KR102318221B1 - 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원료 가스를 기판 상에 제공하여 박막을 형성하기 위한 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 반응 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버 내에 원료 가스를 공급하기 위한 원료 가스 공급부; 상기 챔버와 원료 가스 공급부를 연결하는 공급 라인; 상기 챔버에 연결되어, 상기 챔버의 내부를 배기(exhaust)하기 위한 챔버 배기 라인; 상기 공급 라인에서 분기되어 상기 챔버 배기 라인으로 연결되는 이백(evac.) 라인; 및 상기 이백 라인에 설치되어 상기 이백 라인 내의 압력을 제어하는 압력 제어부;를 포함한다.

Description

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND SUBSTRATE PROCESSING METHOD}
본 발명은 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원료 가스를 기판 상에 제공하여 박막을 형성하기 위한 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 메모리 소자, 표시 장치, 발광 장치 등을 제조하기 위해서는 실리콘 웨이퍼나 글래스 기판 상에 박막 증착, 사진 및 식각, 세정 공정 등을 반복하여 복수의 패턴 또는 구조를 형성하는 기판 처리 과정을 거치게 된다. 그 중에서 박막 증착을 위해서는 다양한 방법이 있으나, 원료 물질을 기체 상태로 챔버에 공급하여, 기판 상에서의 화학적 반응에 의하여 소정의 박막이 증착되도록 하는 증착 방법이 주로 사용된다.
특히, 최근에는 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있고, 스텝 커버러지(step coverage)가 매우 우수한 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 방법의 사용이 증가되고 있다. 원자층 증착 방법은 기판이 안치된 챔버 내부에 원료 가스의 공급 및 퍼지, 반응 가스의 공급 및 퍼지의 주기를 반복하여 원료 물질과 반응 물질을 기판의 표면에서 반응시켜 소정의 박막을 형성하는 공정이다. 이러한 원자층 증착 방법은 공정 물질의 공급 시간을 조절함으로써 박막 두께를 정밀하게 조절할 수 있다.
이와 같은 원자층 증착 방법에서 원료 가스는 주기의 반복에 의하여 챔버 내부로의 공급 및 챔버 외부로의 배출이 반복된다. 즉, 원료 가스를 공급하기 위한 공급 라인과 원료 가스를 배출하기 위한 이백 라인에 각각 설치되는 밸브는 서로 반대되도록 동작하며, 이와 같은 밸브의 개폐 동작에 의하여 원료 가스의 공급 및 배출이 반복된다.
그러나, 원료 가스의 공급 및 배출이 반복되는 중에 공급 라인 내부의 압력과 이백 라인 내부의 압력은 원료 가스의 유량과, 배관의 형상 및 길이 등의 설비적 요인에 의하여 차이가 발생하게 된다. 이와 같은 공급 라인 내부의 압력과 이백 라인 내부의 압력 차이로부터 발생하는 압력 변동(oscillation)은 챔버 내부로 일정한 양으로 원료 가스를 공급하는 것을 어렵게 하고, 이에 따라 박막 재현성이 확보하지 못하는 문제를 야기하게 된다.
KR 10-2011-0061284 A
본 발명은 챔버 내로 공급되는 원료 가스의 유량 변동을 최소화할 수 있는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 반응 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버 내에 원료 가스를 공급하기 위한 원료 가스 공급부; 상기 챔버와 원료 가스 공급부를 연결하는 공급 라인; 상기 챔버에 연결되어, 상기 챔버의 내부를 배기(exhaust)하기 위한 챔버 배기 라인; 상기 공급 라인에서 분기되어 상기 챔버 배기 라인으로 연결되는 이백(evac.) 라인; 및 상기 이백 라인에 설치되어 상기 이백 라인 내의 압력을 제어하는 압력 제어부;를 포함한다.
상기 압력 제어부는, 상기 이백 라인 내의 압력을 상기 공급 라인 내의 압력에 비례하도록 제어할 수 있다.
상기 압력 제어부는, 상기 이백 라인 내의 압력을 상기 공급 라인 내의 압력의 30 내지 100%의 범위로 제어할 수 있다.
상기 압력 제어부는, 상기 챔버 배기 라인을 향하는 상기 이백 라인의 단부에 설치될 수 있다.
상기 압력 제어부는, 상기 이백 라인의 배기 컨덕턴스를 조절하여 상기 이백 라인의 압력을 제어할 수 있다.
상기 압력 제어부는, 상기 이백 라인 내의 압력을 측정하기 위한 압력 게이지와 압력 조절부를 포함하고, 상기 압력 조절부는 UR(Ultra Regulator) 밸브, EPC(EL-PRESS Pressure Controller), 압력 밸브(Pressure Valve), 미터링 밸브(metering valve), 앵글 밸브(angle valve), 스로틀 밸브(throttle valve) 및 배리악(Variac) 밸브 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 원료 가스 공급부 및 상기 이백 라인은 복수 개로 구비되고, 상기 압력 제어부는, 상기 복수 개의 이백 라인 중 적어도 하나의 이백 라인에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 방법은 공급 라인을 통하여 챔버 내에 원료 가스를 공급하는 단계; 상기 원료 가스의 이동 경로를 상기 챔버의 외부로 전환하여, 이백 라인을 통하여 원료 가스를 배출하는 단계; 및 상기 원료 가스의 이동 경로를 상기 챔버의 내부로 전환하여, 상기 공급 라인을 통하여 상기 챔버 내에 원료 가스를 재공급하는 단계;을 포함하고, 상기 원료 가스를 배출하는 단계는, 상기 이백 라인 내의 압력 범위를 설정하는 단계; 상기 설정된 압력 범위 내의 압력으로 상기 이백 라인 내의 압력을 제어하는 단계;를 포함한다.
상기 이백 라인 내의 압력 범위는, 상기 공급 라인의 압력과 동일한 압력을 포함하는 범위로 설정될 수 있다.
상기 원료 가스를 공급하는 단계는, 제1 공급 라인을 통하여 챔버 내에 제1 원료 가스를 공급하는 단계; 및 제2 공급 라인을 통하여 챔버 내에 제2 원료 가스를 공급하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 원료 가스를 공급하는 단계 및 상기 제2 원료 가스를 공급하는 단계는 동시에 수행되며, 상기 제2 원료 가스는 상기 제1 원료 가스보다 적은 유량으로 챔버 내에 공급될 수 있다.
상기 이백 라인 내의 압력 범위는, 상기 제2 공급 라인의 압력과 동일한 압력을 포함하는 범위로 설정될 수 있다.
상기 원료 가스를 배출하는 단계는, 상기 공급 라인을 통하여 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 원료 가스를 공급하는 단계는, 챔버 내에 상기 원료 가스와 이송 가스를 동시에 공급하고, 상기 원료 가스를 배출하는 단계에서 상기 이송 가스는 챔버 내에 계속적으로 공급될 수 있다.
상기 이송 가스는 퍼지 가스를 포함할 수 있다.
상기 원료 가스를 배출하는 단계와 상기 원료 가스를 재공급하는 단계 사이에, 상기 공급 라인을 통하여 챔버 내에 반응 가스를 공급하는 단계; 및 상기 반응 가스의 이동 경로를 상기 챔버의 외부로 전환하여, 상기 이백 라인을 통하여 반응 가스를 배출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 반응 가스를 배출하는 단계는, 상기 공급 라인을 통하여 챔버 내에 퍼지 가스를 공급하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 의하면, 이백 라인 내의 압력을 제어하는 압력 제어부를 이백 라인에 설치하여, 원료 가스의 공급 및 배출의 반복에 따른 원료 가스의 유량 변동을 최소화할 수 있다.
또한, 챔버 내부로 균일한 양의 원료 가스를 공급할 수 있게 되어 기판 상에 증착되는 박막의 특성을 유지할 수 있게 되며, 생산성 및 반복 재현성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법은 원료 가스의 공급 및 퍼지, 반응 가스의 공급 및 퍼지의 주기가 반복되는 원자층 증착 공정에 적용되어, 치밀한 막질을 가지며 스텝 커버리지(step coverage)가 매우 우수한 박막을 형성할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 원료 가스의 유량이 이백 라인 내의 압력에 따라 변동하는 모습을 나타내는 도면.
도 3 내지 도 5는 원료 가스 공급부가 복수 개로 구비되는 경우 공급 라인 및 이백 라인이 연결되는 모습을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 방법을 개략적으로 나타내는 도면.
본 발명에 따른 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법은 챔버 내로 공급되는 원료 가스의 유량 변동을 최소화할 수 있는 기술적 특징을 제시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 원료 가스의 유량이 이백 라인 내의 압력에 따라 변동하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 반응 공간을 제공하는 챔버(100); 상기 챔버(100) 내에 원료 가스를 공급하기 위한 원료 가스 공급부(200); 상기 챔버(100)와 원료 가스 공급부(200)를 연결하는 공급 라인(300); 상기 챔버(100)에 연결되어, 상기 챔버(100) 내부를 배기하기 위한 챔버 배기 라인(400); 상기 챔버(100)의 외부에서 상기 공급 라인(300)과 상기 챔버 배기 라인(400)을 연결하는 이백 라인(500); 및 상기 이백 라인(500)에 설치되어 상기 이백 라인(500) 내의 압력을 제어하는 압력 제어부(600);를 포함한다.
챔버(100)는 소정의 반응 공간을 제공하기 위하여 내부가 비어있는 중공형의 형상으로 제작된다. 챔버(100)는 사각통의 형상으로 제작될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 기판의 형상에 대응되도록 제작될 수도 있음은 물론이다. 챔버(100) 내에는 기판이 안치되는 기판 안치대(110) 및 상기 기판 안치대(110)과 대향 배치되어 챔버(100) 내부로 공급되는 원료 가스를 분사하기 위한 가스 분사기(미도시)가 설치된다.
원료 가스 공급부(200)는 챔버(100) 내부로 원료 가스를 공급한다. 도시되지는 않았으나, 원료 가스 공급부(200)는 원료 물질 저장기, 상기 원료 물질을 기화시키는 기화기를 포함할 수 있다. 원료 물질을 기화시켜 기체 상태로 챔버(100) 내에 공급하는 구성은 공지된 다양한 구조를 사용할 수 있는 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 원료 물질로는 유기 금속 물질을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 액상의 다양한 원료 물질을 사용할 수도 있음은 물론이다.
공급 라인(300)은 원료 가스가 챔버(100) 내에 공급되도록 챔버(100)와 원료 가스 공급부(200)를 연통시켜 연결한다. 공급 라인(300)에는 상기 챔버(100)와 원료 가스 공급부(200) 사이의 연통을 제어하는 공급 밸브(305)가 설치될 수 있으며, 도시되지는 않았으나 원료 가스 공급부(200)와 공급 밸브 사이에 배치되어 공급되는 원료 가스의 유량을 조절하는 유량 조절부를 포함할 수 있다. 이에, 공급 밸브(305)를 개방하여 원료 가스 공급부(200)와 챔버(100) 사이를 연통시키면, 원료 가스 공급부(200)로부터 공급되는 원료 가스가 공급 라인(300)을 통하여 챔버(100)의 내부로 공급된다.
챔버 배기 라인(400)은 챔버(100)에 연결되어 챔버(100)의 내부를 배기한다. 즉, 챔버(100)는 일정한 압력을 유지하여야만 박막을 재현성 있게 형성할 수 있는 바, 챔버(100) 내부의 잔존 가스는 챔버(100)의 외부로 연속적으로 배기되어야 한다. 이에, 챔버 배기 라인(400)은 챔버(100)와 배기부(700), 예를 들어 진공 펌프를 연통시키도록 연결되어, 챔버 내부의 잔존 가스를 배기시키는 이동 경로를 형성한다.
이백(Evac.: Evacuation) 라인(500)은 챔버(100)의 외부에서 공급 라인(300)과 챔버 배기 라인(400)을 연결한다. 즉, 이백 라인(500)은 공급 라인(300)으로부터 분기되어 챔버(100)를 우회하여 챔버 배기 라인(400)과 연통하여 연결된다. 이와 같은 이백 라인(500)은 챔버(100)를 바이패스(bypass)하여 공급 라인(300)에서 챔버 배기 라인(400)을 연결하는 배관으로, 챔버(100) 내에서 기판의 처리가 진행되지 않는 동안에도 공급 라인(300)으로부터 공급되는 원료 가스의 유동 경로를 형성한다.
이백 라인(500)에는 상기 공급 라인(300)과 챔버 배기 라인(400) 사이의 연통을 제어하는 배출 밸브(505)가 설치될 수 있다. 이에, 배출 밸브(505)를 개방하여 공급 라인(300)과 챔버 배기 라인(400) 사이를 연통시키면, 원료 가스 공급부(200)로부터 공급되는 원료 가스가 이백 라인(500)을 통하여 챔버 배기 라인(400)으로 배출된다.
여기서, 일반적으로 공급 밸브(305)와 배출 밸브(505)는 서로 반대되는 개폐 동작을 하도록 작동된다. 즉, 공급 밸브(305)가 개방되고, 배출 밸브(505)가 폐쇄되는 경우 원료 가스 공급부(200)로부터 공급되는 원료 가스는 공급 라인(300)을 통하여 챔버(100) 내부로 공급되고, 공급 밸브(305)가 폐쇄되고, 배출 밸브(505)가 개방되는 경우 원료 가스 공급부(200)로부터 공급되는 원료 가스는 이백 라인(500)을 통하여 챔버(100) 외부에서 배기 라인(400)으로 배출된다.
도시되지는 않았으나, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 원료 가스의 원활한 이동을 위하여 이송 가스를 공급하기 위한 이송 가스 공급부를 더 포함할 수 있다. 이송 가스 공급부로부터 공급되는 이송 가스는 이송 가스 공급부와 공급 라인(300)을 연결하는 이송 배관을 통하여 공급 라인(300)으로 유입되며, 이송 가스로는 아르곤(Ar) 등의 반응성이 없는 불활성 가스를 사용할 수 있다.
압력 제어부(600)는 이백 라인(500)에 설치되어, 이백 라인(500) 내의 압력을 제어한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 원료 가스 공급부(200)로부터 일정 유량의 원료 가스가 공급되는 중에, 공급 라인(300) 및 이백 라인(500)을 통하여 이동하는 원료 가스의 유량은 이백 라인(500) 내의 압력에 따라 변화하는 것을 알 수 있다.
보다 상세하게는, 원료 가스 공급부(200)로부터 약 230 sccm(standard cubic centimeter per minute)의 유량으로 원료 가스가 공급되고, 이백 라인(500) 내의 압력이 6 Torr로 유지되면, 공급 라인(300) 및 이백 라인(500)을 통하여 이동하는 원료 가스의 유량은 약 169 sccm 내지 281 sccm의 범위에서 증감하며 변동하게 된다. 이와 같은 원료 가스의 유량 변동(oscillation)에 의하여 원료 가스는 챔버(100) 내부에 일정한 양으로 공급되지 못하게 되고, 이에 따라 증착되는 박막의 재현성이 확보하지 못하는 문제를 야기하게 된다. 여기서, 230 sccm 보다 높은 유량을 가지는 구간은 이백 라인(500) 내에서의 원료 가스의 유량을 나타내고, 230 sccm 보다 낮은 유량을 가지는 구간은 공급 라인(300) 내에서의 원료 가스의 유량을 나타낸다.
반면, 이백 라인의 압력을 30 Torr로 증가시키게 되면, 공급 라인(300) 및 이백 라인(500)을 통하여 이동하는 원료 가스의 유량은 약 205 sccm 내지 246 sccm의 범위에서 증감하며 변동하고, 이백 라인의 압력을 40 Torr로 더 증가시키게 되면, 공급 라인(300) 및 이백 라인(500)을 통하여 이동하는 원료 가스의 유량은 약 216 sccm 내지 227 sccm의 범위에서 증감하며 변동하는 것을 알 수 있다. 즉, 이백 라인(500) 내의 압력을 공급 라인(300) 내의 압력과 동일한 수준으로 제어할수록 원료 가스의 유량 변동은 점차적으로 감소하게 되고, 안정적으로 챔버(100) 내에 원료 가스를 공급할 수 있게 된다. 이는, 공급 라인(300) 내의 압력이 증가하는 경우 이백 라인(500)의 압력을 이에 따라 증가시켜 이백 라인(500) 내의 압력을 공급 라인(300) 내의 압력에 비례하도록 제어함으로써 달성할 수 있다.
즉, 압력 제어부(600)는 이백 라인(500) 내의 압력을 공급 라인(300) 내의 압력에 비례하도록 제어하며, 이를 위하여 이백 라인(500) 내의 압력 범위를 공급 라인(300) 내의 압력에 비례하도록 설정하고, 설정된 압력 범위 내의 압력으로 이백 라인(500) 내의 압력을 제어할 수 있다. 이에, 이백 라인(500) 내의 압력 범위는, 공급 라인(300)의 압력과 동일한 압력을 포함하는 범위로 설정될 수 있으며, 이백 라인(500) 내의 압력과 공급 라인(300)의 압력이 동일하도록 제어하는 경우 원료 가스의 유량 변동을 최소화시킬 수 있다. 여기서, 압력의 동일이라 함은 수치적으로 완전한 동일 값을 가지는 경우만을 의미하는 것은 아니며, 공정상 제어 가능한 범위 내에서의 동일을 의미하며, 예를 들어, 압력 제어부(600)는 이백 라인(500) 내의 압력을 공급 라인(300) 내의 압력의 30% 이상, 100% 이하의 범위 내의 값으로 제어할 수 있다. 이백 라인(500) 내의 압력이 공급 라인(300) 내의 압력의 30% 미만인 경우 원료 가스의 유량 변동이 심화되며, 이백 라인(500) 내의 압력이 공급 라인(300) 내의 압력의 100%를 초과하는 경우 챔버(100) 내에 안정적으로 원료 가스를 공급할 수 없게 되는 바, 이백 라인(500) 내의 압력은 공급 라인(300) 내의 압력의 30 내지 100%의 범위로 제어됨이 바람직하다.
이를 위하여, 압력 제어부(600)는 이백 라인(500) 내의 압력을 측정하기 위한 압력 게이지와 압력 조절부를 포함할 수 있으며, 압력 조절부는 이백 라인(500)의 배기 컨덕턴스를 조절하여 이백 라인(500) 내의 압력을 상승시켜 압력을 조절할 수 있다. 이백 라인(500) 내의 압력을 조절하기 위하여 압력 조절부는 이백 라인(500) 내에 압력 조절용 가스를 공급하여 압력을 상승시킬 수도 있으나, 이백 라인(500)의 개공율을 조절하여 이백 라인(500) 내의 압력을 상승시킬 수도 있다. 이백 라인(500)의 개공율을 조절하기 위하여는 압력 제어 밸브를 사용할 수 있으며, 이와 같은 압력 제어 밸브로는 UR(Ultra Regulator) 밸브, EPC(EL-PRESS Pressure Controller), 압력 밸브(Pressure Valve), 미터링 밸브(metering valve), 앵글 밸브(angle valve), 스로틀 밸브(throttle valve) 및 배리악(Variac) 밸브 중 적어도 하나의 밸브를 사용할 수 있다.
압력 제어부(600)는 이백 라인(500)에 설치될 수 있으며, 이백 라인(500)의 압력 조절 범위를 증가시키기 위하여 원료 가스 공급부(200)로부터 최대한의 길이를 가지는 이백 라인(500)의 단부, 즉 챔버 배기 라인(400)을 향하는 이백 라인(500)의 단부에 설치될 수 있다. 이 경우 이백 라인(500)의 내의 대략 전 영역에 대하여 원료 가스의 배출 유량을 조절할 수 있게 되어 최대의 압력 조절 범위를 가질 수 있게 된다.
도 3 내지 도 5는 원료 가스 공급부가 복수 개로 구비되는 경우 공급 라인 및 이백 라인이 연결되는 모습을 나타내는 도면이다. 보다 상세하게는, 도 3은 복수 개의 원료 가스 공급부로부터 공급되는 원료 가스가 하나의 공급 라인으로 챔버 내에 공급되고, 하나의 이백 라인으로 배출되는 모습을 나타내는 도면이고, 도 4는 복수 개의 원료 가스 공급부로부터 공급되는 원료 가스가 복수 개의 공급 라인으로 챔버 내에 공급되고, 하나의 이백 라인으로 배출되는 모습을 나타내는 도면이며, 도 5는 복수 개의 원료 가스 공급부로부터 공급되는 원료 가스가 하나의 공급 라인으로 챔버 내에 공급되고, 복수 개의 이백 라인으로 배출되는 모습을 나타내는 도면이다. 이하에서는 원료 가스 공급부가 3개로 구비되는 경우를 예로 들어 설명하나, 원료 가스 공급부의 개수는 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다.
도 3을 참조하면, 원료 가스 공급부는 제1 원료 가스 공급부(210), 제2 원료 가스 공급부(220) 및 제3 원료 가스 공급부(230)을 포함하는 복수 개로 구비될 수 있다. 여기서, 제1 원료 가스 내지 제3 원료 가스는 서로 다른 원료 물질을 기화시킨 원료 가스일 수 있다.
제1 원료 가스 공급부(210), 제2 원료 가스 공급부(220) 및 제3 원료 가스 공급부(230)는 각각 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)과 연결되며, 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)은 공급 라인(300)으로 합류하여 챔버(100)에 연결된다. 여기서, 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)에는 각각 제1 공급 밸브(315), 제2 공급 밸브(325) 및 제3 공급 밸브(335)가 설치되어, 각 원료 가스 공급부(210, 220, 230)와 챔버(100) 사이의 연통을 제어할 수 있다.
또한, 제1 이백 라인(510), 제2 이백 라인(520) 및 제3 이백 라인(530)은 각각 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)과 연결되며, 제1 이백 라인(510), 제2 이백 라인(520) 및 제3 이백 라인(530)은 이백 라인(500)으로 합류하여 챔버 배기 라인(400)에 연결된다. 여기서, 제1 이백 라인(510), 제2 이백 라인(520) 및 제3 이백 라인(530)에는 각각 제1 배출 밸브(515), 제2 배출 밸브(525) 및 제3 배출 밸브(535)가 설치되어, 각 원료 가스 공급부(210, 220, 230)와 챔버 배기 라인(400) 사이의 연통을 제어할 수 있다.
상기와 같이, 복수 개의 원료 가스 공급부(210, 220, 230)로부터 공급되는 원료 가스가 하나의 공급 라인(300)으로 합류하여 챔버(100) 내에 공급되고, 하나의 이백 라인(500)으로 합류하여 챔버 배기 라인(400)으로 배출되는 경우, 압력 제어부(600)는 합류된 이백 라인(500) 내의 압력을 합류된 공급 라인(300) 내의 압력에 비례하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 복수 개의 원료 가스 공급부(210, 220, 230)로부터 각각 공급되는 원료 가스에 대하여 합류된 챔버 배기 라인(400) 내의 압력을 제어함으로써 유량 변동을 감소시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 원료 가스 공급부(210), 제2 원료 가스 공급부(220) 및 제3 원료 가스 공급부(230)는 각각 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)과 연결되며, 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)은 각각 서로 다른 경로를 가지며 챔버(100)에 연결된다. 여기서, 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)에는 각각 제1 공급 밸브(315), 제2 공급 밸브(325) 및 제3 공급 밸브(335)가 설치되어, 각 원료 가스 공급부(210, 220, 230)와 챔버(100) 사이의 연통을 제어할 수 있다.
또한, 제1 이백 라인(510), 제2 이백 라인(520) 및 제3 이백 라인(530)은 각각 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)과 연결되며, 제1 이백 라인(510), 제2 이백 라인(520) 및 제3 이백 라인(530)은 이백 라인(500)으로 합류하여 챔버 배기 라인(400)에 연결된다. 여기서, 제1 이백 라인(510), 제2 이백 라인(520) 및 제3 이백 라인(530)에는 각각 제1 배출 밸브(515), 제2 배출 밸브(525) 및 제3 배출 밸브(535)가 설치되어, 각 원료 가스 공급부(210, 220, 230)와 챔버 배기 라인(400) 사이의 연통을 제어할 수 있음은 전술한 바와 같다.
상기와 같이, 복수 개의 원료 가스 공급부(210, 220, 230)로부터 공급되는 원료 가스가 복수 개의 공급 라인(310, 320, 330)으로 챔버 내에 각각 공급되고, 하나의 이백 라인(400)으로 배출되는 경우, 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)은 각각 서로 다른 내부 압력을 가진다. 따라서, 압력 제어부(600)는 합류된 이백 라인(500) 내의 압력을 복수 개의 공급 라인(310, 320, 330) 중 선택된 하나의 공급 라인 내의 압력에 비례하도록 제어한다. 여기서, 압력 제어부(600)는 가장 적은 유량으로 챔버(100) 내에 공급되는 원료 가스의 이동 경로를 형성하는 공급 라인을 선택할 수 있다. 이는, 가장 적은 유량으로 챔버(100) 내에 공급되는 원료 가스는 기판에 증착되는 박막에 대하여 가장 낮은 조성비를 가지는 원료 물질이 되며, 이와 같이 가장 낮은 비율로 함유되는 원료 물질은 공급 유량에 가장 큰 영향을 받기 때문이다. 따라서, 압력 제어부(600)는 가장 적은 유량으로 챔버(100) 내에 공급되는 원료 가스의 이동 경로를 형성하는 공급 라인을 선택하여 이에 대응되도록 이백 라인(500) 내의 압력을 제어함으로써 박막 재현성을 확보할 수 있게 된다.
도 5를 참조하면, 제1 원료 가스 공급부(210), 제2 원료 가스 공급부(220) 및 제3 원료 가스 공급부(230)는 각각 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)과 연결되며, 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)은 공급 라인(300)으로 합류하여 챔버(100)에 연결된다. 여기서, 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)에는 각각 제1 공급 밸브(315), 제2 공급 밸브(325) 및 제3 공급 밸브(335)가 설치되어, 각 원료 가스 공급부(210, 220, 230)와 챔버(100) 사이의 연통을 제어할 수 있음은 전술한 바와 동일하다.
또한, 제1 이백 라인(510), 제2 이백 라인(520) 및 제3 이백 라인(530)은 각각 제1 공급 라인(310), 제2 공급 라인(320) 및 제3 공급 라인(330)과 연결되며, 제1 이백 라인(510), 제2 이백 라인(520) 및 제3 이백 라인(530)은 각각 서로 다른 경로를 가지며 챔버 배기 라인(400)에 연결된다. 여기서, 제1 이백 라인(510), 제2 이백 라인(520) 및 제3 이백 라인(530)에는 각각 제1 배출 밸브(515), 제2 배출 밸브(525) 및 제3 배출 밸브(535)가 설치되어, 각 원료 가스 공급부(210, 220, 230)와 챔버 배기 라인(400) 사이의 연통을 제어할 수 있다.
상기와 같이, 복수 개의 원료 가스 공급부(210, 220, 230)로부터 공급되는 원료 가스가 하나의 공급 라인(300)으로 챔버(100) 내에 공급되고, 복수 개의 이백 라인(510, 520, 530)으로 각각 배출되는 경우, 이백 라인(510, 520, 530)에 각각 압력 제어부(600)를 설치할 수도 있으나, 설비 및 공정 제어를 단순화하기 위하여 압력 제어부(600)의 설치 위치를 한정할 필요가 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이 가장 낮은 비율로 함유되는 원료 물질은 공급 유량에 가장 큰 영향을 받기 때문에, 압력 제어부(600)는 가장 적은 유량으로 챔버(100) 내에 공급되는 원료 가스의 배출 경로를 형성하는 이백 라인에 설치될 수 있다. 또한, 도면으로 도시하지는 않았으나, 복수 개의 원료 가스 공급부(210, 220, 230)로부터 공급되는 원료 가스가 복수 개의 공급 라인(310, 320, 330)으로 챔버(100) 내에 각각 공급되고, 복수 개의 이백 라인(510, 520, 530)으로 각각 배출되는 경우에도 가장 적은 유량으로 챔버(100) 내에 공급되는 원료 가스의 배출 경로를 형성하는 이백 라인에 설치될 수 있음은 물론이다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 방법에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 방법은 전술한 기판 처리 장치를 이용하며, 이에 기판 처리 장치와 관련하여 전술한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 이하의 실시 예에서는 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 방법으로 박막을 증착하는 경우를 일 예로 설명하나, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 방법은 원자층 증착 방법뿐만 아니라, 원료 가스의 공급과 배출이 반복되는 박막 증착 방법에 다양하게 적용될 수 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 방법은 공급 라인을 통하여 챔버 내에 원료 가스를 공급하는 단계(S100); 상기 원료 가스의 이동 경로를 상기 챔버의 외부로 전환하여, 이백 라인을 통하여 원료 가스를 배출하는 단계(S200); 및 상기 원료 가스의 이동 경로를 상기 챔버의 내부로 전환하여, 상기 공급 라인을 통하여 상기 챔버 내에 원료 가스를 재공급하는 단계(S500);를 포함하고, 상기 원료 가스를 배출하는 단계(S200)는, 상기 이백 라인 내의 압력 범위를 설정하는 단계(S210); 상기 설정된 압력 범위 내의 압력으로 상기 이백 라인 내의 압력을 제어하는 단계(S220);를 포함한다.
원료 가스를 공급하는 단계(S100)는 원료 가스 공급부로부터 공급되는 원료 가스를 공급 라인을 통하여 챔버 내부로 공급한다. 여기서, 원료 가스는 유기 금속 물질을 기화시킨 가스를 사용할 수 있으며, 서로 다른 원료 가스를 공급하는 복수 개의 원료 가스 공급부로부터 복수 개의 원료 가스를 동시에 공급할 수도 있다. 즉, 원료 가스를 공급하는 단계(S100)는 제1 공급 라인을 통하여 챔버 내에 제1 원료 가스를 공급하는 단계; 및 제2 공급 라인을 통하여 챔버 내에 제2 원료 가스를 공급하는 단계;를 포함할 수 있으며, 여기서 제1 원료 가스를 공급하는 단계 및 제2 원료 가스를 공급하는 단계는 동시에 수행될 수 있다.
또한, 각 원료 가스의 공급량은 증착되는 박막의 종류에 따라 서로 다르게 조절될 수 있다. 즉, 기판 상에 제1 원료 물질과 제2 원료 물질로 이루어지는 박막을 형성하는 경우 제1 원료 가스의 공급 유량과 제2 원료 가스의 공급 유량은 박막의 조성비에 따라 서로 다르게 제어될 수 있다. 이와 같이, 제1 원료 가스의 공급 유량과 제2 원료 가스의 공급 유량을 제어함으로써 다양한 조성비를 가지는 박막을 증착할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 원료 가스를 공급하는 단계(S100)에서는 원료 가스의 원활한 이동을 위하여 이송 가스를 공급 라인으로 유입시켜 동시에 공급할 수도 있다. 여기서, 이송 가스로는 아르곤(Ar) 등의 반응성이 없는 불활성 가스를 사용할 수 있으며, 복수 개의 원료 가스가 사용되는 경우 하나의 이송 가스 공급부가 각 원료 가스의 공급을 위한 복수 개의 공급 라인에 모두 연결되어 이송 가스를 유입시킬 수도 있음은 물론이다. 유입된 이송 가스는 원료 가스와 함께 챔버 내에 공급되게 된다.
원료 가스를 배출하는 단계(S200)는 원료 가스 공급부로부터 공급되는 원료 가스를 챔버 외부에서 챔버 배기 라인과 연결되는 이백 라인을 통하여 챔버 배기 라인으로 배출한다. 이와 같이 챔버의 내부를 경유하는 원료 가스의 이동 경로를 챔버의 외부로 연결되도록 전환하는 것은 공급 라인에 설치되는 공급 밸브를 폐쇄시키고, 이백 라인에 설치되는 배출 밸브를 개방시킴으로써 수행될 수 있다.
여기서, 원료 가스를 배출하는 단계(S200)는, 공급 라인을 통하여 챔버 내부에 퍼지 가스를 공급하는 단계(S250)를 포함할 수 있다. 즉, 챔버 내부로 원료 가스가 공급된 이후, 원료 가스를 이백 라인을 통하여 챔버 배기 라인으로 배출함과 동시에 퍼지 가스를 공급 라인을 통하여 공급할 수 있다. 퍼지 가스로는 아르곤(Ar) 등의 반응성이 없는 불활성 가스를 사용할 수 있으며, 전술한 바와 같이 원료 가스와 이송 가스를 동시에 공급한 경우 원료 가스의 이동 경로만을 전환시키고, 이송 가스의 이동 경로는 챔버 내부로 그대로 유지하여 이송 가스를 퍼지 가스로 하여 챔버 내부에 계속적으로 공급할 수 있다.
또한, 원료 가스를 배출하는 단계(S200)는 이백 라인 내의 압력 범위를 설정하는 단계(S210) 및 설정된 압력 범위 내의 압력으로 이백 라인 내의 압력을 제어하는 단계(S220)을 포함할 수 있다. 상기의 단계는 이백 라인에 설치되는 압력 제어부에 의하여 수행되며, 이백 라인 내의 압력 범위는 공급 라인의 압력과 동일한 압력을 포함하는 범위로 설정될 수 있으며, 이백 라인 내의 압력과 공급 라인의 압력이 동일하도록 제어하는 경우 원료 가스의 유량 변동을 최소화시킬 수 있음은 전술한 바와 같다.
또한, 복수 개의 원료 가스가 사용되는 경우, 예를 들어 제2 원료 가스가 제1 원료 가스보다 적은 유량으로 챔버 내에 공급되는 경우 이백 라인 내의 압력 범위는 제2 공급 라인 내의 압력과 동일한 압력을 포함하는 범위로 설정될 수 있다. 이는 가장 적은 유량으로 챔버 내에 공급되는 원료 가스는 기판에 증착되는 박막에 대하여 가장 낮은 조성비를 가지는 원료 물질이 되며, 이와 같이 가장 낮은 비율로 함유되는 원료 물질은 공급 유량에 가장 큰 영향을 받기 때문임은 전술한 바와 같다.
본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 방법은 상기한 원료 가스를 배출하는 단계(S200) 이후에, 공급 라인을 통하여 챔버 내부에 반응 가스를 공급하는 단계(S300); 및 반응 가스의 이동 경로를 챔버의 외부로 전환하여 이백 라인을 통하여 반응 가스를 배출하는 단계(S400)를 더 포함할 수 있다. 반응 가스를 공급하는 단계(S300) 및 반응 가스의 이동 경로를 챔버의 외부로 전환하여 이백 라인을 통하여 반응 가스를 배출하는 단계(S400)는 전술한 원료 가스를 공급하는 단계(S100) 및 원료 가스를 배출하는 단계(S200)와 공급되는 가스의 종류만이 상이할 뿐 동일한 단계로 수행될 수 있다. 즉, 반응 가스를 배출하는 단계(S400)는 공급 라인을 통하여 챔버 내부에 퍼지 가스를 공급하는 단계(S450)를 포함할 수 있으며, 반응 가스와 이송 가스를 동시에 공급한 경우 반응 가스의 이동 경로만을 전환시키고, 이송 가스의 이동 경로는 챔버 내부로 그대로 유지하여 이송 가스를 퍼지 가스로 하여 챔버 내부에 계속적으로 공급할 수 있음은 물론이다.
상기와 같이, 챔버 내로 원료 가스를 공급하는 단계(S100), 챔버 내로 퍼지 가스를 공급함과 동시에 원료 가스를 배출하는 단계(S200), 챔버 내로 반응 가스를 공급하는 단계(S300) 및 챔버 내로 퍼지 가스를 공급함과 동시에 반응 가스를 배출하는 단계(S400)에 의하여 기판이 안치된 챔버 내부에 원료 가스의 공급 및 퍼지, 반응 가스의 공급 및 퍼지의 1주기가 수행된다. 이와 같이, 원료 가스의 공급 및 퍼지, 반응 가스의 공급 및 퍼지의 1주기가 수행된 이후에 원료 가스의 이동 경로를 챔버의 내부로 전환하여 원료 가스를 재공급하는 단계(S500)가 수행되며, 원자층 증착 공정의 각 주기가 반복적으로 수행될 수 있다. 여기서, 원료 가스의 이동 경로를 챔버의 내부를 경유하도록 전환하는 것은 공급 라인에 설치되는 공급 밸브를 개방시키고, 이백 라인에 설치되는 배출 밸브를 폐쇄시킴으로써 수행될 수 있음은 물론이다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 의하면, 이백 라인 내의 압력을 제어하는 압력 제어부를 이백 라인에 설치하여, 원료 가스의 공급 및 배출의 반복에 따른 원료 가스의 유량 변동을 최소화할 수 있다.
또한, 챔버 내부로 균일한 양의 원료 가스를 공급할 수 있게 되어 기판 상에 증착되는 박막의 특성을 유지할 수 있게 되며, 생산성 및 반복 재현성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법은 원료 가스의 공급 및 퍼지, 반응 가스의 공급 및 퍼지의 주기가 반복되는 원자층 증착 공정에 적용되어, 치밀한 막질을 가지며 스텝 커버리지(step coverage)가 매우 우수한 박막을 형성할 수 있게 된다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
100: 챔버 200: 원료 가스 공급부
300: 공급 라인 400: 챔버 배기 라인
500: 이백 라인 600: 압력 제어부
700: 배기부

Claims (16)

  1. 반응 공간을 제공하는 챔버;
    상기 챔버 내에 원료 가스를 공급하기 위한 원료 가스 공급부;
    상기 챔버와 원료 가스 공급부를 연결하는 공급 라인;
    상기 챔버에 연결되어, 상기 챔버의 내부를 배기(exhaust)하기 위한 챔버 배기 라인;
    상기 공급 라인에서 분기되어 상기 챔버 배기 라인으로 연결되는 이백(evac.) 라인; 및
    상기 이백 라인에 설치되어 상기 이백 라인 내의 압력을 제어하는 압력 제어부;를 포함하고,
    상기 압력 제어부는, 상기 이백 라인 내의 압력을 상기 공급 라인 내의 압력에 비례하도록 제어하는 기판 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력 제어부는, 상기 이백 라인 내의 압력을 상기 공급 라인 내의 압력의 30 내지 100%의 범위로 제어하는 기판 처리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력 제어부는, 상기 챔버 배기 라인을 향하는 상기 이백 라인의 단부에 설치되는 기판 처리 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력 제어부는, 상기 이백 라인의 배기 컨덕턴스를 조절하여 상기 이백 라인의 압력을 제어하는 기판 처리 장치.
  6. 삭제
  7. ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 1에 있어서,
    상기 원료 가스 공급부 및 상기 이백 라인은 복수 개로 구비되고,
    상기 압력 제어부는, 상기 복수 개의 이백 라인 중 적어도 하나의 이백 라인에 설치되는 기판 처리 장치.
  8. 공급 라인을 통하여 챔버 내에 원료 가스를 공급하는 단계;
    상기 원료 가스의 이동 경로를 상기 챔버의 외부로 전환하여, 이백 라인을 통하여 원료 가스를 배출하는 단계; 및
    상기 원료 가스의 이동 경로를 상기 챔버의 내부로 전환하여, 상기 공급 라인을 통하여 상기 챔버 내에 원료 가스를 재공급하는 단계;를 포함하고,
    상기 원료 가스를 배출하는 단계는,
    상기 이백 라인 내의 압력 범위를 설정하는 단계;
    상기 설정된 압력 범위 내의 압력으로 상기 이백 라인 내의 압력을 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 이백 라인 내의 압력을 제어하는 단계는,
    상기 이백 라인 내의 압력을 상기 공급 라인 내의 압력에 비례하도록 제어하는 기판 처리 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 이백 라인 내의 압력 범위는, 상기 공급 라인의 압력과 동일한 압력을 포함하는 범위로 설정되는 기판 처리 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 원료 가스를 공급하는 단계은,
    제1 공급 라인을 통하여 챔버 내에 제1 원료 가스를 공급하는 단계; 및
    제2 공급 라인을 통하여 챔버 내에 제2 원료 가스를 공급하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 원료 가스를 공급하는 단계 및 상기 제2 원료 가스를 공급하는 단계는 동시에 수행되며,
    상기 제2 원료 가스는 상기 제1 원료 가스보다 적은 유량으로 챔버 내에 공급되는 기판 처리 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 이백 라인 내의 압력 범위는, 상기 제2 공급 라인의 압력과 동일한 압력을 포함하는 범위로 설정되는 기판 처리 방법.
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