KR101384980B1 - 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 기판의 대면적화 및 기판에 대한 플라즈마의 균일한 공급이 가능할 뿐만 아니라 반응물 라디칼의 손실을 억제할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치에 관한 것이다.

Description

플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치{Plasma generator and thin film deposition apparatus comprising the same}

본 발명은 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 기판의 대면적화 및 기판에 대한 플라즈마의 균일한 공급이 가능할 뿐만 아니라 반응물 라디칼의 손실을 억제할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 등의 기판(이하, '기판'이라 한다) 상에 박막을 형성하기 위한 증착법으로 화학기상증착법(CVD, chemical vapor deposition), 플라즈마 화학기상증착법(PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition), 원자층증착법(ALD, atomic layer deposition), 플라즈마 원자층증착법(PEALD, plasma enhanced atomic layer deposition) 등의 기술이 사용되고 있다.

도 1은 기판 증착법 중 원자층증착법에 관한 기본 개념을 도시하는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원자층증착법은 기판상에 트리메틸알루미늄(TMA, trimethyl aluminium) 같은 원료를 포함하는 원료가스를 분사한 후 아르곤(Ar) 등의 불활성 퍼지 가스 분사 및 미반응 물질 배기를 통해 기판상에 단일 분자층을 흡착시키고, 상기 원료와 반응하는 오존(O₃) 같은 반응물을 포함하는 반응가스를 분사한 후 불활성 퍼지 가스 분사 및 미반응 물질/부산물 배기를 통해 기판상에 단일 원자층(Al-O)을 형성하게 된다.

또한, 상기 반응가스는 직류, 교류, 고주파 전압 등이 인가되는 전극, 코일 등에 의해 형성되는 전기장에서 플라즈마화되어 기판에 공급됨으로써, 효율적인 박막증착이 수행될 수 있다. 종래의 플라즈마 발생장치로는 대향하는 한 쌍의 전극 사이에서 플라즈마를 발생시켜 상기 전극에 인접한 기판에 바로 증착을 수행하는 다이렉트(direct) 플라즈마 장치 및 기판과 이격된 장치로부터 발생된 플라즈마가 기판에 공급되는 원격(remote) 플라즈마 장치가 사용되고 있으나, 상기 다이렉트 플라즈마 장치는 이온 충격(ion bombardment), 고에너지 전자(high energy electron) 등에 의한 차지 트랩(charge trap) 등이 원인이 되는 박막의 막질저하가 유발되므로 원격 플라즈마 장치, 특히 완화된 이온 충격(mild ion bombardment)에 의해 치밀한 박막의 성장이 가능한 플라즈마 플럭스(plasma flux)를 이용하는 원격 플라즈마 장치의 사용이 선호된다.

한편, 단일 슬롯(slot)을 통해 플라즈마를 기판에 공급하는 원격 플라즈마 장치는 기판의 대면적화가 어려운 문제가 있어 플라즈마 공급용 슬릿(slit), 샤워헤드(showerhead) 등을 활용한 장치를 사용하는데, 상기 슬릿형 장치의 경우 플라즈마의 공급이 긴 슬릿의 몇몇 지점에 집중되어 플라즈마의 균일한 공급이 어렵고, 상기 샤워헤드형 장치의 경우 샤워헤드가 갖는 다수의 분사홀에 의한 표면적 증가로 반응물 라디칼의 손실이 증가하는 문제가 있다.

따라서, 기판의 대면적화 및 기판에 대한 플라즈마의 균일한 공급이 가능할 뿐만 아니라 반응물 라디칼의 손실을 억제할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치가 요구되고 있다.

본 발명은 대향하는 한 쌍의 전극이 병렬로 배치된 복수의 독립된 방전셀(discharge cell)을 형성하고 이를 통해 플라즈마를 공급함으로써 처리될 기판의 대면적화가 가능한 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 대향하는 한 쌍의 전극에 의해 형성되는 복수의 방전셀을 통해 플라즈마 발생면적 및 밀도를 증가시킴으로써 효율적인 박막증착을 수행할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 처리되는 기판의 단위면적당 공급되는 플라즈마의 양이 균일한 플라즈마 발생장치 및 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가, 본 발명은 종래의 샤워헤드 방식에 비해 플라즈마에 포함된 반응물 라디칼의 손실을 억제할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,

가스 주입홀을 포함하고 하부에 상기 가스 주입홀이 연결되는 홈부를 포함하는 제1 전극; 상기 제1 전극의 하부면에 대향하면서 배치되고 플라즈마 분사홀을 포함하며 상기 제1 전극과 극성이 상이한 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 절연체; 및 상기 제1 전극의 각각의 홈부, 상기 절연체 및 상기 제2 전극에 의해 형성되는 공간에 방전가스가 주입되는 하나 이상의 캐비티(cavity)를 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에서 상기 방전가스가 플라즈마화 되는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

여기서, 상기 캐비티의 내부 표면적과 상기 플라즈마 분사홀의 내부 표면적의 비가 2 내지 30인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

또한, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중에서 하나의 전극에 전원이 인가되고, 다른 하나의 전극은 플로팅(floating) 또는 접지된 상태인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

한편, 상기 제1 전극이 캐소드(cathode)이고, 상기 제2 전극이 애노드(anode)이며, 상기 제1 전극에 전원이 인가되고, 상기 제2 전극은 플로팅 또는 접지된 상태인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

여기서, 상기 절연층이 상기 제1 전극 하부면에 대향하는 상기 제2 전극의 상부면 중 상기 플라즈마 분사홀을 제외한 전체에 존재하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

그리고, 상기 홈부의 형상이 원기둥 형상, 육면체 형상 또는 동심원 기둥 형상인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

또한, 상기 플라즈마 분사홀의 단면이 원, 사각형 또는 동심원인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

나아가, 상기 제2 전극의 형상이 부채꼴 형상, 원기둥 형상 또는 육면체 형상인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

여기서, 상기 제2 전극의 형상이 부채꼴 형상이고, 상기 홈부 및 상기 플라즈마 분사홀의 크기가 상기 부채꼴 형상의 곡선 반경이 큰 쪽으로 갈수록 함께 증가하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

한편, 상기 캐비티에 상기 방전가스를 주입하는 가스 주입부를 포함하고, 상기 가스 주입부는 상기 제1 전극 상부에 배치된 가스 유로를 포함하고, 상기 가스 유로는 상기 가스 주입홀과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

또한, 상기 전원은 직류 전원, 교류 전원 또는 고주파 전원인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

그리고, 상기 방전가스는 아르곤 또는 헬륨인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.

한편, 반응챔버; 상기 반응챔버 내부에 배치되고 기판이 안착되는 기판탑재부; 상기 반응챔버의 내부에 배치되고 제1항에 따르는 플라즈마 발생장치를 포함하는 가스 공급부; 및 상기 가스 공급부로부터 공급되는 가스를 상기 기판의 처리면에 공급하기 위해 상기 기판탑재부를 상기 가스 공급부에 대하여 상대적으로 이동시키는 기판이송부를 포함하는, 박막증착장치를 제공한다.

여기서, 상기 기판이송부가 상기 기판탑재부의 하부 중심에 고정된 회전축 및 상기 회전축을 회전시키는 구동 모터를 포함하고, 상기 기판탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 곡선 이동인 것을 특징으로 하는, 박막증착장치를 제공한다.

또한, 상기 기판이송부가 복수 개의 축, 상기 축 각각에 연결되고 상기 기판탑재부가 결합되는 동력전달부재, 및 상기 축 중 하나 이상의 축을 회전시킴으로써 이에 연결된 동력전달부재를 순환 이동시키는 구동 모터를 포함하고, 상기 기판탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 직선 이동 및 곡선 이동을 포함하는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치를 제공한다.

나아가, 상기 기판탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 곡선 이동인 구간에 배치된 상기 플라즈마 발생장치에 포함된 상기 제2 전극의 형상이 부채꼴 형상이고, 상기 홈부 및 상기 플라즈마 분사홀의 크기가 상기 부채꼴 형상의 곡선 반경이 큰 쪽으로 갈수록 함께 증가하는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치를 제공한다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 대향하는 한 쌍의 전극이 병렬로 배치된 복수의 독립된 방전셀(discharge cell)을 형성하고 이를 통해 플라즈마를 공급함으로써 처리될 기판의 대면적화가 용이한 효과를 나타낸다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 대향하는 한 쌍의 전극에 의해 형성되는 복수의 방전셀 내부에서 플라즈마 발생면적 및 밀도가 증가함으로써 효과적인 박막증착을 수행할 수 있는 효과를 나타낸다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 대향하는 한 쌍의 전극의 형상 및 이로부터 형성되는 복수의 방전셀의 형상 및 배열에 의해 처리되는 기판의 단위면적당 플라즈마의 공급양이 균일하여 생성되는 박막의 균일도(uniformity)를 향상시킬 수 있는 효과를 나타낸다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 캐소드(cathode) 및 애노드(anode) 전극이 복수의 방전셀을 형성함에도 불구하고 각각의 전극이 전체적으로 하나의 전극으로 이루어져 각 전극으로의 전력 분배가 용이한 효과를 나타낸다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 대향하는 한 쌍의 전극에 의해 형성되는 복수의 방전셀을 통해 플라즈마를 처리될 기판에 공급함으로써 종래의 샤워헤드 방식에 비해 플라즈마에 포함된 반응물 라디칼의 손실을 억제할 수 있는 효과를 나타낸다.

도 1은 원자층증착법에 관한 기본 개념을 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치가 적용될 수 있는 세미뱃치 타입의 박막증착장치의 실시예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치가 적용될 수 있는 트랙 타입의 박막증착장치의 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 구성하는 제2 전극의 구조에 관한 다양한 실시예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 있어서 제2 전극에 플라즈마 분사홀이 부분적으로 배치된 상태에서 상기 제2 전극의 하부를 도시한 것이다
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 또 다른 실시예에 있어서 하나의 캐비티를 형성하는 제1 전극 및 제2 전극의 일부분을 확대 도시한 것이다.
도 8은 도 7에 도시된 캐비티에서 플라즈마가 발생하여 플라즈마 분사홀을 통해 기판에 공급되는 모습을 개략적으로 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 세미뱃치 타입, 트랙 타입 등의 다양한 박막증착장치에 널리 적용 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치가 적용될 수 있는 세미뱃치 타입의 실시예를 도시한 것이다. 상기 세미뱃치 타입의 박막증착장치는 일반적으로 반응챔버 내부에 복수의 기판이 안착되고 이러한 복수의 기판 각각에 원료가스, 반응가스 등의 공정가스를 순차적으로 또는 동시에 공급함으로써 증착을 수행하는 방식의 증착장치이다.

구체적으로, 도 2a는 세미뱃치 타입의 박막증착장치(1000)의 전체 구성을 도시한 사시도이다. 세미뱃치 타입의 박막증착장치(1000)는 일반적으로 기판의 증착을 수행하는 반응챔버(300), 반응챔버(300)로 기판을 인입/인출하는 로드락 챔버(400), 반응챔버(300)로 원료가스/반응가스/퍼지가스를 공급하는 가스공급원(500), 공정을 제어하는 제어부(600) 등을 포함할 수 있다.

또한, 반응챔버(300)는 반응챔버(300)를 개폐할 수 있는 챔버리드(310) 및 반응챔버(300)를 개폐하기 위해 챔버리드(310)를 들어올리고 내릴 수 있도록 하는 챔버리드 리프터(330)를 포함할 수 있고, 하나 이상의 가스 공급부를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 가스 공급부는 하나 이상의 원료가스 공급부(380) 및 하나 이상의 플라즈마 발생부(200)를 포함할 수 있다. 상기 원료가스 공급부(380) 및 상기 플라즈마 발생부(200)는 바람직하게는 챔버리드(310)에 결합될 수 있고, 기판의 이송방향을 따라 번갈아 배치될 수 있다.

상기 원료가스 공급부(380)는 슬롯(slot), 슬릿(slit), 샤워헤드(shower-head) 등의 다양한 형태일 수 있고, 이의 하부를 통과하는 기판에 원료가스를 분사함으로써 기판상에 원료물질의 단일분자층을 형성하는 기능을 수행한다. 또한, 상기 플라즈마 발생부(200)는 상기 원료가스 공급부(380)와 동일하거나 상이한 형태일 수 있으며, 아르곤, 헬륨 등의 방전가스를 양이온과 전자로 분리시키는 플라즈마화를 통해 고에너지 전자(high energy electron)를 생성하고 이로써 반응챔버(300) 내부에 충전된 반응가스를 플라즈마화하여 기판 상에 증착을 수행하는 기능을 수행한다.

또한, 상기 원료가스 공급부(380)와 상기 플라즈마 발생부(200)의 갯수는 반응챔버(300)로 인입되는 기판의 갯수, 공정 조건 등에 따라 상이할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선택될 수 있다. 그리고, 상기 반응챔버(300)는 미반응 공정가스 및 부산물을 퍼지하고 배기하는 수단(미도시)을 포함할 수 있다.

도 2b는 챔버리드(310)를 들어올린 상태에서 챔버몸체(320) 내부를 도시한 것이다. 챔버몸체(320) 내부에는 복수의 기판이 각각 안착되는 복수의 기판 안착면(341)이 기판탑재부, 즉 서셉터(340) 위에 위치한다. 또한, 도 2c에 도시된 바와 같이, 서셉터(340) 하부에는 메탈 히터(350)가 구비되어 있어 서셉터(340) 위의 기판을 간접 가열함으로써 증착 공정을 수행하기 위한 기판의 온도 조건을 만족시킨다.

도 2d는 챔버몸체(320)의 하부를 도시한 것이다. 챔버몸체(320) 하부에는 서셉터(340)를 회전시키기 위한 회전축(360)이 존재한다. 회전축(360)은 별도의 구동 모터(미도시)로부터 동력을 전달받아 회전함으로써 이에 연결된 서셉터(340) 및 이의 기판 안착면(341)에 안착된 기판을 회전 이동시킨다.

즉, 상기 회전축(360) 및 상기 구동 모터는 기판이송부를 구성하게 되고, 원료가스 공급부(380) 및 플라즈마 발생부(200)에 대한 기판의 이동은 곡선 이동이 된다. 한편, 또 다른 실시예에서는 서셉터(340)가 고정된 상태에서 챔버리드(310)에 고정된 원료가스 공급부(380) 및 플라즈마 발생부(200)가 회전할 수도 있다. 즉, 기판은 원료가스 공급부(380) 및 플라즈마 발생부(200)에 대해 상대적으로 이동하면서 원료가스 공급부(380) 및 플라즈마 발생부(200)의 가스 공급면을 통과함으로써 증착 공정이 수행된다.

또한, 챔버몸체(320) 하부에는 기판의 인입/인출시 기판을 승하강시키기 위한 기판 지지부(370)가 존재한다. 예를 들어, 상기 기판 지지부(370)는 메탈 히터(350), 서셉터(340) 및 기판 안착면(341) 상의 관통홀(미도시)을 통해 승하강함으로써 서셉터(340) 상의 기판을 지지하여 승하강시키는 복수개, 바람직하게는 3개 이상의 지지핀(미도시)을 포함할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치가 적용될 수 있는 트랙 타입의 박막증착장치의 실시예를 도시한 것이다. 트랙 타입의 박막증착장치는 넓은 의미의 세미뱃치 타입의 박막증착장치에 속하나, 기판이송부가 후술하는 벨트, 체인 등의 동력전달부재, 가이드 레일 등으로 구성되어 있다는 특징을 갖는다.

도 3a는 트랙 타입의 박막증착장치(2000)의 전체 구성을 도시한 평면도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 트랙 타입의 박막증착장치(2000)는 기판에 대한 증착 작업 등과 같은 처리를 수행하는 반응챔버(100), 진공 또는 대기압 상태로 전환이 가능한 로드락 챔버(700), 증착을 진행할 기판을 적재하는 복수의 보트(810), 증착이 완료된 기판을 적재하는 복수의 보트(820), 및 로드락 챔버(700)로부터 반응챔버(100)로 기판을 인입 및 인출하는 기판인입인출부(900)를 구비한다.

기판을 반응챔버(100)로 공급하는 경우, 로드락 챔버(700) 내부의 제1 로봇암(미도시)이 보트(810)에서 기판을 로드락 챔버(700) 내부로 이송한다. 이어서 로드락 챔버(700)를 진공상태로 전환하고 기판인입인출부(900)의 제2 로봇암(910)이 기판을 넘겨 받아 반응챔버(100)로 기판을 공급하게 된다. 기판을 반응챔버(100)에서 반출하는 경우에는 반대의 순서로 진행된다.

도 3b는 반응챔버(100)에 있어서 챔버리드(110)가 분리되어 챔버몸체(130)의 내부를 도시한 사시도이다.

반응챔버(100)는 내부에 기판을 수용하여 기판에 대한 증착 작업 등을 수행할 수 있도록 각종 구성요소를 구비할 수 있는 공간을 제공한다. 나아가, 내부의 공기를 배기하는 펌프(미도시)와 같은 진공장비에 의해 내부를 진공상태로 유지하여 증착 작업 등과 같은 기판 처리 작업을 수행할 수 있는 환경을 제공한다.

반응챔버(100)는 구체적으로 내부에 소정의 공간을 구비하며 상부가 개구된 챔버몸체(130)와 챔버몸체(130)의 개구된 상부를 개폐하는 챔버리드(110)를 포함한다. 챔버몸체(130)의 일측에는 기판이 반응챔버(100)의 내부로 인입 및 인출되는 개구부(134) 및 기판인입인출부(900)와 개구부(134)를 밀폐하는 커넥터(132)를 구비한다.

상기 개구부(134)는 챔버몸체(130)에 한 쌍이 구비될 수 있다. 이는 도 3a에 도시된 바와 같이 박막증착장치(2000)에 반응챔버(100)를 2개 구비하여 하나의 기판인입인출부(900)에 2개의 반응챔버(100)를 연결하는 경우에 생산성 및 호환성을 높이기 위함이다. 즉, 기판인입인출부(900)와 연결되는 반응챔버(100)의 방향에 관계없이 반응챔버(100)를 제작하는 경우에 한 쌍의 개구부(134)를 구비하도록 제작하여 생산성을 향상시킨다. 나아가, 상기 기판인입인출부(900)에 반응챔버(100)를 연결하고 작업을 하는 중에 반응챔버(100)의 연결부를 변경할 필요가 있는 경우에 나머지 하나의 개구부에 기판인입인출부(900)를 연결하여 호환성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 기판인입인출부(900)는 반응챔버(100)에 연결되어 반응챔버(100) 내부로 기판을 인입하거나 또는 증착이 완료된 기판을 반응챔버(100) 외부로 인출하는 역할을 하게 된다. 후술하는 바와 같이 기판이송부에 의해 기판탑재부(150)가 이동하는 경우에 증착이 완료된 기판을 기판인입인출부(900)의 제2 로봇암(910)에 의해 개구부(134)를 통하여 인출한다. 또한, 증착이 필요한 기판을 기판인입인출부(900)의 제2 로봇암(910)에 의해 개구부(134)를 통하여 반응챔버(100) 내부의 기판탑재부(150)로 공급하게 된다.

한편, 반응챔버(100)의 챔버리드(110)에는 하나 이상의 가스 공급부, 즉 하나 이상의 원료가스 공급부(390) 및 하나 이상의 플라즈마 발생부(200)가 구비될 수 있고, 이들은 기판의 이송방향을 따라 번갈아 배치될 수 있다. 상기 원료가스 공급부(390)는 슬롯(slot), 슬릿(slit), 샤워헤드(shower-head) 등의 다양한 형태일 수 있고, 이의 하부를 통과하는 기판에 원료가스를 분사함으로써 기판상에 원료물질의 단일분자층을 형성하는 기능을 수행한다. 또한, 상기 플라즈마 발생부(200)는 상기 원료가스 공급부(380)와 동일하거나 상이한 형태일 수 있으며, 아르곤, 헬륨 등의 방전가스를 양이온과 전자로 분리시키는 플라즈마화를 통해 고에너지 전자(high energy electron)를 생성하고 이로써 반응챔버(100) 내부에 충전된 오존 등의 반응가스를 플라즈마화하여 기판상에 박막의 증착을 수행한다.

또한, 상기 가스 공급부, 즉 상기 원료가스 공급부(390) 및 상기 플라즈마 발생부(200)의 갯수는 반응챔버(100)로 인입되는 기판의 갯수, 공정 조건 등에 따라 상이할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선택될 수 있다. 그리고, 상기 반응챔버(100)는 미반응 공정가스 및 부산물을 퍼지하고 배기하는 수단(미도시)을 포함할 수 있다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 반응챔버(100)에는 처리될 기판이 안착되는 기판탑재부(150), 소정의 경로를 따라 기판탑재부(150)를 이송하는 기판이송부를 포함하고, 상기 기판이송부는 복수 개의 축, 및 상기 각각의 축 또는 상기 축에 각각 연결된 풀리(182,184)에 연결되어 있고 상기 기판탑재부(150)와 결합되어 있어 상기 축 및/또는 풀리의 회전에 의해 구동함으로써 기판탑재부(150)를 이송하는 벨트, 체인 같은 동력전달부재(190)를 포함할 수 있고, 추가로 상기 기판탑재부(150)의 이송 경로를 가이드하는 가이드 레일(180)을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 복수 개의 축 중 하나 이상의 축은 구동 모터(미도시)로부터 동력을 전달받아 이에 연결된 풀리(182,184)를 회전시키고 이로써 상기 풀리(182,184)에 연결된 동력전달부재(190)를 구동시킨다. 결과적으로, 상기 동력전달부재(190)에 결합된 기판탑재부(150)는 상기 동력전달부재(190)의 구동에 의해 가이드 레일(180)을 따라 순환 이송된다.

따라서, 상기 가스 공급부, 즉 원료가스 공급부(380) 및 상기 플라즈마 발생부(200)에 대한 기판탑재부(150)의 이동은 곡선 이동 및 직선 이동을 포함하게 되고, 기판탑재부(150)에 안착된 기판의 처리면은 원료가스 공급부(380) 및 플라즈마 발생부(200)의 가스 공급면을 통과함으로써 증착 공정이 수행된다. 여기서, 상기 원료가스 공급부(380) 및 플라즈마 발생부(200)는 기판탑재부의 직선 이동 구간 및/또는 곡선 이동 구간에 설치될 수 있고, 바람직하게는 직선 이동 구간에 설치될 수 있다.

또한, 반응챔버(100)에 있어서 기판탑재부(150)의 이송 경로 하부에는 복수의 메탈 히터(170)가 배치될 수 있고, 상기 메탈 히터(170)에 의한 간접 가열에 의해 기판탑재부(150)에 안착된 기판은 증착 공정을 수행하기 위한 온도 조건이 충족된다.

도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 구체적으로, 도 4는 위에서부터 아래로 상기 플라즈마 발생장치의 상부면, 단면 및 하부면을 차례로 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 서로 다른 극성을 갖는다. 예를 들어, 상기 제1 전극(210)은 캐소드(cathode)이고, 상기 제2 전극(220)은 애노드(anode)일 수 있으며, 그 반대일 수도 있다.

또한, 상기 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 중에서 하나의 전극에 전원(미도시)이 인가되고, 다른 하나의 전극은 플로팅(floating) 또는 접지된(grounded) 상태일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 전극(210)이 캐소드(cathode)이고 여기에 전원이 인가되며, 상기 제2 전극(220)이 애노드(anode)이고 플로팅 또는 접지된 상태, 더욱 바람직하게는 플로팅된 상태일 수 있다. 상기 전원은 예를 들어 직류 전원, 교류 전원, 고수파 전원 등일 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 제1 전극(210)은 후술할 가스 유로(230)가 각각 연결될 하나 이상의 가스 주입홀(212) 및 하부에 상기 각각의 가스 주입홀(212)이 연결되는 하나 이상의 홈부(211)를 포함하고, 상기 제2 전극(220)은 상기 홈부(211)에서 형성되는 플라즈마를 하부로 분사하는 하나 이상의 플라즈마 분사홀(221)을 포함한다. 또한, 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)의 하부면과 대향하면서 상기 제1 전극(210) 하부에 배치되며, 상기 제1 전극(210)과 상기 제2 전극(220)은 이들 사이의 절연체(260)와 각각 결합되어 있는 구조를 가질 수 있다.

이로써, 상기 하나 이상의 홈부(211)를 하부에 포함하는 상기 제1 전극(210), 상기 제1 전극(210)의 하부면과 대향하면서 상기 제1 전극(210) 하부에 배치되는 제2 전극(220), 및 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)과 각각 결합되어 이들 사이에 배치되는 절연체(260)에 의해 방전가스가 주입되어 플라즈마가 발생되는 하나 이상의 캐비티(cavity)(240)가 형성된다. 그리고, 상기 캐비티(240)를 형성하는 홈부(211)는 도 4에 도시된 바와 같이 원기둥 형상일 수 있다. 다만, 상기 홈부(211)의 형상은 이에 국한되지 않으며, 육면체 형상, 동심원 기둥 형상 등일 수도 있다.

상기 캐비티(240)의 내부 표면적 및 상기 플라즈마 분사홀(221)의 내부 표면적은 사용되는 공정가스, 형성하고자 하는 박막의 성질, 기타 공정 조건 등에 따라 상이할 수 있고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 적절히 선택할 수 있다. 바람직하게는, 상기 캐비티(240)의 내부 표면적이 클수록, 그리고 상기 플라즈마 분사홀(221)의 내부 표면적이 작을수록 낮은 압력, 낮은 전압에서도 플라즈마를 발생시킬 수 있어, 플라즈마 발생이 용이하다. 예를 들어, 상기 캐비티(240)의 내부 표면적과 상기 플라즈마 분사홀(221)의 내부 표면적 비(캐비티 내부 표면적/플라즈마 분사홀 내부 표면적)는 2 내지 30일 수 있다.

상기 캐비티(240)의 구조는 플라즈마 발생면적 및 밀도를 증가시키므로 효율적인 증착 공정을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 플라즈마 발생장치에 있어서 상기 캐비티(240) 복수 개를 서로 일정 간격 이격시켜 병렬로 배치함으로써 용이하게 기판의 대면적화를 달성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 외부의 가스 공급원(미도시)으로부터 방전가스를 공급받아 상기 플라즈마 발생장치의 캐비티(240)에 주입하는 가스 주입부를 추가로 포함할 수 있다. 여기서, 상기 방전가스는 아르곤, 헬륨 등을 사용할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 가스 주입부는 상기 가스 공급원으로부터 방전가스를 공급받는 하나 이상의 가스 공급로(231)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 가스 공급로(231)는 상기 가스 주입부 상측부와 하측부에 각각 구비될 수 있다. 이로써, 상기 가스 주입부로의 신속하고 원활한 가스 공급을 수행할 수 있다.

또한, 상기 가스 주입부는 도 4에 도시된 바와 같이 예를 들어 상기 제1 전극(210) 상부에 배치되는 하나 이상의 가스 유로(230)를 포함할 수 있다. 상기 가스 유로(230)는 분기되어 상기 제1 전극(210) 상부에 배치된 하나 이상의 가스 주입홀(212) 각각에 연결될 수 있다. 이로써, 외부의 가스 공급원으로부터 아르곤, 헬륨 같은 방전가스가 상기 가스 공급로(231)를 통해 상기 가스 주입부에 공급되고 공급된 가스는 상기 가스 유로(230)를 따라 이송되어 상기 가스 주입홀(212)을 통해 상기 캐비티(240)로 주입된다. 한편, 상기 가스 주입부의 구성은 상기 실시예에 한정되지 않고 상기 캐비티(240)에 방전가스를 공급할 수 있다면 특별한 제한은 없다.

상기 캐비티(240)로 주입된 방전가스는 상기 제1 전극(210)과 상기 제2 전극(220) 사이에 형성되는 전기장에서 양이온과 전자로 분리됨으로써 플라즈마화되어 상기 플라즈마 분사홀(221)을 통해 분사되고 이는 다시 반응챔버(100,300) 내부에 충전된 반응가스를 플라즈마화하여 기판상에 박막을 생성한다. 한편, 상기 반응가스는 생성하고자 하는 박막에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 원자층증착법에 의한 박막 증착시 알루미늄, 티타늄, 아연 등의 금속계, 실리콘계 등의 원료물질을 사용하는 경우 금속산화막 등을 형성하기 위해 오존 같은 반응물을 포함하는 반응가스를 사용할 수 있다.

앞서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 상기 제1 전극(210) 하부의 하나 이상의 홈부(211), 상기 제1 전극의 하부면에 대향하는 상기 제2 전극(22), 및 상기 제1 전극(210)과 상기 제2 전극(220) 사이에 배치되는 절연체(260)에 의해 형성되어 플라즈마가 발생되는 공간인 하나 이상의 캐비티(240)를 포함함으로써 플라즈마 발생면적 및 밀도의 증가에 따라 증착 효율을 향상시키고 기판의 대면적화가 용이하며 단순한 샤워헤드 방식에 비해 반응물 플라즈마의 낭비를 억제할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.

나아가, 상기 제1 전극(210)은 이의 상부에 상기 각각의 캐비티(240)에 방전가스를 공급하기 위한 하나 이상의 가스 주입홀(212)을 포함하고, 상기 가스 주입부를 구성하는 가스 유로(230)는 상기 각각의 가스 주입홀(212)에 방전가스를 주입함으로써 상기 플라즈마 발생장치 하부를 통과하는 기판의 단위면적당 균일한 양의 플라즈마를 공급할 수 있는 효과를 나타낸다.

도 5 및 6은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 구성하는 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)의 다양한 실시예를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 5a 내지 5c는 상기 플라즈마 발생장치를 구성하는 제2 전극(220)의 형상에 관한 실시예를 도시한 것이다. 상기 플라즈마 발생장치를 구성하는 제2 전극(220)은 도 5a에 도시된 바와 같이 하부면이 부채꼴인 부채꼴 기둥 형상일 수 있고, 도 5b에 도시된 바와 같이 하부면이 원인 원기둥 형상일 수 있으며, 도 5c에 도시된 바와 같이 하부면이 사각형인 육면체 형상일 수도 있다. 한편, 상기 제1 전극(210)의 형상은 상기 제2 전극(220)의 형상과 동일하거나 상이할 수 있다.

또한, 도 6a 내지 6c는 상기 플라즈마 발생장치에 있어서 상기 제2 전극(220)에 플라즈마 분사홀(221)이 부분적으로 배치된 상태에서 상기 제2 전극(220)의 하부를 도시한 것이다. 상기 플라즈마 발생장치를 구성하는 상기 제2 전극(220)에 포함된 상기 플라즈마 분사홀(221)의 단면은 도 6a 내지 6c에 도시된 바와 같이 원, 사각형, 동심원 등일 수 있고, 상기 캐비티(240) 각각의 하부에 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 구비된 상기 캐비티(240) 및 상기 플라즈마 분사홀(221)의 형상, 구조, 배열 등은 도 4 내지 6에 도시된 실시예에 국한되지 않고 공정조건, 목적한 박막의 성질 등을 고려하여 통상의 기술자가 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다.

특히, 도 5a 및 6a에 도시된 제2 전극(220)의 부채꼴 형상은 세미뱃치 타입의 박막증착장치 또는 트랙 타입의 박막증착장치에서 기판의 곡선 이동 구간에 적용하기 바람직한 형상이다. 세미뱃치 타입 또는 트랙 타입의 박막증착장치에 있어서, 기판의 곡선 이동 구간에서는 곡선 이동 반경의 외곽으로 갈수록 이동에 따른 각속도가 증가하게 되고 이로써 기판의 외곽으로 갈수록 기판 처리면의 단위면적당 플라즈마에 노출되는 시간이 감소하게 되어, 결과적으로 형성되는 박막의 불균일이 발생된다.

따라서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(210)의 캐비티(210) 및 상기 제2 전극(220)의 상기 플라즈마 분사홀(221)의 크기를 부채꼴 형상의 곡선 반경이 큰 쪽으로 갈수록 함께 증가하도록 구성하여 기판의 외곽 영역이 통과하는 부분에 인위적으로 플라즈마 공급양을 증가시킴으로써, 박막의 균일도를 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 캐비티(240) 및 상기 플라즈마 분사홀(221)의 크기가 증가하는 정도는 사용되는 공정가스, 기판의 크기 및 이동 속도, 기타 공정조건에 따라 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 또 다른 실시예에 있어서 하나의 캐비티를 형성하는 제1 전극 및 제2 전극의 일부분을 확대 도시한 것이다. 도 7에 있어서, 상기 제1 전극(210)은 캐소드에 해당하고 상기 제2 전극(220)은 애노드에 해당할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 절연체(260)는 상기 제1 전극(210)의 하부면에 대향하는 상기 제2 전극(220)의 상부면 중 상기 플라즈마 분사홀(221)을 제외한 전체 표면상에 존재할 수 있다. 이로써, 애노드인 상기 제2 전극(220)의 표면적을 감소시켜 상기 플라즈마 분사홀(221) 입구에서의 플라즈마 발생밀도를 급격하게 증가시킴으로써, 증착 효율을 향상시킬 수 있다.

도 8은 도 7에 도시된 캐비티(240)에서 플라즈마가 발생하여 플라즈마 분사홀(221)을 통해 기판(W)에 공급되는 모습을 개략적으로 도시한 것이다. 도 8에 있어서, 애노드인 상기 제2 전극(220)은 플로팅될(floated) 수 있다. 여기서, 상기 제2 전극(220)이 플로팅된(floated) 경우 전위를 조절하여 플라즈마화에 의해 생성되는 전자의 에너지를 조절함으로써 공정조건 등을 제어할 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이, 상기 절연체(260)가 상기 제1 전극(210)의 하부면에 대향하는 상기 제2 전극(220)의 상부면 중 상기 플라즈마 분사홀(221)을 제외한 전체 표면상에 존재함으로써 애노드에 해당하는 제2 전극(220)의 표면적을 감소시키는 경우 상기 플라즈마 분사홀(221) 입구에서 플라즈마 발생밀도가 급격하게 증가한다.

이는 도 8에 도시된 바와 같이 상기 플라즈마 분사홀(221) 입구에서 더블 쉬스(double sheath) 영역이 발생하기 때문이다. 쉬스(sheath) 영역이란 플라즈마 영역 중 전자 또는 양이온이 고갈된 영역을 의미한다. 즉, 상기 더블 쉬스 영역은 전자가 고갈되어 전체적으로 양전하를 띠는 제1 쉬스 영역(253)과 양이온이 고갈되어 전체적으로 음전하를 띠는 제2 쉬스 영역(254)으로 이루어지고, 이에 의해 전자들은 상기 플라즈마 분사홀(221)쪽으로 가속되어 기판(W) 상에 플라즈마 기둥(plasma plume)(251)을 형성하게 되며 양이온들은 상기 캐비티(240) 내부로 가속되어 캐소드에 해당하는 제1 전극과 충돌함으로써 2차적으로 전자 방출을 발생시킨다.

이로써, 방전가스가 상기 캐비티(240) 내부에서 일차적으로 플라즈마화되어 고에너지 전자가 생성되고 상기 고에너지 전자는 반응챔버(100,300)에 충전되어 기판상에 존재하는 반응가스의 플라즈마화를 촉진하게 된다. 상기 방전가스와 반응가스가 혼합된 형태로 동시에 플라즈마화되는 경우 생성되는 박막의 막질이 변형될 수 있으므로, 앞서 기술한 바와 같이 방전가스와 반응가스 각각의 플라즈마화가 순차적으로 수행되도록 하여 목적한 박막을 생성하고 박막의 균일도를 향상시킬 수 있다.

본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

1000,2000 : 박막증착장치 100,300 : 반응챔버
200 : 플라즈마 발생부 380 : 원료가스 공급부
400,700 : 로드락 챔버 500 : 가스공급원
600 : 제어부 810,820 : 보트
900 : 기판인입인출부

Claims (16)

1. 가스 주입홀을 포함하고 하부에 상기 가스 주입홀이 연결되는 홈부를 포함하는 제1 전극;
   상기 제1 전극의 하부면에 대향하면서 배치되고 플라즈마 분사홀을 포함하며 상기 제1 전극과 극성이 상이한 제2 전극;
   상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 접촉하지 않도록 상기 제1 전극 하부면에 대향하는 상기 제2 전극 상부면 중 상기 플라즈마 분사홀을 제외한 전체 또는 일부에 배치되는 절연체; 및
   상기 제1 전극의 각각의 홈부, 상기 절연체 및 상기 제2 전극에 의해 형성되는 공간에 방전가스가 주입되는 하나 이상의 캐비티(cavity)를 포함하고,
   상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에서 상기 방전가스가 플라즈마화 되는, 플라즈마 발생장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 캐비티의 내부 표면적과 상기 플라즈마 분사홀의 내부 표면적의 비가 2 내지 30인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 전극 및 제2 전극 중에서 하나의 전극에 전원이 인가되고, 다른 하나의 전극은 플로팅(floating) 또는 접지된 상태인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 전극이 캐소드(cathode)이고, 상기 제2 전극이 애노드(anode)이며, 상기 제1 전극에 전압이 인가되고, 상기 제2 전극은 플로팅 또는 접지된 상태인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 절연체가 상기 제1 전극 하부면에 대향하는 상기 제2 전극의 상부면 중 상기 플라즈마 분사홀을 제외한 전체에 존재하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 홈부의 형상이 원기둥 형상, 육면체 형상 또는 동심원 기둥 형상인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 플라즈마 분사홀의 단면이 원, 사각형 또는 동심원인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2 전극의 형상이 부채꼴 형상, 원기둥 형상 또는 육면체 형상인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2 전극의 형상이 부채꼴 형상이고, 상기 홈부 및 상기 플라즈마 분사홀의 크기가 상기 부채꼴 형상의 곡선 반경이 큰 쪽으로 갈수록 함께 증가하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 캐비티에 상기 방전가스를 주입하는 가스 주입부를 포함하고,
    상기 가스 주입부는 상기 제1 전극 상부에 배치된 가스 유로를 포함하고, 상기 가스 유로는 상기 가스 주입홀과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
11. 제3항에 있어서,
    상기 전원은 직류 전원, 교류 전원 또는 고주파 전원인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방전가스는 아르곤 또는 헬륨인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
13. 반응챔버;
    상기 반응챔버 내부에 배치되고 기판이 안착되는 기판탑재부;
    상기 반응챔버의 내부에 배치되고 제1항에 따르는 플라즈마 발생장치를 포함하는 가스 공급부; 및
    상기 가스 공급부로부터 공급되는 가스를 상기 기판의 처리면에 공급하기 위해 상기 기판탑재부를 상기 가스 공급부에 대하여 상대적으로 이동시키는 기판이송부를 포함하는, 박막증착장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 기판이송부가 상기 기판탑재부의 하부 중심에 고정된 회전축 및 상기 회전축을 회전시키는 구동 모터를 포함하고, 상기 기판탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 곡선 이동인 것을 특징으로 하는, 박막증착장치.
15. 제13항에 있어서,
    상기 기판이송부가 복수 개의 축, 상기 축 각각에 연결되고 상기 기판탑재부가 결합되는 동력전달부재, 및 상기 축 중 하나 이상의 축을 회전시킴으로써 이에 연결된 동력전달부재를 순환 이동시키는 구동 모터를 포함하고, 상기 기판탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 직선 이동 및 곡선 이동을 포함하는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 기판탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 곡선 이동인 구간에 배치된 상기 플라즈마 발생장치에 포함된 상기 제2 전극의 형상이 부채꼴 형상이고, 상기 홈부 및 상기 플라즈마 분사홀의 크기가 상기 부채꼴 형상의 곡선 반경이 큰 쪽으로 갈수록 함께 증가하는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치.

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