KR20050040969A - 확산 시스템 - Google Patents

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KR20050040969A
KR20050040969A KR1020030075814A KR20030075814A KR20050040969A KR 20050040969 A KR20050040969 A KR 20050040969A KR 1020030075814 A KR1020030075814 A KR 1020030075814A KR 20030075814 A KR20030075814 A KR 20030075814A KR 20050040969 A KR20050040969 A KR 20050040969A
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tube
premixer
wafer
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KR1020030075814A
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김준영
최병룡
이은경
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 확산 시스템에 관한 것이다. 웨이퍼에 확산층을 형성시키는 확산 시스템에 있어서, 도핑 가스를 생성시키는 버블러; 상기 버블러에서 생성된 도핑 가스 및 반응 가스들을 적정 온도에서 예열 및 혼합시키는 프리 믹서; 상기 프리 믹서에서 공급된 혼합 가스와 웨이퍼 사이의 반응이 일어나는 메인 챔버; 상기 메인 챔버의 배기구와 상기 웨이퍼 입출용 도어부를 외부와 차단시키는 버퍼 케이스; 및 상기 메인 챔버 내의 반응이 끝난 뒤 폐가스를 외부로 배출시키는 폐가스 배기 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템을 제공하여, 고응답성과 강건성이 모두 확보된 확산 시스템을 제공할 수 있다.

Description

확산 시스템{Diffusion system}
본 발명은 확산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 극도로 얇은 도핑층을 형성하기 위한 혼합 가스의 빠른 농도 안정성, 고온에서 저온으로의 냉각 속도 조절부를 구비하여 고속 응답성을 가지며, 안정한 가스 흐름을 보장하는 플로우 시스템을 구비하여 안정성을 지닌 확산 시스템에 관한 것이다.
반도체 소자 등에 도핑되는 물질은 확산 계수의 크기, 고용도, 산화층의 마스크 효과 등을 고려하여 선택된다. 결합된 원자들은 확산 과정에서 도핑시키고자 하는 물질과 분리되어도 웨이퍼에 또 다른 도핑 불순물 원자로 작용하지 않아야 하고, 웨이퍼 표면에 식각할 수 없는 물질을 생성시키지 않아야 한다. 또한, 높은 순도를 유지해야 하고, 반복 공정이 이루어지더라도 웨이퍼에 도핑되는 농도가 재현성이 있어야 한다. 일반적으로 도핑 물질은 산소, 수소 또는 할로겐 원소인 염소, 브롬 등과 결합된 상태로 존재하며 고체, 액체 및 기체의 3가지 유형으로 구분된다.
이러한 도핑을 위한, 확산 시스템(diffusion system)은 확산관(diffusion tube), 가열기(heater), 보우트(boat) 및 불순물 공급 시스템(dopant delivery system) 등을 포함하고 있다. 또한, 웨이퍼 및 제작하고자 하는 소자의 종류에 따라 밀봉관 시스템(sealed-tube system), 개방관 시스템(open-tube system), 상자형 시스템(box-type system), 페인트 온 시스템(paint-on system) 및 급속 열 공정 시스템(rapid thermal processing system) 등으로 구분된다.
종래의 확산 시스템은 각각의 장단점이 있으나, 극도로 얇은(100nm 이하) 도핑층, 즉 열에너지 확산을 위한 불순물 주입층을 형성시키기 위해 필요한 고속 응답성과 외부 환경에 강건한(robust) 특성들을 모두 충족시키지 못하는 단점이 있다. 즉, 나노미터 크기의 얇은 도핑층을 형성시키기 위해서는 혼합 가스의 농도가 빠르게 안정화되어야 하고, 도핑 공정을 거친 웨이퍼의 냉각 속도가 정밀하게 조정되는 고속 응답성이 보장되어야 한다. 그리고, 공급되는 혼합 가스의 흐름 안정성 및 공정 후 배출되는 폐가스의 배기 안정성을 보장하는 플로우 시스템과 각각의 장치들과의 연결 부위간의 긴밀한 구조가 확보되어야 한다. 그러나, 종래의 확산 시스템은 이들 모두를 시스템적으로 만족시키지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 혼합 가스의 농도를 짧은 시간 내에 안정화시키고, 확산 공정을 거친 웨이퍼의 냉각 속도를 효율적으로 조절할 수 있으며, 폐가스를 안정적으로 배출할 수 있는 확산 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, 웨이퍼에 확산층을 형성시키는 확산 시스템에 있어서,
도핑 가스를 생성시키는 버블러;
상기 버블러에서 생성된 도핑 가스 및 반응 가스들을 적정 온도에서 예열 및 혼합시키는 프리 믹서;
상기 프리 믹서에서 공급된 혼합 가스와 웨이퍼 사이의 반응이 일어나는 메인 챔버;
상기 메인 챔버의 배기부와 상기 웨이퍼 입출용 도어부를 외부와 차단시키는 버퍼 케이스; 및
상기 메인 챔버 내의 반응이 끝난 뒤 폐가스를 외부로 배출시키는 폐가스 배기 시스템;을 포함하는 확산 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 버블러는 그 내부에 도핑 물질을 담고 있는 용기 본체;
상기 도핑 물질을 이송하는 캐리어 가스 흡기 튜브;
상기 캐리어 가스에 이송되는 도핑 물질을 이송하는 도핑 가스 이송 튜브;
상기 용기 본체의 내부의 압력을 측정하여 소정 압력이 되도록 조절하는 압력 레귤레이터; 및
상기 버블러 내의 압력이 소정 압력을 넘은 경우 바이 패스 밸브에 의해 상기 버블러 내의 가스들을 배출시키는 바이 패스 튜브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 프리 믹서는 상기 프리 믹서 용기 본체;
상기 버블러에서 생성된 도핑 가스와 상기 도핑 가스와 반응하는 반응 가스들을 이송하는 하나 이상의 가스 이송 튜브들;
상기 프리 믹서 용기 본체 내의 혼합 가스를 메인 챔버에 공급하는 가스 공급 튜브; 및
상기 프리 믹서의 온도를 조절하는 가열부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 도핑 가스 이송 튜브들은 상기 용기 본체 내부로 연장되게 형성되어 가스를 분사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 용기 본체의 혼합 가스 공급 튜브로 가스를 배출하는 부위는 상기 용기 본체 모서리부의 와류를 방지하기 위해 테이퍼 또는 콘형상으로 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 상기 혼합 가스 공급 튜브의 직경은 상기 가스 이송 튜브들의 직경의 1.7배 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 메인 쳄버는 상기 메인 챔버의 일측부에 형성되어 분위기 가스를 분출하는 분위기 가스 노즐부;
상기 분위기 가스 노즐부의 분위기 가스 분사 방향과 겹치도록 도핑 가스를 포함하는 혼합 가스를 분사하는 혼합 가스 분사 노즐부;
웨이퍼가 입출되는 도어부; 및
웨이퍼와 반응 후 잔류하는 폐가스를 외부 배출하는 배기구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 혼합 가스 분자 노즐부는 상기 프리 믹서로 부터 메인 챔버 내부로 연장된 혼합 가스 튜브의 단부에 형성된 백노즐이다.
본 발명에 있어서, 상기 분위기 가스 노즐부와 연결되어 상기 메인 챔버 내에 분위기 가스를 공급하는 분위기 가스 튜브의 일 측부에 연결되며, 상기 분위기 가스 튜브로 반응 가스를 공급하는 반응 가스 튜브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 도어부는 석영 및 흑연이 순차적으로 적층된 이중 단열구조인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 버퍼 케이스는 상기 메인 챔버의 도어부 및 배기구를 외부로부터 차단하는 밀폐 구조를 지니며, 상기 도어부 및 상기 배기구와 연결된 배기 튜브에 냉각용 가스를 분출하는 샤워 노즐이 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 폐가스 배기 시스템은 상기 고온의 폐가스에 의한 배기 튜브의 처짐 안정성을 보정하며, 상기 폐가스를 냉각하는 지지 시스템; 및
상기 폐가스를 최종적으로 외부로 배출하는 스크러버;를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 지지 시스템는 상기 배기 튜브의 열팽창에 의한 처짐 안정성을 보정하기 위해 상기 튜브를 축방향으로 지지하는 스프링 지지부; 및
상기 상기 배기 튜브의 종방향 열팽창을 보정하고, 표면적을 넓혀 상기 폐가스를 냉각시키는 벨로우즈;를 포함한다.
또한, 본 발명에서는 웨이퍼와 가스의 반응이 일어나는 메인 챔버에 도핑 가스를 포함한 혼합 가스를 공급하는 프리 믹서에 있어서,
프리 믹서 용기 본체;
상기 도핑 가스 및 상기 도핑 가스와 반응하는 가스들을 공급 받는 하나 이상의 가스 이송 튜브들;
상기 프리 믹서 용기 본체 내의 혼합 가스를 메인 챔버에 공급하는 혼합 가스 공급 튜브; 및
상기 프리 믹서의 온도를 조절하는 프리 믹서 가열부;를 포함하는 프리 믹서를 제공한다.
그리고, 본 발명에서는 웨이퍼와 가스의 반응이 일어나는 시스템의 메인 챔버에 있어서,
상기 메인 챔버의 일측부에 형성되어 분위기 가스를 분출하는 분위기 가스 노즐부;
상기 분위기 가스 노즐부의 분위기 가스 분사 방향과 겹치도록 도핑 가스를 포함하는 혼합 가스를 분사하는 혼합 가스 분사 노즐부;
웨이퍼가 입출되는 도어부; 및
웨이퍼와 반응 후 잔류하는 폐가스를 외부 배출하는 배기구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템의 메인 챔버.
그리고, 본 발명에서는 웨이퍼와 가스의 반응이 일어난 뒤, 메인 챔버 내에 잔류하는 폐가스를 배기하는 폐가스 배기 시스템에 있어서,
상기 메인 챔버의 배기구를 통해 배출되는 폐가스가 이동하는 배기 튜브;
고온의 폐가스에 의한 상기 배기 튜브의 처짐 안정성을 보정하며, 폐가스를 냉각하는 지지 시스템; 및
그 단부에 연결된 진공 펌프에 의해 폐가스를 최종적으로 외부로 배출하는 스크러버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 배기 시스템을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 의한 확산 시스템에 대해 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성을 나타낸 도면은 설명을 위하여 과장되게 도시하였음을 이해하여야 한다.
도 1a는 본 발명에 의한 확산 시스템의 흐름 및 웨이퍼 입출 방향을 나타낸 도면이며, 도 1b는 본 발명에 의한 확산 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명에 의한 확산 시스템은 크게 확산 전처리부, 메인 챔버 및 확산 후처리부로 나누어진다.
확산 전처리부는 도핑 가스를 생성시키는 버블러(Bubbler)(20), 생성된 가스를 적정 온도에서 미리 혼합시켜 예열하는 프리 믹서(Pre-Mixer)(30) 및 상기 예열된 가스가 메인 챔버 내에서 분위기 가스와 균일하게 섞어 주는 백노즐(Back-Nozzle)(35) 부위를 포함한다. 메인 챔버(Main Chamber)(40)는 상기 도핑 가스가 분위기 가스의 흐름에 의해 균일하게 섞여 웨이퍼와 반응이 일어나며, 상기 반응 전후로 웨이퍼가 출입하는 도어(46)를 포함하고 있다. 상기 확산 후처리부는 웨이퍼 및 확산 공정 후 메인 챔버(40)에서 배출되는 폐가스를 냉각시키는 버퍼 케이스(Buffer Case)(50), 고온의 폐가스를 안정적으로 외부로 배기하는 지지 시스템(Supporting System)(60) 및 폐가스를 안전하게 처리하는 스크러버(Scrubber)(70)를 포함한다. 따라서, 도핑 가스의 생성 및 웨이퍼와의 반응 후 외부로 배출되는 경로 순서는 버블러(20), 프리믹서(30), 백노즐(35), 메인챔버(40), 버퍼케이스(50), 지지시스템(60) 및 스크러버(70) 등이 된다.
도 2는 본 발명에 의한 확산 전처리부에서 웨이퍼와 반응을 할 도핑 가스를 생성시키는 버블러(20)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명에 의한 버블러(20)는 MFC(28), 인-밸브(in-valve)(24), 아웃-밸브(out-valve)(25) 등의 기본적인 요소 이외에 바이-패스(by-pass) 밸브(26)와 압력 레귤레이터(press regulator)(27)를 더 포함하고 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 확산 시스템의 버블러(20)는 도핑 물질(22)이 담겨진 본체 용기(21)에 연결된 3개의 튜브(23a, 23b 및 23c)를 포함한다. 상기 3개의 튜브(23a, 23b 및 23c)는 운반 기체(carrier gas)의 역할을 하는 질소 등을 본체 용기(21) 내부로 이송하는 인-밸브(24)가 부착된 흡기 튜브(23a)와 상기 본체 용기(21) 내부에서 도핑시키고자 하는 물질(22)이 아웃-밸브(25)에 의해 프리 믹서(30)로 이송하는 이송 튜브(23b)가 있다. 또한 본체 용기(21) 내부의 압력이 적정 수치 이상이 될 경우 내부의 가스를 외부로 배출하는 바이-패스 밸브(26)에 의해 외부로 방출시키는 튜브(23c)를 포함한다. 그리고, 상기 버블러(20)의 본체 용기(21) 내부의 압력을 측정하는 압력 조절용 레귤레이터(27)가 설치되어 있다.
본 발명에 의한 확산 시스템의 버블러(20)는 2중 계측에 의해 안정성을 도모하는 것을 특징으로 한다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 본체 용기(21) 내부의 압력이 일정 수치를 넘으면, 압력 레귤레이터(pressure regulator)(27)에서 그 압력을 측정하여 이를 외부의 제어기(controller)(미도시)에서 인 밸브(24)를 전기적으로 차단시킨다. 그리고, 만일 압력이 비정상적으로 높아지는 경우, 상기 바이 패스 밸브(23c)를 열어 기계적으로 상기 본체 용기(21) 내부의 가스를 외부로 방출해서 스크러버(70)로 처리한다. 즉, 상기 2중 계측에 의해 본체 용기(21) 내의 예상치 못한 이상 압력 상승 현상을 방지한다. 초기 설정시 상기 바이-패스 밸브(26)의 기준 배출 압력은 상기 압력 레귤레이터(27)의 기준 압력보다 높게 설정하여 조정할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 확산 시스템의 버블러(20)의 용기 본체(21)는 아이솔레이션 박스(isolation box)(29) 내에 위치시켜 외부와의 접촉을 차단시켜 안전성을 도모한다.
이와 같이 상기 압력 레귤레이터(27) 및 바이-패스(by-pass) 밸브(26)에 의해 적절하게 조절된 압력의 가스는 아웃 밸브(25) 및 이송 튜브(23b)를 통해 프리 믹서(30)로 이동한다. 이때, 상기 버블러(20)와 프리 믹서(30) 사이의 거리를 최소화하여 관로 저항을 줄이는 것이 바람직하다. 관로 저항은 거리에 비례하고 이동관의 (반경)3에 반비례한다. 따라서, 상기 버블러(20)와 상기 프리 믹서(30) 사이의 거리는 되도록 가깝게 형성시키는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 의한 확산 시스템의 프리 믹서(pre-mixer)(30)를 나타낸 도면이다. 본 발명에 의한 확산 시스템의 프리 믹서(30)는 버블러(20) 등과 연결된 이송 튜브(23b)와 메인 챔버로 가스를 공급하는 가스 공급 튜브(32) 및 상기 프리믹서(30)의 온도를 조절하는 가열부(34)를 포함한다. 본 발명에 의한 프리 믹서(30)는 메인 챔버(20)에서 사용될 가스를 상기 버블러(20)에서 공급받은 뒤, 이를 소정의 온도 및 조성으로 조절하여 상기 메인 챔버로 수송하는 역할을 한다. 이때, 상기 프리 믹서(30)에는 상기 메인 챔버 내에 공급될 가스의 상태를 메인 챔버 내의 공정 온도와 비슷하게 만들어 주기 위해 가열부(heater)(34)를 더 구비한다.
여기서 본 발명에 의한 확산 시스템의 프리 믹서(30)는 상기 버블러(20)에 의해 이송된 가스를 포함한 공급 가스들을 정체없이 메인 챔버로 공급하기 위해 이송 튜브(31a, 31b, 31c)를 프리 믹서(30)의 중심부까지 연장시켜 반응이 일어나게 한다. 또한, 이송 튜브(31a, 31b, 31c)의 직경에 비해 공급 튜브(32)의 직경이 2.5배 이상이 되도록 형성하여 이송된 가스들이 정체 없이 공급 튜브(32)으로 빠져 나가도록 한다.
가스가 관로 내에서 정체됨이 없이 이동하기 위한 최소 조건은 하기 식 1과 같다. 여기서 입출하는 가스의 질량 유량은 동일한 것으로 가정한다. 그리고, 버블러(20) 등에서 프리 믹서(30)로 가스를 공급하는 관을 포함하여 프리 믹서(30)로 이송되는 가스 튜브는 3개를 설치한 경우를 가정한다.
3di2 = Do2
여기서, di는 가스를 프리 믹서(30)로 이송하는 이송 튜브(31a, 31b, 31c)의 직경을 의미하며, Do는 반응 가스를 메인 챔버에 공급하는 공급 튜브(32)의 직경을 의미한다. 따라서, 이송 튜브(31a, 31b, 31c)가 3개이고, 공급 튜브(32)가 1개인 경우, Do는 di 보다 약 1.7배가 되어야 한다. 만일 각각의 이송 튜브(31a, 31b, 31c)에서 도입되는 가스의 질량 유량이 다르면 Do는 이보다 커야 한다. 따라서, 공급 튜브(32)의 직경이 이송 튜브(31a, 31b, 31c)의 직경보다 최소 1.7배 이상 커야 하며, 보다 바람직하게는 2배 이상 큰 것이 바람직하다. 그리고, 이송 튜브(31a, 31b, 31c)의 직경을 더 작게 하는 것이 가스의 역류를 방지하는데 더욱 유리하다.
그리고, 프리 믹서(30)로부터 메인 챔버로 가스들이 빠져 나가는 공급 튜브(32)와 가까운 프리 믹서(30) 본체 부위(33)의 형상을 테이퍼 또는 콘 형상으로 제작하여 일반적인 용기의 모서리 부위에서 발생할 수 있는 와류를 예방한다. 이와 같은 방법에 의해 본 발명에 의한 확산 시스템에서는 상기 버블러(20)에서 공급된 기체가 프리 믹서(30)에서 정체되지 아니하고 메인 챔버로 공급된다. 물론, 기체 자체의 비열에 따라 소정 온도로 올리기 위한 시간 동안은 프리 믹서(30) 내부에서 반응이 일어나는 것이 바람직하다. 따라서, 프리 믹서(30)의 용기 본체도 원하는 공정에 맞춰 그 크기를 조절하여야 되지만 전체적으로 작은 것이 바람직하다.
상기 버블러(20)에서 이송된 가스 등은 프리 믹서(30)에서 섞이며 소정의 반응을 일으킨다. 그리고, 프리 믹서(30) 외부를 둘러싸고 있는 가열부(34)에 의해 메인 챔버의 공정 온도에 근접되도록 가열된다. 예를 들어, 메인 챔버 내의 공정 온도가 섭씨 약 800도 내지 1100도라면 프리 믹서에서는 섭씨 약 500도 내지 800도 정도로 온도를 높여서 작은 체적에서 순간적으로 열 플럭스(heat flux)를 공급하여 미리 예열하는 것이다. 이는 제어기에 의해 미리 설정된 값으로 자동적으로 온도 조절이 된다.
도 4는 본 발명에 의한 확산 시스템에 있어서, 프리 믹서(30)와 메인 챔버(40)의 일부 및 그 연결 부위를 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 프리 믹서(30)에서 메인 챔버(40)로 반응 가스를 공급하는 공급 튜브(32)에서는, 메인 챔버(40) 내에 전체적인 농도의 균일화를 도모하기 위하여 백노즐(35)을 도입한다.
이를 상세히 설명하면, 메인 챔버(40) 내에 장착된 웨이퍼의 상부는 상기 공급 튜브(32)에 의해 프리 믹서(30)에서 공급되는 가스가 도핑된다. 이 경우, 원하는 두께의 확산층을 얻기 위해서는 웨이퍼가 혼합 가스에 의해 노출되는 공정 시간 및 메인 챔버(40) 내부의 혼합 가스 농도가 정밀하게 조정 되어야 한다.
제어기에 의해 미리 설정된 공정 시간이 지나면 메인 챔버(40) 내부에 잔류하는 폐가스들이 배기되고, 웨이퍼를 이송하는 패들 로더에 의해 웨이퍼가 메인 챔버(40) 외부로 이송된다. 그러나, 메인 챔버(40) 내부의 혼합 가스의 일정한 농도값 및 메인 챔버(40) 내부의 전체적으로 농도의 균일성을 얻기 위해서는 단순한 밸브의 조작만으로는 이룰 수 없다. 특히, 극도로 얇은 도핑층을 얻기 위해서는, 메인 챔버(40) 내에서 짧은 시간 내의 농도 균일화를 달성하는 것이 필수적이다.
이를 위해 프리 믹서(30)에서 메인 챔버(40) 내로 들어가는 공급 튜브(32)의 출구가 분위기 가스가 공급되는 노즐부(41)의 분사 방향과 서로 반대 방향에서 겹치도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 분위기 가스가 공급되는 노즐(41)의 분사 방향과 도핑 물질을 포함하는 혼합 가스가 배출되는 방향이 서로 교차하도록 한다. 이는 메인 챔버(40) 내부의 전체적인 가스 농도가 빠른 시간에 일정화가 되도록 하기 위한 것이다.
이를 위해, 프리 믹서(30)를 통해 가열 및 혼합된 가스를 분위기 가스의 주 유동에 혼합시키는 기능을 하는 백노즐(35)을 도입한 것이다. 이와 같은 백노즐(35)을 사용함으로써, 분위기 가스에 의한 메인 챔버(40) 내의 가스의 주 유동의 유선을 교란(disturbance)없이 빠르게 정상 유동(state steady flow)화한다. 이에 따라 결과적으로 짧은 시간 내에 메인 챔버(40) 내부의 가스 농도가 균일해짐으로써 극도로 얇은 확산층(100nm 이하)을 얻을 수 있게 된다. 분위기 가스는 질소 또는 아르곤 등의 비활성 가스를 사용하는 것이 일반적이다.
그리고, 프리 믹서(30)에서의 혼합 가스가 원하는 형태로 반응이 일어나지 않은 경우를 대비하기 위하여, 분위기 가스 공급관의 일부에 또 다른 가스 공급 튜브(42)를 연결하여 필요한 가스를 상기 분위기 가스와 함께 공급될 수 있도록 한다. 따라서, 메인 챔버(40) 내의 혼합 가스의 농도를 원하는 상태로 보완할 수 있게 된다.
여기서, 상기 혼합 가스 공급 튜브(32)의 백노즐(35) 부위를 상기 분위 가스 노즐부(41)와 정확히 대향시킬 필요는 없다. 상기 혼합 가스 공급 튜브(32)의 이송 경로 또한 메인 챔버(40) 내부에서 덕트 형태로 구부러지게 설정되지 않아도 된다. 다만, 혼합 가스가 비활성 가스의 흐름에 따라 라미나 플로우(laminar flow)를 형성할 수 있도록 상기 분위기 가스 노즐부(41)에 대해 상기 백노즐(35)의 분사 방향을 설정하면 된다.
도 5a는 본 발명에 의한 메인 챔버(40)를 나타낸 도면이다. 도 5a를 참조하면, 반응이 일어나는 메인 챔버(40)의 일측부에는 프리 믹서(30)에서 혼합 가스를 공급하는 백노즐(35)이 형성되어 있으며, 상기 백노즐(35)에 대향하는 메인 챔버(40)의 일 측부에는 분위기 가스 노즐(41)이 형성되어 있다. 이러한 공급 튜브(32) 내의 분위기 가스 등은 각각의 튜브 단부에 있는 노즐(35)을 통과하여 메인 챔버(40)로 공급된다. 그리고, 상기 메인 챔버(40)의 반대쪽 측부에는 패들 로더(미도시)에 의해 웨이퍼 캐리어(46)가 입출하는 제 1도어(44)가 형성되어 있다. 농도가 조절된 혼합 가스와 반응하는 웨이퍼는 웨이퍼 캐리어(46)에 장착되어 패들 로더에 의해 제 1도어(44)의 개폐시 상기 메인 챔버(40) 내외로 수송된다. 그리고, 상기 가스 공급 튜브들이 형성된 메인 챔버(40)의 반대쪽에는 반응을 끝낸 폐가스를 배출시키는 배기구(45)가 형성되어 있다. 또한, 상기 메인 챔버(40)는 반응시 높은 온도를 유지시키는 가열부(43) 및 냉각하는 냉각부를 포함한다.
상기 메인 챔버(40)에 혼합 가스 및 분위기 가스가 도입되어 메인 챔버(40) 내의 농도가 일정해지는 과정을 유선(stream line)을 시뮬레이션 한 도 5b 및 농도 분포를 시뮬레이션 한 도 5c에 나타내었다. 도 5b는 본 발명에 의한 확산 시스템의 메인 챔버(40) 내에서 프리 믹서(30)에서 공급된 혼합 가스가 분위기 가스와 함께 라미나 플로우(laminar flow)를 형성시키는 것을 시간에 따라 나타낸 것이다. 도 5c는 혼합 가스가 분위기 가스의 흐름에 따라 메인 챔버(40) 내의 전체적인 농도 균일화를 이루는 과정을 유동 해석 측면에서 나타낸 도면이다. 또한, 도 5d는 시간에 따른 웨이퍼 장착 부위의 농도를 측정하여 나타낸 그래프이다. 이를 참조하면, 프리 믹서(30)에서 공급된 혼합 가스는 메인 챔버(40) 내의 농도 분포는 약 80초 내에 안정화 되며, 실제 웨이퍼 상의 농도 분포도 초기 공급시로 부터 약 40초가 흐른 뒤에 일정해짐을 알 수 있다.
지금까지 버블러(20), 프리 믹서(30) 및 프리 믹서(30)에서 메인 챔버(40)로 혼합 가스를 공급하는 백노즐(35) 등을 포함하는 확산 전처리부와 메인 챔버(40)에 대해 설명하였다. 이하, 웨이퍼와의 반응을 거친 후, 폐가스를 외부로 배출하는 등의 역할을 하는 확산 후처리부에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명에 의한 확산 시스템에 있어서, 반응이 일어나는 메인 챔버(40), 상기 메인 챔버(40)를 외부로 부터 밀폐시키며, 웨이퍼가 입출되는 버퍼 케이스(50)를 나타낸 도면이다.
상기 메인 챔버(40)의 일측에는 메인 챔버(40)로 부터 이송되는 웨이퍼 캐리어(46)가 입출되는 제 1도어(44)가 형성되어 있다. 상기 메인 챔버(40) 및 버퍼 케이스(50)를 유통시켜 웨이퍼 캐리어를 이송하는 제 1도어(44)는 이중 샌드위치 구조를 지니고 있다. 이는 고온의 메인 챔버(40) 내부와 버퍼 케이스(50) 사이를 열적으로 차단하는 단열 구조를 실현하기 위한 것으로, 고온 내용융성이 우수한 석영(Quartz)과 열전달 특성이 우수한 흑연(Graphite)가 연속적인 적층 구조를 형성시키는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제 1도어(44)의 측면은 유리 섬유 단열재로 유리 섬유 단열재로 감싸게 하여 메인 챔버(40) 내부와 버퍼 케이스(50)를 열적으로 분리한다.
공정시의 온도가 고온이므로 메인 챔버(40)에서 빠져나온 웨이퍼를 포함하는 웨이퍼 캐리어(46)를 냉각시키기 위한 냉각용 사워 노즐(51)에 의해 냉각된다. 그리고, 배기구(45) 근처에도 배기되는 고온의 폐가스를 냉각시키기 위한 냉각용 샤워 노즐(51)이 형성되어 있다. 이때, 상기 샤워 노즐(51)에서는 질소나 아르곤과 같은 비활성 가스가 분사되어 냉각시키는 것이다. 그리고, 메인 챔버(40)에서 빠져 나온 웨이퍼를 버퍼 케이스(50) 외부로 이송하기 위해 제 2 도어(52)가 버퍼 케이스(50)에 형성되어 있다.
다음으로 도 7을 참조하여 반응이 끝난 뒤, 폐가스를 배출시키는 과정에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 7은 본 발명에 의한 확산 시스템에 있어서, 폐가스의 배출을 위한 반응 후처리부를 나타낸 도면이다.
확산 공정, 즉 혼합 가스와 웨이퍼와의 반응이 종료된 후에는 상기 반응 후의 폐가스를 메인 챔버(40)에서 외부로 배출시킨다. 이때, 배기구(45)의 밸브(미도시)를 열고, 분위기 가스가 메인 챔버(40) 내부를 플로우하면서 펌프(72)를 작동시키면 폐가스가 배출된다. 이러한 배기 공정을 효율적으로 진행시키기 위해 본 발명에서는 냉각용 사워 노즐(51), 지지 시스템(60) 및 스크러버(70)를 포함하여 폐가스를 효율적으로 배출하도록 하였다.
메인 챔버(40) 내에서 반응을 거친 폐가스는 배기구(45) 및 배기 튜브(53)를 통해 메인 챔버를 빠져 나간다. 그리고, 버퍼 케이스(50) 및 지지 시스템(60)을 통해 냉각되면서, 스크러버(70)에서 완전히 확산 시스템에서 외부로 배출된다. 이때, 메인 챔버(40) 내부의 공정 온도는 최대 섭씨 약 1000도 이상이 될 수 있으므로, 필수적으로 냉각을 시켜야 한다. 상기에 기술한 바와 같이, 폐가스의 냉각을 위해 본 발명에 의한 확산 시스템에서는 샤워 노즐(51)을 도입하였다.
폐가스는 상기 메인 챔버(40)에서 상기 버퍼 케이스(50)을 통해 온도가 감소되며, 지지 시스템(60)으로 들어간다. 본 발명에 의한 지지 시스템(60)은 배기 튜브(53)의 축 방향과 반경 방향으로의 열 팽창을 보정하기 위한 지지 구조를 지닌 것을 특징으로 한다.
상기 메인 챔버(40)에서 빠져 나온 지지 시스템(60) 부위의 배기 튜브(53) 내의 폐가스는 그 온도가 섭씨 약 400도 내지 500도가 될 수 있다. 따라서, 고온의 폐가스에 의해 상기 배기 튜브(53)는 축 방향 및 반경 방향으로 열팽창으로 인한 악영향이 미칠 수 있다. 이에 따른 배기 튜브(53)의 처짐 안정성을 보정하기 위하여 배기 튜브(53)의 반경 방향으로 상하 양측에 스프링과 같은 탄성 요소를 부착하여 스프링 계수를 2배로 하여 플롯(float)형 지지 방식으로 지지한다. 또한, 고온의 폐가스가 벨로우즈(62) 내부를 통과하게 하여, 상기 벨로우즈(62)가 스프링과 같은 역할을 하게 하여, 축 방향으로 지지한다. 여기서 벨로우즈(62)에 의해 고온의 폐가스와의 접촉 면적을 넓히게 되므로 충분한 냉각이 되도록 한다. 상기 벨로우즈(62) 외부에 냉각용 팬(미도시)를 설치하여 냉각 효과를 더욱 더 높일 수 있다.
이러한 과정을 거쳐, 반응이 끝난 폐가스는 배기 튜브(53)를 거쳐 최종적으로 스크러버(70) 단부의 펌프를 통해 외부로 방출된다. 물론, 배기되는 유량은 배기 밸브(71) 및 압력 게이지(73)에 의해 적절히 조절된다.
상기와 같은 과정을 거쳐 확산 공정이 마무리된다. 이러한 각각의 공정을 각 단계별로 요약하면 다음과 같다.
먼저, 버블러(20)에서 운반 가스(예를 들어, N2)에 의해 발생한 가스는 압력 레귤레이터(27)와 바이 패스 밸브(26)에서 셋팅된 적정한 압력 이하에서 아웃 밸브(25)를 통하여 프리 믹서(30)로 보내진다.
다음으로 프리 믹서(30)에서는 상기 버블러(20)로부터 이송된 가스가 산소(또는 염소등의 작용 가스)와 혼합되며, 메인 챔버(40)의 고온 가열 온도에 의한 열영향을 최소화하기 위해 저온의 버블러(20)로부터 이송되는 가스를 적정 온도로 가열된다.
그리고, 프리 믹서(30)에서 혼합 가열된 가스는 백노즐(35)로부터 메인 챔버(40)로 분사되고, 분위기 가스(질소, 아르곤등 비활성 가스) 노즐(41)로부터 분사되는 분위기 가스와 섞이게 된다. 메인 챔버(40)내 농도 분포는 약 80초 이내에 전 영역에서 균등해지며, 실제 웨이퍼상에서의 농도 분포 역시 40초 정도 지나면 균일해진다.
메인 챔버(40) 내의 웨이퍼상에 균일하게 분포된 고온의 도핑 가스는 공정이 끝난 직후 메인 챔버(40)의 배기구(45)로 빠져 나와 지지 시스템(60)과 그 단부에 펌프(72)가 설치된 스크러버(70)를 통하여 외부로 배출된다. 이때 고온의 가스는 샤워 노즐(51)등에 의해 냉각되고, 지지 시스템(60)의 스프링(61)에 의하여 열팽창에 의한 처짐 안정성을 보장 받는다.
버퍼 케이스(50) 내부에 위치한 복사열과 대류를 차단하는 더블 샌드위치 흑연(graphite) 2중 단열 구조의 제 1도어(44)를 열고 패들 로더로 하여금 웨이퍼 캐리어를 메인 챔버(40)로 부터 탈착시켜 버퍼 케이스(50) 내부에서 적정 온도로 냉각시키면 확산 공정이 완료된다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 의하면, 도핑층의 형성을 위한, 고응답성과, 강건성을 모두 만족시키는 확산 시스템을 제공할 수 있다. 즉, 고응답성은 가스의 혼합시간을 최소화하는 백노즐부위와 적정온도로 미리 반응가스를 가열하는 프리믹서에 의하여 구현된다. 그리고, 강건성은 버블러의 안전성을 보증하는 전기적 레귤레이터와 기계적인 바이패스 밸브를 채용함으로써 얻어진다. 또한, 반응후 폐가스의 리크를 방지하고 적정온도의 냉각률을 설정하는 버퍼 케이스, 폐가스를 처리하는 지지시스템 및 스크러버에 의해 전체적인 안정성이 보장된다. 이에 따라, 본 발명에 의한 확산 시스템은 극도로 얇은 확산층 등을 효과적으로 형성할 수 있다.
도 1a는 본 발명에 의한 확산 시스템의 구조의 주요부에 대해 가스의 흐름 및 웨이퍼 입출 방향을 나타낸 도면이다.
도 1b는 본 발명에 의한 확산 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 버블러를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 프리 믹서를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 확산 시스템에서 프리 믹서와 메인 챔버의 연결부를 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명에 의한 확산 시스템의 메인 챔버의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명에 의한 메인 챔버 내에 가스의 흐름을 나타낸 도면이며, 도 5c는 본 발명에 의한 확산 시스템의 메인 챔버 내에서 시간에 따른 혼합 가스의 농도 변화를 나타낸 도면이다.
도 5d는 메인 챔버 내의 웨이퍼 상에서의 시간에 따른 가스의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 확산 시스템의 메인 챔버의 일부 및 버퍼 케이스를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 확산 시스템의 배기부를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
20... 버블러 30... 프리 믹서
40... 메인 챔버 50... 버퍼 케이스
60... 지지 시스템 70... 스크러버
21... 버블러 본체 용기 22... 도핑 물질
23a... 흡기 튜브 23b... 이송 튜브
23c... 바이 패스 튜브 24... 인 밸브
25... 아웃 밸브 26... 바이-패스 밸브
27... 압력 레귤레이터 31a, 31b, 31c... 이송 튜브
32... 공급 튜브 33... 테이퍼 형상 배기부
34... 가열부 35... 백노즐
41... 분위기 가스 밸브 42... 이송 튜브
43... 가열부 44... 제 1 도어
45... 배기구 46... 웨이퍼 캐리어
51... 냉각 가스 샤워부 52... 제 2 도어
53... 배기 튜브 61... 지지부
62... 벨로우즈 71... 배기 밸브
72... 배기 펌프 73... 압력 게이지

Claims (24)

  1. 웨이퍼에 확산층을 형성시키는 확산 시스템에 있어서,
    도핑 가스를 생성시키는 버블러;
    상기 버블러에서 생성된 도핑 가스 및 반응 가스들을 적정 온도에서 예열 및 혼합시키는 프리 믹서;
    상기 프리 믹서에서 공급된 혼합 가스와 웨이퍼 사이의 반응이 일어나는 메인 챔버;
    상기 메인 챔버의 배기구와 상기 웨이퍼 입출용 도어부를 외부와 차단시키는 버퍼 케이스; 및
    상기 메인 챔버 내의 반응이 끝난 뒤 폐가스를 외부로 배출시키는 폐가스 배기 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템;
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 버블러는,
    그 내부에 도핑 물질을 담고 있는 용기 본체;
    상기 도핑 물질을 이송하는 캐리어 가스 흡기 튜브;
    상기 캐리어 가스에 이송되는 도핑 물질을 이송하는 도핑 가스 이송 튜브;
    상기 용기 본체의 내부의 압력을 측정하여 소정 압력이 되도록 조절하는 압력 레귤레이터; 및
    상기 버블러 내의 압력이 소정 압력을 넘은 경우 바이 패스 밸브에 의해 상기 버블러 내의 가스들을 배출시키는 바이 패스 튜브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 프리 믹서는,
    상기 프리 믹서 용기 본체;
    상기 버블러에서 생성된 도핑 가스와 상기 도핑 가스와 반응하는 반응 가스들을 이송하는 하나 이상의 가스 이송 튜브들;
    상기 프리 믹서 용기 본체 내의 혼합 가스를 메인 챔버에 공급하는 가스 공급 튜브; 및
    상기 프리 믹서의 온도를 조절하는 가열부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 도핑 가스 이송 튜브들은 상기 용기 본체 내부로 연장되게 형성되어 가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 용기 본체의 혼합 가스 공급 튜브로 가스를 배출하는 부위는 상기 용기 본체 모서리부의 와류를 방지하기 위해 테이퍼 또는 콘형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 상기 혼합 가스 공급 튜브의 직경은 상기 가스 이송 튜브들의 직경의 1.7배 이상인 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 메인 쳄버는,
    상기 메인 챔버의 일측부에 형성되어 분위기 가스를 분출하는 분위기 가스 노즐부;
    상기 분위기 가스 노즐부의 분위기 가스 분사 방향과 겹치도록 도핑 가스를 포함하는 혼합 가스를 분사하는 혼합 가스 분사 노즐부;
    웨이퍼가 입출되는 도어부; 및
    웨이퍼와 반응 후 잔류하는 폐가스를 외부 배출하는 배기구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 혼합 가스 분자 노즐부는 상기 프리 믹서로 부터 메인 챔버 내부로 연장된 혼합 가스 튜브의 단부에 형성된 백노즐인 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 분위기 가스 노즐부와 연결되어 상기 메인 챔버 내에 분위기 가스를 공급하는 분위기 가스 튜브의 일 측부에 연결되며, 상기 분위기 가스 튜브로 반응 가스를 공급하는 반응 가스 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 도어부는 석영 및 흑연이 순차적으로 적층된 이중 단열구조인 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 버퍼 케이스는 상기 메인 챔버의 도어부 및 배기구를 외부로부터 차단하는 밀폐 구조를 지니며, 상기 도어부 및 상기 배기구와 연결된 배기 튜브에 냉각용 가스를 분출하는 샤워 노즐이 형성된 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 폐가스 배기 시스템은 상기 고온의 폐가스에 의한 배기 튜브의 처짐 안정성을 보정하며, 상기 폐가스를 냉각하는 지지 시스템; 및
    상기 폐가스를 최종적으로 외부로 배출하는 스크러버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 지지 시스템는 상기 배기 튜브의 열팽창에 의한 처짐 안정성을 보정하기 위해 상기 튜브를 축방향으로 지지하는 스프링 지지부; 및
    상기 상기 배기 튜브의 종방향 열팽창을 보정하고, 표면적을 넓혀 상기 폐가스를 냉각시키는 벨로우즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템.
  14. 웨이퍼와 가스의 반응이 일어나는 메인 챔버에 도핑 가스를 포함한 혼합 가스를 공급하는 프리 믹서에 있어서,
    프리 믹서 용기 본체;
    상기 도핑 가스 및 상기 도핑 가스와 반응하는 가스들을 공급 받는 하나 이상의 가스 이송 튜브들;
    상기 프리 믹서 용기 본체 내의 혼합 가스를 메인 챔버에 공급하는 혼합 가스 공급 튜브; 및
    상기 프리 믹서의 온도를 조절하는 프리 믹서 가열부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리 믹서.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 가스 이송 튜브들은 상기 프리 믹서 용기 본체 내부로 연장되게 형성되어 가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 프리 믹서.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 프리 믹서 용기 본체의 혼합 가스 공급 튜브로 가스를 배출하는 부위는 상기 용기 본체 모서리부의 와류를 방지하기 위해 테이퍼 또는 콘형상으로 형성시킨 것을 특징으로 하는 프리 믹서.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 상기 혼합 가스 공급 튜브의 직경은 상기 가스 이송 튜브들의 직경의 1.7배 이상인 것을 특징으로 하는 프리 믹서.
  18. 웨이퍼와 가스의 반응이 일어나는 시스템의 메인 챔버에 있어서,
    상기 메인 챔버의 일측부에 형성되어 분위기 가스를 분출하는 분위기 가스 노즐부;
    상기 분위기 가스 노즐부의 분위기 가스 분사 방향과 겹치도록 도핑 가스를 포함하는 혼합 가스를 분사하는 혼합 가스 분사 노즐부;
    웨이퍼가 입출되는 도어부; 및
    웨이퍼와 반응 후 잔류하는 폐가스를 외부 배출하는 배기구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템의 메인 챔버.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 혼합 가스 분자 노즐부는 상기 메인 챔버 내부로 연장되어 상기 상기 분위기 가스 노즐부 방향으로 형성된 혼합 가스 튜브의 단부에 형성된 백노즐인 것을 특징으로 하는 확산 시스템의 메인 챔버.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 분위기 가스 노즐부에 의해 분위기 가스를 공급하는 분위기 가스 튜브와 연결되어, 상기 분위기 가스 튜브에, 반응 가스를 공급하는 반응 가스 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 시스템의 메인 챔버.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 도어부는 석영 및 흑연이 순차적으로 적층된 이중 단열구조인 것을 특징으로 하는 확산 시스템의 메인 챔버.
  22. 웨이퍼와 가스의 반응이 일어난 뒤, 메인 챔버 내에 잔류하는 폐가스를 배기하는 폐가스 배기 시스템에 있어서,
    상기 메인 챔버의 배기구를 통해 배출되는 폐가스가 이동하는 배기 튜브;
    고온의 폐가스에 의한 상기 배기 튜브의 처짐 안정성을 보정하며, 폐가스를 냉각하는 지지 시스템; 및
    그 단부에 연결된 진공 펌프에 의해 폐가스를 최종적으로 외부로 배출하는 스크러버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 배기 시스템.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 지지 시스템는 상기 배기 튜브의 열팽창에 의한 반경 방향의 처짐 안정성을 보정하기 위해 상기 튜브를 축방향으로 지지하는 스프링 지지부; 및
    상기 상기 배기 튜브의 축방향의 열팽창을 보정하고, 표면적을 넓혀 상기 폐가스를 냉각시키는 벨로우즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 배기 시스템.
  24. 제 22항에 있어서,
    상기 메인 챔버의 배기구와 연결된 배기 튜브에 대해 저온의 불활성 가스를 분사하여 배기 튜브 내의 폐가스를 냉각시키는 샤워 노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐가스 배기 시스템.
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