KR20020081847A - 발열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열장치에 관한 것으로서, 반도체 물질과 금속성 물질이 혼합된 발열체와, 상기 발열체에 전원을 공급하는 전극을 포함하여 이루어지되, 상기 반도체 물질은 실리콘, 게르마늄, 갈륨비소, 탄소, 탄화규소 및 보론으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 물질인 것을 특징으로 하며, 발열체는 온도의 상승에도 전기적저항 변화가 적어 넓은 면적에 걸쳐 온도 균일도를 높이며 온도의 제어 및 정밀도를 증가시키고, 발열체와 전극의 제작은 반도체 제조기술에 의해 이루어지므로 발열층의 두께를 정밀하게 제어하고 발열장치의 구조와 모양을 다양화하는 효과가 있다.

Description

발열장치{apparatus for emitting heat}

본 발명은 발열장치에 관한 것이다.

전자소자, 반도체 집적회로, 반도체 소자, 또는 각종 센서와 부품을 제조하는 데 열처리 공정은 제품의 성능을 좌우하는 중요한 과정이므로 공정의 사양에 맞는 온도의 정확도가 요구된다. 열처리 공정의 주요 사양은 열처리 온도의 정밀도, 온도의 공간적 균일도, 온도의 상승 및 하강시간 등이 있다.

반도체 집적회로의 제조의 경우, 열처리를 필요로 하는 공정은 매우 다양하며, 요구되는 열처리 조건도 매우 다양하다. 반도체 집적회로의 제조 시에 요구되는 열처리 온도는 대략 섭씨 1000도 내외이며, 공정에 따라 다르나, 8 인치 실리콘 웨이퍼를 사용할 경우 대체로 웨이퍼의 전면적에 걸쳐 섭씨 10도의 편차를 넘지 않아야 한다. 열처리를 필요로 하는 공정은 크게 박막의 증착공정, 박막의 성장공정, 불순물의 활성화공정으로 나눌 수 있는데, 박막의 증착공정은 화학적기상증착 (CVD; Chemical Vapor Deposition)이나 스퍼터링 증착 등이 있고, 박막의 성장공정은 산화막 성장공정이 대표적인 예이다.

열처리를 필요로 하는 다양한 상기 공정에 사용되는 일반적인 열처리 장비의 구성이 도1에 나타나 있다. 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(2) 상에 설치된 온도센서(4)는 발열장치(6)에 의해 가열된 실리콘 웨이퍼의 온도를 감지하고, 이 감지된 온도신호는 비교회로(8)에 입력되며, 상기 비교회로(8)는 온도셋팅수단(10)에서 세팅된 온도신호와 상기 온도센서(4)에서 감지된 온도신호를 비교하여 제어수단(12)에 입력하고, 상기 제어수단(12)의 제어에 상기 발열장치(6)를 제어한다.

즉, 상기 온도센서(4)에 감지된 온도신호와 상기 온도셋팅수단(10)에서 세팅된 온도신호의 차이가 부(negative)이면, 상기 발열장치(6)에 전원을 공급하여 실리콘 웨이퍼(2)의 온도를 상승시키고, 온도차이가 정(positive)이면, 상기 발열장치(6)에 전원을 차단하여 실리콘 웨이퍼(2)의 온도가 더 이상 상승되지 않게 하는 것으로서, 실리콘 웨이퍼의 온도를 제어하는 기술은 보통 서머스타트 (thermostat) 방식을 사용한다.

상기 온도센서(4)는 열전대 (thermocouple)가 많이 사용되고, 상기 제어수단은은 도시하지 않은 전원공급수단을 포함하고 있다.

종래 발열장치로서 램프 발열장치가 도2 및 도3에 개시되어 있다. 도시한 바와 같이 상기 램프 발열장치는 램프(14)(14')에서 발생된 광선이 반사면(16)(16')에서 반사되도록 하어 빛의 강도를 집중시키는 구조로 되어 있다.

도2는 램프(14)에서 발생된 빛이 반사면(16)에서 반사되어 평행광선을 이루는 구조로서, 반도체의 제조가 이루어지는 용기 내부의 온도를 균일하게 할 수 있다. 도3은 램프(14')에서 발생된 빛이 반사면(16')에서 반사되어 한 점으로 집중되는 구조로서, 온도상승을 극대화할 수 있는데, 섭씨 1500도까지 온도를 상승시킬 수 있다.

상기 램프는 할로겐 램프로 되어 있다. 상기 반사면은 변형을 주거나 반사면을 중복하여 사용함으로써 더욱 효과를 높일 수 있는데 일본의 ULVAC Sinku-Riko 회사 제품인 경우는 32 가지의 변형된 제품이 있다.

또한 종래 발열장치로서, 질화보론 발열장치는 도4에 도시한 바와 같이, 탄소(graphite)를 기본 발열체로 하는 발열장치인데, 소정 형상의 띠 형태로 배열된탄소발열체(18)의 상하로 질화보론(BN; Boron Nitride)재(20)가 감싸고 있는 구조(도면에서는 하측의 질화보론재만 표시되어 있음)이다. 상기 탄소발열체 대신에 탄화규소 발열체를 사용하기도 한다.

상기 질화보론 발열장치는 탄소발열체(18)와 질화보론재(20)의 열팽창계수가 매우 근접한 값을 갖는다는 장점을 가져 섭씨 2000도 이상의 고온에서도 발열장치의 신뢰성이 보장된다. 이 장치에서 발열체인 탄소 발열체(18) 과 보호막인 질화보론재(20)의 두께는 약 1 내지 3 mm로 제작되고 있다.

한편, 종래 발열장치의 다른 예로서, 녹는 점이 높은 금속, 즉 니크롬 (NiCr), 몰리브덴 (Mo), 텅스턴 (W) 등의 금속을 이용하여 입체구조(주로, 코일 형태)로 구성한 발열체를 가진 구조가 개시되어 있다.

그런데, 종래 램프 발열장치는 온도가 올라가고 내려가는 속도는 매우 빠르지만, 램프와 반사막을 사용하므로 발열장치 자체가 입체 구조로 한정되어 제품의 구조를 다양하게 구현할 수 없다는 문제점이 있었다.

또한, 최근의 반도체 제조에서 그 열처리 온도는 점점 낮아지고 있으며, 그 한 예로 근래에 많이 도입된 코발트실리사이드 형성공정에서 요구되는 열처리 온도는 400도에 불과한데, 종래 램프 발열장치는 섭씨 1000도 내외의 고온처리 시에는 셋팅된 온도의 정밀도를 기할 수 있으나, 섭씨 500 도 내외의 저온 공정에서는 온도가 안정되지 않아 온도의 정밀도가 크게 떨어진다는 문제점이 있다.

그리고, 탄소(graphite) 또는 탄화규소(SiC) 발열체를 기본 발열체로 사용하고 이 기본 발열체를 질화보론(BN)재로 감싸는 질화보론 발열장치는, 질화보론 (BN)의 제조원가가 매우 높다는 문제점이 있었다.

또한 질화보론 발열장치는, 기본 발열체가 띠 형상으로 배열되어 발열체가 발열 면적 전체에 걸쳐 골고루 분포하지 않으므로, 저온 공정인 경우에는 발열체가 존재하는 위치와 존재하지 않는 위치 사이에 약간의 온도 편차가 발생한다는 문제점이 있었다.

또한 종래 질화보론 발열장치는, 온도의 변화에 따라 발열체 자체의 전기적 저항값이 크게 바뀐다. 이는 탄소나 탄화규소 등의 반도체물질은 온도의 변화에 매우 민감하여 그 저항값은 온도 상승에 따라 크게 감소하기 때문이다. 반도체 물질로서 가장 보편적인 실리콘인 경우, 500도의 온도변화에 대해 저항값의 변화율은 500% 이상이 된다. 현재 실시되고 있는 탄소(graphite)와 질화보론 (BN) 구조의 질화보론 발열장치의 경우, 500도의 온도변화에 대해 저항값의 변화율는 70%이다.

이러한 저항값의 큰 변화는 온도를 정밀하게 제어하는데 있어 문제점을 야기한다. 즉, 발열장치에 전력을 공급하여 온도를 상승시키기 시작하는 초기에는 발열체의 저항값이 크기 때문에 온도 상승이 완만하게 이루어지나, 온도가 상승함에 따라 발열체의 저항값이 작아져 온도 상승속도가 빨라짐으로써 정밀성이 요구되는 온도제어에 문제점으로 등장한다.

그리고, 금속(니크롬, 몰리브덴등)을 이용한 코일 형태의 발열장치의 경우에는 온도의 상승에 따라 발열체의 저항값이 크게 상승함에 따라 역시 온도의 정밀한 제어가 어려워지는 문제점이 있다. 금속인 경우 500도의 온도변화에 대해 약 300%이상의 저항값의 변화율을 가진다. 또한 금속을 이용한 코일 형태의 발열장치는 제품의 구조 구현에 어려움이 있고, 온도를 올리고 내리는데 많이 시간이 요구되고, 에너지의 변환효율이 나빠서 전력이 낭비가 심하다는 문제점이 있다.

한편, 이와 같은 종래의 발열장치를 사용하여 차세대의 반도체 집적회로 제조할 경우에는 여러가지 문제점이 예상된다. 먼저 차세대의 반도체 집적회로는 300mm 실리콘웨이퍼를 사용하게 되며, 이러한 넓은 면적을 가진 웨이퍼의 온도 균일도의 요구조건은 매우 까다로워 웨이퍼 상의 온도 균일도는 섭씨 3도 이내가 되어야 한다. 이 조건은 반도체 제조의 주종을 이루는 화학적기상증착 (CVD) 장비인 경우 박막의 두께를 결정하는 중요한 요소가 되며, 따라서 집적회로의 수율을 결정하는 중요한 요소가 될 것이다. 이와 같은 정밀한 온도 제어를 하기 위해서는 상기 종래의 발열장치로서는 불가능하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 넓은 면적에 걸쳐 온도 균일도를 높이고 온도의 제어 및 정밀도를 증가시키는 발열장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 발열장치의 구조와 모양을 다양하게 할 수 있고, 에너지 변환효율을 높여 전력의 낭비를 줄이는 발열장치를 제공하는 데 있다.

도1은 일반적인 반도체 제조용 열처리 장비의 구성도,

도2는 종래 램프 발열장치의 일 예를 나타내는 구성도,

도3은 종래 램프 발열장치의 다른 예를 나타내는 구성도,

도4는 종래 질화보론 발열장치의 일 예를 단면으로 나타낸 구성도

도5a 및 도5b는 본 발명의 일 실시예에 의한 발열장치를 나타내는 정면도 및 평면도,

도6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 발열장치를 나타내는 구성도,

도7은 본 발명의 발열장치에서 실리콘과 크롬의 혼합물을 발열체로 구성하여, 온도변화에 따는 발열체의 저항변화를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

32 : 기판 34 : 발열층

36 : 전극 38 : 보호막

상기 목적을 달성하기 위하여 이루어진 본 발명의 발열장치는, 반도체 물질과 금속성 물질을 함유하여 온도저항계수를 낮추는 재료로 된 발열체와, 상기 발열체에 전원을 공급하는 전극을 포함하여 이루어지되, 상기 반도체 물질은 실리콘,게르마늄, 갈륨비소, 탄소, 탄화규소 및 보론으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 물질인 것을 특징으로 한다.

상기 금속성 물질은 니크롬(NiCr), 탄탈, 크롬, 알미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 니켈, 코발트 및 금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 물질인 것이 바람직하다.

상기 발열체는 지지대의 역할을 하는 기판의 상측면에 적층된 발열층으로 구성하거나, 유리관이나 수정튜브등의 파이프의 중간에 형성된 발열층으로 구성할 수 있다.

상기 발열층에는 이 발열층을 보호하는 보호막이 적층되어 있을 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도5a 및 도5b는 본 발명의 일 실시예에 의한 발열장치를 나타내는 정면도 및 평면도이다. 도5b는 보호막이 없는 상태의 도면이다. 도시한 바와 같이, 기판(32)의 상측에는 발열층(34)이 적층 형성되고, 상기 발열층(34)의 양측단에는 이 발열층에 전원을 공급하는 전극(36)이 형성되며, 상기 발열층(34)의 상측에는 이 발열층을 보호하는 보호막(38)이 적층형성되어 있다. 상기 보호막(38)의 상측에는 실리콘 웨이퍼(W)가 안착된다.

기판(32)은 전기적으로 절연체이면서 사용온도 범위의 열팽창계수가 상기 발열층(34)의 열팽창계수와 유사한 물질이 좋은데, 이는 온도 증가에 따라 열적 스트레스를 최소화시켜 제품의 파괴 또는 우그러짐을 방지하기 위함이다. 상기 기판(32)이 전기적으로 전도성이 높은 경우에는 절연체 물질로 먼저 코팅한 뒤, 그위에 발열층 (34)을 형성하는 것이 바람직하다.

기판(32)의 크기나 모양은 제품에 따라 다양하게 변경하여 사용할 수 있는데, 그 재질로는 세라믹 또는 폴리아미드가 사용될 수 있다. 폴리아미드는 고온용 고분자 물질로써 두루마리 형태의 제품으로 형성할 수 있게 한다. 기판의 재질로 사용되는 세라믹재는 질화알미늄(AlN), 산화알미늄 (Al₂O₃) 등이 있는데, 이들은 열적으로 안정된 물질로써 전기적인 절연체이며 열의 전도도가 높아서 열의 발산에 유리하다.

발열층(34)은 반도체 집적회로 제조 방법 및 물성의 신뢰성이 입증된 기술을 사용함으로써 원하는 면적에 원하는 모양으로 원하는 두께로 매우 정밀하게 형성할 수 있다. 가장 보편적인 방법으로는 스퍼터링 (sputtering) 기술이 있다. 이 기술은 반도체 집적회로 제조에 널리 쓰이는 기술로써 이미 방대한 데이터가 축적되어 있다. 그러므로 발열층의 두께, 모양, 발열물질의 순수도 및 물질의 혼합정도 등을 매우 정밀하게 조정하여 제조할 수 있다. 스퍼터링 기술 외에도 유사한 물리적 증착(PVD; Physical Vapor Deposition) 기술과 화학적 증착(CVD; Chemocal Vapor Deposition) 기술과 스크린 프린트 기술이 있다. 반도체 제조를 통하여 축적된 기술로 발열층(34)은 넓은 면적에 걸쳐 두께의 균일도를 이룰 수 있으며, 두께는 0.1 마이크로 이하까지 정밀하게 조절할 수 있다.

발열층의 재질은, 실리콘, 게르마늄, 갈륨비소 (GaAs), 탄소 (C, Graphite), 탄화규소 (SiC), 보론(B) 등의 반도체 물질과, 니크롬(NiCr), 탄탈, 크롬, 알미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 니켈, 코발트 및 금 등의 금속성 물질이 혼합된 재료이다. 상기 재료의 종류와 혼합 비율에 따라 온도와 발열 특성이 변화한다. 상기 반도체 물질과 금속성 물질의 혼합 재료를 스퍼터링 방법으로 제조할 경우, 여러 물질이 혼합된 단일 타겟 (target)을 이용하여 증착하거나, 여러 개의 타겟으로 여러 물질을 순차적으로 적층하여 혼합층 형태로 증착하거나, 동시 증착 (co-sputtering) 할 수 있다.

상기 발열층(34)은 제품화되어 무수히 온도가 오르고 내리게 되는데, 사용중 물질의 특성 변화가 있어서는 안 된다. 이러한 내구성을 확보하고 신뢰성을 향상시키기 위하여 발열층(34)을 스퍼터링한 뒤 후속 열처리를 하기도 한다. 발열층(34)을 적층한 후에 필요한 경우는 기판(32)을 제거할 수도 있다. 기판을 제거한 경우, 발열층의 두께가 매우 얇으면, 멤브레인 모양을 이룰 수도 있다.

상기 발열층을 이루는 물질은 온도의 증가와 감소에도 물질의 저항 값의 변화가 적어야 하는데, 발열층을 이루는 반도체 물질과 금속성 물질은 온도저항계수의 변화가 상반된 성질을 지니므로 이의 비율을 적절히 조절함으로써 온도저항계수의 변화를 최소화할 수 있다.

상기 전극(36)은 전류의 흐름을 충분히 수용하도록 두껍게 제조하여야 하며, 은, 금, 백금과 같은 귀금속과 구리, 니켈 등이 사용된다. 전극형성기술로는 상기 발열층 형성에서 언급된 반도체제조기술을 이용할 수 있으나, 두께 등의 정밀도는 통상 요구되지 않는다.

상기 보호막(38)은 전기적, 기계적 충격으로부터 상기 발열층(34)을 보호하는데, 알미늄산화막, 알미늄질화막, 산화규소막, 질화규소막 등으로 되어 있다. 상기 보호막 역시 상기의 반도체 제조에 사용되는 적층 기술로서 형성된다.

본 발명의 발열장치는 도5a의 형태외에 다양한 형태로 제조될 수 있는데, 도6은 지지대로 사용되는 유리관 또는 수정 튜브등의 파이프(42)의 중간에 전극(46)을 매개로 발열층(44)을 형성한 구조이다. 상기 발열층(44)의 외면에는 이 발열층을 보호하는 보호막이 적층될 수도 있다.

이러한 구성은 지지대로 사용되는 유리관이나 수정튜브 등의 파이프(42)를 회전시키면서 발열물질을 스퍼터링 하여 구현할 수 있다. 이 형태는 반도체 제조시 유기금속 전구체인 액체를 기체화하는 통과관에서 온도의 균일도를 유지시키는 장치 등으로 활용할 수 있다.

도7은 실리콘과 크롬의 혼합물질인 크롬실리사이드 (CrSi₂)를 타겟 (target)으로 하여 마그네트론 스퍼터링 (magnetron sputtering) 방법으로 산화알미늄 기판 위에 1 마이크로의 두께로 고르게 시험 제작한 뒤, 크롬실리사이드 발열체에 전력을 공급하면서 온도의 증가에 따른 발열체의 저항 변화(섭씨 50도에서의 저항에 대한 비)를 기록한 실험결과를 나타낸 것이다. 상온에서 약 90옴의 저항값을 가진 발열체는 섭씨 500도의 온도에서도 100옴을 약간 상회하는 저항값을 가짐으로써 500도의 온도증가에서도 15% 이내의 저항값 변화만을 가짐을 알 수 있다. 이러한 저항값의 증가는 발열물질이 약한 금속성 물질임을 알 수 있으며, 이 발열체의 저항 변화폭은 기존의 어느 제품보다도 10배 이상 작아졌음을 알 수 있다. 이와 같이 온도저항계수는 더욱 감소시킬 수 있으며, 이는 정밀한 온도제어를 가능하게 한다.

본 발명의 발열체는, 스퍼터링 기술과 같은 반도체 제조에서 신뢰도가 입증된 방법을 사용함으로써 발열층의 두께는 0.1 마이크로 이하까지도 제조가 가능하며, 넓은 면적에서도 두께의 균일도를 얻을 수 있으므로 넓은면적에서 온도 균일도를 이룰 수 있다. 따라서 300mm 실리콘웨이퍼 공정에서도 웨이퍼의 전체 면적에 걸쳐 온도 균일도를 크게 높일 수 있으며, 이는 반도체 집적회로 제조에서 수율 향상을 가져올 수 있다.

그리고, 본 발명의 발열체는 반도체 제조의 사진식각방법 (Photolithography)을 사용하여 그 모양과 구조를 1 마이크로까지 정밀하게 구현할 수 있다. 이로써 종래의 발열장치가 입체적이고 국부적인 발열에 의해 온도가 국부적으로 미소한 차이가 발생하였던 문제점을 해결할 수 있다.

본 발명에 의한 발열장치는, 제품 응용의 다양화를 기할 수 있는데, 한 응용 예로 최첨단 미소기전장치 (Micro electro mechanical system)에서 국부 히터로써 사용 가능하다. 미소기전장치는 1 마이크로 정도의 작은 크기로 모터 등의 기계장치나 센서 등을 제작하는 새로운 제작 기술이며, 이 작은 기계장치 내부에 국부적으로 온도의 상승이 필요할 경우, 본 발명에 의한 박막 형태의 히터 장착은 반도체제조기술을 이용함으로써 매우 용이하게 이룰 수 있다. 다른 응용 예로써 온도감지기의 표준화 장치를 들 수 있다. 온도 센서는 여러 종류가 있으나, 적외선을 이용한 온도 센서는 외란 광 등에 의해 부정확할 수 있다. 이를 교정하는 방법으로 본 발명에 의한 2개의 박막 히터를 동시에 제작하여 동일한 전력을 공급하면서, 열전대 (thermocouple)등 다른 정확한 온도 센서와 교정하려는 온도 센서와의 차이를 감지하여 측정치를 교정하는 방법에 이용할 수 있다. 또 다른 이용 예로는 두루말이 형태의 휠 수 있는 발열장치를 제작할 수 있다.

본 발명에 의한 발열장치는 발열체가 반도체와 금속의 혼합물질로 이루어져 있어 온도저항계수를 최소화하였기 때문에 온도의 높고 낮음에 관계없이 온도 상승의 속도가 일정하며, 따라서 온도의 정밀한 제어가 가능하다.

또한, 본 발명에 의한 발열장치는 박막의 형태를 가능하게 하므로, 종래의 입체 형태의 발열장치로는 실현할 수 없었던 제품의 구조와 기능을 제공하며, 재료의 소비가 적고, 온도를 올리고 내리는데 걸리는 시간이 크게 단축되며, 에너지 변환효율이 높다는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 반도체 물질과 금속성 물질을 함유하여 온도저항계수를 낮추는 재료로 된 발열체와, 상기 발열체에 전원을 공급하는 전극을 포함하여 이루어지되,

   상기 반도체 물질은 실리콘, 게르마늄, 갈륨비소, 탄소, 탄화규소 및 보론으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 발열장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 발열체는 기판의 상측면에 적층된 발열층인 것을 특징으로 하는 발열장치,
3. 제1항에 있어서,

   상기 발열체는 파이프의 중간에 형성된 발열층인 것을 특징으로 하는 발열장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 발열층에는 이 발열층을 보호하는 보호막이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 발열장치.