KR20000009525U - 고열효율 진공 증착기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 진공펌프(C)와 연결된 내부를 진공밀폐하도록 외체를 형성하는 진공 챔버(3), 전원(5)과 연결되어 증착원(9)을 가열 비산시키는 필라멘트(7), 이 필라멘트(7) 대향측에 설치되어 시편(11)을 회전 가능하게 지지하는 시편 홀더(13), 이 시편 홀더(13)에 내장되어 시편(11)을 가열하는 열선(15)으로 구성되어 있는 진공 증착기(1)에 있어서, 시편 홀더(13)에는 복수개의 시편(11)을 안착시키기 위한 복수개의 시편 받침대(17)가 설치되어 있으며, 열선(15)은 시편 받침대(17)와 대응하는 시편 홀더(13) 내부 위치에 복수개 배열 설치되어 있는 진공 증착기에 관한 것으로, 복수개의 열선에 의해 시편만을 가열하도록 하여 진공 챔버 내부가 과열되는 것을 방지함으로써 열선으로부터의 열손실을 줄여 전력손실을 막고, 냉각시간을 단축시켜 증착작업의 효율성을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

고열효율 진공 증착기(high heat-efficiency vacuum evaporation apparatus)

본 고안은 진공증착기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시편을 안착시켜 가열하는 시편 호울더 내부에 시편 받침대만을 가열하도록 열선을 배열 설치함으로써 챔버 내부의 온도가 상승하여 챔버를 냉각시켜야 하는 열손실이 발생하지 않도록 하여 작업시간 단축에 의해 작업 효율성을 향상시키며, 아울러 열에너지의 효율성도 제고할 수 있도록 한 고열효율 진공증착기에 관한 것이다.

일반적으로 집적회로를 만들기 위해서는 많은 이종의 박막을 사용한다. 이들 박막들은 크게 4가지로 대별되는데, 즉, 열산화막, 절연층막, 다결정 실리콘막 그리고 금속막들로 분류될 수 있다.

여기에서, 열산화막은 반도체를 여러가지 방식으로 산화시킨 막으로, 이 방법에는 열산화, 전기화학적 양극산화, 플라즈마 반응 등이 있다. 이들 방법 중에서 지금까지 열산화가 실리콘 디바이스에서 가장 중요시되어 왔으며, 현재의 실리콘 집적회로 기술에서 주된 공정이 되고 있다.

기본적인 열산화 장치는 반응실로 사용되는 저항가열로, 홈이 파인 석영보트에 실리콘 웨이퍼들을 수직으로 세워서 넣도록 되어 있는 원통형 석영관 그리고 순도가 높은 산소나 순수한 수증기 중 어느 하나가 공급원으로 쓰이도록 구성되어 있다. 반응관의 끝부분은 여과된 공기의 흐름이 유지되고 있는 수직흐름의 후드 안으로 돌출되어 있으며, 후드는 웨이퍼를 주위의 공기 속에 있는 먼지나 작은 입자들을 감소시키고 웨이퍼가 장착되는 동안 오염을 최소로 되게 한다. 산화온도는 일번적으로 900℃에서 1200℃의 범위내에 있으며 전형적인 가스흐름 속도는 약 1㎝/s이다. 이 산화장치는 주로 가스흐름순서를 조절하거나, Si 웨이퍼들의 자동적인 삽입과 인출을 제어하거나, 온도를 상승시키거나, 산화온도의 변화율이 ±1℃로 유지되도록 하기 위하여 그리고 산화가 끝날 때 온도를 내릴 때도 온도구배를 가지도록 하기 위해 마이크로프로세서를 사용한다.

증착 절연막은 주로 개별 디바이스와 집적회로의 보호막과 절연을 위하여 사용되는 것으로, 일반적으로 3가지의 증착방법이 사용되고 있는데, 이 방법에는 상압 CVD(Chemical Vapor Deposition), 감압 CVD, 플라즈마 CDV 등이 있다. 상압 CVD는 에너지가 증속된 CVD 방법인데, 왜냐하면 플라즈마 에너지가 재래식 CVD장치의 열에너지에 더하여지기 때문이다. 반응실은 다른 여러 가스들이 가스 입구에 도입되는 것을 제외하고는 열산화장치의 반응실과 대동소이하다.

핫월(Hot-wall)의 감압반응장치는 석영관이 3영역 노에 의하여 가열되고 가스가 한쪽 끝에서 도입되며 반대쪽 끝에서 펌프로 감압되고, 반도체 웨이퍼가 홈이 파인 석영보트에 수직으로 세워진다. 석영관 벽은 노에 인접해 있기 때문에 뜨겁게 유지되며, 전형적인 반응실 공정 파라미터는 압력이 30에서 250㎩까지 변화하고 가스의 유속은 1∼10㎝/s이고 온도는 보통 300∼900℃이다. 이 반응관의 이점은 양질의 균일성을 가진 막을 증착할 수 있다는 것과 매우 큰 규모의 일괄처리가 가능하여 한 번에 수백 장의 웨이퍼 처리가 가능하다는 것이다. 그러나 증착공정이 느리고 사용되는 가스들이 독성과 부식성이 강하고 타기 쉬운 단점도 있다.

플라즈마 보조 CVD 반응장치는 평행판이고 가스가 직경방향으로 흐르는 타입의 경우에 원통형 유리 또는 알루미늄 끝판으로 봉한 알루미늄 반응실로 되어 있으며, 안쪽에는 2개의 평행한 알루미늄 전극이 있다. 고주파 전압이 위쪽 전극에 공급되고 아래쪽 전극은 접지되어 있다. 고주파 전압은 전극들 사이의 플라즈마 방전을 일으킨다. 웨이퍼는 따라서 저항가열기로 100∼400℃로 가열된 아래쪽 전극 위에 놓여지며, 공정에 사용되는 가스는 아래쪽 전극의 둘레를 따라 설치된 출구로부터 방전을 통하여 흐른다. 이 반응장치의 장점은 증착온도가 낮은 것이나, 웨이퍼의 직경이 큰 경우에는 한 번에 증착시킬 수 있는 웨이퍼의 수가 한정되고 반응실의 벽에 부착한 증착물이 웨이퍼에 떨어져 표면이 오염될 가능성이 있다는 단점이 있다.

다음으로, 다결정 실리콘 증착막은 알루미늄 전극보다 신뢰성이 나은 다결정 실리콘을 전극에 이용하고자 할 때 적용되는 것으로, 특히 대단히 얇은 게이트 산화막에 응용될 때 우수한 특성을 나타낸다. 다결정 실리콘 증착에는 일반적으로 2가지의 저압 반응로가 사용되는데, 그 하나는 100% 실란을 이용하여 0.2 내지 1.0 torr 압력에서 동작되며, 다른 하나는 동일한 전체압력에서 질소내에 20 내지 30% 실란을 묽게 혼합한 것을 사용한다. 두 반응로는 모두 양호한 균일성으로 한 번 처리에 수백 웨이퍼 위에 다결정 실리콘을 증착할 수 있다.

끝으로 메탈라이제이션(metallization)은 연결배선이나 옹접촉전극, 그리고 정류용 금속-반도체 접촉에 사용되는 금속막을 형성하는 것을 의미하는 것으로, 여러가지 방법이 사용되며, 그중 가장 중요한 것은 물리적 기상증착과 화학적 기상증착이다.

이 중 화학적 기상증착법(CVD)은 기화시킨 금속염 증기를 수소, 아르곤, 반응성 가스 등과 함께 가열된 시편에 접촉시켜, 고온 기상반응에 의하여 금속 또는 금속 화합물을 시편에 피복시키는 방법으로서, 스텝 커버리지가 좋고 균질의 막을 부착시킬 수 있으며, 동시에 다수의 웨이퍼에 금속막을 코팅시킬 수 있는 장점이 있다. 기본적인 CVD 장치는 절연막 및 다결정 실리콘의 성장장치와 동일하며, 감압 CVD로는 표면에 많은 요철이 있어도 적합한 스텝 커버리지를 얻을 수 있고 증착막의 저항률도 진공증착막에 비하여 낮다.

이와 같은 CVD의 특징은 고융점 금속, 비금속 무기재질을 비교적 낮은 온도에서 기상이나 용기로부터 오염받는 일없이 고순도의 치밀한 물질을 얻을 수 있으며, 석출하는 물질의 형상을 목적에 따라 단결정, 다결정 분말이 되도록 할 수 있고, 분체 표면에 가스 불침투성의 치밀한 석출층을 얻을 수 있다는 것이다.

반면에, 물리적 증착법(PVD, Physical vapor deposition)은 진공 중에서 방전을 이용하여 시편에 표면막을 생성하는 방법으로서, 일반적으로 화학 증착법에 비하여 저온(550℃)에서 증착이 이루어진다. 이러한 PDV법은 다시 진공증착법, 이온 플레이팅법 및 스퍼터링법 등으로 대별된다.

여기에서, 진공증착법은 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같은 다양한 증착원이 이용되는데, 도 1a에 도시된 저항가열방식은 텅스텐과 같은 고융점 내열성 금속이 코일모양의 필라멘트(101)로 만들어지고 작은 증착원(103)이 필라멘트(101)에 매달려진다. 이 방식의 장점은 간단하고 값이 싸며 이온화에 의한 방사가 없다는 것이나, 회터로부터 오염된다거나 공급량이 적어 막의 두께가 제한된다는 단점도 있다.

도 1b에 도시된 고주파 유도가열 방식에 의해 증착원을 이용한 경우에는 보통 도시된 바와 같이 증착원(107)을 담는 도가니로(105)를 사용하고 있으며, 이온화에 의한 방사가 없고 또한 높은 증착속도를 얻을 수 있으나, 도가니(105)로부터의 오염이 발생되는 문제점이 있다.

도 1c는 전자빔 방식에 의한 증착원을 도시한 것으로, 가열된 필라멘트(109)에서 전자빔(111)에 의한 전류가 공급되고 전계에 의하여 가속된 전자가 증착되어질 증착원(113)의 표면을 때리며, 필라멘트(109)에서의 불순물이 물로 냉각된 노상(115;爐床) 내의 증착원에 도달하는 것을 방지하기 위하여 전자빔(111)은 자계에 의하여 구부러지므로 불순물 오염이 제거된다.

여기에서 도 1a의 저항가열방식 진공 증착법에 따르면, 증착원으로 사용되는 금속을 단시간에 고온으로 가열하여 증발시킨 다음, 증발한 금속을 인접해 있는 저온의 물체 즉, 시편의 표면에 부착시킴으로써 얇은 금속막을 형성할 수 있게 되는데, 이때 증착원으로 사용되는 금속이 고온으로 산화해 버리는 것을 방지하도록 진공상태에서 작업을 하게 된다.

이러한 진공 증착에 사용되는 장치가 도 2에 도시되어 있다. 이 장치(201)는 실험용의 경우 경질 유리로 된 벨 자아(203;bell jar) 속에서, 양산용 장치의 경우는 냉각수의 파이프를 감은 철제의 벨 자아 속에서 진공펌프(A)로 공기를 완전히 뺀 후에 증착을 하게 된다. 여기에서 벨 자아란 종 모양으로 된 유리용기를 말한다.

증착을 위해서는 먼저 증착원으로 사용되는 금속(205)을 텅스텐 필라멘트(207)에 얹어 놓고 외부로부터 전원(208)으로부터 전류를 흘려서 필라멘트(207)를 가열하여 증착 금속(205)을 비산시킨다. 이때, 증착에 사용되는 금속은 일반적으로 금, 백금, 알루미늄, 탄탈, 니크롬 등이며, 그 두께는 1㎛ 이하의 박막으로 되어 있다. 뿐만 아니라 산화 실리콘, 티탄산 바륨 등의 유전체를 증착에 사용하여 박막을 만들 수도 있다.

이렇게 해서 비산된 증착금속(205)은 벨자아(203) 내부에서 사방으로 퍼져나가며 아래쪽에 회전가능하게 설치된 시편 홀더(209) 위에 놓여져 있는 시편(211) 위에도 부착된다. 시편(211)에 대한 증착원(205)의 부착을 최적화하기 위해 시편 홀더(209) 내부에는 시편(211)을 가열하는 열선(213)이 내장되어 있으며, 홀터(209)는 시편(211)의 증착율을 높이기 위해 화살표(B) 방향으로 회전하도록 되어 있다.

그런데, 이와 같은 종래의 진공 증착기(201)는 앞서 언급한 바와 같이, 시편(211)을 가열하기 위해 시편 홀더(209)의 내부 전범위에 걸쳐 열선(213)을 설치하고 있으므로 열선(213)에서 발열되는 열량으로 인해 진공 밀폐되어 있는 벨 자아(203) 내부의 전체 온도가 상승하게 된다.

따라서, 벨 자아(203)의 내부 온도를 저감시키기 위해 벨 자아(203) 외벽면에 별도의 냉각장치를 설치하여야 하므로 증착기(201) 제작단가가 상승하고 제조공정이 복잡화되는 것은 물론, 냉각 소멸될 뿐 시편(211) 가열에는 사용되지 않는 과다한 열량이 열선(213)에 의해 발생되므로 열손실이 많아져 열효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한, 결과적으로 벨 자아(203) 냉각에 많은 시간이 소요되므로 작업시간이 길어지는 등 증착 작업의 효율성도 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 증착장치(201)는 시편홀더(209)의 넓은 면적을 가열하게 되므로 온도편차가 발생하여 시편(211)에 증착되는 박막에 이방성이 생기는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 국내 특허 제89-4940호와 같은 진공 증착기가 출원된 바 있다. 이 진공 증착기(301)는 시편(303) 가열시 발생할 수 있는 온도편차를 줄이기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 시편(303)을 가열용으로 복수개의 히팅 블록(305,306,307,308,309)을 진공챔버(311) 내부의 상하좌우에 배열 설치하고 있으나 발열량이 많고, 히팅 블록으로 인해 장치가 복잡화되는 등 소비전력 증대 및 생산단가가 상승과 같은 문제점을 가지고 있었다.

따라서, 본 고안은 위에서 언급한 바와 같은 종래의 진공 증착기가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 시편이 놓여지는 시편 홀더의 상부면에 시편을 안착시킬 수 있는 복수개의 시편 받침대를 부착하고, 이 복수개의 시편 받침대가 놓이는 부위와 상응하는 시편 홀더의 내부의 위치에 복수개의 열선을 나누어 배치함으로써 가열이 필요한 시편만을 가열할 수 있도록 하여 열선으로부터의 열손실을 줄이고, 가열부위의 축소로 증착작업 시간을 단축시켜 작업 효율성을 높일 뿐만 아니라 시편의 열편차를 제거하여 제품의 신뢰성을 제고하고자 하는 데 그 목적이 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 진공 증착기가 갖는 저항가열방식, 고주파 유도가열 방식, 전자빔 방식의 증착원을 각각 도시하는 부분 개략도.

도 2는 종래의 진공 증착기의 한 예를 보인 개략 정면도.

도 3은 종래의 진공 증착기의 다른 예를 보인 개략 정면도.

도 4는 본 고안에 따른 진공 증착기의 개략 정면도.

도 5는 도 4의 개략 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 진공 증착기 2 : 지지대

3 : 진공챔버 6,10 : 전원

7 : 필라멘트 9 : 증착원 금속

11 : 시편 13 : 시편 홀더

15 : 열선 17 : 시편 받침대

C : 진공펌프

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 고안은 진공펌프와 연결된 내부를 진공밀폐하도록 외체를 형성하는 진공 챔버, 전원과 연결되어 증착원을 가열 비산시키는 필라멘트, 이 필라멘트 대향측에 설치되어 시편을 회전 가능하게 지지하는 시편 홀더, 이 시편 홀더에 내장되어 시편을 가열하는 열선으로 구성되어 있는 진공 증착기에 있어서, 시편 홀더에는 복수개의 시편을 안착시키기 위한 복수개의 시편 받침대가 설치되어 있으며, 열선은 시편 받침대와 대응하는 시편 홀더 내부 위치에 복수개 배열 설치되어 있는 진공 증착기를 제공한다.

이하, 본 고안의 실시예를 첨부도면에 따라 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 고안의 진공 증착기는 도 4에 도면번호 1로 도시된 바와 같이, 외체를 형성하는 진공챔버(3), 증착원(9)을 가열하는 필라멘트(7) 및, 시편(11) 지지용 홀더(13)로 구성되어 있다.

여기에서 진공챔버(3)는 경질의 유리재질로 되어 있으며, 증착기 지지대(2) 위에 설치된다. 또한 지지대(2)에 관통 연결된 진공 파이프(4)를 통해 진공 펌프(C)에 의해 진공상태로 되어 내부를 진공 밀폐하도록 되어 있다. 이 진공챔버(3)의 상단에 설치된 코일 형태의 필라멘트(7)는 외부 전원(5)과 연결되어 전류 인가에 의해 발열하도록 되어 있으며, 코일부분 안쪽에 증착원으로 사용되는 알루미늄과 같은 금속재(9)를 삽입하도록 되어 있다.

또한, 진공챔버(3) 하단에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 필라멘트(7)와 대향하여 시편홀더(13)가 설치되는데, 이 시편 홀더(13)는 지지대(2)에 화살표(D)로 표시된 바와 같이 회전 가능하게 장착되며, 상단부에 복수개의 시편(11)을 안착시키도록 복수개의 시편 받침대(17)가 원주방향으로 배열되어 설치되어 있다.

그리고, 시편 홀더(13)의 내부에는 각각의 시편(11)을 가열할 수 있도록 외부 전원(10)과 연결된 열선(15)이 장착되어 있는데, 이 열선(15)은 각각의 시편(11)을 개별적으로 가열할 수 있도록 복수개로 나누어져 시편 받침대(17) 바로 아래쪽에 배열된다.

따라서, 위와 같이 구성된 본 고안의 진공 증착기(1)에 의하여 증착을 하고자 할 때, 먼저 증착금속(9)을 필라멘트(7) 내에 장입하고, 진공펌프(C)를 가동하여 진공챔버(3) 내부를 진공으로 만든다. 그리고나서 필라멘트(7)에 전류를 인가하면 필라멘트(7)가 발열되어 증착금속(9)을 가열 비산시킨다.

비산된 증착금속(9)은 도 4에 화살표(E)로 도시된 바와 같이 챔버(3) 내부 사방으로 확산되며, 따라서 시편홀더(13) 위에 안착되어 있는 시편(11)에도 부착된다. 이와 같이 증착이 일어나면 시편 홀더(13)를 회전시켜 시편(11)의 윗부분에 고르게 금속막이 부착될 수 있게 하며, 아울러 전원(10)으로부터 공급되는 전류에 의해 시편(11)을 가열하게 된다.

이때, 각각의 시편(11)은 받침대(17) 바로 아래쪽에 일대일 대응하도록 장착되어 있는 복수의 열선(15)에 의해 균일하게 가열되므로, 가열부위를 대폭적으로 줄일 수 있게 되며, 온도 편차가 줄어 정확한 온도제어에 의해 부착되는 금속 박막의 조직을 균일하게 유지시킬 수 있게 된다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 고안의 진공 증착기에 따르면, 시편홀더의 상면에 시편을 안착하기 위한 시편 받침대를 설치하여 복수개의 시편을 동시에 증착시킬 수 있게 되며, 각각의 시편 받침대와 대응하는 복수개의 열선을 시편 홀더 내부에 장착하여 증착시 시편을 개별적으로 가열할 수 있도록 함으로써 실질적으로 가열이 요구되는 시편만을 열선에 의해 가열하여 가열에 따른 전력 소모를 최소화시킬 수 있게 된다.

이에 따라 진공 챔버 내부의 온도가 과도하게 상승할 염려가 없으므로 진공챔버에 별도의 냉각장치를 설치할 필요가 없게 되어 장치의 단가 상승을 피할 수 있게 될 뿐만 아니라 가열부위가 대폭 감소하게 되므로 증착 종료시까지의 시간이 단축되어 작업 능률을 향상시킬 수 있게 된다.

아울러, 증착시 시편에 전달되는 열량의 차이가 거의 발생하지 않으므로 열편차로 인한 제품의 불량을 사전에 예방할 수도 있게 된다.

본 고안은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 실용신안등록청구범위에 의해 나타난 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 진공펌프(C)와 연결된 내부를 진공밀폐하도록 외체를 형성하는 진공 챔버(3), 전원(5)과 연결되어 증착원(9)을 가열 비산시키는 필라멘트(7), 상기 필라멘트(7) 대향측에 설치되어 시편(11)을 회전 가능하게 지지하는 시편 홀더(13), 상기 시편 홀더(13)에 내장되어 상기 시편(11)을 가열하는 열선(15)으로 구성되어 있는 진공 증착기(1)에 있어서, 상기 시편 홀더(13)에는 복수개의 시편(11)을 안착시키기 위한 복수개의 시편 받침대(17)가 설치되어 있으며, 상기 열선(15)은 상기 시편 받침대(17)와 대응하는 상기 시편 홀더(13) 내부 위치에 복수개 배열 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 진공 증착기.