KR20160066340A - 기판 처리 장치 - Google Patents

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KR20160066340A
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이수호
박성규
박종록
최진혁
한문형
한상철
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삼성전자주식회사
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Abstract

챔버, 상기 챔버의 상부에 위치하는 플라즈마 생성부, 상기 챔버의 중간에 위치하고 기판을 지지하는 서셉터, 상기 플라즈마 생성부에서 생성된 플라즈마를 통과시켜 상기 서셉터로 공급하는 가스 분배 플레이트, 및 상기 챔버의 하부에 위치하여 상기 서셉터를 회전시키는 회전부를 포함하는 기판 처리 장치가 설명된다.

Description

기판 처리 장치{APPARATUS OF FABRICATING SUBSTRATES}
본 발명은 반도체 미세 공정에서 기판을 균일하게 처리 하기 위한 기판 처리 장치에 관한 것이다.
기판에 화학적 기상 증착 또는 식각시의 균일도는 기판의 수율에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 더구나, 반도체 소자의 회로 패턴들의 크기가 미세화되면서 균일도의 중요성은 증대되고 있다. 이에, 미세 패턴 구조에 실리콘과 같은 막질을 채워 넣는 공정의 경우에는 균일도를 향상시키기 위해서 더 많은 요소가 조절되어야 한다. 특히, 기판 처리 과정 중에서 챔버 내에 형성된 플라즈마가 통과하게 되는 가스 플레이트에 의한 컨파인(confine)은 균일도를 저하시키는 주요 요소로 작용하며, 챔버에 주입되는 가스의 확산 방식도 균일도에 중요한 영향을 미친다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기판을 균일하게 처리하는 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 서셉터를 회전시키는 회전부 및 상기 회전부를 가진 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비대칭적인 기하학적 모양을 갖는 가스 분배 플레이트 및 상기 가스 분배 플레이트를 가진 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치는, 챔버, 상기 챔버의 상부에 위치하는 플라즈마 생성부, 상기 챔버의 중간에 위치하고 기판을 지지하는 서셉터, 상기 플라즈마 생성부에서 생성된 플라즈마를 통과시켜 상기 서셉터로 공급하는 가스 분배 플레이트, 및 상기 챔버의 하부에 위치하여 상기 서셉터를 회전시키는 회전부를 포함한다.
상기 플라즈마 생성부는, 상기 챔버의 외부에 위치하는 마이크로웨이브 발생부, 상기 챔버의 상부 플레이트 내에 내장된 안테나, 상기 챔버의 내부에 위치하는 플라즈마 공간, 및 상기 플라즈마 공간 내에 배치된 가스 주입관을 포함할 수 있다.
상기 가스 분배 플레이트는, 상기 플라즈마가 통과하는 가스 분배구들, 및 상기 가스 분배구들을 정의하는 프레임을 포함할 수 있다.
상기 가스 분배구들은, 외부 환형 개구부 및 내부 원형의 개구부를 포함할 수 있다.
상기 프레임은, 외형을 정의하도록 상기 외부 환형 개구부를 둘러싸는 외부 링형 프레임 및 상기 외부 환형 개구부와 상기 내부 원형 개구부를 분리, 정의하는 내부 링형 프레임을 포함할 수 있다.
상기 내부 원형 개구부의 직경은 기판 직경 이상일 수 있다.
상기 프레임은, 상기 외부 환형 개구부를 다수 개의 아치형 외부 개구부들로 분할하도록 상기 외부 원형 프레임과 상기 내부 원형 프레임을 연결하는 외부 방사형 프레임, 및 상기 내부 원형 개구부를 다수의 내부 다각형 개구부들로 분할하는 내부 선형 프레임들을 더 포함할 수 있다.
상기 내부 선형 프레임들은, 상기 내부 원형 개구부를 X-방향으로 가로지르는 적어도 하나 이상의 X-방향 내부 선형 프레임, 및 상기 X-방향 내부 선형 프레임과 직교하도록 상기 내부 원형 개구부를 Y-방향으로 가로지르는 적어도 하나 이상의 Y-방향 내부 선형 프레임을 포함할 수 있다.
상기 내부 선형 프레임들의 기하학적 모양이 상기 내부 원형 개구부 내에서 비대칭이도록 상기 내부 링형 프레임의 기하학적 중심점과 상기 내부 선형 프레임들의 기하학적 중심점이 일치하지 않을 수 있다.
상기 프레임은 상기 내부 원형 개구부를 다수의 다수의 내부 동심 환형 개구부들로 분리, 정의하는 다수의 동심 링형 프레임들, 및 상기 내부 동심 환형 개구부들을 다수의 내부 아치형 개구부들로 분리, 정의하는 다수의 내부 방사형 프레임들을 포함할 수 있다.
상기 동심 링형 프레임들 및 상기 내부 방사형 프레임은 거미줄 모양을 형성할 수 있다.
상기 내부 방사형 프레임들은 상기 거미줄 모양의 기하학적 중심점으로부터 상기 내부 링형 프레임까지 직선적으로 연속하지 않을 수 있다. 각 상기 동심 링형 프레임들은 원주를 따라 두 개 이상의 직경을 선택적으로 갖도록 지그재그 형태를 가질 수 있다.
상기 내부 링형 프레임은 다수의 가스 주입 홀들을 포함할 수 있다.
상기 회전부는 상기 서셉터의 하부가 관통하는 중공축, 상기 중공축의 외면을 감싸는 하우징, 및 상기 중공축의 하부와 연결된 회전 구동부를 포함할 수 있다.
상기 하우징은 내부에 배치된 자석 부재, 내주면 상에 배치된 자성유체, 및 외주면 상에 배치된 냉각부를 포함할 수 있다.
상기 기판 처리 장치는 상기 서셉터의 하부에 배치되고, 방사선 모양의 다수의 슬릿을 갖는 배플, 및 상기 배플의 하부에 배치되고 상기 챔버 내부를 진공화 시키는 진공 펌프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 기판 처리 장치는 진공 챔버, 상기 진공 챔버의 상부에 위치하고, 가스 주입관을 포함하는 플라즈마 생성부, 상기 진공 챔버의 중간에 위치하고 기판을 지지하는 서셉터, 상기 플라즈마 생성부에서 생성된 플라즈마를 통과시켜 상기 서셉터로 분배하는 가스 분배 플레이트, 상기 서셉터의 하부에 배치되고 다수의 슬릿들을 포함하는 배플, 상기 진공 챔버의 외부에 위치하여 상기 서셉터를 회전시키는 회전부를 포함하는 포켓 챔버, 및 상기 진공 챔버의 하부에 위치하여 상기 진공 챔버를 진공화하는 진공 펌프를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 기판 처리 장치는, 진공 챔버, 상기 진공 챔버의 상부에 위치하는 플라즈마 생성부, 상기 진공 챔버의 중간에 위치하고 기판을 지지하는 서셉터, 상기 플라즈마 생성부와 상기 서셉터 사이의 가스 분배 플레이트, 및 상기 진공 챔버의 하부의 외부에 위치한 포켓 챔버를 포함한다. 상기 포켓 챔버는 상기 서셉터를 회전시키는 회전부를 포함할 수 있다.
상기 가스 분배 플레이트는 상기 플라즈마가 통과하는 외부 환형 개구부 및 내부 원형 개구부를 가진 가스 분배구들, 및 상기 가스 분배구의 외형을 정의하는 외부 링형 프레임 및 상기 외부 환경 개구부와 상기 내부 원형 개구부를 분리, 정의하는 내부 링형 프레임을 포함할 수 있다. 상기 외부 링형 프레임과 상기 내부 링형 프레임은 동심원들일 수 있다.
상기 가스 분배 플레이트는, 상기 내부 원형 개구부를 다수 개의 내부 다각형 개구부들로 분리하는 X-방향 내부 선형 프레임 및 Y-방향 내부 선형 프레임을 포함하고, 상기 내부 링형 프레임의 기하학적 중심점과 상기 X-방향 및 Y-방향 내부 선형 프레임들의 기하학적 중심점이 일치하지 않을 수 있다.
상기 가스 분배 플레이트는, 상기 내부 원형 개구부를 다수 개의 내부 동심 환형 개구부들로 내부 방사형 프레임들, 및 상기 다수 개의 내부 동심 환형 개구부들을 다수 개의 내부 아치형 개구부들로 분리하는 내부 동심 링형 프레임들을 포함하고, 상기 내부 링형 프레임의 기하학적 중심점과 상기 내부 동심 링형 프레임들의 기하학적 중심점이 일치하지 않을 수 있다.
상기 회전부는 상기 서셉터의 하부가 관통하는 중공축, 상기 중공축의 외면을 감싸는 하우징, 및 상기 중공축의 하부와 연결된 회전 구동부를 포함할 수 있다.
상기 하우징은, 내부에 배치된 자석 부재, 내주면 상에 배치된 자성유체, 및 외주면 상에 배치된 냉각부를 포함할 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의하면, 미세 공정에서 기판이 균일하게 처리된다. 따라서, 기판의 수율이 향상된다.
본 발명의 기술적 사상에 의하면, 기판이 회전하고 가스 분배 플레이트를 통해 확산된 가스와 플라즈마의 영향에 따라 기판의 균일도가 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 가스 분배 플레이트를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도1의 I-I'의 따라 절단한 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 냉각부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 처리한 후의 증착분포도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 처리하는 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치는 진공 챔버(100) 및 회전부(600)를 포함할 수 있다.
상기 진공 챔버(100)는 진공 상태에서 화학적 기상 증착(Chamical Vapor Deposition: CVD), 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching: RIE), 산화(oxidation) 및 질화(nitridation)라는 다양한 공정을 수행(perform)할 수 있다. 상기 진공 챔버(100)는 플라즈마 생성부(200), 가스 분배 플레이트(300), 서셉터(400), 배플(450), 및 하부에 위치한 진공 펌프(800)를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 생성부(200)는 마이크로웨이브 발생부(210), 안테나(220), 가스 주입관(230), 및 플라즈마 공간(240)을 포함할 수 있다. 상기 마이크로웨이브 발생부(210)는 상기 진공 챔버(100)의 상부에 위치하며, 공정에 따라 다양한 주파수의 마이크로웨이브를 발생시킬 수 있다. 여기서, 주파수는 1.98MHz, 2.45MHz, 8.35MHz, 혹은 13.56MHz 일 수 있다. 상기 안테나(220)는 상기 진공 챔버(100)의 상부 플레이트의 내부에 매립될 수 있다. 상기 안테나(220)는 상기 마이크로웨이브 발생부(210)로부터 발생한 마이크로웨이브를 공급받아 상기 플라즈마 공간(240)으로 마이크로웨이브를 방사할 수 있다.
상기 가스 주입관(230)은 상기 플라즈마 공간(240) 상에 배치되며, 상기 진공 챔버(100)의 상부 측벽에 링(ring) 형상으로 배치될 수 있다. 상기 가스 주입관(230)은 상기 플라즈마 공간(240)에 제1 공정 가스를 공급할 수 있다. 여기서, 제1 공정 가스는, 예를 들면, Ar, N2, O2, N2O, O3 , He, SiH4, GeH4, H2, B2H6, PH3, CH4, 및 NO를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 공간(240)은 상기 진공 챔버(100)의 내부에 위치하며, 상기 안테나(220)와 상기 가스 분배 플레이트(300) 사이에 배치될 수 있다. 상기 플라즈마 공간(240) 내에서 상기 안테나(220)로부터 방사된 마이크로웨이브에 의해 상기 제1 공정 가스가 플라즈마(P)로 여기될 수 있다.
상기 가스 분배 플레이트(300)는 상기 플라즈마 공간(240)과 상기 서셉터(400) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 상기 서셉터(400)로부터 40mm 이상의 높이에 위치할 수 있다. 상기 가스 분배 플레이트(300)는 알루미늄, 알루미늄 합금, 스틸, 스텐레인스 스틸, 니켈, 또는 니켈 합금(인코넬 또는 하스텔로이 등)등의 금속제나 석영, SiC, SiN, Al2O3, AlN, Y2O3 등의 세라믹의 유전체를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 상기 가스 분배 플레이트(300)는 내식성, 반응성, 전도성, 가공성 등이 우수한 알루미늄을 포함할 수 있다. 상기 가스 분배 플레이트(300)는 상기 플라즈마 공간(240)에서 생성된 플라즈마(P)를 통과시켜 상기 서셉터(400)로 분배할 수 있다. 상기 가스 분배 플레이트(300)의 다양한 실시예들은 상세하게 후술될 것이다.
상기 서셉터(400)는 상기 가스 분배 플레이트(300)의 하부에 위치하며, 종단면이 "T"자 모양을 가질 수 있다. 상기 서셉터(400)는 기판(S)에 대한 공정이 진행되는 동안, 상기 기판(S)을 안정적으로 지지한다. 또한, 상기 서셉터(400)는 상기 기판(S)을 지지하는 상부면과 대응하는 위치의 내부에 상기 기판(S)을 가열하는 히터(410)를 포함할 수 있다. 상기 서셉터(400)는 상기 히터(410)를 통해 공정이 진행되는 동안 상기 기판(S)의 온도를 유지할 수 있다. 상기 서셉터(400)의 하부는 상기 진공 챔버(100)의 관통 홀(H)을 통과하여 상기 진공 챔버(100)의 외부에 위치하는 회전부(600)와 연결될 수 있다. 이에 따라 상기 서셉터(400)는 공정이 진행되는 동안 상기 회전부(600)에 의해 회전을 할 수 있다. 따라서, 상기 서셉터(400)는 기판(S)상의 불균질한 막을 매끄럽게 또는 보다 균일하게 만들 수 있다. 한편, 상기 서셉터(400)는 상기 기판(S)를 정전기적으로 흡착하여 지지할 수 있다. 상기 서셉터(400)의 하단에는 슬립 링(420)이 결합될 수 있다. 상기 슬립 링(420)은 상기 서셉터(400)로부터 노출된 상기 히터(410)의 전선을 외부 전원과 연결시킬 수 있도록 할 수 있다. 상기 슬립 링(420)은 상기 서셉터(400)가 회전 운동을 할 때, 상기 전선의 꼬임이 발생하지 않도록 한다. 한편, 상기 슬립 링(420)은 상기 서셉터(400)가 상기 진공 챔버(100)내에 장착될 때 탈부착의 용이성을 고려하여 상기 서셉터(400)와 일체형일 수 있다.
상기 배플(450)은 상기 서셉터(400)의 외주면에 위치하며, 공정 가스를 상기 진공 챔버(100)의 하부로 균일하게 배기시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 배플(450)은 상기 서셉터(400)에 안착된 상기 기판(S) 주위의 공정 가스의 흐름을 일정하게 유지시켜 줄 수 있다. 상기 배플(450)의 외경은 상기 진공 챔버(100)의 내주면 직경에 근접한 크기로 형성되며, 상기 배플(450)의 상부에 위치한 내경과 외경 사이에는 상기 진공 챔버(100) 내의 상기 공정 가스가 상기 진공 챔버(100)의 하부로 균일하게 배기되도록 다수의 슬릿이 방사선 모양으로 배열 형성될 수 있다.
상기 진공 펌프(800)는 상기 배플(450)의 하부에 위치하고, 상기 진공 챔버(100)의 내부를 진공화 시킬 수 있다. 상기 진공 펌프(800)는 상기 진공 챔버(100) 내의 이물질이나 잔류 가스를 배기시킬 수 있다. 또한, 상기 진공 펌프(800)는 밸브(700)를 통해 개폐를 반복하여 상기 진공 챔버(100)내의 압력을 공정조건에 맞도록 조절할 수 있다. 일 실시예로 갭 필 공정의 경우, 미세 공정이 진행되면서 금속사이나 트렌치 구조에서 금속 또는 트렌치의 상부 코너 부위 측벽에서 증착률이 상대적으로 빠르며 절연막(SiO2, SiOF)이 재증착되어 입구가 막히면서 보이드(Void)가 발생하는 경우가 생겨나고 있다. 이러한 경우, 플라즈마의 활성종의 이동성을 느리게 하고자 고진공 상태가 요구된다. 이때, 상기 진공 펌프(800)는 상기 진공 챔버(100)를 고진공으로 만들기 위해 3000rpm이상 고속 회전하며 상기 진공 챔버(100)내의 이물질이나 잔류가스를 배기시키는 터보 분자 펌프(Turbo Molecular Pump, TMP)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 진공 챔버(100)는 약 1 Torr 이하의 진공 상태를 유지 할 수 있다.
상기 진공 챔버(100)의 일측에는 주머니형 공간(500)이 형성되어 상기 회전부(600)가 위치할 수 있다. 여기서, 상기 진공 챔버(600)의 주머니형 공간(500)은 대기압 상태일 수 있다.
상기 회전부(600)는 상기 서셉터(400)의 하부에 위치하며, 상기 진공 챔버(100)의 주머니형 공간(500) 내에 위치한다. 또한, 상기 회전부(600)는 상기 서셉터(400)와 연결되어 상기 서셉터(400)를 회전시킬 수 있다. 상기 회전부(600)는 중공축(610), 하우징(620), 및 회전 구동부(630)를 포함할 수 있다.
상기 중공축(610)은 상기 서셉터(400)의 하부에 위치하며, 상기 서셉터(400)의 하부가 관통되는 관통 공(Through tube)을 가질 수 있다. 상기 중공축(400)의 관통 공은 상기 슬립 링(420)보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 상기 중공축(610)은 상기 진공 챔버(100)의 관통 홀(H)과 상기 서셉터(400)의 사이에 위치하며, 상기 서셉터(400)가 상기 중공축(610)을 관통한다. 이때, 상기 중공축(610)의 상단면은 상기 서셉터(400)의 중간에 형성된 돌기(D)와 맞닿는 부분에 O-링(O)을 통해 실링을 할 수 있다. 이 경우, 상기 중공축(610)은 상기 서셉터(400)와 결합된 상태일 수 있다. 한편, 상기 중공축(610)은 외주면 상에 슬릿을 포함할 수 있다. 상기 중공축(610)의 외주면 상에 형성된 슬릿은 후술할 자성유체(622)가 보다 안정적으로 위치할 수 있도록 한다.
상기 하우징(620)은 상기 중공축(610)의 외면을 감싸는 구조로, 상기 진공 챔버(100)의 관통홀(H)과 상기 중공축(610)의 사이에 위치할 수 있다. 상기 하우징(620)은 상기 진공 챔버(100)와 O-링(O)을 통해 실링하고, 상기 중공축(610)과 자성유체실링을 할 수 있다. 즉, 상기 하우징(620)은 상기 중공축(610)이 상기 하우징(620) 내에서 자유롭게 회전하도록 지지하는 베어링(B)과 자력에 의해 상기 중공축(610)과 상기 하우징(620) 사이를 실링하는 상기 자성유체(622)를 포함할 수 있다. 상기 자성유체(622)는 상기 중공축(610)이 회전할 때에도 상기 진공 챔버(100)내의 진공 상태를 유지하고, 외부에서 상기 진공 챔버(100)내로 이물질이 진입하는 것을 차단할 수 있다.
상기 회전 구동부(630)는 상기 중공축(610)의 하부에 위치하여 상기 중공축(610)과 연결될 수 있다. 상기 회전 구동부(630)는 회전력을 제공하는 모터(631)와 상기 회전력을 전달하는 베벨기어(632)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 베벨기어(632)의 일단은 상기 중공축(610)과 직접적으로 연결되며, 상기 베벨기어(632)의 타단은 상기 모터(631)와 연결된다. 따라서, 상기 회전 구동부(630)는 회전력에 의해 상기 중공축(610)을 회전 운동하도록 할 수 있다. 즉, 상기 중공축(610)과 결합된 상기 서셉터(400)는 상기 회전 구동부(630)에 의해 회전 운동을 할 수 있다. 상기 회전 구동부(630)는 공정에 따라 회전 속도를 변경할 수 있다. 예를 들면, 상기 회전 구동부(630)는 분당 약 60 rpm 이하의 범위 내에서 작동된다. 일 실시예에서, 상기 회전 구동부(630)는 약 10rpm 이하로 작동될 수 있다. 상기 회전 구동부(630)의 가감속도가 일정 속도 이상이 되면 상기 기판(S)의 미끄러짐이 발생하여 상기 기판(S)의 처리가 어려워진다. 또한, 갭필 공정의 경우에는 상기 기판(S)의 중심부와 상기 기판(S)의 외곽부는 상기 회전 구동부(630)의 회전 속도에 따라 증착/식각 속도의 차이가 발생한다. 따라서, 상기 회전 구동부(630)는 회전 속도가 변경될 때 가감속도가 약 10rpm 이하로 작동할 수 있다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 가스 분배 플레이트를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 의한 가스 분배 플레이트(300)는 플라즈마가 통과하는 가스 분배구(320, 330)들(gas distributing openings) 및 상기 가스 분배구(320, 330)들을 정의하는 프레임(351, 352, 353, 354)들을 포함할 수 있다.
상기 가스 분배구(320, 330)들은 외부 환형 개구부(320)(outer annular openings) 및 내부 원형 개구부(330)(inner circular openings)를 포함할 수 있다. 상기 프레임(351, 352, 353, 354)들은 상기 가스 분배 플레이트(300)의 외형을 정의하도록 상기 외부 환형 개구부(320)를 둘러싸는 외부 링형 프레임(351)(outer ring-type frame) 및 상기 외부 환형 개구부(320)와 상기 내부 원형 개구부(330)를 분리, 정의하는 내부 링형 프레임(352)(inner ring-type frame)을 포함할 수 있다. 상기 외부 링형 프레임(351)과 상기 내부 링형 프레임(352)은 동심원들(concentric circles)일 수 있다. 상기 내부 링형 프레임(352)은 상기 내부 원형 개구부(330)가 상기 서셉터(400) 상에 놓인(mounted) 상기 기판(S) 상에 충분한 플라즈마를 공급할 수 있도록 상기 기판(S)보다 큰 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(S)의 직경이 300mm인 경우, 상기 내부 원형 개구부(330)는 상기 기판(S)보다 10% 큰 직경을 가질 수 있다. 즉, 상기 내부 링형 프레임(352)은 330mm 이상의 직경을 가질 수 있다.
상기 프레임(351, 352, 353, 354)은 상기 외부 링형 프레임(351)과 상기 내부 링형 프레임(352)을 연결하여 상기 외부 환형 개구부(320)를 다수 개의 아치형 외부 개구부(325)들로 분리하는 외부 방사형 프레임(353)들을 포함할 수 있다.
상기 프레임(351, 352, 353, 354)은 상기 내부 원형 개구부(330)를 다수 개의 내부 다각형 개구부(331)들로 분리하는 내부 선형 프레임(354)들을 포함할 수 있다. 상기 내부 선형 프레임(354)들은 X-방향으로 연장하는 X-방향 내부 선형 프레임(354X)들 및 상기 X-방향과 수직하는 Y-방향으로 연장하는 Y-방향 내부 선형 프레임(354Y)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 X-방향 내부 선형 프레임(354X)들과 상기 Y-방향 내부 선형 프레임(354Y)들은 직교하는 형태 또는 격자 형태를 가질 수 있다. 상기 내부 다각형 개구부(331)들은 사각형 또는 부채꼴 등 다양한 기하학적 모양들을 가질 수 있다.
상기 내부 원형 개구부(330) 또는 상기 내부 링형 프레임(352)의 기하학적 중심점(Ca)과 상기 내부 선형 프레임(354)들의 기하학적 중심점(Cb, Cc)들은 일치하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 내부 원형 개구부(330) 내에서 상기 내부 선형 프레임(354)들의 기하학적 모양은 내부 링형 프레임(352) 및 상기 내부 선형 프레임(354)들의 기하학적 중심점(Ca)을 상기 X-방향으로 지나는 X-축(X) 및/또는 상기 Y-방향으로 지나는 Y-축(Y)에 대하여 각각 비대칭 모양을 가질 수 있다. 도 2a 및 2b를 참조하면, 예시적으로, 상기 내부 선형 프레임(354)들의 기하학적 중심점(Cb, Cc)들이 상기 X-축(X) 및 상기 Y-축(Y)으로 정의된 4/4분면에 위치하는 것을 보인다.
상기 프레임(351, 352, 353, 354)들은 다수의 가스 주입 홀(360)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 내부 링형 프레임(352)과 상기 내부 선형 프레임(354)들은 다수의 가스 주입 홀(360)를 포함할 수 있다. 상기 가스 주입 홀(360)는 상기 서셉터(400)를 향하도록 배치될 수 있다. 상기 가스 주입홀(260)은 상기 서셉터(400)에 제2 공정 가스를 공급할 수 있다. 여기서, 제2 공정 가스는, 예를 들면, SiH4, GeH4, H2, B2H6, PH3, CH4, Ar, N2, O2, N2O, O3 , He, 및 NO를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 플라즈마와 제2 공정가스를 상기 기판(S)의 외각부와 중앙부로 각각 분배 시킬 수 있다. 즉, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 상기 아치형 외부 개구부(325)와 상기 내부 다각형 개구부(331)를 통해 플라즈마를 통과시킨다. 또한, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 상기 내부 링형 프레임(352)상에 형성된 상기 다수의 가스 주입 홀(360)을 통해 상기 기판(S)의 외각부로 제2 공정가스를 분배시키고, 상기 내부 선형 프레임(354) 상에 형성된 상기 다수의 가스 주입홀(360)을 통해 상기 기판(S)의 중앙부로 제2 공정가스를 분배시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 가스 흐름 패턴을 제어할 수 있다. 또한, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 상기 서셉터(400)가 회전 운동을 할 때 상기 기판(S)와 대응되는 부분의 프레임의 겹침 현상이 발생하지 않고 플라즈마(P)의 영향을 균일하게 받을 수 있다.
도 2c 및 2d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 가스 분배 플레이트(300)는 플라즈마가 통과하는 가스 분배구(320, 330)들 및 상기 가스 분배구(320, 330)을 정의 하는 프레임(351, 352, 353, 355, 356)들을 포함할 수 있다. 상기 가스 분배구(320, 330)들은 외부 환형 개구부(320) 및 내부 원형 개구부(330)를 포함하고, 상기 프레임(351, 352, 353, 355, 356)은 상기 가스 분배 플레이트(300)의 외형을 정의하는 외부 링형 프레임(351) 및 상기 외부 환형 개구부(320)와 상기 내부 원형 개구부(330)를 분리, 정의하는 내부 링형 프레임(352)을 포함할 수 있다. 상기 프레임(351, 352, 353, 355, 356)은 상기 외부 링형 프레임(351)과 상기 내부 링형 프레임(352)을 연결하여 상기 외부 환형 개구부(320)를 다수 개의 아치형 외부 개구부(325)들로 분리하는 외부 방사형 프레임(353)들을 포함할 수 있다.
상기 프레임(351, 352, 353, 355, 356)은 상기 내부 원형 개구부(330)를 다수 개의 내부 동심 환형 개구부(332)들로 분리하는 다수의 내부 동심 링형 프레임(355)들 및 상기 다수의 내부 동심 환형 개구부(332)들을 각각, 다수개의 내부 아치형 개구부(333)들로 분리하는 내부 방사형 프레임(356)들을 포함할 수 있다.
상기 내부 동심 링형 프레임(355)들 및 상기 내부 방사형 프레임(356)들은 거미줄(spider's web) 모양을 형성할 수 있다.
상기 프레임(351, 352, 353, 355, 356)들은 다수의 가스 주입 홀(360)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 내부 링형 프레임(352), 상기 내부 동심 링형 프레임(355)들, 상기 상기 내부 방사형 프레임(356)들은 다수의 상기 가스 주입 홀(360)들을 포함할 수 있다. 상기 가스 주입 홀(360)는 상기 서셉터(400)를 향하도록 배치될 수 있다. 상기 가스 주입홀(260)은 상기 서셉터(400)에 제2 공정 가스를 공급할 수 있다. 여기서, 제2 공정 가스는, 예를 들면, SiH4, GeH4, H2, B2H6, PH3, CH4, Ar, N2, O2, N2O, O3 , He, 및 NO를 포함할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 내부 동심 링형 프레임들(355)은 각각, 연속하는 하나의 원형 또는 링형 모양을 가지지 않는다. 하나의 동심 링형 프레임(355)은 적어도 두 개 이상의 직경(또는 반경)을 가진 원을 선택적으로 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 동심 링형 프레임(355)은 원주를 따라 지그재그 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 기술적 사상을 이해하기 쉽도록, 다양한 동심원들이 점선을 이용하여 도시되었다.
또한, 상기 내부 방사형 프레임(356)들도 상기 거미줄 모양의 기하학적 중심으로부터 상기 내부 링형 프레임(352)까지 직선적으로(straightly) 연속하지 않을 수 있다.
따라서, 하나의 내부 동심 환형 개구부(332)를 형성하는 다수의 내부 아치형 개구부(333)은 다양한 크기를 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 플라즈마와 제2 공정가스를 상기 기판(S)의 외각부와 중앙부로 각각 분배 시킬 수 있다. 즉, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 상기 아치형 외부 개구부(325)와 상기 내부 다각형 개구부(331)를 통해 플라즈마를 통과시킨다. 또한, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 상기 내부 링형 프레임(352)상에 형성된 상기 다수의 가스 주입 홀(360)를 통해 상기 기판(S)의 외각부로 제2 공정가스를 분배시키고, 상기 내부 동심 링형 프레임(355)과 상기 내부 방사형 프레임(356) 상에 형성된 상기 다수의 가스 주입홀(360)을 통해 상기 기판(S)의 중앙부로 제2 공정가스를 분배시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 가스 흐름 패턴을 제어할 수 있다. 또한, 상기 가스 분배 플레이트(300)는 상기 서셉터(400)가 회전 운동을 할 때 상기 기판(S)와 대응되는 부분의 프레임의 겹침 현상이 발생하지 않고 플라즈마(P)의 영향을 균일하게 받을 수 있다.
도 3은 도1의 I-I'의 따라 절단한 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 횡단면도이다. 도 1의 상기 서셉터(400)는 상기 회전부(600)의 설명을 명확히하기 위해 생략되었다.
도1 및 도 3을 참조하면, 상기 회전부(600)는 상기 중공축(610), 상기 자성유체(622), 및 상기 하우징(620)을 순으로 위치하며, 상기 하우징(620)의 내부에 자석부재(621)가 포함되어 있다. 상기 자석부재(621)로는 원통형상의 자력을 형성하는 자성체가 이용될 수 있다. 그리고 자성체로는 영구자석이 이용될 수 있다. 상기 자석부재(621)는 상기 하우징(620)의 외주면에 위치할 수도 있고, 상기 하우징(620)의 내부에 위치할 수도 있다. 상기 자성유체(622)는 상기 하우징(620)과 상기 자석부재(621) 사이에 위치하여 상기 자석부재(621)의 자기장의 영향으로 인해 상기 하우징(620)과 중공축(610) 사이의 공간을 실링한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치의 냉각부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 하우징(620)은 외주면에 형성된 냉각부(623)를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각부(623)는 상기 서셉터(400)가 회전 운동을 할 때 발생하는 열을 냉각할 수 있다. 상기 냉각부(623)는 공간적 배치를 함에 있어서 공간을 많이 차지 하지 않으면서 효율을 높일 수 있도록 상기 하우징(620)의 상부 및 하부의 외부에 환(ring) 모양으로 배치된 상부 냉각부(623a) 및 하부 냉각부(623b)를 포함할 수 있다. 상기 상부 냉각부(623a) 또는 상기 하부 냉각부(623b) 중 하나는 생략될 수도 있다. 또는, 상기 냉각부(623)는 상기 하우징(620)의 외주면 전체에 배치될 수 있다. 상기 냉각부(623)는 온도를 낮추기 위한 냉매로 암모니아, 프레온, 메틸클로라이드, 헬륨, 액체 수소, 또는 증류수를 포함할 수 있다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 처리한 후의 증착분포도를 나타내는 도면이다. 각 도면들의 점들과 숫자들은 그 점에서 측정된 두께를 의미한다.
도 5a를 참조하면, 종래의 기판 처리 장치를 이용하여 기판(S) 상에 증착된 물질층의 두께의 평균 값은(Mean) 약 44.5nm 였고, 상기 증착된 물질층의 평균 값(mean)으로부터 두께 차이의 범위는 약 19.2nm(21.6%) 였고, 및 상기 증착된 물질층의 두께의 3-sigma는 약 20.4nm(45.8%)였다.
도 5b를 참조하면, 종래의 다른 기판 처리 장치를 이용하여 기판(S) 상에 증착된 물질층의 두께의 평균 값은(Mean)는 약 80.3nm 였고, 상기 증착된 물질층의 평균 값(mean)으로부터 두께 차이의 범위는 약 15.6nm(9.7%) 였고, 및 상기 증착된 물질층의 두께의 3-sigma는 약 16.6nm(20.7%)였다.
도 5c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판(S) 상에 증착된 물질층의 두께의 평균 값은(Mean) 79.8nm 였고, 상기 증착된 물질층의 평균 값(mean)으로부터 두께 차이의 범위는 약 4.6nm(2.9%) 였고, 및 상기 증착된 물질층의 두께의 3-sigma는 2.0nm(2.5%)였다.
본 발명의 일 실시예에 의한 기판 처리 장치를 이용하여 상기 증착된 물질층이 종래 기술에 의한 기판 처리 장치를 이용하여 증착된 물질층보다 균일함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 처리하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 처리하는 방법은 상기 진공 챔버(100) 내에 상기 기판(S)을 투입하여 상기 서셉터(400) 상에 안착시키고(S10), 상기 진공 펌프(800)를 이용하여 상기 진공 챔버(100) 내부를 진공화하고(S20), 상기 회전부(600)를 이용하여 상기 서셉터(400)를 회전시키고(S30), 상기 가스 주입관(230)을 이용하여 상기 플라즈마 공간(240)으로 상기 제1 공정 가스를 주입하고(S40), 상기 플라즈마 공간(200)에서 플라즈마를 생성하고(S50), 상기 플라즈마를 상기 가스 분배 플레이트(300)를 통과시켜 상기 서셉터(400) 상으로 공급하고(S60), 및 상기 가스 분배 플레이트(300)의 가스 주입 홀(360)을 이용하여 상기 제2 공정 가스를 상기 서셉터(400) 상으로 공급하여 상기 기판(S)을 처리하고(S70), 상기 진공 펌프(800)를 이용하여 상기 진공 챔버(100) 내부의 상기 공정 가스들을 배출하고(S80), 및 상기 기판(S)을 상기 진공 챔버(100)의 외부로 도출(unloading)하는 것(S90)을 포함할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 진공 챔버 200: 플라즈마 생성부
210: 마이크로웨이브 발생부 220: 안테나
230: 가스 주입관 240: 플라즈마 공간
300: 가스 분배 플레이트 320: 외부 환형 개구부
325: 아치형 외부 개구부 330: 내부 원형 개구부
331: 내부 다각형 개구부 332: 내부 동심 환형 개구부
333: 내부 아치형 개구부 351: 외부 링형 프레임
352: 내부 링형 프레임 353: 외부 방사형 프레임
354: 내부 선형 프레임 354X: X-방향 내부 선형 프레임
354Y: Y-방향 내부 선형 프레임 355: 내부 동심 링형 프레임
356: 내부 방사형 프레임 360: 가스 주입 홀
400: 서셉터 410: 히터
420: 슬립링 450: 배플
500: 주머니형 공간 600: 회전부
610: 중공축 620: 하우징
621: 자석부재 622: 자성유체
623: 냉각부 623a: 상부 냉각부
623b: 하부 냉각부 630: 회전 구동부
631: 모터 632: 베벨기어
700: 밸브 800: 진공 펌프
B: 베어링 Ca, Cb, Cc, Cd: 중심점
D: 돌기 H: 관통 홀
O: O-링 P: 플라즈마
S: 기판 X: X-축
Y: Y-축

Claims (10)

  1. 챔버;
    상기 챔버의 상부에 위치하는 플라즈마 생성부;
    상기 챔버의 중간에 위치하고 기판을 지지하는 서셉터;
    상기 플라즈마 생성부에서 생성된 플라즈마를 통과시켜 상기 서셉터로 공급하는 가스 분배 플레이트; 및
    상기 챔버의 하부에 위치하여 상기 서셉터를 회전시키는 회전부를 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분배 플레이트는:
    상기 플라즈마가 통과하는 가스 분배구들; 및
    상기 가스 분배구들을 정의하는 프레임을 포함하고,
    상기 가스 분배구들은:
    외부 환형 개구부; 및 내부 원형의 개구부를 포함하고, 및
    상기 프레임은:
    외형을 정의하도록 상기 외부 환형 개구부를 둘러싸는 외부 링형 프레임; 및 상기 외부 환형 개구부와 상기 내부 원형 개구부를 분리, 정의하는 내부 링형 프레임을 포함하는 기판 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내부 원형 개구부의 직경은 기판 직경 이상인 기판 처리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 프레임은:
    상기 외부 환형 개구부를 다수 개의 아치형 외부 개구부들로 분할하도록 상기 외부 원형 프레임과 상기 내부 원형 프레임을 연결하는 외부 방사형 프레임; 및
    상기 내부 원형 개구부를 다수의 내부 다각형 개구부들로 분할하는 내부 선형 프레임들을 더 포함하는 기판 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내부 선형 프레임들은:
    상기 내부 원형 개구부를 X-방향으로 가로지르는 적어도 하나 이상의 X-방향 내부 선형 프레임; 및
    상기 X-방향 내부 선형 프레임과 직교하도록 상기 내부 원형 개구부를 Y-방향으로 가로지르는 적어도 하나 이상의 Y-방향 내부 선형 프레임을 포함하고, 및
    상기 내부 선형 프레임들의 기하학적 모양이 상기 내부 원형 개구부 내에서 비대칭이도록 상기 내부 링형 프레임의 기하학적 중심점과 상기 내부 선형 프레임들의 기하학적 중심점이 일치하지 않는 기판 처리 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 프레임은:
    상기 내부 원형 개구부를 다수의 다수의 동심 환형 개구부들로 분리, 정의하는 다수의 동심 링형 프레임들; 및
    상기 동심 환형 개구부들을 다수의 아치형 내부 개구부들로 분리, 정의하는 다수의 내부 방사형 프레임들을 포함하여,
    상기 동심 링형 프레임들 및 상기 내부 방사형 프레임들이 거미줄 모양을 형성하고,
    상기 내부 방사형 프레임들은 상기 거미줄 모양의 기하학적 중심점으로부터 상기 내부 링형 프레임까지 직선적으로 연속하지 않고, 및
    각 상기 동심 링형 프레임들은 원주를 따라 두 개 이상의 직경을 선택적으로 갖도록 지그재그 형태를 가진 기판 처리 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 내부 링형 프레임은 다수의 가스 주입 홀들을 포함하는 기판 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전부는:
    상기 서셉터의 하부가 관통하는 중공축;
    상기 중공축의 외면을 감싸는 하우징; 및
    상기 중공축의 하부와 연결된 회전 구동부를 포함하는 기판 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하우징은,
    내부에 배치된 자석 부재;
    내주면 상에 배치된 자성유체; 및
    외주면 상에 배치된 냉각부를 포함하는 기판 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터의 하부에 배치되고, 방사선 모양의 다수의 슬릿을 갖는 배플; 및
    상기 배플의 하부에 배치되고 상기 챔버 내부를 진공화 시키는 진공 펌프를 더 포함하는 기판 처리 장치.
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