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KR100575847B1 - 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법 - Google Patents

반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법 Download PDF

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KR100575847B1
KR100575847B1 KR1020050036245A KR20050036245A KR100575847B1 KR 100575847 B1 KR100575847 B1 KR 100575847B1 KR 1020050036245 A KR1020050036245 A KR 1020050036245A KR 20050036245 A KR20050036245 A KR 20050036245A KR 100575847 B1 KR100575847 B1 KR 100575847B1
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KR
South Korea
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reaction
process chamber
semiconductor
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products
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이앙구
박광진
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이앙구
박광진
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Abstract

본 발명은 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법에 관한 것으로, 기판처리를 위한 공정 챔버와 진공장치를 가지는 기판처리장치 및 그 장치를 이용한 기판처리공정을 제공하고, 특히 그 기판이 반도체일 경우에는 반도체 제조장치 및 그 장치를 이용한 반도체 제조방법이며, 그 기판이 평판디스플레이일 경우에는 공정 챔버와 진공장치를 가지는 평판디스플레이 제조장치 및 그 제조방법이다.
본 발명은 이를 위해 공정 챔버의 반응가스 유입구를 통해 가스를 유입하는 가스유입부; 상기 공정 챔버에서 일단의 반도체 제조공정이 이루어진 후 잔류하는 반응부산물을 배출하는 가스배출구; 상기 공정 챔버에서 유입되는 반응부산물을 효과적으로 포집하기 전에 열을 가하여 반응부산물의 고용화를 저하시키는 가열부; 일단은 가열부와 연결되는 동시에 타단은 진공펌프와 연결되고, 내부에 저온 플레이트를 이용하여 반응부산물을 포집하는 부산물포집부; 및 상기 반응부산물의 포집 촉진을 위해 부산물 포집 장치를 구비하되, 외부에서 포집로의 하부로 냉각제를 주입하고, 측벽을 통해 포집로 내부의 냉각 플레이트로 냉각제를 주입 및 배출하고, 포집로의 상부에서 외부로 냉각제를 배출시키는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 기판 제조시 거치게 되는 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition) 공정 및 건식식각(Dry Etch) 공정에 있어서 화학반응 가스가 공정 챔버에서 반응하여 박막을 형성하거나 건식식각을 진행한 후 잔류가스 와 같은 반응부산물을 진공펌프에 의해 배출시킬 때 발생되는 분말을 효율적으로 포집되게 하여 기판 제조공정을 원활히 수행할 수 있도록 한 것이다.
공정 챔버, 가열부, 부산물포집부, 기판제조장치.

Description

반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법{METHOD COLLECTION RESIDUAL PRODUCTS FOR FPD AND SEMICONDUCOR}
도 1 은 본 발명에 적용된 기판제조장치를 도시한 간략 구성도.
도 2 는 본 발명에 적용된 기판제조장치에 의해 부산물을
포집하는 방법을 도시한 분해 사시도.
도 3 은 본 발명에 적용된 반도체 및 평판디스플레이 설비에 의해 부산물을
포집하는 방법을 도시한 결합상태 정단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 공정 챔버 10: 가열부
15: 반응가스유입구 16: 전극
17: 가스배출구 30: 부산물포집부
31: 냉각제 주입구 32: 냉각제 배출구
40: 진공펌프 50,50a,50b,50c: 제1내지제4플레이트
본 발명은 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판처리 공정 챔버와 진공장치를 가지는 기판처리장치 및 그 장치를 이용한 기판처리공정에 관한 것이며, 그 기판이 반도체일 경우에는 반도체 제조장치 및 그 장치를 이용한 반도체 제조방법이며, 그 기판이 평판디스플레이(FPD; Flat Panel Display) 장치일 경우는 공정 챔버와 진공장치를 가지는 FPD 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이며, 특히 반도체 소자 및 평판디스플레이(FPD) 제조시 거치게 되는 화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition) 공정 및 건식식각(Dry Etch) 공정에 있어서 화학반응 가스가 공정 챔버에서 반응하여 박막을 형성하거나 건식식각을 진행한 후 잔류가스와 같은 반응부산물을 진공펌프에 의해 배출시킬 때 발생되는 분말을 효율적으로 포집되게 하여 반도체 제조공정 혹은 FPD 제조공정을 원활히 수행할 수 있도록 한 것이다.
먼저, 본 발명은 본 출원인이 선출원한 특허출원 제2005-6361호(명칭: 반도체 설비의 부산물 포집장치)에 대한 방법을 제공하고자 함을 밝혀두는 바이다.
주지하다시피 반도체 제조 공정이나 평판디스플레이(FPD) 제조공정에는 특히 유독가스를 사용하는 박막증착공정이나 건식식각공정이 많이 사용되고 있다. 박막증착 공정의 하나인 화학기상증착(CVD) 공정은 고온, 저압에서 이루어지기도 하지만 많은 경우에 플라즈마 환경에서 공정이 이루어지고 있다. 식각(Etch)공정은 습식식각과 같은 등방성식각이나 플라즈마 상태나 이온상태에서 이방성식각을 진행하 는 건식식각 공정도 많이 사용되고 있다(S. M. Irving, Kodak Photoresist Sem. Proc., Vol. 2, May (1968)). CVD 공정은 얇은 박막을 형성하는 공정으로서, 이 공정으로 만들어진 박막 절연막들은 현 VLSI회로 제조 공정에서 디바이스 내에서 도체, 금속배선 사이의 전기적 절연체 또는 주변과의 고립을 위하여 널리 사용되고 있다. 또한 이 공정으로 만들어진 박막 금속막들은 반도체소자의 전기배선으로 사용되고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 절연막 물질로는 실리콘산화막, 실리콘질화막, 금속산화막, 고유전물질 박막들이 있으며, 금속물질로는 폴리 실리콘막, 금속 실리사이드막, 알루미늄이나 텅스텐, 크롬과 같은 박막 등이 있다. 이러한 박막을 형성하는 방법들에는 여러 가지가 존재하지만 APCVD(Atmosphere Pressure CVD) 및 LPCVD(Low-Pressure CVD), PECVD(Plasma-Enhanced CVD), MOCVD(Metal Organic CVD), ALD(Atomic Layer Deposition), TPD(Ticl based Pulsed Deposition) 외에도 여러 가지 많은 방법이 사용되고 있다.
반도체 제조공정의 전공정 중에 건식식각(Dry Etch) 또한 많은 종류의 유독성 화학가스를 사용하는 공정이다. 반응 챔버내에서 플라즈마 상태의 라디칼의 도움으로 박막과 화학반응을 일으켜 휘발성 있는 반응 생성물을 생성시키는 플라즈마 에칭이 있으며, 중성 라디칼을 이용하는 이온 도움(ion assist)에 의한 플라스마 에칭이 있다. 건식식각 공정을 진행하는 장치의 일반적인 구조는 미국출원공개번호 US 2002/0168467에서 개괄적으로나마 보여주고 있다. 그러나 이 자료에서 반응 잔류가스의 효과적인 처리방법에 대해서는 보여주지 못하고 있다.
FPD의 제조공정은 Silicon 반도체 제조공정과 유사하다. 즉, 박막증착(Thin Film Deposition), 사진,(Photolithography), 식각(Etch) 등의 공정으로 이루어져 있으며, 개개의 공정 전후에 결과 및 이상 여부를 확인하기 위한 검사와 청정도를 유지하기 위한 세정을 포함한다. 박막의 증착은 금속막 및 투명전극의 경우 Sputtering 방법을, Silicon 및 절연막은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposion)방법을 주로 사용한다.
반도체 제조공정 중에 웨이퍼 상에 박막을 증착하거나, 웨이퍼 상에 증착된 박막을 선택적으로 식각하는 공정은 공정 챔버 내에서 실란(Silane), 염화붕소, 수소 등의 유해가스를 사용하여 고온에서 수행하며, 상기의 공정이 진행되는 동안 공정 챔버 내부에서 각종 발화성 가스와 부식성 가스 및 유독 성분을 함유한 유해가스가 다량 발생하게 된다.
상기의 공정 챔버에서 배출되는 유해가스는 대기와 접촉하거나 주변의 온도가 낮으면 고형화되어 파우더(Powder)를 형성하고, 이 형성된 파우더는 펌핑라인에 고착되어 배기압력을 상승시키거나 배기가스의 역류를 초래하여 공정 챔버 내에 있는 웨이퍼를 오염시키는 문제점을 가지고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 사례는 미국등록특허 6,528,420(Wei Hua Tong et al.)에서 보여지듯이 공정 챔버와 진공펌프의 사이에 상기 공정 챔버에서 배출되는 배기가스를 파우더 상태로 응착시키는 파우더 트랩이 구비되며, 이 파우더 트랩의 외주면에는 냉각제관이 구비되어 사용되고 있다.
그러나 이와 같은 종래의 파우더 트랩 장치는 다음과 같은 문제점이 발생되었다. 즉, 공정 챔버 내부에서 발생된 반응부산물이 파우더 상태로 전환되어 트랩 에 적체되기 까지 많은 시간이 소요되므로 상기 공정 챔버는 반응부산물이 모두 제거될 때 까지 공정을 진행하지 못하고 대기해야 하는 시간이 길어지게 되고 그로 인하여 장비의 가동율이 저하되는 문제점이 있었다.
또한 파우더가 적체되는 트랩의 공간이 매우 협소한 관계로 상기 트랩에 적체된 파우더를 자주 제거하여 청소를 해 주어야 하므로 공정 챔버의 오랜 대기시간으로 인하여 전체 공정 시간이 길어지는 문제점도 발생되었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 공정 챔버와 반응가스 유입구 및 가스배출구를 포함하며, 가스배출구와 진공펌프의 사이에 가열부와 냉각제를 이용한 효율적인 부산물포집부를 구비함에 따라 반도체 소자 제조시 공정 챔버 내부에서 발생되는 미반응 가스 및 유독성 가스와 같은 반응부산물을 효율적으로 포집하여 안정된 반도체 박막증착공정 및 식각공정, 평판디스플레이 장치의 안정된 박막증착 및 건식식각 공정을 진행함을 제1목적으로 한 것이다. 특히 이를 위한 제2목적은 공정 챔버에서 유입되는 반응부산물을 효과적으로 포집하기 전에 열을 가하여 반응부산물의 고용화를 저하시킬 수 있도록 한 것이며, 제3목적은 반응부산물의 포집 촉진을 위해 부산물포집부의 내부에 냉각제를 측면 주입할 수 있도록 한 것이고, 제4목적은 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있도록 한 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적 달성을 위하여 본 발명은 공정 챔버의 반응가스 유입구 및 ; 상기 공정 챔버에서 일단의 반도체 및 평판디스플레이 제조공정이 이루어진 후 잔류하는 반응부산물을 배출하는 가스배출구; 상기 공정 챔버에서 유입되는 반응부산물을 효과적으로 포집하기 전에 열을 가하여 반응부산물의 고용화를 저하시키는 가열부; 일단은 가열부와 연결되는 동시에 타단은 진공펌프와 연결되고, 내부에 저온 냉각 플레이트를 이용하여 반응부산물을 포집하는 부산물포집부; 및 상기 반응부산물의 포집을 효율적으로 하기 위해 포집로의 외부에서 포집부 하부로 냉각제가 주입되고, 포집부 측면을 통해 포집로 내부의 냉각플레이트로 측면 공급 및 측면 배출하도록 구성하고, 포집로의 상부에서 외부로 냉각제를 배출시키는 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법을 제공한다.
이하에서는 이러한 목적 달성을 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 적용된 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법은 도 1에 도시된 바와 같이 구성되어 있으며, 특히 부산물 포집 장치는 도 2 내지 도 3 에 도시된 바와 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
먼저, 도 1 은 본 발명을 설명하기 위한 간략 구성도로, 공정 챔버(1)의 상부에 반응가스유입구(15)가 구비됨을 물론 내부에는 전극(16)이 구비된다. 그리고 상기 공정 챔버(1)의 일측에 가스배출구(17)가 연결되는 동시에 이 가스배출구(17)의 일단에는 가열부(10)와 부산물포집부(30)가 순차적으로 연결 구비되고, 또한 상기 부산물포집부(30)의 타단에는 진공펌프(40)가 연결되어 구성된다.
상기한 본원발명의 기술적 구성을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
즉, 본 발명은 공정 챔버(1)와 연결되며, 상기 공정 챔버(1)에서 유입되는 반응부산물을 효과적으로 포집하기 전에 히팅관(11)에 열을 가하여 반응부산물의 고용화를 저하시키는 가열부(10)가 구비된다. 이때 상기 가열부(10)의 온도는 50∼650도 까지 가변 가능하게 사용함을 특징으로 구성되는 것으로, 상기 가열온도가 50도 이하가 되면 가열온도의 효과가 적기 때문에 50도 이상이 바람직하고, 또한 가열온도가 650도 이상이 되면 반응부산물이 고온에 의해 고용화 되지 않으므로 650도 이하가 바람직하다.
부호 30은 반응부산물을 포집하는 부산물포집부로, 이 부산물포집부(30)의 일단은 상기 가열부(10)와 연결되는 동시에 타단은 진공펌프(40)와 연결되고, 내부에 반응부산물을 포집하기 위해 복수의 플레이트(50)(50a)(50b)(50c)가 구비된다. 이때 상기 진공펌프(40)와 몸체(31)의 사이에는 배관을 상호 연결하는 커넥터(41) 가 구비된다.
그리고 본 발명은 상기 부산물포집부의 하단에 냉각제 주입구를 구비하고 상단에 냉각제 배출구를 구비하며, 상기 부산물포집부(30)의 몸체(31) 내부에, 반응부산물의 포집 촉진을 위해 냉각제를 측면 주입 및 측면 배출시키는 공급관(35) 및 배출관(36)이 구비되고, 상기 몸체(31)의 하단에는 이동이 편리하도록 복수의 캐스터(37)가 구비된다. 측면이라 함은 반응부산물이 부산물포집부로 주입되는 부분과 상대적으로 대략 수직을 이루는 부위를 가리키고 있으나, 대체적으로 부산물의 흐름을 기준으로 측면을 가리킨다.
또한 본 발명은 상기 가열부(10)와 부산물포집부(30)의 사이에는 가열부(10)와 부산물포집부(30)를 상호 긴밀히 결합시키거나 분리시킬 수 있도록 클램프(20)가 구비되는 것으로, 상기 클램프(20)는 일반적인 기술적 구성으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 적용된 상기 부산물포집부(30)의 기술적 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
즉, 상기 복수의 플레이트(50)(50a)(50b)(50c)의 중앙에는 몸체(31)의 중앙 상부로 돌출된 샤프트(33)에 끼워지게 조립홀(55)이 형성되되, 내부에는 공급공(51) 및 배출공(52)과 연결된 냉각제관(53)이 구비되는 동시에 적소에는 구멍(54)(54a)(54b)(54c)이 형성되고, 상기 공급공(51)은 공급관(35)과 배출공(52)은 배출관(36)과 상호 일치되게 조립 설치됨을 특징으로 구성된다.
그리고 상기 홀수 번째 플레이트(50)(50b)의 공급공(51)(51a)과 배출공 (52)(52a)은 일측의 공급관(35)과 배출관(36)에 연결되도록 같은 방향으로 조립 설치되고, 상기 짝수 번째 플레이트(50a)(50c)의 공급공(52a)과 배출공(51a)은 타측의 공급관(35)과 배출관(36)에 연결되도록 같은 방향으로 조립 설치됨을 특징으로 구성된다.
이때 상기 샤프트(33)의 외주면에는 4개의 키(33a)가 돌출 형성되는 것으로, 상기 복수의 플레이트(50)(50a)(50b)(50c)가 안착될 수 있도록 하게 된다.
더하여 상기 복수의 플레이트(50)(50a)(50b)(50c)에 형성되는 구멍(54)(54a)(54b)(54c)은 냉각제관(53)의 간섭을 피해 가로, 세로 및 경사지게 적어도 하나 이상 형성됨을 특징으로 구성된다.
또한 상기 냉각제관(53)에는 냉각제나 냉매 또는 프레온가스 중에서 선택된 어느 하나가 유입되어 사용함을 특징으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 도 2 에 도시된 바와 같이 중앙에 조립홀(55)이 형성된 복수의 플레이트(50)(50a)(50b)(50c)를 샤프트(33)의 외주면에 조립 설치하는 것으로, 이때 키홈(56)을 키(33a)와 일치시켜 통과시킨 후 소정간격 회전시키면 도 3 에 도시된 바와 같이 다수의 플레이트를 몸체(31)의 내부 공간부(32)에 일정 간격으로 안착 설치하게 된다.
그리고 이때 상기 홀수 번째 플레이트(50)(50b)에 형성된 공급공(51)(51a)과 배출공(52)(52a)은 일측에 형성된 공급관(35) 및 배출관(36)과 상호 일치되게 조립 설치되고, 상기 짝수 번째 플레이트(50a)(50c)에 형성된 공급공(51a)과 배출공(52a)은 타측에 형성된 공급관(35) 및 배출관(36)과 상호 일치되게 조립 설치된다.
이후 클램프(20)를 이용해 부산물포집부(30)의 상단에 가열부(10)를 긴밀히 연결시킨다.
그런 다음 본 발명 반도체 설비의 부산물 포집장치를 작동시키는 것으로, 공정 챔버(1) 내에서 박막의 증착 또는 식각시 발생하는 반응부산물을 빠른 시간내에 파우더 상태로 전화시켜 포집할 수 있고, 포집효율을 극대화 할 수 있도록 한 것이다.
즉, 히팅관(11)이 설치된 가열부(10)에 의해 반응부산물의 고용화를 저하시키게 된다. 이때 상기 가열부(10)의 온도는 전술한 바와 같이 적게는 약 50도에서 많게는 약 650도 이하의 온도로 가열하게 된다.
이후 상기 가열부(10)를 빠져나온 반응부산물은 부산물포집부(30)에서 포집되는 것으로, 이때 상기 반응부산물의 포집 촉진을 위해 몸체(31)의 내부와 복수 플레이트(50)(50a)(50b)(50c)의 내부에는 냉각제나 냉매 또는 프레온가스를 주입하게 된다. 가열부에서 50도 이상의 고온으로 가열 한 후 부산물포집부로 이동한 반응 부산물은 급격한 온도 저하를 맞게되고 급격한 온도저하는 가스의 고용화를 촉진 시킨다.
이를 보다 상세히 설명하면, 공급관(35)으로 주입된 냉각제는 각 플레이트의 공급공(51)(51a)으로 유입된 후 복수의 냉각제관(53)을 통과하고, 이렇게 냉각제관(53)을 통과한 냉각제는 배출공(52)(52a)과 배출관(36)을 통해 다시 배출된다.
상기와 같이 각 플레이트에 냉각제가 공급되는 과정에서 반응부산물은 화살표 방향으로 각 구멍(54)을 통과하면서 플레이트의 상면에 파우더 상태로 응착 포 집되게 된다.
본 발명은 상기 각 플레이트에 적체된 반응부산물의 파우더를 깨끗히 청소할 수 있도록 한 것으로, 상기 클램프(20)를 풀어 부산물포집부(30)와 가열부(10)를 상호 분리시키면 각 플레이트를 분리시켜 청소할 수 있게 되고, 청소 후에는 다시 조립하여 재 사용할 수 있도록 한다.
한편 본 발명에 의한 반도체 및 평판디스플레이 제조장치의 부산물 포집방법은 공정 챔버의 내부에 반도체 기판이나 평판디스플레이 기판을 위치시키는 단계; 공정 챔버의 반응가스 유입구를 통해 가스를 유입하는 단계; 상기 공정 챔버에서 일단의 반도체 제조공정 혹은 평판디스플레이 제조공정이 이루어진 후 잔류하는 반응분산물을 배출하는 가스배출단계; 상기 공정 챔버에서 유입되는 반응부산물을 효과적으로 포집하기 전에 열을 가하여 반응부산물의 고용화를 저하시키는 단계; 일단은 가열부와 연결되는 동시에 타단은 진공펌프와 연결되고, 내부에 저온 플레이트를 이용하여 반응부산물을 포집하는 부산물포집단계; 및 상기 반응부산물의 포집 촉진을 위해 포집로의 내부에 냉각제를 부산물 포집부 하부로부터 주입하는 단계; 상기 냉각제를 포집부 측면으로부터 냉각 플레이트로 공급 및 배출하는 단계; 상기 부산물 포집부 상부로부터 냉각제를 배출하는 단계; 에 의해 이루어지는 것으로 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 1 은 본 발명에 의한 실시예로서 반도체 제조장치 중에 플라즈마 환경의 화학기상증착설비(PECVD)에서 실리콘산화막을 증착할 때 보여지는 개략적인 구성도이다.
실리콘산화막을 증착시키는 공정이 이루어지는 공정 챔버가 있으며, 상기 공정 챔버로 반응가스인 실레인(SiH4)과 아산화질소(N2O)가스를 유입시키는 가스 유입구가 상부 전극을 겸하고 있는 샤워해드(Shower head)를 통하여 연결되어 있으며, 상기 공정 챔버내에는 반도체 기판을 지지하는 하부전극이 있다.
상기 공정 챔버에서 이루어지는 반응 화학식의 한 실시예는 아래의 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
SiH4 + N2O -> SiO2 +N2 + H2 --------- (1)
SiO2 박막은 SiH4/N2O 혼합가스를 이용하여 생성할 수 있다. 여기서 O2 대신 N2O 가스를 사용하는 이유는 N-N 결합 에너지는 N-O 결합 에너지보다 크기 때문에 플라스마 내에서 반응성 질소의 분해속도를 낮추어 가스 상태의 핵 형성에 의한 먼지 생성율을 낮추기 위해서다. SiH4/N2O 혼합비율은 박막의 굴절률 특성을 변화시키는데, N과 Si 함유량이 클수록 굴절률은 증가하게 된다. 대체로 PECVD SiO2 박막은 압축 응력을 갖고 있으나, 입력 파워의 주파수를 바꾸면 인장력(tensile stress)으로도 바뀔 수 있다. 박막형성과정을 설명하면, 실레인(SiH4) 가스와 아산화질소(N2O) 가스를 가스유입구(15)를 통하여 공정 챔버(1)로 유입되며, 플라즈마가 형성되도록 전기에너지를 전극(16)에 가해 준다. 상기 플라즈마는 반응가스인 실레인 가스와 산화질소의 이온과 라디칼을 형성시킨다. 상기 라디칼은 반도체 기판에 흡착되어 이온에 의한 원자의 재분포를 이루는 화학적, 물리적 반응이 이루어져 새로운 박막을 형성하게 된다. 반도체 기판은 접지 전극에 두어 이온 충돌에 의한 스퍼터링 효과를 최소화시키고 있다. 그러나 유입되는 가스의 전량이 반응하여 박막화 되지 못하므로 잔류가스인 반응부산물이 발생하게 된다. 상기 반응 부산물은 공정 챔버로부터 가스배출구(17)를 통하여 진공펌프(40)를 향하여 배출된다. 상기 부산물에는 실레인(SiH4) 과 산화질소(N2O) 및 질소(N2), 수소(H2), 수분(H2O) 등이 포함되며, 공정 챔버와 진공펌프사이에서 가열부(10)를 지나가게 된다. 상기 가열부의 온도는 섭씨 50 650도 까지 가변 가능하게 사용함을 특징으로 구성되는 것으로, 상기 가열온도가 50도 이하가 되면 가열온도의 효과가 적기 때문에 50도 이상이 바람직하고, 또한 가열온도가 650도 이상이 되면 반응부산물이 고온에 의해 부산물포집부에서 효과적으로 고용화 되지 않을 수 있으므로 650도 이하가 바람직하다. 가열부에서 고용화를 저하시키고 난 후의 반응 부산물은 부산물포집부(30)를 지나가게 된다. 부산물포집부 내에는 냉각제에 의해 상대적으로 저온이 유지되고 있으므로 상대적 고온이었던 반응부산물들이 분말이 되어 냉각 플레이트에 고착된다. 냉각 플레이트를 냉각시키기 위한 냉각제 혹은 냉매는 부산물포집부의 몸체 측면으로부터 공급되므로, 부산물포집부 내부에는 냉각플레이트 이외의 불필요한 공급관을 줄일 수 있는 장점이 있다. 외부에서 냉각제는 부산물포집부 하단에서 공급되어 상단으로 배출 시킴으로써 부산물포집부 내부의 냉각 플레이트 전체에 고루 고용화를 이룰 수 있다. 상기 부산물포집부 내부에는 여러 층의 냉각플레이트가 형성되어 있으므로 효율적으로 분말을 포집할 수 있어서 진공펌프까지 진행되는 잔류가스등의 반응부산물의 양을 줄일 수 있다.
실리콘 산화막을 증착시키는 공정에 실레인(SiH4)을 기초로 사용되는 공정외에도 TEOS를 기초가스로 사용하는 경우는 다음 (2)와 (3)의 식과 같은 반응을 이용 할 수 있다.
Si(C2H5O)4 +5O3 SiO2 + H2O + 8CO2 + 9H2 --------- (2)
Si(C2H5O)4 SiO2 + 2H2O + 4C2H4 --------- (3)
반응식(2)에서는 TEOS(Si(C2H5O)4)와 오존(O3)을 반응가스로 사용하여 실리콘 산화막(SiO2)과 반응부산물로서 수분(H2O)과 이산화탄소(CO2)를 얻는다. 그러나 TEOS 가스가 완전 분해가 이루어지지 못하는 경우가 있으므로 반응부산물은 TEOS(Si(C2H5O)4)를 포함하게 되며, 유독성을 가지게 된다. 이러한 유독성 가스는 앞에서 기술되었던 절차를 따라 부산물포집부에 분말로 포집시킨다.
PECVD방법을 이용하여 실리콘 질화막(Silicon Nitride;Si3N4)을 형성시키는 반응식은 아래의 (4)식에 나타내고 있다.
3SiH4 + 4NH3 Si3N4 + 12H2 --------- (4)
실레인(3SiH4)가스와 암모니아(4NH3)가스를 반응시켜 실리콘 질화막(Si3N4)과 수소(H2)를 만들어 낸다. 위의 반응식(4)를 응용하여 산화질소(N2O)를 추가하여 반응시키면, 반응식 (5)와 같이 실리콘 질화산화막(Silicon Oxinitride;SiOxNy)을 얻을 수 있다.
SiH4 + NH3 + N2O SiOxNy + N2 + H2 --------- (5)
반응식(4)와 반응식(5)에서도 모든 실레인(SiH4)가스 및 암모니아가스가 반응을 일으키지 못하고 남는 일부의 잔류가스가 발생하게 되며, 이 잔류가스는 질소 및 수소와 더불어 진공펌프에 의해 가스배출구를 통하여 가열부, 및 부산물포집부를 통과하게 된다. 반응부산물은 가열부에서 고온으로 가열되어 고용화를 저하시 킨 후 부산물포집부 내의 저온의 냉각플레이트상에서 분말화 되어 포집된다. 이로써, 진공펌프로 유입되는 잔류가스는 더욱 줄어들게 되어 진공펌프의 가동시간을 확장시킬 수 있다.
상기 공정은 플라즈마 기상증착방법(PECVD)뿐만이 아니라 저압기상증착(LPCVD)방법에서도 유사한 화학반응식을 구할 수 있으며, 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막 또는 폴리실리콘막을 형성하는데 저압기상증착(LPCVD) 이나 원자층증착(ALD;Atomic Layer Deposition)방법도 사용되어질 수 있다. 특히 원자층 증착방법은 최근에 많이 사용되고 있는 박막형성방법으로서, 알루미나(Al2O3), 하프늄산화막(HfO)와 같은 금속산화막, PZT(Ferroelectric lead zirconate titanate;Pb(ZrTi)O) 및 BST((BaSr)TiO3)와 같은 고유전물질, 금속 실리사이드막, GST(GeSbTe) 및 알루미늄이나 텅스텐, 크롬과 같은 금속막 등을 형성하는 데 활용할 수 있다.
상기 플라즈마 기상증착(PECVD) 방법보다 저압기상증착(LPCVD)방법을 사용하는 공정으로는 도프트 산화막(Doped Oxide), 텅스텐(W), 텅스텐실리사이드(WSi2) 및 타이타늄(Ti), 타이타늄나이트라이드(TiN)와 같은 금속막증착이 있다.
Doped Oxide를 증착시키는 공정은 식(6)에 나타냈으며,
SiH4 +5O2 +2PH3 + B2H6 SiO2 + P2O5 + B2O3 + H2 --------- (6)
Tungsten Silicide막을 증착시키는 공정은 식(7)에,
2WF6 + 5SiH4 2WSi2 + 3SiF4 + 10H2 --------- (7)
Tungsten막을 증착시키는 공정은 식(8)에 나타내었다.
2WF6 + 3SiH4 2W + 3SiF4 + 6H2 --------- (8)
위에 나타내는 화학식(6),(7), 및 (8)에서 보여 지듯이 모두 유독성가스가 사용되어지고 있으며, 이 이외에도 CVD방법을 이용하여 티타늄(Ti) 혹은 티타늄나이트라이드(TiN)를 형성하기 위해서는 TiCl4와 같은 가스를 사용한다. 비록 저압, 플라즈마 환경속에서 반응을 일으키더라도, 상기 유독성가스는 반응부산물과 잔류가스가 되어 공정 챔버로부터 진공펌프를 향해 배출되어진다. 그러나 진공펌프에 도달하기 이전에 가열부를 지나가게 되며, 여기에서 고온으로 가열된 후 반응 부산물포집부로 가게 된다. 반응 부산물포집에서는 내부의 냉각플레이트에서 상기 반응 잔유물 및 반응부산물이 급속냉각이 이루어지며, 분말상태로 냉각플레이트에 포집되게 된다. 한번의 기회에 냉각플레이트를 만나지 못한 반응부산물은 다수개의 냉각플레이트를 통과하며, 대부분이 분말화 되어 진공펌프로 이동되는 가스양을 줄일 수 있다.
본 발명의 기술적 구성의 가장 큰 특징은 공정 챔버와 진공펌프 사이에 반응부산물의 고용화를 저하시키는 가열부와 반응부산물을 포집하기 위한 부산물포집부를 구비함에 따라 반도체 소자 제조시 공정 챔버 내부에서 발생되는 미반응 가스 및 유독성 가스와 같은 반응부산물을 효율적으로 포집할 수 있도록 한 것이다.
좀더 상세히 설명하면, 공정 챔버에서 유입가스가 반응을 일으키고 상기 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 혹은 금속막을 반도체 기판위에 형성시킨 후 잔류가스 및 반응부산물이 가스배출구를 통하여 배출된다. 진공펌프의 힘에 의해 배출된 반응부산물은 가열부를 지나 부산물포집부로 이동한다.
이 부산물포집부의 일단은 상기 가열부와 연결되는 동시에 타단은 진공펌프와 연결되고, 내부에 반응부산물을 포집하기 위해 복수개의 냉각플레이트가 구비되어 있다. 이때 상기 진공펌프와 부산물포집부 몸체의 사이에는 배관을 상호 연결하는 커넥터가 구비된다.
그리고 상기 부산물포집부의 몸체 내부에 구비되며, 반응부산물의 포집 촉진을 위해 냉각제를 주입 및 배출시키는 공급관 및 배출관이 구비되고, 상기 몸체의 하단에는 이동이 편리하도록 다수의 캐스터가 구비된다.
또한 본 발명은 상기 가열부와 부산물포집부의 사이에는 가열부와 부산물포집부를 상호 긴밀히 결합시키거나 분리시킬 수 있도록 클램프가 구비되는 것으로, 상기 클램프는 일반적인 기술적 구성으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편 본 발명에 적용된 상기 부산물포집부에서 공정 챔버로부터 유입된 반응부산물은 부산물포집부 내부의 복수개의 냉각플레이트와 만나게 된다. 부산물포집부 내부의 다수개의 냉각플레이트가 중앙에는 몸체의 중앙 상부로 돌출된 샤프트에 끼워지게 조립홀이 형성되되, 내부에는 냉각제나 냉매를 공급시키는 공급공 및 배출공과 연결된 냉각관이 구비되는 동시에 적소에는 구멍이 형성되고, 상기 공급공은 공급관과 배출공은 배출관과 상호 일치되게 조립 설치됨을 특징으로 구성된다. 그리고 홀수번째 냉각플레이트의 공급공과 배출공은 일측의 공급관과 배출관에 연결되도록 같은 방향으로 조립 설치되고, 짝수번째 냉각플레이트의 공급공과 배출공은 타측의 공급관과 배출관에 연결되도록 같은 방향으로 조립 설치됨을 특징으로 구성된다. 이때 상기 샤프트의 외주면에는 다수개의 키가 돌출 형성되는 것으로, 상기 냉각플레이트가 안착될 수 있도록 하게 된다. 더하여 상기 냉각플레이트에 형성되는 구멍은 냉각제관의 간섭을 피해 가로, 세로 및 경사지게 적어도 하나 이상 형성됨을 특징으로 구성된다.
그러므로 상기 복수개의 냉각플레이트와 부딪히며 구멍을 따라 진공펌프로 이동하는 잔류가스 및 반응부산물은 거의 모두 분말화 되어 냉각플레이트에 포집 될 수 있을 것이다. 또한 상기 냉각제관에는 냉각제나 냉매 또는 프레온가스 중에서 선택된 어느 하나가 유입되어 사용할 수 있다.
더하여 본 발명은 평판디스플레이 장치(FPD) Array의 제조공정에서 박막의 증착에서 금속막 및 투명전극의 경우는 Sputtering 방법을, 실리콘(Silicon), 실리콘산화막 및 실리콘 질화막과 같은 절연막은 플라즈마 기상증착(PECVD)방법을 주로 사용한다.
Sputtering은 고전압이 인가된 증착할 금속으로 만든 Target과 Anode 전극 사이에 Ar 가스를 주입하고, 플라즈마 방전을 이용하여 Ar+을 여기시키면, 고전압에 의해 가속된 Ar+은 높은 운동 에너지가 금속 운자간의 결합 에너지 보다 클 경우, 금속 표면에 있는 원자를 떼어낼 수 있게 된다. Sputtering된 원자들은 상호 충돌과 간섭을 통하여 가진 에너지를 소모하고 유리 기판 표면에서 상호 결합하여 박막 형태로 성장하게 된다. 금속막 증착시에 쓰이는 Magnetron Sputtering은 DC 플라즈마를 주로 이용하며, Source Target의 둘레와 뒷쪽에 자속을 설치한 다이오드 구조에서 발생하는 Magnetic Field 가 Ar을 여기 시키는데 방해가 되는 Secondary Electron 을 격리시키며, 플라즈마 조정을 용이하게 하여 증착 효율을 높일 수 있다. Reactive Sputtering은 증착 중에 공정 챔버내에 반응가스를 주입시켜 Target으로 부터 Sputtering 되는 원자들과 주입된 가스들이 반응하여 Layer별로 화합물이나 Oxide 막을 증착할 수 있다.
물리적, 화학적인 반응을 이용하여 FPD를 만들게 될 Glass 상에 PR(Photoresist)에 의하여 형성된 Pattern대로 박막을 선택적 제거함으로써, 실제의 박막 Pattern을 구현하는 방법으로, Pattern이 형성된 부분의 박막은 남게 되고 PR이 없는 부분의 박막은 제거된다. 식각 공정에는 가스 플라즈마가 사용 되는 건식 식각과 화학용액을 이용하는 습식 식각방법이 있으며, Etching 후에는 유기용매 등에 의한 PR Strip 공정이 이루어진다.
반도체 식각공정 또한 상기 FPD 식각공정과 유사하다. 어떠한 박막을 식각하느냐에 따라 반응가스를 다르게 사용하되, PR을 Mask로 사용하여 반도체 기판상에 소정의 박막 Pattern을 형성한다.
실리콘 산화막(SiO2)을 식각하는 방법을 설명하면, 공정 챔버 내부의 하부전극에 식각하고자 하는 반도체 기판을 위치시킨다. 가스유입구를 통하여 CF4와 같은 불소계열의 반응가스와 케리어 가스를 함께 유입시킨다. 플라즈마 혹은 반응이온에너지를 이용하여 공정 챔버내에서 이루어지는 반응은 반응식(9)와 같다.
CF4 + SiO2 2F + CF2 + SiO2 SiF4 + CO + O ------(9)
공정 챔버로 유입된 CF4 가스는 플라즈마 환경속에서 불소이온 및 라디칼, CF2 이온 및 라디칼로 나뉘고, 이것들이 실리콘 산화막과 반응하여 SiF4라는 휘발성 반응물을 생성하여 제거된다. 즉 PR에 의해 보호되지 못하는 부위의 실리콘 산 화막만 선택적으로 식각 되어지는 것이다. 이러한 반응 외에 Ar, O2, H2, CHF3 혹은 C2F6 등의 반응기체를 추가로 사용하여 PR이나 실리콘막질에 대한 식각선택비를 확보한다.
실리콘 막질을 건식식각하기 위해서는 HBr, Cl2, CClF3, CCl4 혹은 SF6와 같은 반응가스를 사용하여 휘발성가스인 SiCl4를 만들어 낸다. 실리콘 질화막을 식각하는 반응가스는 SF6, CF4 혹은 CHF3이며, 질화막과 반응하여 휘발성가스인 SiF4 와 NF3 가스 및 CO, C를 만들어 배출시킨다. 알루미늄 금속막을 식각하기 위해서는 Cl2, BCl3, SiCl4, HBr 등과 같은 가스를 사용하여 Al2Cl6와 같은 휘발성가스를 만들어 제거하지만, 부식방지등을 위하여 CHF6, CF4, N2 가스등도 같이 사용할 수도 있다. 텅스텐이나 텅스텐 실리사이드 막질을 식각하기 위해서는 SF6, C2F6 혹은 Cl2 가스를 사용하여 제거한다
반도체 건식식각장치 또한 도 1 의 반도체공정장치의 개략적인 구조로 설명할 수 있다. 공정 챔버(1)이 건식식각 공정이 이루어지는 공정 챔버가 되고, 반응가스 유입구(15)에 유입되는 반응가스가 식각하고자 하는 박막의 종류에 따라 위에서 설명된 염소계열 혹은 불소계열의 가스와 기타 반응가스가 혼합되어 유입된다. 건식식각이 이루어지면, 반응부산물로서 휘발성가스 및 유입된 반응가스의 일부인 잔류가스가 가스배출구(17)를 통하여 배출된다. 가열부(10)를 지나면서 고용화가 저하된 반응부산물 및 잔류가스는 부산물포집부(30)내부의 복수개의 냉각 플레이트에서 분말로 포집된다. 상기 냉각 프레이트는 상기 부산물포집부 몸체로부터 냉각제 혹은 냉매를 공급받아 플레이트의 온도를 저온으로 유지시킬 수 있다. 진공펌프 로 이동되는 잔류가스를 최소화함으로써 반도체제조장치의 가동시간을 최대화 할 수 있다.
FPD 제조공정중 금속막이나 박막을 증착하는 공정이외에도 건식식각 공정이 있으며, 플라즈마 환경에서 반응가스를 공정 챔버로 유입시켜 소정의 Pattern을 형성시키고, 제거되어야 할 부분의 박막을 식각시킨다. 반응가스의 일부와 반응부산물은 펌프의 압력에 의해 가스배출구를 통하여 가열부, 부산물포집부를 거쳐 진공펌프로 배출된다.
상기 반응 부산물은 공정 챔버로부터 가스배출구(17)를 통하여 진공펌프(40)를 향하여 배출된다. 상기 부산물은 공정 챔버와 진공펌프사이에서 가열부(10)를 지나가게 되며, 상기 가열부의 온도는 섭씨 50 650도 사이에서 적절한 조건을 찾아 사용할 수 있다. 가열부에서 고용화를 저하시키고 난 후의 반응 부산물은 부산물포집부(30)를 지나가게 된다. 부산물포집부 내에는 외부 하단으로부터 공급된 냉각제가 냉각 플레이트로 측면에서 공급되어 상대적으로 저온이 유지되고 있으므로 상대적 고온이었던 반응부산물들이 분말이 되어 냉각 플레이트에 고착된다. 냉각 플레이트를 냉각시키기 위한 냉각제 혹은 냉매는 부산물포집부의 몸체 측면으로부터 공급되므로, 부산물포집부 내부에는 냉각플레이트 이외의 불필요한 공급관을 줄일 수 있는 장점이 있다. 상기 부산물포집부 내부에는 여러 층의 냉각플레이트가 형성되어 있으므로 효율적으로 분말을 포집할 수 있어서 진공펌프까지 진행되는 잔류가스등의 반응부산물의 양은 줄일 수 있다.
상기에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명은 공정 챔버와 반응가스 유입부 및 가스배출부를 포함하며, 가스배출부와 진공펌프의 사이에 가열부와 부산물포집부를 구비함에 따라 반도체 소자 및 평판디스플레이 제조시 공정 챔버 내부에서 발생되는 미반응 가스 및 유독성 가스와 같은 반응부산물을 효율적으로 포집하여 안정된 반도체 및 평판디스플레이의 박막증착공정 및 식각공정을 진행하도록 한 것이다. 특히 이를 위해 공정 챔버에서 유입되는 반응부산물을 효과적으로 포집하기 전에 열을 가하여 반응부산물의 고용화를 저하시킬 수 있도록 한 것이며, 반응부산물의 포집 촉진을 위해 포집로의 내부에 냉각제를 주입할 수 있도록 한 것이고, 냉각을 효율적으로 하기 위해 부산물포집부 하단으로 공급된 냉각제를 포집로 측면을 통해 냉각 플레이트로 공급 및 배출시키고 부산물포집부 상단으로 배출 시키는 것으로, 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (8)

  1. 공정 챔버의 반응가스 유입구를 통해 가스를 유입하는 단계;
    상기 공정 챔버에서 일단의 기판 제조공정이 이루어진 후 잔류하는 반응분산물을 배출하는 가스배출단계;
    상기 공정 챔버에서 유입되는 반응부산물을 효과적으로 포집하기 전에 열을 가하여 반응부산물의 고용화를 저하시키는 단계;
    일단은 가열부와 연결되는 동시에 타단은 진공펌프와 연결되고, 내부에 저온 플레이트를 이용하여 반응부산물을 포집하는 부산물포집단계; 및
    상기 반응부산물의 포집 촉진을 위해 포집로의 내부에 냉각제를 주입하는 단계;가 포함됨을 특징으로 하는 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법.
  2. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 포집로 내부로의 냉각제 주입 방향이 측면에서 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법.
  3. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 반응가스는 실레인(SiH4)과 아산화질소(N2O), 질소, 수소, 수분, 프레 온 화합물 중에서 선택된 어느 하나가 사용됨을 특징으로 하는 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방.
  4. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 가열부의 온도는 50~650 로 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법.
  5. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 공정 챔버는 화학 기상 증착(CVD) 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법.
  6. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 냉각제는 부산물 포집로의 하단에서 주입됨과 아울러 측벽을 통해 냉각 플레이트로 주입되고 이후 측벽으로 배출된 후 부산물 포집부의 상단에서 배출됨을 특징으로 하는 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법.
  7. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 공정 챔버내에서는 기판에 박막을 증착하는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법.
  8. 제 1 청구항에 있어서,
    상기 공정 챔버내에서는 기판상의 박막 일부를 식각하는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 반도체 및 평판디스플레이 설비의 부산물 포집방법.
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