KR100331023B1 - 냉각수단을 구비한 히터 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼에 막을 증착하기 위해 사용하는 히터 조립체에 있어서, 웨이퍼의 가열온도를 제어하여 균일한 막이 증착되도록 냉각수단을 구비한 히터 조립체를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 웨이퍼(1)를 가열하기 위해 상기 웨이퍼(1)가 안착되는 서셉터(110)와, 상기 웨이퍼(1)를 가열하기 위한 열원을 제공하는 발열체(160) 및, 상기 서셉터(110)의 저면에 체결되어 상기 서셉터(110)를 지지하며 상기 서셉터(110)와의 사이에 상기 발열체(160)를 수용할 수 있는 폐쇄공간을 형성하는 지지부(120)를 포함하는 히터 조립체에 있어서, 상기 발열체(160)의 중심부에 위치한 냉각수단(170)을 포함하며, 상기 냉각수단(170)은 상기 발열체(160)에서 발생하는 열에 의해 상기 웨이퍼(1)의 전 구역이 일정한 온도로 가열되도록 상기 발열체(160)의 중심부에서 열을 빼앗는 냉각수단(170)을 구비한 히터 조립체가 제공된다.

Description

냉각수단을 구비한 히터 조립체{Heater module with cooling system}

본 발명은 웨이퍼에 막을 증착하기 위해 열을 가하는 히터 조립체에 관한 것이며, 특히, 웨이퍼의 가열온도를 제어하여 균일한 막이 증착되도록 하는 냉각수단을 구비한 히터 조립체에 관한 것이다.

일반적으로 웨이퍼에 막을 증착하기 위해서 웨이퍼를 서셉터 위에 안착시키고 웨이퍼에 가해지는 온도분포를 균일하게 유지하여 균일한 막이 웨이퍼에 증착되도록 한다.

도 1은 종래의 기술에 따른 두 개로 분리된 발열체를 구비한 히터 조립체를 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 히터 조립체는 웨이퍼(1)가 안착되는 서셉터(susceptor)(10)와, 서셉터(10)의 하부에 연결되어 서셉터(10)와의 사이에 내부공간(15)을 형성하는 지지부(20)와, 서셉터(10)와 지지부(20)에 의해 형성된 내부공간(15)에 위치하여 열을 가하는 내부 발열체(50)와, 내부 발열체(50)의 둘레에 위치하여 열을 가하는 외부 발열체(60)를 포함한다.

웨이퍼(1)가 안착되는 서셉터(10)의 상면은 원판(11)과 같은 형상을 가지고 있으며, 원판(11)의 둘레에는 하부방향으로 두께면(12)이 연장되고 두께면(12)의 하면에는 서셉터(10)의 안쪽방향으로 연결턱(13)이 형성되고, 연결턱(13)의 저면에 지지부(20)가 고정된다.

한편, 내부 발열체(50)와 외부 발열체(60)의 아래에는 반사판(42)이 위치하며, 반사판(42)의 아래에는 방열판(44)이 위치하여 지지부(20) 쪽으로의 열전달을 차단한다. 또한, 2개의 열전대(52, 62)가 각각 내부 발열체(50)와 외부 발열체(60)에 연결되어 각각의 발열체(50, 60)에서 발생하는 열을 측정한다.

이와 같이 히터 조립체의 내부에 두 개로 분리된 발열체(50, 60)가 있는 경우에 내부 발열체(50)와 외부 발열체(60)의 온도를 조절하여 서셉터(10)의 상면에 안착된 웨이퍼(1)의 온도를 제어하지만, 서셉터(10)의 안쪽은 열흐름이 활발한 반면에, 서셉터(10)의 바깥쪽은 열흐름이 활발치 못하여 서셉터(10)의 바깥쪽보다 안쪽의 온도가 높게 된다.

따라서, 웨이퍼(1)의 전체 온도분포에 있어서, 그 중심부의 온도가 가장자리의 온도 보다 높게 되어 증착되는 막의 두께가 불균일하게 형성되는 단점이 있다.

한편, 종래의 기술에 따른 다른 한 히터 조립체에 따르면, 서셉터의 내부에 한 개의 발열체만이 존재하는데, 이는 분리된 2개의 발열체가 존재하는 히터 조립체의 온도 제어기능보다 떨어져서 웨이퍼에 증착되는 막의 두께가 더욱 불균일하게 되는 단점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 서셉터의 내부에 냉각장치를 설치하여 웨이퍼 전체적으로 가해지는 온도가 균일하도록 하는 냉각수단을 구비한 히터 조립체를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 두 개로 분리된 발열체를 구비한 히터 조립체를 나타낸 단면도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각수단을 구비한 히터 조립체의 단면도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : 웨이퍼 10, 110 : 서셉터

20, 120 : 지지부 42 : 반사판

44 : 방열판 50, 150 : 내부 발열체

60, 160 : 외부 발열체 170 : 냉각수단

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 웨이퍼를 가열하기 위해 상기 웨이퍼가 안착되는 서셉터와, 상기 웨이퍼를 가열하기 위한 열원을 제공하는 발열체 및, 상기 서셉터의 저면에 체결되어 상기 서셉터를 지지하며 상기 서셉터와의 사이에 상기 발열체를 수용할 수 있는 폐쇄공간을 형성하는 지지부를 포함하는 히터 조립체에 있어서, 상기 발열체의 중심부에는 냉각수단이 위치하며, 상기 냉각수단이 상기 발열체에서 발생하는 열에 의해 상기 웨이퍼의 전 구역이 일정한 온도로 가열되도록 상기 발열체의 중심부에서 열을 빼앗는 냉각수단을 구비한 히터 조립체가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 냉각수단에는 냉각재 유입관과 냉각재 배출관이 연결되며, 상기 냉각재 유입관과 상기 냉각재 배출관을 통해 상기 냉각수단 내부의 냉각재가 순환한다.

또한, 본 발명의 상기 냉각수단은 상기 냉각재를 수용할 수 있도록 공간이 형성된 원형 형상으로서, 고리형 상기 발열체의 안쪽에 위치한다.

아래에서, 본 발명에 따른 냉각수단을 구비한 히터 조립체의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 냉각수단을 구비한 히터 조립체의 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 히터 조립체는 웨이퍼(1)가 안착되는 서셉터(110)와, 서셉터(110)의 저면에 체결되어 내부공간(115)을 형성하는 지지부(120)와, 서셉터(110)와 지지부(120)에 의해 형성된 내부공간(115)에 위치하는 고리형 발열체(150) 및, 발열체(150)의 안쪽에 위치하는 냉각수단(170)을 포함한다.

한편, 서셉터(110)의 상면은 원판(111)과 같은 형상을 가지고 있으며, 원판(111)의 둘레에는 하부방향으로 두께면(112)이 연장되고 두께면(112)의 하면에는 서셉터(110)의 안쪽방향으로 연결턱(113)이 형성된다. 한편, 이런 연결턱(113)의 저면에는 연결턱(113)의 원주둘레를 따라 다수 개의 관통공이 형성된다.

그리고, 지지부(120)는 서셉터(110)의 원판 직경과 동일한 원판(122)과, 이런 원판(122)의 저면 중심부에 연결되는 지지대(123)를 구비한다. 이런 지지부(120)의 원판(122) 가장자리에는 다수 개의 관통공이 원판(122)의 원주를 따라 형성되며, 이런 지지부(120)가 서셉터(110)의 저면에 밀착되었을 때, 지지부(120)의 관통공은 서셉터(110)의 관통공과 일치한다. 이와 같이, 지지부(120)의 관통공과 서셉터(110)의 관통공이 일치하게 되면 고정핀(130)이 일치된 두 관통공을 관통하여 체결된다. 따라서, 서셉터(110)는 지지부(120)의 상면에 체결된다.

또한, 지지부(120)의 지지대(123) 내부에는 냉각재 유입관(182)과, 냉각재 배출관(184)과, 냉각수단(170)에 연결되는 제 2 열전대(172) 및, 발열체(160)에 연결되는 제 1 열전대(162)가 위치한다. 한편, 냉각재 유입관(182)과 냉각재 배출관(184)의 단부는 냉각수단(170)에 연결되며 냉각재 유입관(182)을 통해 냉각재를 냉각수단(170)으로 유입하고, 냉각수단(170)에서 가열된 냉각재는 다시 냉각재 배출관(184)을 통해 배출된다.

이런 냉각재로는 공기 또는 질소, 아르곤, 헬륨과 같은 불활성 가스이거나 또는 물을 사용한다.

한편, 발열체(160)에 공급되는 전원의 양을 제어하여 발열체(160)의 온도를 조절하며 발열체(160)에 연결된 제 1 열전대(162)를 이용하여 발열체(160)의 온도를 측정한다. 그리고, 냉각수단(170)에 공급되는 냉각재의 유량을 제어하여 냉각수단(170)의 온도를 조절하며 냉각수단(170)에 연결된 제 2 열전대(172)를 이용하여 냉각수단(170)의 온도를 측정한다.

이와 같은 본 발명의 냉각수단을 구비한 히터 조립체의 이론적 배경은 다음과 같다. 일반적으로 발열체(160)인 히터는 저온영역에서는 균일한 온도분포를 나타내지만, 고온영역으로 갈수록 서셉터(110)의 중심부의 온도가 가장자리의 온도보다 상대적으로 높아져 균일한 온도분포를 형성하지 못한다. 따라서, 고온영역에서 서셉터(110)의 중심부의 온도가 가장자리의 온도보다 상승될 때에 냉각수단(170)을 가동하여 서셉터(110)의 전 범위에서 균일한 온도를 유지할 수 있도록 제어하기 위한 것이다.

서셉터(110)와 지지부(120)의 사이에 형성된 내부공간(115)은 진공상태를 유지하며 이런 진공상태에서의 열전달은 복사에 의해서 이루어지며, 수학식 1은 복사 열전달을 나타낸다.

여기에서, q_ij는 표면 i에서 표면 j로 전달되는 순수 복사에너지의 교환양이고, F_ij는 전달인자로서 방사율과 기하학적 형상에 관계값을 나타낸다. 또한, A_i는 표면이고, i는 면적이며, σ는 Stefan-Boltzmann상수 ( ~ 5.67×10^-8W/m²K⁴)이고, T_i는 표면 i의 온도 , T_j는 표면 j의 온도이다.

수학식 1에서와 같이, 복사에 의한 열전달은 복사 열전달되는 두 물체의 온도에 따라 크게 달라지므로, 냉각수단(170)이 위치한 서셉터(110) 중심부의 온도는낮아지게 되어 서셉터(110)의 온도분포를 전체적으로 보았을 때, 균일한 온도분포를 가지게 된다.

이상과 같이 구성된 냉각수단을 구비한 히터 조립체의 작동에 대하여 상세히 설명하겠다.

웨이퍼(1)를 서셉터(110)의 상면에 안착시키고, 발열체(160)에 전원을 공급하게 되면 발열체(160)에서 발생하는 열은 복사 열전달되어 서셉터(110)의 상면에 안착된 웨이퍼(1)를 가열한다. 발열체(160)의 온도범위가 저온영역일 경우에는 웨이퍼(1)의 전체적으로 균일한 온도분포를 가지지만, 온도가 상승하여 고온영역일 경우에는 웨이퍼(1)의 중심부의 온도가 더 상승하게 된다. 이 때, 냉각재 유입관(182)을 통해 냉각재를 냉각수단(170)에 유입시키면, 서셉터(110) 중심부의 열은 서셉터(110)의 중심부의 하단에 위치한 냉각수단(170)으로 열전달되며 냉각재의 온도는 상승하게 된다. 냉각재 유입관(182) 및 냉각재 배출관(184)을 통해 냉각재를 계속적으로 순환시키게 되면, 서셉터(110)의 중심부의 온도는 낮아져 서셉터(110)의 가장자리 부분의 온도와 동일하게 된다.

따라서, 웨이퍼(1)의 전체적인 온도분포 또한 균일하게 되어 웨이퍼(1)에 증착되는 막의 두께는 일정하게 된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 냉각수단을 구비한 히터 조립체는 서셉터의 상면에 안착된 웨이퍼의 온도분포를 균일하게 제어함으로써, 웨이퍼에 증착되는 막의 두께를 균일하게 증착할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 히터 조립체는 서셉터와 지지부의 사이에 냉각수단이 위치함으로써, 서셉터 전체범위의 온도를 균일하게 유지함과 동시에 발열체에 연결된 도선 및 열전대가 고온에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 냉각수단을 구비한 히터 조립체에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

1. 웨이퍼를 가열하기 위해 상기 웨이퍼가 안착되는 서셉터와, 상기 웨이퍼를 가열하기 위한 열원을 제공하는 발열체 및, 상기 서셉터의 저면에 체결되어 상기 서셉터를 지지하며 상기 서셉터와의 사이에 상기 발열체를 수용할 수 있는 폐쇄공간을 형성하는 지지부를 포함하는 히터 조립체에 있어서,

   상기 발열체의 중심부에는 냉각수단이 위치하며, 상기 냉각수단이 상기 발열체에서 발생하는 열에 의해 상기 웨이퍼의 전 구역이 일정한 온도로 가열되도록 상기 발열체의 중심부에서 열을 빼앗는 것을 특징으로 하는 냉각수단을 구비한 히터 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각수단에는 냉각재 유입관과 냉각재 배출관이 연결되며, 상기 냉각재 유입관과 상기 냉각재 배출관을 통해 상기 냉각수단 내부의 냉각재가 순환하는 것을 특징으로 하는 냉각수단을 구비한 히터 조립체.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 냉각수단은 상기 냉각재를 수용할 수 있도록 공간이 형성된 원형 형상으로서, 고리형 상기 발열체의 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 히터 조립체.