KR102007866B1 - 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법 - Google Patents

원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법에 관한 것으로서, 기판을 지지하며, 기판을 이동 가능하게 하는 기판 지지부, 기판의 막 형성면으로부터 이격되어, 기판의 이동방향과 교차하는 방향으로 연장 배치되며, 기판으로 소스물질을 분사하는 소스모듈, 소스모듈과 나란히 배치되며, 기판에 반응물질을 분사하는 플라즈마 모듈 및 소스모듈과 플라즈마 모듈 사이에 배치되어, 소스모듈과 플라즈마 모듈 사이에 자기장을 형성하는 자기장 형성부를 포함하여, 기판 상에 제1 층을 형성하는 단계 및 제2 층을 형성하는 단계 중 플라즈마 모듈로부터 플라즈마가 발생되면, 소스모듈과 플라즈마 모듈 사이에 자기장을 형성함으로써, 소스모듈과 플라즈마모듈 사이를 용이하게 차단할 수 있다.
즉, 자기장에 의해 플라즈마 내 전하를 띤 입자들가 소스물질이 분사하는 모듈쪽으로 확산되지 않고 플라즈마 반응가스가 분사되는 공간에 감금될 수 있다.
이처럼, 자기장을 형성하여 플라즈마로부터 발생하는 이온 및 전자들의 물리적 제어를 통해 서로 상이한 원료를 분사하는 모듈들 사이를 정교하게 차단함으로써, 서로 상이한 원료 간의 반응에 의해 기판상에 증착되는 막의 품질이 저하되는 문제를 억제 및 방지할 수 있다.

Description

원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법 {Apparatus for atomic layer depositing and the method for atomic layer depositing using the same}
본 발명은 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 물질을 증착시키는 모듈 간을 용이하게 차단할 수 있는 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법을 제공한다.
일반적으로, 반도체 웨이퍼 등의 기판(이하,‘기판’) 상에 박막을 형성하기 위한 박막 증착 방법으로 화학기상증착법(CVD;Chemical Vapor Deposition) 및 원자층증착법(ALD;Atomic Layer Deposition)등이 있다. 특히, 고품질의 박막을 낮은 온도에서 증착하기 위하여 원료가스를 활성화시킬 수 있는 플라즈마를 이용한 PE(Plasma-Enhanced)-ALD, PE-CVD 및 라디칼 증착법이 사용되고 있다.
그 중, PE(Plasma-Enhanced)-ALD을 방법을 수행하기 위한 원자층 형성 장치는 챔버 내에 기판이 안착 가능한 지지부가 마련되고, 기판상에 각각 소스물질층 및 반응물질층을 형성하기 위한 모듈이 구비된다.
상기 원자층 증착 장치를 이용한 원자층 증착 방법은 기판으로 소스물질을 분사하고 기판을 이동시키며, 소스물질이 흡착된 기판상에 플라즈마 반응가스를 통해 반응물질층을 형성한다. 이에, 기판 표면에 물리적으로 흡착된 소스물질층과 플라즈마 반응가스가 반응하여 물질층을 형성할 수 있다.
그런데, 상기의 과정에서 지지부에 의한 기판의 움직임으로 인하여 플라즈마 반응가스가 불안정한 상태가 되며, 이는 기판에 막이 불균일하게 형성되는 문제로 이어진다.
또한, 플라즈마 반응가스가 소스물질이 분사되는 노즐 인근까지 확산되어, 소스물질 분사노즐에 플라즈마 반응가스에 의한 파티클이 형성된다. 이에, 파티클이 소스물질 분사노즐에 지속적으로 누적되고, 누적된 파티클이 기판 상에 떨어져 기판 처리 후 최종 제품에 결함이 발생되는 문제를 야기한다.
이에, 종래에는 소스물질이 분사되는 공간과 플라즈마 반응가스가 분사되는 공간을 분리시키기 위해, 각각의 공간 사이에서 기판상으로 에어를 분사하여 에어커튼을 형성하는 차단부를 사용하였다.
또한, 소스모듈과 플라즈마 모듈을 배치할 때, 소스모듈과 플라즈마 모듈 간의 간섭이 발생하지 않도록 큰 폭으로 이격 배치시키는 방법을 사용하였다.
그런데, 에어 커튼을 형성하는 방법은 소스물질이 분사되는 공간과 플라즈마 반응가스가 분사되는 공간 사이를 차단하기 위한 가스의 사용량이 증가하여, 공정에 소요되는 비용이 증가되는 문제를 야기한다.
그리고, 에어 커튼은 플라즈마의 번짐현상을 물리적으로 제어하지 못하기 때문에 장시간 공정이 진행되면 소스모듈 노즐에 파티클이 발생하게 된다.
그리고, 큰 폭의 이격거리를 갖도록 소스모듈과 플라즈마 모듈을 배치하는 것은 장치의 크기가 증대되는 것이 요구되어, 공정의 생산성 및 효율성이 감소되는 문제로 이어질 수 있다.
KR 2010-0137796 A
본 발명은 본 발명은 서로 다른 원료를 분사하는 모듈 사이를 용이하게 차단하여, 단일 챔버에서 서로 다른 원료를 이용한 층을 용이하게 형성할 수 있는 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법을 제공한다.
본 발명은 플라즈마 내 전하는 띤 입자를 플라즈마 배출공간에 구속할 수 있는 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법을 제공한다.
본 발명은 장치의 크기가 증가하는 것을 억제 및 방지하여, 공정의 효율성 및 생산성을 증가시킬 수 있는 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치는 기판이 처리되는 공간을 형성하는 챔버와, 상기 기판을 지지하며, 상기 기판을 이동 가능하게 하는 기판 지지부, 상기 기판의 막 형성면으로부터 이격되어, 상기 기판의 이동방향과 교차하는 방향으로 연장 배치되며, 상기 기판으로 소스물질을 분사하는 소스모듈, 상기 소스모듈과 나란히 배치되며, 상기 기판에 반응물질을 분사하는 플라즈마 모듈 및 상기 소스모듈과 상기 플라즈마 모듈 사이에 배치되어, 상기 소스모듈과 상기 플라즈마 모듈 사이에 자기장을 형성하는 자기장 형성부를 포함한다.
상기 소스모듈은 선형의 소스물질 분사노즐을 포함하며, 상기 플라즈마 모듈은 선형의 샤워헤드를 포함할 수 있다.
상기 기판 지지부는 상기 기판을 안착시키는 스테이지와, 상기 기판이 상기 소스 모듈 및 상기 플라즈마 모듈의 대응 구간을 통과하도록 상기 스테이지를 선형 또는 회전 이동시키는 스테이지 구동기를 포함할 수 있다.
상기 자기장 형성부는 내부에 공간을 형성하며, 상기 기판과 마주보는 단부가 개방 형성되는 하우징과, 상기 하우징 내에 배치되며 상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈과 나란한 방향으로 자기력선을 형성하는 자력발생부재를 포함할 수 있다.
상기 자력발생부재는 자석(magnet)을 포함할 수 있다.
상기 자력발생부재는 전자석(electromagnet)을 포함하며, 상기 자기장 형성부는 상기 전자석에 전류를 인가하는 전류형성기를 포함할 수 있다.
상기 자력발생부재는 복수개 구비되며, 상기 기판과 마주보는 상기 복수개의 자력발생부재의 극들은 상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈과 나란한 방향으로 서로 다른 극이 교번 배치될 수 있다.
상기 하우징은 절연체를 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈 사이에는 상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈로부터 발생된 부산물을 흡입 배출하는 퍼지부를 포함할 수 있다.
상기 퍼지부는 상기 소스모듈과 상기 자기장 형성부 사이 및 상기 플라즈마 모듈과 상기 자기장 형성부 사이 중 적어도 어느 한 곳에 배치될 수 있다.
상기 이동방향을 기준으로 상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈은 복수개 구비되며, 상기 복수개의 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈 사이에는 상기 자기장 형성부가 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 원자층 형성 방법은 기판을 스테이지 상에 안착시키는 단계, 상기 기판의 막 형성면으로부터 이격 배치되는 소스모듈 및 플라즈마 모듈 중 어느 하나로 상기 기판 상에 제1 층을 형성하는 단계, 상기 소스모듈 및 플라즈마 모듈 중 나머지 하나로 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 기판 상에 제1 층을 형성하는 단계 및 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계 중 상기 플라즈마 모듈로부터의 플라즈마가 발생되면, 상기 소스모듈과 상기 플라즈마 모듈 사이에 자기장을 형성한다.
상기 기판 상에 제1 층을 형성하는 단계 및 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계는 상기 스테이지가 선형 이동하며 수행될 수 있다.
상기 기판 상에 제1 층을 형성하는 단계 및 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계는 상기 스테이지가 회전 이동하며 수행될 수 있다.
상기 자기장은 상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈과 나란한 방향으로 자기력선을 형성할 수 있다.
상기 소스모듈과 상기 플라즈마 모듈 사이에 자기장을 형성하는 단계에서 상기 플라즈마 내 전하를 띤 입자는 상기 플라즈마 모듈 쪽으로 유도될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법에 의하면, 서로다른 물질을 분사하는 모듈 사이를 용이하게 차단할 수 있으며, 서로 상이한 물질로 형성되는 층을 단일 챔버 내에서 간단하게 증착할 수 있다.
즉, 서로 상이한 원료를 분사하는 모듈들과 대응되는 구간을 통과하도록 기판을 이동시켜 기판 상에 서로 상이한 원료층을 형성할 수 있어, 서로 독립된 공간에서 서로 상이한 원료층을 형성하기 위해 장치의 크기가 증가하는 문제를 해결할 수 있다.
그리고, 소스물질이 분사되는 공간과 플라즈마 반응가스가 분사되는 공간 사이에 자기장을 형성하여, 소스물질을 분사하는 모듈과 플라즈마 반응가스를 분사하는 모듈 사이를 용이하게 차단한다.
이에, 자기장에 의해 플라즈마 내 전하를 갖는 입자들이 플라즈마 반응가스가 분사되는 공간에 감금됨으로써, 플라즈마 반응가스가 소스물질이 분사되는 모듈쪽으로 확산되지 않도록 할 수 있다.
이처럼, 자기장을 형성하여 플라즈마 내 전하를 갖는 입자들의 물리적 제어를 통해 서로 상이한 원료를 분사하는 모듈 사이를 차단함으로써, 종래의 차단방법보다 정교하게 차단할 수 있다.
또한, 서로 상이한 원료 간의 반응에 의해 기판상에 증착되는 막의 품질이 저하되는 문제를 해결하여 기판의 수율을 증가시킬 수 있고, 전체 공정의 생산성 및 효율성을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 퍼지부가 구비된 원자층 증착 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 원자층 증착 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치의 작동상태를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 형성부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 자력발생부재의 배열상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 형성부에 의한 공간 차단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 방법을 순차적으로 나타내는 순서도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법에 대해 설명하기로 한다. 여기서, 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치를 나타내는 도면이다. 도 2는 퍼지부가 구비된 원자층 증착 장치를 나타내는 도면이다. 도 3은 다른 실시 예에 따른 원자층 증착 장치를 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치의 작동상태를 단면도이다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 형성부를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 자력발생부재의 배열상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 형성부에 의한 공간 차단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치(1)는 서로 다른 물질을 분사하는(즉, 서로 다른 원료를 사용하는) 모듈을 이용한 물질층(M) 형성이 단일 챔버 내에서 수행되며, 서로 다른 물질을 분사하는 모듈 사이를 용이하게 차단할 수 있는 장치이다. 이때, 본 발명의 원자층 증착 장치(1)는 유기전자소자의 보호막 중 베리어막을 형성하는 장치로 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치(1)가 사용되는 분야는 이에 한정되지 않고, 서로 다른 물질을 분사하는 모듈 사이 간에 간섭이 발생하지 않는 것이 요구되는 분야에 사용할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장치(1)는 기판(W)이 처리되는 공간을 형성하는 챔버(미도시)와, 챔버 내에서 기판(W)을 지지하며, 기판(W)을 이동 가능하게 하는 기판 지지부(100), 기판(W)의 막 형성면으로부터 이격되어, 기판(W)의 이동방향과 교차하는 방향으로 연장 배치되며, 기판(W)으로 소스물질을 분사하는 소스모듈(200), 소스모듈(200)과 나란히 배치되며, 기판(W)에 반응물질을 분사하는 플라즈마 모듈(300) 및 소스모듈(200)과 플라즈마 모듈(300) 사이에 배치되어, 소스모듈(200)과 플라즈마 모듈(300) 사이에 자기장을 형성하는 자기장 형성부(400)를 포함한다.
즉, 본 발명의 원자층 증착 장치(1)는 소스물질을 분사하는 소스모듈(200)과 반응물질을 분사하는 플라즈마 모듈(300)을 나란히 배치하고, 소스모듈(200)과 플라즈마 모듈(300) 사이를 자기장 형성부(400)로부터 형성된 자기장에 의해 차단함으로써, 공간분할방식의 증착 장치를 제공하는 것이다.
기판 지지부(100)는 챔버 내에서 기판(W)을 지지하기 위해 기판(W)이 안착되는 안착면을 제공하는 스테이지(120)와, 스테이지(120)를 이동시켜 기판(W)이 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300) 각각의 소스물질 및 반응물질을 배출하는 단부와 대응되는 구간을 통과하도록 하는 스테이지 구동기(140)를 포함한다.
스테이지(120)는 챔버 내부에서 기판(W)을 지지하기 위한 안착면을 제공하며, 안착면은 기판(W)의 크기보다 크거나 동일한 크기를 갖도록 구비될 수 있다. 스테이지(120)는 기판(W)의 형상에 따라 그 평면 형상에 달라질 수 있으나, 반드시 기판(W)의 형상에 대응하여 구비되는 것은 아니다. 스테이지 구동기(140)는 스테이지(120)를 기판(W)의 이동방향(X)으로 선형 이동시키기 위해 구비되는 것으로서, 스테이지(120)에 연결되어 스테이지(120)에 선형 이동 운동을 전달하기 위한 역할을 한다. 이처럼, 기판 지지부(100)는 기판(W)을 지지하면서, 기판(W)을 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300)에 대응되는 구간을 통과하도록 하면서 스캔방식으로 기판(W)에 소스물질 및 반응물질을 분사하여 물질층(M)을 형성할 수 있다.
원자층 증착 모듈은 기판(W) 상에 소스물질층(M1) 및 반응물질층(M2)을 형성하여 물질층(M)을 형성하기 위한 것으로서, 기판(W)의 막 형면으로부터 이격 배치되며, 기판(W)에 소스물질층(M1)을 형성하는 소스모듈(200)과, 기판(W)의 막 형면으로부터 이격 배치되어 소스모듈(200)과 나란하게 배치되며, 기판(W)에 반응물질층(M2)을 형성하는 플라즈마 모듈(300)을 포함한다. 또한, 원자층 증착 모듈은 소스모듈(200)과 플라즈마 모듈(300)의 사이에 배치되어, 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300)로부터 발생된 부산물을 흡입 배출하는 퍼지부(500)를 포함할 수도 있다.
소스모듈(200)은 선형으로 연장 형성되어 기판(W)의 이동방향(X)에 교차하는 방향(Y)으로 기판(W)을 가로지르며 배치되며, 기판(W)에 소스물질층(M1)을 형성하기 위해 구비된다. 이때, 소스모듈(200)은 소스물질을 저장하는 소스물질 저장기(250)와, 소스물질 저장기(250)로부터 소스물질을 공급받아 기판(W)으로 분사하는 소스물질 분사노즐(210)을 포함한다. 이때, 도시되어 있지는 않으나, 소스물질 분사노즐(210)은 선형으로 구비됨으로써 기판(W)에 선형으로 소스물질을 분사할 수 있다. 즉, 기판(W)의 이동방향에 교차하는 방향으로의 제1 영역에 선형으로 소스물질을 분사하며, 기판(W)의 이동에 의해 스캔방식으로 제1 영역외의 영역들에 선형으로 소스물질을 분사할 수 있다.
여기서, 소스물질이 분사되는 소스물질 배출공간(Z200)은 기판(W)과 마주보는 소스모듈(200)의 단부로부터 기판(W)까지의 소정 영역이며, 후술하는 자기장 형성부(400)가 형성한 자기장과는 중첩되지 않는 영역이다.
플라즈마 모듈(300)은 선형으로 연장 형성되어 기판(W)의 이동방향(X)에 교차하는 방향(Y)으로 기판(W)을 가로지르며 배치되며, 기판(W)에 반응물질층(M2)을 형성하기 위해 구비된다. 이때, 플라즈마 모듈(300) 반응가스를 저장하는 반응물질 저장기(330)와, 반응물질을 플라즈마 형태로 기판(W) 상으로 공급하기 위한 전극부(310) 및 전극부(310)에 전류를 인가하기 위한 전원부(350)을 포함한다.
전극부(310)는 하부가 개방된 샤워헤드 몸체(311)가 구비되고, 샤워헤드 몸체(311)의 하부에 샤워헤드(313)가 고정 마련된다. 여기서, 샤워헤드(313)에는 미세한 직경을 갖는 다수 개의 공정가스 확산공(313)이 형성된다. 그리고, 플라즈마로 형성되기 위한 공정가스는 공정가스 공급부(330)를 통해 샤워헤드 몸체(311) 내로 공급된다. 이때, 샤워헤드(313)는 선형으로 구비되어, 기판(W)으로 선형의 플라즈마(P)를 공급하도록 할 수 있다. 즉, 소스모듈(200)의 소스물질 분사노즐(210)과 마찬가지로 기판(W)의 이동방향에 교차하는 방향으로(Y)의 제1 영역에 선형으로 소스물질을 분사하며, 기판(W)의 이동에 의해 스캔방식으로 제1 영역 외의 영역들에도 선형으로 플라즈마 형태의 반응물질을 분사할 수 있다.
전원부(350)는 전극부(310)에 전력을 인가하여, 샤워헤드 몸체(311) 내로 공급된 발생가스를 플라즈마화 시킨다. 즉, 샤워헤드(313)를 통해 공급되는 플라즈마 발생가스는 고주파 전압에 의해 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분해하여 중성 라디칼을 형성한다.
여기서, 플라즈마(P)가 발생된 플라즈마 발생공간(S)은 샤워헤드 몸체(311)와 기판(W) 사이의 공간 중 일부로서, 더욱 상세하게는 샤워헤드 몸체(311)의 내측벽과 샤워헤드(313) 최하단이 형성하는 공간일 수 있다. 즉, 플라즈마 발생공간(S)은 샤워헤드(313)의 하부에서 샤워헤드 몸체(311)의 측벽에 의해 형성된 공간을 의미한다. 또한, 플라즈마 배출공간(Z300)은 기판(W)과 마주보는 전극부(310)의 단부로부터 기판(W)까지의 소정 영역을 의미한다.
퍼지부(500)는 소스모듈(200)과 플라즈마 모듈(300) 사이에 배치되며, 더욱 상세하게는, 후술하는 자기장 형성부(400)를 기준으로, 자기장 형성부(400)와 소스모듈(200) 사이에 배치되는 제1 퍼지부(500a)와, 플라즈마 모듈(300)과 자기장 형성부(400) 사이에 배치되는 제2 퍼지부(500b)를 포함한다. 이때, 제1 퍼지부(500a) 및 제2 퍼지부(500b) 각각은 기판(W)과 원자층 증착 모듈 사이의 공간에서, 상기 공간과 분리된 공간으로 부산물이 이동하는 경로를 형성하는 배기노즐과, 배기노즐에 흡입력을 가하는 압력형성기(550)를 포함할 수 있다. 이에, 퍼지부(500)는 기판(W)과 원자층 증착 모듈 사이의 부산물을 흡입 제거함으로써, 기판(W)에 부산물이 떨어져 기판(W)의 품질을 저하시키는 것을 억제 및 방지할 수 있다.
전술한, 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300)은 각각 소스물질 및 반응물질을 기판(W)의 상부에서 하부방향으로 분사하여 기판(W) 상에 소스물질층(M1) 및 반응물질층(M2)을 형성하는 것으로 설명하였으나, 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300)이 소스물질 및 반응물질을 분사하는 방향은 하부에서 상부로 분사할 수도 있으며, 물질의 분사 방향에 대해서는 한정하지 않는다. 한편, 소스모듈(200)을 통해 분사되는 소스물질은 실리콘(Si)을 포함할 수 있고, 플라즈마 모듈(300)을 통해 플라즈마 형태로 공급되는 반응물질은 산소를 포함하여, 기판(W) 상에서 서로 반응하여 물질층(M)을 형성하도록 할 수 있다.
자기장 형성부(400)는 소스모듈(200)과 플라즈마 모듈(300) 사이에 배치되어 자기장을 형성함으로써, 소스모듈(200)과 기판(W) 사이의 공간인 소스물질 배출공간(Z200)과 플라즈마 모듈(300)과 기판(W) 사이의 공간인 플라즈마 배출공간(Z300) 간의 사이를 차단하기 위해 구비된다. 즉, 자기장 형성부(400)는 소스물질 배출공간(Z200)과 플라즈마 배출공간(Z300) 사이에 자기장(F)을 형성함으로써, 플라즈마 모듈(300)로부터 발생되는 전하를 띤 입자들이 소스모듈(200) 쪽으로 확산되는 것을 차단할 수 있다.
이와 같은 자기장 형성부(400)는 내부에 공간을 형성하며, 기판(W)과 마주보는 단부가 개방 형성되는 하우징(410)과, 하우징(410) 내에 배치되며 자성을 갖는 적어도 하나 이상의 자기장 형성부재(430)를 포함한다.
하우징(410)은 자력발생부재(430)가 장착되기 위한 내부공간을 형성하며, 기판(W)과 마주보는 일면이 개방 형성되도록 구비된다. 하우징(410)의 내부공간은 수용하고자 하는 자력발생부재(430)의 개수에 따라 그 크기가 변경되어 구비될 수 있으며, 하우징(410)의 내벽과 자력발생부재(430)의 외측이 접촉 배치되어 상호 간의 이격이 발생하지 않도록 형성될 수 있다. 이와 같은 하우징(410)은 후술하는 자력발생부재(430)로 인해 발생되는 자기장(F)에 의한 전류의 영향이 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300)에 직접적으로 미치지 않도록 하기 위해, 자력발생부재(430)에 의해 형성되는 자기장에 의한 전류 형성을 차단하기 위한 절연체를 포함하는 재질로 형성될 수 있다. 즉, 하우징(410)은 자력발생부재(430)로부터 발생되는 자기장 및 전류 형성이 기판(W)과 자기장 형성부(400)의 단부 사이에만 발생할 수 있도록, 자력발생부재(430)와 소스모듈(200) 및 자력발생부재(430)와 플라즈마 모듈(300) 간의 직접적인 영향을 차단하기 위한 역할을 할 수 있다.
자력발생부재(430)는 하우징(410) 내에 배치되어 자기장을 형성하기 위해 구비되며, 자성을 갖는 자석(magnet)일 수 있다. 즉, 자력발생부재(430)는 N극과 S극을 갖는 선형의 자석이 사용되어, 복수개가 구비되어 하우징(410)내에 배치될 수 있다. 이때, 도 5의 (a)에 도시된 것처럼, 자력발생부재(430)는 연장방향이 기판(W)의 막 형성면과 직교하도록 하우징(410) 내에 배치되거나, 도 5의 (b)에 도시된 것처럼, N극과 S극 모두가 기판(W)의 막 형성면을 마주보도록 하우징(410) 내에 배치될 수 있다. 여기서, 자력발생부재(430)가 하우징(410) 내에 배치되는 방향은 한정하지 않으나, 도 5의 (b)에 도시된 것처럼, 기판(W)의 막 형성면과 직교하는 방향으로 나타내는 자력발생부재(430)의 극이 하나의 극을 나타나도록 하며 배치되는 경우, 하우징(410) 내에 구비되어야 하는 자력발생부재(430)의 개수가 증가되는 것을 억제 및 방지할 수 있다.
이때, 자력발생부재(430)는 하우징(410) 내에 복수개가 구비되어, 복수개의 자력발생부재(431, 433, 435)들이 기판(W)과 마주보는 극은 기판(W)의 이동방향(X)과 교차하는 방향(Y)을 기준으로 서로 다른 극이 교번 배치될 수 있다. 즉, 도 6에 도시된 것처럼, 기판(W)의 막 형성면과 마주보는 복수개의 자력발생부재(431, 433, 435)의 극들은 N극-S극-N극으로 배열되도록 배치될 수 있다. 이처럼, 복수개의 자력발생부재(431, 433, 435)가 배치됨으로써, 자력발생부재(430)의 N극 및 S극 간에 자기장이 발생하는데, 도 7에 도시된 것처럼, 자기장은 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300)과 나란한 방향으로, 즉, 기판(W)의 이동방향과 교차하는 방향(Y)으로 자기력선을 형성하도록 자기막(magnetic barrier)을 형성한다. 이때, 자기막은 소스물질 배출공간(Z200)과 플라즈마 배출공간(Z300) 사이에 형성됨으로써, 플라즈마 배출공간(Z300)에 형성된 플라즈마 내 전하를 띤 입자를 트랩하여 플라즈마(P)가 소스모듈(200) 쪽으로 확산되지 않고 플라즈마 배출공간(Z300)에 구속되도록 할 수 있다. 즉, 자기막은 플라즈마 내 전하를 띤 입자들 중 상대적으로 가벼운 전자(e-)가 소스모듈(200)쪽으로 이동하는 것을 막고, 전자를 플라즈마 배출공간(Z300)쪽으로 유도한다. 이에, 전자가 플라즈마 배출공간(Z300) 내에 플라즈마의 전자가 구속되도록 할 수 있다. 여기서, 자력발생부재(430)가 플라즈마(P)의 전자를 구속함으로써 얻을 수 있는 효과로는, 플라즈마(P)의 전자밀도를 증가시켜 플라즈마 배출공간(Z300) 내의 플라즈마 밀도가 증가되도록 할 수 있기 때문이다. 그리고, 플라즈마(P) 내 전자를 띤 입자 중 양이온은 전자에 비해 현저하게 무겁기 때문에 자력발생부재(430)에 대해 큰 영향을 받지 않고, 플라즈마 배출공간에서 기판(W)을 향한다. 이에, 자력발생부재(430)는 전자를 구속하는 역할을 주로 수행함으로써 소스모듈(200)과 플라즈마 모듈(300) 사이를 용이하게 차단할 수 있으며, 플라즈마 배출공간(Z300)의 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다.
한편, 자기장 형성부는 자력발생부재로 전술한 자성을 갖는 자석을 사용하는 대신, 전류가 흐르면 자기화되고, 전류를 끊으면 자기화되지 않는 전자석(electromagnet)을 사용할 수 있다. 이때, 자기장 형성부에는 전자석에 전류를 인가하여 자기화시키기 위한 전류인가기가 추가로 구비될 수 있다. 이때, 전자석에 의해 형성되는 자기장은 앞서 설명한 자석에 의해 형성되는 자기장과 동일하나, 전류의 인가에 따라서 전자석에 자기장을 형성 유무를 설명할 수 있는 것에 차이가 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원자층 증착 장치(1')에 대해 간략하게 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원자층 증착 장치(1')는 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장치(1)와 거의 유사한 구성을 가지나, 기판 지지부(100)가 기판(W)을 회전 이동시키기 위해 구비되는 점이 일 실시 예에 따른 원자층 증착 장치(1)와 차이가 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 원자층 증착 장치(1')는 소스모듈(200), 플라즈마 모듈(300) 및 자기장 형성부(400)를 포함하며, 소스모듈(200), 플라즈마 모듈(300) 및 자기장 형성부(400)는 일 실시예의 원자층 증착 장치(1)에서 설명한 소스모듈(200), 플라즈마 모듈(300) 및 자기장 형성부(400)와 동일한 기능 및 구조를 가질 수 있으며, 동일한 효과를 구현할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치(1, 1')는 자기장 형성부(400)를 사용해 형성되는 자기장(F)에 의해 플라즈마 모듈(300)에서 발생하는 플라즈마(P)를 플라즈마 배출공간(Z300)에 용이하게 구속함으로써, 플라즈마 모듈(300)과 소스모듈(200) 간의 간섭을 방지하여 상호 간에 기상반응이 발생하는 것을 억제 및 방지할 수 있다.
이때, 본 발명에서는 원자층 증착 장치(1, 1')에 단일의 소스모듈(200), 플라즈마 모듈(300) 및 자기장 형성부(400)를 포함하는 것으로 설명하였으나, 기판(W)의 이동방향(X)을 기준으로 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300)은 복수개가 구비될 수 있으며, 자기장 형성부(400) 또한 복수개의 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300)들 사이에 배치될 수 있다.
이하에서는, 도 8을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법에 대해 설명하기로 한다. 여기서, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 증착 방법을 순차적으로 나타내는 순서도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 증착 방법은 기판(W)을 스테이지(120) 상에 안착시키는 단계와, 기판(W)의 막 형성면으로부터 이격 배치되는 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300) 중 어느 하나로 기판(W) 상에 제1 층을 형성하는 단계, 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300) 중 나머지 하나로 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계를 포함하며, 기판(W) 상에 제1 층을 형성하는 단계 및 제2 층을 형성하는 단계 중 플라즈마 모듈(300)로부터 플라즈마가 발생되면, 소스모듈(200)과 플라즈마 모듈(300) 사이에 자기장(F)이 형성된다.
이하에서는, 기판(W) 상에 형성되는 제1 층은 소스모듈(200)을 이용하여 형성된 소스물질층(M1)이며, 제2 층은 플라즈마 모듈(300)을 이용하여 형성된 반응물질층(M2)일 수 있다. 또한, 원자층 형성 장치를 일 실시 예에 따른 원자층 형성 장치(1)를 예로 들어 설명한다. 그러나, 제1 층 및 제2 층은 서로 바뀔 수도 있으며, 회전형의 원자층 형성 장치(1') 또한 회전하는 특징 이외의 원자층 형성 방법은 하기에서 설명하는 방법과 동일한 방법을 포함한다.
우선, 기판(W)에 원자층을 형성하기 위해, 챔버 내부로 기판(W)을 로딩하여 스테이지(120) 상에 안착시킨다(S100). 이때, 기판(W)은 유기발광층을 갖는 유기전자소자일 수 있다. 그리고, 스테이지(120)와 접촉하는 기판(W)의 일면은 유기층이 적층된 면에 대향하는 면일 수 있다. 즉, 상부로부터 소스물질 및 반응물질을 분사하여 물질층을 형성하기 때문에 스테이지(120) 상에서 유기전자소자의 유기발광층이 형성된 부분이 원자층 증착 모듈을 바라보도록 배치되어야 하기 때문이다.
기판(W)이 스테이지(120) 상에 안착되면, 원자층 증착(ALD) 모듈을 사용하여 다음의 네 단계를 이용하여 기판(W) 상에 소스물질층(M1) 및 반응물질층(M2)을 형성(S300, S400)하여 물질층(M)을 형성한다(S500).
즉, 소스모듈(200)를 이용하여, 원료 전구체(Source precursor)가 저장된 소스물질 저장기(250)로부터 소스물질 분사노즐(210)을 통해 기판(W)으로 소스물질을 분사한다(S300). 이때, 소스물질은 유기 규소 화합물을 포함할 수 있다. 이와 같은, 유기 규소 화합물은 규소-탄소 결합을 갖는 유기 화합물로, 비스디에틸아미노 실란(Bisdiethylamino silane; BDEAS), 디이소프로필아미노 실란(Diisoprophylamino silane; DIPAS) 및 TSA를 포함할 수 있다. 이처럼, 분사된 소스물질은 기판(W) 상에 물리적으로 흡착되어 소스물질층(M1)을 형성한다.
소스물질층(M1)이 형성된 후, 플라즈마 모듈(300)을 이용하여 반응 전구체(reactant precursor)가 저장된 반응물질 저장기(330)로부터 전극부(310)를 경유하여 반응 전구체가 플라즈마화된다. 이에, 플라즈마 반응물질은 기판(W) 상에 분사되어 물리적으로 흡착되어 반응물질층(M2)을 형성한다(S400). 이때, 반응물질은 산소가스를 포함하며, 기타 아산화질소, 산소, 일산화질소 및 오존 등을 사용할 수도 있다.
한편, 소스물질 및 반응물질은 앞서 기재된 물질에만 한정되지 않으며, 본 발명의 분야에서 적용될 수 있는 다양한 물질들이 당업자에 의해 선택되어 사용 가능하다.
이처럼, 소스모듈(200)와 플라즈마 모듈(300)은 막 형성에 필요한 원료를 번갈아가며 기판(W)으로 공급하여 기판(W)에 한 원자층씩 흡착되도록 하는 방식으로 소스물질층(M1) 및 반응물질층(M2)을 형성할 수 있다.
이때, 기판(W)에 소스물질층(M1)을 형성하는 단계(S300)와, 소스물질층(M1) 상에 반응물질층(M2)을 형성하는 단계(S400)는 스테이지(120)가 선형 이동하며 수행되는 것이다. 즉, 선형의 스캔 방식으로 기판(W)이 이동하면서 기판(W)에 소스물질층(M1) 및 반응물질층(M2)이 형성되는 것인데, 기판(W)의 이동에 의해서 소스 모듈(200)과 플라즈마 모듈(300) 간의 상호 간섭이 발생하지 않도록 하기 위해서, 자기장 형성부를 통해 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300) 사이에 자기장(F)을 형성한다(S200). 즉, 기판(W) 상에 소스물질층(M1)을 형성하는 단계 및 소스물질층(M1) 상에 반응물질층(M2)을 형성하는 단계 중 플라즈마 모듈(300)로부터의 플라즈마가 발생되면, 소스모듈(200)과 플라즈마 모듈(300) 사이에 자기장(F)을 형성하는 단계(S200)가 수행되어, (200) 및 플라즈마 모듈(300) 각각의 소스물질 배출공간(Z200) 및 플라즈마 배출공간(Z300) 사이에 자기장을 형성하는 단계(S200)가 수행된다. 더욱 상세하게는, 자기장을 형성하는 단계(S200)는 소스물질과 플라즈마 반응물질이 동시에 분사되는 시점 이전에 수행되는 것이 바람직하다. 즉, 자기장을 이용하여 플라즈마 반응물질과 소스물질 간을 차단하고자 하기 때문이다.
소스물질 배출공간(Z200)과 플라즈마 배출공간(Z300) 사이에서 자기장(F)이 소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300)과 나란한 방향으로 자기력선을 형성함으로써, 플라즈마 배출공간(Z300)의 플라즈마(P)는 플라즈마 배출공간(Z300)을 벗어나지 않으며 소스모듈(200) 쪽으로 번지는 현상이 억제 및 방지될 수 있다. 즉, 자기장의 형성에 의해 소스물질 배출공간(Z200)과 플라즈마 배출공간(Z300) 사이에 자기막이 형성됨으로써, 플라즈마 내 가벼운 전자들이 외곽방향으로 이동하려다가 자기막에 의해 갇혀 소스모듈(200) 쪽으로 넘어가지 않고, 이동방향이 변경되어 다시 플라즈마 모듈(300) 쪽으로 유도되어 플라즈마(P)가 소스모듈(200)쪽으로 번지는 현상이 발생하지 않는다.
소스모듈(200) 및 플라즈마 모듈(300) 사이의 자기장의 형성은 기판(W)에의 물질층(M)의 형성이 완료되고(S500), 물질층(M)의 잔류물질들을 퍼지부(500)로 퍼지한 단계(S600)를 수행한 최종 공정이 완료된 이후에 중단될 수 있다(S700).
이처럼, 본 발명에서는 선형 원자층 증착 모듈을 이용하여 소스물질과 반응물질을 포함하는 물질층을 단일 챔버에서 간단하게 증착할 수 있다. 그리고, 플라즈마를 플라즈마 배출공간에 구속할 수 있도록 소스모듈과 플라즈마 모듈 사이에 자기장을 형성함으로써, 소스모듈과 플라즈마 모듈 간의 간섭이 발생하지 않도록 할 수 있다. 즉, 단순한 자기장의 형성을 이용하여 플라즈마를 물리적으로 제어함으로써, 종래에 비해 간단하게 플라즈마 모듈과 소스모듈 사이를 차단할 수 있으며, 기타 차단물질을 이용함으로써 발생하는 소모비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
상기 설명에서 사용한 “~ 상에”라는 의미는 직접 접촉하는 경우와 직접 접촉하지는 않지만 상부 또는 하부에 대향하여 위치하는 경우를 포함하고, 상부면 또는 하부면 전체에 대향하여 위치하는 것뿐만 아니라 부분적으로 대향하여 위치하는 것도 가능하며, 위치상 떨어져 대향하거나 상부면 또는 하부면에 직접 접촉한다는 의미로 사용하였다. 따라서, “기판 상에”는 기판의 표면(상부면 또는 하부면)이 될 수도 있고, 기판의 표면에 증착된 막의 표면이 될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
F : 자기장 P : 플라즈마
W, W' : 기판 M : 물질층
M1 : 소스물질층 M2 : 반응물질층
1, 1' : 원자층 형성 장치 100, 100’ : 기판 지지부
200 : 소스모듈 300 : 플라즈마 모듈
400 : 자기장 형성부 410 : 하우징
430 : 자력발생부재 500 : 퍼지부

Claims (16)

  1. 기판이 처리되는 공간을 형성하는 챔버와;
    상기 기판을 지지하며, 상기 기판을 이동 가능하게 하는 기판 지지부;
    상기 기판의 막 형성면으로부터 이격되어, 상기 기판의 이동방향과 교차하는 방향으로 연장 배치되며, 소스물질 분사노즐을 통해 상기 기판으로 소스물질을 분사하는 소스모듈;
    상기 소스모듈과 나란히 배치되며, 샤워헤드 몸체와 샤워헤드를 구비하여 상기 기판에 반응물질을 분사하는 플라즈마 모듈; 및
    상기 소스모듈과 상기 플라즈마 모듈 사이에 상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈과 평행하게 배치되어, 상기 소스모듈과 상기 플라즈마 모듈 사이에 상기 기판의 이동방향과 교차하는 방향의 자기장을 형성하는 자기장 형성부;를 포함하고,
    상기 자기장 형성부는,
    내부에 공간을 형성하며, 상기 기판과 마주보는 단부가 개방 형성되는 하우징과;
    자석 또는 전자석을 포함하며, 상기 하우징 내에 상기 기판의 이동방향과 교차하는 방향으로 배치되어, 상기 기판의 이동방향과 교차하는 방향으로 자기력선을 형성하는 복수개의 자력발생부재;를 포함하며,
    상기 플라즈마 모듈은 상기 샤워헤드 몸체와 상기 기판 사이의 공간에 플라즈마를 발생시키는 전극부를 포함하고,
    상기 기판과 마주보는 상기 복수개의 자력발생부재의 극들은 상기 기판의 이동방향과 교차하는 방향으로 서로 다른 극이 교번되는 원자층 증착 장치.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 소스물질 분사노즐 및 상기 샤워헤드는 선형인 원자층 증착 장치.
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 기판 지지부는,
    상기 기판을 안착시키는 스테이지와;
    상기 기판이 상기 소스 모듈 및 상기 플라즈마 모듈의 대응 구간을 통과하도록 상기 스테이지를 선형 또는 회전 이동시키는 스테이지 구동기;를 포함하는 원자층 증착 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1 에 있어서,
    상기 하우징은 절연체를 포함하는 재질로 형성되는 원자층 증착 장치.
  9. 청구항 1 에 있어서,
    상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈 사이에는 상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈로부터 발생된 부산물을 흡입 배출하는 퍼지부;를 포함하는 원자층 증착 장치.
  10. 청구항 9 에 있어서,
    상기 퍼지부는 상기 소스모듈과 상기 자기장 형성부 사이 및 상기 플라즈마 모듈과 상기 자기장 형성부 사이 중 적어도 어느 한 곳에 배치되는 원자층 증착 장치.
  11. 청구항 1 에 있어서,
    상기 이동방향을 기준으로 상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈은 복수개 구비되며, 상기 복수개의 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈 사이에는 상기 자기장 형성부가 배치되는 원자층 증착 장치.
  12. 기판을 스테이지 상에 안착시키는 단계;
    상기 기판의 막 형성면으로부터 이격 배치되는 소스모듈 및 플라즈마 모듈 중 어느 하나로 상기 기판 상에 제1 층을 형성하는 단계;
    상기 소스모듈 및 플라즈마 모듈 중 나머지 하나로 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 기판 상에 제1 층을 형성하는 단계 및 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계 중 샤워헤드 몸체와 샤워헤드를 구비하는 상기 플라즈마 모듈로부터의 플라즈마가 상기 샤워헤드 몸체와 상기 기판 사이의 공간에 발생되면, 상기 소스모듈 및 상기 플라즈마 모듈과 평행하게 상기 기판의 이동방향과 교차하는 방향으로 배치된 복수개의 자력발생부재를 포함하는 자기장 형성부를 이용하여 상기 소스모듈과 상기 플라즈마 모듈 사이에 상기 기판의 이동방향과 교차하는 방향의 자기장을 형성하고,
    상기 복수개의 자력발생부재는 자석 또는 전자석을 포함하며,
    상기 자기장은 상기 기판의 이동방향과 교차하는 방향으로 서로 다른 극이 교번되도록 배치되는 상기 복수개의 자력발생부재에 의해 상기 기판의 이동방향과 교차하는 방향으로 자기력선을 형성하는 원자층 증착 방법.
  13. 청구항 12 에 있어서,
    상기 기판 상에 제1 층을 형성하는 단계 및 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계는 상기 스테이지가 선형 이동하며 수행되는 원자층 증착 방법.
  14. 청구항 12 에 있어서,
    상기 기판 상에 제1 층을 형성하는 단계 및 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계는 상기 스테이지가 회전 이동하며 수행되는 원자층 증착 방법.
  15. 삭제
  16. 청구항 12 에 있어서,
    상기 소스모듈과 상기 플라즈마 모듈 사이에 자기장을 형성하는 단계에서,
    상기 플라즈마 내 전하를 띤 입자는 상기 플라즈마 모듈 쪽으로 유도되는 원자층 증착 방법.
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