KR100762809B1 - 열처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공정튜브를 가열하는 히터가 가지는 온도 차이를 균일하게 할 수 있는 반도체 제조를 위한 열처리 장치에 관한 것으로, 본 발명의 열처리 장치는 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리를 포함하되; 상기 히터 어셈블리는 열을 발생시키는 열선; 상기 열선을 둘러싸는 단열블럭; 상기 열선과 상기 공정튜브 사이에 위치하여, 상기 열선로부터의 불균일한 열을 흡수하여 상기 공정튜브로 균일하게 발산하는 열전달부재를 포함한다.

Description

열처리 장치{HEAT TREATMENT EQUIPMENT}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화학 기상 증착을 위한 열처리 장치를 보여주는 도면;

도 2는 도 1에 도시된 히터 어셈블리의 일부를 확대한 도면;

도 3a는 노출된 열선을 갖는 기존의 히터 어셈블리에서의 온도분포를 보여주는 도면;

도 3b는 코팅막에 의해 매몰된 열선을 갖는 본 발명의 히터 어셈블리에서의 온도분포를 보여주는 도면;

도 4는 히터 어셈블리에 설치된 온도센서와 삽입관을 보여주는 도면;

도 5는 삽입관을 보여주는 도면;

도 6은 본 발명의 변형예를 보여주는 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

110 : 공정튜브 120 : 히터 어셈블리

122 : 단열블럭 130 : 열전달부재

132 : 코팅막 140 : 온도센서

142 : 삽입관

본 발명은 반도체 제조 설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공정튜브를 가열하는 히터가 가지는 온도 차이를 균일하게 할 수 있는 반도체 제조를 위한 열처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자의 제조에는 다양한 제조공정을 거치게 되며, 그 중에서 폴리실리콘, 질화막 등을 웨이퍼 상에 증착시키는 데는 주로 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)법이 이용된다. 상기 화학기상증착법은 화학 소스(Chemical source)를 가스 상태로 장치 내에 공급하여 웨이퍼 표면상에서 확산을 일으킴으로써 유전체막, 도전막 및 반도전막 등을 웨이퍼 표면에 증착시키는 기술이다.

이러한 CVD법은 통상 장치내의 압력에 따라 저압 CVD(LPCVD: Lower Pressure CVD), 상압 CVD(Atmospheric Pressure CVD)로 구분하고, 그 외에도 플라즈마 CVD(PECVD: Plasma Enhanced CVD) 및 광여기 CVD 등이 일반적으로 사용되고 있다. 이중에서 LPCVD는 상압보다 낮은 압력에서 웨이퍼의 표면상에 필요한 물질을 침적시키는 방법으로서 확산공정에서 주로 사용된다.

LPCVD 공정중에서도 낮은 온도(560-570C)에서 진행되는 도핑 폴리(Doping-poly) 공정은 구조적인 문제로 웨이퍼상의 피막두께가 불균일하게 나타나 반도체 생산라인 공정에서 애로 사항을 느끼고 있으며, 웨이퍼 품질에까지도 영향을 주고 있다.

이러한 웨이퍼의 피막 불균일성은 석영 튜브 내부의 온도 분포가 균일하지 않음으로 해서 발생된다. 도면에서와 같이, 일반적인 LPCVD 장치는 열선이 외부로 노출되어 있어, 석영 튜브로의 열 도달 속도가 열선이 있는 곳보다 열선 사이부분에서 늦게 발생되면서, 석영 튜브에 미세한 온도차이를 발생시키게 된다. 이러한 작지만 미세한 온도차이는 웨이퍼의 피막 균일성을 떨어뜨리는 원인으로 작용하게 되는 것이다. 기존 LPCVD 장치에서의 피막 균일도는 200Å으로 매우 높은 편이다.

그리고, LPCVD 장치는 석영튜브 안쪽 표면에 누적되는 검은막을 세정하는 PM을 주기적으로 실시하게 되는데, 예방 유지 보수(preventive maintenance;PM)를 실시한 직후의 웨이퍼 피막두께 균일성이 PM을 실시하기 직전의 웨이퍼 피막두께 균일성에 비해 큰 편차(약 200Å)를 갖는다. 그 원인을 살펴본 결과, 공정 진행을 하다보면 석영 튜브 표면(안쪽 면)에 검은막이 누적되는데, 이 검은막이 열선의 복사열을 흡수하여 다시 2차로 발산하게 되면서 온도 불균형을 감소시켰고, PM 실시로 그러한 역할을 하는 검은막이 제거되면서 온도 불균형이 더욱 심화된다는 것을 알게 되었다.

한편, 기존 LPCVD 장치의 히터에는 온도센서(Thermocouple;T/C)(열전대라고도 불림)가 설치되어 있는데, 이 온도센서는 히터의 온도가 20C에서 500C까지 승온할 때 전기적 영향으로 발생되는 소음과 진동으로 인해 움직임이 발생된다. 이러한 온도센서의 움직임이 지속적으로 반복되다 보면 온도센서가 흔들리거나 빠지게 되면서 정밀한 온도 제어가 이루어지지 못하게 된다. 정밀하지 못한 온도 제어는 공정의 피막두께 불균일을 초래하게 된다. 이처럼, 온도센서의 안정적인 고정은 히 터의 온도 정밀 제어, 히터의 사용주기, 기판 피막 두께에까지 영향을 미치게 되는 것이다.

본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 온도 균일성이 향상되고 안정적인 온도 측정이 가능한 새로운 형태의 열처리 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 제조를 위한 열처리 장치는 복수의 기판들을 수용하는 공정튜브와; 상기 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리를 포함하되; 상기 히터 어셈블리는 열을 발생시키는 열선; 상기 열선을 둘러싸는 단열블럭; 상기 열선과 상기 공정튜브 사이에 위치하여, 상기 열선로부터의 불균일한 열을 흡수하여 상기 공정튜브로 균일하게 발산하는 열전달부재를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 열전달부재는 상기 열선 및 상기 열선이 설치된 상기 단열블럭의 내벽에 도포되는 코팅막이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 코팅막은 2-5mm 두께로 도포되며, 상기 코팅막은 단열 및 내열성을 갖는 단열재를 도포하여 건조시킴으로써 형성된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 코팅막은 알루미나 및 실리카를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 열전달부재는 상기 가열코팅과 상기 공정튜브 사이에 설치되는 탄화규소(SiC) 재질을 갖는 튜브로 이루어진다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 히터 어셈블리는 상기 단열블럭을 관통하여 설치되는 삽입관과, 상기 삽입관에 삽입 설치되어 상기 히터 어셈블리 안쪽 온도를 측정하는 온도센서를 포함하되; 상기 삽입관은 관형상의 몸체와, 이 몸체에 돌출되어 상기 삽입관이 돌거나 움직이는 것을 방지하는 플랜지를 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 반도체 기판 열처리 공정을 위한 시스템을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

종래 기술과 비교한 본 발명의 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)을 위한 열처리 장치를 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열처리 장치(100)는 고온 분위기하에서 기판 내에 원하는 도전형의 불순물을 확산시키는 공정을 수행하는 수직형 퍼니스 장치이다.

이 열처리 장치(100)는 내측 튜브(Inner tube, 112)와 외측 튜브(Outer tube, 114)로 이루어지는 공정튜브(110), 히터 어셈블리(120), 복수의 기판(w)들이 적재되는 보우트(116), 이 보트(116)를 지지하는 그리고 상기 공정튜브(110)의 플랜지(111)에 결합되는 시일 캡(118), 그리고 상기 시일 캡(118)과 연결되어 상기 보트(116)를 상기 공정튜브(110)에 로딩/언로딩시키기 위한 로더 장치(119)를 구비하고 있다.

상기 내측 튜브(112)는 석영으로 된 관으로, 그 내부에 기판(w)이 적재된 석영 보트(Quartz boat, 116)가 삽입되어 기판(w) 상에 화학기상증착이 진행되는 곳이다. 상기 외측 튜브(114)는 내측 튜브(112)의 외측에 설치되어 그 내부를 밀폐시키는 역할을 하며, 상기 외측튜브(114)의 상부 중앙에는 튜브배기관(148)이 설치된다. 이 튜브배기관(148)은 상기 공정튜브(110)의 내부공기를 다이렉트로 배기하기 위한 구성이다.

상기 공정튜브(110)의 플랜지(111) 일측에는 상기 내측 튜브(112) 내부로 화학소스 가스를 주입하기 위한 가스 주입구(111a)가 마련되어 있으며, 다른 일측에는 펌프(미도시됨)와 연결되어 외측 튜브(114) 내부를 감압시키기 위해 공기를 흡입하는 공기 흡입구(111b)가 마련되어 있다.

상기 히터 어셈블리(120)는 외측 튜브(114)의 외측에 설치되어 기판(w)를 소정 온도로 가열하게 된다.

도 2는 도 1에 도시된 히터 어셈블리의 일부를 확대한 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 히터 어셈블리(120)는 상부블럭(122a), 하부블럭(122b) 그리고 측면블럭(122c)으로 이루어지는 단열블럭(122)을 포함한다. 이 단열블럭(122)의 안쪽에는 열을 발생시키는 열선(124)이 설치되며, 상기 단열블럭(122)의 외곽에는 냉각수 순환라인(126)이 설치된다. 그리고 상기 냉각수 순환라인(126)을 보호하기 위해 보호커버(126a)는 상기 냉각수 순환라인(126)을 감싸도록 설치된다. 상기 열선은 세라믹 지지체(170)에 의해 지지된다.

특히, 상기 히터 어셈블리(120)는 열전달부재(130)를 포함한다. 이 열전달부재(130)는 상기 열선(124)과 상기 공정튜브(110) 사이에 위치하여, 상기 열선으로부터의 불균일한 열을 흡수한 후 상기 공정튜브(110)로 복사열을 균일하게 발산하는 것이다. 이 열전달부재(130)는 상기 열선 및 상기 열선이 설치된 상기 단열블럭(122)의 내벽에 2-5mm 두께로 도포되는 코팅막(132)으로 이루어진다. 예컨대, 열처리 장치(100)는 고온에서 공정을 진행하기 때문에, 상기 코팅막(132)의 재질은 단열 및 내열성이 뛰어난 단열재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 바람직하게는 알루미나 및 실리카를 포함하는 단열재로 이루어진다. 이 단열재는 된죽 상태로 만들어서 상기 열선과 열선이 설치된 상기 단열블럭(122)의 내벽에 2-4mm 두께로 바르거나 분사한 후 건조시키면 된다. 이처럼, 본 발명은 히터 어셈블리(120)의 구조를 변경하지 않고 기존의 열처리 장치를 온도 균일성을 뛰어난 장치로 개조할 수 있다. 만약, 상기 코팅막(132)이 5mm 이상으로 두껍게 도포될 경우, 상기 열선(124)의 열을 많이 차단하게 되어 열 효율이 떨어질 수 있으며, 2mm 이하 두께로 도포될 경우 너무 얇아서 높은 고열에 의해 코팅막이 파손될 가능성이 있다.

이러한, 상기 열전달부재(130)를 갖는 히터 어셈블리(120)는 열효율보다는 온도 균일성이 중요한 도핑 폴리(Doping-poly) 공정( LPCVD 공정중에서도 560-570C의 낮은 온도에서 진행됨)에서 사용되는 것이 바람직하다.

도 3a는 노출된 열선(12)을 갖는 기존의 히터 어셈블리(10)에서의 온도분포를 보여주며, 도 3b는 코팅막(132)에 의해 매몰된 열선(124)을 갖는 본 발명의 히 터 어셈블리(120)에서의 온도분포를 보여주는 도면이다. 도 3a 및 도 3v에서 박스내의 그래프는 온도편차를 보여주는 그래프이다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 기존 히터 어셈블리(10)에서는 열선(12)에서 방출되는 열이 직접 공정튜브(14) 표면에 도달되는데, 이때 공정튜브(14)의 표면은 열선과 인접한 부분(w1)과 열선들 사이부분(w2)에서 온도편차가 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이에 반하여, 본 발명의 히터 어셈블리(120)에서는 열선(124)에서 방출되는 열이 코팅막(132)을 가열시키고, 가열된 코팅막(132)을 통해 열이 방출되는 것으로, 열선이 인접한 부분(w1)과 열선들 사이 부분(w2)의 온도편차가 상대적으로 작게 나타나는 것을 알 수 있다. 이처럼, 본 발명의 열처리 장치(100)에서 상기 코팅막(132)은 열선(124)으로부터 방출되는 불균일한 열보다는 상대적으로 균일한 상태로 상기 공정튜브를 가열시키는 매개체가 됨으로써, 웨이퍼의 피막 균일도를 기존 200Å에서 50Å이하로 개선시킬 수 있게 된다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 히터 어셈블리(120)는 온도센서(Thermocouple;T/C)(140)(열전대라고도 불림)와 삽입관(142)을 포함한다. 이 삽입관(142)은 상기 단열블럭(122)을 관통하여 설치되며, 상기 온도센서(140)는 상기 삽입관(142)에 삽입 설치되어 상기 히터 어셈블리 안쪽 온도를 측정하게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 삽입관(142)은 상기 온도센서가 삽입되는 삽입구(144)를 갖는 관형상의 몸체(145)와, 이 몸체에 돌출된 플랜지(146)를 갖는다. 이 플랜지는 양측에 절단된 직선부분(147)을 갖는다. 이러한 형상의 플랜지(147)는 상기 삽입관(142)이 회전되거나 움직이는 것을 방지하는 역할을 하게 된다. 이처 럼, 본 발명의 히터 어셈블리(120)는 공정진행중(특히 온도 상승시) 소음과 진동이 발생되더라도 상기 삽입관(142)에 의해 온도센서(140)가 안정적으로 고정되어 있어, 정밀한 온도 측정이 가능해진다. 상기 온도센서의 안정적인 고정은 히터의 온도 정밀 제어, 히터의 사용주기, 기판 피막 두께에까지 영향을 미치게 되는 것이다.

도 6은 본 발명의 변형예를 보여주는 도면이다.

도 6에 도시된 본 발명의 열처리 장치(100')는 도 1에 도시된 실시예에 따른 열처리 장치(100)와 동일한 구성과 기능을 갖는 공정튜브(110), 히터 어셈블리(120), 복수의 기판(w)들이 적재되는 보우트(116) 등을 가지며, 이들에 대한 설명은 앞에서 상세하게 설명하였기에 본 변형예에서는 생략하기로 한다. 다만, 본 변형예에서는, 상기 열전달부재(130)가 열선(124)과 상기 공정튜브(110) 사이에 설치되는 원통형의 열전달튜브(134)로 이루어진다는데 구조적인 특징을 갖는다. 이 튜브(134)는 탄화규소(SiC) 재질로 이루어진다. 이 열전달튜브(134)는 앞에서 설명한 코팅막과 동일한 기능을 갖는다. 즉, 이 열전달튜브(134)는 열선(124)으로부터의 불균일한 열을 흡수한 후 상기 공정튜브로 복사열을 균일하게 발산하는 것이다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 온도 균일성이 향상되고 안정적인 온도 측정이 가능하여, 웨이퍼 피막두께 균일성을 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 반도체 제조를 위한 열처리 장치에 있어서:

   복수의 기판들을 수용하는 공정튜브와;

   상기 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리를 포함하되;

   상기 히터 어셈블리는

   열을 발생시키는 열선;

   상기 열선을 둘러싸는 단열블럭;

   상기 열선과 상기 공정튜브 사이에 위치하여, 상기 열선로부터의 불균일한 열을 흡수하여 상기 공정튜브로 균일하게 발산하는 열전달부재를 포함하되;

   상기 열전달부재는 상기 열선 및 상기 열선이 설치된 상기 단열블럭의 내벽에 도포되는 코팅막인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 코팅막은 2-5mm 두께로 도포되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 코팅막은 단열 및 내열성을 갖는 단열재를 도포하여 건조시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
5. 제2항에 있어서,

   상기 코팅막은 알루미나 및 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제2항에 있어서,

   상기 히터 어셈블리는 상기 단열블럭을 관통하여 설치되는 삽입관과,

   상기 삽입관에 삽입 설치되어 상기 히터 어셈블리 안쪽 온도를 측정하는 온도센서를 포함하되;

   상기 삽입관은 관형상의 몸체와, 이 몸체에 돌출되어 상기 삽입관이 돌거나 움직이는 것을 방지하는 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
9. 삭제

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