KR20130090699A - 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치 및 방법 - Google Patents

반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치 및 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치는 공정가스가 유입되어 반응하는 공정챔버(110) 및 상기 공정챔버(110)에 진공을 인가하기 위한 펌프(120)를 구비한 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치로, 상기 장치는 상기 공정챔버로부터 배출되는 배기가스가 포어라인(112)을 통하여 유입되는 반응챔버(111); 상기 상기 반응챔버(111) 전단에 구비되며, 상기 공정챔버(110)로부터 배출되는 배기가스 중 WF6와 반응, 파우더를 형성할 수 있는 반응가스를 상기 포어라인(112)으로 유입하는 반응가스 유입라인(113); 상기 반응챔버(111) 내에 구비되어, 상기 반응챔버(111) 내 온도를 상승시키는 히팅블록(117); 상기 반응챔버(111) 내에서 WF6와 상기 반응가스 반응에 따라 형성된 파우더가 포집되는 쿨링블록(119); 및 상기 포집된 파우더를 가스화시키기 위한 플로린계 라디칼을 상기 반응챔버(111) 내로 공급하기 위한 플라즈마 공급원(115)을 포함한다.

Description

반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치 및 방법{Apparatus and method for treating gas powder for semicouductor process system}
본 발명은 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마를 이용하여 원자막 화학기상공정에서 배출되는 파우더를 효과적으로 제거하여, 공정 효율을 향상시키고, 펌프 수명을 연장시킬 수 있는 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 제조에는 가스를 이용하여 반응을 유도하는 공정이 많이 사용된다. 이 중 하나는 박막을 증착하는 증착공정으로, 이 중 하나는 원자막 화학기상증착공정이다. 원자막 화학기상증착공정(ALD CVD) 공정은 반응 가스를 한번에 같이 흘리지않고, 수초간 번갈아 흘려서 기판위에서의 반응을 최소화함으로서 원자크기만큼의 박막을 키우는데 적절하다. 단, 대부분의 반응가스가 서로 만나지 않고 배기라인을 통하여 펌프로 유입되며, 이러한 배기 진행중 반응하여 배기라인이나 펌프에 쌓여 문제를 일으키고있다. 대표적인 예로서, WN (Tungsten Nitride) 공정이 있으며, 반응가스로는 WF6, NH3, B2H6등의 가스를 수초 (1-3초)씩 순차적으로 흘려서 반응시키는 공정이다.
여기에서 WF6는 B2H6나 NH3등과 고온에서 반응하며 (보통은 150도씨 이상), WB, WN등의 부산물을 만들어낸다.
WF6와 NH3의 ALD CVD공정중의 반응 메커니즘은 다음 식과 같다.
WFx + NH3 → W-NH* + HF + F2
W-NH* + WF6 → WN-WF* + HF + F2
여기에서 W-NH*, WN-WF* 등은 잔류의 WF6와 NH3등에 반응하며, 쉽게 생성물을 만드는 프리커서 역할을 하고있다. 이후 반응된 물질중, W, WN, W2N 등은 솔리드 물질로 파우더 혹은 코팅된 물질로 잔류하게 되고, 나머지 WFx, NFx, H2등은 가스상태로 배기된다. 이러한 반응 메커니즘은 공정중 순차적으로 유입되는 가스와, 그 잔류가스가 반응하며 반응물을 만들어내고, 미반응 가스 대부분은 배기라인 등에 잔류물질로 남아 지속적으로 조금씩 반응하여, 배관 막힘 등으로 펌프 수명을 단축시킨다. 이와 같이 공정가스를 반응시키는 반도체 공정에서는 공정 후 배출되는 미반응 가스의 반응이 펌프 등과 같은 공정장치에 벌어지는 문제가 발생한다.
이에 따라, 본 발명이 해결하려는 과제는 ALD CVD와 같은 반도체 공정 중 배출되는 반응가스의 반응에 따라 형성되는 파우더 등과 같은 잔류물을 효과적으로 처리할 수 있는, 저압용 파우더 처리 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 공정가스가 유입되어 반응하는 공정챔버(110) 및 상기 공정챔버(110)에 진공을 인가하기 위한 펌프(120)를 구비한 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치로, 상기 장치는 상기 공정챔버로부터 배출되는 배기가스가 포어라인(112)을 통하여 유입되는 반응챔버(111); 상기 상기 반응챔버(111) 전단에 구비되며, 상기 공정챔버(110)로부터 배출되는 배기가스 중 WF6와 반응, 파우더를 형성할 수 있는 반응가스를 상기 포어라인(112)으로 유입하는 반응가스 유입라인(113); 상기 반응챔버(111) 내에 구비되어, 상기 반응챔버(111) 내 온도를 상승시키는 히팅블록((117); 상기 반응챔버(111) 내에서 WF6와 상기 반응가스 반응에 따라 형성된 파우더가 포집되는 쿨링블록(119); 및 상기 포집된 파우더를 가스화시키기 위한 플로린계 라디칼을 상기 반응챔버(111) 내로 공급하기 위한 플라즈마 공급원(115)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플라즈마 공급원(115)으로부터 플로린계 라디칼은 상기 히팅블록(117)과 쿨링블록(119) 사이의 반응챔버(111) 공간 또는 히팅블록(117) 상단의 반응챔버 공간으로 유입된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플라즈마 공급원은 리모트 플라즈마 공급원이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 히팅블록(117)은 상부면이 개방된 상자형태이며, 상기 쿨링블록은 상기 히팅블록(117) 외곽의 반응챔버(111) 내벽을 에워싸는 형태이다.
본 발명은 또한 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 방법으로, 상기 방법은 원자막 화학기상증착공정이 진행되는 공정챔버로부터 유입되는 배기가스에 상기 배기가스 중 함유되는 WF6와 반응하는 반응가스를 혼합하는 단계; 상기 혼합된 반응가스를 섭씨 150도 이상의 고온으로 반응시켜 파우더를 형성시키는 단계; 상기 형성된 파우더를 포집하는 단계; 및 상기 냉각된 파우더와 플로린계 라디칼로 가스화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 가스화된 파우더 가스를 진공펌프를 이용 배기시키는 단계를 더 포함하며, 상기 파우더를 포집하는 단계는 상기 파우더를 별도의 쿨링블록으로 냉각시키는 방식으로 진행된다.
본 발명에 따른 파우더 처리장치는 공정챔버와 펌프 사이에 저압으로 운전되는 반응챔버를 포함하며, 상기 반응챔버에서 미반응 가스 등을 반응시켜, 잔류 가스가 펌프로 유입되는 것을 방지한다. 더 나아가, 반응챔버 전단에 NH3를 유입시켜, WF6의 고온 반응과 펌프 유입을 방지하고, 리모트 플라즈마 시스템을 이용하여, W, WN, W2N 등의 부산물을 제거한다. 이로써 펌프 수명 연장, 높은 ALD 공정효율 등을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 공정용 파우더 처리장치를 포함하는 ALD 공정 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 처리 장치를 포함하는 시스템의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅블록 및 쿨링블록을 포함하는 반응챔버의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD공정 부산물 처리 방법의 단계도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...기”, “모듈”, “블록” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, ALD와 같은 가스공정이 진행되는 공정챔버와 상기 공정챔버에 진공압을 인가하기 위한 펌프 사이에 별도의 반응챔버를 구비시켜, 상기 공정챔버로부터 배출되는 미반응 가스가 바로 펌프로 유입되는 방지하며, 이로써 펌프의 파우더에 의한 막힘 그리고 F 라디컬에 의한 펌프 부식 등의 문제를 효과적으로 방지한다. 이하 ALD 공정을 이용하여, 본 발명에 따른 파우더 처리장치를 상세히 설명하나, 본 발명에 따른 가스 파우더 처리장치는 가스가 사용되며, 가스 간 반응에 따른 부산물이 펌프 등에 형성될 수 있는 임의의 모든 공정에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 처리장치를 포함하는 ALD 공정 시스템의 모식도이다. 본 발명에서 파우더 처리 장치는 공정챔버로부터 배출되는 배기가스를 미리 반응시켜, 파우더화하고, 이를 다시 플라즈마 라디칼로 가스화 처리하는 장치 전반을 의미한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 공정 시스템은 ALD 공정이 진행되는 공정챔버(100), 상기 공정챔버(100)와 라인 연결되어, 상기 공정챔버(100)에 ALD 공정에 필요한 진공압을 인가하는 펌프(120)를 포함한다. 특히, 본 발명의은 상기 공정챔버(100)와 펌프(120) 사이에 구비되며, 상기 공정챔버로부터 배출되는 미반응 가스를 반응시켜, 파우더를 형성하고, 이를 처리하는 별도의 파우더 처리 장치(110)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 처리 장치를 포함하는 시스템의 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 파우더 처리는 공정챔버(100)로부터 미반응 가스가 유입되며, 고온(섭씨 150도 이상)으로 유지되는 반응챔버(111)를 포함한다. 이와 같이 본 발명은 공정챔버와 펌프 사이에 별도의 반응챔버를 구비시켜, 상기 공정챔버로부터 배출되는 미반응가스를 펌프 전단에서 반응시키고, 상기 반응에 따라 형성된 파우더를 처리한다.
본 발명자는ALD 공정이 순차적인 반응가스 유입으로, 가스간 반응을 최소화시키며, 그 결과 공정가스 대부분은 배기라인으로 유입되고, 유입된 공정가스는 배기라인 또는 펌프에서 반응하여, 펌프 등에 손상을 입힌다.
따라서, 본 발명자는 ALD 공정 중 과량으로 배출되는 WF6 미반응가스를 처리하기 위하여, 상개 반응챔버(111)의 전단라인, 즉, 포어라인(112)으로 NH3 와 같이 WF6 와 반응할 수 있는 반응가스를 유입시킨다. 그 결과, 공정챔버(100)로부터 배출되는 WF6 가스는 반응챔버 유입 전 미리 NH3와 같은 WF6 반응가스와 혼합되어, 미리 반응하며, 더 나아가, 히팅블록(117)에 의하여 고온이 유지되는 반응챔버(111) 내에서 반응하여, 부산물을 형성하게 된다. 이로써 종래 기술과 같이 미반응 가스의 직접 펌프 유입 및 이에 따란 파우더 형성의 문제를 효과적으로 방지한다.
도 2를 다시 참조하면, 본 발명에 따른 파우더 처리장치는 고온으로 유지되는 저압 조건의 반응챔버(111)를 구비하며, 공정챔버(미도시)와 연결된 라인에 별도의 NH3 유입라인(113)이 구비된다. 상기 반응가스 유입라인(113)을 통하여 유입된 NH3와 같은 반응가스는 미반응 WF6와 반응한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 반응가스 유입라인(113)을 통하여 유입되는 WF6 반응가스는 선택적 또는 상시 유입될 수 있다. 선택적 유입인 경우, WF6 가스가 공정챔버(110)로부터 배출되는 경우에만 반응가스가 유입된다.
더 나아가, 본 발명에 따른 ALD 공정용 파우더 처리장치는 원격 플라즈마 공급원(Remote Plasma Source, RPS, 115)를 포함하며, 상기 원격 플라즈마 공급원은 NF3등의 플로린 계열의 가스를 풀라즈마 공정으로 라디컬화 하여 반응챔버에 흘림으로써, 반응에 따라 형성된 W, WN, W2N등의 파우더를 제거하는데 사용된다.
즉, 반응에 따라 형성되어, 포집된 부산물을 F라디컬 식각을 통하여 다시 가스화하는 단계를 세정 공정이라고 하며, 그 메커니즘은 아래 식과 같다.
W, W2N, WN + F- → WF*, WF* + N2
또한, 본 발명에 따른 파우더 처리장치의 반응챔버(111) 내에는 챔버 내 온도를 섭씨 150도 이상의 고온으로 유지시키기 위한 히팅블록(117)를 더 포함한다. 상기 히팅블록(117)은 전기적 방식으로 반응챔버(111) 내 온도를 상승시키며, 상기 히팅블록(117)은 바람직하게는 공정챔버와 연결된 반응챔버(111) 상단에 구비되는 것이 바람직하다. 이로써 미반응 공정가스와 반응챔버(111) 전단에서 유입되는 NH3 와 같은 반응가스는 활발히 반응한다.
또한, 본 발명에 따른 반응챔버(111) 내에는 상기 반응에 따라 형성된 부산물 등을 냉각시켜 포집하기 위한 쿨링블록(119)가 구비된다. 즉, 반응에 따라 형성된 파우더 등의 부산물은 히팅블록에 의하여 가열된 상태이며, 진공펌프에 의하여 이동 중 상기 쿨링블록(119)에 의하여 냉각되어, 포집된다. 상기 포집된 파우더 등의 부산물은 플라즈마화된 플로린 계열의 가스로 분해되어, 처리된다. 즉, 본 발명에서 상기 쿨링블록(119)는 유입되는 F 라디칼과 파우더간의 반응시간을 높여 주기 위하여, 온도 냉각에 따라 파우더의 이동도를 떨어뜨려, 포집한다.
더 나아가, 본 발명자는 플라즈마 공급원으로부터의 플라즈마에 의하여 플라즈마화되는 플로린계열의 가스가 비록 파우더를 제거하는데에는 유용하지만, 펌프로 유입되는 경우, 펌프에 기계적 손상을 일으킬 수 있는 점에 주목하였다. 따라서, 본 발명에서 상기 플라즈마화된 플로린계 가스는 히팅블록(117)과 쿨링블록(119) 사이의 챔버 공간 또는 히팅블록(117) 상단의 챔버 공간으로 유입되며, 이로써 플라즈마에 의하여 형성된 F계 라디칼이 상기 반응챔버(111) 내에서 최대한 소진되게 하여, 펌프로의 F계 라디칼 이동을 최소화할 수 있다. 이와 달리 상기 플로린계 가스는 포어라인, 즉, 반응챔버 전단에도 유입될 수 있으며, 이로써 충분한 라디칼 이동거리가 확보되어, 펌프의 라디칼 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 히팅블록(117)과 쿨링블록(119) 형태는 제한이 없으나, 쿨링블록(119)의 경우 단위 블록 복수 개가 결합된 구조일 수 있다. 또한, 상기 쿨링블록(119)은 상기 반응챔버(111) 높이 범위 내에서 변경할 수 있으며, 이로써 부산물과 F 라디컬의 반응을 극대화시키며, 이로써 펌프 유입을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 히팅블록과 쿨링블록 구조를 통하여 유입되는 가스들의 반응시간을 최대로 유지하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅블록 및 쿨링블록을 포함하는 반응챔버의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히팅블록(117)은
Figure pat00001
자 형태, 즉, 상부면이 개방된 상자 또는 바구니 형태이며, 상기 상부면 방향으로 반응가스 및 미반응 공정가스가 혼합되어 유입된다. 즉, 상기
Figure pat00002
구조의 격벽은 유입되는 가스를 최대한 히팅블록(117)에 접촉시키는 배플과 같은 역할을 수행하며, 상기 히팅블록(117)의 격벽 안쪽에서 가스는 반응하여 파우더 등의 부산물이 형성된다.
또한, 쿨링블록(119)은 상기 히팅블록(117) 외곽의 반응챔버(111) 내벽을 에워싼다. 즉, 히팅블록(117)의 격벽을 타고 외부로 나오는 파우더 등은 상기 쿨링블록(119)와 접촉하여, 온도가 하강하며, 이로써 부산물은 쿨링블록(119)에 포집될 수 있다.
본 발명은 상술한 파우더 처리 장치를 이용한 ALD공정 부산물 처리 방법을 제공한다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD공정 부산물 처리 방법의 단계도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 ALD공정이 진행되는 공정챔버로부터 유입되는 배기가스에 상기 배기가스 중 함유되는 WF6와 반응하는 반응가스를 혼합시킨다. 상기 반응가스는 WF6 가스 배출시에만 선택적으로 혼합되거나, 아니면 상시 혼합될 수 있다.
이후, 상기 혼합된 반응가스를 섭씨 150도 이상의 고온으로 반응시켜 부산물인 파우더를 형성하며, 상기 고온의 상한은 특별한 제한이 없으나, 상기 반응챔버에 손상을 일으키지 않는 수준, 예를 들어 섭씨 300도 이하가 바람직하다.
이후, 상기 형성된 파우더를 포집하며, 상기 냉각된 파우더와 플로린계 라디칼로 가스화시킨다. 즉, 본 발명은 미반응된 공정가스를 별도 챔버에서 반응시켜, 부산물을 형성시키고, 상기 부산물을 냉각하여 포집한다. 상기 포집된 부산물은 반응챔버에 유입되는 라디칼 등에 의하여 분해되어, 다시 가스화되는 방식으로 처리될 수 있다. 따라서, 상기 가스화된 부산물은 배기장치에 달라붙거나 쌓이지 않고 쉽게 펌핑되어 배출될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.

Claims (7)

  1. 공정가스가 유입되어 반응하는 공정챔버(110) 및 상기 공정챔버(110)에 진공을 인가하기 위한 펌프(120)를 구비한 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치로, 상기 장치는
    상기 공정챔버로부터 배출되는 배기가스가 포어라인(112)을 통하여 유입되는 반응챔버(111);
    상기 상기 반응챔버(111) 전단에 구비되며, 상기 공정챔버(110)로부터 배출되는 배기가스 중 WF6와 반응, 파우더를 형성할 수 있는 반응가스를 상기 포어라인(112)으로 유입하는 반응가스 유입라인(113);
    상기 반응챔버(111) 내에 구비되어, 상기 반응챔버(111) 내 온도를 상승시키는 히팅블록(117);
    상기 반응챔버(111) 내에서 WF6와 상기 반응가스 반응에 따라 형성된 파우더가 포집되는 쿨링블록(119); 및
    상기 포집된 파우더를 가스화시키기 위한 플로린계 라디칼을 상기 반응챔버(111) 내로 공급하기 위한 플라즈마 공급원(115)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 공급원(115)으로부터 플로린계 라디칼은 상기 히팅블록(117)과 쿨링블록(119) 사이의 반응챔버(111) 공간 또는 히팅블록(117) 상단의 반응챔버 공간으로 유입되는 것을 특징으로 하는 원자막 화학기상증착공정 파우더 처리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 공급원은 리모트 플라즈마 공급원인 것을 특징으로 하는 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 히팅블록(117)은 상부면이 개방된 상자형태이며, 상기 쿨링블록은 상기 히팅블록(117) 외곽의 반응챔버(111) 내벽을 에워싸는 형태인 것을 특징으로 하는 반도체 공정 시스템용 가스 파우더처리 장치.
  5. 원자막 화학기상증착공정 파우더 처리방법으로, 상기 방법은
    원자막 화학기상증착공정이 진행되는 공정챔버로부터 유입되는 배기가스에 상기 배기가스 중 함유되는 WF6와 반응하는 반응가스를 혼합하는 단계;
    상기 혼합된 반응가스를 섭씨 150도 이상의 고온으로 반응시켜 파우더를 형성시키는 단계;
    상기 형성된 파우더를 포집하는 단계; 및
    상기 냉각된 파우더와 플로린계 라디칼로 가스화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 시스템용 가스 파우더 처리방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 방법은
    상기 가스화된 파우더 가스를 진공펌프를 이용 배기시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 시스템용 가스 파우더 처리방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 파우더를 포집하는 단계는 상기 파우더를 별도의 쿨링블록으로 냉각시키는 방식으로 진행되는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 시스템용 가스 파우더 처리방법.
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