KR100590207B1 - 반도체 소자 제조에 사용되는 저압 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

반도체 소자 제조에 사용되는 저압 화학 기상 증착 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저압 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 플랜지와 그 상부에 놓여지는 공정챔버를 가지며, 플랜지와 공정챔버 사이에는 실링을 위한 오링이 설치되고, 플랜지 내에는 오링을 냉각하는 냉각수가 흐르는 제 1유로와 제 2유로가 형성된다. 제 1유로와 제 2유로는 각각 반호형상으로 동일평면상에 형성되며, 제 1유로를 흐르는 냉각수는 오링의 영역 절반을 냉각하고, 제 2유로를 흐르는 냉각수는 오링의 나머지 영역을 냉각한다.
저압 화학 기상 증착 장치, 오링, 냉각부

Description

반도체 소자 제조에 사용되는 저압 화학 기상 증착 장치{LOW PRESSURE CHEMICAL VAPOR DEPOSITION APPARATUS USED IN MENUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICES}
도 1은 일반적인 저압 화학 기상 증착 장치의 단면도;
도 2는 도 1의 저압 화학 기상 증착 장치에서 플랜지에 형성된 유로를 개략적으로 보여주는 도면;
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 저압 화학 기상 증착 장치의 단면도; 그리고
도 4는 도 3의 저압 화학 기상 증착 장치에서 오링을 냉각하는 냉각부를 개략적으로 보여주는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 공정챔버 120 : 내부튜브
140 : 외부튜브 160 : 히터
200 : 플랜지 300 : 보트
400 : 냉각부 430 : 냉각수 공급관
440 : 냉각수 회수관 450 : 제 1유로
460 : 제 2유로 470 : 온도유지부
472 : 유량조절기 474 : 측정기
476 : 제어기 478 : 디스플레이
500 : 오링
본 발명은 반도체 소자를 제조를 위한 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 복수의 웨이퍼들 상에 박막을 형성하는 저압 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에서 화학 기상 증착 공정이란 기체 상태의 화합물을 분해한 후 화학적 반응에 의해 반도체 기판 상에 일정 박막을 증착하는 공정으로 최근에는 증착막의 균일도(uniformity)가 좋으며, 많은 양의 웨이퍼에 대해 동시에 공정을 진행할 수 있는 저압 화학 기상 증착 장치가 주로 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 화학 기상 증착 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면 저압 화학 기상 증착 장치는 내부튜브(721)와 이를 감싸는 외부튜브(722)로 이루어진 공정챔버(720)를 가지며, 내부튜브(721)와 외뷰튜브(722)는 그 아래에 위치되는 플랜지(740)에 의해 지지된다. 그리고 외부 튜브(722)와 플랜지(740) 사이에는 공정챔버(720) 내부를 외부로부터 실링하는 오링(760)이 삽입된다. 오링(760)은 합성고무 물질로 만들어져 열에 취약한 데 반하여, 공정진행시 공정챔버(720)는 매우 높은 고온으로 유지된다. 따라서 오링(760)이 열에 의한 과열로 손상되는 것을 방지하기 위하여 냉각수가 흐르는 유로(780)가 플랜지(740) 내부에 형성된다.
공정진행 도중 오링(760)이 적절한 온도로 냉각되는 것은 매우 중요하다. 냉각수의 량이 부족하면 과열로 오링(760)이 변형되고, 이로 인해 실링이 제대로 이루어지지 않아 공정챔버(720) 내부로부터 누설이 발생된다. 냉각수의 량이 많으면 유로(780)에 인접한 공정챔버(720) 또는 플랜지(740)의 내벽에 공정가스가 다량 증착되며, 이들은 후에 파티클로 작용하여 공정불량을 유발한다. 그러나 일반적인 장치에서 유로(780) 내 냉각수의 실질적인 온도와는 무관하게 일정량의 냉각수가 유로로 계속적으로 공급되므로, 오링(760)이 과냉각 또는 부족냉각된다.
도 2는 일반적인 장치에서 플랜지(740)에 형성된 유로(780)를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 플랜지(740) 내에는 하나의 유로(780)가 형성되며, 유로(780)의 일단에는 냉각수 공급관(782)이 연결되고 타단에는 냉각수 회수관(784)이 연결된다. 유로(780)가 길면 유로(780)의 일단과 타단에서 냉각수의 온도차이는 커진다. 유로(780)의 일단과 인접한 오링(760)의 영역을 적정 온도로 유지하면 유로(780)의 타단과 인접한 영역에서 오링(760)이 부족냉각되어 파손된다. 반대로 유로(780)의 타단과 인접한 오링(760)의 영역을 적정온도로 유지하면, 유로(780)의 일단과 인접한 부분에서 과냉각으로 인해 플랜지(740) 또는 공정챔버(720)의 내벽에 공정가스가 다량 증착되어 공정불량이 발생된다. 또한, 비록 오링(760)이 모든 영역에서 적정온도 범위 이내로 냉각된다 할지라도 유로(780)의 일단과 인접한 오링(760)의 영역과 유로(780)의 타단과 인접한 오링(760)의 영역간 큰 온도차이로 인하여 오링(760)이 변형되어 파손될 수 있다. 웨이퍼가 대구 경화될수록 상술한 문제는 더욱 커진다.
본 발명은 공정 도중 오링이 파손되거나 플랜지의 내벽에 공정가스가 다량 증착되는 것을 방지할 수 있는 저압 화학 기상 증착 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 냉각수가 흐르는 일단과 타단에서 냉각수의 온도차이를 최소화할 수 있는 저압 화학 기상 증착 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 저압 화학 기상 증착 장치는 플랜지와 상기 플랜지 상에 설치되는 공정챔버를 포함하며, 상기 플랜지와 상기 공정챔버의 접촉면에 설치되어 실링부재가 삽입되어 외부로부터 공정챔버 내부를 실링한다. 또한, 상기 실링부재를 냉각하는 냉각부가 제공되며, 상기 냉각부는 상기 플랜지 내부에 형성되는 복수의 유로들을 가지고, 각각의 상기 유로의 일단에는 냉각수 공급관이 연결되고 각각의 상기 유로의 타단에는 냉각수 회수관이 연결된다. 각각의 상기 유로를 흐르는 냉각수는 상기 실링부재의 상이한 영역을 냉각하여, 각각의 상기 유로의 일단과 타단에서 냉각수의 온도차가 줄어든다. 일 예에 의하면, 상기 플랜지에는 상기 유로가 2개 형성되고, 상기 실링부재는 오링이며, 상기 유로는 각각 반호의 형상으로 서로 대향되도록 동일평면상에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 장치는 상기 유로의 타단에서 냉각수를 일정범위의 온도로 유지시키는 온도유지부를 더 포함할 수 있다. 상기 온도유지부는 상기 유로로부터 유출되는 냉각수의 온도를 측정하는 측정기와 상기 측정기로부터 측정된 값에 따라 상기 유로로 유입되는 냉각수의 량을 조절하는 유량조절기를 가진다. 상기 측정기에 의해 측정된 온도값과 상기 유량조절기에 의해 조절된 냉각수의 량을 시각적으로 보여주는 디스플레이가 더 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 3 내지 도 4를 참조하면서 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 저압 화학 기상 증착 장치(1)를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 장치(1)는 공정챔버(100), 플랜지(200), 보트(300), 냉각부(400), 그리고 실링부재(500)를 가진다. 공정챔버(100)는 웨이퍼(W)에 증착이 이루어지는 공간을 제공하며, 석영(quartz) 재질의 내부튜브(inner tube)(120)와 외부튜브(outer tube)(140)를 가진다. 내부튜브(120)는 상·하부가 모두 개방된 원통형의 형상을 가지고, 외부튜브(140)는 내부튜브(120)를 감싸도록 설치되며 하부가 개방된 원통형의 형상을 가진다. 외부튜브(140)의 바깥쪽에는 외부튜브(140)를 감싸도록 설치된 히터(160)가 배치되며, 히터(160)는 공정진행 중 공정챔버(100) 내부를 고온으로 유지한다.
공정이 수행되는 웨이퍼들(W)은 보트(300)에 탑재된다. 보트(300)는 수평으 로 놓여진 하부받침대(314) 및 이와 대향되도록 위치되는 상부받침대(312)를 가진다. 하부받침대(314)와 상부받침대(312) 사이에는 복수의 수직지지대들(316)이 설치되며, 각각의 수직지지대(316)에는 웨이퍼(W)의 가장자리가 삽입되는 슬롯들이 형성된다. 슬롯은 각각의 수직지지대(316)에 대략 50 내지 100개가 형성될 수 있다. 보트(300)는 보트지지부(320)에 의해 지지되며 보트지지부(320) 내에는 방열판(340)들이 수평방향으로 삽입된다. 방열판(340)은 석영을 재질로 하며, 공정가스가 보트(300)의 주변으로 고르게 퍼져 균일하게 공급되도록 하고, 공정챔버(100) 내에서 열이 하부로 전달되어 열손실이 발생하는 것을 방지한다. 보트지지부(320)의 아래에는 보트(300)를 상하로 이동하고 이를 회전시키는 구동부(도시되지 않음)가 결합된다.
공정챔버(100)는 그 아래에 위치되는 플랜지(200)에 의해 지지된다. 플랜지(200)의 중앙에는 통공이 형성되며 이 통공을 통해 공정챔버(100)는 플랜지(200) 아래에 위치되는 로드록 챔버(도시되지 않음)와 통하게 되고, 로드록 챔버에서 웨이퍼(W)들을 적재한 보트(300)가 공정챔버(100) 내로 출입하게 된다. 플랜지(200)의 상단부에는 외부튜브(140)를 지지하는 지지부(210)가 배치되며, 내측벽에는 내부튜브(120)를 지지하는 원반형의 받침대(220)가 안쪽으로 돌출된다. 또한, 플랜지(200)의 일측에는 공정가스 공급관(242)과 연결된 공정가스 주입포트(240)가 형성된다. 공정가스는 내부튜브(120)의 내측으로 유입되어 보트(300)에 탑재된 웨이퍼(W)들 상에 증착된다. 공정가스 주입포트(240)는 웨이퍼(W)에 증착하고자 하는 막의 종류에 따라 복수개가 형성될 수 있다. 공정가 스 주입포트(240) 아래에는 퍼지가스 공급관(262)과 연결되는 퍼지가스 주입포트(260)가 형성된다. 퍼지가스는 웨이퍼(W)상에 자연산화막이 형성되는 것을 방지하기 위해 공정챔버(100) 내의 공기를 제거한다. 퍼지가스로는 질소가스가 사용될 수 있다. 플랜지(200)의 타측에는 배기포트(280)가 형성되며, 배기포트(280)에는 공정 진행시 저압분위기를 형성하고 공정 부산물들을 배기하는 배기관(282)이 연결된다.
외부튜브(140)와 플랜지(200)의 접촉면에는 외부로부터 공정챔버(100) 내부를 실링하는 실링부재가 삽입된다. 실링부재로는 오링(500)이 사용될 수 있다. 공정진행 중 공정챔버(100)는 상술한 히터(160)에 의해 500℃ 내지 800℃로 가열되므로, 오링(500)이 열에 의해 파손될 수 있다. 이를 방지하기 위해 오링(500)을 냉각하는 냉각부(400)가 제공되며, 냉각부(400)는 냉각기(chiller)(420), 냉각수 공급관(430), 냉각수 회수관(440), 제 1유로(450)와 제 2유로(460), 그리고 온도유지부(470)를 가진다.
도 2는 플랜지(200)에 형성된 제 1유로(450)와 제 2유로(460)를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 제 1유로(450)와 제 2유로(460)는 냉각수가 흐르는 통로로 오링(500)과 인접한 플랜지(200)의 측벽 내부에 형성된다. 플랜지(200)는 원통형상을 가지며, 제 1유로(450)와 제 2유로(460)는 각각 반호의 형상을 가지며 동일평면 상에서 서로 마주보도록 형성된다. 제 1유로(450)의 일단과 제 2유로(460)의 일단에는 각각 유입포트(452, 462)가 설치되고, 제 1유로(450)의 타단과 제 2유로(460)의 타단에는 각각 유출포트(454, 464)가 설치된다. 냉각수는 저장탱크(410)로부터 냉각기(420)로 공급되며, 냉각기(420)에서 공정에 적정한 온도로 조절된다. 냉각수 공급관(430)은 제 1냉각수 공급관(431)과 제 2냉각수 공급관(432)을 가진다. 제 1냉각수 공급관(431)은 냉각기(420)와 제 1유로의 유입포트(452)를 연결하고, 제 2냉각수 공급관(432)은 제 1냉각수 공급관(431)으로부터 분기되어 제 2유로의 유입포트(462)와 연결된다. 저장탱크(410)와 냉각기(420)를 연결하는 관(412) 및 제 1냉각수 공급관(431)에는 그 통로를 개폐하는 밸브(451, 452)가 설치된다. 제 1냉각수 공급관(431)에서 밸브(452)는 제 2냉각수 공급관(432)이 분기되는 지점과 냉각기(420) 사이에 설치된다. 냉각수 회수관(440)은 제 1냉각수 회수관(441)과 제 2냉각수 회수관(442)을 가진다. 제 1냉각수 회수관(441)은 제 1유로의 유출포트(454)와 저장탱크(410)를 연결하고, 제 2냉각수 회수관(442)은 제 1냉각수 회수관(441)으로부터 분기되어 제 2유로의 유출포트(464)와 연결된다. 제 1냉각수 회수관(441)에는 그 통로를 개폐하는 밸브(453)가 설치되며, 밸브(453)는 제 2냉각수 회수관(442)이 분기되는 지점과 저장탱크(410) 사이에 설치된다.
냉각기(400)로부터 온도가 조절된 냉각수의 일부는 제 1냉각수 공급관(431)을 통해 제 1유로(450)로 흐른 후 제 1냉각수 회수관(441)을 통해 저장탱크(410)로 회수된다. 나머지 냉각수는 제 2냉각수 공급관(432)을 통해 제 2유로(460)로 흐른 후 제 2냉각수 회수관(442)을 통해 저장탱크(410)로 회수된다. 냉각수는 제 1유로(450)와 제 2유로(460)로 균등하게 분배되어 공급되는 것이 바람직하다. 상술한 냉각부(400)의 구조로 인해, 오링(500)의 영역 중 반은 제 1유로(450)를 흐르는 냉각수에 의해 냉각되고, 오링(500)의 영역 중 나머지 영역은 제 2유로(460)를 흐르는 냉각수에 의해 냉각된다. 이는 플랜지(200)에 하나의 유로만이 형성되는 경우에 비해 유로의 일단과 타단에서 냉각수의 온도 차이가 적다. 따라서 냉각수 회수관(440)이 연결되는 지점과 인접하는 영역에서 오링(500)의 부족냉각되어 오링(500)이 과열로 파손되는 것을 방지할 수 있으며, 오링(500)의 영역에 따른 온도차이가 적어 오링(500)의 파손이 방지될 수 있다. 본 실시예에서 냉각수가 흐르는 유로는 플랜지(200)에 2개 형성되는 것으로 설명하였다. 그러나 오링(500)의 직경의 크기나 공정 정밀도에 따라 더 많은 수의 유로가 형성될 수 있다.
유로(450, 460)를 흐르는 냉각수가 적정량으로 공급되는 것은 중요하다. 냉각수의 량이 적으면, 오링(500)이 충분히 냉각되지 않아 과열로 오링(500)이 파손된다. 반대로 냉각수의 량이 많으면, 유로와 인접한 플랜지(200)의 내벽, 또는 공정챔버(100)의 내벽에 공정가스가 다량 증착되어 공정불량을 야기한다.
온도유지부(470)는 냉각수 회수관(440)이 연결되는 지점에서 냉각수의 온도를 일정범위 내로 유지시키는 기능을 수행하는 부분으로, 온도유지부(470)는 유량조절기(472), 측정기(474), 제어기(476), 그리고 디스플레이(478)를 포함한다. 측정기(474)는 유로(450, 460)로부터 유출되는 냉각수의 온도를 측정한다. 측정기(474)는 온도감지센서가 사용될 수 있으며, 측정기(474)는 유출포트(454, 464)와 인접한 냉각수 회수관(440) 상에 설치될 수 있다. 측정기(474)는 제 1냉각수 회수관(441)과 제 2냉각수 회수관(442)에 각각 설치된다. 유량조절기(472)는 유로(450, 460)로 유입되는 냉각수의 량을 각각 조절한다. 유량조절기(472)는 냉각수 공급관(430) 중 유입포트(452, 462)와 인접한 부분에 설치되며, 제 1냉각수 공급관(431)과 제 2냉각수 공급관(432)에 각각 설치된다. 유량조절기(472)는 전기적으로 제어가 가능한 밸브가 사용된다. 측정기(474)에 의해 측정된 온도는 제어기(476)로 전송되고, 제어기(476)는 측정값에 따라 유량조절기(472)를 제어한다. 즉, 측정된 냉각수의 온도가 설정범위보다 낮은 경우 제어기(476)는 유로(450, 460)로 공급되는 냉각수의 량이 증가되도록 유량조절기(472)를 제어하고, 측정된 냉각수의 온도가 설정범위보다 높은 경우 냉각수의 량이 줄어들도록 유량조절기(472)를 제어한다. 또한, 측정기(474)에 의해 측정된 온도값과 유량조절기(472)에 의해 조절된 냉각수의 량을 작업자에게 시각적으로 보여주는 디스플레이(478)가 설치될 수 있다.
본 발명에 의하면 유로로 유입되는 냉각수의 량이 냉각수 회수관(440)을 통해 회수되는 냉각수의 온도에 따라 조절되므로, 부족냉각으로 인해 오링(500)이 파손되는 것을 방지할 수 있고, 과냉각으로 인해 공정챔버(100) 내벽 또는 플랜지(200)의 내벽에 공정가스가 다량 증착되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서는 제 1냉각수 회수관(441)과 제 2냉각수 회수관(442)에 각각 측정기가 설치되는 것으로 설명하였다. 그러나 본 실시예처럼 제 1유로(450)와 제 2유로(460)의 길이가 동일한 경우, 측정기는 제 1냉각수 회수관(441)과 제 2냉각수 회수관(442) 중 어느 하나에만 설치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 유로로 유입되는 냉각수의 량이 회수관을 통해 회수되는 냉각수의 온도에 따라 조절되므로, 부족냉각으로 인해 오링이 파손되는 것을 방지할 수 있고, 과냉각으로 인해 공정챔버 내벽 또는 플랜지의 내벽에 공정가스가 다량 증착되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 복수의 유로들이 형성되므로, 유로의 일단과 타단에서 냉각수의 온도 차이가 적어 냉각수 회수관이 연결되는 지점과 인접하는 영역에서 오링이 충분히 냉각되지 않는 문제점을 해결할 수 있을 뿐 만 아니라 오링이 영역에 따라 온도차가 크게 달라져 파손되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (4)

  1. 집적회로 제조에 사용되는 저압 화학 기상 증착 장치에 있어서,
    플랜지와;
    상기 플랜지 상에 설치되는 공정챔버와;
    상기 플랜지와 상기 공정챔버의 접촉면에 설치되어 외부로부터 기밀을 유지하는 실링부재와;
    상기 실링부재를 냉각하는 냉각부를 구비하되,
    상기 냉각부는,
    상기 플랜지 내부에 형성되는 복수의 유로들과;
    각각의 상기 유로의 일단에 연결되는 냉각수 공급관과;
    각각의 상기 유로의 타단에 연결되는 냉각수 회수관을 포함하며,
    상기 복수의 유로들은 동일 평면 상에 형성되고, 상기 각각의 유로를 흐르는 냉각수는 상기 실링부재의 서로 상이한 영역을 냉각하는 것을 특징으로 하는 저압 화학 기상 증착 장치.
  2. 집적회로 제조에 사용되는 저압 화학 기상 증착 장치에 있어서,
    플랜지와;
    상기 플랜지 상에 설치되는 공정챔버와;
    상기 플랜지와 상기 공정챔버의 접촉면에 설치되어 외부로부터 기밀을 유지하는 실링부재와;
    상기 실링부재를 냉각하는 냉각부를 구비하되,
    상기 냉각부는,
    상기 플랜지 내부에 형성되며, 동일 평면 상에 반호 형상으로 제공되는 2개의 유로들과;
    각각의 상기 유로의 일단에 연결되는 냉각수 공급관과;
    각각의 상기 유로의 타단에 연결되는 냉각수 회수관을 포함하며,
    상기 각각의 유로를 흐르는 냉각수는 상기 실링부재에서 서로 상이한 영역을 냉각하는 것을 특징으로 하는 저압 화학 기상 증착 장치.
  3. 집적회로 제조에 사용되는 저압 화학 기상 증착 장치에 있어서,
    플랜지와;
    상기 플랜지 상에 설치되는 공정챔버와;
    상기 플랜지와 상기 공정챔버의 접촉면에 설치되어 외부로부터 기밀을 유지하는 오링과;
    상기 오링을 냉각하는 냉각부를 구비하되,
    상기 냉각부는,
    상기 플랜지 내부에 형성되며, 상기 오링의 원주 방향을 따라 상기 오링의 서로 상이한 영역을 냉각하도록 호 형상으로 제공되는 복수의 유로들과;
    각각의 상기 유로의 일단에 연결되는 냉각수 공급관과; 그리고
    각각의 상기 유로의 타단에 연결되는 냉각수 회수관을 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 화학 기상 증착 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저압 화학 기상 증착 장치는 상기 유로의 타단에서 냉각수를 일정범위의 온도로 유지시키는 온도유지부를 더 포함하되,
    상기 온도유지부는,
    상기 유로로부터 유출되는 냉각수의 온도를 측정하는 측정기와;
    상기 측정기로부터 측정된 값에 따라 상기 유로로 유입되는 냉각수의 량을 조절하는 유량조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 저압 화학 기상 증착 장치.
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