JP5882499B2 - 冷却式シャワーヘッド及びそれを具備する基板処理装置 - Google Patents

Description

本発明はシャワーヘッド及びそれを具備する基板処理装置に関するものであり，より詳しくは，冷却式シャワーヘッド及びそれを具備する基板処理装置に関するものである。

半導体装置はシリコン基板の上に多くの層（layers）を有しており，そのような層は蒸着工程を介して基板の上に蒸着される。化学気相蒸着（ＣＶＤ，chemical vapor deposition）とは，気体状態の化合物（又は反応ガス）を分解した後，化学的反応によって半導体基板の上に薄膜やエピタキシャル層を形成することをいう。

支持台は工程チャンバの内部に設置され，基板は支持台の上部に置かれる。蒸着工程は工程チャンバ内で行われ，蒸着工程が行われる前に工程チャンバの内部は高温（例えば，６５０℃以上）に加熱される。シャワーヘッドは基板の上部に設置され，気体状態の化合物（又は反応ガス）はシャワーヘッドを介して基板の上に供給される。気体状態の化合物は基板の表面に吸着されてから基板の表面で化学反応を開始し，それを介して薄膜を形成する。

一方，シャワーヘッドは工程チャンバの内部に設置されるため工程が行われる間に高い温度下に置かれる。そのため，シャワーヘッドが加熱されて熱変形する可能性があり，シャワーヘッドの熱変形は反応ガスの均一な供給に影響を及ぼす。反応ガスが基板の上に均一に供給されない場合，薄膜は基板の表面に沿って不均一な厚さ（non-uniform thickness）を有する恐れがある。

また，シャワーヘッドの温度が一定温度以上に加熱される場合，反応ガスがシャワーヘッド内で蒸着されるか微粒子を形成する恐れがある。

本発明の目的は，熱変形を防止する冷却式シャワーヘッド及びそれを具備する基板処理装置を提供することにある。

本発明の他の目的は，冷媒の漏洩によって工程に悪影響を及ぼすことを防止する冷却式シャワーヘッド及びそれを具備する基板処理装置を提供することにある。

本発明の更に別の目的は，シャワーヘッドを迅速に冷却させる冷却方式のシャワーヘッド及びそれを具備する基板処理装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は，後述する詳細な説明と添付した図面からより明確になるはずである。

本発明の一実施例によると，基板処理装置は，
上部が開放されて基板に対する工程が行われる内部空間が設けられたチャンバ本体と，
前記チャンバ本体の上部に設置されて前記チャンバ本体の上部を閉鎖し，前記内部空間に向かって反応ガスを供給するシャワーヘッドと，前記シャワーヘッドの上部に設置されるチャンバリッドと，を含み，
前記シャワーヘッドは，
内部に冷媒が流れる上部面から陥没した流路を有し，且つ前記チャンバリッドの下部面及び前記チャンバ本体の上部面と接するリング状のフランジと，
前記フランジの内側に位置し，前記チャンバリッドの下部面から離隔し，前記反応ガスを噴射する一つ以上の噴射孔が厚さ方向に形成された平板と，
前記流路から漏出した前記冷媒が，前記シャワーヘッドの前記平板上に流れることを防止するために，前記チャンバリッドと前記フランジとの間に介在されて前記流路の内側に設置されるシーリング部材を具備する。

前記シャワーヘッドは，前記フランジに接合されて前記流路の上部を閉鎖する流路カバーを更に具備する。

前記流路は，前記チャンバ本体の内側に位置して前記内部空間の外部境界に対応するように配置される。

前記チャンバリッドと前記平板との間にバッファ空間が形成される。

前記チャンバリッドは，前記バッファ空間と連通されて外部から反応ガスが供給されるガス供給ポートを更に含み，前記基板処理装置は，前記チャンバリッドの下部に固定されて前記バッファ空間上に設置された，一つ以上の拡散孔を有するブロックプレートを更に含む。

前記流路カバーは前記フランジに溶着される。

前記流路は，前記噴射孔の周りに沿って配置される循環流路と，前記循環流路の両端にそれぞれ連通する流入流路及び流出流路を有する。

前記フランジは円形のリング状であり，前記フランジの厚さは前記平板の厚さより大きい。

前記フランジは四角のリング状であり，前記フランジの厚さは前記平板の厚さより大きい。

本発明の一実施例によると，シャワーヘッドを冷却してシャワーヘッドの熱変形を防止することができる。また，冷媒がシャワーヘッドから漏洩する場合，冷媒がチャンバの内部に流入して工程に悪影響を及ぼすことを防止することができる。また，シャワーヘッドの厚さの差によってシャワーヘッドを迅速に冷却させることができる。

本発明の一実施例による基板処理装置を示す図である。 図１に示したシャワーヘッドを示す図である。 図１に示したシャワーヘッドを示す図である。 図１に示したシャワーヘッドの他の実施例である。 本発明の他の実施例による基板処理装置を示す図である。 図５に示したシャワーヘッドを示す図である。

以下，本発明の好ましい実施例を添付した図１乃至図３を参照してより詳細に説明する。本発明の実施例は様々な形に変形してもよく，本発明の範囲が後述する実施例に限られると解釈してはならない。本実施例は，当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより詳細に説明するために提供されるものである。よって，図面に示した各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている可能性がある。

一方，以下では蒸着工程を例に挙げて説明しているが，本発明は蒸着工程を含む多様な半導体製造工程に応用することができる。

図１は，本発明の一実施例による基板処理装置を示す図である。図１に示したように，基板処理装置１はチャンバ本体１０とチャンバリッド（chamber lid）２０を含む。チャンバ本体１０は上部が開放された形状であり，チャンバリッド２０はチャンバ本体１０の開放された上部を開閉する。チャンバリッド２０がチャンバ本体１０の開放された上部を閉鎖すると，チャンバ本体１０及びチャンバリッド２０は外部から閉鎖された内部空間を形成する。

チャンバ本体１０は内部空間に当たるチャンバ内部１１を有し，ウェハＷはチャンバ本体１０の一側に形成された通路を介してチャンバ内部１１に装填される。支持プレート５０はチャンバ内部１１に設置され，装填されたウェハＷは支持プレート５０の上部面に置かれる。支持台５１は支持プレート５０の下部に連結されて支持プレート５０を支持する。

ガス供給ポート２１はチャンバリッド２０の内部に形成され，反応ガスはガス供給ポート２１を介してチャンバ内部１１に流入される。反応ガスはウェハＷの表面に薄膜を蒸着させるためのものであり，薄膜に応じて多様なガスが使用される。

シャワーヘッド４０はチャンバリッド２０の下部に連結され，シャワーヘッド４０の両側はボルトＢを介してチャンバリッド２０に締結される。シャワーヘッド４０はガス供給ポート２１を介して供給された反応ガスをチャンバ内部１１に供給し，反応ガスはウェハＷの表面に移動してウェハＷの表面で薄膜を形成する。

図２及び図３は，図１に示したシャワーヘッドを示す図である。図２及び図３に示したように，シャワーヘッド４０はフランジ４１及び平板４３を具備する。図３に示すように，平板４３はウェハＷと対応する円盤（disk）状であり，フランジ４１は平板４３の外側の周りに沿って位置する円形のリング状を有する。

平板４３は支持プレート５０に置かれたウェハＷに対応するように配置され，厚さ方向に形成された複数の噴射孔４２を有する。反応ガスはガス供給ポート２１を介して平板４３の上部に移動し，噴射孔４２を介してウェハＷの表面に拡散される。

図１に示したように，フランジ４１はボルトＢを介してチャンバリッド２０に締結され，平板４３はフランジ４１に連結されてチャンバリッド２０の下部に位置する。この際，平板４３の下部面はフランジ４１の下部面と並んで配置され，フランジ４１の厚さは平板４３の厚さより大きいため，平板４３はチャンバリッド２０の下部面から離隔されて配置される。よって，平板４３の上部面はチャンバリッド２０の下部面から離隔され，バッファ空間２２が平板４３とチャンバリッド２０との間に形成される。

ブロックプレート５３はバッファ空間２２に設置され，ブロックプレート５３の両側はチャンバリッド２０に固定される。ブロックプレート５３は複数の拡散孔５２を有する。反応ガスはガス供給ポート２１を介してブロックプレート５３の内部に移動し，拡散孔５２を介して拡散されて平板４３の上部に移動する。この際，拡散孔５２は平板４３に形成された噴射孔４２と対応するように配置される。

図１及び図２に示したようにフランジ４１は循環流路４４を有し，循環流路４４はチャンバ内部１１に対応するように配置される。循環流路４４はフランジ４１の上部面から陥没して形成される。また，図３に示したように，循環流路４４は平板４３の外側の周りに沿って配置され，流入流路４４ａ及び流出流路４４ｂが流路４４の両端にそれぞれ連続する。流入流路４４ａ及び流出流路４４ｂも同じくフランジ４１の上部面から陥没して形成される。

冷媒（例えば，水のような）は流入流路４４ａを介して循環流路４４に流入され，循環流路４４を循環した冷媒は流出流路４４ｂを介して流出される。冷媒は循環流路４４を循環しながらシャワーヘッド４０を設定温度以下に冷却し，流出された冷媒は外部に設置されたチラー（Chiller）を介して冷却される。このような方法を介してシャワーヘッド４０が加熱されることを防止することができ，シャワーヘッド４０を設定温度以下に制御することができる。噴射孔４２は循環流路４４の内側に位置する。

流路カバー４５はフランジ４１に固着（例えば，溶接のような方式で）されて循環流路４４（及び流入流路４４ａ及び流出流路４４ｂ）の開放された上部を閉鎖及び密封（sealing）し，循環流路４４を介して流れる冷媒が外部に漏洩されることを防止する。流路カバー４５は循環流路４４，流入流路４４ａ及び流出流路４４ｂと対応する形状を有する。

前記によると，循環流路４４はフランジ４１の上面から陥没して形成され，このような構造は循環流路４４に沿って循環する冷媒が循環流路４４の下部に沿ってチャンバ内部１１に漏洩する可能性を除去する。即ち，フランジ４１は一体に形成され，循環流路４４は加工を介してフランジ４１の上部面から陥没して形成されるため，冷媒は循環流路４４の上部を介して漏洩する可能性はあるが循環流路４４の下部を介して漏洩する可能性はない。循環流路４４の開放された上部は流路カバー４５を介して密封される。

フランジ４１は固定溝４６を有し，固定溝４６はフランジ４１の上部面から陥没して形成される。固定溝４６は流路４４の内側に位置し，シーリング部材４７は固定溝４６の上に挿入設置される。

上述したように，循環流路４４に沿って循環する冷媒は循環流路４４の上部に向かって漏洩する可能性があり，流路カバー４５を介して循環流路４４の上部を密封するとしても流路カバー４５の不完全な密封のため冷媒が漏洩する可能性は依然として存在する。もし，循環流路４４の上部を介して漏洩された冷媒がシャワーヘッド４０の内側に流れて平板４３の上部（又はバッファ空間２２）に移動する場合，冷媒は反応ガスとともにチャンバ内部１１（又はウェハＷの上部）に移動して工程に悪影響を及ぼし，それによって工程不良が発生する恐れがある。よって，冷媒の漏洩が発生しても漏洩された冷媒が工程に悪影響を及ぼすことを防止する必要があり，それを介して損害を最小化する必要がある。

シーリング部材４７は固定溝４６の上に設置され，フランジ４１とチャンバリッド２０との間を密封する。よって，冷媒はシャワーヘッド４０の内側に流れることができず，シャワーヘッド４０の外側に流れて基板処理装置１の外部に排出される。すなわち，シーリング部材４７は冷媒がバッファ空間２２を介してチャンバ内部１１に流入することを防止し，それによって冷媒漏洩による工程不良を防止することができる。

結論的にシャワーヘッド４０は，循環流路４４，流入流路４４ａ及び流出流路４４ｂがフランジ４１の上部面から陥没して形成された構造であるため，冷媒が循環流路４４，流入流路４４ａ及び流出流路４４ｂの下部を介して漏洩されてチャンバ内部１１に流入される可能性はない。また，冷媒が循環流路４４の上部を介して漏洩される場合，冷媒はシーリング部材４７によってシャワーヘッド４０の内側に流れることができず，シャワーヘッド４０の外側に流れて基板処理装置１の外部に排出される。

一方，フランジ４１は冷媒を介して冷却され，平板４３の熱はフランジ４１に伝達される。平板４３内の熱伝達は厚さ方向と長さ方向に対して同時に行われるため，平板４３の厚さが厚いほどフランジ４１に向かう（平板４３の長さ方向）熱伝達速度が遅くなる。即ち，フランジ４１に向かう熱伝達速度は平板４３の厚さに反比例し，平板４３の厚さが小さければ平板４３内の熱伝達は殆どフランジ４１に向かう方向（又は長さ方向）に集中され，それによって平板４３が迅速に冷却される。

また，熱容量（heat capacity）は質量に比例するため，フランジ４１の厚さが大きければフランジ４１は十分な熱容量を有するため，平板４３の熱を十分に吸収することができる。前記のような点を考慮して，フランジ４１の厚さは平板４３の厚さより大きいことが好ましい。

本発明を好ましい実施例を介して詳細に説明したが，それとは異なる実施例も可能である。よって，以下に記載された請求項の技術的思想と範囲は好ましい実施例に限られない。

以下に，本発明の実施例を添付した図４乃至図６を参照してより詳細に説明する。本実施例は様々な形態に変形してもよく，本発明の範囲が以下で説明する実施例に限られると解釈してはならない。本実施例は当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に本発明をより詳細に説明するために提供されるものである。よって，図面に示した各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張される可能性がある。以下では上述した実施例と異なる内容に対してのみ説明し，以下で省略された説明は上述した説明の内容によって代替される。

一方，以下では蒸着工程を例に挙げて説明しているが，本発明は蒸着工程を含む多様な半導体製造工程に応用されることができる。

図４は図１に示したシャワーヘッドの他の実施例である。図３に示したシャワーヘッド４０は円形のウェハＷに対する工程を行うことができ，図４に示したシャワーヘッド４０は四角基板に対する工程を行うことができる。四角基板は平板ディスプレー（例えば，液晶パネル）に対する工程に使用される。

図５は本発明の更に別の実施例による基板処理装置を示す図であり，図６は図５に示したシャワーヘッドを示す図である。図１及び図２は流路カバー４５が循環流路４４（及び流入流路４４ａ及び流出流路４４ｂ）の開放された上部を閉鎖及び密封するものとして図示しているが，図５及び図６に示したように流路カバー４５を省略してもよく，循環流路４４（及び流入流路４４ａ及び流出流路４４ｂ）の開放された上部はチャンバリッド２０によって閉鎖及び密封してもよい。冷媒がチャンバリッド２０の不完全な閉鎖及び密封によって循環流路４４の上部を介して漏洩される恐れがあるが，シーリング部材４７は漏洩された冷媒がシャワーヘッド４０の内側に流れることを防止し，それを介して冷媒の漏洩による工程不良を十分に防止することができる。

本発明を実施例を介して詳細に説明したが，それとは異なる形態の実施例も可能である。よって，以下に記載された請求項の技術的思想と範囲は実施例に限られない。

本発明は多様な形態の半導体製造設備及び製造方法に応用される。

Claims (9)

1. 上部が開放されて基板に対する工程が行われる内部空間が設けられたチャンバ本体と，
   前記チャンバ本体の上部に設置されて前記チャンバ本体の上部を閉鎖し，前記内部空間に向かって反応ガスを供給するシャワーヘッドと，前記シャワーヘッドの上部に設置されるチャンバリッドと，を含み，
   前記シャワーヘッドは，
   内部に冷媒が流れる上部面から陥没した流路を有し，且つ前記チャンバリッドの下部面及び前記チャンバ本体の上部面と接触するリング状のフランジと，
   前記フランジの内側に位置し，前記チャンバリッドの下部面から離隔し，前記反応ガスを噴射する一つ以上の噴射孔が厚さ方向に形成された平板と，
   前記流路から漏出した前記冷媒が，前記シャワーヘッドの前記平板上に流れることを防止するために，前記チャンバリッドと前記フランジとの間に介在されて前記流路の内側に設置されるシーリング部材を具備することを特徴とする基板処理装置。
2. 前記シャワーヘッドは，前記フランジに接合されて前記流路の上部を閉鎖する流路カバーを更に具備することを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
3. 前記流路は，前記チャンバ本体の内側に位置して前記内部空間の外部境界に対応するように配置されることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
4. 前記チャンバリッドと前記平板との間にバッファ空間が形成されることを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
5. 前記チャンバリッドは，前記バッファ空間と連通する，外部から反応ガスが供給されるガス供給ポートを更に含み，
   前記基板処理装置は，前記チャンバリッドの下部に固定されて前記バッファ空間上に設置され，一つ以上の拡散孔を有するブロックプレートを更に含むことを特徴とする請求項４記載の基板処理装置。
6. 前記流路カバーは，前記フランジに溶接締結されることを特徴とする請求項２記載の基板処理装置。
7. 前記流路は，前記噴射孔の周りに沿って配置される循環流路と，前記循環流路の両端にそれぞれ連通する流入流路及び流出流路を有することを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
8. 前記フランジは円形のリング状であり，
   前記フランジの厚さは前記平板の厚さより大きいことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
9. 前記フランジは四角のリング状であり，
   前記フランジの厚さは前記平板の厚さより大きいことを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。

Images