KR102105070B1 - Ald 반응기 내에서의 기판 로딩 - Google Patents

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배이뇌 킬피
유하나 코스타모
베이-민 리
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피코순 오와이
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Abstract

수평으로 배향된 기판들의 수직 스택(vertical stack)을 기판 홀더 내에 형성하기 위해 다수의 기판들을 증착 반응기의 로딩 챔버 내의 상기 기판 홀더로 로드하기 위한, 수직으로 배향된 기판들의 수평 스택을 형성하기 위해 상기 기판 홀더의 방향을 회전하기 위한, 그리고 증착을 위해 상기 증착 반응기의 반응 챔버 내로 상기 기판 홀더를 하강시키기 위한 장치 및 방법.

Description

ALD 반응기 내에서의 기판 로딩 {Substrate loading in an ALD reactor}
본 발명은 일반적으로 증착 반응기들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 순차적 자기-포화(sequential self-saturating) 표면 반응들에 의해 표면에 시료를 증착하는 원자층 증착 반응기에 관한 것이다.
원자층 에피텍시(atomic layer epitaxy : ALE) 방법은 1970년대 초 Tuomo Suntola 박사에 의해 발명되었다. 이 방법에 대한 다른 일반적인 명칭은 원자층 증착(atomic layer deposition : ALD)이며, 현재 ALE 대신에 사용되고 있다. ALD는 적어도 하나의 기판으로의 적어도 두 개의 반응성 전구체 종(reactive precursor species)의 순차적 도입에 기초한 특수 화학 증착 방법이다.
ALD에 의해 성장된 박막은 치밀하고, 핀홀(pinhole)이 없고, 균일한 두께를 형성한다. 예를 들어, 실험에서는, 일명 TMA로 불리는 트리메틸알루미늄(trimethylaluminum) (CH3)3Al 과 250-300℃ 물로부터 ALD 열처리에 의해 성장한 알루미늄 산화물은, 기판 웨이퍼 상에서 오직 약 1%의 비균일도를 갖는다.
단일 기판 또는 일단의(a batch of) 기판들을 증착 반응기로 로딩하기 위한 다양한 방법들이 있다. 이제, 기판들이 수평방향으로 배향되어 로딩 챔버 내의 기판 홀더에 로드 되고, 그 다음 상기 기판 홀더가 방향을 전환하고, 증착을 위해 반응 챔버로 하강한다면, 특정 이점들이 달성될 수 있음이 관찰된다.
본 발명의 제 1 실시 형태에 따르면, 하기의 단계를 포함하는 방법이 제공된다 :
다수의 기판들을 증착 반응기의 로딩 챔버 내의 기판 홀더 내로 로드하여, 수평으로 배향된 기판들의 수직 스택(vertical stack)을 상기 기판 홀더 내에 형성하기 위한, 로딩 단계; 및
수직으로 배향된 기판들의 수평 스택을 형성하기 위해 상기 기판 홀더의 방향을 전환시키고, 증착을 위해 상기 기판 홀더를 상기 증착 반응기의 반응 챔버로 하강시키는 단계.
특정 실시 예들에서, 상기 방법은 로더에 의해 기판들을 한번에 하나씩 로딩 포트를 통과시켜 상기 로딩 챔버 내부로 이동시키는 단계를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 기판들은 이동 챔버(transfer chamber)(상기 증착 반응기의 외부에 있음)로부터 (상기 증착 반응기의) 상기 로딩 챔버로 이동된다. 특정 실시 예들에서, 상기 기판들은 수평 방향으로(horizontally) 배향된 로딩 포트를 통과하여 이동한다.
수평으로 배향되었다는 것은 기본적으로, 상기 기판 표면의 법선 벡터(normal vector)가 수직 방향을 가리킨다는 것을 의미한다. 반대로, 수평으로 배향되었다는 것은 기본적으로, 상기 기판 표면의 법선 벡터가 수평 방향을 가리킨다는 것을 의미한다.
상기 기판들은 웨이퍼(wafer)들일 수 있다. 상기 로더는 로딩하는 사람이거나 로딩 로봇과 같은 로딩 기기일 수 있다. 상기 로더는 단일 웨이퍼 로더일 수 있다. 상기 로딩 포트는, 구현에 따라, 예를 들어, 단순히 개구부이거나, 해치(hatch) 또는 도어(door)거나, 로드 락(load lock)일 수 있다. 특정 실시 예들에서, 로더는 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션(loading device pick up and return station)로부터 기판을 집고, 이를 상기 로딩 챔버 내로 이동시킨다(움직이게 한다). 상기 이동은 이동 챔버를 통해 일어나거나 또는 이동 챔버를 통과하지 않고 일어날 수 있다. 상기 로더는 기판 카세트(cassette)로부터 상기 기판을 집어 올릴 수 있다. 상기 기판들은 상기 카세트에서 수평으로 배향될 수 있다. 특정 실시 예들에서, 상기 방법은 EFEM(equipment front end module)에 의해 기판 저장 캐리어(substrate storage carrier)로부터 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션 내부로 상기 기판들을 로딩하는 단계를 포함한다. 상기 기판들은 먼저, (FOUP 또는 그와 유사한 것들과 같은) 상기 기판 저장 캐리어(substrate storage carrier) 내부의 실드 가스(shield gas) 환경(예를 들어, 질소 환경) 내와 같은, 제어된 환경에 위치할 수 있다. 상기 EFEM은 상기 기판들이 상기 제어된 환경(실드 가스 환경) 내에 있도록 유지하면서, 상기 기판들을 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션로 로드한다. 선택적으로, 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션는 진공 상태일 수 있다. 상기 로딩 챔버 뿐만 아니라 상기 이동 챔버 또한 진공 상태일 수 있다. 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션는 수평으로 배향된 상기 기판들을 카세트 내에 포함할 수 있다. 필요하다면, 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션는, 하나의 카세트에 있는 기판들을 로딩 기기가 상기 기판들을 한번에 하나씩 집기 쉬운 다른 카세트로 이동시키는, 카세트-대-카세트 스테이션일 수 있다. 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션는 상기 이동 챔버의 일부를 형성할 수 있다.
특정 실시 예들에서, 상기 방법은 :
EFEM에 의해 기판 저장 캐리어로부터 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션 내부로 상기 기판들을 로드하는 단계; 및
이동 챔버를 통하여 상기 기판들을 하나씩 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션에서 상기 로딩 챔버로 로딩하는 단계를 포함한다.
특정 실시 예들에서, 상기 증착 반응기는 상기 로딩 챔버 및 상기 반응 챔버 사이에 게이트를 포함한다. 이는 상기 기판들을 상기 로딩 챔버로 로딩하는 동안 상기 반응 챔버의 냉각을 감소시키기 위한 것일 수 있다. 상기 게이트는 게이트 밸브일 수 있다. 기판들이 상기 로딩 챔버로 로드 되는 동안 상기 게이트는 닫힌 위치에 있을 수 있다. 상기 로딩이 완료되면, 상기 게이트는 개방되어 상기 로드된 일단의(batch) 기판이 상기 반응 챔버 내로 하강되도록 한다. 그 이후로 상기 게이트는 닫힐 수 있다. 특히, 이러한 실시 예들은 상기 로딩 챔버가 상기 반응 챔버의 상단의 위에 있는 반응기들에 적합하다. 따라서 특정 실시 예들에서, 상기 방법은:
로딩 챔버 및 반응 챔버 사이에 게이트를 제공하는 단계로서, 상기 로딩 챔버는 상기 반응 챔버의 상단 위에 위치한, 게이트 제공 단계를 포함한다.
특정 실시 예들에서, 상기 반응 챔버는 진공 챔버로 둘러싸여 있다. 이러한 실시 예들에서는, 상기 게이트가 상기 진공 챔버와 상기 로딩 챔버 사이에 위치하는 것이 편리 할 수 있다. 반응 챔버 히터들이 상기 진공 챔버에 위치한다면, 상기 진공 챔버로부터 (상기 진공 챔버의 상단 위에 있는) 상기 로딩 챔버로의 경로를 폐쇄하는 상기 게이트는 상기 진공 챔버로부터 상기 로딩 챔버로의 열 전달을 감소시킨다. 상기 게이트는 상기 기판들이 상기 로딩 챔버 내로 로드되는 동안 상기 진공 챔버의 상단을 폐쇄할 수 있다.
특정 실시 예들에서, 상기 방향 전환(turning)(또는 플리핑(flipping))은 상기 방향전환이 스윙-같은 운동(swing-like movement)이도록 구성된다. 다른 특정 실시 예들에서, 상기 방향 전환은 회전 운동일 수 있다. 따라서 특정 실시 예들에서, 상기 방법은 회전 운동으로 상기 기판 홀더의 방향을 전환하는 단계를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 방법은 액추에이터(actuator)(또는, 본 명세서에서 이하에서는 일반적으로, 방향 전환 기구)에 의해 측면으로부터 상기 기판 홀더에 접근하는 단계 및 상기 액추에이터에 의해 상기 기판 홀더의 방향을 전환하는 단계를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 기판 홀더는 회전 중심을 포함한다. 상기 액추에이터는 상기 회전 중심에 접촉하여 푸시(push)될 수 있으며, 상기 기판 홀더는 상기 회전 중심에서 회전 축을 중심으로 회전할 수 있다. 상기 회전 축은 상기 액추에이터에 의해 정의될 수 있다. 특정 실시 예들에서, 상기 액추에이터가 상기 로딩 챔버에 진입할 수 있도록, 상기 로딩 챔버는 로딩 챔버 벽(예를 들어, 측면 벽) 을 통과하는 피드 스루(feedthrough)를 제공한다. 상기 액추에이터는 상기 기판 홀더의 방향을 전환시킨 후 동일한 피드 스루를 통해 되돌아올 수 있다(뒤로 이동할 수 있다). 예를 들어 열 반사체 플레이트(hear reflector plate)들 또는 이와 유사한 것들이 반응 챔버 뚜껑에 통합된다면, 이러한 플레이트들은 통과하기 위해 더 많은 공간을 가지게 된다. 특정 실시 예들에서, 방향 전환 기구에 의해 상기 기판 홀더는 두 개의 대향 측면들로부터 접근된다. 이러한 실시 예들에서 상기 방향 전환 기구는 두개의 대향 액추에이터들 및 두개의 회전 중심들을 포함할 수 있다.
다른 특정 실시 예들에서, 상기 방향전환은 상기 방향전환 수단에 의해 지지되는 자유 운동일 수 있다. 특정 실시 예들에서, 상기 방향전환은 상기 증착 반응기의 로딩 챔버 내에서 일어나도록 구성된다.
특정 실시 예들에서, 로딩 위치(즉, 상기 기판들이 로드되고 있는 위치)에 있는 상기 기판 홀더가 상기 방향 전환된 위치(즉, 상기 기판들이 수평 스택을 형성하는 위치)에 있는 기판 홀더보다 상기 로딩 챔버 도어(또는 로딩 포트)에 더 근접하도록 상기 방향전환이 구성된다. 즉, 특정 실시 예들에서, 로드된 기판 홀더는 상기 로딩 챔버 도어로부터 멀리서 방향전환이 된다.
특정 실시 예들에서, 상기 방법은 순차적 자기-포화 표면 반응들에 의해 상기 기판 표면들 상에 시료를 증착시키는 단계를 포함한다. 따라서 특정 실시 예들에서, 상기 방법은 :
순차적 자기-포화 표면 반응들에 의해 시료들을 상기 기판 표면에 증착시키기 위해, 다수의 기판들을 상기 반응 챔버에서 일시적으로 분리된 전구체 펄스(precursor pulse)들에 노출시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 2 실시 형태에 따르면, 증착 반응기의 로딩 챔버 내의 기판 홀더 내로 다수의 기판들을 로드하여, 수평으로 배향된 기판들의 수직 스택을 형성하도록 상기 기판 홀더 내에 구성된 로더를 포함하는 장치가 제공되며, 상기 장치는:
상기 기판 홀더의 방향을 전환하여 수직으로 배향된 기판들의 수평 스택을 형성하도록 구성된 방향 전환 기구; 및 증착을 위해 상기 증착 반응기의 반응 챔버 내로 상기 기판 홀더를 하강시키도록 구성된 엘리베이터를 포함한다.
특정 실시 예들에서, 상기 방향 전환 기구는, 예를 들어, 방향전환 파트(turning part) 또는 방향전환 기기(turning device)를 포함한다. 상기 방향 전환 기구 및 엘리베이터는 결합된 기구로 구성될 수 있으며, 또는 서로 분리된 수단들일 수 있다. 상기 방향회전 및 하강은 동시에 일어나거나 하나씩 차례로 일어날 수 있다. 특정 실시 예들에서, 상기 로더는 기판들을 한번에 하나씩 로딩 포트를 통과시켜 상기 로딩 챔버 내부로 이동시키도록 구성된다.
특정 실시 예들에서, 상기 장치는 :
상기 로딩 챔버 및 상기 반응 챔버 사이에 있는 게이트를 포함하며,
상기 로딩 챔버는 상기 반응 챔버의 상단 위에 위치한다.
특정 실시 예들에서, 상기 장치는 :
기판 저장 캐리어로부터 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션 내부로 상기 기판들을 로드하도록 구성된 EFEM; 및
이동 챔버를 통하여 상기 기판들을 한번에 하나씩 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션로부터 상기 로딩 챔버로 로드하도록 구성된 로딩 기기를 포함한다.
특정 실시 예들에서, 상기 방향 전환 기구는 회전 운동으로 상기 기판 홀더의 방향을 전환하도록 구성된다.
특정 실시 예들에서, 상기 방향 전환 기구는 상기 기판 홀더에 측면으로부터 접근하고 상기 기판 홀더의 방향을 전환하도록 구성된다.
특정 실시 예들에서, 상기 장치는 로드된 기판 홀더를 (로딩 위치에 비해) 상기 로딩 챔버 도어로부터 멀리서 회전시키도록 구성된다.
특정 실시 예들에서, 상기 장치는 서로에 대해 미리 정해진 패턴으로 배치된 다수의 증착 반응기를 포함하며, 상기 로딩 기기는 증착 반응기들 각각을 로드하도록 구성된다. 따라서 반응기 클러스터 시스템이 형성될 수 있다.
본 발명의 다양한 비-결합 실시 형태 및 실시 예들이 상기에서 설명되었다. 상기 실시 예들은 단지 본 발명을 실행하는데 이용될 수 있는 선택된 형태들 또는 단계들을 설명하기 위해 사용된다. 일부 실시 예들은 오직 본 발명의 특정한 실시 형태들을 참조해서만 제시될 수 있다. 상응하는 실시 예들이 또한 다른 실시 형태들에도 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 실시 예들의 임의의 적절한 조합이 형성될 수 있다.
본 발명의 효과는 본 명세서에 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.
본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 오직 실시예에 의해서만 설명될 것이다.
도 1은 실시 예에 따른 증착 반응기 및 기판 로더(substrate loader)의 측면도를 도시한다;
도 2는 실시 예에 따른 증착 중인 도 1의 증착 반응기의 측면도를 도시한다;
도 3a 내지 도 3c는 특정 실시 예들에 따른 증착 반응기 내에서 기판 홀더의 방향을 전환하는 예들을 도시한다;
도 4는 실시 예에 따른 증착 반응기 클러스터(cluster)를 도시한다;
도 5는 구체적인 실시 예에 따른 기판 홀더의 방향 전환을 도시한다;
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 증착 반응기의 측면도를 도시한다.
다음의 설명에서, 원자층 증착(ALD) 기술이 일례로서 사용된다. ALD 성장 메커니즘의 기초는 통상의 기술자에게 알려져 있다. 본 특허 출원의 도입 부분에서 언급한 바와 같이, ALD는 적어도 하나의 기판에 적어도 두개의 반응성 전구체 종들(reactive precursor species)의 순차적 도입에 기초하는 특수한 화학 증착 방법이다. 상기 적어도 하나의 기판은 상기 반응 챔버에서 일시적으로 분리된 전구체 펄스(separated precursor pulse)들에 노출되어, 시료를 순차적 자기-포화 표면 반응들에 의해 상기 기판 표면에 증착시킨다.
기본적인 ALD 증착 사이클은 4개의 순차적인 단계들(펄스 A, 퍼지 A, 펄스 B 및 퍼지 B)로 구성된다. 펄스 A는 제 1 전구체 증기로 구성되며, 펄스 B는 또 다른 전구체 증기로 구성된다. 불활성 기체 및 진공 펌프는 퍼지 A 및 퍼지 B 동안 상기 반응 공간으로부터 가스 반응 부산물들 및 잔류 반응물 분자를 퍼지하기 위해 사용된다. 증착 시퀀스는 적어도 하나의 증착 사이클을 포함한다. 증착 사이클들은 증착 시퀀스가 원하는 두께의 박막 또는 코팅을 생성할 때까지 반복된다. 또한 증착 사이클들은 더 복잡할 수도 있다. 예를 들어, 상기 사이클들은 퍼징 단계들에 의해 분리된 3개 이상의 반응물 증기 펄스들을 포함한다. 이러한 모든 증착 사이클들은 로직 유닛 또는 마이크로프로세서에 의해 제어되는 시간 조절된 증착 시퀀스(timed deposition sequence)를 형성한다.
도 1은 실시 예에 따른 증착 반응기 및 기판 로더(substrate loader)의 측면도를 도시한다. 상기 증착 반응기는 반응 챔버(103)를 포함하는(housing) 진공 챔버(104)를 포함한다. 상기 진공 챔버(104)의 상단은 진공 챔버 상부 플랜지(flange)(113)에 의해 제한되며(상기 진공 챔버의 상단의 경계는 진공 챔버 상부 플랜지에 의해 정해진다), 하단은 진공 챔버 하부(115)에 의해 제한된다. 대신에 상기 진공 챔버(104) 내부의 상기 반응 챔버(103)는 반응 챔버 상부 플랜지(114)에 의해 상단이 제한된다. 상기 반응 챔버(103)의 하단에는 진공 펌프(도시되지 않음)로 향하는 배기 라인(exhaust line)(105)이 있다. 또한 도 1은 상기 진공 챔버 하부(115)를 관통하는 전구체 증기 인-피드 라인들(106)을 도시한다.
상기 반응 챔버(103)의 상단 위에는 로딩 챔버(102)가 있다. 상기 증착 반응기는, 로더(131)에 의해 기판들을 로딩 및 언로딩 하기 위해 로딩 포트(loading port)(101)를 포함하며, 상기 로딩 포트(101)는 로딩 챔버(102)의 측면에서 상기 로딩 챔버(102)에 부착된다. 특정 실시예들에서, 상기 로딩 포트(101)는 게이트 밸브(gate valve), 로드 락(load lock) 또는 단순히 도어(door)일수 있다. 기판은 수평으로 배향됨으로써 상기 로딩 포트(101)를 통과한다(그러나, 이 실시 예에서는, 수직으로 배향되어 통과하지 않는다).
인덱싱 기구와 같은 리프팅 기구(엘리베이터)(141)는 상기 로딩 챔버(102)에 부착된다. 도 1에 도시된 상기 예에서, 상기 리프팅 기구는 상기 로딩 챔버(102)의 상단에 부착된다. 상기 기판 홀더(121)는 상기 로딩 챔버 내부에서 상기 리프팅 기구(141)에 부착된다. 구현에 따라, 반응 챔버 뚜껑(112)은 상기 기판 홀더(121)에 부착될 수 있고 그리고/또는 상기 리프팅 기구(141)에 부착될 수 있다.
상기 리프팅 기구(141)는 상기 기판 홀더(121)의 수직 위치를 제어한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 실시 예에서, 상기 리프팅 기구(141)는 스텝 모터처럼, 상기 반응 챔버 뚜껑(112) 및/또는 상기 기판 홀더(121)에 부착되거나 연결된 리프팅 막대(142)를 상하 방향 중 원하는 방향으로 움직이는 모터를 포함한다. 비록 상기 기판 홀더(121)는 도면-특정 이유들로 인해 균일한 폐쇄된 윤곽선들로 도시되었지만, 가능한 한 개방될 수 있다.
기판들(120)은 상기 로더(131)에 의해 상기 로딩 포트를 통과하여 상기 로딩 챔버(102)로 로드되고 또는 상기 로딩 챔버로부터 언로드된다. 상기 로더(131)는 로봇일 수 있다. 도 1은 확장하는 로딩 암(extending loading arm)(132)을 포함하는 상기 로더(131)를 도시하며, 상기 로더는 상기 로딩 암에 의해 기판(120)을 잡는다. 상기 로더(131)는 수평으로 배향된 상기 기판(120)이 상기 로딩 포트(101)를 통과하여 상기 기판 홀더(121)로 움직이게 한다. 상기 기판 홀더(121)는 적절한 지지대들(122a 및 122b)을 가져 상기 기판(120)을 받치고 있을 수 있다. 상기 참조번호 122a의 지지대는, 예를 들어, 상기 기판 홀더(121)의 하부에 위치하며(이 로딩 위치에서의 상기 하부는 측면을 가리킨다) 그리고 참조번호 122b의 지지대는 상기 기판 홀더(121)의 하부에서 중간 영역에 위치한다. 그 다음 상기 로더(131)는 저장 영역 또는 선반(shelf)(도시되지 않음)으로부터 다음 기판을 집어낸다. 상기 리프팅 기구(141)는 상기 기판 홀더(121)를 상기 다음 기판의 위치로 하강시킨다. 상기 로더(131)는 수평으로 배향된 상기 다음 기판(120)을 상기 로딩 포트(101)를 통과시켜 상기 기판 홀더(121) 내부로 이동시키며, 여러 기판들에 대해 상기 단계들을 반복한다.
모든 기판들이 상기 기판 홀더(121)에 로드될 때, 상기 기판 홀더(121)내에 수평으로 배향된 기판들의 수직 스택이 형성된다. 그 다음 상기 기판 홀더(121)는 90도로 방향 전환하여 수직으로 배향된 기판들의 수평 스택을 형성한다. 그리고 상기 기판 홀더(121)는 상기 리프팅 기구(141)에 의해 상기 반응 챔버(103) 내로 하강된다. 상기 회전 및 하강 단계는 참조번호 190의 화살표들로 도시되어 있다.
그 결과로 나타난 상황은 도 2의 가장 우측 도면에 도시되어 있으며, 도면은 상기 리프팅 기구(141)가 가장 낮은 위치에 위치한 도 1의 증착 반응기를 도시한다. 이 위치에서, 상기 반응 챔버(103)의 상단은 상기 하강된 반응 챔버 뚜껑(112)으로 밀폐되며, ALD 처리가 일어날 수 있다. 그러나 상기 리프팅 기구(141)에 부착된 반응 챔버 뚜껑(112)이 반드시 필요한 것은 아니며, 뚜껑으로 상기 반응 챔버(103)를 닫기 위해 다른 방법들 또한 가능하다는 사실을 주목해야한다. 또한 일부 실시 예들에서, 상기 진공 챔버(104)가 뚜껑에 의해 폐쇄되어, ALD 처리 중에 상기 진공 챔버(104)와 로딩 챔버(102)를 분리시킬 수 있다. 이를 위한 진공 챔버 뚜껑은 상기 반응 챔버 뚜껑(112)과 유사하게, 상기 리프팅 기구에 통합될 수 있다.
반면에, 도 2의 가장 좌측 도면은 일 실시 예에서 참조번호 20의 화살표로 묘사된 다른 측면 방향으로부터의 상기 기판 홀더(121)의 측면도를 도시한다. 이 실시 예는, 상기 기판 홀더(121)가 회전 축을 중심으로 하는 회전에 의해 돌아갈 수 있는 일례를 도시한다. 행거부(hanger part)들 또는 플레이트(plate)들(223)은 상기 반응 챔버 뚜껑(112)에 부착된다. 상기 기판 홀더 측면들 또는 측면 플레이트들(221)은 회전 중심점들(224)에서 상기 행거부들 또는 플레이트들(223)에 연결된다. 상기 기판 홀더는 상기 회전 중심들(224)에 의해 한정된 회전축을 중심으로 회전가능하다.
도 2의 가장 우측 도면으로 되돌아오면, ALD 처리 중에, 전구체 기체는 전구체 기체 소스들(도시되지 않음)로부터 인-피드 라인들(106)을 통해 상기 반응 챔버(103) 내에 유입된다. 이 예에서, 상기 인-피드 라인들(106)은 상기 반응 챔버 뚜껑(112) 내에 배치된 채널들을 통해 전달한다. 상기 반응 챔버(103)로의 가스 유입은 상기 반응 챔버(103)의 상부에서부터 일어난다. 상기 반응 챔버(103) 내에서 유입 방향은 상기 수직으로 배향된 기판들 사이에서 (그리고 상기 기판 표면들을 따라) 상기 배기 라인(105)을 향하여 위에서 아래로 유입되는 방향이다.
상기 기판 홀더(121)를 (수평방향으로 배향된 기판들의 수직 스택을 가진) 제 1 배향에서 (수직방향으로 배향된 기판들의 수평 스택을 가진) 제 2 배향으로 방향 전환시키는 상기 방법은 다른 많은 방법들로 이루어질 수 있다. 특정 실시 예들은 도 3a 내지 도 3c에서 도시된다.
도 3a는 회전 운동에 의해 방향 전환되는 일실시 예를 개략적으로 도시한다. 이 예시에서, 방향 전환 기구(turning mechanism)(380a)는 상기 기판 홀더(321a)에 부착되어 있으며, 도 3a에서 상기 기판 홀더(321a)의 일 측 또는 양측의 중앙에 위치한다. 상기 방향 전환 기구(380a)는 상기 기판 홀더(321a)가 연결 부위(joint) 또는 이와 유사한 회전 중심을 중심으로 90도 회전하게 만든다(일 실시 예는 도 2의 가장 좌측 도면에 도시되어 있다).
도 3b는 스윙-같은 운동(swing-like movement)으로 방향을 전환하는 일실시 예를 개략적으로 도시한다. 이 실시 예에서, 방향 전환 기구(380b)는 상기 기판 홀더(321b)에 부착되어 있으며, 도 3b에서 상기 기판 홀더(321b)의 일 측 또는 양측의 하단에 근접해 있다. 상기 방향 전환 기구(380b)는 상기 기판 홀더(321b)가 상기 방향 전환 기구(380b)에 의해 한정된 축을 중심으로 하여 스윙-같은 운동으로 90도로 방향 전환하게 한다. 상기 기판 홀더(321b)의 위치는 상기 스윙-같은 운동으로 인해 수평 방향으로 움직인다. 이러한 유형의 실시 예에서 로딩 포지션에 있는 상기 기판 홀더가 회전된 위치에 있는 기판 홀더보다 상기 로딩 포트에 더 근접하기 때문에, 이러한 유형의 스윙-같은 운동 실시 예는 로딩 거리가 최소화될 필요가 있는 구현에 적절하다. 그러나 다른 실시 예들에서, 예를 들어 병진 운동(translational movement)으로 상기 기판 홀더를 이동시키고 그 다음 도 3a와 같이 회전시킴으로써, 동일한 효과가 달성된다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 실시 예들에서, 상기 방향 전환 기구들은 상기 리프팅 기구(141)에 부착될 수 있다.
도 3c는 방향 전환 기구에 의해 지지되어 자유 운동(free movement)으로 방향을 전환하는 일실시 예를 개략적으로 도시한다. 이 예에서, 방향 전환 기구(380c)는 상기 로딩 챔버(102)의 벽에 부착되어 있다. 상기 방향 전환 기구(380c)는 상기 기판 홀더(321c)를 잡고 이를 90도로 방향 전환시키는 그립 부분(gripping part)을 가진다.
전후의 실시 예들에서, 상기 기판들은 웨이퍼들처럼 플레이트-같은 기판들일 수 있다. 상기 리프팅 기구 및 방향 전환 기구(들)는 결합된 기구로 구성될 수 있으며, 또는 서로 분리된 기구들일 수 있다. 상기 기판 홀더의 회전 및 하강은 동시에 일어나거나 하나씩 차례로 일어날 수 있다.
로더는 (예를 들어, 기판 카세트로부터) 저장 영역 또는 선반(shelf)에서 기판을 집고, 상기 기판을 이동 챔버를 통하여 상기 로딩 챔버로 이동시킬 수 있다. 이 경우, 상기 로더는 적어도 부분적으로 상기 이동 챔버에 위치한다. 상기 이동 챔버 및 상기 로딩 챔버는 진공 상태에 있을 수 있다. 상기 저장 영역 또는 선반 자체들은 상기 이동 챔버 내에 있거나 상기 이동 챔버와 연결되어 있을 수 있다.
특정 실시 예들에서, 상기 로더는 로딩하는 사람이거나 로딩 로봇과 같은 로딩 기기일 수 있다. 상기 로더는 단일 웨이퍼 로더일 수 있다. 상기 로딩 챔버로의 로딩 포트는, 구현에 따라, 예를 들어, 단순히 개구부이거나, 해치(hatch) 또는 도어(door)거나, 로드 락(load lock)일 수 있다. 특정 실시 예들에서, 로더는 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션로부터 기판을 집고, 이를 상기 로딩 챔버 내로 이동시킨다(움직이게 한다). 상기 이동은 이동 챔버를 통해 일어나거나 또는 이동 챔버를 통과하지 않고 일어날 수 있다. 상기 로더는 기판 카세트(cassette)로부터 상기 기판을 집어 올릴 수 있다. 상기 기판들은 상기 카세트에서 수평으로 배향될 수 있다. 특정 실시 예들에서, 상기 기판들은 EFEM(equipment front end module)에 의해 기판 저장 캐리어(substrate storage carrier)로부터 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션 내부로 로드된다. 상기 기판들은 먼저, (FOUP 또는 그와 유사한 것들과 같은) 상기 기판 저장 캐리어 내부의 실드 가스(shield gas) 환경(예를 들어, 질소 환경) 내와 같은, 제어된 환경에 위치할 수 있다. 상기 EFEM은 상기 기판들이 상기 제어된 환경(실드 가스 환경) 내에 있도록 유지하면서, 상기 기판들을 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션에서 언로드한다. 선택적으로, 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션는 진공상태 일 수 있다. 상기 로딩 챔버 뿐만 아니라 상기 이동 챔버 또한 진공 상태일 수 있다. 대안적 실시 예들에서, 상기 이동 챔버 및 상기 로딩 챔버는 실드 가스 환경 내에 있을 수 있다. 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션는 수평으로 배향된 상기 기판들을 카세트 내에 포함할 수 있다. 필요하다면, 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션는, 하나의 카세트에 있는 기판들을 로딩 기기가 상기 기판들을 한번에 하나씩 집기 쉬운 다른 카세트로 이동시키는, 카세트-대-카세트 스테이션일 수 있다. 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션는 상기 이동 챔버의 일부를 형성할 수 있다.
특정 실시 예들에서, 다수의 증착 반응기들은 서로에 대해 미리 정해진 패턴으로 배치되어 반응기 클러스터를 형성한다. 이러한 클러스트들 중 하나가 도 4에 도시되어있다. 이 예에서, 상기 반응기 클러스터는 세 개의 증착 반응기들(400a, 400b 및 400c)을 포함한다. 상기 증착 반응기들은 각각 로딩 포트들(401a, 401b 및 401c)에 의해 중심 영역에 있는 이동 챔버(460)에 연결되어 있다. 적어도 부분적으로 상기 이동 챔버(460)에 위치하는 단일 기판 로더(또는 로딩 로봇)(431)는 상기 증착 반응기들(400a 내지 400c)의 각각을 로드하도록 구성되었다.
상기 기판들은 먼저 초-청정 기판 저장 캐리어(403)내의 제어된 환경에 위치한다. 상기 기판들이 주변 공기에 노출되지 않으면서 제어된 환경에 남아있기 위해, 상기 기판 저장 캐리어(403)는, 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션 내부로 상기 기판들을 언로드하는, EFEM(404)에 투입(input)된다. 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션(405)에서, 로딩 기기는 로딩하는 동안 상기 기판들을 한번에 하나씩 집을 수 있으며, ALD 처리 후에 기판들을 반환한다. 구현에 따라, 상기 EFEM(404)은 동시에 하나 이상의 기판 저장 캐리어들(403)을 처리할 수 있다. 따라서 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션(405)는 상기 로딩 기기가 작동할 때 마다 하나 이상의 기판 카세트들(450)을 포함할 수 있다.
도 4는 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션(405)에 있는 두 개의 기판 카세트들(450)을 도시한다. 상기 기판 카세트들(450)은, 각각의 카세트들 상단에 수직 스택을 형성하는 기판들이 있는, 기판 카세트들을 도시한다. 대안적 실시 예에서, 수직으로 배향된 기판들의 수평 스택을 형성하는, 상기 카세트들에 있는 상기 기판들은 서로 인접할 수 있다.
실시 예에서, 상기 로더(431)는 (앞뒤로 연장하는) 확장하는 로딩 암(432)을 포함한다. 상기 로더(431)는 상기 확장하는 로딩 암(432)으로 기판을 잡는다. 도 1와 관련하여 도시된 바와 유사하게, 상기 로더(431)는 상기 기판을 상기 로딩 포트(401a)를 통과시켜 참조번호 400a의 제 1 반응기의 기판 홀더 내로 이동시킨다. 나머지 증착 반응기들(400b 및 400c)의 로딩도 유사하게 일어난다. 초기에 상기 기판이 수평으로 배향되지 않는다면(대안적 실시 예에서 수직으로 배향), 상기 로더(431)는 상기 로딩 포트(401a)에 진입하기 전에 상기 기판을 수평 위치로 방향을 전환시킨다. 이를 위해, 상기 로더(431)의 확장하는 암(432)은 회전 가능할 수 있다. 상기 로더(431) 자체 또한 회전 가능하다. 상기 로더(431)는 병진 운동 또한 가능할 수 있다. 더 개선된 실시 예에서, 로더는 조인트 또는 이와 유사한 것을 포함하며, 상기 조인트 또는 이와 유사한 것에서 암은 아래를 향하게 방향을 돌릴 수 있다. 이로써, 상기 로더는 기판들을, 예를 들어 기판 카세트의 상단으로부터, 집을 수 있다(또한, 측면으로부터 기판들을 집을 수 있다).
특정 실시 예들에서, 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션(405), 상기 이동 챔버(460) 및 상기 증착 반응기들의 로딩 챔버들(400a 내지 400c)은 진공 상태에 있다. 상기 시스템은 완전 자동 시스템(fully automatic system)일 수 있다. 조금 덜 복잡한 시스템에서, 상기 로딩 포트들(401a 내지 401c)은 로드 락으로서 구현되며, 상기 기판들은 상기 반응기들의 로딩 챔버들(400a 내지 400c) 내로 수동으로 로드된다. 필요에 따라 상기 이동 챔버(460)는 생략 될 수 있으며, 상기 로딩 챔버들은 진공 상태로 펌핑될 수 있다.
도 5는 특정 실시 예에 따른 로딩 챔버(502) 내에서의 기판 홀더(500)의 방향 전환을 도시한다. 이 실시 예에서, 기판들(520)은 수평으로 배향되어 로딩 포트(501)를 통해 상기 로딩 챔버(502) 내에 적재된다. 각각의 기판(520)이 차례대로 해당 자리에 각각 푸시(push)될 수 있도록, 상기 엘리베이터(도시되지 않음)는 상기 기판 홀더(500)를 들어 올리거나 하강시킨다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 유사하게, 상기 기판들(520)은 상기 기판 홀더(500)내에서 지지대들에 의해 지지된다. (도 1 및 도 2에서 참조번호 122b의 지지대들에 해당하는) 상기 지지대들(522b)은 도 5의 좌측-상단 도면에 부분적으로 도시되어 있다.
행거 플레이트들(523)(이들 중 하나가 도 5에 도시되어 있다)은 반응 챔버 뚜껑(도시되지 않음)에 부착된다. 상기 기판 홀더 측면 플레이트들(521)(이들 중 하나가 도 5에 도시되어 있다)은 상기 회전 중심점들(524)(이들 중 하나가 도 5에 도시되어 있다)에서 상기 행거 플레이트들(523)에 연결된다. 상기 기판 홀더는 상기 회전 중심들(524)에 의해 한정된 회전축을 중심으로 회전가능하다. 액추에이터 핀(550)은 로딩 챔버 벽 피드 스루(feed through)(551) 지점에서 상기 로딩 챔버(502)의 측면 벽을 통과하여 푸시된다. 도 5의 우측-상단 도면에 도시된 바와 같이, 상기 액추에이터 핀(550)의 단부 플러그 형상(shaped end plug)은 상기 회전 중심(524) 내의 해당 소켓 형상에 푸시된다. 해당 핀(도시되지 않음)은 상기 기판 홀더(500) 반대편의 회전 중심 안으로 푸시된다. 도 5의 우측-하단 도면 내에 화살표로 묘사한 바와 같이, 상기 기판 홀더(500)는 하나 또는 두개의 액추에이터 핀(550)들을 돌림으로써 회전된다. 도 5의 우측-하단 도면은 수직으로 배향된 기판들의 수평 스택을 형성하기 위해 상기 기판 홀더(500)가 약 45도 방향 전환한 위치를 도시하며, 도 5의 좌측-하단 도면은 상기 기판 홀더(500)가 약 90도 방향 전환한 위치를 도시한다.
실시 예에서 상기 회전 동작은 좌측-상단 및 좌측-하단 도면들 사이에 있는 확대 사진 세트에서 더 자세히 도시된다. 상기 확대 사진 세트는 상기 소켓과 함께 검정색 회전 중심(524)을 도시한다. 상기 회전 중심(524)은 90도 간격으로 있는 두개의 핀들 더 포함한다. 상기 회전 중심(524)은 상기 행거 플레이트(523)의 홀에 위치한다. 도 5의 좌측-상단 도면에서, 상기 회전 중심(524)의 제 1 핀은 상기 기판 홀더(500)를 그것의 본래 위치에 고정시키는 상기 행거 플레이트 홀의 사이드 슬롯에 위치한다. 상기 홀은 상기 회전 중심(524)보다 조금 더 크다. 다음 단계에서, 상기 반응 챔버 엘리베이터는(도 1 및 도 2 참조), 상기 측면들로부터 푸시하는 액추에이터 핀들로 인해 이전 수직 위치를 유지하고 있는 상기 기판 홀더 측면 플레이트들(521)에 대해 행거 플레이트들(523)을 상대적으로 하강시킨다. 이러한 운동은 상기 회전 중심들(524)을 자유롭게 하여 그것들이 회전할 수 있게 한다. 이제 상기 액추에이터 핀(550)들은 상기 기판 홀더를 90도로 방향 전환시킨다. 마지막 단계에서, 상기 반응 챔버 엘리베이터는 상기 행거 플레이트들(523)을 상기 기판 홀더 측면 플레이트들(521)에 대해 상대적으로 들어올려서, 상기 회전 중심(524)의 제 2 핀이 상기 사이드 슬롯 안으로 이동하도록 한다. 그렇게 함으로써, 상기 기판 홀더(500)를 상기 90도로 방향 전환된 위치로 고정시킨다.
상기 액추에이터 핀들은 뉴매틱(pneumatic)일 수 있다. 하나의 액추에이터 핀은 제 1 측면에서 그리고 다른 하나는 그 반대편에서 상기 기판 홀더를 지지하도록, 두 개의 액추에이터 핀들이 상기 기판 홀더를 지지할 수 있다. 상기 액추에이터들은 구현에 따라 다른 형상으로 디자인될 수 있다. 특정 실시 예들에서, 상기 로딩 챔버 벽 피드 스루(551)는 회전 피드 스루이다. 상기 회전 운동을 위한 베어링들은 상기 로딩 챔버의 외부에 위치한다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 증착 반응기의 측면도를 도시한다. 이 실시 예에서, 상기 증착 반응기는 상기 로딩 챔버(102) 및 상기 반응 챔버(103) 사이에 게이트(670)를 포함한다. 이는 상기 반응 챔버(103)의 상단 위에 위치한 상기 로딩 챔버로 상기 기판들을 로딩하는 동안 상기 반응 챔버(103)의 냉각을 감소시키기 위한 것일 수 있다. 상기 게이트(670)는 게이트 밸브일 수 있다. 도 6의 하단 도면에 의해 도시된 바와 같이, 기판들이 상기 로딩 챔버(102)로 로딩 되는 동안 상기 게이트(670)는 닫힌 위치에 있을 수 있다. 상기 로딩이 완료되면, (도 6의 상단 도면에 의해 도시된 바와 같이) 상기 게이트(670)는 개방되어 상기 로드된 일단의(batch) 기판이 상기 반응 챔버(103) 내로 하강되도록 한다. 그 외에는, 도 6 내에 도시된 실시 예의 구조 및 작동에 대해서는 도 1 및 도 2에 도시된 실시 예들을 참조한다.
특허청구범위의 범위 및 해석을 제한하지 않으면서, 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시 예들의 특정한 기술적 효과들이 아래에 열거된다 : 하나의 기술적 효과는 기판들이 수평으로 배향되어 로드 될 수 있는 수직 흐름 증착 반응기(vertical flow deposition reactor)를 위한 최고의 로딩 시스템이다. 다른 기술적 효과는 (특히, 상기 기판들이 수평으로 배향되어 저장된다면) 전체 기판 홀더를 플리핑(flipping)함으로써, 각각의 기판을 개별적으로 플리핑할 필요성을 제거하는 것이다. 또 다른 기술적 효과는 반응기 클러스트에서 로딩 거리를 최소화하는 것이다.
전술한 설명은 본 발명의 특정한 구현 예들 및 실시 예들의 비-제한적인 예를 통해, 본 발명을 수행하기 위해 본 발명자들이 현재 고려한 최선의 실시예의 완전하고 유익한 설명을 제공하였다. 그러나 본 발명이 상기 제시된 실시 예들의 세부 사항에 한정되지 않으며, 본 발명의 특징들로부터 벗어나지 않고 동등한 수단들을 사용하여 다른 구현 예들에서 실시될 수 있다는 것은 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백하다.
더욱이, 본 발명의 상기-개시된 실시 예들의 특징들 중 일부는 다른 특징들의 대응하는 사용 없이 유리하게 사용될 수 있다. 이와 같이, 상기 설명은 단지 본 발명의 원리를 예시하는 것으로 간주되어야 하며, 이를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 오직 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (14)

  1. 다수의 기판들을 증착 반응기의 로딩 챔버 내의 기판 홀더로 로드하여, 수평으로 배향된 기판들의 수직 스택(vertical stack)을 상기 기판 홀더 내에 형성하기 위한, 기판 로딩 단계; 및
    수직으로 배향된 기판들의 수평 스택을 형성하기 위해 상기 기판 홀더의 방향을 전환시키고, 증착을 위해 상기 기판 홀더를 상기 증착 반응기의 반응 챔버 내로 하강시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 로딩 단계는 로더에 의해 기판들을 하나씩 로딩 포트를 통과시켜 상기 로딩 챔버 내부로 이동시키는 것을 포함하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 로딩 챔버 및 상기 반응 챔버 사이에 게이트가 제공되며,
    상기 로딩 챔버는 상기 반응 챔버의 상단 위에 위치하는, 방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 로딩 단계는 :
    EFEM(equipment front end module)에 의해 상기 기판들을 기판 저장 캐리어(substrate storage carrier)로부터 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션(loading device pick up and return station) 내부로 로드하는 단계; 및
    이동 챔버(transfer chamber)를 통해 상기 기판들을 하나씩 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션에서 상기 로딩 챔버 내부로 로드하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 기판 홀더의 방향을 전환시키는 단계는 회전 운동으로 상기 기판 홀더의 방향을 전환하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 기판 홀더의 방향을 전환시키는 단계는 :
    액추에이터(actuator)에 의해 상기 기판 홀더에 측면으로부터 접근하는 단계; 및
    상기 액추에이터에 의해 상기 기판 홀더의 방향을 전환하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 기판 홀더를 하강시키는 단계 후에, 순차적 자기-포화 표면 반응들(sequential self-saturating surface reactions)에 의해 시료들을 상기 기판 표면들에 증착시키기 위해, 상기 반응 챔버에서 상기 다수의 기판들을 일시적으로 분리된 전구체 펄스(separated precursor pulse)들에 노출시키는 단계를 포함하는 방법.
  8. 로더가 증착 반응기의 로딩 챔버 내의 기판 홀더 내부로 다수의 기판들을 로드하도록 구성되어, 수평으로 배향된 기판들의 수직 스택을 상기 기판 홀더 내에 형성하도록 하는 장치에 있어서,
    상기 장치는 :
    상기 기판 홀더의 방향을 전환하여, 수직으로 배향된 기판들의 수평 스택을 형성하도록 구성된 방향 전환 기구; 및
    증착을 위해 상기 증착 반응기의 반응 챔버 내로 상기 기판 홀더를 하강시키도록 구성된 엘리베이터를 포함하는, 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 로더는 기판들을 하나씩 로딩 포트를 통과시켜 상기 로딩 챔버 내부로 이동시키도록 구성된, 장치.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 장치는 상기 로딩 챔버 및 상기 반응 챔버 사이에 게이트를 포함하며,
    상기 로딩 챔버는 상기 반응 챔버의 상단의 위에 위치한, 장치.
  11. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    기판 저장 캐리어로부터 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션 내부로 상기 기판들을 로드하도록 구성된 EFEM; 및
    이동 챔버를 통해 상기 기판들을 하나씩 상기 로딩 기기 픽업 및 반환 스테이션로부터 상기 로딩 챔버로 로드하도록 구성된 로더를 포함하는 장치.
  12. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 방향 전환 기구는 회전 운동으로 상기 기판 홀더의 방향을 전환하도록 구성된, 장치.
  13. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 방향 전환 기구는 상기 기판 홀더에 측면으로부터 접근하고, 상기 기판 홀더의 방향을 전환하도록 구성된, 장치.
  14. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 장치는 다수의 증착 반응기를 포함하며,
    상기 로더는 증착 반응기들 각각을 로드하도록 구성된, 장치.
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