KR20080025587A - 플라즈마 전극과 인젝터가 일체형으로 제조된 가스분사장치및 이를 포함하는 기판처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 반응공간을 형성하는 챔버의 내부로 가스를 분사하는 장치에 있어서, 다수의 분사홀을 가지며 챔버의 중심으로부터 방사상으로 배치되는 다수의 인젝터; 인접하는 상기 인젝터 사이에 결합하는 다수의 플라즈마 발생용 판형전극을 포함하는 일체형 가스분사장치와 이를 포함하는 기판처리장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 회전하는 가스분사장치를 이용하여 다수의 기판을 한꺼번에 처리하는 기판처리장치에서 플라즈마를 이용하여 소정의 처리를 하는 경우에 가스분사장치의 회전에도 불구하고 안정적이고 균일한 플라즈마를 생성할 수 있게 된다.

가스분사장치, 인젝터, 전극, 플라즈마

Description

플라즈마 전극과 인젝터가 일체형으로 제조된 가스분사장치 및 이를 포함하는 기판처리장치{Gas injection device of which injector is integrated with plasma electrode and substrate processing apparatus comprising the same}

도 1은 종래 원자층 증착장치의 개략적인 단면도

도 2는 가스밸브어셈블리와 인젝터의 결합상태를 나타낸 사시도

도 3은 기판지지수단의 평면도

도 4는 플라즈마 전극을 포함하는 종래 원자층 증착장치의 단면도

도 5는 일체형 가스분사장치를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착장치의 단면도

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 일체형 가스분사장치의 사시도 및 저면사시도

도 7은 다른 유형의 일체형 가스분사장치의 분해 사시도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100: 기판처리장치 11: 챔버

12: 기판지지수단 13: 기판안치대

15: 가스밸브어셈블리 16: 회전축

17: 히터 18: 배기구

22: RF전원 24: 정합회로

26: 커플링수단 50: 일체형 가스분사장치

51,52,53,54: 제1,2,3,4 가스유로 55: 몸체

61,62,63,64: 제1,2,3,4 인젝터 65: 판형전극

본 발명은 반도체소자의 제조를 위한 기판처리장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 다수의 기판을 한꺼번에 처리하는 세미 배치(semi batch) 타입의 기판처리장치의 내부로 가스를 분사하는 가스분사장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체소자를 제조하기 위해서는 기판에 박막을 증착하고, 증착된 박막을 패터닝하여 소정의 회로패턴을 형성하기 위해 포토리소그라피 공정, 식각 공정 등을 거치게 된다.

반도체소자의 제조를 위해 기판에 증착되는 박막의 종류는 게이트절연막, 커패시터유전막, 층간절연막, 패시베이션막 등과 같이 다양하며, 이들 박막을 구성하는 물질도 산화실리콘, 질화실리콘, 폴리실리콘 또는 금속산화막 등과 같이 매우 다양하다.

박막 증착 방법에도 여러 가지가 있는데, 예를 들어 소스물질과 반응물질을 반응챔버의 내부로 분사하여 이들의 화학반응물을 기판에 증착시키는 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition), 전기장에 의해 가속된 이온을 소스물질에 충돌시켜 분리되는 원자를 기판에 증착시키는 물리기상증착(PVD: Physical Vapor Deposition), 먼저 반응챔버 내부로 소스물질을 분사하여 기판상에 증착시키고 이어서 반응물질을 분사하여 기판상에서 소스물질과 반응시키는 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition) 등의 방법이 그것이다.

이중에서도 높은 박막 균일도와 우수한 단차 도포성(step coverage) 때문에 최근에는 원자층 증착법이 많이 이용되고 있다.

그런데 원자층 증착법은 상대적으로 증착속도가 낮기 때문에 여러 개의 기판에 한꺼번에 박막을 증착할 수 있는 세미 배치(semi-batch) 타입의 원자층 증착장치가 주로 사용된다.

도 1은 이러한 세미 배치(semi-batch) 타입의 원자층 증착장치(10)를 개략적으로 도시한 단면도로서, 반응공간을 형성하는 챔버(11)의 내부에 다수의 기판(s)을 한꺼번에 안치하는 기판지지수단(12)이 설치되고 상기 기판지지수단(12)의 상부에는 다수의 봉형상 인젝터(14)가 수평방향으로 방사형으로 배치된다.

챔버리드(11a)에는 제1 가스, 제2 가스 및 퍼지가스를 각각 독립적인 유로를 통해 공급하는 가스밸브어셈블리(15)가 설치되며, 각 인젝터(14)는 상기 가스밸브 어셈블리(15)의 하단에서 상기 각 유로에 연결된다.

구체적으로 살펴보면 도 2에 도시된 바와 같이, 가스밸브어셈블리(15)의 측부에는 제1 가스공급관(19a), 제2 가스공급관(19b), 퍼지가스공급관(19c)이 각각 연결되고, 가스밸브어셈블리(15)의 중앙부에는 회전축(16)이 관통한다.

회전축(16)의 내부에는 상기 각 가스공급관(19a, 19b, 19c)과 각각 연통하는 다수의 내부유로, 즉, 제1 가스용 내부유로, 제2 가스용 내부유로, 퍼지가스용 내부유로가 형성되어 있다.

회전축(16)의 하단부에는 퍼지가스용 내부유로와 연통되는 제1,3 인젝터(14a,14c), 제1 가스용 내부유로와 연통되는 제2 인젝터(14b), 제2 가스용 내부유로와 연통되는 제4 인젝터(14d)가 연결된다.

제1,2,3,4 인젝터(14a,14b,14c,14d)는 중심에 대하여 90도 간격으로 방사상으로 연결된다.

이와 같이 제1,2,3,4 인젝터(14a,14b,14c,14d)가 가스밸브어셈블리의 회전축(16)에 연결되기 때문에 회전축(15)과 함께 회전하면서, 하부의 기판(s)에는 퍼지가스, 제1 가스, 퍼지가스, 제2 가스가 순차적으로 분사된다.

따라서 각 기판(s)에는 제1 가스와 제2 가스가 반응하여 소정의 박막이 형성되며, 이러한 과정을 수십 내지 수백 회 반복함으로써 원하는 두께의 박막을 형성할 수 있다.

기판지지수단(12)은 기판이 놓여지는 기판안치대(13)를 다수 구비하며, 각 기판안치대(13)는 기판지지수단(12)과 일체형으로 형성될 수도 있고, 분리형으로 제작되어 기판지지수단(12)에 결합될 수도 있다.

기판지지수단(12)은 하부를 지지하는 지지대(12a)에 의하여 회전하는 경우도 있다.

기판안치대(13)의 상면은 기판지지수단(12)의 상면에 대하여 요면으로 제공되는 것이 바람직하며, 기판안치대(13)의 내부에는 적정한 온도로 기판(s)을 가열하기 위한 히터(17) 등의 가열수단이 설치된다.

도 3은 기판지지수단(12)의 평면을 도시한 것으로서 기판안치대(13)의 개수가 5개로 도시되어 있으나 이에 한정되지 않음은 물론이다. 도 3에서 점선으로 표시된 것은 기판지지수단의 상부에 위치하는 인젝터이다.

한편 특정 증착막의 경우에는 반응가스를 활성화시키기 위하여 플라즈마를 형성할 필요가 있다. 또한 계면의 전처리 또는 후처리를 위하여 플라즈마를 이용하는 별도의 공정을 진행할 필요가 있다.

이러한 플라즈마 공정을 위하여 도 4에 도시된 바와 같이 플라즈마 발생수단을 부가적으로 설치한 원자층 증착장치(30)가 소개되기도 하였다.

상기 원자층 증착장치(30)에는 챔버 리드에 플라즈마 전극(20)을 설치하고, RF전원(22)을 플라즈마 전극(20)에 연결하며, 플라즈마 전극(20)과 RF전원(22)의 사이에는 임피던스 정합을 위한 정합회로(24)를 설치한다.

그런데 이런 형태의 장치에서는 플라즈마 전극(20)의 하부에서 회전하는 인젝터(14)로 인하여 와류가 발생하게 되어 플라즈마 분포가 매우 불균일해지는 문제점이 있다. 또한 인젝터(14)가 금속재질인 경우에는 플라즈마의 전기적 특성에도 영향을 미치게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 회전하는 인젝터가 설치된 원자층 증착장치의 내부에 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 가스분사장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 반응공간을 형성하는 챔버의 내부로 가스를 분사하는 장치에 있어서, 다수의 분사홀을 가지며 챔버의 중심으로부터 방사상으로 배치되는 다수의 인젝터; 인접하는 상기 인젝터 사이에 결합하는 다수의 플라즈마 발생용 판형전극을 포함하는 일체형 가스분사장치를 제공한다.

여기서 다수의 내부유로를 가지는 회전축이 상기 챔버를 관통하여 설치되고, 상기 인젝터의 일단은 상기 회전축의 단부에 연결되며, 상기 회전축의 내부유로는 적어도 하나의 상기 인젝터와 연통될 수 있다.

상기 인젝터는 4개로서, 서로 90도 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 판형전극은 중심각이 90도인 부채꼴 형태일 수 있다.

상기 인젝터는 사각의 단면을 가지는 관 형태이고, 상기 판형전극과는 면접합할 수 있다.

또한 본 발명은, 반응공간을 형성하는 챔버의 내부로 가스를 분사하는 장치에 있어서, 원반형의 몸체 상기 몸체의 내부에 중심부에서 주변부쪽으로 형성되는 다수의 가스유로; 상기 각 가스유로의 하부에 형성되는 다수의 분사홀을 포함하는 일체형 가스분사장치를 제공한다.

다수의 내부유로를 가지는 회전축이 상기 챔버를 관통하여 설치되고, 상기 몸체의 중심부는 상기 회전축의 단부에 연결되며, 상기 회전축의 각 내부유로는 상기 몸체의 적어도 하나의 가스유로와 연통할 수 있다.

또한 상기 몸체의 가스유로는 4개로서 90도 간격으로 서로 이격되어 형성될 수 있다.

또한 본 발명은, 반응공간을 형성하는 챔버 상기 챔버의 내부에 설치되며, 기판이 놓여지는 기판안치대를 다수 구비하는 기판지지수단; 다수의 가스를 상기 챔버의 내부로 공급하기 위해 상기 챔버에 고정되며, 상기 챔버의 내부까지 연장되며 다수의 내부유로를 가지는 회전축이 중심부를 관통하는 가스밸브어셈블리; 상기 회전축의 단부에 연결되어 상기 기판의 상부로 원료물질을 분사하는 가스분사장치로서, 다수의 분사홀을 가지며 상기 챔버의 중심으로부터 방사상으로 배치되며 상기 회전축의 내부유로와 연통하는 다수의 인젝터와, 인접하는 상기 인젝터 사이에 결합하는 다수의 플라즈마 발생용 판형전극을 포함하는 일체형 가스분사장치를 포함하는 기판처리장치를 제공한다.

또한 본 발명은, 반응공간을 형성하는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되며, 기판이 놓여지는 기판안치대를 다수 구비하는 기판지지수단; 다수의 가스를 상기 챔버의 내부로 공급하기 위해 상기 챔버에 고정되며, 상기 챔버의 내부까지 연장되며 다수의 내부유로를 가지는 회전축이 중심부를 관통하는 가스밸브어셈블리; 상기 회전축의 단부에 연결되어 상기 기판의 상부로 원료물질을 분사하는 가스분사장치로서, 원반형의 몸체 상기 몸체의 내부에 중심부에서 주변부쪽으로 형성되며 상기 회전축의 내부유로와 연통되는 다수의 가스유로 상기 각 가스유로의 하부에 형성되는 다수의 분사홀을 포함하는 일체형 가스분사장치를 포함하는 기판처리장치를 제공한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기판처리장치(100)의 단면 구성도로서, 챔버리드(11a)에 고정되는 가스밸브어셈블리(15)의 회전축(16)의 하단에 본 발명의 실시예에 따른 일체형 가스분사장치(50)가 연결되는 점에 특징이 있다.

회전축(16)이 가스밸브어셈블리(15)의 중심을 관통하여 설치되고, 가스밸브어셈블리(15)에는 제1 가스공급관, 제2 가스공급관, 퍼지가스공급관이 각각 연결되며, 회전축(16)의 내부에는 상기 각 가스공급관과 연통되는 제1가스용 내부유로, 제2 가스용 내부유로, 퍼지가스용 내부유로가 서로 독립적으로 형성되어 있음은 종래와 마찬가지이다.

상기 일체형 가스분사장치(50)는 플라즈마 전극과 가스분사용 인젝터가 일체형으로 제작된 것으로서, 각각 사시도 및 저면사시도를 나타내는 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 형태를 가진다.

구체적으로 살펴보면, 원반형의 몸체(55)의 중심부에 회전축(16)의 하단부가 연결되고, 몸체(55)의 내부에는 회전축(16)의 각 내부유로와 연통하는 제1,2,3,4 가스유로(51,52,53,54)가 중심에서 주변부쪽으로 서로 90도 간격으로 이격되어 형성된다.

몸체(55)는 플라즈마 발생을 위한 전극역할을 하는 것으로서 알루미늄 등의 금속재질로 제조된다.

제1,2,3,4 가스유로(51,52,53,54)의 저면에는 다수의 가스분사홀(51a, 52a, 53a, 54a)이 형성되어 있어, 회전축(16)의 각 내부유로를 통해 공급되는 가스를 챔버(11) 내부로 분사한다.

예를 들어 일체형 가스분사장치(50)의 제1,3 가스유로(51,53)는 회전축(16)의 퍼지가스용 내부유로와 연통되고, 제2 가스유로(52)는 회전축(16)의 제1 가스용 내부유로와 연통되며, 제4 가스유로(54)는 회전축(16)의 제2 가스용 내부유로와 연통된다.

따라서 회전축(16)이 회전하면 제1,2,3,4 가스유로(51,52,53,54)가 회전하면 서 기판지지수단(12)에 안치된 각 기판(s)의 상부에 퍼지가스, 제1 가스, 퍼지가스, 제2 가스를 순차적으로 분사하게 된다. 제1,2 가스는 서로 반응하여 각 기판(s)에 원자층 단위의 박막을 형성한다.

한편, 상기 일체형 가스분사장치(50)를 위에 설명한 것과는 약간 다른 방식으로 제조될 수도 있다.

즉, 전극역할을 하는 몸체의 내부에 가스유로를 형성하는 것이 아니라 도 7에 도시된 바와 같이 중심에서부터 방사상으로 배치되고 서로 90도 간격으로 이격되며 하부에 다수의 분사홀을 가지는 제1,2,3,4 인젝터(61,62,63,64)를 먼저 구비한 후에 각 인젝터(61,62,63,64)의 사이에 부채꼴 형태의 판형 전극(55)을 연결하여 제조할 수도 있다.

이때 각 인젝터(61,62,63,64)와 상기 판형 전극(65)의 연결부위는 서로 면접합하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 각 인젝터(61,62,63,64)는 사각의 단면을 가져야 한다.

또한 각 인젝터(61,62,63,64)와 판형 전극(65)은 동일한 재질의 금속(예: 알루미늄)으로 제조하는 것이 바람직하며, 인젝터와 판형 전극(65)의 두께도 동일한 것이 바람직하다.

각 인젝터(61,62,63,64)는 가스밸브 어셈블리의 회전축(16)을 중심으로 방사상으로 배치하며, 회전축(16)의 각 내부유로와 연통시켜야 한다.

예를 들어 제1,3 인젝터(61,63)는 회전축(16)의 퍼지가스용 내부유로와 연통시키고, 제2 인젝터(62)는 회전축(16)의 제1 가스용 내부유로와 연통시키며, 제4 인젝터(64)는 회전축(16)의 제2 가스용 내부유로와 연통시킨다.

그러면 일체형 가스분사장치(50)가 회전하면서 기판지지수단(12)에 안치된 각 기판(s)의 상부에 퍼지가스, 제1 가스, 퍼지가스, 제2 가스를 순차적으로 분사되기 때문에 각 기판(s)에는 제1,2 가스가 반응한 원자층 단위의 박막이 형성된다.

한편 상기 일체형 가스분사장치(50)는 플라즈마 발생을 위한 전극의 역할을 수행하여야 하기 때문에 RF전원(22)과 연결시켜야 한다. 그런데 가스분사장치(50)는 공정도중에 계속하여 회전하기 때문에 도 5에 도시된 바와 같이 회전축(16)에 RF전원(22)을 연결하는 것이 바람직하다.

이때 회전축(16)과 RF전원(22)을 연결하기 위해서는 회전축(16)과 연속적인 접점을 유지할 수 있는 커플링수단(26)을 이용하여야 하며, 커플링수단(26)과 RF전원(22)의 사이에는 임피던스 정합을 위한 정합회로(24)가 설치된다.

이상에서는 원자층 증착장치를 예를 들어 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 회전형 인젝터를 이용하여 다수의 기판을 동시에 처리하는 모든 종류의 기판처리장치에 확대 적용될 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따르면, 회전하는 가스분사장치를 이용하여 다수의 기판을 한꺼번에 처리하는 기판처리장치에서 플라즈마를 이용하여 소정의 처리를 하는 경우에 가스분사장치의 회전에도 불구하고 안정적이고 균일한 플라즈마를 생성할 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 반응공간을 형성하는 챔버의 내부로 가스를 분사하는 장치에 있어서,

   다수의 분사홀을 가지며 챔버의 중심으로부터 방사상으로 배치되는 다수의 인젝터;

   인접하는 상기 인젝터 사이에 결합하는 다수의 플라즈마 발생용 판형전극;

   을 포함하는 일체형 가스분사장치
2. 제1항에 있어서,

   다수의 내부유로를 가지는 회전축이 상기 챔버를 관통하여 설치되고, 상기 인젝터의 일단은 상기 회전축의 단부에 연결되며, 상기 회전축의 내부유로는 적어도 하나의 상기 인젝터와 연통되는 일체형 가스분사장치
3. 제1항에 있어서,

   상기 인젝터는 4개로서, 서로 90도 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 판형전극은 중심각이 90도인 부채꼴 형태인 일체형 가스분사장치
4. 제1항에 있어서,

   상기 인젝터는 사각의 단면을 가지는 관 형태이고, 상기 판형전극과는 면접합하는 것을 특징으로 하는 일체형 가스분사장치
5. 반응공간을 형성하는 챔버의 내부로 가스를 분사하는 장치에 있어서,

   원반형의 몸체;

   상기 몸체의 내부에 중심부에서 주변부쪽으로 형성되는 다수의 가스유로;

   상기 각 가스유로의 하부에 형성되는 다수의 분사홀;

   을 포함하는 일체형 가스분사장치
6. 제5항에 있어서,

   다수의 내부유로를 가지는 회전축이 상기 챔버를 관통하여 설치되고, 상기 몸체의 중심부는 상기 회전축의 단부에 연결되며, 상기 회전축의 각 내부유로는 상기 몸체의 적어도 하나의 가스유로와 연통하는 일체형 가스분사장치
7. 제5항에 있어서,

   상기 몸체의 가스유로는 4개로서 90도 간격으로 서로 이격되어 형성되는 일체형 가스분사장치
8. 반응공간을 형성하는 챔버;

   상기 챔버의 내부에 설치되며, 기판이 놓여지는 기판안치대를 다수 구비하는 기판지지수단;

   다수의 가스를 상기 챔버의 내부로 공급하기 위해 상기 챔버에 고정되며, 상기 챔버의 내부까지 연장되며 다수의 내부유로를 가지는 회전축이 중심부를 관통하는 가스밸브어셈블리;

   상기 회전축의 단부에 연결되어 상기 기판의 상부로 원료물질을 분사하는 가스분사장치로서, 다수의 분사홀을 가지며 상기 챔버의 중심으로부터 방사상으로 배치되며 상기 회전축의 내부유로와 연통하는 다수의 인젝터와, 인접하는 상기 인젝터 사이에 결합하는 다수의 플라즈마 발생용 판형전극을 포함하는 일체형 가스분사장치;

   를 포함하는 기판처리장치
9. 반응공간을 형성하는 챔버;

   상기 챔버의 내부에 설치되며, 기판이 놓여지는 기판안치대를 다수 구비하는 기판지지수단;

   다수의 가스를 상기 챔버의 내부로 공급하기 위해 상기 챔버에 고정되며, 상기 챔버의 내부까지 연장되며 다수의 내부유로를 가지는 회전축이 중심부를 관통하는 가스밸브어셈블리;

   상기 회전축의 단부에 연결되어 상기 기판의 상부로 원료물질을 분사하는 가스분사장치로서, 원반형의 몸체 상기 몸체의 내부에 중심부에서 주변부쪽으로 형성되며 상기 회전축의 내부유로와 연통되는 다수의 가스유로 상기 각 가스유로의 하부에 형성되는 다수의 분사홀을 포함하는 일체형 가스분사장치;

   를 포함하는 기판처리장치

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