KR101011152B1 - 기판받침대를 가지는 막 형성 장치 - Google Patents

기판받침대를 가지는 막 형성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면은 기판에 대해 원하는 성분의 막을 증착하거나 식각하는 막 형성 장치에서 기판받침대를 사용함으로써 기판이 놓이는 히팅 블록의 오염을 최소화하고, 히팅 블록의 오염으로 인한 기판의 온도 불균일성을 해소하고, 증착이나 식각 중 히팅 블록 윗면의 바깥영역으로부터 기판쪽으로의 열영동에 의한 원하지 않는 물질전달을 억제하여 막 형성 공정의 신뢰성을 높임과 아울러 히팅 블록의 잦은 청소에 대한 부담을 덜어서 막 형성에서의 생산성을 향상시키는 것이다. 본 발명의 다른 측면은 기판받침대를 이송에 의해 반응실 안으로 도입하고, 기판이 안착된 기판받침대는 히팅 블록의 윗면을 완전히 덮음으로써 히팅 블록 윗면에 원하지 않는 증착이 이루어지거나 손상이 생기는 것을 근본적으로 차단하고, 히팅 블록 측면에는 분리 가능한 보호 덮개를 두어서 히팅 블록의 측면 자체의 오염을 방지하고, 소정의 횟수만큼의 막 형성 공정이 진행된 후에 기판받침대는 반응실 밖으로 이송되어 나오고, 세척되어 다음 공정에 대비하게 된다.
막 형성, 이송, 기판, 오염, 기판받침대, 균일성, 히팅 블록, 열영동

Description

기판받침대를 가지는 막 형성 장치{Apparatus having a substrate holder for film forming}
본 발명은 막 형성 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응실 내에서 증착이나 식각 공정을 통해 기판 상에 막을 형성함에 있어서 기판이 기판받침대에 안착된 채로 히팅 블록에 의해 가열되는 막 형성 장치에 관한 것이다.
일반적으로 막 형성 장치에서 막을 증착하는 장비는 크게 물리적인 방법을 사용하는 장치와 화학적인 방법을 사용하는 장치의 두 가지로 구분된다. 전자의 대표적인 장치로는 스퍼터가 있고 후자의 대표적인 장비로는 화학기상증착(CVD) 장치가 있다.
스퍼터는 반응실 내 양극과 음극 사이에 강한 전기장을 가하여 반응실 내로 유입되는 아르곤, 또는 질소 등의 기체를 이온화하여 가속시킨 후 증착할 막의 성분으로 구성된 타겟에 충돌시켜 타겟으로부터 매우 작은 입자 단위의 막 성분을 이탈시켜 증착 대상물인 기판 위에 원하는 막을 증착시키는 장치를 말한다. 스퍼터에서는 막의 품질을 향상하기 위해 기판을 가열하기도 한다.
화학기상증착 장치는, 기체 상태의 반응 기체를 반응실로 유입시키고, 유입 된 반응 기체가 기판 위에서 화학 반응을 일으켜 원하는 막을 형성하는 장치를 말하는데, 화학반응을 유도하는 에너지를 공급하기 위해서는 기판을 가열하게 되고, 여기에 더해 전장을 가하든가 자계장을 가하든가 하여 기판 위의 분위기를 플라즈마 상태로 만들어 반응 기체를 원자적으로 들뜨게(exciting) 하는 방법이 널리 쓰인다. 반응이 끝나면 부산물 기체는 반응실 출구와 진공펌프를 포함하는 배기계통과 적절한 정화장치를 차례로 거쳐 외부로 배출된다.
그런데 증착반응은 기판 위에서만 일어나는 것은 아니며, 기판을 받치고 있으면서 기판을 가열하는 기능을 가진 히팅 블록의 표면에서도 일어난다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 증착 공정을 수행하는 종래의 막 형성 장치는, 기판(W)에 대한 물질 막 증착 공정이 이루어지는 공간을 이루는 반응실(1)과, 상기 반응실(1) 내에 구비되며 기판(W)을 받쳐 지지하고 가열하는 히팅 블록(2)으로 구성된 것으로, 히팅 블록(2) 윗면에서 기판(W)이 안착되는 영역의 바깥영역 및 히팅 블록(2)의 측면 등에도 원치 않는 증착이 발생한다.
원치 않는 증착물의 제거를 위해서는 증착이 끝난 기판이 반응실(1) 밖으로 나가고 새 기판이 들어오기까지의 시간 동안에 히팅 블록(2)에 증착된 물질과 화학반응하여 기체화합물을 만들 수 있는 또 다른 반응 기체, 가령 C2F6와 같은 기체를 흘려 이때 생성되는 기체화합물을 반응실(1) 밖으로 배기시키거나, 혹은 부식 기체, 가령 염소와 같은 기체를 흘려 히팅 블록(2) 자체를 부식시키고 이때 탈착되는 오염물질을 반응실(1) 밖으로 배기시키는 방법이 주로 사용된다.
상기 과정에서 반응실(1) 내부를 플라즈마 상태로 만들 수도 있다. 그러나 기판(W) 위에 증착되는 물질이 세라믹 계통일 때, 가령 지르코늄 옥사이드 같은 고유전체 세라믹의 증착에서는 지르코늄 옥사이드가 히팅 블록(2)에도 증착될 수 있으며, 오염물의 일종인 하얀 가루형태의 지르코늄 하이드록사이드가 히팅 블록(2)에 증착될 수도 있다. 또한 증착대상물이 PZT와 같은 다성분계의 강유전체일 때는 PZT가 히팅 블록(2)에 증착될 수 있음은 물론, 노란가루 형태의 산화납도 히팅 블록에 증착될 수 있다.
이러한 문제는 증착공정의 신뢰성에도 좋지 않은 영향을 미치는데, 가령 도 2에서 보는 바와 같이 히팅 블록(2)의 윗면에 원치 않는 증착물(3)이 존재하면 히팅 블록(2) 위에 놓이는 기판(W)과 히팅 블록(2) 윗면 사이에 조절 불가능한 불균일한 틈새(g1,g2)가 존재하며, 이 틈새(g1,g2)는 비록 그 값이 수 ㎛에 불과할지라도 히팅 블록(2)으로부터 기판(W)으로의 정상적인 열전달을 방해하여 기판(W) 위의 온도를 변화시키고 온도 분포를 불균일하게 만드는 원인으로 작용한다.
또한 히팅 블록(2) 윗면에서 기판(W)이 안착되는 영역(2a)을 제외한 영역에 해당하는 히팅 블록 바깥영역(2b) 윗면의 온도는 기판(W) 윗면의 온도보다 높게 되는데, 도 2에서 굽은 화살표로 표시되듯이 일반적으로 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 물질전달이 일어나는 열영동(thermo-phoresis) 효과에 의해 히팅 블록 바깥영역(2b)의 증착물(3)로부터 기판(W)이 안착되는 영역(2a) 쪽으로 전혀 생각하지 못한 형태로 물질이 이동할 수도 있고, 이로 인해 특히 기판(W)의 가장자리부 영역쪽 에 원하지 않는 조성과 두께의 막이 형성될 수도 있다.
이러한 문제가 발생한다는 것과 관련하여서는 기판(W) 위에 증착된 막의 색이 영역별로 다를 수 있다는 것이 눈으로도 충분히 확인이 가능하지만, 증착된 다성분계의 막, 가령 PZT 막에서 Pb, Zr, Ti의 각 성분의 조성분석을 통해 기판(W) 가장자리부 영역과 기판(W) 중심부에서의 해당 성분의 조성이 서로 많은 차이가 날 수도 있다는 것을 검증해볼 수 있다.
이렇듯 종래의 기판 안착 방법, 즉 기판(W)보다 넓은 면적의 히팅 블록(2) 위에 단순히 기판(W)을 안착시키는 경우에서는 기판(W) 온도의 불균일성, 혹은 히팅 블록 (2)위에서의 원치 않는 증착물(3)로 인해 공정 자체의 신뢰성이 위협받을 수도 있음은 물론, 히팅 블록(2)을 주기적으로 청소해주는 것이 매우 까다롭거나 기피 대상의 공정이 될 수 있는 것이다.
앞에서 열거한 바와 같은 히팅 블록(2) 위에서의 원치 않는 증착물(3)은 그 조직이 치밀하여 염소와 같은 부식성 기체에 의해서도 그 밑에 감추어진 히팅 블록(2)을 균일하게 부식하는 것이 어려울 수 있으며, 이들 원치 않는 증착물(3)을 기체화합물로 만들 수 있는 적절한 반응 기체도 찾기 힘든 경우가 많다.
따라서 주기적으로, 즉 정기보수 기간 동안에 히팅 블록(2)에 증착된 원치 않는 물질을 기계적인 방법, 가령 부직포 등으로 문지른다든가 하는 방법에 의해 제거해왔으며, 이러한 공정은 기피 대상의 작업으로 꼽혀왔다.
그리고 막의 식각에 의한 막의 패터닝을 행하는 에처와 같은 막 형성장치에서도 부식성 기체에 의해서 히팅 블록 표면에서의 원치 않는 손상이 발생하게 되 며, 이 경우도 증착 공정을 행하는 막 형성장치에서의 경우와 마찬가지로 막질에 좋지 않은 영향을 주고, 히팅 블록의 수명을 저하시키는 원인으로 작용할 수 있는 것이다.
본 발명은 기판을 기판받침대에 안착시킨 채로 히팅 블록 위에 올려놓음으로써 위에서 열거한 여러 가지 문제점, 즉 히팅 블록이 오염되어 이를 주기적으로 청소해 주어야 하는 것, 히팅 블록 위에 원하지 않는 증착물이 생겨서 기판으로의 균일한 열전달을 방해하여 공정의 신뢰도를 떨어뜨리는 것, 히팅 블록 바깥영역으로부터 기판 쪽으로 원치 않는 물질 전달이 발생하는 것, 기판 바깥영역의 증착물 두께 및 조성이 기판 중심부에서와 심각하게 달라지는 것 등을 방지하기 위한 막 형성 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판에 대한 물질 막 증착, 또는 식각 공정이 진행되는 공간을 이루는 반응실과, 상기 반응실 내에 구비되며, 상기 기판에 대한 공정의 진행에 필요한 에너지를 공급하기 위해 그 윗면을 통한 열전달에 의해 기판을 가열하는 히팅 블록과, 이송에 의해 상기 반응실로 도입되고, 이송에 의해 반응실로부터 회수되며, 상기 히팅 블록 위에 놓이면서 상기 기판을 안착하여 지지하는 기판받침대를 구비하는 막 형성 장치에 특징이 있다.
이때, 상기 기판받침대에 기판이 안착된 상태로 이송에 의해 반응실로 도입 되고, 상기 기판받침대에 기판이 안착된 상태로 이송에 의해 반응실로부터 회수되는 것이 바람직하며, 상기 기판받침대의 윗면에는 기판이 안착되기 위한 안착홈을 구비하되, 안착홈의 바닥면이 평평하도록 형성하는 것이 좋다.
또한, 본 발명은 상기 기판받침대의 안착홈의 바닥면에는 상기 기판이 상기 기판받침대에 안착되는 동작을 안내하는 리프트 핀이 통과하기 위한 복수의 관통구멍을 형성하고, 상기 기판받침대의 윗면에는 기판이 안착되기 위한 안착홈을 구비하되, 상기 안착홈에서 상기 기판을 지지하는 바닥면은 가장자리에서 가운데로 갈수록 아래 방향으로 오목한 구조를 이루도록 형성한다.
또한, 상기 기판받침대의 윗면에는 기판이 안착되기 위한 안착홈을 구비하되, 상기 안착홈의 가운데 부분은 개방 관통구를 형성하여 제거하고, 상기 안착홈의 가장자리 부분의 바닥면은 기판 가장자리를 지지하기 위한 지지부를 이루도록 형성한다.
특히 상기 안착홈이 시작되는 벽면은 상기 기판받침대 윗면에서부터 상기 기판을 지지하는 안착홈의 바닥면까지 경사를 이루도록 형성하고, 상기 안착홈은 상기 안착홈에 안착되는 상기 기판의 윗면으로부터 상기 기판받침대 윗면까지의 돌출부 높이가 2~10mm가 되도록 형성하며, 상기 기판받침대는 외주의 일측에 플랫존을 가지도록 형성한다.
그리고 상기 기판받침대의 외주는 상기 히팅 블록의 외주보다 크고, 상기 기판받침대는 상기 기판을 안착한 상태에서 상기 히팅 블록의 윗면을 완전히 가리도록 상기 히팅 블록 위에 놓이는 것이 바람직하다.
본 발명 장치는 상기 기판이 안착되는 상기 기판받침대 중앙부 영역의 바깥쪽에 해당하는 상기 기판받침대의 주변부에 상기 기판받침대와 상기 히팅 블록의 정렬을 위해 복수의 정렬구멍이 형성되며, 상기 히팅 블록의 윗면에는 상기 복수의 정렬구멍에 삽입되는 복수의 돌출핀이 형성된다.
또한 본 발명은, 상기 히팅 블록과 분리가능하고 상기 히팅 블록의 측면 둘레를 감싸는 측면 보호 덮개를 더욱 구비하며, 상기 측면 보호 덮개의 윗면에는 단이 진 복수의 돌출핀을 형성하고, 상기 기판받침대의 주변부에는 상기 측면 보호 덮개의 돌출핀이 삽입되는 복수의 정렬구멍을 형성하며, 상기 돌출핀에 형성된 단에 의해 상기 기판받침대의 아랫면과 상기 히팅 블록 윗면 사이에는 측면이 개방된 이격 공간을 형성한 막 형성 장치에 특징이 있다.
또한 본 발명은, 상기 기판받침대의 아랫면과 상기 히팅 블록의 윗면 사이에서 상기 히팅 블록의 가장자리를 따라서 놓이면서, 단면이 4각형인 C자 형상 고리 형태를 가지는 스페이서를 더욱 구비한 막 형성 장치에 특징이 있다.
또한 본 발명은, 상기 히팅 블록은 내부에 내부 공간을 형성하고, 이 내부 공간에 발열체를 구비하며, 상기 내부 공간의 지붕에 해당하면서 상기 히팅 블록의 윗판을 구성하는 히팅 블록상부판은 상기 기판받침대를 마주보는 평평한 윗면과 상기 내부 공간을 마주보는 아랫면을 가지되, 상기 아랫면은 상기 내부 공간의 가장자리에서 중심으로 가면서 아래쪽으로 경사가 져서 상기 히팅 블록상부판의 두께가 상기 내부 공간의 가장자리에서 중심으로 갈수록 두꺼워지도록 형성된 막 형성 장치에 특징이 있다.
이때, 상기 내부 공간의 절대압력은 10 Torr 이하로 유지하고, 상기 발열체는 원판 형상으로 이루어지며 상기 발열체의 외경은 상기 기판의 평면상의 크기보다는 크고, 상기 기판받침대의 평면상의 크기보다는 작게 형성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 기판받침대의 두께 방향 열전도도가 상기 기판의 두께 방향 열전도도의 30% 이내인 것이 좋다.
이러한 특징적 구성을 가지는 본 발명은, 기판이 놓이는 기판받침대에 의해 히팅 블록 윗면에서의 원하지 않는 오염, 또는 손상을 방지할 수 있어서 히팅 블록을 주기적으로 청소하는 부담이 크게 줄어드는 효과가 있다.
또한 본 발명은 기판 윗면의 온도가 기판을 안착하는 기판받침대 윗면의 온도보다 높게 됨에 따라 히팅 블록 바깥영역, 혹은 기판받침대 바깥영역으로부터 기판 쪽으로 물질 전달을 억제하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 히팅 블록 측면 둘레를 감싸는 측면 보호 덮개만 분리하여 주기적으로 세척해줄 수 있기 때문에 히팅 블록 측면에 대한 오염 및 청소에 대한 부담을 크게 줄여주는 효과가 있다.
또한 본 발명은 기판 위에서 보다 균일한 온도분포를 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 기판받침대를 이송에 의해 반응실로 도입하고, 소정의 횟수만큼의 막 형성 공정을 거친 기판받침대는 반응실 밖으로 이송되어 나오며, 기판받 침대는 다음 공정에 다시 투입되기 전에 세척되기 때문에 항상 깨끗한 기판받침대 위에 기판을 안착하여 증착 또는 식각 공정을 행함으로써 히팅 블록의 오염을 방지하는 효과가 있음은 물론 기판의 가루에 의한 오염을 대폭 줄여준다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 막 형성장치를 나타낸 것으로, 기판(W)에 대한 물질 막 증착 또는 식각 공정이 이루어지는 공간을 이루는 반응실(10)과, 상기 반응실(10) 내에 구비되며 기판(W)을 받쳐 지지하고 가열하는 히팅 블록(20)과, 상기 반응실(10) 내에서 상기 히팅 블록(20) 위에 놓이면서 기판(W)이 안착되는 기판받침대(30)를 구비한다.
상기 기판받침대(30)는 로봇 등의 이송기구(미도시)에 의해 반응실(10) 내로 도입되고, 히팅 블록(20)의 상하동작, 혹은 로봇 아암(미도시)의 상하 동작에 의해 히팅 블록(20) 위에 놓이게 된다. 이때 기판받침대(30)에 기판(W)이 안착된 채로 반응실(10)로 도입될 수도 있으며, 기판받침대(30)만 먼저 반응실(10)로 도입되어 히팅 블록(20) 위에 놓인 뒤에 기판(W)이 다시 반응실(10)로 도입되어 기판받침대(30)에 안착될 수도 있다. 단, 후자의 경우 기판(W)을 기판받침대(30)에 안착하기 위해 3핀 리프팅 구동기구(미도시)가 추가로 히팅 블록(20) 내에 구비되는 것이 바람직하다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판받침대(30)의 단면 형상 에 있어서 여러 가지 다른 변형예를 나타낸 것이다. 우선, 도 4에서는 기판받침대(30)의 가운데 부분에 기판(W)의 형상과 같은 모양을 가지는 안착홈(31)이 형성되고, 이 안착홈(31)의 바닥면(31b)은 평평하며, 기판(W)을 지지하게 된다.
바닥면(31b)의 벽체 부분의 두께(t1)는 적절한 범위의 값, 가령 1~5mm의 값을 가지는 것이 바람직한데, 이는 t1의 값이 대략 1mm 이하이면 바닥면(31b) 벽체에 열변형이 일어나기 쉽고, t1의 값이 대략 5mm 이상이면 히팅 블록(20)으로부터 바닥면(31b) 벽체를 통한 열전달이 원활하지 않게 되기 때문이다. 한편 안착홈(31)의 바닥면(31b)에는 기판(W)이 기판받침대(30)에 안착되는 동작과 관련하여 리프트 핀(미도시)이 통과하는 관통구멍(36)을 형성한다. 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명한다.
또한, 도 5에서와 같이 안착홈(31)의 중심으로 갈수록 안착홈(31)의 두께가 감소하게끔, 즉, 안착홈(31)의 바닥면(31b) 형상을 아래로 오목하게 형성하는 것도 가능하다. 이렇게 하면 공정 중에 기판(W)이 열변형을 일으켜서 기판(W)의 가장자리 부분이 안착홈(31)의 바닥면(31b)으로부터 들리는 것을 최대한 방지해준다. 한편 안착홈(31)의 바닥면(31b)에는 기판(W)이 기판받침대(30)에 안착되는 동작과 관련하여 리프트 핀(미도시)이 통과하는 구멍(36)을 둘 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명한다.
또한, 도 6에서와 같이 안착홈(31)의 가운데 쪽 영역에서 안착홈(31)의 바닥면(31b) 벽체 일부를 제거하여 개방 관통구(32a)를 형성함으로써 기판(W)의 가장자리를 받치는 지지부(32)가 턱이 지도록 할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판받침대(30) 단면의 또 다른 변형예를 나타낸 것으로, 우선, 도 7에서와 같이 기판(W)이 기판받침대(30)의 중심부에 자발적으로 안착하는 것을 돕기 위해서 동그라미 안에 표시한 것처럼 안착홈(31)의 벽면(31a)을 경사지게 형성할 수 있다.
또한 도 8에서와 같이 안착홈(31)은 충분히 깊어서 기판받침대(30)에 안착된 기판(W)의 윗면으로부터 기판받침대(30) 가장자리가 돌출되도록 돌출부(34)를 둘 수 있다. 이것은 기판(W) 가장자리의 온도가 기판(W) 중심부의 온도보다 낮아지는 것을 방지하기 위한 것으로 뒤에서 보다 자세히 설명될 것이다.
그리고 기판받침대(30) 안착홈(31)의 평면 형상은 기판(W)의 평면 형상과 닮은 것이 바람직한데, 도 9에서는 기판(W)이 플랫존(W1)을 가짐에 따라 기판받침대(30)의 안착홈(31)도 플랫존(31c)을 가지는 것을 보여준다. 그리고 기판받침대(30)의 취급의 편리성을 위해서 기판받침대(30) 외주 형상도 플랫존(35)을 가질 수 있다. 이 경우 외주의 플랫존(35)과 내주의 플랫존(31c)이 서로 반드시 같은 방향에 있을 필요도 없으며 외주의 플랫존(35)의 수가 2개일 수도 있다. 그리고 기판받침대(30)의 히팅 블록(20) 위에서의 정치를 돕기 위해서 기판받침대(30)의 바깥영역(30b)에 해당하는 적당한 곳에 복수의 정렬구멍(33)을 형성하고, 상대 히팅 블록(20)에는 상기 정렬구멍(33)에 상당하는 돌출핀(미도시)을 설치하면 될 것이다.
이와 같이 도 4 내지 도 9에 도시된 기판받침대(30)가 전체적으로 대략 원판의 형상을 가진다고 볼 때, 안착된 기판(W)은 기판받침대(30)와 그 중심이 겹치도 록 형성된다. 그리고 기판받침대(30)의 가장자리가 기판(W)의 가장자리로부터 떨어져 있는 거리(△r)는 20~40mm가 바람직한데, 이 값이 너무 작으면 뒤에서도 언급이 있겠지만, 기판(W)의 가장자리 온도 저하를 막는데 도움이 되는 기판받침대(30) 도입의 실효성이 떨어지고, 이 값이 너무 크면 막 형성 장치 전체가 필요 이상으로 커지는 문제가 생긴다.
또한, 기판받침대(30)의 안착홈(31) 가장자리가 기판(W)의 가장자리로부터 떨어져 있는 틈새(g3)는 기판받침대(30)와 기판(W) 사이의 공차와 열변형 차이를 고려하여 적절히 결정되어야 하겠지만 대략 0.5 ~ 1mm가 바람직하다. 한편, 도 6에서와 같이 안착홈(31)의 중앙부가 개방됨으로써 기판(W)의 가장자리를 받치는 지지부(32)가 형성된 기판받침대(30) 구조에서는 히팅 블록(20)으로부터 기판(W)까지의 열전달은 주로 복사에 의해 이루어지는데, 기판받침대(30)의 지지부(32)와 기판(W)의 접촉부에서는 열전달이 전도에 의해서 이루어지므로 이로 인한 열전달 불균일을 최소화하기 위해, 또한 기판(W)이 혹시라도 개방 관통구(32a) 밑으로 낙하하는 것을 방지하기 위해 그 지지부(32)의 폭(a)은 대략 1~2mm가 적당하다.
기판받침대(30)의 재질로는 타입 304, 310, 316의 스테인레스 스틸, 알루미나와 같은 세라믹, 또는 쿼츠가 바람직하다. 스테인레스 스틸의 열전도는 14~16 W/m K 이며, 알루미나의 열전도도는 25W/m K 이며, 그리고 쿼츠의 열전도는 1.3W/m K 인데, 기판(W)으로서 Si의 열전도는 이보다 훨씬 큰 84W/m K 이다. 이러한 기판받침대(30)와 기판(W)의 열전도 차이에 의해 기판이 놓이는 영역(30a) 윗면의 온도 가 기판받침대의 바깥영역(30b) 윗면의 온도보다 높아질 수 있으며, 이 바람직한 효과로 인해 앞에서 설명한 바와 같이 기판받침대 바깥영역(30b)으로부터 기판이 놓이는 영역(30b)쪽으로의 열영동 현상(thermo-phoresis)에 의한 물질 전달 우려는 해소된다. 바람직한 기판받침대(30)의 두께방향 열전도도는 기판(W)의 두께방향 열전도도의 30% 이하이면 적당하지만 이 값은 막 형성 공정 조건에 따라 달라질 수 있다.
이와 함께 기판받침대(30)의 평면상의 크기, 가령 외경을 히팅 블록(20) 윗면 외경보다 크게 만들면, 기판받침대(30)는 기판(W)을 안착한 상태에서 히팅 블록(20) 윗면을 완전히 덮게 되어 히팅 블록(20) 윗면에서의 원치 않는 증착이 근본적으로 차단된다.
한편, 도 10 및 도 11은 본 발명의 막 형성 장치에 따른 제2 실시예를 나타낸 것이다. 히팅 블록(120) 측면에 반복적인 원하지 않는 증착으로 인한 오염을 해소하는 것이 필요한데, 히팅 블록(120) 자체를 청소하는 것은 큰 부담이 될 수 있다. 따라서 전술한 제1 실시예의 구성에 더하여 도 10과 도 11에서 보는 바와 같이 히팅 블록(120)으로부터 분리 가능한 측면 보호 덮개(140)를 히팅 블록(120) 측면 둘레에 설치하게 되면, 증착 공정을 소정의 횟수만큼 진행하다가, 적당한 시점에, 가령 정기 보수 기간 중에 이 측면 보호 덮개(140)만 분리시켜 세척한 뒤 다시 히팅 블록(120)에 설치하면 히팅 블록(120) 청소에 대한 부담이 크게 줄어든다.
도 10은 전술한 제1 실시예의 도 4 내지 도 8에 소개된 형태의 기판받침대(130) 아랫면이 히팅 블록(120) 윗면에 밀착하는 구성에 대한 것으로서, 이 경우 에는 측면 보호 덮개(140)의 윗면 높이는 히팅 블록 상부판(122)의 윗면(122b) 높이와 같거나 이보다 낮아야 한다. 그러나 이 구성에서는 기판받침대(130)를 받치고 이송하는 판 형태의 이송 수단(미도시)의 폭이 기판받침대(130)의 지름보다 커지는 단점이 있으며, 기판은 기판받침대에 안착된 채로 반응실을 출입해야 한다는 제약점이 있다.
도 11은 전술한 제1 실시예의 도 4 내지 도 8에 소개된 형태의 기판받침대(130) 아랫면이 히팅 블록(120)의 윗면과 이격되는 구성에 대한 단면도이고, 도 12는 평면도로서, 이 구성에서는 상기 측면 보호 덮개(140)의 윗면에는 기판받침대(130)에 형성된 정렬구멍(133)에 삽입되는 복수의 돌출핀(160)이 고정되고, 상기 돌출핀(160)의 한쪽 끝은 단(160a)이 형성되어 상기 기판받침대(130)의 아랫면(131d)과 히팅 블록(120)상부판의 윗면(122b) 사이에는 그 측면이 개방된 이격 공간(123)을 이루되, 상기 복수의 돌출핀(160)의 그 크기에 있어서는 상기 이격된 공간(123)에서 측면의 높이(h2)가 상기 기판받침대(130)를 이송하기 위해 상기 기판받침대(130)를 받치는 판 형태의 이송 수단(170)(도 12 참조)의 두께보다는 크고, 상기 복수의 돌출핀(160)의 그 배열에 있어서는 상기 기판받침대(130)의 이송과 관련하여 상기 판 형태의 이송 수단(170)이 상기 이격 공간(123) 내에서 이송 방향으로 움직이는 것을 방해하지 않게끔 배열하는 것이 바람직하다.
이 구성에서는 기판받침대(130)와 기판(W)의 이송에 있어서 판 형태의 1개의 이송 수단(170)이 공통으로 사용될 수 있다는 뚜렷한 장점이 있다. 좀 더 자세히 살펴보면, 도 11과 도 12에서 보듯이 기판받침대(130)를 기판받침대(130)의 지름보다 작은 폭을 가지는 이송 수단(170)에 의해 반응실(10) 안으로 도입하게 되면 히팅 블록(120)의 상하 운동 혹은 이송 수단(170)의 상하 운동에 의해 기판받침대(130)가 히팅 블록(120) 위에 놓이고 이후에 이송 수단(170)이 이격 공간(123) 내에서 이송방향의 역방향으로 후퇴할 수 있게 된다. 이때 이송 수단(170)의 이동 궤적 내에는 기판받침대(130)를 정치하기 위한 돌출핀(160)과 기판(W)을 기판받침대(130)에 안착하기 위한 리프트 핀(178)이 존재하지 않도록 해야 함은 물론이다.
다음으로 기판(W)의 기판받침대(130)에의 안착에 대해 기술하도록 한다. 이송 수단(170)에 의해 기판(W)을 반응실(10) 안으로 도입한 후, 히팅 블록(120) 내부에 설치되는 3핀 리프팅 구동 플레이트(172)에 연동된 푸쉬 로드(174)의 상하 운동이 일어나게 되는데, 히팅 블록(120) 자체의 내부 기밀 유지를 하면서 푸쉬 로드(174)의 상하 운동을 전달받는 벨로우즈(176) 및 벨로우즈(176)에 연결된 리프트 핀(178)의 동작에 의해 기판(W)을 기판받침대(130)에 안착시키는 것이 가능하게 된다.
그리고 푸쉬 로드(174) 및 리프트 핀(178)의 움직임을 안내하기 위해 발열체(150)에는 푸쉬 로드 안내 통로(152)가, 기판받침대(130)에서 안착홈(131)의 바닥(131b)에는 리프트 핀(178) 안내 통로(136)가 각각 마련된다. 3핀 리프팅 구동기구에 대한 보다 자세한 설명은 본 발명의 범주를 벗어날 뿐 아니라 주지기술에 해당하는 것이므로 생략하기로 한다.
한편 기판받침대(130)를 이송하는 판 형태의 이송 수단(170)이 기판받침 대(130)를 히팅 블록(120) 위에 로딩, 언로딩하기 위한 또 다른 변형예의 구조가 도 13 및 도 14에 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 상기 기판받침대(130)의 아랫면(131d)과 상기 히팅 블록(120)의 윗면(122b) 사이에는 단면이 4각형인 고리 형태의 스페이서(177)가 상기 히팅 블록(120)의 가장자리를 따라서 놓인다. 그리고 상기 기판받침대(130)가 상기 스페이서(177)의 윗면에 놓이면서 상기 기판받침대(130)의 아랫면(131d)과 상기 히팅 블록(120)의 윗면(122b) 사이에는 이격 공간(123)이 형성된다. 스페이서(177)에는 기판받침대(130)와 정렬하기 위한 복수의 돌출핀(160)이 마련되고 기판받침대(130)에는 돌출핀(160)에 상대되는 복수의 정렬 구멍(133)이 마련된다. 스페이서(177)는 히팅 블록(120) 윗면에 일체의 형태로 놓일 수도 있으며, 히팅 블록(120) 위에서 고정될 수 있도록 히팅 블록(120)과 서로 요철을 이루는 구조(미도시)를 가져도 좋다.
스페이서(177)의 두께(h3)는 기판받침대(130)를 이송하는 판 형태의 이송 수단(170)의 두께(h4 )보다는 크며, 그 둘레 방향으로 일부분은 개구부(175)를 형성한다. 그리하여 상기 개구부(175)는 상기 이송 수단(170)의 통로가 되어서, 이송수단(170)이 상기 기판받침대(130)를 받친 상태에서 개구부(175)를 통해 히팅 블록(120)의 위쪽 영역으로 들어오고, 상기 기판받침대(130)가 상기 스페이서(177)의 윗면에 놓인 상태에서 상기 이송 수단(170)이 상기 개구부(175)를 통해 상기 이격 공간(123)을 출입하게 된다.
그런데 기판(W)의 바깥영역 부분에서는 히팅 블록(120) 가장자리를 빠르게 흘러나가는 공정 기체의 의한 대류 현상으로 인해 열손실이 일어나게 되므로 도 15에 △T로 표시된 바와 같이 기판 바깥영역에서 온도가 급격히 낮아지는 문제가 있을 수 있다. 이에 대해서는 기판받침대(130)의 외경을 충분히 크게 해서 문제를 완화시킬 수도 있으나 기판받침대(130) 외경이 지나치게 커지면 그 실효성이 오히려 문제가 된다.
따라서 △T의 값이 허용치보다 크다고 하면(가령 10℃이상), 도 10, 도 11 및 도 13에서와 같이 히팅 블록(120)에 밀폐된 내부 공간(121)을 형성하여, 이 내부 공간(121)에 발열체(150)를 구비하고, 발열체(150)의 외경(d2)을 기판(W)의 외경(d1)보다는 크게 하고 기판받침대(130)의 외경(d3)보다는 작게 형성하는 것은 매우 효율적인 문제 해결 방법이 된다. 이 해결 수단은 측면 보호 덮개(140)가 있는 경우와 없는 경우에 모두 적용될 수 있다.
또한 다른 방법도 생각할 수 있는데, 앞서 자세한 설명을 유보한 도 8에서와 같이 기판받침대(30) 바깥영역(30b)에 대해 기판(W)에 대한 돌출부(34)를 두면, 돌출부(34)가 기판(W)으로부터 기판받침대(30)를 통한 열전달에 대한 방호벽 역할을 함으로써 기판(W) 가장자리부분에서 기판받침대(30) 바깥영역(30b)으로의 열손실을 더욱 줄일 수 있다.
단, 기판(W) 윗면에서 기판받침대(30) 윗면까지의 돌출부(34)의 높이(h1)가 너무 낮으면 방호벽으로서의 역할은 크게 기대할 수 없겠지만, 돌출부(34)의 높 이(h1)가 너무 커도 기판(W)의 가장자리가 기판받침대(30)와 만나는 영역에서 원료물 기체가 와류를 일으켜서 결과적으로 원료물의 균등한 공급이 방해를 받을 수도 있다.
따라서 기판(W)의 지름이 300mm라고 하면, 돌출부(34)의 높이(h1)는 대략 2~10mm가 적당할 것이지만, 그 값은 기판(W)의 크기에 따라 달라질 수 있다. 그리고 이러한 돌출부에서 그 측면부(34a)의 존재는 히팅 블록(20)에서의 측면 역할도 겸하게 되는데, 기판받침대(30)를 수시로 새로이 공급하는 것은 히팅 블록(20) 측면에서의 오염을 수시로 제거하는 효과도 겸하게 된다.
그런데, 이렇게 하더라도 기판(W) 윗면의 온도는 기판 가장자리 영역에서 기판(W) 중심부 쪽으로 갈수록 점차 높아질 수 있다. 도 10 내지 도 13에서 볼 때, 발열체(150)가 위치한 히팅 블록(120)의 내부 공간(121) 압력을 진공상태(10 Torr 이하)로 유지하면, 히팅 블록(120) 내부 공간(121) 내에서 발열체(150)로부터 발열체(150)와 마주하는 히팅 블록 상부판(122)의 아랫면(122a)까지의 열전달은 순전히 복사에 의해서만 일어난다고 볼 수 있다.
그리하여 내부 공간(121) 내에서의 희박한 기체층의 두께는 무시할 수 있으며, 도 10 내지 도 13에서 보듯이 히팅 블록 상부판(122) 중심부의 살두께(t3)를 히팅 블록 상부판(122) 가장자리의 살두께(t2)보다 두껍게 하여 발열체(150)로부터 히팅 블록 상부판(122) 중심부를 가로지르는 열전도의 양을 상대적으로 줄임으로써 기판(W)에서의 온도 편차를 허용 범위(가령 3℃) 내로 할 수가 있다.
히팅 블록 상부판(122) 가장자리 살두께(t2)는 우선적으로 히팅 블록(120)의 열변형과 열전달 효율을 고려하여 결정하게 되는데, 기판(W) 크기 300mm를 기준으로 볼 때 그 두께는 4~8mm 이면 적당하고, 또한 히팅 블록 상부판(122) 중심부의 살두께(t3)는 가장자리 살두께(t2) 보다 5~10mm 정도 더 두꺼우면 적당하겠지만, 이러한 수치는 기판(W) 크기, 원료물 기체의 유량, 원하는 기판(W)의 온도, 히팅 블록(120)의 재질에 의해서도 달라질 수 있다.
이때, 기판(W)과 마주보는 히팅 블록 상부판(122)의 윗면(122b)은 평평하게 하고, 발열체(150)와 마주보는 히팅 블록 상부판(122)의 아랫면(122a)은 경사지게 하는 것이 기판받침대(130), 혹은 기판(W)의 로딩, 언로딩과 관련하여 보다 유리함은 자명할 것이다.
이상에서와 같이 제1 실시예 및 제2 실시예를 통해 설명한 본 발명의 기판받침대(30,130)는 깨끗하게 세척된 상태로 반응실(10)로 이송되어 히팅 블록(20, 120) 위에 안착되며, 소정의 횟수만큼의 증착 공정을 진행한 후에 반응실(10) 밖으로 나오게 된다. 이후 기판받침대(30,130)는 세척 공정을 거쳐 다음 공정을 위해 준비 상태로 있게 된다. 기판받침대(30,130) 교체와 관련하여, 한번의 증착시간이 수분 이하로 짧고, 기판받침대(30,130) 오염이 덜 심각한 경우라면, 수번, 혹은 수십번의 증착 공정을 거친 다음에야 기판받침대(130)를 반응실(10) 밖으로 회수하는 것도 생각할 수 있다.
한편, 가령 두꺼운 막을 증착하기 위해 증착 시간이 수십분 이상으로 긴 경 우, 혹은 가루가 많이 생기는 경우에서는 매번의 증착 공정마다 세척이 된 새 기판받침대(30,130)를 사용하는 것이 바람직할 터인데, 이 경우에는 기판(W)을 기판받침대(30,130)에 안착한 상태로 반응실(10)을 출입하는 것이 보다 효율적이 될 수도 있으며, 또한 전술한 바와 같이 히팅 블록(20,120)은 별도의 3핀 리프팅 구동기구 같은 것을 갖출 필요 없이 히팅 블록(120)의 상하 동작, 혹은 로봇 아암의 상하 동작에 의해서 기판(W)이 안착된 기판받침대(130)를 로봇 아암으로부터 넘겨받을 수 있다는 장점이 있으나, 이에 관한 것은 다른 공정과의 호환성을 고려하여 결정될 일이다.
이 발명기술은 비단 화학기상증착 공정에 적용되는 것에만 국한되지 않고, 막의 증착이 일어나는 다른 공정, 가령 원자층 증착 및 스퍼터링 공정에서도 마찬가지로 적용될 수 있으며, 또한 히팅 블록(20,120) 윗면이 손상을 입음으로 인해 히팅 블록(20,120) 윗면에 증착이 일어나는 것과 비슷한 문제점을 야기시키는 공정, 가령 막에 대한 건식 식각 공정에도 적용될 수 있다.
지금까지 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 막 형성 장치를 나타낸 구성도.
도 2는 종래의 막 형성 장치에 의해 히팅 블록의 윗면에 원치 않는 증착물이 존재할 때 발생하는 문제점을 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 막 형성 장치를 나타낸 구성도.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판받침대의 다른 변형예를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판받침대에 플랫 존 및 정렬 구멍이 형성된 상태를 나타낸 평면도.
도 10은 본 발명의 제2 실시예의 구성을 나타낸 것으로서, 내부에 발열체를 구비하고, 그 측벽에 측면 보호 덮개를 설치한 히팅 블록과 기판받침대의 조립 상태를 보여주는 단면도.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제2 실시예의 다른 변형예의 구성도로서, 측면 보호 덮개의 윗면에 단이 진 돌출핀을 복수개 설치하여 기판받침대의 아랫면과 히팅 블록 사이에 측면의 일부가 개방된 이격 공간을 형성하는 것을 보여주는 단면도 및 평면도.
도 13 및 도 14는 본 발명의 제2 실시예의 또 다른 변형예의 구성도로서, 측면 보호 덮개의 역할을 하는 스페이서가 기판받침대의 하부구조를 구성하는 것을 보여주는 단면도 및 사시도.
도 15는 본 발명의 제2 실시예와 관련하여 기판의 바깥영역의 온도가 기판의 중심부 온도보다 낮은 경우를 보여주는 위치와 온도 사이의 관계 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
W : 기판 10 : 반응실
20,120 : 히팅 블록 30,130 : 기판받침대
30a,130a : 기판이 놓이는 영역 30b,130b : 기판받침대 바깥영역
31,131 : 안착홈 32,132 : 지지부
121 : 내부 공간 122 : 히팅 블록상부판
140 : 측면 보호 덮개 150 : 발열체
160 : 돌출핀 170 : 판 형태의 이송 수단

Claims (19)

  1. 기판에 대한 반응 공간을 제공하는 반응실;
    상기 기판을 가열하도록 상기 반응실 내에 설치되는 히팅 블록; 및
    상기 기판이 안착된 상태로 상기 반응실로 도입되어 상기 히팅 블록 위에 놓이며, 또한 상기 기판이 안착된 상태로 상기 반응실로부터 회수되는 기판받침대; 를 포함하여 이루어지며, 상기 기판받침대의 윗면에는 안착홈이 형성되며 상기 기판은 상기 안착홈 내에 수평하게 안착되는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판받침대의 안착홈은 바닥면이 평평한 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기판받침대의 안착홈의 바닥면에는 상기 기판이 상기 안착홈에 안착되는 동작을 안내하는 리프트 핀이 통과하기 위한 복수의 관통 구멍이 뚫려있는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 기판받침대의 안착홈은 바닥면의 가장자리에서 가운데로 갈수록 아래 방향으로 오목한 형태를 하는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 기판받침대의 안착홈의 바닥면에는 상기 기판이 상기 안착홈에 안착되는 동작을 안내하는 리프트 핀이 통과하기 위한 복수의 관통 구멍이 뚫려있는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 받침대의 안착홈의 밑면 테두리 부위가 상기 기판의 가장자리를 지지하도록 상기 기판받침대의 안착홈의 가운데 부분이 제거되어 개방 관통구가 형성되는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  8. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판받침대의 안착홈의 폭이 위에서 밑으로 내려갈수록 좁아지도록 상기 안착홈의 측벽이 경사지는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판받침대의 외주는 상기 히팅 블록의 외주보다 크고, 상기 기판받침대는 상기 기판을 안착한 상태에서 상기 히팅 블록의 윗면을 완전히 가리도록 상기 히팅 블록 위에 놓이는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  12. 제 1 항 및 제3항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판이 안착되는 상기 기판받침대 중앙부 영역의 바깥쪽에 해당하는 상기 기판받침대의 주변부에 상기 기판받침대와 상기 히팅 블록의 정렬을 위해 복수의 정렬구멍이 형성되며, 상기 히팅 블록의 윗면에는 상기 복수의 정렬구멍에 삽입되는 복수의 돌출핀이 형성되는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  13. 제 1 항 및 제 3항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히팅 블록과 분리가능하고 상기 히팅 블록의 측면 둘레를 감싸는 측면 보호 덮개를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 측면 보호 덮개의 윗면에는 단이 진 복수의 돌출핀이 형성되고, 상기 기판받침대에는 상기 측면 보호 덮개의 돌출핀이 삽입되는 복수의 정렬구멍이 형성되며, 상기 돌출핀에 형성된 단에 의해 상기 기판받침대의 아랫면과 상기 히팅 블록 윗면 사이에는 측면이 개방된 이격 공간이 형성됨을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  15. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판받침대의 아랫면과 상기 히팅 블록의 윗면 사이에서 상기 히팅 블록의 가장자리를 따라서 놓이면서, 단면이 4각형인 C자 형상 고리 형태를 가지는 스페이서를 더욱 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 막 형성 장치.
  16. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히팅 블록은 내부에 내부 공간을 형성하고, 이 내부 공간에 발열체를 구비하며, 상기 내부 공간의 지붕에 해당하면서 상기 히팅 블록의 윗판을 구성하는 히팅 블록상부판은 상기 기판받침대를 마주보는 평평한 윗면과 상기 내부 공간을 마주보는 아랫면을 가지되, 상기 아랫면은 상기 내부 공간의 가장자리에서 중심으로 가면서 아래쪽으로 경사가 져서 상기 히팅 블록상부판의 두께가 상기 내부 공간의 가장자리에서 중심으로 갈수록 두꺼워지도록 형성됨을 특징으로 하는 막 형성 장치.
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