KR20220089052A - 반응 가스 공급 시스템, 이를 포함하는 원자층 증착 장치, 및 이를 이용해서 기판을 처리하는 방법 - Google Patents

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Abstract

반응 가스 공급 시스템은 유량 제어기, 탱크 및 밸브를 포함할 수 있다. 상기 유량 제어기는 반응 가스를 이용해서 기판을 처리하는 반응 챔버로 상기 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 상기 탱크는 상기 반응 챔버와 상기 유량 제어기 사이에 배치되어 상기 반응 가스를 저장할 수 있다. 상기 탱크는 0.16ℓ 내지 0.24ℓ의 부피를 가질 수 있다. 상기 밸브는 상기 탱크와 상기 반응 챔버 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 반응 가스의 사용량 절감에 의해 반응 부산물의 발생량도 줄어들게 되어, 배관 막힘 등과 같은 장치의 고장을 저감시킬 수가 있으면서 우수한 스텝 커버리지를 갖는 막을 형성할 수가 있게 된다.

Description

반응 가스 공급 시스템, 이를 포함하는 원자층 증착 장치, 및 이를 이용해서 기판을 처리하는 방법{REACTION GAS SUPPLY SYSTEM, ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS INCLUDING THE SAME AND METHOD OF PROCESSING A SUBSTRATE USING THE SAME}
본 발명은 반응 가스 공급 시스템, 이를 포함하는 원자층 증착 장치, 및 이를 이용해서 기판을 처리하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 반응 가스를 저장하는 탱크를 포함하는 반응 가스 공급 시스템, 이러한 시스템을 포함하는 원자층 증착 장치, 및 이러한 시스템을 이용해서 기판을 처리하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 기판을 처리하기 위해서 반응 가스가 이용될 수 있다. 반응 가스는 탱크에 저장될 수 있다. 탱크에 저장된 반응 가스가 반응 챔버로 공급될 수 있다.
관련 기술들에 따르면, 반도체 장치가 복잡한 3차원 구조를 가짐에 따라, 반도체 장치의 종횡비(aspect ratio)가 증가하고 있다. 이에 따라, 균일한 두께를 갖는 막을 형성하기 위해서, 즉 우수한 스텝 커버리지(step coverage)를 확보하기 위해서, 반응 가스의 사용량이 크게 증가될 수 있다. 반응 가스의 사용량 증가는 반응 부산물의 발생량 증가를 초래할 수 있다. 많은 양의 반응 부산물은 배기 라인을 막는 사고를 유발할 수 있다. 결과적으로, 반도체 제조 장치의 수리를 위해 장치를 정지시켜야 하므로, 장치의 가동 시간이 줄어들게 되어 반도체 제조 수율이 저하될 수 있다.
본 발명은 반응 가스의 사용량을 줄일 수 있는 반응 가스 공급 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기된 시스템을 포함하는 원자층 증착 장치도 제공한다.
아울러, 본 발명은 상기된 시스템을 이용해서 기판을 처리하는 방법도 제공한다.
본 발명의 일 견지에 따른 반응 가스 공급 시스템은 유량 제어기, 탱크 및 밸브를 포함할 수 있다. 상기 유량 제어기는 반응 가스를 이용해서 기판을 처리하는 반응 챔버로 상기 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 상기 탱크는 상기 반응 챔버와 상기 유량 제어기 사이에 배치되어 상기 반응 가스를 저장할 수 있다. 상기 탱크는 0.16ℓ 내지 0.24ℓ의 부피를 가질 수 있다. 상기 밸브는 상기 탱크와 상기 반응 챔버 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 견지에 따른 반응 가스 공급 시스템은 유량 제어기, 탱크 및 밸브를 포함할 수 있다. 상기 유량 제어기는 반응 가스를 이용해서 기판을 처리하는 반응 챔버로 상기 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 상기 탱크는 상기 반응 챔버와 상기 유량 제어기 사이에 배치될 수 있다. 상기 탱크는 상기 반응 가스를 저장하는 원통형 내부 공간을 가질 수 있다. 상기 밸브는 상기 탱크와 상기 반응 챔버 사이에 배치될 수 있다. 상기 탱크는 상기 밸브를 향해서 상기 반응 가스를 인출하는 인출부를 포함할 수 있다. 상기 인출부는 상기 밸브를 향해서 점진적으로 줄어드는 직경들을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 견지에 따른 반응 가스 공급 시스템은 유량 제어기, 탱크 및 밸브를 포함할 수 있다. 상기 유량 제어기는 반응 가스를 이용해서 기판을 처리하는 반응 챔버로 상기 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 상기 탱크는 상기 반응 챔버와 상기 유량 제어기 사이에 배치될 수 있다. 상기 탱크는 나선부가 형성된 내주면을 가질 수 있다. 상기 밸브는 상기 탱크와 상기 반응 챔버 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 견지에 따른 원자층 증착(ALD) 장치는 ALD 챔버, 제 1 기화기, 제 1 유량 제어기, 제 1 탱크, 제 1 밸브, 제 2 기화기, 제 2 유량 제어기, 제 2 탱크 및 제 2 밸브를 포함할 수 있다. 상기 제 1 기화기는 제 1 반응 원료를 기화시켜서 상기 ALD 챔버로 공급되는 제 1 반응 가스를 형성할 수 있다. 상기 제 1 유량 제어기는 상기 ALD 챔버와 상기 제 1 기화기 사이에 배치되어 상기 제 1 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 상기 제 1 탱크는 상기 ALD 챔버와 상기 제 1 유량 제어기 사이에 배치되어 상기 제 1 반응 가스를 저장할 수 있다. 상기 제 1 탱크는 0.16ℓ 내지 0.24ℓ의 부피를 가질 수 있다. 상기 제 1 밸브는 상기 제 1 탱크와 상기 ALD 챔버 사이에 배치될 수 있다. 상기 제 2 기화기는 제 2 반응 원료를 기화시켜서 상기 ALD 챔버로 공급되는 제 2 반응 가스를 형성할 수 있다. 상기 제 2 유량 제어기는 상기 ALD 챔버와 상기 제 2 기화기 사이에 배치되어 상기 제 2 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 상기 제 2 탱크는 상기 ALD 챔버와 상기 제 2 유량 제어기 사이에 배치되어 상기 제 2 반응 가스를 저장할 수 있다. 상기 제 2 탱크는 0.16ℓ 내지 0.24ℓ의 부피를 가질 수 있다. 상기 제 2 밸브는 상기 제 2 탱크와 상기 ALD 챔버 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 견지에 따른 기판 처리 방법에 따르면, 제 1 및 제 2 반응 원료들을 기화시켜서 제 1 및 제 2 반응 가스들을 형성할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 반응 가스들을 0.16ℓ 내지 0.24ℓ의 부피를 갖는 제 1 및 제 2 탱크들 각각의 내부에 충진시킬 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 탱크들 내의 상기 제 1 및 제 2 반응 가스들을 반응 챔버의 내부에 배치된 기판에 적용할 수 있다.
상기된 본 발명에 따르면, 반응 가스를 저장하는 탱크가 0.16ℓ 내지 0.24ℓ의 부피를 가질 수 있다. 이러한 탱크의 부피는 기존에 사용되는 탱크 부피의 40% 내지 60%일 수 있다. 이러한 작은 부피의 탱크 내에 충진된 반응 가스의 양은 기존 탱크 내에 충진된 반응 가스의 양보다 줄어드는 반면에 작은 부피의 탱크 내에 충진된 반응 가스의 압력은 기존 탱크 내에 충진된 반응 가스의 압력보다 상대적으로 높을 수가 있게 된다. 이에 따라, 반응 가스의 사용량 절감에 의해 반응 부산물의 발생량도 줄어들게 되어, 배관 막힘 등과 같은 장치의 고장도 저감시킬 수가 있게 된다. 결과적으로, 반응 가스의 사용량을 크게 절감하면서 우수한 스텝 커버리지를 갖는 막을 형성할 수가 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 2는 반응 가스 공급 시스템의 탱크들 각각의 충진 압력이 시간에 따라 변화되는 추이를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 압력에 따른 기존 탱크의 충진 압력을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 도 3a의 조건에 따라 기판에 적용된 반응 기체의 양을 나타낸 도면이다.
도 4a는 압력에 따른 기존 탱크의 부피보다 2배의 부피를 갖는 탱크의 충진 압력을 나타낸 그래프이다.
도 4b는 도 4a의 조건에 따라 기판에 적용된 반응 기체의 양을 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명에 따라 압력에 따른 기존 탱크의 부피의 절반의 부피를 갖는 본 실시예의 탱크의 충진 압력을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 도 5a의 조건에 따라 기판에 적용된 반응 기체의 양을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 7은 도 6에 도시된 반응 가스 공급 시스템의 탱크를 확대해서 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 탱크의 인출부를 확대해서 나타낸 사시도이다.
도 9a는 기존 탱크의 인출부를 통해서 반응 가스의 인출 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9b는 도 8에 도시된 탱크의 인출부를 통해서 반응 가스의 인출 흐름을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 11은 도 10에 도시된 반응 가스 공급 시스템의 탱크를 확대해서 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 13은 도 12에 도시된 탱크의 내부 구조를 확대해서 나타낸 도면이다.
도 14는 도 13에 도시된 탱크의 내부를 통한 반응 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 17은 도 1에 도시된 반응 가스 공급 시스템을 포함하는 원자층 증착 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 18은 도 17에 도시된 장치를 이용해서 기판을 처리하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 19는 도 18의 방법을 시간에 따라 나타낸 타이밍 차트이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
복잡한 3차원 구조, 예를 들면, 높은 종횡비(high aspect ratio)를 갖는 반도체 장치의 메모리 구조물(memory structure) 상에 반응 가스(reaction gas)를 이용해서 균일한 두께를 갖는 막을 형성하기 위해서는, 반응 가스의 공급 시간을 증가시키거나 또는 반응 가스의 공급 압력을 증가시킬 수 있다. 반응 가스의 공급 시간을 증가시키는 것은 반응 가스의 사용량 및 공정 시간을 증가시킴과 아울러 반응 부산물(byproduct)의 발생량을 증가시킬 수 있다.
본 실시예에서는, 반응 가스의 공급 압력을 증가시키는 것에 의해서 반응 가스의 사용량을 줄임과 아울러 우수한 스텝 커버리지(step coverage)를 갖는 막을 형성할 수 있는 방안들을 제시한다. 특히, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition : ALD) 공정에서 적용되어 상기된 효과를 발휘할 수 있는 방안들을 제시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템(reaction gas supply system)(100)은 기화기(evaporator)(110), 유량 제어기(mass flow controller : MFC)(120), 탱크(tank)(130) 및 밸브(valve)(140)를 포함할 수 있다.
기화기(110)는 반응 챔버(150)로 공급되는 반응 원료를 기화시켜서 반응 가스를 형성할 수 있다. 반응 챔버(150)는 ALD 챔버, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : CVD) 챔버 등을 포함할 수 있다.
유량 제어기(120)는 기화기(110)와 반응 챔버(150) 사이에 배치될 수 있다. 유량 제어기(120)는 기화기(110)에 의해 형성된 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 유량 제어기(120)는 반응 챔버(150) 내의 공정 조건에 따라 반응 챔버(150)의 내부로 공급되는 반응 가스의 양을 결정할 수 있다. 즉, 유량 제어기(120)는 공정 조건에 따라 반응 챔버(150)로 제공되는 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다.
탱크(130)는 유량 제어기(120)와 반응 챔버(150) 사이에 배치될 수 있다. 탱크(130)는 반응 가스를 저장할 수 있다. 유량 제어기(120)에 의해서 탱크(130)에 저장될 수 있는 반응 가스의 양이 결정될 수 있다. 따라서, 탱크(130)에 저장된 반응 가스는 공정 조건에 따른 충진 압력을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 탱크(130)는 반응 가스가 저장되는 원통형 내부 공간을 가질 수 있다. 원통형 내부 공간은 실질적으로 동일한 직경을 가질 수 있다. 그러나, 탱크(130)의 내부 공간은 원통형으로 국한되지 않고, 다른 여러 가지 형상들을 가질 수도 있다.
밸브(140)는 탱크(130)와 반응 챔버(150) 사이에 배치될 수 있다. 밸브(140)의 개방에 의해서 탱크(130) 내의 반응 가스가 반응 챔버(150)로 공급될 수 있다. 탱크(130) 내의 반응 가스의 압력이 설정된 값, 즉 충진 압력(charging pressure)에 도달할 때까지 반응 가스는 탱크(130)로 공급될 수 있다. 탱크(130) 내의 반응 가스의 압력이 설정값에 도달하면, 밸브(140)가 개방될 수 있다. 따라서, 충진 압력을 갖는 반응 가스가 반응 챔버(150)로 공급될 수 있다. 본 실시예에서, 밸브(140)는 공압 밸브(pneumatic valve)(140)를 포함할 수 있으나, 다른 유형의 밸브(140)를 포함할 수도 있다.
기화기(110)와 탱크(130)는 제 1 배관(160)에 의해 연결될 수 있다. 유량 제어기(120)는 제 1 배관(160)에 설치될 수 있다. 탱크(130)와 반응 챔버(150)는 제 2 배관(162)에 의해 연결될 수 있다. 밸브(140)는 제 2 배관(162)에 설치될 수 있다.
본 실시예에서, 본 실시예의 탱크(130)는 기존 탱크 부피의 40% 내지 60%의 부피를 가질 수 있다. 즉, 본 실시예의 탱크(130)의 부피는 기존 탱크의 부피보다 작을 수 있다. 예를 들어서, 기존 탱크의 부피가 0.4ℓ인 경우, 본 실시예의 탱크(130)는 0.16ℓ 내지 0.24ℓ의 부피를 가질 수 있다. 본 실시예의 탱크(130)의 부피는 기존 탱크의 지름 및/또는 길이를 줄이는 것에 의해 줄일 수 있다.
탱크(130)의 부피가 기존 탱크의 부피의 40% 미만이면, 탱크(130)로부터 반응 챔버(150)로 공급되는 반응 가스의 양이 적을 수 있다. 반면에, 탱크(130)의 부피가 기존 탱크의 부피의 60%를 초과하면, 탱크(130) 내에서 반응 가스는 너무 낮은 충진 압력을 가질 수 있다. 따라서, 본 실시예의 탱크(130)는 기존 탱크 부피의 40% 내지 60%인 0.16ℓ 내지 0.24ℓ의 부피를 가질 수 있다.
도 2는 반응 가스 공급 시스템의 탱크들 각각의 충진 압력이 시간에 따라 변화되는 추이를 나타낸 그래프이고, 도 3a는 압력에 따른 기존 탱크의 충진 압력을 나타낸 그래프이며, 도 3b는 도 3a의 조건에 따라 기판에 적용된 반응 기체의 양을 나타낸 도면이고, 도 4a는 압력에 따른 기존 탱크의 부피보다 2배의 부피를 갖는 탱크의 충진 압력을 나타낸 그래프이며, 도 4b는 도 4a의 조건에 따라 기판에 적용된 반응 기체의 양을 나타낸 도면이고, 도 5a는 본 발명에 따라 압력에 따른 기존 탱크의 부피의 절반의 부피를 갖는 탱크의 충진 압력을 나타낸 그래프이며, 도 5b는 도 5a의 조건에 따라 기판에 적용된 반응 기체의 양을 나타낸 도면이다.
도 2에서, 수평축은 시간을 나타내고, 수직축은 탱크 내의 반응 가스의 충진 압력을 나타낸다. 선 (a)는 기존 탱크의 시간에 따른 충진 압력을 나타내고, 선 (c)는 기존 탱크의 부피의 2배의 부피를 갖는 탱크의 시간에 따른 충진 압력을 나타내며, 선 (b)는 기존 탱크의 절반의 부피를 갖는 탱크의 시간에 따른 충진 압력을 나타낸다.
유량 제어기(120)의 제어에 의해서 동일한 양의 반응 가스를 기존 탱크와 기존 탱크의 절반의 부피를 갖는 본 실시예의 탱크(130)로 공급하는 경우, 선 (a)로 나타낸 바와 같이, 반응 가스는 기존 탱크로부터 반응 챔버(150)로 t1 시간 동안 공급될 수 있다.
반면에, 본 실시예의 탱크(130)는 기존 탱크의 부피의 절반의 부피를 가지므로, 선 (b)로 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 탱크(130) 내의 반응 가스의 초기 충진 압력은 기존 탱크 내의 반응 가스의 초기 충진 압력보다 높을 수 있다. 따라서, 초기 동안 본 실시예의 탱크(130)로부터 반응 챔버(150)로 공급되는 반응 가스의 양은 기존 탱크로부터 반응 챔버(150)로부터 공급되는 반응 가스의 양보다 상대적으로 많을 수 있다.
전술한 바와 같이, 동일한 양의 반응 가스가 기존 탱크와 본 실시예의 탱크(130)로부터 반응 챔버(150)로 공급되므로, 본 실시예의 탱크(130)로부터 반응 챔버(150)로 반응 가스의 공급 시간은 t1보다 Δt보다 짧은 t2가 될 수 있다.
한편, 선 (c)에 나타난 바와 같이, 탱크의 부피를 기존 탱크의 부피보다 2배 증가시키면, 반응 가스의 충진 압력은 낮아질 것이고, 이에 따라 탱크로부터 반응 챔버(150)로 반응 가스의 공급 시간은 크게 늘어날 것이다.
도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b에 나타난 바와 같이, 동일한 양의 반응 가스를 3가지 탱크들로 공급한 경우, 반면에, 기존 탱크의 절반의 부피를 갖는 본 실시예의 탱크(130)로부터 기판에 적용된 반응 가스의 양이 다른 탱크들로부터 기판에 적용된 반응 가스들의 양보다 상대적으로 많다는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이고, 도 7은 도 6에 도시된 반응 가스 공급 시스템의 탱크를 확대해서 나타낸 도면이며, 도 8은 도 7에 도시된 탱크의 인출부를 확대해서 나타낸 사시도이다.
본 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템(100a)은 탱크의 형상을 제외하고는 도 1에 도시된 반응 가스 공급 시스템의 구성요소들과 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함할 수 있다. 따라서, 동일한 구성요소들은 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략할 수 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 실시예의 탱크(130a)는 인출부(outlet portion)(132)를 포함할 수 있다. 인출부(132)는 밸브(140)를 향하는 탱크(130)의 후단에 형성될 수 있다. 인출부(132)는 탱크(130a) 내의 반응 가스를 밸브(140)를 향해 인출시킬 수 있다. 인출부(132)를 포함하는 탱크(130a)의 부피는 0.16ℓ 내지 0.24ℓ일 수 있다.
본 실시예에서, 인출부(132)는 밸브(140)를 향해서 점진적으로 줄어드는 직경들을 가질 수 있다. 인출부(132)의 최대 직경은 탱크(130a)에 이어진 부분의 직경일 수 있다. 즉, 인출부(132)의 최대 직경은 탱크(130a)의 원통형 내부 공간의 직경일 수 있다. 반면에, 인출부(132)의 최소 직경은 탱크(130a)와 반응 챔버(150)를 연결하는 제 2 배관(162)의 직경일 수 있다. 인출부(132)는 최대 직경으로부터 최소 직경으로 점진적으로 줄어드는 직경들을 갖는 형상을 가질 수 있다.
또한, 인출부(132)와 탱크(130a) 사이의 연결 부위에 각진 부위(angular portion)(133)가 형성될 수 있다. 인출부(132)의 직경은 각진 부위(133)로부터 점진적으로 감소될 수 있다. 인출부(132)는 탱크(130a)의 축 방향, 즉 반응 가스의 흐름 방향에 대해서 경사진 측벽을 가질 수 있다. 인출부(132)의 측벽의 경사 각도는 대략 30° 내지 60°일 수 있지만, 특정 범위로 국한되지 않을 수 있다. 다른 실시예로서, 인출부(132)와 탱크(130a) 사이의 연결 부위는 만곡진 형상을 가질 수 있다. 이러한 경우, 인출부(132)는 유선형 구조를 가질 수가 있다.
도 9a는 기존 탱크의 인출부를 통해서 반응 가스의 인출 흐름을 나타낸 도면이고, 도 9b는 도 8에 도시된 탱크의 인출부를 통해서 반응 가스의 인출 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 기존 탱크가 원통형인 경우, 인출부는 반응 가스의 흐름과 실질적으로 직교하는 측벽을 가질 수 있다. 따라서, 인출부의 직경은 탱크의 직경에서 제 2 배관의 직경으로 급격하게 감소될 수 있다. 탱크로부터 제 2 배관으로 신속하게 인출되는 반응 가스는 측벽에 충돌하게 되어, 인출부에서 심한 와류가 발생될 수 있다. 와류는 반응 가스의 공급 압력을 낮출 수가 있다.
반면에, 도 9b에 도시된 바와 같이, 인출부(132)가 반응 가스의 흐름 방향에 대해서 경사진 측벽을 가지면, 탱크(130a)로부터 제 2 배관으로 신속하게 인출되는 반응 가스가 경사진 측벽에 충돌하는 것이 감소될 수 있다. 따라서, 인출부(132)에서 와류(vortex)가 발생되는 것도 억제되어, 반응 가스에 높은 공급압을 부여할 수가 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이고, 도 11은 도 10에 도시된 반응 가스 공급 시스템의 탱크를 확대해서 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템(100b)은 탱크의 형상을 제외하고는 도 6에 도시된 반응 가스 공급 시스템의 구성요소들과 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함할 수 있다. 따라서, 동일한 구성요소들은 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략할 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 실시예의 탱크(130b)는 인입부(inlet portion)(134)를 더 포함할 수 있다. 인입부(134)는 유량 제어기(120)를 향하는 탱크(130)의 전단에 형성될 수 있다. 유량 제어기(120)를 통과한 반응 가스는 인입부(134)를 통해서 탱크(130)의 내부로 도입될 수 있다. 인입부(134)와 인출부(132)를 포함하는 탱크(130)의 부피는 0.16ℓ 내지 0.24ℓ일 수 있다.
본 실시예에서, 인입부(134)는 유량 제어기(120)를 향해서 점진적으로 줄어드는 직경들을 가질 수 있다. 인입부(134)의 최대 직경은 탱크(130)에 이어진 부분의 직경일 수 있다. 즉, 인입부(134)의 최대 직경은 탱크(130)의 원통형 내부 공간의 직경일 수 있다. 반면에, 인입부(134)의 최소 직경은 탱크(130)와 유량 제어기(120)를 연결하는 제 1 배관(160)의 직경일 수 있다. 인입부(134)는 최대 직경으로부터 최소 직경으로 점진적으로 줄어드는 직경들을 갖는 형상을 가질 수 있다.
또한, 인입부(134)와 탱크(130) 사이의 연결 부위에 각진 부위(135)가 형성될 수 있다. 인입부(134)의 직경은 각진 부위(135)로부터 점진적으로 감소될 수 있다. 인입부(134)는 탱크(130)의 축 방향, 즉 반응 가스의 흐름 방향에 대해서 경사진 측벽을 가질 수 있다. 인입부(134)의 측벽의 경사 각도는 대략 30° 내지 60°일 수 있지만, 특정 범위로 국한되지 않을 수 있다. 다른 실시예로서, 인입부(134)와 탱크(130) 사이의 연결 부위는 만곡진 형상을 가질 수 있다. 이러한 경우, 인입부(134)는 유선형 구조를 가질 수가 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이고, 도 13은 도 12에 도시된 탱크의 내부 구조를 확대해서 나타낸 도면이며, 도 14는 도 13에 도시된 탱크의 내부를 통한 반응 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템(100c)은 탱크의 형상을 제외하고는 도 1에 도시된 반응 가스 공급 시스템의 구성요소들과 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함할 수 있다. 따라서, 동일한 구성요소들은 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략할 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 나선부(spiral portion)(136)가 탱크(130c)의 내주면에 형성될 수 있다. 구체적으로, 나선부(136)는 탱크(130c)의 원통형 내부 공간의 내주면에 형성될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 밸브(140)의 개방에 의해서 탱크(130c) 내의 반응 가스가 반응 챔버(150)로 공급될 때, 탱크(130c)의 중심보다는 가장자리의 압력이 더 높을 수 있다. 따라서, 탱크(130c) 내의 반응 가스는 탱크(130c)의 가장자리로부터 중심을 향해서 빠른 속도로 이동되어, 탱크(130c) 내의 반응 가스는 나선부(136)에 의해서 나선형 유동을 형성할 수 있다. 결과적으로, 탱크(130c) 내의 반응 가스에 높은 공급 압력이 부여될 수 있다. 나선부(136)를 갖는 탱크(130c)의 부피는 0.16ℓ 내지 0.24ℓ일 수 있다.
이러한 기능을 갖는 나선부(136)는 도 7에 도시된 인출부(132)의 내주면 및/또는 도 11에 도시된 인입부(134)의 내주면에도 형성될 수 있다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이다.
본 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템(100d)은 탱크의 부피를 제외하고는 도 6에 도시된 반응 가스 공급 시스템의 구성요소들과 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함할 수 있다. 따라서, 동일한 구성요소들은 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략할 수 있다.
도 15를 참조하면, 본 실시예의 탱크(130d)는 도 7에 도시된 경사진 인출부(132)를 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예의 탱크(130d)는 도 1에 도시된 탱크(130) 부피의 대략 2.5배 내지 16.5배일 수 있다. 즉, 본 실시예의 탱크(130d)의 부피는 기존 탱크의 부피인 0.4ℓ일 수 있다.
비록 본 실시예의 탱크(130d)의 부피가 기존 탱크의 부피인 0.4ℓ이지만, 전술된 경사진 인출부(132)의 기능에 의해서 반응 가스에 높은 공급압을 부여할 수가 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템을 나타낸 블럭도이다.
본 실시예에 따른 반응 가스 공급 시스템(100e)은 탱크의 부피를 제외하고는 도 12에 도시된 반응 가스 공급 시스템의 구성요소들과 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함할 수 있다. 따라서, 동일한 구성요소들은 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략할 수 있다.
도 16을 참조하면, 본 실시예의 탱크(130e)는 도 13에 도시된 나선부(136)을 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예의 탱크(130e)는 도 1에 도시된 탱크(130) 부피의 대략 2.5배 내지 16.5배일 수 있다. 즉, 본 실시예의 탱크(130e)의 부피는 기존 탱크의 부피인 0.4ℓ일 수 있다.
비록 본 실시예의 탱크(130e)의 부피가 기존 탱크의 부피인 0.4ℓ이지만, 전술된 나선부(136)의 기능에 의해서 반응 가스에 높은 공급압을 부여할 수가 있다.
도 17은 도 1에 도시된 반응 가스 공급 시스템을 포함하는 원자층 증착 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 17을 참조하면, 본 실시예에 따른 원자층 증착 장치(200)는 원자층 증착(ALD) 챔버(250), 제 1 반응 가스 공급 시스템, 제 2 반응 가스 공급 시스템 및 퍼지 가스(purge gas) 공급 시스템을 포함할 수 있다.
제 1 반응 가스 공급 시스템은 제 1 반응 가스를 ALD 챔버(250)로 공급할 수 있다. 제 1 반응 가스 공급 시스템은 제 1 기화기(210), 제 1 유량 제어기(220), 제 1 탱크(230) 및 제 1 밸브(240)를 포함할 수 있다.
제 1 기화기(210)는 제 1 반응 원료를 기화시켜서 ALD 챔버(250)로 공급되는 제 1 반응 가스를 형성할 수 있다. 제 1 유량 제어기(220)는 제 1 기화기(210)와 ALD 챔버(250) 사이에 배치되어, 제 1 기화기(210)에 의해 형성된 제 1 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 제 1 밸브(240)는 제 1 탱크(230)와 ALD 챔버(250) 사이에 배치될 수 있다.
제 1 탱크(230)는 제 1 유량 제어기(220)와 ALD 챔버(250) 사이에 배치될 수 있다. 제 1 탱크(230)는 제 1 반응 가스를 저장할 수 있다. 제 1 탱크(230)는 도 1에 도시된 탱크(130)의 구조 및 부피와 실질적으로 동일한 구조 및 부피를 가지므로, 제 1 탱크(230)에 대한 반복 설명은 생략할 수 있다. 다른 실시예로서, 제 1 탱크(230)는 도 6에 도시된 탱크(130)의 구조 및/또는 도 12에 도시된 탱크(130)의 구조를 가질 수도 있다.
제 1 기화기(210)와 제 1 탱크(230)는 제 1 배관(260)에 의해 연결될 수 있다. 제 1 유량 제어기(220)는 제 1 배관(260)에 설치될 수 있다. 제 1 탱크(230)와 ALD 챔버(250)는 제 2 배관(262)에 의해 연결될 수 있다. 제 1 밸브(240)는 제 2 배관(262)에 설치될 수 있다.
제 2 반응 가스 공급 시스템은 제 2 반응 가스를 ALD 챔버(250)로 공급할 수 있다. 제 2 반응 가스 공급 시스템은 제 2 기화기(212), 제 2 유량 제어기(222), 제 2 탱크(232) 및 제 2 밸브(242)를 포함할 수 있다.
제 2 기화기(212)는 제 2 반응 원료를 기화시켜서 ALD 챔버(250)로 공급되는 제 2 반응 가스를 형성할 수 있다. 제 2 유량 제어기(222)는 제 2 기화기(210)와 ALD 챔버(250) 사이에 배치되어, 제 2 기화기(212)에 의해 형성된 제 2 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 제 2 밸브(242)는 제 2 탱크(232)와 ALD 챔버(250) 사이에 배치될 수 있다.
제 2 탱크(232)는 제 2 유량 제어기(222)와 ALD 챔버(250) 사이에 배치될 수 있다. 제 2 탱크(232)는 제 2 반응 가스를 저장할 수 있다. 제 2 탱크(232)는 도 1에 도시된 탱크(130)의 구조 및 부피와 실질적으로 동일한 구조 및 부피를 가지므로, 제 2 탱크(232)에 대한 반복 설명은 생략할 수 있다. 다른 실시예로서, 제 2 탱크(232)는 도 6에 도시된 탱크(130)의 구조 및/또는 도 12에 도시된 탱크(130)의 구조를 가질 수도 있다.
제 2 기화기(212)와 제 2 탱크(232)는 제 1 배관(270)에 의해 연결될 수 있다. 제 2 유량 제어기(222)는 제 1 배관(270)에 설치될 수 있다. 제 2 탱크(232)와 ALD 챔버(250)는 제 2 배관(272)에 의해 연결될 수 있다. 제 2 밸브(242)는 제 2 배관(272)에 설치될 수 있다.
퍼지 가스 공급 시스템은 퍼지 가스를 ALD 챔버(250)로 공급할 수 있다. 퍼지 가스 공급 시스템은 퍼지 가스 탱크(280), 퍼지 가스 라인(282) 및 밸브(284)를 포함할 수 있다. 퍼지 가스 라인(282)은 퍼지 가스 탱크(280)를 ALD 챔버(250)에 연결시킬 수 있다. 밸브(284)는 퍼지 가스 라인(282)에 배치되어, 퍼지 가스의 공급을 단속할 수 있다.
부가적으로, 캐리어 가스(carrier gas) 공급 시스템이 ALD 챔버(250)에 연결될 수 있다. 캐리어 가스 공급 시스템도 도 1에 도시된 반응 가스 공급 시스템과 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함할 수도 있다.
도 18은 도 17에 도시된 장치를 이용해서 기판을 처리하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이고, 도 19는 도 18의 방법을 시간에 따라 나타낸 타이밍 차트이다.
본 실시예의 기판 처리 방법은 ALD 공정을 통해서 기판 상에 막을 형성하는 방법이다. 그러나, 본 실시예의 기판 처리 방법은 CVD 공정을 통해서 기판 상에 막을 형성하는 방법일 수도 있다. 또한, 본 실시예의 기판 처리 방법은 2개의 반응 가스들을 이용하는 것으로 예시하였으나, 3개 이상의 반응 가스들을 이용할 수도 있다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 단계 ST300에서, 제 1 기화기(210)가 제 1 반응 원료를 기화시켜서 제 1 반응 가스를 형성할 수 있다. 제 1 반응 가스는 제 1 배관(260)을 통해 제 1 유량 제어기(220)로 공급될 수 있다.
단계 ST310에서, 제 1 유량 제어기(220)는 제 1 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 제 1 유량 제어기(220)는 ALD 공정 조건에 따라 ALD 챔버의 내부로 공급되는 제 1 반응 가스의 양을 결정할 수 있다.
단계 ST320에서, 제 1 반응 가스는 제 1 탱크(230)에 충진될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제 1 탱크(230)는 기존 탱크 부피의 40% 내지 60%인 0.16ℓ 내지 0.24ℓ일 수 있다. 따라서, 제 1 탱크(230) 내의 제 1 반응 가스의 양은 기존 탱크 내의 제 1 반응 가스의 양보다 적지만, 제 1 탱크(230) 내의 제 1 반응 가스의 초기 충진 압력은 기존 탱크 내의 제 1 반응 가스의 초기 충진 압력보다 높을 수 있다.
단계 ST330에서, 제 1 밸브(240)가 개방되어, 제 1 탱크(230) 내의 제 1 반응 가스가 제 2 배관(262)을 통해서 ALD 챔버(250)로 공급될 수 있다. 제 1 반응 가스는 ALD 챔버(250) 내에 배치된 기판에 적용되어, 막이 기판 상에 형성될 수 있다. 이러한 막은 우수한 스텝 커버리지를 가질 수 있다.
도 2를 참조로 설명한 바와 같이, 동일한 양의 제 1 반응 가스가 기존 탱크와 본 실시예의 제 1 탱크(230)로부터 ALD 챔버(250)로 공급되는 경우, 본 실시예의 제 1 탱크(230)로부터 ALD 챔버(250)로 제 1 반응 가스의 공급 시간은 t1보다 Δt보다 짧은 t2가 될 수 있다.
단계 ST340에서, 제 1 반응 가스를 이용해서 막을 기판 상에 형성한 이후, 퍼지 가스를 ALD 챔버(250)로 도입할 수 있다.
단계 ST350에서, 제 2 기화기(212)가 제 2 반응 원료를 기화시켜서 제 2 반응 가스를 형성할 수 있다. 제 2 반응 가스는 제 1 배관(270)을 통해 제 2 유량 제어기(222)로 공급될 수 있다.
단계 ST360에서, 제 2 유량 제어기(222)는 제 2 반응 가스의 공급량을 제어할 수 있다. 제 2 유량 제어기(222)는 ALD 공정 조건에 따라 ALD 챔버(250)의 내부로 공급되는 제 2 반응 가스의 양을 결정할 수 있다.
단계 ST370에서, 제 2 반응 가스는 제 2 탱크(232)에 충진될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제 2 탱크(232)는 기존 탱크 부피의 40% 내지 60%인 0.16ℓ 내지 0.24ℓ일 수 있다. 따라서, 제 2 탱크(232) 내의 제 2 반응 가스의 양은 기존 탱크 내의 제 2 반응 가스의 양보다 적지만, 제 2 탱크(232) 내의 제 2 반응 가스의 초기 충진 압력은 기존 탱크 내의 제 2 반응 가스의 초기 충진 압력보다 높을 수 있다.
특히, 도 19에 도시된 바와 같이, 제 1 탱크(230)로부터 ALD 챔버(250)로 제 1 반응 가스의 공급 시간이 Δt만큼 감소하게 되므로, 제 2 기화기(212)로부터 제 2 탱크(232)로 제 2 반응 가스의 공급 시간이 t3에서 t4로 증가될 수 있다.
단계 ST380에서, 제 2 밸브(242)가 개방되어, 제 2 탱크(232) 내의 제 2 반응 가스가 제 2 배관(272)을 통해서 ALD 챔버(250)로 공급될 수 있다. 제 2 반응 가스는 ALD 챔버(250) 내에 배치된 기판에 적용되어, 막이 기판 상에 형성될 수 있다. 이러한 막은 우수한 스텝 커버리지를 가질 수 있다.
도 2를 참조로 설명한 바와 같이, 동일한 양의 제 2 반응 가스가 기존 탱크와 본 실시예의 제 2 탱크(232)로부터 ALD 챔버(250)로 공급되는 경우, 본 실시예의 제 2 탱크(232)로부터 ALD 챔버(250)로 제 2 반응 가스의 공급 시간은 t1보다 Δt보다 짧은 t2가 될 수 있다.
단계 ST390에서, 제 2 반응 가스를 이용해서 막을 기판 상에 형성한 이후, 퍼지 가스를 ALD 챔버(250)로 도입할 수 있다.
한편, 본 실시예의 기판 처리 방법이 CVD 공정에 적용되는 경우, 제 1 반응 가스와 제 2 반응 가스는 반응 챔버로 동시에 공급될 수도 있다.
상기된 본 실시예들에 따르면, 반응 가스를 저장하는 탱크가 0.16ℓ 내지 0.24ℓ의 부피를 가질 수 있다. 이러한 탱크의 부피는 기존에 사용되는 탱크 부피의 40% 내지 60%일 수 있다. 이러한 작은 부피의 탱크 내에 충진된 반응 가스의 양은 기존 탱크 내에 충진된 반응 가스의 양보다 줄어드는 반면에 작은 부피의 탱크 내에 충진된 반응 가스의 압력은 기존 탱크 내에 충진된 반응 가스의 압력보다 상대적으로 높을 수가 있게 된다. 이에 따라, 반응 가스의 사용량 절감에 의해 반응 부산물의 발생량도 줄어들게 되어, 배관 막힘 등과 같은 장치의 고장도 저감시킬 수가 있게 된다. 결과적으로, 반응 가스의 사용량을 크게 절감하면서 우수한 스텝 커버리지를 갖는 막을 형성할 수가 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 챔버로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 ; 기화기 120 ; 유량 제어기
130 ; 탱크 140 ; 밸브
150 ; 반응 챔버 160 ; 제 1 배관
162 ; 제 2 배관 132 ; 인출부
134 ; 인입부 133, 135 ; 각진 부위
136 ; 나선부 210 ; 제 1 기화기
212 ; 제 2 기화기 220 ; 제 1 유량 제어기
222 ; 제 2 유량 제어기 230 ; 제 1 탱크
232 ; 제 2 탱크 240 ; 제 1 밸브
242 ; 제 2 밸브 250 ; ALD 챔버
260, 270 ; 제 1 배관 262, 272 ; 제 2 배관
280 ; 퍼지 가스 탱크 282 ; 퍼지 가스 라인
284 ; 밸브

Claims (20)

  1. 반응 가스를 이용해서 기판을 처리하는 반응 챔버로 상기 반응 가스의 공급량을 제어하는 유량 제어기(mass flow controller);
    상기 반응 챔버와 상기 유량 제어기 사이에 배치되어 상기 반응 가스를 저장하고, 0.16ℓ 내지 0.24ℓ의 부피를 갖는 탱크; 및
    상기 탱크와 상기 반응 챔버 사이에 배치된 밸브를 포함하는 반응 가스 공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탱크는 원통형 내부 공간을 갖는 반응 가스 공급 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 탱크는 상기 밸브를 향해서 상기 반응 가스를 인출하는 인출부를 포함하고, 상기 인출부는 상기 밸브를 향해서 점진적으로 줄어드는 직경들을 갖는 반응 가스 공급 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 인출부와 상기 탱크 사이에 각진 부분이 형성된 반응 가스 공급 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 탱크와 상기 인출부의 내주면들에 나선부가 형성된 반응 가스 공급 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 인출부는 상기 탱크의 축 방향에 대해서 30° 내지 60°의 경사진 형상을 갖는 반응 가스 공급 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 탱크는 상기 유량 제어기로부터 상기 반응 가스가 유입되는 인입부를 더 포함하고, 상기 인입부는 상기 유량 제어기를 향해서 점진적으로 줄어드는 직경들을 갖는 반응 가스 공급 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 인입부의 내주면에 나선부가 형성된 반응 가스 공급 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 원통형 내부 공간의 내주면에 나선부가 형성된 반응 가스 공급 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 탱크는
    상기 탱크는 상기 유량 제어기로부터 상기 반응 가스가 유입되는 인입부; 및
    상기 밸브를 향해서 상기 반응 가스를 인출하는 인출부를 포함하고, 상기 인출부는 상기 밸브를 향해서 점진적으로 줄어드는 직경들을 갖는 반응 가스 공급 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 탱크와 상기 인출부의 내측면들에 나선부가 형성된 반응 가스 공급 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브는 공압 밸브를 포함하는 반응 가스 공급 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 반응 가스를 기화시켜서 상기 반응 가스를 형성하는 기화기를 더 포함하는 반응 가스 공급 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 반응 챔버는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition : ALD) 챔버 또는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : CVD) 챔버를 포함하는 반응 가스 공급 시스템.
  15. 반응 가스를 이용해서 기판을 처리하는 반응 챔버로 상기 반응 가스의 공급량을 제어하는 유량 제어기(mass flow controller);
    상기 반응 챔버와 상기 유량 제어기 사이에 배치되고, 상기 반응 가스를 저장하는 원통형 내부 공간을 갖는 탱크; 및
    상기 탱크와 상기 반응 챔버 사이에 배치된 밸브를 포함하고,
    상기 탱크는 상기 밸브를 향해서 상기 반응 가스를 인출하는 인출부를 포함하고, 상기 인출부는 상기 밸브를 향해서 점진적으로 줄어드는 직경들을 갖는 반응 가스 공급 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 탱크와 상기 인출부의 내주면들에 나선부가 형성된 반응 가스 공급 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 인출부와 상기 탱크 사이에 각진 부분이 형성된 반응 가스 공급 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 탱크는 상기 유량 제어기로부터 상기 반응 가스가 유입되는 인입부를 더 포함하고, 상기 인입부는 상기 유량 제어기를 향해서 점진적으로 줄어드는 직경들을 갖는 반응 가스 공급 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 인입부의 내주면에 나선부가 형성된 반응 가스 공급 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서, 반응 원료를 기화시켜서 상기 반응 가스를 형성하는 기화기를 더 포함하는 반응 가스 공급 시스템.

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