WO2021025498A1 - 가스 유입 장치 및 이를 이용한 기판 처리 장치 - Google Patents

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WO2021025498A1
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chamber
buffer space
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하윤규
김기범
김종식
조일형
황철주
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주성엔지니어링(주)
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    • H01J37/3244—Gas supply means

Definitions

  • the present invention relates to a gas inlet device and a substrate processing device using the same.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • ALD suppresses gas phase reactions by injecting source gas, purge gas, reaction gas, and purge gas in time division, and induces a self-limited reaction on the surface of the substrate to accurately control the thickness of the thin film. . Therefore, it is possible to uniformly form a thin film on the surface of the particulate structure as well as the capacitor having a large structure level difference. In addition, since the vapor phase reaction is minimized, the density of the thin film is high and the deposition temperature can be lowered. However, despite the fact that ALD can obtain a uniform thin film through a self-control reaction, various process parameters must be carefully controlled to secure a high-quality thin film from ALD.
  • the flow time of the gas injected into the chamber is long, so the reaction gas is injected while the source gas is not sufficiently purged, and there is a risk of transition from the gas phase to the CVD reaction instead of the ALD reaction.
  • the reaction gas is injected while the source gas is not sufficiently purged, and there is a risk of transition from the gas phase to the CVD reaction instead of the ALD reaction.
  • the amount of the source gas physically adsorbed to the substrate is small and the deposition time is long, productivity is deteriorated.
  • An embodiment is to provide a substrate processing apparatus capable of shortening a movement time of a gas flowing into a chamber and at the same time injecting a large amount of gas to secure a deposition rate and thickness uniformity of a thin film.
  • An embodiment includes a gas flow block disposed above a chamber and having a plurality of gas flow paths therein to supply gas to the chamber; A valve assembly coupled to one side of the gas flow block and including a plurality of valves selectively opening and closing at least one of the plurality of gas flow paths; And a gas inlet pipe having one end coupled to the valve assembly and the other end communicating with the chamber, wherein at least one of the plurality of gas passages is disposed adjacent to the gas inlet pipe, and a buffer for filling the gas It provides a gas inlet device provided with a space.
  • the gas may include a process gas and a purge gas, and among the plurality of gas flow paths, a gas flow path for supplying the process gas may be closer to the chamber than a gas flow path for supplying the purge gas.
  • the plurality of gas flow paths may include: a first gas flow path for supplying a process gas; A second gas flow path for supplying a first purge gas; And a third gas flow path for supplying a second purge gas, wherein the third gas flow path may be disposed between the first and second gas flow paths.
  • the buffer space may include: a first buffer space provided in the first gas flow path; And a second buffer space provided in the third gas flow path, wherein at least one of a volume, a length, and a diameter of the first and second buffer spaces may be different from each other.
  • the volume of the second gas flow path may be smaller than the volumes of the first and third gas flow paths.
  • the gas flow block may include a heater for heating the gas flow path.
  • the gas flow block may further include a spacer block for variably adjusting the volume of the gas flow path on at least one side of the buffer space.
  • the deposition rate and thickness uniformity of the thin film are secured.
  • the overall productivity can be maximized.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining another embodiment of the gas flow path illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 3A is an enlarged view of the valve assembly shown in FIG. 1, and FIG. 3B is a view for explaining a gas supply path of a gas inlet device according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a side cross-sectional view of the gas inlet device taken along line a-a' shown in FIG. 1;
  • the substrate processing apparatus according to the embodiment is described using a Cartesian coordinate system, but is not limited thereto. That is, according to the Cartesian coordinate system, the x-axis and the y-axis are orthogonal to each other, but embodiments are not limited thereto, and the x-axis and y-axis may cross each other.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a substrate processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining another embodiment of the gas flow path illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 3A is an enlarged view of the valve assembly shown in FIG. 1, and FIG. 3B is a view for explaining a gas supply path of a gas inlet device according to an exemplary embodiment.
  • the substrate processing apparatus 10 of the present invention may include a process chamber 100 and a gas inlet device 200 communicating with the process chamber 100 to supply gas for processing a substrate. .
  • the process chamber 100 is disposed in a chamber body 110, a lid 120 provided on an upper surface of the chamber body 110, and an inner space formed by the chamber body 110 and the lid 120, and A gas injection unit 130 having a gas injection hole H, a substrate support unit 140 on which a substrate is placed and disposed to face the lid 120 at a predetermined distance, the chamber body 110 and the lid 120 ) And a sealing ring 150 for maintaining airtightness between, and an exhaust pump 160 coupled to the chamber body 110 to discharge particles generated in the process chamber 100 to the outside. can do.
  • the chamber body 110 serves to support the lid 120, and an inner space formed by the chamber body 110 and the lid 120 may be provided as a reaction space for processing a substrate.
  • the lid 120 communicates with the gas inlet device 200 to serve as a passage for introducing a process gas and/or a purge gas for processing a substrate (eg, thin film deposition, photo, etc.) into the process chamber 100.
  • a substrate eg, thin film deposition, photo, etc.
  • the gas injection unit 130 is located under the lid 120, and a plurality of holes H provided in the gas injection unit 130 transfer the gas introduced through the lead 120 to the reaction space S. It plays the role of spin-off.
  • the substrate support 140 serves to support a substrate in the process chamber 100.
  • the process chamber 100 can deposit a thin film having a uniform thickness on a substrate by a process such as atomic layer deposition (ALD) or plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD). have.
  • ALD atomic layer deposition
  • PEALD plasma enhanced atomic layer deposition
  • the process chamber 100 can be applied not only to a single wafer type chamber that processes one substrate, but also a batch type chamber that processes a plurality of substrates.
  • the gas inlet device 200 may include a gas inlet pipe 210, a plurality of gas supply units 220, a gas flow block 230, and a valve assembly 240.
  • the gas inlet pipe 210 may be coupled to at least a portion of the lid 120 to communicate with the process chamber 100.
  • the gas inlet pipe 210 is made of a durable metal material, for example, may be formed of a stainless steel (Steel Use Stainless, SUS) material.
  • the plurality of gas supply units 220 are provided outside the process chamber 100 and supply a process gas (hereinafter, referred to as “first gas” for convenience); A second gas supply unit 223 for supplying a first purge gas (hereinafter, referred to as “second gas” for convenience); And a third gas supply unit 225 supplying a second purge gas (hereinafter, referred to as “third gas” for convenience).
  • the first gas includes a source gas or a reactive gas
  • the second and/or third gas is argon (Ar), helium (He), neon that does not chemically react with the first gas.
  • An inert gas such as (Ne) or nitrogen (N 2 ) may be used.
  • the gas flow block 230 is disposed above the process chamber 100 in which the reaction space S is provided, and includes a first body 231 having a rectangular parallelepiped shape as a whole; A plurality of gas flow paths 233 connected in series with each of the plurality of gas supply units 220 through the inside of the first body 231; And a heater (not shown) that heats at least one of the plurality of gas flow paths 233.
  • First to third inlets 2311a-2311c communicating with the plurality of gas supply units 220 are formed on one side of the first body 231, and first to third inlet ports 2311a-2311c communicating with the valve assembly 240 are formed on the other side. 3 outlets 2313a-2313c may be formed.
  • the first body 231 may be formed of a material having high thermal conductivity, excellent thermal insulation performance, and corrosion resistance to first to third gases.
  • the first body 231 may be provided with at least one of aluminum (Al), stainless steel (Steel Use Stainless, SUS), quartz, and ceramic, but the scope of the present invention Is not necessarily limited thereto.
  • the shape of the first body 231 is not limited to the above, and may be formed in a column shape having a circular or polygonal cross section.
  • the plurality of gas flow paths 233 includes first to third gas flow paths 2331, 2333, 2335 connected to the first to third gas supply units 221, 223, 225, respectively, and the first to third gas
  • the flow paths 2331, 2333, and 2335 may be disposed to be spaced apart from each other in a first direction (y-axis direction) crossing the direction of gas traveling above the lid 120.
  • the third gas flow path 2335 may be provided between the first gas flow path 2331 and the second gas flow path 2333, and the first gas flow path 2331 may be disposed adjacent to the lid 120. . That is, based on the lid 120 of the chamber 100, a first gas flow path 2331, a third gas flow path 2335, and a second gas flow path 2333 are sequentially formed in the first direction, The first gas flow path 2331 is arranged closest to the lid 120, and the second gas flow path 2333 is arranged farthest from the lid 120.
  • the reason is that when the first gas flow path 2331 supplying the process gas is disposed further from the chamber 100 than the second and/or third gas flow paths 2333 and 2335 supplying the purge gas, the first The process gas remaining between the gas flow path 2331 and the second and/or third gas flow paths 2333 and 2335 is not sufficiently purged, and thus particles are accumulated in the gas flow block 200. , This is because the flow path of the first gas flow path 2331 is lengthened, thereby reducing productivity.
  • the second gas flow path 2333 for constantly supplying the second purge gas due to the opening of the second valve 2433 to be described later is more in the chamber 100 than the first and/or third gas flow paths 2331 and 2335. This is because, when disposed close to each other, a clogging phenomenon in the gas flow path 233 may be caused due to a decrease in purge efficiency.
  • the first gas flow path 2331, the third gas flow path 2335, and the second gas flow path 2333 are sequentially arranged as they are closer to the lid 120 of the chamber 100. Gases that can remain in the flow path 233 may be efficiently purged to maximize process efficiency.
  • the first gas flow path 2331 penetrates the inside of the first body 231 in a second direction (x-axis direction) parallel to the traveling direction of the gas between the first inlet 2311a and the first outlet 2313a. Is formed.
  • the first gas flow path 2331 includes a part 2331a disposed adjacent to the gas inlet pipe 210 and the other part 2331b disposed adjacent to the first gas supply unit 221, and the first gas flow path 2331 ) Of the part 2331a and the other part 2331b may have different diameters.
  • a part 2331a of the first gas flow path 2331 may be designed to have a larger diameter than the other part 2331b.
  • a first buffer space 2331a extending outward in a radial direction may be formed.
  • the growth rate of the thin film is determined by the adsorption concentration (amount) of the first gas, and the present invention provides a first buffer space 2331a capable of accommodating a relatively large amount of first gas in the first gas flow path 2331.
  • the growth rate of the thin film may be increased by supplying the first gas of high concentration, which is formed and filled in advance by the opening and closing operation of the valve assembly 240 to be described later, for a predetermined time period.
  • the shape of the first buffer space 2331a may be a stepwise depression with respect to the other portion 2231b of the first gas flow path 2331 (see FIG. 1 ).
  • the shape of the first buffer space 2331a may be inclined so that the diameter gradually increases toward the first outlet 2313a. That is, the first buffer space 2331a may be formed in a tapered shape in which both sides facing each other with respect to the gas traveling direction are inclined (see FIG. 2A ).
  • the volume (or capacity) of the first buffer space 2331a may be determined by the volume of the reaction space S corresponding between the substrate support 140 and the chamber lid 120.
  • the volume ratio of the first gas flow path 2331 provided with the first buffer space 2331a to the volume of the reaction space S may be approximately 1.0 to 2.0, and preferably 1.2. The reason is that when the volume ratio is less than 1.0, the concentration of the first gas flowing into the process chamber 100 cannot satisfy the minimum concentration required for adsorption, so that the step coverage of the thin film is lowered. This is because when the volume ratio is greater than 2.0, a predetermined time-division period required to supply the first gas is lengthened, resulting in a decrease in productivity.
  • a spacer block 235 for variably adjusting the volume of the first gas flow path 2331 may be provided on at least one side of the first buffer space 2331a (see FIG. 2B ).
  • the spacer block 235 has a through hole (not shown) through which the first gas can flow, and may be made of the same material as the first body 231.
  • the second gas flow path 2333 penetrates the inside of the first body 231 in a second direction (x-axis direction) parallel to the traveling direction of the gas between the second inlet 2311b and the second outlet 2313b.
  • the diameter of the second gas flow path 2333 may be constant.
  • the third gas flow path 2335 penetrates the inside of the first body 231 in a second direction (x-axis direction) parallel to the traveling direction of the gas between the third inlet 2311c and the third outlet 2313c. Is formed.
  • the third gas flow path 2335 includes a part 2335a disposed adjacent to the gas inlet pipe 210 and the other part 2335b disposed adjacent to the third gas supply unit 225, and the third gas flow path 2335 ) Of the part (2335a) and the other part (2335b) may have different diameters.
  • a part 2335a of the third gas flow path 2335 may be designed to have a larger diameter than the other part 2335b.
  • a second buffer space 2335a extending outward in a radial direction may be formed.
  • the shape of the second buffer space 2335a may be recessed stepwise in a step shape as described above, or may be formed to be inclined so that the diameter gradually increases toward the third outlet 2313c.
  • the volumes, lengths, or diameters of the first and second buffer spaces 2331a and 2335a may all be the same.
  • the relative volume between the first and second buffer spaces 2331a and 2335a may be determined according to a distance to the lead 120.
  • the volume of the first buffer space 2331a disposed close to the lid 120 among the plurality of buffer spaces 2331a and 2335a is formed to be larger. can do.
  • the volume of the second buffer space 2335a disposed far from the lid 120 among the plurality of buffer spaces 2331a and 2335a may be formed larger. have.
  • the valve assembly 240 may selectively control the supply of the first to third gases based on a control signal from a mass flow controller (not shown) according to time division.
  • the valve assembly 240 includes a second body 241; A plurality of valves 243 attached to the second body 241 to selectively open and close at least one of the plurality of gas flow paths 233; A plurality of flow paths 245 formed through at least one of the inside of each of the second body 241 and the plurality of valves 243; And a heater (not shown) mounted inside the second body 241 to heat at least one of the plurality of flow paths 245.
  • the valve assembly 240 may be coupled to at least one side of the gas flow block 230 so as to be disposed close to the lid 120 communicating with the gas inlet pipe 210.
  • the second body 241 is coupled to the first body 231 by a fastener 250.
  • First to third inlets 2411a-2411c communicating with the first to third gas flow paths 2331, 2333, 2335 are formed on one side of the second body 241, and a plurality of valves 243 are formed on the other side. ) Is attached.
  • one outlet 2413 communicating with the gas inlet pipe 210 is formed under the second body 241.
  • the second body 241 may be made of the same material as the first body 231, for example, aluminum (Al), which has high thermal conductivity, excellent thermal insulation performance, and corrosion resistance to first to third gases. , Stainless steel (Steel Use Stainless, SUS), quartz (Quartz), and may be formed of at least one material of ceramic (ceramic).
  • the plurality of valves 243 includes first to third valves 2431, 2433, 2435 connected in parallel with each other, and the interface between the second body 241 and the plurality of valves 243 is A sealing member (not shown) may be provided to smoothly maintain pressure and airtightness.
  • the first to third valves 2431, 2433 and 2435 selectively open and close at least one of the plurality of gas flow paths 233 so that at least one gas is supplied into the process chamber 100 according to a predetermined cycle. I can.
  • the first valve 2431 controls the flow of the first gas flowing along the first gas flow path 2331.
  • the first valve 2431 is opened so that the first gas can be introduced into the process chamber 100 through the gas inlet pipe 210.
  • the first gas introduced into the process chamber 100 is adsorbed or reacted on the substrate through the gas injection unit 130.
  • the first valve 2431 is closed to prevent further introduction.
  • the first gas may be filled (pile-up, accumulated) in the first buffer space 2331a at a high concentration.
  • the second valve 2433 communicates with the second gas flow path 2333 and can always maintain an open state so that the second gas can always flow into the process chamber 100.
  • the second gas may be used as a carrier gas to increase the transfer efficiency so that the first gas or the third gas is smoothly transported.
  • the third valve 2435 controls the flow of the third gas flowing along the third gas flow path 2335 and is alternately opened and closed with the first valve 2431.
  • the third valve 2435 is closed, and the third gas may be filled in the second buffer space 2335a.
  • the third valve 2435 is opened, and the third gas filled in the second buffer space 2335a is inside the process chamber 100 during a second predetermined time period T2. Is drawn in.
  • the second gas introduced into the process chamber 100 purges the first gas remaining in the gas phase on the substrate.
  • the plurality of flow paths 245 are formed to penetrate at least a portion of the inside of each of the second body 241 and the plurality of valves 243, and communicate between the plurality of gas flow paths 233 and the plurality of valves 243 can do. A more detailed description of this will be described below with reference to FIG. 3.
  • the plurality of flow paths 245 may include first to third flow paths 2451, 2452, 2453 communicating with the first to third gas flow paths 2331, 2333, 2335, respectively; And fourth to sixth flow paths 2454, 2455, and 2456 communicating between the gas inlet pipe 210 and the first to third valves 2431, 2435, and 2433.
  • the first flow path 2451 communicates with the first gas flow path 2331, but extends to a first branch point b1 where the first valve 2431 is installed, and the front surface of the second body 241 and the first valve ( 2431) is formed through a portion of.
  • the second flow path 2452 communicates with the second gas flow path 2333, but extends to a second branch point b2 where the second valve 2435 is installed, and the front surface of the second body 241 and the second valve ( 2435) is formed through a portion of.
  • the third flow path 2453 communicates with the third gas flow path 2335, but extends to a third branch point b3 where the third valve 2433 is installed, and the front surface of the second body 241 and the third valve ( 2433) is formed through a portion of.
  • the fourth to sixth flow paths 2454-2456 may be staggered in a zigzag shape inside each of the second body 241 and the plurality of valves 243 in order to efficiently use the space.
  • the fourth flow path 2454 passes through a portion of the inside of the second body 241 and the second valve 2435, but has a U-shaped shape to connect between the second flow path 2452 and the third flow path 2453. Or it is formed in a V-shape.
  • the fifth flow path 2455 passes through a portion of the inside of the second body 241 and the third valve 2433, but has a U-shaped shape to connect between the third flow path 2453 and the first flow path 2451 Or it is formed in a V-shape.
  • the sixth flow path 2456 penetrates a portion of the inside of the second body 241 and the first valve 2431, but partially bent to connect the first flow path 2451 and the gas inlet pipe 210 Is formed in the form of
  • a high-concentration first gas filled in the first buffer space 2331a Is introduced into the gas inlet pipe 210 through the first and sixth flow paths 2451 and 2456.
  • the second valve 2435 which is maintained in the normally open state, allows the flow of the second gas so that the first gas is smoothly transported, and the second gas is the second, fourth, and fifth flow paths 2452, 2454, and 2455) is introduced into the gas inlet pipe 210 while being joined with the first gas at the first branch point b1.
  • the third valve 2435 is closed during the first time period T1, and the third gas is filled in the second buffer space 2335a.
  • the third gas filled in the second buffer space 2335a is the third, fifth, and sixth flow paths 2453, 2455, and 2456.
  • the second valve 2435 which is maintained in a normally open state, allows the flow of the second gas so that the third gas is smoothly transported, and the second gas passes through the second and fourth flow paths 2452 and 2454. It is introduced into the gas inlet pipe 210 while being joined with the third gas at the branch point b3.
  • the first valve 2431 is closed, and the first gas having a high concentration is filled in the first buffer space 2331a.
  • the gas inlet device 200 leads the first gas flow path 2331 so that the flow path of the first gas contributing to thin film formation among the flow paths of the first to third gases is set to the shortest distance ( 120) can be placed close to.
  • a plurality of valves 243 selectively blocking the flow of gas are disposed between the lid 120 and the gas flow block 230 so that gas is pre-filled in the resting period and the gas required in each process step can be immediately supplied. can do.
  • buffer spaces 2331a and 2335a capable of accommodating a large amount of gas are formed in at least one of the plurality of gas flow paths 233 so as to increase adsorption, reaction, or purge efficiency, and the process (or purge) time
  • the buffer spaces 2331a and 2335a may be disposed adjacent to the gas inlet pipe 210. Accordingly, the deposition rate and thickness uniformity of the thin film can be secured, and overall productivity can be maximized.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the gas inlet device taken along line a-a' shown in FIG. 1.
  • a heater 237 for heating at least one of a plurality of gas flow paths 233 may be provided on the surface and/or inside of the gas flow block 230.
  • the heater 237 may supply predetermined heat so that at least one of the first to third gases flowing through the plurality of gas flow paths 233 maintain a constant temperature.
  • the heater 237 may be formed as a planar heating element having a uniform luck distribution so that the heating portion is evenly distributed over the entire area.
  • a conventional heater (not shown) is formed in a shape that surrounds the outside of a gas line (not shown) having a conduit shape, and accordingly, the heat transfer path through which the gas is conducted is lengthened, reducing efficiency, and heat is transferred to the gas line.
  • the temperature of the gas is maintained uniformly because it is delivered locally to (not shown).
  • a phase change of the gas is caused to cause clogging of a gas line (not shown) and defective particles, which adversely affects the quality or productivity of the thin film to be manufactured.
  • the heater 237 may be formed to be embedded (or buried) inside the gas flow block 200.
  • the heat supplied from the heater 237 is entirely conducted to the first body 231 so that the temperature of the gas moving along the gas flow path 233 is uniform. Can be maintained.
  • a separate gas line (not shown) is omitted, it is located closer to the gas, so that the heat transfer efficiency can be improved.
  • the heater 237 is disposed radially outwardly from the gas flow path 233 inside the first body 231 and spaced apart by a predetermined interval, and formed to have a corresponding shape along the circumference of the gas flow path 233
  • the scope of the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the heater 237 may be disposed on the surface of the first body 231, and may be formed only in one section of the gas flow path 233 rather than the entire section.
  • the heater 237 is installed in all of the first to third gas flow paths 233 (2331, 2333, 2335), and may include a plurality of heaters formed along the circumference of each gas flow path 233.
  • the plurality of heaters may be controlled at the same temperature, but may be controlled at different temperatures to maintain a suitable temperature for each process step (adsorption, purge, reaction process, etc.).
  • a heater adjacent to the first gas flow path 2331 requiring pyrolysis or chemical reaction may be controlled to a higher temperature than other heaters.
  • the heater 237 may be installed only in some of the first to third gas flow paths 2331, 2333, and 2335 to heat only a specific gas flow path.
  • the heater 237 may be disposed between the first to third gas flow paths 2331, 2333, and 2335 to simultaneously heat the adjacent gas flow path 233. Accordingly, a temperature difference between the plurality of gas flow paths 233 may be minimized.
  • the heater 237 provided on the surface and/or inside of the first body 231 adjusts the temperature of the gas flowing along the gas flow path 233 to increase the reaction efficiency inside the process chamber 100 and cool It is possible to prevent in advance that an abnormal reaction is caused by, for example.
  • the above-described heater 237 may be equally applied to the surface and/or the interior of the valve assembly 240 and may heat at least one of the first to third gases flowing through the plurality of flow paths 245. However, in order to avoid overlapping descriptions of the same content, a description thereof will be omitted.
  • the substrate processing apparatus may be used in a process of manufacturing a flat display device and a solar cell, in addition to a process of depositing a thin film on a substrate of a semiconductor device.

Abstract

일 실시 예에 의한 가스 유입 장치는 챔버의 상부에 배치되고, 상기 챔버로 가스를 공급하기 위해 내부에 복수의 가스 유로를 갖는 가스 유동 블록; 상기 가스 유동 블록의 일 측면에 결합되고, 상기 복수의 가스 유로 중 적어도 하나를 선택적으로 개폐하는 복수의 밸브가 구비된 밸브 어셈블리; 및 일단은 상기 밸브 어셈블리와 결합되고, 타단은 상기 챔버와 연통하는 가스 유입관;을 포함하고, 상기 복수의 가스 유로 중 적어도 하나에는 상기 가스 유입관과 인접하여 배치되고 상기 가스를 충진하기 위한 버퍼 공간이 구비될 수 있다.

Description

가스 유입 장치 및 이를 이용한 기판 처리 장치
본 발명은 가스 유입 장치 및 이를 이용한 기판 처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하기 위해서는 스퍼터링(sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리기상증착법(physical vapor deposition, PVD)과 화학 반응을 이용하는 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등을 이용한 박막 제조 방법이 사용된다.
반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐으로써 미세 패턴의 박막이 요구되었고 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커지게 되었다. 이에 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 원자층증착방법(atomic layer deposition, ALD)의 사용이 증대되고 있다.
ALD는 소스가스, 퍼지가스, 반응가스, 및 퍼지가스를 시분할로 주입하여 기상 반응을 억제하고, 기판의 표면에서 이루어지는 자기제어 반응(Self-limited reaction)을 유도하여 박막의 두께를 정확히 조절할 수 있다. 따라서, 구조의 단차가 큰 커패시터 뿐 아니라 미립자 구조의 표면 등에도 균일하게 박막을 형성할 수 있다. 또한, 기상 반응을 최소화하기 때문에 박막의 밀도가 높으며 증착 온도를 낮출 수 있는 특징을 갖는다. 그런데 ALD가 자기제어 반응으로 균일한 박막을 얻을 수 있다는 점에서 각광을 얻고 있음에도 불구하고, ALD로부터 고품질의 박막을 확보하기 위해서는 다양한 공정 파라미터들이 주의 깊게 제어되어야만 한다.
특히, 기존의 원자층 증착 장치는 챔버의 내부로 주입되는 가스의 유동 시간이 길어 소스가스가 충분히 퍼징되지 않은 상태에서 반응가스가 주입되는 등 ALD 반응 대신에 기상에서 CVD 반응으로 천이될 우려가 있으며, 이로 인해 박막의 균일한 두께를 확보할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 소스가스가 기판에 물리적으로 흡착되는 양이 적고, 증착 시간이 오래 걸리므로 생산성이 저하되는 문제를 초래한다.
실시 예는 챔버 내부로 유입되는 가스의 이동 시간을 단축함과 동시에 다량의 가스를 주입시켜 박막의 증착속도와 두께 균일성을 확보할할 수 있는 기판 처리 장치를 제공하기 위한 것이다.
실시 예에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시 예는 챔버의 상부에 배치되고, 상기 챔버로 가스를 공급하기 위해 내부에 복수의 가스 유로를 갖는 가스 유동 블록; 상기 가스 유동 블록의 일 측면에 결합되고, 상기 복수의 가스 유로 중 적어도 하나를 선택적으로 개폐하는 복수의 밸브가 구비된 밸브 어셈블리; 및 일단은 상기 밸브 어셈블리와 결합되고, 타단은 상기 챔버와 연통하는 가스 유입관;을 포함하고, 상기 복수의 가스 유로 중 적어도 하나에는 상기 가스 유입관과 인접하여 배치되고 상기 가스를 충진하기 위한 버퍼 공간이 구비되는 가스 유입 장치를 제공한다.
상기 가스는 공정가스와 퍼지가스를 포함하고, 상기 복수의 가스 유로 중 상기 공정가스를 공급하는 가스 유로가 상기 퍼지가스를 공급하는 가스 유로보다 상기 챔버에 인접할 수 있다.
상기 복수의 가스 유로는, 공정 가스를 공급하는 제1 가스 유로; 제1 퍼지 가스를 공급하는 제2 가스 유로; 및 제2 퍼지 가스를 공급하는 제3 가스 유로;를 포함하고, 상기 제3 가스 유로는 상기 제1 및 제2 가스 유로 사이에 배치될 수 있다.
상기 버퍼 공간은, 상기 제1 가스 유로에 구비된 제1 버퍼 공간; 및 상기 제3 가스 유로에 구비된 제2 버퍼 공간;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 버퍼 공간은 체적, 길이, 및 직경 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
상기 제2 가스 유로의 체적은 상기 제1 및 제3 가스 유로의 체적보다 작을 수 있다.
상기 가스 유동 블록은, 상기 가스 유로를 가열하는 히터;를 포함할 수 있다.
상기 가스 유동 블록은, 버퍼 공간의 적어도 일 측에는 가스 유로의 체적을 가변적으로 조절하기 위한 스페이서 블록;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 의하면, 가스 유로 내에 다량의 가스를 수용할 수 있는 버퍼 공간을 형성하고, 밸브를 챔버의 통로에 인접하여 배치함에 따라, 박막의 증착속도와 두께 균일성을 확보하고 전체적인 생산성을 극대화할 수 있다.
본 실시 예에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 가스 유로의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a)는 도 1에 도시된 밸브 어셈블리의 확대도이고, (b)는 일 실시 예에 따른 가스 유입 장치의 가스 공급 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 a-a'선을 따라 절취한 가스 유입 장치의 측 단면도이다.
이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 또한, 이하에서 이용되는 "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
이하, 실시 예에 의한 기판 처리 장치를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 실시 예에 의한 기판 처리 장치는 데카르트 좌표계를 이용하여 설명하지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 즉, 데카르트 좌표계에 의하면 x축 및 y축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 아니하고 x축 및 y축이 서로 교차할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 가스 유로의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a)는 도 1에 도시된 밸브 어셈블리의 확대도이고, (b)는 일 실시 예에 따른 가스 유입 장치의 가스 공급 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 기판 처리 장치(10)는 공정 챔버(100) 및 상기 공정 챔버(100)와 연통하여 기판 처리를 위한 가스를 공급하는 가스 유입 장치(200)를 포함할 수 있다.
공정 챔버(100)는 챔버 바디(110), 상기 챔버 바디(110)의 상면에 구비되는 리드(120), 상기 챔버 바디(110)와 상기 리드(120)에 의하여 형성된 내부 공간에 배치되며 복수의 가스 분사 홀(H)이 구비되는 가스 분사부(130), 기판이 안치되고 상기 리드(120)와 일정한 간격을 두고 대향 배치되는 기판 지지부(140), 상기 챔버 바디(110)와 상기 리드(120) 사이에 기밀을 유지하기 위한 밀폐링(150), 및 상기 챔버 바디(110)에 결합되어 상기 공정 챔버(100) 내부에 발생된 파티클(particle)을 외부로 배출하는 배기 펌프(160)를 포함할 수 있다.
챔버 바디(110)는 상기 리드(120)를 지지하는 역할을 수행하며, 챔버 바디(110)와 리드(120)에 의하여 형성된 내부 공간은 기판 처리를 위한 반응 공간으로 제공될 수 있다.
리드(120)는 가스 유입 장치(200)와 연통되어 기판 처리(예컨대, 박막 증착, 포토 등)를 위한 공정 가스 및/또는 퍼지 가스를 공정 챔버(100) 내부로 유입하기 위한 통로 역할을 수행할 수 있다.
가스 분사부(130)는 상기 리드(120)의 하부에 위치하며, 가스 분사부(130) 내에 구비된 다수의 홀(H)은 리드(120)를 통해 유입된 가스를 반응 공간(S)으로 분사하는 역할을 한다.
기판 지지부(140)는 공정 챔버(100) 내에서 기판을 지지하는 역할을 수행한다.
상기 공정 챔버(100)는 원자층박막증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 또는 플라즈마 원자층박막증착(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition, PEALD) 등의 공정에 의해 기판 상에 균일한 두께의 박막을 증착할 수 있다.
또한, 비록 도시하지는 아니하였지만, 상기 공정 챔버(100)는 하나의 기판을 처리하는 매엽식 챔버 뿐만 아니라 복수의 기판을 처리하는 배치식 챔버에도 적용이 가능하다.
가스 유입 장치(200)는 가스 유입관(210), 복수의 가스 공급부(220), 가스 유동 블록(230), 및 밸브 어셈블리(240)을 포함할 수 있다.
가스 유입관(210)은 리드(120)의 적어도 일 부분에 결합되어 공정 챔버(100)와 연통할 수 있다. 이때, 가스 유입관(210)은 내구성이 강한 금속 물질로 이루어지며, 일 예로 스테인리스 스틸(Steel Use Stainless, SUS) 재질로 형성될 수 있다.
복수의 가스 공급부(220)는 공정 챔버(100)의 외부에 구비되며, 공정 가스(이하, 편의상 '제1 가스'라 칭한다)를 공급하는 제1 가스 공급부(221); 제1 퍼지(purge) 가스(이하, 편의상 '제2 가스'라 칭한다)를 공급하는 제2 가스 공급부(223); 및 제2 퍼지(purge) 가스(이하, 편의상 '제3 가스'라 칭한다)를 공급하는 제3 가스 공급부(225);를 포함할 수 있다. 이때, 제1 가스는 소스(source) 가스 또는 반응(reactant) 가스를 포함하며, 제2 및/또는 제3 가스로는 제1 가스와 화학적으로 반응하지 않는 아르곤(Ar), 헬륨(He), 네온(Ne) 등의 불활성 기체 또는 질소(N2)가 사용될 수 있다.
가스 유동 블록(230)은 반응 공간(S)이 구비된 공정 챔버(100)의 상부에 배치되며, 전체적으로 직육면체 형상으로 이루어진 제1 몸체(231); 제1 몸체(231)의 내부를 관통하여 복수의 가스 공급부(220) 각각과 직렬 접속되는 복수의 가스 유로(233); 및 복수의 가스 유로(233) 중 적어도 하나를 가열하는 히터(미도시)를 포함할 수 있다.
제1 몸체(231)의 일 측면에는 복수의 가스 공급부(220)와 연통하는 제1 내지 제3 유입구(2311a-2311c)가 형성되고, 타 측면에는 밸브 어셈블리(240)와 연통하는 제1 내지 제3 유출구(2313a-2313c)가 형성될 수 있다.
이때, 제1 몸체(231)는 열 전도도가 높고, 단열 성능이 우수하며, 제1 내지 제3 가스에 대해서 내부식성을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 몸체(231)는 알루미늄(Al), 스테인리스 스틸(Steel Use Stainless, SUS), 석영(Quartz), 및 세라믹(ceramic) 중 적어도 하나의 재질로 구비될 수 있으나 본 발명의 범주가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 제1 몸체(231)의 형상은 전술한 바에 국한되지 아니하고, 원형 또는 다각형의 단면을 갖는 기둥 형상으로 이루어질 수도 있다.
복수의 가스 유로(233)는 제1 내지 제3 가스 공급부 각각(221, 223, 225)과 연결되는 제1 내지 제3 가스 유로(2331, 2333, 2335)를 포함하며, 제1 내지 제3 가스 유로(2331, 2333, 2335)는 리드(120)의 상부에서 가스의 진행 방향과 교차하는 제1 방향(y축 방향)으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
이때, 제3 가스 유로(2335)는 제1 가스 유로(2331)와 제2 가스 유로(2333) 사이에 구비되며, 제1 가스 유로는(2331)는 리드(120)와 인접하여 배치될 수 있다. 즉, 챔버(100)의 리드(120)를 기준으로, 상기 제1 방향으로 제1 가스 유로(2331), 제3 가스 유로(2335), 및 제2 가스 유로(2333)가 순차적으로 형성되며, 제1 가스 유로(2331)는 리드(120)로부터 가장 가까이 배치되고, 제2 가스 유로(2333)는 리드(120)로부터 가장 멀리 배치된다.
그 이유는, 공정 가스를 공급하는 제1 가스 유로(2331)가 퍼지 가스를 공급하는 제2 및/또는 제3 가스 유로(2333, 2335)보다 챔버(100)로부터 더 멀리 배치될 경우, 제1 가스 유로(2331)와 제2 및/또는 제3 가스 유로(2333, 2335) 사이에 잔존하는 공정 가스가 충분히 퍼지(purge)되지 아니하여 가스 유동 블록(200) 내부에 파티클(particle)이 축적되고, 제1 가스 유로(2331)의 유동 경로가 길어져 생산성이 저하되기 때문이다.
또한, 후술하는 제2 밸브(2433)의 개방으로 제2 퍼지 가스를 상시 공급하는 제2 가스 유로(2333)가 제1 및/또는 제3 가스 유로(2331, 2335)보다 챔버(100)에 더 가까이 배치될 경우, 퍼지(purge) 효율의 저하로 인하여 가스 유로(233) 내부의 막힘 현상이 초래될 수 있기 때문이다.
이에, 본 발명은 챔버(100)의 리드(120)에 인접할수록, 제1 가스 유로(2331), 제3 가스 유로(2335), 및 제2 가스 유로(2333)를 순차로 배치함으로써 각각의 가스 유로(233) 내에 잔존 가능한 가스들을 효율적으로 퍼지(purge)하여 공정 효율을 극대화시킬 수 있다. 제1 가스 유로(2331)는 제1 유입구(2311a)와 제1 유출구(2313a) 사이에서 가스의 진행 방향과 평행한 제2 방향(x축 방향)으로 제1 몸체(231)의 내부를 관통하여 형성된다.
제1 가스 유로(2331)는 가스 유입관(210)과 인접하여 배치되는 일부(2331a) 및 제1 가스 공급부(221)와 인접하여 배치되는 타부(2331b)를 포함하며, 제1 가스 유로(2331)의 일부(2331a)와 타부(2331b)는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 가스 유로(2331)의 일부(2331a)는 타부(2331b)보다 더 큰 직경을 갖도록 설계될 수 있다.
제1 가스 유로(2331)의 일부(2331a)에는 제1 가스 공급부(231)로부터 제공되는 제1 가스를 고농도로 충진(pile-up)하기 위해, 제1 가스 유로(2331)의 타부(2331b)에 대하여 반경방향(radial direction) 외측으로 확장되는 제1 버퍼 공간(2331a)이 형성될 수 있다.
박막의 성장속도는 제1 가스의 흡착 농도(량)에 의해 결정되며, 본 발명은 제1 가스 유로(2331) 내에 상대적으로 다량의 제1 가스를 수용할 수 있는 제1 버퍼 공간(2331a)을 형성하고, 후술하는 밸브 어셈블리(240)의 개폐 동작에 의해 미리 충진된 고농도의 제1 가스를 소정의 시 주기 동안 공급함으로써 박막의 성장속도를 증대시킬 수 있다.
일 례에 따르면, 제1 버퍼 공간(2331a)의 형상은 계1 가스 유로(2331)의 타부(2231b)에 대하여 계단 모양으로 단차지게 함몰된 형태일 수 있다(도 1 참조).
다른 례에 따르면, 제1 버퍼 공간(2331a)의 형상은 제1 유출구(2313a)로 향할수록 직경이 점차 증가되도록 경사진 형태일 수 있다. 즉, 제1 버퍼 공간(2331a)은 가스 진행 방향에 대하여 서로 마주보는 양 측면이 경사진 테이퍼(taper) 형상으로 형성될 수도 있다(도 2의 (a) 참조).
한편, 제1 버퍼 공간(2331a)의 체적(또는, 용량)은 기판 지지부(140)와 챔버 리드(120) 사이에 대응하는 반응 공간(S)의 체적에 의해 결정될 수 있다.
반응 공간(S)의 체적 대비 제1 버퍼 공간(2331a)이 구비된 제1 가스 유로(2331)의 체적 비율은 대략 1.0 내지 2.0일 수 있으며, 바람직하게는 1.2일 수 있다. 그 이유는, 상기 체적 비율이 1.0 보다 작을 경우 공정 챔버(100)의 내부로 유입되는 제1 가스의 농도는 흡착에 필요한 최소 농도를 만족할 수 없어 박막의 스텝 커버리지(step coverage)가 저하되고, 상기 체적 비율이 2.0 보다 클 경우 제1 가스를 공급하는데 소요되는 소정의 시분할 주기가 길어져 생산성이 저하되기 때문이다.
이에, 제1 버퍼 공간(2331a)의 적어도 일 측에는 제1 가스 유로(2331)의 체적을 가변적으로 조절하기 위한 스페이서 블록(235)이 구비될 수 있다(도 2의 (b) 참조). 스페이서 블록(235)은 내부에 제1 가스가 유동할 수 있는 관통 홀(미도시)이 형성되고, 제1 몸체(231)와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
제2 가스 유로(2333)는 제2 유입구(2311b)와 제2 유출구(2313b) 사이에서 가스의 진행 방향과 평행한 제2 방향(x축 방향)으로 제1 몸체(231)의 내부를 관통하여 형성되며, 이때 제2 가스 유로(2333)의 직경은 일정할 수 있다.
제3 가스 유로(2335)는 제3 유입구(2311c)와 제3 유출구(2313c) 사이에서 가스의 진행 방향과 평행한 제2 방향(x축 방향)으로 제1 몸체(231)의 내부를 관통하여 형성된다.
제3 가스 유로(2335)는 가스 유입관(210)과 인접하여 배치되는 일부(2335a) 및 제3 가스 공급부(225)과 인접하여 배치되는 타부(2335b)를 포함하며, 제3 가스 유로(2335)의 일부(2335a)와 타부(2335b)는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 제3 가스 유로(2335)의 일부(2335a)는 타부(2335b)보다 더 큰 직경을 갖도록 설계될 수 있다.
제3 가스 유로(2335)의 일부(2335a)에는 제3 가스 공급부(225)으로부터 제공되는 제3 가스를 충진(pile-up)하기 위해, 제3 가스 유로(2335)의 타부(2335b)에 대하여 반경방향(radial direction) 외측으로 확장되는 제2 버퍼 공간(2335a)이 형성될 수 있다. 이때, 제2 버퍼 공간(2335a)의 형상은 전술한 바와 같이 계단 모양으로 단차지게 함몰되거나 또는 제3 유출구(2313c)로 향할수록 직경이 점차 증가되도록 경사지게 형성될 수 있다.
그리고, 제1 및 제2 버퍼 공간(2331a, 2335a)의 체적, 길이, 또는 직경은 모두 동일할 수 있다.
또는, 제1 및 제2 버퍼 공간(2331a, 2335a)의 체적, 길이, 및 직경 중 적어도 하나는 서로 다를 수도 있다. 여기서, 제1 및 제2 버퍼 공간(2331a, 2335a) 간의 상대적인 체적은 리드(120)와의 거리에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 기판에 흡착 또는 반응하는 제1 가스의 성장 속도를 증대시키기 위해, 복수의 버퍼 공간(2331a, 2335a) 중 리드(120)에 가까이 배치된 제1 버퍼 공간(2331a)의 체적을 더 크게 형성할 수 있다. 반대로, 퍼지(purge) 시간을 단축시켜 전체적인 생산성을 향상시키기 위해, 복수의 버퍼 공간(2331a, 2335a) 중 리드(120)에 멀리 배치된 제2 버퍼 공간(2335a)의 체적을 더 크게 형성할 수도 있다.
밸브 어셈블리(240)는 유량 제어기(mass flow controller, 미도시)의 제어 신호를 토대로 제1 내지 제3 가스의 공급을 시분할에 따라 선택적으로 제어할 수 있다.
밸브 어셈블리(240)는 제2 몸체(241); 제2 몸체(241)에 부착되어 복수의 가스 유로(233) 중 적어도 하나를 선택적으로 개폐하는 복수의 밸브(243); 제2 몸체(241)와 복수의 밸브(243) 각각의 내부 중 적어도 일 부분을 관통하여 형성된 복수의 유로(245); 및 제2 몸체(241)의 내부에 실장되어 복수의 유로(245) 중 적어도 하나를 가열하는 히터(미도시)를 포함할 수 있다.
밸브 어셈블리(240)는 가스 유입관(210)과 연통하는 리드(120)에 가깝게 배치되도록, 가스 유동 블록(230)의 적어도 일 측면에 결합될 수 있다.
제2 몸체(241)는 체결구(250)에 의해 제1 몸체(231)와 결합된다. 제2 몸체(241)의 일 측면에는 제1 내지 제3 가스 유로(2331, 2333, 2335)와 연통하는 제1 내지 제3 유입구(2411a-2411c)가 형성되고, 타 측면에는 복수의 밸브(243)가 부착된다. 또한, 제2 몸체(241)의 하부에는 가스 유입관(210)과 연통하는 하나의 유출구(2413)가 형성된다.
제2 몸체(241)는 제1 몸체(231)와 동일한 재질로 이루어질 수 있으며, 일 예로, 열 전도도가 높고 단열 성능이 우수하며 제1 내지 제3 가스에 대해서 내부식성을 갖는, 알루미늄(Al), 스테인리스 스틸(Steel Use Stainless, SUS), 석영(Quartz), 및 세라믹(ceramic) 중 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다.
복수의 밸브(243)는 서로 병렬 접속되는 제1 내지 제3 밸브(2431, 2433, 2435)를 포함하고, 제2 몸체(241)와 복수의 밸브(243)가 접촉하는 경계면에는 유동하는 가스의 압력과 기밀을 원활하게 유지하도록 실링 부재(미도시)가 구비될 수 있다.
제1 내지 제3 밸브(2431, 2433, 2435)는 적어도 하나의 가스가 정해진 사이클(cycle)에 따라 공정 챔버(100) 내부로 공급되도록 복수의 가스 유로(233) 중 적어도 하나를 선택적으로 개폐할 수 있다.
제1 밸브(2431)는 제1 가스 유로(2331)를 따라 유동하는 제1 가스의 흐름을 제어한다. 기판 처리 공정이 실행되면, 제1 밸브(2431)는 제1 가스가 가스 유입관(210)을 통해 공정 챔버(100) 내부로 인입될 수 있도록 개방된다. 공정 챔버(100) 내부로 인입된 제1 가스는 가스 분사부(130)를 통해 기판 상에 흡착 또는 반응한다. 그리고, 제1 가스가 소정의 제1 시 주기(T1) 동안 공급된 후에 더 이상의 인입을 방지하기 위해 제1 밸브(2431)는 폐쇄된다. 제1 밸브(2431)가 폐쇄되면 제1 가스는 제1 버퍼 공간(2331a) 내에 고농도로 충진(pile-up, 축적)될 수 있다.
제2 밸브(2433)는 제2 가스 유로(2333)와 연통하고, 제2 가스가 공정 챔버(100) 내부로 상시 유입될 수 있도록 항상 개방 상태를 유지할 수 있다. 이때, 제2 가스는 제1 가스 또는 제3 가스가 원활히 운반되도록 이송 효율을 증대시키는 캐리어 가스로 사용될 수 있다.
제3 밸브(2435)는 제3 가스 유로(2335)를 따라 유동하는 제3 가스의 흐름을 제어하며, 제1 밸브(2431)와 교번적으로 개폐된다. 제1 가스가 공급되는 소정의 제1 시 주기(T1) 동안 제3 밸브(2435)는 폐쇄되며 제2 버퍼 공간(2335a) 내에 제3 가스가 충진될 수 있다. 이후, 제1 가스의 공급이 중단되면, 제3 밸브(2435)는 개방되며 제2 버퍼 공간(2335a) 내에 충진된 제3 가스는 소정의 제2 시 주기(T2) 동안 공정 챔버(100) 내부로 인입된다. 공정 챔버(100) 내부로 인입된 제2 가스는 기판 상에 기상으로 잔존하는 제1 가스를 퍼지한다.
복수의 유로(245)는 제2 몸체(241)와 복수의 밸브(243) 각각의 내부 중 적어도 일 부분을 관통하여 형성되며, 복수의 가스 유로(233)와 복수의 밸브(243) 사이를 연통할 수 있다. 이에 대한 보다 상세한 설명은 도 3을 참조하여 이하에서 설명하기로 한다.
도 3의 (a)를 참조하면, 복수의 유로(245)는 제1 내지 제3 가스 유로(2331, 2333, 2335) 각각과 연통하는 제1 내지 제3 유로(2451, 2452, 2453); 및 가스 유입관(210)과 제1 내지 제3 밸브(2431, 2435, 2433) 사이를 연통하는 제4 내지 제6 유로(2454, 2455, 2456);를 포함할 수 있다.
제1 유로(2451)는 제1 가스 유로(2331)와 연통하되, 제1 밸브(2431)가 설치되는 제1 분기점(b1)까지 연장되며, 제2 몸체(241)의 전면과 제1 밸브(2431)의 일 부분을 관통하여 형성된다.
제2 유로(2452)는 제2 가스 유로(2333)와 연통하되, 제2 밸브(2435)가 설치되는 제2 분기점(b2)까지 연장되며, 제2 몸체(241)의 전면과 제2 밸브(2435)의 일 부분을 관통하여 형성된다.
제3 유로(2453)는 제3 가스 유로(2335)와 연통하되, 제3 밸브(2433)가 설치되는 제3 분기점(b3)까지 연장되며, 제2 몸체(241)의 전면과 제3 밸브(2433)의 일 부분을 관통하여 형성된다.
제4 내지 제6 유로(2454-2456)는 공간을 효율적으로 사용하기 위해 제2 몸체(241) 및 복수의 밸브(243) 각각의 내부에서 지그재그 형태로 엇갈리게 배치될 수 있다.
제4 유로(2454)는 제2 몸체(241) 및 제2 밸브(2435)의 내부 중 일 부분을 관통하되, 제2 유로(2452)와 제3 유로(2453) 사이를 연결하기 위해 U자 형상 또는 V자 형상으로 형성된다.
제5 유로(2455)는 제2 몸체(241) 및 제3 밸브(2433)의 내부 중 일 부분을 관통하되, 제3 유로(2453)와 제1 유로(2451) 사이를 연결하기 위해 U자 형상 또는 V자 형상으로 형성된다.
제6 유로(2456)는 제2 몸체(241) 및 제1 밸브(2431)의 내부 중 일 부분을 관통하되, 제1 유로(2451)와 가스 유입관(210) 사이를 연결하기 위해 일부가 절곡된 형태로 형성된다.
도 3의 (a)와 (b)를 함께 참조하면, 소정의 제1 시 주기(T1) 동안 제1 밸브(2431)가 개방되면, 제1 버퍼 공간(2331a)에 충진된 고농도의 제1 가스는 제1 및 제6 유로(2451, 2456)를 통해 가스 유입관(210)으로 인입된다. 이때, 상시 개방 상태를 유지하는 제2 밸브(2435)는 제1 가스가 원활히 운반되도록 제2 가스의 흐름을 허용하며, 제2 가스는 제2, 제4, 및 제5 유로(2452, 2454, 2455)를 거쳐 제1 분기점(b1)에서 제1 가스와 합류된 채로 가스 유입관(210)에 인입된다. 이때, 제1 시 주기(T1) 동안 제3 밸브(2435)는 폐쇄되고, 제2 버퍼 공간(2335a) 내에 제3 가스가 충진된다.
소정의 제2 시 주기(T2) 동안 제3 밸브(2433)가 개방되면, 제2 버퍼 공간(2335a)에 충진된 제3 가스는 제3, 제5, 및 제6 유로(2453, 2455, 2456)를 통해 가스 유입관(210)으로 인입된다. 이때, 상시 개방 상태를 유지하는 제2 밸브(2435)는 제3 가스가 원활히 운반되도록 제2 가스의 흐름을 허용하며, 제2 가스는 제2 및 제4 유로(2452, 2454)를 거쳐 제3 분기점(b3)에서 제3 가스와 합류된 채로 가스 유입관(210)에 인입된다. 이때, 제2 시 주기(T2) 동안 제1 밸브(2431)는 폐쇄되고, 제1 버퍼 공간(2331a) 내에 고농도의 제1 가스가 충진된다.
일 실시 예에 따른 가스 유입 장치(200)는, 제1 내지 제3 가스의 유동 경로 중 박막 형성에 기여하는 제1 가스의 유동 경로가 최단 거리로 설정되도록 제1 가스 유로(2331)를 리드(120)에 가까이 배치할 수 있다. 또한, 휴지기에 가스를 미리 충진하고 각 공정 단계에서 필요한 가스를 즉시 공급할 수 있도록, 가스의 흐름을 선택적으로 차단하는 복수의 밸브(243)를 리드(120)와 가스 유동 블록(230) 사이에 배치할 수 있다.
그리고, 흡착, 반응, 또는 퍼지 효율이 증대되도록 복수의 가스 유로(233) 중 적어도 하나에 다량의 가스를 수용할 수 있는 버퍼 공간(2331a, 2335a)을 형성하고, 공정(또는, 퍼지) 시간의 단축을 위해 버퍼 공간(2331a, 2335a)을 가스 유입관(210)에 인접하여 배치할 수 있다. 이에 따라, 박막의 증착속도와 두께 균일성을 확보하고, 전체적인 생산성을 극대화할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 a-a'선을 따라 절취한 가스 유입 장치의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 가스 유동 블록(230)의 표면 및/또는 내부에는 복수의 가스 유로(233) 중 적어도 하나를 가열하는 히터(heater, 237)가 구비될 수 있다.
히터(237)는 복수의 가스 유로(233)를 유동하는 제1 내지 제3 가스 중 적어도 하나가 일정한 온도를 유지하도록 소정의 열을 공급할 수 있다. 히터(237)는 발열 부위가 전면적에 고르게 분포되도록 운도 분포가 균일한 면상 발열체로 형성될 수 있다.
일반적으로, 종래의 히터(미도시)는 도관 형상을 갖는 가스 라인(미도시)의 외부를 감싸는 형태로 형성되며, 이에 따라 가스로 전도되는 열 전달 경로가 길어져 효율이 저하되고, 열이 가스 라인(미도시)에 국부적으로 전달되어 가스의 온도가 균일하게 유지되는데 한계가 있었다. 특히, 가스의 온도가 균일하게 유지되지 않을 경우, 가스의 상 변화가 초래되어 가스 라인(미도시)의 막힘 현상과 불량 입자가 유발되고, 이는 제조되는 박막의 품질 내지 생산성에 악영향을 미치게 된다.
이에, 본 발명의 일 실시 예에 따른 히터(237)는, 종래의 히터(미도시)와 달리 가스 유동 블록(200)의 내부에 내장(또는, 매립)되는 형태로 형성될 수 있다. 히터(237)가 가스 유동 블록(200) 내에 매립될 경우, 히터(237)에서 공급된 열이 제1 몸체(231)에 전체적으로 전도되어 가스 유로(233)를 따라 이동하는 가스의 온도가 균일하게 유지될 수 있다. 또한, 별도의 가스 라인(미도시)이 생략됨에 따라 가스와 더 가깝게 위치하게 되므로 열 전달 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
이러한 히터(237)는 제1 몸체(231)의 내부에서 가스 유로(233)로부터 반경방향 외측으로 소정의 간격만큼 이격되어 배치되고, 가스 유로(233)의 원주를 따라 대응되는 형상을 가지도록 형성될 수 있으나, 본 발명의 범주가 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 예컨대, 히터(237)는 제1 몸체(231)의 표면에 배치될 수도 있으며, 가스 유로(233)의 전 구간이 아닌 일 구간에만 형성될 수도 있다.
히터(237)는 제1 내지 제3 가스 유로(233: 2331, 2333, 2335)의 전부에 설치되고, 각 가스 유로(233)의 원주를 따라 형성된 복수 개의 히터를 포함할 수 있다. 이때, 복수 개의 히터는 동일한 온도로 제어될 수 있으나, 각 공정 단계(흡착, 퍼지, 반응 공정 등)에 적합한 온도를 유지하기 위해 서로 다른 온도로 제어될 수도 있다. 예컨대, 열분해 또는 화학반응이 요구되는 제1 가스 유로(2331)에 인접한 히터는 다른 히터에 비하여 더 높은 온도로 제어될 수 있다.
또는, 히터(237)는 제1 내지 제3 가스 유로(2331, 2333, 2335) 중 일부에만 설치되어 특정한 가스 유로만을 가열할 수도 있다.
또는, 히터(237)는 제1 내지 제3 가스 유로(2331, 2333, 2335) 사이에 배치되어 인접하는 가스 유로(233)를 동시에 가열할 수도 있다. 이에 따라, 복수의 가스 유로(233) 간의 온도 차는 최소화될 수 있다.
이처럼, 제1 몸체(231)의 표면 및/또는 내부에 구비되는 히터(237)는 가스 유로(233)를 따라 유동하는 가스의 온도를 조절하여 공정 챔버(100) 내부의 반응 효율을 높이고, 냉각 등에 의해 이상 반응이 초래되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
전술한 히터(237)는 밸브 어셈블리(240)의 표면 및/또는 내부에도 동일하게 적용될 수 있으며, 복수의 유로(245)를 유동하는 제1 내지 제3 가스 중 적어도 하나를 가열할 수 있다. 다만, 동일한 내용의 중복 설명을 피하기 위해 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
실시 예와 관련하여 전술한 바와 같이 몇 가지만을 기술하였지만, 이외에도 다양한 형태의 실시가 가능하다. 앞서 설명한 실시 예들의 기술적 내용들은 서로 양립할 수 없는 기술이 아닌 이상은 다양한 형태로 조합될 수 있으며, 이를 통해 새로운 실시 형태로 구현될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
발명의 실시를 위한 형태는 전술한 "발명의 실시를 위한 최선의 형태"에서 충분히 설명되었다.
전술한 실시 예에 의한 기판 처리 장치는 반도체 소자의 기판 상에 박막을 증착하는 공정 외에, 평면 표시 장치 및 태양전지 등을 제조하는 공정 등에서 사용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 챔버의 상부에 배치되고, 상기 챔버로 가스를 공급하기 위해 내부에 복수의 가스 유로를 갖는 가스 유동 블록;
    상기 가스 유동 블록의 일 측면에 결합되고, 상기 복수의 가스 유로 중 적어도 하나를 선택적으로 개폐하는 복수의 밸브가 구비된 밸브 어셈블리; 및
    일단은 상기 밸브 어셈블리와 결합되고, 타단은 상기 챔버와 연통하는 가스 유입관;을 포함하고,
    상기 복수의 가스 유로 중 적어도 하나에는 상기 가스 유입관과 인접하여 배치되고 상기 가스를 충진하기 위한 버퍼 공간이 구비되는 것을 특징으로 하는, 가스 유입 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 가스는 공정가스와 퍼지가스를 포함하고,
    상기 복수의 가스 유로 중 상기 공정가스를 공급하는 가스 유로가 상기 퍼지가스를 공급하는 가스 유로보다 상기 챔버에 인접한 것을 특징으로 하는, 가스 유입 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 가스 유로는,
    공정 가스를 공급하는 제1 가스 유로;
    제1 퍼지 가스를 공급하는 제2 가스 유로; 및
    제2 퍼지 가스를 공급하는 제3 가스 유로;를 포함하고,
    상기 제3 가스 유로는 상기 제1 및 제2 가스 유로 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 가스 유입 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 버퍼 공간은,
    상기 제1 가스 유로에 구비된 제1 버퍼 공간; 및
    상기 제3 가스 유로에 구비된 제2 버퍼 공간;을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 버퍼 공간은 체적, 길이, 및 직경 중 적어도 하나가 서로 다른 것을 특징으로 하는, 가스 유입 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 가스 유로의 체적은 상기 제1 및 제3 가스 유로의 체적보다 작은 것을 특징으로 하는, 가스 유입 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 유동 블록은,
    상기 가스 유로를 가열하는 히터;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 유입 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 가스 유동 블록은,
    버퍼 공간의 적어도 일 측에는 가스 유로의 체적을 가변적으로 조절하기 위한 스페이서 블록;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스 유입 장치.
  8. 반응 공간을 제공하는 공정 챔버; 및
    제1 항 내지 제7 항 중 적어도 한 항에 기재된 가스 유입 장치;를 포함하고,
    상기 공정 챔버는,
    기판을 지지하는 기판 지지부;
    상기 기판 지지부와 대향하며 상기 기판으로 가스를 분사하는 가스 분사부; 및
    상기 가스 분사부의 일면에 형성된 리드;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기판 처리 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 버퍼 공간이 구비된 가스 유로의 체적은,
    상기 기판 지지부와 상기 리드 사이의 체적 보다 큰 것을 특징으로 하는, 기판 처리 장치.
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