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KR101327458B1 - 냉각 방식의 샤워헤드 및 이를 구비하는 기판 처리 장치 - Google Patents

냉각 방식의 샤워헤드 및 이를 구비하는 기판 처리 장치 Download PDF

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KR101327458B1
KR101327458B1 KR1020120003106A KR20120003106A KR101327458B1 KR 101327458 B1 KR101327458 B1 KR 101327458B1 KR 1020120003106 A KR1020120003106 A KR 1020120003106A KR 20120003106 A KR20120003106 A KR 20120003106A KR 101327458 B1 KR101327458 B1 KR 101327458B1
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KR
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chamber
shower head
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upper portion
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KR1020120003106A
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양일광
송병규
김용기
김경훈
신양식
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주식회사 유진테크
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Publication date
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    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판 처리 장치는 상부가 개방되며, 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간이 제공되는 챔버본체; 상기 챔버본체의 상부에 설치되어 상기 챔버본체의 상부를 폐쇄하는 챔버리드; 상기 챔버리드의 하부에 설치되어 상기 내부공간을 향하여 반응가스를 공급하는 샤워헤드를 포함하되, 상기 샤워헤드는, 상기 챔버리드와 접하며, 상부면으로부터 함몰되어 내부에 냉매가 흐르는 유로를 가지는 플랜지; 그리고 상기 플랜지의 내측에 위치하며, 상기 반응가스를 분사하는 하나 이상의 분사홀이 두께 방향을 따라 형성된 평판을 구비한다.

Description

냉각 방식의 샤워헤드 및 이를 구비하는 기판 처리 장치{SHOWERHEAD HAVING COOLING SYSTEM AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS INCLUDING THE SHOWERHEAD}
본 발명은 샤워헤드 및 이를 구비하는 기판 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각 방식의 샤워헤드 및 이를 구비하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 장치는 실리콘 기판 상에 많은 층들(layers)을 가지고 있으며, 이와 같은 층들은 증착공정을 통하여 기판 상에 증착된다. 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)은 기체 상태의 화합물(또는 반응가스)을 분해한 후, 화학적 반응에 의해 반도체 기판 위에 박막이나 에피층을 형성하는 것을 말한다.
지지대는 공정챔버의 내부에 설치되며, 기판은 지지대의 상부에 놓여진다. 증착공정은 공정챔버 내에서 이루어지며, 증착공정이 이루어지기 이전에 공정챔버의 내부는 고온(예를 들어, 650℃ 이상)으로 가열된다. 샤워헤드는 기판의 상부에 설치되며, 기체 상태의 화합물(또는 반응가스)은 샤워헤드를 통해 기판 상으로 공급된다. 기체 상태의 화합물은 기판 표면에 흡착된 후 기판 표면에서 화학 반응을 시작하며, 이를 통해 박막을 이룬다.
한편, 샤워헤드는 공정챔버의 내부에 설치되므로, 공정진행 동안 높은 온도 하에 놓인다. 이로 인해, 샤워헤드가 가열되어 열변형될 가능성이 있으며, 샤워헤드의 열변형은 반응가스의 균일한 공급에 영향을 미친다. 반응가스가 기판 상에 균일하게 공급되지 않을 경우, 박막은 기판의 표면을 따라 불균일한 두께(non-uniform thickness)를 가질 수 있다.
또한, 샤워헤드의 온도가 일정 온도 이상으로 가열될 경우, 반응가스가 샤워헤드 내에서 증착되거나 파티클을 형성할 수 있다.
한국공개특허공보 10-2005-0092123호 2007. 4. 4.
본 발명의 목적은 열변형을 방지할 수 있는 냉각 방식의 샤워헤드 및 이를 구비하는 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 냉매 누출로 인해 공정에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있는 냉각 방식의 샤워헤드 및 이를 구비하는 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 샤워헤드를 빠르게 냉각시킬 수 있는 냉각 방식의 샤워헤드 및 이를 구비하는 기판 처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 기판 처리 장치는 상부가 개방되며, 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간이 제공되는 챔버본체; 상기 챔버본체의 상부에 설치되어 상기 챔버본체의 상부를 폐쇄하는 챔버리드; 상기 챔버리드의 하부에 설치되어 상기 내부공간을 향하여 반응가스를 공급하는 샤워헤드를 포함하되, 상기 샤워헤드는, 상기 챔버리드와 접하며, 상부면으로부터 함몰되어 내부에 냉매가 흐르는 유로를 가지는 플랜지; 그리고 상기 플랜지의 내측에 위치하며, 상기 반응가스를 분사하는 하나 이상의 분사홀이 두께 방향을 따라 형성된 평판을 구비한다.
상기 기판 처리 장치는 상기 챔버리드와 상기 플랜지 사이에 개재되어 상기 유로의 내측에 설치되는 씰링부재를 더 포함할 수 있다.
상기 샤워헤드는 상기 플랜지에 접합되어 상기 유로의 상부를 폐쇄하는 유로커버를 더 구비할 수 있다.
상기 유로는 상기 챔버본체의 내측에 위치하여 상기 내부공간에 대응되도록 배치될 수 있다.
상기 평판부는 상기 챔버리드의 하부면으로부터 이격되어 상기 챔버리드와 상기 평판부 사이에 버퍼공간이 형성될 수 있다.
상기 챔버리드는 상기 버퍼공간과 연통되어 외부로부터 반응가스가 공급되는 가스공급포트를 더 포함하며, 상기 기판 처리 장치는 상기 챔버리드의 하부에 고정되어 상기 버퍼공간 상에 설치되며 하나 이상의 확산홀을 가지는 블록 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 유로커버는 상기 플랜지에 용접체결될 수 있다.
상기 유로는 상기 분사홀의 둘레를 따라 배치되는 순환유로와, 상기 순환유로의 양단에 각각 연결되는 유입유로 및 유출유로를 가질 수 있다.
상기 플랜지는 원형링 형상이며, 상기 플랜지의 두께는 상기 평판의 두께보다 클 수 있다.
상기 플랜지는 사각링 형상이며, 상기 플랜지의 두께는 상기 평판의 두께보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 샤워헤드는 상부면으로부터 함몰되어 내부에 냉매가 흐르는 유로를 가지는 플랜지; 그리고 상기 플랜지의 내측에 위치하며, 반응가스를 분사하는 하나 이상의 분사홀이 두께 방향을 따라 형성된 평판을 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 샤워헤드를 냉각하여 샤워헤드의 열변형을 방지할 수 있다. 또한, 냉매가 샤워헤드로부터 누출될 경우, 냉매가 챔버 내부로 유입되어 공정에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있다. 또한, 샤워헤드의 두께 차이를 통해 샤워헤드를 빠르게 냉각할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시한 샤워헤드를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시한 샤워헤드의 다른 실시예이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시한 샤워헤드를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 6을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
한편, 이하에서는 증착공정을 예로 들어 설명하고 있으나, 본 발명은 증착공정을 포함하는 다양한 반도체 제조공정에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 기판처리장치(1)는 챔버본체(10) 및 챔버리드(chamber lid)(20)를 포함한다. 챔버본체(10)는 상부가 개방된 형상이며, 챔버리드(20)는 챔버본체(10)의 개방된 상부를 개폐한다. 챔버리드(20)가 챔버본체(10)의 개방된 상부를 폐쇄하면, 챔버본체(10) 및 챔버리드(20)는 외부로부터 폐쇄된 내부공간을 형성한다.
챔버본체(10)는 내부공간에 해당하는 챔버 내부(11)를 가지며, 웨이퍼(W)는 챔버본체(10)의 일측에 형성된 통로를 통해 챔버 내부(11)에 로딩된다. 지지플레이트(50)는 챔버 내부(11)에 설치되며, 로딩된 웨이퍼(W)는 지지플레이트(50)의 상부면에 놓인다. 지지대(51)는 지지플레이트(50)의 하부에 연결되어 지지플레이트(50)를 지지한다.
가스공급포트(21)는 챔버리드(20)의 내부에 형성되며, 반응가스는 가스공급포트(21)를 통해 챔버 내부(11)로 유입된다. 반응가스는 웨이퍼(W) 표면에 박막을 증착시키기 위한 것이며, 박막에 따라 다양한 가스가 사용될 수 있다.
샤워헤드(40)는 챔버리드(20)의 하부에 연결되며, 샤워헤드(40)의 양측은 볼트(B)를 통해 챔버리드(20)에 체결된다. 샤워헤드(40)는 가스공급포트(21)를 통해 공급된 반응가스를 챔버 내부(11)에 공급하며, 반응가스는 웨이퍼(W)의 표면으로 이동하여 웨이퍼(W)의 표면에서 박막을 형성한다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시한 샤워헤드를 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 샤워헤드(40)는 플랜지(41) 및 평판(43)을 구비한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 평판(43)은 웨이퍼(W)와 대응되는 원반(disk) 형태이며, 플랜지(41)는 평판(43)의 외측 둘레를 따라 위치한 원형링 형상을 가진다. 평판(43)은 지지플레이트(50)에 놓여진 웨이퍼(W)에 대응되도록 배치되며, 두께 방향으로 형성된 복수의 분사홀들(42)을 가진다. 반응가스는 가스공급포트(21)를 통해 평판(43)의 상부로 이동하며, 분사홀들(42)을 통해 웨이퍼(W)의 표면으로 확산된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 플랜지(41)는 볼트(B)를 통해 챔버리드(20)에 체결되며, 평판(43)은 플랜지(41)에 연결되어 챔버리드(20)의 하부에 위치한다. 이때, 평판(43)의 하부면은 플랜지(41)의 하부면과 나란하게 배치되며, 플랜지(41)의 두께는 평판(43)의 두께보다 크므로, 평판(43)은 챔버리드(20)의 하부면으로부터 이격되어 배치된다. 따라서, 평판(43)의 상부면은 챔버리드(20)의 하부면으로부터 이격되며, 버퍼공간(22)이 평판(43)과 챔버리드(20) 사이에 형성된다.
블록플레이트(50)는 버퍼공간(22)에 설치되며, 블록플레이트(50)의 양측은 챔버리드(20)에 고정된다. 블록플레이트(50)는 복수의 확산홀들(52)을 가진다. 반응가스는 가스공급포트(21)를 통해 블록플레이트(50)의 내부로 이동하며, 확산홀들(52)을 통해 확산되어 평판(43)의 상부로 이동한다. 이때, 확산홀들(52)은 평판(43)에 형성된 분사홀들(42)과 대응되도록 배치될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 플랜지(41)는 순환유로(44)를 가지며, 순환유로(44)는 챔버 내부(11)에 대응되도록 배치된다. 순환유로(44)는 플랜지(41)의 상부면으로부터 함몰되어 형성된다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 순환유로(44)는 평판(43)의 외측 둘레를 따라 배치되며, 유입유로(44a) 및 유출유로(44b)가 유로(44)의 양단에 각각 연결된다. 유입유로(44a) 및 유출유로(44b)도 마찬가지로 플랜지(41)의 상부면으로부터 함몰되어 형성된다.
냉매(예를 들어, 물과 같은)는 유입유로(44a)를 통해 순환유로(44)에 유입되며, 순환유로(44)를 순환한 냉매는 유출유로(44b)를 통해 유출된다. 냉매는 순환유로(44)를 순환하면서 샤워헤드(40)를 설정 온도 이하로 냉각하며, 유출된 냉매는 외부에 설치된 칠러(chiller)를 통해 냉각된다. 이와 같은 방법을 통해, 샤워헤드(40)가 과열되는 것을 방지할 수 있으며, 샤워헤드(40)를 설정 온도 이하로 제어할 수 있다. 분사홀들(42)은 순환유로(44)의 내측에 위치한다.
유로커버(45)는 플랜지(41)에 체결(예를 들어, 용접과 같은 방식으로)되어 순환유로(44)(및 유입유로(44a) 및 유출유로(44b))의 개방된 상부를 폐쇄 및 밀봉(sealing)하며, 순환유로(44)를 통해 흐르는 냉매가 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다. 유로커버(45)는 순환유로(44), 유입유로(44a) 및 유출유로(44b)와 대응되는 형상을 가진다.
상술한 바에 의하면, 순환유로(44)는 플랜지(41)의 상부면으로부터 함몰형성되며, 이와 같은 구조는 순환유로(44)를 따라 순환하는 냉매가 순환유로(44)의 하부를 통해 챔버 내부(11)로 누출될 수 있는 가능성을 제거한다. 즉, 플랜지(41)는 일체로 형성되며, 순환유로(44)는 가공을 통해 플랜지(41)의 상부면으로부터 함몰형성되므로, 냉매는 순환유로(44)의 상부를 통해 누출될 가능성은 있으나, 순환유로(44)의 하부를 통해 누출될 가능성은 없다. 순환유로(44)의 개방된 상부는 유로커버(45)를 통해 밀봉된다.
플랜지(41)는 고정홈(46)을 가지며, 고정홈(46)은 플랜지(41)의 상부면으로부터 함몰형성된다. 고정홈(46)은 유로(44)의 내측에 위치하며, 씰링부재(47)는 고정홈(46) 상에 삽입설치된다.
앞서 설명한 바와 같이, 순환유로(44)를 따라 순환하는 냉매는 순환유로(44)의 상부를 통해 누출될 가능성이 있으며, 유로커버(45)를 통해 순환유로(44)의 상부를 밀봉한다고 할지라도, 유로커버(45)의 불완전한 밀봉으로 인해 냉매가 누출될 가능성은 여전히 존재한다. 만일, 순환유로(44)의 상부를 통해 누출된 냉매가 샤워헤드(40)의 내측으로 흘러 평판(43)의 상부(또는 버퍼공간(22))로 이동할 경우, 냉매는 반응가스와 함께 챔버 내부(11)(또는 웨이퍼(W)의 상부)로 이동하여 공정에 악영향을 미치며, 이로 인해 공정불량이 발생할 수 있다. 따라서, 냉매의 누출이 발생하더라도, 누출된 냉매가 공정에 악영향을 미치는 것을 방지할 필요가 있으며, 이를 통해 손해를 최소화할 필요가 있다.
씰링부재(47)는 고정홈(46) 상에 설치되며, 플랜지(41)와 챔버리드(20) 사이를 밀봉한다. 그러므로, 냉매는 샤워헤드(40)의 내측으로 흐를 수 없으며, 샤워헤드(40)의 외측으로 흘러 기판 처리 장치(1)의 외부로 배출된다. 즉, 씰링부재(47)는 냉매가 버퍼공간(22)을 통해 챔버 내부(11)로 유입되는 것을 방지하며, 이를 통해 냉매 누출로 인한 공정불량을 방지할 수 있다.
결론적으로, 샤워헤드(40)는 순환유로(44), 유입유로(44a) 및 유출유로(44b)가 플랜지(41)의 상부면으로부터 함몰형성된 구조이므로, 냉매가 순환유로(44), 유입유로(44a) 및 유출유로(44b)의 하부를 통해 누출되어 챔버 내부(11)로 유입될 가능성은 없다. 또한, 냉매가 순환유로(44)의 상부를 통해 누출된 경우, 냉매는 씰링부재(47)로 인해 샤워헤드(40)의 내측으로 흐를 수 없으며, 샤워헤드(40)의 외측으로 흘러 기판 처리 장치(1)의 외부로 배출된다.
한편, 플랜지(41)는 냉매를 통해 냉각되며, 평판(43)의 열은 플랜지(41)에 전달된다. 평판(43) 내의 열전달은 두께 방향과 길이 방향에 대하여 동시에 이루어지므로, 평판(43)의 두께가 두꺼울수록 플랜지(41)를 향하는(평판(43)의 길이 방향) 열전달의 속도는 느려질 것이다. 즉, 플랜지(41)를 향하는 열전달의 속도는 평판(43)의 두께에 반비례하며, 평판(43)의 두께가 작은 경우, 평판(43) 내의 열전달은 대부분 플랜지(41)를 향하는 방향(또는 길이 방향)으로 집중되며, 이로 인해 평판(43)은 빠르게 냉각될 수 있다.
또한, 열용량(heat capacity)은 질량에 비례하기 때문에, 플랜지(41)의 두께가 큰 경우, 플랜지(41)는 충분한 열용량을 가지므로, 평판(43)의 열을 충분히 흡수할 수 있다. 위와 같은 점을 고려하여, 플랜지(41)의 두께는 평판(43)의 두께보다 큰 것이 바람직하다.
도 4는 도 1에 도시한 샤워헤드의 다른 실시예이다. 도 3에 도시한 샤워헤드는(40)는 원형 웨이퍼(W)에 대한 공정을 진행할 수 있으며, 도 4에 도시한 샤워헤드(40)는 사각 기판에 대한 공정을 진행할 수 있다. 사각 기판은 평판 디스플레이(예를 들어, 액정 패널)에 대한 공정에 사용된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타내는 도면이며, 도 6은 도 5에 도시한 샤워헤드를 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2는 유로커버(45)가 순환유로(44)(및 유입유로(44a) 및 유출유로(44b))의 개방된 상부를 폐쇄 및 밀봉하는 것으로 도시하고 있으나, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 유로커버(45)는 생략될 수 있으며, 순환유로(44)(및 유입유로(44a) 및 유출유로(44b))의 개방된 상부는 챔버리드(20)에 의해 폐쇄 및 밀봉될 수 있다. 냉매가 챔버리드(20)의 불완전한 폐쇄 및 밀봉으로 인해 순환유로(44)의 상부를 통해 누출될 수 있으나, 씰링부재(47)는 누출된 냉매가 샤워헤드(40)의 내측으로 흐르는 것을 방지하며, 이를 통해 냉매 누출로 인한 공정불량을 충분히 방지할 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
10 : 챔버본체 11 : 챔버 내부
20 : 챔버리드 21 : 가스공급포트
40 : 샤워헤드 41 : 플랜지
43 : 평판 44 : 순환유로
45 : 유로커버 46 : 고정홈
47 : 씰링부재 50 : 블록플레이트

Claims (11)

  1. 상부가 개방되며, 기판에 대한 공정이 이루어지는 내부공간이 제공되는 챔버본체;
    상기 챔버본체의 상부에 설치되어 상기 챔버본체의 개방된 상부를 폐쇄하고 상기 내부공간을 외부로부터 격리하며, 상기 내부공간을 향하여 반응가스를 공급하는 샤워헤드; 및
    상기 샤워헤드의 상부에 설치되는 챔버리드를 포함하되,
    상기 샤워헤드는,
    일체로 형성되어 상기 챔버본체의 상부면 및 상기 챔버리드의 하부면과 접하며, 상부면으로부터 함몰되어 내부에 냉매가 흐르는 유로가 상기 챔버리드의 하부에 형성되는 링 형상의 플랜지;
    상기 플랜지의 내측에 연결된 상태에서 상기 챔버리드의 하부면으로부터 이격되어 상기 플랜지 및 상기 챔버리드와 함께 상기 반응가스가 공급되는 버퍼공간을 형성하며, 상기 반응가스를 분사하는 하나 이상의 분사홀이 두께 방향을 따라 형성된 평판; 및
    상기 챔버리드와 상기 플랜지 사이에 개재되어 상기 유로의 내측에 설치되는 씰링부재를 구비하는, 기판 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샤워헤드는 상기 플랜지에 접합되어 상기 유로의 상부를 폐쇄하는 유로커버를 더 구비하는, 기판 처리 장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 유로는 상기 챔버본체의 내측에 위치하여 상기 내부공간에 대응되도록 배치되는, 기판 처리 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 챔버리드는 상기 버퍼공간과 연통되어 외부로부터 반응가스가 공급되는 가스공급포트를 더 포함하며,
    상기 기판 처리 장치는 상기 챔버리드의 하부에 고정되어 상기 버퍼공간 상에 설치되며 하나 이상의 확산홀을 가지는 블록 플레이트를 더 포함하는, 기판 처리 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 유로커버는 상기 플랜지에 용접체결되는, 기판 처리 장치.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 유로는 상기 분사홀의 둘레를 따라 배치되는 순환유로와, 상기 순환유로의 양단에 각각 연결되는 유입유로 및 유출유로를 가지는, 기판 처리 장치.
  9. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 플랜지는 원형링 형상이며,
    상기 플랜지의 두께는 상기 평판의 두께보다 큰, 기판 처리 장치.
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 플랜지는 사각링 형상이며,
    상기 플랜지의 두께는 상기 평판의 두께보다 큰, 기판 처리 장치.
  11. 삭제
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