KR101002939B1 - 히터의 다중 온도 제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자를 제조하는 장치에서 서셉터에 내장되어 웨이퍼를 가열하는 히터의 온도를 제어하는 시스템에 관한 것으로서, 서셉터 상단에 놓여지는 웨이퍼를 가열하기 위해 코일로 구성되는 하나 이상의 히터와, 상기 각 히터에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 공급하는 파워라인과, 상기 각 히터를 구성하는 코일의 하부에서 온도를 감지하는 열전쌍을 포함하여 상기 각 히터의 열전쌍에서 감지되는 온도에 따라 상기 히터에 공급되는 외부전원을 조절하는 히터의 다중 온도 제어시스템을 제공한다.

히터, 열전쌍

Description

히터의 다중 온도 제어시스템{Control system of multi-point temperature in heater}

도 1은 종래 서셉터의 내부구성도.

도 2는 종래 히터의 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서의 히터 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예로서의 히터 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

12 : 서셉터 14 : 블록디스크

16 : 히터 18 : 서포터

30 : 파워라인 32 : 외부전원

40 : 열전쌍 42 : 제어용 마이컴

120 : 제1히터 130 : 제1열전쌍

140 : 제1파워라인 160 : 제2히터

170 : 제2열전쌍 180 : 제2파워라인

본 발명은 히터의 온도제어시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 소자를 제조하는 장치에서 웨이퍼가 안치되는 서셉터에 내장되어 웨이퍼를 가열시키는 히터의 온도를 감지하고 이를 제어하는 시스템에 관한 것이다.

반도체 소자란 웨이퍼의 상면에 수 차례에 걸친 박막의 증착 및 패터닝 처리공정을 거쳐 구현되는 고밀도 집적회로로서, 이러한 박막의 증착 및 패터닝 처리공정은 통상 밀폐된 반응용기인 챔버 내부에서 이루어진다.

한편, 챔버 내부에는 낱장으로 공급되는 웨이퍼가 안치되는 서셉터 어셈블리(susceptor assembly)가 설치되며, 상기 서셉터 어셈블리에는 통상 웨이퍼에 증착되는 박막의 균일도, 선폭, 프로파일 및 재현성 등을 개선하기 위해 웨이퍼를 챔버 내부에 안치시킨 상태에서 공정환경을 조성하기 위한 발열장치로서 히터가 내장된다.

도 1은 종래 히터를 내장하고 있으며, AlN(Aluminium nitride) 재질의 세라믹으로 이루어지는 서셉터 어셈블리의 단면구성도를 보여주고 있다.

서셉터 어셈블리는 웨이퍼(W)가 안치되는 서셉터(12)와, 상기 서셉터(12)를 지지하는 서포터(18)와, 상기 서셉터(12)에 내장되어 상기 웨이퍼를 가열하는 히터(16)와, 상기 히터(16)를 지지하는 블록디스크(14)와, 상기 블록디스크(14) 중앙부에 형성된 홀을 지나 상기 히터(16)에 전기에너지를 공급하는 상기 히터(16)의 다단코일에 연결되는 파워라인(30)과, 상기 히터(16) 하부에서 온도를 감지하는 열전쌍(40)을 포함하여 이루어진다.

이러한 구성을 가지는 서셉터 어셈블리에서의 웨이퍼의 증착은 먼저 서셉터(12) 상단에 웨이퍼(W)가 안치되면, 외부전원(32)으로부터 전기에너지가 파워라인(30)을 통해 상기 서셉터(12) 내부에 내장된 히터(16)의 다단코일에 전달되고, 전달된 전기에너지가 상기 히터(16)에 의해 열에너지로 변환되어 발생하는 열이 웨이퍼에 전달됨으로서 이루어진다.

즉, 웨이퍼가 가열된 상태에서 챔버 내부로 유입된 반응가스들을 웨이퍼 상면에 증착되는 것이다.

한편, 가열된 웨이퍼 온도의 척도인 히터 온도는 웨이퍼 상에 증착될 박막균일도를 결정함에 있어서 중요하므로 상기 히터(16)의 하부에 열전쌍(40, thermocouple)을 위치시켜 상기 히터(16)의 온도를 체크하게 된다.

상기 열전쌍(40, thermocouple)에서 감지된 온도는 상기 열전쌍(40)과 연결된 제어용 마이컴(42)에 전달되고, 상기 제어용 마이컴(42)은 감지된 온도가 웨이퍼 가공에 적절한 온도보다 높거나 또는 낮은 경우에는 외부전원(32)에서 공급되는 전기에너지를 적정하게 조절함으로서 웨이퍼를 가열시키는 온도 밸런스를 맞추는 것이다.

그러나 종래 이러한 히터의 온도제어시스템에서는 웨이퍼를 가열하는 히터의 적정 온도를 감지할 수 있는 열전쌍을 히터의 중심 아래 하나만 설치하고 이에 따라 감지된 히터 온도에 근거하여 외부로부터 공급되는 전기에너지를 제어하는 방식 을 취할 수밖에 없어 웨이퍼의 균일도가 떨어지는 주요한 요인으로 작용하였다.

이는 다단코일로 이루어지는 히터에 있어서는 히터의 중심부와 외곽부의 가열온도가 상이할 수도 있으며, 더욱이 히터에 의한 가열에너지는 히터와 웨이퍼 사이에 놓여지는 중간층을 가로질러 웨이퍼에 전달되게 되는데 열에너지의 특성상 중심부와 외곽부의 열 편차가 발생되며 이러한 열 편차는웨이퍼 가공에 직접적인 영향을 미치게 되는 것이다.

즉, 히터 아래 일 지점에서 열전쌍에 의해 감지되는 온도에 근거하여 히터의 온도를 제어한다는 것은 웨이퍼가 항상 불 균일하게 가공될 수밖에 없는 문제를 안고 있는 것이며, 종래와 같이 히터 중심부 아래에 열전쌍을 위치시켜 히터의 온도를 감지하고 제어하는 시스템에서는 더욱 그러하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 히터 온도를 정확하게 감지, 제어하여 웨이퍼의 가공 균일도를 향상시킬 수 있는 온도 제어시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 종래 히터가 점유하는 공간보다 크지 않으면서도 히터의 온도를 제어할 수 있도록 공간 활용도를 높일 수 있는 온도 제어시스템을 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 서셉터 상단에 놓여지는 웨이퍼를 가열하기 위해 코일로 구성되는 하나 이상의 히터와, 상기 각 히터에 연결되어 상기 각 히터에 외부 전원으로부터의 전원을 공급하는 파워라인과, 상기 각 히터를 구성하는 코일의 하부에서 온도를 감지하는 열전쌍을 포함하여 상기 각 히터의 열전쌍에서 감지되는 온도에 따라 상기 히터에 공급되는 외부전원을 조절하는 히터의 다중 온도 제어시스템을 제공한다.

상기 히터는 중앙의 제1히터와, 중심부가 최소한 상기 제1히터의 직경보다 큰 홀을 가지는 제2히터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히터는 중앙의 제1히터와, 중심부가 상기 제1히터의 직경보다 크지 않는 홀을 가지며 상기 제1히터의 하부에 위치하는 제2히터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히터는 중앙의 제1히터와, 중심부가 최소한 상기 제1히터의 직경보다 큰 홀을 가지며 상기 제1히터의 상부에 위치하는 제2히터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같은데, 동일한 부분에 대해서는 부호만 달리할 뿐 동일한 명칭을 사용하기로 한다.

본 발명에 따른 히터의 온도제어시스템은 기본적으로 하나 이상의 히터와, 상기 각 히터에 외부전원으로부터 공급되는 전기에너지를 전달하는 파워라인과, 상 기 히터 하부에 위치하여 상기 히터의 온도를 감지하는 열전쌍으로 이루어지는데, 도 3은 이러한 구성을 가지는 본 발명에 따른 바람직한 실시예 중 하나로서 2개의 히터로 구성되는 실시예의 사시도를 보여주고 있으며, 도 4는 그 구성도이다.

상기 히터는 제1히터(120)와, 상기 제1히터(120)의 다단코일에 연결되어 상기 제1히터(120)에 전기에너지를 공급하는 제1파워라인(140)과, 상기 제1히터(120)의 하부에 위치하며 상기 제1히터(120)의 온도를 감지하는 제1열전쌍(130)을 포함하는 제1히터부와, 제2히터(160)와, 상기 제2히터(160)의 다단코일에 연결되어 상기 제2히터(160)에 전기에너지를 공급하는 제2파워라인(180)과, 상기 제2히터(160)의 하부에 위치하며 상기 제2히터(160)의 온도를 감지하는 제2열전쌍(170)을 포함하는 제2히터부로 이루어진다.

상기 제2히터(160)는 그 중심부에는 홀을 가지는데, 홀의 직경은 상기 제1히터(120)의 직경보다는 크지 않는 것이 바람직하다.

한편, 도 3 및 도 4에는 제1히터(120)의 중심축을 기준으로 상기 제1히터(120)가 제2히터(160)에 비하여 상부에 위치하여 상기 제1, 2히터(120, 160) 사이에는일정한 높이 차를 가지게 되는데, 본 발명은 도면에 도시된 실시예에 한정되지 않고 제1히터(120)가 제2히터(160) 하부에 위치하여 상호 위치가 바뀌더라도 상관없다.

또한, 제2히터(160)의 중심부가 최소한 제1히터(120)의 직경보다 큰 홀을 가지며, 상기 제1, 2히터(120, 160)가 중심축을 기준으로 높이 차가 없이 수평으로 위치하여도 무방하다.

다만 이러한 실시예에서는 제2히터(160)의 중심부에 형성되는 홀의 직경은 제1히터(120)의 직경보다는 큰 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 2개의 히터로 이루어지는 실시예 뿐 아니라 히터를 내장하는 서셉터의 내부 공간이 허용되는 한 2개 이상의 히터를 가질 수 있으며, 상기 각 히터에 전기에너지를 공급하는 파워라인이 각 히터의 다단코일에 연결되고, 상기 각 히터의 하부에서 각 히터의 온도를 감지하는 열전쌍을 포함하여 전체적으로 원뿔형상, 역 원뿔형상 그리고 레코드형상으로 구성될 수도 있음은 자명하다.

히터가 2개 이상으로 이루어지는 경우에, 그 형상이 원뿔 또는 역 원뿔형상의 실시예는 각 히터의 모서리가 중첩될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하며, 레코드형상일 때는 각 히터모서리가 중첩되지 않도록 각 히터 모서리사이가 이격되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본원발명의 바람직한 실시예 중에서 도 3 및 도 4에 개시된 실시예의 작동구성을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 챔버 내부로 웨이퍼가 이송되어 서셉터 상단에 안치되면, 상기 챔버 내부로 반응가스들이 유입되고, 상기 서셉터에 내장된 각 히터(120, 160)들에 각각의 파워라인(140, 180)을 통해 전기에너지가 전달된다.

전달되는 전기에너지는 상기 각 히터(120, 160)의 다단코일에 의하여 열에너지로 변환되고, 상기 변환된 열에너지는 상기 히터(120, 160)에서 서셉터 케이스를 거쳐 웨이퍼로 전달되어 웨이퍼를 가열하고 이에 따라 웨이퍼의 가공이 수행되게 된다.

한편, 상기 각 히터(120, 160) 하부에 위치하는 각 열전쌍(130, 170)은 상기 히터(120, 160)의 가열온도를 감지하면, 상기 각 열전쌍(130, 170)과 연결된 제어용 마이컴(미도시)은 감지된 온도와 웨이퍼의 적절한 가공을 위해 입력된 온도를 비교하여 높거나 또는 낮은 경우에는 외부전원(미도시)을 제어하여 적절한 온도를 유지할 수 있도록 한다.

즉, 제어용 마이컴은 제1히터(120)의 온도는 적당한 반면 제2히터(160)의 온도가 적정 온도보다 낮은 경우에는 제2히터(160)에 공급되는 전기에너지를 증가시키게 되며, 그 반대의 경우 뿐 아니라 제1, 2히터(120, 160) 모두가 낮거나 또는 높은 경우에도 그에 따라 온도를 조절할 수 있게 되는 것이다.

상기 제1히터(120)와 제2히터(160)모서리가 서로 중첩될 수 있도록 구성하는 이유는 히터들이 수평으로 위치하는 경우와 달리 웨이퍼를 가열함에 있어 히터들이 수직으로 이격된 관계로 열에너지 전달의 누락이 발생될 수 있는 현상을 방지하기 위함이다.

따라서 본 발명은 웨이퍼를 가열하는 히터의 개수에 무관하게 각 히터 하부에 위치하는 열전쌍에 의해 온도를 감지하고, 이에 따라 각 히터에 연결되어 전기에너지를 공급할 수 있는 파워라인으로 구성되는 히터이면 모두다 적용될 수 있는 온도제어시스템이라고 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 종래와 달리 웨이퍼를 가열하는 히터를 복수 개로 구성함 과 동시에 협소한 공간 내에서도 각 히터에 개별적으로 열전쌍을 효과적으로 위치시켜 온도를 감지할 수 있게 하여 웨이퍼의 등가열(equi-heating)을 실현함으로서 보다 높은 웨이퍼 증착균일도를 구현할 수 있게 해준다.

통상적으로 복수개의 열전쌍을 위치시키기가 어렵기 때문에 multi-zone control 방식의 AlN Heater를 생산하지 못하고 있는데 반해 본 기술은 그러한 문제점을 해결할 수 있는 방안을 제시하고 있는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 히터의 온도제어시스템은 서셉터의 내부공간이 허용하는 범위 내에서 내장되는 히터개수를 적절히 조절하는 것이 가능하여 공간활용도를 최대한으로 할 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 서셉터의 상단에 위치하는 웨이퍼를 가열하기 위해, 상기 서셉터의 중앙부와 대응되고 외주연을 가지는 제1히터와 상기 제1히터와 대응되는 홀이 형성되고 내주연을 가지는 제2히터를 포함하고, 상기 제1히터의 외주연과 상기 제2히터의 내주연이 서로 중첩되는 히터와;

   상기 제1히터 및 상기 제2히터 각각에 외부전원을 인가하는 파워라인과;

   상기 제1히터 및 상기 제2히터 각각의 하부에 온도를 감시하는 열전쌍을 포함하고, 상기 열전쌍에서 감지되는 온도에 따라 상기 외부전원을 조절하는 다중 온도 제어시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1히터의 직경은 상기 홀의 직경보다 크고, 상기 제1히터의 하부에 상기 제2히터가 위치하는 다중 온도 제어시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1히터의 직경은 상기 홀의 직경보다 크고, 상기 제1히터의 상부에 상기 제2히터가 위치하는 다중 온도 제어시스템.

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