KR20110086286A - 화학기상증착장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 화학기상증착장치는 챔버; 상기 챔버 내부로 공정가스를 공급하는 가스공급부; 및 상기 챔버 내부에 회전 가능하도록 위치하며 상면에 웨이퍼가 적재되는 웨이퍼 포켓이 다수개 배치되는 서셉터를 포함하되, 상기 서셉터의 상면에는 제1 반경의 원주 상에 배치되고 제1 경사각을 가지는 제 1웨이퍼 포켓 그룹과, 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경의 원주 상에 배치되고 제 2 경사각을 가지는 제2 웨이퍼 포켓 그룹을 포함하고, 상기 제 1 및 제2 경사각은 상기 서셉터의 상면을 기준으로 상기 서셉터의 외주에서 내주의 하향방향으로 형성되며, 상기 제2 경사각은 상기 제1 경사각보다 큰 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 웨이퍼는 원심력으로 인해 웨이퍼 포켓과의 마찰력이 증가하여 미세 이동이 줄어들게 되고, 웨이퍼 포켓의 하면으로 누르는 힘이 작용하여 웨이퍼의 휨 현상을 개선할 수 있다.

Description

화학기상증착장치{CHEMICAL VAPOR DEPOSITION DEVICE}
본 발명은 화학기상증착장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 웨이퍼가 적재되는 웨이퍼 포켓을 수평방향과 소정 각도로 기울어지게 배치한 서셉터를 포함하는 화학기상증착장치에 대한 것이다.
화학기상증착장치(Chemical Vapor Deposition Device, 이하 CVD)는 기판의 표면에 화학 가스를 이용하여 박막(thin film)을 형성하는 장치이다. 예를 들어, CVD는 반도체 웨이퍼의 표면에 박막을 증착하기 위하여 사용된다. CVD는 외부와 밀폐된 챔버(chamber) 내부에 가스공급부를 통하여 공정가스를 공급하여 서셉터(susceptor)에 놓인 반도체 웨이퍼에 원하는 박막을 증착시키게 된다.
반도체 소자의 미세화, 고효율 등을 요구하는 최근에는 화학기상증착장치 중 유기금속 기체의 열분해 반응을 이용하여 반도체 웨이퍼 상에 금속 화합물을 퇴적, 부착시키는 유기금속 화학기상장치(Metal Organic CVD, 이하 MOCVD라 약칭한다)가 각광받고 있다.
이러한 화학기상증착장치의 챔버 내부에는 서셉터가 구비된다. 서셉터에는 웨이퍼를 적재할 수 있는 웨이퍼 포켓이 다수개 배치된다. 웨이퍼 포켓은 서셉터의 상부면에 일정 깊이로 함몰 형성된다. 즉, 웨이퍼 포켓은 수평방향과 평형하게 일정 깊이로 함몰되어 형성된다. 웨이포 포켓의 하부에는 히터가 마련되어 웨이퍼 포켓에 열을 제공한다.
이러한 박막 증착 공정에서는 웨이퍼가 히터로부터 받는 열이 일정하지 않거나, 웨이퍼 위에 증착되는 물질의 격자크기 차이 등 다양한 이유로 웨이퍼가 휘게 되는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 박막 증착 공정에서 웨이퍼 포켓에 웨이퍼가 적재된 후 서셉터가 회전한다. 서셉터가 회전하면서 웨이퍼는 원심력을 받게 되고, 이러한 원심력도 웨이퍼가 휘게 되는 한 가지 요인이 될 수 있다.
웨이퍼가 휘게 되면 웨이퍼의 일부분이 웨이퍼 포켓과 이격되게 된다. 그러면, 웨이퍼 포켓과 이격된 웨이퍼 부분은 히터로부터 열을 잘 전달받지 못하여 온도가 낮아지게 되고, 웨이퍼 포켓과 접촉하는 부분은 히터로부터 열을 잘 전달받게 되어 온도가 높아지게 될 수 있다. 즉, 웨이퍼의 온도가 일정하지 않게 된다. 웨이퍼의 온도가 일정하지 않게 되면 웨이퍼의 표면에 증착되는 박막 두께, 성질이 균일하지 않게 된다. 따라서, 웨이퍼의 생산성, 품질에 영향을 미친다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 서셉터에 배치되는 웨이퍼 포켓의 모양을 변경하는 것이 필요하다.
서셉터가 회전하면서 원심력이 가해지더라도, 안정적으로 증착 공정이 이루어지는 환경을 제공할 수 있는 화학기상증착장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 화학기상증착장치는 챔버; 상기 챔버 내부로 공정가스를 공급하는 가스공급부; 및 상기 챔버 내부에 회전 가능하도록 위치하며 상면에 웨이퍼가 적재되는 웨이퍼 포켓이 다수개 배치되는 서셉터를 포함하되, 상기 서셉터의 상면에는 제1 반경의 원주 상에 배치되고 제1 경사각을 가지는 제 1웨이퍼 포켓 그룹과, 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경의 원주 상에 배치되고 제 2 경사각을 가지는 제2 웨이퍼 포켓 그룹을 포함하고, 상기 제 1 및 제2 경사각은 상기 서셉터의 상면을 기준으로 상기 서셉터의 외주에서 내주의 하향방향으로 형성되며, 상기 제2 경사각은 상기 제1 경사각보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 웨이퍼 포켓 그룹 및 제2 웨이퍼 포켓 그룹 중 어느 하나의 그룹에 포함되는 웨이퍼 포켓들은 동일한 경사각을 가질 수 있다.
또한, 상기 공정가스는 3족 및 5족 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 가스공급부는 상기 웨이퍼 포켓이 상기 서셉터의 상면과 이루는 경사각에 비례하여 상기 공정가스를 분출할 수 있다.
상기 다수의 웨이퍼 포켓들은 상기 서셉터의 회전축을 중심으로 서로 대칭되는 위치에 배치된 웨이퍼 포켓들을 포함하고, 상기 대칭되는 위치에 배치된 웨이퍼 포켓들은 상기 서셉터의 상면을 기준으로 서로 동일한 경사각을 가질 수 있다.
웨이퍼 포켓을 서셉터의 상면을 기준으로 서셉터의 외주에서 내부 방향으로 소정 각도로 기울어지게 배치함으로써, 공정 중에 웨이퍼가 받게 되는 원심력을 이용할 수 있다. 즉, 웨이퍼는 원심력으로 인해 웨이퍼 포켓과의 마찰력이 증가하여 미세 이동이 줄어들게 된다. 또한, 웨이퍼를 웨이퍼 포켓의 하면으로 누르는 힘이 작용하여 웨이퍼의 휨 현상을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착장치의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 웨이퍼 포켓을 포함하는 서셉터의 평면도이다.
도 3은 웨이퍼 포켓을 포함하는 서셉터의 단면도이다.
도 4는 웨이퍼 포켓이 서셉터 상면을 기준으로 경사 각도를 가지게 배치되는 경우, 웨이퍼에 작용하는 힘을 분석한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨이퍼 포켓을 포함하는 서셉터의 단면을 나타낸 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예는 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장되게 표현된 부분이 있을 수 있으며, 도면상에서 동일 부호로 표시된 요소는 동일 요소를 의미한다.
이하의 실시예들에서 화학기상증착장치는 특별한 언급이 없으면 유기금속 화학기상장치(MOCVD)로 사용되는 경우를 예시한다. 그러나, 이는 제한이 아니며 다른 용도의 화학기상장치에도 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상증착장치의 단면을 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 화학기상증착장치는 챔버(10), 서셉터(40), 가스공급부(30), 히터(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
챔버(10)(chamber)는 화학기상증착장치의 몸체를 형성하는 프레임(frame)이며, 내측에 웨이퍼(wafer)의 증착 공정이 진행되는 공간을 제공한다. 챔버(10)는 증착 효율을 높일 수 있도록, 능동적으로 제어되는 가스공급부(30)를 제외하고는, 외부와 밀폐 상태를 유지하도록 형성되는 것이 바람직하다. 챔버(10)는 공정 내용에 따른 내부 공간의 분위기를 효과적으로 제어할 수 있도록 벽체는 단열성이 우수한 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
서셉터(susceptor)는 챔버(10)의 내부 공간에 설치된다. 서셉터 상면에는 웨이퍼가 안착되기 위한 다수개의 웨이퍼 포켓이 형성될 수 있다. 여기서, 웨이퍼 포켓는 웨이퍼의 크기에 대응되는 형상으로 이루어지며, 서셉터의 상면을 기준으로 경사를 가지게 배치된다. 구체적으로 서셉터의 외주에서 내주 방향으로 소정 각도로 기울어져 배치된다. 각 웨이퍼 포켓에는 웨이퍼가 안착/수용되도록 구성될 수 있다. 웨이퍼 포켓을 포함하는 서셉터의 구조, 형상에 대해서는 좀 더 상세히 후술한다.
서셉터는 서셉터 지지부(42)에 의해 지지되도록 설치될 수 있다. 서셉터 지지부(42)는 챔버(10) 하측에 구비되는 구동부와 연결 설치되는 것이 가능하다. 이때, 상기 구동부는 모터를 포함하며 모터의 회전력을 이용하여 서셉터 지지부(42) 및 서셉터를 회전시키도록 구성될 수 있다. 나아가, 도면에는 도시되지 않았으나, 챔버(10) 하측에 별도의 승강 스테이지를 구비하여, 공정 내용에 따라 서셉터 지지부(42) 및 서셉터를 승강 가능하도록 구성하는 것도 가능하다.
서셉터의 하부에는 서셉터를 가열하기 위한 히터(50)가 구비될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 히터(50)는 서셉터의 하부에 설치되며, 서셉터 상면의 온도를 균일하게 제어하도록 구성할 수 있다. 히터(50)는 도넛 형태의 형상으로 배치될 수 있으며 반경을 달리하는 다수개가 배치될 수 있다. 증착 공정 단계에 따라 히터(50)에 공급되는 전력량을 조절하여, 서셉터 상의 온도를 조절하는 것이 가능하다.
가스공급부(30)는 챔버(10) 내부에 공정가스를 공급하는 장치이다. 가스공급부(30)는 챔버(10)의 상부에 배치될 수 있으며, 웨이퍼 포켓의 위치 상부에 배치될 수 있다. 가스공급부(30)에는 가스공급관(31)이 배치되어 공정가스를 공급하며, 공정가스는 3족 가스 또는/ 및 5족 가스일 수 있다.
3족 가스는 예를 들어, 트리메틸갈륨(Trimethylgallium), 트리메틸인듐(trimethyl-indium), 트리메틸알루미늄(trimethylaluminium) 중에서 적어도 어느 하나 이상일 수 있다. 5족 가스는 암모니아(NH3)일 수 있다.
전술한 바와 같이 구성되는 화학기상증착장치는, 웨이퍼 포켓에 웨이퍼가 안착되면, 가스공급부(30)로부터 각각의 공정가스가 서셉터(40) 방향으로 공급된다. 그리고, 웨이퍼는 서셉터(40) 하측의 히터(50)에 의해 적정 온도로 가열되어, 각 공정가스가 웨이퍼 상의 고온 환경에서 반응하면서 증착이 이루어지게 된다.
이러한 증착 공정시 서셉터(40)는 웨이퍼 상의 공정가스가 균일하게 분포할 수 있도록, 모터의 구동력을 이용하여 회전할 수 있다. 따라서, 서셉터(40) 상면의 웨이퍼 포켓(41)에 안착된 복수개의 웨이퍼는 위치에 관계없이 균일한 조건에서 증착이 이루어지는 것이 가능하다.
다만, 서셉터(40)의 고속 회전이 이루어지면 각각의 웨이퍼는 서셉터(40) 반경 방향 외측으로 작용하는 원심력이 작용하게 된다. 종래 웨이퍼 포켓은 서셉터(40)의 상면과 평행하게 소정 깊이를 가지는 형태로 배치되었는데, 이러한 종래 웨이퍼 포켓에 의하면 웨이퍼가 서셉터(40)의 외주 방향으로 원심력을 받으면서 웨이퍼의 변형이 발생하거나 증착이 균일하게 이루어지지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이 서셉터(40)의 상면에 배치된 웨이퍼 포켓(41)이 서셉터(40) 상면을 기준으로 소정 각도의 경사를 가지도록 배치된다.
이하에서는 웨이퍼 포켓(41)을 포함하는 서셉터(40)에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 웨이퍼 포켓을 포함하는 서셉터의 평면도이다.
도 2를 참조하면, 다수의 웨이퍼 포켓(41)은 서셉터의 회전축 즉, 서셉터 지지부(42)를 중심으로 서로 다른 반경을 가지는 원주 상에 배치될 수 있다. 이하에서 편의상, 제1 반경을 가지는 원주 상에 배치된 웨이퍼 포켓들을 제1 웨이퍼 포켓 그룹(43)이라 칭하고, 제 1 반경보다 더 큰 제2 반경을 가지는 원주 상에 배치된 웨이퍼 포켓들을 제2 웨이퍼 포켓 그룹(44)이라 칭한다.
제1 웨이퍼 포켓 그룹(43)은 제1 경사각을 가지고, 제2 웨이퍼 포켓 그룹(44)은 제2 경사각을 가진다. 제 1 경사각 및 제2 경사각은 서셉터의 상면을 기준으로 서셉터의 외주에서 내주의 하향방향으로 형성되며, 제2 경사각은 제1 경사각보다 크다. 동일한 웨이퍼 포켓 그룹에 포함되는 웨이퍼 포켓들은 동일한 경사각을 가질 수 있다. 또한, 동일한 원주 상에 배치된 웨이퍼 포켓은 서셉터 회전축을 기준으로 대칭되는 위치에 배치될 수 있다. 상술한 예에서는 웨이퍼 포켓 그룹을 2개로 예시하였으나 이는 제한이 아니며 더 많은 웨이퍼 포켓 그룹이 있을 수 있다. 이 때, 제 2 반경보다 더 큰 제 3반경을 가지는 원주 상에 배치된 웨이퍼 포켓들은 제 3 웨이퍼 포켓 그룹이라 칭할 수 있다. 제 3 웨이퍼 포켓 그룹은 제 2 경사각보다 더 큰 제 3 경사각을 가질 수 있다.
도 3은 웨이퍼 포켓을 포함하는 서셉터의 단면도이다. 도 3은 도 2의 A로 표시된 선을 기준으로 서셉터의 단면을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 서셉터(40)의 외주에 가까이 배치된 제2 웨이퍼 포켓 그룹에 속하는 웨이퍼 포켓들(41-a, 41-d)은 θ2의 경사각을 가지고, 서셉터(40)의 내주에 가까이 배치된 제1 웨이퍼 포켓 그룹에 속하는 웨이퍼 포켓들(41-b, 41-c)은 θ1의 경사각을 가진다. 이러한 경우, θ1보다 θ2가 더 클 수 있다.
즉, 웨이퍼 포켓(41)은 서셉터의 회전축을 기준으로 반경에 따라 기울어진 각도를 달리하여 배치된다. 예를 들어, 웨이퍼 포켓(41)은 서셉터의 회전축을 기준으로 멀어질수록 서셉터(40)의 상면과 이루는 각도가 클 수 있다. 즉, 웨이퍼 포켓(41)은 서셉터의 회전축으로부터 멀어질수록 서셉터(40)의 상면에 대해 수직방향에 가깝게 기울어져 배치될 수 있다. 상기 예에서 θ1보다 θ2가 큰 것은 웨이퍼 포켓이 서셉터의 회전축으로부터 멀리 배치될수록 원심력을 많이 받게 되는 것을 고려한 것이다.
웨이퍼 포켓(41)의 배치를 상술한 바와 같이 한 경우, 가스공급부(30)는 웨이퍼 포켓(41)의 경사각에 따라 공급하는 공정 가스의 양을 조절할 수 있다. 예를 들어, 경사각이 큰 제 2 웨이퍼 포켓 그룹에게는 공급하는 공정 가스의 양을 증가시키고, 경사각이 작은 제1 웨이퍼 포켓 그룹에게는 공급하는 공정 가스의 양을 감소시킬 수 있다. 이는 웨이퍼 상에 증착되는 박막의 두께를 균일하게 하기 위함이다. 공급하는 공정 가스의 양은 가스공급부(30)의 샤워 헤드(shower head)에 마련된 가스 유출구멍의 수를 조절하는 방법으로 수행할 수 있다.
도 4는 웨이퍼 포켓이 서셉터 상면을 기준으로 경사 각도를 가지게 배치되는 경우, 웨이퍼에 작용하는 힘을 분석한 개략도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 서셉터(40)의 회전에 의해 발생되는 원심력은 서셉터의 회전축과 수직 방향이고, 서셉터(40)의 외주 방향으로 형성된다. 이때, 본 발명에서와 같이 웨이퍼 포켓(41)이 서셉터(40) 상면과 소정의 경사 각도를 가지고 기울어져 있는 경우, 원심력 중 서셉터(40) 상면과 평행한 방향으로 웨이퍼에 작용하는 힘(51)의 크기는 종래에 비하여 감소하게 된다. 또한, 원심력 중 서셉터(40)의 상면과 수직 방향으로 작용하는 힘(52)에 의해, 서셉터(40) 상면에 대한 웨이퍼의 수직 항력이 증가하는 바, 웨이퍼와 서셉터(40) 상면 사이의 마찰력이 증가하게 된다. 즉, 본 발명에 의할 경우, 웨이퍼를 서셉터(40)의 상면을 따라 이동시키는 힘의 크기가 감소하게 되는 바, 원심력에 의해 발생할 수 있는 문제점을 최소화시키고, 웨이퍼 상에 증착이 균일하게 이루어질 수 있는 환경을 제공할 수 있다. 또한, 웨이퍼를 서셉터(40)의 상면을 기준으로 수직 하향으로 누르는 힘이 작용하여 웨이퍼가 고속 회전 중 휘는 현상을 개선할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨이퍼 포켓을 포함하는 서셉터의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 3과 비교하여 서셉터(40)의 내주에 가까이 위치한 웨이퍼 포켓(41)의 경사 각도가 더 큰 차이가 있다. 즉, 도 5에서는 서셉터(40)의 내주에 가까이 위치한 웨이퍼 포켓 그룹(41-b, 41-c)의 경사각 θ3가 서셉터(40)의 외주에 가까이 위치한 웨이퍼 포켓 그룹(41-a, 41-d)의 경사각 θ4보다 크다.
서셉터의 회전축과 웨이퍼 포켓간의 거리가 증가하면 원심력이 증가하므로 웨이퍼가 서셉터(40) 상면에 수직 하향 방향으로 받는 힘도 증가한다. 이러한 수직하게 받는 힘이 웨이퍼에 영향을 미치는 경우(예를 들어 웨이퍼가 수직한 힘에 민감한 소재로 구성된 경우)라면, 본 발명의 다른 실시예에서 상술한 바와 같이 웨이퍼 포켓의 경사각을 조절함으로써 모든 웨이퍼에 작용하는 상기 수직 하향 방향의 힘을 특정한 문턱치 값보다 작게 할 수도 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예들은 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.
10 : 챔버
30 : 가스공급부
40 : 서셉터
41 : 웨이퍼 포켓
50 : 히터

Claims (5)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부로 공정가스를 공급하는 가스공급부; 및
    상기 챔버 내부에 회전 가능하도록 위치하며 상면에 웨이퍼가 적재되는 웨이퍼 포켓이 다수개 배치되는 서셉터를 포함하되,
    상기 서셉터의 상면에는 제1 반경의 원주 상에 배치되고 제1 경사각을 가지는 제 1웨이퍼 포켓 그룹과, 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경의 원주 상에 배치되고 제 2 경사각을 가지는 제2 웨이퍼 포켓 그룹을 포함하고,
    상기 제 1 및 제2 경사각은 상기 서셉터의 상면을 기준으로 상기 서셉터의 외주에서 내주의 하향방향으로 형성되며, 상기 제2 경사각은 상기 제1 경사각보다 큰 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 웨이퍼 포켓 그룹 및 제2 웨이퍼 포켓 그룹 중 어느 하나의 그룹에 포함되는 웨이퍼 포켓들은 동일한 경사각을 가지는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 공정가스는 3족 및 5족 가스 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가스공급부는 상기 웨이퍼 포켓이 상기 서셉터의 상면과 이루는 경사각에 비례하여 상기 공정가스를 분출하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 웨이퍼 포켓들은 상기 서셉터의 회전축을 중심으로 서로 대칭되는 위치에 배치된 웨이퍼 포켓들을 포함하고, 상기 대칭되는 위치에 배치된 웨이퍼 포켓들은 상기 서셉터의 상면을 기준으로 서로 동일한 경사각을 가지는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
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