KR200419389Y1 - 다양한 크기의 홀을 갖는 대형 ｐｅｃｖｄ 시스템용배플판에 의한 가스 분배 균일성 개선 - Google Patents

다양한 크기의 홀을 갖는 대형 ｐｅｃｖｄ 시스템용배플판에 의한 가스 분배 균일성 개선 Download PDF

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쿤후아 왕
리 호우
산제이 디. 야다브
가쿠 푸루타
켄지 오모리
수영 최
존 화이트
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Abstract

대면적 기판용 처리 챔버 내에 가스를 분배하기 위한 가스 분배판의 실시예가 제공된다. 본 실시예는 덮개판을 갖는 플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체로서, 상류측, 처리 영역을 향하는 하류측, 그리고 복수의 가스 통로를 갖는 확산판, 및 처리 챔버의 덮개판과 확산판 사이에 배치되는 배플판을 포함하며, 복수의 가스 통로가 확산판을 관통하여 형성되고, 배플판은 배플판의 상측 표면으로부터 하측 표면으로 연장되는 복수의 구멍을 가지며, 복수의 구멍은 두 가지 이상의 크기를 갖는, 플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체를 설명한다. 배플판의 작은 핀홀은 가스 혼합물의 충분한 통행을 허용하도록 사용되는 반면, 배플판의 큰 구멍은 기판 전역에 걸쳐 공정 균일성을 개선하는데 사용된다.

Description

다양한 크기의 홀을 갖는 대형 ＰＥＣＶＤ 시스템용 배플판에 의한 가스 분배 균일성 개선{GAS DISTRIBUTION UNIFORMITY IMPROVEMENT BY BAFFLE PLATE WITH MULTI-SIZE HOLES FOR LARGE SIZE PECVD SYSTEMS}
도 1(종래 기술)은 바닥 게이트 박막 트랜지스터의 개략적 횡단면도.
도 2a(종래 기술)는 가스 확산판을 갖는 예시적인 처리 챔버의 개략적 횡단면도.
도 2b(종래 기술)는 도 2a의 가스 확산판의 개략적 횡단면도.
도 3a는 예시적인 가스 확산판과 배플판을 갖는 예시적인 처리 챔버의 개략적 횡단면도.
도 3b는 상부판과 예시적인 확산판 사이에 배치된 예시적인 배플판의 개략적 횡단면도.
도 4는 확산판을 갖는 처리 챔버 내의 기판상에 박막을 증착하는 공정 흐름도.
도 5a는 배플판이 없는 가스 분배 조립체에 의한 증착으로부터 수집된 920㎜ × 730㎜ 기판 전역의 테트라에틸오르토실리케이트(tetraethylorthosilicate; TEOS) 산화물 증착률 측정을 나타낸 도면.
도 5b는 작은 핀홀을 갖는 배플판을 구비한 가스 분배 조립체에 의한 증착으 로부터 수집된 920㎜ × 730㎜ 기판 전역의 TEOS 산화물 증착률 측정을 나타낸 도면.
도 5c는 대칭으로 분배된 작은 핀홀을 갖는 배플판의 평면도.
도 5d는 작은 핀홀과 큰 구멍을 갖는 배플판을 구비한 가스 분배 조립체에 의한 증착으로부터 수집된 920㎜ × 730㎜ 기판 전역의 TEOS 산화물 증착률 측정을 나타낸 도면.
도 5e는 대칭으로 분배된 큰 구멍을 갖는 배플판의 평면도.
도 6a는 배플판이 없는 가스 분배 조립체에 의한 증착으로부터 수집된 920㎜ × 730㎜ 기판 전역의 SiN 증착률 측정을 나타낸 도면.
도 6b는 작은 핀홀과 큰 구멍을 갖는 배플판을 구비한 가스 분배 조립체에 의한 증착으로부터 수집된 920㎜ × 730㎜ 기판 전역의 SiN 증착률 측정을 나타낸 도면.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
200: 플라즈마 화학기상증착 시스템 202: 처리 챔버
206: 벽부 208: 바닥
210: 덮개 조립체 212: 처리 체적
214: 펌핑 플레넘 216: 천공된 영역
218: 분배판 조립체 220: 내측면
224: 알루미늄 본체 228: 구멍
238: 기판 지지 조립체 240: 기판
242: 스템 246: 벨로우즈
250: 리프트 핀 257: 배플판
258: 확산판 260: 행거판
262: 가스 통로 264: 플레넘
303: 덮개판
본 고안의 실시예는 일반적으로 증착 처리 챔버 내의 박막 증착 균일성을 개선하는데 사용되는 배플판에 관한 것이다.
컴퓨터 및 텔레비전 모니터와 같은 능동 매트릭스 디스플레이에는 일반적으로 액정 디스플레이 또는 플랫 패널이 사용된다. 일반적으로 플랫 패널 디스플레이 또는 반도체 웨이퍼용 투명 기판과 같은 기판상에 박막을 증착하기 위해 플라즈마 화학기상증착(PECVD)이 사용된다. 일반적으로 플라즈마 화학기상증착(PECVD)은 기판을 포함하고 있는 진공 챔버에 프리커서 가스(precursor gas) 또는 가스 혼합물을 주입함으로써 이루어진다. 통상적으로 프리커서 가스 또는 가스 혼합물은 챔버 상부에 인접하여 위치된 분배판을 통하여 아래쪽으로 지향된다. 챔버에 연결된 하나 이상의 무선 주파수(RF)원으로부터 챔버에 RF 전력을 인가함으로써 챔버 내의 프리커서 가스 또는 가스 혼합물은 플라즈마로 전압을 가한다(예를 들면, 여기된다). 여기된 가스 또는 가스 혼합물은 반응하여 온도 제어된 기판 지지부 상에 배 치된 기판 표면상에 재료층을 형성한다. 반응중 생성되는 휘발성 부산물들은 배출 시스템을 통하여 챔버로부터 펌핑된다.
통상적으로 PECVD 공정으로 처리되는 플랫 패널은 대면적이며, 종종 370㎜ × 470㎜를 초과한다. 가까운 시일 이내에 4 제곱 미터에 근접하고 이를 초과하는 대면적 기판이 계획되고 있다. 플랫 패널상에 균일한 처리 가스 흐름을 제공하기 위해 사용되는 가스 분배판 (또는 가스 확산판)은 비교적 크기가 크며, 특히, 200㎜와 300㎜ 반도체 웨이퍼 공정에 사용되는 가스 분배판과 비교할 때 그러하다.
도 1은 박막 트랜지스터 구조의 개략적 횡단면도를 도시하고 있다. 일반적인 저온 폴리실리콘 TFT 구조는 도 1에 도시되어 있는 상부 게이트 TFT 구조이다. 기판(101)은 예를 들면 유리 또는 투명한 플라스틱과 같이, 본질적으로 가시 스펙트럼에서 광학상 투명한 재료를 포함할 수 있다. 기판은 다양한 형상 또는 크기를 가질 수 있다. 통상적으로, TFT 적용을 위해, 기판은 약 500 ㎟보다 더 큰 표면적을 갖는 유리 기판이다. 기판은 상부에 하층(102)을 가질 수 있다. 하층(102)은 예를 들면, 이산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiN)와 같은 절연재일 수 있다. n-타입 도핑 실리콘 층(104n)이 하층(102) 상에 증착된다. 대안적으로, 실리콘 층은 p-타입 도핑 층이 될 수 있다. 일 실시예에서, n-타입 도핑 실리콘 층(104n)은 비결정 실리콘이며, 비결정 실리콘은 용융되어 폴리실리콘 층을 형성하기 위한 어닐링 처리에 의해 재결정화된다.
n-타입 도핑 실리콘 층(104n)이 형성된 후, n-타입 도핑 영역(104n)에 인접 하여 p-타입 도핑 영역(104p)을 형성하도록, n-타입 도핑 실리콘 층의 선택된 부분은 이온 주입된다. n-타입 영역(104n)과 p-타입 영역(104p) 사이의 접촉면은 스윙장치로서 작동하는 박막 트랜지스터의 기능을 지원하는 반도체 접합부이다. 반도체 층(104)의 이온 도핑 부분에 의해, 하나 이상의 반도체 접합부는 본래의 전위가 각 접합점을 가로 질러 존재하도록 형성된다.
게이트 유전층(108)은 n-타입 도핑 영역(104n)과 p-타입 도핑 영역(104p) 상에 증착된다. 게이트 유전층(108)은 예를 들면, 본 고안에 따른 PECVD 시스템의 실시예를 이용하여 증착된 이산화규소(SiO2), 질화규소(SiN), 또는 산질화규소(SiON)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 게이트 유전층(108)은 TEOS(tetraethylorthosilicate)와 산소를 이용하여 증착된 이산화규소(SiO2) 층이다. TEOS는 액체원 프리커서이며, 처리 챔버로 이송되도록 기화될 수 있다. TEOS 산화막은 반도체 산업에서 산화 실란(silane oxide)보다 등방성(conformality)이 우수한 것으로 공지되어 있다.
게이트 금속층(110)은 게이트 유전층(108) 상에 증착된다. 게이트 금속층(110)은 박막 트랜지스터 내의 전하 운반체의 움직임을 제어하는 전기 전도층을 포함한다. 게이트 금속층(110)은 예를 들면, 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 탄탈(Ta) 또는 이들의 조합 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 게이트 금속층(110)은 종래의 증착 기술을 이용하여 형성될 수도 있다. 증착 후, 게이트 금속층(110)은 종래의 리소그래피 및 에칭 기술을 이용하여 게이트를 형성하도록 패터 닝된다. 게이트 금속층(110)이 형성된 후, 층간 절연체(112)가 그 위에 형성된다. 층간 절연체(112)는, 예를 들면, 이산화규소와 같은 산화물을 포함할 수 있다. 층간 절연체(112)는 종래의 증착 공정을 이용하여 형성될 수도 있다. 층간 절연체(112)는 n-타입 도핑 영역(104n)을 노출시키도록 패터닝된다. 층간 절연체(112)의 패턴 영역은 접촉부(120)를 형성하도록 전도성 재료로 충전된다. 접촉부(120)는 예를 들면, 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 탄탈(Ta), 인듐 주석 산화막(ITO), 산화아연(ZnO) 및 이들의 조합 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 접촉부(120)는 종래의 증착 기술을 이용하여 형성될 수도 있다.
그 후, 완성된 박막 트랜지스터(125)를 보호하고 캡슐화하기 위해, 그 위에 페시베이션 층(122)이 형성될 수 있다. 일반적으로 페시베이션 층(122)은 절연체이며, 예를 들면, 이산화규소 또는 질화규소를 포함할 수 있다. 페시베이션 층(122)은 종래의 증착 기술을 이용하여 형성될 수도 있다. 지지된 논의뿐만 아니라 도 1은, 도핑 실리콘 층(104)이 n-타입 실리콘 층 내에 p-타입 도핑제 이온이 주입된 n-타입 실리콘 층인 실시예를 제공하지만, 당업자는 본 고안의 범주 내에서 여타 다른 구성을 형성할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 당업자는 p-타입 실리콘 층을 증착하고 p-타입 실리콘 층 영역에 n-타입 도핑제 이온을 주입할 수 있다. 여기 설명된 TFT 구조는 단지 예로서만 사용된다.
도 2a는 캘리포니아 산타클라라에 소재한 어플라이드 머티어리얼스의 지사인 AKT로부터 시판되는 종래 기술의 플라즈마 화학기상증착 시스템(200)의 일 실시예의 개략적 횡단면도이다. 일반적으로 시스템(200)은 가스원(204)에 연결된 처리 챔버(202)를 포함한다. 처리 챔버(202)는 부분적으로 처리 체적(212)을 형성하는 벽부(206)와 바닥(208)을 갖는다. 통상적으로 처리 체적(212)은 처리 챔버(202)의 안팎으로 기판(240)의 이동을 용이하게 하는 벽부(206) 내의 포트(미도시)를 통해 접근된다. 통상적으로 벽부(206)와 바닥(208)은 알루미늄 또는 처리에 적합한 다른 재료로 이루어진 단일 블록으로 제조된다. 벽부(206)는 (도시되지 않은 다양한 펌핑 구성요소를 포함하는) 배기 포트에 처리 체적(212)을 연결하는 펌핑 플레넘(214)을 포함하는 덮개 조립체(210)를 지지한다.
온도 제어된 기판 지지 조립체(238)는 처리 챔버(202) 내의 중앙에 배치된다. 지지 조립체(238)는 처리중에 유리 기판(240)을 지지한다. 일 실시예에서, 기판 지지 조립체(238)는 하나 이상의 삽입된 히터(232)를 캡슐화하는 알루미늄 본체(224)를 포함한다.
일반적으로, 지지 조립체(238)는 하부 측면(226)과 상부 측면(234)을 갖는다. 상부 측면(234)은 유리 기판(240)을 지지한다. 하부 측면(226)은 하부 측면에 연결된 스템(242)을 갖는다. 스템(242)은, 처리 챔버(202)로 기판을 이송하고 처리 챔버(202)로부터 기판을 이송하기 용이하게 하는 하부 위치와 (도시되어 있는 바와 같이) 상승된 처리 위치 사이에서 지지 조립체(238)를 이동시키는 리프트 시스템(미도시)에 지지 조립체(238)를 연결한다. 또한, 스템(242)은 지지 조립체(238) 및 시스템(200)의 다른 구성요소 사이에 전기 열전쌍 리드(leads)용 도관을 제공한다.
처리 챔버(202)의 바닥(208)과 지지 조립체(238) (또는 스템(242)) 사이에 벨로우즈(246)가 연결된다. 벨로우즈(246)는 지지 조립체(238)의 수직 이동을 용이하게 하면서, 처리 챔버(202) 외부의 대기와 챔버 체적(212) 사이에 진공 밀봉을 제공한다.
일반적으로 지지 조립체(238)는, 전원(222)에 의해 덮개 조립체(210) 및 기판 지지 조립체(238) (또는 챔버의 덮개 조립체 내부 또는 덮개 조립체에 인접하여 위치된 다른 전극)에 공급된 RF 전력이 지지 조립체(238)와 분배판 조립체(218) 사이의 처리 체적(212)에 존재하는 가스를 여기시킬 수 있도록 접지된다. 일반적으로 전원(222)으로부터의 RF 전력은 기판의 크기와 상응하도록 선택되어 화학기상증착처리를 가동시킨다. 챔버 내의 프리커서 가스 또는 가스 혼합물은 챔버에 연결된 하나 이상의 RF 전원으로부터 챔버에 무선 주파수(RF) 전력을 인가함으로써 플라즈마로 전압을 가한다(예를 들면, 여기된다). 여기된 가스 또는 가스 혼합물은 온도 제어된 기판 지지 조립체(238) 상에 위치된 기판(240)의 표면 위에 재료 층을 형성하도록 반응한다.
또한, 지지 조립체(238)는 외접하는 섀도우 프레임(248)을 지지한다. 일반적으로, 섀도우 프레임(248)이 지지 조립체(238)와 유리 기판(240)의 에지의 증착을 방지하여 지지 조립체(238)에 기판이 고착되지 않는다. 지지 조립체(238)는 지지 조립체를 관통하여 배치된 복수의 구멍(228)을 포함하며, 복수의 구멍은 복수의 리프트 핀(250)을 수용한다. 통상적으로 리프트 핀(250)은 세라믹 또는 양극산화 알루미늄으로 이루어진다.
덮개 조립체(210)는 처리 체적(212)에 상부 경계를 제공한다. 통상적으로 덮개 조립체(210)는 처리 챔버(202)의 유지보수를 위해 제거되거나 개방될 수 있다. 일 실시예에서, 덮개 조립체(210)는 알루미늄(Al)으로 제조된다. 덮개 조립체(210)는 외부 펌핑 시스템(미도시)에 연결되며 덮개 조립체 내부에 형성된 펌핑 플레넘(214)을 포함한다. 펌핑 플레넘(214)은 가스를 전달하고 처리 체적(212)으로부터 및 처리 챔버(202)로부터의 부산물을 균일하게 처리하는데 사용된다.
통상적으로 덮개 조립체(210)는 가스원(204)에 의해 제공된 처리 가스가 처리 챔버(202)로 주입되는 입구 포트(280)를 포함한다. 또한, 입구 포트(280)는 세정원(282)에 연결된다. 통상적으로 세정원(282)은 분리된 플루오르(dissociated fluorine)와 같은 세정제를 제공하며, 가스 분배판 조립체(218)를 포함한, 처리 챔버 하드웨어로부터 증착 부산물 및 막을 제거하도록 처리 챔버(202)로 주입된다.
가스 분배판 조립체(218)는 덮개 조립체(210)의 내측면(220)에 연결된다. 통상적으로 가스 분배판 조립체(218)는 예를 들면, 대면적 플랫 패널 기판용의 다각형 및 웨이퍼용의 원형과 같이, 실질적으로 유리 기판(240)의 형상을 따르도록 형성된다. 가스 분배판 조립체(218)는 천공된 영역(216)을 포함하며, 천공된 영역을 통하여 가스원(204)으로부터 공급된 처리 가스 및 다른 가스가 처리 체적(212)으로 전달된다. 가스 분배판 조립체(218)의 천공된 영역(216)은 가스 분배판 조립체(218)를 통과하는 가스를 처리 체적(212)으로 균일하게 분배시키도록 형성된다.
통상적으로 가스 분배판 조립체(218)는 행거판(260)으로부터 현수된 확산판(258) (또는 분배판)을 포함한다. 대안적으로 확산판(258)과 행거판(260)은 하나의 단일 부재로 이루어질 수 있다. 확산판(258)을 관통하여 복수의 가스 통 로(262)가 형성되어, 가스 분배판 조립체(218)를 통하여 처리 체적(212)으로 통과하는 가스의 미리 결정된 분배를 허용한다. 행거판(260)은 덮개 조립체(210)의 내측면(220)과 확산판(258)을 간격을 두고 유지시켜서, 그 사이에 플레넘(264)을 형성한다. 플레넘(264)이 덮개 조립체(210)를 통과하여 유동하는 가스가 확산판(258)의 폭에 걸쳐 균일하게 분배되게 하여, 가스는 중앙의 천공된 영역(216) 위에 균일하게 제공되며 가스 통로(262)를 통해 균일하게 배분되어 유동한다.
도 2b는 2004년 4월 14일 출원되었고, 제목이 "대면적 플라즈마 화학기상증착용 가스 확산 샤워헤드 설계"이며, 본 출원인에게 양도된 미합중국 특허출원번호 제10/824,347호에 설명된 예시적인 확산판(258)의 부분 단면도이다. 예를 들면, 696468 ㎟ (예를 들어, 762㎜ × 914㎜)의 확산판에 적합하도록, 확산판(258)은 약 12,000개의 가스 통로(262)를 포함한다. 대면적 플랫 패널을 처리하는데 사용되는 더 큰 확산판에 적합하도록, 가스 통로(262)의 개수는 100,000개나 될 수도 있다. 일반적으로 가스 통로(262)는 확산판(258) 아래에 위치된 기판(240) 상에 균일한 재료 증착을 촉진하도록 패터닝된다. 도 2b를 참조하면, 일 실시예에서, 가스 통로(262)는 제한 섹션(422)과 원뿔형 개구(406)로 이루어진다. 제한 섹션(422)은 확산판(258)의 제 1 측면(418)으로부터 통과하여 원뿔형 개구(406)에 연결된다. 원뿔형 개구(406)는 제한 섹션(422)에 연결되어 제한 섹션(422)으로부터 확산판(258)의 제 2 측면(420)까지 방사상 외측으로 벌어져 있다. 제 2 측면(420)은 기판의 표면을 향한다. 원뿔형 개구(406)의 퍼짐각(416)은 약 20˚내지 약 35˚이다.
벌어진 개구(406)는 처리 영역(212)으로 흐르는 처리 가스의 플라즈마 이온화를 촉진한다. 또한, 벌어진 개구(406)는 플라즈마 방전을 향상시키는 공동음극효과(hollow cathode effect)를 위해 넓은 표면적을 제공한다. 일 실시예에서, 제한 섹션(422)의 직경은 1.40㎜ (또는 0.055 inch)이다. 제한 섹션(422)의 길이는 14.35㎜ (또는 0.565 inch)이다. 원뿔형 개구(406)는 확산판(258)의 제 2 측면(420) 상에 7.67㎜ (또는 0.302 inch)의 직경을 갖는다. 벌어진 개구(406)의 퍼짐각은 22˚이다. 벌어진 개구의 길이는 16.13㎜ (또는 0.635 inch)이다.
TFT-LCD 산업에서 기판의 크기가 계속 커짐에 따라, 특히, 기판 크기가 약 100㎝ × 100㎝ (또는 약 10,000㎠) 이상인 경우, 일부 박막의 막 두께 균일성 값이 너무 커서 대면적 플라즈마 화학기상증착(PECVD)용 일부 장치제조의 엄격한 요구조건을 충족시키지 못한다. 예를 들어, 게이트 유전체 두께 균일성 요구조건은 일부 제조업체에 있어서 2-3％보다 작으며, 현재의 가스 분배판 설계에 의해 달성될 수 없다.
그러므로 박막 두께 균일성과 같은 박막 특성 제어를 개선하는, 개선된 가스 분배판 조립체가 요구된다.
처리 챔버내에 가스를 분배하기 위한 가스 분배판의 실시예가 제공된다. 일 실시예에서, 덮개판을 갖는 플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체는, 상류측, 처리 영역을 향하는 하류측, 그리고 복수의 가스 통로를 갖는 확산판, 및 상기 처리 챔버의 덮개판과 상기 확산판 사이에 배치되는 배플판을 포함하며, 상기 복수의 가스 통로는 상기 확산판을 관통하여 형성되고, 상기 배플판은 상기 배플판의 상측 표면으로부터 하측 표면으로 연장되는 복수의 구멍을 가지며, 상기 복수의 구멍은 두 가지 이상의 크기를 갖는다.
다른 실시예에서, 덮개판을 갖는 플라즈마 처리 챔버는, 상류측, 처리 영역을 향하는 하류측, 그리고 복수의 가스 통로를 갖는 확산판, 및 상기 처리챔버의 덮개판과 상기 확산판 사이에 배치된 배플판을 포함하며, 상기 복수의 통로는 상기 확산판을 관통하여 형성되고, 상기 배플판은 상기 배플판의 상측 표면으로부터 하측 표면으로 연장되는 복수의 원통형 구멍을 가지며, 상기 복수의 구멍은 두 가지 이상의 크기를 갖는다.
다른 실시예에서, 기판 위에 박막을 증착하는 방법은, 덮개를 가지며, 상류측, 처리 영역을 향하는 하류측, 그리고 복수의 가스 통로를 갖는 확산판, 및 상기 처리챔버의 덮개판과 상기 확산판 사이에 배치된 배플판을 포함하며, 상기 복수의 통로는 상기 확산판을 관통하여 형성되고, 상기 배플판은 상기 배플판의 상측 표면으로부터 하측 표면으로 연장되는 복수의 원통형 구멍을 가지며, 상기 복수의 원통형 구멍은 두 가지 이상의 크기를 갖는 처리 챔버 내에 기판을 배치하는 단계, 상기 배플판과 확산판을 통해 기판 지지부 상에 지지된 기판을 향하여 처리 가스(들)를 유동시키는 단계, 상기 확산판과 기판 지지부 사이에 플라즈마를 생성하는 단계, 및 상기 처리 챔버 내의 기판상에 박막을 증착하는 단계를 포함한다.
본 고안의 지침은 첨부 도면과 함께 하기의 상세한 설명을 고려하여 용이하 게 이해될 수 있다.
이해를 돕기 위해, 도면에 공통적인 동일한 요소들은 가능한 도일한 참조 부호로 지시한다.
본 고안은 일반적으로 처리 챔버 내에 가스를 전달하기 위한 가스 분배 조립체를 제공한다. 본 고안은 캘리포니아 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티어리얼스의 지사인 AKT로부터 시판되는 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 시스템과 같이, 대면적 기판을 처리하도록 형성된 플라즈마 화학기상증착 시스템에 관하여 하기에 예시적으로 설명된다. 그러나 본 고안은 식각 시스템, 다른 화학기상증착 시스템, 및 원형 기판을 처리하도록 형성된 이들 시스템을 포함하여 처리 챔버 내에 분배 가스가 요구되는 임의의 다른 시스템과 같이 다른 시스템 형태에서 유용함을 이해해야 한다.
도 3a에 도시되어 있는 바와 같이, 가스 분배판 조립체(218)에 배플판(257)을 부가함으로써 처리 챔버 내의 반응 플라즈마 분배 균일성이 개선될 수 있음이 측정되었다. 배플판(257)은 리드 조립체(210)의 덮개판(303)과 가스 확산판(258) 사이에 배치된다. 통상적으로 배플판(257)은, 예를 들면, 대면적 플랫 패널 기판용의 다각형 및 웨이퍼용의 원형과 같이, 실질적으로 가스 분배판(258)의 형상을 따르도록 형성된다. 배플판(257) 전역의 구멍(253)과 가스 확산판(258) 전역의 가스 통로(262)는 모두 가스 입구 포트(280)로부터의 가스분배에 영향을 미친다. 도 3b는 덮개판(303), 배플판(257) 및 확산판(258) 사이의 관계를 나타낸 도면이다. 통상적으로 배플판(257)은 스테인리스스틸, 알루미늄(Al), 양극산화 알루미늄, 니 켈(Ni) 또는 다른 RF 전도성 재료로 제조된다. 배플판(257)은 주조, 용접, 단조, 열간 정압(hot iso-statically pressed) 또는 소결될 수 있다. 배플판(257)은 기판 처리에 악영향을 미치지 않도록 통공(266) 전역에 충분한 평탄도를 유지하는 두께로 형성된다. 또한, 배플판(257)은 구멍(253)을 제조하는데 과도한 천공 시간(drilling time)을 방지하도록 비교적 얇게 유지되어야 한다. 일 실시예에서, 배플판(257)의 두께는 약 0.02 inch 내지 약 0.20 inch이다. 배플판(257)은 가스 확산판(258)과 협조하여 가스 분배 균일성에 영향을 미치므로, 배플판(257)과 가스 확산판(258) 사이의 거리 "D"는 작게 유지되어야 한다. 일 실시예에서, 거리 "D"는 0.6 inch보다 작다. 배플판과 가스 확산판 사이의 거리가 너무 큰 경우, 가스 또는 가스 혼합물이 이 두 판들 사이에서 재분배되기 때문에, 배플판(257)의 영향이 감소할 것이다.
배플판(257) 전역의 구멍(253)은 한가지 이상의 크기를 갖는다. 구멍(253)은 가스 분배 균일성을 증가시키도록 배플판 전역에 대칭으로 분배되어야 한다. 통상적으로 구멍(253)은 원통형이지만, 다른 형상의 구멍이 또한 사용될 수 있다. 가스 분배 균일성을 제어하기 위해 상이한 크기의 구멍들이 배플판(257) 전역에 대칭으로 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 배플판(257)은 두 세트 이상의 크기를 갖는 구멍(253), 작은 핀홀 및 큰 구멍을 갖는다. 작은 핀홀은 플레넘(264) 상류의 차단판에 압력을 증강시키지 않으면서 상류로부터 하류로 높은 유속의 가스 혼합물을 운반할 것이 요구된다. 플레넘(264) 상류의 차단판 내의 압력 증강은 원격 플라즈마 세정원으로부터의 플루오르 라디칼과 같은 반응 라디칼의 재결합을 초래할 수 있다. 큰 구멍은 박막 증착 두께의 균일성과 기판 전역의 형상을 조정하는데 사용된다. 다만, 이들 큰 구멍은 3000 sccm보다 큰 유속과 같이 고도의 가스 유동이 통과하기에 충분하지 않다. 예를 들어, 원격 플라즈마 세정(RPS)을 하는 동안, 세정 가스의 유속은 약 4000 sccm이다. 충분한 개수의 작은 핀홀들은 플레넘(264) 상류의 차단판 내의 압력 증강을 방지할 것이다. 작은 핀홀은 모두 한가지 이상의 크기가 될 수 있다. 일 실시예에서, 작은 핀홀의 직경은 1.27㎜ (또는 0.05 inch)보다 작게 유지된다. 또한, 큰 구멍의 크기는 한가지 이상일 수 있다. 일 실시예에서, 이들 큰 구멍의 직경은 약 1.59㎜ (또는 1/16 inch) 내지 약 6.35㎜ (또는 1/4 inch)이다.
작은 핀홀의 총 횡단면적은 RPS(원격 플라즈마원) 유닛에 의해 발생된 세정가스 종(cleaning gas species)과 같은 가스 혼합물의 충분한 통행을 보장하도록 1 inch2보다 크게 유지되어야 한다. 일 실시예에서, 큰 구멍의 직경은 1.56㎜ (또는 1/16 inch)보다 크게 유지된다.
처리 챔버 내에 박막을 증착하는 공정은 도 4에 도시되어 있다. 이 공정은 단계(401)에서 가스 분배 조립체를 갖는 처리 챔버 내에 기판을 배치함으로써 시작한다. 그 후, 단계(402)에서, 가스 분배 조립체를 통해 기판 지지부 상에 지지된 기판을 향해 처리 가스(들)를 유동시킨다. 그 후, 단계(403)에서, 가스 분배 조립체와 기판 지지부 사이에 플라즈마를 생성한다. 단계(404)에서, 처리 챔버 내의 기판상에 박막을 증착한다.
도 5a는 유리 기판 전역의 TEOS 산화막의 두께 형상을 도시하고 있다. 기판의 크기는 920㎜ × 730㎜이다. 가스 분배 조립체는 배플판을 포함하지 않는다. 확산판은 도 2b에 도시되어 있는 설계를 갖는 확산 구멍을 갖는다. 제한 섹션(422)의 직경은 1.40㎜ (또는 0.055 inch)이다. 제한 섹션(422)의 길이는 14.35㎜ (또는 0.565 inch)이다. 원뿔형 개구(406)는 확산판(258)의 제 2 측면(420) 상에 7.67㎜ (또는 0.302 inch)의 직경을 갖는다. 벌어진 개구(406)의 퍼짐각은 22˚이다. 벌어진 개구의 길이는 16.13㎜ (또는 0.635 inch)이다. TEOS 산화막은 0.95 토르 및 2700 와트의 전력하에서, 850 sccm의 TEOS, 300 sccm의 He 및 10000 sccm의 O2를 이용하여 증착된다. 확산판(258)과 기판 지지 조립체(238) 사이의 간격은 11.94㎜ (또는 0.47 inch)이다. 공정 온도는 약 400℃로 유지된다. 증착률은 평균 1800Å/분이며, (15㎜의 에지를 제외한) 두께 균일성은 약 5.5％이며, 이는 일부 제조업체의 제조 사양인 2-3％보다 더 크다. 두께 형상은 중심 두께 및 에지 두께 형상 또는 "W자 모양" 형상을 나타낸다.
도 5b는 유리 기판 전역의 TEOS 산화막의 두께 형상을 도시하고 있다. 기판의 크기는 920㎜ × 730㎜이다. 가스 분배 조립체는, 도 5a의 배치에 사용된 확산판 외에도 배플판을 포함한다. 배플판은 작은 원통형 핀홀만을 갖는다. 작은 핀홀의 직경은 0.41㎜ (또는 0.016 inch)이다. 작은 핀홀들은 배플판 전역에 총 8426개이다. 도 5c는 배플판 상의 핀홀 패턴을 도시하고 있다. 핀홀들은 차단판의 중심으로부터 차단판의 에지까지 방사상 대칭으로 분배되어 있다. 일 실시예에서, 차단판 중심에 인접한 핀홀의 조밀도는 차단판 에지에 인접한 핀홀의 조밀도보다 더 높다.
배플판과 확산판 사이의 거리는 12.55㎜ (또는 0.494 inch)이다. 배플판의 두께는 1.37㎜ (또는 0.054 inch)이다. 확산판은 도 5a 배치에 사용된 것과 유사하다. 확산판과 지지 조립체 사이의 간격은 11.94㎜ (또는 0.47 inch)이다. 증착 조건 및 공정은 도 5a의 증착 조건 및 공정과 동일하다. 증착률은 평균 약 1800Å/분임을 알 수 있으며, (15㎜의 에지를 제외한) 두께 형상은 약 5.0％이며, 이는 제조 사양보다 더 높다. 두께 형상은 여전히 중심 두께 및 에지 두께 형상 또는 "W 모양" 형상을 나타낸다. 이러한 결과는 작은 핀홀만을 갖는 배플판이 TEOS 균일성을 개선하지 못함을 나타낸다.
도 5d는 유리 기판 전역의 TEOS 산화막의 두께 형상을 도시하고 있다. 기판의 크기는 920㎜ × 730㎜이다. 가스 분배 조립체는 배플판을 포함한다. 배플판은 작은 원통형 핀홀과 큰 원통형 핀홀만을 포함한다. 작은 핀홀의 직경은 0.41㎜ (또는 0.016 inch)이다. 작은 핀홀은 배플판 전역에 8426개이다. 작은 핀홀의 크기와 위치는 도 5b 배치에 사용된 배플판 상의 작은 핀홀과 유사하다. 도 5c는 배플판 상의 작은 핀홀 패턴을 도시하고 있다. 또한, 배플판은 직경이 1.59㎜ (또는 1/16 inch), 3.18㎜ (또는 1/8 inch) 및 4.76㎜ (또는 3/16 inch)인 큰 구멍을 갖는다. 배플판에는 직경이 1.59㎜인 14개의 구멍, 직경이 3.18㎜인 4개의 구멍 및 직경이 4.76㎜인 4개의 구멍이 존재한다. 배플판 전역에 걸친 이들 홀의 분배는 도 5e에 도시되어 있다. 배플판과 확산판 사이의 거리는 12.55㎜ (또는 0.494 inch)이다. 배플판의 두께는 1.37㎜ (또는 0.054 inch)이다. 확산판은 도 5a 및 도 5b의 배치에 사용된 것과 유사하다. 확산판과 지지 조립체 사이의 간격은 11.94㎜ (또는 0.47 inch)이다. 증착 조건 및 공정은 도 5a 및 도 5b의 증착 조건 및 공정과 동일하다. 증착률은 평균 약 1800Å/분임을 알 수 있으며, (15㎜의 에지를 제외한) 두께 균일성은 약 1.8％이며, 이는 제조 사양 내에 있다. 두께 형상은 중심으로부터 에지까지의 평탄한 형상을 나타낸다. 이러한 결과는 작은 핀홀과 큰 구멍을 갖는 배플판이 TEOS 균일성을 개선함을 나타낸다.
배플판의 추가는 다른 TEOS 산화막 특성에 영향을 미치는 것으로 생각되지 않는다. 표 1은 응력, 굴절률(RI), Si-O 정점 위치, 및 습식 식각률을 비교한다.
배플판 굴절률(RI) 응력(E9Dynes/cm2) Si-O 정점 위치 습식 식각률(Å/분)
없음 1.46 C0.7 1080 2043
작은 핀홀 1.46 C0.8 1080 2058
작은 핀홀 및 큰 구멍 1.46 C0.6 1080 2093
표 1 TEOS 산화막이 증착된 기판의 박막 특성 비교
굴절률, 박막 응력, Si-O 정점 위치 데이터 및 습식 식각률(WER) 데이터는 세 가지 유형의 배플판과 유사한 값을 나타낸다. Si-O 정점 위치는 FTIR(푸리에 변환 적외선 분광기; Fourier Transform Infrared Spectroscopy)로 측정된다. 습식 식각률은 6:1 BOE(buffered oxide etch) 용액에 표본을 침지시킴으로서 측정된다.
또한, TEOS 산화막 외에, 다른 유형의 유전막에 대한 배플판의 영향이 연구되었다. 도 6a는 (배플판이 없는) 도 5a의 가스 분배 조립체와 동일한 가스 분배 조립체를 이용하여 기판 표면 전역에 걸친 SiN 박막 증착률을 도시하고 있다. SiN 박막은 1.60 토르 및 3400 와트의 전력 하에서, 810 sccm의 SiH4, 6875 sccm의 NH3 및 9000 sccm의 N2를 이용하여 증착된다. 확산판과 지지 조립체 사이의 간격은 28.83㎜ (또는 1.135 inch)이다. 공정 온도는 약 400℃로 유지된다. 증착률은 평균 약 1850Å/분이며, (15㎜의 에지를 제외한) 두께 균일성은 약 2.5％이며, 이는 제조 사양 내에 있다. 두께 형상은 중앙으로부터 에지까지 평탄한 형상을 나타낸다.
도 6b는 (작은 핀홀과 큰 구멍을 갖는 배플판을 구비한) 도 5d의 가스 분배 조립체와 동일한 가스 분배 조립체를 이용하여, 기판 표면 전역에 걸친 SiN 박막 증착률을 도시하고 있다. SiN 박막은 1.60 토르 및 3400 와트의 전력 하에서, 810 sccm의 SiH4, 6875 sccm의 NH3 및 9000 sccm의 N2를 이용하여 증착된다. 확산판과 지지 조립체 사이의 간격은 28.83㎜ (또는 1.135 inch)이다. 공정 온도는 약 400℃로 유지된다. 증착률은 평균 약 1850Å/분이며, (15㎜의 에지를 제외한) 두께 균일성은 약 2.5％이며, 이는 제조 사양 내에 있다. 또한, 두께 형상은 중심으로부터 에지까지 평탄한 형상을 나타낸다.
이러한 결과는, 도 5d에서 TEOS 박막을 증착하는데 사용되고, 도 5c 및 도 5e에 도시되어 있는 것과 같이, 기판 전역의 SiN 박막 두께가 작은 핀홀과 큰 구멍을 갖는 배플판의 추가에 영향받지 않음을 나타낸다. 배플판의 추가는 다른 SiN 박막 특성에 영향을 미치지 않는다. 표 2는 응력, 굴절률(RI), N-H/Si-H 비율 및 습식 식각률을 비교한다.
배플판 굴절률(RI) 응력(E9Dynes/cm2) N-H/Si-H 습식 식각률(Å/분)
없음 1.87 T5.7 19.6/16.8 1878
작은 핀홀 및 큰 구멍 1.87 T5.3 19.7/16.3 1849
표 2 SiN 박막으로 증착된 기판의 박막 특성 비교
굴절률(RI), 박막 응력, N-H/Si-H 비율 데이터 및 습식 식각률(WER) 데이터는 모두도 5d에 사용되며 도 5c 및 도 5e에 도시되어 있는 바와 같이 작은 핀홀과 큰 구멍을 갖는 배플판의 유무에 관계없이 증착된 기판에서 유사한 값을 나타낸다. N-H/Si-H 비율은 FTIR로 측정된다. 습식 식각률은 6:1 BOE 용액에 표본을 침지시킴으로서 측정된다.
이러한 결과는 작은 핀홀과 큰 구멍을 갖는 배플판의 사용이 TEOS 산화물 두께 균일성을 개선하며 TEOS 박막의 다른 박막 특성에 영향을 미치지 않음을 나타낸다. 또한, 이러한 결과는 작은 핀홀과 큰 구멍을 갖는 동일한 배플판의 사용이 박막 두께 균일성 및 다른 SiN 박막의 박막 특성에 영향을 미치지 않음을 나타낸다. 이러한 차이는 TEOS가 액체 공급원이며, 또한 높은 분자량을 갖기 때문일 수 있다.
본 고안에 따른 전술한 가스 분배판 조립체의 가스 분배판은 켈러(Keller) 등에 의해 2001년 8월 8일 출원되었으며 양도된 미합중국 특허출원번호 제09/922,219호, 임(Yim) 등에 의해 2002년 5월 6일 출원된 미합중국 특허출원번호 제10/140,324호, 블로니잰(Blonigan) 등에 의해 2003년 1월 7일 출원된 제10/337,483호, 화이트(White) 등에게 2002년 11월 12일 허여된 미합중국 특허 제6,477,980호, 최(Choi) 등에 의해 2003년 4월 16일 출원된 미합중국 특허출원번호 제10/417,592호 및 최(Choi) 등에 의해 2004년 4월 12일 출원된 미합중국 특허출원 번호 제10/823,347호에 설명되어 있으며, 전체로서 여기 참조된다.
상기 공정 및 예시는 박막 트랜지스터 장치를 제조하는데 사용되지만, 본 고안의 개념은 OLED 응용, 태양광 패널 기판 및 다른 적용 가능한 장치를 제조하는데 사용될 수 있다.
본 고안의 지침을 통합하는 몇몇 바람직한 실시예가 상세히 도시되고 설명되었지만, 당업자는 이들 지침을 더욱 통합하는 많은 다른 변형 실시예를 용이하게 고안할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 고안에 따른 플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체와 플라즈마 증착 처리 챔버는 증착 처리 챔버 내의 박막 증착 균일성을 개선하고, 박막 두께 균일성과 같은 박막 특성 제어를 개선할 수 있다.

Claims (18)

  1. 덮개판을 갖는 플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체로서,
    상류측, 처리 영역을 향하는 하류측, 그리고 복수의 가스 통로를 갖는 확산판; 및
    상기 처리 챔버의 덮개판과 상기 확산판 사이에 배치되는 배플판;을 포함하며,
    상기 복수의 가스 통로가 상기 확산판을 관통하여 형성되고,
    상기 배플판이 상기 배플판의 상측 표면으로부터 하측 표면으로 연장되는 복수의 구멍을 가지며, 상기 복수의 구멍이 두 가지 이상의 크기를 갖는,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플판의 두께가 약 0.02 inch 내지 약 0.2 inch인,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플판과 상기 확산판 사이의 거리가 약 0.6 inch보다 작은,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플판의 복수의 구멍이 원통형인,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배플판의 복수의 원통형 구멍의 가장 작은 직경이 약 0.05 inch보다 작으며, 상기 직경이 가장 작은 구멍들의 총 횡단면적이 1 inch2보다 더 큰,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 직경이 가장 작은 구멍들의 총 횡단면적이 1 inch2보다 더 큰,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가장 작은 직경을 갖는 복수의 원통형 구멍이 차단판의 중앙으로부터 차단판의 에지까지 대칭으로 분배된,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 배플판이 약 1/16 inch 내지 약 1/4 inch의 직경을 갖는 복수의 원통형 구멍을 가지며, 상기 구멍의 직경이 상기 복수의 원통형 구멍의 가장 작은 직경보다 더 큰,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 원통형 구멍의 가장 작은 직경보다 더 큰 직경을 갖는 상기 복수의 원통형 구멍의 개수가 4개 이상인,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 원통형 구멍의 가장 작은 직경보다 더 큰 직경을 갖는 상기 복수의 원통형 구멍이 상기 배플판 전역에 대칭으로 분배된,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 챔버가 플라즈마 화학기상증착챔버인,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 확산판과 상기 배플판이 모두 370㎜ × 370㎜보다 더 큰 표면적을 갖는,
    플라즈마 처리 챔버용 가스 분배판 조립체.
  13. 덮개판을 갖는 플라즈마 증착 처리 챔버로서,
    상류측, 처리 영역을 향하는 하류측, 그리고 복수의 가스 통로를 갖는 확산판; 및
    상기 처리챔버의 덮개판과 상기 확산판 사이에 배치된 배플판;을 포함하며,
    상기 복수의 통로가 상기 확산판을 관통하여 형성되고,
    상기 배플판이 상기 배플판의 상측 표면으로부터 하측 표면으로 연장되는 복수의 원통형 구멍을 가지며, 상기 복수의 원통형 구멍이 두 가지 이상의 크기를 가지며, 상기 배플판의 중심으로부터 상기 배플판의 에지까지 대칭으로 분배된,
    플라즈마 증착 처리 챔버.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 배플판과 상기 확산판 사이의 간격이 약 0.6 inch보다 작은,
    플라즈마 증착 처리 챔버.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 배플판의 복수의 원통형 구멍의 가장 작은 직경이 약 0.05 inch보다 작 은,
    플라즈마 증착 처리 챔버.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 직경이 가장 작은 구멍들의 총 횡단면적이 1 inch2보다 더 큰,
    플라즈마 증착 처리 챔버.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 원통형 구멍의 가장 작은 직경보다 더 큰 직경을 갖는 복수의 원통형 구멍이 상기 차단판 전역에 대칭으로 분배된,
    플라즈마 증착 처리 챔버.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 확산판과 배플판이 모두 370㎜ × 370㎜보다 더 큰 표면적을 갖는,
    플라즈마 증착 처리 챔버.
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KR101101176B1 (ko) * 2011-03-08 2012-01-02 한국과학기술원 유체 분배 장치 및 유체 분배 방법
KR101118477B1 (ko) 2009-11-26 2012-03-12 주식회사 테스 가스 분산판 및 이를 갖는 공정 챔버

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