KR20040045480A - 반도체 웨이퍼 상에 프로세싱 가스를 고르게 유동시키는장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 챔버, 웨이퍼 홀더, 및 내부에 임펠러가 고정되어 제공되는 프로세싱 가스 입구 파이프를 포함하는 반도체 프로세싱 장치에 관한 것이다. 임펠러를 통해 가스가 유동하는 동안, 이 가스는 임펠러 아래의 대체로 수평의 복수의 스트림 안으로 인도되며, 임펠러는 파이프의 하부 부분에서 가스의 와류 월풀형 운동을 야기시킨다. 와류 가스가 파이프의 출구단 외부로 유동하면서, 원심력에 의해, 이 가스는 챔버 내부의 외측으로 바로 유동하게 되어, 웨이퍼 상으로 아래로 통과할 때 가스는 샤프트의 표면을 가로질러 균일하게 유동한다.

Description

반도체 웨이퍼 상에 프로세싱 가스를 고르게 유동시키는 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR EVENLY FLOWING PROCESSING GAS ONTO A SEMICONDUCTOR WAFER}

본 발명은 반도체 프로세싱 챔버 내부에 가스를 고르게 살포하기 위한 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 커다란 직경의 웨이퍼의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 상당히 얇은 층의 재료를 화학 기상 증착하는데 사용되는 것과 같은 가스를 반도체 프로세싱 챔버 내부에 균일하게 살포하기 위한 시스템에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 상에 재료를 화학 기상 증착(CVD)하는데 있어서, 챔버 내의 플랫폼 상의 제 위치에 유지되어 있는 웨이퍼 상에 재료가 균일하게 증착되는 것을 보장하도록 밀폐된 챔버 안으로 프로세싱 가스 또는 가스들을 도입시키고(종래 기술에 널리 알려진 프로세스), 밀폐 챔버 안으로 이러한 프로세싱 가스를 유동시킬때, 웨이퍼 상에 전체에 걸쳐 균일하게 유동하도록 프로세싱 가스를 분배시켜야 한다. 따라서, 웨이퍼 상에 증착된 고체 재료의 층은 웨이퍼 전체에 걸쳐 고르고 균일하다. 보다 큰 직경의 웨이퍼(예컨대, 직경이 300mm)와, 그보다 더 큰 장치 밀도(예컨대, 170 나노미터 또는 보다 미세한 라인 폭)가 표준이 되면서, 웨이퍼 위로 프로세싱 가스의 유동을 균일성 면에서 가능한 거의 완벽하게 하는 것이 종래보다 중요하게 부각되었다.

종래에 프로세싱 가스를 고르게 분포시키는 여러 방법들이 사용되어 왔다. 통상적으로 사용되던 방법 중 하나는 가스 입구에 위치한 "샤우어 헤드(shower head)"를 통해 챔버로 가스를 유동시키는 것이다. 이러한 장치의 단점은 부피가 크고 비용이 많이 드는 경향이 있다. 또한, 샤우어 헤드를 통과하는 미세한 구멍이 막히게 되고 자주 세척해야 한다. 본 발명은 균일한 가스 유동을 달성하는 단순하고 효율적인 방법을 제공한다.

본 발명은 반도체 프로세싱 챔버 내부에 가스를 고르게 살포하기 위한 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 커다란 직경의 웨이퍼의 표면 전체에 걸쳐 균일하게 상당히 얇은 층의 재료를 화학 기상 증착(CVD)하는데 사용되는 것과 같은 가스를 반도체 프로세싱 챔버 내부에 균일하게 살포하기 위한 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명을 구현하는 반도체 웨이퍼 프로세싱 장치의 개략적인 도면이다.

도 2는 도 1의 2-2 일점쇄선으로 도시된 바에 의해 취해진, 반도체 웨이퍼를 가로질러 아래로 프로세싱 가스의 고른 유동을 달성하도록 본 발명에 의해 제공된 임펠러의 평면도이다.

도 3은 도 2의 3-3의 일점쇄선으로 도시된 바와 의해 얻어진 임펠러의 일부분의 확대 횡단면도이다.

이들 도면은 축척으로 그려진 것이 아니다.

본 발명의 일 양상은 웨이퍼 프로세싱 챔버 안으로 도입되는 입구 가스 통로 내에 여기서 임펠러(impeller)라고 하는 기계 장치를 제공한다. 이러한 임펠러는 고정식이며, 통로의 하부 부분 내부에서 프로세싱 가스에 스핀형(spinning-like) 또는 월풀형 유동(whirlpool-like flow)을 부여하여, 스핀 가스가 통로 외부로 유동하고 챔버 안으로 유입될 때, 원심력에 의해 가스 유동에 챔버 안으로의 하방 이동과 함께 방사형 이동을 부여한다. 이러한 혼합형 방사형 및 하방 이동은 처리되는 웨이퍼 상에 전체에 걸쳐 그 위에 비교적 균일한 가스의 분포를 용이하게 한다.임펠러는 중첩하는 고정식 팬(fan)형상 블레이드를 구비한다. 이러한 블레이드의 경미한 경사도(slight tilt)는 하나의 블레이드의 전방 엣지와 다음의 블레이드의 후방 엣지 사이에 슬롯을 제공한다. 따라서, 하방으로 그리고 블레이드 사이의 슬롯을 통해 통로의 하부 안으로의 가스 유동에는 스핀형 또는 월풀형 모션이 제공된다.

(청구항 1) 제 1 장치 양상에서 보면, 본 발명에 따른 반도체 프로세싱 장치는, 챔버와, 이러한 챔버 내부의 웨이퍼 지지 부재와, 그 출구단에서 챔버의 상부 부분으로 아래를 향해 프로세싱 가스를 유동시키기 위한 가스 입구 파이프와, 그리고 그 출구단 위에서 파이프 내부에 장착된 임펠러를 포함하며, 이러한 임펠러는 파이프 내부에서 아래로 유동하는 가스를 임펠러 아래에서 회전하는 다수의 측면 2차 가스 스트림으로 인도하여, 가스의 소용돌이 월풀형 모션을 야기시킨다.

본 발명에 따른 장치의 제 2 양상에서 보면, 본 발명에 따른 장치는 챔버 내부에 보유된 웨이퍼 상에 유동하는 프로세싱 가스를 제어하는데 유용한 반도체 장치이다. 이러한 반도체 장치는, 상부 부분 및 하부 부분을 가지는 챔버와, 이러한 챔버 내부에서의 프로세싱을 위해 챔버를 유지시키는 플랫폼과, 그 출구단을 통해 챔버의 상부 부분 안으로 아래로 프로세싱 가스를 유동시키기 위한 가스 파이프와, 그리고 임펠러를 포함한다. 이러한 임펠러는 중심으로부터 외부 림(outer rim)으로 방사상으로 펼쳐져 있는 다수의 팬형 블레이드를 포함한다. 이들 블레이드는 하나의 블레이드의 전방 엣지가 다음의 블레이드의 후방 엣지의 아래 앞쪽에 위치하는 방식으로 서로 원주상으로 이격되어 중첩되어 있다. 이들 블레이드가 중첩하는 블레이드 사이에는 각각 간격이 존재한다. 이들 블레이드 사이의 간격은 임펠러 측면 아래에서 각각의 가스의 스트림을 회전 맴돌이 모션(rotational swirling motion)으로 인도하기 위한 2차 가스 통로를 형성한다. 이러한 임펠러는 출구단 위에서 가스 파이프 내부에 고정되어 있어서, 임펠러 아래의 맴돌이 가스가 챔버의 상부 부분 안으로 유동할 때, 내부력(internal force)에 의해 가스가 챔버를 가로질러 외측으로 유동한 후 플랫폼 상에서 웨이퍼 위에 걸쳐 아래로 고르게 유동하게 된다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 반도체 웨이퍼의 표면 상에 전체에 걸쳐 프로세싱 가스를 고르게 살포시키는 방법을 제공한다. 이러한 방법은, 챔버 내에 보유된 웨이퍼를 향해 아래로 파이프 내에 프로세싱 가스의 스트림을 유동시키는 단계와, 이러한 프로세싱 가스의 스트림 내에 월풀형 측면의 맴돌이 모션을 발생시키는 단계와, 그리고 이러한 맴돌이 가스 내부의 내부력을 사용하여, 챔버 내에 가스가 유입될 때 바로 챔버 내부에서 외측으로 유동시킨 후, 챔버 내부의 웨이퍼 상의 전체에 걸쳐 고르게 아래로 유동시키는 단계를 포함한다.

첨부된 도면 및 청구의 범위와 관련하여 제시되는 다음의 상세한 설명의 연구를 통해, 본 발명의 다수의 장점을 보다 완전한 이해할 수 있고, 아울러 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 특징들을 구현하는 장치(10)의 부분적으로 절단된 개략적인 형태를 도시하고 있다. 이러한 장치(10)는 웨이퍼 프로세싱 챔버(12), 가스 입구 파이프(14), 이러한 가스 입구 파이프(14) 내부에 고정된 임펠러(16), 가스 입구 파이프(14)의 바로 밑에 위치한 웨이퍼 홀더(플랫폼, 웨이퍼 지지 부재)(18), 플랫폼(18)상에 위치한 반도체 웨이퍼(20), 및 배기 파이프(22)를 포함한다. 이러한 장치(10)는 그 일부분이 도시되어 있지 않지만, 신규한 임펠러(16)를 제외하고는 종래 기술상 널리 알려진 일반적인 유형이다. 이러한 장치(10)는 커다란 직경(예컨대, 300mm)의 반도체 웨이퍼의 노출면 상에 상당히 얇은 박막의 고체 재료를 하위-대기압에서 화학 기상 증착(CVD)하는데 적합하다.

웨이퍼 프로세싱 챔버(12)는 가스 입구 파이프(14), 임펠러(16), 플랫폼(18) 및 반도체 웨이퍼(20)가 함께 정렬되는 수직 중심 축선(24)을 가진다. 화살표(26)로 도시된 바와 같이 가스 공급원으로부터 장치(10)로 프로세싱 가스가 공급되고, 이러한 프로세싱 가스는 화살표(30)로 도시된 바와 같이 가스 입구 파이프(14) 내부에서 아래로 통로(28) 안으로 유동한다. 이러한 프로세싱 가스가 가스 입구 파이프(14) 내부에 고정되어 있는 임펠러(16)에 도달하면, 이 가스는 임펠러(16)를 통과하고, 가스 입구 파이프(14)의 하부 부분 내부에서, 브라켓(32)으로 도시된 바와 같이, 맴돌이형 또는 월풀형 모션으로 강제 도입된다. 이러한 맴돌이 가스 유동이 가스 입구 파이프(14)의 출구단(34)을 벗어나 유동하면, 화살표(36)로 도시된 바와 같이, 원심력에 의해 챔버(12) 안으로 외측 하방으로 가스가 즉시 유동한다. 웨이퍼(20)에 도달하면, 화살표(38)로 도시된 바와 같이, 가스는 챔버(12)를 가로질러 균일하게 살포되어, 반도체 웨이퍼(20) 위로 전체에 걸쳐 고르게 가스가 내려간다. 사용된 프로세싱 가스는 화살표(39)로 도시된 바와 같이, 배기 파이프(22)에 의해 챔버(12)로부터 배출된다. 이러한 방식으로, 커다란 직경의 웨이퍼(예컨대, 300mm)는 이들의 노출면에 걸쳐 균일하게 증착된 얇은 박막층의 고체 재료를 가질 수 있다.

이제 도 2를 참조하면, 임펠러(16)의 평면도가 도시되어 있다(축척으로 도시된 것이 아님). 도해적인 실시예에서, 임펠러(16)는 6개의 팬형 블레이드(fan-like blades; 40)를 구비하는데, 이들 블레이드는 이들이 함께 결합되어 있는 중심(42)으로부터 수평으로 방사상으로 펼쳐져 있다. 중심(42)은 수직 중심 축선(24)과 정렬되어 있다. 이들 블레이드(40)는 하나의 블레이드의 전방 엣지(44)가 바로 옆의 블레이드의 후방 엣지(46)의 아래와 앞에 놓이는 방식으로 서로 중첩되어 있다. 블레이드(40)의 외부 림(outer rims; 48)은 가스 입구 파이프(14)의 내부벽(49)에 대해 고정되며 그 내부 벽(49)에 의해 지지되어 있다. 이들 블레이드(40)는 대개 편평하며, 중심(42)으로부터 연장하는 수평 반경범위 거의 둘레에서 각각 경사져 있거나 또는 회전한다. 따라서, 하나의 블레이드의 전방 엣지(44)는 다음 블레이드의 후방 엣지(46)의 아래 앞쪽에 가까이 위치한다. 이러한 방식으로, 블레이드(40)를 중첩시킴으로써 임펠러(16) 내부에는, 폭 좁게 방사상으로 연장하는 원주상으로 이격된 슬롯(50)이 형성되며, 슬롯(50)의 수는 블레이드(40)의 수에 상응한다. 이러한 슬롯(50)을 통해 아래로 프로세싱 가스가 유동하며, 도 1의 브라켓(32)으로 도시된 바와 같이, 그리고 아래에 기술하는 바와 같이, 프로세싱 가스는 중첩하는 블레이드(40)에 의해 임펠러(16) 아래에서 회전 또는 맴돌이 모션으로 강제 도입된다.

이제 도 3을 참조하면, 도 3은 임펠러(16)의 확대된 횡단면으로서, 부분적으로 절단된 도면이며, 중첩하는 블레이드(40) 사이의 슬롯(50)의 높이는 각각의 블레이드(40)의 수평으로부터 경사도에 의해 결정된다. 임펠러(16)는 가스 입구 파이프(14)내의 가스 스트림과 어긋난 직각으로 고정되어 있으며, 임펠러(16) 상에 축선방향 아래로 유동하는 프로세싱 가스가 슬롯(50)을 관류한다. 이러한 슬롯(50)은 블레이드(40)의 중첩하는 부분(엣지(44)와 엣지(46) 사이)에 의해 형성된 2차 가스 통로(51) 각각의 입구 역할을 한다. 이들 2차 가스 통로(51)는 임펠러(16) 아래로 측면 및 회전방향으로 유동하는 대체로 수평의 개별의 가스 제트 스트림(52)으로 가스를 인도한다. (도 1의 브라켓(32)으로 도시된) 맴돌이 가스가 가스 입구 파이프(14)의 출구단(34)을 출발하여 챔버(12)로 유입될 때, 이 가스의 회전 벡터는 원심력에 의해 챔버 내부에서 방사상 외측으로 유동하게 되고, 동시에하향 벡터는 가스가 아래로 유동하게 한다. 따라서, 프로세싱 가스는 플랫폼(18) 상에 위치하는 웨이퍼(20)에 걸쳐 항상 고르게 챔버(12) 내에서 유동한다. 웨이퍼(20) 위로 통과한 후, 사용된 프로세싱 가스는 배기 파이프(22)에 의해 챔버의 하부단으로 배출된다. 블레이드(40)의 경사도와 블레이드 엣지(44, 46)의 중첩은 압력, 유량, 및 장치(10)에 사용되는 프로세싱 가스의 종류와 같은 여러 작동 조건에 대해 바람직한 만큼 조절된다. 임펠러(16)는 적합한 강도와 두께의 알루미늄 합금으로 이루어지는 것이 유리하다.

상기의 설명은 도해를 위한 것이지 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 도시된 이들 실시예에 있어서 여러 변경이 당업자에게 자명하며, 첨부된 청구의 범위에 의해 설명되거나 한정되는 바와 같은 본 발명의 범위 또는 요지를 벗어나지 않고 이들 변경이 이루어질 수 있다. 예컨대, 임펠러(16) 내의 블레이드(40)의 수는 도시된 수에 한정되지 않으며, 임펠러(16)의 재료는 알루미늄 합금 이외의 것일 수도 있다.

Claims (14)

1. 반도체 처리 장치로서,

   챔버와,

   상기 챔버 내부에 배치된 웨이퍼 지지 부재와,

   출구단에서 상기 챔버의 상부 부분 안으로 아래로 프로세싱 가스를 유동시키는 가스 입구 파이프와,

   상기 파이프의 출구단 위에서 상기 파이프 내부에 장착되는 임펠러로서, 상기 임펠러 아래에서 회전하는 복수의 측면 2차 가스 스트림으로, 상기 파이프 내부에서 아래로 유동하는 상기 가스를 인도하여, 상기 가스의 맴돌이 월풀형 모션을 야기시키는 임펠러를 포함하는 반도체 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 맴돌이 가스가 상기 챔버의 상부 부분 안으로 유동하는 반도체 처리 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 챔버를 가로질러 외측으로 상기 맴돌이 가스를 유동시키는 원심력이 작용하여, 상기 홀더의 웨이퍼 상으로 아래를 향해 통과할 때, 상기 웨이퍼의 노출면을 가로질러 균일하게 가스가 유동하는 반도체 처리 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 임펠러는 디스크형이며, 부분적으로 서로 중첩하는 다수의 팬형상 블레이드를 포함하는 반도체 처리 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 블레이드는 중심으로부터 외부 림으로 방사상으로 뻗어 있으며, 상기 파이프의 출구단 위의 상기 가스 스트림과 비스듬한 직각으로 상기 파이프 내에 고정되어 있는 반도체 처리 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 블레이드는 중첩되는 곳에서 간격을 두고 떨어져 있어서, 복수의 프로세싱 가스의 스트림이 상기 블레이드 사이로 유동하며 맴돌이 모션으로 인도되는 반도체 처리 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 장치는 중심 수직 축선을 구비하며, 상기 챔버, 상기 웨이퍼 지지 부재, 및 상기 가스 입구 파이프가 상기 임펠러의 중심과 함께 상기 중심 수직 축선을 따라 정렬되어 있는 반도체 처리 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 챔버의 하부 부분으로부터 상기 웨이퍼 지지 부재 아래로 사용된 프로세싱 가스를 제거하기 위한 가스 배기 파이프를 더 포함하는 반도체 처리 장치.
9. 상기 챔버 내부에 유지된 웨이퍼 상의 프로세싱 가스를 제어하는데 유용한 반도체 장치로서,

   상부 부분 및 하부 부분을 가지는 챔버와,

   상기 챔버 내부에서의 프로세싱을 위해 웨이퍼를 유지하는 플랫폼과,

   상기 챔버의 상부 부분 안으로 출구단을 통해 아래로 프로세싱 가스를 유동시키기 위한 가스 파이프와, 그리고

   중심으로부터 외부 림으로 방사상으로 뻗은 복수의 팬형상 블레이드를 포함하는 임펠러를 포함하는 반도체 장치로서,

   상기 블레이드는 원주상으로 이격되어 있으며, 하나의 블레이드의 전방 엣지가 다음의 블레이드의 후방 엣지의 아래의 앞쪽에 위치하면서 계속해서 서로 중첩하며, 상기 블레이드가 중첩되는 상기 블레이드 사이에는 각각의 공간이 존재하며, 상기 블레이드 사이의 공간은 회전 맴돌이 모션의 각각의 스트림을 인도하기 위한 2차 가스 통로를 형성하고, 상기 임펠러는 상기 출구단 위로 상기 가스 파이프 내부에 고정되어 있어서, 상기 임펠러 아래의 상기 와류 가스가 상기 챔버의 상부 부분 안으로 유동하는 경우, 내부력에 의해, 상기 가스가 상기 챔버를 가로질러 외부로 유동한 후 상기 플랫폼 상의 웨이퍼 상의 전체에 걸쳐서 균일하게 유동하게 되는 반도체 장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 임펠러의 상기 블레이드는 대체로 편평하며 충분히 경사져 있어서, 상기 블레이드의 중첩하는 부분들 사이에 상기 공간을 제공하고, 상기 블레이드의 내단부의 중심은 결합되어 있으며, 상기 블레이드의 외부 림은 상기 가스 파이프 내부에 고정되어 있어서, 상기 임펠러는 상기 가스 유동과 비스듬한 직각으로 위치해 있는 반도체 장치.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 가스 파이프, 상기 챔버 및 상기 플랫폼이 상기 임펠러의 중심을 따라 정렬되는 수직 중심 축선이 존재하는 반도체 장치.
12. 제 9 항에 있어서,

    사용된 프로세싱 가스를 제거하기 위한 상기 챔버의 하부 부분과 인접한 배기 파이프를 더 포함하는 반도체 장치.
13. 반도체 웨이퍼의 표면 상에 전체에 걸쳐 프로세싱 가스를 고르게 살포하는 방법으로서,

    챔버 내에 유지되는 웨이퍼를 향해 아래로 파이프 내에 프로세싱 가스의 스트림을 유동시키는 단계와,

    상기 가스 스트림 내에 월풀형 측면으로 맴돌이 모션을 발생시키는 단계와,

    상기 챔버 내에 상기 가스가 유입될 때, 상기 챔버 내부에서 외측으로 바로 유동시킨 후 상기 챔버 내부에서 웨이퍼 상의 전체에 걸쳐 고르게 아래로 상기 가스를 유동시키도록, 상기 맴돌이 가스 내부에 내부력을 사용하는 단계를 포함하는,

    반도체 웨이퍼의 표면 상에 전체에 걸쳐 프로세싱 가스를 고르게 살포하는 방법
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 파이프 내부에서 측면으로 그리고 회전 방향으로 유동시키는 복수의 2차 가스 스트림으로 상기 가스 유동을 인도하는 고정형 임펠러를 통해, 상기 파이프 내에서 아래로 유동하는 상기 가스를 통과시킴으로써, 상기 가스가 맴돌이치게 되는,

    반도체 웨이퍼의 표면 상에 전체에 걸쳐 고르게 프로세싱 가스를 살포하는 방법.