KR101151212B1 - 화학기상증착장치 및 화학기상증착장치의 가스공급유닛 - Google Patents

화학기상증착장치 및 화학기상증착장치의 가스공급유닛 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학기상증착장치 및 그의 가스공급유닛에 관한 것으로, 챔버, 상기 챔버 내부에 설치되며 기판이 안착되는 서셉터, 상기 서셉터 상부에 위치하여 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부, 상기 공정가스 공급부를 관통하여 설치되며 하단이 서셉터 방향으로 개구된 센싱관, 상기 공정가스 공급부 상측에 설치되고 상기 센싱관의 상단 외측을 감싸면서 상기 센싱관과 연통 가능하도록 설치되는 보조 센싱관 그리고, 상기 보조 센싱관 상단에 설치되고, 상기 센싱관을 통해 서셉터 온도를 측정하는 온도감지 부재를 포함하는 화학기상증착장치를 제공한다.
본 발명에 따른 화학기상증착장치를 이용하는 경우, 온도감지부재를 용이하게 설치할 수 있고, 역류 발생시 이물질이 증착되는 경우에도 이를 지속적으로 제거하여 사용할 수 있다.

Description

화학기상증착장치 및 화학기상증착장치의 가스공급유닛 {A CHEMICAL VAPOR DEPOSITION APPARATUS AND A GAS SUPPLY UNIT THEREOF}
본 발명은 화학기상증착장치 및 그의 가스공급유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서셉터 및 기판의 온도를 측정하는 고온계가 설치되는 센싱관을 구비하는 화학기상증착장치 및 그의 가스공급유닛에 관한 것이다.
화학기상증착장치는 기판인 웨이퍼 상에 원하는 박막을 증착시키는 장치이다. 이 화학기상증착장치 중에서 금속 유기물 화학기상증착장치는 3족과 5족 화합물을 챔버 내부로 공급하여 질화갈륨 박막을 기판 상에 증착하는 장치이다.
이 금속 유기물 화학기상증착장치는 질화갈륨 박막을 증착하기 위하여 600 ~ 1300℃ 까지의 고온 환경에서 공정을 수행한다. 이러한 고온 환경 때문에 접촉식 온도계를 기판이나 서셉터에 설치하여 사용하는 것이 어렵다.
따라서 금속 유기물 화학기상증착장치에서는 기판이나 서셉터의 온도를 측정하기 위하여 적외선 온도계(infrared thermometer) 또는 광고온계(optical pyrometer)와 같은 비접촉식 온도계를 사용한다.
광고온계는 측정물의 휘도를 기준 휘도와 비교하여 온도를 측정하는데, 광고온계를 공정 공간 내부에 위치시킬 수 없기 때문에 금속 유기물 화학기상 증착장치에서는 이 광고온계를 샤워헤드 또는 노즐 플레이트의 상부에 위치시키고, 샤워헤드 또는 노즐 플레이트에는 상하로 관통한 센싱관이 구비된다. 그리고 센싱관의 상단에는 광고온계가 설치된다.
한편, 공정 진행 중 공정 가스의 일부가 공정 압력 변화와 인입되는 공정 가스의 분자 밀도 차이로 인해 센싱관 내부로 역류하는 경우가 발생한다. 그리고 역류한 공정가스는 이물질로 작용하여 기판 증착 공정에 영향을 미칠 수 있으며, 센싱관의 내부 또는 광고온계의 전단창에 증착될 수 있다. 이처럼, 이물질이 센싱관 또는 광고온계에 증착될 경우, 물질에 따라 온도별 빛의 방사정도를 측정하는 광온도계 특성상 이물질로 인해 방사율이 다르게 나타날 수 있으며, 이는 측정값에 영향을 미쳐 정확한 온도 제어 및 공정 재현성에 문제점을 야기할 수 있다.
본 발명의 목적은 광고온계의 설치가 용이하며, 유지 보수가 간편한 화학기상증착장치 및 그의 가스공급유닛을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 챔버, 상기 챔버 내부에 설치되며 기판이 안착되는 서셉터, 상기 서셉터 상부에 위치하여 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부, 상기 공정가스 공급부를 관통하여 설치되며 하단이 서셉터 방향으로 개구된 센싱관, 상기 공정가스 공급부 상측에 설치되고 상기 센싱관의 상단 외측을 감싸면서 상기 센싱관과 연통 가능하도록 설치되는 보조 센싱관 그리고, 상기 보조 센싱관 상단에 설치되고, 상기 센싱관을 통해 서셉터 온도를 측정하는 온도감지 부재를 포함하는 화학기상증착장치에 의해 달성될 수 있다.
그리고, 상기 보조 센싱관의 일측에는 상기 보조 센싱관 및 상기 센싱관을 통해 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 센싱관은 상기 공정가스 공급부 내측에 일체로 형성되며, 상기 보조 센싱관은 상기 공정가스 공급부의 상측으로부터 착탈 가능하게 삽입 설치되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 공정가스 공급부는 내측에 적어도 하나의 플레이트를 포함하고, 상기 보조 센싱관의 단부는 상기 적어도 하나의 플레이트 중 하나의 상면에 안착되도록 설치될 수 있다.
그리고, 상기 보조 센싱관의 단부는 상기 공정가스 공급부의 내측과 기밀을 유지하도록 실링부재가 구비되는 것도 가능하다.
그리고, 상기 보조센싱관의 상단 또는 상기 온도 감지부재의 하단에는 투명창이 형성될 수 있다.
전술한 본 발명의 목적은, 냉각 매체가 수용되는 냉각 챔버, 상기 냉각 챔버의 상측에 형성되는 제1 가스챔버, 상기 제1 가스챔버의 상측에 형성되는 제2 가스 챔버, 하단이 상기 냉각 챔버의 저면에 개구되며, 상측으로 연장 설치되는 센싱관, 상기 제2 가스챔버의 상측에서 삽입 설치되고, 상기 센싱관의 상단 외측을 감싸면서 상기 센싱관과 연통가능하게 설치되는 보조 센싱관, 상기 보조 센싱관 상단에 설치되며, 상기 센싱관을 통해 상기 냉각챔버 하측의 서셉터의 온도를 측정하는 온도감지 부재 그리고, 상기 보조 센싱관의 일측에는 상기 보조 센싱관과 연결되어 상기 센싱관을 통해 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급부를 더 포함하는 화학기상증착장치의 가스공급유닛에 의해서 달성되는 것도 가능하다.
그리고, 상기 보조 센싱관은 상기 제2 가스챔버의 상면에 안착되도록 설치되며, 상기 보조 센싱관과 상기 제2 가스챔버의 상면 사이에는 기밀 유지를 위한 실링부재를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 화학기상증착장치를 이용하는 경우, 온도감지부재를 용이하게 설치할 수 있고, 역류 발생시 이물질이 증착되는 경우에도 이를 지속적으로 제거하여 사용할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 단면도이고,
도 2는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 가스공급유닛을 도시한 단면도이다.
이하에서는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치에 대하여 설명하기로 한다. 도 1은 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 금속 유기물 화학기상증착장치는 외관을 형성하는 챔버(10)를 구비한다.
챔버(10) 내부의 상측에는 가스공급유닛(100)이 구비된다. 가스공급유닛(100)은 제1 공정가스와 제2 공정가스를 챔버 내부로 분사하는 공정가스 공급부(110)를 포함하여 구성될 수 있다.
공정가스 공급부(110: 도2 참조)는 제1 공정가스와 제2 공정가스를 수용하기 위한 제1 가스챔버(110a: 도2 참조) 및 제2 가스챔버(110b: 도2 참조)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 제1 가스챔버(110a) 및 제2 가스챔버(110b)가 공정공간의 고온 환경과 격리시킬 수 있도록, 냉각 유체가 수용되는 냉각챔버(110c: 도2 참조)를 구비할 수 있다. 그리고, 제1 가스챔버(110a) 및 제2 가스챔버(110b)는 하향으로 연장 설치되는 복수개의 튜브(115: 도2 참조)를 구비하여, 독립된 공정가스 공급 경로를 확보할 수 있다.
본 실시예에서 공정가스 공급부(110)는 샤워헤드 타입의 구성을 이용하였으나, 이 이외에도 노즐 플레이트 등의 형태로 실시하는 것도 가능하다. 그리고, 가스 공급유닛에 대해서는 아래에서 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.
가스공급유닛(100)의 하부에는 서셉터(20)가 구비된다. 서셉터(20)에는 다수개의 기판(S)이 안착된다. 기판(S)은 에피텍셜 공정이 수행되는 웨이퍼일 수 있다. 서셉터(20)의 하부에는 회전축(60)이 구비되고, 챔버(10) 외부로 연장되는 회전축(60)의 하단에는 모터(70)가 장착될 수 있다. 따라서, 서셉터(20)는 공정 수행중에 회전할 수 있다.
챔버(10) 내부의 서셉터(20) 하부에는 서셉터(20)를 가열하는 히터(30)가 설치될 수 있다. 히터(30)는 복수개로 구비된다. 히터(30)는 서셉터(20)에 안착된 기판(S)을 최대 600℃ ~ 1,300℃ 로 가열할 수 있다. 히터는 직접 가열 방식 또는 간접 가열방식(텅스텐 히터 또는 RF 히터) 등을 이용하여 실시할 수 있다.
서셉터(20)와 히터(30)의 측부에는 챔버(10)의 바닥까지 연장되는 격벽이 구비된다. 그리고 격벽과 챔버(10)의 내벽 사이에는 'J' 형태의 라이너(40)(Liner)가 설치될 수 있다. 이 라이너(40)는 챔버(10)와 격벽에 파티클이 증착되는 것을 차단하여, 파티클로부터 챔버(10)와 격벽을 보호하는 기능을 한다. 이 라이너(40)는 쿼츠로 실시될 수 있다. 다만, 본 실시예에서 라이너의 사용 여부는 사용자가 선택적으로 적용할 수 있다.
챔버(10)의 하부 측부에는 배기구(80)가 형성된다. 배기구(80)는 라이너(40)에 형성되는 홀과 연통한다. 배기구(80)에는 외부로 연장된 배기관(90)이 연결된다. 그리고 배기관(90)에는 배기가스의 정화를 위한 가스 스크러버(미도시)와 펌프(미도시) 등이 설치될 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 가스공급유닛을 도시한 단면도이다. 이하에서는, 도 2를 참조하여 가스공급유닛(100)의 구성에 대하여 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가스공급유닛(100)의 공정가스 공급부(110)는 복수개의 플레이트에 의해 구획되는 냉각챔버(110c), 제1 가스챔버(110a), 제2 가스챔버(110b)를 포함하도록 구성된다. 구체적으로, 제1 플레이트(111)는 공정가스 공급부(110)의 저면을 형성하며, 상측에 위치하는 제2 플레이트(112)와 함께 냉각챔버(110c)를 형성한다. 제2 플레이트(112)는 상측의 제3 플레이트(113)와 함께 제1 공정가스가 수용되는 제1 가스챔버(110a)를 형성한다. 또한 제3 플레이트(113)는 상측의 제4 플레이트(114)와 함께 제2 공정가스가 수용되는 제2 가스챔버(110b)를 형성한다.
이와 같이 공정가스 공급부(110)는 적층형 구조를 형성하며, 각각의 냉각챔버(110c), 제1 가스챔버(110a) 및 제2 가스챔버(110b)는 복수개의 플레이트에 의해 독립된 공간을 형성한다. 그리고, 제1 가스챔버(110a) 및 제2 가스챔버(110b)는 제1 플레이트(111)로 연장 형성되는 복수개의 튜브(115)를 구비한다. 각 튜브(115)의 하단은 제1 플레이트(111)의 저면에서 개구부를 형성하여, 제1 공정가스 또는 제2 공정가스를 공정 공간으로 공급한다.
한편, 본 실시예에 따른 가스공급유닛(100)은 공정가스 공급부(110)의 상측에는 온도감지부재(150)가 구비된다. 온도감지부재(150)로서, 광고온계, 적외선 온도계(infrared thermometer), 레이저 타입의 고온계 등 다양한 고온계를 사용할 수 있다. 본 실시예서는 광고온계(150)를 이용하며, 공정가스 공급부(110)의 상부 외측에 설치할 수 있다. 또는, 도시되지 않았지만 챔버의 상부 커버 측에 설치될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 온도감지부재를 적용하여 화학기상증착장치를 구성하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 아니며, 이 이외에도 공정 환경을 모니터링하기 위한 다양한 모니터링 부재(Insitu monitoring tool)를 적용하여 사용할 수 있다.
그리고, 광고온계(150)의 하측으로는 보조 센싱관(130) 및 센싱관(120)이 형성된다. 이때, 보조 센싱관(130) 및 센싱관(120)은 공정가스 공급부(110)를 관통하는 경로를 형성하여, 광고온계(150)가 센싱관(120) 하측에 위치하는 서셉터(20) 및 기판(S)의 온도를 측정하는 것이 가능하다.
여기서, 센싱관(120)은 하단이 제1 플레이트(111)에서 개구부(121)를 형성하며, 공정가스 공급부(110)를 관통하도록 상측으로 연장 형성된다. 따라서, 센싱관(120)은 적어도 하나 이상의 플레이트를 관통하며, 이때 냉각챔버(110c) 및 제1 가스챔버(110a)가 기밀 상태를 유지할 수 있어야 한다. 따라서, 센싱관(120)이 플레이트를 관통하는 부분은 기밀을 유지할 수 있도록 일체의 모듈로 구성되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 센싱관(120)이 제1 플레이트(111), 제2 플레이트(112) 및 제3 플레이트(113)를 관통하도록 형성되며, 상단이 제3 플레이트(113) 상측으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 이때, 공정가스 공급부(110)의 제1 내지 제3 플레이트는 복수개의 튜브(115)와 브레이징 공정을 이용하여 제작되는 것이 일반적이다. 따라서, 센싱관(120)이 제1 내지 제3 플레이트를 관통하는 이음매 부분 또한 상기 브레이징 공정을 이용하여 용이하게 기밀을 유지하도록 설치할 수 있다.
이에 비해, 보조 센싱관(130)은 공정가스 공급부(110)의 상측에서 삽입 설치되며, 본 실시예에서는 제4 플레이트(114)의 상측에 끼움되어 설치되도록 구성하였다. 이때, 보조 센싱관(130)의 직경은 센싱관(120)의 직경보다 크게 형성되어, 센싱관(120)의 상단이 보조 센싱관(130)의 하단에 삽입되어 둘러싸인 형태로 설치된다. 그리고, 보조 센싱관(130)의 하단은 제3 플레이트(113) 상면에 안착된다.
따라서, 광고온계(150)는 보조 센싱관(130)의 상단에 설치되어 보조 센싱관(130) 및 센싱관(120)을 통해 서셉터(20) 및 기판(S)의 온도를 측정할 수 있다.
이때, 센싱관(120)의 하단 출구로부터 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있도록, 보조 센싱관(130)의 일측에는 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급부(140)를 구비할 수 있다. 이때, 퍼지가스 공급부(140)에 의해 공급되는 퍼지가스는 질소 또는 수소 등의 불활성 기체를 이용할 수 있다. 따라서 퍼지가스가 보조 센싱관(130) 및 센싱관(120)을 거쳐 센싱관(120)의 하단 출구로 지속적으로 공급되는 바, 챔버(10) 내부로부터 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 다만, 보조 센싱관(130)이 안착되는 제2 가스챔버(110b)로 퍼지 가스가 유입되는 것을 방지할 수 있도록, 보조 센싱관(130)의 단부와 제3 플레이트(113) 상면 사이에는 별도의 실링부재(131)가 설치되는 것이 바람직하다.
여기서, 퍼지가스가 불활성 기체로 이루어지는 바, 일반적으로 챔버(10) 내부의 공정 조건에 영향을 미치지 않으나, 지나치게 많은 양의 공정가스가 공급되는 경우에는 예외적으로 공정 조건을 변화시킬 수 있다. 또한, 지나치게 적은 양의 공정가스는 이물질의 유입을 충분히 방지할 수 없다. 따라서, 본 발명에 따른 퍼지가스 공급부(140)는 보조 센싱관(130) 내부로 공급되는 퍼지가스의 양을 제어할 수 있도록 별도의 제어부(미도시)에 의해 제어되도록 구성되어, 공정 내용에 따라 적당한 유량의 퍼지가스를 공급하는 것이 바람직하다.
한편, 이물질의 유입을 방지하기 위해 퍼지가스 공급부(140)를 구비하더라도, 퍼지가스가 공급되지 않는 시점 또는 공정환경이 변하는 시점에서 소정의 이물질이 유입되어 보조 센싱관(130) 또는 센싱관(120)의 내벽에 부착되거나, 심지어는 광고온계(150)의 전단에 위치하는 대물렌즈(미도시)에 부착될 우려가 있다. 따라서, 본 실시예에서는 센싱관(120) 상단에 설치되는 광고온계(150)가 착탈 가능하도록 설치되는 것이 바람직하다.
다만, 대물렌즈에 직접 이물질이 부착되는 경우, 이를 클리닝하는 과정에서 대물렌즈부가 손상될 우려가 있다. 따라서, 본 발명에서는 보조 센싱관(130)의 상단에 투명창(132)을 구비하여 이물질이 직접 광고온계(150)에 직접 부착되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 다만, 이외에도 광고온계가 자체적으로 투명창(132)을 구비한 상태로 보조 센싱관(130)에 착탈가능하도록 구성하는 것도 가능하다.
나아가, 광고온계(150) 뿐 아니라 보조 센싱관(130) 또한 가스공급유닛(100)으로부터 착탈 가능하게 설치되는 것이 더욱 바람직하다. 앞서 설명한 바와 같이, 이물질이 센싱관(120)을 통하여 보조 센싱관(130)으로 유입되는 경우 온도 측정 값에 영향을 미치거나, 심지어는 퍼지가스의 유입을 방해하는 경우가 발생할 수도 있다. 따라서, 보조 센싱관(130)을 착탈 가능하게 설치되는 경우 이를 분리하여 클리닝 하는 것이 가능한 바, 유지 보수가 용이하다.
전술한 본 실시예의 경우, 퍼지가스가 일차적으로 유입되는 보조 센싱관(130)에 비해 퍼지가스가 분사되는 센싱관(120)이 작은 직경을 갖는 바, 동일한 양의 퍼지가스를 공급하더라도 보다 효과적으로 이물질의 유입을 방지하는 것이 가능하다. 그리고, 이물질이 상측으로 유입되어 보조 센싱관(130)의 일면에 부착되는 경우, 보조 센싱관(130) 부분이 센싱관(120)에 비해 상대적으로 넓은 공간을 형성하는 바 이물질에 의한 온도 측정 환경 및 퍼지 가스 유입 경로에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있다. 또한, 온도감지부재(150) 뿐 아니라 보조 센싱관(130) 또한 가스공급유닛에 착탈 가능하게 설치되는 바, 유지 보수 및 교체가 용이한 화학기상증착장치를 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (8)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부에 설치되며 기판이 안착되는 서셉터;
    상기 서셉터 상부에 위치하여 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부;
    상기 공정가스 공급부를 관통하여 설치되며 하단이 서셉터 방향으로 개구된 센싱관;
    상기 공정가스 공급부 상측에 상기 센싱관 상단의 외측으로 삽입되어 상기 센싱관과 연통 가능하도록 설치되며, 상기 센싱관의 직경보다 큰 직경으로 형성되는 보조 센싱관;
    상기 보조 센싱관 상단에 설치되고, 상기 센싱관을 통해 서셉터 온도를 측정하는 온도감지 부재; 그리고,
    상기 보조 센싱관의 일측에는 상기 보조 센싱관 및 상기 센싱관으로 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급부를 포함하며,
    상기 센싱관을 통과하는 퍼지가스의 유속은 상기 보조 센싱관을 통과하는 퍼지가스의 유속보다 상대적으로 빠른 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센싱관은 상기 공정가스 공급부 내측에 일체로 형성되며, 상기 보조 센싱관은 상기 공정가스 공급부의 상측으로부터 착탈 가능하게 삽입 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공정가스 공급부는 내측에 적어도 하나의 플레이트를 포함하고, 상기 보조 센싱관의 단부는 상기 적어도 하나의 플레이트 중 하나의 상측에 안착되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보조 센싱관의 단부는 상기 공정가스 공급부의 내측과 기밀을 유지하도록 실링부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보조 센싱관의 상단 또는 상기 온도 감지부재의 하단에는 투명창이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  7. 냉각 매체가 수용되는 냉각 챔버;
    상기 냉각 챔버의 상측에 형성되는 제1 가스챔버;
    상기 제1 가스챔버의 상측에 형성되는 제2 가스챔버;
    하단이 상기 냉각 챔버의 저면으로 개구되며, 상측으로 연장 설치되는 센싱관;
    상기 제2 가스챔버의 상측에서 삽입 설치되며, 상기 센싱관의 직경보다 큰 직경으로 형성되어 상단 외측을 감싸면서 상기 센싱관과 연통가능하게 설치되는 보조 센싱관;
    상기 보조 센싱관 상단에 설치되며, 상기 센싱관을 통해 상기 냉각챔버 하측의 서셉터의 온도를 측정하는 온도감지 부재; 그리고,
    상기 보조 센싱관의 일측에는 상기 보조 센싱관과 연결되어, 상기 센싱관을 통해 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급부를 포함하며,
    상기 센싱관을 통과하는 퍼지가스의 유속은 상기 보조 센싱관을 통과하는 퍼지가스의 유속보다 상대적으로 빠른 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 가스공급유닛.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보조 센싱관은 상기 제2 가스챔버의 상면에 안착되도록 설치되며, 상기 보조 센싱관과 상기 제2 가스챔버의 상면 사이에는 기밀 유지를 위한 실링부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 가스공급유닛.
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