KR102364546B1 - 반도체 제조설비의 가스 공급장치 - Google Patents

반도체 제조설비의 가스 공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 제조설비에 사용되는 희석가스 농도의 재현성을 향상시켜며 희석가스의 공급 지속성을 유지할 수 있는 반도체 제조설비의 가스 공급장치에 관한 것으로, 원료가스를 공급하는 원료가스 공급부; 상기 원료가스 공급부로부터 제1 배관라인을 통해 공급된 원료가스와 제2 배관라인을 통해 공급된 밸런스 가스를 미리 결정된 제1 농도로 혼합하여 형성된 1차 혼합가스를 제3 배관라인을 통해 배출하는 제1 믹싱부; 및 상기 제1 믹싱부에서 제4 배관라인을 통해 공급된 1차 혼합가스와 제5 배관라인을 통해 공급된 밸런스 가스를 미리 결정된 제2 농도로 혼합하여 형성된 2차 혼합가스를 제6 배관라인을 통해 반도체 제조설비 측으로 배출하는 제2 믹싱부를 포함하여 구성할 수 있다.

Description

반도체 제조설비의 가스 공급장치{Gas supplier for semiconductor manufacturing system}
본 발명은 반도체 제조설비의 가스 공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 제조설비에 사용되는 희석가스 농도의 재현성을 향상시켜며 희석가스의 공급 지속성을 유지할 수 있는 반도체 제조설비의 가스 공급장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조설비는 청정실 내에 반도체 제조장치들을 제조공정에 맞게 배치하고, 각 제조장치에 반도체 제조에 필요한 원료가스 등을 공급하는 대형의 설비이다.
원료가스에는 예를 들어 반도체 재료 등을 도핑하기 위해서 사용되는 아르신(arsine) AsH3, 포스핀(phosphine) PH3, 디보란(diborane) B2H6, 게르만(germane) 가스 GeH4 등이 있다. 아르신, 포스핀이 주로 n형 반도체에 사용되는 반면에, 디보란은 p형 반도체에 많이 사용된다.
이러한 원료가스는 가스용기(Bottle 또는 Cylinder) 내에 저장된 상태로 공급되며, 저장된 원료가스의 소진으로 가스용기를 교체할 때에도 반도체 제조설비로 가스가 공급될 수 있도록 동일 가스공급부 내에 복수의 저장용기로 구비된다.
하지만, 원료가스의 사용량이 증가하면 저장용기의 교체회수도 또한 증가하게 되므로, 교체작업에 따른 인력손실 및 외기 유입에 따른 폭발 등의 리스크가 증대될 수 있다.
또한, 원료가스는 통상적으로 수소(H2)나 질소(N2)와 같은 밸런스(Balance) 가스와 혼합하여 희석 가스의 형태로 반도체 제조설비에 공급되는데, 각 저장용기에 저장된 원료가스의 농도 편차(저장용기의 공급자에 따른 고정값의 농도로만 공급되므로 발생함)로 인하여 반도체 제조설비에 희망하는 농도의 희석 가스를 공급하는 것이 매우 어려운 실정이다.
KR 10-1196372 B1
따라서 본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로서, 반도체 제조설비에 사용되는 희석가스 농도의 재현성을 향상시켜며 희석가스의 공급 지속성을 유지할 수 있는 반도체 제조설비의 가스 공급장치를 제공함을 하나의 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 제조설비의 가스 공급장치는 원료가스를 공급하는 원료가스 공급부; 상기 원료가스 공급부로부터 제1 배관라인을 통해 공급된 원료가스와 제2 배관라인을 통해 공급된 밸런스 가스를 미리 결정된 제1 농도로 혼합하여 형성된 1차 혼합가스를 제3 배관라인을 통해 배출하는 제1 믹싱부; 및 상기 제1 믹싱부에서 제4 배관라인을 통해 공급된 1차 혼합가스와 제5 배관라인을 통해 공급된 밸런스 가스를 미리 결정된 제2 농도로 혼합하여 형성된 2차 혼합가스를 제6 배관라인을 통해 반도체 제조설비 측으로 배출하는 제2 믹싱부를 포함하고, 상기 원료가스 공급부는 독립적으로 제어가능한 다수의 저장용기 번들로 이루어지고, 상기 제1 믹싱부 측의 제1 배관라인 및 제2 배관라인에는 각각 가스의 양을 측정하고 조절하기 위해 제1 유량 제어기(MFC1) 및 제2 유량 제어기(MFC2)가 연결되고, 상기 제2 믹싱부 측의 제4 배관라인 및 제5 배관라인에는 각각 가스의 양을 측정하고 조절하기 위해 제3 유량 제어기(MFC3) 및 제4 유량 제어기(MFC4)가 연결되며, 상기 제1 믹싱부 측의 제3 배관라인 및 상기 제2 믹싱부 측의 제6 배관라인에는 각각 배출가스의 농도를 측정하기 위해 제1 가스 농도 센서(PZC1) 및 제2 가스 농도 센서(PZC2)가 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 원료가스는 아르신, 포스핀, 디보란 및 게르만 중 어느 하나를 포함하는 도펀트 종의 수소화물 가스이며, 상기 밸런스 가스는 수소 또는 수소-함유 가스 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 1차 혼합가스의 제1 농도는 29% ~ 31% 범위이고, 상기 2차 혼합가스의 제2 농도는 1% ~ 10% 범위인 것을 특징으로 한다.
상기 1차 혼합가스의 제1 농도가 30%일 때, 상기 제1 유량 제어기의 개방율은 60%이고, 상기 제2 유량 제어기의 개방율은 90%인 것을 특징으로 한다.
상기 2차 혼합가스의 제2 농도가 10%일 때, 상기 제3 유량 제어기의 유량은 3 SLPM(Standard Liters Per Minute)이고, 상기 제4 유량 제어기의 유량은 9 SLPM인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 믹싱부 측의 제1 배관라인 후단에는 상기 원료가스 공급부로부터 공급되는 원료가스를 균일하게 혼합하기 위해 스태틱 믹서부가 연결되는데, 상기 스태틱 믹서부는 원통형 혼합튜브; 및 상기 원통형 혼합튜브의 길이방향을 따라 배치되어, 유입되는 원료가스가 선회이동 하면서 혼합 가능하도록 구성된 나선형상의 제1 및 제2 선회류 발생부재를 포함하고, 상기 제2 선회류 발생부재가 상기 제1 선회류 발생부재 내측에 이격되게 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 선회류 발생부재의 반경은 상기 제2 선회류 발생부재의 반경보다 큰 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 반도체 제조설비의 가스 공급장치에 의하면, 반도체 제조설비에 사용되는 희석가스 농도의 재현성을 향상시켜며 희석가스의 공급 지속성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비의 가스 공급장치의 전체 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 믹싱부 측의 배출라인 구성을 설명하기 위한 도면이며,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스태틱 믹서부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항은 상세한 설명 및 도면에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 매체를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비의 가스 공급장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 믹싱부 측의 배출라인 구성을 설명하기 위한 도면이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스태틱 믹서부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 제조설비의 가스 공급장치는 원료가스를 공급하는 원료가스 공급부(100); 상기 원료가스 공급부(100)로부터 제1 배관라인(110)을 통해 공급된 원료가스와 제2 배관라인(111)을 통해 공급된 밸런스 가스를 미리 결정된 제1 농도로 혼합하여 형성된 1차 혼합가스를 제3 배관라인(112)을 통해 배출하는 제1 믹싱부(200); 및 상기 제1 믹싱부(200)에서 제4 배관라인(113)을 통해 공급된 1차 혼합가스와 제5 배관라인(114)을 통해 공급된 밸런스 가스를 미리 결정된 제2 농도로 혼합하여 형성된 2차 혼합가스를 제6 배관라인(115)을 통해 반도체 제조설비(400) 측으로 배출하는 제2 믹싱부(300)를 포함한다.
제어부(도시안됨)는 전반적인 시스템의 동작을 제어하되, 후술하는 바와 같이 1차 혼합가스의 농도 및 2차 혼합가스의 농도에 기반하여 미리 설정된 농도값으로 혼합가스의 혼합비를 제어하도록 구성된다.
상기 원료가스 공급부(100)는 독립적으로 제어가능한 다수의 저장용기 번들(bundle)(1011, 1012,..., 101N)로 이루어질 수 있다.
본 발명에서, "저장용기 번들"은 독립적으로 제어될 수 있는 둘 이상의 물리적으로 구별되는 다수의 저장용기를 포함하는 저장용기 유닛을 의미한다. 따라서, 저장용기 번들 내의 저장용기 중 하나가 비워진다고 하더라도, 저장용기 번들 내의 나머지 저장용기는 계속 작동할 수 있다.
유사하게, 다수의 저장용기 번들(bundle)(1011, 1012,..., 101N) 중에서 하나의 저장용기 번들(101)이 비워진다고 하더라도 나머지 저장용기 번들(1012,..., 101N)은 계속 작동하여 원료가스를 공급할 수 있다.
다수의 저장용기 번들(bundle)(1011, 1012,..., 101N)의 저장용기에는 각각 누출을 감지할 수 있는 감지센서(detector) 및 누출시 자동으로 누출을 차단하는 셧다운 밸브(shutdown valve)가 구비될 수 있다.
상기 원료가스는 아르신, 포스핀, 디보란 및 게르만 중 어느 하나를 포함하는 도펀트 종의 수소화물 가스이며, 상기 밸런스 가스는 수소 또는 수소-함유 가스 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 수소화물 가스는 실리콘 반도체, 화합물 반도체 및 액정의 제조공정에서 원료가스 또는 도핑(doping) 가스로서 필수불가결하다. 그러나, 이들 가스는 매우 유독하다. 이 때문에, 본 발명에서는 원료가스 공급부(100를 저장용기 번들의 형태로 구성함으로써, 원료가스의 사용량이 증가하더라도 저장용기의 교체회수는 증가하지 않으므로, 교체작업에 따른 인력손실 및 외기 유입에 따른 폭발 등의 리스크를 감소시킬 수 있게 된다.
바람직하게, 본 발명에서, 상기 원료가스는 디보란일 수 있으며, 상기 밸런스 가스는 수소일 수 있다.
상기 제1 믹싱부(200) 측의 제1 배관라인(110) 및 제2 배관라인(111)에는 각각 가스의 양을 측정하고 조절하기 위해 제1 유량 제어기(mass flow control)(MFC1) 및 제2 유량 제어기(MFC2)가 연결될 수 있다.
상기 제2 믹싱부(300) 측의 제4 배관라인(113) 및 제5 배관라인(114)에는 각각 가스의 양을 측정하고 조절하기 위해 제3 유량 제어기(MFC3) 및 제4 유량 제어기(MFC4)가 연결될 수 있다.
상기 제1 믹싱부(200) 측의 제3 배관라인(112) 및 상기 제2 믹싱부(300) 측의 제6 배관라인(116)에는 각각 배출가스의 농도를 측정하기 위해 제1 가스 농도 센서(PZC1) 및 제2 가스 농도 센서(PZC2)가 연결될 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 가스 농도 센서(PZC1, PZC2)는 VEECO사에서 판매하는 피에조콘(PIEZOCON : PZC) 가스 농도 센서가 사용될 수 있으며, 높은 정확도와 반복 가능한 실시간 농도측정을 입증했다.
상기 제1 및 제2 가스 농도 센서(PZC1, PZC2) 후단에는 제3 및 제6 배관라인(112, 116) 내의 가스 압력을 측정하는 가스압력센서(도시안됨)가 추가로 연결가능하다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 믹싱부(300) 측의 배출라인(115)은 압력 조절기(1151) 전단에 연결되어 배출라인(115) 내의 압력 조절 이전의 가스 압력을 측정하는 제1 가스압력센서(PT1)와, 압력 조절기(1151) 후단에 연결되어 배출라인(115) 내의 압력 조절 이후의 가스 압력을 측정하는 제2 가스압력센서(PT2)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배출라인(115)은 반도체 제조설비로의 개폐를 제어하는 밸브(MV1) 및 벤트로의 개폐를 제어하는 밸브(MV2)를 포함할 수 있다.
도면에 도시하고 있지는 않지만, 상기 제어부의 제어에 의해 경고음을 발생하는 경고음 발생부(도시안됨)를 더 포함할 수도 있다.
상기 1차 혼합가스의 제1 농도는 29% ~ 31% 범위이고, 상기 2차 혼합가스의 제2 농도는 1% ~ 10% 범위일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 유량 제어기(MFC) 풀 스케일(Full Scale)) 및 아웃렛(Outlet) 농도를 예로 들면 다음과 같다.
MFC Open율 MFC Flow Rate 가스
생산량
MFC F/S INPUT
농도		 MFC1
(B2H6)		 MFC2
(H2)		 OUTLET
농도		 MFC3
(B2H6)		 MFC4
(H2)		 OUTPUT
B2H6:5SLPM
H2:10SLPM		 30% 60% 90% 10% 3SLPM 9SLPM 113SLPM
상기 [표 1]에서, 원료가스는 B2H6이고, 밸런스 가스는 H2이다.
상기 제1 유량 제어기(MFC1) 및 상기 제2 유량 제어기(MFC2)의 개방율은 OUTLET 농도에 따라 서로 다르게 결정되고 있음을 알 수 있다.
상기 1차 혼합가스(제1 믹싱부(200)에서 배출되는 혼합가스)의 농도가 30%일 때, 상기 제1 유량 제어기(MFC1)의 개방율은 60%이고, 상기 제2 유량 제어기(MFC2)의 개방율은 90%일 수 있다.
또한, 상기 2차 혼합가스(제2 믹싱부(300)에서 배출되는 혼합가스)의 농도가 10%일 때, 상기 제3 유량 제어기(MFC3)의 유량은 3 SLPM(Standard Liters Per Minute)이고, 상기 제4 유량 제어기(MFC4)의 유량은 9 SLPM일 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 믹싱부(200) 측의 제1 배관라인(110) 후단에는 상기 원료가스 공급부(100)로부터 공급되는 원료가스를 균일하게 혼합하기 위해 스태틱 믹서부(500)가 연결될 수 있다.
상기 스태틱 믹서부(500)는 원통형 혼합튜브(501); 및 상기 원통형 혼합튜브(501)의 길이방향을 따라 배치되어, 유입되는 원료가스가 선회이동 하면서 혼합 가능하도록 구성된 나선형상의 제1 및 제2 선회류 발생부재(502, 503)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 선회류 발생부재(502, 503)의 나선형상은 가스의 유동저항이 최소하되도록 설계하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 제2 선회류 발생부재(503)가 상기 제1 선회류 발생부재(502) 내측에 동축으로 이격되게 배치될 수 있다.
이를 위해서, 상기 제1 선회류 발생부재의 반경은 상기 제2 선회류 발생부재의 반경보다 클 수 있다.
이에 따라, 원통형 혼합튜브(501)의 내부공간으로 유동되는 다수의 원료가스가 나선형상을 이루어 길이방향을 따라 일정간격으로 형성되게 되는 제1 선회류 발생부재(502, 503)의 좁은 공간과 제2 선회류 발생부재(502, 503)의 좁은 공간, 원통형 혼합튜브(501)의 내주면과 제1 및 제2 선회류 발생부재(502, 503) 사이의 공간을 통해 유체가 원활하고 용이하게 유동할 수 있게 된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 원료가스 공급부
200 : 제1 믹싱부
300 : 제2 믹싱부
400 : 반도체 제조설비
500 : 스태틱 믹서부

Claims (7)

  1. 원료가스를 공급하는 원료가스 공급부;
    상기 원료가스 공급부로부터 제1 배관라인을 통해 공급된 원료가스와 제2 배관라인을 통해 공급된 밸런스 가스를 미리 결정된 제1 농도로 혼합하여 형성된 1차 혼합가스를 제3 배관라인을 통해 배출하는 제1 믹싱부; 및
    상기 제1 믹싱부에서 제4 배관라인을 통해 공급된 1차 혼합가스와 제5 배관라인을 통해 공급된 밸런스 가스를 미리 결정된 제2 농도로 혼합하여 형성된 2차 혼합가스를 제6 배관라인을 통해 반도체 제조설비 측으로 배출하는 제2 믹싱부를 포함하고,
    상기 원료가스 공급부는 독립적으로 제어가능한 다수의 저장용기 번들로 이루어지고,
    상기 제1 믹싱부 측의 제1 배관라인 및 제2 배관라인에는 각각 가스의 양을 측정하고 조절하기 위해 제1 유량 제어기(MFC1) 및 제2 유량 제어기(MFC2)가 연결되고, 상기 제2 믹싱부 측의 제4 배관라인 및 제5 배관라인에는 각각 가스의 양을 측정하고 조절하기 위해 제3 유량 제어기(MFC3) 및 제4 유량 제어기(MFC4)가 연결되며,
    상기 제1 믹싱부 측의 제3 배관라인 및 상기 제2 믹싱부 측의 제6 배관라인에는 각각 배출가스의 농도를 측정하기 위해 제1 가스 농도 센서(PZC1) 및 제2 가스 농도 센서(PZC2)가 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 가스 공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원료가스는 아르신, 포스핀, 디보란 및 게르만 중 어느 하나를 포함하는 도펀트 종의 수소화물 가스이며,
    상기 밸런스 가스는 수소 또는 수소-함유 가스 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 가스 공급장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 1차 혼합가스의 제1 농도는 29% ~ 31% 범위이고,
    상기 2차 혼합가스의 제2 농도는 1% ~ 10% 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 가스 공급장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 1차 혼합가스의 제1 농도가 30%일 때, 상기 제1 유량 제어기의 개방율은 60%이고, 상기 제2 유량 제어기의 개방율은 90%인 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 가스 공급장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 2차 혼합가스의 제2 농도가 10%일 때, 상기 제3 유량 제어기의 유량은 3 SLPM(Standard Liters Per Minute)이고, 상기 제4 유량 제어기의 유량은 9 SLPM인 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 가스 공급장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 믹싱부 측의 제1 배관라인 후단에는 상기 원료가스 공급부로부터 공급되는 원료가스를 균일하게 혼합하기 위해 스태틱 믹서부가 연결되는데, 상기 스태틱 믹서부는 원통형 혼합튜브; 및 상기 원통형 혼합튜브의 길이방향을 따라 배치되어, 유입되는 원료가스가 선회이동 하면서 혼합 가능하도록 구성된 나선형상의 제1 및 제2 선회류 발생부재를 포함하고, 상기 제2 선회류 발생부재가 상기 제1 선회류 발생부재 내측에 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 가스 공급장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 선회류 발생부재의 반경은 상기 제2 선회류 발생부재의 반경보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 가스 공급장치.
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