KR101306315B1 - 화학기상증착 장치 - Google Patents

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Abstract

화학기상증착 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 반응 공간을 구획하는 공정챔버, 반응 공간의 상측에 위치하며, 중앙에 가스 도입부가 구비되는 백 플레이트(back plate), 가스 도입부의 하측에 이격되어 배치되고 제1 결합부재에 의해 백 플레이트에 결합되며, 가스 도입부를 통해 공급되는 공정가스를 확산시키는 가스확산부재, 백 플레이트 및 가스확산부재의 하측에 이격되어 배치되고 중앙부가 제2 결합부재에 의해 가스확산부재에 결합되며, 복수 개의 분사홀이 천공된 샤워헤드, 샤워헤드의 하측에 이격되어 배치되며, 기판을 지지하는 서셉터(susceptor)를 포함하며, 가스확산부재에는, 가스 도입부를 통해 공급되는 공정가스가 가스확산부재의 하측으로 확산되도록, 가스확산부재를 상하 방향으로 관통하는 복수의 가스 유도홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치가 제공된다.

Description

화학기상증착 장치{APPARATUS FOR CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}
본 발명은 화학기상증착 장치에 관한 것이다.
일반적으로 물질에 박막을 형성하는 방법은 스퍼터링(Sputtering)법과 같이 증착원의 물질과 박막 물질의 물리적 성질이 일치하게 박막을 형성하는 PVD(Physical Vapor Deposition)법과 그렇지 않고 화학반응을 이용하여 증착원의 물질과 물리적 성질이 다른 박막을 형성하는 CVD(Chemical Vapor Deposition)법으로 구분될 수 있다.
그러나 PVD법은 CVD법에 비하여 조성이나 두께의 균일도 및 계단 도포성(step coverage)이 좋지 못하므로 일반적으로 CVD법이 흔히 사용된다. CVD법에는 APCVD(Atmospheric Pressure CVD)법, LPCVD(Low Pressure CVD)법, PECVD(Plasma Enhanced CVD)법 등이 있다.
CVD법 중에서도, 저온증착이 가능하고 박막형성속도가 빠른 장점 때문에 최근에는 PECVD법이 많이 이용되고 있다. PECVD법은 반응챔버 내로 주입된 반응가스에 고주파전력(RF Power)을 인가하여 반응가스를 플라즈마 상태로 만들고, 플라즈마 내에 존재하는 레디칼(radical)들을 웨이퍼나 유리 기판 상에 증착되도록 하는 방법을 말한다.
박막증착공정은 그것이 어떠한 방법을 채택하든지 간에 균일한 박막증착이 최대의 관건이라 할 수 있으므로, 이를 위해 수많은 개선 방안들이 제안되고 있으며, 균일한 박막증착을 위해서는 반응가스나 플라즈마의 균일한 분포가 아주 중요한 역할을 하게 된다.
PECVD 장치는 박막화 공정에서 빼놓을 수 없는 매우 중요한 장비이며, 대규모 요구 산출량과 더불어 장치 규모도 점차 초대형화로 커지고 있다. 최근에 평판형 디스플레이 제조공정에 작용되는 PECVD 장치는 기판 한 변의 크기가 2 미터를 훌쩍 넘는 초 대형 크기이기 때문에 원하는 품질의 박막을 얻기 위해서는 장비의 세부 기능도 보다 정밀하게 구성되어 있어야 한다.
본 발명은 대면적 박막 제조용 PECVD 장치 내부에서 박막 두께 균일도를 확보하기 위한 방안으로 가스 분사기능을 향상시킬 수 있는 아이디어와 가스 분사면의 열팽창으로 인한 뒤틀림 현상을 최소화할 수 있는 방안을 제시하고 있다.
도 1은 일반적인 PECVD장치의 개략적인 구성도이며, 도면을 참조하여 공정순서대로 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저 로봇암(미도시)에 의해 기판(3)이 반응챔버(1)의 내부에 설치된 서셉터(2)의 상면에 안착되면, 박막공정을 위한 가스가 가스유입관(7)을 통해 샤워헤드(4)의 상부에 위치한 버퍼공간(5)으로 들어와서 넓게 확산된다. 버퍼공간(5)에서 확산된 가스는 샤워헤드(4)의 분사구(4a)를 통해 기판(3) 위로 균일하게 분사되며, 상기 분사된 가스는 플라즈마 전극(6)을 통해 공급된 RF(Radio Frequency)파워에 의해 플라즈마(8)상태로 변화된다. 상기 플라즈마(8)상태의 반응가스는 상기 기판(3)에 증착되며, 박막증착공정이 완료된 후 남은 반응가스는 진공펌프(미도시)에 의해 배기관(9)으로 배출된다.
그런데, 이러한 PECVD장치에 있어서, 샤워헤드(4)는 도 2에 도시된 바와 같이 자체 하중과 열적 변형으로 인해 중심부분에서 아래방향으로 처짐 현상이 나타나는 문제점이 있다. 열적 변형은 고온 플라즈마와 서셉터(2)에 내장된 히터(미도시)로부터의 열전달로 인한 열팽창 때문에 발생하는데, 열팽창은 두께방향(상하방향)보다 수평방향의 열팽창이 더 크게 된다.
샤워헤드(4)의 중심부가 하부로 처지는 굽힘현상이 발생하는 경우에는 샤워헤드(4)와 서셉터(2) 간의 간격이 중심부에서 가깝고 주변부에서는 멀어지게 되므로, 분사된 공정가스의 분포밀도가 불균일해지며 결과적으로 공정 균일도가 저하되는 요인이 되고 있다.
본 발명은 공정 가스의 원활한 흐름을 가능케 하고, 샤워헤드의 열팽창 왜곡 현상을 최소화 시킬 수 있는 화학기상증착 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 반응 공간을 구획하는 공정챔버, 반응 공간의 상측에 위치하며, 중앙에 가스 도입부가 구비되는 백 플레이트(back plate), 가스 도입부의 하측에 이격되어 배치되고 제1 결합부재에 의해 백 플레이트에 결합되며, 가스 도입부를 통해 공급되는 공정가스를 확산시키는 가스확산부재, 백 플레이트 및 가스확산부재의 하측에 이격되어 배치되고 중앙부가 제2 결합부재에 의해 가스확산부재에 결합되며, 복수 개의 분사홀이 천공된 샤워헤드, 샤워헤드의 하측에 이격되어 배치되며, 기판을 지지하는 서셉터(susceptor)를 포함하며, 가스확산부재에는, 가스 도입부를 통해 공급되는 공정가스가 가스확산부재의 하측으로 확산되도록, 가스확산부재를 상하 방향으로 관통하는 복수의 가스 유도홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치가 제공된다.
복수의 가스 유도홀은 가스확산부재의 중심을 기준으로 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 배치될 수 있다.
가스확산부재는, 지지 플레이트, 및 지지 플레이트의 상면에 형성되는 돌출부재를 포함할 수 있다.
가스 유도홀은 돌출부재에 형성될 수 있다.
가스확산부재에는 가스 유도홀의 하단부를 연결하는 링 형상의 확산채널이 형성될 수 있다.
확산채널은 하측으로 갈수록 너비가 증가하는 사각 형상의 단면을 가질 수 있다.
화학기상증착 장치는 가스확산부재의 하면에 확산채널을 커버하도록 설치되는 확산판을 더 포함하고, 확산판에는 가스 유도홀의 중심으로부터 편심된 복수의 확산홀이 형성될 수 있다.
확산홀의 개수는 가스 유도홀의 개수보다 많을 수 있다.
복수의 확산홀은 가스확산부재의 중심을 기준으로 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 배치될 수 있다.
가스확산부재의 하면에는 확산판이 수용되는 수용홈이 형성될 수 있다.
확산홀의 상측 단부는 상측으로 갈수록 단면적이 증가할 수 있다.
확산홀의 하측 단부는 하측으로 갈수록 단면적이 증가할 수 있다.
지지 플레이트의 측면은 지지 플레이트의 중심 측으로 기울어질 수 있다.
공정챔버는 직육면체 형상이고, 지지 플레이트는 원판 형상이며, 돌출부재는 사각뿔 형상이고, 돌출부재의 각 측면은 공정챔버의 모서리를 향하여 배치될 수 있다.
제1 결합부재는, 돌출부재의 중심과 돌출부재의 모서리를 통과하는 직선 경로 상에 위치할 수 있다.
공정챔버는 직육면체 형상이고, 지지 플레이트는 사각판 형상이며, 돌출부재는 원뿔 형상이고, 지지 플레이트의 각 측면은 공정챔버의 모서리를 향하여 배치될 수 있다.
제1 결합부재는, 돌출부재의 중심과 지지 플레이트의 모서리를 통과하는 직선 경로 상에 위치할 수 있다.
제1 결합부재와 제2 결합부재 중 적어도 어느 하나는 나사일 수 있다.
화학기상증착 장치는 샤워헤드의 가장자리를 지지하도록 제3 결합부재를 통해 백 플레이트와 결합되며, 샤워헤드의 측면에 소정의 갭(gap)을 두고 위치하는 클램프 부재를 더 포함할 수 있다.
화학기상증착 장치는 클램프 부재와 백 플레이트 사이에 개재되며, 일측은 백 플레이트의 하면과 접촉하고, 타측은 샤워헤드의 상면과 접촉하는 열저항 부재를 더 포함할 수 있다.
클램프 부재는, 샤워헤드의 하면을 지지하기 위한 수평부분과, 샤워헤드의 측면을 지지하기 위한 수직부분을 포함하며, 샤워헤드의 가장자리 하부에는, 클램프 부재의 수평부분과 맞물리도록 홈이 형성될 수 있다.
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샤워헤드의 가장자리에는 타원형 장공홀이 형성되고, 화학기상증착 장치는 클램프 부재의 수평부분을 관통하여 장공홀에 삽입되는 제4 결합부재를 더 포함할 수 있다.
샤워헤드는 사각판 형상이고, 클램프 부재, 타원형 장공홀 및 제4 결합부재는 샤워헤드의 각 측면마다 마련될 수 있다.
장공홀 및 제4 결합부재는, 샤워헤드의 각 측면마다 각각 한 쌍씩 마련될 수 있다.
백 플레이트의 하측 단부에는 가스 도입부 보다 큰 단면적을 갖는 확장홈이 형성되고, 가스확산부재의 적어도 일부는 확장홈 내에 위치할 수 있다.
서셉터의 내부에는 열선이 내장될 수 있다.
샤워헤드는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 샤워헤드의 열팽창 왜곡 현상을 최소화 시켜, 양질의 균일한 대면적 박막을 얻을 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 PECVD 장치를 나타내는 단면도.
도 2는 종래기술에 따른 샤워헤드의 휨 현상을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착 장치를 나타내는 단면도.
도 4는 도 3의 'A' 부분을 확대하여 나타내는 도면.
도 5는 도 3의 'B' 부분을 확대하여 나타내는 도면.
도 6은 장공홀이 형성된 샤워헤드를 나타내는 평면도.
도 7은 종래기술에 따른 PECVD 장치에서 가스 도입부를 통해 진공용기 내로 유입된 공정가스가 확산되는 모습을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스확산부재를 나타내는 사시도.
도 9는 도 8의 가스확산부재가 적용된 PECVD 장치에서 가스 도입부를 통해 진공용기 내로 유입된 공정가스가 확산되는 모습을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스확산부재를 나타내는 평면도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스확산부재에서 확산판을 제거한 상태를 나타내는 저면도.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스확산부재를 나타내는 저면도.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스확산부재를 통한 공정가스의 유동을 나타내는 도면.
도 14는 도 12의 AA 선에 따른 단면도.
도 15는 도 12의 BB 선에 따른 단면도.
도 16은 도 12의 CC 선에 따른 단면도.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스확산부재를 나타내는 사시도.
도 18은 도 17의 가스확산부재가 적용된 PECVD 장치에서 가스 도입부를 통해 진공용기 내로 유입된 공정가스가 확산되는 모습을 나타내는 도면.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스확산부재를 나타내는 사시도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 화학기상증착 장치의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PECVD 장치를 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 3의 'A' 부분을 확대하여 나타내는 도면이며, 도 5는 도 3의 'B' 부분을 확대하여 나타내는 도면이다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 공정챔버(100), 반응공간(150), 백 플레이트(200), 가스 도입부(210), 제1 결합부재(250), 가스확산부재(300), 샤워헤드(400), 분사홀(410), 제2 결합부재(450), 장공홀(460), 서셉터(500), 클램프 부재(600), 제3 결합부재(650), 제4 결합부재(670), 열저항 부재(700), 기판(800) 등이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 CVD 장치는, 반응공간(150)을 구획하는 공정챔버(100); 상기 반응공간(150)의 상측에 위치하며, 중앙에 가스 도입부(210)가 구비되는 백 플레이트(200, back plate); 상기 가스 도입부(210)의 하측에 이격되어 배치되며, 상기 가스 도입부(210)를 통해 공급되는 공정가스를 확산시키는 가스확산부재(300); 상기 백 플레이트(200) 및 상기 가스확산부재(300)의 하측에 이격되어 배치되며, 복수 개의 분사홀(410)이 천공된 샤워헤드(400); 상기 샤워헤드(400)의 하측에 이격되어 배치되며, 기판(800)을 지지하는 서셉터(500, susceptor)를 포함한다.
이 때, 상기 가스확산부재(300)는 제1 결합부재(250)에 의해 상기 백 플레이트(200)에 결합되고, 상기 샤워헤드(400)의 중앙부는 제2 결합부재(450)에 의해 상기 가스확산부재(300)에 결합된다. 즉, 가스확산부재(300)를 매개로 하여 샤워헤드(400)의 중앙부가 백 플레이트(200)에 체결되는 것이다. 이러한 본 실시예에 따르면, 열팽창에 의해 샤워헤드(400)의 중앙부가 하부로 처지는 문제를 해결할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 가스확산부재(300)는 자신의 가장자리를 관통하는 나사와 같은 제1 결합부재(250)에 의해 백 플레이트(200)로부터 소정 거리만큼 이격된 상태에서 백 플레이트(200)에 체결된다. 또한, 가스확산부재(300)는 나사와 같은 제2 결합부재(450)에 의해 샤워헤드(400)로부터도 소정 거리만큼 이격된 상태에서 샤워헤드(400)와 체결된다. 이 때, 제2 결합부재(450)는 샤워헤드(400)를 관통하여 단부가 가스확산부재(300)의 중앙에 삽입될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 제1 결합부재(250) 및 제2 결합부재(450)로 나사를 제시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 가스확산부재(300)가 백 플레이트(200)와 샤워헤드(400)로부터 이격된 상태에서 고정될 수만 있다면 어느 부재(예를 들면, 핀)를 이용하더라도 무방하다.
공정챔버(100)는 진공상태의 반응공간(150)을 구획한다. 이러한 공정챔버(100)는 크게 상부커버(120)와 챔버몸체(110)로 구분되며, 그 사이에는 오-링과 같은 실링부재(미도시)가 개재되어 공정챔버(100) 내의 반응공간(150)을 외부로부터 밀폐시킨다.
상기 반응공간(150)의 상측, 보다 구체적으로 상부커버(120)가 구획하는 공간에는 백 플레이트(200)가 위치한다. 백 플레이트(200)는 알루미늄과 같은 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 그 중앙에는 공정가스의 주입을 위한 가스 도입부(210)가 구비된다. 가스 도입부(210)는 백 플레이트(200)를 관통하는 홀일 수 있으며, 또는 홀에 삽입되는 관일 수도 있다. 외부의 가스공급원(미도시)으로부터 공급되는 공정가스는 이러한 가스 도입부(210)를 거쳐 백 플레이트(200)의 하부로 주입될 수 있게 된다.
백 플레이트(200)의 하측, 보다 구체적으로 백 플레이트(200)에 구비된 가스 도입부(210)의 하측에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 공급된 공정가스를 확산시키기 위한 가스확산부재(300)가 위치한다. 전술한 바와 같이, 가스확산부재(300)는 제1 결합부재(250)에 의해 백 플레이트(200)로부터 이격된 상태에서 고정된다.
이러한 가스확산부재(300)는 공정챔버(100) 내부, 보다 구체적으로는 백 플레이트(200)와 샤워헤드(400) 사이의 공간(220, 이하 버퍼공간이라 칭함)에서 유입된 공정가스가 효과적으로 확산되도록 하기 위한 것으로서, 이를 위해서는 유입되는 공정가스들의 라미나 흐름(Laminar flow)을 만들어 주는 것이 중요하다. 가스확산부재(300)의 구체적인 형상 및 기능 등에 대해서는 후술하도록 한다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 백 플레이트(200)의 하측 단부에는 상기 가스 도입부(210) 보다 큰 단면적을 갖는 확장홈(230)이 형성될 수 있으며, 상기 가스확산부재(300)의 일부 또는 전부는 상기 확장홈(230) 내에 위치할 수 있다. 이 때, 확장홈(230)은 가스확산부재(300)와 닮은꼴일 수 있다.
백 플레이트(200) 및 가스확산부재(300)의 하측에는 샤워헤드(400)가 이격되어 배치된다. 샤워헤드(400)는 주입된 공정가스를 확산시켜, 공정가스가 서셉터(500) 상에 위치할 기판(800)의 전면에 고르게 분사되도록 하는 수단으로서, 공정챔버(100)의 단면 형상과 닮은 꼴인 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 공정챔버(100)가 직육면체 형상으로 이루어져 그 단면이 직사각형을 갖는 경우, 샤워헤드(400)는 직사각형의 판재 형상일 수 있는 것이다. 또한, 샤워헤드(400)는 알루미늄 등과 같은 금속 재질의 판재 형상인 몸체에 고른 간격으로 천공되는 분사홀(410)을 포함할 수 있다. 이 때, 분사홀(410)은 아래로 갈수록 단면적이 점차 커지는 콘 형상일 수 있다.
이상과 같은 구조로 인하여, 본 실시예에 따르면, 주입된 공정가스가 백 플레이트(200)의 하부에 형성된 가스확산부재(300)에 의해 1차로 확산된 뒤, 샤워헤드(400)에 의해 2차로 확산되어 서셉터(500) 상면에 안착된 기판(800)의 상면으로 균일하게 분사될 수 있게 된다.
이 때, RF 전원(900)이 백 플레이트(200) 및 샤워헤드(400)와 연결되어, 분사된 공정가스를 여기시키는데 필요한 에너지를 공급함으로써, 샤워헤드(400)를 통해 분사된 공정가스를 플라즈마화시키게 된다. 즉, 백 플레이트(200) 및 샤워헤드(400)는 상부 전극으로서의 기능을 수행할 수 있게 된다.
한편, 공정챔버(100), 보다 구체적으로는 상부커버(120)는 접지로서의 기능을 수행하게 되므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 전극으로서 기능하는 백 플레이트(200) 및 샤워헤드(400)과 상부커버(120) 사이에는 절연체들(160, 170, 180)이 개재되어 이들 사이의 전기적인 절연이 유지되게 한다. 이 때, 절연체(160)의 소정의 위치에는 오링(190)이 배치되어 반응공간(도 3의 150)의 진공상태가 유지되도록 할 수 있다.
결정질 실리콘 태양전지 제조공정에서는 반사 방지막으로 질화 실리콘(SiNx) 막을 주로 사용하며, 이러한 반사 방지막을 형성하기 위해서는 공정가스로 SiH4와 NH3를 주입하여 공정을 시행할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 샤워헤드(400)의 가장자리는 샤워헤드(400)의 하면을 지지하기 위한 수평부분(610)과, 샤워헤드(400)의 측면을 지지하기 위한 수직부분(620)으로 구분되는 클램프 부재(600)에 의해 지지될 수 있다. 이 때, 샤워헤드(400)의 가장자리 하부에는, 클램프 부재(600)의 하부, 즉 수평부분(610)과 맞물리도록 홈(430)이 형성될 수 있다.
클램프 부재(600), 예를 들어 클램프 부재의 수직부분(620)은 나사 등과 같은 제3 결합부재(650)를 통해 백 플레이트(200)에 결합될 수 있으며, 클램프 부재의 수평부분(610)은 샤워헤드(400)의 하면과 맞물려 이를 지지할 수 있다.
한편, 샤워헤드(400)의 측면과 클램프 부재(600) 사이에는 소정의 갭(420)이 형성될 수 있다. 이러한 갭(420)은 샤워헤드(400)의 열팽창을 고려한 여유공간이다.
다른 한편, 도 5 6 에 도시된 바와 같이, 상기 샤워헤드(400)의 가장자리에는 타원형 장공홀(460)이 형성되고, 제4 결합부재(670)가 상기 클램프 부재(600)의 수평부분(610)을 관통하여 상기 장공홀(460)에 삽입될 수도 있다. 제4 결합부재(670)는 클램프 부재(600)와 샤워헤드(400)를 결합시켜, 샤워헤드(400)의 가장자리 부분이 지지될 수 있도록 하는 수단이다. 이러한 제4 결합부재(670)로는 나사, 핀 등 다양한 체결수단을 이용할 수 있음은 물론이다.
이 때, 샤워헤드(400)에는 도 6에 도시된 바와 같이 장공홀(460)이 형성된다. 이러한 장공홀(460)을 형성함으로써, 샤워헤드(400)의 열팽창에도 불구하고, 샤워헤드(400)에 제4 결합부재(670)의 존재로 의한 스트레스가 과도하게 부가되는 것을 방지할 수 있게 된다. 장공홀(460) 내의 잔여공간이 샤워헤드(400)의 열팽창을 고려한 여유공간으로서의 기능을 수행할 수 있게 되기 때문이다.
한편, 샤워헤드(400)가 사각형의 판재 형상인 경우, 상기 클램프 부재(600), 상기 타원형 장공홀(460) 및 상기 제4 결합부재(670)는 상기 샤워헤드(400)의 각 측면마다 마련될 수 있다. 즉, 클램프 부재(600)와 제4 결합부재(670)가 샤워헤드(400)의 각 측면마다 모두 형성되어, 샤워헤드(400)의 가장자리를 보다 충실히 지지할 수 있도록 하는 것이다.
이 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 장공홀(460) 및 상기 제4 결합부재(670)는, 상기 샤워헤드(400)의 각 측면마다 각각 한 쌍씩 마련되어, 샤워헤드(400)를 보다 더 충실히 지지할 수도 있다.
또한, 상기 클램프 부재(600)와 상기 백 플레이트(200) 사이에는 열저항 부재(700)가 개재될 수도 있다. 이러한 열저항 부재(700)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 일측은 상기 백 플레이트(200)의 하면과 접촉하고, 타측은 상기 샤워헤드(400)의 상면과 접촉하게 되어, 샤워헤드(400)와 백 플레이트(200) 간의 열전달에 있어서 저항으로서의 기능을 수행하게 된다. 이러한 열저항 부재(700)의 저항 역할에 의해 샤워헤드(400)의 열이 백 플레이트(200)로 전달되는 현상을 줄일 수 있게 된다. 열저항 부재(700)의 두께는 대략 1.5 ~ 3.0 mm 정도일 수 있다.
샤워헤드(400)의 하측에는 기판(800)이 안착되는 서셉터(500)가 이격되어 배치된다. 서셉터(500)의 내부에는 히터(510)가 매설될 수 있으며, 이 경우 박막 증착 과정에서 서셉터(500)의 상부에 안착된 기판(800)을 증착에 적합한 온도(예를 들면 약 400℃)로 상승시킬 수 있다. 또한, 서셉터(500)는 전기적으로 접지되어 하부 전극으로서의 기능을 수행할 수 있게 되며, 기판(800)의 로딩 및 언로딩을 위해 별도의 승강수단(520)에 의해 상하로 승강할 수도 있다.
한편, 증착 반응이 완료된 후에 공정챔버(100) 내부에 잔류하는 공정가스가 외부로 배출될 수 있도록 공정챔버(100)의 하측, 보다 구체적으로 서셉터(500)의 하방에는 배기구(160)가 구비될 수 있다.
이하에서는 전술한 가스확산부재(300)의 형상 및 기능에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 도 7은 종래기술에 따른 PECVD 장치에서 가스 도입부(210)를 통해 공정챔버(100) 내, 보다 구체적으로는 버퍼공간(220) 내로 유입된 공정가스가 확산되는 모습을 나타내는 도면이다. 여기서 화살표는 확산되는 공정가스를 나타낸다.
기판(800) 상에 균일한 박막을 형성하기 위해서는, 기판(800) 전면에 걸쳐 균일한 공정가스가 공급되는 것이 중요하다. 이를 위해서는 가스 도입부(210)를 통해 샤워헤드(400) 상측으로 공급되는 공정가스가 샤워헤드(400) 전면에 걸쳐 고르게 분포될 필요가 있는데, 도 7에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따르면, 직육면체 형상을 갖는 공정챔버(100)에 있어서, 중앙부에 위치한 가스 도입부(210)부터 공정챔버(100)의 모서리 부분(102)까지의 거리가 멀기 때문에, 공정챔버(100) 전체에 걸쳐 고른 공정가스의 분포를 갖기에는 한계가 존재하였다.
이러한 점을 고려하여, 본 실시예에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 원판 형상의 지지 플레이트(310A)와, 지지 플레이트(310A)의 중앙부 상면에 형성되는 원뿔 형상의 돌출부재(320A)를 포함하는 가스확산부재(300A)를 제시한다. 이 때, 돌출부재(320A)의 각 측면(322A)은 공정챔버(100)의 모서리(102)를 향하여 배치된다.
본 실시예에서는 돌출부재(320A)의 모서리 부분(324A)이 공정가스의 흐름을 저해하는 저항으로서의 기능을 할 수 있게 되어, 도 9에 도시된 바와 같이, 상대적으로 공정가스의 흐름이 원활한 돌출부재(320A)의 측면(322A)이 공정챔버(100)의 모서리(102)를 향하도록 함으로써, 공정챔버(100)의 모서리 부분(102)에 대한 공정가스의 보상이 이루어질 수 있게 되는 것이다.
이 때, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 결합부재(250)를 돌출부재(320A)의 중심과 돌출부재(320A)의 모서리(324A)를 통과하는 직선 경로 상에 위치시키면, 제1 결합부재(250)가 공정가스의 이동에 대해 저항으로서 작용하게 되어, 공정챔버(100)의 모서리 부분(102) 방향으로의 공정가스의 흐름을 보다 더 원활하게 할 수도 있다.
이와 같이, 가스확산부재의 형상을 변경하여 상대적으로 거리가 긴 공정챔버(100)의 모서리 방향(102)으로 공정가스의 흐름을 원활하게 하면, 공정챔버(100)의 모서리 부분(102)에 대한 공정가스의 보상이 이루어질 수 있게 되고, 그 결과 버퍼공간(220), 나아가 공정챔버(100) 내의 전체적인 공정가스의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.
그리고 지지 플레이트(310A)의 측면은 도 8에 도시된 바와 같이, 지지 플레이트(310A)의 중심 측으로 기울어지게 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 지지 플레이트(310A)의 가장자리에는 상부로부터 하부를 향해 경사면이 형성되고, 이러한 경사면은 볼록한 곡면 형상을 가질 수 있으므로(도 13 참조), 돌출부재(320A)를 지나 지지 플레이트(310A)를 통과하는 공정가스는 이러한 경사면을 따라 보다 원활하게 유동할 수 있게 된다.
한편, 가스확산부재(300A)에는 도 8 및 도 10에 도시된 바와 같이, 가스확산부재(300A)를 상하 방향, 즉 수직하게 관통하는 복수의 가스 유도홀(326A)이 형성될 수 있다. 이에 따라 가스 도입부(210)를 통해 공급되는 공정가스는 가스확산부재(300A)의 표면뿐만 아니라 이러한 가스 유도홀(326A)을 통해서도 확산될 수 있으므로, 공정가스는 가스확산부재(300A)의 둘레뿐 아니라 가스확산부재(300A)의 하측으로도 효과적으로 확산이 가능하게 된다.
이러한 가스 유도홀(326A)은 도 10에 도시된 바와 같이, 가스확산부재(300A)의 중심을 기준으로 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 즉, 가스 유도홀(326A)은 가스확산부재(300A)의 중심에 위치하는 가상의 원 상에 일정한 간격으로 배치될 수 있으며, 예를 들어 도 10에 도시된 바와 같이 4개의 가스 유도홀(326A)이 돌출부재(320A)에 형성될 수 있다.
이러한 가스 유도홀(326A)의 하단부는 도 11에 도시된 바와 같이 가스확산부재(300A)의 하면에 형성된 링 형상의 확산채널(316A)에 의해 연결될 수 있다. 그리고 도 11에 도시된 바와 같이 가스확산부재(300A)의 하면에는 확산판(330A)이 수용 가능하도록 수용홈(318A)이 형성되며, 도 12에 도시된 바와 같이 이러한 수용홈(318A)에는 확산홀(332A)이 형성된 확산판(330A)이 확산채널(316A)을 커버하도록 설치될 수 있다.
이와 같이 복수의 가스 유도홀(326A)의 하단부에 이들을 연결하는 확산채널(316A)이 형성되고, 확산채널(316A)을 커버하도록 가스확산부재(300A)의 하면에 확산판(330A)이 설치됨으로써, 가스 유도홀(326A)의 상단부를 통해 유입되는 공정가스는 곧바로 가스확산부재(300A)의 하측으로 유출되지 못하고 확산채널(316A)과 확산판(330A)에 의해 구획된 공간에 1차적으로 모인 후, 복수의 확산홀(332A)에 의해 가스확산부재(300A)의 하측으로 분출될 수 있으므로, 가스 유도홀(326A)을 통해 유입된 공정가스는 보다 균일하게 가스확산부재(300A)의 하측으로 확산될 수 있다.
이 경우, 확산홀(332A)은 도 12에 도시된 바와 같이, 상술한 가스 유도홀(326A)과 유사하게 가스확산부재(300A)의 중심을 기준으로 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 배치될 수 있으나, 도 10 및 도 12를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 가스 유도홀(326A)의 중심과 편심되도록 형성될 수 있으며, 확산홀(332A)은 가스 유도홀(326A) 보다 많은 개수, 예를 들어 도 10 및 12에 도시된 바와 같이 4개의 가스 유도홀(326A)에 대해 8개가 형성될 수 있다.
이와 같이 확산홀(332A)이 평면 상의 위치를 기준으로 가스 유도홀(326A)과 상이한 위치에 배치되고 가스 유도홀(326A) 보다 많은 개수로 형성됨으로써, 확산채널(316A)에 모이는 공정가스는 균일하게 분포된 다수의 확산홀(332A)을 통해 보다 균일하게 가스확산부재(300A)의 하측으로 확산될 수 있다.
이하, 도 13 내지 도 16을 참조하여 가스확산부재(300A)의 상면 및 가스 유도홀(326A)을 통해 공정가스의 유동에 대해 설명한다.
도 13은 가스확산부재(300A)를 통한 공정가스의 유동 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 가스 유도홀(326A), 확산채널(316A), 및 확산홀(332A)의 구체적인 배치 관계를 나타내는 것은 아니며, 이들 간의 구체적인 배치 관계는 도 12의 AA 선, BB 선, CC 선에 따른 단면도인 도 14 내지 도 16을 통해 확인할 수 있다.
가스 도입부(210)를 통해 공급된 공정가스는 도 13에 도시된 바와 같이 가스확산부재(300A)의 상면뿐 아니라 가스 유도홀(326A)을 통해 유입된다. 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 가스 유도홀(326A)의 상단부를 통해 유입된 공정가스는 가스 유도홀(326A)의 하단부를 연결하는 링 형상의 확산채널(316A)을 향해 유동한다.
이와 같이 확산채널(316A)에 도달한 공정가스는 도 13 및 도 15에 도시된 바와 같이 확산판(330A)에 의해 가로막힌 확산채널(316A) 내에 1차적으로 머무르면서 보다 균일하게 분산될 수 있다.
이 경우, 확산채널(316A)은 도 13 및 도 15에 도시된 바와 같이 하측으로 갈수록 너비가 증가하는 사각 형상의 단면을 가질 수 있다. 확산채널(316A)은 예를 들어 사다리꼴 형상의 단면을 가스확산부재(300A)의 중심을 기준으로 회전 대칭시킴으로써 형성되는 링 형상의 구성으로서, 확산채널(316A)은 그 하부로 갈수록 횡단면적이 증가되어, 내부에 유입된 공정가스의 유동 속도를 감소시킬 수 있으므로, 공정가스는 이러한 확산채널(316A)에 의해 보다 균일하게 분산될 수 있다.
이어서, 확산채널(316A) 내의 공정가스는 도 13 및 도 16에 도시된 바와 같이 가스 유도홀(326A) 보다 많은 개수로, 가스 유도홀(326A)의 중심과 편심되게 형성된 확산홀(332A)을 통해 가스확산부재(300A)의 하측으로 배출될 수 있다.
이 경우, 도 13 및 도 16에 도시된 바와 같이, 확산홀(332A)의 상측 단부는 상측으로 갈수록 횡단면적이 증가되며, 확산홀(332A)의 하측 단부는 하측으로 갈수록 횡단면적이 증가될 수 있다. 이와 같이 확산홀(332A)이 상부에서 하부로 갈수록 횡단면적이 점차 감소하다가 다시 증가하는 형상, 즉, 절구 형상을 가짐으로써, 확산채널(316A)로부터 유입되는 공정가스는 이러한 확산홀(332A)의 내벽을 따라 안정적인 유동이 가능하게 되고, 이에 따라 공정가스 내에는 와류 형성이 최소화될 수 있다.
다른 실시예로, 도 17에 도시된 바와 같이, 사각판 형상의 지지 플레이트(310B)와, 지지 플레이트(310B)의 상면에 형성되는 원뿔 형상의 돌출부재(320B)를 포함하는 가스확산부재(300B)가 이용될 수 있다. 이 때, 지지 플레이트(310B)의 각 측면(312B)은 상기 공정챔버(100)의 모서리(102)를 향하여 배치된다.
이러한 가스확산부재(300B)를 이용하게 되면, 도 18에 도시된 바와 같이, 가스 도입부(210)를 통해 공급된 공정가스는 일단 원뿔 형상의 돌출부재(320B)의 측면을 따라 사방으로 고르게 하강하게 되고, 이 후 지지 플레이트(310B)의 상면을 따라 이동하게 된다. 이 때, 지지 플레이트(310B)의 상면은 공정가스의 이동에 있어서 저항으로 작용하게 되므로, 중앙으로부터 상대적으로 거리가 짧은(즉, 저항이 작은) 지지 플레이트의 측면(312B) 방향으로는 공정가스의 흐름이 원활하게 되고, 중앙으로부터 상대적으로 거리가 긴(즉, 저항이 큰) 지지 플레이트의 모서리(314B) 방향으로는 공정가스의 흐름이 원활하지 못하게 되는 결과가 나타날 수 있다.
이 때, 도 18에 도시된 바와 같이, 제1 결합부재(250)를 원뿔(320B)의 중심과 지지 플레이트(310A)의 모서리(314B)를 통과하는 직선 경로 상에 위치시키면, 제1 결합부재(250)가 공정가스의 이동에 대해 저항으로서 작용하게 되어, 지지 플레이트의 측면(312B) 방향으로의 공정가스의 흐름을 보다 더 원활하게 할 수도 있다.
또 다른 실시예로, 도 19에 도시된 바와 같이, 원판 형상의 지지 플레이트(310C)와, 지지 플레이트(310C)의 상면에 형성되는 원뿔 형상의 돌출부재(320C)를 포함하는 가스확산부재(300C)가 이용될 수도 있다.
이러한 가스확산부재(300C)에도 전술한 실시예들과 마찬가지로 가스 유도홀(326C), 확산채널이 형성될 수 있으며, 가스확산부재(300C) 하면의 수용홈에는 확산홀이 형성된 확산판이 설치될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
100: 공정챔버
110: 챔버몸체
120: 상부커버
150: 반응공간
200: 백 플레이트
210: 가스 도입부
220: 버퍼공간
230: 확장홈
250: 제1 결합부재
300A, 300B, 300C: 가스확산부재
400: 샤워헤드
410: 분사홀
450: 제2 결합부재
460: 장공홀
500: 서셉터
600: 클램프 부재
610: 수평부분
620: 수직부분
650: 제3 결합부재
670: 제4 결합부재
700: 열저항 부재
800: 기판

Claims (29)

  1. 반응 공간을 구획하는 공정챔버;
    상기 반응 공간의 상측에 위치하며, 중앙에 가스 도입부가 구비되는 백 플레이트(back plate);
    상기 가스 도입부의 하측에 이격되어 배치되고 제1 결합부재에 의해 상기 백 플레이트에 결합되며, 상기 가스 도입부를 통해 공급되는 공정가스를 확산시키는 가스확산부재;
    상기 백 플레이트 및 상기 가스확산부재의 하측에 이격되어 배치되고 중앙부가 제2 결합부재에 의해 상기 가스확산부재에 결합되며, 복수 개의 분사홀이 천공된 샤워헤드;
    상기 샤워헤드의 하측에 이격되어 배치되며, 기판을 지지하는 서셉터(susceptor)를 포함하며,
    상기 가스확산부재에는, 상기 가스 도입부를 통해 공급되는 공정가스가 상기 가스확산부재의 하측으로 확산되도록, 상기 가스확산부재를 상하 방향으로 관통하는 복수의 가스 유도홀이 형성되고,
    상기 가스확산부재는,
    지지 플레이트; 및
    상기 지지 플레이트의 상면에 형성되는 돌출부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가스 유도홀은 상기 가스확산부재의 중심을 기준으로 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 유도홀은 상기 돌출부재에 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스확산부재에는 상기 가스 유도홀의 하단부를 연결하는 링 형상의 확산채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 확산채널은 하측으로 갈수록 너비가 증가하는 사각 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스확산부재의 하면에 상기 확산채널을 커버하도록 설치되는 확산판을 더 포함하고,
    상기 확산판에는 상기 가스 유도홀의 중심으로부터 편심된 복수의 확산홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 확산홀의 개수는 상기 가스 유도홀의 개수보다 많은 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 확산홀은 상기 가스확산부재의 중심을 기준으로 원주 방향을 따라 일정한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 가스확산부재의 하면에는 상기 확산판이 수용되는 수용홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 확산홀의 상측 단부는 상측으로 갈수록 단면적이 증가하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 확산홀의 하측 단부는 하측으로 갈수록 단면적이 증가하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 지지 플레이트의 측면은 상기 지지 플레이트의 중심 측으로 기울어진 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 공정챔버는 직육면체 형상이고,
    상기 지지 플레이트는 원판 형상이며,
    상기 돌출부재는 사각뿔 형상이고,
    상기 돌출부재의 각 측면은 상기 공정챔버의 모서리를 향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 결합부재는, 상기 돌출부재의 중심과 상기 돌출부재의 모서리를 통과하는 직선 경로 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 공정챔버는 직육면체 형상이고,
    상기 지지 플레이트는 사각판 형상이며,
    상기 돌출부재는 원뿔 형상이고,
    상기 지지 플레이트의 각 측면은 상기 공정챔버의 모서리를 향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 결합부재는, 상기 돌출부재의 중심과 상기 지지 플레이트의 모서리를 통과하는 직선 경로 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 결합부재와 상기 제2 결합부재 중 적어도 어느 하나는 나사인 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 샤워헤드의 가장자리를 지지하도록 제3 결합부재를 통해 상기 백 플레이트와 결합되며, 상기 샤워헤드의 측면에 소정의 갭(gap)을 두고 위치하는 클램프 부재를 더 포함하는 화학기상증착 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 클램프 부재와 상기 백 플레이트 사이에 개재되며, 일측은 상기 백 플레이트의 하면과 접촉하고, 타측은 상기 샤워헤드의 상면과 접촉하는 열저항 부재를 더 포함하는 화학기상증착 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 클램프 부재는, 상기 샤워헤드의 하면을 지지하기 위한 수평부분과, 상기 샤워헤드의 측면을 지지하기 위한 수직부분을 포함하며,
    상기 샤워헤드의 가장자리 하부에는, 상기 클램프 부재의 수평부분과 맞물리도록 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 제21항에 있어서,
    상기 샤워헤드의 가장자리에는 타원형 장공홀이 형성되고,
    상기 클램프 부재의 수평부분을 관통하여 상기 장공홀에 삽입되는 제4 결합부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 사각판 형상이고,
    상기 클램프 부재, 상기 타원형 장공홀 및 상기 제4 결합부재는 상기 샤워헤드의 각 측면마다 마련되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 장공홀 및 상기 제4 결합부재는, 상기 샤워헤드의 각 측면마다 각각 한 쌍씩 마련되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 백 플레이트의 하측 단부에는 상기 가스 도입부 보다 큰 단면적을 갖는 확장홈이 형성되고, 상기 가스확산부재의 적어도 일부는 상기 확장홈 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터의 내부에는 열선이 내장되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
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