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KR100399632B1 - 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법 - Google Patents

급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법 Download PDF

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KR100399632B1
KR100399632B1 KR10-2003-0029386A KR20030029386A KR100399632B1 KR 100399632 B1 KR100399632 B1 KR 100399632B1 KR 20030029386 A KR20030029386 A KR 20030029386A KR 100399632 B1 KR100399632 B1 KR 100399632B1
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Abstract

챔버의 내의 구조물 및 상기 챔버 내부의 지오미트리에 의한 영향을 보정할 수 있는 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에 의하면, 어느 하나의 급속열처리 장치에 대하여 웨이퍼의 종류 및 열처리 온도에 관계없이 적용되어지는 방사보정계수를 추출할 수 있으므로, 방사 온도계의 보정이 용이하고 정확한 온도측정 특성이 유지되어 급속열처리 공정에 대한 신뢰성이 향상되고, 급속열처리 공정에 대한 재현성이 향상된다.

Description

급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법{Gain method of emission compensation coefficient for rapid thermal apparatus}
본 발명은 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법에 관한 것으로서, 특히 챔버의 내의 구조물 및 상기 챔버 내부의 지오미트리에 의한 영향을 보정할 수 있는 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법에 관한 것이다.
급속열처리(Rapid thermal Process, RTP)에서는 웨이퍼의 급속한 온도변화, 웨이퍼의 회전, 온도 측정에 대하여 요구되는 신뢰성때문에 방사 온도계(Pyrometer)를 이용하여 비접촉식으로 온도를 측정하고 있다.
방사 온도계에 의한 온도측정은 하기의 수학식 1과 같은 흑체 복사에 대한 플랭크 법칙에 의존한다.
여기서, E는 스펙트럼 흑체 복사 에너지(spectral blackbody emissive power), λ는 파장[㎛], T는 온도[K], n은 굴절률(refractive index), C1=2πhc0 2=3.7419x10-16[Wm], C2=hc0/k=14,388[μmk], C0=2.998x108[m/s], h=6.626x10-34[Js], k = 1.3806x10-23[J/K] 이다.
도 1a는 방사 온도계의 보정을 위한 흑체 복사 광원을 나타낸 개략도이고, 도 1b는 일반적인 급속열처리 장치를 나타낸 개략도이며, 도 1c는 도 1b에 따른 급속열처리 장치를 사용하는 경우에 방사 온도계에 입사되는 복사선의 경로를 나타낸 개략도이며, 도 1d는 종래의 방법에 의하여 추출된 방사보정계수와 그 방사보정계수가 적용된 유효 방사율의 관계를 나타낸 그래프이다.
일반적으로 방사 온도계의 보정(calibration)은 도 1a에 도시된 흑체 복사 광원(blackbody source)을 이용한다. 흑체 복사 광원은 모든 파장에 대해 지정된온도에서 방사율이 1이 되도록 설계된 설비이다. 측정하고자 하는 웨이퍼 주위의 환경적인 요인만 없다면, 흑체 복사 광원을 이용하여 보정된 방사 온도계를 이용하여 웨이퍼의 측정면에서의 복사율만을 정확히 계산함으로써 웨이퍼의 정확한 온도를 산출할 수 있을 것이다.
도 1b를 참조하면, 급속열처리 장치에 있어서 웨이퍼가 안착되고 방사 온도계가 설치되는 챔버의 내벽과 웨이퍼 지지대는 금속으로 구성되고, 방사 온도계는 웨이퍼 하부에 설치되어 웨이퍼의 배면에서 방사되는 복사선을 입사받아 웨이퍼의 온도를 측정하게 된다.
이 때, 웨이퍼의 배면에서 방사되는 복사선의 복사 에너지는 하기의 수학식 2로 표현되는 스테판-볼츠만 법칙을 이용하여 구할 수 있다.
여기서, I는 복사 에너지, ε은 웨이퍼의 방사율, σ는 스테판-볼츠만 상수, T는 웨이퍼의 절대온도이다.
그런데, 도 1c를 참조하면 방사 온도계의 광학 로드(optic rod)를 통하여 입사되는 복사선의 입사 경로는 웨이퍼로부터 직접 입사되는 경우와 챔버의 내측의 벽면 또는 바닥면 등에 적어도 한 번 이상 반사된 후 입사되는 경우가 있으므로, 전체 복사 에너지는 하기의 수학식 3으로 표현된다.
여기서, n은 반사 횟수이고, rbase는 챔버의 내측의 벽면 또는 바닥면 등에서의 반사율로서 방사보정계수로도 표현된다.
따라서, 웨이퍼의 유효 방사율(εeffective)은 하기의 수학식 4로 표현된다.
수학식 4에 의한 유효 방사율과 방사보정계수와의 관계를 그래프로 나타내면 그림 1d와 같다.
일 예로, 900nm 대역의 방사 온도계를 이용하여 방사율이 0.4인 웨이퍼의 온도가 1000℃인 경우에 급속열처리 장치의 방사보정계수가 0.7이라고 한다면 유효 방사율은 수학식 4에 의하여 0.69이고, 보정된 웨이퍼의 온도는 하기의 수학식 5를 이용하여 구할 수 있다.
여기서, T1은 측정된 웨이퍼의 온도, T2는 보정된 웨이퍼의 온도, ε1은 웨이퍼의 방사율, ε2는 유효 방사율이다.
따라서, 상술한 열처리 조건에서 보정된 웨이퍼의 온도는 947.02℃가 되므로 측정된 온도는 52.99℃의 오차가 발생함을 알 수 있다.
그런데, 상술한 방사보정계수에는 챔버의 내측의 벽면 또는 바닥면 등에 의한 영향만이 적용되었지만, 실제 방사 온도계를 이용하여 웨이퍼의 온도를 측정하는 경우에는 챔버 내의 구조물에 의한 영향뿐 아니라 챔버 내부의 지오미트리(geometry)에 의한 영향도 받게 되므로 온도를 정확하게 측정할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 급속열처리되는 웨이퍼의 종류에 관계없이 온도를 정확하게 측정할 수 있도록 챔버 내부의 지오미트리와 챔버 내의 구조물에 의한 영향을 보정할 수 있는 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법을 제공하는 데 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래기술을 설명하기 위한 도면들;
도 2a는 급속열처리를 실시하면서 열전대 온도계와 방사 온도계를 이용하여 웨이퍼의 온도를 각각 측정한 경우에 열전대 온도계로 측정한 온도와 방사 온도계로 측정한 온도의 차이를 나타낸 그래프; 및
도 2b는 방사온도계로 측정한 온도에 본 발명에 따른 방사보정계수를 적용한 경우에 열전대 온도계로 측정한 온도와 보정된 온도의 차이를 나타낸 그래프이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법은: 급속열처리 장치의 챔버 내에 서로 다른 방사율을 갖는 m개의 시료 웨이퍼를 순차적으로 하나씩 각각 안착시키고 열처리하면서 각각의 상기 시료 웨이퍼에 대하여 열전대 온도계 및 방사 온도계를 이용하여 각각 n번씩 온도와 방사율을 측정하고;
상기 열전대 온도계를 이용하여 측정한 온도는 TC(WF1-1), TC(WF1-2), ‥, TC(WF1-n),‥TC(WFm-n)라 하며, 상기 방사 온도계를 이용하여 측정한 온도는 TPYRO(WF1-1), TPYRO(WF1-2), ‥, TPYRO(WF1-n),‥TPYRO(WFm-n)라 하고, 측정된 상기 방사율을 ε(WF1-1), ε(WF1-2), ‥, ε(WF1-n),‥ε(WFm-n)라 하며, 상기 급속열처리 장치에 적용되는 상수로서의 방사보정계수를 eCONV라 하고, 상기 방사보정계수에 의하여 보정된 각각의 유효 방사율을 εeff(WF1-1), εeff(WF1-2), ‥, εeff(WF1-n),‥εeff(WFm-n)라 할 때,
하기의 수학식 1의 방사보정계수(eCONV) 항목에 0∼1사이의 숫자를 각각 대입하되, 하기의 수학식 2에서 SUM 값이 최소가 되는 경우의 방사보정계수를 상기 급속열처리 장치의 방사보정계수로 정하는 것을 특징으로 한다.
(수학식 1)
(수학식 2)
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 2a는 급속열처리를 실시하면서 열전대 온도계와 방사 온도계를 이용하여웨이퍼의 온도를 각각 측정한 경우에 열전대 온도계로 측정한 온도와 방사 온도계로 측정한 온도의 차이를 나타낸 그래프이고, 도 2b는 방사온도계로 측정한 온도에 본 발명에 따른 방사보정계수를 적용한 경우에 열전대 온도계로 측정한 온도와 보정된 온도의 차이를 나타낸 그래프이다.
챔버 내부의 지오미트리와 챔버 내의 구조물에 의한 영향을 보정할 수 있는 방사보정계수를 추출하는 방법에 대하여 설명한다. 단, 후술하는 방사보정계수를 추출하는 방법이 시계열적인 순서를 나타내는 것은 아니다.
제1 단계로, 급속열처리 챔버 내에 복수 개의 시료 웨이퍼를 각각 안착시키고, 열전대 온도계 및 방사 온도계를 이용하여 웨이퍼의 온도를 각각 측정하여 기록하고, 각각의 온도에 따른 방사율도 측정하여 기록한다. 그 세부 내용은 다음과 같다.
먼저, 급속열처리 챔버 내에 안착된 웨이퍼의 온도측정을 위한 방사 온도계(pyrometer)의 위치를 결정하고, 웨이퍼와 적정한 형태로 배치될 수 있도록 방사 온도계를 설치한다. 이때 사파이어(sapphire)나 석영(quartz) 로드(rod)를 사용할 경우 로드의 직경, 웨이퍼와 로드에서의 입사단까지의 거리, 챔버 바닥면과 로드에서의 입사단까지의 거리등은 방사보정계수와 밀접한 관계가 있다. 즉, 입사단과 웨이퍼의 거리는 멀어질수록 방사보정계수가 커지게 되고, 가까워지면 그 값은 작아진다. 그런데, 그 거리가 너무 가깝다면 웨이퍼의 휨(warpage) 현상 등에 의해 웨이퍼와 로드가 접촉되어 로드가 손상되는 문제점을 비롯하여 온도를 측정하는 데 여러 문제점이 발생될 수 있으며, 특히 1000C 이상의 고온으로 웨이퍼를 열처리하는 경우에는 로드가 위치되어 있는 웨이퍼 소정 영역의 온도가 국부적으로 하강될 수 있는 문제점이 있다. 이에 반해 거리가 너무 멀어지면 로드의 입사단의 시계(視界)가 커짐으로써 어느 하나의 로드에 대응하는 웨이퍼의 면적이 커지게 되어 방사보정계수가 커지게 되면 정확한 방사보정계수를 구할 수 없는 문제점이 있다. 따라서, 웨이퍼 배면으로부터 로드의 입사단까지의 거리는 1∼5mm인 것이 바람직하다.
그리고, 다양한 방사율을 지니는 웨이퍼를 다수 준비한다. 본 실시예에서는 베어 웨이퍼(bare wafer, 이하에서 시료 1이라 한다.)들과 상면에 폴리 실리콘(Poly-silicon)이 증착된 웨이퍼(이하에서 시료 2라 한다.)들과, 상면에 Si3N4막이 증착된 웨이퍼(이하에서 시료 3이라 한다.)들을 시료 웨이퍼로 사용하였다. 이 때 베어 웨이퍼, 즉 시료 1들은 0.68 정도의 방사율을 지니므로, 시료 2들은 방사율이 0.1∼0.3을 나타낼 수 있는 두께로 폴리 실리콘을 증착하였고, 시료 3들은 방사율이 0.9 이상을 나타낼 수 있는 두께로 Si3N4막을 증착하였다. 이때 방사율은 방사온도계의 측정 파장을 기준으로 하였다.
다음에, 방사 온도계의 입사단과 대응하는 웨이퍼의 소정영역에 열전대 온도계(thermocouple)가 위치되도록 상술한 시료 웨이퍼에 적당한 깊이로 홈을 형성하고 세라믹 본드 등을 이용하여 열전대 온도계를 설치한다. 이때 사용되는 열전대 온도계의 종류나 선의 두께는 온도범위와 반응시간을 고려하여 선정한다.
그 다음에, 열전대 온도계가 장착된 시료 웨이퍼 한 장을 챔버 내에 안착하고, 실제 급속열처리 공정과 동일한 조건, 예컨대 400∼1250℃로 가열하면서, 열전대 온도계와 방사 온도계에 의하여 측정된 온도(이하에서 각각 TC및 TPYRO라 한다.) 및 방사 온도계에 의하여 측정된 방사율을 기록한다.
이어서, 다른 시료 웨이퍼를 챔버 내에 장착하고 TC및 TPYRO와 방사율을 각각 기록한다.
표 1은 시료 1중에서 선택된 어느 하나와, 시료 2중에서 선택된 어느 하나와, 시료 3중에서 선택된 어느 하나에 대하여 상술한 방법으로 측정한 TC및 TPYRO와 방사율을 나타낸 것이다.
시료 1 시료 2 시료 3
TPYRO 방사율 TC TPYRO 방사율 TC TPYRO 방사율 TC
505.0 0.674 500.2 503.4 0.197 475.5 503.1 0.937 505.3
555.9 0.670 548.2 554.2 0.192 524.1 554.3 0.936 555.3
604.3 0.668 595.8 604.1 0.119 570.7 605.1 0.934 605.2
655.3 0.668 645.0 655.4 0.200 619.3 655.9 0.932 655.8
706.0 0.671 694.8 705.3 0.212 667.8 705.2 0.932 704.0
755.9 0.671 742.8 755.8 0.221 714.6 755.7 0.932 753.8
807.2 0.672 791.6 805.2 0.228 763.1 805.9 0.931 804.1
857.9 0.674 840.2 856.4 0.235 807.9 856.5 0.930 853.9
908.8 0.675 888.9 906.8 0.245 855.1 906.6 0.928 902.3
958.8 0.674 936.8 957.8 0.259 905.9 957.9 0.927 951.8
1009.1 0.676 987.0 1009.0 0.273 955.0 1008.9 0.925 1001.4
1059.9 0.679 1035.4 1059.1 0.288 1002.3 1058.3 0.924 1050.5
표 1과 같이 측정된 TC와 TPYRO의 온도차를 그래프로 나타내면 도 2a와 같다.
도 2a를 참조하면, 시료 웨이퍼의 방사율이 낮을수록 그리고 공정온도가 높을 수록 TC와 TPYRO의 차이가 커짐을 알 수 있다.
제2 단계로 측정된 웨이퍼의 온도들과 방사율들을 이용하여 방사보정계수를추출한다. 그 세부 내용은 다음과 같다.
시료 웨이퍼들을 1부터 m까지 번호를 매기고 각각의 시료 웨이퍼에 대하여 공정온도를 올리면서 n번씩 측정한 온도를 TC(WF1-1), TC(WF1-2), ‥, TC(WF1-n),‥TC(WFm-n)라 하며, 방사 온도계를 이용하여 n번씩 측정한 온도는 TPYRO(WF1-1), TPYRO(WF1-2), ‥, TPYRO(WF1-n),‥TPYRO(WFm-n)라 하고, 측정된 방사율을 ε(WF1-1), ε(WF1-2), ‥, ε(WF1-n),‥ε(WFm-n)라 하며, 상기 급속열처리에 적용되는 상수로서의 방사보정계수를 eCONV라 하고, 방사보정계수에 의하여 보정된 방사율을 εeff(WF1-1), εeff(WF1-2), ‥, εeff(WF1-n),‥εeff(WFm-n)라 할 때,
방사보정계수와 보정된 방사율 사이에는 수학식 4로부터 하기의 수학식 6으로 표현되므로, 수학식 6의 방사보정계수(eCONV) 항목에 0∼1 사이의 숫자를 소수점 세자리까지 각각 대입하여 하기의 수학식 7에서 SUM 값을 최소로 만드는 방사보정계수를 상기 급속열처리 장치의 방사보정계수로 정한다. 하기의 수학식 7에서 SUM값이 최소가 된다는 것은 급속열처리 온도 대역 내의 각각의 온도에서 방사율 변화에 따른 TC와 TPYRO의 차이가 최소임을 의미한다.
방사 온도계를 이용하여 측정한 온도 및 방사율과 상기의 방법으로 추출된 방사보정계수와 수학식 5를 이용하여 보정된 온도를 구하고, 보정된 온도와 열전대 온도계를 이용하여 측정된 온도의 온도차를 그래프로 나타내면 도 2b와 같다.
도 2b를 참조하면, 500∼1050℃사이의 온대대역에서 방사율이 0.1∼0.9인 시료 웨이퍼들의 온도를 열전대 온도계와 방사 온도계를 이용하여 각각 측정한 경우에 그 온도차가 ±3℃임을 알 수 있다. 이를 도 2a와 비교하면, 서로 다른 방사율을 갖는 웨이퍼들을 동일한 온도로 가열했을 경우의 온도편차가 최대 약 50℃이던 것이 최대 약 6℃ 정도로 보정되었으며, 온도 기준이라 할 수 있는 열전대 온도계로 측정한 온도와의 편차가 최대 약 60℃이던 것이 약 5℃ 이내로 보정됨을 알 수 있다. 즉, 방사보정계수의 추출에 사용된 급속열처리 장치에서 웨이퍼를 급속열처리하는 경우에, 방사 온도계를 이용하여 측정된 온도를 본 발명에 의하여 추출된 방사보정계수를 이용하여 보정하면, 웨이퍼의 온도에 대한 신뢰도가 웨이퍼의 종류, 즉 웨이퍼의 방사율과 관계없이 및 열처리 온도와 무관하게 향상됨을 알 수 있다.
하나의 급속열처리 장치에 복수 개의 방사 온도계가 설치되는 경우에는 상술한 방법으로 각각의 방사 온도계에 대하여 방사보정계수를 각각 추출하여 적용한다. 이 때에는, 방사 온도계의 입사단과 대응하는 웨이퍼의 소정영역에 열전대 온도계가 위치되도록 방사 온도계들과 열전대 온도계들을 각각 설치하고, 각각의 방사 온도계에 대하여 방사보정계수를 각각 추출한다.
한편, 섬세하고 정밀하게 제조 및 설치된 열전대 온도계 및 방사 온도계를 이용하고, 최적의 실험조건을 부여하면, 도 2b에 도시된 온도편차를 더욱 줄일 수 있다.
그리고, 열전대 온도계와 방사 온도계를 이용하여 측정하는 온도대역을 열처리 공정을 실시함에 있어서 실제 열처리에 기여하는 주된 온도대역으로 하여도 좋다. 예를 들어, 급속열처리 공정온도가 1000℃이고 실제 웨이퍼의 열처리에 기여하는 주된 온도대역이 900℃부터라면, 800∼1050℃ 대역에 대해 방사보정계수를 추출하여 본 급속열처리 장치에 적용할 수도 있다.
나아가, 방사 온도계를 이용하여 측정한 온도와 방사보정계수가 적용된 온도의 차이를 이용하여 특정 온도대역 또는 전체 온도대역에 대해 방사온도계의 오프셋 테이블(offset table) 또는 보정 테이블을 마련함으로써 보다 정확한 온도 보정을 행할 수도 있다. 즉, 방사율별, 온도별 온도편차를 온도제어기 또는 온도측정기에 사용되는 제어기의 파라미터(parameter)로 이용할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법에 의하면, 어느 하나의 급속열처리 장치에 대하여 웨이퍼의 종류 및 열처리 온도에 관계없이 적용되어지는 방사보정계수를 추출할 수 있으므로, 방사 온도계의 보정이용이하고 정확한 온도측정 특성이 유지되어 급속열처리 공정에 대한 신뢰성이 향상되고, 급속열처리 공정에 대한 재현성이 향상된다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의한 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (5)

  1. 급속열처리 장치의 챔버 내에 서로 다른 방사율을 갖는 m개의 시료 웨이퍼를 순차적으로 하나씩 각각 안착시키고 열처리하면서 각각의 상기 시료 웨이퍼에 대하여 열전대 온도계 및 방사 온도계를 이용하여 각각 n번씩 온도와 방사율을 측정하고;
    상기 열전대 온도계를 이용하여 측정한 온도는 TC(WF1-1), TC(WF1-2), ‥, TC(WF1-n),‥TC(WFm-n)라 하며, 상기 방사 온도계를 이용하여 측정한 온도는 TPYRO(WF1-1), TPYRO(WF1-2), ‥, TPYRO(WF1-n),‥TPYRO(WFm-n)라 하고, 측정된 상기 방사율을 ε(WF1-1), ε(WF1-2), ‥, ε(WF1-n),‥ε(WFm-n)라 하며, 상기 급속열처리 장치에 적용되는 상수로서의 방사보정계수를 eCONV라 하고, 상기 방사보정계수에 의하여 보정된 각각의 유효 방사율을 εeff(WF1-1), εeff(WF1-2), ‥, εeff(WF1-n),‥εeff(WFm-n)라 할 때,
    하기의 수학식 1의 방사보정계수(eCONV) 항목에 0∼1사이의 숫자를 각각 대입하되, 하기의 수학식 2에서 SUM 값이 최소가 되는 경우의 방사보정계수를 상기 급속열처리 장치의 방사보정계수로 정하는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법.
    (수학식 1)
    (수학식 2)
  2. 제 1항에 있어서, 상기 시료 웨이퍼들은 베어 웨이퍼들과 상면에 폴리 실리콘이 증착된 웨이퍼들과, 상면에 Si3N4막이 증착된 웨이퍼들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 시료 웨이퍼들을 400∼1250℃의 온도로 가열하면서 온도 및 방사율을 각각 측정하여 상기 방사보정계수를 구하는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 시료 웨이퍼의 측정면으로부터 상기 방사 온도계의 입사단까지의 거리가 1∼5mm로 되도록 상기 방사 온도계가 설치되는 것을 특징으로 하는 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 급속열처리 장치에 복수 개의 방사 온도계가 설치되는 경우에는, 방사 온도계의 입사단과 대응하는 웨이퍼의 소정영역에 열전대 온도계가 위치되도록 방사 온도계들과 열전대 온도계들을 각각 설치하고, 각각의 방사 온도계에 대하여 상기 방사보정계수를 각각 추출하는 것을 급속열처리 장치의 방사보정계수 추출 방법.
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