KR20110077712A - 화학기상증착장치 및 이를 위한 샤워헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 화학기상증착장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 기판이 안착되는 서셉터; 상기 서셉터 상부에 위치하여 공정가스를 공급하는 샤워헤드; 상기 서셉터의 하부에 설치되어 상기 기판을 가열하는 히터; 상기 샤워헤드의 상기 서셉터와 마주하는 면에 설치되는 방열판을 포함하는 것으로 본 발명에 따른 화학기상증착장치는 샤워헤드의 열변형을 최소화하여 샤워헤드에 결합된 가스 공급관의 결합 상태 훼손을 최소화하고, 공정 수행중 샤워헤드에 부착된 파티클이 기판 상으로 떨어지는 것을 최소화하는 효과가 있다.

Description

화학기상증착장치 및 이를 위한 샤워헤드{Chemical Vapor Deposition apparatus and showerhead for thereof}

본 발명은 화학기상증착장치 및 이를 위한 샤워헤드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서셉터 상부로 전달되는 높은 온도의 열기를 차폐하도록 한 화학기상증착장치 및 이를 위한 샤워헤드에 관한 것이다.

화학기상증착장치는 기판인 웨이퍼 상에 원하는 박막을 증착시키는 장치이다. 이 화학기상증착장치에서 금속 유기물 화학기상증착장치는 경우 3족과 5족 화학물을 챔버 내부로 공급하여 질화갈륨 박막을 증착하는 장치이다.

금속 유기물 화학기상증착장치는 3족과 5족 화학물을 챔버 내부의 공정 공간으로 공급하기 위하여 샤워헤드 또는 노즐과 같은 가스공급장치를 사용한다.

샤워헤드는 3족과 5족 화학물을 공급하기 위하여 매우 많은 수의 공급관을 구비한다. 그리고 샤워헤드는 각각의 공급관에 공정가스를 공급하기 위한 복수개의 가스 공급층을 구비한다. 샤워헤드의 최하단에는 서셉터로부터 전달되는 열로부터 샤워헤드를 보호하기 위한 냉각층이 구비된다.

한편, 상술한 샤워헤드를 구비한 금속 유기물 화학기상증착장치를 이용하여 엘이디를 제조하기 위한 공정에서 에피텍셜 공정시 기판은 대략 600 ~ 1300℃ 사이로 가열되거나 냉각되는 과정을 반복해서 거치게 된다. 이에 따라 금속 재질로 제조되며, 샤워헤드에 삽입되어 브레이징(brazing)으로 결합된 가스 공급관은 샤워헤드와의 결합부위가 고온에 의하여 반복적으로 팽창 수축되는 샤워헤드 본체에 의하여 결합상태의 훼손이 발생하는 문제점이 있다.

이와 같이 가스 공급관의 결합부위가 훼손되면 가스 공급 자체에 문제가 생기기도 하지만, 냉각층의 냉각수가 유출되어 장비 전체에 치명적인 손상을 입히게 되는 문제점도 발생한다.

본 발명의 목적은 서셉터 상부의 샤워헤드로 전달되는 열을 줄일 수 있도록 하는 한 화학기상증착장치 및 이를 위한 샤워헤드를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 화학기상증착장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 기판이 안착되는 서셉터; 상기 서셉터 상부에 위치하여 공정가스를 공급하는 샤워헤드; 상기 서셉터의 하부에 설치되어 상기 기판을 가열하는 히터; 상기 샤워헤드의 상기 서셉터 와 마주하는 면에 설치되는 방열판을 포함한다.

상기 방열판은 석영재질로 형성되어 상기 샤워헤드에 접하도록 상기 샤워헤드에 결합될 수 있다.

상기 샤워헤드에는 공정가스가 분출되는 다수개의 가스 공급관이 구비되고, 상기 방열판에는 상기 가스 공급관의 출구와 연통되는 다수개의 연통홀이 형성될 수 있다. 상기 연통홀은 상기 가스 공급관의 출부보다 직경이 클 수 있다. 상기 방열판의 상기 서셉터와 마주하는 표면에는 미세한 요철면이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 화학기상증착장치의 샤워헤드는 본체와; 상기 본체에 형성되며 제 1 공정가스가 공급되는 제 1층과; 상기 제 1층의 하부에 제 2공정가스가 공급되는 제 2층과; 상기 제 2층의 하부에 냉각수가 공급되는 냉각층과; 상기 제 1층에 입구가 연통되어 상기 제 2층과 상기 냉각층을 관통하며 출구가 상기 본체의 하측면으로 노출된 제 1가스 공급관과; 상기 제 2층에 입구가 연통되어 상기 냉각층을 관통하며 출구가 상기 본체의 하측면으로 노출된 제 2가스 공급관과; 상기 본체의 하부면에 설치되는 방열판을 포함한다.

상기 방열판은 석영재질로 형성되어 상기 본체에 접하여 결합될 수 있다. 상기 방열판에는 상기 제 1가스 공급관과과 상기 제 2가스 공급관의 출구와 연통되는 다수개의 연통홀이 형성될 수 있다. 상기 연통홀은 상기 제 1가스 공급관과 상기 제 2가스 공급관의 출구보다 직경이 클 수 있다. 상기 방열판의 하부면에는 미세한 요철면이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 화학기상증착장치는 샤워헤드의 열변형을 최소화하여 샤워헤드에 결합된 가스 공급관의 결합 상태 훼손은 최소화하고, 공정 수행중 샤워헤드에 부착된 파티클이 기판 상으로 떨어지는 것을 최소화하는 효과가 있다.

이하에서는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는 금속 유기물 화학기상증착장치는 외관을 형성하는 챔버(100)를 구비한다. 챔버(100) 내부의 상측에는 3족과 5족 가스를 챔버(100) 내부로 분사하는 샤워헤드(110)가 구비된다.

샤워헤드(110)의 하부에는 서셉터(120)가 구비된다. 서셉터(120)에는 다수개의 기판(S)이 안착된다. 기판(S)은 에피텍셜 공정이 수행되는 웨이퍼일 수 있다. 서셉터(120)의 하부에는 회전축(160)이 구비되고, 챔버(100) 외부로 연장된 회전축(160)의 하단에는 모터(170)가 장착된다. 따라서 서셉터(120)는 공정 수행중에 회전할 수 있다.

챔버(100) 내부의 서셉터(120) 하부에는 서셉터(120)를 가열하는 히터(130)가 설치된다. 히터(130)는 복수개로 구비될 수 있다. 히터(130)는 서셉터(120)에 안착된 기판(S)을 최대 600℃ ~ 1,300℃ 로 가열할 수 있다. 히터(130)는 텅스텐 히터 또는 RF 히터 등으로 실시될 수 있다.

서셉터(120)와 히터(130)의 측부에는 챔버(100)의 바닥까지 연장된 격벽이 구비된다. 그리고 격벽과 챔버(100)의 내벽 사이에는 "J" 형태의 라이너(140)(Liner)가 설치될 수 있다. 이 라이너(140)는 챔버(100)와 격벽에 파티클이 증착되는 것을 차단하여 파티클에 의한 챔버(100)와 격벽을 보호하는 기능을 한다. 이 라이너(140)는 쿼츠(quartz)로 실시될 수 있다. 본 실시예에서 라이너(140)의 사용은 사용자가 선택할 수 있다.

챔버(100)의 하측부에는 배기구(180)가 형성된다. 배기구(180)는 라이너(140)에 형성된 홀과 연통된다. 배기구(180)에는 외부로 연장된 배기관(190)이 연결된다. 그리고 배기관(190)에는 배기가스의 정화를 위한 가스 스크러버(미도시)와 펌프(미도시) 등이 설치된다.

한편, 도 2는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 샤워헤드의 일부를 도시한 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 샤워헤드(110)는 원형의 판체 형상의 외관을 가지는 본체(111)를 구비한다. 본체(111)는 주로 스테인리스 또는 알루미늄 합금 등으로 제조된다.

본체(111)의 내부 최상측에는 제 1공정가스가 공급되는 제 1층(112)이 구비되고, 제 1층(112)의 하부에는 제 2공정가스가 공급되는 제 2층(114)이 구비된다. 그리고 제 2층(114)의 하부에는 냉각수가 공급되는 냉각층(116)이 형성된다. 또한 본체(111)에는 다수의 가스 공급관(113)(115)이 삽입 설치된다.

가스 공급관(113)(115)은 제 1층(112)에 입구가 연통되어 제 2층(114)과 냉 각층(116)을 관통하며 출구가 본체(111)의 하측면으로 노출된 제 1가스 공급관(113)과 제 2층(114)에 입구가 연통되어 냉각층(116)을 관통하며 출구가 본체(111)의 하측면으로 노출된 제 2가스 공급관(115)을 포함한다.

그리고 샤워헤드(110)의 본체(111) 하부면에는 방열판(200)이 설치된다. 방열판(200)은 샤워헤드(110) 본체(111)의 하부면 가장자리 부분에 볼트 등의 체결부재에 의하여 체결될 수 있다. 이 방열판(200)은 석영재질로 형성되어 본체(111)에 접하여 결합된다.

그리고 방열판(200)에는 제 1가스 공급관(113)과 제 2가스 공급관(115)의 출구(113a)(115a)와 연통되는 다수개의 연통홀(210)이 형성된다. 이 연통홀(210)의 내경(ㅨ2)은 제 1가스 공급관(113)과 제 2가스 공급관(115)의 출구(113a)(115a)의 내경(ㅨ1)보다 크게 형성된다. 예를 들어 가스 공급관(113)(115)의 출구(113a)115a)의 내경이 0.6mm 정도로 실시되는 경우 방열판(200)의 연통홀(210)의 내경은 1.5 ~ 2.0mm정도로 실시될 수 있다.

또한 방열판(200)의 하부면인 서셉터(120)와 마주하는 면은 샌드 브레스팅(sand blasting)으로 표면 처리된 요철면(220)으로 형성된다. 이와 같은 표면처리는 파티클의 접촉 표면적이 넓어져 공정 수행중 발생한 파티클이 방열판(200)에서 떨어지는 것을 최소화할 수 있다.

이하에서는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 처리방법에 대하여 설명한다.

본 실시예에 따른 화학기상증착장치는 기판(S)에 대한 증착 공정을 수행하기 위하여 최초 적어도 하나 이상의 기판(S)을 챔버(100) 내부의 서셉터(120) 위에 안착한다.

그리고 챔버(100) 내부를 히터(130)가 가열한다. 히터(130)는 공정에 필요한 온도에 따라 600℃ ~ 1,300℃까지 가변하면서 기판(S)을 가열할 수 있다. 그리고 히터(130)에 의하여 기판(S)이 가열된 상태에서 예를 들어 3족과 5족 공정가스를 서셉터(120)의 기판(S) 상으로 공급하면 기판(S) 상에 질화갈륨막이 성장된다.

한편, 질화갈륨막을 에피텍셜 성장시키는 공정은 주로 엘이디를 제조하는 공정에서 수행된다. 이러한 공정에서 양자 우물층 등을 성장시키기 위하여 기판(S)의 온도 및 공정가스의 종류는 수시로 변하게 되는데, 이때 온도 변화를 매우 정밀하게 수행하여야만 고효율의 엘이디 소자를 제조할 수 있다.

온도 조절은 히터(130)에서 수행하지만, 히터의 온도 조절 기능이 효과적으로 이루어지기 위해서는 광고온계와 같은 온도감지부재가 정확하게 온도를 감지할 수 있어야 한다.

이와 같은 온도 변화 동안 금속재질로 된 샤워헤드(110)는 온도에 의하여 팽창 또는 수축할 수 있다. 그런데 샤워헤드(110)가 팽창 또는 수축하게 되면 샤워헤드(110)를 관통하여 브레이징으로 결합된 가스 공급관(113)(115)들의 결합부분이 찢어져 훼손되는 경우가 발생할 수 있다. 더욱이 금속 유기물 화학기상증착장치에서 사용되는 가스 공급관(113)(115)은 1만개 이상이 샤워헤드(110)의 본체(111)에 삽입되어 결합되므로 가스 공급관(113)(115)의 결합부위의 훼손 가능성이 상당히 높을 수 있다.

따라서 이중의 어느 하나의 가스 공급관(113)(115)의 결합상태가 훼손되는 경우 공급되는 공정가스의 공급량이 달라질 수 있고, 또는 냉각수가 누수되는 경우가 발생할 수 있다.

그런데 이와 같이 가스 공급관(113)(115)이 훼손되는 가장 큰 이유 중의 하나는 이미 언급한 바와 같이 샤워헤드(110)가 고온의 공정 조건에서 팽창 수축을 반복하기 때문이다. 따라서 샤워헤드(110)로 전달되는 온도를 최소화하면 그만큼 샤워헤드(110)는 열변형이 작아지기 때문에 가스 공급관(113)(115)의 결합 상태 훼손은 최소화될 수 있다.

이에 따라 본 실시예에서는 샤워헤드(110)의 하면에 석영 재질로 된 방열판(200)을 설치함으로써 직접적으로 샤워헤드(110)에 전달되는 열을 최대한 차단한다. 그리고 이때의 방열판(200)의 재질은 석영 외에 다른 재질로 실시할 수 있다.

한편, 방열판(200)에 형성된 다수개의 연통홀(210)을 통하여 공정 가스가 분출되고, 공정 수행중 발생한 파티클 중의 일부는 방열판(200)의 표면에 부착된다. 그러나 방열판(200)의 표면에는 미세한 요철면(220)이 형성되어 있으므로 공정 수행중에 파티클이 방열판(200)에서 쉽게 떨어지지 않아 안정적인 공정 수행이 가능하도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 단면도이다.

도 2는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 샤워헤드의 일부를 도시한 단면도이다.

Claims (10)

1. 챔버;

   상기 챔버 내부에 기판이 안착되는 서셉터;

   상기 서셉터 상부에 위치하여 공정가스를 공급하는 샤워헤드;

   상기 서셉터의 하부에 설치되어 상기 기판을 가열하는 히터;

   상기 샤워헤드의 상기 서셉터와 마주하는 면에 설치되는 방열판을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 방열판은 석영재질로 형성되어 상기 샤워헤드에 접하도록 상기 샤워헤드에 결합되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 샤워헤드에는 공정가스가 분출되는 다수개의 가스 공급관이 구비되고, 상기 방열판에는 상기 가스 공급관의 출구와 연통되는 다수개의 연통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 연통홀은 상기 가스 공급관의 출부보다 직경이 큰 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
5. 제 3항에 있어서, 상기 방열판의 상기 서셉터와 마주하는 표면에는 미세한 요철면이 형성된 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
6. 본체와;

   상기 본체에 형성되며 제 1 공정가스가 공급되는 제 1층과;

   상기 제 1층의 하부에 제 2공정가스가 공급되는 제 2층과;

   상기 제 2층의 하부에 냉각수가 공급되는 냉각층과;

   상기 제 1층에 입구가 연통되어 상기 제 2층과 상기 냉각층을 관통하며 출구가 상기 본체의 하측면으로 노출된 제 1가스 공급관과;

   상기 제 2층에 입구가 연통되어 상기 냉각층을 관통하며 출구가 상기 본체의 하측면으로 노출된 제 2가스 공급관과;

   상기 본체의 하부면에 설치되는 방열판을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 샤워헤드.
7. 제 6항에 있어서, 상기 방열판은 석영재질로 형성되어 상기 본체에 접하여 결합되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 샤워헤드.
8. 제 6항에 있어서, 상기 방열판에는 상기 제 1가스 공급관과과 상기 제 2가스 공급관의 출구와 연통되는 다수개의 연통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 샤워헤드.
9. 제 8항에 있어서, 상기 연통홀은 상기 제 1가스 공급관과 상기 제 2가스 공급관의 출구보다 직경이 큰 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 샤워헤드.
10. 제 6항에 있어서, 상기 방열판의 하부면에는 미세한 요철면이 형성된 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 샤워헤드.

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