KR20060078314A - 공정 챔버의 냉각 장치 - Google Patents

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이경형
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Abstract

웨이퍼 가공 공정이 종료된 종형로를 냉각하기 위한 공정 챔버의 냉각 장치는 지지관부가 기판 가공 공정이 수행되는 공정 챔버의 개구를 통해 내부까지 연장되며 상기 공정 챔버의 냉각을 위한 냉각 가스를 상기 공정 챔버의 내부로 이송하고, 가스 분사부가 상기 공정 챔버 내부로 연장된 지지관부의 일단에 구비되며 상기 지지관부를 통해 이송된 냉각 가스를 상기 공정 챔버의 개구부를 향해 분사한다. 냉각 가스 공급부는 상기 지지관부의 타단과 인접한 부위에 연결되어 상기 지지관부으로 상기 냉각 가스를 공급한다. 따라서 상기 공정 챔버를 신속하게 냉각할 수 있다.

Description

공정 챔버의 냉각 장치{Apparatus for cooling a process chamber}
도 1은 웨이퍼를 가공하기 위한 웨이퍼 가공 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 공정 챔버 냉각 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 공정 챔버 냉각 장치의 가스 분사부를 설명하기 위한 부분 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공정 챔버 냉각 장치의 가스 분사부를 설명하기 위한 부분 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 웨이퍼 가공 장치 110 : 공정 챔버
112 : 외측 튜브 114 : 내측 튜브
120 : 매니폴드 130 : 보트
140 : 외측 히터 150 : 진공 제공부
160 : 반응 가스 공급부 200 : 냉각 장치
210 : 고정부 220 : 지지관부
230 : 냉각 가스 공급부 240 : 가스 분사부
W : 웨이퍼
본 발명은 공정 챔버의 냉각 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼 가공 공정을 수행하면서 가열된 공정 챔버를 신속하게 냉각하기 위한 공정 챔버의 냉각 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치의 제조 기술은 소비자의 다양한 욕구를 충족시키기 위해 집적도, 신뢰도, 응답속도 등을 향상시키는 방향으로 발전하고 있다. 일반적으로, 반도체 장치는 반도체 웨이퍼으로 사용되는 실리콘 웨이퍼 상에 소정의 막을 형성하고, 상기 막을 전기적 특성을 갖는 패턴으로 형성함으로서 제조된다.
상기 막을 형성하는 증착 공정은 크게 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition ; PVD)과 화학 기상 증착으로 나누어진다. 상기 화학 기상 증착 공정은 공정 챔버 내부로 제공되는 가스의 화학 반응에 의해 반도체 웨이퍼 상에 막을 형성하는 공정으로 온도, 압력, 반응 가스의 상태 등과 같은 공정 조건에 의해 다양하게 분류된다.
상기 화학 기상 증착 공정 중에서 저압 화학 기상 증착(PLCVD) 공정은 반도체 웨이퍼 상에 막이 형성될 때 공정 챔버 내부의 압력이 200 내지 700mTorr로 저압이며, 단순히 열 에너지를 사용하여 반응을 진행한다. 저압 화학 기상 증착 공정의 장점은 막의 균일도 및 스텝 커버리지(step coverage)가 좋고, 양질의 막을 한 번에 많은 수량의 반도체 웨이퍼 상에 형성할 수 있으며, 다결정실리콘층과 질화막 및 산화막 증착에 널리 사용되고 있다. 저압 화학 기상 증착 장치는 공정 챔버의 형태에 따라 종형 또는 횡형으로 구분되는데, 현재에는 종형의 저압 화학 기상 증착 장치가 설치공간을 적게 차지하는 장점을 갖고 있어 주로 이용된다. 상기 종형의 저압 화학 기상 증착 장치는 고온 진공 분위기에서 공간 내로 소스 가스를 투입하게 되면 투입된 가스가 서로 반응하여 반응물질을 형성하면서 동시에 진공 공간에서 확산되어 그 과정 속에서 웨이퍼 상에 막으로 적층되는 현상을 이용하는 것이다.
상기 종형의 저압 화학 기상 증착 장치로는 히터 벽체 내부 공간에 석영의 튜브를 설치하고 이 튜브 내에 웨이퍼를 넣어 고온의 공정 환경을 만들어주는 종형로(vertical type furnace)가 가장 많이 사용된다. 상기 종형로는 대량의 웨이퍼가 한꺼번에 공정 공간에 투입되는 배치(batch)방식이 사용되며, 반도체장치 제조 공정상 열산화막을 형성하거나, 주입된 원소를 확산시키는 확산로로서 많이 사용된다.
상기 종형 저압 화학 기상 증착 장치의 일 예는 우치야마(Uchiyama, et.al) 등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,902,406호에 개시되어 있다.
상기와 같은 증착 공정, 확산 공정 등을 수행하기 위한 웨이퍼 가공 장치는 반도체 웨이퍼를 수용하는 공정 챔버와 가공 공정의 진행 도중에 발생하는 반응 부산물 및 미반응 가스를 배출시키고 상기 공정 챔버 내부의 압력을 조절하기 위한 진공 제공부를 포함한다. 상기 공정 챔버는 반응 가스 공급부가 연결되는 매니폴 드, 상기 매니폴드)의 상부에 구비되는 내측 튜브 및 외측 튜브를 포함한다. 상기 내측 튜브 내부에는 다수매의 반도체 웨이퍼(W)를 지지하는 보트가 구비되며, 상기 보트는 엘리베이터에 의해 매니폴드를 통해 상하 이동된다. 진공 제공부는 상기 매니폴드에 연결되는 진공 라인, 상기 진공 라인 중에 설치되는 메인 밸브 및 상기 진공 라인을 통해 매니폴드와 연결되는 진공 펌프를 포함한다.
상기 웨이퍼 가공 장치를 이용한 반도체 제조 공정 중에서 저압 화학 기상 증착 공정은 상기 히터로 상기 공정 챔버를 가열하여 고온 상태에서 공정이 진행된다. 상기 저압 화학 기상 증착 공정이 반복되면 상기 공정 챔버, 즉 외측 튜브 및 내측 튜브의 표면에 소정 두께의 막이 형성된다. 상기 막을 제거하기 위해 상기 외측 튜브 및 내측 튜브의 정비를 실시한다. 상기 정비의 진행시 고온의 외측 튜브 및 내측 튜브를 바로 해체할 수 없다. 따라서 상기 외측 튜브 및 내측 튜브의 냉각을 위해 일정 시간(약 4시간)이 경과한 후에 상기 정비를 진행한다. 그러나 상기 외측 튜브 및 내측 튜브의 냉각에 소요되는 시간이 상기 외측 튜브 및 내측 튜브의 총 정비시간의 1/4정도를 차지하고 있어 상기 정비시 많은 시간의 손실이 발생하며 상기 웨이퍼 가공 장치의 생산성을 저하시킨다.
도시되지는 않았지만 상기 공정 챔버에는 내부를 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급부가 구비된다. 상기 퍼지 가스 공급부에서 공급되는 퍼지 가스를 이용하여 고온의 공정 챔버를 냉각할 수 있다. 그러나 상기 퍼지 가스에 의한 상기 공정 챔버의 냉각은 그 효과가 미미한 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 공정 챔버의 빠른 정비를 위해 고온의 상기 공정 챔버를 신속하게 냉각시킬 수 있는 공정 챔버 냉각 장치를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 공정 챔버 냉각 장치는 기판 가공 공정이 수행되는 공정 챔버의 개구를 통해 내부까지 연장되며, 상기 공정 챔버의 냉각을 위한 냉각 가스를 상기 공정 챔버의 내부로 이송하기 위한 지지관부를 구비한다. 가스 분사부는 상기 공정 챔버 내부로 연장된 지지관부의 일단에 구비되며, 상기 지지관부를 통해 이송된 냉각 가스를 상기 공정 챔버의 개구부를 향해 분사한다. 냉각 가스 공급부는 상기 지지관부의 타단과 인접한 부위에 연결되며, 상기 지지관부으로 상기 냉각 가스를 공급한다.
상기 공정 챔버 냉각 장치는 상기 지지관부의 타단에 구비되며, 상기 지지관부 및 상기 가스 분사부를 고정하기 위한 고정부를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 공정 챔버 냉각 장치는 고온의 공정 챔버의 내측 상부에서 탑 다운(top down) 방식으로 상기 냉각 가스를 플로우 시킨다. 따라서 상기 공정 챔버의 온도를 신속하게 저하시킨다. 그러므로 상기 공정 챔버의 정비에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 공정 챔버 냉각 장치에 대해 상세히 설명한다.
우선 상기 공정 챔버 냉각 장치가 사용되는 웨이퍼 가공 장치에 대해 설명한 다.
도 1은 웨이퍼를 가공하기 위한 웨이퍼 가공 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 웨이퍼 가공 장치(100)는 공정 챔버(110), 진공 제공부(150), 반응 가스 공급부(160) 및 가스 노즐(170)을 포함한다.
공정 챔버(110)는 내부 튜브(114), 외부 튜브(112) 및 매니폴드(120)를 포함한다. 상기 내부 튜브(114) 및 외부 튜브(112)는 석영 재질로 형성되며, 소정 간격을 두고 수직방향으로 연장되어 구비된다.
상기 내부 튜브(114)는 상부와 하부가 각각 개방된 형태의 원통형이다. 반면에 외측 튜브(112)는 내부 및 외부 공기의 유입을 차단할 수 있도록 밀폐된 형태로 이루어져 있다. 공정 챔버(110)는 내측 튜브(114)의 내부에 다수 매의 반도체 웨이퍼(W)를 지지하는 보트(130)를 수용하고, 반응 가스 공급부(160) 및 진공 제공부(150)가 연결되며, 내측 튜브(114) 및 외측 튜브(112)를 지지하는 매니폴드(110)를 포함한다.
보트(130)는 전체적으로 실린더 형상을 갖으며, 실린더의 직경은 내측 튜브(114)의 직경보다 작다. 또한, 보트(130)는 다수의 슬릿이 형성된 구조를 가지며 반응 가스가 자유롭게 통풍될 수 있는 틀 형상을 갖는다. 보트(130)는 상기 다수의 슬릿에 다수의 웨이퍼(W)들을 수평 방향으로 적층한 상태에서 상기 매니폴드(120)를 관통하여 내측 튜브(114)의 내부로 승강한다.
도시되지는 않았으나, 보트(130)의 하부에는 엘리베이터가 구비되는 것이 바 람직하다. 상기 엘리베이터는 반도체 웨이퍼(W)의 로딩 및 언로딩을 위해 보트(130)를 하강시키고, 반도체 웨이퍼의 가공 공정을 위해 상승하여 내측 튜브(114) 내부로 보트(130)를 상승시킨다. 또한 상기 보트(130)의 하부에는 상기 내측 튜브(114)의 내부에서 상기 보트(130)를 회전시키기 위한 회전 구동부가 구비되는 것이 바람직하다.
외측 튜브(112)의 외측에는 외측 튜브(112) 및 내측 튜브(114) 내부의 온도를 증착 온도로 유지하기 위한 히터(140)가 구비된다. 히터(140)는 외부 튜브(114)의 둘레에 외벽체를 이루도록 구비되어 공정 챔버(110) 내부를 가열한다. 히터(140)에는 전기적인 가열 제어를 하기 위하여, 가열 제어장치가 접속되어 있다. 공정 챔버(110)의 공정 온도는 화학 기상 증착 공정에는 500 내지 1000℃로, 또 산화공정이나 확산 공정에서는 800 내지 1200℃로 설정되어 있다.
진공 제공부(150)는 매니폴드(120)와 연결된 진공 라인(152)과, 메인 밸브(154) 및 진공 펌프(156)를 포함한다. 메인 밸브(154)는 화학 기상 증착 공정 도중에 공정 챔버(110) 내부의 압력을 조절하고, 세정시에는 폐쇄되어 세정에 의한 불순물이 진공 펌프(156)로 유입되지 않도록 한다. 한편, 진공 라인(152)에는 세정에 의한 불순물을 배출하기 위한 배출구(미도시)가 형성된다. 상기 배출구는 화학 기상 증착 공정 도중에는 폐쇄되고, 세정 도중에는 개방된다.
상기 배출구는 상기 진공 라인(152) 뿐만 아니라 상기 내측 튜브(114) 및 외측 튜브(112) 하부의 매니폴드(120)에도 구비되어 상기 화학 기상 증착 공정의 반응 부산물 및 미반응 가스를 배출한다.
반응 가스 공급부(160)는 증착 공정을 위한 반응 가스를 공정 챔버(110)로 공급한다. 예를 들어 상기 반응 가스 공급부(160)는 반도체 웨이퍼(W) 상에 질화막을 형성하기 위해 디클로로실란 가스와 암모니아 가스를 공정 챔버(110)로 제공한다. 상기 반응 가스 공급부(160)와 연결된 각각의 제공 라인에는 유량 제어부(미도시)와 에어 밸브(미도시)가 각각 설치되어 유량이 제어된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 공정 챔버 냉각 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 상기 공정 챔버 냉각 장치(200)는 고정부(210), 지지관부(220), 냉각 가스 공급부(230) 및 가스 분사부(240)로 구성된다.
상기 고정부(210)는 일정 두께를 갖는 원판 또는 사각판 형태를 갖는다. 상기 고정부(210)는 상기 지지관부(220), 냉각 가스 공급부(230) 및 가스 분사부(240)을 받치는 받침대 역할을 한다. 상기 고정부(210)는 상기 공정 챔버(110)의 하부에 배치된다.
상기 지지관부(220)은 상기 고정부(210)의 상부면 중앙 부위에서 수직 상방으로 연장된다. 상기 지지관부(220)의 길이는 상기 공정 챔버(110)의 내부 상부까지 삽입될 수 있도록 상기 공정 챔버(110)의 길이보다 충분히 길도록 연장되는 것이 바람직하다.
상기 지지관부(220)은 관 형태로 상기 공정 챔버(110)의 냉각을 위한 냉각 가스를 상기 공정 챔버(110)의 내부로 이송한다. 상기 냉각 가스로는 다양한 가스가 사용될 수 있으나 불활성 가스가 사용되는 것이 바람직하다. 상기 냉각 가스로 는 구체적으로 질소 가스, 헬륨 가스 또는 아르곤 가스가 사용되는 것이 바람직하다.
상기 냉각 가스 공급부(230)는 상기 지지관부(220)과 연결되어 상기 지지관부(220)으로 상기 냉각 가스를 공급한다. 상기 냉각 가스 공급부(230)는 상기 지지관부(220)이 상기 공정 챔버(110)로 삽입되는데 방해되지 않도록 상기 지지관부(220)의 하부, 즉 상기 고정부(210)와 인접한 부위에서 상기 지지관부(220)과 연결된다.
상기 지지관부(220)은 고온 상태인 공정 챔버(110) 내부에서 변형되지 않는 재질로 형성된다. 상기 지지관부(220)의 재질은 석영인 것이 바람직하다.
도시되지는 않았지만 상기 냉각 가스 공급부(230)는 밸브의 개폐를 이용하여 상기 냉각 가스의 공급을 조절하는 것이 바람직하다.
상기 가스 분사부(240)는 상기 지지관부(220)의 상단부로부터 상기 지지관부(220)의 연장 방향과 수직한 방향을 따라 방사상으로 연장되도록 형성된다. 상기 가스 분사부(240)는 상기 지지관부(220)으로부터 공급된 상기 냉각 가스를 분사한다. 상기 가스 분사부(240)는 상기 고정부(210)가 위치한 방향으로 상기 냉각 가스를 분사한다.
상기 가스 분사부(240)도 상기 지지관부(220)과 마찬가지로 고온 상태인 공정 챔버(110) 내부에서 변형되지 않는 재질로 형성된다. 상기 가스 분사부(240)의 재질도 석영인 것이 바람직하다.
도 3은 도 2에 도시된 공정 챔버 냉각 장치의 가스 분사부를 설명하기 위한 부분 사시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 가스 분사부(240)는 원반 형태로 형성된다. 상기 가스 분사부(240)의 하부면 중앙 부위에 상기 지지관부(220)이 연결된다. 상기 가스 분사부(240)의 내부는 중공이며, 상기 하부면에 상기 냉각 가스 분사를 위한 다수의 홀이 형성된다. 상기 다수의 홀은 상기 하부면에 균일하게 분포된다.
상기 가스 분사부(240)의 지름은 상기 공정 챔버(110)의 내측 튜브(114)의 지름보다 작도록 형성된다. 따라서 상기 가스 분사부(240)는 상기 내측 튜브(114)와의 마찰없이 상기 공정 챔버(110)의 내부의 상부까지 삽입된다.
상기 공정 챔버(110)의 내부 상부까지 삽입된 가스 분사부(240)에서 하방으로 상기 냉각 가스를 분사하여 고온의 공정 챔버(110) 내부를 냉각한다. 상기 가스 분사부(240)가 원반 형태이고 상기 다수의 홀들도 균일하게 분포되므로 상기 냉각 가스는 상기 공정 챔버(110)의 내부에 균일하게 분사된다. 따라서 성기 공정 챔버(110)가 균일하게 냉각된다. 그리고 상기 공정 챔버(110)의 냉각에 소요되는 시간을 대폭 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공정 챔버 냉각 장치의 가스 분사부를 설명하기 위한 부분 사시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 가스 분사부(240a)는 십자(cross) 형태로 형성된다. 상기 가스 분사부(240a)의 하부면 중앙 부위, 즉 교차된 부위에 상기 지지관부(220)이 연결된다. 상기 가스 분사부(240a)의 내부는 중공이며, 상기 하부면에 상기 냉각 가스 분사를 위한 다수의 홀이 형성된다. 상기 다수의 홀은 상기 하부면에 균일하게 분포된다.
상기 가스 분사부(240a)의 길이는 상기 공정 챔버(110)의 내측 튜브(114)의 지름보다 작도록 형성된다. 따라서 상기 가스 분사부(240a)는 상기 내측 튜브(114)와의 마찰없이 상기 공정 챔버(110)의 내부의 상부까지 삽입된다.
상기에서 가스 분사부(240a)는 두 개의 바(bar)가 교차된 십자 형태이지만, 경우에 따라서는 3개 이상의 바가 교차된 형태로 구비될 수도 있다.
상기 공정 챔버(110)의 내부 상부까지 삽입된 가스 분사부(240a)에서 하방으로 상기 냉각 가스를 분사하여 고온의 공정 챔버(110) 내부를 냉각한다. 상기 가스 분사부(240a)가 원반 형태이고 상기 다수의 홀들도 균일하게 분포되므로 상기 냉각 가스는 상기 공정 챔버(110)의 내부에 균일하게 분사된다. 따라서 성기 공정 챔버(110)가 균일하게 냉각된다. 그리고 상기 공정 챔버(110)의 냉각에 소요되는 시간을 대폭 줄일 수 있다.
이하 상기 웨이퍼 가공 장치(110)에서 상기 공정 챔버 냉각 장치(200)의 이용 방법을 설명하면 다음과 같다.
소정의 공정을 진행할 웨이퍼(W)를 보트(130)에 수납한 상태에서, 히터(140)에 의해 적당한 온도로 가열된 상태에 있는 내측 튜브(114) 내부로 상기 보트(130)를 상승시켜 삽입한다. 이후 공정 챔버(110) 내부를 상기 공정에 적합한 온도와 압력을 유지한 상태에서 반응 가스를 공급하여 일정한 시간동안 반응을 진행하게 한 후에 상기 보트(130)를 하강시켜 반응이 완료된 웨이퍼(W)를 꺼내고 새로운 웨이퍼(W)를 상기 보트(130)에 수납하여 새로운 공정을 재개하게 된다.
상기와 같은 공정이 반복되면 상기 공정 챔버(110)를 해제하여 정비해야 한다. 상기 공정 챔버(110)의 해체를 위해서는 웨이퍼 가공 공정이 종료된 후 고온 상태인 공정 챔버(110)를 냉각해야 한다.
따라서 상기 보트(130)가 하강한 상태에서 상기 공정 챔버(130)의 내부로 상기 지지관부(220) 및 가스 분사부(240)를 삽입한다. 이때 상기 가스 분사부(240)는 상기 공정 챔버(130)의 내부 상부까지 삽입된다. 이후 상기 냉각 가스 공급부(230)에서 냉각 가스를 공급하여 상기 가스 분사부(240)에서 상기 냉각 가스가 분사된다. 상기 냉각 가스는 상기 공정 챔버(110)에서 탑 다운 방식으로 플로우된다. 따라서 상기 고온의 공정 챔버(110)를 빠르게 냉각하여 상기 공정 챔버(110)를 해체할 수 있다. 이후 상기 공정 챔버(110)에 대한 정비를 수행하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공정 챔버 냉각 장치는 고온의 공정 챔버 내부에서 탑 다운 방식으로 냉각 가스를 플로우시켜 상기 공정 챔버를 빠르게 냉각한다. 따라서 상기 공정 챔버의 냉각에 소요되는 시간을 줄일 수 있다. 또한 상기 공정 챔버의 정비에서 많은 시간이 소요되는 상기 공정 챔버 냉각 시간이 대폭 감소된다.
그러므로 전체적으로 상기 공정 챔버의 정비 시간도 줄어들게 된다. 나아가 상기 공정 챔버를 포함하는 웨이퍼 가공 장치의 사용 시간을 증가시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 기판 가공 공정이 수행되는 공정 챔버의 개구를 통해 내부로 연장되며, 상기 공정 챔버의 냉각을 위한 냉각 가스를 상기 공정 챔버의 내부로 이송하기 위한 지지관부;
    상기 공정 챔버 내부로 연장된 지지관부의 일단에 구비되며, 상기 지지관부를 통해 이송된 냉각 가스를 상기 공정 챔버의 개구를 향해 분사하기 위한 가스 분사부; 및
    상기 지지관부의 타단과 인접한 부위에 연결되며, 상기 지지관부로 상기 냉각 가스를 공급하기 위한 냉각 가스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 챔버의 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지관부의 타단에 구비되며, 상기 지지관부 및 상기 가스 분사부를 고정하기 위한 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 챔버의 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스 분사부는 원반 형태인 것을 특징으로 하는 공정 챔버의 냉각 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스 분사부는 십자(cross) 형태인 것을 특징으로 하 는 공정 챔버의 냉각 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공정 챔버의 내부로 삽입되는 상기 지지관부 및 상기 가스 분사부의 재질은 석영인 것을 특징으로 하는 공정 챔버의 냉각 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 공정 챔버는 종형로인 것을 특징으로 하는 공정 챔버의 냉각 장치.
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