KR20040029530A - 2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치 - Google Patents

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Abstract

가열기와 서셉터 사이에 2중 배플을 구비하고 있는 화학기상증착(CVD) 장치에 대하여 개시한다. 본 발명에 의한 CVD 장치는 가열기, 가열기로부터 복사열을 전달받아 웨이퍼를 가열하는 서셉터, 수직 방향으로 가열기와 서셉터 사이에 위치하고 수평 방향으로 서셉터의 중심부에 위치하며, 서셉터 평면보다 평면 넓이가 작은 제1 배플(baffle) 및 수평 방향으로 서셉터의 중심부에 위치하며, 제1 배플 평면보다 평면 넓이가 작은 제2 배플을 구비하고 있다. 본 발명에 의하면, 가열기로부터 서셉터의 중심부에 전달되는 복사열을 2중 배플을 이용하여 조절함으로써 서셉터 전체에 걸쳐서 동일한 복사열이 전달되고 따라서 웨이퍼에 증착되는 물질막도 웨이퍼 전체에 걸쳐서 균일한 두께를 갖는 것이 가능하다.

Description

2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치{Chemical Vapor Deposition device equipped with a dual baffle}
본 발명은 반도체 제조 설비에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 가열기(heater)와 서셉터(susceptor) 사이에 배플(baffle)이 구비되어 있는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, 이하 'CVD'라 한다) 장치에 관한 것이다.
CVD 방식은 화학소스(Chemical source)를 가스 상태로 공정 챔버 내에 공급하고, 여기에 활성 및 반응 에너지를 가하여 가스가 웨이퍼 표면상에서 확산을 일으킴으로써 층간절연막 등을 웨이퍼 표면에 증착시키는 기술이다. 이러한 CVD 방식은 활성 및 반응에너지를 가하는 방식 및 장치내의 압력에 따라 통상적으로 저압 CVD(LPCVD: Low Pressure CVD), 상압 CVD(Atmospheric Pressure CVD)로 구분하고, 그 외에도 플라즈마 보강 CVD(PECVD: Plasma Enhanced CVD) 및 광여기 CVD 등으로 나눈다.
이 중에서 상압 CVD는 반응 에너지가 고온 물체로부터 전달되는 열에너지이나, 공정 챔버의 온도는 플라즈마 보강 CVD와 마찬가지로 비교적 저온에서 공정이 진행된다. 또한, 상압 CVD 장치는 반응 장치의 대부분이 콜드 월(cold wall) 방식인데, 콜드 월 방식은 서셉터를 고주파 유도(RF induction)에 의하여 가열하는 방식 또는 복사열에 의하여 가열하는 방식이 있다.
도 1에는 종래 기술에 따라 단일 배플(baffle)을 구비한 CVD 장치에서 서셉터에 복사열이 전달되는 과정이 개념적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, CVD장치의 공정 챔버 상부에는 가열기(heater, 110)가 구비되어 있다. 가열기(110)로부터 방출되는 복사열은 서셉터(120)를 가열하게 되고, 그러면 서셉터(120)의 온도가 증가한다. 서셉터(120)에는 일반적으로 써모 커플(thermo couple, 도시 않음)과 같은 온도 센서가 있어 이 센서에 의하여 가열기(110)의 온도를 조절함으로써 방출되는 복사열의 양을 조절한다.
서셉터(120)가 가열되면 서셉터에 로딩되어 있는 웨이퍼(140)의 온도도 증가하게 된다. 그러면, 챔버 내부로 공급되는 가스는 에너지를 얻어서 화학 반응을 일으킬 수 있게 되어, 웨이퍼 표면에 증착이 일어난다.
그런데, 외부로부터 가열기(110)로 에너지가 공급되면 가열기(110)의 온도가 증가하여 복사열을 방출하는데, 일반적으로 가열기(110)에는 온도 편차가 존재하여 중앙 부분이 가장자리 부분보다 온도가 높다. 가열기(110)의 온도 편차로 인하여 서셉터(120) 및 공정 대상이 되는 웨이퍼(140)에도 온도 편차가 생기게 된다. 이러한 온도 편차는 웨이퍼(140)에 증착되는 화학 가스의 반응 속도 및 반응 정도에 영향을 미치기 때문에 결국 증착이 되는 막의 두께에 영향을 미치게 된다. 그 결과, 웨이퍼(140) 상에 증착된 막의 두께가 중앙 부분과 가장자리 부분에서 차이가 존재하게 되며, 일반적으로 중앙 부분의 온도가 더 높고, 형성되는 막의 두께는 더 얇다.
온도 편차로 인한 상기한 문제점을 해결하기 위하여 사용되는 것이 배플(130)이다. 배플(130)은 가열기(110)로부터 방출되는 복사열을 정류시켜주는 장치로서, 가열기(110)와 서셉터(120) 사이에 설치된다. 배플(130)은 통상적으로합금으로 만들어지며, 그 크기는 서셉터(120)보다 작고 서셉터(120)의 중앙 부분에 설치된다. 배플(130)이 설치되어 있기 때문에, 가열기(110)로부터 방출되는 열이 직접 서셉터(120)를 가열하지 않고, 배플(130)을 가열하고 이 가열된 배플(130)이 서셉터(120)를 가열하기 때문에 서셉터(120)의 온도 편차를 완화시킬 수 있다.
이러한 단일 배플(130)이 구비되어 있는 장치는 특정 공정 예를 들면, 400℃의 온도에서 USG막을 증착하는 공정에서는 상당히 효과적인 것으로 나타났다. 즉, 증착된 USG막의 두께를 측정해본 결과 중앙 부분과 가장 자리 부분의 두께 차이가 거의 없는 것으로 나타났다.
그러나, 공정 온도 즉 서셉터(120)의 온도를 500℃로 설정한 다음, 동일하게 USG막의 증착 공정을 실시할 경우에는 상기한 장치는 그 효과가 충분하지 않은 것으로 나타났다. 이 공정에 대한 실험예가 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 도 2에는 도 1의 CVD장치의 서셉터에 로딩되어 있는 웨이퍼에 증착된 USG막의 두께 측정 지점이 도시되어 있고, 도 3에는 500℃의 온도에서 화학기상증착 공정을 실시한 다음에 각 지점에서 측정된 USG(Undoped Silicate Glass)막의 두께에 대한 그래프가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 공정 온도가 500℃일 경우에는 온도 차이에 의하여 웨이퍼의 중앙 부분에서의 두께가 상대적으로 얇은 것으로 나타났다(실제로 서셉터의 온도를 측정해본 결과 중앙 부분의 온도는 500℃이나 가장자리는 495℃ 에서 497℃사이인 것으로 나타났다). 도 3에 도시한 바와 같이, 실험을 여러 번 실시한 경우에도 개략적인 두께 편차는 항상 존재하였다.
그러므로, 가열기(110)와 서셉터(120) 사이에 하나의 배플(130)이 설치되어 있는 CVD 장치의 경우에는 공정 온도가 일정 온도 이상일 경우에는 효과가 충분하지 않다. 즉, 웨이퍼에 형성되는 물질막(예를 들어, USG막)의 두께가 웨이퍼 상의 위치에 따라서 공정의 신뢰도에 문제를 제기할 정도로 편차가 심한 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 CVD 공정이 진행되는 온도에 상관없이 비록 가열기에서 큰 온도 편차가 존재하는 경우에도 CVD 장치의 서셉터에 발생하는 온도 편차를 완화함으로써, 웨이퍼 상에 증착되는 물질막의 두께 편차를 줄여서 전체적으로 두께가 균일한 막을 증착시킬 수 있는 CVD 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 단일 배플을 구비한 화학기상증착 장치에서 서셉터에 복사열이 전달되는 과정을 보여주기 위한 개념도이고,
도 2는 도 1의 화학기상증착 장치의 서셉터에 로딩되어 있는 웨이퍼 상에 증착된 USG막의 두께를 측정하는 지점을 보여주는 도면이고,
도 3은 500℃의 온도에서 화학기상증착 공정을 수행한 후에 도 2의 각 지점에서 증착된 USG(Undoped Silicate Glass)막의 두께를 측정하여 도시한 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 이중 배플을 구비한 화학기상증착 장치에서 서셉터에 복사열이 전달되는 과정을 보여주기 위한 개념도이고,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 화학기상증착 장치의 2중 배플에 대한 평면도 및 측면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110, 210 : 가열기(heater)120, 220 : 서셉터(susceptor)
130, 230 : 제1 배플(baffle)235 : 제2 배플
140, 240 : 웨이퍼237 : 지지 바아(bar)
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 화학기상증착 장치는 가열기(heater), 가열기로부터 복사열을 전달받아 웨이퍼를 가열하는 서셉터(susceptor), 수직 방향으로 가열기와 서셉터 사이에 위치하고 수평 방향으로 서셉터의 중심부에 위치하며, 서셉터 평면보다 평면 넓이가 작은 제1 배플(baffle) 및 수평 방향으로 서셉터의 중심부에 위치하며, 제1 배플 평면보다 평면 넓이가 작은 제2 배플을 구비하고 있는 2중 배플을 구비하고 있다. 본 발명의 화학기상증착 장치는 2중 배플을 구비하고 있는데, 제1 배플에 의하여 상대적으로 넓은 부위의 온도 편차를 1차적으로 완화시키고, 그리고 제2 배플로서 온도가 더욱 높은 부분의 온도 편차를 한번 더 완화시킴으로써, 종래의 단일 배플이 구비된 화학기상증착장치에 비하여 서셉터 평면 상의 온도 분포는 더욱 균등하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기한 제2 배플은 수직 방향으로 제1 배플과 가열기 사이 또는 제1 배플과 서셉터 사이에 위치할 수 있다. 그리고, 상기한 제2 배플은 제2 배플없이 가열된 서셉터의 온도 편차에 따라서 이러한 온도 편차를 감소시킬 수 있도록 만들어 그 모양과 형태가 만들어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기한 제2 배플의 평면 모양은 원형, 마름모, 육각형 또는 팔각형일 수 있으며, 제2 배플의 평면 모양이 원형인 경우에는 지름이 35 내지 45mm인 것이 바람직하다.
그리고, 상기한 제2 배플은 지지 바아(bar)에 의하여 제1 배플에 부착되어 있을 수 있으며, 이 경우에 제1 배플, 제2 배플 및 연결 바아는 동일한 물질로 만들어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기한 제2 배플은 제1 배플로부터 15 내지 25mm 이격되어 있을 수 있다.
그리고 상기한 화학기상증착 장치는 상압화학기상증착(APCVD) 장치일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 구체적으로 적용되는 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 본 발명의 기술적 사상이 철저하고 완전하게 개시될 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 예시적으로 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 각 구성 요소들은 본 발명의 이해를 위하여 필요한 범위에서 간략하게 도시하였다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 4에는 본 발명의 실시예에 따라 이중 배플을 구비한 화학기상증착 장치에서 서셉터에 복사열이 전달되는 과정이 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 의한 화학기상증착 장치는 그 기본적인 구성은 종래의 화학기상증착 장치와 동일하다. 다만, 본 발명의 실시예에 의하면, 가열기(210)와 서셉터(220) 사이에 배플(230, 235)이 설치되어 있는데 종전과는 달리 이 배플(230, 235)이 2중 구조인 점에서 특징이 있다. 즉, 크기가 서로 다른 배플(230, 235)이 2중으로 설치되어 있다.
2중 배플 중에서 크기가 큰 제1 배플(230)은 예를 들면, 가열기(210)와 서셉터(220) 사이에 세로로 설치되어 있는 여러 개의 바아(bar, 도시 않음)에 의하여 지지되어 가열기(210)와 서셉터(220)사이의 공간에 설치될 수 있다. 이점은 종전과 같다. 그런데, 제1 배플(230)보다 작은 제2 배플(235)은 제1 배플(230)의 상부 또는 하부에 위치할 수 있다.
도 4에는 제2 배플(235)이 제1 배플(230)이 상부에 위치한 모습을 도시하고 있다. 제2 배플(235)은 제1 배플(230)이 지지되어 있는 바아(bar)에 제1 배플(230)과 함께 지지되도록 설치될 수도 있고, 아니면 도 5b에 도시된 바와 같이 제1 배플(230)의 일면에 연결되는 지지 바아(236)를 만들어서 설치하는 것도 가능하다. 제1 배플(230) 및 제2 배플(235)은 복사열의 충분한 전달을 위하여 통상적으로 동일한 물질 예컨대 합금으로 만들어진다. 그러나 제1 배플(230) 및 제2 배플(235)의재료는 서로 다를 수 있다.
도 5a 및 도 5b에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 제1 배플(230) 및 제2 배플(235)에 대한 평면도 및 측면도가 도시되어 있다. 상기한 도면에는 제2 배플(235)이 제1 배플(230) 상에 위치하고 있고, 지지 바아(237)에 의하여 제1 배플(230)에 지지되어 있다. 도면에는 지지 바아(237)가 3개 있는 경우를 도시하고 있으나 지지 바아(237)의 수는 제2 배플(235)의 평면 모양 및 다른 공정 조건을 고려하여 임의로 결정할 수 있다. 지지 바아(237)는 제2 배플(235)과 동일한 물질로 만드는 것이 바람직하다.
도 5a에는 제 1 배플(230)의 평면 모양이 8각형인 경우를 도시하고 있다. 이것은 캐논(CANON)사의 단일 배플이 구비된 상압 CVD 장치에 설치되어 있는 것으로서 그 실제적인 크기는 도시한 바와 같다. 또한, 제2 배플(235)의 평면 모양은 도면에서는 원형으로 도시되어 있다. 이것은 본 발명이 발현될 수 있는 하나의 예로서, 제2 배플(235)의 평면 모양은 원형만이 아니라 마름모, 육각형 또는 팔각형 등일 수 있다. 도면과 같이 원형으로 하고, 제1 배플(230)의 크기가 도시한 바와 같은 경우에는 제2 배플(235)은 지름(2R)이 35mm 내지 45mm 사이인 것이 바람직하다.
이러한 제2 배플(235)의 평면 모양은 CVD장치 또는 구체적인 공정의 종류에 따라서 임의로 결정할 수 있다. 그러나, 제2 배플(235)을 설치하는 목적이 서셉터(220) 상의 온도 편차를 줄이기 위한 것이므로 그 모양은 단일 배플이 설치되어 있을 경우에 나타나는 온도 편차를 최소화할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 예컨대 제1 배플(230)만 구비되고 제2 배플(235)은 설치되어 있지 않은 상태에서 가열기(210)를 작동한 다음, 서셉터(220)의 여러 부분에서 온도를 측정하여 온도 편차를 파악한 뒤에 상대적으로 온도가 높게 측정되는 부분만 가릴 수 있도록 그 모양을 결정할 수도 있다.
계속해서 도 5b를 참조하면, 제2 배플(235)은 지지 바아(237)에 의하여 제1 배플(230)로부터 이격되어 있는데, 상기 장치의 경우에는 제1 배플(230) 및 제2 배플(235) 사이의 공간 거리는 15mm 내지 25mm 사이인 것이 바람직하다. 그러나 이 거리는 2중 배플이 설치되는 CVD장치에서 가열기(210)와 서셉터(220) 사이의 거리를 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 배플(230, 235)이 2중으로 설치되어 있는 경우에는 온도가 가장 높은 가열기(210)중앙 부분에서는 복사열이 2번 정류된다. 또한, 중앙 부분과 가장 자리의 사이에는 복사열이 1번 정류된다. 따라서 가열기로부터 전달되는 복사열에 비하여 상대적으로 복사열이 적게 전달된다.
이 경우, 서셉터(220)의 중앙 부위에 놓여 있는 온도 센서에서 측정되는 온도는 단일 배플이 설치된 경우보다 낮아지게 된다. 온도 센서에서 감지되는 온도가 목표온도보다 낮기 때문에, 피드백 작용에 의하여 가열기(210)에서 더 많은 열을 방출한다. 전체 서셉터(220) 특히 서셉터의 가장자리에서의 온도가 목표 온도와 근사하게 되고 전체적으로 온도 분포가 균일해 질 수 있다.
본 발명은 가열기와 서셉터 사이에 배플이 설치되어 있는 CVD 장치에 유용하게 적용될 수 있으며, 특히 서셉터의 목표 온도가 400℃를 훨씬 넘는 온도에서 USG막을 증착시키는 설비에 적용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 의하면 CVD 장치에서 웨이퍼에 물질막을 증착할 때, 서셉터 즉 웨이퍼의 전 표면에 걸쳐서 온도를 균일하게 함으로써 전 웨이퍼에 걸쳐서 균일한 두께를 가진 막을 형성시킬 수 있다.
또한, 온도 센서가 중심부에만 설치되어 있는 경우에도 서셉터 가장 자리의 공정 온도가 목표 온도와 거의 동일한 온도에서 물질막의 증착공정이 진행되는 것이 가능하다.
아울러 본 발명에 의한 CVD 장치는 기존의 설비에 제2 배플을 추가하는 것이므로 설치가 용이하고, 또한 CVD 장치의 실질적인 온도 편차에 따라 제2 배플의 모양을 임의로 결정할 수 있는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 가열기(heater);
    상기 가열기로부터 복사열을 전달받아 웨이퍼를 가열하는 서셉터(susceptor);
    수직 방향으로 상기 가열기와 상기 서셉터 사이에 위치하고 수평 방향으로 상기 서셉터의 중심부에 위치하며, 상기 서셉터 평면보다 평면 넓이가 작은 제1 배플(baffle); 및
    수평 방향으로 상기 서셉터의 중심부에 위치하며, 상기 제1 배플 평면보다 평면 넓이가 작은 제2 배플을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 배플은 수직 방향으로 상기 제1 배플과 상기 가열기 사이 또는 상기 제1 배플과 상기 서셉터 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 배플의 평면 모양 및 크기는 상기 제2 배플없이 가열된 상기 서셉터의 온도 편차에 따라서 상기 온도 편차를 감소시킬 수 있도록 만들어진 것을 특징으로 하는 2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 배플의 평면 모양은 원형, 마름모, 육각형 또는 팔각형인 것을 특징으로 하는 2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 배플은 평면 모양이 원형이고 지름이 35 내지 45mm인 것을 특징으로 하는 2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 배플은 연결 바아에 의하여 상기 제1 배플에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 배플, 제2 배플 및 연결 바아가 동일한 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 배플은 상기 제1 배플로부터 15 내지 25mm 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 화학기상증착 장치는 상압 화학기상증착(APCVD) 장치인 것을 특징으로 하는 2중 배플을 구비한 화학기상증착 장치.
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