KR100596503B1 - 기판 가열로 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치 - Google Patents
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Abstract
챔버에 조사되는 광을 미연에 차단하는 구조를 갖는 기판 가열로 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치는 다수 매의 기판을 지지하는 보트를 수용하는 공간을 갖는 공정 챔버와 상기 기판을 가열하기 위해 상기 공정 챔버의 외부를 둘러싸도록 구비되고, 외부에서 인가된 전원에 의해 광(Light)과 열(Heat)이 발생하는 히터 및 상기 히터 표면에 형성되어 상기 챔버 내부에 수용된 기판에 제공되는 광을 차단하며, 상기 챔버 내부로 제공되는 열을 전달하는 코팅막을 포함한다. 상기 코팅막이 형성된 히터는 광이 생성되지 않고, 챔버 내부로 열만 제공하기 때문에 기판의 폴리실리콘막을 증착하는 공정을 수행할 경우 폴리실리콘막의 이상 성장을 억제할 수 있다.
Description
도 1은 종래 기술에 따른 종형의 기판 가열로를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 히터를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 종형의 기판 가열로를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 화학 기상 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
202 : 공정 챔버 204 : 진공 제공부
206 : 반응 가스 제공부 210 : 매니폴드
212 : 내측 튜브 214 : 외측 튜브
216 : 보트 220 : 진공 라인
222 : 메인 밸브 224 : 진공 펌프
230 : 가열부 W : 반도체 기판
본 발명은 반도체 소자의 제조를 위한 반도체 공정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 반도체 소자를 제조하기 위한 소정의 공정이 진행되는 기판 가열로 및 이를 포함하는 화학기상증착장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치의 제조 기술은 소비자의 다양한 욕구를 충족시키기 위해 집적도, 신뢰도, 응답속도 등을 향상시키는 방향으로 발전하고 있다. 일반적으로, 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼 상에 소정의 막을 형성하고, 상기 막을 전기적 특성을 갖는 패턴으로 형성함으로서 제조된다.
상기 막을 형성하는 증착 공정은 크게 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition ; PVD)과 화학 기상 증착으로 나누어진다. 상기 화학 기상 증착 공정은 공정 챔버 내부로 제공되는 가스의 화학 반응에 의해 반도체 기판 상에 막을 형성하는 공정으로 온도, 압력, 반응 가스의 상태 등과 같은 공정 조건에 의해 다양하게 분류된다.
상기 화학 기상 증착 공정 중에서 저압 화학 기상 증착(PLCVD) 공정은 반도체 기판 상에 막을 형성할 경우 공정 챔버 내부의 압력은 200 내지 700mTorr로 저압이며, 단순히 열 에너지를 사용하여 반응을 진행한다. 상술한 화학 기상 증착 공정의 장점은 막의 균일도 및 스텝 커버리지(step coverage)가 좋고, 양질의 막을 한번에 많은 수량의 반도체 기판 상에 형성할 수 있으며, 다결정 실리콘층과 질화막 및 산화막 증착에 널리 사용되고 있다. 화학 기상 증착 장치는 공정 챔버의 형 태에 따라 종형 또는 횡형으로 구분되는데, 현재에는 종형의 화학 기상 증착 장치가 설치공간을 적게 차지하는 장점을 갖고 있기 때문에 주로 이용되고 있는 실정이다. 상기 종형의 화학 기상 증착 장치는 고온 진공 분위기 하에서 챔버의 공간 내로 소스 가스를 투입하게 되면 투입된 가스가 서로 반응하여 반응물질을 형성함과 동시에 진공 공간에서 확산되어 그 과정 속에서 기판 즉, 웨이퍼 상에 막으로 적층되는 현상을 이용하는 장치이다.
상기 종형의 화학 기상 증착 장치로는 히터 벽체 내부 공간에 석영의 튜브를 설치하고 이 튜브 내에 웨이퍼를 넣어 고온의 공정 환경을 만들어주는 종형로(vertical type furnace)가 가장 많이 사용된다. 상기 종형로는 대량의 웨이퍼가 한꺼번에 공정 공간에 투입되는 배치(batch)방식이 사용되며, 반도체장치 제조 공정상 다결정 실리콘막, 열산화막을 형성하거나, 기판에 주입된 불순물을 확산시키는 로(furnace)로서 많이 사용된다.
도 1은 종래의 종형 화학 기상 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 종형 화학 기상 증착 장치(100)는 반도체 기판(W)을 수용하는 공간을 갖는 공정 챔버(102)와 상기 공정 챔버 내부로 열을 제공하는 히터 및 증착 공정의 진행 도중에 발생하는 반응 부산물 및 미반응 가스를 배출시키고 공정 챔버(102) 내부의 압력을 조절하기 위한 진공 제공부(104)를 포함한다.
공정 챔버(102)는 내측 튜브(112, inner tube) 및 외측 튜브(114, outer tube)를 포함하고, 반응 가스 제공부(106)가 연결되며 상기 내측 튜브 및 외측 튜 브를 지지하는 매니폴드(110, manifold)를 포함한다. 내측 튜브(112) 내부에는 다수매의 반도체 기판(W)을 지지하는 보트(116, boat)가 구비되며, 보트(116)는 엘리베이터(미도시)에 의해 매니폴드(110)를 통해 상하 이동된다.
상기 히터는 상기 공정 챔버의 외측 튜브(112)를 감싸며, 상기 공정 챔버 내부에 수용된 기판 및 내부 공간을 가열하기 위해 외부로부터 전원을 인가 받아 광 및 열을 발생한다.
진공 제공부(104)는 매니폴드(110)에 연결되는 진공 라인(120), 진공 라인(120) 중에 설치되는 메인 밸브(122) 및 진공 라인(120)을 통해 매니폴드(110)와 연결되는 진공 펌프(124)를 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 장치의 히터를 나타내는 사진이다.
도 2에 도시된 히터는 상기 외측 튜브(도시하지 않음)의 외측면을 둘러싸는 코일형 열선으로 전기가 인가될 경우 발생된 저항에 의해 장파장을 갖는 광과 열을 발생한다. 이렇게 상기 코일형 열선으로부터 생성된 열은 석영 재질된 외측 튜브(도시하지 않음) 및 내측 튜브(도시하지 않음)를 투과하여 상기 기판 및 상기 공간으로 제공되는 반응가스를 가열한다.
그러나, 상기 광은 화학기상 증착 공정을 수행하여 기판 상에 폴리실리콘막을 형성할 경우 상기 기판에 형성되는 폴리실리콘막의 이상 성장을 초래한다. 이러한 폴리실리콘막의 이상 성장으로 인해 기판에 형성되는 폴리실리콘막은 그 두께가 불균일 해진다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기판의 가열 공정시 히터에서 발생되는 광을 차단할 수 있는 종형의 기판 가열로를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 히터로부터 생성된 광을 차단하여 기상증착공정시 기판에 형성되는 막질의 이상 성장을 방지할 수 있는 화학 기상 증착 장치를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기판 가열로는 다수 매의 기판을 지지하는 보트를 수용하는 공간을 갖는 공정 챔버; 및 상기 기판을 가열하기 위해 상기 공정 챔버의 외부를 둘러싸도록 구비되고, 외부에서 인가된 전원에 의해 광(Light)과 열(Heat)을 발생시키는 발열부 및 상기 발열부 표면에 형성되어 상기 챔버 내부에 수용된 기판에 제공되는 광을 차단하고 상기 챔버 내부로 제공되는 열을 전달하는 코팅막을 포함하는 히터를 갖는다.
또한, 상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상부와 하부가 각각 개방된 원통형의 내측 튜브를 커버하며, 다수 매의 기판을 지지하는 보트를 수용하는 공간을 갖으며, 돔 형상을 갖는 외측 튜브를 갖는 공정 챔버; 상기 공정챔버와 연결되고, 상기 공간에 공정가스를 제공하는 가스 제공부; 상기 공정챔버 하부에 구비되고, 상기 내측 튜브 및 외측 튜브를 지지하는 매니폴드; 상기 공정챔버 내로 제공되는 공정가스의 반응 부산물 및 미 반응 가스를 배출시키고 상기 공정 챔버 내부의 압력을 조절하는 진공 제공부; 상기 기판을 가열하기 위해 상기 공 정 챔버의 외부를 둘러싸도록 구비되고, 외부에서 인가된 전원에 의해 광(Light)과 열(Heat)을 발생시키는 발열부 및 상기 발열부 표면에 형성되어 코팅되며, 상기 기판 상에 막질층을 형성하는 공정시 상기 기판에 증착되는 막의 이상 성장을 초래하는 상기 광을 차단하는 코팅막을 포함하는 히터를 포함하는 화학기상 증착 장치를 제공한다.
상기 코팅막은 1 내지 20mm의 두께 갖고, 상기 코팅막의 재질은 석면 또는 세라믹 물질인 것이 바람직하다.
이와 같이 구성을 갖는 본 발명의 기판 가열로 및 화학 기상 증착 장치는 히터로부터 생성된 장파자의 광을 차단하고, 열은 전달할 수 있기 때문에 기판의 폴리실리콘막을 증착하여 형성할 경우 상기 기판 상에 형성되는 폴리실리콘막의 이상 성장을 억제할 수 있다. 이로 인해 상기 기판 상에 균일한 두께를 갖는 폴리실리콘 막을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 기판 가열로는 특정한 공정을 수행하는 공정 챔버에 한정되지 않고, 상기 기판을 일정온도 이상에서 가열하는 다양한 공정 챔버에 사용될 수 있고, 특히 화학기상증착 공정을 수행하는 화학 기상 증착 장치에 적용되는 것이 바람직하다. 이하에서는 종형의 화학 기상 증착 장치를 이용하여 본 발명을 설명한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공정 챔버의 열전대에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 기판 가열로를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 3에 도시된 기판 가열로(200)는 다수매의 반도체 기판(W)을 지지하는 보트(216 boat)를 수용하는 공정 챔버(202)와 공정 챔버(202)를 지지하는 매니폴드(210), 상기 공정 챔버로 열을 제공하여 기판을 가열하는 가열부(230) 및 상기 가열부로부터 발생된 광을 차단하는 코팅막(234)을 포함한다.
공정 챔버(202)는 석영 재질로 형성되고, 내부 튜브(212)와 외부 튜브(214)로 구분되어 소정 간격을 두고 수직방향으로 구비된다. 내부 튜브(212)는 상부와 하부가 각각 개방된 형태의 원통형을 갖는다. 반면에 외부 튜브(214)는 내부 및 외부 공기의 유입을 차단할 수 있도록 밀폐된 돔 형상의 구조를 갖는다. 공정 챔버(202)는 내측 튜브(212)의 내부에 다수 매의 반도체 기판(W)을 지지하는 보트(216)를 수용하는 공간을 갖는다.
또한 내측 튜브(212) 및 외측 튜브(214)를 지지하는 매니폴드(210)를 포함한다. 이때, 보트(216)는 다수의 반도체 기판을 지지하고, 상기 매니폴드(210)를 관통하여 상하로 이동되어 상기 공정챔버 내부 공간에 수용된다.
그리고, 외측 튜브(214)의 외측에는 외측 튜브(214) 및 내측 튜브(212) 내부 공간의 온도를 소정의 온도로 유지하기 위한 가열부(230)가 구비된다. 가열부(230)는 외부 튜브(214)의 둘레를 둘러싼 외벽체를 이루도록 구비되어 공정 챔버(202)의 내부 공간을 가열한다. 가열부(230)는 코일형 가열부로 외부에서 인가된 전원에 의해 전기적으로 가열되어 장파장의 광과 고온을 생성한다. 이때, 상기 가열부는 전기적인 가열 제어를 하기 위하여, 가열 제어장치가 접속되어 있다.
코팅막(234)은 상기 외부 튜브(214)과 마주보는 면에 해당하는 가열부(230)의 표면에 코팅되는 것이 바람직하다. 이는 상기 가열부(230)에서 광이 생성되지 않도록 상기 광을 미연에 차단하기 위해서이다. 상기 가열부에서 생성되는 광을 차단하기 위한 코팅막은 석면 또는 세라믹 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 석면 또는 세라믹 물질로 형성된 코팅막은 열을 전달하는 반면에 상기 광을 차단하는 효과를 갖기 때문이다.
만약, 상기 가열부(230)에서 생성된 광이 상기 코팅막(234)에 의해 차단되지 않는다면, 상기 광은 석영재질로 이루어진 외측 튜브(214)와 내측 튜브(212)를 투과하여 상기 공간 및 기판(W)으로 제공된다. 이렇게 기판(W)으로 제공된 광은 기판에 막질(도시하지 않음)을 증착할 경우 상기 막질의 이상 성장을 초래한다. 상기 막질의 이상 성장은 상기 기판에 균일한 두께를 갖는 막을 형성할 수 없는 문제점을 초래한다.
즉, 상술한 코팅막(234)이 형성된 가열부(230)를 포함하는 히터(도시하지 않음)를 포함하는 가열로(200)는 가열부에서 발생되는 광을 차단되어 반도체 기판의 형성되는 막질의 불량을 미연에 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 종형 화학기상 증착 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4에 도시된 화학 기상 증착 장치(300)는 다수 매의 반도체 기판(W)을 지지하는 보트(316 boat)를 수용하는 공정 챔버(302)와 상기 공정 챔버에 연결된 진공 제공부(304) 및 가스 제공부(306)와 상기 공정 챔버를 지지하는 매니폴드(310) 와 상기 공정 챔버로 열을 제공하는 가열부(330)와 상기 가열부로부터 발생된 광을 차단하는 코팅막(334) 및 상기 공정 챔버 내부의 열을 측정하는 열전대(도시하지 않음)를 포함한다.
공정 챔버(302)는 광과 열의 전도도가 우수한 석영 재질로 형성되고, 내부 튜브(312)와 외부 튜브(314)로 구분되어 소정 간격을 두고 수직방향으로 구비된다. 이때, 내부 튜브(312)는 상부와 하부가 각각 개방된 형태의 원통형이다. 반면에 외부 튜브(314)는 내부 및 외부 공기의 유입을 차단할 수 있도록 밀폐된 형태로 이루어져 있다. 공정 챔버(302)는 내측 튜브(312)의 내부에 다수 매의 반도체 기판(W)을 지지하는 보트(316)를 수용하고, 가스 제공부(306) 및 진공 제공부(304)가 연결된다.
진공 제공부(304)는 매니폴드(310)와 연결된 진공 라인(320)과, 메인 밸브(322) 및 진공 펌프(324)를 포함한다. 메인 밸브(322)는 폴리실리콘막 증착 공정 도중에 공정 챔버(302) 내부의 압력을 조절하고, 세정시에는 폐쇄되어 세정에 의한 불순물이 진공 펌프(324)로 유입되지 않도록 한다.
한편, 진공 라인(320)에는 세정에 의한 불순물을 배출하기 위한 배출구(360)가 형성된다. 배출구(360)는 기판의 표면에 폴리실리콘막 증착 공정 도중에는 폐쇄되고, 세정 공정중에는 개방된다.
상기 가스 제공부(306)는 폴리실리콘 막을 형성하기 위한 공정 가스인 디클로로실란 가스와 암모니아 가스를 공정 챔버(302)로 제공하며, 각각의 제공 라인에는 유량 제어부(미도시)와 에어 밸브(미도시)가 각각 설치되어 상기 공정가스의 유 량을 제어한다.
상기 공정 챔버(302) 하방에는 내측 튜브(312) 및 외측 튜브(314)를 지지하는 매니폴드(310)기 배치되어 있고, 보트(316)는 다수의 반도체 기판을 지지하고, 상기 매니폴드(210)를 관통하여 상하로 이동되어 상기 공정챔버 내부 공간에 수용된다. 상기 외측 튜브(314)의 외측에는 외측 튜브(314) 및 내측 튜브(312) 내부의 온도를 증착 온도로 유지하기 위한 가열부(330)가 구비되어 있다.
가열부(330)는 외부 튜브(314)의 둘레를 둘러싼 외벽체를 이루도록 구비되어 공정 챔버(302)의 내부 공간 및 보트에 수용된 기판을 가열한다. 가열부(330)는 코일형 가열부로 외부에서 인가된 전원에 의해 전기적으로 가열되어 장파장의 광과 고온을 생성한다. 이때, 상기 가열부는 전기적인 가열 제어를 하기 위하여, 가열 제어장치가 접속되어 있다.
본 발명의 화학기상 증착 장치에서 공정 챔버(302)의 처리온도는, 화학 기상 증착 처리에서 500-1000℃로, 또 산화처리나 확산처리에서는 800-1200℃로 설정되어 있는 실정이다.
코팅막(334)은 상기 외부 튜브(314)과 마주보는 면에 해당하는 가열부(330)의 표면에 코팅되는 것이 바람직하다. 이는 상기 가열부(330)에서 광이 발생되지 않도록 상기 광을 미연에 차단하기 위해서이다.
만약, 상기 가열부(330)에서 생성된 광이 코팅막(334)에 의해 차단되지 않는다면, 상기 광은 석영재질로 이루어진 외측 튜브(314)와 내측 튜브(312)를 투과하여 상기 공간 및 기판(W)으로 제공된다. 이렇게 기판(W)으로 제공된 광은 폴리실리 콘막(도시하지 않음)을 형성하기 위한 화학기상증착 공정시 상기 기판상에 형성되는 폴리실리콘막의 이상성장을 초래한다. 상기 폴리실리콘막의 이상 성장은 상기 기판에 균일한 두께를 갖는 폴리실리콘막을 형성할 수 없는 문제점을 초래하여 반도체 제조 공정의 균일성을 떨어뜨린다.
열전대(도시하지 않음)는 공정 챔버(302) 내부의 온도를 측정하여 공정 챔버(302) 내부에서 수행되는 공정이 정상적인 온도 조건에서 수행되는지를 확인하기 위한 것이다. 열전대는 매니폴드(310)를 관통하고, 소정 간격을 두고 수직 방향으로 연장된 내부 튜브(312)와 외부 튜브(314) 사이를 따라 수직 방향으로 연장되도록 구비된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 제조 설비의 가열부는 석면 또는 세라믹 물질로 형성된 보호막이 코팅되어 있다. 따라서 상기 코팅막에 의해 상기 가열부에서 발생되는 장파장을 갖는 광은 미연에 차단되고, 상기 공정 챔버 내부에는 열만 제공된다.
이렇게, 상기 공정 챔버 내부에는 열만 전달되기 때문에 기판의 폴리실리콘막을 증착하는 공정을 수행할 경우 상기 기판 상에 형성되는 폴리실리콘막의 이상 성장을 억제할 수 있다. 즉, 상기 공정 챔버 내의 공정을 안정적으로 수행할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역 으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (11)
- 다수 매의 기판을 지지하는 보트를 수용하는 공간을 갖는 공정 챔버; 및상기 기판을 가열하기 위해 상기 공정 챔버의 외부를 둘러싸도록 구비되고, 외부에서 인가된 전원에 의해 광(Light)과 열(Heat)을 발생시키는 발열부 및 상기 발열부 표면에 형성되어 상기 챔버 내부에 수용된 기판에 제공되는 광을 차단하고 상기 챔버 내부로 제공되는 열을 전달하는 코팅막을 포함하는 히터를 포함하는 기판 가열로.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 챔버는,상부와 하부가 각각 개방된 원통형의 내측 튜브; 및상기 내측 튜브를 커버하며 내측 튜브 내에 공기의 유입을 차단할 수 있도록 밀폐된 돔 형상의 외측튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 특징으로 기판 가열로.
- 제2항에 있어서, 상기 내측 튜브 및 외측 튜브의 재질은 석영(quartz)인 것을 특징으로 기판 가열로.
- 제2항에 있어서, 상기 공정 챔버는 내측 튜브 및 외측 튜브를 지지하는 매니폴드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열로.
- 제1항에 있어서, 상기 발열부는 코일형 열선인 것을 특징으로 하는 기판 가열로.
- 제1항에 있어서, 상기 코팅막은 1 내지 20mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 기판 가열로.
- 제1항에 있어서, 상기 코팅막의 재질은 석면 또는 세라믹 물질인 것을 특징으로 하는 기판 가열로.
- 상부와 하부가 각각 개방된 원통형의 내측 튜브를 커버하며, 다수 매의 기판을 지지하는 보트를 수용하는 공간을 갖는 돔 형상의 외측 튜브를 포함하는 공정 챔버;상기 공정 챔버와 연결되고, 상기 공간에 공정 가스를 제공하는 가스 제공부;상기 공정 챔버 하부에 구비되며, 상기 내측 튜브 및 외측 튜브를 지지하는 매니폴드;상기 공정챔버 내부로 제공되는 공정 가스의 반응 부산물 및 미 반응 가스를 배출시키고 상기 공정 챔버 내부의 압력을 조절하는 진공 제공부;상기 기판을 가열하기 위해 상기 공정 챔버의 외부를 둘러싸도록 구비되고, 외부에서 인가된 전원에 의해 광(Light)과 열(Heat)을 발생시키는 발열부 및 상기 발열부 표면에 형성되어 코팅되며, 상기 기판 상에 막질층을 형성하는 공정시 상기 기판에 증착되는 막의 이상 성장을 초래하는 상기 광을 차단하는 코팅막을 포함하는 히터를 포함하는 화학기상 증착 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 코팅막은 1 내지 20mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 코팅막의 재질은 석면 또는 세라믹 물질인 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 막질층은 폴리실리콘막인 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
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