KR101038697B1 - 적층증착 콘덴서 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고용량 MLDC(적층증착콘덴서, Multi-Layer Deposition Capacitor)의 제조장치에 관한 것이다. 개시된 발명은 웨이퍼의 출입을 위한 복수개의 게이트 밸브가 측면부에 설치되며, 게이트 밸브를 통해 웨이퍼를 출입시키는 반송 로봇이 구비된 트랜스퍼 챔버, 트랜스퍼 챔버로 웨이퍼를 공급하는 카세트가 구비되며, 카세트가 상하로 이동가능하게 설치된 로드 락 챔버, 트랜스퍼 챔버로부터 반송 로봇에 의해 웨이퍼를 공급받고, 웨이퍼 상에 스퍼터 방식에 의해 내부전극을 증착하는 스퍼터링 챔버, 트랜스퍼 챔버로부터 반송 로봇에 의해 웨이퍼를 공급받고, 웨이퍼 상에 원자층 증착방식에 의해 유전층을 증착하는 원자층 증착챔버; 및 트랜스퍼 챔버, 스퍼터링 챔버 및 원자층 증착챔버에 구비되어 진공압력을 제공하는 진공포트를 포함한다. 이와 같이 구성된 본 발명은 모든 챔버가 상호 연결되어 구성되어 있으며, 반송 로봇의 이송을 통하여 독립적으로 챔버 간 공정제어가 가능하며, 물리적 기상증착과 화학적 기상증착을 동시에 실행할 수 있는 효과가 있다.
원자층 증착, 트랜스퍼, 게이트 밸브, 스퍼터, 열처리
Description
본 발명은 적층증착 콘덴서 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극패턴이 형성된 금속 전극과 유전(절연)층을 다수의 건식 증착과정을 통해 적층시키는 적층증착 콘덴서 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로, MLCC(적층세라믹콘덴서, Multi-Layer Ceramic Capacitor)는 닥터 블레이드(Doctor Blade)방식의 습식 방식을 통하여 생성된 유전체시트와 그 상단에 스크린 프린팅 방식을 통한 내부전극 패턴이 인쇄된 박막을 적층 압착하여 고온에서 소결과정을 통하며 제조된다. 여기서, 닥터 블레이드는 평평한 두께로 슬러리를 도포하는 방식으로서, 블레이드라는 날을 사용하여 치밀하게 낮은 두께로 액상의 물질을 묻혀주는 방식이다.
MLCC란 다층의 전도금속 막으로 제작되는 커패시터로서, 전기를 일시적으로 비축할 수 있는 부품이다. 즉, 교류는 통과하고 직류는 통과하지 못하는 특성을 이용하여 이동통신기기, 디지털 AV기기, 컴퓨터 등의 전자기기에서 DC-blocking, By-passing, 커플링 등의 다양한 용도로 사용되는 전자부품이다.
일반적인 MLCC의 제조공정은 일반적 세라믹 제조공정을 따라 만든 파우더(Powder)를 제조하는 것부터 시작된다. 이때, 파우더는 일정 기본조성을 가진 출발 원료 물질을 증류수와 함께 혼합시킨 다음, 특정 온도에서 일정시간 동안 하소(calcination)시키는 과정에 의해 제조된다.
또한, 파우더(powder)에는 성형성 증대를 위해 PVA등의 binder가 첨가되고, 슬러리(slurry)상태로 만들어진 후, 닥터 블레이드(doctor blade casting) 방법으로 세라믹 그린 시트(ceramic green sheet)로 캐스팅된다. 이후, Ag, Pd, Pt등의 알맞은 내부 전극(internal electrode)이 시트 위에 스크린 페인팅(screen-painting)된다. 또한, 그린시트(green sheet)는 적층되고 칩(chip)형태로 절단된다.
이후, 칩이 일정온도(약 400∼500℃)로 승온되어 바인더(binder)가 소손(burn out)되고, 다시 고온의 일정온도로 소결된 후 양쪽 면에 최종외부전극이 부착되어 MLCC가 제조된다.
종래의 제조방식을 통한 MLCC는 전극패턴이 인쇄된 세라믹 재질의 그린시트인 유전체시트를 여러 겹으로 적층함으로써 여러 개의 콘덴서가 병렬로 연결된 구성과 같다. 이때, 닥터 블레이드 방식에 의해 유전체시트가 다층구조로 적층되는 소결과정은 많은 결함을 발생시킬 수 있으며, 또한 일정한 두께의 유전 층을 얻기가 힘들다는 단점이 있다.
그리고, 이러한 방식으로 제작된 MLCC는 현재 전자기기가 소형경량화, 대용량화됨에 따라 적층 세라믹 콘덴서의 용량이 증가되는 추세이다. 이때, 적층 세라 믹 콘덴서의 소형화는 적층되는 적층시트의 더욱 세밀한 박막화와 다층화가 불가피하다. 여기서, 고용량 MLCC의 제조에 따른 유전체시트의 박막화 및 다층화 및 적층화 과정에서는 다음과 같은 문제가 발생한다.
먼저, 내부전극이 인쇄된 유전체 시트를 적층 압착하여 MLCC를 형성하는 경우, 유전체 시트에 내부전극이 인쇄된 부분과 내부전극이 인쇄되지 않은 곳에는 두께 단차가 형성된다. 이와 같은 두께 단차는 유전체 시트를 여러 장 적층시키는 경우에 두드러지게 나타난다.
여기서, 적층된 유전체시트의 압착은 일정한 두께로 압착시키는 압착장치에 의해서 이루어진다. 이때, 내부전극이 인쇄되어 있는 부분은 내부전극의 두께로 인해 내부전극이 인쇄되어 있지 않은 곳보다 그 두께가 두껍게 형성된다.
따라서, 적층된 유전체시트를 압착시키더라도 내부전극이 인쇄되어 있는 부분은 내부전극의 두께로 인해 볼록한 형태를 이루게 된다. MLCC의 형상에서 볼록한 형태는 MLCC를 전자기기 등에 실장 시키는 경우, 픽업불량을 발생시키는 주요원인이 된다.
또한, 닥터 블레이드(Doctor Blade) 방식에 의한 테입 캐스팅(Tape casting)의 경우 그 두께의 편차가 심하며, 적층 이후 소결의 과정에서도 크랙이 발생하여 내부 전극에 결함을 갖는 문제점이 있었다.
그리고, 일반적으로 사용하는 증착 시스템은 물리적인 증착 내지 화학적인 증착 어느 한가지만을 적용하는 시스템인 것에 반해 본 발명에 따른 시스템은 그 챔버의 구성이 서로 복합적이며, 독립적으로 구성되어 있으며 증착이 완료된 후에 는 트랜스퍼 챔버(100)의 반송 로봇(110)에 의하여 웨이퍼의 챔버간 이송도 가능하게 되어있다.
한편, 상기와 같은 제조방식을 따른 적층 콘덴서의 제조장치는 국내공개특허 10-2005-0032251호와 10-2005-0045367호에 기재된 반도체 제조장치와 같다. 이와 같은 종래의 제조장치는 절연막을 형성하기 위한 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 장비와 게이트 전극막의 형성에 사용되는 스퍼터 장비를 일체화한 것으로서, 박막트랜지스터 제조방법에 국한되어 있다.
그리고, 종래의 제조장치는 하나의 챔버에서 한가지만을 이용하여 박막을 성장시킬 수 있었고, 또한 박막 성장 이후에는 진공을 해제하고 웨이퍼를 다시 장입하는 방식을 사용하였기에 웨이퍼의 박막에 대한 산화 내지 이물질의 영향을 줄 수 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 내부전극의 막에 대한 두께 단차를 제거하여, 적층면을 고르게 개선할 수 있는 적층증착 콘덴서 제조장치을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 높은 온도의 소결을 필요로 하지 않으며, 작업 이후에 압축 소성의 공정에서 발생하는 세라믹 판재의 결함을 최소화할 수 있는 적층증착 콘덴서 제조장치을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 원 장소(In-Situ) 공정 및 건식 공정이 가능하고, 진공을 통한 에피성장으로 세라믹 판재 상에 나타나는 기공의 생성이 거의 없는 적층증착 콘덴서 제조장치을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 원자층 증착 방식을 통하여 시간에 의존하는 증착속도의 조절이 용이하며, 기존의 유전체층 두께의 편자를 획기적으로 줄일 수 있는 적층증착 콘덴서 제조장치을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 모든 공정이 한 번의 웨이퍼 장입으로 In-Situ 상태에서 이루어짐으로 박막의 품질에 손상이 가지 않도록 하는 것이 가능하며, 물리적 증착 공정과 화학적 증착 공정 둘 중에서 일어나는 어느 한 가지의 선택 공정이 아닌 복합적인 공정을 한 번에 실행이 가능하므로 유기적인 공정 배합으로 다층 박막을 증착시킬 수 있게 하는 장치이다.
본 발명에 따른 적층증착 콘덴서 제조장치의 구성은 웨이퍼의 출입을 위한 복수개의 게이트 밸브가 측면부에 설치되며, 상기 게이트 밸브를 통해 웨이퍼를 출입시키는 반송 로봇이 구비된 트랜스퍼 챔버; 상기 트랜스퍼 챔버로 웨이퍼를 공급하는 카세트가 구비되며, 상기 카세트가 상하로 이동가능하게 설치된 로드 락 챔버; 상기 트랜스퍼 챔버로부터 상기 반송 로봇에 의해 웨이퍼를 공급받고, 웨이퍼 상에 스퍼터 방식에 의해 내부전극을 증착하는 스퍼터링 챔버; 상기 트랜스퍼 챔버로부터 상기 반송 로봇에 의해 웨이퍼를 공급받고, 웨이퍼 상에 원자층 증착방식에 의해 유전층을 증착하는 원자층 증착챔버; 및 상기 트랜스퍼 챔버, 상기 스퍼터링 챔버 및 상기 원자층 증착챔버에 구비되어 진공압력을 제공하는 진공포트를 포함한 다.
여기서, 상기 트랜스퍼 챔버의 측면부는 육면으로 구성되며, 상기 게이트 밸브는 상기 육면에 각각 설치될 수 있다.
그리고, 상기 반송 로봇은 다관절로 구성되며, 상기 다관절은 상기 트랜스퍼 챔버의 중앙부에 회전가능하게 설치된 베이스 암; 상기 베이스 암에 회전가능하게 설치된 센터 암; 및 상기 센터 암에 회전가능하게 설치된 이송 암을 포함한다.
또한, 상기 트랜스퍼 챔버로부터 상기 반송 로봇에 의해 웨이퍼를 공급받고, 상기 유전층을 어닐링하는 열처리 챔버를 더 포함한다.
이때, 상기 스퍼터링 챔버의 내부에는 금속막 증착을 위해 상하 이동이 가능한 캐소드가 구비된다.
또한, 상기 원자층 증착챔버에는 상하 이동이 가능한 히터블록이 구비되며, 상기 원자층 증착챔버에는 상기 히터블록에 연결되어 상기 히터블록을 상하로 이동시키는 히터 승강 실린더가 구비된다.
한편, 상기 원자층 증착챔버는 상기 웨이퍼가 장입되는 공간을 제공하는 증착 케이스; 상기 증착 케이스의 내부에 구비되어 상기 게이트 밸브를 통해 장입된 웨이퍼를 고정하는 웨이퍼 홀더 플레이트; 상기 증착 케이스의 상부에 설치되어 상기 증착 케이스를 밀폐하는 챔버도어; 및 상기 증착 케이스의 내부에서 설치되어 상기 웨이퍼 홀더 플레이트 상에 있는 웨이퍼에 원자층 증착가스 또는 퍼지가스를 공급하는 가스 샤워헤드를 포함한다.
그리고, 상기 가스 샤워헤드는 상부분사패널 및 하부분사패널로 구성되며, 상기 상부분사패널 및 상기 하부분사패널에는 상기 웨이퍼 홀더 플레이트의 대향면에 대응하는 너비로 가스를 분사하는 슬릿노즐이 형성되고, 상기 슬릿노즐의 측방에는 상기 슬릿노즐과 이격되어 상기 슬릿노즐의 길이방향을 따라 가스를 공급하는 가스 공급로가 형성되고, 상기 슬릿노즐과 상기 가스 공급로 사이에는 복수개의 연결로가 형성된다.
여기서, 상기 상부분사패널 및 상기 하부분사패널의 가스 공급로의 단부에는 가스를 공급하는 가스라인이 연결되는 공급홀이 형성되어 있다.
또한, 상기 가스 공급로는 상기 공급홀로부터 말단부를 향해 점차 좁아지게 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명에 따른 적층증착 콘덴서 제조장치는 습식공정에서 반드시 필요로 하는 소결공정 생략에 따라 층간 계면의 불량을 최소화하여 세라믹 적층에 있어 습식방식이 아닌 원자층 증착(ALD; Atomic Layer Deposition) 방식을 통한 건식 방법을 사용하고, 모재의 경우에도 실리콘 웨이퍼를 사용함으로써 알루미나를 이용한 절연층 및 구리를 증착시켜 얻어낸 내부 전극의 막에 대한 두께 단차를 제거하여, 적층면을 고르게 개선할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 적층증착 콘덴서 제조장치은 내부 전극으로 고가인 Ag, Ag-Pd 금속을 저가인 구리(Cu)로 대체가능한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 적층증착 콘덴서 제조장치은 순수 건식 방식으로만 정밀한 두께의 층간 박막의 형성이 가능하여 사이클 횟수를 조절함으로써 서로 용 량이 다른 콘덴서를 용이하게 제공할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 적층증착 콘덴서 제조장치는 5개의 챔버가 상호 연결되어 구성되어 있으며, 반송 로봇의 이송을 통하여 독립적으로 챔버간 공정제어가 가능하며, 물리적 기상증착과 화학적 기상증착을 동시에 실행할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 적층증착 콘덴서 제조장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 하기 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 기재되는 MLDC는 MLCC와 그 특성은 같으나 제조하는 방법상 원자층 증착(Atomic Layer Depositon)방식과 스퍼터(Sputter) 방식 그리고 열처리를 통한 건식 방법만을 통한 MLCC 제작방법이라고 볼 수 있다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층증착 콘덴서 제조장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 열처리 챔버가 도시된 평면도이며, 도 3은 도 1에서 열처리 챔버 및 로드 락 챔버가 생략된 정면도이고, 도 4는 도 1의 트랜스퍼 챔버에 대한 사시도이며, 도 5는 도 4의 트랜스퍼 챔버의 작동 상태도이고, 도 6은 도 1의 로드 락 챔버에 대한 작동 상태도이며, 도 7은 도 1의 스퍼터링 챔버에 대한 사시도이고, 도 8은 도 7의 하방 사시도이며, 도 9는 도 7의 스퍼터링 챔버에 대한 정면 개략도이고, 도 10은 도 1의 원자층 증착챔버에 대한 정면 개략도이며, 도 11은 도 1의 원자층 증착챔버에 대한 사시도이고, 도 12는 도 11의 가스 샤워헤드에 대한 사시도이며, 도 13은 도 10의 원자층 증착챔버의 공정 사이클 그래프이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층증착 콘덴서 제조장치는 웨이퍼의 챔버 간 이동을 수행하는 트랜스퍼 챔버(100), 웨이퍼의 로딩 및 언로딩을 수행하는 로드 락 챔버(120), 웨이퍼의 금속 스퍼터링(Sputtering)을 담당하는 스퍼터링 챔버(130), 웨이프의 화학적 성막(ALCVD)을 담당하는 원자층 증착챔버(140) 및 진공포트(160)를 포함한다.
여기서, 트랜스퍼 챔버(100)는 웨이퍼의 출입을 위한 복수개의 게이트 밸브(101, 102)가 측면부에 설치되며, 게이트 밸브(101, 102)가 개방되었을 때 웨이퍼를 출입시키는 반송 로봇(110)이 구비되어 있다. 게이트 밸브(101, 102)는 개방된 상태에서 트랜스퍼 챔버(100)의 측면에 웨이퍼의 출입을 위한 출입구를 제공하고, 웨이퍼가 트랜스퍼 챔버(100)의 내부로 이송된 후에는 폐쇄된다. 또한, 트랜스퍼 챔버(100)의 측면부는 육면으로 구성되며, 게이트 밸브(101, 102)는 육면에 각 각 설치될 수 있다. 트랜스퍼 챔버(100)가 육면으로 형성됨으로써 증착에 필요한 복수개의 장치를 서로 간섭 없이 용이하게 배치할 수 있다.
그리고, 도 4 및 도 5를 참조하면, 반송 로봇(110)은 다관절로 구성되며, 다관절은 트랜스퍼 챔버(100)의 중앙부에 회전가능하게 설치된 베이스 암(111), 베이스 암(111)에 회전가능하게 설치된 센터 암(112), 및 센터 암(112)에 회전가능하게 설치된 이송 암(113)을 포함한다. 반송 로봇(110)은 베이스 암(111)이 회전력을 제공하는 모터에 의해 회전되어 트랜스퍼 챔버(100)의 육면에 형성된 각 게이트 밸브(101, 102) 측으로 웨이퍼를 이송시킬 수 있으며, 센터 암(112)이 회전되어 베이스 암(111)에서 길이가 신축되고, 센터 암(112)에서 이송 암(113)이 회전되어 길이가 신축된다. 또한, 베이스 암(111), 센터 암(112) 및 이송 암(113)의 회전된 위치에 의해 이송 암(113)의 위치가 360도 변화될 수 있으므로, 트랜스퍼 챔버(100) 및 게이트 밸브(101, 102)에서 간섭을 피해 웨이퍼를 정해진 위치로 적재시킬 수 있다.
여기서, 트랜스퍼 챔버(100)에 설치된 반송 로봇(110)은 작업자가 원하는 명령에 따른 이송을 담당하도록 조작되며, 반복적으로 이송 처리할 수 있다.
그리고, 도 6을 참조하면, 로드 락 챔버(120)는 트랜스퍼 챔버(100)로 웨이퍼를 공급하는 카세트(121)가 구비되어 있다. 이때, 카세트(121)는 카세트(121)의 하부에 있는 카세트 이송모터(122) 및 승강 가이드(124)에 의해 상하로 이동가능하게 설치되어 있다. 즉, 반송 로봇(110)이 게이트 밸브(101, 102)를 통해 카세트(121) 측으로 접근될 때, 반송 로봇(110)의 접근높이는 일정하게 고정되어 있다. 이때, 카세트(121)가 상하로 이동하여 다층으로 적재되어 있는 웨이퍼의 위치를 반송 로봇(110)의 위치에 맞춤으로써 반송 로봇(110) 카세트(121)에 적재된 복수개의 웨이퍼는 트랜스퍼 챔버(100)로 모두 장입될 수 있다.
또한, 도 7 내지 도 9를 참조하면, 스퍼터링 챔버(130)는 트랜스퍼 챔버(100)로부터 반송 로봇(110)에 의해 웨이퍼를 공급받고, 웨이퍼 상에 스퍼터 방식에 의해 내부전극을 증착하는 물리적인 증착장치이다. 여기서, 스퍼터링 챔버(130)의 측면에는 스퍼터링 챔버(130)의 내부를 진공압력으로 낮추는 터보펌프(131)가 구비되어 있다. 또한, 스퍼터링 챔버(130)의 상부에는 리니어 가이드(132) 및 스퍼터 실린더(133)에 상하로 직선이동이 가능한 스퍼터 도어(134)가 구비되어 있다. 여기서, 스퍼터링 챔버(130)의 내부에는 금속막 증착을 위해 상하 이동이 가능한 캐소드(135)가 구비된다.
이때, 스퍼터링용 캐소드(135)는 금속 타겟뿐만 아니라 비금속 물질의 증착 또한 비금속 타겟을 장착함으로써 가능하다. 여기서, 캐소드(135)는 일반적인 사각 타입 내지 원형 타입의 캐소드(135)(Cathode)를 내부에 설치하여 사용할 수 있으며, 외부의 파워 서플라이와 연결되어 있고, 쿨링라인은 외부에서 취부할 수 있는 구조를 가지고 있다.
스퍼터링 챔버(130)는 스퍼터(134) 도어의 개폐가 용이하게 되어 있어 구리(Copper), 주석(Sn), 니켈(Ni), 크롬(Chrome), 티타늄(Titanium), 은(Ag)과 같은 금속물질 및 비금속 물질로 ITO(Indium-Tin -Oxide), 실리콘(Silicon) 등의 물질과 타겟(310) 교체가 쉽게 되어 있으며, 투시창이 있어서 작업 진행 중 내부의 상태 진행 관찰도 용이하게 구성되어 있다.
금속 타겟은 금속 배선을 목적으로 구리(Copper), 주석(Sn), 니켈(Ni), 크롬(Chrome), 티타늄(Titanium), 은(Ag) 등의 금속물질을 사용할 수 있다. 비금속 타겟은 비금속 물질로 ITO(Indium-Tin -Oxide), 실리콘(Silicon) 등의 물질을 사용할 수 있다. 단, 타겟의 선택에 따라서 파워 서플라이는 DC용 파워서플라이와 RF용 파워 서플라이를 선택하여 사용한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 원자층 증착챔버(140)는 웨이퍼가 장입되는 공간을 제공하는 증착 케이스(141); 증착 케이스(141)의 내부에 구비되어 게이트 밸브(101, 102)를 통해 장입된 웨이퍼를 고정하는 웨이퍼 홀더 플레이트(142); 증착 케이스(141)의 상부에 설치되어 증착 케이스(141)를 밀폐하는 챔버도어(153); 및 증착 케이스(141)의 내부에서 설치되어 웨이퍼 홀더 플레이트(142) 상에 있는 웨이퍼에 원자층 증착가스 또는 퍼지가스를 공급하는 가스 샤워헤드(143)를 포함한다.
그리고, 가스 샤워헤드(143)는 상부분사패널(144) 및 하부분사패널(145)로 구성되며, 상부분사패널(144) 및 하부분사패널(145)에는 웨이퍼 홀더 플레이트(142)의 대향면에 대응하는 너비로 가스를 분사하는 슬릿노즐(146)이 형성되고, 슬릿노즐(146)의 측방에는 슬릿노즐(146)과 이격되어 슬릿노즐(146)의 길이방향을 따라 가스를 공급하는 가스 공급로(147)가 형성되고, 슬릿노즐(146)과 가스 공급로 사이에는 복수개의 연결로(148)가 형성된다.
여기서, 상부분사패널(144) 및 하부분사패널(145)의 가스 공급로의 단부에는 가스를 공급하는 가스 라인이 연결되는 공급홀(149)이 형성되어 있다. 또한, 가스 공급로는 상기 공급홀(149)로부터 말단부를 향해 점차 좁아지게 형성되어 공급홀(149)로부터 가스 공급로의 단부로 가면서 유속이 빨라진다.
원자층 증착챔버(140)에서는 화학적인 반응가스를 챔버 내에 공급함으로써 웨이퍼의 표면 증착이 이루어진다. 원자층 증착챔버(140)는 가스라인을 통해 외부의 가스를 공급받는다. 즉, 가스의 유입은 가스 정글 박스(150) (Gas Jungle Box)를 통하여 챔버 내부로 이루어진다.
원자층 증착챔버(140)에 있는 가스 라인의 경우 사용가스의 누설에 대비하여 가스센서를 장착하여 누설 가스를 미리 탐지할 수 있게 구성될 수 있으며, 작업 진행중 누설 가스 발생시 신속하게 작업을 중단할 수 있다.
그리고, 원자층 증착챔버(140)는 트랜스퍼 챔버(100)로부터 반송 로봇(110)에 의해 웨이퍼를 공급받고, 웨이퍼 상에 원자층 증착방식에 의해 유전층을 증착하는 화학적인 증착장치이다. 이때, 원자층 증착챔버(140)도 트랜스퍼 챔버(100)의 측면에 구비된 게이트 밸브(101, 102)에 내부적으로 진공압력이 조성될 수 있게 연결된다. 여기서, 원자층 증착챔버(140)는 스퍼터링 챔버(130)에서 내부금속이 증착된 웨이퍼를 반송 로봇(110)에 의해 공급받게 된다.
웨이퍼가 로드 락 챔버(120)의 카세트(121)에서 반송 로봇(110)에 적재되어 트랜스퍼 챔버(100)로 이송된 후, 스퍼터링 방식에 의한 내부전극 증착, 원자층 증착 방식에 의해 유전층 증착 등의 일련의 공정을 거치게 될 때, 트랜스퍼 챔버(100), 스퍼터링 챔버(130) 및 원자층 증착챔버(140)는 외부와 차단되어 진공압력을 제공받는 상태로 유지된다. 이때, 트랜스퍼 챔버(100), 스퍼터링 챔버(130) 및 원자층 증착챔버(140)가 진공포트(160)를 구비하고 있고, 진공포트(160)가 진공압력을 제공하는 진공 시스템에 연결됨으로써 진공압력이 조성될 수 있다.
또한, 원자층 증착챔버(140)에 있는 가스 라인의 경우 사용가스의 누설에 대비하여 가스센서를 장착하여 누설 가스를 미리 탐지할 수 있게 구성되어 있으며, 작업 진행중 누설 가스 발생시 신속하게 작업을 중단할 수 있다. 원자층 증착챔버(140)의 진공을 확인 하기 위하여 다이아프램 게이지(Baratron) 인 Baratron 게이지가 장착되어 있으며, 스퍼터링 챔버(130)의 진공을 확인하기 위해서는 고진공 게이지로서, 이온 (Ion-Bayart) 게이지와 저진공 게이지로인 피라니(Pirani) 게이지가 장착되어 있다.
도 2를 참조하면, 트랜스퍼 챔버(100)에는 트랜스퍼 챔버(100)로부터 반송 로봇(110)에 의해 웨이퍼를 공급받고, 웨이퍼에 대한 히팅(Heating) 및 어닐링(Annealing)을 담당하는 열처리 챔버(155)가 연결된다. 열처리 챔버(155)는 스퍼터링 챔버(130)에서 내부전극이 증착되고, 원자층 증착챔버(140)에서 유전층이 증착된 웨이퍼를 가열하거나 냉각시키는 챔버이다.
도 10을 참조하면, 원자층 증착챔버(140)는 웨이퍼가 배치되는 홀더(Holder)의 위/아래에 히터블록(151)이 설치되어 있어 사용자는 웨이퍼를 원하는 온도로 조절할 수 있다. 또한, 히터블록(151)은 원자층 증착챔버(140)에서 상하 이동이 가능하며, 히터 승강 실린더(152)에 연결되어 상하로 이동이 가능하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 콘덴서 제조장치의 구체적인 작동과정을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 콘덴서 제조장치는 장비의 안정된 컨트롤을 위하여 프로세스 모듈을 컨트롤하기 위한 PMC(Process Module Controller)와, 트랜스퍼 챔버(100)가 있는 트랜스퍼 모듈을 컨트롤하기 위한 TMC(Teranfer Module Controller), 그리고 각 모듈을 연결하여 제어하기 위한 CTC(Cluster Tool Controller) 모듈에 의해 자동제어된다.
PMC모듈 콘트롤러가 웨이퍼를 감지하고, 신호가 CTC 모듈 컨터롤러에 송출됨으로써 챔버의 모든 밸브는 닫혀지며, 외부와 모두 격리되어 진다. 이후, 각 독립된 챔버는 준비상태로서 진공 배기를 진행한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 콘덴서 제조장치의 가동에 있어서, 로드 락 챔버(120)를 제외한 모든 챔버는 진공 배기되어진 상태로 스탠바이된다. 웨이퍼가 로드 락 챔버(120)를 통하여, 웨이퍼 홀더에 장착되어 챔버 내부에 장입된 후, 진공 펌핑 시스템을 통하여 로드 락 챔버(120)는 진공상태로 배기된다. 이때, 진공 배기 시스템은 로타리 펌프, 부스터 펌프(M.B.P)로 조합구성된 펌핑시스템을 이용한다.
챔버의 진공도가 목표치에 도달하면 트랜스퍼 챔버(100)와 로드 락 챔버(120) 사이 게이트 밸브(101)가 열리게 되고, 반송 로봇(110)이 웨이퍼를 반출한다.
즉, 로드 락 챔버(120) 내의 진공도가 10-2Torr에 도달하게 되면, 게이트 밸브(102)(Gate Valve)가 열리고, 웨이퍼는 트랜스퍼 챔버(100)에 있는 반송 로 봇(110)에 의하여 스퍼터링 챔버(130)로 이송된다.
여기서, 로드 락 챔버(120)의 내벽에는 시스(Sheathe) 히터(123)가 장착되어 있으므로 일정시간 배기 후, 로드 락 챔버(120)가 진공상태로 되면, 웨이퍼의 표면을 열처리한다. 즉, 기판에 열을 가하면 웨이퍼의 표면에 존재하는 수분과 같은 물질이 아웃 개싱되어 배출이 되고, 웨이퍼 표면은 열적으로 활성상태가 된다. 웨이퍼에 대한 증착이 이루어질 때, 표면의 결합력(Adhesion)이 더욱 우수하게 된다.
한편, 도 8 및 도 9를 참조하면, 웨이퍼는 스퍼터링 챔버(130)에서 금속 타겟(136)의 물질이 스퍼터링되어 금속 박막이 증착된다. 이미 터보펌프(131)가 가동되고, 게이트 밸브(138)가 개방되어 진공 배기된 스퍼터링 챔버(130)에서는 본 스퍼터링 이전에 타겟의 표면을 좋게 하기 위하여 프리 스퍼터링(Pre sputtering)을 실행할 수 있다. 이후, 트랜스퍼 챔버(100)와 스퍼터링 챔버(130) 사이의 게이트 밸브(102)가 열리며, 웨이퍼는 스퍼터링 챔버(130)에 안착한다.
스퍼터링 챔버(130)는 초기 성막 이전 최대 진공도(Base Pressure)를 확보하기 위하여 터보펌프(TMP)(131)를 통하여 고진공 상태로 배기된다. 이후, 원하는 최고 진공도에 도달하게 되면 사용되는 공정가스로서, 불활성 기체인 아르곤 가스(Ar) 및 활성 반응 기체로 기타 질소(N2), 산소(O2) 가스 등이 공급된다. 이때, 가스의 사용은 선택적이다. 또한, 웨이퍼에서 원하는 박막의 성막을 위하여 가스는 혼합되어 사용이 가능하다.
금속 박막의 진공 증착인 경우에는 박막의 치밀성이 우수하다는 장점이 있는데, 물리적인 증착 공정의 일환으로는 스퍼터링을 사용한 금속 증착이 해당된다. 여기서, 스퍼터링를 사용한 금속 증착의 경우, 스퍼터링을 담당하는 캐소드(135)가 필요하며, 스퍼터링을 담당하는 캐소드(135) 장치의 타겟 물질만 교환 장착함으로 원하는 금속의 박막을 성장시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 챔버(130)에는 얼라인(Align) 장치(180)가 구성되어 있다. 얼라인 장치(180)는 금속마스크(metal mask)를 통한 금속의 선택적인 박막을 하기 위함이다. 얼라인 장치(180)는 외부의 진동에 민감하므로 방진패드(181)를 통하여 진동을 방지할 수 있게끔 되어 있고, 그 아래에는 외부 진동을 조절하는 장치가 장착될 수 있다.
스퍼터링을 진행하기 위한 공정요소로서 초기 진공도(Base Pressure), 작업 진공도(Working Pressure), 사용 가스(Process Gas), 모재와 타겟물질과의 거리(T-S Distance) 등을 들 수 있다. 일반적인 금속 증착을 하는 경우 초기진공도는 10-5Torr 두며, 작업 진공도는 103~108mTorr, 사용가스로는 아르곤(Ar) 가스를 사용한다.
또한, 캐소드(135) 장치의 내부는 통상적인 방식으로, 영구자석을 사용하는 마그네트론(Magnetron) 스퍼터링 방식을 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터링 챔버(130)는 T-S Distance가 조절 가능하며, 6“(인치) 웨이퍼에 대한 유효한 증착 면적은 제공한다. 스퍼터링의 특성으로 박막의 두께는 증착 시간에 비례하므로, 박막의 두께는 증착 시간으로 제어한다.
여기서, 스퍼터링 챔버(130)와 원자층 증착챔버(140)는 각각 작동하게 되어 있으며, 사용자가 원하는 시간을 세팅한 후에 공정이 자동적으로 실시될 수 있다. 금속 박막이 증착된 후 웨이퍼는 트랜스퍼 챔버(100)를 통하여 원자층 증착챔버(140)로 이송된다.
한편, 도 10을 참조하면, 원자층 증착챔버(140)는 웨이퍼가 입고되기 전에, 진공 배기된 상태로 되어 있다. 원자층 증착챔버(140)에서는 기판에 열처리를 하고 나서 화학적인 활성 반응을 위하여 가스를 주입한다.
원자층 증착챔버(140)는 퍼지(Purge) 시간을 조절할 수 있으며, 도 13과 같이, 공정 가스 주입 , 퍼지가스 주입, 공정가스 주입, 퍼지가스 주입 순으로 한 사이클을 가진다. 원자층 증착챔버(140)에서 사이클 수를 반복함으로서 웨이퍼에 대한 증착막 두께의 정확한 제어가 가능하다.
원자층 증착챔버(140)의 내부에는 가스 샤워헤드(Shower Head)(143)가 구비되어 있는데, 가스 샤워헤드(143)는 웨이퍼 표면에 대한 가스의 흐름을 원활하게 한다. 가스 샤워헤드(143)는 도 12에 잘 나타나 있으며, 2개의 가스 라인(150a, 150b)이 내부에 주입되며, 가스 샤워헤드의 내부에 형성된 슬릿노즐(146)을 보면 알 수 있듯이 균일한 가스를 웨이퍼 표면에 흘려주게 된다.
도 13을 참조하면, 원자층 증착챔버(140)에서 증착공정은 첫 번째 Reactive Gas 주입 → Ar Purge →두 번째 Reactive Gas 주입 → Ar Purge의 순서대로 각각의 공정별로 이루어진다. Reactive Gas 주입은 수초로 국한되며, Purge의 경우에는 그보다 지연시간이 길게 수십 초에서 수 분에 이르는 사이클 시간을 가진다.
이러한 원자층 증착(ALD; Atomic Layer Deposition) 방식을 통한 성막층은 그 두께 생성의 속도가 낮아서 성막의 두께가 낮다는 단점이 있으나, 원자층 증착챔버(140) 내에서 다층의 유전층을 형성시키기 위하여 진행되는 사이클(Cycle)의 횟수를 많이 반복적으로 실시하여 성막층을 형성 및 그 두께를 제어할 수 있다.
ALD 방식을 통한 증착은 그 두께 제어에 있어서는 원자층 수준으로 기존의 증착방식보다 더욱 정밀하게 두께를 제어할 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 웨이퍼에 대한 박막은 일정 두께이상이어야만 유전층으로서 역할을 하기에 100회 이상의 사이클이 필수적이다.
또한, 가스 샤워헤드(143)에 의해 웨이퍼에서 성장된 박막은 표면의 상태를 좋게 하고, 막질의 전기적인 특성을 좋게 하기 위하여 열처리 챔버(155)에서 열처리 과정을 거친다. 열처리 챔버(155)는 온도상승 조건이 25℃/sec로 구성되어 있으며, 400~600 ℃ 온도까지 상승시킨 후, 질소(N2) 분위기로 원하는 시간동안 열처리를 가할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 콘덴서 제조장치는 진공의 해제 없이, 웨이퍼 시트에 증착하고자 하는 물질을 순차적으로 챔버 간 이송을 통해 증착할 수 있으므로, 한 번의 웨이퍼 장입 이후 진공을 해제하지 않고, 여러 번 증착 과정을 거쳐 다중 박막을 증착할 수 있는 장비이다.
또한, 스퍼터링 챔버(130)와 원자증착 챔버 간의 이동이 용이하며, 서로 간에 간섭을 주지 않으며 독립적으로 진행할 수 있다는 장점이 있다. 또한 반송 로봇(110)이 트랜스퍼 챔버(100) 내부에 장착이 되어 있으므로 웨이퍼의 제어가 용이 하고, 연속적인 작업 공정이 가능하다.
또한, 내부에는 인터락(Inter Lock) 기능을 포함하고 있으므로 공정 중에 발생하는 심각한 문제의 미리 방지할 수 있게 구성되어 있다.
또한, 일반 산업적인 증착용도 뿐만 아니라 반도체 공정에 사용되는 증착 장비의 경우 그 성막에 있어서는 성막이 이루어지는 메커니즘(Mechanism)의 차이로 서로 간의 보완하는 공정이 반드시 필요한데, 본 발명은 그 두 가지 메커니즘을 한 번에 실현할 수 있는 특성을 지닌다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층증착 콘덴서 제조장치의 사시도.
도 2는 도 1에 열처리 챔버가 도시된 평면도.
도 3은 도 1에서 열처리 챔버 및 로드 락 챔버가 생략된 정면도.
도 4는 도 1의 트랜스퍼 챔버에 대한 사시도.
도 5는 도 4의 트랜스퍼 챔버의 작동 상태도.
도 6은 도 1의 로드 락 챔버에 대한 작동 상태도.
도 7은 도 1의 스퍼터링 챔버에 대한 사시도.
도 8은 도 7의 하방 사시도.
도 9는 도 7의 스퍼터링 챔버에 대한 정면 개략도.
도 10은 도 1의 원자층 증착챔버에 대한 정면 개략도.
도 11은 도 1의 원자층 증착챔버에 대한 사시도.
도 12는 도 11의 가스 샤워헤드에 대한 사시도.
도 13은 도 10의 원자층 증착챔버의 공정 사이클 그래프.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
100: 트랜스퍼 챔버 101: 게이트 밸브
110: 반송 로봇 111: 베이스 암
112: 센터 암 113: 이송 암
120: 로드 락 챔버 121: 카세트
122: 카세트 이송모터 130: 스퍼터링 챔버
131: 터버펌프 132: 리니어 가이드
133: 스퍼터 실린더 134: 스퍼터 도어
135: 캐소드 136: 메탈 타겟
140: 원자층 증착챔버 141: 증착 케이스
142: 웨이퍼 홀더 플레이트 143: 가스 샤워헤드
144: 상부분사패널 145: 하부분사패널
146: 슬릿노즐 147: 가스 공급로
148: 연결로 149: 공급홀
150: : 가스 정글 박스 151: 히터블록
152: 히터 승강 실린더 153: 챔버도어
155: 열처리 챔버 160: 진공포트
180: 얼라인 장치 181: 방진패드
Claims (11)
- 웨이퍼의 출입을 위한 복수개의 게이트 밸브가 측면부에 설치되며, 상기 게이트 밸브를 통해 웨이퍼를 출입시키는 반송 로봇이 구비된 트랜스퍼 챔버;상기 트랜스퍼 챔버로 웨이퍼를 공급하는 카세트가 구비되며, 상기 카세트가 상하로 이동가능하게 설치된 로드 락 챔버;상기 트랜스퍼 챔버로부터 상기 반송 로봇에 의해 웨이퍼를 공급받고, 웨이퍼 상에 스퍼터 방식에 의해 내부전극을 증착하는 스퍼터링 챔버;상기 트랜스퍼 챔버로부터 상기 반송 로봇에 의해 웨이퍼를 공급받고, 웨이퍼 상에 원자층 증착방식에 의해 유전층을 증착하는 것으로서, 내부에 웨이퍼의 온도를 조절하는 히터블록을 구비하고, 상기 히터블록을 상하로 이동시키는 히터 승강 실린더를 구비하여, 상기 히터블록이 상하로 이동할 수 있는 원자층 증착챔버; 및상기 트랜스퍼 챔버, 상기 스퍼터링 챔버 및 상기 원자층 증착챔버에 구비되어 진공압력을 제공하는 진공포트를 포함하는 적층증착 콘덴서 제조장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 트랜스퍼 챔버의 측면부는 육면으로 구성되며, 상기 게이트 밸브는 상기 육면에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 적층증착 콘덴서 제조장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 반송 로봇은 다관절로 구성되며,상기 다관절은 상기 트랜스퍼 챔버의 중앙부에 회전가능하게 설치된 베이스 암;상기 베이스 암에 회전가능하게 설치된 센터 암; 및상기 센터 암에 회전가능하게 설치된 이송 암을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층증착 콘덴서 제조장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 트랜스퍼 챔버로부터 상기 반송 로봇에 의해 웨이퍼를 공급받고, 상기 유전층을 어닐링하는 열처리 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층증착 콘덴서 제조장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 스퍼터링 챔버의 내부에는 금속막 증착을 위해 상하 이동이 가능한 캐소드가 구비되는 것을 특징으로 하는 적층증착 콘덴서 제조장치.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 원자층 증착챔버는 상기 웨이퍼가 장입되는 공간을 제공하는 증착 케이스;상기 증착 케이스의 내부에 구비되어 상기 게이트 밸브를 통해 장입된 웨이퍼를 고정하는 웨이퍼 홀더 플레이트;상기 증착 케이스의 상부에 설치되어 상기 증착 케이스를 밀폐하는 챔버도어; 및상기 증착 케이스의 내부에서 설치되어 상기 웨이퍼 홀더 플레이트 상에 있는 웨이퍼에 원자층 증착가스 또는 퍼지가스를 공급하는 가스 샤워헤드를 포함하는 적층증착 콘덴서 제조장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 가스 샤워헤드는 상부분사패널 및 하부분사패널로 구성되며,상기 상부분사패널 및 상기 하부분사패널에는 상기 웨이퍼 홀더 플레이트의 대향면에 대응하는 너비로 가스를 분사하는 슬릿노즐이 형성되고, 상기 슬릿노즐의 측방에는 상기 슬릿노즐과 이격되어 상기 슬릿노즐의 길이방향을 따라 가스를 공급하는 가스 공급로가 형성되고, 상기 슬릿노즐과 상기 가스 공급로 사이에는 복수개 의 연결로가 형성되는 것을 특징으로 하는 적층증착 콘덴서 제조장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 상부분사패널 및 상기 하부분사패널의 가스 공급로의 단부에는 가스를 공급하는 가스라인이 연결되는 공급홀이 형성되는 특징으로 하는 적층증착 콘덴서 제조장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 가스 공급로는 상기 공급홀로부터 말단부를 향해 점차 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 적층증착 콘덴서 제조장치.
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