KR100920324B1 - 박막 증착장치 - Google Patents

Abstract

분사된 잔류가스를 효과적으로 흡입하고 반응가스들이 서로 혼합되는 현상을 방지하여 증착 품질을 향상시킨 박막 증착장치가 개시된다. 본 발명에 따른 박막 증착장치는, 내부에 공정챔버가 형성된 하우징, 상기 하우징 내에서 축회전하며, 복수 개의 기판이 원주 방향을 따라 안착되는 서셉터, 상기 서셉터와 일정 간격 이격된 상태로 배치되며, 상기 기판 측으로 서로 다른 종류의 가스를 분사하는 분사유닛 및 상기 서셉터와 동일한 속도로 축회전하며, 회전 위치에 따라 상기 분사유닛과 주기적으로 연통되어 상기 분사유닛 내의 가스를 흡입하는 흡입유닛을 포함한다. 따라서, 본 발명에 의하면 기판 상에 분사된 잔류가스를 효과적으로 흡입 배출함으로써 반응가스들이 서로 혼합되는 현상을 방지하여 증착품질을 향상시킬 수 있다.

박막 증착장치, 반응가스, 퍼지가스, 연결홀, 흡입홀

Description

박막 증착장치{Injection Unit of Atomic Layer Deposition Device}

본 발명은 분사유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조를 개선하여 분사된 잔류가스를 효과적으로 흡입하고 반응가스들이 서로 혼합되는 현상을 방지하여 증착 품질을 향상시킨 박막 증착장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 웨이퍼나 글래스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하기 위해서는 스퍼터링(Sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(PVD; Physical Vapor Deposition)과, 화학 반응을 이용하는 화학 기상 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition) 등을 이용한 박막 제조 방법이 사용된다.

여기서, 화학 기상 증착법으로는 상압 화학 기상증착법(APCVD; Atmospheric Pressure CVD), 저압 화학 기상 증착법(LPCVD; Low Pressure CVD), 플라즈마 유기 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced CVD)등이 있으며, 이 중에서 저온 증착이 가능하고 박막 형성 속도가 빠른 장점 때문에 플라즈마 유기 화학 기상 증착법이 많이 사용되고 있다.

그러나, 반도체 소자의 디자인 룰(Design Rule)이 급격하게 줄어듦으로 인해 미세 패턴의 박막이 요구되었고, 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커지게 되었다. 이에 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(Step Coverage)가 매우 우수한 단원자층 증착 방법(ALD; Atomic Layer Deposition)의 사용이 증대되고 있다. 즉, 반도체 제조 공정의 게이트 산화막, 커패시터 유전막 및 확산 방지막과 같은 박막의 증착에 사용된다.

원자층 증착 방법(ALD)은, 기체 분자들 간의 화학 반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착(CVD; Chemical Vapour Deposition) 방법과 유사하다. 하지만, 통상의 화학 기상 증착 방법이 다수의 기체 분자들을 동시에 챔버 내로 주입하여 웨이퍼의 상방에서 발생된 반응 생성물을 웨이퍼에 증착하는 것인 반면, 원자층 증착 방법은 하나의 기체 물질을 챔버 내로 주입한 후 이를 퍼지(purge)하여 가열된 웨이퍼의 상부에 물리적으로 흡착된 기체만을 잔류시키고, 이후 다른 기체 물질을 주입함으로써 상기 웨이퍼의 상면에서만 발생되는 화학 반응 생성물을 증착한다는 점에서 상이하다.

이러한 원자층 증착 방법을 통해 구현되는 박막은 스텝 커버리지(step coverage) 특성이 매우 우수하며, 특히 불순물 함유량이 월등히 낮은 순수한 박막을 구현하는 것이 가능한 장점을 갖고 있어 현재 널리 각광받고 있다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 상술한 바와 같은 원자층 증착 방법에 의해 기판 표면에 소정의 막을 증착시키는 종래 박막 증착 장치의 일 예를 설명하면 다음과 같다.

종래 박막 증착장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 공정챔버(C)의 상부에 회전형 분사장치가 구비된다.

상기 회전형 분사장치는 구동축(10), 하우징(20) 및 분사기(30)로 구성되며, 분사기(30)가 공정챔버(C) 내에서 회전하면서 반응가스와 퍼지가스를 분사하여 기판(W) 상에 박막을 증착시킨다.

하지만, 이와 달리 분사 장치가 고정되는 대신 서셉터(40)가 회전하면서 기판(W)상에 반응가스와 퍼지가스를 분사하도록 구성되기도 한다. 그리고, 공정에 따라서 회전형 분사 장치와 서셉터(40) 사이의 거리를 조절할 필요가 있으므로, 서셉터(40)를 상하 방향으로 이동할 수 있도록 구성할 수 있다. 한편, 공정챔버(C) 하부에는 내부 가스를 배출하기 위한 가스 배출구(80)가 제공된다.

상기 서셉터(40)는 공정챔버(C) 내에서 수평으로 설치되며, 서셉터(40) 상에는 기판(W)이 안착되는 복수 개의 지지부(50)가 놓여진다. 그리고, 상기 지지부(50)의 상부에는 기판(W)의 수평 이동을 방지하기 위한 고정부(60)가 설치된다.

한편, 상기 서셉터(40) 상에서 지지부(50)가 놓이지 않은 부분에는 가스 배출구(80)와 연통하는 관통구멍이 형성될 수 있다. 그리고, 박막의 재증착을 억제시키기 위하여 지지부(50) 내부에는 히터(70)가 구비되어 기판(W)을 가열시킬 수 있도록 한다.

도 2는 반응가스와 퍼지가스를 분사하는 분사기(30)의 구성을 나타낸 도면으로서, 상기 분사기(30)는 내부에 반응가스와 퍼지가스가 유동하는 유로가 형성되며, 각각의 분사기(30) 끝단 측에는 가스 분사를 위한 복수 개의 분사공(32)이 형성된다.

이와 같이 구성된 분사기(30)는 축방향으로 회전하면서 반응가스 또는 퍼지 가스를 지지부(50)에 안착된 기판(W)에 분사하게 된다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같은 분사기(30)는 각각 제1반응가스, 퍼지가스, 제2반응가스 및 퍼지가스를 공급받아 기판(W)에 분사하며, 이에 따라 각각의 기판(W)에는 반응가스와 퍼지가스가 순차적으로 분사되어 성막 과정을 수행하게 된다.

하지만, 종래의 박막 증착장치는 분사기가 고속으로 회전하면서 반응가스와 퍼지가스를 분사하기 때문에, 서로 다른 종류의 반응가스가 서로 혼합되어 농도가 희석되고 불필요한 반응이 일어나서 결과적으로 기판의 증착품질이 떨어지는 한계가 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 분사된 가스를 효과적으로 흡입하여 분사된 가스를 효과적으로 배출할 수 있는 박막 증착장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 서로 다른 반응가스가 혼합되는 현상을 방지하여 증착품질을 향상시키는 박막 증착장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부에 공정챔버가 형성된 하우징, 상기 하우징 내에서 축회전하며, 복수 개의 기판이 원주 방향을 따라 안착되는 서셉터, 상기 서셉터와 일정 간격 이격된 상태로 배치되며, 상기 기판 측으로 서로 다른 종류의 가스를 분사하는 분사유닛 및 상기 서셉터와 동일한 속도로 축회전하며, 회전 위치에 따라 상기 분사유닛과 주기적으로 연통되어 상기 분사유닛 내의 가스를 흡입하는 흡입유닛을 포함하는 박막 증착장치를 제공한다.

그리고, 상기 분사유닛에는 일정 간격을 따라 연결홀이 구비되며, 상기 흡입유닛에는 상기 연결홀과 연통되는 연통홀이 형성된 것이 바람직하다.

한편, 상기 흡입유닛은 상기 분사유닛의 중앙부에 구비될 수 있으며, 상기 흡입유닛에는 상기 공정챔버와 연통하여 상기 공정챔버 내의 가스를 흡입하는 흡입홀이 부가적으로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 흡입홀은, 상기 서셉터에 안착된 기판의 개수에 대응된 개수로 구비될 수 있다. 또한, 상기 분사유닛의 내부에는, 상기 서셉터에 안착된 기판의 개수에 대응된 구획영역이 형성될 수 있다.

이와 함께, 상기 흡입유닛은 외부의 진공 영역과 연통되어, 보다 효과적으로 가스를 흡입하도록 구성할 수 있다.

상기의 구성을 가지는 본 발명에 따른 박막 증착장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 흡입유닛이 주기적으로 분사유닛과 연통되도록 구성함으로써, 기판 상에 분사된 잔류가스를 효과적으로 흡입하여, 반응가스들이 서로 혼합되는 현상을 방지할 수 있는 이점이 있다.

특히, 서셉터에 안착된 기판의 개수에 대응되게 분사유닛과 흡입유닛에 홀을 배치함으로써, 하나의 기판에 분사 작업을 수행한 후 곧바로 가스를 흡입하게 되어 기판 주변의 잔류가스를 최소화할 수 있다.

둘째, 기판에 분사된 반응가스들이 잔류하여, 반응가스들 간에 혼합현상을 현저히 줄임으로써, 기판의 박막 증착을 효과적으로 수행할 수 있고 결과적으로 증착 품질을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략 하기로 한다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착장치 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 박막 증착장치는, 크게 하우징(미도시), 서셉터(130), 분사유닛(110) 및 흡입유닛(120)을 포함하여 구성된다.

상기 하우징은 서셉터(130)를 감싸도록 구성되며, 상기 서셉터(130)의 형상에 대응되게 속이 빈 원통 형상으로 구성될 수 있다. 도 3은 편의상, 내부에 공정챔버(C; 도 1 참조)를 형성하는 하우징을 생략하여 도시하였다.

상기 서셉터(130)는 복수 개의 기판(W)이 안착될 수 있도록 수평 방향으로 배치되며, 도 3는 서셉터(130)가 원판 형상으로 이루어지며 총 4개의 기판(W)이 원주 방향을 따라 배치된 형태를 예시하고 있다.

본 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 서셉터(130) 상에 복수 개의 지지부(140)가 구비되고, 이러한 각각의 지지부(140)에 기판(W)이 장착된 형태로 구성된다.

한편, 상기 서셉터(130)는 축방향을 따라 회전될 수 있도록 구성되어, 서로 다른 종류의 가스를 분사하는 분사유닛(110)과의 상대위치가 변하면서 기판(W)에 서로 다른 종류의 가스가 순차적으로 분사될 수 있도록 한다.

상기 분사유닛(110)은, 상기 서셉터(130)와 일정 간격 이격된 상태로 상기 서셉터(130)의 상부에 배치된다. 그리고, 상기 분사유닛(110)은 상기 기판(W)측으로 서로 다른 종류의 가스를 분사하게 된다.

이를 위하여, 상기 분사유닛(110)은 내부에 구획부(114)가 구비되어, 상기 분사유닛(110)의 내부에 복수 개의 구획영역(118)이 형성될 수 있도록 한다.

상기 분사유닛(110)의 상부에는 이러한 구획영역(118) 각각에 서로 다른 종류의 가스를 공급하는 공급홀(112)이 형성된다.

특히, 본 실시예에서는 구획부(114)가 일정 간격을 두고 총 4개로 구비되며, 이에 따라 상기 분사유닛(110)의 내부에는 총 4개의 구획영역(118)이 형성된다.

그리고, 각각의 구획영역(118) 상부에는 공급홀(112)이 형성되어, 각각의 구획영역(118)에 서로 다른 종류의 가스가 공급될 수 있도록 한다.

구체적으로, 상기 구획영역(118)으로 공급되는 가스는, 제1반응가스, 퍼지가스, 제2반응가스 및 퍼지가스이며, 상술한 바와 같이 기판(W)이 안착된 서셉터(130)가 회전하면서 기판(W) 상에 이러한 가스들이 순차적으로 분사될 수 있도록 한다.

한편, 상기 구획영역(118)의 하부에는 다수의 분사홀(116)이 형성되어, 공급홀(112)을 통해 공급받은 반응가스 또는 퍼지가스를 기판(W) 상에 분사할 수 있도록 한다.

그리고, 상기 분사유닛(110)의 내측면에는 일정 간격을 두고 총 4개의 연결홀(115)이 형성되어, 후술하는 흡입유닛(120)의 연통홀(122)과 서로 연통할 수 있도록 구성된다. 이에 대한 상세한 설명은 도 4 및 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.

상기 흡입유닛(120)은 상기 분사유닛(110)의 중앙부에 구비되어 축회전하며, 회전 위치에 따라 상기 분사유닛(110)과 주기적으로 연통되어 상기 분사유닛(110) 내의 가스를 흡입할 수 있도록 한다.

그리고, 상기 분사유닛(110)은 분사홀(116)을 통해 기판의 상부와 연통되어 있어 상기 분사유닛(110)은 흡입유닛(120)과 연통되어 기판(W) 주변의 잔류가스를 흡입할 수 있게 된다.

구체적으로, 상기 흡입유닛(120)은 외측면에 상기 분사유닛(110)의 연결홀(115)과 연통하는 연통홀(122)이 형성되어 있어 상기 흡입유닛(120)의 회전위치에 따라 상기 분사유닛(110)의 구획영역(118)과 주기적으로 연통될 수 있도록 구성된다.

본 실시예에서 상기 연통홀(122)은 상기 연결홀(115)의 개수에 대응되게 총 4개로 구성되며, 일정 간격을 두고 형성되어 있다.

아울러, 상기 흡입유닛(120)의 외측면 하부와 하면에는 상기 연통홀(122)과 별도로, 공정챔버(C)와 계속적으로 연통된 흡입홀(124)이 형성되어 공정챔버(C) 내로 분사된 가스가 공정챔버(C) 외부로 효율적으로 흡입될 수 있도록 구성된다.

한편, 상기 흡입유닛(120)은 외부의 진공영역과 연통되어 있어, 상기 연통홀(122) 및 흡입홀(124)을 통해 가스가 진공 흡입될 수 있도록 한다.

본 실시예에서 상기 흡입홀(124)은 상기 연결홀(115)보다 조금 넓게 형성되어 있어, 흡입유닛(120)이 일정 각도만큼 회전하는 동안 흡입 작용이 이루어지도록 구성된다.

일반적으로, 상기 기판(W)에는 제1반응가스, 퍼지가스, 제2반응가스, 퍼지가 스가 순차적으로 분사되면서 증착공정이 이루어진다.

본 실시예에서 상기 서셉터(130)에는 총 4개의 기판(W)이 안착되어 있으며, 상기 구획영역(118)은 총 4개로 이루어지고 이들 각각은 제1반응가스, 퍼지가스, 제2반응가스, 퍼지가스가 기판(W)상에 분사될 수 있도록 구성된다.

따라서, 상기 서셉터(130)가 축회전하면서, 기판(W)상에는 제1반응가스, 퍼지가스, 제2반응가스, 퍼지가스가 순차적으로 분사되면서 증착 공정이 수행된다.

한편, 상기 분사유닛(110)의 연결홀(115) 및 상기 흡입유닛(120)의 연통홀(122)도 서셉터(130)에 안착된 기판(W)의 개수에 대응되게 총 4개로 구성되어 있어, 각각의 기판(W)에 대해 가스의 분사가 이루어지면 곧바로 연결홀(115)과 연통홀(122)이 연통되면서 분사유닛(110) 내의 가스가 공정챔버(C)로 분사되지 않고 곧바로 흡입유닛(120) 측으로 안내될 수 있게 된다.

도 4 및 도 5를 참조하여, 상술한 박막 증착장치에서 분사유닛과 흡입유닛의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

도 4는, 분사유닛(110)이 기판(W)측에 가스를 분사하는 동안의 분사유닛(110)과 흡입유닛(120)의 위치관계를 도시하고 있다.

도 4와 같이, 분사유닛(110)의 연결홀(115)과 흡입유닛(120)의 연통홀(122)이 서로 엇갈리게 배치되는 경우, 공급홀(112)을 통해 구획영역(118) 내로 공급된 가스는 구획영역(118) 하부의 분사홀(116)을 통해 공정챔버(C) 내부 즉 기판(W)측으로 분사되게 된다.

분사되는 과정에서 서셉터(130)는 계속하여 회전하게 되고, 서셉터(130)의 회전이 점차적으로 이루어지게 되어 해당 기판(W)에 대한 분사를 마치게 되면 서셉터(130)와 같이 회전하는 흡입유닛(120)은 도 5에 도시된 바와 같은 상태가 된다.

도 5는 분사유닛(110)의 연결홀(115)과 흡입유닛(120)의 연통홀(122)이 연통되면서 상기 분사유닛(110)의 구획영역(118) 내의 가스가 연결홀(115) 및 연통홀(122)을 순차적으로 거치며 흡입유닛(120) 내로 유입되는 상태를 도시하고 있다.

이 경우, 구획영역(118) 상부의 공급홀(112)을 통해 공급된 가스는 구획영역(118) 하부의 분사홀(116)을 통해 기판(W)상에 분사되는 대신, 상기 연결홀(115) 및 연통홀(122)을 통해 흡입유닛(120) 내로 곧바로 흡입된다.

따라서, 하나의 기판(W)에 대해 가스 분사가 이루어진 후, 다른 기판(W)이 회전되는 과정에서는 가스 분사가 이루어지지 않고 분사유닛(110) 내부의 가스가 곧바로 흡입유닛(120) 내부로 유입된다.

이에 따라, 기판(W)상에 잔류가스가 존재함에 따른 가스 혼합 현상을 현저히 줄일 수 있게 된다.

본 실시예에서는 총 4개의 기판(W)이 공정 챔버 상에 높여지는 것을 가정하여 분사유닛(110)의 연결홀(115)과 흡입유닛(120)의 흡입홀(124)이 각각 4개씩 형성되어 있다. 따라서, 서셉터(130)와 흡입유닛(120)이 1회전할 때 총 4번의 가스 공급과 총 4번의 가스 흡입 과정을 거치게 된다.

이와 같이, 연결홀(115)과 흡입홀(124)을 기판(W)의 개수에 대응된 형태로 구비하여, 하나의 기판(W)에 특정 가스를 분사한 후 분사유닛(110)은 곧바로 흡입유닛(120)과 연통하여 기판(W) 주변에 잔류하는 가스를 분사홀(116)을 통해 흡입하 여 외부로 배출될 수 있도록 한다.

하지만, 이와 달리 분사유닛(110)의 구획영역(118)을 기판(W)의 배수로 형성하는 것도 가능하다. 즉, 총 4개의 기판(W)이 서셉터(130)에 안착될 때 구획영역(118)은 총 8개로 이루어지고, 연결홀(115) 및 연통홀(122)도 총 8개로 구성하는 등으로 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명은 종래 분사기가 고속으로 회전하면서 기판(W) 주변에서 반응가스들 간에 혼합현상이 일어나서, 반응가스의 농도가 희석되거나 반응가스들 간에 불필요한 반응이 일어나는 것을 현저히 줄일 수 있게 된다.

도 4 및 도 5는 가스 분사공정과 흡입공정을 수행할 수 있는 연결홀(115)과 연통홀(122)의 배치에 대한 일 예를 든 것이며, 연결홀(115) 및 연통홀(122)의 구체적인 형상이나 폭 등 의 배치는 공정 조건이나 설계 조건 등에 따라 다양하게 변형이 가능하다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

도 1은 종래 박막 증착장치를 나타내는 구성도;

도 2는 도 1의 분사기를 나타내는 일부 사시도;

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착장치를 나타내는 절개 사시도;

도 4 및 도 5는 흡입유닛의 회전 위치에 따른 가스분사 과정 및 가스흡입 과정을 나타내는 단면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >

110: 분사유닛 112: 공급홀

115: 연결홀 116: 분사홀

118: 구획영역 120: 흡입유닛

122: 연통홀 124: 흡입홀

130: 서셉터 140: 지지부

W: 기판

Claims (6)

1. 내부에 공정챔버가 형성된 하우징;

   상기 하우징 내에서 축회전하며, 복수 개의 기판이 원주 방향을 따라 안착되는 서셉터;

   상기 서셉터와 일정 간격 이격된 상태로 배치되며, 상기 기판 측으로 서로 다른 종류의 가스를 분사하는 분사유닛; 및

   상기 서셉터와 동일한 속도로 축회전하며, 회전 위치에 따라 상기 분사유닛과 주기적으로 연통되어 상기 분사유닛 내의 가스를 흡입하는 흡입유닛;

   을 포함하는 박막 증착장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 분사유닛에는 일정 간격을 따라 연결홀이 구비되며, 상기 흡입유닛에는 상기 연결홀과 연통되는 연통홀이 형성된 것을 특징으로 하는 박막 증착장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 흡입유닛은,

   상기 분사유닛의 중앙부에 구비되는 것을 특징으로 하는 박막 증착장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 흡입유닛에는,

   상기 공정챔버와 연통하여 상기 공정챔버 내의 가스를 흡입하는 흡입홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 증착장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 흡입홀은,

   상기 서셉터에 안착된 기판의 개수에 대응된 개수로 구비되는 것을 특징으로 하는 박막 증착장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 분사유닛의 내부에는,

   상기 서셉터에 안착된 기판의 개수에 대응된 구획영역이 형성된 것을 특징으로 하는 박막 증착장치.

Images