KR100237921B1 - 화학증기 증착장치 및 그 증착속도 제어방어방법 - Google Patents

화학증기 증착장치 및 그 증착속도 제어방어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 박막 제조를 위한 화학 증기 증착장치를 개시한다. 본 발명은, 알루미늄 박막 제조를 위한 CVD 장치에 있어서, 증발기에 설치되어 원료를 미세한 입자로 분해시키는 초음파 발생장치는 원료가스의 양을 용이하게 조절할 수 있다. 증발기에 연결되고 원료를 저장하는 원료탱크를 설치하고, 원료탱크에서 증발기를 연결하는 파이프의 일부분에 공급 제어밸브를 설치함으로서 증발기로 공급되는 원료의 양을 제어한다. 또한 증발기에서 반응실로 유입되는 혼합가스의 양을 제어하는 흐름 제어 밸브가 구비된다.

Description

화학증기 증착장치 및 그 증착속도 제어방어방법
본 발명은 반도체 제조에 관한 것으로서, 더 상세하게는 화학 증기 증착장치(chemical Vapour Deposition Device; 이하 CVD 로 약칭함) 및 이 장치에서 증착속도를 제어하는 방법에 관한 것이다.
반도체를 제조하는 장치와 방법에는 여러 가지가 있으나, CVD는 기판 위로 적어도 1종 이상의 화합물 가스, 또는 단체(單體)의 가스를 공급하여 기상 또는 기판 표면에서의 화학반응에 의해서 원하는 박막을 형성시키는 방법이다.
제 1 도에는 종래 CVD 장치를 개략적으로 도시하였다.
소정량의 원료가 저장된 증발기(2)에 화학반응을 촉진시키는 캐리어 가스가 유입파이프(3)를 통해 공급된다. 이 유입파이프(3)에는 캐리어 가스의 유입량을 수동으로 조절하는 유입제어밸브(4)가 설치된다. 증발기(2)에는 원료를 기화시키는 가열장치(5)가 설치된다.
이 증발기(2)에 유출파이프(6)로 연결되는 반응실(7)에는 증착가스가 기판(8)에 증착될 수 있게 열에너지를 공급하는 히팅시스템(heating system;9)이 구비되고, 반응실(7)에서 생성된 부산물을 배출시키는 펌프(10)가 설치된다.
한편 증발기(2)로 유입된 캐리어 가스는 원료를 버블(bubbled)하거나 가열장치(5)에 의해서 기화되어 증착가스를 발생시킨다. 이에 따라 반응실(7)로 유입된 증착가스는 히팅시스템(9)에서 열을 공급받아서 기판(8)에 박막을 형성하게 된다.
그러나 이와같은 종래의 장치에서는 원료들이 캐리어 가스와 화학반응하거나 가열이 되어도 증기압이 낮게 형성되기 때문에 증착에 필요한 충분한 양의 증착가스를 반응실로 유입하기에 어려움이 있다.
또한 대면적의 기판에 박막을 제조할 경우에는 가열장치를 이용해서 많은 양의 원료를 분해하여 증착가스를 공급해야 하므로 가열장치에서 소비되는 전력이 제품의 원가상승 요인으로 작용한다.
한편 이러한 CVD 방법으로 박막을 형성하는 과정에 있어서, 박막의 두께를 실질적으로 결정하는 것은 증착속도이다. 이러한 증착속도는 박막의 두께를 원료가스가 투입된 시간으로 나누어 계산하게 되는 데, 이렇게 계산된 증착속도는 증착에 필요한 원료가스량을 적절하게 공급함을 의미한다.
이를 위해 종래에는 박막을 증착시키기 전에 여러번의 실험과정을 거쳐 증착될 박막의 두께를 설정하고, 이 두께에 맞는 증착가스의 량을 투입하여 증착한 후에 증착속도를 계산한다. 이 과정은 소망하는 두께를 얻을 때까지 반복 실험하여 증착속도를 결정한다.
그러나 종래 CVD 장치에서 소망하는 박막의 두께를 형성하기 위한증착속도를 결정하는 방법이 반복실험을 통하여 이루어지므로,박막의 두께 설정 작업이 대단히 번잡할 뿐만 아니라 많은 장비와 시간의 투입을 요하게 되어 또 다른 원가상승의 요인으로 작용한다. 또 다른 문제점은 증착속도가 결정되더라도 실제로 제품을 제조하는 과정에서 가열장치를 이용하였을 경우에 기화되는 가스의 물리적 거동을 해석해야 하고, 원료가 열전달에 의해서 증착가스를 형성하여 기판에 증착되므로 증착까지의 정확한 시간을 산출하는데 상당한 어려움이 따른다.
뿐만 아니라 캐리어 가스를 이용한 화학적 반응도 가스의 미세한 양을 제어해야 하는 어려움도 따른다.
본 발명은 이와같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소망하는 박막의 두께 형성에 필요한 충분한 양의 증착가스를 반응실로 공급할 수 있는 CVD 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 소망하는 박막의 두께를 정밀하게 제어하는 증착속도의 제어 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래 화학 증기 증착장치의 구성을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 화학 증기 증착장치의 구성을 도시한 개략도
도 3은 본 발명에 따른 제어과정을 도시한 흐름도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10;원료탱크 12;공급 제어밸브
20;증발기25;진동자
30;초음파 발생장치 37;흐름 제어밸브
40;반응실 41;기판
45;히팅시스템 47;광학센서
50;펌프 100;제어부
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 캐리어 가스와 원료가스를 혼합하는 증발기와, 원료를 저장하는 원료탱크와, 혼합가스가 화학반응을 일으켜 기판에 증착되는 반응실과, 상기 반응실에서 혼합가스가 화학반응이 이루어지도록 에너지를 제공하는 히팅 시스템과, 화학반응의 결과로 발생한 부산물을 배출시키는 펌프가 구비되는 CVD 장치에 있어서,
증발기에 설치되고 진동자를 구비하여 원료를 미세한 입자로 기화시키는 초음파 발생장치와; 증발기와 반응실의 사이에 설치되어 증발기에서 반응실로 유입되는 혼합가스량을 제어하는 흐름 제어 밸브와; 반응실에 설치되어 박막의 두께를 측정하는 광학센서와; 이 광학센서의 신호에 따라 증착가스의 발생 및 이의 반응실로 유입되는 량을 제어하는 제어부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명 장치의 증착속도 제어 방법은, 캐리어 가스와 초음파 발생장치에 의해 발생되는 원료가스를 혼합하는 증발기와, 원료를 저장하는 원료탱크와, 혼합가스가 화학반응을 일으켜 기판에 증착되는 반응실과, 반응실에서 혼합가스가 화학반응이 이루어지도록 에너지를 제공하는 히팅 시스템과, 화학반응의 결과로 발생한 부산물을 배출시키는 펌프와, 기판에 증착된 박막의 두께를 측정하는 광학센서와, 광학센서와 흐름 제어밸브 및 초음파 발생장치를 제어하는 제어부가 구비되는 CVD 장치에서 증착속도를 제어하는 방법에 있어서,
증발기에 초음파 발생장치를 구비하고, 증발기와 반응실의 사이에 흐름 제어밸브를 구비하며, 반응실의 기판상에 증착되는 박막의 두께를 측정하는 광학센서를 구비하여, 광학센서에 의해 측정된 박막의 두께로 계산된 실제 증착속도(V')와 설정 증착속도(V)를 비교하여 원료가스의 기화량과 상기 반응실로 유입되는 증착가스량을 제어하는 제어부가 구비되어,
박막의 두께 형성에 상응하는 증착가스량을 초음파로 발생시켜 조절하고 반응실로 적절한 증착가스량이 유입될 수 있게 흐름 제어밸브를 제어하며 광학센서에 의해 측정되는 기판상의 박막 두께에 따라 진동자의 진동수를 제어함과 함께 흐름 제어 밸브를 반복해서 제어하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 의한 바람직한 일실시예를 제 2 도를 참조하여 상세히 설명한다.
원료를 저장하는 원료탱크(15)는 하부에 원료공급 파이프(16)를 설치하고, 원료공급 파이프(16)의 일부분에 원료공급량을 조절하는 공급제어밸브(17)를 설치한다.
증발기(20)는 원료공급 파이프(16)와 연결되고, 원료탱크(15)에 연결되는 원료공급 파이프(16)을 경유하여 공급되는 원료를 증발시킨다. 이 증발기(20)의 하부에 진동자(25)를 구비하는 초음파 발생장치(30)가 설치된다.
이러한 초음파 발생장치(30)는 원료탱크(15)에서 공급되는 원료를 진동자의 진동에 의해 기화시킨다.
증발기(20)의 상부에 연결되는 유입 파이프(18)는 캐리어 가스를 공급하여 증발기(20)에서 기화가스와 혼합시킨다.
증발기(20)의 상부에 설치되고 반응실(40)과 연결되는 유출 파이프(35)에는 반응실(40)로 유입되는 혼합가스(기화가스와 캐리어 가스가 혼합된 가스)의 량을 조절하는 흐름 제어밸브(37)가 설치된다.
흐름 제어밸브(37)에 의해서 적절한 량의 혼합가스가 반응실(40)로 유입되고, 이 반응실(40)에 설치된 히팅시스템(45)이 혼합가스에 열에너지를 공급하여 기판(41)에 증착시킨다.
이와같은 히팅시스템(45)은 저항을 이용한 가열이나 적외선 가열, 플라즈마 방전을 이용하여 에너지를 공급하게 된다.
한편, 반응실(40)에 설치되는 광학센서(47)가 기판(41)에 증착되는 박막의 두께를 측정하고, 제어부(100)는 측정된 박막의 두께를 분석하여 초음파 발생장치(30)가 발생시키는 진동수를 조절하게 한다.
또한 이 제어부(100)는 초음파 발생장치(30)에 의해 발생하는 기화가스가 적절한 량으로 반응실로 유입되도록 흐름 제어밸브(37)를 제어한다.
반응실(40)과 연결되는 펌프(50)는 증착하는 과정에서 발생하는 부산물을 외부로 배출시킨다.
이와같은 CVD 장치는 초음파를 이용하여 원료를 기화시킬 수 있기 때문에 원료의 화학적, 물리적 특징에 관계없이 기판에 박막을 형성할 수 있으며 원료의 기화량도 용이하게 조절할 수 있다.
이러한 CVD 장치에서 기판에 박막이 형성되는 과정을 살펴본다. 연료탱크(15)에서 증발기(20)로 유입되는 원료는 초음파 발생장치(30)에 구비되는 진동자(25)의 진동에 의해서 미세한 입자로 기화된다. 캐리어 가스와 혼합되는 기화가스는 유출 파이프(35)를 경유하여 반응실(40)로 유입된다.
반응실(40)에 설치되는 히팅시스템(45)에 의해서 열에너지를 공급받은 혼합가스는 화학반응을 일으켜서 기판(41)에 박막을 형성하게 된다.
이에 따라 형성되는 박막 제조과정이 제어되는 방법을 제 3 도를 통해 살펴보기로 한다.
원료탱크(15)에서 유입된 원료와 유입 파이프(18)를 통해 증발기(20)로 유입된 캐리어 가스가 증발기(20)내에 저장된 상태에서 다음과 같은 과정들이 행하여 진다.
단계(200)에서, 소망하는 증착속도가 입력된 제어부(100)는 설정 증착속도(V)에 상응하는 초음파가 발생되도록 초음파 발생장치를 구동시킨다.
단계(210)에서, 초음파에 의해 기화된 원료가스는 캐리어 가스와 혼합되어 제어부(100)에 의해 조절되는 흐름 제어밸브(37)를 통해서 반응실(40)로 유입된다.
단계(220)에서, 반응실(40)로 유입된 혼합가스는 히팅시스템(45)에 의해 열에너지를 공급받아 기판에 증착되어 박막을 형성하게 된다.
단계(230)에서, 기판에 형성된 박막은 반응실(40)에 설치된 광학센서(47)에 의해 두께가 측정된다.
단계(240)에서, 광학센서(47)에서 측정된 데이터로 제어부(100)에서 실제 증착속도(V')를 계산하여 실제 증착속도(V')에 상응하는 초음파를 발생하도록 초음파 발생장치(30)를 제어한다.
단계(250)에서, 박막의 두께를 증착가스가 투입된 시간으로 나누어 증착속도를 산출하는데, 설정 증착속도(V)와 실제 증착속도(V')를 비교하여 설정 증착속도(V)가 실제 증착속도(V')보다 작으면 초음파의 진동수를 낮추고, 설정 증착속도(V)가 실제 증착속도(V')보다 크면 초음파의 진동수를 높이는 과정을 반복하여 실행한다.
마지막으로 설정 증착속도(V)와 실제 증착속도(V')가 같으면 증착과정을 끝마치게 된다.
이와같이 설정 증착속도(V)와 실제 증착속도(V')를 반복하여 비교함으로써 원하는 박막의 두께를 얻게 된다.
본 발명의 특징에 따라 구성되는 CVD 장치는, 상온에서도 진동자의 진동수로 원료의 기화량을 정확하게 산출할 수 있다.
또한 대면적의 기판에 박막을 형성하기 위해서 많은 양의 원료를 분해하여도 소비되는 전력이 적기 때문에 원가를 절감할 수 있다.
아울러 본 발명의 특징에 따라 제안되는 증착속도 제어방법은, 박막을 형성하기 위해서 계산되는 증착속도에 대한 반복실험이 생략됨으로 생산원가를 절감할 수 있다.
뿐만 아니라 증착속도를 제어함으로써 기화가스의 물리적 거동을 해석하지 않고서도 소망하는 박막의 두께를 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시예를 통해 설명하였으나 당업계에 종사하는 통상의 지식을 가진 자라면 여러 가지 변형과 응용이 가능할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 CVD 장치와 증착속도 제어방법은 원료의 특성에 관계없이 증착가스를 발생시킬 수 있고, 박막을 제조하는 과정에서 증착속도를 제어할 수 있다. 따라서 본 발명은 종래의 반도체 생산 공정에 비해 정밀한 박막의 형성과 생산원가를 크게 절감시킨다.

Claims (7)

  1. 캐리어 가스와 원료가스를 혼합하는 증발기와, 원료를 저장하는 원료탱크와, 혼합가스가 화학반응을 일으켜 기판에 증착되는 반응실과, 상기 반응실에서 혼합가스가 화학반응이 이루어지도록 에너지를 제공하는 히팅 시스템과, 화학반응의 결과로 발생한 부산물을 배출시키는 펌프가 구비되는 CVD 장치에 있어서,
    상기 증발기(20)에 설치되고, 진동자(25)를 구비하여 원료를 미세한 입자로 기화시키는 초음파 발생장치(30)와;
    상기 증발기(20)과 상기 반응실(40)에 설치되어 상기 증발기(20)에서 상기 반응실(40)로 유입되는 혼합가스의 양을 제어하는 흐름 제어 밸브(37)와;
    상기 반응실(40)에 설치되어 박막의 두께를 측정하는 광학센서(47)와;
    상기 광학센서(47)의 신호에 따라 증착가스의 발생 및 이의 반응실로 유입되는 량을 제어하는 제어부가 구비되는 것을 특징으로 하는 CVD 장치
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기(20)에 연결되고 원료를 저장하는 원료탱크(15)가 구비되는 CVD 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원료탱크(15)와 증발기(20)의 사이에 설치되고, 공급되는 원료의 양을 제어하는 공급 제어밸브(17)가 구비되는 CVD장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부(100)가 광학센서(47)에서 데이터를 받아 초음파 발생장치(30)가 적절한 초음파를 발생하여 원료를 기화시키는 CVD 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부(100)가 광학센서(30)에서 데이터를 받아 반응실(40)로 유입되는 증착가스량을 흐름 제어밸브(37)가 적절하게 조절하는 CVD 장치.
  6. 캐리어 가스와 발생하는 원료가스를 혼합하는 증발기와, 원료를 저장하는 원료탱크와, 혼합가스가 화학반응을 일으켜 기판에 증착되는 반응실과, 상기 반응실에서 혼합가스가 화학반응이 이루어지도록 에너지를 제공하는 히팅 시스템과, 화학반응의 결과로 발생한 부산물을 배출시키는 펌프가 구비되는 CVD 장치에서 증착속도를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 증발기(20)에 초음파 발생장치(30)를 구비하고,
    상기 증발기(20)와 상기 반응실(30)의 사이에 흐름 제어밸브(37)를 구비하며,
    상기 반응실(40)의 상기 기판(41)상에 증착되는 박막의 두께를 측정하는 광학센서(47)를 구비하여,
    상기 광학센서(47)에 의해 측정된 박막의 두께로 계산된 실제 증착속도(V')와 설정 증착속도(V)를 비교하여 원료가스의 기화량과 상기 반응실(40)로 유입되는 증착가스량을 제어하는 제어부가 구비되어,
    박막의 두께 형성에 상응하는 증착가스량을 초음파로 발생시켜 조절하고 상기 반응실(40)로 적절한 증착가스량이 유입될 수 있게 상기 흐름 제어밸브(37)를 제어하며 상기 광학센서(47)에 의해 측정되는 상기 기판(41)상의 박막 두께에 따라 진동자의 진동수를 제어함과 함께 흐름 제어 밸브(37)를 반복해서 제어하는 CVD 장치에서의 증착속도 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부(100)는 설정된 박막의 두께에 의해 계산된 증착속도(V)와 증착되는 박막의 두께에 의해 계산되는 증착속도(V')가 같으면 박막을 증착시키는 과정을 끝마치고, 설정된 증착속도(V)가 증착되는 박막의 두께에 의해 계산되는 증착속도(V')보다 작으면 초음파의 진동수를 낮추고, 설정된 증착속도(V)가 증착되는 박막의 두께에 의해 계산되는 증착속도(V')보다 크면 초음파의 진동수를 높이는 과정을 반복하여 실행하는 증착속도 제어 방법.
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