KR102193666B1 - 샤워헤드조립체 및 그를 가지는 기판처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 식각, 증착 등 기판처리를 수행하는 기판처리장치의 샤워헤드조립체 및 그를 가지는 기판처리장치에 관한 것이다.
본 발명은, 기판처리를 위한 처리공간(S1)을 형성하는 공정챔버(100)와; 상기 공정챔버(100)에 설치되어 기판(10)을 지지하는 기판지지부(190)와; 상기 기판지지부(150)의 상부에 설치되어 공정수행을 위한 가스를 분사하는 샤워헤드조립체(130)를 포함하는 기판처리장치의 샤워헤드조립체로서, 상기 샤워헤드조립체(130)는, 중심(C)에 가스도입구(133)가 형성되는 탑플레이트(132)와; 상기 탑플레이트(132)의 하부에 설치되어 상기 처리공간(S1)으로 가스를 분사하기 위한 다수의 분사구(131a)들이 형성된 분사플레이트(131)를 포함하며, 상기 탑플레이트(132) 및 상기 분사플레이트(131) 사이에는, 가스가 확산되는 확산공간(S2)이 형성되며, 상기 탑플레이트(132) 하부면의 상기 가스도입구(133) 주변에는, 상기 가스도입구(133)를 통해 유입된 가스가 상기 분사플레이트(131) 상면에 충돌하여 와류가 형성되는 것을 방지하는 와류형성방지부가 구비되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드조립체를 개시한다.

Description

샤워헤드조립체 및 그를 가지는 기판처리장치 {Showerhead and substrate processing apparatus having the same}
본 발명은 기판처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 식각, 증착 등 기판처리를 수행하는 기판처리장치의 샤워헤드조립체 및 그를 가지는 기판처리장치에 관한 것이다.
메모리소자, CPU 등의 시스템 LSI와 같은 반도체 등을 제조하기 위해서는, 실리콘 웨이퍼 기판에 대한 식각, 증착 등의 기판처리공정(반도체공정)을 거쳐야 한다.
그리고 식각, 증착 등의 기판처리공정을 위한 기판처리장치는, 밀폐된 처리공간을 형성하는 공정챔버와, 기판을 지지하는 기판지지부와, 공정챔버의 상부에 설치되어 처리공간에 가스를 분사하는 샤워헤드조립체를 포함하여 구성됨이 일반적이다.
상기와 같은 구성을 가지는 종래의 기판처리장치는, 샤워헤드 내부에 구비된 확산공간에서 가스의 확산 후 처리공간으로 가스를 분사시키면서 공정종류에 따라서 전원인가에 의한 플라즈마 형성, 가열 등을 통하여 기판처리를 수행함이 일반적이다.
그런데 종래의 기판처리장치에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 샤워헤드 내에 구비된 확산공간에서의 가스의 흐름에 와류가 발생되며 처리공간에서도 가스흐름에 와류가 발생되어 증착높이가 기판의 위치에 따라서 달라지는 등 균일한 기판처리가 불가능해지는 문제점이 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 확산공간에서의 가스의 와류형성을 최소화함으로써 처리공간으로의 가스분사의 제어를 용이하게 하여 공정조건을 최적화할 수 있는 샤워헤드조립체 및 그를 가지는 기판처리장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은, 기판처리를 위한 처리공간(S1)을 형성하는 공정챔버(100)와; 상기 공정챔버(100)에 설치되어 기판(10)을 지지하는 기판지지부(190)와; 상기 기판지지부(150)의 상부에 설치되어 공정수행을 위한 가스를 분사하는 샤워헤드조립체(130)를 포함하는 기판처리장치의 샤워헤드조립체로서, 상기 샤워헤드조립체(130)는, 중심(C)에 가스도입구(133)가 형성되는 탑플레이트(132)와; 상기 탑플레이트(132)의 하부에 설치되어 상기 처리공간(S1)으로 가스를 분사하기 위한 다수의 분사구(131a)들이 형성된 분사플레이트(131)를 포함하며, 상기 탑플레이트(132) 및 상기 분사플레이트(131) 사이에는, 가스가 확산되는 확산공간(S2)이 형성되며, 상기 탑플레이트(132) 하부면의 상기 가스도입구(133) 주변에는, 상기 가스도입구(133)를 통해 유입된 가스가 상기 분사플레이트(131) 상면에 충돌하여 와류가 형성되는 것을 방지하는 와류형성방지부가 구비되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드조립체를 개시한다.
상기 분사플레이트(131)의 상면은, 평평하며, 상기 분사플레이트(131)의 상면과 대향되는 상기 탑플레이트(132)의 저면은, 상기 노즐영역을 형성하도록 상기 중심(C)을 기준으로 원주방향을 따라서 하측으로 볼록하게 형성된 볼록면부(134)가 형성될 수 있다.
상기 볼록면부(134)는, 상기 가스공급관(190)과의 연결을 위한 가스도입구(133)으로부터 형성되며, 상기 탑플레이트(132)는, 상기 볼록면부(134)를 제외한 나머지 부분에서 상기 분사플레이트(131)의 상면과 평행을 이룰 수 있다.
상기 중심(C)으로부터 상기 기판지지부(150)에 지지된 기판(10)의 가장자리(Wr)까지의 거리를 1이라 할 때, 상기 중심(C)으로부터 상기 볼록면부(134)의 끝단의 위치는, 0.24~0.27인 것이 바람직하다.
상기 중심(C)으로부터 상기 기판지지부(150)에 지지된 기판(10)의 가장자리(Wr)까지의 거리를 1이라 할 때, 상기 볼록면부(134)의 최하점(138)(T)의 위치는, 상기 중심(C)으로부터 0.098~0.15인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 기판처리를 위한 처리공간(S1)을 형성하는 공정챔버(100)와; 상기 공정챔버(100)에 설치되어 기판(10)을 지지하는 기판지지부(190)와; 상기 기판지지부(150)의 상부에 설치되어 공정수행을 위한 가스를 분사하는 샤워헤드조립체(130)로서 상기와 같은 구성을 가지는 샤워헤드조립체(130)를 포함하는 기판처리장치를 개시한다.
본 발명에 따른 샤워헤드조립체 및 그를 가지는 기판처리장치는, 탑플레이트 하부면의 가스도입구 주변에 가스도입구를 통해 유입된 가스가 분사플레이트 상면에 충돌하여 와류가 형성되는 것을 방지하는 와류형성방지부가 구비함으로써, 탑플레이트 및 분사플레이트에 의하여 형성되는 확산공간에서 가스의 와류형성을 최소화함으로써 처리공간으로의 가스분사의 제어를 용이하게 하여 공정조건을 최적화할 수 있다.
다시말하면, 본 발명에 따른 샤워헤드조립체 및 그를 가지는 기판처리장치는, 확산공간에 수직 횡단면의 감소 후 다시 증가하는 와류형성방지부를 형성함으로써 확산공간에 가스의 와류형성을 최소화함으로써 처리공간으로의 가스분사의 제어를 용이하게 하여 공정조건을 최적화할 수 있다.
특히 본 발명에 따른 샤워헤드조립체 및 그를 가지는 기판처리장치는, 확산공간에 와류형성방지부의 형성에 의하여 와류형성을 최소화하게 되면 그에 따른 처리공간에서의 와류형성이 최소화되어 처리공간에서 안정적인 가스흐름의 형성이 가능하여 균일한 기판처리 환경을 제공할 수 있는 이점이 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 기판처리장치를 보여주는 단면도이다.
도 2는, 도 1의 기판처리장치에 설치되는 샤워헤드조립체 중 탑플레이트의 저면을 보여주는 저면도이다.
도 3은, 도 1에서 A부분을 확대한 확대 단면도이다.
도 4는, 종래의 샤워헤드조립체에서의 가스흐름의 시뮬레이션을 보여주는 도면으로서, 와류형성방지부를 구비하지 않은 상태의 시뮬레이션 도면이다.
도 5는, 본 발명에 따른 샤워헤드조립체에서 와류형성방지부를 구비한 경우의 가스흐름의 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
이하 본 발명에 따른 샤워헤드조립체 및 그를 가지는 기판처리장치에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 기판처리장치는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 기판처리를 위한 처리공간(S1)을 형성하는 공정챔버(100)와; 공정챔버(100)에 설치되어 기판(10)을 지지하는 기판지지부(190)와; 기판지지부(150)의 상부에 설치되어 공정수행을 위한 가스를 분사하는 샤워헤드조립체(130)를 포함한다.
여기서 기판처리의 대상인 기판(10)은, 식각, 증착 등 기판처리를 요하는 기판이면 반도체 제조용 웨이퍼 등이 될 수 있다.
상기 공정챔버(100)는, 기판처리를 위한 밀폐된 처리공간(S1)을 형성하는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.
예로서, 상기 공정챔버(100)는, 상측이 개구된 챔버본체(110)와, 챔버본체(110)의 개구에 탈착가능하게 결합된 상부리드(120)를 포함할 수 있다.
상기 챔버본체(110)는, 기판지지부(150) 등이 설치되는 구성으로서 다양한 구성이 가능하며, 처리공간(S1)에 기판(10)의 도입 및 배출을 위한 내측벽에 하나 이상의 게이트(111)가 형성될 수 있다.
상기 게이트(111)는, 처리공간(S1)에 기판(10)의 도입 및 배출을 위해 공정챔버(100)에 형성되는 구조로서 다양한 구조가 가능하다.
그리고 상기 챔버본체(110)는, 공정조건에 따라서 다양한 구조를 가질 수 있으며,
상기 상부리드(120)는, 챔버본체(110)의 개구를 복개하여 챔버본체(110)와 함께 밀폐된 처리공간(S1)을 형성하는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.
일예로서, 상기 상부리드(120)는, 절연부재(121)가 개재되어 후술하는 샤워헤드조립체(130)가 관통되어 설치될 수 있도록 중앙부에 개구가 형성되는 등 다양한 구성이 가능하다.
상기 기판지지부(150)는, 공정챔버(100) 내 처리공간(S1)의 하측에 설치되어 기판(10)을 지지하는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.
예로서, 상기 기판지지부(150)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 게이트(111)를 통한 기판(10)의 도입 및 배출을 위하여 상하이동이 가능하도록 설치될 수 있다.
그리고 상기 기판지지부(150)는, 기판(10)을 가열하거나, 냉각하는 등 온도제어를 위하여 히터 등 온도제어부재가 추가로 설치될 수 있다.
한편 상기 공정챔버(100)는, 기판처리공정의 종류, 공정조건에 따라서 RF전원인가, 접지 등 전원이 인가될 수 있으며, 처리공간(S1)의 압력제어 및 배기를 위하여 진공펌프(미도시)와 연결되는 배기관(140)이 연결될 수 있다.
상기 샤워헤드조립체(130)는, 기판지지부(150)의 상부에 설치되어 공정수행을 위한 가스를 분사하는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.
예로서, 상기 샤워헤드조립체(130)는, 중심(C)에 가스도입구(133)가 형성되는 탑플레이트(132)와; 탑플레이트(132)의 하부에 설치되어 처리공간(S1)으로 가스를 분사하기 위한 다수의 분사구(131a)들이 형성된 분사플레이트(131)를 포함할 수 있다.
상기 탑플레이트(132)는, 중심(C)에 가스도입구(133)가 형성되는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.
예로서, 상기 탑플레이트(132)는, 후술하는 분사플레이트(131)의 상부에 분사플레이트(131)와 간격을 두고 설치되어 확산공간(S2)를 형성하며 중심(C)에서 가스공급관(190)과 연결되는 가스도입구(133)가 형성되는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.
그리고 상기 탑플레이트(132)는, 분사플레이트(131)와 함께 확산공간(S2)을 형성하며, 기판처리의 대상인 기판(10)의 형상, 예를 들면 원형의 웨이퍼와 같은 원형 플레이트로 이루어질 수 있다.
여기서 상기 탑플레이트(132)는, 중심(C)에서 가스공급관(190)과 연결되기 위한 가스도입구(133)이 형성된다.
상기 분사플레이트(131)는, 탑플레이트(132)의 하부에 설치되어 처리공간(S1)으로 가스를 분사하기 위한 다수의 분사구(131a)들이 형성되는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.
또한 상기 분사플레이트(131)는, 가스를 확산시키는 확산공간(S2)이 상부에 설치되며 확산공간(S2)에서 확산된 가스를 처리공간(S1)으로 가스를 분사하는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.
예로서, 상기 분사플레이트(131)는, 그 상부에 형성된 확산공간(S2)에서 확산된 가스를 처리공간(S1)으로 분사하기 위하여 다수의 분사구(131a)들이 형성되며 기판처리의 대상인 기판(10)의 형상, 예를 들면 원형의 웨이퍼와 같은 원형 플레이트로 이루어질 수 있다.
상기 확산공간(S2)은, 상부에 설치된 탑플레이트(132)와 함께 형성되어 처리공간(S1)에 분사되는 가스의 확산을 위한 공간으로서, 분사플레이트(210) 및 탑플레이트(132) 사이에 미리 설정된 간격에 의하여 형성될 수 있다.
상기 다수의 분사구(131a)들은, 공정수행을 위한 가스를 처리공간(S1)에 가스를 분사하도록 분사플레이트(210)에 형성되는 구성으로서 공정조건에 따라서 다양한 구조 및 패턴으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 다수의 분사구(131a)들은, 그 직경, 분포, 수직구조 등 다양한 구조를 가질 수 있다.
한편 앞서 설명한 바와 같이, 상기 탑플레이트(132)에 형성된 가스도입구(133)를 통해 확산공간(S2)으로 유입된 가스가 분사플레이트(131) 상면에 충돌하여 와류가 형성되는 균일한 기판처리가 불가능해지는 문제점이 있다.
이에, 본 발명에 따른 샤워헤드조립체(130)는, 탑플레이트(132) 하부면의 가스도입구(133) 주변에 가스도입구(133)를 통해 유입된 가스가 분사플레이트(131) 상면에 충돌하여 와류가 형성되는 것을 방지하는 와류형성방지부가 구비됨을 특징으로 한다.
상기 와류형성방지부는, 확산공간(S2)에서의 가스의 와류의 형성을 최소화하기 위하여, 확산공간(S2)이 가스공급관(190)이 중심(C)을 가로지는 횡단면이 중심(C)으로부터 외곽으로 가면서 감소 후 다시 증가하도록 형성되어 구현될 수 있다.
그리고 상기 와류형성방지부는, 확산공간(S2) 중 가스공급관(190)이 중심(C)을 가로지는 횡단면이 중심(C)으로부터 외곽으로 가면서 감소 후 다시 증가하는 영역으로서 다양한 구조에 의하여 형성될 수 있다.
예로서, 상기 와류형성방지부는, 확산공간(S2)의 형성을 위하여, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 가스도입구(133)를 중심(C)으로 하여 원주방향으로 볼록하게 형성된 볼록면부(134)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 분사플레이트(131)의 상면은, 평평하게 형성될 수 있다.
상기 볼록면부(134)는, 가스도입구(133)를 중심(C)으로 하여 원주방향으로 볼록하게 형성되는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.
예로서, 상기 볼록면부(134)는, 분사플레이트(131)의 상면과 대향되는 탑플레이트(132)의 저면에서 중심(C)을 기준으로 원주방향을 따라서 하측으로 볼록하게 형성된 부분으로서 실험 등을 통하여 최적화된 기하학적 조건을 가질 수 있다.
보다 구체적인 예로서, 상기 볼록면부(134)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 가스도입구(133)의 중심을 가로지른 수직단면의 저면 형상이 볼록면부(134)의 최하점(138)을 기준으로 가스도입구(133)로부터 볼록면부(134)의 최하점(138)까지 하향 경사지며, 볼록면부(134)의 최하점(138)으로부터 탑플레이트(132) 외측을 향해 상향 경사지는 곡선을 이룰 수 있다.
그리고 상기 볼록면부(134)를 이루는 곡선은, 타원의 일부형상, 즉, 타원의 중심을 가로지르는 중심선에 의해 구획되는 반면보다 작은 부분에 대응되는 타원의 일부형상을 가질 수 있다.
한편 상기 탑플레이트(132)는, 볼록면부(134)를 제외한 나머지 부분, 분사플레이트(131)의 상면과 평행을 이루어 형성될 수 있다.
그리고 상기 볼록면부(134)는, 가스흐름의 왜곡을 최소화하기 위하여 시작부분(Pi)인 가스도입구(133)와 연결되는 부분 및 끝부분(Pe)에서 탑플레이트(132)의 저면의 나머지 부분과 연결되는 부분이 완만한 곡선으로 형성됨이 바람직하다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 시작부분(Pi)은, 볼록한 곡선으로 형성되며, 끝부분(Pe)은 오목한 곡선으로 형성될 수 있다.
도 4는, 종래의 샤워헤드조립체에서의 가스흐름의 시뮬레이션을 보여주는 도면으로서, 와류형성방지부를 구비하지 않은 상태의 시뮬레이션 도면이며, 도 5는, 본 발명에 따른 샤워헤드조립체에서 와류형성방지부를 구비한 경우 가스흐름의 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명과 같이 확산영역(S2)에 와류형성방지부의 형성, 즉 탑플레이트(132)에 볼록면부(134)가 형성된 경우 확산영역(S2)에서 가스흐름의 와류가 현저히 감소됨을 알 수 있다.
한편 상기와 같은 최적조건을 위하여, 상기 가스도입구(133)의 중심(C)으로부터 기판지지부(150)에 지지된 기판(10)의 가장자리(Wr)까지의 (수평)거리를 1이라 할 때, 중심(C)으로부터 볼록면부(134)의 끝단의 위치는, 0.24~0.27에 위치(수평거리)되는 것이 바람직하며, 0.26인 것이 보다 바람직하다.
또한 상기 가스도입구(133)의 중심(C)으로부터 기판지지부(150)에 지지된 기판(10)의 가장자리(Wr)까지의 (수평)거리를 1이라 할 때, 가스도입구(133)의 중심(C)으로부터 볼록면부(134)의 최하점(138)의 위치는, 중심(C)으로부터 0.098~0.15에 위치(수평거리)되는 것이 바람직하며, 0.11이 보다 바람직하다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
100 : 공정챔버 190 : 기판지지부
130 : 샤워헤드조립체 S2 : 확산공간

Claims (7)

  1. 기판처리를 위한 처리공간(S1)을 형성하는 공정챔버(100)와;
    상기 공정챔버(100)에 설치되어 기판(10)을 지지하는 기판지지부(150)와;
    상기 기판지지부(150)의 상부에 설치되어 공정수행을 위한 가스를 분사하는 샤워헤드조립체(130)를 포함하는 기판처리장치의 샤워헤드조립체로서,
    상기 샤워헤드조립체(130)는,
    중심(C)에 가스도입구(133)가 형성되는 탑플레이트(132)와;
    상기 탑플레이트(132)의 하부에 설치되어 상기 처리공간(S1)으로 가스를 분사하기 위한 다수의 분사구(131a)들이 형성된 분사플레이트(131)를 포함하며,
    상기 탑플레이트(132) 및 상기 분사플레이트(131) 사이에는, 가스가 확산되는 확산공간(S2)이 형성되며,
    상기 탑플레이트(132) 하부면의 상기 가스도입구(133) 주변에는, 상기 가스도입구(133)를 통해 유입된 가스가 상기 분사플레이트(131) 상면에 충돌하여 와류가 형성되는 것을 방지하는 와류형성방지부가 구비되며,
    상기 와류형성방지부는, 상기 확산공간(S2)이 상기 가스도입구(133)의 중심(C)을 가로지르는 횡단면이 상기 중심(C)으로부터 외곽으로 가면서 감소 후 다시 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 와류형성방지부는, 상기 가스도입구(133)를 중심으로 하여 원주방향으로 볼록하게 형성된 볼록면부(134)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 샤워헤드조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 볼록면부(134)는, 상기 가스도입구(133)의 중심을 가로지른 수직단면의 저면 형상이 상기 볼록면부(134)의 최하점(138)을 기준으로 상기 가스도입구(133)로부터 상기 볼록면부(134)의 상기 최하점(138)까지 하향 경사지며, 상기 볼록면부(134)의 상기 최하점(138)으로부터 상기 탑플레이트(132) 외측을 향해 상향 경사지는 곡선을 이루는 것을 특징으로 하는 샤워헤드조립체.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 볼록면부(134)는, 상기 가스도입구(133)의 중심을 가로지른 수직단면의 저면 형상이 타원 중 일부의 형상인 것을 특징으로 하는 샤워헤드조립체.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 가스도입구(133)의 중심(C)으로부터 상기 기판지지부(150)에 지지된 기판(10)의 가장자리(Wr)까지의 수평거리를 1이라 할 때,
    상기 가스도입구(133)의 중심(C)으로부터 상기 볼록면부(134)의 외측 끝단의 위치는, 상기 기판(10)의 가장자리(Wr)까지의 수평거리의 0.24~0.27에 위치하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 샤워헤드조립체.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 가스도입구(133)의 중심(C)으로부터 상기 기판지지부(150)에 지지된 기판(10)의 가장자리(Wr)까지의 수평거리를 1이라 할 때,
    상기 가스도입구(133)의 중심(C)으로부터 상기 볼록면부(134)의 최하점(138)의 위치는, 상기 기판(10)의 가장자리(Wr)까지의 수평거리의 0.098~0.15에 위치하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치의 샤워헤드조립체.
  7. 기판처리를 위한 처리공간(S1)을 형성하는 공정챔버(100)와;
    상기 공정챔버(100)에 설치되어 기판(10)을 지지하는 기판지지부(150)와;
    상기 기판지지부(150)의 상부에 설치되어 공정수행을 위한 가스를 분사하는 샤워헤드조립체(130)로서 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 항에 따른 샤워헤드조립체(130)를 포함하는 기판처리장치.
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