KR20130087933A - 광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치 - Google Patents

광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치 Download PDF

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Abstract

광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치가 개시된다. 개시된 온도측정유닛은 발열체의 광복사를 수신하는 수신단을 갖는 수신부와, 수신부에서 수신단을 제외한 나머지 부분을 덮는 케이스부를 포함하며, 수신부의 수신단의 길이방향에 수직한 단면적은 끝단으로 갈수록 작아진다.

Description

광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치{Optical pyrometry and apparatus for processing semiconductor by employing the same}
본 개시는 광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수신부의 구조를 개선한 광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치에 관한 것이다.
반도체처리장치에 있어서, 반도체 처리는 통상적으로 열적 처리를 수반한다. 예를 들어, 화학기상증착장치에 있어서 유기화합물의 에피텍셜 성장은 열적 화학반응이다. 이러한 열적 처리에 있어서, 장치적으로 정확한 온도의 측정과 제어는 우수하고 신뢰성이 있는 막형성에 있어서 필수적이다.
이러한 반도체처리장치에 있어서 온도를 측정하는 장치로 열원(가령, 가열된 웨이퍼나 웨이퍼의 지지대)으로부터 복사되는 광으로부터 온도를 측정하는 광학식 온도측정유닛(optical pyrometer)이 사용된다.
수신부의 오염을 저감시키는 구조의 광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치를 제시하고자 한다.
본 발명의 한 측면에 따르는 광학식 온도측정유닛은 반도체처리장치용 온도측정유닛으로서, 발열체의 광복사를 수신하는 수신단을 갖는 수신부와; 상기 수신부에서 상기 수신부의 수신단을 제외한 나머지 부분을 덮는 케이스부;를 포함하며, 상기 수신부의 수신단의 길이방향에 수직한 단면적은 끝단으로 갈수록 작아진다.
상기 수신부의 수신단은 반구 형상, 테이퍼 형상, 원뿔 형상, 원뿔대 형상, 다각뿔 형상, 다각뿔대 형상 중 어느 한 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 광학식 온도측정유닛은 상기 수신부와 상기 케이스 사이에 퍼지가스를 주입하는 퍼지가스 주입부를 더 포함할 수 있다.
상기 퍼지가스 주입주를 통해 주입되는 퍼지가스의 유량은 상기 수신부의 수신단에서 발생되는 와류가 최대가 되는 값일 수 있다.
상기 수신부는 광을 전송하는 광 파이프일 수 있다.
상기 수신부는 투명 재질로 형성될 수 있다.
상기 케이스부의 끝단은 상기 수신부의 수신단은 끝단에 대해 돌출되어 있을 수 있다.
상기 수신부의 수신단은 끝단은 발열체에 인접하게 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 반도체처리장치는, 반도체 처리용 기판이 수용되는 챔버; 상기 챔버 내부를 가열하기 위한 가열유닛; 및 상기 챔버 내의 온도를 검출하는 온도측정유닛;을 포함하며, 상기 온도측정유닛은 발열체의 광복사를 수신하는 수신단을 갖는 수신부와, 상기 수신부에서 상기 수신부의 수신단을 제외한 나머지 부분을 덮는 케이스부를 포함하며, 상기 수신부의 수신단의 길이방향에 수직한 단면적은 끝단으로 갈수록 작아진다.
상기 챔버 내에서 상기 기판을 지지하며 상기 가열유닛에 의해 가열되는 지지대를 더 포함하며, 상기 수신부의 수신단은 상기 지지대에 인접하게 배치될 수 있다. 이때, 지지대는 상기 기판을 지지하는 서셉터일 수 있다.
개시된 실시예에 의한 광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치는 오염에 의한 온도 측정오차를 감소시켜 온도측정 신뢰도를 향상시키고, 온도측정유닛의 수신부의 교체주기를 연장하여 유지 관리 비용을 절감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도측정유닛의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 온도측정유닛에서 수신부의 수신단 구조의 일례를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 온도측정유닛에서 수신부의 수신단 구조의 다른 예들을 도시한다.
도 4는 본 실시예에서의 온도측정유닛에서 퍼지가스의 흐름을 도시한다.
도 5는 비교예에서의 온도측정유닛에서 퍼지가스의 흐름을 도시한다.
도 6은 본 실시예의 온도측정유닛과 비교예에서의 온도측정유닛에서의 오염량을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1의 온도측정유닛이 채용되는 반도체처리장치를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도측정유닛(100)의 개략적인 단면도이며, 도 2는 본 실시예의 온도측정유닛(100)에서 수신부(110)의 수신단(110a) 구조의 일례를 도시한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 온도측정유닛(100)은 발열체에서 복사되는 광을 수신하는 수신부(110), 수신부(110)를 보호하는 케이스부(120), 및 수신부(110)와 케이스부(120)를 결합하는 하우징(130)을 포함한다. 수신부(110)는 투명 재질로 형성되며, 일례로 광 파이프(light pipe)일 수 있다. 수신부(110)의 일단는 광이 수신되는 수신단(110a)이 되며, 수신부(110)의 타단은 수광소자(미도시)에 연결된다. 케이스부(120)는 중공을 갖는 길다란 파이프 형상을 지닐 수 있다. 케이스부(120)의 끝단은 수신부(110)의 수신단(110a)보다 약간 돌출될 수 있다. 참조번호 140은 수신부(110)의 타단을 광검출장치(미도시)에 연결하는 광섬유 케이블이 끼워지는 페릴 어셈블리를 가르킨다. 경우에 따라서는 수신부(110)의 타단에 직접 수광소자가 부착될 수도 있다.
수신부(110)와 케이스부(120) 사이의 공간으로 퍼지가스(Purge Gase)를 주입하는 퍼지가스 주입부(150)가 마련될 수 있다. 퍼지가스 주입부(150)는 미도시된 퍼지가스 공급원과 연결된다. 퍼스가스는 불활성 가스나 그밖에 질소와 같은 화학적 반응을 실질적으로 하지 않는 비반응성 가스일 수 있다. 퍼지가스는 수신부(110)와 케이스부(120) 사이의 공간으로 주입되어 수신부(110)의 끝단(110a)쪽으로 방출된다. 이러한 퍼지가스는 챔버 내부에 채워지는 반응성 가스와 수신부(110)의 접촉을 억제하여 퍼지가스에 의한 수신부(110)의 오염을 방지한다.
도 2를 참조하면, 수신부(110)의 수신단(110a)는 반구 형상을 지닐 수 있다. 이와 같이 수신단(110a)이 반구 형상을 지님에 따라, 수신부(110)와 케이스부(120) 사이의 틈으로 방출되는 퍼지가스에 와류가 효율적으로 발생하여, 퍼지가스가 수신부(110)의 수신단(110a)을 효과적으로 덮을 수 있게 된다. 퍼지가스가 수신단(110a)을 덮게 되면, 온도측정유닛(100)이 사용되는 반도체처리장치의 챔버 내부에서 반응가스가 수신부(110)의 수신단(110a)을 오염시키는 등의 악영향을 방지하게 된다.
본 실시예에서의 수신단(110a)의 반구 형상은 길이방향에 수직한 단면적이 끝단으로 갈수록 작아지는 형상의 일례이며, 본 발명을 한정하지는 않는다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이 수신부(110′)의 끝단, 즉 수신단(110′a)이 원뿔 형상이나 다각뿔 형상을 지닐 수도 있다. 또는 도 3b에 도시된 바와 같이 수신부(110″)의 끝단, 즉 수신단(110″a)이 원뿔대 형상이나 다각뿔대 형상을 지닐 수도 있다. 도 3b에 도시된 형상은 수신단(110″a)이 상면이 편평한 원뿔대 형상 또는 다각뿔대 형상인 경우를 도시하고 있으나, 원뿔때 또는 다각뿔대의 상면이 원구형상을 가지는 변형예도 가능할 것이다. 그밖에 수신부의 수신단은 끝쪽이 점차 가늘어지는 테이퍼 형상일 수 있다.
도 4는 본 실시예에서의 온도측정유닛(100)에서 퍼지가스의 흐름을 도시하며, 도 5는 비교예에서의 온도측정유닛에서 퍼지가스의 흐름을 도시한다.
먼저 도 4를 참조하면, 본 실시예의 온도측정유닛(100)은 수신부(110)의 수신단(110a)은 반구 형상을 갖는다. 따라서, 수신부(110)와 케이스부(120) 사이의 틈을 통해 방출되는 퍼지가스는 직진하는 흐름(F1) 외에도, 수신단(110a)의 반구 형상에 기인하여 수신단(110a)의 인접한 영역(A)에서 발생하는 와류(F2)가 있게 된다. 이러한 퍼지가스의 와류(F2)는 수신단(110a)의 인접한 영역(A)을 퍼지가스에 의한 단힌 계로 만들어 수신단(110a)이 수신부(110)가 놓여진 공간(가령, 챔버 내부)에 채워진 반응가스에 의해 오염되는 것을 방지한다. 또한, 온도측정유닛(100)이 사용되는 반도체처리장치는 수백도 이상의 고온에서 열적 화학반응을 일으키는바, 수신단(110a)의 온도 상승을 억제함으로써 수신단(110a)에서의 반응가스에 의한 오염을 억제할 수 있다. 즉, 본 실시예의 온도측정유닛(100)은 퍼지가스가 수신부(110)의 수신단(110a)이 고온으로 가열된 반응가스에 접촉되는 것을 방지하여 수신단(110a)의 온도 상승을 억제함으로써 수신단(110a)에서의 반응가스에 의한 오염을 억제할 수 있게 된다.
도 5를 참조하면, 비교예의 온도측정유닛은 수신부(310)의 끝단, 즉 수신단(310a)이 평평한 면을 갖는다. 이 경우, 수신부(310)와 케이스부(120) 사이의 틈을 통해 방출되는 퍼지가스의 흐름(F3)은 직진하는 경향성을 강하게 갖는다. 이 결과, 퍼지가스는 발열체(S)의 수신단(310a)에 인접하여 위치한 영역(B)에서 부딪혀 되돌아 수신단(310a)쪽으로 향하는 흐름을 갖게 된다. 이러한 퍼지가스의 흐름 과정에서, 퍼지가스는 수신부(310)가 놓여진 공간(가령, 챔버 내부)에 채워진 반응가스의 일부와 혼합하게 되어 수신부(310)의 수신단(310a)이 반응가스에 의해 오염되는 원인이 된다. 또한, 퍼지가스가 고온으로 가열된 반응가스와 혼합됨에 따라, 수신단(310a)이 고온으로 가열되고 이에 따라 반응가스에 의한 오염이 더욱 활발해지게 된다.
도 6은 본 실시예의 온도측정유닛(100)과 비교예에서의 온도측정유닛에서의 오염량을 나타낸 그래프이다. 반응가스는 유기화학증착장치에서 흔히 사용되는 TMGa(trimethyl-Ga)이다. 도 6을 참조하면, 주입되는 퍼지가스의 유량에 따라 수신단에 쌓이는 TMGa의 농도, 즉 오염량이 달라진다. 즉, 비교예의 온도측정유닛에서의 오염량은 퍼지가스의 유량이 증가함에 따라 TMGa의 오염량이 증가하는 경향을 보인다. 한편, 본 실시예의 온도측정유닛(100)에서의 오염량은 퍼지가스의 유량이 0.5 SLM에서 최소값을 가지며, 전체적으로 비교예의 온도측정유닛에서의 오염량보다 대폭 작음을 볼 수 있다. 본 실시예에 있어서 오염량이 최소가 되는 퍼지가스의 유량은 수신단(도 2의 110a)에서의 와류 형성이 최대가 되는 유량으로 이해될 수 있다.
도 7은 도 1의 온도측정유닛이 채용되는 반도체처리장치를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도측정유닛(100)이 채용되는 반도체처리장치(200)로서 화학기상증착장치를 개략적으로 도시한다. 도 7을 참조하면, 본 실시예의 반도체처리장치(200)는 웨이퍼를 수용하는 챔버(210)와, 상기 챔버(210)의 내부를 가열하는 가열유닛(220), 상기 챔버(210) 내의 온도를 측정하는 온도측정유닛(100)을 포함한다. 챔버(210)의 내부에는 웨이퍼가 안착되는 서셉터(230) 및 반응가스 주입부(250)의 노즐(255)이 위치한다. 또한, 온도측정유닛(100)의 수신부(110)의 끝단(즉, 수신단(도 1의 110a 참조))이 챔버(210) 내에서 서셉터(230)에 인접하게 배치된다. 예를 들어, 온도측정유닛(100)은 챔버(210)의 하부에 위치하며, 온도측정유닛(100)의 수신부(110)는 챔버(210)의 하부로부터 관통되어 수신부(110)의 끝단이 서셉터(230)의 배면에 인접하도록 배치될 수 있다. 이러한 온도측정유닛(100)은 가열유닛(220)에 의해 가열되는 서셉터(230)의 온도를 측정한다. 전술한 바와 같이 수신부(110)의 수신단(110a)은 반응가스(G2)에 의한 오염을 방지하기 위하여 반구 형상, 테이퍼 형상, 원뿔 형상, 원뿔대 형상, 다각뿔 형상, 또는 다각뿔대 형상을 가질 수 있다. 또한, 수신부(110)의 수신단(110a)의 오염을 방지하기 위하여 챔버(210) 내에서 증착 공정이 진행되는 동안에는 퍼지가스(G1)가 온도측정유닛(100) 내로 주입된다.
챔버(210)는 증착 공정시 밀폐되며, 피증착체를 교환하기 위하여 열릴 수 있다.
서셉터(230)의 상면에는 복수의 포켓(231)이 마련된다. 포켓(231) 각각은 서셉터(230)의 상면에서 소정 깊이로 오목하게 들어간 홈부(recess)이다. 이러한 포켓(231)에는 원판형의 새털라이트 디스크(232)가 수용된다. 새털라이트 디스크(232)에는 피증착체인 웨이퍼가 놓여진다. 서셉터(230)는 균일한 증착을 위해 모터(260)에 의해 서셉터(230)를 지지하는 지지부 어셈블리(240)가 회전시킴에 따라, 회전될 수 있다. 서셉터(230)와 서셉터(230)를 지지하는 지지부 어셈블리(240)의 내부에는 복수의 포켓(231)에 유동가스(G3)를 공급하는 가스 유로(235, 245)가 형성될 수 있다. 포켓(231)에 안착된 새털라이트 디스크(232)는 유동가스(G3)에 의한 쿠션 작용으로 새털라이트 디스크(232)의 회전시 새털라이트 디스크(232)와 포켓(231)의 바닥과의 마찰력은 무시될 수 있을 정도로 작아질 수 있다.
가열유닛(220)은 서셉터(230)의 배면에 배치되어 서셉터(230)를 소정의 온도로 가열한다. 일 예로, GaN계 성장층을 형성하는 경우, 가열유닛(220)은 서셉터(210)를 700500~231500°C 정도로 가열할 수 있다. 가열유닛(220)은 고주파 전류가 인가되는 코일일 수 있으며, 이 경우 서셉터(230)는 유도 가열 방식으로 가열될 수 있다. 다른 예로, 가열유닛(220)은 저항 발열하는 도선일 수 있다.
반응가스 주입부(250)는 피증착체에 증착시키고자 하는 소스 가스(source gas)와 캐리어 가스(carrier gas)를 포함하는 반응가스(G2)를 공급하는 장치이다. 반응가스 주입부(250)의 노즐(255)은 챔버(210) 내부에 노출되어 반응가스(G2)를 방출한다.
가스 배출부(270)는 챔버(210) 내의 퍼지가스(G1), 반응가스(G2), 및 유동가스(G3)를 포함하는 배기가스(G4)를 배출시킨다.
고온으로 가열된 서셉터(230)에 의해 피증착체는 고온을 유지하며, 피증착체의 상부면은 반응가스(G2)와 맞닿아 화학적 증착 반응을 하게 된다. 이와 같은 화학적 증착 반응에 의하여, 웨이퍼와 같은 피증착체에는 GaN계 화합물과 같은 소정의 물질이 결정성장된다. 화학기상증착장치는 열적 화학반응을 통해 유기화합물을 결정 성장시키므로, 우수하고 신뢰성이 있는 박막을 형성하기 위해서는 장치적으로 정확한 온도측정과 제어가 필요하다. 본 실시예의 반도체처리장치(200)는 온도측정유닛(100)의 수신부(110)의 구조를 개선함으로써 반응가스(G2)에 의한 수신부(110)의 오염을 방지하고, 장치적으로 정확한 온도측정과 제어가 우수하고 신뢰성 있는 박막을 형성할 수 있다.
전술한 본 발명인 광학식 온도측정유닛 및 이를 채용한 반도체처리장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 온도측정유닛 110, 110′, 110″ : 수신부
110a, 110′a, 110″a : 수신단 120 : 케이스부
130 : 하우징 140 :
150 : 퍼지가스 주입부 200 : 반도체처리장치
210 : 챔버 220 : 가열유닛
230 : 서셉터 240 : 지지대 어셈블리
250 : 반응가스 주입부 260 : 모터
270 : 배기가수 배출부

Claims (12)

  1. 발열체의 광복사를 수신하는 수신단을 갖는 수신부와;
    상기 수신부에서 상기 수신부의 수신단을 제외한 나머지 부분을 덮는 케이스부;를 포함하며,
    상기 수신부의 수신단의 길이방향에 수직한 단면적은 끝단으로 갈수록 작아지는 반도체처리장치용 광학식 온도측정유닛.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수신부의 수신단은 반구 형상, 테이퍼 형상, 원뿔 형상, 원뿔대 형상, 다각뿔 형상, 다각뿔대 형상 중 어느 한 형상을 갖는 온도측정유닛
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 수신부와 상기 케이스 사이에 퍼지가스를 주입하는 퍼지가스 주입부를 더 포함하는 온도측정유닛
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 퍼지가스 주입주를 통해 주입되는 퍼지가스의 유량은 상기 수신부의 수신단에서 발생되는 와류가 최대가 되는 값인 온도측정유닛
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 수신부는 광을 전송하는 광 파이프인 온도측정유닛
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 수신부는 투명 재질로 형성된 온도측정유닛
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 케이스부의 끝단은 상기 수신부의 수신단은 끝단에 대해 돌출되어 있는 온도측정유닛
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 수신부의 수신단은 끝단은 발열체에 인접하게 배치되는 온도측정유닛
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 반도체처리장치는 유기화학증착장치인 온도측정유닛
  10. 반도체 처리용 기판이 수용되는 챔버;
    상기 챔버 내부를 가열하기 위한 가열유닛; 및
    상기 챔버 내의 온도를 검출하는 것으로서, 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항의 온도측정유닛;을 포함하는 반도체처리장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 챔버 내에서 상기 기판을 지지하며 상기 가열유닛에 의해 가열되는 지지대를 더 포함하며,
    상기 수신부의 수신단은 상기 지지대에 인접하게 배치되는 반도체처리장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 지지대는 상기 기판을 지지하는 서셉터인 반도체처리장치.
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