KR20070008333A - 기판처리장치와 이를 이용한 기판처리방법 - Google Patents

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오성태
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Abstract

본 발명은 기판처리장치와 이를 이용한 기판처리방법에 관한 것이다. 본발명에 따른 기판처리장치는 탄화수소를 포함하는 제1반응가스를 공급하는 제1가스 공급부와, 수소를 포함하는 제2반응가스를 공급하는 제2가스 공급부와, 상기 제1가스 공급부와 연결되어 상기 제1반응가스를 상기 반응공간에 공급하는 제1유로와, 상기 제2가스 공급부와 연결되어 상기 제2반응가스를 상기 반응공간에 공급하는 제2유로를 가지는 샤워해드를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 우수한 품질의 탄소박막을 제조할 수 있는 기판처리장치가 제공된다.

Description

기판처리장치와 이를 이용한 기판처리방법{APPARATUS FOR TREATING SUBSTRATE AND METHOD OF TREATING SUBSTRATE USING THE SAME}
도 1은 본발명의 일 실시예에 따른 기판처리장치의 단면도이고,
도 2는 본발명의 일 실시예에 따른 기판처리장치의 요부 단면도이고,
도 3은 본발명의 일 실시예에 따른 샤워해드의 측단면도이고,
도 4는 본발명의 일 실시예에 따른 기판처리장치에서 반응가스의 분포를 설명하기 위한 그림이다.
* 도면의 주요부분의 부호에 대한 설명 *
10 : 반응챔버 11 : 반응공간
20 : 샤워해드 30 : 하부전극
40 : 제1가스공급부 50 : 제2가스공급부
60 : 배출구 70 : 전원
80 : 기판
본 발명은 기판처리장치와 이를 이용한 기판처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄화수소가스와 수소가스를 이용하여 기판 상에 탄소막을 형성하는 기판처리장치와 이를 이용한 기판처리방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 또는 각종 표시장치의 기판은(이하 '기판'이라 함) 기판 상에 박막을 형성하고 부분적으로 그 박막을 식각하는 등의 기판처리공정을 반복 수행함으로써 제조할 수 있다. 이 중 박막을 형성하는 공정은 대부분 화학기상증착(CVD) 방법 또는 플라즈마-강화 화학기상증착(PECVD) 방법을 이용하여 수행되고 있다.
플라즈마-강화 화학기상증착에 사용되는 기판처리장치는 통상 반응공간을 형성하는 반응챔버, 공정가스를 공급하기 위한 샤워해드, 기판이 안착되는 하부전극, 샤워해드에 전원을 공급하기 위한 전원장치를 포함한다. 이 중 샤워해드에는 공급된 공정가스를 반응공간으로 공급하기 위한 유로와 배출공이 형성되어 있다.
한편 박막 중 탄소박막은 공정가스로서 프로필렌, 프로판, 부탄 등의 탄화수소 가스와 수소 가스 등을 사용하여 생성된다. 종래의 기판처리장에서는 탄소박막을 형성하기 위해 탄화수소 가스와 수소 가스를 동일한 유로를 이용하여 반응공간에 공급한다. 그런데 이 경우 유로에서 탄화수소 가스와 수소 가스가 반응하여 유로가 오염되고 이로 인해 탄소박막의 품질이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 유로의 오염이 방지되며 우수한 품질의 탄소박막을 형성할 수 있는 기판처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유로의 오염이 방지되며 우수한 품질의 탄소박막을 형성할 수 있는 기판처리방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적은 반응공간을 가지는 기판처리장치에 있어서, 탄화수소를 포함하는 제1반응가스를 공급하는 제1가스 공급부와; 수소를 포함하는 제2반응가스를 공급하는 제2가스 공급부와; 상기 제1가스 공급부와 연결되어 상기 제1반응가스를 상기 반응공간에 공급하는 제1유로와, 상기 제2가스 공급부와 연결되어 상기 제2반응가스를 상기 반응공간에 공급하는 제2유로를 가지는 샤워해드를 포함하는 것에 의하여 달성된다.
상기 샤워해드는 제1블록과, 상기 반응공간에 접하는 제2블록과, 적어도 일부가 상기 제2블록과 겹치며 상기 반응공간에 접하는 제3블록을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1블록에는 상기 제1반응가스와 상기 제2반응가스를 도입하기 위한 제1도입구 및 제2도입구가 형성되어 있으며, 상기 제2블록에는 상기 제1도입구에 연결되어 있는 제1가스 분사구와 상기 제2도입구에 연결되어 있는 제2가스 분사구가 형성되어 있으며, 상기 제3블록에는 복수의 관통공이 형성되어 있으며, 상기 제2블록의 제1가스 분사구와 상기 제2가스 분사구 중 어느 하나는 상기 관통공 내에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 다른 목적은 반응공간에 기판을 위치시키는 단계와, 탄화수소를 포함하는 제1반응가스와 수소를 포함하는 제2반응가스를 독립적으로 상기 반응공간에 도입하는 단계를 포함하는 기판처리방법에 의하여 달성된다.
상기 반응공간에는 플라즈마가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
기판 상에 탄소박막을 형성하기 위해 사용하는 탄화수소 가스로는 프로필렌, 프로핀, 프로판, 부탄, 부틸렌, 부타디엔, 아세틸렌 등이 있다. 탄화수소 가스는 헬륨, 아르곤, 질소와 같은 불활성 가스와 같이 공급될 수 있다. 이들 불활성 가스는 탄화수소 가스가 원하지 않는 분해를 일으켜 반응챔버를 오염시키는 것을 방지하며 탄소박막의 밀도와 증착속도에 영향을 준다.
또한 탄화수소 가스는 수소 가스와 같이 공급될 수 있는데 수소 가스는 형성되는 탄소박막의 수소비를 조절하기 위하여 사용된다. 수소는 탄소박막의 SP2, SP3 등의 혼성결합 타입 결정에 중요한 역할을 한다.
비정질 탄소막은 통상 SP2 혼성결합를 가지고 있으며 다이아몬드와 같은 박막은 SP3혼성결합을 가지고 있다. SP2혼성결합과 SP3혼성결합의 비에 의해 탄소박막의 경도, 전기전도도, 열전도도와 같은 중요한 특성이 결정된다. 탄화수소 가스도 수소를 포함하고 있으나, 수소 가스를 같이 사용하면 혼성결합 타입을 제어하기 용이하다.
그런데 탄화수소 가스와 수소 가스가 혼합되면 원하지 않는 반응이 발생하며 미세 파티클이 발생하며 이로 인해 탄소박막의 품질이 불균일해진다. 본 발명은 이를 해결하기 위해 탄화수소 가스와 수소 가스가 별도의 유로를 갖도록 하는 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본발명을 더욱 상세히 설명하겠다.
도 1은 본발명의 일 실시예에 따른 기판처리장치의 단면도이다.
기판처리장치(1)는 반응공간(11)을 형성하며 측벽에 배기구(60)가 마련되어 있는 반응챔버(10), 반응챔버(10) 상부에 위치하고 있으며 공정가스(43, 53)가 분사되는 샤워해드(20), 샤워해드(20)와 대향 배치되어 있으며 기판(80)이 안착되어 있는 하부전극(30), 샤워해드(20)에 제1공정가스(43)를 공급하는 제1가스공급부(40), 샤워해드(20)에 제2공정가스(53)를 공급하는 제2가스공급부(50), 샤워해드(20)에 전원을 공급하는 전원공급부(70)를 포함한다.
반응챔버(10)는 기판 처리가 이루어지는 반응공간(11)을 형성하며, 반응공간(11)을 진공과 일정온도로 유지시켜 주는 기능을 수행한다. 양 측면에는 대략 원형상의 배기구(60)가 형성되어 있다. 도시하지는 않았지만 배기구(60)는 반응챔버(10)를 진공으로 만들기 위한 진공펌프(turbomolecular pump)에 연결되어 있다. 반응챔버(10)는 도시하지는 않았지만 온도센서 및 압력센서를 더 포함할 수 있다.
샤워해드(20)는 반응챔버(10) 내부로 공정가스(43, 53)를 분사해 주는 장치로서 공정가스(43, 53)는 샤워해드(20)를 통해 기판(80) 표면으로 고르게 분사된다. 샤워해드(20)에는 복수의 가스 분사구(220)가 형성되어 있으며 공정가스(43, 53)는 가스 분사구(220)를 통해 분사된다. 샤워해드(20)는 고주파 전원을 공급하는 전원공급부(70)에 연결되어 있어 상부전극의 역할을 한다. 샤워해드(20)의 구체적인 구성에 대하여는 후술한다.
기판(80)이 안착되는 하부 전극(30)은 접지되어 있다. 하부전극(30)은 금속판이거나 금속이 내장되어 있는 유전체판일 수 있다. 샤워해드(20)와 하부 전극(30) 사이의 반응공간(11)에는 기판 처리 시 용량결합으로 플라즈마가 발생한다.
제1가스공급부(40)는 탄화수소를 포함하는 제1공정가스(43)를 샤워해드(20)에 공급한다. 제1공정가스(43)는 프로필렌, 프로핀, 프로판, 부탄, 부틸렌, 부타디엔, 아세틸렌 등 중 어느 하나 이상일 수 있다. 제1공정가스(43)는 헬륨, 아르곤, 질소와 같은 불활성 가스를 더 포함할 수 있다. 제1가스공급부(40)는 제1가스탱크(41)와, 제1가스탱크(41)와 반응챔버(10)를 연결하는 제1공급관(42)을 포함한다. 제1공급관(42)은 반응챔버(10)의 상부에 연결되어 있다. 도시하지 않았지만 제1가스공급부(40)는 유량조절장치 그리고/또는 개폐 밸브를 더 포함할 수 있다.
제2가스공급부(50)는 수소를 포함하는 제2공정가스(53)를 샤워해드(20)에 공급한다. 제2공정가스(53)는 수소 외에 헬륨, 아르곤, 질소와 같은 불활성 가스를 더 포함할 수 있다. 제2가스공급부(50)는 제2가스탱크(51)와, 제2가스탱크(51)와 반응챔버(10)를 연결하는 제2공급관(52)을 포함한다. 제2공급관(52)은 반응챔버(10)의 상부 가장자리에 연결되어 있다. 도시하지 않았지만 제2가스공급부(50)는 유량조절장치 그리고/또는 개폐 밸브를 더 포함할 수 있다.
하부 전극(30)에 안착되어 있는 처리 대상 기판(80)은 반도체 웨이퍼 또는 표시장치용 기판일 수 있다. 표시장치로는 액정표시장치, 플라즈마 디스플레이장치(PDP), 유기발광다이오드(OLED) 등이 가능하다.
이하 도 2와 도 3을 참조하여 샤워해드(20)의 구체적인 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.
샤워해드(20)는 3개의 블록(210, 220, 230)이 서로 부착되어 이루어져 있다. 각 블록(210, 220, 230)은, 이에 한정되지는 않으나, 접착부재 없이 서로 삽입되어 결합되며, 결합에 의해 발생하는 빈 공간이 미미하여 유로에 영향을 주지 않는다. 또한 외부에 노출된 부분은 유체막으로 덮여 있어 전기적 플래시오버(electric flashover)와 반응챔버(10) 표면으로의 전류 누설을 막는 것이 바람직하다.
제1블록(210)에는 제1공정가스(43)가 유입되는 제1도입구(211)와 제2도입구(212)가 형성되어 있다. 제1도입구(211)로는 샤워해드(20)와 반응챔버(10) 사이 공간으로 공급된 제1공정가스(43)가 도입된다. 제1도입구(211)는 반응공간(11) 전면에 걸쳐 분포되어 있다.
제2도입구(212)로는 제2가스공급부(50)의 공급배관(52)으로부터 제2반응가스(53)가 도입된다. 제2도입구(212)는 제1블록(210)의 일측에만 마련되어 있다.
제2블록(220)에는 제1가스 분사구(221)와 제2가스 분사구(222)가 마련되어 있다.
제1가스 분사구(221)의 상부는 제1블록(210)의 제1도입구(211)와 통하여 있으며 하부는 반응공간(11)으로 연결되어 있다. 제1가스공급부(40)로부터의 제1반응가스(43)는 제1블록(210)의 제1도입구(211)와 제2블록(220)의 제1가스분사구(221)를 거쳐 반응공간(11)으로 분사된다.
제2가스분사구(222)는 상부는 좁고 하부는 넓은 형태이다. 제1블록(210)과 제2블록(220) 사이에는 제1블록(210)의 제2도입구(212)와 연결되어 있는 소정의 유로공간(A)이 마련되어 있다. 유로 공간(A)은 제2블록(220) 전체에 걸쳐서 마련되어 있으며 제2가스분사구(222)의 상부는 유로 공간(A)과 연결되어 있다.
제3블록(230)에는 원형(실린더형)의 관통공(231)이 마련되어 있다. 제3블록(230)은 제2블록(220) 내에 수용되어 있는데, 제3블록(230)의 관통공(231)에 제2블록(220)의 제1가스분사구(221)가 위치하도록 수용되어 있다. 이러한 수용관계에 의해 제2블록(220)의 제2가스분사구(221) 내에는 제3블록(230)이 위치하게 되며 제2공정가스(53)는 제1가스분사구(221)를 둘러싸는 형태로 분사된다.
본발명에 따른 기판처리장치(1)를 이용한 탄소박막 형성 과정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(80)이 하부 전극(30)에 안착된 상태에서 샤워해드(20)에 고주파전원이 가해지면서 제1반응가스(43)와 제2반응가스(53)가 반응공간(11)에 도입된다. 제1반응가스(43)와 제2반응가스(53)는 서로 독립된 유로를 통해 반응공간(11)에 도입된다.
제1반응가스(43)와 제2반응가스(53)는 샤워해드(20)와 기판(80) 사이에서 비로서 만나 혼합된다. 반응공간(11)에는 샤워해드(20)에 공급된 고주파 전원에 의해 용량 결합 플라즈마(capacitively coupled plasma)가 형성된다. 반응가스(43, 53)의 가스 분자는 해리되어 이온과 라디칼이 되면서 기판(80) 상에 탄소박막을 형성하게 된다. 제1반응가스(43) 내의 탄화수소의 탄소결합은 파괴되어 탄소박막은 새로운 구조를 가지게 된다. 반응되지 못한 반응가스(43, 53)와 부산물은 배기구(60)를 통해 외부로 배출된다.
탄소박막 형성 시 반응 조건을 보면 통상 기판 온도는 100 내지 500℃, 반응공간의 압력은 1 내지 20 torr, 제1반응가스(43)의 유량은 50 내지 500sccm(8인치 웨이퍼를 사용할 경우), RF 전력은 3 내지 20W/in2, 기판(80)과 샤워해드(20) 간의 거리는 300 내지 600mm일 수 있다. 이러한 반응조건 사용 시 탄소박막 증착속도는 100-1000Å/분 정도이다.
이와 같이 본발명에 따른 샤워해드(20)에서는 제1공정가스(43)와 제2공정가스(53)가 혼합되지 않고 별도의 유로를 통해 반응공간(11)으로 공급된다. 따라서 제1공정가스(43)와 제2공정가스(53) 간의 반응으로 인한 오염문제가 감소한다. 또한 제1공정가스(43)와 제2공정가스(53)의 유로가 다르기 때문에 각 공정가스(43, 53) 별로 서로 다른 온도, 압력을 부여하는 것이 가능하다.
한편 본 발명은 2가지 서로 다른 공정가스를 사용하는 경우에 한정되지 않는다. 동일한 공정가스를 사용할 경우 본발명에 따른 기판처리장치(1)를 사용하면 온도, 압력 등이 서로 다른 공정가스를 반응공간에 도입할 수 있다. 일단 기판처리장치(1)가 세팅되면 증착 조건을 제어할 방법이 거의 없는데 독립된 유로를 형성하고, 각 유로별로 온도, 압력을 조정하게 되면 증착 조건 제어가 용이해진다.
또한 하나의 유로만을 사용할 경우에 비해 균일한 반응가스 분포를 얻을 수 있는데 이를 도 4를 참조하여 설명하다.
도 4는 본발명의 일 실시예에 따른 기판처리장치(1)에서 공정가스(55)의 분포를 설명하기 위한 그림이다. D1은 제1가스분사구(221)을 통해 분사된 공정가스(55a)의 위치에 따른 농도를 나타낸 것이며 D2는 제2가스 분사구(222)를 통해 분사된 공정가스(55b)의 위치에 따른 농도를 나타낸 것이며 D3는 D1과 D2를 합한 전체 공정 가스(55)의 위치에 따른 농도를 나타낸 것이다. D1과 D2 각각은 위치에 따라 불균일한 농도분포를 가지지만 이들을 합한 D3는 위치에 관계없이 균일한 농도분포를 가진다. 따라서 균일한 품질의 박막을 제조할 수 있다.
비록 본발명의 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 본발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 유로의 오염이 방지되며 우수한 품질의 탄소박막을 형성할 수 있는 기판처리장치가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면 유로의 오염이 방지되며 우수한 품질의 탄소박막을 형성할 수 있는 기판처리방법이 제공된다.

Claims (5)

  1. 반응공간을 가지는 기판처리장치에 있어서,
    탄화수소를 포함하는 제1반응가스를 공급하는 제1가스 공급부와;
    수소를 포함하는 제2반응가스를 공급하는 제2가스 공급부와;
    상기 제1가스 공급부와 연결되어 상기 제1반응가스를 상기 반응공간에 공급하는 제1유로와, 상기 제2가스 공급부와 연결되어 상기 제2반응가스를 상기 반응공간에 공급하는 제2유로를 가지는 샤워해드를 포함하는 기판처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샤워해드는 제1블록과, 상기 반응공간에 접하는 제2블록과, 적어도 일부가 상기 제2블록과 겹치며 상기 반응공간에 접하는 제3블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1블록에는 상기 제1반응가스와 상기 제2반응가스를 도입하기 위한 제1도입구 및 제2도입구가 형성되어 있으며,
    상기 제2블록에는 상기 제1도입구에 연결되어 있는 제1가스 분사구와 상기 제2도입구에 연결되어 있는 제2가스 분사구가 형성되어 있으며,
    상기 제3블록에는 복수의 관통공이 형성되어 있으며,
    상기 제2블록의 제1가스 분사구와 상기 제2가스분사구 중 어느 하나는 상기 관통공 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 기판처리장치.
  4. 기판처리 방법에 있어서,
    반응공간에 기판을 위치시키는 단계와;
    탄화수소를 포함하는 제1반응가스와 수소를 포함하는 제2반응가스를 독립적으로 상기 반응공간에 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판처리방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반응공간에는 플라즈마가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기판처리방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100810119B1 (ko) * 2006-09-06 2008-03-07 주식회사 큐로스 박막증착용 샤워헤드
WO2020141850A1 (ko) * 2018-12-31 2020-07-09 충남대학교산학협력단 탄화수소 박막, 탄화수소 박막의 제조방법 및 탄화수소 박막을 포함하는 반도체 소자

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