KR20040035281A - 반도체 기판 가열용 몰딩 히터 - Google Patents

Abstract

반도체 소자 제조장비에 사용되는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 몰딩 히터의 가장 큰 특징은, 몰딩 히터에 포함된 내측 히터선들이 외측 온도측정장치에 주는 영향 및 외측 히터선들이 내측 온도측정장치에 주는 영향을 최소화하기 위해 열전도에 대한 격리층을 마련한다는 것이다. 본 발명에 따르면, 반도체 소자 제조공정을 진행할 때, 두께나 조성의 균일성과 같은 공정균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 히터선에 적절한 전력을 가할 수 있게 되어 몰딩 히터 자체의 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 기판 가열용 몰딩 히터 {Molding heater for heating semiconductor substrate}

본 발명은 몰딩 히터(molding heater)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 소자 제조장비에 사용되는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 소자를 제조하는 과정에서는 반도체 기판을 가열하는 공정이 수반된다. 약 400℃ 이상으로 기판을 가열시키고자 할 때에는 열에 의한 변형을 최소로 하기 위하여 조립형 히터를 사용하고 있다. 그러나, 이러한 조립형 히터는 그 내부로의 기체 입자의 유입에 의해 발생하는 아크(arc)로 인해 히터선이 자주 끊어지는 문제점과 히터선 자체에 증착이 되어 자체 저항에 변형이 일어 히터선의 수명을 단축시키는 등의 문제를 가지고 있다. 따라서, 장비의 유지비가 많이 들고 그 가동률이 떨어지게 된다. 뿐만 아니라, 히터를 조립하는 작업자에 따라 온도의 재연성이 확보되지 않는 문제점도 갖고 있다.

이러한, 조립형 히터와 달리 몰딩 히터는 기체 입자의 유입을 차단할 수 있어 현재 매엽식 화학기상 증착장비 등에 주로 사용되고 있다.

도 1a는 종래기술의 몰딩 히터의 일 예의 개략적 단면도이다.

도 1a를 참조하면, 몰딩 히터는 알루미늄, 인코넬(inconel), 몰리브덴, ALN 등으로 이루어진 플레이트(100) 속에 두 개의 영역으로 나누어진 내측 히터선(110)과 외측 히터선(112)이 삽입된 형태를 갖는다. 한편, 몰딩 히터(10)의 저면에는 동일한 재질의 플레이트 밑판(130)이 설치되어 있으며, 내측 히터선(110)과 외측 히터선(112)을 각각 별도의 온도로 제어하기 위해 열전쌍 자체도 내측 열전쌍(120)과 외측 열전쌍(122)으로 나뉘어져 구성되어 있다.

도 1b는 종래기술의 몰딩 히터의 다른 예의 개략적 단면도이다.

도 1b를 참조하면, 몰딩 히터는 도 1a에 도시한 몰딩 히터와 거의 동일한 구조를 가지고 있으나, 반도체 기판의 전체면에 대한 온도 균일성을 더 향상시키기 위해 구리층과 같은 열전도도가 우수한 열전도층(140)이, 플레이트(100) 내에, 내측 히터선(110)과 외측 히터선(112)의 상부에 걸쳐 설치되어 있다는 점은 다르다.

그러나, 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같은 종래의 몰딩 히터들에서는, 내측 및 외측 열전쌍들(120 및 122)이 플레이트(100) 속에 위치하고 있기 때문에, 반도체 기판의 내측 및 외측의 실제 온도와는 무관하게 몰딩 히터의 내측 및 외측 히터선들(110 및 112)의 온도 변화에 의해 내측 및 외측 열전쌍들(120 및 122)이 상호 영향을 받게 되는 문제점이 나타난다. 예를 들면, 내측 히터선(110)을 가열함으로써 반도체 기판의 내측만의 온도를 올리고자 할 경우, 이러한 온도 변화는 내측 열전쌍(120)에서만 감지되어야 하지만 외측 열전쌍(122)이 영향을 받아서 마치 반도체 기판의 외측도 가열되는 것 같은 착시효과를 주게 된다. 따라서, 반도체 기판의 내측과 외측의 온도차이를 벌리는 데 한계가 존재하게 되며, 이러한 영향 때문에 내측 히터선(110)과 외측 히터선(112)을 원하는 온도로 독립적으로 조절하는 것이 매우 어렵다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 몰딩 히터의 내측 및 외측 히터선들의 온도 변화가, 원하지 않게 내측 및 외측 온도측정장치들에 상호 영향을 끼쳐서 반도체 기판의 내측과 외측의 온도 제어가 원활하게 이루어지지 않는 현상을 방지할 수 있는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터를 제공하는 것이다.

도 1a는 종래기술의 몰딩 히터의 일 예의 개략적 단면도;

도 1b는 종래기술의 몰딩 히터의 다른 예의 개략적 단면도;

도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 몰딩 히터의 개략적 단면도;

도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 몰딩 히터의 개략적 단면도;

도 2c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 몰딩 히터의 개략적 단면도;

도 2d는 본 발명의 제3 실시예의 변형의 일 예에 따른 몰딩 히터의 개략적 단면도;

도 2e는 본 발명의 제3 실시예의 변형의 다른 예에 따른 몰딩 히터의 개략적 단면도;

도 3a는 본 발명의 몰딩 히터에 내, 외측 히터선의 일 예로 사용될 수 있는 시즈 히터(sheath heater)를 길이방향에 대해 직각으로 절단하여 나타낸 단면도; 및

도 3b는 도 3a의 시즈 히터 대신 사용될 수 있는 또 다른 예의 히터선을 길이방향에 대해 직각으로 절단하여 나타낸 단면도이다.

* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 … 플레이트

110 … 내측 히터선

112 … 외측 히터선

120 … 내측 열전쌍

122 … 외측 열전쌍

130 … 플레이트 밑판

140 … 열전도층

160, 166 … 열전도 격리층

162 … 공기 격리층

164 … 공기통로

310 … 전열선

320 … 절연 물질 A

322 … 절연 물질 B

330 … 금속관

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 반도체 기판 가열용 몰딩 히터는: 상기 반도체 기판과 평행한 면을 갖는 플레이트와; 상기 플레이트를 내측과 외측의 두 영역으로 나누고, 상기 내측 영역과 외측 영역에 각각 삽입되는 내측 히터선들 및 외측 히터선들과; 상기 내측 히터선들 부근에 위치하여 그 위치에서의 온도를 감지하는 내측 온도측정장치와; 상기 외측 히터선들 부근에 위치하여 그 위치에서의 온도를 감지하는 외측 온도측정장치와; 상기 내측 히터선들과 외측 히터선들을 열적으로 격리하여, 상기 내측 히터선들이 상기 외측 온도측정장치에 주는 영향 및 상기 외측 히터선들이 상기 내측 온도측정장치에 주는 영향을 최소화하는 격리층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 플레이트 내부에, 내측 히터선들과 외측 히터선들의 상부에 걸쳐 열전도도를 향상시키기 위한 열전도층을 더 구비하되, 상기 열전도층에도 상기 내측 영역 및 외측 영역을 열적으로 격리하는 격리층을 마련하는 것이 바람직하다.

또한, 위의 구조에서, 상기 격리층이, 티타늄, 알루미나, 마그네시아 및 공기, 등 열전도를 감소시킬 수 있는 재질로 이루어진 것이 바람직하다.

한편, 상기 격리층이 공기로 이루어질 경우, 열팽창에 의한 상기 몰딩 히터의 변형을 방지하기 위해 상기 공기층이 상기 몰딩 히터의 외부까지 연장되게 통로가 마련되는 것이 바람직하다.

상기 격리층이 세라믹으로 이루어질 경우에는, 제조상의 어려움을 피하기 위해 세라믹 분말을 고형화한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 내측 히터선들과 외측 히터선들의 각각은, 전열선과; 상기 전열선 둘레를 감싸는 마그네시아와 같은 절연물질과; 상기 절연물질을 감싸는 금속관을 구비하는 시즈 히터(sheath heater)형태로 구성할 수도 있다.

아니면, 상기 내측 히터선들과 외측 히터선들의 각각이, 전열선과; 상기 전열선 둘레를 감싸며, 알루미나 분말과 바인더로 이루어진 것과 같은 절연물질을 구비하는 히터선으로 구성할 수도 있다.

한편, 상기 내측 온도측정장치 및 외측 온도측정장치로서 열전쌍을 사용할 수 있다.

또한, 상기 내측 영역 및 외측 영역의 각각을 다수 영역으로 나누는 열전도 격리층들을 더 구비할 수도 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도면에서 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 붙이며 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.

[제1 실시예]

도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 몰딩 히터의 개략적 단면도이다. 도 2a를 참조하면, 기본적인 구조는 도 1a에 도시된 종래기술의 것과 동일하지만, 내측 히터선(110)과 내측 열전쌍(120)이 포함된 내측 영역과, 외측 히터선(112)과 외측 열전쌍(122)이 포함된 외측 영역이 열전도 격리층(160)에 의해 격리된다는 점이 다르다. 이 격리층(160)은 내측 히터선(110)들이 외측 열전쌍(122)에 주는 영향 및 외측 히터선(112)들이 내측 열전쌍(120)에 주는 영향을 최소화하기 위해 설치된다. 격리층(160)이 몰딩 히터의 상면까지 연장되도록 설치되지 않은 이유는, 내측 및 외측 히터선(110 및 112)들에서 방출된 열이 반도체 기판(미도시)까지 도달하는 것까지는 방해하지 않기 위함이다. 제1 실시예에서는, 이와 같은 역할을 하는 격리층(160)의 재질로 알루미나(Al₂O₃)를 선택하였다. 격리층(160)의 재질로는, 그 외에도 열전도도가 매우 낮은 티타늄(Ti) 금속이나 마그네시아(MgO)와 같은 세라믹을 사용될 수 있다. 만약 격리층(160)을 세라믹 벌크(bulk)로 형성한다면 플레이트(100)에 쓰이는 재질과 세라믹 사이의 열팽창 계수의 차이로 인하여 플레이트의 변형이나 손상이 발생할 수 있을 뿐 아니라 제조 과정도 어렵다. 따라서, 제1 실시예에서는 세라믹 분말을 사용하여 고형화시킴으로써 제조상의 문제와 열팽창 계수 차이에 따른 문제도 해결하였다.

[제2 실시예]

도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 몰딩 히터의 개략적 단면도이다. 도 2b를 참조하면, 기본적인 구조는 도 1a에 도시된 종래기술의 것과 동일하지만, 내측 히터선(110)과 내측 열전쌍(120)이 포함된 내측 영역과, 외측 히터선(112)과 외측 열전쌍(122)이 포함된 외측 영역이 공기 격리층(162)에 의해 격리된다는 점이다르다. 이와 같은 공기 격리층(162)은 플레이트(100)의 내부를 속이 빈 상태로 만들면 쉽게 형성할 수 있다. 그런데, 공기는 온도 변화 시에 많은 부피변화를 일으키므로, 공기를 격리용도로 사용하기 위해서는 공기 격리층(162)이 외부와 연결되는 공기통로(164)를 반드시 가지도록 만들어진다.

[제3 실시예]

도 2c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 몰딩 히터의 개략적 단면도이다. 도 2c를 참조하면, 기본적인 구조는 도 1b에 도시된 종래기술의 것과 동일하지만, 내측 히터선(110)과 내측 열전쌍(120)이 포함된 내측 영역과, 외측 히터선(112)과 외측 열전쌍(122)이 포함된 외측 영역이 열전도 격리층(166)에 의해 격리된다는 점이 다르다. 열전도 격리층(166)은, 플레이트(100) 내부에, 내측 히터선(110)들과 외측 히터선(112)들의 상부에 걸쳐 열전도도를 향상시키기 위한 열전도층(140)까지도 격리하고 있다. 제3 실시예에서도, 이와 한같은 역할을 하는 격리층(166)의 재질로 알루미나(Al₂O₃)를 선택하였다. 제3 실시예에서는 열전도 격리층(166)이 플레이트 밑판(130)의 상면에서부터 위로 연장되어 플레이트(100)를 내측과 외측으로 분리한 후에, 열전도층(140)까지도 분리하고 있으나, 몰딩 히터에 사용된 부품의 열전도도에 따라 도 2d 및 도 2e처럼 열전도층(140)만 분리하거나, 열전도층(140) 및 플레이트(100)의 일부만 분리하여도 좋다.

[제4 실시예]

도 2f는 본 발명의 제4 실시예에 따른 몰딩 히터의 개략적 단면도이다. 도 2f를 참조하면, 기본적인 구조는 도 1b에 도시된 종래기술의 것과 동일하지만, 내측 히터선(110)과 내측 열전쌍(120)이 포함된 내측 영역과, 외측 히터선(112)과 외측 열전쌍(122)이 포함된 외측 영역이 공기 격리층(162)에 의해 격리된다는 점이 다르다. 공기 격리층(162)은 열전도층(140)까지도 격리하고 있다. 그런데, 공기는 온도 변화 시에 많은 부피변화를 일으키므로, 공기를 격리용도로 사용하기 위해서는 공기 격리층(162)이 외부와 연결되는 공기통로(164)를 반드시 가지도록 만들어진다.

[히터선의 구조]

본 발명의 몰딩 히터의 구성품인 내측 히터선 및 외측 히터선에는 전열선과 전열선을 감싸는 절연 물질과의 상관 관계에 따라 여러 종류의 것이 사용될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 몰딩 히터에 내, 외측 히터선으로 사용될 수 있는 일 예로, 시즈 히터(sheath heater)를 길이방향에 대해 직각으로 절단하여 나타낸 단면도이다. 도 3a를 참조하면, 시즈 히터는 원통체의 중심에 위치시킨 전열선(310)과, 전열선(310)의 둘레를 감싸는 마그네시아(MgO)와 같은 절연물질(320)과, 절연물질(320)의 둘레를 감싸는 금속관(330)으로 이루어진다.

도 3b는 도 3a의 시즈 히터 대신 사용될 수 있는 또 다른 히터선의 예로, 히터선을 길이방향에 대해 직각으로 절단하여 나타낸 단면도이다. 도 3b를 참조하면, 히터선은 전열선(310)과, 전열선(310)의 둘레를 감싸며, 알루미나 분말과 바인더로 이루어진 것과 같은 절연 물질(322)로 이루어진다.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예들에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 내측 온도측정장치 및 외측 온도측정장치로서 열전쌍을 사용하였으나, 그 외에도 어떤 온도측정장치라도 사용가능하고, 히터선의 경우도 본 발명의 실시예에 국한되지 않고 어떠한 형태의 히터선도 사용 가능하다,

또한, 본 발명의 사상을 그대로 연장시킬 수 있도록, 상기 내측 영역 및 외측 영역의 각각을 다수 영역으로 나누는 열전도 격리층들을 마련하고, 나누어진 영역마다 온도측정장치들을 설치하여도 좋다.

본 발명에 따르면, 몰딩 히터에 포함된 내측 및 외측 히터선의 온도 변화에 의해 내측 및 외측 열전쌍들이 상호 영향을 받게 되는 문제점이 제거되어 원하는 온도로 반도체 기판의 내측과 외측을 가열할 수 있다. 따라서, 반도체 소자 제조공정을 진행할 때, 두께나 조성의 균일성과 같은 공정균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 히터선에 적절한 전력을 가할 수 있게 되어 몰딩 히터 자체의 수명을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 반도체 기판을 가열하기 위한 몰딩 히터에 있어서,

   상기 반도체 기판과 평행한 면을 갖는 플레이트와;

   상기 플레이트를 내측과 외측의 두 영역으로 나누고, 상기 내측 영역과 외측 영역에 각각 삽입되는 내측 히터선들 및 외측 히터선들과;

   상기 내측 히터선들 부근에 위치하여 그 위치에서의 온도를 감지하는 내측 온도측정장치와;

   상기 외측 히터선들 부근에 위치하여 그 위치에서의 온도를 감지하는 외측 온도측정장치와;

   상기 내측 히터선들과 외측 히터선들을 열적으로 격리하여, 상기 내측 히터선들이 상기 외측 온도측정장치에 주는 영향 및 상기 외측 히터선들이 상기 내측 온도측정장치에 주는 영향을 최소화하는 격리층;

   을 구비하는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터.
2. 제1항에 있어서, 상기 플레이트 내부에, 내측 히터선들과 외측 히터선들의 상부에 걸쳐 열전도도가 우수한 열전도층을 더 구비하되, 상기 열전도층에도 상기 내측 영역 및 외측 영역을 열적으로 격리하는 격리층이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 격리층이, 티타늄, 알루미나, 마그네시아 및 공기, 등 열전도를 감소시킬 수 있는 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터.
4. 제3항에 있어서, 상기 격리층이 공기로 이루어질 경우, 열팽창에 의한 상기 몰딩 히터의 변형을 방지하기 위해 상기 공기층이 상기 몰딩 히터의 외부까지 연장되게 통로가 마련되는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터.
5. 제3항에 있어서, 상기 격리층이 세라믹으로 이루어질 경우, 제조 상의 어려움을 피하기 위해 세라믹 분말을 고형화한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내측 히터선들과 외측 히터선들의 각각이:

   전열선과;

   상기 전열선 둘레를 감싸는 절연물질;

   을 구비하는 히터인 것을 특징으로 하는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내측 온도측정장치 및 외측 온도측정장치가 모두 열전쌍인 것을 특징으로 하는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 내측 영역 및 외측 영역의 각각을 다수 영역으로 나누는 열전도 격리층들과;

   상기 열전도 격리층에 의해 나누어진 영역마다에 설치되는 온도측정장치들;

   을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 가열용 몰딩 히터.