KR101718869B1 - 스캐닝 반응기를 이용한 대형 기판상 원자 층 증착의 수행 - Google Patents

스캐닝 반응기를 이용한 대형 기판상 원자 층 증착의 수행 Download PDF

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Abstract

실시예들은 반응 전구체로 채워진 챔버 내에서 기판을 가로질러 이동하는 스캐닝 모듈을 이용하여, 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착하기 위한 증착 장치와 관련되어 있다. 상기 기판은 하나 이상의 물질을 증착하는 공정 동안 고정된 채 남아있다. 기판을 반응 전구체에 노출하기 위해 상기 기판을 둘러싸는 챔버는 반응 전구체로 채워져 있다. 상기 스캐닝 모듈이 기판을 가로질러 움직임에 따라, 스캐닝 모듈은 그 경로 내 반응 전구체를 제거하고/제거하거나 반응 전구체를 비활성 상태로 되돌린다. 또한, 상기 스캐닝 모듈이 기판을 가로질러 움직임에 따라, 스캐닝 모듈은 기판에 원료 전구체를 주입한다.

Description

스캐닝 반응기를 이용한 대형 기판상 원자 층 증착의 수행{PERFORMING ATOMIC LAYER DEPOSITION ON LARGE SUBSTRATE USING SCANNING REACTORS}
본 발명은 그 전체가 참조로서 인용된, 2013년 6월 14일에 출원되고 공동 계류중인 U.S. 가출원 제61/835,436호를 기초로 35 U.S.C § 119(e) 하에서 우선권을 주장한다.
본 발명은 그 전체가 참조로서 인용된, 2009년 8월 11일에 출원된(현재는 U.S. 특허 제8,470,718호로 등록된) U.S. 특허출원 제12/539,477호와 관련되어 있다.
본 발명은, 기판에 물질을 주입하는 하나 이상의 스캐닝 모듈을 이용하여 원자 층 증착(ALD)을 수행하는 것과 관련되어 있다.
원자 층 증착(ALD)은 기판상에 하나 이상의 물질 층들을 증착하기 위한 박막 증착 기술이다. ALD는 두 가지 유형의 화학 물질을 사용하며, 하나는 원료 전구체(source precursor)이고 다른 하나는 반응 전구체(reactant precursor)이다. 일반적으로, ALD는 네 단계를 포함한다: (i) 원료 전구체의 주입, (ii) 원료 전구체의 물리적 흡착 층의 제거, (iii) 반응 전구체의 주입, 및 (iv) 반응 전구체의 물리적 흡착 제거.
ALD는 원하는 두께의 층이 얻어지기 전에 많은 시간 또는 많은 반복이 걸릴 수 있는 느린 공정일 수 있다. 따라서, 공정을 빠르게 하기 위해, 미국 출원공개 제2009/0165715호에 설명된 것과 같이, 유닛 모듈(unit module)을 구비한 기상 증착 반응기(a vapor deposition reactor)(소위 "선형 주입기(linear injector)") 또는 다른 유사한 장치가 ALD 공정을 빠르게 하는 데 사용될 수 있다. 상기 유닛 모듈은 원료 전구체(원료 모듈)를 위한 주입 유닛과 배기 유닛, 및 반응 전구체(반응 모듈)를 위한 주입 유닛 및 배기 유닛을 포함한다.
실시예들은, 제1 전구체를 주입하기 위한 고정 주입기(136) 및 제2 전구체를 기판상에 주입하기 위한 스캐닝 모듈을 이용함으로써 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치와 연관되어 있다. 상기 스캐닝 모듈은, 상기 제2 전구체를 하나 이상의 기판들에 주입하기 위해, 상기 고정 주입기 및 상기 기판 사이의 공간을 가로질러 이동하도록 구성된다. 인클로져(114)(enclosure)는 서셉터(susceptor) 및 스캐닝 모듈을 둘러싸도록 만들어진다.
일 실시예에서, 적어도 다른 스캐닝 모듈은 제3 전구체를 하나 이상의 기판에 주입하기 위해 상기 고정 주입기 및 하나 이상의 기판 사이의 공간을 가로질러 이동하도록 만들어진다.
일 실시예에서, 상기 스캐닝 모듈은 제1 가스 배기관, 가스 주입, 및 제2 가스 배기관으로 구성된다. 상기 제1 가스 배기관은, 상기 스캐닝 모듈 및 상기 기판 간에 존재하는 제1 전구체를 방출한다. 상기 가스 주입기는 제2 전구체를 상기 기판에 주입한다. 상기 제2 가스 배기관은, 상기 기판으로의 제2 전구체의 주입 이후 남아있는 과잉 제2 전구체를 방출한다.
일 실시예에서, 상기 스캐닝 모듈은 상기 기판으로부터 물리적으로 흡착된 제2 전구체를 제거하기 위해 퍼지 가스(purge gas)를 주입하기 위한 퍼지 가스 주입기로 더 구성된다.
일 실시예에서, 상기 퍼지 가스는 제2 전구체가 상기 기판상 외에 영역 내 제1 전구체와 접촉하는 것을 더 방지한다.
일 실시예에서, 상기 제1 전구체는 원자 층 증착을 수행하기 위한 반응 전구체이고, 상기 제2 전구체는 상기 원자 층 증착을 수행하기 위한 원료 전구체이다.
일 실시예에서, 라디칼 생성기는 상기 고정 주입기에 연결되도록 구성된다. 상기 라디칼 생성기는 가스의 라디칼을 반응 전구체로서 생성한다.
일 실시예에서, 상기 스캐닝 모듈은 상기 가스의 라디칼을 비활성화시키기 위한 트레일링 에지(trailing edge) 또는 리딩 에지(leading edge) 중 적어도 하나에서, 하나 이상의 중화기(neutralizers)를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 스캐닝 모듈은 상기 기판에 가스를 주입하기 위한 가스 주입기를 갖도록 형성된 복수의 바디를 포함한다. 상기 바디들은 브릿지 부분들에 의해 연결되어 있다. 각 브릿지 부분들은, 상기 제1 전구체에 상기 기판을 노출하기 위한 개구와 함께 형성된다.
일 실시예에서, 각 바디들은 상기 개구를 통해 유입되는 제1 전구체를 방출하기 위해 개구 방향으로 슬레이트된 제1 전구체 배기관을 갖도록 형성된다.
일 실시예에서, 상기 각 바디들의 상부 표면은 상기 개구에 인접한 에지에서 바디의 하부 표면을 향해 휘어져 있다.
일 실시예에서, 상기 기판은 상기 제1 전구체 또는 제2 전구체의 주입 동안 고정된 채 남아있다.
일 실시예에서, 상기 스캐닝 모듈에 의해 상기 서셉터로 주입된 제2 전구체를 방출하기 위해, 서셉터 양끝에서 경로가 형성된다.
일 실시예에서, 하나 이상의 레일이 제공되어 상기 스캐닝 모듈이 상기 기판을 따라 미끄러질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 서셉터는 상기 고정 주입기 아래 기판을 운반하는 컨베이어 벨트이다.
또한, 실시예들은 플렉서블 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치와 관련된다. 상기 기판은 풀리(pulleys) 세트, 고정 주입기, 스캐닝 모듈 및 인크로져를 포함한다. 상기 풀리 세트는 플렉서블 기판을 감거나, 푼다. 상기 고정 주입기는 제1 전구체를 상기 플렉서블 기판에 주입한다. 상기 스캐닝 모듈은 제2 전구체를 상기 기판에 주입하기 위해, 상기 고정 주입기 및 상기 기판 사이의 공간을 가로질러 움직인다. 상기 인클로져는 상기 플렉서브 기판 서셉터 및 상기 스캐닝 모듈을 둘러싼다.
도 1은 일 실시예에 따른 스캐닝 증착 장치의 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 도 1의 스캐닝 증착 장치의 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 스캐닝 모듈을 도시하는 단면도이다.
도 4a는 일 실시예에 따라 동축선을 이용하는 플라즈마 소스를 도시하는 개념도이다.
도 4b는 일 실시예에 따른, 확산 공면 표면 장벽 방전(diffuse coplanar surface barrier discharge; DCSBD)을 도시하는 개념도이다.
도 5a 내지 도 5e는 일 실시예에 따라, 기판을 가로지르는 스캐닝 모듈의 순차적인 움직임을 도시하는 도면이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 모놀리식(monolithic) 스캐닝 모듈의 사시도이다.
도 6b는 일 실시예에 따른 도 6a의 모놀리식 스캐닝 모듈의 단면도이다.
도 6c는 일 실시예에 따른 도 6a의 모놀리식 스캐닝 모듈의 상세한 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따라 플레넘 구조(plenum structures)상에 마운트된 모놀리식 스캐닝 모듈의 사시도이다.
도 8a 내지 8c는 일 실시예에 따라 기판을 가로지르는 모놀리식 스캐닝 모듈의 움직임을 도시하는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따라 원료 전구체를 방출하는 컴포넌트들을 도시하는 도면이다.
도 10a 및 10b는 일 실시예에 따라 다수의 기판을 처리하기 위한 컨베이어 벨트 시스템을 도시한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따라 필름상 원자 층 증착(ALD) 공정을 수행하는 것을 도시한 도면이다.
실시예들은 인용된 도면들을 참고로 하여 여기서 설명된다. 그러나 여기서 개시된 원리는 많은 다른 형태로 구현될 수 있으며, 여기서 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 설명에서, 공지된 특징 및 기술의 세부 사항은 실시예들의 특징을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 생략될 수 있다.
도면에 있어서, 도면 내 동일한 참조 번호는 동일한 요소들을 나타낸다. 도면의 형상, 크기 및 영역, 기타 등등은 명료함을 위해 과장될 수 있다.
실시예들은, 반응 전구체로 채워진 챔버 내에서 기판을 가로질러 움직이는 스캐닝 모듈을 이용하여, 기판상 하나 이상의 물질 층을 증착하기 위한 증착 장치와 관련되어 있다. 상기 기판은 하나 이상의 물질 층을 증착하는 공정 동안 고정되어 있다. 상기 챔버는 기판 및 스캐닝 모듈을 둘러싼다. 상기 챔버는 상기 기판을 반응 전구체에 노출하기 위해, 반응 전구체로 채워져 있다. 상기 스캐닝 모듈이 기판을 가로질러 움직임으로써, 스캐닝 모듈은 그 경로 내에 있는 상기 반응 전구체를 제거하고/제거하거나 반응 전구체를 비활성 상태로 되돌린다. 또한, 상기 스캐닝 모듈은 원자 층 증착(ALD) 공정에 의해 기판상 물질 층을 형성하기 위해 스캐닝 모듈이 기판을 가로질러 움직임으로써 원료 전구체를 상기 기판에 주입한다.
도 1은 일 실시예에 따른 스캐닝 증착 장치(100)의 단면도이다. 상기 스캐닝 증착 장치(100)는, 원자 층 증착(ALD) 공정을 수행함으로써 기판상에 하나 이상의 물질 층을 증착한다. 상기 스캐닝 증착 장치(100)는 다른 컴포넌트들 중 챔버(114)를 형성하는 챔버 월(110), 반응 물질 주입기(136), 방출 포트(154), 및 상기 반응 물질 주입기(136)에 연결된 라디칼 생성기(138)를 포함할 수 있다. 상기 챔버(114)는 서셉터(128) 및 스캐닝 모듈(140A 내지 140D)(여기서 총괄하여 "스캐닝 모듈(140)"로 언급되는)을 둘러싼다. 또한, 상기 스캐닝 증착 장치(100)는, 상기 기판(120)을 개구(144)를 통해 들어올리거나 이동시키는 장치와 같이, 도 1에 도시되지 않은 부수적인 컴포넌트들 포함할 수 있다.
상기 반응 물질 주입기(136)는 반응 전구체를 상기 챔버(114)에 주입한다. 일 실시예에서, 상기 반응 물질 주입기(136)는, 기판 전체(120)를 가로질러 상대적으로 지속적인 방식으로 상기 반응 전구체를 상기 기판(120) 위로 주입하는 샤워헤드(shower head)로서 구현될 수 있다. 도 1에서 도시된 것처럼, 상기 반응 물질 주입기(136)는 상기 기판(120) 위에 위치하여, 상기 반응 전구체가 스캐닝 모듈(140)이 기판(120)을 가로질러 움직이는 경로를 따라, 기판(120) 위에서 더 높은 농도로 존재하게 된다. 예를 들어, 상기 반응 전구체는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 이하에서 상세하게 설명되는, 상기 라디칼 생성기(138) 내에 생성된 라디칼이다. 상기 챔버(114)에 주입되는 반응 전구체는, 화살표(156)에 의해 표시되는 방향으로 방출 포트(154)를 통하여 방출될 수 있다.
상기 서셉터(128)는 상기 기판(120)을 받아들이고, 받침대를 제공하는 필러(118)에 의해 지지된다. 상기 필러(118)는 원료 전구체를 상기 스캐닝 모듈(140)에 제공할 뿐만 아니라 과잉 원료 전구체 및/또는 퍼지 가스를 스캐닝 모듈(140)로 옮기기 위한 파이프 및 다른 컴포넌트들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 상기 서셉터(128)는 상기 기판(120)의 온도를 제어하기 위한 히터 또는 쿨러(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 상기 서셉터(28)는, 상기 스캐닝 모듈(140)이 휴식 상태로 멈춰 있을 수 있는 왼쪽 및 오른쪽 끝에서 경로가 형성될 수 있다. 상기 경로들(150)은 상기 스캐닝 모듈(140)에 의해 주입된 퍼지 가스 또는 원료 전구체를, 상기 방출 포트(154) 또는 개별적인 포트(도시되지 않음)를 통하여 부분적으로 방출할 수 있다.
상기 개구(144)는, 예를 들어 로봇 팔 또는 다른 구동장치를 이용하여, 상기 기판(120)을 상기 챔버(114) 내부로 또는 외부로 이동시킬 수 있도록 한다. 상기 개구(144)는 증착 공정 동안에는 닫힐 수 있어서, 상기 챔버(114) 내 가스를 원하는 기압으로 남아있게 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 스캐닝 증착 장치(100)의 사시도이다. 상기 스캐닝 모듈(140)은 양 에지에서 레일(210) 위에 마운트된다. 각 스캐닝 모듈(140)은, 스캐닝 모듈(140)을 상기 레일(210)을 따라 움직이는 선형 모터(214)를 포함한다. 이러한 목적을 위해, 케이블(도시되지 않음)을 통해 전기 전력이 상기 선형 모터(214)에 제공될 수 있다.
상기 스캐닝 모듈의 바디(216)는 상기 두 선형 모터(214) 사이에 확장되어 있다. 상기 바디(216)는, 도 3을 참조하여 이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 원료 전구체 및 퍼지 가스를 주입하기 위한 주입기, 및 과잉 가스를 방출하기 위한 배기 공동(exhaust cavities)으로 만들어진다. 또한, 상기 바디(216)는 상기 스캐닝 증착 장치(100) 외부의 소스로부터 전구체, 퍼지 가스 및 방출 가스를 운반하기 위한 파이프에 연결된다. 도 9를 참조하여 이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 상기 파이프는 유연하여 파이프가 상기 스캐닝 모듈에 접촉한 채 유지될 수 있다.
도 3은, 도 2의 선 A-B를 따라서 취한 일 실시예에 따른 스캐닝 모듈(140A)의 단면도이다. 상기 스캐닝 모듈(140A)은 다른 컴포넌트들 중에서 바디(216) 및 중화기(neutralizers)(314)를 포함할 수 있다. 상기 반응 전구체가 라디칼(예를 들어, O* 라디칼 및/또는 (OH)* 라디칼)인 경우, 상기 중화기(314)는 반응 물질이 비활성 상태로 접촉하도록 기능한다. 양-전하 이온들이 상기 기판(120)과 접촉한 플라즈마에 의해 생성된 기판에 부딪히면서, 기판(120)은 양 전하로 충전된다. 상기 이온의 전하를 중성화시키기 위해서, 중화기(314)가 제공된다. 상기 중화기(314)는 상기 이온과 반대의 극성으로 충전되고(예를 들어, 음-전하), 이로 인해 상기 기판 표면 부근의 충전된 전구체가 중성화된다. 이러한 방식으로, 상기 기판 표면상 정전기의 축적이 방지될 수 있다.
도 3의 실시예에서, 상기 바디(216)의 하부는, 순서대로 퍼지 가스 주입기(318A), 반응 물질 배기관(320A), 분리 퍼지 가스 주입기(322A), 소스 배기관(324A), 소스 주입기(330), 소스 배기관(324B), 분리 퍼지 가스 주입기(322B), 반응 물질 배기관(320B), 및 퍼지 가스 주입기(318B)를 갖도록 형성된다. 상기 퍼지 가스 주입기(318A, 318B)는 상기 기판(120) 상에 남아 있을 수 있는 과잉 원료 전구체 또는 반응 전구체를 제거하기 위해, 퍼지 가스(예를 들어, 아르곤 기체)를 상기 기판(120)에 주입한다. 상기 과잉 전구체는 기판(120) 상에 물리 흡착된 전구체일 수 있다.
상기 반응 물질 배기관들(320A, 320B)은 상기 바디(216) 아래로 유입하는 상기 반응 전구체를 방출한다. 상기 분리 퍼지 가스 주입기들(322A, 322B)은, 상기 반응 전구체가 상기 소스 주입기(330)에 의해 주입되는 상기 원료 전구체와 접촉하는 것을 방지할 뿐만 아니라 원료 전구체 및 반응 전구체(예를 들어, 상기 기판(120) 상에 물리 흡착된 물질) 사이의 반응에 의해 형성되는 임의의 과잉 물질을 제거하기 위해 퍼지 가스를 주입한다. 상기 소스 주입기(330)는 상기 원료 전구체를 상기 기판(120)에 주입한다. 상기 퍼지 가스 주입기들(318A, 318B), 반응 물질 배기관들(320A, 320B), 분리 퍼지 가스 주입기들(322A, 322B), 소스 배기관들(324A, 324B), 및 소스 주입기(330)는 상기 스캐닝 증착 장치(100) 외부로 또는 외부에서 가스를 운반하는 채널 또는 파이프에 연결될 수 있다.
상기 기판(120) 및 상기 스캐닝 모듈(140A) 간 틈으로 유입되는 상기 반응 전구체는, 먼저 중화기(314)에 의해 중성화되고, 이어 상기 반응 물질 배기관들(320A, 320B)을 통해 방출된다.
먼저, 상기 기판(120)은 상기 챔버(114)가 반응 전구체로 채워질 때, 반응 전구체로 흡착된다. 이어, 상기 스캐닝 모듈(140A)은 상기 기판 위로 움직이고, 상기 퍼지 가스 주입기(318A, 318B)에 의해 주입된 퍼지 가스로 과잉 반응 전구체를 제거한다. 이후에, 상기 스캐닝 모듈(140A)의 소스 주입기(330)는 상기 기판(120) 상에 물질 층을 형성하기 위해 기판(120) 상에 화학 흡착된 반응 전구체와 접촉하는 원료 전구체를 주입한다. 상기 반응 전구체 및 원료 전구체 간 반응의 결과로써 형성된 과잉 물질은, 상기 분리 퍼지 가스 주입기들(322A, 322B)에 의해 주입된 퍼지 가스에 의해 제거된다.
대안의 실시예에서, 상기 퍼지 가스 주입기들(318A, 318B)의 위치는 상기 반응 물질 배기관들(320A, 320B)의 위치와 전환된다. 즉, 상기 반응 물질 배기관들(320A, 320B)은 상기 바디(216)의 가장 바깥 쪽의 하부에 형성될 수 있다.
상기 바디(216)는 공기역학적인(aerodynamic) 플랫 프로파일(plat profile)을 가질 수 있다. 상기 바디(216)의 이러한 공기역학적인 윤곽은 다른 이유들 중에서도 (i) 상기 챔버(114)를 채우고 있는 반응 전구체의 흔들림이나 격동이 제거될 수 있고, (ii) 짧은 수명을 가지는 질소 또는 수소 라디칼이 예를 들어 나이트라이드(nitride) 필름 또는 금속 필름과 같이 증착에 효과적으로 이용될 수 있다는 이점을 가진다.
도 4a는 일 실시예에 따라 동축 전극(442)을 이용하는 플라즈마 소스(400)를 도시하는 개념도이다. 상기 플라즈마 소스(400)는 반응 전구체로서 라디칼을 생성하기 위한 라디칼 생성기(138)로서 이용될 수 있다. 상기 동축 전극들(442)은 상기 플라즈마 소스(400)의 길이 또는 너비 모두에 걸쳐 확장된다. 주입구(452)를 통해 가스가 플라즈마 소스(400)에 주입되고 전기적 시그널이 상기 동축 전극(442)에 인가될 경우, 상기 가스의 라디칼이 생성된다. 생성된 상기 라디칼은 배출구(454)를 통해 반응 물질 주입기(136)에 제공된다. 이어, 상기 반응 물질 주입기(136)는 상기 라디칼을 상기 기판(120)에 걸쳐 분포시킨다.
도 4b는 일 실시예에 따른 확산 공면 표면 장벽 방전(DCSBD) 플라즈마 소스(450)를 도시하는 개념도이다. 상기 DCSBD 플라즈마 소스(450)는 유전체 블록(460)과 그 안에 위치한 전극들(462, 464)을 포함한다. 상기 전극(462)은 높은 공급 전압에 연결되고, 전극(464)은 낮은 공급 전압에 연결된다. 플라즈마(472)는, 상기 유전체 블록(460)을 둘러싼 가스의 라디칼을 생성하는, 상기 전극들(462, 464) 사이의 유전체 블록(460)의 표면상에 형성된다. 상기 생성된 라디칼은, 반응 물질 주입기(136)를 통해 주입된 반응 전구체로써 이용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명되는 플라즈마 소스는 단지 예시일 뿐이다. 다른 유형의 플라즈마 소스 또한 상기 스캐닝 증착 장치(100) 내 사용을 위한 라디칼을 생성하기 위해 이용될 수 있다. 선택적으로, 플라즈마 소스가 전혀 이용되지 않을 수 있다. 상기 스캐닝 증착 장치(100) 내 이용되는 반응 전구체는, 어떤 플라즈마 소스의 이용도 포함하지 않는 가스일 수 있다.
도 5a 내지 5e는, 일 실시예에 따라 상기 기판(120)을 가로지르는 스캐닝 모듈(140)의 순차적인 움직임을 도시하는 도면이다. 반응 전구체(520)는 상기 기판(120) 및 서셉터(128) 너머로 주입된다. 결과적으로, 상기 반응 전구체는 기판(120)에 흡착된다. 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 상기 반응 전구체가 스캐닝 모듈(140) 아래에서 방전되고 상기 원료 전구체가 기판(120)에 주입되는 동안, 상기 스캐닝 모듈(140A)은 기판(10) 너머로 오른쪽에서 왼쪽으로 움직인다. 반면에, 상기 기판(120)은 서셉터(128)상 고정된 위치로 남아있다. 상기 스캐닝 모듈(140A)의 움직임의 결과로서, ALD 고정에 의해 물질 층이 기판(120)상에 형성된다.
일 실시예에서, 도 5b에 도시된 것처럼, 상기 스캐닝 모듈(140A)이 기판(120)을 통과하는 동안, 상기 스캐닝 모듈(140B)은 왼쪽 방향으로 움직이기 시작한다. 도 5c에 도시된 것처럼, 상기 스캐닝 모듈들(140A 및 140B) 모두 상기 기판(120)의 상이한 부분의 위로 통과할 수 있다. 도 5d 및 5e에 도시된 것처럼, 상기 스캐닝 모듈들(140C, 140D) 또한 순차적으로 왼쪽으로 이동한다. 다른 실시예에서 상기 스캐닝 모듈들은, 이전의 스캐닝 모듈이 기판(120)의 횡단을 완료한 이후에 왼쪽으로 이동하기 시작한다.
상기 각 스캐닝 모듈들(140A 내지 140D)은, 동일하거나 상이한 원료 전구체를 기판에 주입할 수 있다. 예를 들어, 모든 스캐닝 모듈들(140A 내지 140D)은 트리메틸알루미늄(trimethylaluminum; TMA)을 기판(120)에 주입할 수 있다. 다른 예에서는, 스캐닝 모듈(140A)은 TMA를, 스캐닝 모듈(140B)은 트리디메틸아미노실란(TriDiMethylAminoSilane; 3DMASi)을, 스캐닝 모듈(140C)은 테트라에틸메틸아미노티타늄(TetraEthylMethylAminoTitanium; TeEMATi)을, 그리고 스캐닝 모듈(140D)은 테트라에틸메틸아미노지르코늄(TetraEthylMethylAminoZirconium; TEMAZr)을 원료 전구체로서 주입한다. 상기 네 스캐닝 모듈들(140A 내지 140D)이 상기 기판(120)의 위로 통과한 후에, Al2O3/SiO2/TiO2/ZrO2의 원자 층이 상기 기판(120)상에 형성된다.
일 실시예에서 상기 스캐닝 모듈(140B)이 "j" 번 기판(120)의 위로 통과하기 이전에, 상기 스캐닝 모듈(140A)은 "i" 번 기판(120)의 위로 통과한다. 이어, 상기 스캐닝 모듈(140C)이 "k" 번 기판(120)의 위로 통과하고, 상기 스캐닝 모듈(140D)이 "l" 번 기판(120)의 위로 통과한다. 이러한 방식으로, Al2O3의 "i" 층, SiO2 의 "j" 층, TiO2의 "k" 층, ZrO2의 "l" 층을 포함하는 합성 층이 상기 기판(120)상에 형성될 수 있다.
하나 이상의 상기 스캐닝 모듈들(140)은, 기판(120)의 특정 영역 상에서만 하나 이상의 층을 증착하기 위해, 상기 원료 전구체를 간헐적으로 주입한다. 나아가, 상기 스캐닝 모듈들(140) 은, 기판(120)의 특정 위치에서만 원료 전구체를 주입하는 셔터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 상기 원료 전구체를 간헐적으로 주입하고/주입하거나 상기 셔터를 작동시킴으로써, 상기 기판(120)의 선택적인 영역이 하나 이상의 물질 층으로 증착될 수 있거나, 상기 기판(120)의 상이한 영역에서 상이한 두께의 물질로 증착될 수 있다. 또한, 상기 스캐닝 모듈들(140)은 증착된 물질의 두께를 증가시키기 위해, 또는 선택된 영역 상에 물질들을 선택적으로 증착하기 위해, 기판(120)의 선택된 영역의 위로 왕복할 수 있다. 이러한 물질의 선택적 증착은, 쉐도우 마스크(shadow mask) 또는 에칭을 이용하지 않고 상기 스캐닝 증착 장치(100)에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 상기 스캐닝 증착 장치(100)는 에칭 공정에 적합하지 않을 수 있는 기판(예를 들어, 바이오 액티브 물질로 만들어진 기판) 상 물질의 패턴화를 가능하게 한다.
하나 이상의 실시예들에서, 상기 기판(120) 위로 통과할 때 상기 스캐닝 모듈(140)은 원료 전구체를 주입하지만, 스캐닝 모듈(140)은 상기 스캐닝 모듈(140)이 상기 기판(120)이 마운트되지 않은 서셉터(128)의 일부분을 통과한 이후에는 원료 전구체의 주입을 중지한다. 상기 스캐닝 모듈들(140)이 이동을 중지한 이후(도 5e에 도시된 것처럼), 상기 플라즈마 소스(138)는 턴-오프(turned-off)될 수 있고, 퍼지 가스의 주입 또한 턴-오프 될 수 있다. 이어, 상기 기판(120)은 개구(144)를 통하여 챔버(114)로부터 제거될 수 있다.
도 6a는 일 실시예에 따른 모놀리식 스캐닝 모듈(600)의 사시도이다. 상기 모놀리식 스캐닝 모듈(600)은, 브릿지 부분(623, 627, 629)에 의해 연결된 다수의 바디들(622, 624, 626, 628)을 포함할 수 있다. 각 바디들(622, 624, 626, 628)은, 예를 들어 도 6c를 참조하여 이하에서 상세하게 설명된 배열 내 퍼지 가스 주입기, 반응 가스 배기관, 소스 배기관 및 소스 주입기를 포함한다. 각 바디들(622, 624, 626, 628) 및 브릿지 부분들(623, 627, 629)은 서셉터 또는 기판(120) 위로 함께 움직인다.
각 브릿지 부분들(623, 627, 629)은, 상기 기판(120)을 상기 반응 전구체에 노출하기 위한 개구(614, 616, 618)를 갖도록 형성된다. 만약 개구의 너비가 WOP 이고, 모놀리식 스캐닝 모듈(600)의 속도가 VM 이라면, 상기 기판(120)은 반응 전구체에 WOP/VM 시간으로 노출된다.
상기 모놀리식 스캐닝 모듈(600)이 상기 기판(120)을 가로질러 이동함에 따라서, 기판은 반복적으로 반응 전구체 및 원료 전구체에 노출된다. 상기 스캐닝 모듈(600)의 각 바디들(622, 624, 626, 628)은, 기판(120)상에 상이한 물질을 증착하기 위해 상이한 원료 전구체를 동일량 주입한다.
각 바디들(622, 624, 626, 628)은 가스를 받아들이거나 방출하기 위한 플렉서블 튜브(610)를 통해 연결될 수 있다. 상기 플렉서블 튜브(610)를 통해 운반되는 가스의 누출을 막기 위해, 플렉서블 튜브(610) 및 바디들(622, 624, 626, 628) 간에 페로플루이드 회전식 씰(Ferrofluidic rotary seals)이 제공될 수 있다.
도 6b는 일 실시예에 따라 도 6a의 선 C-D를 따라서 취한 모놀리식 스캐닝 모듈(600)의 단면도이다. 상기 스캐닝 모듈(600)은 GH의 틈이 유지되는 동안 상기 기판(120)을 가로질러 이동한다.
도 6c는 일 실시예에 따른 도 6a의 모놀리식 스캐닝 모듈의 바디(622)의 상세도이다. 상기 바디(622)는 반응 가스 배기관들(632A, 632B), 퍼지 가스 주입기들(636A, 636B), 소스 배기관들(640A, 640B), 및 소스 주입기(642)로 구성된다. 본 주입기들 및 배기관들의 기능 및 구조는, 반응 가스 배기관들(632A, 632B)을 제외하고는 도 3을 참조하여 상기에서 설명된 것과 대체로 동일하다.
바디들(622, 624, 626, 628)의 리딩 또는 트레일링 에지들(Ed1, Ed2)은 도 6b 및 도 6c에 도시된 것처럼 휘어진 상부 표면을 가질 수 있다. 상기 휘어진 형상의 에지들(Ed1, Ed2)은 뿔 형태일 수 있다. 이러한 형태는 상기 반응 전구체의 개구들(614, 616, 618)을 통한 주입을 가능하게 하는데 유리하다. 라디칼을 반응 전구체로서 사용할 경우, 완전한 모놀로식 스캐닝 모듈(600)의 상부 표면 또는 에지(Ed1, Ed2)의 상부 표면은, 상기 라디칼이 상부 표면과 접촉하고 비활성 상태로 되돌아가는 것을 방지하기 위해, 유전체 물질(예를 들어 Al203) 또는 석영(quartz)으로 코팅될 수 있다.
상기 반응 가스 배기관들(632A, 632B)은, 상기 기판(120)의 상부 표면에 비하여 α 각도로 기울어진 주입구들(633A, 633B)을 가진다. 나아가, 상기 주입구들(633A, 633B)은 너비 Wi를 가지고, 수평으로 상승된 높이 부분 Hi를 가진다. 너비 Wi, 높이 Hi, 및 각도 α를 조정함으로써, 반응 가스의 방출이 조절될 수 있다.
상기 개구에 인접한 반응 가스 배기관(예를 들어, 반응 가스 배기관(632B)) 또한 개구(614) 아래에서 기판 부분의 노출을 촉진할 수 있다. 즉, 상기 반응 가스 배기관(632B)은 상기 개구(614)의 길이에 걸쳐 반응 전구체 가스의 비교적 지속적인 흐름을 촉진하고, 이로 인해 상기 기판(120)상에서 물질이 균일한 방식으로 증착된다. 일 실시예에서, 각 바디들(622, 624, 626, 628)은 바디들(622, 624, 626, 628)에 의해 주입되는 원료 전구체 또는 상기 모놀로식 스캐닝 모듈(600) 내 바디들의 위치에 따라, 상이한 너비 Wi, 높이 Hi, 및 각도 α의 구성을 가질 수 있다.
도 6b 및 6c에 도시되지 않았지만, 상기 바디들(622, 624, 626, 628)은 기판(120)의 상부 표면 위 외에서 상기 반응 전구체 및 원료 전구체의 혼합을 방지하기 위한 하나 이상의 분리 퍼지 가스 주입기들로 구성될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따라 플레넘 구조(718, 722) 상 마운트된 모놀리식 스캐닝 모듈(700)의 사시도이다. 상기 스캐닝 모듈(700)은 도 6a의 스캐닝 모듈(600)에 비하여 더 많은 바디와 브릿지 부분을 포함한다. 상기 바디의 반응 물질 배기관은, 도관(예를 들어, 도관(726))에 의해 한 쪽 끝에서 상부 플레넘 구조(718)까지 연결된다. 상기 소스 배기관들은, 다른 도관들(예를 들어, 도관(728))에 의해 하부 플레넘 구조(722)에 연결된다. 상부 플레넘 구조(718B) 및 하부 플레넘 구조(722B)는 분리 파이프들(714A, 714B)에 각각 연결된다. 이러한 방식으로, 상기 원료 전구체 및 반응 전구체는 상이한 경로를 통해 스캐닝 증착 장치(100)로부터 방출된다. 방출 동안 상기 원료 전구체 및 반응 전구체의 혼합을 방치함으로써, 원료 전구체와 반응 전구체의 반응으로 인해 더 적은 입자가 형성될 것이다.
도 7에 도시되어 있지는 않지만, 도관(도시되지 않음)은 상부 플레넘 구조(718A) 및 하부 플레넘 구조(722A)를 스캐닝 모듈(700)의 다른 쪽 끝에 연결하고, 이로써 상기 원료 전구체 및 반응 전구체는 바디들을 따라 더 균등하게 방출될 수 있다.
상기 플레넘 구조들(718, 722)은 상기 모놀리식 스캐닝 모듈(700)이 상기 기판(120) 및 서셉터를 따라 슬라이드 되도록 지지하는 레일에 마운트된다.
도 8a 내지 8c는 일 실시예에 따라 상기 기판(120)을 가로지르는 모놀리식 스캐닝 모듈(600)의 움직임을 도시하는 도면들이다. 본 예에서, 상기 모놀리식 스캐닝 모듈(600)은 오른쪽 끝(도 8a를 참조)에서부터 움직임을 시작하고, 상기 기판(120)을 가로질러 움직이고(도 8b를 참조), 왼쪽 끝으로 움직인 이후 움직임을 종료한다(도 8c를 참조). 상기 원료 전구체가 바디들에 의해 모놀리식 스캐닝 모듈(600)로 주입되면서, 물질 층들이 상기 기판(120)상에 증착된다.
상기 모놀리식 스캐닝 모듈(600)은 원하는 두께로 물질을 증착하기 위해 좌우 움직임을 반복할 수 있다. 또한, 상기 원료 전구체의 주입은 상기 물질을 소정의 패턴으로 증착하기 위해, 기판(120)상 특정 위치에서 전환될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따라 원료 전구체를 방출하기 위한 스캐닝 증착 장치(100)의 컴포넌트들을 도시하는 도면이다. 상기 스캐닝 모듈(600) 내 형성된 소스 배기관은, 각 변위 벨로우(angular displacement bellow)(714) 및 압축 벨로우(compression bellows)(914)를 통해 배기 파이프(910)에 연결된다. 상기 각변위 벨로우(714)는 상기 압축 벨로우(914) 및 스캐닝 모듈(600) 간 연결을 제공하기 위해, 상이한 각도로 휘어지도록 구성된다. 상기 압축 벨로우(914)는 그 길이가 변화하도록 구성된다. 상기 각변위 벨로우(714) 및 압축 벨로우(914)는, 상기 서셉터 상 스캐닝 모듈(600)의 상이한 위치에도 불구하고, 스캐닝 모듈(600)에서 배기 파이프(910)까지의 경로를 제공한다.
배기 파이프(910) 및 압축 벨로우(914) 사이에 페로플루이드 회전식 씰이 제공되어, 상기 압축 벨로우(914)가 배기 파이프(910) 주위를 회전하는 순간에도 누출 없이 원료 전구체가 배기 파이프(914)로 운반된다. 상기 스캐닝 증착 장치(100)로부터 원료 전구체를 방출하기 위해 다른 다양한 구조가 제공될 수 있다. 나아가, 원료 전구체만을 옮기기 위한 벨로우(714, 914)가 도 9에 도시되어 있지만, 반응 전구체를 방출하기 위한 다른 벨로우의 세트가 제공될 수 있다.
도 10a 및 10b는 일 실시예에 따른 다수의 기판(120)을 처리하기 위한 컨베이어 벨트 시스템을 도시한 도면이다. 풀리들(1040, 1044)은 반응물질 주입기(1036)에 의해 반응 전구체로 채워진 챔버(1020) 내 위치한다. 벨트(1010)는 풀리들(1040, 1044) 사이에 매달려있다. 복수의 기판들(120)이 상기 벨트(1010)에 고정되어있다. 상기 풀리들(1040, 1044)이 회전함에 따라, 상기 벨트(1010)는 화살표(1014)가 나타내는 것처럼 왼쪽에서 오른쪽으로 기판(120)을 따라 움직인다. 도 10a 및 10b는 오른쪽 끝 및 왼쪽 끝에서의 스캐닝 모듈(1060)을 각각 도시한다.
스캐닝 모듈(1060)은 화살표(1015)로 나타난 것처럼, 오른쪽에서 왼쪽으로 이동한다. 상기 기판(120)은 상기 반응물질 주입기(1036)에 의해 주입된 반응 전구체에 노출되고, 이어서 상기 스캐닝 모듈(1060)에 의해 주입된 원료 전구체에 노출된다. 상기 벨트(1010)의 선형 속도는 상기 스캐닝 모듈(1060)의 속도보다 더 느리기 때문에, 상기 기판(120)이 반응물질 주입기(1036) 아래에서 통과하는 동안 스캐닝 모듈(1060)이 기판(120) 위로 통과할 수 있다. 일단 상기 기판(120)이 기판상 필름을 더 두껍게 증착하기 위해 상기 반응물질 주입기(1036) 아래에 있는 동안, 상기 스캐닝 모듈(1060)은 기판(120) 너머로 움직일 수 있다.
도 10a 및 10b 내 스캐닝 모듈(1060)이 다수의 바디들을 가진 모놀리식 스캐닝 모듈로서 도시되어 있지만, 도 3을 참조하여 상기에서 설명된 단일 바디를 가진 스캐닝 모듈 또한 이용될 수 있다.
기판이 오른쪽 끝에 도달한 이후, 상기 기판은 컨베이어 벨트 시스템으로부터 제거되고, 증착 공정을 거치기 위해 추가적인 기판이 왼쪽 끝에 놓일 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 플렉서블 필름(1138) 상에서의 원자 층 증착(ALD) 공정을 수행하기 위한 연속적인 공정 시스템을 도시하는 도면이다. 상기 필름(1020)이 풀리(1140)로부터 풀리고, 챔버(1120) 내 풀리(1144)에 감기게 되면서, 상기 플렉서블 필름(1138)은 화살표(1114)에 의해 표시되는 방향으로 움직인다. 반응물질 주입기(1036)가 필름(1138)에 반응 전구체를 주입하는 동안, 상기 스캐닝 모듈(1160)은 상기 필름(1138) 위로 이동한다. 물질로 증착된 상기 필름(1120)의 일부분은 상기 풀리(1144)에 감긴다.
본 명세서에서 사용된 언어는 주로 가독성 및 교시적인 목적을 위해 선택되었고, 본 발명의 주제를 기술하거나 제한하기 위해 선택되지 않았을 수 있다. 따라서, 여기에서 기술된 실시예들은 예시적인 것으로 의도되고, 본 발명의 주제를 제한하지 않는다.

Claims (20)

  1. 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치로서,
    하나 이상의 기판들을 고정하도록 구성되는 서셉터;
    상기 하나 이상의 기판들에 제1 전구체를 주입하도록 구성되는 고정 주입기;
    상기 하나 이상의 기판들에 제2 전구체를 주입하도록 구성되며, 상기 하나 이상의 기판들에 상기 제2 전구체를 주입하는 동안, 상기 고정 주입기 및 상기 하나 이상의 기판들 사이의 공간을 가로질러 이동하도록 구성되는 스캐닝 모듈; 및
    상기 서셉터 및 상기 스캐닝 모듈을 둘러싸도록 구성되는 챔버를 포함하는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기판들에 제3 전구체를 주입하도록 구성되며, 상기 하나 이상의 기판들에 상기 제3 전구체를 주입하는 동안, 상기 고정 주입기 및 상기 하나 이상의 기판들 사이의 공간을 가로질러 이동하도록 구성되는 적어도 다른 스캐닝 모듈을 더 포함하는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스캐닝 모듈은,
    상기 스캐닝 모듈 및 상기 하나 이상의 기판들 사이의 상기 제1 전구체를 방출하도록 구성되는 제1 가스 배기관;
    상기 하나 이상의 기판들에 상기 제2 전구체를 주입하도록 구성되는 가스 주입기; 및
    상기 하나 이상의 기판들에 주입 이후 남아있는 과잉 제2 전구체를 방출하도록 구성되는 제2 가스 배기관을 갖도록 형성되는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스캐닝 모듈은,
    상기 하나 이상의 기판들로부터 물리 흡착된 제2 전구체를 제거하기 위한 퍼지 가스를 주입하도록 구성되는 퍼지 가스 주입기를 더 갖도록 형성되는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 퍼지 가스는,
    상기 하나 이상의 기판들 이외의 영역 내에서, 상기 제2 전구체가 상기 제1 전구체와 접촉하는 것을 더 방지하는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전구체는 원자 층 증착을 수행하기 위한 반응 전구체이고,
    상기 제2 전구체는 상기 원자 층 증착을 수행하기 위한 원료 전구체인, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    가스의 라디칼들을 반응 전구체로서 생성하기 위한, 상기 고정 주입기에 연결된 라디칼 생성기를 더 포함하는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스캐닝 모듈은,
    가스의 상기 라디칼들을 비활성화시키기 위해, 적어도 트레일링 에지(trailing edge) 또는 리딩 에지(leading edge)에서, 하나 이상의 중화기들(neutralizers)을 더 포함하는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 스캐닝 모듈은,
    상기 하나 이상의 기판들에 가스를 주입하기 위한 가스 주입기를 갖도록 형성된 복수의 바디들, 브릿지 부분에 의해 연결된 상기 바디들, 상기 하나 이상의 기판들을 상기 제1 전구체에 노출하기 위한 개구를 갖도록 형성된 상기 각 브릿지 부분을 포함하는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 각 바디들은,
    상기 개구를 통해 유입되는 상기 제1 전구체를 방출하기 위해, 개구를 향해 기울어진 제1 전구체 배기관을 갖도록 형성되는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 각 바디들의 상부 표면은,
    상기 개구에 인접한 에지에서 상기 바디의 하부 표면을 향해 휘어진, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 각 바디들은,
    상기 스캐닝 모듈 및 상기 하나 이상의 기판들 사이의 상기 제1 전구체를 방출하도록 구성되는 제1 가스 배기관;
    상기 하나 이상의 기판들에 상기 제2 전구체를 주입하도록 구성되는 가스 주입기; 및
    상기 하나 이상의 기판들에 주입 이후 남아있는 과잉 제2 전구체를 방출하도록 구성되는 제2 가스 배기관을 갖도록 형성되는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 기판들은,
    상기 제1 전구체 또는 제2 전구체의 주입 동안 고정된 채 남아있는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 서셉터는,
    상기 스캐닝 모듈에 의해 상기 서셉터로 주입되는 상기 제2 전구체를 방출하기 위해, 양 끝에서 경로들로 구성되는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 스캐닝 모듈들이 상기 하나 이상의 기판들을 가로질러 슬라이드하는 하나 이상의 레일들을 더 포함하는, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 서셉터는,
    상기 기판을 상기 고정 주입기를 가로질러 운반하도록 구성된 컨베이어 벨트인, 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  17. 플렉서블 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치로서,
    상기 플렉서블 기판을 감거나 풀도록 구성되는 풀리 세트;
    상기 플렉서블 기판에 제1 전구체를 주입하도록 구성되는 고정 주입기;
    상기 플렉서블 기판에 제2 전구체를 주입하도록 구성되며, 상기 플렉서블 기판에 상기 제2 전구체를 주입하는 동안, 상기 고정 주입기 및 상기 플렉서블 기판 사이의 공간을 가로질러 이동하도록 구성되는 스캐닝 모듈; 및
    상기 플렉서블 기판 서셉터 및 상기 스캐닝 모듈을 둘러싸도록 구성되는 챔버를 포함하는, 플렉서블 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 스캐닝 모듈은,
    상기 스캐닝 모듈 및 상기 플렉서블 기판 사이의 상기 제1 전구체를 방출하도록 구성되는 제1 가스 배기관;
    상기 플렉서블 기판에 상기 제2 전구체를 주입하도록 구성되는 가스 주입기; 및
    상기 플렉서블 기판에 주입 이후 남아있는 과잉 제2 전구체를 방출하도록 구성되는 제2 가스 배기관을 갖도록 형성되는, 플렉서블 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 스캐닝 모듈은,
    상기 플렉서블 기판으로부터 물리 흡착된 제2 전구체를 제거하기 위한 퍼지 가스를 주입하도록 구성되는 퍼지 가스 주입기를 더 갖도록 형성되는, 플렉서블 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제1 전구체는 원자 층 증착을 수행하기 위한 반응 전구체이고,
    상기 제2 전구체는 상기 원자 층 증착을 수행하기 위한 원료 전구체인, 플렉서블 기판상에 물질을 증착하기 위한 장치.
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