KR100931869B1 - 기판 가열장치 - Google Patents

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Abstract

회전축상의 원판 형상 기판 지지대에 탑재되는 다수개의 기판을 가열시키는 기판 가열장치가 개시된다. 기판 가열장치는 기판 지지대 내부에 전체적으로 원 형상으로 배치되는 1 이상의 발열수단; 발열수단 양단에 연결된 상태에서 회전축을 따라 인출되는 리드수단; 및 회전하는 리드수단의 양단을 고정된 전원의 양 단자에 접속하는 접속수단을 포함하여 구성된다. 이에 따라 발열수단이 기판 지지대 내부에 설치되어 반응가스에 노출되지 않으므로 내구성이 크게 향상된다.
Figure R1020080004379
발열수단, 리드수단, 접속수단, 발열부, 비발열부

Description

기판 가열장치{WAFER HEATING DEVICE}
본 발명은 반도체 제조 장비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 챔버 내부의 기판 지지대 상에 탑재되는 다수개의 기판을 가열하기 위한 기판 가열장치에 관한 것이다.
일반적으로 원자층증착(ALD), 화학기상증착(CVD) 등의 장치를 이용하여 기판에 막을 형성하기 위해서는, 챔버 내의 압력 및 온도를 일정하게 만든 상태에서 챔버 내부에 소정의 가스들을 공급하는데 이때 기판 표면과 가스들의 반응을 돕도록 기판을 일정 온도 이상으로 가열시키기 위한 가열장치가 필요하게 된다.
이러한 기판 가열장치로서 기판을 지지하기 위한 기판 지지대 내부에 열선 등을 설치하여 기판에 열을 직접 전달하는 방식이 있는데, 이때 설계의 핵심은 기판을 균일한 온도로 가열하는 데 있다.
한편, 다수개의 기판에 대하여 동시에 박막을 증착시키기 위한 장치는, 기판 지지대를 회전시키면서 기판을 인입 또는 인출하므로 기판이 탑재된 기판 지지대를 회전시키기 위한 회전축이 하부에 설치되며, 기판의 박막 특성을 향상시키고자 박막 형성 공정 중에도 기판을 회전시키는 경우도 있다.
위와 같이 기판 지지대에 탑재된 다수개의 기판을 가열하기 위한 종래의 기판 가열장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 다수개의 기판(W)이 탑재된 기판 지지대(2)는 회전축(3)에 의하여 회전되며, 기판 가열장치(4)는 챔버(1) 내부에 고정 설치된다.
그러나 상기와 같은 종래의 기판 가열장치(4)는, 회전하는 기판 지지대(2) 하부에 일정 거리 이격된 상태로 설치되므로 챔버(1) 내부의 반응가스에 노출될 수밖에 없다. 따라서 기판 가열장치(4) 표면에 증착된 박막을 제거하기 위하여 주기적인 보수가 필요하며, 반응가스가 부식성 또는 산화성 가스인 경우 장치의 부식 내지 열화의 문제가 발생 될 뿐만 아니라, 기판 지지대(2)에 열을 직접전달 할 수 없으므로 전력 손실이 그만큼 클 수밖에 없다.
한편, 상기 종래의 기판 가열장치(4) 내의 발열수단으로서 통상적으로 1개의 열선(5)이 동심원 또는 나선 형태로 배치된다. 그러나 박막 공정 중 기판 지지대(2)가 회전하거나, 반응가스가 기판 지지대(2) 외곽으로 배출되는 경우, 기판(W) 표면 중 상대적으로 외곽에 위치한 부분은 반응가스로부터 열을 상대적으로 많이 빼앗기므로 기판(W)의 온도 불균일을 초래한다. 이로 인하여 기판(W) 표면상에 증착되는 막의 두께 또는 물성이 전체적으로 균일하지 않게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 배경기술에서 지적한 문제점을 해결하고자, 기판 가열장치가 반응가스에 노출되지 않도록 회전하는 기판 지지대 내부에 발열수단이 설치되며, 기판 지지대에 탑재된 기판의 온도를 균일하게 하기 위하여 다수개의 발열수단에 차등적으로 전력을 공급하는 기판 가열장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기판 가열장치는, 회전축상의 원판 형상 기판 지지대에 탑재되는 다수개의 기판을 가열시키는 기판 가열장치에 있어서, 상기 기판 지지대 내부에 전체적으로 원 형상으로 배치되는 1 이상의 발열수단; 상기 발열수단 양단에 연결된 상태에서 회전축을 따라 인출되는 리드수단; 및 회전하는 상기 리드수단의 양단을 고정된 전원의 양 단자에 접속하는 접속수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 발열수단을 2 이상 구비하고, 상기 발열수단 중 외곽에 설치된 발열수단일수록 상대적인 발열량을 크게 한다. 이때, 상기 각각의 발열수단 중 외곽에 설치된 발열수단일수록 상대적으로 전력을 더 인가하도록 제어하는 제어수단을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 발열수단은 와이어 형태의 저항발열체, 스트립 형태의 저항발열체 및 열을 복사하는 램프 중 어느 하나이다.
바람직하게는, 상기 기판 지지대는 하부 플레이트와, 하부 플레이트를 덮는 상부 플레이트로 이루어지고, 상기 발열수단은 하부 플레이트 상에 원주 방향으로 형성된 홈에 배치된 발열부와, 상기 발열부에 연결되어 하부 플레이트 상의 중앙 방향으로 배치되는 비발열부로 구성된다.
바람직하게는, 상기 비발열부는 각각의 기판 사이의 하부에 위치하는 하부 플레이트상에 배치된다.
바람직하게는, 상기 발열수단은 2 이상 구비되며, 각각의 발열수단의 비발열부는 다른 발열수단의 발열부 하부에 배치된다. 이때, 상기 비발열부는 상기 하부 플레이트 상에 반경 방향으로 형성된 다수개 홈에 삽입된다.
바람직하게는, 상기 발열부는, 상기 하부 플레이트 중앙을 중심으로 1 이상의 동심원 원주 방향을 따라 배치되도록 절곡되어 형성된다.
바람직하게는, 상기 회전축 외주에는 챔버와의 기밀을 유지하기 위한 실 하우징이 설치되고, 상기 리드수단은, 상기 기판 지지대와 회전축 사이에 설치된 플랜지 하단의 피드 스루에 의하여 발열수단의 전선과 접속수단의 전선이 연결되도록 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 기판 가열장치에 의하면, 발열수단이 기판 지지대 내부에 설치되어 반응가스에 노출되지 않으므로 내구성이 크게 향상되며, 기판 지지대 내부에 설치되는 다수개의 발열수단에 전력을 차등 공급하여 기판의 온도를 균일하게 유지할 수 있게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일시예에 따른 기판 가열장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(10) 내부에 다수개의 기판(W)이 탑재된 기판 지지대(20) 내부에 설치되어 챔버(10) 하부의 회전축(30)에 의하여 회전된다.
기판 가열장치는 크게, 기판 지지대(20) 내부에 전체적으로 원 형상으로 배치되는 1 이상의 발열수단(40)과, 발열수단(40) 양단에 연결된 상태에서 회전축(30)을 따라 인출되는 리드수단(50) 및 회전축(30)과 함께 회전하는 리드수단(50)의 양단을 고정된 전원의 양 단자에 접속하는 접속수단(60)을 포함하여 구성된다. 따라서 기판 가열장치(40)는 기판 지지대(20) 내부에 설치됨에 따라 챔버(10) 내부의 반응가스에 노출되지 않게 된다.
상기 발열수단(40)은 1개로 구성될 수도 있으나, 바람직하게는 2 이상의 발열수단(40)으로 구성되어, 발열수단(40) 중 외곽에 설치된 발열수단(40)일수록 상대적인 발열량을 크게 함으로써 기판(W)의 외곽 부분의 냉각을 보상하여 기판(W) 표면 전체의 온도를 균일하게 유지할 수 있게 된다.
외곽 부분의 발열수단(40)에 상대적으로 발열량을 크게 방법은, 1) 각각의 발열수단(40)의 구성을 달리하여 예컨대, 발열수단(40)으로서 사용되는 열선의 저항을 달리하여 동일한 전력을 인가하더라도 발열량의 차이가 발생되게 하거나 2) 각각의 발열수단(40)의 구성을 동일하게 하면서 각각의 발열수단(40)에 인가되는 전력을 차등적으로 인가하는 방법이 있다.
후자의 방법으로서 각각의 발열수단(40) 중 외곽에 설치된 발열수단(40)일수록 상대적으로 전력을 더 인가하도록 제어하는 제어수단(도시되지 않음)을 더 포함하여 구성할 수 있으며, 이 경우 공정 조건에 따라 전력을 달리 조절할 수 있다.
상기 발열수단(40)은 기판 지지대(20) 내부에 설치되는데 설명의 편의상 구체적인 설명은 후술하기로 하기로 하며, 기판 지지대(20)와 함께 회전하는 발열수단(40)을 고정된 전원에 연결하기 위한 구성으로서 리드수단(50)과 접속수단(60)에 대하여 상세히 설명한다.
상기 리드수단(50)은, 발열수단(40)을 접속수단(60)에 연결하기 위한 부분을 나타내며, 발열수단(40)과 일체로 형성하거나, 발열수단(40)가 독립하여 구성할 수도 있는데, 이하에서는 발열수단(40)과 접속수단(60)을 매개하는 기능에 중점을 두어 발열수단(40)과 일체로 형성된 경우에도 해당 부분을 '리드수단(50)'이라 칭하기로 한다.
리드수단(50)의 구성을 구체적으로 살펴보면, 발열수단(40) 양단에 연결된 상태에서 기판 지지대(20) 하부 중앙으로 인출되고, 기판 지지대(20) 하부에 단열체(26)를 매개로 하여 설치되는 플랜지(25) 하단에 형성된 피드 스루(Feed Through, 52)를 거쳐 회전축(30) 내부로 전력선(51)이 인출된다. 그리고 상기 회전축(30) 외부에는 회전축(30)의 구동을 위한 모터(33)와 기어박스(34)가 설치되며, 챔버(10) 하부에 설치된 실 하우징(31)과 회전축(30) 사이에는 기밀을 유지하기 위한 마그네틱 실(32)이 설치된다.
발열수단(40)에 연결된 전력선(51)은 회전축(30) 하부로 인출되어 회전 축(30)과 함께 회전하므로, 회전하는 전력선(51) 양단을 고정된 전원의 양 단자에 접속하기 위한 접속수단(60)이 설치된다.
이러한 접속수단(60)으로서 전력선(51)을 회전하는 슬립링(61)에 연결하고 그 외주에 전원과 전력선(63)으로 연결된 슬립링 하우징(62)을 설치함으로써, 회전하는 전력선(51)을 고정된 전원에 전기적으로 연결시킬 수 있게 된다. 이와 같은 접속수단(60)은 상기 슬립링(61) 이외에 다른 여러 형태로도 변형이 가능함은 물론이다.
이하에서는 본 발명을 구성하는 발열수단(40)에 대하여 구체적으로 설명한다.
발열수단(40)은, 와이어 형태의 저항발열체 즉, 열선을 사용하거나, 스트립 형태의 저항발열체를 사용할 수도 있으며, 열을 복사하는 램프를 사용할 수 있다.
이러한 발열수단(40)은, 상부 플레이트(21)와 하부 플레이트(22)로 이루어진 기판 지지대(20) 사이에 설치되는데, 발열수단(40)을 세분하면, 기판(W)에 열량을 전달하기 위하여 직접 열을 방출하는 발열부(41)와 직접 열을 방출하지 않으나 발열부(41)에 전력을 인가하기 위한 전기적으로 연결하는 비발열부(42)로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따른 발열부(41)와 비발열부(42)의 구성을 도 2와 도 2의 A-A' 단면을 나타내는 도 3을 참고로 하여 살펴보면, 발열부(41)는 하부 플레이트(22) 상에 원주 방향으로 형성된 원주홈(23)에 배치되며, 비발열부(42)는 발열부(41)에 연결되어 하부 플레이트(22) 상의 중앙 방향으로 형성된 반경홈(24)에 배 치된다.
이때 상기 비발열부(42)는 각각의 기판(W) 사이의 하부에 위치하는 하부 플레이트(22) 상에 배치되어, 발열부(41)가 기판(W) 하부를 균일하게 통과하도록 배치하는 것이 바람직하다. 한편, 발열수단(40)이 2 이상 구비되는 경우, 각각의 발열수단(40)의 비발열부(42)는 다른 발열수단(40)의 발열부(41) 하부에 배치되게 하여 상호 간섭이 발생되지 않도록 한다. 이를 위하여 발열부(41)가 배치되는 원주홈(23)보다 비발열부(42)가 배치되는 반경홈(24)이 하부 플레이트(22)에 깊게 형성된다.
이하에서는 발열수단(40)을 이루는 발열부(41)와 비발열부(42)의 배치 형태를 달리하는 2개의 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저 제1실예에 따른 발열수단(40)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 5개의 발열수단(40)으로 이루어지며, 각각의 발열수단(40)의 발열부(41)는 하부 플레이트(22) 상에 원주 방향으로 형성된 5개의 원주홈(23)에 배치되며, 비발열부(42)는 하부 플레이트(22) 상에 균등하게 배분된 5개의 반경 방향으로 누전을 방지 위하여 각각 2개씩 형성된 반경홈(24)에 배치된다. 도 3에서 점선으로 표시된 부분은 단면도 상태에서는 실제 보이지 않으나 기판 지지대(20) 상에 기판(W)이 놓여질 위치를 표시한 것이다.
상기 반경홈(24)은 각각의 발열수단(40)을 구성하는 비발열부(42)의 길이에 상응하는 길이로 형성할 수도 있으나, 도 3에 도시된 바와 같이, 반경홈(24)의 길이를 모든 발열수단(40)에 대하여 동일한 길이로 형성하는 이유는, 기판 지지 대(20)에 탑재된 모든 기판(W)에 대하여 최대한 동일한 열량의 열이 전도되도록 구조적인 대칭을 도모하기 위함이다.
다음으로 제2실시예에 따른 발열수단(40)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 발열수단(40)으로 이루어지며, 각각의 발열수단(40)의 발열부(41)는 하부 플레이트(22) 중앙을 중심으로 1 또는 2 이상의 동심원 원주 방향을 따라 배치되도록 절곡되어 형성된다. 물론 각각의 빌열수단(40)은 상호 간섭되지 않도록 하며 각각의 발열부(41)는 일정 간격을 유지하도록 배치된다. 따라서 제1실시예와는 달리 발열부(41)가 배치되는 원주홈(23)과 비발열부(42)가 배치되는 반경홈(24)의 깊이는 동일하게 구성할 수 있다.
상술한 제1, 제2실시예의 발열수단(40)은 하나의 예시에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 발열수단(40)의 개수나, 배치 형태 등에 대한 다양한 변형이 가능하므로, 이러한 구체적인 실시예에 의하여 본 발명의 청구범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 기판 가열장치는 반도체 제조장치 산업에 유용하게 이용 가능하다.
도 1은 종래의 기판 가열장치를 나타내는 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기판 가열장치가 포함된 장치를 나타내는 단면도.
도 3은 도 2의 A-A' 단면도로서, 본 발명의 제1실시예에 따른 발열수단을 나타내는 평면도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 발열수단을 나타내는 단면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
W : 기판 10 : 챔버
20 : 기판 지지대 21 : 상부 플레이트
22 : 하부 플레이트 23 : 원주홈
24 : 반경홈 25 : 플랜지
26 : 단열체 30 : 회전축
31 : 실 하우징 32 : 마그네틱 실
33 : 모터 34 : 기어박스
40 : 발열수단 41 : 발열부
42 : 비발열부 50 : 리드수단
51 : 전력선 52 : 피드 스루
60 : 접속수단 61 : 슬립링
62 : 슬립링 하우징

Claims (10)

  1. 회전축상의 원판 형상 기판 지지대에 탑재되는 다수개의 기판을 가열시키는 기판 가열장치에 있어서,
    상기 기판 지지대 내부에 전체적으로 원 형상으로 배치되는 1 이상의 발열수단; 상기 발열수단 양단에 연결된 상태에서 회전축을 따라 인출되는 리드수단; 및 회전하는 상기 리드수단의 양단을 고정된 전원의 양 단자에 접속하는 접속수단을 포함하되,
    상기 기판 지지대는 하부 플레이트와, 하부 플레이트를 덮는 상부 플레이트로 이루어지고,
    상기 발열수단은 하부 플레이트 상에 원주 방향으로 형성된 홈에 배치된 발열부와, 상기 발열부에 연결되어 하부 플레이트 상의 중앙 방향으로 배치되는 비발열부로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열수단을 2 이상 구비하고,
    상기 발열수단 중 외곽에 설치된 발열수단일수록 상대적인 발열량을 크게 하는 것을 특징으로 하는 기판 가열장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 각각의 발열수단 중 외곽에 설치된 발열수단일수록 상대적으로 전력을 더 인가하도록 제어하는 제어수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열수단은,
    와이어 형태의 저항발열체, 스트립 형태의 저항발열체 및 열을 복사하는 램프 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기판 가열장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 비발열부는 각각의 기판 사이의 하부에 위치하는 하부 플레이트상에 배치되는 것을 특징으로 하는 기판 가열장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열수단은 2 이상 구비되며,
    각각의 발열수단의 비발열부는 다른 발열수단의 발열부 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 기판 가열장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 비발열부는 상기 하부 플레이트 상에 반경 방향으로 형성된 다수개 홈에 삽입되는 것을 특징으로 하는 기판 가열장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열부는,
    상기 하부 플레이트 중앙을 중심으로 1 이상의 동심원 원주 방향을 따라 배치되도록 절곡되어 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전축 외주에는 챔버와의 기밀을 유지하기 위한 실 하우징이 설치되고,
    상기 리드수단은, 상기 기판 지지대와 회전축 사이에 설치된 플랜지 하단의 피드 스루에 의하여 발열수단의 전선과 접속수단의 전선이 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열장치.
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