장비 I: 퍼니스와 RTP의 속

열공정 장비의 두 갈래: 한꺼번에 오래, 한 장씩 짧게

열공정 장비는 크게 두 갈래로 나뉜다. 한쪽은 수십에서 수백 장을 한 번에 넣고 천천히 데우는 배치 퍼니스(Batch furnace)이고, 다른 쪽은 한 장씩 넣고 몇 초 안에 데웠다 식히는 매엽(Single-wafer) 장비다. Kokusai Electric은 매엽 장비가 한 번에 한 장을, 배치 장비가 수십 장을 한 번에 처리해 생산성이 높다고 설명한다. Applied Materials는 램프, 레이저, 히터로 데우는 여러 장비로 Soak, Spike, 밀리초 어닐과 열·라디칼 산화를 하며, 어느 방식을 고를지는 공정 흐름의 그 시점에서 소자가 견딜 수 있는 온도와 시간에 달려 있다고 적는다. 1장에서 본 열 예산(Thermal budget)이 곧 장비를 고르는 기준이라는 뜻이다.

배치 퍼니스 한 대에는 몇 장이 들어갈까. Tokyo Electron의 비교표에서 300 mm용 TELINDY PLUS는 최대 125장, EVAROS는 200장, 미니 배치인 TELFORMULA는 50장이다. 같은 표의 공정 온도 범위는 장비마다 달라서, 산화와 어닐도 하는 TELINDY PLUS는 1100 °C까지, 증착용 EVAROS는 800 °C까지, 150·200 mm용 ALPHA-8SE i는 1250 °C까지다. ASM은 SONORA가 최대 150장을, 원익IPS는 WIDAS가 최대 175장을 처리한다고 소개한다. Kokusai Electric의 2026년 유가증권보고서는 대형 배치를 최대 200장, 미니 배치를 최대 100장으로 적고, 쓰임새로 LP-CVD와 ALD, 그리고 열산화·어닐·확산을 든다. 모두 회사의 설명이다.

왜 세워서 굽나. 예전 퍼니스는 가로로 누운 석영관에 웨이퍼를 세워 꽂은 석영 보트를 밀어 넣었다. 일본 반도체 역사관의 전시 설명에 따르면 이런 수평로(Horizontal furnace)는 100~150장을 담았지만, 보트를 관 안으로 밀어 넣을 때 마찰로 파티클이 생겼다. 보트를 들어서 넣는 Cantilever 방식이 나왔지만 고온에서 석영이 처지고 변형되어 보트와 관을 자주 바꿔야 했다. 보트를 넣는 동안 들어온 공기는 자연 산화막을 키워 미세화의 걸림돌이 되었다. 종형로(Vertical furnace)는 석영관을 세우고, 웨이퍼를 수평으로 담은 보트를 아래에서 올려 넣는다. Kokusai Electric은 1986년에 VERTEX 시리즈를 상품화했다. 웨이퍼를 돌리자 웨이퍼 안 균일도가 크게 좋아졌고, 자동 반송이 쉬워졌으며, 설치 면적과 석영 부품 교체가 줄었다. NPTEL 강의는 가스가 위아래로 흐르는 종형로에서는 밀도 차이로 가스가 나뉘지 않는다는 점도 든다. 수평 흐름에서는 가벼운 가스가 위로 떠서 산화막이 고르지 않게 자란다.

아래 표는 퍼니스 제조사(Koyo Thermo Systems)의 비교표를 독일 Kiel 대학의 강의 자료가 옮겨 실은 것이다. 같은 자료는 200 mm와 300 mm 양산이 거의 종형로만 쓰며, 보트 회전과 N₂ 로드락은 종형로에서만 고를 수 있는 선택 사항이라고 적는다. 제조사 자료이므로 숫자는 그 회사 장비의 예로 읽어야 한다.

한 장씩 빠르게. RTP(Rapid Thermal Processing)는 텅스텐 할로젠 램프로 웨이퍼 한 장을 짧은 시간에 데운다. 국내 장비사 AP시스템은 자사 RTP가 이온 주입과 확산 공정에 쓰이며 Soak와 Spike를 한다고 소개하고, 한 모델(KORONA RTP-12MP)의 승온·냉각 속도를 250 °C/s와 −90 °C/s로 적는다. Applied Materials의 한 특허도 배경 설명에서 흔한 RTP 온도 곡선을 250 °C/s로 올리고 90 °C/s로 내리는 것으로 든다. 퍼니스는 어떨까. 1997년 SEMATECH 공동 개발 과제는 50장을 평균 75 °C/min으로 데우고 50 °C/min으로 식히는 "고속 승온" 종형로를 목표로 삼았고, 이를 달성했다. 계산하면 75 °C/min은 1.25 °C/s로, RTP 승온의 200분의 1이다. 퍼니스 어닐은 넣고 꺼내는 시간 때문에 적어도 15분쯤 걸린다. 더 짧게는 밀리초 동안 표면만 데우는 Flash 램프와 레이저 장비가 있다. 이들의 물리는 6장(RTP와 레이저 어닐)에서, 하드웨어는 이 장의 마지막 절에서 본다.

승온 속도가 200배 다르면 확산도 200배 다를까? 먼저 예상해 보자.

근거: 고속 승온 퍼니스의 평균 승온·냉각 속도, RTP의 승온·냉각 속도, 붕소의 확산 상수, 정점에서 50 °C 안에 머문 시간으로 Spike의 날카로움을 재는 정의.

시간이 130배 길어도 확산 길이는 그 제곱근인 약 11배만 길어진다. 그래도 접합 깊이가 수십 nm를 다투는 공정에서는 이 차이가 크다. Applied Materials의 특허는 같은 정의로 기존 장비의 Spike가 1050 °C에서 정점 50 °C 안에 1.6초 머물렀고, 개선한 장비에서 0.9초로 줄었다고 적는다. 퍼니스에서는 같은 구간에 100초가 걸린다. 반대로 산화막처럼 두께가 수 nm에서 수백 nm이고 한 번에 많은 웨이퍼를 같은 조건으로 길러야 하는 공정에서는 배치 퍼니스의 긴 시간과 큰 장입 수가 오히려 장점이 된다(원리에서 나온 해석).

종형 퍼니스 해부: 튜브에서 Seal cap까지

퍼니스 안을 들여다보자. 본보기는 Kokusai Electric이 2012년에 우선권을 낸 특허에 실린 종형 열처리 장치다. 이 절에서 "특허에 기술된 구조"라고 하면 이 특허를 가리킨다. 세부 구조는 회사와 제품마다 다르다.

튜브와 매니폴드. 반응이 일어나는 튜브(Tube, 반응관)는 위가 막히고 아래가 열린 원통이며, 석영(SiO₂)이나 탄화규소(SiC)로 만든다. 튜브 아래 끝은 고리 모양의 매니폴드(Manifold)에 밀봉되어 붙고, 매니폴드의 열린 아래쪽이 보트가 드나드는 노구(Furnace mouth)다. 가스 노즐은 매니폴드나 Seal cap을 뚫고 들어오며, 가스는 공급원에서 MFC와 밸브를 거쳐 노즐로 간다. 배기관도 매니폴드에 붙어 압력 센서와 APC 밸브(Auto Pressure Controller valve)를 지나 진공 펌프로 간다. 제어기는 목표 압력이 되도록 APC 밸브의 열림을 바꾸고, 시간 순서로 짠 레시피에 따라 온도, 압력, 유량, 기계 동작을 함께 제어한다.

Seal cap, 보트, 보온통. 원판 모양의 Seal cap(밀봉 뚜껑)이 매니폴드를 아래에서 닫는다. 보트는 Seal cap 위에 서 있고, 보트 엘리베이터(Boat elevator)가 Seal cap째로 보트를 오르내린다. 보트(Boat)는 위아래 끝판을 세 개의 기둥으로 이은 틀이다. 기둥에 일정한 간격으로 판 홈에 웨이퍼를 수평으로, 가운데를 맞춰 꽂는다. 특허의 예는 약 50~150장이다. 보트와 Seal cap 사이에는 석영이나 SiC로 만든 보온통(Heat-insulating cylinder)이 있고, Seal cap 아래의 회전 기구가 축을 통해 보트를 돌린다. 웨이퍼를 돌리면 웨이퍼 안 균일도가 크게 좋아진다는 것은 종형로가 처음 나올 때부터의 장점이었다.

히터. 튜브 바깥을 히터가 둘러싸 튜브를 고르게, 또는 정한 분포로 데운다. 특허의 히터는 카본 히터 같은 저항 가열 히터이고, 위아래로 다섯 개의 가열 존(Heater zone)으로 나뉜다. 히터가 벽을 데우고 그 벽이 웨이퍼를 데우는 이런 구조를 핫월(Hot wall) 반응기라고 한다. 존이 왜 여러 개인지는 다음 절에서 본다.

대기압과 저압. ASM은 종형 퍼니스가 LPCVD, 확산, 산화를 모두 맡는다고 설명한다. 퍼니스 속 CVD는 진공 펌프로 낮춘 압력에서 하고, 확산은 이온 주입한 불순물을 전기적으로 활성화하거나 더 깊이 보내는 데, 산화는 절연·보호용 SiO₂를 기르는 데 쓴다. 같은 골격에 어떤 반응관과 배기를 붙이느냐에 따라 대기압 산화·확산로가 되기도 하고 LPCVD 로가 되기도 한다고 보면 된다(원리에서 나온 해석). LPCVD 퍼니스의 원료 고갈과 이를 보정하는 온도 경사는 CVD Book 3장(반응기 속의 흐름과 균일도)과 8장(장비 I: 챔버와 하드웨어)에서 다룬다.

근거: 튜브·매니폴드·Seal cap·보트·보온통·회전 기구·히터·가스 노즐·배기와 APC 밸브·제어기, 히터 존 이름과 캐스케이드 열전대, 웨이퍼 회전의 효과, 로딩 영역의 질소와 로드락.

보트는 왜 SiC로, 왜 그 자리를 받치나. 실리콘은 대체로 약 720~1000 °C에서 잘 부서지는 성질에서 늘어나는 성질로 바뀐다. 그래서 720 °C가 넘는 공정에서는 결정면이 미끄러지는 Slip(슬립)이 특히 문제가 된다. 가장자리 가까이만 받치는 보트에 큰 웨이퍼를 얹으면 가운데가 처지며 Slip을 부추긴다. Saint-Gobain의 특허는 웨이퍼 무게의 절반이 반지름 0.7R 안쪽에 있다는 점을 들어 0.7R 근처를 받치는 SiC 보트를 제안한다. 보트 재료로는 석영, SiC, 재결정 SiC, 실리콘을 함침한 SiC를 든다. 무게의 절반이 0.7R 안에 있다는 것은 면적에서 바로 나온다. 반지름 r 안의 면적 비가 \((r/R)^2\)이므로 절반이 되는 r은 \(R/\sqrt{2} \approx 0.71R\)이다(계산).

몇 장을 실을지는 평탄 영역이 정한다. ASM의 특허는 한 번에 처리하는 장수가 온도가 평탄한 퍼니스 길이를 웨이퍼 간격(Pitch)으로 나눈 값에서 나온다고 적는다. 간격이 결과에 영향을 주지 않는 공정이라면 최소 간격은 웨이퍼를 나르는 End effector의 두께, 웨이퍼와 End effector의 휨, 로봇의 정확도가 정한다. 이 특허에 나온 숫자는 450 mm 웨이퍼의 예(간격 7.3 mm, 웨이퍼 두께 0.95 mm)뿐이다.

온도를 고르게: 히터 존과 열전대

퍼니스는 튜브 전체를 같은 온도로 만들려 하지만, 튜브의 위 끝과 아래 노구 쪽은 바깥으로 열을 더 잃는다. 그래서 히터를 위아래 여러 존으로 나누고 존마다 따로 전력을 조절한다(원리에서 나온 해석). Kokusai의 2000년 우선권 특허는 히터를 위에서부터 U, CU, CL, L 네 존으로 나눈 예를 든다. 존마다 열전대가 둘 있다. 히터 가까이의 히터 열전대(Heater thermocouple)와, 균열관(Soaking tube)과 반응관 사이의 캐스케이드 열전대(Cascade thermocouple)다. 제어기는 캐스케이드 열전대의 값이 목표가 되도록 히터를 움직인다.

그런데 열전대가 읽는 온도와 웨이퍼의 온도는 같지 않다. 같은 특허는 열전대를 붙인 웨이퍼를 보트에 실어 차이를 재고 보정값을 정한다. 예를 들어 U 존 자리의 웨이퍼가 목표보다 5 °C 낮게 읽히면 U 존 캐스케이드 목표에 5 °C를 더한다. 그런데 한 존을 고치면 이웃 존 자리의 웨이퍼도 함께 움직인다. 특허는 CL과 L 존의 3 °C 오차에 1 °C만 보정한 예를 들며, 존 사이의 간섭을 잘 모르면 보정을 여러 번 되풀이해야 하므로 처음 값을 약 1 °C로 둔다고 설명한다. 이 특허의 발명은 존 사이 간섭의 크기를 행렬로 재서 보정값을 한 번에 계산하는 방법이다.

2012년 특허는 또 다른 열전대를 쓴다. 튜브 안 웨이퍼 가까이에 세운 프로파일 열전대(Profile thermocouple)로 장비를 맞출 때 보정값을 기록하고, 그 뒤에는 꺼낸다. 부품 회사들은 히터 온도 제어용 단일 지점 Spike 열전대(Spike thermocouple)와, 퍼니스 길이 방향으로 여러 지점을 재는 프로파일 열전대를 따로 판다. 재료는 백금–로듐 계열(S, R, B형)이고, 회로 두 개를 넣어 드리프트를 감시하는 제품도 있다.

존을 잘 맞추면 보트 길이 방향으로 온도가 평탄한 구간, 곧 평탄 영역(Flat zone)이 생긴다. 1997년 SEMATECH의 고속 승온 퍼니스는 25인치(계산하면 63.5 cm)의 평탄 영역 안에서 장입 수를 바꿀 수 있게 했다. MIT의 대기압 습식 산화로는 온도 조절기 세 대를 주종(Master/slave)으로 묶어 가운데 존에 20인치의 평탄한 구간을 만든다. 국내 장비사 유진테크는 배치 ALD 장비에 "7+1" 존, 미니 배치 장비에 "5+1" 존 히터를 쓴다고 소개한다.

온도 1 °C는 두께 몇 %인가. 4장(열산화: Deal–Grove 모델)의 식으로 계산해 보자. 산화막 두께 x는 \(x^2 + Ax = B(t+\tau)\)를 따르고, 포물선 상수 B와 선형 상수 B/A는 각각 활성화 에너지 E₁, E₂의 Arrhenius 식을 따른다. (111) 실리콘의 값은 건식 O₂에서 E₁ = 1.23 eV, E₂ = 2.0 eV, H₂O에서 E₁ = 0.78 eV, E₂ = 2.05 eV이고, (100)에서는 B/A의 앞 상수만 1.68로 나눈다. 이 식을 온도로 미분하면 다음을 얻는다(τ = 0으로 두고 유도).

아래 시뮬레이터는 이 관계를 보트 위의 모든 웨이퍼에 적용한다. 보정이 끝난 퍼니스에서 존 하나가 어긋나면 두께가 어떻게 바뀌는지 보자.

근거: 존 이름과 캐스케이드 열전대, 존 사이 간섭, Deal–Grove 상수와 (100)의 1.68 보정, 평탄 영역.

이제 직접 보정해 보자. 특허에서처럼 측정한 두께 분포를 보고 존마다 보정값을 고친 뒤, 다시 산화해 확인하는 일을 되풀이한다.

근거: 열전대를 붙인 웨이퍼로 존 보정값을 찾고 간섭 때문에 되풀이한다는 방법, 두께 계산.

가스와 산화 하드웨어: 토치, 염소, 장입부

건식과 습식. 건식 산화는 O₂만 넣으면 되지만, 습식 산화에는 수증기를 만들어 넣는 장치가 필요하다. Applied Materials의 ISSG 특허는 배경 설명에서, 스팀 산화가 대개 여러 장을 넣는 저항 가열 핫월 퍼니스에서 이루어지며 수증기는 반응관 밖의 Pyrogenic 토치나 버블러에서 만든다고 적는다. Pyrogenic 토치(Pyrogenic torch)는 H₂와 O₂를 웨이퍼와 떨어진 곳에서 대기압 불꽃으로 태워 물을 만든다. 안전하고 불꽃이 꺼지지 않으려면 H₂:O₂ 비가 보통 0.5:1보다 크고 1.8:1보다 작아야 한다. 버블러는 오염원이 될 수 있고 수분의 양을 정확히 조절하기 어렵다. Campbell 교재를 바탕으로 한 강의 자료는 습식 산화 상수가 H₂O 농도, 곧 가스 유량과 연소 조건에 따라 달라진다고 적는다. 토치의 유량이 산화 속도를 정하는 레시피 변수라는 뜻이다.

MIT의 대기압 습식 산화로(800~1050 °C) 운전 절차서를 보면 토치가 어떤 장치인지 구체적으로 보인다. N₂ 10 SLM, O₂ 5 SLM, H₂ 10 SLM 범위의 MFC가 달려 있고, H₂ MFC에는 하드웨어 연동 장치(Interlock) 세 가지가 걸려 있다. O₂ 대비 H₂ 비가 2:1보다 작을 것, 토치 열전대가 600 °C보다 높을 것, 그리고 N₂ 퍼지 조건(50% 넘게, 10분 넘게, N₂만)을 거쳤을 것이다. 레시피 예는 H₂:O₂ = 1.5, 토치 열전대 610 °C다. 2:1은 2H₂ + O₂ → 2H₂O의 화학량론 비다. 계산하면 1.5:1에서는 넣은 O₂의 25%가 남는다. 산소가 남는 쪽으로 태우면 타지 않은 수소가 튜브로 가지 않는다. LSI Logic의 특허도 연동 장치가 O₂ 없이 H₂가 흐르는 것을 막고 비를 부피로 2:1 아래, 보통 약 1.9:1로 지킨다고 적는다. 불꽃 없이 가스만 흐르면 토치나 퍼니스 안에 폭발성 혼합물이 쌓일 수 있어 불꽃 감지기를 두며, 대기압에서 점화하려면 약 540 °C가 필요하다.

불꽃 없이 수증기 만들기. 토치에는 다른 약점도 있다. Tohoku 대학과 Fujikin의 발표는 토치 방식에서 석영 연소 노즐의 미세 가루가 파티클 오염원이 될 수 있다고 지적하고, 촉매 반응기로 진공에서 고압까지 물을 만드는 수분 발생기(Water vapor generator, WVG)를 소개했다. Applied Materials의 다른 특허는 촉매식 수분 발생기가 약 100~500 °C에서 동작한다고 적는다. 불꽃이 없으니 석영 연소 노즐에서 가루가 떨어질 일도 없다(원리에서 나온 해석).

염소를 함께 넣는 이유. 산화 중에 HCl이나 Cl₂를 몇 mol% 넣으면 튜브에서 오는 가동 이온(Mobile ion)이 줄고 산화 속도가 오르며, HCl과 O₂를 함께 흘리면 석영 튜브를 "세정"하는 효과도 크다. 그런데 HCl은 부식성이 강해서 액체 원료인 TCA(1,1,1-트라이클로로에테인)로 바뀌었다. TCA는 800 °C 이상에서 넉넉한 O₂와 함께 분해해 탄소 찌꺼기와 포스겐을 피한다. 그 TCA도 오존층 문제로 퇴출되면서 trans-1,2-다이클로로에틸렌이 대안으로 제안되었다. 미국 환경보호청은 TCA(메틸 클로로포름)를 1급 오존층 파괴 물질로 분류하고, 1996년 1월 1일부터 미국 안에서 생산과 수입을 금지했다. 장비 쪽에서 보면 원료가 기체에서 액체로 바뀌면 공급 장치와 배기 처리도 함께 바뀌어야 한다(원리에서 나온 해석).

장입부: 웨이퍼가 튜브에 들어가기 전. Tokyo Electron의 1989년 우선권 특허는 배경 설명에서 이렇게 적는다. HF나 HCl로 세정한 실리콘 표면은 공기 중의 산소와 수분과 곧바로 반응해 약 10 Å의 자연 산화막이 생긴다. 수평로를 예를 들어 1000 °C에서 장입하면 대류로 공기가 들어와 50~100 Å의 자연 산화막이 피할 수 없이 생기고, 이 막은 다공성이고 질이 낮다. 종형로는 산소를 덜 끌어들인다. 이 특허는 퍼니스 아래의 로드락을 진공으로 뺀 뒤 질소로 채우고 나서 보트를 넣는 구조를 제안하고, 세정 뒤 공기 중에서 옮기는 동안 생기는 10 Å의 막까지 없애려고 장비 안에서 자연 산화막을 지우는 단계를 더한다. 특허는 당시 16M DRAM의 게이트 산화막이 약 100~150 Å이었다고 적는다. 계산하면 10 Å은 100 Å 게이트 산화막의 10%다. 오늘날 제조사들도 같은 문제를 기능으로 내세운다. Tokyo Electron은 TELINDY PLUS에 저산소 장입부 제어를 넣었다고 소개하고, Kokusai Electric은 QUIXACE-LV의 진공 로드락 구조가 자연 산화막과 오염을 크게 줄인다고 소개한다.

근거: 장입 중 자연 산화막과 질소 로드락, 튜브 안 산소 농도, 선형 상수의 활성화 에너지.

한 장씩 하는 산화. 수증기를 반응관 밖이 아니라 웨이퍼 바로 옆에서 만드는 방법도 있다. Applied Materials의 ISSG(In-Situ Steam Generation) 특허는 단일 웨이퍼 RTP 챔버에 H₂와 O₂를 직접 넣는다. 뜨거운 웨이퍼 자체가 점화원이 되어 수증기가 표면 가까이에서 생긴다. 이 방식은 불꽃 대신 압력으로 안전을 지킨다. 반응 가스의 분압을 150 Torr 이하로 두면 어떤 농도에서도 저절로 연소하지 않고, 챔버는 4기압 이상의 폭굉 압력파를 견디도록 만든다. 그래서 토치처럼 불꽃이 안정한 비율에 묶이지 않는다. Applied Materials의 현재 단일 웨이퍼 산화 제품은 Vantage RadOx RTP다. 회사는 이를 RTP 기술과 라디칼 산화 화학을 결합한 장비로 소개하고, 메모리 게이트 산화막, STI Liner 산화막, 3D NAND의 높은 종횡비 산화에 쓴다고 적는다. 제품 페이지에 ISSG라는 말은 없다. 플라즈마로 낮은 온도에서 산화와 질화를 하는 매엽 장비도 있다. Tokyo Electron은 Trias e⁺ SPA i가 Slot Plane Antenna로 전자 온도가 낮고 밀도가 높은 플라즈마를 만들어 손상이 적은 저온 처리를 하며, 게이트 질화, 게이트 회복 산화, STI Liner 산화에 쓴다고 소개한다. Kokusai Electric은 MARORA를 플라즈마 질화·산화 장비로 소개하며, 금속은 산화하지 않고 실리콘만 산화하는 선택 산화를 든다. 모두 회사의 설명이다. 산화 속도와 막질의 물리는 4장과 5장(산화막의 품질과 계면)에서 다룬다.

RTP 챔버 해부: 램프, 창, 반사판, 고온계

RTP 챔버는 퍼니스와 반대로 생각하면 쉽다. 퍼니스는 벽을 데워 그 열로 웨이퍼를 데우는 핫월이고, RTP는 벽은 차갑게 두고 웨이퍼만 빛으로 데우는 콜드월(Cold wall)이다. ISSG 특허의 RTP 챔버는 부피가 약 2 L이고, 산화 중 웨이퍼가 챔버 벽보다 적어도 400 °C 뜨겁다. 벽이 데워지지 않으니 몇 초 만에 오르내릴 수 있다. 대신 웨이퍼의 온도를 웨이퍼 스스로의 빛 흡수와 방출이 정하므로, 고르게 데우고 정확히 재는 일이 어려워진다. 이 절은 Applied Materials의 특허들에 실린 구조를 따라간다.

램프 헤드. 텅스텐 할로젠 램프를 하나씩 물로 식히는 금도금 금속관(Light pipe)에 넣고, 이 관들을 촘촘히 늘어놓는다. 이웃 램프의 빛은 겹쳐 더해지고, 램프마다 전력을 조절한다. ISSG 특허의 실시예는 램프 187개를 육각형 배열, 곧 "벌집 모양"으로 놓고 여러 존으로 묶어 따로 제어한다. 200 mm용 다른 실시예는 187개의 Light pipe를 반지름 방향으로 대칭인 12개 존으로 나눈다. 왜 한 덩어리 광원으로 고르게 비추지 않을까. 원조 특허는 10~300 °C/s로 데울 때 웨이퍼 가장자리가 승온 중에는 더 뜨겁고 일정한 온도에서는 더 차가워진다고 설명한다. 1150 °C에서 4인치 웨이퍼의 가운데와 가장자리가 약 5 °C만 달라도 전위와 Slip이 생길 수 있다. 반지름마다 램프 세기를 달리해야 하는 이유다.

석영 창. 램프와 웨이퍼 사이에는 석영 창이 있다. 원조 특허는 두 장의 석영 사이를 진공으로 둔 이중 창을 쓰고, ISSG 특허는 Light pipe와 짝을 맞춘 수냉 플랜지를 두 석영판 사이에 끼우고 그 사이를 진공으로 두어 챔버의 유독 가스가 새어 나가는 것을 한 번 더 막는다. 석영은 약 4 µm보다 긴 파장의 빛을 흡수하므로, 원조 특허는 고온계 앞에 4.8~5.2 µm 필터를 두어 램프 빛이 고온계에 섞이지 않게 했다.

Edge ring과 회전. 웨이퍼는 가장자리만 SiC 지지 링(Support ring, Edge ring)에 얹히고, 링은 돌아가는 석영 원통 위에 있다. 200 mm 실시예의 링은 폭 약 1인치의 실리콘이나 SiC이고, 약 90 RPM으로 돈다. 웨이퍼 가장자리는 차가운 주변을 더 많이 보기 때문에 열을 더 잃는다. 그래서 웨이퍼와 비슷하게 빛을 흡수하는 재료, 가능하면 웨이퍼와 같은 두께의 실리콘 링으로 둘레를 감싼다. 링이 웨이퍼보다 빨리 또는 느리게 데워지는 정도가 웨이퍼 가장자리의 온도를 정한다는 특허도 있다. 회전은 남은 둘레 방향의 불균일을 평균하고, 여러 존을 되먹임 제어할 때 센서 값을 평균하는 데 필요하다. 원조 특허는 회전을 자석 결합으로 벽 너머에서 전달하고, Applied Materials는 현재 제품에서 웨이퍼를 자기 부상으로 빠르게 돌린다고 소개한다.

반사판과 고온계. 웨이퍼 아래에는 금을 입힌 반사판이 있다. 200 mm 실시예에서는 웨이퍼 약 0.3인치(7.6 mm) 아래에 있다. 반사판을 뚫고 올라온 광섬유 탐침이 웨이퍼 뒷면의 빛을 읽는다. 웨이퍼와 반사판 사이를 오가는 반사가 흑체에 가까운 공동을 만들어, 측정이 웨이퍼 뒷면의 방사율에 덜 휘둘린다. 공동의 실효 방사율은 다음과 같다.

왜 이렇게까지 할까. 웨이퍼의 방사율은 온도, 표면 거칠기, 도핑, 표면층의 조성과 두께에 따라 바뀐다. 도핑이 낮은 390 µm 실리콘의 전체 방사율은 280 °C에서 0.12였다가 650 °C에서 0.7까지 오른다. 고온계는 빛의 세기를 재서 온도로 바꾸므로, 방사율을 잘못 알면 온도를 잘못 읽는다. 이 물리와 여러 보정 방법은 6장(RTP와 레이저 어닐)에서 자세히 다룬다. 반사판은 냉각에도 쓰인다. Applied Materials의 한 특허는 웨이퍼를 최대 250 °C/s로 1000 °C 넘게 올린 뒤, 웨이퍼와 차가운 반사판 사이를 헬륨 같은 불활성 가스로 채워 열을 빼 최대 80 °C/s로 식힌다.

근거: 램프 배열·Light pipe·이중 석영 창·자석 결합 회전·고온계 필터, 187개 램프·SiC 지지 링·금 반사판과 흑체 공동·콜드월, 12존·반사판 간격·측정 탐침·90 RPM, Edge ring과 헬륨 냉각, 가장자리 손실과 회전의 필요, 제품의 회전·측정 방식.

제품은 무엇이 다른가. 지금 팔리는 램프 RTP는 같은 골격 위에서 가열 방향과 측정을 달리한다. 아래 표의 내용은 모두 회사의 설명과 수치다.

패턴이 있는 웨이퍼는 자리마다 빛을 흡수하는 정도가 달라 온도가 고르지 않다. 이 차이는 한쪽 면만 가열할수록, 공정 온도와 승온 속도가 높을수록 커져 웨이퍼를 소성 변형시킬 수 있다. 뒷면 가열과 양면 가열은 이 문제에 대한 회사들의 답이다. 회사별 장비군과 시장은 9장(장비 II: 장비 종류와 제조사)에서 비교한다.

Flash·레이저 어닐 장비: 표면만 데우는 기계

Spike RTP보다 더 짧게 데우려면 웨이퍼 전체가 아니라 표면만 데워야 한다. 웨이퍼 두께 방향으로 열이 퍼지기 전에 가열을 끝내는 것이다. 그 물리와 활성화–확산의 줄다리기는 6장(RTP와 레이저 어닐)에서 다룬다. 여기서는 열원이 무엇이고 웨이퍼를 어떻게 다루는지를 본다.

Flash 램프. Camm과 Elliott의 특허(현재 권리자 Mattson Technology Canada)는 두 단계로 데운다. 먼저 뒷면에서 아크 램프로 웨이퍼 전체를 600~1250 °C까지 초당 100 °C 이상으로 데우고, 이어서 앞면을 섬광으로 초당 10⁴ °C 이상의 속도로 1050~1430 °C까지 올린다. 예열 램프는 500 kW 이중 수벽(Water wall) 아르곤 플라즈마 아크 램프이고, 섬광 전원은 1 ms 동안 최대 60 kJ을 쏟는다. 웨이퍼 두께 방향으로 열이 퍼지는 시간이 보통 10~15 ms인데, 그보다 빨리 데우므로 표면만 뜨거워진다. 예열을 뒷면에서 하는 것은 기판 쪽 방사율이 더 고르기 때문이다. Mattson의 Millios는 수벽 아르곤 아크 램프로 중간 온도 250~1050 °C에서 최대 600 °C를 뛰어오르게 하고, 앞뒷면 온도를 실시간으로 재어 제어하며, 웨이퍼가 깨지지 않게 응력을 관리한다고 소개한다. SCREEN의 Flash Lamp Annealer LA-3100은 제논 섬광 램프로 수 ms의 열을 주고, 산소를 낮춘 분위기에서 조사 중 웨이퍼 온도를 잰다고 소개한다. 2026년 10월 현재 SCREEN 반도체 장비 제품 목록의 어닐 장비는 이 한 종류다. Flash로 보조하는 RTP의 실효 공정 시간은 1~10 ms로 보고되었다.

레이저 스파이크 어닐. 레이저 빔을 선 모양으로 모아 웨이퍼 위를 훑는다. Veeco는 LSA 101이 좁은 레이저 빔 하나로 표면을 기판 온도에서 정점까지 올리며, 넓고 약한 두 번째 빔으로 미리 데우는 이중 빔을 고를 수 있다고 소개한다. LSA 201은 진공 로드락 없이 웨이퍼 전체의 분위기를 다루는 작은 챔버를 더했고, 긴 파장의 p 편광 빛을 Brewster 각으로 쏘며 온도를 폐루프로 제어한다고 적는다. Ultratech 소속 저자는 앞단 공정 LSA의 정점 온도를 1050~1350 °C, 체류 시간을 0.2~2 ms로 소개한다. Brewster 각에서는 p 편광 빛의 표면 반사가 거의 사라지므로, 표면 막이 달라도 흡수가 덜 흔들리게 하려는 선택으로 읽을 수 있다(원리에서 나온 해석).

다이오드 레이저. Applied Materials는 Vantage Astra DSA를 자사의 첫 레이저 어닐 장비로 소개한다. 표면의 몇 원자층을 1 ms 안에 1000 °C 넘게, 초당 100만 °C의 속도로 데우고, 예열은 100 °C까지 낮출 수 있다고 적는다. Vantage 플랫폼에는 Astra 챔버 두 개, 또는 Astra 하나와 Radiance Plus나 RadOx 챔버를 함께 붙인다. 같은 회사의 한 특허는 808 nm 연속 다이오드 레이저를 폭 약 35 µm의 선으로 모아 훑는 방법을 기술한다. 이 특허가 제품과 같은 기술인지는 공개 자료로 확인되지 않는다.

나노초 UV 레이저. 더 짧게는 표면을 녹였다 굳히는 엑시머 레이저가 있다. SCREEN의 2015년 발표 자료는 자회사 LASSE의 LT-3000/3100을 파장 308 nm, 펄스 약 160 ns, 펄스당 최대 9 J로, 한 번에 10×10~26×33 mm²를 비추고 옮겨 가며(Step-and-repeat) 처리하는 장비로 소개한다. 같은 계열 기술을 다룬 논문은 308 nm 빛이 표면 7 nm 안에서 흡수되고 수십 ns 안에 녹는다고 적는다. LT 계열은 2026년 10월 현재 SCREEN 제품 목록에 없다.