KR101930788B1 - 기판 프로세싱 챔버의 냉각기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판 프로세싱 챔버에 구비되어 챔버 벽과 실드를 냉각하는 냉각기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 프로세싱 챔버의 냉각기는 내부에 기판 지지대 및 원통형 실드를 구비한 기판 프로세싱 챔버의 원통형 실드와 챔버 측벽을 냉각시키기 위한 기판 프로세싱 챔버의 냉각기로서, 냉각기는, 챔버 측벽과 원통형 실드 사이에 배치되며 원통형 실드와 피팅(fit)되도록 형성되는 냉각기 본체와, 냉각기 본체의 내부에 형성되며 냉각 유체가 냉각기 본체의 둘레를 따라 유동되도록 관통 형성된 냉각유로를 포함하며, 냉각유로는 폭보다 높이가 더 크게 형성되고, 냉각유로는 원통형 실드의 하부 주위에 배치되어 기판 지지대를 감싸도록 형성되며, 냉각유로의 상단 부분의 단면이 호 형상이다.

Description

기판 프로세싱 챔버의 냉각기{COOLING UNIT OF SUBSTRATE PROCESSING CHAMBER}

본 발명은 냉각기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 프로세싱 챔버에 구비되어 챔버 벽과 실드를 냉각하는 냉각기에 관한 것이다.

반도체 및 디스플레이를 제조하는 프로세싱 중에, 기판은 프로세싱 챔버 내에 배치되고, 프로세싱 조건들을 세팅하여 기판 상에 물질을 증착하거나 에칭한다. 통상의 기판 프로세싱 챔버는 프로세싱 존을 둘러싸는 챔버 벽, 챔버 내로 가스를 공급하는 가스 공급부, 기판을 지지하는 기판 지지부 및 챔버 내의 가스 압력을 유지하기 위한 가스 배기부 등을 구비한다. 이러한 기판 프로세싱 챔버의 예로 CVD(Chemical Vapor Deposition) 챔버, 스퍼터링(sputtering) 챔버, 식각(Etching) 챔버 등이 있다.

통상적인 스퍼터링 챔버는 증착물이 내부 챔버 벽이나 기판 외의 영역에 형성되는 것을 감소시키도록 하는 프로세스 키트(process kit)를 구비할 수 있다. 이러한 프로세스 키트 중 증착링, 커버링, 새도우 링과 같이 기판의 주위에 위치하는 프로세스 키트는 기판의 노출된 후방 표면이나 기판 지지부의 측면에 스퍼터링 증착물이 증착되는 것을 방지한다. 그리고 챔버의 측벽을 보호하는 실드(shield)는 스퍼터링 증착물이 챔버의 측벽에 증착되는 것을 방지한다. 즉, 프로세스 키트는 상기 표면들에 스퍼터링 증착물이 축적되는 것을 감소시키는 역할을 하는 것으로서, 만약, 스퍼터링 증착물들이 축적된다면 결국 박리되어 챔버 내에 오염원이 된다. 이러한 프로세스 키트는 용이하게 분리 가능하게 설계되어 축적된 증착물을 제거할 수 있게 된다.

그러나 고온에서 프로세싱이 이루어질 경우에는 실드와 같은 프로세스 키트에 의해 열이 챔버 벽으로 빠르게 전달될 수 있어, 오링(O-ring)과 같이 열에 취약한 부품이 손상을 받게 되는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 기판 프로세싱 챔버에서 고온 프로세싱을 하는 경우에도 실드를 통해 전달된 열로 인한 손상을 방지하기 위한 기판 프로세싱 챔버의 냉각기를 제공하는 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 기판 프로세싱 챔버의 냉각기에 대한 일 실시예는 내부에 기판 지지대 및 원통형 실드를 구비한 기판 프로세싱 챔버의 원통형 실드와 챔버 측벽을 냉각시키기 위한 기판 프로세싱 챔버의 냉각기로서, 상기 냉각기는, 상기 챔버 측벽과 상기 원통형 실드 사이에 배치되며, 상기 원통형 실드와 피팅(fit)되도록 형성되는 냉각기 본체; 및 상기 냉각기 본체의 내부에 형성되며, 냉각 유체가 상기 냉각기 본체의 둘레를 따라 유동되도록 관통 형성된 냉각유로;를 포함하며, 상기 냉각유로는 폭보다 높이가 더 크게 형성되고, 상기 냉각유로는 상기 원통형 실드의 하부 주위에 배치되어, 상기 기판 지지대를 감싸도록 형성되며, 상기 냉각유로의 상단 부분의 단면이 호 형상이다.

본 발명에 따른 기판 프로세싱 챔버의 냉각기에 대한 일부 실시예들에 있어서, 상기 냉각유로의 폭 대비 상기 냉각유로의 높이의 비는 1:2 내지 1:3일 수 있다.

본 발명에 따르면, 냉각기 내부에 유동되는 냉각 유체가 증가하고 또한, 냉각 유체가 유동되는 냉각유로 보다 열원에 근접하게 배치됨으로써, 원통형 실드 및 기판 프로세싱 챔버의 측벽의 냉각 효과가 우수하게 된다. 따라서 오링이나 기판 프로세싱 챔버 내부 부품의 손상이 방지되며, 원통형 실드에 축적된 증착물이 박리가 감소된다. 또한, 냉각유로의 상단 부분이 호 형상으로 형성되면, 냉각 유체의 압력이 증가하더라도 압력이 분산되어 냉각기가 파손될 가능성이 현저히 감소하게 된다.

도 1은 프로세스 키트 및 냉각기를 구비한 기판 프로세싱 챔버를 개략적으로 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.

프로세스 키트 및 냉각기를 구비한 기판 프로세싱 챔버의 일 예를 도 1에 나타내었다.

기판 프로세싱 챔버(100)는 기판(104)을 프로세싱하는 것으로, 프로세싱 존(106)을 둘러싸는 챔버 측벽(105)을 포함한다. 기판 프로세싱 챔버(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 스퍼터링 챔버일 수 있으며, 이러한 스퍼터링 챔버는 금속, 금속질화물, 금속산화물과 같은 물질을 기판(104) 상에 스퍼터링하여 증착시킬 수 있다.

기판 프로세싱 챔버(100)는 기판(104)을 지지하는 기판 지지부(110)를 구비한다. 기판 지지부(110)의 상면에는 기판(104)이 위치하며, 정전척 등에 의해 기판(104)이 고정될 수 있다. 기판 지지부(110)는 프로세싱 중에 온도를 증가시킬 수 있는 히터를 포함할 수 있다.

기판 프로세싱 챔버(100)는 기판 지지부(110)와 마주하는 스퍼터링 타겟(120)을 구비한다. 스퍼터링 타겟(120)은 기판(104) 상에 스퍼터링되는 물질을 포함한다. 스퍼터링 타겟(120)은 절연물질로 이루어진 절연부(123)에 의해 기판 프로세싱 챔버(100)로부터 전기적으로 절연된다. 스퍼터링 타겟(120)은 백킹 플레이트(125)에 의해 지지된다. 기판 프로세싱 챔버(100) 내에 플라즈마를 생성시키면, 생성된 플라즈마가 스퍼터링 타겟(120)의 물질을 스퍼터링하고, 스퍼터링된 물질이 기판(104)에 증착된다.

기판 프로세싱 챔버(100)는 기판 프로세싱 챔버(100) 내로 가스를 공급하는 가스 공급부(130)를 구비한다. 가스 공급부(130)는 플라즈마를 생성시키기 위한 프로세싱 가스를 기판 프로세싱 챔버(100) 내로 공급한다. 프로세싱 가스는 아르곤(Ar)과 같은 비활성 가스일 수도 있고, 반응성 스퍼터링을 위해 산소(O₂), 암모니아(NH₃)와 같은 가스일 수도 있다. 소비된 프로세싱 가스 및 부산물은 배기펌프(135)에 의해 기판 프로세싱 챔버(100)로부터 배기된다.

기판 프로세싱 챔버(100)는 프로세스 키트(140)를 구비한다. 프로세스 키트(140)는 표면에 축적된 증착물을 세정하거나 부식된 부품을 교체 또는 수리하기 위해 기판 프로세싱 챔버(100)로부터 분리 가능하도록 설치된다. 프로세스 키트(140)는 기판 지지부(110)의 둘레에 설치되는 링 조립체(143)와 기판 프로세싱 챔버(100)의 측벽(105) 내에 설치되는 원통형 실드(145)를 포함한다. 링 조립체(143)는 노출된 기판(104)의 후면이나 기판(104)의 측면에 증착물이 증착되는 것을 방지하거나 기판 지지부(110)의 측면에 증착물이 증착되는 것을 방지하기 위한 것으로 증착링 및 커버링을 포함할 수 있다. 원통형 실드(145)는 스퍼터링 증착물이 기판 지지부(110)의 표면, 기판 프로세싱 챔버(100)의 측벽(105) 및 바닥벽에 증착되는 것을 감소시키는 역할을 한다. 이를 위해 원통형 실드(145)는 기판 프로세싱 챔버(100)의 측벽(105) 내측에 기판 지지부(110)를 둘러싸도록 형성되며, 하단부가 U자형의 원통 형상으로 형성될 수 있다.

기판 프로세싱 챔버(100)는 원통형 실드(145) 및/또는 기판 프로세싱 챔버(100)의 측벽(105)을 냉각하는 냉각기(150)를 구비한다. 냉각기(150)는 냉각기 본체(153)와 냉각유로(155)를 포함한다.

냉각기 본체(153)는 원통형 실드(145)와 기판 프로세싱 챔버(100)의 측벽(105) 사이에 배치되며, 냉각기 본체(153)와 원통형 실드(145)는 피팅(fit)되도록 형성된다. 즉, 냉각기 본체(153)의 내부 외측면에 거의 근접하도록 밀착하여 원통형 실드(145)가 형성된다. 원통형 실드(145)는 냉각기 본체(153)와 근접하게 형성되더라도 냉각기 본체(153)와 분리가능하게 설치된다. 냉각기 본체(153)의 상부에는 절연부(123)가 형성되어, 절연부(123)의 상부에 배치되는 스퍼터링 타겟(120)과 냉각기 본체(153)는 전기적으로 절연된다. 그리고 절연부(123)와 냉각기 본체(153) 사이에는 오링(O-ring)(124)이 삽입된다.

냉각유로(155)는 냉각기 본체(153) 내부에 형성된다. 냉각유로(155) 내부에는 냉각 유체가 유동하여 원통형 실드(145) 및 기판 프로세싱 챔버(100)의 측벽(105)을 냉각한다. 냉각유로(155)는 환형의 형상으로 냉각 유체가 냉각기 본체(153)의 둘레를 따라 유동되도록 관통 형성된다.

원통형 실드(145)는 프로세싱 존(106)에 형성된 플라즈마에 의해 과다하게 가열될 수 있다. 고온 프로세싱 공정인 경우, 기판 지지부(100)의 히터에 의해서도 원통형 실드(145)의 온도가 증가하게 된다. 특히 600℃ 이상의 고온 프로세싱 공정을 수행하게 되면, 원통형 실드(145)의 온도는 매우 높아지게 된다. 이와 같은 고온 프로세싱 공정을 수행하면, 알루미늄(Al)과 같이 녹는점이 낮은 물질로 이루어진 부품은 변형이 발생할 수 있다. 또한, 원통형 실드(145)가 과다한 가열로 인해 열 팽창이 발생하고 이로부터 원통형 실드(145)에 증착되어 있는 스퍼터링 증착물이 박리되어 형성된 파티클(particle)에 의해 기판(104)이 오염될 수도 있다. 그리고 원통형 실드(145)로부터 전달되는 열에 의해 냉각기(150)와 절연부(123) 사이에 삽입되어 있는 오링(124)이 손상될 수 있다.

냉각기(150)는 원통형 실드(145)가 과다 가열되는 것을 방지하기 위한 것으로, 냉각 유로(155)는 고온 프로세싱 공정에서 열원이 되는 원통형 실드(154) 하부 주위에 기판 지지부(110)를 감싸도록 형성된다. 냉각기(150)의 냉각 효율을 증대시키기 위해, 냉각유로(155)의 체적을 증가시켜, 유동되는 냉각 유체의 양을 증가시키는 것이 바람직하다. 이를 위해, 냉각유로(155)는 폭보다 높이가 더 크게 형성될 수 있다. 이때, 냉각유로(155)의 폭 대비 높이의 비는 1:2 내지 1:3일 수 있다. 냉각유로(155)의 폭 대비 높이의 비가 1:2보다 작으면, 기판 지지부(110) 주위를 충분히 감싸지 못해 냉각 효과가 감소할 수 있다. 그리고 냉각유로(155)의 폭 대비 높이의 비를 1:3보다 크게 가공하는 것은 실질적으로 어려움이 존재한다.

이와 같이, 냉각유로(155)가 높이가 폭보다 큰 환형의 큰 유로를 형성하고 보다 열원에 근접하게 배치됨으로써, 내부에 보다 많은 냉각 유체가 열원에 근접하여 유동할 수 있게 되어 원통형 실드(145) 및 기판 프로세싱 챔버(100)의 측벽(105)의 냉각 효과가 우수하게 된다.

또한, 냉각유로(155)의 상단 부분의 단면은 호 형상일 수 있다. 냉각 유로(155)의 상단 부분이 모서리져 있다면, 냉각 유체의 압력이 커질 경우 모서리 부분에 압력이 다른 부분에 비해 급격히 증가하여 파손되어 냉각 유체가 기판 프로세싱 챔버(100) 내로 유입될 수 있다. 그러나 냉각유로(155)의 상단 부분이 호 형상으로 형성되면, 냉각 유체의 압력이 증가하더라도 압력이 분산되어 냉각기(150)가 파손될 가능성이 현저히 감소하게 된다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100 : 기판 프로세싱 챔버
110 : 기판 지지부
120 : 스퍼터링 타겟
123 : 절연부
124 : 오링(O-ring)
130 : 가스공급부
135 : 배기펌프
140 : 프로세스 키트
143 : 링 조립체
145 : 원통형 실드
150 : 냉각기
153 : 냉각기 본체
155 : 냉각유로

Claims (2)

1. 내부에 기판 지지대 및 원통형 실드를 구비한 600℃ 이상의 고온 스퍼터링 공정을 수행하는 기판 프로세싱 챔버의 원통형 실드와 챔버 측벽을 냉각시키기 위한 기판 프로세싱 챔버의 냉각기로서,
   상기 냉각기는,
   상기 챔버 측벽과 상기 원통형 실드 사이에 배치되며, 상기 원통형 실드의 외주면 전체와 피팅(fit)되도록 형성되는 냉각기 본체; 및
   상기 냉각기 본체의 내부에 형성되며, 냉각 유체가 상기 냉각기 본체의 둘레를 따라 유동되도록 관통 형성된 냉각유로;를 포함하며,
   상기 냉각유로는 폭보다 높이가 더 크게 형성되고,
   상기 냉각 유체가 상기 냉각유로에서 유동할 때 상기 냉각 유체의 압력에 의해 상기 냉각기 본체가 파손되는 것을 방지하기 위해 상기 냉각유로의 상단 부분의 단면이 호 형상으로 이루어지며,
   상기 냉각유로는 상기 원통형 실드의 하부 주위에 배치되어 상기 기판 지지대를 감싸도록 형성됨으로써,
   600℃ 이상의 고온 스퍼터링 공정을 수행하기 위해 기판을 가열함에 따라 함께 가열된 원통형 실드를 냉각하여 상기 기판 프로세싱 챔버 내부의 부재가 변형 또는 손상됨을 방지하는 것을 특징으로 하는 기판 프로세싱 챔버의 냉각기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각유로의 폭 대비 상기 냉각유로의 높이의 비는 1:2 내지 1:3인 것을 특징으로 하는 기판 프로세싱 챔버의 냉각기.

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