KR20100038866A - 반도체 제조장치 - Google Patents

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KR20100038866A
KR20100038866A KR1020080098007A KR20080098007A KR20100038866A KR 20100038866 A KR20100038866 A KR 20100038866A KR 1020080098007 A KR1020080098007 A KR 1020080098007A KR 20080098007 A KR20080098007 A KR 20080098007A KR 20100038866 A KR20100038866 A KR 20100038866A
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김영효
주광술
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주식회사 아토
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Abstract

본 발명은, 내부에 반응 가스 증착 공정이 진행되는 반응 챔버와, 상기 반응 챔버의 내부에 배치된 것으로, 상기 웨이퍼가 안착되는 히터블럭과, 상기 히터블럭에 대향되게 배치되어 상기 히터블럭에 안착된 웨이퍼 상에 반응 가스를 분출하는 샤워헤드를 구비하며, 상기 반응 챔버와, 샤워헤드 및 히터블럭 중 적어도 하나는 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어진 것을 구비하는 반도체 제조장치를 제공한다.

Description

반도체 제조장치{A semiconductor manufacturing apparatus}
본 발명은 반도체 제조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼 상에 반응 가스를 증착시키기 위한 반도체 제조장치에 관한 것이다.
최근에 반도체 소자의 제조 기술은 정보 통신 기술의 비약적인 발전에 따라 집적도, 신뢰도 및 처리 속도 등을 향상시키는 방향으로 발전되고 있다. 반도체 소자는 실리콘 단결정으로부터 반도체 웨이퍼로 사용되는 실리콘 웨이퍼를 제작하고, 웨이퍼 상에 막을 형성하는 증착 공정을 거친 후 막을 전기적 특성을 갖는 패턴으로 형성함으로써 제조된다.
여기서, 상기 증착 공정의 화학 기상 증착법과 원자층 증착법 등이 있다. 화학 기상 증착법은 챔버 내에 두 가지 이상의 반응 가스들을 동시에 공급하여 기상 상태의 반응 가스들 사이의 반응 및 웨이퍼 표면에서의 흡착을 통하여 막을 증착하는 방법이다. 원자층 증착법은 챔버 내로 두 가지 이상의 반응 가스들을 순차적으로 공급하면서 각각의 반응 가스의 분해 및 흡착을 통하여 원자층 단위의 막을 증착하는 방법이다. 상기와 같은 증착 공정은 반도체 제조장비의 프로세스 모듈(PM : Process Module)에서 이루어진다.
도 1은 종래의 반도체 제조장치에 구비된 프로세스 모듈을 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 프로세스 모듈(10)은 반응 챔버(11)와, 히터블럭(12)과, 샤워헤드(13)를 구비하는 것이 일반적이다.
반응 챔버(11) 내부에는 일정 크기의 반응 공간이 형성된다. 히터블럭(12)은 상기 반응 공간 내에 배치된다. 샤워헤드(13)는 웨이퍼(1)로 반응 가스를 분사하는 역할을 한다. 그리고, 제조될 반도체에 불량이 발생하지 않도록 웨이퍼(1) 상에 반응 가스를 균일하게 증착된다.
여기서, 상기 히터블럭(12)은 알루미늄 합금이나, 실리콘 카바이드 및 흑연으로 이루어지는 것이 일반적이다. 최근에는 반도체 제조 공정 기술의 향상됨에 따라, 더욱 넓은 웨이퍼(1)에서 다수의 반도체를 생산하게 되었다. 이에 따라, 알루미늄 합금의 경우 웨이퍼(1)의 크기가 커짐에 따라 웨이퍼(1)를 지지하는 면이 넓어지게 되어 외력이나 자체의 하중 또는 열변형에 의해 쳐짐이 발생하게 된다. 이러한 처짐을 방지하기 위해서는 히터블럭(12)의 두께를 두껍게 하는 방법이 사용될 수 있는데, 이러한 방법은 반응 챔버(11)의 공간이 한정되어 있을 뿐만 아니라, 히터블럭(12)과 반응 챔버(11)의 두께를 두껍게 만들면 제조비용이 상승하기 때문에 쉽게 사용하기가 어렵다.
또한, 상기 샤워헤드(13)의 경우도 마찬가지로 알루미늄 합금을 사용할 경우, 전술한 바와 같이 외력이나 자체의 하중 또는 열변형에 의해 샤워헤드(13)에 변형이 발생됨으로써, 상기 샤워헤드(13)와 웨이퍼(1) 사이의 균일하게 이루어지지 않음으로써 웨이퍼(1) 상에 증착되는 막의 균일성이 떨어지게 된다.
따라서, 본 발명은 웨이퍼 상에 반응 가스가 균일하게 증착될 수 있는 반도체 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 내부에 반응 가스 증착 공정이 진행되는 반응 챔버와, 상기 반응 챔버의 내부에 배치된 것으로, 상기 웨이퍼가 안착되는 히터블럭과, 상기 히터블럭에 대향되게 배치되어 상기 히터블럭에 안착된 웨이퍼 상에 반응 가스를 분출하는 샤워헤드를 구비하며, 상기 반응 챔버와, 샤워헤드 및 히터블럭 중 적어도 하나는 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어진 것을 구비하는 반도체 제조장치를 제공한다.
한편, 외부로부터 상기 히터블럭으로 웨이퍼를 이송하는 이송로봇을 더 구비하며, 상기 이송로봇은 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체는, 분말야금법(Power Metallurgy)과, 무전해 도금 공정법과, 인시츄(in-situ)공정법과, 분자수준 혼합공정방법 중 어느 하나의 방법으로 제조될 수 있다.
한편, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체는, 0.1wt% 내지 5wt%의 탄소나노튜브를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 반도체 제조장치는 웨이퍼 상에 반응 가스가 균일하게 증착 될 수 있게 한다.
이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 제조장치를 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 제조장치(100)는 반응 챔버(110)와, 히터블럭(120)과, 샤워헤드(130)를 구비한다.
반응 챔버(110)는 내부에 소정의 공간부(111)가 형성된 것이다. 상기 챔버 본체의 하측에는 증착되고 남은 가스가 공간부(111)로부터 방출되는 배기구(112)가 형성될 수 있다.
히터블럭(120)은 상기 반응 챔버(110) 내에 배치된 것으로, 반응 가스를 증착시킬 웨이퍼(1)가 안착되는 웨이퍼 지지부(121)를 구비한다. 이러한 히터블럭(120)의 하측에는 상기 히터블럭(120)을 지지하는 히터블럭 지지부(121)가 형성될 수 있다.
샤워헤드(130)는 상기 히터블럭(120)과 대향되게 배치된다. 즉, 상기 히터블럭(120)의 상측에 배치되어 상기 히터블럭(120)상에 웨이퍼(1)가 안착된 상태에서 상기 웨이퍼(1)에 반응 가스를 분출한다. 이러한 샤워헤드(130)에는 미도시된 가스공급라인이 형성되어 상기 샤워헤드(130)로 반응 가스를 공급하는 역할을 한다. 상기 샤워헤드(130)는 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어지는데, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체는 순수 알루미늄과 같이 반사율이 우수하여, 히터블럭(120)으로부터 발생되어 상기 웨이퍼 지지부(121)의 상부로 상승되는 열을 다시 반응 챔버(110) 내의 하부로 반사시킴으로써 반응 챔버(110) 내의 온도가 공정온도로 빠르게 도달되게 할 수 있게 한다.
본 발명의 반도체 제조장치에서 히터블럭(120)과, 샤워헤드(130)는 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 탄소나노튜브(CNT : Carbon Nano Tube)란 직경이 수㎛ ~ 수십 ㎛이고, 길이가 수십 ㎛이며, 속이 비어있어 무게가 가볍고 역학적 강도가 강철의 100배, 전기전도도가 구리의 1,000배, 열전도도가 흑연에 비해 수배가 큰 물질이다. 이러한 탄소나노튜브가 포함된 알루미늄-탄소나노튜브 복합체란 알루미늄과 탄소나노튜브를 혼합한 것으로, 순수 알루미늄 대비 인장강도 및 경도가 3배나 강하므로 제품의 중량을 20%이상 절감할 수 있으며, 내구성도 우수하다. 또한, 알루미늄-탄소나노튜브 복합체는 기존의 알루미늄 공정 및 설비를 그대로 사용할 수 있기 때문에, 제조업체에 추가적인 설비구입 부담을 줄일 수 있고, 100% 재활용이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 반도체 제조장치(100)에 구비된 반응 챔버(11)와, 샤워헤드(13) 및 히터블럭(12) 중 적어도 하나가 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어짐으로써, 상기 샤워헤드(13)나 히터블럭(12)의 크기가 커지더라도 외력이나 자체의 하중 또는 열변형에 의해 변형되지 않아 웨이퍼 상에 반응 가스가 균일하게 증착될 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 반도체 제조장치(100)에 구비된 반응 챔버(11)와, 샤워헤드(13) 및 히터블럭(12) 중 적어도 하나가 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어짐으로써, 반응 챔버(11)와, 샤워헤드(13) 및 히터블럭(12)을 제조하는데 있어서 적은 량의 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 사용하여도 순수 알루미늄의 강도와 동일하게 할 수 있다. 또한, 단위 Kg당 가격은 알루미늄-탄소나노튜브 복합체가 순수 알루미늄보다 비싸지만, 상기 반응 챔버(11)와, 샤워헤드(13) 및 히터블럭(12)을 제조하는데 있어서 더욱 적은 량의 알루미늄-탄소나노튜브 복합체가 사용되기 때문에 전체적으로 보면 제조 비용이 감소하게 되어 적은 비용으로 경량의 히터블럭 및 샤워헤드를 제조할 수 있다. 또한, 상기 반응 챔버(11)와, 샤워헤드(13) 및 히터블럭(12)의 중량이 감소됨에 따라, 반도체 제조장비의 유지 및 보수가 용이할 수 있다.
또한, 반응 챔버(11)와, 샤워헤드(13) 및 히터블럭(12)의 크기를 줄임으로써 풋 프린트(foot print)를 감소시킬 수 있다. 이와 아울러, 본 발명의 반도체 제조장치(100)에 구비된 반응 챔버(11)와, 샤워헤드(13) 및 히터블럭(12)의 수명도 연장할 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반도체 제조장치(100)는 외부로부터 히터블럭(120, 도 2 참조)으로 웨이퍼(1)를 이송하는 이송로봇(200)을 더 구비할 수 있으며, 상기 이송로봇(200)은 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어질 수 있다.
또한, 반도체 제조장치(100)는 대기압 상태를 유지하면서 웨이퍼(1)들을 일 정 시간 보관하는 대기반송모듈(400)과, 진공 상태를 유지하면서 웨이퍼(1)들을 일정 시간 보관하는 로드락 챔버(300)를 더 구비할 수 있는데, 상기 이송로봇(200)은 로드락 챔버(300)로부터 웨이퍼(1)에 반응 가스를 증착시키기 위한 반응 챔버(110, 도 2 참조)로 웨이퍼(1)를 이송하는 역할을 하는 것이다. 이러한 이송로봇(200)이, 기존의 이송로봇을 제조하는데 사용하는 알루미늄보다 높음 강도의 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어짐으로써, 종래의 이송로봇과 동일한 강도를 유지하면서 이송로봇(200)의 크기를 작게 만들 수 있다. 상기 이송로봇(200)은 웨이퍼(1)를 이동하기 위한 회전운동 및 수직왕복 운동 등을 수행하는 로봇팔(210)을 구비하는데, 상기 로봇팔(210) 등이 작게 만들어 짐으로써, 로봇팔(210)의 길이가 감소하여 로봇팔(210)이 회전되는 궤적이 줄어들게 된다. 이는, 로드락 챔버(300)로부터 반응 챔버(110)로 웨이퍼(1)를 이송시키는 시간을 감소시켜서 단위 시간당 많은 양의 웨이퍼(1)를 반응 챔버에 이송함으로써, 단위 시간당 많은 양의 웨이퍼(1)에 반응 가스를 증착할 수 있게 한다. 이와 아울러, 이송로봇(200)의 크기가 작아짐으로써, 상기 이송로봇(200)의 풋 프린트(foot print)를 감소시킬 수 있다.
한편, 로드락 챔버(300)도 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어질 수 있다. 상기 로드락 챔버(300)는 복수의 웨이퍼(1)들이 적층되는데, 상기 웨이퍼(1)들이 안착되는 판의 두께를 얇게 하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 단위 높이당 많은 웨이퍼(1)들이 적층될 수 있게 함으로써, 로드락 챔버(300)의 상하단 크기를 감소시킬 수 있다. 이는 상기 이송로봇(200)이 상하방향으로 이동하는 거리를 짧게 함으로써, 상기 웨이퍼(1)를 반응 챔버로 이송하는 시간을 더욱 절약하여, 단위 시 간당 더욱 많은 수의 웨이퍼(1)를 적층할 수 있게 한다.
전술한 바와 같은 알루미늄-탄소나노튜브 복합체는, 분말야금법(Power Metallurgy)과, 무전해 도금 공정법과, 인시츄(in-situ)공정법과, 분자수준 혼합공정방법 중 어느 하나의 방법으로 제조될 수 있다.
분말야금법(Power Metallurgy)은 탄소나노튜브와 금속 분말을 볼밀링(ball-milling) 및 기계적 합금화(Mechanical alloying) 등의 방법으로 탄소나노튜브와 금속 분말을 혼합하는 방법이다. 더욱 상세하게 볼밀링 혼합법은 탄소나노튜브와 알루미늄 분말을 볼밀링으로 혼합한 후, 고온-고압 및 고온-압출성형 과정을 거쳐 제조하는 방법이다.
이러한 분말야금법의 일예로, 탄소나노튜브를 산처리하여 탄소나노튜브의 분산성을 향상시키고, 산처리된 탄소나노튜브를 에탄올에 분산시킨 후 알루미늄 분말과 혼합하여 볼밀링하는 방법을 사용할 수 있다. 또한, 분말야금법의 다른 일예로, K2ZrF6코팅법이 있다. 상기 K2ZrF6코팅법은 탄소섬유에 널리 적용되는 K2ZrF6를 탄소나노튜브 표면에 코팅한 후 탄소나노튜브와 알루미늄 분말을 볼밀링 혼합 및 소결하는 방법이다. 상기와 같은 분말야금법은 간단한 공정으로 대량의 복합재료를 제조할 수 있는 장점이 있다.
무전해 도금 공정법은 길이가 1㎛ 미만의 탄소나노튜브를 산처리 한 후 니켈 도금 용액 안에서 탄소나노튜브가 균일하게 분산되도록 한 후, 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 제조한다. 이러한 무전해 도금 공정법은 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 미세조직을 얻는 데에 유리하다.
인시츄(in-situ)공정법은 촉매가 담지된 금속 분말에 탄소나노튜브를 성장시킴과 동시에 탄소나노튜브와 금속을 균질하게 혼합하는 공정이다. 예를 들어, 알루미늄 분말 표면에 니켈 나노입자를 코팅한 후, 탄소나노튜브를 성장시켜 탄소나노튜브(니켈)/알루미늄 나노복합 분말을 제조하고, 이를 진공소결 및 고압압축하여 알루미늄-탄소나노튜브 나노복합체를 제조할 수 있다. 특히 이러한 인시츄 공법에 의해 제조된 알루미늄-탄소나노튜브 복합체는 순수 알루미늄에 비해 인장강도는 대략 2.8배 증가하고, 경도는 4.3배 증가하며, 상대밀도는 96.2%로 매우 낮아지는 장점이 있다.
분자수준 혼합공정법은 탄소나노튜브의 표면을 기능기화시킴으로써 탄소나노튜브 사이의 반데르 발스 힘에 의한 응집을 억제시켜 다양한 용매에서 분산되도록 한다. 다음으로, 탄소나노튜브 표면에 형성된 기능기인 카르복실기는 물 또는 에탄올에서 이온화 되어 탄소나노튜브 사이에 정전기적 반발력을 형성하기 때문에 탄소나노튜브가 균일하게 분산된다. 다음으로, 탄소나노튜브가 분산된 용액에 금속염을 용해시키고, 초음파처리함으로써 탄소나노튜브가 분산된 용액에 금속염을 용해시키고, 초음파처리함으로써 탄소나노튜브와 금속이온을 혼합시킨다. 이 경우 탄소나노튜브 표면의 카르복실기가 금속이온과 이온결합하여 화학결합을 이룸으로써 탄소나노튜브와 금속기지 사이의 계면이 분자수준에서 결합된 탄소나노튜브/금속 전구체가 형성된다. 최종적으로, 분자수준에서 결합된 상태의 탄소나노튜브/금속 전구체 표면에 금속 입자를 핵생성 및 성장시킴으로써 탄소나노튜브/금속 전구 체 표면에 금속입자를 핵생성 및 성장시키므로써 탄소나노튜브/금속 나노복합문말을 제조한다.
한편, 알루미늄-탄소나노튜브 복합체를 제조하기 위한 방법의 다른 예로, 탄소나노튜브/금속 복합분말 제조방법이 있다. 상기 방법은 산화금속분말, 즉 산화알루미늄금속분말과 탄소나노튜브를 혼합, 분쇄시키고, 수로 분위기 또는 수소를 포함하는 환원성 가스 분위기에서 환원열처리 시키는 방법이다. 이는 제조공정이 간단하여 제조비용이 저렴함으로써 제품양산에 유리하다. 또한, 상기 방법은 산화알루미늄금속분말 내부에 탄소나노튜브가 균일하게 분산되게 한다.
한편, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체가 0.1wt% 보다 작으면 알루미늄 분자를 응집시키기에 탄소나노튜브 량이 충분하지 않게 되고, 5wt% 보다 커지면 다량의 탄소나노튜브에 의해 알루미늄분자의 응집력이 약해짐으로써, 샤워헤드와 히터블럭으로 사용하기에 적합한 강도를 갖기 어려울 수 있다. 본 출원인이 실험해본 결과, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체는, 0.1wt% 내지 5wt%의 탄소나노튜브를 포함하는 것이 히터블록이나 샤워헤드로 사용하기에 충분한 강도를 가짐을 확인해볼 수 있었다. 따라서, 상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체는 0.1wt% 내지 5wt%의 탄소나노튜브를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상 에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 반도체 제조장치에 구비된 프로세스 모듈을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 제조장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 반도체 제조장치와 그 주변 장치들을 도시한 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 웨이퍼 100: 반도체 제조장치
110: 반응 챔버 111: 공간부
120: 히터블럭 121: 웨이퍼 지지부
130: 샤워헤드 200: 이송로봇
300: 로드락 챔버 400:대기반송모듈

Claims (4)

  1. 내부에 반응 가스 증착 공정이 진행되는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버의 내부에 배치된 것으로, 상기 웨이퍼가 안착되는 히터블럭; 및
    상기 히터블럭에 대향되게 배치되어 상기 히터블럭에 안착된 웨이퍼 상에 반응 가스를 분출하는 샤워헤드;를 구비하며;
    상기 반응 챔버와, 샤워헤드 및 히터블럭 중 적어도 하나는 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    외부로부터 상기 히터블럭으로 웨이퍼를 이송하는 이송로봇을 더 구비하며,
    상기 이송로봇은 알루미늄-탄소나노튜브 복합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체는, 분말야금법(Power Metallurgy)과, 무전해 도금 공정법과, 인시츄(in-situ)공정법과, 분자수준 혼합공정방법 중 어느 하나의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 알루미늄-탄소나노튜브 복합체는, 0.1wt% 내지 5wt%의 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조장치.
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