KR20150133670A - 기판 처리장치 및 기판 처리방법 - Google Patents

기판 처리장치 및 기판 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판 처리장치는, 일측에 형성된 통로를 통해 기판이 이송되며, 상기 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간을 제공하는, 그리고 상기 기판을 향해 가스를 공급하는 공급포트가 상기 통로의 반대측에 형성된 챔버; 상기 내부공간에 설치되어 상기 내부공간과 대응되는 형상을 가지며, 개구가 형성되는 보조서셉터; 및 상기 개구에 삽입설치되어 상기 기판이 놓여진 상태에서 회전가능하며, 상기 기판을 가열하는 메인서셉터를 포함한다.

Description

기판 처리장치 및 기판 처리방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROCESSING SUBSTRATE}
본 발명은 기판 처리장치 및 기판 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 챔버 내부에 형성된 직육면체 형상의 내부공간에 설치된 보조서셉터와 보조서셉터의 개구 상에 회전 가능하도록 삽입설치되는 메인서셉터를 구비하는 기판 처리장치 및 이를 이용한 기판 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자의 제조에 있어서 반도체 기판 위에 고품질의 박막을 형성하고자 하는 장치나 공정에 대해 개선하는 노력이 계속되고 있으며, 반도체 기판의 표면 반응을 이용하여 박막을 형성하는데 몇 가지 방법이 이용되어 왔다.
이러한 방법에는 진공 증발 증착(Vacuum Evaporation Deposition), 분자 선 결정 성장(molecular Beam Epitaxy:MBE), 저압 화학 기상 증착(Low-pressure Chemical Vapor Deposition), 유기금속 화학 기상 증착(Organometallic Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition)을 포함하는 다양한 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition:CVD), 그리고 원자층 결정 성장(Atomic Layer Epitaxy:ALE) 등이 있다.
이 중 원자층 결정 성장(ALE)은 반도체 증착 및 무기물 전계발광 표시 소자(electroluminescent display device) 등에 폭넓게 연구되어 왔으며, 최근에는 다양한 물질 층을 증착하기 위해 원자층 증착(Atomic Layer Deposition:ALD)을 이용되고 있다.
원자층 증착법(ALD)은 두 가지 이상의 반응 원료 기체를 서로 순차적, 불연속적으로 반도체 기판 위에 공급하여 기판 표면에 박막을 증착하는 방법으로, 기판 표면에 흡착된 복수의 반응 기체들이 표면 반응을 통해 원자층 단위로 박막을 성장시키고, 이를 반복적으로 수행하여 원하는 두께의 박막을 형성한다.
기존의 기판 처리장치는 반응 기체들을 동시에 공급하여 박막을 형성하도록 설계되어 있어서 반응 기체를 불연속적으로 공급하여 박막을 형성하거나, 순차적으로 공급되는 반응 기체들을 반응기 내에서 기상 반응을 일으키지 않도록 퍼지를 통해 제거해 가며 반응시키는 방법에는 부적합하였다. 또한, 기체가 위에서 아래 방향으로 반도체 기판 위에 공급되는 증착 장치에서는 일반적으로 기판 위에 균일한 반응기체를 공급하기 위해 샤워헤드(shower head)를 이용한다. 그러나, 이러한 구조는 공정 기체의 흐름을 복잡하게 하고, 큰 크기의 반응기를 요구하므로 반응기체의 공급을 빠르게 전환하기 어려운 문제점들이 있다.
본 발명의 목적은 기판의 공정 균일도 및 생산성을 향상시키는 기판 처리장치 및 기판 처리방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 회전 가능한 메인서셉터의 상부에 놓여진 기판상에 공급되는 가스의 유량을 조절하여 증착 두께를 제어하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판 처리장치는, 일측에 형성된 통로를 통해 기판이 이송되며, 상기 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간을 제공하는, 그리고 상기 기판을 향해 가스를 공급하는 공급포트가 상기 통로의 반대측에 형성된 챔버; 상기 내부공간에 설치되어 상기 내부공간과 대응되는 형상을 가지며, 개구가 형성되는 보조서셉터; 및 상기 개구에 삽입설치되어 상기 기판이 놓여진 상태에서 회전가능하며, 상기 기판을 가열하는 메인서셉터를 포함한다.
상기 기판 처리장치는, 상기 메인서셉터를 회전가능하도록 지지하는 회전축; 상기 회전축을 구동하는 구동모터; 상기 공급포트에 연결되어 상기 기판에 상기 가스를 공급하는 가스공급라인; 상기 가스공급라인 상에 설치되어 상기 가스를 개폐하는 개폐밸브; 및 상기 구동모터와 상기 개폐밸브에 각각 연결되며, 상기 구동모터 및 상기 개폐밸브를 각각 제어 가능한 제어기를 더 포함하되, 상기 제어기는 상기 개폐밸브를 개방하여 상기 가스를 공급하고, 상기 가스의 공급이 완료된 후 상기 개폐밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 구동모터를 구동하여 상기 메인서셉터를 기설정된 각도만큼 회전할 수 있다.
상기 가스공급라인은, 상기 내부공간에 공정가스를 공급하는 공정가스라인; 상기 내부공간에 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스라인; 및 상기 내부공간에서 소스가스를 공급하는 소스가스라인을 구비하며, 상기 개폐밸브는, 상기 공정가스라인 상에 설치되어 상기 공정가스라인을 개폐하는 제1 개폐밸브; 상기 퍼지가스라인 상에 설치되어 상기 퍼지가스라인을 개폐하는 제2 개폐밸브; 및 상기 소스가스라인 상에 설치되어 상기 소스가스라인을 개폐하는 제3 개폐밸브를 구비하되, 상기 제어기는 상기 제2 및 제3 개폐밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 제1 개폐밸브를 개방하여 상기 공정가스를 공급하고, 상기 공정가스의 공급이 완료된 후 상기 제1 및 제3 개폐밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 제2 개폐밸브를 개방하여 상기 퍼지가스를 공급하고, 상기 퍼지가스의 공급이 완료된 후 상기 제1 및 제2 개폐밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 제3 개폐밸브를 개방하여 상기 소스가스를 공급하고, 상기 소스가스의 공급이 완료된 후 상기 제1 내지 제3 개폐밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 구동모터를 구동하여 상기 메인서셉터를 기설정된 각도만큼 회전할 수 있다.
상기 기판 처리장치는, 상기 메인서셉터의 상부에 설치되어 상기 내부공간에 플라즈마 분위기를 생성하는 안테나; 및 상기 안테나에 고주파 전류를 공급하며, 상기 제어기에 연결되어 상기 제어기에 의해 제어되는 전원을 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 소스가스가 공급되는 동안 상기 전원을 통해 상기 안테나에 전류를 공급할 수 있다.
상기 공급포트의 출구측에 위치하여 상기 공급포트와 상기 내부공간을 구획가능하며, 상기 공급포트와 상기 내부공간을 연통하여 상기 공급포트를 통해 공급된 상기 가스를 확산하는 복수의 확산홀들을 가지는 확산부재; 및 상기 확산부재를 승강 가능한 승강부재를 더 포함하되, 상기 확산부재는 상기 내부공간의 중앙부에 대응되는 중앙확산부재 및 상기 중앙확산부재의 양측에 설치되는 측면확산부재를 구비하며, 상기 승강부재는 상기 중앙확산부재를 승강가능한 중앙승강부재 및 상기 측면확산부재를 승강가능한 측면승강부재를 구비할 수 있다.
상기 개구는 상기 서셉터를 중심으로 편심 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판 처리방법은, 직육면체 형상의 내부공간을 가지는 챔버의 내부에 하나 이상의 가스를 공급하여 상기 챔버 내부로 제공된 기판을 처리하는 방법에 있어서, 상기 내부공간에 설치된 보조서셉터의 개구 상에 상기 보조서셉터와 따로 회전가능한 메인서셉터를 설치하고 상기 메인서셉터의 상부에 상기 기판을 올려놓은 상태에서 상기 가스를 공급한 후, 상기 가스의 공급이 완료되면 상기 가스의 공급을 정지시킨 상태에서 상기 메인서셉터의 회전에 의해 상기 기판을 기설정된 각도만큼 회전한다.
상기 기판 처리방법은, 상기 공급포트와 상기 챔버의 내부를 구획가능한 확산부재를 상기 챔버의 일측에 형성된 공급포트의 출구측에 설치하되, 상기 확산부재 중 중앙에 위치하는 중앙확산부재를 하강하여 상기 중앙확산부재의 상부에 상기 챔버의 내부와 상기 공급포트를 연통하는 공간을 형성하고, 상기 확산부재 중 상기 중앙확산부재의 양측에 설치된 측면확산부재를 통해 상기 챔버의 내부와 상기 공급포트를 구획한 상태에서 상기 측면확산부재의 확산홀들을 통해 상기 챔버의 내부와 상기 공급포트를 연통하여 상기 공간 및 상기 확산홀들을 통해 상기 가스를 공급할 수 있다.
상기 가스를 공급하는 방법은, 공정가스를 공급하는 단계; 상기 공정가스의 공급을 중단하고 퍼지가스를 공급하여 상기 챔버의 내부를 퍼지하는 단계; 상기 퍼지가스의 공급을 중단하고 소스가스를 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가스를 공급하는 방법은, 상기 소스가스가 공급되는 동안 상기 챔버의 내부에 플라즈마 분위기를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가스를 공급하는 방법은, 상기 소스가스의 공급을 중단하고 상기 퍼지가스를 공급하여 상기 챔버의 내부를 퍼지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 보조서셉터의 내면에 형성된 개구에 삽입설치되어 보조서셉터와 따로 회전가능한 메인서셉터를 이용하여 기판을 회전할 수 있다. 또한, 기판이 인입되는 통로의 반대측으로 공급되는 가스를 확산 가능하며, 길이방향을 따로 복수로 분할되어 각각 따로 승강 가능한 확산부재 또는 특정한 형상을 가지는 배기홀을 통해 기판상에 공급되는 가스의 유량을 조절할 수 있다. 따라서, 작업자는 기판에 증착 두께 및 두께 분포를 용이하게 조절 가능함으로써 기판의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 기판 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 기판 처리장치의 분리사시도이다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시한 배기부재의 대기위치 및 공정위치를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 2에 도시한 서셉터의 가열영역과 예열영역을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시한 가열영역과 예열영역의 변형예이다.
도 8 및 도 9는 도 2에 도시한 기판 처리장치의 가스 유동상태를 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 2에 도시한 기판 처리장치의 공정 순서를 나타내는 예시도이다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 이하, 본 발명의 실시예들은 첨부된 도 1 내지 도 11을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 이하 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해하기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하, 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시한다.
따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다. 그리고, 이하 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다. 한편, 이하에서는 기판(W)를 예로 들어 설명하나, 본 발명은 다양한 피처리체에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 제조설비를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 일반적으로 반도체 제조설비(100)는 공정설비(120) 및 설비 전방 단부 모듈(110)(Equipment Front End Module : EFEM)을 포함한다. 선비 전방 단부 모듈(110)은 공정설비(120)의 전방에 장착되어 기판(W)들이 수용된 용기와 공정설비 간에 기판(W)을 이송한다.
기판(W)은 공정설비(120) 내에서 소정의 공정이 수행된다. 공정설비(120)는 이송챔버(130), 로드록 챔버(140) 및 공정을 수행하는 복수의 기판 처리장치(10)로 구성될 수 있다. 이송챔버(130)는 상부에서 바라볼 때 대체로 다각형상을 가지며, 로드록 챔버(140) 및 기판 처리장치(10)들은 이송챔버(130)의 측면에 각각 설치된다. 이송챔버(130)는 사각형상일 수 있으며, 이송챔버(130)의 측면에 각각 2개의 기판 처리장치(10)가 배치될 수 있다.
로드록 챔버(140)와 이송 챔버(130), 그리고 로드록 챔버(140)와 설비 전방 단부 모듈(110) 사이에는 게이트 밸브(도시안함)가 설치될 수 있으며, 이송 챔버(130)는 기판 핸들러(135)(이송로봇)를 구비한다. 기판 핸들러(135)는 로드록 챔버(140)와 기판처리장치(10)들 사이에서 기판(W)을 이송한다. 예를 들어, 이송 챔버(130) 내에 구비된 기판 핸들러(135)는 제1 및 제2 블레이드를 통해 이송챔버(130)의 측면에 각각 배치된 기판 처리장치(10)에 동시에 기판(W)을 로딩할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 기판 처리장치를 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2에 도시한 기판 처리장치의 분리사시도이다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 챔버(20)는 일측에 형성된 통로(22)를 통해 기판(W)이 이송되어 기판(W)에 대한 공정을 수행할 수 있다. 챔버(20)는 개방된 상부를 가지며, 챔버덮개(12)는 챔버(20)의 개방된 상부에 설치된다. 챔버덮개(12)는 내면에 제1 설치홈(13)이 형성되며, 인슐레이터(15)는 제1 설치홈(13)에 삽입 설치된다. 인슐레이터(15)는 내면에 제2 설치홈(16)이 형성되며, 제2 설치홈(16)에는 탑 일렉트로드(18)가 설치되어 챔버(20)의 내부공간(3)에 플라즈마를 발생할 수 있다. 탑 일렉트로드(18)는 챔버의 내부공간에 플라즈마 분위기를 형성하기 위하여 RF전원(19)과 연결될 수 있다.
탑 일렉트로드(18)의 하부면은 보조서셉터(30)의 상부면과 나란하며, 내부에 안테나(17)가 설치되어 RF전원(19)로부터 고주파 전류가 공급된다. 챔버덮개(12), 인슐레이터(15) 및 탑 일렉트로드(18)에 의해 챔버(20)의 개방된 상부는 폐쇄하여 내부공간(3)을 형성할 수 있으며, 챔버덮개(12)는 챔버(20)와 힌지체결되어 챔버(20)의 보수 시, 챔버(20)의 상부를 개방할 수 있다.
챔버(20)는 기판(W)에 대한 공정이 이루어지는 내부공간(3)을 가지며, 내부공간(3)은 직육면체 형상일 수 있다. 보조서셉터(30)는 내부공간(3)에 설치되며, 보조서셉터(30)는 내부공간(3)과 대응되는 직육면체 형상을 가질 수 있다. 보조서셉터(30)는 통로에 근접하도록 편심 배치되는 개구(36)가 형성되며, 개구(36) 상에는 메인서셉터(80)가 삽입 설치될 수 있다.
메인서셉터(80)는 기판(W)의 하부에 배치되어 상부에 로딩된 기판(W)을 가열하며, 기판(W)과 대응되는 형상을 가질 수 있다. 메인서셉터(30)의 상부에는 기판(W)이 로딩되는 안착홈(31)이 형성될 수 있으며, 기판(W)은 리프트핀(32)에 의해 기판은 로딩되어 안착홈(31)에 놓여질 수 있다. 메인서셉터(80)의 하부에는 메인서셉터(80)를 지지한 상태로 메인서셉터(80)를 회전하는 회전축(85)이 연결된다. 회전축(85)은 회전축(85)을 회전하는 구동모터(88)와 연결되어 구동모터(88)의 구동력에 의해 회전축(85) 및 메인서셉터(80)는 함께 회전할 수 있다. 메인서셉터(80)는 내부에 열선(84)이 구비되는 히팅플레이트(81)와 히팅플레이트(81)의 상부에 설치되어 히팅플레이트(81)로부터 발생하는 열을 균일하게 기판(W)에 전달하기 위해 확산플레이트(83)를 구비할 수 있다.
한편, 보조서셉터(30)는 메인서셉터(80)의 열팽창계수보다 작은 소재일 수 있다. 예를 들어, 보조서셉터(30)는 AlN(질화알루미늄: 열팽창계수 = 4.5-6/℃)일 수 있으며, 메인서셉터(80)는 Al(알루미늄: 열팽창계수 = 23.8-6/℃)일 수 있다. 따라서, 후술하는 보조서셉터(30)의 예열영역(39)은 메인서셉터(80)에 의해 형성되는 가열영역(38)보다 높은 온도로 기판(W)을 가열함에 따른 열팽창에 의한 파손 및 공정 진행중에 발생하는 불순물의 발생을 방지할 수 있다.
통로(22)의 반대측에는 하나 이상의 공급포트(25)가 형성되며, 공급포트(25)를 통해 공정가스는 챔버(20)의 내부로 공급될 수 있다. 가스공급라인(70)은 공급포트(25)에 연결되어 기판(W)에 가스를 공급할 수 있다. 가스공급라인(70)은 분기된 복수의 가스공급라인과 연결될 수 있으며, 분기된 가스라인들을 통해 챔버(20)의 내부에 각각의 가스를 공급할 수 있다.
예를 들어, 가스공급라인(70)은 공정가스를 공급하는 공정가스라인(71), 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스라인(74) 및 플라즈마 소스가스를 공급하는 소스가스라인(77)을 구비할 수 있으며, 각각의 가스라인(71, 74, 77) 상에는 제1 내지 제3 개폐밸브(72, 75, 78)가 각각 설치되어 공정가스, 퍼지가스 및 소스가스의 유량을 조절 및 개폐할 수 있다.
제어기(90)는 제1 내지 제3 개폐밸브(72, 75, 78) 및 회전축(85)을 구동하는 구동모터(88)와 연결될 수 있으며, 제어기(90)는 제1 내지 제3 개폐밸브(72, 75, 78)를 제어하여 챔버(20)의 내부공간(3)에 기설정된 공정주기에 따라 각각의 가스를 순차적 또는 불연속적으로 공급할 수 있으며, 구동모터(88)를 구동하여 메인서셉터(80)를 회전할 수 있다. 또한, 제어기(90)는 RF전원(19)과 연결될 수 있으며, 플라즈마 소스가스를 챔버(20)의 내부에 공급할 경우, RF전원(19)을 제어하여 플라즈마 분위기로 형성할 수 있다.
확산부재(40)는 서셉터(30)와 챔버(20)의 내벽 사이에 설치되며, 공급포트(25)의 전방에 배치되어 공급포트(25)를 통해 공급된 공정가스를 확산하는 복수의 확산홀(45)들을 가진다. 확산부재(40)는 확산몸체(42)와 확산판(44)을 구비하며, 확산몸체(42)는 서셉터(30)와 챔버(20)의 내벽 사이의 이격된 공간에 채워져 서셉터(30)의 측면 및 챔버(20)의 내벽과 접한다. 확산판(44)은 확산몸체(42)의 상부면으로부터 돌출되며, 인슐레이터(15)의 하부면과 접한다. 확산홀(45)은 확산판(44)에 형성된다.
확산부재(40)는 길이방향(또는 공정가스의 이동방향과 대체로 수직한 방향)을 따라 각각 복수로 분할 배치될 수 있다. 중앙부에 위치한 중앙확산몸체(42')의 하부에는 제1 실린더로드(47')가 연결될 수 있으며, 제1 실린더로드(47')는 제1 실린더(48')가 연결되어 제1 실린더(48')를 구동함으로써 중앙부에 위치한 중앙확산몸체(42')는 승강할 수 있다. 한편, 양 측면에 위치한 측면확산몸체(42") 또한 각각 실린더로드(47") 및 실린더(48")와 연결되어 각각 따로 승강할 수 있다.
또한, 배기포트(28)는 공급포트(25)의 반대측에 하나 이상 형성되며, 기판(W)을 통과한 미반응가스 및 반응부산물 등을 배기한다. 배기부재(50)는 서셉터(30)와 통로(22)가 형성된 챔버(20)의 내벽 사이에 설치되어 승강 가능하며, 기판(W)을 통과한 공정가스의 유동 흐름을 유지하여 배기가능하도록 복수의 배기홀(55)들이 형성된다. 확산부재(40)와 배기부재(50)는 서로 대칭형상을 가질 수 있으며, 확산홀(45)들과 배기홀(55)들은 서로 나란하게 형성될 수 있다.
배기부재(50)는 배기몸체(52)와 배기판(54)을 구비하며, 배기몸체(52)는 서셉터(30)와 챔버(20)의 내벽 사이의 이격된 공간에 설치되며, 서셉터(30)의 측면과 접한 상태에서 챔버(20)의 내벽으로부터 이격된다. 배기포트(28)의 입구측(또는 상단)은 배기몸체(42)와 챔버(20)의 내벽 사이에 형성된 이격공간의 바닥면에 위치한다.
예를 들어, 제2 실린더로드(57)는 배기부재(50)의 하부에 연결되며, 제2 실린더로드(57)는 제2 실린더(58)에 의해 승강하여 배기부재(50)와 함께 승강할 수 있다. 배기부재(50)와 확산부재(40)는 서로 대칭구조를 가지며, 배기홀(55) 및 확산홀(45)을 배기판(54) 및 확산판(44)의 상부에 기설정된 간격으로 복수로 형성된다. 배기홀(55)들 및 확산홀(45)들은 원형 또는 장공 형상을 가질 수 있다.
확산부재(40) 및 배기부재(50)는 각각 보조서셉터(30)와 챔버(20)의 내벽 사이의 이격공간에 채워지며, 상부에 설치된 챔버덮개(12), 인슐레이터(15) 및 탑 일렉트로드(18)에 의해 챔버(20)의 상부는 폐쇄함으로써 챔버(20)의 내부공간(3)을 구획하여 공정가스와 기판(W)이 반응하는 반응공간(5)을 형성한다.
이때, 확산부재(40) 및 배기부재(50)는 인접한 챔버(20)의 내벽과 수직하게 배치되며, 챔버(20)의 내벽이 공정가스의 흐름과 대체로 나란하게 배치되므로 반응공간(5)은 직육면체 형상의 단면을 가진다. 특히, 배기부재(50)는 통로(22) 측에 배치되므로 통로(22)로 인한 반응공간(5)의 비대칭성을 제거할 수 있으며, 통로(22)에 의해 발생하는 공정불균일을 방지할 수 있다.
다시 말해, 통로(22)는 챔버(20)의 일측에 형성되어 기판(W)이 통로(22)를 통해 챔버(20)의 내부를 출입할 수 있으나, 통로(22)로 인해 챔버(20) 내부의 공간은 비대칭이 불가피한 한계를 가진다. 그러나, 배기판(50)을 통해 통로(22)를 반응공간(5)으로부터 구획함으로써 반응공간(5)은 대칭성을 가질 수 있다.
즉, 공정가스는 챔버(20)의 반응공간(5) 내에 공급포트(25)를 통해 챔버(20) 내부로 공급되며, 공급포트(25)를 통해 챔버(20) 내부로 공급된 공정가스는 확산판(44)에 형성된 확산홀(45)들을 통과함으로써 확산된다. 확산된 공정가스는 반응공간(5) 내의 기판(W)을 통과하며, 통과한 미반응가스 및 가스부산물은 배기판(54)에 형성된 배기홀(55)들 및 배기포트(28)를 통해 배기된다. 따라서, 배기판(54)과 확산판(44)에 각각 형성된 배기홀(55)들 및 확산홀(45)들을 통해 공정가스의 층류를 유지하여 기판(W) 전면에 균일한 공정가스를 공급할 수 있다.
이때, 확산몸체(42)의 상부면은 보조서셉터(30)의 상부면보다 낮게 배치되므로, 반응공간(5) 중 확산몸체(42)의 상부는 보조서셉터(30)의 상부보다 큰 높이를 가지며, 이로 인해 확산홀(45)을 통과한 공정가스는 확산몸체(42)의 상부에서 확산될 수 있는 공간을 가질 수 있다. 마찬가지로, 배기몸체(52)의 상부면은 보조서셉터(30)의 상부면보다 낮게 배치되므로, 반응공간(5) 중 배기몸체(52)의 상부는 서셉터(30)의 상부보다 큰 높이를 가지며, 이로 인해 보조서셉터(30)의 상부를 통과한 공정가스는 배기몸체(52)의 상부에서 유동할 수 있는 공간을 가질 수 있다. 따라서, 확산부재(40)를 통해 공급되어 배기부재(50)를 통해 배기되는 공정가스는 확산부재(40) 또는 배기부재(50)의 길이방향을 따라 위치에 관계없이 균일한 흐름을 나타낼 수 있다.
또한, 공급포트(25) 상에는 보조확산판(60)이 설치될 수 있다. 보조확산판(60)은 확산판(40)과 기설정된 간격으로 이격 배치되며, 확산판(44)과 마찬가지로 복수의 보조확산홀(65)들이 형성된다. 보조확산홀(65)과 확산홀(45)은 서로 어긋나게 형성되어 1차적으로 보조확산홀(65)을 통과한 공정가스는 확산홀(45)을 통해 재차 확산됨으로써 공정가스는 기판(W)상에 일정한 층류를 형성하여 유동함으로써 균일한 공정가스를 공급할 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시한 배기판의 대기위치 및 공정위치를 나타내는 도면이다. 배기판(50)은 하부에 제2 실린더로드(57)가 연결되며, 제2 실린더로드(57)는 제2 실린더(58)에 의해 승강할 수 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 배기판(50)은 통로(22)의 전방에 배치되므로 기판(W)이 챔버(20) 내로 로딩될 경우, 제2 실린더로드(57)를 하강하여 배기판(50)을 함께 하강('대기위치')함으로써 기판(W)의 이동경로를 제공할 수 있다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 기판(W)이 로딩된 이후, 기판(W)에 대한 공정을 수행할 경우에는 통로(22)의 외측에 구비된 게이트밸브를 폐쇄하며, 제2 실린더로드(57)를 상승하여 배기판(50)을 함께 상승('공정위치')할 수 있다. 따라서, 공정 진행시, 보조확산판(60)과 확산판(44) 및 배기판(54)은 대체로 동일한 높이에 배치되며, 보조확산판(60)과 확산판(44)을 통해 분산된 공정가스는 기판(W)을 통과하여 배기판(54)으로 층류를 유지할 수 있다.
도 6은 도 2에 도시한 서셉터의 가열영역과 예열영역을 나타내는 도면이며, 도 7은 도 6에 도시한 가열영역과 예열영역의 변형예이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 메인서셉터(80) 내부에는 기판(W)을 가열하는 가열영역(38)을 가지며, 보조서셉터(30)는 공급포트(25)를 통해 유입된 가스를 예열하는 예열영역(39)을 가진다. 가열영역(38)은 기판(W)이 놓여지는 안착홈(31)과 대응될 수 있으며, 가열영역(38)은 공급포트(25)보다 통로(22)에 근접하여 배치된다.
다시 말해, 가열영역(38)의 중심(C)과 통로(22) 사이의 거리(d1)는 가열영역(38)의 중심(C)과 공급포트(25) 사이의 거리(d2)보다 크다. 가열영역(38)이 공급포트(25)보다 통로(22)에 근접 배치됨에 따라 공급포트(25)를 통해 공급된 공정가스가 보조확산홀(65) 및 확산홀(45)을 순차적으로 통과하여 기판(W)을 향해 층류를 형성하는 용이한 거리와 시간을 제공할 수 있다.
반면, 도 7에 도시한 바와 같이, 예열영역(39')은 가열영역(38')을 제외한 보조서셉터(30) 전체에 걸쳐 형성될 수 있다. 즉, 보조서셉터(30)는 예열영역(39')을 가지며, 메인서셉터(80)는 가열영역(38')을 가질 수 있다. 보조서셉터(30) 및 메인서셉터(80)는 각각 히터(열선)(37')이 구비될 수 있으며, 보조서셉터(30)는 메인서셉터(80)보다 높은 온도를 가질 수 있다.
도 8 및 도 9는 도 2에 도시한 기판 처리장치의 가스 유동상태를 나타내는 도면이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 공급포트(25)를 통해 공급된 공정가스는 보조확산홀(65)과 확산홀(45)은 서로 어긋나게 형성되며, 1차적으로 보조확산홀(65)을 통과한 공정가스는 확산홀(45)을 통해 추가적으로 확산한다. 즉, 공정가스는 기판(W)상에 층류를 형성하여 유동함으로써 균일한 공정가스를 공급할 수 있다. 또한, 배기판(50)에 형성된 배기홀(55)들을 통해 공정가스의 층류를 유지한 상태로 배기가능함으로써 기판(W)의 에지부와 중앙부의 균일성을 유지할 수 있다.
특히, 반응공간(5)은 직육면체 형상의 단면을 가지므로, 확산판(44)으로부터 배기판(54)에 이르기까지 동일한 거리를 유지할 수 있으며, 공정가스는 반응공간(5) 내에서 확산판(44)으로부터 배기판(54)에 이르기까지 균일한 흐름을 유지할 수 있다. 반면에, 반응공간(5)이 원형 단면일 경우, 확산판(44)으로부터 배기판(54)에 이르는 거리가 위치에 따라 달라지므로, 공정가스는 반응공간(5) 내에서 균일한 층류유동(laminar flow)을 유지하기 어렵다.
또한, 예열영역(39)은 가열영역(38)과 공급포트(25) 사이에 배치되어 가열영역(38)과 마찬가지로 예열영역(39) 상에는 히터(37)가 구비될 수 있다. 가열영역(38)과 예열영역(39)은 각각 따로 제어가능하며, 예를 들어, 예열영역(39)은 가열영역(38) 이상의 온도를 가질 수 있다. 가열영역(38)의 중심(C)은 보조서셉터(30)의 중심을 기준으로 편심되어 공급포트(25)보다 통로(22)에 근접배치됨에 따라 예열영역(39)을 통과한 가스는 예열되어 기판(W)을 향해 유동된다.
앞서 설명한 바와 같이, 확산부재(40)는 길이방향을 따라 각각 분할 형성될 수 있으며, 중앙부에 위치하는 중앙확산부재(42')는 측면확산부재(42")와 따로 승강 가능하다. 따라서, 도 9에 도시한 바와 같이, 중앙확산부재(42')를 하강 또는 형상이 다른 확산부재(40)를 사용하는 경우, 공정가스는 기판(W)의 중앙부를 향해 더 많은 유량이 공급될 수 있다.
도 10 및 도 11은 도 2에 도시한 기판 처리장치의 공정 순서를 나타내는 예시도이다. 앞서 설명한 바와 같이, 통로(22)를 통해 이송된 기판(W)은 메인서셉터(30)의 내측에 관통 설치된 리프트핀(32)의 상부에 로딩되며, 로딩된 기판(W)은 리프트핀(32)이 하강함으로써 메인서셉터(80)에 형성된 안착홈(31)에 놓여진다. 리프트핀(32)은 메인서셉터(80)의 하부로 하강하여 챔버(20)의 바닥면 상에 위치하도록 조정한다. 앞서 설명한 바와 같이, 메인서셉터(80)의 하부에는 회전축(85)에 의해 지지되며, 구동모터(88)의 구동력에 의해 회전축(85)이 회전함에 따라 메인서셉터(80)는 보조서셉터(30)와 따로 회전할 수 있다.
또한, 제어기(90)는 제1 내지 제3 개폐밸브(72, 75, 78) 및 회전축(85)을 회전 구동하는 구동모터(88)와 각각 연결된다. 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 제어기(90)를 통해 기판(W) 위에 공정가스라인(71)에 설치된 제1 개폐밸브(72)를 개방하여 제1 반응 기체를 기판(W)상에 공급하여 제1 반응 기체를 기판(W) 위에 증착시킨다. 제1 반응기체는 증착하고자 하는 막의 특성에 따라 달라질 수 있다. 산화막(silicon dioxide)인 경우, Bis 계열 또는 Tris-계열, Tetrakls과 같은 Alkyl-amine 계열의 모든 소스에 적용 가능하며, 질화막(silicon nitride)인 경우 DCS, TS 계열, Halide 계열 중 하나 이상일 수 있다. 또한, 폴리실리콘(polycrystalline silicon) 박막일 경우 SiH4, Si2H6, Si3H8, Si4H10, HCDS, OCTS, DCS 중 하나 이상일 수 있다.
제1 반응 기체를 기판(W) 위에 증착시킨 후에는 제1 개폐밸브(72)를 폐쇄하고 제2 개폐밸브(75)를 개방하여 퍼지 가스(예를 들어, 아르곤(Ar)이나 헬륨(He), 제논(Xe),크립톤(Kr)과 같은 불활성가스)를 공급하거나 반응공간(5) 내의 기체를 강제로 제거하여 증착되고 남아 있는 제1 반응 기체나 부산물을 제거한다.
그 후, 제2 개폐밸브(75)를 폐쇄하고 제3 개폐밸브(78)를 개방하여 소스 가스를 공급함과 동시에 RF전원(19)을 제어하여 반응공간(5)을 플라즈마 분위기로 형성하여 기판(W)을 플라즈마 처리한다. 플라즈마 처리할 경우, 낮은 온도에서 산화막이나 질화막, 폴리실리콘 박막을 형성할 수 있다. 소스 가스는 앞서 설명한 제1 반응 기체와 반응하는 가스이며, 산화막(silicin dioxide)인 경우 산소(O2), 산소(O2)와 아르곤(Ar), 산소(O2)와 헬륨(He), 산소(O2), 제논(Xe), 크립톤(Kr) 중 하나 또는 이상일 수 있으며, 질화막(silicon nitride)인 경우 N2, NH3 중 하나 또는 이상일 수 있다.
그 후, 다시 퍼지 기체를 공급하거나 반응공간(5) 내의 기체를 강제로 제거할 수 있으며, 다시 제1 반응 기체와 소스가스를 공급하여 기판(W) 위에 원자층을 증착하는 과정을 반복 수행할 수 있다.
한편, 메인서셉터(80)는 필요에 따라 연속적으로 회전을 유지한 상태로 기판에 대한 증착 공정이 수행될 수 있으나, 바람직하게는, 제어기(90)는 기판(W)의 상부에 기설정된 특정 두께만큼 증착이 완료될 경우, 구동모터(88)를 제어하여 회전축(85)을 기설정된 각도로 회전시킨다.
예를 들어, 도 10에 도시한 바와 같이, 위와 같은 일련의 사이클이 1회 이상 완료된 후, 메인서셉터(80)를 90도 또는 조건에 따른 각도로 회전하여 앞서 설명한 일련의 사이클을 반복함으로써 기판(W)에 대한 공정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 하나의 박막을 증착하기 위해 요구되는 사이클이 100인 경우, 기판을 90도로 등각분할한 후, 0도 위치에서 25 사이클, 90도 위치에서 25 사이클, 180도 위치에서 25 사이클, 270도 위치에서 25 사이클을 진행할 수 있으며, 각각 25 사이클이 완료된 후 메인서셉터(80) 및 기판은 회전할 수 있다. 필요에 따라 분할되는 각도는 달라질 수 있으며, 분할된 위치에서 사이클의 회수는 달라질 수 있다. 메인서셉터(80)를 고정한 상태 및 메인서셉터(80)를 회전하면서 중앙확산부재(42')의 승강위치에 따른 기판(W)에 형성된 두께의 측정값을 표 1에 나타내었다.
Figure pat00001
표 1과 같이, 메인서셉터(80)를 고정한 상태에서 기판(W)에 대한 증착을 수행할 경우, 기판(W)의 증착 두께는 불균일한 형상을 가진다. 기판(W)을 회전할 경우, 기판(W)의 중심을 기준으로 대체로 동일 반경에서 균일한 두께를 형성함을 알 수 있다. 또한, 중앙확산부재(42')를 하강 또는 특정 간격을 가지는 분사구를 사용하여 기판(W)의 중앙부의 유량을 증가시킬 경우, 기판(W)의 중앙부가 가장 높은 두께를 가진다. 반대로 중앙확산부재(42')를 상승하여 기판에 균일 또는 특정 간격을 가지는 분사구를 이용한 유량을 공급할 경우, 기판(W)의 중앙부가 가장 얇은 두께를 가질 수 있다.
즉, 본 발명인 기판 처리장치(10)는 보조서셉터(30)에 형성된 개구(36)에 삽입설치되어 보조서셉터(30)와 따로 회전가능한 메인서셉터(80)를 이용하여 기판(W)을 회전할 수 있다. 또한, 기판(W)이 인입되는 통로(22)의 반대측으로 공급되는 가스를 확산 가능하며, 길이방향을 따로 복수로 분할되어 각각 따로 승강 가능한 확산부재(42, 42')를 통해 기판(W)상에 공급되는 가스의 유량을 조절할 수 있다. 따라서, 작업자는 기판(W)에 증착 두께 및 두께 분포를 용이하게 조절 가능함으로써 기판의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 1회 이상의 사이클이 완료된 후 기판(W)이 회전하는 것으로 설명하였으나, 기판(W)은 사이클 중 마지막 퍼지공정(퍼지가스 공급시)에서 회전할 수 있다. 퍼지공정은 기판(W)에 대한 증착공정에 영향을 미치지 않으며, 단지 챔버 내부의 반응부산물을 제거하는 공정이므로, 기판(W)의 회전은 퍼지공정과 함께 진행될 수 있다. 이 경우, 전체 공정시간을 단축함으로써 효율적인 공정을 구현할 수 있다.
상기와 같이 설명된 기판 처리장치는 상기 설명된 실시예의 구성이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
3 : 내부공간 5 : 반응공간
10 : 기판 처리장치 20 : 챔버
22 : 통로 25 : 공급포트
28 : 배기포트 30 : 보조서셉터
38 : 가열영역 39 : 예열영역
40 : 확산부재 45 : 확산홀
50 : 배기부재 55 : 배기홀
60 : 보조확산판 65 : 보조확산홀
70 : 가스공급라인 80 : 메인서셉터
88 : 구동모터 90 : 제어기
100 : 반도체 제조설비 110 : EFEM
120 : 공정설비 130 : 이송챔버
140 : 로드록 챔버

Claims (9)

  1. 일측에 형성된 통로를 통해 기판이 이송되며, 상기 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간을 제공하는, 그리고 상기 기판을 향해 가스를 공급하는 공급포트가 상기 통로의 반대측에 형성된 챔버;
    상기 내부공간에 설치되어 상기 내부공간과 대응되는 형상을 가지며, 개구가 형성되는 보조서셉터; 및
    상기 개구에 삽입설치되어 상기 기판이 놓여진 상태에서 회전가능하며, 상기 기판을 가열하는 메인서셉터를 포함하는, 기판 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판 처리장치는,
    상기 메인서셉터를 회전가능하도록 지지하는 회전축;
    상기 회전축을 구동하는 구동모터;
    상기 공급포트에 연결되어 상기 기판에 상기 가스를 공급하는 가스공급라인;
    상기 가스공급라인 상에 설치되어 상기 가스를 개폐하는 개폐밸브; 및
    상기 구동모터와 상기 개폐밸브에 각각 연결되며, 상기 구동모터 및 상기 개폐밸브를 각각 제어 가능한 제어기를 더 포함하되,
    상기 제어기는 상기 개폐밸브를 개방하여 상기 가스를 공급하고, 상기 가스의 공급이 완료된 후 상기 개폐밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 구동모터를 구동하여 상기 메인서셉터를 기설정된 각도만큼 회전하는, 기판 처리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스공급라인은,
    상기 내부공간에 공정가스를 공급하는 공정가스라인;
    상기 내부공간에 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스라인; 및
    상기 내부공간에서 소스가스를 공급하는 소스가스라인을 구비하며,
    상기 개폐밸브는,
    상기 공정가스라인 상에 설치되어 상기 공정가스라인을 개폐하는 제1 개폐밸브;
    상기 퍼지가스라인 상에 설치되어 상기 퍼지가스라인을 개폐하는 제2 개폐밸브; 및
    상기 소스가스라인 상에 설치되어 상기 소스가스라인을 개폐하는 제3 개폐밸브를 구비하되,
    상기 제어기는 상기 제2 및 제3 개폐밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 제1 개폐밸브를 개방하여 상기 공정가스를 공급하고, 상기 공정가스의 공급이 완료된 후 상기 제1 및 제3 개폐밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 제2 개폐밸브를 개방하여 상기 퍼지가스를 공급하고, 상기 퍼지가스의 공급이 완료된 후 상기 제1 및 제2 개폐밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 제3 개폐밸브를 개방하여 상기 소스가스를 공급하고, 상기 소스가스의 공급이 완료된 후 상기 제1 내지 제3 개폐밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 구동모터를 구동하여 상기 메인서셉터를 기설정된 각도만큼 회전하는, 기판 처리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기판 처리장치는,
    상기 메인서셉터의 상부에 설치되어 상기 내부공간에 플라즈마 분위기를 생성하는 안테나; 및
    상기 안테나에 고주파 전류를 공급하며, 상기 제어기에 연결되어 상기 제어기에 의해 제어되는 전원을 더 포함하며,
    상기 제어기는 상기 소스가스가 공급되는 동안 상기 전원을 통해 상기 안테나에 전류를 공급하는, 기판 처리장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 개구는 상기 서셉터를 중심으로 편심 배치되는, 기판 처리장치.
  6. 직육면체 형상의 내부공간을 가지는 챔버의 내부에 하나 이상의 가스를 공급하여 상기 챔버 내부로 제공된 기판을 처리하는 방법에 있어서,
    상기 내부공간에 설치된 보조서셉터의 개구 상에 상기 보조서셉터와 따로 회전가능한 메인서셉터를 설치하고 상기 메인서셉터의 상부에 상기 기판을 올려놓은 상태에서 상기 가스를 공급한 후, 상기 가스의 공급이 완료되면 상기 가스의 공급을 정지시킨 상태에서 상기 메인서셉터의 회전에 의해 상기 기판을 기설정된 각도만큼 회전하는, 기판 처리방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스를 공급하는 방법은,
    공정가스를 공급하는 단계;
    상기 공정가스의 공급을 중단하고 퍼지가스를 공급하여 상기 챔버의 내부를 퍼지하는 단계;
    상기 퍼지가스의 공급을 중단하고 소스가스를 공급하는 단계를 포함하는, 기판 처리방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스를 공급하는 방법은,
    상기 소스가스가 공급되는 동안 상기 챔버의 내부에 플라즈마 분위기를 생성하는 단계를 더 포함하는, 기판 처리방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가스를 공급하는 방법은,
    상기 소스가스의 공급을 중단하고 상기 퍼지가스를 공급하여 상기 챔버의 내부를 퍼지하는 단계를 더 포함하는, 기판 처리방법.
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