KR20130080314A - 처리유닛을 포함하는 기판 처리 장치 - Google Patents

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KR20130080314A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판에 대한 공정이 이루어지는 기판 처리 장치는, 상부가 개방되며, 일측에 상기 기판이 출입하는 통로가 형성되는 하부챔버; 상기 하부챔버의 개방된 상부를 폐쇄하며, 상기 공정이 이루어지는 공정공간을 제공하는 외부반응튜브; 하나 이상의 상기 기판이 상하방향으로 적재되며, 상기 기판 홀더 내에 상기 기판이 적재되는 적재위치 및 상기 기판에 대한 상기 공정이 이루어지는 공정위치로 전환가능한 기판 홀더; 상기 공정공간을 향해 반응가스를 공급하는 가스공급유닛; 그리고 상기 외부반응튜브의 외측에 설치되어 상기 반응가스를 활성화하여 상기 기판에 대한 공정을 진행하는 처리유닛을 포함한다.

Description

처리유닛을 포함하는 기판 처리 장치{APPARATUS FOR PROCESSING SUBSTRATE INCLUDING PROCESSING UNIT}
본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응가스를 활성화하는 처리유닛을 포함하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
통상적인 선택적 에피택시 프로세스(selective epitaxy process)는 증착 반응 및 식각 반응을 수반한다. 증착 및 식각 반응은 다결정층 및 에피택셜 층에 대해 비교적 상이한 반응 속도로 동시에 발생한다. 증착 프로세스 중에, 적어도 하나의 제2층상에, 기존의 다결정층 및/또는 비결정층이 증착되는 동안, 에피택셜 층은 단결정 표면상에 형성된다. 그러나 증착된 다결정층은 일반적으로 에피택셜 층보다 빠른 속도로 식각된다. 따라서, 부식 가스의 농도를 변화시킴으로써, 네트 선택적 프로세스(net selective process)가 에피택시 재료의 증착 및 제한된 또는 제한되지 않은 다결정 재료의 증착을 가져온다. 예를 들어, 선택적 에피택시 프로세스는, 증착물이 스페이서 상에 남아있지 않으면서 단결정 실리콘 표면상에 실리콘 함유 재료의 에피층(epilayer)의 형성을 가져올 수 있다.
선택적 에피택시 프로세스는 일반적으로 몇 가지 단점을 가진다. 이러한 에피택시 프로세스 중에 선택성을 유지시키기 위해, 전구체의 화학적 농도 및 반응 온도가 증착 프로세스에 걸쳐서 조절 및 조정되어야 한다. 충분하지 않은 실리콘 전구체가 공급되면, 식각 반응이 활성화되어 전체 프로세스가 느려진다. 또한, 기판 피처의 식각에 대해 해가 일어날 수 있다. 충분하지 않은 부식액 전구체가 공급되면, 증착 반응은 기판 표면에 걸쳐서 단결정 및 다결정 재료를 형성하는 선택성(selectivity)이 감소할 수 있다. 또한, 통상적인 선택적 에피택시 프로세스는 약 800℃, 약 1,000℃, 또는 그보다 높은 온도와 같은 높은 반응 온도를 일반적으로 요구한다. 이러한 높은 온도는 기판 표면에 대한 가능한 통제되지 않은 질화 반응 및 열 예산(thermal budge) 이유로 인해 제조 프로세스 중에 바람직하지 않다.
국제공개공보 WO 2008/073926 2008. 6. 19. 한국공개특허공보 10-2009-0035430호 2009. 4. 9.
본 발명의 목적은 반응가스를 활성화화하여 기판에 대한 공정을 진행할 수 있는 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판에 대한 공정이 이루어지는 기판 처리 장치는, 상부가 개방되며, 일측에 상기 기판이 출입하는 통로가 형성되는 하부챔버; 상기 하부챔버의 개방된 상부를 폐쇄하며, 상기 공정이 이루어지는 공정공간을 제공하는 외부반응튜브; 하나 이상의 상기 기판이 상하방향으로 적재되며, 상기 기판 홀더 내에 상기 기판이 적재되는 적재위치 및 상기 기판에 대한 상기 공정이 이루어지는 공정위치로 전환가능한 기판 홀더; 상기 공정공간을 향해 반응가스를 공급하는 가스공급유닛; 그리고 상기 외부반응튜브의 외측에 설치되어 상기 반응가스를 활성화하여 상기 기판에 대한 공정을 진행하는 처리유닛을 포함한다.
상기 처리유닛은, 상기 외부반응튜브의 측부 및 상부 중 어느 하나에 설치되며, 상기 공정공간을 가열하여 상기 기판에 대한 에피택셜 증착공정을 진행하는 히터; 그리고 상기 외부반응튜브의 측부 및 상부 중 다른 하나에 설치되며, 상기 반응가스로부터 플라즈마를 생성하여 상기 기판에 대한 세정공정을 진행하는 플라즈마 생성부재를 포함할 수 있다.
상기 처리유닛은 상기 외부반응튜브의 외측에 설치되며 상기 공정공간을 가열하여 상기 기판에 대한 에피택셜 증착공정을 진행하는 히터를 포함할 수 있다.
상기 처리유닛은 상기 외부반응튜브의 외측에 설치되며 상기 반응가스로부터 플라즈마를 생성하여 상기 기판에 대한 세정공정을 진행하는 플라즈마 생성부재를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 생성부재는 ICP 안테나일 수 있다.
상기 기판 처리 장치는 상기 외부반응튜브의 내부에 설치되며, 상기 공정위치에 놓여진 상기 기판 홀더의 둘레에 배치되어 상기 기판에 대한 반응영역을 구획하는 내부반응튜브를 더 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 장치는 상기 기판 홀더의 하부에 설치되며 상기 기판 홀더가 상기 공정위치에 있을 때 상기 내부반응튜브의 개방된 하부를 폐쇄하는 열차단플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 장치는, 상기 외부반응튜브의 둘레에 설치되어 상기 외부반응튜브의 측부 및 상부를 감싸며, 내부에 상기 처리유닛이 실장되는 커버; 그리고 상기 외부반응튜브를 감싸는 공정위치 및 상기 커버가 상기 외부반응튜브로부터 제거되는 해제위치로 상기 커버를 전환하는 커버무빙유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 커버무빙유닛은, 상기 커버의 일측에 기립된 상태로 설치되며, 외주면에 나사산이 형성되는 승강로드; 상기 커버에 연결되며, 상기 승강로드의 회전에 의해 상기 승강로드를 따라 이동하는 지지프레임; 그리고 상기 승강로드를 구동하는 구동모터를 구비할 수 있다.
상기 가스공급유닛은 상기 외부반응튜브의 내부에 설치되며 상하방향에 따라 서로 다른 위상차를 가지는 상기 반응가스의 유동을 형성할 수 있다.
상기 가스공급유닛은, 상기 외부반응튜브의 내벽을 따라 배치되며, 서로 다른 높이에 각각 배치되어 상기 반응가스를 토출하는 복수의 공급노즐들; 상기 공급노즐들에 각각 연결되어 상기 공급노즐들에 각각 상기 반응가스를 공급하는 복수의 공급관들; 상기 외부반응튜브의 내벽을 따라 배치되며, 서로 다른 높이에 각각 배치되어 상기 공정공간 내의 미반응가스 및 반응부산물을 흡입하는 복수의 배기노즐들; 그리고 상기 배기노즐들에 각각 연결되어 상기 배기노즐들을 통해 각각 흡입된 상기 미반응가스 및 상기 반응부산물들이 통과하는 복수의 배기관들을 구비할 수 있다.
상기 기판 처리 장치는 상기 배기노즐에 연결되며 상기 배기노즐을 통해 흡입한 상기 미반응가스 및 상기 반응부산물을 배출하는 후방배기라인을 포함하며, 상기 하부챔버는 상기 배기노즐과 상기 후방배기라인을 연결하는 배기포트 및 상기 하부챔버 내부에 형성된 적재공간을 상기 후방배기라인에 연결하는 보조배기포트를 가질 수 있다.
상기 적재공간의 압력은 상기 공정공간의 압력보다 높을 수 있다.
상기 하부챔버는 상기 하부챔버 내부에 형성된 적재공간에 연결되는 보조가스공급포트를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 반응가스를 활성화하여 기판에 대한 공정을 진행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 처리된 기판을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 에피택셜 층을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시한 에피택셜 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시한 하부챔버 및 기판 홀더를 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 확산판을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시한 확산판을 Ⅰ-Ⅰ을 따라 구성한 단면도이다.
도 8은 도 6에 도시한 확산판의 배면도이다.
도 9는 도 1에 도시한 외부반응튜브 및 내부반응튜브와 공급노즐들 및 배기노즐들을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 1에 도시한 측부히터 및 상부히터가 제거된 모습을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 1에 도시한 공급노즐들의 배치와 열전대들의 배치를 나타내는 단면도이다.
도 12는 도 1에 도시한 배기노즐들의 배치와 열전대들의 배치를 나타내는 단면도이다.
도 13은 도 1에 도시한 공급노즐들에 각각 연결되는 공급라인들을 나타내는 도면이다.
도 14는 도 1에 도시한 내부반응튜브 내에서 반응가스의 유동을 나타내는 도면이다.
도 15 및 도 16은 도 1에 도시한 기판홀더가 공정위치로 전환된 모습을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에피택셜 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에피택셜 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에피택셜 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 20 내지 도 22는 배기포트 및 보조배기포트를 이용한 배기과정을 나타내는 도면이다.
도 23은 도 6에 도시한 공급노즐들에 관한 변형된 실시예를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 24는 도 23에 도시한 공급노즐을 나타내는 사시도이다.
도 25는 도 23에 도시한 공급노즐을 나타내는 단면도이다.
도 26은 도 23에 도시한 공급노즐들 및 배기노즐들을 통한 반응가스의 유동을 나타내는 도면이다.
도 27은 도 24에 도시한 공급노즐에 관한 변형된 실시예를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 28은 도 27에 도시한 공급노즐을 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 28을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비(1)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 반도체 제조장치(1)는 공정설비(2), 설비 전방 단부 모듈(Equipment Front End Module:EFEM)(3), 그리고 경계벽(interface wall)(4)을 포함한다. 설비 전방 단부 모듈(3)은 공정설비(2)의 전방에 장착되어, 기판들(S)이 수용된 용기(도시안됨)와 공정설비(2) 간에 웨이퍼(W)를 이송한다.
설비 전방 단부 모듈(3)은 복수의 로드포트들(loadports)(60)과 프레임(frame)(50)을 가진다. 프레임(50)은 로드포트(60)와 공정 설비(2) 사이에 위치한다. 기판(S)를 수용하는 용기는 오버헤드 트랜스퍼(overhead transfer), 오버헤드 컨베이어(overhead conveyor), 또는 자동 안내 차량(automatic guided vehicle)과 같은 이송 수단(도시안됨)에 의해 로드포트(60) 상에 놓여진다.
용기는 전면 개방 일체식 포드(Front Open Unified Pod:FOUP)와 같은 밀폐용 용기가 사용될 수 있다. 프레임(50) 내에는 로드포트(60)에 놓여진 용기와 공정설비(2) 간에 기판(S)을 이송하는 프레임 로봇(70)이 설치된다. 프레임(50) 내에는 용기의 도어를 자동으로 개폐하는 도어 오프너(도시안됨)가 설치될 수 있다. 또한, 프레임(50)에는 청정 공기가 프레임(50) 내 상부에서 하부로 흐르도록 청정 공기를 프레임(50) 내로 공급하는 팬필터 유닛(Fan Filter Unit:FFU)(도시안됨)이 제공될 수 있다.
기판(S)은 공정설비(2) 내에서 소정의 공정이 수행된다. 공정설비(2)는 이송 챔버(transfer chamber)(102), 로드록 챔버(loadlock chamber)(106), 세정 챔버(cleaning chamber)(108a,108b), 버퍼 챔버(buffer chamber)(110), 그리고 에피택셜 챔버(epitaxial chamber)(또는 에피택셜 장치)(112a,112b,112c)를 포함한다. 이송 챔버(102)는 상부에서 바라볼 때 대체로 다각의 형상을 가지며, 로드록 챔버(106), 세정 챔버(108a,108b), 버퍼 챔버(110), 그리고 에피택셜 챔버(112a,112b,112c)는 이송 챔버(102)의 측면에 설치된다.
로드록 챔버(106)는 이송 챔버(102)의 측부들 중 설비 전방 단부 모듈(3)과 인접한 측부에 위치한다. 기판(S)은 로드록 챔버(106) 내에 일시적으로 머무른 후 공정설비(2)에 로딩되어 공정이 이루어지며, 공정이 완료된 후 기판(S)은 공정설비(2)로부터 언로딩되어 로드록 챔버(106) 내에 일시적으로 머무른다. 이송 챔버(102), 세정 챔버(108a,108b), 버퍼 챔버(110), 그리고 에피택셜 챔버(112a,112b,112c)는 진공으로 유지되며, 로드록 챔버(106)는 진공 및 대기압으로 전환된다. 로드록 챔버(106)는 외부 오염물질이 이송 챔버(102), 세정 챔버(108a,108b), 버퍼 챔버(110), 그리고 에피택셜 챔버(112a,112b,112c)로 유입되는 것을 방지한다. 또한, 기판(S)의 이송 동안, 기판(S)이 대기에 노출되지 않으므로, 기판(S) 상에 산화막이 성장하는 것을 방지할 수 있다.
로드록 챔버(106)와 이송 챔버(102) 사이, 그리고 로드록 챔버(106)와 설비 전방 단부 모듈(3) 사이에는 게이트 밸브(도시안됨)가 설치된다. 설비 전방 단부 모듈(3)과 로드록 챔버(106) 간에 기판(S)이 이동하는 경우, 로드록 챔버(106)와 이송 챔버(102) 사이에 제공된 게이트 밸브가 닫히고, 로드록 챔버(106)와 이송 챔버(102) 간에 기판(S)이 이동하는 경우, 로드록 챔버(106)와 설비 전방 단부 모듈(3) 사이에 제공되는 게이트 밸브가 닫힌다.
이송 챔버(102)는 기판 핸들러(104)를 구비한다. 기판 핸들러(104)는 로드록 챔버(106), 세정 챔버(108a,108b), 버퍼 챔버(110), 그리고 에피택셜 챔버(112a,112b,112c) 사이에서 기판(S)을 이송한다. 이송 챔버(102)는 기판(S)이 이동할 때 진공을 유지하도록 밀봉된다. 진공을 유지하는 것은 기판(S)이 오염물(예를 들면, O2, 입자상 물질 등)에 노출되는 것을 방지하기 위함이다.
에피택셜 챔버(112a,112b,112c)는 기판(S) 상에 에피택셜 층을 형성하기 위하여 제공된다. 본 실시예에서는 3개의 에피택셜 챔버(112a,112b,112c)가 제공된다. 에피택셜 공정은 세정 공정에 비해 많은 시간이 소요되므로, 복수의 에피택셜 챔버를 통해 제조수율을 향상시킬 수 있다. 본 실시예와 달리, 4개 이상이나 2개 이하의 에피택셜 챔버가 제공될 수 있다.
세정 챔버(108a,108b)는 에피택셜 챔버(112a,112b,112c) 내에서 기판(S)에 대한 에피택셜 공정이 이루어지기 이전에 기판(S)을 세정하기 위하여 제공된다. 에피택셜 공정이 성공적으로 이루어지기 위해서는 결정성 기판 상에 존재하는 산화물의 양이 최소화되어야 한다. 기판의 표면 산소 함유량이 너무 높은 경우, 산소 원자가 시드 기판 상의 증착재료의 결정학적 배치를 방해하기 때문에, 에피택셜 공정은 유해한 영향을 받는다. 예를 들면, 실리콘 에피택셜 증착시, 결정성 기판 상의 과도한 산소는, 원자 단위의 산소 원자 클러스터에 의해, 실리콘 원자를 그 에피택셜 위치로부터 변위되게 할 수 있다. 이러한 국소적인 원자 변위는 층이 더 두껍게 성장할 때 후속 원자 배열에 오차를 일으킬 수 있다. 이러한 현상은 이른바 적층 결함 또는 힐락(hillock defects)으로 지칭될 수 있다. 기판 표면의 산소화(oxygenatoin)는, 예를 들면 기판이 이송할 때 대기에 노출되는 경우 발생할 수 있다. 따라서, 기판(S) 상에 형성된 자연 산화막(native oxide)(또는 표면 산화물)을 제거하는 세정 공정이 세정 챔버(108a,108b) 내에서 이루어질 수 있다.
세정 공정은 라디칼 상태의 수소(H*)와 NF3 가스를 사용하는 건식 에칭 공정일 수 있다. 예를 들어, 기판의 표면에 형성된 실리콘 산화막을 에칭하는 경우, 챔버 내에 기판을 배치하고 챔버 내에 진공 분위기를 형성한 후, 챔버 내에서 실리콘 산화막과 반응하는 중간 생성물을 발생시킨다.
예를 들어, 챔버 내에 수소 가스의 라디칼(H*)과 불화물 가스(예를 들어, 불화질소(NF3))와 같은 반응성 가스를 공급하면, 아래 반응식(1)과 같이 반응성 가스가 환원되어 NHxFy(x,y는 임의의 정수)와 같은 중간 생성물이 생성된다.
Figure pat00001

중간 생성물은 실리콘 산화막(SiO2)과 반응성이 높기 때문에, 중간 생성물이 실리콘 기판의 표면에 도달하면 실리콘 산화막과 선택적으로 반응하여 아래 반응식(2)와 같이 반응 생성물((NH4)2SiF6)이 생성된다.
Figure pat00002

이후, 실리콘 기판을 100℃ 이상으로 가열하면 아래 반응식(3)과 같이 반응 생성물이 열분해하여 열분해 가스가 되어 증발되므로, 결과적으로 기판 표면으로부터 실리콘 산화막이 제거될 수 있다. 아래 반응식(3)과 같이, 열분해 가스는 HF 가스나 SiF4 가스와 같이 불소를 함유하는 가스가 포함된다.
Figure pat00003

위와 같이, 세정 공정은 반응 생성물을 생성하는 반응 공정 및 반응 생성물을 열분해하는 히팅 공정을 포함하며, 반응 공정 및 히팅 공정은 세정 챔버(108a,108b) 내에서 함께 이루어지거나, 세정 챔버(108a,108b) 중 어느 하나에서 반응 공정이 이루어지고 세정 챔버(108a,108b) 중 다른 하나에서 히팅 공정이 이루어질 수 있다.
버퍼 챔버(110)는 세정 공정이 완료된 기판(S)이 적재되는 공간과 에피택셜 공정이 이루어진 기판(S)이 적재되는 공간을 제공한다. 세정 공정이 완료되면, 기판(S)은 에피택셜 챔버(112a,112b,112c)로 이송되기 이전에 버퍼 챔버(110)로 이동하여 버퍼 챔버(110) 내에 적재된다. 에피택셜 챔버(112a,112b,112c)는 복수의 기판들에 대한 단일 공정이 이루어지는 배치 타입(batch type)일 수 있으며, 에피택셜 챔버(112a,112b,112c) 내에서 에피택셜 공정이 완료되면, 에피택셜 공정이 이루어진 기판(S)은 버퍼 챔버(110) 내에 순차적으로 적재되고, 세정 공정이 완료된 기판(S)은 에피택셜 챔버(112a,112b,112c) 내에 순차적으로 적재된다. 이때, 기판(S)은 버퍼 챔버(110) 내에 종방향으로 적재될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 처리된 기판을 나타내는 도면이다. 앞서 설명한 바와 같이, 기판(S)에 대한 에피택셜 공정이 이루어지기 이전에 기판(S)에 대한 세정 공정이 세정 챔버(108a,108b) 내에서 이루어지며, 세정 공정을 통해 기판(70)의 표면에 형성된 산화막(72)을 제거할 수 있다. 산화막은 세정 챔버(108a,108b) 내에서 세정 공정을 통해 제거될 수 있다. 세정 공정을 통해 기판(70)의 표면 상에 에피택시 표면(74)이 노출될 수 있으며, 이를 통해 에피택셜 층의 성장을 돕는다.
이후, 기판(S) 상에 에피택셜 공정이 에피택셜 챔버(112a,112b,112c) 내에서 이루어진다. 에피택셜 공정은 화학기상증착에 의해 이루어질 수 있으며, 에피택시 표면(74) 상에 에피택시 층(76)을 형성할 수 있다. 기판(70)의 에피택시 표면(74)은 실리콘 가스(예를 들어, SiCl4, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH3Cl, Si2H6, 또는 SiH4) 및 캐리어 가스(예를 들어, N2 및/또는 H2)를 포함하는 반응가스에 노출될 수 있다. 또한, 에피택시 층(76)이 도펀트를 포함할 것이 요구되는 경우, 실리콘 함유 가스는 도펀트 함유 가스(예를 들면, 아르신(AsH3), 포스핀(PH3), 및/또는 디보란(B2H6))를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 에피택셜 층을 형성하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 방법은 단계(S10)로부터 시작한다. 단계(S20)에서, 기판(S)은 에피택셜 공정 전에 세정 챔버(108a,108b)로 이동하며, 기판 핸들러(104)는 기판(S)을 세정 챔버(108a,108b)로 이송한다. 이송은 진공으로 유지되는 이송 챔버(102)를 통해 이루어진다. 단계(S30)에서, 기판(S)에 대한 세정 공정이 이루어진다. 앞서 설명한 바와 같이, 세정 공정은 반응 생성물을 생성하는 반응 공정 및 반응 생성물을 열분해하는 히팅 공정을 포함한다. 반응 공정 및 히팅 공정은 세정 챔버(108a,108b) 내에서 함께 이루어지거나, 세정 챔버(108a,108b) 중 어느 하나에서 반응 공정이 이루어지고 세정 챔버(108a,108b) 중 다른 하나에서 히팅 공정이 이루어질 수 있다.
단계(S40)에서, 세정 공정이 완료된 기판(S)은 버퍼 챔버(110)로 이송되어 버퍼 챔버(110) 내에 적재되며, 버퍼 챔버(110) 내에서 에피택셜 공정을 대기한다. 단계(S50)에서 기판(S)은 에피택셜 챔버(112a,112b,112c)로 이송되며, 이송은 진공으로 유지되는 이송 챔버(102)를 통해 이루어진다. 단계(S60)에서 기판(S) 상에 에피택셜 층이 형성될 수 있다. 이후, 기판(S)은 단계(S70)에서 다시 버퍼 챔버(110)로 이송되어 버퍼 챔버(110) 내에 적재되며, 단계(S80)에서 공정이 종료된다.
도 4는 도 1에 도시한 에피택셜 장치를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 5는 도 1에 도시한 하부챔버 및 기판 홀더를 나타내는 단면도이다. 에피택셜 장치(또는 에피택셜 챔버)는 상부가 개방된 형상을 가지는 하부챔버(312b)를 포함하며, 하부챔버(312b)는 이송 챔버(102)에 연결된다. 하부챔버(312b)는 이송 챔버(102)와 연결되는 통로(319)를 가지며, 기판(S)은 통로(319)를 통해 이송챔버(102)로부터 하부챔버(312b)로 로딩될 수 있다. 게이트 밸브(도시안함)는 통로(319)의 외측에 설치되며, 통로(319)는 게이트 밸브에 의해 개방 및 폐쇄될 수 있다.
에피택셜 장치는 복수의 기판들(S)이 적재되는 기판 홀더(328)를 구비하며, 기판들(S)은 기판 홀더(328) 상에 상하방향으로 적재된다. 예를 들어, 기판 홀더(328)는 15매의 기판들(S)을 적재할 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 기판 홀더(328)가 하부챔버(312b)의 내부에 제공된 적재공간 내에 위치하는 동안(또는 '적재위치'), 기판(S)은 기판 홀더(328) 내에 적재될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 기판 홀더(328)는 승강가능하며, 기판 홀더(328)의 슬롯 상에 기판(S)이 적재되면 기판 홀더(328)는 상승하여 기판 홀더(328)의 다음 슬롯 상에 기판(S)이 적재될 수 있다. 기판 홀더(328) 상에 기판이 모두 적재되면, 기판 홀더(328)는 외부반응튜브(312a)의 내부로 이동하며(또는 '공정위치'), 외부반응튜브(312a)의 내부에서 에피택셜 공정이 진행된다.
열차단플레이트(316)는 기판 홀더(328)의 하부에 설치되며, 기판 홀더(328)와 함께 승강한다. 기판 홀더(328)가 공정위치로 전환되면, 도 11에 도시한 바와 같이, 열차단플레이트(316)는 내부반응튜브(314)의 개방된 하부를 폐쇄한다. 열차단플레이트(316)는 세라믹이나 쿼츠(quartz), 메탈에 세라믹을 코팅한 재질, AlN, Ni, Incnel 중 어느 하나일 수 있으며, 공정진행시 반응영역 내의 열이 적재공간으로 이동하는 것을 차단한다. 반응영역 내에 공급된 반응가스 중 일부는 내부반응튜브(314)의 개방된 하부를 통해 적재공간으로 이동할 수 있으며, 이때, 적재공간이 일정 온도 이상이면 반응가스 중 일부가 적재공간의 내벽에 증착될 수 있다. 따라서, 열차단플레이트(316)를 통해 적재공간이 가열되는 것을 방지할 필요가 있으며, 이를 통해 반응가스가 적재공간의 내벽에 증착되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 내부반응튜브(314) 내의 반응영역에서 에피택셜 공정이 정상적으로 진행되기 위해서는 외부로부터 방해요인이 없어야 한다. 그러나, 앞서 살펴본 바와 같이, 내부반응튜브(314)의 하부는 개방된 형상이므로, 반응영역 내의 열이 내부반응튜브(314)의 하부를 통해 손실될 수 있으며, 열손실은 에피택셜 공정에 치명적일 수 있다. 열차단플레이트(316)는 내부반응튜브(314)의 개방된 하부를 폐쇄하여 열을 차단함과 동시에 열손실을 방지한다.
하부챔버(312b)는 배기포트(344) 및 보조배기포트(328a), 그리고 보조가스공급포트(362)를 가진다. 배기포트(344)는 'ㄴ'자 형상이며, 후술하는 배기노즐들(334)은 배기포트(344)를 통해 제1 배기라인(342)과 연결된다. 또한, 보조배기포트(328a)는 보조배기라인(328b)에 연결되며, 하부챔버(312b) 내부의 적재공간은 보조배기포트(328a)를 통해 배기가 가능하다.
보조가스공급포트(362)는 보조가스공급라인(도시안함)에 연결되며, 보조가스공급라인을 통해 공급된 가스를 적재공간 내에 공급한다. 예를 들어, 비활성가스가 보조가스공급포트(362)를 통해 적재공간 내에 공급될 수 있다. 비활성가스를 적재공간 내에 공급함으로써 공정공간 내에 공급된 반응가스가 적재공간으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
더욱 구체적으로, 비활성가스를 적재공간 내에 연속적으로 공급하고 보조배기포트(328a)를 통해 배기함으로써 공정공간 내에 공급된 반응가스가 적재공간으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 이때, 적재공간 내의 압력이 공정공간 내의 압력보다 약간 높도록 설정할 수 있다. 적재공간 내의 압력이 공정공간 내의 압력보다 약간 높을 경우, 공정공간 내의 반응가스는 적재공간으로 이동할 수 없다.
도 6은 도 5에 도시한 확산판을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 7은 도 6에 도시한 확산판을 Ⅰ-Ⅰ을 따라 구성한 단면도이며, 도 8은 도 6에 도시한 확산판의 배면도이다. 도 6 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 확산판(370)은 하부챔버(312b)의 바닥면에 설치되며, 보조가스공급포트(362)의 토출구 상에 위치하여 보조가스공급포트(362)를 통해 토출된 가스를 확산시킨다.
확산판(370)은 회전축(318)의 둘레에 설치되며, 링 형상이다. 확산판(370)은 몸체(372) 및 몸체(372)에 형성된 제1 및 제2 확산홀들(372a,372b)을 가진다. 제1 및 제2 확산홀들(372a,372b)은 확산판(370)(또는 회전축(318))의 둘레를 따라 형성된다. 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 확산홀들(372a,372b)은 제1 및 제2 확산홀들(372a,372b)의 하부에 형성된 버퍼공간(373)에 연결된다.
도 8에 도시한 바와 같이, 버퍼공간(373)은 몸체(372)와 대응되는 링 형상을 가지며, 보조가스공급포트(362)에 연결된다. 따라서, 보조가스공급포트(362)를 통해 토출된 가스는 버퍼공간(373) 상에서 확산되며, 이후 제1 및 제2 확산홀들(372a,372b)을 통해 적재공간으로 확산된다.
한편, 확산판(370)을 통해 확산된 가스는 적재공간 내에 균일하게 분포되지 않으며, 보조가스공급포트(362)에 근접할수록 가스의 농도가 크고 보조가스공급포트(362)로부터 멀어질수록 가스의 농도가 작다. 즉, 보조가스공급포트(362)의 위치에 따라 가스의 농도에 편차가 존재한다. 이를 방지하기 위해, 제1 및 제2 확산홀들(372a,372b)의 이격거리(또는 밀도)를 조절할 필요가 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 제1 확산홀들(372a)은 제2 확산홀들(372b)에 비해 보조가스공급포트(362)로부터 멀리 위치하며, 제1 확산홀들(372a)의 이격거리는 제2 확산홀들(372b)의 이격거리보다 작다. 따라서, 동일 면적에 대해 제1 확산홀들(372a)의 밀도가 높다. 이를 통해, 적재공간 내의 가스분포를 조절할 수 있다.
도 9는 도 1에 도시한 외부반응튜브 및 내부반응튜브와 공급노즐들 및 배기노즐들을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 외부반응튜브(312a)는 상부가 개방된 하부챔버(312b)의 상부를 폐쇄하며, 에피택셜 공정이 이루어지는 공정공간을 제공한다. 지지플랜지(442)는 하부챔버(312b)와 외부반응튜브(312a) 사이에 설치되며, 외부반응튜브(312)는 지지플랜지(442)의 상부에 설치된다. 하부챔버(312b)의 적재공간과 외부반응튜브(312a)의 공정공간은 지지플랜지(442)의 중앙에 형성된 개구를 통해 서로 연통되며, 앞서 설명한 바와 같이, 기판 홀더(328) 상에 기판이 모두 적재되면, 기판 홀더(328)는 외부반응튜브(312a)의 공정공간으로 이동할 수 있다.
내부반응튜브(314)는 외부반응튜브(312a)의 내부에 설치되며, 내부반응튜브(314)는 기판(S)에 대한 반응영역을 제공한다. 외부반응튜브(312a)의 내부는 내부반응튜브(314)에 의해 반응영역과 비반응영역으로 구획되며, 반응영역은 내부반응튜브(314)의 내부에 위치하고, 비반응영역은 내부반응튜브(314)의 외부에 위치한다. 기판 홀더(328)는 공정위치로 전환시 반응영역에 위치하며, 반응영역은 공정공간보다 작은 부피를 가진다. 따라서, 반응영역 내에 공급할 경우 반응가스의 사용량을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 반응가스를 기판 홀더(328) 내에 적재된 기판(S)에 집중할 수 있다. 내부반응튜브(314)는 상부는 폐쇄된 상태에서 하부는 개방되며, 기판 홀더(328)는 내부반응튜브(314)의 하부를 통해 반응영역으로 이동한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 측부커버(324) 및 상부커버(326)는 외부반응튜브(312a)를 감싸도록 배치되며('공정위치'), 측부히터(324a)는 측부커버(324) 내에 설치된다. 측부히터(324a)는 외부반응튜브(312a) 내부의 공정공간을 가열하며, 이를 통해 공정공간(또는 반응영역)은 에피택셜 공정이 가능한 온도(공정온도)에 도달할 수 있다.
측부커버(324) 및 상부커버(326)는 지지프레임(327)을 통해 상부승강로드(337)에 연결되며, 승강모터(338)에 의해 상부승강로드(337)가 회전함에 따라 지지프레임(327)은 승강할 수 있다. 도 10은 도 1에 도시한 측부커버(324) 및 상부커버(326)가 제거된 모습을 나타내는 도면이다. 도 10에 도시한 바와 같이, 지지프레임(327)의 승강을 통해 측부커버(324) 및 상부커버(326)를 외부반응튜브(312a)로부터 제거할 수 있으며('해제위치'), 작업자는 측부히터(324a)를 교체하거나 외부반응튜브(312a)의 내부 또는 하부챔버(312b)의 내부에 대한 유지보수를 손쉽게 할 수 있다.
에피택셜 장치는 가스공급유닛을 더 포함하며, 가스공급유닛은 공급노즐유닛(332) 및 배기노즐유닛(334)을 구비한다. 공급노즐유닛(332)은 복수의 공급관들(332a) 및 복수의 공급노즐들(332b)을 구비하며, 공급노즐들(332b)은 공급관들(332a)에 각각 연결된다. 각각의 공급노즐(332b)은 원형관 형상이며, 공급구(332c)는 공급노즐(332b)의 선단에 위치하여 반응가스는 공급구(332c)를 통해 토출된다. 공급구(332c)는 원형 단면을 가지며, 도 9에 도시한 바와 같이, 공급노즐들(332b)은 공급구들(332c)의 높이가 서로 다르도록 배치된다.
공급관들(332a) 및 공급노즐들(332b)은 외부반응튜브(312a)의 내부에 위치한다. 공급관들(332a)은 상하로 연장되며, 공급노즐들(332b)은 상기 공급관들(332a)에 대하여 각각 대체로 수직하게 배치된다. 공급구들(332c)은 내부반응튜브(314)의 내측에 위치하며, 이로 인해, 공급구들(332c)을 통해 토출된 반응가스는 내부반응튜브(314) 내부의 반응영역에 집중될 수 있다. 내부반응튜브(314)는 복수의 관통홀들(374)을 가지며, 공급노즐들(332b)의 공급구들(332c)은 관통홀들(374)을 통해 각각 내부반응튜브(314)의 내측에 배치될 수 있다.
도 11은 도 1에 도시한 공급노즐들의 배치와 열전대들의 배치를 나타내는 단면도이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 공급노즐들(332b)은 원형 단면인 공급구들(332c)을 각각 가진다. 공급노즐들(332b)의 공급구들(332c)은 내부반응튜브(314)의 내벽을 따라 원주방향으로 배치되며, 각각 서로 다른 높이에 위치한다. 기판 홀더(328)가 공정위치로 전환되면, 공급노즐들(332b)은 기판 홀더(328) 상에 놓여진 기판들(S)을 향해 각각 반응가스를 분사한다. 이때, 공급구들(332c)의 높이는 각각의 기판들(S)의 높이와 대체로 일치한다. 도 9에 도시한 바와 같이, 공급노즐들(332b)은 지지플랜지(442)에 형성된 공급라인들(342)을 통해 각각 반응가스소스(도시안함)와 연결된다.
반응가스소스는 증착용 가스(및 캐리어 가스) 또는 에칭용 가스(및 캐리어 가스)를 공급할 수 있다. 증착용 가스는 실란, 할로겐화 실란을 포함한다. 실란은 실란(SiH4) 및 디실란(Si2H6), 트리실란(Si3H8) 및 테트라실란(Si4H10)과 같이, 실험식 SixH(2x+2)을 갖는 고급(higher) 실란 등을 포함한다. 할로겐화 실란은 헥사클로로실란(Si2Cl6), 테트라클로로실란(SiCl4), 디클로로실란(Cl2SiH2) 및 트리클로로실란(Cl3SiH)과 같이, 실험식 X'ySixH(2x+2-y)를 가지는 화합물을 포함하며, 여기서 X'=F,Cl,Br 또는 I이다. 에칭용 가스는 염소(Cl2), 염화수소(HCl), 삼염화붕소(BCl3), 사염화탄소(CCl4), 삼불화 염소(ClF3) 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 캐리어 가스는 질소(N2), 수소(H2), 아르곤, 헬륨 및 이들의 조합을 포함한다. 선택적 에피택시 프로세스(selective epitaxy process)는 증착 반응 및 에칭 반응을 수반한다. 본 실시예에서는 도시하지 않았지만, 에피택시 층이 도펀트를 포함할 것이 요구되는 경우, 도펀트 함유 가스(예를 들면, 아르신(AsH3), 포스핀(PH3), 및/또는 디보란(B2H6))가 공급될 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 배기노즐유닛(334)은 복수의 배기관들(334a) 및 복수의 배기노즐들(334b)을 구비하며, 배기노즐들(334b)은 배기관들(334a)에 각각 연결된다. 배기구(334c)는 배기노즐들(334b)의 선단에 위치하여 미반응가스 및 반응부산물을 흡입한다. 배기구(334c)는 슬롯형 단면을 가지며, 도 9에 도시한 바와 같이, 배기노즐들(334b)은 배기구들(334c)의 높이가 서로 다르도록 배치된다.
배기관들(334a) 및 배기노즐들(334b)은 외부반응튜브(312a)의 내부에 위치한다. 배기관들(334a)은 상하로 연장되며, 배기노즐들(334b)은 배기관들(334a)에 대하여 각각 대체로 수직하게 배치된다. 배기구들(334c)은 내부반응튜브(314)의 내측에 위치하며, 이로 인해, 배기구들(334c)을 통해 내부반응튜브(314) 내부의 반응영역으로부터 미반응가스 및 반응부산물을 효과적으로 흡입할 수 있다. 내부반응튜브(314)는 복수의 관통홀들(376)을 가지며, 배기노즐들(334b)의 배기구들(334c)은 관통홀들(376)을 통해 각각 내부반응튜브(314)의 내측에 배치될 수 있다.
도 12는 도 1에 도시한 배기노즐들의 배치와 열전대들의 배치를 나타내는 단면도이다. 도 12에 도시한 바와 같이, 배기노즐들(334b)은 슬롯형 단면인 배기구들(334c)을 각각 가진다. 배기노즐들(334b)의 배기구들(334c)은 내부반응튜브(314)의 내벽을 따라 원주방향으로 배치되며, 각각 서로 다른 높이에 위치한다. 기판 홀더(328)가 공정위치로 전환되면, 공급노즐들(332b)은 기판 홀더(328) 상에 놓여진 기판들(S)을 향해 각각 반응가스를 분사하며, 이때, 내부반응튜브(314) 내에는 미반응가스 및 반응부산물들이 발생한다. 배기노즐들(334b)은 미반응가스 및 반응부산물들을 흡입하여 외부로 배출한다. 배기구들(334c)의 높이는 각각의 기판들(S)의 높이와 대체로 일치한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 배기노즐들(334b)은 하부챔버(312b)에 형성된 배기포트(344)를 통해 제1 배기라인(342)과 연결되며, 미반응가스 및 반응부산물들은 제1 배기라인(342)을 통해 배출된다. 개폐밸브(346)는 제1 배기라인(342) 상에 설치되어 제1 배기라인(342)을 개폐하며, 터보펌프(348)는 제1 배기라인(342) 상에 설치되어 제1 배기라인(342)을 통해 미반응가스 및 반응부산물들을 강제 배출한다. 제1 배기라인(342)은 제2 배기라인(352)에 연결되며, 제1 배기라인(342)을 따라 이동한 미반응가스 및 반응부산물들은 제2 배기라인(352)을 통해 배출된다.
한편, 보조배기포트(328a)는 하부챔버(312b)에 형성되며, 보조배기라인(328b)이 보조배기포트(328a)에 연결된다. 보조배기라인(328b)은 제2 배기라인(352)에 연결되며, 제1 및 제2 보조밸브(328c,328d)는 보조배기라인(328b) 상에 설치되어 보조배기라인(328b)을 개폐한다. 보조배기라인(328b)은 연결라인(343)을 통해 제1 배기라인(342)에 연결되며, 연결밸브(343a)는 연결라인(343) 상에 설치되어 연결라인(343)을 개폐한다.
도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 열전대들(thermocouples)(382,384)은 외부반응튜브(312a)와 내부반응튜브(314) 사이에 설치되며, 열전대들(382,384)은 상하방향으로 배치되어 높이에 따른 온도를 측정한다. 따라서, 작업자는 공정공간 내의 온도를 높이에 따라 파악할 수 있으며, 온도분포가 공정에 미치는 영향을 사전에 점검할 수 있다.
도 13은 도 1에 도시한 공급노즐들에 각각 연결되는 공급라인들을 나타내는 도면이다. 도 13에 도시한 바와 같이, 공급노즐들(332)은 각각 별도의 공급라인들(342)을 통해 반응가스소스(도시안함)와 연결된다. 따라서, 복수의 공급노즐들(332)을 통해 균일한 유량의 반응가스를 내부반응튜브(314)의 반응영역에 공급할 수 있다. 만일, 하나의 공급라인(342)이 복수의 공급노즐들(332)에 연결될 경우, 공급노즐들(332)에 따라 서로 다른 유량의 반응가스를 공급할 수 있으며, 이로 인해 기판 홀더(328) 상의 위치에 따라 공정률이 다르게 나타날 수 있다.
도 14는 도 1에 도시한 내부반응튜브 내에서 반응가스의 유동을 나타내는 도면이다. 앞서 설명한 바와 같이, 공급노즐들(332b)의 공급구들(332c)은 내부반응튜브(314)의 내벽을 따라 원주방향으로 배치되며, 각각 서로 다른 높이에 위치한다. 또한, 배기노즐들(334b)의 배기구들(334c)은 내부반응튜브(314)의 내벽을 따라 원주방향으로 배치되며, 각각 서로 다른 높이에 위치한다. 이때, 동일 높이를 기준으로, 공급구(332c)의 중심과 배기구(334c)의 중심은 대칭을 이룬다. 즉, 기판 홀더(328)에 적재된 기판(S)의 중심을 기준으로 공급노즐(332b)의 공급구(332c)와 배기노즐(334b)의 배기구(334c)는 서로 반대편에 위치한다. 따라서, 공급노즐(332b)로부터 분사된 반응가스는 반대편에 위치하는 배기노즐(334b)을 향해 흐르며(화살표로 표시), 이를 통해 반응가스와 기판(S)의 표면이 반응할 수 있는 충분한 시간을 확보할 수 있다. 이때, 공정중 발생한 미반응가스 및 반응부산물들은 배기노즐(334b)을 통해 흡입되어 배출된다.
또한, 도 14에 도시한 바와 같이, 기판 홀더(328)에 적재된 기판(S)의 높이에 따라 반응가스의 유동은 서로 다르게 나타나며, 기판(S)의 높이에 따라 반응가스의 유동은 위상차를 갖는다. 즉, 공급노즐(332b)의 공급구(332c)의 위치와 배기노즐(334b)의 배기구(334c)의 위치가 기판(S)의 높이에 따라 위상차를 가지므로, 마찬가지로, 반응가스의 위상도 기판(S)의 높이에 따라 위상차를 갖는다. 도 13을 참고하면, ①은 최상단에 위치하는 공급노즐(332b)로부터 배기노즐(334b)을 향하는 반응가스의 유동을 나타내며, ②는 최하단에 위치하는 공급노즐(332b)로부터 배기노즐(334b)을 향하는 반응가스의 유동을 나타낸다. ①과 ② 사이에는 일정 각도의 위상차가 있다. 따라서, 공급구로부터 분사된 반응가스는 다른 높이에 있는 공급구로부터 분사된 반응가스에 의해 확산되는 효과를 나타낸다. 즉, 위상차를 가지는 반응가스의 유동 사이에 간섭이 발생할 수 있으며, 이로 인해 반응가스는 간섭에 의해 확산된 상태에서 배기노즐(334b)을 향해 이동할 수 있다.
또한, 공급노즐(332b)의 공급구(332c)는 원형인 반면에, 배기노즐(334b)의 배기구(334c)는 슬롯 형상이다. 따라서, 공급노즐(332b)의 공급구(332c)로부터 분사된 반응가스는 배기구(334c)의 형상에 따라 일정한 폭을 갖도록 확산되며(도 14에 도시), 이를 통해 반응가스가 기판(S)의 표면과 접촉하는 면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 충분한 반응을 유도함으로써 미반응가스의 발생을 억제할 수 있다. 반응가스는 공급구(332c)로부터 배기구(334c)에 이르기까지 기판(S) 상에서 층류유동(laminar flow)을 형성한다.
에피택셜 공정은 기판(S)을 포함하는 공정공간(또는 반응영역)을 예정된 온도 및 압력으로 조절함으로써 시작된다. 일반적으로, 공정공간은 에피택셜 공정 동안 일정한 온도로 유지되나, 가변 온도에서 수행될 수 있다. 공정공간은 측부히터(324a)를 통해 약 250℃ 내지 약 1000℃, 바람직하게는 약 500℃ 내지 약 800℃, 보다 더 바람직하게는 약 550℃ 내지 약 750℃ 범위의 온도에서 유지된다. 에피택셜 공정을 수행하기에 적합한 공정온도는 증착 및/또는 에칭하기 위해 사용되는 반응가스에 따라 좌우될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 에피택시 층은 화학기상증착에 의해 이루어진다. 기판은 공정온도 하에서 반응가스(증착용 가스)에 노출되며, 반응가스는 공정온도 하에서 활성화되어 의해 기판 상에 에피택시 층을 형성할 수 있다. 증착 단계는 기판(S)의 비정질 및/또는 다결정성 표면 상에 다결정성층을 형성하면서 기판의 단결정성 표면 상에 에피택셜 층을 형성한다. 또한, 기판(S)이 반응가스(에칭용 가스)에 노출됨에 따라 기판(S)의 표면은 에칭될 수 있다. 에칭 단계는 에피택셜 층의 가장자리 부분만을 남겨두면서 다결정성층을 최소화시키거나 또는 완전히 제거한다.
한편, 도 4에 도시한 바와 같이, 기판 홀더(328)는 회전축(318)에 연결되며, 회전축(318)은 하부챔버(312b)를 관통하여 승강모터(319a) 및 회전모터(319b)에 연결된다. 회전모터(319b)는 모터하우징(319c) 상에 설치되며, 회전모터(319b)는 에피택셜 공정이 진행되는 동안 회전축(318)을 구동하여 회전축(318)과 함께 기판 홀더(328)(및 기판(S))를 회전시킨다. 이는 반응가스가 공급구(332c)로부터 배기구(334c)를 향해 흐르며, 기판(S)에 대한 증착이 공급구(332c) 측에서 배기구(334c) 측으로 진행됨에 따라, 반응가스의 농도가 감소되는 경향이 있기 때문이다. 이러한 결과를 방지하여 기판(S) 표면에서 균일한 증착이 이루어질 수 있도록 기판(S)은 회전할 수 있다.
모터하우징(319c)은 브래킷(319d)에 고정되며, 브래킷(319c)은 하부챔버(312b)의 하부에 연결된 하부가이드(319e) 상에 연결되어 승강로드(319e)를 따라 승강한다. 브래킷(319c)은 하부로드(419)에 나사체결되며, 하부로드(419)는 승강모터(319a)에 의해 회전된다. 즉, 승강모터(319a)의 회전에 의해 하부로드(419)는 회전하며, 이로 인해 브래킷(319c)과 모터하우징(319c)은 함께 승강할 수 있다. 따라서, 회전축(318)과 기판 홀더(328)는 함께 승강할 수 있다. 기판 홀더(328)는 승강모터(319a)에 의해 적재위치 및 공정위치로 전환될 수 있다. 벨로우즈(318a)는 하부챔버(312b)와 모터하우징(319c)을 서로 연결하며, 이를 통해 하부챔버(312b) 내부의 기밀을 유지할 수 있다. 도 15 및 도 16은 도 1에 도시한 기판홀더가 공정위치로 전환된 모습을 나타내는 도면이다.
도 15 및 도 16에 도시한 바와 같이, 열차단플레이트(316)는 기판홀더(328)의 하부에 설치되며, 회전축(318)이 승강함에 따라 기판 홀더(328)와 함께 승강한다. 열차단플레이트(316)는 내부반응튜브(314)의 개방된 하부를 폐쇄하여 내부반응튜브(314) 내부의 열이 하부챔버(312b) 내의 적재공간으로 이동하는 것을 방지한다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에피택셜 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 이하에서는 앞서 설명한 실시예와 구별되는 구성에 대해서만 설명하기로 하며, 이하에서 생략된 설명은 앞서 설명한 내용으로 대체될 수 있다.
에피택셜 장치는 상부안테나(329)를 더 포함하며, 상부안테나(329)는 상부커버(326) 내에 설치된다. 상부안테나(329)는 고주파 전원(도시안함)에 연결되며, ICP 방식으로 반응영역 내에 라디칼을 생성한다. 상부안테나(329)는 측부히터(324a)와 함께 세정공정을 진행할 수 있으며, 에피택셜 장치는 에피택셜 공정과 함께 기판(S)에 대한 세정공정을 인시츄(in-situ) 방식으로 진행할 수 있다. 이 경우, 기판(S)에 대한 세정공정과 에피택셜 공정이 내부반응튜브(314) 내에서 순차적으로 이루어지므로, 기판(S)의 이송 동안, 기판(S)이 대기에 노출되지 않으며, 기판(S)이 오염물(예를 들면, O2, 입자상 물질 등)에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
반응가스소스는 라디칼 생성가스(예를 들어, H2 또는 NH 3 )가 충전된 가스용기(도시안함)와 캐리어 가스(N2)가 충전된 가스 용기(도시안함)를 포함하며, 라디칼 생성가스와 캐리어 가스는 공급노즐들(332)을 통해 내부반응튜브(314)의 반응영역에 공급된다. 이때, 상부안테나(329)는 ICP 방식을 통해 반응영역 내에 전계를 생성하며, 라디칼 생성가스는 플라즈마화되어 라디칼이 생성된다.
또한, 반응가스소스는 반응성 가스(예를 들어, NF3와 같은 불화물 가스)가 충전된 용기를 포함하며, 반응성 가스는 공급노즐들(332)을 통해 내부반응튜브(314)의 반응영역에 공급될 수 있다. 따라서, 라디칼(예를 들어, 수소 라디칼)은 반응성 가스와 혼합되어 반응한다. 이 경우, 반응식은 아래와 같다.
Figure pat00004
Figure pat00005

즉, 기판(S)의 표면에 미리 흡착한 반응성 가스와 라디칼이 반응하여 중간 생성물(NHxFy)이 생성되고, 중간생성물(NHxFy)과 기판(S) 표면의 자연 산화막(SiO2)이 반응하여 반응 생성물((NH4F)SiF6)이 형성된다. 한편, 기판(S)은 기판 홀더(328)에 놓여지며, 기판 홀더(328)는 반응공정 동안 기판(S)을 회전시켜 균일한 반응이 이루어질 수 있도록 돕는다.
배기노즐들(334b)은 하부챔버(312b)에 형성된 배기포트(344)를 통해 제1 배기라인(342)과 연결되며, 반응영역 내부의 라디칼과 반응성 가스, 미반응 라디칼 생성가스, 플라즈마화할 때의 부생성물, 캐리어 가스 등은 배기노즐들(334b)에 의해 흡입되어 제1 배기라인(342)을 통해 배출된다.
위 반응 공정이 완료되면, 측부히터(324a)는 기판(S)을 소정 온도(100℃ 이상의 소정 온도, 예를 들어, 130℃)로 가열하며, 이로 인해 반응 생성물이 열분해하여 기판(S) 표면으로부터 HF나 SiF4와 같은 열분해 가스가 이탈되고, 진공배기됨으로써 기판(S)의 표면으로부터 실리콘 산화물의 박막이 제거될 수 있다.
Figure pat00006

마찬가지로, 반응영역 내부의 반응부산물(예를 들어, NH3, HF, SiF4)은 배기노즐들(334b)에 의해 흡입되어 제1 배기라인(342)을 통해 배출된다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에피택셜 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 이하에서는 앞서 설명한 실시예와 구별되는 구성에 대해서만 설명하기로 하며, 이하에서 생략된 설명은 앞서 설명한 내용으로 대체될 수 있다.
도 18에 도시한 바와 같이, 상부히터(326a)는 상부커버(326) 내에 설치될 수 있다. 상부히터(326a)는 외부반응튜브(312a) 내부의 공정공간을 가열하며, 이를 통해 공정공간(또는 반응영역)은 에피택셜 공정이 가능한 온도(공정온도)에 도달할 수 있다. 공정공간은 상부히터(326a)를 통해 약 250℃ 내지 약 1000℃, 바람직하게는 약 500℃ 내지 약 800℃, 보다 더 바람직하게는 약 550℃ 내지 약 750℃ 범위의 온도에서 유지된다.
또한, 도 18에 도시한 바와 같이, 측부안테나(325)는 측부커버(324) 내에 설치될 수 있으며, 고주파 전원(도시안함)에 연결되어 ICP 방식으로 반응영역 내에 라디칼을 생성할 수 있다. 측부안테나(325)는 상부히터(326a)와 함께 세정공정을 진행할 수 있으며, 에피택셜 장치는 에피택셜 공정과 함께 기판(S)에 대한 세정공정을 인시츄(in-situ) 방식으로 진행할 수 있다. 이 경우, 기판(S)에 대한 세정공정과 에피택셜 공정이 내부반응튜브(314) 내에서 순차적으로 이루어지므로, 기판(S)의 이송 동안, 기판(S)이 대기에 노출되지 않으며, 기판(S)이 오염물(예를 들면, O2, 입자상 물질 등)에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에피택셜 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 이하에서는 앞서 설명한 실시예와 구별되는 구성에 대해서만 설명하기로 하며, 이하에서 생략된 설명은 앞서 설명한 내용으로 대체될 수 있다.
도 19에 도시한 바와 같이, 측부안테나(325)는 측부커버(324) 내에 설치될 수 있으며, 상부안테나(329)는 상부커버(326) 내에 설치될 수 있다. 측부안테나(325) 및 상부안테나(329)는 고주파 전원(도시안함)에 연결되며, 에피택셜 공정과 함께 기판(S)에 대한 세정공정을 인시츄(in-situ) 방식으로 진행할 수 있다. 이 경우, 기판(S)에 대한 세정공정과 에피택셜 공정이 내부반응튜브(314) 내에서 순차적으로 이루어지므로, 기판(S)의 이송 동안, 기판(S)이 대기에 노출되지 않으며, 기판(S)이 오염물(예를 들면, O2, 입자상 물질 등)에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
측부안테나(325) 및 상부안테나(329)는 ICP 방식을 통해 반응영역 내에 전계를 생성하여 라디칼 생성가스로부터 라디칼을 생성한다. 라디칼(예를 들어, 수소 라디칼)은 반응성 가스와 혼합되어 반응하며, 기판(S)의 표면에 미리 흡착한 반응성 가스와 라디칼이 반응하여 중간 생성물(NHxFy)이 생성되고, 중간생성물(NHxFy)과 기판(S) 표면의 자연 산화막(SiO2)이 반응하여 반응 생성물((NH4F)SiF6)이 형성된다.
기판(S)은 위 반응 공정시 발생한 반응열로 인해 소정 온도(100℃ 이상의 소정 온도, 예를 들어, 130℃)로 가열될 수 있으며, 이로 인해 반응 생성물이 열분해하여 기판(S) 표면으로부터 HF나 SiF4와 같은 열분해 가스가 이탈되고, 진공배기됨으로써 기판(S)의 표면으로부터 실리콘 산화물의 박막이 제거될 수 있다.
한편, 앞서 설명한 실시예와 달리, 에피택시 층은 플라즈마를 이용한 화학기상증착에 의해 이루어질 수 있으며, 공정공간에 대한 가열공정은 생략될 수 있다. 기판(S)이 반응가스(증착용 가스)에 노출된 상태에서 측부안테나(325) 및 상부안테나(329)를 통해 전계를 생성하여 반응가스를 활성화시킬 수 있으며, 이를 통해 기판 상에 에피택시 층을 형성할 수 있다. 또한, 기판(S)이 반응가스(에칭용 가스)에 노출된 상태에서 측부안테나(325) 및 상부안테나(329)를 통해 전계를 생성하여 반응가스를 활성화시킬 수 있으며, 이를 통해 기판(S)의 표면을 에칭할 수 있다.
도 20 내지 도 22는 배기포트 및 보조배기포트를 이용한 배기과정을 나타내는 도면이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 배기노즐들(334)은 하부챔버(312b)에 형성된 배기포트(344)를 통해 제1 배기라인(342)과 연결되며, 미반응가스 및 반응부산물들은 제1 배기라인(342)을 통해 배출된다. 개폐밸브(346)는 제1 배기라인(342) 상에 설치되어 제1 배기라인(342)을 개폐하며, 터보펌프(348)는 제1 배기라인(342) 상에 설치되어 제1 배기라인(342)을 통해 미반응가스 및 반응부산물들을 강제 배출한다. 제1 배기라인(342)은 제2 배기라인(352)에 연결되며, 제1 배기라인(342)을 따라 이동한 미반응가스 및 반응부산물들은 제2 배기라인(352)을 통해 배출된다.
보조배기포트(328a)는 하부챔버(312b)에 형성되며, 보조배기라인(328b)이 보조배기포트(328a)에 연결된다. 보조배기라인(328b)은 제2 배기라인(352)에 연결되며, 제1 및 제2 보조밸브(328c,328d)는 보조배기라인(328b) 상에 설치되어 보조배기라인(328b)을 개폐한다. 보조배기라인(328b)은 연결라인(343)을 통해 제1 배기라인(342)에 연결되며, 연결밸브(343a)는 연결라인(343) 상에 설치되어 연결라인(343)을 개폐한다.
보조배기포트(328a)에 대해 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 공정을 진행하기 전, 하부챔버(312b)의 내부 및 외부반응튜브(312a)(또는 내부반응튜브(314))의 내부는 진공이 형성되어야 한다. 이때, 작업자는 보조배기포트(328a)를 이용하여 하부챔버(312b) 및 외부반응튜브(312a)(또는 내부반응튜브(314)) 내부의 진공을 형성할 수 있다. 작업자는 제1 및 제2 보조밸브(328c,328d)를 개방한 상태에서 연결밸브(343a) 및 메인배기밸브(346)를 폐쇄할 수 있으며, 이 경우, 보조배기라인(328b) 및 제2 배기라인(352)을 통해 배기가 이루어질 수 있다(도 20에 도시).
다음, 일정 시간 동안 보조배기라인(328b) 및 제2 배기라인(352)을 통해 배기가 이루어지면, 작업자는 제1 보조밸브(328c) 및 연결밸브(343a), 그리고 메인배기밸브(346)를 개방한 상태에서 제2 보조밸브(328d)를 폐쇄할 수 있으며, 이 경우, 보조배기라인(328b) 및 연결라인(343), 제1 배기라인(342), 그리고 제2 배기라인(352)을 통해 배기가 이루어질 수 있다. 이때, 터보펌프(346)를 통해 배기가 가능하며, 터보펌프(346)를 이용하여 하부챔버(312b) 및 외부반응튜브(312a)(또는 내부반응튜브(314)) 내부의 압력을 공정압력으로 조절할 수 있다(도 21에 도시).
위와 같이 두 단계로 나누어 하부챔버(312b) 및 외부반응튜브(312a)(또는 내부반응튜브(314)) 내부에 진공을 형성할 경우, 고진공을 형성할 수 있는 고성능의 터보펌프(348)로 인해 하부챔버(312b) 및 외부반응튜브(312a)(또는 내부반응튜브(314))에 과도한 압력이 가해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 하부챔버(312b)에 직접 연결된 보조배기포트(328a)를 이용하여 진공을 형성할 경우, 배기노즐들(334)에 연결된 배기포트(344)를 이용하는 것에 비해 효과적으로 진공을 형성할 수 있다.
한편, 공정진행 중, 작업자는 제1 및 제2 보조밸브(328c,328d), 메인배기밸브(346)를 개방한 상태에서 연결밸브(343a)를 폐쇄할 수 있으며, 이 경우, 배기노즐들(334)을 이용하여 흡입한 미반응가스 및 반응부산물들이 제1 및 제2 배기라인들(342,352)을 통해 배출된다. 또한, 보조가스공급포트(362)를 통해 하부챔버(312b)의 적재공간 내에 비활성가스를 공급할 수 있으며, 동시에 보조배기라인(328b)을 통해 하부챔버(312b)의 적재공간 내부의 비활성가스를 외부로 배출할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해 적재공간 내의 압력이 공정공간 내의 압력보다 약간 높도록 설정할 수 있으며, 공정공간 내의 반응가스가 적재공간으로 이동하는 것을 방지할 수 있다(도 22에 도시).
도 23은 도 6에 도시한 공급노즐들에 관한 변형된 실시예를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 24는 도 23에 도시한 공급노즐을 나타내는 사시도이며, 도 25는 도 23에 도시한 공급노즐을 나타내는 단면도이다.
도 23 내지 도 25에 도시한 바와 같이, 공급노즐(332b)은 토출방향을 따라 단면적이 증가하는 내부공간을 가지며, 공급관(332a)을 통해 공급된 반응가스는 공급노즐(332b)의 내부공간을 따라 확산된다. 공급노즐(332b)은 선단에 형성된 공급구(332c)를 가지며, 공급구(332c)는 슬롯형상의 단면을 가진다. 공급구(332c)의 단면적은 배기구(334c)의 단면적과 대체로 일치한다.
도 26는 도 23에 도시한 공급노즐들 및 배기노즐들을 통한 반응가스의 유동을 나타내는 도면이다. 도 26에 도시한 바와 같이, 공급노즐(332b)로부터 분사된 반응가스는 반대편에 위치하는 배기노즐(334b)을 향해 흐른다(화살표로 표시). 이때, 반응가스는 공급노즐(332b)의 내부공간을 통해 확산된 상태에서 공급구(332c)를 통해 토출된 후 배기노즐(334b)의 배기구(334c)를 통해 흡입되므로, 반응가스는 공급구(332c)로부터 배기구(334c)에 이르기까지 일정한 폭(공급구(332c)의 단면적 및 배기구(334c)의 단면적과 대체로 일치함)을 가지는 층류유동(laminar flow)을 형성한다.
또한, 앞서 설명하지 않았으나, 도 6 및 도 23에 도시한 배기노즐들(334b)은 도 23 내지 도 25에 도시한 공급노즐들(332b)과 동일한 구조를 가진다. 즉, 배기노즐(334b)은 흡입방향을 따라 단면적이 감소하는 내부공간을 가지며, 배기구(332c)를 통해 흡입한 미반응가스 및 반응부산물은 배기노즐(334b)의 내부공간을 따라 수렴된 후 배기관(332a)으로 이동한다.
도 27은 도 24에 도시한 공급노즐에 관한 변형된 실시예를 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 28은 도 27에 도시한 공급노즐을 나타내는 단면도이다. 도 27 및 도 28에 도시한 바와 같이, 공급노즐(332b)은 분사판(332d)을 구비하며, 분사판(332d)은 공급구(332c) 상에 설치될 수 있다. 분사판(332d)은 복수의 분사홀들(332e)을 가지며, 공급노즐(332b)의 내부공간을 따라 확산된 반응가스는 분사홀들(332e)을 통해 분사될 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
1 : 반도체 제조설비 2 : 공정모듈
3 : 설비 전방 단부 모듈 4 : 경계벽
60 : 로드포트 70 : 기판
72 : 산화막 74 : 에피택시 표면
102 : 이송 챔버 104 : 기판 핸들러
108a,108b : 세정 챔버 110 : 버퍼 챔버
112a,112b,112c : 에피택셜 챔버 312a : 외부반응튜브
312b : 하부챔버 314 : 내부반응튜브
316 : 열차단플레이트 318 : 회전축
319 : 통로 328 : 기판 홀더
332 : 공급노즐 334 : 배기노즐

Claims (14)

  1. 기판에 대한 공정이 이루어지는 기판 처리 장치에 있어서,
    상부가 개방되며, 일측에 상기 기판이 출입하는 통로가 형성되는 하부챔버;
    상기 하부챔버의 개방된 상부를 폐쇄하며, 상기 공정이 이루어지는 공정공간을 제공하는 외부반응튜브;
    하나 이상의 상기 기판이 상하방향으로 적재되며, 상기 기판 홀더 내에 상기 기판이 적재되는 적재위치 및 상기 기판에 대한 상기 공정이 이루어지는 공정위치로 전환가능한 기판 홀더;
    상기 공정공간을 향해 반응가스를 공급하는 가스공급유닛; 및
    상기 외부반응튜브의 외측에 설치되어 상기 반응가스를 활성화하여 상기 기판에 대한 공정을 진행하는 처리유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리유닛은,
    상기 외부반응튜브의 측부 및 상부 중 어느 하나에 설치되며, 상기 공정공간을 가열하여 상기 기판에 대한 에피택셜 증착공정을 진행하는 히터; 및
    상기 외부반응튜브의 측부 및 상부 중 다른 하나에 설치되며, 상기 반응가스로부터 플라즈마를 생성하여 상기 기판에 대한 세정공정을 진행하는 플라즈마 생성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처리유닛은 상기 외부반응튜브의 외측에 설치되며 상기 공정공간을 가열하여 상기 기판에 대한 에피택셜 증착공정을 진행하는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 처리유닛은 상기 외부반응튜브의 외측에 설치되며 상기 반응가스로부터 플라즈마를 생성하여 상기 기판에 대한 세정공정을 진행하는 플라즈마 생성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  5. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성부재는 ICP 안테나인 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 처리 장치는 상기 외부반응튜브의 내부에 설치되며, 상기 공정위치에 놓여진 상기 기판 홀더의 둘레에 배치되어 상기 기판에 대한 반응영역을 구획하는 내부반응튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판 처리 장치는 상기 기판 홀더의 하부에 설치되며 상기 기판 홀더가 상기 공정위치에 있을 때 상기 내부반응튜브의 개방된 하부를 폐쇄하는 열차단플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 처리 장치는,
    상기 외부반응튜브의 둘레에 설치되어 상기 외부반응튜브의 측부 및 상부를 감싸며, 내부에 상기 처리유닛이 실장되는 커버; 및
    상기 외부반응튜브를 감싸는 공정위치 및 상기 커버가 상기 외부반응튜브로부터 제거되는 해제위치로 상기 커버를 전환하는 커버무빙유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 커버무빙유닛은,
    상기 커버의 일측에 기립된 상태로 설치되며, 외주면에 나사산이 형성되는 승강로드;
    상기 커버에 연결되며, 상기 승강로드의 회전에 의해 상기 승강로드를 따라 이동하는 지지프레임; 및
    상기 승강로드를 구동하는 구동모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스공급유닛은 상기 외부반응튜브의 내부에 설치되며 상하방향에 따라 서로 다른 위상차를 가지는 상기 반응가스의 유동을 형성하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가스공급유닛은,
    상기 외부반응튜브의 내벽을 따라 배치되며, 서로 다른 높이에 각각 배치되어 상기 반응가스를 토출하는 복수의 공급노즐들;
    상기 공급노즐들에 각각 연결되어 상기 공급노즐들에 각각 상기 반응가스를 공급하는 복수의 공급관들;
    상기 외부반응튜브의 내벽을 따라 배치되며, 서로 다른 높이에 각각 배치되어 상기 공정공간 내의 미반응가스 및 반응부산물을 흡입하는 복수의 배기노즐들; 및
    상기 배기노즐들에 각각 연결되어 상기 배기노즐들을 통해 각각 흡입된 상기 미반응가스 및 상기 반응부산물들이 통과하는 복수의 배기관들을 구비하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판 처리 장치는 상기 배기노즐에 연결되며 상기 배기노즐을 통해 흡입한 상기 미반응가스 및 상기 반응부산물을 배출하는 후방배기라인을 포함하며,
    상기 하부챔버는 상기 배기노즐과 상기 후방배기라인을 연결하는 배기포트 및 상기 하부챔버 내부에 형성된 적재공간을 상기 후방배기라인에 연결하는 보조배기포트를 가지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적재공간의 압력은 상기 공정공간의 압력보다 높은 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하부챔버는 상기 하부챔버 내부에 형성된 적재공간에 연결되는 보조가스공급포트를 가지는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
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