KR100528029B1 - 박막 증착용 샤워헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 및 제2 반응가스의 상호 섞임을 방지하는 샤워헤드에 관한 것이다.

본 발명에 의한 박막 증착 장치용 샤워헤드는 기판 상에 제1 및 제2 반응가스를 분사하도록 다수의 제1 분사 홀과 제2 분사 홀이 형성된 샤워헤드에 있어서, 상기 제1 및 제2 반응가스를 도입하는 반응가스 도입부, 천정판 및 어셈블리 지지대로 이루어진 상단블록; 및 상기 제1 및 제2 반응가스 도입유로로부터 유입된 제1 및 제2 반응가스가 섞이지 아니하고 분리되어 확산되는 제1 및 제2 반응가스 확산층과 상기 제1 및 제2 반응가스를 분사하는 다수의 제1 및 제2 분사 홀을 구비하는 하단블록;을 포함하고, 상기 제1 반응가스 확산층은 상기 상단블록과 하단블록의 경계 사이에 형성되며, 상기 제1 분사 홀과 직교하여 연통되고, 상기 제2 반응가스 확산층은 상기 하단블록 내에 형성되며, 상기 제2 분사 홀과 직교하여 연통되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 샤워헤드를 위에서부터 아래로 장착하도록 함으로써 챔버 유지보수 작업 시 용이하고, 따라서 작업자에 따른 샤워헤드 체결상태의 재현성이 더욱 향상되도록 한다.

Description

박막 증착용 샤워헤드{A shower head for deposition of a thin film}

본 발명은 박막 증착용 샤워헤드에 관한 것으로, 특히 반응가스의 상호 섞임을 방지하는 샤워헤드에 관한 것이다.

종래의 화학기상 증착(CVD) 또는 원자층 증작(ALD)에 의한 박막 증착 장치에서 사용하는 샤워헤드에 부과된 과제는 좋은 두께 균일도를 갖도록 기판 상에 반응가스를 원하는 가스 플로우 벡터를 형성시키는 것으로, 기판 중앙에 더 많은 반응가스를 분사하거나, 기판 외각에 더 많은 반응가스를 분사할 수 도 있다.

또한, 반응성 파티클 발생을 막도록 충분한 신뢰성으로 두 반응가스의 샤워헤드 내 조우를 막아야 한다. 샤워헤드 내부표면에서 서로 다른 두 개의 반응가스가 조우하여 좀 더 불순물이 적은 깨끗한 상태의 막이 되더라도 어차피 막의 퇴적은 종국적으로 파티클 원천이 된다. 결과적으로 기판 상에 파티클 드롭을 막기 위하여 피엠주기의 단축이 불가피하다.

또한, 표면에 박막 증착이 최대한 억제되도록 가장 바람직한 온도 영역이 샤워헤드 표면에 형성되어 주어야 한다. 예를 들어 TiN 공정에선 170도에서 220도가 바람직한 것으로 보이며, Ti 공정에선 이 보다 상당히 높은 350도에서 400도 사이가 더 바람직하다.

상기 기술적인 조건들이 종래의 샤워헤드들에 의해 충족되는 것은 아니다. 도 1 또는 도 2는 상기 기술적 내용 중에서 두 반응가스의 상호 섞임을 방지하여 파티클 드롭을 막기 위한 기술에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 의한 샤워헤드의 일실시예를 단면도로 도시한 것으로, 미국특허 US 6,302,964에 도시된 실시예이다.

제2 반응가스 확산영역(10)에 유입되는 제2 반응가스가 외각으로 유입되므로 예를 들어 가스와 같은 가스라 하더라도 기판 외곽으로 더 많이 분사되기 쉬운 구조로 보인다. 즉, 이 경우 웨이퍼 센터와 에지의 두께 비 조정이 힘들 수 있다.

도 2는 종래 기술에 의한 샤워헤드의 다른 일실시예를 단면도로 도시한 것으로, 미국특허 US 5,595,606에 도시된 실시예이다.

다판식 구조라서 비록 판 개수가 많지 않긴 하지만 반응가스들의 샤워헤드 내 상호 섞임을 막기 위해선 많은 스크류의 사용이 필수적으로 수반될 수밖에 없으며 기판의 대구경화에 따라 샤워헤드 사이즈가 커지게 되면 판들의 효과적인 체결문제는 더 어려운 문제가 된다.

즉, 더 굵은 사이즈의 스크류를 써야 하며 스크류가 커지게 되면 제1 반응가스 확산존 내에 스크류 마운팅 포트들이 불가피하게 배치될 수밖에 없고 그것은 반응가스 확산존 내에 많은 장애물들이 설치되는 것을 의미한다. 이것은 반응가스 확산존을 스크류들이 관통함으로써 샤워헤드의 확산특성을 저하시키는 이유가 된다.

도 1과 도 2는 탑 리드를 뒤로 90도 내지는 다소 더 큰 각도로 제치고 샤워헤드를 장착하는 형태들이다. 이것은 샤워헤드의 체결상태가 작업자에 따른 유의차, 반복적인 습식(wet) 피엠시 피엠 투 피엠 차이 등으로 나타날 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 샤워헤드를 위에서부터 아래로 장착함으로써 챔버 유지보수 작업이 용이하고, 작업자에 따른 샤워헤드 체결상태의 재현성이 더욱 향상되도록 하고, 반응가스의 상호 섞임을 방지하는 박막 증착 장치용 샤워헤드를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 박막 증착 장치용 샤워헤드는 기판 상에 제1 및 제2 반응가스를 분사하도록 다수의 제1 분사 홀과 제2 분사 홀이 형성된 샤워헤드에 있어서, 상기 제1 및 제2 반응가스를 도입하는 반응가스 도입부, 천정판 및 어셈블리 지지대로 이루어진 상단블록; 및 상기 제1 및 제2 반응가스 도입유로로부터 유입된 제1 및 제2 반응가스가 섞이지 아니하고 분리되어 확산되는 제1 및 제2 반응가스 확산층과 상기 제1 및 제2 반응가스를 분사하는 다수의 제1 및 제2 분사 홀을 구비하는 하단블록;을 포함하고, 상기 제1 반응가스 확산층은 상기 상단블록과 하단블록의 경계 사이에 형성되며, 상기 제1 분사 홀과 직교하여 연통되고, 상기 제2 반응가스 확산층은 상기 하단블록 내에 형성되며, 상기 제2 분사 홀과 직교하여 연통되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응가스 도입부는 상기 제1 및 제2 반응가스를 제1 반응가스 확산층과 제2 반응가스 확산층으로 이송시키는 유로가 형성되며, 상기 제1 및 제2 반응가스 이송라인과의 밀봉결합을 위한 밀봉면을 구비함을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응가스 도입부는 체결포트를 더 구비하여 진공이 유지되는 영역 내에서 상기 상단블록과 하단블록의 체결요소를 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하단블록은 하나의 몸체로 이루어지며, 상기 몸체 내부에 제2 반응가스 확산층이 형성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 하나의 몸체로 이루어지는 하단블록은 하나 내지 두 개의 메인 패스와 상기 메인 패스와 연결된 서브 패스들로 이루어지며, 상기 메인 패스와 서브 패스는 상기 제2 분사홀과 직교하여 연통됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 하나의 몸체로 이루어지는 하단블록에 형성된 패스들 중 적어도 하나는 외부와 연통된 습식(wet) 클리닝 포트를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 습식(wet) 클리닝 포트는 마개에 의하여 공정 시엔 막혀있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하나의 몸체로 이루어지는 하단블록에 형성된 패스 중에서 메인 패스 두 개가 서로 직교하며, 상기 두 직교하는 메인 패스가 만드는 사분면에 서브 패스들이 존재하여 상기 서브 패스들은 상기 메인 패스에 직교하여 연통되고, 상기 서브 패스들은 하단블록 판의 중심을 기준으로 90도씩 회전하였을 때 인접한 사분면 내의 서브 패스들과 일치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하단블록은 상판과 하판의 결합으로 구성되며, 상기 상판과 하판의 결합은 상기 제1 반응가스 확산층 외각에서 스크류를 통해 체결됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 샤워헤드는 샤워헤드 확장링을 더 포함함을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 의한 박막 증착 장치용 샤워헤드에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 샤워헤드가 장착된 박막 증착 장치의 일실시예를 도시한 것으로, 주요구성요소인 챔버(300), 상단블록(310), 반응가스 도입부(320), 및 하단블록(330)으로 이루어진다.

공정을 진행하기 위한 챔버(300)의 내부 상측에 소정의 크기를 갖고, 제1 반응가스 및 제2 반응가스를 도입하는 반응가스 도입부(320)가 중앙상단에 형성된 상단블록(310)과 상기 반응가스 도입부(320)로부터 유입된 제1 및 제2 반응가스를 분사하는 다수의 제1 및 제2 분사 홀과 상기 제1 및 제2 분사 홀로부터 분사되는 제1 및 제2 반응가스가 섞이지 아니하고 분리되어 확산되는 제1 반응가스 확산층(340) 및 제2 반응가스 확산층(350)을 형성하는 하단블록(330)으로 구성된 샤워헤드가 위치한다.

도 3은 두 개의 블록, 즉 상단블록(310)과 하단블록(330) 두 개의 플레이트를 써서 반응가스가 샤워헤드 내에서 상호 섞임이 완전히 배제될 수 있다, 그것은 상기 하단블록(330)을 하나의 몸체(one body)로 구성한 것에 기초하며, 반응가스 도입부(320)를 둠으로써 제1 및 제2 반응가스 모두 반응가스 확산층(340,350)의 중심부로 유입되도록 하였다.

도 4는 본 발명에 의한 박막 증착 장치용 샤워헤드의 제2 반응가스 확산층 내에서 가스확산을 더 좋게 할 수 있는 메인 패스와 서브 패스들의 일례를 도시한 것이다.

상기 메인 패스(410)와 서브 패스(420)는 하나의 몸체로 구성된 하단블록(330) 내부에 형성된 제2 반응가스 확산층(350)에 형성되고, 상기 제2 반응가스 확산층(350)은 하나 내지는 두 개의 메인 패스(410)와 상기 메인 패스(410)와 연결된 서브 패스(420)들로 구성된다. 또한, 상기 메인 패스(410)와 서브 패스(420)는 제2 분사홀들과 직교하여 연통된다.

상기 원 바디로 구성된 하단블록(330)에 형성된 패스 중에서 메인 패스(410) 두 개가 서로 직교하며, 상기 두 직교하는 메인 패스(410)가 만드는 사분면에 서브 패스(420)들이 존재하여 상기 서브 패스(420)들은 상기 메인 패스(410)에 직교하여 연통되고, 상기 서브 패스(420)들은 하단블록(330)의 중심을 기준으로 90도씩 회전하였을 때 인접한 사분면 내의 서브 패스(420)들과 일치된다.

도 5는 본 발명에 의한 박막 증착 장치용 샤워헤드의 다른 일실시예를 도시한 것으로, 상단블록(510), 반응가스 도입부(520) 및 하단블록(530)으로 이루어진다.

상기 샤워헤드의 핵심부인 하단블록(530)을 형성하는 상판(531)과 하판(533)의 결합은 제1 반응가스 확산층(540) 외각에서 이루어지며, 상기 제1 반응가스 확산층(540)은 상기 상단블록(510)과 하단블록(530)의 상판(531) 경계 사이에 형성되며, 상기 제2 반응가스 확산층(550)은 상기 하단블록(530)의 상판(531)과 하판(533) 사이에 형성된다.

그리고, 반응가스 도입부(520)를 상단블록(510)의 중앙에 위치시킴으로써 제1 및 제2 반응가스 모두 제1 반응가스 확산층(540) 및 제2 반응가스 확산층(550)의 중심부로 유입되도록 하였다.

도 6은 본 발명에 의한 박막 증착 장치용 샤워헤드의 또 다른 일실시예를 도시한 것이다.

도 5에 도시된 바와 마찬가지로 제1 반응가스와 제2 반응가스의 상호 섞임을 다판식 샤워헤드 구조를 채용하면서도 효과적으로 막는데 그것은 상판(631)과 하판(633)의 결합구조에 있다. 즉, 제1 분사홀들이 하판(633)을 관통하여 연장된 상판돌기 내부에 형성됨으로써 스크류들의 체결력이나 개수에 무관하게 샤워헤드 내 두 반응가스의 섞임 우려가 제거된다.

상기 샤워헤드의 핵심부인 하단블록을 형성하는 상판(631)과 하판(633)의 결합은 제1 반응가스 확산층(640) 외곽에서 이뤄지며, 상기 상단블록(610)과 하단블록(630)의 체결은 상기 반응가스 도입부(620)내에 위치한 체결포트에서 이뤄짐으로써, 반응가스 확산층(640,650) 안을 스크류들이 관통함으로써 샤워헤드의 확산특성을 저하시키는 현상을 최소화한다.

여기서, 상기 반응가스 도입부(620)는 제1 및 제2 반응가스를 샤워헤드 하단블록으로 이송시키는 유로가 형성되어 있으며, 제1 반응가스 도입유로(621,623) 및 제2 반응가스 도입유로(622)와의 밀봉결합을 위한 밀봉면(660)을 포함한다.

상기 제2 반응가스 도입유로(622)는 상기 반응가스 도입부(620)의 중심에 위치하며, 상기 제1 반응가스 도입유로(621,623)는 제2 반응가스 도입유로(622) 주변에 하나 내지는 두 개 설치한다.

상기 제1 반응가스 확산층(640)은 상단블록(610)과 하단블록(630)의 경계면에 형성되며, 상기 제1 분사홀들이 상기 제1 반응가스 확산층(640)과 직교하여 연통되며, 상기 제1 분사홀들은 상기 상판(631)에서 하판(633)내부를 관통하여 샤워헤드 바닥면까지 확장된 상판돌기(632) 내에 형성된다.

상기 샤워헤드는 샤워헤드 확장링(670)을 더 구비한다.

상기 기술한 본 발명에서 설명하는 상기 반응가스 도입부에는 여러 가지 특징 중 한 가지 특징이 내재되어 있다. 그것은 유지보수 작업이 까다롭지 않도록 하면서 진공이 유지되는 영역 내에서 상기 상단블록 과 하단블록의 강력한 체결요소를 채용할 수 있도록 한 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에선 샤워헤드의 중심부에 네 개 정도의 스크류를 사용하고 있으며 따라서 종래의 기술에서 필요 불가결하게 샤워헤드 내, 그 중 반응 가스 확산층 내에 많은 스크류를 사용해야 하는 불리함을 최소화 시킨다. 물론 그것은 샤워헤드 구조 자체적으로 두 반응 가스의 조우를 보다 쉽게 막을 수 있는 형태를 취하고 있음에 크게 기인하고 있다.

이상으로, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 의하면, 샤워헤드를 위에서부터 아래로 장착하도록 함으로써 챔버 유지보수 작업 시 용이하고, 따라서 작업자에 따른 샤워헤드 체결상태의 재현성이 더욱 향상되도록 한다.

또한, 본 발명에 의한 샤워헤드 내부에서부터 가스 플로우는 기판 외곽 쪽으로 향하는 순방향으로 하여 공정변수 조절에 따라 기판센터와 에지의 막 특성 조정 내지는 균일도 조정에 더 유리하다.

도 1은 종래 기술에 의한 샤워헤드의 일실시예를 단면도로 도시한 것이다.

도 2는 종래 기술에 의한 샤워헤드의 다른 일실시예를 단면도로 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 샤워헤드가 장착된 박막 증착 장치의 일실시예를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 의한 박막 증착 장치용 샤워헤드의 제2 반응가스 확산층 내에서 가스확산을 더 좋게 할 수 있는 메인 패스와 서브 패스들의 일례를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명에 의한 박막 증착 장치용 샤워헤드의 다른 일실시예를 도시한 것이다.

도 6은 본 발명에 의한 샤워헤드가 장착된 박막 증착 장치의 다른 일실시예를 도시한 것이다.

Claims (10)

1. 기판 상에 제1 및 제2 반응가스를 분사하도록 다수의 제1 분사 홀과 제2 분사 홀이 형성된 샤워헤드에 있어서,

   상기 제1 및 제2 반응가스를 도입하는 반응가스 도입부, 천정판 및 어셈블리 지지대로 이루어진 상단블록; 및

   상기 제1 및 제2 반응가스 도입유로로부터 유입된 제1 및 제2 반응가스가 섞이지 아니하고 분리되어 확산되는 제1 및 제2 반응가스 확산층과 상기 제1 및 제2 반응가스를 분사하는 다수의 제1 및 제2 분사 홀을 구비하는 하단블록;을 포함하고,

   상기 제1 반응가스 확산층은 상기 상단블록과 하단블록의 경계 사이에 형성되며, 상기 제1 분사 홀과 직교하여 연통되고,

   상기 제2 반응가스 확산층은 상기 하단블록 내에 형성되며, 상기 제2 분사 홀과 직교하여 연통되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치용 샤워헤드.
2. 제1항에 있어서, 상기 반응가스 도입부는

   상기 제1 및 제2 반응가스를 제1 반응가스 확산층과 제2 반응가스 확산층으로 이송시키는 유로가 형성되며, 상기 제1 및 제2 반응가스 이송라인과의 밀봉결합을 위한 밀봉면을 구비함을 특징으로 하는 박막 증착 장치용 샤워헤드.
3. 제2항에 있어서, 상기 반응가스 도입부는

   체결포트를 더 구비하여 진공이 유지되는 영역 내에서 상기 상단블록과 하단블록의 체결요소를 제공하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치용 샤워헤드.
4. 제1항에 있어서, 상기 하단블록은

   하나의 몸체로 이루어지며, 상기 몸체 내부에 제2 반응가스 확산층이 형성됨을 특징으로 하는 박막 증착 장치용 샤워헤드.
5. 제4항에 있어서, 상기 하나의 몸체로 이루어지는 하단블록은

   하나 내지 두 개의 메인 패스와 상기 메인 패스와 연결된 서브 패스들로 이루어지며, 상기 메인 패스와 서브 패스는 상기 제2 분사홀과 직교하여 연통됨을 특징으로 하는 박막 증착 장치용 샤워헤드.
6. 제4항에 있어서,

   상기 하나의 몸체로 이루어지는 하단블록에 형성된 패스들 중 적어도 하나는 외부와 연통된 습식(wet) 클리닝 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치용 샤워헤드.
7. 제5항에 있어서, 상기 습식(wet) 클리닝 포트는

   마개에 의하여 공정 시엔 막혀있는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치용 샤워헤드.
8. 제4항에 있어서, 상기 하나의 몸체로 이루어지는 하단블록에 형성된 패스 중에서 메인 패스 두 개가 서로 직교하며, 상기 두 직교하는 메인 패스가 만드는 사분면에 서브 패스들이 존재하여 상기 서브 패스들은 상기 메인 패스에 직교하여 연통되고, 상기 서브 패스들은 하단블록 판의 중심을 기준으로 90도씩 회전하였을 때 인접한 사분면 내의 서브 패스들과 일치되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치용 샤워헤드.
9. 제1항에 있어서, 상기 하단블록은

   상판과 하판의 결합으로 구성되며, 상기 상판과 하판의 결합은 상기 제1 반응가스 확산층 외각에서 스크류를 통해 체결됨을 특징으로 하는 박막 증착 장치용 샤워헤드.
10. 제1항에 있어서, 상기 샤워헤드는

    샤워헤드 확장링을 더 포함함을 특징으로 하는 박막 증착 장치용 샤워헤드.