KR101687904B1 - 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치 - Google Patents

중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치 Download PDF

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Abstract

중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치가 제시된다. 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치는 기판; 상기 기판의 상부에 위치하는 다수 개의 샤워헤드 노즐과 내부 챔버를 가지는 샤워헤드; 및 상기 기판과 상기 샤워헤드의 사이 공간에 형성되는 환형 세라믹 패드를 포함하고, 상압 조건에서의 균일 증착을 위해 상기 환형 세라믹 패드에 의해 중간 챔버가 형성된다.

Description

중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치{Atmospheric Pressure Plasma Chemical Vapor Deposition Apparatus with Intermediate Reaction Chamber}
아래의 실시예들은 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 샤워헤드와 기판 사이에 세라믹 패드를 이용하여 주 챔버와 분리된 중간 챔버를 형성하는 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치에 관한 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, 화학반응을 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.
한국공개특허 10-2005-0015931호는 이러한 균일한 막 증착을 위한 챔버 및 샤워 헤드에 관한 것으로, 기판 중심부와 기판의 주변부가 균일한 압력으로 유지되도록 하여 대면적 기판에서도 균일한 표면 처리가 가능한 챔버 및 샤워 헤드를 제공하는 장치에 관한 기술을 기재하고 있다.
실시예들은 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 샤워헤드와 기판 사이의 공간에 환형 세라믹 패드를 기판 가장자리에 닿도록 위치시킴으로써, 해당 공간을 주 챔버와 분리된 중간 챔버 역할을 하도록 하는 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치에 관한 것이다.
실시예들은 환형 세라믹 패드에는 노즐이 구성되어 중간 챔버에서 주 챔버로의 가스 흐름을 제어함으로써, 증착 균일도를 개선하고 가스 유량을 감소시킬 수 있는 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치는 기판; 상기 기판의 상부에 위치하는 다수 개의 샤워헤드 노즐과 내부 챔버를 가지는 샤워헤드; 및 상기 기판과 상기 샤워헤드의 사이 공간에 형성되는 환형 세라믹 패드를 포함하고, 상압 조건에서의 균일 증착을 위해 상기 환형 세라믹 패드에 의해 중간 챔버가 형성된다.
여기서, 상기 환형 세라믹 패드는 상기 기판의 가장자리에 닿도록 배치되어, 상기 기판과 상기 샤워헤드의 사이 공간에 형성되는 상기 내부 챔버를 분리하여 주 챔버 및 상기 중간 챔버를 형성할 수 있다.
상기 환형 세라믹 패드는 상기 중간 챔버에서 상기 주 챔버로 가스 흐름을 제어하는 제2 노즐을 포함할 수 있다.
상기 제2 노즐은 상기 중간 챔버와 상기 주 챔버 사이에 형성되어, 가장자리(Edge)의 유량을 상기 제2 노즐에 집중시켜 가장자리(Edge)의 빠른 유속을 제어할 수 있다.
상기 중간 챔버의 압력 상승에 의해 증착률을 유지하여 상기 기판의 증착 온도가 감소되어, 상기 샤워헤드에 형성되는 증착을 방지할 수 있다.
실시예들에 따르면 샤워헤드와 기판 사이의 공간에 환형 세라믹 패드를 기판 가장자리에 닿도록 위치시킴으로써, 해당 공간을 주 챔버와 분리된 중간 챔버 역할을 하도록 하는 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 제공할 수 있다.
실시예들을 따르면 환형 세라믹 패드에는 노즐이 구성되어 중간 챔버에서 주 챔버로의 가스 흐름을 제어함으로써, 증착 균일도를 개선하고 가스 유량을 감소시킬 수 있는 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 화학 기상 증착 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A'단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 나타내는 평면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 나타내는 측면도이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일반적인 화학 기상 증착 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 화학 기상 증착 장치는 외부와 차단되는 감압 상태의 챔버(1)와, 챔버(1) 내부로 반응가스를 분사하는 샤워헤드(7)와, 샤워헤드(7)를 통해 분사된 반응가스에 열을 가해 반응가스를 분해하는 열선(8)과, 피증착체(4)이 안착되는 척(5) 및 챔버(1)의 일측에 챔버(1) 내부에 확산되어 있는 반응가스를 배출하기 위한 배기관(2) 등으로 이루어진다.
화학 기상 증착 장치는 반응가스가 샤워헤드를 통해 분사되고, 분사된 반응가스가 열선에 의해 열 분해되면서 분해된 반응가스의 일부가 피증착체의 표면에서 화학반응을 일으켜 박막이 형성된다.
이 경우 샤워헤드를 통해 챔버 내부로 유입되는 반응가스 모두가 열선에 의해 열 분해되지는 않으며 또한 분해된 반응가스 모두가 피증착체의 표면에 증착되지는 않는다. 따라서, 분해되지 않은 반응가스 및 분해된 반응가스의 일부가 챔버 내부에 확산되고 이러한 반응부산물로 인해 피증착체의 표면에 형성되는 박막을 오염시켜 제품에 불량을 일으키거나, 챔버 내벽에 흡착되어 자주 챔버 내부를 클리닝하여야 한다는 문제점이 발생된다.
여기서, 화학 기상 증착법(CVD)이 다수의 기체 분자들을 동시에 프로세스 챔버 내로 주입하여 기판의 상방에서 발생된 반응 생성물을 기판에 증착될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 2의 A-A'단면을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치(100)는 기판(130), 샤워헤드(110) 그리고 환형 세라믹 패드(120)를 포함한다.
기판(130)은 지지대의 상부에 형성되며, 지지대는 전기적으로는 전극(하부 전극)의 기능을 수행할 수 있어, 도시되는 않았지만 접지되거나 외부에 위치하는 전원 공급 장치로부터 직류(DC) 또는 고주파 전원(AC)이 공급되어 플라즈마를 생성시키는 하나의 전극일 수 있다. 이러한 지지대의 전기적인 구성은 화학 기상 증착 장치의 구동 방식에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
샤워헤드(110)는 기판(130)의 상부에 배치되며, 내부 챔버(111) 및 다수 개의 샤워헤드 노즐(112)이 구성될 수 있다.
먼저, 내부 챔버(111)는 외부와 차단되도록 밀폐 공간으로 형성되어 반응공간을 제공할 수 있다.
그리고, 다수 개의 샤워헤드 노즐(112)은 기판(130)의 상부에 위치되며, 가스 공급부로부터 공급 받은 가스를 기판(130) 상에 분사할 수 있다. 이러한 다수 개의 샤워헤드 노즐(112)은 샤워헤드(110)의 내부 챔버(111)에 기판(130)과 일정 간격을 두고 상부에 위치될 수 있으며, 증착 공정에서 사용되는 가스를 분사시키는 기능을 수행할 수 있다.
이에, 플라즈마 장치(미도시)에 의해 기판(130) 상에 증착 작용이 이루어질 수 있다. 기판(130) 상에 증착 자용이 이루어지도록 지지대와 샤워헤드 노즐(112) 사이에 압력(예를 들며, 진공)을 유지할 수 있는 밀폐 공간이 형성될 수 있다.
플라즈마 발생 장치로 통상의 RF 방식의 상압 플라즈마 발생 장치를 사용하며, 이는 일정한 방전공간을 사이에 두고 RF 전원전극 및 접지전극이 대향되게 형성되어, 방전공간에 상압 플라즈마를 샤워타입(shower type)으로 발생시키는 장치이다. 이렇게 발생된 상압 플라즈마는 반응가스의 공급압력에 의해 자연스럽게 플라즈마 처리대상물, 여기에서는 기판(130)이 놓여진 곳으로 공급되게 된다.
환형 세라믹 패드(120)는 기판(130)과 샤워헤드(110)의 사이 공간에 형성되는 환형의 패드로, 그 재질에 제한은 없으나 세라믹이 사용될 수 있다.
환형 세라믹 패드(120)에 의해 샤워헤드(110)의 내부 챔버(111)에 중간 챔버가 형성될 수 있다. 더 구체적으로 환형 세라믹 패드(120)는 기판(130)의 가장자리에 닿도록 배치되어, 기판(130)과 샤워헤드(110)의 사이 공간에 형성되는 내부 챔버(111)를 분리하여 주 챔버 및 중간 챔버를 형성할 수 있다.
또한, 환형 세라믹 패드(120)는 중간 챔버에서 주 챔버로 가스 흐름을 제어하는 제2 노즐(122)이 형성될 수 있다. 이 때 제2 노즐(122)은 복수 개 형성될 수 있다.
제2 노즐(122)은 중간 챔버와 주 챔버 사이에 형성되어, 가장자리(Edge)의 유량을 제2 노즐(122)에 집중시켜 가장자리(Edge)의 빠른 유속을 제어할 수 있다.
그리고 중간 챔버의 압력 상승에 의해 증착률을 유지하여 기판(130)의 증착 온도가 감소됨에 따라 샤워헤드(110)의 증착을 방지할 수 있다.
여기서 샤워헤드(110)와 기판(130) 사이에 플라즈마를 형성하기 위하여, 샤워헤드(110)에는 전원 공급 장치로부터 전원을 공급 받아 RF(Radio Frequency) 파워가 인가되고, 기판(130) 지지대의 일 측은 접지될 수 있다.
또한, 챔버 본체의 바닥부 일 측에는 반응 후 잔류가스를 배기시키는 배기관이 형성될 수 있다. 상기와 같이 구성된 챔버는 샤워헤드(110)의 가스 분사구를 통해 기판(130)의 지지대에 놓인 기판(130) 위로 가스를 분사할 수 있다.
샤워헤드(110)에 RF 파워를 인가하면 분사된 가스에 플라즈마가 발생된다. 이때, 플라즈마에 의해 가스는 반응성 있는 가스로 분해 또는 활성화 되어 기판(130)에 원하는 막을 증착시킬 수 있다. 상기와 같이 반응이 완료된 후, 잔류가스는 배기관으로 배기될 수 있다.
이러한 구성의 장치는 처리되는 기판(130)의 면적이 증가하게 됨에 따라 가스가 균일한 압력으로 분사되어도 기판(130)의 위치에 따라 형성되는 압력은 서로 달라지게 된다. 통상적으로 기판(130) 중심부의 압력이 가장 크고, 그 다음으로 기판(130) 주변부의 압력이 작고, 가스 배기관 근처에서 압력이 가장 작게 형성된다.
따라서, 이러한 압력의 차이로 인해 기판(130)에는 불균일한 막이 형성된다.
이에 따라 가장자리(Edge)의 빠른 유속 제어를 위해, 중간 챔버(121)를 도입하여 가장자리(Edge) 유량을 제2 노즐(122)에 집중시킬 수 있다. 여기서, 제2 노즐(122)은 중간 챔버(121)와 주 챔버 사이의 노즐이 될 수 있다.
중간 챔버(121)는 샤워헤드(110) 전극과 기판(130) 간에 환형 세라믹 패드(120)를 설치함으로써 구현할 수 있다. 이에 따라 샤워헤드(110) 챔버의 압력과 주 챔버 압력이 동일한 조건에서 압력을 유지하기 위한 가스 유량이 감소될 수 있다.
또한, 샤워헤드(110)의 증착을 방지하기 위해 중간 챔버(121)를 도입하여 기판(130)의 증착 온도를 감소시킬 수 있다.
중간 챔버(121)는, 위에서 설명한 바와 같이 샤워헤드(110)와 기판(130) 사이에 세라믹 패드를 이용하여 주 챔버와 분리된 중간 챔버(121)를 형성할 수 있다. 이에 따라 중간 챔버(121)의 압력 상승에 의해 증착률을 유지할 수 있다.
일 실시예에 따른 중간 챔버(121)가 있는 상압 플라즈마 증착 장치는 상압 조건에서의 플라즈마 화학 기상 증착법(CVD)으로 별도의 진공시설이 필요가 없어 간단한 시스템 구성으로 구현 가능하다.
또한, 상압 플라즈마 화학 기상 증착법(CVD)으로 구현되어 고속 증착 및 저온 증착이 가능할 뿐만 아니라, 낮은 이온 에너지로 인한 균일한 고품질 증착이 가능하다.
도 4는 일 실시예에 따른 내부 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 나타내는 평면도이다.
도 4를 참조하면, 다수 개의 샤워헤드 노즐(112)은 샤워헤드(110)의 하측에 형성될 수 있다. 이러한, 다수 개의 샤워헤드 노즐(112)은 기판(130)의 상부에 위치되며, 가스 공급부로부터 공급 받은 가스를 기판(130) 상에 분사함으로써, 기판(130)에 증착 작용이 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 다수 개의 샤워헤드 노즐(112)은 샤워헤드(110)의 내부 챔버(111)에 기판(130)과 일정 간격을 두고 상부에 위치되어, 증착 공정에서 사용되는 가스를 분사시키는 기능을 수행할 수 있다.
이에, 플라즈마 장치(미도시)에 의해 기판(130) 상에 증착 작용이 이루어질 수 있다. 기판(130) 상에 증착 자용이 이루어지도록 지지대와 샤워헤드 노즐(112) 사이에 압력(예를 들며, 진공)을 유지할 수 있는 밀폐 공간이 형성될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 내부 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 나타내는 측면도이다.
도 5를 참조하면, 내부 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치(100)는 위에서 설명한 바와 같이, 기판(130), 샤워헤드(110) 그리고 환형 세라믹 패드(120)를 포함한다.
여기서, 환형 세라믹 패드(120)는 기판(130)과 샤워헤드(110)의 사이 공간에 형성되는 환형의 패드로, 그 재질에 제한은 없으나 세라믹이 사용될 수 있다.
환형 세라믹 패드(120)는 기판(130)의 가장자리에 닿도록 배치되어, 기판(130)과 샤워헤드(110)의 사이 공간에 형성되는 내부 챔버(111)를 분리하여 주 챔버 및 중간 챔버(121)를 형성할 수 있다. 즉, 환형 세라믹 패드(120)를 구성함으로써 중간 챔버(121)를 형성할 수 있다.
이러한 중간 챔버(121)가 형성되어 샤워헤드(110)에 형성되는 증착을 방지할 수 있다.
또한, 환형 세라믹 패드(120)는 중간 챔버(121)에서 주 챔버로 가스 흐름을 제어하는 제2 노즐(122)이 형성될 수 있다. 이 때 제2 노즐(122)은 복수 개 형성될 수 있다.
제2 노즐(122)은 중간 챔버(121)와 주 챔버 사이에 형성되어, 가장자리(Edge)의 유량을 제2 노즐(122)에 집중시켜 가장자리(Edge)의 빠른 유속을 제어할 수 있다.
따라서 상압 플라즈마 증착 장치의 증착 균일도 및 가스 유량 과다 문제를 개선할 수 있다.
이상에서, 실시예들에 따르면 샤워헤드와 기판 사이의 공간에 환형 세라믹 패드를 기판 가장자리에 닿도록 위치시킴으로써, 해당 공간을 주 챔버와 분리된 중간 챔버 역할을 하도록 하는 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예들을 따르면 환형 세라믹 패드에는 노즐이 구성되어 중간 챔버에서 주 챔버로의 가스 흐름을 제어함으로써, 증착 균일도를 개선하고 가스 유량을 감소시킬 수 있는 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치를 제공할 수 있다
실시예들은 절연 기판에 직접 형성하여 사용 가능하며, 일례로 양자점 태양전지에 응용 가능하다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치
110: 샤워헤드
111: 내부 챔버
112: 샤워헤드 노즐
120: 환형 세라믹 패드
121: 중간 챔버
122: 제2 노즐
130: 기판

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 기판;
    상기 기판의 상부에 위치하는 다수 개의 샤워헤드 노즐과 내부 챔버를 가지는 샤워헤드; 및
    상기 기판과 상기 샤워헤드의 사이 공간에 형성되는 환형 세라믹 패드
    를 포함하고,
    상압 조건에서의 균일 증착을 위해 상기 환형 세라믹 패드에 의해 중간 챔버가 형성되며,
    상기 환형 세라믹 패드는
    상기 중간 챔버에서 주 챔버로 가스 흐름을 제어하는 제2 노즐을 포함하고, 상기 환형 세라믹 패드는 상기 기판의 가장자리에 닿도록 배치되어, 상기 기판과 상기 샤워헤드의 사이 공간에 형성되는 상기 내부 챔버를 분리하여 주 챔버 및 상기 중간 챔버를 형성하며,
    상기 제2 노즐은 상기 중간 챔버와 상기 주 챔버 사이에 형성되어, 가장자리(Edge)의 유량을 상기 제2 노즐에 집중시켜 가장자리(Edge)의 빠른 유속을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중간 챔버의 압력 상승에 의해 증착률을 유지하여 상기 기판의 증착 온도가 감소되어, 상기 샤워헤드에 형성되는 증착을 방지하는 것
    을 특징으로 하는 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치.
KR1020150056291A 2015-04-22 2015-04-22 중간 챔버가 있는 상압 플라즈마 증착 장치 KR101687904B1 (ko)

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