KR101463581B1 - 박막 성장용 반응 시스템 - Google Patents

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KR101463581B1
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모히드 버개스
에릭 쉬로
다르코 바빅
헤르베르트 테르호르스트
마르코 페우싸
민 얀
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에이에스엠 아메리카, 인코포레이티드
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
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Abstract

원자층증착(ALD) 박막증착장치는, 그 내부에 형성된 공간부 내에 배치된 웨이퍼 상에 박막을 증착하도록 구성된 증착 챔버를 포함한다. 상기 증착 챔버는 상기 공간부와 연결된 가스 입구를 포함한다. 가스 시스템은 상기 증착 챔버의 가스 입구로 가스를 이송하도록 구성된다. 상기 가스 시스템의 적어도 일부분은 상기 증착 챔버 위에 위치한다. 상기 가스 시스템은 복수의 가스 흐름들을 혼합하도록 구성된 혼합기를 포함한다. 이송 부재는 상기 혼합기 및 상기 가스 입구와 유체 연통된다. 상기 이송 부재는, 상기 가스가 상기 가스 입구로 들어오기 전에 상기 가스를 수평 방향으로 확산시키도록 구성된, 수평 방향으로 분기하는 한 쌍의 벽을 포함한다.

Description

박막 성장용 반응 시스템{Reaction system for growing a thin film}
본 출원은 2005년 1월 18일에 출원된 미국 임시출원 제60/645,581호 및 2005년 2월 24일에 출원된 미국 임시출원 제60/656,832호에 대하여 미국특허법 §119(e)에 의한 우선권 이익을 주장하며, 상기 문헌의 개시는 본문 전체로서 본원에 참조문헌으로 포함된다.
본 발명은 화학 처리를 위한 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 반응 챔버에서 박막을 성장시키기 위한 장치에 관한 것이다.
기판의 표면상에 박막을 증착하기 위한 여러 기상 증착 방법들이 있다. 이러한 방법들은 진공증발 증착(vacuum evaporation deposition), 분자빔 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 화학기상 증착(CVD)의 다른 변형들(저압, 유기금속 CVD 및 플라즈마-강화 CVD를 포함) 및 최근 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 언급되는 원자층 에피택시(Atomic Layer Epitaxy, ALE)를 포함한다.
ALD는 실리콘 웨이퍼와 같은 기판상에 재료의 박막을 형성하기 위한 것으로서 반도체 산업에서 잘 알려진 공정이다. ALD는 사이클로 수행되는 자기포화적(self-saturating) 반응을 통해서 막이 형성되는, 기상 증착의 한 종류이다. 상기 막의 두께는 수행되는 사이클의 횟수에 의해 결정된다. ALD 공정에서, 기판 즉 웨이퍼 상에 재료의 박막을 형성하기 위하여, 기상의 전구체들이 웨이퍼에 교호적이며 반복적으로 공급된다. 어느 한 반응물이 자기제한적인(self-limiting) 공정을 통해 웨이퍼 상에 흡착된다. 뒤이은 반응물의 펄스가 흡착된 재료와 반응하여 원하는 재료의 단일 분자층을 형성한다. 분해 과정은 리간드 교환 또는 잔류가스 제거 반응(gettering reaction)과 같이, 적절하게 선택된 반응물과의 반응을 통해 일어날 수 있다. 전형적인 ALD 반응에서는, 사이클당 단지 하나의 분자 단일층이 형성된다. 목표하는 두께가 달성될 때까지, 반복되는 성장 사이클을 통해 더 두꺼운 막이 형성된다.
ALD 공정에서, 원하는 제품을 제조하기 위하여, 적어도 하나의 코팅될 표면을 가진 하나 이상의 기판과, 하나 이상의 반응물이 반응기 또는 증착 챔버 내로 도입된다. 일반적으로, 하나 이상의 기판은 웨이퍼 지지부 즉 서셉터 상에 배치된다. 웨이퍼 지지부는 반응기 내부로 한정된 챔버 내에 위치한다. 웨이퍼는, 반응물 가스들의 응결 온도보다 높고 반응물 가스들의 열적 분해 온도보다는 낮은, 원하는 원도까지 가열된다.
ALD의 고유한 특징은, 포화된 표면 상태에 도달되기까지, 각각의 반응물이 펄스 형태로 기판에 전달된다는 점이다. 상기에서 언급한 바와 같이, 전형적으로 하나의 반응물이 기판의 표면상에 흡착되고 제2반응물이 이어서 상기 흡착된 종과 반응한다. 성장 속도가 자기제한적이기 때문에, 성장 속도는 CVD에서와 같이 반응물의 온도 또는 유량(flux)보다는 오히려 반응 시퀀스(sequence)의 반복 속도에 비례한다.
자기제한적인 성장을 확보하기 위해서, 기상 반응물들은, 연속하는 반응물의 펄스들 사이의 퍼지 단계 또는 다른 제거 단계들에 의해 격리된 채 유지된다. 퍼지 단계 동안에는 원하는 재료의 성장이 일어나지 않으므로, 퍼지 단계의 지속 시간을 제한하는 것이 유리할 수 있다. 더 짧은 퍼지 단계의 지속 시간은, 반응기 내에서 반응물들의 흡착 및 반응을 위하여 사용할 수 있는 시간을 증가시킬 수 있다. 그러나, 반응물들은 흔히 상호 반응하기 때문에, 증착의 자기제한적인 본질을 훼손하는 CVD 반응의 위험성을 감소시키기 위하여, 기상 반응물들의 혼합은 피해야 한다. 반응 챔버의 상류 또는 하류와 바로 접하는 공유 라인에서의 혼합일지라도 의존적인 CVD 및 그 후의 미립자 생성을 통하여 공정을 오염시킬 수 있다.
기상 반응물들이 혼합하는 것을 방지하기 위하여, ALD 반응기들은, 퍼지 단계 동안 반응물 소스로부터 반응 챔버로 반응물이 흘러가는 것을 방지하기 위하여, 공급 도관의 일부분에 "불활성 가스 밸브 조절(inert gas valving)" 또는 "확산 장벽(diffusion barrier)" 장치를 포함할 수 있다. 상기 불활성 가스 밸브 조절은, 공급 도관 내에서 정상적인 반응물의 흐름과 반대 방향으로 흐르는 가스에 대하여 기상의 대류 장벽을 형성하는 것을 포함한다(참조 T.Suntola, 결정 성장 핸드북 Ⅲ, 박막과 에피택시, Part B: 결정 메커니즘과 동력학, 제14장, 원자층 에피택시, 편집바 D.T.J. Hurle, Elsevier Science V.B.(1994), pp.601-663, 상기 문헌의 개시는 본문 전체로서 본원에 참조문헌으로 포함된다. 특히, pp.624-626을 참조하라). 비록 이러한 종래 기술 장치가 기상의 반응물들의 혼합을 방지하는데는 성공적이었지만, 여전히 개선될 여지가 있다. 특히, 실험적인 연구는 반응 챔버 내부에는 퍼지하기 힘든 데드 포켓(dead pocket)들 및/또는 재순환 셀들이 있다는 점을 지적한다. 따라서, 이전의 반응물 펄스의 일부분이, 이후의 반응물 펄스 동안 반응 챔버에 남아있을 수 있다. 이러한 것은, 불리하게도, 반응 챔버의 내부 및 기판 상 자체에서의 CVD 성장을 유도한다. 반응 챔버 내의 CVD 성장은, 불리하게도, 파티클의 배출을 증가시키게 된다.
그러므로, 퍼지하는데 더 용이한 개선된 반응기 디자인을 위한 요구가 존재하고, 그러한 요구는 퍼지 단계 이후 반응물이 남아있을 수 있는 데드 포켓을 제거하거나 상당히 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 일 실시양태는, 그 내부에 형성된 공간부 내에 배치된 웨이퍼 상에 박막을 증착하도록 구성된 증착 챔버를 포함하는 원자층 증착(ALD) 박막증착장치를 포함한다. 상기 증착 챔버는 상기 공간부와 연결된 가스 입구를 포함한다. 가스 시스템은 상기 증착 챔버의 가스 입구로 가스를 이송하도록 구성된다. 상기 가스 시스템의 적어도 일부분은 상기 증착 챔버 위에 위치한다. 상기 가스 시스템은 복수의 가스 흐름들을 혼합하도록 구성된 혼합기를 포함한다. 이송 부재는 상기 혼합기 및 상기 가스 입구와 유체 연통된다. 상기 이송 부재는, 상기 가스가 상기 가스 입구로 들어오기 전에 상기 가스를 수평 방향으로 확산시키도록 구성된, 수평 방향으로 분기하는 한 쌍의 벽을 포함한다.
본 발명의 다른 실시양태는, 그 내부에 형성된 공간부 내에 배치된 웨이퍼 상에 박막을 증착하도록 구성된 증착 챔버를 포함하는 원자층 증착(ALD) 박막증착장치를 포함한다. 상기 증착 챔버는 상기 공간부와 연결된 가스 입구를 포함한다. 상기 증착 챔버는 밀봉면을 포함하는 밀봉부를 더 구비한다. 서셉터는 상기 공간부 내의 웨이퍼를 지지하도록 구성된다. 상기 서셉터는, 상기 서셉터가 상기 밀봉면에 대해 밀봉하는 제1위치와, 상기 서셉터가 상기 밀봉면에 대해 더이상 밀봉하지 않으며 상기 제1위치의 하측에 위치하는 제2위치 사이에서 상기 증착 챔버에 대해 수직으로 이동하도록 구성된다. 상기 제1위치에서, 상기 밀봉면과 상기 서셉터의 경계부 및 상기 서셉터 상에 배치된 웨이퍼 사이의 수직 거리는 약 2 ㎜ 미만이다.
본 발명의 다른 실시양태는, 반도체 기판들을 처리하기 위한 기판 지지부를 포함한다. 상기 기판 지지부는 함몰부를 가지는 상면을 포함한다. 상기 함몰부는, 상기 기판 지지부의 상면이 오직 상기 기판의 가장자리부를 따라 상기 기판과 접촉하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시양태는, 그 내부에 형성된 공간부 내에 배치된 웨이퍼 상에 박막을 증착하도록 구성된 증착 챔버를 포함하는 원자층 증착(ALD) 박막증착장치를 포함한다. 상기 증착 챔버는 상기 공간부와 연결된 가스 입구를 포함한다. 상기 증착 챔버는 밀봉면을 포함하는 밀봉부를 더 구비한다. 서셉터는 상기 공간부 내의 웨이퍼를 지지하도록 구성된다. 상기 서셉터는, 상기 서셉터가 상기 밀봉면에 대해 밀봉하는 제1위치와, 상기 서셉터가 상기 밀봉면에 대해 더이상 밀봉하지 않으며 상기 제1위치의 하측에 위치하는 제2위치 사이에서 상기 증착 챔버에 대해 수직으로 이동하도록 구성된다. 상기 서셉터는, 상기 웨이퍼가 상기 서셉터 상의 상기 제1위치에 위치할 때, 가스 흐름에 대한 상기 웨이퍼의 선단부가 상기 웨이퍼의 후단부와 비교하여 상기 밀봉면으로부터 더 멀리 위치하도록 구성된다.
하기의 상세한 설명으로부터 명백해지는, 공지의 공정들 및 장치들을 능가하는 모든 목적들과 장점들은, 이후 기술되고 청구되는 본 발명에 의해 달성될 것이다.
본 발명은, 가스 흐름의 팽창과 수축을 매끄럽게 함으로써 가스 경로 내에서의 재순환 셀들을 감소시키거나 제거할 수 있다. 또한, 가스 통과부(511)가 이송 부재(510)와 상부 플레이트(514)의 상면(525) 사이에서 형성되는 "조개껍질형 (clamshell)" 구조이므로, 이송 부재(511)를 깨끗이 하고 다시 닦는 일을 더 용이하게 한다.
또한, 본 발명은, 가스가 바닥 플레이트(600) 상에서 기판 측으로 흐를 때, 가스가 기판의 두께와 거의 동일한 깊이를 가지는 얕은 단에만 노출되므로, 재순환 영역의 크기를 줄이거나 재순환 영역을 제거하고 증착 챔버(200)를 퍼지하는 것을 용이하게 한다.
또한, 본 발명은, 웨이퍼의 가장자리부를 따라 기판을 접촉함으로써, 기판의 굴곡 및/또는 돔형상으로 인해 기판(S)의 가장자리부와 서셉터(602) 사이에서 간격이 형성되지 않으므로, 가스들이 이 간격에 갇혀서 퍼지하는 일을 비효율적으로 만들거나 웨이퍼의 배면에 증착되는 문제를 방지할 수 있다.
도 1a는 원자층 증착(ALD) 장치의 정면, 상면 및 좌측면 사시도.
도 1b는 도 1a의 ALD 장치의 바닥면, 배면 및 좌측면 사시도.
도 2는 2-2선을 따라 절취한 도 1의 ALD 장치의 절취 사시도.
도 3은 도 1a의 ALD 장치 내의 가스 분배 시스템의 사시도(도 2에 부분적으로 보임).
도 4는 각 반응물 가스 라인의 버퍼 영역을 나타내며, 도 3의 가스 분배 시스템의 혼합기 어셈블리의 상류 부재에 결합된 반응물 가스 라인들의 평면도.
도 5는 도 1a의 ALD 장치의 가스 분배 시스템 및 반응 챔버의 일부에 대한 개략적인 단면도.
도 6은 ALD 장치 내의 반응 챔버의 상부 플레이트에 결합된 가스 분배 시스템의 변형된 실시양태의 일부에 대한 사시도.
도 7은 도 6의 가스 분배 시스템의 평면도.
도 8은 가스 분배 시스템이 제거된 상태에서 도 6의 상부 플레이트의 평면도.
도 9는 도 7의 9-9선의 단면도.
도 9a는 도 9의 일부분의 확대도.
도 10은 도 1의 ALD 시스템 내의 서셉터, 기판 및 반응기의 바닥 플레이트의 개략적인 도면.
도 11은 도 9와 유사한 단면도로서, ALD 장치의 서셉터와 바닥 플레이트를 도시한 단면도.
도 12는 도 11의 서셉터와 바닥 플레이트의 부분 상면 사시도.
도 13은 180도 회전된 도 11의 서셉터의 상면 사시도.
도 14는 도 13의 14-14선의 단면도로서, 서셉터 상에 배치된 기판을 도시한 단면도.
도 15는 승강핀과 서셉터의 구조의 일 실시양태의 가장자리부의 개략적인 단면도.
도 1a는 ALD 장치(100)의 일 실시양태의 사시도이다. ALD 장치(100)는, ALD 장치(100)를 위한 하우징의 일부분을 함께 형성하는, 상부 부재(110), 바닥 부재(112) 및 정면 부재(118)를 포함한다. 도 1a에 도시된 일 실시양태에서, 상부 히터(114)는 상부 부재(110)를 관통하여 연장된다. 상부 히터(114)는 ALD 장치(100)의 상부 부분의 온도를 유지하도록 구성된다. 마찬가지로, 하부 히터(116)는 바닥 부재(112)를 관통하여 연장된다. 하부 히터는 ALD 장치(100)의 하부 부분의 온도를 유지하도록 구성된다.
ALD 장치(100)의 게이트 밸브의 역할을 하는 정면 부재(118)는 개구부(120)를 덮는다. 도 1a에서 점선은 상기 개구부(120)의 윤곽을 나타낸다. 정면 부재(118)가 제거되면, 개구부(120)는 ALD 장치(100)에 의해 처리되는 웨이퍼를 수취할 수 있다. 이와 같이, 수취된 웨이퍼는 ALD 장치(100) 내부의 증착 챔버에 배치된다. 처리가 완료되면, 웨이퍼는 동일한 개구부(120)를 통하여 증착 챔버로부터 제거될 수 있다.
ALD 제어 시스템(미도시)은 웨이퍼를 처리하는 동안 ALD 장치(100)를 제어하도록 구성된다. 예를 들면, ALD 제어 시스템은, 반응물 및 버퍼 가스들이 ALD 장치(100)로 유입 및 ALD 장치(100)로부터 유출되는 것을 제어하기 위하여, 컴퓨터 제어 시스템 및 전기적으로 제어되는 밸브들을 포함한다. ALD 제어 시스템은 일정 임무를 수행하는 재설정가능반도체(FPGA)나 주문형반도체(ASIC)와 같이 소프트웨어 또는 하드웨어 구성품과 같은 모듈들을 포함한다. 유리하게도, 모듈은 컴퓨터 제어 시스템의 주소화 저장 매체(addressable storage medium)에 존재하도록 구성되고, 하나 이상의 프로세서상에서 샐행되도록 구성될 수 있다.
도 1b는 ALD 장치(100)의 사시도로서, 바닥 부재(112)를 나타낸다. ALD 장치(100)는 한 세트의 커플링(102(a),102(b),104(a)-(d))들을 포함한다. 이러한 예시적인 구성에서, ALD 장치(100)는 4개의 개별적인 반응물 기상 소스들을 포함한다. 이 반응물 기상 소스들 중 2개는 커플링(102(a),102(b))을 통하여 ALD 장치(100)에 연결된다. 이러한 가스 소스들은 가압될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 예를 들어, 이러한 기상 소스들은 고체 승화 용기, 액체 버블러(bubbler) 또는 가스 용기(gas bomb)가 될 수 있다. 제3반응물 기상 소스 및 제4반응물 기상 소스는 커플링(104(b),104(c))를 통해 ALD 장치(100)에 연결된다.
일 실시양태에서, 각 반응물 기상 소스는, 연관된 불활성 가스 소스를 가지는데, 불활성 가스 소스는 반응물 펄스 이후 반응물 기상 라인들을 퍼지하는데 이용될 수 있다. 예를 들면, 커플링(102(a),102(b))들에 연결된 반응물 기상 소스들과 연관되는 불활성 가스 소스들은, 각각 커플링(104(a),104(d))들에 연결된다. 커플링(104(b),104(c))들에 연결된 반응물 기상 소스들과 연관되는 불활성 가스 소스들은, 또한 각각 커플링(104(b),104(c))들에 연결된다. 이러한 불활성 가스 소스들은 가압될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 예를 들어, 이러한 불활성 가스 소스들은 비활성 즉 질소 가스 소스들이 될 수 있다. ALD 제어 시스템(미도시)는 다양한 가스들이 ALD 장치(100)에 도달하는 것을 선택적으로 허용하거나 막기 위한 하나 이상의 밸브를 제어한다.
ALD 장치(100)는 웨이퍼가 증착 챔버 내로 삽입될 때 웨이퍼 상에 박막을 증착하도록 구성될 수 있다. 일반적으로, ALD 장치(100)는, 커플링(102(a),102(b))들 중 어느 하나를 통해, 또는 커플링(104(b),104(c))들 중 어느 하나를 통해, 제1반응물 가스를 수취할 수 있다. 또한 ALD 장치(100)는, 커플링(104(a)-104(d))들을 통해, 불활성 가스를 수취할 수 있다. 일 실시양태에서, 불활성 가스는 제1반응물 가스와 함께 증착 챔버로 들어가, 웨이퍼 상에서 제1반응물의 단일층을 흡착시킨다. 적절한 밸브들(미도시)을 스위칭함으로써, 제1반응물 가스의 흐름은 바람직하게는 불활성 가스 밸브 조절(inert gas valving, IGV) 구조를 통해 멈추게 되고, 이후 증착 챔버와 가스 라인들은 커플링(104(a),104(b),104(c),104(d))들로부터 나오는 불활성 가스를 가지고 퍼지된다. 증착 챔버와 가스 라인들이 퍼지된 후, 증착 사이클은 하나 이상의 다른 반응물 가스들을 가지고 계속된다. 일 실시양태에서, 교호적인 펄스의 반응물들은 기판 즉 웨이퍼의 표면상에서 서로 반응하여, 각 사이클에서 원하는 제품의 오직 하나의 단일층을 형성한다. 균일성에 대하여 약간의 희생을 감수하면, 순수 ALD 작동의 여러 변형들은 한 사이클당 하나의 단일층 이상을 증착시킬 수 있을 만큼 증착 속도를 향상시킬 수 있음을 주목하여야 한다.
ALD 장치(100)의 실시양태들에서, 각 사이클에서 2개 이상의 반응물 가스들이 ALD 장치(100)를 통하여 순차적으로 흘러들어가서(퍼지하는 주기에 의해 격리됨), 웨이퍼 상에 복합 재료를 형성할 수 있다. 반응 챔버에서 흡착되거나 반응한 후에, 과잉의 각 반응물 가스는 가스 배출구(106, 도 1b)를 통해 이후에 배출될 수 있다. 상기 가스 배출구(106)는, 증착 챔버로부터 가스들을 제거하는데 도움을 주며, 증착 챔버의 내부를 저압의 상태로 만드는 진공 펌프에 연결될 수 있다. 게다가, 바닥 부재(112)에 있는 다른 커플링들 중 어느 하나와 진공 펌프를 연결함으로써, 전체 ALD 장치(100)는 저압의 상태까지 펌핑될 수 있다.
도 2는 2-2선을 따라 절취한 도 1a의 ALD 장치의 절취 사시도이다. 가스 분배 시스템(202)(도 4에 더 상세히 도시됨)과, 상부 즉 커버 플레이트(314), 바닥 즉 베이스 플레이트(206), 서셉터 즉 웨이퍼 지지부(204) 및 배기 정화부(314)에 의해 형성되는 증착 챔버(200)가 ALD 장치(100)의 내부에 존재한다. 하나 이상의 반사 플레이트(208,210)들이 가스 분배 시스템(202)과 증착 챔버(200)의 상측 및 하측에 위치한다. ALD 장치(100)는 웨이퍼 지지부(204)와, 웨이퍼 지지 히터(216)와, 열 스위치(218)를 더 포함한다.
웨이퍼 지지부(204)는 ALD 장치 내에 위치하고, 증착 공정 동안 기판 즉 웨이퍼를 지지하도록 구성된다. 웨이퍼 지지부(204)는 증착 챔버(200) 내부에서 회전되도록 개조될 수 있다. 웨이퍼 지지 히터(216)는 웨이퍼 지지부(204)를 가열하도록 구성될 수 있다. 열 스위치(218)는 상부 부재(110) 위에 제공될 수 있다. 열 스위치(218)는 상부 부재(110)의 온도를 모니터하도록 구성될 수 있다. 시스템(100)은 시스템의 여러 표면들을 원하는 온도로 유지하기 위한 다른 온도 센서 및 제어 메커니즘을 포함한다는 것은 이해될 것이다.
도시된 실시양태는, 가스 분배 시스템(202)의 상부 부분 및 상부 부재(110) 사이에서 열적 장벽을 제공하는 상부 반사 플레이트들(208)을 포함한다. 마찬가지로, 하부 반사 플레이트들(210)은 증착 챔버(200)의 하부 부분 및 바닥 부재(112) 사이에서 열적 장벽을 제공한다. 또한, 반사 플레이트들(208,210)은 저압의 환경에서 증착 챔버를 복사 가열하는 것을 돕는데 이용된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 히터(114)는 상부 반사 플레이트들(208)을 관통하여 연장되는 코일들(212)과 결합한다. 코일들(212)은 가스 분배 시스템(202)의 상부 부분에 복사를 통하여 열을 제공하도록 구성된다. 마찬가지로, 하부 히터(116)는 하부 반사 플레이트들(210)을 관통하여 연장되며, 증착 챔버(200)의 하부 부분을 가열하는 코일들(214)과 결합한다. 별법으로, 다른 가열 시스템들이 채용될 수 있다.
가스 분배 시스템(202)은, 반응물 가스들이 커플링(102(a),102(b),104(b), 104(c))들을 통하여, 불활성 가스들이 커플링(104(a)-(d))들을 통하여 ALD 장치(100)에 들어가도록 구성된다(도 1b 참조). 가스 분배 시스템(202)은, 주어진 펄스 동안, 커플링(104(a)-(d))들을 통하여 들어가는 불활성 가스들 중 하나 이상과 커플링(102(a),102(b),104(b),104(c))들을 통하여 들어가는 반응물 가스들 중 하나를 선택적으로 혼합하도록 구성된다. 결과로서 생기는 혼합물이 증착 챔버(200)로 들어간다. 각각의 펄스 이후, 가스 분배 시스템(202)은 반응하지 않은 반응물 및 불활성 가스들을 증착 챔버로부터 가스 배출구(106)를 통해, 예컨대 퍼지 과정을 통해 배기한다. 커플링이라는 용어는 하나 이상의 가스 라인들 사이에서 가스 흐름을 연결하는 것을 기술하는데 사용된다. 본원에 도시된 커플링들의 위치는 단지 예시적인 목적을 위한 것이며, 가스 라인을 따라 다른 위치에 위치할 수도 있다. 게다가, 주어진 커플링과 연관된 가스 라인은 가스 분배 시스템(202)으로 또는 가스 분배 시스템(202)으로부터 가스를 흐르게 하도록 구성될 수 있다. 하기에 기술되는 바와 같이, 본원에 기술된 예시적인 실시양태에서 다양한 커플링들은 가스 분배 시스템(202)으로 또는 가스 분배 시스템(202)으로부터 가스를 흐르게 하기 위한 것이다. 그러나, 본 발명은 본원에 개시된 예시적인 실시양태들에 한정되는 것은 아니다.
ALD 장치(100)를 통해 반응물 가스들의 사이클이 수행되는 순서는 원하는 제품에 의존한다. 각 반응물 가스가 증착 챔버(200)에 들어가기에 앞서 하나 이상의 반응물 가스들이 서로 반응하는 것을 최소화하기 위하여, 커플링(104(a)-(d))들을 통하여 들어가는 불활성 가스는, 반응물 가스들의 펄스 사이에서 ALD 장치(100)를 통하여 주기적으로 공급되거나 계속 흐르게 된다. 이와 같이, 불활성 가스들은 증착 챔버(200)를 퍼지한다. 하기에 설명되는 바와 같이, 다양한 반응물 가스들 및 불활성 가스들이 ALD 장치(100)를 통하여 규칙적으로 주기적으로 공급되어, 개구부(120)를 통해 삽입되는 웨이퍼 상에 증착물을 형성한다.
도 3은 도 1a의 ALD 장치(100)의 증착 챔버(200) 및 가스 분배 시스템(202)의 사시도이다. 가스 분배 시스템(202)은 복수의 가스 라인들과, 혼합기 어셈블리(304)와, 이송 튜브(310)와, 흡입 플레넘(plenum) 또는 매니폴드(manifold)(312)를 포함한다. 증착 챔버(200)는 커버 플레이트(314)와, 베이스 플레이트(206)와, 배기 정화부(316)를 포함한다. 가스 분배 시스템(202)은 흡입 플레넘(312)에서 증착 챔버(200)에 연결된다.
도 4에 잘 도시된 바와 같이, 이 실시예에서, 복수의 가스 라인들은 4개의 반응물 라인(300,303,309,315)들과, 8개의 버퍼 라인(301,302,305,307,311,313, 317,319)들을 포함한다. 각 반응물 라인은 2개의 버퍼 라인들과 결합한다. 반응물 라인(300)은 버퍼 라인(301,302)들과 결합한다. 반응물 라인(303)은 버퍼 라인(305,307)들과 결합한다. 반응물 라인(307)은 버퍼 라인(311,313)들과 결합한다. 반응물 라인(315)은 버퍼 라인(317,319)들과 결합한다. 가스 분배 시스템(202)은 ALD 장치(100)의 구성에 따라 더 많은 또는 더 적은 반응물 라인들 및 버퍼 라인들을 포함할 수 있다. 게다가, 각 반응물 라인은 2개의 버퍼 라인들과 결합할 수도, 결합하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 다른 반응물 라인은 버퍼 라인들과 결합하지 않지만, 하나 이상의 반응물 라인들이 버퍼 라인들과 결합할 수 있다. 버퍼 라인들과 결합하지 않은 반응물 라인은 다른 수단에 의해 차단될 수 있다.
각 반응물 가스 라인은 가스 분배 시스템(202) 내에서 4개의 커플링들을 포함한다. 반응물 가스 라인(300)은 커플링(300(a),300(b),300(c),300(d))들을 포함한다. 반응물 가스 라인(303)은 커플링(303(a),303(b),303(c),303(d))들을 포함한다. 반응물 가스 라인(309)은 커플링(309(a),309(b),309(c),309(d))들을 포함한다. 반응물 가스 라인(315)은 커플링(315(a),315(b),315(c),315(d))들을 포함한다. 각 반응물 가스 라인을 위한 커플링들은 하기에 기술된다.
커플링(300(a))은 반응물 가스 라인(300)과 반응물 소스에 연결된 커플링(102(b))을 결합시킨다(도 1b 참조). 커플링(300(b))은 반응물 가스 라인(300)과 버퍼 라인(302)을 결합시킨다. 커플링(300(c))은 반응물 가스 라인(300)과 버퍼 라인(301)을 결합시킨다. 커플링(300(d))은 반응물 가스 라인(300)과 혼합기 어셈블리(304)를 결합시킨다.
커플링(303(a))은 반응물 가스 라인(303)과 다른 반응물 소스에 연결된 커플링(104(b))을 결합시킨다(도 1b 참조). 커플링(303(b))은 반응물 가스 라인(303)과 버퍼 라인(307)을 결합시킨다. 커플링(303(c))은 반응물 가스 라인(303)과 버퍼 라인(305)을 결합시킨다. 커플링(303(d))은 반응물 가스 라인(303)과 혼합기 어셈블리(304)를 결합시킨다.
커플링(309(a))은 반응물 가스 라인(309)과 다른 반응물 소스에 연결된 커플링(104(c))을 결합시킨다(도 1b 참조). 커플링(309(b))은 반응물 가스 라인(309)과 버퍼 라인(313)을 결합시킨다. 커플링(309(c))은 반응물 가스 라인(309)과 버퍼 라인(311)을 결합시킨다. 커플링(309(d))은 반응물 가스 라인(309)과 혼합기 어셈블리(304)를 결합시킨다.
커플링(315(a))은 반응물 가스 라인(315)과 다른 반응물 소스에 연결된 커플링(102(a))을 결합시킨다(도 1b 참조). 커플링(315(b))은 반응물 가스 라인(315)과 버퍼 라인(319)을 결합시킨다. 커플링(315(c))은 반응물 가스 라인(315)과 버퍼 라인(317)을 결합시킨다. 커플링(315(d))은 반응물 가스 라인(315)과 혼합기 어셈블리(304)를 결합시킨다.
버퍼 라인(301,302,305,307,311,313,317,319)들은 커플링(301(a),302(a), 305(a),307(a),311(a),313(a),317(a),319(a))들을 각각 포함한다.
도 3 및 도 4에 도시된 실시양태에서, 각 커플링(301(a),305(a),311(a), 317(a))은 가스 분배 시스템(202)으로 흐르는 유로를 제공한다. 커플링(301(a))은 버퍼 라인(301)과 커플링(104(a))을 결합시킨다(도 1b 참조). 커플링(305(a))은 버퍼 라인(305)과 커플링(104(b))을 결합시킨다(도 1b 참조). 커플링(311(a))은 버퍼 라인(311)과 커플링(104(c))을 결합시킨다(도 1b 참조). 커플링(317(a))은 버퍼 라인(317)과 커플링(104(d))을 결합시킨다(도 1b 참조).
각 커플링(302(a),307(a),313(a),319(a))은 커넥터(320(a)-(d))들을 통과하는, 가스 분배 시스템(202)과 배기 정화부(316) 사이의 유로를 제공한다. 커넥터(320(a))는 커플링(302(a))과 배기 정화부(316)를 연결한다. 커넥터(320(b))는 커플링(307(a))과 배기 정화부(316)를 연결한다. 커넥터(320(c))는 커플링(313(a))과 배기 정화부(316)를 연결한다. 커넥터(320(d))는 커플링(319(a))과 배기 정화부(316)를 연결한다. 이러한 연결 구조는 불활성 가스 밸브 조절(inert gas valving, IGV) 작동에 도움이 된다.
도 3에 도시된 실시양태에서, 반응물 가스 라인(300,303,309,315)들은 반응물 가스들을 혼합기 어셈블리(304)로 흐르게 하는 경로를 형성한다. 버퍼 라인(301,305,311,317)들은 불활성 가스들을 혼합기 어셈블리(304)로 흐르게 하는 경로를 형성한다. 결과로서 생기는 혼합물(하나의 불활성 가스당 하나의 반응물)은 이송 튜브(310)를 거쳐 흡입 플레넘(312)으로 흐르게 된다. 상기 흡입 플레넘(312)은 이송 튜브(310)를 통과하는 유로에 대해 횡방향으로 혼합물을 분산시킨다. 혼합물은 흡입 플레넘(312)을 빠져나가 커버 플레이트(314)를 경유하여 증착 챔버(200)로 들어간다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 커버 플레이트(314)는 베이스 플레이트(206)에 인접하여 위치하고, 혼합물이 웨이퍼 지지부(204) 위에 배치된 기판 즉 웨이퍼 위로 흐를 수 있도록 2개의 플레이트들은 그 사이에서 유로를 형성한다. 베이스 플레이트(206)와 커버 플레이트(314)는 실질적으로 직사각형 형상의 외곽 둘레를 가진다.
혼합물 펄스는, 증착 챔버(200)를 가로지르면서, 기판의 표면을 포화시킨다. 현재의 혼합물과 이전의 펄스 이후 방치된 기판의 표면들 사이에서 흡착 또는 반응이 일어날 수 있다. 혼합물은 증착 챔버(200)를 통과한 후, 배기 정화부(316) 측으로 흐른다. 배기 정화부(316)는, 혼합물이 웨이퍼를 포화시킨 후 과잉의 혼합물 및 부산물을 수집하도록 구성된다. 일 실시양태에서, 배기 정화부(316) 내의 일 영역은 증착 챔버(200) 내의 압력보다 낮은 압력 상태에 있다. 배압의 소스 또는 진공이 상기 배기 정화부(316) 및/또는 가스 배출구(106)와 유체 연통되어, 증착 챔버(200)로부터 혼합물을 배출할 수 있다. 상기 배기 정화부(316)는 상기 가스 배출구(106)와 유체 연통된다. 모아진 혼합물은 가스 배출구(106)를 통해 증착 챔버(200)를 빠져 나간다.
도 3을 참조하면, 혼합기 어셈블리(304)는 상류 부재(306) 및 하류 부재(308)를 포함한다. 상류 부재(306)는 반응물 가스 라인들 및 버퍼 라인들과 유체 연통된다. 하류 부재(308)로 들어가는 혼합물에 앞서 반응물 가스와 불활성 가스를 혼합하도록 구성된다. 하류 부재(308)는 상류 부재(306)와 이송 튜브(310) 사이에서 혼합물을 한곳에 모이게 한다. 하류 부재(308)는 일반적으로, 혼합물의 유로의 단면적을 연속적으로 감소시킴으로써, 혼합물이 하류 부재(308)의 내부에서 재순환하는 경향을 최소화하도록 구성된다.
도 4는 버퍼 라인들 및 혼합기 어셈블리의 상류 부재(306)에 결합된 반응물 가스 라인들의 평면도이다. 커플링(300(c),300(b))들 사이에서, 버퍼 영역(400(a))은 반응물 가스 라인(300) 내에 형성된다. 커플링(303(c),303(b))들 사이에서, 버퍼 영역(400(b))은 반응물 가스 라인(303) 내에 형성된다. 커플링(309(c),309(b))들 사이에서, 버퍼 영역(400(c))은 반응물 가스 라인(309) 내에 형성된다. 커플링(315(c),315(b))들 사이에서, 버퍼 영역(400(d))은 반응물 가스 라인(315) 내에 형성된다. 가스 분배 시스템(202)으로 흐르는 유로들을 형성하는 버퍼 라인(301,305,311,317)들은, 커플링(300(b),303(b),309(b),315(b))들의 하류에 있는 연관된 가스 라인들과 결합한다. 이와 같이, 커플링(301(a),305(a), 311(a),317(a))을 통해 들어가는 가스는 버퍼 라인(302,307,311,319)들과 결합하는 반응물 라인들의 하류에서 반응물 라인(300,303,309,315)들에 들어간다. 고정된 오리피스들이 커플링(302(a),307(a),313(a),319(a))들의 위치에 배치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 커플링(302(a),307(a),313(a),319(a))들은 배기 정화부(316)에 연결된다. 오리피스들은, 가스들이 배기 정화부(316)로 흘러들어가고 증착 챔버(200)를 우회하도록, 높은 저항을 가지는 유로를 형성한다. 이와 같이, 반응물 가스의 펄스 동안, 커플링(300(a),303(a),309(a),315(a))들을 통해 들어가는 반응물 가스의 소량은 증착 챔버를 우회하여 배기 정화부(316) 측으로 직접 흘러들어간다. 오리피스에 의해 발생되는 저항은 분기되는 반응물의 양을 제한한다. 퍼지 단계 동안, 커플링(301(a),305(a),311(a),317(a))들을 통해 들어가는 불활성 가스의 적어도 일부분은, 반응물 가스 라인의 내에 버퍼 영역(400(a)-(d))들을 형성하기 위하여, 커플링(300(b),303(b),309(b),315(b))측으로 향하는 역흐름을 형성한다. 상기 버퍼 영역들은, 퍼지 스텝 동안 또는 다른 반응물 라인들 중 하나로부터 혼합기 어셈블리(304)로 반응물이 흐르는 동안, 반응물이 반응기로 확산하는 것을 방지한다.
예를 들어, ALD 공정 단계 동안, 반응물 가스는 반응물 라인(300)을 통하여 혼합기 어셈블리의 상류 부재(306) 측으로 흐른다. 이러한 반응물 가스 중 소량은 버퍼 라인(302)측으로 우회되어 커플링(302(a))을 통과하여 배기 정화부(316)로 빠져나간다. 버퍼 라인으로 우회된 가스의 유량은 커플링(302(a))에 고정된 오리피스의 크기에 좌우된다. 고정 오리피스의 크기는 더 많은 가스 또는 더 적은 가스를 배기 정화부(316)측으로 우회시키기 위하여 변경될 수 있다. 나머지 반응물 가스는 버퍼 영역(400(a))을 통하여 커플링(300(c)) 측으로 흐른다.
반응물 가스를 상부 부재(306)로 밀어내기 위해 불활성 가스가 커플링(301(a))을 통해 도입될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 불활성 가스가 커플링(301(a))을 통해 도입되면, 불활성 가스는 커플링(300(c))의 위치에서 반응물 가스와 합류하고, 상류 부재(306)측으로 흘러간다. 펄스 단계 이후, 반응물 가스는 가스 라인으로부터 퍼지된다. 예를 들어, 가스 라인을 퍼지하는 것은, 커플링(300(a))으로부터의 반응물 가스의 흐름을 차단하고/차단하거나, 남아 있는 반응물 가스의 상류 부재(306)측으로의 확산을 저지하기 위하여 불활성 가스를 이용함으로써 수행될 수 있다. 차단 밸브는 가열되는 영역의 외곽에 위치할 수 있고, 반응물 가스의 흐름을 차단하는데 이용될 수 있다. 불활성 가스는, 2001년 12월 27일에 공개된 미국특허공개번호 제2001/0054377호에 일반적으로 기술된 바와 같이 불활성 가스 밸브 조절(IGV) 과정을 통해 커플링(301(a))을 거쳐 도입될 수 있는데, 상기 문헌의 개시는 본문 전체로서 본원에 참조문헌으로 포함된다. 불활성 가스의 제1흐름부는 버퍼 영역(400(a))으로 들어가서 상류 방향 즉 커플링(300(b))측으로 거꾸로 흐른다. 가스의 제2흐름부는 상류 부재(306) 측으로 하류 방향으로 흐른다. 제1흐름부는 버퍼 영역(400(a))의 끝단에서 반응물 라인(300)을 빠져나가고 버퍼 라인(302)으로 들어간다. 고온에 의해 마모되기 쉬운 물리적인 밸브(원격임)를 사용하지 않고도, 제1흐름부가 상기 버퍼 영역(400(a))을 통해 흐르고 있는 동안에는, 커플링(300(a))의 상류에 있는 차단 밸브와 커플링(300(b)) 사이에서 잔류하는 반응물 가스가 상류 부재(306)측으로 흘러가거나 확산되는 것이 차단된다. 제1흐름부는 반응물 가스가 반응물 라인(300)을 통해 혼합기 어셈블리(304)측으로 흐르는 것을 막는 버퍼 즉 확산 장벽(또는 불활성 가스 밸브)을 형성한다. 커플링(300(a))의 상류에 위치하는 차단 밸브를 주기적으로 조절함으로써, ALD 제어 시스템은 버퍼 라인(301) 내에 불활성 가스가 흐르게 하거나 또는 흐르지 않게 하는 것을 제어할 수 있다. 이와 같이, ALD 제어 시스템은 커플링(300(a))을 통하여 반응물 라인(300)으로 들어가는 반응물 가스가 상류 부재(306)에 도달하는지 여부를 재빨리 제어할 수 있다. 게다가, 퍼지 단계와 다른 반응물 가스들의 그 후의 펄스 동안, 커플링(300(a))의 상류에 있는 차단 밸브와 커플링(300(b)) 사이에 위치하는 "데드 스페이스(dead space)"에 있는 반응물 가스는 상류 부재(306)측으로 확산되는 것이 방지될 수 있다. 서로 다른 반응물 가스들이 격리된 채로 유지되고 오직 기판의 표면상에서 반응하며 가스 상태가 아닌 상태에서 반응하기 때문에, 이러한 점은 ALD를 위해 유리하다.
커플링(303(a))을 통해 가스 분배 시스템(202)으로 들어가는 반응물 가스가 상류 부재(306)에 도달하는지 여부는, 마찬가지로 가스가 버퍼 라인(305)을 통과하여 커플링(303(c))의 위치에서 반응물 라인(303)으로 흘러들어가고 커플링(303(a))의 상류에 위치하는 차단 밸브를 이용함으로써 제어된다. 커플링(303(c))의 위치에서 반응물 라인으로 들어가는 가스의 제1부분은 버퍼 영역(400(b))을 형성한다. 이와 같이, 가스의 제1부분은 반응물 라인(303)을 통하여 들어가는 반응물 가스가 상류 부재(306)로 들어가는 것을 막는다. 커플링(303(c))의 위치에서 반응물 라인으로 들어가는 가스의 제2부분은 버퍼 영역(400(b))으로부터 멀어지는 방향으로, 상류 부재(306)측으로 흐른다.
커플링(309(a))을 통해 가스 분배 시스템(202)으로 들어가는 반응물 가스가 상류 부재(306)에 도달하는지 여부는, 마찬가지로 가스가 버퍼 라인(311)을 통과하여 커플링(309(c))의 위치에서 반응물 라인(309)으로 흘러들어가고 커플링(309(a))의 상류에 위치하는 차단 밸브를 이용함으로써 제어된다. 커플링(309(c))의 위치에서 반응물 라인으로 들어가는 가스의 제1부분은 버퍼 영역(400(c))을 형성한다. 이와 같이, 가스의 제1부분은 반응물 라인(309)을 통하여 들어가는 반응물 가스가 상류 부재(306)로 들어가는 것을 막는다. 커플링(309(c))의 위치에서 반응물 라인으로 들어가는 가스의 제2부분은 버퍼 영역(400(c))으로부터 멀어지는 방향으로, 상류 부재(306)측으로 흐른다.
커플링(315(a))을 통해 가스 분배 시스템(202)으로 들어가는 반응물 가스가 상류 부재(306)에 도달하는지 여부는, 마찬가지로 가스가 버퍼 라인(317)을 통과하여 커플링(315(c))의 위치에서 반응물 라인(315)에 흘러들어가고 커플링(315(a))의 상류에 위치하는 차단 밸브를 이용함으로써 제어된다. 커플링(315(c))의 위치에서 반응물 라인으로 들어가는 가스의 제1부분은 버퍼 영역(400(d))을 형성한다. 이와 같이, 가스의 제1부분은 반응물 라인(315)을 통하여 들어가는 반응물 가스가 상류 부재(306)로 들어가는 것을 막는다. 커플링(315(c))의 위치에서 반응물 라인으로 들어가는 가스의 제2부분은 버퍼 영역(400(d))으로부터 멀어지는 방향으로, 상류 부재(306)측으로 흐른다.
상술한 바와 같이, 버퍼 라인(301,305,311,317)을 통하여 가스 분배 시스템(202)으로 들어가고 버퍼 영역(400(a)-(d))을 형성하는 가스들의 제1부분은, 버퍼 라인(302,307,313,319)을 통해 빠져나간다. 버퍼 라인(302,307,313,319)을 통해 빠져나가는 가스는 증착 챔버(200)를 통과하지 않고 배기 정화부(316)로 들어간다. 이와 같이, 불활성 가스의 제1부분들은 증착 챔버(200)를 우회하고 증착 챔버(200)의 하류에 위치하는 배기 정화부(316)에 의해 모아진다.
상술한 바와 같이, 버퍼 라인(301,305,311,317)을 통하여 가스 분배 시스템(202)으로 들어가는 각 가스의 제2부분은, 버퍼 영역(400(a)-(d))으로부터 멀어지는 방향으로 흘러 혼합기 어셈블리(304)로 들어간다. 반응물 펄스 동안, 제2부분들은 다른 반응물 라인들로부터의 하나 이상의 반응물 가스들과 혼합되어 상기 혼합기 어셈블리(304)에 도달한다. 따라서, 제2부분들은 증착 챔버(200)를 통과하여 흐른다. 현재의 ALD 공정 단계에 따라, 가스들은 각각의 버퍼 라인(301, 305,311,317)을 통과하여 주기적으로 흐를 수 있다.
ALD 제어 시스템이 증착 챔버(200)에 도달하도록 하고자 하는 반응물 가스는 각각의 반응물 라인을 통과하여 혼합기 어셈블리(304)로 흐른다. ALD 제어 시스템은 증착 챔버(200)에 도달하는 것을 원하지 않는 반응물 가스들과 연관된 반응물 라인들 내에 버퍼 영역(400)들을 형성한다. 버퍼 영역(400)을 가지지 않는 반응물 라인을 통하여 흐르는 반응물 가스는, 동시적으로 다른 반응물 라인들을 통하여 혼합기 어셈블리(304)로 흐르는 하나 이상의 불활성 가스의 제2부분들과 혼합된다. 상기에서 설명한 바와 같이, 이러한 가스들의 제1부분들은 다른 반응물 라인들에서 버퍼 영역들을 형성하고 증착 챔버(200)를 우회한다.
4개의 반응물 가스 라인을 포함하는 ALD 장치(100)의 일 실시양태에서, 각 반응물 가스들은 교호적으로 혼합기 어셈블리(304)에 도달한다. 이 실시양태에서, ALD 제어 시스템에 의해 선택된 반응물 가스가 혼합기 어셈블리(304)로 흐르고, 불활성 즉 "버퍼" 가스는 나머지 3개의 반응물 라인 내를 흐른다. 이 실시양태에서, 버퍼 영역들로부터 멀어지는 방향으로 흐르는 가스들의 제2부분들은 혼합기 어셈블리(304)로 들어간다. 그 후 관심의 대상이 되는 펄스의 반응물 가스는 혼합기 어셈블리(304)에서 제2부분들의 불활성 가스와 혼합된다.
예시된 ALD 장치의 실시양태의 이상의 관점들 및 특징들은 2004년 5월 7일에 출원된, 미국출원번호 제10/841,585호를 통해 알 수 있으며, 상기 문헌의 개시는 본문 전체로서 본원에 참조문헌으로 포함된다.
도 5는 상술한 이송 튜브(310), 플레넘(312), 상부 플레이트(314) 및 바닥 플레이트(206)의 일 실시양태의 단면도이다. 특히, 이 도면은 혼합기 어셈블리(304)로부터 증착 챔버(200)까지의 가스 경로를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 심(shim) 부재(500)는 플레넘(3120과 상부 플레이트(314) 사이에 위치될 수 있다. 심 부재(500)에는 일련의 작은 분사구멍(501)들이 마련될 수 있는데, 이 분사구멍(501)들은 증착 챔버(200)를 가로질러 균일한 흐름을 제공하기 위해 플레넘(312) 내에서 충분한 배압을 생성하기 위해 마련된다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 디자인은 증착 챔버(200)와 이송 튜브(310) 사이에서 수많은 재순환 셀(502)들을 형성하는 결과를 초래할 수 있다. 이러한 재순환 셀(502)들 내부에, 다음의 펄스로부터의 반응물들이 모일 수 있다. 이러한 점들은 증착 챔버(200) 내에서 CVD 증착을 유발할 수 있다. 그러한 CVD 증착은 일반적으로 바람직하지 않고, 증착 챔버(200) 내부에서 파티클이 형성되는 결과를 가져올 수 있다. 또한, 심 부재(500)는 가스 흐름의 급격한 수축 및 이후 팽창을 발생시킬 수 있다. 이러한 점들은 가스의 온도를 급격히 감소시켜 가스의 흐름에서 전구체들의 응결을 가져올 수 있다.
도 6 내지 도 9a는 이송 부재(510) 및 상부(커버) 플레이트(514)의 일 실시양태를 도시한다. 이 실시양태에서, 가스 흐름의 팽창과 수축을 매끄럽게 함으로써 가스 경로 내에서의 재순환 셀들을 감소시키거나 제거하는 것을 목적으로 한다. 도 6 및 도 7은 이송 부재(510) 및 상부 플레이트(514) 각각의 상면 사시도 및 평면도이고, 도 8은 이송 부재(510)가 없는 상태에서 상부 플레이트(514)를 상면에서 본 평면도이고, 도 9는 도 7의 9-9선의 단면도이고, 도 9a는 도 9의 일부분의 확대도이다.
도시된 바와 같이, 이송 부재(510)는 혼합기(304)로부터 가스의 점진적인 팽창을 위해 마련된 일반적인 삼각형 형상의 유로 경로를 형성한다. 도 8 및 도 9에 가장 잘 도시된 바와 같이, 도시된 실시양태의 이송 부재(510)는 대체적으로 혼합기(304)에 인접한 제1부분(518)과 대체적으로 상부 플레이트(514)의 개구부(522)에 인접한 제2부분(520)을 포함한다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1부분(518)은 A각도로 수평 방향으로 팽창하며, 수평 방향으로 분기하는 한 쌍의 벽(519)들을 포함한다. 반면에, 제2부분(520)은 B각도로 수평 방향으로 팽창하며, 수평 방향으로 분기하는 한 쌍의 벽(521)들을 포함한다. 일 실시양태에서, B각도는 A각도보다 크다. 일 실시양태에서, A각도는 약 5도 내지 45도 사이며, B각도는 약 30도 내지 75도 사이다. 도시된 실시양태에서, 수평 방향으로 분기하는 벽들은 실질적으로 직선 형상이다. 그러나, 변형된 실시양태에서, 수평 방향으로 분기하는 벽들은 곡선 형상, 아크 형상, 계속해서 변하는/변하거나 분할된 형상일 수 있다. 그러한 실시양태에서, 분기하는 벽들은 상술된 범위 내에서 평균 분기각을 가질 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 이송 부재(510)는, 벽(519,521)들, 상부 벽(523) 및 상부 플레이트(514)의 상면(525)으로 형성된 가스 통과부(511)의 높이를 부분적으로 한정하는 상부 벽(523)을 포함한다. 일 실시양태에서, 제1부분(518)에서, 가스 통과부(511)의 높이(h1)는 바람직하게는 실질적으로 일정하다. 제2부분(520)에서, 가스 통과부(511)의 높이(h2)는 가스가 흐르는 방향으로 점진적으로 감소한다. 이와 같이, 개구부(522)에 인접한 제2부분(520)의 부피는 도 5의 플레넘(312)과 비교하여 감소할 수 있다. 또한, 이송 부재(510)는 수평 방향으로 팽창하기 때문에, 가스 흐름의 팽창을 매끄럽게 하고 챔버의 폭 방향으로 가스의 흐름을 퍼지게 하는데 도움이 되는 배압을 높이기 위하여, 가스 경로의 높이는 감소된다. 도시된 실시양태에서, 통과부(511)에 의해 형성된 가스 경로는 일반적으로 증착 챔버(200) 내의 가스 경로와 평행하고 반대 방향이다(예컨대, 도 11을 참조).
도시된 실시양태의 다른 장점은, 가스 통과부(511)가 이송 부재(510)와 상부 플레이트(514)의 상면(525) 사이에서 형성된다는 점이다. 이러한 "조개껍질형(clamshell)" 구조는, 예컨대 튜브와 비교할 때, 이송 부재(511)를 깨끗이 하고 다시 닦는 일을 더 용이하게 한다. 특히, 상부 플레이트(514)로부터 제거될 때, 큰 개구부가 만들어지는데, 이는 이송 부재(511)의 내면을 노출시켜 클리닝과 다시 닦는 일을 용이하게 한다.
이제 도 8, 도 9 및 도 9a를 참조하면, 상부 플레이트(514)에는 이송 부재(510)로부터 가스를 받아들이기 위한 개구부(522)가 마련된다. 일 실시양태에서, 개구부(522)는 제2부분(520)의 끝단의 단면적(가스 흐름에 대하여)과 실질적으로 동일한 단면적을 가진다. 이와 같이, 이송 부재(510)부터 상부 플레이트(514)까지의 매끄러운 가스의 흐름이 향상된다. 개구부(522)는 일반적으로 긴 직사각형 형상이다. 도 8 참조.
도 9a에 도시된 바와 같이, 개구부(522)로부터, 상부 플레이트(514)는 협폭부(526)와 연결되는 점진적인 수축부(524)를 포함한다. 수축부(524)는 테이퍼진 즉 경사진 벽(525)을 포함하는데, 이 벽(525)은 가스 흐름의 단면적을 점진적으로 감소시킨다. 도시된 실시양태에서, 협폭부(526)는 상부 플레이트(514)를 관통하여 대체적으로 수직 하방으로 연장되는 실질적으로 일정한 단면적을 가진 대체적으로 직사각형 형상의 슬릿을 구비한다. 상기 협폭부(526)는 혼합기(304)와 증착 챔버(200) 사이의 가스 흐름에서 가장 작은 단면적(가스 흐름에 대하여)을 가진 부분이다. 협폭부(526)는, 특히 증착 챔버(200)의 폭(w)(도 8 참조)을 따라 균일한 흐름을 제공하기 위하여, 충분한 배압을 생성하도록 구성된다. 협폭부(526)의 단부는 팽창부(528)에 연결된다. 팽창부(528)는 가스 흐름의 단면적을 증가시키도록 구성된 경사진 즉 테이퍼진 벽(529)을 포함하여, 가스가 증착 챔버(200)로 들어갈 때 점진적으로 팽창하게 된다. 팽창부(528)의 출구(530)는 증착 챔버(200)와 연결된다.
유리하게도, 도 5를 참조하여 기술된 심 부재(500)에 있는 개별적인 구멍들(실질적으로 2차원 경로)과 비교할 때, 협폭부(526)는 수직 방향으로 그리고, 증착 챔버(200)(도 8 참조)를 가로질러 수평 방향으로 길게 형성되어 있다(3차원 경로). 예를 들면, 개별적인 구멍들과 비교할 때, x-평면(즉, 구멍들 사이)과 z-평면(즉, 구멍들 아래)에 있는 재순환 셀들과 데드 스페이스는 제거되거나 감소한다. 유리하게도, 이러한 이송 부재(510), 플레넘(512) 및 상부 플레이트(514)의 배열 구조는, 또한 혼합기(304)로부터 가스를 흡입하고, 이를 증착 챔버(200)의 일부까지 미치도록 한다. 그 다음 가스 흐름은 증착 챔버(200)로 흘러들어가면서 180도 방향 전환한다.
증착 챔버(200) 내부에서, 데드 볼륨(dead volume) 및/또는 재순환 셀들이 또한 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 10은 도 1 내지 도 4의 증착 챔버의 기판(S) 및 서셉터 플레이트(204)의 개략적인 도면이다. 도시된 바와 같이, 기판(S)과 서셉터 플레이트(204) 사이에는 간격(g2)이 있고, 서셉터 플레이트(204)와 베이스 플레이트(206) 사이에는 간격(g1)이 있다. 어떤 환경에서는, 이러한 간격(g1,g2)들을 퍼지하는 게 어려울 수 있고, 이러한 간격(g1,g2)들은 재순환 셀들 및/또는 데드 볼륨을 은폐할 수도 있다.
도 11은 도 7의 9-9선과 유사한 라인을 따라 증착 챔버(200)의 바닥 플레이트(600)와 서셉터(602)의 변형된 실시양태의 부분적인 단면도이다. 도 12는 바닥 플레이트(600)와 서셉터(602)의 부분 사시도이다. 도시된 바와 같이, 이 실시양태에서, 바닥 플레이트(600)는 소정의 두께(t)를 가진 밀봉부(604)를 가진다. 밀봉부(604)의 하면(605)은 서셉터(602)에 대하여 밀봉하여 반응 챔버를 밀봉하게 된다. 일 실시양태에서, 밀봉부(604)의 단부(606)는 서셉터(602) 상에 위치하는 기판의 두께와 거의 동일한 두께(t)를 가진다. 기판의 두께에 따라, 밀봉부(605)는 약 0.5 ㎜ 내지 약 3 ㎜의 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 이와 같이, 가스가 바닥 플레이트(600) 상에서 기판 측으로 흐를 때, 가스는 기판의 두께와 거의 동일한 깊이를 가지는 얕은 단에만 노출된다. 이러한 점은 재순환 영역의 크기를 줄이거나 재순환 영역을 제거하고 증착 챔버(200)를 퍼지하는 것을 용이하게 한다.
도 11 및 도 12에 도시된 바닥 플레이트(600) 및 서셉터(602)의 배열 구조의 다른 장점은, 도 10의 배열 구조와 비교할 때, 바닥 플레이트(600)와 서셉터(602) 사이의 밀봉 즉 접촉 표면이 높아진다는 점이다. 예를 들면, 도시된 실시양태에서, 밀봉부(604)의 하면(605)과 기판은 실질적으로 동일한 수직 높이 상에 위치한다. 일 실시양태에서, 하면(605)과 기판 사이의 높이 차이는 약 0 ㎜ 내지 2 ㎜ 사이다. 이러한 배열 구조는 유리하게도 기판과 바닥 플레이트(604) 사이의 데드 스페이스의 부피를 감소시키며, 증착 챔버(200)에서 재순환 셀들의 생성을 방지하거나 감소시킨다.
도 13 및 도 14는 서셉터(602)를 더 상세히 도시한다. 도 13은 도 11 및 도 12에 도시된 방향에 대하여 180도 회전된, 서셉터(602)의 상면 사시도이다. 도 14는 기판이 서셉터(602) 상에 위치한 상태에서 서셉터(602)의 단면도이다.
이 실시양태에서, 서셉터(602)는, 기판(S)이 증착 챔버(200)에 대하여 중심에서 벗어나게 위치할 수 있도록 구성된다. 이와 같이, 기판과, 서셉터(602) 및 바닥 플레이트(600)의 경계부 사이의 간격(g3)이 기판(S)의 선단부(가스 흐름에 대하여)로부터 더 멀리 떨어져 배치될 수 있다. 일반적으로, 기판의 선단부는 증착 챔버(200)로 진입하는 입구에 가깝게 위치하고, 기판의 후단부는 증착 챔버(200)의 출구(배출구)에 가깝게 위치한다.
다른 실시양태에서, 기판은 서셉터 상에서 중앙에(또는 실질적으로 중앙에) 위치할 수 있다. 그러한 실시양태에서, 서셉터(602) 및 바닥 플레이트(600)의 경계부와, 기판의 단부 사이의 거리를 증가시키기 위하여, 상기 서셉터는 크기가 너무 커질 수 있다. 일 실시양태에서, 서셉터(602)는 기판의 직경보다 적어도 약 10% 큰 직경을 가진다. 다른 실시양태에서, 서셉터의 이러한 직경은 기판의 직경보다 적어도 약 25% 크다. 다른 실시양태에서, 서셉터의 직경은 기판의 직경보다 약 10% 내지 약 25% 크다. 그러한 실시양태들은 또한 기판의 선단부와, 서셉터 및 밀봉면의 경계부 사이에서 더 넓은 공간을 제공한다. 또한, 상술된 너무 큰 서셉터는 단독으로 또는 이 단락에서 기술된 것으로부터 파생되는 특징들과 조합하여 이용되어, 기판의 선단부와, 서셉터 및 밀봉면의 경계부 사이에서 훨씬 더 넓은 공간을 제공할 수 있다.
유리하게도, 동등한 폭 및/또는 크기의 서셉터의 경우, 기판의 선단부와, 서셉터(602) 및 바닥 플레이트(600)의 경계부 사이의 간격(g3)은 증가될 수 있다. 이와 같이, 서셉터(602) 및 바닥 플레이트(600) 사이의 불연속부로 인해 발생하는 재순환 셀들은, 기판(S)의 선단부로부터 더 멀리 떨어져 배치된다. 그러므로, 일 실시양태에서, 서셉터(602)에 배치된 기판의 중심은 비대칭적으로 위치하고/위치하거나, 서셉터(602) 및 바닥 플레이트(600) 사이의 경계부 즉 밀봉에 대하여 중심에서 벗어나도록 위치한다. 변형된 실시양태에서, 서셉터는 비원형의 형상을 가질 수 있거나 기판의 선단부를 서셉터(602)와 바닥 플레이트(600) 사이의 불연속부로부터 더 멀리 떨어뜨리는 비대칭적인 형상을 가질 수도 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 서셉터(602)는, 서셉터 상에서 기판의 이동을 속박하거나 제한하기 위하여 서셉터(602)의 상면으로부터 연장되는 복수의 핀(609)들을 포함할 수 있다. 핀(609)들은 때때로 기판의 이동을 속박하거나 제한하는데 이용되는 어깨부(shoulders) 또는 봉우리부(rdges)(예컨대, 도 10에서 간격(g2)을 형성하는 어깨부를 참조)를 대체할 수 있다. 그러한 어깨부 또는 봉우리부는, 불리하게도 재순환 및/또는 데드 존(dead zone)을 형성한다. 그러므로, 일 실시양태에서, 밀봉면과 서셉터의 경계부 사이에서 서셉터의 상면은 실질적으로 평평하고, 그러한 어깨부 또는 봉우리부를 포함하지 않는다. 그러한 배치 구조는 재순환 및/또는 데드 존을 제거할 수 있다.
계속해서 도 13 및 도 14를 참조하면, 서셉터는 함몰 영역(610)을 포함할 수 있는데, 이 함몰 영역(610)은 기판이 서셉터의 가장자리부만(또는 실질적으로 가장자리부만)을 접촉하도록 구성된다(도 14 참조). 이러한 실시양태는 웨이퍼의 굴곡 및/또는 서셉터의 돔형상이 문제가 되는 것을 감소시키는데 도움이 된다. 특히 웨이퍼의 굴곡 및/또는 돔형상은 기판의 가장자리부와 서셉터 사이에서 간격의 형성을 유발할 수 있다. 가스들은 이 간격에 갇혀서 퍼지하는 일을 비효율적으로 만들고 배면에 증착되는 문제를 일으킬 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 가장자리부를 따라 기판을 접촉함으로써, 기판의 굴곡 및/또는 돔형상은 기판(S)의 가장자리부와 서셉터(602) 사이에서 형성되는 간격을 생성시키지 않는다. 이러한 사항은 가스들이 기판과 서셉터 사이에서 갇히게 되는 경향을 제거하거나 줄인다. 일 실시양태에서, 함몰 영역(610)은 약 0.2 ㎜ 내지 0.5 ㎜ 사이의 깊이를 가진다. 다른 실시양태에서, 기판(S)과 서셉터(602)는, 기판(S)의 가장자리부를 따라 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 밀봉이 형성되도록 구성된다.
계속하여 도 13을 참조하면, 함몰부(610)는 일반적으로 원형 형상을 가져 서셉터(602)와 기판 사이의 밀봉 또한 일반적으로 원형 형상이다. 또한, 도시된 바와 같이, 함몰부(610)의 중심(c)은 대체적으로 원형 형상인 서셉터(602)의 외곽 가장자리부에 대하여 "중심에서 벗어나도록" 위치할 수 있다. 이와 같이, 상술한 바와 같은 기판의 후단부와 비교할 때, 기판의 선단부(가스 흐름에 대하여)는 바닥 플레이트(600)의 밀봉부(604)로부터 멀리 떨어질 수 있다. 이러한 점은 웨이퍼 전방의 재순환 셀들로부터 웨이퍼를 더 멀리 떨어져 위치하게 할 수 있다. 교차 흐름(cross flow) 반응기에서는 가스가 웨이퍼를 가로질러 지나가기 때문에, 서셉터와 베이스 플레이트 사이의 후방 밀봉부에서의 재순환 셀들은 증착의 균일성에 그다지 영향을 미치지 않는다.
도 15는 상술된 서셉터(602)와 조합하여 사용될 수 있는 가장자리 접촉 승강핀(620)의 실시양태의 부분 단면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 핀(620)은 기판(S)을 고정하기 위한 노치부(notch)(624) 즉 경사진 가장자리를 포함하는 핀 헤드(622)를 포함할 수 있다. 핀 헤드(622)는 기판의 가장자리와 접촉하도록 구성되며, 일반적으로 서셉터(602)와 함몰 영역(610) 사이의 경계부에 놓여 있다. 핀 헤드(622)는 서셉터의 개구부(628)를 관통하여 연장된 핀 샤프트(626)와 결합할 수 있다.
상기 핀(620)은, 서셉터(602)가 증착 챔버(200) 내에서 들어 올려질 때, 핀 헤드(622)는 서셉터(602)에 형성된 함몰 영역(630)의 내부로 후퇴하도록 구성될 수 있다. 서셉터가 하강하면서, 핀 헤드(622)는 서셉터(602)에 대하여 상승할 수 있다. 예를 들면, 대리인 도킷 번호 ASMEX.532A이고, 2006년 1월 _일에 출원된 미국특허출원 제__/___,___호(상기 문헌의 개시는 본문 전체로서 본원에 참조문헌으로 포함됨)에 기술된 바와 같이, 일 실시양태에서, 함몰 영역(630)에 안착된 "하강" 위치로부터 핀(620)을 상승시키기 위해, 기판은 승강 메커니즘에 의해 하측 방향으로 이동한다. 이러한 하측 방향의 이동은 지지핀(620)의 하면이 서셉터(602) 아래에 위치하는 커넥터(미도시)와 접촉하도록 한다. 핀(620)과 커넥터의 접촉은 샤프트(626)의 하부를 감싸는 스프링(미도시)을 압축시킨다. 서셉터(602)가 하측 방향으로 이동하는 동안 스프링은 압축되면서, 스프링은 서셉터(620)가 향후 상승할 때 핀(620)의 상대적인 "하강"을 용이하게 하는 복원력을 획득한다. 따라서, 커넥터에 의해 마련된 핀의 하강 이동을 위한, 스프링과 플랫폼 또는 "플로어"의 조합은, 핀을 증착 챔버(200)에 대하여 고정할 필요 없이, 서셉터(602)가 상하 방향으로 이동하는 동안 핀이 상대적으로 고정된 채로 있도록 한다.
비록 본 발명이 특정의 바람직한 실시양태들 및 실시예의 관점에서 개시되었을지라도, 본 발명은 특정하게 개시된 실시양태의 범위를 벗어나 다른 대안적인 실시양태 및/또는 본 발명의 용도와 명백한 변형물 및 등가물까지 확장됨을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 다양한 변형들이 도시되고 자세히 기술되었지만 본 발명의 범주 내에 있는 다른 변형들도 본 개시에 기초한 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 실시양태들의 특정 성질 및 관점의 다양한 조합 또는 하위 조합들이 구성될 수 있으며 이 또한 본 발명의 범주 내에 속할 수 있다고 사료된다. 따라서, 개시된 실시양태들의 다양한 특성 및 관점들이 개시된 발명의 변형 형태를 형성하기 위하여 서로 조합되거나 대체될 수 있음을 이해하여야 한다. 이와 같이, 본 명세서에 개시된 본 발명의 범주는 상술한 특정의 실시양태들에 의하여 제한받지 않아야 하고, 다음의 청구범위들을 정당하게 파악함으로써 결정되어야 한다.
본 발명은, 가스 흐름의 팽창과 수축을 매끄럽게 함으로써 가스 경로 내에서의 재순환 셀들을 감소시키거나 제거할 수 있다. 또한, 가스 통과부(511)가 이송 부재(510)와 상부 플레이트(514)의 상면(525) 사이에서 형성되는 "조개껍질형 (clamshell)" 구조이므로, 이송 부재(511)를 깨끗이 하고 다시 닦는 일을 더 용이하게 한다.
또한, 본 발명은, 가스가 바닥 플레이트(600) 상에서 기판 측으로 흐를 때, 가스가 기판의 두께와 거의 동일한 깊이를 가지는 얕은 단에만 노출되므로, 재순환 영역의 크기를 줄이거나 재순환 영역을 제거하고 증착 챔버(200)를 퍼지하는 것을 용이하게 한다.
또한, 본 발명은, 웨이퍼의 가장자리부를 따라 기판을 접촉함으로써, 기판의 굴곡 및/또는 돔형상으로 인해 기판(S)의 가장자리부와 서셉터(602) 사이에서 간격이 형성되지 않으므로, 가스들이 이 간격에 갇혀서 퍼지하는 일을 비효율적으로 만들거나 웨이퍼의 배면에 증착되는 문제를 방지할 수 있다.

Claims (15)

  1. 원자층 증착(ALD) 박막증착장치에 있어서,
    그 내부에 형성된 공간부 내에 배치된 웨이퍼 상에 박막을 증착하도록 구성되며, 상기 공간부와 연결된 가스 입구를 포함하고, 밀봉면을 포함하는 밀봉부를 더 구비하는 증착 챔버; 및
    상기 공간부 내의 웨이퍼를 지지하도록 구성되는 서셉터;를 포함하며,
    상기 서셉터는, 상기 서셉터가 상기 밀봉면에 대해 밀봉하는 제1위치와, 상기 서셉터가 상기 밀봉면에 대해 더이상 밀봉하지 않으며 상기 제1위치의 하측에 위치하는 제2위치 사이에서 상기 증착 챔버에 대해 수직으로 이동하도록 구성되며,
    상기 제1위치에서, 상기 밀봉면 및 상기 서셉터 사이의 경계부와, 상기 서셉터 상에 위치하는 웨이퍼의 상면 사이의 수직 거리는 0 내지 2 ㎜ 사이이고,
    가스 흐름에 대한 상기 웨이퍼의 선단부가 상기 웨이퍼의 후단부와 비교하여 상기 밀봉부로부터 더 멀리 위치하도록, 상기 웨이퍼는 상기 서셉터 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉면 및 상기 서셉터 사이의 경계부와, 상기 서셉터 상에 위치하는 웨이퍼는 동일한 수직 높이에 위치하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터 상에 배치된 웨이퍼와 상기 경계부 사이에서 상기 서셉터의 상부 영역은 평평한 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증착 챔버는 상부 플레이트와 바닥 플레이트를 포함하고,
    상기 바닥 플레이트는 적어도 일부에서 상기 밀봉부를 형성하고,
    상기 상부 플레이트는 적어도 일부에서 상기 가스 입구를 형성하는 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터의 직경은 상기 웨이퍼의 직경보다 10% 내지 25% 더 큰 것을 특징으로 하는 ALD 박막증착장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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