KR101145118B1 - 박막 제조 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법 - Google Patents

박막 제조 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 박막제조장치는 반응 챔버; 반응 챔버에 설치되고 다수의 기판이 안착되는 기판 지지부; 복수의 가스를 독립적으로 기판에 각각 분사하는 복수의 가스 분사부를 포함하는 가스 분사 수단; 및 기판 지지부 또는 가스 분사 수단 중 하나는 회전하며, 복수의 가스 분사부 중 적어도 어느 하나의 분사기는 플라즈마화된 반응가스를 분사하는 분사기를 포함한다.
본 발명에 따른 박막 증착 방법은 반응챔버 내에 안착되어 있는 다수의 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법으로서, 가스 분사 수단의 각각에 복수의 가스를 공급하는 단계; 복수의 가스 중 적어도 어느 하나에 플라즈마 발생을 위한 전원을 공급하는 단계; 및 반응 챔버의 내부를 복수의 공간으로 분할하여 각각의 상기 복수의 가스를 분사하는 단계;를 포함한다.
반응 챔버 내에 소스 가스, 퍼지 가스 및 반응가스를 동시에 공급할 수 있는 가스 분사 수단을 제안하고, 플라즈마에 의해 활성화된 반응 가스를 공급할 수 있어, 소스 가스와 반응 가스 간의 반응 속도를 향상시켜 막의 증착률을 향상시킬 수 있다.

Description

박막 제조 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법{Thin film manufacturing apparatus and thin film deposition method using the same}
본 발명은 박막 제조 장치에 관한 것으로, 특히 원자층 증착을 이용한 박막 증착에 있어서 플라즈마를 발생시켜 원자층 증착 시간을 줄일 수 있는 박막 제조 장치에 관한 것이다.
원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD) 기술은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 기술과 달리 반응 원료를 각각 분리하여 공급하는 방식으로 한 사이클(Cycle) 증착 시에 표면 반응에 의해 모노레이어(Monolayer) 이하의 박막이 성장하게 된다.
이러한 원자층 증착 기술은 박막을 구성하는 화학종들(소스 및 반응가스)이 시간차를 두고 번갈아 공급된다. 즉, 일 화학종이 반응 챔버에 공급되어 웨이퍼 상에 일 화학종으로 구성된 원자층이 형성된 후, 타 화학종이 반응 챔버에 공급되어 원자층이 적층된다.
도 1은 종래의 원자층 증착 기술을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 모노레이어를 형성하기 위한 한 싸이클은 먼저, 소스 가스를 공급하여 웨이퍼 상에 소스 원자층을 형성하는 1 단계와, 소스 가스의 공급을 차단한 다음, 퍼지가스를 공급하여 챔버 내부의 소스가스를 퍼지하는 2 단계와, 퍼지 가스의 공급을 차단한 다음, 반응 가스를 공급하여 웨이퍼 상의 소스 원자층과 반응을 시키는 3 단계와, 반응 가스의 공급을 차단한 다음, 퍼지가스를 공급하여 챔버 내의 반응 가스를 퍼지하는 4 단계로 이루어진다.
이러한 원자층 증착에 의한 박막 증착은 박막의 두께 조절이 매우 용이하고, 박막이 형성되는 하부막의 구조가 복잡한 3차원 구조라 하더라도 우수한 스텝 커버리지를 얻을 수 있다.
그리고, 반응 원료의 열 분해 반응을 이용하여 CVD보다 증착 온도를 낮출 수 있는 장점이 있고, 셀프 리미티드 메커니즘(Self-limited mechanism)을 이용하기 때문에 일정량 이상의 반응 원료가 공급되면 그 이상의 반응 원료의 양에 민감하지 않고, 증착 온도에도 크게 영향을 받지 않아 공정 조건을 확립하기가 쉬워진다.
그러나, 한 사이클당 2번의 가스 공급과 2번의 퍼지를 실시하여야 하고, 한 사이클당 증착되는 막의 두께가 0.5 내지 2Å 정도이기 때문에 증착 속도가 매우 느린 단점이 있다. 이와 같이 낮은 증착률과 증착 속도에 의해 수백 Å 이상의 두께를 가지는 박막을 증착하는데 많은 어려움이 있다.
이러한, 원자층 증착 방법의 단점인 낮은 증착율을 개선하고자 반응 가스 공급시 반응 챔버에 플라즈마를 발생시켜 증착율을 증가시켰다.
플라즈마에 의해서 활성화된 반응 가스는 기판 표면에 흡착된 소스 가스와 더 쉽고 빠르게 반응하여 모노레이어를 형성하게 된다.
즉, 앞서 설명한 원자층 증착 사이클의 3번째 단계에서 챔버 내부에 플라즈마를 발생시켜 플라즈마화된 반응가스와 기판 표면에 흡착된 소스 가스의 반응 시간을 단축시켜 원자층 증착의 증착률을 향상시킬 수 있다.
그렇지만, 이와 같은 종래의 플라즈마를 이용한 원자층 증착 방법은 반응 가스가 공급되는 짧은 시간 내에 플라즈마를 발생시키고 플라즈마 상태를 안정적으로 유지하기가 쉽지 않다는 문제가 있다. 수백 Å 이상의 두께가 가지는 박막을 증착하기 위해서는 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한 상기 사이클을 수백 회 반복해야 한다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 챔버 내에 소스 가스, 퍼지가스 및 플라즈마에 의해 활성화된 반응 가스를 동시에 공급하여 반응, 퍼지 및 증착을 동시에 실시할 수 있으며, 소스 가스와 반응 가스 간의 반응 시간을 단축시켜 증착률을 향상시킬 수 있는 박막 제조 장치에 관한 것이다.
본 발명은 챔버 내에 공급되는 가스 중 적어도 하나 이상의 플라즈마에 의해 활성화시켜서 공급하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 박막제조장치는 반응 챔버; 반응 챔버에 설치되고 다수의 기판이 안착되는 기판 지지부; 복수의 가스를 독립적으로 기판에 각각 분사하는 복수의 가스 분사부를 포함하는 가스 분사 수단; 및 기판 지지부 또는 가스 분사 수단 중 하나는 회전하며, 복수의 가스 분사부 중 적어도 어느 하나의 분사기는 플라즈마화된 반응가스를 분사하는 분사기를 포함한다.
본 발명에 따른 박막제조장치에 있어서, 가스 분사 수단은 복수의 가스를 각각 공급받는 복수의 가스 공급공이 형성된 하우징; 복수의 가스 공급공에 각각 대응하는 복수의 가스 공급 유로가 설치되고 하우징 내에서 회전하는 구동축; 하우징과 구동축 사이를 차폐하는 실링부재; 및 가스 공급 유로에 접속 연장되어 반응챔버 내부로 복수의 가스를 각각 분사하는 복수의 가스 분사부;를 포함한다.
본 발명에 따른 박막제조장치에 있어서, 플라즈마 발생장치가 반응 챔버의 외부 또는 가스 분사 수단에 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 박막제조장치에 있어서, 구동축 내부에 전원이 유도되는 내부 도파관을 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 박막제조장치에 있어서, 가스 분사부는 소스 가스 공급 유로에 접속되어 소스 가스를 분사하는 제 1 분사부; 퍼지 가스 공급 유로에 접속되어 퍼지 가스를 분사하는 제 2 분사부; 및 내부 도파관의 일부와 접속하고, 반응 가스 공급유로에 접속되어 플라즈마화된 반응가스를 공급하는 제 3 분사부;를 포함한다.
본 발명에 따른 박막제조장치에 있어서, 도파관과 제 3 분사부 사이에 윈도우를 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 박막제조장치에 있어서, 복수의 가스 분사 수단은 기판 지지부 상의 공간을 분할하여 복수의 가스를 각각 분사하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 박막 증착 방법은 반응챔버 내에 안착되어 있는 다수의 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법으로서, 가스 분사 수단의 각각에 복수의 가스를 공급하는 단계; 복수의 가스 중 적어도 어느 하나에 플라즈마 발생을 위한 전원을 공급하는 단계; 및 반응 챔버의 내부를 복수의 공간으로 분할하여 각각의 상기 복수의 가스를 분사하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 박막 증착 방법에 있어서, 플라즈마는 마이크로파 플라즈마 발생장치에 의해서 활성화되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 박막 증착 방법은 반응 챔버 내에 안착되어 있는 다수의 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법으로서, 소스 가스와 퍼지 가스와 반응가스와 퍼지가스를 순차적으로 공급하되, 반응 가스의 공급과 동시에 반응 가스 공급라인에 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 박막 증착 방법은 반응 챔버 내에 안착되어 있는 다수의 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법으로서, 반응 챔버의 내부를 복수의 공간으로 분할하여 각각의 상기 복수의 가스를 분사하는 단계; 복수의 가스 중 적어도 어느 하나는 플라즈마화된 가스인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 다수 가스의 공급과 차단을 반복하는 공정없이 챔버내에 소스가스, 퍼지가스 및 반응가스를 동시에 연속적으로 공급하여 원자층 증착 공정시간을 획기적으로 줄일 수 있다.
또한, 플라즈마화된 반응 가스를 주입하여 소스 가스와 반응 가스 간의 반응 속도를 향상시켜 막의 증착률을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 원자층 증착 기술을 설명하기 위한 개념도.
도 2a는 본 발명에 따른 박막 제조 장치의 단면도.
도 2b는 도 2a와 직교하는 방향으로 절단하여 도시한 본 발명에 따른 박막 제조 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분사 수단의 사시도.
도 4a는 본 발명의 구동축과 제 3 분사부간의 결합을 설명하기 위한 개념 사시도.
도 4b는 도 4a의 A-A'선 을 따라 취한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 박막 제조 장치의 평면 개념도.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 개념도.
본 발명에 따른 반응 챔버와, 상기 반응 챔버에 설치되며 기판이 안착되는 기판 지지부와, 상기 반응 챔버의 상부를 통하여 공급되는 복수의 가스를 독립적으로 상기 기판에 각각 분사하는 복수의 가스 분사부를 포함하는 가스 분사 수단 및 상기 복수의 가스 분사부 중 적어도 어느 하나에 연결된 플라즈마 발생장치를 포함하는 박막 제조 장치를 제공한다.
여기서, 상기 기판 지지부는, 상기 기판을 안착시키는 한개 이상의 서셉터 및 상기 기판 지지부를 회전시키는 회전축을 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 가스 분사 수단은, 상기 복수의 가스를 각각 공급받는 복수의 가스 공급공이 형성된 하우징과, 상기 복수의 가스 공급공에 각각 대응하는 복수의 가스 공급 유로가 설치되고 상기 하우징 내에서 회전하는 구동축과, 상기 하우징과 상기 구동축 사이를 차폐하는 실링부재 및 상기 가스 공급 유로에 접속 연장되어 상기 반응챔버 내부로 상기 복수의 가스를 각각 분사하는 복수의 가스 분사부를 포함하는 것이 효과적이다.
상기의 플라즈마 발생장치가 상기 반응 챔버의 외부 또는 상기 가스 분사수단에 설치될 수 있다. 이때, 상기 구동축 내부에 전원이 유도되는 내부 도파관을 설치하는 것이 바람직하다.
상술한, 상기 가스 분사부는, 소스 가스 공급 유로에 접속되어 소스 가스를 분사하는 제 1 분사부와, 퍼지 가스 공급 유로에 접속되어 퍼지 가스를 분사하는 제 2 분사부 및 상기 내부 도파관의 일부와 접속하고, 반응 가스 공급유로에 접속되어 플라즈마화된 반응가스를 공급하는 제 3 분사부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 내지 제 3 분사부는 내부가 비어있는 튜브형상이고, 상기 제 3 분사부는 상기 제 1 분사부 및 제 2 분사부 보다 넓은 폭을 갖는 것이 효과적이다. 상기의 도파관과 상기 제 3 분사부 사이에 윈도우를 설치하는 것이 효과적이다.
상기의 플라즈마 발생장치는, 플라즈마 발생용 전원을 생산하는 전원 생성 수단과, 상기 전원을 튜닝하는 튜닝 수단과, 상기 튜닝된 전원을 전송하는 외부 도파관 및 상기 외부 도파관과 상기 복수의 가스 분사 수단 중 적어도 어느 하나를 연결하는 결합 부재를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 결합 부재는, 상기 구동축의 회전을 지지하는 회전 부재 및 상기 외부 도파관과 상기 내부 도파관을 전기적으로 연결하는 플라즈마 전원 유도 부재를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 가스 분사 수단은 상기 기판 지지부 상에서 이동 가능한 것이 바람직하다. 또한, 상기 복수의 가스 분사 수단은 상기 기판 지지부에 대하여 수평 회전운동하는 것이 효과적이다. 물론, 상기 가스 분사 수단은 상기 기판 지지부 상의 공간을 분할하여 상기 복수의 가스를 각각 분사하는 것이 효과적이다. 그리고, 상기 가스 분사 수단과 상기 기판 지지부가 서로 반대방향으로 회전할 수도 있다.
또한, 본 발명은 반응챔버 내에 안착되어 있는 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법으로써, 가스 분사 수단의 각각에 복수의 가스를 공급하는 단계와, 상기 복수의 가스 중 적어도 어느 하나에 플라즈마 발생을 위한 전원을 공급하는 단계 및 상기 반응 챔버의 내부를 복수의 공간으로 분할하여 각각의 상기 복수의 가스를 분사하는 단계를 포함하는 박막 증착 방법을 제공한다.
여기서, 상기 복수의 가스는 서로 분리된 경로를 통하여 공급되고, 소스가스, 반응가스, 퍼지가스를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 복수의 가스 분사 수단은 회전하며, 상기 복수의 가스와 상기 전원이 동시에 공급되는 것이 바람직하다.
상기 플라즈마는 RF플라즈마 발생장치에 의해 활성화될 수도 있고, 상기 플라즈마는 마이크로파 플라즈마 발생장치에 의해서 활성화될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 반응 챔버 내에 안착되어 있는 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법으로써, 소스 가스와 퍼지 가스를 공급하는 단계와, 퍼지 가스를 공급하는 단계와, 퍼지 가스를 공급하면서, 반응 가스를 공급하는 단계와, 상기 반응 가스의 공급과 동시에 반응 가스 공급라인에 플라즈마를 발생시키는 단계 및 퍼지 가스만 공급하는 단계를 하나의 사이클로 포함하는 박막 증착 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 반응 챔버 내에 안착되어 있는 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법으로써, 소스 가스와 퍼지 가스를 공급하는 단계와, 퍼지 가스를 공급하면서, 반응 가스를 공급하는 단계와, 상기 반응 가스의 공급과 동시에 반응 가스 공급라인에 플라즈마를 발생시키는 단계를 하나의 사이클로 포함하는 박막 증착 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 반응 챔버 내에 안착되어 있는 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법으로써, 소스 가스를 공급하는 단계와, 퍼지 가스를 공급하는 단계와, 반응 가스를 공급하는 단계와, 상기 반응 가스를 공급하는 동시에 상기 반응 가스 공급 라인에 플라즈마를 발생시키는 단계를 동시에 실시하는 박막 증착 방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2a는 본 발명에 따른 박막 제조 장치의 단면도이고, 도 2b는 도 2a와 직교하는 방향으로 절단하여 도시한 본 발명에 따른 박막 제조 장치의 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 분사 수단의 사시도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 박막 제조 장치는 반응 챔버(10)와, 반응 챔버(10) 내에 배치되고 기판(30)이 안착되는 기판 지지부(20)와, 복수의 가스를 독립적으로 기판(30)에 분사하는 복수의 가스 분사부(61, 62, 63, 64)을 포함한다.
또한, 가수 분사 수단(100)에 복수의 가스를 각기 독립적으로 공급하는 가스 공급 수단(미도시)을 더 포함한다. 또한, 복수의 가스 분사부(61, 62, 63, 64) 중 적어도 어느 하나에 연결된 플라즈마 발생장치(200)를 더 포함한다. 플라즈마 발생장치(200)는 이와 연결된 가스 분사뷰(63)에 플라즈마 발생을 위한 전원을 공급한다. 또한, 상기의 반응 챔버(10)의 내부 가스를 배출하기 위한 가스 배출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기의 기판 지지부(20)는 기판(20)이 안착되는 서셉터(21)와, 기판 지지부(20)를 회전시키는 회전축(22)을 포함한다. 본 실시예에서는 3 내지 6개의 서셉터(21)가 기판 지지부(20) 상에 배치되는 것이 바람직하다. 기판 지지부(20)에는 가스 배출을 위한 별도의 가스 배출구(미도시)가 형성될 수도 있다.
기판 지지부(20)는 자신의 회전축(22)을 통해 회전할 수 있으며, 서셉터(21) 또한 회전축(23)을 통해 회전할 수도 있다. 이와 달리 기판 지지부(22) 및 서셉터(21)가 고정되어 있을 수도 있다. 또한 기판 지지부(20) 없이 서셉터(21) 만이 반응 챔버(10) 내부에 위치할 수도 있다.
본 실시예의 상기의 가스 분사 수단(100)은 기판 지지부(20) 상에서 이동할 수 있다. 즉, 기판 지지부(20)를 기준으로 수평 방향으로 이동할 수 있다. 또한 기판 지지부(20) 상의 공간을 분할하여 분할된 영역에 각기 다른 가스를 분사할 수도 있다. 물론 가스 분사 수단(100)은 고정되어 있을 수도 있다. 만일 가스 분사 수단(100)과 기판 지지부(20)가 동시에 회전 운동을 할 경우, 기판 지지부(20)와 가스 분사 수단(100)이 동일한 방향으로 서로 다른 회전 속도로 회전할 수도 있고, 서로 반대방향으로 회전할 수도 있다.
하기에서는 가스 분사 수단이 회전할 경우에 관해 설명한다.
회전하는 가스 분사 수단은 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 복수의 가스를 각각 공급받는 복수의 가스 공급공(41, 42, 43)이 형성된 하우징(40)과, 상기 복수의 가스 공급공(41, 42, 43)에 각각 대응하는 복수의 가스 공급 유로(51, 52, 53)가 설치되고 하우징(40) 내에서 회전하는 구동축(50)을 포함한다. 또한, 하우징(40)과 구동축(50)은 별도의 실링 부재(45)를 통해 실링 되어 있는 것이 효과적이다. 실링 부재(45)로는 마그네틱 시일 및 래버린스 시일을 사용할 수 있다.
상기의 하우징(40)은 중공의 원통 형상으로, 측벽에는 가스가 주입되는 다수의 가스 공급공(41, 42, 43)이 형성되어 있다. 각각의 가스 공급공(41, 42, 43)은 가스 공급 수단에 각기 접속되어 서로 다른 가스를 공급받는 것이 바람직하다. 즉, 본 실시예에서 상기 다수의 가스 공급공은 소스 가스가 주입되는 제 1 가스 공급공(41)과, 퍼지 가스가 공급되는 제 2 가스 공급공(42)과, 반응 가스가 주입되는 제 3 가스 공급공(43)을 포함한다.
상기 구동축(50) 내에는 상기 가스 공급공(41, 42, 43)과 각기 대응하는 다수의 가스 공급 유로(51, 52, 53)가 형성된다. 그리고, 상기 가스 공급 유로에 접속 연장되어 반응 챔버 내부로 복수의 가스를 각각 분사하는 복수의 가스 분사부(61, 62, 63, 64)가 위치한다.
즉, 제 1 가스 공급공(41)과 대응하는 제 1 가스 공급 유로(51)가 구동축(50)의 내부에 형성되고, 제 1 가스 공급 유로(51)의 끝단 즉, 구동축(50)의 일측벽에는 제 1 가스 공급 유로(51)로부터 연장된 제 1 분사부(61)가 형성된다. 또한, 제 2 가스 공급공(42)과 대응하는 제 2 가스 공급 유로(52)가 구동축(50)의 내부에 형성되고, 제 2 가스 공급 유로(52)의 끝단에서부터 연장된 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)가 형성된다. 그리고, 제 3 가스 공급공(43)과 대응하는 제 3 가스 공급 유로(53)가 구동축(50)의 내부에 형성되고, 구동축(50)의 하단의 적어도 일부에서 부터 연장된 제 3 분사부(63)가 형성된다.
*여기서, 제 1 가스 공급공(41)을 통해 소스 가스가 유입되고, 제 2 가스 공급공(42)을 통해 퍼지 가스가 유입되고, 제 3 가스 공급공(43)을 통해 반응 가스가 유입된다.
본 실시예에서의 퍼지가스는 소스 가스와 반응 가스가 동시에 분사될 경우, 이들 가스를 퍼지하는 역할뿐 아니라, 두 가스 간의 반응을 방지하기 위한 배리어 역할도 수행한다. 따라서, 소스 가스와 반응 가스가 분사되는 제 1 및 제 3 분사부(61, 63) 사이에 각기 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)가 형성된다. 이에 따라 퍼지가스가 입력되는 가스 공급공(42)과 가스 공급유로(52)를 2개로 분리하여 형성할 수도 있고, 도 2b에 도시된 바와 같이 가스 공급공(42)과 대응하는 2개의 가스 공급유로(52)를 구동축(50) 내에 설치할 수도 있으며, 구동축(50)의 끝단에서 2개의 분리된 가지는 갖는 가스 공급유로(52)를 형성하여 각각의 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)에 인가할 수도 있다.
본 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 내지 제 4 분사부(61, 62, 63, 64)가 서로 직각을 이루는 십자가 형상으로 배치된다. 제 1 내지 제 4 분사부(61, 62, 63, 64)는 내부가 비어있는 튜브 형상으로 형성하고, 제 3 분사부(63)는 그 폭이 제 1, 제 2 및 제 4 분사부(61, 62, 64) 보다 넓게 형성된다. 물론 이에 한정되지 않고, 원자층 증착 조건 및 증착 속도들에 따라 각기 이루는 각과 그 형상이 다양할 수 있다. 제 1 내지 제 4 분사부(61, 62, 63, 64)는 기판(21) 방향으로 다수의 가스 분사 노즐이 형성되어 있다. 이때, 가스 분사 노즐의 간격과 분사 방향, 또한 원자층 증착 조건 및 증착 속도와 막의 균일도에 따라 다양할 수 있다. 또한, 제 1, 제 2 및 제 4 분사부(61, 62, 63)의 끝단의 일부가 굴절되어 있어 구동축의 측벽으로 노출된 가스 공급 유로와 접속될 수 있다.
구동축(50)의 내부의 소정영역에는 전원이 유도되는 별도의 내부 도파관(80)이 형성되어 있는 것이 효과적이다. 즉, 구동축(50) 상부에서 하부로 관통하는 소정의 관통공을 형성하고, 그 내부를 도전성의 금속으로 매립하여 플라즈마 생성용 전원을 전송하는 내부 도파관(80)을 형성할 수도 있고, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 구동축(50)은 중심이 비어 있는 원통형상으로 형성하고 그 측벽에 구리와 같은 도전성 물질로 코팅하여 이를 내부 도파관(80)으로 사용할 수도 있다.
이에 상기의 도파관(80)의 적어도 일부가 제 3 분사부(63)에 접속되어 있는 것이 바람직하다. 그리고, 구동축(50) 중심에 도파관(80)을 형성할 경우, 구동축(50)의 하단과 제 3 분사부(63) 사이에는 소정의 윈도우(70)가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이를통해, 상기 내부 도파관(80)에 의해 유도된 플라즈마 전원이 제 3 분사부(63) 내부에 인가되어 제 3 분사부(63) 내부에 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
도 4a는 본 발명의 구동축과 제 3 분사부간의 결합을 설명하기 위한 개념 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 A-A'선을 따라 취한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 구동축(50)과 제 3 분사부부(63) 사이에는 윈도우(70)가 설치된다. 상술한 윈도우(70)는 플라즈마 전원이 쉽게 투과할 수 있는 물질막으로 형성하되, 본 실시예에서는 사파이어를 이용하는 것이 바람직하다. 도면에서 보는 바와 같이 원도우(70)의 크기는 구동축(50) 내부에 형성된 관통공과 동일한 크기로 형성한다. 물론 이에 한정되지 않고, 관통공의 크기보다 클 수도 있고, 작을 수도 있다. 이때, 구동축(50) 내부로 윈도우(70)가 과도하게 삽입되는 것을 방지하기 위해 도 4b에 도시된 바와 같이 별도의 돌출부가 구동축(50) 내측벽으로 돌출될 수도 있다. 또한, 윈도우(70)의 이탈을 방지하기 위해 제 3 분사부(63) 상부의 일부가 리세스될 수도 있다. 또한, 윈도우(70)와 제 3 분사부(63) 사이에는 오링(71)이 설치되어 외부 영향에 의한 윈도우(70)의 이탈 및 파괴를 방지한다. 물론 윈도우(70)와 구동축(50) 사이에도 오링이 설치될 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이 구동축(50)의 내측벽에는 내부 도파관(80)이 형성되어 윈도우(70) 상부까지 연장되어 있고, 내부 도파관(80)을 통해 유도된 플라즈마 발생용 전원은 윈도우(70)를 투과하여 제 3 분사부(63)의 내부 공간에 방사되어 제 3 분사부(60) 내에 플라즈마를 발생시킨다. 이때, 발생된 플라즈마는 제 3 분사부(63) 내로 확산된다. 또한, 도시된 바와 같이 제 3 분사부(63)의 끝단에는 제 3 가스 공급 유로(53)와 대응하는 소정의 관통 홀이 형성되어 제 3 가스 공급 유로(53)를 통해 주입된다. 이때, 가스가 주입된 영역의 앞쪽에서 플라즈마가 발생되기 때문에 반응 가스를 플라즈마로 활성화하기 용이하다. 물론 이에 한정되지 않고, 플라즈마가 제 3 분사부(63) 내부로 퍼지기 때문에 플라즈마가 발생되는 앞쪽 영역에 관통홀이 형성될 수도 있다.
상술한 설명에서는 구동축의 내측벽에 도파관이 형성됨을 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 구동축 내부에 도파관이 형성될 경우도 상술한 바와 같이 도파관과 제 3 분사부의 일부가 중첩되고, 그 사이에 윈도우가 형성된다. 또한, 도파관은 구동축의 외측에도 형성될 수도 있다.
본 발명의 플라즈마 발생 장치(200)로는 2.54GHz의 마이크로파를 생성하는 마그네트론을 사용할 수 있다. 마그네트론에서 발생한 마이크로파가 외부 도파관(220)과 구동축(50) 내부의 내부 도파관(80)을 통해서 윈도우(70)을 통과하여 연결된 가스 분사부(63) 내부로 전달되어, 가스 분사부(63) 내부에서 플라즈마를 형성시킨다. 상기 플라즈마 발생장치(200)는 반응 챔버의 외부에 설치될 수도 있으나, 상기 구동축(50) 내부에 설치될 수도 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(200)는 플라즈마 발생용 전원을 생산하는 전원 생성 수단(210)과, 상기 전원을 튜닝하는 튜닝수단(211)과, 상기 튜닝된 전원을 전송하는 외부 도파관(220)을 포함한다.
또한, 외부 도파관(220)과 복수의 가스 분사 수단(100) 중 적어도 어느 하나를 연결하는 결합 부재(230)를 포함한다. 즉, 상기의 결합 부재(230)를 통해 외부 도파관(220)과, 구동축(50)에 형성된 내부 도파관(80)이 연결된다.
이에 상기 결합 부재(230)는 상기 구동축(50)의 회전을 지지하는 회전 부재(231)와 상기 외부 도파관(220)과 내부 도파관(80)을 전기적으로 연결하는 플라즈마 전원 유도 부재(235)를 포함한다. 회전 부재(231)에 의해 구동축(50)은 외부 도파관(220)에 접속되어 회전운동을 할 수 있게 되며, 이러한 회전 부재(231)로는 베어링을 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 내부가 비어있는 도넛 형상의 베어링을 사용하는 것이 효과적이다. 여기서, 하부의 구동축(50)과 회전 부재(231)는 회전운동을 하고, 외부 도파관(220)은 고정되어 있다. 따라서, 고정되어 있는 외부 도파관(220)에 인가된 플라즈마 생성용 전원을 회전하는 구동축(50)에 인가하기 위해서는 회전 부재(231)의 내측 영역에 원형 띠 형상의 플라즈마 전원 유도 부재(235)를 장착하되, 그 일부가 돌출되고, 외부 도파관(220)에는 소정의 홈이 형성되어 돌출된 일부가 홈에 삽입되는 형상으로 장착된다. 이때, 플라즈마 전원 유도 부재(235)가 회전 부재(231)와 함께 회전함에 따라 플라즈마 전원 유도 부재(235)가 삽입되는 외부 도파관(220)의 홈 형상은 플라즈마 전원 유도 부재(235)와 동일한 원형 띠 형상으로 형성하고, 이들 서로를 전기적으로 접속되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해 플라즈마 전원 유도 부재(235)는 전도성이 매우 우수한 물질을 사용하고, 외부 도파관(220)의 홈의 내측에도 전도성이 우수한 물질이 별도도 코팅될 수도 있다. 물론 물리적인 마착력을 줄이기 위해 물리적으로 소정간격 떨어져 있는 것이 효과적이다. 상기의 플라즈마 전원 유도 부재(235)는 내부 도파관(80)에 전기적 또는 물리적으로 접속되어 있는 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 전기적으로 접속되어 있는 것이 바람직하다. 이는 고주파의 전원은 물리적으로 어느 정도 이격되어 있더라도, 이격된 간격을 뛰어 넘어 전원을 전달할 수 있기 때문이다.
이때, 윈도우의 상부는 대기압 상태이며 윈도우 하부는 진공상태이다. 따라서, 진공상태의 반응 가스 분사부 내부에 인가된 마이크로파에 의해 플라즈마가 발생된다. 또한, 회전가능한 도파관인 구동축은 하부에 가스 분사부들과 연결되고, 상부는 립 씰과 연결되어 동시에 회전한다. 또한, 구동축과 하우징은 마그네틱 씰과 연결되어 진공상태를 유지한다. 또한, 상기의 하우징의 둘레에는 전자파의 간섭을 줄이기 위한 EMI 쉴드(Electro Magnetic Interference shield; 90)가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상술한 실시예와 달리 플라즈마 발생장치로 RF전력을 이용한 플라즈마 발생장치를 사용할 수도 있다. 제 3 가스 공급라인 상에 별도의 반응공간을 가진 플라즈마 발생장치에 RF 플라즈마를 형성하여 제 3 가스를 활성화시킨 후 상기 가스 분사 수단(100)의 제 3 가스 분사부(63)을 통해서 챔버(10) 내부로 공급한다. 이때 제 3 가스 공급라인은 구동축의 가스 공급공(43)에 연결되지 않고, 구동축(50) 내부의 내부 도파관(80)에 연결될 수도 있다.
이하, 상술한 구성을 갖는 본 발명의 박막 제조 장치를 이용한 원자층 증착 방법을 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 박막 제조 장치의 평면 개념도이다. 도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
복수의 가스를 독립적으로 기판(30)에 각각 분사하는 복수의 가스 분사부(61, 62, 63, 64)를 포함하는 가스 분사 수단(100)을 포함한다.
도 5 및 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 본 실시예에서는 복수의 가스 분사부(61, 62, 63, 64)을 포함하는 가스 분사 수단(100)에 각각 독립적인 공급경로를 통해 공급되는 가스를 공급하고, 상기 가스 분사부 중 적어도 어느 하나에 플라즈마 발생을 위한 전원을 공급하고, 반응 챔버(10)의 내부에 가스를 분사한다. 이때, 복수의 가스는 분할된 공간에 각기 하나의 가스가 분사될 수도 있고, 다수개의 가스가 동시에 분사될 수도 있으며, 다수의 가스가 순차적으로 분사될 수도 있다.
상기의 복수의 가스로 소스 가스, 반응 가스 및 퍼지가스를 사용하고, 이들을 회전하는 가스 분사 수단(100)을 통해 기판(30) 상에 분사시켜 공정을 진행할 경우를 기준으로 설명하면, 도 5에 도시된 바와 같이 챔버(10) 내부에 5개의 기판(31, 32, 33, 34, 35)이 배치되어 있고, 그 상부에 소스 가스를 분사하는 제 1 분사부(61)와, 퍼지가스를 분사하는 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)와 플라즈마에 의해 활성화된 반응 가스를 분사하는 제 3 분사부(63)가 위치한다.
상기 분사부들(61, 62, 63, 64)에 각각의 가스를 공급하면서 회전운동을 하면, 각각의 기판은 소스 가스, 퍼지 가스, 활성화된 반응 가스, 퍼지 가스의 순서대로 가스를 공급받게 된다.
이에 따라 다양한 원자층 증착 방법이 수행될 수 있다.
소스 가스 분사 - 퍼지 - 플라즈마/반응가스 분사 - 퍼지를 실시하는 공정이 가능하다. 즉, 도 5 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 가스 분사 수단(100)의 첫번째 회전에서 제 1 분사부(61)를 통해 소스 가스(S)를 분사하고, 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)를 통해 퍼지가스(P)를 분사한다. 가스 분사 수단(100)의 두번째 회전에서 소스 가스(S) 분사를 중단한 다음, 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)를 통해 계속적인 퍼지 가스(P)를 분사하여 잔류 소스 가스(S)를 퍼지한다. 다음으로, 가스 분사 수단(100)의 세번째 회전에서 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)에 의해 퍼지 가스(P)가 계속적으로 분사된 상태에서 제 3 분사부(63)를 통하여 반응 가스(R)를 분사하는 동시에 플라즈마용 전원을 제 3 분사부(63)에 인가하여 플라즈마(PE)를 발생시킨다. 마지막으로 가스 분사 수단(100)의 네번째 회전에서 제 3 분사부(63)에 인가된 플라즈마용 전원을 차단하고, 반응가스(R) 공급을 중단한 다음 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)를 통해 계속적인 퍼지 가스(P)를 분사하여 잔류 가스를 퍼지한다.
상기 회전을 하나의 싸이클로 반복하여 기판 상에 박막을 증착한다.
상술한 공정을 통해 소스 가스와 반응 가스 간이 반응하여 소정의 물질막을 형성하는 반응시간을 단축시킬 수 있고, 소스 가스와 반응 가스의 퍼지 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 별도의 퍼지를 위한 시간을 줌으로 인해 웨이퍼 상에 흡착되지 못한 소스가스를 완전하게 퍼지 시킬 수 있을 뿐아니라, 소스가스와 반응하지 못한 플라즈마화된 반응가스를 완전히 제거할 수 있다.
이뿐 아니라, 소스분사와 퍼지를 동시에 실시할 수 있고, 플라즈마/반응가스분사와 퍼지를 동시에 실시할 수도 있다.
즉, 도 5 및 도 6b에 도시된 바와같이 가스 분사 수단(100)의 첫번째 회전에서 제 1 분사부(61)를 통해 소스 가스(S)를 분사하고, 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)를 통해 퍼지가스(P)를 동시에 분사하여 소스 가스(S) 분사와 동시에 퍼지를 실시한다. 이는 제 1 분사부(61)에 의해 소스가스(S)가 분사되고 난 다음 제 1 분사부(61)를 뒷따르는 제 4 분사부(64)에 의해 분사된 퍼지가스(P)에 의해 소스 가스(S)가 퍼지된다. 이후, 소스 가스(S)를 차단한 다음, 가스 분사 수단(100)의 두번째 회전에서 제 3 분사부(63)를 통해 반응 가스(R)를 분사하고, 동시에 플라즈마용 전원을 인가하여 플라즈마(PE)를 발생시킨다. 이와 함께 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)를 통해 퍼지가스(P)를 통시에 분사하여 플라즈마(PE)/반응가스(R) 분사와 동시에 퍼지를 실시한다. 이는 제 3 분사부(63)에 의해 플라즈마화된 반응가스가 분사되고난 다음 제 3 분사부(63)를 뒷따르는 제 2 분사부(62)에 의해 분사된 퍼지가스(P)에 의해 플라즈마화된 반응가스가 퍼지된다.
상기 회전을 하나의 싸이클로 반복하여 기판 상에 박막을 증착한다.
이와 같이 소스 가스 분사후, 퍼지를 실시하지 않고 또한, 플라즈마화된 반응 가스 분사후, 퍼지를 실시하지 않음으로인해 원자층 증착 공정시간과 소스 가스와 반응가스간의 반응 시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 원자층 증착 방법은 소스가스, 퍼지가스, 플라즈마/반응가스를 동시에 분사할 수도 있다. 즉, 도 5 및 도 6c에 도시된 바와 같이 제 1 분사부를 통해 소스 가스를 분사하고, 제 2 및 제 4 분사부를 통해 퍼지가스를 분사하고, 제 3 분사부(63)를 통해 반응가스(R)를 분사하고 플라즈마용 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 이를 통해 원자층 증착을 연속적으로 실시할 수 있다.
이는, 소스 가스(S)를 분사하는 제 1 분사부(61), 퍼지가스(P)를 분사하는 제 2 및 제 4 분사부(62, 64) 및 플라즈마(PE)/반응가스(R)를 분사하는 제 3 분사부(63)가 각기 90도의 각도를 이루고 있고, 이들이 소정 방향으로 일정한 속도로 회전하고 있기 때문에 가능하다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 분사부(61)에 의해 제 1 웨이퍼(31) 상에 소스 가스(S)가 분사되고, 제 2 내지 제 5 웨이퍼(32, 33, 34, 35) 상에도 계속적으로 소스 가스(S)가 분사된다. 이때, 제 1 분사부(61)를 뒤따르던 제 4 분사부(64)에 의해 제 1 웨이퍼(31) 상에 흡착되지 않은 소스 가스(S)가 퍼지된다. 그리고, 제 4 분사부(64)를 뒤따르던 제 3 분사부(63)에 의해 플라즈마화된 반응가스가 분사되어 제 1 웨이퍼(31) 상의 소스 가스(S)와 반응하여 소정의 물질막이 형성된다. 다음으로, 제 3 분사부(63)를 뒤따르던 제 2 분사부(62)에 의해 반응되지 않고 잔류하는 가스들이 퍼지된다.
여기서, 제 2 및 제 4 분사부(62, 64)에서 분사되는 퍼지가스는 퍼지기능 뿐만 아니라 제 1 분사부(61)로부터 분사된 소스가스와 제 3 분사부(63)로부터 분사된 플라즈마화된 반응가스가 서로 혼합되어 반응되는 형상을 방지할 수 있다.
이와같이 가스들의 공급과 차단을 반복하는 공정이 없이 단일 챔버 내에서 연속적으로 분사하여 원자층 증착을 위한 공정시간을 획기적으로 줄일 수 있고, 플라즈마화된 반응가스를 주입하여 소스가스와 반응가스 간의 반응속도를 향상시켜 막의 증착속도를 향상시킬 수 있다.
상기에서 산화막을 형성할 경우에는 소스 가스로 SinX2n, SinOn -1X2n +2, 및 SinX2n+2 중 적어도 어느 하나를 메인 소스로 하는 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, n은 2와 25 사이의 정수이고, X는 F, Cl, Br 및 l 중 어느 하나의 원소인 것이 바람직하다. 또한, 반응 가스로H2와 O2의 혼합기체를 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 퍼지 가스로 Ar를 사용하는 것이 효과적이다.
또는 TiN박막을 형성할 경우에는 소스 가스로 TiC4를 사용하고, 반응 가스로 NH3를 사용하며, 퍼지가스로 Ar를 사용하는 것이 효과적이다.
또한, 본 발명의 분사부가 고정되어 있고, 하부의 기판 지지부가 회전할 수도 있다. 이에 관해 간략히 설명하면, 분사부가 고정되어 있기 때문에 원통형상의 몸체내에 가스 공급 수단으로부터 각기 소스가스, 퍼지가스 및 반응가스를 주입받고 이를 분사부에 공급하는 다수의 가스 공급 유로가 형성된다. 또한, 몸체내에 내부 도파관이 형성되고, 내부 도파관은 플라즈마 전원 공급부의 외부 도파관과 별도의 연결을 위한 장치(회전 부재와 플라즈마 전원 유도 부재) 없이 바로 연결될 수 있다. 즉, 내부 도파관과 외부 도파관을 하나의 라인으로도 형성할 수 있다. 이로인해 다양한 형태의 플라즈마용 전원을 사용할 수 있게 된다. 이하, 앞서 설명과 중복되는 설명은 생략한다.
상술한 분사부가 고정되고, 하부 기판 지지부가 회전하는 경우에도 앞서 설명한 다양한 방식의 원자층 증착법이 가능하다.
본 발명의 박막 제조 장치는 기판 지지부와 가스 분사 수단이 동시에 회전할 수도 있다. 이때, 각기 서로 다른 방향으로 회전할 수도 있고, 서로 같은 방향으로 회전할 수도 있다.
10 : 챔버 20 : 기판 지지부
30 : 기판 40 : 하우징
50 : 구동축 70 : 윈도우
80, 220 : 도파관 100 : 가스 분사 수단
200 : 플라즈마 발생 장치

Claims (11)

  1. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버에 설치되고 다수의 기판이 안착되는 기판 지지부;
    복수의 가스를 독립적으로 상기 기판에 각각 분사하는 복수의 가스 분사부를 포함하는 가스 분사 수단; 및,
    상기 복수의 가스 분사부 중 적어도 어느 하나에 연결된 플라즈마 발생장치;
    를 포함하고,
    상기 복수의 가스 분사부 중 적어도 어느 하나는 플라즈마가 발생하는 내부공간을 더 포함하며, 상기 가스 분사 수단은 회전하는 박막 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 가스 분사 수단은,
    상기 복수의 가스를 각각 공급받는 복수의 가스 공급공이 형성된 하우징;
    상기 복수의 가스 공급공에 각각 대응하는 복수의 가스 공급 유로가 설치되고 상기 하우징 내에서 회전하는 구동축;
    상기 하우징과 상기 구동축 사이를 차폐하는 실링부재; 및
    상기 가스 공급 유로에 접속 연장되어 상기 반응챔버 내부로 상기 복수의 가스를 각각 분사하는 복수의 가스 분사부;
    를 포함하는 박막 제조 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 발생장치가 상기 반응 챔버의 외부 또는 상기 가스 분사 수단에 설치되는 박막 제조 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 구동축 내부에 전원이 유도되는 내부 도파관을 설치하는 박막 제조 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 가스 분사부는,
    소스 가스 공급 유로에 접속되어 소스 가스를 분사하는 제 1 분사부;
    퍼지 가스 공급 유로에 접속되어 퍼지 가스를 분사하는 제 2 분사부; 및
    상기 내부 도파관의 일부와 접속하고, 반응 가스 공급유로에 접속되어 플라즈마화된 반응가스를 공급하는 제 3 분사부;
    를 포함하는 박막 제조 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 내부 도파관과 상기 제 3 분사부 사이에 윈도우를 설치한 박막 제조 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 가스 분사 수단은 상기 기판 지지부 상의 공간을 분할하여 상기 복수의 가스를 각각 분사하는 박막 제조 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 반응 챔버 내에 안착되어 있는 다수의 기판 상에 박막을 증착하기 위한 방법으로서,
    소스 가스와 퍼지 가스와 반응가스와 퍼지가스를 순차적으로 공급하되,
    상기 반응 가스의 공급과 동시에 반응 가스 공급라인에 플라즈마를 발생시키는 단계를
    포함하는 박막 증착 방법.
  11. 삭제
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