KR100715689B1 - 반도체 저압화학기상증착 설비의 플랜지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition:LP-CVD) 설비의 플랜지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플랜지를 이중관체형으로 형성하면서도 그 내부에는 내,외부의 온도를 차단토록 하는 단열수단을 갖춤으로써 웨이퍼(Wafer)의 표면상에 가스입자의 균일한 증착이 이루어지도록 함은 물론이고 두터운 막도 균일하게 증착이 이루어지도록 하는 것이다.

이는 상부에는 내,외튜브를 비롯한 가열부가 설치되고 하부에는 웨이퍼가 장착되는 포트가 설치되는 플랜지를 갖춘 반도체 저압화학기상증착 설비에 있어서, 상기 저압화학기상증착의 플랜지는 소정직경을 가지면서 상부에는 냉각수조가 형성됨과 동시에 하부에는 가스유입구 및 가스배출구를 가지는 이중 관체형의 내,외벽면과; 상기 내,외벽면 사이에서 상향 개구되게 형성되고 일측에는 내부의 압력해소를 위해 외부로 연통되는 배기구를 가지는 설치홈과; 상기 설치홈내에 삽입체결되고 내,외부의 열을 차단토록 하는 단열재와; 상기 설치홈의 상단 개구부에 일체로 형성되어 밀폐토록 하는 차단판;으로 구성된 것이다.

화학기상증착, 반도체 회학기상증착, 웨이퍼, 웨이퍼 가스증착

Description

반도체 저압화학기상증착 설비의 플랜지{Flange of Low Pressure Chemical Vapor Deposition}

도 1은 일반적인 반도체 저압화학기상증착 설비의 개략구성도

도 2는 본 발명이 적용되는 반도체 저압화학기상증착 설비의 구성도

도 3는 도2의 요부를 확대하여 보인 구성도

도 4는 본 발명 플랜지의 사시도

도 5는 본 발명 도4의 평면구성도

도 6은 본 발명 도4의 일부단면구성도

도 7은 본 발명 도6의 일부 확대도
도 8은 본 발명의 일부확대평단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:외부튜브 11:오링

20:내부튜브 30:플랜지

31:외벽면 32:수조

33:유입구 34:배출구

35:내벽면 36:설치홈

37:차단판 38:배기구

39:환형돌기 40:보트

40a:슬롯 41:웨이퍼
50:단열재 51:가스유입구
52:가스배출구

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본 발명은 반도체 저압화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition:LP-CVD) 설비의 플랜지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플랜지를 이중관체형으로 형성하면서도 그 내부에는 내,외부의 온도를 차단토록 하는 단열수단을 갖춤으로써 웨이퍼(Wafer)의 표면상에 가스입자의 균일한 증착이 이루어지도록 함은 물론이고 두터운 막도 균일하게 증착이 이루어지도록 하는 반도체 저압화학기상증착 설비의 플랜지에 관한 것이다.

일반적으로 화학기상증착(CVD)은 상압이나 저압 또는 플라즈마 등의 특정한 상태를 형성하고 있는 챔버의 내부에 막의 재료가 되는 여러 가지 가스들을 공급하여 웨이퍼의 표면상에 요구되는 재질의 막을 증착시키도록 하는 공정이다.

상기 웨이퍼는 실리콘으로 만든 얇은 원판 형태의 반도체 칩의 원판으로서 이 실리콘 웨이퍼의 표면에 도전층 및 절연층 등의 얇은 막을 증착함과 동시에 회 로를 구성하여 전기적 동작이 가능토록 하는 것이다.

따라서, 상기한 화학기상증착 공정 중에서 챔버의 내부를 저압상태로 형성하여 공정을 진행토록 하는 것이 일명 저압화학기상증착(LPCVD)이라 할 수 있으며, 이의 일반적인 구성을 살펴보면 도1에서 보는 바와 같다.

도1에서 참조되듯이 공정을 위한 챔버(1)는 석영 재질로 형성되는 외측튜브(2)와 내측튜브(3)가 이중으로 형성되어 있고, 하부에는 이들을 지지고정토록 하는 플랜지(4)가 설치되어 있다.

즉, 상기 플랜지(4)는 소정의 직경을 가지는 금속재질의 관체형상으로 형성되면서 내측면에는 내향 돌출되는 환형돌기가 형성되어 내부튜브(3)가 장착되고, 상단부에는 외측튜브(2)가 올려져 밀착 체결된다.

또한 상기 플랜지(4)의 일측에는 내부와 연통되면서 증착가스가 출입되는 가스유입구(4a) 및 가스배출구(4b)가 각각 형성되어 있음과 동시에 하부에는 다수 개의 웨이퍼(5)가 슬롯(6a)에 의해 장착되는 보트(boat:6)가 승강가능토록 설치되어 있다.
상기 보트(6)는 도면에서는 미도시되어 있지만 별도의 승강장치에 의해 승강작동되도록 구성되고, 도8에서 더욱 상세히 나타낸 바아 같이 보트(6)의 상부에는 다수 개의 슬롯(6a)이 수직방향으로 설치되어 원판형으로 이루어지는 웨이퍼(5)들을 적층 설치하게 된다.
따라서, 이같이 구성되는 종래의 저압 화학기상증착장치는 웨이퍼(5)들이 보트(6)의 슬롯(6a)에 장착된 상태에서 이의 보트(6)가 별도의 승강장치에 의해 상승작동되어 내측튜브(3)의 내부로 진입하게 됨과 동시에 플랜지(4)의 하단부에 밀착됨으로써 내부를 밀폐된 공간으로 형성하게 된다.

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이러한 상태에서 가스배출구(4b)를 통하여 챔버(1)의 내부를 진공상태로 유지한 다음, 대상이 되는 증착가스를 가스유입구(4a)를 통해 유입시킴과 동시에 외측튜브(2)의 외연에 형성된 가열부(미도시됨)를 가동함으로써 슬롯(6a)에 적층된 웨이퍼(5)의 표면상에 화학성분의 얇은 질화막이 증착되는 것이고, 이때 증착가스는 내측투브(3)의 상단부를 거쳐 내,외측튜브(2)(3)의 사이를 통하여 가스배출구(4b)로 배출되는 것이다.

그러나 이와 같이 구성되는 종래의 화학기상증착장치에 있어서는 플랜지의 구조적인 특성상 여러 가지 문제점이 야기되고 있다.

즉, 챔버(1)의 내부에는 약 800℃ 정도의 고온이 형성됨에 따라 내,외부의 온도차이로 인하여 금속재질로 이루어지는 플랜지의 내벽면에는 가장 심한 열변화를 가져오게 되고, 이에 따라 웨이퍼(5) 뿐만 아니라 플랜지(4)의 내벽면에도 많은 증착이 이루어지게 된다.

이같이 웨이퍼(5) 외에 원하지 않는 부위에 가스입자가 달라붙어 막이 형성되며, 이는 상대적으로 웨이퍼(5)보다는 결합력이 낮기 때문에 공정이 완료된 후 진공상태가 해제되는 과정에서 외부공기가 유입될 때, 이 막들이 일부 낙하되면서 웨이퍼의 표면으로 낙하되어 불량을 초래하게 된다.

즉, 웨이퍼 측으로 낙하되는 막들로 인하여 균일한 표면을 유지하지 못하여 후공정에 치명적인 악영향을 미치게 되는 것으로, 이러한 경우 튜브 내부의 장비에 증착된 막, 이를테면 육안으로 거의 보이지 않을 정도의 미립자(article)들이 마치 그을음과 같이 웨이퍼의 표면으로 낙하되어 악영향을 미치게 되는 것이다.

또한, 상기와 같이 원하지 않는 부위에 증착이 이루어질 경우 초기에는 아주 얇은 막 상태이므로 자체 하중이 높지 않아 낙하되는 경우가 적지만, 공정 반복될수록 그 두께가 점차적으로 증가되어 낙하확률이 높아지는 문제점이 있는 것이다.

이러한 현상을 방지하기 위하여 종래에는 공정을 몇 회 반복한 후, 작업을 중지한 상태(다운 타임:Down Time)에서 내부를 세정하는 작업을 필수적으로 행하였 기 때문에 생산성 저하 등 경제적인 손실을 초래하게 되는 문제점이 있었다.

특히, 이같이 주기적, 반복적인 세정작업에도 불구하고 일부 이물질이 웨이퍼상에 달라붙게 되므로 불량율의 증가는 필연적일 수 밖에 없는 중대한 문제점이 있는 것이었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 가지 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 저압 화학기상증착장치의 플랜지를 이중관체로 형성함과 동시에 이들 사이에는 단열재를 설치하여 내,외부의 온도를 차단함으로써 균일한 온도와 압력으로 웨이퍼상에 고른 가스막의 증착을 기대할 수 있도록 하는 반도체 저압화학기상증착 설비의 플랜지를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 저압화학기상증착 설비의 플랜지를 개선함으로써 달성되는 것으로, 상기 플랜지는 그 벽면을 상부가 개구되는 이중의 관으로 형성하면서도 이들 사이의 설치공간에 별도의 단열재를 설치하여 상부에서 차단판으로 밀폐하고, 또한 상기 설치공간의 일측에는 공기배기구를 형성하여 열에 의해 단열재가 팽창시 내부압력이 해소될 수 있도록 구성함으로써 플랜지의 내부 온도를 항상 균일하게 유지하여 불필요한 증착이 이루어지는 것을 방지토록 함을 특징으로 하는 것이다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면의 도2 및 도3에서는 본 발명의 플랜지가 적용되는 반도체 저압화학기상증착장치의 일부를 나타낸 도면이고, 도4 이하에서는 본 발명의 플랜지를 상세히 나타내고 있다.

상기 저압화학기상증착장치는 도면에서 보듯이 밀폐형의 외부튜브(10)와 이의 내부에 이중으로 설치되는 내부튜브(20)와, 상기 내,외튜브(10)(20)의 하부에 설치되어 이들을 지지토록 하는 플랜지(30)와, 상기 플랜지(30)의 하부에서 승강작동되면서 웨이퍼를 적층한 보트(40)로 구성된다.

상기 내,외부튜브(10)(20)는 플랜지(30)의 상부에 설치되어 이에 지지되는 것으로, 상기 플랜지(30)는 금속재질로 이루어지면서 소정 직경을 가지는 이중의 관체형으로 형성된다.

플랜지(30)는 외벽면(31)의 상단부에 외부튜브(10)가 밀착체결되면서 외주연을 따라 냉각수가 저수되어 상단 결합부의 오링(11)을 냉각시키도록 하는 수조(32)가 갖추어져 구성된다,

상기 수조(32)의 냉각수는 플랜지(30)와 외부튜브(10) 사이에 기밀을 유지토록 설치되는 오링(11)의 열변형을 방지하기 위한 것이며, 일측에는 수조(32)내로 냉각수를 유입토록 하는 유입구(33)와 냉각수를 배출토록 하는 배출구(34)가 형성된다.

또한, 외벽면(31)의 내부에는 내벽면(35)이 형성되면서 이들 사이에는 상향 개구되는 설치홈(36)이 형성되고, 이 설치홈(36)에는 단열성을 뛰어난 석영 등의 재질로 이루어지는 단열재(50)가 설치된다.

즉, 상기 설치홈(36)은 외벽면(31)과 내벽면(35)에 의해 상향 개구되는 형태로 설치되어 별도의 단열재(50)가 설치되는 것이며, 이의 단열재(50)는 석영 재질 뿐만 아니라 내열성과 단열성이 뛰어난 여러 가지 재질로 형성되어 내,외부의 온도를 차단하게 된다.

또한, 상기 설치홈(36)의 상단에는 별도의 차단판(37)이 용접 등의 방법으로 체결되어 설치홈(36)을 밀폐시키게 되고, 상기 설치홈(36)의 일측 소정에는 내부에서 단열재(50)가 고온에 의해 팽창시 압력을 해소토록 하는 배기구(38)가 형성된다.

상기 배기구(38)는 설치홈(36)내에 발생되는 고압을 외부로 해소토록 하기 위한 것으로, 즉 고온에 의해 단열재(50)가 열팽창되는 경우 압력이 지나치게 증가하여 터질 수 있는 것을 미연에 방지하기 위한 것이며, 적어도 하나 이상 설치하는 것이 요구된다.

또한, 상기 플랜지(30)의 하부 일측에는 내부로 가스를 유입토록 하는 가스유입구(51)가 설치됨과 동시에 타측에는 가스배출구(52)가 각각 설치되어 챔버의 내부로 웨이퍼에 막을 형성토록 하는 가스를 유입 및 배출시키게 된다.

그리고, 상기 플랜지(30)의 하부에는 도8에서 보듯이 원판형의 웨이퍼(41)를 슬롯(40a)에 적층하여 내,외부튜브(10)(20)내로 출입시키도록 하는 보트(40)가 통상에서와 같이 설치되고, 이 보트(40)는 미도시된 별도의 엘레베이터에 의해 승강작동된다.

한편, 도면중 미설명 부호 39는 플랜지의 외벽면 내부에 내향 돌출되게 설치되는 환형돌기로서 이는 내부튜브(20)가 설치되는 기능을 제공하게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 플랜지(30)의 상부에 내,외튜브(10)(20)가 각각 설치됨과 동시에 하부에는 보트(40)가 설치되고, 상기 외부튜브(10)의 외주연에는 미도시된 가열부가 설치된다.

따라서, 튜브내에 웨이퍼를 넣고 내부를 고온/진공상태로 만든 후 대상이 되는 가스를 충진하여 웨이퍼의 표면상에 그 가스에 포함된 화학성분들을 얇은 막으로 증착하도록 하는 것이다.

즉, 웨이퍼(41)들이 보트(40)의 슬롯(40a)에 다수 개가 장착된 상태에서 상기 보트(40)가 별도의 엘리베이터와 같은 승강장치에 의해 서서히 상승되어 내부튜브(20)의 내측으로 이동하게 되면 챔버의 내부는 밀폐된 상태를 유지하게 된다.

이어서 도면중 미도시된 가열부(외부튜브의 외측에 설치됨)가 가열되면서 튜브 내측의 온도를 약800℃ 정도로 유지하게 됨과 동시에, 진공펌프를 통하여 튜브 내부의 공기를 배출시켜 챔버내를 진공상태로 유지하게 된다.

이는 내부에 잔류하는 공기 중에 포함된 산소, 이산화탄소, 질소, 수분 등과 같은 불순물의 영향을 최소화하기 위한 것으로 즉, 열전달물질인 공기를 최대한 제거하여 튜브내의 온도편차를 줄이기 위함이다.

챔버내의 진공이 이루어지고 나면 가스유입구(51)를 통해 가스(SiH2CL2, NH3, SiH4, N2O 등)를 주입함으로써 이 가스가 도면의 화살표와 같이 이동되면서 화확적인 반응이 일어나게 되어 슬롯(40a)에 적층된 웨이퍼(41)의 표면상에 막을 증착시키게 된다.

이때, 상기 챔버내에는 고온/고압이 유지되는 것이나, 본 발명에 의한 단열수단에 의해 외부온도에 의한 영향을 최대한 받지 않고 고른 온도와 압력을 유지하게 됨으로써 증착효율을 향상시키게 된다.

즉, 플랜지(30)가 금속재질로 이루어짐에 따라 열변화가 가장 심한 플랜지의 벽면내에 단열수단을 포켓형태의 설치홈(36)을 형성하고, 이의 설치홈(36)내에 단열효과가 우수한 단열재(50)를 설치하여 열변화를 최소화함으로써 챔버내의 고른 열로 인하여 증착효율을 증대시키게 된다
이때 증착가스는 내부튜브(20)의 상단을 거쳐 내,외부튜브(10)(20) 사이의 공간을 통하여 가스배출구(52)로 배출되는 것이고, 이같이 증착이 모두 완료되면, 전술한 역순의 작동에 의해 챔버내를 대기압으로 만든 후 보트(40)를 하강시켜 웨이퍼(41)를 회수함으로써 일련의 증착공정이 완료되는 것이다.

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이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 플랜지의 벽면을 이중관체로 형성하면서도 그 내부에 단열재를 설치하여 내,외부의 온도를 차단함으로써 웨이퍼 표면상에 막을 증착시 챔버내의 온도와 압력을 고르게 유지할 수가 있다.

따라서, 플랜지의 내벽면에 불필요하게 증착되는 막질이 웨이퍼 표면에 낙하되는 등의 불량발생 원인을 근본적으로 제거할 수 있는 효과를 가지게 될 뿐만 아니라, 웨이퍼 표면에 증착되는 막의 두께를 균일하고도 고르게 유지할 수 있는 효과를 가지게 된다.

또한, 플랜지의 세정작업에 따라 햇수와 시간을 최대한 줄일 수 있는 효과와 더불어 세정작업시 발생되는 폐기물 역시 최대한 줄일 수 있는 등의 효과를 가지게 되는 것이다.

Claims (1)

1. 상부에는 내,외튜브를 비롯한 가열부가 설치되고 하부에는 웨이퍼가 장착되는 포트가 설치되는 플랜지를 갖춘 반도체 저압화학기상증착 설비에 있어서,

   상기 저압화학기상증착의 플랜지는 소정직경을 가지면서 상부에는 냉각수조가 형성됨과 동시에 하부에는 가스유입구 및 가스배출구를 가지는 이중 관체형의 내,외벽면과;

   상기 내,외벽면 사이에서 상향 개구되게 형성되고 일측에는 내부의 압력해소를 위해 외부로 연통되는 배기구를 가지는 설치홈과;

   상기 설치홈내에 삽입체결되고 내,외부의 열을 차단토록 하는 단열재와;

   상기 설치홈의 상단 개구부에 일체로 형성되어 밀폐토록 하는 차단판;으로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 저압화학기상증착 설비의 플랜지.

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