KR101470476B1 - 샤워헤드에 잔류하는 반응기체를 반응실 외부로 배출시킬 수 있는 화학기상증착 장치 및 방법 - Google Patents

샤워헤드에 잔류하는 반응기체를 반응실 외부로 배출시킬 수 있는 화학기상증착 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 화학기상증착 장치 및 방법은, 반응기체와는 별도로 분사조절기체를 샤워헤드(20) 안으로 공급하되, 통상적인 증착공정 중에는 분사조절기체가 샤워헤드(20)로부터 단독으로 또는 반응기체와 혼합되어 기판(30) 쪽으로 분사되지만, 기판(30) 쪽으로의 반응기체의 분사를 중단하고자 할 때에는 샤워헤드 내에 잔류하는 반응기체가 분사조절기체의 압력에 의해 반응챔버(10) 밖으로 배출되어 제거되도록 하는 것을 특징으로 한다. 따라서 샤워헤드(20)로의 반응기체 공급을 단속하고 스위칭하는 과정에서 샤워헤드(20) 내에 잔류하던 반응기체가 원하지 않게 기판(30) 쪽으로 지속 분사되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명에 의하면 막의 품질이 저하되거나 성분이 서로 달라야 할 막의 계면에서 조성 절환이 명확히 이루어지지 않는 종래의 문제점 등을 해결할 수 있다.

Description

샤워헤드에 잔류하는 반응기체를 반응실 외부로 배출시킬 수 있는 화학기상증착 장치 및 방법{Chemical vapor deposition apparatus and method which can remove residual reaction gas from showerhead to outside of reactor}
본 발명은 화학기상증착 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 샤워헤드에 잔류하는 반응기체를 반응실 외부로 배출시켜 제거할 수 있는 화학기상증착 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로 화학기상증착은 반응기체를 분사조절기체와 함께 반응챔버 안으로 공급함으로써 이루어진다. 분사조절기체는 반응기체의 농도나 분사속도를 조절하기 위해 샤워헤드 내에서 반응기체와 혼합되어 기판쪽으로 분사되도록 하는 분사지원 기능을 주로 담당한다.
그러나 종래의 화학기상증착장치는 기판 상에 막을 증착하기 위하여 반응기체의 공급을 단속하고 스위칭하는 과정에서 이전 공정의 반응기체가 샤워헤드 내에 잔류하여 원하지 않게 일정시간 동안 기판 쪽으로 지속 분사됨으로써 막의 품질이 저하될 뿐만 아니라 성분이 서로 달라야 할 막의 계면에서 조성 절환이 명확히 이루어지지 않는 문제점을 가지고 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 반응기체와는 별도로 분사조절기체를 샤워헤드 안으로 공급하되, 통상적인 증착공정 중에는 분사조절기체가 샤워헤드로부터 단독으로 또는 반응기체와 혼합되어 기판 쪽으로 분사되지만, 기판 쪽으로의 반응기체의 분사를 중단하고자 할 때에는 샤워헤드 내에 잔류하는 반응기체가 분사조절기체의 압력에 의해 반응실 밖으로 배출되어 제거되도록 함으로써, 상술한 종래의 문제를 해결할 수 있는 화학기상증착 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 화학기상증착장치는, 반응챔버와, 상기 반응챔버 내에 설치되는 샤워헤드와, 상기 샤워헤드에 공정기체를 공급하는 공정기체공급수단를 포함하여 이루어지고,
상기 샤워헤드는,
분사조절기체 주입구와 분사조절기체 배출구를 가지는 분사조절기체 확산실;
반응기체 주입구와 반응기체 배출구를 가지는 반응기체 확산실; 및
상기 분사조절기체 배출구에서 배출되는 분사조절기체와 상기 반응기체 배출구에서 배출되는 반응기체가 서로 혼합되는 공간을 제공하도록 상기 분사조절기체 배출구 및 반응기체 배출구에 연결 설치되며, 일면에는 혼합된 기체가 상기 반응챔버 내로 분사되도록 분사공이 형성되는 혼합실;을 포함하여 이루어지며,
상기 공정기체공급수단은,
상기 반응기체 주입구로의 반응기체 공급이 중단되는 경우에, 상기 분사조절기체 주입구를 통하여 상기 샤워헤드 내부로 공급되는 분사조절기체의 압력으로 인해, 상기 샤워헤드 내부에 잔류하는 반응기체가 상기 샤워헤드에 연결 설치되는 바이패스 배출관을 통하여 상기 반응챔버의 외부로 배출되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 공정기체공급수단은,
상기 분사조절기체 주입구에 분사조절기체를 공급하는 분사조절기체 공급관;
상기 반응기체 주입구에 반응기체를 공급하는 반응기체 공급관;
상기 분사조절기체 공급여부를 결정하도록 상기 분사조절기체 공급관에 설치되는 분사조절기체 공급밸브;
상기 반응기체 공급여부를 결정하도록 상기 반응기체 공급관에 설치되는 반응기체 공급밸브; 및
상기 바이패스 배출관을 통한 반응기체 배출여부를 결정하도록 상기 바이패스 배출관에 바이패스 배출밸브;를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 바이패스 배출관은 상기 반응기체 공급관에 연결 설치되는 것이 바람직하다.
상기 바이패스 배출관은 상기 반응챔버에 설치되는 배기관에 연결 설치되는 것이 바람직하다.
상기 공정기체공급수단은, 상기 반응챔버 내에서 증착공정이 진행되지 않을 경우 상기 분사조절기체 공급밸브와 상기 바이패스 배출밸브는 열리고 상기 반응기체 공급밸브가 닫히도록 제어하는 제어수단을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 분사조절기체 확산실과 상기 반응기체 확산실이 직렬적으로 배열되고, 이 때 상기 분사조절기체 확산실은 상기 반응기체 확산실보다 더 기판 쪽에 위치하도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 샤워헤드 내부로 유입되는 분사조절기체와 반응기체가 다단계에 걸친 확산 과정을 거친 후 상기 혼합실로 유입되도록 상기 분사조절기체 확산실 및 반응기체 확산실 각각은 복수개의 격실로 분리되어 설치되는 것이 바람직하다.
상기 샤워헤드는 복수개가 직렬적으로 쌓이도록 배열되어 이루어질 수 있으며, 이 경우 상기 공정기체공급수단은 각각의 샤워헤드에 대해 독립적인 동작하도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 화학기상증착방법은,
상기 샤워헤드로의 반응기체 공급이 중단되는 경우에, 상기 샤워헤드 내부로 유입되는 분사조절기체의 압력으로 인해, 상기 샤워헤드 내부에 잔류하는 반응기체가 상기 반응챔버의 외부로 배출되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 샤워헤드 내에 잔류하던 반응기체가 진공챔버의 외부로 배출되어 제거될 수 있기 때문에, 샤워헤드로의 반응기체 공급을 단속하고 스위칭하는 과정에서 샤워헤드 내에 잔류하던 반응기체가 원하지 않게 기판 쪽으로 지속 분사되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 막의 품질이 저하되거나 성분이 서로 달라야 할 막의 계면에서 조성 절환이 명확히 이루어지지 않는 문제점 등을 해결할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 화학기상증착 장치 및 방법을 설명하기 위한 개념도;
도 3은 본 발명에 따른 화학기상증착장치의 샤워헤드(20)를 설명하기 위한 도면;
도 4는 본 발명에 따른 화학기상증착장치의 샤워헤드(20)에 대한 변형 예를 설명하기 위한 도면;
도 5는 본 발명에 따른 화학기상증착장치의 샤워헤드(20)에 대한 다른 변형 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 화학기상증착 장치 및 방법을 설명하기 위한 개념도로서, 도 1은 화학기상증착 공정 중에서의 공정기체 흐름을 설명하기 위한 것이고, 도 2는 반응기체 공급을 중단하였을 때의 공정기체 흐름을 설명하기 위한 것이다. 여기서 공정기체라 함은 반응기체와 분사조절기체를 통칭하는 것이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 화학기상증착장치는 반응챔버(10), 샤워헤드(20), 및 공정기체공급수단(50, 51, 52, 53, 51a, 52a, 53a)을 포함하여 이루어진다. 공정기체공급수단(50, 51, 52, 53, 51a, 52a, 53a)은 제어수단(50), 반응기체 공급관(51), 분사조절기체 공급관(52), 바이패스 배출관(53), 반응기체 공급밸브(51a), 분사조절기체 공급밸브(52a), 및 바이패스 배출밸브(53a)를 포함하여 이루어진다. 반응챔버(10) 내에는 샤워헤드(20)와 기판(30)이 위치한다.
샤워헤드(20)에는 반응기체 공급관(51)과 분사조절기체 공급관(52), 바이패스 배출관(53)이 연결 설치된다. 각 관(51, 52, 53)에는 반응기체 공급밸브(51a), 분사조절기체 공급밸브(52a), 바이패스 배출밸브(53a)가 설치된다. 제어수단(50)은 반응기체 공급밸브(51a), 분사조절기체 공급밸브(52a), 바이패스 배출밸브(53a)의 개폐를 제어한다.
바이패스 배출관(53)은 샤워헤드(20)에 직접 연결 설치될 수도 있으나, 도시된 바와 같이 반응기체 공급관(51)에 연결 설치되는 것이 바람직하다. 이 경우 바이패스 배출관(53)과 반응기체 공급관(51)의 연결부위가 반응기체 공급밸브(51a)와 샤워헤드(20) 사이에 위치한다.
진공챔버(10)에는 배기관(60)이 연결 설치되며, 배기관(60)에는 배기펌프(70)가 설치된다. 바이패스 배출관(53)은 배기관(60)과 함께 배기펌프(70)를 공유하도록 그 배출단이 배기관(60)에 연결 설치되는 것이 바람직하다. 물론, 별도의 배기펌프에 바이패스 배출관(53)이 연결되도록 설치할 수도 있지만 이 경우 배기펌프를 두 개 사용해야 하는 번거로움이 있다.
화학기상증착 중에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제어수단(50)을 통해서 반응기체 공급밸브(51a)와 분사조절기체 공급밸브(52a)는 열리고, 바이패스 배출밸브(53a)는 닫히도록 제어된다. 따라서 화학기상증착 중에는 반응기체 공급관(51)과 분사조절기체 공급관(53)을 통하여 반응기체와 분사조절기체가 샤워헤드(20)로 공급된다. 그러면 샤워헤드(20) 내에서 반응기체와 분사조절기체의 확산 및 혼합이 일어나고 그 혼합기체가 기판(30)의 전면에 균일하게 분사된다. 이러한 혼합기체는 증착공정에 기여한 후 반응챔버(10)의 배기관(60)을 통하여 외부로 배출된다.
화학기상증착이 진행되지 않을 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어수단(50)을 통해서 분사조절기체 공급밸브(52a)와 바이패스 배출밸브(53a)는 열리고, 반응기체 공급밸브(53a)는 닫히도록 제어된다. 따라서 화학기상증착이 진행되지 않을 경우에는 분사조절기체는 분사조절기체 공급관(53)을 통해서 샤워헤드(20)로 계속 공급되지만 반응기체는 더 이상 샤워헤드(20)로 공급되지 못한다. 그러면 분사조절기체의 압력에 의하여 샤워헤드(20) 내에 있던 반응기체가 바이패스 배출관(53)을 통해서 샤워헤드(20)의 외부로 배출 제거된다. 물론 이 경우 분사조절기체의 압력으로 인하여 반응기체가 샤워헤드(20)를 통하여 기판(30)쪽으로 분사될 수도 있지만 이러한 상황이 발생되지 않도록 본 발명은 후술하는 바와 같이 특이한 샤워헤드(20) 구성을 취한다.
도 3은 본 발명에 따른 화학기상증착장치의 샤워헤드(20)를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 샤워헤드(20)는 반응기체 확산실(110), 분사조절기체 확산실(120), 및 혼합실(130)을 포함하여 이루어진다.
반응기체 확산실(110)에는 반응기체 주입구(111)와 반응기체 배출구(112)가 형성되며, 분사조절기체 확산실(120)에는 분사조절기체 주입구(121)와 분사조절기체 배출구(122)가 형성된다. 혼합실(130)은 반응기체 배출구(112) 및 분사조절기체 배출구(122)에 연결되도록 설치된다. 혼합실(130)은 기판(30)을 바라보는 면에 복수개의 분사공(132)을 가진다. 반응기체 주입구(111)는 반응기체 공급관(51)에 연결되며, 분사조절기체 주입구(121)는 분사조절기체 공급관(52)에 연결된다.
화학기상증착 중에는 반응기체 주입구(111)와 분사조절기체 주입구(121)를 통해서 반응기체와 분사조절기체가 반응기체 확산실(110) 및 분사조절기체 확산실(120)로 각각 유입되어 확산된다. 이렇게 유입 확산된 반응기체와 분사조절기체는 반응기체 배출구(112) 및 분사조절기체 배출구(122)를 통해서 혼합실(130)로 제공되며, 혼합실(130) 내에서 반응기체와 분사조절기체의 혼합이 일어나면서 혼합기체가 분사공(132)을 통해서 기판(30) 쪽으로 분사되어 화학기상증착 공정이 이루어진다.
화학기상증착이 진행되지 않을 경우에는, 반응기체 주입구(111)를 통한 반응기체의 주입은 차단되고, 분사조절기체만 분사조절기체 주입구9121)를 통하여 분사조절기체 확산실(120)로 유입된다. 그러면 분사조절기체의 압력으로 인해 반응기체 확산실(110) 내에 잔류하던 반응기체가 반응기체 주입구(111)를 통하여 바이패스 배출관(53)을 거쳐 반응챔버(10)의 외부로 배출 제거된다. 이 때 혼합실(130)에 잔류하던 혼합기체는 바이패스 배출관(53)을 통해서 외부로 배출되기는 할 것이지만 일부는 기판(30) 쪽으로 분사되기는 할 것이다.
반응기체 확산실(110) 내에 잔류하던 반응기체가 분사조절기체의 압력으로 인하여 기판(30) 쪽으로 분사되지 않고 반응챔버(10)의 외부로 배출되도록 하기 위해서는 반응기체 확산실(110)과 분사조절기체 확산실(120)이 직렬적으로 배열되되, 분사조절기체 확산실(120)이 더 기판(30) 쪽에 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 즉 도시된 바와 같이 반응기체 확산실(110)이 분사조절기체 확산실(120)보다 더 위쪽에 위치하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 화학기상증착장치의 샤워헤드(20)에 대한 변형 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 더욱 균일한 증착을 위해서, 샤워헤드(20)의 내부로 유입되는 반응기체와 분사조절기체가 다단계에 걸친 확산과정을 거친 후 혼합실(130)로 유입되도록, 반응기체 확산실(110) 및 분사조절기체 확산실(120)이 각각 복수개의 격실(110a, 110b, 120a, 120b)로 분리되어 설치될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 화학기상증착장치의 샤워헤드(20)에 대한 다른 변형 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 복수개의 샤워헤드(20)가 직렬적으로 쌓이도록 배열되어 이루어질 수 있다. 이 경우 각 샤워헤드(20)에 공정기체공급수단(50, 51, 52, 53, 51a, 52a, 53a)이 독립적으로 설치되어 각 샤워헤드(20)마다 기체공급이 독립적으로 이루어질 수 있다. 예컨대 하나의 샤워헤드(20)에서 제1반응기체가 분사조절기체의 작용에 의하여 샤워헤드(20) 밖으로 제거되고 있는 중에도 다른 샤워헤드(20)로부터는 제2반응기체가 기판(30) 쪽으로 분사되도록 하여 후속증착공정이 진행되도록 할 수 있다는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 샤워헤드(20) 내에 잔류하던 반응기체가 진공챔버(10)의 외부로 배출되어 제거될 수 있기 때문에, 샤워헤드(20)로의 반응기체 공급을 단속하고 스위칭하는 과정에서 샤워헤드(20) 내에 잔류하던 반응기체가 원하지 않게 기판(30) 쪽으로 지속 분사되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 막의 품질이 저하되거나 성분이 서로 달라야 할 막의 계면에서 조성 절환이 명확히 이루어지지 않는 문제점 등을 해결할 수 있다.
10: 반응챔버
20: 샤워헤드
30: 기판
50: 제어수단
51: 반응기체 공급관
51a: 반응기체 공급밸브
52: 분사조절기체 공급관
52a: 분사조절기체 공급밸브
53: 바이패스 배출관
53a: 바이패스 배출밸브
60: 배기관
70: 배기펌프
110: 반응기체 확산실
111: 반응기체 주입구
112: 반응기체 배출구
120: 분사조절기체 확산실
121: 분사조절기체 주입구
122: 분사조절기체 배출구
130: 혼합실
132: 분사공

Claims (10)

  1. 반응챔버와, 상기 반응챔버 내에 설치되는 샤워헤드와, 상기 샤워헤드에 공정기체를 공급하는 공정기체공급수단를 포함하여 이루어지고,
    상기 샤워헤드는,
    분사조절기체 주입구와 분사조절기체 배출구를 가지는 분사조절기체 확산실;
    반응기체 주입구와 반응기체 배출구를 가지는 반응기체 확산실; 및
    상기 분사조절기체 배출구에서 배출되는 분사조절기체와 상기 반응기체 배출구에서 배출되는 반응기체가 서로 혼합되는 공간을 제공하도록 상기 분사조절기체 배출구 및 반응기체 배출구에 연결 설치되며, 일면에는 혼합된 기체가 상기 반응챔버 내로 분사되도록 분사공이 형성되는 혼합실;을 포함하여 이루어지며,
    상기 공정기체공급수단은,
    상기 반응기체 주입구로의 반응기체 공급이 중단되는 경우에, 상기 분사조절기체 주입구를 통하여 상기 샤워헤드 내부로 공급되는 분사조절기체의 압력으로 인해, 상기 샤워헤드 내부에 잔류하는 반응기체가 상기 샤워헤드에 연결 설치되는 바이패스 배출관을 통하여 상기 반응챔버의 외부로 배출되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공정기체공급수단은,
    상기 분사조절기체 주입구에 분사조절기체를 공급하는 분사조절기체 공급관;
    상기 반응기체 주입구에 반응기체를 공급하는 반응기체 공급관;
    상기 분사조절기체 공급여부를 결정하도록 상기 분사조절기체 공급관에 설치되는 분사조절기체 공급밸브;
    상기 반응기체 공급여부를 결정하도록 상기 반응기체 공급관에 설치되는 반응기체 공급밸브; 및
    상기 바이패스 배출관을 통한 반응기체 배출여부를 결정하도록 상기 바이패스 배출관에 바이패스 배출밸브;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 바이패스 배출관이 상기 반응기체 공급관에 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 바이패스 배출관이 상기 반응챔버에 설치되는 배기관에 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 공정기체공급수단은, 상기 반응챔버 내에서 증착공정이 진행되지 않을 경우 상기 분사조절기체 공급밸브와 상기 바이패스 배출밸브는 열리고 상기 반응기체 공급밸브가 닫히도록 제어하는 제어수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 분사조절기체 확산실과 상기 반응기체 확산실이 직렬적으로 배열되되 상기 분사조절기체 확산실이 상기 반응기체 확산실보다 더 기판 쪽에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 샤워헤드 내부로 유입되는 분사조절기체와 반응기체가 다단계에 걸친 확산 과정을 거친 후 상기 혼합실로 유입되도록 상기 분사조절기체 확산실 및 반응기체 확산실 각각이 복수개의 격실로 분리되어 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 샤워헤드는 복수개가 직렬적으로 쌓이도록 배열되어 이루어지며, 상기 공정기체공급수단은 각각의 샤워헤드에 대해 독립적인 동작하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
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