KR20000073376A

KR20000073376A - 온도가변 가스 분사 장치

Info

Publication number: KR20000073376A
Application number: KR1019990016627A
Authority: KR
Inventors: 김창재
Original assignee: 김영환; 현대반도체 주식회사
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2000-12-05
Also published as: KR100302609B1; US6453992B1

Abstract

본발명은 온도가변 가스분사장치에 관한 것으로, 상부덮개(204a)와 하부덥개(204b)가 사이에 공간 즉 제1통로(204c)를 갖도록 용접하여 형성된 덮개(204)와, 상기 상부덮개(204a)의 가장자리를 따라 매설된 제2통로(204d)와, 상기 제2통로(204d)내에 설치된 제1히터(EW1)와, 상기 덮개(204)의 둘레에 용접되어 형성된 지지부(203)와, 상기 지지부(203)하면에 부착되어 있는 분사판(201)으로 구성되고, 상기 분사판(201)에는 다수의 노즐(201a)이 형성되어 있고, 상기 분사판(201) 내부에는 유체의 통로인 제3통로(201c)가 형성되어 있고, 상기 제3통로(201c)내에는 제2, 제3 히터(EW2, EW3)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본발명에 따른 가스분사장치는 덮개와 분사판 모두 즉 가스가 닿는 면적 전체의 온도를 제어할 수 있기 때문에, 원료가스의 기반응 및 액화를 방지할 수 있고 따라서, 상기 가스분사장치를 이용하여 웨이퍼상에 박막을 증착할 경우, 박막에 파티클의 발생으로 인한 오염이 없고, 증착두께가 균일하고, 증착속도가 빠른 박막을 얻을 수 있다. 결과적으로, 반도체 소자의 신뢰성을 향상시키고 공정 시간을 단축하여 원가를 절감하는 효과가 있다.

Description

온도가변 가스 분사 장치{TEMPERATURE CONTROLLABLE GAS DISTRIBUTOR}

본발명은, 일반적으로는 반도체 웨이퍼 또는 액상표시장치(LCD; liquid crystal display, 이하 "엘씨디"라함)의 기판 등을 처리하는 장비에 관한 것이고, 특히 그러한 장비중의 가스분사장치에 관한 것이다.

반도체 소자 또는 엘씨디는 반도체 웨이퍼 또는 엘씨디 기판상에 박막을 형성하고 부분적으로 그 박막을 식각하는 공정을 반복수행함으로써 제조할 수 있다. 따라서, 박막 형성공정과 식각공정은, 반도체 소자 또는 엘씨디를 제조하기 위한 주요 공정이라고 할 수 있는데, 그러한 박막을 형성하기 위한 대표적인 방법으로는 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)이 있고, 상기 박막을 식각하는 공정으로는 활성이온에칭(RIE;Reactive Ion Etching)법등이 있다.

그런데, 상기 화학기상증착 공정과 활성이온에칭 공정 등은 가스를 반응로(process chamber)내에 도입하고, 도입된 가스간의 화학반응 또는 상기 반응로 내에 놓인 웨이퍼 또는 기판 재료와 상기 가스들간의 화학반응을 유도함으로써 이루어 진다. 따라서, 화학기상증착 장비 또는 활성이온에칭 장비내에서, 기화된 가스들을 목표물 즉 웨이퍼 또는 기판에 일정한 속도와 압력으로 고루 도달될 수 있도록 분사시키는 장치인 가스분사 장치가 필수적이며, 본 발명은 그러한 가스 분사장치에 관한 것이다.

특히 화학기상증착 장비의 관점에서, 반도체 웨이퍼 또는 엘씨디 기판에 균일한 두께를 갖을 뿐만 아니라 파티클(particle)이 없는 좋은 막질의 박막을 얻기 위해서는 가스분사장치는 핵심요소중의 하나이며, 다음과 같은 조건을 갖출 것이 요구된다.

즉, 첫째로 웨이퍼 또는 기판 전체에 걸쳐 가스가 균일하게 분포되어야 하며, 둘째로, 가스 분사기로부터 웨이퍼가 놓여 있는 작업대로 분사되기전 또는 분사된 직후에 가스의 활성화 에너지를 얻거나 유지하도록 하여 가스분사기의 내부 또는 그 외표면에서 화학반응이 일어나는 것을 방지하고, 목표물 즉 웨이퍼 상에서 반응이 일어나도록 유도해야 하는 것이 그것이다.

특히, 최근에 점차 활용도가 높아지고 있는 유기금속박막을 증착하기 위한 유기금속 화학기상증착(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에서는, 원료 가스의 온도 안정성 및 균일성이 형성될 박막의 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 발표되었다. 그러나, 현재 널리 사용되고 있는 화학기상증착 장치들의 가스분사장치는, 온도조절이 용이하지 않아, 특성이 좋은 막을 얻은데 어려움이 있다.

도1은 일반적인 화학기상증착 장치의 반응로 내부의 모습을 도시한 종단면도이다. 즉 반응로는 원통형의 외벽(10)으로 둘러싸여 있고, 상기 원통형 외벽(10)의 상면에는 가스분사장치(11)가 설치되어 있고, 바닥면에는 가스배출관(13)이 연결되어 있다. 상기 가스분사장치(11)의 상면에는 기화된 가스가 유입되는 가스유입관(12)이 연결되어 있다. 또한, 상기 외벽(10)으로 둘러싸인 반응로 내부에, 상기 가스분사장치(11)의 아랫쪽에, 작업대(13)가 놓여 있다. 상기 작업대(12)의 상면에는 웨이퍼(W)가 놓여 있고, 상기 작업대 아래에는 가열장치(14)가 설치되어 있다. 또 상기 반응로 외벽(10)의 하면에는 반응이 종료된 후 가스를 배출하기 위한 가스유출구(15)가 연결되어 있다.

도1의 화학기상증착장치를 이용하여 웨이퍼(W)상에 박막을 형성하는 원리는 다음과 같다. 즉 박막을 형성하기 위한 공정 소스(source gas or process source)가 액체상태로 기화기(미도시)에 유입되고, 상기 기화기에 N_2,O_2,Ar등과 같은 불활성 가스로 구성된 캐리가스와 혼합되고 기화된다. 다음으로 상기 기화된 공정소스는 가스유입구(12)를 통해 가스분사기(11)에 기체상태를 유지하면서 도입되고, 상기 가스분사기(11)에 형성된 다수의 노즐(11a)을 통하여 웨이퍼에 도달하고, 상기 가열장치(14)로부터 열에너지를 받아 화학반응을 일으켜, 상기 웨이퍼(W)상에 박막을 형성하게 된다. 이때, 상기 가스분사기(11)의 내부의 열적인 환경이 적합하지 못하면 공정가스들이 기반응하게 되거나, 기화된 가스가 다시 액화되는 현상이 발생되어, 웨이퍼(W)상에 증착된 박막이 파티클 등을 포함하게 되어 막질이 불량하거나 또는 원하는 증착율을 얻을 수 없게 된다. 따라서 그러한 문제점을 방지하기 위하여, 가스분사기내의 온도를 일정하게 제어해야 할 필요성이 있다.

종래의 가스분사기의 구조 및 온도조절방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

도2a는 종래 제1형 가스분사기(20)의 종단면도이다. 즉 상기 가스분사기(20)는, 상판(21)과 다수의 홀 또는 노즐(22)을 갖는 다공판(23)으로 구성되어 있고, 상기 상판(21)의 중앙에는 가스유입관(24)이 연결되어 있다. 상기 상판(21)과 상기 다공판(23)은, 그 가장자리를 따라 다수의 스크류(26)에 의해 서로 연결되어 있다. 또한 히터(25)가 상기 상판의 가장자리에 상하좌우방에 서로 90도 각도의 간격으로 각각 하나씩 설치되어 있다. 도2b는 도2a의 제1형 가스분사기의 상면을 도시한 평면도이다. 상판(21) 가장자리에 4개의 히터(25)가 설치되어 있고, 상판(24) 중앙에 가스 유입관(24)이 설치되어 있는 것이 도시되어 있다.

도3a는 종래 제2형 가스분사기의 종단면도이다. 즉 가스분사기(30)는, 상판(31)과 다수의 홀 또는 노즐(32)을 갖는 다공판(33)으로 구성되어 있고, 상기 상판(31)의 중앙에는 가스유입관(34)이 연결되어 있다. 상기 상판(31)과 상기 다공판(33)은, 그 가장자리를 따라 다수의 스크류(36)에 의해 연결되어 있다. 히터(25)는 상기 상판(31)의 중앙부에 상기 가스유입관(34)근처에 4개가 서로 소정 간격 이격하여 설치되어 있다. 즉 제1형 가스분사기와 다른 점은, 히터의 위치이다. 제1형의 히터는 상판의 가장자리에 형성되고, 제2형의 히터의 위치는 상판의 중앙부에 형성되어 있다.

도3b는 도3a의 제2형 가스분사기의 평면도이다. 도3a와 동일한 요소에는 같은 도면부호를 붙였다. 상판(31)의 중앙부에 가스유입관(34)이 설치되고, 상기 가스유입관(34) 둘레에 히터(35)가 설치되어 있다.

도3c는 도3a의 제2형 가스분사기의 다공판(33)의 평면도를 도시했다. 1~2mm의 직경을 갖는 다수의 노즐(32)이 일정한 간격으로 배치되어 있는 것을 알 수 있고, 상기 다공판(33)의 가장자리에 스크류을 넣기 위한 다수의 스크류홀(36a)이 도시되어 있다.

도4a는 제3형 가스분사기(40)의 종단면도이다. 상판(41)과 다수의 노즐(42)을 갖는 다공판(43)과, 가스유입관(44)과, 평판형 히터(plate heater)(45)로 구성되고, 상기 상판(41)과 상기 다공판(43)은 스크류(46)에 의해 연결되어 있다. 상기 상판(41)의 상면전체에 평판 히터(45)가 부착되어 있다. 또한 다공판(43)은 접시모양과 같이 제작하여, 챔버의 외곽부의 분사기능을 보완하였다. 다공판(43)은 평평한 저부(43a)와 경사부(43b)로 구성되어 있다.

도4b는 도4a의 제3형 가스분사기(40)의 평면도이다. 도4a의 도면부호와 일치하는 부분은 도4a의 요소와 동일하다. 도4c는 다공판(43)을 도시하였다. 도4c에서 도4a와 도면부호가 같은 부분은, 도4a의 요소와 동일하다.

상기 제1형 내지 제3형의 종래 가스분사 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

상기 제1형, 제2형 가스분사장치에서는, 가스유입관(24, 34)으로부터 가스분사장치의 상판으로 유입된 기화된 액체 가스가, 상판에 배열된 4개의 스틱형 히터를 통하여 가열 및 가열된 온도가 유지되고, 그 가스는 다공판의 노즐을 통하여 챔버내의 웨이퍼 또는 기판상에 균일하게 분사된다.

상기 제3형 가스분사장치에서는 대구경 웨이퍼 또는 기판을 가공하기 위해 고안된 것으로써, 웨이퍼 또는 기판의 가장자리부에까지 가스 공급이 원활히 이루어지도록 하기 위하여 다공판의 외곽부에 약 수평면에 대해 약 30도 정도의 경사를 갖는 경사부를 설치하였다.

상기 제1형 내지 제3형의 종래 가스분사장치의 단점은 다음과 같다.

제1형 가스분사장치는, 상판 외곽부에 형성된 스틱 히터로 가열하기 때문에, 가스로의 열전달이 불균일하여 가스온도 균일성이 떨어지고, 따라서 웨이퍼상에 형성되는 막의 두께가 불균일해지고, 또한 균일한 조성을 갖는 막을 얻기가 힘들고, 막성장율이 떨어진다. 또한, 다공판의 노즐이 직선형이기 때문에 노즐의 가스유출단에서 와류가 형성되고, 확산범위가 적어 반응성이 떨어지며, 또한 유출단이 데드 스페이스(dead space)로 작용하여 파티클이 발생하는 원인이 된다.

제2형의 가스분사장치 역시 제1형의 가스분사장치와 동일한 단점이 있다.

제3형의 가스분사장치에서는 다공판의 경사부를 통하여 챔버의 벽면으로까지 가스가 분사되기 때문에 원료가스의 손실이 크다. 또한 경사부에서의 가스 흐름이 불량하다. 또한 제1형,제2형 가스분사장치와 마찬가지로 노즐벽이 직선형이기 때문에 파티클 발생의 문제점이 있다. 또한, 다공판의 외곽부는 평판 히터와 직접 접하기 때문히 히터로부터 직접 열전달이 일어나지만, 다공판의 중앙부는 평판 히터로부터의 복사열에 의해서만 가열되기 때문에, 다공판의 중앙부의 노즐을 통과하는 가스의 온도와, 다공판의 가장자리부의 노즐을 통과하는 가스의 온도 불균일로 인한, 성장되는 막두께의 불균일 등의 문제가 있다.

본발명의 목적은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가스분사기의 상부와 하부의 온도를 각각 따로 제어할 수 있는 이중온도조절 기능을 갖는 온도가변가스 분사기를 제공하는 것이다.

본발명의 목적은, 가스분사기 내부에서 기반응 및 기화된 가스의 액화를 방지하여 좋은 막질의 박막을 얻고 또한 박막 증착율을 높일 수 있도록 하는 온도 가변 가스 분사기를 제공하는 것이다.

본발명의 목적은, 형성되는 박막의 두께의 균일성을 얻을 수 있도록 열적으로 안정된 가스를 분사하는 온도가변가스 분사기를 제공하는 것이다.

본발명의 목적은, 직선형의 노즐을 개선하여 노즐의 내부 직경을 상부, 중간부, 하부측이 다르도록하여 파티클이 발생되지 않고 좋은 막질을 갖는 박막을 형성할 수 있도록 하는 온도가변가스 분사기를 제공하는 것이다.

본발명에 따른 온도 가변 가스분사 장치는, 덮개와; 가스를 분사시키기 위한 다수의 노즐을 갖는 분사판과; 상기 덮개의 가장자리을 둘러싸고 용접되어 있으며, 그 하면에눈 분사판이 연결되어 있고, 챔버벽위에 상기 덮개 및 분사판을 지지하는 역할을 하는 지지부로 구성되는 온도가변가스분사장치에 있어서, 상기 덮개는, 상부덮개와 하부덮개로 구성되고, 상기 상하부 덮개사이에는 유체가 흐를 수 있는 제1통로를 갖도록 상기 상하부 덮개가 용접으로 접착되어 있고, 상기 제1통로내에는, 제1통로내의 유체 온도를 검출하는 제1, 제2 온도 검출기가 설치되어 있고, 상기 제1통로에는 상기 제1통로에 유체를 유입하는 유입관과, 제1통로내의 유체를 상기 덮개외부로 유출하기 위한 유출관이 각각 상기 상부덮개를 통과하도록 연결되어 있고, 상기 분사판에는 가스가 상기 분사판을 통과하도록 다수의 노즐이 형성되어 있고, 상기 분사판내부에는 유체가 흐를 수 있는 제3통로가 형성되어 있고, 상기 제3통로는 유체 유입관과 유체 유출관이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 가변 가스 분사장치를 제공한다.

본발명에 따른 온도 가변 가스분사 장치는, 상기 상부덮개에는 그 가장자리를 따라 제2통로가 매설되어 있고, 상기 제2통로내에 히터의 역할을 하는 전열선이 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또, 본발명에 따른 온도가변가스 분사장치는, 상기 분사판의 제3통로내에 히터의 역할을 하는 전열선이 인입되어 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또 본발명에 따른 온도 가변 가스분사 장치는, 상기 노즐의 상부 직경과 중간부 직경과 하부직경이 다르고, 그 직경의 크기는 상부가 가장 크고, 하부가 가장 작은 것이 바람직하다.

도1은 종래 박막을 위한 화학기상증착 장치의 개락도이다.

도2a, 도2b는 종래 제1형 가스분사장치의 개략도이다.

도3a~도3c는 종래 제2형 가스 분사장치의 개략도이다.

도4a~도4c는 종래 제3형 가스 분사장치의 개략도이다.

도5는 본발명의 화학기상증착 장치의 개략도이다.

도6a은 본발명의 가스분사장치의 분사판의 평면도이다.

도6b는 도6a의 VIb-VIb선에 따른 노즐부위를 나타내는 부분 종단면도이다.

도7은 본발명의 유체온도조절장치의 개략도이다.

*** 도면부호의 간단한 설명 ***

10 : 챔버벽 11 : 가스분사장치

12 : 가스유입관 13 : 작업대

14 : 히터, 가열장치 15 : 가스 유출관

W : 웨이퍼 20 : 제1형 가스분사장치

21 : 상판 22 : 노즐

23 : 다공판 24 : 가스유입관

25 : 히터 26: 스크류

30 : 제2형 가스분사장치 31 : 상판

32 : 노즐 33 : 다공판

34 : 가스유입관 35 : 히터

36 : 스크류 36a : 스크류홀

40 : 제3형 가스분사장치 41 : 상판

42 : 노즐 43 : 다공판

43a : 평판부 43b : 경사부

44 : 가스유입관 45 : 히터

46 : 스크류 46a : 스크류홀

100 : 챔버벽 101 : 작업대

102 : 히터 200 : 가스분사기

201 : 분사판 201a : 노즐

201c: 제3통로 203 : 지지부

204 : 덮개 204a : 상부덮개

204b : 하부덮개 204c : 제1통로

204d : 제2 통로 205 : 가스 유입관

206 : 냉각부 207 : 배출관

208 : 제1 온도 제어부 209 : 제2 온도 제어부

A : 유체제어장치 B : 유체온도조절장치

EW1, EW2, EW3 : 제1, 제2, 제3 히터

F : 피드쓰루 H : 히터

L1, L2, L3, L4 : 유체 유입관 또는 유체 유출관

PS : 전원공급부

TC1, TC2, TC3, TC4 : 제1, 제2, 제3, 제4 온도 검출기

V1, V2, Va, Vb, Vc : 밸브

Z1 : 제1영역 Z2 : 제2영역

본발명의 가스분사장치를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도5는 본발명의 온도가변 가스분사장치와 챔버의 개략적인 종단면도이다.

원통형의 챔버의 벽(100) 내부에 작업대 (101)가 놓여 있고, 상기 작업대(101)의 위에는 박막의 피증착 기판인 웨이퍼(W)가 놓여 있다. 작업대(101)의 하부에는 상기 작업대(101)을 가열하기 위한 가열장치(heater)(102)가 설치되어 있다. 상기 작업대(101)의 상부에 가스분사기(200)가 설치되어 있다. 상기 가스분사기(200)은 챔버벽(100)의 상부에 고정되어 있다.

본발명의 상기 가스분사기(200)의 상세는 다음과 같다.

가스분사기(200)는, 유입된 가스를 목표물 즉 웨이퍼 상면에 일정한 속도와 압력으로 고루 도달 될 수 있도록 분사하는 역할을 하는 분사판(distributing plate)(201)과, 상기 분사판(201)과 스크류 등에 의해 연결되어, 상기 분사판(201)을 챔버의 상부에 고정시키기 위해 챔버벽(100) 상부에 얹혀 있는 지지부(203)와, 상기 분사판(201)을 덮고 있는 덮개(204)로 구성된다. 상기 분사판(201)과 덮개(204) 사이에 기화된 가스가 유입되는 공간이 형성되어 있다. 상기 덮개(204)의 상면 중앙부는 원료 가스 유입관(205)이 연결되어 있다.

상기 지지부(203)는 분사판(201)을 챔버의 상부에 고정하는 역할을 한다. 또한 상기 지지부(203)에는 분사판(201)에 설치된 제2, 제3 히터인 제2, 제3 전열선(EW1, EW2)에 전원을 가하기 위한 전원선 이나 또는 유체관(L1, L4), 또는 제3, 제4 온도검출기(TC3, TC4)등이 지날 수 있는 통로가 형성되어 있다. 상기 유체관(L1, L4)은 상기 지지부(203)내의 통로를 통과하여 분사판(201)과 연결된다. 또한, 상기 지지부(203)의 통로 입구에는 피드쓰루(feedthrough)(F)를 설치하여, 챔버의 외부와 내부를 차단하도록 하였다. 상기 제2, 제3 히터(EW2, EW3)는 가스분사장치(200)의 외부에 설치된 전원공급부(power supply)(PS)로부터 전원을 공급받는다. 또 상기 전원공급부(PS)는 제2온도제어부(209)에 연결되어 있으며 상기 제2온도 제어부(209)로부터 신호를 받아 상기 제2, 제3 히터(EW2, EW3)에 전원을 공급하거나 또는 끊는다. 또 상기 제2 온도제어부(209)는 제3, 제4 온도 검출기(TC3, TC4)에 연결되어 있으며, 제3, 제4 온도검출기(TC3, TC4)에 의해 검출된 온도와 목표 온도를 비교하여 전원공급부(PS) 및 유체제어장치(A) 또는 유체온도조절장치(B)에 신호를 보낸다.

상기 덮개(204)는 상부덮개(204a)와 하부덮개(204b)로 구성되어 있고, 상기 상부덮개(204a)와 하부덮개(204b)는 그 사이에 공간(204c)이 형성되는 형태로 용접되어 있으며, 그공간(204c)을 유체가 순환할 수 있고, 그 공간을 유체의 제1통로(204c)라고 지칭한다. 상기 제1통로(204c)에 유체를 유입시키기 위한 유입관(L2)과 유체를 유출시키기 위한 유출관(L3)이, 상기 상부덮개(204a)를 통과하여 연결되어 있다. 한편, 제1통로(204c)의 유입관(L2) 근처에 제1온도 검출기(TC1)인 써모커플이, 유출관(L2) 근처에 제2온도 검출기(TC2)인 써모커플이 설치되어 있어서, 제1통로(204c)내의 유체 온도를 측정할 수 있다. 상기 상부덮개(204a)의 가장자리 근처를 따라, 유체가 순환할 수 있는 링형상의 제2 통로(204d)가 매설되어 있고, 상기 제2통로(204d)의 내부에 제1 히터인 (EW1)인 전열선(EW1)이 설치되어 있다. 상기 제1히터(EW1)는 전원을 공급하기 위한 전원공급부(PS)에 연결되어 있다. 또, 상기 제1, 제2 온도 검출기(TC1, TC2)는 제1온도조절부(208)에 연결되어 있으며, 제1온도 조절부(208)는 상기 제1, 제2 온도검출기(TC1, TC2)로부터 검출된 온도와 목표 온도를 비교한 후, 그 비교신호를 기초로 유체 제어장치(A) 또는 유체 온도 조절장치(B) 및 , 제1히터(EW1)에 전원을 공급하는 전원공급부(PS)에 신호를 보내어 그 동작을 제어한다.

즉, 상기 제1통로(204c)에 설치된 제1, 제2 온도 검출기(TC1, TC2)에서 측정된 온도가 목표하는 온도 이하가 되면, 상기 제1온도 조절부(208)는 상기 유체제어부(A) 또는 유체 온도 조절장치(B)에 신호를 보내어, 가열된 유체를 상기 제1통로(204c)내로 흘려 보내도록 상기 유체제어장치(A) 또는 유체온도조절장치(B)를 제어하고, 또한 상기 제1 히터(EW1)에 연결된 전원공급부(PS)에 신호를 보내어 상기 제1 히터(EW1)에 전원을 가하여, 제1히터(EW1)에 의해 상기 제1통로(204c)내의 유체를 복사가열함으로써 제1통로(204c)내의 유체의 온도를 더욱 높게 승온시킨다. 결과적으로 덮개(204)의 온도가 상승한다.

또한, 상기 제1, 제2 온도검출기(TC1, TC2)에 의해 검출된 온도가, 목표 온도보다 높은 온도로 과열되어 있으면, 상기 제1온도조절부(208)는 상기 전원공급부(PS)에 신호를 보내어 상기 전열선(EW1)에 연결된 전원을 끊고, 상기 유체제어부(A) 또는 유체온도조절장치(B)에 신호를 보내어, 냉각된 유체가 상기 유체 유입관(L2)를 통해, 상기 제1통로(204c)를 거쳐 유출관(L3)을 통해 흘러나가도록 하여 가스분사기의 덮개(204) 온도를 목표하는 온도로 유지할 수 있다. 이때, 유입 및 유출량을 적절히 조절함으로써, 목표 온도를 유지할 필요가 있으며, 그러한 목적을 갖는 유체 제어장치 장치(A) 또는 유체 온도 조절 장치(B)를 상기 유입관(L2)측에 설치한다, 상기 유체의 유량 제어 장치(A)는 가스분사기내의 제1, 제2, 제3통로(204c, 204d, 201c)내로 유입되는 유체의 유량을 조절하기 위한 장치이다. 유체 온도 조절장치(B)는 일시에 가스 분사기의 온도를 높일 때, 유체를 가열시켜서 가스분사기내로 유입시키고, 과열되었을 때 가스분사기를 식히기 위해 냉각유체를 공급하는 장치이다.

또한, 상기 분사판(201)은 작업대(101) 하부의 히터(102)의 복사열에 의해 지나치게 가열되어 500℃이상의 온도가 되면, 분사판(201) 상부에서 유입된 원료가스들이 기반응하여 파티클등이 발생하는 등의 문제가 발생한다. 따라서 분사판의 온도를 500℃이하로 제어해야 한다. 따라서, 분사판이 과열된 경우, 분사판(201)내부에 설치된 유체의 제3통로(201c)를 통해 유체 제어 장치 장치(A)를 이용하여 냉각된 유체를 분사판내로 순환시켜 분사판의 온도를 낮춘다. 또는, 상기 유체 제어장치(A) 대신에 유체 온도 조절장치(B)를 설치할 수도 있다. 유체 온도 조절장치는, 냉각 패스와 가열패스를 갖고 있으므로 분사판이 과열된 경우에는 냉각패스를 통해 냉각된 유체를 흘려보내고, 상기 유량제어 분사판 또는 가스분사기의 덮개의 온도를 급격히 상승시킬 필요가 있을 때는 가열패스를 통해 가열된 유체를 흘려보내는 역할을 한다.

상기와 같이, 원료가스의 기반응 및 파티클 발생을 방지하기 위한 분사판의 온도조절 목적으로, 상기 분사판(201)의 내부에 유체가 흐르는 통로인 제3통로(201c)를 만들었다. 또 상기 제3통로(201c)의 내부에는 제2 및 제3 히터(EW2, EW3)인 전열선을 설치하여 유체를 가열할 수 있도록 하였다. 상기 분사판(201)에는 일정한 간격으로 다수의 노즐(201a)이 설치되어 있다.

도6a는 본발명의 분사판(201)의 상세를 보여주는 평면도이다.

분사판(201)의 가장자리에 다수의 스크류홀(201d)이 형성되어 있고, 상기 홀(201d)들은, 지지부(203) 하면에 상기 분사판(201)을 스크류 등으로 고정부착하기 위해 형성된 것이다. 상기 분사판(201)에는 또 다수의 노즐(201a)이 일정한 간격 예를들면 약 2mm의 간격을 두고 형성되어 있다. 상기 분사판(201)에서 파선으로 표시된 원(201e)를 중심으로하여 두영역으로 나누어, 원(201e)의 내측을 제1영역(Z1)이라하고, 원(201e)의 바깥측을 제2영역(Z2)이라 한다. 제1영역(Z1)의 제3통로(201c)에 제2 히터(EW2)를 설치하고, 제2영역(Z2)의 제3통로(201c)에 제3 히터(EW3)를 설치하였다. 상기 제2 및 제3 히터(EW2, EW3)들은 각각 전원공급부( PS)에 연결되어 있다. 또한, 유체를 유입시키기 위한 유입관(L1)과 유출관(L4)이 제3통로(201c)에 연결되어 있다. 또, 분사판(201)의 온도를 측정하기 위해 제1영역(Z1)과 제2영역(Z2)에 각각 제3, 제4 온도 검출기(TC3, TC4)인 써모커플을 설치하였다. 또, 분사판(201)의 전체 두께는 약 20mm정도이고, 노즐과 노즐의 간격은 2mm정도로 제작하였다. 또한, 상기 분사판은 일반적으로 알려져 있는 다이케스팅법, 주물법, 브레이즈법 등에 의하여 제작할 수 있다.

도6b는 도6a의 VIb-VIb선에 따른 부분 종단면도이다. 즉 노즐(201a)의 형상이 직선형이 아니고, 상부, 중간부, 하부의 노즐(201a)의 내경이 각각 다르고, 그중 상부 직경이 가장 크고, 중간부가 그 다음이며 하부의 직경이 가장 작도록 형성되어 있다. 또한, 제3통로(201c)에 제2, 제3 히터(EW2, EW3)가 인입되어 있을 것을 볼 수 있다.

한편 가스분사기 밖에는 여러 가지 주변장치들이 설치되어 있다. 도5을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

즉 가스분사기(200)의 덮개(204)의 제1통로(204c)와 연결되는 유체 유입관(L2)와 분사판(201)의 제3통로(201c)와 연결되는 유체 유입관(L1)의 전단에 뉴메틱(Pneumatic) 밸브 또는 매뉴얼 밸브와 같은 유체 흐름 제어 장치(V1, V2)와, 유량제어부(Mass Flow Controller; MFC)(MFC1, MFC2)로 구성된 유체 제어장치(A)가 설치되어 있어서, 가스분사기 내부로의 유체의 유입을 제어한다. 즉 상기 유체 제어장치(A)는, 설정된 목표온도에 따라, 가열된 유체 또는 냉각된 유체를 유량을 조절하면서 가스분사기 내에 유체를 흘려보내는 역할을 한다.

한편, 상기 유체 제어장치(A) 대신에, 유입관(L1, L2)의 B부분에 각각 도7에 도시한 냉각 패스(Lb)와 가열 패스(La)를 갖는 유체 온도 조절장치(B)를 설치해도 된다.

즉 도7에서 도시된 바와 같이, 유입관(L1 또는 L2)를 두 개의 관(La, Lb)으로 분기하고, 분기된 하나의 관(La)에는 두 개의 밸브(Va, Vb)를 직렬로 설치하고, 두 개의 밸브(Va, Vb)사이에 라인 히터(H)를 설치하여 가열패스(La)를 만들고, 다른 하나의 분기된 관(Lb)에는 히터를 설치하지 않고 유체를 그냥 흘려보내거나, 흐름을 차단할 수 있도록 밸브(Vc)만을 설치한 냉각 패스(Lb)를 만든후, 상기 가열패스(La) 또는 냉각패스(Lb)로부터 흘러나온 유체가 유입관(L1 또는 L2)을 따라, 가스분사기 내에 유입되도록 하였다.

또다른 주변장치로서는, 도5에 도시된 바와 같이, 유체 유출관(L3, L4)의 끝단에 연결되어, 가스분사기로부터 유출된 유체를 냉각시키는 냉각장치(206)와 상기 냉각장치(206)을 거친 유체를 밖으로 배출해내는 배출관(207)이 있다.

상기 본발명의 온도가변 가스분사장치에 의하면, 가스 분사기내의 온도를 700℃정도까지 제어할 수 있다. 또한, 본발명의 가스분사장치는 분사장치내의 온도제어가 박막의 형성에 큰 영향을 미치는 유기금속을 원료가스로 하는 유기금속박막을 형성하기 위한 화학기상증착 장치에서 더욱 좋은 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같이, 구성되는 본발명의 온도가변 가스분사장치의 온도조절 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저 기화된 원료가스(이하 기화 가스라고 함)들이 원료가스유입관(205)을 통해 가스분사기 내부로 유입된다. 유입된 기화 가스들은 가스분사기를 거쳐 웨이퍼(W)상에 도달하여, 웨이퍼위에서 작업대 아래 놓인 히터로부터의 열전달에 의해 반응을 위한 에너지를 얻어, 소스가스들이 웨이퍼 상에서 반응을 일으켜, 웨이퍼상에 원하는 박막을 형성한다. 이때, 가스분사기 내부에서의 열적인 환경이 적합하지 못하면 기화 가스들이 기반응하게 되거나 또는 기화된 가스가 다시 액화되는 현상이 발생되어, 웨이퍼 상에 형성되는 박막의 막질이 나빠지거나, 박막의 증착속도가 느려지는 등의 문제가 발생한다. 또한, 그러한 기반응 또는 액화한 가스들이 웨이퍼상의 박막을 오염시키는 파티클이 되는 문제가 있다. 따라서, 가스분사기내에서 기화된 가스들이 기반응하거나 또는 액화하는 것을 방지하기 위해 온도를 적절히 제어해야 될 필요가 있다.

본발명에서는 가스분사기의 덮개에 유체순환부(제1통로)를 설치하여 가스분사기의 상부 온도를 제어하고, 또한 분사판에도 유체를 순환시켜 가스분사기 하부의 온도를 제어하는, 이중 온도 제어방식을 채용하였다.

먼저, 가스분사기 상부 온도제어는 다음과 같이 이루어 진다. 덮개에 설치된 유체순환부(제1통로)내에 설치된 열전대(TC1, TC2)를 이용하여 온도를 측정하고, 온도제어부(미도시) 상기 검출된 온도와 목표온도를 비교한 후, 목표 온도에 미달하는 경우에는, 상기 유체 온도 조절 장치(B)의 가열패스(La)를 통해 가열된 유체를 유체순환부 즉 제1통로(204c)로 유입시키고, 상기 제2통로(204c)내에 설치된 제1 히터 즉 전열선(EW1)에 전원을 넣어, 전열선(EW1)을 가열한다. 그리하여, 상기 전열선(EW1)으로부터의 열전도에 의해 상기 제1통로(204c)의 유체 온도를 목표하는 온도까지 승온시키거나 유체의 온도를 일정하게 유지시킨다. 한편, 상기 열전대(TC1, TC2)에 의해 목표온도 보다 높은 온도가 검출되면, 상기 유체 온도 조절장치(B)의 냉각 패스(Lb)를 통해 제1통로(204c)에 냉각된 유체를 흘려보내어 온도를 일정하게 유지시킨다. 또는, 상기 분배기 즉 유체 온도 조절장치 (B)대신에 유량을 제어하는 유체 제어 장치(A)를 설치하여, 유량제어부에서 유량을 조절하여 상기 제1통로(204c)내에 유체를 유입시키고, 유출관(L3)을 통해 가열된 유체를 밖으로 흘려보내어 온도를 제어할 수도 있다.

한편, 분사판(201)의 온도는 다음과 같이 제어한다.

분사판(201)은 작업대(101)아래의 히터(102)에 의해 과열되기가 쉽다. 분사판(201)이 과열되면 분사판(201)의 상부에서 가스들이 기반응을 일으키거나, 또는 분사판(201)을 지나면서 기반응을 일이켜, 파티클을 발생시키고, 발생된 파티클은 웨이퍼 상면으로 떨어지거나, 분사판(201)의 상부에 퇴적하여 분사판(201)의 노즐(201a)를 폐색시키는 등의 문제가 발생한다. 또한 분사판(201)의 온도가 너무 낮으면, 기화된 가스들이 분사판상부에서 다시 액화하여 분사판(201)을 오염시키거나, 웨이퍼의 상면을 오염시킬 수 있다. 따라서, 분사판(201)을 적정한 온도를 유지하도록 해야 한다.

먼저 분사판(201)의 온도는 열전대(TC3, TC4)에 의해 검출되고, 그 검출결과 분사판(201)이 과열된 것으로 판단되면, 가스유입관(L1)의 유체 온도조절 장치(B)의 냉각 패스(Lb)를 통하여 유체를 분사판(201)의 제3통로로 유입시키고, 유출관(L4)를 통하여 가열된 유체는 밖으로 흘려보낸다. 열전대(TC3, TC4)에서 적정한 온도가 검출될 때까지 분사판(201)로 냉각된 유체를 유입시키고, 유출관을 통해 가열된 유체를 내보낸다.

한편, 열전대(TC3, TC4)에서 목표하는 온도 보다 낮은 온도가 검출되면, 유체의 유입 및 유출은 중지시키고, 전열선(EW2, EW3)에 전원을 넣어, 분사판(201)의 제3통로(201c)내의 유체를 가열시킨다. 그리하여, 상기 분사판(201)은 항상 적정한 온도를 유지될 수 있다.

상기와 같은, 본발명의 온도가변 가스분사기에 의하면, 가스분사기의상부(덮개)와 하부(분사판) 전체 즉 가스분사기 내의 가스가 접하는 면 전체에 걸쳐 온도를 제어하기 때문에, 가스분사기 내의 원료가스의 온도의 안정성 및 균일성을 얻을 수 있다. 그리하여, 원료가스의 기반응 및 액화를 방지하는 효과가 있다.

또한, 온도의 안정성 및 균일성에 의해 웨이퍼 상에 형성되는 박막의 균일성을 꾀할 수 있어, 그러한 박막을 이용하는 반도체 소자의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 온도의 안정성 및 균일성에 의해, 웨이퍼 상에 형성되는 박막의 두께 및 성장속도 등의 재현성이 좋아지므로, 반도체 소자의 제조시 수율이 안정되는 효과가 있다.

또한, 기반응 또는 기화된 가스의 액화를 방지하므로, 가스분사기의 오염으 줄어들기 때문에, 장비의 세정 간격이 길어져 장비가동율이 증가됨으로써, 생산성이 향상되는 효과가 있다.

Claims

덮개(204)와;

가스를 분사시키기 위한 다수의 노즐을 갖는 분사판(201)과;

상기 덮개(204)의 가장자리을 둘러싸고 용접되어 있으며, 그 하면에눈 분사판(201)이 연결되어 있고, 챔버벽위에 상기 덮개 및 분사판을 지지하는 역할을 하는 지지부(203)로 구성되는 온도가변가스분사장치에 있어서,

상기 덮개는, 상부덮개(204a)와 하부덮개(204b)로 구성되고, 상기 상하부 덮개(204a, 204b)사이에는 유체가 흐를 수 있는 제1통로(204c)를 갖도록 상기 상하부 덮개(204a, 204b)가 용접으로 접착되어 있고,

상기 제1통로(204c)내에는, 제1통로(204c)내의 유체 온도를 검출하는 제1, 제2 온도 검출기(TC1, TC2)가 설치되어 있고,

상기 제1통로(204c)에는 상기 제1통로(204c)에 유체를 유입하는 유입관(L2)과, 제1통로(204c)내의 유체를 상기 덮개(204)외부로 유출하기 위한 유출관(L3)이 각각 상기 상부덮개(204a)를 통과하도록 연결되어 있고,

상기 분사판에는 가스가 상기 분사판을 통과하도록 다수의 노즐(201a)이 형성되어 있고, 상기 분사판(201)내부에는 유체가 흐를 수 있는 제3통로(201c)가 형성되어 있고, 상기 제3통로(201c)는 유체 유입관(L1)과 유체 유출관(L4)이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 가변 가스 분사장치.
제1항에 있어서,

상기 상부덮개(204a)에는 그 가장자리를 따라 제2통로(204d)가 매설되어 있고, 상기 제2통로(204d)내에 히터의 역할을 하는 전열선(EW1)이 설치된 것을 특징으로 하는 온도 가변 가스분사장치.
제2항에 있어서, 제1통로(204a)에 연결된 유입관(L1)에 유체 온도 조절장치(B)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 가변 가스분사 장치.
제3항에 있어서, 상기 유체 온도 조절장치(B)는, 상기 유입관(L2)로부터 분기된 두 개의 관을 가지며, 한쪽의 관에는 두 개의 밸브(Va, Vb)가 직렬로 설치되어 있고, 상기 밸브(Va)와 밸브(Vb)사이에 라인히터가 설치되어 있는 가열 패스이고, 다른쪽 관에는 하나의 밸브(Vc)가 설치되어 냉각패스인 것을 특징으로 하는 온도 가변 가스 분사장치.
제1항에 있어서, 상기 분사판(201)의 제3통로(201c)내에는 히터의 역할을 하는 전열선(EW2, EW3)이 인입되어 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 가변 가스분사 장치.
제1항에 있어서, 상기 노즐은 상부 직경과 중간부 직경과 하부직경이 다르고, 그 직경의 크기는 상부가 가장 크고, 하부가 가장 작은 것을 특징으로 하는 온도 가변 가스분사 장치.