KR101028408B1 - 가스분사 유닛 및 이를 구비하는 원자층 증착장치 - Google Patents

Abstract

소스가스를 플라즈마화하여 제공하는 플라즈마 발생부를 구비하고 고정형 서셉터를 구비하는 원자층 증착장치가 개시된다. 원자층 증착장치용 가스분사 유닛은, 수평으로 지지된 기판 상부에 구비되어 상기 기판에 박막을 구성하는 소스 물질을 포함하는 소스가스를 분사하는 소스가스 분사부 및 상기 기판 측부에 구비되어 상기 기판에 상기 소스가스의 퍼지를 위한 퍼지가스를 분사하는 퍼지가스 분사부를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 소스가스 분사부는, 상기 기판으로 제1 소스가스를 분사하는 제1 유로가 형성된 제1 분사체 및 상기 제1 유로 내에 수용되어 승강 이동에 의해 상기 제1 유로를 선택적으로 개폐하고 상기 기판으로 제2 소스가스를 분사하는 제2 유로가 형성된 상기 제2 분사체를 포함하여 구성된다.

원자층 증착장치, ALD, 가스분사 유닛, 플라즈마 발생부

Description

가스분사 유닛 및 이를 구비하는 원자층 증착장치{GAS DISTRIBUTION UNIT AND ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS HAVING THE SAME}

본 발명은 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 플라즈마 소스를 구비하여 반응성을 향상시키고 증착 속도와 품질을 향상시킬 수 있는 원자층 증착장치를 제공하는 것이다.

일반적으로, 반도체 기판이나 글래스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하기 위해서는 스퍼터링(sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)과, 화학 반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등을 이용한 박막 제조 방법이 사용된다.

여기서, 화학 기상 증착법으로는 상압 화학 기상 증착법(atmospheric pressure CVD, APCVD), 저압 화학 기상 증착법(low pressure CVD, LPCVD), 플라즈마 유기 화학 기상 증착법(plasma enhanced CVD, PECVD)등이 있으며, 이 중에서 저온 증착이 가능하고 박막 형성 속도가 빠른 장점 때문에 플라즈마 유기 화학 기상 증착법이 많이 사용되고 있다.

그러나 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐으로써 미세 패턴의 박막이 요구되었고 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커지게 되었다. 이에 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 단원자층 증착 방법(atomic layer deposition, ALD)의 사용이 증대되고 있다.

원자층 증착 방법(ALD)은, 기체 분자들 간의 화학 반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착 방법과 유사하다. 하지만, 통상의 화학 기상 증착(CVD) 방법이 다수의 기체 분자들을 동시에 프로세스 챔버 내로 주입하여 기판의 상방에서 발생된 반응 생성물을 기판에 증착하는 것과 달리, 원자층 증착 방법은 하나의 소스 물질을 포함하는 소스가스를 프로세스 챔버 내로 주입한 후 이를 퍼지(purge)하여 가열된 기판의 상부에 소스가스를 물리적으로 흡착시키고 이후 다른 소스 물질을 포함하는 소스가스를 주입함으로써 기판의 상면에서만 소스가스들이 화학 반응을 일으키도록 하여 화학 반응 생성물을 증착시킨다는 점에서 상이하다. 이러한 원자층 증착 방법을 통해 구현되는 박막은 스텝 커버리지 특성이 매우 우수하며 불순물 함유량이 낮은 순수한 박막을 구현하는 것이 가능한 장점을 갖고 있어 현재 널리 각광받고 있다.

통상적으로 원자층 증착장치는 샤워헤드 또는 서셉터가 고속으로 회전하면서 서로 다른 종류의 소스가스로 이루어진 증착가스가 분사되고, 기판이 순차적으로 증착가스를 통과하면서 기판 표면에 박막이 형성된다. 또한 기존의 원자층 증착장치는 기판이 프로세스 챔버 내로 투입되어 서셉터에 로딩되고, 서셉터가 일정 높이 상승한 상태에서 고속으로 회전하면서 박막이 형성된 후, 증착 공정이 완료되면 서 셉터가 로딩 위치로 재하강하여 기판을 언로딩 한다.

그런데, 기존의 원자층 증착장치는 소스가스의 반응성이 낮아서 소스가스가 기판에 물리적으로 흡착되는 양이 적으며, 이로 인해 증착 시간이 오래 걸리고 생산성이 낮아지는 문제점이 있다. 또한, 기판에 흡착되지 않은 소스가스는 폐기되므로 소스가스의 소모량이 증가하고 생산 비용이 증가하게 된다. 또한, 미반응 소스가스가 챔버 내에 잔류하는 경우에는 서셉터 또는 샤워헤드의 회전에 의해 기판 표면이 아닌 챔버 내에서 서로 혼합되면서 반응에 의한 부산물로 파티클이 발생할 수 있는데, 이러한 파티클은 불량의 원인이 될 수 있으며 증착된 막의 품질에 악영향을 미치는 문제점이 있다.

또한, 기존의 원자층 증착장치는 서셉터의 고속 회전에 의해 기판의 이동 방향에 따라 박막의 두께와 막질이 국소적으로 불량해지는 문제점이 있다. 즉, 서셉터의 고속 회전으로 인해 서셉터 상부의 증착 가스의 밀도 차가 발생하게 된다. 또한, 원형의 서셉터의 원주를 따라 수평으로 지지된 기판이 서셉터의 중심을 기준으로 공전하면서 증착가스가 분사되는 부분을 통과하게 되는데, 기판이 증착가스가 분사되는 영역을 먼저 통과하는 부분과 나중에 통과하는 부분에 증착되는 박막의 두께와 막질이 불균일해지는 문제점이 있다. 또한, 원심력에 의해 서셉터의 테두리 쪽에 배치된 기판의 에지 부분에 증착되는 박막의 두께가 더 두꺼워지는 현상이 발생한다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 소스가스의 반응성을 향상시킨 원자층 증착 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 서셉터의 고속 회전으로 인한 박막의 두께와 막질이 불량해지는 문제점을 해결할 수 있는 원자층 증착장치를 제공하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 소스가스를 플라즈마화하여 제공하는 플라즈마 발생부를 갖는 원자층 증착장치용 가스분사 유닛은, 수평으로 지지된 기판 상부에 구비되어 상기 기판에 박막을 구성하는 소스 물질을 포함하는 소스가스를 분사하는 소스가스 분사부 및 상기 기판 측부에 구비되어 상기 기판에 상기 소스가스의 퍼지를 위한 퍼지가스를 분사하는 퍼지가스 분사부를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 소스가스 분사부는, 상기 기판으로 제1 소스가스를 분사하는 제1 유로가 형성된 제1 분사체 및 상기 제1 유로 내에 수용되어 승강 이동에 의해 상기 제1 유로를 선택적으로 개폐하고 상기 기판으로 제2 소스가스를 분사하는 제2 유로가 형성된 상기 제2 분사체를 포함하여 구성된다.

상기 제1 유로와 상기 제2 분사체는 상기 기판을 향해 단면적이 점차 증가되는 종형 또는 깔대기 형태를 가질 수 있다. 여기서, 상기 제2 분사체에 상기 제2 소스가스를 공급하는 유로 상에 구비되어 상기 제2 분사체에 상기 제2 소스가스를 단속적으로 유입시키는 밸브부가 구비될 수 있다. 또한, 상기 제1 분사체와 상기 제2 분사체 사이에 개재되어 상기 제1 유로의 상부를 밀폐하여 상기 제1 소스가스의 유출을 방지하는 실링부가 구비될 수 있다.

상기 퍼지가스 분사부는 사방으로 상기 퍼지가스를 분사하도록 형성된다. 또한, 상기 퍼지가스 분사부는 샤워헤드(showerhead), 노즐, 에어 나이프(air knife) 중 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른, 실시예들에 따르면, 소스가스를 플라즈마화하여 제공하는 플라즈마 발생부를 갖는 원자층 증착장치는, 다수의 기판이 수용되어 증착 공정이 수행되는 공간을 제공하는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내에 구비되어 상기 다수의 기판이 수평 방향으로 안착되는 서셉터, 상기 다수의 기판에 일대일 대응되게 상기 서셉터 상부에 구비되며 상기 기판으로 박막을 구성하는 소스 물질을 포함하는 소스가스를 분사하는 소스가스 분사부, 상기 서셉터 중앙에 구비되어 상기 기판으로 상기 소스가스의 퍼지를 위한 퍼지가스를 분사하는 퍼지가스 분사부 및 상기 프로세스 챔버 내부에서 상기 소스가스 분사부와 상기 서셉터 사이에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부를 포함하여 구성된다.

상기 플라즈마 발생부는 평행한 한 쌍의 전극 사이의 전기장에 의해 정전결합성 플라즈마(capacitively coupled plasma, CCP)를 발생시키도록 형성된다. 예를 들어, 상기 플라즈마 발생부는, 상기 소스가스 분사부에 구비된 제1 전극, 상기 제1 전극과 평행하게 상기 서셉터에 구비된 제2 전극 및 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 고주파 전원을 인가하는 전원 공급부를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 전원 공급부는 상기 제1 및 제2 전극에 서로 다른 주파수 대의 고주파 전원을 각각 인가하는 이중 주파수(dual frequency) 방식이 사용될 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 발생부는 상기 각 기판에 개별적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 상기 기판의 수와 일대일 대응되는 다수의 제1 및 제2 전극이 구비되고, 상기 제1 전극은 상기 각 소스가스 분사부에 각각 구비되고, 상기 제2 전극은 상기 기판이 각각 안착될 수 있다.

상기 프로세스 챔버 중앙 상부에는 상기 프로세스 챔버 내부의 배기가스를 흡입하여 배출시키는 배기부가 구비된다. 그리고 상기 소스가스 분사부는, 상기 기판으로 제1 소스가스를 제공하는 제1 유로가 형성된 제1 분사체, 상기 제1 유로 내에 수용되어 승강 이동에 의해 상기 제1 유로를 선택적으로 개폐하고 상기 기판으로 제2 소스가스를 제공하는 제2 유로가 형성된 상기 제2 분사체, 상기 제1 유로와 상기 배기부를 연결시키는 제3 유로 및 상기 제3 유로에 구비되어 상기 제3 유로를 개폐하는 개폐부를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 개폐부는 상기 제2 분사체와 동시에 승강 이동하도록 구비될 수 있다.

상기 퍼지가스 분사부는 상기 서셉터의 중앙 부분에 구비되어 사방으로 상기 퍼지가스를 분사하도록 형성된다. 예를 들어, 상기 퍼지가스 분사부는 원형 단면 또는 상기 기판의 수에 일대일 대응되는 모서리를 갖는 다각형 단면 중 어느 하나의 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 퍼지가스 분사부는 샤워헤드(showerhead), 노즐, 에어 나이프(air knife) 중 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.

상기 서셉터는 상기 기판이 수평으로 안착되는 지지 블록을 포함하고, 상기 서셉터는 상기 다수의 기판이 하나의 지지 블록에 안착되거나 또는 한 장의 기판이 각각 안착되는 다수의 지지 블록으로 형성될 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 첫째, 소스가스를 제공하는 가스분사 유닛과 서셉터에 플라즈마 발생부를 구비하여 기판에 플라즈마를 발생시키므로 소스가스의 반응성을 향상시키고 증착 속도와 막질을 향상시킬 수 있다.

둘째, 기판을 회전시키지 않고 고정된 상태로 증착 공정이 수행되므로 기판 또는 서셉터의 회전으로 인한 박막의 두께와 막질이 불량해지는 문제를 방지할 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.

이하에서는, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 원자층 증착장치(100)에 대해 상세히 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치(100)의 종단면도이고, 도 2는 도 1의 원자층 증착장치(100)에서 서셉터(102)의 일 예를 설명하기 위한 사시도이다. 또한, 도 3은 도 1의 원자층 증착장치(100)에서 가스분사 유닛(103)의 일 예를 설명하기 위한 평면 도이다. 또한, 도 4와 도 5는 도 3의 가스분사 유닛(103)의 일 예의 구조와 동작을 설명하기 위한 요부 사시도들이고, 도 6과 도 7은 도 4와 도 5의 가스분사 유닛(103)의 변형 실시예의 구조와 동작을 설명하기 위한 단면도들이다. 그리고 도 8은 도 1의 원자층 증착장치(100)에서 플라즈마 발생부(122, 132)의 일 예를 설명하기 위한 요부 사시도이다.

도 1을 참조하면, 원자층 증착장치(100)는 프로세스 챔버(101), 서셉터(102), 가스분사 유닛(103) 및 플라즈마 발생부(122, 132)를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따르면, 상기 서셉터(102)와 상기 가스분사 유닛(103)은 서로에 대해 고정 형성되고, 상기 플라즈마 발생부(122, 132)는 상기 각 기판(10) 상부에 플라즈마를 발생시키도록 형성된다.

상기 프로세스 챔버(101)는 다수의 기판(10)을 수용하여 상기 기판(10) 표면에 소정의 박막을 증착하는 공간을 제공한다. 여기서, 상기 원자층 증착장치(100)는 진공에 가까운 저압 분위기에서 증착 공정이 수행되므로 상기 프로세스 챔버(101)는 진공을 유지할 수 있는 밀폐 구조를 갖는다.

이하에서는 4 장의 기판(10)이 수용되어 증착 공정이 수행되는 원자층 증착장치(100)를 예로 들어 설명한다. 그러나 상기 원자층 증착장치(100)에 동시에 수용되는 기판(10)의 수는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.

상기 기판(10)은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)일 수 있다. 그러나 본 발명의 대상이 실리콘 웨이퍼에 한정되는 것은 아니며, 상기 기판(10)은 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel)와 같은 평판 디스플레이 장치용으로 사용하는 유리를 포함하는 투명 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(10)은 형상 및 크기가 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 원형 및 사각형 등 실질적으로 다양한 형상과 크기를 가질 수 있다.

상기 서셉터(102)는 상기 프로세스 챔버(101) 내에 구비되어 상기 다수의 기판(10)이 수평 방향으로 안착된다.

상기 가스분사 유닛(103)은 상기 서셉터(102)에 안착된 상기 기판(10) 표면으로 증착가스를 제공한다.

여기서, 증착가스는 박막을 증착하는 공정에서 사용되는 가스들을 말하는 것으로, 상기 기판(10)에 증착시키고자 하는 박막을 구성하는 소스 물질을 포함하는 한 종류 이상의 가스와 상기 가스의 퍼지를 위한 가스를 포함한다. 본 실시예에서는 박막을 구성하는 소스 물질을 포함하고 상기 기판(10)에 물리적으로 흡착되는 제1 소스가스(S1)와 상기 제1 소스가스(S1)와 화학적으로 반응하여 박막을 형성하는 제2 소스가스(S2) 및 상기 기판(10), 상기 제1 소스가스(S1), 상기 제2 소스가스(S2) 및 증착된 박막과 화학적으로 반응하지 않는 안정한 퍼지가스(PG)가 사용된다. 예를 들어, 실리콘 박막을 증착하기 위해서 상기 제1 소스가스(S1)는 실리콘을 포함하는 실란(Silane, SiH4) 또는 디실란(Disilane, Si2H6), 4불화 실리콘(SiF4) 중 어느 하나의 가스를 사용하고, 상기 제2 소스가스(S2)는 산소(O2)나 오존(O3) 가스를 사용할 수 있다. 그리고 상기 퍼지가스(PG)는 아르곤(Ar)이나 질소(N2), 헬륨(He) 중 어느 하나의 가스 또는 둘 이상 혼합된 가스를 사용할 수 있 다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 증착가스의 수와 종류는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.

여기서, 상기 가스분사 유닛(103)은 상기 제1 및 제2 소스가스(S1, S2)를 제공하는 소스가스 분사부(131)와 상기 퍼지가스(PG)를 제공하는 퍼지가스 분사부(133)로 이루어진다.

상기 소스가스 분사부(131)는 상기 프로세스 챔버(101) 상부에서 상기 서셉터(102) 상부에 구비되어 상기 기판(10)으로 상기 제1 및 제2 소스가스(S1, S2)를 분사하도록 형성된다. 그리고 상기 퍼지가스 분사부(133)는 상기 서셉터(102)에 구비되어 상기 퍼지가스(PG)를 분사하도록 형성된다.

상기 가스분사 유닛(103)에는 상기 가스분사 유닛(103)으로 증착가스를 공급하는 가스 공급부가 구비된다. 예를 들어, 상기 가스 공급부는 상기 제1 소스가스(S1)를 공급하는 제1 공급원(141)과 상기 제2 소스가스(S2)를 공급하는 제2 공급원(142), 그리고, 상기 퍼지가스(PG)를 공급하는 제3 공급원(143)으로 이루어진다. 그리고 상기 제1 및 제2 공급원(141, 142)은 상기 소스가스 분사부(131)에 연결되고, 상기 제3 공급원(143)은 상기 퍼지가스 분사부(133)에 연결된다.

한편, 도 1에는 하나의 소스가스 분사부(131)에만 상기 제1 및 제2 공급원(141, 142)이 연결된 것으로 도시하였으나, 모든 소스가스 분사부(131)에 상기 제1 및 제2 공급원(141, 142)이 연결되어 있음은 쉽게 이해 가능할 것이다.

한편, 본 발명에 따르면 상기 서셉터(102) 및 상기 가스분사 유닛(103)은 서로에 대해 고정되게 형성되고, 상기 가스분사 유닛(103)은 상기 기판(10)에 일대일 대응되는 다수의 소스가스 분사부(131)와 상기 서셉터(102) 중앙의 하나의 퍼지가스 분사부(133)로 이루어진다.

상기 서셉터(102)와 상기 가스분사 유닛(103)에는 상기 기판(10)에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부(122, 132)가 구비된다. 여기서, 원자층 증착 공정을 위해 유지되는 상기 프로세스 챔버(101) 내부의 압력 조건에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록, 상기 플라즈마 발생부(122, 132)는 정전결합성 플라즈마(capacitively coupled plasma, CCP)를 발생시키게 된다.

즉, 상기 플라즈마 발생부(122, 132)는 상기 기판(10)을 사이에 두고 상기 소스가스 분사부(131)에 구비된 제1 전극(132)과 상기 서셉터(102)에 구비되어 상기 기판(10)이 안착된 제2 전극(122)으로 이루어진다. 그리고 상기 제1 전극(132)과 상기 제2 전극(122) 사이의 전압차에 따른 전기장에 의해 상기 증착가스가 플라즈마 상태가 된다.

또한, 상기 플라즈마 발생부(122, 132)는 상기 제1 및 제2 전극(132, 122)에 고주파 전원을 인가하는 전원 공급부(151, 152)가 구비되며, 특히, 상기 전원 공급부(151, 152)는 상기 제1 및 제2 전극(132, 122)에 서로 다른 주파수 대의 고주파 전원을 인가하는 이중 주파수(dual frequency) 방식으로 플라즈마를 발생시키게 된다. 예를 들어, 상기 전원 공급부(151, 152)는 상기 제1 및 제2 전극(132, 122) 중 하나에는 27.12 ㎒의 고주파 전원이 인가되고, 다른 하나의 전극에는 13.56 ㎒의 고주파 전원이 인가된다.

여기서, 상기 프로세스 챔버(101)의 중앙 상부에는 상기 프로세스 챔버(101) 내부의 배기가스를 흡입하여 배출시키는 배기부(135)가 구비된다. 예를 들어, 상기 배기부(135)는 상기 소스가스 분사부(131)가 형성된 상기 프로세스 챔버(101) 상면에 구비되며, 특히, 상기 다수의 기판(10)에서 균일하게 배기가스를 배출시킬 수 있도록 상기 프로세스 챔버(101)의 중앙 상부에 구비된다. 예를 들어, 상기 배기부(135)는 다수의 배기홀(351)과 상기 배기홀(351)에서 흡입된 배기가스의 유로가 되는 배기 버퍼(352, 도 6, 도 7 참조)로 이루어지고, 상기 배기 버퍼(352)의 일측에는 상기 배기 버퍼(352) 내부의 배기가스를 배출시키는 배기 펌프(136)이 구비된다.

도 2를 참조하면, 상기 서셉터(102)는 상기 기판(10)이 수평으로 안착될 수 있도록 평편한 상면을 갖고 소정 직경을 갖는 원형 플레이트 형상을 갖는 지지 블록(121)과 상기 지지 블록(121) 하부에 구비되어 상기 지지 블록(121)을 지지하는 구동축(125)으로 이루어진다. 또한, 상기 4 장의 기판(10)이 상기 서셉터(102)의 원주 방향을 따라 90° 간격으로 안착된다.

여기서, 상기 서셉터(102)의 형상이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 실질적으로 다양한 형태를 가질 수 있다. 또한, 도면에서는 상기 서셉터(102)는 하나의 지지 블록(121)으로 이루어지고 상기 4 장의 기판(10)이 하나의 지지 블록(121)에 안착된 예를 설명하였으나, 상기 서셉터(102)는 상기 한 장의 기판(10)이 각각 안착되는 다수의 서셉터(102)가 구비되는 것도 가능하다.

상기 서셉터(102) 중앙에는 상기 기판(10)으로 퍼지가스(PG)를 분사하기 위한 퍼지가스 분사부(133)가 구비된다.

상기 퍼지가스 분사부(133)는 상기 서셉터(102) 중앙에서 구비되어 상기 서셉터(102)의 원주 방향을 향해 상기 퍼지가스(PG)를 제공하도록 형성된다. 예를 들어, 상기 퍼지가스 분사부(133)는 상기 방사상으로 배치된 기판(10)으로 상기 퍼지가스(PG)를 제공하도록 원형 단면을 갖고 내부에 상기 퍼지가스(PG)의 유로가 형성된 중공형 기둥 형태를 가지며 상기 퍼지가스 분사부(133)의 외주면 상에 조밀하게 퍼지가스 퍼지홀(331)이 형성된다. 또한, 상기 퍼지가스 분사부(133)는 상기 서셉터(102) 표면에서 소정 높이를 갖는 원통 형태를 갖는다.

그리고 상기 구동축(125)을 통해 상기 제3 공급원(143)에서 상기 퍼지가스 분사부(133)로 상기 퍼지가스(PG)가 공급된다.

그러나 상기 퍼지가스 분사부(133)의 형태는 도면에 한정되는 것은 아니며, 상기 퍼지가스 분사부(133)는 단면이 다각형을 포함하여 실질적으로 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 퍼지가스 분사부(133)는 상기 기판(10)을 마주보는 부분이 평면이 되도록 정육각형 단면을 갖는 기둥 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 퍼지홀(331)의 크기나 개수 및 배치 형태는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 실질적으로 다양한 형태로 배치될 수 있으며 원형이나 다각형 홀 또는 슬릿 형태를 가질 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 상기 퍼지가스 분사부(133)가 다수의 홀이 표면에 조밀하게 형성된 샤워헤드(showerhead) 형태를 갖는 예를 설명하였으나, 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 퍼지가스 분사부(133)는 노즐이나 에어 나이프(air knife) 형태를 가질 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 소스가스 분사부(131)는 상기 기판(10)과 일대일 대응되어 상기 기판(10)으로 각각 상기 제1 및 제2 소스가스(S1, S2)를 분사하도록 게 다수의 소스가스 분사부(131)가 구비된다.

도 4 내지 도 5를 참조하면, 상기 소스가스 분사부(131)는 상기 제1 소스가스(S1)의 유로(이하, 제1 유로(341)라 한다)가 형성된 제1 분사체(311)와 상기 제2 소스가스(S2)의 유로(이하, 제2 유로(342)라 한다)가 형성된 제2 분사체(312)로 이루어진다. 그리고 상기 제1 유로(341)에는 상기 제1 공급원(141)이 연결되어 상기 제1 소스가스(S1)가 분사되고, 상기 제2 유로(342)에는 상기 제2 공급원(142)이 연결되어 상기 제2 소스가스(S2)가 분사된다.

특히, 상기 제2 분사체(312)는 상기 제1 유로(341) 내에 구비되어 승강 이동에 의해 상기 제1 유로(341)를 선택적으로 개폐하게 된다.

상세하게는, 상기 제1 분사체(311)의 내측면과 상기 제2 분사체(312)의 외측면 사이의 간극이 상기 제1 유로(341)가 되고, 상기 제2 분사체(312)의 이동에 의해 상기 제2 분사체(312)가 상기 제1 분사체(311) 내측면에 밀착되면서 상기 제1 유로(341)가 폐쇄된다. 예를 들어, 상기 제2 분사체(312)는 상기 기판(10)을 향해 단면적이 점차 증가되는 종형 또는 깔대기 형태를 가질 수 있다. 그리고 상기 제2 유로(342)는 상기 제2 분사체(312)를 관통하여 상기 제2 분사체(312)의 하면에서 상기 제2 소스가스(S2)가 분사되도록 형성되고, 상기 제2 분사체(312)의 상부에서 상기 제2 공급원(142)이 연결된다.

상기 제2 분사체(312)는 상기 제1 유로(341) 내부에서 상하로 이동 가능하게 형성되는데, 상기 제2 분사체(312)의 상부를 통해 상기 제1 유로(341) 내부의 상기 제1 소스가스(S1)가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 실링부(315)가 구비된다. 여기서, 상기 실링부(315)는 상기 제2 분사체(312)의 이동에 의해 신축 가능한 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 실링부(315)는 상기 제1 유로(341)의 일측과 상기 제2 분사체(312)의 상부 일측에 연결되어 상기 제1 유로(341)를 밀폐시키고 신축 가능한 가스켓(gasket)일 수 있다.

상기 소스가스 분사부(131)의 동작을 간단하게 설명하면 다음과 같다.

도 4에 도시한 바와 같이, 상기 제2 분사체(312)가 하부로 이동하면 상기 제1 분사체(311)와 상기 제2 분사체(312) 사이에 소정의 간극, 즉, 상기 제1 유로(341)가 개방되면서 상기 제1 유로(341)를 통해 상기 제1 소스가스(S1)가 분사된다.

그리고 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 제2 분사체(312)가 상부로 이동하여 상기 제1 및 제2 분사체(311, 312)가 밀착되면 상기 제1 유로가 폐쇄되어 상기 제1 소스가스(S1)의 분사가 중단된다.

여기서, 상기 제1 소스가스(S1)는 상기 제2 분사체(312)의 승강 이동에 의해 단속적으로 분사되는 데 반해, 상기 제2 소스가스(S2)는 지속적으로 분사된다.

한편, 상술한 실시예와는 달리 상기 제1 소스가스(S1)와 상기 제2 소스가스(S2)가 교번적으로 분사되도록 상기 제2 소스가스(S2)를 단속적으로 분사할 수 있다.

예를 들어, 도 6과 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 제2 공급원(142)이 상기 제2 분사체(312)에 연결되어 상기 제2 소스가스(S2)를 공급하는 유로 상에는 상기 제2 소스가스(S2)의 공급을 선택적으로 단속시키기 위한 밸브부(345)가 구비된다. 그리고, 상기 제1 소스가스(S1)의 공급과 교번적으로 상기 제2 소스가스(S2)가 공급될 수 있도록 상기 제2 소스가스(S2)의 공급은 단속적으로 개폐하게 된다.

또한, 상기 제1 소스가스(S1)는 상기 제1 유로(341)가 폐쇄된 동안에는 상기 제1 소스가스(S1)의 공급을 중단시키거나 상기 제1 소스가스(S1)를 다른 곳으로 유동시킬 필요가 있다. 예를 들어, 상기 제1 공급원(141)이 상기 제1 유로(341)에 연결되어 상기 제1 소스가스(S1)를 공급하는 유로 상에 개폐를 위한 소정의 밸브(미도시)를 구비하여, 상기 제1 유로(341)가 폐쇄되었을 때는 상기 제1 소스가스(S1)의 공급을 중단할 수 있다. 그러나, 증착 공정에서 소스가스는 매우 짧은 주기로 수천 번 단속되는데 밸브를 통해 이러한 소스가스의 단속을 제어하기는 어려울 수 있으며 정밀하게 제어하기 어려운 문제점이 있다.

이러한 제1 소스가스(S1)의 단속 제어를 위해 본 실시예에서는, 도 6과 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 배기부(135)와 상기 제1 유로(341)를 연통시키는 제3 유로(343)와 소스 배기홀(353)을 형성하고, 상기 제3 유로(343) 상에 상기 제3 유로(343)를 개폐하는 개폐부(346)가 구비될 수 있다.

여기서, 상기 개폐부(346)는 상기 제2 분사체(312)와 동시에 상하로 승강 이동 가능하도록 형성된다. 도면에서 미설명 도면부호 '347'은 상기 제2 분사체(312)와 상기 개폐부(346)를 동시에 승강 이동시키기 위한 구동부(347)이다.

즉, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 제2 분사체(312)가 하부로 이동하여 상 기 제1 유로(341)가 개방되면 상기 개폐부(346) 역시 하부로 이동함에 따라 상기 제3 유로(343)가 폐쇄된다. 그리고 상기 제1 유로(341)로 공급되는 상기 제1 소스가스(S1)는 상기 제1 유로(341)를 통해 상기 기판(10)으로 분사된다. 여기서, 상기 제2 분사체(312)가 하부로 이동하면 상기 밸브부(345)가 폐쇄되어 상기 제2 소스가스(S2)의 분사를 중단시킨다.

그리고, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 제2 분사체(312)가 상부로 이동하여 상기 제1 유로(341)가 폐쇄되면 상기 개폐부(346) 역시 상부로 이동함에 따라 상기 제3 유로(343)가 개방되면서, 상기 제1 유로(341)로 공급되는 상기 제1 소스가스(S1)는 상기 제3 유로(343)를 통해 상기 배기 버퍼(352)로 유입되어 배출된다. 여기서, 상기 제2 분사체(312)가 상부로 이동하면 상기 밸브부(345)가 개방되어 상기 제2 유로(342)를 통해 상기 제2 소스가스(S2)가 분사된다.

그러나 상기 개폐부(346)의 형태와 위치가 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 상기 제3 유로(343)를 개폐할 수 있는 실질적으로 다양한 형상을 가질 수 있다.

한편, 도 8을 참조하면, 상기 플라즈마 발생부(122, 132)는 상기 프로세스 챔버(101) 내부에 구비되어 상기 기판(10) 상부에 플라즈마를 발생시킴으로써 상기 증착가스의 반응성을 향상시키고 증착 속도와 막질을 향상시킬 수 있다.

상기 플라즈마 발생부(122, 132)는 상기 기판(10)에 용량결합성 플라즈마를 발생시키도록 서로 평행한 한 쌍의 평판형 전극인 제1 전극(132)과 제2 전극(122)으로 이루어지고, 이중 주파수 방식으로 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 상기 제1 전극(132) 및 상기 제2 전극(122)에 고주파 전원을 인가하는 전원 공급부(151, 152)로 이루어진다.

상기 제1 전극(132)은 상기 소스가스 분사부(131)에 구비되고, 상기 제2 전극(122)은 상기 제1 전극(132)과 대향되도록 상기 서셉터(102)에 구비된다. 특히, 상기 플라즈마 발생부(122, 132)는 상기 기판(10)에 개별적으로 각각 플라즈마를 발생시키도록 형성된다. 즉, 상기 제1 및 제2 전극(132, 122)은 상기 기판(10)과 일대일 대응되게 다수 개가 구비되며, 상기 제1 전극(132)은 상기 각 소스가스 분사부(131)에 구비되고, 상기 제2 전극(122)은 상기 기판(10)이 각각 안착된다.

상기 플라즈마 발생부(122, 132)는 상기 제1 전극(132)에 소정 주파수대의 고주파 전원이 인가되고, 상기 제2 전극(122)에 다른 주파수대의 고주파 전원이 인가되면, 상기 제1 및 제2 전극(132, 122) 사이의 전압차에 의해 소정의 전기장이 형성되고 이와 같은 전기장에 의해 상기 기판(10) 상부에는 플라즈마(P)가 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 전극(132, 122) 중 하나의 전극에는 27.12 ㎒의 고주파 전원이 인가되고, 다른 하나의 전극에는 13.56 ㎒의 고주파 전원이 인가된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치의 종단면도;

도 2는 도 1의 원자층 증착장치에서 서셉터의 일 예를 설명하기 위한 사시도;

도 3은 도 1의 원자층 증착장치에서 소스가스 분사부의 일 예를 설명하기 위한 평면도;

도 4와 도 5는 도 3의 소스가스 분사부의 구조 및 동작을 설명하기 위한 요부 사시도들;

도 6과 도 7은 도 4와 도 5의 변형 실시예에 따른 소스가스 분사부의 구조 및 동작을 설명하기 위한 단면도들;

도 8은 도 1의 원자층 증착장치에서 플라즈마 발생부의 일 예를 설명하기 위한 요부 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 기판 100: 원자층 증착장치

101: 프로세스 챔버 102: 서셉터

103: 가스분사 유닛 104: 가스 공급부

121: 지지 블록 122: 제2 전극

125: 구동축 131: 소스가스 분사부

132: 제1 전극 133: 퍼지가스 분사부

135: 배기부 136: 배기 펌프

141: 제1 공급원 142: 제2 공급원

143: 제3 공급원 151, 152: 전원 공급부

311, 312: 분사체 315: 실링부

331: 퍼지홀 341: 제1 유로

342: 제2 유로 343: 제3 유로

345: 밸브부 346: 개폐부

347: 구동부 351: 배기홀

352: 배기 버퍼 353: 소스 배기홀

P: 플라즈마 PG: 퍼지가스

S1, S2: 소스가스

Claims (15)

1. 원자층 증착장치용 가스분사 유닛에 있어서,

   수평으로 지지된 기판 상부에 구비되어 상기 기판에 박막을 구성하는 소스 물질을 포함하는 소스가스를 분사하는 소스가스 분사부; 및

   상기 기판 측부에 구비되어 상기 기판에 상기 소스가스의 퍼지를 위한 퍼지가스를 분사하는 퍼지가스 분사부;

   를 포함하고,

   상기 소스가스 분사부는,

   상기 기판으로 제1 소스가스를 분사하는 제1 유로가 형성된 제1 분사체; 및

   상기 제1 유로 내에 수용되어 승강 이동에 의해 상기 제1 유로를 선택적으로 개폐하고 상기 기판으로 제2 소스가스를 제공하는 제2 유로가 형성된 상기 제2 분사체;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치용 가스분사 유닛.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 유로와 상기 제2 분사체는 상기 기판을 향해 단면적이 점차 증가되는 종형 또는 깔대기 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치용 가스분사 유닛.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 분사체에 상기 제2 소스가스를 공급하는 유로 상에 구비되어 상기 제2 분사체에 상기 제2 소스가스를 단속적으로 공급하는 밸브부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치용 가스분사 유닛.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 분사체와 상기 제2 분사체 사이에 개재되어 상기 제1 유로의 상부를 밀폐하여 상기 제1 소스가스의 유출을 방지하는 실링부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치용 가스분사 유닛.
5. 제1항에 있어서,

   상기 퍼지가스 분사부는 사방으로 상기 퍼지가스를 분사하도록 형성된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치용 가스분사 유닛.
6. 제5항에 있어서,

   상기 퍼지가스 분사부는 샤워헤드(showerhead), 노즐, 에어 나이프(air knife) 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치용 가스분사 유닛.
7. 다수의 기판이 수용되어 증착 공정이 수행되는 공간을 제공하는 프로세스 챔버;

   상기 프로세스 챔버 내에 구비되어 상기 다수의 기판이 수평 방향으로 안착되는 서셉터;

   상기 다수의 기판에 일대일 대응되게 상기 서셉터 상부에 구비되며 상기 기판으로 박막을 구성하는 소스 물질을 포함하는 소스가스를 분사하는 소스가스 분사부;

   상기 서셉터 중앙에 구비되어 상기 기판으로 상기 소스가스의 퍼지를 위한 퍼지가스를 분사하는 퍼지가스 분사부; 및

   상기 프로세스 챔버 내부에서 상기 소스가스 분사부와 상기 서셉터 사이에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부;

   를 포함하고,

   상기 플라즈마 발생부는,

   평행한 한 쌍의 전극 사이의 전기장에 의해 정전결합성 플라즈마(capacitively coupled plasma, CCP)를 발생시키고, 각 기판에 개별적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 상기 기판의 수와 일대일 대응되는 다수의 제1 및 제2 전극이 구비되고,

   상기 제1 전극은 상기 각 소스가스 분사부에 각각 구비되고,

   상기 제2 전극은 상기 제1 전극과 평행하게 상기 서셉터에 구비되어 상기 기판이 각각 안착되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극에 고주파 전원을 인가하는 전원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
9. 제7항에 있어서,

   상기 전원 공급부는 상기 제1 및 제2 전극에 서로 다른 주파수 대의 고주파 전원을 각각 인가하는 이중 주파수(dual frequency) 방식인 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
10. 삭제
11. 제7항에 있어서,

    상기 프로세스 챔버 중앙 상부에는 상기 프로세스 챔버 내부의 배기가스를 흡입하여 배출시키는 배기부가 구비되고,

    상기 소스가스 분사부는,

    상기 기판으로 제1 소스가스를 제공하는 제1 유로가 형성된 제1 분사체; 및

    상기 제1 유로 내에 수용되어 승강 이동에 의해 상기 제1 유로를 선택적으로 개폐하고 상기 기판으로 제2 소스가스를 제공하는 제2 유로가 형성된 상기 제2 분사체;

    상기 제1 유로와 상기 배기부를 연결시키는 제3 유로; 및

    상기 제3 유로에 구비되어 상기 제3 유로를 개폐하는 개폐부;

    를 포함하고,

    상기 개폐부는 상기 제2 분사체와 동시에 승강 이동하도록 구비된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
12. 제7항에 있어서,

    상기 퍼지가스 분사부는 상기 서셉터의 중앙 부분에 구비되어 사방으로 상기 퍼지가스를 분사하도록 형성된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 퍼지가스 분사부는 원형 단면 또는 상기 기판의 수에 일대일 대응되는 모서리를 갖는 다각형 단면 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
14. 제12항에 있어서,

    상기 퍼지가스 분사부는 샤워헤드(showerhead), 노즐, 에어 나이프(air knife) 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
15. 제7항에 있어서,

    상기 서셉터는 상기 기판이 수평으로 안착되는 지지 블록을 포함하고, 상기 서셉터는 상기 다수의 기판이 하나의 지지 블록에 안착되거나 또는 한 장의 기판이 각각 안착되는 다수의 지지 블록으로 형성된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.

Images