KR100724283B1 - 박막증착장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막증착장치에 관한 것으로서, 반응기와, 그 반응기로 반응가스를 공급하기 위한 가스박스로 구성된 박막증착장치에 있어서, 상기 가스박스의 불활성가스라인에는, 원료케미칼을 이송시키거나 또는 퍼지시키기 위한 불활성가스를 가열하는 불활성가스 가열유닛이 별도로 설치되며, 상기 불활성가스 가열유닛은, 퍼지용의 불활성가스를 가열하는 제1불활성가스 가열유닛과, 원료케미칼 이송용의 불활성가스를 가열하는 제2불활성가스 가열유닛으로 구성되고, 상기 제1불활성가스 가열유닛에 의해 가열되는 퍼지용의 불활성가스의 가열온도는, 상기 제2불활성가스 가열유닛에 의해 가열되는 이송용의 불활성가스의 가열온도와 동일하거나 그보다 높은 것을 특징으로 한다.

Description

박막증착장치{An apparatus for depositing thin film on a wafer}
도 1은 종래의 박막증착장치용 반응기에 있어서, 비등온 반응기의 일예를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 비등온 반응기로의 불활성가스 유입에 따른 온도 변화를 그래프로 도시한 도면,
도 3은 불활성가스 가열유닛이 채용되는 본 발명에 따른 박막증착장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 3에 채용되는 불활성가스 가열유닛을 일 실시예를 도시한 도면,
도 5a 및 도 5b는 도 3에 채용되는 불활성가스 가열유닛의 다른 실시예를 도시한 도면으로서, 정면도와 측단면도를 도시한 도면,
도 6 내지 도 8은 불활성가스와의 접촉면적을 늘리기 위하여, 불활성가스라인의 내부에 핀이 형성된 구조를 도시한 도면,
도 9는 도 3의 박막증착장치에 있어서, 불활성가스 가열유닛이 채용되는 비등온 반응기의 일예를 도시한 도면,
도 10은 도 9의 비등온 반응기로의 불활성가스 유입에 따른 온도 변화를 그래프로 도시한 도면,
도 11은 도 3의 박막증착장치에 있어서, 불활성가스 가열유닛이 채용되는 등 온 반응기의 일예를 도시한 도면,
도 12는 도 3의 박막장착장치에 있어서, 불활성가스 가열유닛이 채용되는 가스박스를 개략적으로 도시한 도면,
도 13은 불활성가스 가열유닛이 채용되지 않았을 경우에, 증착 웨이퍼가 많아짐에 따라 파티클의 발생 개수가 많아짐을 도시한 데이터,
도 14는 불활성가스 가열유닛이 채용될 경우에, 증착 웨이퍼가 많아지더라도 파티클의 발생 개수에 변화가 크지 않음은 도시한 데이터.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
100 ... 반응기 110 ... 챔버
120 ... 서셉터 130 ... 샤워헤드
150 ... 챔버 160 ... 웨이퍼지지대
170 ... 인젝터 200 ... 가스박스
300 ... 불활성가스 가열유닛 310 ... 히터
320 ... 히팅라인 S1 ... 소스라인
S2 ... 불활성가스라인 M ... 미로
P1, P2, P3 ... 핀
본 발명은 박막증착장치에 관한 것으로서, 상세하게는 원료케미칼을 이송시 키거나 퍼지하기 위한 목적으로 사용되는 불활성가스를 미리 가열시킬 수 있는 박막증착장치에 관한 것이다.
일반적으로, 박막증착장치는 웨이퍼 상에 박막을 증착하기 위한 반응기와, 그 반응기로 원료케미칼을 공급하는 가스박스로 구성된다.
반응기는 크게 두가지로 나뉠 수 있는데, 첫 번째는 웨이퍼의 온도와 반응기 내부의 온도가 동일한 등온 반응기(isothermal reactor)이고, 두 번째는 웨이퍼의 온도와 반응기 내부의 온도가 다른 비등온 반응기(non-isothermal reactor)이다. 통상적으로 일괄증착용 장비, 예를 들면 furnace type 의 batch 용 LPCVD 는 등온 반응기이며, 매엽식 증착용 장비, 예를 들면 단일 웨이퍼용 ALD 또는 CVD 장비는 비등온 반응기이다.
등온 반응기나 비등온 반응기의 경우, 원료케미칼은 증기압을 높이기 위하여 가열을 하지만, 원료케미칼 이송용이나 퍼지용으로 주입되는 불활성가스는 가열하지 않는다. 따라서, 불활성가스가 반응기로 주입되었을 때 반응기나 웨이퍼온도는 상승과 하강의 변환(fluctuation)이 일어난다.
도 1은 종래의 박막증착장치용 반응기에 있어서, 비등온 반응기의 일예를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 비등온 반응기로의 불활성가스 유입에 따른 온도 변화를 그래프로 도시한 도면이다.
비등온 반응기인 ALD 반응기를 예를 들어 설명하면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 원료케미칼이 소스라인(S1) 및 샤워헤드(14)를 통하여 반응기(10)의 챔버(11)로 유입될 때와, 퍼지용 가스가 불활성가스라인(S2) 및 샤워헤드(14)를 통하 여 반응기(10)의 챔버(11)로 유입될 때, 서셉터(12) 상의 웨이퍼온도가 변화됨을 알 수 있다.
즉, 대부분의 증착은 300℃ 이상의 고온 상태에서 진행되는데, 상온인 퍼지가스가 반응기(10) 내로 주입되면, 반응기(10) 내의 온도와 웨이퍼(w)의 온도는 급격히 냉각되게 되고, 따라서 반응기(10) 내부와 웨이퍼(w) 표면에서의 온도는 하강과 상승의 변화가 발생된다( T1 참조). 따라서, 원료케미칼은 퍼지되지 못하고 국부적으로 응결되거나 응축되는 현상이 유발되어 원하지 않는 파티클(particle)이나 불균일한 박막이 얻어지게 된다. 이러한 현상은 특히 증기압이 낮은 유기금속화합물을 사용한 경우 그 정도가 더 심해진다.
또한, 퍼지가스에 의한 퍼지시간은 통상적으로 수초에서 수십초 가량 긴 시간이 필요한데, 원료케미칼의 응축 및 응결은 퍼지시간을 길게 하여 결과적으로 증착시간이 길어지게 된다.
상기와 같은 반응기 및 웨이퍼의 급격한 온도변화에 의한 원료케미칼의 응축 및 응결현상은 CVD 반응기뿐만 아니라, 등온 반응기 내에서도 일어나게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 원료케미칼을 이송시키거나 퍼지시키기 위한 불활성가스에 의한 반응기 내부의 급격한 온도변화를 최소화함으로써, 원료케미칼의 응축 또는 응결현상이 발생되는 것을 방지할 수 있고, 더 나아가 퍼지시간이 늘어나는 것을 방지하여 증착효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있는 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 박막증착장치는,
반응기와, 그 반응기로 반응가스를 공급하기 위한 가스박스로 구성된 박막증착장치에 있어서, 상기 가스박스의 불활성가스라인에는, 원료케미칼을 이송시키거나 또는 퍼지시키기 위한 불활성가스를 가열하는 불활성가스 가열유닛이 별도로 설치되며, 상기 불활성가스 가열유닛은, 퍼지용의 불활성가스를 가열하는 제1불활성가스 가열유닛과, 원료케미칼 이송용의 불활성가스를 가열하는 제2불활성가스 가열유닛으로 구성되고, 상기 제1불활성가스 가열유닛에 의해 가열되는 퍼지용의 불활성가스의 가열온도는, 상기 제2불활성가스 가열유닛에 의해 가열되는 이송용의 불활성가스의 가열온도와 동일하거나 그보다 높은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 불활성가스 가열유닛은, 상기 불활성가스라인을 가열하는 히터와, 상기 불활성가스라인의 온도를 측정하는 온도센서와, 그 온도센서에서 과열 신호가 발생될 경우 상기 히터의 발열량을 줄이는 과열방지부를 포함한다. 이때, 상기 불활성가스라인은, 그 내부의 표면적을 늘리기 위하여 미로 형태를 가지거나, 핀이 형성된다.
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본 발명에 있어서, 상기 불활성가스 가열유닛은, 상기 불활성가스라인을 경유하는 불활성가스를 40℃ ~ 350℃ 범위로 가열하기 위한 발열량을 가진다.
본 발명에 있어서, 상기 반응기는, 웨이퍼가 안착되는 서셉터가 내장되는 챔버와, 상기 챔버의 내부 상부에 설치되어 상기 서셉터로 가스를 분사하기 위한 샤워헤드를 포함하고, 상기 챔버의 상부에 설치되어 상기 샤워헤드로 연결되는 불활성가스라인을 경유하는 불활성가스를 가열하는 불활성가스 가열유닛을 더 구비한다.
본 발명에 있어서, 상기 반응기는, 다수개의 웨이퍼가 안착되는 웨이퍼지지대가 내장되는 챔버와, 상기 웨이퍼로 가스를 분사하는 인젝터를 포함하고, 상기 챔버의 소정부에 설치되어 상기 인젝터로 연결되는 불활성가스라인을 경유하는 불활성가스를 가열하는 불활성가스 가열유닛을 더 구비한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 박막증착장치를 상세히 설명한다.
도 3은 불활성가스 가열유닛이 채용되는 본 발명에 따른 박막증착장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 박막증착장치는, 크게 반응기(100)와 그 반응기(100)로 반응가스를 공급하기 위한 가스박스(200)로 구성된다. 반응기(100)와 가스박스(200)는 원료케미칼을 이송하는 다수의 소스라인(S1)과, 퍼지를 위한 불활성가스를 공급하는 불활성가스라인(S2)으로 연결된다. 이때, 가스박스(200)의 불활성가스라인(S2)에는 원료케미칼을 이송시키거나 퍼지시키기 위한 불활성가스를 가열하는 불활성가스 가열유닛(300)이 별도로 설치된다. 본 실시예에서는 반응기(100)와 가스박스(200) 모두에 불활성가스 가열유닛(300)이 설치된 것을 예로 들어 설명한다. 불활성가스 가열유닛(300)은, 불활성가스라인(S2)을 흐르는 불활성가스를 히팅시키는 것으로서 다양하게 구현할 수 있다.
도 4는 도 3에 채용되는 불활성가스 가열유닛을 일 실시예를 도시한 도면이 고, 도 5a 및 도 5b는 도 3에 채용되는 불활성가스 가열유닛의 다른 실시예를 도시한 도면으로서, 정면도와 측단면도를 도시한 도면이다.
불활성가스 가열유닛(300)은 다양한 형태로 구현할 수 있는데, 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 히터(310)에 불활성가스라인(S2)이 권회된 구조로 구현할 수 있다.
또는, 불활성가스 가열유닛(300')은, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 불활성가스가 흐르는 경로를 미로 형태로 구현할 수 있다. 즉, 불활성가스라인을 내부에 미로(M)가 형성된 플레이트 형태로 구현하고, 도 5b에 도시된 바와 같이 플레이트(S2') 내부에 히터(310')가 내장되도록 할 경우에, 효과적으로 불활성가스를 가열시킬 수 있는 것이다.
이때, 불활성가스 가열유닛은 불활성가스라인의 온도를 측정하는 온도센서(미도시) 및 온도센서에서 과열 신호가 발생될 경우 히터(310)의 발열량을 줄이는 과열방지부(미도시)와 유기적으로 연결되어, 불활성가스라인이 적절한 온도로 유지될 수 있게 한다. 이러한 온도센서 및 과열방지부는 공지된 기술이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 6 내지 도 8은 불활성가스와의 접촉면적을 늘리기 위하여, 불활성가스라인의 내부에 핀이 형성된 구조를 도시한 도면이다.
즉 도 6에 도시된 바와 같이, 원통형의 불활성가스라인(S2) 내부를 수평 방향으로 지그재그식으로 핀(P1)이 형성되도록 할 수 도 있고, 도 7에 도시된 바와 같이, 원통형의 불활성가스라인(S2) 중심으로부터 내주면으로 방사상으로 형성되는 다수개의 핀(P2)으로 형성될 수 있다. 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 사각통형의 불활성가스라인(S2) 내부를 수평 방향으로 지그재그식으로 핀(P3)이 형성되도록 할 수 도 있다. 상기한 핀(P1)(P2)(P3)은 불활성가스라인(S2)을 흐르는 불활성가스와의 접촉 면적을 늘리게 함으로써, 보다 효과적인 불활성가스의 가열이 가능해진다.
한편, 불활성가스 가열유닛(300)은, 퍼지용의 불활성가스를 가열하는 제1불활성가스 가열유닛과, 원료케미칼 이송용의 불활성가스를 가열하는 제2불활성가스 가열유닛으로 나누어 구성할 수 있다. 이 경우, 제1불활성가스 가열유닛은, 퍼지용의 불활성가스의 가열온도가 이송용의 불활성가스의 가열온도와 동일하거나 그보다 클 수 있도록 발열량을 가져야 한다.
그리고, 상기한 불활성가스 가열유닛은 적어도 불활성가스라인(S2)을 경유하는 불활성가스를 40℃ ~ 350℃ 범위로 가열하기 위한 발열량을 가져야 한다.
반응기(100)는, 웨이퍼의 온도와 반응기 내부의 온도가 동일한 등온 반응기(isothermal reactor)나, 웨이퍼의 온도와 반응기 내부의 온도가 다른 비등온 반응기(non-isothermal reactor)가 될 수 있다.
도 9는 도 3의 박막증착장치에 있어서, 불활성가스 가열유닛이 채용되는 비등온 반응기의 일예를 도시한 도면이고, 도 10은 도 9의 비등온 반응기로의 불활성가스 유입에 따른 온도 변화를 그래프로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 반응기(100)가 ALD 방식 또는 CVD 방식을 채용하는 비등온 반응기일 경우, 반응기(100)는 웨이퍼(w)가 안착되는 서셉터(120)가 내장되는 챔버(110)와, 챔버(110)의 내부 상부에 설치되어 서셉터(120)로 가스를 분사하기 위한 샤워헤드(130)를 포함하게 된다. 이때, 가열유닛(300)은 챔버(110)의 상부에 설치되어 샤워헤드(130)로 연결되는 불활성가스라인(S2)을 가열한다.
ALD 방식의 경우, 증착은 300℃ 이상의 고온 상태에서 진행되는데, 상온인 퍼지가스가 반응기(100) 내로 주입되기 전 불활성가스 가열유닛(300)에 의하여 소정의 온도로 가열되므로, 가열된 퍼지가스가 반응기(100) 내로 유입되었을 때 온도와 웨이퍼(w)의 온도 변화는, 가열유닛을 채용하지 않는 종래에 비하여 미미하다(도 10참조). 따라서, 원료케미칼의 국부적인 응결 또는 응축현상을 최소화할 수 있어 원활한 퍼지가 가능함과 동시에, 원하지 않는 파티클(particle)의 발생이 작아지고 균일한 반응을 유도할 수 있어 균일한 박막 형성이 가능해진다. 이러한 효과는 증기압이 낮은 유기금속화합물을 원료케미칼로 사용할 경우, 더욱 커진다,
도 11은 도 3의 박막증착장치에 있어서, 불활성가스 가열유닛이 채용되는 등온 반응기의 일예를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 반응기(100)가 등온반응기인 경우, 반응기(100)는 다수개의 웨이퍼(w)가 안착되는 웨이퍼지지대(160)가 내장되는 챔버(150)와, 웨이퍼(w)로 가스를 분사하는 인젝터(170)를 포함하게 된다. 이때, 가열유닛(300)은 챔버(150)의 소정부에 설치되어, 인젝터(170)로 연결되는 불활성가스라인(S2)을 가열하게 된다.
도 12는 도 3의 박막장착장치에 있어서, 불활성가스 가열유닛이 채용되는 가스박스를 개략적으로 도시한 도면이다.
가스박스(200)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 원료케미칼이 수용되는 캐니스 터(210)와, 캐니스터와 연결된 다수개의 가스라인(소스라인) 및 다수개의 밸브로 구성되고, 이들 구성들은 박스(220)에 내장된다. 여기서, 박스(220) 상부에는 전술한 불활성가스 가열유닛(300)이 설치되며, 불활성가스는 가열유닛(300)에 의하여 가열된 후 캐니스터(210)로 이송되거나, 소스라인(S2)을 통하여 반응기(100)로 유입된다.
상기한 구성에서 사용되는 불활성가스로는 N2 나 Ar 등을 사용한다. 본 실시예에서, 가열유닛(300)은 히팅라인(320)을 120℃ 이상으로 가열함으로써, 그 히팅라인(320)을 흐르는 불활성가스를 60℃ 이상이 되도록 하고, 불활성가스는 가스박스(200) 내에서 다시 80℃ ~ 150℃ 정도로 가열된다. 이때, 퍼지용 가스로 사용되는 불활성가스의 온도는 증착온도와 동일하게 하는 것이 좋지만, 매엽식 장비에서는 150℃ 정도가 효과적이다.
도 13은 불활성가스 가열유닛이 채용되지 않았을 경우에, 증착 웨이퍼가 많아짐에 따라 파티클의 발생 개수가 많아짐을 도시한 데이터이고, 도 14는 불활성가스 가열유닛이 채용될 경우에, 증착 웨이퍼가 많아지더라도 파티클의 발생 개수에 변화가 크지 않음은 도시한 데이터이다.
도 13 및 도 14에서 ■ 로 표시된 것이 파티클의 개수를 의미하며, 불활성가스 가열유닛이 채용된 경우(도 14참조)가, 채용하지 않은 경우(도 13 참조) 보다 파티클의 발생이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 불활성가스 가열유닛(300)을 반응기(100) 및/또는 가스박스(200)에 별도로 채용함으로써, N2 나 Ar 과 같은 불활성가스를 높은 온도 로 가열하여 반응기(100)로 유입시킴으로써 보다 효율적인 증착을 유도할 수 있다.
특히, 불활성가스가 캐리어가스로 사용될 때, 낮은 증기압을 갖는 원료케미칼이 충분한 증기압을 가지게 할 수 있고, 이에 따라 파티클의 발생이 최소화되고 퍼지효율이 개선되는 부수적인 효과도 생긴다. 또한, 언급한 바와 같이 국부적인 응결 또는 응축 현상을 방지하게 되므로, 파티클 발생이 현저히 줄어든다.
또한, 불활성가스 가열유닛을 채용함으로써, 우수한 스텝커버리지(step-coverage) 특성을 갖는 박막을 얻을 수 있게 되는데, 캐리어가스(불활성가스)를 높은 온도도 가열시킴으로써 원료케미칼의 흡착 특성을 개선시킬 뿐 아니라, 응축 현상을 없게 하여 효율적인 퍼지도 가능하게 해 주고, 또한 피막특성(conformality)도 개선시킬 수 있게 된다.
특히, ALD 방식에 있어서, 원료케미칼을 반응기(100)로 주입한 후 웨이퍼의 표면에 흡착된 "화학적 흡착 분자층(chemisorbed molecule layer)"만 남기고 "물리적 흡착 분자층 (physisorbed molecules layer)"을 제거하기 위하여 사용되는 퍼지단계가 가장 길기 때문에, 이 퍼지시간을 줄이게 됨으로써 결과적으로 원자층 증착 시간을 줄일 수 있다. 따라서, 단위 증착 시간이 줄어들게 되어 생산성이 향상되는 효과도 생기게 된다.
본 발명에 따라 제안된 가열유닛은 ALD 방식에 있어서 보다 우수한 박막 특성과 높은 생산성을 향상시킬 뿐 아니라 동일한 개념을 사용하는 모든 공정 (예를 들면CVD, traveling-wave type ALD, batch-type ALD 및 CVD, 주기적으로 원료가 공급되고 차단되는 증착설비)에 적용되어 우수한 박막을 형성할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점이 이해되어야 할 것이다.
상슬한 바와 같이, 본 발명에 따르는 박막증착장치에 따르면, 반응기 및/또는 가스박스로 유입되는 불활성가스(퍼지가스 및 캐리어가스)를 미리 가열시킴으로써, 불활성가스에 의한 반응기 내부의 급격한 온도변화를 최소화할 수 있다. 따라서, 원료케미칼의 응축 또는 응결현상을 방지할 수 있음과 동시에 원하지 않는 파티클의 발생을 줄일 수 있고, 또한 퍼지효율을 늘릴 수 있어 증착효율을 높일 수 있다는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 반응기와, 그 반응기로 반응가스를 공급하기 위한 가스박스로 구성된 박막증착장치에 있어서,
    상기 가스박스의 불활성가스라인에는, 원료케미칼을 이송시키거나 또는 퍼지시키기 위한 불활성가스를 가열하는 불활성가스 가열유닛이 별도로 설치되며,
    상기 불활성가스 가열유닛은, 퍼지용의 불활성가스를 가열하는 제1불활성가스 가열유닛과, 원료케미칼 이송용의 불활성가스를 가열하는 제2불활성가스 가열유닛으로 구성되고,
    상기 제1불활성가스 가열유닛에 의해 가열되는 퍼지용의 불활성가스의 가열온도는, 상기 제2불활성가스 가열유닛에 의해 가열되는 이송용의 불활성가스의 가열온도와 동일하거나 그보다 높은 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불활성가스 가열유닛은, 상기 불활성가스라인을 가열하는 히터와, 상기 불활성가스라인의 온도를 측정하는 온도센서와, 그 온도센서에서 과열 신호가 발생될 경우 상기 히터의 발열량을 줄이는 과열방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 불활성가스라인은, 그 내부의 표면적을 늘리기 위하여 미로 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 불활성가스라인은, 그 내부의 표면적을 늘리기 위하여 핀이 형성된 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 불활성가스 가열유닛은, 상기 불활성가스라인을 경유하는 불활성가스를 40℃ ~ 350℃ 범위로 가열하기 위한 발열량을 가지는 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반응기는, 웨이퍼가 안착되는 서셉터가 내장되는 챔버와, 상기 챔버의 내부 상부에 설치되어 상기 서셉터로 가스를 분사하기 위한 샤워헤드를 포함하고,
    상기 챔버의 상부에 설치되어 상기 샤워헤드로 연결되는 불활성가스라인을 경유하는 불활성가스를 가열하는 불활성가스 가열유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응기는, 다수개의 웨이퍼가 안착되는 웨이퍼지지대가 내장되는 챔버와, 상기 웨이퍼로 가스를 분사하는 인젝터를 포함하고,
    상기 챔버의 소정부에 설치되어 상기 인젝터로 연결되는 불활성가스라인을 경유하는 불활성가스를 가열하는 불활성가스 가열유닛을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
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