KR20120085210A - 열 처리 퍼니스 및 이를 위한 라이너 - Google Patents

Abstract

열 처리 퍼니스는, 중심축을 가지는, 일반적으로 벨 자 형태의 외부 반응 튜브; 및 복수의 기판들을 수용하는 웨이퍼 보트를 수용하는, 개방된 단부를 가지는 내부 반응 튜브로서, 상기 내부 반응 튜브는 상기 외부 반응 튜브 내에 실질적으로 공통 축을 가지고 배치되며, 이에 따라, 상기 내부 반응 튜브의 외벽과 상기 외부 반응 튜브의 내벽 사이에 가스 통로를 정의하는 상기 내부 반응 튜브를 포함하고, 상기 내부 반응 튜브의 상기 외벽 및 상기 외부 반응 튜브의 상기 내벽 중 적어도 하나는, 상기 각 벽에서 상기 가스 통로 내로 방사적으로 돌출되는 플로우 디플렉터가 제공되는 것을 특징으로 한다.

Description

열 처리 퍼니스 및 이를 위한 라이너{Thermal processing furnace and liner for the same}

본 발명은 일반적으로 반도체 기판들의 처리 장비에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 수직 열 처리 퍼니스(furnace) 및 그 안에서 이용되는 라이너(liner)에 관한 것이다.

열 처리 퍼니스들 또는 리액터들(reactors)은 보통, 실리콘 집적 회로들의 여러 제조 단계들 동안에 배치(batch) 처리 반도체 웨이퍼들에 이용된다. 퍼니스가 이용될 수 있는 처리 단계들은 산화, 확산, 어닐링(annealing) 및 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 및 펄스형 원자층 증착(pulsed atomic layer deposition, ALD)을 포함한다.

종래의 수직 열 처리 퍼니스는, 전기 전원에 의해 전력이 공급되는 열 저항성 가열 코일(thermally resistive heating coil)을 포함할 수 있다. 가열 코일 내에는, 벨 자 형태의(bell jar-shaped) 외부 반응 튜브(reaction tube) 및 상기 외부 반응 튜브 내에 공통 축을 가지고 배치되는 내부 반응 튜브가 제공될 수 있다. 내부 반응 튜브는 보통 라이너라고 지칭된다. 외부 반응 튜브의 하단부는 개방될 수 있고, 반면 그 상단부는 일반적으로 돔 형태의(dome-shaped) 구조로 폐쇄될 수 있다. 라이너는 그 하단부와 상단부에서 개방될 수 있다. 외부 반응 튜브와 라이너 모두의 하단부들은 플랜지(flange) 상에 지지될 수 있는데, 플랜지는 중심 퍼니스 개구(opening)를 정의할 수 있고, 중심 퍼니스 개구를 통해 복수의 웨이퍼들을 수용하는 웨이퍼 보트(wafer boat)가 라이너의 내부에 의해 형성되는 반응 챔버(reaction chamber)에 들어가고 나갈 수 있다. 웨이퍼 보트는 단열 받침대(thermally insulating pedestal) 상에 지지될 수 있고, 결과적으로, 플랜지에서 중심 퍼니스 개구를 차단하는데(close off) 쓰일 수 있는 도어 플레이트(door plate) 상에 지지될 수 있다. 또한, 플랜지는 가스 공급 도관(gas feed conduit) 및 가스 배기 도관이 제공될 수 있는데, 가스 공급 도관은 라이너 내부에 배치되는 가스 주입부(injector)에 연결되고, 진공 펌프는 가스 배기 도관을 통해, 라이너의 외벽(outer wall)과 외부 반응 튜브의 내벽 사이에 존재하는 가스 통로의 하단부에 연결될 수 있다.

동작 중에, 웨이퍼 보트가 반응 챔버 내로 도입될 수 있고, 이후에 제거될 수 있다. 그 후에, 프로세스(process) 가스가 가스 공급 도관 및 가스 주입부를 통해 반응 챔버로 공급될 수 있다. 프로세스 가스는 내부 반응 튜브 내에 제공되는 웨이퍼들에 접촉하면서 내부 반응 튜브 내에서 위쪽을 향해 흐를 수 있다. 프로세스 가스가 내부 반응 튜브의 상단부를 나가서 외부 반응 튜브의 폐쇄된 상단부에 이르면, 이것은 진공 펌프에 의해 가스 배기 도관을 통해 반응 챔버로부터 배기되도록 그 방향을 바꿔서 내부 반응 튜브와 외부 반응 튜브 사이에서 가스 통로를 통해 아래쪽을 향해 흐를 수 있다.

열 처리 퍼니스들에 관련된 일반적인 문제점은 작은 입자들로 인한 반응 챔버 대기의 오염이다. 처리될 웨이퍼 상에 머무르는 입자는 다이(die)가 그것으로부터 동작 불가능하게 제조되도록 할 수 있다. 반응 챔버 대기의 오염은 서로 다른 원인들을 가질 수 있다.

미국 특허 번호 제7,736,437호는 석영의 돔인(dome of a quartz), 벨 자 형태의 외부 반응 튜브가 가열되는 경우 상당한 수의 미세 입자들을 생성한다는 믿음을 나타내고 있다. 동작 중에, 이러한 입자들은 상부로, 내부 반응 튜브의 개방된 단부로, 그리고, 그 뒤에 웨이퍼 보트 및 그 안에 지지되는 웨이퍼들 상으로 떨어질 수 있다. 이것을 방지하기 위해서, 미국 특허 번호 제7,736,437호는 내부 반응 튜브의 최상부 상에 배치될 커버(cover)의 이용을 교시한다. 돔으로부터의 대부분의 입자들이 내부 반응 튜브 내로 떨어지는 것을 막으면서 그것을 통해서 프로세스 가스의 실질적인 위쪽 방향의 플로우(flow)를 허용하기 위하여, 커버는 컨볼루트(convolute) 통로들과 같은 개구들(apertures)을 포함할 수 있다.

미국 특허 번호 제6,503,079호는 가능한 오염원들로써, 열 처리 퍼니스의 퍼니스 개구 부분을, 또한, 더욱 상세하게는 퍼니스 개구 부분에서 탈기체 오링들(outgassing O-rings), 누출되는 밀봉들(leaking seals) 및 웨이퍼 보트 회전 메커니즘들(mechanisms)을 발견하였다. 퍼니스 개구 부분은 반응 챔버 내에서 프로세스 가스의 플로우의 상류부에 위치하므로, 반응 챔버 내로 유입되는 프로세스 가스는 퍼니스 개구 부분에서 상술된 오염원들에 의해 생성되는 오염 물질들에 대해서 운반자(carrier)로 작용할 수 있다. 그러므로, 오염 물질들은 반응 챔버 내에 존재하는 임의의 웨이퍼들 상에 및/또는 웨이퍼들에 부착하여 퇴적될 수 있다. 명백하게, 이것은 필름(film) 성장을 방해할 수 있고, 프로세스 반응들을 억제할 수 있으며, 그리하여 불량한 필름 품질의 원인을 만들 수 있다. 반응 챔버의 오염을 방지하기 위하여, 미국 특허 번호 제6,503,079호는, 퍼니스 내에서 퍼니스 개구의 측면의 퍼니스 개구 부분의 공간과 반응 챔버 사이에 배치되는 역 확산 방지 바디(reverse-diffusion preventing body)의 이용을 교시한다. 또한, 두 개의 독립적으로 동작 가능한 가스 배기 시스템들이 제공되는데: 반응 챔버로부터 프로세스 가스를 배기하기 위한 프로세스 가스 배기 시스템, 및 퍼니스 개구 부분의 공간으로부터 퍼지(purge) 가스를 배기하기 위한 퍼지 가스 배기 시스템이 제공된다. 그러므로, 오염시키고 있는 퍼니스 개구 부분은 역 확산 방지 바디에 의해 반응 챔버로부터 고립되면서, 반응 챔버와 퍼니스 개구 부분의 공간은 모두 그들 자신의 가스 플로우 관리(gas flow management)가 제공된다. 이러한 특징들의 결합은 퍼니스 개구 부분의 공간으로부터 반응 챔버로, 그리고, 따라서 웨이퍼들로 오염 물질이 확산되는 것을 방지하는 것을 가능하게 할 수 있다.

열 처리 퍼니스들의 성능을 더욱 향상시키기 위한 출원인의 조사에 의해, 반응 챔버 대기의 아직 인식되지 못한 또 다른 오염 원인이 존재한다는 점이 드러났다.

오염원은, 부분적으로, 플랜지와 가스 배기 도관을 포함하는 퍼니스의 상대적으로 차가운 아랫부분을 통해 프로세스 가스들이 배기될 때에 프로세스 가스들은 퇴적물을 형성하는 경향이 있다는 사실에 있는 것으로 보인다. 예를 들어, 실리콘 디옥사이드(SiO₂) 필름의 저압 화학 기상 증착에서 전구체(precursor)로 이용될 수 있는 TEOS(tetraethyl orthosilicate, Si(OC₂H₅))가 반응 부산물들(by-products)과 함께 반응 챔버로부터 배기될 때, 고체 및/또는 점액성(viscous-liquid) 부산물들을 형성하는 것이 관찰된다. 이러한 부산물들은, 퍼니스의 하류 부분에서 저온에서의 복합(complex) 화학 (표면) 반응들의 결과이고, 플랜지 상에 그리고 가스 배기 도관 내에 퇴적된다. 퍼니스의 하류 부분에서 퇴적물의 축적이 보고되는 또 다른 프로세스는 실리콘 나이트라이드(nitride)의 저압 화학 기상 증착이다.

그 자체로, 가스 배기 경로의 하류 단부에 인접한, 즉, 플랜지 상으로 그리고 가스 배기 도관 내로의, 부산물들의 퇴적은 반응 챔버의 오염을 유발하지 않는다. 그러나, 가스 배기 경로의 하류 단부에 퇴적된 물질은, 위로 회전할(whirled up) 수 있고, 가스 플로우들의 재순환에 의해 가스 통로를 통해 반응 챔버로 다시 이동될 수 있는 것으로 보인다. 열 처리 퍼니스의 일반 동작 중에, 이러한 재순환하는 가스 플로우들이 발생하기는 쉽지 않은데, 이는 일반적으로 프로세스들이 수행되는 낮은 압력과, 진공 펌프에 의해 도입되고 유지되는 가스 배기 경로를 따라 변하는 압력 때문이다. 그러나, 이러한 요인들이 퇴적물의 역류를 방지하지 못하는 동안의 상황들이 있다. 예를 들어, 처리된 웨이퍼들을 수용하고 있는 하나의 웨이퍼 보트를 반응 챔버로부터 방출시킨 후에, 새로운 배치의 웨이퍼들을 가지는 또 다른 웨이퍼 보트가 반응 챔버로 로딩될(load) 때에, 반응 챔버는 대기압에 있을 수 있고, 진공 펌프들은 일시적으로 스위치 오프될(switched off) 수 있다. 상대적으로 차가운 새로운 웨이퍼 보트 및 이와 비슷하게 차가운 미처리된 웨이퍼들을 상대적으로 따뜻한 반응 챔버 내로 도입하는 것은, 반응 챔버 내에, 구체적으로, 외부 반응 튜브, 라이너 및 웨이퍼 보트 사이에 상당한 온도 구배들(gradients)을 유발할 수 있다. 이러한 온도 구배들은, 결과적으로, 라이너에 걸친 대류성 플로우들(convective flows)을 구동할 수 있는 압력 구배들을 유도할 수 있다. 이러한 플로우들은 배기 경로의 하류 단부로부터, 가스 통로를 통해, 다시 반응기 챔버로 입자 이동을 용이하게 할 수 있다. 이렇게 하여, 입자들은 웨이퍼들 상에, 구체적으로 웨이퍼 보트의 최상부 근처에 배치된 것들 상에 머무를 수 있다.

본 발명의 목적은 가스 배기 경로의 하류 단부에 퇴적된 물질의 역류에 대해 상술한 문제점이 극복되거나 경감되는 열 처리 퍼니스를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 가스 배기 경로의 하류 단부 근처에 퇴적된 물질의 역류에 대한 문제점을 극복하거나 경감하도록 종래의 열 처리 퍼니스 내에 설치될 수 있는 라이너를 (가능하게는 원래 설치된 라이너의 교체로서) 제공하는데 있다.

본 발명의 일 측면은 열 처리 퍼니스에 관한 것이다. 열 처리 퍼니스는 중심축을 가지는, 일반적으로 벨 자 형태의 외부 반응 튜브를 포함할 수 있다. 또한, 이것은 복수의 기판들을 수용하는 웨이퍼 보트를 수용하기 위한, 단부 개방형 내부 반응 튜브를 포함할 수 있다. 내부 반응 튜브는 외부 반응 튜브 내에 실질적으로 공통 축을 가지고 배치되고, 그로써, 내부 반응 튜브의 외벽과 외부 반응 튜브의 내벽 사이에 가스 통로를 정의한다. 내부 반응 튜브의 외벽과 외부 반응 튜브의 내벽 중 적어도 하나는, 각 벽에서 가스 통로로 방사적으로 돌출되는 플로우 디플렉터가 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면은 이중 튜브 타입의 열 처리 퍼니스에서 설치되고 사용되기 위한 내부 반응 튜브에 관한 것이다. 내부 반응 튜브는 중심축을 가지는, 일반적으로 튜브 모양의 벽을 포함할 수 있는데, 튜브 모양의 벽은 그것으로부터 바깥쪽으로 방사적으로 돌출되는 플로우 디플렉터가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 열 처리 퍼니스에서, 외부 반응 튜브의 내벽 및/또는 라이너의 외벽은 플로우 디플렉터가 제공될 수 있다. 임의의 적절한 형상(예를 들어, 하나 또는 그 이상의 돌출부들(protrusions), 릿지들(ridges), (캔틸레버와 같은(cantilever-like)) 배플들(baffles) 및 기타)을 가질 수 있는 플로우 디플렉터는 각 벽에서 가스 통로 내로, 퍼니스의 중심축에 대해 실질적으로 방사 방향으로 돌출될 수 있다. 플로우 디플렉터의 주요 목적은, 가스 통로를 통해 반응 챔버를 향하여 오염 입자들을 운반하는, 어느 정도 난기류의 또는 불규칙한 위쪽으로 향하는 가스 플로우들을 차단하는데, 예를 들어, 디플렉트(deflect) 또는 고장 나게(break down)하는데 있다.

일 실시예에서, -중심축의 방향으로 보면- 플로우 디플렉터는 내부 반응 튜브를 둘러싸고, 이에 따라, 가스 통로를 통한 중심축의 위쪽 방향으로의 가스 플로우가, 중심축에 대한 가스 플로우의 각 위치(angular position)에 관계 없이, 상기 플로우 디플렉터에 의해 적어도 한번 차단된다.

다른 실시예에서, 플로우 디플렉터는 충분한 가스 플로우 차단을 보장하도록, 가스 통로의 국부적인 너비의 적어도 75%의 거리만큼 각 벽으로부터 방사적으로 돌출될 수 있다. 일 실시예에서, 플로우 디플렉터는 내부 반응 튜브를 둘러싸고, 이것은 바람직하게는 적어도 하나의 전체 포위(encirclement)에 걸쳐 가스 통로의 국부적인 너비의 75%의 상기 거리만큼 각 벽으로부터 돌출될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 플로우 디플렉터는 내부 반응 튜브의 축 방향 길이를 따라 연장될 수 있거나, 또는 상기 축 방향 길이에 걸쳐 분포될 수 있으며, 이에 따라, 플로우 디플렉터는 그 전체 길이를 함께 커버하는, 가스 통로의 세 개의 동일한 길이의 축 방향으로 연장되는 부분들에서 연장된다(즉, 존재한다). 가스 통로의 축 방향에 길이에 걸친 플로우 디플렉터의 이러한 분포 또는 퍼짐(spreading)는, 플로우 디플렉터가 없는 경우(in the absence of by the flow deflector), 위쪽으로 향하는 강한 가스 플로우들이 발달할 수 있는, 축 방향 가스 통로 부분들의 사이즈를 최소화하는 것을 돕는다.

본 발명의 이러한 그리고 또 다른 특징들 및 이점들은, 본 발명의 특정 실시예들에 대한 후술되는 상세한 설명으로부터 첨부되는 도면들과 함께 더욱 자세하게 이해될 것이고, 이것은 본 발명의 예시하도록 의도된 것이며 본 발명을 제한하도록 의도된 것이 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 열 처리 퍼니스의 예시적인 실시예의 개략적인 횡단 측면도이다;
도 2a 및 도 2b는 서로 다른 축 방향 위치들에 배치되는, 실질적으로 접선으로 연장되는(tangentially extending) 복수의 배플들을 포함하는 플로우 디플렉터(flow deflector)가 설치된 라이너에 대한 각각의 예시적인 실시예들의 개략적인 사시도들이다; 그리고
도 3a 및 도 3b는 다수의 배플들, 각각 네 개 및 두 개를 포함하고, 각각의 배플들은 라이너의 중심 축 둘레에서 외벽을 따라 나선형으로 연장되는, 플로우 디플렉터가 설치된 라이너에 대한 각각의 예시적인 실시예들의 개략적인 사시도들이다.

도 1은 본 발명에 따른 예시적인 수직 열 처리 퍼니스 또는 리액터(1)를 횡단 측면도로 개략적으로 나타낸다. 퍼니스(1)는 이중(double) 튜브 타입이고, 일반적으로 벨 자 형태의 외부 반응 튜브(30) 및 개방 단부형(open-ended) 내부 반응 튜브(40)를 포함한다. 내부 반응 튜브(40)는 대안적으로, 라이너(liner)라고 지칭될 수 있다. 외부 반응 튜브(30)는 전기 전원(미도시)에 의해 전력을 공급받는 열 저항성 가열 코일(22)과 같은 가열 수단들에 의해 둘러싸일 수 있다. 또한, 가열 수단들은 외부 반응 튜브(30)를 둘러싸는 단열 슬리브(sleeve)(미도시)에 고정될(secured) 수도 있다. 두 개의 반응 튜브들(30, 40)은 일반적으로 튜브 모양의(tubular), 예를 들어, 원형의 또는 다각형의 단면 형태를 가질 수 있다. 내부 반응 튜브(40)의 외부 직경은 외부 반응 튜브(30)의 내부 직경보다 작을 수 있다. 따라서, 내부 반응 튜브(40)는 적어도 부분적으로 외부 반응 튜브(30) 내에 배치될 수 있고, 공통 중심축(L) 둘레에서 그것과 함께 실질적으로 공통 축을 가지고 연장될 수 있다. 가스 통로(20)는 외부 반응 튜브(30)의 내벽(32)과 내부 반응 튜브(40)의 외벽(41) 사이로 정의될 수 있다. 반응 튜브들(30, 40)이 유사한 단면 형태를 가지는 경우, 가스 통로(20)는 그 축 방향 길이를 따라 균일한 너비를 가질 수 있다. 가스 통로의 (평균) 너비는 일반적으로 수 센티미터 수준의, 예를 들어, 1 내지 5 센티미터의 범위에 있다. 두 개의 튜브들(30, 40)은 석영, 실리콘 카바이드(carbide), 실리콘 또는 또 다른 적절한 열 저항성 물질로 이루어질 수 있다.

도 1에 도시된 구조에서, 내부 반응 튜브(40)는 웨이퍼 보트(26)를 수용 가능한 반응 챔버(2)의 경계를 정할(delimit) 수 있다. 그 하단부들에서, 외부 반응 튜브(30) 및 내부 반응 튜브(40) 모두는 스테인리스 스틸(stainless steel)로 만들어질 수 있는 플랜지(8) 상에 지지될 수 있다. 웨이퍼 보트(26)는 플랜지(8) 내에 제공되는 중심 퍼니스 개구(10)를 통해 반응 챔버(2)에 들어가고, 그리고/또는 나갈 수 있다. 똑같이 많은 개수의 반도체 웨이퍼들(27)을 수용하기 위하여, 예를 들어, 50개 내지 150개 사이의, 복수의 슬롯들을 포함할 수 있는 웨이퍼 보트(26)는, 그 자체로 밀봉 캡(seal cap) 또는 도어 플레이트(12) 상에 탑재될 수 있는 (슬리브가 없는, sleeveless) 받침대(28) 상에 탑재될 수 있다. 받침대(28)는 도어 플레이트(12) 및 플랜지(8) 모두에 대해 열 보호막(heat shield)으로써 작용할 수 있고, 또한, 퍼니스(1)의 아래 부분을 통해 열 손실을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 웨이퍼 보트(26) 및 받침대(28)는 모터(motor) 수단(미도시)에 의해 회전 가능할 수 있다.

반응 챔버(2)가 기밀 방식으로(gas-tight manner) 밀봉되는 것을 보장하기 위하여, 다수의 탄성 중합체의(elastomeric) 오링들(14)이 퍼니스(1)의 아래 부분에, 구체적으로, 외부 반응 튜브(30)와 플랜지(8) 사이에, 그리고, 플랜지(8)와 도어 플레이트(12) 사이에 이용될 수 있다. 자주 또는 계속적으로 고온에 놓이는 경우에 탄성 중합체의 오링들과 다른 밀봉들의 신뢰성은 줄어들 수 있기 때문에, 퍼니스(1)의 아래 부분은, 바람직하게는 반응 챔버(2)의 중심 부분과 윗부분의 온도보다는 낮은 온도로 유지될 수 있다.

퍼니스(1)는 가스 주입부(4)를 더 포함할 수 있다. 가스 주입부(4)는 반응 챔버(2) 내에 배치될 수 있고, 웨이퍼 보트(26)의 높이 또는 축 방향 길이에 걸쳐 제공되는 복수의 가스 주입 홀들(holes)(6)을 포함할 수 있다. 가스 공급 도관(18)은 프로세스 가스들, 예를 들어, 전구체 가스 및/또는 퍼지 가스들이 가스 주입 홀들(6)로부터 반응 챔버(2) 내로 유입되는 것이 가능하도록, 가능하게는 플랜지(8)를 통해 가스 주입부(4)에 연결될 수 있다.

반응 챔버(2)로부터 가스를 방출하거나 배기하기 위하여, 가스 배기 도관(16)은 (도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이) 가능하게는 플랜지(8)를 통해 가스 통로(20)의 하단부 또는 하류 단부에 유동적으로 연결될 수 있다. 가스 배기 도관(16)의 하류 단부는 진공 펌프(24)의 흡입 측면(suction side)에 연결될 수 있다.

일반 동작 동안, 가스 주입부(4)의 홀들(6)로부터 반응 챔버(2) 내로 유입되는 가스는, 일반적으로 반응 챔버 내부에서 위쪽 방향으로 흐른다. 이것은 내부 반응 튜브(40)의 개방된 상단부에서 돌아서(turn around), 그 후에, 진공 펌프(24)에 연결된 가스 배기 도관(16)을 향하여, 외부 반응 튜브(30)와 내부 반응 튜브(40) 사이의 가스 통로(20)를 통해 아래 쪽으로 흐른다. 도 1에서, 이러한 가스 배기 경로는 참조 부호 21로 나타난다. 배기되는 동안에, 반응 가스 들이, 플랜지(8) 및 (도 1의 실시예에서 플래지(8)의 일 부분인) 가스 배기 도관(16)을 포함하는, 퍼니스(1)의 상대적으로 차가운 아래 부분을 통해 흐름에 따라, 반응 가스들은 퇴적물을 형성할 수 있다.

그 자체로, 가스 배기 경로(21)의 하류 단부에 인접한 부산물들의 퇴적은 반응 챔버(2)의 오염을 유발하지는 않는다. 그러나, 특정 조건들 하에서, 가스 배기 경로(21)의 하류 단부에 퇴적된 물질은 위로 회전할 수 있고, 가스 플로우들의 재순환에 의해 가스 통로(20)를 통해 반응 챔버(2) 내로 다시 이동될 수 있다. 예를 들어, 처리된 웨이퍼들(27)을 수용하는 하나의 웨이퍼 보트(26)를 반응 챔버(2)로부터 방출한 후에, 새로운 배치의 웨이퍼들(27)을 가진 또 다른 웨이퍼 보트가 반응 챔버(2) 내로 로딩될 때, 반응 챔버(2)는 대기압에 있을 수 있고, 진공 펌프(24)는 일시적으로 스위치 오프될 수 있다. 상대적으로 차가운 새로운 웨이퍼 보트(26)를 이와 유사하게 차가운 미처리된 웨이퍼들(27)과 함께 상대적으로 따뜻한 반응 챔버(2) 내로 도입하는 것은 반응 챔버 내에, 구체적으로, 외부 반응 튜브(40), 내부 반응 튜브(30) 및 웨이퍼 보트(26) 사이에 상당한 온도 구배들을 유발할 수 있다. 이러한 온도 구배들은 압력 구배들 및/또는 가스 밀도 구배들을 유도할 수 있고, 결과적으로, 내부 반응 튜브(30)에 걸쳐 대류성 플로우들을 구동할 수 있다. 이러한 플로우들은 배기 경로(21)의 하류 단부로부터 가스 통로(20)를 통해 다시 반응 챔버(2) 내로 입자 이동을 용이하게 할 수 있다. 이렇게 하여, 입자들은 웨이퍼들(27) 상에, 구체적으로, 새롭게 도입된 웨이퍼 보트(26)의 최상부 근처에 배치되는 것들 상에 머무를 수 있다.

이러한 퇴적물의 역류를 방지하기 위하여, 내부 반응 튜브(40)의 외벽(41) 및/또는 외부 반응 튜브(30)의 내벽(32)에 플로우 디플렉터(flow deflector)(50)가 제공될 수 있다. 플로우 디플렉터(50)는 반응 튜브들(30, 40)의 중심축(L)에 대해 일반적으로 방사(radial) 방향으로, 각 벽으로부터 가스 통로(20) 내로 돌출될 수 있다.

도 1의 열 퍼니스에서, 외부 반응 튜브(30)와 내부 반응 튜브(40)에는, 가스 통로(20) 내로 방사적으로 돌출되는 단일 고리 모양의(annular) 배플(52)의 형태로 플로우 디플렉터(50)가 제공된다. 플로우 디플렉터들(50)은 가스 통로(20)의 축 방향 길이의 대략 중간 지점에, 그리고, 그들과 벽들(32, 41) 사이에 이를 통해 가스가 통과할 수 있는 좁은 Z 형태의 간격을 정의하도록 서로 충분히 가깝게 제공된다. 플로우 디플렉터들(50)의 배플들(52)은 내부 반응 튜브(40)을 둥글게 둘러싸거나(encircle) 에워싸고(surround), 이에 따라, 그들은 중심축에 대한 가스 플로우의 각 위치(angular position)에 관계없이, 중심축(L)의 방향으로 가스 통로(20)를 통해 가스의 플로우를 필연적으로 차단한다.

도 1의 실시예에서 고리 모양의 배플들(52)은 내부 반응 튜브(40)를 둥글게 둘러싸는 것이 명백할 것이다. 그러나, 일부 더욱 정교한 플로우 디플렉터 실시예들에 대한 목적으로, 후술하는 내용이 고려된다. 플로우 디플렉터가 (적어도 한번) 내부 반응 튜브(40)를 둥글게 둘러싸는지 여부는, 중심축(L)의 방향으로 이중 튜브 구조(30, 40)를 관찰함으로써 가장 잘 판단될 수 있다. 이러한 축 방향 관찰에서, 내부 튜브(40)를 둥글게 둘러싸는 플로우 디플렉터는 일반적으로 알아볼 수 있을 것이고, 축(L) 둘레에서 360°의 각도를 통해 연장되는 것으로 보일 것이다. 이런 이유로, 내부 튜브(40)를 둥글게 둘러싸기 위해서, 플로우 디플렉터는, 도 1의 배플들(52)과 같이 단일 축 방향 위치에서 그 튜브 둘레에서 연장될 필요가 없다. 마찬가지로, 플로우 디플렉터가 단일 부분(single part)으로 구성될 필요도 없다. 도 2 및 도 3을 참조하여 예시될 바와 같이, 플로우 디플렉터는 서로 다른 축 방향 위치들에서 제공될 수 있는 다양한 부분들, 예를 들어, 배플들로 구성될 수 있고, 방금 정의된 의미에서 볼 때, 다양한 부분들은 함께 내부 튜브(40)를 둥글게 둘러싼다.

역류의 효율적인 차단을 보장하기 위하여, 플로우 디플렉터(50)는 바람직하게는 가스 통로(20) 내로 충분히 멀리 돌출될 수 있다. 정확하게는 '충분히 멀리'의 의미는 구체적으로, 가스 통로(20)의 (국부적인) 너비, 즉, 외부 반응 튜브(30)의 내벽(32)과 내부 반응 튜브(40)의 외벽(41) 사이의 (국부적인) 거리에 따라 다를 수 있다. 일반적으로, 플로우 디플렉터(50)는 바람직하게는 벽으로부터 방사적으로 돌출될 수 있는데, 이것은 벽에서 가스 통로(20)의 국부적인 너비의 적어도 75%의 방사 거리(radial distance)를 넘어 제공된다. 예를 들어, 외부 반응 튜브(30) 및 내부 반응 튜브(40)가 중심축(L)을 따라 25 밀리미터의 균일한 너비를 가지는 원통형 재킷 형태의(cylinder jacket-shaped) 가스 통로(20)를 정의하는 경우, 플로우 디플렉터(50)는 바람직하게는 가스 통로(20) 내로 적어도 19 밀리미터(즉, 0.75*25 mm)의 방사 거리를 연장될 수 있다. 내부 반응 튜브(40)가 축을 다소 벗어나서, 예를 들어, 5 mm만큼 벗어나서 배치되고, 이에 따라, 가스 통로(20)의 너비가 접선 방향으로 20 내지 30 mm 사이로 변하는 경우, 플로우 디플렉터(50)가 가스 통로(20) 내로 돌출되는 거리는 이에 대응하도록, 예를 들어, 15 내지 23 mm 사이로 변할 수 있다.

일반적으로 외부 반응 튜브(30) 및 내부 반응 튜브(40)는 개별적으로 제조되고, 퍼니스(1)의 이중 튜브 구조를 형성하도록 이후 단계에서 조립된다. 이러한 조립체(assembly)를 가능하게 하기 위하여, 내부 반응 튜브(40)가 외부 반응 튜브(30) 내로 조심스럽게 이동하는 동안, 두 구성 요소들 사이에 적어도 수 밀리미터의 간격(clearance)이 바람직하다. 이러한 간격은 바람직하게는 적어도 2 밀리미터일 수 있고, 또한, 더욱 바람직하게는 2 내지 8 밀리미터의 범위에 있을 수 있다. 따라서, 플로우 디플렉터는 바람직하게는 벽으로부터 방사적으로 돌출될 수 있는데, 이것은 가스 통로(20)의 국부적인 너비에서 적어도 2 밀리미터, 또는 바람직하게는 원하는 간격에 따라서 2 내지 8 밀리미터를 뺀 값보다 크지 않는 방사 거리를 넘어서 벽 상에서 제공될 수 있다.

상술된 바와 같이, 플로우 디플렉터는 외부 반응 튜브(30) 및/또는 내부 반응 튜브(40)의 벽들(32, 41) 상에 제공될 수 있는 다수의 배플들을 포함할 수 있다. 이하에서는, 이러한 플로우 디플렉터(50)의 여러 실시예들이 도 2 및 도 3을 참조하여 더욱 자세히 설명될 것이다. 도 2 및 도 3에 도시된 실시예들에서, 플로우 디플렉터(50)의 배플들(52)은, 따로 도시되는 라이너(40)의 외벽(41) 상에 제공된다는 점을 미리 고려하여야 한다. 그러나, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 배플들의 유사한 패턴들이 대안적으로, 또는 부가적으로, 외부 반응 튜브(30)의 내벽(32) 상에 제공될 수도 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

도 2는 라이너(40)의 두 가지 실시예들을 개략적으로 나타낸다. 각 실시예는 서로 다른 축 방향 위치들에서 라이너의 외벽(41)으로부터 방사적으로 돌출되어 외벽(41)을 따라 실질적으로 접선으로 연장되는 복수의 동일한 배플들(52)을 포함하는 플로우 디플렉터(50)가 특징이다. 두 실시예들은 많은 특징들을 공통으로 가진다.

두 실시예들에서, 각각의 배플들(52)은 중심축(L)에 대해 대략적으로 35 도의 각도(α)를 통해(through) 라이너(40)의 외벽(41)을 따라 접선으로 연장한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 적어도 일부의 배플들(52)에 의해 대해진(subtended) 각도(α)는 35도보다 작거나 클 수 있고, 예를 들어, 10 내지 90도의 범위에 있을 수 있다는 점은 고려되어야 한다. 더욱이, 두 실시예들에서 배플들(52)이 실질적으로 접선으로 연장되는데, 이는 그들이 축 방향(L)으로 연장하지 않거나, 적어도 상당히 축 방향(L)으로 연장하지 않는 것을 의미한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 하나 또는 그 이상의 배플들(52)은 접선 및 축 성분들 모두를 가지는 방향으로 외벽(41)을 따라 연장될 수 있다(도 3에 도시된 실시예들과 비교한다).

도 2의 실시예들 중 어느 쪽이든, 배플들(52)은 이산(discrete) 개수의 (6개의) 같은 거리로 떨어져 있는 축 방향 위치들에 배치되고, 라이너(40)의 축 방향 길이 또는 높이 전역에 퍼진다. 결과적으로, 도 1에 도시된 바와 유사하게, 라이너(40)가 열 퍼니스(1) 내에 일체화될(incorporate) 때에, 플로우 디플렉터(50)는 가스 통로(20)의 길이에 걸쳐 대략적으로 균일하게 분포할 것이고, 이에 따라, 적어도 이것은 그 전체 길이를 함께 커버하는, 가스 통로(20)의 세 개의 동일한 길이의 축 방향으로 연장되는 부분들(예를 들어, 도시된 방향에서: 가스 통로(20)의 바닥 부분, 중간 부분 및 맨 위 부분)에서 연장된다.

도 2의 실시예들에서 각각의 축 방향 위치들은, 한 시리즈(series)의 같은 개수의, 도 2a 및 도 2b의 실시예들에 대해 각각 6개 및 3개인, 같은 거리로 접선으로 떨어져 있는 배플들(52)을 특징으로 한다. 그리하여, 서로 다른 축 방향 위치들에 있는 배플들(52)의 구조는 동일하고, 특정 축 방향 위치에 있는 한 시리즈의 배플들이 인접한 축 방향 위치에 있는 한 시리즈의 배플들에 대해 언제나 순환적으로(rotationally) 오프셋(offset)된다. 서로 다른 축 방향 위치들에 있는 한 시리즈의 배플들(52)은 서로에 대해 순환적으로 오프셋되고, 또한, 축 방향(L)으로 보면, 플로우 디플렉터(50) -즉, 함께(in conjunction) 고려되는 모든 배플들(52)-은 라이너(40)를 완전히 둥글게 둘러싸는 이러한 방식으로 (축 방향(L)에서 보면) 서로 부분적으로 오버랩될 수 있다. 사실상, 그들은 한번 이상으로 라이너(40)를 둥글레 둘러싸는 것으로 여겨질 수 있다. 도 2의 실시예에서는, 두 (축 방향으로) 인접한 배플들(52)의 시리즈 각각은 함께 라이너(40)를 둘러싸는 반면, 도 3의 실시예에서는, 네 개의 인접한 축 방향 위치들의 각 세트에서 배플들(52)은 하나의 전체 포위(one full encirclement)를 차지한다(account for).

플로우 디플렉터(50)가 한번 이상 라이너(40)를 둘러싸도록 설계된다는 사실로 인하여, 라이너(40)의 외벽(41)을 따라 축 방향(L)으로 이동하는 가스 플로우는, 플로우 디플렉터(50)의 서로 다른 배플들(52)에 의해 여러 번 차단될 수 있다. 더욱이, 플로우 디플렉터(50)는 라이너(40)의 축 방향에 걸쳐 대략적으로 균일하게 분포되기 때문에, 배플들(52)이 없고, 그로 인해, 상대적으로 강한 역류들의 발달(development)을 용이하게 할 수 있는, 외벽(41)의 축 방향으로 연장되는 특정 부분은 없다. 대신에, 플로우 디플렉터(50)는, 퇴적물을 이동할 수 있는, 축 방향으로 향하는 발달 플로우들을 산포시키는(scatter) 플로우 브레이킹(breaking)/디플렉팅(deflecting) 배플들(52)로 이루어진 상당한 미로로(somewhat of a maze) 여겨질 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 라이너(40)의 또 다른 두 개에 예시적인 실시예들을 개략적으로 나타낸다. 도시된 두 개의 라이너들(40)은, 중심축(L) 둘레에서 라이너의 외벽(41)을 따라 나선형으로 연장되는 다수의 배플들(52)을 포함하는 플로우 디플렉터(50)를 특징으로 한다. 배플들(52)의 각각은 실질적으로 라이너(40)의 전체 축 방향 길이를 따라 연장되고, 그로써, 도 1에 도시된 바와 같이, 라이너(40)가 열 퍼니스 내로 일체화될 때, 플로우 디플렉터(50)가 그 전체 길이를 함께 커버하는, 가스 통로(20)의 세 개의 동일한 길이의 축 방향으로 연장되는 부분들 모두에서 연장되는 것을 보장한다.

도 3a의 실시예에서 라이너(40)는 네 개의 배플들(52)을 포함하는 반면, 도 3b의 실시예에서 라이너는 두 개의 배플들만을 포함한다. 두 실시예들에서 배플들(52)은, 중심축(L) 방향으로 보면, 플로우 디플렉터(50)가 라이너(40)를 둘러싸도록 배열된다. 또한, 배플들(52)의 개수는 두 실시예들에서 중심축의 방향으로 보면, 중심축(L)에 대해 단일 배플(52)에 의해 대해진 각도(α)에 관련된다. 예를 들어, 도 3a의 네 개의 배플에 대한 실시예에서, 각 배플(52)은 (360/4=) 90도의 각도(α)를 대하는 반면, 도 3b의 두 개의 배플에 대한 실시예에서, 각 배플은 (360/2=) 180도의 각도(α)를 대한다. 일반적으로, 나선형으로 연장되는 n개의 복수의 배플들(52)로서 각 배플은 중심축(L)에 대해 적어도 360/n도의 각도를 대하는 복수의 배플들(52)을 포함하는 플로우 디플렉터(50)는 역류 방지에 상당히 효과적인 것으로 나타난다. 또한, 이것들은 경제적으로 제조될 수 있는데, 이는 구체적으로, 제공될 것으로 요구되는 배플들의 개수(n)가 상대적으로 작을 수 있고, 예를 들어, 4개 또는 그 보다 작을 수 있기 때문이다.

역류 방지의 관점에서, 상대적으로 많은 개수의 배플들(52)을 가지는 플로우 디플렉터(50)를 구성해서 사용하는 것을 시도할 수 있다. 그러나, 많은 개수의 배플들(52)은 배기 경로(21)를 따라 플로우 저항의 증가를 의미할 수 있고, 이것은 결과적으로 열 처리 퍼니스(1)의 진공 펌프(24) 상에 놓인 부담(demands)을 증가시킬 수 있다. 수치 시뮬레이션들(numerical simulations)은, 도 3에 도시된 바와 같이(즉, 네 개까지, 그리고, 네 개의 배플들을 포함하는) 나선형으로 연장되는 보통 개수의 배플들(52)의 존재로 인해 야기되는 플로우 저항의 증가는, 상대적으로 작고, 대부분의 어플리케이션들(applications)에 대해 사실상 영향을 미치지 않는다는 점을 보여주었다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 부분적으로는 첨부된 도면들을 참조하여 상술되었으나, 본 발명은 이러한 실시예들에 제한되는 것은 아니라는 점을 이해해야 한다. 클레임된(claimed) 발명을 실시하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 도면들, 상세한 설명과 첨부된 청구항들에 대한 연구를 통해, 개시된 실시예들에 대한 변형들을 이해할 수 있고, 달성할(effect) 수 있다. 본 명세서 전체에 걸쳐서 "일 실시예" 또는 "하나의 실시예"에 대한 참조는, 실시예에 관련되어 기술된 특정한 기술적 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 점을 의미한다. 그러므로, 본 명세서 전체에 걸쳐서 여러 곳에서 "일 실시예에서" 또는 "하나의 실시예에서"라는 표현의 등장은 반드시 모든 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 더욱이, 하나 또는 그 이상의 실시예들의 특정한 기술적 특징, 구조 또는 특성은, 명백하게 기재되지 않은 새로운 실시예들을 형성하기 위하여 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다.

1: 열 처리 퍼니스/리액터
2: 반응 챔버
4: 가스 주입부
6: 가스 주입 홀들
8: 플랜지
10: 중심 퍼니스 개구
12: 도어 플레이트
14: 오링
16: 가스 배기 도관
18: 가스 동급 도관
20: 가스 통로
21: 가스 배기 경로
22: 가열 코일
24: 진공 펌프
26: 웨이퍼 보트
27: 기판/웨이퍼
28: 받침대
30: 외부 반응 튜브
31: 외부 반응 튜브의 외벽
32: 외부 반응 튜브의 내벽
40: 내부 반응 튜브/라이너
41: 내부 반응 튜브의 외벽
42: 내부 반응 튜브의 내벽
50: 플로우 디플렉터
52: 플로우 디플렉터의 배플
L: 내부 반응 튜브와 외부 반응 튜브 모두의 중심축
n: 플로우 디플렉터의 배플들의 개수
α: 플로우 디플렉터의 배플에 대해진 각도

Claims (17)

1. 중심축(L)을 가지는, 일반적으로 벨 자 형태(bell jar-shaped)의 외부 반응 튜브(tube); 및
   복수의 기판들을 수용하는 웨이퍼 보트(wafer boat)를 수용하는, 개방 단부형(open-ended) 내부 반응 튜브로서, 상기 내부 반응 튜브는 상기 외부 반응 튜브 내에 실질적으로 공통 축을 가지고 배치되며, 그로써, 상기 내부 반응 튜브의 외벽과 상기 외부 반응 튜브의 내벽 사이에 가스 통로를 정의하는 상기 내부 반응 튜브를 포함하고,
   상기 내부 반응 튜브의 상기 외벽 및 상기 외부 반응 튜브의 상기 내벽 중 적어도 하나는, 상기 각 벽에서 상기 가스 통로 내로 방사적으로 돌출되는 플로우 디플렉터(flow deflector)가 제공되는 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스(furnace).
2. 제1항에 있어서,
   -상기 중심축(L)의 방향으로 보면- 상기 플로우 디플렉터는 상기 내부 반응 튜브를 둘러싸고(encircle), 이에 따라, 상기 중심축 방향으로 상기 가스 통로를 통한 가스의 플로우는 상기 플로우 디플렉터에 의해 적어도 한번 차단되는(obstructed) 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스.
3. 제1항에 있어서,
   상기 플로우 디플렉터는 상기 가스 통로의 국부적인 너비의 적어도 75%의 거리를 넘어서 상기 각 벽으로부터 방사적으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스.
4. 제3항에 있어서,
   상기 플로우 디플렉터는 상기 가스 통로의 국부적인 너비에서 2 밀리미터, 그리고 바람직하게는 2 내지 8 밀리미터의 간격을 뺀 값보다 크지 않는 거리를 넘어서 상기 각 벽으로부터 방사적으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스.
5. 제1항에 있어서,
   상기 플로우 디플렉터는 그 전체 길이를 함께 커버하는(cover), 상기 가스 통로의 세 개의 동일한 길이의 축 방향으로 연장되는 부분들 모두에서 연장되는 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 플로우 디플렉터는 적어도 하나의 배플(baffle)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스.
7. 제6항에 있어서,
   상기 플로우 디플렉터는 실질적으로 접선으로 연장되는 복수의 배플들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스.
8. 제7항에 있어서,
   상기 실질적으로 접선으로 연장되는 배플들은 적어도 두 배플들의 시리즈(series)로 배열되는데, 같은 시리즈의 배플들은 같은 축 방향 위치에서 연장되며, 적어도 두 개의 시리즈의 배플들은 서로 다른 축 방향 위치들에서 제공되는 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스.
9. 제6항에 있어서,
   상기 플로우 디플렉터는 상기 중심축(L)에 대해 나선형으로(helically) 연장되는 적어도 하나의 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스.
10. 제9항에 있어서,
    상기 플로우 디플렉터는 상기 중심축(L)에 대해 나선형으로 연장되는 n개의 복수의 배플들을 포함하고, -상기 중심축의 방향으로 보면- 상기 복수의 배플들의 각각은 적어도 (360/n) 도의 각도를 대하는(subtend) 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스.
11. 중심축(L)을 가지는, 일반적으로 튜브 모양의(tubular) 벽을 포함하고,
    상기 튜브 모양의 벽은 그것으로부터 바깥 쪽으로 방사적으로 돌출되는 플로우 디플렉터가 제공되는 것을 특징으로 하는 열 처리 퍼니스에 이용되는 내부 반응 튜브.
12. 제11항에 있어서,
    -상기 중심축(L)의 방향으로 보면- 상기 플로우 디플렉터는 상기 내부 반응 튜브를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 내부 반응 튜브.
13. 제11항에 있어서,
    상기 플로우 디플렉터는 그 전체 길이를 함께 커버하는, 상기 내부 반응 튜브의 세 개의 동일한 길이의 축 방향으로 연장되는 부분들 모두로부터 돌출되는 것을 특징으로 하는 내부 반응 튜브.
14. 제11항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 플로우 디플렉터는 실질적으로 접선으로 연장되는 적어도 하나의 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 반응 튜브.
15. 제14항에 있어서,
    상기 플로우 디플렉터는 적어도 두 배플들의 시리즈로 배열되는, 실질적으로 접선으로 연장되는 복수의 배플들을 포함하는데, 같은 시리즈의 배플들은 같은 축 방향 위치에서 연장되며, 적어도 두 개의 시리즈의 배플들은 서로 다른 축 방향 위치들에서 제공되는 것을 특징으로 하는 내부 반응 튜브.
16. 제11항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 플로우 디플렉터는 상기 중심축에 대해 나선형으로 연장되는 적어도 하나의 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 반응 튜브.
17. 제16항에 있어서,
    상기 플로우 디플렉터는 상기 중심축(L)에 대해 나선형으로 연장되는 n개의 복수의 배플들을 포함하고, -상기 중심축의 방향으로 보면- 상기 복수의 배플들의 각각은 적어도 (360/n) 도의 각도를 대하는 것을 특징으로 하는 내부 반응 튜브.

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