KR100574116B1 - 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 웨이퍼를 1매씩 처리하는 어닐링 개질 장치에 있어서, 기밀한 처리실(24) 내에, 웨이퍼(W)를 위치시키기 위한 상면을 가진 받침대(58)가 배치된다. 받침대(58)의 상면에 대향하는 위치로부터 처리실(24) 내에 처리 가스를 공급하기 위해, 샤워 헤드(26)가 배치된다. 받침대(58)의 아래쪽의 입구 개구(52)를 거쳐 처리실(24)의 바닥부에 배기실(50)이 접속된다. 입구 개구(52)는 받침대(58)의 평면 윤곽보다도 작은 평면 윤곽을 가지고, 또한 받침대(58) 및 개구(52)의 평면 윤곽은 실질적으로 동심 형상으로 배치된다. 배기실(50)에 배기 기구가 접속되고, 배기실(50)을 거쳐 처리실(24) 내가 배기된다.

Description

반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치{SINGLE-SUBSTRATE-TREATING APPARATUS FOR SEMICONDUCTOR PROCESSING SYSTEM}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 매엽식 어닐링 개질 장치를 나타내는 단면도,
도 2는 도 1 중의 II-II선 단면도,
도 3은 배기실에 배치된 스로틀(throttle)관을 나타내는 사시도,
도 4는 도 1에 나타내는 장치의 처리실 및 배기실 내에 있어서의 처리 가스 흐름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매엽식 CVD 장치를 나타내는 단면도,
도 6은 종래의 어닐링 개질 장치를 나타내는 개략도,
도 7은 도 6 중의 VII-VII선 단면도,
도 8은 도 7 중의 VIII-VIII선에 따른 단면도에 있어서의 가스 흐름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매엽식 CVD 장치를 나타내는 단면도,
도 10은 서셉터의 변형예를 나타내는 단면도,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매엽식 CVD 장치를 나타내는 단면도,
도 12는 샤워 헤드의 변형예를 나타내는 단면도.
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판에 대하여 1매씩 성막이나 어닐링 등의 처리를 실시하기 위한 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치에 관한 것이다. 또, 여기서, 반도체 처리란, 반도체 웨이퍼나 LCD 기판 등의 피처리 기판 상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성하는 것에 의해, 그 피처리 기판 상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 각종의 처리를 의미한다.
반도체 집적 회로를 제조할 때, 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판에 대하여, 성막 처리, 에칭 처리, 산화 확산 처리, 어닐링 개질 처리 등의 각종의 처리를 반복하여 실시한다. 각 처리에 있어서, 그 처리의 종류에 대응하여 필요한 처리 가스, 예컨대, 성막 처리의 경우에는 성막가스를, 어닐링 개질 처리의 경우에는 오존 가스 등을 처리실 내로 도입한다.
이 경우, 처리실 내의 상태는 그 처리의 종류에 대응한 바람직한 일정 압력을 유지하도록, 진공으로 한다. 이 진공으로 되는 가스의 흐름은, 처리의 면내 균일성을 높게 유지한 후에 반도체 웨이퍼의 표면에 대하여 균등하게 흘리는 것이 요 청된다.
여기서 종래의 일반적인 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치에 대하여 설명한다. 도 6은 종래의 일반적인 어닐링 개질 장치를 나타내는 개략도이다. 도 7은 도 6 중의 VII-VII선 단면도이다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 이 어닐링 개질 장치는, 예컨대 단면이 사각형상의 알루미늄제인 밀폐 처리실(2)을 가진다. 처리실(2)의 내부에는 처리실 바닥부(底部)로부터 지지 기둥(4)을 거쳐 기립하도록 받침대(6)가 배치된다. 받침대(6) 내에는 가열 히터(8)가 매설되고, 받침대(6) 면상에 위치하는 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W)를 가열한다. 받침대(6)의 위쪽에는, 처리실(2) 내에 처리 가스로서, 예컨대 오존을 도입하기 위해, 석영제의 링 형상 샤워 헤드(10)가 배치된다. 처리실(2)의 천정부에는 투과창(12)이 배치되고, 외부에 배치된 자외선 램프(14)로부터 방사되는 자외선(UV)이 웨이퍼 표면에 조사된다.
한편, 처리실(2)의 바닥부(16)에는, 받침대(6)의 비스듬히 아래방향으로 위치하도록, 도시하는 예에서는 4개의 배기구(18)(도 7 참조)가 배치된다. 배기구(18)에는, 각각 배기관(20)이 접속된다. 배기관(20)은 그 하류측에서 합류되어 처리실(2) 내를 진공시키기 위한 진공펌프에 접속된다(비도시).
이와 같은 어닐링 개질 장치에 있어서, 받침대(6) 상의 웨이퍼(W)는 가열되면서, 자외선(UV)에 의해 여기된 오존 가스의 작용을 받는다. 이것에 의해, 웨이퍼(W)의 표면에 형성되는, 예컨대 TaOx(탄탈 산화물)막 등에 어닐링 개질 처리가 실시된다.
상기 장치에 있어서는, 처리의 면내 균일성을 충분히 높게 유지할 수 없는 경우가 있다. 이 문제는 반도체 웨이퍼의 크기가 6인치 혹은 8인치 내지 12인치로 크게 됨에 따라, 겉으로 드러나게 된다. 또한, 상기 장치에 있어서는 피처리 기판이나 그 위의 박막이, 금속이나 부생성물의 입자에 의해 오염되는 경우가 있다.
본 발명의 목적은 처리의 면내 균일성을 충분히 높게 유지할 수 있는 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 피처리 기판 등이 금속이나 부생성물의 입자에 의해 오염될 가능성이 낮은 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치는,
기밀(氣密)한 처리실과,
상기 처리실 내에 배치되고 또한 피처리 기판을 위치시키기 위한 상면을 가진 받침대와,
상기 받침대의 상기 상면에 대향하는 위치로부터 상기 처리실 내로 처리 가스를 공급하기 위한 공급기구와,
상기 받침대의 아래쪽의 제 1 개구를 거쳐 상기 처리실의 바닥부에 접속된 배기실과 상기 제 1 개구는 상기 받침대의 평면 윤곽보다 작은 평면 윤곽을 가지고, 또한 상기 받침대 및 상기 제 1 개구의 상기 평면 윤곽은 실질적으로 동심 형상으로 배치되고,
상기 배기실 및 상기 제 1 개구를 거쳐 상기 처리실 내를 배기하기 위한 배기 기구를 구비한다.
본 발명자 등은, 본 발명의 개발의 과정에 있어서, 도 6을 참조하여 서술한 종래의 매엽식 처리 장치에 있어서, 처리의 면내 균일성을 충분히 높게 유지할 수 없는 경우가 있는 이유에 대하여 연구하였다. 그 결과, 본 발명자 등은, 이하에 서술하는 견해를 얻었다.
도 6에 도시한 장치에 있어서, 처리실(2)내에 도입된 오존 등의 처리 가스는 처리 공간(S)의 아래쪽으로 흘린 후, 웨이퍼(W)의 표면을 그 반경 방향 바깥 쪽을 향하도록 흘린다. 다음에, 처리 가스는, 받침대(6)의 비스듬한 아래 방향을 배치한 4개의 배기구(18)로부터 대략 균등하게 배출된다.
그렇지만, 처리 공간(S)에 있어서의 처리 가스의 실제의 흐름을 상세하게 검토하면, 웨이퍼(W)의 반경 방향 바깥 쪽을 향하여 균등하게 흘리는 것은 아니고, 배기구(18)가 배치되어 있는 방향과 배치되어 있지 않은 방향은 가스의 흐름에 있어서 상당한 차이가 있다. 웨이퍼 표면에 있어서의 처리의 면내 균일성을 충분히 높게 유지할 수 없는 주요한 원인 중 하나는, 이 가스 흐름의 치우침에 있다.
도 8은 도 7 중에 있어서 VIII-VIII선에 따른 단면도에 있어서의 가스 흐름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 배기구(18)가 배치되어 있는 방향 X1에서는 처리 가스가 원활하게 흐르고 있지만, 배기구(18)가 배치되어 있지 않은 방향 X2에서는 처리 가스의 대류가 약간 발생한다.
이 가스의 흐름의 불균일성을 방지하기 위해, 더욱 많은 배기구(18)를 원주 형상으로 배열하는 것도 고려된다. 그러나, 이 경우에는 배기 구조가 복잡하게 됨과 아울러, 다수의 배기관이 유지 보수 작업의 큰 장해물로 되므로, 채용할 수는 없다.
이하에, 이와 같은 견해에 근거하여 구성된 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 또, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성요소에 대하여는, 동일 부호를 붙이고, 중복 설명은 필요한 경우에만 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치를 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1 중의 II-II선 단면도이다. 도 3은 배기실에 배치된 스로틀(throttle)관을 나타내는 사시도이다. 여기서는 매엽식 처리 장치로서 오리엔테이션 플랫(orientation flat)을 갖는 실질적으로 원형인 통상의 반도체 웨이퍼를 처리하는 어닐링 개질 장치를 예로서 설명한다.
도시하는 바와 같이, 어닐링 개질 장치(22)는, 예컨대, 단면이 대략 사각형상의 알루미늄제인 처리실(24)을 갖는다. 처리실(24)의 중심에는 반도체 웨이퍼(W)를 위치시키기 위한 받침대(58)가 배치된다. 받침대(58)는 원형의 평면 윤곽을 가지고, 그 상면 상에 반도체 웨이퍼(W)가 동심 형상으로 위치된다. 받침대(58)는, 예컨대, 내부에 소정의 패턴 형상으로 배치된 가열 히터(60)를 갖는다.
받침대(58)의 외측은 소결된 예컨대, AlN 등으로 된 세라믹으로 구성된다. 받침대(58)의 주위에는 받침대(58)와 처리실(24)의 내벽 사이에 연장하도록, 링 형상의 정류판(86)이 부착된다. 정류판(86)에는 다수의 구멍(84)이 형성되고, 위쪽의 처리 공간(S)과 후술하는 아래쪽의 배기측을 연통시킨다.
받침대(58)에는 이 상하 방향으로 관통하여 복수의 핀 구멍(62)이 형성된다. 각 핀 구멍(62)에는 작동간(66)에 공통으로 연결된, 예컨대 석영제의 누름핀(64)이 유감(遊嵌) 상태로 수용된다. 작동간(66)은 처리실(24)의 바닥부(48) 하면에 마련된 에어 실린더(68)의 출몰봉(68B)에 연결되고, 각 누름핀(64)을, 웨이퍼(W)를 주고 받을 때에, 각 핀 구멍(62)의 상단으로부터 위쪽으로 출몰시킨다. 또한, 에어 실린더(68)와 바닥부(48)의 하면 사이에는 벨로스(70)가 배치되어, 출몰봉(68B)이 처리실(24) 내의 기밀성을 유지하면서 상승할 수 있다.
처리 가스로서 예컨대 오존을, 처리 공간(S) 내에 도입하기 위해, 처리실(24) 내의 천정부에는 받침대(58)의 상면과 대향하도록, 샤워 헤드(26)가 배치된다. 샤워 헤드(26)는 원형 링 형상의 무단관(無端管)(26a)과 그 내측에 접속되고 또한 격자형상으로 조립된 내측관(26b)을 구비하고, 이것 등은 받침대(58)의 원형인 평면 윤곽에 대하여 동심 형상으로 배치된다. 무단관(26a) 및 내측관(26b), 즉 샤워 헤드(26)의 하면에는, 처리 가스를 분사하는 다수의 분사 구멍(28)이 동일 간격으로 형성된다. 즉, 샤워 헤드(26)는, 격자 형상으로 배치된 위치로부터 받침대(58)의 평면 윤곽에 대하여 동심 형상으로 되도록 처리 가스를 공급한다. 또한, 샤워 헤드(26)는 받침대(58)의 평면 윤곽 내의 위치로부터만 처리 가스를 공급한다. 또, 처리 가스는, 받침대(58)의 평면 윤곽 외의 위치로부터도 공급할 수 있다.
처리실(24)의 천정부에는 큰 개구부(30)가 형성된다. 개구부(30)에는, 예컨대 자외선에 대하여 투명한 석영판으로 된 투과창(32)이 O링 등의 밀봉 부재(34)를 거쳐 기밀하게 부착된다. 투과창(32)의 위쪽에는, 케이싱(36)에 의해 덮인 램프실(38)이 형성된다. 램프실(38) 내에 복수개의 자외선 램프(40)가 배치된다. 자외선 램프(40)에 의해 발생하는 자외선(UV)은 투과창(32)을 투과하여 처리 공간(S) 내로 도입된다.
처리실(24)의 측벽에는, 처리실(24) 내에 대하여 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W)를 반입 반출하기 위한 반출입구(42)가 배치된다. 반출입구(42)에는 기밀하게 개폐 가능하게 된 게이트 밸브(44)가 배치된다.
처리실(24)의 바닥부(48)에는, 바닥부(48)의 중앙부의 큰 원형 개구(52)를 거쳐 배기실(50)이 접속된다. 개구(52)는 받침대(58)의 평면 윤곽보다 작은 평면 윤곽을 갖고(즉, 개구(52)의 직경 L1은 받침대(58)의 직경보다 작게 설정된다), 또한 받침대(58) 및 개구(52)의 평면 윤곽은 실질적으로 동심 형상으로 배치된다. 배기실(50)의 내부 공간도 개구(52)에 대하여 동심 형상으로 형성된다. 개구(52)에는 그 아래쪽으로 연장하는 바닥이 있는 원통체 형상의 원통벽(54)이 연결되고, 그 내부에 배기실(50)이 형성된다.
원통벽(54)의 바닥부(54A)에는 이것으로부터 기립하는 바와 같이, 예컨대 원통체 형상의 수직 지지 기둥(56)이 배치되고, 이 상단부에 원판 형상의 받침대(58)의 중심이 고정된다. 지지 기둥(56)은 개구(52)를 동심 형상으로 관통한다. 지지 기둥(56) 내에는, 가열 히터(60)로 전력을 공급하기 위해 급전선(90)이 배치된다.
배기실(50) 내에는 원통벽(54)의 바닥부(54A) 상에 동심 형상으로 배치된 스로틀관(76)에 의해, 일차 공간(51A)과, 원형 개구(55)를 거쳐 이것에 접속된 교축 공간(51B)으로 분할된다. 구체적으로는 스로틀관(76)의 직경은 원통벽(54)의 내경의 대략 1/2정도로 설정된다. 스로틀관(76)은 그 상단부에 배기실(50)의 내경과 동일 크기의 링 형상의 플랜지부(78)를 가지고, 이것이 원통벽(54)에 내접한다(도 3 참조). 즉, 스로틀관(76)의 입구 개구(55)는 배기실(50)의 입구 개구(52)의 평면 윤곽보다도 작은 평면 윤곽을 갖고, 또한 개구(52, 55)의 평면 윤곽은 동심 형상으로 배치한다.
스로틀관(76)의 본체부(80)에는 그 중심에 대하여 대칭인 2개소에 측벽 개구(82)가 형성된다(도 2 참조). 스로틀관(76)과 원통벽(54)의 사이에는 스로틀관(76)을 둘러싸고, 또한 측벽 개구(82)에 연통되는 버퍼 공간(77)이 형성된다. 원통벽(54)의 측부에 배기구(72)가 형성되고, 배기구(72)는 배기관(74)을 거쳐, 처리실(24) 내를 진공 상태로 하기 위한 진공 펌프 등을 포함하는 배기계(75)에 접속된다.
양 측벽 개구(82)는 배기구(72)에 대하여 직접적으로 맞닿지 않도록 또한 배기구(72)로부터 등거리의 위치에 배치된다. 예컨대, 도 2에 나타내는 경우에는 측벽 개구(82)는 배기구(72)에 대하여 방향이 서로 90도가 되도록 형성된다. 이것에 의해, 어느 한쪽의 측벽 개구(82)로부터 치우치지 않고 양 측벽 개구(82)로부터 균등하게 진공화할 수 있다.
다음에, 이상과 같이 구성된 본 실시예의 동작에 대하여 설명한다.
먼저, 미처리의 반도체 웨이퍼(W)는 반송암(비도시)에 유지되어 열린 상태로 된 게이트 밸브(44), 반출 입구(42)를 거쳐 처리실(24) 내로 반입된다. 웨이퍼(W)는 누름핀(64)에 인도된 후, 누름핀(64)의 하강에 의해, 받침대(58) 상에 위치된다.
받침대(58)는 미리 소정의 온도로 예비 가열된다. 웨이퍼(W)가 위치된 후에 가열 히터(60)로의 공급전력을 증가시키는 것에 의해, 웨이퍼(W)를 소정의 프로세스 온도까지 승온시킴과 아울러 프로세스 온도를 유지한다. 또한, 샤워 헤드(26)로부터 처리 가스로서 예컨대 오존을 처리 공간(S)에 분사 공급한다. 이것과 동시에, 배기관(74)에 접속한 진공 펌프(비도시)를 구동하는 것에 의해, 처리실(24) 내나 배기실(50) 내의 상태를 진공으로 하고, 처리 공간(S)의 상태를 소정의 프로세스 압력으로 유지한다.
더욱이, 처리 가스의 공급과 동시에, 천정부의 위쪽에 배치한 자외선 램프(40)를 구동하고, 자외선(UV)을 투과창(32)을 거쳐 처리 가스 및 웨이퍼(W)의 표면에 조사한다. 이것에 의해, 오존이 여기되어 활성 산소 원자가 발생하고, 활성 산소 원자에 의해, 웨이퍼(W) 상의, 예컨대 TaOx로 이루어진 박막의 개질이 행해진다. 이와 같이 하여, 웨이퍼(W) 상의 박막의 어닐링 개질 처리가 행해지고, 또한, 필요에 따라 박막의 결정화도 실시된다.
어닐링 개질 장치(22)에 있어서는 받침대(58)와 동심 형상의 개구(52)를 거쳐 처리실(24)에 배기실(50)이 접속되고, 배기실(50)을 거쳐 처리실(24)의 진공화가 실시된다. 이 때문에, 상술한 처리에 있어서, 샤워 헤드(26)로부터 처리 공간(S)에 공급된 처리 가스(오존)는 웨이퍼(W)의 주변 가장자리부로 대략 균등하게 흘러가고, 거의 치우쳐 흐르는 일이 없게 된다. 따라서, 처리의 면내 균일성, 여기서는 어닐링 개질 처리의 면내 균일성을 높게 유지할 수 있다.
즉, 어닐링 개질 장치(22)에 있어서는 도 6, 도 7에 나타내는 것과 같은 종래 장치의 경우와는 다르고, 샤워 헤드(26)로부터 분출된 처리 가스는 웨이퍼 상면의 중심측으로부터 반경방향 외측에 대략 균등하게 흘러 확산된다. 더욱이, 처리 가스는 받침대(58) 주위의 정류판(86)의 각 구멍(84)을 대략 균등하게 통과하여 받침대(58)의 아래쪽으로 흘러 들어간다. 이 흘러 들어간 처리 가스는 개구(52)를 거쳐 배기실(50)로 유입되어 이것을 따라 흐른다. 더욱이, 처리 가스는 스로틀관(76)의 중심부로부터 측벽 개구(82)를 거쳐 유출되고, 최종적으로 배기구(72)를 거쳐 배기관(74)으로부터 배기된다.
이와 같이, 처리 가스를 받침대(58)의 전체 외주 가장자리를 거쳐 받침대(58)의 이면측으로 흘러 들어가도록 하므로, 웨이퍼 상에서 편류가 생기게 하는 일없이 대략 균등하게 처리 가스를 흐르게 할 수 있다. 이 때문에, 어닐링 개질 처리 등 처리의 면내 균일성을 높게 유지할 수 있다. 이와 같은 효과는 받침대(58)의 평면 윤곽보다도 배기실(50)의 입구 개구(52)의 평면 윤곽을 작게 함과 아울러, 이것 등을 실질적으로 동심 형상으로 배치하는 것에 의해 얻어진다. 여기서, 충분한 효과를 얻기 위해, 받침대(58)의 평면 윤곽에 대한 개구(52)의 평면 윤곽의 면적의 비는, 바람직하게는 90~25%, 보다 바람직하게는 75~45%로 설정한다.
또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 배기구(72)와 2개의 측벽 개구(82)는 직접적으로 대향하지 않고, 등거리를 두어 배치되어 있으므로, 어느 한쪽의 측벽 개구(82)에 치우쳐 배기되지 않고, 양 측벽 개구(82)로부터 대략 균등하게 배기할 수 있다. 따라서, 이 점으로부터도, 배기실(50)의 개구(52)에 유입되는 가스 분포는 균등 상태로 되고, 웨이퍼 상을 흐르는 처리 가스를 한층 균등화하는 것이 가능하게 된다.
또한, 종래는 4개의 배기관(20)(도 6 참조)을 필요로 하였지만, 본 실시예의 경우에는 1개의 배기관(74)으로 하였다. 이 때문에, 배기구조를 간략화할 뿐만 아니라 공간 부분이 증가함에 따라 유지 보수 작업도 용이하게 할 수 있게 된다.
도 4는 처리실(24) 및 배기실(50) 내에 있어서의 처리 가스의 흐름의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 이 도면으로부터 명백한 바와 같이, 도 8에 나타내는 종래 장치의 경우와 비교하여, 본 발명 장치의 경우에는 웨이퍼 표면의 대략 중심측으로부터 주변부를 향하여 대략 균등하게 처리 가스가 흐르고, 또한, 대류 가스가 거의 발생하지 않는다.
또, 스로틀관(76)의 직경이나 이것에 배치한 측벽 개구(82)의 수는 단지 일예를 나타낸 것에 지나지 않고, 상술한 것에 한정되지 않는다. 또한, 스로틀관(76)을 배치하지 않는 경우에도, 상술한 것과 대략 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 여기서는 처리 장치로서 어닐링 개질 장치를 예로 설명하였지만, 본 발명은 성막 장치, 에칭 장치, 산화 확산 장치, 플라즈마를 이용한 처리 장치에도 적용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매엽식 CVD 장치를 나타내는 단면도이다. 즉, 이 장치에 있어서는 처리 가스가 반도체 웨이퍼(W) 상에 박막을 형성하기 위한 원료를 포함한다.
이 장치의 경우, 도 1에 나타내는 장치로부터 자외선 램프(40)나 투과창(32)이 배제된다. 또한, 링 및 격자 형상의 샤워 헤드(26) 대신에, 중공(中空)의 하우징으로 이루어지는 통상의 샤워 헤드(94)가 사용된다. 즉, 샤워 헤드(94)는 받침대(58)의 평면 윤곽에 대하여 실질적으로 동심 형상으로 형성된 처리 가스를 분사하는 분사 구멍(92)을 가진 하면과, 분사 구멍(92)에 연통되는 대류 공간(93)을 가진다. 또한 샤워 헤드(94)는 받침대(58)의 평면 윤곽 내의 위치로부터만 처리 가스를 공급한다. 또, 처리 가스는 받침대(58)의 평면 윤곽 외의 위치로부터도 공급할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매엽식 CVD 장치를 나타내는 단면도이다.
이 CVD 장치는 상부가 개방된 박스 또는 용기 형상의 금속제 하우징(외용기)(102)과, 이 상부 개구를 닫는 덮개(103)에 의해 둘러 싸인 밀폐 처리실(101)을 포함한다. 처리실(101) 내에는 피처리 기판, 예컨대, 반도체 웨이퍼(W)를 위치시켜 가열하는 서셉터(받침대)(104)가 배치된다. 처리실(101)의 측벽에는 웨이퍼(W)를 반입 반출하는 출입구가 형성된다. 그 출입구에는 웨이퍼(W)의 반송을 실시하는 반송암을 구비한 반송실이 게이트 밸브를 거쳐 연결된다(비도시).
덮개(103)에는 서셉터(104)의 상단 또는 서셉터(104) 상의 웨이퍼(W)에 대향하여 처리 가스를 분사 공급하기 위한 샤워 헤드(105)가 배치된다. 샤워 헤드(105)는 덮개(103)의 중앙에 형성된, 웨이퍼(W)의 직경보다도 충분히 큰 원형의 오목부(106)를 가스 대류 공간으로서 사용한다. 이 오목부(106)의 상부는 상판(107)에서 밀폐되고, 오목부(106)의 바닥부에 다수의 가스 분사 구멍(108)이 형성된다. 샤워 헤드(105)의 하면은 샤워 헤드(105)의 주위에 처리 가스의 대류 또는 정체가 생기지 않도록 덮개(103)의 하면과 일면으로 형성되는 것이 바람직하다.
상판(107)에는 샤워 헤드(105)에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급관이 접속된다(비도시). 오목부(106) 내에는 처리 가스를 균일하게 분산시키기 위한 다공판이 적절한 개수로 부착되는 것이 바람직하다(비도시).
처리실(101)의 바닥부측, 도시한 예에서는, 바닥부에는 처리실(101) 내를 감압 배기하기 위한 배기구(109)가 배치된다. 배기구(109)에는 처리실(101) 내를 소정의 압력, 예컨대 수Torr로 감압 가능한 진공 펌프나 압력 제어 기구를 구비한 배기계가 접속된다(비도시). 서셉터(104)는 도시한 예에서는 상면이 웨이퍼(W)의 직경보다 충분히 큰 원형의 평면 형상으로 형성되고, 하부측에 직경이 감소된 헤드부(110)를 갖는다.
서셉터(104)는, 예컨대 탄화 규소(SiC)로 형성되고, 상면 측의 내부에 발열체, 예컨대 세라믹 히터가 배치되어, 웨이퍼(W)를 면내 균일하게 가열할 수 있다. 서셉터(104)의 헤드부(110)는 처리실(101)의 바닥부를 관통하여 처리실 외의 지지부(비도시)에 의해 지지된다. 서셉터(104)의 헤드부에는 서셉터(104)의 승강 기구나 회전 기구가 접속되어 있어도 좋다. 배기구(109)는 서셉터(104)의 헤드부(110)가 관통하는 부분에 그 헤드부(110)를 둘러싸는 것과 같이 형성된다.
처리실(101)의 내면은 클리닝 가스에 의한 부식 및 웨이퍼(W)의 금속 오염을 방지하기 위해, 석영으로 형성하는 것이 바람직하다. 처리실(101)의 하우징(102) 및 샤워 헤드(105)를 포함하는 덮개(103)는 통상의 알루미늄으로 형성되기 때문에, 그 하우징(102)의 내면에 이것을 피복하도록 석영제의 피복 부재(내용기)(111)가 배치된다. 피복 부재(111)는 석영에 의해 하우징(102)의 내면을 덮는 용기 형상으로 형성된다.
피복 부재(111)와 서셉터(104)의 사이에는 배기구(109)와 연통되는 환 형상의 배기 통로(112)가 형성된다. 처리실(101)의 아래쪽 모서리부는 처리 가스를 대류시키지 않도록 원활하게 배출시키기 위해, 유선형(곡면형)(113)으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 때문에, 피복 부재(111)의 내면 모서리부가 유선형 또는 곡면형(113)으로 형성된다. 또한, 서셉터(104)의 외주면도, 피복 부재(111)의 내면에 대응하여 유선형 또는 곡면형으로 형성되는 것이 바람직하다.
샤워 헤드(105) 및 덮개(103)의 적어도 처리 가스와 접하는 부분, 도시하는 예에서는 덮개(103)의 내면 및 샤워 헤드(105) 내(오목부(106) 및 상판(107)의 내면)는 클리닝 가스에 의한 부식 및 반도체 웨이퍼의 금속 오염을 방지하기 위해, 석영에 의해 형성 혹은 피복하는 것이 바람직하다(비도시).
처리실(101)에는 처리 가스 성분의 소결에 의한 반응부 생성물의 부착을 억제하기 위해, 그 내면을 가열하기 위한 가열 수단, 예컨대 저항 발열체(114)가 배치된다. 저항 발열체(114)는 하우징(102)과 피복 부재(111)의 사이에 배치하는 것이 바람직하다.
도 9에 도시한 매엽식 처리 장치에 의하면, 처리실(101)의 적어도 내면이 석영에 의해 형성되기 때문에, 클리닝 가스에 의한 처리실(101) 내면의 부식을 방지할 수 있음과 아울러, 알루미늄의 부식에 기인하는 함유 금속(동(銅) 등)에 의한 웨이퍼(W)의 금속 오염을 방지할 수 있다.
또한, 처리실(101) 내의 바닥부측 모서리부가 유선형(113)으로 형성되기 때문에, 처리 가스의 대류를 억제할 수 있다. 이것에 의해, 처리 가스의 대류에 의한 반응부 생성물의 부착 퇴적을 억제하고, 반응부 생성물의 박리 비산에 의한 웨이퍼(W)의 파티클 오염을 방지할 수 있다. 또한, 처리실(101)에는 가열 수단(114)이 배치되어 있으므로, 처리 가스 성분의 소결에 의한 반응부 생성물의 부착을 억제하고, 웨이퍼(W)의 파티클 오염을 방지할 수 있다. 또한, 샤워 헤드(105)의 적어도 처리 가스와 접하는 부분이 석영에 의해 형성되므로, 클리닝 가스에 의한 부식을 방지함과 아울러, 부식에 기인하는 반도체 웨이퍼의 금속오염을 방지할 수 있다.
도 10은 서셉터의 변형예를 나타내는 단면도이다. 이 서셉터(104X)는, 예컨대 탄화규소(SiC) 혹은 질화 알루미늄(AlN)에 의해 그릇 형상으로 형성된다. 서셉터(104X)의 주위에는, 예컨대 알루미나(Al2O3)제의 환 형상의 정류판(115)이 부착된다. 서셉터(104X)는 아래쪽부터 가열 램프(116)에 의해 가열되어, 웨이퍼(W)를 면내 균일하게 가열할 수 있다. 정류판(115)에는 다수의 통기 구멍(비도시)이 마련되어, 가스의 흐름을 균일하게 할 수 있다. 서셉터(104X)를 사용하면, 가열 온도 및 가스의 흐름을 균일(등방성)하게 할 수 있어, CVD 처리에 있어서의 막 두께의 균일성의 향상이 도모된다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매엽식 CVD 장치를 나타내는 단면도이다.
이 CVD 장치는 처리실(101)을 금속제, 예컨대 알루미늄제의 외용기(117)와, 외용기(117)의 내측에 수용된 석영제의 내용기(118)를 포함하고, 내용기(118) 내에 처리 공간이 형성된다. 외용기(117)는 도 9에 도시하는 하우징(102)과 마찬가지이고, 상부가 개방된 바닥이 있는 박스 형상으로 형성되고, 내용기(118)도 외용기(117)와 마찬가지로 개방된 바닥이 있는 박스 형상으로 형성된다.
외용기(117)의 바닥부 상에 내용기(118)가 위치된다. 외용기(117) 및 내용기(118)의 위 가장자리부에는, 외향의 플랜지(119, 120)가 형성되고, 외용기(117)의 플랜지(119) 상에 내용기(118)의 플랜지(120)가 위치된다. 내용기(118)의 플랜지(120)는 외용기(117)의 플랜지(119)에 플랜지 가압부(121)에 의해 고정된다.
내용기(118)의 바닥부 상에는, 서셉터(104Y)가 배치된다. 내용기(118) 및 외용기(117)의 바닥부에는, 양자를 관통하도록 배기구(109Y)가 형성되고, 배기구(109Y)에 배기계(비도시)가 접속된다. 내용기(118)의 하측 모서리부는, 처리 가스가 원활하게 흐르기 쉽도록 유선형 또는 곡면 형상(113)으로 형성된다.
외용기(117)의 측벽과 내용기(118)의 측벽의 사이에는 간격(122)이 형성됨과 아울러, 내용기(118)의 내벽 상측에 연통 구멍(123)이 형성된다. 이 구조는 내용기(118)의 내외의 압력을 밸런스시키기 위한 압력 밸런스 수단으로서 기능한다. 다만, 이 경우, 처리 가스가 내용기(118) 내로부터 연결 구멍(123)을 거쳐 간격(122)에 침입하는 것에 의해 반응 부생성물이 부착하는 것을 억제할 필요가 있다. 이 때문에, 간격(122)에 비활성 가스, 예컨대 질소 가스를 공급하여 침입 처리 가스를 희석화하는 비활성 가스 공급관(124)이 외용기(117)에 접속된다.
도 11에 도시한 매엽식 처리 장치에 의하면, 내용기(118)의 내외의 압력을 밸런스시키기 위한 압력 밸런스 수단이 배치되어 있으므로, 석영제 내용기(118)의 내외의 압력차에 의한 파손을 방지할 수 있다. 또한, 석영제 내용기(118)에 의해 실질적인 처리실을 형성하기 때문에, 클리닝 가스에 의한 부식을 방지할 수 있음과 아울러, 웨이퍼(W)의 금속 오염을 방지할 수 있다. 또, 도 11에 도시한 장치에 있어서, 서셉터(104Y) 및 배기구(109Y) 대신에, 도 9에 도시하는 서셉터(104) 및 배기구(109)를 사용할 수도 있다.
도 12는 샤워 헤드의 변형예를 나타내는 단면도이다. 샤워 헤드(105Z) 상에는 액체 원료의 기화기(125) 및 유량 제어 밸브(126) 등을 포함하는 가스 공급원인 가스 공급 시스템(127)이 배치된다. 즉, 가스 공급 시스템(127)은 처리실(101)의 덮개(103) 상에 배치된다.
덮개(103)에는 처리 가스의 액화 또는 소결을 방지하기 위해, 샤워 헤드(105Z) 내의 대류 공간을 가열하는 가열 수단(128)이 배치되는 것이 바람직하다. 가열 수단(128)으로서는, 저항 발열체도 좋지만, 열 매체(액체)를 순환시켜 온도 관리를 행하는 것이어도 좋다.
가스 공급 시스템(127)에 있어서, 예컨대 산화 탄탈(Ta2O5) 등의 액체 원료를 원료 공급부(129)로부터 배관(130)을 거쳐 도입되는 입구 밸브(131)가 배치된다. 입구 밸브(131)를 거쳐 도입되는 액체 원료를 기화하기 위해, 기화기(125)가 배치된다. 기화기(125)로부터 공급되는 처리 가스의 유량을 제어하기 위해, 출구 밸브(유량 제어 밸브)(126)가 배치된다. 입구 밸브(131)와 출구 밸브(126)는 기화기(125)와 병렬인 바이패스로(路)(비도시, 예컨대 덮개(103)에 형성된다)를 거쳐서도 접속된다. 출구 밸브(126)로부터 덮개(103)에 형성된 가스 통로(132)를 거쳐 처리 가스 샤워 헤드(105Z) 내에 공급된다. 가스 종류에 따라 가스 공급 시스템(127)이 복수 배치되고, 이들 가스 공급 시스템(127)은 커버로 덮여 있는 것이 바람직하다.
도 12에 도시하는 매엽식 처리 장치에 의하면, 샤워 헤드(105Z)에 근접하여 액체 원료의 기화기(125) 및 유량 제어 밸브(126) 등을 포함하는 가스 공급 시스템(127)이 배치된다. 이 때문에, 가스 배관이 단축되고, 장치의 컴팩트화가 도모됨과 아울러, 가스 공급의 응답성이 향상되고, 성막 처리에서의 막 두께 및 막질의 향상이 도모된다.
본 발명에 따른 매엽식 처리 장치에 있어서는 또한 이하와 같은 변경을 할 수도 있다.
즉, 처리실의 출입구에 비활성 가스의 에어 커튼을 마련하여 먼지의 침입을 방지하도록 하여도 좋다. 또한, 처리실의 출입구에 마련된 게이트 밸브로의 반응 부생성물의 부착을 억제하기 위해, 게이트 밸브를 열 매체(액체) 등으로 온도 제어하도록 하여도 좋다. 또한, 반응 부생성물의 부착을 억제하기 위해, 처리실 전체나 배기계를 열 매체(액체) 혹은 제베크(Seebeck) 효과 등의 전자적 열작용에 의해 온도 제어하도록 하여도 좋다. 더욱이, 플랫폼 측인 반송실이나 카세트실에 있어서의 결로 방지 대책으로서 이들을 온도 제어하도록 하여도 좋다.
배기계의 배관(배기관)으로는 피처리 기판의 금속 오염을 방지하기 위해 글래스 라이닝관이 바람직하다. 샤워 헤드의 적어도 처리 가스와 접하는 부분은 피처리 기판의 금속 오염을 방지하기 위해 석영으로 형성하는 것이 바람직하지만, 순(純) 알루미늄에 의해 형성하여도 좋다.
또한, 본 실시예에서는 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예로서 설명하였지만, 본 발명은 LCD 기판, 유리 기판 등에도 적용할 수 있다.
상기 실시예에 의하면, 처리 가스를 받침대의 전체 외주 가장자리를 거쳐 받침대의 이면측으로 흘러 들어가도록 하므로, 웨이퍼 상에서 편류가 생기는 일없이 대략 균등하게 처리 가스를 흐르게 할 수 있다. 이 때문에, 어닐링 개질 처리 등의 처리의 면내 균일성을 높게 유지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 기밀한 처리실과,
    상기 처리실 내에 배치되고 또한 피처리 기판을 위치시키기 위한 상면을 가진 받침대와,
    상기 받침대의 상기 상면에 대향하는 위치로부터 상기 처리실 내에 처리 가스를 공급하기 위한 공급기구와,
    상기 받침대 아래쪽의 제 1 개구를 거쳐 상기 처리실의 바닥부에 접속된 배기실과, 상기 제 1 개구는 상기 받침대의 평면 윤곽보다 작은 평면 윤곽을 가지고, 또한 상기 받침대 및 상기 제 1 개구의 상기 평면 윤곽은 실질적으로 동심 형상으로 배치되고,
    상기 배기실 및 상기 제 1 개구를 거쳐 상기 처리실 내를 배기하기 위한 배기 기구를 포함하는 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 받침대의 상기 평면 윤곽의 면적에 대한 상기 제 1 개구의 상기 평면 윤곽의 면적의 비는 90~25%인 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기실의 측벽의 대칭 위치에 복수의 측벽 개구가 형성되고, 상기 배기기구는 측벽 개구를 거쳐 상기 배기실에 접속되는 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배기실을 둘러싸고, 또한 상기 측벽 개구에 연통되는 버퍼 공간을 규정하는 부재를 더 구비하고, 상기 배기 기구는 상기 버퍼 공간을 거쳐 상기 배기실에 접속되는 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배기 기구는 상기 복수의 측벽 개구로부터 실질적으로 등거리의 위치에서 상기 버퍼 공간에 접속되는 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급 기구는 상기 받침대의 상기 상면에 대향하도록 상기 처리실 내에 배치된, 상기 처리 가스를 공급하기 위한 샤워 헤드를 포함하는 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 피처리 기판은 상기 받침대의 상기 평면 윤곽에 대하여 동심 형상으로 되도록 위치시키고,
    상기 샤워 헤드는 상기 받침대의 상기 평면 윤곽에 대하여 동심 형상으로 되도록 상기 처리 가스를 공급하는 반도체 처리 시스템의 매엽식 처리 장치.
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