KR20060112868A - 기판 가공 장치 - Google Patents

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KR20060112868A
KR20060112868A KR1020050035555A KR20050035555A KR20060112868A KR 20060112868 A KR20060112868 A KR 20060112868A KR 1020050035555 A KR1020050035555 A KR 1020050035555A KR 20050035555 A KR20050035555 A KR 20050035555A KR 20060112868 A KR20060112868 A KR 20060112868A
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inner tube
tube
boat
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process chamber
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KR1020050035555A
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조문수
김종환
정상근
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삼성전자주식회사
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Abstract

반도체 기판 상에 막을 형성하기 위한 기판 가공 장치는, 반도체 기판의 가공 공정을 수행하기 위한 외부 및 내부 튜브와, 외부 튜브를 감싸며 열을 제공하기 위한 가열부를 포함한다. 상기 내부 튜브 내에는 다수의 반도체 기판을 지지하고 있는 보트가 수용되며, 내부 튜브로 제공되는 반응 가스와 가열부의 열 에너지를 이용하여 상기 반도체 기판 상에 소정의 막을 형성한다. 이때, 내부 튜브 하부로 발생되는 열 손실을 방지하기 위하여 내부 튜브 내측 하부에 라이너 튜브를 더 구비한다. 또한, 라이너 튜브에 관통 홀을 형성되어 상기 관통 홀을 따라 가스 주입부가 구비되어 반응 가스의 주입로가 확보되어 반응 가스가 기판들로 원활하게 공급될 수 있다.

Description

기판 가공 장치{Apparatus for processing a substrate}
도 1은 종래의 기판 가공 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 기판 가공 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 기판 가공 장치의 단열부를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 기판 가공 장치의 내부 튜브 및 라이너 튜브를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
20 : 기판 가공 장치 200 : 공정 챔버
202 : 외부 튜브 204 : 내부 튜브
206 : 매니 폴드 208 : 라이너 튜브
210 : 가열부 212 : 보트
214 : 셔터 220 : 단열부
222 : 단열판 224 : 홀더
226 : 보호 부재 230 : 가스 공급부
238 : 관통 홀 240 : 진공 제공부
W : 반도체 기판
본 발명은 기판 가공 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 다수의 기판들에 대하여 확산 공정을 수행하기 위하여 퍼니스(furnace)를 구비하는 기판 가공 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 기판으로 사용되는 실리콘웨이퍼 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 증착(Chemical Vapor Deposition : CVD)으로 나누어진다. 상기 화학 기상 증착 공정은 공정 챔버 내부로 제공되는 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(Low Pressure Chemical Vapor Deposition : LPCVD) 공정은 반도체 기판 상에 막이 형성되는 동안 공정 챔버 내부의 압력이 200 내지 700Torr로 저압이며, 열 에너지를 사용하여 반응을 진행한다. 저압 화학 기상 증착 공정의 장점은 막의 균일도(uniformity) 및 스텝 커버리지(Step Coverage)가 좋고, 양질의 막을 한번에 많은 수량의 반도체 기판 상에 형성할 수 있으며, 다결정 실리콘층과 질화막 및 산화막 증착에 널리 사용된다. 저압 화학 기상 증착 장치는 공정 챔버의 형태에 따라 종형 또는 횡형으로 구분되는데, 현재에는 종형의 저압 화학 기상 증착 장치가 설치 공간을 적게 차지하는 장점을 갖고 있어 주로 사용된다.
상기 종형의 저압 화학 기상 증착 장치로는 히터 벽체 내부 공간에 석영의 튜브를 설치하고, 이 튜브 내에 기판을 넣어 고온의 공정 환경을 만들어주는 종형로(Vertical Type Furnace)가 가장 많이 사용된다. 상기 종형로는 대량의 기판들을 한꺼번에 공정 공간에 투입되는 배치(batch)방식이 사용되며, 반도체 장치 제조 공정상 열 산화막을 형성하거나, 주입된 원소를 확산시키는 확산로로서 많이 사용된다.
상기 종형 저압 화학 기상 증착 장치의 일 예는 우치야마(Uchiyama, et. al) 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,902,406호에 개시되어 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 기판 가공 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기판 가공 장치(10)는 반도체 기판을 수용하는 공정 챔버(100)와, 증착 공정을 수행하기 위한 반응 가스를 제공하기 위한 가스 공급부(114)와, 증착 공정의 진행 도중에 발생되는 반응 부산물을 배출시키고 공정 챔버 내부의 압력을 조절하기 위한 진공 제공부(120)를 포함한다.
공정 챔버(100)는 가스 공급부(114) 및 진공 제공부(120)와 연결되는 매니 폴드(manifold, 106)와, 매니 폴드(106)의 상부에 구비되는 내부 튜브(inner tube, 104)와, 외부 튜브(outer tube, 102)와, 외부 튜브(102)를 감싸며 구비되며 외부 및 내부 튜브(104, 106)로 열을 제공하기 위한 가열부(110)를 포함한다. 내부 튜브(104) 내부에는 다수의 반도체 기판을 복층으로 지지하는 보트(boat, 108)가 구비되며, 보트(108)는 엘리베이터(도시되지 않음)에 의해 매니 폴드(106)를 통해 상하 이동된다.
상기 설명되어진 바와 같이 종형 저압 화학 기상 증착 장치(10)는 낮은 기압, 고온 상태에서 반도체 기판에 대하여 확산 공정을 수행한다. 따라서, 상기 공정 챔버(100) 내부를 고온 상태로 유지하는 것이 중요시되고 있다. 그러나, 내부 튜브(104) 내로 보트(108)로 이동하는 동안 공정 챔버(100)의 하부가 일시적으로 개방되어 상기 공정 챔버(100) 하단부에서 지속적으로 열 손실이 발생된다.
상기와 같은 공정 챔버(100) 하단부에서 발생되는 열 손실을 방지하기 위하여 보트(108) 하부에 단열부(112)를 구비하는데, 단열부(112)는 다수의 단열판(114)과, 단열판(114)들을 복층으로 지지하기 위한 홀더(116)와, 홀더(116)를 감싸기 위한 캡(cap, 도시되지 않음)을 포함한다.
그러나 이때, 상기 보트(108)가 내부 튜브(104) 내부에 수용되어 있는 상태에서도 보트(108) 및 내부 튜브(104) 사이의 갭(gap)이 형성되어 상기 갭을 통해 공정 챔버의 열 손실은 지속적으로 발생한다.
따라서, 상기와 같은 원인으로 발생되는 열 손실을 방지하기 위한 장치의 발명이 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 보트 및 내부 튜브 사이의 갭에 의해 발생되는 열 손실을 방지하기 위한 기판 가공 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판 가공 장치는, 다수의 기판들에 대한 가공 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하는 외부 튜브(Outer tube)와, 중공의 실린더 형상을 가지고, 상기 외부 튜브 내부에 구비되며, 상기 가공 공정을 수행하는 동안 상기 기판들이 위치되는 내부 튜브(Inner tube)와, 상기 외부 튜브와 인접하게 배치되며, 상기 내부 튜브 내에 위치된 상기 기판들을 가열하기 위한 가열부와, 상기 내부 튜브 내에서 상기 기판들을 복층(Multiple stages)으로 지지하기 위한 다수의 슬롯(Slot)들이 형성된 로드(Rod)들과 상기 로드들의 상부에 배치된 단열부를 포함하는 보트(Boat)와, 상기 내부 튜브의 내측 하부에 배치되어 상기 보트의 단열부를 수용하며, 상기 단열부와 상기 내부 튜브 사이의 간격을 감소시키기 위한 라이너 튜브(Liner tube)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 내부 튜브 내부에서 상기 기판들과 인접하기 수직 방향으로 연장하며, 상기 가공 공정에 사용되는 공정 가스를 상기 기판들로 공급하기 위한 가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 내부 튜브 내측 하부에 라이너 튜브가 더 구비됨에 따라 보트 및 내부 튜브 하부 사이의 갭이 감소하여 보트가 내부 튜브 내에 수용된 상태에서 외부로 열이 손실되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 기판 가공 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 가공 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판 가공 장치(20)는, 반도체 기판에 대하여 확산 공정을 수행하기 위하여 공간을 제공하기 위한 공정 챔버(200)와, 공정 챔버(200)로 열을 제공하기 위한 가열부(210)와, 공정 챔버(100)로 반응 가스를 제공하기 위한 가스 공급부(230)와, 공정 챔버(100)로부터 배기 가스 및 미 반응 가스 배출시키고 공정 챔버(100) 내부를 진공 상태로 형성시키기 위한 진공 제공부(240)를 포함한다.
공정 챔버(100)는 내부 튜브(inner tube, 204)와, 상기 내부 튜브(204)를 감싸는 외부 튜브(outer tube, 202)와, 외부 및 내부 튜브(202, 204) 하부에 구비된 매니 폴드(manifold, 206)를 포함한다. 외부 및 내부 튜브(202, 204)는 석영 재질이며, 상기 외부 튜브(202) 내부에 소정 거리 이격되어 내부 튜브(204)가 구비된다.
외부 튜브(202)는 하부가 개방되어 있으며, 매니 폴드(206)의 상부와 연통되어 있다. 상기 매니 폴드(206)는 상부 및 하부가 개방된 실린더 형상을 가지며, 상기 매니 폴드(206) 하부에는 수평 방향으로 이동이 가능한 셔터(214)가 구비된다. 상기 셔터(214)를 이용하여 상기 매니 폴드(206) 하부를 폐쇄함으로서 외부 공기의 유입이 차단되어 상기 외부 튜브(206)가 밀폐된다. 상기 밀폐된 공간에서 소정의 확산 공정이 수행된다.
한편, 상기 외부 튜브(202)를 감싸며 가열부(210)가 구비되며, 상기 가열부(210)는 상기 외부 튜브(202)로 열을 제공한다. 상기 가열부(210)는 가열로(furnace)의 형상을 가질 수 있다.
내부 튜브(204)는 상부 및 하부가 개방된 실린더 형상을 가지며, 내부에 보트(212)를 수용한다. 따라서 보트(212)는 내부 튜브(206)보다 작은 직경을 가지며, 상기 보트(212) 및 내부 튜브(206) 사이에는 일정한 거리만큼 갭(gap)이 형성된다.
이때, 상기 갭에 의하여 공정 챔버(200) 하부로 열 손실이 발생하는데, 상기 열 손실을 방지하기 위하여 내부 튜브(204) 내측 하부에 라이너 튜브(208)를 더 구비한다. 상기 라이너 튜브(208)에 관한 설명은 후에 자세하게 하도록 한다.
보트(212)는 주로 석영 재질로 이루어지며, 상하 방향으로 형성된 복수 개의 지지로드(rod, 도시되지 않음)에 다수의 반도체 기판들을 지지하기 위한 다수의 슬롯(slot, 도시되지 않음)들이 형성되어 있다.
상세하게 도시되어 있지는 않지만, 반도체 기판들을 카세트로부터 상기 보트(212)의 슬롯 상으로 웨이퍼 트랜스퍼(wafer transfer, 도시되지 않음)를 이용하여 이송시킬 수 있으며, 상기 보트(212) 상에 반도체 기판들이 이송되면, 보트 엘리베이트(boat elevator, 도시되지 않음)를 이용하여 매니 폴드(206)를 통해 내부 튜브(208)로 이동할 수 있다.
여기서, 상기 보트 엘리베이터에 의해 상기 보트(212)가 이동하는 동안 셔터(214)가 열리고, 상기 매니 폴드(206) 내로 외부 공기가 유입되고, 내부의 온도가 손실된다. 따라서, 상기 보트(212) 하부에는 보트(212)에 지지된 반도체 기판들로 부터 소실되는 열을 차단하기 위하여 단열부(220)를 더 포함할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 기판 가공 장치의 단열부를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 3을 참조하면, 단열부(220)는 보트(212) 하부에 구비되며, 다수의 단열판(222)과, 상기 단열판(222)을 복층으로 지지하기 위한 홀더(holder, 224)와, 상기 홀더(224)를 감싸기 위하여 실린더 형상의 보호 부재(226)를 포함한다. 상기 단열부(220)는 상기 설명되어진 내부 튜브(204) 내측 하부에 구비된 라이너 튜브(208)와 실질적으로 동일한 기능을 하여 공정 챔버의 열 손실을 이중으로 차단할 수 있다. 이때, 상기 라이너 튜브(208)의 높이는 단열부(220)의 높이와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 기판 가공 장치의 내부 튜브 및 라이너 튜브를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 4를 참조하면, 라이너 튜브(208)는 석영 재질로 이루어져 있으며, 상기 설명된 바와 같이 내부 튜브(204) 내측 하부에 접촉되어 형성되어 있다. 상기와 같은 구조로 인하여 내부 튜브(204) 및 보트(212) 사이의 갭이 없거나 좁아 반응 가스의 유입로가 확보되지 않는다. 따라서, 상기 반응 가스 유입로를 확보하기 위하여 상기 라이너 튜브(208)에는 라이너 튜브(208)를 관통하는 관통 홀(238)을 형성한다. 상기 관통 홀(238)의 개수는 다수 개일 수 있으며, 상기 관통 홀(238)의 개수를 한정하지는 않는다.
가스 공급부(230)는 매니 폴드(206)의 일 측을 통해 공정 챔버(200)와 연결 되어 있다. 상세하게 살펴보면, 상기 가스 공급부(230)는 반응 가스를 공정 챔버(200)로 제공하기 위하여 반응 가스를 수용하고 있는 반응 가스 탱크(236)와, 상기 반응 가스 탱크(236)와 상기 매니 폴드(206)의 일 측을 통해 공정 챔버(200) 내부로 연결되는 가스 라인(232)과, 상기 반응 가스의 유량을 조절하기 위한 가스 밸브(234)를 포함한다.
이때, 상기 가스 라인(232)은 상기 매니 폴드(206)의 일 측을 관통하여 상기 라이너 튜브(208)에 형성된 관통 홀(238) 내부를 통과하여 상기 내부 튜브(204)의 내측벽을 따라 연장된다. 상기 가스 라인(232)에는 보트(212)의 슬롯 상에 지지된 반도체 기판들로 반응 가스를 제공하기 위하여 다수의 노즐(도시되지 않음)들이 등간격으로 형성되어 있으며, 상기 노즐들을 따라 반응 가스가 일정한 속도 및 일정한 유량으로 반도체 기판들로 분사된다.
진공 제공부(240)는 상기 매니 폴드(206)의 타 측과 연결되어 구비된다. 상기 진공 제공부(240)는 공정 챔버(200)로부터 배기 가스를 배출시키고 공정 챔버(200) 내부를 진공 상태로 형성하기 위한 진공 펌프(246)와, 상기 진공 펌프(246)와 매니 폴드(206)를 연결하기 위한 진공 라인(242)과, 상기 진공 라인(242) 중에 구비되어 상기 공정 챔버(200)의 압력을 조절하기 위한 진공 밸브(244)가 포함된다. 상기 진공 라인(242)은 상기 매니 폴드(206)의 타 측을 관통하여 상기 외부 튜브(202)와 연통되어 형성된다.
상기 설명되어진 바와 같이 가스 공급부(230)는 내부 튜브(204) 하부와 연결되어 있으며, 진공 제공부(240)는 외부 튜브(202) 하부와 연결되어 있다. 이는 반 응 가스가 내부 튜브(204)로 제공되고, 상기 반응 가스를 이용하여 반도체 기판 상에 막을 형성한다. 상기 공정 챔버(200) 내부에서 가공 공정이 수행되는 동안 발생되는 반응 부산물이 진공 펌프(246)에 의해 내부 튜브(204)에서 외부 튜브(202)로 이동하게 되며, 상기 반응 부산물은 상기 외부 튜브(204)와 연결되어 있는 진공 라인(242)을 따라 외부로 배출된다.
이하, 도 2 내지 도 4에 도시된 기판 가공 장치(20)를 사용하여 반도체 기판 상에 막을 형성하는 공정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 공정 챔버(200)의 외측에 구비되는 가열부(210)를 사용하여 공정 챔버(200) 내부의 온도를 상승시킨다. 상기 공정 챔버(200)의 공정 온도는 500 내지 1000℃로 설정된다.
이어서, 50매의 반도체 기판을 지지하는 보트(212)를 공정 챔버(200)의 내부 튜브(204)로 반입시키고, 진공 밸브(244)를 개방하여 상기 공정 챔버(200)의 내부 압력을 0.3Torr로 유지시킨다.
계속해서, 공정 챔버(200) 내부의 오염 물질을 배출시키기 위한 질소 가스(N2) 등의 퍼지 가스를 공정 챔버 내부로 소정 시간 동안 제공한 후, 화학 기상 증착을 위한 반응 가스들을 공정 챔버(200) 내부로 제공한다.
예를 들어, 반도체 기판 상에 질화막을 형성하는 공정에서는 상기 반응 가스들로는 디클로로실란 가스(SiH2Cl2)와 암모니아 가스(NH3) 등이 사용될 수 있다.
상기 공정 챔버(200) 내부 즉, 내부 튜브(204)로 제공되는 상기 반응 가스들 은 외측 가열부(202)로부터 제공되는 열 에너지를 이용하는 화학 반응을 일으키고, 이에 따라 반도체 기판 상에는 소정의 막이 형성된다.
이때, 내부 튜브(204) 내측 하부에 라이너 튜브(208)를 더 구비하여 보트(212) 및 내부 튜브(204) 하부 사이의 갭으로 소실되는 열을 차단하여 상기 열 에너지의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 화학 기상 증착 공정 중에 발생되는 반응 부산물 즉, 배기 가스 및 미 반응 가스는 진공 라인을 통해 배출된다.
반도체 기판 상에 소정의 막을 형성하는 공정이 종료되면, 진공 라인(242) 중에 구비된 진공 밸브(244)를 폐쇄시키고, 공정 챔버(200) 내부에 다시 퍼지 가스를 제공하여 내부 압력을 상승시킨다.
이어서, 보트 엘리베이터를 동작시켜 반도체 기판을 언로딩하기 위한 위치(통상적으로 로드록 챔버, 도시되지 않음)로 이동시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 내부 튜브 및 보트 사이에 형성된 갭을 축소시키기 위하여 상기 내부 튜브 내측 하부에 라이너 튜브를 더 구비한다. 이에 따라 상기 갭으로 인하여 발생되는 열 손실을 방지할 수 있다.
또한, 상기 갭이 축소됨에 따라 반응 가스가 주입되는 공간도 축소되는 것을 방지하기 위하여 상기 라이너 튜브에 관통 홀을 형성한다. 따라서, 공정 챔버로 반응 가스를 원활하게 제공할 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 (4)

  1. 다수의 기판들에 대한 가공 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하는 외부 튜브(Outer tube);
    중공의 실린더 형상을 가지고, 상기 외부 튜브 내부에 구비되며, 상기 가공 공정을 수행하는 동안 상기 기판들이 위치되는 내부 튜브(Inner tube);
    상기 외부 튜브와 인접하게 배치되며, 상기 내부 튜브 내에 위치된 상기 기판들을 가열하기 위한 가열부;
    상기 내부 튜브 내에서 상기 기판들을 복층(Multiple stages)으로 지지하기 위한 다수의 슬롯(Slot)들이 형성된 로드(Rod)들과 상기 로드들의 상부에 배치된 단열부를 포함하는 보트(Boat); 및
    상기 내부 튜브의 내측 하부에 배치되어 상기 보트의 단열부를 수용하며, 상기 단열부와 상기 내부 튜브 사이의 간격을 감소시키기 위한 라이너 튜브(Liner tube)를 포함하는 기판 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 라이너 튜브의 높이는 상기 내부 튜브 내에 위치된 보트의 단열부와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 기판 가공 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 내부 튜브 내부에서 상기 기판들과 인접하기 수직 방향으로 연장하며, 상기 가공 공정에 사용되는 공정 가스를 상기 기판들로 공급하기 위한 가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가공 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 라이너 튜브에는 수직 방향으로 관통하며 상기 가스 공급부가 통과하는 관통 홀(Hole)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 가공 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101238375B1 (ko) * 2011-04-20 2013-02-28 주식회사 썸백 가스 반응장치

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