KR20200005356A - 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치 - Google Patents

수동소자를 이용한 급속 열처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치에 관한 것으로서, 고가의 능동소자를 사용하지 않고, 파이로미터와 T/C 센서를 적용하되, 제어부를 구성하여, 상기 수동소자들이 측정한 피처리물의 온도에 기반하여 피드백 시스템을 만듦으로써 저비용으로 급속열처리 장치의 온도를 제어하게 하였다.
즉, 파이로미터와 T/C 센서와 가열 램프 및 냉각장치를 제어부가 연동하여 제어하며, 온도 급상승기인 초기에는 파이로미터를 구동시키고 소정 온도 도달 이후에는 T/C 센서를 구동하여 감지된 온도를 기반으로 가열램프와 냉각장치를 피드백 제어하여 열처리 온도를 유지한다.

Description

수동소자를 이용한 급속 열처리 장치{Rapid Thermal Processing Apparatus using passive element}
본 발명은 급속 열처리 장치에 관한 것으로서, 특히 파이로미터(Pyrometer)와 T/C센서(Thermo-Couple Sensor)와 같은 수동소자를 이용하여 온도 균일도를 향상시킬 수 있는 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 공정에 있어서 열처리는 필수적으로 요구된다. 열처리 되는 반도체 소자의 크기는 점차 더 작아지고 있어 이전의 공정에서 받은 열적 버켓(Thermal bucket)을 줄이기 위해 급속 열처리 장치가 이용되고 있다.
급속열처리는 램프에서 방출되는 복사 광선에 의해 기판의 온도를 빠르게 가열 또는 냉각시킬 수 있어서, 열소모 비용을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 일괄적으로 다수의 기판을 동시 가공하는 퍼니스 열처리 방식보다 1회 처리되는 기판 처리량은 적지만, 열처리 공정 시간이 짧고, 공정 중 압력 조건이나 온도 대역의 조절이 용이하여 우수한 기판의 제작이 가능하다는 장점이 있다.
이러한 특성을 갖는 종래의 급속 열처리 장치는 열처리시 기판의 온도와 챔버 내부의 온도를 파악하기 위하여 온도를 측정한 후 자기 보정이 가능한 능동소자를 사용하고 있으나, 능동소자의 가격이 너무 높아 궁극적으로 장치의 가격을 상승시키는 문제점이 있을 뿐만 아니라 균일한 공정 재현성을 구현하는데 어려움이 있다.
출원번호:10-2004-0114676 (등록번호:10-0677981, 발명의 명칭:급속 열처리 장치)
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수동소자인 파이로미터(Pyrometer)와 T/C센서(Thermo-Couple Sensor)를 이용하여 기판과 챔버 온도를 모니터링하고 그 균일도를 유지하여, 균일한 공정 재현성을 확보할 수 있는 수동소자를 적용한 급속 열처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치는,
하부챔버(10)와;
상기 하부챔버(10)의 내부에 설치되고 피처리물(M)가 올려지는 서셉터(20)와;
상기 하부챔버(10)에 다수개가 설치되어 상기 피처리물(M)의 저면에 열을 제공하는 하부램프(30)와;
상기 하부챔버(10)의 상측에 배치되는 상부챔버(40)와;
상기 상부챔버(40)에 다수개가 설치되어 상기 피처리물(M)의 상면에 열을 제공하는 상부램프(50)와;
상기 상부챔버(40) 또는 상기 하부챔버(10) 중 어느 한 곳에 설치되어 상기 피처리물(M)의 온도를 측정하는 하나 이상의 파이로미터(Pyrometer)와;
상기 상부챔버(40) 또는 상기 하부챔버(10)에 설치되어 피처리물 주변 공간 온도를 측정하는 하나 이상의 T/C센서(Thermo-Couple Sensor)와;
피처리물(M)의 가열온도에 대한 설정값이 입력되어 있고, 상기 파이로미터(60)와 T/C센서(70)와 연결되어 파이로미터(60)와 T/C센서(70)가 각각 측정한 온도값을 전송받는 제어부(80);를 포함하고,
상기 제어부는, 피처리물의 초기 가열 단계에서 상기 파이로미터(60)가 측정한 피처리물(M)의 온도를 피드백으로 하여 상기 하부램프(30)와 상부램프(50)를 조절하고, 소정 온도에 도달 한 이후 T/C센서로 하여금 피처리물의 온도를 측정하게 하여 이를 피드백으로 하여 상기 하부램프(30)와 상부램프(50)를 조절하는 것을 특징으로 하는 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치를 제공한다.
상기에서, 상기 하부챔버(10)와 상부챔버(40)의 측벽에는 냉각수 유로(11,41)가 형성되어, 피처리물(M)의 평균온도가 설정값 이상인 경우 가동되는 것을 특징으로 하는 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치를 제공한다.
상기에서, 상기 하부챔버와 상부챔버의 측벽에는 냉각수 유로가 형성되고, 상기 하부챔버 또는 상부챔버에는 가스주입구가 구비된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치는 온도 균일도를 유지하여 균일한 공정의 재현성을 확보할 수 있으며, 자기보정 기능이 있는 능동소자에 비하여 가격이 저렴한 수동소자를 사용하여 장치의 가격을 낮출 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치의 구성을 보여주는 단면도.
도 2는 도 1의 급속 열처리 장치에 대한 평면도.
도 3은 도 1의 급속 열처리 장치 벽면에 살치되는 냉각수 유로를 보여주는 측면도.
도 4는 본 발명에 의한 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치의 연결관계를 간단히 보인 블록도.
이하, 본 발명에 의한 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 의한 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치를 보인 도이고, 도 4는 본 발명에 의한 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치의 연결관계를 간단히 보인 도이다.
도 1에는 본 발명의 급속열처리장치를 단면도로 보여준다.
급속 열처리 장치는 하부챔버(10)와, 상부챔버(40)가 근접 배치되어 구성되며, 하부챔버(10)에는 피처리물(웨이퍼 등)이 배치되고, 상부챔버(40)에 가열수단인 상부램프(50)가 배치된다. 또한, 하부챔버(10)에도 하부램프(30)가 배치되어 상부램프(50)와 함께 피처리물을 열처리한다.
상기 하부챔버(10) 내부에는 피처리물을 올려놓을 수 있는 서셉터(Susceptor,20)가 설치되며, 이는 액츄에이터(21)에 의해 상하구동될 수 있다. 상기 하부챔버(10)에는 하나 이상의 T/C센서(Thermo-Couple Sensor,70)를 구비된다. 후술되겠지만 상기 T/C센서(70)는 제어부(80)에 연결되며, 하부챔버 내의 온도를 감지하여 제어부에 전송한다. T/C센서(70)는 상부챔버에도 설치될 수 있다.
또한, 피처리물의 온도를 감지하기 위하여 파이로미터(Pyrometer,60)가 하부챔버(10) 및/또는 상부챔버(40)에 하나 이상 구비된다.
상기 파이로미터(60)도 상기 제어부에 전기적으로 연결되어 피처리물의 온도를 감지하여 제어부로 전송한다.
하부챔버(10)와 상부챔버(40) 벽면에는 냉각장치가 설치되며, 피처리물에 대한 열처리를 위해 상부램프와 하부램프를 작동시키며, 열처리 공정 동안 상기 파이로미터(60)와 상기 T/C센서(70)는 각각 피처리물의 온도와 피처리물 주변의 온도, 즉, 챔버 내 온도를 감지하여 제어부에 송신하고, 그에 따라 제어부는 상부램프와 하부램프, 및 냉각장치의 온/오프, 세기 조절을 실시하여 온도 균일도를 유지하게 한다.
각각의 구성에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 하부챔버(10)의 내부에 하부램프가 다수 배열되고, 그 위에 투명하고 내열성이 있는 소재(본 실시예의 경우 수정을 사용)로 된 플레이트가 격벽과 같이 설치되며, 서셉터(Susceptor,20)는 그 구동축이 상기 플레이트를 통과하여 플레이트 위에 위치된다.
상부챔버(40)의 내부에도 상부램프가 다수 배열되고, 그 아래에 투명하고 내열성이 있는 소재(본 실시예의 경우 수정을 사용)로 된 플레이트가 설치된다.
상부챔버와 하부챔버를 이루는 외벽은 격벽과 같은 플레이트들의 위치보다 더 연장되어 상부챔버와 하부챔버가 서로 상하결합되면 서셉터는 상하 플레이트들과 외벽들에 의해 형성되는 공간에 놓이게 된다. 즉, 상하챔버의 결합으로 내부에 빈 공간이 형성되고, 상기 공간에 게이트(미도시)를 만들어 웨이퍼 등의 물체를 반입반출할 수 있게 구성된다. 그러나 하부챔버의 상면 자체를 게이트로 형성할 수도 있다.
또한, 하부챔버(10)와 상부챔버(40)의 측벽 내부에는 냉각수 유로(11)가 형성되어 필요에 따라 고온으로 가열된 하부챔버(10)와 상부챔버(40)를 냉각시킬 수 있도록 한다.
상기 하부챔버(10) 또는 상부챔버(40)에는 가스주입구(12)가 구비된다. 상술한 바와 같이 상부챔버(40)와 하부챔버(10)는 피처리물 가열을 위해 합체되어 피처리물이 존재하는 공간을 하나의 챔버와 같이 구성하며, 가스주입구(12)를 통해 피처리물이 존재하는 공간에 가스를 주입하여 분위기를 형성한다.
이와 같은 구성으로, 피처리물이 있는 공간을 진공상태로 형성시켜 열처리를 할 수도 있지만, 경우에 따라서는 진공 이후, 상기 가스주입구(12)를 통하여 상기 하부챔버(10)에 의해 형성되는 내부공간에 N2, O2, NH3, H2와 같은 가스를 주입하여 급속 열 산화(RTO)나 급속 열 질화(RTN) 처리를 할 수 있다.
이와 같은 구성을 통해 피처리물의 열처리를 위한 온도 제어는 다음과 같이 이루어진다.
초기 열처리를 위해 상부램프와 하부램프를 온(ON)시켜 가열을 시작하면 온도가 급상승한다. 이때 파이로미터를 이용하여 급상승하는 온도를 측정하여 제어부에 전송한다. 제어부에서는 측정된 온도와 본래 도달하여야 하는 설정된 온도와의 차이를 검지하여 이를 기반으로 상부램프, 하부램프 그리고 냉각장치를 가동시키거나 가동 중지 시킨다. 즉, 파이로미터에 의한 측정온도를 피드백으로 하여 피처리물의 온도를 제어하는 것이다. 이후, 일정 수준의 온도에 도달하면, T/C 센서에 의해 온도를 측정하게 하고 측정된 온도 데이터를 제어부로 보내어 이 값을 피드백으로 하여 상부램프, 하부램프 그리고 냉각장치를 제어하여 피처리물의 온도를 일정하게 유지되도록 제어한다.
이와 같은 구성과 온도 제어는 수동소자를 적용하면서도 피드백 시스템을 구성하여 원하는 온도로 제어할 수 있게 한다. T/C 센서는 저가로 다수 적용하여도 설비비에 부담이 없고, T/C 센서에 비해 상대적으로 고가인 파이로미터는 초기 온도 측정에만 사용하므로 장기간 사용될 수 있으며(초기 온도 급상승에 대해 T/C 센서는 응답 속도가 느려 모든 온도 센서를 T/C 센서로 구성할 수는 없다), 능동소자를 적용하는 것에 비해 설비비를 크게 낮추면서도 피드백 시스템으로 능동소자의 역할은 그대로 실현할 수 있다.
좀 더 상세한 구성에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 서셉터(20)는 상기 하부챔버(10)의 내부에 설치되는 것으로서, 엑츄에이터(21)의 작동에 의해 상하로 승강될 수 있도록 한다. 이러한 서셉터(20)의 상측에는 웨이퍼나 그래핀 또는 글라스(Glass)와 같은 열처리가 필요한 피처리물(M)이 올려진다.
상기 하부램프(30)는 상기 하부챔버(10)에 일정간격을 이루며 다수개가 설치되어 상기 피처리물(M)의 저면에 열을 제공한다. 즉 피처리물(M)의 열처리를 위하여 하부램프(30)가 피처리물(M)에 열을 공급하는데, 하부챔버(10)에는 다수개의 하부램프(30)가 동일한 평면상에 동일한 간격으로 설치된다.
상기 하부램프(30)는 상기 서셉터(20)의 상면에 올려진 피처리물(M)보다 낮은 곳에 위치되기 때문에 하부램프(30)에서 공급되는 열은 상기 피처리물(M)의 저면을 향한다.
또한, 하부램프(30)는 다수개가 일정간격으로 설치되기 때문에 멀티존(Multi-Zone)으로 나누어 컨트롤되는 것이 바람직하고, 이렇게 멀티존으로 나누어 컨트롤함으로써 하부챔버(10)와 상부챔버(40)에 의하여 형성되는 내부 공간의 온도 균일도를 유지하는데 도움을 줄 수 있다.
상기 상부램프(50)는 상기 상부챔버(40)에 일정간격을 이루며 다수개가 설치되어 상기 피처리물(M)의 상면에 열을 제공한다. 즉 피처리물(M)의 열처리를 위하여 상부램프(50)가 피처리물(M)에 열을 공급하는데, 상부챔버(40)에는 다수개의 상부램프(50)가 동일한 평면상에 동일한 간격으로 설치된다.
상기 상부램프(50)는 상기 서셉터(20)의 상면에 올려진 피처리물(M)보다 높은 곳에 위치되기 때문에 상부램프(50)에서 공급되는 열은 상기 피처리물(M)의 상면을 향한다.
그리고, 상부램프(50)는 다수개가 일정간격으로 설치되기 때문에 멀티존(Multi-Zone)으로 나누어 컨트롤되는 것이 바람직하고, 이렇게 멀티존으로 나누어 컨트롤함으로써 하부챔버(10)와 상부챔버(40)에 의하여 형성되는 내부 공간의 온도 균일도를 유지하는데 도움을 줄 수 있다.
상기 파이로미터(60)는 상기 상부챔버(40)의 상면 또는 상기 하부챔버(10)의 하면 중 어느 한 곳에 설치되어 상기 피처리물(M)의 온도를 측정한다.
이 파이로미터(60)는 비접촉 온도(Non-Contact) 측정기로서 자기 보정 기능이 없는 단순 측정소자이고, 피처리물(M)의 표면에 광선을 수직으로 쏜 후 되돌아오는 광선으로부터 피처리물(M)의 온도를 측정한다.
상기 T/C센서(70)는 상기 하부챔버(10)의 측면에 설치되어 상기 상부챔버(40)와 하부챔버(10)에 의해 형성되는 내부 공간, 즉, 피처리물의 주변 온도를 측정하는 것으로서, 자기 보정 기능이 없는 단순 측정소자이다. 또한, T/C센서(70)는 하부램프(30)와 상부램프(50)의 발열 상태를 제어하는 기능을 구비한다.
상기 파이로미터(60)나 T/C센서(70)로 측정한 온도를 통해 하부램프(30)와 상부램프(50)의 상태를 유추하여 하부램프(30)와 상부램프(50)의 교체 주기를 파악할 수 있다.
상기 제어부(80)는 상기 피처리물(M)의 가열온도에 대한 설정값이 입력되어 있고, 상기 파이로미터(60) 및 T/C센서(70)와 전기적으로 연결되어 파이로미터(60)와 T/C센서(70)가 측정한 온도값을 전송받는다.
상기 파이로미터(60)가 측정한 피처리물(M)의 평균온도가 설정값 미만인 경우에는 상기 제어부(80)는 상기 하부램프(30)와 상부램프(50)를 제어하는 T/C센서(70)에 신호를 보내어 상기 하부램프(30)와 상부램프(50)를 고온으로 가열하도록 하고, 상기 파이로미터(60)가 측정한 피처리물(M)의 평균온도가 설정값 이상인 경우에는 상기 제어부(80)는 T/C센서(70)에 신호를 보내어 상기 하부램프(30)와 상부램프(50)의 발열온도를 낮춘다. 이렇게 두 수동소자(파이로미터, T/C센서)를 이용하여 하부챔버(10)와 상부챔버(40)에 의해 형성되는 내부 공간의 온도와 피처리물(M)의 온도를 조정함으로써, 온도 균일도를 유지하여 균일한 공정의 재현성을 확보한다.
한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 하부챔버 11: 냉각수 유로
12: 가스주입구 20: 서셉터
21: 엑츄에이터 30: 하부램프
40: 상부챔버 41: 냉각수 유로
50: 상부램프 60: 파이로미터
70: T/C센서 80: 제어부
M: 피처리물

Claims (3)

  1. 하부챔버(10)와;
    상기 하부챔버(10)의 내부에 설치되고 피처리물(M)가 올려지는 서셉터(20)와;
    상기 하부챔버(10)에 다수개가 설치되어 상기 피처리물(M)의 저면에 열을 제공하는 하부램프(30)와;
    상기 하부챔버(10)의 상측에 배치되는 상부챔버(40)와;
    상기 상부챔버(40)에 다수개가 설치되어 상기 피처리물(M)의 상면에 열을 제공하는 상부램프(50)와;
    상기 상부챔버(40) 또는 상기 하부챔버(10) 중 어느 한 곳에 설치되어 상기 피처리물(M)의 온도를 측정하는 하나 이상의 파이로미터(Pyrometer)와;
    상기 상부챔버(40) 또는 상기 하부챔버(10)에 설치되어 피처리물 주변 공간 온도를 측정하는 하나 이상의 T/C센서(Thermo-Couple Sensor)와;
    피처리물(M)의 가열온도에 대한 설정값이 입력되어 있고, 상기 파이로미터(60)와 T/C센서(70)와 연결되어 파이로미터(60)와 T/C센서(70)가 각각 측정한 온도값을 전송받는 제어부(80);를 포함하고,
    상기 제어부는, 피처리물의 초기 가열 단계에서 상기 파이로미터(60)가 측정한 피처리물(M)의 온도를 피드백으로 하여 상기 하부램프(30)와 상부램프(50)를 조절하고, 소정 온도에 도달 한 이후 T/C센서로 하여금 피처리물의 온도를 측정하게 하여 이를 피드백으로 하여 상기 하부램프(30)와 상부램프(50)를 조절하는 것을 특징으로 하는 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부챔버(10)와 상부챔버(40)의 측벽에는 냉각수 유로(11,41)가 형성되어, 피처리물(M)의 평균온도가 설정값 이상인 경우 가동되는 것을 특징으로 하는 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부챔버(10) 또는 상부챔버(40)에는 가스주입구(12)가 구비된 것을 특징으로 하는 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치.
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KR1020180078994A KR20200005356A (ko) 2018-07-06 2018-07-06 수동소자를 이용한 급속 열처리 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210009273A (ko) * 2019-07-16 2021-01-26 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 기판을 열처리하는 장치 및 방법

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KR20210009273A (ko) * 2019-07-16 2021-01-26 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 기판을 열처리하는 장치 및 방법

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