KR101073373B1 - 샤워헤드 및 이를 이용한 기판처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 샤워헤드 및 이 샤워헤드를 이용한 기판처리장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 기판처리장치는 기판에 대한 일정한 처리를 수행하도록 내부에 공간부가 형성되어 있는 챔버, 챔버의 공간부에 설치되며 기판을 지지하는 서셉터 및 샤워헤드를 구비하며, 샤워헤드는 챔버에 고정되어 있는 환형의 지지링에 지지되는 것으로서, 가스가 유입될 수 있도록 유입구가 형성되어 있는 상판부와, 상판부로부터 하방으로 이격되게 배치되며, 상판부의 유입구로 유입된 가스가 하방으로 분사될 수 있도록 다수의 분사공이 형성되는 하판부 및 상판부와 하판부 사이를 상호 연결하여 상판부 및 하판부와 함께 상판부의 유입구로 유입된 가스가 확산될 수 있는 가스확산공간을 형성하는 측벽부를 구비하며, 측벽부와 지지링 사이의 파티클을 제거하도록 측벽부와 지지링 사이로 세정가스를 분사할 수 있는 세정가스 분사수단을 더 구비하는 것에 특징이 있다.

Description

샤워헤드 및 이를 이용한 기판처리장치{Showerhead and Substrate processing apparatus using the same}

본 발명은 반도체 등 기판을 처리하기 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 기판에 가스를 분사하기 위한 샤워헤드 및 이 샤워헤드를 이용하여 기판에 대하여 증착, 식각 등 일정한 공정을 수행가능한 기판처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자의 제조 공정은 기판 상에 서로 성질을 달리하는 도전막, 반도체막 및 절연막 등의 박막을 그 적층의 순서 및 패턴의 형상을 조합하여 일정한 기능을 수행하는 전자회로를 실현하는 과정이라고 말할 수 있다. 이에 따라 반도체 소자 제조 공정에서는 여러 가지 박막의 증착과 식각 단위 공정이 반복적으로 행해지며, 이러한 단위 공정을 실시하기 위해 기판은 해당 공정의 진행에 최적의 조건을 제공하는 챔버에 반입되어 처리된다.

도 1에는 기판 위에 얇은 막을 증착하기 위한 종래의 박막증착장치가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래의 박막증착장치(9)는 내부에 반응공간이 형성되어 있는 챔버(1)가 구비되며, 챔버(1)의 일측에는 기판(s)이 반입 및 반출되는 게이트밸브(2)가 설치된다. 챔버(1) 내부에는 기판(s)을 지지하는 지지플레이트(3) 가 승강가능하게 설치되며, 이 지지플레이트(3)의 내부에는 기판(s)을 가열하기 위한 발열체(미도시)가 매설되어 있다.

챔버(1)의 상측에는 기판(s)으로 원료가스를 분사하기 위한 가스공급장치가 설치되는데, 이러한 가스공급장치로는 가스 공급관, 샤워링(shower ring), 샤워헤드(showerhead) 등이 있다. 최근에 기판의 크기가 대형화됨에 따라 기판에 증착되는 박막의 균일도(uniformity)에 대한 중요성이 증가하고 있는데, 가스 공급관이나 샤워링을 사용하는 경우에는 기판에 증착되는 박막의 균일도가 샤워헤드를 사용하는 경우에 비해 우수하지 않다. 따라서 화학적 기상증착 방법에 이용되는 가스 공급장치로는 샤워헤드(4)가 많이 사용된다.

샤워헤드(4)의 상부에는 원료가스가 주입되는 가스주입관(5)이 연결되며, 내부에는 원료가스가 확산되는 가스확산공간(6)이 형성된다. 샤워헤드(4)의 하면에는 다수의 가스분사공(7)이 형성되어 있어, 가스확산공간(6) 내의 원료가스가 기판(s)쪽으로 분사될 수 있다.

한편, 상기한 구성의 박막증착장치(9)에서 증착효율을 향상시키기 위하여 플라즈마를 이용하는데, 샤워헤드(4)에 고주파 전원을 연결하고 지지플레이트(3)를 접지시켜, 지지플레이트(3)와 샤워헤드(4) 사이에 플라즈마가 형성되게 한다. 고주파 전원이 챔버(1)에 전달되지 않도록 챔버(1)와 샤워헤드(4) 사이에는 절연소재, 예컨대 세라믹 소재의 링부재(8)가 개재된다. 즉, 샤워헤드(4)가 링부재(8)에 얹어져서 지지되는 바, 샤워헤드(4)와 챔버(1)는 링부재(8)에 의하여 완전히 절연된다.

그러나 증착공정을 수행하게 되면, 특히 플라즈마를 형성하여 증착공정을 수행하게 되면 링부재(8)와 샤워헤드(4) 사이의 틈(d)에 파티클(p)이 끼어 챔버(1)가 오염되는 문제가 있었다. 증착장치에서는 샤워헤드(4)를 통해 정기적으로 세정가스를 도입하여 챔버(1)를 세정하는 것이 일반적인데, 챔버(1)를 세정하는 경우에도 샤워헤드(4)와 링부재(8) 사이의 틈(d)으로는 세정가스가 원활히 도입될 수 없어 이 부분에 대한 세정은 효과적으로 이루어지지 못했다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지지링과의 사이에 형성된 틈에 끼어있는 파티클을 제거가능하여 챔버의 오염을 방지하도록 구조가 개선된 샤워헤드 및 이 샤워헤드를 구비한 기판처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기판처리장치는 기판에 대한 일정한 처리를 수행하도록 내부에 공간부가 형성되어 있는 챔버, 상기 챔버의 공간부에 설치되며 상기 기판을 지지하는 서셉터 및 샤워헤드를 구비한다.

샤워헤드는, 기판에 대한 일정한 처리를 수행하는 챔버에 고정되어 있는 환형의 지지링에 지지되는 것으로서, 가스가 유입될 수 있도록 유입구가 형성되어 있는 상판부와, 상기 상판부로부터 하방으로 이격되게 배치되며, 상기 상판부의 유입구로 유입된 가스가 하방으로 분사될 수 있도록 다수의 분사공이 형성되는 하판부 및 상기 상판부와 하판부 사이를 상호 연결하여 상기 상판부 및 하판부와 함께 상기 상판부의 유입구로 유입된 가스가 확산될 수 있는 가스확산공간을 형성하는 측벽부를 구비하며, 상기 측벽부와 지지링 사이의 파티클을 제거하도록, 상기 측벽부와 지지링 사이로 세정가스를 분사할 수 있는 세정가스 분사수단을 더 구비하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 세정가스 분사수단은, 상기 측벽부의 둘레방향을 따라 형성된 환형의 세정가스 공급로와, 상기 세정가스를 상기 세정가스 내측에 형성 된 세정가스 공급로로 도입하는 도입구와, 상기 세정가스 공급로로부터 상기 지지링을 향해 형성되는 복수의 가스배출로를 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 가스배출로는 상기 측벽부의 높이 방향을 따라 상호 이격되어 복수 개 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 샤워헤드를 장착한 기판처리장치는 샤워헤드와 지지링(절연링) 사이의 틈으로 세정가스를 분사하여 이 틈에 끼어 있는 파티클을 제거할 수 있으므로 챔버의 오염이 효과적으로 방지된다는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판처리장치를 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판처리장치의 개략적 구성도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선 개략적 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판처리장치(100)는 챔버(10), 서셉터(20), 샤워헤드(30)를 구비한다.

챔버(10)는 박막증착, 식각 등 기판(s)에 대한 일정한 처리가 행해지는 곳으로서, 챔버본체(11)와 이 챔버본체(11)에 힌지가능하게 결합되어 챔버본체(11)를 개폐하는 탑리드(12)를 구비한다. 탑리드(12)에 의하여 챔버본체(11)가 폐쇄되면, 챔버(10)의 내부에는 일정한 공간부(13)가 형성된다. 챔버(10)의 일측에는 게이트밸브(14)가 마련되며, 이 게이트밸브(14)를 통해 기판(s)이 공간부(13)로 반입 및 반출될 수 있다.

기판에 대한 처리가 진공 상태로 이루어지는 경우가 대부분이므로, 챔버(10)의 공간부(13)에 있는 공기를 강제 배기시키기 위한 펌핑라인(15)이 챔버(10)의 하측에 마련되며, 펌핑라인(15)은 챔버(10) 외측에 구비된 펌프(미도시)에 연결된다. 또한, 챔버(10)의 바닥면에는 후술할 서셉터(20)의 승강축(22)이 끼워지는 통공(16)이 형성된다.

서셉터(20)는 챔버(10)의 내부에 설치되어 게이트밸브(14)를 통해 반입된 기판(s)을 지지하기 위한 것으로서, 그 상면이 평평하게 형성되어 공정이 진행되는 동안 기판(s)을 지지한다.

서셉터(20)가 기판(s)을 로딩 및 언로딩할 때에는 게이트밸브(14)와 비슷한 높이에 배치되어야 하지만, 박막증착공정이 진행될 때에는 후술할 샤워헤드(30)에 수Cm 정도로 접근하여야 하므로, 서셉터(20)는 챔버(10) 내부에서 승강된다. 서셉터(20)를 승강시키기 위하여 서셉터(20)의 하부에는 승강축(21)이 결합되며, 승강축(21)은 수직방향으로 길게 형성되어 통공(15)을 통해 챔버(10)의 외부로 연장되며, 볼스크류 및 모터 등 직진운동수단(미도시)과 연결되어 서셉터(20)를 상하방향으로 승강시킨다. 또한, 기판(s)을 처리함에 있어 기판(s)을 가열하는 경우가 대부분이므로, 서셉터(20)의 내부에는 발열체(미도시)가 매립되어 있다.

샤워헤드(30)는 기판(s)을 향하여 가스를 분사하기 위한 것으로서 챔버(10)의 상부에 설치된다. 샤워헤드(30)는 상판부(31), 하판부(32) 및 측벽부(33)를 구비한다.

상판부(31)는 챔버(10)의 상측에 수평하게 배치되며, 기판(s)으로 분사될 가스가 유입되는 유입구(34)가 관통 형성되어 있다. 하판부(32)는 상판부(31)로부터 하방으로 이격되어, 상판부(31)와 평행하게 배치되며, 하판부(32)에는 유입구(34)를 통해 유입된 가스가 기판(s)을 분사될 수 있도록 다수의 분사공(35)이 형성되어 있다. 하판부(32)에서 분사공(35)이 배치되어 있는 면적은 기판(s)의 전체 면적보다 크게 설치되어, 기판(s)의 전 영역에 걸쳐 가스가 고르게 분사될 수 있다.

측벽부(33)는 상판부(31)와 하판부(32)의 둘레방향을 따라 배치되며, 상단은 상판부(31)에 연결되고 하단은 하판부(32)에 연결된다. 이에 샤워헤드(30)의 내부에는 상판부(31), 하판부(32) 및 측벽부(33)에 의하여 둘러싸인 공간이 형성되는데, 이 공간은 유입구(34)를 통해 유입된 가스가 확산되는 가스확산공간(36)을 형성한다. 유입구(34)를 통해 유입된 가스는 가스확산공간(36)에서 확산된 후 하판부(32)의 분사공(35)을 통해 기판(s)의 전 영역에 걸쳐 고르게 분사될 수 있다.

박막증착공정의 효율성을 향상시키기 위하여, 상기한 구성의 샤워헤드(30)에 고주파전원이 연결되고, 서셉터(20)는 접지되어 샤워헤드(30)와 서셉터(20) 사이에는 플라즈마를 형성시킨다. 고주파 전원이 샤워헤드(30)에만 인가되도록 하기 위하여, 챔버(10)의 탑리드(12)와 샤워헤드(30) 사이에는 세라믹과 같은 절연 소재의 지지링(40)이 개재된다. 즉, 환형의 지지링(40)은 탑리드(12)에 고정되게 설치되며, 샤워헤드(30)는 탑리드(12)에 지지된다. 지지링(40)에 의하여 탑리드(12)와 샤워헤드(30)는 완전히 절연된다.

종래기술에서도 설명한 바와 같이, 샤워헤드(30)가 지지링(40)에 설치되면, 지지링(40)의 내주면과 샤워헤드(30)의 측벽부(33) 사이에 틈(d)이 생기고, 이 틈(d)에 파티클(p)이 끼게 되므로 챔버(10)가 오염되는 문제점이 있다. 이에, 본 발명에서는 지지링(40)과 측벽부(33) 사이로 세정가스를 분사하여 파티클(p)을 제거하기 위한 세정가스 분사수단이 마련된다.

본 실시예에서 세정가스 분사수단은 도입구(71), 세정가스 공급로(72) 및 가스배출로(73)를 포함하여 이루어진다. 세정가스 공급로(72)는 샤워헤드(30)의 측벽부(33)의 내측에 고리형으로 형성된다. 도입구(71)는 샤워헤드(30)의 상측 외부와 세정가스 공급로(72)로를 연결한다. 도입구(71)에는 가스공급관(78)과 연결되어, 세정가스는 가스공급관(78)으로부터 도입구(71)를 거쳐 세정가스 공급로(72)로 도입된다.

가스배출로(73)는 세정가스 공급로(72)로부터 샤워헤드(30)의 직경방향을 따라 지지링(40)을 향해 형성된다. 본 실시예에서 가스배출로(73)는 샤워헤드(30)의 둘레방향을 따라 일정 각도 간격으로 이격되어 복수 개 배치되지만, 다른 실시예에서는 샤워헤드(30)의 둘레방향을 따라 고리형으로 연속적으로 형성될 수도 있다. 또한, 가스배출로(73)는 측벽부(33)의 높이방향을 따라 복수 개 배치되어, 샤워헤드(30)와 지지링(40) 사이의 틈(d)의 전체 높이에 걸쳐 세정이 가능하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 기판처리장치(100)에서는 샤워헤드(30)의 측벽부(33)에 형성된 도입구(71)로 세정가스가 도입되면, 이 세정가스는 고리형의 세정가스 공급로를 통해 확산된 후, 복수의 가스분출로(73)를 통해 지지링(40)의 내주면쪽으로 분사됨으로써, 샤워헤드(30)와 지지링(40) 사이의 틈(d)에 끼어 있는 파티클(p)을 제거할 수 있어 챔버(10)의 오염이 효과적으로 방지되며, 결과적으로 기판에 형성된 박막의 품질이 향상될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래의 박막증착장치의 개략적 구성도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판처리장치의 개략적 구성도이다.

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선 개략적 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 ... 기판처리장치 10 ... 챔버

20 ... 서셉터 30 ... 샤워헤드

31 ... 상판부 32 ... 하판부

33 ... 측벽부 40 ... 지지링

71 ... 도입구 72 ... 세정가스 공급로

73 ... 가스배출로

Claims (4)

1. 기판에 대한 일정한 처리를 수행하는 챔버에 고정되어 있는 환형의 지지링에 지지되는 것으로서,

   가스가 유입될 수 있도록 유입구가 형성되어 있는 상판부와,

   상기 상판부로부터 하방으로 이격되게 배치되며, 상기 상판부의 유입구로 유입된 가스가 하방으로 분사될 수 있도록 다수의 분사공이 형성되는 하판부 및

   상기 상판부와 하판부 사이를 상호 연결하여 상기 상판부 및 하판부와 함께 상기 상판부의 유입구로 유입된 가스가 확산될 수 있는 가스확산공간을 형성하는 측벽부를 구비하며,

   상기 측벽부와 지지링 사이의 파티클을 제거하도록, 상기 측벽부와 지지링 사이로 세정가스를 분사할 수 있는 세정가스 분사수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 세정가스 분사수단은,

   상기 측벽부의 내측에 고리형으로 형성된 환형의 세정가스 공급로와,

   상기 세정가스를 상기 세정가스 공급로로 도입하는 도입구와,

   상기 세정가스 공급로로부터 상기 지지링을 향해 형성되는 복수의 가스배출로를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
3. 제2항에 있어서,

   상기 가스배출로는 상기 측벽부의 높이 방향을 따라 상호 이격되어 복수 개 배치되는 것을 특징으로 하는 샤워헤드.
4. 기판에 대한 일정한 처리를 수행하도록 내부에 공간부가 형성되어 있는 챔버;

   상기 챔버의 공간부에 설치되며 상기 기판을 지지하는 서셉터; 및

   상기 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 청구항에 기재된 샤워헤드;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기판처리장치.

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