KR20050014139A - 수직형 저압 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

수직형 저압 화학 기상 증착 장치

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KR20050014139A KR1020030052620A KR20030052620A KR20050014139A KR 20050014139 A KR20050014139 A KR 20050014139A KR 1020030052620 A KR1020030052620 A KR 1020030052620A KR 20030052620 A KR20030052620 A KR 20030052620A KR 20050014139 A KR20050014139 A KR 20050014139A
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Abstract

웨이퍼 상에 균일하게 막을 증착하기 위한 수직형 저압 기상 증착 장치가 개시된다. 프로세스 챔버는, 일측에 내경이 100 ㎜ 이상인 배기구가 형성된 플랜지를 통하여 하부의 베이스에 연통된다. 플랜지의 타측에는 가스 공급관이 연결되고, 상기 배기구에는 진공 펌프가 연결되며, 프로세스 챔버 외부에는 히터가 설치된다. 다수의 웨이퍼가 적층된 보트가 베이스 내부로부터 프로세스 챔버 내부로 이동되면, 진공 펌프에 의하여 챔버 내부 압력이 진공으로 조성된다. 이후, 가스 공급관을 통하여 프로세스 챔버 내부로 반응 가스가 공급되고, 상기 반응 가스는 히터에 의해서 열분해 되며, 웨이퍼 상에는 균일한 증착된다. 이 경우, 플랜지의 내부는 고온으로 유지되고, 플랜지의 외부는 상온에 노출되어 플랜지에 내외부의 온도차가 발생된다. 따라서 증착 공정 시 배기구의 내부에는 챔버 내부에 잔존하는 반응 부산물 또는 미반응 물질이 고착된다. 플랜지 내경을 확장시킴으로써 상기 소정의 반응 부산물 또는 미반을 물질의 고착으로 인한 피해를 줄일 수 있으며, 웨이퍼 상에 균일한 막을 증착할 수 있다.

Description

수직형 저압 화학 기상 증착 장치{vertical and low voltage chemical vaper deposition apparatus}
본 발명은 반도체 기판 가공 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 웨이퍼 상에 박막을 증착하기 위한 수직형 저압 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
현재의 반도체 장치에 대한 연구는 보다 많은 데이터를 단시간 내에 처리하기 위하여 고집적 및 고성능을 추구하는 방향으로 진행되고 있다.
일반적으로 반도체 장치는 막 형성, 패턴 형성, 금속 배선 형성 등을 위한 일련의 단위 공정들을 순차적으로 수행함으로서 제조된다. 상기 단위 공정들의 수행에서는 상기 단위 공정들의 공정 조건에 적합한 제조 장치가 사용된다. 상기 공정들은 반도체 장치의 품질 및 수율 향상을 위하여 압력 및 온도 등 공정 분위기의 정밀한 제어가 필수적이다.
일반적으로, 반도체 장치를 제조하기 위한 반도체 기판의 가공 공정들은 다양한 공정 가스들을 사용하고, 반도체 기판이 공기와 반응하지 않도록 하기 위해 대기압에 비해 매우 낮은 진공 상태에서 수행된다. 상기 반응 공정들이 진행되는 반응 챔버 내부에 소정의 압력을 조성하기 위하여 반응 공정 챔버에 연결되는 다양한 방식의 진공 장치들이 사용된다.
진공 장치는 반응 챔버 내부의 압력을 조절하는 용도 외에도 상기 가공 공정들이 진행되는 도중에 반응 가스들에 의해 생성되는 반응 부산물 또는 미반응 가스등을 배출하고, 공정이 종료된 후 반응 가스 공급 라인 내부에 잔류하는 반응 가스를 배출하기 위한 용도로도 사용된다. 보다 상세하게 설명하면, 웨이퍼 상에 패턴층을 형성하는 증착 공정이나, 상기 증착 공정 이후에 상기 패턴층을 식각하는 식각 공정에는 다양한 종류의 반응 가스들이 사용된다. 상기 공정들이 시작될 때 반응 챔버로 반응 가스들이 공급되면, 상기 공정 챔버의 내부의 압력은 상승된다. 따라서 상승된 상기 압력을 공정 조건으로 유지하기 위해 공정이 진행되는 동안 계속해서 진공 펌프가 동작되어야 하고, 공정이 수행되는 동안 발생하는 미반응 가스 및 반응 부산물의 배출도 진공 펌프에 의해 이루어진다.
증착 장치는 크게 고압 화학 기상 증착 장치와 저압 화학 기상 증착 장치 두 가지로 분류된다.
고압 화학 기상 증착 장치는 반응 챔버 내부의 압력이 고진공으로 유지된다. 따라서 증착 효율이 매우 높다. 하지만, 반응 챔버 내부의 압력을 고진공으로 조성하기 위하여 저진공, 고진공 및 이온펌프 등이 모두 필요하다. 따라서 증착 장치의 규모가 거대하지고 복잡해진다.
저압 화학 기상 증착 장치는 반응 챔버 내부의 압력이 약 0.1 ~ 10 torr로 유지된다. 반응 챔버 내부의 압력이 저진공으로 유지되면, 질량 전달율이 우수하고, 대기압에 비하여 약 1000 배정도 증가된 확산 효율을 나타낼 수 있다. 따라서 저압 화학 기상 증착 장치는 웨이퍼 상에 비교적 균일한 박막을 증착할 수 있다. 또한, 다량의 웨이퍼를 한 반응로 내부에 배치하여 증착 공정을 수행하여도, 반도체 특성이 저하되지 않는 장점이 있다.
도 1은 종래에 개시된 수직형 저압 기상 증착 장치를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 플랜지의 배기구 부분을 확대한 사진이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래에 개시된 수직형 저압 기상 증착 장치는 내부에 소정의 수용 공간이 형성된 베이스(10); 상기 베이스(10) 상부에 설치되며 상기 베이스(10)와 연통되고, 일측에 가스 공급관(40)이 연결되고, 타측에는 가스 배기구(21)가 형성된 플랜지(20); 상기 플랜지(20)의 상부에 설치되어 상기 베이스(10)와 연통되고, 증착 공정을 수행하기 위한 이너(inner) 챔버(31); 상기 이너 챔버(31)를 수용하는 아웃터(outer) 챔버(33) 및 상기 아웃터 챔버(33) 둘레에 설치된 히터(35)를 포함한다.
상기 플랜지(20)의 배기구(21)는 진공 펌프에 연결되어, 이너 및 아웃터 챔버(31, 33) 내부의 압력을 진공으로 조성한다. 이너 챔버(31) 내부의 압력이 진공으로 조성되면, 다수의 웨이퍼(60)를 탑재한 보트(50)가 베이스(10)로부터 이너 챔버(31)로 상승된다. 이후, 반응 가스가 가스 공급관(40)을 통하여 이너 챔버(31) 내부로 제공된다. 반응 가스는 아웃터 챔버(33)의 히터(35)에 의하여 열 분해되고, 열 분해된 반응 가스가 웨이퍼(60) 상에서 증착 반응을 일으켜 웨이퍼(60) 상에 소정의 막이 형성된다.
반응 가스가 이너 챔버(31) 내부에 공급되면, 이너 챔버(31) 내부의 압력은 상승된다. 따라서 상승된 상기 압력을 공정 조건에 맞게 유지하기 위하여 공정이 진행되는 동안 진공 펌프는 계속 작동된다.
진공 펌프는 이너 및 아웃터 챔버(31, 33) 내부의 미반응 가스 및 반응 부산물을 플랜지(20)의 배기구(21)를 통하여 외부로 배출시켜 이너 및 아웃터 챔버(31, 33) 내부의 압력을 유지한다. 이 경우, 미반응 가스 및 반응 부산물의 일부가 배기구(21) 주변에서 고착된다. 보다 자세하게 설명하면, 증착 공정 시 플랜지(20)의 외부는 상온에 노출되고, 플랜지(20)의 내부는 고온으로 유지된다. 따라서 플랜지(20)에서 열 방출이 발생된다. 플랜지(20)를 통하여 외부로 배출되는 미 반응 가스 및 반응 부산물이 상기 열 방출에 의하여 즉, 온도 차이에 의하여 플랜지(20)의 배기구(21)에 고착된다.
도시된 도 2와 같이 미 반응 가스 및 반응 부산물이 배기구(21)에 고착되면, 배기구(21)가 막히게 된다. 배기구(21)가 막히면, 미 반응 가스 및 반응 부산물이 이너 챔버(31) 내부에서 부유되고, 웨이퍼(60) 상에 불량 막질이 형성된다. 뿐만 아니라, 이너 챔버(31) 내부의 압력은 불안정해지고, 증착 효율은 저하된다. 따라서 증착 장치의 오버롤(overall) 정비가 반드시 필요하며, 정비 주기도 짧아진다.
증착 장치와 같은 반도체 기판 가공 장치는 매우 민감하다. 동일 장치에 같은 조건을 부여하여 반도체 기판을 가공 하여도 그 결과는 동일하지 않다. 따라서 오버롤(overall) 정비 후에는 반드시 반도체 기판 가공 장치를 재 세팅(setting)하여야 한다.
반도체 기판 가공 장치가 매우 민감하기 때문에 재 세팅 시 많은 시간이 소요된다. 따라서 오버롤 정비 주기가 짧아지면 반도체 기판 가공 수율이 저하된다.
본 발명의 목적은, 챔버 내부에 반응 가스를 공급하기 위한 적어도 두개의 가스 공급관을 플랜지의 일측에 수평으로 배치하여 플랜지 타측에 형성된 배기구의 내경을 확장 시킬 수 있으며, 확장된 배기구에 의하여 챔버 내부의 가스 유출입을개선할 수 있으며, 웨이퍼 상에도 균일한 박막을 형성할 수 있는 수직형 저압 화학 기상 증착 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 종래에 개시된 수직형 저압 기상 증착 장치를 설명하기 위한 단면도이다
도 2는 도 1에 도시한 플랜지의 배기구 부분을 확대한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 화학 기상증착 장치를 설명하기 위한 단면도이다
도 4는 도 3에 도시한 플랜지를 설명하기 위한 확대 사시도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 웨이퍼 110 : 베이스
120 : 플랜지 121 : 배기구
122 : 고정구 123 : 호스
125 : 흡기구 127 : 단차부
130 : 프로세스 챔버 131 : 이너 챔버
133 : 아웃터 챔버 135 : 히터
140 : 가스 공급관 150 : 보트
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직형 저압 기상 증착 장치는, 소정의 용적을 가지는 베이스; 상기 베이스 상부에 설치되고, 일측에 단부의 내경이 약 100 ㎜ 이상인 배기구가 형성된 플랜지; 상기 플랜지 내주면에 형성된 단차부에 고정된 이너(inner) 챔버; 돔(dome) 형상으로 제조되어 내부에 상기 이너 챔버가 수용되고, 상기 플랜지의 외부에 고정된 아웃터(outer) 챔버; 상기 플랜지 타측에 연결된 가스 공급부; 상기 아웃터 챔버의 외부에 설치된 히터; 및 다수의 웨이퍼가 적층되고, 상기 베이스와 상기 챔버 내부에서 승강되는 보트를 포함한다. 이 경우, 이너 챔버는 상하부가 개방된 실린더 형상이고, 플랜지는 상하부가 개방된 원기둥 형상이며, 배기구에는 진공 펌프가 연결된다.
본 발명에 따르면 플랜지의 배기구 내경을 약 100 ㎜ 이상으로 확장시켜 챔버 내부의 가스 유출입을 개선할 수 있으며, 나아가 웨이퍼 상에 균일한 박막을 형성할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 수직형 화학 기상증착 장치에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 화학 기상증착 장치를 설명하기 위한 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시한 플랜지를 설명하기 위한 확대 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 화학 기상 증착 장치는 내부에 소정의 용적을 갖으며 상부에 홀이 형성된 베이스(110); 베이스(100) 상부에 설치되어 베이스(100)와 연통되고, 단부의 내경이 약 100 ㎜ 인 배기구(121)가 일측에 형성된 플랜지(flange)(120); 상하부가 개방된 실린더 형상이고, 플랜지(120) 내부에 형성된 단차부(127)에 고정된 이너 챔버(131); 돔(dome) 형상으로 제조되어 내부에 이너 챔버(131)가 수용되고, 플랜지(120) 상단에 고정된 아웃터(outer) 챔버(133); 플랜지(121)의 타측에 연결된 가스 공급관(140); 아웃터 챔버(133) 둘레를 따라 설치된 히터(135); 및 다수의 웨이퍼(100)가 적층되고, 베이스(110)와 이너 챔버(131) 내부에서 승강되는 보트(150)를 포함한다.
플랜지(120)는 상하부가 개방된 원기둥 형상이고, 상기 플랜지(120)의 내주면에는 단차부(127)가 형성되며, 플랜지(120)의 단차부(127)에는 이너 챔버(131)가 고정되어 지지된다.
플랜지(120)의 주변부에는 고정구(120)가 형성된다. 플랜지(120)의 고정구(120)에는 아웃터 챔버(133)가 고정되어 지지된다. 아웃터 챔버(133) 내부에는 이너 챔버(121)가 수용된다.
플랜지(120)의 일측에는 진공 펌프(P)가 연결되는 배기구(121)가 형성되고, 플랜지의 타측에는 흡기구(125)가 형성된다. 배기구(121)는 플랜지(120)의 일측으로부터 소정의 길이로 형성되고, 배기구(121) 단부의 내경은 약 100 ㎜이다.
종래의 수직형 저압 화학 기상 증착 장치의 플랜지(120)에 형성된배기구(121)의 단부 내경은 약 80 ㎜ 이다. 상기 배기구(121)를 확장시키면 프로세스 챔버 챔버(130) 내부의 가스가 원활히 유출입된다. 하지만, 배기구(121)의 단부 내경을 확장시키는 것은 한계가 있다. 이는 플랜지(120)의 형상학적 문제 때문이다. 보다 자세하게 설명하면, 플랜지(120)는 플랜지(120)의 내주면에 형성된 단차부(127)에 의하여 크게 구분된다. 플랜지(120)의 상부와 단차부(127) 사이에는 배기구(121)가 형성되며, 플랜지(120)의 하부와 단차부(127) 사이에는 수직으로 배치된 두개의 흡기구(125)가 형성된다. 두개의 흡기구(125)가 수직으로 배치될 경우, 플랜지(120)의 하부와 단차부(127) 사이를 크게 제조하여야 한다.
플랜지(120)를 너무 크게 제조할 수 없기 때문에, 플랜지(120)의 상부와 단차부(127) 사이에 형성된 배기구(121)의 내경을 약 80 ㎜이상으로 형성하기 난이하다.
만약, 가스를 원활히 배출하기 위하여 배기구(121)의 내경을 약 100 ㎜이상으로 제조할 경우, 플랜지(120) 전체의 크기를 증가가 불가피 하다. 이에 따라, 플랜지(120)를 통하여 베이스(110)에 연결되는 프로세스 챔버(130)도 소정 변화시켜야한다.
플랜지(120) 전체 크기를 증가 시키는 것은 바람직하지 않다. 이는, 증착 장치와 같은 반도체 기판 가공 장치는 매우 민감한 장치이기 때문이다. 또한, 플랜지(120)의 크기를 증가시켜 전체 증착 장치를 재설계 하는 것은 비효율적이다.
하지만 본 발명에 따른 수직형 저압 화학 기상 증착 장치는 플랜지(120)의 하부와 플랜지의 단차부(127) 사이에 두개의 흡기구(125)를 평행하게 형성함으로써, 플랜지(120)의 상부와 플랜지의 단차부(127) 사이의 공간을 증대 시켰다. 보다 자세하게 설명하면, 플랜지(120) 내주면에 형성된 단차부(127)를 플랜지(127)의 하부에 인접하게 형성한 것이다.
따라서 플랜지(120) 상부와 단차부(127) 사이에 내경이 약 100 ㎜ 인 배기구(121)를 형성할 수 있다. 또한, 배기구(121)의 내경을 100 ㎜ 이상으로도 제조할 수 있다. 이는, 플랜지(120)의 하부와 단차부(127) 사이에 형성된 흡기구(125)의 위치를 조절하면 가능하다.
배기구(121)에는 프로세스 챔버(130) 내부의 압력을 진공 상태로 조성하기 위한 진공펌프(P)가 연결된다. 배기구(121)와 진공펌프(P)는 벨로우즈(bellows) 호스(123)를 통하여 연결된다. 따라서 배기구(121)의 단부 내경을 확장 시, 벨로우즈 호스(123)의 내경도 확장된다. 즉, 배기구(121)의 단부 내경이 약 100 ㎜로 확장되면 벨로우즈 호스(123)의 내경도 약 100 ㎜로 확장된다.
플랜지(120)의 타측에는 흡기구(125)가 형성된다. 흡기구(125)도 플랜지(120)로부터 소정의 길이로 형성된다. 플랜지(120)에는 다수의 흡기구(125)가 형성될 수 있다. 단, 다수의 흡기구(125)는 플랜지(120)의 하부와 단차부(127) 사이에 평행하게 형성된다.
흡기구(125)에는 이너 챔버(131) 내부로 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급관(140)이 연결된다.
아웃터 챔버(133)의 외부에는 히터(135)가 설치된다. 히터(135)는 아웃터 및 이너 챔버(131, 135) 내부의 반응 가스를 열분해 시켜 웨이퍼(100) 상에 막을 형성시킨다. 이 경우, 반응 가스로는 일반적으로 실란(SiH4)을 포함하는 화합물과 암모니아(NH3)를 포함하는 화합물이 많이 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직형 화학 기상증착 장치를 이용하여 웨이퍼(100) 상에 막이 형성되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
플랜지(120)의 배기구(121)에 연결된 진공 펌프(P)가 작동되어 이너 및 아웃터 챔버(131, 133) 내부의 압력을 진공으로 조성한다. 이 경우, 베이스(110) 내부에는 다수의 웨이퍼(100)가 적층된 보트(150)가 배치된다. 바람직하게는, 프로세스 챔버(130) 내부의 압력이 약 10 torr 이하의 저압 상태로 유지된다.
이너 및 아웃터 챔버(131, 133) 내부의 압력이 진공으로 유지되면, 베이스(110)상부의 게이트(gate)가 개방되어 다수의 웨이퍼(100)가 적층된 보트(150)가 로딩 된다. 보트(150)가 이너 챔버(131) 내부에 배치되면, 상기 게이트는 폐쇄된다.
이후, 플랜지(120)의 흡기구(125)에 연결된 가스 공급관(140)으로부터 반응가스가 이너 챔버(131) 내부로 공급된다. 소정의 반응가스가 이너 챔버(131) 내부로 공급되면 아웃터 챔버(133)의 외부에 형성된 히터(135)가 작동된다. 이 경우, 이너 챔버(131) 내부로 반응가스가 공급되면 이너 및 아웃터 챔버 내부(131, 133)의 압력은 저하된다. 따라서 진공 펌프(P)는 계속 작동된다.
히터(135)가 작동되면 이너 챔버(131) 내부의 반응 가스는 열분해 된다. 반응가스가 열분해 되면서 웨이퍼(100) 상에 소정의 막이 형성된다.
웨이퍼(100) 상에 소정의 막이 형성되면, 게이트가 재개방되고, 보트(150)는 베이스(110) 내부로 이동된다. 이후, 게이트는 재 폐쇄된다.
상기 설명한 바와 같이, 히터(135)가 작동되어 웨이퍼(100) 상에 막이 증착 시, 플랜지(120)의 내부에는 파우더(powder)와 같은 부산물이 고착된다. 이는 플랜지(120)의 내외부의 온도차이로 유발된다. 플랜지(120)에 형성된 배기구(121)에도 부산물이 증착되지만 그 두께는 얇다.
본 발명에 따른 수직형 저압 화학 기상 증착 장치의 배기구(121)의 내경은 종래의 수직형 저압 화상 기상 증착 장치의 내경에 비하여 최소 20% 이상 확장되었다. 따라서 배기구(121) 내부에 고착된 부산물의 두께도 훨씬 적다. 또한 고착된 부산물이 낙하되어 웨이퍼(100)를 손상시킬 확률도 감소된다.
본 발명에 따른 수직형 저압 화학 기상 증착 장치는 단순히 배기구(121)의 내경만 확장시킨 것은 아니다. 플랜지(120) 하부와 단차부(127) 사이에 형성된 다수의 흡기구(125)를 평행하게 배치하여, 플랜지(120) 상부와 단차부(127) 사이의 배기구(121)를 확장시킨 것이다. 즉, 종래의 플랜지(120)의 변형을 최소화시키면서도 배기구(121)를 최대한 확장시킨 것이다. 따라서 오버올(overall) 정비 주기를 늘릴 수 있을 뿐만 아니라, 증착 공정 중에 부산물로 인한 막질 저하를 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 플랜지의 변형을 최소화시키면서도 배기구 내경을 확장하여 챔버 내부의 가스 유출입을 개선하고, 웨이퍼 상에 균일한 박막을 형성할수 있다. 또한, 정비 주기를 늘릴 수 있음으로써, 생산 수율도 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 소정의 용적을 갖는 베이스;
    상기 베이스 상부에 설치되어 상기 베이스와 연통되고, 단부의 내경이 100 ㎜ 이상의 배기구가 일측에 형성된 플랜지(flange);
    상기 플랜지를 통하여 상기 베이스와 연통되며, 반도체 기판에 대한 소정의 공정을 수행하기 위한 프로세스(process) 챔버;
    상기 챔버 내부에 반응 가스를 공급하기 위하여 상기 플랜지의 타측에 연결된 가스 공급부;
    상기 챔버의 외부에 설치되어 상기 챔버 내부를 가열하기 위한 히터; 및
    다수의 반도체 기판이 적층되고, 상기 베이스와 상기 챔버 내부에서 승강되는 보트(boat)를 구비하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세스 챔버는 상하부가 개방된 실리더 형상으로 제조되어 상기 플랜지의 내부에 고정된 이너(inner) 챔버; 및 돔(dome) 형상으로 제조되어 내부에 상기 이너 챔버가 수용되며, 상기 플랜지의 외부에 고정된 아웃터(outer) 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 플랜지는 상하부가 개방된 원기둥 형상이고, 상기 플랜지의 내주면에는 단차가 형성되며, 상기 플랜지의 하부와 상기 단차 사이에는상기 가스 공급부가 연결되기 위한 적어도 두개의 흡기구가 수평으로 형성된 것을 특징으로 하는 증착 장치.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101378801B1 (ko) * 2012-06-15 2014-03-27 주식회사 티지오테크 복수개의 기판이 안착되는 기판 서포트의 중앙을 관통하는 공정 가스 공급부를 갖는 배치식 에피택셜층 형성장치
KR101525504B1 (ko) * 2012-06-15 2015-06-02 주식회사 티지오테크 기판 지지부의 중앙을 관통하는 가스 공급부를 갖는 배치식 에피택셜층 형성장치
WO2016171452A1 (ko) * 2015-04-21 2016-10-27 주식회사 유진테크 기판처리장치 및 챔버 세정방법

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