KR20040107699A - 웨이퍼블럭 및 그를 채용한 박막증착장치 - Google Patents

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KR20040107699A
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박영훈
백춘금
최형섭
임홍주
노보루니시무라
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주식회사 아이피에스
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Abstract

본 발명은 안착된 기판을 가열하기 위한 웨이퍼블럭 및 그를 채용한 박막증착장치에 관한 것이다. 이중, 웨이퍼블럭은, 그 상부면에 안착된 기판(W)을 가열하기 위한 열선내장판(10)과, 열선내장판(10)의 하부에 접합되어 그 열선내장판(10)을 냉각시키기 위한 유체라인내장판(20)을 포함하며; 유체라인내장판(20)에는 냉각가스가 흐르는 유체라인(C)이 형성되고, 유체라인내장판(20)의 하단에는 n 번째 열선(Hn)으로 전기를 공급하기 위한 전기도관(31an)(31bn)이 접속되는 전기도관홀(21an)(21bn)과, 유체라인(C)으로 냉각가스를 공급하고 배기하는 유체공급라인(33a) 및 유체배기라인(33b)이 각각 접속되는 유체공급라인홀(23a) 및 유체배기라인홀(23b)과, 열선내장판(10)의 온도를 측정하기 위한 n 번째 열전쌍(32n)이 접속되는 열전쌍홀(22an)이 형성된 것;을 특징으로 한다.

Description

웨이퍼블럭 및 그를 채용한 박막증착장치{Wafer block and Reactor for depositing thin film on wafer using the same}
본 발명은 웨이퍼블럭 및 그를 채용한 박막증착장치에 관한 것이다.
웨이퍼블럭이란 안착된 반도체 웨이퍼(이하, 기판이라 함)를 가열하는 장치이다. 가열된 기판상의 온도레벨 및 온도분포의 균일성은 박막증착에 있어 중요한 여러 가지 특성을 결정짓는 중요한 공정인자이다. 온도레벨은 기판표면상에 증착되는 박막의 전반적인 불순물 순도, 박막의 화학결합구조등을 좌우한다. 온도분포의 균일성은 기판 여러곳에 박막 순도 및 특성을 균일하게 하는 공정인자이다.
도 1은 종래의 웨이퍼블럭의 개략적 단면도이다. 종래의 웨이퍼블럭을 참조하면, 열선(H)이 내장되어 있고, 웨이퍼블럭(1)의 하부에는 열선(H)으로 전기를 공급하기 위한 전기도관(2)이 접속되는 2 개의 전기도관홀(1a)과, 웨이퍼블럭(1)의 온도를 측정하기 위한 열전쌍(3)이 접속되는 열전쌍홀(1b)이 형성되어 있다.
이러한 구조에 의하여, 전원부(5)로부터 열선(H)으로 전기가 공급되면 웨이퍼블럭(1)이 가열되어 안착된 기판(W)을 가열하게 된다. 이때, 웨이퍼블럭(1)의 온도는 열전쌍(3)에 의하여 측정되어 제어부(4)로 전송되고, 열전쌍(3)으로부터 전송된 신호에 의하여 제어부(4)는 전원부(5)를 제어하여 열선(H)으로 인가되는 전기량을 변화시킨다.
그런데, 상기한 구조에 의하면, 다음 공정을 수행하기 위하여 또는 박막증착장치를 유지하고 보수하는 작업, 즉 피엠(P.M) 작업시엔 웨이퍼블록이 적절한 온도까지 냉각되어야 하는데, 통상적으로 600?? 의 웨이퍼블럭이 100?? 정도로 될 때까지 약 6 시간 정도가 소요되었다. 이 동안에는 다른 공정을 수행할 수 없어 생산율이 떨어지거나, 또는 유지 보수작업이 길어지게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 추세를 반영하기 위하여 안출된 것으로서, 보다 빠르게 냉각되게 함으로써 다운타임(Down Time)을 최소화하여 유지 보수 작업을 빠르게 진행될 수 있도록 할 수 있는 웨이퍼블럭 및 그를 채용한 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 웨이퍼블럭 및 그를 채용한 박막증착장치의 또 다른 목적은, 기판(W)을 균일한 온도분포로 가열할 수 있도록 함으로써 박막 증착의 균일성을 향상시키는 것이다.
도 1은 종래의 웨이퍼블럭의 개략적 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 박막증착장치의 개략적 구성도,
도 3은 도 2의 박막증착장치에 채용되는 웨이퍼블럭의 제1실시예의 구성도,
도 4는 도 3에 있어서, 유체라인내장판에 형성된 유체라인을 도시한 도면,
도 5는 도 2의 박막증착장치에 채용되는 웨이퍼블럭의 제2실시예의 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
10, 10' ... 열선내장판 20 ... 유체라인내장판
21an, 21bn... 전기도관홀 22an... 열전쌍홀
23a ... 유체공급라인홀 23b ... 유체배기라인홀
30 ... 지지대 31an, 31bn... 전기도관
32n... 열전쌍 33a ... 유체공급라인
33b ... 유체배기라인 35 ... 제어부
36 ... 전원부 37 ... 가스공급부
40 ... 웨이퍼블럭 50 ... 리엑터블럭
60 ... 탑리드 70 ... 샤워헤드
80 ... 배기라인 Hn... 열선
C ... 유체라인 W ... 기판
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 웨이퍼블럭은,
그 상부면에 안착된 기판(W)을 가열하기 위한 열선내장판(10)과, 상기 열선내장판(10)의 하부에 접합되어 그 열선내장판(10)을 냉각시키기 위한 유체라인내장판(20)을 포함하며; 상기 유체라인내장판(20)에는 냉각가스가 흐르는 유체라인(C)이 형성되고, 상기 유체라인내장판(20)의 하단에는 n 번째 상기열선(Hn)으로 전기를 공급하기 위한 전기도관(31an)(31bn)이 접속되는 전기도관홀(21an)(21bn)과, 상기 유체라인(C)으로 냉각가스를 공급하고 배기하는 유체공급라인(33a) 및 유체배기라인(33b)이 각각 접속되는 유체공급라인홀(23a) 및 유체배기라인홀(23b)과, 상기 열선내장판(10)의 온도를 측정하기 위한 n 번째 열전쌍(32n)이 접속되는 열전쌍홀(22an)이 형성된 것;을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 유체라인은 상기 유체라인내장판(20)의 상단에 홈 형태로 형성되고, M 개의 원형궤도와 상기 원형궤도의 단부를 연결하는 2M 개의 직선궤도로 이루어져 도중에 상호 교차하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 유체라인내장판(20')의 유체라인(C)은 복수개의 미세라인으로 구성된다.
본 발명에 있어서, 상기 열선내장판(10)(10') 및 유체라인내장판(20)(20')은 금속재질인 것이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 박막증착장치는,
증착공간(P)이 형성된 리엑터블럭(50)과, 리엑터블럭(50)에 설치되며 기판(W)이 안착되는 웨이퍼블럭(40)과, 리엑터블럭(50)을 덮어 밀봉하는 탑리드(60)와, 탑리드(60) 하부에 위치되어 웨이퍼블럭(40) 측으로 반응가스를 분사하는 샤워헤드(70)와, 리엑터블럭(50)의 하부에 설치되어 그 내부의 가스가 배기되는 배기라인(80)을 포함하는 박막증착장치에 있어서,
상기 웨이퍼블럭(40)은, 그 상부면에 안착된 기판(W)을 가열하기 위한 열선내장판(10)과, 상기 열선내장판(10)의 하부에 접합되어 그 열선내장판(10)을 냉각시키기 위한 유체라인내장판(20)을 포함하며, 상기 열선내장판(10)에는 n 번째 열선(Hn)이 형성되고; 상기 유체라인내장판(20)에는 냉각가스가 흐르는 유체라인(C)이 형성되고, 상기 유체라인내장판(20)의 하단에는 상기 열선(Hn)으로 전기를 공급하기 위한 전기도관(31an)(31bn)이 접속되는 전기도관홀(21an)(21bn)과, 상기 유체라인(C)으로 냉각가스를 공급하고 배기하는 유체공급라인(33a) 및 유체배기라인(33b)이 각각 접속되는 유체공급라인홀(23a) 및 유체배기라인홀(23b)과, 상기 열선내장판(10)의 온도를 측정하기 위한 n 번째 열전쌍(32n)이 접속되는 열전쌍홀(22an)이 형성된 것;을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 웨이퍼블럭과 그를 채용한 박막증착장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 박막증착장치의 개략적 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 박막증착장치는, 증착공간(P)이 형성된 리엑터블럭(50)과, 리엑터블럭(50)에 설치되며 기판(W)이 안착되는 웨이퍼블럭(40)과, 리엑터블럭(50)을 덮어 밀봉하는 탑리드(60)와, 탑리드(60) 하부에 위치되어 웨이퍼블럭(40) 측으로 반응가스를 분사하는 샤워헤드(70)와, 리엑터블럭(50)의 하부에 설치되어 그 내부의 가스가 배기되는 배기라인(80)을 포함한다. 이러한 구조에 따르면 공정가스이송 및 제어장치를 통하여 유입되는 공정가스는 샤워헤드(70)를 통하여 기판(W)상에 분사됨으로써, 그 기판(W)에 박막이 증착되도록 한다.
도 3은 도 2의 박막증착장치에 채용되는 웨이퍼블럭의 제1실시예의 구성도이며, 도 4는 도 3에 있어서, 유체라인내장판에 형성된 유체라인을 도시한 도면이다.
도면을 참조하면, 리엑터블럭(50)에 설치되는 웨이퍼블럭(40)은 상부면에 안착되는 기판(W)을 가열하기 위한 열선내장판(10)과, 열선내장판(10)의 하부에 접합되어 그 열선내장판(10)을 냉각시키기 위한 유체라인내장판(20)과, 상호 접합된 열선내장판(10)과 유체라인내장판(20)을 지지하는 지지대(30)를 포함한다.
열선내장판(10)은 열선(Hn)이 내장된 원반형상의 블록이다. 열선(H)이 n 개의 원형 궤도를 이룰 경우 열선내장판(10)에는 n 개의 히팅영역이 형성되고, 그 n 개의 히팅영역의 온도를 측정하고 제어하기 위하여 n 개의 열전쌍을 필요로 한다. 통상적으로 n 은 2개이다. 따라서, 후술할 유체라인내장판(20)은 n 개의 히팅영역에 각각 연결되는 2n 개의 전기도관과, n 개의 열전쌍(32n)들이 필요하게 된다. 본 실시예에서는 설명을 위하여, 열선내장판(10) 내부에 1 개의 열선(Hn; n=1) 을 채용하였고, 그 열선내장판(10)의 온도를 측정하고 제어하기 위한 1 개의 열전쌍(32n; n=1)을 채용하였다.
유체라인내장판(20)은 원반형상의 블록으로 되어 있으며, 그 상단에는 냉각가스가 흐르는 유체라인(C)이 형성되고, 하단에는 유체라인(c)으로 냉각가스를 공급하기 위한 유체공급라인홀(23a)과 유체라인(C)을 경유한 냉각가스가 배기되는 유체배기라인홀(23b)이 형성되어 있다. 이러한 유체라인(C)은 유체라인내장판(20)의 상단에 홈 형태로 형성된 것이 바람직하다.
유체라인(C)은 상호 만나지 않는 M 개의 원형궤도와, 원형궤도의 단부를 연결하는 2 M 개의 직선궤도로 이루어진다. 이때, 각각의 원형궤도는 유체라인내장판(20)의 중심으로부터 d(N-1, N = 1,2,...,M)의 거리에 형성된다. 본 실시예에서는, 유체라인으로 4 개의 원형궤도(C1, C2, C3, C4)를 채용하였고, 각각의 원형궤도는 2 개씩의 직선궤도(C10, C21, C32, C43)로 연결된다. 이와 같이 각각의 원형궤도 및 직선궤도는 도중에 한번도 교차되지 않고 연결된다.
통상적으로 매엽식 샤워헤드타입의 박막증착장치에 있어서, 기판(W)이 올려지는 웨이퍼블럭(40)은 원반형을 이루므로, 박막증착공정이 이루어지는 동안에 기판(W) 중심부의 온도가 외각부의 온도보다 높기 마련이다. 따라서, 상기 발명을 박막증착공정에 이용할 경우 기판(W)의 온도를 균일하게 맞추기 위하여, 유체라인내장판(20)의 중심부의 온도를 외각부의 온도보다 상대적으로 낮게 하여야 보다 균일한 분포의 기판 표면 온도를 얻을 수 있을 것이다. 이를 위하여 유체라인내장판(20) 외각으로부터 중심부 측으로부터 갈수록 각각의 유체라인 원형궤도(C4, C3, C2, C1) 사이의 간격(d)을 조정한다.
유체공급라인홀(23a)에는 냉각가스가 공급되는 유체공급라인(33a)이 접속되고, 유체배기라인홀(23b)에는 냉각가스가 배기되는 유체배기라인(33b)이 접속되어 있다. 유체공급라인(33a)은 냉각가스를 공급하는 가스공급부(37)와 연결되고, 유체배기라인(33b)은 냉각가스를 배기시키는 가스배기부(38)와 연결된다.
또, 유체라인내장판(20)에는 상기한 n 번째 열선(Hn)으로 전기를 공급하기위한 2 개의 전기도관(31an; n = 2)(31bn; n = 2)이 각각 접속되는 2 개의 전기도관홀(21an; n = 2)(21bn; n = 2) 이 형성되고, 열선내장판(10)의 온도를 측정하기 위한 열전쌍(32n)이 접속되는 1 개의 열전쌍홀(22an; n =1)이 형성된다.
상기한 열선내장판(10)과 유체라인내장판(20)은 브레이징 접합되며, 인코넬(Inconel)과 같은 금속재질로 이루어지거나, 좋은 열전도성과 내부식성을 갖춘 알루미늄 나이트라이드(AlN)와 같은 세라믹재질로 이루어질수 있다.
지지대(30)는 접합된 열선내장판(10)과 유체라인내장판(20)을 지지하며, 그 내측으로는 상기한 전기도관(31an)(31bn), 열전쌍(32n), 유체공급라인(33a) 및 유체배기라인(33b)등이 통과한다. 이러한 지지대(30)는 원형 기둥모양을 갖추게 되며 지지대의 개수는 박막증착장치의 펌핑구조와 관련되어 하나에서 여러개까지 가능하다.
도 5는 도 2의 박막증착장치에 채용되는 웨이퍼블럭의 제2실시예의 구성도로서, 제1실시예서 열선이 2 개일 때, 즉 히팅영역이 2 개일때의 구조를 도시하고 있다.
열선내장판(10')이 외측히팅영역과 내측히팅영역을 포함하며, 외측히팅영역에는 제1열선(H1)이 내장되어 있고 내측히팅영역에는 제2열선(H2)이 내장되어 있다.
또, 유체라인내장판(20 )에 형성된 유체라인은 복수개의 미세라인(C1', C1'' ,C1''')(C2' ,C2'' ,C2''')(C3' ,C3'' ,C3''')(C4' ,C4'', C4''')이 군집됨으로써형성될 수 있다. 이 경우, 웨이퍼블럭의 냉각속도나, 웨이퍼블록 중심부와 외각부의 온도차의 조절등을 보다 미세하게 제어할 수 있다.
상기와 같은 구조의 박막증착장치에 있어, 박막증착후 다음 공정을 수행하거나, 박막증착장치를 유지하고 보수하는 피엠(P.M) 작업시엔 웨이퍼블록(40)이 적절한 온도까지 낮아져야 한다. 웨이퍼블럭(40)의 온도를 낮추기 위하여 열선(H)으로 공급되는 전기량을 변화, 또는 차단시키거나 유체라인(C)을 통하여 흐르는 냉각가스량을 제어하여야 한다. 이를 상세히 설명하면, 웨이퍼블럭(40)의 온도는 열전쌍(32n)에 의하여 측정되어 제어부(35)로 전송되고, 열전쌍(32n)으로부터 전송된 신호에 기반하여 제어부(35)는 열선(H)으로 전기를 공급하는 전원부(36) 및 유체라인(C)으로 가스를 공급하는 가스공급부(37)를 제어하는 것이다.
종래 메탈재질의 웨이퍼블럭의 온도가 600 ??에서 100 ?? 정도가 될 때까지 약 6 시간 정도가 소요됨에 반하여, 본원의 웨이퍼블럭(40)은 100 ?? 가 될 때까지 두시간으로 단축되었다.
한편, 웨이퍼블럭이 AlN 과 같은 세라믹 재질로 만들어질 경우는 온도 상승률이나 온도 하강률이 분당 20 ??를 넘기지 않도록 하는 것이 파손이나 균열의 위험성을 줄일 수 있다. 즉, 예를 들어, 빠른 웨이퍼블럭의 온도하강도 중요하지만 과도한 온도하강이 이루어질 때 제어부(35)가 이것을 모니터링하여 가스공급부(37)를 통제하여 가스플로우 레이트를 줄이도록 할 수 있는 것이다.
정규 피엠시나 박막증착공정시 웨이퍼블럭 내부로 흘리는 냉각가스는 He,Ne, Ar 과 같은 완전한 불활성가스를 이용할 수 도 있고 N2를 이용할 수도 있다. 이중 냉각 효율은 He 이 가장 좋지만 비용 관점에서 다른 종류의 가스와 적절히 혼합하는 것이 바람직하다.
또한 웨이퍼블럭으로 보내는 냉각가스는 특히 박막증착장치의 공정중에 기판 표면의 온도 분포를 균일하게 하기 위하여 이용할 목적이라면 적절히 히팅한 후 유입되도록 하는 것이 중요하며, 이때는 100 ?? 이상이 되어야 한다.
한편, 웨이퍼블록의 온도를 완전히 상온으로 떨어뜨릴 목적으로 냉각가스를 이용하더라도 그 냉각가스를 충분히 가열시킨 후 웨이퍼블록으로 유입시키는 것이 중요하다. 이는 히터의 수명문제, 파손의 우려와 연관되기 때문이다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 웨이퍼블럭 및 그를 채용한 박막증착장치는 냉각용 유체라인을 별도로 채용함으로써 600℃ 이상의 웨이퍼블럭을 냉각시키는데 6 시간 이상 소요되던 것을 2 시간 정도로 낮추었다. 더 나아가, 박막증착공정을 수행함에 있어 유체라인에 흐르는 냉각가스량을 달리하거나 유체라인의 간격을 달리함으로써 웨이퍼블럭 표면상에 안착되는 기판의 온도 분포를 더 고르게 할 수 있다.

Claims (7)

  1. 그 상부면에 안착된 기판(W)을 가열하기 위한 열선내장판(10)과, 상기 열선내장판(10)의 하부에 접합되어 그 열선내장판(10)을 냉각시키기 위한 유체라인내장판(20)을 포함하며;
    상기 유체라인내장판(20)에는 냉각가스가 흐르는 유체라인(C)이 형성되고, 상기 유체라인내장판(20)의 하단에는 n 번째 상기 열선(Hn)으로 전기를 공급하기 위한 전기도관(31an)(31bn)이 접속되는 전기도관홀(21an)(21bn)과, 상기 유체라인(C)으로 냉각가스를 공급하고 배기하는 유체공급라인(33a) 및 유체배기라인(33b)이 각각 접속되는 유체공급라인홀(23a) 및 유체배기라인홀(23b)과, 상기 열선내장판(10)의 온도를 측정하기 위한 n 번째 열전쌍(32n)이 접속되는 열전쌍홀(22an)이 형성된 것;을 특징으로 하는 웨이퍼블럭.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체라인은 상기 유체라인내장판(20)의 상단에 홈 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 웨이퍼블럭.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유체라인(C)은 M 개의 원형궤도와, 상기 원형궤도의 단부를 연결하는 2M 개의 직선궤도로 이루어져 도중에 상기 유체라인(C)이 교차하지 않는 것을 특징으로 하는 웨이퍼블럭.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원형궤도는 상기 유체라인내장판(20)의 중심으로부터 d(N-1, N = 1,2,...,M)의 거리에 형성되고, 상기 거리들을 조정하여 상기 열선내장판(10)의 중심부와 외각의 온도를 균일하게 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼블럭.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체라인내장판(20')의 유체라인(C)은 복수개의 미세라인으로 구성된 것을 특징으로 하는 웨이퍼블럭.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열선내장판(10)(10') 및 유체라인내장판(20)(20')은 금속재질인 것을 특징으로 하는 웨이퍼블럭.
  7. 증착공간(P)이 형성된 리엑터블럭(50)과, 리엑터블럭(50)에 설치되며 기판(W)이 안착되는 웨이퍼블럭(40)과, 리엑터블럭(50)을 덮어 밀봉하는 탑리드(60)와, 탑리드(60) 하부에 위치되어 웨이퍼블럭(40) 측으로 반응가스를 분사하는 샤워헤드(70)와, 리엑터블럭(50)의 하부에 설치되어 그 내부의 가스가 배기되는 배기라인(80)을 포함하는 박막증착장치에 있어서,
    상기 웨이퍼블럭(40)은, 그 상부면에 안착된 기판(W)을 가열하기 위한 열선내장판(10)과, 상기 열선내장판(10)의 하부에 접합되어 그 열선내장판(10)을 냉각시키기 위한 유체라인내장판(20)을 포함하며, 상기 열선내장판(10)에는 n 번째 열선(Hn)이 형성되고; 상기 유체라인내장판(20)에는 냉각가스가 흐르는 유체라인(C)이 형성되고, 상기 유체라인내장판(20)의 하단에는 상기 열선(Hn)으로 전기를 공급하기 위한 전기도관(31an)(31bn)이 접속되는 전기도관홀(21an)(21bn)과, 상기 유체라인(C)으로 냉각가스를 공급하고 배기하는 유체공급라인(33a) 및 유체배기라인(33b)이 각각 접속되는 유체공급라인홀(23a) 및 유체배기라인홀(23b)과, 상기 열선내장판(10)의 온도를 측정하기 위한 n 번째 열전쌍(32n)이 접속되는 열전쌍홀(22an)이 형성된 것;을 특징으로 하는 박막증착장치.
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