KR20080071665A - 생산성 향상을 위한 가스공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 챔버 내부의 기판안치대의 상부에 위치하며, 서로 동일한 각도로 이격되어 상기 챔버의 중심에 대하여 방사상으로 배치되는 다수의 제1 인젝터; 상기 기판안치대의 상부에 위치하며, 서로 동일한 각도로 이격되어 상기 챔버의 중심에 대하여 방사상으로 배치되는 다수의 제2 인젝터를 포함하고, 상기 다수의 제1 인젝터와 상기 다수의 제2 인젝터는 서로 교대로 배치되어서 회전축에 의하여 회전가능한 것을 특징으로하는 가스공급장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 다수의기판을 한꺼번에 처리하는 세미배치 타입의 기판처리장치에서 소스가스와 반응가스가 분사되는 시간 간격을 줄임으로써 박막의 증착속도를 향상시켜 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한 소스가스와 반응가스의 분압 저하를 방지하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

화학기상증착장치, 가스공급장치

Description

생산성 향상을 위한 가스공급장치{Gas supply device for throughput improvement}

도 1은 종래 화학기상증착장치의 일 유형을 나타낸 단면도

도 2는 종래 화학기상증착장치의 다른 유형을 나타낸 단면도

도 3 및 도 4는 각각 종래 ALD 장치의 가스분사장치의 사시도 및 챔버리드와의 결합단면도

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착장치의 일 예를 나타낸 단면도

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인젝터의 구성을 나타낸 도면

도 7은 6개 인젝터가 배치된 모습을 나타낸 도면

도 8은 8개 인젝터를 등간격이 아니게 배치한 모습을 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 챔버 12: 챔버리드

14: 배기구 20: 기판안치대

50: 소스가스공급부 60: 반응가스공급부

100: 가스공급장치 110: 하우징

112: 제1 가스공급홀 114: 제2 가스공급홀

120: 회전축 122: 제1 내부유로

124: 제2 내부유로 130: 어댑터

132: 제1 연결포트 134: 제2 연결포트

136: 어댑터 유로 140: 제1 인젝터

150: 제2 인젝터

본 발명은 기판처리장치, 특히 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 장치의 가스공급장치 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 소스가스 인젝터와 다수의 반응가스 인젝터를 챔버의 중심에 대하여 방사상으로 교대로 배치하고 이들 인젝터를 회전할 수 있도록 설치한 가스공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자는 실리콘 기판 상에 회로패턴을 형성하는 공정과, 상기 공정을 마친 기판을 소정의 크기로 절단하여 에폭시 수지 등으로 봉지하는 패키징 공정 등을 거쳐 제조된다.

기판상에 회로패턴을 형성하기 위해서는 소정의 박막을 형성하는 박막증착공정, 증착된 박막에 포토레지스트를 도포하고 노광 및 현상을 통해 포토레지스터 패 턴을 형성하는 포토리소그래피 공정, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 박막을 패터닝하는 식각 공정, 기판의 소정 영역에 특정 이온을 주입하는 이온주입공정, 불순물을 제거하는 세정공정 등을 거쳐야 하고, 이러한 공정은 해당 공정을 위해 최적의 환경으로 설계된 챔버의 내부에서 진행된다.

이러한 공정에서 박막증착 공정을 수행하는 방법은 스퍼터링(Sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 PVD(Physical Vapor Deposition)법과 화학반응을 이용하는 CVD법으로 크게 구분되며, 최근에는 박막균일도 및 계단도포성(step coverage)이 우수한 CVD법이 많이 사용되고 있다.

CVD법은 다시 APCVD(Atmospheric pressure CVD), LPCVD(Low pressure CVD), PECVD(Plasma Enhanced CVD) 법 등으로 나눌 수 있다.

CVD법은 챔버의 내부로 소스가스와 반응가스를 분사하면, 상기 소스가스와 반응가스가 서로 반응하여 생성된 화합물이 기판의 표면에 증착하여 박막을 형성하는 방법이다.

예를 들어 반도체 소자를구성하는 전극이나 확산방지막의 용도로 많이 사용되는 TiN 박막을 증착하기 위해서는 소스가스인 TiCl₄와 반응가스인 NH₃를 챔버 내부로 순차적으로 또는 동시에 분사하여야 하며, 이때 TiCl₄와 NH₃ 이 반응하여 기판에 TiN 박막이 형성된다.

따라서 화학기상증착장치에서는 이와 같이 소스가스와 반응가스를 챔버 내부 로 분사하기 위한 가스공급장치를 반드시 구비하여야 하며, 이러한 가스공급장치에는 다음의 여러 가지 유형이 있다.

도 1은 흔히 샤워헤드라고 불리는 가스분배판(30)을 사용한 화학기상증착장치의 개략 단면도로서, 챔버리드(12)의 하부에 다수의분사홀을 가지는 가스분배판(30)을 설치하고, 상기 가스분배판(30)과 연통하는 가스공급관(40)을 외부의 소스가스공급부(50)와 반응가스공급부(60)에 연결한다.

따라서 공정순서에 따라 소스가스와 반응가스가 챔버(10)의 내부로 분사되면, 반응 결과물이 기판안치대(20)에 안치된 기판(s)에 증착하여 박막을 형성하게 되며, 잔류물질은 챔버(10) 하부의 배기구(14)를 통해서 배출된다.

도 2는 챔버(10)의 측벽을 관통하여 소스가스를 공급하는 다수의 제1 인젝터(52)와 반응가스를 공급하는 다수의 제2 인젝터(62)가 설치된 화학기상증착장치의 개략 단면도로서, 상기 다수의 제1 인젝터(52)와 다수의 제2 인젝터(62)는 기판안치대(20)를 중심으로 방사상으로 배치되되 소스가스공급부(50)에 연결된 다수의 제1 인젝터(52)와 반응가스공급부(60)에 연결된 다수의 제2 인젝터(62)가 서로 교대로 배치된다.

그런데 도 1과 도 2의 가스공급장치는 주로 1매의 기판에 대해 박막증착 공정을 진행하기 위하여 설계된 것으로서 4~5매의 기판을 한꺼번에 처리하는 세미배치(semi-batch) 타입의 화학기상증착장치에 적용하기에는 가스균일도를 확보하는데 어려움이 있다.

한편, 다수의 기판을 한꺼번에 처리하는 세미배치 타입은 원자층 증착장치에서 많이 사용되고 있는데, 도 3은 세미배치 방식의 원자층 증착장치에 사용되는 가스공급장치를 도시한 것으로서, 편의상 챔버와 기판안치대의 도시는 생략하였다.

상기 가스공급장치는 가스밸브어셈블리(70)와 그 하단에 결합하는 제1 내지 제4 인젝터(91,92,93,94)를 포함하며, 가스밸브어셈블리(70)는 도 4에 도시된 바와 같이 챔버(10)의 리드(12)에 고정된다.

가스밸브어셈블리(70)는 인젝터의 회전운동중에도 지속적으로 가스가 공급될 수 있도록 고안된 것으로서 가스공급로를 자동으로 개폐하는 밸브의 역할을수행할 수도 있다.

가스밸브어셈블리(70)는 원통형상의 하우징(72)과 하우징(72)의 내부를 상하로 관통하는 회전축(71)을 포함하여 구성되며, 회전축(71)의 내부에는 제1 내지 제4 내부유로(73a,73b,73c,73d)가 각각 형성되어 있다.

하우징(72)의 측면에는 회전축(71)의 상기 제1 내지 제4 내부유로(73a,73b,73c,73d)와 각각 연통되는 제1 내지 제4 가스공급홀(73,74,75,76)이 형성된다.

이때 상기 제1 내지 제4 가스공급홀(73,74,75,76)의 각각에는 제1 내지 제4 가스공급관(81,82,83,84)이 연결된다.

하우징(72)과 내주면과 회전축(71)의 외주면사이에는 회전축(71)의 상기 제1 내지 제4 내부유로(73a,73b,73c,73d)로 유입되는 가스가 서로 섞이지 않도록 격리하는 마그네틱 시일이 설치된다.

하우징(72)의 하부에는 챔버리드(12)와 체결되는 플랜지(72a)가 형성되며, 챔버리드(12)와 플랜지(72a)의 사이에는 진공시일을 위한 오링(16)이 설치된다.

회전축(71)의 상기 제1 내지 제4 내부유로(73a,73b,73c,73d)의 입구는 회전축(71)의 측부에 형성되고, 출구는 회전축(71)의 하단부에 형성된다.

회전축(71)의 하단부에는다수의 분사홀을 가지는 제1 내지 제4 인젝터(91,92,93,94)가 상기 제1 내지 제4 내부유로(73a,73b,73c,73d)와 각각 연통되도록 결합한다.

제1 내지 제4 인젝터(91,92,93,94)는 인접한 인젝터와 대략 90도의 각도만큼 이격되도록 설치되며, 따라서 회전축(71)이 회전하면 그 단부에 고정된상기 제1 내지 제4 인젝터(91,92,93,94)가 바람개비 모양으로 회전하게 된다.

이때 외부의 제1 내지 제4 가스공급관(81,82,83,84)을 통해서 소스가스, 퍼지가스, 반응가스, 퍼지가스를 각각 공급하면, 각 인제터가 회전하면서 각 기판(w)의 상부로 소스가스, 퍼지가스, 반응가스, 퍼지가스가 순차적으로 분사되어 원자층 공정이 수행된다.

그런데 원자층 증착장치의 가스공급장치에서는 단위 기판상에 소스가스 또는 반응가스가 분사되기 전후에 퍼지가스가 분사되기 때문에 소스가스 또는 반응가스 가 희석되어 분압(partial pressure)이 낮아지게 된다.

따라서 이러한 가스분사장치를 일반적인 화학기상증착장치에 사용하면 증착속도가 낮아서 생산성면에서 매우 불리하다.

또한 소스가스용의 제1 인젝터(31)와 반응가스용의 제2 인젝터(32)가 약 180도 정도 이격되어 있기 때문에 기판상에 소스가스가 분사된 이후에 반응가스가 분사되기까지 장시간이 소요되어 생산성을 높이는데 어려움이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다수의 기판을 한꺼번에 처리하는 세미배치 타입의 기판처리장치에서 박막 증착속도를 향상시킬 수 있는 가스공급장치를 제공하는데 목적이 있다.

구체적으로는 소스가스와 반응가스가 분사되는 시간 간격을 줄임으로써 증착속도를 향상시킬 수 있는 가스공급장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한 소스가스와 반응가스의 분압 저하를 방지하여 생산성을 향상시킬 수 있는 가스공급장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을달성하기 위해, 챔버와 상기 챔버의 내부에 위치하며 다수의 기판을 안치하는 기판안치대를 포함하는 기판처리장치에 사용되는 가스공급장치에 있어서, 상기 챔버를 관통하여 설치되며, 소스가스용 제1 내부유로와 반응가스용 제2 내부유로를 가지는 회전축; 상기 기판안치대의 상부에 위치하며, 상기 회전축의 상기 제1 내부유로와 연통하며 상기 챔버의 중심에 대하여 방사상으로 배치되는 다수의 제1 인젝터; 상기 기판안치대의 상부에 위치하며, 상기 회전축의 상기 제2 내부유로와 연통하며 상기 챔버의 중심에 대하여 방사상으로 배치되는 다수의 제2 인젝터를 포함하고, 상기 다수의 제1 인젝터와 상기 다수의 제2 인젝터는 서로 교대로 배치되며, 서로 인접한 상기 제1 인젝터와 상기 제2 인젝터의 사이에는 다른 인젝터가 개재되지 않는것을 특징으로 하는 가스공급장치를 제공한다.

상기 다수의 제1 인젝터는 서로 동일한 각도로 이격되어 설치되고, 상기 다수의 제2 인젝터도 서로 동일한 각도로 이격되어 설치될 수 있다.

상기 회전축은, 상기 챔버의 리드에 고정되고 소스물질이 공급되는 제1 가스공급홀과 반응물질이 공급되는 제2 가스공급홀을 구비하는 하우징을 관통하여 설치되고, 상기 하우징과 상기 회전축의 사이에는 상기 제1 가스공급홀과 상기 제1 내부유로를 연결시키고, 상기 제2 가스공급홀을 상기 제1 내부유로에 대해 격리하면서 상기 제2 내부유로와 연통시키는 시일수단이 설치될 수 있다.

상기 시일수단은 마그네틱시일 또는 립시일일 수 있다.

또한, 상기 회전축의 하단에는 상기 제1 내부유로와 연통하는 다수의 제1 연결포트와 상기 제2 내부유로와 연통하는 다수의 제2 연결포트를 가지는 어댑터가 연결되고, 상기 다수의 제1 인젝터는 상기 다수의 제1 연결포트에 일대일로 결합되고, 상기 다수의 제2 인젝터는 상기 다수의 제2 연결포트에 일대일로 결합될 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 기판처리장치, 구체적으로는 화학기상증착장치를 나타낸 단면도로서, 일정한 반응공간을 형성하는 챔버(10)의 내부에 다수의 기판을 한꺼번에 안치할 수 있는 기판안치대(20)를 구비하는 세미배치 타입의 기판처리장치를 도시하고 있다.

본 발명의 실시예에 따른가스공급장치는 챔버(10) 내부의 기판안치대(20)의 상부에서 수평방향으로 회전하는 다수의 인젝터(140,150)를 포함하며, 특히 챔버(10)를 관통하여 설치되는 회전축(120)에 소스가스용인 다수의 제1 인젝터(140)와 반응가스용인 다수의 제2 인젝터(150)를 연결한다.

이때 제1 인젝터(140)와 제2 인젝터(150)를 서로 교대로 배치한 점에 특징이 있으며, 별도의 퍼지가스용 인젝터를 구비하지 않는 점이 종래의 ALD장치에 사용되는 가스공급장치와 다르다.

상기 다수의 제1 인젝터(140) 및 다수의 제2 인젝터(150)가 회전하면서도 외부의 소스가스공급부(50) 또는 반응가스공급부(60)와 연통상태를 유지하기 위해서 가스밸브 어셈블리(100)를 사용한다.

상기 가스밸브 어셈블리(100)는 도 5에 도시된 바와 같이 챔버리드(12)에 고정되는 하우징(110)과 상기 하우징(110)을 관통하여 설치되는 회전축(120)을 포함하며, 챔버(10)의 내부에 위치하는 회전축(120)의 단부에 상기 다수의 제1 인젝 터(140) 및 상기 다수의 제2 인젝터(150)가 연결된다.

하우징(110)에는 제1 가스공급홀(112)과 제2 가스공급홀(114)이 형성되며, 제1 가스공급홀(112)은 제1 가스공급관(210)에 의해 외부의 소스가스공급부(50)와 연결되고, 제2 가스공급홀(114)은 제2 가스공급관(220)에 의해 반응가스공급부(60)와 연결된다.

회전축(120)은 내부에 상기 제1 가스공급홀(112)과 연통하는 제1 내부유로(122)와 상기 제2 가스공급홀(114)과 연통하는 제2 내부유로(124)를 구비한다.

이때 하우징(110)의 제1 가스공급홀(112)을 통해 공급되는소스가스가 제2 가스공급홀(114)를 통해 공급되는 반응가스와 섞이지 않아야 하므로 회전축(120)의 외주면과 하우징(110)의 내주면 사이에는 다수의 시일수단(116)을 설치하여 각 가스공급홀(112,114)을 상하로 격리함으로써 환형의 유로가 형성되도록 하여야 한다.

이때 사용되는 시일수단(116)에는 마그네틱 시일이나 립 시일 등이 있다.

이를 통해 제1 가스공급홀(112)을 통해 유입된 소스가스는 제1 내부유로(122)를 통해 챔버 내부로 인입되고, 제2 가스공급홀(114)을 통해 유입된 소스가스는 제2 내부유로(124)를 통해 챔버 내부로 인입된다.

한편 상기 다수의 제1 인젝터(140) 및 상기 다수의 제2 인젝터(150)를 회전축(120)의 단부에 직접 연결하면 회전축(120)의 내부에 상기 다수의 제1 인젝터(140) 및 상기 다수의 제2 인젝터(150)의 각각과 일대일로 대응하는 다수의 내부유로를 형성하여야 하므로 제조단가가 높아지게 된다.

따라서 도시된 바와 같이 회전축(120)의 내부에는 제1 내부유로(112)와 제2 내부유로(114)만을 형성하고, 회전축(120)의 단부에 별도의 어댑터(130)를 결합하고 상기 어댑터(130)에 다수의 제1 인젝터(140)와 다수의 제2 인젝터(150)를 결합하는 것이 바람직하다.

상기 어댑터(130)는 도 6에 도시된 바와 같이 측면쪽에 제1 인젝터(140)를 결합하는 다수의 제1 연결포트(132)와 제2 인젝터(140)를 결합하는 다수의 제2 연결포트(134)를 형성하고, 어댑터(130)의 내부에는 도 5에 도시된 바와 같이 어댑터유로(136)가 형성된다.

상기 어댑터(130)에서 회전축(120)과 접하는 상면에는 상기 회전축(120)의 제1 내부유로(122) 및 제2 내부유로(124)와 각각 연통하는 2개의 홀(138a, 138b)이 형성된다.

상기 어댑터유로(136)는 하나의 홀(138a)과 4개의 제1 연결포트(132)를 연결하기 위해 상기 어댑터(130)의 내부에 형성되는 제1 유로와 나머지 하나의 홀(138b)과 4개의 제2 연결포트(134)를 연결하기 위해 상기 어댑터(130)의 내부에 형성되는 제2 유로로 이루어진다.

한편, 도 6에서는 4개의 제1 인젝터(140)와 4개의 제2 인젝터(150)가 서로 교대로 등간격으로 배치됨으로써, 제1 인젝터(140)와 상기 제1 인젝터(140)에 인접한 제2 인젝터(150)는 대략 45도의 간격으로 배치되었음을 알 수 있다.

이와 같은 가스분사장치에서 회전축(120)이 회전하면 하부에 놓인 각 기 판(s)에 대하여 소스가스와 반응가스가 순차적으로 분사되어 박막증착이 이루어지며, 특히 소스가스와 반응가스만이 교대로 분사되기 때문에 퍼지가스로 인한 분압저하가 방지되어 박막증착속도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.

처리할 기판의 크기나 공정조건에 따라서는 도 7에 도시된 바와 같이 3개의 제1 인젝터(140)와 3개의 제2 인젝터(150)를 서로 교대로 등간격으로 배치할 수도 있다. 이 경우에는 제1 인젝터(140)와 상기 제1 인젝터(140)에 인접한 제2 인젝터(150)의 간격이 대략 60도 정도가 된다. 물론 8개 이상의 인젝터가 설치될 수도 있다.

한편 각 기판에 대한 소스가스의 분사시간은 서로 동일한 것이 바람직하고, 각 기판에 대한 반응가스의 분사시간도 서로 동일한 것이 바람직하다.

그러나 각 기판에 대한 소스가스의 분사시간과 반응가스의 분사시간이 반드시 동일할 필요는 없다. 따라서 도 8과 같이 예를 들어 총 8개의 인젝터가 설치될 때 제1 인젝터(140)와 제2 인젝터(150)의 사이각(θ)이 45도 보다 작을 수도 있다.

이 경우 인젝터(140,150)가 반시계방향으로 회전하면, 각 기판에 대하여 제1 인젝터(140)가 소스가스를 분사하는 시간보다 제2 인젝터(150)가 반응가스를 분사하는 시간이 더 길어지게 된다.

이때에도 각 기판(w)마다 그 상부에 소스가스가 분사되는 시간은 모두 동일하고, 반응가스가 분사되는 시간도 모두 동일하므로 각 기판(w)에 대한 공정은 동 일한 재현성을 가지고 진행되게 된다.

이와 반대로 제1 인젝터(140)와 제2 인젝터(150)의 사이각(θ)이 45도 보다 클 수도 있으며, 이 경우 각 인젝터(140,150)가 반시계방향으로 회전하면 각 기판에 대하여 제1 인젝터(140)가 소스가스를 분사하는 시간이 제2 인젝터(150)가 반응가스를 분사하는 시간보다 더 길어지게 된다.

본 발명에 따르면 다수의기판을 한꺼번에 처리하는 세미배치 타입의 기판처리장치, 특히 화학기상증착장치에서 소스가스와 반응가스가 분사되는 시간 간격을 줄임으로써 박막의 증착속도를 향상시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한 소스가스와 반응가스의 분압 저하를 방지하여 생산성을 향상시킬 수 있고, 가스의 분사균일도를 향상시켜 공정균일도를 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따르면회전형 인젝터를 사용하여 원자층 증착공정을 수행하므로 단차 피복성이 우수하다는 특징을 가질 뿐만 아니라 퍼지포트가 생략되기 때문에 소스가스와 반응가스간의 반응이 신속히 이루어져 증착속도가 증가되어 생산성이 향상된다는 장점을 가진다.

Claims (5)

1. 챔버와 상기 챔버의 내부에 위치하며 다수의 기판을 안치하는 기판안치대를 포함하는 기판처리장치에 사용되는 가스공급장치에 있어서,

   상기 챔버를 관통하여 설치되며, 소스가스용 제1 내부유로와 반응가스용 제2 내부유로를 가지는 회전축;

   상기 기판안치대의 상부에 위치하며, 상기 회전축의 상기 제1 내부유로와 연통하며 상기 챔버의 중심에 대하여 방사상으로 배치되는 다수의 제1 인젝터;

   상기 기판안치대의 상부에 위치하며, 상기 회전축의 상기 제2 내부유로와 연통하며 상기 챔버의 중심에 대하여 방사상으로 배치되는 다수의 제2 인젝터;

   를 포함하고, 상기 다수의 제1 인젝터와 상기 다수의 제2 인젝터는 서로 교대로 배치되며, 서로 인접한 상기 제1 인젝터와 상기 제2 인젝터의 사이에는 다른 인젝터가 개재되지 않는 것을 특징으로 하는 가스공급장치
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 제1 인젝터는 서로 동일한 각도로 이격되어 설치되고, 상기 다수의 제2 인젝터도 서로 동일한 각도로 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 가스공급장치
3. 제1항에 있어서,

   상기 회전축은, 상기 챔버의 리드에 고정되고 소스물질이 공급되는 제1 가스공급홀과 반응물질이 공급되는 제2 가스공급홀을 구비하는 하우징을 관통하여 설치되고,

   상기 하우징과 상기 회전축의 사이에는 상기 제1 가스공급홀과 상기 제1 내부유로를 연결시키고, 상기 제2 가스공급홀을 상기 제1 내부유로에 대해 격리하면서 상기 제2 내부유로와 연통시키는 시일수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 가스공급장치
4. 제3항에 있어서,

   상기 시일수단은 마그네틱시일 또는 립시일인 것을 특징으로 하는 가스공급장치
5. 제1항에 있어서,

   상기 회전축의 하단에는 상기 제1 내부유로와 연통하는 다수의 제1 연결포트와 상기 제2 내부유로와 연통하는 다수의 제2 연결포트를 가지는 어댑터가 연결되고,

   상기 다수의 제1 인젝터는 상기 다수의 제1 연결포트에 일대일로 결합되고, 상기 다수의 제2 인젝터는 상기 다수의 제2 연결포트에 일대일로 결합되는 것을 특징으로 하는 가스공급장치

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