KR101473334B1 - 원자층 증착 장치 - Google Patents
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Abstract
배기효율을 향상시키고 각 기판에 대해 배기량을 균일하게 유지할 수 있는 배기부를 구비하는 원자층 증착 장치가 개시된다. 상기 원자층 증착 장치는 프로세스 챔버 내에 회전 가능하게 구비되고 하나 이상의 기판이 안착되는 서셉터, 상기 기판 상부에 구비되어 상기 기판으로 증착가스를 분사하되, 상기 기판으로 소스가스가 분사되는 하나 이상의 소스영역과 퍼지가스가 분사되는 하나 이상의 퍼지영역이 형성된 샤워헤드 및 상기 샤워헤드에 구비되어 상기 프로세스 챔버 내의 배기가스를 배기시키는 배기부를 포함한다. 그리고, 상기 배기부는 상기 소스영역 및 상기 퍼지영역의 둘레를 따라 배치되어 상기 소스영역과 상기 퍼지영역에 대해 독립적으로 배기가스를 배출시킨다. 따라서, 각 소스영역 및 퍼지영역 둘레를 따라 배기라인이 각각 구비되므로 상기 각 영역에 대해서 독립적인 배기가 이루어지고 더불어 상기 각 영역 내에서 균일한 배기량을 유지할 수 있다.
원자층 증착 장치, ALD, 샤워헤드, 배기부
Description
본 발명은 원자층 증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막 증착 장치에서 배기를 균일하게 유지하고 배기효율을 향상시킴으로써 파티클 발생을 방지하고 성막 품질을 향상시킬 수 있는 원자층 증착 장치를 제공한다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼나 글래스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하기 위해서는 스퍼터링(sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)과, 화학 반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등을 이용한 박막 제조 방법이 사용된다.
여기서, 화학 기상 증착법으로는 상압 화학 기상 증착법(atmospheric pressure CVD, APCVD), 저압 화학 기상 증착법(low pressure CVD, LPCVD), 플라즈마 유기 화학 기상 증착법(plasma enhanced CVD, PECVD)등이 있으며, 이 중에서 저온 증착이 가능하고 박막 형성 속도가 빠른 장점 때문에 플라즈마 유기 화학 기상 증착법이 많이 사용되고 있다.
그러나 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐으로써 미세 패턴의 박막이 요구되었고 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커지게 되 었다. 이에 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 단원자층 증착 방법(atomic layer deposition, ALD)의 사용이 증대되고 있다.
원자층 증착 방법(ALD)은, 기체 분자들 간의 화학 반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착 방법과 유사하다. 하지만, 통상의 화학 기상 증착(CVD) 방법이 다수의 기체 분자들을 동시에 프로세스 챔버 내로 주입하여 기판의 상방에서 발생된 반응 생성물을 기판에 증착하나 이와 달리, 원자층 증착 방법은 하나의 기체 물질을 프로세스 챔버 내로 주입한 후 이를 퍼지(purge)하여 가열된 기판의 상부에 물리적으로 흡착된 기체만을 잔류시키고, 이후 다른 기체 물질을 주입함으로써 상기 기판의 상면에서만 발생되는 화학 반응 생성물을 증착한다는 점에서 상이하다.
이러한 원자층 증착 방법을 통해 구현되는 박막은 스텝 커버리지 특성이 매우 우수하며, 불순물 함유량이 낮은 순수한 박막을 구현하는 것이 가능한 장점을 갖고 있어 현재 널리 각광받고 있다.
그러나 기존의 원자층 증착 장치를 이용하여 샤워헤드 또는 서셉터가 고속으로 회전하면서 서로 다른 종류의 소스가스들을 분사하고, 기판이 순차적으로 소스가스를 통과하여 박막을 형성하는 경우, 프로세스 챔버 내에서 서로 다른 소스가스가 서로 혼합되어 성막 품질이 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 서로 다른 소스가스가 혼합되면서 발생하는 반응 부산물로 인해 오염원이 되는 파티클의 발생 및 파티클로 인해 불량이 발생하는 문제점이 있었다. 이와 같은 파티클의 발생을 방 지하기 위한 방법의 하나로서 배기부에서 챔버 내의 배기가스를 배출시킴으로써 잔류 소스가스들이 서로 반응하는 것을 방지할 수 있는데, 배기부를 이용하여 파티클 발생을 효과적으로 방지하기 위해서는 배기부에서 배기량을 충분히 확보함은 물론 챔버 내에 균일하게 흡입력이 작용할 수 있도록 하는 것이 중요하다.
그러나 기존의 원자층 증착 장치는 샤워헤드의 형태 및 기판의 형태로 인해 배기부에서 기판에 동일하게 흡입력을 작용시키는 것이 어렵다. 배기부에서 거리가 멀어질수록 작용하는 흡입력이 약해지므로 기판의 크기가 커질수록 배기부에서 배기를 담당해야 하는 영역이 증가하게 되어 배기가스의 흡입량을 충분히 확보하기 어려운 문제점이 있으며, 기판에 대해 배기량을 균일하게 유지시키기가 어려워서 배기 불량이 발생할 수 있다.
또한, 기존의 원자층 증착 장치는 챔버 하부에 배기가스를 배출시키는 챔버 배기부가 구비되는데, 샤워헤드의 가장자리 부분에서는 배기부로 배출되는 상승기류와 챔버 배기부로 배출되는 하강기류가 서로 상충되면서 배기가스의 배출이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 샤워헤드에 배기부가 구비되어 프로세스 챔버 상부로 배기가 이루어지는 원자층 증착 장치에서 배기부에서 거리가 멀어짐으로 인한 배기량 저하와 배기 불균일을 방지하는 원자층 증착 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 복수의 소스영역들 사이의 분리 효과를 향상시켜 프로세스 챔버 내에서 소스가스가 혼합되는 것을 방지하고 파티클 발생을 예방하여 증착 효율과 성막 품질을 향상시킬 수 있는 원자층 증착 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 샤워헤드와 배기부의 구조를 단순화할 수 있는 원자층 증착 장치를 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 배기량을 균일하게 하는 원자층 증착 장치가 개시된다. 상기 원자층 증착 장치는 프로세스 챔버 내에 회전 가능하게 구비되고 하나 이상의 기판이 안착되는 서셉터, 상기 기판 상부에 구비되어 상기 기판으로 증착가스를 분사하되, 상기 기판으로 소스가스가 분사되는 하나 이상의 소스영역과 퍼지가스가 분사되는 하나 이상의 퍼지영역이 형성된 샤워헤드 및 상기 샤워헤드에 구비되어 상기 프로세스 챔버 내의 배기가스를 배기시키는 배기부를 포함한다. 그리고, 상기 배기부는 상기 소스영역 및 상기 퍼지영역의 둘레를 따라 배치되어 상기 소스영역과 상기 퍼지영역에 대해 독 립적으로 배기가스를 배출시킨다.
실시예에서, 상기 배기부는 상기 각 소스영역 및 퍼지영역 둘레를 따라 형성된 복수의 배기홀이 형성된 배기라인 및 상기 배기라인에 흡입력을 작용하는 배기펌프를 포함하여 이루어진다.
실시예에서, 상기 배기라인은 상기 소스영역에 각각 구비된 하나 이상의 소스 배기라인과 상기 퍼지영역에 각각 구비된 하나 이상의 퍼지 배기라인을 포함하고, 상기 소스 배기라인은 서로 다른 배기펌프에 연결된다.
실시예에서, 상기 소스 배기라인 중 하나는 상기 퍼지 배기라인과 하나의 배기펌프에 연결된다.
실시예에서, 상기 샤워헤드 내부에 형성되어 상기 배기펌프와 연통되고 상기 복수의 배기홀에서 흡입된 배기가스를 상기 배기펌프로 유입시키는 배기 버퍼부를 포함하여 이루어진다.
실시예에서, 상기 배기펌프는 상기 배기라인에서 균일한 흡입력이 작용하도록 상기 배기 버퍼부의 중앙 부분에서 연통된다.
본 발명에 따르면, 첫째, 샤워헤드에서 각 소스영역과 퍼지영역에 둘레를 따라 각각 배기라인이 구비되므로 상기 각 영역에 대해서는 하나의 배기라인이 영향을 미치게 되어 상기 각 영역에 대해 충분한 배기량을 확보하고 균일하게 배기할 수 있다.
둘째, 샤워헤드의 형상으로 인해 샤워헤드의 가장자리 부분에서와 같이 배기 라인과 기판 사이의 거리가 상대적으로 멀어지는 부분이 형성되지 않도록 함으로써 배기량 감소 및 배기량 불균형을 방지할 수 있다.
또한, 배기라인이 소스영역과 퍼지영역의 둘레를 완전히 감싸도록 형성되므로 상기 샤워헤드의 가장자리 부분에서 충분한 배기량을 확보할 수 있다.
셋째, 기존과는 달리 챔버 하부로 배기가스를 배출시키는 챔버 배기부가 구비되지 않으므로 챔버 벽쪽에서 배기라인과 챔버 배기부에서 서로 반대 방향으로 형성되는 배기가스 기류로 인해 배기효율이 저하되는 것을 방지한다.
넷째, 배기라인이 소스영역 및 퍼지영역을 둘러싸도록 형성되므로 상기 각 영역에서 소스가스 및 퍼지가스가 유입되거나 혼합되는 것을 효과적으로 방지한다.
또한, 상기 각 영역에 구비된 배기라인은 서로 독립적으로 배기가스를 배출시키므로 각 영역에서 배출되는 배기가스가 서로 혼합되면서 발생할 수 있는 오염을 방지한다.
첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 단면도이다. 도 2는 도 1에서 샤워헤드 및 배기부를 설명하기 위한 요부 단면 사시도이고, 도 3은 도 1의 샤워헤드의 일 실시예를 설명하기 위한 챔버 내부에서 샤워헤드를 바라본 평면도이다.
이하에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1과 도 2를 참조하면, 원자층 증착 장치(100)는 프로세스 챔버(110), 서셉터(120), 샤워헤드(130) 및 배기부(140)로 이루어진다.
상기 프로세스 챔버(110)는 기판(W)을 수용하여 증착공정이 수행되는 공간을 제공한다.
여기서, 상기 기판(W)은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 기판(W)은 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel)와 같은 평판 디스플레이 장치용으로 사용하는 유리를 포함하는 투명 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(W)은 형상 및 크기가 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 원형 및 사각형 플레이트 등 실질적으로 다양한 형상과 크기를 가질 수 있다.
상기 서셉터(120)는 상기 프로세스 챔버(110) 내에 구비되고 상기 복수의 기판(W)을 지지한다. 여기서, 상기 서셉터(120)는 스루풋(throughput)이 우수한 세미배치(semi-batch) 타입으로서, 복수의 기판(W)이 동일 평면 상에 일면이 지지되도록 배치되고 상기 서셉터(120) 표면에서 원주 방향을 따라 방사상으로 배치된다.
상기 서셉터(120)는 상기 서셉터(120)의 중심점을 기준으로 상기 기판(W)이 공전하도록 회전 가능하게 구비되고, 상기 서셉터(120) 하부에는 상기 서셉터(120)의 회전을 위한 회전축(125) 및 상기 기판(W)의 가열을 위한 히터(105)가 구비된다.
상기 샤워헤드(130)는 상기 프로세스 챔버(110) 상부에 구비되어 상기 서셉터(120)에 지지된 상기 기판(W) 표면으로 증착가스를 제공한다.
상기 증착가스는 상기 기판(W) 표면에 형성하고자 하는 박막을 구성하는 물질이 포함된 소스가스와 상기 소스가스의 퍼지를 위한 퍼지가스를 포함한다. 또한, 본 실시예에 따르면 소스가스로서 서로 반응하여 박막 물질을 형성하는 서로 다른 2 종류의 가스가 사용되고, 퍼지가스로는 상기 소스가스들 및 상기 기판(W)과 상기 기판(W) 상에 형성된 박막과 화학적으로 반응하지 않는 안정한 가스가 사용된다.
상기 샤워헤드(130)에는 증착가스가 분사되는 복수의 분사영역(131)이 형성되고 상기 분사영역(131)으로 증착가스를 공급하는 가스 공급부(135)가 구비된다. 또한, 상기 샤워헤드(130)는 상기 분사영역(131)에서 증착가스가 균일하게 분사될 수 있도록 상기 가스 공급부(135)에서 공급되는 증착가스를 수용하는 소정의 공급 버퍼부(133)가 형성된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 분사영역(131)은 2 종류의 서로 다른 소스가스들이 각각 분사되는 제1 소스영역(311)과 제2 소스영역(312) 및 퍼지가스가 분사되는 복수의 퍼지영역(313, 314)으로 이루어지고, 상기 퍼지영역(313, 314)은 상기 제1 및 제2 소스영역(311, 312)의 사이에 각각 배치된다.
상기 분사영역(131)에는 상기 증착가스를 분사하는 복수의 분사홀(132)이 형성된다. 예를 들어, 상기 기판(W)으로 균일하게 증착가스를 분사할 수 있도록 상기 각 분사영역(131)에서 상기 기판(W)에 대응되는 원형 영역 내에 복수의 분사 홀(132)이 조밀하게 배치된다.
그러나, 상기 분사홀(132)의 크기나 개수 및 배치 형태는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 기판(W)으로 균일하게 증착가스를 분사할 수 있도록 실질적으로 다양한 형태로 배치될 수 있다. 또한, 상기 분사홀(132)은 원형 홀 또는 슬릿 형태를 가질 수 있다.
상기 배기부(140)는 상기 샤워헤드(130)에 구비되어 상기 프로세스 챔버(110) 내의 미반응 증착가스 및 잔류 증착가스를 배기시킨다. 특히, 상기 배기부(140)는 상기 분사영역(131)의 경계 부분에 구비되어 상기 분사영역(131)들을 분리시키고, 상기 프로세스 챔버(110) 내에서 상기 분사영역(131)에 대응되는 영역에 대해 배기가스를 배출시킨다.
상세하게는, 상기 배기부(140)는 상기 분사영역(131)을 각각 둘러싸도록 형성된 배기라인(141)과 상기 배기라인(141)에 부압을 형성하여 배기가스를 배출시키기 위한 배기펌프(145)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 샤워헤드(130)에는 상기 프로세스 챔버(110) 내부의 배기가스를 흡입하여 배출시키기 위한 복수의 배기홀(142)이 형성되고, 상기 배기라인(141)은 상기 각 분사영역(131)의 둘레를 따라 형성되고 하나의 배기 버퍼부(143)와 연통되는 복수의 배기홀(142)의 그룹을 말한다.
예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 샤워헤드(130)는 원형 플레이트 형태를 갖고, 상기 배기라인(141)은 상기 분사영역(131)의 면적을 최대한 확보할 수 있도록 상기 샤워헤드(130)를 4 등분하는 부채꼴 형태로 형성된다. 즉, 상기 샤워헤드(130)에는 4개의 배기라인(411, 412, 413, 414)이 구비되고, 상기 각 배기라인(411, 412, 413, 414)으로 둘러싸인 부채꼴 형태의 영역이 상기 분사영역(131)으로 정의된다.
본 실시예에서는 상기 배기라인(141)이 부채꼴 형태인 것을 예로 들어 설명하였으나 상기 배기라인(141) 및 분사영역(131)의 형상이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 배기라인(141)은 원형이나 부채꼴 사각형 등 실질적으로 다양한 형태로 형성되고, 상기 배기라인(141)에 따라 해당하는 형태로 상기 분사영역(131)이 정의된다.
상기 배기홀(142)은 상기 배기라인(141)을 따라 소정 간격으로 형성된다. 여기서, 상기 배기홀(142)의 크기나 개수 및 위치는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 배기량에 따라 서로 다른 크기의 홀이 형성되거나, 다른 피치 간격으로 홀이 배치될 수 있다. 또한, 상기 배기홀(142)은 원형 홀 또는 슬릿 형태 등을 가질 수 있다.
상기 배기 버퍼부(143)는 상기 배기홀(142)과 연통되어 상기 배기홀(142)을 통해 흡입된 배기가스를 상기 배기펌프(145)로 강제 유동시키는 통로가 되고, 하나의 배기라인(141)은 하나의 배기 버퍼부(143)와 연통되도록 형성된다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 배기 버퍼부(143)는 중앙에서 상기 배기펌프(145)와 연통된다. 따라서, 상기 배기펌프(145)와의 연결부와 상기 각 배기홀(142)까지의 거리가 비교적 균일해지고 상기 배기라인(141) 전체에 대해 상기 배기펌프(145)에서 작용하는 흡입력이 균일하게 작용하게 되어 전체 배기량을 균일하 게 하고 배기효율을 향상시킨다.
한편, 배기가스에는 미반응 증착가스가 포함되는데, 배기가스를 하나의 배기펌프를 통해 배출시키는 경우 배기가스에 포함된 소스가스 성분들이 서로 반응하여 파티클이 발생할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 배기가스가 배출되는 과정에서 소스가스의 화학 반응에 의해 파티클이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 상기 각 배기라인(141) 별로 서로 다른 배기펌프(145)가 구비된다. 즉, 상기 배기 버퍼부(143)는 서로 다른 각각의 배기펌프(145)와 연결된다.
그러나, 상술한 실시예와는 달리, 퍼지가스의 경우 화학 반응에 의해 파티클이 발생한 우려가 없으므로 상기 퍼지가스를 배출시키는 퍼지 배기라인(413, 414)은 하나의 배기펌프(145)를 사용할 수 있다. 즉, 상기 퍼지 배기라인(413, 414)에 형성된 배기 버퍼부(143)는 상기 프로세스 챔버(110) 외측에서 하나의 배기펌프(145)에 연결된다.
또한, 퍼지가스와 소스가스 역시 서로 화학적으로 반응하지 않으므로 상기 퍼지 배기라인(413, 414)과 하나의 소스 배기라인(411)은 하나의 배기펌프(145)에 연결되고, 나머지 하나의 소스 배기라인(412)을 다른 배기펌프(145)에 연결하는 것도 가능하다. 즉, 하나의 배기펌프(145)가 3개의 배기라인(411, 413, 414)에 연결되어 배기가스를 배출시키고, 다른 하나의 배기펌프(145)가 하나의 소스 배기라인(412)에 연결되어 배기가스를 배출시킨다.
본 실시예에 따르면, 상기 배기라인(141)은 상기 분사영역(131) 둘레에 구비되어 기구적 내지 물리적인 격벽이 아님에도 불구하고, 서로 이웃하는 분사영 역(131) 사이에서 가스들이 혼입되고 서로 혼합되는 것을 방지하는 역할을 한다. 따라서, 상기 배기부(140)는 기구적인 격벽 없이도 서로 다른 소스가스들이 서로 혼합되어 오염이 발생하는 것을 방지하고 상기 샤워헤드(130) 및 상기 프로세스 챔버(110)의 구조를 단순화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 서로 다른 배기펌프를 통해 배기가스를 배출시키므로 배기가스 중에 포함된 소스가스들이 서로 화학적으로 반응하여 파티클이 발생하는 것을 방지한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 설명하기 위한 단면도;
도 2는 도 1의 샤워헤드의 요부 단면 사시도;
도 3은 도1의 샤워헤드의 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 원자층 증착 장치 105: 히터
110: 프로세스 챔버 120: 서셉터
125: 회전축 130: 샤워헤드
131: 분사영역 132: 분사홀
133: 공급 버퍼부 135: 가스 공급부
140: 배기부
141, 411, 412, 413, 414: 배기라인 142: 배기홀
143: 배기 버퍼부 145: 배기펌프
311, 312: 소스영역 313, 314: 퍼지영역
W: 기판
Claims (6)
- 프로세스 챔버 내에 회전 가능하게 구비되고 하나 이상의 기판이 안착되는 서셉터;상기 기판 상부에 구비되어 상기 기판으로 증착가스를 분사하되, 상기 기판으로 소스가스가 분사되는 하나 이상의 소스영역과 퍼지가스가 분사되는 하나 이상의 퍼지영역이 형성된 샤워헤드;상기 샤워헤드에서 상기 소스영역 및 상기 퍼지영역 각각의 둘레를 따라 형성된 복수의 배기홀이 형성된 배기라인과, 상기 배기라인에 흡입력을 작용하는 배기펌프로 구성되고, 상기 프로세스 챔버 내의 배기가스를 배기시키는 배기부; 및상기 샤워헤드 내부에 형성되어 상기 배기펌프와 연통되고 상기 복수의 배기홀에서 흡입된 배기가스를 상기 배기펌프로 유입시키는 배기 버퍼부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 배기라인은 상기 소스영역에 각각 구비된 하나 이상의 소스 배기라인과 상기 퍼지영역에 각각 구비된 하나 이상의 퍼지 배기라인을 포함하고,상기 소스 배기라인은 서로 다른 배기펌프에 연결된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 제3항에 있어서,상기 소스 배기라인 중 하나는 상기 퍼지 배기라인과 하나의 배기펌프에 연결된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 배기펌프는 상기 배기 버퍼부의 중앙 부분에서 연통된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
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