웨이퍼 온도는 어떻게 결정되나요?
정상 상태에서 웨이퍼로 유입되는 열의 양은 유출되는 열의 양과 같아야 합니다. 웨이퍼 가장자리(확실히 중요한 위치)를 제외하면 문제는 본질적으로 1차원적입니다. 열은 가열된 웨이퍼 압반에서 웨이퍼로 흘러들어가 가스와 챔버 천장으로 나갑니다. 상황은 아래에 개략적으로 표시됩니다.
웨이퍼는 헬륨과 같은 주변 가스 또는 의도적으로 도입된 후면 가스를 통한 전도에 의해 가열됩니다. 이는 천장으로 방사되어 대류 및 전도를 통해 주변 가스를 가열할 수 있습니다. 열유속은 무엇입니까?
대류로 인한 열 손실의 상한은 챔버로 들어가는 모든 가스가 천장 온도에서 챔버로 들어간 다음 웨이퍼 온도까지 가열된다는 가정에 의해 설정됩니다.
수백 sccm의 흐름에 대해 이는 2-7W 정도의 열 유속을 초래합니다. 이 결과는 몰 흐름에만 의존하며 챔버의 작동 압력과 무관하다는 점에 유의하십시오.
가스를 통한 전도에 의한 열 손실은 다음과 같습니다.
평균 자유 경로가 천장 높이보다 훨씬 짧은 한 열전도율은 압력과 무관하다는 점을 다시 한 번 참고하십시오. 400°C 및 100°C의 천장 온도에서 150mm 웨이퍼의 경우 총 열 유속은 수십 와트에 이릅니다.
복사에 의한 열 손실은 다음과 같습니다.
(이 공식에서 온도는 켈빈 단위여야 합니다!)
웨이퍼의 열 손실은 다음과 같은 이유로 발생한다고 결론을 내릴 수 있습니다.
매우 높은 가스 흐름에서만 대류(150 또는 200mm 웨이퍼의 경우 많은 slpm)
천장 높이가 매우 작고(<1cm) 온도가 보통(<300°C)인 경우 전도
온도가 400°C를 초과하거나 천장 높이가 2cm를 초과하는 경우 열복사
웨이퍼의 온도는 얼마입니까? 이는 히터에서 웨이퍼로의 열 전달에 따라 달라집니다. "평평한" 플래튼 위의 "평평한" 웨이퍼는 실제로 몇 개의 격리된 위치에서만 플래튼과 접촉합니다. 대부분의 열은 히터의 복사나 가스를 통한 전도를 통해 전달됩니다. 웨이퍼와 플래튼 사이의 간격은 상당히 평평한 부품의 경우 수 마이크론에서 수십 마이크론으로 가정할 수 있습니다. 이는 LPCVD 응용 분야의 평균 자유 경로보다 작으므로 열 전달은 조절 영역에 있습니다. 즉, 원자가 서로 충돌하는 것보다 웨이퍼나 히터 표면에 훨씬 더 많이 충돌합니다. 단위 면적(MKS 단위!)당 전달되는 열의 양은 다음과 같습니다.
복사 전달은 위와 동일합니다. 두 평면 사이의 복사입니다. 들어오는 열 유속이 나가는 열 유속과 같아질 때까지 웨이퍼 온도를 조정해야 합니다. 실제적인 예를 살펴보겠습니다. 가스 흐름 300sccm, 챔버 압력 1.5Torr, 천장 높이 2cm, 반응기 직경(= 웨이퍼 직경) 150mm, 수용 계수 0.25, 알루미늄 히터(방사율 약 0.1)에 대해 열 균형을 찾습니다. :
| HEATER TEMPERATURE: | 400 C |
| GAS FLOW: | 300 sccm |
| CHAMBER PRESSURE: | 1.5 Torr |
| CEILING HEIGHT: | 2 cm |
| WAFER DIAMETER: | 150 mm |
| ACCOMODATION COEFFICIENT: | 0.25 |
| EMISSIVITY: | 0.1 (heater, ceiling) 0.7 (wafer) |
| WAFER TEMPERATURE: | 350 C |
| CONVECTION OUT: | < -2 Watts (neglect) |
| CONDUCTION OUT: | 11 Watts |
| RADIATION OUT: | 12 Watts |
| RADIATION IN: | 6 Watts |
| CONDUCTION IN: | 16 Watts |
| total: | about 0! |
즉, 웨이퍼는 히터보다 훨씬 더 시원할 수 있습니다! 또한, 대부분의 열전달은 복사성이므로 챔버 조건의 변화(예: 적외선에서 상당히 흡수성이 있는 이산화규소와 같은 재료로 초기 반사 천장 코팅)가 웨이퍼 온도를 변화시킵니다. 웨이퍼 온도는 도핑, 온도, 웨이퍼에 증착된 층에 따라 달라지는 웨이퍼의 방사율에 따라 달라질 수도 있습니다. 따라서 마치 웨이퍼 온도인 것처럼 히터 온도의 열전대 측정을 수용하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 온도 측정 접근법( temperature measurement )에 대한 논의를 참조하십시오.
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