KR100824224B1 - 반도체 제조용 히터 - Google Patents

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Abstract

반도체 제조용 히터에 관한 것으로서, 베이스 플레이트 및 상기 베이스 플레이트 상에 나선형상으로 연속 형성된 열선부를 포함하되, 상기 열선부는 중심으로부터의 거리에 따라 WN의 열선폭을 갖는 N개의 구간으로 할당되고, 상기 열선폭 WN은 N이 증가함에 따라 감소하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 보다 우수한 온도 균일성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
반도체, 히터, 열선, 폭, 저항, 전력.

Description

반도체 제조용 히터{A Heater For Fabricating Semiconductor}
도 1은 본 발명에 따른 반도체 제조용 히터의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 제조용 히터의 열선 구조를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 히터의 85℃에서 온도 편차를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 히터의 100℃에서 온도 편차를 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 히터의 120℃에서 온도 편차를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 히터의 150℃에서 온도 편차를 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명에 따른 히터의 180℃에서 온도 편차를 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명에 따른 히터의 200℃에서 온도 편차를 나타내는 모식도이다.
도 9는 본 발명에 따른 히터의 250℃에서 온도 편차를 나타내는 모식도이다.
<주요도면 부호에 관한 설명>
10 : 베이스 플레이트
20 : 열선
21 : 제 1 구간
23 : 제 2 구간
25 : 제 3 구간
27 : 제 4 구간
29 : 제 5 구간
30 : 절연층
본 발명은 반도체 제조용 히터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열선의 폭을 조절하여 기판의 전 표면을 균일한 온도로 유지할 수 있도록 함으로써 고수율 및 고품질의 반도체 기판을 제조할 수 있는 반도체 제조용 히터에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 칩들은 증착 공정, 사진 공정, 식각공정 및 이온주입 공정 등을 거쳐 웨이퍼 상에 복수 개 형성된다.
이러한 각 반도체 제조공정은 대부분 상온보다 높은 고온의 분위기가 요구되며 이를 위해 웨이퍼를 지지하는 하부 척에는 웨이퍼를 일정 온도로 가열하기 위한 히터가 구비된다.
또한, 웨이퍼 상에 복수개의 반도체 칩들이 형성되면, 각 반도체 칩의 전기적 특성검사를 실시하여 정상적으로 동작하는 반도체 칩들과 불량이 발생된 반도체 칩들을 선별하는 EDS 및 공정이 수행되는데, EDS 공정은 대략 -40C에서 내지 200℃ 정도의 고온에서 반도체 칩의 전기적 특성검사가 수행되며 이 때 웨이퍼의 하부면을 가열하는 수단으로도 히터가 사용된다.
이러한 반도체 제조 및 검사에 사용되는 히터는 기판의 온도 균일성을 유지하는 것이 중요하다.
반도체 제조 공정 시 온도의 균일성을 개선하기 위하여 제안된 기술들은 국내 특허등록번호 제10-0357471호 및 국내 실용신안등록번호 제20-0243530호에 개시되어 있다. 이러한 기술들은 베이크 공정시 핫 플레이트와 커버 부재에 내장된 단열 플레이트(또는 단열재) 사이에 형성된 공간에서 대류가 발생되어 온도의 균일성을 용이하게 구현할 수 없는 문제점이 있다.
한편, 종래 히터의 열선은 원형의 형상으로 제조되나, 이러한 경우 열이 방사상으로 방사되어 열효율 및 온도 균일성이 저하되고, 열선(20)의 상부가 베이스 플레이트(10)의 상부면보다 높아 열선(20)과 절연층(30) 간의 틈새를 통한 열손실이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 열선 간의 간격을 일정하게 하고 요구되는 열용량 또는 전력량에 따라 열선의 폭을 조절함으로써 보다 우수한 온도 균일성을 유지할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열선을 사각형의 단면을 갖도록 형성하고 상기 베이스 플레이트는 상기 열선부에 대응되는 형상이 에칭 형성되어 열선이 베이스 플레 이트 상에 부착결합시킴으로써 열효율 및 온도 균일성을 보다 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 베이스 플레이트 및 상기 베이스 플레이트 상에 나선형상으로 연속 형성된 열선부를 포함하되, 기 열선부는 중심으로부터의 거리에 따라 WN의 열선폭을 갖는 N개의 구간으로 할당되고, 상기 열선폭 WN은 N이 증가함에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 히터가 제공된다.
여기서, 상기 열선폭 WN은 각 구간별 열구배 곡선을 보상하기 위해 미리 설정된 각 구간별 전력량에 기초하여 결정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열선부는 5개의 구간으로 분할되고, 중심으로부터 N번째 구간의 전력량을 PN으로 정의할 때 상기 각 구간별 전력량은 P2 = 10 ~ 20 P1, P3 = 1.5 ~ 2 P2, P4 = 2 ~ 3 P3, P5 = 3 ~ 5 P4인 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 열선부는 사각형의 단면을 갖고, 상기 베이스 플레이트는 상기 열선부에 대응되는 형상이 에칭 형성되어 상기 열선부가 상기 베이스 플레이트 상에 부착결합되는 것이 더욱 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일측면에 따르면, 베이스 플레이트 및 상기 베이스 플레이트 상에 나선형상으로 연속 형성된 열선부를 포함하되, 상기 열선부는 중심으로부터 외측으로 갈수록 열선폭이 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 히터가 제공된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
이하의 상세한 설명 및 청구범위에서 나선형상이라 함은 중앙으로부터 외측방으로 소용돌이 모양을 이루는 것을 의미하는 것으로서, 원형, 삼각형, 사각형 등의 여러 가지 형상을 포함하는 개념이다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 제조용 히터의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히터는 베이스 플레이트(10)와, 베이스 플레이트(10)의 상부면에 외주연으로부터 중심 방향으로 나선 형상으로 형성된 열선부(20) 및 열선부(20)의 상부에 위치한 절연층(30)을 포함하여 구성되어 있다.
베이스 플레이트(10)는 임의 두께를 갖는 원형 또는 사각 형상의 절연성 재질로 제작되어 있다. 도시되어 있지는 않으나, 베이스 플레이트(10)는 상판 및 하판(도시 안됨)의 조립, 온도 센서 설치, 포크 핀 장착 등을 위한 복수 개의 관통공이 형성된다.
열선(20)은 소정 두께를 갖는 사각 형상으로서 스테인레스, 니크롬선, 텅스 텐 등의 발열성이 우수한 재질로 제작된다.
베이스 플레이트(10)의 상부에는 열선(20)의 형상과 동일한 형상의 패턴이 에칭에 의해 형성되고, 접착제 등을 통해 열선(20)이 베이스 플레이트(10) 상의 식각 패턴에 접착결합된다.
본 발명에서와 같이 열선(20)을 사각형으로 제조하는 경우 열의 방사가 모두 수직 상방으로 이루어지므로 열효율 및 온도 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 열선(20)의 상부와 베이스 플레이트(10)의 상부면이 동일 수평면 상에 있도록 하는 것이 가능하므로 열선(20)과 절연층(30) 간의 틈새를 통한 열손실을 방지할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 제조용 히터의 열선 구조를 도시한 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 제조용 히터의 열선(20)은 중앙으로부터 외측방향으로 서로 다른 열선폭을 갖는 복수개의 구간으로 분할되어 있다.
도 2에서는 열선(20)을 5개의 구간으로 분할하여, 제 1 열선폭(W1)을 갖는 제 1 구간(21), 제 2 열선폭(W2)을 갖는 제 2 구간(23), 제 3 열선폭(W3)을 갖는 제 3 구간(25), 제 4 열선폭(W4)을 갖는 제 4 구간(27) 및 제 5 열선폭(W5)을 갖는 제 5 구간(29)으로 분할하였다.
본 발명에서 열선폭은 W1 > W2 > W3 > W4 > W5 가 되도록 하여 외측으로 향할수록 단위 저항이 커지도록 하는 것이 핵심이다.
즉, 단위 저항은 물체의 길이에 비례하고 도선의 단면적에 반비례하므로 열선폭이 감소할수록 단위 저항이 증가하게 된다.
열선이 동일한 저항을 갖는 경우 히터에 일정한 전압을 인가한 상태에서 열구배 곡선을 살펴보면 가장자리부분에는 열교환이 많이 발생되어 중앙부의 온도가 가장 높고 가장자리로 갈수록 온도가 낮아지게 되어 온도의 불균일이 발생하게 되며, 통상의 200mm 웨이퍼용 히터의 경우 ㅁ1℃ 정도의 온도 편차가 발생한다.
따라서, 본 발명에서는 히터의 온도 구배를 보상하기 위해 열선(20)의 중앙부의 전력소비량을 감소시키고 가장자리부의 전력소비량을 증가시켜 히터 전체의 온도 균일성을 유지할 수 있도록 하였다.
이를 위해, 열선(20)은 3 ~ 7개의 구간으로 분할되는 것이 바람직하며, 히터의 온도 구배를 보상하기 위해서는 중심으로부터 N번째 구간의 전력량을 PN으로 정의할 때 상기 각 구간별 전력량은 P2 = 10 ~ 20 P1, P3 = 1.5 ~ 2 P2, P4 = 2 ~ 3 P3, P5 = 3 ~ 5 P4, P6 = 2 ~ 3 P5,P7 = 3 ~ 5 P6의 전력소비량이 요구된다.
상기에서 각 구간별 전력소비량의 비율이 하한값보다 작은 경우에는 충분한 온도 보상이 이루어지지 않으며, 상한값보다 큰 경우에는 해당 구간의 온도가 이전 구간의 온도보다 더 높아지게 되어 역시 온도 불균일 현상이 발생하게 된다.
본 실시예에서는 열선(20)을 5개의 구역으로 분할하였으며, 상기와 같이 P2 = 10 ~ 20 P1, P3 = 1.5 ~ 2 P2, P4 = 2 ~ 3 P3, P5 = 3 ~ 5 P4의 전력소비량이 요구된다.
본 실시예에서는 상기 전력소비량의 조건을 만족하도록 각 구간별 반경, 열선폭, 열선 길이를 결정하였으며, 각 구간별 반경(R)이 제 1 구간부터 각각 1.25mm, 50mm, 70mm, 75mm, 110mm이고 열선의 두께가 0.1mm, 열선에 흐르는 전류가 4.73A일 때, 각 구간의 전력소비량의 비율이 표 1에 나타나 있다.
Figure 112007002419771-pat00001
표 1에 나타난 각 구간의 소비전력비를 살펴보면, P2 = 14.89 P1, P3 = 1.81 P2, P4 = 2.47 P3, P5 = 4.17 P4의 비율을 나타내 상기 조건을 만족함을 알 수 있다.
도 3 ~ 9는 상기 표 1의 조건에 의할 경우, 본 발명에 따른 히터의 각 가열 온도별 온도 편차를 나타내는 모식도로서, 도 3 ~ 9를 정리하면 하기 표 2와 같다.
본 실험에서 히터는 200mm 웨이퍼용 히터가 사용되었으며, 본 측정에 사용된 측정 장비는 미국 센서어레이사 (SensArray Corporation)의 PROCESS PROBE 1840이며, 본 실시예는 일반적인 베이크 장치에 설치되어 측정되었음을 미리 밝혀 둔다.
이 측정 장치의 사양을 간단히 설명하면 다음과 같다.
측정 가능 직경 : 100㎜(4in) ~ 300㎜(12in)
온도 측정 범위 : 0℃ ~ 250℃
정밀도 : ±0.01℃
Figure 112007002419771-pat00002
표 2는 본 발명의 반도체 제조용 히터의 온도 편차가 매우 적음을 보여주고 있다. 일반적인 웨이퍼용 베이크 히터는 각 측정 온도에 대하여 ㅁ1℃ 정도의 정밀도를 갖는 반면, 본 발명의 실시예에서는 85℃에서 0.14℃, 100℃에서 0.16℃, 120℃에서 0.21℃, 150℃에서 0.25℃, 180℃에서 0.28, 200℃에서 0.3℃, 250℃에서 0.4℃의 온도 편차를 보여 매우 우수한 온도 균일성을 유지하는 것으로 확인되었다.
상기에서는 각 구간별로 열선폭이 상이한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 구간을 별도로 구분하지 않고 중앙으로부터 외측으로 향할수록 열선폭이 점차 감소하도록 하여 외측으로 향할수록 저항을 증가시켜 발열량을 증가시키는 것도 가능하다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 열선 간의 간격을 일정하게 하고 요구되는 열용량 또는 전력량에 따라 열선의 폭을 조절함으로써 보다 우수한 온도 균일성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 목적은 열선을 사각형의 단면을 갖도록 형성하고 상기 베이스 플레이트는 상기 열선부에 대응되는 형상이 에칭 형성되어 열선이 베이스 플레이트 상에 부착결합시킴으로써 열효율 및 온도 균일성을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (5)

  1. 베이스 플레이트; 및
    상기 베이스 플레이트 상에 나선형상으로 연속 형성된 열선부를 포함하되,
    상기 열선부는 중심으로부터의 거리에 따라 WN의 열선폭을 갖는 N개의 구간으로 할당되고, 상기 열선폭 WN은 N이 증가함에 따라 감소하되,
    상기 열선부는 3 ~ 7개의 구간으로 분할되고, 중심으로부터 N번째 구간의 전력량을 PN으로 정의할 때 상기 각 구간별 전력량은
    P2 = 10 ~ 20 P1, P3 = 1.5 ~ 2 P2, P4 = 2 ~ 3 P3, P5 = 3 ~ 5 P4, P6 = 2 ~ 3 P5,P7 = 3 ~ 5 P6인 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 히터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열선폭 WN은 각 구간별 열구배 곡선을 보상하기 위해 미리 설정된 각 구간별 전력량에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 히터.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열선부는 사각형의 단면을 갖고, 상기 베이스 플레이트는 상기 열선부에 대응되는 형상이 에칭 형성되어 상기 열선부가 상기 베이스 플레이트 상에 부착결합되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 히터.
  5. 삭제
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