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반도체 웨이퍼 주변 Gas 흐름에 따른 열처리(Annealing) 장비 내부 온도 특성 분석 보고서

2022.05.06 반디통
반디통 Simulation 유동해석 열처리

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열처리 장비 설계 시 어떤 성능을 고려해야 할까요?


반도체 디바이스 제조에 있어서 반드시 필요한 열처리 공정에서 사용되는 열처리 장비는 웨이퍼 전체의 온도를 균일하게 유지하고 측정하거나 제어하는 능력이 우수해야 합니다.

 

특히 온도를 상승 및 하강할 때 웨이퍼의 원주 부분이 내부보다 온도가 일반적으로 낮아질 경우 이러한 웨이퍼 상의 온도의 불균일은 열처리 후에 웨이퍼의 뒤틀림, 단층, 박막의 미끄러짐 등의 심각한 문제들을 야기시키기 때문입니다.

 

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또한 웨이퍼에 증착된 박막의 두께나 광학 특성에 따라 복사 광선의 흡수도가 상당히 다르므로 박막에 따라서 온도 교정을 해야 하는 불편함이 있습니다. 패턴화된 웨이퍼는 박막의 두께와 광학 특성이 국부적으로 변화하기 때문에 웨이퍼 전체에 걸쳐서 온도를 균일하게 유지하기가 더욱 어렵습니다.

 

웨이퍼 표면의 거칠기와 웨이퍼 뒷면의 구조나 광학 특성도 웨이퍼 온도를 정확하게 측정하는 데 큰 영향을 미치게 됩니다. 그러므로 시스템 설계자의 가장 큰 어려움은 웨이퍼 온도를 균일하게 유지해야 하고 정확하게 온도를 측정 제어하는 것입니다.


장비 제조업체는 일반적으로 다음과 같은 문제를 해결할 수 있는 시스템 설계가 필요합니다.


1. 웨이퍼를 교체하여도 항상 같은 온도-시간 함수를 유지
2. 챔버 내의 가스의 균일한 흐름
3. 균일한 온도의 유지(웨이퍼 전체에 걸쳐서 온도 차이가 2[℃] 이내)
4. 열처리 장비 내부 정확한 온도 측정 및 제어


다양한 설계변수에 대해 매번 시험을 해야 하나요?


시험 값을 바탕으로 한 해석 모델이 갖춰진다면, 여러 설계변수 변경에 따른 해석 결과를 통해 장비 내부 최적 설계 방안 검토가 가능합니다. CFD 해석을 통해 압력, 속도, 운도 분포 등의 결과를 확인할 수 있습니다.

 

중요 Point!!

 

이상 기체 재료 및 모델 사용하여 열처리 장비의 복합 열전달 해석을 수행할 수 있습니다.
다양한 설계 변수들을 하나의 해석 모델에 반영하여 손쉽게 결과를 얻을 수 있습니다.

 

해석 배경

 

반도체 열처리 공정 중, 고온 열처리는 노(Furnace, 퍼니스)에서 진행하는데, 재질의 미세 구조를 변화시키는 현상을 이용하는 목적으로는, 상온(실내 온도 25 [˚C])에서부터 온도를 서서히 상승시켜 가열한 후, 고온을 어느 일정 시간 동안 유지하고 나서 다시 일정 시간에 걸쳐서 온도를 고온에서 상온까지 냉각시킵니다. 장시간에 걸쳐서 노에 200~300장의 여러 웨이퍼를 넣어 약 1,000 [˚C]까지 온도를 올렸다가 서서히 냉각시키는 방식으로 높은 온도인 만큼 시간 조절 및 장비 성능 평가가 중요합니다.

 

 

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해석 목적

 

입구 노즐에서 분사된 가스 확산에 따른 웨이퍼의 온도 분포(균일도) 분석

 

 

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웨이퍼 열처리 장비 보고서 다운로드

 

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