KR100271777B1 - Heating means including heat diffusing means - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체장치 제조용 웨이퍼의 가열 등 일정한 온도로의 가열이 요구되는 곳에 고른 가열을 위하여 사용될 수 있는 열확산기를 포함하는 열발생기에 관한 것이다.The present invention relates to a heat generator including a heat spreader that can be used for even heating where heating to a constant temperature is required, such as heating a wafer for semiconductor device manufacturing.
도 6에 개략적으로 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 열확산기를 포함하는 열발생기는, 내벽에 다공질층(133)이 형성되어 있으며, 그 내부공간에 열유체가 포함되어 이루어진 열확산기(13)를 열원(11)상에 일체로 고정시켜서 이루어짐을 특징으로 한다.As schematically shown in FIG. 6, the heat generator including the heat spreader according to the present invention includes a heat spreader 13 having a porous layer 133 formed on an inner wall thereof and a heat fluid included in an inner space thereof. It is characterized by being made integrally fixed on the heat source (11).
따라서, 본 발명에 의하면 온도균일성이 매우 높고, 열전도도가 우수하여 피가열체를 정확하게 그리고 균일하게 가열할 수 있는 열발생기를 제공하는 효과가 있다.Therefore, according to the present invention, there is an effect of providing a heat generator having a very high temperature uniformity and excellent thermal conductivity, which can accurately and uniformly heat the heated object.
Description
본 발명은 열확산기를 포함하는 열발생기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 반도체장치 제조용 웨이퍼의 가열 등 일정한 온도로의 가열이 요구되는 곳에 고른 가열을 위하여 사용될 수 있는 열확산기를 포함하는 열발생기에 관한 것이다.The present invention relates to a heat generator comprising a heat spreader. More particularly, the present invention relates to a heat generator including a heat spreader that can be used for even heating where heating to a constant temperature is required, such as heating a wafer for manufacturing a semiconductor device.
현대의 산업은 반도체장치의 제조에 사용되는 웨이퍼의 가열 등과 같이 일정한 온도로 극히 정밀하게 제어되어 가열되어야 할 필요가 있는 경우에 사용될 수 있는 균일한 가열을 위한 열발생기가 요구되고 있다.Modern industry requires a heat generator for uniform heating that can be used when it is necessary to be extremely precisely controlled and heated at a constant temperature, such as the heating of a wafer used in the manufacture of a semiconductor device.
특히, 반도체장치의 생산에 있어서 열발생기의 온도균일성은 반도체장치의 일정한 회로선폭을 보장하고, 반도체장치의 전기적 특성의 안정적 구현에는 필수불가결한 요소로 고려되고 있다.In particular, the temperature uniformity of the heat generator in the production of the semiconductor device is considered as an indispensable element to ensure a constant circuit line width of the semiconductor device, and stable implementation of the electrical characteristics of the semiconductor device.
한편, 반도체장치의 집적도가 증가함에 따라 온도균일성의 정도도 더욱 향상되어야 하였으며, 이는 종래와 같은 열원(Heater)의 설계, 공정챔버(Process chamber)의 특수한 설계 등에 의하여서는 한계가 있는 것으로 나타났으며, 따라서 새로운 형태의 열발생기의 개발이 요구되어 왔다.On the other hand, as the degree of integration of semiconductor devices increases, the degree of temperature uniformity has to be further improved, which appears to be limited by the conventional design of the heat source and the special design of the process chamber. Therefore, the development of a new type of heat generator has been required.
그러나, 종래의 기술로는 어느정도 이상의 온도균일성을 달성할 수 없다는 문제점이 있었다.However, there is a problem that the temperature uniformity more than a certain degree cannot be achieved by the conventional technology.
예를 들면, 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같이, 열원(11) 상에 일정두께 이상의 두꺼운 금속열확산판(12)을 취부시키고, 이 금속열확산판(12) 상에 웨이퍼 등 피가열체를 올려놓고, 가열토록 함으로써, 온도균일성을 실현코자 하였다. 이 경우, 금속열확산판(12)이 두꺼울수록 온도균일성이 높아지는 효과를 볼 수 있었으나, 그에 따라 열원(11) 자체의 용량이 필연적으로 증대되어야만 하였으며, 이는 많은 에너지(전력)의 낭비를 유발할 뿐만 아니라, 온도균일성도 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 비교적 불균일한 것으로 나타났다. 즉, 도 2의 그래프에 나타낸 바와 같이, 피가열체의 임의의 12지점에 대한 온도분포를 측정한 결과, 시간에 따라 대개 144 내지 146℃의 범위내에서 등락이 일어나는 것으로 나타났으며, 도 3에 나타낸 바와 같이, 시간에 대한 온도편차가 대략 1.5℃를 기준으로 1.2 내지 2.0℃의 범위로 편차 또한 크게 나타났다. 또한, 열원(11)에 대한 입력과 열로서의 출력 간에 시간차가 증가되어 온도균일성이 향상되는 반면에 온도제어가 용이하지 않다는 문제점이 있었다. 더욱이, 금속열확산판(12)이 두꺼워질수록 그에 의한 온도제어에 고려하여야 할 변수가 증대되어 소정의 온도의 제어를 위한 열발생기의 제조가 곤란하여지는 단점이 있었으며, 이는 대량의 열발생기의 제조 후 소정의 열특성을 갖는 열발생기만을 취사선택하여 사용할 수 밖에 없어 열발생기의 제조에 많은 비용과 노력이 들게 되며, 자원의 낭비를 초래하는 등의 문제점으로 이어졌었다.For example, as schematically shown in FIG. 1, a thick metal heat diffusion plate 12 having a predetermined thickness or more is mounted on the heat source 11, and a heated object such as a wafer is placed on the metal heat diffusion plate 12. The temperature uniformity was settled by heating. In this case, the thicker the metal thermal diffusion plate 12 was able to see the effect of increasing the temperature uniformity, but accordingly the capacity of the heat source 11 itself had to be inevitably increased, which causes a lot of energy (power) waste. Rather, the temperature uniformity was shown to be relatively nonuniform as shown in FIGS. 2 and 3. That is, as shown in the graph of FIG. 2, as a result of measuring the temperature distribution for any of the 12 points of the heated object, it was found that the fluctuation usually occurred within the range of 144 to 146 ° C over time. As shown in Fig. 2, the temperature deviation with respect to time was also large in the range of 1.2 to 2.0 ° C based on approximately 1.5 ° C. In addition, while the time difference between the input to the heat source 11 and the output as heat is increased to improve the temperature uniformity, there is a problem that the temperature control is not easy. Moreover, the thicker the metal heat diffusion plate 12 has, the greater the parameters to be considered for temperature control, thereby making it difficult to manufacture a heat generator for controlling a predetermined temperature. After that, only the heat generators having predetermined thermal characteristics can be selected and used, resulting in a lot of cost and effort in the manufacture of the heat generators, resulting in waste of resources.
특히, 반도체장치의 제조과정 중에 있어서, 가공하고자 하는 웨이퍼는 수회의 상승된 온도단계들의 적용 즉, 열처리(Heat treatment)를 받아야 하며, 이는 주로 결함의 제거, 열산화막의 형성, 이온주입후의 드라이브-인 공정의 수행, 활성소자의 제조 및 내부배선의 형성 등 열을 이용하는 공정이 다수 요구되고 있어 열처리의 중요성은 보다 중대해지고 있다. 즉, 기존의 반도체장치 제조공정에서는 예를 들면 140℃의 온도에서 0.8℃의 온도균일성을 요구하고 있으나, 고집적 반도체장치의 제조를 위하여는 0.2 내지 0.4℃의 온도균일성을 요구하고 있다. 그러나, 기존의 열발생기로는 이를 달성할 수 없었다.In particular, during the fabrication of semiconductor devices, the wafer to be processed must be subjected to several elevated temperature steps, that is, heat treatment, which mainly eliminates defects, forms thermal oxides, and drives after ion implantation. Many processes using heat, such as performing phosphorous processes, manufacturing active devices, and forming internal wirings, are required. Therefore, the importance of heat treatment is becoming more important. That is, the conventional semiconductor device manufacturing process requires a temperature uniformity of 0.8 ° C. at a temperature of 140 ° C., for example, but requires a temperature uniformity of 0.2 to 0.4 ° C. for the manufacture of highly integrated semiconductor devices. However, this could not be achieved with existing heat generators.
따라서, 특정온도로의 가열을 위한 일정한 범위이내로의 온도균일성을 유지하는 것을 실현하기 위하여 열원(11)(Heater)의 설계, 공정챔버(Process chamber)의 특수한 설계 등에 의하여 온도균일성을 실현하고자 하는 노력이 경주되어 왔다.Therefore, in order to realize the temperature uniformity within a certain range for heating to a specific temperature, to realize the temperature uniformity by the design of the heat source 11 (Heater), the special design of the process chamber, etc. Efforts have been raced.
본 발명의 목적은 일정한 온도로의 가열이 요구되는 곳에 고른 가열을 위하여 사용될 수 있는 열확산기를 포함하는 열발생기를 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a heat generator comprising a heat spreader that can be used for even heating where heating to a constant temperature is desired.
도 1은 종래의 열발생기를 개략적으로 도시한 측면도이다.1 is a side view schematically showing a conventional heat generator.
도 2는 종래의 열발생기에 의해 가열되는 피가열체의 임의의 12지점의 온도분포를 시간의 경과에 따라 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing a temperature distribution of any 12 points of a heated object heated by a conventional heat generator over time.
도 3은 도 2의 그래프에서의 시간의 경과에 따른 온도편차를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing a temperature deviation with time in the graph of FIG. 2.
도 4는 본 발명의 하나의 구체적인 실시예에 따른 열발생기를 개략적으로 도시한 평면도이다.4 is a plan view schematically showing a heat generator according to one specific embodiment of the present invention.
도 5는 도 4의 A-A선을 따라 절단하여 도시한 측단면도이다.5 is a side cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
도 6은 도 4의 A-A선을 따라 절단하여 도시한 부분절개사시도이다.FIG. 6 is a partial cutaway perspective view taken along the line A-A of FIG. 4. FIG.
도 7은 본 발명의 다른 하나의 구체적인 실시예에 따른 열발생기를 개략적으로 도시한 평면도이다.7 is a plan view schematically illustrating a heat generator according to another specific embodiment of the present invention.
도 8은 도 7의 B-B선을 따라 절단하여 도시한 측단면도이다.FIG. 8 is a side cross-sectional view taken along the line B-B of FIG. 7.
도 9는 도 7의 B-B선을 따라 절단하여 도시한 부분절개사시도이다.9 is a partial cutaway perspective view taken along the line B-B of FIG.
도 10은 본 발명에 따른 도 4의 열발생기에 의해 가열되는 피가열체의 임의의 12지점의 온도분포를 시간의 경과에 따라 나타낸 그래프이다.FIG. 10 is a graph showing the temperature distribution of any 12 points of the heating element heated by the heat generator of FIG. 4 according to the present invention over time.
도 11은 도 10의 그래프에서의 시간의 경과에 따른 온도편차를 나타낸 그래프이다.FIG. 11 is a graph illustrating temperature deviation with time in the graph of FIG. 10.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of code for main part of drawing
11 : 열원 12 : 금속열확산판11: heat source 12: metal thermal diffusion plate
13 : 열확산기 131 : 히트파이프13: heat spreader 131: heat pipe
132 : 판상히트파이프 133 : 다공질층132: plate heat pipe 133: porous layer
본 발명에 따른 열확산기를 포함하는 열발생기는, 내벽에 다공질층이 형성되어 있으며, 그 내부공간에 열유체가 포함되어 이루어진 열확산기를 열원상에 일체로 고정시켜서 이루어진다.The heat generator including the heat spreader according to the present invention has a porous layer formed on the inner wall, and is formed by integrally fixing a heat spreader formed of a heat fluid in the inner space on a heat source.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4 내지 도 9에 개략적으로 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 열확산기를 포함하는 열발생기는, 내벽에 다공질층(133)이 형성되어 있으며, 그 내부공간에 열유체가 포함되어 이루어진 열확산기(13)를 열원(11)상에 일체로 고정시켜서 이루어짐을 특징으로 한다.4 to 9, the heat generator including the heat spreader according to the present invention, the porous layer 133 is formed on the inner wall, the heat spreader made of a thermal fluid included in the inner space ( 13) is characterized in that it is made by fixing integrally on the heat source (11).
상기 열확산기(13)는 튜브형 또는 판상으로 형성될 수 있다. 본 발명에서는 편의상 튜브형의 열확산기(13)를 히트파이프(131)(Heat pipe)라 칭하고, 판상의 열확산기(13)를 판상히트파이프(132)(Plate type Heat pipe)라 칭한다.The heat spreader 13 may be formed in a tubular or plate shape. In the present invention, the tubular heat spreader 13 is called a heat pipe 131 and the plate heat spreader 13 is called a plate type heat pipe.
이들은 모두 내부에 공동 즉, 공간이 형성되어 있으며, 그 내부공간에 열유체가 들어있다.They all have cavities, or spaces, inside, and heat fluid is contained in them.
여기에서 열유체라 함은 적절한 온도에서 기화될 수 있는 액체로서, 외부에서 공급되는 온도에 따라 고온부에서는 다공질층(133)내에 있던 액체상태의 열유체가 기화되어 내부의 공간을 따라 이동하고, 저온부에서는 재액화되어 다시 다공질층(133)으로 유입되는 액체를 칭하는 것이고, 이에 따라 다공질층(133)에 유입된 액체는 다공질층(133) 특유의 모세관현상에 의하여 다공질층(133) 전체에 함침되어 분포되게 된다. 따라서, 고온부의 위치의 다공질층(133)에는 액체상태의 열유체가 기화되어 다공질층(133)내에는 액체가 거의 증발되어 비어있게 되며, 여기에서 증발된 기체상태의 열유체는 저온부로 쉽게 이동하게 되고, 저온부에서 재액화되어 다시 다공질층(133)으로 유입되며, 다공질층(133)내에는 항상 모세관현상에 의하여 액체가 다시 고온부의 위치의 빈 곳으로 이동하게 되어 다시 기화될 수 있게 된다. 결국, 열유체는 고온부에서는 기화되면서 고온부 주위의 열(기화열)을 빼앗아 저온부에서 재액화되면서 열(액화열)을 방출하게 된다.Here, the thermal fluid is a liquid that can be vaporized at an appropriate temperature. In the high temperature section, the liquid thermal fluid in the porous layer 133 vaporizes and moves along the internal space in the high temperature section. In the present invention, the liquid is re-liquefied and flows back into the porous layer 133. Accordingly, the liquid introduced into the porous layer 133 is impregnated into the entire porous layer 133 by capillary phenomenon peculiar to the porous layer 133. Will be distributed. Therefore, the liquid thermal fluid is vaporized in the porous layer 133 at the position of the high temperature part, and the liquid is almost evaporated and emptied in the porous layer 133, where the vaporized thermal fluid is easily moved to the low temperature part. The liquid is re-liquefied in the low temperature part and flows back into the porous layer 133. In the porous layer 133, the liquid is always moved back to the empty position of the high temperature part by the capillary phenomenon so that it can be vaporized again. As a result, the heat fluid vaporizes at the high temperature part and takes heat (vaporization heat) around the high temperature part and re-liquefies at the low temperature part to release heat (liquefaction heat).
따라서, 상기한 구성의 열확산기(13)를 열원(11) 상에 취부시키는 것에 의하여 열원(11)에 의하여 불균일하게 공급되는 열이 상기 열확산기(13)에 의하여 높은 온도균일성을 나타낼 수 있게 된다.Accordingly, by mounting the heat spreader 13 having the above-described configuration on the heat source 11, the heat uniformly supplied by the heat source 11 can exhibit high temperature uniformity by the heat spreader 13. do.
또한, 상기에서 열원(11)은 통상 니크롬선 등과 같은 열선을 구비한 판형의 히터가 될 수 있으며, 이러한 열원(11)은 상용적으로 공급되는 것을 구입하여 사용할 수 있을 정도로 공지된 것으로 이해될 수 있다.In addition, the heat source 11 may be a plate-shaped heater having a heating wire such as a nichrome wire or the like, and the heat source 11 may be understood to be well known so that it is possible to purchase and use a commercially supplied one. have.
도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 하나의 구체적인 실시예에서는 상기한 바의 구성을 갖는 히트파이프(131)를 내장한 열확산기(13)를 열원(11) 상에 취부시켜 온도균일성을 나타내도록 하였다. 상기 열확산기(13)의 히트파이프(131)의 크기 및 배열상태는 피가열체의 형상 또는 온도특성 등을 고려하여 달리할 수 있으며, 다수개의 소형 히트파이프(131)들을 병렬로 배치하는 등의 구성을 갖는 열확산기(13) 등도 가능함은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에게는 용이하게 이해될 수 있는 것이다.As shown in Figs. 4 to 6, in one specific embodiment of the present invention, a heat spreader 13 having a heat pipe 131 having the configuration as described above is mounted on a heat source 11 so as to provide a temperature. Uniformity was shown. The size and arrangement of the heat pipes 131 of the heat spreader 13 may be varied in consideration of the shape or temperature characteristics of the heating object, and the plurality of small heat pipes 131 may be arranged in parallel. It is also possible to easily understand the heat spreader 13 having a configuration and the like to those skilled in the art.
으며, 또한 도 7 내지 도 9에는 본 발명의 다른 하나의 구체적인 실시예로서 역시 상기한 바의 구성을 갖는 판상히트파이프(132)를 내장한 열확산기(13)를 열원(11) 상에 취부시켜 온도균일성을 나타내도록 하였다.In addition, as shown in FIGS. 7 to 9, as another specific embodiment of the present invention, a heat spreader 13 having a plate heat pipe 132 having the configuration described above is also mounted on the heat source 11. Temperature uniformity was shown.
이상에서 본 바와 같이, 열확산기(13)의 외형 자체는 크게 본 발명의 특징에 영향을 주는 것이 아님을 알 수 있으며, 그 내벽에 다공질층(133)이 형성되어 있으며, 그 내부공간에 열유체가 포함되어 이루어지는 열확산기(13)를 열원(11)에 일체로 고정시켜서 온도균일성을 나타내는 구조는 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 이해될 수 있는 것이라 할 수 있다.As seen above, it can be seen that the appearance itself of the heat spreader 13 does not significantly affect the characteristics of the present invention, and a porous layer 133 is formed on the inner wall thereof, and a thermal fluid in the inner space thereof. It can be said that all of the structures exhibiting temperature uniformity by integrally fixing the heat spreader 13 including the heat source 11 are included in the scope of the present invention.
또한, 상기 열확산기(13)는 구리 또는 알루미늄 등 금속에 비해 수백배 내지 수천배의 빠른 열전도도를 나타내는 것으로 밝혀졌으며, 그에 따라 열원(11)에 대한 입력과 열로서의 출력 간에 시간차를 획기적으로 감소시켜 온도균일성을 향상시키면서도 온도제어를 용이하게 하여 피가열체의 가열온도를 매우 정밀하게 제어할 수 있다는 장점을 동시에 갖춘 열발생기를 제공할 수 있다.In addition, the heat spreader 13 has been shown to exhibit a thermal conductivity of several hundred times to several thousand times faster than a metal such as copper or aluminum, thereby significantly reducing the time difference between the input to the heat source 11 and the output as heat. It is possible to provide a heat generator having the advantage of controlling the heating temperature of the heating element very precisely by improving the temperature uniformity and facilitating temperature control.
도 4에 나타낸 열발생기를 사용하여 피가열체로서 반도체장치의 제조에 사용되는 웨이퍼의 임의의 12지점의 온도분포를 나타내는 그래프를 도 10에 나타내었으며, 145.5℃를 기준으로 약 1℃ 미만의 범위내에서 온도분포를 나타내며, 도 11에 나타낸 바와 같이, 그 온도편차도 0.5℃ 정도에서 비교적 균일한 것으로 나타났다.A graph showing the temperature distribution at any of 12 points of the wafer used in the manufacture of the semiconductor device as a heated object using the heat generator shown in FIG. 4 is shown in FIG. 10 and ranges less than about 1 ° C based on 145.5 ° C. It shows the temperature distribution within, and as shown in Fig. 11, the temperature deviation also appeared to be relatively uniform at about 0.5 ℃.
따라서, 본 발명에 의하면 온도균일성이 매우 높고, 열전도도가 우수하여 피가열체를 정확하게 그리고 균일하게 가열할 수 있는 열발생기를 제공하는 효과가 있다.Therefore, according to the present invention, there is an effect of providing a heat generator having a very high temperature uniformity and excellent thermal conductivity, which can accurately and uniformly heat the heated object.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the present invention has been described in detail only with respect to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical scope of the present invention, and such modifications and modifications are within the scope of the appended claims.
Claims (3)
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