KR20040011862A - 화학증착 시스템에서 분산판과 회전체를 갖는 샤워 헤드 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자 제작에 주로 쓰이는 정밀 진공박막제조장비 중 하나인 화학 증착장비(Chemical Vapor Deposition)의 핵심부품인 샤워 헤드(shower head)에 관한 것이고, 샤워 헤드는 화학증착 장비에서 반응기판에 반응가스 및 퍼지가스를 공급하는 장치이다. 본 발명은 반응가스 및 퍼지가스를 화학증착이 발생하는 기판표면에 효율적으로 공급되게 하기 위하여 샤워 헤드 내부에 다단계의 가스분산판을 설치하였고, 가스의 투입속도를 증가시키고,가스의 균일한 분산을 유도하며, 헤드 내부에 박막의 오염원으로 작용하는 반응가스를 제거하기 위하여 내부에 회전체를 설치하였다. 가스분사의 효율을 증대시키기 위하여 초기 분산판은 평면구조로, 두 번째 분산판은 가스 흐름의 법선 방향으로 하여 곡면형태로, 최종 선단 부위는 평면형태의 분산판을 설치하였다. 분산판에는 미세한 구멍이 배열되어 가스의 분산흐름을 유도한다. 분산판 사이에 회전체를 설치하여 이를 회전시킴으로 가스분산이 넓은 영역에서 빠르고 균일하게 이루어지도록 유도하였다. 본 발명의 구조물은 가스분산이 효율적으로 수행되기 때문에 공정시간 단축이 요구되는 단원자층 화학증착 시스템에 적합하다.

Description

화학증착 시스템에서 분산판과 회전체를 갖는 샤워 헤드 구조{The shower head structure having distribution plate and rotating impeller on chemical vapor deposition system}

샤워 헤드(showr head)는 화학증착기(Chemical Vapor Deposition)또는 원자층 화학증착기(Atomic Layer Deposition)에 없어서는 안될 필수적인 부품이다. 이 장치들은 반도체 소자의 박막 등의 제조시 제작장비의 부품으로서 필수적으로 사용된다. 일반적인 샤워 헤드는 반응가스 혹은 퍼지가스를 기판표면에 공급하는 장치로서 이들 가스의 공급량과 공급시간을 조절함으로써 박막증착에서 막의 두께와 품질을 조절하는 역할을 한다. 기존에 제작되어 사용되고 있는 샤워 헤드의 경우 기체의 흐름이 복잡하고 부피가 커서 퍼지시간을 줄이기 어렵다. 화학증착기에서는 가스 주입장치 또는 반응기에 원료가 잔류하여 기상반응이 발생하여 입자오염이 발생할 수 있고, 원자층 화학증착기에 사용될 때는 단위 시간당 막 성장속도가 작아 생산공정의 적용에 방해요인이 되고 있다. 이를 해결하기 위하여 수평형 반응기를 사용하거나 여러 반응기로 하나의 증착장비를 구성하여 사용하고 있으나 이 방법은 장치 제작비용을 상승시키는 요인이 되고 있다.

본 장치는 종래 사용되고 있는 화학증착기 내 가스주입 장치인 샤워 헤드의 가스투입 시간 단축과 효율적인 분사 시스템을 달성 하고자 발명한 것으로, 샤워 헤드의 내부에서 가스가 균일하게 분산될 수 있는 분산판을 설치하였고, 회전체를설치하여 이들의 회전력을 이용하여 가스의 투입을 원활하게 하였다. 분산판은 평면과 곡면이 있는 판을 교대로 설치하였고, 가스의 분산을 위하여 판위에 미세한 구멍을 배치하였다. 회전체는 고속회전에서도 진공기밀(vacuum sealing) 유지에 문제가 없도록 회전축과 구동축이 서로 분리된 상태에서 자기력으로 구동력을 전달하여 회전이 될 수 있도록 하였다. 이의 설치를 통하여 균일한 가스를 빠르게 투입하여 증착 시간을 단축하고 반응기 내에 잔류 가스를 제거하여 기상 반응을 억제하여 박막의 품질을 향상시킬 수 있다.

제1도는 본 「화학증착 시스템에서 분산판과 회전체를 갖는 샤워 헤드 구조」에서 샤워 헤드의 입체도.

제2도는 제1도의 샤워 헤드 구조 내에 설치되어 있는 분산판들의 형태.

제3도는 본 발명에 의한 가스 샤워 헤드 구조에서 구동부와 회전축.

제4도는 본 발명에 의한 가스 샤워 헤드 구조에서 임펠러(회전날개)의 측면도 및 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 샤워 헤드몸체2. 반응가스입구 3. 분산판

4. 분산판 5. 분산판 6. 임펠러(회전날개)

7. 회전축 8. 퍼지가스입구 9. 진공용 플랜지

10. 냉각수 출구 11. 모터 12. 마그네틱 드라이브

13. 냉각수 유입구 14. 오링(O-ring) 15. 진공챔버

16. 오링(O-ring)

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 가스의 분산을 유도하기 위해 내부에 분산판과 회전체를 가지는 샤워 헤드(shower head)는 대표도와 같이 샤워 헤드 몸체(1)에 반응가스(2)와 퍼지가스(8) 투입구, 투입된 가스를 분사시키는 분산판(3, 4, 5)과 회전체 구동장치인 모터(11), 마트네틱 드라이브(12), 냉각수를 투입하기 위한 출입구(10, 13), 회전축(7), 임펠러(6), 진공용 플랜지(9) 등으로 구성되어있다. 분산판(3)에 의하여 형성된 공간은 샤워 헤드 내에 최초로 투입된 가스의 일차적인 분산이 진행되고, 이를 위하여 평면 형태를 유지한다. 이 다음 공간은 콘 형태로 하부로 내려갈수록 면적이 증가된다. 이 공간에서 가스흐름의 균일성을 유지하기 위해 분산판(4)의 형태를 가스흐름의 법선방향으로 유지하기 위해 반원형의 분산판을 설치한다. 최종 분산판(5)은 평면 형태로 설계되어 기판에 가스를 공급하게 된다. 분산판(3, 4)은 중심부에 회전축이 통과할 수 있도록 구멍이 뚫어져 있고, 회전축에 임펠러의 설치 및 교체작업이 수행될 수 있도록 최종분산판(5)은 샤워 헤드의 몸체에서 부착과 탈착이 가능하도록 도1과 같이 설계되어 있다. 샤워 헤드 내에서 투입된 가스가 빠르고 균일하게 기판 표면에 투입되게 하기 위하여 대표도와 같이 회전체를 설치한다. 임펠러(6)의 회전으로 투입된 가스의 분산이 균일하고 빠르게 진행되고 샤워 헤드 내와 기판표면에 미 반응된 가스를 교반을 통하여 강력하게 배출한다. 이는 반응가스가 구조물 내부 또는 반응기에 체류하다가 기상반응을 일으켜 발생되는 오염물질을 줄이는 역할을 하고, 퍼지가스의 퍼지 능력을 증대시켜 증착된 박막의 품질과 공정시간을 단축시키는 역할을 한다. 교반축의 회전으로 진공 유지의 방해가 없도록 도3과 같은 마그네틱 드라이브(12)를 설치한다. 대기압에서 작동되는 모터(11)의 회전력이 자석을 통하여 진공인 샤워 헤드의 안쪽에 위치한 회전축(7)을 구동한다. 구동되는 축이 서로 차단되었기 때문에 고속회전시 진공유지에 어려움이 없다. 냉각수 출입구(10, 13)를 통하여 헤드내의 온도 상승에 의한 자력의 상실을 방지하도록 하였다. 도4와 같이 임펠러(6)는 회전축에서 탈·부착이 가능하도록 설계하였다. 임펠러를 구성하는 날의 각도를 조절하여 회전시 가스는 아래 방향으로 강력한 흐름이 발생될 수 있다. 이러한 강력한 흐름은 기판표면에 반응 가스의 공급을 원활히 하여 화학증착시 균일하고 빠르게 공정이 진행될 수 있는 조건을 제공한다.

상기 발명에 의해 샤워 헤드 내에서 가스분산이 빠르고 효율적으로 이루어져전체적인 공정시간을 단축시키고, 회전체의 도입으로 강력하고 균일한 가스흐름을 발생시켜 헤드 내부에 미반응 가스의 잔류를 막아 헤드 내에서 기상반응을 억제하여 불순물의 발생을 최소화하여 박막의 막질을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 대표도와 같이 가스 분사가 원활하도록 샤워 헤드 내부에 다중의 분산판 설치 구조와 가스 흐름에 도움을 줄 수 있는 강제 회전체를 설치한 구조.
2. 도 3와 같이 가스의 균일한 분산과 가스흐름의 가속을 위하여 샤워 헤드 내부에 임펠러 기능의 회전날개를 설치하여 강제 교반을 실시하는 구조.
3. 화학증착 진공시스템 내부에 가스 교반의 목적으로 회전구동력을 전달하는 경우 도3과 같이 진공내부에 회전축이 설치되고 대기압 상태인 외부에 구동축이 설치되어 회전하는 축과 직접적인 접촉이 없이 자기력으로 구동력을 전달하여 고속회전 시에도 진공 유지에 제약이 없는 구조.