KR20090055346A

KR20090055346A - 노즐 유닛 및 그 유닛을 갖는 원자층 증착 설비

Info

Publication number: KR20090055346A
Application number: KR1020070122222A
Authority: KR
Inventors: 박용성; 김기훈
Original assignee: 국제엘렉트릭코리아 주식회사
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-06-02
Also published as: KR100965401B1

Abstract

본 발명은 원자층 증착 (Atomic Layer Deposition; ALD) 설비에 관한 것으로, 원자층 증착 설비는 복수의 기판들이 수납되는 보우트가 수용되는 공정튜브; 상기 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리; 상기 공정튜브 안으로 상기 기판 표면에 박막을 형성하기 위한 가스들을 공급하는 노즐; 및 상기 히터 어셈블리의 복사열로 인한 상기 노즐의 온도 상승을 방지하기 위한 열방출부재를 포함한다.

상술한 구성을 갖는 원자층 증착 설비는 노즐의 온도 상승을 억제하여 노즐을 통해 분사되는 제2가스가 기판에 도달하기 전 열분해되는 것을 예방함으로써 기판에 형성되는 산화막 품질을 향상시킬 수 있는 각별한 효과를 갖는다.

원자층, 증착, 보우트, 열방출부재

Description

노즐 유닛 및 그 유닛을 갖는 원자층 증착 설비{NOZZLE UNIT AND EQUIPMENT FOR ATOMIC LAYER DEPOSITION HAVING THE UNIT}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 설비의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다.

도 2는 공정 튜브에 설치된 노즐 유닛의 분해 사시도이다.

도 3은 노즐 유닛의 사시도이다.

도 4는 도 3에 표시된 a-a 선을 따라 절취한 노즐 유닛의 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 공정 튜브

200 : 보우트

300 : 노즐 유닛

310 : 노즐

320 : 열방출부재

본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 노즐 유닛 과 배치식의 원자층 증착 (Atomic Layer Deposition; ALD) 설비에 관한 것이다.

디바이스(Device)가 점점 고집적화됨에 따라 불순물이 적고 우수한 스텝 커버리지(step coverage)를 가지는 박막 증착이 요구되어지고 있다. 박막의 증착 방법으로는 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition)등 여러 방식이 있으며 또한 많이 사용되어지고 있다. 이 중 원자층 증착법의 경우 불순물의 유입을 최대한 억제하고 균일한 두께의 박막을 증착하기 위해 많이 사용되어 지고 있다.

그러나, 이러한 원자층 증착 장치에서, 노즐은 석영 재질로 되어있어 기판을 가열시키는 히터로부터의 복사열로 인하여 가열되며, 노즐을 통하여 기판으로 제공되는 반응 가스도 가열되고, 가열되어진 반응 가스는 열분해되어 기판으로 공급된다.

상기와 같은 현상은 일반적인 LP-CVD 방식에서는 차가운 반응 가스가 기판에 공급되기 전에 프리 히팅(예비가열)의 효과가 있어서 가스 화학 반응에 유효하게 작용한다. 하지만, 원자층 증착 방식의 박막 공정 중 특히 금속 산화막 형성에 있어서 산화 가스로 사용되는 오존 가스의 경우 열로 인하여 열분해가 일어나게 되면 기판으로 공급되는 오존의 농도와 라이프 타임이 저하되어 산화막 품질의 저하를 초래하게 된다.

본 발명의 목적은 오존 가스 등 열에 취약한 가스의 안정적인 공급이 가능한 노즐 유닛 및 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 노즐의 온도 상승을 방지할 수 있는 노즐 유닛 및 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 반도체 제조를 위한 노즐유닛은 기판으로 가스를 공급하는 노즐; 및 상기 노즐을 감싸도록 설치되고, 상기 노즐이 복사열로 인해 가열되지 않도록 상기 노즐로 제공되는 복사열을 흡수하여 방열하는 열방출부재를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 열방출부재는 상기 노즐이 수납되는 공간을 갖는 보호관; 및 상기 보호관의 열기를 방열하는 방열부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 보호관은 히트파이프로 이루어진다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 보호관은 상기 노즐로부터 분사되는 가스가 상기 기판으로 제공되도록 개구를 갖는 히트파이프를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방열부는 다수의 방열핀들을 갖는 방열블럭을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 방열부는 상기 방열블럭에 설치되는 방열팬을 더 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 열방출부재는 상기 방열부의 신속한 냉각을 위해 상기 방열부로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부를 더 포함한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비는 복수의 기판들이 수납되는 보우트가 수용되는 공정튜브; 상기 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리; 상기 공정튜브 안으로 상기 기판 표면에 박막을 형성하기 위한 가스들을 공급하는 노즐; 및 상기 히터 어셈블리의 복사열로 인한 상기 노즐의 온도 상승을 방지하기 위한 열방출부재를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 열방출부재는 히트파이프를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 열방출부재는 상기 공정 튜브 내에 위치되며, 상기 노즐이 위치되는 내부 공간을 갖는 보호관; 및 상기 공정 튜브의 외부에 위치되며 상기 보호관의 열기를 방열하는 방열부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 보호관은 상기 노즐로부터 분사되는 공정가스가 상기 웨이퍼 보우트를 향하도록 개구를 포함한다.

예컨대, 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등 은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 4에 의거하여 상세히 설명한다. 또, 상기 도면들에서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다.

본 발명의 기본적인 특징은 오존 가스 등의 열에 취약한 가스의 안정적인 공급을 위해 노즐의 온도 상승을 방지할 수 있는 노즐 유닛을 갖는데 그 특징이 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 원자층 증착 설비(10)는 복수의 기판(w)들이 적재되는 보우트(200), 이 보우트(120)가 수용되는 내측튜브(102)와 외측튜브(104)를 갖는 공정 튜브(100), 공정튜브(100)를 둘러싸고 있는 히터 어셈블리(110), 보우트(200)를 지지하고 공정 튜브(100)의 플랜지(120)에 결합되는 시일 캡(210) 그리고 공정튜브(100)로 기판 표면에 박막 증착에 기여하는 가스들을 공급하는 노즐 유닛(300)을 포함한다.

-공정 튜브-

공정 튜브(100)는 돔 형상의 원통관 형상으로 이루어진다. 공정 튜브(100)는 웨이퍼(w)가 적재된 보우트(200)가 로딩되어 웨이퍼들 상에 원자층 증착 공정이 진행되는 내부 공간을 제공한다. 공정 튜브(100)는 높은 온도에서 견딜 수 있는 재 질, 예컨대 석영으로 제작될 수 있다.

공정튜브(100)의 플랜지(120) 일측에는 내부를 감압시키기 위해 내부 공기를 강제 흡입하여 배기하기 위한 배기 포트(122)가 마련되어 있고, 그 배기구(122) 반대편에는 공정 튜브(100) 내부로 공정 가스를 주입하기 위한 노즐 유닛(300)이 설치되어 있다. 배기 포트(122)는 공정시 공정 튜브(100) 내 공기를 외부로 배출시키기 위해 제공된다. 배기 포트(122)는 배기라인(미도시됨)과 연결되며, 배기 포트(122)를 통해 공정 튜브(100)로 공급되는 공정 가스의 배기 및 내부 감압이 이루어진다.

-보우트-

보우트(200)는 50장(또는 그 이상)의 웨이퍼들이 삽입되는 슬롯들을 구비한다. 보우트(200)는 시일캡 상에 장착되며, 시일 캡(210)은 엘리베이터 장치인 구동부(230)에 의해 공정 튜브(100) 안으로 로딩되거나 또는 공정 튜브(100) 밖으로 언로딩된다. 보우트(200)가 공정 튜브(100)에 로딩되면, 시일캡(210)은 공정 튜브(100)의 플랜지(120)와 결합된다. 한편, 공정 튜브(100)의 플랜지(120)와 시일 캡(210)이 접촉하는 부분에는 실링(sealing)을 위한 오-링(O-ring)과 같은 밀폐부재가 제공되어 공정가스가 공정 튜브(100)와 시일 캡(210) 사이에서 새어나가지 않도록 한다.

도 2는 공정 튜브에 설치된 노즐 유닛의 분해 사시도이다. 도 3은 노즐 유닛 의 사시도이다. 도 4는 도 3에 표시된 a-a 선을 따라 절취한 노즐 유닛의 단면도이다.

-노즐 유닛-

노즐 유닛(300)은 노즐(310) 및 열방출부재(320)를 포함한다.

도 1을 참조하면, 노즐(310)은 박막 형성을 위한 제1가스(기판 표면에 전구체막을 형성하기 위한 가스)와 제2가스(상기 전구체막을 산화시켜 금속 산화막을 형성하기 위한 산화제, 주로 오존이 사용됨)를 순차적으로 보우트(200)에 적재된 웨이퍼들로 분사한다. 노즐(310)은 외부의 가스 공급부(316)를 통해 제1가스(x1)와 제2가스(x2)를 순차적으로 제공받는다. 예컨대, 제2가스(x2)는 산소 라디칼을 발생시킬 수 있는 활성화된 산화제를 포함하는 하나 이상의 산화제를 포함할 수 있다. 활성화된 산화제는 플라즈마 생성기에 의해 형성된 오존(O3), 플라즈마 O2, 리모트 플라즈마 O2 및 플라즈마 N2O를 포함할 수 있다. 노즐(310)의 분사구(312)들은 보우트(200)에 놓여진 기판들 사이 사이로 가스를 분사할 수 있도록 배치됨으로써, 기판 상의 반응성을 향상시키고 가스의 사용량을 최적화하여 불필요한 가스의 소모량을 줄일 수 있다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 열방출부재(320)는 노즐(310)이 히터 어셈블리(110)로부터 제공되는 복사열로 인해 가열되는 것을 방지하기 위한 것으로, 열방출부재(320)는 노즐(310)로 제공되는 복사열을 흡수하여 공정 튜브(100) 밖에서 방출시킨다. 열방출부재(320)는 보호관(322)과, 방열부 그리고 냉각수 공금부를 포함한다.

보호관(322)은 노즐(310)을 보호하는 형태로 그 내부에 노즐(310)이 수납되는 공간을 갖으며, 기판과 마주하는 일면에 개구(324)를 갖는다. 이 개구(324)는 노즐(310)의 분사구(312)로부터 분사되는 가스가 기판으로 제공되도록 슬롯 형태로 형성된다. 보호관(322)은 노즐(310)을 감싸도록 형성되며, 제작의 편의를 위해 제1몸체(322a)와 제2몸체(322b)로 제작되어 조립된다. 제1몸체(322a)와 제2몸체(322b)는 내부에 작동유체(전도 매체)가 들어 있는 히트 파이프로 이루어진다.

참고로, 히트파이프는 각종의 전자기기 등에 있어서 고온이 되는 전원부 등으로부터 방열수단으로 열전도를 행하기 위해서 일반적으로 채용되는 부재이며, 열전도율이 우수한 동등한 금속제 파이프재 내부를 배기한 상태에서 소정의 온도에서 기화하는 물 등의 전도 매체를 봉입해서 구성되고, 고능률의 열전도 능력을 가지고 있다. 이러한 특성을 갖는 보호관(322)은 내부에 노즐(310)이 수납된 상태로 공정 튜브(100)의 내부에 설치되며, 보호관(322)은 하단은 공정 튜브(100) 밖으로 노출되어 방열부와 접속된다.

보호관(322)은 히터 어셈블리(110)로부터 복사열을 받아 내부에 봉인된 전도 매체(작동유체)가 액체로부터 기체로 기화되고, 기화된 전도 매체는 보호관(322)의 저온측(공정 튜브 밖에 위치되며 방열부에 접속되어 있는 부분)으로 이동되어 냉각됨으로써 응축열을 방출하여 액화된다. 그리고 액화된 전도매체는 보호관(322)의 고온측(히터 어셈블리로부터 복사열을 받는 부분)으로 이동하여 보호관(322) 내부의 순환이 이루어짐으로써 고능률의 열전도 작용을 발휘하게 된다.

보호관(322)의 구조에 대해 간략히 설명하면, 공정 튜브(100)의 내측에 위치 되어 히터 어셈블리(110)로부터 복사열이 가해지는 증발부분(a)과, 공정 튜브(100)의 외측에 위치되어 방열부(330)에 의해 응축열을 방출하는 응축부분(b)으로 구분되며, 증발부분(a)으로 열이 가해지면 작동유체가 동작하며 기화하여 응축부분(b)으로 열을 전달하고 작동유체는 액화되어 다시 증발부분(a)으로 돌아오게 된다. 이러한 일련의 과정을 반복하면서 노즐(310)로 제공될 복사열을 전도시킴으로써 냉각효과를 발휘한다.

방열부(330)는 보호관(322)의 응축부분(b)에 설치되어 보호관(322)의 열기를 방열하게 된다. 방열부(330)는 외주면에 복수의 방열핀(334)들을 갖는 방열블럭(332)(히트싱크라고도 함)과, 방열블럭(332)에 설치되는 방열팬(336)을 포함한다. 방열부(330)는 방열팬(336)을 설치하여 방열 효율의 향상을 도모할 수 있다. 방열부(330)는 방열팬(336)에 의해 송풍을 행함으로써, 방열블럭(332)의 방열핀(334) 표면으로부터의 방열 촉진이 향상되게 된다.

냉각수 공급부(340)는 방열부(330)의 방열 효율을 향상시키기 위한 것으로, 냉각수 공급부(340)는 방열블럭(332)에 형성된 냉각수 유로(338)로 냉각수를 공급하여 보다 신속한 방열 효율을 기대할 수 있다.

상술한 구성을 갖는 노즐 유닛(300)은 히터 어셈블리(110)로부터 제공되는 복사열로 인한 공정 튜브(100) 내부의 온도가 고온이 되더라도 보호관(322)을 통해 노즐(310)로 제공되는 복사열을 신속히 외부로 방출하여 노즐의 온도를 보호관(322)의 설정 온도로 유지할 수 있다. 예컨대, 보호관의 내부 유체의 종류 내부 압력에 따라 보호관의 설정 온도가 결정될 수 있다. 이처럼, 열방출부재(320)는 노 즐(310)의 온도 상승을 억제하여 노즐(310)을 통해 분사되는 제2가스(상기 전구체막을 산화시켜 금속 산화막을 형성하기 위한 산화제, 주로 오존이 사용됨)가 기판에 도달하기 전 열분해되는 것을 예방함으로써 기판에 형성되는 산화막 품질을 향상시키고 공급가스의 사용량을 감소시켜 원가 절감 등의 효과를 볼 수 있다.

참고로, 아래 표1은 온도에 따른 오존의 라이프 타임을 보여주는 표이다.

온도	O3 라이프 타임
-50℃	∼3달
-25℃	∼18일
20℃	∼3일
250℃	∼1.5초

상기와 같이, 노즐(310)의 온도가 높을수록 오존 가스의 경우 열로 인한 열분해가 일어나서 기판으로 공급되는 오존의 농도와 라이프 타임이 떨어지게 된다. 하지만, 본 발명에서는 열방출부재에 의해 노즐의 온도 상승을 방지하기 때문에 오존 가스등이 기판에 도달하기 전 열분해되는 것을 방지하게 된다.

이상에서, 본 발명에 따른 퍼니스형 반도체 설비의 구성 및 작용을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 히터 어셈블리로부터 제공되는 복사열로 인한 공정 튜브 내부의 온도가 고온이 되더라도 보호관을 통해 노즐로 제공되는 복사열을 신속히 외부로 방출하여 노즐의 온도를 보호관의 설정 온도로 유지할 수 있는 각별한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 보호관의 내부 유체의 종류 내부 압력에 따라 보호관의 설정 온도를 결정할 수 있는 각별한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 노즐의 온도 상승을 억제하여 노즐을 통해 분사되는 제2가스가 기판에 도달하기 전 열분해되는 것을 예방함으로써 기판에 형성되는 산화막 품질을 향상시킬 수 있는 각별한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 노즐을 통해 공급되는 오존의 농도와 라이프 타임을 향상시킬 수 있는 각별한 효과를 갖는다.

Claims

반도체 제조를 위한 노즐유닛에 있어서:

기판으로 가스를 공급하는 노즐; 및

상기 노즐을 감싸도록 설치되고, 상기 노즐이 복사열로 인해 가열되지 않도록 상기 노즐로 제공되는 복사열을 흡수하여 방열하는 열방출부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
제1항에 있어서,

상기 열방출부재는

상기 노즐이 수납되는 공간을 갖는 보호관; 및

상기 보호관의 열기를 방열하는 방열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
제2항에 있어서,

상기 보호관은 히트파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
제2항에 있어서,

상기 보호관은

상기 노즐로부터 분사되는 가스가 상기 기판으로 제공되도록 개구를 갖는 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
제2항에 있어서,

상기 방열부는

다수의 방열핀들을 갖는 방열블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
제6항에 있어서,

상기 방열부는

상기 방열블럭에 설치되는 방열팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
제2항에 있어서,

상기 열방출부재는

상기 방열부의 신속한 냉각을 위해 상기 방열부로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 노즐유닛.
반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비에 있어서:

복수의 기판들이 수납되는 보우트가 수용되는 공정튜브;

상기 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리;

상기 공정튜브 안으로 상기 기판 표면에 박막을 형성하기 위한 가스들을 공급하는 노즐; 및

상기 히터 어셈블리의 복사열로 인한 상기 노즐의 온도 상승을 방지하기 위한 열방출부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
제8항에 있어서,

상기 열방출부재는 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
제8항에 있어서,

상기 열방출부재는

상기 공정 튜브 내에 위치되며, 상기 노즐이 위치되는 내부 공간을 갖는 보호관; 및

상기 공정 튜브의 외부에 위치되며 상기 보호관의 열기를 방열하는 방열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
제10항에 있어서,

상기 보호관은 히트파이프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
제10항에 있어서,

상기 보호관은

상기 노즐로부터 분사되는 공정가스가 상기 웨이퍼 보우트를 향하도록 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
제10항에 있어서,

상기 방열부는

다수의 방열핀들을 갖는 방열블럭을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
제13항에 있어서,

상기 방열부는

상기 방열블럭에 설치되는 방열팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.
제10항에 있어서,

상기 열방출부재는

상기 방열부의 신속한 냉각을 위해 상기 방열부로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조를 위한 원자층 증착 설비.