KR19990038729A - 웨이퍼의 실제 온도를 측정하는 감지장치를 갖는 종형 확산로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼를 가공하는 반도체 제조 장치 중에서 웨이퍼에 산화막, 침적막 등을 형성시키고 또는 웨이퍼에 열처리 가공(Annealing)을 하는 종형 확산로(Vertical Diffusion Furnace)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 반응관 내에 삽입되는 웨이퍼의 실제온도에 따라 반응관 내부의 온도를 조절할 수 있는 종형 확산로에 관한 것이며, 이를 위하여 보트의 내부에 삽입된 내부온도 감지장치를 포함하는 온도 조절수단이 구비된 종형 확산로의 구조를 개시하고 또한 상기 온도 조절수단을 보트에 삽입되는 내부온도 감지장치, 반응관의 외부에 형성되는 외부온도 감지장치 및 상기 온도 감지장치들과 연결되며 반응관 외부의 히터를 제어할 수 있는 히터 제어장치를 포함하는 구조로 개시하며, 이러한 구조를 통하여 웨이퍼에 침적막을 형성함으로써 종래 구조에 따라 보트의 외부에 고정된 내부온도 감지장치로 인한 오차를 방지하고, 웨이퍼의 실제온도에 맞추어 반응관 내의 온도를 적절하게 조절할 수 있으며 웨이퍼를 가공하여 형성되는 침적막 등의 품질을 향상하여 결과적으로 웨이퍼 제조 공정의 효율을 향상한다.

Description

웨이퍼의 실제 온도를 측정하는 감지장치를 갖는 종형 확산로

본 발명은 반도체 소자 제조 장치에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 보트의 내부에 온도 감지장치를 삽입하여 반응되는 웨이퍼의 실제온도를 측정함으로써 반응관 내부의 온도를 정확하게 조절할 수 있는 종형 확산로(Vertical Diffusion Furnace)에 관한 것이다.

웨이퍼를 가공하는 공정에서, 웨이퍼 표면에 분자기체를 반응시켜 필요한 막을 형성하는 공정을 화학기상증착(CVD ; Chemical Vapor Deposition ; 이하 "CVD" 라 한다) 공정이라 하며 이러한 CVD 공정은 막을 형성하는 방법에 따라 저압 CVD(Low Pressure CVD), 상압 CVD(Atmosphere Pressure CVD) 및 플라즈마 CVD(Plasma Enhanced CVD)으로 구분된다.

도 1은 종래의 CVD에 쓰이는 장치인 종형 확산로(100)의 구조를 도시하고 있으며, 이를 토대로 종형 확산로(100)를 살펴보면 다음과 같다. 반응관(30)은 내관(34)과 그 내관(34)의 바깥으로 형성되고 상부에서 내관(34)과 연결되는 외관(32)을 갖는 이중관 구조로 형성되며 플랜지(40)의 승강작용에 따라 웨이퍼들(20)이 장착된 보트(10)가 플랜지(40)에 고정되어 반응관(30)의 내관(34)으로 삽입된다. 반응관(30)의 하부에서 가스관(70)과 연결되어 CVD에 필요한 가스를 내관(34)의 하부로 공급하고, 가스는 내관(34)의 하부에서 상부로 이동하여 연결된 외관(32)을 통해 다시 반응관(30)의 하부에 연결된 가스관(70)을 통해 배출된다. 이때 가스를 배출하기 위하여 진공을 이용할 수 있다.

반응관(30)의 외측에 반응관(30)을 둘러싸며 히터(50)가 설치되어 있으며 히터(50)의 상부에는 세라믹 섬유(Ceramic Fiber)와 같은 단열재(52)로 씌워져 있고, 이상과 같은 반응관(30), 히터(50) 및 플랜지(40) 등을 하부구조물(60)이 지지하고 있다. 또한 반응관(30)의 외관(32)과 히터(50) 사이에 형성되는 외부온도 감지장치(38), 반응관(30)의 내관(34)의 내부에 위치하며 보트(10)의 외부에 고정되는 내부온도 감지장치(28) 및 내·외부온도 감지장치(28, 38)와 연결되어 히터를 제어하는 히터 제어장치(도시되지 않음)가 구성되어 있으며, 내·외부온도 감지장치들(28, 38)은 세라믹 관(26, 36)에 삽입되어 있고, 내부온도 감지장치(28)가 삽입된 세라믹 관(26)은 플랜지(40)를 관통하여 외부의 히터 제어장치와 연결되며 플랜지(40) 하부의 연결부분은 O 링과 같은 밀봉수단(42)을 통하여 밀봉되어 있다.

이와 같은 종형 확산로(100)에 있어서 작용을 알아보면, 반응관(30)의 내부공간에 웨이퍼(20)가 장착된 보트(10)가 삽입된 후 반응관(30)의 외측에 위치한 히터(50)가 반응관(30)에 열을 가하여 반응관(30) 내의 온도가 일정한 공정 온도를 유지하게 하며 가스관(70)을 통해 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 산소(O₂), 실란(SiH₄; Silane), 인화수소(PH₃; Phosphine) 등의 가스가 내관(32)으로 주입되어 웨이퍼(20)에는 산화막, 질화막, 다결정 실리콘 막 등이 형성된다. 또는 이미 웨이퍼의 표면에 형성된 침적막의 표면을 가공하기 위하여 가스를 공급하지 않은 상태에서 열을 가하는 열처리 가공(Annealing) 공정이 수행되기도 한다.

이때 종래의 종형 확산로에서는 반응관 내부의 온도를 조절하기 위하여 고정된 형태의 내·외부온도 감지장치 및 내·외부온도 감지장치와 연결되어 히터를 제어하는 히터 제어장치를 포함하는 온도 조절수단을 이용한다. 온도를 감지하는 온도 감지장치들은 세라믹으로 형성된 관에 삽입되어 있는 복수개의 열전대쌍(Thermo Couple)이다. 종래의 내부온도 감지장치는 실제 반응이 일어나는 웨이퍼와는 이격되어 고정된 장치이며, 세라믹 관에 의해 보호되기는 하지만 반응관 내부의 높은 온도와 가스의 화학반응에 따른 조건에서는 온도를 측정할 수 없으며 단지 공정을 진행하기 전에 외부온도 감지장치와의 보정을 통하여 반응관 내부의 온도를 측정할 때 이용하고, 따라서 웨이퍼의 실제온도를 정확하게 측정할 수 없다.

고정된 형태의 내부온도 감지장치에 따른 부정확한 측정값은 그 측정값에 따라 히터 제어장치가 히터를 제어함으로써, 반응관 내의 웨이퍼가 반응이 진행되는 과정 또는 반응이 끝난 후에 반응관으로부터 웨이퍼를 꺼내는 과정에서 손상을 입을 수 있으며, 생성되는 막의 품질을 저하시켜 결과적으로 공정의 효율을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 목적은 종형 확산로에서 반응하는 웨이퍼의 실제온도를 측정하여 그 측정값에 따라 반응관 내부의 온도를 조절하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 종형 확산로의 온도 조절수단을 통하여 웨이퍼에 생성되는 막의 품질을 향상시키며, 결과적으로 공정의 효율을 높이는 것이다.

도 1은 종래의 종형 확산로의 일부분을 나타낸 부분 단면도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종형 확산로의 일부분을 나타낸 부분 단면도,

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보트를 개략적으로 나타낸 사시도,

도 3b는 도 3a의 보트에서 내부온도 감지장치가 지지대 안에 삽입되는 모습을 나타낸 단면도,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 조절수단을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

10, 110, 210 : 보트 20, 120, 220 : 웨이퍼

26, 36, 126, 136 : 세라믹 관 28, 128, 270 : 내부온도 감지장치

38, 138, 280 : 외부온도 감지장치 30, 130, 230 : 반응관

32, 132 : 외관 34, 134 : 내관

40, 140 : 플랜지(Flange) 42, 142 : 밀봉수단

50, 150, 250 : 히터 52, 152 : 단열재

60, 160 : 하부 구조물 70, 170 : 가스관

100, 200 : 종형 확산로 112 : 상판

114 : 하판 116 : 지지대

118 : 요홈 290 : 히터 제어장치

300 : 온도 조절수단

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 웨이퍼가 장착되는 보트의 내부에 삽입되어 보트와 함께 움직이면서 반응하는 웨이퍼의 실제온도를 측정할 수 있는 내부온도 감지장치를 갖는 종형 확산로를 제공한다. 보트에 삽입된 내부온도 감지장치는 반응관의 외부에 형성되는 외부온도 감지장치와 함께 히터 제어장치에 연결되어 온도 조절수단을 구성하며, 이러한 온도 조절수단을 통하여 반응관 내부의 온도가 조절된다.

본 발명에 따른 종형 확산로를 설명하면 다음과 같다.

웨이퍼들이 장착된 보트가 플랜지에 고정되어 반응관의 내부공간으로 삽입되며, 반응관에 연결된 가스관들을 통하여 반응관 내부로 가스가 공급되고 배출된다. 반응관의 외측에 반응관을 둘러싼 히터가 설치되어 있으며, 이상과 같은 반응관, 히터 및 플랜지 등을 하부구조물이 지지하고 있다. 또한 종래의 내부온도 감지장치가 보트와 이격된 채 반응관의 내부에 고정되어 있던 것에 비하여 본 발명에 따른 내부온도 감지장치는 웨이퍼가 장착되는 보트의 내부에 직접 삽입되어 웨이퍼와 함께 움직이는 구조를 갖는다. 이와 같이 보트에 삽입된 내부온도 감지장치는 반응관과 히터 사이에 형성되는 외부온도 감지장치와 함께 히터를 제어하는 히터 제어장치에 연결되고, 내·외부온도 감지장치와 히터 제어장치 등이 온도 조절수단을 구성한다.

이와 같은 종형 확산로에 있어서 작용을 알아보면, 반응관의 내부공간에 웨이퍼가 장착된 보트가 삽입된 후 반응관의 외측에 위치한 히터가 반응관에 열을 가하여 반응관 내의 온도가 일정한 공정온도가 된 후에 반응관과 연결된 가스관들을 통해 실란(SiH₄), 인화수소(PH₃), 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 산소(O₂) 등의 분자기체 가스가 반응관에 주입되어 웨이퍼 표면에 막이 형성된다. 이상과 같은 공정에서 반응관 내의 온도를 적절히 조절하기 위하여 보트와 함께 움직이는 내부온도 감지장치와 반응관 외부에 형성된 외부온도 감지장치가 반응관 내·외부의 온도를 측정하며 측정된 값들이 히터 제어장치에 전달되어 히터 제어장치에 의해 히터가 제어됨으로써 반응관 내부의 온도를 원하는 온도로 조절한다.

또한 이와 같은 역할을 유지하기 위해 내부온도 감지장치가 삽입되는 보트는 다음과 같은 구조를 갖는다. 각기 원형의 형태를 유지하는 상판과 하판이 있으며 상판과 하판 사이에서 원기둥의 형태를 갖는 복수개의 지지대가 공간을 형성하고, 하판 또는 상판의 원형의 단면 위에서 복수개의 지지대들이 사다리꼴 형태를 유지하며 형성되며 각 지지대의 서로 대향하는 면에는 서로 대응하는 복수개의 요홈들이 형성되어 각각의 웨이퍼가 장착된다. 이와 같은 보트의 지지대들 중에서 임의의 지지대의 내부에 보트-홀(Boat Hole)이 형성되고 홀에 세라믹 관으로 둘러싸인 내부온도 감지장치가 삽입된다. 내부온도 감지장치는 복수개의 열전대쌍으로 형성되며 각 열전대쌍의 끝단은 지지대의 표면으로 노출되어 형성된다. 내부온도 감지장치를 보호하는 세라믹 관은 보트 하부의 플랜지에 형성된 플랜지-홀(Flange Hole)을 통하여 반응관 외부의 히터 제어장치와 연결되며, 플랜지 하부에서 밀봉수단을 통하여 연결부분이 밀봉된다.

이하 첨부도면을 참고로 하여 본 발명을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종형 확산로(200)의 구조를 도시하고 있으며, 이를 토대로 종형 확산로(200)를 살펴보면 다음과 같다. 반응관(130)은 내관(134)과 그 내관(134)의 바깥으로 형성되고 상부에서 내관(134)과 연결되는 외관(132)을 갖는 이중관 구조로 형성되며 플랜지(140)의 승강작용에 따라 웨이퍼들(120)이 장착된 보트(110)가 플랜지(140)에 고정되어 반응관(130)의 내관(134)으로 삽입된다. 반응관(130)의 하부에서 가스관(170)과 연결되어 CVD에 필요한 가스를 내관(134)의 하부로 공급하고, 가스는 내관(134)의 하부에서 상부로 이동하여 연결된 외관(132)을 통해 다시 반응관(130)의 하부에 연결된 가스관(170)을 통해 배출된다.

반응관(130)의 외측에 반응관(130)을 둘러싸며 히터(150)가 설치되어 있으며 히터(150)의 상부에는 단열재(152)로 씌워져 있고, 이상과 같은 반응관(130), 히터(150) 및 플랜지(140) 등을 하부구조물(160)이 지지하고 있다. 또한 반응관(130)의 외관(132)과 히터(150) 사이에 형성되는 외부온도 감지장치(138), 보트(110)의 내부에 끼워져 함께 움직이는 내부온도 감지장치(128) 및 내·외부온도 감지장치(128, 138)와 연결되어 히터를 제어하는 히터 제어장치가 구성되어 있으며, 내·외부온도 감지장치들(128, 138)은 세라믹 관(126, 136)에 삽입되어 있고, 내부온도 감지장치(128)가 삽입된 세라믹 관(126)은 플랜지(140)를 관통하여 외부의 히터 제어장치와 연결되며 플랜지(140) 하부의 연결부분은 밀봉수단(142)을 통하여 밀봉되어 있다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 보트(110)를 개략적으로 도시하고 있으며, 도 3b는 도 3a의 보트(110)에서 내부온도 감지장치(128)가 지지대(116) 안에 삽입되어 있는 모습을 단면으로 나타내고 있다. 도 3a 및 도 3b를 참고로 하여 본 발명에 따른 내부온도 감지장치(128)와 내부온도 감지장치(128)가 삽입되는 보트(110)를 설명한다. 원형의 형태를 갖는 상판(112)과 하판(114)이 있으며 상판(112)과 하판(114) 사이에서 원기둥의 단면을 갖는 복수개의 지지대들(116)이 공간을 형성하고, 하판(114) 또는 상판(112)의 단면 위에서 복수개의 지지대들(116)이 사다리꼴 형태를 유지하며 형성되며 각 지지대(116)에는 서로 대응하는 복수개의 요홈들(118)이 형성되어 각각의 웨이퍼(120)가 장착된다. 이와 같은 보트(110)의 지지대들(116) 중에서 임의의 지지대(116)의 내부에 보트-홀이 형성되고 보트-홀에 세라믹 관(126)으로 둘러싸인 내부온도 감지장치(128)가 삽입된다. 내부온도 감지장치(128)는 복수개의 열전대쌍으로 형성되며 각 열전대쌍의 끝단은 지지대(116)의 표면으로 노출되어 형성된다. 내부온도 감지장치(128)를 보호하는 세라믹 관(126)은 보트(110)가 놓여지는 플랜지(140)에 형성된 플랜지-홀을 통하여 반응관(130) 외부의 히터 제어장치와 연결되며, 플랜지(140) 하부에서 밀봉수단(142)을 통하여 연결부분이 밀봉된다.

도 4는 본 발명에 따른 온도 조절수단(300)을 개략적으로 나타내고 있다. 도 4를 참고로 하여 온도 조절수단(300)을 설명하면 다음과 같다. 본 발명에 따른 종형 확산로는 반응관(230) 내부의 온도를 조절하기 위하여 보트(210)에 삽입되어 함께 움직이는 내부온도 감지장치(270)와 반응관(230)의 외부에 고정된 형태의 외부온도 감지장치(280) 및 내·외부온도 감지장치(270, 280)와 연결되어 히터(250)를 제어하는 히터 제어장치(290)를 포함하는 온도 조절수단(300)을 이용한다.

이상과 같은 종형 확산로에서, 반응관은 본 발명의 실시예들에 나타난 바와 같이 내관과 외관을 갖는 이중관 구조 또는 단일관 구조로 구성될 수 있으며, 그에 따라 반응관을 둘러싸는 히터 역시 반응관의 상부에 히터가 연장되어 형성되거나 또는 히터 위에 알루미나(Alumina)와 실리카(Silica) 등의 합성물질인 세라믹 섬유(Ceramic Fiber)와 같은 재질의 단열재가 형성되는 구조로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 종형 확산로는 반응관의 내부에서 웨이퍼들이 장착되는 보트에 삽입되어 보트와 함께 움직이면서 웨이퍼의 실제온도를 측정하는 내부온도 감지장치를 구비함으로써 종래의 외부온도 감지장치 및 히터 제어장치와 더불어 반응관 내부의 온도를 조절하며, 반응관 내부에서의 온도 변화와 그에 따른 압력 변화를 조절함으로써 반응관 내부에 위치한 웨이퍼가 손상되는 것을 방지하며, 웨이퍼에 생성되는 막의 품질을 향상시키고 결과적으로 웨이퍼 제조 공정의 효율을 향상할 수 있다.

Claims (10)

1. 각기 원형의 형태를 갖는 상판과 하판,

   상기 상판과 상기 하판 사이에서 공간을 형성하며 원기둥의 형태를 갖는 복수개의 지지대들, 및

   상기 각 지지대에 형성된 서로 대응하는 복수개의 요홈들을 포함하며 상기 요홈에 대응하여 복수개의 웨이퍼들이 장착되는 보트;

   상기 보트가 놓여지며 상하 직선운동을 하는 플랜지;

   상기 보트가 삽입되는 내부공간이 형성된 반응관;

   상기 반응관을 둘러싸며 형성되어 상기 반응관으로 열을 공급하는 히터;

   상기 플랜지, 상기 반응관 및 상기 히터를 지지하는 하부 구조물; 및

   상기 히터와 연결되어 상기 내부공간의 온도를 조절하는 온도 조절수단;

   을 포함하는 종형 확산로에 있어서,

   상기 온도 조절수단은 상기 보트의 내부에 삽입되어 상기 웨이퍼의 실제 온도를 측정하는 내부온도 감지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 종형 확산로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응관은 상기 내부공간을 형성하는 내관과, 상기 내관을 둘러싸며 표면을 형성하는 외관을 포함하는 것을 특징으로 하는 종형 확산로.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 온도 조절수단은 상기 반응관과 상기 히터 사이에 형성되는 외부온도 감지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 종형 확산로.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 온도 조절수단은 상기 히터의 온도를 제어할 수 있는 히터 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 종형 확산로.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 히터의 상부는 단열재인 것을 특징으로 하는 종형 확산로.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 단열재는 세라믹 섬유(Ceramic Fiber)인 것을 특징으로 하는 종형 확산로.
7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 보트의 내부는 상기 지지대들 중의 임의의 한 지지대에 형성되는 것을 특징으로 하는 종형 확산로.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 플랜지를 통하여 상기 보트의 내부에 끼워지는 상기 내부온도 감지장치는 복수개의 열전대쌍(Thermo Couple)이며, 상기 열전대쌍의 끝단은 상기 지지대의 표면으로 노출된 것을 특징으로 하는 종형 확산로.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 내부온도 감지장치는 상기 히터 제어장치와 전기적으로 연결되어 상기 히터 제어장치에 전기적 신호를 보냄으로써 상기 히터 제어장치가 상기 히터를 제어하도록 하는 것을 특징으로 하는 종형 확산로.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 내부온도 감지장치가 관통되는 상기 플랜지의 하부는 상기 전기적 연결 상태를 유지하면서 밀봉되는 것을 특징으로 하는 종형 확산로.