CFD Simulation을 이용한 AlN Heater 온도 최적화 연구

국문 초록 (Abstract)

반도체 공정 기술이 발전함에 따라 공정 시간 단축 및 공정 미세화가 이루어지고 있다. 공정 시간 단축 및 공정 미세화를 위해서는 높은 공정 온도가 요구 되고 있다.
지금 까지는 낮은 온도에서 사용 할 수 있는 메탈 소재의 Heater를 사용하고 있었다. 하지만 메탈 소재의 Heater는 높은 온도에서 열에 대한 변형 및 낮은 내구성, 내식성으로 인해 자주 Heater가 교체가 되어야하며 이로 인해 공정 시간이 딜레이되며 공정 미세화를 이루지 못하고 있었다.
이러한 단점을 보완하기 위한 세라믹 소재인 AlN의 소재가 주목 받고 있다.
AlN소재는 높은 내구성과 높은 열전도도, 특히 고온에서의 낮은 열변형으로 인해 반영구적으로 사용 할 수 있는 소재 이다. 그래서 최근에는 기존에 메탈 소재의 Heater가 AlN소재의 Heater로 교체 되고 있다.
하지만 AlN Heater는 메탈 Heater대비 고가이며 특히 많은 개발 시간을 요구하고 있다. 또한 반도체용 Heater의 가장 중요한 기능은 온도 균일도 이다. Heater의 온도 균일도에 의해 Wafer의 박막 두께 균일도가 결정이 되기 때문이다.

공정 미세화에 의해 높은 공정 온도를 요구 하고 있다. 공정 온도가 상승하면서 Heater 외 Chamber 내부의 Parts 및 Chamber Design 주위 환경에 의한 열 손실 등으로 인하여 높은 온도 균일도의 Heater 개발에 어려움이 있었다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 CFD Simulation 프로그램을 이용하여 최적 설계 연구를 진행 했다.
Simulation을 진행하기 전에 Simulation의 정확도 확인을 위한 Ref. Heater 온도 Test 결과와 Simulation 결과를 비교하였다.
정확한 Simulation을 하기 위해서는 정확한 경계조건과 Heater의 물성, 열특성 확인이 중요하였으며 특히 Simulation 모델링 또한 중요했다.
1차 Simulation 결과는 Ref. Heater 결과와 상이 하였다. Heater내부에 있는 발열체 Design으로 인해 정확인 해석이 이루지지 않아 결과가 상이 한 것으로 확인 되었다.
이를 개선 하기위해 발열체 Design 해석을 위한 모델 단순화를 진행 하였으며, 2차 Simulation 결과 90% 이상의 정확한 결과를 얻을 수 있었다.
Simulation 검증 후 Ref. Heater의 온도 결과를 분석하여 개선 방법을 분석 하였다. 분석 결과 Set 온도 550℃C에서 온도 Range는 8℃로 확인 되었다. Chamber 내부의 Slit Valve에 의해 열손실이 발생하였으며 또한 Heater Tube에서 열손실이 발생한다는 것을 확인 할 수 있었다.
그래서 Slit Valve부분과 Heater Tube부분의 발열 밀도를 증가 시켜 발열체를 개선하였다. 개선 된 발열체로 Simulation을 진행 하였으며 Simulation 결과 2.8℃로 개선 된 것을 확인 할 수 있었다.

Simulation 기반으로 실 제품을 제작 진행 하였으며 실 제품 온도 Test 결과
3.6℃로 온도 균일도가 48% 향상 된 것을 확인 할 수 있었다.

본 연구를 통해서 고가의 AlN Heater를 CFD Simulation 프로그램을 이용하여 최소 비용 및 시간으로 사용 Chamber에 최적화 된 Heater를 제작 할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As semiconductor process technology develops, process time is shortened and process is refined.
A high process temperature is required for shortening the process time and making the process finer.
So far, we have been using a metal heater that can be used at low temperatures.
However, due to heat deformation, low durability and corrosion resistance of metal heater at high temperature, the heater has to be replaced frequently. Process time is delayed and the process is not refined.
The AlN which is a ceramic material has attracted attention In order to overcome such disadvantages.

AlN is a material that can be used semi-permanently due to its high durability and high thermal conductivity, especially due to low thermal deformation at high temperatures.

In recent years, metal-based heaters have been replaced by AlN-based heaters.
However, AlN Heater is expensive compared to metal Heater and requires a lot of development time. The most important function of a heater for semiconductor is temperature uniformity. This is because the thin film thickness uniformity of wafer is determined by the temperature uniformity of the heater.

High process temperature is required due to process refinement. As the process temperature rises, it has been difficult to develop a heater with high temperature uniformity due to heat loss to the parts inside the chamber and the environment of the chamber design.
The CFD Simulation program was used for study on the optimal design to solve these problems.
Before proceeding with the simulation, temperature test results of reference Heater and simulation results were compared.

The precise boundary conditions, the properties of the heater, and the thermal properties were important for accurate simulation, especially the simulation modeling was also essential.
The first simulation result was different with the result of reference Heater. It was confirmed that the accurate analysis was not performed due to the design of the heating element inside the heater.
In order to improve this, simplification of the modeling for analysis on the design of the heating element was carried out. The result of the second simulation was more than 90% accurate.

After simulation verification, the improvement method was studied by analyzing temperature results of the reference heater. As a result of the analysis, the temperature range at set temperature 550 ℃ was 8 ℃. It was confirmed that heat loss was caused by the slit valve and heater tube inside the chamber.

Therefore, the heating density of the slit valve and the heater tube was increased to improve the heating element. Simulation was carried out with an improved heating element, and it was confirmed that the simulation result was improved to 2.8 ℃.

The actual heater was manufactured based on simulation. As a result of actual heater test, temperature uniformity was 3.6℃ improved by 48%.

In this study, it was achieved to have heater optimized to the chamber with highly expensive AlN heater at minimum cost and time by using CFD simulation.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 목적 1
• 1.2 연구 범위 4
• 1.2.1 Heater(AlN) 소재의 열전도도 및 방사율 분석 4
• 1.2.2 Simulation 모델 형상 분석 4
• 1.2.3 저항 발열체 발열량 분석 4
• 1.2.4 AlN Heater 온도 측정 분석 5
• 1.2.5 Heater외 Simulation 환경 조건 분석 5
• 제 2 장 이론적 배경 6
• 2.1 질화 알루미늄(AlN) 6
• 2.1.1 AlN 구조 6
• 2.1.2 AlN 소결 7
• 2.2 고융점 금속 및 몰리브덴(Mo) 특성 9
• 2.3 전산유체역학(CFD) 10
• 2.3.1 전산유체역학의 정의 및 활용 분야 10
• 2.3.2 전산유체역학 프로그램(Solid Works Flow Simulation) 12
• 2.4 반도체용 AlN Heater(질화 알루미늄 히터) 14
• 2.4.1 반도체용 AlN Heater 정의 14
• 2.5 CVD의 기본 개요 17
• 2.5.1 CVD 개념 17
• 2.5.2 CVD 막의 응용 18
• 2.6 해결 과제 21
• 제 3 장 본 론 23
• 3.1 실험 배경 23
• 3.2 실험 방법 24
• 3.2.1 Ref. AlN Heater 온도 평가 Test 24
• 3.2.2 시뮬레이션 경계 조건 28
• 3.2.3 시뮬레이션 최적화 검증 분석 33
• 3.2.4 개선 발열체 시뮬레이션 결과 분석 35
• 3.3 실험 결과 39
• 3.3.1 Heating Test T/C Wafer 측정 분석 39
• 3.3.2 Heating Test IR Camera 측정 분석 41
• 제 4 장 결 론 43
• 참고문헌 46
• Abstract 48