KR100929535B1 - 노즐 유닛 및 그 유닛을 갖는 원자층 증착 설비 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자층 증착 (Atomic Layer Deposition; ALD) 설비에 관한 것으로, 원자층 증착 설비는 복수의 기판들이 수납되는 보우트가 수용되는 공정튜브; 상기 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리; 상기 공정튜브 안으로 상기 기판 표면에 박막을 형성하기 위한 공정가스들을 공급하는 노즐유닛을 포함하되; 상기 노즐유닛에는 상기 공정가스의 온도 상승을 억제하기 위하여 쿨링가스가 제공된다.
상술한 구성을 갖는 원자층 증착 설비는 노즐 유닛의 온도 상승을 억제하여 노즐 유닛을 통해 분사되는 제2가스가 기판에 도달하기 전 열분해되는 것을 예방함으로써 기판에 형성되는 산화막 품질을 향상시킬 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
원자층, 증착, 보우트, 노즐
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 설비의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 공정 튜브에 설치된 노즐 유닛의 사시도이다.
도 3은 도 2에 표시된 a-a선을 따라 절취한 노즐 유닛의 단면도이다.
도 4는 노즐 유닛에서의 쿨링가스의 흐름을 보여주는 요부확대 단면도이다.
도 5는 쿨링가스의 공급공간과 배출공간을 갖는 외부관을 갖는 노즐유닛의 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 노즐유닛의 측단면도이다.
도 7은 도 5에 도시된 노즐 유닛의 평단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 공정 튜브
200 : 보우트
300 : 노즐 유닛
310 : 내부관
320 : 외부관
330 : 배출관
본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 노즐 유닛과 배치식의 원자층 증착 (Atomic Layer Deposition; ALD) 설비에 관한 것이다.
디바이스(Device)가 점점 고집적화됨에 따라 불순물이 적고 우수한 스텝 커버리지(step coverage)를 가지는 박막 증착이 요구되어지고 있다. 박막의 증착 방법으로는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)등 여러 방식이 있으며 또한 많이 사용되어지고 있다. 이 중 원자층 증착법의 경우 불순물의 유입을 최대한 억제하고 균일한 두께의 박막을 증착하기 위해 많이 사용되어 지고 있다.
그러나, 이러한 원자층 증착 장치에서, 노즐은 석영 재질로 되어있어 기판을 가열시키는 히터로부터의 복사열로 인하여 가열되며, 노즐을 통하여 기판으로 제공되는 반응 가스도 가열되고, 가열되어진 반응 가스는 열분해되어 기판으로 공급된다.
상기와 같은 현상은 일반적인 LP-CVD 방식에서는 차가운 반응 가스가 기판에 공급되기 전에 프리 히팅(예비가열)의 효과가 있어서 가스 화학 반응에 유효하게 작용한다. 하지만, 원자층 증착 방식의 박막 공정 중 특히 금속 산화막 형성에 있어서 산화 가스로 사용되는 오존 가스의 경우 열로 인하여 열분해가 일어나게 되면 기판으로 공급되는 오존의 농도와 라이프 타임이 저하되어 산화막 품질의 저하를 초래하게 된다.
본 발명의 목적은 오존 가스 등 열에 취약한 가스의 안정적인 공급이 가능한 노즐 유닛 및 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 노즐의 온도 상승을 방지할 수 있는 노즐 유닛 및 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 반도체 제조를 위한 노즐유닛은 공정가스가 공급되는 제1통로를 갖는 내부관; 상기 제1통로로 공급되는 공정가스의 온도 상승을 방지하기 위해 상기 내부관을 감싸는 외부관; 및 상기 외부관을 관통하여 상기 내부관의 제1통로와 연결되며, 상기 내부관의 제1통로로 공급되는 공정가스가 분사되는 분사관들을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부관은 상기 내부관을 쿨링하기 위한 쿨링가스가 공급되는 제2통로를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부관은 상기 쿨링가스가 상기 제2통로에서 지그재그로 흐르도록 수평한 리브들을 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 노즐유닛은 상기 외부관으로 공급되는 쿨링가스가 배출되는 배출관을 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부관의 제2통로는 상기 쿨링가스가 유입 되는 공간과, 쿨링가스가 배출되는 공간으로 구획된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부관은 상기 제2통로가 쿨링가스가 유입되는 공간과, 쿨링가스가 배출되는 공간으로 구획되도록 격벽을 더 포함한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비는 복수의 기판들이 수납되는 보우트가 수용되는 공정튜브; 상기 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리; 상기 공정튜브 안으로 상기 기판 표면에 박막을 형성하기 위한 공정가스들을 공급하는 노즐유닛을 포함하되; 상기 노즐유닛에는 상기 공정가스의 온도 상승을 억제하기 위하여 쿨링가스가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 노즐유닛은 공정가스가 공급되는 제1통로를 제공하는 내부관; 및 상기 쿨링가스가 공급되는 제2통로를 제공하는 외부관을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 노즐 유닛은 공정가스가 공급되는 제1통로를 갖는 내부관; 상기 제1통로로 공급되는 공정가스의 온도 상승을 방지하기 위해 상기 내부관을 감싸는 그리고 상기 쿨링가스가 흐르는 외부관; 및 상기 외부관을 관통하여 상기 내부관의 제1통로와 연결되며, 상기 내부관의 제1통로로 공급되는 공정가스가 상기 기판들로 분사되는 분사관들을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부관은 상기 쿨링가스가 상기 제2통로에서 지그재그로 흐르도록 수평한 리브들을 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 노즐유닛은 상기 외부관으로 공급되는 쿨링가스가 배출되는 배출관; 및 상기 외부관과 상기 배출관을 연결하는 연결관을 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부관의 제2통로는 상기 쿨링가스가 유입되는 공간과, 쿨링가스가 배출되는 공간으로 구획된다.
예컨대, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 7에 의거하여 상세히 설명한다. 또, 상기 도면들에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.
본 발명의 기본적인 특징은 오존 가스 등의 열에 취약한 가스의 안정적인 공급을 위해 노즐의 온도 상승을 방지할 수 있는 노즐 유닛을 갖는데 그 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 설비의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 원자층 증착 설비(10)는 복수의 기판(w)들이 적재되는 보우트(200), 이 보우트(200)가 수용되는 내측튜브(102)와 외측튜브(104)를 갖는 공정 튜브(100), 공정튜브(100)를 둘러싸고 있는 히터 어셈블리(110), 보우트(200)를 지지하고 공정 튜브(100)의 플랜지(120)에 결합되는 시일 캡(210) 그리고 공정튜브(100)로 기판 표면에 박막 증착에 기여하는 가스들을 공급하는 노즐 유닛(300)을 포함한다.
-공정 튜브-
공정 튜브(100)는 돔 형상의 원통관 형상으로 이루어진다. 공정 튜브(100)는 웨이퍼(w)가 적재된 보우트(200)가 로딩되어 웨이퍼들 상에 원자층 증착 공정이 진행되는 내부 공간을 제공한다. 공정 튜브(100)는 높은 온도에서 견딜 수 있는 재질, 예컨대 석영으로 제작될 수 있다.
공정튜브(100)의 플랜지(120) 일측에는 내부를 감압시키기 위해 내부 공기를 강제 흡입하여 배기하기 위한 배기 포트(122)가 마련되어 있고, 그 배기구(122) 반대편에는 공정 튜브(100) 내부로 공정 가스를 주입하기 위한 노즐 유닛(300)이 설치되어 있다. 배기 포트(122)는 공정시 공정 튜브(100) 내 공기를 외부로 배출시키기 위해 제공된다. 배기 포트(122)는 배기라인(미도시됨)과 연결되며, 배기 포트(122)를 통해 공정 튜브(100)로 공급되는 공정 가스의 배기 및 내부 감압이 이루어진다.
-보우트-
보우트(200)는 50장(또는 그 이상)의 웨이퍼들이 삽입되는 슬롯들을 구비한다. 보우트(200)는 시일캡 상에 장착되며, 시일 캡(210)은 엘리베이터 장치인 구동부(230)에 의해 공정 튜브(100) 안으로 로딩되거나 또는 공정 튜브(100) 밖으로 언 로딩된다. 보우트(200)가 공정 튜브(100)에 로딩되면, 시일캡(210)은 공정 튜브(100)의 플랜지(120)와 결합된다. 한편, 공정 튜브(100)의 플랜지(120)와 시일 캡(210)이 접촉하는 부분에는 실링(sealing)을 위한 오-링(O-ring)과 같은 밀폐부재가 제공되어 공정가스가 공정 튜브(100)와 시일 캡(210) 사이에서 새어나가지 않도록 한다.
도 2는 공정 튜브에 설치된 노즐 유닛의 사시도이다. 도 3은 도 2에 표시된 a-a선을 따라 절취한 노즐 유닛의 단면도이다. 도 4는 노즐 유닛에서의 쿨링가스의 흐름을 보여주는 요부확대 단면도이다.
-노즐 유닛-
도 1 내지 도 4를 참조하면, 노즐 유닛(300)은 오존 가스 등 열에 취약한 가스의 특성을 유지할 수 있도록 내부관(310), 외부관(320) 그리고 배출관(330)을 포함한다.
내부관(310)은 외부관(320) 내부에 위치된다. 내부관(310)은 박막 형성을 위한 제1가스(기판 표면에 전구체막을 형성하기 위한 가스)와 제2가스(상기 전구체막을 산화시켜 금속 산화막을 형성하기 위한 산화제, 주로 오존이 사용됨)를 순차적으로 보우트(200)에 적재된 웨이퍼들로 분사한다. 내부관(310)은 외부의 가스 공급부(316)를 통해 제1가스(x1)와 제2가스(x2)를 순차적으로 제공받으며, 가스는 제1통로로 공급되어 분사관(314)들을 통해 기판을 향해 분사된다. 분사관(314)들은 외부관(320)을 관통하여 내부관(310)의 제1통로(312)와 연결된다. 예컨대, 제2가 스(x2)는 산소 라디칼을 발생시킬 수 있는 활성화된 산화제를 포함하는 하나 이상의 산화제를 포함할 수 있다. 활성화된 산화제는 플라즈마 생성기에 의해 형성된 오존(O3), 플라즈마 O2, 리모트 플라즈마 O2 및 플라즈마 N2O를 포함할 수 있다. 도면에는 내부관의 분사관(314)들이 기판들의 간격보다 넓게 배치되어 있지만, 필요에 따라서는 내부관(310)의 분사관(312)들은 보우트(200)에 놓여진 기판들 사이사이로 가스를 분사할 수 있도록 조밀하게 배치될 수 있으며, 이 경우 기판 상의 반응성을 향상시키고 가스의 사용량을 최적화하여 불필요한 가스의 소모량을 줄일 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 외부관(320)은 내부관(310)을 감싸도록 형성되며, 도시하지 않았지만 제작의 편의를 위해 제1몸체와 제2몸체로 제작되어 조립될 수 있다. 외부관(320)과 내부관(310) 사이에는 제2통로(322)가 제공되며, 제2통로(322)에는 외부로부터 쿨링가스가 공급된다. 외부관(320)은 내부관(310)이 히터 어셈블리(110)로부터 제공되는 복사열로 인해 가열되는 것을 방지하기 위한 것이다. 외부관(320)의 제2통로(322)로 공급되는 쿨링가스는 복사열을 흡수한 후, 별도로 마련된 배출관(330)을 통해 공정 튜브(100) 밖에서 방출된다. 여기서 쿨링가스는 질소가스, 아르곤가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스가 사용될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 외부관(320)의 제2통로(322)에는 제1리브(324a)들과 제2리브(324b)들이 수평하게 설치된다. 이 리브들(324a,324b)은 쿨링가스가 제2통로(322)에서 지그재그로 흐르도록 방향성을 제공한다. 도 3에서와 같이, 제1리브(324a)는 왼쪽, 제2리브(324b)는 오른쪽에 위치되며, 제1리브(324a)와 제2리브(324b)는 서로 교차되게 제2통로(322)에 배치된다. 내부관(310)은 외부관(320)의 제2통로(322)로 공급되는 쿨링가스에 의해 온도 상승을 최소화할 수 있다. 외부관(320)의 제2통로(322)로 공급되어 온도가 올라간 쿨링가스는 외부관(320)의 상단에 배출관(330)과 연결된 연결관(332)을 통해 배출관(330)으로 공급되어 외부로 배출된다.
도 5는 쿨링가스의 공급공간과 배출공간을 갖는 외부관을 갖는 노즐유닛의 사시도이다. 도 6은 도 5에 도시된 노즐유닛의 측단면도이다. 도 7은 도 5에 도시된 노즐 유닛의 평단면도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 노즐 유닛(300a)은 배출관을 별도로 구성하지 않고 외부관(320)에 쿨링가스의 공급과 배출이 가능하도록 구현하였다. 즉, 외부관(320)은 제2통로(322)를 쿨링가스가 유입되는 공간(322a)과 쿨링가스가 배출되는 공간(322b)으로 구획된다. 이를 위해 외부관(320)의 제2통로(322)는 격벽(326)에 의해 공급공간(322a)과 배출공간(322b)으로 구획되며, 외부관(320)의 끝부분에는 공급공간(322a)에서 배출공간(322b)으로 쿨링가스가 제공되도록 개방되어 있다. 공급공간(322a)은 가능한 히터어셈블리(110)와 가까운 측에 위치되는 것이 바람직하다. 외부관(320)은 쿨링가스 공급용 포트(328a)와, 쿨링가스 배출용 포트(328b)가 제공된다.
상술한 구성을 갖는 노즐 유닛(300,300a)은 히터 어셈블리(110)로부터 제공되는 복사열로 인한 공정 튜브(100) 내부의 온도가 고온이 되더라도 외부관(320)의 제2통로(322)로 공급되는 쿨링가스가 내부관(310)으로 제공되는 복사열을 흡열함으 로써 내부관(310)의 온도 상승을 방지할 수 있다. 이처럼, 쿨링가스가 공급되는 외부관(320)은 내부관(310)의 온도 상승을 억제하여 내부관(310)을 통해 분사되는 제2가스(상기 전구체막을 산화시켜 금속 산화막을 형성하기 위한 산화제, 주로 오존이 사용됨)가 기판에 도달하기 전 열분해되는 것을 예방함으로써 기판에 형성되는 산화막 품질을 향상시키고 공급가스의 사용량을 감소시켜 원가 절감 등의 효과를 볼 수 있다.
참고로, 아래 표1은 온도에 따른 오존의 라이프 타임을 보여주는 표이다.
| 온도 | O3 라이프 타임 |
| -50℃ | ∼3달 |
| -25℃ | ∼18일 |
| 20℃ | ∼3일 |
| 250℃ | ∼1.5초 |
상기와 같이, 내부관(310)의 온도가 높을수록 오존 가스의 경우 열로 인한 열분해가 일어나서 기판으로 공급되는 오존의 농도와 라이프 타임이 떨어지게 된다. 하지만, 본 발명에서는 쿨링가스가 공급되는 외부관에 의해 내부관의 온도 상승을 방지하기 때문에 오존 가스등이 기판에 도달하기 전 열분해되는 것을 방지하게 된다.
이상에서, 본 발명에 따른 퍼니스형 반도체 설비의 구성 및 작용을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 히터 어셈블리로부터 제공되는 복사열로 인한 공정 튜브 내부의 온도가 고온이 되더라도 외부관을 통해 내부관으로 제공되는 복사열을 신속히 외부로 방출하여 외부관의 온도 상승을 억제할 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 외부관으로 공급되는 쿨링가스의 유량 및 온도 등에 따라 내부관의 설정온도를 결정할 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 내부관의 온도 상승을 억제하여 내부관을 통해 분사되는 제2가스가 기판에 도달하기 전 열분해되는 것을 예방함으로써 기판에 형성되는 산화막 품질을 향상시킬 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 내부관을 통해 공급되는 오존의 농도와 라이프 타임을 향상시킬 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
Claims (12)
- 반도체 제조를 위한 노즐유닛에 있어서:공정가스가 공급되는 제1통로를 갖는 내부관;상기 제1통로로 공급되는 공정가스의 온도 상승을 방지하기 위해 상기 내부관을 감싸는 외부관; 및상기 외부관을 관통하여 상기 내부관의 제1통로와 연결되며, 상기 내부관의 제1통로로 공급되는 공정가스가 분사되는 분사관들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
- 제1항에 있어서,상기 외부관은 상기 내부관을 쿨링하기 위한 쿨링가스가 공급되는 제2통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
- 제2항에 있어서,상기 외부관은 상기 쿨링가스가 상기 제2통로에서 지그재그로 흐르도록 수평한 리브들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
- 제1항에 있어서,상기 노즐유닛은상기 외부관으로 공급되는 쿨링가스가 배출되는 배출관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
- 제2항에 있어서,상기 외부관의 제2통로는 상기 쿨링가스가 유입되는 공간과, 쿨링가스가 배출되는 공간으로 구획되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
- 제2항에 있어서,상기 외부관은상기 제2통로가 쿨링가스가 유입되는 공간과, 쿨링가스가 배출되는 공간으로 구획되도록 격벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
- 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비에 있어서:복수의 기판들이 수납되는 보우트가 수용되는 공정튜브;상기 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리;상기 공정튜브 안으로 상기 기판 표면에 박막을 형성하기 위한 공정가스들을 공급하는 노즐유닛을 포함하되;상기 노즐유닛에는 상기 공정가스의 온도 상승을 억제하기 위하여 쿨링가스가 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
- 제7항에 있어서,상기 노즐유닛은공정가스가 공급되는 제1통로를 제공하는 내부관; 및상기 쿨링가스가 공급되는 제2통로를 제공하는 외부관을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
- 제7항에 있어서,상기 노즐 유닛은공정가스가 공급되는 제1통로를 갖는 내부관;상기 제1통로로 공급되는 공정가스의 온도 상승을 방지하기 위해 상기 내부관을 감싸는 그리고 상기 쿨링가스가 흐르는 외부관; 및상기 외부관을 관통하여 상기 내부관의 제1통로와 연결되며, 상기 내부관의 제1통로로 공급되는 공정가스가 상기 기판들로 분사되는 분사관들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
- 제8항 또는 제9항에 있어서,상기 외부관은 상기 쿨링가스가 상기 제2통로에서 지그재그로 흐르도록 수평한 리브들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
- 제8항 또는 제9항에 있어서,상기 노즐유닛은상기 외부관으로 공급되는 쿨링가스가 배출되는 배출관; 및상기 외부관과 상기 배출관을 연결하는 연결관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
- 제8항 또는 제9항에 있어서,상기 외부관의 제2통로는 상기 쿨링가스가 유입되는 공간과, 쿨링가스가 배출되는 공간으로 구획되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
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