KR101023645B1 - 광 유도 화학기상 증착장치 - Google Patents

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Abstract

우수한 품질의 박막을 증착시킬 수 있는 광 유도 화학기상 증착장치에 관해 개시한다. 본 발명의 광 유도 화학기상 증착장치는, 기판 지지대에 위치한 기판에 대한 반응공간을 제공하는 반응챔버와; 상기 반응공간 내에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급부와; 상기 반응가스를 여기시켜서 분해하기 위한 광을 발생시키는 광원부와; 상기 광원부에서 나오는 광이 상기 반응가스를 여기시켜서 분해하여 분해입자로 만들기 위한 광 조사부와; 상기 광 조사부를 통과한 반응가스의 분해입자에 에너지를 가하거나 이를 이온화하기 위해, 상기 광 조사부를 지나온 반응가스가 통과하는 경로에 빔조사부를 형성하도록 설치된 전하빔 조사장치를 구비하여 상기 기판 상에 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 전하빔 조사장치에는 이온빔 조사장치 또는 전자빔 조사장치가 포함된다.
광 유도 화학기상 증착장치, 전하빔, 이온빔, 전자빔, 박막 품질

Description

광 유도 화학기상 증착장치 {Apparatus for Light Induced Chemical Vapor Deposition}
본 발명은 광 유도 화학기상 증착장치에 관한 것으로, 특히, 넓은 공정 윈도우를 가지면서 기판에 우수한 품질의 박막을 증착시킬 수 있는 광 유도 화학기상 증착장치에 관한 것이다.
전자 소자의 미세화, 고집적화에 따라 전자소자 제조기술분야에서는 다른 박막 증착공정보다 비교적 저온에서 박막을 기판에 증착할 수 있는 방법이 요구되었다. 이러한 저온 박막 증착법 중의 하나인 광 유도 화학기상 증착법(Light Induced Chemical Vapor Deposition; 이하, LICVD)은 기판에 금속막, 실리콘막, 게르마늄막 등을 증착시키기 위해 주로 사용되어 왔다.
그 중에서 실레인(SiH4) 가스에 광, 특히 레이저광을 조사하여 기판에 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous Si, 이하, "a-Si:H")막을 증착하는 예가 D. Metzger, K. Hesch, and P. Hess, "Process Characterization and Mechanism for Laser-Induced Chemical Vapor Deposition of a-Si:H from SiH4" Appl. Phys. A 45, 345-353 (1988)의 논문에 개시되어 있다. 이 논문은 SiH4에 대한 레이저광 유도 분해에 의한 a-Si:H 박막증착이 여러 가지 공정변수에 대해 어떤 의존성을 갖는지를 연구한 것이다. 이러한 연구에 사용된 증착장치가 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 종래기술에 따른 LICVD 공정에 사용되는 장치의 일 예를 나타내는 개략적 단면도이다. 도 1을 참조하면, 레이저광 유도 화학기상 증착장치(100)은 챔버벽(10)으로 둘러싸인 반응공간(20)을 제공한다. 반응공간(20)에는 기판(40)에 증착막을 생성하기 위한 반응가스(예컨대, a-Si:H 박막을 증착하고자 하는 경우에는 SiH4 가스)가 주입되는데, 이 반응가스는 수 ㎜ 직경의 실린더형 노즐을 통해 기판(40) 표면에 평행하게 레이저 빔(30)의 높이 부근에 주입되거나, 기판(40) 표면의 방향으로 주입된다. 그런데, 이와 같은 구조의 레이저광 유도 화학기상 증착장치(100)에서 박막을 증착할 경우, 강한 에너지 주입에 따른 기상반응에 의한 증착이 이루어지기 때문에 증착률이 다른 공정에 비하여 높은 편인데 반해, 양질의 박막을 얻기 위해서 공정 윈도우(process window)가 매우 좁은 편이다. 즉, 반응공간(20) 내의 온도, 반응가스의 시간당 공급률(flow rate), 레이저광의 강도 등의 공정 파라미터가 매우 엄격한 범위 내에서 관리되어야 기판(40) 상에 양질의 박막을 형성할 수 있다는 어려움이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 넓은 공정 윈도우를 가지면서 우수한 품질의 박막을 기판에 증착시킬 수 있는 광 유도 화학기상 증착장치를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 광 유도 화학기상 증착장치는:
기판 지지대에 위치한 기판에 대한 반응공간을 제공하는 반응챔버와;
상기 반응공간 내에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급부와;
상기 반응가스를 여기시켜서 분해하기 위한 광을 발생시키는 광원부와;
상기 광원부에서 나오는 광이 상기 반응가스를 여기시켜서 분해하여 분해입자로 만들기 위한 광 조사부와;
상기 광 조사부를 통과한 반응가스의 분해입자에 에너지를 가하거나 이를 이온화하기 위해, 상기 광 조사부를 지나온 반응가스가 통과하는 경로에 빔조사부를 형성하도록 설치된 전하빔 조사장치;
를 구비하여 상기 기판 상에 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광 유도 화학기상 증착장치에 따르면, 기판 상에 높은 증착률로 박막을 증착시킬 수 있기 때문에 전자소자 제조시에 생산성이 높아진다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치(200)의 개략적 단면도이다. 도 2를 참조하여, 광 유도 화학기상 증착장치(200)의 구조 뿐만 아니라 그 증착장치(200)에서 SiH4 가스를 반응가스로 이용하여 실리콘(Si)막을 형성하는 예에 대해 설명하기로 한다. 박막이 증착될 기판(260)은 기판 지지대(270) 상에 놓여 있으며, 기판(260)에 대한 반응공간은 반응챔버(280)에 의해 제공된다. SiH4 반응가스는 반응가스 공급부(230)를 통해 공급되는데, 반응가스 공급부(230)의 중간에는 석영창(240)이 설치되어 있어서 광원부(210)에서 나오는 조사광(220)이 통과할 수 있게 되어 있다. 광원부(210)는 자신으로부터 방출되는 조사광(220)이 반응가스를 여기시켜서 분해할 수 있는 것이면 어떤 것이건 선택가능하며, ArF 엑시머 레이저, KrF 엑시머 레이저, CO2 레이저 등의 레이저 광원부 또는 할로겐 램프 등의 램프 광원부일 수 있다. 조사광(220)이 석영창(240) 사이를 지나가면서 반 응가스와 만나는 공간이 광조사부(222)인데, 여기서 SiH4 반응가스는 조사광(220)으로부터 에너지를 흡수하여 아래의 화학식과 같이 분해된다.
[화학식]
SiH4 ---> Si + 2H2
분해된 결과물은 실리콘 나노입자(Si cluster)를 형성하기도 하는데, 이러한 입자들(Si, Si 클러스터)이 빔조사부(250)를 더 거치게 된다. 빔조사부(250)는 전하빔 조사장치(300)에 의해 만들어지는데, 전하빔 조사장치(300)의 구체적인 예에는 이온빔(ion beam) 조사장치 또는 전자빔(electron beam) 조사장치가 포함된다. 전하빔 조사장치(300)는 조사광(220)에 의해 1차적으로 분해된 반응가스에 빔조사에 의한 충격을 주어 분해입자들에 에너지를 가하거나 이들을 이온화시킴으로써 이온화된 분해입자의 수를 늘리는 역할을 한다. 전하빔 조사장치(300)는 전하빔을 발생시키는 전하빔 발생기(310)과, 조사되는 전하빔의 확산을 방지하고 그 방향을 조절하는 전하렌즈(312) 및 편향 코일(314)을 포함한다. 전하빔 조사장치(300)에 의해 만들어진 빔조사부(250)를 거친 입자들에는, 비활성기체의 이온화 입자, 반응가스에서 떨어져 나온 입자 등이 포함되는데, 예컨대 Ar+, Si 혹은 Si+, Si 클러스터 혹은 이온화된 Si-클러스터 등이 될 수 있다. 이들 입자들은 반응챔버(280) 내로 들어간 후, 기판(260) 상으로 유도되어 박막의 증착이 이루어지게 된다. 그런데, 반응챔버(280) 내에 들어간 입자들은 반응챔버(280) 내에서 확산되어 버리기 때문에, 이들 중의 일부라도 방향성을 갖도록 하여 기판(260)에 유도시킨다면 기 판(260) 상에 형성되는 박막의 품질이 좋아지게 된다. 따라서, 본 실시예의 장치에는 이온화된 입자들이 기판(260)으로 끌려가도록 기판(260)에 전기장을 인가하는 장치가 연결된다. 이러한 전기장 인가장치는, 기판(260)의 상부에 이격되게 설치한 그물망 형태의 전극(290)과 이에 연결된 전원(292)을 포함하여 이루어진다. 전원의 일단은 그물망 형태의 전극(290)에, 타단은 기판(260)의 저면에 접촉하는 기판 지지대(270)에 각각 전기적으로 접속된다. 본 실시예의 장치에서는 SiH4 가스를 반응가스의 예로 들었으므로, SiH4 가스에서 분해되는 이온화된 입자들을 기판(260) 쪽으로 끌어가기 위해서는 전원(292)의 양극이 그물망 형태의 전극(290)에, 전원(292)의 음극이 기판 지지대(270)에, 각각 전기적 접속되는 것이 당연하다. 여기서, 전극(290)의 형태는 특별히 제한되지 않으나, 그물망 형태인 경우에는 전극(290)과 반응챔버(280)의 상부벽 사이의 공간(294)에 이온화된 입자가 있더라도 그물망을 통과하여 쉽게 기판(260)에 도달할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 전원(292)에는 전기장 강도 조절수단으로 작용할 수 있도록 전압조절장치가 포함될 수 있다. 전압조절장치에 의해 전기장 강도를 조절할 수 있으면, 기판(260)에 이미 증착된 박막에 과도한 에너지를 가지는 이온화된 입자가 충격을 가하여 손상이 발생하는 문제를 방지할 수 있다. 본 실시예에서는 직류 전기장 인가장치를 도시하였지만, 그 이외에도, 기판이 비도전성일 경우에는 RF(교류)를 인가하여 전위차를 형성하여 전기장을 부가할 수도 있으므로 전기장 인가장치가 반드시 직류 전원에 의해서만 형성되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치(300)의 개략적 단면도이다. 도 3의 광 유도 화학기상 증착장치(300)와 도 2의 광 유도 화학기상 증착장치(200)는 대부분의 구조에서 유사하지만, 도 3의 광 유도 화학기상 증착장치(300)에서는 반응가스 공급부(230) 및 전하빔 조사장치(300)가 반응챔버(280)의 상부에 위치하여, 반응가스가 기판에 나란한 방향이 아닌 기판(260) 쪽으로 공급되는 점이 다르다. 이 경우에는 반응가스의 분해입자가 기판(260)으로 모멘텀을 가지고 자체적으로 접근하기 때문에, 도 2에 도시된 장치보다도 더 우수한 품질의 박막을 형성하는 데 도움이 될 수 있다. 이 경우, 이온화된 분해입자를 기판(260)으로 유도하는 전극이 불필요할 수도 있으나, 만약 이온화된 분해입자가 기판(260)쪽으로 조절된 속도로 접근할 수 있도록 전극을 설치해야 한다면, 도 3에 도시된 바와 같이 그물망 형태의 전극(290)을 설치하여야 이온화된 분해입자가 전극에 의해 차폐되어 기판(260) 쪽으로 유도되지 못하는 현상을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치(400)의 개략적 단면도이다. 도 4의 광 유도 화학기상 증착장치(400)와 도 3의 광 유도 화학기상 증착장치(300)는 대부분의 구조에서 유사하지만, 도 4의 광 유도 화학기상 증착장치(400)에서는, 반응가스 공급부(230) 및 전하빔 조사장치(300)가 반응챔버(280)의 상부에 위치하되, 이들이 분리되게 설치되어 있으며, 전하빔 조사장치(300)에서 나오는 이온빔 또는 전자빔이 기판(260)을 향하여 경사지게 주사되며, 기판(260)의 약간 윗부분에서 반응가스의 분해물질과 만난다는 것이 다르다. 따라서, 본 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치(400)에서는 전하빔 조사장 치(300)가 반응가스의 분해물질에 인가하는 에너지량이 비교적 크고 이온화 정도도 높아지는데, 그에 반하여 전하빔 발생기(310)의 강도를 정밀하게 조절하여 기판(260)에 전하빔 충격에 의한 손상이 발생하지 않도록 해야 한다. 또한, 본 실시예의 장치(400)에서는 전원(292)의 음극이 기판(260)에 연결되고 전원(292)의 양극을 접지시킴으로써 반응챔버 내에 별도의 그물망 형태의 양전극을 마련하지 않았다는 점이 특징적이며, 기판(260)에 스캔하는 형태로 증착이 이루어질 수 있도록 전하빔 발생기(310)를 움직이게 하거나, 기판(260)을 이동시키는 것이 바람직하다. 도 4에서 스캔에 의한 증착을 하기 위한 구동장치는 별도로 도시하지 않았다.
도 2 내지 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 장치들을 이용할 경우, 반응가스가 SiH4 가스라면, 공정 조건에 따라서 양질의 비정질 실리콘막(a-Si막)에서 나노크리스탈 실리콘막(nc-Si막) 혹은 마이크로크리스탈 실리콘막(uc-Si막), 다결정 실리콘막(poly-Si막) 등을 증착할 수 있다. 또한, 반응가스의 분해입자들이 전하빔 조사장치에서 충분한 에너지를 가질 수 있어서, 넓은 공정 윈도우에서 공정을 진행할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 종래기술에 따른 LICVD 공정에 사용되는 장치의 일 예를 나타내는 개략적 단면도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치의 개략적 단면도;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치의 개략적 단면도; 및
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 유도 화학기상 증착장치의 개략적 단면도이다.
* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
200, 300, 400: 광 유도 화학기상 증착장치 210: 광원부
220: 조사광 222: 광조사부
230: 반응가스 공급부 240: 석영창
250: 빔조사부 260: 기판
270: 기판 지지대 280: 반응챔버
290: 전극 292: 전원
294: 전극과 반응챔버의 상부벽 사이의 공간
300: 전하빔 조사장치 310: 전하빔 발생기
312: 전하렌즈 314: 편향 코일

Claims (9)

  1. 기판 지지대에 위치한 기판에 대한 반응공간을 제공하는 반응챔버와;
    상기 반응공간 내에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급부와;
    상기 반응가스를 여기시켜서 분해하기 위한 광을 발생시키는 광원부와;
    상기 광원부에서 나오는 광이 상기 반응가스를 여기시켜서 분해하여 분해입자로 만들기 위한 광 조사부와;
    상기 광 조사부를 통과한 반응가스의 분해입자에 에너지를 가하거나 이를 이온화하기 위해, 상기 광 조사부를 지나온 반응가스가 통과하는 경로에 빔조사부를 형성하도록 설치된 전하빔 조사장치;
    를 구비하여 상기 기판 상에 박막을 형성하고;
    상기 빔조사부가 상기 반응챔버 내에 위치하도록 상기 전하빔 조사장치가 설치되고;
    상기 전하빔 조사장치가 상기 기판 전면을 스캔하면서 증착할 수 있는 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응가스 공급부 및 상기 전하빔 조사장치가 상기 반응챔버의 상부에 위치하여, 상기 반응가스가 상기 기판 쪽으로 공급되는 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원부가 레이저 광원부 또는 할로겐 등의 램프 광원부인 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전하빔 조사장치가 이온빔 조사장치 또는 전자빔 조사장치인 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 빔조사부를 거쳐 상기 반응챔버로 들어가는 이온화된 분해입자들이 상기 기판으로 끌려가도록 상기 기판에 전기장 인가장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전기장 인가장치가 상기 기판의 상부에 이격되게 설치한 전극과 이에 연결된 전원을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기판의 상부에 이격되게 설치한 전극이 그물망 형태인 것을 특징으로 하는 광 유도 화학기상 증착장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
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KR20030088117A (ko) * 2001-03-28 2003-11-17 동경 엘렉트론 주식회사 마이크로파 플라즈마 프로세스 장치, 플라즈마 착화 방법,플라즈마 형성 방법 및 플라즈마 프로세스 방법
KR100481685B1 (ko) * 2002-06-20 2005-04-07 한국과학기술연구원 전자 싸이클로트론 공명 플라즈마와 펄스형 직류 바이어스결합형 상온 화학 증착 시스템 및 이를 이용한 금속복합막 제조방법

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