KR20080034157A - 가스 매니폴드 밸브 클러스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일반적으로 반도체 처리를 위한 증착 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명의 실시예는 가스 매니폴드 밸브 클러스터 및 증착 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 프로세스 챔버의 유지보수를 실행하는데 요구되는 시간을 감소시켜서 프로세스 챔버의 생산성을 증가시키는 세정중에 대기에 노출될 가스 라인의 길이와 체적을 감소시키는 시스템과 가스 매니폴드 밸브 클러스터가 제공된다. 다른 실시예에서, 가스 매니폴드 밸브 클러스터와 ALD 증착 장치가 제공된다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 전체 공개물이 본 명세서에서 참조되며 2005년 7월 29일자로 제출된 미합중국 가특허출원 번호 제60/703,711호, 제60/703,717호, 및 제60/703,723호를 우선권으로 이들의 이점을 주장한다. 본 출원은 본 명세서에서 참조된 전체 공개물과 동시에 제출된 대리인 사건 번호 제186440/US/2/MSS와 대응하며 동시계속출원중인 미합중국 실용특허출원에 관한 것이다.
본 발명은 일반적으로 반도체 처리용 증착 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 반도체 기판상에 박막을 형성하기 위한 다수의 처리 방법을 실행하는데 유용한 가스 매니폴드 밸브 클러스터 및 증착 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조는 한 세트의 작업 장치들로 반도체 웨이퍼를 이송하는 다수의 절차들을 필요로 한다. 다수의 이들 프로세스 절차는 한번에 하나의 기판상에만 실행되도록 구성된 방법을 수반한다. 이들 방법을 실행하는데 사용되는 프로세스 챔버는 단일 웨이퍼 챔버로 알려져 있으며 복수의 기판이 내부에서 동시에 처리될 수 있는 뱃치 프로세스 챔버와 구별되어야 한다. 단일 웨이퍼 프로세스 챔버는 종종 클러스터 툴 내에 함께 통합되며, 클러스터 툴은 병렬식으로 다수의 기 판상에 동일한 처리 방법을 동시에 실행하거나 동일한 클러스터 툴 내에서 다수의 처리 방법을 연속적으로 실행하는 것을 가능하게 한다.
다수의 처리 방법은 단일 웨이퍼 프로세스 챔버에서 실행되도록 적합화된다. 이들 처리 방법의 예시는: 화학 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD), 물리 기상 증착(PVD), 에피(Epi), 식각, 애싱(ashing), 급속 열처리(RTP), 스파이크 어니일(spike anneal)과 같은 약한 열적 프로세스(short thermal processes) 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 이들 방법은 종종 처리, 특히 열 처리를 용이하게 하는 에너지원을 포함한다. 이들 에너지원의 예시는 열 에너지원, 플라즈마 에너지원, 광양자 에너지원 등을 포함한다. 이들 다양한 유형의 프로세스 챔버의 상세한 구성은 처리 방법의 요구조건 및 프로세스 절차의 희망 결과에 의해 결정될 것이다.
달러(dollars)/웨이퍼의 소유 비용(Cost of Ownership; COO)은 반도체 프로세스 장비의 선택시 주요 고려사항이다. 소유 비용(COO)의 계산은 매우 복잡하다. 입력 변수들 중 하나는 장비의 가동시간이다. 가동시간은 시스템 안정성, 수동 세정 사이의 시간, 수동 세정 시간, 재검증 시간 등과 같은 요인에 좌우된다. 전술된 대부분의 처리 방법은 상승된 온도, 낮은 압력에서 실행되며, 이러한 방법의 여러 절차 중에 몇몇 가스 종들의 교환을 필요로 한다. 따라서, 프로세스 챔버 체적, 프로세스 챔버 재료, 에너지원의 통합, 가스 도입 수단, 배기 수단 등과 같은 세부 사항은 처리 방법의 성공을 결정하는데 중요하다.
원자층 증착(ALD)에 의해 박막을 증착하기 위한 프로세스 챔버의 디자인이 예로서 사용될 것이다. 통상적으로 기판 또는 웨이퍼는 기판 지지부 상에 지지되며, 100℃ 내지 600℃의 범위의 온도로 가열된다. 샤워헤드 인젝터와 같은 가스 분배기는 기판 상부에 배치된다. 샤워헤드 인젝터는 웨이퍼의 표면에 걸쳐서 가스를 분배시키는 복수의 구멍을 포함한다. 때때로 수평 플레이트 또는 링이 기판 지지부 둘레에 배치되어 반응 체적의 바닥을 부정확하게 형성한다. 종래 기술의 시스템에서 이러한 반응 체적은 비교적 크다. 플레이트는, 복수의 구멍을 포함할 수 있으며 프로세스 챔버로부터 일반적으로 프로세스 챔버의 하부에 존재하는 단일 배출 포트를 통해 기판의 평면 하부로 가스가 배출되게 한다. 또한, 플레이트는 웨이퍼 이송 평면 아래에 위치되는 것이 일반적이다. 이러한 구성의 한가지 중요한 단점은 웨이퍼가 이송되는 웨이퍼 이송 영역과 슬롯 밸브가 반응 구역에 또한 노출된다는 점이다. 이로 인해 슬롯 밸브 영역에 재료, 입자, 및 오염물질이 증착된다. 또한, 이로 인해 플라즈마 에너지원을 사용하는 처리 방법에 대한 플라즈마 장의 불균형이 초래된다. 또한, 이러한 웨이퍼 이송 영역은 처리중에 온도 비균일성을 야기한다. 이 영역은 흑체 공동 효과(black body cavity effect)를 갖기 쉬우며, 이 영역에 인접한 히터 영역은 저온 영역을 발달시켜서 웨이퍼의 불균일한 가열 및 처리를 야기한다.
따라서, 공지된 프로세스 챔버 디자인은 많은 결점을 갖는다. 반응 체적은 기판 지지부의 직경에 의해 형성되는 원통의 체적에 비해 과도하게 큰 경향이 있다. 이러한 프로세스 챔버의 벽은 추가의 포트, 기판 이송 개구 등에 대한 요구조건으로 인해 종종 대칭적이지 않다. 열, 플라즈마, 및 광양자 에너지원과 같은 에 너지원으로부터의 힘은 프로세스 챔버의 벽에 도달하여 기판 바로 위에 있는 영역의 외부에서 처리 방법의 작용을 용이하게 한다. 이로 인해: 긴 배기 시간, 과도한 화학물질 사용, 긴 퍼지 시간, ALD 처리 방법에 대한 긴 사이클 타임, 불균일한 가스 유동, 미립자 발생, 플라즈마 처리 방법에 대한 불균일한 플라즈마 밀도, 프로세스 챔버의 벽 상의 재료 증착, 프로세스 챔버의 세정 사이의 짧은 시간 등 중의 하나 이상을 포함하는 바람직하지 않은 효과가 야기된다.
프로세스 챔버는 주기적인 세정 및 유지보수를 위해 개방되어야 한다. 이러한 시간은 유지보수 기간 동안 프로세스 챔버가 생산적이지 못한 점에서 비용이 많이 든다. 챔버 개방에 준비하는 작업들 중 한가지는 프로세스 챔버가 개방되는 동안 대기에 노출될 것인 가스 라인의 일부로부터 반응 가스를 제거 및 퍼지하는 것이다. 이러한 작업은 "사이클/퍼지" 절차를 필요로 하며, "사이클/퍼지" 절차는 진공 펌프를 이용하여 가스 라인을 교번적으로 배기한 후, 가스 라인을 통해 질소와 같은 비활성 가스를 유동시키는 절차를 필요로 한다. 이러한 절차는 각각의 가스 라인에 대해 다수 회(통상적으로 20회 이상) 반복되어야 한다.
프로세스 챔버의 유지보수 기간중에 가스 라인이 대기에 노출되는 동안, 가스 라인의 내부 표면은 공기중의 수분으로부터 물로 이루어진 박막을 흡수할 것이다. 이는 질소와 같은 비활성 가스가 유지보수 절차에 걸쳐서 가스 라인을 통해 유동하도록 허용되는 경우에도 변함없을 것이다. 이러한 물 박막은 유지보수 절차가 완료된 후, 반응 가스가 가스 라인으로 도입되기 전에 가스 라인의 내부 표면으로부터 제거되어야 한다. 통상적으로 물 박막은 전술한 바와 동일한 "사이클/퍼 지" 절차를 통해 제거된다. 사이클/퍼지 절차의 각 부분에 대한 시간의 기간 및 이들 유지보수 절차 및 사이클/퍼지 절차 모두에 대한 사이클/퍼지 단계의 개수는 가스 라인의 길이와 체적에 의해 크게 영향을 받을 것이다.
일반적으로 반도체 장치의 제조에 사용되는 단일 웨이퍼 프로세스 챔버에 대한 많은 디자인이 존재한다. 이들 디자인은 몇 가지 단점을 갖는다. 이러한 단점들의 예는: 긴 가스 라인 길이, 큰 가스 라인 체적, 넓은 반응 구역 체적, 느린 가스 교환 시간, 불균일한 플라즈마 밀도, 긴 프로세스 챔버의 오버헤드 시간 등 중에서 하나 이상을 포함한다.
공지된 증착 장치의 디자인에 대한 많은 제한이 주어져 있기 때문에, 반도체 처리에 적합한 증착 장치 및 구성요소 디자인의 추가 개발에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은 일반적으로 반도체 처리를 위한 증착 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명의 실시예는 가스 매니폴드 밸브 클러스터 및 증착 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 프로세스 챔버의 유지보수를 실행하는데 요구되는 시간을 감소시켜서 프로세스 챔버의 생산성을 증가시키는 세정중에 대기에 노출될 가스 라인의 길이와 체적을 감소시키는 시스템과 가스 매니폴드 밸브 클러스터가 제공된다. 다른 실시예에서, 반도체 처리중, 특히 원자층 증착(ALD)중에 가스의 급속한 작용을 촉진시키는 시스템 및 가스 매니폴드 밸브 클러스터가 제공된다. 본 발명의 일부 실시예에서 ALD 사이클에서 화학 전구체 펄스 시간은 종래 기술의 펄스 시간에 비해 50%까지 감소되었다.
본 발명의 실시예는 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 원자층 증착(ALD)과 같은 박막 증착 기술, 식각, 애싱, 세정 등과 같으나 이에 제한되지는 않는 반도체 기판상에 처리 방법을 실행하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 매니폴드 밸브 클러스터 및 시스템은: 가스의 보다 효율적인 사용, 오염 물질원의 감소, 균일한 가스 유동 패턴의 촉진, 신속한 가스 교환의 촉진, 및 챔버 세정의 용이성 중 하나 이상을 돕는다.
예시적 실시예에서, 프로세스 챔버 내에서 기판을 처리하는 증착 장치는: 하나 이상의 가스 공급원과; 상기 프로세스 챔버에 근접하며 각각의 가스에 대한 가스 밸브를 포함하는 가스 매니폴드 밸브 클러스터와; 그리고 상기 가스 매니폴드 밸브 클러스터로부터 가스 분배기로 연장되는 챔버 리드 가스 공급 라인;을 포함하도록 제공된다.
일부 실시예에서, 웨이퍼를 처리하는 증착 장치는: 웨이퍼를 유지시키는 웨이퍼 지지부와; 상기 프로세스 챔버의 벽 내의 개구를 통해 상기 웨이퍼 지지부 상에서 상기 웨이퍼가 로봇 이송 장치에 의해 이송되는 웨이퍼 이송 영역과; 상기 웨이퍼 상에 위치되는 가스 분배기와; 상기 증착 장치의 내부에 형성되고 상기 웨이퍼 지지부를 둘러싸며, 내부에 형성된 복수의 통공(aperture)을 가지며, 배기 영역으로부터 반응 구역을 분리시키도록 구성되는 배플 링과; 상기 증착 장치의 외부에 상기 증착 장치와 근접하여 위치되며, 각각의 가스를 위한 가스 밸브 및 상기 가스 매니폴드 밸브 클러스터로부터 인젝터 연장되는 챔버 리드 가스 공급 라인을 포함하는 가스 매니폴드 밸브 클러스터;를 포함하고, 상기 웨이퍼 지지부는 상기 프로세스 챔버의 벽 내의 개구 및 상기 웨이퍼 이송 영역의 레벨 위로 상기 기판을 들어올리기 위해 상기 가스 분배기를 향하여 수직 방향으로 이동 가능하고, 상기 반응 구역이 감소된 체적을 형성하도록 상기 배플 링과 협력하도록 제공된다. 일부 실시예에서 가스 매니폴드 밸브 클러스터는 증착 장치 또는 프로세스 챔버의 외부에 장착된다. 일부 실시예에서 증착 장치는 챔버 리드 조립체를 더 포함하며, 가스 매니폴드 밸브 클러스터는 연결점에 의해 상기 챔버 리드 가스 공급 라인에 연결되고, 상기 연결점은 시일을 포함하며 상기 리드의 개방을 허용하도록 상기 리드로부터 분리 가능하다.
다른 실시예에서, 웨이퍼를 처리하기 위한 ALD 증착 장치는, 웨이퍼 지지부를 수용하는 프로세스 챔버와; 상기 웨이퍼로 가스를 전달하는 인젝터와; 상기 웨이퍼 지지부를 둘러싸는 배플 링으로서, 상기 웨이퍼 지지부, 인젝터, 및 배플 링은 상기 웨이퍼가 처리되는 반응 구역을 형성하고, 상기 반응 구역은 상기 웨이퍼가 상기 프로세스 챔버의 내부 및 외부로 이동되는 영역으로부터 격리되는, 배플 링과; 상기 증착 장치의 외부에 상기 증착 장치와 근접하여 위치되는 가스 매니폴드 밸브 클러스터로서, 각각의 가스를 위한 가스 밸브 및 상기 가스 매니폴드 밸브 클러스터로부터 상기 인젝터로 연장되는 챔버 리드 가스 공급 라인을 포함하는, 가스 매니폴드 밸브 클러스터와; 그리고, 상기 배플 링을 둘러싸고 상기 배플 링 내에 형성된 통공과 유동식으로 연통되며, 상기 반응 구역으로부터 실질적으로 360°에 걸쳐서 가스를 배출하도록 구성되는 가스 배출 플레넘;을 포함하도록 제공된다.
본 발명의 여타 특장점은 하기에 제공되는 첨부 도면 동봉된 특허청구범위와 함께 하기의 상세한 설명을 읽을 때 명백해질 것이다.
도 1은 가스 매니폴드 밸브 클러스터와 증착 장치의 일 실시예의 간략화된 횡단면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치와 가스 매니폴드 밸브 클러스터의 3차원 분해도이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 회로도의 예시적 실시예이며,
도 4는 하부 위치에 있는 웨이퍼 지지부를 도시하는 본 발명의 증착 장치의 일 실시예의 간략화된 횡단면도이며,
도 5는 상부 위치에 있는 웨이퍼 지지부를 도시하는 본 발명의 증착 장치의 일 실시예의 간략화된 횡단면도이며,
도 6은 본 발명의 증착 장치와 가스 매니폴드 밸브 클러스터의 실시예를 도시하는 평면도이다.
본 발명은 일반적으로 반도체 처리를 위한 증착 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명의 실시예는 가스 매니폴드 밸브 클러스터와 증착 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 증착 장치와 가스 매니폴드 밸브 클러스터의 일 실시예의 간략화된 횡단면도를 도시한다. 도 2는 본 발명의 증착 장치와 가스 매니폴드 밸 브 클러스터의 실시예의 3차원 분해도를 도시한다. 도 6은 증착 장치와 가스 매니폴드 밸브 클러스터의 실시예의 평면도를 도시한다. 본 발명의 실시예가 화학 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD), 물리 기상 증착(PVD), 에피, 식각, 애싱, 급속 열처리(RTP), 스파이크 어니일과 같은 약한 열적 프로세스 등과 같이 광범위한 처리 방법에 적용 가능함이 당업자에게 이해될 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(미도시)은 프로세스 챔버(100) 내부에서 지지된다. 프로세스 챔버 또는 챔버 본체(100)는 일반적으로 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 지지부(미도시), 및 처리를 위한 기판으로 가스를 전달하는 인젝터와 같은 가스 분배기(102)를 포함한다. 프로세스 챔버(100)는 내부에 형성된 챔버 리드 가스 라인(106)을 갖는 이동성 챔버 리드 조립체(101)를 더 포함한다. 챔버 리드 조립체(101)는 가열될 수 있다. 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)는 프로세스 챔버에 근접하여 위치된다. 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)는 하나 이상의 공급 라인 및 관련 가스 공급 밸브(104)를 통해 원격 가스원 공급부(103)에 연결된다.
특별한 이점은 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)가 프로세스 챔버(100)에 인접하지만 프로세스 챔버(100)의 외부에 위치된다는 것이다. 일부 실시예에서 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)는 프로세스 챔버(100) 상에, 예를 들면 프로세스 챔버의 배면 상에 장착된다.
가스는 프로세스 챔버(100) 내부로 및 가스 분배기(102)를 통해서 기판으로 도입된다. 가스 분배기(102)는 하나의 유입구, 인젝터, 샤워헤드 인젝터, 가스 링 등을 포함할 수 있다. 가스 분배기(102)는 실행되어야 하는 특정 처리 방법의 요 구조건에 따라 동력이 공급될 수 있다.
원격 가스 공급원(103)으로부터 프로세스 챔버(100)로 하나 이상의 가스가 공급된다. 통상적으로 가스 공급원(103)에 인접하여서 또는 가스 공급원(103)의 내부에는 공급 가스 밸브(104)가 위치된다. 단순함을 위하여 한 쌍의 가스원(103) 및 관련 공급 가스 밸브(104)만이 도시된다. 그러나 프로세스 챔버로 공급되는 각각의 가스에 대한 유사한 구성이, 도 3에 나타내어진 가스 회로도에 도시된 바와 같이 존재할 것이다. 가스는 공급 가스 라인(107)을 통해 공급 가스 밸브(104)로부터 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)로 이송된다. 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)는 각각이 공급 가스 밸브로 제공된 복수의 밸브(402)(도 2)를 포함한다. 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)는 챔버(100)와 매우 근접하여 배치되어, 가스 분배기(102)로부터 밸브까지의 배관 길이가 실질적으로 감소된다.
일부 실시예에서 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)는 연결점(108)에서 챔버 리드 가스 라인(106)과 연통한다. 연결점(108)은 O-링 시일 또는 다른 적합한 밀봉 수단을 포함하고, 챔버 리드 조립체(101)의 개방을 허용하도록 구성된다. 이로 인해 유지보수가 더 용이해진다.
일부 실시예에서 비양립성 가스 혼합물이 사용될 수도 있다. 이러한 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 2개의 격리된 밸브 클러스터(400a, 400b)가 사용될 수 있다. 이 실시예에서 챔버 가스 라인(106)은 2개의 분리된 가스 이송 라인을 포함하며, 가스 이송 라인은 가스 이송 장치(102) 내의 2개의 분리된 가스 경로망(path network)으로 가스를 독립적으로 전달한다. 격리된 밸브 클러스터(400a, 400b)는 분리된 관련 연결점을 통해 챔버 가스 라인(106)에 연결된다.
처리중에 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)는 연결점(108) 및 챔버 리드 가스 라인(106)을 통해 인젝터(102)로 희망 가스를 전달하도록 작동된다. 유리하게 처리 중에 사이클/퍼지되어야 하는 가스 라인의 길이는 최소화된다. 또한, 유지보수를 위해, 챔버 리드 가스 라인(106)은 부착 및 조립에 의해 대부분 실시되며 본 발명에 따라 용이하게 세정 및 수리될 수 있다. 일부 실시예에서, 챔버 리드 가스 라인(106)은 가스 전달 시스템에서 "저온 지점"을 방지하기 위해 매우 균일하게 가열되는 재료로 제조된다. 이는 특히 증기 압력이 낮은 가스에 유리하다. 또한, 유지보수가 완료되기를 기다리는 동안 신선한 반응 가스가 공급 가스 라인(107) 내부로 공급될 수 있다. 또한, 이로 인해 프로세스 챔버에 유지보수를 실행하는데 요구되는 시간이 감소되고 전체 시스템 생산성이 증가된다.
도 4 및 도 5를 참조하면 본 발명의 다른 실시예가 도시된다. 일반적으로 증착 장치는, 프로세스 챔버(100)로서 체적을 둘러싸고 프로세스 챔버로 가스를 전달하기 위한 연결점(108) 및 챔버 리드 가스 라인(106)을 통해 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)에 연결되는 가스 분배기(102)를 포함하는 프로세스 챔버(100), 처리를 위해 웨이퍼 또는 기판(114)을 지지하는 웨이퍼 지지부(113), 및 웨이퍼 지지부(113)를 둘러싸며 함께 반응 구역 또는 체적(208)을 형성하는 배플 링(200)을 포함한다. 일부 실시예에서 증착 장치는 전체 공개물이 본 명세서에 참조되며 본 명세서와 함께 제출된 미합중국 실용특허출원 번호 제11/ 호(대리인 사건 번호 제186440/US/2/MSS호)에서 보다 상세히 설명된다.
통상적으로 로봇 이송 장치(미도시)는 슬롯 밸브(112)를 통해 프로세스 챔버 본체(100)의 벽을 통과하여 웨이퍼 이송 영역(110) 내부로 웨이퍼를 이동시킨다. 웨이퍼는 웨이퍼(114) 지지부 상에 또는 웨이퍼 지지부(113)를 통해 돌출하는 핀 상에 배치된다. 프로세스 챔버(100)는 진공 펌프(미도시)에 의해 배출 포트(220)를 통하여 배기된다.
가스는 가스 분배기(102)를 통해 프로세스 챔버(100)로 도입된다. 가스 분배기(102)는 임의의 적합한 가스 이송 장치를 포함할 수 있고; 예를 들면 단일 유입구, 하나 이상의 인젝터, 샤워헤드 인젝터, 가스 링 등을 포함할 수 있다. 가스 분배기(102)는 실행되어야 하는 특정한 처리 방법의 요구조건에 따라 동력이 공급될 수 있다. 예시적인 실시예에서 가스 분배기(102)는 샤워헤드형 인젝터를 포함하고 인젝터의 가스 전달 표면을 지나 이격되어 있는 복수의 인젝터 포트 또는 오리피스(116)를 포함한다. 다른 실시예에서, 가스 분배기(102)는 전체 공개물로서 본 명세서에 참조되는 미합중국 특허 제6,921,437호에서 설명된 바와 같은 인젝터를 포함하며, 이 인젝터는 독립적인 가스 경로 분배망을 통해 반응 구역(208)으로 2개의 가스를 전달하게 한다.
가스는 가스의 신속한 이송 및 작용을 위해 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)에 연결되는 챔버 리드 가스 라인(106)에 의해 가스 분배기(102)로 이송된다.
웨이퍼 지지부(113)는 처리중에 웨이퍼(114)를 지지하도록 구성된다. 일반적으로 웨이퍼 지지부(113)는 웨이퍼(114)를 수용하고 고정시키며 내부에 포켓이 형성된 상부면을 포함한다. 리프트 핀 가이드가 리프트 핀을 수용하기 위하여 웨이퍼 지지부 내부에 형성될 수 있다. 통상적으로 리프트 핀은 웨이퍼 이송 로봇(미도시)으로부터 웨이퍼를 수용하도록 웨이퍼 지지부의 표면 위로 연장된 후 처리를 위해 웨이퍼 지지부(113)의 표면에 형성된 포켓에 웨이퍼가 안착되도록 수축된다. 리프트 핀은 독립적으로 움직이도록 구성될 수 있다. 대안적으로 리프트 핀은 움직이지 않을 수 있어서 웨이퍼 지지부(113)의 수직 이동에 의해 연장 및 수축된다.
웨이퍼 지지부(113)는 지지부의 본체 내부에 형성된 히터 요소 및/또는 냉각 통로(미도시)를 통해 가열 및/또는 냉각될 수 있다. 일부 실시예에서, 웨이퍼 지지부(113)는 스테이지 히터를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서 웨이퍼 지지부는 정전 척을 포함할 수 있으며, 실행되어야 하는 특정한 처리 방법의 요구조건에 따라 접지되거나 동력이 공급될 수 있다. 플라즈마원, 복사열 램프, UV원 등과 같은 다른 에너지원이 제공될 수 있으며, 이러한 다른 에너지원은 프로세스 챔버(100) 내부의 적합한 위치에 위치될 수 있다.
일부 실시예에서 웨이퍼 지지부(113)는 z축으로 이동하는 샤프트 조립체에 의해 지지된다. 또한, 샤프트 조립체는 원할 경우 기판 지지부(113)에 회전을 전달할 수 있다. 예시적인 실시예에서 샤프트 조립체는 일반적으로 웨이퍼 지지부(113)에 연결되는 샤프트(115)를 포함하며, 밀봉된 가요성 벨로우즈(120) 및 수직 운동 커플러(121)에 의해 작동된다. 샤프트 조립체의 특정한 일 실시예가 도시되었지만, 본 발명의 범주 내에서 z축 이동을 제공하는 다수의 다른 유형의 조립체 가 사용될 수 있다.
샤프트의 z축 이동은 웨이퍼 지지부(113)를 상승 및 하강시킨다. 도 4는 샤프트(115) 및 웨이퍼 지지부(113)가 낮은 위치 또는 하부 위치에 있을 때의 증착 장치(100)를 도시한다. 도 5는 샤프트(115) 및 웨이퍼 지지부(113)가 높은 위치 또는 상승된 위치에 있을 때의 증착 장치(100)를 도시한다. 예시적인 실시예에서, 가요성 벨로우즈(120)는 프로세스 챔버의 바닥과 수직 운동 커플러(121) 사이에 결합된다. 이러한 배치는 프로세스 챔버의 내부와 외부 대기 사이에서 격리 시일을 유지하면서 프로세스 챔버 내에서 웨이퍼 지지부(113)의 높이 위치를 변경함으로써 반응 구역 체적(208)의 변화를 가능하게 한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 프로세스 챔버(100)는 웨이퍼 지지부(113)와 샤프트(115)가 상승된 위치에 있을 때의 처리를 위해 구성된다. 도 5에 도시된 바와 같은 상승된 위치에 있을 때, 기판 지지부(113)는 체적이 감소된 반응 구역(208)을 형성하기 위해 가스 분배기(102) 및 배플 링(200)과 협력한다. 특히, 웨이퍼 이송 영역(110) 및 슬롯 밸브(112)는 감소된 반응 구역(208) 내에 있지 않다. 웨이퍼 이송 영역(110) 및 슬롯 밸브(112)는 웨이퍼 지지부(113) 아래에 위치하여 처리중에 웨이퍼(114)에 충격을 가하지 않는다.
처리중에 반응 구역(208)의 체적의 이러한 실질적인 감소는 ALD 펄스 처리 단계들 사이에서 훨씬 더 작은 체적이 배기되어야 하기 때문에 처리 시간을 더 빠르게 한다. 또한, 이러한 감소된 반응 구역은 가스를 보다 균일하게 분배되게 한다. 또한, 이송 영역(110) 및 슬롯 밸브(112)는 웨이퍼 지지부(113) 아래에 배치 되기 때문에, 웨이퍼(104)는 종래 기술의 시스템에서 공통적인 문제점인 것과 같이 흑체 효과에 영향을 받지 않을 뿐 아니라 가열 및 온도 균일성이 무너지지도 않는다.
특별한 이점은 본 발명의 증착 장치의 실시예가 배플 링(200)을 사용하는 점이다. 일반적으로 배출 포트(220)가 증착 장치(100)의 바닥의 한 위치에 배치되기 때문에, 반응 구역에 불균일한 가스 유동이 발생할 수 있다. 이러한 불균일한 가스 유동은 가열의 불균일성 및 처리중에 웨이퍼의 표면상의 막 증착의 원인이 될 수 있다. 본 발명의 실시예는 이러한 문제점을 다룬다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 배플 링(200)은 일반적으로 웨이퍼 지지부(113)를 둘러싸며 예시적인 실시예에서 상부(204)와 하부(206)를 포함한다. 복수의 배플 구멍 또는 오리피스(202)가 배플 링(200)의 상부(204)에 형성된다. 배플 구멍(202)은 비반응 가스 또는 부산물 가스를 반응 구역(208)으로부터 배출 플레넘(216)으로 유동하게 한다. 바람직하게 배플 구멍(202)은 배플 링(200)의 대부분의 원주 둘레에 이격되어 웨이퍼의 전체 원주에 대한 대부분의 둘레에 가스 배출 경로를 형성한다. 이로 인해 웨이퍼로부터의 가스 유동이 실질적으로 균일해지며 가스의 배출이 360°에 걸쳐서 허용된다.
배플 구멍(202)들은 서로 상이한 크기로 구성되어 반응 체적(208) 내의 유동 불균일성을 보상하고 및/또는 특별한 적용 및 프로세스에 맞춰질 수 있다. 일부 실시예에서, 배플 구멍(202)은 유동 제한을 일으키며, 유동 제한은 웨이퍼에 걸쳐서 가스를 보다 균일하게 분배시키는 국소 압력 강하를 일으킨다. 배플 구멍(202) 은 배플 링(200)의 전체 원주에 대한 대부분의 둘레에 동일하게 이격되어 있을 수 있다. 대안적으로, 배플 구멍(202)은 가스를 선택적으로 분배하기 위하여 배플 링(200)의 전체 원주에 대한 대부분의 둘레에 고르지 않게 이격되어 있을 수 있다. 배플 구멍(202)의 바람직한 개수, 기하학적 형상, 크기 및 분포는 프로세스의 특별한 적용 또는 요구조건을 기초로 선택될 수 있으며 일상 시험에 의해 결정될 수 있다. 적합한 기하학적 형상의 예는 슬릿, 슬롯, 직사각형, 원형, 삼각형, 사다리꼴, 등을 포함한다.
처리중에 웨이퍼 지지부(113)가 상부 또는 상승된 위치에 있을 때, 바람직하게 웨이퍼(114)의 상부면은 배플 구멍(202)에 인접하여 위치되어 비반응 가스 및 부산물을 실질적으로 균일하게 배출시킨다. 배플 구멍이 슬롯을 포함하는 일 실시예에서, 웨이퍼의 상부면은 슬롯의 바닥 직경의 중심선에 인접하여 위치된다. 물론, 본 발명의 범주 내에서 다른 배향이 가능하다.
또한, 상부 배플 링(204)으로 지칭되는 배플 링(200)의 상부는 금속, 금속 합금, 유리, 중합체, 합성 재료, 또는 이들의 조합을 포함하는 재료로 제조된다. 재료의 선택은 일반적으로 재료의 비용 및 프로세스 요구조건에 의해 이루어진다. 바람직하게 상부 배플 링(204)은 세라믹으로 구성된다. 일부 실시예에서, 배플 링(204)의 상부면은, 일반적으로 유사한 재료로 제조되며 증착 장치(100)의 리드(106) 상에 재료의 증착을 감소시키는 작용을 하는 상부 챔버 쉴드(210)와 결합된다. 또한, 플라즈마 프로세스가 사용되는 경우, 이러한 구성은 플라즈마 기반 처리 방법의 플라즈마 밀도의 제한에 유용하다. 상부 배플 링(204)은 하부 배플 링(206)으로도 지칭되는 배플 링(200)의 하부에 의해 지지된다.
하부 배플 링(206)은 증착 장치 내부로 기판이 이송되어 기판 지지부(103) 상에 배치될 수 있도록 기판 이송 영역(110)과 협력하는 슬롯 또는 개구(미도시)를 구비한다. 이러한 구성으로 인해 하부 배플링(206)은 상부 배플 링(204)이 고가의 신종 재료로 구성되는 경우에 덜 비싼 재료로 제조될 수 있다. 하부 배플 링(206)은 금속, 금속 합금, 세라믹, 유리, 중합체, 합성 재료, 또는 이들의 조합을 포함하는 재료로 제조된다. 바람직하게, 하부 배플 링(206)은 알루미늄과 같은 단일 금속으로 구성된다. 예시적 실시예에서, 상부 배플 링(204)은 단순한 원통형으로 도시되지만, 원통형, 원뿔형, 다각형 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 배플 링 조립체는 상부 배플 링(204)과 하부 배플 링(206)의 두 부분으로 제조된다. 상부 배플 링(204)과 하부 배플 링(206)은 동일한 재료 또는 서로 상이한 재료로 제조될 수 있다. 재료의 예시는 금속, 금속 합금, 세라믹, 유리, 또는 중합체, 합성 재료, 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 배플 링(200)은 상부 배플 링(204)과 하부 배플 링(206)을 융합하여 형성된 단일편으로 제조된다. 단일편 배플 링은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 재료의 예시는 금속, 금속 합금, 세라믹, 유리, 중합체, 합성 재료, 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 배플 링(200)은 상부 배플 링(204)과 하부 배플 링(206)을 융합하여 형성된 단일편으로 제조되며 상부 쉴드(210)는 상부 배플 링(204)과 단일한 부분으로 결합된다. 단일편 배플 링 조립체는 다양한 재료로 제 조될 수 있다. 재료의 예시는 금속, 금속 합금, 세라믹, 유리, 중합체, 합성 재료, 또는 이들의 조합을 포함한다.
또한, 도면에 도시된 예시적 실시예는 결합되거나 융합된 두 부분(204, 206)으로 구성된 배플 링(200)을 도시하지만, 배플 링(200)은 대안적으로 단일한 링으로 형성될 수 있음이 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예는 증착 장치로부터 실질적으로 대칭적인 가스 배출을 위해 제공된다. 증착 장치(100)는 가스 배출 플레넘(216)을 더 포함한다. 바람직하게 배출 플레넘(216)은 반응 구역으로부터 대칭적인 가스 배출을 촉진시키도록 반응 구역(208)의 대부분의 원주 둘레에 연장되는 채널 또는 환형 공간을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 배출 플레넘(216)은 배플 링(200)과 복수의 챔버 쉴드에 의해 형성되며, 보다 상세하게 복수의 챔버 쉴드는 배플 링(200)으로부터 이격되어 있으며 일반적으로 배플 링(200)의 전체적인 윤곽을 따라 환형 공간 사이에 형성되는 상부 챔버 쉴드(210), 하부 챔버 쉴드(212), 및 바닥 챔버 쉴드(214)이다. 가스는 배플 구멍(202)을 통해 반응 구역(208)으로 빠져나가 가스 배출 플레넘(216)으로 들어가며, 이때 가스는 증착 장치(100)로부터 진공 펌프 포트(220)를 통과하여 배출된다.
상부 챔버 쉴드(210)는 배출 플레넘(216)의 상부를 형성하며, 일부 실시예에서 상부 챔버 쉴드(210)는 챔버 리드(101)와 맞대어져 부분적으로 가스 분배기(102)와 함께 반응 구역(208)의 상부를 형성할 수 있다. 전술한 바와 같은 상부 배플 링(204)과 유사하게, 상부 챔버 쉴드(210)는 특히 상부 챔버 쉴드(210)가 반 응 구역(208)에 노출될 때 특정 재료로 형성될 수 있다.
일반적으로 하부 챔버 쉴드(212)는 배출 플레넘(216)의 외벽을 형성하지만, 배플 링(200)은 배출 플레넘(216)의 내벽을 형성한다. 일 실시예에서, 하부 챔버 쉴드(212)는 슬롯 또는 개구(미도시)를 구비하고, 슬롯 또는 개구는 기판 이송 영역(110)과 협력하여 기판이 증착 장치 내부로 이송되어 기판 지지부(113) 상에 배치될 수 있도록 한다. 하부 챔버 쉴드(212)의 개구는 하부 배플 링(206)의 개구와 유사한 윤곽 또는 형상을 가질 수 있다. 또한, 전술한 바와 같은 하부 배플 링(206)과 유사하게, 하부 챔버 쉴드(212)는 상부 챔버 쉴드(210)와 상이하며 덜 비싼 재료로 형성될 수 있다.
하부 배플 링(206)의 개구 및 하부 챔버 쉴드(212)의 개구는 슬롯 밸브 쉴드(119)를 수용하도록 이루어지며, 슬롯 밸브 쉴드는 가스 배출 플레넘(216)을 계속해서 격리시키는 동안, 웨이퍼 이송 영역(110)을 통해 증착 장치(100)의 내부 및 외부로 웨이퍼(114)의 이송을 허용한다. 일부 실시예에서, 상부 배플 링(204) 및 상부 챔버 쉴드(210)는 각각 개구(미도시)를 더 포함하며, 이들 개구는 하부 배플 링(206)과 하부 챔버 쉴드(212) 내의 개구와 협력하여 슬롯 밸브 쉴드(114)를 수용한다. 종래 기술의 장치에 비해 특이한 이점은 반응 구역(208)을 웨이퍼 이송 영역으로부터 격리시키는 동안 360°에 걸쳐서 가스를 충분히 대칭적으로 배출시킨다는 점이다.
일반적으로 챔버 바닥 쉴드(214)는 배출 플레넘(216)의 바닥을 형성하며 예시적 실시예에서 최대 360°연장된다. 바닥 쉴드(214)는 임의의 적합한 재료로 이 루어질 수 있으며, 반응 구역에 노출되지 않기 때문에 바닥 쉴드(214)는 상부 챔버 쉴드(210)와 상이한 재료로 이루어질 수 있다.
예시적인 실시예에서 설명된 바와 같이, 챔버 쉴드(210, 212, 214)는 분리된 부분들로 형성된다. 이는 재료 섹션의 유연성을 허용하며, 또한 각각의 쉴드가 전체 프로세스 챔버(100)를 작동 정지시키지 않은 상태에서 독립적으로 제거 및 세정 및/또는 사용될 수 있기 때문에, 증착 장치의 보다 신속한 세정을 허용한다. 그러나 본 발명의 범주 내의 다른 실시예가 존재함이 이해되어야 한다. 예를 들면, 일부 실시예에서 3개의 모든 쉴드가 단일편으로 형성될 수 있다. 또한, 다른 대안적인 실시예에서, 하부 챔버 쉴드 및 챔버 바닥 쉴드가 단일편으로 형성될 수 있다.
본 발명의 증착 장치는 원자층 증착(ALD) 프로세스를 실행하는데 특히 적합하다. 대체로, ALD는 기판의 표면상에 단층을 형성하는 반응 구역으로 제 1 전구체의 펄스를 전달하는 단계를 포함한다. 그 후 제 1 전구체의 초과량이 퍼지, 배기, 또는 이들의 조합과 같은 기술에 의해 제거된다. 그 후 반응 물질의 후속 펄스가 도입되어 제 1 전구체의 단층과 반응하여 희망 재료를 형성하게 된다. 그 후 반응 물질의 초과량은 퍼지, 배기, 또는 이들의 조합과 같은 기술에 의해 제거된다. 그 결과 희망 재료의 단일한 단층이 증착된다. 이러한 순서는 타겟 재료의 희망 두께가 증착될 때까지 반복된다.
전술한 바와 같이, 배플 링(200), 가스 분배기(102), 및 기판 지지부(113)는, 도 5에 도시된 바와 같은 상승된 위치에 있을 때 모두 매우 작은 반응 체적(208)을 형성한다. 챔버 리드 가스 라인(106), 연결점(108), 및 가스 매니폴드 밸브 클러스터(400)는 모두 명확성을 위해 이 도면에서 제거되었다. 이러한 감소된 반응 구역은: 화학 약품 사용량의 감소, 화학적 효율 증대, 퍼지 및 배기 시간 가속화, 가스 교환 시간 단축 등 중의 하나 이상을 촉진시킨다. 본 발명의 실시예는 반도체 프로세스 장비에 대한 낮은 소유 비용 및 높은 처리량을 또한 촉진시킨다. 또한, 배플 링(200)은 열 에너지 또는 플라즈마 에너지와 같은 에너지원을 반응 구역(208)으로 제한시킨다. 이로 인해 증착 증대가 적어지고 웨이퍼 상의 미립자 오염물이 적어지며, 프로세스 챔버가 세정되도록 개방되어야 하는 시간 사이의 시간 간격이 증가된다. 또한, 본 발명의 실시예는 웨이퍼 이송 영역(110) 내의 재료, 반응 부산물 또는 입자의 증착을 최소화시키는데, 이는 이러한 웨이퍼 이송 영역이 감소된 반응 구역(208) 내에 있지 않기 때문이다.
본 발명의 실시예를 이용하여 실행된 실험은 낮은 화학물질 사용량 및 균일성을 나타낸다. 일 실시예에서, 알루미늄 산화막(Al2O3)의 증착은 트리메틸 알루미늄(TMA) 및 물로부터 ALD에 의해 실행된다. 증착률은 본 발명의 증착 장치의 실시예에서 실행되는 방법을 실행하는데 사용되는 전구체의 양 및 시간을 감소시키는 동안 유지되었다. 또한, 증착막의 균일성은 종래 기술의 시스템에 비해 개선되었다. 본 발명의 일부 실시예에서, ALD 사이클에서 화학 전구체 펄스 시간은 종래 기술의 펄스 시간에 비해 50%까지 감소되었다.
본 발명의 특정한 실시예에 대한 전술한 설명은 도시 및 설명을 위해 제시되었다. 이러한 설명은 전체를 총망라하거나 본 발명을 개시된 것과 정확한 형상으 로 제한하고자 하는 것은 아니며, 다수의 변형예, 실시예 및 변화가 상기 개념에 비추어 명백히 가능하다. 본 발명의 범주는 여기 첨부된 특허청구범위 및 그의 균등물에 의해 한정되어야 한다.
Claims (10)
- 프로세스 챔버 내의 기판 처리 장치로서:하나 이상의 가스 공급원과;상기 프로세스 챔버에 근접하며 각각의 가스에 대한 가스 밸브를 포함하는 가스 매니폴드 밸브 클러스터와; 그리고상기 가스 매니폴드 밸브 클러스터로부터 가스 분배기로 연장되며, 길이 및 체적이 최소화되는 챔버 리드 가스 공급 라인;을 포함하는프로세스 챔버 내의 기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 가스 매니폴드 밸브 클러스터가 상기 기판 처리 장치의 외부에 장착되는프로세스 챔버 내의 기판 처리 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 가스 매니폴드 밸브 클러스터가 연결점에 의해 상기 챔버 리드 가스 공급 라인에 연결되고, 상기 연결점은 시일을 포함하며 상기 기판 처리 장치의 리드 가 분리 가능하게 결합되도록 구성되는프로세스 챔버 내의 기판 처리 장치.
- 기판을 처리하는 증착 장치로서:기판을 유지시키는 웨이퍼 지지부를 수용하는 프로세스 챔버와;상기 프로세스 챔버의 벽 내의 개구를 통해 상기 웨이퍼 지지부 상으로 이송 장치에 의해 상기 기판이 이송되는 웨이퍼 이송 영역과;상기 기판 위에 위치되는 가스 분배기와;상기 증착 장치의 내부에 형성되고 상기 웨이퍼 지지부를 둘러싸며 내부에 형성된 복수의 통공을 가지며, 배기 영역으로부터 반응 구역을 분리시키도록 형성되는 배플 링과;상기 프로세스 챔버의 외부에 상기 프로세스 챔버와 근접하여 위치되며, 각각의 가스를 위한 가스 밸브 및 상기 가스 매니폴드 밸브 클러스터로부터 상기 가스 분배기로 연장되는 챔버 리드 가스 공급 라인을 포함하는 가스 매니폴드 밸브 클러스터;를 포함하고,상기 웨이퍼 지지부는 상기 프로세스 챔버의 벽 내의 개구 및 상기 웨이퍼 이송 영역의 레벨 위로 상기 기판을 들어올리기 위해 상기 가스 분배기를 향하여 수직 방향으로 이동 가능하고, 상기 반응 구역이 감소된 체적을 형성하도록 상기 배플 링과 협력하는기판을 처리하는 증착 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 가스 매니폴드 밸브 클러스터가 상기 기판을 처리하는 증착 장치의 외부에 장착되는기판을 처리하는 증착 장치.
- 제 4 항에 있어서,챔버 리드 조립체를 더 포함하며,상기 가스 매니폴드 밸브 클러스터가 연결점에 의해 상기 챔버 리드 가스 공급 라인에 연결되고, 상기 연결점은 시일을 포함하며 리드의 개방을 허용하도록 상기 챔버 리드 조립체로부터 분리 가능한기판을 처리하는 증착 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 배플 링이 상부 배플 링 및 하부 배플 링을 포함하고, 상기 복수의 통공이 상기 상부 배플 링 내에 형성되는기판을 처리하는 증착 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 반응 구역으로부터 가스를 배출하기 위해 상기 배플 링 내의 상기 통공과 연통하는 가스 배출 플레넘을 더 포함하는기판을 처리하는 증착 장치.
- 제 8 항에 있어서,상기 가스 배출 플레넘이 상기 배플 링의 대부분의 원주를 둘러싸고, 상기 반응 구역으로부터 실질적으로 360°에 걸쳐서 가스를 배출하도록 형성되는기판을 처리하는 증착 장치.
- 웨이퍼를 처리하는 ALD 증착 장치로서:웨이퍼 지지부를 수용하는 프로세스 챔버와;상기 웨이퍼로 가스를 전달하는 인젝터와;상기 웨이퍼 지지부를 둘러싸는 배플 링으로서, 상기 웨이퍼 지지부, 인젝터, 및 배플 링이 상기 웨이퍼가 처리되는 반응 구역을 형성하고, 상기 반응 구역 이 상기 웨이퍼가 상기 ALD 증착 장치의 내부 및 외부로 이동되는 영역으로부터 격리되는, 배플 링과;상기 증착 장치의 외부에 상기 증착 장치와 근접하여 위치되는 가스 매니폴드 밸브 클러스터로서, 각각의 가스를 위한 가스 밸브 및 상기 가스 매니폴드 밸브 클러스터로부터 상기 인젝터로 연장되는 챔버 리드 가스 공급 라인을 포함하는, 가스 매니폴드 밸브 클러스터와; 그리고,상기 배플 링을 둘러싸고 상기 배플 링 내에 형성된 통공과 유동식으로 연통되며, 상기 반응 구역으로부터 실질적으로 360°에 걸쳐서 가스를 배출하도록 형성되는 가스 배출 플레넘;을 포함하는ALD 증착 장치.
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