KR20190067356A - 막 형성 장치 - Google Patents

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카주유키 토미자와
마사시 키쿠치
미치오 이시카와
나오키 타카하시
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삼성전자주식회사
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Abstract

초고온의 막 형성 프로세스에 대응 가능한 막 형성 장치를 제공한다. 챔버 내의 웨이퍼에 막을 형성하는 막 형성 장치는 웨이퍼가 로딩되는 로딩 면를 가지고 원주방향으로 회전 구동되는 회전 스테이지, 회전 스테이지에 설치되어 로딩 면 상에 로딩된 웨이퍼를 가열하는 히터, 히터에 전력을 공급하는 전력 공급부를 갖는다. 회전 스테이지는 챔버를 관통한 상태로 회전 가능하도록 지지되는 회전 샤프트를 가지고, 전력 공급부는 히터에 전기적으로 접속되고 회전 샤프트를 축선방향으로 관통하는 관통공을 통해 챔버의 외측으로 연장되는 배선을 갖는다. 히터는 회전 스테이지의 로딩 면 상에 로딩된 웨이퍼를 600~2000℃의 온도로 가열하여, 회전 샤프트는 상기 온도에 대해서 내열성을 가지는 세라믹스 또는 유리로 형성된다.

Description

막 형성 장치{FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 막 형성 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 반도체 웨이퍼(이하, 단지 웨이퍼라고 한다.)에 막을 형성하는 장치는 화학 기상 성장(CVD) 법이나 에피택셜 성장법 등을 이용하여, 감압 가능한 챔버(성막실) 내에 제공된 웨이퍼를 가열하면서 웨이퍼의 표면 상에 박막을 형성한다.
또한, 막 형성 장치는 막형성 시에 챔버의 외측에 설치된 적외선 램프로 석영 등 적외선의 투과율의 좋은 유리로 된 윈도우를 통해 챔버 내의 웨이퍼에 적외선을 조사한다. 이것에 의해 웨이퍼를 간접적으로 가열한다.
그렇지만, 이러한 간접적인 웨이퍼의 가열 방법에서는, 챔버 내에서 생성된 반응 생성물 등이 윈도우에 퇴적하는 것에 의해 적외선의 투과율이 변화되어, 웨이퍼의 가열 온도에 변동이 발생한다. 또한, 웨이퍼의 면 내에서의 온도 분포가 불균일하게 되는 것에 의해, 안정되고 균일한 막을 형성하는 것이 곤란해진다. 이 때문에, 웨이퍼를 간접적으로 가열하는 히터를 챔버 내에 배치하는 방식의 시도가 있다.
또한, CVD법에 의한 막 형성 장치에서는, 막 형성 속도나 형성된 박막의 특성이 가스의 흐름에 의존하는 경우가 많기 때문에, 박막의 두께나 그 물리적 특성 및 화확적 특성의 균일성을 향상시키기 위해서, 웨이퍼를 면내에서 회전시키면서 막을 형성한다. 이 때문에, 막형성 장치는 웨이퍼가 로딩되는 로딩 면을 가지고 원주방향으로 회전 구동되는 회전 스테이지, 회전 스테이지에 설치되어 로딩 면에 로딩된 웨이퍼를 가열하는 히터, 및 로딩 면에 로딩된 웨이퍼를 흡착하는 정전척을 갖는 서스셉터로 불리는 기구(웨이퍼 로딩 기구)를 포함한다(예를 들면, 특허 문헌 1을 참조).
그렇지만, 일반적으로 웨이퍼로 사용되는 실리콘(Si) 기판은 경량이기 때문에, 회전시의 충격이나 가스의 흐름 등에 의해 로딩 면 상에서 움직일 수 있다. 이러한 로딩 면에서의 웨이퍼의 위치 차이는 파티클이 발생하는 원인이 되거나 심할 때에는 웨이퍼의 반송 에러의 원인이 된다. 이 때문에, 스퍼터링 장치나 에칭 장치 등에서 사용되는 정전척을 이용하여 로딩 면에 로딩된 웨이퍼를 흡착하여, 막형성 시에 회전하는 웨이퍼를 안정되어 보관 유지할 수 있다.
한편, 히터에 의한 복사로 웨이퍼를 간접적으로 가열하기 위해, 히터에 의한 가열 온도를 소망하는 가열 온도보다 높게 설정할 필요가 있다. 그렇지만, CVD법에 의한 막 형성 장치에서는, 가스의 열분해로 막을 형성하기 때문에, 웨이퍼 보다 고온이 되는 히터에 의해 많은 막(분해 생성물)이 부착하게 된다. 이 경우도, 파티클이 발생하는 원인이 되기 때문에, 세세한 가스 클리닝이 필요하여 생산성의 저하를 부르게 된다.
게다가, 로딩 면에 로딩된 웨이퍼가 스테이지로부터의 복사로 가열되기 때문에, 히터, 스테이지, 웨이퍼의 순서로 가열 온도가 높아진다. 따라서, 막 형성 시에 필요한 온도까지 웨이퍼를 가열하기 위해서는 히터의 가열 온도를 더욱 높게 설정해 둘 필요가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 스테이지의 안쪽에 복수의 히터 코일들(발열 저항체)을 배치하여, 웨이퍼에 의해 가까운 위치에서 가열한다. 그렇지만, 일반적으로 CVD법에 의한 막 형성 프로세스에서는, 웨이퍼를 600℃ 이상으로 가열할 필요가 있다. 이 경우, 히터나 정전척 등과 전기적으로 접속되는 배선이 고온에 노출되게 되어 히터나 정전척을 정상적으로 동작시키는 것이 매우 곤란해진다.
[특허문헌 1] 特開２０１１－２３３９２９ 公報
본 발명의 하나의 양태는 이러한 사정을 감안하여 제안된 것으로, 초고온의 막 형성 프로세스에 사용 가능한 막 형성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 하나의 양태와 관련되는 막 형성 장치는 챔버 내의 웨이퍼에 막을 형성하는 막 형성 장치이다. 상기 막 형성 장치는 상기 웨이퍼가 로딩되는 로딩 면을 갖고 원주방향으로 회전 구동되는 회전 스테이지, 상기 회전 스테이지에 설치되어 상기 로딩 명에 로딩된 웨이퍼를 가열하는 히터, 및 상기 히터에 전력을 공급하는 전력 공급부를 포함한다. 상기 회전 스테이지는 상기 챔버를 관통한 상태로 회전 가능하도록 지지되는 회전 샤프트를 포함하고, 상기 전력 공급부는 상기 히터와 전기적으로 접속되고 상기 회전 샤프트를 축선 방향으로 관통하는 관통공을 통해 상기 챔버의 외측으로 연장된 배선을 갖고, 상기 히터는 상기 회전 스테이지의 로딩 명에 로딩된 웨이퍼를 600℃ 내지 2000℃의 온도로 가열하고, 상기 회전 샤프트는 상기 온도에 대해서 내열성 및 내부식성을 가지는 세라믹스 또는 유리로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 세라믹스는 질화 규소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유리는 석영 유리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 챔버의 외측에 설치되어, 전기 회전 샤프트를 냉각하는 냉각 기구를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 회전 스테이지에 설치되어, 상기 로딩 명에 로딩된 웨이퍼를 흡착하는 정전척을 갖고, 상기 전력 공급부는 상기 정전척과 전기적으로 접속된 배선을 가지고, 상기 회전 샤프트를 축선방향으로 관통하는 관통공을 통해 상기 챔버의 외측으로 연장되는 상기 배선을 개재하여 상기 정전척에 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 회전 스테이지에 설치되어, 상기 회전 스테이지의 로딩 면에 로딩된 웨이퍼의 온도를 측정하는 온도 측정부를 갖고, 상기 온도 측정부는 상기 회전 샤프트를 축선방향으로 관통하는 관통공을 통해 상기 챔버의 외측으로 연장되는 배선과 전기적으로 접속된 열전대를 가지는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이, 본 발명의 하나의 양태에 의하면, 초고온의 막 형성 프로세스에 사용 가능한 막 형성 장치의 제공 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태와 관련되는 막 형성 장치의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 선분 X－X＇에 의한 회전 샤프트의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해, 도면을 참조해 상세하게 설명한다.
덧붙여 이하의 설명으로 이용하는 도면에 있어서는, 각 구성요소를 보기 쉽게하기 위해 구성요소에 의해 치수의 축척을 다르게 하여는 것이 있기 때문에, 각 구성요소의 수나 치수 비율 등이 실제와 같은 것으로 한정되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태로서, 예를 들면 도 1 및 도 2에 도시된 서스셉터(1)를 갖는 막 형성 장치(100)에 대해 설명한다. 덧붙여, 도 1은 서스셉터(1)를 갖는 막 형성 장치(100)의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 선분 X－X＇에 의한 회전 샤프트(12)의 단면도이다.
본 실시 형태의 막 형성 장치(100)는, 예를 들면 화학 기상 성장법(CVD) 또는 에피택셜 성장법 등을 이용하여, 반도체 웨이퍼(이하, 단지 웨이퍼라고 한다.)(W)에 막을 형성하여, 웨이퍼(W)의 표면에 박막을 형성한다.
구체적으로, 막 형성 장치(100)는 감압 가능한 챔버(101) 내에 서스셉터(웨이퍼 로딩 기구)(1)를 갖는다. 서스셉터(1)는 웨이퍼(W)가 로딩되는 회전 스테이지(2), 회전 스테이지(2)의 로딩 면(2a) 상에 로딩된 웨이퍼(W)를 가열하는 히터(3), 회전 스테이지(2)의 로딩 면(2a) 상에 로딩된 웨이퍼(W)를 흡착하는 정전척(4), 히터(3)및 정전척(4)에 전력을 공급하는 전력 공급부(5), 회전 스테이지(2)의 로딩 면(2a) 상에 로딩된 웨이퍼(W)의 온도를 측정하는 온도 측정부(6), 및 온도 측정부(6)가 측정한 온도에 근거하여 전력 공급부(5)로부터 히터(3)에 공급되는 전력을 제어하는 전력 제어부(7)를 포함한다.
회전 스테이지(2)는 로딩 면(2a)을 형성하는 원판 모양의 탑 플레이트(8), 탑 플레이트(8)의 주위로부터 로딩 면(2a)과 반대측(하부)으로 향하여 연장된 원통 모양의 사이드 스커트(9), 및 사이드 스커트(9)의 탑 플레이트(2)와 반대측(아래쪽 면)을 폐쇄하는 원판 모양의 보텀 플레이트(10)를 포함한다.
탑 플레이트(8), 사이드 스커트(9) 및 보텀 플레이트(10)는, 예를 들면, 알루미나 세라믹스, 질화 알루미늄 세라믹스, 카본계 세라믹스, 석영 등의 내열성 및 내부식성이 뛰어난 절연부재로 형성될 수 있다. 구체적으로, 본 실시 형태에서는, 일체로 형성된 탑 플레이트(8) 및 사이드 스커트(9)는 카본계 세라믹스인 그라파이트(graphite)로 형성되고, 보텀 플레이트(10)는 석영으로 형성된다. 또한, 보텀 플레이트(10)의 표면에는, 예를 들면 석영 등으로 형성된 원판 모양의 단열재(11)가 제공된다.
덧붙여, 사이드 스커트(9) 및 보텀 플레이트(10)는 일체로 형성된 것에 한정하지 않고, 별도로 형성될 수도 있다. 또한, 사이드 스커트(9)의 형상은 상술한 원통 모양에 한정하지 않고, 하부로 향해 점차 확대되는 직경을 갖는 테이퍼 형상을 가질 수 있다.
회전 스테이지(2)는 축선 방향으로 관통하는 복수의 관통공들(12a, 12b, 12c)이 형성된 중공의 원통 모양의 회전 샤프트(12)를 가진다. 회전 샤프트(12)는 보텀 플레이트(10)의 아래쪽 면 중앙에서 하부로 돌출되고, 챔버(101)을 관통한 상태로 챔버(101)의 아래쪽 면에 배치된 회전 진공 씰(rotary vacuum seal)(13)을 개재하여 회전 가능하도록 지지된다. 회전 진공 씰 13에는 자성 유체 씰(magnetic fluid seal)이 이용된다. 또한, 회전 샤프트(12)는 그 하단부에 장착된 진공 플랜지(14)를 개재하여 구동 모터(15)에 접속된다. 진공 플랜지(14)는 세라믹스 등의 절연재로 형성된다. 이것에 의하여, 회전 스테이지(2)는 막 형성 시에 구동 모터(15)가 회전 샤프트(12)를 회전 구동하는 것에 의해 원주방향으로 회전 가능하다.
회전 스테이지(2)의 로딩 면(2a) 상에 로딩된 웨이퍼(W)는 막 형성 시에 히터(3)에 의해 600℃ 내지 2000℃의 온도로 가열된다. 회전 샤프트(12)는 이러한 고온에 견딜 수 있도록, 그리고 H2, HCl, Cl2 등의 반응성 가스에 부식 되지 않도록, 예를 들면 세라믹스 또는 유리 등의 내열성 및 내부식성이 뛰어난 절연부재로 형성된다. 　구체적으로, 유리는, 예를 들면, 석영(SiO2) 유리 또는 사파이어(Al2O3) 유리 등으로 형성될 수 있다. 한편, 세라믹스는, 예를 들면, 알루미나(Al2O3), 산화 지르코늄(ZrO2) 등의 산화물계 세라믹스, 및 질화 알루미늄(AlN), 질화 규소(Si3N4), 탄화 규소(SiC), 질화 붕소(BN), 카본 세라믹스 등의 비산화물계 세라믹스 등으로 형성될 수 있다.
회전 샤프트(12)는 석영 또는 질화 규소로 주로 형성되는 것이 바람직하다. 덧붙여, 본 실시 형태에서, 회전 샤프트(12)에 질화 규소가 이용된다.
게다가, 챔버(101)의 외측에 회전 샤프트(12)를 냉각하는 냉각 기구(16)가 설치된다. 냉각 기구(16)는 챔버(101)의 하부에 배치되어, 막 형성 시에 회전 샤프트(12)를 향해 송풍하는 냉각 팬일 수 있다. 덧붙여, 냉각 기구(16)는 상술한 냉각 팬과 같은 공랭식의 냉각 기구에 한정하지 않고, 수냉식의 냉각 기구일 수 있다. 또한, 압전소자 또는 펠티어 소자 등의 냉각 기구일 수도 있다.
히터(3)는 탑 플레이트(8)의 아래쪽 면(내면)에 배치된 복수의 히터 코일들(17), 사이드 스커트(9)의 내주면을 따라 나란히 배치된 복수의 전극부들(19)을 포함할 수 있다.
복수의 히터 코일들(17)은 동심원 모양 또는 나선 모양의 발열 저항체이며, 탑 플레이트(8)의 지름 방향으로 소정의 간격으로 나란히 배치된다. 히터 코일들(17)을 형성하는 발열 저항체는 탄소재료(C)(예를 들면, CVD법에 의해 형성된 질화 붕소(PBN) 또는 열분해 graphite(PG)의 박막)의 내열성이 뛰어난 도전 부재일 수 있다. 또한, 발열 저항체는 체적 저항율이 4.8μΩm 내지 11μΩm인 저저항율의 탄소재료(C)로 형성될 수 있다.
복수의 전극부들(19)은 복수의 히터 코일들(17)에 전기적으로 접속된 상태로, 사이드 스커트(9)의 원주방향으로 소정의 간격으로 나란히 배치된다. 또한, 각 전극부(19)는 회전 샤프트(12) 측으로 연장된다.
막 형성시, 복수의 전극부들(19)을 개재하여 복수의 히터 코일들(17)에 전력이 공급된다. 이것에 의해, 이러한 히터 코일들(17, 18)을 발열시켜, 로딩 면(2a) 상에 로딩된 웨이퍼(W)를 가열한다.
정전척(4)은 탑 플레이트(8)의 표면(로딩 면(2a))에 있는 유전체층에 매설된 한 쌍의 내부 전극들(20a, 20b), 및 한 쌍의 내부 전극들(20a, 20b)과 전기적으로 접속된 상태로 회전 샤프트(12) 측으로 연장된 한 쌍의 전극부들(21a, 21b)을 포함한다.
막 형성 시, 한 쌍의 전극부들(21a, 21b)를 개재하여 한 쌍의 내부 전극들(20a, 20b)의 사이에 전압이 인가된다. 이것에 의해, 웨이퍼(W)의 표면에 역전압을 유도하여, 양자간에 작용하는 쿨롱력(Coulomb force), 죤슨·라벡크력(Johnsen－Rahbek force), 경사력(gradient force) 등에 의해 웨이퍼(W)를 흡착한다.
전력 공급부(5)는 히터(3)에 전력을 공급하는 히터용 전원(22), 정전척(4)에 전력을 공급하는 정전척용 전원(23)을 포함한다. 히터용 전원(22)은 회전 샤프트(12)의 관통공(12a)을 통해 챔버(101)의 외측으로 연장된 복수의 제1 배선들(24a)을 개재하여 히터(3)(구체적으로, 복수의 전극부들(19))에 전기적으로 접속된다. 정전척용 전원(23)은 회전 샤프트(12)의 관통공(12b)을 통해 챔버(101)의 외측으로 연장된 한 쌍의 제2 배선들(24b)을 개재하여 정전척(4)(구체적으로, 한 쌍의 전극부들(21a, 21b))에 전기적으로 접속된다.
온도 측정부(6)는 회전 샤프트(12)의 관통공(12c)을 통해 챔버(101)의 외측으로 연장된 한 쌍의 제3 배선들(24c)과 전기적으로 접속된 열전대(25)를 포함한다. 열전대(25)는 회전 샤프트(12)의 관통공(12c)을 통해 탑 플레이트(8)에 접하는 위치까지 연장하여 설치된다. 온도 측정부(6)는 열전대(25)에 의해 로딩 면(2a) 상에 로딩된 웨이퍼(W)의 온도(미소 신호)를 측정하여, 그 측정 결과를 전력 제어부(7)로 제공한다.
전력 제어부(7)는 온도 측정부(6)가 측정한 온도에 근거하여 웨이퍼(W)가 소망한 온도가 되도록, 히터용 전원(22)으로부터 히터(3)에 공급되는 전력을 제어한다.
이상과 같이, 본 실시 형태의 막 형성 장치(100)에서의 회전 샤프트(12)에 내열성 및 내부식성이 뛰어난 절연부재를 이용함으로써, 막 형성 시에 히터(3)에 의해 600℃ 내지 2000℃의 고온으로 가열되더라도 회전 샤프트(12)의 각 관통공(12a, 12b, 12c)을 통해 배치되는 각 배선(24a, 24b, 24c)을 열적으로 보호하는 것이 가능하다. 또한, 각 배선(24a, 24b, 24c)과 회전 샤프트(12)의 전기적인 절연도 가능하다. 게다가, 막 형성 시 사용되는 가스에 의한 각 배선(24a, 24b, 24c)의 부식을 방지하는 것이 가능하다.
따라서, 본 실시 형태의 막 형성 장치(100)에서, 히터(3), 정전척(4) 및 열전대(25)에 전기적으로 접속되는 각 배선(24a, 24b, 24c)이 고온에 노출되는 일 없이, 히터(3), 정전척(4) 및 열전대(25)를 정상적으로 동작시키는 것이 가능하므로, 초고온의 막 형성 프로세스가 가능하다.
1: 서스셉터(웨이퍼 로딩 기구) 2: 스테이지
2a: 로딩면 3: 히터
4: 전 지퍼 5: 전력 공급부
6: 온도 측정부 7: 전력 제어부
8: 탑 플레이트 9: 사이드 플레이트
10: 보텀 플레이트 11: 단열재
12: 회전 샤프트 12a-12c: 관통공
13: 회전 진공 씰 14: 진공 플랜지
15: 구동 모터 16: 냉각 팬
17: 히터 코일 19: 전극부
20a, 20b: 내부 전극 21a, 21b: 전극부
22: 히터용 전원 23: 정전척용 전원
24a: 제1 배선 24b: 제2 배선
24c: 제3 배선 25: 열전대
26: 개구부 100: 막 형성 장치
101: 챔버 W: 웨이퍼

Claims (6)

  1. 챔버 내의 웨이퍼에 막을 형성하는 막 형성 장치에 있어서,
    상기 웨이퍼가 로딩되는 로딩 면을 갖고, 원주방향으로 회전 구동되는 회전 스테이지;
    상기 회전 스테이지에 설치되어, 상기 로딩 면에 로딩된 웨이퍼를 가열하는 히터; 및
    상기 히터에 전력을 공급하는 전력 공급부를 포함하고,
    상기 회전 스테이지는 상기 챔버를 관통한 상태로 회전 가능하도록 지지되는 회전 샤프트를 포함하고,
    상기 전력 공급부는 상기 히터와 전기적으로 접속되고, 상기 회전 샤프트를 축선 방향으로 관통하는 관통공을 통해 상기 챔버의 외측으로 연장된 배선을 갖고,
    상기 히터는 상기 회전 스테이지의 로딩 면에 로딩된 웨이퍼를 600℃ 내지 2000℃의 온도로 가열하고,
    상기 회전 샤프트는 상기 온도에 대해서 내열성 및 내부식성을 가지는 세라믹스 또는 유리로 형성되는 막 형성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹스는 질화 규소를 포함하는 막 형성 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유리는 석영 유리를 포함하는 막 형성 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버의 외측에 설치되어, 상기 회전 샤프트를 냉각하는 냉각 기구를 갖는 막 형성 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 스테이지에 설치되어, 상기 로딩 면에 로딩된 웨이퍼를 흡착하는 정전척을 더 포함하고,
    상기 전력 공급부는 상기 정전척과 전기적으로 접속된 배선을 가지고, 상기 회전 샤프트를 축선 방향으로 관통하는 관통공을 통해 상기 챔버의 외측으로 연장되는 상기 배선을 개재하여 상기 정전척 전력을 공급하는 막 형성 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 스테이지에 설치되어, 상기 회전 스테이지의 로딩 면에 로딩된 웨이퍼의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하고,
    상기 온도 측정부는 상기 회전 샤프트를 축선 방향으로 관통하는 관통공을 통해 상기 챔버의 외측으로 연장되는 배선과 전기적으로 접속된 열전대를 가지는 막 형성 장치.
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