KR101407068B1 - 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치는, 기판에 대해 가스를 공급하는 소스가스유닛; 상기 기판에 대해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마유닛; 및 상기 소스가스유닛과 상기 플라즈마유닛 사이에 제공되어, 상기 소스가스를 흡입하는 가스흡입부;를 포함하며, 상기 기판은 상기 소스가스유닛, 상기 플라즈마유닛 또는 상기 가스흡입부 중 적어도 하나의 길이 방향과 교차하는 방향으로 상대 운동하도록 제공될 수 있다. 이와 같이 공간분할 방식의 소스가스유닛과 플라즈마유닛을 이용하여 원자층을 증착함으로써 빠른 쓰루풋을 확보할 수 있다.

Description

고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치{FAST REMOTE PLASMA ATOmic layer deposition apparatus}
본 발명은 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공간분할 방식으로 형성된 원거리 플라즈마를 이용하여 원자층을 증착하기 때문에 빠른 쓰루풋을 확보할 수 있는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자나 평판 디스플레이 장치 등의 제조에는 다양한 제조공정을 거치게 되며, 그 중에서 웨이퍼나 글래스 등의 기판 상에 필요한 박막을 증착시키는 공정이 필수적으로 진행된다.
이러한 박막 증착 공정에서는 스퍼터링법(Sputtering), 화학기상 증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition), 원자층 증착법(ALD: Atomic Layer Deposition) 등이 주로 사용된다.
이 중에 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)법은 단원자층의 화학적 흡착 및 탈착을 이용한 나노스케일의 박막 증착기술로서 각 반응물질들을 개별적으로 분리하여 펄스 형태로 챔버에 공급함으로써 기판 표면에 반응물질의 표면 포화(surface saturation) 반응에 의한 화학적 흡착과 탈착을 이용한 새로운 개념의 박막 증착기술이다.
종래의 원자층 증착기술은 증착공정 중에 진공상태를 필요로 하기 때문에 이를 유지, 관리하기 위한 부수적인 장치가 필요하고, 공정시간이 길어져 생산성의 저하를 초래하게 된다.
또한, 진공을 확보할 수 있는 공간이 제한적이므로 대면적, 대형화를 추구하는 디스플레이산업에 적합하지 않은 문제를 안고 있다.
뿐만 아니라, 종래기술에 따른 원자층 증착장치는 반응 챔버 내부의 압력을 조절하거나 제어하기 위해 소스가스, 반응가스를 주입하는 장치 외에 별도의 장치가 필요하기 때문에 장치가 복잡해지는 문제도 있다.
또한, 반응가스 대신 원거리 플라즈마를 이용하는 종래의 원거리 플라즈마 원자층 증착기술은 시간이 경과함에 따라 소스가스 및 원거리 플라즈마를 차례대로(시간순서대로) 기판에 반응시키는 시분할(時分割) 방식이기 때문에 쓰루풋(throughput)이 빠르지 않은 단점이 있다.
본 발명은 소스가스의 배기와 흡기를 하나의 유닛에서 수행할 수 있는 고속 원거리 플라즈마 증착장치를 제공한다.
본 발명은 공간분할(空間分割) 방식으로 소스가스와 원거리 플라즈마를 기판에 반응시킬 수 있는 고속 원거리 플라즈마 증착장치를 제공한다.
본 발명은 빠른 쓰루풋을 확보할 수 있는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치를 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치는, 기판에 대해 가스를 공급하는 소스가스유닛; 상기 기판에 대해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마유닛; 및 상기 소스가스유닛과 상기 플라즈마유닛 사이에 제공되어, 상기 소스가스를 흡입하는 가스흡입부;를 포함하며, 상기 기판은 상기 소스가스유닛, 상기 플라즈마유닛 또는 상기 가스흡입부 중 적어도 하나의 길이 방향과 교차하는 방향으로 상대 운동하도록 제공될 수 있다.
상기와 같이 구성함으로써, 원자층을 증착할 때 고속 원거리 플라즈마를 이용하기 때문에 쓰루풋(throughput)을 높일 수 있고 대형 기판에도 용이하게 원자층을 증착할 수 있다.
상기 플라즈마유닛은, 하부가 개구된 상태로 형성된 플라즈마 발생관; 상기 플라즈마 발생관의 상부에 제공되는 플라즈마 전극; 상기 플라즈마 발생관의 개구된 하단에 형성되는 전원 그리드; 및 상기 전원 그리드의 하부에 부착된 샤워헤드;를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 발생관의 상단에는 플라즈마 발생가스를 공급하는 가스공급유로가 내부에 형성된 가스주입부가 형성될 수 있다.
상기 가스주입부의 하단은 상기 전원 그리드를 향하여 개구되도록 형성될 수 있다.
상기 전원 그리드 및 상기 샤워헤드에는 플라즈마 배출부가 형성될 수 있다.
상기 플라즈마 배출부는 구멍 또는 슬릿의 형태로 형성될 수 있다.
상기 플라즈마 발생부는 상기 기판의 운동 방향과 직교하는 방향으로 형성된 슬릿으로 형성될 수 있다.
상기 플라즈마 전극은 용량성 플라즈마, 유도성 플라즈마 또는 직류 펄스 플라즈마 중 어느 하나를 발생시킬 수 있다.
상기 소스가스유닛과 상기 플라즈마유닛은 공간적으로 분할되도록 형성될 수 있다.
상기 소스가스유닛은 가스공급유로가 내부에 형성되는 가스공급관 및 상기 가스공급유로와 연통되는 압력완화부가 내부에 형성되는 가스배기관을 포함할 수 있다.
상기 압력완화부의 내부 체적은 상기 가스공급유로의 내부 체적 보다 크게 형성될 수 있다.
상기 가스흡입부는 상기 소스가스유닛과 일체로 형성되며, 상기 가스흡입부는 가스흡기유로가 내부에 형성되도록 상기 가스배기관의 외주면의 적어도 일부를 둘러싸는 가스흡기관을 포함할 수 있다.
상기 가스흡기관의 최하단은 상기 가스배기관의 최하단 보다 아래쪽으로 더 길게 연장될 수 있다.
상기 소스가스유닛 또는 상기 가스흡입부와 마주 보도록 상기 플라즈마유닛의 일측에는 진공배기부가 형성될 수 있다.
상기 플라즈마유닛과 상기 진공배기부 사이에는 퍼지관이 형성될 수 있다.
상기 소스가스유닛, 상기 플라즈마유닛 및 상기 가스흡입부가 내부에 위치하도록 내부에 밀폐된 반응공간을 형성하는 챔버를 더 포함하며, 상기 가스흡입부는 상기 챔버에 형성될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치는 생산성의 증대효과를 기대할 수 있으며 대형화가 용이하기 때문에 디스플레이 분야에도 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치는 증착 공전 전 또는 공정시 기본압력 또는 공정압력을 용이하게 제어할 수 있으며, 증착 공정 후 잔류하는 가스를 챔버 외부로 배출함으로써 공정압력 등을 조절할 수 있기 때문에 장치의 구성이 복잡해지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치는 압력완화부를 구비한 소스가스유닛을 이용하여 소스가스를 기판 쪽으로 분사하므로, 소스가스가 고르고 균일하게 분사되게 할 수 있고, 이로 인해 증착 품질을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치는 소스가스의 공급과 원거리 플라즈마의 공급을 공간적으로 분할하는 방식으로 원자층을 증착하기 때문에 빠른 쓰루풋을 얻을 수 있고 수율을 높일 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 원자층 증착장치의 내부를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 따른 원자층 증착장치에 사용되는 소스가스유닛을 도시한 사시도로서, 가스흡입부가 소스가스유닛과 일체로 형성된 형태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 따른 소스가스유닛의 횡방향 및 종방향 단면도이다.
도 5는 도 1에 따른 원자층 증착장치에 사용되는 플라즈마 유닛의 사시도 및 횡단면도이다.
도 6은 도 5에 따른 플라즈마유닛 및 이에 연결된 전원부를 도시한 단면도이다.
도 7은 도 5에 따른 플라즈마유닛의 전극형태를 도시한 평면도이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치의 변형예들을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치를 개략적으로 도시한 도면, 도 2는 도 1에 따른 원자층 증착장치의 내부를 도시한 단면도, 도 3은 도 1에 따른 원자층 증착장치에 사용되는 소스가스유닛을 도시한 사시도로서, 가스흡입부가 소스가스유닛과 일체로 형성된 형태를 도시한 도면, 도 4는 도 3에 따른 소스가스유닛의 횡방향 및 종방향 단면도, 도 5는 도 1에 따른 원자층 증착장치에 사용되는 플라즈마 유닛의 사시도 및 횡단면도, 도 6은 도 5에 따른 플라즈마유닛 및 이에 연결된 전원부를 도시한 단면도, 도 7은 도 5에 따른 플라즈마유닛의 전극형태를 도시한 평면도, 도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치의 변형예들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치(100)는 기판(110)에 대해 가스를 공급하는 소스가스유닛(130), 기판(110)에 대해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마유닛(140) 및 소스가스유닛(130)과 플라즈마유닛(140) 사이에 제공되어 소스가스를 흡입하는 가스흡입부를 포함하며, 기판(110)은 소스가스유닛(130), 플라즈마유닛(140) 또는 상기 가스흡입부 중 적어도 하나의 길이 방향과 교차하는 방향으로 상대 운동하도록 제공될 수 있다.
상기와 같이 구성함으로써, 원자층을 증착할 때 고속 원거리 플라즈마를 이용하기 때문에 쓰루풋(throughput)을 높일 수 있고 대형 기판에도 용이하게 원자층을 증착할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치(100)는 원자층이 증착되는 기판(110)과 소스가스유닛(130) 및 플라즈마유닛(140)이 상대 운동을 할 수 있기 때문에 기판(110)의 크기 또는 길이가 긴 경우 즉, 대형 기판의 경우에도 원자층을 증착할 수 있다. 이 때, 소스가스유닛(130)의 양측에 각각 배치된 플라즈마유닛(140)만 있으면 대형 기판도 처리할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치(100)는 소스가스유닛(130)과 플라즈마유닛(140)만 최소한 구비하면 원자층을 증착할 수 있는 조건을 만들 수 있다.
도 1에 의하면, 소스가스유닛(130)은 1개이고, 플라즈마유닛(140)은 2개이며, 진공배기부(150)는 2개이다. 여기서, 소스가스유닛(130), 플라즈마유닛(140) 및 진공배기부(150)의 개수는 더 확대될 수 있다. 또한, 최소한 플라즈마유닛(140), 소스가스유닛(130) 및 플라즈마유닛(140)의 형태로 배치되어야 1사이클의 원자층 증착공정이 수행될 수 있으나, 이러한 배치형태는 공정 요구조건, 수율, 쓰루풋 등에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치(100)는 소스가스를 기판(110)의 표면에 공급하는 소스가스유닛(130)을 포함할 수 있다. 소스가스유닛(130)의 길이방향 일측 또는 양측에는 플라즈마유닛(140)이 배치될 수 있다. 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)의 길이 방향과 교차하는 방향(TD)으로 기판(110)이 움직이거나, 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)이 움직일 수 있다.
즉, 기판(110)은 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140) 중 적어도 하나의 길이 방향과 교차하는 방향(TD)으로 상대 운동하도록 제공될 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 원자층 증착공정의 쓰루풋(throughput)을 개선할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치(100)는 기판(110)의 상면(上面) 또는 표면에 원자층(Atomic Layer)을 증착하기 위해 소스가스(Source Gas)를 배기(injection) 또는 흡기(suction)하는 적어도 하나의 소스가스유닛(130)을 포함할 수 있다.
여기서 "배기"의 의미는 소스가스를 기판(110)의 표면에 분사하거나 불어 낸다는 의미이고, "흡기"는 반응에 관여하지 않고 잔류하는 소스가스를 기판(110)의 표면에서 흡입(suction)하여 배출한다는 의미이다.
소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)이 고정된 상태에서 기판(110)이 이송되거나, 기판(110)이 고정된 상태에서 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)이 이송되거나, 기판(110)과 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)이 함께 이송될 수도 있다. 기판(110)과 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)이 함께 이송되는 경우에는 서로 반대 방향으로 움직인다. 따라서, 어느 경우에도 기판(110)과 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)은 서로 상대적으로 움직이게 되는데, 이러한 상대운동방향(TD)을 도 1 및 도 2에 표시하였다.
본 발명에 따른 원자층 증착장치(100)는 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)에 대해서 기판(110)이 양방향으로 상대운동할 수 있기 때문에, 대면적의 기판을 처리하는 경우에도 큰 작업 공간이 필요하지 않다. 또한, 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)에 대한 기판(110)의 상대 이동 거리를 짧게 하면 풋프린트(foot print)를 단축할 수 있기 때문에, 대면적 기판을 용이하게 처리할 수 있다.
기판(110)의 하부에는 기판온도가변부(120)가 제공될 수 있다. 기판온도가변부(120)는 제1가스(소스가스)가 공급되는 기판 부위의 온도를 올리거나 내릴 수 있는데, 기판(110)의 전체에 대해서 온도를 가변시키는 것이 아니라 기판의 일부에 대해서만 온도를 가변하기 때문에 온도 변화로 인한 부수적인 문제점이라고 할 수 있는 열확산, 수명감소, 물리적 변형 등을 방지할 수 있다. 기판온도가변부(120)는 히터(heater) 또는 쿨링패드(cooling pad) 등의 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치(100)의 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)은 상대운동방향(TD)을 따라 동일하거나 일정한 이격거리를 두고 배치되는 것이 바람직하다. 다만, 이러한 이격거리는 각각의 반응공정 단계에 필요한 시간을 고려하여 조절될 수 있다.
소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)의 최하단부는 기판(110)의 표면과 일정한 간격(G)을 유지하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는 소스가스유닛(130) 또는 플라즈마유닛(140)의 최하단부가 기판(110)의 표면과 일정한 간격(G)을 유지해야 한다. 상기 간격(G)은 20mm를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 다만, 간격(G)은 20mm에 한정되지 않고 플라즈마의 오버랩(overlap)을 고려하여 결정될 수 있다.
소스가스유닛(130)은 소스가스를 공급하는 가스공급유로(135)가 내부에 형성되는 가스공급관(131) 및 가스공급유로(135)와 연통되는 압력완화부(138)가 내부에 형성되는 가스배기관(134)을 포함할 수 있다.
상기 가스흡입부는 반응에 관여하지 않는 소스가스를 흡입하여 배출하는 것인데, 소스가스유닛(130)과 가스흡입부는 별개로 형성되거나, 일체로 형성될 수도 있다.
도 1 내지 도 4에 도시된 원자층 증착장치(100)는 소스가스유닛(130)에 가스흡입부가 일체로 형성된 경우이다. 상기 가스흡입부는 소스가스유닛(130)과 일체로 형성되며, 상기 가스흡입부는 가스흡기유로(139)가 내부에 형성되도록 가스배기관(134)의 외주면의 적어도 일부를 둘러싸는 가스흡기관(132)을 포함할 수 있다. 즉, 가스흡입부는 가스배기관(134)을 둘러싸도록 형성되어 소스가스유닛(130)에 일체로 형성된 가스흡기관(132)의 형태를 가질 수도 있다.
일체로 형성된 경우에는 하나의 소스가스유닛(130)을 통해 소스가스의 배기와 흡기를 수행함으로써, 소스가스를 배기하거나 흡기하기 위한 별도의 수단을 구비할 필요가 없고 원자층 증착공정의 쓰루풋(throughput)을 개선할 수 있다.
외부의 가스공급부(160)에서 공급되는 소스가스가 통과하는 가스공급관(131)은 가스흡기관(132)에서부터 외부로 돌출 형성됨에 반하여, 가스배기관(134)은 가스흡기관(132)의 내부에 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가스공급관(131)은 흡입가스포집부(169)의 내부에 위치하도록 형성될 수 있다.
가스흡기관(132)을 기준으로 가스공급관(131)은 가스배기관(134)의 반대편에 형성될 수 있다.
가스공급관(131)의 단면 크기(직경 또는 면적)는 가스배기관(134) 및 가스흡기관(132) 보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 가스공급관(131)의 내부에는 그 길이방향을 따라 연통되는 가스공급유로(135)가 형성될 수 있다. 가스공급관(131)의 최상단에는 가스공급부(160)와 연결되는 가스공급포트(131a)가 적어도 하나 형성될 수 있다. 가스공급포트(131a)를 통해 가스공급배관(161)이 가스공급유로(135)와 연통될 수 있다.
가스공급관(131)으로의 가스공급이 가스공급포트(131a)를 통해 이루어지므로, 소스가스유닛(130)의 양단은 막힌 상태로 형성되는 것이 바람직하다.
가스공급관(131)과 가스배기관(134) 사이에는 가스공급유로(135)와 압력완부화(138)를 연통시키는 적어도 하나의 가스공급노즐(136)이 형성될 수 있다. 가스공급노즐(136)에 의해서 가스공급유로(135)와 압력완화부(138)가 연통될 수 있다.
가스공급유로(135), 가스공급노즐(136) 및 압력완화부(138)는 서로 연통되지만, 가스흡기유로(139)는 연통되지 않는다. 가스공급유로(135), 가스공급노즐(136) 및 압력완화부(138)는 가스의 배기에 관여하는 부분이고, 가스흡기유로(139)는 가스의 흡기에 관여하는 부분이기 때문에 서로 연통되지 않아야 한다.
압력완화부(138)의 내부 체적은 가스공급유로(135)의 내부 체적 보다 크게 형성될 수 있다. 압력완화부(138)는 가스공급유로(135) 및 가스공급노즐(136)을 통해 유입된 가스가 흐르는 유로의 한 부분으로서, 좁고 작은 가스공급노즐(136)을 통과한 가스가 충분히 머무를 수 있도록 상대적으로 큰 체적으로 가지는 부분이다. 가스가 좁은 가스공급노즐(136)을 통과하면 가스의 압력이 높아지게 되는데, 상대적으로 체적 또는 공간이 큰 압력완화부(138)를 채우면서 가스의 압력이 낮아질 수 있다. 압력완화부(138)를 채우면서 압력이 낮아진 가스는 기판(110)을 향해 배기(분사)되는데, 이 과정에서 소스가스유닛(130)의 전체 길이에 걸쳐 고른 압력으로 가스가 배기될 수 있다.
압력완화부(138)에 가스를 우선 모았다가 기판(110) 쪽으로 배기함으로써, 기판(110)과 압력완화부(138) 사이의 압력 차이에 의해 소스가스유닛(130)의 전체 길이에 걸쳐 균일하게 가스를 분사할 수 있다.
다시 말하면, 압력완화부(138)는 압력이 높은 가스를 일시적으로 머무르게 하여 압력을 낮추고, 가스가 고르게 분사될 수 있도록 형성된 유로의 한 부분이다. 압력완화부(138)는 단면구조가 확대 또는 확관되는 형태를 가지면 되고, 그 형태가 도시된 바처럼 항아리 형태 등으로 한정되는 것은 아니다.
가스흡기관(132)에는 진공펌핑부(170)와 연결되는 가스배기포트(132a)가 적어도 하나 형성될 수 있다. 가스배기포트(132a)는 흡입가스포집부(169)에 의해 밀폐되도록 둘러싸이고, 흡입가스포집부(169)는 진공펌핑부(170)와 연결될 수 있다. 가스흡기관(132)에 형성된 가스배기포트(132a)는 소스가스를 외부로 배출하는 포트이며, 진공펌핑부(170)와 연결될 수 있다. 가스배기포트(132a)를 통과한 가스는 진공펌핑부(170)에 의해 소스가스유닛(130)을 벗어나서 흡입가스포집부(169)를 채운 후 배출될 수 있다. 다만, 경우에 따라서는 흡입가스포집부(169)를 거치지 않고 진공배관(172)이 가스배기포트(132a)이 직접 연결되어 흡입된 가스를 밖으로 빼낼 수도 있다.
도 4(b)는 도 4(a)의 절단선 "A-A"에 따른 단면도이다. 도 4(a)는 소스가스유닛(130)의 길이방향 단면도이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 가스공급노즐(136)은 복수개 형성되어 있으나, 가스공급노즐(136)이 1개만 형성될 수도 있다.
한편, 가스배기관(134)에는 그 길이방향을 따라 적어도 하나의 가스배기부(137)가 형성될 수 있다. 가스배기부(137)는 압력완화부(138)를 채운 가스를 소스가스유닛(130) 외부로 내보기 위한 출구이다. 이를 위해, 가스배기부(137)는 외부와 압력완화부(138)를 연통시키는 형태를 가진다.
가스흡기유로(139)는 가스공급노즐(136)에 의해 공간이 구획되도록 형성될 수 있다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 가스흡기관(132)과 가스배기관(134) 사이에 형성되는 가스흡기유로(139)는 가스공급노즐(136)에 의해서 2개의 공간으로 나뉘어진다. 이 때, 가스흡기유로(139)는 가스공급노즐(136)에 의해 대칭적으로 구획되는 것이 바람직하다.
가스배기관(134)은 가스배기관(134)의 외부를 향해 가스배기부(137)에 연장 형성된 배기가이드(137a)를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 배기가이드(137a)는 기판(110)이 위치하는 아래쪽을 향해 연장 형성되어, 가스배기부(137)를 통과한 가스가 최대한 많이 기판(110)에 접촉될 수 있도록 안내할 수 있다.
배기가이드(137a)는 가스공급노즐(136)의 중심을 지나는 가상의 선에 대해서 대칭이 되도록 양쪽에 형성될 수 있는데, 양쪽에 형성된 배기가이드(137a) 사이의 각도가 아래쪽으로 갈수록 커지게 하여, 배기가이드(137a)를 통과한 가스가 퍼지면서 기판(110)에 닿을 수 있게 안내해 줄 수 있다.
여기서, 가스배기부(137)는 배기가이드(137a) 사이에 형성된 적어도 하나의 구멍 또는 슬릿을 포함할 수 있다.
가스배기부(137)가 다수개의 구멍으로 형성된 경우에 가스배기유로(138) 내의 위치에 따른 압력 크기 또는 차이에 따라, 압력이 작은 부분에서는 구멍의 크기를 크게 하거나 구멍 사이의 간격을 작게 하는 것이 바람직하다. 또한, 가스배기부(137)가 단일 슬릿으로 형성된 경우에 가스배기유로(139) 내의 위치에 따른 압력 크기 또는 차이에 따라, 압력이 작은 부분에서는 슬릿의 폭을 크게 하는 것이 바람직하다.
가스흡기관(132)의 원주방향 일단(133a)과 배기가이드(137a)의 일단 사이에는 가스흡기부(133)가 형성되며, 가스흡기부(133)는 가스배기관(134) 또는 가스흡기관(132)의 원주방향을 따라 가스배기부(137)에 대해서 대칭적으로 위치할 수 있다.
가스흡기부(133)를 형성하는 가스흡기관(132)의 원주방향 일단(133a)은 배기가이드(137a)를 향해서 절곡된 모양을 가질 수도 있다.
여기서, 가스흡기관(132)의 최하단(133a)은 가스배기관(134)의 최하단(137a) 보다 아래쪽으로 더 길게 연장될 수 있다. 가스흡기관(132)의 최하단(133a)은 가스배기관(134)의 최하단(137a) 보다 아래쪽으로 일정한 길이(t)만큼 더 연장될 수 있다. 이 때, 돌출 길이(t)는 3mm정도인 것이 바람직하다. 이처럼 가스흡기관(132)의 최하단(133a)이 가스배기관(134)의 최하단(137a) 보다 아래쪽으로 더 길게 연장됨으로써, 배기된 소스가스가 소스가스유닛(130)을 지나기 전에 다시 흡입할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 소스가스유닛(130) 또는 상기 가스흡입부와 마주 보도록 플라즈마유닛(140)의 일측에는 진공배기부(150)가 형성될 수 있다. 진공배기부(150)는 기판(110)의 표면에 진공을 형성하며, 진공펌핑부(170)와 진공배관(171)으로 연결될 수 있다.
소스가스유닛(130)과 진공배기부(150) 사이에 위치하는 플라즈마유닛(140)은 원거리 플라즈마를 발생시켜서 기판(110)의 표면에 공급한다. 플라즈마유닛(140)은 하부가 개구된 상태로 형성된 플라즈마 발생관(142), 플라즈마 발생관(142)의 상부에 제공되는 플라즈마 전극(143), 플라즈마 발생관(142)의 개구된 하단에 형성되는 전원 그리드(144) 및 전원 그리드(144)의 하부에 부착된 샤워헤드(145)를 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치(100)는 소스가스유닛(130)과 유사한 형태, 즉 관(pipe) 또는 바(bar) 형태를 가지는 플라즈마유닛(140)을 이용하여 원자층을 증착시키는 것에 하나의 특징이 있다.
도 5를 참조하면, 플라즈마유닛(140)은 단면이 대략 사각형 모양을 가지는데, 이는 플라즈마 전극(143)의 형태에 의해 플라즈마유닛(140)의 단면 모양이 제한을 받기 때문이다. 플라즈마 발생관(142)은 내부에 플라즈마(P)가 발생하여 채워지는 소정의 공간을 가지는 대략 사각의 관 형태를 가지며, 그 길이 방향은 기판(110)의 운동방향(TD)과 직교한다.
플라즈마 발생관(142)의 상단에는 플라즈마 발생가스를 공급하는 가스공급유로(141a)가 내부에 형성된 가스주입부(141)가 형성될 수 있다. 별도로 제공되는 플라즈마반응가스공급부(미도시)에 연결되는 가스주입부(141)를 통해 공급되는 가스가 가스공급유로(141a)를 흘러서 플라즈마 발생관(142) 내부에 공급될 수 있다.
여기서, 가스주입부(141)의 하단(142a)은 전원 그리드(144)를 향하여 개구되도록 형성될 수 있다. 가스주입부(141)의 개구된 부분을 통해서 가스가 플라즈마 발생관(142) 안으로 흐르게 된다.
플라즈마 발생관(142)의 천정 쪽에 제공되는 플라즈마 전극(143)은 플라즈마 발생관(142)의 길이방향 전체를 커버하도록 형성되는 것이 바람직하다. 플라즈마 전극(143)은 플라즈마 발생관(142)의 외부에 제공되는 임피던스매칭부(182) 및 RF전원(181)에 연결될 수 있다. 여기서, RF전원(181)은 13.56MHz의 주파수를 가지는 교류전원을 공급하는 것이 바람직하다.
플라즈마 전극(143)은 다양한 형태를 가질 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 플라즈마 전극(143)은 용량성 플라즈마(CCP), 유도성 플라즈마(ICP) 또는 직류 펄스 플라즈마(DC pulsed plasma) 중 어느 하나를 발생시키도록 형성될 수 있다.
도 7(a)는 용량성 플라즈마(CCP)를 발생시키는 플라즈마 전극(143a) 및 전원(181a)이 도시되어 있다. 플라즈마 전극(143a)은 플라즈마 발생관(142)과 비슷한 모양 즉, 폭 보다 길이가 긴 사각형 모양의 플라즈마 전극(143a)과 교류전원(181a)을 이용하여 용량성 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
도 7(b)는 유도성 플라즈마(ICP)를 발생시키는 플라즈마 전극(143b)이 도시되어 있다. 플라즈마 전극(143b)은 대략 ㄷ자 모양의 안테나 전극으로 형성되는데, 서로 마주 보는 2개의 안테나 전극이 사용되며, 각각의 안테나 전극에 연결되는 교류전원(181b)을 이용하여 유도성 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
도 7(c)에 도시된 바와 같이, 사각형 모양의 전극(143c) 및 이에 연결되는 직류전원(181c)을 이용하여 직류 펄스 플라즈마(DC pulsed plasma)를 만들 수 있다.
한편, 플라즈마 발생관(142)의 개구된 하부에 형성되는 전원 그리드(power greed, 144)는 그리드전원부(183)에 연결될 수 있다. 그리드 전원부(183)는 직류전원 또는 RF전원 등이 사용될 수 있다. 전원 그리드(144)의 하부에는 샤워헤드(145, showerhead)가 형성될 수 있다.
플라즈마 발생관(142)의 내부에 공급된 반응가스는 플라즈마 전극(143) 및 전원 그리드(144)와의 전기화학적 반응에 의해서 플라즈마(P)를 만들게 된다. 이와 같이 만들어진 원거리 플라즈마는 기판(110)에 공급되고, 소스가스와 반응하여 기판(110)의 표면에 원자층을 형성할 수 있다.
전원 그리드(144) 및 샤워헤드(145)에는 플라즈마 배출부(146,147)가 형성될 수 있다. 즉, 플라즈마가 기판(110)을 향해 공급될 수 있도록 전원 그리드(144)에는 제1플라즈마 배출부(147)가 형성되고, 샤워헤드(145)에는 제2플라즈마배출부(146)가 형성될 수 있다. 이 때, 제1/제2플라즈마배출부(146,147)는 서로 연통되는 것이 바람직하다.
여기서, 플라즈마 배출부(146,147)는 구멍(hole) 또는 슬릿(slit)의 형태로 형성될 수 있다. 플라즈마 배출부(146,147)가 구멍의 형태를 가지는 경우, 플라즈마 배출부(146,147)는 플라즈마 발생관(142)의 하부 전체에 걸쳐서 고르게 형성되어야 한다.
플라즈마 발생부(146,147)가 슬릿의 형태를 가지는 경우에 플라즈마 발생부(146,147)는 기판(110)의 운동 방향(TD)과 직교하는 방향으로 형성될 수 있다. 즉, 슬릿 형태의 플라즈마 발생부(146,147)는 플라즈마 발생관(142)의 길이방향을 따라 형성되는 것이 바람직하다. 플라즈마 발생관(142)의 길이방향을 따라 형성되면 기판(110)의 전체 면적에 따라 고른 분포를 가지는 플라즈마를 공급할 수 있다. 즉, 플라즈마의 균일도(uniformity)를 향상시킬 수 있다.
도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치(100)는 소스가스를 공급하는 소스가스유닛(130)과 플라즈마를 공급하는 플라즈마유닛(140)이 서로 분리된 관 또는 바 형태로 형성되어 원자층을 형성하게 된다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치(100)의 소스가스유닛(130)과 플라즈마유닛(140)은 공간적으로 분할되도록 형성될 수 있다. 즉, 본 발명은 공간분할 형태의 원거리 플라즈마유닛(140)과 소스가스유닛(130)을 이용하여 원자층을 증착시킬 수 있다. 이와 같이, 공간분할 형태의 원거리 플라즈마를 이용하기 때문에 빠른 쓰루풋을 확보할 수 있다.
도 2에 도시된 소스가스유닛(130)은 소스가스의 배기와 흡입을 하나의 유닛(130)에서 수행할 수 있다. 소스가스유닛(130)에 연결된 가스공급부(160)에서 소스가스를 공급받아 배기하고, 반응에 관여하지 못한 잔류 소스가스를 흡입하여 외부로 배기하는데, 가스흡기관(132)에 연결된 진공펌핑부(170)에 의해서 배기할 수 있다. 도 2에는 소스가스유닛(130)에 가스흡입부가 가스흡기관(132)의 형태로 일체로 형성된 예가 도시되어 있는데, 가스흡입부가 소스가스유닛과 분리되어 별개로 형성될 수 있다.
한편, 도 8에는 챔버(210)의 내부에 소스가스유닛(230), 플라즈마유닛(240) 및 진공배기부(250)가 형성된 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치(200)가 도시되어 있다.
원자층 증착장치(200)는 챔버(201)에 연결되어, 챔버(201)의 내부에 진공을 형성하는 챔버드라이펌프(202, Chamber Dry Pump)를 더 포함할 수 있다. 챔버드라이펌프(202)는 챔버(101)의 외부에 제공되며, 펌핑배관(203)에 의해서 챔버(201)에 연결될 수 있다. 이 때, 펌핑배관(203)은 챔버(201)에 연결될 수도 있고, 도 8에 도시된 것처럼 기판(210)이 위치하는 쪽에 연결될 수도 있다. 펌핑배관(203)과의 연결을 위해 챔버(201) 또는 기판(210)의 하부 쪽에는 배기구(204)가 형성될 수 있다.
도 8에 도시된 원자층 증착장치(200)는 증착공정을 시작하기 전 챔버드라이펌프(202)의 작동에 의해서 챔버(201)의 내부를 진공으로 만들 수 있는데, 챔버드라이펌프(202)에 의해서 챔버(201) 내부를 기본압력(base pressure, 약 10-3 torr)까지 진공으로 뽑을 수 있고, 챔버(201) 내부를 상압으로 유지할 수도 있다.
증착공정이 시작되면 챔버드라이펌프(202)는 작동을 멈추고, 증착공정은 진공펌핑부(270)에 의해서 챔버(201) 내부 공정압력(0.1~0.2 torr)을 조절할 수 있다. 또한, 진공펌핑부(270)와 챔버드라이펌프(202)가 함께 작동하여 챔버(201) 내부에 압력 차이를 만들고 이러한 압력 차이에 의해서 소스가스유닛(230)에서 배기(분사)되는 가스의 균질도(Uniformity)를 향상시키고, 고르게 분사되도록 할 수도 있다.
챔버드라이펌프(202)를 없애고 챔버드라이펌프(202)의 기능을 소스가스유닛(230)이 대신 할 수도 있다. 즉, 소스가스유닛(230)의 가스 흡기(흡입, suction) 작동에 의해서 챔버(201) 내부에 기본압력을 형성하거나 압력 차이를 형성할 수도 있다.
소스가스유닛(230)은 가스공급부(260)에 배관(261)에 의해 연결되며, 진공배기부(250)는 진공배관(271)에 의해서 진공펌핑부(270)에 연결될 수 있다. 이 때, 진공배관(271)은 진공배기부(250)와 연통하도록 챔버(201)의 상부에 형성되는 진공포집부(279)에 연결될 수도 있다.
한편, 소스가스유닛(230)에 의해 흡입된 소스가스는 진공배관(272)에 의해 진공펌핑부(270)로 배출될 수 있다. 진공배관(272)은 소스가스유닛(230)과 연통하도록 챔버(201)에 형성된 포집부(269)에 연결될 수도 있다.
도 9에 도시된 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치(300)는 소스가스유닛(330)에 가스흡입기능이 없는 경우이다. 이러한 원자층 증착장치(300)는 소스가스를 흡입하여 배출하기 위해서 소스가스유닛(330)과 플라즈마유닛(340) 사이에 진공배기부(350)가 형성될 수 있다. 진공배기부(350)는 플라즈마유닛(340)의 타 일측에도 제공될 수 있다.
챔버(301)의 내부에 소스가스유닛(330), 플라즈마유닛(340) 및 진공배기부(350)가 위치하며, 진공펌핑부(370)와 연결되는 챔버(301) 부분에는 배기포트(301a)가 형성될 수도 있다. 나머지 부분은 도 8에 도시된 원자층 증착장치(200)와 동일하다. 도면부호가 3자리 숫자 형태인데, 동일한 부분에 대한 도면부호는 2번째 자리 수와 1번째 자리 수가 동일하도록 기재하였다.
도 10에 도시된 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치(400)는 소스가스유닛(430)이 소스가스를 배기만할 뿐 흡입할 수는 없는 구조를 가진다. 또한, 별도의 진공배기부가 없다. 소스가스의 배기 및 진공흡입은 챔버(401) 및 챔버(410)에 연결된 진공펌핑부(470)에서 수행할 수 있다. 또한, 챔버(401)에 연결된 챔버드라이펌프(402)에서도 수행할 수 있다.
반응에 참여하지 않은 소스가스 또는 반응 후 잔류하는 소스가스의 배출은 소스가스유닛(430)과 플라즈마유닛(440)의 사이의 위치에 대응하도록 챔버(401)에 포트(401a)를 통해 이루어질 수 있다. 또한, 진공배기는 플라즈마유닛(440)의 타측과 대응하도록 챔버(401)에 형성된 포트(401a)를 통해 이루어질 수 있다. 포트(401a)에는 진공펌핌부(470)가 연결될 수 있다. 나머지 부분은 도 8에 도시된 원자층 증착장치(300)와 동일하다.
도 11에 도시된 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치(500)는 도 2에 도시된 원자층 증착장치(100)와 비교할 때, 플라즈마유닛(540)과 진공배기부(550) 사이에 퍼지관(590)이 형성된 점에 차이가 있다. 퍼지관(590)은 소스가스유닛(530)과 유사하게 관 또는 바 형태를 가지며, 하단 및 상단에 각각 퍼지포트(592,593)가 형성된 퍼지관 본체(591)를 포함할 수 있다. 퍼지관(590)은 퍼지배관(597)에 의해서 퍼지부(purge gas line, 596)에 연결될 수 있다. 나머지 부분은 도 2의 원자층 증착장치와 동일하다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100,200,300,400,500: 원자층 증착장치
110,210,310,410,510: 기판
120,220,320,420,520: 기판온도가변부
130,230,330,430,530: 소스가스유닛
140,240,340,440,540: 플라즈마유닛
142: 플라즈마 발생관
143: 플라즈마 전극
144: 전원 그리드
145: 샤워 헤드
146,147: 플라즈마배출부
150,250,350,550: 진공배기부
590: 퍼지관

Claims (16)

  1. 기판에 대해 가스를 공급하는 소스가스유닛;
    상기 기판에 대해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마유닛; 및
    상기 소스가스유닛과 상기 플라즈마유닛 사이에 제공되어, 상기 소스가스를 흡입하는 가스흡입부;를 포함하며,
    상기 기판은 상기 소스가스유닛, 상기 플라즈마유닛 또는 상기 가스흡입부 중 적어도 하나의 길이 방향과 교차하는 방향으로 상대 운동하도록 제공되되,
    상기 소스가스유닛은 가스공급유로가 내부에 형성되는 가스공급관 및 상기 가스공급유로와 연통되는 압력완화부가 내부에 형성되는 가스배기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마유닛은,
    하부가 개구된 상태로 형성된 플라즈마 발생관;
    상기 플라즈마 발생관의 상부에 제공되는 플라즈마 전극;
    상기 플라즈마 발생관의 개구된 하단에 형성되는 전원 그리드; 및
    상기 전원 그리드의 하부에 부착된 샤워헤드;를 포함하는, 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생관의 상단에는 플라즈마 발생가스를 공급하는 가스공급유로가 내부에 형성된 가스주입부가 형성된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스주입부의 하단은 상기 전원 그리드를 향하여 개구되도록 형성된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전원 그리드 및 상기 샤워헤드에는 플라즈마 배출부가 형성된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 플라즈마 배출부는 구멍 또는 슬릿의 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는 상기 기판의 운동 방향과 직교하는 방향으로 형성된 슬릿으로 형성된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 전극은 용량성 플라즈마, 유도성 플라즈마 또는 직류 펄스 플라즈마 중 어느 하나를 발생시키는 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소스가스유닛과 상기 플라즈마유닛은 공간적으로 분할되도록 형성된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 압력완화부의 내부 체적은 상기 가스공급유로의 내부 체적 보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가스흡입부는 상기 소스가스유닛과 일체로 형성되며, 상기 가스흡입부는 가스흡기유로가 내부에 형성되도록 상기 가스배기관의 외주면의 적어도 일부를 둘러싸는 가스흡기관을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 가스흡기관의 최하단은 상기 가스배기관의 최하단 보다 아래쪽으로 더 길게 연장된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 소스가스유닛 또는 상기 가스흡입부와 마주 보도록 상기 플라즈마유닛의 일측에는 진공배기부가 형성된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마유닛과 상기 진공배기부 사이에는 퍼지관이 형성된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 소스가스유닛, 상기 플라즈마유닛 및 상기 가스흡입부가 내부에 위치하도록 내부에 밀폐된 반응공간을 형성하는 챔버를 더 포함하며,
    상기 가스흡입부는 상기 챔버에 형성된 것을 특징으로 하는 고속 원거리 플라즈마 원자층 증착장치.
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