KR101849388B1 - 원자층 증착 장비 가스 모듈, 원자층 증착 장비 및 그를 이용한 원자층 증착 방법 - Google Patents

원자층 증착 장비 가스 모듈, 원자층 증착 장비 및 그를 이용한 원자층 증착 방법 Download PDF

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Abstract

원자층 증착 장비 가스 모듈이 제공된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비 가스 모듈은 기판을 향하여 원자층 증착 모드에 따라 복수의 가스를 순차적으로 제공하거나 단일의 가스를 제공하는 제1 타입 가스공급부 및 상기 제1 타입 가스공급부에 대하여 상기 기판 방향으로 양 단에 배치되며, 단일의 가스를 제공하는 복수의 제2 타입 가스공급부를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

원자층 증착 장비 가스 모듈, 원자층 증착 장비 및 그를 이용한 원자층 증착 방법{Gas Module for Atomic Layer Deposition Apparatus, Atomic Layer Deposition Apparatus, Deposition Method using the same}
본 발명은 원자층 증착 장비 가스 모듈, 원자층 증착 장비 및 그를 이용한 원자층 증착 방법에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는, 시분할 원자층 증착 공정을 통하여 시드 원자층을 형성하고, 시드 원자층 상에 공간 분할 원자층 증착 공정을 통하여 후속 원자층을 형성하는 원자층 증착 장비 가스 모듈, 원자층 증착 장비 및 그를 이용한 원자층 증착 방법에 관련된 것이다.
일반적으로, 반도체 기판이나 글라스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하는 방법으로는 스퍼터링(sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)과, 화학반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있다.
최근들어 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐에 따라 미세 패턴의 박막이 요구되고 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커지고 있어 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 원자층 증착 방법(atomic layer deposition : ALD)의 사용이 증대되고 있다.
이러한 원자층 증착 방법은 기체 분자들 간의 화학반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착 방법과 유사하다. 하지만, 통상의 CVD가 복수의 기체 분자들을 동시에 프로세스 챔버 내로 주입하여 발생된 반응 생성물을 기판에 증착하는 것과 달리, 원자층 증착 방법은 하나의 소스 물질을 포함하는 가스를 프로세스 챔버 내로 주입하여 가열된 기판에 흡착시키고 이후 다른 소스 물질을 포함하는 가스를 프로세스 챔버에 주입함으로써 기판 표면에서 소스 물질 사이의 화학반응에 의한 생성물이 증착된다는 점에서 차이가 있다.
그러나, 현재 연구되고 있는 시분할 방식 원자층 증착 방법은, 생산성이 낮다는 문제를 가지고 있다. 이에 본 발명자는, 원자층 증착 박막의 고 품위는 유지시키되, 생산성을 향상시키는, 원자층 증착 장비 가스 모듈, 원자층 증착 장비 및 그를 이용한 원자층 증착 방법을 발명하게 되었다.
한국 공개 특허 10-2014-0067786
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고 품위 박막을 제공하는 동시에 생산성을 향상시키는 원자층 증착 장비 가스 모듈, 원자층 증착 장비 및 그를 이용한 원자층 증착 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 시분할 및 공간 분할 원자층 증착을 단일의 증착 장비에서 수행할 수 있는 원자층 증착 장비 가스 모듈, 원자층 증착 장비 및 그를 이용한 원자층 증착 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 장비의 소형화(foot print 감소)가 가능한 원자층 증착 장비 가스 모듈, 원자층 증착 장비 및 그를 이용한 원자층 증착 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상기 언급한 과제에 의하여 제한되지 아니한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비 가스 모듈은, 기판을 향하여 원자층 증착 모드에 따라 복수의 가스를 순차적으로 제공하거나 단일의 가스를 제공하는 제1 타입 가스공급부 및 상기 제1 타입 가스공급부에 대하여 상기 기판 방향으로 양 단에 배치되며, 단일의 가스를 제공하는 복수의 제2 타입 가스공급부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 원자층 증착 모드가, 시분할 원자층 증착 모드인 경우, 상기 제1 타입 가스공급부는 복수의 가스를 순차적으로 상기 기판을 향하여 제공하고, 상기 원자층 증착 모드가, 공간 분할 원자층 증착 모드인 경우, 상기 제1 타입 가스공급부는 단일 가스를 상기 기판을 향하여 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 공간 분할 원자층 증착 모드인 경우, 상기 제1 타입 가스공급부는, 퍼지 가스를 제공하며, 상기 제2 타입 가스 공급부들은 각각 소스 가스 및 반응 가스를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 타입 가스공급부는, 가스 공급구 및 상기 가스 공급부의 양 측에 마련되어 가스의 믹싱을 방지하는 배기구를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비는, 소스 가스, 퍼지 가스, 및 반응 가스를 순차적 또는 동시에 기판을 향하여 제공하는 가스 모듈 및 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스 및 상기 반응 가스를 순차적으로 상기 기판을 향하여 제공하여 시드 원자층을 형성하는 시분할 원자층 증착 모드 이후 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스 및 상기 반응 가스를 동시에 상기 기판의 분할 영역에 대응하도록 제공하여 상기 시드 원자층 상에 후속 원자층을 형성하는 공간 분할 원자층 증착 모드를 수행하는 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가스 모듈은, 적어도 두 개의 제1 타입 가스공급부 및 상기 적어도 두개의 제1 타입 가스공급부와 교번하여 배치되는 적어도 세 개의 제2 타입 가스공급부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 시분할 원자층 증착 모드에서, 상기 적어도 두 개의 제1 타입 가스공급부를 통하여 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스, 및 상기 반응 가스를 순차적으로 상기 기판을 향하여 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에서, 상기 적어도 두 개의 제1 타입 가스공급부를 통하여 상기 퍼지 가스를 제공하고, 상기 적어도 세 개의 제2 타입 가스 공급부를 통하여 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스를 동시에 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 타입 가스공급부는, 가스의 믹싱을 방지할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에서, 상기 적어도 세 개의 제2 타입 가스 공급부를 통하여, 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스를 상기 기판을 향하여 제공하되, 상기 배기구를 통하여, 상기 기판을 향하여 분사된 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스를 배기함으로써, 가스의 믹싱을 방지할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 적어도 두 개의 제1 타입 가스공급부 및 상기 적어도 세 개의 제2 타입 가스공급부는, 상기 시분할 원자층 증착 모드 또는 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에 따라 분사될 가스를 선택적으로 제공받을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에서, 상기 기판을, 상기 분할 영역 단위로 이송시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에서, 상기 기판을, 상기 가스 모듈과 중첩하는 위치에서 시작하여 상기 분할 영역 단위로 이송시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 기판을 제1 방향으로 상기 분할 영역 단위로 이송시킨 이후 상기 제1 방향과 역 방향인 제2 방향으로 이송시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 방법은, 가스 모듈로부터 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스, 퍼지 가스를 순차적으로 제공하여, 기판의 표면에 시드 원자층을 증착하는 시분할 원자층 증착 단계 및 상기 시드 원자층 상에, 상기 가스 모듈을 통하여 상기 기판의 분할 영역 별로 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스, 상기 반응 가스, 상기 퍼지 가스를 동시에 제공하여, 후속 원자층을 증착하는 공간 분할 원자층 증착 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 공간 분할 원자층 증착 단계 수행 동안, 상기 기판의 분할 영역 단위로, 상기 기판이 이동될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 공간 분할 원자층 증착 단계 수행 동안, 상기 가스 모듈과 중첩하는 위치에서 시작하여 상기 기판의 분할 영역 단위로, 상기 기판이 이동될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판은, 제1 방향 및 상기 제1 방향과 역 방향인 제2 방향으로 이동될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장비는, 소스 가스, 퍼지 가스, 및 반응 가스를 순차적 또는 동시에 기판을 향하여 제공하는 가스 모듈 및 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스 및 상기 반응 가스를 순차적으로 상기 기판을 향하여 제공하여 시드 원자층을 형성하는 시분할 원자층 증착 모드 이후 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스 및 상기 반응 가스를 동시에 상기 기판의 분할 영역에 대응하도록 제공하여 상기 시드 원자층 상에 후속 원자층을 형성하는 공간 분할 원자층 증착 모드를 수행하는 제어부를 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 시분할 방식으로 형성된 시드 원자층 상에 공간 분할 방식으로 후속 원자층이 형성되므로, 박막의 품질을 향상시키면서도 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 시분할 방식과 공간 분할 방식에서 동일한 가스 모듈을 사용하므로, 장비의 간소화를 도모할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른, 효과는 상술한 효과에 의하여 제한되지 아니한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비 가스 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S100을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S100을 상세하게 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S110을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S110을 상세하게 설명하기 위한 다른 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S110의 다른 구현 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비 가스 모듈을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비 가스 모듈은 다양한 박막층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 금속 박막층, 산화물 박막층, 질화물 박막층, 탄화물 박막층, 황화물 박막층 중 적어도 하나의 박막층을 형성할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 금속 박막층을 형성하기 위한, 소스 가스는, TMA(Tri Methyl Aluminium), TEA(Tri Ethyl Aluminium) 및 DMACl(Di Methyl Aluminum Chloride) 중 하나이고, 반응 가스는, 산소 가스 및 오존 가스 중 하나일 수 있다. 이 때 퍼지 가스는, 아르곤(Ar)이나 질소(N2), 헬륨(He) 중 어느 하나의 가스 또는 둘 이상 혼합된 가스가 사용될 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 실리콘 박막층을 형성하기 위한, 소스 가스는, 리콘을 포함하는 실란(Silane, SiH4), 디실란(Disilane, Si2H6) 및 사불화 실리콘(SiF4) 중 하나일 수 있고, 반응 가스는, 산소 가스 및 오존 가스 중 하나일 수 있다. 이 때 퍼지 가스는, 아르곤(Ar)이나 질소(N2), 헬륨(He) 중 어느 하나의 가스 또는 둘 이상 혼합된 가스가 사용될 수 있다. 이 때, 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스는 이에 한정되는 것은 아니며 당업자의 요구에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비 가스 모듈(100)는, 기판을 향하여 원자층 증착 모드에 따라 복수의 가스를 순차적으로 제공하거나 단일의 가스를 제공하는 제1 타입 가스공급부(110a, 110b), 상기 제1 타입 가스공급부에 대하여 상기 기판 방향으로 양단에 배치되며, 단일의 가스를 제공하는 복수의 제2 타입 가스공급부(130a, 130b, 130c)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)는 상기 기판(S)을 향하여 원자층 증착에 요구되는 가스를 분사하도록 구성될 수 있다. 이 때, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)는 기판의 연장 방향 방향으로 배치될 수 있다. 즉, 두 개의 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)가 기판의 연장 방향으로 배치될 수 있다. 상기 제1 타입 가스공급부의 수는 두 개보다 많을 수 있음은 물론이다.
상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)는 원자층 증착 모드에 따라 복수의 가스를 순차적으로 제공하거나 단일의 가스를 상기 기판(S)을 향하여 제공할 수 있다. 본 명세서에서 원자층 증착 모드라 함은, 시분할 방식으로 원자층을 증착하는 시분할 원자층 증착 모드와 기판을 공간 분할 하여 공간 분할 방식으로 원자층을 증착하는 공간 분할 원자층 증착 모드를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
상기 원자층 증착 모드가 시분할 원자층 증착 모드인 경우, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)는 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스, 퍼지 가스를 순차적으로 상기 기판(S)을 향하여 제공할 수 있다. 즉, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)가 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스, 퍼지 가스를 순차적으로 상기 기판(S)을 향하여 제공함으로써, 상기 기판(S) 상에는 고 품위의 시드 원자층(seed atomic layer)이 증착될 수 있다.
상기 원자층 증착 모드가 공간 분할 원자층 증착 모드인 경우, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)는 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스 중 하나의 가스를 상기 기판(S)을 향하여 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)는 퍼지 가스를 상기 기판(S)을 향하여 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)는 원자층 증착 모드에 따라 외부의 가스 공급원으로부터 해당 가스를 제공받을 수 있다. 예를 들어, 시분할 증착 모드인 경우, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)는 소스 가스 공급원(140)으로부터 소스 가스를 제공받은 이후, 퍼지 가스 공급원(150)으로부터 퍼지 가스를 제공받고, 이후 반응 가스 공급원(160)으로부터 반응 가스를 제공받을 수 있다. 이와 달리, 공간 분할 증착 모드인 경우, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)는 퍼지 가스 공급원(150)으로부터 퍼지 가스를 제공받을 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)에 가스를 공급하는 가스 공급원은 각 가스공급부의 내부에 마련될 수도 있다.
상기 제2 타입 가스공급부(130a, 130b, 130c)는 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)의 양 단에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)와 제2 타입 가스공급부(130a, 130b, 130c)가 서로 교번하여 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 타입 가스공급부(130a), 상기 제1 타입 가스공급부(110a), 제2 타입 가스공급부(130b), 상기 제1 타입 가스공급부(110b) 및 제2 타입 가스공급부(130c) 순서로 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)가 두 개인 경우, 상기 제2 타입 가스공급부(130a, 130b, 130c)는 세 개일 수 있다. 만약, 상기 제1 타입 가스공급부의 수가 세 개 이상인 경우, 상기 제2 타입 가스공급부의 수도 대응하여 더 많아 질 수 있음은 물론이다.
상기 제2 타입 가스공급부(130a, 130b, 130c)는 가스 공급구(132a, 132b, 132c) 및 상기 가스 공급구의 양 측에 마련되어 가스의 믹싱을 방지하는 배기구(134a, 136a, 134b, 136b, 134c, 136c)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 일 가스 공급구(132a)에서 공급된 가스가 상기 기판(S) 상의 원하는 분할 영역에 선택적으로 제공되고, 타 영역으로 진입될 여지가 있는 가스는, 상기 가스 공급구(132a) 양 단의 배기구(134a, 136a)에 의하여 배기될 수 있다. 또한 상기 배기구는 잔여 바이 프로덕트(by-product)를 배기할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배기구(134a, 136a, 134b, 136b, 134c, 136c)는 바 드라이 펌프(bar dry pump, 170)와 연통하며, 상기 바 드라이 펌프(170)의 구동에 의하여, 가스 공급구(132a, 132b, 132c)에 의하여 공급된 가스 중 기판의 해당 공간 분할 영역을 벗어나는 가스 및/또는 바이 프로덕트를 배기할 수 있다.
상기 제2 타입 가스 공급부(130a, 130b, 130c)는 상기 원자층 증착 모드가 공간 분할 원자층 증착 모드인 경우, 상기 기판(S) 기판의 각각의 분할 영역을 향하여 대응되는 단일의 가스를 각각 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 타입 가스 공급부(130a, 130c)는 반응 가스를 상기 기판(S)으로 제공하고, 상기 제2 타입 가스 공급부(130b)는 소스 가스를 상기 기판(S)으로 제공할 수 있다.
한편, 상기 제2 타입 가스 공급부(130a, 130b, 130c)는 상기 원자층 증착 모드가 시분할 원자층 증착 모드인 경우, 가스 공급을 수행하지 않을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 타입 가스 공급부(130a, 130b, 130c)는 공간 분할 원자층 증착 모드 구현을 위하여, 대응되는 외부 가스 공급원으로부터 가스를 제공받을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 타입 가스 공급부(130a, 130c)는 상기 반응 가스 공급원(160)으로부터 반응 가스를 제공받을 수 있다. 또한, 상기 제2 타입 가스 공급부(130b)는 상기 소스 가스 공급원(140)으로부터 소스 가스를 제공받을 수 있다. 이와 달리, 상기 제2 타입 가스 공급부(130a, 130b, 130c)에 가스를 공급하는 가스 공급원은 각 가스 공급부의 내부에 마련될 수도 있다.
이상 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비 가스 모듈에 대하여 설명하였다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비는, 상술한 원자층 증착 장비 가스 모듈 외에, 상기 원자층 증착 장비 가스 모듈의 각 구성을 제어하는 제어부, 원자층 증착 반응 공간을 제공하는 챔버 및 상기 챔버 내의 압력을 제어하는 챔버 펌프를 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제어부는, 상기 시분할 원자층 증착 모드에서, 상기 적어도 두 개의 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)를 통하여 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스, 및 상기 반응 가스를 순차적으로 상기 기판(S)을 향하여 제공도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에서, 상기 적어도 두 개의 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)를 통하여 상기 퍼지 가스를 제공하고, 상기 적어도 세 개의 제2 타입 가스 공급부(130a, 130b, 130c)를 통하여 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스를 동시에 제공할 수 있다. 특히, 상기 제어부는, 제2 타입 가스 공급부(130a, 130b, 130c)를 통하여 제공된 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스의 믹싱을 방지하도록 상기 바 드라이 펌프(170)를 제어하여, 과(excessive) 제공된 가스를 배기할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 필요에 따라 상기 기판(S)을 이송할 수 있다. 기판 이송에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
이하 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 방법을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 이하 도 2를 참조하여 설명할 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 방법은, 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비 가스 모듈 및/또는 원자층 증착 장비에 의하여 구현될 수 있음은 물론이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 방법은, 가스 모듈로부터 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스, 퍼지 가스를 순차적으로 제공하여, 기판의 표면에 시드 원자층을 증착하는 시분할 원자층 증착 단계(S100) 및 상기 시드 원자층 상에, 상기 가스 모듈을 통하여 상기 기판의 분할 영역 별로 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스, 상기 반응 가스, 상기 퍼지 가스를 동시에 제공하여, 후속 원자층을 증착하는 공간 분할 원자층 증착 단계(S110)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 단계에 대하여 상술하기로 한다.
단계 S100
단계 S100에서, 시분할 원자층 증착 단계가 수행될 수 있다. 단계 S100을 상세히 설명하기 위하여, 도 3 및 도 4를 함께 참조하기로 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S100을 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S100을 상세하게 설명하기 위한 다른 도면이다.
예비 작업으로서, 상기 제어부는 챔버 펌프를 통하여 상기 챔버 내의 압력을 원하는 수준까지 낮출 수 있다. 예를 들어, 상기 챔버 내부의 압력은, 10-3torr 수준으로 유지될 수 있다.
시분할 원자층 증착을 위하여, 상기 제어부는, 도 4에 도시된 바와 같이, 가스공급부(110a, 110b, 130a, 130b, 130c)를 제어할 수 있다. 즉, 상기 제어부는 제2 타입 가스공급부(130a, 130b, 130c)를 통한 가스 공급은 중단한 상태에서, 상기 제1 타입 가스공급부(110a, 110b)를 통하여, 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스, 퍼지 가스를 순차적으로 t1, t2, t3, t4 구간 동안 상기 기판(S)을 향하여 분사할 수 있다.
이로써, 상기 기판(S) 상에는 시드 원자층이 형성될 수 있다.
단계 S110
단계 S110에서, 공간 분할 원자층 증착 단계가 수행될 수 있다. 단계 S110을 상세히 설명하기 위하여, 도 5 및 도 6을 함께 참조하기로 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S110을 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S110을 상세하게 설명하기 위한 다른 도면이다.
상기 제어부는, 상기 시드 원자층이 증착된 기판에 대하여 공간 분할 원자층 증착 모드를 수행할 수 있다. 공간 분할 원자층 증착 모드 수행 시에, 상기 기판(S)은 도 5에 도시된 바와 같이, 가스 모듈(100)의 가스공급부(130a, 110a, 130b, 110b, 130c)의 폭에 따라 가상의 분할 영역 단위인 A1, A2, A3, A4 및 A5로 구분될 수 있다.
상기 제어부는 공간 분할 원자층 증착 모드를 수행하기 위하여, 제2 타입 가스공급부(130a)를 통하여, 반응 가스를 제공하고, 제1 타입 가스공급부(110a)를 통하여 퍼지 가스를 제공하고, 제2 타입 가스공급부(130b)를 통하여 소스 가스를 제공하고, 제1 타입 가스공급부(110b)를 통하여 퍼지 가스를 제공하고, 제2 타입 가스공급부(130c)를 통하여 반응 가스를 제공할 수 있다. 이 때, 상기 제어부는 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스, 상기 반응 가스가 동시에 분사되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 바 드라이 펌프(170)를 구동하여, 상기 제2 타입 가스공급부(130a, 130c) 구체적으로는 가스공급구(132a, 132c)를 통하여 반응 가스를 제공하는 동시에, 배기구(134a, 136a) 및 배기구(134c, 136c)를 통하여 반응 가스를 배기시킬 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 제2 타입 가스공급부(130b) 구체적으로는 가스공급구(132b)를 통하여 소스 가스를 제공하는 동시에, 상기 배기구(134b, 136b)를 소스 가스를 배기시킬 수 있다. 이로써, 공간 분할 원자층 증착 단계에서, 소스 가스와 반응 가스가 의도하지 않는 분할 영역으로 침투함에 따라 발생하는 반응의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 기판(S)이 상기 가스 모듈(100)의 외측에서 상기 분할 영역 단위로 이송되도록 제어할 수 있다. 만약 기판(S)이 오른쪽 방향으로 이송되는 경우, 상기 기판(S)의 A5 분할 영역이 처음 상기 가스 모듈(100) 아래로 이송되게 되므로, A5 분할 영역이 상기 제2 타입 가스공급부(130a) 아래에 위치하게 된다. 이후, 상기 제어부는 분할 영역 단위로 상기 기판을 이송하여, 상기 기판(S)의 A5 분할 영역이 상기 제1 타입 가스공급부(110b) 아래에 위치하게 되고, 신규로 A4 분할 영역이 상기 제2 타입 가스공급부(130a) 아래에 위치하게 된다. 이후, 상기 제어부는 분할 영역 단위로 상기 기판을 이송하여, A5 분할 영역이 상기 제2 타입 가스공급부(130b) 아래에 위치하게 되고, A4 분할 영역이 상기 제1 타입 가스공급부(110a) 아래에 위치하게 되고, 신규로 A3 분할 영역이 상기 제2 타입 가스공급부(130a) 아래에 위치하게 된다. 이와 같은 방식으로 상기 제어부는 지속적으로 상기 기판(S)을 분할 영역 단위로 일 방향(도면의 오른쪽 방향)으로 이송시키고, 이후 반대 방향(도면의 왼쪽 방향)으로 이송시킬 수 있다.
이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기판(S)이 상기 가스 모듈(100)의 아래로 모두 진입하게 된 경우, 상기 기판(S)의 A1 분할 영역은, 상기 제2 타입 가스공급부(130a)로부터 반응 가스를 제공받고, A2 분할 영역은, 상기 제1 타입 가스공급부(110a)로부터 퍼지 가스를 제공받고, A3 분할 영역은, 상기 제2 타입 가스공급부(130b)로부터 소스 가스를 제공받고, A4 분할 영역은, 상기 제1 타입 가스공급부(110b)로부터 퍼지 가스를 제공받고, A5 분할 영역은, 상기 제2 타입 가스공급부(130b)로부터 반응 가스를 제공받을 수 있다.
따라서, 상기 공간 분할 원자층 증착 단계에서는 상기 가스 모듈(100)에 대하여 상기 기판(S)이 상대적으로 이송됨으로써, 도 5에 도시된 바와 같이 후속 원자층이 증착될 수 있다.
이상 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 방법을 설명하였다. 상술한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 시분할 원자층 증착 단계를 통하여 시드 원자층이 형성되고, 시드 원자층 상에 공간 분할 원자층 증착 단계를 통하여 후속 원자층이 형성될 수 있다. 이에 따라, 시드 원자층이 기판과의 계면 사이에 우수한 이종 증착 특성을 제공할 수 있고, 이후 후속 원자층이 시드 원자층 상에 빠른 증착률로 증착될 수 있으므로 고 품위의 박막층을 제공하면서도 생산성을 향상시킬 수 있다.
특히, 시분할 원자층 증착 단계와 공간 분할 원자층 증착 단계가 동일한 가스 모듈로 수행될 수 있다. 즉, 제어부가 가스 모듈의 가스 공급 순서를 제어함으로써, 별도의 추가적인 가스 모듈 없이도 시분할 및 공간 분할 원자층 증착 단계 구현이 가능하므로 장비의 간이화가 도모되는 효과가 제공될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단계 S110의 다른 구현 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7을 참조하여 설명할 실시 예도 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장비 가스 모듈 및/또는 원자층 증착 장비에 의하여 구현될 수 있음은 물론이다.
단계 S110에 따른 공간 분할 원자층 증착 단계는, 상기 기판의 적어도 일부가 상기 가스 모듈(100)과 중첩하는 위치에서 시작하여 상기 분할 영역 단위로 이송될 수 있다. 즉, 단계 S110은, 상기 기판(S)의 적어도 일부가 상기 가스 모듈(100)의 아래에 배치된 상태에서 시작하여 상기 분할 영역 단위로 이송될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 기판(S)의 분할 영역 A3, A4, A5가 상기 가스 모듈(100) 아래에 위치한 상태에서 공간 분할 원자층 증착 단계가 수행될 수 있다. 즉, 도 5 및 도 6을 참조하여, 설명한 실시 예에서는, 상기 기판(S)이 가스 모듈(100) 아래로 처음 진입하면서, 공간 분할 원자층 증착 단계가 수행된 반면(full scan), 본 실시 예에서는, 공간 분할 원자층 증착 단계 수행 전에 미리 상기 기판(S)을 상기 가스 모듈(100) 아래에 위치시킨 상태에서, 공간 분할 원자층 증착 단계가 수행(local scan)된다는 점에서 상이하다.
도 7에 도시된 실시 예에 따르면, 초기 상태인 t1 시간 동안에, 상기 기판(S)의 A1 및 A2 분할 영역은 가스를 공급받지 않는 휴지 구간에 위치하고, A3, A4, A5 분할 영역은 가스를 공급받는 증착 구간에 위치할 수 있다. 이에 따라, 상기 A3 분할 영역은 상기 제2 타입 가스공급부(130a)를 통하여 반응 가스를 제공받고, A4 분할 영역은 상기 제1 타입 가스공급부(110a)를 통하여 퍼지 가스를 제공받고, A5 분할 영역은 상기 제2 타입 가스공급부(130b)를 통하여 소스 가스를 제공받을 수 있다. 이 때, 앞서 설명한 바와 같이, 배기구(134a, 136a)는 반응 가스를 배기하고, 배기구(134b, 136b)는 소스 가스를 배기할 수 있다.
t1 시간 이후, t2 시간 동안, 상기 제어부는 상기 기판(S)을 분할 영역 단위로 이송시킬 수 있다. 이에 따라, A1 분할 영역은 휴지 구간에 위치하고, A2 분할 영역은 제2 타입 가스공급부(130a)를 통하여 반응 가스를 제공받고, A3 분할 영역은 제1 타입 가스공급부(110a)를 통하여 퍼지 가스를 제공받고, A4 분할 영역은 제2 타입 가스공급부(130b)를 통하여 소스 가스를 제공받고, A5 분할 영역은 제1 타입 가스공급부(110b)를 통하여 퍼지 가스를 제공받을 수 있다.
이후 t3 시간 동안, A1 분할 영역은 반응 가스를 제공받고, A2 분할 영역은 퍼지 가스를 제공받고, A3 분할 영역은 소스 가스를 제공받고, A4 분할 영역은 퍼지 가스를 제공받고, A5 분할 영역은 반응 가스를 제공받을 수 있다.
이후 t4 기간 동안, A1, A2, A3, A4 분할 영역은 가스 모듈(100)로부터 대응되는 가스를 제공받을 수 있고, A5 분할 영역은 휴지 구간에 위치할 수 있다.
이후 t5 시간 동안, A1, A2, A3 분할 영역은 가스 모듈(100)로부터 대응되는 가스를 제공받을 수 있고, A4, A5 분할 영역은 휴지 구간에 위치할 수 있다.
이후 t6 부터 t9 시간 동안은, 상기 제어부가 기판을 반대 방향으로 이송하여, 공간 분할 원자층 증착 단계를 수행할 수 있다.
이로써, 상기 기판 상에는 후속 원자층이 형성될 수 있다.
도 7을 참조하여 설명한 본 발명의 실시 예에 따르면, 공간 분할 원자층 증착 단계가 기판의 적어도 일부가 가스 모듈 아래에 진입한 이후에 수행됨으로써, 장비의 풋 프린트(foot print)를 감소시킬 수 있다. 즉, 본 실시 예에 따르면, 가스 모듈을 기준으로 좌/우 측에 2개 크기의 분할 영역에 상응하는 공간이 휴지 구간으로 제공되기만 하면, 공간 분할 원자층 증착 모드가 수행될 수 있다. 이로써, 본 실시 예에 따르면, 공간 분할 원자층 증착 단계를 수행하면서도 장비의 크기를 줄일 수 있으므로, 대형 기판 증착의 편의성을 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하여 설명한 실시 예는, 도 2의 단계 S100 이후 수행되는 것을 기준으로 설명하였으나, 단계 S100이 생략된 상태에서, 수행될 수 있음은 물론이다. 이 경우, 공간 분할 원자층 증착을 위한 장비의 크기는 소형화하면서도, 기판 상에 직접 공간 분할 원자층 증착 단계가 수행될 수 있다.
이상 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 본 발명의 실시 예들은, 고 품위의 박막층을 빠른 시간에 생산할 수 있으며, 이러한 박막층은 적어도 광/디스플레이 소자, 반도체 소자, 에너지 소자 등에 응용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
110a, 110b: 제1 타입 가스공급부
130a, 130b, 130c: 제2 타입 가스공급부
S: 기판

Claims (18)

  1. 기판을 향하여, 원자층 증착 모드에 따라 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스를 포함하는 복수의 가스를 순차적으로 제공하거나 단일의 가스를 제공하는 제1 타입 가스공급부; 및
    상기 제1 타입 가스공급부에 대하여 상기 기판 방향으로 양 단에 배치되며, 상기 복수의 가스 중 어느 하나의 가스를 제공하는 제2 타입 가스공급부를 복수 개 포함하고,
    상기 제2 타입 가스공급부는, 가스 공급구 및 상기 가스 공급구의 양 측에 마련되어 가스의 믹싱을 방지하는 배기구를 포함하며,
    상기 제1 타입 가스공급부의 폭이 상기 가스 공급구의 폭보다 더 넓게 형성되고,
    상기 원자층 증착 모드가 시분할 원자층 증착 모드로 동작하여, 상기 제1 타입 가스공급부가 상기 복수의 가스를 순차적으로 상기 기판을 향하여 제공하여 시드 원자층을 형성하고,
    상기 원자층 증착 모드가 공간 분할 원자층 증착 모드로 동작하여, 상기 제1 타입 가스공급부가 상기 퍼지 가스를 제공하며, 상기 복수의 제2 타입 가스공급부 각각은 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스 중 하나의 가스를 제공하여, 상기 시드 원자층 위에 후속 원자층을 형성하는 원자층 증착 장비 가스 모듈.
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  5. 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스를 순차적으로 기판을 향하여 제공하는 제1 타입 가스공급부 및 상기 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스 중 어느 하나의 가스를 제공하는 복수의 제 2 타입 가스공급부를 포함하는 가스 모듈; 및
    상기 제1 타입 가스 공급부 및 상기 제2 타입 가스공급부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제2 타입 가스공급부는, 가스 공급구 및 상기 가스 공급구의 양 측에 마련되어 가스의 믹싱을 방지하는 배기구를 포함하며,
    상기 제1 타입 가스공급부의 폭이 상기 가스 공급구의 폭보다 더 넓게 형성되고,
    상기 제어부는
    시분할 원자층 증착 모드에서, 상기 제1 타입 가스공급부가 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스, 상기 반응 가스를 순차적으로 상기 기판을 향하여 제공하도록 제어하여 시드 원자층을 형성하고,
    공간 분할 원자층 증착 모드에서, 상기 제1 타입 가스공급부가 상기 퍼지 가스를 제공하고, 상기 제2 타입 가스공급부가 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스 중 하나의 가스를 제공하여, 상기 시드 원자층 위에 후속 원자층을 형성하는 원자층 증착 장비.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 가스 모듈은, 적어도 두 개의 제1 타입 가스공급부 및 상기 적어도 두개의 제1 타입 가스공급부와 교번하여 배치되는 적어도 세 개의 제2 타입 가스공급부를 포함하는 원자층 증착 장비.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 시분할 원자층 증착 모드에서, 상기 적어도 두 개의 제1 타입 가스공급부를 통하여 상기 소스 가스, 상기 퍼지 가스, 및 상기 반응 가스를 순차적으로 상기 기판을 향하여 제공하는 원자층 증착 장비.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에서, 상기 적어도 두 개의 제1 타입 가스공급부를 통하여 상기 퍼지 가스를 제공하고, 상기 적어도 세 개의 제2 타입 가스 공급부를 통하여 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스를 동시에 제공하는 원자층 증착 장비.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 타입 가스공급부는, 가스의 믹싱을 방지하는 배기구를 더 포함하는 원자층 증착 장비.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에서, 상기 적어도 세 개의 제2 타입 가스 공급부를 통하여, 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스를 상기 기판을 향하여 제공하되, 상기 배기구를 통하여, 상기 기판을 향하여 분사된 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스를 배기함으로써, 가스의 믹싱을 방지하는 원자층 증착 장비.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 제1 타입 가스공급부 및 상기 적어도 세 개의 제2 타입 가스공급부는, 상기 시분할 원자층 증착 모드 또는 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에 따라 분사될 가스를 선택적으로 제공받는 원자층 증착 장비.
  12. 제5 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에서, 상기 기판을, 분할 영역 단위로 이송시키는 원자층 증착 장비.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 공간 분할 원자층 증착 모드에서, 상기 기판을, 상기 가스 모듈과 중첩하는 위치에서 시작하여 분할 영역 단위로 이송시키는 원자층 증착 장비.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 기판을 제1 방향으로 분할 영역 단위로 이송시킨 이후 상기 제1 방향과 역 방향인 제2 방향으로 이송시키는 원자층 증착 장비.
  15. 제1 타입 가스공급부가 소스 가스, 퍼지 가스, 반응 가스, 퍼지 가스를 순차적으로 제공하여, 기판의 표면에 시드 원자층을 증착하는 시분할 원자층 증착 단계; 및
    상기 시드 원자층 상에, 상기 제1 타입 가스공급부가 상기 기판의 분할 영역 별로 상기 퍼지 가스를 제공하고, 복수의 제2 타입 가스공급부 각각이 상기 기판의 분할 영역 별로 상기 소스 가스 및 상기 반응 가스 중 하나의 가스를 제공하여, 후속 원자층을 증착하는 공간 분할 원자층 증착 단계를 포함하며,
    상기 제2 타입 가스공급부는, 가스 공급구 및 상기 가스 공급구의 양 측에 마련되어 가스의 믹싱을 방지하는 배기구를 포함하며,
    상기 제1 타입 가스공급부의 폭이 상기 가스 공급구의 폭보다 더 넓게 형성되는 원자층 증착 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 공간 분할 원자층 증착 단계 수행 동안, 상기 기판의 분할 영역 단위로, 상기 기판이 이동되는, 원자층 증착 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 공간 분할 원자층 증착 단계 수행 동안, 가스 모듈과 중첩하는 위치에서 시작하여 상기 기판의 분할 영역 단위로, 상기 기판이 이동되는, 원자층 증착 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 기판은, 제1 방향 및 상기 제1 방향과 역 방향인 제2 방향으로 이동되는, 원자층 증착 방법.
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