KR101984997B1 - 수평 흐름 원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법 - Google Patents

수평 흐름 원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치 및 증착 방법은 박막이 증착되는 기판을 중심으로 서로 대칭적으로 형성되어 있는 두 개의 기체 유출부와 연결되어 있는 두 개의 기체 유입 채널과 두 개의 기체 유출 채널을 형성함으로써, 기판 위에 흐르는 기체의 흐름 방향을 서로 다르게 유도할 수 있다. 따라서, 공급된 소스 기체와 반응 기체가 기판 위에서 일정한 한 방향으로만 흐르는 기존의 수평 흐름 원자층 증착 장치에 비하여, 증착되는 막의 균일도가 높아지게 된다.

Description

수평 흐름 원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법 {LATERAL_FLOW ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS AND ATOMIC LAYER DEPOSITION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 수평 흐름 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조에 있어서 기판 위에 고품질의 박막을 형성하고자 하는 장치나 공정에 대하여 개선하는 노력이 계속되고 있다. 최근에 두 가지 이상의 반응원료를 시간적으로 분리하여 순차적으로 기판 위에 공급하여 표면 반응을 통해 박막을 성장시키고, 이를 반복적으로 수행하여 원하는 두께의 박막을 형성하는 원자층 증착 (atomic layer deposition, ALD) 방법이 제안되었다. 표면 반응에 의해 막이 형성되기 때문에 이와 같은 공정을 이용하면, 기판의 요철에 관계없이 기판의 표면전체에서 균일한 두께의 막을 얻을 수 있고, 막에 섞이는 불순물을 줄일 수 있어서 우수한 성질의 막을 형성할 수 있다.
원자층 증착에 사용되는 원자층 증착 장치 중, 기판에 평행한 방향으로 기체가 흐르는 수평흐름 원자층 반응기는 반응기 안에서 기체의 흐름이 빠르고 단순하기 때문에 반응기 안의 기체 분위기를 빠른 속도로 전환할 수 있고 필요한 공정기체들을 순차적으로 공급하는 기체 공급 주기에 필요한 시간을 최소화할 수 있다. 이러한 수평흐름 원자층 반응기의 예가 대한민국 특허 제 624030 호 및 미국 특허 US 6,539,891 등에 의해 시분할 원료공급 원자층 증착 방법에 적합한 반응기 및 이를 이용한 박막 제조 방법이 개시되었다. 또한 이를 개량한 예가 한국 특허 출원 제2005-0038606호 및 미국 특허 출원 11/429,533호로 출원되었다. 이 반응기에서는 라디오파(RF) 전력을 공급하는 전극에 전력을 기체 공급 주기에 시간적으로 맞추어 공급하여 플라즈마 원자층 증착법을 실시할 수도 있다.
수평흐름 원자층 반응기의 다른 예가 미국특허 US 5,711,811, 미국 특허 US 6,562,140에 개시되었다. 상기 발명에서는 반응기 내부에서 기판이 놓인 면과 기판에 마주한 면 사이의 간격을 일정하게 하여 기판 위에서 기체의 흐름을 균일하고 층흐름(laminar flow)에 가깝게 유지한다.
그러나 수평흐름 반응기의 경우 기체유입부분과 기체유출부분에서의 기판상 박막의 균일도(film uniformity)의 차이가 크다는 문제점을 가지고 있다. 기판을 회전시키는 등의 방식으로 개선을 꾀할 수 있으나 그 구조의 복잡성과 공정 조건 설정이 쉽지 않다는 문제가 있다. 또한 기판상에서 기체흐름의 방향을 바꿈으로써 그러한 불균일성을 해소하고자 하는 노력들이 있었으나(US 6806211; US 7020981; US2009/0217873) 원자층 증착공정에 최적화된 컴팩트한 구조를 제시하는데 한계를 보이고 있다.
본 발명의 기술적 과제는 기판에 형성하는 막의 균일도를 높일 수 있는 수평 흐름 원자층 증착 장치 및 수평 흐름 원자층 증착 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 원자층 증착 장치는 기판이 놓인 면과 그와 마주한 면 사이를 공정 기체가 기판에 대체로 평행한 방향으로 흐르는 수평 흐름 원자층 증착 장치로서, 기판을 지지하는 기판 지지대, 상기 기판 지지대와 접촉하여 반응실을 구성하는 반응기 덮개, 상기 반응기 덮개와 상기 기판 지지대 사이에 배치되어 있는 제1 기체 흐름 조절판, 그리고 상기 제1 기체 흐름 조절판의 상부 표면과 상기 반응기 덮개의 내부 하부 표면 사이의 제1 기체 유출 채널 및 제2 기체 유출 채널과 연결되어 있는 제1 기체 유출부 및 제2 기체 유출부를 포함한다.
상기 제1 기체 유출부와 상기 제2 기체 유출부는 상기 기판 상부 표면을 기준으로 서로 반대 방향에 배치될 수 있다.
상기 반응실로 공정 기체를 공급하는 제1 기체 유입구 및 제2 기체 유입구를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기체 흐름 조절판 하부에 배치되어 있는 제2 기체 흐름 조절판을 더 포함하고, 상기 제1 기체 유입구 및 제2 기체 유입구를 통해 공급되는 공정 기체는 상기 제1 기체 흐름 조절판과 상기 제2 기체 흐름 조절판 사이의 제1 기체 유입 채널 및 제2 기체 유입 채널을 통해 상기 기판 위로 공급될 수 있다.
상기 제1 기체 유입 채널과 상기 제2 기체 유입 채널은 상기 기판 상부 표면을 기준으로 서로 반대 방향에 배치될 수 있다.
상기 제1 기체 유출 채널 및 상기 제2 기체 유출 채널은 상기 제1 기체 흐름 조절판 상부 표면에 형성되어 있는 제1 유출홈 및 제2 유출홈과 상기 반응기 덮개의 내부 하부 표면 사이의 공간으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 기체 유입 채널 및 상기 제2 기체 유입 채널은 상기 제1 기체 흐름 조절판 하부 표면에 형성되어 있는 제1 유입홈 및 제2 유입홈과 상기 제2 기체 흐름 조절판의 상부 표면 사이의 공간으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 기체 유입구를 통해 공급된 공정 기체는 상기 제1 기체 유입 채널을 지나 상기 기판 위에 제1 방향으로 층흐름으로 흐를 수 있다.
상기 기판 위에 상기 제1 방향으로 흐른 공정 기체는 상기 제2 기체 유출 채널을 통해 상기 반응기 외부로 배기될 수 있다.
상기 제2 기체 유입구를 통해 공급된 공정 기체는 상기 제2 기체 유입 채널을 지나 상기 기판 위에 제2 방향으로 층흐름으로 흐를 수 있다.
상기 기판 위에 상기 제2 방향으로 흐른 공정 기체는 상기 제1 기체 유출 채널을 통해 상기 반응기 외부로 배기될 수 있다.
상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 서로 반대일 수 있다.
상기 제1 기체 유출부 및 상기 제2 기체 유출부는 배기 펌프와 연결되어 있는 제1 밸브 및 비활성 기체 공급선과 연결되어 있는 제2 밸브를 포함할 수 있다.
상기 제1 기체 유출부를 통해 공정 기체가 배기될 때, 상기 제2 기체 유출부에는 상기 비활성 기체가 공급될 수 있다. 이때, 상기 제 1기체 유입홈으로 비활성기체가 공급될 수 있다.
상기 제2 기체 유출부를 통해 공정 기체가 배기될 때, 상기 제1 기체 유출부에는 상기 비활성 기체가 공급될 수 있다. 이때, 상기 제 2기체 유입홈으로 비활성 기체가 공급될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 원자층 증착 방법은 기판 표면에 평행한 제1 방향으로 상기 기판 위에 소스 기체를 공급하는 제1 소스 기체 공급 단계 및 상기 기판 표면에 평행하고, 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 상기 기판 위에 반응 기체를 공급하는 제1 반응 기체 공급 단계를 포함하는 제1 기체 공급 사이클, 그리고 상기 기판 위에 상기 제2 방향으로 상기 소스 기체를 공급하는 제2 소스 기체 공급 단계 및 상기 기판 위에 상기 제1 방향으로 상기 반응 기체를 공급하는 제2 반응 기체 공급 단계를 포함하는 제2 기체 공급 사이클을 포함한다.
상기 제1 기체 공급 사이클 동안 상기 제1 소스 기체 공급 단계와 상기 제1 반응 기체 공급 단계를 복수 회 반복되고, 상기 제2 기체 공급 사이클 동안, 상기 제2 소스 기체 공급 단계와 상기 제2 반응 기체 공급 단계는 복수 회 반복될 수 있다.
상기 제1 기체 공급 사이클 동안 상기 제1 소스 기체 공급 단계와 상기 제1 반응 기체 공급 단계는 교대로 복수 회 반복되고, 상기 제2 기체 공급 사이클 동안, 상기 제2 소스 기체 공급 단계와 상기 제2 반응 기체 공급 단계는 교대로 복수 회 반복될 수 있다.
상기 제1 기체 공급 사이클과 상기 제2 기체 공급 사이클은 복수 회 반복될 수 있다.
상기 제1 기체 공급 사이클과 상기 제2 기체 공급 사이클은 교대로 복수 회 반복될 수 있다.
상기 제1 기체 공급 사이클을 복수 회 반복한 후에 상기 제2 기체 공급 사이클을 복수 회 반복할 수 있다.
상기 제1 기체 공급 사이클을 복수 회 반복한 후에, 상기 제2 기체 공급 사이클을 복수 회 반복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치 및 증착 방법은 박막이 증착되는 기판을 중심으로 서로 대칭적으로 형성되어 있는 두 개의 기체 유출부와 연결되어 있는 두 개의 기체 유입 채널과 두 개의 기체 유출 채널을 형성함으로써, 기판 위에 흐르는 기체의 흐름 방향을 서로 다르게 유도할 수 있다. 따라서, 공급된 소스 기체와 반응 기체가 기판 위에서 일정한 한 방향으로만 흐르는 기존의 수평 흐름 원자층 증착 장치에 비하여, 증착되는 막의 균일도가 높아지게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 상부 기체 흐름 조절판의 상부를 나타내는 도면이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 상부 기체 흐름 조절판의 하부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 하부 기체 흐름 조절판을 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 다른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 기체 유입 및 유출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
먼저, 도 1과 도 2를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 단면도이다. 도 1은 기체 유입 채널을 정면에서 바라본 수평 흐름 원자층 증착 장치의 단면도이고, 도 2는 기체 유입 채널을 측면에서 바라본 수평 흐름 원자층 증착 장치의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치는 박막이 증착되는 기판(150)이 장착되는 반응기 받침(110), 반응기 받침(110)과 서로 밀착하여 반응실을 정의하는 반응기 덮개(120), 그리고 기체 흐름 조절부(105)를 포함한다. 반응실은 기판이 처리되는 반응 공간을 포함하는데, 반응 공간은 반응기 받침(110) 상부 표면과 기체 흐름 조절부(105)의 하부 표면 사이의 공간으로 정의된다.
반응기 덮개(120)의 상부에는 제1 기체 유입관(101)과 제2 기체 유입관(102), 그리고 제1 기체 유출부(103a)와 제2 기체 유출부(103b)가 구비되어 있다. 도시한 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치는 두 개의 기체 유출부를 포함하지만, 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 경우, 세 개 이상의 기체 유출부를 포함할 수도 있다.
제1 기체 유입관(101)과 제2 기체 유입관(102)은 반응기의 중심을 기준으로 양쪽으로 대칭적으로 배치되어 있을 수 있고, 제1 기체 유출부(103a)와 제2 기체 유출부(103b) 역시 제1 기체 유입관(101)과 제2 기체 유입관(102)과 같이 반응기의 중심을 기준으로 양쪽으로 대칭적으로 배치될 수 있다.
제1 및 제2 기체 유입관(101과 102)은 반응 소스들(도시하지 않음)과 연결되어 있다. 제1 및 제2 기체 유입관(101과 102)은 각기 서로 다른 제1 반응 기체 및 제2 반응 기체를 공급하도록 구성되는데, 바람직하게는 반응 기체들은 기체 유입관(101과 102)을 통해 기체 상으로 유입된다.
제1 기체 유출부(103a)에는 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)가 연결되어 있고, 제2 기체 유출부(103b)에는 제3 밸브(V3)와 제4 밸브(V4)가 연결되어 있다. 제1 밸브(V1)와 제3 밸브(V3)에는 퍼지 기체 공급부(P1)와 연결되어 있고, 제2 밸브(V2)와 제4 밸브(V4)는 배기 펌프(P2)와 연결되어 있다.
따라서, 기체의 배기 단계 시, 밸브(V2, V4)는 열리고, 밸브(V1, V3)는 닫히게 되고, 퍼지 기체 공급 단계 시, 밸브(V1, V3)는 열리고, 밸브(V2, V4)는 닫히게 된다. 퍼지 기체는 제1 및 제2 기체 유입관(101과 102)을 통해 공급되는 공정 기체가 제1 기체 유출부(103a)와 제2 기체 유출부(103b)로 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다.
또한, 도시하지는 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치는 밸브를 조절하기 위한 스위칭 기계 장치를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 프로그램화 된 컴퓨터가 스위칭 기계 장치로 이용되어 원자층 증착법의 기체 공급 주기에 맞추어 반응 기체들과 불활성 퍼지 기체를 순차적으로 공급하는데 이용될 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치는 반응기 덮개(120) 표면에 장착된 가열 장치(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 가열 장치는 반응기 덮개(120)를 일정 온도로 가열하여, 반응기 덮개(120)의 내부 표면에서 반응 기체들이 응축(응결)하는 것을 방지한다.
반응기 받침(110)도 기판 가열부(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 기판 가열부는 반응기 받침(110) 하부에 장착되어 있으며 증착 공정 동안, 기판의 온도를 공정에 필요한 온도까지, 반응 기체들의 분해(decomposition) 온도보다는 낮고 반응 기체들의 응축(응결)(condensation) 온도보다는 높도록, 가열하여 유지한다. 기판을 지지하는 기판 지지대(도시하지 않음)는 금속으로 만들어지고, 바람직하게는 전기적으로 접지된다. 혹은 세라믹등의 비금속재료로 이루어질 수도 있다. 이러한 반응기의 형태 및 물질 등은 반응기의 설계에 따라 변화 가능하다.
기체 흐름 조절부(105)는 상부 기체 흐름 조절판(130)과 하부 기체 흐름 조절판(140)을 포함한다.
도 1 및 도 2에서, 화살표는 기체의 흐름 경로를 나타낸다. 제1 기체 유입구(101)를 통해 공급된 공정 기체는 기체 흐름 조절부(105)의 상부 기체 흐름 조절판(130)과 하부 기체 흐름 조절판(140) 사이를 지나 기판 위로 이동한 후, 제2 기체 유출부(103b)로 유출되고, 제2 기체 유입구(102)를 통해 공급된 공정 기체는 기체 흐름 조절부(105)의 상부 기체 흐름 조절판(130)과 하부 기체 흐름 조절판(140) 사이를 지나 기판 위로 이동한 후, 제1 기체 유출부(103a)로 유출된다.
상부 기체 흐름 조절판(130)은 하부 기체 흐름 조절판(140) 위에 적층되어 있고, 상부 기체 흐름 조절판(130)의 중앙 부분은 반응기 덮개(120)의 내부 바닥 표면에 부착되어 있다. 상부 기체 흐름 조절판(130)과 하부 기체 흐름 조절판(140)은 반응기 덮개(120)에 장착되거나, 분리될 수 있다. 이러한 구성을 통해, 보수 관리나 세척 등이 용이할 수 있다. 그러나, 상부 기체 흐름 조절판(130)과 하부 기체 흐름 조절판(140)은 반응기 덮개(120)의 한 구성 요소로 하나의 몸체를 이룰 수 있다. 기체 흐름 조절부(130, 140)는 각 기체의 흐름 경로를 정의하고, 이에 의해 각 기체는 반응 공간으로 유입된다.
플라즈마 발생 전극을 더 포함하여, 증착 공정 동안, 반응 공간에 플라즈마를 발생시킬 수 있는데, 플라즈마 발생 전극은 하부 기체 흐름 조절판(140)의 하부 표면에 일부로 형성될 수 있고, 이 경우 플라즈마 발생 전극이 반응 공간의 상부를 정의할 수 있다.
그러면, 도 3a 및 도 3b, 그리고 도 4를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 기체 흐름 조절부에 대하여 설명한다. 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 상부 기체 흐름 조절판의 상부를 나타내는 도면이고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 상부 기체 흐름 조절판의 하부를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 하부 기체 흐름 조절판의 하부 모습을 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참고하면, 상부 기체 흐름 조절판(130)의 상부 표면은 중앙부로 테이퍼진(tapered) 제1 및 제2 유출홈(241a, 241b)을 가진다. 즉, 제1 및 제2 유출홈(241a, 241b)은 상부 기체 흐름 조절판(130)의 중앙부분에서 가장자리로 갈수록 넓어지는 부채꼴 형태를 가진다. 제1 유출홈(241a)은 반응기 덮개(120)의 내부 하부 표면의 일부와 함께, 반응하고 남은 반응 기체 및 반응 부산물들의 유출 통로를 정의한다. 제1 유출홈(241a)은 제1 기체 유출부(103a)와 연결되어, 제1 기체 유출부(103a)로 기체를 유출하는 통로를 제공한다. 유사하게 제2 유출홈(241b)은 반응기 덮개(120)의 내부 하부 표면의 일부와 함께, 반응하고 남은 반응 기체 및 반응 부산물들의 유출 통로를 정의하는데, 제2 유출홈(241b)은 제2 기체 유출부(103b)와 연결되어, 제2 기체 유출부(103b)로 기체를 유출하는 통로를 제공한다.
도 2와 도 3a를 참고하면, 상부 기체 흐름 조절판(130)의 상부에는 제1 기체 유출부(103a)와 제2 기체 유출부(103b)가 배치되어 있다. 만일 제1 기체 유출부(103a)의 제2 밸브(V2)가 열려, 기체 배출이 이루어지면, 상부 기체 흐름 조절판(130)의 제1 유출홈(241a)은 반응기 덮개(120)의 내부 하부 표면과 함께 제1 기체 유출부(103a)로의 기체 유출 통로를 정의하고, 제2 기체 유출부(103b)의 제4 밸브(V4)가 열려, 기체 배출이 이루어지면, 상부 기체 흐름 조절판(130)의 제2 유출홈(241b)은 반응기 덮개(120)의 내부 하부 표면과 함께 제2 기체 유출부(103b)로의 기체 유출 통로를 정의하게 된다.
이에 따라, 공급된 소스 기체와 반응 기체의 기체 유입 방향을 조절할 수 있게 된다. 이에 대하여, 아래의 도 3a, 도 3b를 참고하여 다시 상세하게 설명한다.
상부 기체 흐름 조절판(130)은 상부 기체 흐름 조절판(130)을 수직으로 관통하는 관통 구멍(through hole)(245a, 245b)을 가진다. 관통 구멍(through hole)(245a, 245b)은 도 3b에 도시한 바와 같이, 상부 기체 흐름 조절판(130)의 하부 구멍(246a, 246b)과 관통하도록 형성되어 있다.
상부 기체 흐름 조절판(130)의 하부 구멍(246a, 246b)은 좁은 채널을 통해서 부채꼴 모양의 기체 공급 채널과 연결되고, 이에 의해, 하부 기체 흐름 조절판(140)의 상부 표면과 함께 기판 위에 일정한 방향으로 흐르는 층 흐름을 유도하게 된다. 구체적으로, 도 3b를 참고하면, 상부 기체 흐름 조절판(130)의 하부 표면은 중앙부로 테이퍼진(tapered) 제1 및 제2 유입홈(243a, 243b)을 가진다. 즉, 제1 및 제2 유입홈(243a, 243b)은 상부 기체 흐름 조절판(130)의 하부면의 중앙부분에서 가장자리로 갈수록 넓어지는 부채꼴 형태를 가진다. 제1 유입홈(243a)은 제1 유출홈(241a)와 대응하는 위치에 배치될 수 있고, 제2 유입홈(243b)은 제2 유출홈(241b)와 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 제1 유입홈(243a)은 하부 기체 흐름 조절판(140)의 상부 표면과 함께 제1 기체 유입관(101)으로부터 공급된 소스 기체의 통로를 정의한다. 제2 유입홈(243b)은 하부 기체 흐름 조절판(140)의 상부 표면과 함께, 제2 기체 유입관(102)으로부터 공급된 소스 기체의 통로를 정의한다.
도 4를 참고하면, 하부 기체 흐름 조절판(140)은 반응 공간의 상부를 정의하는데, 하부 기체 흐름 조절판(140)의 하부 표면에는 오목부(244) 또는 함몰부를 가지고, 장착된 기판과 반응 공간만큼 이격되어 마주본다. 하부 기체 흐름 조절판(140)의 오목부(244)는 기체 흐름 방향에 평행하게 형성되어 있어서, 반응 공간은 기체 흐름 방향을 따라 일정한 높이를 가지는 터널형태일 수 있다. 그러나, 하부 기체 흐름 조절판(140)의 하부는 기판으로부터 균일한 거리를 가지는, 일정한 두께를 가지는 원형 판형일 수도 있다.
그러면, 도 5a 및 도 5b를 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 기체 유입 및 유출을 설명한다. 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 다른 수평 흐름 원자층 증착 장치의 기체 유입 및 유출을 설명하기 위한 도면이다. 도 5a 및 도 5b에서 화살표는 기체의 흐름 방향을 나타낸다.
도 5a를 참고하면, 제1 기체 유입구(101)를 통해 소스 기체가 공급되면, 공급된 소스 기체는 상부 기체 흐름 조절판(130)의 하부 표면에 형성되어 있는 제1 기체 유입홈(243a)과 하부 기체 흐름 조절판(140)의 상부 표면 사이의 기체 이동 통로를 통해 흐르면서, 부채꼴로 평편하게 퍼진다. 그 후 하부 기체 흐름 조절판(140)의 하부 표면과 기판 표면 사이의 공간으로 정의되는 기체 이동 채널을 통해, 기판 위로 이동한다. 이 때, 소스 기체는 기판 위를 제1 방향으로 일정한 층흐름을 이루며 흐르게 된다. 그 후, 기판 위로 흐르는 소스 기체는 상부 기체 흐름 조절판(130)의 제2 유출홈(241b)과 반응기 덮개(120)의 내부 하부 표면 사이의 기체 유출 채널을 통해 이동하여, 제2 기체 유출부(103b)를 통해 외부로 배기된다. 이 때, 제2 기체 유출부(103b)에 연결되어 있는 제3 밸브(V3)는 잠기고, 제4 밸브(V4)가 열리게 된다. 또한, 제1 기체 유출부(103a)에 연결되어 있는 제2 밸브(V2)는 잠기고, 제1 밸브(V1)가 열려, 제1 기체 유출부(103a)를 통해, 아르곤과 같은 비활성 퍼지 기체가 공급된다. 이러한 퍼지 기체의 공급에 의해, 제1 기체 유입구(101)를 통해 공급되는 소스 기체가 제1 기체 유출부(103a)로 역류되는 것을 방지한다. 또한 제 2기체유입구(102)를 통해 아르곤과 같은 비활성 기체가 공급됨으로써 반응공간을 통과한 소스 기체가 제 2기체 유입홈(243b)로 역류하는 것을 방지한다.
다음으로, 도 5b를 참고하면, 제2 기체 유입구(102)를 통해 반응 기체가 공급되면, 공급된 반응 기체는 상부 기체 흐름 조절판(130)의 하부 표면에 형성되어 있는 제2 기체 유입홈(243b)과 하부 기체 흐름 조절판(140)의 상부 표면 사이의 기체 이동 통로를 통해 흐르면서, 부채꼴로 평편하게 퍼진다. 그 후 하부 기체 흐름 조절판(140)의 하부 표면과 기판 표면 사이의 공간으로 정의되는 기체 이동 채널을 통해, 기판 위로 이동한다. 이 때, 기판 위를 흐르는 반응 기체는 제1 방향과 반대의 방향인 제2 방향으로 일정한 층흐름을 이루며 흐르게 된다. 그 후, 기판 위로 흐르는 반응 기체는 상부 기체 흐름 조절판(130)의 제1 유출홈(241a)과 반응기 덮개(120)의 내부 하부 표면 사이의 기체 유출 채널을 통해 이동하여, 제1 기체 유출부(103a)를 통해 외부로 배기된다. 이 때, 제1 기체 유출부(103a)에 연결되어 있는 제1 밸브(V1)는 잠기고, 제2 밸브(V2)가 열리게 된다. 또한, 제2 기체 유출부(103b)에 연결되어 있는 제4 밸브(V4)는 잠기고, 제3 밸브(V3)가 열려, 제2 기체 유출부(103b)를 통해, 아르곤과 같은 비활성 퍼지 기체가 공급된다. 이러한 퍼지 기체의 공급에 의해, 제2 기체 유입구(102)를 통해 공급되는 소스 기체가 제2 기체 유출부(103b)로 역류되는 것을 방지한다. 또한 제 1기체유입구(101)를 통해 아르곤과 같은 비활성 기체가 공급됨으로써 반응공간을 통과한 소스 기체가 제 1기체 유입홈(243a)으로 역류하는 것을 방지한다.
위의 도 5a에 도시한 소스 기체의 공급 단계와 도 5b에 도시한 반응 기체의 공급 단계를 반복함으로써, 기판 위에서 기체 흐름 방향을 쉽게 변경할 수 있고 기판 위에 형성되는 박막의 균일도를 향상시킬 수 있다.
제1 기체 유입구(101)와 제2 기체 유입구(102)에 공급되는 기체는 도 5a 및 도 5b를 통해 설명한 예와 반대일 수도 있다.
그러면, 도 5a 및 도 5b를 참고하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 박막 증착 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 수평 흐름 원차증 증착 장치를 이용하여, 박막을 형성하는 방법은 제1 기체 공급 사이클과 제2 기체 공급 사이클을 포함한다.
제1 기체 공급 사이클은 도 5a에 도시한 바와 같이, 제1 기체 유입구(101)를 통해, 기판 위에 제1 방향으로 소스 기체를 공급하는 제1 소스 기체 공급 단계, 그리고 도 5b에 도시한 바와 같이, 제2 기체 유입구(102)를 통해, 기판 위에 제1 방향과 다른 제2 방향으로 반응 기체를 공급하는 제1 반응물 공급 단계를 포함한다. 제1 기체 공급 사이클 동안, 앞서 설명한 제1 소스 기체 공급 단계와 제1 반응 기체 공급 단계를 교대로 복수 회 반복하여 진행할 수 있다. 또한, 제1 기체 공급 사이클 동안, 제1 소스 기체 공급 단계를 복수 회 반복한 후, 제1 반응 기체 공급 단계를 복수 회 반복할 수도 있다.
제2 기체 공급 사이클은 제2 기체 유입구(102)를 통해, 기판 위에 제2 방향으로 소스 기체를 공급하는 제2 소스 기체 공급 단계, 그리고, 제1 기체 유입구(101)를 통해, 기판 위에 제1 방향으로 반응 기체를 공급하는 제2 반응 기체 공급 단계를 포함한다. 제2 기체 공급 사이클 동안, 앞서 설명한 제2 소스 기체 공급 단계와 제2 반응 기체 공급 단계를 교대로 복수 회 반복하여 진행할 수 있다. 또한, 제2 기체 공급 사이클 동안, 제2 소스 기체 공급 단계를 복수 회 반복한 후, 제2 반응 기체 공급 단계를 복수 회 반복할 수도 있다.
제1 사이클과 제2 사이클을 복수 회씩 반복하거나, 또는 제1 사이클과 제2 사이클을 교대로 복수 회 반복하여, 원하는 두께의 박막을 증착할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 원자층 증착 방법은 기판 위에 서로 다른 방향으로 소스 기체와 반응 기체를 공급하는 복수의 기체 공급 사이클을 포함함으로써, 기판 위에 균일도가 높은 박막을 증착할 수 있다.
또한, 수평 흐름 원자층 증착 장치의 기체 유출부는 두 개 이상일 수도 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치는 박막이 증착되는 기판을 중심으로 서로 대칭적으로 형성되어 있는 두 개의 기체 유입 채널과 두 개의 기체 유출 채널을 형성함으로써, 기판 위에 흐르는 기체의 흐름 방향을 서로 다르게 유도할 수 있다. 따라서, 공급된 소스 기체와 반응 기체가 기판 위에서 일정한 한 방향으로만 흐르는 기존의 수평 흐름 원자층 증착 장치에 비하여, 증착되는 막의 균일도가 높아지게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 수평 흐름 원자층 증착 장치는 공정 중 기판을 회전시키거나 추가적인 기체 흐름 조절판 없이, 상부 기체 흐름 조절판에 서로 대칭적으로 형성되어 있는 두 개의 기체 유입홈과 두 개의 기체 유출홈을 형성함으로써, 서로 다른 두 방향으로의 기체 흐름을 유도할 수 있어, 증착 장치의 구조가 간단해지고, 제조 및 유지 비용도 감소할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (27)

  1. 기판이 놓인 면과 그와 마주한 면 사이를 공정 기체가 기판에 평행한 방향으로 흐르는 수평 흐름 원자층 증착 장치에 있어서,
    기판을 지지하는 기판 지지대,
    상기 기판 지지대와 접촉하여 반응실을 구성하는 반응기 덮개,
    상기 반응기 덮개와 상기 기판 지지대 사이에 배치되어 있는 제1 기체 흐름 조절판, 그리고
    상기 제1 기체 흐름 조절판의 상부 표면과 상기 반응기 덮개의 내부 하부 표면 사이의 제1 기체 유출 채널 및 제2 기체 유출 채널, 그리고 상기 제1 기체 유출 채널 및 제2 기체 유출 채널과 연결되어 있는 제1 기체 유출부 및 제2 기체 유출부를 포함하고,
    상기 반응실로 공정 기체를 공급하는 제1 기체 유입구 및 제2 기체 유입구를 더 포함하고,
    상기 제1 기체 흐름 조절판 하부에 배치되어 있는 제2 기체 흐름 조절판을 더 포함하고,
    상기 제1 기체 유입구 및 제2 기체 유입구를 통해 공급되는 공정 기체는 상기 제1 기체 흐름 조절판과 상기 제2 기체 흐름 조절판 사이의 제1 기체 유입 채널 및 제2 기체 유입 채널을 통해 상기 기판 위로 공급되는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 기체 유출부와 상기 제2 기체 유출부는 상기 기판 상부 표면을 기준으로 서로 반대 방향에 배치되는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에서,
    상기 제1 기체 유입 채널과 상기 제2 기체 유입 채널은 상기 기판 상부 표면을 기준으로 서로 반대 방향에 배치되는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  6. 제2항에서,
    상기 제1 기체 유출 채널 및 상기 제2 기체 유출 채널은 상기 제1 기체 흐름 조절판 상부 표면에 형성되어 있는 제1 유출홈 및 제2 유출홈과 상기 반응기 덮개의 내부 하부 표면 사이의 공간으로 이루어진 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  7. 제5항에서,
    상기 제1 기체 유입 채널 및 상기 제2 기체 유입 채널은 상기 제1 기체 흐름 조절판 하부 표면에 형성되어 있는 제1 유입홈 및 제2 유입홈과 상기 제2 기체 흐름 조절판의 상부 표면 사이의 공간으로 이루어진 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 기체 유입구를 통해 공급된 공정 기체는 상기 제1 기체 유입 채널을 지나 상기 기판 위에 제1 방향으로 층흐름으로 흐르는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 기판 위에 상기 제1 방향으로 흐른 공정 기체는 상기 제2 기체 유출 채널을 통해 상기 반응실 외부로 배기되는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  10. 제8항에서,
    상기 제2 기체 유입구를 통해 공급된 공정 기체는 상기 제2 기체 유입 채널을 지나 상기 기판 위에 제2 방향으로 층흐름으로 흐르는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 기판 위에 상기 제2 방향으로 흐른 공정 기체는 상기 제1 기체 유출 채널을 통해 상기 반응실 외부로 배기되는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  12. 제10항에서,
    상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 서로 반대인 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  13. 제2항에서,
    상기 제1 기체 유출부 및 상기 제2 기체 유출부는 배기 펌프와 연결된 제1 밸브 및 비활성 기체 공급선과 연결되어 있는 제2 밸브를 포함하는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 기체 유출부를 통해 공정 기체가 배기될 때, 상기 제2 기체 유출부에는 상기 제 1밸브가 닫히고 상기 제 2밸브가 열려 상기 비활성 기체가 공급되는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  15. 제14항에서,
    상기 제1 기체 유출부를 통해 공정 기체가 배기될 때, 상기 제1 기체 유입 채널에는 상기 제1 기체 유입구를 통해 비활성 기체가 공급되는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  16. 제13항에서,
    상기 제2 기체 유출부를 통해 공정 기체가 배기될 때, 상기 제1 기체 유출부에는 상기 제 1밸브가 닫히고 상기 제 2밸브가 열려 상기 비활성 기체가 공급되는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 제2 기체 유출부를 통해 공정 기체가 배기될 때, 상기 제2 기체 유입 채널에는 상기 제2 기체 유입구를 통해 상기 비활성 기체가 공급되는 수평 흐름 원자층 증착 장치.
  18. 기판 표면에 평행한 제1 방향으로 흐르며, 제1 기체 유입구로부터 제2 기체 유출부로 이어지는 제1 기체 유출 채널을 통해 상기 기판 위에 소스 기체를 공급하는 제1 소스 기체 공급 단계, 및
    상기 기판 표면에 평행하고, 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 흐르며, 제2 기체 유입구로부터 제1 기체 유출부로 이어지는 제2 기체 유출 채널을 통해 상기 기판 위에 반응 기체를 공급하는 제1 반응 기체 공급 단계를 포함하는 제1 기체 공급 사이클, 그리고
    상기 기판 위에 상기 제2 방향으로 흐르며, 상기 제2 기체 유입구로부터 상기 제1 기체 유출부로 이어지는 상기 제2 기체 유출 채널을 통해 상기 소스 기체를 공급하는 제2 소스 기체 공급 단계, 및
    상기 기판 위에 상기 제1 방향으로 흐르며, 상기 제1 기체 유입구로부터 상기 제2 기체 유출부로 이어지는 상기 제1 기체 유출 채널을 통해 상기 반응 기체를 공급하는 제2 반응 기체 공급 단계를 포함하는 제2 기체 공급 사이클을 포함하고,
    상기 제1 소스 기체 공급 단계에서 상기 소스 기체가 상기 제1 기체 유출부로 역류하는 것을 방지하기 위하여 상기 제1 기체 유출부를 통해 비활성 기체를 공급하고,
    상기 제1 반응 기체 공급 단계에서 상기 반응 기체가 상기 제2 기체 유출부로 역류하는 것을 방지하기 위하여 상기 제2 기체 유출부를 통해 비활성 기체를 공급하는 원자층 증착 방법.
  19. 제18항에서,
    상기 제1 기체 공급 사이클 동안 상기 제1 소스 기체 공급 단계와 상기 제1 반응 기체 공급 단계가 복수 회 반복되고, 상기 제2 기체 공급 사이클 동안, 상기 제2 소스 기체 공급 단계와 상기 제2 반응 기체 공급 단계는 복수 회 반복되는 원자층 증착 방법.
  20. 제19항에서,
    상기 제1 기체 공급 사이클 동안 상기 제1 소스 기체 공급 단계와 상기 제1 반응 기체 공급 단계는 교대로 복수 회 반복되고,
    상기 제2 기체 공급 사이클 동안, 상기 제2 소스 기체 공급 단계와 상기 제2 반응 기체 공급 단계는 교대로 복수 회 반복되는 원자층 증착 방법.
  21. 제18항에서,
    상기 제1 기체 공급 사이클과 상기 제2 기체 공급 사이클은 복수 회 반복되는 원자층 층착 방법.
  22. 제18항에서,
    상기 제1 기체 공급 사이클과 상기 제2 기체 공급 사이클은 교대로 복수 회 반복되는 원자층 증착 방법.
  23. 제18항에서,
    상기 제1 기체 공급 사이클을 복수 회 반복한 후에
    상기 제2 기체 공급 사이클을 복수 회 반복하는 원자층 증착 방법.
  24. 제18항에서,
    상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 서로 반대인 원자층 증착 방법.
  25. 제18항에서,
    상기 제2 소스 기체 공급 단계에서 상기 소스 기체가 상기 제2 기체 유출부로 역류하는 것을 방지하기 위하여 상기 제2 기체 유출부를 통해 비활성 기체를 공급하고,
    상기 제2 반응 기체 공급 단계에서 상기 반응 기체가 상기 제1 기체 유출부를 통해 역류하는 것을 방지하기 위하여 상기 제1 기체 유출부를 통해 비활성 기체를 공급하는
    원자층 증착 방법.
  26. 제18항에서,
    상기 제1 소스 기체 공급 단계에서 상기 소스 기체가 상기 제2 기체 유입구로 역류하는 것을 방지하기 위하여 상기 제2 기체 유입구를 통해 비활성 기체를 공급하고,
    상기 제1 반응 기체 공급 단계에서 상기 반응 기체가 상기 제1 기체 유입구를 통해 역류하는 것을 방지하기 위하여 상기 제1 기체 유입구를 통해 비활성 기체를 공급하는
    원자층 증착 방법.
  27. 제18항에서,
    상기 제2 소스 기체 공급 단계에서 상기 소스 기체가 상기 제1 기체 유입구로 역류하는 것을 방지하기 위하여 상기 제1 기체 유입구를 통해 비활성 기체를 공급하고,
    상기 제2 반응 기체 공급 단계에서 상기 반응 기체가 상기 제2 기체 유입구를 통해 역류하는 것을 방지하기 위하여 상기 제2 기체 유입구를 통해 비활성 기체를 공급하는
    원자층 증착 방법.
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