KR20060110951A - 스파이크형 열전대 - Google Patents

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KR20060110951A
KR20060110951A KR1020050032953A KR20050032953A KR20060110951A KR 20060110951 A KR20060110951 A KR 20060110951A KR 1020050032953 A KR1020050032953 A KR 1020050032953A KR 20050032953 A KR20050032953 A KR 20050032953A KR 20060110951 A KR20060110951 A KR 20060110951A
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김정남
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삼성전자주식회사
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Abstract

종형 확산 설비의 내부 온도를 측정하기 위한 스파이크형 열전대는 반도체 기판을 가공하기 위한 공정 챔버의 온도를 측정하기 위해 상기 공정 챔버를 가열하는 히터를 관통하여 상기 공정 챔버와 인접하도록 구비되는 열전대 소선을 포함한다. 보호관은 상기 열전대 소선을 감싸도록 구비되며, 외측면에 상기 히터와의 고정을 위한 고정링이 구비되기 위한 홈을 갖는다. 단자함은 상기 보호관의 후단부와 연결되고, 상기 열전대 소선의 외부 배선을 위한 다수의 단자가 형성된다. 따라서 상기 공정 진행시 상기 스파이크형 열전대의 유동을 방지하여 상기 종형 확산 설비의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.

Description

스파이크형 열전대{Spike type thermocouple}
도 1은 종래 기술에 따른 스파이크형 열전대가 장착된 종형 확산 설비를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 스파이크형 열전대가 장착된 종형 확산 설비를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3의 B 부분을 확대한 확대도이다.
도 5는 도 3에 도시된 스파이크형 열전대의 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
202 : 공정 챔버 204 : 진공 제공부
206 : 반응 가스 제공부 210 : 매니폴드
212 : 내측 튜브 214 : 외측 튜브
216 : 보트 220 : 진공 라인
222 : 메인 밸브 224 : 진공 펌프
230 : 외측 히터 232 : 홀
234 : 제1 홀 236 : 제2 홀
238 : 제1 홈 250 : 고정 링
300 : 스파이크형 열전대 310 : 열전대 소선
320 : 제1 보호관 330 : 제2 보호관
332 : 제2 홈 340 : 단자함
342 : 단자함 바디 344 : 단자판
346 : 단자 W : 반도체 기판
본 발명은 종형 확산 설비에 사용되는 스파이크형 열전대에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종형 확산 설비에 장착시 그 위치를 고정할 수 있는 스파이크형 열전대에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치의 제조 기술은 소비자의 다양한 욕구를 충족시키기 위해 집적도, 신뢰도, 응답속도 등을 향상시키는 방향으로 발전하고 있다. 일반적으로, 반도체 장치는 반도체 기판으로 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 기판 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 기판 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 한번에 많은 수량의 반도체 기판 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 상기 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.
도 1은 종래 기술에 따른 스파이크형 열전대가 장착된 종형 확산 설비를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종형 확산 설비는 반도체 기판(W)을 수용하는 공정 챔버 (102)와 증착 공정의 진행 도중에 발생하는 반응 부산물 및 미반응 가스를 배출시키고 공정 챔버(102) 내부의 압력을 조절하기 위한 진공 제공부(104)를 포함한다. 공정 챔버(102)는 반응 가스 제공부(106)가 연결되는 매니폴드(110, manifold), 매니폴드(110)의 상부에 구비되는 내측 튜브(112, inner tube) 및 외측 튜브(114, outer tube)를 포함한다. 내측 튜브(112) 내부에는 다수매의 반도체 기판(W)을 지지하는 보트(116, boat)가 구비되며, 보트는 엘리베이터(미도시)에 의해 매니폴드(110)를 통해 상하 이동된다. 진공 제공부(104)는 매니폴드(110)에 연결되는 진공 라인(120), 진공 라인(120) 중에 설치되는 메인 밸브(122) 및 진공 라인(120)을 통해 매니폴드(110)와 연결되는 진공 펌프(124)를 포함한다. 스파이크형 열전대(140)는 공정 챔버(102)의 온도를 간접적으로 측정하기 위한 것으로, 온도의 정밀도가 낮게 요구되는 경우에 적용된다. 스파이크형 열전대(140)는 히터(130)에 일정 높이의 간격을 두고 다수개가 설치된다.
스파이크형 열전대(140)는 히터(130)를 관통하여 외측 튜브(114)와 인접하도록 구비되는 열전대 소선과, 히터(130)를 관통하여 외측 튜브(114)에 인접하도록 연장되고, 상기 열전대 소선을 감싸도록 구비되는 보호관과, 상기 보호관을 고정하고, 상기 열전대 소선의 외부 배선을 위한 다수의 단자가 형성된 단자함을 포함한다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대한 확대도이다.
도 2를 참조하면, 스파이크형 열전대(140)는 고정링(150)에 의해 히터(130)에 고정된다. 상기 고정링(142)은 단순히 스파이크형 열전대(140)의 외측면을 지지 하는 방식이다. 그러므로 상기 종형 확산 설비에서 공정이 진행되는 동안 진동 등 약간의 충격으로 인해 스파이크형 열전대(140)의 위치가 변동될 수 있다. 스파이크형 열전대(140)의 위치가 변동되면 원하는 위치에서 공정 챔버 내부의 온도를 정확하게 측정하지 못한다. 따라서 상기 종형 확산 설비의 공정 온도를 정확하게 유지할 수 없어 상기 종형 확산 설비를 이용한 공정시 공정 사고가 발생하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 종형 확산 설비에 장착시 원하는 위치에 정확하게 장착하고 상기 위치를 유지할 수 있는 스파이크형 열전대를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 스파이크형 열전대는 반도체 기판을 가공하기 위한 공정 챔버의 온도를 측정하기 위해 상기 공정 챔버를 가열하는 히터를 관통하여 상기 공정 챔버와 인접하도록 구비되는 열전대 소선을 구비한다. 보호관은 상기 열전대 소선을 감싸도록 구비되며 외측면에 상기 히터와의 고정을 위한 고정 부재가 구비되기 위한 홈을 갖는다. 단자함은 상기 보호관의 후단부와 연결되고, 상기 열전대 소선의 외부 배선을 위한 다수의 단자가 형성된다.
상기 보호관은 전단부를 형성하는 제1 보호관 및 후단부를 형성하는 제2 보호관으로 구성되고, 상기 홈은 상기 제2 보호관의 외측면을 따라 형성되는 것이 바 람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 스파이크형 열전대는 상기 보호관의 외측면을 따라 형성된 홈이 고정링이 끼워지므로 종형 확산 설비에 장착시 원하는 위치에 정확하게 장착하여 고정할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스파이크형 열전대에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 스파이크형 열전대가 장착된 종형 확산 설비를 설명하기 위한 개략적인 구성도이고, 도 4는 도 3의 B 부분을 확대한 확대도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 종형 확산 설비는 공정 챔버(202), 진공 제공부(204) 및 가스 제공부(206)를 포함한다. 공정 챔버(202)는 석영 재질로 형성되고, 내부 튜브(212)와 외부 튜브(214)로 구분되어 소정 간격을 두고 수직방향으로 구비된다. 내부 튜브(212)는 상부와 하부가 각각 개방된 형태의 원통형이다. 반면에 외부 튜브(214)는 내부 및 외부 공기의 유입을 차단할 수 있도록 밀폐된 형태로 이루어져 있다. 공정 챔버(202)는 내측 튜브(212)의 내부에 다수 매의 반도체 기판(W)을 지지하는 보트(216)를 수용하고, 가스 제공부(206) 및 진공 제공부(204)가 연결되며, 내측 튜브(212) 및 외측 튜브(214)를 지지하는 매니폴드(210)를 포함한다.
외측 튜브(214)의 외측에는 외측 튜브(214) 및 내측 튜브(212) 내부의 온도를 증착 온도로 유지하기 위한 히터(230)가 구비된다. 히터(230)는 외부 튜브(214)의 둘레에 외벽체를 이루도록 구비되어 공정 챔버(202) 내부를 가열한다. 히터 (230)에는 전기적인 가열 제어를 하기 위하여, 가열 제어장치가 접속되어 있다. 공정 챔버(202)의 처리온도는, 화학 기상 증착 처리에는 500-1000℃로, 또 산화처리나 확산처리에서는 800-1200℃로 설정되어 있다.
히터(230)는 일정 높이 간격으로 다수의 홀(232)이 형성된다. 홀(232)은 공정 챔버(202) 방향에 위치하는 제1 홀(234)과 공정 챔버(202)의 반대 방향에 위치하는 제2 홀(236)로 구성된다. 제1 홀(234)의 지름이 제2 홀(236)의 지름보다 작다. 제1 홀(234)의 지름은 후술하는 제1 보호관(320)의 지름과 대응하고, 제2 홀(236)의 지름은 후술하는 제2 보호관(330)의 지름과 대응한다. 제2 홀(236)의 내측면에는 원주 방향으로 제1 홈(238)이 형성된다.
보트(216)는 매니폴드(210)를 관통하여 상하로 이동된다. 도시되지는 않았으나, 보트(216)의 하부에는 엘리베이터가 구비되고, 반도체 기판(W)의 로딩 및 언로딩을 위해 보트(216)를 하강시키고, 질화막 증착을 위해 상승하여 내측 튜브(212) 내부로 보트(216)를 상승시킨다.
진공 제공부(204)는 매니폴드(210)와 연결된 진공 라인(220)과, 메인 밸브(222) 및 진공 펌프(224)를 포함한다. 메인 밸브(222)는 질화막 증착 공정 도중에 공정 챔버(202) 내부의 압력을 조절하고, 세정시에는 폐쇄되어 세정에 의한 불순물이 진공 펌프(224)로 유입되지 않도록 한다.
가스 제공부(206)는 디클로로실란 가스와 암모니아 가스를 공정 챔버(202)로 제공하며, 각각의 제공 라인에는 유량 제어부(미도시)와 에어 밸브(미도시)가 각각 설치되어 유량이 제어된다.
스파이크형 열전대(300)는 공정 챔버(202) 내부의 온도를 측정하여 공정 챔버(202) 내부에서 수행되는 공정이 정상적인 온도 조건에서 수행되는지를 확인하기 위한 것이다. 스파이크형 열전대(300)는 히터(230)에 형성된 홀(232)을 관통하여 외부 튜브(214)와 소정 간격 이격되도록 장착된다. 스파이크형 열전대(300)는 높이에 따른 공정 챔버(202)의 온도를 확인하기 위해 홀(232)에 각각 구비되므로, 히터(230)에 일정 높이의 간격을 두고 다수개가 장착된다.
고정 부재(250)는 상기 스파이크형 열전대(300)를 상기 히터(230)에 고정한다. 상기 고정 부재(250)는 링 형태로 제2 홀(236)의 내측면에 형성된 상기 제1 홈(238)에 구비된다. 이때 상기 링 형태의 고정 부재(250)의 반지름 방향의 두께가 상기 제1 홈(238)의 깊이보다 크다. 따라서 상기 고정 부재(250)는 상기 제2 홀(236)의 내측면으로부터 돌출된 형태이다.
도 5는 도 3에 도시된 스파이크형 열전대의 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 스파이크형 열전대(300)는 열전대 소선(310), 제1 보호관(320), 제2 보호관(330) 및 단자함(340)으로 구성된다.
열전대 소선(310)은 히터(230)를 홀(232)을 관통하여 외부 튜브(214)에 인접하도록 삽입된다. 열전대 소선(310)은 종류가 다른 금속선 두개의 양끝 단을 접속하여 만든 것으로 이 양 끝단 접점에 온도차가 발생할 때 이 폐회로에 열기전력이 발생하여 회로에 전류가 흐른다. 상기 열기전력의 크기와 극성은 양단의 온도와 두개의 금속선의 조합에 의해 결정되며 금속선의 굵기 또는 길이에 영향을 받지 않는다. 따라서 특정 열전대의 온도에 따른 열기전력을 미리 읽을 수 있으므로 온도 측 정이 가능하다.
온도를 측정하기 위한 열접점 종류는 선단 노출형, 접지형 및 비접지형이 있다. 선단 노출형은 열전대 소선(310)을 보호관으로부터 노출시켜 열접점을 설치한 형상으로, 응답 속도가 가장 빠르고, 근소한 온도 변화에도 민감하다. 접지형은 열전대 소선(310)을 보호관의 선단에 직접 용접하고 열접점을 설치한 형상으로, 응답 속도가 빠르고, 고온 고압하의 온도 측정에도 적합하다. 비접지형은 열전대 소선(310)을 보호관과 완전하게 절연시키고 열접점을 설치한 형상으로, 열기전력의 작은 변화가 적고, 비교적 장시간 사용이 가능하다. 또한 잡음, 전압에도 영향을 주지 않고 사용 가능하다. 본 발명에서 사용된 열접점의 종류는 비접지형이다.
제1 보호관(320)은 열전대 소선(310)을 보호하기 위해 열전대 소선(310)을 둘러싸도록 구비된다. 따라서 제1 보호관(320)은 히터(230)의 홀(232)을 관통하여 삽입되고, 내부 튜브(214)와 인접하도록 연장된다. 특히 제1 보호관(320)은 제1 홀(234)에 삽입된다. 제1 보호관(320)은 내부 튜브(214)와 인접한 일단부는 막혀 있고, 히터(230)의 외부에 위치한 타단부는 개방되어 있다. 제1보호관(320)은 히터(230)의 온도에 견디는 내온성 및 시간에 대한 빠른 감지력 등의 특성을 지녀야 한다. 따라서 제1 보호관(320)은 세라믹 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 항상 동일한 위치에서 스파이크형 열전대(300)가 공정 챔버(202)의 온도를 측정하도록 제1 보호관(320)의 일단부와 내부 튜브(214)는 일정한 간격을 갖는다. 상기 일정한 간격은 경우에 따라 다양하게 설정될 수 있지만, 2mm 정도인 것이 바람직하다.
제2 보호관(330)은 제1 보호관(320)의 타단부, 즉 후단부 외주면에 밀착된 상태로 제1 보호관(320)을 감싼다. 따라서 제2 보호관(330)의 지름은 제1 보호관(320)의 지름보다 크다. 제2 보호관(330)의 후단부와 제1 보호관(320)의 후단부는 동일한 위치에 형성된다. 제2 보호관(330)은 스테인리스 스틸 재질로 형성된다.
제2 보호관(330)의 외측면을 따라 제2 홈(332)이 형성된다. 상기 제2 홈(332)은 상기 제2 보호관(330)의 원주 방향을 따라 형성되며, 상기 제2 홀(236)의 내측면에 형성된 제1 홈(238)의 위치와 대응한다. 그리고 상기 스파이크형 열전대(300)를 상기 히터(230)에 고정하기 위한 고정 부재(250)는 상기 제1 홈(236) 및 제2 홈(332)에 걸쳐 구비된다.
스파이크형 열전대(300)가 상기 종형 확산 설비에 장착될 때 제2 보호관(330) 부위가 히터(230)의 제2 홀(236)에 삽입된다. 즉 제2 보호관(330)의 외측면에 상기 제2 홈(332)이 형성되어 있고 상기 고정 부재(250)가 상기 제2 홀(236)의 내측면으로부터 돌출되므로, 상기 고정 부재(250)는 상기 제2 홈(332)에 끼워져 상기 스파이크형 열전대(300)를 고정한다. 상기 고정 부재(250)는 일종의 걸림턱 열할을 함으로써 상기 스파이크형 열전대(300)의 요동을 방지하여 상기 스파이크형 열전대(300)를 고정한다.
한편 제2 보호관(330)은 상기 히터(230)와의 결합시 손상을 방지하기 위해 tm테인리스 스틸 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
단자함(340)은 제2 보호관(330)을 고정하며, 열전대 소선(310)이 외부의 보상도선과 연결되도록 하기 위한 다수의 단자(346)가 형성된다. 단자함(340)은 단자 함 바디(342), 단자판(344) 및 단자(346)를 포함한다.
단자함 바디(342)는 중공의 관 형태로 전단부가 제2 보호관(330)의 후단부와 결합되고, 후단부는 개방되어 있다. 단자판(344)은 단자함 바디(342)의 후단부에 결합된다. 단자판(344)의 중앙에는 열전대 소선(310)이 외부로 연장되기 위한 홀이 형성된다. 단자(346)는 단자판(344)의 외측면에 두 개 형성된다. 단자(346)의 수는 열전대 소선(310)의 수에 따라 결정된다.
도시되지는 않았지만, 상기 종형 확산 설비에는 공정 챔버(202)의 외부에서 공정 챔버(202)의 온도를 측정하는 스파이크형 열전대(300) 뿐만 아니라 공정 챔버(202)의 내부로 삽입되어 공정 챔버(202)를 측정하기 위한 패들형(paddle type) 열전대도 같이 구비되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스파이크형 열전대는 외측면에 홈을 이용하여 종형 확산 설비의 히터에 장착된다. 따라서 다수의 스파이크형 열전대를 설치하더라도 모두 동일한 위치에 정확하게 장착하고 고정할 수 있다. 그러므로 상기 종형 확산 설비에 다수개 장착되는 스파이크형 열전대는 정해진 위치에 고정된 상태로 공정 챔버의 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 그리고 상기 스파이크형 열전대가 구비된 종형 확산 설비를 이용하여 반도체 제조 공정의 생산성을 향상시킬 수 있고, 상기 장치에 의해 형성되는 반도체 소자의 신뢰성을 높일 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 (3)

  1. 반도체 기판을 가공하기 위한 공정 챔버의 온도를 측정하기 위해 상기 공정 챔버를 가열하는 히터를 관통하여 상기 공정 챔버와 인접하도록 구비되는 열전대 소선;
    상기 열전대 소선을 감싸도록 구비되며, 외측면에 상기 히터와의 고정을 위한 고정 부재가 구비되기 위한 홈을 갖는 보호관; 및
    상기 보호관의 후단부와 연결되고, 상기 열전대 소선의 외부 배선을 위한 다수의 단자가 형성된 단자함을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파이크형 열전대.
  2. 제1항에 있어서, 상기 홈은 상기 보호관의 원 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 스파이크형 열전대.
  3. 제1항에 있어서, 상기 보호관은 전단부를 형성하는 제1 보호관 및 후단부를 형성하는 제2 보호관으로 구성되고, 상기 홈은 상기 제2 보호관의 외측면을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 스파이크형 열전대.
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