KR101087974B1 - 화학기상증착장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학기상증착장치에 관한 것으로, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 챔버, 상기 챔버의 내측에 설치되어 웨이퍼가 안착되는 스테이지, 상기 챔버 상측에 설치되는 제1 샤워헤드를 통해 제1 공정가스를 공급하는 제1 가스 공급라인 그리고, 상기 스테이지의 상면에 설치되는 제2 샤워헤드를 통해 제2 공정가스를 공급하는 제2 가스 공급라인을 포함하는 화학기상증착장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 의할 경우, 웨이퍼가 안착되는 위치에 인접하여 각각의 공정가스의 반응이 발생하는 바, 웨이퍼에 증착되는 효율을 개선하는 것이 가능하다. 불필요한 파티클 발생을 예방할 수 있어, 웨이퍼의 품질을 개선하는 것이 가능하다.

Description

화학기상증착장치 {CHEMICAL VAPOR DEPOSITION APPRATUS}
본 발명은 화학기상증착장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 개 이상의 공정 가스를 이용하여 박막을 증착시키는 화학기상증착장치에 관한 것이다.
일반적으로, 화학기상증착장치는 반응성이 좋은 공정가스를 챔버 안에 주입하고, 이를 빛, 열, 플라즈마, 마이크로 웨이브, X-ray, 전기장 등을 이용하여 공정가스를 활성화시켜 웨이퍼 위에 양질의 박막을 형성하도록 구성되는 장치이다.
최근에는 공정가스로서 금속 유기물 화합물 증기를 이용하는 금속 유기물 화합물 증착장치가 사용되고 있다. 이에 의할 경우, 단차 도포성(step coverage)가 우수하고, 기판이나 결정 표면에 손상이 감소하는 장점을 갖는다. 또한, 증착이 이루어지는 속도가 상대적으로 빨라져 공정시간을 단축시킬 수 있다. 따라서, 전광판 및 그래픽 등의 영상표시소자 및 강유전 물질을 이용하는 메모리 소자의 제작에 이용이 되고 있다.
일반적으로, 이와 같은 화학기상증착장치는 웨이퍼가 위치하는 챔버의 내측으로 복수개의 공정가스를 공급된다. 그리고, 상기 공정가스 간에 반응이 이루어지면서 웨이퍼 상에 증착이 수행된다.
다만, 종래의 경우, 두 종류 이상의 공정가스가 인접한 위치에서 공급되면서, 웨이퍼 상에 도달하기 전에 공정가스 사이에 반응이 이루어지면서 소정의 파티클이 발생하는 경우가 발생하였다. 이 경우, 웨이퍼에 증착되기 이전에 파티클이 공중에서 발생하면서, 다양한 형태의 파티클 소스의 원인을 제공하여 안정된 공정성을 확보하는 것이 곤란하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상기 각각의 공정가스가 미리 반응이 일어나지 않고, 웨이퍼의 상면에서 공정가스의 반응이 시작되면서 증착이 일어날 수 있는 화학기상증착장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 챔버, 상기 챔버의 내측에 설치되어 웨이퍼가 안착되는 스테이지, 상기 챔버 상측에 설치되는 제1 샤워헤드를 통해 제1 공정가스를 공급하는 제1 가스 공급라인 그리고, 상기 스테이지의 상면에 설치되는 제2 샤워헤드를 통해 제2 공정가스를 공급하는 제2 가스 공급라인을 포함하는 화학기상증착장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 제2 가스 공급라인은 상기 스테이지의 내측으로 제2 공정가스가 공급되는 유로가 형성되어, 상기 유로를 따라 공급되는 제2 공정가스를 상기 제2 샤워헤드의 분사구를 통해 상기 스테이지 상면의 외측방향으로 분사하도록 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 목적은 챔버, 상기 챔버 내측에 설치되어 웨이퍼가 안착되는 스테이지, 상기 챔버의 상측에서 상기 스테이지로 제1 공정가스를 공급하는 제1 가스 공급라인 그리고, 상기 제1 가스 공급라인보다 낮은 높이에서 상기 스테이지의 상면으로 제2 공정가스를 공급하는 제2 가스 공급라인을 포함하는 화학기상증착장치에 의해서도 달성될 수 있다.
이때, 상기 제2 가스 공급라인은 상기 챔버의 하측으로부터 상기 스테이지의 상면으로 제2 공정가스를 공급하는 것이 바람직하다.
상기 제2 가스 공급라인은 상기 스테이지 내측에 형성되는 제2 유로 및 상기 스테이지 상면에 설치되어 상기 제2 유로를 통해 공급되는 제2 공정가스를 상기 스테이지 상면으로 공급하는 제2 샤워헤드를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제2 샤워헤드는 상기 스테이지의 외측 방향으로 복수개의 분사구가 형성될 수 있다.
한편, 상기 제2 가스 공급라인은 상기 제2 유로의 외측으로 상기 제2 공정가스를 가열하기 위한 히터를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 스테이지의 하측에는 상기 스테이지를 회전시키기 위한 회전축이 구비되며, 상기 제2 유로는 상기 회전축으로 내측을 따라 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 배기포트가 상기 스테이지의 외측에 형성되어, 상기 스테이지의 상면을 따라 외측 방향으로 상기 제1, 제2 공정가스가 진행하면, 상기 배기포트를 통해 상기 공정가스를 외부로 배출하도록 구성할 수 있다.
본 발명에 의할 경우, 웨이퍼가 안착되는 위치에 인접하여 각각의 공정가스의 반응이 발생하는 바, 웨이퍼에 증착되는 효율을 개선하는 것이 가능하다. 불필요한 파티클 발생을 예방할 수 있어, 웨이퍼의 품질을 개선하는 것이 가능하다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학기상증착장치에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
본 실시예에서는 유기 금속 화합물을 기체를 이용하는 화학기상증착장치(Metal Organic Chemical Vapor Deposition appratus, 이하 MOCVD)를 예로서 설명하고 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이 이외에도 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등의 다른 방식의 화학기상증착장치에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학기상증착장치의 단면을 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 화학기상증착장치는 챔버(10), 웨이퍼가 안착되는 스테이지(20), 그리고 제1 공정가스 및 제2 공정가스가 공급되는 제1, 제2 가스 공급라인(110, 120)을 포함하여 구성될 수 있다. 이하에서는 각각의 구성요소에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
챔버(10)는 본 발명에 따른 화학기상증착장치의 외관을 형성하며, 내측에는 증착 공정이 수행되는 공간을 형성한다. 이때, 상기 챔버(10)는 증착시 능동적으로 제어되는 유로를 제외하고는 외부와 기밀을 유지하여 증착 효율을 높이도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 내부에 고온의 환경을 조성할 수 있도록 단열이 좋은 재질로 구성되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 챔버(10)의 내측에는 스테이지(20)가 구비될 수 있다. 그리고, 증착 공정이 이루어지는 웨이퍼는 스테이지(20)의 상면에 안착되어 위치한다. 이때, 복 수개의 웨이퍼가 동시에 증착 공정이 수행될 수 있도록, 스테이지(20) 상면은 복수개의 안착부(23, 도 2 참조)가 구비될 수 있다. 그리고, 상기 스테이지(20)는 소정의 회전축(22)에 의해 챔버(10) 내측에서 회동 가능하게 설치될 수 있다. 이때, 챔버(10) 내측으로 공정가스가 유입되는 위치가 일측으로 편중된 경우, 이에 대응되는 위치로 스테이지를 회동시켜 각각의 웨이퍼 상에 균일하게 증착을 진행할 수 있다.
그리고, 상기 스테이지(20)의 내측에는 복수개의 열선(21)이 설치될 수 있다. 일반적으로, 화학적 증착방법은 웨이퍼를 소정 온도 이상으로 가열하고, 높은 증기압의 유기 금속화합물 공정가스를 공급하여 박막을 형성한다. 따라서, 본 실시예에서는 웨이퍼가 안착되는 스테이지(20) 상면과 인접하도록 복수개의 열선(21)을 설치하여 히팅 블록(Heating Block)을 형성할 수 있다.
한편, 제1, 제2 가스 공급라인(110, 120)은, 증착공정 진행시 상기 챔버(10)의 내측으로 제1 공정가스 및 제2 공정가스를 공급한다. 본 실시예에서는 트리메틸갈륨(TMGa) 및 암모니아(NH3)를 제1, 제2 공정가스로 이용할 수 있다. 구체적으로, 트리메틸갈륨을 제1 공정가스, 암모니아를 제2 공정가스로 이용한다. 다만, 이는 일 실시예에 해당하는 것으로 본 발명이 상기 공정가스의 종류에 한정되는 것은 아니다.
따라서, 상기 제1, 제2 공정가스가 상기 챔버(10) 내측으로 공급되면 상기 트리메탈갈륨의 갈륨(Ga)와 암모니아의 질소(N)가 반응하여 질화갈륨(GaN)의 입자 를 형성하고, 상기 질화갈륨이 웨이퍼 상에 증착이 이루어질 수 있다.
이때, 제1 가스 공급라인(110)과 제2 가스 공급라인(120)은 각각 제1 공정가스 및 제2 공정가스를 서로 다른 위치에서 공급하는 것이 바람직하다. 나아가, 챔버(10) 내측으로 공급되는 제1, 제2 공정가스가 상기 스테이지(20) 상면에서 만나 반응이 일어나도록 제1, 제2 가스 공급라인(110, 120)의 위치를 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제1, 제2 공정가스가 웨이퍼에 도달하기 이전에 반응이 일어나 입자가 형성되는 것을 줄일 수 있고, 동시에 증착 효율을 개선할 수 있는 장점을 갖는다.
그, 일 예로서, 제1 가스 공급라인(110) 및 제2 가스 공급라인(120)은 서로 다른 높이에서 제1 공정가스 및 제2 공정가스를 챔버 내측으로 공급할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 가스 공급라인(110)은 상기 챔버(10)의 상측으로 제1 공정가스를 공급할 수 있고, 제2 가스 공급라인(120)은 상기 스테이지(20)의 하측으로부터 상기 스테이지(20) 상면을 따라 제2 공정가스를 공급할 수 있다. 따라서, 상기 제1, 제2 공정가스는 스테이지(20)의 상면에서 만나면서 화학 반응이 일어나고, 그 결과 생성되는 질화 갈륨(GaN)은 스테이지(20) 상면에 안착되는 웨이퍼 상에 증착되는 것이 가능하다.
구체적으로, 제1 가스 공급라인(110)은 챔버(10)의 상측으로 공급되는 제1 유로(113), 제1 유로로부터 제1 공정가스가 공급되는 백킹플레이트(backing plate, 112), 백킹플레이트(112)에 장착되어 공정가스를 분사하는 제1 샤워헤드(111)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1 샤워헤드(111) 또는 백킹플레이트(112) 상에는 제1 공정가스의 상태 및 분산도를 조절할 수 있도록 별도의 리브, 열선, 또는 디퓨저 등의 구성을 선택적으로 구비하는 것이 가능하다.
한편, 제2 가스 공급라인(120)은 스테이지(20) 내측에 형성되는 제2 유로(123), 스테이지(20) 상면에 설치되는 제2 샤워헤드(121)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 챔버(10)의 하측으로부터 공급되는 제2 공정가스는, 상기 스테이지(20) 내측을 관통하여 형성되는 제2 유로(123)를 따라 공급된 후, 제2 샤워헤드(121)를 통해 챔버(10)의 내측으로 분사될 수 있다. 이때, 스테이지(20)가 내측의 회전축(22)에 의하여 회동 가능하게 구성되는 경우, 상기 제2 유로(123)는 회전축(22)의 내측에 고정되도록 설치되는 것도 가능하다.
한편, 본 실시예와 같이 트리메탈 갈륨(TMGa)과 암모니아(NH3)를 제1, 제2 공정가스로 사용하는 경우, 각 공정가스 특히 암모니아(NH3)를 고온 상태로 가열하여 공정가스 간의 화학 반응이 용이하게 진행될 수 있다.
본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 유로(123)의 외측으로 히터를 구비한다. 따라서, 제2 유로(123)를 통과하는 제2 공정가스는 300℃∼500℃ 이상의 온도로 가열되어 이온 또는 라디칼 상태로 분해되면서, 챔버(10) 내측으로 공급될 수 있다. 따라서, 제1 공정가스와 용이하게 반응할 수 있다.
본 실시예에서는, 상대적으로 무거운 트리메틸 갈륨(TMGa)을 제1 가스 공급라인(110)을 따라 상측에서 하향으로 공급되도록 구성하였고, 상대적으로 가벼운 암모니아(NH3)를 제2 가스 공급라인(120)을 따라 하측에서 상측으로 공급되도록 구성하였다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 종류의 공급가스를 이용하여 구성되는 것도 가능하고, 상기 트리메틸 갈륨 및 암모니아의 공급위치를 변경하여 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 암모니아는 챔버(10) 상측의 공급라인으로부터 공급되는 바, 암모니아가 공급되는 경로 상에서 예비 가열이 이루어질 수 있도록 히터의 위치 또한 상기 챔버(10)의 상측으로 변경하여 실시할 수 있다.
도 2는 도 1의 스테이지로 공급되는 공정가스의 유로를 도시한 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제2 가스 공급라인(120)은 스테이지(20) 상면으로 노출되도록 형성되는 제2 샤워헤드(121)를 포함하여 구성될 수 있다. 제2 샤워헤드(121)는 스테이지(20) 상면의 내측에 설치되는 캡 형상의 부재로 구성될 수 있다.
이때, 제2 샤워헤드(121)는 스테이지(20) 외측 방향으로 형성되는 복수 개의 분사구(122)를 구비할 수 있다. 각각의 분사구(122)는 상기 제2 유로와 연결되어, 제2 유로를 따라 공급되는 제2 공정가스를 분사한다. 그리고, 이때 분사된 제2 공정가스는 도 2에 도시된 바와 같이 스테이지(20)의 상면을 따라 스테이지(20) 외측으로 진행될 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 제1 공정가스인 트리메탈 갈 륨(TMGa)과 제2 공정가스인 암모니아(NH3)는 서로 다른 경로를 따라 진행하다가, 스테이지의 상면, 즉 제2 샤워헤드(121)의 분사구(122)와 인접한 부분에서 최초로 접하게 된다. 그리고, 제1, 제2 공정가스는 스테이지(20)의 내측으로부터 외측방향으로 함께 진행하면서 반응이 일어나게 된다. 즉, 질화 갈륨(GaN)이 생성되면서 스테이지(20) 상면에 안착된 웨이퍼 상에 증착이 이루어지고, 나머지 제1, 제2 공정가스들은 스테이지(20)의 외측으로 진행한다.
한편, 지속적으로 제1, 제2 공정가스가 유입될 수 있도록, 상기 스테이지(20) 상면의 외측으로 진행한 제1, 제2 공정가스는 배기포트(30)를 통하여 외부로 배기될 수 있다. 그리고, 챔버(10) 내측 공간을 채우기 위해 공정 가스가 불필요하게 낭비되는 것을 방지할 수 있도록, 상기 배기포트(30)의 하측의 공간을 차폐하는 차폐부재(40)를 구비하는 것이 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의할 경우, 각각의 공정가스는 챔버(10) 내부에 공급되어 상이한 경로를 따라 진행하다가, 증착이 이루어지는 위치, 즉 스테이지(20) 상면에 도달하면서부터 진행 경로를 공유하면서 반응이 일어난다. 따라서, 상기 공정가스 사이의 반응에 의해 형성되는 입자는 웨이퍼 상의 증착에 기여하는 바, 공정 효율을 개선할 수 있다.
본 실시예에서는 두 개의 공정가스를 이용하는 화학기상증착장치를 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이 이외에도, 복수개의 공정가스를 이용하는 경우에도, 각각의 공정가스가 웨이퍼와 인접한 위치에서 입자를 형성하도록 경로를 구성하여, 본 발명을 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학기상증착장치의 단면을 도시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 스테이지로 공급되는 공정가스의 유로를 도시한 개략도이다.

Claims (9)

  1. 챔버;
    상기 챔버의 내측에 설치되어 웨이퍼가 안착되는 스테이지;
    상기 챔버 상측에 설치되는 제1 샤워헤드를 통해 제1 공정가스를 공급하는 제1 가스 공급라인; 그리고,
    상기 스테이지에 설치되는 제2 샤워헤드를 통해 제2 공정가스를 공급하는 제2 가스 공급라인;을 포함하고,
    상기 제2 가스 공급라인은 상기 스테이지의 내측으로 제2 공정가스가 공급되는 유로가 형성되어, 상기 유로를 따라 공급되는 제2 공정가스를 상기 제2 샤워헤드의 분사구를 통해 상기 스테이지 상면의 외측방향으로 분사하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  2. 삭제
  3. 챔버;
    상기 챔버 내측에 설치되어 웨이퍼가 안착되는 스테이지;
    상기 챔버의 상측에서 상기 스테이지로 제1 공정가스를 공급하는 제1 가스 공급라인; 그리고,
    상기 제1 가스 공급라인보다 낮은 높이에서 상기 스테이지로 제2 공정가스를 공급하는 제2 가스 공급라인을 포함하고,
    상기 제2 가스 공급라인은 상기 챔버의 하측으로부터 상기 스테이지의 상면으로 제2 공정가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 가스 공급라인은 상기 스테이지 내측에 형성되는 제2 유로 및 상기 스테이지 상면에 설치되어 상기 제2 유로를 통해 공급되는 제2 공정가스를 상기 스테이지 상면으로 공급하는 제2 샤워헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 샤워헤드는 상기 스테이지의 외측방향으로 복수개의 분사구가 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 가스 공급라인은 상기 제2 유로의 외측으로 상기 제2 공정가스를 가열하기 위한 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 스테이지의 하측에는 상기 스테이지를 회전시키기 위한 회전축이 구비되며, 상기 제2 유로는 상기 회전축으로 내측을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  9. 제5항에 있어서,
    배기포트가 상기 스테이지의 외측에 형성되어, 상기 스테이지의 상면을 따라 외측 방향으로 상기 제1, 제2 공정가스가 진행하면, 상기 배기포트를 통해 상기 공정가스를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
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