KR102150728B1 - 공정 챔버의 세정 장치 및 세정 방법 - Google Patents

공정 챔버의 세정 장치 및 세정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 웨이퍼에 대한 에피택셜 성장이 수행되는 공정 챔버를 세정하는 장치로서, 상기 공정 챔버를 일단에 형성된 가스유입구와, 타단에 형성된 가스배출구, 상기 공정 챔버의 상부 및 하부를 둘러싸는 상부 덮개 및 하부 덮개, 상기 웨이퍼가 안착되는 서셉터 및 상기 서셉터 하부에 배치되는 메인 샤프트 및 서셉터 지지대를 포함하고, 상기 메인 샤프트의 내부에는 에칭 가스가 분사되는 가스 튜브가 삽입되고, 상기 서셉터의 중심부에는 소정의 크기로 관통홀이 형성되고, 상기 가스 튜브는 상기 서셉터의 관통홀을 통해 상기 상부 덮개를 향하여 에칭 가스를 분사하여, 상기 상부 덮개에 대한 에칭을 실시하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 공정 챔버 내부의 온도를 측정하는 파이로미터에 의한 측정값에 오차가 발생하지 않기 때문에 공정 조건의 잦은 변화 또는 웨이퍼에 가해지는 스트레스를 방지하여, 안정적으로 에피택셜 웨이퍼를 제조할 수 있다.

Description

공정 챔버의 세정 장치 및 세정 방법{Apparatus and Method for Cleaning Process Chamber}
본 발명은 반도체 웨이퍼 상에 에피택셜층을 증착하는 공정 챔버를 세정하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공정 챔버 내부의 상부 덮개에 대한 에칭 효율을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자는 웨이퍼상에 포토리소그래피(photolithography), 식각, 확산, 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD), 이온주입, 금속 증착 등의 공정을 선택적이고도 반복적으로 수행하는 일련의 과정을 통해 형성된다. 이들 반도체 소자 제조 공정 중 증착 공정은 웨이퍼상에 요구되는 막질을 형성하기 위한 것이다. 그런데, 막질 형성을 위한 증착 공정 중에는 웨이퍼상의 원하는 영역뿐 만 아니라 증착이 이루어지는 챔버 내부에도 막질 또는 부산물들이 퇴적된다.
증착 챔버 내부에 퇴적된 퇴적물들은 그 두께가 증가하면 박리되어 파티클 (particle) 발생의 원인이 된다. 이와 같이 발생된 파티클은 웨이퍼상에 형성되어 있는 막 내에 들어가거나 막 표면에 부착되어 다바이스의 결함의 원인으로 작용하여 제품의 불량률을 높인다. 따라서, 퇴적물이 박리되기 이전에 장치 내부에 퇴적된 막을 제거할 필요가 있다.
통상적인 증착 설비의 증착 챔버 내에서는 각 웨이퍼상에 상변화 물질을 증착하는 동안 챔버 내벽 또는 챔버 내부에 있는 부품들 표면에 퇴적물이 쌓이고, 소정 매 수의 웨이퍼에 대한 증착 공정이 이루어진 후에는 챔버 내벽 또는 내부 부품들 표면에 있는 퇴적물들의 박리 현상이 나타나기 시작한다. 따라서, 소정 매 수의 웨이퍼에 대한 증착 공정 시간을 세정 주기로 하여 규칙적으로 챔버 내부에서 퇴적물을 제거하기 위한 세정 공정을 진행하여야 한다.
공정 챔버 내부에 투입되는 에피택셜 증착을 위한 소스 가스와 공정 챔버 세정을 위한 에칭 가스는 가스도입구(Inlet)에서 유입되어, 웨이퍼에 대해 수평 방향으로 흐르면서 웨이퍼에 에피택셜 증착막을 형성하거나, 공정 챔버에 대한 에칭을 수행한 후에 가스배출구(Exhaust)로 배출된다.
도 1은 공정 챔버의 내부 위치별로 에칭 효율을 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 에칭 가스가 도입되는 가스공급부쪽에서 가스배출구로 갈수록 에칭 가스의 유속이 감소하여, 가스배출구쪽의 공정챔버는 가스도입구쪽과 대비하여 에칭 효율이 감소하는 경향이 있음을 알 수 있으며, 이에 따라 공정 챔버의 에칭이 불균일하게 이루어진다.
도 2는 에피택셜 공정진행에 따라 공정 챔버 내부의 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 공정 챔버 내의 상부 덮개의 상부와 하부 덮개의 하부에는 에피택셜 공정 중 웨이퍼의 온도를 측정하는 파이로미터(pyrometer)가 구비되며, 웨이퍼의 온도를 비접촉식으로 측정하여 설정된 온도로 공정 챔버 내부의 온도를 변화시킨다. 이 때, 파이로미터는 공정 챔버의 상부 덮개와 하부 덮개를 투과하게 되는데 도 1과 같이 가스배출구로 갈수록 에칭 효율이 저하됨에 따라 파이로미터가 측정하는 온도가 왜곡되는 구간이 발생한다. 이로 인해, 공정 챔버 챔버 내부의 온도는 측정값과 설정값과의 차이를 보상하기 위해 계속해서 변화하게 된다.
도 2를 참조하면, 상기와 같이 에피택셜 증착 공정 중 공정 챔버 내부의 온도가 계속적으로 변화함에 따라, 웨이퍼에 증착되는 에피택셜막의 비저항이 지속적으로 변하게 되고, 이에 따라 원하는 특성의 에피택셜막을 증착시키기 위해서 투입하는 도펀트의 양이 계속적으로 변하게 된다. 따라서, 비저항 등의 특성이 균일한 에피택셜 웨이퍼를 제조하는데에 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공정 챔버 내부의 온도를 측정하는 파이로미터의 측정값이 실제 온도와의 차이가 발생하지 않도록 파이로미터의 측정 영역에 해당하는 공정 챔버의 상부 덮개에 대한 에칭 효과를 향상시켜, 균일한 특성의 에피택셜 웨이퍼를 제조하기 위한 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 웨이퍼에 대한 에피택셜 성장이 수행되는 공정 챔버를 세정하는 장치로서, 상기 공정 챔버를 일단에 형성된 가스유입구와, 타단에 형성된 가스배출구; 상기 공정 챔버의 상부 및 하부를 둘러싸는 상부 덮개 및 하부 덮개; 상기 웨이퍼가 안착되는 서셉터; 및 상기 서셉터 하부에 배치되는 메인 샤프트 및 서셉터 지지대;를 포함하고, 상기 메인 샤프트의 내부에는 에칭 가스가 분사되는 가스 튜브가 삽입되고, 상기 서셉터의 중심부에는 소정의 크기로 관통홀이 형성되고, 상기 가스 튜브는 상기 서셉터의 관통홀을 통해 상기 상부 덮개를 향하여 에칭 가스를 분사하여, 상기 상부 덮개에 대한 에칭을 실시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 공정 챔버의 세정 시간을 종래와 동일하게 하면서도 상부 덮개에 대한 에칭 효율을 증가시킴으로써, 공정 챔버 내부의 세정 효율을 전체적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 공정 챔버 내부의 온도를 측정하는 파이로미터에 의한 측정값에 오차가 발생하지 않기 때문에 공정 조건의 잦은 변화 또는 웨이퍼에 가해지는 스트레스를 방지하여, 안정적으로 에피택셜 웨이퍼를 제조할 수 있다.
공정 챔버의 에칭 효율이 향상됨에 따라 에피택셜 공정시 웨이퍼에 균일한 특성의 에피택셜막을 증착시킬 수 있고, 에피택셜 웨이퍼의 평탄도, 비저항 등의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 공정 챔버의 내부 위치별로 에칭 효율을 나타낸 그래프
도 2는 에피택셜 공정진행에 따라 공정 챔버 내부의 온도 변화를 나타낸 그래프
도 3은 에피택셜 성장 장치에서 본 발명의 실시예에 따른 공정 챔버 세정 장치를 나타낸 단면도
도 4는 에피택셜 성장 장치 중에서 서셉터를 위에서 바라본 평면도
도 5는 도 3의 점선 부분을 확대한 단면도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 에피택셜 성장 장치를 나타낸 단면도이다.도 3을 참조하면, 에피택셜 성장 장치(100)는 가스공급부(111), 가스배출구(112), 서셉터(113), 상부 라이너(106), 하부 라이너(107). 예열링(102), 서셉터 지지대(122), 리프트 핀(123) 및 메인 샤프트(120)를 포함한다.
에피택셜 성장 장치(100)의 일측에는 가스공급 라인(112)과 연결되는 가스공급부(111)가 형성되고, 타측에 가스배출 라인과 연결되는 가스 배출구(112)가 형성될 수 있으며, 하부 덮개(103)와 상부 덮개(104)를 포함할 수 있다.
하부 라이너(107)는 서셉터(113)를 둘러싸도록 공정 챔버(105) 내에 배치되고, 상부 라이너(106)는 공정 챔버(105) 내에서 하부 라이너(107)와 대향하도록 하부 라이너(107) 상에 배치될 수 있다. 예열링(102)은 서셉터(113)에 인접하는 하부 라이너(107)의 내면을 따라 형성되며, 서셉터(113)를 둘러싸도록 인접하게 배치되어 웨이퍼로 전해지는 가스의 온도를 균일하게 할 수 있다.
서셉터(113)는 에피택셜 반응시 웨이퍼가 장착되는 부분으로, 카본 그래파이트, 탄화규소 등의 재질로 이루어지는 플레이트 형상일 수 있다. 상기 서셉터(113)는 하부에 위치한 메인 샤프트(120)와 메인 샤프트(12)에서 웨이퍼의 에지 방향으로 여러 갈래로 형성된 서셉터 지지대(122)에 의해 지지된다. 그리고 서셉터에는 리프트 핀(123)이 상승 및 하강하여 웨이퍼를 상기 서셉터(113)에 안착시킬 수 있는 홀이 복수개 마련될 수 있다.
본 발명은 상기 공정 챔버(105) 내부에서 공정 가스가 흐르는 서셉터의 상면에 위치하는 상부 덮개에 에칭 가스를 분사하기 위하여, 상기 서셉터(113)와 메인 샤프트(120)의 구조를 변경하는 실시예를 제안한다.
도 4는 에피택셜 성장 장치 중에서 서셉터를 위에서 바라본 평면도이다. 도 4를 참조하면, 서셉터(113)의 정중앙에는 관통홀(114)이 형성될 수 있다. 상기 관통홀(114)은 하부의 메인 샤프트(120)의 위치와 대응되도록 형성되며, 약 3㎜의 직경을 갖도록 형성될 수 있다.
도 5는 도 3의 단결정 성장 장치 중에서 메인 샤프트(120)의 점선 부분을 확대한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 서셉터(113)와 메인 샤프트(120)의 일부분을 나타낸 것이며, 도시된 바와 같이 서셉터(113)의 중심부에는 내경이 약 3㎜를 갖는 관통홀(114)이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 서셉터(113)의 하부에는 내부에 소정의 공간을 갖는 메인 샤프트(120)가 약 5㎜정도로 이격되어 배치된다.
상기 메인 샤프트(120)의 공간에는 약 2㎜의 내경을 갖는 석영 재질의 가스 튜브(115)가 삽입될 수 있다. 상기 가스 튜브(115)의 최상부에 해당하는 높이는 상기 서셉터(113)의 상면과 일치하도록 형성될 수 있다. 상기 가스 튜브(115)의 일단은 가스 공급부(미도시)에 연결될 수 있다. 상기 가스 공급부에 의해 공급되는 가스는 가스 튜브(115)의 일단을 통해 서셉터(113)를 지나 공정 챔버 내부로 분사될 수 있다.
도 3을 다시 참조하면, 가스 도입구(111)에는 에피택셜 성장을 위한 소스 가스 및 공정 챔버를 세정하기 위한 HCL 가스의 유입을 위한 메인 밸브(미도시)가 마련되며, 가스 도입구(111) 하단에는 반응 가스의 이동 및 공정 중 발생하는 불순물을 이동시키기 위한 캐리어 가스인 수소 가스가 유입되는 슬릿 밸브(미도시)가 마련된다.
공정 챔버에 대한 세정을 실시하는 과정에서, 상기 메인 밸브에서 유입되는 소정의 HCL 가스와 슬릿 밸브에서 유입되는 수소 가스가 혼합되어 챔버 내부를 통해 이동하면서 에칭이 진행된다. 본 발명에서는 이러한 에칭이 진행되는 동시에, 메인 샤프트(120) 내부에 마련된 가스 튜브(115)를 사용하여 에칭 가스를 서셉터(130) 정중앙 상부에 위치하는 상부 덮개(104)를 향해 소정의 압력으로 분사한다. 따라서, 서셉터 중심 상부에 위치하는 상부 덮개는 종래의 메인 밸브 및 슬릿 밸브에서 유입되는 에칭 가스에 의한 에칭 반응 및 가스 튜브(115)로 인한 에칭이 동시에 수행되며, 가스유입구와 가스배출구간의 에칭 반응에 편차가 생기는 것을 감소시킬 수 있다.
상기 상부 덮개(104)의 상부에는 파이로미터(Pyrometer, 117)가 배치되어, 공정 챔버 내부의 온도를 비접촉식으로 측정하여, 측정된 온도에 따라 공정 조건을 변화시킨다. 특히, 파이로미터(117)는 웨이퍼의 중심의 온도를 측정하기 위해 서셉터(113)의 중앙에 위치하며, 서셉터(113)의 중앙을 투과하는 상부 덮개에 오염물질이 증착되면 파이로미터의 측정값에 오차가 생기게 된다. 따라서, 실시예에 따른 가스 튜브(115)를 통한 에칭 가스의 분사는 상기 파이로미터(117)의 측정영역에 해당하는 상부 덮개의 A 영역에 대해 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 가스 튜브(115)의 일단은 별도의 가스 공급관으로 연결되어 소정의 HCL 가스와 수소 가스가 혼합된 에칭 가스를 사용할 수 있다. 따라서, 상부 덮개에 대한 에칭은 메인 밸브에서 유입되는 HCL 가스와 수소 가스에 의한 에칭과 동시에 실시될 수 있고, 추가적인 공정 시간이 발생하지 않으므로, 웨이퍼의 생산 수율은 일정하게 유지할 수 있으며 챔버 내부를 균일하게 에칭할 수 있어 설비의 주기적인 정기점검 주기를 감소시킬 수 있고, LLS 품질을 개선할 수 있다.
통상적으로 공정 챔버에 대한 에칭을 실시할 시, 수소 가스는 메인 밸브와 슬릿 밸브에서 각각 분사되어 서셉터의 상부와 하부로 흐르게 된다. 그리고 HCL 가스는 메인 밸브를 통해 분사되며, 상기 수소 가스와 혼합되어 공정 챔버 내부를 에칭하면서 가스배출구쪽으로 이동한다. HCL 가스와 수소 가스는 유입되는 양을 개별적으로 제어할 수 있으며, HCL 가스의 농도를 높여 공정 챔버의 에칭 효율을 증가시킬 수 있다. 그러나, HCL 가스의 농도를 높이기 위해 수소 가스의 양이 줄어들면, 공정 챔버의 센터쪽으로 에칭 가스의 이동이 감소되어 가스유입구와 가스배출구간의 에칭량에 차이가 발생하고 상부 덮개에 오염물질이 증착될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같이 HCL 가스의 농도를 높여 공정 챔버에 대한 에칭 효율을 증가시키면서도, 공정 챔버 센터에 마련된 가스 튜브에서 유입되는 에칭 가스가 상부 덮개를 에칭하므로 공정 챔버 내부에 대한 세정을 균일하게 실시할 수 있다.
한편, HCL 가스는 메인 밸브를 통해 분사되는 양과 서셉터 중심부의 가스 튜브를 통해 분사되는 양이 동일하도록 제어될 수 있지만, 수소 가스의 경우에는 메인 밸브를 통해 분사되는 양이 서셉터 중심부의 가스 튜브를 통해 분사되는 양보다 크도록 제어되는 것이 바람직하다. 서셉터 중심부의 가스 튜브를 통해 분사되는 HCL 가스는 상부 덮개를 에칭하여 증착된 오염물질을 식각하게 되며, 상기와 같이 식각되어 박리된 오염물질은 가스배출구쪽으로 원할하게 이동되어야 한다. 따라서, 메인 밸브에서 분사되어 서셉터의 상면을 따라서 에칭 가스를 가스배출구 쪽으로 이동시키는 수소 가스의 양이 가스 튜브를 통해 분사되는 수소 가스의 양보다 많도록 설정될 수 있다.
즉 본 발명은, 공정 챔버의 세정 시간을 종래와 동일하게 하면서도 상부 덮개에 대한 에칭 효율을 증가시킴으로써, 공정 챔버 내부의 세정 효율을 전체적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 공정 챔버 내부의 온도를 측정하는 파이로미터에 의한 측정값에 오차가 발생하지 않기 때문에 공정 조건의 잦은 변화 또는 웨이퍼에 가해지는 스트레스를 방지하여, 안정적으로 에피택셜 웨이퍼를 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
113: 서셉터
114: 관통홀
115: 가스 튜브
120: 메인 샤프트

Claims (4)

  1. 웨이퍼에 대한 에피택셜 성장이 수행되는 공정 챔버를 세정하는 장치로서,
    상기 공정 챔버 일단에 형성된 가스유입구와, 타단에 형성된 가스배출구;
    상기 공정 챔버의 상부 및 하부를 둘러싸는 상부 덮개 및 하부 덮개;
    상기 웨이퍼가 안착되는 서셉터;
    상기 서셉터 하부에 배치되는 메인 샤프트 및 서셉터 지지대; 및
    상기 메인 샤프트의 내부에 삽입된 가스 튜브를 포함하고,
    상기 서셉터의 중심부에는 소정의 크기로 관통홀이 형성되고,
    상기 가스 튜브의 일부는 상기 관통홀에 삽입되고,
    상기 가스 튜브는 제1 에칭 가스를 상기 서셉터와 상기 상부 덮개 사이에서 수평 방향으로 분사하여 상기 공정 챔버를 에칭하는 동시에, 상기 서셉터의 관통홀을 통해 상기 상부 덮개를 향하여 제2 에칭 가스를 분사하여, 상기 상부 덮개에 대한 에칭을 실시하는 것을 특징으로 하는 공정 챔버의 세정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 덮개의 상부에 배치되며 공정 챔버 내부의 온도를 측정하는 파이로미터를 더 포함하고, 상기 제2 에칭 가스의 분사는 상기 파이로미터의 측정영역에 해당하는 상부 덮개의 영역에 대해 이루어지는 것을 특징으로 하는 공정 챔버의 세정 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 가스유입구 측에서 분사되는 수소 가스의 양은 상기 메인 샤프트 내의 가스 튜브에서 분사되는 수소 가스의 양보다 많도록 설정되는 공정 챔버의 세정 장치.
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