KR100208457B1 - 증기증착용 서셉터 - Google Patents

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KR100208457B1
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아쯔노부 오오쿠라
아끼히꼬 사이또
가쯔마사 아난
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조셉 제이. 스위니
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/458—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for supporting substrates in the reaction chamber
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Abstract

본 발명은 세라믹 물질 특히 알루미늄 니트라이드 물질로 만들어진 화학증기 증착장치에 이용되는 신규한 서셉터에 관한 것이다.

Description

증기증착용 서셉터
제1도는 본 발명에 따른 서셉터 어셈블리의 개략도.
제2도는 본 발명에 따른 서셉터 어셈블리의 일부 확대 단면도.
제3도는 서셉터 어셈블리의 확대 단면도.
제4도는 서셉터 어셈블리가 장착된 CVD 장치의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
8 : 서셉터 장치 10 : 서셉터 어셈블리
11 : 서셉터 플레이트 13 : 금속 전극 플레이트
14 : 표면 14a : 중심의 홈공동부
19 : 전극 커버 30 : 반응챔버
40 : 반응가스 주입구
본 발명은 화학증기증착(CVD) 장치에 이용된 신규한 서셉터에 관한 것이며 더욱 상세하게는 플라즈마 강화 화학증기증착장치에 이용된 세라믹 물질로 만들어진 신규한 서셉터에 관한 것이다.
화학증기증착장치는 반도체기판상에 박막필름을 증착하는데 이용되어 왔다. 이러한 장치에서, 형성될 수 있는 필름물질의 구성요소를 함유한 가스를 먼저 챔버에 공급하고, 그 후 반도체 기판상에 목표한 필름을 증착하기 위해 화학적 반응을 유발하도록 가스를 가열했다.
통상적인 단일 웨이퍼 CVD 장치에서, 증착과정동안의 위치에서 반도체기판을 고정시키기 위해 사용된 플랫폼을 소위 서셉터라 칭한다. 서셉터는 저중량의 박막 플레이트와 강성의 주변림(rim)으로 구성된다. 이때에 코팅된 웨이퍼 지름이 6 또는 8인치(152 또는 203㎜)인 반면 통상적인 반응관에서 서셉터의 지름은 대략 9인치(228㎜)가 된다. 서셉터는 실리콘 카바이드 코팅재로 코팅된 알루미늄이나 흑연으로 만들어질 수 있으므로 현저한 변형없이 박막필름의 증착온도로 가열될 수 있다. 또 다른 방법으로서, 고온에서 그 내구성을 개선하기 위해 금속표면을 처리하는 방법이 제안되어져 왔다. 예컨대, 미국 특허 제 5,201,990호에는 질소 또는 암모니아 질소-함유가스로 구성된 플라즈마에 의해 진공장치에서 알루미늄 표면을 처리하는 방법이 기재되어 있다.
CVD 장치에서 이용되는 서셉터에 적당한 물질을 선택하는 것은 다음의 표준 조건에 일치해야만 한다. 즉, CVD 장치의 높은 작동온도에서 그 크기의 변형 및 물질의 품질저하가 최소화되도록 물질의 열전도성이 충분히 높아야 한다. 둘째로는, 제자리(in-situ)의 플라즈마 챔버 세정 방법을 사용할 때 서셉터에 이용된 물질은 플라즈마의 어떠한 부식효과에 대해서도 내성이 있어야만 한다. 셋째로, 서셉터 물질은, 물질에 함유된 불순물에 의해 반도체 기판의 오염이 방지되도록 높은 순도로 이루어져야만 한다.
결과적으로, 전기전도성이 있으며 높은 열전도성을 가진 금속물질이 서셉터에 통상적으로 이용된다. 특히 MonelTM, HastelloyTM과 같은 니켈 합금 금속이, 제자리의 플라즈마 챔버 세정 단계에 주로 이용되는 높은 반응성 플라즈마의 하나인 불소함유 플라즈마에 대한 저항성 때문에 주로 이용된다. 실리콘 카바이드 및 흑연과 같은 세라믹 물질을 이용하기도 한다. 서셉터 플레이트가 고주파수 전극으로 작용하는 장치에서는 금속과 같은 전도성 물질이 사용되어야만 한다.
MonelTM, HastelloyTM, 실리콘 카바이드 및 흑연과 같은 통상적인 물질이 서셉터 물질로 사용될 때는 서셉터의 표면을 덮고 플라즈마에 의한 부식을 방지하기 위해 보호코팅층이 필요하다.
금속성 물질이 서셉터에 이용될 때, 온도의 갑작스런 변화에 따라 이 물질에서 플라스틱 변형이 발생하게 된다. 이것은 보호필름과 금속물질간의 열팽창계수의 차이에 의해 보호층의 표면이 벗겨지는 문제를 야기시킨다.
세라믹 물질이 서셉터에 사용될 때 플라스틱 변형이 일어나지 않는다하여도 보호필름은 몇번의 플라즈마 세정 공정후 서셉터 표면에서 벗겨지게 된다. 즉, 이것은 보호필름과 세라믹 물질간의 열팽창계수의 작은 차이라 할지라도 몇번의 세정공정싸이클 후에는 궁극적으로 어떤 효과를 초래하기 때문일 것이다. 보호층 그 자체는 여러 세정 작업 후 상기 세정 작업에 사용된 가스와 반응성이 큰 플라즈마에 의해 점차적으로 부식될 수 있다.
따라서 통상적인 물질로 만들어진 서셉터는 긴 유효기간의 내구성 및 신뢰도를 얻어야한다는 문제가 남아있다.
본 발명의 목적은, 종래의 서셉터 물질의 단점을 가지지 않는 적당한 물질로 만들어진 신규한 서셉터 플레이트를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 긴 유효기간의 내구성 및 신뢰도를 얻기 위하여 보호 코팅을 필요로 하지 않는 세라믹 물질로 만들어진 신규한 서셉터 플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 서셉터 플레이트가 CVD 챔버에서 사용될 때 보호 코팅을 필요로 하지 않는 알루미늄 나이트라이드 물질로 만들어진 신규한 서셉터 플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 알루미늄 나이트라이드 물질로 만들어진 서셉터 플레이트, 서셉터 플레이트 밑에 장착된 전극 플레이트 및 전극을 에워싼 세라믹 물질로 만들어진 전극 커버 부재를 포함하는 높은 내구성의 신규한 서셉터 어셈블리를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따라, 알루미늄 나이트라이드로 만들어진 신규의 서셉터 플레이트가 제공되며, 또한 알루미늄 나이트라이드로 만들어진 서셉터 플레이트, 서셉터 플레이트의 하부 표면에 부착된 전극 및 전극을 에워싼 서셉터 플레이트에 장착되는 세라믹 물질로 만들어진 전극 커버를 포함하는 신규의 서셉터 어셈블리가 제공된다.
바람직한 구체예에서, 우수한 불소 플라즈마 저항성을 가진 알루미늄 나이트라이드가 서셉터 플레이트용 물질로서 이용된다. 결과적으로, 플레이트가 높은 온도에서 엄격한 반응성 플라즈마 환경, 특히 세정 작업시 사용된다 할지라도 서셉터 플레이트의 부식이나 변형이 관측되지 않을 뿐만 아니라 미립자들도 형성되지 않는다. 알루미늄 나이트라이드의 우수한 열전도성은 또한 서셉터 표면에 대한 온도의 균일성을 향상시켜 또 다른 처리에서 장점을 제공한다.
바람직한 구체예에서, 서셉터 어셈블리는 서셉터 플레이트의 하부표면에 전극 플레이트를 접착함으로써 고주파 전극으로서 이용된다. 전극 플레이트는 세라믹 물질로 만들어진 전극 커버에 의해 덮혀지며 불소 플라즈마의 어떤 역영향을 방지하도록 서셉터 플레이트와 해체가능하게 접착된다.
제1도에서, 본 발명에 따른 서셉터 장치(8)는 서셉터 어셈블리(10)와 서셉터 지지아암(20)을 구비하고 있다. 제2도에 도시한 바와 같이 서셉터 어셈블리(10)는 서셉터 플레이트(11)와 서셉터 플레이트(11)의 배면에 고정된 금속질 전극 플레이트(13)로 이루어진다. 전극 커버(19)는 금속질 전극 플레이트(13)를 덮을 수 있도록 서셉터 플레이트(11)의 배면에 설치된다. 제3도는 서셉터 플레이트(11)가 미리 측정된 외측직경(D)과 중심에 원통 허브(11a)를 가지는 디스크형 플레이트를 가지고 있음을 도시하고 있다. 서셉터 플레이트(11)는 알루미늄 나이트라이드 물질로 만들어진다. 알루미늄 나이트라이드는 그의 높은 열 전도성 때문에 지난 수년동안 주로 반도체 물질로 이용되어 왔다. 그러나, 또한 알루미늄 나이트라이드가 우수한 불소-플라즈마 저항성을 갖는다는 것을 발견함으로써 본 발명이 이루어지게 된 것이다.
알루미늄 나이트라이트 부품을 제조함에 있어서, 통상적으로 금형 이탈제로서 혼합물에 이트륨이나 에르븀을 첨가한다. 그러나 이트륨은 웨이퍼 특성에 특정 역효과를 줄 수 있으므로 이트륨과 같은 불순물을 최소량 가진 고순도의 알루미늄 나이트라이드가 바람직하다.
제2도에 도시한 바와 같이, 고주파 RF 접촉 포스트(12)는 서셉터 플레이트(11)의 허브(11a)에 고정된다. 금속질 전극 플레이트(13)는 링형부재이다. 전극 커버(19)는 전극 플레이트(13)를 수용하기 적합하도록 서셉터 플레이트(10)와 접한 표면(14)에서 중심의 홈공동부(14a)를 가지는 디스크형 부재이다. 알루미나가 전극커버(19)로서 주로 이용되는 물질이다.
구멍(15)은 전극커버(19)와 서셉터 플레이트(11)에 배열, 제공된다. 처리 과정동안 서셉터 플레이트(11)에 위치한 웨이퍼를 상승 및 하강시키기 위해 다수의 로드(도시안함)가 구멍(15)에 위치한다.
제2도에는 열전대(16)를 수용하기 적합한 허브(11a)에 부착된 열전대 장착 포스트(11b)가 도시되어 있다. 열전대(16)는 다음과 같은 방법으로 금속질 부재(17)에 의해 장착 포스트(11b)에 고정된다. 먼저, 서셉터 플레이트(11)을 천공시켜 장착 포스트(11b)에 탭형 구멍(도시안함)을 제공한다. 홈이 파진 공동원형 금속질 부재(17)를 그 후 탭형 구멍과 결속하도록 제공한다. 금속질 부재(17)의 공동부에 제2 탭형구멍(도시안함)을 천공한다. 그 후 홈이 파진 열전대(16)를 제2 탭형구멍에 결속시킨다. 금속질부재(17)는 우수한 열전도성을 가진 니켈로 만드는 것이 바람직하다.
열전대(16)는 세라믹 서셉터 플레이트(11)의 크래킹 문제를 방지하기 위하여 서셉터 플레이트(11)에 직접 삽입하지 않고 대신에 금속질 부재(17)에 삽입하는 것이 바람직하다. 이것은 열전대(16)의 교환이 필요한 경우 서셉터 플레이트(11)에 열전대(16)를 반복적으로 삽입 및 제거할 때 매우 유리한 장점을 제공한다.
RF 접촉 포스트(12)와 금속질 전극 플레이트(13)는 제2도에 도시하지 않는 배선에 의해 접속된다. 제1도에 도시한 바와 같이, 서셉터 지지아암(20)의 먼거리 단부는 하부표면과 더불어 원통형을 가지며, 이 아암의 근접 단부에는 CVD 몸체에 장착하기 위한 U자 형상의 커넥터(21)가 접속된다. 서셉터 지지아암(20)의 내측을 따라 통과하고 절연 튜브(22)가 열전대(16)용 리드(23)와 RF 전극 플레이트(13)용 리드(24)는 상기 튜브(22)의 내측을 따라 통과한다.
서셉터 어셈블리(10)와 서셉터 지지아암(20)은 제3도에 도시된 바와 같이 볼트(25)에 의해 서로 결합된다. 칼라(18)는 서셉터 어셈블리 내측에 공기를 꽉 채울 수 있도록 서셉터 어셈블리(10)와 그 지지아암(20)의 결합을 제공한다.
제4도는 CVD 장치에 설치된 서셉터 어셈블리(10)를 도시한 것이다. 반응 챔버(30)는 주 구획부(31)과 열 램프구획부(32)으로 이루어진다. 서셉터 어셈블리(10)는 반응 챔버(30)의 플로우(31b)에 설치된다. 반응가스 주입구(40)는 반응 챔버(30)의 상부(31a)에 설치된다. 반응가스 주입부(40)의 가스분무구(41)와 서셉터 어셈블리(10)의 서셉터 플레이트(11)는 서로 접하도록 위치한다. 반응가스 주입구(40)는 RF 전극으로서 이용되며 서셉터 어셈블리(10)에서 금속질 전극 플레이트(13)와 일체쌍 관계에 있다. RF 전극(40)과 금속질 전극 플레이트(13)는 제어 스위치(51)에 의해 고주파 전원(52)와 접속된다. 서셉터 어셈블리(10)에 위치한 열전대(16)는 제어기(53)와 접속하여 열전대(16)로부터 나오는 신호를 제어기(53)에 공급한다. 가스 배기구(33)는 반응챔버(31)의 측벽에 제공된다.
제4도에 도시된 바와 같이, 열램프(61)는 열 램프구획부(32)에 위치된다. 이는 제어 스위치(62)에 의해 교류전원(63)와 접속된다. 플로우(31b)는 서셉터 어셈블리(10)의 장착을 위하여 주 구획부(31) 및 열램프 구획부(32) 사이에 제공된다. 열램프(62)에서부터 방출된 열은 서셉터 플레이트(11)에 방사되도록 위치한다. 열방사를 용이하게 하기 위하여 수정 유리부가 플로우(31b)를 구성하는 금속질 플레이트에 삽입된다.
제어기(53)는 열전대(61)로부터의 데이터의 피드백 및 교류전원(63)의 제어에 의해 열램프(61)의 출력을 제어한다.
서셉터 플레이트(11)는 알루미늄 나이트라이드로 만들어진다. 알루미늄 나이트라이드와 알루미늄은 동일한 열전도성을 가지기 때문에 알루미늄 나이트라이드 서셉터 플레이트의 표면에서 얻어진 온도 균일성은 알루미늄 서셉터 플레이트의 표면에서 얻어진 온도균일성과 거의 동일하다.
다음은 본 발명을 이용하여 반도체 기판에 SiO2필름을 형성하기 위한 방법을 설명하고 있다.
제4도에 도시한 바와 같이 공정을 개시하기 위하여 열램프(61)의 스위치(62)를 먼저 킨다. 서셉터 플레이트(11)의 온도는 열램프(61)로부터 방사열에 의해 500℃ 이상으로 증가한다. 그 후 반도체 기판(70)은 서셉터 플레이트(11)에 위치한다. SiO2용 기본 반응가스인 TEOS(테트라-에톡시-오토-실리케이트)는 반응챔버(30)에 반응가스 주입구(40)를 통해 주입된다. TEOS와 산화제와의 혼합은 반도체 기판(70)에 분무된다. 반응가스가 흐르는 동안 반도체기판(70)은 미리 예정된 시간동안 가열된다. 따라서 SiO2필름이 반도체기판(70)에 형성된다.
동일한 서셉터 어셈블리는 적당한 반응가스를 사용하여 텅스텐과 같은 내화성 금속필름을 형성하는데 이용될 수 있다.
SiO2가 반응챔버(30) 내부의 모든 표면상에 구별없이 증착되기 때문에 반응챔버(30)의 내부는 주기적으로 청소해야 할 필요성이 있다. 세정 방법을 이하 기술한다.
세정 공정을 시작하기 위하여, 불소함유 가스를 먼저 반응가스 주입구(40)를 통해 반응챔버(30)에 주입시킨다. 불소함유가스의 주입에 따라 제어 스위치(51)를 켜고 전압을 서셉터 어셈블리(10)에 위치한 금속질 전극 플레이트(13)가 반응가스 주입구(40)에 인가한다. 이것이 반응챔버(30) 내부의 불소함유 플라즈마를 점화시킨다. 플라즈마는 SiO2필름을 에칭하며, 반응챔버(30)의 내부표면을 청소하게 된다.
본 발명의 알루미늄 나이트라이드로 만들어진 서셉터 플레이트를 사용할 때, 불소 플라즈마에 대한 알루미늄 나이트라이드의 우수한 저항성 때문에 장기간 사용된 후일지라도 서셉터 플레이트의 부식이나 어떠한 미립자의 형성도 방지된다. 또한 서셉터 플레이트의 마모가 없으며 따라서 표면에 보호코팅을 할 필요가 없다. 따라서 본 발명은 우수한 신뢰성 및 내구성을 가진 신규의 서셉터 플레이트를 제공한다.
본 발명에 다른 또 다른 잇점은 서셉터 플레이트(11)의 하부표면에 설치된 금속성 전극 플레이트(13)가 서셉터 플레이트(11)에 설치된 세라믹 전극 커버에 의해 보호된다는 점이다. 금속질 전극 플레이트(13)는 플라즈마로부터 차단되어 결국 플라즈마의 공격으로부터 차단된다.
더욱이, 상술한 CVD 챔버는 플라즈마 강화 CVD 공정에 이용될 수 있다. 플라즈마 강화 CVD 공정은 플라즈마 전극으로서 반응가스 주입구(40)를, 그리고 다른 플라즈마 전극으로서 금속성 전극 플레이트(13)를 이용하여 실행될 수 있다. 또한 본 발명에서 개시된 서셉터 어셈블리 램프가열을 사용하지 않는 다른 CVD 장치, 예컨대, 유도가열을 사용하는 장치에 이용될 수 있다.
본 발명은 알루미늄 나이트라이드 물질로 만들어진 서셉터 플레이트를 이용함으로써 내구성 및 신뢰성이 있는 CVD 장치를 제공한다. 알루미늄 나이트라이드에 의해 서셉터 플레이트의 부식이나 어떠한 미립자의 발생도 방지될 수 있다. 더욱이, 연장된 사용후에도 서셉터 플레이트의 마모가 발생치 않아 보호필름으로 서셉터 플레이트의 표면을 피복할 필요가 없다.
본 발명은 예시적 방법으로 기술되었으며, 또한 본 발명을 바람직한 구체예에 의해 기재하고 있다 할지라도, 당업자라면 본 발명을 이러한 기재로 부터 용이하게 이해하고 또한 본 발명의 범주내에서 변형이 가능함을 알 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 전극과 반응영역사이에 위치하며 알루미늄 나이트라이드를 포함하는, 중착챔버내의 기판을 지지하기 위한 서셉터 플레이트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증착챔버는 화학증기 증착챔버이거나 플라즈마 강화화학증기 증착챔버인 서셉터 플레이트.
  3. 상부표면, 하부표면과 기판을 지지하기 위한 직경을 가지며 알루미늄 나이트라이드로 이루어진 서셉터 플레이트, 상기 서셉터 플레이트의 하부표면에 나란히 놓인 외측직경을 가지는 전극 플레이트, 및 상기 서셉터 플레이트의 하부표면에 설치될 때 상기 전극 플레이트를 받아들여 보호하기 적합한 공동부를 형성하도록 전극 플레이트의 외측직경보다 더 큰 외측직경을 가진 전극 커버를 포함하는 증착챔버내의 서셉터 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서, 세정 기체를 증착 챔버에 주입하기 위한 가스주입기를 추가로 포함하는 서셉터 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전극 플레이트는, 상기 가스를 이온화시켜 상기 증착챔버내에 플라즈마를 발생시키기 적합한 전압이 인가되도록 되어 있는 서셉터 어셈블리.
  6. 제3항에 있어서, 상기 전극 커버는 세라믹 물질로 이루어지는 서셉터 어셈블리.
  7. 제3항에 있어서, 상기 전극 커버의 외측직경은 서셉터 플레이트의 직경과 실질적으로 동일한 서셉터 어셈블리.
  8. 제3항에 있어서, 상기 증착챔버는 화학증기 증착챔버 또는 플라즈마 강화 화학증기 증착챔버인 서셉터 어셈블리.
  9. 기판상에 물질을 증착하기 위한 플라즈마 공정챔버에 있어서, 증착챔버에 가스를 주입하기 위한 수단과, 상기 가스를 이온화하여 플라즈마로 만들기 위해 전압을 인가하기 위한 전극수단과, 알루미늄 나이트라이드로 이루어지며, 전극수단과 반응영역 사이에 위치한 상기 챔버 기판을 지지하기 위한 수단을 포함하는 플라즈마 공정챔버.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기판을 지지하기 위한 수단이 전극인 플라즈마 공정챔버.
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