KR200419924Y1 - 기판 처리 설비 - Google Patents

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KR200419924Y1
KR200419924Y1 KR2020060009618U KR20060009618U KR200419924Y1 KR 200419924 Y1 KR200419924 Y1 KR 200419924Y1 KR 2020060009618 U KR2020060009618 U KR 2020060009618U KR 20060009618 U KR20060009618 U KR 20060009618U KR 200419924 Y1 KR200419924 Y1 KR 200419924Y1
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박용성
이성광
김동렬
김기훈
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국제엘렉트릭코리아 주식회사
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Abstract

본 고안은 액체 소스를 소스 가스로 변환시키는 버블러를 갖는 기판 처리 설비에 관한 것이다. 본 발명의 기판 처리 설치는 공정챔버로 소스 가스를 공급하기 위한 가스 공급부를 포함한다. 가스 공급부는 액체 소스를 수용하기 위한 밀폐된 용기, 용기에 수용된 액체 소스로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급관, 캐리어 가스에 의해 기화된 소스 가스를 공정챔버로 공급하기 위한 소스 가스 공급관 그리고 캐리어 가스 공급관과 소스 가스 공급관의 압력변화에 따라 캐리어 가스 공급관으로 공급되는 캐리어 가스의 공급량을 제어하는 가스조절 수단을 포함한다.
기상증착, 보우트, 버블러, 소스가스

Description

기판 처리 설비{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
도 1는 일반적인 버블러를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 고안의 실시예에 따른 화학 기상 증착 설비의 개략적인 구성을 보여주는 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 가스 공급부의 버블러를 보여주는 단면도이다.
도 4a는 노즐이 설치된 캐리어 가스 공급관을 보여주는 부분 단면도이다.
도 4b는 노즐이 일체로 형성된 캐리어 가스 공급관을 보여주는 부분단면도이다.
도 5는 수평한 노즐이 설치된 버블러를 보여주는 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
102 : 공정챔버 110 : 공정튜브
190 : 가스 공급부 192 : 버블러
194 : 캐리어 가스 공급관 195 : 노즐
195a : 분사공
본 고안은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 기판 상에 막을 형성하기 위한 액체 소스를 소스 가스로 변환시키는 버블러를 갖는 기판 처리 설비에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 장치는 증착, 포토리소그래피, 식각, 화학적 기계적 연마, 세정, 건조 등과 같은 단위 공정들의 반복적인 수행에 의해 제조된다. 상기 단위 공정들 중에서 증착 공정은 반도체 기판 상에 막을 형성하는 공정으로, 최근 반도체 기판 상에 형성되는 패턴이 미세화되고, 패턴의 종횡비(aspect ratio)가 커짐에 따라 점차 중요도가 높아지고 있다.
반도체 기판 상에 막을 형성하는 방법에는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition ; CVD), 저압 화학 기상 증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition ; LPCVD), 플라즈마 증대 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ; PECVD), 금속 유기 화학 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ; MOCVD)과 같은 통상적인 방법들이 있으며, 최근 주목받고 있는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition ; ALD),사이클릭 화학 기상 증착(Cyclic Chemical Deposition ; CCVD), 디지털 화학 기상 증착(Digital Chemical Vapor Deposition ; DCVD), 어드밴스트 화학 기상 증착(Advanced Chemical Vapor Deposition ; ACVD)이 있다.
막 형성 기술들에서는 막의 재료로서 필요한 원소를 기체 상태로 기판 상에 공급한다. 따라서, 기판 상에 필요한 요소만을 공급하는 것이 아니라 유기금속 전구체(metalorganic precursor), 금속 할로겐화물(metal halides) 등과 같은 형태의 반응물로 소스 가스를 기판 상에 공급한다.
일반적으로, 상기 소스 가스는 액체 소스로부터 기화되며, 캐리어 가스에 의해 공정 챔버로 공급된다. 상기 막 형성 기술에서 주요 제어 변수는 증착 온도, 증착 압력, 소스 가스 공급 시간, 퍼지 가스 공급 시간, 소스 가스의 불순물 함 유 정도 및 농도 등이며, 최근 반도체 장치의 집적도가 증가됨에 따라 소스 가스의 안정적인 공급 및 농도 등이 반도체 장치의 박막 증착을 결정하는 주요한 요인으로 대두되고 있다.
상기 소스 가스의 공급 장치에 대한 일 예로서, 미합중국 특허 제6,155,540호(issued to Takamatsu et al.)에는 액상 원료를 기화시켜 기체 상태로 공급하는 장치가 개시되어 있다. 상기 미합중국 특허에 의하면, 화학 기상 증착을 위한 액체 원료는 조절된 유량으로 기화기(vaporizer)로 유입되고, 기화기의 내부 또는 외부에 배치된 초음파 분무장치(ultrasonic atomizing device)에 의해 분무되며, 캐리어 가스에 의해 가열되어 기화된다.
또한, 소스 가스 공급 방법에는 액체 소스 내에서 캐리어 가스를 버블링시켜 소스 가스를 형성하는 방법이 있다. 도 1에는 종래의 버블러가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 밀폐된 용기(12) 내부에는 액체 소스가 수용되어 있으며, 용기(12)의 하부에는 액체 소스(10)를 가열하기 위한 히터(미도시됨)가 배치되어 있다. 캐리어 가스 공급관(14)은 용기(12)의 상부를 관통하여 설치되어 있고, 캐리어 가스 공급관(14)의 단부는 용기(12)에 수용된 액체 소스(10)에 잠겨 있다. 액체 소스(10)는 캐리어 가스 공급관(14)으로부터 공급된 캐리어 가스의 버블링 및 히터 에 의한 온도 상승에 의해 기화된다. 그리고 용기(12) 내부에서 형성된 기체 소스(vapor source)는 캐리어 가스와 함께 소스 가스 공급관(16)을 통해 공정 챔버(미도시됨)로 공급된다.
그러나, 기존의 버블러는 기포의 크기가 크고 불규칙하기 때문에 액체 소스의 기화 효율이 현저하게 낮고, 기화 발생이 비안정적이고 불균일하다. 특히, 버블링시 액체 소스 표면으로 기포에 의한 액체 소스의 산란 현상이 발생하여 버블링이 균일하지 못하며, 용기의 캐리어 가스 공급관(유입단)과 소스 가스 공급관(유출단)의 압력 변동이 심하면 용기 내부에서 버블링된 소스 가스의 흐름이 불균일하게 된다. 이는 곧 반도체 제조를 위한 기판 상에 형성되는 박막이 불균일하게 되는 문제점으로 직결된다.
또한, 버블러의 액체 소스의 소모에 따른 버블링 양의 변화와 공정챔버의 압력 변화등의 이유로 일정량의 캐리어 가스 공급을 제어하기 어려웠다. 즉, 공정챔버로 공급되는 소스양의 변화로 품질의 저하를 초래할 수 있다.
본 고안의 목적은 안정적이고 지속적인 소스 가스 공급이 가능한 기판 처리 설비를 제공하는데 있다.
본 고안의 목적은 고농도의 소스 가스 공급이 가능한 기판 처리 설비를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기판 처리 설치는 공정챔버; 상기 공정챔버로 소스 가스를 공급하기 위한 가스 공급부를 포함하되; 상기 가스 공급부는 액체 소스를 수용하기 위한 밀폐된 용기; 상기 용기에 수용된 상기 액체 소스로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급관; 상기 캐리어 가스에 의해 기화된 소스 가스를 상기 공정챔버로 공급하기 위한 소스 가스 공급관; 및 상기 캐리어 가스 공급관과 상기 소스 가스 공급관의 압력변화에 따라 상기 캐리어 가스 공급관으로 공급되는 캐리어 가스의 공급량을 제어하는 가스조절 수단을 포함한다.
본 고안의 실시예에 따르면, 상기 가스조절수단은 상기 캐리어 가스 공급관과 상기 소스 가스 공급관의 압력차를 검출하는 차압계; 및 상기 차압계로부터 제공받은 압력차를 비교하여 상기 캐리어 가스 공급관에 설치되는 유량조절밸브를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 고안의 실시예에 따르면, 상기 캐리어 가스 공급관은 상기 용기에 수용된 상기 액체 소스에 담겨진 상태에서 상기 캐리어 가스가 분사되는 복수의 분사공들이 형성된 노즐을 갖는다.
본 고안의 실시예에 따르면, 본 고안의 실시예에 따르면, 상기 노즐은 상기 캐리어 가스 공급관에 일체로 형성되거나 또는 상기 캐리어 가스 공급관에 착탈 가능하게 설치될 수 있다.
예컨대, 본 고안의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 고안의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 고안을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등 은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
본 고안의 실시예를 첨부된 도면 도 2 내지 도 5에 의거하여 상세히 설명한다. 또, 상기 도면들에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.
본 고안의 기본적인 의도는 소스가스가 안정적이면서 균일하게 그리고 높은 농도로 생성되는 소스 가스 공급부를 갖는데 있다.
도 2는 본 고안의 실시예에 따른 화학 기상 증착 설비의 개략적인 구성을 보여주는 구성도이다. 도 3은 도 2에 도시된 가스 공급부의 버블러를 보여주는 단면도이다. 도 4a는 노즐이 설치된 캐리어 가스 공급관을 보여주는 부분 단면도이다.
도 2 내지 도 4a에 도시된 바와 같이, 본 고안의 확산로 설비(100)는 공정챔버(102)와 가스 공급부(190)를 포함한다.
공정챔버(102)는 공정 튜브(110), 플랜지(120), 웨이퍼 보우트(130), 캡 플랜지(140), 그리고 히터(160)를 포함한다. 공정 튜브(110)는 외측 튜브(112)와, 외측 튜브(112)의 내측에 소정간격 이격되어 수용되는 내측 튜브(114)를 포함한다. 내측 튜브(114)는 석영으로 된 원통관 형상으로, 내측 튜브(114)는 웨이퍼(w)가 적재된 웨이퍼 보우트(130)가 로딩되어 웨이퍼들 상에 화학기상증착이 진행되는 내부 공간을 제공한다. 내측 튜브(114)는 플랜지(120)의 내측벽(122a)에 형성된 제1받침단(128a)에 지지된다. 외측 튜브(112)는 내측 튜브(114)의 외측에 설치되어 그 내부를 밀폐시키도록 밀폐된 원통관으로 형성되며, 플랜지(120)의 상단의 제2받침단(128b)에 지지된다.
히터(160)는 공정 튜브(110) 외부에서 공정 튜브(110)에 소정의 열을 제공하여, 확산 공정에 요구되는 공정 튜브(110) 내부 온도를 유지시킨다. 이를 위해 히터(160)는 확산로 설비(100) 외부에는 제어부(미도시됨)가 구비되며, 제어부는 공정 튜브(110)의 온도를 감지한 후 공정 튜브(110)의 온도가 공정상 요구되는 온도 밑으로 내려가면 히터(160)가 공정 튜브(110)를 가열하도록 제어한다. 플랜지(120)는 공정 튜브(110)의 하측에 설치되어 공정 튜브(110)를 지지함과 동시에 확산로 설비(100)에 이용되는 소스 가스가 공정 튜브(110)와 플랜지(120) 사이에서 새어나가지 않도록 밀폐하는 기능을 한다. 플랜지(120)는 일측에 내측 튜브(114) 내부로 소스 가스를 주입하기 위한 가스 노즐(129)과, 공정 튜브(110) 내부를 감압시키기 위해 내부 공기를 강제 흡입하여 배기하기 위한 배기구(124)가 마련된다.
본 실시예에서는 가스 노즐(129)이 짧은 것으로 도시되고 설명되었으나, 이는 하나의 예에 불과하면 가스 노즐은 공정 튜브 내부에 수직한 방향으로 외측튜브 상단부근까지 확장된 롱 노즐이 사용될 수 있다. 이러한 롱 노즐을 사용할 때에는 내측 튜브를 없애고 외측튜브만 있는 상태에서 적용될 수 있다.
가스 공급부(190)는 액체 소스 내에서 캐리어 가스를 버블링시켜 소스 가스를 만드는 버블러(192)와, 캐리어 가스 공급관(194)과 소스 가스 공급관(198)의 압력변화에 따라 캐리어 가스 공급관(194)으로 공급되는 캐리어 가스의 공급량을 제어하는 가스조절 수단(196)을 포함한다.
여기서, 소스가스는 캐리어 가스 공급관(194)을 통해 버블러(192)로 공급되어 액체 소스(191) 내에서 버블링된 캐리어 가스와 액체 소스로부터 기화된 기체 소스가 혼합된 것을 뜻한다.
버블러(192)는 밀폐된 용기로써, 그 내부에는 기판상에 막을 형성하기 위한 액체 소스(191)가 수용된다. 버블러(192)의 커버(192a)에는 캐리어 가스 및 퍼지 가스로 사용되는 불활성 가스(본 발명에서는 질소가스가 사용됨)를 공급하기 위한 캐리어 가스 공급관(194)과 버블러(192) 내부에서 만들어진 소스 가스가 빠져나가는 소스가스 공급관(198)이 설치된다. 캐리어 가스 공급관(194)은 단부가 용기에 수용된 액체 소스에 잠겨 지도록 용기의 커버(192a)를 관통하여 설치된다. 캐리어 가스 공급관(194)의 단부에는 노즐(195)이 설치된다. 노즐(195)은 캐리어 가스 공급관(194)의 단부에 착탈 가능하게 나사 결합되며, 측면과 저면에 복수의 분사공(195a)들이 형성되어 있다. 캐리어 가스 공급관(194)으로 공급되는 캐리어 가스는 노즐(195)에 형성된 복수의 분사공(195)들을 통해 버블링되므로 형성되는 기포의 크기가 작고 균일하며, 캐리어 가스가 액체 소스 내에서 체류하는 시간도 길어지게 된다.
한편, 가스조절 수단(196)은 캐리어 가스 공급관(194)과 소스 가스 공급관(198)의 압력을 측정하는 이들의 압력차를 검출하는 차압계(196a)와, 차압계(196a)로부터 제공받은 캐리어 가스 공급관(194)과 소스 가스 공급관(198)의 압력차이에 따라 캐리어 가스 공급관(194)에 설치되는 유량조절밸브(199)를 제어하여 버블러(192)로 제공되는 캐리어 가스의 공급량을 제어하는 제어부(196b)를 포함한다.
이러한 가스조절 수단(196)은 버블러(192) 내부에 채워진 액체소스의 양이 줄면서 액체 상태의 공간이 기체 상태의 공간보다 점점 줄어들게 되고, 이 상황에서 공정챔버(102) 내부의 압력 변화 및 온도 변화 등이 발생하게 된다면 기체는 압축 성질이 있어, 캐리어 가스의 공급량은 일정하더라도 공정챔버(102)의 여러 조건등에 의해 공정챔버(102)로 제공되는 소스가스의 양이 변화될 수 있다. 따라서, 본 고안에서는 캐리어 가스 공급관(194)과 소스 가스 공급관(198)의 압력차를 알 수 있도록 차압계(196a)를 설치하고, 그 압력차를 검출하여 제어부(196b)로 제공하면, 제어부(196b)에서는 수신된 데이터를 토대로 소스 가스 공급관(198)의 내부 압력이 항상 일정하게 유지되도록 캐리어 가스 공급관(194)에 설치되는 유량조절밸브(199)에 신호를 보내 공급 유량을 제어하게 된다.
예컨대, 공정챔버(102) 내부의 조건 변화로 압력이 상승하게 되면 제어부(196b)는 압력 상승분 만큼의 압력차를 보상하기 위해 캐리어 가스의 공급유량을 늘려서 공정챔버(102)로 공급되는 소스가스의 유량을 조절하며, 반대의 경우에는 캐리어 가스의 공급유량을 줄여서 항상 일정한 유량의 소스가스를 공정챔버로 공급할 수 있다.
한편, 캐리어 가스 공급관(194)은 노즐(195)의 분사공(195a)들을 통하여 캐리어 가스의 기포 크기를 작게 하여 액체 소스(191)내로 분사함으로써, 액체 소스가 작은 기포들과 충돌하여 부력을 갖게 되면서(부상하게 되면서) 많은 기화가 발생되는 것이다.
예컨대, 액체 소스의 기화는 주입되는 캐리어 가스의 공급량과 가스 기포의 표면적에 비례할 수 있다. 같은 양의 캐리어 가스를 주입한 경우, 노즐(195)의 분 사공(195a)들을 통하여 기포를 작게 하면 그 효과가 증대되는 것으로, 기포의 직경을 반(1/2)으로 하면 기포의 표면적은 4배가 됨으로써, 그 만큼 액체 소스와의 접촉면적이 증가되면서 액체 소스의 기화량이 증가(농도 증가)할 뿐만 아니라 소요되는 캐리어 가스의 공급량도 획기적으로 줄일 수 있는 것이다.
한편, 캐리어 가스 공급관(194)에는 용기로 공급되는 캐리어 가스의 유량을 조절하기 위한 유량 조절밸브(199)(일명 MFC)가 설치될 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 버블러(192)는 하부에 용기에 수용된 액체 소스를 가열하기 위한 히터가 구비될 수 있다.
도 4b에는 캐리어 가스 공급관(194) 자체에 복수의 분사공(195a)들이 형성된 것을 보여준다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 가스 공급관(194a)은 단부가 막기 위한 뚜껑(197)을 갖으며, 이 뚜껑(197)에도 분사공(195a)들이 형성된다.
도 5에는 수평한 노즐(195)이 설치된 버블러를 보여주는 도면으로, 수평한 노즐은 캐리어 가스 공급관(194)에 연결되되, 용기의 바닥면과 수평하게 위치시킴으로써 수직한 구조의 노즐보다 많은 분사공(195a)들을 제공할 수 있어 버블링 효과를 보다 향상시킬 수 있는 것이다.
이상으로 본 고안에 따른 화학 기상 증착 설비를 설명하였지만, 상술한 실시예로 인해서 본 고안이 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 본 고안은 안정적이고 지속적인 소스 가스 공급이 가능한 각별한 효과를 갖는다. 본 고안은 고농도의 소스 가스 공급이 가능한 각별한 효과 를 갖는다.

Claims (5)

  1. 반도체 제조 설비에 있어서:
    공정챔버;
    상기 공정챔버로 소스 가스를 공급하기 위한 가스 공급부를 포함하되;
    상기 가스 공급부는
    액체 소스를 수용하기 위한 밀폐된 용기;
    상기 용기에 수용된 상기 액체 소스로 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급관;
    상기 캐리어 가스에 의해 기화된 소스 가스를 상기 공정챔버로 공급하기 위한 소스 가스 공급관; 및
    상기 캐리어 가스 공급관과 상기 소스 가스 공급관의 압력변화에 따라 상기 캐리어 가스 공급관으로 공급되는 캐리어 가스의 공급량을 제어하는 가스조절 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스조절수단은
    상기 캐리어 가스 공급관과 상기 소스 가스 공급관의 압력차를 검출하는 차압계; 및 상기 차압계로부터 제공받은 압력차를 비교하여 상기 캐리어 가스 공급관에 설치되는 유량조절밸브를 제어하는 제어부를 포함하여, 상기 소스 가스 공급관 을 통해 상기 공정챔버로 일정한 소스 가스가 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 설비.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캐리어 가스 공급관은 상기 용기에 수용된 상기 액체 소스에 담겨진 상태에서 상기 캐리어 가스가 분사되는 복수의 분사공들이 형성된 노즐을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 설비.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 캐리어 가스 공급관에 일체로 형성되거나 또는 착탈 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 설비.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 캐리어 가스 공급관에 착탈 가능하게 설치되며, 버블링의 효과를 증대시키기 위하여 상기 용기 바닥과 수평하게 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 제조 설비.
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