress

사이드 박막의 형성에 응용되고 있다.

FIG 2-26. Steps used in the titanium Self-aligned Silicide

rapid isothermal processing technique.

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FIG 2-27. Sheet resistance as a function of annealing

temperature for a 10-s RIP cycle

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FIG 2-28. Auger profile for titanium silicides (a) samples

processed in a furnace with nitrogen ambient and (b) samples

processed in a rapid isothermal annealer with argon gas as

ambient

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5. PSG & BPSG Reflow

고집적 소자제조 공정에서 나타나는 문제의 해결과 다층 금속층형성에서의step-coverage

의 증대를 위해서 의 를 비롯한 평탄metal interconnect integrity passivation glass reflow

화 기술이 흔히 사용되고 있다 그러나 화학증착법에 의해 증착된 와 는. , PSG BPSG steep

과 평탄치 못한 외형을 갖게 되므로 금속 박막에서 을 일으킬 수 있고wall opening , device

를 초래 할 수 있기 때문에 열처리 공정에 의한 로 을 경사지게 하고failure reflow sidewall ,

외형을 하게 하여 와 에 의한 문제들을 최소화smooth , step coverage electrical breakdown

해야 한다 이때 의 온도는 그 조성물에 의존하는데 보통 사. glass softening , 1000-1100℃

이의 온도로 가열된 인 주입 SiO2는 부드럽게 흘러 매끄러운 표면을 형성함으로써

경우의 를 향상 시키게 되는데 이때 인 주입 농도가 증가함에metallization step coverage ,

따라 층위에 생기는 인주입 의 각이 감소하면서 흐름이 많아지는데 이때의 인 주입 농glass

도는 가 가장 적합하다 인 주입 농도가 그 미만 일때는 들의 흐름이 일어나기6-8% . glass

어렵고 반면 적합치를 초과할 경우 주입된 인과 대기중의 습기가 작용하여 산이 형성되고,

이에 의해 알루미늄을 부식 시키게 된다 이와 같이 흐름은 가열 시간 가열 속도 주입된. , ,

인의 농도 가열 분위기 등에 따라 차이가 생긴다, .

에 의한 는 에서의 열처리 또는 비교적 낮은 온도에서의Furnace reflow 1050-1100 ,℃

으로 수행되고 있으나 분 정도의 열처리 시간이 요구된다 또wet-oxidation 15-30 . , furnace

에 의한 고온공정은 얇은 접합의 형성에 많은 문제점을 야기 시키고 에 의한, steam flow

저온공정에서는 인의 현상에 의해 문제가 심각해진다 다음의 그leach out step-coverage . (

림 는 의 다결정 실리콘 라인 위에 를 형성시킨 후의 급속 열2-29) 4000 PSG(8%, 6% P)Å

처리 공정 초 의 결과를 나타내고 있다(1100-1150 , 10-20 )℃ (2-17) 이와 같이 급속열처리에.

의한 로 을 비롯한 공정에서 나타났던 문제점을 해결하면reflow junction drive-in furnace

서 을 충분하게 경사지게 했고 평탄한 외형을 나타내어 소자제조에side wall , sub-micron

필수적으로 응용될 것으로 기대된다.

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그림 의 급속열처리 후의 외형 변화2-29. PSG layer

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6. Metal Alloying

반도체 소자의 제조에 있어서 실리콘과 금속 사이의 저저항 접속은 매우 중요한 공정의 하

나로 알려져 있다 이는 의 형성 후 금속 박막을 이나 스퍼터. contact window evaporation

링으로 증착 시키고 또는 으로 실리콘과 금속 접합면을 확산에 의한, alloy sintering

상태로 만들어 주는 것이다 이때 중요한 것은 접촉 면적을 줄이면서 균일하게intermixing .

낮은 접촉저항을 갖게 하는 것이다 일반적으로 에서의 접합형성은 에서. furnace 400-500℃

분간 수행되어지고 있다15-30 .

이때 너무 낮은 저온 공정은 균일하지 못한 를 야기 시키고 반면 고온 또는 오랜 시, alloy ,

간의 열처리 공정은 알루미늄을 비롯한 금속이 얇은 소오스 드레인 또는 에미터 접합에 완/

전하게 확산되거나 실리콘이 알루미늄속으로 과다하게 되어 현상을 유, out-diffusion spiking

발 소자를 시키게 된다 실리콘의 확산에 의한 현상을 줄이기 위해 알루미늄에, short . spiking

실리콘을 첨가 시키고 있으나 이로 인한 접촉저항의 증가가 또 다른 문제로 대두되고 있다.

또 알루미늄과, S1O2의 팽창계수의 차이에 의해 이 형성되어 다층 금속 공정의 큰hillock

장애요인으로 되어 있다 이러한 문제점의 해결을 위해 급속 열처리에 의한 실험이 시도 되.

고 있는데 은 초 열처리에 의해 의 접촉저항을 얻었고T.E. Seidel 425 , 1 6.0E-7 ohm/ ,℃ ㎠

과 형성을 거의 완벽하게 제거 하였다hillock spike (2-18) 등에 의해. T.J. Faith, J.M. Towner

서도 같은 결과가 보고되고 있어 급속 열처리 공정의 짧은 시간 정확한 온도조절공정으로,

균일한 저접촉 저항을 얻을 수 있고 와 도 제거할 수 있음을 보여준다, spike hillock (2-19).

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제 장 장비의 구조 및 특성 분석3 RTP

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제 장 급속 열처리 장비의 구조 및 특성 분석3

제 절 급속 열처리 시스템의 구성 및 개요1

시스템1. Block Diagram

그림 시스템의3-1 RTP Block Diagram

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급속 열처리 시스템의 개요2.

급속 열처리 시스템은 열처리 시간과 온도의 정밀한 조절이 가능한 의 열에thermal cycle

너지를 웨이퍼 표면에 짧은 시간동안 전달하여 고온의 장시간 공정에서 발생하는 불필요한

를 최소화 하면서 원하는 열처리 공정을 수행하는 장치이다 이때 웨이퍼는thermal effect · .

트랙 또는 웨이퍼 지지대의 열원에의 근접과 열원의 순간적인 발열과 발광에 의해 열을 흡,

수하고 웨이퍼가 열원으로부터 멀어지거나 열원의 순간적인 차단광에 의해 냉각되게 된다, .

이때의 가열과 냉각의 온도 은 사용한 열원의 종류에 따라 조금씩 나타난다 시편의profile .

가열은 의 로 까지 냉각은 의100-300 /sec ramping rate 400-1250 , 50-150 /sec℃ ℃ ℃

로 이뤄지고 실제공정이 일어나는 에서의 공정시간은 초 정cooling rate steady state 0-300

도이다 급속 열처리 장비의 대표적인 장점은 접합 깊이의 정밀한 조절에 의해 얇은 접합을.

갖는 소자를 제작할 수 있고 양질의 매우 얇은 절연 박막의 형성이 용이한 점 등을 들 수,

있다 이에 반하여 급격한 시편의 가열과 냉각에 의해 발생하는 온도의 불균일성에 의한 열.

응력으로 등의 가 발생하여 소자의 특성을 저하시키고 공정의warpage, slip, crack stress

수율을 저하 시키는 등의 단점을 지니고 있다.

급속 열처리 장비의 시스템 파라메타3.

열원 의 종류(1) (Heating Source)

열원의 최대 소비전력(2)

반응로 및 의 재질과 크기(3) substrate

온도감지 소자의 종류 및 감지 범위(4)

의 온도 범위 및 공정 가능시간(5) Steady-state

웨이퍼 반송장치 및 사용가능 웨이퍼 크기(6)

최대 최저 가열 속도 및 냉각 속도(7) ,

조절 가능한 공정기스의 종류 및 유량(8)

다단 공정의 가능성 및 저장 기능 의 수(9) recipe

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급속 열처리 장비의 사용자 요구조건4.

온도 범위(1) Steady-state : 400-1250℃

공정 시간 초(2) Steady-state : 0-300

가열속도 초(3) : 100-300 /℃

냉각속도 초(4) : 50-150 /℃

온도 조절의 정확도(5) : 2-3℃

시편의 온도 재현성(6) : 2℃

이내(7) Warpage : 2㎛

온도의 균일성 이내(8) : Radiant Flux ; 0.25%

이내Sheet Resistance ; 1%

공정가스 종류 이상(9) : Min. 5 .

사용가능 웨이퍼 크기(10) : 2-8 inch

시간 공정 기준(11) Throughput : 50-100ea./ (annealing )

다단 공정의 기능 이상(12) : 2-10 step

등의 의 극소화(13) Slip, Crack thermal Stress

반응로의 극소화(14) contamination

웨이퍼 반송의 자동화(15)

제 절 급속 열처리 장비의 모듈별 특성 분석2

반응로1.

급속 열처리 장비의 반응로 구조는 열원의 종류에 따라 여러가지 형태로 제작되어 사용되고

있다 반응로는 열원 반사경 온도감지소자등의 핵심부품의 종류와 위치와 웨이퍼 반송방식. , ,

및 진공 시스템의 사용여부와 진공도 공정가스의 종류와 사용가능 웨이퍼의 크기에 따라,

그 모양과 크기가 달라진다 일반적으로 급속 열처리시스템은 이상의 고온공정을 요. 1000℃

구하는 시스템이므로 반응로는 항상 냉각수의 순환에 의해 냉각이 이뤄져야 한다 특히 열.

원으로 램프를 사용하는 경우 램프로부터 발광된 빛의 효율적인 을 위해 크롬 금, coupling , ,

알루미늄 등의 진공증착에 의한 이 이뤄져야 하고 은high refractive coating , cavity wall

에 의해 웨이퍼 표면에 균일한 로 에너지를 집결 시킬 수 있는 구조multiple reflection flux

를 이뤄야 한다 반사경은 웨이퍼 표면에 에너지를 최대한의 크기로 균일하게 전달할 수 있.

도록 설계 되어야 한다 진공시스템을 사용할 경우 석영판을 비롯한 반응로 내부의 부품들. ,

이 시스템이 요구하는 진공도에서의 를 만족 시켜야 한다 또한 온도감지소자safety factor . ,

및 웨이퍼 시스템은 균일한 웨이퍼의 가열에 영향을 미치지 않아야 한다holding .

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그림 는 를 열원으로 하는 반응로의 구조도를 나타내고 있다 가열된( 3-2) graphite heater .

열판을 로 가리고 가 부착된 웨이퍼 를 에graphite shutter IR Sensing head holder heater

근접 시킨 후 원하는 시간 만큼 를 제거하여 에너지를 공급하는 방식으로 구성되어, shutter

있다 그림 과 그림 는 텅스텐 할로겐 램프를 열원으로 하는 반응로의 구조도를. ( 3-3) ( 3-4)

나타내고 있다 반응로 내부에 석영 튜브를 이중으로 구성하고 스테인레스 또는 알루미늄으.

로 구성된 반응로의 내벽에 반사율이 높은 물질을 증착하여 빛의 반사를 증대시키고 있다.

이때 석영 튜브를 사용하지 않고 금속반응로만을 사용하고 램프부분과 공정이 이뤄지는 부,

분을 석영판으로 분리 시켜 사용하는 장비도 있다 텅스텐 할로겐램프에 의한 반응로의 제.

작에서 유의할 점은 램프의 배열방법과 진공시스템의 사용시 요구되는 석영 부분의 safety

이다 또 웨이퍼 온도의 측정을 위한 온도감지장치의 효율적인 설치가 어려운 문제점factor . ,

으로 지적되고 있다 그림 는 아아크 램프를 열원으로 하는 반응로의 구조도를 나타내. ( 3-5)

고 있다 의 출력을 갖는 하나의 램프를 열원으로 사용하고 형태의 반사. High power , dome

경을 사용하여 가열하는 방식이다 비교적 시스템의 구성이 간단하게 보이지만 반사경의 설.

계가 어렵고 고전압 램프가 요구하는 여러가지 부수적인 설비들이 요구된다.

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그림 를 열원으로 하는 반응로 구조3-2. Graphite Heater RTP .

그림 텅스텐 할로겐램프를 열원으로 하는 반응로 구조3-3. RTP ( )Ⅰ

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그림 텅스텐 할로겐램프를 사용한 반응로 구조3-4 RTP ( )Ⅱ

그림 아아크 램프를 사용하는 반응로 구조3-5. RTP

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열 원2.

급속 열처리 시스템에 사용되어지는 열원의 최종 목표는 열에너지를 non-equilibrium

상태에 놓여 있는 각각의 웨이퍼에 균일하게 최대한의 열효율로 공급하는데 있다thermal , .

열원의 선택시 고려해야 할 사항은 다음과 같다.

Spectral Output○

Optical Coupling Efficiency○

Temperature Control Mechanism○

Reliability○

Lifetime○

Uniformity○

Consumption Power○

Operating Efficiency○

Initial cost & Maintenance cost○

가 텅스텐 할로겐램프.

할로겐 원소 가 미소량 포함된 석영 튜브 속에 텅스텐필라멘트를 설치하고(bromine, iodine)

저항성 가열에 의해 발생하는 적외선의 발광현상을 이용한 것이다 그림 이때 할로겐( 3-6).

가스는 텅스텐 필라멘트와 반응하여 화합물 형태의 텅스텐 할로겐 가스를 형성하고 이 화-

합물 가스가 가열된 필라멘트와 충돌하고 분해되어 원래의 상태로 되돌아가는 할로겐 사이

클 그림 을 되풀이 하게 된다 이로 인하여 텅스텐 필라멘트는 석영 튜브의( 3-7) . darking

없이 고온을 유지할 수 있게 되고 오랜 시간 의 감소없이 적외광을 발할 수, radiant output

있게 되어 그림 과 같이 시간 사용 후에도 의 감소가 거의 없음을( 3-8) 2000 radiant output

보여주고 있다 또한 응답속도가 빠르고 폐회로 온도 조절에 의한 시편의 저온조절.

특성이 우수하며 효율이 이상되어 급속 열처리 장비의 열원으로 가장 많(400-625 ) , 85%℃

이 사용되어지고 있다 단점으로는 시편의 균일한 가열을 위한 최적램프 배열 조건의 추출.

과 이에 따른 반사경의 설계와 재질의 선택이 까다로운 조건으로 요구되고 있다. AG

사의 사의Associate Heatpulse series, AET ADDAX series, Process Product, Tamarack

등의 시스템의 열원으로 사용되어지고 있다.

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그림 텅스텐 할로겐램프의 구조도3-6.

그림 텅스텐 할로겐램프의 할로겐3-7. Cycle

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그림 텅스텐 할로겐램프의 수명3-8.

나 아아크 램프.

크세논 아르곤 수은 등의 혼합가스를 석영 튜브에 넣고 고전압의 인가에 의한 방전에 의, , ,

해 발생하는 순간적인 발광현상을 이용한 것이다 램프의 구조는 그림 와 같이 이중구. ( 3-9)

조의 석영 튜브로 되어 있는데 가스가 봉입되어 있고 전극이 설치되어 있는 내튜브와 냉각,

수 자킷의 역할을 하는 외튜브로 구성되어 있다 에너지효율이 정도의 수준으로 비교적. 20%

낮고 이상의 고전력의 공급과 램프의 튜브 냉각을 위한 탈이온수의 연속적인 순환, 30KW

을 위한 장비의 부수적인 설비가 엄청나게 요구되는 등의 단점을 지니고 있다 또 하나의. ,

램프를 사용해야 하므로 균일한 가열을 위한 반사경의 설계와 램프의 교체와 유지 보수가

힘들고 에 의해 수명이 짧은 결점이 있다 반면 의uneven decay mechanism . , UV, VIS, IR

넓은 파장영역을 갖게 되어 특히 공정에 용이하다 사의 와GaAs . Eaton ROA Series Peak

사의 장비의 열원으로 사용되어지고 있다System ALP Series .

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그림 아아크 램프의 구조도3-9. Water Wall DC .

다. Graphite Heater

전기에너지를 으로 변환시켜 이때 발생하는 적외선으로 웨이infrared black-body radiation

퍼를 가열하게 된다 그림 이때 발광 파장의 는 부근의 파장을 갖는 근 적( 3-10). peak 2㎛

외선이며 가열과 냉각이 에 의해 주도된다 또한 균일성과 재현성이 좋고radiation . ,

가 높은 장점을 가지고 있으나 가열된 의 표면에서 공정가스와 불순물이emissivity graphite

반응을 일으키는 것을 방지하기 위해 항상 진공을 유지하면서 공정을 진행해야 하는 단점을

지니고 있다 장치가 비교적 간단하고 가격이 저렴하여 급속 열처리 장치의 열원으로 많이.

쓰였으나 등의 문제에 의해 상용 장비의 열원으로는 사용되지 않고 있다contamination .

- 59 -

그림 의 에 의한 웨이퍼 가열3-10. Graphite heater radiation .

라 레이저 및 기타 열원.

레이저 빔에 의한 급속 열처리는 집속된 빔을 웨이퍼 위의 소자가 위치한 곳에 선택active

적으로 조사하거나 전체 웨이퍼의 에 의해 가열하는 방법이다 현재 레이저를 열원으, scan .

로 사용하는 상용 장비가 개발되어 시판되고 있고 점차 그 응용범위가 확대 될 것으로 예측

되고 있다 그러나 낮은 과 국부적인 가열에 의한 현상이 극복해야할. throughput warpage

가장 큰 문제점으로 지적되고 있다 레이저 아르곤 레이저 등. Ruby , Pulsed Nd ; YAG, CW

이 많이 쓰이고 있다.

그외에 에 의한 급속 열처리 시스템이 실험실수준으microwave, E-beam, Solar radiation

로 제작되어 연구가 진행되고 있으나 아직 상용 장비의 개발에 의한 실용화는 이뤄지지 않,

고 있다.

온도감지장치3.

은 샘플온도의 정확한 측정과 조정이 요구된다 일상적인Rapid isothermal processing .

의 낮은 와 웨이퍼의 큰 열용량때문에 열적평형은 보통 분내지furnace power-density 10

분정도의 긴시간후에 이루어진다15 .

- 60 -

따라서 총체적인 은 일반적 의 경우 분이상 시간까지furnace processing thermal cycle 30 1

필요하다 반면 은 웨이퍼 가열이 수초 내에서 이. RIP(Rapid Isothermal processing) cycle

루어진다 그래서 은 매우 빠른 반응시간을 갖는 것이라야 한다 이와 더불. control system .

어 샘플의 온도측정은 중요하고도 어려운 문제로 과 가 사thermocouple optical pyrometer

용되어진다.

가. Thermocouple

측정원리1)

그림 과 같이 서로다른 종류의 금속으로 폐회로를 만들고 접속점 의 온도를 달( 3-11) , , a, b

리하면 회로중에 기전력이 발생되어 전류가 흐르게 되는데 이 현상은 년 씨, 1821 Seebeck

가 발견한 것으로 제벡크효과 라 한다 이때 발생한 기전력을 열기전력 전(Seebeck effect) . ,

류를 열전류라 한다 이 열기전력의 크기 및 방향은 금속의 종류와 접촉점의 온도에 따라.

결정되며 이 장치를 열전대 라 한다 열기전력에는 다음의 세가지 성질이, (thermo-couple) .

있다.

중간온도의 법칙 접촉점 의 온도가(1) : b t2 점의 온도가 일때의 기전력, a t U(A, B)t1t2 와

가 가b t, a t1일때의 기전력U(A, B)t1t와의 합은 의 값의 여하를 불문하고 점이t b t2 점이, a

t1일때의 기전력 U(A, B))t1t와 같다 즉.

따라서 두 접촉점의 온도차가 인때의 기전력을 라 하면dt dU

로 쓸수있으며 일반적으로 는 온도차에 비례하므로dU

라 하면

가 된다.

- 61 -

여기서 는 단위온도차에 대한 기전력으로 열전능 이라 한다Q (thermo electric power) .

그림 3-11. thermo couple

중간물질의 법칙 동일한 온도차에 대한 열전대의 열기전력과 열전대의 열(2) : A-B B-C

기전력의 합은 열전대의 열기전력과 같다A-C .

즉,

열전대에 제 금속 를 삽입하여도 양단의 온도가 동일하면 기전력은 변화하지 않(3) AB 3 C C

는다 일반적으로 열전능 는 온도의 차함수이며. Q 1

로 표시되므로 접촉점 온도가 및, t t1일때 열기전력Ut1t는

여기서 는 물질에 따르는 상수이다a, b .

열전대 와 온도측정2) (thermocouple)

열전대에서의 열기전력은 두 접촉점의 온도에 따라 결정되므로 한 접촉점을 이미 알고 있,

는 일정온도로 유지하고 열기전력을 측정하면 다른 접촉점의 온도를 알 수 있다 온도계로.

사용되는 열전대는 열기전력의 높고 고온에서 기계적 및 화학적으로 변질하지 않는 재료이,

어야 한다 현재 사용되는 재료 및 측정온도의 범위는 다음과 같다. .

- 62 -

백금 백금 로듐- 까지1,600℃

백금 백금 이리듐- 까지1,400℃

아룸멜 크롬멜- 까지1,100℃

철 콘스탄- 까지800℃

동 콘스탄- 까지500℃

열전대를 실제로 사용할 경우 저온도 접점을 항온병속에 넣어 일정온도 로 유지하고, (0 ) ,℃

열기전력은 보통 밀리 전압계 로 측정하나 정밀측정에서는 전위차계를 사용(milivoltmeter) ,

한다 그런데 밀리전압계를 연결하면 열전대회로에 전류가 흐르므로 열전대의 저항이 크면.

이에 의한 전압강하로 오차가 발생하기 쉽다.

즉 이때의 열기전력을 열전대의 저항을, U, R1 전압계의 내부저항을, R2라 하면 전압계의,

지시 는V

가 되므로,

로부터 열기전력 를 계산할 수 있다U .

표 은 열전대의 온도와 열기전력의 관계이다3-1 .

- 63 -

표 열전기쌍의 온도와 기전력< 3-1>

한 접점을 로 유지하였을 때의 기전력( 0 [mV])℃

- 64 -

웨이퍼의 온도측정3)

시스템에 사용된 은 온도가 의 성질과 열용량에 의해 결정RIP thermocouple , thermocouple

되는 것이 아니라 웨이퍼에 의해 결정될수 있도록 그 열용량이 충분히 작아야 되며 가열되

는 속도도 웨이퍼가 가열되는 속도보다 빨라야 한다.(3-1)

실제로 이 각각의 웨이퍼마다에 부착 되어질리없고 온도는thermocouple , thermocouple

접합점의 온도이다 또한 접합점에 부가된 는thermocouple . thermocouple thermal mass

실제로 웨이퍼가 겪는 것보다 더 느린 가열속도와 냉각속도를 보인다 어떤 절연층 혹은 금.

속층의 존재가 웨이퍼의 흡수에 영향을 끼친다 표준 샘플이 웨이퍼의 온도를 교radiation .

정하는데 사용될 수 있고 표준샘플과 실제샘플은 모든 감도에 있어서 동일해야 된다, .

시스템에서 등과 같은 화합물반도체들은 경우와 다른 특성을 보인다 그림RTP GaAs Si . (

처럼 열적으로 분리된 경우와 연결된 경우에 있어서의 의 온도 반응을 측정해보3-12) GaAs

면 분리되어 있는 경우의 온도 반응곡선의 차이는 물질의 근본적 성질과 자유전자흡수에 기

인한다(3-2) 그림( 3-13).

그림 샘플배열 와 경우3-12. (a) thermally isolated (b) thermally connected

- 65 -

그림 단열된 샘플의 가열곡선3-13.

(a) temperature set point

(b) P-doped Si

(C) Zn-doped GaAs

(d) Cr-doped GaAs

그림 은 열적으로 연결된 경우 결과로 보여주고있는데 착지점의 를 제외하( 3-14) overshoot

고 서로다른 샘플의 온도특성이 같다 이 결과는 의 온도는 시스템을 조정하기 위해. GaAs

사용되어져야만 함을 나타낸다(3-2).

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그림 열적으로 연결된 샘플의 가열곡선3-14.

나. Pyrometer

측정물체에 부착시켜 온도를 측정하던 은 물체와 의 접촉 불안thermocouple thermocouple

전성 물체와 간에 지니는 차이등으로 오차가 발생될 뿐, thermocouple initial temperature

만 아니라 이동하는 물체나 속의 물체 그리고 에 손상을 입힐 만큼의window thermocouple

고온물체등에는 사용할 수가 없었다.

이러한 문제점들은 측정대상에서 나오는 에너지를 측정함으로써 물체에 직접 부착하지 않,

고도 온도측정을 정교하게하고 매우 빠른 반응시간을 갖는 에 의해서 해결가능하pyrometer

게 되었다.

측정원리1)

모든 물체는 그들의 온도에 비례하는 빛을 방출하는데 방사에너지가 금속이 빨갛게 달구어

진 것처럼 가시광선으로 존재하는 경우도 있지만 대부분은 가시광선영역밖에 존재하며 전,

자기파 스펙트럼의 적외선 영역에 있게된다 그림 는 플랑크법칙에 따른. ( 3-15) radiance,

파장 온도간의 관계를 나타내고 있으며 의 온도측정원리는 의 플랑크, , pyrometer radiation

법칙에 의한다.

- 67 -

그림 3-15 Blackbody Radiance

흑체복사 와 스펙트럼분포는 플랑크 법칙에 의해L′

단, L =spectral radiance, watt cm′ -2, ster-1, micron-1

=Wavelength, micronsλ

T=Temperature, Kelvins

C1, C2=Constants

실제물질들은 흑체복사보다 작은 빛 을 방출하기 때문에L spectral emissivity ελ는 을 넘1

지 않고 대게는 보다 작다1 .

- 68 -

물체의 방사율이 정확히 알려져 있다면 측정치는 로 교정될 수 있으며true temperature ,

를 사용한 온도측정의 정확성은 물체의 방사율이 크고 일정하며 잘 알려져 있는pyrometer

영역에서 측정할 때 보장된다.

방사에너지와 물체와의 상호관계는 다음식처럼 표현될 수 있는데

(Rλ : reflection, Tλ : Transmission, Aλ : absorption)

그림 와 같이 의 일부는 앞 표면에서 반사되고 나머지는 물체속으로 들어 간다( 3-16) beam .

물체속을 통과하면서 에너지의 일부는 흡수에 의해 손실되고 침투된 빛은 물체의 뒷 표면을

때리고 또 다시 에너지의 일부를 잃는다 물체내부에서 반사된 빛은 물체내에서 그에너지가.

모두 소멸될때까지 이과정을 반복하게된다.

그림 방사에너지와 물체간의 상호작용3-16

- 69 -

반사된 Rλ는 애초 빛이 발생한 방향으로 되돌아가고 통과된, Tλ는 최초의 빛이 나아가던 방

향으로 진행되며 흡수에 의해 사라진, Aλ는 결국 물체의 온도를 높이게 된다.

식 은(3-12)

로 바꾸어 쓸수있는데 에 의해 관측되었듯이 그 주변과 열적 평형관계에 있는 물Kirchoff ,

체는 그가 흡수한 만큼의 를 방출한다radiant power .

따라서

이는 열역학 제 법칙에 일치하며 흑체복사의 경우2 ελ 이 된다 반도체 웨이퍼는 형태=1 . slab

의 균일체로서 에 의해, Pyrometer Rλ와 Tλ가 측정되면서 ελ를 산출하게 된다.

실리콘웨이퍼의 측정 기술2)

는 발열체의 파장 영역 밖에서 작동함으로써 발열체에 의한 간섭을 배제하고 순Pyrometer

수히 웨이퍼의 온도를 측정하여야 한다 그림 그림 그림 은 각각 상. ( 3-17) ( 3-18) ( 3-19) ,

온에서의 실리콘웨이퍼의 를 나타내고 있다spectral reflection, transmission, emissivity .

그림 에서( 3-19) ελ는 급격히 가 되기전에 파장이 인 경우에 대해 충분히 높zero 1 micron

다 이 변이파장을 파장이라하고 기저상태와 여기상태간의 을 뛰어넘는데. cutoff , energy gab

필요한 에너지와 같다.

이 파장보다 더 짧은 은 흡수되고 온도를 높이게 된다 결국 웨이퍼를 통한cutoff photon .

은 이 파장 영역에서 사라진다 파장 보다 더 긴 파장에서optical transmission . Cutoff

에너지는 을 연결하기엔 충분치 못한다 결국 장파장의 들은 웨photon energy gab . , photon

이퍼밖으로 반사되거나 투과된 부분으로 나타나면서 비흡수체를 통해 지나게 된다 비록 이.

러한 장파장의 들이 결정속의 자유전자들에 의해 흡수될 수있으나 상온에서의 실리photon ,

콘 웨이퍼속의 자유전자밀도는 웨이퍼속에의 현저한 흡수를 보이기엔 너무낮다 그래서 장. ,

파장의 경우에 대한 ελ는 실제 이고 이 영역에선 웨이퍼가 현저한 을zero thermal radiation

방출하지 않는다.

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그림 실리콘 웨이퍼로부터의3-17 spectral reflection

그림 실리콘 웨이퍼를 지나는3-18 spectral transmission

- 71 -

그림 상온에서의 실리콘웨이퍼의3-19 spectral emssivity

그림 은 웨이퍼가 가열될때 장파장의 뚜렷한 흡수와 내재하는 반송자밀도의 상승을( 3-20)

나타내고 있다 여기에서 들은 증가하는 밀집자유 전자구름층과 작용하고 감소되면. photon

서 온도가 상승하게 된다.

이러한 기초작용으로 생기는 실리콘웨이퍼의 의 온도 의존성을 보여주spectral emissivity

고 있는 것이 그림 인데 점선으로 표시된 것은 온도감지장치( 3-21) (MODLINE W Series

의 광학적 반응곡선이다 여기에서 웨이퍼의 온도가 이상인radiation thermometer) . , 300℃

경우 는 이 온도감지장치의 광학영역에 걸쳐 높게 그리고 일정하게 나, spectral emissivity

타나 있음을 주시해야 한다.

또한 실리콘웨이퍼는 근처와 그 이상에서 온도 감지장치의 에 대해 분명치300 spectrum℃

않다 이러한 온도에선 발열체의 이 웨이퍼로 통해 전달되어 온도 측정을 간섭하지. radiation

않을 것이다.

- 72 -

그림 실리콘과 에 있어서 온도에 대한 의 변화3-20 GaAs carrier concentration

그림 실리콘웨이퍼의3-21 spectral emissivities

- 73 -

가스공급계4.

가스공급계 공정에 필요한 가스의 유량 압력 등을 적절히 조절하여 오염없이 가스실린더에,

서 반응기까지 전달하는 부분이다 최적의 성능을 발휘할 수 있는 가스공급계를 제작하기.

위해서는 각 구성요소의 역할 제어범위 오염원 안전성 보수유지 등을 충분히 고려하여, , , ,

설계하여야 한다.

다음은 설계 시에 특히 유의할 사항이다.

장치의 배관은 절대 기밀을 유지할 것.●

사용재료 및 부품은 개개의 용도에 따라 선택할 것●

입자 발생이 적고 내식성이 클 것.―

관내 유동속도를 적당히 유지할 것.●

기기류 간의 연락을 가능한 한 짧게 하고 만곡부는 될 수 있는 한 적게 그리고 굽힘반,●

경을 크게 할 것.

온도변화에 의한 관의 신축에 대응하는 처치를 강구할 것.●

배관 도중에는 고저의 변화를 가능한 한 피할 것.●

배관에는 지지금속구를 붙여 진동을 방지할 것.●

가 주요 기능.

시스템의 가스공급계가 구비하여야 할 주요 기능은 다음으로 요약될 수 있다RTP .

MFC●

Auto zero―

Auto shutoff―

Purge function―

Soft start (process gas)―

유입가스의 수동 차단●

유입가스의 조절time interval●

- 74 -

유독성가스 를 불활성가스로 할 수 있는MFC purge line●

공정 후 line space evacuation●

0.2~0.01 filteringμ●

N● 2 압력, Air interlock

시의 대책Power failure●

가변성 및 여분 부착 대책line●

설치Gas cabinet●

Cross purge, tee purge assembly―

Hood port―

Fire sprinkler head―

나 공정가스 배관재 및 구성부품. ,

반도체의 수요가 점점 고집적도의 메모리를 요구함에 따라 예전의 외부환경에 의한 오염보

다 장비 자체에 이미 존재하고 있는 오염원이 큰 문제가 되고 있다.

가스 순도의 영향은 흔히 간과되기 쉬우나 이는 가스의 유량 시스템의 기밀 및 청정 정도, ,

등과 밀접한 관계를 가지고 있으며 일반적으로 반응기내의 오염가스 분압은 다음 식, ( 3-15)

로 표현할 수 있다.

여기에서,

L : outgassing (torr 1/sec)

K : gas impurity percentage(e.g 99.95%=0.0005)

Q : gas throughput (torr 1/sec)

Pc : partial pressure of contaminants(torr)

Ps : process pressure(torr)

- 75 -

만일 가스공급계상에 누설이 있으면 계내의 가스압력이 인 경우일지라도 누설 발, positive

생점이 벤츄리관 의 역할을 할 수 있기 때문에 계 외부의 공기가 내부로 인입(venturi tube)

할 가능성이 있다 이 경우 공정 가스를 고순도의 것으로 사용하면 윗 식에서 알 수 있듯이.

계 누설로 인한 오염가스의 분압 증가를 보상할 수 있다 그리고 저순도의 가스를 사용하면.

결과적으로 누설로 인한 오염가스의 분압을 한층 더 증가시키게 된다 따라서 공정가스를.

고순도의 것으로 사용하는 것은 증착물의 를 높이기 위해서 필수적이다quality .

가장 흔한 가스오염원은 산소 탄화수소물 습기이다 산소는 와 반응하여 산화물을 형성, , . Si

할 수 있으므로 고온 제조공정시 불활성가스내의 산소오염은 노출된 웨이퍼 표면에 의 산Si

화를 일으켜 수율과 소자의 성능에 역효과를 끼친다 탄화수소가 존재하면 박막접착불량. ,

박막의 비균일 식각의 비균일 표면의 등을 야기 시켜 의 원인이 된다, , fitting point defect .

또 탄화수소가 존재함으로써 반도체 공정가스의 수명은 급속히 감소한다 습기오염은 고온, .

에서 산소에 의해 야기된 것과 유사하게 웨이퍼의 표면산화를 일으켜 증착과 확산을 방해Si

한다.

위의 오염들은 가스를 고순도의 것으로 사용하지 않거나 저장용기나 가스공급라인을 적절히

세척하지 않으므로써 흔히 야기된다 이외의 원인으로 기밀부 밸브와 연결구의 결함 등의. ,

배관연결상의 결함 및 공급라인이나 밸브 내에 증착되어 있는 오일 윤활제 등이 있다 따라.

서 가스공급계 구성시 고순도의 부품을 사용하는 것이 필수적이다.

공정에 소요되는 가스의 종류 및 그 용도는 표 에 나타나 있으며 그 순도는RTP ( 3-2) ,

의 를 만족하여야 한다UHP Semiconductor grade .

가스공급계에 사용되는 밸브는 그 기능에 따라 차단용 유량조절용 역지용 등으로 구분되, ,

고 구동방식과 부위에 따라 수동식 공압식 솔레노이드식 및, , , ball, bellow, diaphram,

등으로 다시 세분할 수 있다 기타의 부품으로는 압력계needle . regulator, , filter, purifier,

압력스위치 등이 사용된다.

- 76 -

표< 3-2> Usage of gas source

Gas Usage

O2 ,Ar, H2HCl, NH3, N2

Process gas

N2 Anneding, Purge, backfill, vacuum pump ballast

Air Air-operated bellows valve andair cylinder actuation

각 가스의 유량을 정확히 제어하기 위해 현재 가장 널리 사용되고 있는 유량조절계가 MFC

이다 종래에 사용되었던 체적유량제어는 온도 압력등의 외부인자에 영향을 받지만 질량유. , ,

량을 제어하면 같은 조건하에서 이상기체의 체적은 같은 수의 분자를 포함하므로 분자의 수

효량을 제어하는 것과 같게 된다 따라서 온도와 압력등의 외부조건에 대한 변화가 심하지.

않게 된다.

내부의 센서부에서의 열전달 관계는 그림 과 같이 나타낼 수 있다MFC ( 3-22) .

그림 3-22 MFC Principle

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이때 열전달량은 다음의 식으로 표현된다.

관내 유동의 열전달 관계에 대한 실험식을 이용하면,

여기에서, m ̇=ρv A,Re= ρvDμ

, P r =μC pK

이다.

Q : 단위시간당 열전달량 K : 열전도 계수

h : 열전달 계수 μ : 점성 계수

A : 열전달 면적 V : 유체의 속도

ṁ : 질량 유량 ρ : 유체의 밀도

Cp : 유체의 정압비열 Re : 수Reynolds

D : 관직경 Pr : 수Prandtl

식 에서 계수 는 와 의 무차원변수값에 따라 실험적으로 정해진다( 3-17) a, b, c Re Pr .

식 과 식 을 연립하면 단위시간당의 열량 는 다음식으로 표현되어 의( 3-16) ( 3-17) Q heater

와 질량유량간의 관계가 구해진다heating power .

여기에서, Ks 비례상수:

따라서 를 가 일정하게 유지되도록 조절하면 로써 질량유량Q T , Q△ ṁ를 제어할 수 있으므

로 결국 식 로 표현되는 주관의 흐름이 제어된다( 3-19) MFC .

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여기에서,

KT 비례상수:

본 시스템은 위의 부품들을 사용하여 구성하고 형식의 연결구를 자동용접기로써 용접VCR

하여 이후 수차례 세척하여 조립할 예정이다, chemical .

진공시스템5. (Vacuum System)

반응용기를 일정한 저압 으로 유지하기 위하여 진공시스템이 필수적으로 갖(low pressure)

추어 져야한다 진공시스템은 반응용기를 저압상태로 하기위한 부대시설이 포함된 진공펌프.

모듈 과 규정된 저압을 일정하게 유지시키기 위한 압력제어 모듈로 구성되어 있다(module) .

진공펌프 모듈의 가장 핵심적인 구성요소는 진공펌프이며 부식이 되지 않는 완벽한 재질의,

재료를 사용함으로써 진공펌프의 성능을 향상시키려는 것은 어렵다 그러므로 진공펌프 주.

위에 부대시설들을 잘 선정하고 설계함으로써 진공펌프의 성능을 극대화 시킬 수 있다.

가 진공시스템의 설계.

진공시스템의 배기속도1)

만약 펌프가 직접 진공용기와 연결되어 있다면 진공용기의 배기를 위해 요구되는 펌프의 유

효배기속도는 카탈로그 상의 펌프 고유의 배기속도와 거의 같을 것이다 그러나 실(Catalog) .

제로 여러가지 중간매개물 즉 밸브를 필터등이 설치되어 있으므로 유효배기속도는, , Trap,

펌프의 배기속도보다 더 적은것이 당연하다 진공용기에 대한 확실한 유효배기속도를 보장.

하기 위해서 펌프 고유의 배기속도는 보다 큰 용량의 것이 선정되어야 한다.

유효배기속도 Seff와 펌프의 배기속도 Sp와의 관계는 다음 식( 3-20)

으로 주어지며 는 중간매개물들의 연결에 의해 결정된 이다, C Total flow conductance .

- 79 -

펌프의 유효배기속도2) (Effective pumping speed)

점성흐름영역 에서는 펌프의 유효배기속도(760~1 Torr) Seff는 진공용기의 부피 요구되는V,

압력 에 의해 지배된다 유효배기속도가 일정하고P, Pump-down time t . Ultimate pressure

Pult가 Pult 라고 가정하고 무차원계수P《 F=lnP 1P 2를 도입하면,

여기에서 는 대기압인 초기압력t P1에서 규정된 최종압력 P2로 한정된 부피를 배기하는 시

간이고 무차원계수 는 로 그림 에서 직접 구해진다, F Pump-down factor ( 3-23) .

그림 3-23 Pump down factor corresponding to pressure

- 80 -

천이 흐름영역(Knudsen) (1~10-3 에서는 압력 를 더 이상 무시할 수 없으므로 다Torr) Pult

음과 같이 된다.

흐름Molecular (

- 81 -

여기서 는 관의내경 은 관의길이 단d , l ( , l ≥10d), P는 초기압력과 최종압력의 산술평균을

나타낸다 즉. ,

따라서 각 흐름영역에 따라 이를 적용하면 다음과 같다.

C=135d 4

lP 점성흐름( d P>6×10

-1mbar cm)ㆍ

의 식 천이흐름C=knudsen ( 6×10-1

- 82 -

4) Throughput

단위시간당 실제펌프에 의해 한 일 을 나타내면(Work)

Q=P Sㆍ eff

이고 는 정상상태에서의 평형압력, P , Seff는 유효배기속도를 나타낸다.

나 구성부품.

진공시스템의 구성부품은 진공펌프 진공밸브 등으로 구성되어 있으, , trap, oil mist filter

며 여기에서는 그 주요부분들에 대해 간단히 살펴보기로 한다, .

Soft-start gate valve●

처음 을 시킬 때 진공펌프에 과부하를 방지시키기 위한 역할을 하며 반응용기pump down

속의 난류 를 배제시켜 먼지생성 을 최소화시키는 기능을(turbulence) (particle generation)

가지고 있다.

power-failure safety valve●

공정중 전원이 차단되었을 때 증착중인 웨이퍼의 손상을 막기 위해 공급되는 질소 및 남아

있는 반응가스들은 진공펌프를 거치지 안하고 배기된다 이때 대기압에 의한 배기가스들의.

역류를 방지하기 위해 첵밸브 와 함께 구성해야 한다(check valve) .

Dry N● 2 및gas ballast N2pump case purge

펌프오일인 오일은 사용시보다 훨씬 많은 량의 가스를 흡수하므로Fomblin hydrocarbon oil

이 흡수된 가스를 제거하기 위해 dry N2가 필요하다.

N2펌프케이스 는 배기가스를 묽게 하고 펌프오일의 역류를 방지시키는 안전purge (safety)

기능을 가지고 있다 이때 공급되는. N2의 압력은 정도로 유지시켜 준다30psig .

Oil filtration system●

은 반응용기에서 발생한 고체미립자가 펌프를 지날 때 이상Oil filtration system 0.1micron

의 먼지를 걸러주는 기능 오일에 대한 산성가스의 영향으로 발생되는 점성타르와 분해물의,

발생을 억제하는 기능 오일속에 용해되어 있는 많은 산을 제거하는 기능을 가지고 있다, .

- 83 -

Oil mist filter●

펌프용기 내부의 온도가 증가하면 최저압력이 높아지고 펌프오일의 소비가 많아진다 또, .

배기흐름에 펌프오일이 비산되어 배기되므로 가 필요하다 이때 오일의 소비oil mist filter .

를 줄일 수 있고 대기오염방지 및 펌프수명증가의 이점이 있다, .

펌프오일●

오일의 선정시 고려해야할 사항은 다음과 같다.

Saturated vapor pressure―

진공펌프가 얻을 수 있는 을 결정하는데 매우 중요함( ultimate vacuum )

Viscosity―

움직이는 계면사이의 기밀유지 윤활 및 냉각작용이 우수해야 함( , )

Dissolubility―

배기가스에 의해 분해되거나 침식되지 않는 화학적 열적으로 안정해야 함( , )

화학증착시 부생성물로 이나 이 발생하는 경우 화학적으로 불활성인fluorine chlorine ,

을 사용하는 것이 좋다Fomblin oil .

다 압력제어 모듈.

반응기내의 압력을 일정하게 저압으로 유지하기 위해 압력을 계속 감지하면서 배기해야 한

다 압력제어 방법은 일반적으로 표 으로 분류되며 시스템에서는. ( 3-3) , RTP exhaust valve

에 의한 제어방법을 사용하기로 한다 따라서 압력제어 시스템은 그림 와 같이 구성된. ( 3-24)

다.

방출되는 가스의 양은 로 조절하며 가throttle valve , throttle valve controller main

로 부터 신호를 받아 그에 비례하게 를 여닫는다controller analog valve .

압력 센서로는 형을 사용하며 크게 두 부분으로 이루어져 있다diaphram , .

Corrosion resistant, taut diaphragm inconel sensor―

Printed circuit board(signal conditioner)―

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표 의 분류 및 분석< 3-3> Pressure Control Technique

technique

변수

Rotational SpeedControl

에 의Exhaust Valve한 Control

에 의한Gas InjectionControl

Dynamic Range Low(10:1)

High(1000:1-10000:1)

Moderate(500:1-1000:1)

Types of Pumps Will not work on allpumps

All Will work with anypump

Speed ofResponse

Moderate Fast(5-6 sec)

Fast(5-6 sec)

Actuator AC Motor Controller orSCR Motor Controller

Exhaust Valve Bypass valve orMFC

Extra OperatingCost

None None Nitrogen

Suseptability toEffluent Gases

None Slight(316SUS/best) None

SpecialRequirements

Pump Controller andflow rates must becarefully sized

None By pass valve andPump must beproperly sized

Vandor MKS MKS, Datametrics

그림 압력제어 시스템의 구성도3-24

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외부전원 를 사용하며 출력 전압은 이다± 15VDC 0~10VDC .

압력 센서의 내부는 그림 의 과 같이 구성되어 있다( 3-25) block diagram .

그림 압력센서의3-25 block diagram

은 와 함께 의 전극을 이루고 있다 쪽은 고Diaphragm reference side capacitor . Reference

진공으로 밀봉되어 있어서 가스의 종류에 상관없이 절대 압력을 측정할 수 있다 압력이 가.

해져서 이 움직이면 두 전극 사이의 거리가 변하여 도 변하게 된다diaphragm capacitance .

이 는 회로에 의해 주파수 인 로 변환되고capacitor oscillator f sinusoidal wave

에 의해 직류전압으로 바뀐다 성분을 제거하고 증frequency-to-voltage converter . Offset

폭하여 최종적으로 의 직류전압을 발생시킨다0~10V .

웨이퍼 반송장치6.

웨이퍼의 크기가 증가되는 추세에 따라 웨이퍼 반송장치의 자동화는 오염을 감소시키고 결,

과를 향상시키는 데 그 중요성이 높아지고 있다 기존의 에선 웨이퍼를. furnace Quartz

로 이송하고 공정이 끝나면 다시 로 옮기는데 약 여분이 소요되었지만boat , Poly cassette 30 ,

자동화된 웨이퍼 반송장치로는 그 시간이 크게 단축되어 초 정도에 이루어진다 따라서10 .

동일한 시간내에 작업을 마칠수 있는 웨이퍼의 수효가 의 보다도 몇 배batch type furnace

나 많게 된다.

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이러한 의 경향에 더불어 웨이퍼 반송장치casstte-to-cassetts, single wafer processing

는 재현성이 우수해야 하며 웨이퍼의 반송을 신속하게 해야 된다 또한 웨이퍼 반송장치는, . ,

웨이퍼를 각각 방향으로 전진 및 후퇴 회전운동 상승 및 하강운동하게 하면서 웨, , , ,γ θ Ζ

이퍼가 미끄러지거나 부딪히지 않도록 정교하게 프로그램되어 있어야 하고 웨이퍼 반송장,

치의 운동으로 말미암은 웨이퍼의 오염이 없도록 청정이 유지되어야 한다.

다음은 이러한 목적에 적합하도록 개발된 웨이퍼 반송장치들의 모습과 기능을 분석한 것이

다.

(1) ORBITRAN(Brooks Associate)

운동(a) ;

에 의한 전진 후퇴 방향운동frog leg r( / )●

에 의한 상승 하강 운동cam z( / )●

에 의한 회전운동 감지multiturn potentiometer●

에 의해 조종되는 회전운동에 따른 전진 및 후퇴작용dc gear-moter●

로봇팔길이에 의한 운동거리의 조정●

제원(b)

수직운동 : 1/8 inch●

웨이퍼크기 : 200● ㎜

에 의한 선택8bit word rootational position●

(2) EM-308 (ADE's new benchtop elevator)

에 의한 선택Control panel●

직경wafer―

와cassette pitch first pocket dimension―

기능send / receive―

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자동 수동 모드/―

내부스위치가 모드와 선택shuffle cycle●

명령은 자동모드 혹은 외부의 수동동작으로 모두 가능send/receive●

세개의 에 의한 와 운동조정discrete stepping motor cassette wafer●

수직운동―

수평운동 및 적합한 속도 조절에 의한 웨이퍼 positioning―

을 들고 웨이퍼를 운송track―

(a) features

및 기계적 신뢰성field-proven design●

에 의한 간단한 동작Integral AC power supply standalone●

콤팩트한 형태banchtop●

Microprocessor control unit●

다양한 크기의 웨이퍼 사용가능●

및switch-selectable cassette pitch first pocket spacing●

non-contamination positive grip transfer system●

자동화된 웨이퍼 중심조정●

좌우조정의 선택●

제원(b)

웨이퍼 크기 표준: 3 ~150 ( )● ˝ ㎜

선택2 ~ 60 ( )″ ㎜

Pitch : 3/16 , 1/4 , 3/8● ″ ″ ″

이송형태 : H-Bar style (Fluoroware PA72M)●

Monsanto Yield Guard

초 수직Cycle rate : 0.2 ( )●

초 수평1.0 ( send/receive)

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System power : 100-115/230 VAC●

선택50-60Hz : lamp(Switch )

우측조정Options : EM 308-1( panel)●

좌측조정EM 308-2( panel)

(3) Gencobot(Genmark Automation)

운동축(a)

방향 중심으로부터 전진 및 후퇴R :●

● θ방향 중심주위의 팔의 회전:

방향 로봇팔의 상승 및 하강Z :●

운동범위(b)

방향R : 16.75inch●

● θ방향 : 360°

방향Z : 7.25inch●

운송속도(c)

방향 초당R : 17inches●

● θ방향 초당: 310°

방향Z : 13 inch●

재현성(d)

방향R : 0.001 inches●

방향Theta : 0.01°●

방향Z : 0.0002 inches●

웨이퍼크기(e) : 2inch~8inch

웨이퍼(f) interface

interchangeable end effector●

vacuum hold down of wafer●

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vacuum se