KR20100042492A - 반도체 제조설비의 가스 쿨링시스템 - Google Patents

반도체 제조설비의 가스 쿨링시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 제조설비의 로드락에서 웨이퍼 쿨링이 필요한 모든 장비에 공급되는 가스의 온도를 다운시켜주는 가스 쿨링시스템에 관한 것이다.
본 발명은 로드락에서 웨이퍼의 쿨링시 퍼지가스의 온도를 낮추어 공급하는 새로운 형태의 퍼지방식을 구현함으로써, 쿨링가스의 공급으로 웨이퍼 냉각 효율을 높일 수 있고, 벤트 타임을 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 반도체 제조설비의 가스 쿨링시스템을 제공한다.
반도체, 웨이퍼, 퍼지, 쿨링, 로드락

Description

반도체 제조설비의 가스 쿨링시스템{Gas cooling system for semiconductor processing equipment}
본 발명은 반도체 제조설비의 가스 쿨링시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로드락에서 웨이퍼 쿨링이 필요한 모든 장비에 공급되는 가스의 온도를 다운시켜주는 가스 쿨링시스템에 관한 것이다.
일반적으로 프로세서 챔버는 진공 상태에서 웨이퍼에 대한 가공을 수행하는 데 이용되며, 로드락 챔버는 상기 프로세서 챔버와 함께 연결되어 있는 부분으로 프로세서 챔버내의 진공도를 유지시켜 주면서 프로세서 챔버에서 가공될 웨이퍼와 가공이 완료된 웨이퍼를 임시로 보관하기 위한 공간이 된다.
예를 들면, 반도체를 제조하는 과정에서 반도체 기판인 웨이퍼는 물질층의 증착공정과 증착된 물질층을 에칭하는 공정, 세정공정, 건조공정 등과 같은 여러 단위 공정을 거치게 된다.
이러한 공정에서 웨이퍼는 해당공정을 실시하기에 가장 적합한 조건에 놓이 게 된다.
즉, 에칭이나 물질층 증착공정은 물리적 화학적인 방법으로 이루어지는데, 통상 웨이퍼와 에칭소오스 또는 층착용 물질 소오스 사이에 반응을 활성화시키기 위해 웨이퍼는 적정온도로 가열된다.
이렇게 가열된 웨이퍼는 해당공정이 종료된 후 공정 전 상태로 냉각된 후 취급되어진다.
이때, 웨이퍼의 냉각을 위해 액상이나 기상의 퍼지(purge) 가스를 사용할 수 있다.
보통 가열된 상태의 웨이퍼가 급격히 변화되는 것을 방지하기 위해 기상상태의 반응성이 낮은 아르곤(Ar) 또는 나이트로젠(N2)과 같은 퍼지 가스가 주로 사용된다.
반도체 제조설비의 클러스터 툴 구조를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
상기 클러스터 툴은 웨이퍼의 적재를 위한 로드포트, 프로세스를 요하는 웨이퍼가 로드포트에서 이송로봇에 의해 로딩되면 진공상태로 만들고 웨이퍼의 프로세스가 완료되면 웨이퍼의 언로딩되면 진공상태를 대기압 상태로 만드는 로드락 챔버, 프로세스가 완료되어 로드락 챔버의 내부로 언로딩되는 웨이퍼에서 발생되는 흄(fume)을 제거하기 위해 로드락 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하여 퍼지하는 퍼지가스 공급장치, 상기 로드락 챔버에 적재된 웨이퍼를 프로세스 챔버로 이송하거나, 상기 프로세스 챔버로부터 프로세스가 완료된 웨이퍼를 로드락 챔버로 이송하는 트 랜스퍼 챔버 등을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 로드락 챔버는 웨이퍼를 증착 공정이 실제로 수행되는 프로세스 챔버로 이송하기 위해 대기압의 상압에서 진공압으로 만드는 완충적인 역할을 한다.
즉, 웨이퍼가 로드락 챔버로 이송이 완료되면 로드락 챔버는 도어를 닫고 불순물이 들어가지 않도록 로드락 진공펌프의 펌핑에 의해 공기를 뽑아내어 진공상태를 만든다.
또한, 소정의 진공 상태가 되면 트랜스퍼 챔버와 개통한 후 트랜스퍼 챔버에 장착되어 있는 버큠 이송 로봇이 로드락 챔버에 적재된 웨이퍼를 프로세스 챔버로 공급하여 해당 프로세스를 진행한다.
이때, 상기 로드락 챔버는 로드락 진공펌프를 이용하여 약 수 mTorr정도의 진공상태로 만들어질 수 있다.
이후, 상기 웨이퍼의 프로세스가 완료되면, 상기 트랜스퍼 챔버를 거쳐 로드락 챔버로 이송된다.
이때, 웨이퍼는 증착 공정 후 웨이퍼 상에 이물질을 제거하는 세정공정 및 냉각 공정을 더 거쳐 로드락 챔버로 이송될 수도 있다.
또한, 웨이퍼에 잔존하는 흄을 제거 및 냉각을 하기 위한 퍼지가스 공급장치는 로드락 챔버에 반응성이 낮은 N2와 같은 퍼지 가스를 일정한 압력에서 주기적 또는 상시적으로 공급하여 퍼지한다.
즉, 상기 퍼지가스 공급장치는 반응성이 낮은 N2와 같은 퍼지 가스를 상기 로드락 챔버에 공급하여 약 수백 mTorr정도의 진공 상태를 유지하도록 로드락 챔버를 퍼지한다.
마지막으로, 프로세스를 완료한 웨이퍼가 로드락 챔버 내에 적정수 이상 모이면 로드락 챔버는 진공압에서 대기압으로 만들어 상기 도어를 열고 로봇이 웨이퍼를 반송하여 상기 로드포트에 적재한다.
여기서, 상기 퍼지가스 공급장치의 경우 로드락 챔버로 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 소스부, 퍼지가스의 압력을 조절하는 유량 조절부, 퍼지가스의 공급을 제어하는 밸브류 등을 더 구비할 수도 있다.
따라서, 퍼지가스 공급장치는 고온의 프로세스를 완료한 웨이퍼가 로드락 챔버로 이송되면 상온의 퍼지가스를 로드락 챔버에 공급하여 로드락 챔버를 퍼지시킴과 동시에 퍼지가스를 펌핑하여 배기시킴으로써, 상기 프로세스가 완료된 상기 웨이퍼로부터 발생되는 흄(fume)을 제거할 수 있다.
그러나, 종전의 반도체 제조설비, 예를 들면 로드락 챔버의 퍼지방식은 다음과 같은 문제점이 있다.
고온의 프로세스를 완료한 웨이퍼가 로드락 챔버로 이송되고, 상온의 퍼지 가스를 이용하여 로드락 챔버를 퍼지할 경우, 웨이퍼 온도가 높은 상태로 옮겨지기 때문에 열에 의해 눌러 붙는 현상이 일어나는 등 상온의 퍼지가스로는 웨이퍼 냉각 효과를 높이는데 한계가 있고, 상온의 퍼지가스를 장시간 공급해야 하므로 벤트 타 임이 길어지게 되는 등 생산성 측면에서 불리한 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 로드락에서 웨이퍼의 쿨링시 퍼지가스의 온도를 낮추어 공급하는 새로운 형태의 퍼지방식을 구현함으로써, 쿨링가스의 공급으로 웨이퍼 냉각 효율을 높일 수 있고, 벤트 타임을 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 반도체 제조설비의 가스 쿨링시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 가스 쿨링시스템은 일정량의 가스를 저장하고 있는 가스공급원, 상기 가스공급원측에서 연장되는 인렛측 가스공급라인, 로드락 챔버로 연결되는 아웃렛측 가스공급라인, 상기 인렛측 가스공급라인과 아웃렛측 가스공급라인 사이에 설치되어 공급되는 가스를 냉ㆍ온 두가지로 분리하여 핫 가스는 배출시키고 쿨 가스만 라인측으로 투입하는 쿨링 유니트 등을 포함하는 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 쿨링 유니트는 인렛측 가스공급라인과 연결되는 인렛과, 상기 인렛을 통해 들어온 가스를 고속회전을 이용하여 쿨 가스를 분리해내는 보텍스 제너레이션 챔버와, 상기 보텍스 제너레이션 챔버의 양측과 연결되어 쿨 가스와 핫 가스를 각각 배출하는 아웃렛을 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 쿨링 유니트의 아웃렛과 아웃렛측 가스공급라인 사이 구간에는 가스 공급원측에서 연장되는 인렛측 서브 가스공급라인을 갖는 버큠 제너레이터를 더 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제공하는 가스 쿨링시스템은 로드락으로 공급되는 퍼지가스를 냉ㆍ온 두가지로 분리한 후 핫 가스는 버리고 쿨 가스만 취하여 로드락 내의 웨이퍼 쿨링에 사용하는 타입으로 이루어져 있으며, 이에 따라 퍼지 가스의 온도를 다운시켜 벤트 타임을 줄일 수 있는 등 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 프로세스를 완료한 고온의 웨이퍼를 쿨 가스로 냉각시키기 때문에 웨이퍼가 열에 의해 눌러 붙는 등의 문제를 완전히 배제할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 쿨링시스템을 나타내는 평면도와 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 쿨링시스템에서 쿨링유니트를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 가스 쿨링시스템은 로드락 챔버의 퍼지를 위하여 반응성이 낮은 N2와 같은 퍼지 가스를 로드락 챔버에 공급하는 수단으로서, 웨이퍼 쿨링이 필요한 모든 반도체 제조설비의 로드락 챔버에 적용될 수 있다.
이를 위하여, 일정량의 가스, 예를 들면 N2 가스를 저장하고 있는 가스공급원(10)으로부터 2개의 라인이 연장되고, 각 라인은 쿨링 유니트(14)측과 버큠 제너레이터(19)측에 각각 연결되어 가스를 제공하게 된다.
예를 들면, 가스공급원(10)으로부터 연장되는 하나의 라인, 즉 인렛측 가스공급라인(11)은 쿨링 유니트(14)의 인렛(15)에 연결되고, 다른 하나의 라인, 즉 인렛측 서브 가스공급라인(18)은 버큠 제너레이터(Vaccum generator;19)에 연결된다.
이에 따라, 가스공급원(10)으로부터 제공되는 가스는 쿨링 유니트(14)와 버큠 제너레이터(19)에 공급될 수 있다.
또한, 상기 인렛측 가스공급라인(11)과 인렛측 서브 가스공급라인(18)에는 각각 밸브(20a),(20b)가 설치되어 있으며, 이때의 밸브(20a),(20b)는 운전시 쿨링 유니트(14)측과 버큠 제너레이터(19)측으로 보내지는 가스의 흐름을 선택적으로, 또는 동시에 단속할 수 있다.
여기서, 상기 밸브는 노멀 클로즈 밸브로서, 컨트롤러(미도시)의 제어에 의해 연동이 가능한 솔레노이드 타입의 밸브 등을 적용할 수 있다.
또한, 상기 쿨링 유니트(14)의 아웃렛(17a)으로부터 연장되는 아웃렛측 가스공급라인(13)은 프로세스를 완료한 웨이퍼가 대기하고 있는 로드락 챔버(12)에 연결되고, 특히 이러한 아웃렛측 가스공급라인(13)상에는 버큠 제너레이터(19)가 연결 설치되며, 결국 쿨링 유니트(14)의 아웃렛(17a)을 빠져나온 가스(쿨 가스)는 버 큠 제너레이터(19)의 내부를 경유하여 운전조건에 따라 인렛측 서브 가스공급라인(18)을 통해 유입된 가스와 혼합된 후 로드락 챔버(12)로 보내질 수 있다.
또한, 상기 아웃측 가스공급라인(13)에는 밸브(20c)가 설치되어 있으며, 이때의 밸브(20c)는 운전시 최종적으로 로드락 챔버(12)에 제공되는 가스의 흐름을 단속할 수 있다.
여기서, 상기 밸브 노멀 클로즈 밸브로서, 역시 컨트롤러(미도시)의 제어에 의해 연동이 가능한 솔레노이드 타입의 밸브 등을 적용할 수 있다.
또한, 상기 아웃렛 가스공급라인(13)상의 밸브(20c)와 쿨링 유니트(14)의 아웃렛(17b)은 바이패스라인(21)으로 연결되어 있으며, 이에 따라 운전시 필요한 경우에는 쿨링 유니트(14)의 아웃렛(17b)에서 배출되는 가스(핫 가스)를 이용할 수도 있다.
상기 버큠 제너레이터(19)는 인렛측 가스공급라인(11)으로부터 유입되는 가스와 인렛측 서브 가스공급라인(18)으로부터 유입되는 가스, 즉 쿨링 유니트(14)를 거친 쿨 가스를 혼합하는 역할을 수행하는 부분으로서, 이렇게 2개의 가스를 혼합하는 방식을 채용함에 따라 웨이퍼 쿨링시 로드락 챔버의 압력 및 벤트 타임을 보다 효과적으로 컨트롤할 수 있다.
상기 쿨링 유니트(14)는 보텍스(Vortex)의 일종으로서, 보통의 압축가스나 N2가스(3∼7kg/㎠)가 공급되면 전기나 어떤 약품도 없이 스스로 냉ㆍ온 두가지 공기 기류로 분리해내는 역할을 하며, 압축가스나 N2가스가 인렛(15)을 통해 보텍스 제너 레이터 챔버(16)에 투입되면 대략 1,000,000rpm의 고속 회전을 이용하여 쿨 가스를 분리하는 구조로 이루어져 있다.
이를 위하여, 상기 쿨링 유니트(14)의 몸체에는 윗쪽으로 인렛측 가스공급라인(11)과 연결되는 인렛(15)이 구비되고, 양옆쪽으로 쿨 가스와 핫 가스를 각각 배출하는 아웃렛(17a),(17b)이 구비되며, 몸체의 내부에는 상기 인렛(15)을 통해 들어온 가스를 고속회전을 이용하여 쿨 가스를 분리해내는 보텍스 제너레이션 챔버(16)가 조성된다.
이때, 상기 아웃렛(17a),(17b)은 보텍스 제너레이션 챔버(16)의 양측과 연결되어 쿨 가스와 핫 가스를 각각 배출할 수 있다.
따라서, 인렛측 가스공급라인(11)에서 제공되는 N2가스는 쿨링 유니트(14)의 인렛(15)으로 유입된 후 쿨 N2와 핫 N2로 분리되고, 계속해서 핫 N2는 한쪽의 아웃렛(17b)을 통해 배출되며, 다른 한쪽의 아웃렛(17a)을 빠져나온 쿨 N2를 이용하여 웨이퍼를 냉각시킬 수 있다.
또한, 인렛측 서브 가스공급라인(18)에서 제공되는 N2가스로는 버큠 제너레이터(19) 내에서 쿨 N2와의 적절한 믹싱을 통해 웨이퍼 쿨링시 로드락 챔버의 압력 및 벤트 타임을 컨트롤 할 수 있다.
또한, 인렛측 서브 가스공급라인(18)에서 제공되는 N2가스로는 필요시 쿨 N2의 온도를 컨트롤 할 수 있다.
여기서, 인렛측 서브 가스공급라인에서 제공되는 N2와 쿨링 유니트에서 제공되는 쿨 N2를 운전 조건에 따라 적절한 비율로 믹싱하는 방법 등은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 쿨링시스템을 이용한 웨이퍼 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 먼저 테스트 조건에서 장비의 흐름은 로딩→프리 히트(300℃ 10초)→프로세스 챔버(96초)→로드락 인(펌핑 10초, 슬로우 벤트 2초, 패스트 벤트 3초)으로 이루어진다.
또한, 쿨링 유니트의 사양은 다음과 같다.
Vortex : 초저온용(BP3408:227리터), 압력 : 95psi, 튜브 사이즈 : 3/8"
또한, 온도 측정은 메탈 카세트로 언로딩된 웨이퍼 센터 부분에 접촉식 측정기를 사용한다.
따라서, 도 4의 그래프에서 볼 수 있듯이 동일조건에서 본 발명의 쿨링시스템을 이용하여 쿨링한 웨이퍼가 낮은 온도를 나타내는 것을 확인할 수 있다(최고 93℃ 차이).
즉, 본 발명의 쿨링시스템을 채용한 장비의 웨이퍼 온도가 점차적으로 더 낮아지는데 반하여 쿨링시스템을 채용하지 않은 장비의 웨이퍼 온도는 점진적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 장비의 로드락으로 공급되는 가스를 냉ㆍ온 두가지로 분리하고, 이때의 쿨 가스로 웨이퍼를 쿨링함으로써, 즉 로드락 벤트 가스의 온도를 다운시켜 웨이퍼를 쿨링함으로써, 벤트 타임을 단축할 수 있고, 궁극적으로 생산성을 획기적으로 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 쿨링시스템을 나타내는 평면도
도 2는 도 1의 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 쿨링시스템에서 쿨링유니트를 나타내는 개략적인 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 쿨링시스템을 이용한 웨이퍼 테스트 결과를 나타내는 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 가스공급원 11 : 인렛측 가스공급라인
12 : 로드락 챔버 13 : 아웃렛측 가스공급라인
14 : 쿨링 유니트 15 : 인렛
16 : 보텍스 제너레이션 챔버(Vortex generation chamber)
17a,17b : 아웃렛 18 : 인렛측 서브 가스공급라인
19 : 버큠 제너레이터 20a,20b,20c : 밸브
21 : 바이패스라인

Claims (5)

  1. 일정량의 가스를 저장하고 있는 가스공급원(10)과, 상기 가스공급원(10)측에서 연장되는 인렛측 가스공급라인(11)과, 로드락 챔버(12)로 연결되는 아웃렛측 가스공급라인(13)과, 상기 인렛측 가스공급라인(11)과 아웃렛측 가스공급라인(13) 사이에 설치되어 공급되는 가스를 냉ㆍ온 두가지로 분리하여 핫 가스는 배출시키고 쿨 가스만 라인측으로 투입하는 쿨링 유니트(14)를 포함하는 것을 특징으로 반도체 제조설비의 가스 쿨링시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 쿨링 유니트(14)는 인렛측 가스공급라인(11)과 연결되는 인렛(15)과, 상기 인렛(15)을 통해 들어온 가스를 고속회전을 이용하여 쿨 가스를 분리해내는 보텍스 제너레이션 챔버(16)와, 상기 보텍스 제너레이션 챔버(16)의 양측과 연결되어 쿨 가스와 핫 가스를 각각 배출하는 아웃렛(17a),(17b)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 가스 쿨링시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 쿨링 유니트(14)의 아웃렛과 아웃렛측 가스공급라인(13) 사이 구간에는 가스 공급원(10)측에서 연장되는 인렛측 서브 가스공급라인(18)을 갖는 버큠 제너레이터(19)가 설치되는 것을 특징으로 하는 반 도체 제조설비의 가스 쿨링시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 인렛측 가스공급라인(11), 아웃렛측 가스공급라인(13) 및 인렛측 서브 가스공급라인(18)에는 가스의 흐름을 단속하는 각각의 밸브(20a),(20b),(20c)가 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 가스 쿨링시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 쿨링 유니트(14)의 아웃렛(17b)과 아웃렛측 가스공급라인(13)에 설치되어 있는 밸브(20c) 사이에는 핫 가스의 투입을 위한 바이패스라인(21)이 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조설비의 가스 쿨링시스템.
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