반도체 공정용 급속 열처리 장치의 최근 기술 동향 김영규 중소기업기술진흥본부 산업기술진흥부 박사후연수연구원 이해문 중소기업기술진흥본부 산업기술진흥부 선임연구원 정태진 중소기업기술진흥본부 산업기술진흥부 책임연구원 반도체 제조용 웨이퍼의 온도를 측정하고 제어하는 기술의 진보로 열처리 장비 시장에서 점점 더 각광 을 받고 있는 급속 열처리 장치의 최근 기술 동향을 전반적으로 조사 분석하 였다 의 장점 온도 제어 모델링 기술 최근에 개발된 여러 종류의 시스템 설계 및 이들 각각의 기술적인 문제들이 기술된다 새롭게 개발된 단일 와 광자 효과를 이용 한 에 관해서도 기술하였다 아울러 최근 열처리 장비 업체들의 현황과 열처리 장비 시장의 향후 전망에 관해서도 검토하였다 서론 반도체 공정에 있어서 열처리 는 필수적인 과정이다 오움믹 접촉 합금 이온 주입 손상 어닐 링 불순물 활 성화 등의 박막 형성 등이 열처리를 요구하는 공정이다 의 수축과 더불 어 열처리 공정은 더욱더 복잡해지고 있다 퍼니 스 를 이용한 열처리가 초기의 반도체 공 정부터 주류를 형성하고 있지만 복잡한 열처리 공 정을 위해서는 급속 열처리 장치가 필연적으로 요구될 경우가 많다 복 잡한 박막 증착을 위해 기술을 열처리 장치 와 결합시킬 필요가 있을 경우와 증착 하고자 할 경우 기존의 퍼니스로 는 열처리가 매우 어렵다 의 장점은 온도를 빠르게 가열 또는 냉 각할 수 있어 열 소모 비용 웨 이퍼의 온도를 가공 온도까지 상승시키는데 걸 리는 시간 고온에서 가공된 웨이퍼의 온도 를 상온으로 하강시키는데 걸리는 시간 을 크 게 줄일 수 있다 는 오래 전부터 알려진 기술이었으나 웨이퍼 전체의 온도를 균일하게 유지하거나 웨이퍼를 교체할 때마다 다른 웨이 퍼들에 대해서도 같은 온도 시간 특성을 유지 하거나 또는 웨이퍼의 온도를 정확하게 측정 및 제어하는데 어려움이 있어 크게 각광을 받지 못하였다 그러나 최근의 여러 가지의 온도 측 정 방법과 온도 제어 기술의 진보로 인하여 이러
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반도체공정용급속열처리장치의최근기술동향 · Tungsten-halogen lamps 시 간 Reference Temperature Trajectory (User가 원하는 온도-시간 함수) 온 도 wafer
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반도체공정용급속열처리장치의최근기술동향
김영규 중소기업기술진흥본부 산업기술진흥부 박사후연수연구원
이해문 중소기업기술진흥본부 산업기술진흥부 선임연구원
정태진 중소기업기술진흥본부 산업기술진흥부 책임연구원
반도체 제조용 웨이퍼의 온도를 측정하고 제어하는 기술의 진보로 열처리 장비 시장에서 점점 더 각광
을 받고 있는 급속 열처리
장치의 최근 기술 동향을 전반적으로 조사 분석하
였다
의 장점
온도 제어 모델링 기술
최근에 개발된 여러 종류의
시스템
설계 및 이들 각각의 기술적인 문제들이 기술된다
새롭게 개발된 단일
와 광자 효과를 이용
한
에 관해서도 기술하였다
아울러 최근 열처리 장비 업체들의 현황과
열처리 장비 시장의 향후 전망에 관해서도 검토하였다
서 론
반도체 공정에 있어서 열처리
는 필수적인 과정이다 오움믹 접촉 합금
이온 주입 손상 어닐
링 불순물활
성화 등의
박막 형성 등이 열처리를
요구하는 공정이다 의 수축과 더불
어 열처리 공정은 더욱더 복잡해지고 있다 퍼니
스 를 이용한 열처리가 초기의 반도체 공
정부터주류를형성하고있지만복잡한열처리공
정을위해서는급속열처리
장치가 필연적으로 요구될 경우가 많다 복
잡한 박막 증착을 위해 기술을 열처리 장치
와결합시킬필요가있을경우와
증착 하고자 할 경우 기존의 퍼니스로
는 열처리가 매우 어렵다
의 장점은 온도를 빠르게 가열 또는 냉
각할 수 있어 열 소모 비용 웨
이퍼의 온도를 가공 온도까지 상승시키는데 걸
리는 시간 고온에서 가공된 웨이퍼의 온도
를 상온으로 하강시키는데 걸리는 시간 을 크
게 줄일 수 있다 는 오래 전부터 알려진
기술이었으나 웨이퍼 전체의 온도를 균일하게
유지하거나 웨이퍼를 교체할 때마다 다른 웨이
퍼들에 해서도 같은 온도 시간 특성을 유지
하거나 또는 웨이퍼의 온도를 정확하게 측정
및 제어하는데 어려움이 있어 크게 각광을 받지
못하였다 그러나 최근의 여러 가지의 온도 측
정 방법과 온도 제어 기술의 진보로 인하여 이러
전전전전자자자자통통통통신신신신동동동동향향향향분분분분석석석석
제
권 제
호
년
월
한 기술적인 문제들이 상당히 개선되었으며 퍼니
스로 할 수 있는 여러 열처리 공정이 로 체
되어가고있다 특히 는단일웨이퍼가공
장치이며 가공 환경의 여러 변수 예를 들면 가공
챔버속의 여러 가스들의 압력 온도의 급변 등 들
을제어하기 쉽기때문에 나
형성 게이트 전
극형성 의축전전극형성등을위한열처
리 가공이 퍼니스보다 우수한 효과를 보인다
다양한열처리응용분야 고유의단일웨이퍼
처리 능력 온도 급속변속률 다른 증착 장비 예
를 들면 나 클러스터 툴 와의 결합 등을 고
려할때고 도반도체디바이스를추구하는반도
체산업에 있어서반드시필요한 기술이다
로구성된미국
의 컨소시움인
는 퍼니스가 할
수 있는 모든 열처리를 로 체할 수 있음을
입증하였으며 열처리장비시장에서 의입지
가 점점커져가고 있다 이러한 관점에서 반도
체 제조에 있어서 핵심적인 역할을 하는 기
술의 최근 동향을 낙후된 국내 반도체 산업에 소
개함과 더불어 의 장점 의 온도 측정 및
제어 기술 현재의 기술상의 문제점 시스템
설계 열처리 장비 시장의 향후 전망 등에 하여
논하고자 한다
의 개요
오움믹 접촉 합금 이온 주입 손상 단련
불순물 활성
화 형성
등은 반도체 디바이스 제조
에 있어서 반드시 필요한 열처리 공정이고 이를
위하여 웨이퍼를 고온으로 가열을 할 필요가 있
다 퍼니스를 이용하여 웨이퍼에 열을 가할 수 있
으나 퍼니스는 온도를 상승하거나 하강시키는데
긴시간 이소요된다 텅스텐할로겐램
프 에서 나오는 복사 광
선 을 이용하여 웨이퍼에 열을
전달하면 램프의 입력 전력만을 조절하여 온도를
의 속도로 변화시킬 수 있어 온도의 상
승 및 하강에 불필요하게 소비되는 열 예산을 현
저히 줄일 수 있다 텅스텐 할로겐 램프를 이용한
열처리는단일웨이퍼공정이여서일괄공정퍼니
스 의 개의 웨이퍼 처리
량 보다 낮으나 열처리 시간이 짧은
공정 은텅스텐할로겐램프에의한열처
리에 훨씬 낮은 비용이 소요된다 또한 열처리 공
정 중 여러 가스들의 압력을 정확히 조절할 수 있
어 여러온도 에서 복
잡한 박막 증착을 함으로써 보다 우수한 고 도
집적 회로의 제작을 가능케 한다 이러한 텅스텐
할로겐램프의복사광선을이용하여웨이퍼에열
을 전달하는 열처리 기술을 라 한다 그림
의 기술상 문제점
웨이퍼 전체의 온도를 균일하게 유지하고 측
정하거나 제어하는 능력이 퍼니스는 보다 우
수하였기에 퍼니스가 지금까지 열처리 장치로서
이용도가 높았다 특히 온도를 상승 및 하강할
때 웨이퍼의 원주 부분이 내부보다 온도가 일반
적으로 낮다 이러한 웨이퍼 상의 온도의 불균
반도체 공정용 급속 열처리 장치의 최근 기술 동향
그림
의 기본 설계도
일은 열처리 후에 웨이퍼의 뒤틀림 단
층 박막의 미끄러짐 등의 심각
한 문제들을 야기시킨다
또한 이러한 텅스텐 할로겐 램프로부터 방출
되는 복사 광선에 의해서 웨이퍼에 열을 전달하
기 때문에 웨이퍼의 광학적 특성이 복사 광선 흡
수에 가장 큰 영향을 미친다 웨이퍼에 증착된 박
막의 두께나 광학 특성에 따라 복사 광선의 흡수
도가 상당히 다르기 때문에 박막에 따라 의
온도 교정을 해야 하는 불편이 있다 패턴화된 웨
이퍼는박막의두께와광학특성이국부적으로변
화하기때문에웨이퍼전체에걸쳐서온도를균일
하게 유지하기가 더욱 어렵다 또한 웨이퍼 표면
의거칠기와웨이퍼의뒷면의구조나광학특성도
웨이퍼의 온도를 정확하게 측정하는데 큰 영향을
미친다 그러므로 시스템 설계자의 가장
큰 어려움은 웨이퍼의 온도를 균일하게 유지해야
하고 정확하게 온도를 측정 제어하는 것이다
장비 제조업체는 일반적으로 다음과 같은 문
제를 해결할 수 있는 시스템 설계가 필요하
다
웨이퍼를교체하여도항상같은 온도 시간 함
수를 유지
램프의구조가웨이퍼와 칭 적인
챔버의 구조
챔버 내의 가스의 균일한 흐름
균일한온도의유지 웨이퍼전체에걸쳐서온
도 차이가 이내
텅스텐 할로겐 램프의 균일한 주파수 성분
정확한 온도 측정 및 제어
시스템 모델링
시스템은 온도를 정확하게 측정하는 기
술도 중요하지만 온도를 웨이퍼 전체에 걸쳐
균일하게 유지하고 사용자가 원하는 로 온도
를 제어하는 기술이 더욱 더 중요하고 어렵
다 제어는
시스템을 제어하
는 가장 기본적인 제어 방법이나 는
시스템이므로여러개
의 독립적인 텅스텐 할로겐 램프들과 웨이퍼 상
의 여러 지점에서 온도를 독립적으로 측정하는
온도 검출기들 고온도계 혹은 열전
쌍 로 구성되며 이들 램프와 온도
검출기사이에노이즈에의한복잡한상호작용이
Tungsten-halogenlamps
시 간
Reference Temperature Trajectory(User가 원하는 온도-시간 함수)
온도
wafer
Cold wall
RTPChamber
Gas
syst
em
Quartz window (수정창)
Multi-InputMulti-Output
Controller
pyrometer
전전전전자자자자통통통통신신신신동동동동향향향향분분분분석석석석
제
권 제
호
년
월
있어 제어 방식으로 시스템을 완전히 제
어하는 것이 불가능하다
시스템을 제어하려면
이라는 수준 높은 제어 공학적 기술이 필요
하다 본 고에서 시스템의 온도 제어를 위해
사용되는최근모델에관하여개괄적기술을하고
자 한다
모델링 및 모델 추정
은 입력과 출력사이의 관
계를 나타내는 상태 방정식 을 설
정 하여 이 모델에 적합한 제어 시스템을
개발하는 기술을 말한다 는 다음과 같이
상태 방정식을 모델링할 수 있다
여기서 는 각각 시간 에서 웨이퍼의
온도 이러한 텅스텐 할로겐 램프의 입력과 열전
쌍 온도검출기 의온도를표시한다 이모델의목
적은시뮬레이션된전압입력을램프에가하여나
타나는열전쌍의온도를측정함으로써즉 실험적
자료를 이용하여 행렬 를 구하는 것이
다
램프 웨이퍼 열전쌍의 구성 및 배치는
그림 와 같다 시스템 다이나믹스의 고주
파수 특성을 구하기 위해
입력을램프에가하여서 열전쌍
의 온도 변화와
을 이용하여 를 구하는 방법
이 제안되었다
그림
의 값은 작기 때문에 이를 무시하면
여기서 와 는 램프의 개루프 전력 궤도
와 열전쌍의 온도 궤도이다 그러면
시 간
Reference Temperature Trajectory(User가 원하는 온도-시간 함수)