KR101151624B1 - 가스 분사 균일도가 우수한 구획형 가스 분배 모듈 - Google Patents

가스 분사 균일도가 우수한 구획형 가스 분배 모듈 Download PDF

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Abstract

가스 분배판의 가스 주입홀을 통과하여 분사되는 공정 가스가 웨이퍼의 전 영역에 균일하게 분사되도록 구획화하는 것을 통해 가스 분사 균일도를 향상시킬 수 있는 구획형 가스 분배 모듈에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 구획형 가스 분배 모듈은 챔버의 상측에 고정 설치되며, 복수의 가스 주입홀을 갖는 가스 분배판; 상기 챔버 및 가스 분배판 사이에 고정 설치되어 상기 가스 주입홀들을 복수의 분할 영역으로 구획하는 에어 커튼; 상기 분할 영역에 각각 연통되는 가스 공급관; 및 상기 가스 공급관에 각각 연결되어 상기 분할 영역으로 공급되는 공정 가스의 유량을 제어하는 가스 유량 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 분사 균일도가 우수한 구획형 가스 분배 모듈{SECTIONAL TYPE GAS DISTRIBUTION MODULE WITH EXCELLENT GAS DISTRIBUTING UNIFORMITY}
본 발명은 구획형 가스 분배 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 분배판의 가스 주입홀을 통과하여 분사되는 공정 가스가 웨이퍼의 전 영역에 균일하게 분사되도록 구획화하는 것을 통해 가스 분사 균일도를 향상시킬 수 있는 구획형 가스 분배 모듈에 관한 것이다.
화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD)은 반도체 공정 기술의 하나로 화학반응을 이용하여 웨이퍼의 표면 상에 반도체막이나 절연막 등을 형성하는 방법 중 하나이다. 통상적으로, 열적 CVD 공정은 웨이퍼 표면에 반응성 가스를 공급하며 웨이퍼 표면에서 발생하는 열 유도 화학 반응을 이용하여 박막을 형성한다.
한편, 플라즈마 강화 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapor deposition: PE-CVD) 기술은 웨이퍼 표면 주위의 반응 영역에 고주파 에너지를 가함으로써 플라즈마를 형성하고, 이러한 플라즈마의 높은 반응성으로 인해 화학 반응에 필요한 에너지를 감소시켜 공정 온도를 낮추는데 이용된다.
이러한 플라즈마 처리 장치는 챔버, 서셉터, 가스 공급부 및 가스 분배 모듈을 포함할 수 있다. 이 중, 가스 분배 모듈은 서셉터와 마주보는 상측에 배치되어 웨이퍼의 표면에 대하여 공정 가스를 분배하는 기능을 한다.
그러나, 종래의 가스 분배 모듈은 웨이퍼의 중앙 부분에서 일괄적으로 공정 가스를 분사하고 있는 데, 이 경우 서셉터와 상부 전극에 의하여 정의되는 반응 영역의 전 부분에서의 가스 분배가 균일하게 제어되지 않아 웨이퍼의 표면에 형성되는 막질 특성이 저하될 우려가 있다.
특히, 상기 가스 분배 모듈로부터 분사되는 공정 가스가 웨이퍼의 중앙 부분과 대응되는 부분에서 일괄적으로 분사되도록 가스 공급관이 설계되는 데 기인하여 공정 가스가 웨이퍼의 중앙 부분에 대응하여 편중되는 현상이 발생되고 있다. 이 결과, 공정 가스의 분사 불균일로 인하여 웨이퍼의 중앙 부분과 가장자리 부분에서의 막 두께 편차가 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 하나의 목적은 웨이퍼 방향으로 분사되는 공정 가스가 전 영역에 대하여 균일한 양으로 분사될 수 있는 가스 분사 균일도가 우수한 구획형 가스 분배 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 가스 분배판을 복수개로 분할하는 것을 통해 공정 가스의 분배가 보다 용이해지도록 할 수 있는 가스 분사 균일도가 우수한 구획형 가스 분배 모듈을 제공하는 데 있다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 구획형 가스 분배 모듈은 챔버의 상측에 고정 설치되며, 복수의 가스 주입홀을 갖는 가스 분배판; 상기 챔버 및 가스 분배판 사이에 고정 설치되어 상기 가스 주입홀들을 복수의 분할 영역으로 구획하는 에어 커튼; 상기 분할 영역에 각각 연통되는 가스 공급관; 및 상기 가스 공급관에 각각 연결되어 상기 분할 영역으로 공급되는 공정 가스의 유량을 제어하는 가스 유량 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 에어 커튼은 상기 가스 분배판에 대하여 수직으로 배치된다.
상기 에어 커튼은 복수개가 동심 축을 갖고 상호 이격되는 나이테 구조를 가질 수 있다.
상기 에어 커튼은 석영, 알루미늄, 구리 및 SUS(stainless steel) 중 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다.
상기 가스 공급관은 상기 챔버를 관통하도록 형성된다.
상기 가스 공급관 및 가스 유량 컨트롤러 각각은 상기 분할 영역의 수와 동일한 수로 설치된다.
상기 분할 영역의 수는 2 ~ 8인 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 구획형 가스 분배 모듈은 챔버의 상측에 고정 설치되며, 복수의 제1 가스 주입홀을 갖는 제1 가스 분배판; 상기 제1 가스 분배판의 상부에 이격 배치되며, 복수의 제2 가스 주입홀을 갖는 제2 가스 분배판; 상기 챔버와 상기 제1 및 제2 가스 분배판에 고정 설치되어 상기 제1 및 제2 가스 주입홀들을 복수의 분할 영역으로 구획하는 에어 커튼; 상기 분할 영역에 각각 연통되는 가스 공급관; 및 상기 가스 공급관에 연결되어 상기 분할 영역으로 공급되는 공정 가스의 유량을 제어하는 복수의 가스 유량 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 에어 커튼은 표면적의 확장을 위해 측 벽면에 복수의 돌기를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 구획형 가스 분배 모듈은 가스 분배판을 복수의 분할 영역으로 구획화하는 에어 커튼을 추가 설계함과 더불어 상기 에어 커튼에 의하여 분할된 분할 영역에 공정 가스를 공급하는 가스 공급관에 각각 대응하여 가스 유량 컨트롤러를 장착하는 것을 통하여 웨이퍼의 전 부분에 대한 에어 분사 균일도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구획형 가스 분배 모듈을 포함하는 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 가스 분배판과 에어 커튼의 결합 구조를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 변형예들에 따른 가스 분배판과 에어 커튼의 결합 구조를 개략적으로 나타낸 평면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구획형 가스 분배 모듈을 갖는 플라즈마 처리 장치에 대하여 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가스 분사 균일도가 우수한 구획형 가스 분배 모듈에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구획형 가스 분배 모듈을 포함하는 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구획형 가스 분배 모듈을 포함하는 플라즈마 처리 장치(100)는 챔버(110), 게이트(112), 배기구(114), 서셉터(120) 및 가스 분배 모듈(150)을 포함한다.
챔버(110)는 웨이퍼(105)에 공정을 수행하기 위한 청정 조건이 유지되도록 외부와 밀폐되는 공간을 제공한다. 도면으로 제시하지는 않았지만, 챔버(110)의 내부는 챔버(110)의 외측에 배치되는 진공 펌프(미도시)로부터의 진공압을 제공받아 진공 상태를 유지하게 된다.
게이트(112)는 챔버(110)의 좌측 또는 우측 측벽에 배치될 수 있다. 이때, 웨이퍼(105)는 게이트(112)의 개방에 의하여 이송 로봇(미도시) 등의 수단으로 챔버(110) 내부로 이송된 후, 서셉터(120) 상에 안착된다. 이때, 웨이퍼(105) 대신 디스플레이용 유리 기판이 서셉터(120) 상에 안착될 수도 있다.
배기구(114)는 웨이퍼(105)에 증착 공정을 수행하는 과정에서 발생되는 부유물을 챔버(110)의 외부로 배출하기 위한 목적으로 장착된다. 이러한 배기구(114)는 챔버(110)의 외측에 설치되는 진공 펌프(미도시)와 연결될 수 있다.
서셉터(120)는 챔버(110)의 하측에 배치되며, 승강 운동이 가능하도록 설치된다. 이러한 서셉터(120)는 하부 전극의 기능을 하며, 웨이퍼(105)를 일정 온도 이상으로 가열하기 위한 히터(미도시)를 구비할 수 있다.
한편, 가스 분배 모듈(150)은 가스 분배판(160), 에어 커튼(165, air curtain), 가스 공급관(166) 및 가스 유량 컨트롤러(168)를 포함할 수 있다.
가스 분배판(160)은 챔버(110)의 상측에 고정 설치되며, 복수의 가스 주입홀(162)을 갖는다. 상기 복수의 가스 주입홀(162)은 가스 분배판(160)의 상면 및 하면을 관통하도록 형성된다.
에어 커튼(165, air curtain)은 챔버(110) 및 가스 분배판(160) 사이에 고정 설치되어 가스 주입홀(162)들을 복수의 분할 영역(DA)으로 구획한다. 이러한 분할 영역(DA)은 가스 분배판(160)의 중앙 부분과 양측 가장자리 부분, 즉 총 3개를 가질 수 있다.
이와 같이, 도 1에서는 분할 영역(DA)이 3개인 것을 일 예로 도시하였으나, 이러한 분할 영역(DA)은 대략 2 ~ 8개 또는 그 이상이 될 수도 있다.
이때, 상기 에어 커튼(165)은 석영(quartz), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 SUS(stainless steel) 등으로 형성될 수 있다.
가스 공급관(166)은 분할 영역(DA)에 각각 연통되도록 설치된다. 이때, 상기 가스 공급관(166)은 후술할 가스 공급부(170)로부터 공정 가스를 공급받는다. 이러한 공정 가스로는 CHF3, Ar, O2 등이 이용될 수 있으며, 단독 또는 2 이상의 가스가 혼합된 것일 수 있다.
가스 유량 컨트롤러(MFC, 168)는 가스 공급관(166)에 연결되어 분할 영역(DA)으로 공급되는 공정 가스의 유량 및 속도를 제어한다. 이때, 상기 가스 공급관(166) 및 가스 유량 컨트롤러(168) 각각은 분할 영역(DA)의 수와 동일한 수로 설치하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
만약, 가스 공급관(166)이 4개일 경우, 2개의 가스 공급관(166)을 각각 연통시키고, 연통된 가스 공급관(166)에 대하여 2개의 가스 유량 컨트롤러(168)를 각각 설치하는 방식 등 다양하게 설계 변경할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치(100)는 가스 공급부(170)를 더 포함할 수 있으며, 상기 가스 공급부(170)는 가스 공급관(166)에 공정 가스를 각각 공급한다. 이러한 가스 공급부(170)로부터 제공되는 공정 가스는 복수의 가스 유량 컨트롤러(168)에 의하여 유량 및 속도가 제어되면서 각 분할 영역(DA)으로 공급될 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분배 모듈(150)은 가스 분배판(160)을 복수의 분할 영역(DA)으로 분할하는 에어 커튼(165)을 추가 설계함과 더불어 상기 에어 커튼(165)에 의하여 분할된 분할 영역(DA)에 공정 가스를 공급하는 가스 공급관(166)에 각각 대응하여 가스 유량 컨트롤러(168)를 장착하는 것을 통하여 웨이퍼(105)의 전 부분에 대한 가스 분사 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 상기 가스 분배 모듈(150)은 가스 유량 컨트롤러(168)를 통하여 각 분할 영역(DA)으로 공급되는 공정 가스의 유량 및 속도를 제어하는 것이 가능하므로, 가스 분배판(160)의 가스 분사홀(162)을 통과하여 반응 영역에 분사되는 공정 가스의 유량을 전 영역에 균일하게 분사할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 웨이퍼(105)의 표면에 형성되는 막질 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 도 2는 도 1의 가스 분배판과 에어 커튼의 결합 구조를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2를 참조하면, 가스 분배판(160)의 상면에는 에어 커튼(165)이 배치된다. 이때, 상기 에어 커튼(165)은 용접을 실시하는 것에 의하여 가스 분배판(160)과 결합될 수 있다.
상기 에어 커튼(165)은, 하나의 예를 들면, 제1 격벽(165a), 제2 격벽(165b) 및 제3 격벽(165c)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 격벽(165a), 제2 격벽(165b) 및 제3 격벽(165c)은 원형테 구조를 가질 수 있다.
이 경우, 상기 제1 격벽(165a)은 가스 분배판(160)의 중심에 배치될 수 있고, 제2 격벽(165b)은 제1 격벽(165a)과 일정 간격 이격되어 제1 격벽(165a)의 외측을 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 제3 격벽(165c)은 제2 격벽(165b)과 일정 간격 이격되어 제2 격벽(165b)의 외측을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
이때, 상기 가스 분배판(160)은 제1, 제2 및 제3 격벽(165a, 165b, 165c)에 의하여 3개의 분할 영역을 가질 수 있으며, 가스 분배판(160)의 가스 주입홀(162)은 3개의 각 분할 영역에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
따라서, 상기 에어 커튼(165)은, 평면상으로 볼 때, 복수개가 동심 축을 갖고 상호 이격되는 나이테 구조를 가질 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4는 본 발명의 변형예들에 따른 가스 분배판과 에어 커튼의 결합 구조를 개략적으로 나타낸 평면도들이다.
도 3을 참조하면, 가스 분배판(160)의 상면에 결합되는 에어 커튼(165)은 가스 분배판(160)의 가장자리를 둘러싸 원형 구조를 갖는 제1 격벽(165a)과 상기 제1 격벽(165a)으로부터 가스 분배판(160)의 중심을 향해 방사형으로 연결되는 제2 격벽(165b)을 가질 수 있다.
이러한 제1 격벽(165a) 및 제2 격벽(165b)을 갖는 에어 커튼(165)에 의하여 가스 분배판(160)은 4개의 분할 영역을 가질 수 있으며, 가스 분배판(160)의 가스 주입홀(162)은 4개의 각 분할 영역에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 가스 분배판(160)의 상면에 결합되는 에어 커튼(165)이 8개의 분할 영역을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 에어 커튼(165)은 가스 분배판(160)의 중심을 둘러싸 원형 구조를 갖는 제1 격벽(165a), 상기 가스 분배판(160)의 가장자리를 둘러싸 원형 구조를 갖는 제2 격벽(165b) 및 상기 제1 격벽(165a)으로부터 제2 격벽(165b)을 향해 방사형을 갖도록 연장되는 제3 격벽(165c)을 가질 수 있다.
이때, 상기 제1, 제2 및 제3 격벽(165a, 165b, 165c)을 갖는 에어 커튼(165)에 의하여 가스 분배판(160)은 8개의 분할 영역을 가질 수 있으며, 가스 분배판(160)의 가스 주입홀(162)은 4개의 각 분할 영역에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구획형 가스 분배 모듈을 갖는 플라즈마 처리 장치에 대하여 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구획형 가스 분배 모듈(250)의 경우, 일 실시예에 따른 구획형 가스 분배 모듈(도 1의 150)과 다르게, 복수의 제1 가스 주입홀(262a)을 갖는 제1 가스 분배판(260a) 및 상기 제1 가스 분배판(260a)의 상부에 이격 배치되며, 복수의 제2 가스 주입홀(262b)을 갖는 제2 가스 분배판(260b)을 포함할 수 있다.
상기 제1 가스 분배판(260a)과 제2 가스 분배판(260b)은 상호 평행하게 이격 배치된다. 여기서, 제1 가스 분배판(260a)의 제1 가스 주입홀(262a)과 제2 가스 분배판(260b)의 제2 가스 주입홀(262b)은 서로 대응되는 위치에 배치되도록 설계하는 것이 바람직하다.
이때, 에어 커튼(265)은 챔버(210)와 제1 및 제2 가스 분배판(260a, 260b)에 고정 설치되어 상기 제1 및 제2 가스 주입홀(262a, 262b)들을 복수의 분할 영역(DA)으로 구획한다.
이와 같이, 제1 가스 분배판(260a)의 상부에 이격 배치되는 제2 가스 분배판(260b)을 추가 설계할 경우, 상기 제1 및 제2 가스 분배판(260a, 260b)을 통과하여 주입되는 공정 가스의 분배가 보다 균일하게 분산될 수 있는 구조적 이점이 있다.
한편, 도 6은 도 5의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 에어 커튼(265)은 표면적의 확장을 위해 측 벽면에 복수의 돌기(280)를 구비할 수 있다. 이때, 상기 에어 커튼(265)은, 단면상으로 볼 때, 반원 형상으로 설계하는 것이 바람직하다. 이러한 반원 형상은 제조가 용이하며 표면 확장을 넓게 확보하는 데 유리한 구조적 이점이 있다.
이와 같이, 측 벽면에 반원 형상을 갖는 복수의 돌기(280)를 구비하는 에어 커튼(265)은 표면적 확장에 의하여 분할 영역(D)으로 분사되는 공정 가스의 주입이 원활히 이루어질 수 있게 된다.
또한, 상기 에어 커튼(265)은 복수의 돌기(280)의 표면을 덮는 보호막(282)을 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 보호막(282)은 공정 가스에 장 기간 노출되는 데 기인한 부식 등을 방지하기 위한 목적으로 형성된다. 상기 보호막(282)은 산화 실리콘(SiO2) 또는 질화 실리콘(SiNx)을 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 플라즈마 처리 장치 105 : 웨이퍼
110 : 챔버 112 : 게이트
114 : 배기구 120 : 서셉터
150 : 가스 분배 모듈 160 : 가스 분배판
162 : 가스 주입홀 165 : 에어 커튼
166 : 가스 공급관 168 : 가스 유량 컨트롤러
170 : 가스 공급부 175 : 홀더
DA : 분할 영역

Claims (9)

  1. 챔버의 상측에 고정 설치되며, 복수의 가스 주입홀을 갖는 가스 분배판;
    상기 챔버 및 가스 분배판 사이에 고정 설치되어 상기 가스 주입홀들을 복수의 분할 영역으로 구획하는 에어 커튼;
    상기 분할 영역에 각각 연통되는 가스 공급관; 및
    상기 가스 공급관에 각각 연결되어 상기 분할 영역으로 공급되는 공정 가스의 유량을 제어하는 가스 유량 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 에어 커튼은 표면적의 확장을 위해 측 벽면에 복수의 돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 구획형 가스 분배 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에어 커튼은
    상기 가스 분배판에 대하여 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 구획형 가스 분배 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에어 커튼은
    복수개가 동심 축을 갖고 상호 이격되는 나이테 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 구획형 가스 분배 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에어 커튼은
    석영, 알루미늄, 구리 및 SUS(stainless steel) 중 선택된 1종 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 구획형 가스 분배 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스 공급관은
    상기 챔버를 관통하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 구획형 가스 분배 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스 공급관 및 가스 유량 컨트롤러 각각은
    상기 분할 영역의 수와 동일한 수로 설치되는 것을 특징으로 구획형 가스 분배 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분할 영역의 수는
    2 ~ 8인 것을 특징으로 하는 구획형 가스 분배 모듈.
  8. 챔버의 상측에 고정 설치되며, 복수의 제1 가스 주입홀을 갖는 제1 가스 분배판;
    상기 제1 가스 분배판의 상부에 이격 배치되며, 복수의 제2 가스 주입홀을 갖는 제2 가스 분배판;
    상기 챔버와 상기 제1 및 제2 가스 분배판에 고정 설치되어 상기 제1 및 제2 가스 주입홀들을 복수의 분할 영역으로 구획하는 에어 커튼;
    상기 분할 영역에 각각 연통되는 가스 공급관; 및
    상기 가스 공급관에 연결되어 상기 분할 영역으로 공급되는 공정 가스의 유량을 제어하는 복수의 가스 유량 컨트롤러;를 포함하며,
    상기 에어 커튼은 표면적의 확장을 위해 측 벽면에 복수의 돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 구획형 가스 분배 모듈.
  9. 삭제
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