KR101642331B1 - 증착 반응기를 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전구체 증기(101)가 증착 반응기의 반응 챔버(110)로 적어도 하나의 인피드 라인(141, 142)을 따라 가이드되고, 반응 챔버 내에서 전구체 증기의 수직 유동을 일으키고 수직하게 놓인 기판(170)들 사이에서 수직하게 전구체 증기가 유입되게 하여 수직하게 놓인 기판(170)들의 배치의 표면상에 물질이 증착되는 방법 및 장치에 대한 것이다.
Description
본 발명은 증착 반응기를 위한 장치 및 방법에 대한 것이다. 보다 자세하게는, 절대적이지는 않지만, 본 발명은 순차적인 자기 포화 표면 반응에 의해 물질이 표면에 정착되는 이러한 증착 반등세를 위한 장치 및 방법에 대한 것이다.
원자 레이어 에피택시(Atomic Layer Epitaxy: ALE) 방법은 1970년대 초반에 투오모 순톨라 박사에 의해 발명되었다. 이 방법에 대한 다른 일반적인 명칭은 원자 레이어 증착(Atomic Layer Deposition: ALD)이며, 최근에는 ALE 대신에 사용되고 있다. ALD는 가열된 반응 공간 내에 놓여지는 기판으로 적어도 2개의 반응성 전구체 종(species)을 순차적으로 도입하는 곳에 기초한 특수한 화학적인 증착 방법이다. ALD의 성장 메커니즘은 화학적인 흡착(화학흡착) 및 물리적인 흡착(물리흡착) 간의 결합강도 차이에 의존한다. ALD는 증착 과정 동안에 화학 흡착을 이용하며 물리흡착을 제거한다. 화학흡착 동안에 강한 화학결합이 기체상태로부터 도달하는 분자와 고체 상태 표면의 원자 사이에 형성된다. 물리흡착에 의한 결합은 훨씬 약한데 그 이유는 반데르발스 힘만이 개입되기 때문이다. 물리흡착 결합은 국부적 온도가 분자의 응축 온도보다 높은 경우에 열에너지에 의해 쉽게 부서진다.
정의에 의하면, ALD 반응기의 반응 공간은 박막의 증착을 위하여 사용되는 각각의 ALD 전구체에 교번하여 그리고 순차적으로 노출될 있는 모든 가열된 표면을 포함한다. 기본적인 ALD 증착 싸이클은 펄스 A, 퍼지 A, 펄스 B 및 퍼지 B인 순차적인 4단계로 구성된다. 펄스 A 는 금속 전구체 증기 및 비금속 전구체 증기, 특히 질소 또는 산소 전구체 증기의 펄스 B로 구성된다. 질소 또는 아르곤와 같은 불활성 가스 및 진공 펌프는 퍼지 A 및 퍼지 B 동안에 반응 공간으로부터 잔류 반응 분자 및 기체 반응 부산물을 위하여 사용된다. 증착 순서는 적어도 하나의 증착 싸이클을 포함한다. 증착 싸이클은 증착 순서가 원하는 두께의 박막을 제조할 때까지 반복된다.
전구체 종은 가열된 표면의 반응성 지점에 화학 결합을 화학흡착을 통하여 형성한다. 조건들은 고체 물질의 분자 모노레이어만이 하나의 전구체 펄스 동안에 표면상에 형성되는 방식으로 배열된다. 성장 과정은 자체 종료되거나 포화된다. 예를 들어, 제1 전구체는 흡수된 종에 부착된 상태로 남아 있고 표면을 포화시키는리간드를 포함하여 추가적인 화학흡착을 방지한다. 반응 공간 온도는 응착 온도를 초과하여 유지되고 사용된 전구체의 열적 분해 온도 아래의 온도에서 유지되어 전구체 분자 종은 기판을 기본적으로 온전한 상태로 화학흡착한다. 기본적으로 온전하다는 것의 의미는 휘발성 리간드들이 전구체 분자 종이 표면에 화합흡착될 때 전구체 분자에서 떨어진다는 것이다. 상기 표면은 반응 지점의 제1 유형, 즉 제1 전구체 분자의 흡수된 종이 실질적으로 포화되게 된다. 화학흡착 단계 다음으로 제1 퍼지 단계(퍼지 A)가 후속되는데, 여기서 과도한 제1 전구체 및 가능한 반응 부산물들은 반응 공간에서 제거된다. 제 2 전구체 증기는 반응 공간으로 유도된다. 제 2 전구체 분자는 제 1 전구체 분자의 흡수된 종과 반응하게 되어 원하는 박막 물질을 형성하게 된다. 이러한 성장은 흡수된 제 1 전구체의 전체 양이 소비되고 표면이 반응 지점의 제 2 유형으로 근본적으로 포화되면 종료된다. 과도한 제 2 전구체 증기와 가능한 반응 부산물 증기는 제 2 퍼지 단계(퍼지 B)에 의해 제거된다. 상기 싸이클은 필름이 원하는 두께로 성장할 때까지 반복되게 된다. 증착 싸이클은 보다 복잡해질 수 있다. 예를 들어, 상기 싸이클은 퍼지 단계에 의해 분리된 3개 이상의 반응 증기 펄스를 포함한다. 모든 이러한 증착 싸이클은 논리 단위 또는 마이크로프로세서에 의해 제어되는 시간 조절된 증착 순서를 형성한다.
ALD에 의해 성장된 박막은 소밀하며 핀홀이 없으며, 균일한 두께를 가진다. 예를 들어, 트리메틸알루미늄 (CH3)3Al 으로부터 성장된 산화 알루미늄은 TMA 로 지칭되며 250-300℃의 물은 100-200mm 웨이퍼에 대하여 약 1% 비-균일성을 가지는 것이 일반적이다. ALD 에 의해 성장된 산화 금속 박막은 게이트 유전체, 전장 발광 디스플레이 절연체, 캐패시터 유전체 및 패시베이션 레이어에 적합하다. ALD 에 의해 성장된 박막 질화 금속은 디퓨젼 배리어, 예를 들어 이중 물결무늬 구조에 적합하다.
다양한 ALD 반응기에서의 ALD 단계에 적합한 전구체들은 예를 들어 본 발명에 편입되는 R. Puurunen, "Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminum/water process", J. Appl. Phys., 97 (2005), p. 121301 의 리뷰 기사에 설명되고 있다.
일반적인 반응기에서, ALD 증착 싸이클은 단일 웨이퍼 또는 기판에 적용된다. 이러한 종류의 단일 웨이퍼 처리는 R&D 목적에 대하여 만족스러운 반면에, 서비스 간의 평균 시간 또는 제품의 시스템 효율과 같은 가능한 대량 생산의 요건에 부합하지 않는다.
본 발명의 목적은 배치(batch) 반응기에서 기판 또는 웨이퍼의 배치의 표면상에서의 성장 물질에 적합한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따르는 방법은,
증착 반응기의 반응 챔버에 적어도 하나의 일피드 라인을 따라 증구체 증기를 가이드하는 단계와;
반응 챔버에서 전구체 증기의 수직 유동을 일으키며 수직하게 배치된 기판들 사이에서 수직 방향으로 유입되게 함으로써 반응 챔버에서 수직하게 배치된 기판의 배치의 표면에 물질을 증착하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예는 장치 및 단단한 기판 핸들링 시스템 내에서 신규한 가스 유동 형태를 제공하게 된다.
일실시예에서, 수직 유동의 방향은 상부로부터 바닥을 향한다. 일실시예에서, 수직하게 놓인 기판들은 기판 홀더에서 균일한 수평 공간으로써 수직하게 놓인 기판의 수평 방향 적층부를 형성한다.
일실시예에서, 수직하게 놓인 기판의 배치는 이동식 기판 홀더에 나란하게 놓인 웨이퍼 세트를 포함하며, 여기서 상기 웨이퍼 세트는 적어도 2개의 웨이퍼를 포함한다. 일실시예에서, 기판 또는 웨이퍼의 개수는 2개를 초과하는데, 예를 들어, 2개, 10개, 12개, 25개, 또는 그 이상으로, 어떤 실시예에서는 8-25개의 범위, 다른 실시예에서는 그 이상의 개수일 수 있다. 상기 기판은 예를 들어 3-12" 웨이퍼인 실리콘 웨이퍼와 같은, 반도체 웨이퍼일 수 있다. 일실시예에서, 상기 기판은 압전 모놀리스의 배치와 같은 세라믹 부재 또는 플레이트일 수 있다. 일실시예에서, 상기 기판은 금속구와 같은 다양한 기하학적 형상의 금속 부재를 포함한다.
일실시예에서, 상기 기판 홀더는 이동식 반응 챔버 리드에 부착된다. 일실시예에서, 전구체 증기는 상기 반응 챔버 리드를 통하여 반응 챔버로 공급된다.
일실시예에서, 전구체 증기는 반응 챔버 리드를 통하여 확장 부피부로 가이드되며 상기 기판을 탑재한 반응 챔버의 일부로 배분 플레이트를 통하여 수직하게 연장 공간으로 가이드된다.
일실시예에서, 반응 챔버 크기는 수직하게 배치된 기판의 배치의 크기에 대하여 또는 상기 기판을 지지하는 기판 홀더의 크기에 대하여 적합화된다. 이러한 방식으로, 전구체 소비에서의 절감이 가능하게 된다. 일실시예에서, 반응 챔버의 크기는 예를 들어 반응 챔버 본체를 교체하거나 연결부품으로써 조절될 수 있다.
본 발명의 제 2 특징에 따른 장치는,
증착 반응기의 반응 챔버에 전구체 증기를 공급하기 위한 구성의 적어도 하나의 인피드 라인; 및
반응 챔버에서 전구체 증기의 수직 유동을 일으키고 수직하게 배치된 상기 기판들 사이에서 수직하게 유입되게 함으로써 반응 챔버에서 수직하게 배치된 기판들의 배치의 표면에 물질을 증착하기 위한 구성의 반응 챔버를 포함한다.
일실시예에서, 상기 장치는 고정식 반응 챔버 본체와 다중 기판을 위한 기판 홀더를 하우징할 수있는 이동식 반응 챔버 리드를 포함한다.
일실시예에서, 상기 배치는 상기 반응기의 상부면으로부터 접근가능하게 되어 있다.
상기 방법 및 장치는 대기 압력 보다 낮은 압력하에서 순차적인 자기-포화 표면에 의해 가열된 표면상에 박막 또는 물질을 성장시키기 위한 것이다. 상기 장치는 ALD (Atomic Layer Deposition) 또는 ALE(Atomic layer Epitaxy) 장치이거나 이와 유사하다. 박막의 원하는 두께는 하나의 모노레이어 또는 분자 레이어로부터 1000nm 까지 또는 그 이상으로 연장되는 영역에 있을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 첨부된 청구범위와 상세한 설명에서 예시된다. 이러한 실시예들은 본 발명의 선택된 특징을 참조하여 설명된다. 통상의 기술자는 본 발명의 실시예를 동일한 특징 내에서 다른 실시예와 조합할 수 있다. 또한, 임의의 실시예는 다른 실시예와 조합하여 또는 단독으로 다른 특징에 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면 배치(batch) 반응기에서 기판 또는 웨이퍼의 배치의 표면상에서의 성장 물질에 적합한 장치 및 방법을 제공할 수 있게 된다.
본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 예시적으로 설명된다.
도 1은 일실시예에 따른 인피드 라인 및 배출 라인을 구비한 증착 반응기의 반응 챔버의 단면도이다.
도 2는 도 1의 증착 반응기의 반응 챔버의 다른 단면도이다.
도 3은 선택적인 실시예를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1의 장치의 조립도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반응 챔버의 조립도이다.
도 6은 도 5의 반응 챔버의 정면도이다.
도 7은 도 6의 A-A 선을 따른 단면도이다.
도 8은 일실시예에 따른 도 8의 증착 반응기의 단면도이다.
도 9는 개방 위치에서 도 8의 증착 반응기의 단면도이다.
도 10은 개방 위치에서 도 8의 증착 반응기의 다른 단면도이다.
도 11은 개방 위치에서의 반응기 리드와 그 위치에서 반응기 내부의 기판 홀더의 도 8의 증착 반응기의 다른 단면도이다.
도 12는 기본 위치에서 도 8의 증착 반응기의 단면도이다.
도 13은 기본 위치에서 도 8의 증착 반응기의 다른 단면도이다.
도 14는 일실시예에 따른 반응 챔버에 대한 기판 홀더 부착 상태를 보여주는 상세도이다.
도 15는 도 14에 도시된 도면을 보여주는 다른 도면이다.
도 1은 일실시예에 따른 인피드 라인 및 배출 라인을 구비한 증착 반응기의 반응 챔버의 단면도이다.
도 2는 도 1의 증착 반응기의 반응 챔버의 다른 단면도이다.
도 3은 선택적인 실시예를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1의 장치의 조립도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반응 챔버의 조립도이다.
도 6은 도 5의 반응 챔버의 정면도이다.
도 7은 도 6의 A-A 선을 따른 단면도이다.
도 8은 일실시예에 따른 도 8의 증착 반응기의 단면도이다.
도 9는 개방 위치에서 도 8의 증착 반응기의 단면도이다.
도 10은 개방 위치에서 도 8의 증착 반응기의 다른 단면도이다.
도 11은 개방 위치에서의 반응기 리드와 그 위치에서 반응기 내부의 기판 홀더의 도 8의 증착 반응기의 다른 단면도이다.
도 12는 기본 위치에서 도 8의 증착 반응기의 단면도이다.
도 13은 기본 위치에서 도 8의 증착 반응기의 다른 단면도이다.
도 14는 일실시예에 따른 반응 챔버에 대한 기판 홀더 부착 상태를 보여주는 상세도이다.
도 15는 도 14에 도시된 도면을 보여주는 다른 도면이다.
아래의 설명에서, 원자 레이어 증착 (ALD) 기술은 예시적으로 사용된다. 그러나, 그 목적은 그 기술에 한정되지 않으며 임의의 실시예들은 다른 비교될 수 있는 원자-수준 증착 기술을 사용하는 장치 및 방법에도 적용될 수 있다.
기본적인 ALD 성장 메커니즘은 통상의 기술자에게 알려져 있다. ALD 방법의 구체적인 사항들은 본 발명의 서두에 설명되어 있다. 이러한 상세 사항들은 반복되지 않을 것이지만 그 점에 있어서 서두를 참조하여야 한다.
도 1은 ALD 장치 (또는 반응기)의 단면을 상세히 도시한다. 이러한 장치는 반응 챔버 본체(110), 반응 챔버 상부 플랜지(120), 반응 챔버 리드(130)에 의해 형성된 반응 챔버를 포함한다. 상기 장치는 반응 챔버 인피드 라인(141, 142) 및 반응 챔버 배기 가이드(150)를 추가로 포함한다. 인피드 라인의 개수는 구현 상태에 따라 가변적이다.
기판 홀더(160)는 반응 챔버의 바닥으로 하강된다. 상기 기판 홀더(160)는 수직하게 배치된 기판 또는 웨이퍼(170)의 배치를 지지하게 된다.
전구체 증기 펄스 기간 동안에, 전구체 증기는 상부 플랜지(129)를 통하여 가공된 채널을 통하여 하측으로부터 반응 챔버 리드(130)로 수직 방향으로 인피드 라인(141)을 따라 (101 화살표로 도시) 유동하게 된다. 이러한 유동으로 인하여 리드(130)에서 화살표 102로 도시된 바와 같이 90도 회전하게 되고 수평 도관을 통하여 수평 방향으로 기판(170)위의 공간으로 유입되게 된다. (그러나 회전이 반드시 90도일 필요는 없다). 이러한 공간은 확장 부피부(180)로 표시된다. 상기 확장 부피부(180) 아래에서, 상기 장치는 예를 들어 메쉬 형태이거나 천공된 플레이트이며 상기 리드(130)에 부착되는 분배부(또는 플레이트)(190)를 포함한다. 이러한 유동은 상기 확장 부피부(180)에서 다른 회전을 일으키며 화살표 103으로 도시된 바와 같이 반응 챔버의 반응 공간으로 분배부를 통하여 수직하게 상부에서 하부 방향으로 유입된다. 상기 반응 공간에서, 전구체 증기는 수직하게 배치된 기판(170) 들 사이에서 수직한 방향으로 유입된다. 상기 기판(170)들 사이에서 바로 인접한 공간에서, 상기 전구체 유동은 기판 표면상에서 반응 지점과 반응한다. 일실시예에서, 상기 전구체 유동은 반응 챔버의 상부측으로부터 배출 가이드(150)를 향하여 반응 챔버의 하부측으로 기판의 근본적으로 나란한 표면을 따라 수직하게 진행한다. 반응 부산물 및 잔류하는 기체상의 전구체 분자는 화살표 104로 표시된 바와 같아 후속 퍼지 단계에서 반응 챔버로부터 제거된다.
일실시예에서, 상기 인피드 라인(141)은 제1전구체와 불활성 캐리어의 전구체 증기 및 퍼지 가스를 공급하는데 사용되고 상기 인피드 라인(142)은 제2전구체와 불활성 가스의 전구체 증기 및 퍼지 가스를 반응 챔버에 공급하는데 사용된다.
선택적인 실시예에서, 전구체 증기는 상기 리드(130: 도 1에 미도시)를 통하여 가공된 채널을 통하여 측면으로부터 수평방향으로 반응 챔버 리드(130)로 유동하게 된다. 이러한 실시예에서, 상기 상부 플랜지는 언급된 수직 채널을 구비할 필요는 없다. 다른 실시예에서, 전구체 증기는 다시 하측으로부터 반응 챔버 리드(130)로 수직하게 유입되지만 상기 상부 플랜지(120)를 완전히 통과한다. 이러한 실시예에서, 상기 상부 플랜지(120)의 수평 직경은 예를 들어 통과를 가능하게 하기 위하여 상기 리드(130)의 수평 직경보다 작다.
도 2는 도 1의 장치의 다른 단면도이다. 이러한 도면에서, 단면은 도 1에 비교하여 90도 회전된 가상의 평면에서 얻어진다. 만약 도 1의 단면이 정면도를 나타낸다면, 도 2의 단면은 예를 들어 좌측에서 본 것을 도시한다.
기판 홀더(160)에서 기판(또는 웨이퍼: 170)을 위치시키는 것은 도 2에 더 잘 도시되어 있다. 기판(170)은 수직 위치로 배치되어 각 기판(170)의 표면은 수직 평면에 배치된다. 상기 기판(170)은 기판 홀더(160)에서 서로 라인을 이루어 배치되며, 라인을 이루었다고 언급될 때에는 서로 나란하다고 할 수 있다. 상기 기판(170)은 기판홀더(160)에 의해 지지된다.
가판(170)들 사이의 공간은 작아서 반응 공간의 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나 상기 공간은 넓어서 전구체 유동은 기판(170)들 사이에서 적절하게 유입될 수 있게 된다. 임의의 실시예에서, 실질적으로 균일한 공간은 1-10mm의 범위에서 선택되는 것이 일반적인데 일실시예에서는 2-5mm 의 범위에서 선택될 수도 있다. 도 1 및 2에 도시된 실시예에서 배치에서의 기판의 개수는 16이다.
반응 챔버 크기는 수직하게 배치된 기판의 배치의 크기를 위하여 또는 상기 기판을 지지하는 기판 홀더의 크기를 위하여 특별히 최적화될 수 있다. 이러한 방식으로, 전구체 소비의 절감이 가능하게 된다.
임의의 실시예에서, 반응 챔버의 크기는 예를 들어 반응 챔버에 공간 제한 연결부를 삽입함으로써 또는 반응 챔버 또는 반응 챔버 본체(110)를 다른 크기의 것으로 교체함으로써 조절될 수 있다.
도 3은 다른 실시예로서 도 1의 장치의 다른 단면을 도시한다. 이러한 실시예에서, 반응 챔버는 작은 양의 기판(170)을 가지는 얇은 기판 홀더(160)를 포함하는 얇은 반응 챔버이다. 이 실시예에서 기판의 개수는 2개이다. 도 3에 도시된 얇은 반응기는 예를 들어 도 2에 도시된 큰 (또는 일반적인 크기의) 반응 챔버를 보다 얇은 것으로 교체함으로써 얻어진다.
도 2 및 도 3에 도시된 각각의 장치에서, 기판(170)을 지지하는 기판 홀더(160)의 크기는 기판(170)을 가진 기판 홀더(160)가 반응 챔버의 바닥부분을 실질적으로 채우도록 선택된다. 이러한 방식으로 전구체의 소비 효율이 향상된다.
도 4는 도 1의 장치의 조립도이다. 기판 홀더(160)는 외측 리프트 장치(도 4에 미도시)를 가진 리프트부 또는 후크(465)상에서 그립하거나 원하는 방향으로 이동시킴으로써 상기 반응 챔버에서 들어올려지거나 반응 챔버로 하강될 수 있다. 이동식 반응 챔버 리드(130)는 반응 챔버 상부 플랜지(120)에 대하여 가압되고 공차 또는 근접 실링부에 의해 밀봉될 수 있다. 공차 실링부는 근본적으로 유사한 2개의 표면(평평하고 매끄러운 표면 또는 유리 비드 블라스팅과 같이 거칠기 가공된 평평한 표면)은 상기 표면들 사이에서 기체의 유동을 방지하도록 서로 밀접하게 접촉한다.
상기 기판 홀더(160)는 스테인레스 스틸, 니켈, 티타늄, 실리콘 카바이드(예를 들어 화학 증기 침투에 의해 그라파이트로부터 만들어진 SiC) 또는 수정을 포함한다. 일실시예에서, 기판 홀더(160)는 기판 홀더를 사용하기 전에 부식성 소스 화합물에 대하여 홀더 기판을 보호하기 위하여 비정질 박막(예를 들어 100-200 nm 의 Al2O3)로 코팅된다.
도 5는 다른 실시예에 따른 반응 챔버의 조립도이다. 이러한 실시예에서, 실질적으로 사각형의 반응 챔버 상부 플랜지(120)에 연결된 3개의 인피드 라인(141-143)이 존재한다. 반응 챔버는 서비스 또는 교체를 위하여 제거식 리프트 아암(515)으로써 반응기로부터 들어올려질 수 있다. 상기 기판 홀더(160)는 외부 리프트 장치(568)로써 리프트부 또는 후크(465)상에서 그립함으로써 반응 챔버로부터 들어올려지거나 반응 챔버로 하강될 수 있다.
도 6은 도 5의 반응 챔버의 기본적인 위치(폐쇄 위치)의 반응 챔버의 정면도이다. 이동식 반응 챔버 리드(130)는 공차 또는 근접 실링부로써 반응 챔버 상부 플랜지(120)에 대하여 밀봉된다.
도 7은 도 6에 도시된 A-A 라인을 따라 반응 챔버를 절개한 단면도이다. 전구체 즈익 펄스 기간 동안에, 전구체 증기는 수직한 방향으로 화살표 701로 도시된 바와 같이 인피드 라인(143)을 따라 유동한다. 이러한 유동은 90도 회전을 일으키고 측면으로부터 반응 챔버 상부 플랜지(120)로 수평 방향으로 유입된다(그러나 회전이 반드시 90도일 필요는 없다). 상기 전구체 증기의 유동은 상부 플랜지(120) 내측의 수평 도관을 따라 계속되며 확장 부피부(180)로 유입된다. 확장 부피부(180) 아래에서, 상기 장치는 예를 들어 메쉬 또는 천공된 플레이트인 분배부(또는 플레이트)(190)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 상기 분배부(190)는 스페이서 핀(785)로써 반응 챔버 리드(130)에 부착된다. 이러한 유동은 확장 부피부(180)에서 또다른 회전을 일으키며, 화살표 103으로 도시된 바와 같이 반응 챔버의 반응 공간으로 분배부(190)를 통하여 수직하게 상부에서 하부 방향으로 유입된다. 반응 공간에서, 상기 전구체 증기는 기판 홀더(160)(비록 기판(170)은 도 7에 도시되어 있지는 않지만)에 의해 지지되는 수직하게 배치된 기판(170)들 사이에서 수직하게 유입된다. 이로부터 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 과정이 유사하게 계속된다.
도 8은 일실시예에 따른 개방 위치의 증착 반응기의 상세한 사시도이다. 상기 반응기는 라운드 연결부, 예를 들어 니플에 볼트 연결된 플랜지를 가진 ISO 완전 니플 또는 CF 연결부 또는 이에 유사한 것에 의해 형성되는 진공 챔버(805)를 포함한다. 상기 연결부의 폭은 실시예에 따라 100-300 mm 의 배치의 웨이퍼 및 히터를 위한 반응 챔버를 수용할 수 있는 크기이다.
진공 챔버 리드(831)는 반응 챔버 리드(130)와 일체로 되어 리드 시스템을 형성한다. 기판(170)의 배치를 지지하는 기판 홀더(160)는 수평하게 서로 이웃하게 수직하게 배치되며, 상기 리드 시스템에 부착된다. 상기 반응 챔버는 상부로부터 기판(170)을 구비한 기판 홀더(160)가 부착되는 리드 시스템을 하강시켜서 수직하게 로딩된다. 이러한 것은 예를 들어 적절한 로딩 장치에 의해 행해질 수 있다. 장치 커버(895)는 리스 시스템이 연결되는 개구를 구비한다.
도 9는 개방 위치에서 도 8의 증착 반응기의 단면을 도시한다. 상기 기판 홀더(160)는 리스 시스템의 대응부에 그 상부 부착부 또는 후크(465)로써 부착된다. 상기 분배부(190)는 스페이서 핀(785)으로써 리드 시스템에 부착된다.
도 10은 개방 위치에서 도 8의 증착 반응기의 사시 단면도이다. 반응 챔버 인피드 라인(141, 142)은 도 10에 도시된다.
도 11은 개방 위치에 반응기 리드가 있고 반응 챔버 내부에 기판 홀더가 있는 도 8의 증착 반응기의 또다른 사시 단면도이다.
도 12는 기본적인 작동 위치에서 도 8의 증착 반응기의 사시 단면도이다.
도 13은 기본적인 작동 위치에서 도 8의 증착 반응기의 또다른 단면도이다. 이러한 예에서, 배치의 기판들의 개수는 25개이다. 전구체 증기 펄스 기간 동안에, 전구체 증기는 상부 플랜지(120)를 통하여 가공된 채널을 경우하여 하측으로부터 반응 챔버 리드(I130)로 수직방향으로 인피드 라인(141)(화살표 101로 도시된 바와 같이)을 따라 유동한다. 이러한 유동은 리드(130)에 화살표 102로 표시한 바와 같은 90도 회전을 일으키며 수평 도관을 통하여 기판(170) 위에서 확장 부피부(180)으로 수평하게 유입된다 (여기서 회전은 90도에 한정되는 것은 아니다). 확장 부피부(180) 아래에서, 상기 장치는 예를 들어 메쉬 또는 천공된 플레이트이며 리드(130)에 부착되는 분배부(또는 플레이트)(190)를 포함한다. 이러한 유동은 확장 부피부(180)에서 다른 회전을 일으키며 화살표 103으로 도시된 바와 같이 반응 챔버의 반응 공간으로 분배부를 통하여 상부에서 수직하게 하부로 유입된다. 반응 공간에서, 상기 전구체 증기는 수직한 위치에서 기판 홀더에 배치된 기판(17)들 사이에서 수직하게 유입된다. 기판(170)들 사이의 중간 위치에서, 상기 전구체 유동은 기판 표면상에서 반응 지점과 반응한다. 상기 전구체 유동은 배기 가이드(150)를 향하여 기판 표면을 따라 수직하게 진행된다. 반응 부산물 및 잔류 전구체 분자들은 후속 퍼지 단계(화살표 104로 표시)에서 반응 챔버에서 제거된다.
상기 반응 공간의 온도는 히터 요소에 의해 제어될 수 있다. 일실시예에 따르면, 반응 공간의 가열은 하나 이상의 저항기(1301)에 의해 이루어진다. 일실시예에서, 가열 저항기(1301)는 전기적으로 가열된다. 그들은 컴퓨터 제어 전원(미도시)에 배선된다.
도 14는 일실시예에 따른 반응 챔버 리드에 부착된 기판 홀더를 상세히 도시한다. 상기 기판 홀더(160)는 리드 시스템에서 대응부(1456)에 그 부착부 또는 후크(465)로써 부착된다. 상기 분배부(190)는 스페이서 핀(785)으로써 리드 시스템에 부착된다.
도 15는 도 14에 도시된 도면의 다른 도면이다. 전구체 또는 불활성 퍼지 가스가 반응 챔버 리드(130)에 유입되는 각각의 인피드 라인(141-143)을 위한 반응 챔버 리드(130)의 분배부(190) 및 홀(1521-1523)이 도시된다. 반응 챔버 리드(130)에서의 홀의 개수 및 관련된 인피드 라인의 개수는 2 내지 4개로 가변적이며 인피드 라인와 연통되는 컴퓨터 제어 유동 2개 이상의 소스 시스템인 소스 화합물 증기를 수용하기 위해서는 그 이상의 개수도 가능하다.
아래 사항은 기판 배치상의 박막을 증착하는 예를 보여준다(전술한 도 1-15를 참조하였다).
반응 챔버는 실압(room pressure)으로 우선 가압되었다. 반응 챔버 리드(130)는 반응 챔버의 내부 공간을 노출시키는 상부 위치로 리프트 메커니즘(미도시)에 의해 들어올려졌다. 상기 리프트 메커니즘은 공압식 엘리베이터로 작동되었다. 다른 실시예에서, 스테핑 모터가 리프트 메커니즘을 위하여 사용될 수 있다. 다수의 기판이 로딩된 기판 홀더(160)는 반응 챔버 본체(110) 내에서 리프트부(465)로써 하강되었다. 반응 챔버 리드(130)는 반응 챔버를 밀봉하는 하부 위치로 리프트 메커니즘에 의해 하강되었다. 동시에 주변 진공 챔버(805)는 반응 챔버 리드(130)가 진공 챔버 리드(831)에 서로 부착되는 이중 리드 시스템에서 이동식 진공 챔버 리드(831)로써 방의 공기에 대하여 밀봉되었다. 반응 챔버는 진공 소스에 의해 진공으로 펌핑되었다. 불활성 퍼지 가스는 반응 챔버 상부 플랜지(120) 내에서 도관으로 인피드 라인(141-143)을 통하여 그리고 반응 공간으로 유동되는 질소와 아르곤을 포함한다. 진공 소스로 펌핑하고 불활성 가스로 퍼징하는 것의 조합은 약 1-5 hPa 절대압으로 반응 공간의 압력을 바람직하게 안정화시켰다. 상기 기판 홀더(160)의 온도는 증착 온도로 안정화되었다. 이러한 예에서, 상기 증착 온도는 트리메틸알루미늄(TMA) 및 수증기(H2O)로부터 ALD에 의해 산화 알루미늄(Al2O3)을 성장시키기 위한 +300℃이다. TMA 소스(미도시)는 제1 인피드 라인(141)과 연통하는 컴퓨터 제어 유동이었다. H2O 소스(미도시)는 제 2 인피드 라인(142)과 연통하는 컴퓨터 제어 유동이었다. 제 3 인피드 라인(143)은 제3 화합물 소스를 위하여 유보되었다. 이러한 예에서, 인피드 라인은 불활성 퍼지 가스만을 위하여 사용되었다. 프로그래밍된 증착 온도에 도달되면, 증착 순서는 자동 제어 시스템에 의해 활성화된다. 펄스(A) 기간 동안에, TMA 증기는 제 1 인피드 라인(141)으로 자동 펄스 밸브(미도시)에 의해 도입되며 TMA가 반응 공간 내에서 모든 가열된 표면 상에서 화학 흡착되는 반응 공간으로 질소 가스(다른 실시예에서는 아르곤 가스도 가능함)를 포함하는 불활성 가스로써 푸쉬된다. 기판 표면은 TMA 분자 또는 기판 배치의 크기에 따라 약 0.05-1 초 동안 TMA 분자로부터 발생된 리간드 결핍 종으로써 포화된다. TMA 소스가 제 1 인피드 라인(141)으로부터 제 1 자동 펄스 밸브와 분리된 후에 상기 시스템은 퍼지 A 주기를 착수했다. 인피드 라인(141-143)을 유동하는 불활성 가스는 잔류 기체상 TMA 분자 및 반응 챔버로부터 배기 가이드(150)로 그리고 추가적으로 진공 소스(미도시)를 향하여 표면 반응 부산물을 푸쉬하였다. 퍼지 A 주기는 기판 배치의 크기에 따라 약 1-10초 지속되었다. 다음으로, 펄스 B 주기동안, 수증기(H2O)는 제 2 인피드 라인(142)으로 자동 펄스 밸브(미도시)에 의해 도입되었고 H2O 분자가 반응 공간 내에서 가열된 모든 표면상에서 화학흡착되는 반응 공간으로 질소 또는 아르곤 가스를 포함하는 불활성 캐리어 가스를 푸쉬하였다. 기판 표면은 기판 배치의 크기에 따라 약 0.05-2 초 내에 OH- 리간드로 포화되었다. 그후, 퍼지 B 주기의 초기에, H2O 소스는 제2 자동 펄스 밸브에 의해 제 2 인피드 라인(142)과 분리되었다. 반응 챔버로 인피드 라인(141-143)을 통하여 유동하는 불활성 가스는 반응 챔버로부터 배기 가이드(150)로 나아가 진공 소스(미도시)를 향하여 잔류하는 기체상의 H2O 분자와 표면 반응 산물을 푸쉬하였다. 이러한 4가지 단계(펄스 A, 퍼지 A, 펄스 B, 퍼지 B)는 기판 표면상에 1옴스트롱의 새롭게 OH-종료된 Al2O3 박막을 형성하였다. 자동 펄스 순서는 이러한 4 단계를 500번 반복하여 그 결과 100 mm 실리콘 웨이퍼의 25 피스에 대하여 우수한 1%의 비균일성을 가진 50 nm 의 Al2O3 박막이 성장되었다. 소스 화합물을 펄스하고 반응 챔버를 퍼징하는 순서를 종료한 후에, 반응 챔버는 실압으로 가압되었으며, 상기 리드(진공 챔버 리드(831) 및 반응 챔버 리드(130))는 기판 배치를 하우징하는 반응 챔버의 내부 공간을 노출시키는 상부 위치로 들어올려졌다. 다수의 기판(미도시)을 가지는 기판 홀더(160)는 반응 챔버 본체(110)로부터 리프트부(465)에 의해 언로딩되었고 별도의 냉각 테이블(미도시)에 배치되었다.
다양한 실시예가 설명되었다. 본 발명에서, 포함한다는 용어는 폐쇄적으로 의도된 것이 아니라 개방형으로 끝나는 것을 의미한다.
전술한 설명은 본 발명의 특정 실시예와 구현예를 비제한적으로 설명하기 위하여 제공되었으며, 최적의 모드에 대한 전체적인 설명은 본 발명을 실시하는 발명자에 의해 고려되었다. 그러나, 통상의 기술자는 전술한 실시예에 한정되지 않으며 본 발명의 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 균등한 수단을 사용하는 다른 실시예도 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 전술한 특징들은 다른 특징들의 대응되는 사용없이도 장점이 될 수 있다. 이에 따라 전술한 설명들은 본 발명의 사상을 단지 도식적으로 보여주는 것으로 이해되어야 하며 그에 한정되지 않는다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.
101: 전구체 증기 110: 반응 챔버
141: 인피드 라인 160: 기판 홀더
170: 기판 120: 상부 플랜지
130: 반응 챔버 리드 568: 리프트 장치
190: 분배부 180: 확장 부피부부
141: 인피드 라인 160: 기판 홀더
170: 기판 120: 상부 플랜지
130: 반응 챔버 리드 568: 리프트 장치
190: 분배부 180: 확장 부피부부
Claims (19)
- 진공 챔버 리드에 부착된 반응 챔버 리드를 구비하는 이중 리드 시스템을 가진 원자 레이어 증착 (ALD) 반응기를 제공하는 단계;
상기 이중 리드 시스템의 반응 챔버 리드에 의해 ALD 반응기의 반응 챔버를 밀봉하는 단계;
상기 이중 리드 시스템의 진공 챔버 리드에 의해 상기 반응 챔버를 둘러싸는 ALD 반응기의 진공 챔버를 밀봉하는 단계;
상기 이중 리드 시스템의 상기 반응 챔버 리드를 통하여 적어도 하나의 인피드 라인을 따라 상기 반응 챔버로 전구체 증기를 가이드하는 단계;
상기 반응 챔버에서 전구체 증기의 수직 유동을 일으키고 수직하게 놓인 기판들 사이에서 수직한 방향으로 전구체 증기를 유입시켜서 반응 챔버에서 수직하게 놓인 기판의 배치(batch)의 표면상에 물질을 증착하여, 상기 전구체 증기는 반응 공간의 상부측으로부터 반응 공간의 하부측으로 각각의 상기 표면들을 따라 기본적으로 나란하게 수직한 방향으로 유동하는 단계를 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
수직하게 놓인 상기 기판의 배치는 기판 홀더로 나란하게 놓인 웨이퍼 세트를 포함하며, 상기 웨이퍼 세트는 적어도 2개의 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 2 항에 있어서, 상기 기판 홀더는 상기 반응 챔버로 로딩되고 상기 반응 챔버의 상부측으로부터 반응 챔버에서 언로딩되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 기판 홀더는 이동식 반응 챔버 리드에 부착되는 것을 특징으로 하는 방법. - 삭제
- 제 4 항에 있어서,
상기 전구체 증기는 반응 챔버 리드를 통하여 확장 부피부로 가이드되고 상기 기판을 탑재하고 있는 반응 챔버의 일부로 분배 플레이트를 통하여 수직한 방향으로 확장 부피부로부터 가이드되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
박막은 순차적인 자기 포화 표면 반응에 의해 기판 표면에서 증착되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 반응 챔버의 크기는 수직하게 놓인 기판의 배치의 크기에 따라 정해지거나 상기 기판을 지지하는 기판 홀더의 크기에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
수직 유동은 상부로부터 하부를 향하는 것을 특징으로 하는 방법. - 진공 챔버 리드에 부착된 반응 챔버 리드를 포함하는 이중 리드 시스템;
상기 이중 리드 시스템의 상기 반응 챔버 리드에 의해 밀봉될 수 있는 반응 챔버;
상기 이중 리드 시스템의 상기 진공 챔버 리드에 의해 밀봉될 수 있는 상기 반응 챔버를 둘러싸는 진공 챔버;
상기 이중 리드 시스템의 상기 반응 챔버 리드를 통하여 상기 반응 챔버로 전구체 증기를 공급하도록 된 적어도 하나의 인피드 라인; 및
상기 반응 챔버에서 전구체 증기의 수직 유동을 일으키고 수직하게 놓인 기판들 사이에서 수직하게 전구체 증기를 유입시켜서 상기 반응 챔버에서 수직하게 놓인 기판의 배치(batch)의 표면상에 물질을 증착하여, 상기 전구체 증기는 반응 공간의 상부측으로부터 반응 공간의 하부측으로 각각의 상기 표면들을 따라 기본적으로 나란하게 수직한 방향으로 유동하도록 된 반응 챔버를 포함하는 장치. - 제 10 항에 있어서,
수직하게 놓인 기판들의 배치는 기판 홀더로 나란하게 놓인 웨이퍼 세트를 포함하여 상기 웨이퍼 세트는 적어도 2개의 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 기판 홀더에 부착되도록 된 반응 챔버 리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 삭제
- 제 12 항에 있어서,
상기 장치는 상기 반응 챔버를 통하여 확장 부피부로 상기 전구체 증기를 가이드하고 상기 기판을 탑재한 반응 챔버의 일부로 분배 플레이트를 통하여 수직한 방향으로 확장 부피부로부터 가이드하도록 된 것을 특징으로 하는 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 장치는 순차적인 자기 포화 표면 반응에 의해 기판 표면상에 박막을 증착하도록 된 것을 특징으로 하는 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 반응 챔버의 크기는 수직하게 놓인 기판들의 배치의 크기 또는 상기 기판을 지지하는 기판 홀더의 크기에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 수직 유동은 상부에서 하부로 향하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제 14 항에 있어서,
반응 챔버 상부 플랜지를 추가로 구비하여,
상기 전구체 증기는 상기 반응 챔버 상부 플랜지를 통하여 가공된 채널을 통하여 하측으로부터 상기 이중 리드 시스템의 상기 반응 챔버 리드로 수직 방향으로 적어도 하나의 인피드 라인을 따라 유동하도록 된 것을 특징으로 하는 장치. - 제 6 항에 있어서,
전구체 증기는 반응 챔버 상부 플랜지를 통하여 가공된 채널을 통하여 하측으로부터 상기 이중 리드 시스템의 상기 반응 챔버 리드로 수직 방향으로 적어도 하나의 인피드 라인을 따라 유동하는 것을 특징으로 하는 방법.
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