KR20230088020A - 가스 공급 모듈 및 이를 포함하는 기판 처리 장치 - Google Patents

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박용범
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Abstract

예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치는, 공정 챔버, 상기 공정 챔버 하부에 배치되고 기판을 수납하는 기판 지지 구조물, 및 상기 공정 챔버 상부에 배치되어 상기 기판에 공정 가스를 공급하는 가스 공급 모듈을 포함하고, 상기 가스 공급 모듈은, 가스 유입구로부터 전달된 가스를 상기 공정 챔버 내부로 전달하도록 구성된 복수의 분사구들을 포함하는 제1 샤워헤드 바디, 및 상기 제1 샤워헤드 바디를 덮고 불화 알루미늄을 포함하는 코팅층을 포함하는 샤워헤드를 포함하고, 상기 제1 샤워헤드 바디는 금속 복합 재료(MMC, Metal Matrix Composite)를 포함한다.

Description

가스 공급 모듈 및 이를 포함하는 기판 처리 장치{GAS SUPPLY MODULE AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 가스 공급 모듈 및 이를 포함하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 소자를 제조하기 위한 반도체 공정들 중에서, 플라즈마를 이용하는 기판 처리 장치를 이용하여, 증착 공정 또는 식각 공정을 수행하고 있다. 최근, 반도체 웨이퍼의 대구경화 및 반도체 소자의 고집적화에 따라, 증착 공정 및 식각 공정의 공정 난이도가 증가하고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 증착 공정 상의 두께 산포 및 신뢰성이 개선된 가스 공급 모듈 및 이를 포함하는 기판 처리 장치를 제공하는데 있다.
예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치는, 공정 챔버, 상기 공정 챔버 하부에 배치되고 기판을 수납하는 기판 지지 구조물, 및 상기 공정 챔버 상부에 배치되어 상기 기판에 공정 가스를 공급하는 가스 공급 모듈을 포함하고, 상기 가스 공급 모듈은, 가스 유입구로부터 전달된 가스를 상기 공정 챔버 내부로 전달하도록 구성된 복수의 분사구들을 포함하는 제1 샤워헤드 바디, 및 상기 제1 샤워헤드 바디를 덮고 불화 알루미늄을 포함하는 코팅층을 포함하는 샤워헤드를 포함하고, 상기 제1 샤워헤드 바디는 금속 복합 재료(MMC, Metal Matrix Composite)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치는, 공정 챔버, 상기 공정 챔버 하부에 배치되고 기판을 수납하는 기판 지지 구조물, 및 상기 공정 챔버 상부에 배치되어 상기 기판에 공정 가스를 공급하는 가스 공급 모듈을 포함하고, 상기 가스 공급 모듈은, 가스 유입구 및 상기 가스 유입구로부터 전달된 가스를 상기 공정 챔버 내부로 전달하도록 구성된 복수의 분사구들을 포함하는 샤워헤드 바디, 및 상기 샤워헤드 바디를 덮는 코팅층을 포함하는 샤워헤드, 상기 샤워헤드와 상기 공정 챔버 사이에 배치되는 절연 부재, 및 상기 가스 공급 모듈의 온도를 제어하는 온도 조절부를 포함하고, 상기 샤워헤드는 상기 복수의 분사구들이 배치되는 하부 영역 및 상기 하부 영역으로부터 연장되는 측면 영역을 포함하고, 상기 절연 부재는 상기 측면 영역과 접촉하여 상기 측면 영역과 상기 공정 챔버를 이격시키며, 상기 샤워헤드 바디는 금속 복합 재료(MMC, Metal Matrix Composite)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 기판 공급 모듈은, 상기 가스 유입구로부터 전달된 가스를 공정 챔버 내부로 전달하도록 구성된 복수의 분사구들을 포함하는 샤워헤드, 및 상기 샤워헤드의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하고, 상기 샤워헤드는 금속 복합 재료(MMC, Metal Matrix Composite)를 포함하는 샤워헤드 바디 및 상기 샤워헤드 바디를 덮고 불화 알루미늄을 포함하는 코팅층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 금속 복합 재료(MMC, Metal Matrix Composite)를 포함하는 가스 공급 모듈을 포함하여 고온에서의 신뢰성 문제 및 코팅층과의 박리 문제가 개선된 기판 처리 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 코팅층을 포함하는 가스 공급 모듈을 포함하여, 부산물들의 흡착을 방지하고 두께 산포가 개선된 기판 처리 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈의 개략적인 평면도이다.
도 3은 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈 및 이와 인접한 공정 챔버의 일부를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치가 세정 공정을 수행하는 동안 서셉터의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 도 3의 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈의 변형예들의 부분 확대 단면도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈 및 이와 인접한 공정 챔버의 일부를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈을 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 도 7의 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈의 변형예들의 부분 확대 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치(1)의 개략적인 단면도이다. 도 2는 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(100)의 하부면을 도시하는 저면도이다. 도 3은 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(100) 및 이와 인접한 공정 챔버(10) 일부를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(1)는 공정 챔버(10), 기판 지지 구조물(20), 및 샤워헤드 구조물(30)을 포함할 수 있다.
공정 챔버(10)는 기판(W)에 대해 외부로부터 밀폐된 공간을 제공하고, 상기 밀폐된 공간에서 기판(W)에 대한 공정이 수행되는 공간을 제공할 수 있다. 상기 공정은 예를 들어, 증착 공정, 식각 공정, 또는 세정 공정 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 기판(W)은 반도체 웨이퍼일 수 있다. 공정 챔버(10)는 알루미늄(Al) 등의 금속 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 공정 챔버(10)는 기판(W)이 반입되거나 반출되는 기판 통로를 포함할 수 있다. 상기 기판 통로는 공정 챔버(10)의 일부분을 관통하는 챔버 관통부와 상기 챔버 관통부를 닫거나 열 수 있는 도어 유닛을 포함할 수 있다. 다만, 기판(W)이 출입하는 기판 통로의 형태는 이에 한정되지 않고, 다양하게 변경될 수 있다.
기판 지지 구조물(20)은 수직 지지대(21), 수직 지지대(21) 상의 수평 지지대(22), 및 링(23)을 포함할 수 있다. 수직 지지대(21)는 공정 챔버(10)를 관통하여 연장될 수 있다. 수직 지지대(21)는 별도의 구동 장치에 의해 상하로 이동될 수 있다. 수평 지지대(22)는 공정 챔버(10) 내에서 수직 지지대(21) 상에 배치될 수 있고, 수직 지지대(21)에 의해 고정될 수 있다. 수평 지지대(22)는 기판(W)이 로딩되는 상부면을 가질 수 있다. 수평 지지대(22)는 발열 패턴을 포함하는 서셉터를 포함할 수 있다. 상기 발열 패턴은 외부로부터 공급된 전력을 이용하여 상기 서셉터를 가열할 수 있다. 상기 서셉터는 예를 들어 알루미늄 질화물(AlN), 알루미늄 산화물(Al2O3) 등의 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 서셉터는 세정 공정에 이용되는 플루오린 가스와 반응하여 불화 알루미늄(AlF)을 포함하는 부산물들(byproducts)을 형성할 수 있다. 상기 부산물들은 공정 챔버(10) 내지 샤워헤드 구조물(30)에 부착되어 기판 처리 장치(1)의 성능을 저해할 수 있다. 이에 따라, 기판 처리 장치(1)의 유지보수(maintanece)를 위해 증착 공정, 세정 공정 등의 공정 후에 기판 처리 장치(1) 내의 상기 부산물들을 제거하는 세정이 수행될 수 있다. 링(23)은 공정 챔버(10) 내의 가스의 흐름을 제어하여 기판(W) 또는 수평 지지대(22)에 공급되는 가스량을 조절할 수 있다. 링(23)은 수평 지지대(22)의 상면의 에지 영역 및 측면 일부를 둘러싸는 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 링(23)은 알루미늄 질화물(AlN) 등의 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
기판(W)은 상기 공정 챔버(10) 내의 수평 지지대(22) 상에 배치될 수 있으며, 기판(W)에 대하여 다양한 공정들, 예를 들어 화학 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 공정이 수행될 수 있다.
샤워헤드 구조물(30)은 수평 지지대(22) 와 이격되어 수평 지지대(22) 위에 배치될 수 있다. 샤워헤드 구조물(30)은 공정 챔버(10) 내에서 기판(W)에 분사되는 공정 가스의 균일도 및 분포를 조절하여 증착 물질의 두께 산포 및 막질 특성을 제어할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 샤워헤드 구조물(30)은 전력 공급 장치 및/또는 접지 전극과 연결되어 플라즈마를 생성할 수 있다. 샤워헤드 구조물(30)은 공정 가스가 유입되는 가스 유입구(31) 및 유입된 상기 공정 가스를 배출하는 복수의 분사구들(32)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 샤워헤드 구조물(30)이 공정 챔버(10)의 상부를 덮어 공정 챔버(10)와 함께 공정이 수행되는 밀폐된 공간을 제공할 수 있으나, 공정 챔버(10) 및 샤워헤드 구조물(30)의 형태는 이에 한정되지 않는다. 이와 달리, 공정 챔버가 밀폐된 공간을 제공하고 가스 유입구가 공정 챔버를 관통하며 나머지 샤워헤드 구조물의 부분이 공정 챔버 내부에 배치된 형상을 가질 수도 있다. 본 명세서에서, 샤워헤드 구조물(30)은 '가스 공급 모듈'로도 지칭될 수 있고, 이하에서 가스 공급 모듈의 예시적인 실시예들을 참조하여 구체적인 구조를 설명하도록 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 가스 공급 모듈(100)은 샤워헤드(110), 절연 부재(120), 및 온도 조절부(130)를 포함할 수 있다.
샤워헤드(110)는 샤워헤드 바디(110A) 및 샤워헤드 바디(110A)를 덮는 코팅층(110B)을 포함할 수 있다. 샤워헤드 바디(110A)는 금속 복합 재료(MMC, Metal Matrix Composite)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 샤워헤드 바디(110A)는 알루미늄(Al) 등의 매트릭스금속과 실리콘 카바이드(SiC) 등의 세라믹스 충전재를 포함할 수 있다. 코팅층(110B)은 샤워헤드 바디(110A)의 표면을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 코팅층(110B)은 불화 알루미늄(AlF)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 코팅층(110B)은 산화 이트륨(Y2O3) 등의 내식각성을 갖는 물질을 더 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 코팅층(110B)은 적어도 둘 이상의 내식각성을 갖는 물질을 더 포함할 수도 있다.
예시적인 실시예에서, 샤워헤드 바디(110A)는 하부 구조물(113), 상부 구조물(114), 및 블로커 플레이트(115, blocker plate)를 포함할 수 있다. 샤워헤드 바디(110A)는 하부 구조물(113) 및 상부 구조물(114)에 의해 내부 공간을 가질 수 있다. 상기 내부 공간은 블로커 플레이트(115)에 의해 하부의 제1 내부 공간(IS1) 및 상부의 제2 내부 공간(IS2)로 분할될 수 있다. 즉, 제1 내부 공간(IS1)은 블로커 플레이트(115) 아래에 정의될 수 있고, 제2 내부 공간(IS2)은 블로커 플레이트(115) 위에 정의될 수 있다. 블로커 플레이트(115)는 제2 내부 공간(IS2)의 공정 가스를 제1 내부 공간(IS1)으로 전달하는 복수의 내부 가스 공급부들(116)을 포함할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 샤워헤드 바디(110A)는 블로커 플레이트(115)를 포함하지 않을 수도 있다.
예시적인 실시예에서, 하부 구조물(113)은 하부 영역(113L), 하부 영역(113L)으로부터 하부 영역(113L)과 수직인 방향, 예를 들어 z 방향으로 연장하는 측면 영역(113S), 및 측면 영역(113S)으로부터 공정 챔버(10)를 향하여 돌출되는 돌출부(113P)를 포함하는 형상을 가질 수 있다. 상부 구조물(114)을 하부 구조물(113)의 내측면의 일부와 접촉하는 판형(plate) 구조를 포함할 수 있다. 다만, 하부 구조물(113) 및 상부 구조물(114)의 형상은 이에 한정되지 않는다.
샤워헤드 바디(110A)는 공정 가스가 유입되는 가스 유입구(111) 및 유입된 공정 가스를 공정 챔버(10)로 공급하는 복수의 분사구들(112)을 더 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 가스 유입구(111)는 상부 구조물(114)을 관통하는 공간을 통해 공정 가스를 유입시키는 부재이고, 복수의 분사구들(112)은 하부 구조물(113)의 하부 영역(113L)을 관통하는 공간을 통해 상기 공정 가스를 공정 챔버(10)에 공급하는 부재일 수 있다. 상기 공정 가스는 하나 또는 복수의 소스 가스들을 포함할 수 있다. 복수의 분사구들(112)는 상기 공정 가스를 균일하게 기판(W)에 도포하여 증착 물질의 두께 산포를 제어할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 복수의 분사구들(112)의 각각은 샤워헤드 바디(110A)를 관통하는 하부 관통부(LP)를 포함하는 형태일 수 있다. 하부 관통부(LP)는 하부 구조물(113)의 하부 영역(113L)을 관통하는 원형 모양의 홀일 수 있고, 복수의 분사구들(112)은 샤워헤드 바디(110A) 내에서 일정한 지름을 갖는 원의 둘레를 따라 일정한 간격을 두고 배치되는 형상일 수 있다. 다만, 하부 관통부(LP)의 모양 및 복수의 분사구들(112)의 배치관계는 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 블로커 플레이트(115)의 복수의 내부 가스 공급부들(116)의 각각은 블로커 플레이트(115)를 관통하는 상부 관통부(UP)를 포함하는 형태일 수 있다. 상부 관통부(UP)는 원형 모양의 홀일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예시적인 실시예에서, 단위 면적 당 복수의 분사구들(112)의 개수는 단위 면적당 복수의 내부 가스 공급부들(116)의 개수와 다를 수 있다. 예를 들어, 단위 면적당 복수의 분사구들(112)의 개수가 복수의 내부 가스 공급부들(116)의 개수보다 많고, 상부 관통부(UP)의 직경은 하부 관통부(LP)의 직경보다 클 수 있다.
코팅층(110B)은 복수의 분사구들(112) 각각의 하부 관통부(LP) 내측을 덮을 수 있다. 즉, 코팅층(110B)는 샤워헤드 바디(110A)의 하부 영역(113L)을 관통하는 홀 내부를 컨포멀하게 덮을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 코팅층(110B)은 복수의 내부 가스 공급부들(116) 각각의 상부 관통부(UP) 내측을 함께 덮을 수 있다.
코팅층(110B)은 하부 구조물(113), 상부 구조물(114), 및 블로커 플레이트(115)을 포함하는 샤워헤드 바디(110A)의 표면과 함께 복수의 분사구들(112) 각각의 하부 관통부(LP) 내측을 컨포멀하게 덮을 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 코팅층(110B)은 하부 구조물(113), 상부 구조물(114), 및 블로커 플레이트의 표면 각각을 덮고 결합한 형상을 가질 수도 있다. 즉, 하부 구조물(113), 상부 구조물(114), 및 블로커 플레이트(115) 사이에 코팅층(110B)이 개재될 수도 있다.
샤워헤드(110)는 가스 유입구(111)를 통해 제2 내부 공간(IS2)으로 유입된 공정 가스를 복수의 내부 가스 공급부들(116)을 통해 제1 내부 공간(IS1)으로 균일하게 공급할 수 있고, 제1 내부 공간(IS1)으로 유입된 공정 가스를 복수의 분사구들(112)을 통해 공정 챔버(10) 내로 균일하게 공급할 수 있다. 이에 따라, 샤워헤드(110)는 공정 가스의 균일도 및 분포를 조절하여 증착 물질의 두께 산포 밀 막질 특성을 제어할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 가스 공급 모듈(100)은 샤워헤드(110)와 연결되는 고주파 파워 소스(HFS, High-Frequency power source)를 더 포함할 수 있다. 가스 유입구(111)를 통해 유입된 공정 가스는 상기 고주파 파워 소스에 의해 생성된 고주파 파워에 의하여 플라즈마 상태로 변환될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 가스 공급 모듈(100)은 샤워헤드(110)와 연결되는 저주파 파워 소스(LFS, Low-Frequency power source)를 더 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 상태의 상기 공정 가스의 이온들은 상기 저주파 파워 소스에 의해 생성된 저주파 파워에 의하여 이동도가 조절될 수 있다.
절연 부재(120)는 샤워헤드(110)의 측면을 둘러쌀 수 있다. 절연 부재(120)는 샤워헤드 바디(110A)와 공정 챔버(10) 사이에 배치되어, 공정 챔버(10) 및 샤워헤드(110)와 접촉할 수 있다. 절연 부재(120)는 샤워헤드(110)의 측면과 접촉될 수 있다. 절연 부재(120)는 공정 챔버(10)의 일부와 접촉되며, 공정 챔버(10)에 의해 샤워헤드(110)에 고정될 수 있다. 절연 부재(120)는 샤워헤드(110)의 내부 공간들(IS1, IS2)에 형성된 플라즈마로부터 공정 챔버(10)를 보호하거나 샤워헤드(110)를 공정 챔버(10)로부터 절연시킬 수 있으나, 절연 부재(120)의 역할은 이에 한정되는 것은 아니다. 예시적인 실시예에서, 절연 부재(120)는 하부 구조물(113)의 측면 영역(113S)과 접촉하여 측면 영역(113S)과 공정 챔버(10)를 이격시킬 수 있으며, 절연 부재(120)는 샤워헤드(110)의 돌출부(113P)의 측면 및 바닥면을 둘러쌀 수 있다. 절연 부재(120)는 세라믹 물질, 예를 들어 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함할 수 있다.
온도 조절부(130)는 가스 공급 모듈(100)의 온도를 제어하기 위한 히터를 포함할 수 있다. 상기 히터는 샤워헤드(110)와 접촉하여 샤워헤드(110)의 온도를 제어할 수 있고, 이에 의해 샤워헤드(110)와 접촉하는 절연 부재(120)의 온도에도 영향을 미칠 수 있다. 예시적인 실시예에서, 온도 조절부(130)는 샤워헤드(110) 온도를 측정하는 온도 측정 센서 및 상기 히터의 온도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 온도 조절부(130)의 개수는 복수 개일 수 있고, 복수 의 온도 조절부(130)의 상기 히터들의 각각은 서로 이격되어 가스 공급 모듈(100)과 접촉할 수 있다. 복수의 온도 조절부(130)는 서로 독립적으로 가스 공급 모듈(100)의 온도를 제어할 수 있다.
온도 조절부(130)는 샤워헤드(110)의 온도를 일정하게 제어하여 기판(W)에 수행되는 공정의 산포를 조절할 수 있으며, 샤워헤드(110)의 온도를 조절하여 샤워헤드(110)에 부산물들(byproducts)이 부착되는 것을 방지할 수 있다. 상기 부산물들은, 예를 들어 증착 공정 상에 발생한 파티클들을 제거하기 위한 세정 공정을 수행하는 과정에서 발생될 수 있다. 도 1을 참조할 때, 상기 부산물들은 수평 지지대(22)의 서셉터가 상기 세정 공정을 위한 플루오린 가스와 반응하여 형성될 수 있다.
샤워헤드(110)의 온도를 저온, 예를 들어 400℃ 이하로 제어하면서 공정 챔버(10) 내에서 공정을 수행하는 경우 상기 부산물들이 샤워헤드(110)에 쉽게 부착될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따른 기판 공급 모듈(100)은, 온도 조절부(130)를 통해 샤워헤드(110)의 온도를 고온, 예를 들어 400℃ 이상으로 제어하여 상기 부산물들이 샤워헤드(110)에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
MMC Al SUS Ceramics
Ceramics/Reinforcing material SiC SiC - - Al2O3 SiC
Metal Al Si - - - -
Density(g/cm3) 2.8 3 2.7 7.9 3.9 3.1
Young's Modulus(MPa) 125 350 80 210 390 410
Thermal Expansion(10-6/K) 14 3 20 17 5 3
Thermal Conductivity(W/m*K) 150 170 125 15 30 150
Volume Resistivity(Ω*cm) - 0.02 - - >1014 >1015
표 1을 참조하면, 샤워헤드 바디(110A)는 금속 복합 재료(MMC)를 포함함에 따라 금속 물질과 유사한 열전도성을 가지면서도, 세라믹 물질을 포함하는 절연 부재(120)와 유사한 열팽창률을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 고온 환경에서도 샤워헤드(110)와 접촉하는 절연 부재(120)의 손상이 방지될 수 있다.
샤워헤드(110)의 온도를 상기 고온으로 제어하여 상기 부산물들의 부착을 방지하면서도 절연 부재(120)의 손상을 방지함에 따라, 샤워헤드(110)의 유지 효율(maintanence efficiency)이 상대적으로 증가할 수 있다. 상기 유지 효율은 세정 공정 1회 당 수행될 수 있는 증착 공정 등의 공정의 수행 횟수를 의미할 수 있다. 상기 유지 효율이 증가함에 따라 기판 처리 장치(1)의 신뢰성 또는 생산성이 향상될 수 있다.
샤워헤드 바디(110A)는 금속 복합 재료(MMC)를 포함함에 따라, 샤워헤드 바디(110A) 온도를 주기적으로 변화시키지 않고 상기 고온 환경으로 일정하게 유지할 수 있어 코팅층(110B)과의 박리 문제가 해결될 수 있다.
또한, 샤워헤드 바디(110A)는 금속 복합 재료(MMC)를 포함함에 따라, 금속 물질과 유사한 열전도성을 가지면서도 불화 알루미늄(AlF)을 포함하는 코팅층(110B)과의 유사한 열팽창률을 가질 수 있다. 이에 따라, 샤워헤드 바디(110A)와 코팅층(110B) 간의 박리 문제가 개선될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 기판 처리 장치(1)는 샤워헤드(110) 및 공정 챔버(10)와 접촉하는 체결 부재(15)를 더 포함할 수 있다. 체결 부재(15)는 샤워헤드(110) 및 공정 챔버(10)를 연결할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 샤워헤드(110)의 돌출부(113P)의 상면은 공정 챔버(10)와 접촉하고, 체결 부재(15)는 돌출부(113P)의 상면과 공정 챔버(10) 사이에 배치될 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 체결 부재(15)가 배치되는 위치는 다양하게 변경될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 가스 공급 모듈(100)은 샤워헤드(110) 및 절연 부재(120)와 접촉하는 실링 부재(125)를 더 포함할 수 있다. 실링 부재(125)는 샤워헤드(110) 및 절연 부재(120)를 연결할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 샤워헤드(110)의 돌출부(113P)의 하면은 절연 부재(120)와 접촉하고, 실링 부재(125)는 절연 부재(120)와 돌출부(113P) 하면 사이에 배치될 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 실링 부재(125)가 배치되는 위치는 다양하게 변경될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 실링 부재(125)의 적어도 일부는 절연 부재(120) 내부에 매립되고 일부가 노출되어 샤워헤드(110)와 접촉할 수 있다. 실링 부재(125)는 예를 들어 과불화탄성체 재료(perfluorelastomer material)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 가스 공급 모듈(100)은 체결 부재(15) 및 실링 부재(125)와 인접한 영역에 배치되는 냉각 부재(140)를 더 포함할 수 있다. 냉각 부재(140)는 고온 환경의 샤워헤드(110)로부터 전달되는 열에 의해 체결 부재(15) 및 실링 부재(125)의 특성이 열화되는 것을 방지할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 냉각 부재(140)는 샤워헤드(110)의 돌출부(113P) 내에 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 기판 처리 장치(1)가 기판(W)에 대한 세정 공정을 수행하는 동안 서셉터의 온도 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 도 1 내지 도 3과 함께 참조하여 코팅층(110B)을 포함하는 본원발명의 실시예들과 코팅층(110B)을 포함하지 않는 비교예를 비교하여 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(100)은 샤워헤드 바디(110A)의 표면을 둘러싸는 코팅층(110B)을 포함함에 따라 기판(W)에 대한 세정 공정 상 발생하는 부산물들이 샤워헤드(110)에 흡착되는 것을 방지할 수 있다. 상기 부산물들은 알루미늄 질화물(AlN)을 포함하는 수평 지지대(22)의 서셉터가 상기 세정 공정 상에서 플루오린 가스와 결합하여 발생한 것일 수 있다. 상기 부산물들이 샤워헤드(110)의 복수의 분사구들(112)에 부착됨에 따라, 샤워헤드(110)의 방사율이 변화될 수 있다. 상기 부산물들은 상기 서셉터의 온도가 높을수록 많이 발생할 수 있다.
코팅층(110B)이 없는 샤워헤드에 관한 비교예를 참조하면, 상기 세정 공정에서의 상기 부산물들의 발생을 최소화하기 위하여 상기 서셉터의 온도를 하향 및 상향시키는 구간이 필요할 수 있다. 이에 따라, 온도 하향 및 상향 구간에 따른 시간 소요로 기판 처리 장치의 생산성이 감소할 수 있다.
코팅층(110B)을 포함하는 본원발명의 샤워헤드(110)에 관한 실시예를 참조하면, 상기 서셉터의 온도를 하향 및 상향시키는 구간을 제거하고 세정 공정에서 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 이는, 코팅층(110B)이 상기 부산물들의 발생량과 무관하게 상기 부산물들이 샤워헤드(110)에 부착되는 것을 방지할 수 있기 때문일 수 있다. 이에 따라, 예시적인 실시예에 따른 기판 처리 장치(1)의 생산성은 비교예의 기판 처리 장치보다 상대적으로 높을 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 3의 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈의 변형예들의 부분 확대 단면도이다. 도 5a 및 도 5b는 도 3의 'A' 영역에 대응되는 단면을 도시한다.
도 3 및 도 5a를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(100a)에서, 샤워헤드(110)는 단열 영역(TIR)을 포함할 수 있다. 단열 영역(TIR)은 샤워헤드(110)의 일 부분을 의미할 수 있고, 인접한 영역과 다른 구조를 가진 부분일 수 있다. 샤워헤드(110)는 단열 영역(TIR)에서 단열 영역(TIR)과 인접한 영역들에서보다 폭이 좁은 부분을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 샤워헤드(110)는 단열 영역(TIR)에서 빈 공간의 홈 구조를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 단열 영역(TIR)은 샤워헤드(110)의 측면 영역(113S)에 배치될 수 있다. 샤워헤드(110)는 단열 영역(TIR)에서 단열 영역(TIR)과 인접한 측면 영역(113S)보다 폭이 좁은 부분을 포함할 수 있다. 단열 영역(TIR)은 측면 영역(113S)의 일부에 대하여 내측으로 홈(groove)이 형성되어 측면 영역(113S) 내측으로 파인 홈 구조(GS)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 홈 구조(GS)는 복수의 홈 구조들(GS)을 포함할 수 있으며, 복수의 홈 구조들(GS) 중 적어도 일부는 절연 부재(120) 등과 접촉하여 빈 공간을 갖거나, 에어로 채워질 수 있다.
단열 영역(TIR)은 온도 조절부(130)와 접촉하는 샤워헤드(110)의 일부분과 실링 부재(125) 내지 체결 부재(15)와 접촉하는 샤워헤드(110)의 일부분 사이의 영역에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 단열 영역(TIR)은 샤워헤드(110)의 돌출부(113P)와 인접한 영역에 배치될 수 있다. 단열 영역(TIR)은 온도 조절부(130)에 의해 고온 환경으로 유지되는 샤워헤드(110) 내에서 실링 부재(125) 및 체결 부재(15)로 전달되는 열을 최소화하여 기판 처리 장치(1)의 신뢰성을 개선하고 열화를 방지할 수 있다. 샤워헤드(110)의 단열 영역(TIR)은 도 3에서 도시한 냉각 부재(140)와 함께 실링 부재(125) 및 체결 부재(15)로 전달되는 열을 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
도 3 및 도 5b를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(100b)은 도 5a와 다른 구조의 단열 영역(TIR)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(100b)에서, 샤워헤드(110)는 단열 영역(TIR)에서 단열 영역(TIR)과 인접한 영역들에서보다 폭이 좁은 부분을 포함할 수 있다. 샤워헤드(110)는 단열 영역(TIR)에서 샤워헤드(100) 내부에 배치되는 적어도 하나의 캐비티들(CV)을 포함할 수 있다. 캐비티(CV)는 빈 공간을 갖거나 에어로 채워질 수 있다. 단열 영역(TIR)은 홈 구조를 포함하는 상, 하부 절연 부재들을 브레이징(Brazing) 접합하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 온도 조절부(130)로부터 발생되어 샤워헤드(110)를 통해 실링 부재(125) 및 체결 부재(15)로 전달되는 열은 캐비티(CV)를 포함하는 단열 영역(TIR)에 의해 감소될 수 있다. 이에 따라, 실링 부재(125) 및 체결 부재(15)의 특성 열화를 방지할 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(200) 및 이와 인접한 공정 챔버(10)의 일부를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 6을 참조하면, 가스 공급 모듈(200)은 샤워헤드(210), 절연 부재(220), 및 온도 조절부(230)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(200)은 샤워헤드(210)의 구조를 제외하고 도 3에서 설명한 것과 동일한 구조를 가질 수 있다.
샤워헤드(210)는 샤워헤드 바디(210A) 및 샤워헤드 바디(210A)를 덮는 코팅층(210B)을 포함할 수 있다. 샤워헤드 바디(210A)는 금속 복합 재료(MMC, Metal Matrix Composite)을 포함하는 제1 샤워헤드 바디(213, 214, 215)와 금속 물질, 예를 들어 알루미늄(Al)을 포함하는 제2 샤워헤드 바디(218)를 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 제2 샤워헤드 바디(218)는 두 개 이상의 금속 원소를 포함할 수도 있다. 제1 샤워헤드 바디(213, 214, 215) 및 제2 샤워헤드 바디(218)는 접촉할 수 있고, 코팅층(210B)은 제1 샤워헤드 바디(213, 214, 215) 및 제2 샤워헤드 바디(218)를 덮을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 제2 샤워헤드 바디(218)는 도 3의 설명을 참조할 때 돌출부(113P)에 대응되는 영역을 포함하는 영역이 금속 복합 재료(MMC)로부터 금속으로 치환된 것일 수 있으나, 제2 샤워헤드 바디의 배치 관계 및 크기는 이에 한정되지 않는다. 실시예들에 따라, 제2 샤워헤드 바디(218)는 하부 구조물(213), 상부 구조물(214), 또는 블로커 플레이트(215) 중 일부가 금속으로 치환된 부분일 수 있으며, 복수 개의 부분이 서로 이격되어 배치된 것일 수도 있다. 즉, 샤워헤드 바디(210A) 내에서, 금속 복합 재료(MMC)를 포함하는 부분과 금속을 포함하는 부분은 절연 부재(220), 실링 부재(225), 체결 부재(15) 등과의 거리, 열팽창률 차이, 열전도율 차이 등을 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(300)을 도시하는 개략적인 단면도이다.
가스 공급 모듈(300)은 샤워헤드(310), 가스 유입 부재(320), 및 온도 조절부(330)를 포함할 수 있다.
샤워헤드(310)는 샤워헤드 바디(310A) 및 샤워헤드 바디(310A)를 덮는 코팅층(310B)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 복수의 분사구들(312)이 샤워헤드 바디(310A)를 관통하는 홀의 모양인 경우, 코팅층(310B)은 상기 홀 내부를 컨포멀하게 덮을 수 있다. 샤워헤드 바디(310A)는 금속 복합 재료(MMC, Metal Matrix Composite)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 샤워헤드 바디(310A)는 알루미늄(Al) 등의 매트릭스금속과 실리콘 카바이드(SiC) 등의 세라믹스 충전재를 포함할 수 있다. 코팅층(310B)은 불화 알루미늄(AlF)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 코팅층(310B)은 산화 이트륨(Y2O3) 등의 내식각성을 갖는 물질을 더 포함할 수 있다. 실시예들에 따라, 코팅층(310B)은 적어도 둘 이상의 내식각성을 갖는 물질을 더 포함할 수도 있다.
샤워헤드 바디(310A)는 복수의 분사구들(312)을 포함하는 판(plate) 형의 구조물일 수 있다. 복수의 분사구들(312)의 각각은 샤워헤드 바디(310A)를 관통하는 하부 관통부(LP)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 하부 관통부(LP)는 원형 모양의 홀일 수 있고, 복수의 분사구들(312)은 샤워헤드 바디(310A) 내에서 일정한 지름을 갖는 원의 둘레를 따라 일정한 간격을 두고 배치되는 형상일 수 있다. 다만, 하부 관통부(LP)의 모양 및 복수의 분사구들(312)의 배치관계는 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.
코팅층(310B)은 샤워헤드 바디(310A)의 표면과 함께 상기 하부 관통부(LP) 내측을 컨포멀하게 덮을 수 있다.
가스 유입 부재(320)는 공정 가스가 유입되는 가스 유입구(321)를 포함할 수 있다. 상기 공정 가스는 하나 또는 복수의 소스 가스들을 포함할 수 있다. 가스 유입 부재(320) 가스 유입 부재(320)는 샤워헤드(310) 상에서 샤워헤드(310)의 상면과 접촉하여 공정 가스가 유입되는 내부 공간을 제공할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 내부 공간은 가스 유입 부재의 내부 통로들에 의하여 하부의 제1 내부 공간(IS1) 및 상부의 제2 내부 공간(IS2)으로 정의될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 가스 유입 부재(320)는 금속 물질, 예를 들어 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
온도 조절부(330)는 가스 공급 모듈(300)의 온도를 제어하기 위한 히터를 포함할 수 있다. 상기 히터는 샤워헤드(310)와 접촉하여 샤워헤드(310)의 온도를 제어할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 온도 조절부(330)는 상기 히터에 의한 샤워헤드(310) 온도를 측정하는 온도 측정 센서 및 상기 히터의 온도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 온도 조절부(330)의 개수는 복수 개일 수 있고, 복수 의 온도 조절부(330)의 상기 히터들의 각각은 서로 이격되어 가스 공급 모듈(300)과 접촉할 수 있다. 복수의 온도 조절부(330)는 서로 독립적으로 가스 공급 모듈(300)의 온도를 제어할 수 있다.
온도 조절부(330)는 샤워헤드(310)의 온도를 일정하게 제어하여 기판(W)에 수행되는 공정의 산포를 조절할 수 있으며, 샤워헤드(310)의 온도를 조절하여 샤워헤드(310)에 부착되는 부산물들(byproducts)을 방지할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 가스 공급 모듈(300)은 샤워헤드(310) 및 가스 유입 부재(320)와 접촉하는 실링 부재(325)를 더 포함할 수 있다. 실링 부재(325)는 샤워헤드(310) 및 가스 유입 부재(320)를 연결할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 실링 부재(325)는 복수의 분사구들(312)이 배치된 영역의 외곽 영역에서, 샤워헤드(310) 상면 및 가스 유입 부재(320)의 하면과 접촉할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 실링 부재(325)가 배치되는 위치는 다양하게 변경될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 실링 부재(325)의 적어도 일부는 샤워헤드(310) 내부에 매립되고 일부가 노출되어 기판 유입 부재(320)와 접촉할 수 있다.
도 7 및 도 4를 참조할 때, 샤워헤드(310)는 코팅층(310B)을 포함함에 따라, 서셉터의 온도를 하향 및 상향시키는 구간을 제거하고 세정 공정에서 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 샤워헤드(310)는 금속 복합 재료(MMC)를 포함함에 따라, 금속 물질과 유사한 열전도성을 가지면서도 불화 알루미늄(AlF)을 포함하는 코팅층(310B)과의 유사한 열팽창률을 가질 수 있다. 이에 따라, 샤워헤드 바디(310A)와 코팅층(310B) 간의 코팅 박리 문제가 개선될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 도 7의 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈의 변형예들의 부분 확대 단면도이다. 도 8a 및 도 8b는 도 7의 'B' 영역에 대응되는 단면을 도시한다.
도 7 및 도 8a를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(300a)에서, 샤워헤드(310)는 단열 영역(TIR)을 포함할 수 있다. 단열 영역(TIR)은 샤워헤드(310)의 일 부분을 의미할 수 있고, 인접한 영역과 다른 구조를 가진 부분일 수 있다. 샤워헤드(310)는 단열 영역(TIR)에서 빈 공간의 홈 구조를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 단열 영역(TIR)은 샤워헤드(310)의 내측으로 홈(groove)이 형성되어 샤워헤드(310) 상면으로부터 내측으로 파인 홈 구조(GS)를 포함할 수 있다. 홈 구조(GS)는 샤워헤드(310)의 일부를 둘러싸는 환형 형상일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 홈 구조(GS)는 빈공간을 갖거나 에어로 채워질 수 있다.
단열 영역(TIR)은 샤워헤드(310)에서, 온도 조절부(330)와 접촉하는 샤워헤드(310)의 일부분과 실링 부재(325)와 접촉하는 샤워헤드(310)의 일부분 사이의 영역에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 단열 영역(TIR)은 가스 유입 부재(320) 및 샤워헤드(310)가 접촉하는 영역으로부터 수직으로 중첩되는 샤워헤드(310) 내부 영역에 위치할 수 있다. 단열 영역(TIR)은 온도 조절부(330)에 의해 고온 환경으로 유지되는 샤워헤드(310) 내에서 실링 부재(325)로 전달되는 열을 최소화하여 기판 처리 장치(1)의 신뢰성을 개선하고 열화를 방지할 수 있다.
도 7 및 도 8b를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(300b)은 도 8a와 다른 구조의 단열 영역(TIR)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 가스 공급 모듈(300b)에서, 샤워헤드(310)는 단열 영역(TIR)에서 빈 공간의 홈 구조를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 샤워헤드(310)는 단열 영역(TIR) 내부에 배치되는 적어도 하나의 캐비티들(CV)을 포함할 수 있다. 캐비티(CV)는 빈 공간이거나 에어로 채워진 공간일 수 있다. 캐비티(CV)는 홈 구조를 갖는 가스 유입 부재(320)의 하면과 홈 구조를 갖는 샤워헤드(310)의 상면을 브레이징(Brazing) 접합하여 형성한 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 샤워헤드(310)로부터 실링 부재(325)로 전달되는 열은 캐비티(CV)에 의해 감소될 수 있고, 이에 따라, 실링 부재(325)의 특성 열화를 방지할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경과 실시예들의 조합이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
W: 기판 LP: 하부 관통부
UP: 상부 관통부 TIR: 단열 영역
1: 기판 처리 장치 10: 공정 챔버
20: 기판 지지 구조물 30: 샤워헤드 구조물
100(200, 300): 가스 공급 모듈 110: 샤워헤드
110A: 샤워헤드 바디 110B: 코팅층
111: 가스 유입구 112: 복수의 분사구들
120: 절연 부재 125: 실링 부재
130: 온도 조절부 140: 냉각 부재

Claims (10)

  1. 공정 챔버;
    상기 공정 챔버 하부에 배치되고 기판을 수납하는 기판 지지 구조물; 및
    상기 공정 챔버 상부에 배치되어 상기 기판에 공정 가스를 공급하는 가스 공급 모듈을 포함하고,
    상기 가스 공급 모듈은,
    가스 유입구로부터 전달된 가스를 상기 공정 챔버 내부로 전달하도록 구성된 복수의 분사구들을 포함하는 제1 샤워헤드 바디, 및 상기 제1 샤워헤드 바디를 덮고 불화 알루미늄을 포함하는 코팅층을 포함하는 샤워헤드를 포함하고,
    상기 제1 샤워헤드 바디는 금속 복합 재료(MMC, Metal Matrix Composite)를 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 코팅층은 산화 이트륨을 더 포함하는 기판 처리 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 공급 모듈은, 상기 가스 공급 모듈의 온도를 제어하도록 구성되며 히터를 포함하는 온도 조절부를 더 포함하고,
    상기 온도 조절부는 상기 샤워헤드와 접촉하는 기판 처리 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 공급 모듈은 상기 샤워헤드 및 상기 공정 챔버 사이의 절연 부재를 더 포함하고,
    상기 절연 부재는 상기 공정 챔버 및 상기 샤워헤드와 접촉하는 기판 처리 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 가스 공급 모듈의 온도를 제어하도록 구성되며 상기 샤워헤드 상에 배치되는 온도 조절부; 및
    상기 절연 부재와 상기 샤워헤드를 연결하는 실링 부재를 더 포함하는 기판 처리 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 실링 부재는 상기 온도 조절부와 인접하게 배치되고,
    상기 샤워헤드는 상기 온도 조절부와 접촉하는 부분과 상기 실링 부재와 접촉하는 부분 사이에 위치하는 단열 영역(thermal isolation region)을 포함하고,
    상기 샤워헤드는 상기 단열 영역에서, 상기 단열 영역과 인접한 영역들에서보다 폭이 좁은 부분을 포함하는 기판 처리 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 상기 단열 영역에서 상기 샤워헤드 내측을 향하는 방향으로 파인 적어도 하나의 홈들을 포함하는 기판 처리 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 상기 제1 샤워헤드 바디와 접촉하며 금속 물질을 포함하는 제2 샤워헤드 바디를 더 포함하고,
    상기 코팅층은 상기 제1 샤워헤드 바디 및 상기 제2 샤워헤드 바디를 덮는 기판 처리 장치.
  9. 가스 유입구로부터 전달된 가스를 공정 챔버 내부로 전달하도록 구성된 복수의 분사구들을 포함하는 샤워헤드; 및
    상기 샤워헤드의 온도를 조절하는 온도 조절부를 포함하고,
    상기 샤워헤드는 금속 복합 재료(MMC, Metal Matrix Composite)를 포함하는 샤워헤드 바디 및 상기 샤워헤드 바디를 덮고 불화 알루미늄을 포함하는 코팅층을 포함하는 가스 공급 모듈.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 분사구들의 각각은 상기 샤워헤드의 하부영역을 관통하는 홀을 포함하고,
    상기 코팅층은 상기 홀을 덮는 가스 공급 모듈.
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