KR20070066626A - 화학 기상 증착 장치의 샤워 헤드 - Google Patents

화학 기상 증착 장치의 샤워 헤드 Download PDF

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김기석
이승배
백종민
박종희
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 다수의 반응 가스를 이용하는 화학 기상 증착 설비의 샤워 헤드에 관한 것이다. 샤워 헤드는 공정 챔버 상부의 리드에 결합되는 베이스 플레이트, 미들 플레이트 및 로우 플레이트를 포함한다. 샤워 헤드는 서로 다른 반응 가스가 공정 챔버 내부에 공급되도록 완전히 분리된 가스 공급 경로를 갖는다. 베이스 플레이트와 미들 플레이트 사이에는 각각의 가스 공급 경로의 누출을 방지하기 위해 제 1 가스 공급 라인과 미들 플레이트의 제 1 가스 공급구를 공정 챔버 외부에서 연결시키는 체결부재를 구비한다. 체결부재는 제 1 가스 공급 라인과 미들 플레이트의 제 1 가스 공급구의 연장된 가스 공급 경로 사이를 수직 및 수평으로 실링하는 다수의 실링부재를 포함한다. 본 발명에 의하면, 다수의 가스 공급 경로를 완전하게 분리함으로써, 샤워 헤드 내부에서의 가스 누출을 방지하고, 가스 누출로 인한 파티클 소스를 제거한다.
반도체 제조 설비, 화학 기상 증착 설비, 샤워 헤드, 체결부재, 실링부재

Description

화학 기상 증착 장치의 샤워 헤드{SHOWER HEAD OF CHEMICAL VAPOR DEPOSITION EQUIPMENT}
도 1은 종래기술의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 샤워 헤드를 도시한 단면도;
도 2는 도 1에 도시된 샤워 헤드의 결합 부분을 상세히 나타내는 도면들; 그리고
도 3은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 샤워 헤드의 구성을 도시한 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
100 : 샤워 헤드 102 : 베이스 플레이트
104 : 미들 플레이트 106 : 로우 플레이트
108, 118 : 가스 공급 라인 110 : 실링부재
112, 116 : 오-링 114 : 금속 실링
120 : 체결부재
본 발명은 반도체 제조 설비에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 화학 기상 증착 설비의 샤워 헤드에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자의 제조를 위한 화학 기상 증착(CVD) 설비는 형성시키는 박막 재료를 구성하는 적어도 하나 이상의 반응 가스를 반도체 기판 위에 공급한다. 공급된 반응 가스는 반도체 기판 표면에서 화학 반응에 의해서 원하는 박막이 형성된다.
반도체 디바이스의 고집적화에 따라서 베리어 금속 증착 방식은 기존의 PVD 방식에서 CVD 방식으로 변경됨에 따라, 반응 가스 예를 들어, TiCL4 가스와 NH3 가스를 샤워 헤드를 통해 웨이퍼 표면에 분사시켜 Ti 막을 형성한다.
이와 같은 화학 기상 증착 장치는 공정 챔버의 상부에 리드(Lid)가 설치된다. 리드는 일반적으로 원통 형상으로 구비되며 내부에는 반응 가스가 공정 챔버 내부로 분사되도록 하는 샤워 헤드가 장착된다. 이러한 샤워 헤드는 리드에 다수의 스크류를 이용하여 체결된다.
이 때, 샤워 헤드는 베이스 플레이트, 미들 플레이트의 접합 부위가 불안전하게 실링되어 가스 누출이 발생되는 문제점이 있다. 즉, TiCL4 가스와 NH3 가스가 샤워 헤드를 통해 공정 챔버 내부에서 반응이 이루어져야 하나, 접합 부위에서 가스 누출이 발생되어 TiCL4 가스와 NH3 가스가 반응이 이루어져서 샤워 헤드의 내부에 파티클이 발생된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 기술의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 설 비는 배리어 금속 박막을 증착하기 위한 동경 일렉트론(TEL) 사의 TRIAS 설비로서, 원통 형상의 공정 챔버(미도시됨)와, 공정 챔버 내부에 구비되어 로딩된 웨이퍼를 지지하는 스테이지(미도시됨)를 포함한다. 스테이지는 예를 들어, 서셉터(susceptor), 정전척 등으로, 내부에 웨이퍼를 일정 온도로 가열하는 히터가 구비된다. 또 공정 챔버는 상부에 리드(Lid)와, 리드에 체결되어 공정 챔버 내부로 박막 증착을 위한 복수의 반응 가스들을 공급하는 샤워 헤드(shower head)(10)를 포함한다.
예를 들어, 배리어 금속(barrier metal) 공정을 위한 반응 가스는, Ti(티탄) 가스와 N(질소) 가스를 이용한다. 이들 가스가 함유된 화합물로 Ti 가스는 TiCl4, N 가스는 NH3(암모니아) 등이 이용된다.
샤워 헤드(10)는 가장자리 부위에 스크류를 이용하여 리드와 체결되고, 반응 가스들을 공정 챔버 내부로 공급하는 가스 공급 라인(2, 4)과, 가스 공급 라인(2, 4)과 연결되어 스테이지에 로딩된 웨이퍼 표면에 반응 가스를 공급, 토출하는 제 1 및 제 2 가스 토출구(6, 8)가 미들 및 로우 플레이트(14, 16)의 결합에 의해 내부에서 서로 번갈아서 형성되어 있다.
그리고 샤워 헤드(10)는 서로 다른 가스 공급 경로를 형성한다. 즉, 제 1 가스 토출구(8)는 TiCl4 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 라인(2)과, 제 1 가스 공급구(26)가 연결되어 있고, 제 2 가스 토출구(6)는 NH3 가스를 공급하는 제 2 가스 공급 라인(4)과 연결되고, 베이스 플레이트(12)와 미들 플레이트(14) 사이에 형성된 가스 공급 공간(24) 및 제 2 가스 공급구(22)를 통해 공정 챔버로 반응 가스를 공급한다.
이와 같이, 샤워 헤드(10)는 매트릭스 타입으로, 반응 가스인 TiCl4 가스와 NH3 가스가 서로 번갈아서 형성된 다른 가스 토출구(6, 8)로부터 각각 토출되고, 토출 후에 혼합되는 포스트 믹스 방식(post-mixing system)으로 반응 가스를 공급한다. 그리고 샤워 헤드(10)의 베이스 플레이트(12)와 미들 플레이트(14) 사이에 NH3 가스가 공급되는 공간(24)이 형성된다. 또 베이스 플레이트(12) 하부에 체결되는 미들 플레이트(14)와 로우 플레이트(16)가 결합되어, 제 1의 가스 공급 라인(2), 가스 공급 경로(20), 제 1 가스 공급구(26) 및 제 1 가스 토출구(8)을 경유하여 TiCl4 가스가 공급되는 경로를 형성한다.
그러나 샤워 헤드(10)는 가장자리 부분에서 스크류(미도시됨)로 리드와 체결되고, 스테이지 내부에 구비되는 히터(미도시됨)(약 650 ℃의 온도)에 따른 복사열에 의해 로우 플레이트(16)가 휘어져서 가장자리와 중앙부 간에 단차(약 0.17 ㎜ 정도)가 발생된다. 이는 샤워 헤드(10)의 가장자리 부분에는 골고루 가열되지만 중앙 부분에는 가열되어 있지 않기 때문이다. 그로 인하여 샤워 헤드(10)의 베이스 플레이트(12)는 로우 플레이트(16)와 반대 방향으로 휘어져서 단차가 발생된다.
샤워 헤드(10)의 중앙 부분(28)에는 베이스 플레이트(12)와 미들 플레이트(14) 사이의 접합면에 가스킷(gasket)(18)으로 실링된다. 그러나 베이스 플레이트(12)와 로우 플레이트(16) 간의 서로 다른 열팽창으로 인하여 서로 반대 방향으로 단차가 발생되어 실링 부위에서 가스 누출이 발생된다. 그 결과 샤워 헤드(10)의 로우 플레이트(16)로 공급되어야 할 반응 가스가 실링 부위에서 누출되어 주위의 반응 가스와 반응하게 되고, 실링 부위 주변에 파우더가 생성되어 파티클 발생의 원인이 된다.
상술한 바와 같이, CVD BM 공정을 진행하는 화학 기상 증착 설비에서, 샤워 헤드는 베이스 플레이트와 미들 플레이트 및 로우 플레이트의 접합 부분에 수평으로 실링을 유지하고 있으나, TiCl4 가스와 NH3 가스의 공급 경로가 상호 완전하게 분리시켜지 못하여 반응 가스들이 공급 경로에 유입되어 반응하게 된다. 그 결과, 샤워 헤드의 베이스 플레이트와 미들 플레이트 사이의 접합 부위에 반응 가스가 누출되어 반응 가스 간에 반응하여 파우더가 생성되며, 또 생성된 파우더는 공정 사고를 야기시키는 파티클 소스로 작용한다.
본 발명의 목적은 다수의 반응 가스를 이용하는 화학 기상 증착 설비에서 반응 가스의 누출을 방지하기 위한 샤워 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 서로 다른 반응 가스들에 의한 파티클 발생을 방지하기 위한 화학 기상 증착 설비의 샤워 헤드를 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한, 화학 기상 증착 설비의 샤워 헤드는 가스 공급 라인과 공정 챔버 외부에서 연결되고 복수 개의 실링 부재를 이용하는데 그 한 특징이 있다. 이와 같이 샤워 헤드는 서로 다른 반응 가스들이 샤워 헤드 내부에 유입, 반응하여 샤워 헤드 내부에서 파우더가 생성되는 것을 방지한다.
본 발명의 샤워 헤드는, 공정 챔버 내부로 서로 다른 제 1 및 제 2 반응 가스를 각각 공급하는 제 1 및 제 2 가스 공급 라인들과; 상기 공정 챔버의 상부면에 결합되어, 상기 제 1 가스 공급 라인으로부터 상기 공정 챔버 내부로 상기 제 1 반응 가스가 공급되도록 제 1 가스 공급 경로가 형성되며, 상기 제 2 가스 공급 라인이 관통되는 베이스 플레이트와; 상기 베이스 플레이트의 하부면에 결합되어, 상기 제 1 가스 공급 경로를 관통하여 상기 제 1 가스 공급 라인과 연결되고, 상기 베이스 플레이트 사이에서 상기 제 2 반응 가스를 공급하는 가스 공급 공간을 형성하며, 그리고 상기 제 1 및 상기 제 2 반응 가스가 분리되어 공급되는 제 1 및 제 2 가스 공급 경로를 형성하는 미들 플레이트와; 상기 제 1 가스 공급 라인과 상기 미들 플레이트의 상기 제 1 가스 공급 경로가 연장된 상기 제 1 반응 가스의 공급 경로 사이를 결합하는 체결부재 및; 상기 공정 챔버 내부로 상기 제 1 및 상기 제 2 반응 가스를 각각 공급하는 상기 제 1 및 상기 제 2 가스 공급 경로에 각각 연결되는 제 1 및 제 2 가스 토출구들을 구비하는 로우 플레이트를 포함한다.
한 실시예에 있어서, 상기 체결부재는; 상기 제 1 가스 공급 라인과 상기 미들 플레이트의 상기 제 1 가스 공급구 의 연장된 가스 공급 경로 사이에 1 차적으로 실링되는 금속 실링과, 상기 체결부재의 상하에 구비되어 상기 제 1 가스 공급 라인과 상기 체결부재 사이를 2 차적으로 실링하는 제 1 및 제 2 오-링을 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 상기 체결부재는; 상기 공정 챔버 외부에서 상기 제 1 가스 공급 라인과 상기 미들 플레이트의 상기 제 1 가스 공급구의 연장된 공급 경로를 결합한다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
이하 첨부된 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 설비의 샤워 헤드를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 화학 기상 증착 설비는 예컨대, 배리어 금속막을 형성하는 장치로서, 공정 챔버 내부에 구비되는 샤워 헤드(100)를 포함한다. 공정 챔버는 내부에 웨이퍼를 수평으로 로딩하기 위한 스테이지를 구비하고, 스테이지는 내부에 웨이퍼를 일정 온도로 가열하는 히터를 포함한다. 공정 챔버의 상부에는 스테이지에 대향하는 샤워 헤드(100)가 공정 챔버의 리드(Lid)에 설치된다.
샤워 헤드(100)는 원형으로 베이스 플레이트(102)와, 미들 플레이트(104) 및 로우 플레이트(106)로 구성된다. 그리고 샤워 헤드(100)는 공정 챔버 외부에서 제 1 반응 가스를 공급하는 제 1 가스 공급 라인(118)과 연결된다. 따라서 본 발명의 샤워 헤드(100)는 베이스 플레이트(102)와 미들 플레이트(104)의 접합 부위에서 가 스 누출이 발생되지 않도록 공정 챔버 외부에서 제 1 가스 공급 라인(118)과 체결되는 구조를 가진다.
구체적으로, 베이스 플레이트(102)는 전체적으로 오목한 형상으로, 상부의 리드를 통하여 제 1 및 제 2 가스 공급 라인(118, 108)이 관통하여 설치된다. 제 1 가스 공급 라인(118)은 미들 플레이트(104)의 가스 공급 경로(도 1의 20)와 직접 연결되도록 결합하는 체결부재(120)에 의해 미들 플레이트(104)의 가스 공급 경로와 연결된다. 제 2 가스 공급 라인(108)은 베이스 플레이트(102)를 관통하여 설치된다.
베이스 플레이트(102)의 하부에는 환형으로 형성된 오목 형상의 미들 플레이트(104)가 결합된다. 또한, 미들 플레이트(104)의 하부에는 로우 플레이트(106)가 결합된다. 베이스 플레이트(102)의 하부면과 미들 플레이트(104)의 상부면 사이에는 제 2 가스 공급 라인(108)으로부터 반응 가스가 공급되는 가스 공급 공간이 형성된다. 미들 플레이트(104)는 내부에 제 1 가스 공급 라인(118)과 연결된 복수의 제 1 가스 공급구가 형성되고, 그리고 상부면과 하부면이 관통되고 가스 공급 공간과 연결된 복수의 제 2 가스 공급구가 방사형으로 균일하게 형성된다.
로우 플레이트(106)는 미들 플레이트(104)의 제 1 가스 공급구를 경유하여 제 1 가스 공급 라인(118)에 연결되는 복수의 제 1 가스 토출구와, 제 2 가스 공급 라인(108)으로부터 가스 공급 공간과 제 2 가스 공급구를 통해 연결되는 복수의 제 2 가스 토출구가 형성된다.
그러므로 제 1 및 제 2 가스 토출구는 각각 제 1 및 제 2 가스 공급구와 연 결되어 서로 다른 반응 가스를 공정 챔버 내부로 공급하도록 서로 다른 경로를 형성한다. 즉, 제 1 반응 가스는 제 1 가스 공급 라인(118)으로부터 미들 플레이트(104)의 제 1 가스 공급구 및 로우 플레이트(106)의 제 1 가스 토출구를 통하여 제 1 가스 공급 경로를 형성한다. 이는 가스 공급 공간을 경유하지 않고 공정 챔버 내부로 공급된다. 그리고 제 2 반응 가스는 제 2 가스 공급 라인(108)과, 미들 플레이트(104)의 상부면에 형성된 가스 공급 공간과, 제 2 가스 공급구 및 로우 플레이트(106)의 하부면에 형성된 복수의 제 2 가스 토출구를 통하여 제 2 가스 공급 경로를 형성한다.
그리고 체결부재(120)는 미들 플레이트(104)의 제 1 가스 공급구가 연장된 가스 공급 경로와 일체형으로 구비되어, 공정 챔버 외부에서 제 1 가스 공급 라인(118)과 연결되도록 체결하며, 제 1 가스 공급 라인(118)과 체결부재(120) 사이를 실링하는 다수의 실링부재(110)를 포함한다. 실링부재(110)는 예를 들어, 제 1 가스 공급 라인(118)과 연결되는 부위에 1 차적으로 실링되는 금속 실링(114)과, 체결부재(120) 상하에 2 차적으로 실링하는 복수개의 오-링(112, 116)을 포함한다.
구체적으로, 본 발명의 샤워 헤드(100)는 도 2에 도시된 종래기술에서 샤워 헤드(10)의 베이스 플레이트(12)와 미들 플레이트(14)의 중앙 접합 부위(28)에서 가스 누출이 발생하던 것을 방지하기 위하여, 체결부재(120)는 미들 플레이트(104)의 제 1 가스 공급구로부터 공정 챔버 외부의 제 1 가스 공급 라인(118)의 금속 실링(114) 부위까지를 연장하여 일체형으로 구현한다. 따라서 공정 챔버 외부에서 1 차적으로 금속 실링(114)을 이용하여 실링하고, 2 차적으로 오-링(112, 116)을 이 용한 2 중 실링 구조로 실링하여, 제 1 가스 공급 라인(118)의 가스 인입 부위를 결합한다. 그러므로 서로 다른 반응 가스의 공급 경로를 완전히 분리시키고, 기존의 공정 챔버 내부에서 실링하여 발생되는 가스 누출을 방지한다.
따라서, 제 1 가스 공급 라인(118)으로부터 공급되는 반응 가스는 제 1 가스 공급 경로를 통해 제 1 가스 토출구로 토출되어 공정 챔버로 공급되고, 제 2 가스 공급 라인(108)으로부터 공급되는 반응 가스는 제 2 가스 공급 경로를 통해 제 2 가스 토출구로 토출되어 공정 챔버로 공급된다.
여기서, 제 1 가스 공급 라인(118)은 체결부재(120)를 통해 공정 챔버 외부에서 미들 플레이트(104)의 제 1 가스 공급구가 연장된 가스 공급 경로와 연결되고, 체결부재(120)의 내부에 복수의 실링부재(110)를 통해 수평 및 수직으로 실링되므로, 제 1 가스 공급 라인(118)과 미들 플레이트(104) 간의 접합 부분에서 가스 누출이 방지된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 샤워 헤드는 제 1 및 제 2 가스 공급 경로를 통해 공정 챔버로 서로 다른 반응 가스를 공급한다. 이 때, 공정 챔버 외부에서 체결부재를 이용하여 가스 공급 라인과 미들 플레이트의 가스 공급구가 연결되고 다수의 실링부재를 이용하여 결합 부분이 수평 및 수직으로 실링되므로 가스 누출이 방지된다.
이상에서, 본 발명에 따른 유기이엘 기판을 위한 병렬 인라인 증착 시스템의 구성 및 작용을 도면을 이용하여 상세히 설명하였지만, 이는 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 샤워 헤드는 베이스 플레이트와 미들 플레이트의 접합 부위에서 가스 누출이 방지되도록 제 1 가스 공급 라인과 미들 플레이트 사이를 결합하는 체결부재를 일체형으로 구비하고, 체결부재를 수평 및 수직으로 실링하는 복수의 실링부재를 구비함으로써, 서로 다른 반응 가스들의 공급 경로를 완전히 분리시켜 가스 누출을 방지한다.
따라서 본 발명의 화학 기상 증착 설비의 샤워 헤드는 CVD BM 공정에 적용시, 베이스 플레이트와 미들 플레이트 사이의 접합 부위에 가스 누출이 발생하지 않도록 함으로써, 서로 다른 반응 가스들이 샤워 헤드 내부에서 반응하여 발생되는 파우더 생성 및 이로 인한 파티클 소스를 제거할 수 있다.

Claims (3)

  1. 화학 기상 증착 설비의 샤워 헤드에 있어서:
    공정 챔버 내부로 서로 다른 제 1 및 제 2 반응 가스를 각각 공급하는 제 1 및 제 2 가스 공급 라인들과;
    상기 공정 챔버의 상부면에 결합되어, 상기 제 1 가스 공급 라인으로부터 상기 공정 챔버 내부로 상기 제 1 반응 가스가 공급되도록 제 1 가스 공급 경로가 형성되며, 상기 제 2 가스 공급 라인이 관통되는 베이스 플레이트와;
    상기 베이스 플레이트의 하부면에 결합되어, 상기 제 1 가스 공급 경로를 관통하여 상기 제 1 가스 공급 라인과 연결되고, 상기 베이스 플레이트 사이에서 상기 제 2 반응 가스를 공급하는 가스 공급 공간을 형성하며, 그리고 상기 제 1 및 상기 제 2 반응 가스가 분리되어 공급되는 제 1 및 제 2 가스 공급 경로를 형성하는 미들 플레이트와;
    상기 제 1 가스 공급 라인과 상기 미들 플레이트의 상기 제 1 가스 공급 경로가 연장된 상기 제 1 반응 가스의 공급 경로 사이를 결합하는 체결부재 및;
    상기 공정 챔버 내부로 상기 제 1 및 상기 제 2 반응 가스를 각각 공급하는 상기 제 1 및 상기 제 2 가스 공급 경로에 각각 연결되는 제 1 및 제 2 가스 토출구들을 구비하는 로우 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 설비의 샤워 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 체결부재는;
    상기 제 1 가스 공급 라인과 상기 미들 플레이트의 상기 제 1 가스 공급구 의 연장된 가스 공급 경로 사이에 1 차적으로 실링되는 금속 실링과,
    상기 체결부재의 상하에 구비되어 상기 제 1 가스 공급 라인과 상기 체결부재 사이를 2 차적으로 실링하는 제 1 및 제 2 오-링을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 설비의 샤워 헤드.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 체결부재는;
    상기 공정 챔버 외부에서 상기 제 1 가스 공급 라인과 상기 미들 플레이트의 상기 제 1 가스 공급구의 연장된 공급 경로를 결합하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 설비의 샤워 헤드.
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