KR101431606B1 - 기판 처리 장치 - Google Patents

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KR101431606B1
KR101431606B1 KR1020140021134A KR20140021134A KR101431606B1 KR 101431606 B1 KR101431606 B1 KR 101431606B1 KR 1020140021134 A KR1020140021134 A KR 1020140021134A KR 20140021134 A KR20140021134 A KR 20140021134A KR 101431606 B1 KR101431606 B1 KR 101431606B1
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heat source
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남원식
연강흠
송대석
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(주)앤피에스
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Abstract

본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로서, 내부공간이 형성되고 일측이 개방된 챔버 몸체와, 상기 챔버 몸체를 개폐하는 도어를 포함하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 서로 이격되어 구비되는 제1서셉터와; 상기 도어의 일측면에 연결되어 상기 제1서셉터와 평행하게 기판을 지지하는 지지부와; 상기 지지부에 상기 도어의 길이 방향을 따라 구비되되, 상기 제1서셉터와 교차하는 방향으로 서로 이격되어 구비되는 제2서셉터; 및 상기 챔버의 적어도 일면에 배치되고, 상기 제1서셉터를 가열하는 적어도 하나의 열원 유닛;을 포함하여 기판을 균일하게 처리할 수 있다.

Description

기판 처리 장치{Substrate processing apparatus}
본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판을 균일하게 처리할 수 있는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 기판 등을 열처리하는 방법으로 급속열처리(rapid thermal processing; RTP) 방법이 많이 사용되고 있다.
급속열처리 방법은 텅스텐 램프 등의 열원에서 나오는 방사광(放射光)을 기판에 조사하여 기판을 가열 처리하는 방법이다. 이러한 급속열처리 방법은 퍼니스(furnace)를 이용한 기존의 기판 열처리 방법과 비교하여, 신속하게 기판을 가열하거나 냉각시킬 수 있으며, 압력 조건이나 온도 대역의 조절 제어가 용이하여, 기판의 열처리 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
급속열처리 방법이 이용되었던 종래의 기판 처리 장치는, 주로 기판이 처리되는 공간을 제공하는 챔버와, 챔버 내부에서 기판을 지지하는 서셉터(susceptor)와, 기판을 가열하도록 방사광을 조사하는 열원과, 챔버에 연결되며 열원을 장착하기 위한 히팅 블록과, 히팅 블록과 챔버의 연결 부위에 배치되어 열원으로부터 조사된 방사광을 투과시키는 투과창을 포함하여 구성된다.
그런데 기판이 대면적화됨에 따라 이를 처리하기 위한 기판 처리 장치의 부피도 급격하게 증가하게 되었다. 통상 기판은 챔버 내부에 수평방향으로 로딩되는데 이에 따라 기판이 처리되는 챔버의 크기도 커져 이를 설치하기 위해서는 넓은 공간이 요구된다. 이외에도 기판을 보관하기 위한 공간도 더 요구되기 때문에 이를 대처하기 위한 설비 비용이 증가하고 이와 같은 비용이 제품에 반영되어 가격 경쟁력이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 대면적의 기판을 수평방향으로 로딩하게 되면 기판의 자체 하중에 의해 하부 방향으로 처지는 현상이 발생하여 기판 전체에 걸쳐 균일한 처리가 어려운 문제점도 있다.
한편, 그래핀(graphene)은 탄소원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질로서, 다양한 저차원 나노 현상을 연구하는데 중요한 모델이 되어 왔다. 그리고 그래핀은 구조적, 화학적으로도 매우 안정할 뿐 아니라 매우 뛰어난 전도체로서, 실리콘에 비해 대략 100배 가량 빠르게 전자를 이동시킬 수 있으며, 구리에 비해 대략 100배 가량 더 많은 전자를 흐르게 할 수 있는 것으로 예측되었다.
그래핀은 상대적으로 가벼운 원소인 탄소만으로 이루어져 1차원 혹은 2차원 나노패턴을 가공하기가 매우 용이하다는 장점이 있다. 특히 이러한 장점을 활용하면 반도체-도체 성질을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 탄소가 가지는 화학결함의 다양성을 이용해 센서, 메모리 등과 같은 광범위한 기능성 소자의 제작이 가능해 진다.
다만, 상기에서 언급한 바와 같이 그래핀은 뛰어난 전기적/기계적/화학적 장점을 지니고 있음에도 불구하고, 아직까지도 실제 상용에 적용할 수 있는 현실적인 대량합성법이 소개되지 못하고 있다. 종래에는 주로 흑연을 기계적으로 분쇄하여 용액 상에 분산시킨 후 자기조립 현상을 이용해 박막으로 제조하는 방법이 알려져 있을 뿐, 이 경우 저 비용의 장점이 있으나 수많은 그래핀 조각들이 서로 겹치면서 연결된 구조로 이루어져 전기적, 기계적 성질은 기대에 미치지 못하였다. 또한, 최근 소개된 화학증기증착법에 의한 대면적 그래핀 합성 기술이 소개되면서 금속에 버금가는 전도성을 지닌 그래핀 박막을 제조하는 것이 가능하다고 알려진 바 있으나, 이 역시 고 비용이 요구되며, 상대적으로 높은 공정 온도가 요구되는 문제가 있었다.
KR 2010-0111447 A1 KR 2011-0100428 A1
본 발명은 기판을 균일하게 처리할 수 있는 기판 처리 장치를 제공한다.
본 발명은 그래핀 박막의 상용화를 위하여 급속열처리 방식으로 그래핀을 대량 생산할 수 있는 기판 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는, 내부공간이 형성되고 일측이 개방된 챔버 몸체와, 상기 챔버 몸체를 개폐하는 도어를 포함하는 챔버와; 상기 챔버 내부에 서로 이격되어 구비되는 제1서셉터와; 상기 도어의 일측면에 연결되어 상기 제1서셉터와 평행하게 기판을 지지하는 지지부와; 상기 지지부에 상기 도어의 길이 방향을 따라 구비되되, 상기 제1서셉터와 교차하는 방향으로 서로 이격되어 구비되는 제2서셉터; 및 상기 챔버의 적어도 일면에 배치되고, 상기 제1서셉터를 가열하는 적어도 하나의 열원 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 챔버는, 일측에 공정가스를 주입하기 위한 가스주입구와, 상기 가스주입구에 대향하는 타측에 상기 챔버 내의 가스를 배출하기 위한 가스배출구를 포함한다.
상기 가스배출구에는 상기 챔버 내부의 압력을 조절하는 진공라인과, 상기 챔버 내부를 냉각시키는 냉각라인이 연결되고, 상기 진공라인과 상기 냉각라인은 선택적으로 개폐될 수 있다.
상기 챔버 몸체는 전면 및 적어도 일 측면이 개방된 중공의 하우징과, 상기 하우징의 개방되는 측면에 연결되는 커버를 포함하고, 상기 열원 유닛은 상기 커버에 배치될 수 있다.
상기 제1서셉터와 상기 제2서셉터는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1서셉터는 상기 제1서셉터의 가장자리와 상기 챔버의 내벽을 부분적으로 연결하는 고정수단을 이용하여 상기 챔버의 내벽에 고정될 수 있다.
상기 지지부는, 서로 이격되어 평행하게 배치되고 복수의 고정공이 형성되는 한 쌍의 지지대와; 상기 고정공에 체결되어 기판을 고정하는 복수의 고정부재;를 포함하고, 상기 제2서셉터는 상기 지지대와 교차하는 방향으로 상기 기판의 길이보다 큰 간격을 갖도록 상기 지지대에 고정될 수 있다.
상기 고정부재는, 상기 고정공에 삽입되는 볼트와; 상기 볼트에 체결되는 적어도 하나의 너트;를 포함할 수 있다.
상기 지지대에는 상기 지지대를 관통하는 적어도 하나의 슬릿이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는, 챔버 내에 박스 형상의 서셉터를 형성하여 기판을 균일하게 처리할 수 있다. 즉, 챔버 내에서 실질적으로 기판이 처리되는 공간을 축소 형성하고, 이 공간으로 공정 가스를 균일하게 공급하여 기판을 균일하게 처리할 수 있다. 또한, 이러한 구성을 통해 기판 처리에 사용되는 공정 가스의 사용량을 감소시킬 수 있어 기판 처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
또한, 기판을 수직 방향으로 로딩하도록 구성되어 대면적의 기판을 용이하게 처리할 수 있다. 그리고 기판의 두께가 얇은 경우에도 처짐 현상 없이 안정적으로 로딩할 수 있으며, 이에 따라 기판 전체에 걸친 균일한 처리가 가능해진다. 설치 공간도 줄일 수 있어 공간을 효과적으로 사용할 수 있고, 이에 설비 비용도 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 급속열처리(rapid thermal processing: RTP) 방식을 응용하여 공정 챔버 내에 수용된 기판을 가열하여 그래핀을 대량 생산해 낼 수 있다. 이로써, 전기적, 기계적, 화학적으로 많은 장점을 지니고 있는 그래핀의 상용화를 도모할 수 있다.
특히, 공정 챔버와, 방사광을 조사하는 열원을 구비하고, 열원의 가열 작용에 의해 서셉터를 1차적으로 가열한 다음, 가열된 서셉터의 열전달(즉, 복사 또는 전도)에 의해 2차적으로 기판이 균일하게 가열됨에 따라 그래핀 박막을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 분리 사시도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 지지부를 보여주는 도면.
도 4는 기판 처리 시 챔버 내에서 제1서셉터와 제2서셉터가 결합되는 상태를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 그래핀을 제조할 때 기판이 가열되는 원리를 설명하기 위한 개념도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 분리 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조장치는, 기판(S)이 처리되는 내부공간을 제공하는 몸체(102)와, 몸체(102) 일측에 개폐 가능하도록 배치되는 도어(110)를 포함하는 챔버(100)와, 챔버(100) 내부에 서로 이격되어 구비되는 제1서셉터(120)와, 도어(110)의 일측에 연결되어 제1서셉터(120)와 평행하도록 기판(S)을 지지하는 지지부(130)와, 상기 지지부에 상기 도어의 길이 방향을 따라 구비되되, 상기 제1서셉터와 교차하는 방향으로 서로 이격되어 구비되는 제2서셉터 및 챔버(100)의 양측에 배치되어 서셉터(120)를 가열하기 위한 방사광을 방출하는 적어도 하나의 열원 유닛(200)을 포함하며, 제1서셉터와 제2서섭터는 챔버 내부에서 기판이 처리되는 공간을 형성한다. 본 실시 예에서는 열원 유닛(200)이 챔버(100)의 양측에 배치된 예에 대해서 설명하지만, 열원 유닛(200)은 챔버(100)의 양측 중 어느 한쪽에만 배치될 수도 있다. 열원 유닛(200)의 배치에 따라 챔버(100)의 형태, 열원 유닛(200)의 연결 형태 및 지지부(130)의 구조 등에 차이가 있을 수 있으나, 각 실시 예에 대한 구성 및 작용 효과는 동일하다.
챔버(100)는 내부에 기판(S)을 수용하여 가열해주기 위한 공간, 즉 진공의 가열공간이 마련된 구성으로서, 대략적인 형상은 도시된 바와 같이 중공의 박스 형상 또는 블록 형상으로 이루어질 수 있다. 그리고 챔버(100)는 하나의 몸체로 일체 제작될 수도 있으나, 여러 부품이 연결 또는 결합된 조립 몸체를 지닐 수도 있는데, 이 경우 각 부품 간의 연결 부위에는 밀폐(sealing) 수단(미도시)이 부가적으로 구비될 수 있다. 이에 따라 기판(S)의 가열 또는 냉각 시 장치 내에 투입되는 에너지를 절감해 줄 수 있다.
도 1에 도시된 챔버(100)는 기판이 처리되는 내부공간을 제공하는 중공의 몸체(102)와, 몸체(102)의 전면에 개폐 가능하도록 배치되는 도어(110)를 포함한다. 몸체(102)는 양측면이 개방되고 전면(前面)에 게이트(105)가 형성되어 있는 중공의 하우징(104)과, 하우징(104)의 양측면에 각각 연결되는 커버(106a, 106b)를 포함할 수 있다. 커버(106a, 106b)에는 열원 유닛(200)이 장착되어 서셉터(120)를 가열하기 위한 히터 블록으로 사용될 수 있다. 커버(106a, 106b) 내부에는 열원 유닛(200)을 장착하기 위한 고정홈(109)이 형성될 수도 있다. 고정홈(109)은 열원 유닛(200)으로부터 방출되는 방사광이 서셉터(120) 측으로 집광되어 조사될 수 있도록 아치(arch)형으로 형성되는 것이 좋다. 또한, 고정홈(109)은 열원 유닛(200)보다 크게 형성하여 고정홈(109)의 표면과 열원 유닛(200)의 표면이 이격되어 형성될 수 있도록 함으로써 방사광이 효과적으로 집광될 수 있도록 하는 것이 좋다.
이러한 구성으로 형성되는 챔버(100)는 기판(S)을 수직방향, 즉 세로방향으로 로딩할 수 있도록 상하방향으로 긴 형태로 형성될 수 있다. 예컨대 하우징(104)의 상하방향 길이를 하우징(104)의 일측에 구비되는 커버(106a)의 일측면에서 하우징(104)의 타측에 구비되는 커버(106b)의 일측면까지의 길이보다 길게 형성하여 상하방향으로 긴 육면체 형태로 형성될 수도 있다. 챔버(100)를 상하방향으로 길게 형성하게 되면 챔버(100)를 수평방향으로 길게 형성할 때보다 설치 공간을 감소시킬 수 있다. 한편, 열원 유닛(200)을 챔버(100)의 일측면에만 배치하는 경우에는 하우징(104)의 상하방향 길이를 커버의 일측면에서부터 하우징의 일측면까지의 길이보다 길게 형성할 수 있음은 물론이다.
또한, 몸체(102), 즉 하우징(104)의 전면(前面)에 형성되어 있는 게이트(105)는 기판(S)을 반입 및 반출할 수 있을 정도의 크기로 형성되고, 도어(110)에 의해 개폐될 수 있으며, 게이트(105)가 폐쇄된 경우 챔버(100) 내부가 밀폐될 수 있도록 도어(110)와 게이트(105)의 연결부위에 밀폐부재(미도시)를 개재하는 것이 좋다. 그리고 도면에서는 몸체(102)와 도어(110)가 서로 분리되어 구성된 것으로 도시하고 있으나 도어(110)의 이동통로 및 구동수단 등을 구비하여 도어(110)를 자동으로 이동시켜 게이트(105)를 개폐하도록 구성될 수도 있다.
챔버(100)의 외부에는 챔버(100)의 내부공간으로 공정가스를 공급하는 가스공급부(미도시)가 구비되고, 챔버(100)의 일측면에는 가스공급부로부터 공급되는 공정가스를 챔버(100) 내부로 주입하기 위한 가스주입구(103)가 형성되며 가스주입구(103)와 대향하는 챔버(100)의 타측면에는 챔버(100) 내부의 가스를 배출하기 위한 가스배출구(101)가 형성된다. 가스주입구(103)와 가스배출구(101)가 형성되는 위치는 기판(S)을 고정하는 지지부(130)의 구조에 따라 다양하게 변경될 수 있으나, 본 발명의 실시 예에서는 가스주입구(103)를 챔버(100)의 상부측에, 가스배출구(101)는 챔버(101)의 하부측에 형성하되, 가스주입구(103)와 가스배출구(101)가 서로 대향하도록 형성하였다. 또한, 가스배출구(101)에는 챔버(100) 내부의 압력을 제어하기 위한 진공라인(109)과, 챔버(100) 내부를 냉각시키기 위한 냉각라인(108)이 연결될 수 있다. 이때, 진공라인(109)과 냉각라인(108)에는 챔버 내부의 가스를 효과적으로 배출시킬 수 있는 펌프가 각각 구비될 수 있으며, 각각의 펌프는 선택적으로 작동하여 챔버 내부의 압력을 제어할 수 있다. 다시 말해서, 종래에는 하나의 진공라인(109)을 이용하여 챔버 내부의 압력 제어를 수행하였는데, 이때 기판 처리 후 챔버 내부를 냉각시키는 경우 챔버 내부로 공급되는 냉각가스를 진공라인(109)으로 배출시켰다. 이 경우, 냉각가스에 의해 펌프의 손상이 야기되므로 적은 양의 냉각가스를 공급 및 배출시키며 챔버를 냉각시켜 1000℃ 정도의 고온인 챔버를 상온까지 냉각시키는데 많은 시간이 소요되었다. 그러나 본 발명에서는 진공라인(109)과 냉각라인(108)은 구분하여 사용함으로써 챔버 내부에 충분한 양의 냉각가스를 공급하고 냉각라인(108)을 통해 배출시킬 수 있으므로 냉각시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다.
그리고 챔버(100)에는 열원 유닛(200) 및 서셉터(120)를 냉각시키기 위한 냉각 가스가 공급되는 냉각 유로(107)가 형성될 수도 있다. 예컨대 냉각 유로(107)는 하우징(104), 커버(106a, 106b) 및 도어(110)의 내부에서 분기되어 냉각가스를 서셉터(120)에 균일하게 분사하도록 형성될 수도 있다. 한편, 열원 유닛(200)이 챔버(100)의 어느 한 쪽 측면에 배치되는 경우에는 냉각 유로(107)는 열원 유닛(200)이 구비되는 쪽에만 형성될 수도 있으나, 필요에 따라서는 냉각 유로(107)를 여러 방향에 걸쳐 형성함으로써 냉각 효율을 향상시킬 수도 있다.
챔버(100)의 내벽에는 라이너(미도시)가 형성될 수도 있다. 라이너는 챔버(100) 내부에서 공정 가스가 도달할 수 있는 모든 곳에 형성되어 공정 중 발생하는 오염물을 흡착시킨다. 이와 같이 라이너를 챔버(100) 내벽에 적용함으로써 장비 전체를 세정하지 않고 라이너만 교체하여 장비의 유지 보수 주기를 연장할 수 있다. 이때, 라이너는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
제1서셉터(120)는 챔버(100) 내부에 수직방향으로 배치되며, 별도의 고정수단(122)을 이용하여 챔버(100) 내벽에 고정되어 열원 유닛(200)의 배열 방향과 평행하게 설치된다. 제1서셉터(120)는 한 쌍이 서로 이격되어 구비되며, 기판 처리 시 그 사이에 기판이 배치된다. 제1서셉터(120)는 챔버(100) 내벽으로부터 소정 거리 이격되도록 설치될 수 있다. 이와 같은 구성을 통해 챔버 내부를 냉각시킬 때 냉각 유로(107)를 통해 공급되는 냉각가스가 제1서셉터(120)에 균일하게 분사될 수 있도록 하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 이를 위해 고정수단(122)은 제1서셉터(120)의 가장자리와 챔버(100)의 내벽을 부분적으로 연결할 수 있는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
제1서셉터(120)는 기판 처리 시 기판(S)이 열원 유닛(200)에서 조사되는 방사광에 직접 노출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 본 실시 예에서는 기판으로서 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W) 등의 금속 박판을 이용하는데, 이와 같은 금속 재질의 기판에 방사광을 직접 조사하면 방사광이 반사되어 기판(S)을 공정 온도까지 가열하는데 많은 시간과 전력이 소모될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 방사광을 흡수하고 열전도도가 우수한 재질로 형성되는 제1서셉터(120)를 열원 유닛(200)과 기판(S) 사이에 배치함으로써 방사광에 의해 가열된 제1서셉터(120)를 통해 기판이 간접적으로 가열될 수 있도록 하였다. 제1서셉터(120)는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1서셉터(120)에는 제1서셉터(120)의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부(미도시)가 형성될 수 있다. 온도 측정부는 한 쌍의 제1서셉터(120) 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있으며, 플레이트 형상의 제1서셉터(120) 상에 일정한 간격마다 형성될 수도 있고, 중심부와 각 가장자리부에 형성될 수도 있으며, 그 형성 개수 및 형성 위치는 이에 한정되지 않는다.
열원 유닛(200)은 챔버(100)에 형성된 고정홈(109)에 설치되어 챔버(100) 내부에 설치된 제1서셉터(120)를 가열한다. 열원 유닛(200)은 방사광을 발생시키는 열원과, 열원을 감싸 보호하고 열원에서 발생되는 방사광을 외부로 투과시키는 윈도우를 포함한다. 열원은 텅스텐 할로겐 램프, 카본 램프 및 루비 램프 중 적어도 어느 한 가지가 사용될 수 있으며, 선형, 벌브(bulb) 형태 등 다양한 형태의 열원이 사용될 수 있다.
예컨대 선형의 열원을 사용하는 경우, 복수 개의 열원 유닛(200)을 일정한 간격으로 나란하게 배열하여 사용할 수도 있고, 복수 개의 열원 유닛(200)을 격자 형태로 배열하여 사용할 수도 있다. 이 경우, 열원 유닛(200)과 몸체(102)의 연결부위에는 오링 등의 밀폐부재(미도시)를 삽입하여 챔버(100) 내부를 밀폐시킴으로써 공정 중 챔버(100) 내의 공정가스가 외부로 유출되는 것을 방지할 수도 있다. 또한, 열원 유닛(200)을 고정홈(109)에 장착한 이후 열원 유닛(200)이 챔버(100) 내부공간에 노출되는 것을 방지하기 위하여 열원 유닛(200) 전면에 투과창(미도시)을 설치할 수도 있다. 이와 같은 구성을 통해 박막을 증착하는 과정에서 열원 유닛(200)에 박막 물질이 증착되는 것을 억제하여 열원 유닛(200)의 수명을 연장시킬 수 있다.
열원의 표면 일부에는 반사막(미도시)이 형성될 수도 있다. 선형 열원의 경우 방사광이 방사상으로 방출되는데, 가열 대상인 제1서셉터(120)는 열원과 마주보도록 배치되기 때문에 열원으로부터 방출되는 방사광의 진행 방향을 제어하여 제1서셉터(120)의 가열 효율을 높일 필요가 있다. 따라서 열원의 표면 일부에 방사광을 제1서셉터(120) 측으로 반사시키기 위한 반사막(미도시)을 형성할 수도 있다. 반사막은 열원의 중심부로부터 20° 내지 300°범위의 외주면에 형성되는 것이 좋다. 반사막이 제시된 범위보다 넓은 범위에 형성되는 경우 방사광이 투과되는 영역이 매우 좁아져 제1서셉터(120)를 균일하게 가열하기 어렵고, 제시된 범위보다 좁은 범위에 형성되는 경우에는 반사막을 통해 방사광의 반사되는 정도가 감소하여 제1서셉터(120)를 효과적으로 가열하기 어려운 문제가 있다. 이와 같은 반사막은 반사율이 우수한 재질로 형성될 수 있으며, 세라믹이나 Ni 또는 Ni/Au 합금 등의 금속재질로 형성될 수 있다.
한편, 반사막은 열원 유닛(200)이 설치되는 고정홈(109)의 표면에 형성될 수도 있다. 고정홈(109)은 열원에서 방출되는 방사광을 집광할 수 있도록 아치형으로 형성되기 때문에 고정홈(109)의 표면에 반사막을 형성하면 방사광이 고정홈(109)의 표면에서 반사되어 제1서셉터(120) 측으로 조사될 수 있다. 이를 통해 방사광의 집광 효율을 더욱 향상시킬 수 있어 보다 적은 전력을 이용해서 제1서셉터(120)를 효과적으로 가열할 수 있게 된다.
지지부(130)는 도어(110)의 일측면, 다시 말해서 챔버(100)의 전면에 대향하는 면에 연결되어 기판을 지지한다. 지지부(130)는 기판을 제1서셉터(120)와 평행한 방향으로 지지하며 챔버(100) 내부로 로딩 및 언로딩한다.
본 발명의 실시 예에서는 기판으로서 금속 박판을 이용하는데, 지지부(130)는 기판을 평평한 상태로 지지할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 지지부를 보여주는 도면이고, 도 4는 기판 처리 시 챔버 내에서 제1서셉터와 제2서셉터가 결합되는 상태를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 도어(110)의 일측면에는 기판을 지지하기 위한 지지부(130)가 연결되고, 지지부(130)에는 제2서셉터(124)가 연결된다. 지지부(130)는 도어(110) 일측면의 상부에 연결되는 제1지지대(132a)와, 도어(110) 일측면의 하부에 연결되는 제2지지대(132b) 및 기판(S)을 지지대(132a, 132b)에 고정하는 복수의 고정부재(134)를 포함한다.
제1지지대(132a)와 제2지지대(132b)는 서로 이격되어 평행하게 배치되고, 지지대(132a, 132b)를 관통하는 복수의 고정공(133)이 형성된다. 제1지지대(132a)와 제2지지대(132b)에는 각각의 지지대를 상하방향으로 관통하는 슬릿(131)이 형성될 수 있다. 슬릿(131)은 기판 처리 시 공정 가스가 흐르는 유로로 사용될 수 있으며, 특히 제1지지대(132a)에 형성되는 슬릿(131)은 공정 가스를 제1서셉터(120)와 제2서셉터(124)에 의해 형성되는 기판 처리 공간으로 유입시키는 유입통로로 사용될 수 있고, 제2지지대(132b)에 형성되는 슬릿(131)은 기판 처리 공간 내의 공정 가스를 배출구(101)로 배출시키는 배출통로로 사용될 수 있다. 고정공(133)은 기판(S)을 지지대(132a, 132b)의 양측면에 연결할 수 있도록 지지대(132a, 132b)의 길이 방향에 대해서 수직방향으로 형성된다.
고정부재(134)는 기판(S)을 제1 및 제2지지대(132a, 132b)에 고정할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 예컨대 고정공(133)에 삽입되는 볼트(134a)와, 볼트(134a)에 체결되는 너트(134b)가 사용될 수 있다.
2개의 기판을 지지대(132a, 132b)에 고정하는 경우, 지지대(132a, 132b)를 사이에 두고 기판(S)을 지지대(132a, 132b)의 양측면에 각각 배치한 후, 볼트(134a)를 고정공(133)과 기판(S)을 관통시킨 다음 볼트(134a)의 단부에 너트(134b)를 체결하여 기판(S)을 지지대(132a, 132b)에 고정시킬 수 있다. 이때, 기판(S)을 지지대(132a, 132b)에 용이하게 고정하기 위하여 기판(S)의 가장자리부분에서 고정공(133)에 대응하는 위치에 관통공(미도시)을 미리 형성할 수도 있다. 기판(S)은 상부 및 하부 가장자리가 제1지지대(132a) 및 제2지지대(132b)에 각각 고정되어 평평한 상태를 유지할 수 있다. 따라서 대면적의 기판(S)도 챔버(100) 내에 세로방향으로 용이하게 로딩할 수 있고, 이에 기판(S)의 하중에 의한 처짐 현상 등의 발생도 억제할 수 있다. 또한, 제1지지대(132a) 및 제2지지대(132b)는 기판(S) 사이에 개재되어 기판(S)의 상부 및 하부를 이격시키는 역할을 하고, 슬릿(131)을 통해 공정 가스를 이동시킬 수 있기 때문에 공정 수행 시 기판(S) 사이에 공정 가스의 유입을 원활하게 함으로써 기판(S) 전체에 걸친 균일한 처리를 가능하게 한다.
이외에도 지지부(130)의 구성을 다양하게 변형하여 기판(S)을 고정할 수 있음은 물론이다.
제2서셉터(124)는 수평방향 길이(d)보다 상하방향 길이가 긴 플레이트 형상으로 형성될 수 있으며, 제1지지대(132a)와 제2지지대(132b)의 양쪽에 각각 구비될 수 있다. 이때, 제2서셉터(124)의 수평방향길이(d)는 제1서셉터(120) 간의 이격 거리(D)보다 작을 수 있다. 구체적으로 설명하면, 제2서셉터(124)는 도어(110)의 길이 방향, 즉 상하방향으로 구비되며, 제1지지대(132a)와 제2지지대(132b)의 일측 끝단과 타측에 기판의 길이보다 큰 간격을 갖도록 이격되어 구비될 수 있다. 제2서셉터(124)는 제1지지대(132a) 또는 제2지지대(132b)의 길이 방향에 대하여 교차하는 방향으로 제1지지대(132a)와 제2지지대(132b)에 연결될 수 있으며, 도어(110)와는 나란하게 배치될 수 있다. 또는, 제2서셉터(124)는 제1서셉터(120)와 교차하는 방향으로 배치될 수 있다. 이러한 구성을 통해 도어(110)를 챔버(100) 내부에 진입시키게 되면, 제2서셉터(124)는 제1서셉터(120)의 양쪽 가장자리 측에 배치되어 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 상하부가 개방된 중공형의 박스 형상을 형성하게 된다. 이에 챔버(100) 내부에는 제1서셉터(120)와 제2서셉터(124)에 의해 또 하나의 공간(P)이 형성되며, 이 공간은 챔버(100) 내에서 실질적으로 기판이 처리되는 공간(P)이 된다. 이때, 제2서셉터(124)는 도어(110)에 연결된 상태로 제1서셉터(120) 사이로 삽입되어 기판이 처리되는 공간(P)을 형성하기 때문에 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 제2서셉터(124)의 수평방향길이(d)는 제1서셉터(120) 사이의 이격 거리(D)보다 작은 것이 바람직하다.
이와 같이 챔버(100) 내에 설치되는 제1서셉터(120)와 도어(110)에 설치되는 제2서셉터(124)를 이용하여 챔버(100) 내부에 기판이 처리되는 별도의 공간(P)을 형성함으로써 챔버(100) 내부 공간보다 비교적 작은 공간에서 기판 처리가 가능하므로 기판 처리를 위한 온도 제어나, 공정 가스를 이용한 분위기 제어가 용이하게 된다. 따라서 기판의 균일한 처리가 가능하게 되어 기판 처리 효율을 향상시킬 수 있고, 생산성도 향상시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 기판 처리 장치를 이용하여 기판 상에 그래핀을 증착하는 방법에 대해서 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 그래핀을 제조할 때 기판이 가열되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
먼저, 기판(S)을 도어(110)에 연결되어 있는 지지대(132a, 132b)에 상하방향으로 고정한다. 기판(S)은 그 상부 및 하부의 가장자리부분이 지지대(132a, 132b)에 고정되기 때문에 평평한 상태를 유지할 수 있다. 이때, 기판(S)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 한 가지가 사용될 수 있으며, 박판 형태로 형성될 수도 있다.
지지대(132a, 132b)에 기판(S)이 고정되면, 도어(110)를 이동시켜 기판(S)을 챔버(100) 내부로 로딩한다. 이때, 도어(110)에 의해 게이트(105)가 폐쇄되며, 도어(110)의 지지대(132a, 132b)에 구비되는 제2서셉터(124)가 챔버(100) 내에 수직방향으로 설치되어 있는 제1서셉터(120) 사이로 삽입되며, 기판 처리 공간(P)을 형성한다. 또한, 이렇게 형성되는 기판 처리 공간 내에 기판(S)이 배치된다.
이후, 챔버(100) 하부의 배출구(101)에 연결된 진공 라인을 통해 챔버(100) 내부의 가스를 배출시켜 챔버(100)의 내부 압력을 진공 상태로 만든다. 이때, 챔버(100)의 내부 압력은 0.01 내지 50torr 범위로 제어될 수 있다.
이어서 열원 유닛(200)을 작동시켜 제1서셉터(120)를 가열하면서 가스주입구(103)를 통해 공정가스를 공급하여 기판(S) 상에 그래핀을 증착한다. 이때, 제1서셉터(120)는 800 내지 1050℃ 정도까지 가열될 수 있으며, 공정가스로는 CH4, C2H6, C2H2, C6H6 등과 같이 탄소를 함유하는 가스가 사용될 수 있다. 기판(S) 상에 그래핀이 증착되는 동안 가스주입구(103)를 통해 공정가스가 공급되는 동시에 미반응 가스 및 잔류물 등이 배출구(101)를 통해 배출된다.
그래핀이 기판(S) 상에 증착되는 과정에서 열원으로부터 조사된 방사광은 윈도우를 투과한 후, 제1서셉터(120)로 조사된다. 이에 제1서셉터(120)는 열원으로부터 조사되는 방사광에 의해 미리 설정된 온도까지 가열되고, 가열된 제1서셉터(120)의 열전달에 의해 제2서셉터(124) 및 기판 처리 공간(P) 내에 배치된 기판(S)이 간접적으로 가열된다. 이때, 기판(S)은 챔버(100) 내에서 비교적 작은 기판 처리 공간(P) 내에 구속되어 있는 상태로, 가열된 제1서셉터(120)의 열전달(즉, 복사 또는 전도)에 의해 신속하고 균일하게 가열될 수 있다. 또한, 기판(S)은 열전달에 의해 간접적으로 가열되기 때문에 고온에 의해 직접 가열됨으로써 발생할 수 있는 손상이 방지될 수 있다. 또한, 제1서셉터(120) 및 제2서셉터(124)에 의해 기판 처리 공간(P) 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있기 때문에 그래핀이 증착되는 동안 기판(S)의 온도를 일정하게 유지하여 그래핀 박막이 균일하게 증착될 수 있다.
이후, 기판(S) 상에 원하는 두께의 그래핀 박막이 증착되면 열원 유닛(200)의 작동을 정지시키고, 냉각 유로(107)를 통해 냉각 가스를 챔버(100) 내부로 공급하여 제1서셉터(120), 제2서셉터(124) 및 기판(S) 등을 냉각시킨다. 이때, 챔버(100) 내부에는 냉각 유로(107)을 통해 질소(N), 아르곤(Ar) 및 헬륨(He) 중 적어도 어느 한 가지의 냉각 가스가 공급될 수 있다. 냉각 가스가 공급되면, 챔버(100) 하부의 배출구(101)에 연결된 냉각 라인(108)을 개방하여 냉각 가스를 배출시킬 수 있다. 이와 같이 챔버(100) 내부에 진공을 형성하기 위한 진공 라인(109)과 냉각을 위한 냉각 라인(108)을 선택적으로 사용함으로써 종래에 비해 다량의 냉각 가스를 공급 및 배출시킬 수 있으므로 서셉터(120, 124) 및 기판(S)을 냉각시키는 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
S: 기판
100 : 챔버 102 : 몸체
120 : 제1서셉터 124: 제2서셉터
130 : 지지부 150 : 프레임
200 : 열원 유닛

Claims (9)

  1. 내부공간이 형성되고 일측이 개방된 챔버 몸체와, 상기 챔버 몸체를 개폐하는 도어를 포함하는 챔버와;
    상기 챔버 내부에 서로 이격되어 구비되는 제1서셉터와;
    상기 도어의 일측면에 연결되어 상기 제1서셉터와 평행하게 기판을 지지하는 지지부와;
    상기 지지부에 상기 도어의 길이 방향을 따라 구비되되, 상기 제1서셉터와 교차하는 방향으로 서로 이격되어 구비되는 제2서셉터; 및
    상기 챔버의 적어도 일면에 배치되고, 상기 제1서셉터를 가열하는 적어도 하나의 열원 유닛;
    을 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버는,
    일측에 공정가스를 주입하기 위한 가스주입구와,
    상기 가스주입구에 대향하는 타측에 상기 챔버 내의 가스를 배출하기 위한 가스배출구를 포함하는 기판 처리 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가스배출구에는 상기 챔버 내부의 압력을 조절하는 진공라인과, 상기 챔버 내부를 냉각시키는 냉각라인이 연결되고, 상기 진공라인과 상기 냉각라인은 선택적으로 개폐되는 기판 처리 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버 몸체는 전면 및 적어도 일 측면이 개방된 중공의 하우징과, 상기 하우징의 개방되는 측면에 연결되는 커버를 포함하고,
    상기 열원 유닛은 상기 커버에 배치되는 기판 처리 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1서셉터와 상기 제2서셉터는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성되는 기판 처리 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1서셉터는 상기 제1서셉터의 가장자리와 상기 챔버의 내벽을 부분적으로 연결하는 고정수단을 이용하여 상기 챔버의 내벽에 고정되는 기판 처리 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지부는,
    서로 이격되어 평행하게 배치되고 복수의 고정공이 형성되는 한 쌍의 지지대와;
    상기 고정공에 체결되어 기판을 고정하는 복수의 고정부재;
    를 포함하고,
    상기 제2서셉터는 상기 지지대와 교차하는 방향으로 상기 기판의 길이보다 큰 간격을 갖도록 상기 지지대에 고정되는 기판 처리 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고정부재는,
    상기 고정공에 삽입되는 볼트와;
    상기 볼트에 체결되는 적어도 하나의 너트;
    를 포함하는 기판 처리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 지지대에는 상기 지지대를 관통하는 적어도 하나의 슬릿이 형성되는 기판 처리 장치.
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