KR20080070351A

KR20080070351A - 균일한 가스분사를 위한 가스분사수단 및 이를 포함하는기판처리장치

Info

Publication number: KR20080070351A
Application number: KR1020070008329A
Authority: KR
Inventors: 김철식; 이대우
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-07-30
Also published as: KR101346849B1

Abstract

본 발명은, 하부에 배기구가 형성되어 있고 내부에 기판안치대를 가지는 챔버의 내부로 공정가스를 분사하는 가스분사수단에 관한 것으로서, 상기 배기구에 가까워질수록 점진적으로 분사홀의 직경이 커지는 가스분사수단 및 이를 포함하는 기판처리장치에 관한 것이다.

또한 분사홀을 다수의 그룹으로 분할하여 배기구에 가까운 그룹일수록 더 큰 직경의 분사홀을 가지는 가스분사수단 및 이를 포함하는 기판처리장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 배기구 부근으로 갈수록 가스분사량이 증가하기 때문에 기판처리장치의 배기구 부근에서 배기압 때문에 공정가스의 분압(partial pressure)이 불균일해지는 현상을 방지하여 기판(s)의 상부에서 공정가스 분압의 균일성을 크게 향상시킬 수 있다. 이것은 결국 플라즈마 균일도로 이어져 전체적인 공정균일도를 향상시키게 된다.

가스분사수단, 배기구, 분사홀

Description

균일한 가스분사를 위한 가스분사수단 및 이를 포함하는 기판처리장치{Gas injection means for uniform gas injection and substrate processing apparatus comprising the same}

도 1은 인젝터가 설치된 HDP CVD장치의 단면도

도 2는 HDP CVD 장치의 내부 평면을 나타낸 도면

도 3은 링형 인젝터가 설치된 HDP CVD 장치의 단면도

도 4는 빌트인 인젝터가 설치된 HDP CVD 장치의 단면도

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 제조장치의 내부 평면도 및 인젝터 분사홀의 직경 패턴을 나타낸 도면

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액정표시소자 제조장치의 내부 평면도 및 인젝터 분사홀의 직경 패턴을 나타낸 도면

도 7a 및 도 7b는 제1 실시예에서 배기구가 2개인 경우의 반도체 제조장치의 내부 평면도 및 인젝터 분사홀의 직경 패턴을 나타낸도면

도 8a 및 도 8b는 제1 실시예에서 배기구가 2개인 경우의 액정표시소자 제조장치의 내부 평면도 및 인젝터 분사홀의 직경패턴을 나타낸 도면

도 9a 및 도 9b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 제조장치의 내부 평 면도 및 인젝터 분사홀의 직경 패턴을 나타낸 도면

도 10a 및 도 10b는 제2 실시예에서 배기구가 2개인 경우의 반도체 제조장치의 내부 평면도 및 인젝터 분사홀의 직경 패턴을 나타낸 도면

도 11은 제2 실시예에서 다른 유형의 그룹 분할을 나타낸 도면

본 발명은 반도체 또는 액정표시소자 제조장치의 가스분사수단에 관한 것으로서, 구체적으로는 배기구쪽으로 갈수록 분사홀의 직경이 점진적으로 또는 단계적으로 커지는 가스분사수단 및 이를 포함하는 기판처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체소자 또는 액정표시소자를 제조하기 위해서는 모재가 되는 웨이퍼 또는 글래스(이하, '기판'이라 함)에 공정가스를 증착하는 박막증착공정, 감광성 물질을 사용하여 이들 박막 중 선택된 영역을 노출 또는 은폐시키는 포토리소그라피 공정, 선택된 영역의 박막을 제거하여 목적하는 대로 패터닝(patterning)하는 식각공정 등을 거쳐야 한다.

도 1은 반도체소자 제조공정에서 기판(s)에 형성된 트렌치나 콘택홀을 메우는 공정, 즉 갭필(gap-fill) 공정을 수행하기 위해 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 고밀도 플라즈 화학기상증착(HDP CVD: High Density Plasma Chemical Vapor Deposition) 장치의 구성을 예시한 단면도이다.

HDP CVD장치는 도시된 바와 같이 일정한 반응공간을 형성하는 챔버(10), 상기 챔버(10)의 내부에 설치되어 기판(s)을 안치하는 기판안치대(20)를 포함한다.

챔버(10)는 통상 알루미늄재질의 바디(11)와 상기 바디(11)의 상부에 놓여지는 석영재질의 돔(12)으로 이루어지며, 돔(12)의 상부에는 RF전력이 인가되는 RF안테나(50)가 설치된다.

RF안테나(50)는 RF전원(60)에 연결되며, RF안테나(50)와 RF전원(60)의 사이에는 임피던스 정합을 위한 정합회로(62)가 설치된다.

RF안테나(50)에 RF전력이 인가될 때 챔버 바디(11)는 통상 접지되며, 기판안치대(20)는 바이어스 RF전원(미도시)에 연결되거나 접지된다.

챔버 바디(11)의 하부에는 잔류가스를 배출하기 위한 배기구(14)가 설치되며, 배기구(14)에는 터보분자펌프(TMP) 등의 진공펌프가 설치된다.

기판안치대(20)는 구동축(22)에 의해 승강할 수 있으며, 이를 위해 기판안치대(20)와 챔버 저면의 사이에는 승강운동에도 불구하고 진공을 유지할 수 있는 벨로우즈(24)가 설치된다.

한편, 이러한 기판처리장치에는 챔버(10) 내부로 공정가스를 분사하는 가스분사수단이 설치되어야 하며, 가스분사수단의 종류에는 인젝터, 링 인젝터, 빌트인 인젝터 등이 있다.

도 1에서는 이 중에서 챔버 바디(11)의 측부를 관통하여 챔버내부로 인입 설치되는 인젝터(30)를 도시하였다. 도면에는 2개의 인젝터(30)를 도시하였지만, 웨이퍼를 처리하는 반도체소자 제조장치의 챔버(10)는 대부분 원형의 평면을 가지기 때문에 균일한 가스분사를 위하여 전체적으로는 도 2에 도시된 바와 같이 훨씬 더 많은 개수(통상적으로는 8개 내지 16개 정도)의 인젝터(30)를 대칭적으로 배치하여야 한다.

이와 같이 챔버 바디(11)에 다수의 인젝터(30)를 일일이 관통시켜서 설치하지 않고, 도 3에 도시된 바와 같은 링 인젝터(40)를 이용할 수도 있다.

링 인젝터(40)는 챔버(10)의 내부에 설치되는 것으로서 기판안치대(20) 상부의 반응영역에 위치하고 기판(s)의 형상에 대응하는 링 형상을 가지며 대략 기판(s)보다 큰 직경을 가진다. 링 인젝터(40)는 기판안치대(20)에 고정될 수도 있고 챔버(10) 내측에 고정될 수도 있으며, 분사홀은 기판(s) 방향으로 균일하게 형성된다.

이러한 링 인젝터(40)를 도 4에 도시된 바와 같이 챔버 내벽에 내장시킨 구성이 빌트인 인젝터(42)라고 할 수 있다.

기판처리장치에서는 이와 같이 다양한 형태의 가스분사수단이 사용되고 있지만, 이들 가스분사수단을 설계하는데 있어서 가장 중점적인 요소는 챔버(10) 내부로 공정가스를 최대한 균일하게 분사하는 것이라고 할 수 있다.

그런데 가스분사수단의 분사홀 직경이나 간격을 아무리 균일하게 형성하여도 챔버 내부에 존재하는 비균일적 요인으로 인해 원하는 만큼 공정 균일도를 확보 하지 못하는 경우가 종종 발생한다.

챔버 내부에 존재하는 대표적인 비균일적 요인은 진공펌프에 의한 압력불균형이다. 즉, 진공펌프의 펌핑압력으로 인하여 챔버 내부에는 배기구(14) 부근과 반대쪽 사이에 압력불균형이 발생하게 되고, 이 때문에 기판(s) 상에서 공정가스의 분압(partial pressure)을 균일하게 확보하기가 어려워지며, 이것은 공정균일도를 향상시키는데 제한요인으로 작용하게 된다.

특히, 기판의 크기가 대면적화됨에 따라 기판처리장치의 부피증가 및 이에 따른 배기설비의 대용량화 등으로 인해 공정균일도를 확보하기가 더욱 어려워지게 된다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 배기압 때문에 기판(s)상에서 공정가스의 분압(partial pressure)이 불균일해지는 현상을 방지하여 공정 균일도를 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 기판이 놓여지는 기판안치대를 둘러싸며 하부에 배기구가 형성되어 있는 챔버의 내부로 공정가스를 공급하는 가스분사수단에 있어서, 상기 기판안치대의 주변부에서 중심부쪽으로 공정가스를 분사하는 다수의 분사홀을 구비하고, 상기 다수의 분사홀은 상기 배기구에 가까워질수록 직경이 점진적으로 커지는 것을 특징으로 하는 가스분사수단을 제공한다.

상기 챔버의 하부에 상기 배기구가 2개 이상 형성되는 경우에, 서로 인접한 상기 배기구의 중간지점에 가까워질수록 상기 다수의 분사홀의 직경이 점진적으로 작아지는 것이 바람직하다.

이때 상기 인접한 배기구사이에 형성되는 상기 다수의 분사홀 각각의 직경 및 형상은 상기 중간 지점을 기준으로 서로 대칭적인 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 기판이 놓여지는 기판안치대를 둘러싸며 하부에 적어도 하나의 배기구가 형성되어 있는 챔버의 내부로 공정가스를 공급하는 가스분사수단에 있어서, 상기 기판안치대의 주변부에서 중심부쪽으로 공정가스를 분사하는 다수의 분사홀을 구비하고, 상기 다수의 분사홀을 상기 배기구로부터의 거리를 기준으로 다수의 그룹으로 분할하였을 때 상기 배기구로부터 가까운 그룹일수록 직경이 더 큰 분사홀을 가지는 것을 특징으로 하는가스분사수단을 제공한다.

상기 다수의 그룹 중에서 동일 그룹에 속하는 상기 다수의 분사홀의 직경 및 형상은 동일한 것이 바람직하다.

상기 챔버의 하부에 상기 배기구가 2개 이상 형성되어있는 경우에 서로 인접한 상기 배기구의 중간 지점에 가까운 그룹일수록 상기 다수의 분사홀의 직경이 작아지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 전술한 가스분사수단을 포함하는 기판처리장치를 제공하며, 이때 상기 가스분사수단은 상기 챔버의 측벽을 관통하여 설치되는 다수의 인젝터로서, 상기 인젝터는 상기 챔버의 중심에 대하여 대칭적으로 설치될 수 있다.

또한 상기 가스분사수단은 상기 기판안치대의 상부에 설치되는 링 인젝터로서, 상기 링 인젝터는 상기 기판안치대에 놓여지는 기판보다 큰 직경을 가질 수 있다.

또한 상기 가스분사수단은, 상기 챔버의 측벽에 매설되고 상기 다수의 분사홀이 상기 챔버의 내부를 향하여 형성되어 있는 빌트인 인젝터일 수 있다.

상기 가스분사수단의 상기 다수의 분사홀은 0.1mm 이상 1mm 이하의 직경을 가지는 것이 바람직하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

제1 실시예

도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 제조장치의 내부평면을 나타낸 도면이고, 도 5b는 도 5a 의 A-A'선을 따라 인젝터(30)의 분사홀 직경만을 순서대로 나타낸 도면이다. 특히 도 5b에서는 각 분사홀의 직경 차이를 시각적으로 구분하기 위해 실제보다 과장되게 도시하였으며, 이것은 이하의 도면에서도 마찬가지이다.

본 발명의 제1 실시예는 챔버의 저면에 1개의 배기구(14)가 형성된 경우에 대한 것으로서, 배기구(14)에 가까워질수록 인젝터(30)의 분사홀 직경이 점진적으 로 커지는 것을 알 수 있다. 이때 미도시된 반대편 인젝터의 분사홀도 배기구(14) 쪽으로 갈수록 직경이 점진적으로 커져야 함은 물론이고, 도시된 인젝터와 대칭으로 설계되는 것이 바람직하다.

이와 같이 인젝터(30) 분사홀의 직경이 배기구(14) 쪽으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성하면, 배기구 근방으로 갈수록 챔버 내부로 분사되는 가스유량이 많아지기 때문에 배기압력으로 인해 불균일해지는 공정가스의 분압을 균일하게 하여 공정 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.

인젝터(30)의 분사홀 직경은가공편의성 및 분사압력 등을 감안하여 0.1mm 내지 1mm 의 크기에서 결정되는 것이 바람직하며, 인젝터(30)의 단부는 기판안치대(20)와의 간섭을 피하기위해 기판안치대(20)로부터 10mm 이상 이격되는 것이 바람직하다.

반도체 제조장치뿐만 아니라 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 4각의 챔버 구조를 가지는 액정표시장치에서도 배기구(14) 쪽으로 갈수록 분사홀의 직경이 점진적으로 커지도록 인젝터(30)를 배치할 수 있다.

한편 배기압력의 편중을 완화시키기 위해 챔버 하부에 2개 이상의 배기구(14)를 대칭적으로 형성하는 경우도 많다.

예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이 반도체소자 제조장치의 챔버 하부에 배기구(14)가 2개 위치하는 경우에 하나의 배기구(14a)에서 다른 배기구(14a)에 이 르는 A-A'선을 따라 배치된 인젝터(30)의 분사홀 직경 패턴은 도 7b와 같은 형태가 된다.

역시 배기구(14a, 14b)에서 가장 먼 곳, 구체적으로는 두 배기구의 중간지점(B) 부근에 설치된 인젝터(30)의 분사홀 직경이 가장 작고, 배기구(14a, 14b) 근방으로 갈수록 분사홀 직경이 점차 커진다.

배기구의 개수가 3개 이상인 경우에도 마찬가지이어서, 인접한 두 배기구의 중간지점 부근에 설치된 인젝터의 분사홀 직경이 가장 작고, 배기구 근방으로 갈수록 분사홀 직경이 점차 커진다.

도 8a와 같이 액정표시장치에서 2개의 배기구(14a, 14b)가 형성된 경우에는 도 8b와 같은 분사홀 패턴을 가지게 된다.

제2 실시예

본 발명의 제2 실시예는 배기구에 가까워질수록 분사홀의 직경을 점진적으로 증가시키는 것이 아니라 단계적으로 증가시키는 점에 특징이 있으며, 이를 위해 인젝터를 다수의 그룹으로 그룹화한 후 배기구에 가까운 그룹일수록 더 큰 직경의 분사홀을 가지도록 하였다.

반도체소자 제조장치에 설치된 인젝터(30)의 배치를 나타낸 도 9a에 도시된 바와 같이 배기구(14)의 반대쪽에서 배기구(14)까지 이르는 전체 분사홀을 다수의 그룹, 예를 들어 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ의 4개 그룹으로 분할한 후에 배기구(14)에 가까운 그룹일수록 분사홀 직경이 큰 인젝터(30)를 배치하는 것이다.

따라서 도 9b에 도시된 바와 같이 만일 각 그룹의 인젝터(30)가 배기구(14)에서 먼 그룹에서부터 각각 D1, D2, D3, D4의 분사홀 직경을 가진다면, D1< D2 < D3 < D4의 관계가 성립하게 된다.

이와 같이 다수의 분사홀을 그룹화하여 동일한 그룹에는 동일한 직경의 배기홀을 가지도록 인젝터(30)를 배치하면, 챔버 내부에 설치되는 인젝터(30)의 분사홀 직경을 모두 다르게 할 필요가 없기 때문에 모든 인젝터의 분사홀 직경이 다른 경우에 비하여 유지관리 및 제조비용 면에서 유리하다.

액정표시 제조장치에서도 마찬가지로 인젝터(30)를 그룹화한 후에 배기구에 가까운 그룹일수록 더 큰 직경의 분사홀을 가지도록 배치할 수 있다.

도 10a 및 도 10b는 반도체소자 제조장치의 챔버 하부에 2개 이상의 배기구(14)를 대칭적으로형성한 경우를 나타낸 것으로서, 하나의 배기구(14a)에서 다른 배기구(14a)에 이르는 A-A'선을 따라 예를 들어 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ의 4개 그룹으로 분할한다.

이어서 배기구(14)에 가까운 그룹에서부터 분사홀 직경이 큰 인젝터(30)를 배치하면, 도 10b에 도시된 바와 같이 배기구(14a, 14b)에서 가장 먼 곳, 구체적으로는 인접한 두 배기구의 중간 지점(B) 부근에 설정된 그룹(Ⅱ,Ⅲ)의 분사홀 직경(D2, D3)은 작고 배기구(14)쪽 그룹(Ⅰ,Ⅳ)의 분사홀 직경(D1,D4)은 크다.

이때 중심점(B)을 기준으로 대칭적으로 배치하면, D1=D4, D2=D3, D1>D2, D3<D4의 관계가 성립하게 된다.

한편, 제2 실시예에서 동일 그룹에 속하는 인젝터(30)는 동일한 분사홀 직경을 가져야 한다.

또한 각 그룹에는 가급적 동일 개수의 인젝터를 포함시키는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 챔버의 크기나 공정특성에 따라 한 그룹에 속하는 인젝터의 개수를 결정하면 된다.

예를 들어 도 11에 도시한 바와 같이 전체 그룹을 각 배기구(14a,14b)에 인접한 그룹(Ⅰ,Ⅲ)과 그 사이의 그룹(Ⅱ)으로 구분한 후에, Ⅰ그룹 및 Ⅲ그룹에는 각각 분사홀 직경(D1,D3)이 동일한 3개의 인젝터를 포함시키고, Ⅱ그룹에는 그보다 작은 직경(D2)의 인젝터 2개를 포함시킬 수도 있다.

한편 이상에서는 챔버 바디를 관통하여 다수 설치되는 인젝터(30)를 예를 들어 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 분사홀의 직경을 배기구로부터의 거리에 따라 설정하는 것이므로, 전술한 링 인젝터나 빌트인 인젝터 뿐만 아니라 기판의 주변부에서 중앙부쪽으로 공정가스를 분사하는 모든 종류의 가스분사수단에 대하여 적용할 수 있다.

또한 전술한 배기구의 위치가 챔버 저면이든지 챔버 측벽이든지 관계없이 본 발명을 적용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 배기구 부근으로 갈수록 가스분사량이 증가하기 때문에 기판처리장치의 배기구 부근에서 배기압 때문에 공정가스의 분압(partial pressure)이 불균일해지는 현상을 방지하여 기판(s)의 상부에서 공정가스 분압의 균일성을 크게 향상시킬 수 있다.

이것은 결국 플라즈마 균일도로 이어져 전체적인 공정균일도를 향상시키게 된다.

또한 공정 조건이나 챔버 크기에 따라 분사홀 직경의 증가율이나 그룹설정, 그룹에 속하는 분사홀의 개수 등을 적절히 조절함으로써 공정특성을 향상시킬 수 있다.

Claims

기판이 놓여지는 기판안치대를 둘러싸며 하부에 배기구가 형성되어 있는 챔버의 내부로 공정가스를 공급하는 가스분사수단에 있어서,

상기 기판안치대의 주변부에서 중심부쪽으로 공정가스를 분사하는 다수의 분사홀을 구비하고, 상기 다수의 분사홀은 상기 배기구에 가까워질수록 직경이 점진적으로 커지는 것을 특징으로하는 가스분사수단
제1항에 있어서,

상기 챔버의 하부에 상기 배기구가 2개 이상 형성되는 경우에, 서로 인접한 상기 배기구의 중간 지점에 가까워질수록 상기 다수의 분사홀의 직경이 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 가스분사수단
제2항에 있어서,

상기 인접한 배기구 사이에 형성되는 상기 다수의 분사홀 각각의 직경 및 형상은 상기 중간 지점을 기준으로 서로 대칭적인 것을 특징으로 하는 가스분사수단
기판이 놓여지는 기판안치대를 둘러싸며 하부에 적어도 하나의 배기구가 형성되어 있는 챔버의 내부로 공정가스를 공급하는 가스분사수단에 있어서,

상기 기판안치대의 주변부에서 중심부쪽으로 공정가스를 분사하는 다수의 분사홀을 구비하고, 상기 다수의 분사홀을 상기 배기구로부터의 거리를 기준으로 다수의 그룹으로 분할하였을 때 상기 배기구로부터 가까운 그룹일수록 직경이 더 큰 분사홀을 가지는 것을 특징으로 하는 가스분사수단
제4항에 있어서,

상기 다수의 그룹 중에서 동일 그룹에 속하는 상기 다수의 분사홀의 직경 및 형상은 동일한 것을 특징으로 하는 가스분사수단
제4항에 있어서,

상기 챔버의 하부에 상기 배기구가 2개 이상 형성되어있는 경우에 서로 인접한 상기 배기구의 중간 지점에 가까운 그룹일수록 상기 다수의 분사홀의 직경이 작아지는 것을 특징으로 하는 가스분사수단
내부에 기판이 놓여지는 기판안치대를 포함하며 하부에 적어도 하나의 배기구를 가지는 챔버;

상기 기판안치대의 주변부에서 중심부쪽으로 공정가스를 분사하는 다수의 분사홀을 구비하고, 상기 다수의 분사홀은 상기 배기구에 가까워질수록 직경이 점진적으로 커지는 가스분사수단;

플라즈마 발생을 위하여 상기 챔버의 내부로 RF전력을 공급하는 RF전력공급수단;

을 포함하는 기판처리장치
내부에 기판이 놓여지는 기판안치대를 포함하며 하부에 적어도 하나의 배기구를 가지는 챔버 ;

상기 기판안치대의 주변부에서 중심부쪽으로 공정가스를 분사하는 다수의 분사홀을 구비하고, 상기 다수의 분사홀을 상기 배기구로부터의 거리를 기준으로 다수의 그룹으로 분할하였을 때 상기 배기구로부터 가까운 그룹일수록 직경이 더 큰 분사홀을 가지는 가스분사수단;

플라즈마 발생을 위하여 상기 챔버의 내부로 RF전력을 공급하는 RF전력공급수단;

을 포함하는 기판처리장치
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 가스분사수단은 상기 챔버의 측벽을 관통하여 설치되는 다수의 인젝터로서, 상기 인젝터는 상기 챔버의 중심에 대하여 대칭적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 기판처리장치
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 가스분사수단은 상기 기판안치대의 상부에 설치되는 링 인젝터로서, 상기 링 인젝터는 상기 기판안치대에 놓여지는 기판보다 큰 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 가스분사수단은, 상기 챔버의 측벽에 매설되고 상기 다수의 분사홀이 상기 챔버의 내부를 향하여 형성되어 있는 빌트인 인젝터인 것을 특징으로 하는 기판처리장치
제7항 또는 제8항에 있어서,

상기 가스분사수단의 상기 다수의 분사홀은 0.1mm 이상 1mm 이하의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 기판처리장치