KR100303566B1 - 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치 및 그 온도측정방법 - Google Patents

반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치 및 그 온도측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치 및 그 온도측정방법에 관한 것으로, 내부에 반응가스가 주입되고, 가열부에 의해 가열되는 반응로와, 이 반응로의 내부에 설치된 측정용 실리콘웨이퍼의 표면온도가 측정되도록 열전대가 보호관의 내부에 봉입된 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치에 있어서, 상기 보호관(24)의 내부에 봉입된 열전대(22)에 접촉 위치되도록 상기 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 일부분(42)이 상기 보호관(24) 내부에 진공 봉입된 것을 특징으로 하는 온도측정장치가 구성되고,
반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 반응로내 실리콘웨이퍼에 박막 성장의 최적 온도조건이 부여되도록 조정하기 위해 반응로의 내부에 위치된 측정용 실리콘웨이퍼의 표면온도를 열전대에 의해 측정하는 온도측정방법에 있어서,상기 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 일부분(42)을 반응로(10)에 설치된 보호관(24)내에 진공 봉입한 상태에서 보호관(24)내의 열전대(22)를 상기 일부분(42)에 위치시켜 표면온도를 측정하므로서 증착용 실리콘웨이퍼의 표면온도를 알 수 있도록 한 온도측정방법이 제공되므로써, 실리콘웨이퍼의 표면온도를 정확하게 측정하여 반응로 내에서의 박막 성장반응이 최적의 온도조건에서 수행되도록 한 것이다.

Description

반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치 및 그 온도측정방법{TEMPERATURE MEASURING APPARATUS AND TEMPERATURE MEASURING METHOD OF RAPID THERMAL CHEMICAL VAPOR DEPOSITION FOR SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURING}
본 발명은 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치 및그 온도측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온에서의 실리콘-저메인 박막을 성장시키는 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착장치(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition: RTCVD)에서 실리콘웨이터의 온도를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치 및 그 온도측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체소자 제조공정에서 급속열처리 화학증착 또는 RTPCVD (Rapid thermal process CVD)법으로 불리우는 기술은 반도체 급속열처리용으로 사용되는 RTP((Rapid thermal process)와, 특정의 반응기체들을 반응용기 속에 투입하면서 적절한 조건을 유지시켜 주면 고체상의 물질이 생성되어 가공하고자 하는 실리콘웨이퍼상에 막을 성장시킬 수 있는 CVD(Chemical Vapor Deposition)를 합한 개념으로 만들어진 기술로서, 이는 주로 Ⅲ-V족 화합물 반도체를 중심으로 실리콘계 이종접합 에피텍셜층을 성장시킨 실리콘기판을 구현하므로서 고속동작소자 및 광전자소자를 제조하는 실리콘 집적회로 제조공정 기술에 활용되고 있다.
첨부도면, 도 1은 일반적인 급속열처리 화학증착설비의 개략적인 구조도로서, 이에 도시된 바와 같이 급속열처리 화학증착설비는 소정 형상(첨부 도면에서는육면체 형상으로 도시)을 갖는 반응로(10)와, 상기 반응로(10) 내에 반응가스(예컨데 수소가스)가 유입되도록 석영으로 형성되어 설치되는 반응가스유입 튜브(12)와,상기 반응로(10) 내부가 가온되도록 반응에너지를 공급하는 가열부(14;첨부 도면에서는 할로겐 램프(Halogen lamp) 8kW)로 구성되는 한편, 상기 반응로내에서 고품질의 박막 성장조건에 맞는 실리콘기판의 표면온도를 측정할 수 있도록 하는 온도측정장치(20)로 구성된다.
그리고, 상기 급속열처리 화학증착설비는 일반적인 CVD와 달리 복사 열원과반도체 재료와의 에너지 전달을 기반으로 하고, 또한 본 장치의 에너지 전달에 대한 광학적 특성 때문에 반응로 벽은 반도체 재료와 같이 열 평형상태가 아니고 공정이 매우 짧은 시간(수십 초에서 수 분)내에 이루어지므로 상기 온도측정장치(20)로부터 가열부(14)가 짧은 시간내에 조절되어야 하고, 따라서 온도측정장치(20)는빠른 응답성과 안정성이 요구된다.
즉, 박막 성장조건으로서 온도의 의존성이 높은 이유로 인해 반응로(10) 내부의 실리콘기판의 표면온도를 정확하게 측정하므로서 반응로 내에서의 성장 반응이 최적의 온도에서 수행되도록 하기 위해 상기 온도측정장치(20)가 구성된 것이다.
또한, 상기 온도측정장치(20)의 빠른 응답성과 안정성은 특히 고속동작 특성을 얻기 위하여 베이스 영역의 두께는 얇게 하고, 불순물 농도는 고농도가 되도록 하는 바이폴라 트랜지스터 또는 BiCMOS소자의 제조공정에서 요구된다.
이에 따라 상기 반도체 재료(실리콘웨이퍼)의 표면온도를 측정하는 방법으로는 첨부도면, 도 2a에 도시된 바와 같이 상기 온도측정장치(20)를 K-형 또는 R-형 열전대(22)로 구성하고, 반도체 재료와 동일한 재료로 형성된 측정용 실리콘웨이퍼(30) 표면에 상기 열전대(22)를 직접 위치시켜 그 표면온도를 측정하는 방법이 있다.
이와 같이 방법은 기존의 급속열처리장치에서와 같이 불활성가스를 사용하는 장치에서는 가능한 것이였으나 급속열처리 화학증착설비에서와 같이 반응가스를사용하는 장치에서는 열전대(22)가 반응로(10) 내부에서 노출되는 구조이므로 고온(1000℃ 이상)에서 반응가스인 수소가스와 반응하여 열전대의 재료가 변형되고, 이에 따라 실리콘웨이퍼(30)의 표면온도 측정이 불가능하며, 또한 변형에 따른 불순물에 의해 오염이 초래되는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 첨부도면 도 2b에 도시된 바와 같이 반응로(10) 내부에서 열전대(22)가 노출되지 않도록 하기 위해 석영으로 형성된 보호관(24)내에 상기 열전대(22)를 봉입 위치시키고, 이 열전대(22)에 의해 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 표면온도가 측정되도록 상기 측정용 실리콘웨이퍼(30) 또한 보호관(24)의 내부에 봉입 위치시켜 온도를 측정하도록 되어 있다.
그러나, 상기와 같이 보호관(24)의 내부에 열전대(22) 및 측정용 실리콘웨이퍼(30)가 설치된 구조에서는 상기 열전대(22)가 반응로(10) 내부에 직접 노출되지 않고 보호관(24)에 의해 내부에 위치되어 보호되므로 열전대의 변형을 방지할 수 있는 효과는 있으나, 상기 측정용 실리콘웨이퍼(30) 전체가 반응로(10) 내부에 노출되어 있지 않고 보호관(24)의 내부에 위치되므로 실질적인 반응로(10)의 내부온도와 보호관(24) 내부의 온도차에 의해 열전대(22)에 의해 측정되는 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 표면온도는 반응로내에서 증착되는 증착용 실리콘웨이퍼의 온도와는 상당한 편차가 발생되어 정확한 온도측정이 불가능한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 실리콘웨이퍼의 표면온도를 정확하게 측정하여 반응로 내에서의 박막 성장반응이 최적의 온도조건에서 수행되도록 한 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치 및 그 온도측정방법을 제공하고자 하는 것이다.
이러한, 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부에 반응가스가 주입되고, 가열부에 의해 가열되는 반응로와, 이 반응로의 내부에 설치된 측정용 실리콘웨이퍼의 표면온도가 측정되도록 열전대가 보호관의 내부에 봉입된 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치에 있어서, 상기 보호관의 내부에 봉입된 열전대에 접촉 위치되도록 상기 측정용 실리콘웨이퍼의 일부분이 상기 보호관 내부에 진공 봉입된 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치가제공된 것이다.
또한, 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 반응로내 실리콘웨이퍼에 박막 성장의 최적 온도조건이 부여되도록 조정하기 위해 반응로의 내부에 위치된 측정용 실리콘웨이퍼의 표면온도를 열전대에 의해 측정하는 온도측정방법에 있어서, 상기 측정용 실리콘웨이퍼의 일부분을 반응로에 설치된 보호관내에 진공 봉입한 상태에서 보호관내의 열전대를 상기 일부분에 위치시켜 표면온도를 측정하므로서 증착용 실리콘웨이퍼의 표면온도를 알 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정방법이 제공된 것이다.
도 1은 일반적인 급속열처리 화학증착설비의 개략적인 구조도,
도 2a 및 도 2b는 종래 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치를 나타내는 도 1의 A부 확대단면도,
도 3은 본 발명에 따른 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치를 나타내는 도 1의 A부 확대단면도,
도 4는 본 발명에 따른 온도측정장치를 설명하기 위한 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10:반응로, 20:온도측정장치,
22:열전대, 24:보호관,
30:측정용 실리콘웨이퍼.
이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
첨부 도면, 도 3은 본 발명에 따른 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치를 나타내는 도 1의 A부 확대단면도로서, 종래와 동일한 부분에 대해서는 동일부호를 부여하여 설명한다.
본 발명에 따른 급속열처리 화학증착설비는 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이 소정 형상과 재질(대개는 석영으로 제작됨)로 형성된 반응로(10)와, 상기 반응로(10) 내에 반응가스(예컨데 수소가스)가 유입되도록 석영으로 형성되어 설치되는 반응가스유입 튜브(12)와, 상기 반응로(10) 내부가 가온되도록 반응에너지를 공급하는 가열부(14)가 구비되고, 상기 반응로내에서 고품질의 박막 성장조건에 맞는실리콘웨이퍼의 표면온도를 측정할 수 있도록 하는 온도측정장치(20)가 구성되는데, 본 발명에 따른 상기 온도측정장치(20)는 첨부도면 도 3에 도시된 바와 같이 반응로(10)의 내부에 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 표면온도를 측정하는 열전대(22)가 상기 반응로(10) 내부로 노출되지 않도록 보호하는 석영 재질의 보호관(24)이 설치되고, 그 보호관(24)내에 상기 열전대(22)가 봉입 설치되며, 상기 보호관(24)의 내부에 봉입된 열전대(22)에 접촉 위치되도록 상기 측정용 실리콘웨이퍼(30)의일부분(42) 이 상기 보호관(24) 내부에 진공 봉입되도록 형성된 것이다.
그리고, 상기 반응로(1O)내에는 측정용 실리콘웨이퍼(3O)을 안정되게 지지 하기 위한 실리콘웨이퍼지지대(26)가 구성된다.
한편, 이와 같이 구성된 본 발명의 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치는 반응로 내부에 반응가스가 주입되고, 가열부(14)에 의해 내부가 가열되어 증착용 실리콘웨이퍼(미도시)에 박막이 증착되도록 된 상태에서, 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 일부분(42)을 반응로에 설치된 보호관(24)내에 진공 봉입한 상태에서 보호관(24)내의 열전대(22)를 상기 일부분(42)에 위치시켜 표면온도를측정하므로서 반응로 내에 노출된 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 측정온도로부터 증착용 실리콘웨이퍼의 표면온도가 측정되도록 한 것이다.
즉, 온도측정용 열전대(22)를 보호관(24) 내부에 위치시키므로써 반응로(10) 내부에서 수소가스와 같은 반응가스와의 노출이 차단되어 열전대의 변형을 방지할 수 있고, 상기 반응로(10) 내부에서 실제로 성장이 행해지는 증착용 실리콘웨이퍼와 동일하게 반응로내에 노출된 측정용 실리콘웨이퍼의 표면온도를 보호관()내에 진공 봉입된 일부분(42)을 매개로하여 측정하므로서 반응로(10) 내에 노출된 증착용 실리콘웨이퍼의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
따라서, 증착용 실리콘웨이퍼와 동일하게 반응로내에 노출된 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 표면온도가 열전대에 의해 측정되므로 증착용 실리콘웨이퍼에 박막성장의 최적 온도조건이 되도록 가열부(14)를 제어하므로써 안정적이고 고효율의 실리콘웨이퍼 증착이 이루어지게 된다.
첨부도면, 도 4는 본 발명에 따른 온도측정장치를 설명하기 위한 그래프이다.
상기 도면은 조건이 동일한 반응로에서 압력조건을 대기압(ATM)과 O.1Torr 으로 하여 본 발명에 따른 온도측정장치(도 3)와 종래 방식의 온도측정장치(도 2b)를 이용하여 열전대(22)에 의해 측정되는 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 측정온도와실제 반응로내의 증착용 실리콘웨이퍼의 온도차(증착용 실리콘웨이퍼의 온도 - 측정용 실리콘웨이퍼의 온도)를 도시한 것으로서, 즉 종래 방식은 도면에 도시(,)된 바와 같이 반응로 내부를 가열하여 증착용 실리콘웨이퍼의 표면온도를 점차적으로 상승시킬 때 열전대(22)에 의해 측정되는 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 표면온도와 증착용 실리콘웨이퍼의 온도 차이가 압력조건이 대기압일 때와 O.1Torr일 때 모두 그 온도 차이가 30 -50℃로 나타나는 것을 알 수 있었다.
그리고, 본 발명에 따른 온도측정장치를 이용하여, 상술한 조건과 동일한 조건으로 온도차를 측정해 본 결과, 도면에 도시(,)된 바와 같이 증착용 실리콘웨이퍼의 온도가 600℃이하 이고 그 압력조건이 0.1Torr일 때에 한해 10℃ 전후의 온도차를 보였을 뿐, 전체 온도범위와 압력조건에서 5℃이하의 온도차로 나타나는 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 온도측정장치는 측정용 실리콘웨이퍼(3O)가 증착용 실리콘웨이퍼와 동일하게 반응로(10)내에 노출된 구조이므로 측정되는 온도 또한 동일한 범위로 측정되어 상기 측정용 실리콘웨이퍼에 의해 측정되는 표면온도에 의해 가열부를 제어하므로서 증착용 실리콘웨이퍼의 박막 성장의 최적온도가 유지되도록 할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의온도측정장치 및 그 온도측정방법에 의하면, 열전대가 보호관의 내부에 봉입 설치되므로 열전대의 변형을 방지할 수 있고, 또한 측정용 실리콘웨이퍼가 반응로내에노출되어 있어서 상기 열전대에 의해 측정되는 측정용 실리콘웨이퍼의 온도가 반응로내의 증착용 실리콘웨이퍼의 온도와 동일하게 나타나므로 정확한 온도의 측정에따른 박막 성장의 최적 온도를 제공하므로서 양질의 실리콘웨이퍼 박막을 얻을 수있게 되는 매우 유용한 발명이다.

Claims (2)

  1. 내부에 반응가스가 주입되고, 가열부에 의해 가열되는 반응로와, 이 반응로의 내부에 설치된 측정용 실리콘웨이퍼의 표면온도가 측정되도록 열전대가 보호관의 내부에 봉입된 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치에 있어서,
    상기 보호관(24)의 내부에 봉입된 열전대(22)에 접촉 위치되도록 상기 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 일부분(42)이 상기 보호관(24) 내부에 진공 봉입된 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치.
  2. 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 반응로내 실리콘웨이퍼에 박막 성장의 최적 온도조건이 부여되도록 조정하기 위해 반응로의 내부에 위치된 측정용 실리콘웨이퍼의 표면온도를 열전대에 의해 측정하는 온도측정방법에 있어서,
    상기 측정용 실리콘웨이퍼(30)의 일부분(42)을 반응로(10)에 설치된 보호관 (24)내에 진공 봉입한 상태에서 보호관(24)내의 열전대(22)를 상기 일부분(42)에 위치시켜 표면온도를 측정하므로서 증착용 실리콘웨이퍼의 표면온도를 알 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조용 급속열처리 화학증착설비의 온도측정장치의 온도측정방법.
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