KR101330856B1 - 배기부의 역류를 방지하는 원자층 증착장치 - Google Patents

배기부의 역류를 방지하는 원자층 증착장치 Download PDF

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Abstract

배기부에서 역류를 방지할 수 있는 원자층 증착장치는, 기판이 수용되는 증착 공정이 수행되는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버에 소스가스를 공급하기 위한 기화기, 상기 프로세스 챔버 일측에 구비되어 배기가스를 배출시키는 배기부, 상기 기화기와 상기 프로세스 챔버 및 상기 배기부를 연결시켜서 폐루프를 형성하는 공급 라인을 포함하고, 상기 공급 라인은 상기 배기부에서 펌프 이전에 연결된다.

Description

배기부의 역류를 방지하는 원자층 증착장치{EXHAUST PORTION FOR PREVENTING BACKWARD FLOWING OF EXHAUSTED GAS IN ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS}
본 발명은 원자층 증착장치의 배기부에서 배기가스의 역류를 방지하는 것이 가능한 원자층 증착장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 기판이나 글라스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하는 방법으로는 스퍼터링(sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)과, 화학반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있다. 최근 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐에 따라 미세 패턴의 박막이 요구되고 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커졌다. 이러한 추세로 인해 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 원자층 증착방법(atomic layer deposition, ALD)의 사용이 증대되고 있다.
ALD는 기체 분자들 간의 화학반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착방법과 유사하다. 하지만, 통상의 CVD가 다수의 기체 분자들을 동시에 챔버 내로 주입하여 발생된 반응 생성물을 기판에 증착하는 것과 달리, ALD는 하나의 소스 물질을 포함하는 가스를 챔버 내로 주입하여 가열된 기판에 화학흡착시키고 이후 다른 소스 물질을 포함하는 가스를 챔버에 주입함으로써 기판 표면에서 소스 물질 사이의 화학반응에 의한 생성물이 증착된다는 점에서 차이가 있다. 이러한 ALD는 스텝 커버리지 특성이 매우 우수하며 불순물 함유량이 낮은 순수한 박막을 증착하는 것이 가능하다는 장점을 갖고 있어 현재 널리 사용되고 있다.
한편, 원자층 증착공정이 완료된 후 기판을 반송할 때 프로세스 챔버 및 가스를 공급하는 공급 라인 내부에서 소스가스를 완전히 제거할 수 없다. 이와 같이 남아있는 소스가스들이 기판을 반송하는 중에도 지속적으로 기화되면서 프로세스 챔버 및 공급 라인 내부에 잔류물이 발생할 수 있다. 그리고 이러한 잔류물은 다음 공정에서 공급 라인을 통해 프로세스 챔버 내부로 공급되어서 다음 공정의 오염원으로 작용하고, 증착 품질을 저하시키는 원인이 된다.
본 발명의 실시예들에 따르면 프로세스 챔버 및 공급 라인에 남아있는 공정 가스로 인한 오염원의 발생을 방지하고, 배기부에서 역류를 방지할 수 있는 원자층 증착장치를 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따른 원자층 증착장치는, 기판이 수용되는 증착 공정이 수행되는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버에 소스가스를 공급하기 위한 기화기, 상기 프로세스 챔버 일측에 구비되어 배기가스를 배출시키는 배기부, 상기 기화기와 상기 프로세스 챔버 및 상기 배기부를 연결시켜서 폐루프를 형성하는 공급 라인을 포함하고, 상기 공급 라인은 상기 배기부에서 펌프 이전에 연결된다.
일 측에 따르면, 상기 공급 라인은 상기 기화기에 연결된 제1 공급관이 상기 프로세스 챔버에 연결되는 제2 공급관과 상기 배기부에 연결되는 제3 공급관으로 분지되며, 상기 제2 공급관과 상기 제3 공급관이 분지되는 부분에는 상기 제2 및 제3 공급관을 선택적으로 차단시키는 블록 밸브부가 구비될 수 있다. 상세하게는, 상기 블록 밸브부는, 외관을 형성하는 하우징, 상기 하우징 내부에 구비된 상기 제2 공급관을 차단시키는 제1 밸브와 상기 제3 공급관을 차단시키는 제2 밸브, 상기 하우징 내부에 형성된 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브를 상기 공급 라인과 연결시키는 복수의 내부 유로 및 상기 하우징 내부에 구비된 히터부를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 상기 내부 유로는, 상기 제1 공급관이 연결된 제1 포트와 상기 제1 밸브를 연결시키는 유로와, 상기 제2 공급관이 연결된 제2 포트와 상기 제2 밸브를 연결시키는 유로, 상기 제1 밸브와 제3 공급관이 연결된 제3 포트를 연결시키는 유로를 포함하여 구성될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 배기부는 상기 프로세스 챔버에서 배기가스가 배출되는 방향을 따라서, 배기부 밸브, 차단 밸브, 미케니컬 펌프 및 드라이 펌프가 순서대로 구비되고, 상기 공급 라인은 상기 미케니컬 펌프와 상기 드라이 펌프 사이에서 상기 배기부에 연결될 수 있다. 여기서, 상기 배기부는 상기 미케니컬 펌프 대신 가스의 역류를 방지할 수 있도록 체크 밸브가 구비될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 원자층 증착장치에서 원자층 증착방법은, 기판을 프로세스 챔버로 이송하는 단계, 공급 라인에서 상기 프로세스 챔버로 연결되는 제2 공급관을 차단하고, 배기부로 연결되는 제3 공급관을 통해 가스를 유동시키는 전처리 단계, 상기 제3 공급관을 차단시키고, 상기 제2 공급관을 통해 상기 프로세스 챔버에 가스를 공급하여 기판에 박막을 증착시키는 단계, 상기 제2 공급관을 차단시키고, 상기 제3 공급관을 통해 가스를 유동시키는 후처리 단계 및 상기 제3 공급관이 개방된 상태에서 상기 배기부에 구비된 펌프를 통해 상기 프로세스 챔버 내부에 베이스 배큠을 제공하는 단계를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 제3 공급관은 상기 배기부에서 펌프 이전에 연결되어서, 상기 전처리 단계 및 상기 후처리 단계에서 상기 펌프에 의해 가스가 유동되어 배출된다. 그리고 상기 베이스 배큠을 제공한 후에는 상기 제2 및 제3 공급관을 폐쇄시킨 상태에서 기판을 반송시키는 단계가 수행된다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 증착공정이 완료된 후 배기부나 공급 라인에 잔류하는 가스로 인한 오염이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 공급 라인을 개폐하는 제1 및 제2 밸브가 일체로 형성된 블록 밸브부를 구비함으로써, 밸브 사이의 거리를 줄여서 공간을 절약할 수 있다. 또한, 히터가 내장되어 있어서, 온도를 유지하는데 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 공정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2의 원자층 증착장치에서 블록 밸브부를 설명하기 위한 요부 사시도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배기부에서의 역류를 방지할 수 있는 원자층 증착장치(100)에 대해서 상세하게 설명한다. 이하에서 설명하는 원자층 증착장치(100)는 한 장의 기판을 수용하여 증착이 수행되는 싱글 타입이거나 다수의 기판을 동시에 수용하여 증착시킬 수 있는 세미 배치 타입(semi-batch type)이나 배치 타입이 모두 적용될 수 있다. 또한, 설명의 편의를 위해서 프로세스 챔버(20)를 비롯한 구성요소들을 박스 형태로 도시하였으나, 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 각 구성요소의 세부 구성은 통상의 지식을 통해서 충분히 이해 가능하다.
참고적으로, 본 실시예들에서 증착 대상이 되는 기판은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)일 수 있다. 그러나 본 발명의 대상이 실리콘 웨이퍼에 한정되는 것은 아니며, 기판은 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel)와 같은 평판 디스플레이 장치용으로 사용하는 글라스를 포함하는 투명 기판이 사용될 수 있다. 또한, 기판의 형상은 원형 및 사각형 등 실질적으로 다양한 형상을 가질 수 있으며, 다양한 크기를 가질 수 있다.
또한, 본 실시예에서 '소스가스'라 함은 소정의 박막을 증착하기 위한 소스 물질을 포함하는 가스들을 의미하고, '퍼지가스'라 함은 불활성 가스, 수소 가스, 질소 가스 등과 같이 소스가스를 퍼지시키기 위한 가스를 의미한다.
참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 공정을 설명하기 위한 순서도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치(100)를 설명하기 위한 블록도이고, 도 3은 도 2의 원자층 증착장치(100)에서 블록 밸브부(40)를 설명하기 위한 요부 사시도이다.
도면을 참조하면, 원자층 증착장치(100)는 기화기(vaporizer)(10), 프로세스 챔버(20) 및 배기부(30)로 구성되며, 소스가스와 퍼지가스를 공급하기 위한 공급 라인(50)이 배기부(30)에 연결된 폐루프를 형성한다.
상세하게는, 도 2에 도시한 바와 같이, 공급 라인(50)은 제1 공급관(51)이, 프로세스 챔버(20)에 연결되는 제2 공급관(52)과 배기부(30)에 연결되는 제3 공급관(53)으로 분지된다. 제3 공급관(53)은 배기부(30)에서 미케니컬 펌프(mechanical pump)(33)와 드라이 펌프(dry pump)(34) 사이에 연결된다. 미케니컬 펌프(33)는 스크류 방식으로 형성되므로, 제3 공급관(53)을 통해 유동되는 가스는 미케니컬 펌프(33)를 통해 프로세스 챔버(20) 쪽으로 역류하는 것을 방지할 수 있으며, 드라이 펌프(34)를 통해 외부로 배출된다. 참고적으로, 도 2에서 소스가스 및 퍼지가스의 유동을 화살표 ①, ②, ③으로 표시하였다.
프로세스 챔버(20) 일측에는 배기가스를 배출시키기 위한 배기부(30)가 연결되며, 배기부(30)는 배기부 밸브(31)와 차단 밸브(32), 미케니컬 펌프(33) 및 드라이 펌프(34)가 구비된다.
한편, 공급 라인(50)에는 공급 라인(50)을 선택적으로 차단시키기 위한 밸브부가 구비되며, 밸브부는 제2 공급관(53)을 차단시키는 제1 밸브(41)와 제3 공급관(53)을 차단시키는 제2 밸브(42)를 포함하는 밸브부가 구비된다.
여기서, 공급 라인(50)을 통해 유입되는 가스는 소정 온도로 가열되어서 공급되어야 한다. 본 실시예에 따르면, 밸브부는, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 밸브(42)가 하나의 블록 내부에 구비되며 내부에 히터부(430)가 구비되는 형태의 블록 밸브부(40)가 구비된다.
상세하게는, 블록 밸브부(40)는 외관을 형성하는 하우징(410)의 표면에 제1 밸브(41)와 제2 밸브(42)가 구비되고, 공급 라인(50)과 제1 및 제2 밸브(41, 42)를 연결시키는 복수의 유로를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서는, 도 3에서 하우징(410)의 상면에 제1 및 제2 밸브(41, 42)가 나란히 구비된다. 그리고 제1 공급관(51)에 연결되는 제1 포트(451)를 통해 가스가 유입되는 유로와, 제1 포트(451)를 통해 유입된 가스를 하우징(410) 내부에서 제1 밸브(41) 및 제2 밸브(42)에 연결하는 유로를 포함한다. 그리고 블록 밸브부(40)는 제1 밸브(41)에서 토출되는 가스는 제3 포트(453)를 통해 제3 공급관(53)으로 유동되는 유로가 형성된다. 그리고 블록 밸브부(40)는 제2 밸브(42)에서 토출되는 가스를 제2 포트(452)를 통해 제2 공급관(52)으로 유동시키는 유로가 형성된다.
블록 밸브부(40)는 제1 밸브(41)와 제2 밸브(42)가 하나의 하우징(410) 내부에 구비되므로 제1 및 제2 밸브(41, 42) 사이의 거리를 줄일 수 있다. 그리고 제1 및 제2 밸브(41, 42) 사이의 거리를 줄임으로써 공간을 절약하고 데드 스페이스(dead space)를 줄일 수 있다. 그리고 블록 밸브부(40)는 내부에 히터부(430)가 장착되므로 제1 및 제2 밸브(41, 42)를 통해 공급되는 가스를 효과적으로 가열할 수 있으며, 블록 밸브부(40) 전체를 가열하므로 온도를 유지하는 데 유리하다. 더불어, 블록 밸브부(40)는 제1 및 제2 밸브(41, 42)가 일체형으로 형성되므로, 제1 및 제2 밸브(41, 42) 사이에서 잔류 가스에 의한 오염을 방지할 수 있다.
이하에서는, 상술한 바와 같이 구성된 원자층 증착장치(100)에서 원자층을 증착하는 공정에 대해서 설명한다.
원자층 증착공정은, 우선, 원자층 증착장치(100)에 기판을 이송하여(S11) 프로세스 챔버(20)에 장착한다.
다음으로, 증착 분위기를 형성하기 위해서 전처리 단계를 수행한다(S12).
전처리 단계에서는 퍼지가스를 제3 공급관(53)을 따라 화살표 ①의 방향으로 유동시킨다. 즉, 전처리 단계에서는 제1 밸브(41)는 폐쇄되고, 제2 밸브(42)는 개방되어서 화살표 ①과 같이 퍼지가스가 제3 공급관(53)을 통해 공급된다. 여기서, 배기부(30)는 배기부 밸브(31)와 차단 밸브(32)가 구비되어 있으므로, 전처리 단계에서 유동되는 가스는 드라이 펌프(34)를 통해서 외부로 배출되며, 프로세스 챔버(20) 쪽으로 역류하지 않는다.
다음으로, 전처리 단계가 완료되어 프로세스 챔버(20) 내부에 증착 분위기가 형성되면, 제1 밸브(41)가 개방되고 제2 밸브(42)는 폐쇄되며, 제2 공급관(52)을 통해 소스가스를 프로세스 챔버(20)에 공급하여 기판에 소정의 박막을 형성하는 증착 공정이 수행된다(S13). 그리고 증착 사이클에 따라 퍼지 가스 역시 프로세스 챔버(20)에 제공된다.
소스가스와 퍼지가스는 기화기(10)를 거쳐 프로세스 챔버(20)에 제공된다.
증착 단계에서의 가스의 유동은 화살표 ②로 표시하였다. 즉, 제2 공급관(52)을 통해 소스가스 및 퍼지가스가 프로세스 챔버(20)로 공급되고, 프로세스 챔버(20)에서 배출되는 배기가스는 프로세스 챔버(20) 일측에 구비된 배기부(30)를 통해 외부로 배출된다.
다음으로, 증착 단계가 완료되면, 후처리 단계가 수행된다(S14).
후처리 단계에서는 제3 공급관(53)을 따라 화살표 ③의 방향으로 가스가 유동된다. 그리고 후처리 단계에서는 전처리 단계와 마찬가지로 제1 밸브(41)는 개방하고, 제2 밸브(42)는 폐쇄된 상태로 가스를 유동시킨다. 그리고 후처리 단계에서도 배기부 밸브(31), 차단 밸브(32) 및 미케니컬 펌프(33)의 구성에 의해 프로세스 챔버(20) 쪽으로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
후처리 단계가 완료되면, 제2 밸브(42)는 개방하고, 제1 밸브(41)는 폐쇄된 상태에서 미케니컬 펌프(33)와 드라이 펌프(34)가 작동하여 프로세스 챔버(20) 내부에 진공을 형성하는 베이스 배큠(base vacuum)을 형성한다(S16).
이후, 기판을 반송한다(S17).
한편, 본 실시예들에서는 배기부(30)에 미케니컬 펌프(33)와 드라이 펌프(34)를 구비하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 미케니컬 펌프(33) 대신 체크밸브를 구비하여 역류를 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 기화기(vaporizer)
20: 프로세스 챔버
30: 배기부
31: 배기부 밸브
32: 차단 밸브
33: 미케니컬 펌프(mechanical pump)
34: 드라이 펌프(dry pump)
40: 블록 밸브부(block valve)
41: 제1 밸브
42: 제2 밸브
50: 공급 라인
51, 52, 53: 공급관
100: 원자층 증착장치
410: 하우징
421, 422: 밸브 포트
430: 히터부
451, 452, 453: 라인 포트

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  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 기판이 수용되는 증착 공정이 수행되는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버에 소스가스를 공급하기 위한 기화기, 상기 프로세스 챔버 일측에 구비되어 배기가스를 배출시키는 배기부, 상기 기화기와 상기 프로세스 챔버 및 상기 배기부를 연결시켜서 폐루프를 형성하고, 상기 기화기에 연결된 제1 공급관이, 상기 기화기와 상기 프로세스 챔버를 연결하는 제2 공급관과, 상기 기화기와 상기 배기부를 연결시키는 제3 공급관으로 분지되는 공급 라인을 포함하여 구성된 원자층 증착장치의 원자층 증착방법에 있어서,
    상기 기판을 프로세스 챔버로 이송하는 단계;
    상기 공급 라인에서 상기 제2 공급관을 차단하고, 상기 제3 공급관을 통해 가스를 유동시키는 전처리 단계;
    상기 제3 공급관을 차단시키고, 상기 제2 공급관을 통해 상기 프로세스 챔버에 가스를 공급하여 기판에 박막을 증착시키는 단계;
    상기 제2 공급관을 차단시키고, 상기 제3 공급관을 통해 가스를 유동시키는 후처리 단계;
    상기 제3 공급관이 개방된 상태에서 상기 배기부에 구비된 펌프를 통해 상기 프로세스 챔버 내부에 베이스 배큠을 제공하는 단계; 및
    상기 베이스 배큠을 제공한 후에는 상기 제2 및 제3 공급관을 폐쇄시킨 상태에서 상기 기판을 반송시키는 단계;
    를 포함하는 원자층 증착방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 공급관은 상기 배기부에서 펌프 이전에 연결되어서,
    상기 전처리 단계 및 상기 후처리 단계에서 상기 펌프에 의해 가스가 유동되어 배출되는 원자층 증착방법.
  9. 삭제
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