KR100960863B1

KR100960863B1 - 소스가스 공급장치 및 공급방법

Info

Publication number: KR100960863B1
Application number: KR1020070133725A
Authority: KR
Inventors: 장택용; 이병일; 장희섭
Original assignee: 주식회사 테라세미콘
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2010-06-08
Also published as: KR20090066105A

Abstract

화학 기상 증착법에 의한 박막 증착시 원료가 되는 소스물질을 가스화하여 공급하는 소스가스 공급장치 및 소스가스 공급방법이 개시된다. 본 발명에 따른 소스가스 공급장치(100)는 소스물질(120)이 가열되어 소스가스가 되는 소스물질 증발부(110); 상기 소스가스가 퇴적판(160) 상에 퇴적되는 제1 챔버(150a); 및 상기 제1 챔버(150a)에서 퇴적된 소스가스를 상기 퇴적판(160)으로부터 분리시키는 제2 챔버(150b)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 증착 챔버 내로 유입되는 소스가스의 양을 정확하게 제어할 수 있어서 박막 증착시 증착 챔버 내의 증착 압력을 효율적으로 조절할 수 있다.

소스물질, 증착 압력, 화학 기상 증착법

Description

소스가스 공급장치 및 공급방법{Apparatus and Method For Supplying Source Gas}

본 발명은 화학 기상 증착법에 의한 박막 증착시 고체 원료의 유량을 조절하는 소스가스 공급장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 화학 기상 증착법에 의한 박막 증착시 증착 챔버 내로 유입되는 소스가스의 양을 정확하게 제어할 수 있어서 증착 챔버 내의 증착 압력을 효과적으로 조절할 수 있는 소스가스 공급장치에 관한 것이다.

화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)에 의한 박막 증착은 반도체 소자의 절연층과 능동층, 액정 표시 소자의 투명 전극, 전기 발광표시 소자의 발광층과, 보호층 등의 여러 응용에 있어 기술적으로 매우 중요하다. 일반적으로, CVD에 의해 증착된 박막의 물성은 증착 압력, 증착 온도, 증착 시간 등의 CVD 공정 조건에 매우 민감하게 영향을 받는다. 예를 들어, 증착 압력의 변화에 따라 증착되는 박막의 조성, 밀도, 접착력, 증착 속도 등이 변할 수 있다.

CVD의 경우 증착 압력은 증착하고자 하는 박막 물질의 원료를 공급하는 소스가스 공급장치로부터 공급되는 소스가스의 유량에 직접적으로 영향을 받는다. 즉, CVD에서 증착 압력을 적절하게 제어하기 위해서는 무엇보다도 소스가스 공급장치에서의 소스물질의 증발 양(즉, 소스가스의 압력)을 정확하게 제어하여야 한다. 소스가스의 압력 제어는 반도체 또는 디스플레이 제조 공정시 증착 속도나 도핑 농도 등을 정밀하고 일정하게 조절할 필요가 있는 경우에 특히 중요하다.

도 1은 종래의 소스가스 공급장치(10)의 구성을 나타내는 도면이다. 종래의 소스가스 공급장치(10)는 소스물질(12)을 저장하는 소스물질 증발부(11), 히터(13), 운반가스 공급부(14) 및 다수의 밸브(V1~V5)로 구성된다. 일반적으로, 소스물질은 상온에서 고체 상태로 존재하기 때문에 소스물질을 상온 이상으로 가열해야 소스물질이 소스가스화 되며, 이때 히터(13)가 소스물질을 가열하는 역할을 한다.

통상적으로 소스가스는 비중이 큰 관계로 이동도가 작기 때문에 운반가스를 이용하여 소스가스가 증착 챔버 내로 원활하게 이동하도록 한다. 다수의 밸브는 상황에 따라 개폐되어 소스가스 및 운반가스의 유량을 조절한다. 예를 들어, 운반가스를 사용하지 않는 경우에는 밸브(V1, V3)는 폐쇄된다. 또한, 밸브(V1)의 개폐 여부에 따라 운반가스가 소스물질 증발부(11)를 통과할 수도 있고 통과하지 않을 수도 있다.

이와 같은 종래의 소스가스 공급장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 소스물질 증발부(11)에 남아 있는 소스물질(12)의 양에 따라 소스물질(12)의 증발 양이 달라지기 때문에 밸브(V2)의 개폐만으로는 소스가스의 압력을 정확하게 조절할 수 없다.

둘째, 소스물질(12)이 가열로 인해 휘발 및 퇴적 과정이 반복됨에 따라 소스물질(12)의 휘발 표면적이 계속 달라지게 되어 소스물질(12)의 증발 양이 달라지기 때문에 밸브(V2)의 개폐만으로는 소스가스의 압력을 정확하게 조절할 수 없다. 특히, 소스물질(12)이 분말 형태일 경우에는 소스물질(12)의 표면 상태가 계속 변하여 소스물질(12)의 증발 양을 일정하게 제어할 수 없는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 화학 기상 증착법에 의한 박막 증착시 증착 챔버 내로 유입되는 소스가스의 양을 정확하게 제어할 수 있는 소스가스 공급장치 및 소스가스 공급방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 소스가스 공급장치는 화학 기상 증착법에 의한 박막 증착시 사용되는 소스가스를 증착 챔버 내로 공급하는 장치로서, 소스물질이 가열되어 소스가스가 되는 소스물질 증발부; 상기 소스가스가 퇴적판 상에 퇴적되는 제1 챔버; 및 상기 제1 챔버에서 퇴적된 소스가스를 상기 퇴적판으로부터 분리시키는 제2 챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 챔버는 상기 퇴적판을 냉각시키는 냉각부를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 챔버는 상기 퇴적판을 가열시키는 가열부를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버간에는 상기 퇴적판을 이송시키는 이송 수단 이 설치될 수 있다.

상기 퇴적판의 면적에 따라 상기 증착 챔버로 공급되는 소스가스의 양을 제어할 수 있다.

그리고 상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 소스가스 공급방법은 화학 기상 증착법에 의한 박막 증착시 사용되는 소스가스를 증착 챔버 내로 공급하는 방법으로서, (a) 소스물질 증발부 내에 저장되어 있는 소스물질을 가열하여 소스가스를 만드는 단계; (b) 소스가스를 제1 챔버로 유입시키는 단계; (c) 상기 제1 챔버에 유입된 소스가스를 퇴적판에 퇴적시키는 단계; (d) 상기 소스가스가 퇴적된 퇴적판을 제2 챔버로 이송시키는 단계; (e) 상기 제2 챔버 내에서 상기 퇴적판으로부터 소스가스를 분리시키는 단계; 및 (f) 상기 퇴적판으로부터 분리된 소스가스를 증착 챔버 내로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 증발된 소스물질을 제1 챔버로 유입시켜 퇴적판에 일정량 퇴적시키고, 소스물질이 퇴적되어 있는 퇴적판을 제2 챔버로 이송한 후, 퇴적판에 퇴적되어 있는 소스물질을 가열하여 증착 챔버로 공급하기 때문에 정량의 소스가스를 증착 챔버로 공급할 수 있어서 증착 압력을 정확하면서 균일하게 제어할 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소스가스 공급장치(100)의 구성을 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이, 소스가스 공급장치(100)는 소스물질(120)을 저장하는 소스물질 증발부(110), 히터(130), 운반가스 저장부(140), 제1 및 제2 챔버(150a, 150b) 및 다수의 밸브(V1~V6)로 구성되며, 소스물질 증발부(110), 히터(130), 운반가스 저장부(140) 및 다수의 밸브(V1~V6)의 기본적인 역할은 상술한 종래의 소스가스 공급장치(10)에서와 동일하므로 이와 관련한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

본 발명에 따른 소스가스 공급장치(100)는 증착 챔버 내로 정량의 소스가스를 공급할 수 있도록 하기 위하여 소스가스가 퇴적판(160) 상에 퇴적되는 제1 챔버(150a) 및 제1 챔버(150b)에서 퇴적된 소스가스를 퇴적판(160)으로부터 분리시키는 제2 챔버(150a, 150b)를 소스물질 증발부(110)와 증착 챔버 사이에 설치하는 것을 특징적 구성으로 한다.

도 2를 참조하면, 소스물질 증발부(110)의 후단에 배치되는 제1 챔버(150a)의 내부에는 소스가스(125)가 퇴적되는 일정 면적을 갖는 플레이트 형태의 퇴적판(160)이 탈착 가능하도록 설치된다. 또한, 퇴적판(160) 상에 소스가스(152)가 용이하게 퇴적될 수 있도록 퇴적판(160)을 냉각시켜 주는 냉각부(170)가 퇴적판(160) 하부에 설치되어 있다.

냉각부(170)의 냉각 방식은 특별히 제한되지는 않지만, 일반적으로 소정의 온도로 냉각된 냉각수를 흐르게 하여 퇴적판(160)을 냉각시키는 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 냉각수의 온도는 사용되는 소스가스의 종류에 따라 결정된다. 예를 들어, 소스가스로 사용되는 금속 유기화합물의 응축 온도가 상온 이하인 경우에는 냉각수의 온도를 20℃ 이하로 유지하면 퇴적판(160) 상에 소스가스가 퇴적될 수 있다.

이로써 소스물질 증발부(110)에서 기화되어 제1 챔버(150a) 내로 유입된 소스가스(125)가 제1 챔버(150a) 내에 설치되어 있는 퇴적판(160) 상에 퇴적된다. 여기서, "퇴적"이란 소스가스(125)가 퇴적판(160) 상에 쌓이는 것을 의미하며, 예를 들어, 흡착(adsorption), 응축(condensation) 등의 과정을 통하여 소스가스(125)가 퇴적판(160) 상에 퇴적될 수 있다.

본 발명에서는 퇴적판(160) 상에 퇴적된 소스가스(125)의 양(또는 부피)을 파악할 수 있고 퇴적된 양만큼의 소스가스(125)를 증착 챔버로 공급하여 증착 챔버 내의 증착 압력을 정확하게 제어하는 것을 특징적 구성으로 한다.

퇴적판(160) 상에 퇴적된 소스가스(125)의 양(또는 부피)을 파악할 수 있는 방법에는 다양한 방식이 적용될 수 있다.

첫째, 퇴적판에 흡착된 소스가스의 양을 계산하는 방식으로서, 퇴적판 상에 소스가스가 흡착되는 경우에 적용할 수 있는 방식이다. 즉, 소스가스가 퇴적판의 전면적에 한 층으로 완전히 흡착된다고 하면, 퇴적판이 일정한 면적을 가지고 있고 소스가스의 물리적 특성(예를 들어, 원자당 부피 또는 원자당 질량 등)은 이미 알고 있기 때문에, 퇴적판에 흡착되어 있는 소스가스의 부피를 쉽게 파악할 수 있다. 이 방식은 고체의 퇴적판과 기체의 소스가스 사이에서 일어나는 흡착의 메커니즘, 즉 소스가스가 퇴적판의 전면적에 한 층으로 완전히 흡착된 후에는 추가적으로 흡착이 이루어지지 않는 현상을 이용한 것이다. 따라서, 퇴적판에 흡착되는 소스가스의 부피는 퇴적판의 면적과 퇴적(즉, 흡착) 시간에 비례하며, 일정 시간이 경과하면 소스가스의 흡착양은 포화되어 이 이후에는 퇴적 시간이 증가하여도 소스가스의 흡착양은 변하지 않는다.

퇴적판의 재질은 사용되는 소스가스의 종류에 따라 변할 수 있으며, 퇴적 시간을 줄이기 위하여 가능한 한 소스가스의 흡착이 잘 되는 재질의 퇴적판을 선택하는 것이 바람직하다.

대면적 기판용 증착 시스템의 경우에는 한 배치에 증착 챔버로 공급되는 소스가스의 양이 많은 경우, 예를 들어 대면적 기판용 증착 시스템의 경우에는 제1 챔버(150a) 내에 복수개의 퇴적판을 설치할 수 있다. 또한, 복수개의 퇴적판이 설치되는 경우 제1 챔버(150a)의 부피가 필요 이상으로 커지는 것을 방지하기 위하여 복수개의 퇴적판은 서로 적층된 구조로 설치될 수도 있다.

둘째, 소스가스가 퇴적되어 형성되는 퇴적층의 광학적 성질의 변화를 측정하는 방식으로서, 퇴적판에 소스가스가 한 층 이상으로 계속하여 응축 또는 증착되는 경우에 적용할 수 있는 방식이다. 즉, 소스가스가 퇴적판에 계속 퇴적됨에 따라 퇴적층의 두께가 달라지게 되고 이러한 퇴적층의 두께의 변화는 퇴적층의 광학적 성질(즉, 퇴적층의 투과도)의 변화를 측정하여 파악할 수 있다.

이러한 퇴적층의 광학적 성질의 측정을 위하여 본 발명에서는 제1 챔버(150a)에 광원 및 광 센서(미도시)를 설치할 수 있다. 광원 및 광 센서는 제1 챔버(150a)의 내부나 외부에 설치될 수 있으나 작동의 편의상 제1 챔버(150a)의 외부에 설치되는 것이 바람직하다. 광원 및 광 센서가 제1 챔버(150a) 외부에 설치되는 경우에는 광원으로부터 방출된 소정의 광(예를 들어, 레이저)이 제1 챔버(150a) 내의 퇴적판에 조사되고, 퇴적판에 조사된 광이 퇴적층과 퇴적판을 투과하여 광센서에 도착할 수 있도록 제1 챔버(150a)에는 관측창이 설치될 수 있다.

셋째, 소스가스가 퇴적되는 퇴적판의 질량 변화를 측정하는 방식으로서, 퇴적판에 소스가스가 한 층 이상으로 계속하여 응축 또는 증착되는 경우에 적용할 수 있는 방식이다. 즉, 소스가스가 퇴적판에 계속 퇴적됨에 따라 퇴적판의 질량이 변하게 되고 이러한 퇴적판의 질량 변화를 측정함으로써 퇴적판에 퇴적된 소스가스의 양을 파악할 수 있다.

이러한 퇴적판의 질량 측정을 위하여 본 발명에서는 제1 챔버(150a) 내에 질량 센서(미도시)를 설치할 수 있다.

제1 챔버(150a)에서 소스가스(125)를 퇴적판(160)에 퇴적시킨 후, 퇴적판(160)은 이송 수단(180)에 의해 제2 챔버(150b)로 이송된다.

이송 수단(180)은 특별히 제한되지는 않지만 콘베이어 벨트, 로봇암 등이 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 퇴적판(160)의 이송 도중 퇴적되어 있던 소스가스가 기화되는 것을 방지하기 위하여 이송 도중에도 퇴적 과정시 퇴적판(160)의 온도를 그대로 유지하는 것이 좋다.

도 2를 참조하면, 제1 챔버(150a)의 후단에는 제2 챔버(150b)가 배치되며, 제2 챔버(150b) 내부에는 제1 챔버(150a)로부터 이송된 퇴적판(160)이 안착되는 가 열부(190)가 설치되어 있다.

가열부(190)는 퇴적판(160)을 가열하여 퇴적판(160) 상에 퇴적되어 있는 소스가스(125)를 퇴적판(160)으로부터 분리시키는 역할을 한다. 도 2에 도시된 바에 의할 때 가열부(190)는 제2 챔버(150b) 내부에 설치되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 제2 챔버(150b) 외부에 설치될 수도 있다.

제1 및 제2 챔버(150a, 150b) 각각에는 이송 수단(180)을 통한 퇴적판(160)의 이송을 위하여 도어(182)가 설치되는 것이 바람직하다.

퇴적판(160)으로부터 분리되어 제2 챔버(150b) 내부에 존재하고 있던 소스가스는 전량 제2 챔버(150b) 후단에 배치되는 증착 챔버에 공급된다. 그 결과 증착 챔버에는 정량의 소스가스만 공급되어 증착 압력을 정확하게 제어할 수 있기 때문에 한 배치 내에서 제조되는 박막의 특성, 도핑 농도 등이 기판 전면적에 걸쳐 균일하게 되며, 이러한 균일성은 배치간에도 동일하게 유지될 수 있다.

이하 본 발명에 따른 소스가스 공급장치(100)의 동작을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 소스가스를 공급하기 위해　소스물질(120)이 저장되어 있는 소스물질 증발부(110)의 히터(130)를 동작시킨다. 소스물질 증발부(110)의 온도가 소스물질(120)의 기화 온도에 도달하기 전까지는 모든 밸브(V1~V6)를 폐쇄한 상태로 유지한다.

이후 히터(130)의 계속된 동작에 의해 소스물질 증발부(110)의 온도가 소스물질(120)의 기화 온도에 도달하면, 밸브(V1)를 개방하여 운반가스가 소스물질 증 발부(110)로 유입되도록 한다. 이때, 운반가스는 밸브(V1)의 개폐 여부에 따라 소스물질 증발부(110)를 통과할 수도 있고 통과하지 않을 수도 있으나, 일반적인 소스가스의 이동도를 고려할 때 운반가스가 소스물질 증발부(110)를 통과하도록 하는 것이 바람직하다. 한편, 소스가스의 이동도가 충분한 경우에는 운반가스를 사용하지 않아도 되며 이러한 경우에는 운반가스 공급부(140)를 설치하지 않아도 된다.

밸브(V1)의 개방에 의해 소스물질 증발부(110)로 운반가스가 유입되고, 이어서 밸브(V2)와 밸브(V4)를 개방하면 소스물질 증발부(110)에서 기화된 소스가스가 운반가스와 같이 제1 챔버(150a)로 유입된다. 이때, 소스가스의 흐름을 온 오프로 제어하는 것보다는 배관의 개방 정도를 미세하게 조절하여 소스가스의 흐름을 제어하는 것이 바람직하다.

제1 챔버(150a)의 내부에는 냉각부(160)가 설치되어 있고, 냉각부(160)에는 퇴적판(160)이 탈착 가능하게 설치되어 있다. 퇴적판(160)은 냉각수를 이용하여 동작하는 냉각부(160)에 의해 20℃ 의 온도를 유지하고 있기 때문에, 제1 챔버(150a)로 유입된 소스가스는 제1 챔버(150a)에 설치된 퇴적판(160)에 흡착된다. 일정한 면적의 퇴적판(160)에 소스가스가 완전히 흡착되기 위해서는 소정의 흡착 시간이 필요하며, 흡착 시간 동안에 제1 및 제2 챔버(150a, 150b)를 구분하는 도어(182)를 폐쇄 상태로 유지하여, 소스가스와 운반가스가 제1 챔버(150a)의 외부로 배출되지 않도록 한다.

퇴적판(160)에 소스가스가 퇴적된 후, 콘베이어 벨트 또는 로봇암과 같은 이송 기구를 이용하여 퇴적판(160)을 제2 챔버(150b)로 이송한다. 퇴적판(160)을 이 송하는 도중에도 20℃ 의 온도를 유지하여 퇴적되어 있는 소스가스가 이송도중 기화되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이후, 밸브(V1, V2, V4)를 폐쇄하고 밸브(V6)를 개방하여 제2 챔버(150b) 내에 남아 있는 소스가스와 운반가스를 배출시킨다.

다음으로, 밸브(V6)와 도어(182)를 폐쇄하고 제2 챔버(150b)에 설치되어 있는 가열부(190)를 동작시켜 퇴적판(160)에 흡착되어 있던 소스가스(125)가 탈착되도록 한다.

퇴적판(160)으로부터 소스가스(125)가 모두 탈착되면 밸브(V3, V4) 및 도어를 개방하여 운반가스를 제2 챔버(150b)로 유입시키면서, 밸브(V5)를 개방하면 정량의 소스가스가 증착 챔버로 유입되어 원하는 증착 공정을 수행하게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1은 종래의 기술에 의한 소스가스 공급 장치의 일 실시예의 구성을 나타내는 도면도.

도 2는 본 발명에 의한 소스가스 공급 장치의 일 실시예의 구성을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 소스가스 공급장치

110: 소스물질 증발부

120: 소스물질

130: 히터

140: 운반가스 공급부

150a: 제1 챔버

150b: 제2 챔버

160: 퇴적판

170: 냉각부

180: 이송 수단

182: 도어

190: 가열부

Claims

화학 기상 증착법에 의한 박막 증착시 사용되는 소스가스를 증착 챔버 내로 공급하는 장치로서,

소스물질이 가열되어 소스가스가 되는 소스물질 증발부;

상기 소스가스가 퇴적판 상에 퇴적되는 제1 챔버; 및

상기 제1 챔버에서 퇴적된 소스가스를 상기 퇴적판으로부터 분리시켜 상기 증착 챔버 내로 공급하는 제2 챔버를 포함하며,

상기 퇴적판 상에 퇴적되는 소스가스의 양을 제어하여 상기 증착 챔버 내로 공급되는 소스가스의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 챔버는 상기 퇴적판을 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 챔버는 상기 퇴적판을 가열시키는 가열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버간에는 상기 퇴적판을 이송시키는 이송 수단 이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 퇴적판의 면적에 따라 상기 증착 챔버로 공급되는 소스가스의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
화학 기상 증착법에 의한 박막 증착시 사용되는 소스가스를 증착 챔버 내로 공급하는 방법으로서,

(a) 소스물질 증발부 내에 저장되어 있는 소스물질을 가열하여 소스가스를 만드는 단계;

(b) 소스가스를 제1 챔버로 유입시키는 단계;

(c) 상기 제1 챔버에 유입된 소스가스를 퇴적판에 퇴적시키는 단계;

(d) 상기 소스가스가 퇴적된 퇴적판을 제2 챔버로 이송시키는 단계;

(e) 상기 제2 챔버 내에서 상기 퇴적판으로부터 소스가스를 분리시키는 단계; 및

(f) 상기 퇴적판으로부터 분리된 소스가스를 증착 챔버 내로 공급하는 단계를 포함하며,

상기 퇴적판 상에 퇴적되는 소스가스의 양을 제어하여 상기 증착 챔버 내로 공급되는 소스가스의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서,

상기 퇴적판의 면적에 따라 상기 증착 챔버로 공급되는 소스가스의 양을 제 어하는 것을 특징으로 하는 방법.