KR960000189B1 - 석영튜브의 재생장치 및 그 재생방법 - Google Patents

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Abstract

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Description

석영튜브의 재생장치 및 그 재생방법
제1도 일반적으로 석영튜브의 단면도.
제2도 본 발명에 따른 석영튜브의 재생장치를 도시한 개략도.
제3도 제2도에 도시된 공구대를 A-A에 따라 나타낸 단면도.
제4도 본 발명에 따른 석영튜브의 재생방법을 설명하기 위한 순서도.
본 발명은 반도체 제조공정중 확산공정에 이용하는 석영튜브(quartz tube)의 재생장치 및 그 재생방법에 관한 것으로서, 특히, 장시간 고온에서 사용되므로써 발생되는 휨(sagging)에 의해 폐기되던 석영튜브의 재생장치 및 그 재생방법에 관한 것이다.
확산은 원자가 고농도의 지역에서 저농도의 지역으로 움직이는 현상을 말한다. 이 현상은 농도의 경사도(gradient)에 의해 발생되며 균일한 농도가 얻어질 때까지 계속되는데, 확산속도는 온도에 의해 변하게 된다. 실리콘 등의 반도체 내에서도 불순물 원자들의 움직임도 이러한 확산의 법칙을 따른다. 반도체의 제조공정에서 확산은 매우 중요한 것으로 불순물 원자들을 실리콘 등의 격자들과 대치시켜 n형 또는 p형을 만든다. 그러므로 확산에 의해 바이폴라 기술에서는 베이스, 에미터 및 저항들을 만들 수 있으며, 모스 기술에서는 소오스, 드레인, 웰(well) 영역의 형성과 다결정 실리콘을 도핑할 수 있다.
확산에 의해 도핑하는 여러 방법중 프리디포지션(prede-position)은 실제 반도체 공정중 웰을 형성할때 이용되는 방법이다.
상기 프리디포지션은 웨이퍼의 표면에 개스, 액체 또는 고체상태의 불순물을 침적한 후 드라이브-인(drive-in)한다. 드라이브-인은 고온의 확산로(diffusion furnace)내에 위치되는 석영튜브에서 불활성 개스가 주입되는 상태에서 실시된다.
제1도는 일반적인 석영튜브(10)의 단면도이다. 석영튜브(10)는 확산공정중 질소, 네온 또는 아르곤등의 불활성 가스를 주입하는 가스주입부(11)와, 확산될 웨이퍼들이 실장된 소프트랜더(softlander)를 위치시키는 튜브의 중심부(13)와, 주입되는 불활성 가스를 배출하고 확산로에 장입될때 엘러펀트튜브(elephant tube)에 장착되는 가스배출부(15)와, 석영튜브(10)내의 각 부분들의 온도를 감지하는 열전대(thermocouple)를 삽입하고 인출할 수 있도록 안내하는 가이드튜브(17 : guard tube)로 이루어진다.
상기에서 가스주입부(11)는 꼭지형상을 이루고 끝부분이 트여져 있어 이곳으로 가수가 주입된다. 중심부(13)는 확산될 웨이퍼가 위치되는 곳으로 확산로의 발열부에 의해 고온이 인가된다. 가스 배출부(15)는 끝부분의 외부에 턱이져 있어 이 부분이 상기 확산로에 내장되어 있는 엘러런트 튜브에 끼어져 장착된다. 또한, 가이드 튜브(17)는 가스주입부(11)에 형성된 구멍을 통해 끼어져 일부분이 석영튜브(10)의 내부에, 나머지 부분이 석영튜브(10)의 외부에 위치되어 있다. 상기에서 가이드튜브(17)가 끼워진 구멍은 용접되어 밀봉되어 있다. 또한, 가이드튜브(17)는 석영튜브(10)내에서 1부분이상, 바람직하게는 3~5부분이 용접되어 확산공정시 고온에 의해 변형되는 것이 억제된다.
상술한 석영튜브 SiO2를 주성분으로 하여 OH 기, Al, Na, B, Ca, Cu 및 Fe 등의 불순물로 구성되어 있다. 상기 석영튜브내에서 웨이퍼들의 표면에 침적되어 있던 불순을 드라이브-인(drive-in)할때 1050~1250℃의 높은 온도로 확산 공정을 실시한다. 그러므로, 석영튜브는 주성분인 SiO2와 불순물들, 특히 OH기와의 열팽창 정도가 서로 다르므로 다 수회의 확산공정이 실시에 의해 응력이 발생되어 휨(sagging) 현상이 발생된다. 상기 휨 현상은 주로 고온이 가해지는 중심부에서 발생된느데, 휨이 발생된 석영튜브는 얼라인(align)이 맞지 않게 되어 확산공정을 수행하기 위해 웨이퍼들의 이실장된 소프트랜더를 로딩(loading)시키거나, 확산공정 후 소프트랜더 언로딩(unloading) 시킬때, 웨이퍼들이 석영튜브와 접촉될 수도 있다.
위와 같이 석영튜브에 웨이퍼들이 접촉되면 이 웨이퍼들에 긁힘(scratch)등이 발생되어 불량이 발생되거나, 또는 더욱 심하게는 웨이퍼들이 깨지게 되어 못쓰게 되고 깨질때 발생되는 웨이퍼 조각들에 의해 확산로가 오염된다.
그러므로, 이러한 문제들이 발생되는 것을 방지하기 위해 소정횟수의 확산공정을 실시한 석영튜브를 교체하여야 한다. 종래에는 1배치(batch)당 1회로 계산하여 30회 정도의 확산공정을 실시하고 석영튜브를 교체하여 휨 현상이 발생되는 것을 방지하였다.
그러나, 석영튜브를 교체하기 위해서는 확산로의 가동을 중지하여야 설비가동률이 저하된다.
따라서, 석영튜브의 휨현상을 억제하고 사용횟수를 증가시켜 설비가동률을 상승시키는 방법들이 개발되었다. 그 방법들중 하나는 1배치당 1회로 계산하여 20회 정도의 확산공정을 실시한 후 석영튜브를 180°회전시켜 사용하므로 40~50회의 확산공정을 실시할 수 있었다.
상기 방법들중 다른 하나는 표 1에 나타낸 바와 같이 소자의 종류별로 확산시간이 서로 다르므로 가장 짧은 시간(약 7.5시간)을 갖는 CMOS의 확산공정을 확산단위 1로 하여 시간을 제어하여 정확하게 60 단위 정도로 확산 공정을 실시할 수 있었다.
[표 1]
상기 방법에서도 25~30 단위정도의 확산공정 후 석영튜브를 180°회전시켜 사용하였다.
그러나, 석영튜브의 확산공정 횟수를 증가시키는데 한계가 있어 장비의 가동율을 증가시키기 어려운 문제점이 있었다. 또한, 교체된 석영튜브는 휨 현상으로 인하여 재 사용하지 못하고, 폐기시켜야 하므로 반도체의 제조원가가 커지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 휨 현상이 발생되어 폐기시켰던 석영튜브를 재사용이 가능하도록 수리할 수 있는 석영튜브의 재생장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 휨 현상이 발생된 석영튜브를 재사용이 가능하도록 수리할 수 있는 석영튜브의 재생방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 설비의 가동률을 증가시키도록 휨 현상의 발생을 억제할 수 있는 석영튜브의 재생방법을 제공함에 있다.
상기 본 발명이 목적에 따른 석영튜브의 재생장치는 양측에 수직하는 구조물들을 가지는 몸체와; 상기 몸체의 일측에 위치되어 동력을 발생하고 이 동력을 전달 및 변속하는 구동부와; 상기 몸체의 일측 구조물에 석영튜브 중심부의 일측을 지지하고 상기 구동부로부터 전달되는 동력에 의해 등속으로 회전하는 주축대와; 상기 몸체의 타측 구조물에 회전이 자유롭게 설치되어 상기 석영튜브 중심부의 타측을 지지하는 심압대와; 상기 회전하는 석영튜브의 중심부의 둘레를 가열하는 버너와, 회전하는 석영튜브와 접촉되어 상기 버너에 의해 가열되어 변형가능하게 된 상태이 부분을 곧게펴는 교정대가 실장되며 상기 몸체의 양측 구조물 사이를 수평운동하는 공구대와; 상기 몸체의 일측 구조물과 타측 구조물사이에 거치되고 상기 공구대와 나사맞춤되며 상기 구동부로부터 동력을 전달받아 회전하여 상기 공구대를 주축대에서 심압대로 이송시키는 리드스크류와; 상기 공구대가 수평방향으로 이송될때 진행방향이외의 방향으로 유동되는 것을 방지하는 베드를 구비한다.
상기 본 발명의 다른 목적들에 따른 석영튜브의 재생방법은 가스주입부, 중심부, 가스배출부 및 가이드튜브로 이루어지며 다 수회의 확산공정에 사용되어 휨현상이 발생된 석영튜브의 재생방법에 있어서, 상기 석영튜브의 가스주입부와 가스 배출부를 절단하여 중심부만을 남기고 가이드튜브를 제거하는 단계와; 상기 중심부를 제1세척하는 단계와; 상기 중심부의 가스주입부와 가스배출부의 절단에 의해 짧아진 길이를 보상하기 위해 지름이 동일한 석영튜브를 접합하는 단계와; 상기 중심부를 회전시키면서 동일한 원주상에 열을 가해 변형가능한 상태가 되도록하여 휘어져 있던 부분을 곧게 펴지도록 교정하고 일측에 접합되며 길이 보상되고 남은 부분의 석영튜브를 절단하는 단계와; 상기 중심부를 제2세척하는 단계와; 상기 중심부의 양측에 가스주입부와 가스배출구를 접합하고 상기 가스배출부에 있는 구멍을 통해 가이드 튜브를 내장하는 단계를 구비한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명의 실시예에 따른 석영튜브의 재생장치(20)를 도시한 개략도로서, 재생되어야 할 석영튜브의 중심부(13)가 장착된 것을 도시한다.
석영튜브의 재생장치(20)는 몸체(21), 구동부(23), 주축대(25), 심압대(27), 공구대(29), 리이드스크류(37) 및 베드(39)를 구비한다.
상기 몸체(21)는 양측에 수직하는 구조물들을 갖는다.
구동부(23)는 상기 몸체(21)의 일측에 위치되며 동력을 발생하는 모터(도시되지 않음)와 이 동력을 전달 및 변속하는 기어군(도시되지 않음)으로 이루어진다.
주축대(25)는 몸체(21)의 일측 구조물에 설치에 되며 석영튜브 중심부(13)의 일측을 지지하기 위한 척(26)이 장착되어 있다. 주축대(25)는 상기 구동부(23)로부터 전달되는 동력에 의해 등속으로 회전된다.
심압대(27)는 몸체(21)의 타측 구조물에 설치되며 석영튜브 중심부(13)의 타측을 회전지지하기 위한 척(28)이 장착되어 있다.
심압대(27)는 중심이 석영튜브 중심부(13)의 회전 중심축과 일치되어, 회전자유롭게 설치되어 주축대(25)의 회전시 장착된 석영튜브 중심부(13)와 함께 등속 회전된다. 또한, 상기 심압대(27)는 왕복 운동이 가능하여 석영튜브 중심부(13)의 길이에 따라 조절된다.
공구대(29)는 상기 몸체(21)의 양측 구조물들 사이를 수평 운동하는 것으로 변형된 석영튜브 중심부(13)를 수리하는 장비들, 예를 들면, 버너(33)와 교정부(31)가 설치된다. 버너(33)는 제3도에 도시한 것과 같이 석영튜브 중심부(13)를 가열하도록 둘레에 위치되는 다수개의 토오치(35)들로 이루어진다. 상기 토오치(35)들은 석영튜브 중심부(13)의 동일한 원주를 가열하도록 위치되며 각기 동일한 각도를 갖는다. 예를 들면, 버너(33)가 3개의 토오치(35)들로 이루어지면, 이 토오치(35)들 각각은 석영튜브 중심부(13)의 회전중심축을 중심으로 120°를 갖도록 위치된다. 각각의 토오치(35)는 산소와 수소를 공급하기 위해 파이프(34)의 일단부에 고정되며, 이 파이프(34)는 공구대(29)에 고정된다. 또한, 교정부(31)는 회전하는 석영튜브 중심부(13)의 가열된 부분이 접촉되어 아래방향으로 처지는 것을 방지하고 변형되어 있던 부분을 주축대(25)와 심압대(27)에 지지되어 있는 양끝단과 동일한 회전축을 갖도록 곧게 교정되도록 한다. 상기 교정부(31)는 중심부(13)의 가열된 부분과 점촉되므로 내열성이 좋은 탄소등으로 이루어진다.
리이드스크류(37)는 몸체(21)의 일측 구조물과 타측 구조물 사이에 거치도어 상기 구동부(23)로부터 동력을 전달받아 회전하는 것으로, 공구대(29)와 나사맞춤되어 회전방향에 따라 공구대(29)를 몸체(21)의 일측구조물에서 타측 구조물로 이송시킨다.
베드(39)는 몸체(21)의 상부에 형성되어 공구대(29)가 이송될때 진행방향이외의 방향으로 유동되는 것을 방지한다.
이제, 상술한 석영튜브의 재생장치(20)의 동작을 설명한다.
먼저, 주축대(27)와 리이드스크류(37)의 회전속도를 한정하고 휨 변형된 석영튜브 중심부(13)를 주축대(25)와 심압대(27) 사이에 척들(26)(28)에 의해 고정시킨후 구동부(23)에 의해 주축대(25)를 회전시켜 상기 중심부(13)를 회전시킨다. 이때, 심압대(27)는 주축대(25)와 동일한 회전속도로 일정하게 연동되는데, 주축대(25)의 회전속도는 280~310RPM(Revolution Per Miunte) 정도가 바람직하다. 또한 구동부(23)에 의해 상기 리이드스크류(37)를 회전운동시킨다. 상기 리이드스크류(37)의 회전에 의해 나사맞춤되어 있는 공구대(29)를 수평방향을 따라 주축대(25)에서 심압대(27)로 이동시킨다. 상기 리이드스크류(37)의 회전속도는 30~90RPM 정도가 바람직하며, 이에 의해 공구대(39)를 0.2~0.3mm/sec 정도의 속도로 이동시킨다. 버너(33)의 토오치(35)들에 점화시키는데, 산소와 수소의 양과 비율을 조절하여 1800~2000℃ 정도의 열을 발생시켜 동일한 원주상의 석영튜브 중심부(13)를 국부적으로 가열시킨다. 상기에서 석영의 융점이 1683~1730℃인데 석영튜브 중심부(13)가 회전되고 버너가 수평이동되므로 이 석영튜브 중심부(13)는 녹지 않고 변형가능한 상태가 된다. 그리고 상기 교점대(31)는 석영튜브 중심부(13)의 가열되어 변형가능한 부분이 석영튜브 중심부(13) 자체의 하중에 의해 아래방향으로 처지는 것을 방지하고 다수의 확산공정에 의해 변형되어 있던 부분을 원래의 상태로 곧게 교정되도록 한다.
제4도는 본 발명에 따른 석영튜브(10)의 재생방법을 설명하기 위한 순서도이다.
먼저, 휨현상이 발생된 석영튜브(10)가 존재하는 경우, 상기 재생방법이 시작되어 절단단계(S1)로 진행한다. 상기에서 절단단계(S1)는 다수의 확산에 의해 변형된 석영튜브(10)를 중심부(13)만 남도록 가스주입부(11)와 가스배출부(15)를 절단하고 가이드튜브(17)를 제거하는 것이다. 상기에서 가스주입부(11)와 가스배출부(15)를 다이아몬드 톱(diamond saw)등의 절단기로 자르고, 중심부(13) 3~5부분이 용접되어 있는 가이드튜브(17)을 분리하여 제거한다.
제1세척단계(S2)는 중심부(13)에 존재하는 불순물 입자들을 제거하는 것이다. 상기 중심부(13)의 제1세척은 2차에 걸쳐 실시하는데, 먼저 불산(HF)에 의해 확산공정 또는 절단공정중 중심부(13)에 존재하게 되는 불순물 입자들을 제거하고, 그후 탈이온수(deionized water)에 의해 중심부(13)에 묻어 있는 불산을 씻어낸다.
접합단계(S3)는 가스주입부(11)와 가스배출부(15)를 절단하여 짧아진 길이를 보상하기 위해 상기 중심부(13)의 일측단에 지름이 동일한 석영튜브를 접합하는 것이다.
교정단계(S4)는 가스주입부(11)와 가스배출부(15)의 길이가 보상된 중심부(13)를 열처리하여 곧게 교정하는 것이다. 상기 길이가 보상된 중심부(13)를 상기 재생장치(20)의 주축대(25)와 심압대(27)사이에 장착한다. 그리고, 구동부(23)에 전원을 인가하여 주축대(25)를 280~310RPM의 속도로 회전시키고, 공구대(29)에 장착된 한개이상, 예를 들면 3개의 토치(35)들을 가진 버너(33)에 붙인다.
상기에서 불꽃을 1800~2000℃ 정도의 온도라 되도록 조절하고 회전하는 중심부(13)의 동일한 원주상에 열을 가하도록 한다. 이때, 중심부(13)는 열이 인가되는 부분이 열에 의해 변형 가능하게 되는데 교정부(31)에 의해 아래방향으로 처지는 것이 방지될 뿐만아니라 휘어져 있던 부분을 곧게 교정되도록 한다. 또한, 공구대(29)를 0.2~0.3mm정도의 일정한 속도로 심압대(27)쪽으로 이동시켜 열을가하여 중심부(13) 전체를 곧게 교정되도록 한다. 그리고, 상기 중심부(13)의 일측단에 접합된 석영튜브에서 길이 보상하고 남는 부분을 절단한다.
제2세척단계(S5)은 상기 절단된 중심부(13)를 제1세척단계(S1)와 동일하게 세척을 한다.
결합단계(S6)는 상기 중심부(13)의 타측단계 단계(42)에서 절단된 가스주입부(11)와 가스배출부(15)를 결합하고, 이 가스주입부(11)에 구멍을 형성하고 가이드튜브(17)를 삽입하여 석영튜브(10)의 재생을 완료한다. 상기에서 중심부(13)에 가스주입부(11)와 가스배출부(15)를 용접하여 결합한후 가스주입부(11)의 구멍에 가이드튜브(17)의 소정부분을 삽입하고 밀봉한다. 그리고, 상기 석영튜브(10)내에 내장되는 가이드튜브(17)를 용접에 의해 고정되도록 하여 상기 단계들을 종료한다.
상기에서 석영튜브의 중심부(13)를 곧게 교정하도록 변형가능한 상태로 만들기 위해 고온의 열을 가하므로 부수적으로 열처리가 된다. 이러한 열처리는 중심부(13)에 포함되어 있는 불순물, 특히 OH의 농도를 낮게 하여 석영의 순도를 향상시킨다. 그러므로, 재생된 석영튜브의 중심부(13)는 휨 속도가 느려지게 되어 CMOS의 확산공정을 1단위로 하고 소정단위 확산후에 180° 회전시켜 확산하면 80~200 단위전도의 확산공정을 실시할 수 있다.
상술한 바와같이 몸체의 일측기둥이 설치되며 전원인가시 구동부에서 발생된 동력에 의해 등속으로 회전되는 주축대와, 상기 몸체의 타측 기둥에 회전자유롭게 설치되며 왕복운동이 가능한 심압대와, 상기 구동부에서 발생된 동력에 의해 회전운동하는 리드 스크류에 의해 수평운동하고 상부에 버너와 교정대가 설치된 공구대를 구비하는 석영튜브의 재생장치에 다수의 확산공정에 의해 휨이 발생된 석영튜브로부터 중심부만을 분리하여 상기 주축대와 심압대 사이에 장착시켜 회전운동 시킨다. 그리고, 버너를 구성하는 하나 이상의 토오치들에 의해 중심부는 동일 원주상이 가열되어 변형가능한 상태가 되고 교정부에 의해 변형되어 있던 부분이 곧게 교정된다.
그러므로, 본 발명은 휨이 발생된 석영튜브를 폐기하지 않고 재생하여 사용하므로써 반도체의 제조원자를 낮게 할 수 있다.
또한, 재생된 석영튜브는 휨 속도가 느리므로 더 많은 확산 단위의 확산공정을 실시할 수 있어 장비의 가동율을 높일 수 있는 잇점이 있다.

Claims (11)

  1. 양측에 수직하는 구조물들을 가지는 몸체와; 상기 몸체의 일측에 위치되어 동력을 발생하고 이 동력을 전달 및 변속하는 구동부와; 상기 몸체의 일측 구조물에 석영튜브 중심부의 일측을 지지하고 상기 구동부로부터 전달되는 동력에 의해 등속으로 회전하는 주축대와; 상기 몸체의 타측 구조물에 회전이 자유롭게 설치되어 상기 석영튜브 중심부의 타측을 지지하는 심압대와; 상기 회전하는 석영튜브의 중심부의 둘레를 가열하는 버너와, 상기 회전하는 석영튜브와 접촉되어 상기 버너에 의해 가열되어 변형 가능하게 된 상태의 부분을 곧게 펴는 교정대가 실장되며, 상기 몸체의 양측 구조물들 사이를 수평운동하는 공구대와; 상기 몸체의 일측 구조물과 타측 구조물 사이에 거치되고 상기 공구대와 나사맞춤되며 상기 구동부로부터 동력을 전달받아 회전하여 상기 공구대를 주축대에서 심압대로 이송시키는 리드스크류와; 상기 공구대가 수평방향으로 이송될때 진행방향이외의 방향으로 유동되는 것을 방지하는 베드를 구비하는 석영튜브의 재생장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주축대가 280~310RPM 정도로 회전하는 석영튜브의 재생장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 버너는 적어도 1개 이상의 토오치들로 이루어진 석영튜브의 재생장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 토오치들은 석영튜브 중심부의 회전중심축을 중심으로 동일한 각도를 가지는 석영튜브의 재생장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공구대가 0.2~0.3mm/sec 정도의 속도로 이동되는 석영튜브의 재생장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 교정부가 탄소등의 내열성물질로 이루어진 석영튜브의 재생장치.
  7. 가스주입부, 중심부, 가스배출부 및 가이드튜브로 이루어지며, 다수회의 확산공정에 사용되어 휨 현상이 발생된 석영튜브의 재생방법에 있어서, 상기 석영튜브의 가스주입부와 가스배출부를 절단하여 중심부만을 남기고 가이드튜브를 제거하는 절단 단계와; 상기 중심부에 있는 불순물들을 제거하는 제1세척 단계와; 상기 중심부의 가스주입부와 가스배출부의 절단에 의해 짧아진 길이를 보상하기 위해 지름이 동일한 석영튜브를 접합하는 접합단계와; 상기 중심부를 회전시키면서 동일한 원주상에 열을 가해 변형 가능한 상태가 되도록 하여 휘어져 있던 부분을 곧게 펴지도록 교정하고 일측에 접합되며 길이 보상되고 남은 부분의 석영튜브를 절단하는 교정 단계와; 상기 중심부에 있는 불순물들을 제거하는 제2세척 단계와; 상기 중심부의 양측에 가스주입부와 가스배출구를 접합하고 상기 가스배출부에 있는 구멍을 통해 가이드튜브를 내장하는 결합단계를 구비하는 석영튜브의 재생방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2세척단계는 불산으로 불순물 입자들을 제거하는 1차와 탈이온수로 상기 중심부에 묻어 있는 불산을 세정하는 2차로 실시하는 석영튜브의 재생방법.
  9. 제7항에 있어서, 교정단계에서, 상기 중심부를 280~310RPM 정도로 회전시키는 석영튜브의 재생방법.
  10. 제7항에 있어서, 교정단계에서, 상기 중심부에 1800~2000℃ 정도의 열을 가하는 석영튜브의 재생방법.
  11. 제7항에 있어서, 결합단계에서, 상기 가이드튜브를 중심부와 접합고정시키고, 상기 구멍과의 틈을 밀봉하는 석영튜브의 재생방법.
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