KR101980971B1 - 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로 구체적으로, 상부가 개방되며, 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간이 제공되는 챔버 본체; 상기 챔버 본체의 상부에 설치되어 상기 챔버 본체의 상부를 폐쇄하는 챔버리드; 상기 챔버리드의 하부에 결합되어 상기 내부공간으로 반응가스를 공급하도록 다수의 분사홀이 형성된 샤워헤드; 및 상기 샤워헤드와 접촉하여 샤워헤드에 인가되는 열을 흡수하는 샤워헤드 냉각부를 포함하는 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치를 제공한다.

Description

냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치{SHOWERHEAD HAVING COOLING SYSTEM AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS INCLUDING THE SHOWERHEAD}
본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로, 상세하게는 직접 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 장치는 실리콘 기판 상에 많은 층들(layers)을 가지고 있으며, 이와 같은 층들은 증착 공정을 통하여 기판 상에 증착된다. 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)은 기체 상태의 화합물(또는 반응가스)을 분해한 후, 화학적 반응에 의해 반도체 기판 위에 박막이나 에피층을 형성하는 것을 말한다.
지지대는 공정챔버의 내부에 설치되며, 기판은 지지대의 상부에 놓여진다. 증착공정은 공정챔버 내에서 이루어지며, 증착공정이 이루어지기 이전에 공정챔버의 내부는 고온(예를 들어, 650℃ 이상)으로 가열된다. 샤워헤드는 기판의 상부에 설치되며, 기체 상태의 화합물(또는 반응가스)은 샤워헤드를 통해 기판 상으로 공급된다. 기체 상태의 화합물은 기판 표면에 흡착된 후 기판 표면에서 화학 반응을 시작하며, 이를 통해 박막을 이룬다.
한편, 샤워헤드는 공정챔버의 내부에 설치되므로, 공정진행 동안 높은 온도 하에 놓인다. 이로 인해, 샤워헤드가 가열되어 열변형될 가능성이 있으며, 샤워헤드의 열변형은 반응가스의 균일한 공급에 영향을 미친다. 반응가스가 기판 상에 균일하게 공급되지 않을 경우, 박막은 기판의 표면을 따라 불균일한 두께(non-uniform thickness)를 가질 수 있다.
또한, 샤워헤드의 온도가 일정 온도 이상으로 가열될 경우, 반응가스가 샤워헤드 내에서 증착되거나 파티클을 형성할 수 있다.
특허문헌 1 : 대한민국 공개특허 제10-2007-0036985호 특허문헌 2 : 대한민국 공개특허 제10-2013-0081969호
본 발명은 냉각 방식의 샤워헤를 구비하는 기판 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치는, 상부가 개방되며, 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간이 제공되는 챔버 본체; 상기 챔버 본체의 상부에 설치되어 상기 챔버 본체의 상부를 폐쇄하는 챔버리드; 상기 챔버리드의 하부에 결합되어 상기 내부공간으로 반응가스를 공급하도록 다수의 분사홀이 형성된 샤워헤드; 및 상기 샤워헤드와 접촉하여 샤워헤드에 인가되는 열을 흡수하는 샤워헤드 냉각부를 포함하는 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치를 제공한다.
이때, 상기 샤워헤드 냉각부는, 상기 샤워헤드와 접촉하여 열을 흡수하는 복수의 냉각핀; 복수의 상기 냉각핀이 상기 샤워헤드에 접촉 및 이탈하도록 상기 냉각핀을 구동하는 냉각핀 구동부; 및 상기 냉각핀을 냉각하는 냉각 부재를 포함할 수 있다.
이때, 상기 샤워헤드는, 샤워헤드를 이루는 면 내부에 상기 냉각핀을 수용하는 복수의 냉각 홀을 포함하고, 각각의 상기 냉각 홀은 상기 냉각핀이 상기 샤워헤드를 관통하여 진행할 수 있도록 상기 분사홀의 배치 간격에 터널 형태로 구비될 수 있다.
또한, 상기 샤워헤드 냉각부는, 상기 냉각 홀이 배치되는 방향의 어느 한측에 배치되어 상기 냉각 홀로부터 상기 샤워헤드에서 인가되는 열을 흡수하는 제1 냉각부; 및 상기 냉각 홀이 배치되는 방향의 다른 한측에 배치되어 상기 냉각 홀로부터 상기 샤워헤드에서 인가되는 열을 흡수하는 제2 냉각부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1 냉각부 및 상기 제2 냉각부는, 교대로 각각의 냉각핀을 삽입하여 상기 샤워헤드에서 인가되는 열을 흡수할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치에 의하면,
첫째, 샤워헤드를 냉각하므로, 샤워헤드의 열변형을 방지할 수 있다.
둘째, 샤워헤드를 냉각하므로, 반응가스가 샤워헤드 내에서 증착되거나 파티클을 형성하는 것을 방지할 수 있다.
셋째, 샤워헤드 냉각에 냉매를 사용하지 않으므로 샤워헤드로부터 누출된 냉매가 챔버 내부로 유입되어 공정에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 냉각 방식의 샤워헤드를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치의 모식적인 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 샤워헤드의 사시 단면도이다.
도 5는 도 4와 수직하는 방향에서 바라본 샤워헤드의 사시 단면도이다.
도 6은 제1 냉각부 및 제2 냉각부가 순차적으로 샤워헤드를 냉각하는 것을 설명하는 모식도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성 요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 종래의 냉각 방식의 샤워헤드를 나타내는 도면이다.
플랜지(41)는 냉매를 통해 냉각되며, 평판(43)의 열은 플랜지(41)에 전달된다. 종래 냉각 방식의 샤워헤드에 의하면 평판(43)의 중심부와 플랜지(41)에 인접한 부분과의 온도 차이가 발생하므로, 기판에 공급되는 반응가스의 균일함에 영향을 끼칠 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치의 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치의 모식적인 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 샤워헤드의 사시 단면도이고, 도 5는 도 4와 수직하는 방향에서 바라본 샤워헤드의 사시 단면도이고, 도 6은 제1 냉각부 및 제2 냉각부가 순차적으로 샤워헤드를 냉각하는 것을 설명하는 모식도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치(1000)는 챔버 본체(100), 챔버 리드(200), 샤워헤드(300) 및 샤워헤드 냉각부(400)를 포함한다.
챔버 본체(100)는 상부가 개방되며 기판(W)에 대한 공정이 이루어지는 내부 공간을 제공한다. 구체적으로, 챔버 본체(100)는 내부공간에 해당하는 챔버 내부를 가지며, 웨이퍼(W)는 챔버 본체(100)의 일측에 형성된 통로(140)를 통해 챔버 내부에 로딩된다.
지지플레이트(110)는 챔버 내부에 설치되며, 로딩된 웨이퍼(W)는 지지플레이트(110)의 상부면에 놓인다. 지지대(120)는 지지플레이트(110)의 하부에 연결되어 지지플레이트(110)를 지지한다.
챔버 리드(200)는 챔버 본체(100)의 상부에 설치되어 쳄버 본체(100)의 상부를 폐쇄한다.
가스 공급 포트(210)는 챔버 리드(200)의 내부에 형성되며, 반응가스(G)는 가스 공급 포트(210)를 통해 챔버 내부로 유입된다. 반응가스(G)는 웨이퍼(W) 표면에 박막을 증착시키기 위한 것이며, 박막에 따라 다양한 가스가 사용될 수 있다.
샤워헤드(300)는 챔버 리드(200)의 하부에 결합되어 챔버 내부 공간으로 반응가스(G)를 공급한다.
샤워헤드(300)는 다수의 분사홀(310)이 형성된 평판부(340), 챔버 리드(200)와의 결합을 위한 플랜지부(330) 및 평판부(340)에 형성된 복수의 냉각 홀(320)을 포함한다.
샤워헤드(300)는 플랜지부(330)에 볼트(미도시)를 채결하여 챔버 리드(200)에 결합된다.
샤워헤드(300)는 가스 공급 포트(210)를 통해 공급된 반응가스(G)를 챔버 내부에 공급하며, 반응가스(G)는 웨이퍼(W)의 표면으로 이동하여 웨이퍼(W)의 표면에서 박막을 형성한다.
샤워헤드(300)는 샤워헤드를 이루는 면(즉, 평판부(340) 내부에 냉각핀(410)을 수용하는 복수의 냉각홀(320)을 포함한다.
각각의 냉각홀(320-1, 320-2, .. 및 320-n)은 냉각핀(410)이 샤워헤드(300)를관통하여 진행할 수 있도록 분사홀(310)의 배치 간격에 터널 형태로 구비된다.
<샤워헤드 냉각부(400)의 일 실시예>
샤워헤드 냉각부(400)는 샤워헤드(300)와 접촉하여 반응가스(G)로부터의 열 전달 또는 챔버 내부로부터의 직접 복사와 같은 이유로 샤워헤드(300)에 인가되는 열을 흡수하여 샤워헤드(300)의 온도를 낮춘다.
구체적으로 샤워헤드 냉각부(400)는 냉각핀(410), 냉각핀 구동부(420) 및 냉각 부재(430)를 포한한다.
냉각핀(410)은 샤워헤드(300)와 물리적으로 접촉하여 열을 흡수한다. 냉각핀(410)은 열 용량 및 열 전도율이 우수한 금속으로 형성하는 것이 바람직하며, 일 예로 구리가 포함된 합금으로 형성될 수 있다.
실시 형태에 따라 냉각핀(410)은 샤워헤드(300)의 표면에 접촉하는 형태로 실시될 수도 있으나, 냉각핀(410)과 샤워헤드(300)의 접촉에 따라 파티클 발생하는 것을 방지하기 위해 샤워헤드(300) 내부에 형성되는 냉각 홀(320)에 삽입되는 방식으로 접촉하는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 4의 도시에 의하면 냉각핀(410)은 한 개가 구비되는 것처럼 보이나, 도 3 및 도 4는 샤워헤드(300)에 형성된 냉각 홀(320)의 단면을 보여주는 것이며, 도 5에 도시된 것처럼 냉각 홀(320)은 분사홀(310)의 배치 간격에 터널 형태로 다수가 구비된다. 즉, 냉각핀(410)은 냉각 홀(320)의 수에 대응되는 수로 구비된다.
냉각핀 구동부(420)는 복수의 냉각핀(410)이 샤워헤드(300)에 접촉 및 이탈하도록 냉각핀(410)을 구동한다. 즉, 냉각핀 구동부(420)는 냉각핀(410)이 냉각 홀(320)에 삽입(IN)과 배출(OUT)되도록 각각의 냉각핀(410)을 이동시킨다.
냉각 부재(430)는 냉각핀(410)을 냉각시킨다. 냉각 홀(320)에 삽입(IN)된 냉각핀(410)은 샤워헤드(300)로부터 열을 흡수하여 샤워헤드(300)의 온도를 낮춘다. 설정된 시간 이후 냉각핀 구동부(420)는 가열된 냉각핀(410)을 냉각 홀(320)로부터 배출(OUT)시키고 냉각 부재(430)는 배출된 냉각핀(410)을 냉각시킨다.
실시 형태에 따라 냉각 부재(430)는 냉풍기 형태로 구현될 수 있다. 냉각 부재(430)는 챔버 본체(100)와 냉각핀 구동부(420) 사이에 배치되 냉각 홀(320)로부터 배출(OUT)되는 냉각핀(410)에 냉풍을 분사하여 냉각핀(410)을 냉각시킨다.
이후, 냉각핀 구동부(420)는 냉각 홀(320)에 일정 온도로 냉각된 냉각핀(410)을 삽입(IN)하여 냉각이 지속게 한다.
<샤워헤드 냉각부(400)의 다른 실시예>
한편, 냉각 효율을 높이기 위해 샤워해드 냉각부(400)를 냉각 홀(320)의 양 끝단에 대칭되도록 듀얼 구성할 수 있다.
냉각부의 듀얼 구성에 의하면, 샤워해드 냉각부(400)는 제1 냉각부(400a) 및 제2 냉각부(400b)를 포함한다.
제1 냉각부(400a)는 냉각 홀(320)이 배치되는 방향의 어느 한측에 배치되어 냉각 홀(320)로부터 샤워헤드(300)에서 인가되는 열을 흡수한다.
제2 냉각부(400b)는 냉각 홀(320)이 배치되는 방향의 다른 한측에 배치되어 냉각 홀(320)로부터 샤워헤드(300)에서 인가되는 열을 흡수한다.
제1 냉각부(400a) 및 제2 냉각부(400b)는 각각 <샤워헤드 냉각부(400)의 일 실시예>에서 설명된 것과 동일한 것으로서 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 제1 냉각부 및 제2 냉각부가 순차적으로 샤워헤드를 냉각하는 것을 설명하는 모식도이다.
도시된 바와 같이 제1 냉각부(400a) 및 제2 냉각부(400b)는 교대로 각각의 냉각핀(410a, 410b)을 삽입하여 샤워헤드(300)에서 인가되는 열을 효과적으로 흡수할 수 있다. 도 6에서 각 냉각부의 냉각 부재는 간결한 도시를 위해 도시 생략하였다.
한편, 도시하지는 않았으나 제1 냉각부(400a) 및 제2 냉각부(400b)는 각각의 냉각핀 (410a, 410b)이 아닌 하나의 냉각핀을 냉각 홀(320)의 양 단에서 푸쉬-풀(push-pull)하는 형태로 냉각을 수행할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000 : 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치
100 : 챔버 본체
200 : 챔버 리드
300 : 샤워헤드
400 : 샤워헤드 냉각부

Claims (5)

  1. 상부가 개방되며, 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간이 제공되는 챔버 본체;
    상기 챔버 본체의 상부에 설치되어 상기 챔버 본체의 상부를 폐쇄하는 챔버리드;
    상기 챔버리드의 하부에 결합되어 상기 내부공간으로 반응가스를 공급하도록 다수의 분사홀이 형성된 샤워헤드; 및
    상기 샤워헤드와 접촉하여 샤워헤드에 인가되는 열을 흡수하는 샤워헤드 냉각부를 포함하되,
    상기 샤워헤드 냉각부는,
    상기 샤워헤드와 접촉하여 열을 흡수하는 복수의 냉각핀;
    복수의 상기 냉각핀이 상기 샤워헤드에 접촉 및 이탈하도록 상기 냉각핀을 구동하는 냉각핀 구동부; 및
    상기 냉각핀을 냉각하는 냉각 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 샤워헤드는,
    샤워헤드를 이루는 면 내부에 상기 냉각핀을 수용하는 복수의 냉각 홀을 포함하고,
    각각의 상기 냉각 홀은 상기 냉각핀이 상기 샤워헤드를 관통하여 진행할 수 있도록 상기 분사홀의 배치 간격에 터널 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 샤워헤드 냉각부는,
    상기 냉각 홀이 배치되는 방향의 어느 한측에 배치되어 상기 냉각 홀로부터 상기 샤워헤드에서 인가되는 열을 흡수하는 제1 냉각부; 및
    상기 냉각 홀이 배치되는 방향의 다른 한측에 배치되어 상기 냉각 홀로부터 상기 샤워헤드에서 인가되는 열을 흡수하는 제2 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 냉각부 및 상기 제2 냉각부는,
    교대로 각각의 냉각핀을 삽입하여 상기 샤워헤드에서 인가되는 열을 흡수하는 것을 특징으로 하는 냉각 방식의 샤워헤드를 구비하는 기판 처리 장치.
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