KR100435119B1 - 매엽식처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막두께의 면내의 균일성이 우수한 피처리체에 대한 성막처리를 실시하는 것이 가능한 매 염식 처리장치에 관한 것으로서,
반도체웨이퍼의 처리를 실시하는 처리용기를 구비하고 있으며, 처리용기내에는 반도체웨이퍼가 재치되기 위한 재치면을 갖는 서셉터가 설치되어 있고, 서셉터의 재치면에 대하여 간격을 두고 샤워헤드부가 설치되어 있으며, 샤워헤드부에는 처리가스를 공급하는 처리가스공급파이프가 따로 따로 접속되어 있고, 샤워헤드부에는 복수의 가스분출구멍이 설치되어 있고, 또 서셉터에는 서셉터를 가열하는 제 1∼제 3 가열수단이 부착되어 있으며, 제 1 가열수단은 서셉터의 안쪽면측의 대략 중앙에 원판상으로 설치되고, 제 2 가열수단은 제 1 가열수단을 둘러싸도록 동심원상으로 설치되어 있으며, 제 3 가열수단은 서셉터의 둘레틀부에 설치되어 있고, 샤워헤드부의 서셉터에 대향하는 면중 복수의 가스분출구멍 이 형성된 가스분출영역의 직경은 제 3 가열수단의 직경과 실질적으로 동일하며, 또 제 1∼제 3 가열수단을 각각 독립적으로 제어 가능한 중앙제어부가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

매엽식(枚葉式) 처리장치{APPARATUS FOR PROCESSING INDIVIDUAL WAFERS}
본 발명은 매엽식 처리장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 피처리체의 표면에 성막처리를 실시하는 매엽식 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체집적회로의 제조공정에 있어서는 반도체웨이퍼 또는 유리 기판과 같은 피처리체에 대하여 성막 및 포토리소그래피에 의한 패터닝을 반복함으로써 피처리체상에 소망하는 디바이스를 형성한다.
퍼처리체에 대한 성막처리에서 이용되는 처리장치에는 배치식 및 매엽식이 있다. 배치식의 처리장치에서는 다수의 피처리체에 한번에 처리를 실시할 수 있다. 한편 매엽식의 처리장치에서는 한개의 피처리체마다 처리를 실시할 수 있다. 이들 두가지 형태는 예를 들면 성막의 품질 또는 종류에 따라서 적절히 선택하여 이용되고 있다.
이하 반도체웨이퍼에 대한 성막처리에 이용되는 매엽식CVD장치에 대하여 설명한다. 제 1 도에 나타내는 바와 같이 CVD장치(10)는 처리용기(11)를 구비한다. 이 처리용기(11)내에는 서셉터(12)가 설치되어 있다. 이 서셉터(12)의 재치면(13)상에는 반도체웨이퍼(W)가 재치될 수 있다. 반도체웨이퍼(W)는 예를 들면 정전척과 같은 고정수단에 의해 고정될 수 있다. 이 재치면(13)의 윗쪽에는 샤워헤드부(14)가 재치면에 대하여 평행하게, 또한 대향하여 설치되어 있다. 처리가스공급원(도시하지 않음)으로부터 공급된 처리가스는 이 샤워헤드부(14)를 거쳐 처리용기(11)내에 공급된다.
성막처리는 처리용기(11)내를 처리압력으로 유지하면서, 또한 웨이퍼(W)를 처리온도로 유지하면서 상기한 샤워헤드부(14)를 통하여 처리가스를 처리 용기(11)내에 공급함으로써 실시한다. 성막처리에 의해 반도체웨이퍼의 표면상에 예를 들면 폴리실리콘 또는 실리콘옥사이드와 같은 소정의 재료로 구성되는 성막을 형성할 수 있다.
반도체디바이스의 제조에 있어서 전기적 특성이 양호한 디바이스를 많이 얻기 위해서는 양호한 특성을 갖는 성막을 형성하는 것이 필요하다. 이들 특성중 막두께의 웨이퍼면내의 균일성이 가장 중요하다.
막두께를 제어하기 위한 패러미터는 다수 존재한다. 이 패러미터는 처리압력, 처리온도, 처리가스의 공급량, 웨이퍼사이즈 및 처리장치의 각 부의 사이즈를 포함한다. 이들 패러미터는 독립되어 있는 것을 아니고 서로 관련되어 있다. 따라서 이들 패러미터의 가장 적합한 값을 일률적으로 결정하는 것은 곤란하다. 종래 가장 적합한 성막조건은 각종 장치의 설계조건 및 처리조건하에서 성막처리를 실제로 반복하여 실시한 결과로부터 구하고 있다.
현재 구경이 6인치인 웨이퍼에 대해서는 막두께의 웨이퍼면내의 균일성이 상당히 높은 성막처리가 가능하다. 그러나 근래 반도체웨이퍼는 보다 대구경화하는 경향에 있다. 반도체웨이퍼의 구경이 6인치에서 8인치나 12인치로 확대하면 6인치웨이퍼에서의 성막조건을 그대로 적용할 수 없을 가능성이 있다. 또 반도체디바이스의 고집적화 및 고밀도화의 요청에 의해 성막이 보다 얇고, 또한 보다 고품질인 것이 요구되고 있다. 그러나 종래의 6인치웨이퍼를 위한 성막장치는 이들 요청에 따르는 것이 곤란하다.
본 발명의 목적은 막두께의 면내균일성이 우수한 피처리체에 대한 성막처리를 실시하는 것이 가능한 매엽식 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 피처리체의 처리를 실시하는 처리용기와,
상기 처리용기내에 설치되어 상기 피처리체가 재치되기 위한 재치면을 갖는 지지부품과,
상기 재치면에 대하여 간격을 두고 설치된 샤워헤드부와,
상기 샤워헤드부에 처리가스를 공급하는 처리가스공급수단과,
상기 샤워헤드부에 설치된 복수의 가스분출구멍과,
상기 지지부품에 부착된 상기 지지부품을 가열하는 가열부를 구비하고,
상기 샤워헤드부의 상기 지지부품에 대향하는 면중 상기 복수의 가스분출 구멍이 형성된 가스분출영역의 최대길이가 상기 처리가스가 반응을 일으키는 온도 이상으로 가열된 가스반응영역의 최대길이와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치를 제공한다.
또 본 발명은 피처리체의 처리를 실시하는 처리용기와,
상기 처리용기내에 설치되어 상기 피처리체가 재치되기 위한 재치면을 갖는 지지부품과,
상기 재치면에 대하여 간격을 두고 설치된 샤워헤드부와,
상기 샤워헤드부에 처리가스를 공급하는 처리가스공급수단과,
상기 샤워헤드부에 설치된 복수의 가스분출구멍과,
상기 지지부품을 복수의 영역으로 분할하여 가열하기 위한 복수의 가열수단과,
상기 복수의 가열수단을 각각 독립하여 제어하는 제어수단을 구비하는 매엽식 처리장치를 제공한다.
이하 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.
제 2 도는 본 발명의 매엽식 처리장치의 한 실시형태를 나타내는 단면도이다. 이 실시형태에 관련되는 처리장치는 저항가열방식의 매엽식 열CVD장치이다. 이CVD장치(20)는 처리용기(21)를 구비한다. 이 처리용기(21)는 기밀용기이며, 예를 들면 알루미늄으로 구성되고 원통형 또는 상자형을 이루고 있다. 이 처리용기(21)내에는 예를 들면 반도체웨이퍼와 같은 두꺼운 피처리체를 지지하기 위한 서셉터(22)가 설치되어 있다. 이 서셉터(22)는 처리용기(21)의 바닥부의 위에 예를 들면 불투명석영으로 구성된 단열재(23)를 통하여 설치되어 있다.
제 3 도에 제 2 도에 나타내는 CVD장치(20)의 서셉터(22) 근처의 부분을 나타내는 단면도를 나타낸다. 제 3 도에 나타내는 바와 같이 서셉터(22)는 서셉터메인보디(susceptor mainbody)(24)를 구비하고 있다. 서셉터메인보디(24)는 대략 원주상이며, 그 하면의 중앙부에는 오목부(25)가 형성되어 있다. 서셉터메인보디(24)는 열전도성이 우수한 재료, 예를 들면 보론나이트라이드로 구성되고, 그 표면에 pyrolytic boron nitride 및 석영으로 코팅되어 있다. 이 서셉터(22)의 두께는 10∼30cm이며, 그 직경은 반도체웨 이퍼(W)의 직경보다도 5∼20cm 크게 설정된다.
서셉터메인보디(24)의 상면, 즉 서셉터(22)의 재치면(22A)에는 피처리체를 소정의 위치에 임시로 고정하기 위한 수단으로서 정전척(26)이 설치되어 있다. 이 정전척(26)은 예를 들면 표면에 절연막이 설치된 한쌍의 카본제전극(26A) 및 (26B)로 이루어진다. 이 정전척(26)의 전극(26A) 및 (26B)에는 제 2 도에 나타내는 바와 같이 직류전원(27)이 스위치(28)를 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 즉 이 실시형태에서는 정전척(26)으로서 양전극타입의 것이 이용되고 있다. 이와 같은 구성으로 이루어지는 정전척(26)에 있어서, 스위치(28)를 ON상태로 하면 고압직류전류가 직류전원(27)으로부터 전극(26A) 및 (26B)에 인가되어, 이들 전원(26A) 및 (26B)의사이에 쿨롱력 이 발생하고, 이 쿨롱력에 의해 반도체웨이퍼(W)가 정전척(26)에 의해 지지된다.
또 서셉터메인보디(24)에는 제 3 도에 나타내는 바와 같이 가열수단(29)이 설치되어 있다. 가열수단(29)은 제 4 도에 나타내는 바와 같이 제 1∼제 3 가열수단으로 나뉘어져 있다. 제 1 가열수단(29A)은 서셉터메인보디(24)의 하면의 대략 중앙부에 대략 원판상으로 설치되어 있다. 또 제 2 가열수단(29B)은 제 1 가열수단(29A)과 같은 중심을 갖는 링이며 제 1 가열수단(29A) 및 제 2 가열수단(29B)의 사이에는 간격을 두고 제 1 가열수단(29A)을 둘러싸도록 설치되어 있다. 또한 제 3 가열수단(29C)이 서셉터메인보디(24)의 측벽면에 대략 원통상으로 설치되어 있다. 이들 제 1∼제 3 가열수단(29A∼29C)은 예를 들면 얇은 판상의 카본과 같은 저항발열체로 구성되어 있다.
제 1∼제 3 가열수단(29A∼29C)은 각각 다른 가열수단구동부(30A∼30C)에 접속되어 있다. 가열수단구동부(30A∼30C)에는 예를 들면 마이크로컴퓨터로 이루어지는 중앙제어부(31)가 접속되어 있다.
이와 같은 구성으로 이루어지는 서셉터(24)의 외주에는 대략 원통형의 단열재(32)(33)가 이중으로 설치되어 있다. 또 서셉터(22)의 상면측이며 서셉터(22)의 외주부상단과 단열재(32)(33)의 상단에 걸쳐서 서셉터(22)의 둘레방향을 따라서 링상의 단열재(34)가 설치되어 있다. 이 단열재(34)는 예를 들면 불투명석영으로 구성되고, 또 분할이 가능해져 있다. 단열재(31)의 상면과 반도체웨이퍼(W)의 상면의 수평레벨은 대략 동일해지도록 설정되어 있다. 이에 따라 후술하는 바와 같이 샤워헤드부(35)를 통하여 처리가스를 공급한 경우에 처리가스에 치우친 흐름을 발생시키는 것이 방지된다.
서셉터(22)에는 반도체웨이퍼(W)를 재치면(22A)과 웨이퍼반송아암의 사이에서 수수하기 위한 3개의 부셔핀 등(도시하지 않음)도 구비하고 있다.
처리용기(21)의 상부에는 샤워헤드부(35)가 설치되어 있다. 샤워헤드부(35)는 상기한 서셉터(24)의 재치면(22A)에 대향하여, 또한 대략 병행하여 설치되어 있다. 샤워헤드부(35)는 예를 들면 알루미늄으로 구성된 양단이 폐쇄된 대략 원통상의 광주리체이다. 이 샤워헤드부(35)의 내부는 제 5 도에 나타내는 바와 같이 동심원상으로 융벽(36A) 및 (36B)이 설치되어 분할되고 3개의 가스실(37A∼37C)이 형성되어 있다. 이 가스실(37A∼37C)에는 제 2 도에 나타내는 바와 같이 각각 독립적으로 가스공급관(38)(39)(40)이 접속되어 있다. 이들 가스공급관(38)(39)(40)에는 처리가스로서의 실란(SiH4)가스 및 아르곤(Ar)가스 및 클리닝가스로서의 CIF3가스를 공급하기 위한 가스공급원(41)(42)(43)이 분기관을 통하여 접속되어 있다. 가스공급관(38)(39)(40)과 가스공급원(41)(42)(43)의 사이에는 매스프로콘트롤러(44A∼44C)가 각 가스공급관(38)(39)(40)의 각각에 대응하여 설치되어 있다. 이들 매스프로콘트롤러(44A∼44C)는 가스공급관(38)(39)(40)에 대한 가스공급량을 개별적으로 관리할 수 있다. 또한 가스공급원(41)(42)(43)의 가스의 출력측에는 가스공급관(38)(39)(40)에 대한 가스공급량을 총괄하여 제어할 수 있는 개폐밸브(45A∼45C)가 설치되어 있다.
샤워헤드부(35)의 외부틀부 근처에는 융벽(46)이 설치되고, 이에 따라 제 5 도에 나타내는 바와 같이 냉각쟈켓(47)이 형성되어 있다. 이 냉각쟈켓(47)에는 도시하지 않는 예를 들면 물과 같은 냉매를 공급하는 수단이 접속되어 있다. 냉각쟈켓(47)에 의해 샤워헤드부(35)는 성막을 받지 않는 온도, 예를 들면 60℃ 이하로 냉각된다.
샤워헤드부(35)의 하부, 즉 서셉터(22)의 재치면(2?A)에 대향하는 부분에는 상기한 가스실(37A∼37C)에 공급된 처리가스를 분출시키기 위한 복수의 가스분출구멍(48)이 형성되어 있다. 가스분출구멍(48)의 직경은 예를 들면 0.5∼3mm이며, 보다 구체적으로는 2mm이다. 제 5 도는 샤워헤드부(35)의 하면을 나타내는 평면도이다. 샤워헤드부(35)의 하면에는 가스분출구멍(48)이 井자형상으로 형성되어 있다. 이들 가스분출구멍(48)의 행 및 열방향의 피치는 예를 들면 5∼10mm이고, 보다 구체적으로는 8mm이며, 대략 균일하다. 따라서 가스분출구멍(48)은 단위면적당 개구율이 동일해지도록 형성되어 있다. 바꾸어 말하면 가스분출구멍(48)의 직경이 같은 경우에는 가스분출구멍(48)은 단위면적당의 수가 같아지도록 형성되어 있다.
또 샤워헤드부(35)의 하면의 가스분출구멍(48)이 형성된 영역(이하 가스분출영역이라 한다)의 직경(L1)은 상기한 제 1∼제 3 가열수단(29A∼29C)에 의해 가열된 서셉터(22)에 의하여 원료가스가 반응을 일으키는 온도 이상으로 가열된 서셉터(22)의 상측의 공간영역(이하 가스반응영역이라 한다)(49)의 직경(L2)과 동일해지도록 설정되어 있다. 이 가스반응영역(49)의 직경(L2)은 이 실시형태에서는 제3 가열수단(29C)의 외부직경에 상당하고, 따라서 서셉터(22)의 외부직경에 상당한다. 이 예에서는 L1=L2=20.5cm로 설정되어 있다.
여기에서 서셉터(22) 및 샤워헤드부(35)의 수평단면의 형상이 어느쪽이나 원형이기 때문에 가스분출영역 및 가스반응영역도 원형이다. 따라서 가스분출영역 및 가스반응영역의 직경(L1) 및 (L2)은 이들 영 역의 최대 길이라고 할 수도 있다.
한편 처리용기(21)의 바닥부에는 예를 들면 냉매로서 냉각수가 흐르는 바닥부냉각쟈켓(50)이 설치되어 있다. 냉각쟈켓(50)에 의해 처리용기(21)의 바닥부가 성막을 받지 않을 정도로 냉각된다. 또 처리용기(21)의 측벽에는 웨이퍼(W)를 반입 및 반출할 때에 개폐되는 게이트밸브(51)가 설치되어 있다. 또 처리용기(21)에는 도시하지 않는 진공펌프에 접속된 배기구(52)가 설치되어 있다.
이상과 같은 구성으로 이루어지는 CVD장치(29)의 동작에 대하여 설명한다.
이 CVD장치(20)에서는 서셉터(22)의 열용량이 비교적 커서 온도의 승강을 신속히 실시하는 것이 어렵다. 그래서 CVD장치(20)의 운전중은 제 1 가열수단(29A∼29C)에 전류를 인가하여 서셉터(22)를 가열한다.
도시하지 않는 로드록챔버로부터 미리 설정된 프로그램에 따라서 운반되어 온 반도체웨이퍼(W)를 게이트밸브(51)를 통하여 도시하지 않는 반송아암에 의해 처리용기(21)내에 반입한다. 반입된 반도체웨이퍼(W)를 서셉터(22)의 재치면(22A)의 소정 위치에 재치한다. 여기에서 정전척(26)의 한쌍의 카본전극(26A) 및 (26B)에 고압직류전류를 직류전원(27)으로부터 인가하고 카본전극(26A) 및 (26B)의 사이에발생한 쿨롱력에 의해 웨이퍼(W)를 지지한다.
이와 같이 반도체웨이퍼(W)가 서셉터(22)상에 재치된 상태에 있어서, 웨이퍼(W)의 온도를 소정의 프로세스온도, 예를 들면 약 650℃로 유지하면서 캐리어가스로서의 아르곤가스와 함께 원료가스로서의 실란가스를 샤워헤드부(35)로부터 처리용기(21)내에 공급하고 처리용기(21)내를 소정의 프로세스압력, 예를 들면 약 10Torr로 유지한다. 이에 따라 반도체웨이퍼(W)의 표면에 폴리실리콘막이 형성된다. 이와 같이 하여 반도체웨이퍼(W)에 대한 성막이 실시된다.
소정 장수의 반도체웨이퍼(W)의 처리를 실시한 후 처리용기(21)내에 부착한 성막을 제거하여 파티클의 발생을 방지하기 위해 클리닝을 실시한다. 즉 서셉터(22)의 재치면(22A)의 위에 클리닝용의 더미웨이퍼를 재치한 후 샤워헤드부(35)로부터 클리닝가스로서의 ClF3가스를 처리용기(21)내에 공급하여 실시된다. 이 클리닝은 정기적으로 실시된다. 이 클리닝시에도 샤워헤드부(35)의 냉각쟈켓(47)및 처리용기(21)의 바닥부의 냉각쟈켓(50)에 의해 샤워헤드부(35) 및 처리용기(21)의 바닥부는 성막이 일어나지 않는 온도로 유지한다.
이상과 같은 성막처리공정에 있어서, CVD장치(20)에서는 상기한 바와 같이 샤워헤드부(35)의 하면의 가스분출영역의 직경(L1)이 가스반응영역(49)의 직경(L2)과 동일해지도록 설정되어 있다. 상기한 바와 같이 제 1 가열수단(29A∼29C)에 의해 반도체웨이퍼(W)를 소정의 프로세스온도로 가열하면서 원료가스를 공급한 경우에 성막반응이 일어나는 것은 제 1 가열수단(29A∼29C)에 의해 가열되는서셉터(22)의 위의 영역의 범위내이다. 따라서 직경 (L1)과 (L2)를 동일하게 하는 것, 즉 처리가스가 공급되는 영역과 가스반응영역(49)을 동일하게 함으로써 성막처리공정에서 단위면적당의 가스공급량과 가스소비량을 실질적으로 동일하게 할 수 있다. 이 결과 반도체웨이퍼(W)의 성막의 막두께의 면내균일성을 향상시킬 수 있다. 여기에서 가스분출영역의 직경(L1)과 가스반응영역의 직경(L2)은 반드시 완전히 동일할 필요는 없고 ±5%의 범위내이면 좋다.
이하 가스분출영역의 직경(L1)이 가스반응영역(49)의 직경(L2)과 동일한 경우와 막두께의 면내균일성의 관계를 증명하기 위해 실시한 시물레이션의 결과에 대하여 설명한다.
이 시물레이션온 제 7 도에 나타내는 원통축대칭모델을 상정했다. 이 모델에서는 샤워헤드부(35)와 웨이퍼(W)의 간격(G)을 40mm로 설정했다. 또 프로세스조건은 이하와 같다.
처리가스: SiH4
캐리어가스: H2
성막종류: 폴리실리콘막
처리가스농도: 2vol. %
압력 : 665Pa(5Torr)
유량: 500SCCM
프로세스온도: 600∼800℃
또한 프로세스온도는 웨이퍼(W)의 면내에서 균일하다.
이와 같은 모델에 있어서 샤워헤드부(35)의 가스분출영역의 직경(L1)을 280, 216, 200 및 184의 4가지로 변경했다. 한편 이 모델에 있어서의 가스반응영역의 직경(L2)에 상당하는 웨이퍼(W)의 직경을 200mm로 했다.
상기한 바와 같은 모델을 이용한 각 직경(L1)에서의 막두께분포를 제 12 도에 나타낸다.
이 결과에서 가스분출영역의 직경(L1)과 가스반응영역의 직경(L2)이 동일한 경우, 즉 제 10 도에 나타내는 경우에 성막의 웨이퍼면내의 균일성이 가장 높은 것을 알았다. 이러한 결과는 매엽식의 CVD장치에서의 프로세스압력이 고압력이기 때문에 제 13 도에 나타내는 바와 같이 가스류의 유속이 매우 늦고 가스의 확산속도가 가스분포에 미치는 영향이 높기 때문이다.
또 이 실시형태의 CVD장치(20)에서는 상기한 바와 같이 샤워헤드부(35)의 하면에는 가스분출구멍(48)이 井자형상으로 형성되어 있다. 이들 가스분출구멍(48)의 행 및 열방향의 피치는 대략 균일하다. 따라서 가스분출구멍(48)은 단위면적당 개구율이 동일해지도록 형성되어 있다. 이에 따라 가스분출구멍(48)으로부터 분출되는 가스공급량이 웨이퍼(W)의 면내에 있어서 균일해진다. 이 결과 반도체웨이퍼(W)의 성막의 막두께의 면내균일성을 향상할 수 있다.
샤워헤드부(35)로부터 가스를 공급한 경우에 있어서, 가스가 웨이퍼(W)의 표면상에 공급되고나서 웨이퍼(W)의 반지름방향의 가스의 유속분포는 가스공급구의 반지름에 의해 결정된다. 제 14 도에 나타내는 바와 같이 가스분출구의 반지름을 rO, 웨이퍼(W)의 반지름을 rw로 하고, 가스가 유량(Q)에서 공급되고 있다고 정의한다. 여기에서 rw〉rO로 한 경우의 웨이퍼(W)의 면내의 웨이퍼(W)의 중심으로부터의 거리가 r인 지점의 반지름방향의 유속(Ur)은 r〈rO인 경우에는 웨이퍼(W)의 면내에 균일하게 가스가 공급되어 있을 때의 단위면적당의 가스공급량을 Qe로 하면 다음의 식(1)의 관계가 성립한다.
여기에서 가스공급구에서의 유속을 U로 하면 다음의 식(2)이 성립한다.
따라서 식(1) 및 (2)에서 식(3)이 도출된다.
또 r의 위치에서의 웨이퍼(W)의 중심으로부터 공급된 총가스유량(Qr)은 다음의 식(4)에 의해 나타내어진다.
여기에서 웨이퍼(W)의 반지름방향의 단위단면적(2πr)을 통과하는 유량, 즉 유속(Ur)은 아래식(5)에 나타내는 바와 같이 된다.
따라서 r〈rO인 경우에는 반지름방향의 유속은 r에 비례하여 증가한다
다음으로 rO〈r인 경우에는 가스가 공급되지 않는다. 이 때문에 유속(Ur)은 아래식(6)에 나타내는 바와 같이 된다.
따라서 r에 반비례하여 유속(U1)이 감소한다. 이상의 것에서 가스공급구의 직경에 대소에 따라서 가스의 유동상태가 크게 바뀌는 것을 알 수 있다.
다음으로 가스의 유속과 가스웨이퍼간의 열전달의 관계에 대하여 고찰한다. 웨이퍼(W)의 면내온도가 대략 균일한 경우 웨이퍼(W)의 면상을 반지름 방향에 일정한 유속(Ur)으로 흐르는 가스와 웨이퍼(W)의 열전달계수(hr)는 경험적으로 이하의 식(7) 및 (8)로 나타내어진다.
여기에서 hr: 열전달계수, λ: 가스의 열전달률
여기에서 Re=Urr: 레이놀즈수
Pr=: 프란틀수
Nu: 누셀트수
: 동점도
식(7) 및 (8)에서 아래식(9)이 도출된다.
식(9)에서 유속(Ur)이 일정하면 열전달계수(hr)는 r에 대하여로 작아진다. 따라서 웨이퍼(W)의 중심과 단부에서 열전달계수(hr)에 큰 차가 발생한다. 바꾸어 말하면 웨이퍼(W)의 중심으로부터 단부를 향하여 온도경계층이 두꺼워진다. 또 그 열전달계수의 차는 유량에 크게 의존한다.
그러나 웨이퍼(W)의 직경보다도 가스공급구의 직경이 큰 경우 (rO〈r에는 유속(Ur)이 r에 대하여 일차함수적으로 증가한다. 이 때문에 식(9)의는 일정하게 되고 웨이퍼(W)의 면상에서의 열전달계수(hr)는 일정하게 된다. 바꾸어 말하면 웨이퍼(W)의 면상에 균일한 두께의 온도경계층이 형성되어 있다. 따라서 웨이퍼(W)의 중심과 단부에서는 어떠한 가스유량이어도 동일한 열전달계수가 되는 것을 알 수 있다.
이상의 추론은 가스공급구로부터 단위면적당의 유량이 같게 공급되는 것이 전제로 성립하고 있다. 따라서 가스공급구는 복수의 가스분출구멍을 구비한 샤워헤드부가 아니면 안된다. 또 상기한 바와 같이 가스분출구멍은 샤워헤드부(35)에 단위면적당의 개구율이 동일해지도록 형성되는 것이 필요하다. 상기 설명에서는 균일한 온도경계층을 실현하는 것에 착안하고 있다. 그러나 온도경계층이 균일하면 웨이퍼(W)의 면상에서의 속도경계층 및 농도경계층도 균일한 것은 명백하다.
여기에서 단위면적당의 개구율이 동일하다는 것은 완전히 동일한 경우만은 아니고 ±5%의 범위내의 오차는 허용될 수 있다.
이 실시형태에서는 샤워헤드부(35)에 가스분출구멍(48)이 井자형상으로 형성되어 있는 경우에 대하여 설명했지만 단위면적당의 개구율이 동일하면 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 제 15 도에 나타내는 바와 같이 샤워헤드부(101)의 하부에는 가상선으로 나타내어지는 원(102∼105)으로 나타내는 위치에 동일구경의 가스분출구멍이 동심원상으로 배열하고 있다. 각 원(102∼105)의 사이는 동일한 간격(P)이 설치되어 있다. 또 동일한 원의 위의 가스분출구멍은 둘레방향으로 대략 동일한 피치로 나열해 있다.
또 원(102∼105)의 위에 형성된 가스분출구멍의 갯수는 원(102∼105)의 원주와 정비례관계에 있다. 즉 가장 내측의 원(102)의 원주가 L이고 가장 외측의 원(105)으로 나타내어지는 원의 원주가 5L인 경우 원(102)의 위에 형성된 가스분출구멍의 수가 n이면 원(105)의 위에 형성된 가스분출구멍의 수는 5n이다.
일반적으로 서셉터(22)는 그 반지름방향에 따라서 방열량이 달라 있다. 즉 서셉터(22)의 둘레틀부는 다른 부분보다도 방열량이 많아지고 있다. 따라서 서셉터(22)의 둘레틀부의 온도는 다른 부분보다도 온도가 낮아진다. 이와 같은 방열량의 흐트러짐은 웨이퍼(W)의 성막의 막두께의 면내균일성을 저하시키는 원인이 되어 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 이 실시형태의 CVD장치(20)에서는 제 3 도에 나타내는 바와 같이 서셉터메인보디(24)의 주위에 단열재(32)(33)가 설치되고서셉터(22)의 둘레틀부로부터의 방열량을 저감하게 되어 있다. 그러나 이에 따라서는 해당 방열량의 차를 완전히 해소할 수는 없다. 그래서 이 실시형태의 CVD장치(20)에서는 제 3 도에 나타내는 바와 같이 서셉터(22)에 있어서 서셉터메인보디(24)에 동심원상으로 분할된 제 1∼제 3 가열수단(29A∼29C)이 설치되어 있다. 또 제 1∼제 3 가열수단(29A∼29C)에는 제 2 도에 나타내는 바와 같이 가열수단구동부(30A∼30C)가 각각 독립적으로 접속되어 있다. 그리고 가열수단구동부(30A∼30C)는 중앙제어부(31)에 의해 독립적으로 제어 가능하게 되어 있다. 이에 따라 서셉터(22)는 동심원상으로 3개의 존으로 분할되고, 각각의 존에 대하여 독립하여 온도제어하는 것이 가능하다. 이와 같이 서셉터(22)는 존마다 분할하여 온도제어하는 것이 가능하기 때문에 서셉터(22)의 온도를 고정밀도로 제어할 수 있다.
이와 같은 구성에 의해 서셉터(22)의 둘레틀부, 즉 제 3 가열수단(29C)에 대응하는 존의 온도를 제 1 가열수단(29A) 및 제 2 가열수단(29B)에 대응하는 다른 존의 온도보다도 높게 설정할 수 있다. 이에 따라 서셉터(22)에 그 중앙부보다도 둘레틀부의 온도가 조금 높아지는 온도분포를 적극적으로 발생시킬 수 있다. 이 때문에 서셉터(22)의 둘레틀부의 온도보상이 이루어지고 서셉터(22)의 둘레틀부 및 중앙부의 방열량의 차에 기인하는 웨이퍼(W)의 면내온도의 불균일을 시정할 수 있다. 이 결과 웨이퍼(W)의 성막의 막두께의 면내균일성의 향상이 달성된다.
이 실시형태에서는 서셉터(22)를 3개의 존으로 분할하여 가열하고 있는데, 더욱 가열수단의 수를 늘림으로써 예를 들면 4개 또는 5개와 같이 보다 많은 존으로 분할하여 가열하는 것도 가능하다. 이 경우 서셉터(22)의 온도를 보다 고정밀도로 제어할 수 있다.
또 제 1∼제 3 가열수단(29A∼29C)에 대응하는 존의 각각에 열전쌍을 설치하고 각 존에서의 온도를 검출하는 것도 가능하다.
또한 이 실시형태의 CVD장치(20)에서는 제 3 도에 나타내는 바와 같이 서셉터메인보디(24)의 둘레틀부에 그 중앙부보다도 두꺼운 다리부(24A)를 설치하고, 이 다리부(24A)의 측벽면을 덮도록 제 3 가열수단(29C)을 설치하고 있다. 이에 따라 제 3 가열수단(29C)의 부착면적을 크게 하여 서셉터메인보디(24)의 다리부(24A)에 가해지는 열량을 그 중앙부보다도 많게 하고 있다. 이와 동시에 서셉터메인보디(24)의 다리부(24A)의 열용량을 그 중앙부보다도 크게 하고 있다. 이에 따라 서셉터(22)의 둘레틀부에서의 방열량을 저감하고, 또한 서셉터(22)의 둘레틀부에서의 방열에 의한 열손실을 보충하고 있다.
또 이 실시형태의 CVD장치(20)에서는 서셉터메인보디(24)의 중앙부의 두께(L3)와 다리부(24A)의 두께(L4)를 동일하게 함으로써 단열재(23)에 접촉하는 다리부(24)의 바닥면의 면적을 작게 하여 다리부(24)로부터의 열손실을 낮게 할 수 있다.
이 실시형태의 CVD장치(20)에 있어서, 제 5 도에 나타내는 바와 같이 샤워헤드부(35)의 내부는 동심원상의 3개의 가스실(37A∼37C)로 분할되고, 각 가스실(37A∼37C)에는 처리가스를 각각 독립적으로 공급할 수 있다. 또 각 가스실(37A∼37C)에 대한 처리가스의 공급량은 매스프로콘트롤러(44A∼44C)에 의해 각각 독립적으로제어할 수 있다. 따라서 처리용기(21)내의 가스반응영역(49)을 3개의 존으로 나누고, 또한 존마다 공급량을 바꾸어서 처리가스를 공급할 수 있다. 이 결과 내부가 구분되어 있지 않은 종래 구조의 샤워헤드부와 달리 웨이퍼(W)에 대한 단위면적당의 가스공급량을 존마다 임의로 변경하는 것이 가능하기 때문에 여러가지 프로세스 및 성막종류에 대하여 면내 균일성의 높은 성막을 실시하는 것이 가능하다.
상기한 실시형태에서는 원료가스로서 실란가스를 이용했지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 디실란과 같은 다른 원료가스를 이용할 수 있다. 또 캐리어가스에 대해서도 아르곤가스외에 예를 들면 질소, 헬륨, 크세논과 같은 비활성가스를 이용할 수 있다.
또 상기한 실시형태에서는 발열저항체를 이용한 가열에 대하여 설명했지만, 램프조사에 의한 가열과 같은 다른 가열이어도 좋다.
또 상기한 실시형태에서는 저항가열식의 CVD장치를 예로 들어서 설명했지만, 본 발명은 다른 열처리장치에도 적용 가능하다.
또한 상기한 실시형 태에서는 피처리체로서 반도체웨이퍼를 예로 들어서 설명했지만, 피처리체는 이에 한정되는 것은 아니고 유리 기판이나 고분자기판이어도 좋다.
제 1 도는 종래의 매엽식 처리장치를 나타내는 개략구성도.
제 2 도는 본 발명의 한 실시형태에 관련되는 CVD장치를 나타내는 단면도.
제 3 도는 제 2 도에 나타내는 CVD장치의 서셉터 근처의 부분을 나타내는 단면도.
제 4 도는 제 2 도에 나타내는 CVD장치의 서셉터에 설치된 가열수단을 나타내는 평면도.
제 5 도는 제 2 도에 나타내는 CVD장치의 샤워헤드부를 나타내는 단면도.
제 6 도는 제 2 도에 나타내는 CVD장치의 샤워헤드부를 나타내는 평면도.
제 7 도는 본 발명의 효과를 증명하기 위해 실시한 시뮬레이션에서의 원통축대칭모델을 나타내는 설명도.
제 8 도∼제 11 도는 본 발명의 효과를 증명하기 위해 실시한 시뮬레이션의 결과를 나타내는 설명도.
제 12 도는 웨이퍼중심으로부터의 거리(r)와 폴리실리콘의 퇴적속도(D/R)와 관계를 나타내는 특성도.
제 13 도는 웨이퍼중심으로부터의 거리와 프로세스가스의 관계를 나타내는 특성도.
제 14 도는 가스개구부의 반지름과 웨이퍼(W)면상에서의 유속의 관계를 나타내는 개략도.
제 15 도는 샤워헤드부의 가스분출구멍의 배열의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 20: CVD장치 11, 21: 처리용기
13, 22A: 재치면 14, 35: 샤워헤드부
22: 서셉터 24: 서셉터메인보디
26: 정전척 29: 가열수단
38, 39, 40: 가스공급관 41, 42, 43: 가스공급원
44A∼44C: 매스프로콘트롤러 47, 50: 냉각쟈켓
48: 가스분출구멍 49: 가스반응영역

Claims (12)

  1. 피처리체의 처리를 실시하는 처리용기와,
    상기 처리용기내에 설치되어 상기 피처리체가 재치되기 위한 재치면을 갖는 서셉터와,
    상기 재치면에 대하여 간격을 두고 설치된 샤워헤드부와,
    상기 샤워헤드부에 처리가스를 공급하는 처리가스공급수단과,
    상기 서셉터에 대면하는 상기 샤워헤드부에 설치되고, 평면 둘레틀을 갖는 가스 분출영역으로 정의되는 영역내에 배열된 복수의 가스분출구멍과,
    상기 서셉터에 부착되어 상기 서셉터를 가열하고, 상기 서셉터상에서 상기 재치면을 향하도록 사이에 샌드위치된 상기 서셉터의 보디와 함께 배치된 내측 가열기 및 상기 처리가스가 적어도 반응을 시작하는 온도까지 가열되는 가스 반응영역의 평면둘레틀로 정의되는 평면둘레틀을 갖고, 상기 서셉터의 측벽을 둘러싸기 위해 상기 측벽상에 배열된 외측 가열기로 구성된 가열수단;을 구비하고,
    상기 가스분출영역 및 상기 가스 반응영역의 상기 평면둘레틀은 서로 실질적으로 동일한 형상이고, 최대 길이가 실질적으로 동일하고, 서로 실질적으로 동심인 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  2. 피처리체의 처리를 실시하는 처리용기와,
    상기 처리용기내에 설치되어 상기 피처리체가 재치되기 위한 재치면을 갖는서셉터와,
    상기 재치면에 대하여 간격을 두고 설치된 샤워헤드부와,
    상기 샤워헤드부에 처리가스를 공급하는 처리가스공급수단과,
    상기 서셉터에 대면하는 상기 샤워헤드부에 설치되고, 평면둘레틀을 갖는 가스 분출영역으로 정의되는 영역내에 배열된 복수의 가스분출구멍과,
    상기 서셉터에 부착되어 상기 서셉터를 가열하고, 상기 처리가스가 적어도 반응을 시작하는 온도까지 가열되는 가스 반응영역의 평면둘레틀을 정의하고, 상기 가스 분출영역 및 상기 가스반응영역의 상기 평면둘레틀은 서로 실질적으로 동일한 형상이고, 최대 길이가 실질적으로 동일하고, 서로 실질적으로 동심인 가열수단; 구비하고,
    상기 샤워헤드부는 상부판, 바닥판 및 상기 상부판과 바닥판 사이에 연장된 다수의 용벽을 구비하고, 상기 샤워헤드부내에서 복수의 가스실이 동심을 이루도록 하기 위하여 상기 용벽은 동심원상에 배열되고,
    상기 처리가스공급수단은 상기 각 가스실에 직접 연결된 균등 공급관을 구비하고, 상기 균등 공급관은 상기 처리 가스의 공급비율에 대해 서로 독립되도록 제어 가능한 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  3. 피처리체의 처리를 실시하는 처리용기와,
    상기 처리용기내에 설치되어 상기 피처리체가 재치되는 재치면을 갖는 지지부재와,
    상기 재치면에 대하여 간격을 두고 설치된 샤워헤드부와,
    상기 샤워헤드부에 처리가스를 공급하는 처리가스공급수단과,
    상기 샤워헤드부의 하면에 설치되어 상기 재치면에 대향하는 복수의 가스분출구멍과,
    상기 처리용기에 설치된 배기구에 접속된 진공펌프를 구비하고, 상기 샤워헤드부의 상기 하면의 상기 복수의 가스분출구멍이 형성된 가스분출영역과 상기 처리가스가 반응을 일으키는 상기 지지부재의 상측의 가스반응영역은 평면도외륜곽에 있어서, 형상 및 최대길이가 서로 실질적으로 동일하고, 또한 서로 실질적으로 동심상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 재치면의 아래쪽에 배치되어 상기 지지부재를 가열하는 가열수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가열부는 복수의 가열수단을 갖고, 상기 복수의 가열수단은 상기 지지부재와 같은 점을 중심으로 하여 동심상으로 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가열수단은 상기 지지부재의 둘레틀부에 설치되어 상기 지지부재의 측벽면을 덮는 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 가열수단을 따로 따로 독립하여 제어하는 제어수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 지지부재의 둘레틀부에 설치된 가열수단에 의해 가열되는 부분의 온도가 다른 가열수단에 의해 가열되는 부분의 온도보다도 높아지도록 상기 복수의 가열수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 가스분출구멍은 상기 가스분출영역내에 단위면적당의 개구율이 실질적으로 동일해지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 샤워헤드부의 내부는 복수의 가스실로 분할되는 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 가스실에 처리가스를 공급하는 처리가스공급계가 따로 따로 접속되는 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 처리용기의 저부에 설치된 냉각쟈켓을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 매엽식 처리장치.
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