KR20110077573A - 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 기상 증착 장치에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 MOCVD 또는 PECVD와 같은 화학 기상 증착 장치에 있어서 샤워 헤드로부터 공급되는 공정 가스가 기판 홀더에 안착된 기판 상부로 균일하게 공급되도록 챔버 내에서 회전 구동되는 회전 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치에 대한 것이다.

본 발명은, 화학 기상 증착을 위한 공정 챔버; 상기 공정 챔버의 상부에 구비되어 공정 가스를 공급하는 샤워헤드; 상기 공정 챔버 내에 구비되며 적어도 하나의 기판을 안착하는 기판 홀더; 및 상기 기판 홀더의 중앙 상부에 구비되며 회전 구동되는 회전 부재를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.

화학기상증착, CVD, 샤워 헤드, 반응 챔버, 균일도

Description

화학 기상 증착 장치{Chemical Vapor Deposition Device}

본 발명은 화학 기상 증착 장치에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 MOCVD 또는 PECVD와 같은 화학 기상 증착 장치에 있어서 샤워 헤드로부터 공급되는 공정 가스가 기판 홀더에 안착된 기판 상부로 균일하게 공급되도록 챔버 내에서 회전 구동되는 회전 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치에 대한 것이다.

반도체 공정에 있어서 원하는 재료를 기판 상에 증착시키는 박막 증착 공정은 크게 물리 증착(Physical Vapor Deposition : PVD) 공법과 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition : CVD) 공법으로 구분된다. 여기서 CVD 공법은 공정 가스를 반응 챔버로 공급하여 열이나 플라즈마를 이용하여 공정 가스를 화학적으로 반응시켜 기판에 증착시키는 공법이다. 한편, 유기금속 화학 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공법은 전구체(precursor)로 유기 금속 화합물을 사용하여 유기 금속 화합물을 캐리어 가스로 반응 챔버로 공급한 후 가열된 기판 표면에 유기 금속 화합물 박막을 성장시키는 공법이다.

CVD 공정을 수행하기 위한 CVD 장치에 있어서 공정 가스를 공정 챔버(process chamber) 내로 공급하는 방식이 중요하다. 이는 공정 챔버 내에서의 공 정 가스의 유체 역학적 흐름이 박막 증착에 큰 영향을 미치기 때문이다. 이와 관련하여 CVD 장치의 공정 챔버 내로 공정 가스를 공급하는 방식으로서 샤워헤드(showerhead)를 사용하는 CVD 장치가 PECVD나 MOCVD 공정에서 많이 사용되고 있다. 샤워헤드 방식의 CVD 장치는 넓은 면적에 균일하게 기체를 분사시킬 수 있어서 공정 챔버의 기판 상에 높은 균일도(uniformity)를 생성할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 일반적인 화학 기상 증착 장치를 설명하기 위한 개략도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 CVD 장치는 증착 공정이 수행되는 내부가 밀폐된 공정 챔버(10)와, 공정 가스를 공정 챔버(10)의 반응 공간으로 공급하는 샤워헤드(20)와, 기판(W)이 안착된 기판 홀더(30)를 포함한다.

샤워헤드(20)는 공정가스 주입부(12)로부터 주입된 공정 가스를 공정 챔버(10)의 반응 공간으로 공급하는 다수의 공정가스 공급홀(22)을 구비한다. 경우에 따라서는 샤워헤드(20)에 공정가스 공급홀(22) 대신 다공성 물질로 채워지기도 한다. 기판 홀더(30)에는 기판(W)이 안착되는데, 면적인 큰 단일 기판 또는 복수의 기판(W)이 기판 홀더(30)에 안착된다. 지지 로드(32)는 기판 홀더(30)의 중앙 하부에 구비되어 기판 홀더(30)를 지지한다. 공정 챔버(10)의 하부 또는 측부에는 가스 배출부(14)가 구비되어 공정 챔버(10) 내의 공정 가스를 외부로 배출한다.

한편, 샤워헤드 구성과 관련하여 미국 특허공보 제5,871,586호(1999.02.16. 등록)는 별도의 인렛으로 별도의 공정 가스를 각각 공급하고 공급된 공정 가스가 별도의 공급홀을 통해 공급되어 기판의 상부에서 혼합되도록 하는 샤워헤드의 구성을 개시한다. 또한, 한국공개특허공보 제10-2009-0073353호(2009.07.03. 공개)의 경우에는 가스 분사구에서의 원료 물질이 고르게 혼합되도록 하기 위하여, 가스분사장치(샤워헤드)의 공급홀과 분사홀 사이에 소정 각도로 기울어진 분배판을 구비하도록 하는 샤워헤드 구성을 개시한다.

그런데 기판에 박막 증착이 원활하게 이루어지기 위해서는 공정 가스가 기판의 상부에서 균일하게 혼합되어야 하고, 기판과 근접한 상부에서 수평 방향으로 층류(laminar flow) 형성이 잘 이루어져야 한다. 그러나 샤워헤드를 구비한 종래의 CVD 장치에서는 공정 가스의 균일도가 충분하지 않고, 기판 상부에서의 층류 형성이 충분하지 못하다는 단점이 존재하였다. 더불어 도 1에서와 같은 가스 배출구(14)가 공정 챔버 하부에 특정 개소만 구비된 경우, 가스 배출구(14)로의 공정 가스 배출 흐름으로 인해 공정 가스의 흐름이 가스 배출구(14)의 가스 배출 유동에 따라 편향되는 문제점이 존재하였다.

한편, 기판 홀더(30) 자체가 회전하도록 하는 구성이 종래의 CVD 장치에서 채용되기도 하였으나, 기판 홀더(30)의 회전만으로는 공정 가스의 균일한 혼합과 기판 상부에서의 층류 형성을 충분히 달성하지 못한다는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 샤워헤드로부터 수직 하방으로 공급되는 공정 가스를 균일하게 혼합하면서 기판 상부에서의 층류 형성을 가능케 하는 화학 기상 증착 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 화학 기상 증착을 위한 공정 챔버; 상기 공정 챔버의 상부에 구비되어 공정 가스를 공급하는 샤워헤드; 상기 공정 챔버 내에 구비되며 적어도 하나의 기판을 안착하는 기판 홀더; 및 상기 기판 홀더의 중앙 상부에 구비되며 회전 구동되는 회전 부재를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 회전 부재는 하부가 넓은 원추형으로 형성될 수 있다. 또한 바람직하게는, 상기 회전 부재는 상기 기판 홀더의 하부로 연장되는 회전부재 구동축에 의해 회전 구동된다.

상기 회전 부재에 의한 공정 가스의 유동 특성을 향상시키기 위하여, 상기 회전 부재의 표면에는 정점에서 하부로 연장되는 복수개의 회전 핀(fin)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 회전 핀은 회전 방향으로 곡률을 가지며 형성될 수 있다.

다른 실시 형태로서, 상기 회전 부재의 표면에는 복수개의 돌기가 균일하게 분포될 수 있다.

한편, 또 다른 실시 형태로서, 상기 회전 부재는 회전봉과 상기 회전봉의 측 부에 결합된 복수의 회전 날개를 구비하고, 그 형상을 삼각형으로 구비하는 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 공정 챔버 내에서 공정 가스의 균일도가 향상되며, 기판에 근접한 상부에서 공정 가스의 층류 형성이 원활하게 달성된다는 효과가 있다.

특히, 본 발명에 따르면, 기판 홀더 자체를 회전하지 않고서도 기판 홀더에 장착된 기판에 공정 가스의 균일한 흐름을 제공할 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라 가열 수단 또는 냉각 수단을 구비하는 기판 홀더를 회전시킴에 따른 구조상 복잡도를 해소할 수 있는 보조적인 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치는, 증착 공정이 수행되는 내부가 밀폐된 공정 챔버(10)와, 공정 가스를 공정 챔버(10)의 반응 공간으로 공급하는 샤워헤드(20)와, 기판(W)이 안착된 기판 홀더(30), 및 기판 홀더(30)의 중앙 상부에서 회전하는 회전 부재(100)를 포함한다.

샤워헤드(20)는 공정가스 주입부(12)로부터 주입된 공정 가스를 공정 챔버(10)의 반응 공간으로 공급하는 다수의 공정가스 공급홀(22)을 구비한다. 경우에 따라서는 샤워헤드(20)에 공정가스 공급홀(22) 대신 다공성 물질로 채워질 수도 있다.

기판 홀더(30)는 적어도 하나의 기판(W)을 수용하며, 복수의 기판(W)을 수용하는 경우 복수의 기판(W)이 대칭 또는 균등하게 배치되도록 함이 바람직하다. 기판 홀더(30)의 하부에는 기판 홀더(30)를 지지하는 지지 로드(32)가 구비된다. 지지 로드(32)는 별도의 기판홀더 구동모터(미도시)에 의해 회전되도록 구성되는 것도 가능하다. 다만, 회전 부재(100)를 구비함에 따라 기판 홀더(30) 자체가 회전하지 않아도 샤워헤드(20)로부터 공급되는 공정 가스가 균일하게 기판(W)의 상부로 흐름을 형성할 수 있게 된다.

공정 챔버(10)의 하부에는 가스 배출부(14)가 구비되어 공정 챔버(10) 내의 공정 가스를 공정 챔버(10) 외부로 배출한다.

회전 부재(100)는 기판 홀더(30)의 중앙 상부에 구비되며, 회전 부재(100)를 회전시키기 위하여 회전부재 구동모터(미도시)와 연결된 회전부재 구동축(110)이 회전 부재(100)와 연결된다. 도 2에 있어서는 회전부재 구동축(110)이 기판 홀 더(30)의 중앙을 관통하여 공정 챔버(10)의 하부로 연결되는 것으로 도시하였으나, 회전부재 구동축(110)은 공정 챔버(10)의 상부에서 샤워헤드(20)의 중앙을 관통하여 구비되는 것도 가능하다.

일 실시예에 있어서, 회전부재 구동축(110)은 지지 로드(32)의 중앙을 관통하여 구비되며, 이때 지지 로드(32)는 중공형으로 형성된다.

샤워헤드(20)로부터 공급되는 공정 가스가 기판(W)의 상부면과 평행한 흐름을 형성되도록 하기 위해, 회전 부재(100)는 정점이 상부로 향한 원추형으로 구비되는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치에 있어서 공정 챔버 내에서의 공정 가스의 흐름을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치에 있어서 기판 홀더 상부면에서의 공정 가스의 흐름을 도시한 도면이다.

도 3과 도 4를 참조하면, 회전 부재(100)의 회전에 따라 샤워헤드(20)로부터 공급된 공정 가스는 기판(W)의 상부면으로 흐름이 유도되고, 기판 홀더(30)의 상부면에서는 공정 가스가 기판 홀더(30)의 외곽을 향해 나선형의 흐름을 형성한다. 이에 따라 공정 가스의 균일도는 향상되며, 기판(W)의 상부면에서의 공정 가스의 층류(laminar flow) 형성이 유리해진다.

도 5 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치에 있어서 회전 부재의 다양한 실시 형태를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 회전 부재(100)의 표면에는 정점에서 하부로 연장되는 복 수 개의 회전 핀(fin)(102)을 포함한다. 회전 핀(102)은 회전 부재(100)의 회전시 공정 가스의 흐름을 보다 용이하게 형성하기 위하여 구비된다. 더 나아가 도 6을 참조하면, 스파이럴 형상의 회전 핀(104)이 도시된다. 스파이럴 형상의 회전 핀(104)은 바람직하게는 회전 부재(100)의 회전 방향에 따라 곡선을 이루도록 한다.

도 7을 참조하면, 회전 부재(100)의 표면에는 복수의 돌기(106)가 구비된다. 복수의 돌기(106)는 전술한 회전 핀(102, 104)에 비해서는 공정 가스의 흐름을 유도하는 힘은 적지만 공정 가스의 흐름에 과도한 영향을 주지 않으면서 공정 가스의 혼합을 촉진하는 기능을 수행한다.

도 8을 참조하면, 회전 부재(100)는 회전봉(108)과 상기 회전봉(108)의 측부에 결합된 복수의 회전 날개(109)로 이루어진다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래의 일반적인 화학 기상 증착 장치를 설명하기 위한 개략도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 단면도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치에 있어서 공정 챔버 내에서의 공정 가스의 흐름을 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치에 있어서 기판 홀더 상부면에서의 공정 가스의 흐름을 도시한 도면,

도 5 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치에 있어서 회전 부재의 다양한 실시 형태를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 도면부호의 설명>

10 : 공정 챔버 20 : 샤워헤드

30 : 기판 홀더 100 : 회전 부재

Claims (8)

1. 화학 기상 증착을 위한 공정 챔버;

   상기 공정 챔버의 상부에 구비되어 공정 가스를 공급하는 샤워헤드;

   상기 공정 챔버 내에 구비되며 적어도 하나의 기판을 안착하는 기판 홀더; 및

   상기 기판 홀더의 중앙 상부에 구비되며 회전 구동되는 회전 부재

   를 포함하는 화학 기상 증착 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전 부재는 하부가 넓은 원추형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 회전 부재는 상기 기판 홀더의 하부로 연장되는 회전부재 구동축에 의해 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 회전 부재의 표면에는 정점에서 하부로 연장되는 복수개의 회전 핀(fin)이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 회전 핀은 회전 방향으로 곡률을 가지며 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 회전 부재의 표면에는 복수개의 돌기가 균일하게 분포된 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전 부재는 회전봉과 상기 회전봉의 측부에 결합된 복수의 회전 날개를 구비한 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 회전 날개는 그 형상이 삼각형인 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.

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