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KR101247918B1 - 샤워헤드, 박막제조장치 및 제조방법 - Google Patents

샤워헤드, 박막제조장치 및 제조방법 Download PDF

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KR101247918B1
KR101247918B1 KR1020040061575A KR20040061575A KR101247918B1 KR 101247918 B1 KR101247918 B1 KR 101247918B1 KR 1020040061575 A KR1020040061575 A KR 1020040061575A KR 20040061575 A KR20040061575 A KR 20040061575A KR 101247918 B1 KR101247918 B1 KR 101247918B1
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마스다다께시
가지누마마사히꼬
니시오까유따까
우에마쯔마사끼
스우고우꼬우
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가부시키가이샤 알박
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Abstract

(과제) 막형성 조건에 맞춰 온도제어가 가능한 샤워헤드, 양호한 막두께분포, 조성분포, 막형성 레이트를 재현시키면서, 파티클 수가 적고 장기간에 걸쳐 연속막형성을 안정되게 행할 수 있는 생산성, 양산성이 우수한 박막제조장치 및 제조방법의 제공.
(해결수단) 샤워헤드 구조가 막형성조의 상부덮개에 장착되고, 상부덮개에 열교환수단을 형성하여 상부덮개를 온도제어함으로써, 샤워헤드 표면을 구성하는 샤워플레이트와 상부덮개와의 접촉면에서 열교환을 행하고 막형성 조건에 맞춰 샤워헤드를 온도제어가 가능하도록 구성하였다. 이 샤워헤드를 막형성조에 구비한 박막제조장치, 이 장치를 사용하여 박막을 제조한다.
박막제조장치, 박막제조방법, 샤워헤드

Description

샤워헤드, 박막제조장치 및 제조방법{SHOWER HEAD, APPARATUS OF MANUFACTURING THIN FILM AND METHOD FOR MANUFACTURING THIN FILM}
도 1 은 박막제조장치의 일 구성예를 나타내는 개략 단면도.
도 2 는 도 1 의 구성요소의 배치관계를 나타내는 도면이고, (A) 는 기판스테이지, 스테이지커버, 가스배기경로 및 방착판의 배치관계를 나타내는 상면도이며, 도 2(B) 는 그 단면도.
도 3 은 일반적인 가스원을 나타내는 회로도.
도 4 는 가스원을 나타내는 회로도.
도 5 는 가스경로를 나타내는 회로도.
도 6 은 박막제조장치의 일 구성예를 나타내는 개략도이고, (A) 는 막형성조의 상방 부분의 단면도, (B) 는 막형성조의 상방 부분을 소정 위치에서 절단한 전체 상면도, 그리고 (C) 는 막형성조의 상방 부분을 소정 위치에서 절단한 중심부의 상면도.
도 7 은 배기 클리어런스와 막두께분포와의 관계를 나타내는 그래프.
도 8 은 배기 클리어런스와 기판중심의 막형성 레이트와의 관계를 나타내는 그래프.
도 9 는 기판온도에 대한 샤워플레이트의 중심온도의 관계를 나타내는 그래프.
도 10 은 샤워플레이트-기판간 거리와 샤워플레이트 중심온도와의 관계를 나타내는 그래프.
도 11 은 샤워플레이트의 온도분포를 나타내는 그래프.
도 12 는 막형성조 상부덮개와 샤워플레이트와의 관계를 나타내는 개략도이고, (A) 는 막형성조 상부덮개와 샤워플레이트와의 배치를 나타내는 개략 단면도, (B) 는 그 상면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1: 막형성조
2: 상부덮개
3: 샤워헤드
4: 기판스테이지
5: 기판스테이지커버
6: 방착판
6a: 방착판 리프터
7: 가스배기통로
8: 개구부
9: 불활성가스 분출구
13: 가스가 퍼지는 부분
14: 오일순환경로
16: 서셉터
17: 기판스테이지부재
A: 반응공간
B: 하부공간
r: 가스배기경로의 크기
L: 가스배기경로의 연직방향 길이
본 발명은 샤워헤드, 박막제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
종래의 박막제조장치에서는 기판스테이지 승강기구를 구비하고 있는 장치의 경우, 승강기구의 꽉 조여져 있지 않음에 의해, 진공시에 기판스테이지가 진공중으로 당겨져 대기 (大氣) 시에 조정한 동심원의 배기구 (배기경로) 밸런스가 무너지게 된다. 그로 인해, 기판 위로의 균일한 막두께분포를 달성하기 위해서는 막두께분포가 ±3% 이내이면 편측 5㎜ 이상, ±2% 이내이면 10㎜ 이상의 배기구가 필요로 되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 또, 이 기판스테이지 승강기구를 구비한 장치에서는, 기판스테이지를 기판반송위치로부터 막형성 위치까지 상승시키기 위해 막형성시에 기판스테이지 하부에 큰 공간 (예를 들어, 13L) 을 형성하는 구조로 해야만 했다. 이 하부공간은 등방 배기를 실현하기 위한 공간인데, 승강기구의 꽉 조여져 있지 않음에 의해, 진공시에 기판스테이지가 진공중으로 당겨져 대기시에 조정한 동심원의 배기구 밸런스가 무너지게 되므로 필요 이상의 용 적을 필요로 한 것이다.
종래부터 막형성조 내벽에서 막형성이 일어나지 않도록 하기 위해 방착판(防着板)을 형성한 장치도 알려져 있다. 이러한 장치는 막형성시에 방착판이 상승하고 기판반송시에 방착판이 하강하는 방착판 승강기구를 갖는 것인데, 막형성시에 막형성가스를 단순히 흐르게 할 뿐이므로 반응공간을 구성하는 방착판 내측에서 막형성이 일어나 파티클의 발생원이 되어 양산장치의 메인터넌스 사이클을 짧게 하였다.
이 방착판을 구비하고 있는 장치의 경우에는 방착판 외측에도 막형성가스가 돌아 들어가 막형성조 내벽에 조금씩 막형성이 발생하고, 또 방착판을 구비하고 있지 않는 장치의 경우에도 막형성조 내벽에 직접 막형성이 발생하고 있다. 이 막형성조 내벽에 생긴 막이 소정 두께가 되면 막박리를 일으켜 파티클의 발생원인이 된다.
종래의 박막제조장치에 있어서, 막형성가스를 막형성조 내로 도입하기 위한 샤워헤드의 온도제어를 행하고 있는 경우, 기판, 원료의 종류에 따라 샤워헤드와 기판의 거리를 조정할 필요가 있다. 그러나, 샤워노즐을 가동부로 하고 있기 때문에 (예를 들어, 특허문헌 2 참조), 샤워헤드 주위에 대류, 난류가 발생하는 불필요한 공간을 생기게 하고, 이것이 파티클의 발생원이 되어 양산장치의 메인터넌스 사이클을 짧게 하고 있다.
또한, 이러한 온도제어를 행하고 있는 박막제조장치에서는, 일반적으로 샤워헤드 (샤워플레이트) 표면과 기판 사이의 거리를 40㎜ 이하로 하고, 샤워헤드 표면 이 지나치게 복사에 의해 가열되는 환경에서 오일순환에 의해 샤워헤드를 냉각시키는 방법을 사용하고 있다. 그러나, 샤워헤드 표면의 열을 충분히 빠져나가게 하는 구조, 즉 충분히 열교환하는 구조가 고려되지 않아 순환하는 오일온도를 극단적으로 낮게 해야 하는 것이 요구되고 있다. 또한, 이 경우 샤워헤드 표면의 온도가 최적온도가 되었다고 해도 샤워헤드 표면 이외의 부분이 저온이 되어 원료의 석출이 발생하여 파티클 발생의 원인이 되게 된다.
상기 온도제어를 행하고 있는 장치에 있어서, 온매(溫媒)온도가 120℃ 를 초과하는 환경에서는 알루미늄 (Al) 의 강도가 극단적으로 떨어지기 시작하기 때문에, 안전면에서 온매경로의 재질을 SUS 로 해야하는 것이 실정이다. SUS 는 주지하는 바와 같이 열전도율이 열악하여 (열전도율: SUS 약 16W/mK 에 대하여 Al 약 240W/mK), 열의 이동이 둔하다. 그로 인해, 온매경로의 부품이 SUS 제인 샤워헤드 구조로 샤워헤드 표면을 플레이트형상의 다른 부품으로 한 경우, 플레이트의 열교환을 효율적으로 행하기 위해서는 플레이트와 온매경로 부품의 열교환 면적을 충분히 크게 하고, 또한 온매경로를 플레이트 접촉면 근방으로 하는 구조가 필요해진다.
또한, 종래의 박막제조장치는 열원에 접촉하는 기판스테이지부재에 내열성이 우수한 석영 또는 알루미나를 사용하였다. 그러나, 알루미나는 열충격 특성에 어려움이 있어 기판마다의 승강에 의해 크랙이 발생하거나 파손빈도가 높아지고, 또 석영은 고온의 환원반응 분위기에서는 O2 누락이 발생하여 석영이 투실, 열화되 게 되어 기판의 막형성 환경을 변화시킨다. 이들은 파티클의 발생원이 되기도 한다. 그 결과, 장치의 메인터넌스 사이클을 짧게 하여 장기간에 걸친 안정된 막형성을 행할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 종래의 박막제조장치에 있어서 장치내를 벤트하는 경우, 하부공간으로부터 상방을 향해 벤트(vent)하고 있기 때문에, 벤트할 때 막형성시에 생긴 파티클이 튀어 올라와 벤트할 때마다 막형성조 내부의 클리닝을 필요로 하였다. 예를 들어, 본 출원인이 제출한 선출원인 일본 특허출원 제2003-61391호에 기재되어 있는 바와 같이 기판처리 로트간의 가스정지에서도 기판 위에서 측정되는 파티클수가 증가한다. 그로 인해, 장치의 다운플로상태에서 가스가 멈추지 않고 다운플로의 벤트를 행할 수 있는 시스템이 필요로 되고 있다.
상기한 종래의 장치는 가스흐름에 대해 난류, 대류, 열대류에 대해 특별히 고려하고 있지 않아 막형성중의 막박리, 파티클이 발생하기 쉬운 상황에 있었다.
상기한 바와 같이 막형성조 내벽 등에 형성된 막을 클리닝할 때, 그 막을 플라스마나 화학가스 등에 의한 반응처리로는 효율적으로 제거할 수 없는 경우, 작업원이 질산 등의 화학 약품을 사용하여 직접 제거해야 하기 때문에 위험하다. 또는, 다른 클리닝 방법으로서 막형성조를 떼내어 세정메이커로 보내어 그곳에서 클리닝한다는 대규모 작업이 생기는 경우도 있다. 따라서, 이러한 박막제조장치는 안전하게 효율적으로 사용할 수 있는 것이 전제로 되는 양산장치로서는 실용적이지 않다고 할 수 있다.
[특허문헌 1] WO 03/048413 A1 (19 페이지, 도 8)
[특허문헌 2] 일본 공개특허공보 평9-316644호 (특허청구범위, 실시예)
본 발명의 과제는, 상기 종래기술의 문제점을 해결하는 것에 있으며, 특히 충분히 열교환하는 구조를 가지며, 막형성 조건에 맞춰 온도제어 가능한 구조로 한 샤워헤드, 양호한 막두께분포, 조성분포, 막형성 레이트를 재현시키면서 파티클수가 적은 연속막형성을 안정되게 행할 수 있는 생산성, 양산성이 우수한 박막제조장치 및 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 샤워헤드는, 진공제어가 가능한 막형성조의 상부로부터 샤워헤드를 통하여 조내의 상부공간으로 막형성가스를 도입하여 기판 위에 막형성하는 박막제조장치의 샤워헤드에 있어서, 샤워헤드 구조가 막형성조의 상부덮개에 장착되어 있고, 상부덮개에 열교환수단을 형성하여 상부덮개를 온도제어함으로써, 샤워헤드 표면을 구성하는 원반형상의 샤워플레이트와 이 상부덮개와의 접촉면에서 열교환을 행하고, 막형성 조건에 맞춰 샤워헤드를 온도제어할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다. 이렇게 구성함으로써 샤워헤드를 막형성 조건에 맞춰 온도제어할 수 있다.
상기 샤워플레이트에 있어서, 샤워플레이트의 열교환 부분의 면적은 샤워플레이트의 막형성가스 통과부분의 면적의 2.4 배 이상이고, 샤워플레이트는 대기압력하에서 단위면적당 28.4kgf/㎠ 이상의 힘으로 막형성조 상부덮개에 가압되고 있고, 샤워플레이트의 막형성가스 통과부분의 두께는 5㎜ 이하가 되도록 구성되어 있고, 샤워플레이트와 막형성조 상부덮개와의 열교환 부분에서의 샤워플레이트의 두께는 샤워플레이트의 막형성가스 통과부분의 두께보다 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 박막제조장치는 진공제어가 가능한 막형성조의 상부로부터 샤워헤드를 통하여 조내의 상부공간으로 막형성가스를 도입하여 기판 위에 막형성하는 박막제조장치에 있어서, 샤워헤드 구조가 막형성조의 상부덮개에 장착되어 있고, 상부덮개에 열교환수단을 형성하여 상부덮개를 온도제어함으로써, 샤워헤드 표면을 구성하는 원반형상의 샤워플레이트와 상부덮개와의 접촉면에서 열교환을 행하고, 막형성 조건에 맞춰 샤워헤드를 온도제어할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 난류ㆍ대류ㆍ열대류를 억제하는 장치구조, 즉 샤워헤드 표면-기판간 거리를 짧게 하고, 또한 가스의 흐름을 제어하는 장치구조에 있어서, 대량의 복사열을 받는 샤워헤드 (샤워플레이트) 표면의 온도를 막형성 조건에 맞춰 온도제어할 수 있기 때문에, 막형성가스의 분해ㆍ석출ㆍ막형성을 억제하여 파티클의 발생이 적고 막질, 막성능이 안정된 박막을 장기간에 걸쳐 안정되게 형성할 수 있다.
상기 샤워플레이트의 열교환 부분의 면적이 샤워플레이트의 막형성가스 통과부분의 면적의 2.4 배 이상인 것을 특징으로 한다. 열교환 부분의 면적이 이보다 작아지면 샤워플레이트의 온도분포의 편차가 커질 우려가 있다. 이 열교환 부분의 면적의 하한은 기판사이즈에 의존하여 변화한다. 예를 들어, 기판사이즈에 따라 원하는 냉각효과를 얻기 위해서는 바람직하게는 150㎜ 기판, 200㎜ 기판에서 2.4 배 이상, 300㎜ 기판에서 4 배 이상이면 된다. 또, 열교환 부분 면적의 상한은 기판사이즈에 의존하여 적절하게 설계하면 되는데, 장치구성의 밸런스 등을 고려하면 일반적으로 10 배 이하이다.
상기 샤워플레이트는 대기압력하에서 단위면적당 28.4kgf/㎠ 이상의 힘으로 막형성조 상부덮개에 가압되고 있는 것을 특징으로 한다. 이 가압력보다 낮으면 샤워플레이트와 상부덮개와의 열교환 효율이 떨어지는 동시에, 열사이클을 가하면 샤워플레이트 고정볼트에 "느슨해짐 "이 생기기 쉽다.
상기 샤워플레이트의 막형성가스 통과부분의 두께는 5㎜ 이하가 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 5㎜ 를 초과하면 샤워홀의 컨덕턴스가 악화된다.
상기 샤워플레이트와 막형성조 상부덮개와의 열교환 부분에서의 샤워플레이트의 두께는, 샤워플레이트의 막형성가스 통과부분의 두께보다 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 한다. 이것은 전체방향에서의 열교환 효율을 상승시키기 위함이다.
상기 막형성조의 내직경은 샤워헤드 표면의 직경보다 크고, 또 샤워헤드 표면의 직경은 막형성조 내의 상부공간의 내직경보다 큰 것을 특징으로 한다. 상부공간의 천장은 상부덮개보다 면적이 작고, 샤워헤드 표면은 상부공간 천장보다 면적이 큰 구성으로 되어 있으므로 요철이 없어 난류ㆍ대류를 생기게 하지 않는 최소공간 구조로 되어 있다.
상기 막형성조의 내직경과 샤워헤드 표면의 직경과의 차이는 20㎜ 이내인 것 을 특징으로 한다. 20㎜ 를 초과하면 충분한 접촉면적을 취할 수 없게 되어 가스의 흐름이 불규칙하게 된다. 또, 이 차이의 하한은 상부덮개의 개폐동작으로 인한 「덜컥거림」과 외주의 불활성가스 출구를 고려하여 적절하게 설계하면 된다. 예를 들어, 4㎜ 이상이면 된다.
일반적으로 박막제조장치에 있어서, 불필요한 공간을 없애고 상부공간을 최소공간으로 하는 난류ㆍ대류ㆍ열대류를 발생시키지 않는 구조에서는 샤워헤드 표면-기판간 거리는 최단으로 해야 한다. 그러나, 이 거리가 가까우면 가까울수록 샤워헤드 표면은 기판으로부터의 강렬한 복사열을 받아 샤워헤드 표면온도가 상승하게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 막형성조 상부덮개내에 샤워헤드 구조를 장착하고, 또한 온매를 순환시켜 상부덮개를 최적온도로 제어하는 동시에, 상부덮개는 고온의 온매순환에 견딜 수 있는 SUS 제로 하고, 상부덮개 표면에 샤워홀이 뚫려 있는 Al 제 플레이트 (즉, 샤워플레이트) 를 장착하고 있다. 강렬한 복사열을 빠져나가게 하도록 상부덮개와 샤워플레이트의 열교환 면적을 충분히 확보하여 열교환 효율을 향상시킴으로써 샤워플레이트의 열을 빼내고, 그리고 목적온도범위로 제어할 수 있는 구조로 하는 동시에 샤워플레이트를 상부덮개에 확실하게 고정시킬 수 있는 구조로 되어 있다.
이 경우, 상부덮개와 샤워플레이트의 열교환을 효율적으로 행할 수 있고 샤워플레이트와 상부덮개에 큰 온도차가 생기지 않도록 상부덮개의 온매 유로는 샤워플레이트와의 접촉/고정측에 중점적으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 막형성조 내의 온도를 실온∼250℃ 의 범위로 온도제어할 수 있는 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 샤워플레이트와 막형성조 상부덮개에는 연통된 관통홀이 형성되어 있고, 그 홀에 압력측정기를 연결하여 형성한 것을 특징으로 한다. 이로써 막형성시의 조내 압력을 간단하게 측정할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 특허문헌 1 에 기재된 양호한 막두께분포, 조성분포, 막형성 레이트를 재현시키면서 보다 장기간에 걸쳐 파티클이 적고 연속막형성을 안정되게 행할 수 있는 생산성ㆍ양산성이 우수한 박막제조장치를 제공할 수 있다. 이 장치는 산업상, 저더스트, 양호한 재현성 등이 요구되는 양산장치로서 크게 위력을 발휘한다. 특히, 열에너지를 이용한 프로세스에서 대단한 위력을 발휘한다. 또, 막형성조, 방착판 등의 측벽에 대한 막부착을 방지함으로써 막형성 더스트를 저감시켜 메인터넌스 주기를 늘릴 수 있기 때문에 장치 다운타임을 적게 하여 생산성ㆍ양산성의 향상에 크게 공헌한다.
본 발명의 박막제조방법은 막형성가스를 진공제어가 가능한 막형성조의 상부덮개에 장착된 샤워헤드 구조를 통하여 기판스테이지와 샤워헤드와 방착판으로 구성된 조의 상부공간으로 도입하고, 막형성 압력으로 제어된 상부공간 내에 탑재된 기판 위에 막형성시키고, 잉여의 막형성가스 및 부생성물가스를 배기가스로서 배기시스템에 의해 배기하여 막형성하고, 또한 상부덮개에 형성된 열교환수단에 의해 상부덮개를 온도제어하여 샤워헤드 표면을 구성하는 원반형상의 샤워플레이트와 상부덮개와의 접촉면에서 열교환을 행하고, 막형성 조건에 맞춰 샤워플레이트의 온도를 제어하여 막형성하는 것을 특징으로 한다. 이 막형성가스는 원료가스, 분압제어에 사용하는 불활성가스 등의 혼합가스이다.
상기 박막제조방법을, 상기한 어느 하나의 본 발명의 장치를 사용하여 행할 수 있다.
본 발명의 샤워헤드, 이 샤워헤드를 사용한 박막제조장치 및 제조방법에 의하면 양호한 막두께분포, 조성분포, 막형성 레이트를 재현시킬 수 있는 동시에, 보다 장기간에 걸쳐 파티클수가 적은 연속막형성을 안정되게 행할 수 있다는 효과를 나타낸다. 본 발명의 박막제조장치 및 제조방법은 생산성, 양산성이 우수한 것이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, CVD 장치를 예로 들어 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 박막제조장치는 화학적 방법인 CVD 장치를 포함하여 물리적 방법 (예를 들어, 진공증착법 등) 에서 사용하는 PVD 장치 등의 박막제조장치도 포함되는 것인데, 본 발명의 특징인 샤워헤드에 관해서는 양쪽 모두 차이는 없으므로 CVD 장치를 예로 들어 설명한다.
도 1 은 박막제조장치의 일례의 요부인 막형성조의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 1 에 나타내는 막형성조 (1) 는 그 상부덮개 (2) 에 샤워헤드 (3) 가 장착되어 있고, 그 샤워헤드 (3) 에 대향하여 하방에 기판스테이지 (4) 가 설치되어 있다. 이 기판스테이지 (4) 는 이하, 회전 또는 승강하지 않도록 고정식으로 구성되어 있는 경우에 대해 설명하지만, 본 발명에서는 승강식이어도 된다. 이 기판스테이지 (4) 의 외주 측벽에는 바람직하게는 기판스테이지커버 (5) 가 장착되어 있다. 기판스테이지 (4) 의 측벽 근방에는 소정의 간격을 두고 방착판 (6) 이 배치되고, 이 방착판은 승강기구인 방착판 리프터 (6a) 에 의해 막형성시에는 상승하고, 기판반송시에는 하강하도록 승강이 자유롭게 장착되어 있다. 막형성시의 반응공간 A 는 이러한 샤워헤드 (3) 와 기판스테이지 (4) 와 방착판 (6) 으로 구성된다. 이 방착판 (6) 과 기판스테이지 (4) 로 구성되는 틈새가 동심원의 가스배기경로 (7) 를 구성한다. 이 막형성조 (1) 에서는 불활성가스가 상부덮개 (2) 의 외주에 형성된 개구부 (8) 로부터 막형성조 내로 도입되고, 불활성가스 분출구 (9) 를 통하여 가스배기경로 (7) 의 상류측에서 방착판 (6) 의 내벽면을 따라 하류측으로 흐르는 구조로 되어 있다. 이로 인해, 반응공간 A 보다 용적이 큰 하부공간 B 가, 방착판 (6) 과 기판스테이지 (4) 로 구성된 가스배기경로 (7) 에 직결하여 형성되고, 등방 배기가 실현되도록 구성되어 있다. 막형성시의 막형성조 내의 압력제어는 상부덮개 (2) 에 장착된 압력측정기 (10) 로부터 압력조정밸브 (11) 에 압력이 피드백되고 프로세스에 맞춰 압력을 선택할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 막형성조 (1) 에는 진공배기시스템 (12) 이 밸브 (12a) 를 통하여 접속되어 있고, 막형성조 내의 압력을 제어할 수 있도록 되어 있다. 또한, 막형성조의 상부에 형성된 막형성가스 도입구와 샤워헤드 (3) 사이에는 도입된 가스가 퍼지는 공간으로서 반응공간으로 기능하는 공간이 있다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 이 막형성조 (1) 에는 상부덮개 (2) 내에 장착된 샤워헤드 (3) 에 막형성가스를 공급하기 위해 막형성가스 배관에 의해 이간되어 접속된 혼합기와, 혼합기에 원료가스 배관에 의해 접속된 기화시스템 (기화기) 이 형성되어 있다. 이 기화시스템에서 막형성조까지의 가스배관, 각종 밸브, 혼합기 등을 포함하는 장치구성물에는 기화된 원료가스가 액화/석출/막형성되지 않는 온도로 유지하기 위해 히터 등의 가열수단이나 열교환기가 형성되어 있다. 기화시스템과 혼합기 사이의 배관에는, 이하에서 도 5 에 기초하여 상세하게 설명하는 바와 같이 밸브 V3 이 형성되고, 또 기화시스템과 배기시스템 사이의 배관에는 밸브 V4 가 형성되어, 이로써 기화시스템, 혼합기, 배기시스템을 차단할 수 있도록 구성되어 있다. 이것은 기화시스템, 혼합기 및 배기시스템의 구성요소의 각각의 메인터넌스 사이클이 다르기 때문에, 대기 개방에 의해 막형성에 악영향을 미치는 수분 등의 물질이 이들 구성요소에 부착되는 것을 피하는 것을 목적으로 하는 것이다. 하나의 구성요소를 대기 개방하여 메인터넌스하고 있는 경우에, 다른 2 개의 구성요소도 대기 개방하지 않고 진공을 유지할 수 있도록 구성되어 있다.
도 1 에 나타내는 장치를 사용하여, 이하와 같이 하여 박막을 제조할 수 있다. 막형성조 (1) 의 상부덮개 (2) 의 상부로부터 막형성가스 (화학반응에 사용하는 원료가스, 반응가스, 막형성조 내의 분압제어에 사용하는 불활성가스 등으로 이루어지는 혼합가스 또는 각각의 가스) 를 그 도입구를 거쳐 도입하고, 샤워헤드 (3) 로부터 기판스테이지 (4) 위에 탑재되는 기판 위에 막형성가스를 분무하고, 여기에서 막형성한다. 잉여의 막형성가스나, 부생성물 등은 가스배기경로 (7) 를 거쳐 조 밖으로 등방 배기된다. 막형성시, 불활성가스를 상부덮개 (2) 의 외주에 형성된 개구부 (8) 로부터 막형성조 (1) 내로 도입하고, 불활성가스 분출구 (9) 를 통하여 배기경로 (7) 의 상류측으로부터 방착판 (6) 의 내벽을 따라 흐른다. 반응공간 A 보다 용적이 큰 하부공간 B 가 방착판 (6) 과 기판스테이지 (4) 로 구성된 가스배기경로 (7) 와 직결하여 형성되어 있어 등방 배기가 실현되도록 되어 있다.
도 2(A) 는 도 1 에 나타내는 막형성조를 구성하는 기판스테이지, 기판스테이지커버, 가스배기경로 및 방착판의 배치관계를 나타내는 상면도이며, 도 2(B) 는 그 단면도이다. 도 2(A) 및 도 2(B) 에 나타내는 바와 같이, 기판스테이지 (4) 의 외주에는 기판스테이지커버 (5) 가 형성되고, 그 외주에는 가스배기경로 (7) 및 방착판 (6) 이 형성되고, 방착판과 기판스테이지로 구성되는 가스배기경로 (7) 는 그 크기 (폭) 가 r 이 되도록 구성되어 있다. 또한, 도 2(B) 에 나타내는 바와 같이 가스배기경로의 연직방향 길이가 L 이 되도록 구성되어 있다.
막형성가스 도입구의 1 차측에는, 도 3 에 나타내는 바와 같은 가스유량을 제어할 수 있는 가스원 (원료가스원, 반응가스원, 불활성가스원 등) 이 접속되어 있고, 이들 가스원은 집적되어 하나의 가스원으로부터 복수의 가스를 내보낼 수 있도록 구성되어 있다.
도 4 에 상기 집적된 가스원의 예를 도시한다. 가스원 A, 가스원 B 는 각각의 필요에 따른 라인에 접속되어 있다. 즉, 가스원 A 및 B 는 각각 밸브, 매스 플로 컨트롤러 (MFC1, MFC2, MFC3) 를 통하여 반응가스라인 및 불활성가스라인에 접속되어 있다. 또한, 가스원 B 의 라인에는 벤트 V 를 사이에 두고 벤트 라인이 접속되어 있고, 이 벤트 V 는 스루 벤트 V 이어도 된다.
본 발명에 있어서는, 상기 가스원 (도 4) 과 막형성가스 도입구 (도 1) 사이에 도 5 에 나타내는 가스경로시스템이 설치되어 있다. 이 시스템은 막형성 프로세스를 실시할 때, 기화시스템에 의해 (액체) 원료를 기화시켜 원료가스로 하는 원료가스원과, 프로세스에 필요한 반응가스 (불활성가스와 반응가스가 프로세스에 적합한 비율로 혼합된 가스. 이후, 이것을「반응가스」 로 약칭함) 를 공급할 수 있는 가스원 A 로부터, 각각의 가스를 혼합기 내로 공급하여, 그곳에서 균일하게 혼합하도록 구성되어 있다. 이 혼합기는 원료가스와 반응가스가 대향하여 도입되고, 교반ㆍ확산을 거쳐 균일하게 혼합되어 막형성가스를 얻을 수 있는 구조로 되어 있다 (일본 특허출원 평13-369279호). 이 막형성가스는 밸브 V1 의 개방에 의해 막형성가스 도입구를 거쳐 도 1 의 반응조 (1) 내로 도입되고, 샤워헤드 (3) 를 거쳐 기판 위에 도달한다. 불활성 반응가스는 가스원 B 로부터 밸브 V6 의 개방에 의해 막형성조 (1) 의 상부덮개 (2) 의 외주의 개구부 (8) 로부터 조내로 도입된다. 마찬가지로, 막형성조 내 벤트의 경우는, 슬로 벤트 V 와 같은 벤트 V 와 밸브 V5 를 개방함으로써 막형성가스 도입구로부터 샤워헤드 (3) 를 통하여 조내로 벤트가스를 도입한다. 또한, 도 5 중 열교환기에서 1 차측의 가스경로 (혼합기도 포함함) 는 온도를 모두 실온∼250℃ 의 범위로 제어가 가능해지도록 히터 등의 가열수단이나 열교환기와 같은 온도제어수단을 구비하고 있다. 또, 원료가스원으로부터 나오는 모든 배관도 마찬가지로 온도를 실온∼250℃ 의 범위로 제어가 가능해지는 동일한 온도제어수단을 구비하고 있다.
다음에, 도 5 에 나타내는 가스경로의 동작에 관해서 상세히 설명한다. 혼합기는 밸브 V3 이 형성되어 있는 배관에 의해 기화시스템에 접속되는 동시에, 밸브 V5 및 열교환기, 이어서 매스 플로 컨트롤러 (도시생략) 를 통하여 각각 가스원 (예를 들어, 반응가스원, 불활성가스원) 에도 연결되어 있다. 혼합기 내에서 균일하게 혼합된 막형성가스는 밸브 V1 이 형성되어 있는 배관을 거쳐 막형성가스 도입구로 반송되고, 막형성조 내의 기판스테이지 위에 탑재된 막형성 대상물인 기판 표면에 공급된다. 이 반응가스원에는 반응가스원 이외에 캐리어가스 등의 불활성가스 (예를 들어, N2 등) 의 공급계도 접속되어 있고, 각 공급계는 밸브요소의 조절에 따라 반응가스나 캐리어가스를 가스원으로부터 매스 플로 컨트롤러, 열교환기를 거쳐 혼합기로 배관에 의해 반송하도록 구성되어 있다. 반응가스에는 목적으로 하는 막을 제조하기 위한 원료가스에 합친 가스, 예를 들어 환원반응시에는 H2 등, 질화반응시에는 NH3 등, 산화반응시에는 O2 등이 있다. 원료가스는 유기금속화합물 등을 유기용매에 용해시킨 원료액을 기화시켜 얻은 가스이다.
혼합기에서는 반응가스원으로부터 공급되는 적절하게 가열된 반응가스와, 기화시스템에 의해 발생되어 액화/석출/막형성되지 않는 온도로 유지된 배관을 거쳐 보내지는 원료가스가 도입ㆍ혼합되어 막형성가스 (반응가스＋원료가스 등) 가 얻어진다. 이 원료가스는 1 종류의 또는 복수 종류의 가스가 혼합된 가스이다. 이렇게 얻어진 막형성가스는 배관을 거쳐 막형성조 내로 도입된다.
이 기화시스템과 혼합기 사이의 배관 및 혼합기와 막형성가스 도입구 사이의 배관은 VCR 이음매로 접속되어 있어도 되고, 일부의 배관 각 이음매의 VCR 개스킷은 단순한 링이 아니라 홀 부분이 파티클 포획기로 되어 있는 VCR 형 파티클 포획기이어도 된다. 이 VCR 형 파티클 포획기가 있는 이음매부는 원료가스가 액화/석출되지 않는 온도보다 높게 설정ㆍ유지되고, 또한 반응에 필요한 특정의 기화된 원료원소가 부착ㆍ포획되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
혼합기와 막형성조 사이의 막형성가스라인에는 막형성가스가 전환을 행하는 밸브 (V1 및 V2) 가 혼합기 (5) 의 2 차측에 형성되어 있다. 밸브 V1 및 밸브 V2 의 하류측은 각각 막형성조 및 배기시스템에 접속되어 있다. 막형성시에는 밸브 V1 을 열고 밸브 V2 를 닫고, 막형성 종료후는 밸브 V2 를 열고 밸브 V1 을 닫는다. 원료가스나 반응가스를 혼합기에 도입하는 초기 잠시동안은 혼합이 균일하지 않고 안정되지 않으므로, 밸브 V1 을 닫고 밸브 V2 를 열어 배기시스템에 원료가스와 반응가스와의 혼합가스를 흐르도록 하고, 혼합가스의 공급이 안정된 후에 밸브 V2 를 닫고 밸브 V1을 열어 샤워헤드를 통하여 반응공간으로 막형성가스를 도입할 수 있도록 한다. 또, 막형성종료시에는 잠시동안 밸브 V2 를 열고 밸브 V1을 닫고, 혼합기 내의 반응에 사용되지 않은 잉여의 막형성가스를 배기시스템에 흐르게 함으로써, 반응공간으로의 막형성가스의 도입을 순간적으로 막아 반응공간 내로 도입되지 않도록 구성한다.
기화시스템은 도시되어 있지 않지만, 원료공급부와 기화부로 구성되어 있다. 이 기화시스템은 가압가스 (예를 들어, He 가스 등의 불활성가스) 에 의해 액체ㆍ고체원료를 유기용매에 용해시킨 원료액을 가압ㆍ반송하고, 압송된 원료액의 각각의 유량을 각 액체유량제어기로 제어하여 기화부로 운반하도록 구성되어 있다. 기화부는 유량이 제어된 원료액을 효율적으로 기화시키고, 기화하여 얻어진 원료가스를 혼합기에 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 이 기화부에서는 액체원료가 1 종인 경우는 단일 액을, 액체 원료가 복수인 경우는 복수 원료액을 혼합하여 기화시킬 수 있다. 원료액을 기화시킬 때는 원료액의 액적을 기화시키기만 할 것이 아니라 액적에 가스를 가하거나, 물리적인 진동을 부여하거나 또는 초음파를 가하여 기화부 벽면에 형성한 노즐을 통하여 더욱 미세한 액입자로서 기화부내로 도입하고 기화시켜 기화 효율을 높이는 것이 바람직하다. 기화부 내부에는 액적 또는 액입자가 효율적으로 기화되어야 하는 부분에서 적극적으로 기화할 수 있도록, 또한 파티클 포획기에 의한 액입자 기화 부하의 경감를 위해 Al 등의 열전도가 양호한 재료로 제작된 기화 부재를 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 기화부 내부에는 원료액이 기화할 때 발생하는 잔사를 근원으로 하는 파티클을 기화부 밖으로 나오지 않게 하기 위해서나, 소량 흘러 들어오는 액적이 기화기 밖으로 진공에 의해 빨려 들어가지 않고 기화할 수 있도록 하기 위해 파티클 포획기를 형성해도 된다. 이 기화부재와 파티클 포획기에 있어서는, 이들에 접촉한 액적, 미세한 액입자를 확실하게 기화할 수 있도록, 또한 반응에 필요한 특정의 기화된 원료원소가 부착ㆍ포획되지 않도록 적절한 온도로 기화조건이 유지되고 있는 것이 바람직하다. 또, 이 기화시스템은 원료용 용매를 갖고, 그 유량을 유량제어기로 제어하여 기화부로 도입하고, 기화부에서 기화시켜 이 용매가스를 만들 수 있도록 구성되어 있어도 된다.
또한, 막형성 대상물인 가열된 기판 위에 샤워헤드 (3) 를 통하여 막형성가스가 도입되어 반응이 개시되는데, 반응에 사용되지 않은 잉여의 막형성가스나, 반응에 의해 생긴 부생성물가스나, 반응물가스는 배기시스템에 의해 배기된다. 막형성조 (1) 의 상부덮개 (2) 내에 장착된 샤워헤드 (3) 에는 막형성가스 중에 존재하는 파티클을 포획하기 위한 필터로서의 파티클 포획기를 배치해도 된다. 샤워헤드 (3) 는 적절하게 가열되어 도입가스가 액화/석출/막형성되지 않는 온도로 유지되고 있다. 또, 파티클 포획기는 반응에 필요한 특정의 기화된 원료원소가 부착ㆍ포획되지 않는 온도로 적절하게 조정되어 있는 것이 바람직하다.
상기 배기시스템과 막형성조 사이에 형성된 압력조정밸브에 의해 다양한 막형성 압력조건에 용이하게 대응할 수 있다.
상기의 박막제조장치에서는 샤워플레이트 표면-기판간 거리는 고정되어 막형성시, 반송시 모두 같은 거리가 되도록 구성되지만, 기판스테이지를 쌓아 올리는 단계에서 스페이서를 선택함으로써 임의의 거리, 예를 들어 10㎜, 25㎜, 40㎜ 의 3 종에서 선택이 가능한 구조로 할 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 박막제조장치에 있어서의 막형성조 상부덮개 및 샤워플레이트에 대하여 도 6 을 참조하여 설명한다. 도 6 중, 도 1 과 동일한 구성요소는 동일한 참조번호가 부여되어 있다. 도 6(A) 는 막형성조 (1) 의 상방 부분의 단면도를 나타내고, 도 6(B) 는 막형성조의 상방 부분을 소정 위치에서 절단한 전체 상면도를 나타내고, 그리고 도 6(C) 는 막형성조의 상방 부분을 소정 위치에서 절단한 중심부의 상면도를 나타낸다.
도 6 에 나타낸 바와 같이 가스가 퍼지는 부분 (13) 을 포함하는 샤워헤드 구조를 상부덮개 (2) 에 장착하여 상부덮개 (2) 와 샤워헤드 (3) 를 일체화 구조로 해도 된다. 또, 샤워플레이트 (3) 의 크기는 막형성조 (1) 의 천장부의 면적과 동일한 정도의 크기로 설계되어 있다. 이러한 구조를 취함으로써, 도 6 에서 나타내는 바와 같이 샤워플레이트 (3) 가 열교환하는 영역 (접촉 면적) 이 크게 확보되어 열교환을 효율적으로 행할 수 있게 된다.
샤워플레이트 (3) 의 면적은, 도 1 에 나타내는 바와 같은 샤워플레이트 (3) 와 기판스테이지 (4) 와 방착판 (6) 으로 둘러싸인 반응공간 A 의 천장 면적보다 커지도록 구성되어 있다. 반응공간 (즉, 샤워플레이트가 복사를 받는 면적) 은 작게 하면서 샤워플레이트 (3) 의 열교환을 위한 면적은 충분히 확보되어 있는 구조로 되어 있다.
이 상부덮개 (2) 는 SUS 제이며, 도 6 에 나타내는 바와 같이 오일 인(oil in)으로부터 오일 아웃(oil out)의 오일순환경로 (14) 에 의해 온도제어를 행할 수 있도록 구성되어 있다. 오일순환경로 (14) 는 상부덮개 내부를 광범위하게 파내어 구성되어 있고, 또 샤워플레이트 (3) 를 고정시키는 나사구멍 (3a) 은 오일이 채워지는 범위 내부에서 섬형상으로 존재하고 오일순환경로가 넓게 되어 있기 때문에, 상부덮개 (2) 의 온도를 균일하게 할 수 있는 동시에 온도제어성도 양호해지고 있다. 또, 오일순환경로 (14) 의 대부분은 상부덮개 (2) 에 장착된 샤워플레이트 (3) 표면과 접촉하여 배치되고 열교환 효율이 향상될 수 있도록 구성되어 있다. 따라서, 특히 막형성시의 기판 온도가 고온이며, 샤워플레이트-기판간 거리가 가깝고, 샤워플레이트 (3) 가 강렬한 복사에 의해 가열되는 환경에서도 대응이 가능한 우수한 열교환 효율을 실현시킬 수 있는 구조로 되어 있다. 이 순환경로에서 사용하는 매체는 오일이 아니더라도 같은 작용을 갖는 공지의 온매체 등의 매체이면 특별히 제한되지 않는다.
이 샤워플레이트 (3) 는 옆에서 보아 오목한 형상을 하고 있으며, 가스통과부분은 샤워홀의 컨덕턴스를 최적으로 하는 두께 (일반적으로는 약 5㎜ 정도) 가 바람직하다.
샤워플레이트 (3) 와 상부덮개 (2) 의 열교환 부분은 샤워플레이트 열교환 부분의 온도균일성을 상승시킬 목적으로 두껍게 (예를 들어, 약 1O㎜ 정도) 설계되어 있고, 열교환하는 부분의 샤워플레이트의 열을 샤워플레이트 전체에 퍼지게 한 후에 열교환함으로써 열교환 효율을 상승시키고 있다.
[실시예]
이하, MOCVD 법에 의해 PZT 막을 제조하기 위한 표준 막형성 조건을 들어, 본 발명의 장치를 사용하여 이 조건으로 막형성을 행하였다.
(원료) (농도) (설정유량)
Pb(dpm)2/THF 0.3㏖/L 1.16mL/min
Zr(dmhd)4/THF 0.3㏖/L 0.57mL/min
Ti(iPrO)2(dpm)2/THF 0.3㏖/L O.65mL/min
N2 (캐리어가스) 50Osccm
(반응가스)
O2 25OOsccm
(가스헤드 주위 불활성가스)
N2 150Osccm
막형성 압력: 압력조정밸브에 의해 항상 5Torr 로 일정하게 조정.
기판온도: 580℃
샤워플레이트-기판간 거리: 30㎜
도 1 에 나타내는 박막제조장치를 사용하고, 기판스테이지 (4) 위에 탑재한 8 인치 전극기판 위에 가스배기경로 (7) 의 크기, 즉 배기 클리어런스 (r: 3∼20㎜) 와 연직방향 길이 (L: 30, 50, 70, 90㎜) 를 변화시켜 상기 막형성 조건으로 PZT 막을 제조하였다. 그 결과 얻어진 막의 막두께분포 (%) 를 배기 클리어런스와의 관계로 도 7 에 나타낸다. 도 7 에서 분명한 바와 같이, 배기경로의 크기 (r) = 3㎜ 이상, 연직방향 길이 (L) = 70㎜ 이상으로 함으로써 3% 이하의 양호한 면내 막두께분포를 안정되게 얻을 수 있다.
또한, 8 인치 전극기판 위에 가스배기경로, 즉 배기 클리어런스의 크기 (r) 와 연직방향 길이 (L) 를 변화시켜 상기 막형성 조건으로 PZT 막을 제조하였다. 이 때의 배기 클리어런스와 막형성 레이트의 관계를 도 8 에 나타낸다. 조건에 따라 막두께분포에 차이가 생기기 때문에 기판중심의 막형성 레이트를 구하여 비교하고 있다. 양산장치에 있어서는 스루풋을 고려하면 막형성시간은 3min 이하가 바람직하다. 예를 들어 목표막두께 100㎚ 로 한 경우, 약 35㎚/min 이상의 막형성 레이트가 필요해진다. 도 8 에서 분명한 바와 같이, 이 막형성 레이트를 만족시키는 조건은 연직방향 길이 (L) = 70㎜ 이상에서는 배기경로의 크기 (r) = 3∼15㎜ 이다.
또, 도 6 에 있어서의 가스가 퍼지는 공간 (반응공간) 이나, 샤워플레이트의 크기나 막형성조의 천장부 크기의 각부의 치수는 R1 = 200㎜, R2 = 370㎜, R3 = 390㎜ 로 설계되어 있다. 샤워플레이트 (3) 는 상부덮개 (2) 의 외주 불활성가스 분출구를 제외한 거의 모든 면적을 열교환 면적으로서 활용할 수 있는 직경 (R2) 으로 하고 있다. 이로써, 상부덮개와 샤워플레이트의 열교환 면적 (φR2-φR1) 은 가스통과부 (φR1 = 샤워플레이트와 상부덮개의 열교환없음) 의 약 2.4 배가 확보되어 있다.
또한, 도 1 에 나타내는 장치구성에 있어서, 샤워플레이트-기판간 거리 40㎜ 에서 상부덮개의 온도제어를 행하지 않고 기판온도를 변경하였을 때의 샤워플레이트 중심온도변화를 확인하였다. 그 결과를 도 9 에 나타낸다. 반응공간은 불활성가스 분위기 5Torr 로 제어되고 있다. 표준으로 하는 상기 막형성 조건에 나타낸 재료 중 원료는 200℃ 이하에서 석출되고, 250℃ 이상에서 분해가 일어나기 때문에, 원료가스가 접촉하는 부분은 200℃∼250℃ 의 범위로 제어할 필요가 있다. 난류ㆍ대류ㆍ열대류를 억제하는 도 1 에 나타내는 장치구조에 있어서는, 도 9 에 나타내는 바와 같이 기판과 근거리로 대향하는 샤워플레이트의 온도가 상승하게 되기 때문에 샤워플레이트의 온도제어는 필수적인 항목이다.
또한, 도 1 에 나타내는 장치구조에 있어서, 불활성가스 분위기, 압력 5Torr, 기판온도 580℃, 상부덮개의 온도제어를 행하지 않는 조건에서 샤워플레이트-기판간 거리를 변경했을 때의 샤워플레이트 중심온도변화를 확인하였다. 그 결과를 도 10 에 나타낸다. 도 10 에서 분명한 바와 같이, 샤워플레이트-기판간 거리의 샤워플레이트 온도에 대한 영향은 기판온도보다 매우 둔하기는 하지만, 샤워플레이트-기판간 거리를 짧게 하면 샤워플레이트 온도가 상승한다 (40㎜ →10㎜ 의 변화에서 약 16℃ 온도상승).
이어서, 도 6 에 나타내는 구조를 갖는 막형성조 상부덮개에 215℃ 의 오일을 5L/min 이상으로 순환시켰다. 불활성가스 분위기, 압력 5Torr, 기판온도 580℃, 샤워플레이트-기판간 거리 40㎜ 일 때, 샤워플레이트 중심온도는 232℃ 로 되어 오일순환전과 비교하여 약 160℃ 낮출 수 있었다. 이 때의 샤워플레이트 중심으로부터 반경방향의 온도분포를 도 11 에 나타낸다. 도 11 에서 분명한 바와 같이, 샤워플레이트의 온도분포는 ±10℃ 의 범위에 들어가 있고, 또 샤워플레이트 온도가 막형성에 대하여 가장 영향을 주는 막형성가스가 통과하는 범위 φ200㎜ (중심으로부터의 반경 100㎜) 의 온도분포는 약 ±5℃ 로 양호하였다. 또한, 오일순환온도는 215℃ 이고, 상부덮개온도는 210℃ 이상으로 유지되어 상부덮개의 막형성가스가 도입되는 공간에서 원료가 석출되는 일은 없었다.
또, 도 6 의 구조에 있어서 샤워플레이트-기판간 거리를 10㎜ 로 한 경우, 도 10 에 나타내는 바와 같이 샤워플레이트 표면의 최고온부 (샤워플레이트 중심점) 의 온도상승은 최대라도 16.2℃ 이하이었다. 따라서, 샤워플레이트-기판간 거리 10㎜ 에서도 샤워플레이트는 200∼250℃ 의 온도범위로 유지시킬 수 있다. 또한, 순환하는 오일온도를 선택함으로써 샤워플레이트를 최적온도로 조정할 수도 있다.
도 6 에 나타내는 샤워플레이트 고정나사 (M6 ×24 개) (3a) 의 조임토크는 각 5Nㆍm 으로 하여 나사 1 개의 축방향의 힘 (W) 은 다음식으로 주어진다. 여기에서, F: 조이는 힘, T : 조임토크, d: 유효직경, 1: 나사리드, μ: 마찰계수이다.
F = 2T/D
F = W(1＋μπd)/(πd-μ1)
W ×24 (나사 개수) 의 값을 샤워플레이트가 열교환하는 면적으로 나누면 약 28.4kgf/㎠ 가 된다. 따라서, 샤워플레이트를 28.4kgf/㎠ 이상의 힘으로 상부덮개의 열교환면으로 누르지 않으면 도 11 에 나타내는 바와 같은 냉각효과는 기대할 수 없다.
본 발명의 장치 (도 1 ∼ 도 6) 를 사용하여 막형성을 행하면, 상기 서술 (도 7, 도 8) 한 바와 같이 면내 막두께분포가 양호한 막형성을 재현성있게 행할 수 있다.
또, 상기 구조는 적정온도범위 외에서는 원료 또는 반응가스가 분해ㆍ반응하게 되는 프로세스나, 적정온도범위 외에서는 원료가 석출하게 되는 프로세스에 있어서, 필수의 샤워플레이트의 온도제어를 적정하게 제어할 수 있다. 즉, 메탈배선의 Cu, Al 의 막이나, TiN, TaN, ZrN, VN, NbN, WN 의 배리어막이나, SBT, BST, STO 의 유전체막 등의 MOCVD 의 막형성에 위력을 발휘한다.
도 9 ∼ 도 11 에 나타내는 결과를 근거로 하여 덧붙이면, 도 1 의 장치구성에 있어서는, 도 6 에 나타내는 막형성조 상부덮개와 샤워헤드가 일체적으로 된 구조를 사용하지 않으면, 즉 막형성조 상부덮개에 샤워헤드 구조를 장착하고, 샤워플레이트의 표면적이 거의 막형성조 천장의 면적과 같은 정도가 되도록 하여 최대 접촉면적을 확보하고, 샤워플레이트의 열교환 면적을 막형성가스 통과부의 2.4 배 이상으로 하고, 상부덮개내의 오일순환경로를 샤워플레이트를 고정시키는 면의 근방에 가능한 한 배치하여 열교환 효율을 상승시키고, 샤워플레이트를 상부덮개에 고정시키는 나사구멍을 섬형상으로 가공하여 오일순환경로를 최대한으로 취하고, 열교환 효율을 상승시키는 대책을 이용하지 않으면, 샤워헤드 표면-기판간 거리가 40㎜ 이하, 기판온도 580℃ 이상인 환경에서는 샤워플레이트 표면온도를 250℃ 이하로 낮출 수 없다고 할 수 있다.
도 1 의 구조에 있어서 샤워플레이트-기판간 거리가 40㎜ 일 때, 반응공간 A 는 3.6L 이고, 하부공간 B 는 4.7L 이었다. 기판스테이지의 승강기구를 없애고 기판스테이지를 고정시킴으로써, 동심원의 등방 배기구의 2 차측의 하부공간으로서 필요로 되는 용적은 반응공간의 약 1.3 배 정도가 되어 장치의 소형화를 실현시킬 수 있고, 또한 구동계 동작을 위한 여유공간을 배제시켰기 때문에, 상기 서술한 바와 같이 배기경로의 크기 (r) = 3㎜ 에서 (연직거리: L = 70㎜ 이상), 면내 3% 이하의 양호한 막두께분포를 안정되게 재현성있게 얻을 수 있었다.
도 1 의 장치구조에서는, 상부덮개 외주의 개구부 (8) 로부터 막형성조 (1) 내로 공급되는 불활성가스는, 우선 방착판 (6) 의 외측으로 도입되고, 방착판 외측과 막형성조 내벽으로 둘러싸인 방착판 외주공간을 채운 후에 분출구 (9) 로부터 반응공간 A 로 진입하는 구조로 되어 있으므로, 막형성가스가 반응공간 A 로부터 방착판 외주공간으로 진입하는 것을 방지할 수 있고, 그 결과 막형성조 내벽에서 막형성이 일어나지 않아 막형성조의 클리닝이 불필요하게 되었다.
덧붙이면, PZT, SBT, BST 등의 고ㆍ강 유전체막을 형성하는 경우, 이들 막을 결정화하게 되면 플라스마 클리닝이나 케미컬 드라이 클리닝으로는 그 막을 제거하는 것은 매우 어려우므로, 일반적으로는 질산 등의 웨트 케미컬 클리닝이 사용된다. 따라서, 방착판 등 분리가 가능한 부품 이외에 막이 부착된 경우에는 "작업원이 질산으로 문질러 제거하는" 등, 양산현장에서는 수용되기 어려운 작업이 생기게 된다. 본 장치는 이러한 위험한 작업이 발생하지 않는 구조를 갖고 있다.
도 12 에 있어서, (A) 는 막형성조 상부덮개와 샤워플레이트와의 배치를 나타내는 개략 단면도이며, (B) 는 그 상면도이다. 도 12 에 있어서, 도 1 과 동일한 구성요소는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 열원 (15) 상에 SiC 제 기판서셉터 (16) 가 배치되고, 이 SiC 서셉터 (16) 위에 기판 (S) 과 기판스테이지부재 (17) 가 배치되어 있다. 기판스테이지부재 (17) 는 Si3N4 제이다. 기판 (S) 은 기판스테이지부재 (17) 에 의해 위치결정할 수 있도록 되어 있다. 샤워플레이트와 대향하는 기판스테이지는 평탄하며, 탑재되는 기판이 유일하게 평면보다 볼록해지도록 구성되어 있다. 이와 같이 기판만이 유일하게 볼록해지도록 하고, 나머지는 평탄한 기판스테이지로 함으로써 기판 근방에서 난류ㆍ대류를 발생시키지 않고 재현성있게 안정되게 막형성할 수 있는 구조로 하고 있다.
이 SiC 제 서셉터 (16) 는 열전도율이 양호하고, 열원 (15) 으로부터의 열을 균일하게 기판 (S) 에 전달할 수 있다. 또한, SiC 는 산화에 의한 시간 경과에 따른 변화가 생기기 어렵기 때문에, 이와 같은 구성은 반응가스에 산소를 사용하고, 또한 기판온도가 500℃ 이상인 고온 프로세스의 경우에 적합하다.
SiC 서셉터 (16) 는 열원 (15) 바로 위에 있기 때문에 기판 (S) 보다 고온에 노출되므로, 막형성가스에 닿으면 빠른 속도로 표면에 막이 부착된다. 이로 인해, SiC 서셉터 (16) 의 표면이 막형성가스에 닿는 면적을 최소로 하기 위해 SiC 서셉터를 커버하는 기판스테이지부재 (17) 를 배치하는 것이 바람직하다.
상기 기판스테이지부재 (17) 는 서셉터 (16) 와 동심원으로 중앙부분이 비어 있고, 중앙부분의 직경은 기판 직경보다 훨씬 크고 기판 (S) 의 위치결정을 할 수 있는 구조로 되어 있다. 기판스테이지부재 (17) 는 열전도율이 낮고 또한 열충격 특성이 양호한 Si3N4 제이고, SiC 서셉터 (16) 의 열을 빼앗아 SiC 서셉터의 균일한 열을 무너뜨리는 작용을 최소한으로 그치게 하고, 또한 열원 (15) 의 급격한 가열사이클 (기판을 실온 →막형성온도까지 단시간에 승온시키는 사이클) 에 있어서도 파손되지 않도록 고려되어 있다. 이와 같이, 기판을 균일하게 가열하기 위해 열원상에 형성하는 SiC 제 서셉터 (16) 와, 열전도율이 낮고 열사이클 및 산소가스에 대한 내성이 양호한 Si3N4 부재로 이루어지는 기판스테이지부재 (17) 를 사용함으로써, 부품 파손빈도가 적고 파티클의 발생이 적은 기판스테이지를 갖는 박막제조장치를 구성할 수 있다.
또, 본 장치의 개발과정에서 기판스테이지부재에 석영을 사용하였는데, SiC 서셉터와의 접촉부가 고온이 되고, 막형성가스에 함유되는 Pb, 산소와 반응하여 석영중으로의 Pb 확산현상이나 석영의 O2 누락, 투실현상이 발생하여 특성이 변화하였다. 또한, 부품의 질산세정에서도 침식이 현저하게 나타났다.
또한, 본 장치의 개발과정에서 기판스테이지부재에 A12O3 을 사용하였는데, SiC 서셉터와의 접촉부에 급격한 열사이클에 의한 마이크로 크랙이 발생하여 파손되었다. 또한, 마이크로 크랙이 파티클의 발생원이 되었다.
상기 Si3N4 제의 기판스테이지부재 (17) 는, 양산장치에서는 수천장/월의 기판을 처리하는 것이 요구되는 것, 또 반응공간을 구성하는 부재가 정기적인 메인터넌스로 산세정을 반복할 때 내성이 요구되는 것을 고려하여 선정되어 있다.
본 발명에 의하면, 그밖에 요철이 없는 원통형의 막형성조 내벽과 원통형의 기판스테이지 외측에 의해 가스배기경로를 구성하고, 또 원통형 이외의 형상의 기판스테이지를 사용한 경우에는, 결과적으로는 원통형의 기판스테이지의 역할을 하도록 하여, 이 기판스테이지 외측과 막형성조 내벽에 의해 가스배기경로를 구성해도 된다. 가스배기경로의 틈새, 길이를 조정하여 배기경로의 2 차측에 반응공간의 1.3 배 이상의 배기공간을 구성함으로써 등방 배기를 실현하여 양호한 막두께분포, 막형성 레이트를 얻을 수 있다.
또, 막형성조 상부덮개에 샤워헤드 구조를 장착하고, 상부덮개가 막형성조 천장으로서 최대면적을 갖는 것을 이용하여 온매를 순환하는 경로를 상부덮개내에 최대한 취하고, 또 상부덮개에 샤워플레이트를 고정시킬 수 있는 구조로 하고, 또 샤워플레이트를 막형성조 천장과 거의 같은 면적으로 하고, 또 샤워플레이트와 상부덮개와의 열교환 부분의 면적을 샤워플레이트의 가스통과 면적의 2.4 배 이상으로 하고, 또 샤워플레이트를 상부덮개에 28.4kgf/㎠ 이상의 힘으로 가압함으로써 샤워플레이트-기판간 거리가 4O㎜ 이하이더라도 샤워플레이트 표면 온도분포를 ±10℃ 이하로 제어할 수 있는 구조로 해도 된다. 상부덮개 및 샤워플레이트가 원반 이외의 형상이더라도 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 상기 응용예를 조합함으로써 막형성조 내, 나아가서는 반응공간 내의 난류ㆍ대류ㆍ열대류를 억제하는 정류작용을 최대한으로 발휘하게 하여 기판에 생성되는 박막의 막질이나 막두께분포를 향상시켜 막두께분포, 막조성분포, 막형성 레이트가 보다 양호하며 또한 안정되고, 막형성 더스트가 적고, 막형성조 내부에 대한 막형성을 경감시킬 수 있어 연속막형성을 안정되게 행할 수 있는 박막제조장치를 확립할 수 있다.
산업상의 이용 가능성
본 발명은, 상기한 바와 같이 막형성 조건에 맞춰 온도제어가 가능한 샤워헤드, 이 샤워헤드를 사용한 파티클의 발생이 거의 없거나 또는 있더라도 매우 적어 막질, 막성능이 안정된 박막을 장기간에 걸쳐 안정되게 형성할 수 있는 박막제조장치 및 박막제조방법에 관한 것이다. 이 샤워헤드, 장치 및 방법은 전기ㆍ전자분야에 있어서, 예를 들어 금속산화물막 등을 제조할 때 유효하게 이용할 수 있다.
이 장치는 산업상, 저더스트, 양호한 재현성 등이 요구되는 양산장치로서 크게 위력을 발휘한다. 또한, 특히 열에너지를 이용한 프로세스에서 크게 위력을 발휘한다.
본 발명의 샤워헤드, 이 샤워헤드를 사용한 박막제조장치 및 제조방법에 의하면 양호한 막두께분포, 조성분포, 막형성 레이트를 재현시킬 수 있는 동시에, 보다 장기간에 걸쳐 파티클수가 적은 연속막형성을 안정되게 행할 수 있다는 효과를 나타낸다. 본 발명의 박막제조장치 및 제조방법은 생산성, 양산성이 우수한 것이다.

Claims (15)

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  3. 진공제어 가능한 막형성조의 상부로부터 성막가스가 확산하는 공간과 샤워헤드를 통하여 상기 막형성조 내의 상부공간으로 막형성가스를 도입하여 기판 위에 막형성하는 박막제조장치에 있어서,
    샤워헤드 구조가 상기 막형성조의 상부덮개에 장착되며, 상기 샤워헤드의 표면에는 샤워플레이트가 형성되고, 상기 상부덮개내에 열교환수단이 형성되며, 상기 열교환수단은 상기 상부덮개내의 상기 성막가스가 확산하는 공간 이외의 부분에서 샤워헤드의 위쪽 표면과 면접촉하도록 형성되며, 상기 열교환수단은 또한 막형성조의 상부공간을 덮는 상기 상부덮개의 내부에, 성막가스가 확산하는 공간의 측방 및 상방을 덮도록 형성되어 있고, 또한 상기 기판을 탑재하는 기판스테이지에 마주 보고 형성된 방착판의 측방에서, 상기 상부덮개의 외주에 개구부가 형성되며, 상기 개구부는 불활성 가스가 상기 방착판 외측과 상기 막형성조 내벽으로 둘러싸인 방착판 외주공간을 채운 후에, 상기 막형성조의 상기 상부공간으로 도입되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 샤워플레이트의 열교환 부분의 면적이 상기 샤워플레이트의 막형성가스 통과부분의 면적의 2.4 배 이상인 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 샤워플레이트가 대기압력하에서 단위면적당 28.4kgf/㎠ 이상의 힘으로 상기 막형성조 상부덮개에 가압되고 있는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 샤워플레이트의 막형성가스 통과부분의 두께가 5㎜ 이하로 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 샤워플레이트와 상기 막형성조 상부덮개와의 열교환 부분에서의 상기 샤워플레이트의 두께가, 상기 샤워플레이트의 막형성가스 통과부분의 두께보다도 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 막형성조의 내직경이 상기 샤워헤드 표면의 직경보다 크고, 또 상기 샤워헤드 표면의 직경이 상기 막형성조 내의 상부공간의 내직경보다 큰 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 막형성조의 내직경과 상기 샤워헤드 표면의 직경과의 차이가 20㎜ 이내인 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 막형성조 내의 온도를 실온∼250℃ 의 범위로 온도제어할 수 있는 수단을 추가로 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 샤워플레이트와 상기 막형성조 상부덮개에는 연통된 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에 압력측정기를 연결하여 형성한 것을 특징으로 하는 박막제조장치.
  12. 막형성가스를, 막형성가스가 확산하는 공간과 진공제어 가능한 막형성조의 상부덮개에 장착된 샤워헤드를 통하여, 상기 막형성조의 상부공간으로 도입하고, 막형성 압력으로 제어된 상부공간 내에 탑재된 기판 위에 막형성하는 박막제조 방법에 있어서,
    상기 상부덮개내의 상기 성막가스가 확산하는 공간 이외의 부분에서 샤워헤드의 위쪽 표면과 면접촉하여 형성된 열교환수단으로서, 상기 막형성조의 상부공간을 덮도록 상부덮개의 내부에, 성막가스가 확산하는 공간의 측방 및 상방을 덮도록 형성되어 있는 열교환수단에 의해 샤워플레이트의 온도를 제어하여 막 형성하는 것을 특징으로 하는 박막제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제 3 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 박막제조장치를 사용하여 행해지는 것을 특징으로 하는 박막제조방법.
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