KR101766778B1 - 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

화학 기상 증착 장치는 챔버, 상기 챔버 내부에 위치하며, 상부면에 기판이 놓이는 스테이지부, 일단이 스테이지부의 하부면에 연결되어 스테이지부를 지지하는 지지대, 및 스테이지부의 하부면과 지지대의 일단 사이에 위치하며, 스테이지부의 기울기를 조절하는 틸팅부를 포함하고, 틸팅부는 기판에 대한 증착 공정 시 스테이지부를 가스가 주입되는 방향을 향해 기울이되, 스테이지부를 가스가 주입되는 부분으로부터 먼 영역은 상승시키고 가까운 영역은 하강시킨다.

Description

화학 기상 증착 장치{CHEMICAL VAPOR DEPOSITION APPARATUS}
본 발명은 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판(substrate) 표면에 증착하고자 하는 물질을 보다 효과적으로 증착시킬 수 있는 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 공정의 박막 형성 공정에는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 방법이 사용되며, 이러한 CVD방법에는 APCVD(Atmospheric Pressure CVD), LPCVD(Low Pressure CVD), PECVD(Plasma Enhanced CVD) 등이 포함된다. 이러한 CVD 방법을 적용하는 화학 기상 증착 장치는 반도체 기판 상에 기상의 화학 반응에 의해 생성되는 박막(예를 들어, 절연막 및 그래핀을 포함한 2차원 물질(2-D materials))을 형성시키는 장치로서, 사용하는 반응 가스, 압력 및 온도 등에 따라 여러 가지 형태로 사용될 수 있다.
일반적으로 CVD 장치의 기본 구성은 화학 반응을 일으키는 공간을 제공하는 공정 챔버, 시편(즉, 웨이퍼 등)을 공정 챔버 내부 및 외부로 이동시키는 로딩/언로딩 유니트, 및 전체 프로세스를 제어하는 제어부로 이루어진다. 이외에도 가스 콘트롤시스템, 전원, 크리닝시스템, 진공배기시스템 등이 함께 설치될 수 있다. 공정 챔버의 내부에는 가열용 히터, 서셉터, 가스 디스트리뷰터 등이 구성되며, 반응 물질을 성장시킬 대상인 웨이퍼가 배치된다.
이러한 CVD 장치는 불균일계의 화학 반응을 취급하며, 이에 따라 장치 내 적용되는 온도, 압력 및 농도의 3요소를 제어하는 것이 중요하다. 따라서, 종래의 CVD 장치는 기상 증착 효율을 높이기 위하여, 가열 등을 통해 기상의 온도 및 기판의 표면 온도를 제어하고, 화학 반응의 평형 상태, 가스의 공급 상태 및 분자의 평균 자유 행정(mean free path)과 관련된 압력을 조절하는 방식들을 중심으로 개발되어 왔다.
한편, 종래의 CVD 장치는 기상 성장층의 두께 분포를 조절하기 위하여, 공정 챔버 내로 주입 공급되는 원료 가스의 농도 및 유량을 조정하여 웨이퍼의 중심부 및 주변부의 기상 성장 두께를 조절하는 방식 등을 사용하고 있다.
이와 관련하여 대한민국공개특허 제10-2012-0125311호(발명의 명칭: 기상 성장용 반도체 기판 지지 서스셉터, 에피택셜 웨이퍼의 제조장치 및 에피택셜 웨이퍼의 제조방법)에서는, 기상 성장 시에 반도체 기판을 지지하는 서스셉터로서, 반도체 기판이 배치되는 카운터 보어부를 구비하고, 카운터 보어부의 단부로부터 외측을 향해 서스셉터의 상면이 상방 또는 하방으로 경사지는 테이퍼가 형성된 테이퍼부를 갖는 것을 특징으로 하는 기상 성장용 반도체 기판 지지 서스셉터 구성을 개시하고 있다.
본 발명의 실시예는 화학 기상 증착 시 기판 상에 증착되는 물질(예를 들어, 박막 또는 그래핀을 포함한 2차원 물질(2-d materials))이 대면적에서 층(layer) 및 조성비가 균일하게합성되거나 또는 증착될 수 있도록 물리적 조건을 조절할 수 있는 화학 기상 증착 장치를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 화학 기상 증착 장치는, 챔버; 상기 챔버 내부에 위치하며, 상부면에 기판이 놓이는 스테이지부; 일단이 스테이지부의 하부면에 연결되어 스테이지부를 지지하는 지지대; 및 스테이지부의 하부면과 지지대의 일단 사이에 위치하며, 스테이지부의 기울기를 조절하는 틸팅부를 포함하고, 틸팅부는 기판에 대한 증착 공정 시 스테이지부를 가스가 주입되는 방향을 향해 기울이되, 스테이지부를 가스가 주입되는 부분으로부터 먼 영역은 상승시키고 가까운 영역은 하강시킨다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 기판을 지지하는 스테이지부의 기울기 및 챔버 내 위치를 조절하여 시편(즉, 기판)의 위치에 관계없이 물질 반응 영역(react region)을 일정하게 유지함으로써 박막 또는 그래핀을 포함하는 2차원 물질을 균일하게 형성시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 내부에 히터가 포함된 스테이지부를 제공함으로써 대면적 기판에 대해서도 모든 영역에 걸쳐 온도를 균일하게 조절할 수 있다. 즉, 스테이지부는 틸트가 가능함과 동시에 하부에 히터의 온도 조절이 가능하며, 이를 통해서 한번의 실험으로 기판의 위치에 따라 온도가 반응 물질의 합성 및 증착에 미치는 영향을 확인할 수 있어 간편하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 스테이지부의 구동을 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치(10)는 챔버(100), 히터블럭(110), 스페이서부(120), 보호판(130), 단열부(140), 서스 플레이트(150), 스테이지부(200), 지지부(230), 가스 공급 라인(300), 가스 분배부(310), 가스 분배부 히터블럭(320), 압력 조절 라인(400) 및 펌프(410)를 포함한다.
챔버(100)는 내부에 공정이 진행되는(즉, 화학 기상 증착을 위한 물질 반응이 발생되는) 공간을 형성하며, 챔버(100) 내부 공간 상에는 CVD를 통한 반응 물질이 증착될 기판(미도시)이 수납된다.
이때, 챔버(100) 내에는 히터블럭(110), 스페이서(120) 및 보호판(130)과, 상부면에 기판이 놓이는 스테이지부(200)가 구성된다.
히터블럭(110)은 챔버(100) 내부의 온도를 조절하며, 챔버(100) 내부를 전체적으로 균일한 온도 또는 부분적으로 상이한 온도로 가열하기 위해 복수의 히터부(111)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 아래에서 설명할 스테이지부(200)에는 복수의 온도센서(미도시)가 포함될 수 있으며, 이러한 온도센서(미도시)에서 스테이지부(200)의 상부면에 마련된 기판(미도시)의 온도를 측정할 수 있다. 스테이지부(200)에서 측정된 온도는 본원의 화학 기상 증착 장치(10)에 포함된 제어부(미도시)에 전달되어, 제어부(미도시)가 기판(미도시)의 온도정보에 기초하여 각각의 히터부(111)의 온도를 제어할 수 있다.
스페이서부(120)는 히터블럭(110)과 보호판(130) 사이에 구성되며, 히터블럭(110)과 보호판(130) 사이의 거리(즉, 간격)를 조절한다. 이때, 스페이서부(120)를 상/하로 높이를 조절함으로써 히터블럭(110)과 보호판(130) 사이의 거리를 조절할 수 있다. 예를 들어, 보호판(130)의 챔버(100) 내 위치가 고정된 상태에서 스페이서부(120)의 높이를 상/하로 늘림으로써 히터블럭(110)이 보호판(130)으로부터 상부 방향으로 멀어지도록 할 수 있다. 즉, 히터블럭(110)과 보호판(130) 사이의 거리가 넓어지되, 실제적으로 히터블럭(110)이 기판(미도시)으로부터 멀어지게 되어 기판(미도시)에 작용하는 온도를 낮출 수 있다. 반대로, 스페이서부(120)의 높이를 상/하로 줄임으로써 히터블럭(110)과 보호판(130) 사이의 거리를 좁히면, 실제적으로 히터블럭(110)이 기판(미도시)과 가까워지게 되어 기판(미도시)에 작용하는 온도를 높일 수 있다. 이러한, 스페이서부(120)의 높이 제어를 통한 온도 제어 동작은 위에서 설명한 히터블럭(110)을 통한 온도 제어 동작 및 하기에서 설명할 스테이지부(200)에 포함된 스테이지 히터블럭(220)을 통한 온도 제어 동작과 연동되어 좀 더 정밀한 온도 제어를 처리할 수 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 이러한 온도 제어 동작은 별도의 제어부(미도시)를 통해 처리될 수 있다.
보호판(130)은 히터블럭(110)과 스테이지부(200)의 상부면 사이에 위치하며, 이물질 또는 가스가 히터블럭(110)에 직접 접촉되는 것을 방지한다. 또한, 보호판(130)은 히터블럭(110)의 히터부(111)의 가열 방식이 할로겐 히터 등의 광 투과가 필요한 방식일 경우를 대비하여 투명 재질인 투명판(130)으로 구성될 수 있다.
챔버(100) 내부 하부에는 스테이지부(200)를 지지하는 서스 플레이트(150) 및 스테이지부(200)와 서스 플레이트(150) 사이에 위치하며 챔버(100) 내/외부의 열기 또는 냉기를 차단하여 온도를 안정적으로 유지시키는 단열부(140)가 구성된다.
스테이지부(200)는 챔버(100) 내부에 구성되며, 상부면에 놓인 기판(미도시)을 지지 및 고정한다. 이때, 스테이지부(200)는 상부면에 기판(미도시)이 놓일 수 있도록 소정의 면적을 갖는 지지판(210)으로 구성된다. 또한, 스테이지부(200)에는 저전압이 인가될 수 있으며, 이에 따라 스테이지부(200)에서 발생된 정전기는 이온 등을 스테이지부(200)로 유도할 수 있다.
스테이지부(200)의 하부면에는 스테이지부(200)를 지지하는 지지대(230)가 연결된다. 이때, 지지대(230)는 상하 이동 동작을 통해 스테이지부(200)를 승하강시킴으로써 챔버(100) 내 스테이지부(200)의 위치를 조절한다. 이에 따라, 스테이지부(200)에 놓인 기판(미도시)은 히터블럭(110)으로부터 발생되는 열 및 아래에서 설명할 가스 분배부(310)로부터 공급되는 가스와의 반응 영역 및 반응 조건이 변경될 수 있다.
한편, 지지대(230)가 스테이지부(200)의 하부에 접하는 일단에는 틸팅부(231)가 결합된다. 틸팅부(231)는 소정의 축을 기준으로 회동하여 스테이지부(200)의 기울기를 조절한다. 이러한, 스테이지부(200)의 틸팅(tilting) 동작(즉, 기울기 조절 동작)에 대해서는 하기 도 2를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
또한, 스테이지부(200)는 자체적으로 온도를 조절할 수 있도록 히터를 포함할 수 있다. 즉, 스테이지부(200)의 지지판(210)의 하부에는 스테이지 히터블럭(220)이 결합될 수 있으며, 스테이지 히터블럭(220)에는 스테이지부(200)를 전체적으로 균일한 온도 또는 부분적으로 상이한 온도로 가열하기 위한 복수의 스테이지 히터부(221)가 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 스테이지부(220)가 지지판(210) 및 스테이지 히터블럭(220)의 결합으로 구성된 것을 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치는 스테이지부(220)가 지지판 및 스테이지 히터블럭이 일체형으로 결합된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 스테이지부(200)는 지지판 형상으로 구성되되 지지판의 내부에 하나 이상의 스테이지 히터부가 포함되는 형태일 수 있다.
또한, 이상에서 설명한 지지대(230) 및 틸팅부(231)를 통한 스테이지부(200)의 위치 및 기울기 조절 동작과 더불어 스테이지 히터블럭(220)을 통한 스테이지부(200)의 온도 조절 동작은 연동될 수 있다. 이에 따라, 기판(미도시)의 반응 영역 및 온도 조건을 균일하게 함으로써 기판(미도시)에 증착되는 물질(즉, 박막)의 두께를 균일하게 할 수 있다.
압력 조절 라인(400)은 챔버(100) 내부의 압력을 조절한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 압력 조절 라인(400)의 단부에는 펌프(410)가 연결되어, 챔버(100) 내부의 압력을 조절할 수 있다.
또한, 압력 조절 라인(400)은 증착 공정 시, 챔버(100) 내부로 공급되는 가스의 흐름을 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 분배부(310)의 토출부와 압력 조절 라인(400)의 유입부는 서로 마주보도록 위치될 수 있으며, 이에 따라 가스 분배부(310)에서 공급된 가스는 압력조절라인(400)이 위치하는 방향으로 이동하면서, 기판(미도시)의 상부면에 증착될 수 있다.
또한, 압력 조절 라인(400)은, 챔버(100) 내부의 기체의 유속을 조절하여, 기판(20)의 상부면으로 공급되는 가스의 공급량 또는 가스의 유속을 조절할 수 있다.
가스 분배부(310)는 챔버(100) 내로 가스를 공급하되, 하나 이상의 가스 공급 라인(300)을 통해 가스를 공급받아 스테이지부(200)를 향해 가스를 공급할 수 있다. 도 1에서는 가스 분배부(310)에 하나의 가스 공급 라인(300)이 연결된 것을 나타내었으나, 둘 이상의 가스 공급 라인이 구성될 수도있다. 예를 들어, 가스 분배부(310)의 일측에 연결되는 제1 가스 라인(미도시) 및 가스 분배부(310)의 타측에 연결되는 제2 가스 라인(미도시)를 포함할 수 있으며, 상술한 일측 및 타측은 소정의 거리만큼 이격되거나 상이한 방향일 수 있다. 또한, 둘 이상의 가스 공급 라인이 구성되는 경우, 동일 또는 상이한 종류의 가스가 공급될 수 있다.
가스 분배부(310)의 외주면 중 적어도 한면에는 가스 분배부(310)의 내부 온도를 조절하기 위한 가스 분배부 히터블럭(320)이 연결될 수 있다. 가스 분배부 히터블럭(320)을 통해 가스 분배부(310)에 공급된 가스의 온도가 조절된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 스테이지부의 구동을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 스테이지부(200)는 지지대(230)에 의해 챔버(100) 내에서 수직 방향으로 상하 이동될 수 있으며, 도 1에 도시한 틸팅부(231)의 회동 동작에 의해 챔버(100) 내 수평축을 기준으로 기울기가 조절된다.
이때, 틸팅부(231)는 도 1에서 설명한 가스 분배부(310)의 토출부 방향(즉, 가스 흐름(Gas flow)을 마주하는 방향)으로 스테이지부(200)의 상부면이 노출될 수 있도록 스테이지부(200)의 기울기를 조절할 수 있다.
즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 틸팅부(231)는 스테이지부(200)에 있어서 가스 분배부(310)의 토출부로부터 가까운 위치는 하부 방향으로 내리고(즉, 하강 시킴), 가스 분배부(310)의 토출부로부터 먼 위치는 상부 방향으로 올라가도록(즉, 상승 시킴) 기울기를 조절할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 가스 분배부(310)의 토출부로부터 멀수록 상대적으로 가스에 적게 노출되던 기판(미도시)의 일 영역에 대해, 스테이지부(200)를 수평으로 유지할 때보다 가스 노출량을 늘리거나 히터블럭(110)으로 좀 더 가깝게 하여 온도 조건을 높일 수 있다. 즉, 가스가 투입되는 방향 및 기판(미도시)의 위치에 관계없이 기판(미도시)의 전체 영역에 대해 반응 영역을 균일하게 함으로써, 기판(미도시)에 증착되는 물질(즉, 박막)의 두께를 균일하게 할 수 있어 효과적이다.
참고로 틸팅부(231)의 스테이지부(200)의 기울기 조절 동작은 앞서 설명한 제어부(미도시)에서 제어될 수 있으며, 제어부(미도시)는 앞서 설명한 다른 동작들과 틸팅부(231)의 기울기 조절 동작을 연동시켜 기상 성장 조건을 미세 제어할 수 있으며, 이에 따라 박막 증착 효율을 크게 높일 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 화학 기상 증착 장치
100 : 챔버 110: 히터블럭
111: 히터부 120:스페이서부
130:보호판 140: 단열부
150: 서스 플레이트 200 : 스테이지부
210 : 지지판 220:스테이지 히터블럭
221: 스테이지 히터부
230: 지지대 231: 틸팅부
300: 가스 공급 라인 310: 가스 분배부
320 : 가스 분배부 히터블럭 400 : 압력 조절 라인
410 : 펌프

Claims (8)

  1. 화학 기상 증착 장치에 있어서,
    챔버;
    상기 챔버 내부에 위치하며, 상부면에 기판이 놓이는 스테이지부;
    상기 챔버의 내부에 상기 스테이지부와 대향하도록 위치하며, 상기 챔버 내부의 온도를 조절하는 히터블럭;
    일단이 상기 스테이지부의 하부면에 연결되어 상기 스테이지부를 지지하는 지지대;
    상기 스테이지부의 하부면과 상기 지지대의 일단 사이에 위치하며, 상기 스테이지부의 기울기를 조절하는 틸팅부;
    상기 챔버의 외부 일측에 위치하되, 상기 스테이지부를 기준으로 상기 챔버의 일측면부에 위치하며, 상기 챔버의 내부로 가스를 공급하는 가스 분배부;
    상기 가스 분배부에 가스를 공급하는 하나 이상의 가스 공급 라인; 및
    상기 가스 분배부의 외주면 중 적어도 한면에 연결되어 상기 가스 분배부 내부의 온도를 조절하는 가스 분배부 히터블럭를 포함하며,
    상기 틸팅부는,
    상기 기판에 대한 증착 공정 시 상기 스테이지부를 가스가 주입되는 방향을 향해 기울이되, 상기 스테이지부를 상기 가스가 주입되는 부분으로부터 먼 영역은 상승시키고 가까운 영역은 하강시키는 화학 기상 증착 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지부는,
    상부에 상기 기판이 놓이는 지지판; 및
    상기 지지판의 하부에 위치하여 상기 지지판의 온도를 조절하는 스테이지 히터블럭을 포함하는 화학 기상 증착 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버의 외부 일측에 위치하되, 상기 스테이지부를 기준으로 상기 챔버의 일측면부에 위치하며, 상기 챔버 내부의 압력을 조절하는 압력 조절 라인을 더 포함하는 화학 기상 증착 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 틸팅부는,
    상기 가스 분배부를 향한 방향으로 상기 스테이지부의 상부면이 노출될 수 있도록 상기 기울기를 조절하는 화학 기상 증착 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 분배부의 단부와 상기 압력 조절라인의 단부는 서로 마주보도록 위치되는 화학 기상 증착 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 내부의 온도를 조절하는 히터블럭과 상기 스테이지부의 상부면 사이에 위치하는 보호판을 더 포함하는 화학 기상 증착 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 챔버 내부의 온도를 조절하는 히터블럭과 상기 보호판 간의 간격을 조절하는 스페이서부를 더 포함하는 화학 기상 증착 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 보호판은 투명 재질의 투명판인 것인 화학 기상 증착 장치.
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