KR100906291B1 - 열 응력 방지구조를 구비한 고온 열처리 노와 이를 위한배플 및 페데스탈 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면 고온 열처리를 위한 열을 제공하는 히터가 바깥쪽에 배치되고, 상기 히터의 안쪽에는 공정가스가 주입되는 열처리 튜브와 웨이퍼들이 탑재되는 보트(boat)가 설치되며, 상기 보트의 하부에는 열의 이동을 차단하는 배플(baffle)과 상기 배플의 하부에서 상부 구조물들을 지지하는 페데스탈(pedestal)을 구비한 고온 열처리 노에 있어서, 상기 배플의 몸체와 상기 페데스탈의 몸체에는 공정가스 배출용 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노가 개시된다.

종형 확산 노, 보트, 배플, 페데스탈, 고온 열처리

Description

열 응력 방지구조를 구비한 고온 열처리 노와 이를 위한 배플 및 페데스탈 구조{HIGH TEMPERATURE PROCESSING FURNACE HAVING STRUCTURE FOR PREVENTING HEAT STRESS AND BAFFLE AND PEDESTAL STRUCTURE FOR THE SAME}

본 발명은 종형 확산 노(Vertical Diffusion Furnace) 형태를 갖는 고온 열처리 노(furnace)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 열처리 공정에 사용되는 열처리 노의 내부 가스 흐름을 제어하여 열처리 대상 웨이퍼에 열 응력에 의한 슬립(slip)이 발생하는 것을 방지하는 구조를 구비한 고온 열처리 노에 관한 것이다.

실리콘 웨이퍼를 고온에서 열처리 할 때 웨이퍼에 가해지는 주요 응력으로는 열처리 노 내부에서 발생하는 열적 응력(thermal stress)과, 고온에서 웨이퍼에 가해지는 중력 방향의 인력에 의해 발생하는 응력(gravitational stress)이 있다. 이러한 응력들은 모두 항복점(yield point)이 넘어설 경우 웨이퍼에 소성변형(plastic deformation)을 발생시키고 응력이 커짐에 따라 변형은 증가하게 된다. 또한, 이러한 변형으로 인해 실리콘 내부의 전위선(dislocation line)을 따라 실리콘 원자간 거리가 변형되는데, 이와 같이 전위선을 따라 결정 속에서 일어나는 일련의 원자 변위를 통상적으로 슬립(slip)이라고 정의한다.

일반적으로 고온에서 사용하는 종형 확산 노는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전기를 사용하여 열을 발생시키는 히터(10)가 최외각에 배치되고, 그 내부에 열처리 튜브(tube)(20)와 웨이퍼들이 탑재되는 보트(boat)(30)가 구비되며, 보트(30)의 하부에는 열의 이동을 차단하기 위한 배플(baffle) 적층부(40)와, 배플 적층부(40)의 하부에 위치하여 구조물들을 지지하는 페데스탈(pedestal)(50)이 보트 엘리베이터(boat elevator)(60) 위에 장착된 구조를 갖는다.

보트(30)는 웨이퍼를 탑재한 상태로 상, 하 이동 가능하게 설치되고, 보트 엘리베이터(60)는 고온의 열 충격에 견딜 수 있도록 스테인레스 재질로 구성되며 그 내부에 냉각수가 흐르도록 설계된다.

하부 구조물 중 배플 적층부(40)를 구성하는 배플은 석영(quartz) 또는 탄화규소(SiC)를 재질로 하여 디스크 형태로 제작되며, 통상적으로 두 가지 타입이 혼용된다. 석영(quartz) 재질의 배플은 외부의 낮은 온도에 의한 열 전달을 막아주며, 탄화규소(SiC) 재질의 배플은 열전도도가 높아 보트(30)와 하부 구조물 간의 온도차이를 줄여주는 역할을 하게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 배플(41)은 그 디스크 가장자리를 따라 일정간격으로 홀(hole)(42)이 형성된 형태로 설계되며, 이 홀(42)을 통해 지지 프레임(35)에 일정 간격으로 고정된 보트 샤프트(36)가 끼워짐으로써 통상 10매 정도의 배플(41)이 적층된다.

페데스탈(50)은 외부의 차가운 온도에 의한 열출입을 차단하고 열처리 튜브(20) 내부의 가스가 누출되는 것을 방지하기 위해 석영(quartz)으로 제작되며, 배플(41)의 형태에 상응하여 도 4와 같은 형태로 제공된다.

그런데, 종래의 고온 열처리 노는 웨이퍼에 대한 고온 열처리 공정을 수행했을 때 보트(30)의 하단부에 위치한 웨이퍼에서 도 5에 도시된 바와 같이 슬립이 발생하게 되는 취약점이 있다. 이는 페데스탈(50)과 열처리 튜브(20) 사이의 간격의 너무 좁아 투입된 공정가스가 원활히 자연배기되지 못하고 보트(30)의 하단부에서 와류(turbulent flow)를 일으키면서 보트(30) 하단부의 온도 균일성을 떨어뜨리기 때문인 것으로 분석된다. 여기서, 와류는 뜨거운 가스가 정체됨에 따라 웨이퍼에 직접적으로 전달되는 열이 증가하여 열응력을 증가시키게 되는데, 이때 챔버 내부의 온도를 제어하기 위한 써모 커플러(thermo coupler)(80)는 열처리 튜브(20)의 바깥쪽에 배치되므로 웨이퍼에 직접 전달되는 열을 감지하지 못하게 된다.

상기와 같은 온도 불균일 문제는 보트(30)의 최하단부를 슬롯(Slot) #1로 지정하고, 슬롯 사이의 피치를 10㎜로 설계했을 때 통상적으로 슬롯 #12까지 나타난다. 슬립 발생의 정도는 보트(30)의 최하단부에 위치한 슬롯 #1이 가장 심하며 슬롯 #12에서는 미미하게 나타난다(도 6 참조).

가스 플로우를 원활히 하기 위하여 페데스탈(50)의 직경을 줄이면 챔버 외부의 온도와 내부의 온도 차이를 막는 열차단 기능이 저하되어 여전히 슬립이 발생하며, 보트(30) 하단부의 떨어지는 온도를 보상하기 위해 파워를 조절할 경우에는 챔버 내부의 전체적인 온도 균일성이 떨어지게 된다.

고온공정 중 가스 배출이 원활하지 못하여 발생하는 웨이퍼 내에서의 온도분포에 대하여 시뮬레이션을 수행하면 도 7에 도시된 바와 같은 결과를 얻을 수 있다. 도 7을 참조하면, 가스의 흐름이 원활하지 못함으로 인해 웨이퍼 에지(edge)와 중심부(center)에서 온도차이가 심하게 나타나며, 슬립이 발생한 위치와 유사하게 온도차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 온도차이는 웨이퍼에 열응력을 가중시키고, 이렇게 가중된 응력에 의해 웨이퍼에 슬립이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 종형 확산노를 구성하는 배플과 페데스탈을 관통하여 공정가스가 배기될 수 있는 구조를 통해 가스 흐름 불균일에 의한 슬립 발생을 방지하는 고온 열처리 노와 이를 위한 배플 및 페데스탈 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 종형 확산 노에 있어서, 배플과 페데스탈에 공정가스 배출용 통공이 형성된 구조의 고온 열처리 노를 개시한다.

즉, 본 발명에 따른 고온 열처리 노는 고온 열처리를 위한 열을 제공하는 히터가 바깥쪽에 배치되고, 상기 히터의 안쪽에는 공정가스가 주입되는 열처리 튜브와 웨이퍼들이 탑재되는 보트(boat)가 설치되며, 상기 보트의 하부에는 열의 이동을 차단하는 배플(baffle)과 상기 배플의 하부에서 상부 구조물들을 지지하는 페데스탈(pedestal)을 구비한 고온 열처리 노에 있어서, 상기 배플의 몸체와 상기 페데스탈의 몸체에는 공정가스 배출용 통공이 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 배플의 공정가스 배출용 통공은 상기 배플의 디스크형 몸체 중심을 관통하도록 형성된다.

상기 배플의 몸체 가장자리에는 일정 간격으로 체결공이 형성되고, 상기 체결공에 끼워져서 상기 보트에 연결되는 보트 샤프트에 의해 복수매의 배플이 적층되되, 각 배플의 중심이 정렬되어 공정가스 배출용 통공들이 상호 연통되는 것이 바람직하다.

상기 페데스탈의 공정가스 배출용 통공은 상기 배플의 몸체 중심과 대응하는 페데스탈 몸체 중심에 그 유입구가 위치하고 유출구는 배기구를 향하는 'ㄴ'자형 통공인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 고온 열처리를 위한 열을 제공하는 히터가 바깥쪽에 배치되고, 상기 히터의 안쪽에는 공정가스가 주입되는 열처리 튜브와 웨이퍼들이 탑재되는 보트가 설치된 고온 열처리 노에 있어서 상기 보트의 하부에 설치되어 열의 이동을 차단하는 배플 구조로서, 배플 몸체에 공정가스 배출용 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노의 배플 구조가 제공된다.

바람직하게, 상기 배플 몸체는 전체적으로 디스크 형태로 구성되고, 상기 공정가스 배출용 통공은 상기 배플 몸체의 중심을 관통하도록 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 고온 열처리를 위한 열을 제공하는 히터가 바깥쪽에 배치되고, 상기 히터의 안쪽에는 공정가스가 주입되는 열처리 튜브와 웨이퍼들이 탑재되는 보트가 설치되며, 상기 보트의 하부에는 열의 이동을 차단하는 배플이 설치된 고온 열처리 노에 있어서 상기 배플의 하부에 설치되어 상부 구조물들을 지지하는 페데스탈 구조로서, 페데스탈 몸체에 공정가스 배출용 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노의 페데스탈 구조가 개시된다.

상기 페데스탈의 공정가스 배출용 통공은 상기 페데스탈 몸체의 중심에 그 유입구가 위치하는 'ㄴ'자형 통공인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 공정가스의 플로우가 배플과 페데스탈의 중심을 관통하도록 구성하여 원활한 배기를 유도함으로써 보트 하단부에서의 와류 발생을 방지할 수 있고, 이에 따라 노내의 온도를 균일하게 조절할 수 있어 웨이퍼의 슬립 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 열처리 노의 구성과 노 내부의 가스 플로우를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 열처리 노는 고온 열처리를 위한 열을 제공하는 히터(도 1의 10 참조)가 최외곽에 배치되고, 히터의 안쪽에는 그 내부에 공정가스가 주입되고 그 바깥에는 써모 커플러(thermo coupler)(150)가 장착되는 열처리 튜브(100)와, 웨이퍼들이 탑재되는 보트(boat)(110)와, 보트(110)의 하부에서 열의 이동을 차단하는 배플(baffle) 적층부(120)와, 배플 적층부(120)의 하부에 배치되어 상부 구조물들을 지지하는 페데스탈(pedestal)(130)을 구비하며, 배플 적층부(120)와 페데스탈(130)의 중심에는 공정가스가 배출될 수 있는 통로가 형성된 구조를 갖는다.

본 발명에 구비되는 히터, 열처리 튜브(100), 보트(110) 등의 구성은 통상의 종형 확산 노의 기본 구성을 동일하게 채용하여 구성될 수 있으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

배플 적층부(120)를 이루는 각각의 배플은 석영(quartz)이나 탄화규소(SiC)를 재질로 하는 디스크형의 몸체를 구비하며, 도 9에 상세히 도시된 바와 같이 배플(121)의 몸체 가장자리에는 일정 간격으로 체결공(122)이 형성되고, 중심에는 공정가스 배출용 통공(123)이 형성된 구조를 갖는다. 여기서, 배플(121)의 중심을 관통하는 공정가스 배출용 통공(123)의 형태나 구경이 도면에 도시된 것에 한정되지 않음은 물론이다.

배플(121)의 가장자리를 따라 일정 간격으로 형성된 체결공(122)에는 보트(110)에 연결되는 보트 샤프트(도 3의 36 참조)가 관통하여 끼워진다. 배플 적층부(120)는 보트 샤프트에 의해 복수매의 배플(121)이 적층된 구조를 이루며, 각 배플의 중심에 형성된 공정가스 배출용 통공(123)이 정렬되어 상호 연통되도록 배치 된다.

페데스탈(130)은 석영(quartz)을 재질로 하며, 배플(121)의 형태에 대응하는 상면을 구비한 몸체를 갖도록 구성된다. 도 10에 도시된 바와 같이 페데스탈(130)의 몸체에는 전체적으로 'ㄴ'자 형태를 갖는 공정가스 배출용 통공(131)이 형성된다. 즉, 공정가스 배출용 통공(131)의 유입구는 페데스탈(130)의 몸체 중심에 위치하고, 그 유출구는 페데스탈(130) 몸체의 측면으로 연장되어 배기구(140)를 향하는 형태를 갖는다.

다시 도 8을 참조하면, 열처리 튜브(100)와 보트(110) 사이의 공간을 따라 유동하는 열처리용 공정가스의 흐름은 각 배플(121)에 형성된 공정가스 배출용 통공(123)과 페데스탈(130)에 형성된 공정가스 배출용 통공(131)을 순차적으로 통과한 후 배기구(140)를 통해 외부로 배기된다.

이상과 같은 본원발명의 구성과 작용에 따르면 열처리 튜브(100) 내부에서 공정가스의 흐름을 원활하여 고온 열처리를 완료했을 때 웨이퍼의 전면에서 온도가 균일하게 유지됨을 확인할 수 있다(도 11 참조). 다만 웨이퍼 에지(edge)에서 열을 많이 받아 에지 부분의 온도가 가장 높게 나타나고, 중심(center)로 갈수록 온도가 떨어지는 패턴을 확인할 수 있는데, 이는 히터와 가까운 위치에서 열을 많이 받는 현상에 의한 것으로서, 에지와 중심부 간의 온도차이에 의한 열응력은 다소 발생하지만 웨이퍼에 슬립을 초래할 정도로 응력을 가중시키지는 않는다.

도 12에는 배플(121)과 페데스탈(130)의 중심에 공정가스 배출용 통공(123,131)을 형성한 본 발명(b)와, 공정가스 배출용 통공(123,131)을 형성하지 않은 종래기술(a)을 각각 적용하여 고온 열처리를 수행하고, 그에 따른 웨이퍼의 상태를 고온 열처리 노의 슬롯 위치별로 비교한 결과가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 종래기술(a)과는 달리 본 발명(b)의 경우 열응력에 의한 슬립이 발생하지 않음을 확인할 수 있으며, 이러한 결과를 통해 본 발명은 한정된 슬롯을 가진 보트(110)에서 슬립이 없는(slip free) 웨이퍼의 생산수율을 증가시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있음이 이해될 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 종형 확산 노의 주요 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2는 도 1에서 종형 확산 노 하부의 주요 구성을 부분적으로 도시한 사시도이다.

도 3은 도 1에서 배플의 구성을 상세히 도시한 사시도이다.

도 4는 도 1에서 페데스탈의 구성을 상세히 도시하는 사시도이다.

도 5는 종래기술에 따른 종형 확산 노의 하단부에서 발생하는 슬립 형태를 나타내는 사진이다.

도 6은 종래기술에 따른 종형 확산 노의 가스 플로우를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 7은 종래기술에 따라 고온 열처리를 수행한 웨이퍼의 온도분포를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 도면이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 열처리 노의 구성과 노 내부의 가스 플로우를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 9는 도 8에서 배플의 구성을 상세히 도시한 사시도이다.

도 10은 도 8에서 페데스탈의 구성을 상세히 도시한 사시도이다.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 열처리 노를 이용해 고온 열처리를 수행한 웨이퍼의 온도분포를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 도면이다.

도 12는 종래기술과 본 발명에 따라 고온 열처리를 거친 웨이퍼의 상태를 슬롯 위치별로 비교한 도면이다.

<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>

100: 열처리 튜브 110: 보트

120: 배플 적층부 121: 배플

122: 체결공 123,131: 공정가스 배출용 통공

130: 페데스탈 140: 배기구

Claims (8)

1. 고온 열처리를 위한 열을 제공하는 히터가 바깥쪽에 배치되고, 상기 히터의 안쪽에는 공정가스가 주입되는 열처리 튜브와 웨이퍼들이 탑재되는 보트(boat)가 설치되며, 상기 보트의 하부에는 열의 이동을 차단하는 배플(baffle)과 상기 배플의 하부에서 상부 구조물들을 지지하는 페데스탈(pedestal)을 구비한 고온 열처리 노에 있어서,

   상기 배플의 몸체와 상기 페데스탈의 몸체에는 공정가스 배출용 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노.
2. 제1항에 있어서,

   상기 배플의 공정가스 배출용 통공은 상기 배플의 디스크형 몸체 중심을 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노.
3. 제2항에 있어서,

   상기 배플의 몸체 가장자리에는 일정 간격으로 체결공이 형성되고,

   상기 체결공에 끼워져서 상기 보트에 연결되는 보트 샤프트에 의해 복수매의 배플이 적층되되, 각 배플의 중심이 정렬되어 공정가스 배출용 통공들이 상호 연통되는 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노.
4. 제3항에 있어서,

   상기 페데스탈의 공정가스 배출용 통공은 상기 배플의 몸체 중심과 대응하는 페데스탈 몸체 중심에 그 유입구가 위치하고 유출구는 배기구를 향하는 'ㄴ'자형 통공인 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노.
5. 고온 열처리를 위한 열을 제공하는 히터가 바깥쪽에 배치되고, 상기 히터의 안쪽에는 공정가스가 주입되는 열처리 튜브와 웨이퍼들이 탑재되는 보트가 설치된 고온 열처리 노에 있어서 상기 보트의 하부에 설치되어 열의 이동을 차단하는 배플(baffle) 구조로서,

   배플 몸체에 공정가스 배출용 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노의 배플 구조.
6. 제5항에 있어서,

   상기 배플 몸체는 전체적으로 디스크 형태로 구성되고,

   상기 공정가스 배출용 통공은 상기 배플 몸체의 중심을 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노의 배플 구조.
7. 고온 열처리를 위한 열을 제공하는 히터가 바깥쪽에 배치되고, 상기 히터의 안쪽에는 공정가스가 주입되는 열처리 튜브와 웨이퍼들이 탑재되는 보트가 설치되며, 상기 보트의 하부에는 열의 이동을 차단하는 배플(baffle)이 설치된 고온 열처 리 노에 있어서 상기 배플의 하부에 설치되어 상부 구조물들을 지지하는 페데스탈(pedestal) 구조로서,

   페데스탈 몸체에 공정가스 배출용 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노의 페데스탈 구조.
8. 제7항에 있어서,

   상기 페데스탈의 공정가스 배출용 통공은 상기 페데스탈 몸체의 중심에 그 유입구가 위치하는 'ㄴ'자형 통공인 것을 특징으로 하는 고온 열처리 노의 페데스탈 구조.

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