KR101462243B1 - 화학기상박막증착장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증착시에 원료가스의 부양이나 재순환의 발생을 방지하며 나아가 증착효율이 향상될 뿐만 아니라 파티클이 최소로 발생 되도록 구조가 개선된 화학기상박막증착장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 화학기상박막증착장치는 챔버와, 복수의 기판이 방사형으로 배치되는 기판지지대와, 기판지지대의 상방에 배치되어 복수의 기판을 향해 제1원료가스를 수직으로 분사하는 샤워헤드와, 복수의 기판의 중심에 배치되며 제2원료가스를 각 기판을 향해 수평으로 분사하는 분사노즐을 구비한다.

화학기상증착, 기판(substrate), 박막, 샤워헤드(showerhead)

Description

화학기상박막증착장치{Chemical vapor depositing device}

본 발명은 화학기상박막증착장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 웨이퍼에 박막을 증착하기 위한 화학기상박막증착장치에 관한 것이다.

일반적으로 박막의 증착방법에는 폴리머(polymer) 및 졸-겔(sol-gel)을 이용한 스핀 온 코팅법(spin on coating), 스퍼터링(sputtering)이나 증발을 이용하는 물리증착법(PVD), 화학적 반응을 이용하는 화학기상증착법(CVD), 이온 빔(ion beam)을 이용한 증착법 및 액체 증기를 직접 증착하는 방법 등 다양한 방법이 있으며, 이 중에서 최근에는 집적도의 증가와 더불에 화학기상증착법이 널리 사용되고 있다.

화학기상증착법은 여러 가지 원료가스를 반응챔버에 주입한 후 열, 빛 또는 플라즈마 등의 에너지를 이용하여 원료가스 간의 반응을 유도함으로써 원료가스를 기판에 증착시키는 방법을 말한다. 이러한 화학기상증착법은 수직형 화학기상증착장치 또는 수평형 화학기상증착장치를 이용함으로써 이루진다.

수직형 화학기상장치(100a)는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 챔버(10)와, 챔버(10)의 내부에 설치되며 기판(s)이 배치되며 회전 가능한 기판지지대(20)와, 기판지지대(20)의 상방에 배치되며 기판을 향해 원료가스를 분사하는 샤워헤드(30)를 포함하도록 구성된다. 따라서, 원료가스가 기판(s)을 향해 수직방향으로 분사된 후 원료가스 간의 반응이 발생하여 기판 상에 박막이 증착된다.

그리고, 수평형 화학기상장치(300)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 챔버(10)와, 챔버의 내부에 설치되고 기판(s)이 배치되는 기판지지대(20)와, 기판을 향해 원료가스를 수평으로 분사하는 분사노즐(40')을 포함하도록 구성된다. 따라서, 원료가스가 수평으로 분사된 후에 원료가스 간의 반응이 발생되어 기판 상에 박막이 증착된다.

그런데, 수직형 화학기상증착장치에 있어서는 원료가스가 수직으로 분사됨으로써 상대적으로 차가운 가스가 뜨겁게 가열된 기판과 만나 팽창하여 반발력(counter force)이 발생하게 되며, 이러한 반발력에 의해서 원료가스가 도 1에 가상선으로 도시되어 있는 바와 같이 챔버(10)의 내부에서 재순환(recorculatin)하거나 부양(buoyant)하여 최적의 공정조건을 설정하기가 어렵다는 한계가 있었다. 또한, 기판을 회전시키는 축이 기판의 중앙에 배치되어 중앙 부위의 온도구배가 상대적으로 크게 발생하게 되므로, 나노파티클이 기판의 중앙에 형성되는 문제점도 있었다.

또한, 수평형 화학기상증착장치에 있어서는 원료가스가 분사노즐(40')을 통하여 수평으로 분사되어 증착이 이루어지게 되므로, 분사노즐(40')로부터 멀리 떨어져 있는 부분에는 박막이 효과적으로 증착되지 않는 문제점이 있었다. 한편, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 웨이퍼 자체를 회전시키는 장치가 고안된 바 있으 나, 이 장치는 웨이퍼를 회전시키기 위한 구조가 너무 복잡하여 제조비 및 유지관리비가 너무 많이 소요되는 문제점이 있었다.

상술한 바와 같이 종래의 수직형 화학기상증착장치나 수평형 화학기상증착장치나 모두 원료가스의 분사 방식에 따른 문제점을 본질적으로 가지고 있어서, 이러한 문제점을 모두 해결되어야 하는 필요성이 더욱 절실히 대두되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 증착시에 원료가스의 부양이나 재순환의 발생을 방지하며 나아가 증착효율이 향상될 뿐만 아니라 파티클이 최소로 발생 되도록 구조가 개선된 화학기상박막증착장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 화학기상박막증착장치는 챔버와, 복수의 기판이 방사형으로 배치되는 기판지지대와, 기판지지대의 상방에 배치되어 복수의 기판을 향해 제1원료가스를 수직으로 분사하는 샤워헤드와, 복수의 기판의 중심에 배치되며 제2원료가스를 각 기판을 향해 수평으로 분사하는 분사노즐을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 증착시에 발생되는 원료가스의 부양이나 재순환을 효과적으로 방지할 수 있게 되며, 나아가 증착효율을 극대화할 수 있다.

그리고, 증착시 발생되는 파티클을 양을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 냉각가스를 이용하여 샤워헤드의 온도를 효과적으로 제어할 수 있게 된다.

게다가, 샤워헤드와 기판지지대 사이의 거리를 종래의 수직형 박막증착장치에 비해 줄일 수 있게 되므로, 박막증착장치를 소형화할 수 있게 된다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상박막증착장치의 개략적인 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 Ⅳ-Ⅳ선 방향에서 바라본 개략적인 평면도이다.

도 3 및 도 4을 참조하면, 본 실시예의 화학기상박막증착장치(100)는 챔버(10)와, 기판지지대(20)와, 샤워헤드(30)와, 분사노즐(40)을 구비한다.

챔버(10)는 전체적으로 원기둥형상으로 형성된다. 챔버(10)의 내부에는 박막증착이 이루어지는 증착공간부(11)가 외부와 격리되게 형성되어 있다. 그리고, 챔버(10)의 측면에는 기판이 유입 및 유출되는 기판출입구(12)가 형성되어 있다. 기판출입구(12)는 챔버(10)의 측면에 결합된 게이트밸브(50)에 의해 개방 및 폐쇄되며, 기판의 아래에 배치된다. 또한, 챔버(10)의 바닥면에는 증착공정 후의 가스나 부산물을 배출하기 위한 배출관(60)이 결합되어 있다.

기판지지대(20)는 챔버(10)의 내부에 설치되어 있다. 기판지지대(20)에는 회전축(21)이 결합되어 있으며, 기판지지대(20)는 회전축(21)을 중심으로 회전 가능하게 설치된다. 또한, 기판지지대(20)는 상하방향으로 승강 가능하게 설치된다. 기판지지대(20)의 상면에는 복수의 기판(s)이 방사형으로 배치된다. 그리고, 박막증착이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 하기 위해서, 기판지지대(20)의 내부에는 기판(s)을 가열하기 위한 히터(미도시)가 설치되어 있다.

샤워헤드(30)는 챔버(10)의 내부에 배치되며, 기판지지대(20)와 마주하도록 챔버(10)의 상측에 결합된다. 샤워헤드(30)는 파이프라인(미도시)에 연결되어 있다. 파이프라인을 통하여 외부로부터 공급되는 제1원료가스는 샤워헤드(30)를 통하여 도 3에 화살표로 도시되어 있는 바와 같이 하방으로 분사된다. 제1원료가스는 기판(s)의 전면에 대해 골고루 분사된다. 특히, 본 실시예에서, 제1원료가스로는 TMGa, TMIn 및 TMAl 등과 같은 3족 원소가 포함된 가스이다. 그리고, 샤워헤드(30)는 제1원료가스와 함께 H₂ 및 N₂ 등과 같은 캐리어가스를 함께 분사하는 것이 바람직하다. 또한, 경우에 따라서는 도펀트가스인 DEZn, CP₂Mg 및 SiH₄ 등이 포함될 수 있다.

또한, 샤워헤드(30)의 내부에는 냉각가스, 예를 들어 H₂ 및 N₂이 혼합된 혼합가스가 순환하는 냉각유로(미도시)가 형성되어 있다. 그리고, H₂ 및 N₂의 비열이 서로 다르므로, H₂ 및 N₂의 부피를 적절히 조절하게 되면, 보다 효과적으로 샤워헤드(30)의 온도를 제어할 수 있게 된다. 예를 들어, 동일 부피의 냉각가스를 순환시키는 경우에 있어서, 비열이 상대적으로 높은 H₂ 의 부피를 증가시키면 샤워헤드(30)의 온도를 보다 빠르게 낮출 수 있게 된다. 결론적으로, H₂ 및 N₂의 부피를 제어함으로써 샤워헤드(30)의 냉각속도를 효과적으로 조절할 수 있게 된다.

분사노즐(40)은 제2원료가스를 분사하기 위한 것으로서, 샤워헤드(30)의 바닥면 중앙에 배치되도록 샤워헤드(30)의 바닥면에 결합된다. 이와 같이, 분사노즐(40)이 샤워헤드(30)의 중앙에 배치되어 분사노즐(40)의 주위에는 복수의 기 판(s)이 방사형으로 배치되게 된다. 분사노즐에는 제2원료가스가 수평방향으로 분사되는 분사공(미도시)이 다수 형성되어 있어서, 제2원료가스는 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 수평방향으로 기판(s)의 위쪽에 분사된다. 특히, 본 실시예에서, 제2원료가스로는 PH₃, AH₃ 및 NH₃ 등과 같은 5족 원소가 포함된 가스이다. 그리고, 분사노즐(40)은 제2원료가스와 함께 H₂ 및 N₂ 등과 같은 캐리어가스를 함께 분사하는 것이 바람직하다. 도 4에서는 도면을 간략하게 도시하기 위하여 분사노즐(40)을 절개하여 도시하지 않았다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 종래의 수직형 박막증착장치 및 수평형 박막증착장치를 결합하고 분사노즐의 위치를 변경함으로써, 수직형 장치의 장점, 예를 들어 증착효율(Growth Efficiency) 및 증착품질을 개선할 수 있는 점과, 수평형 장치의 장점, 예를 들어 가스의 재순환이나 부양이 방지되어 공정조건을 용이하게 설정할 수 있는 점을 모두 달성할 수 있게 된다. 즉, 본 실시예의 장점은 증착효율을 지배하는 가스는 샤워헤드(30)를 통하여 균일하게 분사하고 증착효율에 크게 민감하지 않는 가스는 분사노즐(40)을 통하여 빠른 유속으로 분사함으로써 달성될 수 있다.

예를 들어, MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy) 방식으로 증착을 하는 경우에 3족 원소가 증착효율에 큰 영향을 주는 반면 5족 원소는 증착효율에 거의 영향을 주지 않게 되므로, 본 실시예에서와 같이 3족 원소 및 5족 원소를 각각 샤워헤드(30) 및 분사노즐(40)을 통하여 분사하게 되면, 증착 효율을 극대화할 수 있게 된다. 다시 말해서, 3족원소를 수평으로 분사하게 되면 분사노즐(40)과 멀리 떨어져 있는 기판(s)의 부분은 증착이 효과적으로 이루어지지 않아 증착 속도 및 증착 품질이 저하되나, 본 실시예에서와 같이 3족 원소를 샤워헤드(30)를 통하여 수직방향으로 기판 전체 영역으로 골고루 분사하게 되면 앞서 설명한 문제들을 해결할 수 있게 된다.

그리고, 3족 원소 및 5족 원소가 기판의 바로 위에서 만나게 되므로, 화학기상반응을 최소화할 수 있게 되어 궁극적으로 나노파티클의 발생을 현격하게 줄일 수 있게 된다.

게다가, 본 실시예에서는 샤워헤드(30)의 내부에 냉각수를 순환시켜 샤워헤드의 온도를 제어하던 종래의 방식과는 달리, 냉각가스를 이용하여 샤워헤드의 온도를 제어할 수 있게 되며, 특히 냉각가스를 구성하는 각 가스의 부피를 조절함으로써 보다 효과적으로 샤워헤드(30)의 온도를 제어할 수 있게 된다.

또한, 샤워헤드(30)로부터 분사되는 제1원료가스는 부양이나 재순환되지 않으므로, 샤워헤드(30) 및 기판지지대(20) 사이의 거리를 종래의 수직형 증착장치에 비해 줄일 수 있게 된다. 따라서, 증착장치를 소형화할 수 있으며 이에 따라 가스의 소모량을 줄일 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

도 1 및 도 2는 종래의 수직형 화학기상박막증착장치 및 수평형 화학기상박막증착장치의 개략적인 부분 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상박막증착장치의 개략적인 단면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 Ⅳ-Ⅳ선 방향에서 바라본 개략적인 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...챔버본체 11...증착공간부

12...기판출입구 20...기판지지대

21...회전축 30...샤워헤드

40...분사노즐 50...게이트밸브

60...배출관 100...화학기상박막증착장치

Claims (5)

1. 기판에 대한 공정을 수행하도록 내부에 공간부가 마련되는 챔버;

   상기 챔버에 설치되어 상기 기판을 지지하는 기판지지대;상기 기판지지대의 상부에 설치되어 상기 기판을 향해 종방향으로 제1원료가스를 분사하는 샤워헤드; 및

   상기 샤워헤드와 상기 기판 사이에 설치되어 상기 기판을 향해 횡방향으로 제2원료가스를 분사하는 분사노즐;을 구비하며,

   상기 기판지지대에는 둘레방향을 따라 복수의 기판이 안착되며,

   상기 분사노즐은 상기 복수의 기판들의 중앙부에 배치되며, 상기 분사노즐에는 둘레방향을 따라 다수의 분사공이 형성되어 있어, 상기 각 분사공에서는 상기 복수의 기판을 향해 상기 제2원료가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 화학기상박막증착장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1원료가스는 주기율표 상의 3족 원소가 포함된 가스이며,

   상기 제2원료가스는 주기율표 상의 5족 원소가 포함된 가스인 것을 특징으로 하는 화학기상박막증착장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 샤워헤드를 냉각시키도록, 상기 샤워헤드에는 냉각가스가 유동하는 냉각유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화학기상박막증착장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 냉각가스는 수소와 질소가 혼합된 것을 특징으로 하는 화학기상박막증착장치.

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