KR20150081596A - 원자층 증착장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수장의 대면적 기판을 챔버 내에 층상 흐름 간격으로 로딩한 상태에서 원자층 증착 공정을 연속적으로 수행할 수 있는 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 원자층 증착장치는, 원자층 증착 공정이 이루어지는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내부에 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재하는 기판 적재부; 상기 공정 챔버의 일측벽에 형성되는 게이트부; 상기 공정 챔버의 전방에 설치되며, 상기 공정 챔버 내부에 적재되는 다수장의 기판에 대하여 공정 가스를 공급하는 공정 가스 공급부; 상기 공정 챔버의 후방에 설치되며, 상기 공정 챔버 내부의 기체를 흡입하여 배출하는 배기 수단;을 포함한다.

Description

원자층 증착장치{THE APPARATUS FOR DEPOSITING THE ATOMIC LAYER}

본 발명은 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수장의 대면적 기판을 챔버 내에 층상 흐름 간격으로 로딩한 상태에서 원자층 증착 공정을 연속적으로 수행할 수 있는 원자층 증착장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자나 평판 디스플레이 소자 등의 제조에서는 다양한 제조공정을 거치게 되는데, 그 중에서 웨이퍼나 글래스(이하, '기판'이라고 한다) 상에 소정의 박막을 증착시키는 공정이 필수적으로 진행된다. 이러한 박막 증착공정은 스퍼터링법(sputtering), 화학기상증착법(CVD: chemical vapor deposition), 원자층 증착법(ALD: atomic layer deposition) 등이 주로 사용된다.

먼저, 스퍼터링법은 예를 들어, 플라즈마 상태에서 아르곤 이온을 생성시키기 위해 고전압을 타겟에 인가한 상태에서 아르곤 등의 비활성 가스를 공정챔버 내로 주입시킨다. 이때, 아르곤 이온들은 타겟의 표면에 스퍼터링되고, 타겟의 원자들은 타겟의 표면으로부터 이탈되어 기판에 증착된다.

이러한 스퍼터링법에 의해 기판과 접착성이 우수한 고순도 박막을 형성할 수 있으나, 공정 차이를 갖는 고집적 박막을 스퍼터링법으로 증착하는 경우에는 전체 박막에 대해서 균일도를 확보하기가 매우 어려워 미세한 패턴을 위한 스퍼티링법의 적용에는 한계가 있다.

다음으로 화학기상증착법은 가장 널리 이용되는 증착기술로서, 반응가스와 분해가스를 이용하여 요구되는 두께를 갖는 박막을 기판상에 증착하는 방법이다. 예컨데, 화학기상증착법은 먼저 다양한 가스들을 반응 챔버로 주입시키고, 열, 빛 또는 플라즈마와 같은 고에너지에 의해 유도된 가스들을 화학반응시킴으로써 기판상에 요구되는 두께의 박막을 증착시킨다.

아울러 화학기상증착법에서는 반응에너지만큼 인가된 플라즈마 또는 가스들의 비(ratio) 및 양(amount)을 통해 반응 조건을 제어함으로써, 증착률을 증가시킨다.

그러나 화학기상증착법에서는 반응들이 빠르기 때문에 원자들의 열역학적 안정성을 제어하기 매우 어렵고, 박막의 물리적, 화학적 전기적 특성을 저하시키는 문제점이 있다.

마지막으로 원자층 증착법은 (ALD: Atomic Layer Deposition)은 박막을 형성하기 위한 반응 챔버(chamber) 내로 두 가지 이상의 반응물(reactants)을 하나씩 차례로 투입하여 각각의 반응물의 분해와 흡착에 의해서 박막을 원자층 단위로 증착하는 방법이다. 즉, 제1반응가스를 펄싱(pulsing) 방식으로 공급하여 챔버 내부에서 하부막에 화학적으로 증착시킨 후, 물리적으로 결합하고 있는 잔류 제1반응가스는 퍼지(purge) 방식으로 제거된다. 이어서, 제2반응가스도 펄싱(pulsing)과 퍼지(purge) 과정을 통해 일부가 제1반응가스(제1반응물)와 화학적인 결합을 하면서 원하는 박막이 기판에 증착된다. 상술한 원자층 증착공정에서, 각각의 반응가스가 일회의 펄싱(pulsing) 및 퍼지(purge)가 행해지는 시간을 사이클(cycle)이라 부른다. 이러한 원자층 증착방식으로 형성 가능한 박막으로는 Al₂O₃, HfO₂, ZrO₂, TiO₂ 및 ZnO가 대표적이다.

상기 원자층 증착은 600℃ 이하의 낮은 온도에서도 우수한 단차도포성(step coverage)을 갖는 박막을 형성할 수 있기 때문에, 차세대 반도체 소자, 디스플레이, 태양전지 등을 제조하는 공정에서 많은 사용이 예상되는 공정기술이다.

이렇게 원자층 증착 공정이 반도체 분야 뿐만아니라 디스플레이, 태양전지 등의 분야에 확대되어 사용되기 위해서는 대면적 기판에 대하여 균일한 박막을 얻을 수 있어야 할 뿐만아니라, 대면적 기판 다수장의 한 번의 공정으로 처리하여 충분한 생산성을 확보하여야 한다.

따라서 다수장의 대면적 기판을 하나의 챔버에 로딩한 상태에서 동시에 균일한 박막을 형성할 수 있는 원자층 증착장치의 개발이 절실하게 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 다수장의 대면적 기판을 챔버 내에 층상 흐름 간격으로 로딩한 상태에서 공정 가스를 펄스 형태로 공급하면서 원자층 증착 공정을 연속적으로 수행할 수 있는 원자층 증착장치를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 원자층 증착장치는, 원자층 증착 공정이 이루어지는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내부에 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재하는 기판 적재부; 상기 공정 챔버의 일측벽에 형성되는 게이트부; 상기 공정 챔버의 전방에 설치되며, 상기 공정 챔버 내부에 적재되는 다수장의 기판에 대하여 공정 가스를 공급하는 공정 가스 공급부; 상기 공정 챔버의 후방에 설치되며, 상기 공정 챔버 내부의 기체를 흡입하여 배출하는 배기 수단;을 포함한다.

그리고 본 발명에서 상기 공정 가스 공급부는, 상기 공정 챔버의 전측벽 전체에 걸쳐서 형성되며, 상기 공정 챔버 내부 방향으로 가스를 분사하는 가스 분사부; 상기 가스 분사부 후방에 설치되며, 상기 가스 분사부에 의하여 분사되는 가스를 상기 가스 분사부 전면에 걸쳐서 확산시키는 가스 확산부; 및 외부 가스 공급원과 연결되어 설치되며, 상기 가스 확산부에 공정 가스를 공급하는 가스 공급라인;을 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 원자층 증착장치에서, 상기 공정 가스 공급부는 상기 공정 챔버와 분리 가능하게 설치되며, 상기 공정 가스 공급부를 구동시키는 구동부가 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 기판 적재부는 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재하는 카세트인 것이 바람직하다.

또한 상기 공정 챔버에는, 상기 카세트를 상기 공정 챔버 내에서 수평 이동시키는 카세트 이동부가 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 다수장의 대면적 기판을 공정 챔버 내에 로딩한 상태에서 각 기판에 대하여 기판의 움직임 없이 원자층 증착 공정을 균일하게 수행할 수 있는 장점이 있으며, 특히 대면적 기판 다수장에 대하여 동시에 원자층 증착 공정을 수행하여, 쓰루풋이 매우 높은 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 가스 공급부의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 가스 공급부의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자층 증착장치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자층 증착장치에서 카세트의 이동을 도시하는 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.

본 실시예에 따른 원자층 증착장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 공정 챔버(10), 게이트부(20), 공정 가스 공급부(30), 배기 수단(40) 및 기판 적재부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저 상기 공정 챔버(10)는 원자층 증착 공정이 이루어지는 공간을 제공하는 구성요소로서, 본 실시예에 따른 원자층 증착장치(1)의 전체적인 외형을 이룬다. 상기 공정 챔버(10)는 처리되는 기판의 형상에 따라 다양한 형상을 가질 수 있으며, 공정이 이루어지는 동안 상기 공정 챔버(10) 내부의 진공 상태를 유지하기 위하여 밀폐된 구조를 가진다. 그리고 상기 공정 챔버의 일측벽에는 후술하는 게이트부(20)를 위한 개구부(12)가 형성된다.

다음으로 상기 게이트부(20)는, 상기 공정 챔버(10)의 일측벽에 형성되며, 상기 공정 챔버(10) 내에서 원자층 증착 공정이 이루어질 기판을 반입하고 반출하는 통로를 제공한다. 따라서 상기 게이트부(20)는 상기 공정 챔버(10)에 형성되어 있는 개구부(12)를 열고 닫을 수 있는 구조를 가지며, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 상하 방향으로 승강하면서 상기 개구부(12)를 단속하는 게이트 밸브 구조를 가질 수 있다.

다음으로 상기 기판 적재부(50)는 상기 공정 챔버(10) 내부에 다수장의 기판(S)을 층상 흐름 간격으로 적재하는 구성요소이다. 본 실시예에 따른 원자층 증착장치(1)에서는 다수장의 대면적 기판(S)이 층상 흐름 간격으로 적재된 상태에서 원자층 증착 공정이 이루어진다. 따라서 상기 기판 적재부(50)는 외부에서 반입되는 대면적 기판을 각 기판 사이의 공간이 층상흐름 간격을 유지하면서 상기 공정 챔버(10) 내에서 적재되도록 하는 것이다.

본 실시예에서 상기 기판 적재부(50)는 도 1에 도시된 바와 같이, 다수장의 기판(S)을 층상 흐름 간격으로 적재하는 카세트로 구성될 수 있다. 이렇게 카세트로 구성되는 경우에는 상기 카세트가 상기 공정 챔버(10) 내부 공간에 정확하게 반입될 수 있는 규격으로 제조되며, 상기 카세트(50)에 적재된 다수장의 대면적 기판(S)은 서로 층상 흐름 간격을 유지한 상태로 적재된다. 그리고 상기 카세트(50)에 기판(S)이 적재된 상태로 상기 공정 챔버(10) 내부로 반입되거나 반출되고, 원자층 증착 공정이 이루어지므로, 공정 시간을 대폭 단축할 수 있다.

물론 상기 기판 적재부는 전술한 바와 같이, 카세트 구조를 가지는 것이 아니라, 단순하게 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재할 수 있도록 상기 공정 챔버 내부에 형성되는 기판 삽입홈으로 구성될 수도 있다.

다음으로 상기 공정 가스 공급부(30)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 공정 챔버(10)의 전방에 설치되며, 상기 공정 챔버(10) 내부에 적재되는 다수장의 기판(S)에 대하여 공정 가스를 공급하는 구성요소이다. 특히, 본 실시예에서 상기 공정 가스 공급부(30)는 상기 공정 챔버(10) 내에 층상 흐름 간격으로 적재된 다수개의 기판에 대하여 공정가스가 균일하게 층상 흐름 간격을 유지하면서 기판 사이의 공간을 통과하도록 공정가스를 공급한다.

여기에서 층상 흐름(laminar flow) 이라 함은 '기체가 좁은 간격 사이의 공간에 주입되어 자유 확산되지 않고 일정한 방향으로 흐트러짐이 거의 없이 방향성을 가지고 이동하는 기체의 흐름'을 말한다.

그리고 상기 층상 흐름 간격이라 함은 '기체가 층상 흐름 형태로 이동하는 2개의 판재 사이의 간격'을 말하는 것으로서, 본 실시예에서는 이 층상 흐름 간격이 0.2 ~ 10 mm인 것이 바람직하다. 상기 층상 흐름 간격이 0.2 mm 미만인 경우에는 가공 및 제조가 어려울 뿐만아니라 기체의 공급 제어가 어려운 문제점이 있고, 상기 층상 흐름 간격이 10mm 를 초과하는 경우에는 기체의 층상 흐름이 깨져서 기체가 자유확산하는 문제점이 있다.

이를 위하여 본 실시예에서 상기 공정 가스 공급부(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 분사부(32), 가스 확산부(34) 및 가스 공급라인(36)을 포함하여 구성될 수 있다. 먼저 상기 가스 분사부(32)는, 상기 공정 챔버(10)의 전측벽 전체에 걸쳐서 형성되며, 상기 공정 챔버(10) 내부 방향으로 가스를 층상 흐름을 유지하도록 분사하는 구성요소이다. 이를 위하여 상기 가스 분사부(32)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 공정 챔버(10)에 적재되는 기판(S) 사이의 간격과 일치하도록 이격되어 형성되는 다수개의 가스 분사틈(32a)을 구비하며, 각 가스 분사틈(32a)에 의하여 각 기판 사이의 공간으로 균일하게 층상 흐름을 유지한 상태에서 공정 가스가 공급되는 것이다.

다음으로 상기 가스 확산부(34)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 가스 분사부(32) 후방에 설치되며, 상기 가스 분사부(32)에 의하여 분사되는 가스를 상기 가스 분사부(32) 전면에 걸쳐서 확산시키는 구성요소이다. 공정 가스가 상기 가스 분사부(32)에 의하여 각 기판 사이의 공간으로 균일하게 공급되기 위해서는 상기 가스 확산부(34)에 의하여 미리 확산되어 상기 다수개의 가스 분사틈(32a)에 대하여 균일한 압력으로 분사되는 것이다.

다음으로 상기 가스 공급라인(36)은 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 가스 공급원(38)과 연결되어 설치되며, 상기 가스 확산부(34)에 공정 가스를 공급하는 구성요소이다. 이 가스 공급라인(36)에 의하여 외부 가스 공급원(38)에서 공급되는 제1, 2 공정가스 및 퍼징가스 등을 펄스 형태로 공급받아 상기 공정 챔버(10) 내부로 공급하여 원자층 증착 공정이 이루어지도록 하는 것이다.

한편 본 실시예에서 상기 공정 가스 공급부(30)는 상기 공정 챔버(10)와 분리 가능하게 설치될 수 있다. 본 실시예에 따른 원자층 증착장치(1)에서 기판의 반출입을 위한 개구부(12)와 게이트부(20)가 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 공정 가스 공급부(30)가 구비되는 측벽을 피하여 구비될 수도 있지만, 상기 공정 가스 공급부(30) 자체가 상기 게이트부의 역할을 할 수도 있다. 이 경우에는 전술한 바와 같이, 상기 공정 가스 공급부 자체가 상기 공정 챔버(10)로부터 분리 가능하게 설치되고, 구동부(도면에 미도시)가 상기 공정 가스 공급부를 기판의 반출입 동작에 대응하여 구동시키는 것이다.

다음으로 상기 배기 수단(40)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 공정 챔버(10)의 후방에 설치되며, 상기 공정 챔버(10) 내부의 기체를 흡입하여 배출하는 구성요소이다. 상기 배기 수단(40)은 상기 공정 챔버(10) 내부의 진공 상태 형성을 위하여 상기 공정 챔버(10) 내부의 기체를 흡입하여 배출하는 기능을 수행함과 아울러, 원자층 증착 공정 진행 중에 상기 공정 가스 공급부(30)에 의하여 상기 공정 챔버(10) 내부로 펄스 형태로 공급되는 공정 가스를 흡입하여 상기 공정 챔버(10) 내부에 적재되어 있는 기판 사이의 공간에서 공정가스가 층상 흐름을 유지한 상태로 이동되도록 배기하는 역할도 수행한다.

한편 본 실시예에서는 상기 원자층 증착장치(100)를 하나의 카세트만 반입되는 구조가 아니라 도 4에 도시된 바와 같이, 다수개의 카세트가 동시에 반입된 상태에서 원자층 증착공정이 이루어지는 구조로 구성할 수도 있다. 이렇게 다수개의 카세트(150)가 반입되는 구조를 위해서는 상기 공정 챔버(110) 내부에, 상기 카세트(150)를 상기 공정 챔버(110) 내에서 수평 이동시키는 카세트 이동부(160)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 카세트 이동부(160)에 의하여 도 5에 도시된 바와 같이, 외부에서 상기 게이트부(120)를 통하여 반입되는 카세트(150)를 공정이 진행될 정확한 위치로 상기 공정 챔버(110) 내부에서 이동시키는 것이다. 이때 상기 카세트 이동부(160)는 상기 카세트(150)를 상기 공정 챔버 내부에서 수평 이동시키는 카세트 이동 셔틀과 상기 카세트 이동 셔틀로부터 이동된 카세트를 전달받는 리프트핀(도면에 미도시) 등으로 구성될 수 있다.

이렇게 공정 챔버(110) 내에 반입된 다수개의 카세트(150)는, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 각 카세트에 적재되어 있는 기판들이 일직선 상에 배치되도록 서로 밀착되어 배치되며, 하나의 카세트에 적재된 기판 사이를 통과한 공정 가스가 이웃한 카세트에 적재되어 있는 기판 사이의 공간을 그대로 통과하면서 연속적으로 원자층 증착 공정이 이루어지는 것이다.

이렇게 다수개의 카세트를 공정 챔버내에 장착한 상태에서 원자층 증착 공정을 수행하면, 한번의 공정으로 더 많은 수의 기판을 처리할 수 있어서 쓰루풋을 형상시킬 수 있는 장점이 있다.

1 : 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치
10 : 공정 챔버 20 : 게이트부
30 : 공정 가스 공급부 40 : 배기 수단
50 : 기판 적재부 S : 기판

Claims (5)

1. 원자층 증착 공정이 이루어지는 공정 챔버;
   상기 공정 챔버 내부에 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재하는 기판 적재부;
   상기 공정 챔버의 일측벽에 형성되는 게이트부;
   상기 공정 챔버의 전방에 설치되며, 상기 공정 챔버 내부에 적재되는 다수장의 기판에 대하여 공정 가스를 공급하는 공정 가스 공급부;
   상기 공정 챔버의 후방에 설치되며, 상기 공정 챔버 내부의 기체를 흡입하여 배출하는 배기 수단;을 포함하는 원자층 증착장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 공정 가스 공급부는,
   상기 공정 챔버의 전측벽 전체에 걸쳐서 형성되며, 상기 공정 챔버 내부 방향으로 가스를 분사하는 가스 분사부;
   상기 가스 분사부 후방에 설치되며, 상기 가스 분사부에 의하여 분사되는 가스를 상기 가스 분사부 전면에 걸쳐서 확산시키는 가스 확산부;
   외부 가스 공급원과 연결되어 설치되며, 상기 가스 확산부에 공정 가스를 공급하는 가스 공급라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 공정 가스 공급부는 상기 공정 챔버와 분리 가능하게 설치되며,
   상기 공정 가스 공급부를 구동시키는 구동부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판 적재부는,
   다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재하는 카세트인 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 공정 챔버에는,
   상기 카세트를 상기 공정 챔버 내에서 수평 이동시키는 카세트 이동부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.

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