KR101105697B1 - 반도체 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 소자의 제조 장치는 상부 면에 웨이퍼를 안착시키는 서셉터, 상기 서셉터를 관통하도록 형성되는 리프트 핀 홀, 내부에 가스가 이동하는 통로인 샤프트 홀이 형성되며, 상기 서셉터를 지지하는 서셉터 샤프트, 및 상기 리프트 핀 홀 내에 배치되며, 상기 서셉터 샤프트와 결합에 의하여 상기 사프트 홀을 흐르는 가스를 상기 리프트 핀과 상기 리프트 홀 사이의 틈으로 배출하는 리프트 핀을 포함한다.

Description

반도체 제조 장치{Apparatus for manufacturing a semiconductor}
본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼 상에 실리콘 단결정의 에피텍셜 박막을 성장시키는 에피텍셜 반응기에 관한 것이다.
경면 가공된 실리콘 웨이퍼에 실리콘 단결정의 에피텍셜 박막을 성장시킨 것을 에피텍셜 실리콘 웨이퍼(epotaxial silicon wafer)라고 한다. 즉 에피텍셜 반응기 내의 서셉터 위에 웨이퍼를 안착시키고, 반응기의 일단에서 타단으로 원료 가스를 공급하고, 공급되는 원료 가스와 웨이퍼를 반응시켜 웨이퍼 표면에 에피택셜막을 성장시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 에피텍셜 반응기(100) 내의 원료 가스의 흐름을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 반응 용기(101) 일단에 위치하는 가스 도입구(112)를 통하여 공급되는 원료 가스(G)는 서셉터 지지대(susceptor support sharft, 129)에 의하여 지지되는 서셉터(120) 상에 안착된 웨이퍼(125) 표면을 따라 흐르고 배출구(114)를 통하여 배출된다.
이때 가스 도입구(112)를 통하여 공급되는 원료 가스(G)의 흐름을 반응 용기(101) 내로 유도하는 하부 가이드 링(130)과 서셉터(120) 사이에는 간격이 존재하며, 이 간격 사이로 미량의 원료 가스(GB)가 흐른다. 하부 가이드 링(130)과 서셉터(120) 사이로 빠져 나와 흐르는 원료 가스(GB)는 서셉터(120)의 후면을 따라 흐른다.
도 2a는 도 1에 도시된 서셉터(120)의 앞면을 나타내고, 도 2b는 도 1에 도시된 서셉터(120)의 후면을 나타낸다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 서셉터(120)를 관통하여 리프트 핀 홀들(lift pin holes, 212,214,216)이 형성된다.
도 3은 도 2a 및 도 2b에 도시된 서셉터(120)에 형성되는 리프트 핀 홀(212), 및 리프트 핀(310)을 도시한다. 도 3을 참조하면, 리프트 샤프트(lift shaft, 128)에 의하여 리프트 핀(310)은 리프트 핀 홀(212) 내부에서 상하로 움직이며, 상하로 움직이는 리프트 핀(310)에 의하여 웨이퍼(125)는 서셉터(120)에 안착한다.
도 1에서 설명한 바와 같이 서셉터(120)의 후면을 따라 흐르는 원료 가스(GB)는 리프트 핀 홀(212)과 리프트 핀(310) 사이의 틈으로 흘러들어간다. 만약 웨이퍼의 뒷면에 다이옥사이드(dioxide) 박막이 성장되어 있는 경우에는 다이옥사이드 박막이 리프트 핀 홀(212)과 리프트 핀(310) 사이의 틈으로 흘러들어가는 원료 가스(GC)와 미반응하여 실리콘 이상 결함이 발생하지 않는다.
그러나 웨이퍼 뒷면이 단지 경면 처리된 경우에는 리프트 핀 홀(212)과 리프트 핀(310) 사이의 틈으로 흘러들어가는 원료 가스(GC)가 웨이퍼(125) 뒷면과 반응하여 웨이퍼(125) 뒷면에 실리콘 이상 성장 결함(Halo defect)을 발생시킨다. 이러한 웨이퍼(125) 뒷면의 이상 성장 결함은 웨이퍼(125) 뒷면의 표면 거칠기 차이를 발생시킨다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 에피텍셜 웨이퍼 뒷면에 실리콘 이상 성장 결함을 방지할 수 있는 반도체 제조 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 제조 장치는 상부 면에 웨이퍼를 안착시키는 서셉터, 상기 서셉터를 관통하도록 형성되는 리프트 핀 홀, 내부에 가스가 이동하는 통로인 샤프트 홀이 형성되며, 상기 서셉터를 지지하는 서셉터 샤프트, 및 상기 리프트 핀 홀 내에 배치되며, 상기 서셉터 샤프트와 결합에 의하여 상기 사프트 홀을 흐르는 가스를 상기 리프트 핀과 상기 리프트 홀 사이의 틈으로 배출하는 리프트 핀을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 제조 장치는 서셉터의 후면을 따라 흐르는 원료 가스가 리프트 핀 홀과 리프트 핀 사이의 틈으로 흘러들어가는 것을 방지하여 웨이퍼 뒷면에 실리콘 이상 성장 결함(Halo defect)이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 에피텍셜 반응기 내의 원료 가스의 흐름을 나타낸다.
도 2a는 도 1에 도시된 서셉터의 앞면을 나타내다.
도 2b는 도 1에 도시된 서셉터의 후면을 나타낸다.
도 3은 도 2a 및 도 2b에 도시된 서셉터에 형성되는 리프트 핀 홀, 및 리프트 핀을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 에픽텍셜 반응기를 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 에픽텍셜 반응기의 점선 부분의 확대도를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 돌출부와 리프트 핀 결합시의 구조를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 리프트 핀의 구조를 나타낸다.
이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 에픽텍셜 반응기(400)를 나타내며, 도 5는 도 4에 도시된 에픽텍셜 반응기(400)의 점선 부분(450)의 확대도를 나타낸다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 에피텍셜 반응기(400)는 반도체 웨이퍼(미도시)를 한 장씩 처리하는 매엽식이며, 반응 용기(401), 가스 공급 라인(410), 가스 배출 라인(415), 서셉터(420), 리프트 핀들(461 내지 465), 하부 링(425), 상부 링(427), 예열링(429), 및 서셉터 샤프트(susceptor support sharft, 430)를 포함한다.
반응 용기(401)는 석영 유리로 구성되며, 일측면에 가스 공급 라인(410)과 연결되는 가스 도입구(408)가 형성되고, 타측면에 가스 배출 라인(415)과 연결되는 가스 배출구(412)가 형성된다.
가스 공급 라인(410)으로부터 공급되는 원료 가스(G)는 가스 도입구(408)를 통하여 반응 용기(401) 내로 도입되고, 반응 용기(401) 내부로 도입된 원료 가스(G)는 반응 용기(401) 내부에 위치하는 웨이퍼 표면을 따라 흐른 후 가스 배출구(412)를 통하여 가스 배출 라인(415)으로 배출된다.
서셉터(420)는 평탄한 원판 형상의 지지판으로 카본 그래파이트(carbon graphite) 또는 탄화규소로 이루어지며 반응 용기(401)의 내부 공간에 배치되고, 그 상부 면은 박막 형성을 위한 웨이퍼(422)가 안착하도록 지지한다.
서셉터(420)는 리프트 핀 홀들을 포함한다. 리프트 핀 홀들은 서셉터(420)를 관통하여 다수 개 형성된다. 예컨대, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 3개의 리프트 핀 홀들(212,214,216)이 원판 형상의 서셉터(420)에 120°간격으로 형성될 수 있다. 이하 서셉터(420)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 서셉터(120)와 동일한 것으로 한다.
리프트 핀들(461 내지 465) 각각은 리프트 핀 홀들(212,214,216) 중 대응하는 어느 하나의 내부에 배치되며, 리프트 핀 홀 내부를 상하 이동함으로써 웨이퍼를 들어올려 서셉터(420)에 안착시킨다.
하부 링(425)은 서셉터(420)를 둘러싸도록 반응 용기(401) 내에 배치되며, 하부 링(425)의 상면은 서셉터(420)의 상면(또는 웨이퍼(422)의 상면)과 일치(또는 수평)되도록 배치될 수 있다. 상부 링(427)은 반응 용기(401) 내에서 하부 링(425)과 대향하도록 하부 링(425) 상에 배치된다. 이때 하부 링(425)과 상부 링(427)의 재료는 석영(SiO2) 또는 탄화규소(SiC)일 수 있다.
가스 도입구(408)로 도입되는 원료 가스는 하부 링(425)과 상부 링(427) 각각의 일측 외주면 사이에 형성되는 가스 도입 통로(409)를 통과하여 서셉터(420) 상의 웨이퍼 표면을 따라 흐른다.
예열링(429)은 서셉터(420)의 상면과 수평이 되도록 서셉터(420)에 인접하는 하부 링(425)의 외주면을 따라 판상으로 형성되며, 열을 균일하게 한다.
서셉터 샤프트(430)는 서셉터(420)를 수평으로 지지한다. 서셉터 샤프트(430)는 메인 샤프트(432), 사프트 아맘들(sharft arms, 435-1 내지 435-3), 및 돌출부들(451,453,455)을 포함한다.
메인 샤프트(432)는 서셉터(420)와 수직 방향이 되도록 서셉터(420) 하부의 반응 용기(401) 내에 배치된다.
샤프트 아암들(435-1 내지 435-3)은 방사 방향의 바깥쪽으로 뻗도록 메인 사프트(432)의 상단 부분에 일체형으로 형성된다. 샤프트 아암들(435-1 내지 435-3) 각각은 동일한 형상이며, 서셉터(420) 하부에 등간격으로 배치된다. 예컨대, 샤프트 아암들(435-1 내지 435-3) 각각은 서셉터(420)에 형성되는 리프트 핀 홀들(212,214,216)에 대향하도록 서셉터(420) 하부에 등간격으로 배치될 수 있다. 이때 샤프트 아암들(435-1 내지 435-3) 각각은 바깥쪽으로 갈수록 상방으로 기울어지도록 형성될 수 있다.
돌출부들(451,453,455)은 각각의 샤프트 아암들(435-1 내지 435-3) 말단으로부터 수직 상방으로 뻗도록 일체적으로 형성된다. 돌출부들(451,453,455)은 원주 형상일 수 있다. 메인 샤프트(432), 샤프트 아암들(435-1 내지 435-3) 및 돌출부들(451,453,455)은 석영으로 이루어지고, 전체가 일체적으로 형성될 수 있다.
샤프트 아암들(435-1 내지 435-3) 각각은 리프트 핀 홀들(212,214,216)에 대응하도록 서셉터(420) 하부에 등간격으로 배치되기 때문에, 샤프트 아암들(435-1 내지 435-3) 말단에 형성되는 돌출부들(451,453,455)은 리프트 핀 홀들(212,214,216)에 대향한다.
서셉터 샤프트(430)가 상승 또는 하강함에 따라 돌출부들(451,453,455)은 대향하는 리프트 핀 홀들(212,214,216) 내부에 위치하는 리프트 핀들(461 내지 463)과 착탈된다.
예컨대, 서셉터 샤프트(430)가 서셉터(420) 방향으로 상승 이동함에 따라 돌출부들(451,453,455)은 대향하는 리프트 핀 홀들(212,214,216) 내부에 위치하는 리프트 핀들(461 내지 463)과 밀착 결합되고, 리프트 핀들(461 내지 463)을 밀어 올린다. 그리고 밀어 올려진 리프트 핀들(461 내자 463)에 의하여 웨이퍼가 올려진다.
서셉터 샤프트(430) 내부에는 가스(예컨대, H2 gas 또는 비활성 기체)가 이동하는 통로인 샤프트 홀(sharft hole, 434)이 형성된다. 예컨대, 일체형으로 형성되는 메인 샤프트(432), 샤프트 아암들(435-1 내지 435-3) 및 돌출부들(451,453,455) 내부에는 가스 이동 통로인 샤프트 홀(434)이 형성될 수 있다.
예컨대, 메인 샤프트(432), 샤프트 아암들(435-1 내지 435-3) 및 돌출부들(451,453,455) 각각의 내부에 형성되는 샤프트 홀(434)은 서로 연결되며, 메인 샤프트(432) 하부의 가스 유입구(436)로부터 유입되는 H2 가스는 샤프트 홀(434)을 따라 메인 샤프트(432), 및 샤프트 아암들(435-1 내지 435-3)을 거쳐 돌출부(451,453,455)로 흐른다
리프트 핀들(461 내자 463) 각각은 리프트 핀 내부 홀(510) 및 리프트 핀 측면 홀들(632 내지 638)을 포함한다. 리프트 핀 내부 홀(510)은 리프트 핀들(461 내자 463) 각각의 내부 중심축(501)을 따라 형성된다. 따라서 리프트 핀들(461 내지 463) 각각이 돌출부(451,453,455)와 밀착 결합시, 리프트 핀 내부 홀(510)은 돌출부(451) 내부에 형성되는 샤프트 홀(434)과 연결되고 샤프트 홀(434)을 흐르는 가스(예컨대, H2 가스)는 리프트 핀 내부 홀(510)로 흐른다.
리프트 핀 측면 홀들(632 내지 638)은 리프트 핀 내부 홀(510)과 연결되고 리프트 핀(461, 462 및 463)의 측면을 관통한다.
따라서 샤프트 홀(434)로부터 리프트 핀 홀(510)로 따라 흐르는 H2 가스는 리프트 핀 측면 홀들(632 내지 638) 밖으로 배출되고, 배출되는 H2 가스(GD)는 리프트 핀(예컨대, 461)과 리프트 핀 홀(214)의 내벽 사이를 따라 서셉터(420) 후면 방향으로 흘러 배출된다. 여기서 서셉터(420) 후면은 웨이퍼가 안착되는 서셉터(420) 상부 면의 반대 면을 의미한다.
도 6은 도 5에 도시된 돌출부(451)와 리프트 핀(461) 결합시의 구조를 나타낸다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 돌출부(451)는 말단에 형성되는 돌기(515)를 포함한다. 돌기(515)는 리프트 핀 내부 홀(510)과 암수 결합을 함으로써 리프트 핀(461)과 돌출부(451)는 밀착 결합할 수 있다.
리프트 핀(451)은 삿갓 형태의 해드(head, 610) 및 일자형의 몸체(620)로 구성된다. 이때 해드(610) 및 몸체(620)는 일체형으로 형성될 수 있다.
해드(610)는 리프트 핀 홀(214)보다 크고, 리프트 핀 내부 홀(510)은 일자형의 몸체(620) 내부 중심축(501)을 따라 형성된다. 리프트 핀 측면 홀들(632 내지 638)은 일자형의 몸체(620) 내부 중심축(501)과 수직 방향으로 일자형의 몸체(620) 측면을 관통하도록 형성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 리프트 핀 홀(214)은 서셉터(420)의 상부 면(421)과 수직이 되도록 형성된다. 리프트 핀 홀(214)은 상부 일부 부분(A)과 하부 나머지 부분(B)으로 구분될 수 있다. 이때 하부 나머지 부분(B)은 일정한 직경을 갖는 원통 형상이고, 상부 일부 부분(A)은 직경이 상부 방향으로 점차 증가하는 원통뿔 형태일 수 있다. 예컨대, 리프트 핀 홀(214)의 전체 깊이의 2분의 1인 지점을 기준면으로 할 때, 기준면의 상부에 위치하는 부분은 상부 일부 부분(A)이고, 기준면의 하부에 위치하는 부분은 하부 나머지 부분일 수 있다.
또한 도 5에 도시된 바와 달리, 리프트 핀 홀(214)의 상부 일부 부분(A)과 하부 나머지 부분(B)이 동일한 직경을 갖는 원통 형상을 갖도록 형성될 수도 있다.
리프트 핀(461)이 리프트 핀 홀(214)로 빠져버리지 않도록 하기 위하여 해드(610)의 직경은 리프트 핀 홀(214)의 직경보다 크다. 예컨대, 해드(610)의 직경은 적어도 리프트 핀 홀(214)의 하부 나머지 부분(B)의 직경보다 크다. 즉 해드(610)는 리프트 핀 홀(214)의 상부 일부 부분(A)에 걸려 리프트 핀(461)이 리프트 핀 홀(214)로 빠져버리는 것을 방지할 수 있다.
리프트 핀 측면 홀들(632 내지 638)은 일자형의 몸체(620)의 하부 측면에 형성될 수 있다. 예컨대, 해드(610)가 리프트 핀 홀(214)의 상부 일부 부분(A)에 걸렸을 때, 리프트 핀 측면 홀들(632 내지 638)은 리프트 핀 홀(214)의 상부 일부 부분(A)보다 낮게 위치하도록 형성될 수 있다. 이는 리프트 핀 측면 홀들(632 내지 638)로부터 배출되는 H2 가스(GD)가 서셉터(420) 상면 방향보다는 후면 방향으로 잘 흐르도록 하기 위함이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 리프트 핀(700)의 구조를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 리프트 핀(700)은 해드(710) 및 일자형의 몸체(720)를 포함한다. 도 7에 도시된 리프트 핀(700)은 도 6에 도시된 리프트 핀(461)과 리프트 핀 측면 홀들(732 내지 738)의 구조만 다르며, 나머지 부분들을 동일하다.
즉 리프트 핀 내부 홀(510)은 일자형의 몸체(720) 내부 중심축(501)을 따라 형성되며, 리프트 핀 측면 홀들(732 내지 738) 각각의 일 단은 리프트 핀 내부 홀(510)과 연결되고, 타 단은 일자형의 몸체(620) 측면을 관통하도록 형성된다. 이때 리프트 핀 측면 홀들(732 내지 738)은 일자형의 몸체(620)의 내부 중심축(501)과 수직을 이루는 축(701)을 기준으로 하방 경사를 갖도록 형성된다.
예컨대, 일자형의 몸체(620)의 내부 중심축(501)과 수직을 이루는 축(701)을 기준으로 리프트 핀 측면 홀의 일 단으로 타 단 방향의 경사가 네거티브 기울기(negative slope, 0 < θ < -90°, -90°< θ < -180°)를 갖도록 리프트 핀 측면 홀들(732 내지 738)을 형성할 수 있다.
이는 리프트 핀 측면 홀들(732 내지 738)로부터 배출되는 H2 가스(GD)가 서셉터(420) 상면 방향보다는 후면 방향으로 잘 흐르도록 하기 위함이다.
리프트 핀 측면 홀들(632 내지 638, 732 내지 738)로부터 배출되는 H2 가스(GD)는 리프트 핀(예컨대, 461)과 리프트 핀 홀(214)의 내벽 사이를 따라 서셉터(420) 후면 방향으로 흘러 배출되기 때문에 서셉터(120)의 후면을 따라 흐르는 원료 가스(GB)가 리프트 핀 홀(212)과 리프트 핀(461) 사이의 틈으로 흘러들어가는 것을 방지할 수 있다.
따라서 본원 발명의 실시 예에 따른 에픽텍셜 반응기(400)는 웨이퍼를 서셉터(420)에 안착시키는 리프트 핀(461)과 이 리프트 핀(461)을 상하로 움직이게 하는 서셉터 샤프트(430) 내부에 형성된 홀을 통하여 흐르는 가스(H2 가스)를 리프트 핀(461)과 리프트 핀 홀(214)의 내벽 사이를 따라 서셉터(420)의 후면 방향으로 배출함으로써 서셉터(420)의 후면을 따라 흐르는 원료 가스(GB)가 리프트 핀 홀(214)과 리프트 핀(461) 사이의 틈으로 흘러들어가는 것을 방지하여 웨이퍼 뒷면에 실리콘 이상 성장 결함(Halo defect)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
101, 401: 반응 용기, 112: 가스 도입구, 114: 가스 배출구,
129: 서셉터 지지대, 212,214,216: 리프트 핀 홀들,
310,461 내자 463: 리프트 핀, 410: 가스 공급 라인,
415: 가스 배출 라인, 120, 420:서셉터, 425: 하부 링,
427: 상부 링, 429: 예열링, 430: 서셉터 샤프트,
432: 메인 샤프트, 435-1 내지 435-3: 샤프트 아암들,
451,453,455: 돌출부들, 512: 돌출부(512), 515: 돌기,
610: 해드, 620: 일자형의 몸체,
632 내지 638, 732 내지 638: 리프트 핀 측면 홀들

Claims (8)

  1. 상부 면에 웨이퍼를 안착시키는 서셉터(susceptor);
    상기 서셉터를 관통하도록 형성되는 리프트 핀 홀(lift pin hole);
    상기 리프트 핀 홀 내에 배치되는 리프트 핀;
    상기 서셉터 하부에 배치되는 메인 샤프트;
    상기 메인 사프트의 상단 부분에 형성되어 상기 서셉터 하부에 배치되는 샤프트 아암들; 및
    상기 샤프트 아암들 각각의 말단으로부터 수직 상방으로 뻗도록 형성되고, 상기 리프트 핀과 착탈되는 돌출부를 포함하며,
    상기 메인 샤프트, 상기 샤프트 아암들 및 상기 돌출부의 내부에는 가스가 이동하는 통로인 샤프트 홀이 마련되며,
    상기 돌출부와 상기 리프트 핀의 결합에 의하여 상기 사프트 홀을 흐르는 가스는 상기 리프트 핀과 상기 리프트 홀 사이의 틈으로 배출되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 리프트 핀은,
    내부 중심축을 따라 형성되는 리프트 핀 내부 홀; 및
    상기 리프트 핀 내부 홀과 연결되고 상기 리프트 핀 측면을 관통하는 리프트 핀 측면 홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 리프트 핀은,
    삿갓 형태의 해드(head) 및 상기 해드에 연결되는 일자형의 몸체(body)를 포함하며,
    상기 일자형의 몸체는,
    상기 일자형의 몸체의 내부 중심축을 따라 형성되는 상기 리프트 핀 내부 홀; 및
    상기 리프트 핀 내부 홀과 연결되고, 상기 일자형의 몸체 측면을 관통하도록 형성되는 상기 리프트 핀 측면 홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 리프트 핀 측면 홀들 각각은,
    상기 일자형의 몸체의 내부 중심축과 수직 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 리프트 핀 측면 홀들 각각은,
    상기 일자형의 몸체의 내부 중심축과 수직을 이루는 축을 기준으로 하방 경사를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 리프트 핀 홀은
    상부 일부 부분과 하부 나머지 부분으로 구분되며,
    상기 하부 나머지 부분은 일정한 직경을 갖는 원통 형상이고, 상기 상부 일부 부분은 직경이 상부 방향으로 점차 증가하는 원통뿔 형상인 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 리프트 핀 측면 홀들은,
    상기 일자형의 몸체의 하부 측면에 개구부를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 장치.
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