KR101562327B1 - 가스분배판 및 이를 포함하는 기판처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열팽창에 의한 처짐현상을 보상하기 위해 요면을 구비한 가스분배판 및 이를 포함한 기판처리장치에 관한 것으로, 반응공간을 제공하는 공정챔버의 내부에 설치되어, 기판안치대의 기판 상에 공정가스를 공급하는 가스분배판에 있어서, 가스분배판은 상기 공정가스를 공급받는 제 1 면과 상기 기판안치대와 대향하고 요면(concave portion)을 가지는 제 2 면으로 구성된 판재; 상기 제 1 면에서 상기 제 2 면의 방향으로 확장되는 유입부, 상기 유입부의 하부에 위치하는 오리피스부 및 상기 오리피스의 하부에 위치하여 상기 제 2 면까지 연장되는 확산부를 포함하는 다수의 분사홀;을 포함하고, 상기 다수의 분사홀에 있어서, 다수의 상기 유입부는 상기 판재의 주변부에서 중앙부의 방향으로 갈수록 짧아지는 유체이동경로를 가지고, 다수의 상기 확산부는 동일한 유체이동경로를 가지는 것을 특징으로 한다.
가스분배판, 요면, 유체이동경로

Description

가스분배판 및 이를 포함하는 기판처리장치{Gas distributing plate and Apparatus for treating substrate including the same}
본 발명은 가스분배판 및 이를 포함하는 기판처리장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 열팽창에 의한 처짐현상을 보상하기 위해 요면을 구비한 가스분배판 및 이를 포함한 기판처리장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자, 표시장치 및 박막 태양전지를 제조하기 위해서는 기판에 특정 물질의 박막을 증착하는 박막증착공정, 감광성 물질을 사용하여 이들 박막 중 선택된 영역을 노출 또는 은폐시키는 포토공정, 선택된 영역의 박막을 제거하여 패터닝하는 식각공정 등을 거치게 된다. 이들 공정 중 박막증착공정 및 식각공정 등은 진공상태로 최적화된 기판처리장치에서 진행한다. 일반적으로, 박막증착공정 또는 식각공정은 가스분배판에 의해서 기판 상에공정가스를 공급하여, 기판 상에 박막을 증착시키거나 식각한다.
이하에서는 도면을 참조하여 종래기술을 상세히 설명한다. 도 1은 종래기술 의 기판처리장치의 단면도이고, 도 2는 종래기술에서 변형된 가스분배판의 단면도이다.
도 1은 종래기술의 기판처리장치로써, 대표적으로 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)을 예시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기판처리장치(10)는 반응공간(E)을 제공하는 챔버리드(12)를 포함하는 공정챔버(11), 반응공간(E)에 설치되고 기판(2)이 안치되는 기판안치대(14), 기판안치대(14)에 내장되고 기판(2)을 승온시키기 위한 발열장치(heater)(28), 기판안치대(14)의 방향으로 공정가스를 공급하는 가스분배판(20), 기판(2)의 주변부에 박막의 증착을 방지하기 위해 공정챔버(11) 내벽에 설치되는 에지 프레임(edge frame)(26), 및 챔버리드(12)를 통하여 가스분배판(20)에 공정가스를 공급하는 가스도입관(24), 및 반응공간(E)의 반응가스 및 진공조절을 위한 배기포트(22)를 포함하여 구성된다.
RF(radio frequency)전원(13)과 연결된 챔버리드(12)와 접지선과 연결된 기판안치대(14)는 각각 상부전극 및 하부전극으로써, 반응공간(E)에 공정가스가 유입되면 공정가스를 활성화시키는 기능을 한다. 가스분배판(20)에는 기판안치대(14)의 방향으로 공정가스를 공급하기 위한 다수의 분사홀(18)이 형성된다. 가스분배판(20)은 챔버리드(12)에 현가되고, 가스분배판(20)과 챔버리드(12) 사이에는 가스도입관(24)에서 공급된 공정가스를 수용하는 수용공간이 형성된다. 기판안치대(14)는 기판(2)을 입출입시키기 위하여 하강하고, 기판(2) 상에 박막을 형성하기 위하 여 상승하기 위하여, 승하강이 가능하도록 제작된다.
에지 프레임(28)은 공정챔버(11)의 내벽에 고정되고, 기판안치대(14)가 상승하였을 때, 기판(2)의 주변부를 차폐하여, 기판(2)의 주변부에 박막이 형성되는 것을 방지한다. 가스도입관(24)은 챔버리드(12)의 중앙을 관통하여 설치된다. 수용공간에서 가스도입관(24)과 대응되는 위치에 배플(도시하지 않음)이 설치되어 가스도입관(24)으로부터 도입되는 공정가스를 균일하게 확산시키는 기능을 한다. 배기포트(22)는 진공펌프(도시하지 않음)이 연결되어, 반응공간(E)의 반응가스를 배기하거나 진공을 조절한다.
도 1과 같은 기판처리장치(10)에서, 기판(2) 상에 증착되는 박막은 균일한 두께 및 균질한 특성을 가져야 한다. 박막의 균일한 두께 및 균질성은 기판(2) 상에 분사되는 공정가스의 균일한 공급과 가스분배판(20)과 기판안치대(14) 사이에서 발생하는 플라즈마의 균일도에 의해 영향을 받는다. 그리고, 균일한 공정가스의 공급 및 플라즈마의 밀도를 결정하는 요소 중 하나가 가스분배판(20)과 기판안치대(14) 사이의 균일한 간격이다.
기판(2) 상에 균일한 두께를 가지는 박막을 형성하기 위해, 가스분배판(20)의 다수의 분사홀(18)을 통하여 기판안치대(14)의 기판(2) 상에 공정가스가 균일하게 공급되고, 가스분배판(20)과 기판안치대(14) 사이의 모든 영역에서 균일한 플라 즈마 밀도가 유지되어야 한다. 균일한 공정가스의 공급 및 플라즈마 밀도를 확보하기 위하여, 가스분배판(20)과 기판안치대(14) 사이의 간격이 주변부에서 중심부까지 균일하게 유지되어야 한다.
도 1의 기판처리장치(10)은 기판(2) 상에 박막형성 공정을 수행하기 전의 상태를 도시한 것으로, 가스분배판(20)은 기판안치대(14)와 평행한 상태를 유지한다. 그러나, 박막증착을 위한 공정에서 공정가스의 분해 및 반응을 위하여, 필요한 온도로 반응공간(E)을 승온하여야 하고, 반응공간(E)의 승온에 의해, 챔버리드(12)에 현가되어 있는 가스분배판(20)은 팽창한다. 가스분배판(20)이 팽창하면 도 2와 같이, 자중에 의해 처짐현상이 발생하고, 가스분배판(20)과 기판안치대(14) 사이의 간격이 주변부(Dedg)에서 중앙부(Dcen)로 갈수록 좁아진다.
그리고, 대면적의 기판(2)을 사용하고, 대면적의 기판(2) 상에 박막을 증착하기 위해 대면적의 가스분배판(20)을 사용하는 평판표시 및 태양전지에서, 가스분배판(20)의 열팽창에 의한 처짐현상은 더욱 심하게 나타난다. 도 2와 같은 가스분배판(20)의 처짐현상에 의해, 기판(2) 상에 공급되는 공정가스의 밀도와 가스분배판(20)과 기판안치대(14) 사이의 플라즈마 밀도가 불균일하여, 기판(2) 상에 형성되는 박막의 균일성을 확보하기 어렵다. 또한 동일하게, 기판(2) 상의 박막을 식각하는 경우에 있어서, 식각의 균일성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 균일한 박막증착 또는 박막식각을 위한 공정에서 기판 상에 균일한 공정가스의 공급 및 플라즈마의 밀도를 확보하기 위하여, 열팽창을 보상하기 위한 요면과 평행하게 배열되는 동일한 유체이동 경로를 가지는 다수의 확산부를 포함하는 가스분배판 및 이를 포함한 기판처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 가공을 용이하게 위해, 다수의 단차부를 가지는 가스분배판 및 이를 포함한 기판처리장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스분배판은, 반응공간을 제공하는 공정챔버의 내부에 설치되어, 기판안치대의 기판 상에 공정가스를 공급하는 가스분배판에 있어서, 상기 공정가스를 공급받는 제 1 면과 상기 기판안치대와 대향하고 요면(concave portion)을 가지는 제 2 면으로 구성된 판재; 상기 제 1 면에서 상기 제 2 면의 방향으로 확장되는 유입부, 상기 유입부의 하부에 위치하는 오리피스부 및 상기 오리피스의 하부에 위치하여 상기 제 2 면까지 연장되는 확산부를 포함하는 다수의 분사홀;을 포함하고, 상기 다수의 분사홀에 있어서, 다수의 상기 유입부는 상기 판재의 주변부에서 중앙부의 방향으로 갈수록 짧아지는 유체이동경로를 가지고, 다수의 상기 확산부는 동일한 유체이동경로를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 상기 판재의 상기 제 2 면과 상기 기판안치대 사이의 간격은 중앙부에서 주변부의 방향으로 작아지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 상기 판재의 상기 제 1 면은 상기 기판안치대와 평행한 평면으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 상기 기판안치대와 평행한 수평선을 기준으로, 다수의 상기 유입부는 동일한 간격으로 배치되고, 상기 요면과 평행한 평행면을 기준으로, 다수의 상기 유입부는 중앙부에서 주변부의 방향으로 넓어지는 간격을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 다수의 상기 오리피스부는 동일한 유체이동경로를 가지고, 상기 요면과 평행하게 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 다수의 상기 확산부는 동일한 직경, 체적 및 간격을 가지고, 상기 요면과 평행하게 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 상기 확산부의 중심을 지나는 중심선이 상기 기판안치대와 수직인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 상기 확산부는 상부가 절단된 원뿔(truncated cone) 형태인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 상기 요면의 단면은 타원형의 원호 형태인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 상기 요면은 다수의 단차부를 가지는 것 을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 상기 다수의 단차부는 상기 판재의 중앙부를 중심으로 동심 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 상기 다수의 단차부는 상기 판재의 주변부에서 중앙부의 방향으로, 낮은 단차를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서, 상기 다수의 단차부의 각각과 대응하는 다수의 상기 유입부는 서로 다른 유체이동경로를 가지고 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 가스분배판에 있어서. 상기 다수의 단차부 중 동일한 단차부와 대응하는 다수의 상기 유입부는 동일한 유체이동경로를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기판처리장치는 반응공간을 제공하는 공정챔버; 상기 반응공간에 설치되고, 기판이 안치되는 기판안치대; 상기 반은공간에 설치되고, 공정가스를 공급받는 제 1 면과 상기 기판안치대와 대향하고 요면(concave portion)을 가지는 제 2 면으로 구성된 판재, 상기 제 1 면에서 상기 제 2 면의 방향으로 확장되는 유입부, 상기 유입부의 하부에 위치하는 오리피스부 및 상기 오리피스의 하부에 위치하여 상기 제 2 면까지 연장되는 확산부를 포함하는 다수의 분사홀을 포함하고, 상기 다수의 분사홀에 있어서, 다수의 상기 유입부는 상기 판재의 주변부에서 중앙부의 방향으로 갈수록 짧아지는 유체이동경로를 가지고, 다수의 상기 확산부는 동일한 유체이동경로를 가지는 가스분배판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 기판처리장치에 있어서, 상기 요면은 타원형의 원호 또는 다수의 단차부의 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 가스분배판 및 이를 포함한 기판처리장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫번째, 기판안치대와 대향하는 면에 요면을 설치함으로써, 반응공간이 승온되는 박막증착 또는 박막식각의 공정에서, 가스분배판의 열팽창을 보상하고, 기판안치대와 가스분배판을 동일한 간격으로 유지시켜, 기판 상에 균일한 공정가스 공급 및 플라즈마 밀도의 확보를 가능하게 한다.
두번째, 기판안치대의 대향면에 요면이 설치되는 가스분배판에 있어서, 다수의 확산부를 동일한 유체이동 경로를 가지도록 제작함으로써, 기판 상에 균일한 공정가스의 공급을 가능하게 한다. 따라서, 기판 상에 균일한 박막증착 또는 박막식각이 가능하다.
세번째, 가스분배판에 있어서, 기판안치대의 대향면에 설치되는 요면을 다수의 단차부를 가지도록 제작함으로써, 가공을 용이하게 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스분배판과 기판안치대를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스분배판의 제 1 면의 평면도이고, 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스분배판의 제 2 면의 평면도이다. 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가스분배판(200)은 기판안치대(114)와 평행한 평면으로 형성되는 제 1 면(201), 기판안치대(114)와 대향하고 요면(concave portion)을 가지는 제 2 면(203), 제 1 및 제 2 면(201, 203)과 연결되는 제 1 및 제 2 측면(205, 207)을 포함하는 판재, 및 외부로부터 공급받은 공정가스를 기판(102)이 안치되는 기판안치대(114) 상14)는 반응공간을 제공하는 공정챔버(도시하지 않음)의 내부에 위치하고, 가스분에 분사하기 위한 다수의 분사홀(210)로 구성된다. 가스분배판(200)과 기판안치대(1배판(200)은 기판안치대(114)와 동일한 형태로 제작되고, 일반적으로 사각형 또는 원형의 형상을 가진다.
다수의 분사홀(210)의 각각은 유입부(214), 오리피스부(212) 및 확산부(216)으로 구성된다. 유입부(214)는 제 1 면(201)에서 제 2 면(203)의 방향으로 연장되고, 외부로부터 공급받은 공정가스가 유입된다. 오리피스부(212)는 유입부(214)의 하부에 위치하여 유입부(214)와 유체 연통되고 유입부(214)보다 작은 직경을 가진다. 확산부(216)는 오리피스부(212)의 하부에 위치하여 오리피스부(212)와 유체 연통되고 제 2 면(203)까지 연장되어, 기판안치대(114)에 공정가스를 공급한다. 가스분배판(200)에서 다수의 분사홀(210)은 균일한 간격으로 분포된다.
가스분배판(200)은 공정챔버의 내부에 설치되어, 기판(102) 상에 박막증착 또는 박막식각을 위한 공정가스를 공급하는 기능을 한다. 박막증착 또는 박막식각을 위한 공정을 수행하기 위하여, 공정챔버의 내부가 대략적으로 200 내지 500도의 범위로 승온되는 경우, 가스분배판(200)은 열팽창하고, 판재 형태로 가공된 가스분배판(200)은 자중에 의해 처짐현상이 발생한다. 가스분배판(200)의 제 2 면(203)이 기판안치대(114)와 평행한 평면으로 제작되는 경우, 처짐현상에 의해 가스분배판(200)과 기판안치대(114) 사이의 간격은 주변부에서 중심부로 갈수록 좁아지게 된다.
가스분배판(200)의 처짐현상에 의해, 기판(102) 상에 공급되는 공정가스의 밀도와 가스분배판(200)과 기판안치대(114) 사이의 플라즈마 밀도가 불균일하여, 기판(102) 상에 균일한 박막의 증착 또는 박막의 식각이 어려워진다. 따라서, 가스분배판(200)의 처짐현상을 보상하기 위하여, 가스분배판(200)의 제 2 면(203)을 요면으로 가공한다.
도 3과 같이, 가스분배판(200)의 제 2 면(203)을 요면으로 가공한 경우, 박막증착 또는 박막식각 공정을 수행하기 전에 있어서, 가스분배판(200)과 기판안치대(114) 사이의 간격은 주변부(Dedg)에서 중심부(Dcen)의 방향으로 증가하는 형태이다. 그리고, 박막증착 또는 박막식각 공정을 수행하게 되면, 가스분배판(200)의 열팽창에 의한 처짐현상에 의해서 가스분배판(200)과 기판안치대(114) 사이의 간격은 주변부(D'edg)와 중심부(D'cen)가 동일하게 된다.
제 2 면(203)의 요면은 가스분배판(200)이 처짐현상에 의해서 가스분배판(200)과 기판안치대(114) 사이의 간격이 불균일해지는 것을 상쇄시키기 위하여 형성한다. 따라서, 가스분배판(200)의 제 2 면(203)이 기판안치대(114)와 평행한 평면으로 형성되었을 때, 열팽창에 의해 평면으로부터 돌출되는 부분의 곡률을 고려하여, 가스분배판(200)의 제 2 면(203)을 굴삭하여 요면으로 가공한다. 가스분배판(200)의 제 2 면(203)을 굴삭할 때, 열팽창에 의해 평면으로부터 돌출되는 부분의 체적를 고려해야 한다.
가스분배판(200)의 제 2 면(203)을 요면으로 형성하기 때문에 가스분배판(200)은 중심부가 주변부의 두께보다 얇게 된다. 도 3의 가스분배판(200)이 열팽창하게 되면, 처짐현상은 요면에 의해서 보상되고 가스분배판(200)과 기판안치대(114) 사이의 간격은 일정하게 되지만, 가스분배판(200)의 제 1 면(201)에는 함몰부(123)가 형성된다. 함몰부(123)가 형성되어도 기판(102) 상에 분사되는 공정가 스에는 영향을 미치지 않는다.
도 3에서, 가스분배판(200)의 제 2 면(203)에 요면을 형성하여, 박막증착 또는 박막식각의 공정을 수행할 때, 열팽창에 의한 가스분배판(200)의 처짐현상을 보상함으로써, 가스분배판(200)과 기판안치대(114) 사이의 간격을 균일하게 하여, 공정가스 및 플라즈마가 균일한 밀도를 유지하도록 한다. 그러나, 도 3의 가스분배판(200)에서, 다수의 확산부(216)의 유체이동 경로 및 체적이 서로 다르게 형성되어, 공정수행시 가스분배판(200)과 기판안치대(114)의 간격이 일정함에도 불구하고, 공급되는 공정가스의 밀도가 불균일해지는 문제가 있다.
확산부(216)는 오리피스부(212)로부터 제 2 면(203)으로 점진적으로 증가하는 직경을 가진다. 다시 말하면, 확산부(216)는 상부가 절단된 원뿔형(truncated cone) 형태를 가진다. 다수의 유입부(214)는 동일한 제 1 유체이동경로(L1)을 가지고, 또한, 다수의 오리피스부(212)는 동일한 제 2 유체이동 경로(L2)를 가진다. 그러나, 다수의 확산부(216)는 제 2 면(203)에 형성된 요면에 의해 서로 다른 제 3 유체이동경로(L3)를 가진다.
가스분배판(200)의 제 2 면(203)에 형성된 요면에 의해, 다수의 확산부(216)의 제 3 유체이동경로(L3)는 주변부에서 중앙부의 방향으로 짧아지는 형태를 가진다. 그리고, 확산부(216)가 상부가 절단된 원뿔형(truncated cone)이므로, 가스분 배판(200)의 제 2 면(203)에 나타나는 다수의 확산부(216)는 서로 다른 직경을 가진다.
유입부(214)는 오리피스부(212)를 통해 공정가스의 유속 및 유량을 조절한다. 유입부(214)보다 큰 직경을 가지는 확산부(216)는 유입부(214) 및 오리피스부(212)를 통과한 공정가스를 확산시켜 기판(102) 상에 균일하게 분사하는 기능을 한다. 기판(102) 상에 공급되는 공정가스는 오리피스부(212)의 직경 및 확산부(216)의 체적에 비례한다. 다수의 유입부(214) 및 오리피스부(212)가 동일한 제 1 및 제 2 유체이동경로(L1, L2)를 가지고 있지만, 다수의 확산부(216)는 서로 다른 제 3 유체이동경로(L3)와 서로 다른 체적을 가지고 있으므로, 분사되는 공정가스의 양이 다르게 된다. 다시 말하면, 공정가스의 분사량은 주변부에서 중앙부의 방향으로 감소하는 경향을 가진다.
도 4는 가스분배판(200)에서 제 1 면(201)의 평면도를 도시한 것으로, 다수의 유입부(214)가 모두 균일한 직경(S1)과 간격(P1)으로 배열된다. 도 5는 가스분배판(200)에서 제 2 면(203)의 평면도를 도시한 것으로, 다수의 확산부(216)가 서로 다른 직경(S1...Sn)과 서로 다른 간격(P1...Pn)으로 배열된다. 다수의 확산부(216)의 직경(S1...Sn)은 중앙부에서 주변부의 방향으로 증가하고, 다수의 확산부(216)의 간격은, 중앙부에서 주변부의 방향으로 감소한다.
따라서, 열팽창에 의한 처짐현상을 가스분배판(200)에 형성된 요면에 의해 보상하여도, 다수의 확산부(216)의 유체이동경로 및 체적이 서로 다르기 때문에, 기판(102) 상에 분사되는 공정가스의 양이 중앙부에서 주변부의 방향으로 증가하게 된다. 따라서, 가스분배판(200)과 기판안치대(114) 사이의 공정가스의 밀도가 불균일하게 분포되어, 균일한 박막의 증착 또는 식각이 어려워지는 문제가 발생한다.
본 발명의 제 2 실시예에서는 제 1 실시예의 문제를 보완하여, 기판 상에 공정가스가 균일하게 분포될 수 있는 가스분배판을 제안한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스분배판이 설치된 공정챔버의 단면도이고, 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스분배판과 기판안치대를 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스분배판의 확대 단면도이고, 도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스분배판의 제 1 평면도이고, 도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스분배판의 제 2 평면도이다. 도 6 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예를 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 제 2 실시예에서, 제 1 실시예와 동일한 구성요소에 대하여 동일한 부호를 사용하였다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기판처리장치(110)는, 반응공간(E)을 제공하고 챔버리드(112)를 포함하는 공정챔버(111), 반응공간(E)에 설치되고 기판(102)이 안치되는 기판안치대(114), 기판안치대(114)에 내장되고 기판(102)을 승온시키기 위한 발열장치(heater)(128), 기판안치대(114)의 방향으로 공정가스를 공급하는 가스분배판(200), 기판(102)의 주변부에 박막의 증착을 방지하기 위해 공정챔버(111)의 내벽에 설치되는 에지 프레임(edge frame)(126), 및 챔버리드(112)를 통하여 가스분배판(200)에 공정가스를 공급하는 가스도입관(124), 및 반응공간(E)의 반응가스 및 진공조절을 위한 배기포트(122)를 포함하여 구성된다.
RF(radio frequency)전원(113)과 연결된 챔버리드(112)와 접지선과 연결된 기판안치대(114)는 각각 상부전극 및 하부전극으로써, 반응공간(E)에 공정가스가 유입되면 공정가스를 활성화시키는 기능을 한다. 가스분배판(200)에는 기판안치대(114)의 방향으로 공정가스를 공급하기 위한 다수의 분사홀(310)이 형성된다. 가스분배판(200)은 챔버리드(112)에 현가되고, 가스분배판(200)과 챔버리드(112) 사이에는 가스도입관(124)에서 공급된 공정가스를 수용하는 수용공간이 형성된다. 기판안치대(114)는 기판(102)을 반출입시키기 위하여 하강하고 기판(102) 상에 박막을 형성하기 위하여 상승하기 위해, 승하강이 가능하도록 제작된다.
에지 프레임(126)은 공정챔버(111)의 내벽에 고정되고, 기판안치대(114)가 상승하였을 때, 기판(102)의 주변부를 차폐하여, 기판(102)의 주변부에 박막이 형성되는 것을 방지한다. 가스도입관(124)은 챔버리드(112)의 중앙을 관통하여 설치된다. 수용공간에서 가스도입관(124)과 대응되는 위치에 배플(도시하지 않음)이 설치될 수 있고, 배플은 가스도입관(124)으로부터 도입되는 공정가스를 균일하게 확 산시키는 기능을 한다. 배기포트(122)는 진공펌프(도시하지 않음)이 연결되어, 반응공간(E)의 반응가스를 배기하거나 진공을 조절하는 기능을 한다.
도 7과 같이, 가스분배판(200)은 기판안치대(114)와 평행한 평면으로 형성되는 제 1 면(201), 기판안치대(114)와 대향하고 요면(concave portion)을 가지는 제 2 면(203), 제 1 및 제 2 면(201, 203)과 연결되는 제 1 및 제 2 측면(205, 207)으로 구성되는 판재, 및 외부로부터 공급받은 공정가스를 기판(102)이 안치되는 기판안치대(114) 상에 분사하기 위한 다수의 분사홀(310)로 구성된다. 가스분배판(200)과 기판안치대(114)는 반응공간(E)의 내부에 위치하고, 가스분배판(200)은 기판안치대(114)와 동일한 형태로 제작되고, 일반적으로 사각형 또는 원형의 형상을 가진다.
다수의 분사홀(310)의 각각은 유입부(314), 오리피스부(312) 및 확산부(316)으로 구성된다. 유입부(314)는 제 1 면(201)에서 제 2 면(203)의 방향으로 연장되고, 외부로부터 공급받은 공정가스가 유입된다. 오리피스부(312)는 유입부(314)의 하부에 위치하여 유입부(314)와 유체 연통되고 유입부(314)보다 작은 직경을 가진다. 확산부(316)는 오리피스부(312)의 하부에 위치하여 오리피스부(312)와 유체 연통되고 제 2 면(203)까지 연장되어, 기판안치대(114)에 공정가스를 공급한다. 다수의 분사홀(310)은 기판안치대(114)와 평행한 수평선을 기준으로 동일한 간격으로 배열된다.
도 7과 같이, 가스분배판(200)의 제 2 면(203)을 요면으로 가공한 경우, 박막증착 또는 박막식각 공정을 수행하기 전에 있어서, 가스분배판(200)과 기판안치대(114) 사이의 간격은 주변부(Dedg)에서 중심부(Dcen)의 방향으로 증가하는 형태이다. 그리고, 박막증착 또는 박막식각 공정을 수행하게 되면, 가스분배판(200)의 열팽창에 의한 처짐현상에 의해서 가스분배판(200)과 기판안치대(114) 사이의 간격은 주변부(D'edg)와 중심부(D'cen)가 동일하게 된다.
유입부(314)는 수mm 내외의 직경을 가지고, 오리피스부(312)를 통해 공정가스의 유속 및 유량을 조절한다. 유입부(314)보다 큰 직경을 가지는 확산부(316)는 유입부(314) 및 오리피스부(312)를 통과한 공정가스를 확산시켜 기판(102) 상에 균일하게 분사하는 기능을 한다. 기판(102) 상에 공급되는 공정가스는 오리피스부(321)의 직경 및 확산부(316)의 체적에 비례한다. 제 2 실시예에서는 기판(102) 상에 공정가스가 균일하게 분포될 수 있도록, 다수의 확산부(316)가 모두 동일한 체적을 가지도록 형성한다.
다수의 유입부(314)는 기판안치대(114)와 평행한 평면을 가지는 제 1 면(201)에서 출발하여, 제 2 면(203)에 형성된 요면과 평행하게 배열되는 다수의 오리피스부(312)까지 연장된다. 제 1 면(201)과 오리피스부(312)의 간격을 유입부(314)의 길이로 정의할 수 있고, 다수의 유입부(314)의 높이는 중앙부에서 주변 부의 방향으로 순차적으로 증가한다. 도 8의 가스분배판(200)을 확대한 단면도를 참조하면, 다수의 유입부(314)는 공정가스의 유입경로는 서로 다른 제 1 내지 제 3 유입경로(ID1, ID2, ID3)를 가진다. 다수의 유입부(314)에 유입되는 공정가스의 유입경로는 중앙부에서 주변부의 방향으로 순차적으로 증가하는 경향을 가진다.
다수의 오리피스부(312) 및 다수의 확산부(316)는 제 2 면(203)의 요면과 평행하게 배열되므로, 다수의 오리피스부(312)는 동일한 제 2 유체이동경로(L2)를 가지고, 다수의 확산부(316)도 동일한 제 3 유체이동경로길이(L3)를 가진다. 유입부(314)와 확산부(316) 사이의 간격을 오리피스부(312)의 길이로 정의할 수 있고, 다수의 오리피스부(312)의 길이는 가스분배판(200)의 모든 영역에서 동일하다. 오리피스부(312)와 요면 사이의 간격을 확산부(316)의 길이로 정의할 수 있고, 다수의 확산부(316)의 길이는 가스분배판(200)의 모든 영역에서 동일하다.
도 9에 도시된 바와 같이, 가스분배판(200)의 제 1 면(201)에서 바라보면, 다수의 유입부(314)은 모두 동일한 직경(S1)과 동일한 간격(P1)으로 배열된다. 그러나, 다수의 유입부(314)는 제 1 면(201)과 평행한 수평면을 기준으로 서로 동일한 간격(P1)을 가지고 있지만, 도 7과 같이, 제 2 면(203)의 요면과 평행한 평행면을 기준으로 서로 다른 간격(P1')을 가진다. 다수의 유입부(314)가 주변부에서 중앙부의 방향으로 제 1 면(201)에서 오리피스부(312)까지의 길이가 짧아지기 때문에, 요면과 평행한 평행면을 기준으로 다수의 유입부(314)는 서로 다른 간격(P1') 을 가진다.
도 10에 도시된 바와 같이, 가스분배판(200)의 제 2 면(203)에서 바라보면, 다수의 확산부(316)는 동일한 직경(S2)과 동일한 간격(P2)을 가진다. 가스분배판(200)의 제 2 면(203)에 형성된 요면의 단면은, 타원형의 원호형태이고, 확산부(216)의 중심을 지나는 중심선이 기판안치대(114)와 수직으로 배치되기 때문에, 요면에 노출되는 확산부(216)의 면적은 중앙부에서 주변부의 방향으로 미세하게 증가될 수 있다. 그러나, 분사되는 공정가스의 양에 영향을 줄 수 있는 정도가 아니기 때문에, 다수의 확산부(316)가 동일한 직경(S2)과 동일한 간격(P2)을 가지는 것으로 간주한다.
본 발명의 제 2 실시예에서는, 반응공간(E)이 승온되는 박막증착 또는 박막식각 공정을 수행을 위해 가스분배판(200)이 열팽창되었을 때, 가스분배판(200)의 제 2 면(203)이 요면에 의해 처짐현상을 보상함은 물론, 다수의 확산부(316)이 동일한 유체이동경로(L3), 직경(S2), 길이 및 체적을 가지고 있어, 기판(102) 상에 공정가스를 균일하게 분사할 수 있다.
본 발명의 제 1 및 2 실시예에서, 가스분배판의 제 2 면은 타원형의 곡률을 가지는 요면 대신에, 본 발명의 제 3 실시예에서는, 가공이 용이하도록 가스분배판의 제 2 면을 다수의 단차를 가지는 계단형의 요면으로 형성하는 가스분배판을 제 안한다.
도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가스분배판의 단면도이고, 도 12는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가스분배판의 제 2 면의 평면도이다. 도 11 및 도 12을 참조하여, 본 발명의 제 3 실시예를 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 제 3 실시예에서, 제 1 및 제 2 실시예와 동일한 구성요소에 대하여 동일한 부호를 사용하였다.
도 11과 같이, 가스분배판(200)은 기판안치대(114)와 평행한 평면으로 형성되는 제 1 면(201), 기판안치대(114)와 대향하고 다수의 단차를 가지는 요면(concave portion)을 가지는 제 2 면(203), 제 1 및 제 2 면(201, 203)과 연결되는 제 1 및 제 2 측면(205, 207)으로 구성되는 판재, 및 외부로부터 공급받은 공정가스를 기판(102)이 안치되는 기판안치대(114) 상에 분사하기 위한 다수의 분사홀(410)로 구성된다. 가스분배판(200)과 기판안치대(114)는 반응공간(E)의 내부에 위치하고, 가스분배판(200)은 기판안치대(114)와 동일한 형태로 제작되고, 일반적으로 사각형 또는 원형의 형상을 가진다.
가스분배판(200)의 제 2 면(203)에 형성되는 요면은, 단차부의 개수를 제한하지 않지만, 설명의 편의를 위하여, 도 11 및 도 12에서는 3 개의 단차부를 도시한다. 제 2 면(203)에 형성되는 요면은, 중앙부의 제 1 단차부(350), 제 1 단차 부(350)를 감싸는 제 2 단차부(352), 및 주변부에 인접하고 제 2 단차부(352)를 감싸는 제 3 단차부(354)로 구성된다. 기판안치대(114)로부터 제 1 단차부(350), 제 2 단차부(352) 및 제 3 단차부(354) 사이의 너비를 각각 제 1, 제 2, 및 제 3 간격(D1, D2, D3)로 정의하면, 간격의 크기는 제 1 간격(D1) > 제 2 간격(D2) > 제 3 간격(D3)의 관계가 설정된다. 그리고, 가스분배판(200)은 제 1 단차부(350), 제 2 단차부(352), 및 제 3 단차부(354)와 대응되는 영역 순으로 두꺼워 진다.
본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 있어서, 가스분배판(200)의 제 2 면(203)에 형성되는 요면의 단면은 타원형의 원호에 대응되도록 형성되므로, 도 11의 가스분배판(200)은 가능하면 제 1 내지 제 3 단차부(350, 352, 354)의 중심점을 타원형의 원호가 지나가도록 설계하는 것이 바람직하다. 제 1 단차부(350)를 중심으로 제 2 및 제 3 단차부(352, 354)는 동심 형태로 배열된다. 요면의 단면이 타원형의 원호와 대응되므로, 면적에 있어서 중앙부에 대응되는 제 1 단차부(350)가 가장 크고 주변부에 대응되는 제 3 단차부(354)가 가장 적다. 면적의 크기는 제 1 단차부(350) > 제 2 단차부(352) > 제 3 단차부(354)의 관계가 설정된다.
다수의 분사홀(410)의 각각은 유입부(414), 오리피스부(412) 및 확산부(416)으로 구성된다. 유입부(414)는 제 1 면(201)에서 제 2 면(203)의 방향으로 연장되고, 외부로부터 공급받은 공정가스가 유입된다. 오리피스부(412)는 유입부(414)의 하부에 위치하여 유입부(414)와 유체 연통되고 유입부(414)보다 작은 직경을 가진 다. 확산부(416)는 오리피스부(412)의 하부에 위치하여 오리피스부(412)와 유체 연통되고 제 2 면(203)까지 연장되어, 기판안치대(114)에 공정가스를 공급한다. 다수의 분사홀(410)은 기판안치대(114)와 평행한 수평선을 기준으로 모두 동일한 간격으로 배열된다.
다수의 유입부(414)의 각각은 기판안치대(114)와 평행한 평면을 가지는 제 1 면(201)에서 출발하여, 제 2 면(203)에 형성된 요면의 제 1 내지 제 3 단차부(350, 352, 354)와 평행하게 배열되는 다수의 오리피스부(312)까지 연장된다. 따라서, 다수의 유입부(414)는 제 1 단차부(350)와 대응되어 제 1 유입경로(ID1)를 가지는 제 1 부분, 제 2 단차부(352)와 대응되어 제 2 유입경로(ID2)를 가지는 제 2 부분, 및 제 3 단차부(354)와 대응되어 제 3 유입경로(ID3)를 가지는 제 3 부분으로 구성된다. 다수의 유입부(414)는 제 1 유입경로(ID1) < 제 2 유입경로(ID2) < 제 3 유입경로(ID3)로 설계된다. 제 1 부분에서 다수의 유입부(414)는 동일한 제 1 유입경로(ID1)를 가지고, 제 2 부분에서 다수의 유입부(414)는 동일한 제 2 유입경로(ID2)를 가지고, 제 3 부분에서 다수의 유입부(414)는 동일한 제 3 유입경로(ID3)를 가진다.
다수의 오리피스부(412) 및 다수의 확산부(416)는 제 2 면(203)에 형성된 제 1 내지 제 3 단차부(350, 352, 354)와 평행하게 설치되므로, 다수의 오리피스(412)는 동일한 제 2 유체이동경로(L2)를 가지고, 동일하게 다수의 확산부(416)도 동일 한 제 3 유체이동경로(L3)를 가진다.
다수의 분사홀(418)은 오리피스부(412)를 통해 공정가스의 유속 및 유량을 조절한다. 유입부(414)보다 큰 직경을 가지는 확산부(416)는 유입부(414) 및 오리피스부(412)를 통과한 공정가스를 확산시켜 기판(102) 상에 균일하게 분사하는 기능을 한다. 기판(102) 상에 공급되는 공정가스는 오리피스부(412)의 직경 및 확산부(416)의 체적에 비례한다. 제 3 실시예에서는 제 2 실시예와 동일하게, 기판(102) 상에 공정가스가 균일하게 분포될 수 있도록, 다수의 확산부(416)가 모두 동일한 체적을 가지도록 형성한다.
본 발명의 제 3 실시예에서는, 가스분배판(200)의 제작을 용이하게 하기 위하여, 제 1 내지 제 3 단차부(350, 352, 354)를 별도로 분리 가공한 후, 이를 결합하여 사용할 수 있다. 가스분배판(200)을 분리하여 제작하면, 제작시간 및 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
도 1은 종래기술의 기판처리장치의 단면도
도 2는 종래기술에서 변형된 가스분배판의 단면도
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스분배판과 기판안치대를 도시한 단면도
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스분배판의 제 1 면의 평면도
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스분배판의 제 2 면의 평면도
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스분배판이 설치된 공정챔버의 단면도
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스분배판과 기판안치대를 도시한 단면도
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스분배판의 확대 단면도
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스분배판의 제 1 평면도
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스분배판의 제 2 평면도
도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가스분배판의 단면도
도 12는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가스분배판의 제 2 면의 평면도

Claims (16)

  1. 반응공간을 제공하는 공정챔버의 내부에 설치되어, 기판안치대의 기판 상에 공정가스를 공급하는 가스분배판에 있어서,
    상기 공정가스를 공급받는 제 1 면과 상기 기판안치대와 대향하고 요면(concave portion)을 가지는 제 2 면으로 구성된 판재;
    상기 제 1 면에서 상기 제 2 면의 방향으로 확장되는 유입부, 상기 유입부의 하부에 위치하는 오리피스부 및 상기 오리피스의 하부에 위치하여 상기 제 2 면까지 연장되는 확산부를 포함하는 다수의 분사홀;
    을 포함하고,
    상기 다수의 분사홀에 있어서, 다수의 상기 유입부는 상기 판재의 주변부에서 중앙부의 방향으로 갈수록 유체이동경로 방향으로의 길이가 짧아지고, 다수의 상기 확산부는 유체이동경로 방향으로의 길이가 동일한 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 판재의 상기 제 2 면과 상기 기판안치대 사이의 간격은 중앙부에서 주변부의 방향으로 작아지는 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 판재의 상기 제 1 면은 상기 기판안치대와 평행한 평면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판안치대와 평행한 수평선을 기준으로, 다수의 상기 유입부는 동일한 간격으로 배치되고, 상기 요면과 평행한 평행면을 기준으로, 다수의 상기 유입부는 중앙부에서 주변부의 방향으로 넓어지는 간격을 가지는 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 오리피스부는 유체이동경로 방향으로의 길이가 동일하고, 상기 요면과 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 확산부는 동일한 직경, 체적 및 간격을 가지고, 상기 요면과 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산부의 중심을 지나는 중심선이 상기 기판안치대와 수직인 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산부는 상부가 절단된 원뿔(truncated cone) 형태인 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 요면의 단면은 타원형의 원호 형태인 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 요면은 다수의 단차부를 가지는 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수의 단차부는 상기 판재의 중앙부를 중심으로 동심 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수의 단차부는 상기 판재의 주변부에서 중앙부의 방향으로, 낮은 단차를 가지는 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수의 단차부의 각각과 대응하는 다수의 상기 유입부는 유체이동경로방향으로의 길이가 서로 다른 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  14. 제 10 항에 있어서.
    상기 다수의 단차부 중 동일한 단차부와 대응하는 다수의 상기 유입부는 유체이동경로 방향으로의 길이가 동일한 것을 특징으로 하는 가스분배판.
  15. 반응공간을 제공하는 공정챔버;
    상기 반응공간에 설치되고, 기판이 안치되는 기판안치대;
    상기 반응공간에 설치되고, 공정가스를 공급받는 제 1 면과 상기 기판안치대와 대향하고 요면(concave portion)을 가지는 제 2 면으로 구성된 판재, 상기 제 1 면에서 상기 제 2 면의 방향으로 확장되는 유입부, 상기 유입부의 하부에 위치하는 오리피스부 및 상기 오리피스의 하부에 위치하여 상기 제 2 면까지 연장되는 확산부를 포함하는 다수의 분사홀을 포함하고, 상기 다수의 분사홀에 있어서, 다수의 상기 유입부는 상기 판재의 주변부에서 중앙부의 방향으로 갈수록 유체이동경로 방향으로의 길이가 짧아지고, 다수의 상기 확산부는 유체이동경로 방향으로의 길이가 동일한 가스분배판;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 요면은 타원형의 원호 또는 다수의 단차부의 형태인 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
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