KR100532702B1

KR100532702B1 - 퍼니스 장치 및 그 장치를 사용한 열처리 방법

Info

Publication number: KR100532702B1
Application number: KR1020040037362A
Authority: KR
Inventors: 권상환
Original assignee: 에이스하이텍 주식회사
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-11-30

Abstract

본 발명은 확산, 기상 박막 형성공정(CVD공정)에서 높은 온도의 히터를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 한 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치 및 그것의 열처리 방법에 관한 것으로, 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치는 내부에 복수의 기판들이 적재되는 석영보트가 위치되는 반응관; 상기 반응관을 가열하기 위하여 상기 반응관을 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리를 포함하되; 상기 히터 어셈블리는 단열블럭과, 상기 단열블럭 안쪽에 설치되는 열 발생 코일; 상기 단열블럭 내부의 온도를 강제로 떨어뜨리기 위한 공냉수단을 포함한다.

Description

퍼니스 장치 및 그 장치를 사용한 열처리 방법{FURNACE APPARATUS AND HEAT TREATMENT METHOD USING THE APPARATUS}

본 발명은 반도체 제조 설비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 확산, 기상 박막 형성공정(CVD공정)에서 높은 온도의 히터를 신속하게 냉각시킬 수 있도록 한 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치 및 그것의 열처리 방법에 관한 것이다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 반도체 소자는 기판상에 사진, 식각, 확산, 화학기상증착, 이온주입 등의 공정을 선택적으로 반복 수행하여 만들어진다.

상술한 공정 중 빈번히 수행되는 공정의 하나인 확산공정은 고온 분위기하에서 기판 내에 원하는 도전형의 불순물을 확산시키는 공정을 수행한다. 그리고 확산공정이 이루어지는 확산로는 대략 800-1250도 이상에서 기판 표면에 상에 증착(Deposition) 또는 산화(Oxide)막을 형성하는 공정등을 수행하기 위하여 이용되고 있다.

기존의 확산로 장비는 확산로의 온도를 공정처리를 위한 조건상태(대략 800-1250도)로 가열하는데 걸리는 시간은 매우 짧은 반면에, 확산로의 온도를 스텐바이상태(대기상태)로 냉각하는데 걸리는 시간은 매우 길다.(평균 냉각온도속도 2~3 ℃/min), 물론, 히터의 외곽에는 냉각수 순환 라인이 설치되어 있으나, 냉각수 순환 라인은 단열재 외곽에 설치되어 있기 때문에 높은 냉각 효과를 기대하기 어렵다.

이처럼, 기존의 확산로 장비는 공정시간 대비 히터의 온도를 냉각하는데 걸리는 시간이 상대적으로 길기 때문에 단위 시간당 기판 처리량이 매우 저조하다는 단점을 갖고 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 공정시간의 단축을 도모하기 위하여, 히터 내부의 온도를 급냉하는 것이 가능한 새로운 형태의 반도체 기판의 열처리 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치는 내부에 복수의 기판들이 적재되는 석영보트가 위치되는 반응관; 상기 반응관을 가열하기 위하여 상기 반응관을 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리를 포함하되; 상기 히터 어셈블리는 단열블럭과, 상기 단열블럭 안쪽에 설치되는 열 발생 코일; 상기 단열블럭 내부의 온도를 강제로 떨어뜨리기 위한 공냉수단을 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 공냉수단은 냉각용 기체가 상기 단열블럭 내부로 공급되는 공급부; 상기 단열블럭 내부의 고온의 냉각용 기체가 밖으로 배출되는 배출부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 공급부는 상기 냉각용 기체가 상기 유입포트를 통해 단열블럭 내부로 균일하게 공급될 수 있도록 상기 단열블럭의 하부에 관통되어 형성되는 다수의 분사홀들을 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 분사홀들은 상기 단열블럭에 방사상으로 배치되게 형성된다

본 발명에 의하면, 상기 배출부는 상기 공급부를 통해 공급된 냉각용 기체가 빠져나가는 그리고 상기 단열블럭의 상부에 방사상으로 배치되는 배출홀들; 상기 배출홀들을 통해 배출되는 배출 포트가 포함된다.

본 발명에 의하면, 상기 공냉수단은 상기 배출부를 통해 배출되는 고온의 냉각용 기체를 상온으로 냉각시켜주는 냉각부를 더 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 냉각부는 상기 배출부와 연결되는 유입포트; 상기 유입포트를 통해 유입된 고온의 냉각용 기체를 냉각시키는 칠러(chiller)를 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 냉각부는 상기 유출포트를 통해 배출되는 냉각용 기체에 포함된 파티클들을 제거하는 필터를 더 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 내부에 복수의 기판들이 적재되는 석영보트가 위치되는 반응관을 가열하기 위하여 상기 반응관을 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리를 포함하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치에서의 열처리 방법은 상기 반응관이 상기 히터 어셈블리의 히팅코일에 의해 소정의 처리온도로 가열되는 단계; 복수의 기판들이 적재된 석영보트가 상기 반응관 내부로 로딩되어 열처리하는 단계; 열처리를 끝낸 상기 석영보트를 상기 반응관으로부터 언로딩하는 단계; 상기 석영보트가 언로딩된 직후, 상기 반응관을 급속히 냉각시키기 위해 강제 공냉하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 강제 공냉 단계는 상기 반응관 외곽 상부에서 뜨거운 공기를 외부로 배출함과 동시에, 상기 반응관 외곽 하부에서 외부로부터 냉각용 기체가 공급된다.

본 발명에 의하면, 상기 강제 공냉 단계는 상기 히터 어셈블리를 통해 외부로 배출되는 고온의 기체를 냉각시킨 후 외부로 배출시킨다.

이하, 본 발명에 따른 반도체 기판 열처리 공정을 위한 시스템을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

종래 기술과 비교한 본 발명의 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)을 위한 퍼니스 장치를 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 퍼니스 장치(100)는 고온 분위기하에서 기판 내에 원하는 도전형의 불순물을 확산시키는 공정을 수행하는 열처리 장치이다. 이 퍼니스 장치(100)는 내측 튜브(Inner tube, 112)와 외측 튜브(Outer tube, 114)로 이루어지는 반응관(110), 히터 어셈블리(120), 복수의 기판(w)들이 적재되는 석영보트(116), 이 보트(116)를 지지하는 그리고 상기 반응관(110)의 플랜지(111)에 결합되는 시일 캡(118), 그리고 상기 시일 캡(118)과 연결되어 상기 보트(116)를 상기 반응관(110)에 로딩/언로딩시키기 위한 로더 장치(119)를 구비하고 있다.

상기 내측 튜브(112)는 석영으로 된 관으로, 그 내부에 기판(w)가 적재된 석영 보트(Quartz boat, 116)가 삽입되어 기판(w) 상에 화학기상증착이 진행되는 곳이다. 상기 외측 튜브(114)는 내측 튜브(112)의 외측에 설치되어 그 내부를 밀폐시키는 역할을 하며, 상기 히터 어셈블리(120)는 외측 튜브(114)의 외측에 설치되어 기판(w)를 소정 온도로 가열하게 된다.

상기 반응관의 플랜지(111) 일측에는 상기 내측 튜브(112) 내부로 화학소스 가스를 주입하기 위한 가스 주입구(111a)가 마련되어 있으며, 다른 일측에는 펌프(미도시됨)와 연결되어 외측 튜브(114) 내부를 감압시키기 위해 공기를 흡입하는 공기 흡입구(111b)가 마련되어 있다.

도 2는 도 1에 도시된 히터 어셈블리를 보여주는 도면이고, 도 3 및 도 4는 공급부와 배출부가 설치된 단열블럭을 보여주는 도면들이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 히터 어셈블리(120)는 상부블럭(122a), 하부블럭(122b) 그리고 측면블럭(122c)으로 이루어지는 단열블럭(122)을 포함한다. 이 단열블럭(122)의 안쪽에는 열을 발생시키는 코일(124)이 설치되며, 상기 단열블럭의 외곽에는 냉각수 순환라인(126)이 설치된다. 그리고 상기 냉각수 순환라인(126)을 보호하기 위해 보호커버(126a)가 상기 냉각수 순환라인(126)을 감싸도록 설치된다. 또한, 상기 히터 어셈블리(1200는 상기 단열블럭(122) 내부의 온도를 강제로 떨어뜨리기 위한 공냉 수단(130)을 갖는다.

상기 공냉 수단(130)을 구체적으로 살펴보면, 냉각용 기체로 외부공기(또는 불활성가스가 사용될 수 있으며, 이하 외부공기라고 칭함.)가 상기 단열블럭 내부로 공급되는 공급부(132)와, 상기 단열블럭 내부로 공급된 외부 공기가 단열블럭 밖으로 배출되는 배출부(140) 그리고 배출된 불활성가스를 상온으로 냉각시켜주는 냉각부(150)를 포함한다.

상기 공급부(132)에 연결되는 유입포트(134a) 그리고 상기 유입포트(134a)를 통해 유입된 기체가 상기 단열블럭(122) 내부로 균일하게 공급될 수 있도록 상기 하부블럭(122b)에 관통되어 형성되는 다수의 분사홀(136)들을 갖는다. 상기 분사홀(136)들은 상기 하부블럭(122b)에 방사상으로 배치되며 그 분사각이 수직하도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 배출부(140)는 상기 단열블럭(122)의 상부블럭(122a) 에 연결되는 배출포트(142a) 그리고 상기 단열블럭 내부의 고온의 공기를 배출하기 위하여 상기 상부블럭(122a)에 관통되어 형성되는 다수의 배출홀(144)들을 갖는다. 상기 배출홀(144)들은 상기 상부블럭(122a)에 방사상으로 배치된다.

한편, 상기 배출부(140)의 배출포트(142a)에는 상기 배출포트를 통해 배출되는 고온의 공기를 냉각하기 위한 냉각부(150)의 유입포트(152)가 연결된다. 상기 냉각부(150)는 상기 유입포트(152)를 통해 유입되는 뜨거운 공기를 냉각시키기 위한 칠러(chiller;154)를 통과한 공기가 외부로 배출되는 유출포트(158)를 갖는다.

이와 같이 히터 어셈블리(120)를 갖는 퍼니스 장치에서의 증착 공정은 다음과 같다.

상기 반응관(110)이 상기 히터 어셈블리(120)의 히팅코일(124)에 의해 소정의 공정처리온도(예를 들어 800-1250도)로 가열되면, 복수의 기판들이 적재된 석영보트(116)가 로더장치(119)에 의해 상승하여 상기 반응관(110) 내부로 로딩된다. 그리고, 소정의 반응가스들이 상기 반응관 내부로 공급되어 막형성 또는 확산 등의 열처리가 진행된다. 이렇게 소정 시간동안 열처리 공정이 완료되면, 상기 석영보트(116)는 상기 반응관(110)으로부터 언로딩된다.

상기 석영보트(116)가 언로딩된 직후, 상기 반응관(110)을 급속히 냉각시키기 위해 강제 공냉 과정이 이루어진다. 즉, 냉각부(150)가 동작되면, 상기 단열블럭(122)과 상기 반응관(110) 사이의 공기(뜨거운 공기)가 상기 배출부(140)의 배출홀(144)들을 통해 냉각부(150)로 흡입(유입)되고, 이와 동시에 상기 단열블럭(122)과 상기 반응관(110) 사이의 공간으로는 상기 공급부(132)를 통해 외부의 공기(상온의 공기)가 유입된다. 이 외부 공기는 상기 히터 어셈블리(120)의 공급부의 경로(유입포트- 분사홀들)를 통해 상기 단열블럭(122)과 상기 반응관(110) 사이의 공간으로 분사된다.

이처럼, 상기 외부공기는 상기 단열블럭(122)과 상기 반응관(110) 사이의 공간에서 상승하기 때문에 외부공기가 전체적으로 빠르게 급랭되고, 결국 온도의 급랭을 얻을 수 있는 장점이 있다. 외부공기는 상승하면서 상기 반응관과 코일의 온도를 떨어뜨리게 되고, 이렇게 해서 뜨거워진 공기는 상기 배출부(140)의 배출홀(144)들을 통해 상기 냉각부(150)로 유입된다.

상기 냉각부로 유입된 공기는 칠러(154)를 통과하면서 냉각되어진 후 유출포트(158)를 통해 외부로 배출된다. 한편, 상기 유출포트(158)에는 배출되는 공기에 포함된 파티클(이물질)들을 거르기 위한 필터(159)가 설치되어 있다. 상기 필터(159)는 뜨거운 공기에 의해 손상됨 가능성이 높기 때문에, 가능한 냉각부 전에 설치하는 것보다 냉각부 후단에 설치되는 것이 바람직하다.

이러한 공기의 흐름을 통해 상기 히터 어셈블리(120)의 내부 온도는 850~1250도에서 300도까지 15~20℃/min의 속도로 급속하게 냉각됨으로써, 반응관(또는 히터 어셈블리)의 냉각 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 이 공기의 흐름은 상기 반응관의 하부에서 상부로 상승하기 때문에 온도의 균일성을 얻을 수 있다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 그리고, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 히터 내부의 온도를 신속하게 냉각이 가능해짐으로써 공정 대기 시간을 단축시킬 수 있어 생산성 향상 효과를 얻을 수 있다. 뜨거운 공기를 냉각한 후 외부로 배출함으로써 실내의 온도 상승 문제가 발생되지 않으며, 특히 필터를 설치함으로써 실내 오염을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 퍼니스 장치를 개략적으로 보여주는 도면;

도 2는 도 1에 도시된 퍼니스 장치에서 반응관을 냉각하기 위한 공기 흐름을 도시한 도면;

도 3은 공급부가 설치된 단열블럭의 하부블럭을 보여주는 도면;

도 4는 배출부가 설치된 단열블럭의 상부블럭을 보여주는 도면;

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

110 : 반응관

120 : 히터 어셈블리

122 : 단열블럭

124 : 코일

130 : 공냉수단

Claims

반도체 제조를 위한 퍼니스 장치에 있어서:

내부에 복수의 기판들이 적재되는 석영보트가 위치되는 반응관;

상기 반응관을 가열하기 위하여 상기 반응관을 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리를 포함하되;

상기 히터 어셈블리는

단열블럭과, 상기 단열블럭 안쪽에 설치되는 열 발생 코일;

상기 단열블럭 내부의 온도를 강제로 떨어뜨리기 위한 공냉수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치.
제1항에 있어서,

상기 공냉수단은

냉각용 기체가 상기 단열블럭 내부로 공급되는 공급부;

상기 단열블럭 내부의 고온의 냉각용 기체가 밖으로 배출되는 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치.
제2항에 있어서,

상기 공급부는 상기 냉각용 기체가 유입되는 상기 유입포트를 통해 유입된 냉각용 기체가 상기 단열블럭 내부로 균일하게 공급될 수 있도록 상기 단열블럭의 하부에 관통되어 형성되는 다수의 분사홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치.
제3항에 있어서,

상기 분사홀들은 상기 단열블럭에 방사상으로 배치되게 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치.
제2항에 있어서,

상기 배출부는

상기 공급부를 통해 공급된 냉각용 기체가 빠져나가는 배출홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치.
제2항에 있어서,

상기 공냉수단은

상기 배출부를 통해 배출되는 고온의 냉각용 기체를 상온으로 냉각시켜주는 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치.
제6항에 있어서,

상기 냉각부는 상기 배출부와 연결되는 유입포트;

상기 유입포트를 통해 유입된 고온의 냉각용 기체를 냉각시키는 칠러(chiller);

상기 칠러를 통과한 냉각용 기체가 외부로 배출되는 유출포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치.
제7항에 있어서,

상기 냉각부는 상기 유출포트를 통해 배출되는 냉각용 기체에 포함된 파티클들을 제거하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치.
내부에 복수의 기판들이 적재되는 석영보트가 위치되는 반응관을 가열하기 위하여 상기 반응관을 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리를 포함하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치에서의 열처리 방법에 있어서:

상기 반응관이 상기 히터 어셈블리의 히팅코일에 의해 소정의 처리온도로 가열되는 단계;

복수의 기판들이 적재된 석영보트가 상기 반응관 내부로 로딩되어 열처리하는 단계;

열처리를 끝낸 상기 석영보트를 상기 반응관으로부터 언로딩하는 단계;

상기 석영보트가 언로딩된 직후, 상기 반응관을 급속히 냉각시키기 위해 강제 공냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치에서의 열처리 방법.
제9항에 있어서,

상기 강제 공냉 단계는

상기 반응관 외곽 상부에서 뜨거운 공기를 외부로 배출함과 동시에, 상기 반응관 외곽 하부에서 외부로부터 냉각용 기체가 공급되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치에서의 열처리 방법.
제9항에 있어서,

상기 강제 공냉 단계는

상기 히터 어셈블리를 통해 외부로 배출되는 고온의 기체를 냉각시킨 후 외부로 배출시키는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 퍼니스 장치에서의 열처리 방법.