KR20070002273A - 반도체 기판 가공 장치 - Google Patents

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Abstract

다수의 반도체 기판에 대하여 확산 공정을 수행하기 위한 반도체 기판 가공 장치가 개시되어 있다. 기판 가공 장치는 확산 공정을 수행하기 위한 공정 챔버와, 공정 챔버를 가열하기 위한 히터와, 공정 챔버로 반응 가스를 제공하기 위한 반응 가스 제공부를 포함한다. 또한, 공정 챔버로부터 방사되는 적외선 에너지량을 측정하여 상기 측정된 에너지량을 온도로 변환시켜 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함한다. 상기와 같이 적외선을 이용하여 온도를 검출하는 온도 검출부를 사용함으로써, 온도 검출부와 공정 챔버 사이의 접촉으로 인하여 발생하는 문제점들을 미연에 방지할 수 있다.

Description

반도체 기판 가공 장치{Apparatus for processing a semiconductor substrate}
도 1은 종래 기술에 따른 종형 확산 설비를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 반도체 기판 가공 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
20 : 반도체 기판 가공 장치 200 : 공정 챔버
202 : 외측 튜브 204 : 내측 튜브
206 : 매니폴드 208 : 보트
210 : 히터 212 : 감지 센서
214 : 제어 유닛 216 : 온도 측정부
218 : 표시 유닛 220 : 반응 가스 제공부
222: 진공 제공부 W : 반도체 기판
본 발명은 반도체 기판 가공 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가공 장치 내부의 온도를 감지할 수 있는 온도 측정부를 포함하는 반도체 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 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(Low Pressure CVD) 공정은 반도체 기판 상에 막이 형성될 때 공정 챔버 내부의 압력이 200 내지 700 mTorr로 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, 다결정 실리콘층, 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 설치 공간을 적게 차지 하는 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 반응 물질을 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, 반도체 장치 제조 공정 상 열 산화막을 형성하거나, 주입된 원소를 확산시키는 확산로로서 많이 사용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 온도 감지 센서가 장착된 종형 확산 설비를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종형 확산 설비(10)는, 반도체 기판을 수용하는 공정 챔버(100)와, 증착 공정의 진행 도중에 발생하는 배기 가스를 배출시키고 공정 챔버 내부의 압력을 조절하기 위한 진공 제공부(120)를 포함한다.
공정 챔버(100)는 반응 가스 제공부가 연결되는 매니폴드(manifold, 106), 매니폴드(106)의 상부에 구비되는 내측 튜브(inner tube, 104) 및 외측 튜브(outer tube, 102)를 포함한다. 내측 튜브(104) 내부에는 다수 매의 반도체 기판(W)을 지지하는 보트(boat, 108)가 구비되며, 보트(108)는 엘리베이터(도시되지 않음)에 의해 매니폴드(106)를 통해 상하 이동된다. 진공 제공부(120)는 매니폴드(106)에 연 결되는 진공 라인(도시되지 않음), 진공 라인(도시되지 않음) 중에 설치되는 진공 밸브(도시되지 않음) 및 진공 라인을 통해 매니폴드(106)와 연결되는 진공 펌프(도시되지 않음)를 포함한다.
온도 측정부(116)는 스파이크 열전대(spike thermocouple, 112) 및 내부 열전대(internal thermocouple, 114)로 구성된다.
스파이크 열전대(112)는 상기 공정 챔버(100)의 온도를 간접적으로 측정하기 위한 것으로, 온도의 정밀도가 낮게 요구되는 경우에 적용된다. 상기 스파이크 열전대(112)는 히터(110)에 일정 높이 간격을 두고 다수 개가 상기 히터(110)를 관통하여 구비된다.
내부 열전대(114)는 상기 공정 챔버(100)의 온도를 직접 측정하기 위하여 상기 외측 튜브(106) 내측벽에 일정 높이 간격을 두고 다수 개가 부착되어 구비된다.
상기 온도 측정부(116)는 제어부(도시되지 않음)와 연결되며, 상기 제어부에서 상기 스파이크 열전대(112) 및 내부 열전대(114)로부터 감지된 신호를 온도로 변환시키고, 상기 스파이크 열전대(112)의 온도와 상기 내부 열전대(114)의 온도 사이 차이를 보정함으로써 상기 공정 챔버(100)의 온도를 제어한다.
그러나, 이때, 상기 히터(110)를 관통하는 스파이크 열전대(114)의 삽입 깊이에 따라 감지되는 신호들은 약간의 오차를 가지며, 상기 열전대들(112, 114)의 접점 불량 및 재질 등도 상기 오차를 발생시키는 원인으로 작용한다.
상기 오차들로 인하여 상기 공정 챔버(100)의 온도가 변화하게 되고 상기 변화된 온도는 공정 온도를 벗어날 수 있으며, 이로써 상기 반도체 기판(W)들에 대하 여 목적하는 공정을 수행할 수 없게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 오차 발생을 방지하기 위한 온도 감지 센서를 갖는 종형 확산 설비를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 반도체 기판 가공 장치는, 다수의 기판들을 수용하며, 상기 기판들에 대하여 소정의 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하기 위한 공정 챔버와, 상기 공정 챔버의 외부에 배치되며, 상기 공정 챔버를 가열하기 위한 히터(heater)와, 상기 공정 챔버로 상기 공정에 소요되는 반응 가스를 제공하기 위한 반응 가스 제공부와, 상기 공정 챔버로부터 방사되는 적외선의 에너지를 이용하여 상기 공정 챔버의 온도를 측정하는 온도 측정부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 온도 측정부는, 상기 공정 챔버와 인접하게 구비되어 상기 공정 챔버로부터 방사되는 적외선의 에너지량을 검출하여 전기적 신호로 출력하기 위한 감지 센서들과, 상기 센서들과 연결되며, 상기 전기적 신호에 따라 상기 공정 챔버의 온도가 기 설정된 범위를 유지하도록 상기 히터의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 공정 챔버로부터 방사되는 적외선 에너지를 이용하여 상기 공정 챔버의 온도를 측정한다. 이로써, 종래의 열전대의 접점 불량 또는 열전대의 위치 및 삽입 깊이 변화 등으로 발생되던 온도 오차를 미연에 방지 할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 반도체 가공 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기판 가공 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판 가공 장치(20)는, 반도체 기판에 대하여 확산 공정을 수행하기 위하여 공간을 제공하기 위한 공정 챔버(200)와, 상기 공정 챔버로 열을 제공하기 위한 히터(210)와, 상기 공정 챔버(200)로 반응 가스를 제공하기 위한 가스 공급부(220), 상기 공정 챔버(200)로부터 배기 가스를 배출시키고 상기 공정 챔버(200) 내부를 진공 상태로 형성시키기 위한 진공 제공부(222)와, 상기 공정 챔버(200)의 온도를 검출하기 위한 온도 측정부(216)를 포함한다.
공정 챔버(200)는 내측 튜브(inner tube, 104)와, 상기 내측 튜브(204)를 감싸는 외측 튜브(outer tube, 202)와, 상기 외측 튜브(202) 및 내측 튜브(204) 하부에 구비된 매니폴드(manifold, 206)를 포함한다. 상기 외측 튜브(202) 및 내측 튜브(204)는 석영 재질이며, 상기 외측 튜브(202) 내부에 소정 거리 이격되어 내측 튜브(204)가 구비된다.
외측 튜브(202)는 하부가 개방되어 있으며, 매니폴드(206)의 상부와 연통되어 있다. 상기 매니폴드(206)는 상부 및 하부가 개방된 실린더 형상을 가지며, 상기 매니폴드(206) 하부에는 수평 방향으로 이동이 가능한 셔터(shutter)가 구비된다. 상기 셔터를 이용하여 상기 매니폴드(206) 하부를 폐쇄함으로서 외측 공기의 유입이 차단되어 상기 외측 튜브(202)가 밀폐된다. 상기 밀폐된 공간에서 소정의 확산 공정이 수행된다.
내측 튜브(204)는 상부 및 하부가 개방된 실린더 형상을 가지며, 내부에 보트(boat, 208)를 수용한다. 따라서 보트(208)는 내측 튜브(204)보다 작은 직경을 가지며, 상기 보트(208) 및 내측 튜브(204) 사이에는 일정한 거리만큼 갭(gap)이 형성된다.
보트(208)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(208)의 슬롯 상으로 웨이퍼 트랜스퍼(wafer transfer, 도시되지 않음)를 이용하여 이송시킬 수 있으며, 상기 보트(208) 상에 반도체 기판들이 이송되면, 보트 엘리베이터(boat elevator, 도시되지 않음)를 이용하여 매니폴드(206)를 통해 상기 내측 튜브(204)로 이동할 수 있다.
외측 튜브(202)의 외측에는 외측 튜브(202) 및 내측 튜브(204) 내부의 온도를 증착 온도로 유지하기 위한 히터(heater)가 구비된다. 히터는 외부 튜브의 둘레에 외벽체를 이루도록 구비되어 공정 챔버(200) 내부를 가열한다. 상기 공정 챔버(200)의 처리 온도는, 화학 기상 증착 처리에는 500-1000℃로, 산화 처리나 확산 처리에서는 800-1200℃로 설정되어 있다.
온도 측정부(216)는, 상기 공정 챔버(200)와 인접하게 구비되어 상기 공정 챔버(200)로부터 방사되는 적외선의 에너지량을 검출하여 전기적 신호로 출력하기 위한 감지 센서(212)들과, 상기 감지 센서(212)들과 연결되며 상기 전기적 신호에 따라 상기 공정 챔버(200)의 온도가 기 설정된 범위를 유지하도록 상기 히터(210)의 동작을 제어하기 위한 제어 유닛(214)을 포함한다.
상기 다수의 감지 센서(212)들은 상기 히터(210)의 내벽에 일정 높이의 간격을 두고 다수개가 부착된다. 상기 다수의 감지 센서(212)들은 적외선 감지 센서들로 상기 공정 챔버(200)로부터 방사되는 적외선 에너지량을 검출하고 이를 전기적인 신호로 변환시킨다.
이때, 적외선의 에너지량을 검출하는 이유는 절대 영도(absolute zero : -273.15℃)이상의 온도를 가지는 모든 물체는 적외선 에너지를 방사하며, 상기 방사된 적외선 에너지량은 상기 물체의 온도에 따라 다르기 때문이다.
여기서 적외선에 대하여 살펴보기로 한다. 적외선 방사라 함은, 물체에 흡수된 적외선 에너지(열 에너지)가 물체의 온도가 상승하게 하고 물체의 표면에서 다시 방사된 것을 의미한다. 상기 적외선 방사는 라디오 파장(radio wave), 마이크로 파장(microwave), 가시광선(visible ray), 자외선(ultraviolet ray), 감마선(γ-ray), 엑스선(x-ray) 등을 포함하는 전자기스펙트럼(electro magnetic spectrum)이고, 적외선 영역은 가시광선과 라디오 파의 사이에 분포한다. 적외선 에너지는 0.7-1000 micron이지만 실제로 측정에 적용되는 적외선 파장되는 0.7 내지 14 micron 정도이다.
상기 감지 센서(212)로부터 검출된 전기적 신호를 제어 유닛(214)에서 온도 로 변환시키고, 상기 온도가 기 설정된 범위를 유지하도록 상기 히터(210)의 동작을 제어한다. 일 예로 상기 제어 유닛(214)은 상기 히터(210)로 인가되는 전력량을 제어하여 상기 측정된 온도를 기 설정된 온도 범위를 유지시킨다. 보다 상세하게, 상기 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 낮은 경우 상기 히터(210)로 인가되는 전력량을 증가시키고, 높은 경우 상기 히터(210)로 인가되는 전력량을 감소시켜, 상기 온도를 기 설정된 온도로 유지시킨다.
또한, 상기 제어 유닛(214)은 상기 감지 센서(212)들에 의해 측정된 온도를 표시하기 위하여 표시 유닛(218)과 연결될 수 있다.
상기와 같이 다수의 적외선 감지 센서(212)들과, 제어 유닛(214)을 포함하는 온도 측정부(216)는 상기 공정 챔버(200)의 온도를 적외선 에너지량을 이용하여 검출할 수 있어, 종래에 열전대를 사용함으로써 발생하는 온도 오차를 미연에 방지할 수 있다.
반응 가스 공급부(220)는 매니폴드(206)의 일 측을 통해 공정 챔버(200)와 연결되어 있다. 상세하게 살펴보면, 상기 반응 가스 공급부(220)는 반응 가스를 공정 챔버(200)로 제공하기 위하여 반응 가스를 수용하고 있는 반응 가스 탱크와, 상기 반응 가스 탱크와 상기 매니폴드(206)의 일 측을 통해 공정 챔버(200) 내부로 연결되는 반응 가스 라인과, 상기 반응 가스의 유량을 조절하기 위한 반응 가스 밸브를 포함한다.
이때, 상기 반응 가스 라인은 상기 매니폴드(206)의 일 측을 관통하여 내측 튜브(204) 및 보트(208) 사이 갭으로 연장되어 형성되며, 상기 공정 챔버(200) 내 부로 연장된 반응 가스 라인에는 상기 보트(208) 상에 지지된 다수의 반도체 기판들로 반응 가스를 제공하기 위하여 노즐들이 형성되어 있다. 상기 노즐들은 등간격으로 형성되며, 상기 노즐들을 따라 반응 가스가 일정한 속도 및 일정한 유량으로 반도체 기판들로 분사된다.
진공 제공부(222)는 상기 매니폴드(206)의 타 측과 연결되어 구비된다. 상기 진공 제공부(222)는 공정 챔버(200)로부터 배기 가스를 배출시키고 공정 챔버(200) 내부를 진공 상태로 형성하기 위한 진공 펌프와, 상기 진공 펌프와 매니폴드(206)를 연결하기 위한 진공 라인과, 상기 진공 라인 중에 구비되어 상기 공정 챔버(200)의 압력을 조절하기 위한 진공 밸브가 포함된다. 상기 진공 라인은 상기 매니폴드(206)의 타 측을 관통하여 상기 내측 튜브(204)와 연통되어 형성된다.
여기서 배기 가스는 확산 공정 시 발생되는 반응 부산물과 미 반응 가스를 포함한다.
상기 반응 가스 공급부(220)는 내측 튜브(204) 하부와 연결되어 있으며, 진공 제공부(222)는 외측 튜브(202) 하부와 연결되어 있다. 이는 반응 가스가 내측 튜브(204)로 제공되고, 상기 반응 가스를 이용하여 반도체 기판 상에 막을 형성한다. 상기 공정 챔버(200) 내부에서 가공 공정이 수행되는 동안 발생되는 배기 가스가 진공 펌프에 의해 내측 튜브(204)에서 외측 튜브(202)로 이동하게 되며, 상기 배기 가스는 상기 외측 튜브(202)와 연결되어 있는 진공 라인을 따라 외부로 배출된다. 따라서, 상기 반응 가스가 반도체 기판들로 반응 가스가 균일하게 통과하게 되고 이로써, 상기 반도체 기판들 상에 목적하는 막이 균일하게 형성하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공정 챔버의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부가 상기 공정 챔버로부터 방사되는 적외선 에너지량을 측정하여 온도를 검출한다. 따라서, 종래에 온도 측정부로 사용되던 열전대의 접점 불량 또는 열전대의 위치 및 삽입 깊이 변화 등으로 인한 온도 오차를 미연에 방지할 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. 다수의 기판들을 수용하며, 상기 기판들에 대하여 소정의 공정을 수행하기 위한 공간을 제공하기 위한 공정 챔버;
    상기 공정 챔버의 외부에 배치되며, 상기 공정 챔버를 가열하기 위한 히터(heater);
    상기 공정 챔버로 상기 공정에 소요되는 반응 가스를 제공하기 위한 반응 가스 제공부; 및
    상기 공정 챔버로부터 방사되는 적외선의 에너지를 이용하여 상기 공정 챔버의 온도를 측정하는 온도 측정부를 포함하는 반도체 기판 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도 측정부는,
    상기 공정 챔버와 인접하게 구비되어 상기 공정 챔버로부터 방사되는 적외선의 에너지량을 검출하여 전기적 신호로 출력하기 위한 감지 센서들; 및
    상기 센서들과 연결되며, 상기 전기적 신호에 따라 상기 공정 챔버의 온도가 기 설정된 범위를 유지하도록 상기 히터의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 기판 가공 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부와 연결되며, 상기 센서들에 의해 측정된 공정 챔버의 온도를 표시하기 위한 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 반도체 기판 가 공 장치.
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