KR100685798B1 - 박막증착용 기화유니트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체소스가 완전히 기화된 상태로 리액터내에 배치되어 있는 웨이퍼로 분사됨으로써 그 리액터 내부 구조물에 발생하는 오염을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 증착 공정이 중단없이 진행될 수 있도록 하며, 증착능률 및 박막의 균일도를 향상시킬 수 있는 박막증착용 기화유니트에 관한 것이다.

본 발명에 따른 박막증착용 기화유니트는 액체소스가 저장되는 저장조와 연결되며, 그 저장조에서 유입된 액체소스가 기체소스가 되도록 그 액체소스를 기화시키며, 웨이퍼에 박막이 형성되도록 그 웨이퍼를 향해 상기 기체소스를 분사하는 샤워헤드를 포함하는 리액터에 연결되는 기화기를 구비하는 박막증착용 기화유니트에 있어서, 그 일측은 상기 기화기와 연결되며 그 타측은 상기 리액터와 연결되며, 상기 기화기에서 기화되지 않은 액체소스를 기화시키는 보조 기화기를 구비하며, 상기 저장조에서 유입된 액체소스가 모두 상기 기화기 및 보조 기화기에서 기화되어 상기 리액터로 유출되는 것을 특징으로 한다.

Description

박막증착용 기화유니트{Evaporation unit for depositing thin film on wafer having the unit}

도 1은 종래의 박막증착장치에 있어서 기체소스를 공급하기 위한 기화기를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막증착장치의 개략적인 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 박막장치에 기체소스를 공급하기 위한 박막증착용 기화유니트를 설명하기 위한 개념도이다.

도 4는 도 3에 도시된 박막증착용 기화유니트의 보조 기화기를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...리액터 11...상부챔버

12...탑리드 13...하부챔버

20...웨이퍼블록 21...기판가열부

22...샤프트 30...기화유니트

31...기화기 32...보조기화기

33...밸브 34...저장조

35...운반가스제어기 36...유량계

121...샤워헤드 100...박막증착장치

111...유출입구 112...내부공간

321...하우징 321a...배출구

322..히터 322a...케이스

322b...히터요소 323...단열재

본 발명은 박막증착용 기화유니트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체소스가 완전히 기화된 상태로 리액터에 배치되어 있는 웨이퍼로 분사될 수 있도록 구조가 개선된 박막증착용 기화유니트에 관한 것이다.

박막증착장치에는 물리적기상증착장치, 화학적기상증착장치 및 원자층 증착장치 등 여러 가지가 있으며, 최근에는 박막을 얇게 증착할 수 있을 뿐만 아니라 그 박막의 조성도 용이하게 제어할 수 있다는 장점 때문에 원자층 증착장치가 널리 사용되고 있다.

한편, 최근에는 반도체 소자가 고직접화되면서 높은 증기압을 사용하게 되었고, 이에 따라 종래에 사용된 버블링 소스(bubbling source) 공급 방법으로는 높은 증기압을 구현하기가 사실상 불가능하게 되었다. 따라서, 최근에는 액체소스를 기화기로 공급하여 그 액체소스를 기화기에서 기체소스가 되도록 기화시킨 후에, 그 기체소스를 리액터내에 배치되어 있는 웨이퍼로 분사시킴으로써 웨이퍼에 박막을 형성하고 있다.

이와 같이, 액체소스를 기체소스가 되도록 기화시키는 기화기(31)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 유량계(36) 및 운반가스제어기(35)와 각각 연결되어 있으며, 상기 유량계(36)에는 저장조(34)가 연결되어 있다. 즉, 저장조(34)에 저장되어 있는 액체소스는 아르곤, 헬륨 등과 같은 가압가스(prssurize gas)에 의해 운반되며, 그 운반되는 양은 유량계(36)에서 측정된다. 그리고, 가압가스에 의해 운반되는 액체소스는 기화기(31)로 유입되며, 이 때에 그 유입량은 컨트롤밸브(미도시)에 의해 제어된다. 상기 컨트롤밸브는 일반적으로 유량계(36) 내부에 설치된다. 상기 컨트롤밸브로는 피에조밸브(미도시) 등이 사용된다. 그리고, 유입된 액체소스는 기화기(31)를 통과하면서 기화되어 기체소스가 되며, 그 기체소스는 리액터에 배치된 웨이퍼블록으로 공급되게 된다. 상기 웨이퍼블록에는 웨이퍼가 배치된다. 한편, 기화기(31)로 유입된 액체소스가 보다 효과적으로 기화되도록 하기 위해서, 운반가스제어기(35)에 의해 그 흐름이 제어되는 운반가스, 예를 들어 아르곤, 헬륨 등이 기화기(31)로 유입되게 된다. 이와 같이 운반가스가 기화기(31)로 유입되면, 기화기의 기화 능력이 보다 향상되게 된다.

그런데, 상술한 바와 같은 구조에 있어서는, 기화기(31)에서 액체소스가 완전히 기체소스로 기화되지 못하고, 이에 따라 액체소스와 기체소스가 혼합되어 리액터의 내부공간(112)로 공급되는 현상이 자주 발생하게 된다. 이와 같이, 액체소스가 리액터내의 웨이퍼를 향해 분사되게 되면, 박막을 웨이퍼에 원하는 두께로 형 성할 수 없게 된다는 문제점이 있었다. 또한, 리액터 내부가 액체소스로 오염됨과 동시에 그 액체소스를 클리닝하기 위해 박막증착공정을 중단하는 경우도 빈번하게 발생하게 되었다.

한편, 원자층 증착 방법으로 박막을 증착하는 경우에는 소스 공급 공정과 퍼지 공정이 반복적으로 진행되기 때문에, 퍼지 공정 중에는 기화기로 유입되는 액체소스를 차단해야 한다. 이와 같이 기화기로 유입되는 액체소스를 차단하기 위해서 종래에는 컨트롤 밸브를 작동시켰으나, 이러한 경우에도 컨트롤 밸브의 성능상의 한계로 말미암아 기화기로 액체소스가 조금씩 유입되게 되며 이에 따라 그 액체소스가 샤워헤드를 통해서 리액터 내부로 유입되는 문제점도 있었다. 이와 같이 퍼지 공정 동안에 기화기로 유입된 액체소스가 기화되어 리액터 내부공간(112)으로 유입되게 되면, 화학적 기상 증착 반응을 발생시켜 파티클을 발생시키거나 단차피복성(step-coverage) 공정 능력을 현저하게 저하시키게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 액체소스가 완전히 기화된 상태로 리액터내에 배치되어 있는 웨이퍼로 분사됨으로써 그 리액터 내부 구조물에 발생하는 오염을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 증착 공정이 중단없이 진행될 수 있도록 하며, 증착능률 및 박막의 균일도를 향상시킬 수 있는 박막증착용 기화유니트를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 박막증착용 기화유니트는 액체 소스가 저장되는 저장조와 연결되며, 그 저장조에서 유입된 액체소스가 기체소스가 되도록 그 액체소스를 기화시키며, 웨이퍼에 박막이 형성되도록 그 웨이퍼를 향해 상기 기체소스를 분사하는 샤워헤드를 포함하는 리액터에 연결되는 기화기를 구비하는 박막증착용 기화유니트에 있어서, 그 일측은 상기 기화기와 연결되며 그 타측은 상기 리액터와 연결되며, 상기 기화기에서 기화되지 않은 액체소스를 기화시키는 보조 기화기를 구비하며, 상기 저장조에서 유입된 액체소스가 모두 상기 기화기 및 보조 기화기에서 기화되어 상기 리액터로 유출되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막증착장치의 개략적인 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 박막장치에 기체소스를 공급하기 위한 박막증착용 기화유니트를 설명하기 위한 개념도이며, 도 4는 도 3에 도시된 박막증착용 기화유니트의 보조 기화기를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예의 박막증착장치(100)는 리액터(10)와, 웨이퍼블록(20)과, 기화유니트(30)를 구비한다.

상기 리액터(10)는 상부챔버(11)와, 상기 상부챔버(11)의 상부에 그 상부와 밀폐되게 결합되는 탑리드(12)와, 상기 상부챔버(11)의 하부에 그 하부와 밀폐되게 결합되는 하부챔버(13)를 구비한다. 상기 상부챔버(11)에는, 웨이퍼가 유출 및 유입되는 유출입구(111)가 형성되어 있다. 그리고, 상기 리액터의 내부공간(112)에서 박막증착공정이 이루어지게 된다. 상기 탑리드(12)의 하부에는 후술하는 기화 유니트(30)에서 유출되는 기체소스를 하방으로 분사하는 샤워헤드(121)가 결합되어 있다.

상기 웨이퍼블록(20)은 상기 리액터의 내부공간(112)에 상기 샤워헤드(121)와 마주하도록 설치된다. 상기 웨이퍼블록(20)은 기판가열부(21)와, 샤프트(22)를 구비한다. 상기 기판가열부(21)는 평판형상으로 이루어지며, 그 기판가열부(21)에 상기 웨이퍼가 배치된다. 상기 샤프트(22)는 상기 기판가열부(21)를 지지하며 상기 하부챔버(13) 밖으로 연장되도록 결합되어 있다. 상기 웨이퍼블록(20)은 상하방향으로 승강 가능하도록 설치되며, 이러한 구성은 대한민국 공개특허 제2003-100427호 등에 이미 개시되어 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 기화유니트(30)는 액체소스가 완전히 기체소스가 되도록 그 액체소스를 기화시킨다. 이와 같이 기화되어 생성된 기체소스는 상기 탑리드(12)에 결합된 샤워헤드(121)를 통해서 상기 웨이퍼블록(20)에 배치되는 웨이퍼를 향해 분사되며, 이에 따라 그 웨이퍼에는 박막이 형성된다. 상기 액체소스는 저장조(34)에 저장되어 있으며, 그 액체소스는 아르곤, 헬륨 등과 같은 가압가스(prssurize gas)에 의해 상기 기화유니트(30)로 운반되며, 그 운반되는 양은 유량계(36)에서 측정된다. 그리고, 상기 기화유니트(30)로 유입된 액체소스가 보다 효과적으로 기화되도록 하기 위해서, 운반가스제어기(35)에 의해 그 흐름이 제어되는 운반가스, 예를 들어 아르곤, 헬륨 등이 상기 기화유니트(30)로 유입되게 된다. 상기 기화유니트(30)는 기화기(31)와, 보조기화기(32)와, 밸브(33)를 구비한다.

상기 기화기(31)는 상기 유량계(36) 및 운반가스제어기(35)와 각각 연결되어 있다. 상기 기화기(31)에서는 상기 저장조(34)에서 유입된 액체소스가 기화되어 기체소스가 된다. 한편, 상기 기화기(31)에서는 그 유입된 액체소스가 모두 기화되지 못하는 현상이 자주 발생하게 되며, 그 기화되지 못한 액체소스는 후술하는 보조기화기(32)로 유입되어 그 보조기화기(32)에서 완전히 기화된 후에 상기 샤워헤드(121)를 통해서 상기 리액터의 내부공간(112)으로 공급된다.

상기 보조기화기(32)는 상기 기화기(31)에서 기화되지 않은 액체소스를 기화시킨다. 상기 보조기화기(32)는, 그 일측이 상기 기화기(31)와 연결되며 그 타측이 상기 리액터(10)와 연결되도록 설치된다. 즉, 상기 보조기화기(32)의 일측은 상기 기화기(31)와 직접적으로 또는 다른 구성요소를 매개로 간접적으로 연결되며, 그 타측은 상기 리액터(10)와 직접적으로 또는 다른 구성요소를 매개로 간접적으로 연결된다. 상기 보조 기화기(32)는 하우징(321)과, 히터(322)와, 단열재(323)를 구비한다.

상기 하우징(321)은 그 일단부가 상기 기화기(31)와 연결되도록 설치된다. 상기 하우징(321)은 양측이 개방된 중공 형상으로 이루어져 있으며, 상기 기화기(31)에서 유입되는 기체소스 또는 액체소스 및 기체소스가 그 하우징(321)의 내부공간에서 유동 가능하다. 상기 하우징(321)에는 상기 샤워헤드(121)와 연결되는 배출구(321a)가 형성되어 있다. 그리고, 상기 배출구(321a)는 상기 하우징(321)의 일단부로부터 되도록 멀리 떨어져 있는 것이 바람직하다.

상기 히터(322)는 상기 하우징(321)의 내측면과 일정 간격을 유지하도록 그 하우징에 삽입된다. 상기 히터(322)는 상기 하우징(321)의 길이방향으로 길게 배 치되어 있으며, 그 히터(322)의 단부는 상기 하우징(321)의 일단부 부근에 위치하고 있다. 상기 히터(322)는 케이스(322a)와, 히터요소(322b)를 구비한다. 상기 케이스(322a)는 상기 하우징(321)의 타단부를 막도록 그 하우징(321)에 용접된다. 상기 케이스(322a)는 열전도도가 우수한 금속성 소재, 예를 들어 비철금속, 스테인레스강 등으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 히터요소(322b)는 상기 케이스(322a)에 삽입되어 고정되며, 상기 하우징(321) 외부로 돌출되어 있다. 상기 히터요소(322b)에 전압을 인가하면, 그 히터요소(322b)가 발열함으로써 발열에너지가 발생하게 되며, 그 에너지는 상기 하우징(321)으로 열전도되어 그 하우징(321)과 히터(322) 사이를 유동하는 액체소스를 기화시킨다.

상기 단열재(323)는 상기 하우징(321)의 외주면에 배치되어 있다. 상기 단열재(323)는 상기 히터(322)에서 발생된 발열에너지가 하우징(321)을 통해서 외부로 방출되는 것을 억제한다. 따라서, 상기 기화기(31)에서 기화되지 못한 액체소스는 도 5에 화살표로 도시되어 있는 바와 같이 오른쪽에서 유입되어 상기 하우징(321)의 내부공간을 유동하여 완전히 기화된 후에, 상기 하우징의 배출구(321a) 및 샤워헤드(121)를 통해서 상기 리액터의 내부공간(112)으로 유출되게 된다.

상기 밸브(33)는 상기 기화기(31)와 저장조(34) 사이에 설치되어 있다. 상기 밸브(33)는 상기 저장조(34)의 액체소스가 상기 기화기(31)로 유입되는 것을 제어한다. 상기 밸브(33)는 전기밸브, 공압밸브 및 유압밸브 중 어느 하나일 수 있으며, 그 각 밸브의 구조와 기능은 이미 널리 알려져 있으므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이하, 상술한 바와 같이 구성된 박막증착장치(100)에 있어서 박막증착이 이루어지는 과정의 일례를 설명하기로 한다.

먼저, 저장조(34)에 아르곤, 헬륨 등과 같은 가압가스를 공급하여 저장조(34)에 저장된 액체소스를 기화유니트(30)의 기화기(31)로 유입시킨다. 이 때에, 밸브(33) 및 컨트롤 밸브(미도시)를 개방하여 액체소스가 기화기로 유입되도록 한다. 그리고, 운반가스제어기(35)를 조절하여 아르곤, 헬륨 등과 같은 운반가스를 기화기(31)로 유입시켜 기화기(31)에서 액체소스가 보다 효과적으로 기화되도록 한다.

이와 같이 가압가스와 운반가스를 이용하여 유입된 액체소스를 기화기(31)에서 기화시킨다. 이 때에, 액체소스가 기화기(31)의 기화 능력 이상으로 공급되는 경우에는 그 공급된 액체소스가 기화기(31)에서 모두 기화되지 못한 상태로 그 기화기(31)로부터 유출되게 된다. 이와 같이 기화기(31)에서 액체소스가 완전히 기화되지 못하는 경우라 하더라도, 기화되지 못한 액체소스는 보조기화기(32)로 유입된다. 그리고, 보조기화기(32)로 유입된 액체소스는 보조기화기의 하우징(321)과 히터 사이(322)를 유동하게 되고 유동하는 과정에서 히터(322)에서 발생되는 발열에너지에 의해 기화되게 된다.

상술한 바와 같이 액체소스는 기화기(31) 및 보조기화기(32)를 통과하는 과정에서 완전히 기화되며, 그로 인해 발생된 기체소스가 하우징의 배출구(321a)를 통해 리액터의 내부공간(112)으로 공급되게 된다. 그리고, 그 기체소스는 샤워헤드(121)를 통해 웨이퍼블록(20)에 배치된 웨이퍼로 분사되게 됨으로써, 그 웨이퍼 에 박막이 형성되게 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 있어서는 종래와 달리 기화유니트(30)가 기화기(31)와 보조기화기(32)를 포함하도록 구성되어 있으므로, 기화기로 공급되는 액체소스가 그 기화기의 기화능력 이상으로 더 많이 유입되는 경우에 있어서도 그 기화기에서 기화되지 못한 액체소스가 보조기화기에서 완전히 기화된 후에 그 보조기화기의 배출구를 통해서 리액터로 공급될 수 있게 된다. 따라서, 웨이퍼블록에 배치된 웨이퍼에는 기체소스만이 분사되게 되므로 그 박막을 원하는 두께로 용이하게 형성할 수 있게 된다. 또한, 리액터 내부가 액체소스로 오염되는 현상 및 그 액체소스를 클리닝하기 위해 박막증착공정을 중단하는 경우도 방지할 수 있게 되므로, 증착능률도 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 실시예에 있어서는 저장조(34)와 기화기(31) 사이에 밸브(33)가 설치되어 있으므로, 컨트롤 밸브를 작동시켜 액체소스의 유입을 차단하는 경우에 있어서도 종래와 달리 액체소스가 기화기로 조금씩 유입되는 현상을 차단할 수 있게 된다. 더구나, 기화기와 저장조 사이의 유관에서 유동하고 있는 액체소스가 기화기로 유입되는 현상도 차단할 수 있게 된다. 따라서, 증착능률 및 박막의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.

그리고, 기화기가 작동하지 않는 경우에 기화기 내부로 액체소스가 유입되는 것을 방지할 수 있게 되므로, 밸브가 구비되지 않은 경우에 비해서 박막 증착 공정에 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 즉 종래에 액체 소스의 공급을 단속하는 밸브가 없는 경우, 계속해서 기화기 내로 액체 소스가 유입되며 이로 인해 액체 소 스의 소비량이 증가되는 문제를 해소할 수 있게 되는 것이다.

더불어, 종래에 이미 설치되어 있는 박막증착장치에 있어서도, 본 발명에 따른 보조기화기(32) 및 밸브(33)를 설치하면, 액체소스를 완전히 기화시켜 리액터로 공급할 수 있을 뿐만 아니라 액체소스의 유입량을 정밀하게 제어할 수 있게 되므로, 종래기술에서 설명한 문제점을 해결할 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

예를 들어, 본 실시예에 있어서는 하우징의 외주면에 단열재가 배치되도록 구성되어 있으나, 하우징의 내부에 삽입된 히터와 별개로 하우징의 외주면에 히터를 더 배치함으로써 하우징의 내부공간을 유동하는 액체소스를 보다 효과적으로 기화시키도록 구성할 수도 있다.

또한, 본 실시예에 있어서는 기화유니트에 밸브가 구비되어 있는 것으로 구성되어 있으나, 기화유니트에 밸브가 구비되지 않도록 구성할 수도 있다.

또한, 본 실시예에 있어서는 보조기화기의 외주면에 단열재가 배치되어 있는 것으로 구성되어 있으나, 보조기화기의 외주면에 히터를 배치하여 보조기화기의 하우징 내부를 유동하는 액체소스를 더욱 효율적으로 기화시킬 수 있도록 구성할 수도 있다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 액체소스가 완전히 기화된 상태로 리액터 내에 배치되어 있는 웨이퍼로 분사됨으로써 그 리액터 내부 구조물에 발생하는 오염을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 증착 공정이 중단없이 진행될 수 있게 되며, 증착능률 및 박막의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 액체소스가 저장되는 저장조와 연결되며, 그 저장조에서 유입된 액체소스가 기체소스가 되도록 그 액체소스를 기화시키며, 웨이퍼에 박막이 형성되도록 그 웨이퍼를 향해 상기 기체소스를 분사하는 샤워헤드를 포함하는 리액터에 연결되는 기화기를 구비하는 박막증착용 기화유니트에 있어서,

   그 일측은 상기 기화기와 연결되며 그 타측은 상기 리액터와 연결되며, 상기 기화기에서 기화되지 않은 액체소스를 기화시키는 보조 기화기를 구비하며,

   상기 저장조에서 유입된 액체소스가 모두 상기 기화기 및 보조 기화기에서 기화되어 상기 리액터로 유출되는 것을 특징으로 하는 박막증착용 기화유니트.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 보조 기화기는,

   상기 기화기에서 유입되는 기체소스 또는 액체소스 및 기체소스가 유동 가능하도록 중공 형상으로 이루어지며, 상기 샤워헤드와 연결되는 배출구를 가지는 하우징과,

   상기 하우징에 그 하우징의 내측면과 일정 간격이 유지되도록 삽입되며, 상기 하우징에 유입되는 액체소스를 기화시키는 히터를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막증착용 기화유니트.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 하우징의 외주면에는 단열재가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 박막증착용 기화유니트.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 하우징의 외주면에는 히터가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 박막증착용 기화유니트.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 기화기와 저장조 사이에는, 상기 저장조의 액체소스가 상기 기화기로 유입되는 것을 제어하기 위한 밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 박막증착용 기화유니트.

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