KR20020088620A - 진공 단열재를 갖는 열처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단열재에 진공부 및 방열핀을 둠으로써 승온시에는 진공에 의한 단열 효과를 나타내고 강온시에는 방열핀을 통한 냉각효과를 나타내는 진공 단열재를 갖는 열처리 장치에 관한 것이다.

본 발명은 내부에 피처리기판이 배치되는 반응튜브와, 반응튜브의 외부에 배치되어 반응챔버에 열을 제공하는 가열요소와, 가열요소로부터의 발생열이 챔버 외부로 방출되는 것을 차단하는 단열부를 포함하는 열처리 장치에 있어서, 단열부는 내측 단열재와 외측 단열재가 소정의 거리로 이격되어 내부에 진공부를 형성하고, 진공부에 금속재질의 방열핀이 내측 단열재를 둘러싸는 구조로 이뤄진다. 또한, 상기 진공부의 일측은 냉각가스 유입구와 소통되고 타측은 냉각가스 배출구와 소통되며 상기 냉각가스 유입구 및 배출구가 개폐 제어됨에 따라 진공에 의한 단열을 하거나 냉각가스가 유동되는 것을 특징으로 한다.

Description

진공 단열재를 갖는 열처리 장치{Thermal processing appratus with vacuous insulator}

본 발명은 열처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단열재에 진공부및 방열핀을 축설함으로써 승온시에는 진공에 의한 단열 효과를 나타내고 강온시에는 냉각가스의 유동에 의해 단열재의 잠열을 방출시킬 수 있는 진공 단열재를 갖는 열처리 장치에 관한 것이다.

박형 웨이퍼 또는 글라스 기판 등 피처리판의 제작시 확산층을 형성하거나 실리콘 산화막 또는 질화막을 형성하는데 있어서 가열 및 냉각, 등온 유지 등 각종 열처리 공정이 요구된다.

이러한 열처리 공정을 위해 사용되는 일반적인 열처리 장치는, 내부에 반도체 웨이퍼가 선적되는 반응튜브와, 상기 반응튜브의 외부에 배치되어 반응실에 열을 가하는 가열요소(또는 발열 저항체)와, 상기 가열요소를 포위하여 배치되는 단열재와, 가열 및 등온 조건을 달성하기 위한 전력 제어시스템 등을 구비한다.

특히, 이러한 열처리 장치는, 반도체 웨이퍼에 대한 처리 속도 및 성능을 향상시키기 위하여, 반응챔버내의 온도를 21°C 정도의 저온에서 1100°C 정도의 고온까지 균일하게 가열시킬 수 있어야 하며, 또한, 가열 및 냉각에 필요한 시간을 최대한 단축하고, 반복적으로 이뤄지는 열처리 공정에 있어 각 Batch간의 처리온도를 일정하게 유지할 필요가 있다.

한편, 도 1은 종래의 수직형 열처리 장치에 대한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 수직형 열처리장치는 피처리체인 다수의 반도체 웨이퍼(10)를 탑재한 웨이퍼 보트(11)를 수용하는 반응튜브(12)와, 반응챔버에 균일한 가열을 제공하기 위하여 상기 반응튜브(12)의 외부를 원통형으로 둘러싸는 가열요소(13)와, 상기 가열요소(13)를 고정하고 전기적 도통을 방지하는 절연체(14)와, 이러한 반응챔버를 전체적으로 둘러싸는 단열재(15) 및 외부 케이싱(16)으로 이뤄진다.

상기 단열재(15)는 상기 가열요소(13)로부터 발생된 열량이 전도 및 복사로 인해 방출되는 것을 최소화함으로써 챔버의 가열 효율을 향상시키고 적정의 반응온도를 유지하기 위한 것으로서, 일반적으로 충분한 두께를 갖는 세라믹 화이바 등의 적층물로 이뤄지고 있다.

하지만, 이와 같은 종래의 열처리 장치는 단열재가 갖는 열용량 때문에, 반응챔버를 승,강온하면서 반복적인 열처리 공정을 실행할 경우 단열재에 내재된 잠열의 방출로 인하여 각 Batch간의 온도 커브를 일정하게 유지하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 종래의 열처리장치는 냉각가스가 반응챔버내로만 소통되기 때문에, 상기된 바와 같은 단열재의 잠열을 효과적으로 제거하지 못하게 되어 반응챔버의 급속 냉각률을 저하시킬 뿐만 아니라 이는 전체적인 열처리 공정을 지연시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 웨이퍼 등의 피처리기판을 열처리함에 있어서 단열효과와 함께 챔버의 냉각률을 효과적으로 나타낼 수 있도록 단열부를 구성함으로써 반도체 기판에 대한 열처리 능률을 향상시킬 수 있는 진공 단열재를 갖는 열처리 장치을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 열처리 장치에 대한 종방향 단면도.

도 2는 본 발명의 일실시예인 수직형 열처리 장치에 대한 종방향 단면도.

도 3은 도 2의 A-A'부에 대한 횡방향 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10,20. 피처리기판11,21. 웨이퍼 보트

12,22. 반응튜브13,23. 가열요소

14,24. 절연체15. 단열재

17,29-a,29-b. 냉각가스 유입구

18,30. 냉각가스 배출구

25. 내측 단열재26. 외측 단열재

27. 진공부31. 밸브

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 진공 단열재를 갖는 열처리 장치는 내부에 피처리기판이 배치되는 반응튜브와, 상기 반응튜브의 외부에 배치되어 반응챔버에 열을 제공하는 가열요소와, 상기 가열요소로부터의 발생열이 챔버 외부로 방출되는 것을 차단하는 단열부를 포함하는 열처리 장치에 있어서, 상기 단열부는 내측 단열재와 외측 단열재가 소정의 거리로 이격되어 그 내부에 진공부가 형성되고; 상기 진공부의 일단은 냉각가스 유입구와 소통되고 타단은 냉각가스 배출구와 소통되어, 상기 냉각가스 유입구 및 배출구가 개폐됨에 따라 진공에 의한 단열을 하거나 냉각가스가 유동되는 것을 특징으로 한다.

또한, 금속재의 방열핀이 상기 내측 단열재를 포위 접촉하여 형설되고, 그 핀날개는 냉각가스의 유동과 동일한 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각가스 유입구는 단열부에 대한 냉각가스 유입구와 반응챔버에 대한 냉각가스 유입구가 별도로 축설되고, 각각의 냉각가스 유입구와 상기 냉각가스 배출구에 밸브가 축설되어 열처리 공정에 따라 단열부와 반응챔버를 선택적으로 냉각시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 도 2는 본 발명의 일실시예로서 수직형 열처리 장치에 대한 종방향 단면도이고, 도 3은 도 2의 A-A'부에 대한 횡방향 단면도이다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용된 수직형 열처리장치는 다수의 반도체 웨이퍼(20)가 장착된 웨이퍼보트(21)를 포위하는 반응튜브(22)와, 상기 반응튜브(22)의 바깥둘레에 배치되어 반응챔버에 필요한 열량을 제공하는 가열요소(23)와, 상기 가열요소(23)를 고정시키며 가열요소에 의한 전기적 도통을 방지하기 위한 절연체(24)를 구비하며, 이러한 반응챔버를 전체적으로 둘러싸는 단열부 및 외부 케이싱(29)을 갖는 구조로 이뤄진다.

상기 단열부는 내측 단열재(25)와 외측 단열재(26)가 서로 동심을 이루면서 소정의 거리로 이격되어 진공부(27)를 형성한다. 또한, 상기 진공부(27)내에는 다수의 핀날개를 갖는 금속재질의 방열핀(28)이 상기 내측 단열재(25)를 전체적으로 둘러싸는 구조로 형성된다.

상기 가열요소(23)는 반응챔버를 급속 가열하기 위한 것으로 고열 발생 능력을 갖는 코일형 저항도체가 일반적으로 사용되며, 상기 반응튜브(22)와 실질적으로 동심을 이루고 이로부터 소정의 거리로 이격된 원통형의 배열을 가짐으로써, 상기 반응튜브(22)와 상기 가열요소(23) 사이에는 종래와 같이 반응실을 냉각하기 위한 냉각가스 통로가 형성된다.

이러한 반응실에 대한 냉각가스 통로의 하단부 및 상단부에는 소정의 냉각가스를 소통시키기 위하여 냉각가스 유입구(29-a)와 냉각가스 배출구(30)가 형설되어 연결된다.

또한, 상기 가열요소(23)는 종래와 같이, 상기 절연체(24)에 만곡되어 수용되거나 클립 등을 통해 상기 절연체(24)에 고정되는 등 다양한 형태로 실시될 수 있다.

또한, 이와 같은 가열요소(23)에는, 일반적인 실시형태를 따라, 전력 제어시스템이 연결되어 유입전력을 제어함으로써, 반응챔버에 대한 급속 가열 및 등온 유지 등을 실행한다.

한편, 본 발명의 요부인 단열부는 내측 단열재(25), 외측 단열재(26), 진공부(27) 및 방열핀(28)으로 이뤄진다.

상기 내측 단열재(25)와 상기 외측 단열재(26)는 서로 동심을 이루면서 소정의 거리로 이격됨으로써 그 사이에 진공 단열효과를 나타내거나 냉각가스의 통로로 사용될 수 있는 진공부(27)가 형성된다.

이러한 내,외측 단열재(25,26)로는 일반적으로 사용되고 있는 세라믹 화이바 등의 적층물로 이뤄질 수 있다.

또한, 챔버를 냉각시키는 공정에 있어서, 상기 내,외측 단열재(25,26)에 내재된 잠열(특히, 상기 내측 단열재(25)의 잠열)을 효과적으로 방출하기 위하여, 상기 내측 단열재(25)의 둘레에는 열전도성이 강한 금속재질의 방열핀(28)이 밀착되어 배치된다.

또한, 상기 방열핀(28)은 구리, 스텐레스, 알루미늄, 강, 마그네슘 등과 같은 열전도성이 우수한 금속재료로 이뤄지며, 그 핀날개는 냉각가스의 유동과 동일한 방향(즉, 측면에서는 상하방향, 상부에서는 구심방향)으로 형성됨으로써 그 냉각률을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 진공부(27)의 하단부와 상단부는 냉각가스 유입구(29-b)와 냉각가스 배출구(30)와 각각 연결됨으로써, 단열부를 냉각할 경우 냉각가스를 상기 진공부를 통해 소통시키게 된다.

이와 같은 진공부(27)에 대한 냉각가스 유입구(29-b)는 챔버의 하측을 둘레로하여 다수개로 형성되거나 하단부를 둘러싸는 별도의 도관 등을 마련함으로써, 냉각가스가 균등하게 상기 진공부(27)로 분사되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 상기 진공부(27)에 대한 냉각가스 유입구(29-b)와 반응실에 대한 냉각가스 유입구(29-a)를 각각 별도로 마련함으로써, 진공부(단열재)에 대한 냉각과 반응실에 대한 냉각을 선택적으로 실행할 수 있다.

또한, 상기 냉각가스 유입구들(29-a,29-b)과 상기 냉각가스 배출구(30)에는 밸브들(31-a,31-b,31-c)을 축설하여 각 밸브의 개폐에 대한 제어를 통해, 상기 진공부(27)가 단열효과를 나타내도록 하거나 반응실을 소정의 압력 분위기로 유지하게 된다. 또한, 열처리 공정의 상태에 따라, 상기 진공부(27)에 대한 냉각과 반응실에 대한 냉각을 선택적으로 실행하게 된다.

즉, 반응챔버를 승온하거나 등온 처리할 경우, 상기 밸브(31-a,31-b,31-c)를 통해 냉각가스의 유입/배출 통로를 차단시킴으로써, 반응챔버는 소정의 압력 분위기로 형성되고 상기 단열부는 단열재 및 진공에 의한 단열효과를 나타내게 된다.

또한, 단열부 또는 반응챔버를 냉각시키고자 할 경우, 상기 배출구 밸브(31-c)를 개방시킨 상태에서, 반응실에 대한 밸브(29-a)를 개방하여 냉각가스를 유동시킴으로써 상기 반응실 및 가열요소(23)을 냉각시키거나, 진공부(27)에 대한 밸브(29-b)를 개방하여 상기 방열핀(28)을 타고 유동하는 냉각가스를 통해 진공부 및 단열재에 내재된 열량을 신속하게 방출시키게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 단열부의 구성은 단열효과 뿐만 아니라 단열부의잠열을 효과적으로 제거함으로써 다수회 반복되는 열처리 공정에 있어서 각 Batch간의 온도 커브를 일정하게 유지할 수 있게 된다.

한편, 냉각 휀 시스템(도시되지 않음)이 냉각가스 유입도관 및 냉각가스 배출도관과 연결되어 구성됨으로써, 진공부(27) 또는 반응챔버를 냉각시키기 위한 냉각가스(또는 공기)가 강제 유동되고 반응챔버 및 단열부에 대한 신속한 냉각을 도모하게 된다.

상기 실시예에서는 수직형 열처리장치를 통해 본 발명을 설명하였으나 이에 한정되지 않으며 횡형 열처리장치에도 적용할 수 있으며, 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, 진공 단열을 통해 승온시의 고속 가열 및 처리온도의 일정한 유지를 도모함과 함께 단열재 사이에 배치된 방열핀을 통해 고속 냉각 능력을 증대함으로써, 반도체 기판의 생산 능력 및 열처리 능률을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 내부에 피처리기판이 배치되는 반응튜브와, 상기 반응튜브의 외부에 배치되어 반응챔버에 열을 제공하는 가열요소와, 상기 가열요소로부터의 발생열이 챔버 외부로 방출되는 것을 차단하는 단열부를 포함하는 열처리 장치에 있어서,

   상기 단열부는 내측 단열재와 외측 단열재가 소정의 거리로 이격되어 그 내부에 진공부가 형성되고;

   상기 진공부의 일단은 냉각가스 유입구와 소통되고 타단은 냉각가스 배출구와 소통되어, 상기 냉각가스 유입구 및 배출구가 개폐됨에 따라 진공에 의한 단열을 하거나 냉각가스가 유동되는 것을 특징으로 하는 진공 단열재를 갖는 열처리 장치.
2. 제 1항에 있어서, 금속재의 방열핀이 상기 내측 단열재를 포위 접촉되어 축설되고, 그 핀날개는 냉각가스의 유동과 동일한 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공 단열재를 갖는 열처리 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 방열핀의 재료는 구리, 스텐레스, 알루미늄, 마그네슘, 강 중 어느것 하나를 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 진공 단열재를 갖는 열처리 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 냉각가스 유입구는 단열부에 대한 냉각가스 유입구와 반응챔버에 대한 냉각가스 유입구가 별도로 축설되고, 각각의 냉각가스 유입구와 상기 냉각가스 배출구에 밸브가 축설되어 열처리 공정에 따라 단열부와 반응챔버를 선택적으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 진공 단열재를 갖는 열처리 장치.