KR20130005840A - 가스 분사 어셈블리 및 기판 처리 장치 - Google Patents

가스 분사 어셈블리 및 기판 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 가스 분사 어셈블리는 가스 주입구가 형성된 상부 몸체, 상부 몸체의 하측에 이격 배치되며 복수의 제 1 분사홀과 연결되는 제 1 몸체, 제 1 몸체의 하측에 이격 배치되며 복수의 제 1 분사홀 및 제 2 분사홀이 마련된 제 2 몸체, 상하 방향으로 연장되어 상기 제 1 몸체와 상기 제 2 분사홀을 연결하는 연결관, 상기 상부 몸체와 상기 제 1 몸체 사이, 상기 제 1 몸체와 상기 제 2 몸체 사이에 플라즈마 영역이 형성되도록, 상기 상부 몸체, 상기 제 1 몸체, 및 상기 제 2 몸체 중 적어도 하나에 전원을 인가하는 전원 공급부를 포함한다.
따라서, 실시형태들에 의하면, 전극 부재의 내측 혹은 외측에 해당하는 제 1 플라즈마 영역에서 제 1 플라즈마를 생성하고, 샤워헤드의 내측인 제 2 플라즈마 영역에서 제 2 플라즈마를 생성한다. 여기서 제 1 플라즈마 및 제 2 플라즈마 중 어느 하나는 이온 에너지 및 밀도가 높은 플라즈마이고, 나머지 하나는 그에 비해 이온 에너지 및 밀도가 낮은 플라즈마이다. 실시예에서는 서로 다른 이온 에너지 및 밀도 특성을 가지는 제 1 및 제 2 플라즈마를 함께 이용함으로써, 종래에 비해 기판 처리 공정 속도를 향상시킬 수 있으며, 기판 또는 박막에 대한 손상을 줄일 수 있다.

Description

가스 분사 어셈블리 및 기판 처리 장치{Gas injection Assembly and apparatus for processing substrate}
발명은 기판 처리 공정이 용이한 가스 분사 어셈블리 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 소자가 소형화됨에 따라, 패턴을 미세화 및 고집적화시키는 기술이 연구 개발되고 있다. 고집적화 및 소형화된 반도체 소자를 제조하기 위해 일반적으로 반응 가스를 활성화시켜 플라즈마화하는 플라즈마 장치가 이용된다. 한편, 플라즈마 장치는 플라즈마화하는 방법에 따라 통상적으로 용량성 플라즈마(CCP: capacitive coupled plasma) 타입과, 유도성 플라즈마(inductive coupled plasma) 타입으로 나눌 수 있다.
용량성 플라즈마 장치는 예컨데, 챔버, 적어도 일부가 챔버 내에 배치되며 접지되는 상부 전극, 챔버 내에서 상부 전극의 하측에 배치되어 원료 가스를 분사하는 가스 분사부, 가스 분사부의 하측에 대향 배치되어 기판을 지지하는 정전척, 상부 전극에 전원을 인가하는 상부 전원 공급부, 하부 전극에 전원을 인가하는 하부 전원 공급부를 포함한다. 이러한 용량성 플라즈마 장치에서 상부 전극 및 하부 전극에 전원을 인가하면, 하부 전극과 상부 전극 사이에 전기장 및 플라즈마가 형성된다. 용량성 플라즈마 장치에서 생성된 플라즈마는 전기장에 의해 이온 에너지가 높은 장점이 있으나, 상기 고 에너지의 이온에 의해 기판 또는 기판 상에 형성된 박막이 손상되는 문제가 발생된다. 그리고 패턴이 미세화 됨에 따라 고 에너지의 이온에 의한 손상의 정도가 크다.
유도성 플라즈마 장치는 예컨데, 챔버, 챔버 내에 배치되어 원료 가스를 분사하는 가스 분사부, 챔버 내에서 가스 분사부와 대향 배치되어 기판을 지지하는 정전척, 챔버 외측에 배치되어 소스 전원이 인가되는 안테나, 안테나에 소스 전원을 인가하는 안테나 소스 전원 공급부 및 정전척에 고주파 바이어스 전원을 인가하는 바이어스 전원 공급부를 포함한다. 이러한 유도성 플라즈마 장치에서 정전척에 바이어스 전원을 인가하고, 안테나에 소스 전원이 인가되면, 챔버 내에 플라즈마가 형성된다. 생성된 플라즈마 중 양이온은 기판의 표면에 입사 또는 충돌함으로써, 기판 상에 박막을 형성하거나, 상기 기판 또는 기판 상에 형성된 박막을 식각한다. 유도성 플라즈마 장치에서 형성된 플라즈마는 높은 밀도를 가지고, 낮은 이온 에너지 분포를 형성하여, 기판 또는 박막에 대한 손상이 적은 장점이 있다. 하지만, 챔버 내에 형성되는 플라즈마의 이온 밀도가 챔버의 중앙 영역에서는 일정하나, 가장 자리 영역으로 갈 수록 이온 밀도의 균일도가 떨어지는 단점이 있다. 이와 같은 이온 밀도의 차이는 기판 및 챔버가 대형화 됨에 따라 더욱 두드러지게 나타나고 있다.
한편, 한국공개특허 제1997-0003557호 에는 상부 리엑터 전극, 상부 리엑터 전극 하측에 위치하는 하부 리엑터 전극을 포함하여, 용량성 플라즈마를 발생시키는 용량성 결합 플라즈마 장치가 개시되어 있고, 한국등록특허 제10-0963519호'에는 챔버 상부에 위치하며 상기 챔버에 소스 가스를 유입시키는 가스 분사부와, 소스 전원이 인가되는 안테나, 그리고 기판을 고정하며 바이어스 전원이 인가되는 정전척을 포함하는 유도성 결합 플라즈마발생장치가 제시되어 있다.
본 발명의 일 기술적 과제는 기판 처리 공정을 용이하게 실시할 수 있는 가스 분사 어셈블리 및 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 일 기술적 과제는 기판 또는 기판 상에 증착된 박막의 손상을 방지할 수 있는 가스 분사 어셈블리 및 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 가스 분사 어셈블리로서, 가스 주입구가 형성된 상부 몸체, 상기 상부 몸체의 하측에 이격 배치되며 복수의 제 1 분사홀과 연결되는 제 1 몸체, 상기 제 1 몸체의 하측에 이격 배치되며 복수의 제 1 분사홀 및 제 2 분사홀이 마련된 제 2 몸체, 상하 방향으로 연장되어 상기 제 1 몸체와 상기 제 2 분사홀을 연결하는 연결관, 상기 상부 몸체와 상기 제 1 몸체 사이, 상기 제 1 몸체와 상기 제 2 몸체 사이에 플라즈마 영역이 형성되도록, 상기 상부 몸체, 상기 제 1 몸체, 및 상기 제 2 몸체 중 적어도 하나에 전원을 인가하는 전원 공급부를 포함한다.
상기 샤워헤드의 제 1 몸체는 샤워헤드 전원 공급부와 연결되고, 상기 상부 몸체 및 상기 샤워헤드의 제 2 몸체가 접지된다.
상기 상부 몸체는 전극 전원 공급부와 연결되고, 상기 샤워헤드의 제 2 몸체는 전원 공급부와 연결되며, 상기 샤워헤드의 제 1 몸체는 접지된다.
상기 상부 몸체에 상측 및 하측이 개방되어 상하 방향으로 연통되는 복수의 홀이 마련되고, 상기 복수의 홀이 상호 이격 배치된다.
상기 상부 몸체에 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 라인 및 상기 제 1 몸체와 제 2 몸체 사이 영역으로 원료 가스를 공급하는 제 2 가스 공급 라인을 포함한다.
상기 제 1 분사홀과 제 2 분사홀이 상호 이격되도록 교대로 배치된다.
상기 연결관은 절연 물질로 제작된다.
상기 연결관은 상기 제 1 몸체를 관통하여 상기 제 2 몸체에 마련된 제 2 분사홀 내로 삽입 설치된다.
상기 연결관의 영역 중 제 1 몸체와 연결되는 영역이 직경이 상기 제 2 몸체와 연결되는 영역의 직경에 비해 크도록 제작된다.
상기 연결관은 단면의 형상이 알파벳 'T'자의 형상이 되도록 제작된다.
본 발명에 따른 기판 처리 장치는 기판 처리 공간을 가지는 챔버, 상기 챔버 내에 배치되며, 내측 혹은 외측에 제 1 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 상부 몸체 및 상기 상부 몸체의 일측에 이격 배치되어, 제 2 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 샤워헤드를 포함하고, 상기 샤워헤드는, 상기 상부 몸체의 일측에 이격 배치되는 제 1 몸체, 상기 제 1 몸체의 하측에 이격 배치되며, 가스를 분사하는 복수의 제 1 분사홀 및 제 2 분사홀이 마련된 제 2 몸체 및 내부 공간을 가지며, 상기 제 1 몸체와 제 2 몸체를 상하 방향으로 관통하여, 상기 제 1 몸체에서 제 2 몸체로 연장 설치되는 연결관을 포함한다.
상기 샤워헤드의 제 1 몸체는 샤워헤드 전원 공급부와 연결되고, 상기 상부 몸체 및 상기 샤워헤드의 제 2 몸체가 접지된다.
상기 상부 몸체는 전극 전원 공급부와 연결되고, 상기 샤워헤드의 제 2 몸체는 전원 공급부와 연결되며, 상기 샤워헤드의 제 1 몸체는 접지된다.
상기 연결관의 내부는 상기 제 1 플라즈마 영역과 연통되고, 상기 제 2 몸체에 마련된 제 1 분사홀은 상기 제 2 플라즈마 영역과 연통되며, 상기 연결관의 일단이 제 2 분사홀의 내측으로 삽입 장착된다.
적어도 일단이 상기 챔버 내부로 삽입되도록 설치되어, 상기 샤워헤드의 제 1 몸체와 제 2 몸체 사이 영역으로 원료 가스를 공급하는 제 2 가스 공급 라인을 포함한다.
상기 제 2 가스 공급 라인의 적어도 일단이 챔버 내 측벽으로 삽입되어, 상기 제 1 몸체와 제 2 몸체 사이의 영역에 대향 위치한다.,
상기 챔버 내벽 중 상기 상부 몸체, 샤워헤드 주위 영역에 절연 물질로 이루어진 절연 부재가 설치된다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시형태들에 의하면, 전극 부재의 내측 혹은 외측에 해당하는 제 1 플라즈마 영역에서 제 1 플라즈마를 생성하고, 샤워헤드의 내측인 제 2 플라즈마 영역에서 제 2 플라즈마를 생성한다. 여기서 제 1 플라즈마 및 제 2 플라즈마 중 어느 하나는 이온 에너지 및 밀도가 높은 플라즈마이고, 나머지 하나는 그에 비해 이온 에너지 및 밀도가 낮은 플라즈마이다. 실시예에서는 서로 다른 이온 에너지 및 밀도 특성을 가지는 제 1 및 제 2 플라즈마를 함께 이용함으로써, 종래에 비해 기판 처리 공정 속도를 향상시킬 수 있으며, 기판 또는 박막에 대한 손상을 줄일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 샤워헤드는 제 1 몸체에서 제 2 몸체로 연장 설치되며, 상호 이격 배치되는 복수의 연결관을 포함한다. 이에, 제 1 플라즈마 영역에서 생성된 제 1 플라즈마는 연결관을 통해 샤워헤드의 하측에 위치하는 반응 영역에 균일하게 확산된다. 따라서, 기판 전체에 대해 균일한 공정 조건을 유지할 수 있다.
본 발명의 실시형태들에 의하면 상부 몸체 및 샤워 헤드 각각을 통해 원료 가스를 분사함으로써, 원료 가스를 시 분할적으로 분사된다. 또한, 상부 몸체로의 전원 인가와 샤워 헤드로의 전원 인가가 독립적으로 제어가 되기 때문에, 상부 몸체와 샤워헤드 사이의 제 1 플라즈마 영역 및 샤워헤드 내부의 제 2 플라즈마 발생 영역 각각의 플라즈마 발생을 독립적으로 제어가 가능하다. 따라서, 우수한 스텝 커버리지(step coverage)를 가지는 막질 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도
도 2는 제 2 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도
도 3은 제 3 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도이다. 도 2는 제 2 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도이다. 도 3은 제 3 실시예에 따른 기판 처리 장치를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 기판 처리 장치는 기판(S)을 처리하는 내부 공간을 가지는 챔버(100), 챔버(100) 내측에 배치되어 그 상부에 기판(S)이 지지 고정되는 기판 지지 유닛(500), 챔버(100) 내에서 기판 지지 유닛(500)의 상측에 배치되어 원료 가스를 분사하는 가스 분사 어셈블리(700) 및 기판 지지 유닛(500)에 바이어스 전원을 인가하는 기판 지지 유닛 전원 공급부(540)를 포함한다. 여기서, 제 1 및 제 2 가스 공급 라인(230, 400)을 통해 공급되는 원료 가스는 동일한 가스 이거나, 서로 다른 가스 일 수 있다. 또한, 원료 가스는 기판(S) 상에 박막을 증착하기 위한 증착 가스, 상기 기판(S) 또는 박막을 식각하기 위한 식각 가스일 수 있다.
가스 분사 어셈블리(700)는 챔버(100) 내에서 기판 지지 유닛(500)의 상측에 배치되는 상부 몸체(200) 및 상부 몸체(200)의 하측에서 상하 방향으로 상호 이격 배치된 제 1 및 제 2 몸체(310, 320)를 구비하며, 원료 가스를 분사하는 샤워헤드(300), 상부 몸체(200)의 내측 또는 상부 몸체(200)의 하측으로 원료 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 라인(230), 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이의 공간으로 원료 가스를 공급하는 제 2 가스 공급 라인(400) 및 제 2 몸체(230)에 전원을 인가하는 샤워헤드 전원 공급부(360)를 포함한다.
챔버(100)는 내부가 비어있는 사각통 형상으로 제작되고, 내부에는 소정의 내부 공간이 마련된다. 챔버(100)의 형상은 사각통 형상에 한정되지 않고, 기판(S)의 형상에 대응하는 다양한 형상으로 제조될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 챔버(100)의 일측에는 기판(S)이 출입하는 출입구(미도시)가 마련되며, 챔버(100) 내부의 압력을 조절하는 압력 조절 수단(미도시) 및 챔버(100)의 내부를 배기하는 배기 수단(미도시)을 구비할 수도 있다. 이러한 챔버(100)는 접지(ground) 되어 있는 것이 바람직하다. 실시예에 따른 기판 처리 장치에서는 챔버(100)가 접지되고, 샤워헤드(300)에 전원 예컨데, RF 전원이 인가되며, 상부 몸체(200)가 접지되므로, 챔버(100), 샤워헤드(300) 및 상부 몸체(200) 간을 절연시키는 것이 바람직하다. 이에, 챔버(100) 내벽 중 상부 몸체(200)의 상측인 상부벽에 제 1 절연 부재(110a)가 장착되고, 상부 몸체(200)의 상측 둘레를 둘러싸도록 챔버(100) 내 측벽에 제 2 절연 부재(110b)가 장착되며, 상부 몸체(200)와 제 1 몸체(310) 사이에 해당하는 챔버(100) 내 측벽 및 제 2 몸체(320)의 하측에 해당하는 챔버(100) 내 측벽에 제 3 절연 부재(110c)가 장착된다. 여기서 제 1 내지 제 3 절연 부재(110a 내지 110c)는 절연 물질 예컨데, 세라믹 또는 파이렉스로 이루어진 플레이트를 이용하거나, 세라믹 또는 파이렉스로 이루어진 물질을 도포하여 코팅막 형태로 제조할 수 있다.
기판 지지 유닛(500)은 챔버(100) 내에서 샤워헤드(300)의 하측에 배치되며, 그 상부에 기판(S)이 안치되는 기판 지지 부재(510) 및 일단이 기판 지지 부재(510)와 연결되고 타단이 챔버(100) 하부의 외측으로 돌출되어 기판 지지 유닛 전원 공급부(540)와 연결되는 샤프트(520)를 포함한다. 기판 지지 부재(510)는 예컨데, 정전기력을 이용하여 기판(S)을 지지 고정하는 정전척 또는 진공 흡착력을 이용하여 기판(S)을 지지 고정하는 수단일 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고 기판(S)을 지지할 수 있는 다양한 수단을 기판 지지 부재(510)로 이용할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 기판 지지 부재(510) 내부에는 기판(S)을 가열하는 히터(미도시), 상기 기판 지지 부재(510) 또는 기판(S)을 쿨링시키는 쿨링 라인(미도시)이 장착될 수 있다. 샤프트(520)의 타단은 도시되지는 않았지만, 상기 샤프트(520) 또는 기판 지지 부재(510)를 승하강 또는 회전시키는 구동부(미도시)와 연결될 수 있다.
상부 몸체(200)는 챔버(100) 내 상부벽에 장착된 제 1 절연 부재(110a)의 하측으로 이격 배치된다. 실시예에 따른 상부 몸체(200) 그 플레이트 형상으로 제작되며, 상하 방향으로 연통되는 복수의 홀(200a)을 구비한다. 상부 몸체(200)의 상부는 원료 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 라인(230)과 연결된다. 이에, 제 1 가스 공급 라인(230)으로부터 공급된 원료 가스는 제 1 절연 부재(110a)와 상부 몸체(200a) 사이 영역 내에서 확산된 후, 상기 상부 몸체(200)에 마련된 복수의 홀(200a)을 통해 하측으로 분사된다. 이러한 상부 몸체(200)의 적어도 일단은 접지되어 있는 챔버(100) 내벽과 접촉되거나, 챔버(100)와는 별도로 접지되도록 연결된다.
샤워헤드(300)는 상부 몸체(200)의 하측에 이격 배치된 제 1 몸체(310), 제 1 몸체(310)의 하측에 배치되며, 원료 가스를 분사하는 복수의 제 1 분사홀(340a) 및 복수의 제 2 분사홀(340b)을 구비하는 제 2 몸체(320), 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320)를 관통하도록 삽입 설치되어, 원료 가스를 분사하는 복수의 연결관(330) 및 제 1 몸체(310) 내에 설치되어 상기 제 1 몸체(310)를 냉각시키는 냉각 수단(350)을 포함한다. 여기서, 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이에서 복수의 연결관(330)이 설치되지 않은 영역은 빈공간으로, 상기 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이의 빈 공간과 제 2 몸체(320)에 마련된 복수의 제 1 분사홀(340a)은 상호 연통된다. 또한, 제 2 가스 공급 라인(400)은 챔버(100)내 측벽을 관통하여 적어도 일단이 챔버(100) 내로 삽입되도록 설치되어, 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이에 원료 가스를 공급한다. 하지만 이에 한정되지 않고, 제 2 가스 공급 라인(400)은 챔버(100)의 상측에서 하측으로 연장되어, 일단이 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이의 이격 공간에 위치하도록 설치될 수 있다.
제 1 몸체(310)는 상부 몸체(200)의 하측에 이격 배치되며, 플라즈마를 발생시키기 위한 전원 예컨데, RF 전원을 인가하는 샤워헤드 전원 공급부(360)와 연결된다. 이를 위해 샤워헤드 전원 공급부(360)의 적어도 일단은 챔버(100) 내벽에 설치된 제 3 절연 부재(110c)를 관통하여 제 1 몸체(340)와 연결된다. 그리고, 제 1 몸체(310) 내에 전원이 공급되면, 상기 제 1 몸체(310)에 필요 이상의 열이 발생할 수 있으므로, 실시예에서는 제 1 몸체(310) 내에 냉각 수단(350)을 삽입 설치한다. 냉각 수단(350)은 그 내부로 냉매 예컨데 물 또는 질소 가스가 흐르는 파이프를 이용할 수 있다.
제 2 몸체(320)는 제 1 몸체(310)의 하측에 이격 배치되며, 적어도 일단이 접지되어 있는 챔버(100) 내 측벽과 접촉되거나, 별도로 접지되도록 연결된다. 이러한 제 2 몸체(320)에는 복수의 제 1 분사홀(340a) 및 복수의 제 2 분사홀(340b)가 마련되는데, 상기 제 1 분사홀(340a) 및 제 2 분사홀(340b) 각각은 상부 및 하부가 개방된 형상이며, 제 2 몸체(320) 상에서 상호 이격 배치된다. 즉, 복수의 제 1 분사홀(340a)가 위치하거나, 복수의 제 2 분사홀(340b) 사이에 제 1 분사홀(340b)가 위치한다. 즉, 제 2 몸체(320) 상에서 제 1 분사홀(340a)과 제 2 분사홀(340b)가 교대로 배치된다. 여기서, 복수의 제 1 분사홀(340a)은 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이에서 발생된 플라즈마가 통과하여, 상기 제 2 몸체(320)의 하측으로 분사되는 이동 유로이다. 그리고 복수의 제 2 분사홀(340a)는 후술되는 연결관(330)의 삽입되는 공간이다.
연결관(330)은 상부 및 하부가 개방되고, 내부 공간을 가지는 파이프 형상으로 제작되어, 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320)를 상하 방향으로 관통하도록 삽입 설치된다. 즉, 연결관(330)이 제 1 몸체(310)를 관통하고, 일단이 제 2 몸체(320)에 마련된 제 2 분사홀(340b)에 삽입되도록 설치된다. 이에, 제 2 몸체(320) 상에서 연결관(330)은 복수의 제 1 분사홀(340b) 사이에 위치하게 된다. 이러한 연결관(330)은 상부 몸체(200)와 제 1 몸체(310) 사이에서 발생된 플라즈마가 통과하여, 제 2 몸체(320) 하측으로 이동하도록 하는 유로이다. 그리고 실시예에 따른 연결관(330)의 영역 중 제 1 몸체(310)에 위치하는 영역의 직경에 비해 상기 제 1 몸체(310)의 하측 및 제 2 몸체(320)의 제 2 분사홀(240b)에 삽입되는 영역의 직경이 작도록 제작한다. 바람직하게는 연결관(330)의 영역 중 제 1 몸체(310)의 하측 및 제 2 몸체(320)에 제 2 분사홀(240b)에 삽입되는 영역의 직경은 동일하고, 상기 제 1 몸체(310)의 하측 및 제 2 분사홀(240b)에 삽입되는 영역의 직경은 제 1 몸체(310)에 위치하는 영역의 직경에 비해 작도록 제작한다. 예컨데, 실시예에 따른 연결관(330)은 그 단면이 알파벳 'T' 자의 형상이 되도록 제작된다. 하지만, 이에 한정되지 않고 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320)를 연결하며 원료 가스가 흐르는 내부 공간을 가지는 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 또한, 연결관(330)은 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 간을 절연시킬 수 있도록 절연 재료 예컨데, 세라믹 또는 파이렉스로 이루어진 플레이트를 이용하거나, 세라믹 또는 파이렉스로 이루어진 물질을 도포하여 코팅막 형태로 제조할 수 있다. 그리고, 연결관(330)의 내부 직경과 제 2 몸체(320)에 마련된 제 1 분사홀(340a)의 크기는 0.01인치 이상이 되는 것이 바람직하다. 이는, 샤워헤드(300)의 전원 인가시에 아킹(arcking )이 발생되는 것을 억제하고, 플라즈마 발생 시에 기생 플라즈마 생성을 억제하기 위함이다.
하기에서는 상부 몸체(200)와 샤워헤드(300)의 사이의 이격 공간 및 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이에서 플라즈마를 생성하는 과정을 설명한다.
제 1 가스 공급 라인(230)으로부터 상부 몸체(200)의 상측으로 원료 가스가 공급되면, 상기 원료 가스는 복수의 홀(200a)을 통해 상기 상부 몸체(200)의 하측으로 분사된다. 이때, 샤워헤드 전원 공급부(360)를 이용하여 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)에 RF 전원을 공급하고, 상부 몸체(200)를 접지시키면, 상부 몸체(200)와 제 1 몸체(310) 사이의 이격 공간에서 원료 가스가 방전되어, 제 1 플라즈마가 생성된다. 하기에서는 상부 몸체(200)와 샤워헤드(300), 바람직하게는 상부 몸체(200)와 제 1 몸체(310) 사이의 이격 공간을 '제 1 플라즈마 영역(P1)'이라 명명하고, 상기 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생된 플라즈마를 제 1 플라즈마라 명명한다. 제 1 플라즈마 영역(P1)은 상부(즉, 상부 몸체(200))가 접지되고 하부(즉, 제 1 몸체(310))에 RF 전원이 인가되는 구조에서 구획되는 공간이므로, 상기 제 1 플라즈마 영역(P1)에서는 밀도 및 이온 에너지가 높은 제 1 플라즈마 생성가 생성된다. 여기서 제 1 플라즈마는 상부가 접지되고 하부에 RF 전원이 인가될 시 발생되는 RID(Reactive ion deposition) 형태의 플라즈마일 수 있으며, 상기 제 1 플라즈마는 밀도 및 기판(S)으로 입사되는 이온 에너지가 크고, 쉬스 영역이 넓은 특성을 가집니다. 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 생성된 제 1 플라즈마는 연결관(330)을 통해 샤워헤드(300)의 하측으로 이동한다. 하기에서는 샤워헤드(300)의 하측, 즉 제 2 몸체(320)와 기판 지지 부재(510) 사이의 영역을 '반응 영역(R)'이라 명명한다. 여기서, 제 1 플라즈마는 고 밀도 및 높은 이온 에너지의 특성을 가지고 있다.
또한, 제 2 가스 공급 라인(400)으로부터 샤워헤드(300)의 내측 즉, 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이로 원료 가스가 공급되면, 상기 원료 가스는 상기 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이의 이격 공간에서 확산된다. 이때, 샤워헤드 전원 공급부를 이용하여 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)에 RF 전원을 공급하고, 제 2 몸체(320)를 접지시키면, 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이의 이격 공간에 제 2 플라즈마가 생성된다. 여기서 제 2 플라즈마는 상부에 RF 전원을 걸고 하부가 접지될 시 발생되는 PE-CVD(Plasma Enhanced CVD) 형태의 플라즈마로서, 낮은 플라즈마 밀도 및 넓은 쉬스 영역을 가지는 특성이 있어, 공정 속도가 높은 장점이 있습니다. 하기에서는 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이의 이격 공간을 '제 2 플라즈마 영역(P2)'이라 명명하고, 상기 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 발생된 플라즈마를 제 2 플라즈마라 명명한다. 여기서, 제 2 플라즈마 영역(P2)은 하부(즉, 제 2 몸체(320))가 접지되고 상부(즉, 제 1 몸체(310))에 RF 전원이 인가되는 구조에서 구획되는 공간이므로, 상기 제 2 플라즈마 영역(P2)에서는 제 1 플라즈마에 비해 밀도 및 이온 에너지가 낮은 제 2 플라즈마 생성된다. 이후, 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 생성된 제 2 플라즈마는 제 2 몸체(320)에 마련된 복수의 제 1 분사홀(340a)을 통해 반응 영역(R)으로 이동한다.
이와 같이, 상부 몸체(200)와 및 샤워헤드(300) 각각을 통해 원료 가스를 분사함에 따라, 원료 가스를 시 분할적으로 분사시킬 수 있다. 또한, 상부 몸체(200)와로의 전원 인가와 샤워헤드(300)로의 전원 인가가 독립적으로 제어가 되기 때문에, 상부 몸체(200)와와 샤워헤드(300) 사이의 제 1 플라즈마 영역(P1) 및 샤워헤드(300) 내부의 제 2 플라즈마 영역(P2) 각각의 플라즈마 발생을 독립적으로 제어가 가능하다. 따라서, 우수한 스텝 커버리지(step coverage)를 가지는 막질 구현이 가능하다.
이때, 상부에 기판(S)이 안착된 기판 지지 부재(510)에는 바이어스 전원이 인가되므로, 반응 영역(R)으로 이동한 제 1 및 제 2 플라즈마의 이온이 기판(S)의 표면에 입사 또는 충돌함으로써, 기판(S) 상에 형성된 박막을 식각하거나, 상기 기판(S)에 박막을 증착한다. 전술한 바와 같이 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생된 제 1 플라즈마는 고 밀도 및 높은 이온 에너지의 특성을 가지고, 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 발생된 제 2 플라즈마는 제 1 플라즈마에 비해 밀도 및 이온 에너지가 낮다. 이에, 종래에서와 같이 제 1 플라즈마를 단독으로 사용할 경우, 기판(S) 또는 기판(S) 상에 형성된 박막이 손상될 수 있고, 제 2 플라즈마를 단독으로 사용할 경우 공정 속도가 낮다. 하지만, 살시예에서와 같이 밀도 및 이온 에너지가 높은 제 1 플라즈마와 상기 제 1 플라즈마에 비해 밀도 및 이온 에너지가 낮은 제 2 플라즈마를 함께 생성하여, 상기 제 1 플라즈마와 제 2 플라즈마의 상호 작용에 의해 기판(S) 또는 박막이 손상되는 것을 방지하면서, 공정 속도를 향상시킬 수 있다.
상기에서는 도 1에 도시된 바와 같이 상부 몸체(200)가 제 1 절연 부재(110a)의 하측에 이격 배치되고, 상기 상부 몸체(200)에 복수의 홀(200a)이 마련되는 것을 설명하였다. 하지만 이에 한정되지 않고, 도 2에 도시된 제 2 실시예에서와 같이 상부 몸체(200)가 제 1 절연 부재(110a)의 하부와 접촉되도록 설치되며, 복수의 홀(200a)이 마련되지 않을 수 있다. 이때, 제 1 가스 공급 라인(230)은 상부 몸체(200)의 하측으로 원료 가스를 분사한다.
또한, 상기에서는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)와 샤워헤드 전원공급부(360)가 연결되어, 상기 제 1 몸체(310)에 RF 전원이 공급되고, 상부 몸체(200) 및 제 2 몸체(320)가 접지되는 것을 설명하였다. 하지만 이에 한정되지 않고 도 3에 도시된 제 3 실시예에서와 같이 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)가 접지되고, 상기 제 1 몸체(310)의 상측에 위치하는 상부 몸체(200)에 예컨데 RF 전원을 인가하는 전극 전원 공급부(210)가 연결되며, 상기 제 1 몸체(310)의 하측에 각기 위치하는 제 2 몸체(320)에 샤워헤드 전원 공급부(370)가 연결될 수 있다. 이에, 제 1 플라즈마 영역(P1)은 상부(즉, 상부 몸체(200))에 전원이 공급되고, 하부(즉, 제 1 몸체(310))가 접지되는 구조이므로, 상기 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생되는 제 1 플라즈마는 제 2 플라즈마에 비해 비해 밀도 및 이온 에너지가 낮은 특성을 가진다. 또한, 제 2 플라즈마 영역(P2)은 상부(제 1 몸체)가 접지되고, 하부(즉, 제 2 몸체(320))에 전원이 공급되는 구조이므로, 상기 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 발생되는 제 2 플라즈마는 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생되는 제 1 플라즈마에 비해 도 및 이온 에너지가 높다. 그리고 이와 같은 경우 도 3에 도시된 바와 같이 상부 몸체(200) 내에 상기 상부 몸체(200)를 냉각 시키는 냉각 수단(200b)이 삽입 설치된다.
하기에서는 도 1을 참조하여, 제 1 실시예에 따른 기판 처리 장치의 동작 및 기판 처리 방법을 설명한다.
먼저, 챔버(100) 내로 기판(S)을 인입시켜, 상기 챔버(100) 내에 배치된 기판 지지 부재(510) 상에 기판(S)을 안착시킨다. 실시예에서는 기판(S)으로 웨이퍼를 이용하나 이에 한정되지 않고, 유리 기판, 고분자 기판, 플라스틱 기판, 금속 기판 등 다양한 기판(S)을 이용할 수 있다.
기판 지지 부재(510) 상에 기판(S)이 안치되면, 제 1 가스 공급 라인(230)을 통해 상부 몸체(200)의 상측으로 원료 가스를 공급하고, 제 2 가스 공급 라인(400)을 통해 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이에 원료 가스를 공급한다. 실시예에서는 원료 가스로 기판 상에 형성된 박막을 식각하는 식각 가스를 이용한다. 실시예에서는 원료 가스로 SiH4, TEOS, O2, Ar, He, NH3, N2O 및 N2, CaHb 중 어느 하나를 사용하나, 이에 한정되지 않고 다양한 재료를 원료 가스로 이용할 수 있다.
그리고 샤워헤드 전원 공급부(360)를 이용하여, 샤워헤드의 제 1 몸체(310)에 RF 전원을 공급하고, 상부 몸체(200) 및 샤워헤드(300)의 제 2 몸체(320)는 각기 접지시킨다. 이에, 제 1 가스 공급 라인(230)으로부터 제공된 원료 가스는 상부 몸체(200)에 마련된 복수의 홀(200a)을 통해 상기 상부 몸체(200)의 하측 즉, 제 1 플라즈마 영역(P1)으로 분사된다. 이후, 접지된 상부 몸체(200) 및 RF 전원이 인가되는 제 1 몸체(310)에 의해 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 밀도 및 이온 에너지가 높은 제 1 플라즈마 생성된다. 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 생성된 제 1 플라즈마는 연결관(330)을 통해 반응 영역(R)으로 이동한다. 여기서, 연결관(330)이 전술한 바와 같이 제 1 몸체(310) 내에서 상기 제 1 몸체(310)의 하측에 배치된 제 2 몸체(320) 내까지 연장 설치되어 있어, 제 1 플라즈마 영역(P1)에서 발생된 제 1 플라즈마가 연결관(330)을 통해 반응 영역(R)까지 균일하게 분사되어, 반응 영역(R)에서의 제 1 플라즈마의 밀도가 균일해 진다.
또한, 제 2 가스 공급 라인(400)으로부터 제공된 원료 가스는 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이 영역 즉, 제 2 플라즈마 영역(P2) 전체에 균일하게 확산된다. 이후, RF 전원이 인가되는 제 1 몸체(310) 및 접지된 제 2 몸체(320)에 의해 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 제 2 플라즈마가 생성된다. 제 2 플라즈마 영역(P2)에서 생성된 제 2 플라즈마는 복수의 제 1 분사홀(340a)을 통해 반응 영역(R)으로 이동하며, 상기 복수의 제 1 분사홀(340a)을 통해 반응 영역(R) 전체에 고르게 확산된다.
반응 영역(R)으로 이동한 제 1 및 제 2 플라즈마는 상호 작용에 의해 그 밀도, 이온 에너지 등의 특성이 변한다. 즉, 반응 영역(R)으로 이동한 제 1 플라즈마는 제 1 플라즈마 영역(P1)에 있을 때에 비해 그 밀도 및 이온 에너지가 감소하는데, 이는 반응 영역(R)에서 만나는 제 2 플라즈마로 인한 상쇄 작용에 의한 것이다. 또한, 반응 영역(R)으로 이동한 제 2 플라즈마는 제 2 플라즈마 영역(P2)에 있을 때에 비해 그 밀도 및 이온 에너지가 증가하는데, 이는 반응 영역(R)에서 만나는 제 1 플라즈마에 의한 것이다.
이후, 반응 영역(R)의 제 1 및 제 2 플라즈마 이온은 바이어스 전원이 인가된 기판(S)으로 입사 또는 충돌함으로써, 기판(S) 상에 형성된 박막을 식각한다. 여기서, 도시되지는 않았지만, 기판(S) 상측에는 복수의 개구부가 마련된 마스크(미도시)가 배치될 수 있으며, 제 1 및 제 2 플라자마의 이온은 마스크(미도시)의 개구부를 통해 기판(S)으로 입사되어, 상기 기판(S) 상에 형성된 박막을 식각한다. 이때, 실시예에서는 종래에서와 같이 밀도 및 이온 에너지가 높은 플라즈마를 단독으로 이용하거나, 밀도 및 이온 에너지가 낮은 플라즈마를 단독으로 이용하지 않고, 밀도 및 이온 에너지가 높은 플라즈마와, 그에 비해 이온 에너지가 낮은 플라즈마를 함께 이용하므로, 기판(S)을 향하는 이온에 의해 박막 또는 기판이 손상되는 것을 방지할 수 있으며, 공정 시간을 단축할 수 있다.
상기에서는 도 1에 도시된 제 1 실시예에 따른 기판 처리 장치를 예를 들어 설명하였으나, 도 2에 도시된 제 2 실시예에 따른 기판 처리 장치와 도 3에 도시된 제 3 실시예에 따른 기판 처리 장치의 동작 및 플라즈마의 생성 과정도 유사하다. 다만, 도 2에 도시된 제 1 실시예에서는 제 1 가스 공급 라인(230)으로 공급된 원료 가스는 바로 상부 몸체(200)의 하측으로 분사된다. 그리고 도 3에 도시된 제 3 3 실시예에서는 상부 몸체(200) 및 샤워헤드(300)의 제 2 몸체(320)이 접지되고, 상기 샤워헤드(300)의 제 1 몸체(310)가 샤워헤드 전원 공급부(260)과 연결된다. 이에, 상부 몸체(200)와 제 1 몸체(310) 사이에서 제 1 플라즈마가 생성되고, 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이에서 제 2 플라즈마가 생성된다. 이때, 제 2 플라즈마가 제 1 플라즈마에 비해 밀도 및 이온 에너지가 높다.
여기서, 제 1 몸체(310)와 제 2 몸체(320) 사이에서 생성된 제 2 플라즈마는 상부 몸체(200)와 제 1 몸체(310) 사이에서 생성된 제 1 플라즈마에 비해 밀도 및 이온 에너지가 높다.
본 발명의 제 1 내지 제 3 실시예와 같은 상부 몸체(200) 및 샤워헤드(300)에 대한 기술은 상기에서 전술한 기판 처리 장치에 한정되지 않고, 플라즈마를 이용하는 다양한 장치에 적용될 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예들 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
100: 챔버 200: 상부 몸체
300: 샤워헤드 310: 제 1 몸체
320: 제 2 몸체 330: 연결관
340: 분사홀 P1: 제 1 플라즈마 영역
P2: 제 2 플라즈마 영역 500: 기판 지지 유닛

Claims (17)

  1. 가스 분사 어셈블리로서,
    가스 주입구가 형성된 상부 몸체;
    상기 상부 몸체의 하측에 이격 배치되며 복수의 제 1 분사홀과 연결되는 제 1 몸체;
    상기 제 1 몸체의 하측에 이격 배치되며 복수의 제 1 분사홀 및 제 2 분사홀이 마련된 제 2 몸체;
    상하 방향으로 연장되어 상기 제 1 몸체와 상기 제 2 분사홀을 연결하는 연결관;
    상기 상부 몸체와 상기 제 1 몸체 사이, 상기 제 1 몸체와 상기 제 2 몸체 사이에 플라즈마 영역이 형성되도록, 상기 상부 몸체, 상기 제 1 몸체, 및 상기 제 2 몸체 중 적어도 하나에 전원을 인가하는 전원 공급부를 포함하는 가스 분사 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 샤워헤드의 제 1 몸체는 샤워헤드 전원 공급부와 연결되고, 상기 상부 몸체 및 상기 샤워헤드의 제 2 몸체가 접지되는 가스 분사 어셈블리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 몸체는 전극 전원 공급부와 연결되고, 상기 샤워헤드의 제 2 몸체는 전원 공급부와 연결되며, 상기 샤워헤드의 제 1 몸체는 접지되는 가스 분사 어셈블리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 몸체에 상측 및 하측이 개방되어 상하 방향으로 연통되는 복수의 홀이 마련되고, 상기 복수의 홀이 상호 이격 배치되는 가스 분사 어셈블리.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 적어도 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 상부 몸체에 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 라인 및 상기 제 1 몸체와 제 2 몸체 사이 영역으로 원료 가스를 공급하는 제 2 가스 공급 라인을 포함하는 가스 분사 어셈블리.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 분사홀과 제 2 분사홀이 상호 이격되도록 교대로 배치되는 가스 분사 어셈블리.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결관은 절연 물질로 제작되는 가스 분사 어셈블리.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결관은 상기 제 1 몸체를 관통하여 상기 제 2 몸체에 마련된 제 2 분사홀 내로 삽입 설치되는 가스 분사 어셈블리.
  9. 청구항 1 또는 8에 있어서,
    상기 연결관의 영역 중 제 1 몸체와 연결되는 영역이 직경이 상기 제 2 몸체와 연결되는 영역의 직경에 비해 크도록 제작되는 가스 분사 어셈블리.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 연결관은 단면의 형상이 알파벳 'T'자의 형상이 되도록 제작되는 가스 분사 어셈블리.
  11. 기판 처리 공간을 가지는 챔버;
    상기 챔버 내에 배치되며, 내측 혹은 외측에 제 1 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 상부 몸체; 및
    상기 상부 몸체의 일측에 이격 배치되어, 제 2 플라즈마 영역이 형성되도록 하는 샤워헤드를 포함하고,
    상기 샤워헤드는,
    상기 상부 몸체의 일측에 이격 배치되는 제 1 몸체;
    상기 제 1 몸체의 하측에 이격 배치되며, 가스를 분사하는 복수의 제 1 분사홀 및 제 2 분사홀이 마련된 제 2 몸체; 및
    내부 공간을 가지며, 상기 제 1 몸체와 제 2 몸체를 상하 방향으로 관통하여, 상기 제 1 몸체에서 제 2 몸체로 연장 설치되는 연결관을 포함하는 기판 처리 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 샤워헤드의 제 1 몸체는 샤워헤드 전원 공급부와 연결되고, 상기 상부 몸체 및 상기 샤워헤드의 제 2 몸체가 접지되는 기판 처리 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 상부 몸체는 전극 전원 공급부와 연결되고, 상기 샤워헤드의 제 2 몸체는 전원 공급부와 연결되며, 상기 샤워헤드의 제 1 몸체는 접지되는 기판 처리 장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 연결관의 내부는 상기 제 1 플라즈마 영역과 연통되고, 상기 제 2 몸체에 마련된 제 1 분사홀은 상기 제 2 플라즈마 영역과 연통되며, 상기 연결관의 일단이 제 2 분사홀의 내측으로 삽입 장착되는 기판 처리 장치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    적어도 일단이 상기 챔버 내부로 삽입되도록 설치되어, 상기 샤워헤드의 제 1 몸체와 제 2 몸체 사이 영역으로 원료 가스를 공급하는 제 2 가스 공급 라인을 포함하는 기판 처리 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 2 가스 공급 라인의 적어도 일단이 챔버 내 측벽으로 삽입되어, 상기 제 1 몸체와 제 2 몸체 사이의 영역에 대향 위치하는 기판 처리 장치.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 챔버 내벽 중 상기 상부 몸체, 샤워헤드 주위 영역에 절연 물질로 이루어진 절연 부재가 설치되는 기판 처리 장치.
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