KR20070036844A

KR20070036844A - 반도체 및 액정표시 장치 제조용 플라즈마 화학 증착 챔버

Info

Publication number: KR20070036844A
Application number: KR1020050091781A
Authority: KR
Inventors: 배준호
Original assignee: 코스텍시스템(주)
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-04

Abstract

본 발명은 주로 반도체나 액정표시 장치 등을 제조하기 위하여 사용하는 플라즈마 화학 증착장치의 반응 챔버(Chamber)에 관한 것으로, 반응가스를 분산하여 반응 챔버에 공급하는 샤워헤드(Shower Head)와 샤워헤드 위에 위치하며 이와 결합되는 고주파(RF)전극 판에 있어서 샤워헤드와 전극 판 간의 온도 구배(gradient)에 따른 열 팽창율의 차이를 최소화하기 위하여 고안된 기술이다.

본 발명에 의한 새로운 플라즈마 화학 반응 챔버는 전극 판을 챔버의 내부에 장착하는 것과 동시에 단열 및 절연체로 전극판의 주위를 감싸는 것을 특징으로 하며, 전극판이 챔버의 외부와 열적으로 차단될 수 있도록 설계된 구조를 갖는다. 고주파 전극판이 챔버의 외부와 열적으로 차단됨으로써 그에 따른 효과로 샤워헤드와 전극판 간의 온도 구배가 사라지고, 샤워헤드와 전극판 간의 열적 변형의 불균일이 해소되는 특성을 가지게 된다.

따라서 본 발명은 종래의 플라즈마 화학 반응 챔버에서 발생하였던 전극과 샤워헤드 간의 열팽창율의 차이로 야기되는 샤워헤드의 중앙부가 늘어짐 현상과 그에 따른 증착박막의 제반 물리적 특성(예;두께, 조성, 조밀도 등)의 불균일성(non-uniformity) 문제를 해결하는 기술이다.

플라즈마 화학 증착챔버,샤워헤드,전극판,온도구배,CCP형 플라즈마 증착챔버

Description

반도체 및 액정표시 장치 제조용 플라즈마 화학 증착 챔버{Plasma enhanced chemical vapor deposition chamber for the fabrication of semiconductor and liquid crystal display panel}

도 1은 종래의 일반적인 플라즈마 화학 증착 장비의 반응 챔버의 단면 구조

도 2는 종래의 플라즈마 화학 증착 챔버에 있어서 공정 진행 중 샤워헤드의 변형 모습

도 3은 본 발명의 플라즈마 화학 증착 챔버의 단면 구조

도 4 는 본 발명의 플라즈마 화학 증착 챔버에 있어서 공정 진행 중 샤워헤드의 모습

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100, 300 : 플라즈마 증착 챔버(chamber) 101, 301 : 챔버 바디(chamber Body)

102, 302 : 챔버 리드(chamber Lid) 103, 303 : 서셉터 모쥴(suscepter modules)

104, 304 : 기판(substrate) 105, 305 : 샤워헤드(shower Head)

106, 306 : 고주파(RF) 전극판 107, 307 : 진공 오링(O-ring)

108, 308 : 단열 및 절연체(insulator) 109, 309 : 결합 볼트(coupling bolt)

110, 310 : 가스 분산 공간(cavity) 111, 311 : 가스 주입구(gas inlet)

112, 312 : 고주파 발생기(RF source) 213 : 샤워헤드 에쥐(edge)와 기판사이 거리

214 : 샤워헤드 중앙(center)와 기판사이 거리

315 : 수냉식 냉각장치(cooling manifold)

316 : 비 가열시 샤워헤드와 단열체 와의 거리

417 : 공정 진행 중 가열시 샤워헤드와 단열체 와의 거리

본 발명은 반도체 및 액정표시 장치 제조용 커패시티브 커플드 플라즈마(capacitive coupled plasma)형 화학 증착 장치의 반응 챔버에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 증착공정 진행시 서셉터(susceptor)로부터 열을 받아 샤워헤드가 불 균일한 변형을 함으로써 야기되는 증착 박막의 두께, 조성, 그리고 밀도 등과 같은 제반 물리적 특성의 불 균일 문제를 해결하고자 고안된 기술이다. 즉, CCP형 프라즈마 화학 반응챔버에서 샤워헤드와 결합되는 고주파 전극의 온도 및 열 팽창율을 샤워헤드와 일치하게 하여 전극판과 샤워헤드간의 열팽창율의 불일치에 따른 샤워헤드의 변형(중앙부위의 늘어짐 현상)을 최소화하였고 샤워헤드의 중앙부위의 늘어 짐 현상에 따른 샤워헤드와 서셉터의 간격의 불균일로 인하여 야기되는 증착될 박막의 제반 물리적 특성의 불 균일성(non-uniformity)의 문제를 해결한 새로운 플라즈마 화학 반응장치에 관한 것이다.

근래 반도체 및 디스플레이 산업이 발달하면서 반도체의 고 집적화에 따른 실리콘 기판 사이즈 의 증가와 디스플레이 패널 사이즈의 대형화 추세가 급격하게 진행되고 있다. 따라서 이들을 가공하는 장비의 크기도 급격하게 커지고 보다 정밀함을 요구하게 되었다. 그런데 이들 제조 장비의 크기와 규모가 거대해 지면서 기판에 증착되는 박막의 균일성을 유지하기가 점점 어려워지고 있다. 특히, CCP형 플라즈마 화학 증착 장비에 있어서는 그 대표적인 원인이 앞서 언급한 고주파 전극판과 샤워헤드간의 열팽창율의 불일치에 따른 샤워헤드의 변형(중앙부위의 늘어짐 현상) 때문으로 알려졌다.

＜도1＞1, ＜도2＞는 종래의 CCP형 프라즈마 화학 증착 챔버의 구조와 공정 중 샤워헤드의 열 변형에 따른 서셉터와 샤워헤드 사이의 간격의 변화를 도식화 한 것이다.

종래기술의 CCP형 프라즈마 증착 챔버(100)의 구조는 크게 챔버바디(101, Chamber Body)와 챔버리드(102, Chamber Lid)으로 구성되는데 챔버리드에는 샤워헤드(105)와 고주파 전극 판(106)을 포함하는 플라즈마 상부 전극 모쥴이 부착되고, 챔버바디(101)의 내부에는 챔버 바닥과 평행하게 하부 전극의 역할을 하는 히터(heater, 미도시)가 내장된 서셉터(103)가 위치하며 챔버리드(102)에 부착된 고주파 전극판(106)이 외부에 노출된 구조를 특징으로 한다. 한편 챔버바디(101)와 챔버리드 (102)가 접촉하는 부위에는 챔버 내부의 공기를 뽑아낸 후 진공 상태를 유지하기 위하여 오링(O-ring, 107)을 두어 실링(sealing) 한다. 또한 고주파 전극판(106) 및 샤워헤드(105)와 챔버리드(102) 간에는 절연 및 단열을 위한 절연체(108)와 진공을 유지하기 위한 오링(O-ring)이 위치하며 전극판(106)의 아래에는 샤워헤드가 전극판과 일정한 공간을 유지하며 부착되도록 샤워헤드의 주변부를 구부려 전극판과 볼트(109)로 체결하였다. 이때 전극판(106)과 샤워헤드(105) 사이에 이루어진 공간(110)은 외부로부터 유입된 반응 가스를 분산시키는 역할을 할 수 있도록 설계된다. 샤워헤드에는 다수의 미세한 구멍(hole, 미도시)이 반응가스가 기판(104)위에 골고루 균일하게 분사될 수 있도록 형성되어 있으며 전극판의 중앙부에는 반응가스를 공급하는 통로(111)가 있고 고주파 전원을 공급할 수 있는 고주파 발생기(112)가 연결된다. 그리고 챔버는 관을 통해 진공펌프(미도시)와 연결되어 있으며 챔버와 진공펌프 사이에는 이들을 차단할 수 있는 게이트밸브(미도시)와 압력을 조절할 수 있는 트로틀(Throttle)밸브(미도시)가 위치한다.

종래기술의 CCP형 플라즈마 증착 챔버의 동작은 다음과 같이 이루어진다. 챔버에 성막하고자 하는 반도체나 액정표시장치용 유리기판을 서셉터 위에 안치시키고 챔버에 연결된 진공펌프를 가동하여 챔버를 진공상태로 만든 후, 임의의 물질의 막(film)을 형성하는데 필요한 반응 가스를 가스 주입구(111)를 통해 전극판과 샤워헤드로 둘러 쌓인 공간(110)에 공급하여 샤워헤드에 의하여 반응가스가 기판위에 균일하게 분사되게 한다. 이때 트로틀 밸브를 조절하여 챔버 내부의 가스의 량과 압력을 유지하며 이어 고주파 전원을 전극판(106)에 인가함으로써 전극판과 부착된 샤워헤드와 마주 보고 있는 서셉터가 대향전극 역할을 하며 플라즈마가 발생되게 한다. 플라즈마 내에는 여러 종류의 전하를 띤 입자나 이온, 전자, 레디컬(Radical)이 존재하며 이들이 서셉터(103)에 의하여 가열된 기판위에서 서로 결합하여 막을 형성하게 된다. 이때 샤워헤드와 기판사이의 거리 즉, 전극 간 거리가 막을 균일하게 형성하는데 중요한 변수가 되며 중앙 부위와 주변부의 전극간 거리의 차이가 발생하면 형성된 막의 두께차이와 막의 물리적 특성차이가 발생하게 된다.

종래 기술의 플라즈마 증착 챔버는 고주파 전극판(106)이 챔버 외부에 노출되어 있기 때문에 챔버 외부로 열을 쉽게 방출하고 진공상태를 유지하기 위하여 사용되는 오링(107, O-ring)의 손상을 방지하기 위하여 전극판(106)의 온도를 200℃ 이하로 유지하여야 하는 구조적인 한계를 가지고 있다. 따라서 종래의 챔버 구조하에서는 전극판이 서셉터로부터 직접적으로 열을 받아 가열되는 샤워헤드와는 심한 열적 불균형을 피할 수 없게 된다. 일반적으로 액정표시장치 용 유리기판에 무정질 실리콘 막이나 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 형성하고자 할때 기판의 온도가 350℃ 이상으로 가열되며 그로인하여 샤워헤드의 온도가 300℃ 정도까지 상승한다. 반면에 샤워헤드와 접촉한 고주파 전극판은 200 ℃이하로 유지된다. 통상적으로 전극판과 샤워헤드는 알루미늄으로 만드는데 알루미늄은 열팽창계수가 다른 금속재료에 비하여 매우커서 전극판과 샤워헤드간의 온도차이가 100℃ 이상에서는 심한 열적 팽창의 불 균형이 발생될 수 있다. 참고로 알루미늄의 열팽창율은 24x 10-6 mm/ ℃이다. 이를 정량적으로 계산해 보면 액정표시장치 제조용 장비에 있어 서 4세대 유리기판인 730*920mm사이즈를 가공하려면 이를 수용하기 위하여 전극의 장 방향 길이가 10,000mm이상이 되어야 하며 이때 전극판(200℃로 가열됨)과 샤워헤드 (300℃로 가열됨)의 열팽창 량은 장 방향을 기준으로 전극판은 4.8mm이 팽창하고 샤워헤드는 7.2mm 팽창한다. 더구나 기판의 사이즈가 더욱 증가하여 6세대 7세대가 되면 전극판의 길이는 20,000mm이상이 될 것이 며 이들 간의 열적 팽창의 불균형은 더욱 심각하게 됨을 예상할 수 있다.

＜도2＞는 공정진행 중에 전극판과 샤워헤드간의 열적 불균형에 따른 샤워헤드의 변형을 도식화한 그림인데, 전극판과 샤워헤드간의 상당한 열팽창율의 차이와 전극판과 샤워헤드가 접촉하는 샤워헤드의 가장자리가 볼트에 의해 체결되어 전극판에 고정됨으로써 샤워헤드가 열을 받아 팽창하고자 할 때 전극판에 의하여 제약을 받게 되는 현상이 수반되어 중앙부위가 밑으로 늘어지는 변형이 일어남을 설명하고 있다. ＜도2＞와 같이 샤워헤드의 중앙부가 늘어지는 변형이 일어나면 샤워헤드와 기판간의 간격(213, 214)이 중앙부위에서 좁아지며 그에 따라서 샤워헤드의 중앙부위에서 양전극간에 유도되는 플라즈마의 밀도가 높아지고, 가스의 이동거리가 짧아지게 되어 기판의 중앙에서 막의 두께가 두꺼워지고 제반 물리적 특성상의 불 균형이 발생되게 된다. 이는 장비가 대형화될수록 정도가 심해지며 반도체나 액정표시장치의 대형화를 대응할 수 있는 플라즈마 화학증착 장비를 개발함에 있어서 해결하여야 할 기술적 과제다.

본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 CCP형 플라즈마 화학증착 장비에 있어서 증착공정 시 서셉터(susceptor)로부터 열을 받아 샤워헤드가 변형되는 현상으로 인하여 발생하는 증착 박막의 두께, 조성, 그리고 밀도 등과 같은 제반 물리적 특성의 불 균일 문제 이다. 즉, 샤워헤드와 결합되는 고주파 전극의 온도 및 열 팽창율을 샤워헤드와 일치하게 하여 전극판과 샤워헤드간의 열팽창율의 심한 불균형에 따른 샤워헤드의 변형(중앙부위의 늘어짐 현상)을 최소화하고 결과적으로 샤워헤드와 서셉터 사이의 간격의 변동에 기인하는 증착 될 박막의 제반 물리적 특성의 불 균일성(non-uniformity)의 문제를 해결하는 것이다.

본 발명은 주로 반도체나 액정표시 장치 등을 제조하기 위하여 사용하는 플라즈마 화학 증착장치의 반응 챔버(Chamber)에 관한 것으로, 반응가스를 분산하여 반응 챔버에 공급하는 샤워헤드(Shower Head)와 샤워헤드 위에 위치하며 이와 결합되는 고주파(RF)전극 판에 있어서 샤워헤드와 전극 판 간의 온도 구배(gradient)에 따른 열 팽창율의 차이와 전극판과 샤워헤드를 결합하는 방식의 구조적인 한계로 인하여 야기되는 샤웨헤드의 심각한 불균일 변형의 문제를 해결하고자 고안된 기술이다.

본 발명에 의한 새로운 플라즈마 화학 반응 챔버(300)는 전극 판을 챔버의 내부에 장착하는 것과 동시에 단열 및 절연체로 전극판의 주위를 감싸는 것, 그리고 전극판을 챔버리드(302)에 부착함에 있어서 전극판의 중앙부위를 챔버리드(302)에 결합볼트(309)를 이용하여 체결하는 구조를 특징으로 한다. 그에 따라서 전극판이 챔버의 외부와 열적으로 차단되게 되며 전극판과 샤워헤드간의 온도차이가 크게 줄어들게 되어 전극판과 샤워헤드간의 열팽창의 불균형이 해소된다. 또한 전극판과 샤워헤드가 열 적 팽창을 하더라도 양자가 서로 일체되게 열에 반응함으로 샤워헤드의 변형이 나타나지 않는다.

본 발명에서는 샤워헤드의 열팽창에 따른 변형을 해소하고자 ＜도3＞와 같이 챔버리드(302)내에 고주파 전극판을 구비하였으며 전극판과 챔버리드(302) 사이에는 절연체(308)를 두어 전극판이 챔버 리드로부터 전기적 절연과 동시에 단열 되도록 설계 하였다. 통상적으로 절연체의 재질은 세라믹이나 테프론을 사용하며 두개를 조합해서 사용할 수도 있다. 전극판은 중간부위에서 챔버리드에 매달리도록 볼트(309)를 체결하여 부착하였으며 챔버를 진공상태로 만들기 위하여 전극판의 중앙부위에서 절연체와 전극판 사이에 진공 오링(307)을 설치하였다. 또한 오링의 열에 대한 손상을 방지하기 위해 절연체(308)와 챔버리드(302) 사이에 냉각장치 (315)를 구비하며 냉각장치 위아래에 오링을 설치하여 진공을 유지 할수 있도록 하였다. 한편 전극판의 주변부는 챔버리드(302)와 결합하지 않아 열팽창이 챔버리드에 구속되지 않고 자유롭게 일어날 수 있도록 하였으며 전극판의 하부에는 기존의 방식처럼 샤워헤드가 위치하며 샤워헤드의 가장자리를 볼트에 의해 전극판에 체결함으로써 전극으로서 역활을 할 수 있게 하였다. 전극판과 샤워헤드 사이에 이루어진 공간(310)은 외부로부터 유입된 반응 가스를 분산시키는 역할을 하며 샤워헤드에는 다수의 미세한 구멍(hole, 미도시)이 반응가스가 기판위에 골고루 균일 하게 분사될 수 있도록 형성되어 있다. 전극판의 중앙부에는 반응가스를 공급하는 통로가 있고 고주파 전원을 공급할 수 있는 고주파 발생기가 연결되어 있다. 그리고 챔버는 관을 통해 진공펌프(미도시)와 연결되어 있으며 챔버와 진공펌프 사이에는 이들을 차단할 수 있는 게이트 밸브(미도시)와 압력을 조절할 수 있는 트로틀(Throttle)밸브(미도시)가 위치한다. 전극판과 샤워헤드의 측면에는 챔버리드와 절연을 위해 절연체를 사이에 위치시켰으며 통상적으로 테프론이나 세라믹등의 절연체를 사용하며 샤워헤드와 전극판이 열팽창 시에 제약을 받지 않도록 간격(316)을 두었다. ＜도4＞는 본 발명의 플라즈마 화학 증착 챔버에 있어서 공정 진행 중의 챔버 내부를 나타낸 것으로 전극판과 샤워헤드 간의 온도차이가 사라지게 되고, 열팽창 시 전극판이 챔버리드의 중앙부에만 부착됨으로써 샤워헤드와 일체되어 자유롭게 팽창할 수 있게 함에 따라 샤워헤드에 불 균일한 변형(즉, 샤워헤드 중앙부의 늘어짐 현상)이 나타나지 않음을 도식화 한 것이다.

본 발명에 의한 플라즈마 화학반응 챔버는 공정 중에 전극판과 샤워헤드를 모두 챔버 내에 구비함으로써 전극판과 샤워헤드간의 온도차이가 발생하지 않고 그 에 따라서 서로간의 열팽창율의 차이가 해소되며 동시에 전극판이 샤워헤드와 일체되어 열에 대한 반응을 하게 함으로써 샤워헤드의 불균일한 변형을 완전하게 제거한 획기적인 기술이다.

본 발명에 의한 플라즈마 화학반응 챔버는 전극판과 샤워헤드를 모두 챔버 내에 구비함으로써 전극판과 샤워헤드간의 높은 온도구배에 따른 열팽창율의 차이를 해소 할 수 있는 기술로 구현되었으며 동시에 전극판이 샤워헤드와 일체되게 하여 열에 대한 반응을 하게 함으로써 샤워헤드의 불균일한 변형을 완전하게 제거한 획기적인 기술로 고안 되었다. 따라서 반도체나 액정표시 장치 제조용 플라즈마 화학증착 장치(PE-CVD)의 대형화에 있어서 해결하여야 하는 증착막의 두께 균일성(uniformity) 및 제반 물리적 특성의 균일성 확보 과제를 극복하는 기술적인 돌파구(technology break-through) 제공한다.

Claims

플라즈마 화학 증착 장치에 있어서

기판이 안치되는 서셉터를 구비한 챔버의 하부 몸체와;

상기 챔버의 하부몸체의 뚜껑으로 상기 하부몸체 위에 놓이는 챔버의 상부 몸체와 상기 챔버의 상부 몸체의 내부에 장착되며 상기 상부 몸체의 가운데 부위와 결합되는 고주파 전극판과;

상기 고주파 전극 판 아래에 위치하며 가장자리 부위가 전극판과 결합되는 샤워헤드를 포함하는 플라즈마 화학반응 증착 챔버.
제1항에 있어서,

고주파 전극판과 챔버의 상부 몸체 사이에 절연체를 설치하여 전극판이 챔버의 몸체를 통하여 열을 방출하는 방지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학반응 증착 챔버
제2항에 있어서,

챔버의 진공도를 효율적으로 유지하기 위하여 절연체와 고주파 전극 및 챔버의 상부 몸체 사이에 실리콘 재질의 진공 오링을 설치할 수 있다.
제1항에 있어서,

전극판의 중앙부위에서 챔버의 상부 몸체와 전극판을 금속성 볼트을 이용하여 체결할 때 절연을 위해 볼트와 챔버 상부 몸체 사이에 절연체를 설치하며 절연체의 재질로는 테프론 및 엔지니어링 플라스틱을 사용한다.
제1항에 있어서,

전극판 및 샤워헤드의 측면을 통한 열방출을 최소화하기 위하여 절연체를 챔버의 상부 몸체의 측벽에 설치하며 전극판 및 샤워헤드와 절연체 간의 간격을 3~10mm정도 유지하여 전극판과 샤워헤드가 열팽창 시 차지하게 될 공간을 두고 있다.
제1항 및 3항에 있어서,

챔버 상부 몸체와 전극판 사이 그리고 절연체와 전극판 사이에 전기적 절연과 진공 유지를 위해 진공 오링을 설치하며, 오링의 열적 손상을 피하기 위하여 절연체와 챔버의 상부 몸체 사이에 냉각수를 흘릴 수 냉각 장치를 설치하는 것을 포함한다.