KR102227909B1 - 배치식 기판처리장치 및 그 운용방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배치식 기판처리장치 및 그 운용방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응튜브의 인시튜(in-situ) 세정 주기를 늘릴 수 있는 배치식 기판처리장치 및 그 운용방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 배치식 기판처리장치는 기판이 다단으로 적재되는 기판보트를 수용하는 내부 공간을 갖는 종형의 반응튜브; 상기 반응튜브의 내부에 증착가스를 공급하는 증착가스 공급부; 상기 반응튜브의 외측에 배치되어, 상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공하는 히터부; 및 상기 반응튜브의 내벽에 코팅되어, 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층이 부착되는 부착층;을 포함할 수 있다.

Description

배치식 기판처리장치 및 그 운용방법{Batch type substrate processing apparatus and method for operating the same}
본 발명은 배치식 기판처리장치 및 그 운용방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응튜브의 인시튜(in-situ) 세정 주기를 늘릴 수 있는 배치식 기판처리장치 및 그 운용방법에 관한 것이다.
배치식(Batch type) 기판처리장치에서 다단으로 적재된 기판(Wafer)에 박막을 증착하는 경우에는 기판뿐만 아니라 증착가스에 노출되는 종형의 반응튜브 내벽에도 박막의 부산물층이 형성된다. 기판에는 박막이 특정 두께로 1번만 증착이 되지만, 반응튜브의 내벽에는 새로운 기판이 반입(loading)될 때마다 부산물층이 누적되어 부착(또는 증착)된다. 이렇게 반응튜브의 내벽에 부착된 부산물층은 지속적인 열 변화에 노출되게 되고, 열 응력(thermal stress)으로 인해 부산물층에 크랙(crack) 및/또는 박리가 발생하여 반응튜브의 내벽으로부터 부산물층의 작은 입자들이 떨어지게 된다. 이러한 부산물층의 작은 입자들이 기판 상에 떨어지게 되면, 파티클(Particle)로 작용하여 박막을 포함한 제품의 특성 및/또는 수율을 저하시킬 수 있다.
특히, 석영(Quartz)으로 이루어진 일반적인 반응튜브에서 배선을 위한 금속층 또는 집적 회로(Integrated Circuit; IC)에서 확산 장벽(Diffusion Barrier) 역할을 하거나, 준금속과 금속 사이에서 접착층(glue layer)으로 사용되는 질화물(예를 들어, TiN, TaN 등) 박막을 증착하는 경우에는 산화물인 석영(SiO2)으로 이루어진 반응튜브의 내벽 표면에 금속 또는 질화물 등 이종(異種)의 부산물층이 부착되어 더욱 문제가 된다.
한국등록특허공보 제10-0805781호
본 발명은 반응튜브의 내벽 상에 부착된 증착부산물층을 제거하는 반응튜브의 인시튜(in-situ) 세정 주기를 증가시킬 수 있는 배치식 기판처리장치 및 그 운용방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 배치식 기판처리장치는 기판이 다단으로 적재되는 기판보트를 수용하는 내부 공간을 갖는 종형의 반응튜브; 상기 반응튜브의 내부에 증착가스를 공급하는 증착가스 공급부; 상기 반응튜브의 외측에 배치되어, 상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공하는 히터부; 및 상기 반응튜브의 내벽에 코팅되어, 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층이 부착되는 부착층;을 포함할 수 있다.
상기 부착층은 상기 반응튜브의 열팽창계수와 상기 증착부산물층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 가질 수 있다.
상기 부착층과 상기 증착부산물층의 열팽창계수 차이는 상기 부착층과 상기 반응튜브의 열팽창계수 차이보다 작을 수 있다.
상기 부착층은 상기 증착부산물층보다 낮은 탄성률을 가질 수 있다.
상기 반응튜브는 석영(Quartz)으로 이루어지며, 상기 증착부산물층은 질화물층이고, 상기 부착층은, 상기 반응튜브에 접하여 형성되는 산화물층; 및 상기 산화물층 상에 형성되어, 상기 증착부산물층의 부착면을 제공하는 산질화물층을 포함할 수 있다.
상기 부착층의 산화물층과 산질화물층은 동일 금속원소를 포함할 수 있다.
상기 증착부산물층은 전이금속 원소를 포함하고, 상기 부착층은 전이후금속 원소를 포함할 수 있다.
상기 증착부산물층을 제거하기 위한 세정가스를 공급하는 세정가스 공급부;를 더 포함하고, 상기 부착층은 상기 세정가스에 대해 상기 반응튜브보다 높은 내식성을 가질 수 있다.
상기 부착층은 0.1 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배치식 기판처리장치의 운용방법은 내벽에 부착층이 코팅된 종형의 반응튜브를 마련하는 과정; 상기 반응튜브의 내부 공간에 증착가스를 공급하여 기판보트에 다단으로 적재된 기판에 대한 증착 공정을 수행하는 과정; 상기 부착층에 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층이 부착되는 과정; 상기 증착부산물층의 부착 두께를 확인하는 과정; 및 계측된 상기 증착부산물층의 부착 두께가 미리 설정된 두께 이상인 경우에 상기 증착부산물층을 제거하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 반응튜브는 석영(Quartz)으로 이루어지며, 상기 증착부산물층은 질화물층이고, 상기 반응튜브를 마련하는 과정은, 상기 반응튜브의 내벽에 산화물층을 형성하는 과정; 및 상기 산화물층 상에 산질화물층을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 부착층의 두께는 0.1 내지 100 ㎛이고, 상기 증착부산물층을 제거하는 과정은 상기 증착부산물층의 부착 두께가 303 ㎚ 이상인 경우에 수행될 수 있다.
상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공하는 과정;을 더 포함하고, 상기 부착층은 상기 반응튜브의 열팽창계수와 상기 증착부산물층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 가질 수 있다.
상기 부착층은 상기 증착부산물층보다 낮은 탄성률을 가질 수 있다.
상기 증착부산물층을 제거하는 과정은 상기 증착부산물층을 제거하기 위한 세정가스를 공급하는 과정을 포함하고, 상기 부착층은 상기 세정가스에 대해 상기 반응튜브보다 높은 내식성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 배치식 기판처리장치는 반응튜브의 내벽에 부착층을 코팅하여 부착층의 표면에 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층이 부착되도록 유도함으로써, 증착부산물층이 반응튜브의 내벽 표면에 직접 부착되는 경우보다 파티클이 발생하기 시작하는 부착 두께가 증가할 수 있으며, 이에 따라 반응튜브의 인시튜(in-situ) 세정 주기를 늘릴 수 있고, 증착부산물층을 제거하는 공정(또는 세정 공정)없이 많은 횟수의 증착 공정을 수행할 수 있어 제품 생산성을 높일 수 있다.
또한, 질화물 박막의 증착 공정이 이루어지는 경우에 부착층의 표면에 산질화물층을 형성함으로써, 질화물인 증착부산물층과 부착층의 결합력을 향상시켜 파티클이 발생하기 시작하는 부착 두께를 보다 증가시킬 수 있다.
그리고 세정가스에 대해 반응튜브보다 높은 내식성을 갖는 부착층을 반응튜브의 내벽에 코팅함으로써, 세정가스에 의해 식각되어 반응튜브가 손상되는 것을 억제 또는 방지할 수 있고, 반응튜브의 장기 사용이 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배치식 기판처리장치를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 부착층과 증착부산물층의 결합을 설명하기 위한 개념도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배치식 기판처리장치의 운용방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 배치식 기판처리장치를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 배치식 기판처리장치(100)는 기판(10)이 다단으로 적재되는 기판보트(115)를 수용하는 내부 공간을 갖는 종형의 반응튜브(110); 상기 반응튜브(110)의 내부에 증착가스를 공급하는 증착가스 공급부(120); 상기 반응튜브(110)의 외측에 배치되어, 상기 반응튜브(110)의 내부에 열에너지를 제공하는 히터부(130); 및 상기 반응튜브(110)의 내벽에 코팅되어, 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층(15)이 부착되는 부착층(140);을 포함할 수 있다.
반응튜브(110)는 기판(10)이 다단으로 적재되는 기판보트(115)를 수용하는 내부 공간을 가질 수 있으며, 종형(vertical type)으로 형성될 수 있다. 여기서, 기판보트(115)는 배치식(Batch type)으로 기판(10)에 대한 증착 공정을 수행하기 위해 복수의 기판(10)이 다단으로(또는 상하방향으로) 적재될 수 있으며, 기판(10)에 대한 증착 공정을 위해 반응튜브(110)의 내부 공간(또는 공정 공간)에 수용될 수 있다. 반응튜브(110)의 내부 공간에는 기판(10)에 대한 증착 공정 시에 기판보트(115)가 수용될 수 있으며, 기판보트(115)에 적재된 기판(10) 상에 박막이 증착될 수 있다. 이때, 반응튜브(110)는 단일 튜브로 이루어질 수도 있고, 복수의 튜브로 이루어질 수도 있으며, 기판보트(115)가 수용되어 기판(10)에 대한 증착 공정이 수행될 수 있는 공정 공간을 제공할 수 있으면 족하다. 예를 들어, 반응튜브(110)는 외부 튜브(outer tube)와 내부 튜브(inner tube)로 구성될 수 있으며, 이러한 경우에 상기 내부 튜브의 내벽에 부착층(140)이 코팅될 수 있다.
증착가스 공급부(120)는 반응튜브(110)의 내부에 증착가스를 공급할 수 있다. 여기서, 증착가스 공급부(120)는 증착가스 노즐(121), 증착가스 공급배관(122) 및 증착가스 공급원(미도시)을 포함할 수 있다. 증착가스 노즐(121)은 반응튜브(110) 내에 삽입될 수 있고, 반응튜브(110)의 내주면을 따라서 수직으로 연장되어, 내측을 향해서 형성된 복수의 가스분사구(121a)로부터 기판(10)에 증착가스를 공급 가능하게 구성될 수 있다. 이때, 증착가스 노즐(121)은 석영(Quartz)으로 구성될 수 있다. 상기 증착가스는 박막 증착(또는 성막)에 필요한 가스가 공급될 수 있으며, 서로 반응하여 반응 생성물을 생성하는 복수의 가스가 공급될 수도 있고, 상기 증착가스로 복수의 가스가 공급되는 경우에는 복수의 증착가스 노즐이 구비될 수도 있다. 예를 들어, 상기 증착가스는 실리콘 함유 가스, 유기 금속 함유 가스 등의 원료 가스와 이들 원료 가스를 산화시키는 산화 가스 또는 원료 가스를 질화하는 질화 가스의 조합으로 사용될 수 있다.
증착가스 공급배관(122)은 증착가스 노즐(121)에 상기 증착가스를 전달(또는 공급)할 수 있으며, 일단이 증착가스 노즐(121)에 연결되고, 타단이 증착가스 공급원(미도시)에 연결될 수 있다.
증착가스 공급원(미도시)은 증착가스 노즐(121)에 상기 증착가스를 공급하기 위한 가스 저류원일 수 있으며, 용도에 따라서 다양한 증착가스를 증착가스 노즐(121)에 공급할 수 있고, 증착가스 공급배관(122)을 통해 증착가스 노즐(121)에 상기 증착가스를 공급할 수 있다.
히터부(130)는 반응튜브(110)의 외측에 배치되어, 반응튜브(110)의 내부에 열에너지를 제공할 수 있으며, 반응튜브(110)의 내부가 가열되도록 할 수 있고, 기판(10)의 가열 처리를 실시할 수 있다. 히터부(130)는 반응튜브(110)의 외측에 반응튜브(110)의 둘레를 따라 제공될 수 있으며, 반응튜브(110)의 외측에서 반응튜브(110)의 측벽을 통해 반응튜브(110)의 내부에 열을 공급할 수 있다. 예를 들어, 히터부(130)는 통 형상(예를 들어, 원통 형상)의 단열부재와 상기 단열부재의 내주(면)에 제공되는 발열체로 이루어질 수 있고, 높이 방향으로 복수의 영역(zone)으로 나뉘어 온도 제어가 가능하도록 구성될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 부착층과 증착부산물층의 결합을 설명하기 위한 개념도로, 도 2(a)는 단일층의 부착층을 나타내며, 도 2(b)는 복수의 층으로 이루어진 부착층을 나타내고, 도 2(c)는 인장에 의한 박리를 나타내며, 도 2(d)는 압축에 의한 박리를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 부착층(140)은 반응튜브(110)의 내벽에 코팅(coating)되어, 기판(10)에 증착되고 남는 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층(15)이 부착(또는 증착)될 수 있다. 상기 증착가스를 통해 기판(10)에 대한 증착 공정을 수행하는 경우, 기판(10)뿐만 아니라 상기 잉여의 증착가스에 노출되는 반응튜브(110)의 내벽에도 증착부산물층(15)이 부착될 수 있다. 기판(10)에는 상기 증착가스에 의해 형성된 박막이 특정 두께로 1번만 증착이 되지만, 반응튜브(110)의 내벽에는 새로운 기판(10)이 반입(loading)될 때마다 증착부산물층(15)이 누적되어 부착된다. 이렇게 반응튜브(10)의 내벽에 부착된 증착부산물층(15)은 박막 증착을 위한 기판(10)의 가열 처리와 기판(10)의 반출을 위한 반응튜브(110)의 냉각으로 인해 지속적인 열 변화에 노출될 수 밖에 없고, 열 응력(thermal stress)으로 인해 증착부산물층(15)에 크랙(crack) 및/또는 박리가 발생하여 반응튜브(110)의 내벽으로부터 박리된 증착부산물층(15)의 작은 입자들이 떨어지게 된다. 이러한 증착부산물층(15)의 작은 입자들이 기판(10) 상에 떨어지게 되면, 파티클(Particle)로 작용하여 박막을 포함한 제품의 특성 및/또는 수율을 저하시킬 수 있다. 여기서, 크랙은 인장 응력(tensile stress)에 의해 발생할 수 있으며, 증착부산물층(15)에 크랙이 발생하여 파편 박리(flake-off)가 발생할 수 있고, 압축 응력(compressive stress)에 의해서 크랙없이 층간 박리(delamination)가 발생할 수도 있다.
특히, 집적 회로(Integrated Circuit; IC)에서 확산 장벽(Diffusion Barrier) 역할을 하거나, 준금속(예를 들어, 실리콘)과 금속(예를 들어, 텅스텐) 사이에서 접착층(glue layer)으로 사용되는 질화티타늄(TiN) 박막은 내재 응력(Intrinsic Stress)이 매우 크고, 석영(Quartz)으로 이루어진 반응튜브의 내벽 표면에 부착되게 되면, 석영과의 열팽창계수 차이가 많이 나서 열 응력(Thermal Stress)에 취약하다. 결국 반응튜브의 내벽 표면에 부착된 질화티타늄(TiN) 박막은 내재 응력뿐만 아니라 질화티타늄(TiN) 박막의 증착 공정 중 열변화에 의한 열 응력이 중첩되어 반응튜브의 내벽 표면에서 쉽게 떨어져 파티클로 작용할 수 있다. 이러한 파티클은 제품(Device)의 수율을 떨어뜨릴 수 있으며, 파티클 발생을 방지하기 위해서는 인시튜(In-Situ) 세정(Cleaning) 주기가 짧아져 생산성에 큰 영향을 미칠 수 있다.
또한, 기판보트(115)에 기판(10)을 다단으로 적재하여 증착 공정을 수행하는 배치식 기판처리장치(100)는 기판(10)의 증착면과 평행한 방향에서 상기 증착 가스를 분사하여 상기 증착 가스의 흐름(예를 들어, 층류(laminar flow))을 통해 기판(10)의 증착면에 박막을 증착시키므로, 기판(10)의 증착면과 수직한 방향에서 상기 증착 가스를 기판(10)의 증착면을 향해 직접 분사하는 매엽식 기판처리장치보다 공급되는 증착 가스가 많을 수 밖에 없고, 상대적으로 잉여의 증착가스도 많아지게 되어 반응튜브(110)의 내벽에 증착부산물층(15)이 보다 많이 두껍게 부착되게 됨으로써, 파티클이 발생하기 쉬워지기 때문에 더욱 문제가 된다.
부착층(140)은 증착부산물층(15)과의 결합력(또는 접착력)을 증착부산물층(15)과 반응튜브(110)의 결합력보다 향상시켜 증착부산물층(15)이 반응튜브(110)의 내벽 표면에 직접 부착되는 경우보다 파티클이 발생하기 시작하는 증착부산물층(15)의 부착 두께가 증가할 수 있으며, 이에 따라 반응튜브(110)의 인시튜(in-situ) 세정 주기를 늘릴 수 있고, 증착부산물층(15)을 제거하는 공정(또는 세정 공정)없이 많은 횟수의 증착 공정을 수행할 수 있어 제품 생산성을 높일 수 있다.
즉, 상기 증착부산물층(15)을 제거하는 공정을 수행할 때마다 증착부산물층(15)을 제거하는 데에 소요되는 시간뿐만 아니라 다시 증착 공정을 수행할 수 있는 상태(또는 조건)로 반응튜브(110)를 만들어주는 시간까지 공정 시간이 오래 걸리게 되는데, 이러한 상기 증착부산물층(15)을 제거하는 공정의 횟수를 줄여 제품 생산성이 높아질 수 있다. 그리고 증착부산물층(15)을 제거하는 세정가스 및 세정가스에 의해 증착부산물층(15)이 제거되어 만들어진 배출가스는 공해(또는 환경오염)의 요인이 될 수 있는데, 상기 증착부산물층(15)을 제거하는 공정의 횟수가 줄어들면 이를 줄일 수도 있다.
여기서, 부착층(140)은 반응튜브(110)의 열팽창계수(coefficient of expansion)와 증착부산물층(15)의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 가질 수 있다. 반응튜브(110)의 내벽 상에 부착된 증착부산물층(15)이 받는 열 응력은 증착부산물층(15)이 부착된 기재(또는 부착면을 제공하는 구성)와의 열팽창계수 차이에 비례하여 발생되므로, 반응튜브(110)의 열팽창계수와 증착부산물층(15)의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 갖는 부착층(140)으로 증착부산물층(15)과의 열팽창계수 차이를 줄여 증착부산물층(15)이 받는 열 응력을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 질화티타늄(TiN)의 열팽창계수(약 9.4×10-6K-1)는 반응튜브(110)에 일반적으로 사용되는 석영(SiO2)의 열팽창계수(약 0.4×10-6K-1)와 차이가 많이 나므로, 질화티타늄(TiN) 증착부산물층(15)이 석영(SiO2)으로 이루어진 반응튜브(110)의 내벽 표면에 직접 부착되는 경우에는 0.3 ㎛ 이상의 부착 두께에서 파티클이 발생하기 시작한다. 하지만, 알루미나(Al2O3) 등의 알루미늄 산화물(AlxOy)로 반응튜브(110)의 내벽에 부착층(140)을 코팅하는 경우에는 알루미나(Al2O3)의 열팽창계수가 약 8.3×10-6K-1으로 질화티타늄(TiN) 증착부산물층(15)과의 열팽창계수 차이를 줄일 수 있어 파티클이 발생하기 시작하는 증착부산물층(15)의 부착 두께를 0.3 ㎛보다 두껍게 증가시킬 수 있고, 약 3 ㎛ 이상으로 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 반응튜브(110)의 인시튜 세정 주기를 늘릴 수 있다.
이때, 부착층(140)과 증착부산물층(15)의 열팽창계수 차이는 부착층(140)과 반응튜브(110)의 열팽창계수 차이보다 작을 수 있다. 증착부산물층(15)은 기판(10) 상에 박막을 증착하면서 부수적으로 반응튜브(110)의 내벽 상에 부착되는 것이므로, 부착력(또는 결합력)이 떨어질 수 밖에 없으며, 열팽창계수 차이에 의한 열 응력에 민감할 수 밖에 없습니다. 반면에, 부착층(140)은 반응튜브(110)의 내벽에 직접적으로 증착되므로, 반응튜브(110)와의 결합력이 우수하게 할 수 있으며, 이에 따라 열팽창계수 차이에 의한 열 응력의 영향을 줄일 수 있다. 이로 인해 부착층(140)은 반응튜브(110)와 어느 정도 열팽창계수 차이가 발생하더라도 부착층(140)과 증착부산물층(15)의 열팽창계수 차이보다 크더라도 크랙 및 박리가 발생하지 않을 수 있다.
예를 들어, 증착부산물층(15)은 기판(10)을 향해 분사되는 상기 증착가스 중 기판(10)에 증착되고 남는 상기 잉여의 증착가스에 의해 부착되는 반면, 부착층(140)은 반응튜브(110)의 내벽을 향해 분사되는 코팅가스에 의해 증착(또는 코팅)될 수 있다. 즉, 부착층(140)은 반응튜브(110)의 내벽을 향해 상기 코팅가스를 분사하여 반응튜브(110)의 내벽에 직접적으로 증착하므로, 응결(Coalescence) 현상이 일어나는 충분한 두께로 반응튜브(110)의 내벽 전체면에 균일하게 증착할 수 있다. 이에 따라 부착층(140)의 내재 응력(Intrinsic Stress)이 감소될 수 있고, 반응튜브(110)와의 결합력이 향상될 수 있으며, 반응튜브(110)와의 열팽창계수 차이에 의한 열 응력의 영향이 감소될 수 있다.
한편, 반응튜브(110)은 그 소재가 결정되어 있으며, 증착부산물층(15)은 증착을 원하는 박막의 종류에 따라 결정되므로, 변경이 어려운 반면에, 부착층(140)은 반응튜브(110)의 내벽에 원하는 재료(또는 소재)를 코팅만 하면 되기 때문에 용이하게 변경할 수 있다. 이에 따라 증착을 원하는 박막의 종류에 따라 반응튜브(110)의 소재를 고려하여 알맞은 재료의 부착층(140)을 반응튜브(110)의 내벽에 코팅할 수 있으며, 반응튜브(110)와 접착력(Adhesion)이 우수하면서 반응튜브(110)의 열팽창계수(coefficient of expansion)와 증착부산물층(15)의 열팽창계수 사이의 열팽창계수 중 증착부산물층(15)의 열팽창계수와 유사한 열팽창계수를 갖는 재료로 반응튜브(110)의 내벽에 부착층(140)을 코팅할 수 있다.
이에, 부착층(140)과 증착부산물층(15)의 열팽창계수 차이를 줄여 열팽창계수 차이에 의해 증착부산물층(15)이 받는 열 응력을 최소화할 수 있다.
그리고 부착층(140)은 증착부산물층(15)보다 낮은 탄성률(Young's modulus)을 가질 수 있다. 증착부산물층(15)은 도 2(c) 및 (d)와 같이 실질적으로 열 응력 등에 의해 증착부산물층(15)에 작용하는 인장력 및/또는 수축력(또는 압축력)으로 인해 크랙 및/또는 박리가 발생하는데, 이렇게 응력(stress)에 의해 발생되는 인장력 및 수축력은 소재의 탄성률에 비례하므로, 탄성률이 높은 소재일수록 쉽게 박리될 수 있다. 이에 따라 부착층(140)은 증착부산물층(15)보다 낮은 탄성률을 가져 증착부산물층(15)보다 반응튜브(110)의 내벽으로부터 박리되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.
반응튜브(110)는 석영(Quartz)으로 이루어질 수 있고, 증착부산물층(15)은 질화물층일 수 있다. 반응튜브(110)는 일반적으로 석영(SiO2)으로 이루어지며, 기존에(또는 일반적으로) 사용되는 반응튜브(110)에 부착층(140)을 코팅하여 사용할 수 있다.
반응튜브(110)는 산화물인데 반해 기판(10)에 증착할 박막에 따라 증착부산물층(15)은 질화물층일 수 있다. 산화물과 질화물은 물성이 상이하므로, 산화물(즉, 상기 반응튜브) 상에 직접 질화물층(즉, 상기 증착부산물)이 증착(또는 부착)되는 경우에는 산화물(층)과 질화물(층)의 결합력이 약할 수 밖에 없다. 또한, 산화물(층)은 열팽창계수가 낮은 반면에, 질화물(층)은 열팽창계수가 높으므로, 산화물(층)과 질화물(층) 간에 열팽창계수의 차이도 많이 나 질화물층의 박리가 쉽게 발생할 수 있다. 예를 들어, 증착부산물층(15)은 질화티타늄(TiN)층일 수 있으며, 질화티타늄(TiN)의 열팽창계수는 약 9.4×10-6K-1로 열팽창계수가 약 0.4×10-6K-1인 석영(SiO2)의 반응튜브(110)보다 매우 높으므로, 증착부산물층(15)과 반응튜브(110) 간에 열팽창계수의 차이가 많이 나게 된다.
그리고 부착층(140)은 반응튜브(141)에 접하여 형성되는 산화물층(141); 및 산화물층(141) 상에 형성되어, 증착부산물층(15)의 부착면을 제공하는 산질화물층(142)을 포함할 수 있다. 산화물층(141)은 반응튜브(141)에 접하여 형성될 수 있으며, 산화물인 반응튜브(110)와 유사한 물성이 가지므로, 반응튜브(110)와의 결합력이 우수할 수 있다. 즉, 산화물층(141)과 반응튜브(110) 간에 산소 원자(O)를 공유할 수 있으므로, 산화물층(141)과 반응튜브(110) 간의 결합력이 향상될 수 있다.
산질화물층(142)은 산화물층(141) 상에 형성될 수 있고, 증착부산물층(15)의 부착면을 제공할 수 있다. 산질화물층(142)은 산화물과 질화물 중간의 물성을 가지므로, 산화물층(141)과는 산소 원자(O)를 공유할 수 있고, 질화물층인 증착부산물층(15)과는 질소 원자(N)를 공유할 수 있다. 이에 따라 산화물층(141)과의 결합력 및 증착부산물층(15)과의 결합력이 모두 우수할 수 있다.
이를 통해 부착층(140)과 증착부산물층(15)의 결합력이 향상될 수 있고, 파티클이 발생하기 시작하는 증착부산물층(15)의 부착 두께를 보다 증가시킬 수 있다.
여기서, 부착층(140)의 산화물층(141)과 산질화물층(142)은 동일 금속원소를 포함할 수 있다. 즉, 동일 금속원소에 의해 산화물층(141)과 산질화물층(142)이 형성될 수 있으며, 하나의 금속원소가 산화되어 산화물층(141)이 형성되고, 산질화되어 산질화물층(142)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 산질화물층(142)은 산화물층(141)을 질화(또는 질소) 처리(예를 들어, 암모니아(NH3) 트리트먼트)하여 형성될 수도 있고, 산화물층(141)이 증착부산물층(15)을 형성하기 위한 질소 원자(N)와 반응하여 산화물층(141)의 표면에 형성될 수도 있다.
증착부산물층(15)은 전이금속 원소를 포함할 수 있고, 부착층(140)은 전이후금속 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 증착부산물층(15)은 티타늄(Ti) 원소를 포함할 수 있고, 티타늄(Ti) 원소를 포함하는 질화물, 산화물, 탄화물, 금속막 중 어느 하나일 수 있으며, 부착층(140)은 알루미늄(Al) 원소를 포함할 수 있고, 알루미늄(Al) 원소를 포함하는 산화물, 산질화물, 질화물, 탄화물, 금속막 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 전이금속(transition metal)은 주기율표에서 4 ~ 7 주기, 3 ~ 12 족까지의 원소들을 말하며, 다른 원소들의 경우 한 주기에서 주족 원소의 화학적 성질이 원자가 전자의 수가 변화함에 따라 크게 변하지만, 전이금속(들)은 주어진 족에서 뿐만 아니라 같은 주기에서도 많은 유사성을 보여준다. 그 중에서도 첫 주기(즉, 4주기) 전이 금속인 스칸듐(Sc)에서 아연(Zn)까지는 다른 전이 금속 계열을 대표하는 아주 중요한 금속 원소이다. 또한, 전이금속은 전형 원소로 전이되는 중간단계 역할을 한다. 이로 인해 전이금속은 다른 전이금속 등의 금속 및 비금속과는 결합이 잘 이루어져 우수한 결합력을 갖지만, 준금속과는 물성의 차이로 인해 결합이 잘 이루어지지 않아 결합력이 떨어진다.
그리고 전이후금속(post-transition metal)은 전이금속과 준금속 사이에 자리하고 있으며, 주기율표의 p-구역에 있는 금속 원소(예를 들어, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn), 탈륨(Tl), 납(Pb), 비스무트(Bi), 폴로늄(Po))를 말하고, 입자들의 쌓임 구조에서 공유 결합성이 다른 금속들에 비해 잘 나타난다. 전이후금속은 두 가지 이온을 형성할 수 있으며, 전이후금속의 산화물(예를 들어, Al2O3)이 질소 원자(N)와 반응하여 전이후금속의 산질화물(예를 들어, Al2OyNz)이 용이하게 형성될 수 있다. 전이후금속의 산화물은 그 표면에 쉽게 산질화물을 형성할 수 있어 산화물인 반응튜브(110)와 질화물층인 증착부산물층(15) 간에 결합력을 향상시킬 수 있다. 또한, 전이후금속은 전이금속과 준금속 중간의 물성을 가지므로, 준금속 원소(예를 들어, Si)를 포함하는 반응튜브(110)와 전이금속 원소(예를 들어, Ti)를 포함하는 증착부산물층(15) 간에 결합력이 보다 향상될 수 있다.
예를 들어, 석영(SiO2)으로 이루어진 일반적인 반응튜브(110)에 질화티타늄(TiN) 박막을 형성하는 경우에 알루미늄 산화물(Al2O3) 및/또는 알루미늄 산질화물(Al2OyNz)을 부착층(140)으로 형성하게 되면, 알루미늄 산화물(Al2O3)은 석영(SiO2)과 접착력이 우수할 뿐만 아니라 질화티타늄(TiN)과 열팽창계수가 유사하여 부착층(140)이 반응튜브(110)의 내벽에 박리되지 않고 잘 붙어 있으면서 질화티타늄(TiN) 증착부산물층(15)에 작용하는 열 응력을 줄여 증착부산물층(15)의 크랙 및 박리를 억제 또는 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 배치식 기판처리장치(100)는 증착부산물층(15)을 제거하기 위한 세정가스를 공급하는 세정가스 공급부(150);를 더 포함할 수 있고, 부착층(140)은 상기 세정가스에 대해 반응튜브(110)보다 높은 내식성을 가질 수 있다.
세정가스 공급부(150)는 증착부산물층(15)을 제거하기 위한 세정가스를 공급할 수 있다. 여기서, 세정가스 공급부(150)는 세정가스 노즐(151), 세정가스 공급배관(152) 및 세정가스 공급원(미도시)을 포함할 수 있다. 세정가스 노즐(151)은 반응튜브(110) 내에 삽입될 수 있고, 반응튜브(110)의 내주면을 따라서 수직으로 연장되어, 복수의 세정가스 분사구(151a)로부터 반응튜브(110)의 내벽에 코팅된 부착층(140) 상에 세정가스를 공급 가능하게 구성될 수 있다. 이때, 복수의 세정가스 분사구(151a)는 반응튜브(110)의 내벽 상에 부착된 증착부산물층(15)을 효과적으로 제거하기 위해 반응튜브(110)의 내벽을 향해 형성될 수 있다. 한편, 세정가스 공급부(150)는 증착가스 노즐(121)을 세정가스 노즐(151)로 사용할 수도 있으며, 상기 세정가스의 공급 또는 상기 증착가스의 공급 시에는 직전에 공급되었던 상기 증착가스 또는 상기 세정가스를 퍼지(purge)가스를 통해 세정가스 노즐(또는 증착가스 노즐)로부터 제거할 수 있다.
세정가스 공급배관(152)은 세정가스 노즐(151)에 상기 세정가스를 전달(또는 공급)할 수 있으며, 일단이 세정가스 노즐(151)에 연결되고, 타단이 세정가스 공급원(미도시)에 연결될 수 있다.
세정가스 공급원(미도시)은 세정가스 노즐(151)에 상기 세정가스를 공급하기 위한 가스 저류원일 수 있으며, 세정(또는 제거)을 위한 증착부산물층(15)의 종류에 따라 알맞은 세정가스를 세정가스 노즐(151)에 공급할 수 있고, 세정가스 공급배관(152)을 통해 세정가스 노즐(151)에 상기 세정가스를 공급할 수 있다.
여기서, 부착층(140)은 상기 세정가스에 대해 반응튜브(110)보다 높은 내식성을 가질 수 있다. 부착층(140)은 상기 세정가스로부터 반응튜브(110)를 보호하는 보호층의 역할을 할 수도 있다. 종래에는 상기 세정가스로 증착부산물층(15)을 제거하면서 상기 세정가스에 의해 반응튜브(110)도 식각(etching)되어 반응튜브(110)가 손상되는 문제도 있었으며, 이로 인해 반응튜브(110)의 수명이 단축될 수 밖에 없었다. 하지만, 본 발명의 배치식 기판처리장치(100)는 반응튜브(110)의 내벽에 부착층(140)이 코팅되어 상기 세정가스에 의해 반응튜브(110)가 식각되는 것을 방지할 수 있으며, 반응튜브(110)의 수명을 연장하여 장기적으로 사용할 수 있다. 이때, 부착층(140)은 상기 세정가스에 대해 높은 내식성을 가질 수 있으며, 적어도 반응튜브(110)보다 높은 내식성을 가질 수 있다. 부착층(140)이 식각되면, 반응튜브(110)의 내벽에 부착층(140)을 다시 코팅하는 보수 작업이 필요하며, 부착층(140)이 상기 세정가스에 대해 낮은 내식성을 가질수록 부착층(140)을 재코팅하는 주기가 짧아지게 되고, 제품 생산성이 저하될 수 있다. 이에, 부착층(140)이 상기 세정가스에 대해 반응튜브(110)보다 높은 내식성을 갖게 하여 이러한 문제를 해결할 수 있다.
예를 들어, 질화티타늄(TiN) 증착부산물층(15)은 플루오린(F) 가스로 제거하게 되는데, 석영(SiO2)으로 이루어진 반응튜브(110)도 플루오린(F) 가스에 의해 식각될 수 있다. 하지만, 알루미늄 산화물(AlxOy)로 반응튜브(110)의 내벽에 부착층(140)을 코팅하게 되면, 알루미늄 산화물(AlxOy)이 플루오린(F) 가스에 대해 내식성을 가져 플루오린(F) 가스에 의해 식각되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.
부착층(140)은 0.1 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 부착층(140)이 0.1 ㎛보다 얇은 두께를 갖게 되면, 부착층(140)이 응결 현상이 일어나는 충분한 두께를 갖지 못하여 반응튜브(110)의 내벽으로부터 박리될 수 있고, 박리된 부착층(140)도 파티클로 작용할 수 있다. 또한, 부착층(140)의 두께가 너무 얇아 보호층의 역할을 제대로 수행하지 못하고, 상기 세정가스에 의해 식각되어 반응튜브(110)의 내벽이 상기 세정가스에 노출되므로, 반응튜브(110)가 손상될 수도 있다.
반면에, 부착층(140)이 100 ㎛보다 두꺼운 두께를 갖게 되면, 부착층(140)이 너무 두껍게 되어 부착층(140) 코팅의 경제성 및 생산성이 떨어질 수 있다. 또한, 기판(10)의 측면과의 간격 변화 등 설계된 하드웨어(Hardware; HW)에 변경점을 주게 되어 증착 공정 중에 상기 증착가스의 흐름에 영향을 주는 등 부작용(Side Effect)을 발생시킬 수 있으며, 기판(10) 상에 박막의 균일한 증착이 이루어지지 않을 수도 있고, 박막 특성이 저하될 수도 있다. 그리고 부착층(140)에 부착되는 증착부산물층(15)과 기판보트(115)의 간격(Pitch)가 가까워져 기판보트(115)를 반응튜브(110)의 내부 공간에서 승강시키면서 증착부산물층(15)이 반응튜브(110)의 내벽으로부터 떨어지게 될 수도 있다. 한편, 부착층(140)은 반응튜브(110)의 내벽뿐만 아니라 증착부산물층(15)이 부착될 수 있는 증착가스 노즐(121), 기판보트(115) 등의 다른 구성에도 코팅될 수 있으며, 증착가스 노즐(121)에 부착층(140)을 너무 두껍게 형성하게 되면, 증착가스 노즐(121)의 가스분사구(121a) 크기가 감소되어 상기 증착가스를 기판(10) 상에 원활하게 공급하지 못하고, 기판(10) 상에 균일하면서 효과적으로 박막을 증착하지 못하게 된다.
이에, 부착층(140)은 0.1 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있으며, 부착층(140) 상에 0 내지 3 ㎛ 두께의 증착부산물층(15)이 부착될 수 있고, 증착부산물층(15)의 부착 두께가 303 ㎚ ~ 3 ㎛의 범위에서 선택된 두께 이상이 될 때마다 증착부산물층(15)을 제거할 수 있다. 종래에는 부착층(140)이 없어 증착부산물층(15)이 반응튜브(110)의 내벽에 직접 부착되므로, 증착부산물층(15)의 부착 두께가 0.3 ㎛(300 ㎚)만 되어도 파티클이 발생하였지만, 본 발명의 배치식 기판처리장치(100)는 반응튜브(110)의 내벽에 부착층(140)이 코팅되어 약 3 ㎛의 두께까지 증착부산물층(15)이 부착되어도 파티클이 발생하지 않을 수 있다. 이에 따라 반응튜브(110)의 인시튜 세정 주기를 증가시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배치식 기판처리장치의 운용방법을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 배치식 기판처리장치의 운용방법을 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 배치식 기판처리장치와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배치식 기판처리장치의 운용방법은 내벽에 부착층이 코팅된 종형의 반응튜브를 마련하는 과정(S100); 상기 반응튜브의 내부 공간에 증착가스를 공급하여 기판보트에 다단으로 적재된 기판에 대한 증착 공정을 수행하는 과정(S200); 상기 부착층에 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층이 부착되는 과정(S300); 상기 증착부산물층의 부착 두께를 확인하는 과정(S400); 및 계측된 상기 증착부산물층의 부착 두께가 미리 설정된 두께 이상인 경우에 상기 증착부산물층을 제거하는 과정(S500);을 포함할 수 있다.
먼저, 내벽에 부착층이 코팅된 종형의 반응튜브를 마련한다(S100). 종형의 반응튜브 내벽에 부착층을 코팅하여 상기 반응튜브를 마련할 수 있다. 상기 부착층은 상기 반응튜브의 내부 공간에 상기 부착층의 코팅을 위한 코팅가스를 상기 반응튜브의 내부 공간에 공급하여 상기 부착층을 코팅할 수 있다. 이때, 상기 부착층은 상기 반응튜브의 내벽을 향해 분사되는 상기 코팅가스에 의해 증착(또는 코팅)될 수 있다. 즉, 상기 부착층은 상기 반응튜브의 내벽을 향해 상기 코팅가스를 분사하여 상기 반응튜브의 내벽에 직접적으로 증착할 수 있으므로, 응결(Coalescence) 현상이 일어나는 충분한 두께로 상기 반응튜브의 내벽 전체면에 균일하게 증착할 수 있다. 이에 따라 상기 부착층의 내재 응력(Intrinsic Stress)이 감소될 수 있고, 상기 반응튜브와의 결합력이 향상될 수 있으며, 상기 반응튜브와의 열팽창계수 차이에 의한 열 응력의 영향이 감소될 수 있다. 여기서, 상기 부착층은 플라즈마 원자층증착(Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition; PE-ALD), 열처리 원자층증착(Thermal Atomic Layer Deposition; Thermal ALD), 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 물리기상증착(Physical Vapor Deposition; PVD) 등 다양한 방식으로 증착될 수 있다. 이때, 증착 공정이 수행되는 배치식 기판처리장치가 아닌 별도의 다른 설비에서 상기 반응튜브의 내벽에 상기 부착층을 코팅한 후에 상기 배치식 기판처리장치에 설치할 수도 있다.
한편, 상기 부착층은 상기 반응튜브의 외벽, 기판보트, 페데스탈(Pedestal), 증착가스 노즐 등 노즐(들)의 내외부 표면 등 상기 배치식 기판처리장치의 내부에 제공되어 증착가스의 영향을 받는 다른 구성에도 코팅될 수 있다.
다음으로, 상기 반응튜브의 내부 공간에 증착가스를 공급하여 기판보트에 다단으로 적재된 기판에 대한 증착 공정을 수행한다(S200). 상기 반응튜브의 내부 공간에 증착가스를 공급하여 상기 기판 상에 박막을 증착할 수 있다. 이때, 상기 기판 상에 증착되고 남는 잉여의 증착가스에 의해 상기 반응튜브의 내벽 상에도 박막과 동일한 성분으로 이루어진 증착부산물층이 증착(또는 부착)될 수 있다.
그 다음 상기 부착층에 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층이 부착된다(S300). 상기 증착 공정을 수행하면서 상기 부착층 상에 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층이 부착(또는 증착)될 수 있다. 여기서, 상기 증착부산물층이 상기 반응튜브의 내벽에 직접 부착되지 않고 상기 부착층에 부착되므로, 상기 증착부산물층이 상기 반응튜브의 내벽 표면에 직접 부착되는 경우보다 파티클이 발생하기 시작하는 상기 증착부산물층의 부착 두께가 증가할 수 있다.
그리고 상기 증착부산물층의 부착 두께를 확인(check)한다(S400). 상기 증착부산물층의 부착 두께를 확인(또는 모니터링)하여 상기 증착부산물층의 제거 시기를 파악할 수 있다. 상기 증착부산물층의 부착 두께는 계측할 수 있으며, 직접 측정할 수도 있고, 미리 1회 증착(공정) 당 상기 증착부산물층의 부착 두께를 파악(또는 산출)하여 증착 횟수에 따라 간접적으로 계산할 수도 있다. 여기서, 상기 증착 횟수는 새로운 기판으로 교체해가면서 수행되는 증착 공정의 횟수일 수 있으며, 박막이 증착된 기판 세트(set)의 수일 수 있고, 상기 기판 세트는 한 번의 증착 공정에서 상기 기판보트에 적재되어 상기 반응튜브에 반입(loading)되는 기판의 묶음(또는 수)일 수 있다.
그 다음 계측된 상기 증착부산물층의 부착 두께가 미리 설정된 두께 이상인 경우에 상기 증착부산물층을 제거한다(S500). 계측된 상기 증착부산물층의 부착 두께 이상이 되면, 상기 증착부산물층이 박리되어 파티클이 기판 상으로 떨어지지 않도록 상기 증착부산물층을 제거할 수 있다.
상기 증착 공정을 수행하는 과정(S200) 및 상기 증착부산물층이 부착되는 과정(S300)은 반복되어 수행될 수 있다. 상기 증착 공정을 수행하는 과정(S200) 및 상기 증착부산물층이 부착되는 과정(S300)이 반복되어 수행됨으로써, 상기 증착부산물층의 부착 두께가 증가할 수 있고, 상기 증착부산물층의 부착 두께가 미리 설정된 두께 이상이 되는 경우에 상기 증착부산물층을 제거할 수 있다. 이때, 상기 증착부산물층의 부착 두께를 확인하는 과정(S400)은 상기 증착부산물층이 부착되는 과정(S300) 이후에 반복되어 수행될 수도 있고, 상기 증착 공정을 수행하는 과정(S200) 및 상기 증착부산물층이 부착되는 과정(S300)이 2회 이상 수행될 때부터 수행될 수도 있다. 여기서, 상기 증착부산물층을 제거하는 과정(S500)은 상기 증착 공정을 수행하는 과정(S200) 및 상기 증착부산물층이 부착되는 과정(S300)이 복수회(또는 2회 이상) 반복되어 수행된 이후에 수행될 수 있다.
상기 반응튜브는 석영(Quartz)으로 이루어질 수 있고, 상기 증착부산물층은 질화물층일 수 있다. 상기 반응튜브는 일반적으로 석영(SiO2)으로 이루어지며, 기존에(또는 일반적으로) 사용되는 상기 반응튜브에 상기 부착층을 코팅하여 사용할 수 있다.
상기 반응튜브는 산화물인데 반해 상기 기판에 증착할 박막에 따라 상기 증착부산물층은 질화물층일 수 있다. 산화물과 질화물은 물성이 상이하므로, 산화물(즉, 상기 반응튜브) 상에 직접 질화물층(즉, 상기 증착부산물)이 증착(또는 부착)되는 경우에는 산화물(층)과 질화물(층)의 결합력이 약할 수 밖에 없다. 또한, 산화물(층)은 열팽창계수가 낮은 반면에, 질화물(층)은 열팽창계수가 높으므로, 산화물(층)과 질화물(층) 간에 열팽창계수의 차이도 많이 나 질화물층의 박리가 쉽게 발생할 수 있다. 예를 들어, 상기 증착부산물층은 질화티타늄(TiN)층일 수 있으며, 질화티타늄(TiN)의 열팽창계수는 약 9.4×10-6K-1로 열팽창계수가 약 0.4×10-6K-1인 석영(SiO2)의 상기 반응튜브보다 매우 높으므로, 상기 증착부산물층과 상기 반응튜브 간에 열팽창계수의 차이가 많이 나게 된다.
그리고 상기 반응튜브를 마련하는 과정(S100)은 상기 반응튜브의 내벽에 산화물층을 형성하는 과정(S110); 및 상기 산화물층 상에 산질화물층을 형성하는 과정(S120)을 포함할 수 있다.
상기 반응튜브의 내벽에 산화물층을 형성할 수 있다(S110). 상기 반응튜브의 내벽에는 상기 반응튜브에 접하여 산화물층을 형성할 수 있다. 상기 산화물층은 상기 반응튜브에 접하여 형성될 수 있으며, 산화물인 상기 반응튜브와 유사한 물성이 가지므로, 상기 반응튜브와의 결합력이 우수할 수 있다. 즉, 상기 산화물층과 상기 반응튜브 간에 산소 원자(O)를 공유할 수 있으므로, 상기 산화물층과 상기 반응튜브 간의 결합력이 향상될 수 있다.
그리고 상기 산화물층 상에 산질화물층을 형성할 수 있다(S120). 상기 산질화물층은 상기 부착층의 표면에 형성될 수 있고, 상기 부착층의 표면에 형성되어 상기 증착부산물층의 부착면을 제공할 수 있다. 상기 산질화물층은 산화물과 질화물 중간의 물성을 가지므로, 상기 산화물층과는 산소 원자(O)를 공유할 수 있고, 질화물층인 상기 증착부산물층과는 질소 원자(N)를 공유할 수 있다. 이에 따라 상기 산화물층과의 결합력 및 상기 증착부산물층과의 결합력이 모두 우수할 수 있다.
이를 통해 상기 부착층과 상기 증착부산물층의 결합력이 향상될 수 있고, 파티클이 발생하기 시작하는 상기 증착부산물층의 부착 두께를 보다 증가시킬 수 있다.
여기서, 상기 부착층의 산화물층과 산질화물층은 동일 금속원소를 포함할 수 있다. 즉, 동일 금속원소에 의해 상기 산화물층과 상기 산질화물층이 형성될 수 있으며, 하나의 금속원소가 산화되어 상기 산화물층이 형성되고, 산질화되어 상기 산질화물층이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 산질화물층은 상기 산화물층을 질화(또는 질소) 처리(예를 들어, 암모니아(NH3) 트리트먼트)하여 형성될 수도 있고, 상기 산화물층이 상기 증착부산물층을 형성하기 위한 질소 원자(N)와 반응하여 상기 산화물층의 표면에 형성될 수도 있다.
상기 부착층의 두께는 0.1 내지 100 ㎛일 수 있고, 상기 증착부산물층을 제거하는 과정(S500)은 상기 증착부산물층의 부착 두께가 303 ㎚ 이상인 경우에 수행될 수 있다. 상기 부착층이 0.1 ㎛보다 얇은 두께를 갖게 되면, 상기 부착층이 응결 현상이 일어나는 충분한 두께를 갖지 못하여 상기 반응튜브의 내벽으로부터 박리될 수 있고, 박리된 상기 부착층도 파티클로 작용할 수 있다. 또한, 상기 부착층의 두께가 너무 얇아 보호층의 역할을 제대로 수행하지 못하고, 상기 세정가스에 의해 식각되어 상기 반응튜브의 내벽이 상기 세정가스에 노출되므로, 상기 반응튜브가 손상될 수도 있다.
반면에, 상기 부착층이 100 ㎛보다 두꺼운 두께를 갖게 되면, 상기 부착층이 너무 두껍게 되어 상기 부착층 코팅의 경제성 및 생산성이 떨어질 수 있다. 또한, 상기 기판의 측면과의 간격 변화 등 설계된 하드웨어(Hardware; HW)에 변경점을 주게 되어 증착 공정 중에 상기 증착가스의 흐름에 영향을 주는 등 부작용(Side Effect)을 발생시킬 수 있으며, 상기 기판 상에 박막의 균일한 증착이 이루어지지 않을 수도 있고, 박막 특성이 저하될 수도 있다. 그리고 상기 부착층에 부착되는 상기 증착부산물층과 상기 기판보트의 간격(Pitch)가 가까워져 상기 기판보트를 상기 반응튜브의 내부 공간에서 승강시키면서 진동 등에 의해 상기 증착부산물층이 상기 반응튜브의 내벽으로부터 떨어지게 될 수도 있다. 한편, 상기 부착층은 상기 반응튜브의 내벽뿐만 아니라 상기 증착부산물층이 부착될 수 있는 상기 증착가스 노즐, 상기 기판보트 등의 다른 구성에도 코팅될 수 있으며, 상기 증착가스 노즐에 상기 부착층을 너무 두껍게 형성하게 되면, 상기 증착가스 노즐의 가스분사구 크기가 감소되어 상기 증착가스를 상기 기판 상에 원활하게 공급하지 못하고, 상기 기판 상에 균일하면서 효과적으로 박막을 증착하지 못하게 된다.
이에, 상기 부착층은 0.1 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 증착부산물층을 제거하는 과정(S500)은 상기 증착부산물층의 부착 두께가 303 ㎚ 이상인 경우에 수행될 수 있고, 상기 증착부산물층의 부착 두께가 303 ㎚ ~ 3 ㎛의 범위에서 선택된 두께 이상이 될 때마다 상기 증착부산물층을 제거할 수 있다. 종래에는 상기 부착층이 없어 상기 증착부산물층이 상기 반응튜브의 내벽에 직접 부착되므로, 상기 증착부산물층의 부착 두께가 0.3 ㎛(300 ㎚)만 되어도 파티클이 발생하였지만, 본 발명에서는 상기 반응튜브의 내벽에 상기 부착층이 코팅되어 3 ㎛의 두께까지 상기 증착부산물층이 부착되어도 파티클이 발생하지 않을 수 있다. 이에 따라 상기 증착부산물층의 부착 두께가 3 ㎛ 이상인 경우에 상기 증착부산물층을 제거하는 과정(S500)을 수행할 수 있으며, 상기 반응튜브의 인시튜 세정 주기를 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 한 번의 증착 공정으로 최소 30 Å(3 ㎚)의 상기 증착부산물층이 상기 챔버의 내벽 상(즉, 상기 부착층)에 부착될 수 있으며, 본원발명에서는 상기 증착부산물층의 부착 두께가 0.3 ㎛만 되어도 파티클이 발생하는 종래보다 적어도 한 번 이상 더 증착 공정을 수행한 이후(즉, 상기 증착부산물층의 부착 두께가 303 ㎚ 이상인 경우)에 상기 증착부산물층을 제거하는 상기 반응튜브의 인시튜 세정을 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 배치식 기판처리장치의 운용방법은 상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공하는 과정(S250);을 더 포함할 수 있고, 상기 부착층은 상기 반응튜브의 열팽창계수와 상기 증착부산물층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 가질 수 있다.
그리고 상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공할 수 있다(S250). 상기 반응튜브의 외측에 상기 반응튜브의 둘레를 따라 제공되는 히터부를 통해 상기 반응튜브의 외측에서 상기 반응튜브의 측벽을 통해 상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공할 수 있다. 상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공하는 과정(S250)은 증착 공정을 수행하는 과정(S200)과 동시에 수행될 수 있으며, 상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공하는 과정(S250)을 통해 상기 기판을 가열 처리하면서 상기 기판 상에 박막을 증착할 수 있다. 이때, 상기 증착부산물층은 박막 증착을 위한 상기 기판의 가열 처리와 상기 기판의 반출을 위한 상기 반응튜브의 냉각으로 인해 지속적인 열 변화에 노출될 수 밖에 없고, 열 응력(thermal stress)으로 인해 상기 증착부산물층에 크랙(crack) 및/또는 박리가 발생하여 상기 반응튜브의 내벽으로부터 박리된 상기 증착부산물층의 작은 입자들이 떨어지게 된다. 이러한 상기 증착부산물층의 작은 입자들이 상기 기판 상에 떨어지게 되면, 파티클(Particle)로 작용하여 박막을 포함한 제품의 특성 및/또는 수율을 저하시킬 수 있다. 특히, 상기 반응튜브의 외측에서 상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공하므로, 상기 반응튜브의 내벽은 열원(즉, 상기 히터부)에 가까워 열 변화에 민감할 수 밖에 없고, 상기 반응튜브의 내벽에 부착된 상기 증착부산물층은 열 응력이 심할(또는 클) 수 밖에 없다.
상기 부착층은 상기 반응튜브의 열팽창계수와 상기 증착부산물층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 가질 수 있다. 상기 반응튜브의 내벽 상에 부착된 상기 증착부산물층이 받는 열 응력은 상기 증착부산물층이 부착된 기재(또는 부착면을 제공하는 구성)와의 열팽창계수 차이에 비례하여 발생되므로, 상기 반응튜브의 열팽창계수와 상기 증착부산물층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 갖는 상기 부착층으로 상기 증착부산물층과의 열팽창계수 차이를 줄여 상기 증착부산물층이 받는 열 응력을 감소시킬 수 있다.
상기 부착층은 상기 증착부산물층보다 낮은 탄성률(Young's modulus)을 가질 수 있다. 상기 증착부산물층은 실질적으로 열 응력 등에 의해 상기 증착부산물층에 작용하는 인장력 및/또는 수축력(또는 압축력)으로 인해 크랙 및/또는 박리가 발생하는데, 이렇게 응력(stress)에 의해 발생되는 인장력 및 수축력은 소재의 탄성률에 비례하므로, 탄성률이 높은 소재일수록 쉽게 박리될 수 있다. 이에 따라 상기 부착층은 상기 증착부산물층보다 낮은 탄성률을 가져 상기 증착부산물층보다 상기 반응튜브의 내벽으로부터 박리되는 것을 억제 또는 방지할 수 있다.
상기 증착부산물층을 제거하는 과정(S500)은 상기 증착부산물층을 제거하기 위한 세정가스를 공급하는 과정(S510)을 포함할 수 있고, 상기 부착층은 상기 세정가스에 대해 상기 반응튜브보다 높은 내식성을 가질 수 있다.
상기 증착부산물층을 제거하기 위한 세정가스를 공급할 수 있다(S510). 상기 반응튜브의 내부 공간에 상기 세정가스를 공급하여 상기 반응튜브의 내벽에 부착된 상기 증착부산물층을 제거할 수 있으며, 상기 증착부산물층을 제거함으로써, 상기 증착부산물층이 박리되어 파티클로 작용하는 것을 방지할 수 있다.
이때, 상기 부착층은 상기 세정가스에 대해 상기 반응튜브보다 높은 내식성을 가질 수 있다. 상기 부착층은 상기 세정가스로부터 상기 반응튜브를 보호하는 보호층의 역할을 할 수도 있다. 종래에는 상기 세정가스로 상기 증착부산물층을 제거하면서 상기 세정가스에 의해 상기 반응튜브도 식각(etching)되어 상기 반응튜브가 손상되는 문제도 있었으며, 이로 인해 상기 반응튜브의 수명이 단축될 수 밖에 없었다. 하지만, 본 발명에서는 상기 반응튜브의 내벽에 상기 부착층이 코팅되어 상기 세정가스에 의해 상기 반응튜브가 식각되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 반응튜브의 수명을 연장하여 장기적으로 사용할 수 있다. 이때, 상기 부착층은 상기 세정가스에 대해 높은 내식성을 가질 수 있으며, 적어도 상기 반응튜브보다 높은 내식성을 가질 수 있다. 상기 부착층이 식각되면, 상기 반응튜브의 내벽에 상기 부착층을 다시 코팅하는 보수 작업이 필요하며, 상기 부착층이 상기 세정가스에 대해 낮은 내식성을 가질수록 상기 부착층을 재코팅하는 주기가 짧아지게 되고, 제품 생산성이 저하될 수 있다. 이에, 상기 부착층이 상기 세정가스에 대해 상기 반응튜브보다 높은 내식성을 갖게 하여 이러한 문제를 해결할 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 반응튜브의 내벽에 부착층을 코팅하여 부착층의 표면에 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층이 부착되도록 유도함으로써, 증착부산물층이 반응튜브의 내벽 표면에 직접 부착되는 경우보다 파티클이 발생하기 시작하는 부착 두께가 증가할 수 있으며, 이에 따라 반응튜브의 인시튜 세정 주기를 늘릴 수 있고, 세정 공정없이 많은 횟수의 증착 공정을 수행할 수 있어 제품 생산성을 높일 수 있다. 또한, 질화물 박막의 증착 공정이 이루어지는 경우에 부착층의 표면에 산질화물층을 형성함으로써, 질화물인 증착부산물층과 부착층의 결합력을 향상시켜 파티클이 발생하기 시작하는 부착 두께를 보다 증가시킬 수 있다. 그리고 세정가스에 대해 반응튜브보다 높은 내식성을 갖는 부착층을 반응튜브의 내벽에 코팅함으로써, 세정가스에 의해 식각되어 반응튜브가 손상되는 것을 억제 또는 방지할 수 있고, 반응튜브의 장기 사용이 가능하도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 기판 15 : 증착부산물층
100 : 배치식 기판처리장치 110 : 반응튜브
115 : 기판보트 120 : 증착가스 공급부
121 : 증착가스 노즐 121a: 가스분사구
122 : 증착가스 공급배관 130 : 히터부
140 : 부착층 141 : 산화물층
142 : 산질화물층 150 : 세정가스 공급부
151 : 세정가스 노즐 151a: 세정가스 분사구
152 : 세정가스 공급배관

Claims (15)

  1. 기판이 다단으로 적재되는 기판보트를 수용하는 내부 공간을 갖는 종형의 반응튜브;
    상기 반응튜브의 내부에 증착가스를 공급하는 증착가스 공급부;
    상기 반응튜브의 외측에 배치되어, 상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공하는 히터부; 및
    상기 반응튜브의 내벽에 코팅되어, 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층이 부착되는 부착층;을 포함하고,
    상기 반응튜브는 석영(Quartz)으로 이루어지며,
    상기 부착층은,
    상기 반응튜브에 접하여 형성되는 산화물층; 및
    상기 산화물층 상에 형성되어, 상기 증착부산물층의 부착면을 제공하는 산질화물층을 포함하고,
    상기 증착부산물층은 질화물층이며,
    상기 부착층의 산화물층과 산질화물층은 동일 금속원소를 포함하는 배치식 기판처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부착층은 상기 반응튜브의 열팽창계수와 상기 증착부산물층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 갖는 배치식 기판처리장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 부착층과 상기 증착부산물층의 열팽창계수 차이는 상기 부착층과 상기 반응튜브의 열팽창계수 차이보다 작은 배치식 기판처리장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 부착층은 상기 증착부산물층보다 낮은 탄성률을 갖는 배치식 기판처리장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 증착부산물층은 전이금속 원소를 포함하고,
    상기 부착층은 전이후금속 원소를 포함하는 배치식 기판처리장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 증착부산물층을 제거하기 위한 세정가스를 공급하는 세정가스 공급부;를 더 포함하고,
    상기 부착층은 상기 세정가스에 대해 상기 반응튜브보다 높은 내식성을 갖는 배치식 기판처리장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 부착층은 0.1 내지 100 ㎛의 두께를 갖는 배치식 기판처리장치.
  10. 내벽에 부착층이 코팅된 종형의 반응튜브를 마련하는 과정;
    상기 반응튜브의 내부 공간에 증착가스를 공급하여 기판보트에 다단으로 적재된 기판에 대한 증착 공정을 수행하는 과정;
    상기 부착층에 잉여의 증착가스에 의한 증착부산물층이 부착되는 과정;
    상기 증착부산물층의 부착 두께를 확인하는 과정; 및
    계측된 상기 증착부산물층의 부착 두께가 미리 설정된 두께 이상인 경우에 상기 증착부산물층을 제거하는 과정;을 포함하고,
    상기 반응튜브를 마련하는 과정은,
    상기 반응튜브의 내벽에 산화물층을 형성하는 과정; 및
    상기 산화물층 상에 산질화물층을 형성하는 과정을 포함하며,
    상기 반응튜브는 석영(Quartz)으로 이루어지고,
    상기 증착부산물층은 질화물층이며,
    상기 산화물층과 상기 산질화물층은 동일 금속원소를 포함하는 배치식 기판처리장치의 운용방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 증착부산물층은 전이금속 원소를 포함하고,
    상기 부착층은 전이후금속 원소를 포함하는 배치식 기판처리장치의 운용방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 부착층의 두께는 0.1 내지 100 ㎛이고,
    상기 증착부산물층을 제거하는 과정은 상기 증착부산물층의 부착 두께가 303 ㎚ 이상인 경우에 수행되는 배치식 기판처리장치의 운용방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 반응튜브의 내부에 열에너지를 제공하는 과정;을 더 포함하고,
    상기 부착층은 상기 반응튜브의 열팽창계수와 상기 증착부산물층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 갖는 배치식 기판처리장치의 운용방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 부착층은 상기 증착부산물층보다 낮은 탄성률을 갖는 배치식 기판처리장치의 운용방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 증착부산물층을 제거하는 과정은 상기 증착부산물층을 제거하기 위한 세정가스를 공급하는 과정을 포함하고,
    상기 부착층은 상기 세정가스에 대해 상기 반응튜브보다 높은 내식성을 갖는 배치식 기판처리장치의 운용방법.
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