KR19990066530A - 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치는 직접가열과 대류에 의한 간접가열 방식을 둘다 채택하여 조합하므로, 액체소스의 기화부에 유입되는 가스의 온도를 상승시킴으로 인해 가열되는 소스의 온도저하가 방지되고 따라서 소스의 활성화를 돕고 기화되는 소스들의 액화현상을 방지하며, 가열된 캐리가스와 산소가스를 유입시켜 줌으로써 믹싱부에서 소스가 섞이게 될 때 가열된 소스의 온도저하를 방지하고 활성화에너지를 유지시킴으로써 실제 반응시 충분한 반응에너지의 공급이 원활해 지며, 복사열을 활용하게 함으로써 2차 가열이 가능하여 효율이 배가 되고, 외부히팅방식에 비해서는 간접가열방식이 아닌 직접가열식이므로 효율이 월등히 우수하며, 1차가열부에서 가열과 혼합이 가능하도록 하고 복사열을 이용한 2차 가열을 실시하여 승온 및 혼합, 온도 안정화단계를 거치게 되며, 3차 가열시에 필요한 온도로의 최종 승온 및 안정화를 이루게 되어 유체의 온도적 균일도가 확보되도록 한다.

Description

반도체의 유체접촉방식 복사가열장치

본 발명은 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치에 관한 것으로, 특히 액체소스의 기화부에 유입되는 가스의 온도를 상승시킴으로 인해 가열되는 소스의 온도저하가 방지되어 소스의 활성화를 돕고 기화되는 소스의 액화현상을 방지하여 소스의 기화효율을 향상시키고, 가열된 가스를 유입시켜줌으로써 실제반응시 충분한 반응에너지의 공급이 원활해지며, 복사열을 활용하게 함으로써 2차 가열이 가능하여 효율이 배가되고, 1차 가열부에서 가열과 혼합이 가능하도록 하고 복사열을 이용한 2차 가열을 실시하여 승온 및 혼합, 온도 안정화 단계를 거치게 되고 3차가열시 필요한 온도로의 최종 승온 및 안정화를 이룰수 있어, 유체의 온도균일도를 확보하도록 한 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치에 관한 것이다.

반도체의 화학기상증착공정뿐만 아니라 식각등의 다른 공정 또는 일반 산업용 장비에서 유체를 가열하여 어떤 반응에 유입시킬 필요성이 있다. 실제로 반도체 화학기상증착공정에서는 증착율을 높이고, 상대적으로 저온인 상태에서 공정이 가능하도록 하는 목표가 있는데 이를 만족시키기 위해서는 하드웨어적인 측면에서 다방면의 지원이 필요하다. 그 중 한가지가 가스의 가열을 통해 공정을 지원하는 것이다. 현재 사용되고 있는 방식으로는 가스튜브를 가열시킴으로써 가스를 가열하는 방법이 있는데, 가스튜브를 외부에서 가열시키기 때문에 가스로 열원이 전달되기 위해서는 튜브라는 열전달 매개체의 사용 때문에 온도구배가 발생할 뿐만 아니라 온도균일도가 불안정해지고 승온 가능한 최대온도를 만족시키기 힘들다. 따라서 본 발명의 목적은 유체접촉형 히터를 이용해 가스의 온도를 보다 균일하게 제어하고 열효율을 향상키시며, 승온온도를 높일 수 있는 하드웨어개발을 통한 공정개발을 지원하기 위함이다.

종래의 기술에서는 화학기상증착 및 식각등의 반도체 장비에서 도 1과 같이, 공정소스와, 캐리가스(carry gas), 산소가스(oxygen gas)등이 100℃ 이하의 온도에서 챔버(10)내로 유입되어, 가스분사기(1)를 통해 목표물인 웨이퍼(W) 상에서 하부나 기타부위에서 열에너지(thermal energy)나 플라즈마(plasma)등을 공급받아 활성화되어 반응이 일어나게 된다. 도면중 미설명 부호 2는 열공급부를 나타내고, 3은 배기라인을 나타낸다.

특별한 경우 유입되는 소스의 온도를 높혀줄 필요가 있을 경우 소스탱크를 가열시키고, 도 2a와 같이 소스의 이동경로인 튜브(20)의 외벽에 히터(21)를 감아 100℃이하의 온도로 유지시켜 챔버(10)내부로 가열된 소스들을 유입시키는 방법이 사용되고 있다. 유체튜브를 가열시키는 방법은 여러 가지가 있으나, 특히 다음에 기술될 타입의 것이 대표적인 예이다.

제1유형은 단순히 튜브의 외벽에 300℃ 까지 사용이 가능한 보온용 히터를 감아 가스튜브를 가열시키는 방법으로 직선튜브에 적용된다. 제2유형은 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 적은 공간을 이용하여 유체에 열에너지를 공급시키는 방법으로 튜브(20)에 스프링형상으로 히터(21)를 감아 유체가 내부를 흐르도록 한다. 제3유형은 도 3에 도시한 바와 같이, 튜브(20')내에 작은 히터용기(22)를 설치하여 직접접촉방식으로 가스를 가열시키는 방법이다.

종래기술의 동작을 설명하면 다음과 같다. 공정반응로에서 반응이 발생될 때 상온의 가스나 소스등이 웨이퍼(W)상으로 전달된 후 웨이퍼상에서 에너지원을 공급받아 소스들이 활성화되어 식각이나 증착등의 반응이 발생되는데, 이때 특성에 따라 소스들이 가열되기도 한다. 이런 가열된 소스들의 에너지를 유지시키기 위해 가스튜브(20)들을 100℃이하의 온도로 가열시킨다. 제1유형은 스트레이트 튜브내를 흐르는 유체에 열에너지를 공급시키기 위해 외부에 히터를 감아 일정온도까지 가열하여 소스의 온도를 유지시키거나 가스를 가열시키도록 튜브에 전달된 열이 유체로 전달되도록 한다. 제2유형은 튜브(20)를 스프링형상으로 감고 그 외벽에 히터(21)를 감는 방법으로 적은 공간을 이용하여 유체를 최대한 가열시킬 수 있다는 장점을 지니고 있다. 가열방식은 히터(21)에서 발생된 열에너지가 튜브(20)로 전달되고, 다시 튜브(20)에서 유체부로 열에너지가 전달되게 된다. 제3유형은 인-라인 타입의 히팅장치로써, 튜브(20')의 사이에 히터가 내장된 히터용기(22)를 연결하여 유체를 직접적으로 가열시키는 방법이다.

그러나 종래의 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다. 제1유형은 일반적으로 터빙된 상태에서 히터를 설치해 유체를 가열시키는 방법이므로 히터의 소비가 많고, 많은 공간을 필요로 하는 단점이고, 보수가 가능한 탈부착용으로는 300℃이상 유체를 가열시킬 수 없으며, 제2유형은 상기 제1유형을 보완한 형태로 히터(21)의 열효율이 높고 적은 공간내에서 많은 열량을 공급시킬 수 있다는 장점을 지니고 있으나, 탈부착이 용이하지 못하며, 탈부착이 용이한 구조의 히터는 300℃ 이상으로 유체를 가열시키기 어려우며, 제3유형은 비교적 고가이고, 히터용기(22)에 접촉되어 유체를 가열시키는 방식이기 때문에 열전달율은 좋으나 흐르는 유체에 전달되는 방식이기 때문에 히터의 효율이 비교적 낮은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출한 것으로, 액체소스의 기화부에 유입되는 가스의 온도를 상승시킴으로 인해 가열되는 소스의 온도저하가 방지되어 소스의 활성화를 돕고 기화되는 소스의 액화현상을 방지하여 소스의 기화효율을 향상시키고, 가열된 가스를 유입시켜줌으로써 실제반응시 충분한 반응에너지의 공급이 원활해지며, 복사열을 활용하게 함으로써 2차 가열이 가능하여 효율이 배가되고, 1차 가열부에서 가열과 혼합이 가능하도록 하고 복사열을 이용한 2차 가열을 실시하여 승온 및 혼합, 온도 안정화 단계을 거치게 되고 3차가열시 필요한 온도로의 최종 승온 및 안정화를 이룰수 있어, 유체의 온도균일도를 확보하도록 한 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 기술에 의한 공정반응로내의 가스흐름을 나타내는 단면도.

도 2a는 종래의 기술에 의한 가스튜브가열방식의 일예를 나타내는 단면도.

도 2b는 종래의 기술에 의한 가스튜브가열방식의 일예를 나타내는 평면도.

도 3은 종래의 기술에 의한 가스튜브가열방식의 다른예를 나타내는 단면도.

도 4는 본 발명에 의한 공정반응로내의 가스흐름을 나타내는 단면도.

도 5는 본 발명에 의한 유체접촉방식 복사가열장치를 나타내는 단면도.

도 6a는 본 발명에 의한 메인히터를 나타내는 단면도.

도 6b는 본 발명에 의한 메인히터를 나타내는 평면도.

도 7은 본 발명에 의한 투명튜브를 나타내는 측면도.

도 8은 본 발명에 의한 내부가열용기를 나타내는 사시도.

도 9는 본 발명에 의한 외부가열용기 및 외부히터를 나타내는 단면도.

도 10은 본 발명에 의한 외부가열용기 및 외부히터의 다른 실시예를 나타내는 단면도.

도 11은 본 발명에 의한 유체접촉방식 복사가열장치의 전체구성을 나타낸 블럭도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

31 ; 튜브 32 ; 라인히터

33 ; 단열재 34 ; 메인히터단자

35 ; 제1서머커플 36 ; 제2서머커플

37 ; 플레이트히터 38 ; 플랜지

40 ; 외부히터 41 ; 메인히터

42 ; 투명튜브 43 ; 투명튜브유출홀

44 ; 받침대 45 ; 내부가열용기

46 ; 내부가열용기홀 47 ; 외부가열용기

이러한 본 발명의 목적은 챔버내로 공정유체를 유입하는 튜브와, 상기 튜브의 일측에 설치한 외부가열용기와, 상기 외부가열용기의 내측에 설치한 내부가열용기와, 상기 내부가열용기의 내측에 설치한 투명튜브와, 상기 투명튜브내에 설치하여 투명튜브로 유입되는 유체를 직접가열하는 메인히터와, 상기 메인히터에 연결되어 외부가열용기 밖으로 연장형성된 메인히터단자와, 상기 투명튜브의 일측에 다수개 형성하여 메인히터에 의해 가열된 유체가 내부가열용기로 유출되도록 한 투명튜브유출홀과, 상기 내부가열용기의 일측에 다수개 형성하여 투명튜브의 복사열을 전달받은 유체가 외부가열용기로 유출되도록 한 내부가열용기홀과, 상기 외부가열용기의 둘레에 설치하여 외부가열용기내의 유체를 최종 가열하는 외부히터에 의해 달성된다.

이하, 본 발명에 의한 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라서 설명한다.

도 4는 본 발명에 의한 공정반응로내의 가스흐름을 나타내는 단면도이고, 도 5는 본 발명에 의한 유체접촉방식 복사가열장치를 나타내는 단면도이며, 도 6a는 본 발명에 의한 메인히터를 나타내는 단면도이고, 도 6b는 본 발명에 의한 메인히터를 나타내는 평면도이며, 도 7은 본 발명에 의한 투명튜브를 나타내는 측면도이고, 도 8은 본 발명에 의한 내부가열용기를 나타내는 사시도이며, 도 9는 본 발명에 의한 외부가열용기 및 외부히터를 나타내는 단면도이고, 도 10은 본 발명에 의한 외부가열용기 및 외부히터의 다른 실시예를 나타내는 단면도이며, 도 11은 본 발명에 의한 유체접촉방식 복사가열장치의 전체구성을 나타낸 블럭도를 각각 보인 것이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치는 챔버(10)내로 공정유체를 유입하는 튜브(31)와, 상기 튜브(31)의 일측에 설치한 외부가열용기(47)와, 상기 외부가열용기(47)의 내측에 설치한 내부가열용기(45)와, 상기 내부가열용기(45)의 내측에 설치한 투명튜브(42)와, 상기 투명튜브(42)내에 설치하여 투명튜브(42)로 유입되는 유체를 직접가열하는 메인히터(41)와, 상기 메인히터(41)에 연결되어 외부가열용기(47) 밖으로 연장형성된 메인히터단자(34)와, 상기 투명튜브(42)의 일측에 다수개 형성하여 메인히터(41)에 의해 가열된 유체가 내부가열용기(45)로 유출되도록 한 투명튜브유출홀(43)과, 상기 내부가열용기(45)의 일측에 다수개 형성하여 투명튜브(42)의 복사열을 전달받은 유체가 외부가열용기(47)로 유출되도록 한 내부가열용기홀(46)과, 상기 외부가열용기(47)의 둘레에 설치하여 외부가열용기(47)내의 유체를 최종 가열하는 외부히터(40)를 포함하여 구성된다.

상기 내,외부가열용기(45)(47)의 상면에 탈착가능하도록 플랜지(38)를 설치하여 유체의 외부 유출을 방지하도록 하며, 상기 플랜지(38) 및 외부가열용기(47)의 외부히터(40) 둘레에 단열재(33)를 설치하여 열효율을 높이도록 하고, 상기 플랜지(38) 상면과 단열재(33) 사이에 플레이트히터(37)를 설치하여 내부에서 발열된 열이 외부로 방출되지 않도록 한다.

상기 투명튜브(42)의 하부에 내열 및 고열전도성 세라믹재질의 받침대(44)를 설치하여 열을 외부가열용기(47)로 전달하도록 하고, 상기 투명튜브(42)의 재질은 투명하며 열전도성이 높은 석영류로 한다.

상기 외부히터(40)를 수평 또는 수직으로 배치하여 외부가열용기(47)의 둘레에 설치하고, 상기 공정유체를 유입하는 튜브(31)의 외부에 라인히터(32)를 설치하여, 튜브(31)내부로 흐르는 유체의 온도를 유지하도록 하며, 상기 메인히터(41)의 일측에 제1서머커플(35)을 연결하여, 메인히터(41)의 온도를 측정하고, 상기 외부가열용기(47)내에 제2서머커플(36)을 설치하여, 외부가열용기(47)를 거쳐 외부로 유출되는 가열유체의 온도를 측정하도록 하므로 히터를 제어하도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치의 작용효과를 설명한다.

믹서라인인 가스라인을 통해 유입되는 캐리(carry)가스, 산소가스들을 1차적으로 메인히터(41)에 접촉되게 하여 가열시킨다. 가열상태는 도 5와 같이, 유체의 흐름동안 실시간 최대의 열량이 유체에 공급되고 가열된 유체들이 고루 혼합된다. 제1영역(Z1)에서 가열된 유체들은 도 7과 같이 투명튜브(42)의 하부에 위치한 투명튜브유출홀(43)을 통해 제2영역(Z2)으로 유출된다. 제2영역(Z2)에서는 투명튜브(42)를 통한 메인히터(41)의 복사열이 전달되어 2차로 유체를 가열하게 된다. 가열된 유체들은 보다 안정하게 유지되며, 도 8과 같은 내부가열용기(45)의 상부에 위치한 내부가열용기홀(46)을 통해 제3영역으로 유출된다. 이 유출된 유체의 안정화 및 추가 열량의 공급을 위해 도 9 및 도 10과 같이 외부가열용기(47)의 외부에 위치한 수직형 또는 수평형 외부히터(40)를 가열하며, 이 외부히터(40)에 의해 가열된 유체들은 공정소스와 섞이어 챔버(10)의 내부로 유입되게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치는 직접가열과 대류에 의한 간접가열 방식을 둘다 채택하여 조합하므로, 액체소스의 기화부에 유입되는 가스의 온도를 상승시킴으로 인해 가열되는 소스의 온도저하가 방지되고 따라서 소스의 활성화를 돕고 기화되는 소스들의 액화현상을 방지하며, 가열된 캐리가스와 산소가스를 유입시켜 줌으로써 믹싱부에서 소스가 섞이게 될 때 가열된 소스의 온도저하를 방지하고 활성화에너지를 유지시킴으로써 실제 반응시 충분한 반응에너지의 공급이 원활해 지며, 복사열을 활용하게 함으로써 2차 가열이 가능하여 효율이 배가 되고, 외부히팅방식에 비해서는 간접가열방식이 아닌 직접가열식이므로 효율이 월등히 우수하며, 1차가열부에서 가열과 혼합이 가능하도록 하고 복사열을 이용한 2차 가열을 실시하여 승온 및 혼합, 온도 안정화단계를 거치게 되며, 3차 가열시에 필요한 온도로의 최종 승온 및 안정화를 이루게 되어 유체의 온도적 균일도가 확보되는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 챔버내로 공정유체를 유입하는 튜브와, 상기 튜브의 일측에 설치한 외부가열용기와, 상기 외부가열용기의 내측에 설치한 내부가열용기와, 상기 내부가열용기의 내측에 설치한 투명튜브와, 상기 투명튜브내에 설치하여 투명튜브로 유입되는 유체를 직접가열하는 메인히터와, 상기 메인히터에 연결되어 외부가열용기 밖으로 연장형성된 메인히터단자와, 상기 투명튜브의 일측에 다수개 형성하여 메인히터에 의해 가열된 유체가 내부가열용기로 유출되도록 한 투명튜브유출홀과, 상기 내부가열용기의 일측에 다수개 형성하여 투명튜브의 복사열을 전달받은 유체가 외부가열용기로 유출되도록 한 내부가열용기홀과, 상기 외부가열용기의 둘레에 설치하여 외부가열용기내의 유체를 최종 가열하는 외부히터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 내,외부가열용기의 상면에 탈착가능하도록 플랜지를 설치하여 유체의 외부유출을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플랜지 및 외부가열용기의 외부히터 둘레에 단열재를 설치하여 열효율을 높이도록 한 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 플랜지 상면과 단열재 사이에 플레이트히터를 설치하여 내부에서 발열된 열이 외부로 방출되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 투명튜브의 하부에 내열 및 고열전도성 재질의 받침대를 설치하여 열을 외부가열용기로 전달하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 받침대의 재질은 세라믹류인 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 투명튜브의 재질은 투명하며 열전도성이 높은 석영류인 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 외부히터를 수평으로 배치하여 외부가열용기의 둘레에 설치한 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 외부히터를 수직으로 배치하여 외부가열용기의 둘레에 설치한 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 공정유체를 유입하는 튜브의 외부에 라인히터를 설치하여, 튜브내부로 흐르는 유체의 온도를 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 메인히터의 일측에 제1서머커플을 연결하여, 메인히터의 온도를 측정하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 외부가열용기내에 제2서머커플을 설치하여, 외부가열용기를 거쳐 외부로 유출되는 가열유체의 온도를 측정하도록 한 것을 특징으로 하는 반도체의 유체접촉방식 복사가열장치.