KR100923453B1

KR100923453B1 - 샤워헤드를 구비한 반도체 소자 제조 장비

Info

Publication number: KR100923453B1
Application number: KR1020070111772A
Authority: KR
Inventors: 변철수; 한만철
Original assignee: 주식회사 피에조닉스; 한국생산기술연구원
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-10-27
Also published as: KR100972801B1; KR20070112354A; KR20090031338A

Abstract

본 발명은 챔버 벽체와 이 챔버 벽체가 이루는 공정 공간에서 기판이 놓이는 스테이지와 기판에 공정 기체를 공급하는 샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비에 있어서, 샤워헤드는 공정 기체 공급포트와 연결되는 윗판, 윗판과 결합되어 하나의 공간을 형성하며 다수의 분사구를 가지는 바닥을 구비하며, 윗판과 바닥 사이의 상기 공간을 다시 종 방향을 기준으로 상하로 구획하는 중간판을 가지고, 중간판에는 분산된 복수의 연결 구멍이 형성되고, 연결 구멍의 입구는 윗판 방향으로 향한 돌출부를 가지는 것을 특징으로 한다.

따라서, 기체 공급포트를 통해 샤워헤드 내부의 공간으로 유입되는 기체의 직진성을 제거하여 기판 전반에 걸쳐 원하는 비율로 공정 기체를 공급할 수 있게 되어 공정의 균일성을 높일 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서 중간판을 둘 이상 두어 공간을 더 나누고 최하층 공간을 제외한 각 공간에 별도 공정 기체를 투입하되 이들 각 공간을 최하층 공간과 직접 연결하면 샤워헤드를 통해 둘 이상의 혼합 기체를 기판 전면에 고르게 공급할 수 있다.

Description

샤워헤드를 구비한 반도체 소자 제조 장비 {semiconductor device fabrication equipment with showerhead}

본 발명은 샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비에 관한 것이다.

반도체 소자의 소자 고집적화가 진행되면서 반도체 소자의 제조에 있어서 보다 정밀하게 공정 조건 및 환경을 조절할 필요성이 커진다. 특히, 기판(wafer)의 대구경화가 계속되면서 기판과 기판 사이의 공정 균일성 확보와 함께 기판 내 공정 균일성을 확보하기 위한 노력, 즉, 기판 전면에 걸쳐 균일한 공정 결과가 이루어지도록 하기 위한 노력이 계속되고 있다.

특히, 반도체 소자 제조를 위해 기판 면에 화학기상증착(chemical vapor deposition)이나 에칭(etching)을 위해 공정 기체(process gas)를 공급하는 장치로 샤워헤드(showerhead)를 가지는 장비에서도 공정 균일성 향상을 위한 구조 변화가 연구되고 있다.

도1은 대한민국 공개특허 번호 제2007-0077669호에 개시된 것으로, 반도체 소자 제조 장비 가운데 샤워헤드를 가지는 종래의 증착 장비의 일 예를 나타내는 것이다. 이런 구성에서는 기체공급 포트(120)를 통해 공정 챔버 벽체와 일체로 형 성된 샤워헤드(100) 안으로 공급되는 기체의 직진성을 감쇄시키고자 기체 분산판(130)을 기체공급 포트(120)와 샤워헤드 바닥(140) 사이에 설치하는 것을 볼 수 있다.

그런데, 이러한 종래기술에서는 기체 분산판(130)를 사용하여 샤워헤드(100) 안으로 공급된 기체의 직진성을 억제하여 샤워헤드 바닥(140)에 뚫린 구멍(145)으로 기체를 균등하게 분사하려고 하지만, 이 기술에서도 샤워헤드(100) 안으로 공급된 기체의 1차적인 직진성은 억제되더라도 공급된 기체의 횡방향 확산성이 충분하지 않기 때문에 샤워헤드(100) 중심부 및 가장자리 영역에서부터 분사되는 기체의 양을 균등하게 조절하는 것은 여전히 어렵다는 문제점이 있었다.

한편, 기판에 공급되는 공정 기체는 단일 성분의 기체일 수도 있으나, 둘 이상의 성분이 혼합된 혼합 기체일 수 있다. 후자의 경우 기판으로 공급되는 공급기체는 균질한 혼합 상태를 이루는 것이 중요하다. 종래에는 두가지 기체를 서로 혼합하려 할 때, 예비실이나 기타 교반 수단을 두어 기체를 미리 섞거나, 섞인 기체의 경로를 충분히 길게 하는 등의 방법을 사용한다. 그러나 이런 방법은 두 종류의 기체가 서로 섞이게 되는 시간이나 경로가 길어짐에 따라 원하지 않는 부반응이 발생하는 경우에, 혹은 두 기체의 성질 차이로 잘 섞이지 않는 경우에, 혹은 다른 이유로 두 기체를 충분히 섞을 시간이나 공간의 제약이 있는 경우에는 적합하지 않다.

본 발명은 상술한 종래의 샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비의 문제점을 경감시키기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기체 공급포트를 통해 샤워헤드로 유입되는 기체의 직진성을 제거하여 기판 전반에 원하는 비율로 공정 기체를 공급할 수 있는 반도체 소자 제조 장비를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 둘 이상의 혼합 기체를 공정실 내에 샤워헤드를 통해 공급할 때 혼합기체의 균질성을 높일 수 있는 반도체 소자 제조 장비를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자 제조 장비는,

챔버 벽체와 상기 챔버 벽체가 이루는 공정 공간에서 기판이 놓이는 스테이지(서셉터)와 상기 기판에 공정 기체를 공급하는 샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비에 있어서, 상기 샤워헤드는 기체 공급포트와 연결되는 윗판, 상기 윗판과 결합되어 하나의 공간을 형성하며 복수의 분사구를 가지는 바닥을 구비하며, 상기 윗판과 상기 바닥 사이의 상기 공간을 다시 종 방향을 기준으로 상하로 구획하는 중간판을 가지고, 상기 중간판에는 분산된 복수의 연결 구멍이 형성되고, 상기 연결 구멍의 입구가 상기 윗판 방향으로 돌출되게 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 분산된 복수의 연결 구멍 중에서 상기 중간판의 중앙부에 더 가까이 위치하는 것일수록 상기 상향 돌출된 입구는 상기 윗판과 더 가깝도록, 즉 상기 윗판과 상기 상향 돌출된 입구 사이의 간격을 보다 좁게 형성할 수 있다.

본 발명에서 공급 기체가 두 종류 이상인 경우에 대비하여 상기 중간판은 상기 윗판과 상기 바닥 사이에 형성되는 공간을 종방향으로 세개 이상으로 구분할 수 있으며, 이때 각각의 중간판에는 분산된 복수의 연결 구멍이 형성되되, 분산된 복수의 연결 구멍은 연결 구멍이 형성된 중간판에서부터 최하층 중간판과 상기 바닥 사이의 공간인 분배실까지 직접 연결되도록 하는 하향 돌출부와 직상부 중간판 혹은 윗판을 향해 돌출되는 상향 돌출부를 가질 수 있다. 여기서 하향 돌출부는 최하층 중간판을 포함하여 중간판을 관통하며, 그 끝이 출구가 된다. 단, 하향 돌출부는 반드시 상향 돌출부와 직결된 일체의 형태를 이룬다. 그리고, 상향돌출부, 혹은 상향돌출부와 직결된 하향 돌출부는 튜브나 내부가 관통된 핀의 형태를 가진다.

본 발명에 따르면, 기체 공급포트를 통해 샤워헤드 내부의 공간으로 유입되는 기체의 직진성을 제거하여 기판 전반에 걸쳐 원하는 비율로 공정 기체를 공급할 수 있게 되어 공정의 균일성을 높일 수 있게 된다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 둘 이상의 공정 기체를 함께 사용할 필요가 있을 때 샤워헤드를 통해 둘 이상의 혼합 기체를 기판 전면에 고르게 공급할 수 있으므로 기판의 공정 균일성을 높일 수 있다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도2는 반도체 소자 제조 장비에서 본 발명의 첫 번째 형태가 적용된 샤워헤 드가 설치된 공정 챔버(1)를 보여주는 개략적 구성도이다.

도2를 참조하여 설명하면, 공정 챔버(1)는 챔버 벽체를 통해 외부와 구분되고, 공정 챔버(1)의 내부에서 기판(6)은 스테이지(8)에 안착된다. 기판(6) 위쪽에는 기판(6)에 공정 기체를 공급하는 샤워헤드(100)가 설치된다. 챔버 벽체의 일부에는 반응 기체를 외부로 제거하기 위한 진공 배관(252)이 연결된다. 스테이지(8)에는 기판(6)을 가열, 혹은 냉각시키기 위한 히터나 냉각 수단이 구비될 수 있다.

샤워헤드(100)는 기체 공급포트(212)와 연결되는 윗판(247) 및 다수의 분사구(222)를 가지는 바닥(210)과 외측벽(268)에 의해 공정 챔버 내에서 하나의 공간을 이룬다. 윗판(247)과 바닥(210) 사이의 상기 공간을 다시 종 방향을 기준으로 상하로 구획하여 상부의 확산실(242)와 하부의 분배실(244)을 이루는 중간판(249)이 설치된다. 중간판(249)에는 분산된 다수의 연결 구멍이 형성되고, 연결 구멍에는 튜브 형태의 확산핀(221)이 삽입되어 연결 구멍의 상향 돌출부를 이룸으로써 연결 구멍의 입구가 윗판(247) 방향으로 돌출된다.

기체 공급포트(212)를 통해 샤워헤드(100) 내의 확산실(242)로 공정 기체가 공급된다. 이 공정 기체는 샤워헤드(100) 내부 확산실(242)에서 균일하게 확산된 뒤, 확산핀(221)을 통해 분배실(244)로 이동하고, 샤워헤드 바닥(210)에 뚫린 복수의 분사구(222)를 통해 기판(6)을 가열하는 스테이지(8) 위에 안착된 기판(6)쪽으로 균등하게 분사된다.

이하, 도3 및 도4를 참조하여 샤워헤드(100) 내에서의 공정 기체의 흐름 및 그 경로상의 저항성에 대해 살펴보면, 기체 공급포트(212)를 통해 샤워헤드(100) 확산실(242) 안으로 종방향으로 들어온 기체는 원형 중간판(249)에서 횡방향으로, 즉, 중앙부에서 외측으로 방사상으로 확산된다. 복수의 확산핀(221)은 중간판(249)의 연결 구멍에 삽입되어 중간판(249) 상에 기둥형태로 정렬되어 있으며, 그 내부는 종방향으로 유로가 형성되게끔 관통되어 있다.

확산핀(221) 상단의 연결 구멍 입구와 샤워헤드 윗판 사이의 틈새 크기(도 3에서 g1)에 비해 확산핀(221)의 길이가 상대적으로 크다면, 공정 기체의 확산실(242) 안에서 횡방향 확산은 공정 기체가 좁은 틈새를 통해 확산실을 빠져나가려는 흐름에 비해 훨씬 원활하게 이루어진다. 따라서 샤워헤드(100) 안으로 공급된 공정 기체는 짧은 시간 내에 확산실(242) 안에서 횡방향으로 균일하게 확산된 상태, 균일 압력 상태가 된다. 또한, 확산핀(221)의 내부 유로를 통해 분배실(244)로 전달되는 공정 기체의 종방향 유량은 확산핀(221)과 샤워헤드 윗판(247) 사이 틈새의 크기와 확산핀(221) 내부의 유로 면적이 균일하다면 샤워헤드 확산실(242)에 어느 곳에서든 균일하게 된다. 이렇게 1차적으로 확산실(242)로부터 분배실(244)로 균등하게 전달된 기체는 분배실(244) 안에서 더욱 균등하게 분배된 뒤, 샤워헤드 바닥(210)에 뚫린 분사구(222)를 통해 기판쪽으로 분사된다.

여기서 확산핀(221)과 샤워헤드 윗판(247) 사이 틈새의 간격 g1은 대략 0.3 ~ 1.5mm인 것이 바람직하며, 확산핀(221) 내부 유로는 지름(φ1)이 0.8~ 1.5mm 인 것이 바람직하다. 틈새 간격이 1.5mm 보다 더욱 크다면 공급된 공정 기체가 확산실(242)에서 충분히 횡방향으로 확산되기 전에 확산핀(221)의 중앙부를 통해 먼저 분배실(244)로 유입되기 쉽고, 분배실로 유입된 공정 기체는 종방향 흐름을 이 루어 바닥(210)에 형성되어 있는 분사구(222)의 중앙부를 통해 기판쪽으로 더 많이 분사되기 쉽다. 반대로 틈새 간격이 0.3mm보다 더 작으면 전체적으로 기체의 흐름이 너무 방해를 받아 공정 기체가 기판에 원활히 분사되기 어렵고, 공정 기체가 샤워헤드 내부에 너무 오래 머무름으로 인한 파티클 발생 문제가 발생할 수 있다. 유로의 지름에 대해서도 같은 논리가 적용될 수 있다.

본 발명의 첫 번째 형태에서 틈새 간격 g1을 일정하게 유지하는 것은 매우 중요하므로 양 끝 부분에 단차가 진 일정한 길이의 스페이서(262)를 샤워헤드 윗판(247)과 중간판(249) 사이에 적당한 간격으로 설치할 수 있다. 여기서 샤워헤드 및 확산핀, 스페이서의 재질로는 표면처리 된 알루미늄 합금이나 스테인레스 스틸과 같은 금속, 혹은 알루미나, 알루미늄 나이트라이드와 같은 세라믹이 사용될 수 있다. 단, 재질의 선택에 있어서는 샤워헤드와 여기에 삽입되는 핀의 가공 정밀도가 보장되어야 함은 물론 사용하는 기체에 대한 부식성도 고려가 되어야 한다.

한편, 중간판(249)에 확산핀(221)을 접합하기 위한 방법으로는 그 각각의 재질이 스테인레스 스틸의 경우에는 레이저 용접 방법이 무난하다. 그러나, 접합을 보다 쉽게 하기 위해서는 중간판(249) 상의 확산핀(221) 및 스페이서(262) 자리에 대해 레이저 가공으로 구멍 가공을 한 후에, 디스펜서(미도시)와 같은 장비를 사용하여 브레이징 용 페이스트를 접합부위에 도포하거나, 도3에 표시된 바와 같은 쉬트 형상의 접착제, 가령 니켈을 다량 포함하는 두께 30 ~ 60㎛의 아모포스 브레이징 필러 쉬트(250)가 중간판(249)에 부착되고 확산핀(221)과 스페이서(262)가 중간 판(249)에 조립된 상태에서 진공 브레이징 로에서 적당한 온도, 가령 1,100℃에서 처리하는 브레이징 접합법을 쓸 수 있다.

도5는 확산핀(221)의 길이 혹은 확산핀(221)의 상단과 윗판 사이의 거리가 중간판(249) 전체를 통해 차이가 있는 경우의 본 발명의 두 번째 형태를 나타내고 있다. 이런 경우는 샤워헤드(100) 중앙부 및 가장자리부에 대한 공정 기체 공급량을 달리할 필요가 있는 경우에 사용할 수 있다. 가령, 해당 화학기상증착용 공정 챔버 내에서 다른 요인들로 인하여 기판 중앙부측의 증착속도를 느리게 해야 하는 경우에 도 5에서 보는 바와 같이 중앙부에서는 샤워헤드 윗판(247)과 확산핀(221) 입구와의 틈새를 "g3"와 같이 좁히고, 주변부에서는 "g2"와 같이 넓혀 서로 틈새 간격을 달리하여 틈새가 넓은 부분으로 더 많은 기체가 유입되게 할 수도 있다.

도6은 본 발명의 세 번째 형태에 대한 것으로서 본 발명의 다른 측면을 설명하기 위한 샤워헤드 측단면도이다. 이런 실시예에서는 샤워헤드를 이용하여 독립적으로 공급되는 2가지 기체를 서로 균일하게 혼합하고, 균일하게 혼합된 기체를 균등하게 기판 쪽으로 분사하는 것이 가능하게 된다.

즉, 샤워헤드(100)는 두 개의 중간판, 즉, 제1 중간판(306)과 제2 중간판(308)을 가져 샤워헤드 내부 공간이 아래로부터 최하층의 분배실(334)과 제2기체 확산실(332), 제1기체 확산실(330)로 나누어진다. 제1 중간판(306)에는 연결 구멍에 제1기체 확산핀(324)이 삽입되어 있고, 제2 중간판(308)에는 연결 구멍에 제2기체 확산핀(321)이 삽입되어 있다. 여기서 제1기체 확산핀(324)은 제1 공정 기체가 유입되는 상단이 제1 중간판의 연결 구멍로부터 윗판(347) 쪽으로 상향 돌출된 형태를 이루며, 제1 공정 기체가 유출되는 하단은 제1 중간판의 연결 구멍로부터 하 향 돌출되어 제2 중간판(308)을 관통하여 분배실(334)에 직접 연결되어 있다. 한편, 제2기체 확산핀(321)은 제2 공정 기체가 유입되는 상단이 제2 중간판의 연결 구멍으로부터 제1 중간판(306) 쪽으로 상향 돌출된 형태를 이룬다.

제1기체 공급포트(314)를 통해 샤워헤드(100) 내부의 제1기체 확산실(330)로 들어온 제1기체는 앞서 설명한 바와 같이 제1기체 확산실(330) 안에서 균일하게 확산된 뒤 제1기체 확산핀(324) 내부 유로를 통해 분배실(334) 안으로 균등하게 유입된다. 한편, 제2기체 공급포트(312)를 통해 샤워헤드(100) 내부의 제2기체 확산실(332)로 들어온 제2기체는 제2기체 확산실(332) 안에서 균일하게 확산된 뒤 제2기체 확산핀(321) 내부 통로를 통해 분배실(334) 안으로 균등하게 유입된다. 분배실(334) 안에서는 유입된 제1기체와 제2기체가 서로 균일하게 혼합된 뒤, 샤워헤드 바닥(310)에 뚫린 다수의 분사구(322)를 통해 기판(미도시)쪽으로 균등하게 분사된다. 도6에서는 제1기체 공급포트(314)는 외측벽에 형성되어 있으나 제2 기체 공급포트(312)와 유사하게 윗판의 중앙부에 형성되는 것도 물론 가능하다.

도6의 본 발명의 세 번째 형태에서 각각의 공급포트를 통해 각각의 확산실에 유입되는 각각의 공정 기체는 앞서 도2 내지 도4에서 설명된 것과 마찬가지 원리로 확산실 내에서 평면상의 위치에 상관없이 균등한 압력 상태를 이룬다.

그리고 공급기체는 균등하게 분배실 내로 유입되어 서로 더욱 균등하게 확산, 배분된 상태로 분사구를 통해 기판에 분사된다. 이런 경우, 각각의 기체는 확산된 상태에서 분배실로 유입되어 서로 섞이게 되므로 혼합의 상당부분이 샤워헤드의 인위적 구조에 의해 이루어지는 것이 되어 결과적으로 혼합에 소요되는 시간을 줄인 것으로 볼 수 있다.

이상 도6은 두 가지 기체의 혼합에 대해 설명하고 있지만 동일한 논리로 확장을 통해 본 발명은 셋 이상의 혼합 기체를 샤워헤드를 통해 공급하는 경우에 대해서도 적용할 수 있다.

본 발명은 반도체 소자 제조 장비 중에서 막 증착에 널리 사용되는 화학기상증착장비에서 바닥에서의 오염이 방지되는 샤워헤드에 적용될 수 있다. 도 7은 그 구성을 보여주는 샤워헤드의 측단면도이다. 도 7에서 볼 때, 공정 기체를 반응 기체와 분사지원 기체로 나누면, 반응 기체와 분사지원 기체는 각각 반응 기체 유입구(423)와 분사지원 기체 유입구(425)를 통해 각각 반응 기체 확산실(461)과 분사지원 기체 확산실(462)로 들어온다. 여기서 반응기체라 함은 화학기상증착장비에서 증착되는 막의 성분을 포함하는 기체 상태의 원료물질을 말하며, 분사지원 기체라 함은 반응 기체와 기상에서는 반응하기 힘들며, 반응 기체와 혼합되어 반응 기체의 분사 속도를 조절하기 위한 기체로서 불활성 기체가 대표적으로 이에 포함된다. 반응 기체는 반응 기체 확산실(461)의 아래면(435)에 형성된 다수의 반응 기체 확산핀(465)을 통해 앞에서 설명한 요령대로 분사지원 기체 확산실(462) 아래에 위치한 분배실(463)로 균등하게 유입된다. 한편, 분사지원 기체는 분사지원 기체 확산실(462)의 아래면(437)에 형성된 다수의 분사지원 기체 확산핀(467)을 통해 앞에서 설명한 요령대로 분사지원 기체 확산실(462) 아래에 위치한 분배실(463)로 균등하게 유입된다. 분배실(463)에서는 분사지원 기체와 혼합된 반응 기체가 복수의 반응 기체 분사 튜브(451)로 균등하게 분배된다. 한편, 반응 기체 분사 튜브(451)는 다 소 긴 거리, 대략 최대 60mm에서 120mm 만큼 연장되므로 반응 기체 분사 튜브(451)의 내부 지름은 최소한 1.5mm 이상일 것이 권장된다.

도7과 같이 반응 기체의 수가 복수일 경우 또 하나의 반응 기체 샤워헤드 모듈이 추가로 설치될 수 있다. 이 경우 위쪽에 위치한 반응 기체 샤워헤드 모듈(410)에서 연장되어온 반응 기체 분사 튜브(451)는 아래에 위치한 반응 기체 샤워헤드 모듈(510)의 천정(541)과 바닥면(549)에 그 양끝이 각각 기밀을 유지하도록 삽입되어 있는 안내관(581)의 내부를 따라 아래에 위치한 반응 기체 샤워헤드 모듈(510)을 가로지른다. 이때, 안내관은 별도로 삽입되지 않고 윗판이나 중간판과 일체로 형성될 수도 있다. 또한, 별도의 안내관 없이 윗판, 중간판, 바닥판에 반응 기체 분사 튜브가 밀착되면서 통과하도록 통과 구멍을 뚫고 이 통과 구멍을 안내부로 생각할 수도 있으나, 기밀을 유지하여 반응 기체가 섞이는 것을 완전히 막기 위해서는 별도의 안내관이 사용되는 것이 바람직하다. 그리고 아래 쪽에 위치한 반응 기체 샤워헤드 모듈에서도 하나의 반응 기체와 분사지원 기체가 각각 반응 기체 유입구(523)와 분사지원 기체 유입구(525)를 통해 각각 반응 기체 확산실(561)과 분사지원 기체 확산실(562)로 들어오는데, 상술한 바와 같은 요령으로 분배실(563) 안에서 혼합된 반응 기체와 분사지원 기체는 반응 기체 분사 튜브(551)로 골고루 분배된다.

반응 기체가 샤워 헤드 바닥에 원치 않는 증착물을 형성하는 것을 방지하기 위한 목적으로 퍼지 기체로 하여금 샤워헤드 바닥에 커튼을 형성하게 하기 위해 퍼지 기체를 샤워헤드 바닥으로부터 기판 쪽으로 분사되게 할 수 있다. 이를 위해 상 기 하나의, 혹은 복수의 반응 기체 샤워헤드 모듈 아래에 하나의 퍼지 기체 모듈(610)을 설치한다. 퍼지 기체의 종류로는 불활성 기체가 적절하지만, 반응 기체와 기판 위에서는 반응할 수 있어도 기상에서는 반응하기 힘든 기체, 가령 산소 혹은 수소가 될 수도 있다. 퍼지 기체는 퍼지 기체 유입구(623)를 통해 퍼지 기체 샤워헤드 모듈(610) 안으로 유입된 뒤, 중간판(635)에 형성된 복수의 퍼지 기체 확산핀(637)을 통과하여 앞에서 설명한 요령대로 바닥면(669)에 뚫려 있는 매우 많은 개수의 퍼지 기체 분사 출구(676)를 통해 균등하게 퍼지 기체 샤워헤드 모듈(610)을 빠져 나간다.

한편, 도 7에서 보는 바와 같이 또 하나의 모듈을 퍼지 기체 샤워헤드 모듈 밑에 설치하면 퍼지 기체가 또 하나의 모듈을 통과하여 그 모듈의 바닥으로부터 기판쪽(미도시)을 향해 분사될 수 있게 된다. 상기 또 하나의 모듈은 뒤에서 설명하겠지만 샤워헤드의 온도를 일정하게 유지하기 위한 용도로도 활용될 수 있으므로 냉각 자켓(710)이라고 부르기로 한다. 퍼지 기체 샤워헤드 모듈 바닥(669)으로부터 분사된 퍼지 기체는 퍼지 기체 샤워헤드 모듈 바닥(669)과 냉각 자켓(710) 윗면 사이의 공간(685)에서 다시 한번 균일하게 확산이 된 후에 반응 기체 분사 튜브(451,551)가 냉각 자켓(710)을 관통하게 하기 위한 반응 기체 분사 튜브 안내관(781)의 내벽과 반응 기체 분사 튜브(451, 551) 외벽 사이의 틈새 g4를 통해 기판 쪽으로 분사된다. 한편, 그 내부로 반응 기체 분사 튜브(451, 551)가 통과하지 않으면서 퍼지 기체만 분사하기 위한 퍼지 기체 분사 안내관(783)이 상기 냉각 자켓을 관통하여 설치될 수 있다. 한편 도7의 실시예에서, 퍼지 기체 샤워헤드 모듈 바닥(669)과 냉각 자켓(710) 윗면 사이의 공간(685)에서 퍼지 기체가 비록 미미한 양일지라도 퍼지 기체 샤워헤드 모듈의 안내관(681)을 통해 퍼지 기체 샤워헤드 모듈(610)의 위쪽으로 누설되는 것을 방지하기 위해 퍼지 기체 샤워헤드 모듈의 안내관(681)과 반응 기체 분사 튜브(451,551) 사이의 틈새를 되도록 작게 하는 것이 바람직하다.

도 8은 냉각 자켓의 바닥면(769)을 아래쪽에서 바라본 모습으로 반응기체 분사 튜브(451, 551)의 종류가 2종류일 때 그 각각의 반응 기체 분사 튜브의 바람직한 배치를 보여준다. 이런 실시예에서 주변부의 위치하는 일부 반응 기체 분사 튜브를 제외하고 규칙적으로 배열되는 중앙 부분에는, 한 종류의 반응 기체(제1 반응 기체) 분사 튜브(451)의 주위로 다른 한 종류의 반응 기체(제2 반응 기체) 분사 튜브(551)가 정사각형이나 마름모와 같은 4각형의 꼭지점을 이루게끔 배열된다.

그런데 도 9에서 보는 바와 같이 만약 반응 기체 분사 튜브 안내관(781)이 충분히 조밀하게 배치될 수 있다면, 퍼지 기체 분사 안내관(783)은 반응 기체 분사 튜브 안내관(781)과 안내관(781) 사이에는 존재하지 않아도 되며, 단지 냉각 자켓 가장자리에 집중배치 하는 것으로 충분하다.

또한, 도 9는 반응 기체 분사 튜브의 종류가 제1 반응 기체에 대한 A, 제2 반응 기체에 대한 B, 제3 반응 기체에 대한 C의 3가지일 때 그 각각의 반응 기체 분사 튜브의 바람직한 배치를 보여주는 것이다.

이런 경우, 반응 기체 샤워해드 모듈은 반응 기체의 수와 같은 3개가 서로 상하로 배치되어 상부 모듈, 중간 모듈, 하부 모듈을 이루게 된다.

도9의 실시예에서, 주변부를 제외하고, 각 반응 기체 분사 튜브의 주위로 다른 2개의 반응 기체 분사 튜브가 6각형, 바람직하게는 정6각형의 각 꼭지점을 이루게끔 번갈아 배열되는데, 이렇게 함으로써 각 반응 기체가 샤워헤드 바닥과 기판(미도시) 사이이 공간에서 보다 균일하게 혼합될 수 있는 것이다. 반응 기체 분사 튜브의 끝은 냉각 자켓의 바닥으로부터 기판쪽으로 10mm 이내로 돌출되게 하는 것이 바람직하다. 그리고 냉각 자켓을 설치하는 또 다른 이유는 샤워헤드 내부 온도가 지나치게 올라감으로 인해서 반응 기체가 열분해에 의해 샤워헤드 내부 및 샤워헤드 모듈 바닥면에서 원하지 않는 증착을 일으키는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉, 냉각 자켓을 통해 샤워헤드의 온도를 일정하게, 예를 들면 150 ~ 200℃로 유지할 수 있다.

도 7에서 냉각 자켓(710)의 냉각재 유입구(723)를 통해 냉각 자켓(710) 안으로 주입된 냉각재는 냉각 자켓(710)의 내부 공간을 거친 뒤 냉각재 유출구(725)를 통해 최종적으로 반응실(미도시)을 빠져나간다. 냉각재로는 공기, 냉수 등 어떤 것을 이용해도 무방하지만 냉각재가 냉각 자켓(710)으로부터 반응실 쪽으로 새지 않도록 하는 것은 매우 중요하다.

도1은 종래의 샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비의 일 예에 대한 개략적 구성을 나타내는 측단면도,

도2는 본 발명의 첫 번째 형태를 적용한 반도체 소자 제조 장비에 대한 개략적 구성을 나타내는 측단면도,

도3은 본 발명의 첫 번째 형태에서의 샤워헤드 부분을 보다 상세히 나타내는 측단면도,

도4는 본 발명의 첫 번째 형태에서 샤워헤드의 중간판과 윗판 사이의 횡단면을 나타내는 횡단면도,

도5는 본 발명의 두 번째 형태에서의 샤워헤드 부분을 상세히 나타내는 측단면도,

도6은 본 발명의 세 번째 형태에서의 샤워헤드 부분을 상세히 나타내는 측단면도이다.

도7은 본 발명을 바닥에서의 오염이 방지되는 샤워헤드에 적용한 실시예를 보여주는 측단면도

도8은 2개의 반응 기체가 사용되는 샤워헤드를 아래에서 본 배면도

도9는 3개의 반응 기체가 사용되는 샤워헤드를 아래에서 본 배면도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 공정 챔버 6: 웨이퍼

8: 스테이지 100: 샤워헤드

210: 바닥 212: 기체 공급포트

221: 확산핀 222: 분사구

242: 확산실 244: 분배실

247: 윗판 249: 중간판

250; 아모포스 브레이징 필러 쉬트 262: 스페이서

268: 외측벽 310: 바닥

314: 제1기체 공급포트 324: 제1기체 확산핀

312: 제2기체 공급포트 321: 제2기체 확산핀

322: 분사구 332: 제2기체 확산실

334: 분배실 451, 551:반응 기체 분사 튜브

710: 냉각 자켓

781:반응 기체 분사 튜브 안내관 783:퍼지 기체 분사 안내관

Claims

챔버 벽체와 상기 챔버 벽체가 이루는 공정공간에서 기판이 놓이는 스테이지와 상기 기판에 공정 기체를 공급하는 샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비에 있어서,

상기 샤워헤드는, 윗판과, 복수의 분사구를 가지는 바닥판과, 상기 윗판과 상기 바닥판 사이의 공간을 다시 종 방향을 기준으로 상하로 구획하는 중간판을 구비하며,

상기 중간판에는 분산된 복수의 연결 구멍이 형성되고, 상기 각 연결 구멍의 입구는 상기 윗판 방향으로 연장되어 상향 돌출되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비.
제 1 항에 있어서,

상기 중간판과 상기 윗판 사이에는 상기 중간판과 상기 윗판의 간격을 일정하게 유지하기 위한 복수의 스페이서가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비.
제 1 항에 있어서,

상기 상향으로 돌출된 입구는 상기 연결 구멍에 튜브 형태의 확산핀을 결합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조 장비.
제 1 항에 있어서,

상기 상향으로 돌출된 입구 중에 상기 중간판의 중앙부에 위치하는 입구가 상기 중간판의 주변부에 위치하는 입구보다 상기 윗판과 더 가깝도록 형성되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비.
제 1 항에 있어서,

상기 중간판은 상기 윗판과 상기 바닥판 사이의 상기 공간을 종으로 구획하는 복수 개로 형성되고,

복수 개의 상기 중간판 각각에는 분산된 복수의 연결 구멍이 형성되고,

상기 연결 구멍은 상기 연결 구멍이 형성된 중간판으로부터 종으로 구획된 상기 공간 중에서 최하층 중간판과 상기 바닥판 사이의 공간인 분배실까지 직접 연결되도록 하는 하향 돌출부를 가지며, 또한, 상기 연결 구멍의 입구가 연결 구멍이 형성된 중간판 바로 위의 중간판 혹은 상기 윗판을 향해 연장되는 상향 돌출부를 가지며,

복수 개의 상기 중간판에 의해 종방향으로 구획된 공간 중에서 상기 분배실을 제외한 공간의 각각에는 별도의 기체 공급포트가 연결되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 샤워헤드는

하나 이상의 반응 기체 샤워헤드 모듈;

상기 반응 기체 샤워헤드 모듈의 하방에 설치되는 퍼지 기체 샤워헤드 모듈;

상기 퍼지 기체 샤워헤드 모듈의 하방에 설치되는 냉각 자켓을 구비하며,

상기 반응 기체 샤워헤드 모듈은 상기 윗판, 위의 중간판, 아래의 중간판과 상기 바닥판을 가져, 상기 윗판과 상기 위의 중간 판 사이의 공간으로 상기 공정 기체 중 반응 기체가 유입되고, 상기 위의 중간 판과 상기 아래의 중간 판 사이의 공간으로 분사 지원 기체가 유입되며, 상기 아래의 중간 판과 상기 바닥판 사이의 공간인 분배실 안에서 상기 반응 기체와 상기 분사지원 기체가 서로 혼합되어 혼합 기체를 형성하도록 이루어지며, 상기 혼합 기체를 기판 위로 분사하기 위해 상기 분사구에는 상기 바닥판 저면에서 하향 돌출되는 복수의 반응 기체 분사 튜브가 구비되고,

상기 퍼지 기체 샤워헤드 모듈은 상기 윗판, 상기 중간판, 상기 바닥판을 가져, 퍼지 기체가 상기 윗판과 상기 중간판 사이의 공간으로 유입되고, 상기 분사구를 통해 분사되도록 이루어지며, 상기 반응 기체 분사 튜브가 통과하되 상기 퍼지 기체 샤워헤드 모듈의 기밀을 유지하도록 하는 퍼지측 안내부가 형성되며,

상기 냉각 자켓에는 상기 퍼지 기체 샤워헤드 모듈의 상기 분사구에서 분사된 퍼지 기체를 통과시키되 냉각 자켓의 기밀을 유지시키는 냉각측 안내관부가 형성되고, 상기 냉각측 안내관부의 적어도 일부는 상기 반응 기체 분사 튜브가 통과하되 상기 반응 기체 분사 튜브가 상기 냉각측 안내관부의 내벽과 틈새를 가져 상 기 틈새로 상기 퍼지 기체가 통과하도록 하는 큰 직경으로 이루어지는 것을 특징으로 하는

샤워헤드를 가지는 반도체 소자 제조 장비.
제6항에 있어서,

상기 반응 기체 샤워헤드 모듈은 서로 상하에 위치하는 상부 모듈, 중간 모듈, 하부 모듈의 3개로 이루어지고,

상기 중간 모듈에는 상기 상부 모듈의 반응 기체 분사 튜브가 통과하되 상기 중간 모듈의 기밀을 유지하도록 하는 중간 모듈 안내부가 구비되고,

상기 하부 모듈에는 상기 상부 모듈의 반응 기체 분사 튜브 및 상기 중간 모듈의 반응 기체 분사 튜브가 통과하되 상기 하부 모듈의 기밀을 유지하도록 하는 하부 모듈 안내부가 구비되며,

상기 반응 기체 분사 튜브는, 상기 냉각 자켓의 바닥면에서 볼 때, 제1 반응 기체를 분사하는 반응 기체 분사 튜브 주위에 제2 반응 기체 및 제3 반응 기체를 분사하는 반응 기체 분사 튜브가 번갈아가면서 6각형의 꼭지점 위치에 놓이도록 배열되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 반도체 소자 제조 장비.
제6항에 있어서,

상기 반응 기체 샤워헤드 모듈은 서로 상하에 위치하는 상부 모듈, 하부 모듈의 2개로 이루어지고,

상기 하부 모듈에는 상기 상부 모듈의 반응 기체 분사 튜브가 통과하되 상기 하부 모듈의 기밀을 유지하도록 하는 하부 모듈 안내부가 구비되며,

상기 반응 기체 분사 튜브는, 상기 냉각 자켓의 바닥면에서 볼 때, 제1 반응 기체를 분사하는 반응 기체 분사 튜브 주위에 제2 반응 기체를 분사하는 반응 기체 분사 튜브가 4각형의 꼭지점 위치에 놓이도록 배열되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 반도체 소자 제조 장비.