JP6009677B2 - 基板処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は基板処理装置に関するものであり、より詳しくは、ヒータの上部のサセプタプレートを利用して基板に対する工程温度の分布度を改善する装置に関するものである。
半導体素子製造工程は高温における基板の均一な熱処理を要求する。このような工程の例としては、物質層が気体状態から反応器内のサセプタに置かれている半導体基板の上に蒸着される化学気相蒸着、シリコンエピタクシャル成長などがある。サセプタは抵抗加熱、高周波加熱、赤外線加熱によって大よそ４００〜１２５０℃範囲の高温で加熱され、ガスが反応器を通過し、化学反応によって気体状態で蒸着工程が基板表面に非常に近接されて発生する。この反応によって基板の上に望みの生成物が蒸着される。
半導体装置はシリコン基板の上に多くの層（ｌａｙｅｒｓ）を有しており、このような層は蒸着工程を介して基板の上に蒸着される。このような蒸着工程はいくつかの重要な課題を有しており、このような課題は蒸着された膜を評価し蒸着方法を選択するのに重要である。
第一に、蒸着された膜の「質」（ｑｕａｌｉｔｙ）である。これは組成（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）、汚染度（ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌｓ）、欠陥密度（ｄｅｆｅｃｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）、そして機械的・電気的特性（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を意味する。膜の組成は蒸着条件に応じて異なり、これは特有な組成（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を得るために非常に重要である。
第二に、ウェハを横切る均一な厚さ（ｕｎｉｆｏｒｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）である。特に段差（ｓｔｅｐ）が形成された非平面（ｎｏｎｐｌａｎａｒ）形状のパターンの上部に蒸着された膜の厚さが非常に重要である。蒸着された膜の厚さが均一であるのか否かは、段差がある部分に蒸着された最小厚さをパターンの上部面に蒸着された厚さで除した値で定義されるステップカバレッジ（ｓｔｅｐ ｃｏｖｅｒａｇｅ）により判定する。
蒸着に関する他の課題は空間を埋めること（ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｐａｃｅ）である。これは金属ラインの間を、酸化膜を含む絶縁膜で詰めるギャップフィリング（ｇａｐ ｆｉｌｌｉｎｇ）を含む。ギャップはメタル配線（ｍｅｔａｌ ｌｉｎｅ）を物理的及び電気的に絶縁するために提供される。このような課題の中、均一度は蒸着工程に関する重要な課題のうちの一つであり、不均一な膜は、メタル配線の上で高い電気抵抗（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）をもたらして機械的な破損の可能性を増加させる。
本発明の目的は、ヒータの上部にサセプタプレートを設置し、基板を間接加熱して基板の温度勾配を改善することにある。
本発明の他の目的は、チャンバー蓋の上部に上部ヒータを設置して工程ガスを予備加熱することで工程反応時間を短縮することにある。
本発明の更に他の目的は、後述する詳細な説明と図面からより明確になるはずである。
本発明の一実施形態によると、基板に対する工程が行われる基板処理装置において、上部が開放された形状を有し、一側壁に形成されて前記基板が出入する通路を有するメインチャンバーと、前記メインチャンバーの開放された上部に設置され、外部から遮断されて前記工程が行われる工程空間を形成するチャンバー蓋と、下部が開放された形状の内部空間を有し、前記基板が置かれるサセプタプレートと、前記内部空間に設置されて回転可能であり、前記サセプタプレートから離隔配置されて前記サセプタプレートを加熱するメインヒータと、を含む。
前記基板処理装置は、前記サセプタプレートの開放された下部に設置されて前記内部空間の熱が外部に拡散されることを防止する支持部材を更に含む。
前記基板処理装置は、前記メインヒータの下部に設置されて前記メインヒータを支持し、前記メインヒータと共に回転可能な回転軸を更に含み、前記メインヒータは前記回転軸の上部に設置され、前記内部空間に挿入設置されるヒーティングプレートと、前記ヒーティングプレートに設置されて前記サセプタプレートを加熱する熱線と、を具備する。
前記メインチャンバーは下部が開放された形状を有し、前記基板処理装置は、前記メインチャンバーの開放された下部に設置されて内部設置空間を有し、前記回転軸の周りに沿って設置されるポンピングブロックを更に含む。
前記メインヒータ及び前記回転軸は前記内部設置空間に設置され、前記基板処理装置は、上部に置かれた前記基板を支持し、上昇位置及び下降位置に転換可能な複数個のホルダと、前記ホルダと連結されて前記ホルダを昇降する昇降軸と、前記回転軸の周りに沿ってポンピングブロックの上に形成され、前記工程ガスを外部に排出する排出孔と、前記排出孔の外側に形成されて前記昇降軸が挿入設置される昇降孔と、を更に含む。
前記基板処理装置は、前記チャンバー蓋の上部面に形成されて前記工程空間に向かって工程ガスを供給するガス供給口と、前記チャンバー蓋の下端部に設置され、前記工程ガスを前記基板に向かって拡散させる拡散孔を有する拡散板と、前記チャンバー蓋の上部に設置されて前記工程ガスを前記工程空間に向かって予備加熱する上部ヒータと、を更に含む。
前記基板処理装置は前記基板を昇降する昇降ユニットを更に含むが、前記昇降ユニットは上部に置かれた前記基板を支持し、上昇位置及び下降位置に転換可能な複数個のホルダと、前記ホルダと連結されて前記ホルダを昇降する昇降軸と、を含む。
前記サセプタプレートは上部面の縁に沿って形成される昇降溝を有し、前記ホルダは、前記昇降位置で上部面が前記サセプタプレートの上部面より高く位置し、前記下降位置で前記昇降溝に挿入されて前記基板の下部面から離隔される。
前記チャンバー蓋は上部が膨らんだドーム状又は平板状であってもいい。
本発明の一実施形態によると、ヒータの上部にサセプタプレートを設置して基板を間接加熱することで基板の温度勾配を改善することができる。また、チャンバー蓋の上部に上部ヒータを設置して工程ガスを予備加熱することで工程反応時間を短縮し、生産性を増大することができる。
以下、本発明の好ましい実施形態を添付した図１乃至図４を参照してより詳細に説明する。本発明の実施形態は様々な形に変更してもよく、本発明の範囲が後述する実施形態によって限定されると解析してはならない。本実施形態は、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより詳細に説明するために提供されるものである。よって、図面に示す各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている可能性がある。
一方、以下では蒸着工程を例に挙げて説明するが、本発明は蒸着工程を含む多様な基板処理工程に応用可能である。また、実施形態で説明する基板Ｗ以外に多様な非処理体にも応用可能であることは当業者にとって当然である。
図１は、本発明の一実施形態による基板処理装置を概略的に示す図である。図１に示すように、基板処理装置１はメインチャンバー１０とチャンバー蓋２０を含む。メインチャンバー１０は上部が開放された形状であり、一側に基板Ｗが出入可能な通路８を有する。基板Ｗはメインチャンバー１０の一側に形成された通路８を介してメインチャンバー１０の内部に出入する。ゲートバルブ５は通路８の外部に設置され、通路８はゲートバルブ５によって開放されるか閉鎖される。
チャンバー蓋２０はメインチャンバー１０の開放された上部に連結され、外部から遮断されて工程空間３を有する。メインチャンバー１０とチャンバー蓋２０との間には連結部材１５が設置され、工程空間３を完全に密閉する。ガス供給孔８０はチャンバー蓋２０の天井壁を貫通するように形成され、ガス供給孔８０を介して工程ガスはメインチャンバー１０の内部に供給される。工程ガスは工程ガス貯蔵タンク８８に連結されており、バルブ８４を開閉して工程ガス投入量を調節することができる。
チャンバー蓋２０の下端面には複数個の拡散孔７５を具備する拡散板７０が設置される。拡散板７０は同じ高さに形成された複数個の拡散孔７５を介して工程ガスを基板Ｗの上に普く供給する。工程ガスは水素（Ｈ２）又は窒素（Ｎ２）又は所定の他の不活性ガスを含んでもよく、シラン（ＳｉＨ４）又はジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）のようなプリカーサガスを含んでもよい。また、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）又はホスフィン（ＰＨ３）のようなドーパントソースガスを含んでもよい。拡散板７０はガス供給孔８０を介して供給された工程ガスを基板Ｗに向かって拡散し流動する。
チャンバー蓋２０の上部にはガス供給孔８０を介して流入された工程ガスを加熱する上部ヒータ２５が設置される。チャンバー蓋２０は上部に向かって膨らんだドーム状を有し、上部ヒータ２５もチャンバー蓋２０と対応する形状を有する。上部ヒータ２５に具備される熱線２７はチャンバー蓋２０の上部面に沿って予め設定された間隔で離隔配置され、チャンバー蓋２０に向かって熱を加えてガス供給口８０から供給された工程ガスを予備加熱する。予備加熱された工程ガスは拡散板７０を介して基板Ｗに拡散されて工程が行われ、１次的に予備加熱された工程ガスを基板Ｗに向かって供給することで基板Ｗとの工程反応時間を短縮し生産性を増大することができる。
メインチャンバー１０の内部にはメインヒータ４０が設置される。メインヒータ４０の上部にはメインヒータ４０と離隔されてサセプタプレート３０が設置される。
サセプタプレート３０は下部が開放された形状で内部空間４を有し、支持部材３８はサセプタプレート３０の開放された下部に設置されてメインヒータ４０の熱が内部空間４の外部に拡散されることを防止する。メインチャンバー１０の中央部の下側には貫通孔４１が形成され、回転軸４７は貫通孔４１に挿入設置される。回転軸４７はメインヒータ４０の下部に連結されてメインヒータ４０を支持し、回転軸４７は駆動部４９と連結されてメインヒータ４０と共に回転可能である。
メインヒータ４０にはヒーティングプレート４５と熱線４２が具備される。ヒーティングプレート４５は回転軸４７の上部に設置されてサセプタプレート３０の内部空間４に挿入設置され、熱線４２はヒーティングプレート４５の上部面にそれぞれ設置される。即ち、メインヒータ４０は上部に離隔設置されたサセプタプレート３０を加熱し、サセプタプレート３０はメインヒータ４０から受けた熱を基板Ｗに伝達する。サセプタプレート３０を加熱する内部空間４はサセプタプレート３０と支持部材３８によって工程空間３と隔離される。また、回転軸４７の下部にはベアリング９０が設置される。
最近、基板Ｗのサイズが３００ｍｍ（１２インチ）から４５０ｍｍ（１８インチ）に大型化されるにつれ、ヒータのサイズが増加する傾向にある。そのため、基板の上に均一な温度分布を形成することが難しくなっている。即ち、基板Ｗを工程温度まで加熱する過程でヒータの故障又は性能低下、そしてヒータの輻射熱が局部的に不均衡になり得る問題点を改善するために本発明は基板Ｗを直接加熱する方式ではなく、サセプタプレート３０を介した間接加熱方式を使用する。よって、メインヒータ４０の局部的温度変化によって基板Ｗの温度変化を最小化することができ、メインヒータ４０は回転軸４７によって回転可能であるため、基板Ｗの温度不均一を効果的に防止することができる。
また、上部２７及びメインヒータ４２はカンタルヒータ（ｋａｎｔｈａｌ ｈｅａｔｅｒ）であってもよい。カンタルは鉄を主体にしクローム−アルミニウムなどが合わせられた合金であり、高い温度でよく耐えるし、電気抵抗力が大きい。また、カンタルヒータはカンタル熱線の形状変化が自由であるため従来のランプ方式より加熱する輻射熱の分布を更に均衡に伝達することができる。
図１に示すように、メインチャンバー１０は下部が開放された形状を有する。メインチャンバー１０の開放された下部には中空状のポンピングブロック６０が設置される。ポンピングブロック６０は回転軸４７の周りに沿って設置され、ポンピングブロック６０の上には排出孔６２が形成される。排出孔６２は回転軸４７の周りに沿って形成され、工程空間３内の未反応ガス又は反応生成物は排出孔６２を介して外部に排出され、排気ポンプ６５は排気ポート６７及び排出孔６２と連結され、それらを強制排出する。
排出孔６２は貫通孔４１の外側に形成され、貫通孔４１の周りに沿って円形のリング状であってもよい。即ち、ガス供給口８０と排出孔６２がそれぞれ基板処理装置１の反対方向に形成される。よって、上部を介して供給された工程ガスは下部に形成された排出孔６２に向かって排出されることで工程ガスの流動分布図を向上させて反応性を増大することができる。
上述したように、基板Ｗは通路８を介して基板処理装置１の内部に移送され、昇降ユニット５０は基板Ｗを支持し、サセプタプレート３０に向かって昇降する。昇降ユニット５０は基板Ｗを支持するホルダ５５及びホルダ５５と連結され、ホルダ５５と共に昇降する昇降軸５３を具備する。移送された基板Ｗはホルダ５５の上に置かれる。ホルダ５５の下部には昇降軸５３が設置され、メインチャンバー１０の底面には昇降孔５１が形成される。昇降孔５１は排出孔６２の外側に形成され、昇降孔５１に沿って昇降軸５３が挿入設置される。昇降軸５３はモータ５８と連結されてホルダ５５と共に昇降可能であり、サセプタプレート３０の上部面の縁に沿って形成された昇降溝３５に向かってホルダ５５が下降することでサセプタプレート３０の上に基板Ｗを移動させる。また、ホルダ５５は複数個、設置され、基板Ｗを安定的に支持してサセプタプレートに向かって移送する。
図２及び図３は、図１に示す昇降ユニットの移動状態を示す図である。図２及び図３に示すように、通路８を介して基板処理装置１の内部に移送された基板Ｗはホルダ５５の上部に置かれる。上述したように、ホルダ５５の下部には昇降軸５３が設置され、昇降軸５３はモータ５８と連結されてホルダ５５と共に昇降可能である。ホルダ５５の上部に移送された基板Ｗは昇降軸５３が下降することによってサセプタプレート３０に向かって下降する。ホルダ５５はサセプタプレート３０の昇降溝３５に安着され、基板Ｗはサセプタプレート３０の中央部に移送されることで基板Ｗに対する工程が行われる。
また、昇降ユニット５０は上昇位置及び下降位置を有し、昇降位置ではホルダ５５の上部面がサセプタプレート３０の上部面より高く位置する。また、下降位置では昇降溝３５に挿入され、基板Ｗの下部面から離隔されて基板Ｗをサセプタプレート３０の上に移動させる。
図４は、図１に示すホルダの配置状態を示す断面図である。図４に示すようにホルダ５５は複数個、設置可能であり、好ましくはホルダ５５は３方向から基板Ｗを支持してサセプタプレート３０に移送可能である。サセプタプレート３０の昇降溝３５はホルダ５５の個数と同じく形成され、ホルダ５５はそれぞれの昇降溝３５に挿入されて基板Ｗをサセプタプレート３０の中央部に移送する。
好ましい実施形態を介して本発明を詳細に説明したが、それとは異なる実施形態ないし実施例も可能である。よって、後述する特許請求の範囲の技術的思想と範囲は好ましい実施形態に限定されない。
以下、本発明の実施形態を添付した図５乃至図６を参照してより詳細に説明する。本発明の実施形態は様々な形に変更してもよく、本発明の範囲が後述する実施形態によって限定されると解釈してはならない。本実施形態は、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより詳細に説明するために提供されるものである。よって、図面に示す各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている可能性がある。
図５は、本発明の第１変形例による基板処理装置を概略的に示す図である。以下では上述した実施形態と区別される内容についてのみ説明し、省略された説明は上述した内容に代替される。図５に示すように、チャンバー蓋２０はメインチャンバー１０の開放された上部に設置される。チャンバー蓋２０はメインチャンバー１０の下部が開放された平板状である。チャンバー蓋２０とメインチャンバー１０との間には外部空間から完全に密閉する連結部材１５が設置されてもよい。また、チャンバー蓋２０の下端部には拡散板７０が設置される。
また、上部ヒータ２５はチャンバー蓋２０の上部に配置され、チャンバー蓋２０の形状に対応して予め設定された間隔に離隔されて設置される。図１を介した実施形態に対し、第１変形例はチャンバー蓋２０の側面部が低く形成されることによって工程空間を減らすことで基板と工程ガスの反応性を増大させ、工程ガスの反応率を上げることができる。
図６は、本発明の第２変形例による基板処理装置を概略的に示す図である。図６に示すようにチャンバー蓋２０はメインチャンバー１０の上部に連結され、メインチャンバー２０の開放された上部を閉鎖し、基板工程が行われる工程空間３を提供する。チャンバー蓋２０の上部にはガス供給口８０が形成され、工程空間３に向かって工程ガスを供給し、チャンバー蓋２０の下部に設置されたシャワーヘッド７７に形成された分散孔７８によって基板Ｗに向かって工程ガスを分散させる。ガス供給口８０とシャワーヘッド７７との間には、拡散板７０が具備され、ガス供給口８０を介して流入された工程ガスを１次的に拡散させてシャワーヘッド７７に向かって流動させる。１次的に拡散された工程ガスは最終的にシャワーヘッド７７の分散孔７８を通過しながら、再拡散されて基板Ｗに向かって流動される。よって、第２変形例は比較的低温の工程で工程ガスを基板Ｗに向かって重複分散させて供給することで、基板Ｗの均一な蒸着膜を形成させるのに効果的である。
好ましい実施形態を介して本発明を詳細に説明したが、それとは異なる実施形態ないし実施例も可能である。よって、後述する特許請求の範囲の技術的思想と範囲は好ましい実施形態に限定されない。
本発明は、多様な形態の半導体製造設備及びその製造方法に応用される。
Claims (8)
- 基板に対する工程が行われる基板処理装置において、
上部が開放された形状を有し、一側壁に設置されて前記基板が出入する通路を有するメインチャンバーと、
前記メインチャンバーの開放された上部に設置され、外部から遮断されて前記工程が行われる工程空間を形成するチャンバー蓋と、
下部が開放された形状の内部空間を有し、前記基板が置かれるサセプタプレートと、
前記内部空間に設置されて回転可能であり、前記サセプタプレートから離隔配置されて前記サセプタプレートを加熱するメインヒータと、含み、
前記チャンバー蓋と前記サセプタプレートとの間に配置される拡散孔を設けた拡散板、および、前記拡散板から前記サセプタプレート側に配置される分散孔を設けたシャワーヘッドと、
前記チャンバー蓋の平板状の上部に設置されて、工程ガスを前記工程空間に向かって予備加熱する平板状の上部ヒータとをさらに含むことを特徴とする基板処理装置。 - 前記基板処理装置は、
前記サセプタプレートの開放された下部に設置されて前記内部空間の熱が外部に拡散されることを防止する支持部材を更に含むことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。 - 前記基板処理装置は前記メインヒータの下部に設置されて前記メインヒータを支持し、前記メインヒータと共に回転可能な回転軸を更に含み、
前記メインヒータは、
前記回転軸の上部に設置され、前記内部空間に挿入設置されるヒーティングプレートと、
前記ヒーティングプレートに設置されて前記サセプタプレートを加熱する熱線と、を具備することを特徴とする請求項２記載の基板処理装置。 - 前記メインチャンバーは下部が開放された形状を有し、
前記基板処理装置は、
前記メインチャンバーの開放された下部に設置されて前記内部空間を有し、前記回転軸の周りに沿って設置されるポンピングブロックを更に含むことを特徴とする請求項３記載の基板処理装置。 - 前記メインヒータ及び前記回転軸は前記内部空間に設置され、
前記基板処理装置は、
上部に置かれた前記基板を支持し、上昇位置及び下降位置に転換可能な複数個のホルダと、
前記ホルダと連結されて前記ホルダを昇降する昇降軸と、
前記回転軸の周りに沿ってポンピングブロックの上に形成され、工程ガスを外部に排出する排出孔と、
前記排出孔の外側に形成されて前記昇降軸が挿入設置される昇降孔と、を更に含むことを特徴とする請求項４記載の基板処理装置。 - 前記基板処理装置は、
前記チャンバー蓋の上部面に形成されて前記工程空間に向かって工程ガスを供給するガス供給口と、
前記チャンバー蓋の下端部に設置され、前記工程ガスを前記基板に向かって拡散させる拡散孔を有する拡散板と、を更に含むことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。 - 前記基板処理装置は前記基板を昇降する昇降ユニットを更に含むが、
前記昇降ユニットは、
上部に置かれた前記基板を支持し、上昇位置及び下降位置に転換可能な複数個のホルダと、
前記ホルダと連結されて前記ホルダを昇降する昇降軸と、を含むことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。 - 前記サセプタプレートは上部面の縁に沿って形成される昇降溝を有し、
前記ホルダは、
前記上昇位置で上部面が前記サセプタプレートの上部面より高く位置し、
前記下降位置で前記昇降溝に挿入されて前記基板の下部面から離隔されることを特徴とする請求項７記載の基板処理装置。
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