KR200361897Y1 - 퍼니스 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 확산, 기상 박막 형성공정(CVD공정)에서 높은 온도의 히터를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 한 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치 및 그것의 열처리 방법에 관한 것으로, 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치는 단열블럭 안쪽에 설치되는 열선과 냉각용 기체가 단열블럭 내부로 공급되는 공급부와, 단열블럭 내부의 고온의 기체가 밖으로 배출되는 배출부를 갖는 공냉수단을 포함한다. 여기서 공급부는 냉각용 기체가 공정튜브 표면으로 직접 분사되도록 단열블럭에 관통되어 설치되는 복수의 분사파이프들을 갖는다.

Description

퍼니스 장치{FURNACE APPARATUS}

본 고안은 반도체 제조 설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 확산, 기상 박막 형성공정(CVD공정)에서 높은 온도의 히터를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 한 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치에 관한 것이다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 반도체 소자는 기판상에 사진, 식각, 확산, 화학기상증착, 이온주입 등의 공정을 선택적으로 반복 수행하여 만들어진다.

상술한 공정 중 빈번히 수행되는 공정의 하나인 확산공정은 고온 분위기하에서 기판 내에 원하는 도전형의 불순물을 확산시키는 공정을 수행한다. 그리고 확산공정이 이루어지는 확산로는 대략 800-1200도 이상에서 기판 표면에 상에 증착(Deposition) 또는 산화(Oxide)막을 형성하는 공정등을 수행하기 위하여 이용되고 있다.

기존의 확산로 장비는 확산로의 온도를 공정처리를 위한 조건상태(대략 800-1200도)로 가열하는데 걸리는 시간은 매우 짧은 반면에, 확산로의 온도를 스텐바이상태(대기상태)로 냉각하는데 걸리는 시간은 매우 길다.(평균 냉각온도속도 2~3℃/min), 물론, 히터의 외곽에는 냉각수 순환 라인이 설치되어 있으나, 냉각수 순환 라인은 단열재 외곽에 설치되어 있기 때문에 높은 냉각 효과를 기대하기 어렵다.

이처럼, 기존의 확산로 장비는 공정시간 대비 히터의 온도를 냉각하는데 걸리는 시간이 상대적으로 길기 때문에 단위 시간당 기판 처리량이 매우 저조하다는단점을 갖고 있다.

본 고안은 이와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 공정시간의 단축을 도모하기 위하여, 히터 내부의 온도를 급냉하는 것이 가능한 새로운 형태의 반도체 기판의 열처리 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 퍼니스 장치를 개략적으로 보여주는 도면;

도 2는 도 1에 도시된 퍼니스 장치에서 공정튜브를 냉각하기 위한 공기 흐름을 도시한 도면;

도 3은 공급부가 설치된 단열블럭의 하부블럭을 보여주는 도면;

도 4는 도 3에 도시된 Y-Y선 단면도이다.

도 5는 배출부가 설치된 단열블럭의 상부블럭을 보여주는 도면;

도 6은 냉각부를 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 도 2에 도시된 X-X선 단면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

110 : 공정튜브

120 : 히터 어셈블리

122 : 단열블럭

124 : 열선

130 : 공냉수단

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치는 내측에 열선이 설치되는 단열블럭; 냉각용 기체가 상기 단열블럭 내부로 공급되는 공급부와, 상기 단열블럭 내부의 고온의 기체가 밖으로 배출되는 배출부를 갖는 공냉수단을 포함하되; 상기 공급부는 상기 냉각용 기체가 상기 공정튜브 표면으로 직접 분사되도록 상기 단열블럭에 관통되어 설치되는 복수의 분사파이프들을 갖는다.

본 고안의 실시예에 따르면, 상기 배출부는 상기 공급부를 통해 공급된 냉각용 기체가 빠져나가는 그리고 상기 단열블럭의 상부에 방사상으로 배치되는 배출홀들; 상기 배출홀들을 통해 배출되는 고온의 냉각용 기체를 모으기 위해 상기 단열블럭의 상부 측면을 둘러싸도록 설치되는 그리고 배출포트를 갖는 환형 덕트; 및 상기 공정튜브의 상부 중앙에 연결되어 상기 공정튜브의 내부 공기가 단열블럭 밖으로 배출되는 튜브배기관을 포함한다.

본 고안의 실시예에 따르면, 상기 배출부는 상기 튜브배기관을 통해 배출되는 상기 공정튜브의 내부공기를 냉각시켜주는 냉각부를 더 포함한다.

이하, 본 고안에 따른 반도체 기판 열처리 공정을 위한 시스템을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

종래 기술과 비교한 본 고안의 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 고안은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 고안은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)을 위한 퍼니스 장치를 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 고안에 따른 퍼니스 장치(100)는 고온 분위기하에서 기판 내에 원하는 도전형의 불순물을 확산시키는 공정을 수행하는 열처리 장치이다.

이 퍼니스 장치(100)는 내측 튜브(Inner tube, 112)와 외측 튜브(Outer tube, 114)로 이루어지는 공정튜브(110), 히터 어셈블리(120), 복수의 기판(w)들이 적재되는 보우트(116), 이 보트(116)를 지지하는 그리고 상기 공정튜브(110)의 플랜지(111)에 결합되는 시일 캡(118), 그리고 상기 시일 캡(118)과 연결되어 상기 보트(116)를 상기 공정튜브(110)에 로딩/언로딩시키기 위한 로더 장치(119)를 구비하고 있다.

상기 내측 튜브(112)는 석영으로 된 관으로, 그 내부에 기판(w)가 적재된 석영 보트(Quartz boat, 116)가 삽입되어 기판(w) 상에 화학기상증착이 진행되는 곳이다. 상기 외측 튜브(114)는 내측 튜브(112)의 외측에 설치되어 그 내부를 밀폐시키는 역할을 하며, 상기 외측튜브(114)의 상부 중앙에는 튜브배기관(148)이 설치된다. 이 튜브배기관(148)은 상기 공정튜브(110)의 내부공기를 다이렉트로 배기하기 위한 구성이다.

상기 히터 어셈블리(120)는 외측 튜브(114)의 외측에 설치되어 기판(w)를 소정 온도로 가열하게 된다.

상기 공정튜브(110)의 플랜지(111) 일측에는 상기 내측 튜브(112) 내부로 화학소스 가스를 주입하기 위한 가스 주입구(111a)가 마련되어 있으며, 다른 일측에는 펌프(미도시됨)와 연결되어 외측 튜브(114) 내부를 감압시키기 위해 공기를 흡입하는 공기 흡입구(111b)가 마련되어 있다.

도 2는 도 1에 도시된 히터 어셈블리를 보여주는 도면이고, 도 3 및 도 5는 공급부와 배출부가 설치된 단열블럭을 보여주며, 도 4는 도 3에 표시된 Y-Y선 단면도이다. 도 7은 도 2에 표시된 x-x 선 단면도이다.

도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 히터 어셈블리(120)는 상부블럭(122a), 하부블럭(122b) 그리고 측면블럭(122c)으로 이루어지는 단열블럭(122)을 포함한다. 이 단열블럭(122)의 안쪽에는 열을 발생시키는 열선(124)이 설치되며, 상기 단열블럭의 외곽에는 냉각수 순환라인(126)이 설치된다. 그리고 상기 냉각수 순환라인(126)을 보호하기 위해 보호커버(126a)가 상기 냉각수 순환라인(126)을 감싸도록 설치된다. 또한, 상기 히터 어셈블리(120)는 상기 단열블럭(122) 내부의 온도를 강제로 떨어뜨리기 위한 공냉 수단(130)을 갖는다.

상기 공냉 수단(130)을 구체적으로 살펴보면, 냉각용 기체로 외부공기(또는 불활성가스가 사용될 수 있으며, 이하 외부공기라고 칭함.)가 상기 단열블럭 내부로 공급되는 공급부(132)와, 상기 단열블럭 내부로 공급된 외부 공기 및 상기 공정튜브 내부의 공기(고온의 공기)가 단열블럭 밖으로 배출되는 배출부(140) 그리고 배출된 불활성가스를 상온으로 냉각시켜주는 냉각부를 포함한다.

상기 공급부(132)는 상기 단열블럭(122)의 하부블럭(122b) 측면을 둘러싸도록 설치되는 환형 덕트(134)와, 이 덕트(134)에 연결되는 유입포트(134) 그리고 상기 유입포트(134)를 통해 상기 환형덕트(134)로 유입된 기체가 상기 단열블럭(122) 내부로 균일하게 공급될 수 있도록 상기 하부블럭(122b)에 관통되어 형성되는 다수의 분사홀(136)들을 기본적으로 구비한다. 예컨대, 상기 분사홀(136)들은 상기 하부블럭(122b)에 방사상으로 배치되며 그 분사각이 나선 운동 하도록 형성될 수 있다.

도 2 및 도 7을 참조하면, 상기 공급부(132)는 보다 효과적으로 상기 공정튜브의 온도를 급냉하기 위한 복수의 분사파이프(138a)들을 갖는다. 이 분사파이프(138a)들은 상기 단열블럭(122)에 관통되어 설치되며, 외부공기가 상기 공정튜브의 표면에 고르게 분사되도록 단열블럭 주변을 따라 설치되고, 그 개수는 대략 16-20정도가 적당하다. 상기 분사파이프들(138a)은 세라믹 파이프로 이루어진다. 이렇게 분사파이프(138a)들이 상기 단열블럭의 측면블럭(122c)에 관통되어 설치됨으로써, 외부공기가 공정튜브(110) 표면까지 도달되는 경로 및 시간을 단축할 수 있고, 이로 인해 공정튜브로 공급되는 외부공기의 온도상승을 최대한 억제하여 냉각효율을 높일 수 있는 각별한 효과가 있다. 상기 복수의 분사파이프들을 통해 상기 공정튜브로 분사되는 외부공기(외부의 차가운 공기)는 분배파이프(138)들을 거쳐 제공된다. 이처럼, 상기 공정튜브(110)는 상기 분사파이프(138a)들을 통해 분사되는 외부공기에 의해 급냉된다.

상기 유입포트(134)의 전단에는 외부공기를 강제 공급하기 위한 공급펌프(133)가 설치될 수 있다.

상기 환형덕트(134)는 내부에 흐르는 외부공기와의 마찰 저항을 최소화하기 위해 반타원형으로 이루어지며, 그 외부에는 2중의 단열재(134b)가 설치된다. 상기 단열재(134b)를 이중으로 설치한 이유는, 하부블럭(122b)에 형성된 분사홀들을 포함한 공기 통로부분에서 메인 열처리 공정시 열 손실이 발생하는 문제를 최소화하기 위함이다. 또한, 그 내부에는 상기 외부공기가 상기 분사홀(136)들 쪽으로 잘 흐르도록 그 흐름을 유도하는 가로막(135;도 3에 도시됨)들이 설치되어 있다. 상기 가로막(135)들은 상기 분사홀들과 인접하게 설치된다.

도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 분사홀(136)들은 위쪽에서 본 수평면내에서 반시계방향으로 향하여 외부공기가 분사되도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 분사홀(136)들은 외부공기가 반시계방향(화살표로 표시)으로 분사되도록 소정각도를 가지고 경사지도록 형성된 구조적인 특징을 갖는다. 이런 구조적 특징을 갖는 공급부(132)에서는 외부공기가 상기 분사홀(136)들을 통해 반시계방향으로 분출되고, 상기 공정튜브(110) 주위를 회전하면서 나선형상으로 상승하게 된다.

그리고, 상기 배출부(140)는 상기 외측튜브(114)의 상부 중앙에 설치되는 튜브배기관(148)을 갖는다. 이 튜브배기관(148)은 상기 공정튜브(110)의 내부공기를 외부로 다이렉트로 배기하기 위한 구성이다. 특히, 이 튜브배기관(148)은 공정 튜브의 오염제거 차원에서 주기적으로 크리닝(세정) 과정을 거치는데, 그 때에 급냉시간을 단축하여 생산성 효율을 기대할 수 있다.

상기 배출부(140)는 이 튜브배기관(148) 뿐만 아니라, 상기 단열블럭(122)의 상부블럭(122a) 측면을 둘러싸도록 설치되는 환형 덕트(142)와, 이 덕트(142)에 연결되는 배출포트(142a) 그리고 상기 단열블럭(122) 내부의 고온의 공기를 배출하기 위하여 상기 상부블럭(122a)에 관통되어 형성되는 다수의 배출홀(144)들을 갖는다. 상기 배출홀(144)들은 상기 상부블럭(122a)에 나선 방사상으로 배치된다.

이와 같이, 본 고안의 퍼니스 장치(100)는 공정튜브 내부의 공기와 공정튜브 외부의 공기를 동시에 배출시킴으로써, 퍼니스 내부의 온도를 1200도에서 150도까지 급냉가능하다.

한편, 상기 배출부(140)의 튜브배기관(148)과 상기 배출포트(142a)에는 각각 상기 배출되는 고온의 공기를 냉각하기 위한 냉각부(150)의 유입포트(152)가 연결된다.

상기 냉각부(150)는 뜨거운 공기를 냉각시키기 위한 수냉부(154)와, 상기 단열블럭의 공기를 흡입하기 위한 흡입펌프(156) 그리고 상기 수냉부를 통과한 공기가 외부로 배출되는 유출포트(158)를 갖는다. 도 6을 참조하면, 상기 수냉부(154)는 냉각수를 이용한 공냉장치로, 몸체(154a)와 알루미늄 방열판(154b)들 그리고 냉각수 파이프(154c)로 이루어진다. 상기 몸체(154a)는 상기 유입포트(152)와 연결되는 일단과 상기 흡입펌프(156)와 연결되는 타단을 갖는다. 상기 몸체 내부에는 알루미늄 방열판(154b)들과 상기 냉각수 파이프(154c)가 설치된다. 이러한 냉각수를 이용한 수냉부는 기존의 칠러장치보다 작고 그 성능도 우수하며 흡입 펌프를 고온의 열로부터 보호하고 펌프 수명을 연장 시켜주며 그 비용도 적게 든다.

이와 같이 히터 어셈블리(120)를 갖는 퍼니스 장치에서의 증착 공정은 다음과 같다.

상기 공정튜브(110)가 상기 히터 어셈블리(120)의 열선(124)에 의해 소정의 공정처리온도(예를 들어 800-1200도)로 가열되면, 복수의 기판들이 적재된 보우트(116)가 로더장치(119)에 의해 상승하여 상기 공정튜브(110) 내부로 로딩된다. 그리고, 소정의 반응가스들이 상기 공정튜브 내부로 공급되어 막형성 또는 확산 등의 열처리가 진행된다. 이렇게 소정 시간동안 열처리 공정이 완료되면, 상기 보우트(116)는 상기 공정튜브(110)로부터 언로딩된다.

상기 보우트(116)가 언로딩된 직후, 상기 공정튜브(110)를 급속히 냉각시키기 위해 강제 공냉 과정이 이루어진다. 즉, 냉각부(150)의 흡입펌프(156)와 상기 공급부의 공급펌프(133)가 동시 동작되면, 상기 단열블럭(122)과 상기 공정튜브(110) 사이의 공기(뜨거운 공기)가 상기 배출부(140)의 배출홀(144)들을 통해 냉각부(150)로 흡입(유입)된다. 또한 상기 공정튜브의 내부 공기가 튜브배기관을 통해 냉각부로 흡입(유입)된다.

이와 동시에 상기 단열블럭(122)과 상기 공정튜브(110) 사이의 공간으로는 상기 공급부(132)의 분사파이프(148)들을 통해 외부공기가 공정튜브(110)의 표면으로 직접 분사되고, 단열블럭의 아래로부터는 상기 하부블럭에 형성된 분사홀(136)들을 통해 외부공기가 분사되어, 상기 단열블럭(122)과 상기 공정튜브(110) 사이로 흐르게 된다.

여기서, 상기 분사홀(136)들은 도 3 및 도 4에서와 같이 경사지게 형성되어 있어, 외부공기는 상기 분사홀(136)들을 통해 반시계방향으로 분출되고, 상기 공정튜브(110) 주위를 회전하면서 나선형상으로 상승하게 된다.

이처럼, 상기 외부공기는 상기 단열블럭(122)과 상기 공정튜브(110) 사이의 공간을 회전하면서 나선형상으로 상승하기 때문에 외부공기가 전체적으로 고르게 흐르게 되고, 결국 온도의 균일성(전체적으로 균일하게 온도를 떨어뜨릴 수 있다)을 얻을 수 있는 장점이 있다. 외부공기는 나선형상으로 상승하면서 상기 공정튜브와 열선의 온도를 떨어뜨리게 되고, 이렇게 해서 뜨거워진 공기는 상기 배출부(140)의 배출홀(144)들을 통해 상기 냉각부(150)로 유입된다. 이처럼, 뜨거운 공기는 신속하게 외부로 배출된다. 상기 냉각부(150)로 유입된 공기는 수냉부(154)를 통과하면서 냉각되어진 후 유출포트(158)를 통해 외부로 배출된다.

이러한 공기의 흐름을 통해 상기 히터 어셈블리(120)의 내부 온도는 800~1200도에서 200도까지 20-30도/min의 속도로 급속하게 냉각됨으로써, 공정튜브(또는 히터 어셈블리)의 냉각 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 이 공기의 흐름은 상기 공정튜브의 하부에서 상부로 상승함과 동시에 측벽 벽을 통해서 직접 냉각되기 때문에 온도의 균일성을 얻을 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 고안을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본고안의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 고안은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 개시된 고안의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 고안을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 고안과 같은 다른 고안을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 고안의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 고안의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 고안을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 고안은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 공정튜브 표면으로 차가운 기체를 직접 분사시킴으로써 공정튜브의 온도를 신속하게 냉각시킬 수 있다. 둘째, 공정튜브 내부의 공기와 공정튜브 외부의 공기를 동시에 배기함으로써 공정튜브의 온도를 신속하게 냉각시킬 수 있어 공정 대기 시간을 단축시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 복수의 기판들을 수용하는 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리를 구비한 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치에 있어서:

   상기 히터 어셈블리는

   내측에 열선이 설치되는 단열블럭;

   냉각용 기체가 상기 단열블럭 내부로 공급되는 공급부와, 상기 단열블럭 내부의 고온의 기체가 밖으로 배출되는 배출부를 갖는 공냉수단을 포함하되;

   상기 공급부는

   상기 냉각용 기체가 상기 공정튜브 표면으로 직접 분사되도록 상기 단열블럭에 관통되어 설치되는 복수의 분사파이프들을 갖는 것을 특징으로 하는 퍼니스 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 배출부는

   상기 공정튜브의 상부 중앙에 연결되어 상기 공정튜브의 내부 공기가 단열블럭 밖으로 배출되는 튜브배기관;

   상기 공급부를 통해 공급된 냉각용 기체가 빠져나가는 그리고 상기 단열블럭의 상부에 방사상으로 배치되는 배출홀들; 및

   상기 배출홀들을 통해 배출되는 고온의 냉각용 기체를 모으기 위해 상기 단열블럭의 상부 측면을 둘러싸도록 설치되는 그리고 배출포트를 갖는 환형 덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 퍼니스 장치.