KR102318811B1 - 플라즈마 원자층 증착 장치 - Google Patents

플라즈마 원자층 증착 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 플라즈마 원자층 증착 장치는 반응기; 상기 반응기 내의 상부에 배치되어, 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전원이 인가되되, 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 교대로 공급될 수 있도록 구성된, 샤워헤드; 상기 샤워헤드의 하방에서 상기 샤워헤드와 대향하도록 배치되되, 기판을 지지하면서 가열할 수 있도록 구성된, 히터블록; 상기 반응기 내에서 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 상기 히터블록의 아래로 유입되는 것을 방지하고자, 상기 반응기의 하부에 불활성가스를 공급하여 상기 불활성가스에 의한 압력을 상기 히터블록의 하방에 형성할 수 있도록 구성된, 불활성가스 공급부; 및 상기 히터블록과 항상 이격되어 상기 반응기의 측부에 배치되되, 상기 반응기 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스, 불활성가스를 상기 반응기 외부로 배기될 수 있도록 구성된, 배기단;을 포함한다.

Description

플라즈마 원자층 증착 장치{Apparatus of plasma atomic layer deposition}
본 발명은 원자층 증착 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판 상의 균일한 증착 및 파티클 발생을 최소화 할 수 있는 플라즈마 원자층 증착 장치에 관한 것이다.
플라즈마 원자층 증착 장치는 기판 상에 원료가스를 먼저 공급하여 원료가스의 일부가 기판 상에 흡착시키는 단계; 기판 상에 퍼지가스를 공급하여 원료가스 중 흡착되지 않고 잔류하는 나머지를 퍼지하는 단계; 기판 상에 플라즈마 상태의 반응가스를 공급하여 흡착된 원료가스의 일부와 반응시켜 단위 증착막을 형성하는 단계; 기판 상에 퍼지가스를 공급하여 미반응된 반응가스의 나머지를 퍼지하는 단계;를 단위사이클로 복수회 반복하도록 구성된 장치이다.
최근 양산 공정은 플라즈마 원자층 증착 장치에 대구경의 기판을 투입하는 경우가 많아지므로 기판 상에 물질막을 균일하게 증착하는 기술의 중요성이 점점 증대하고 있으며, 아울러, 증착 공정의 영원한 이슈인 파티클 발생의 최소화에 대한 산업적 요구도 점점 커지고 있다.
1. 공개특허공보 10-2014-0107843 (2014년09월05일)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기판 상의 균일한 증착 및 파티클 발생을 최소화 할 수 있는 플라즈마 원자층 증착 장치를 제공함에 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 플라즈마 원자층 증착 장치를 제공한다. 상기 플라즈마 원자층 증착 장치는 반응기; 상기 반응기 내의 상부에 배치되어, 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전원이 인가되되, 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 교대로 공급될 수 있도록 구성된, 샤워헤드; 상기 샤워헤드의 하방에서 상기 샤워헤드와 대향하도록 배치되되, 기판을 지지하면서 가열할 수 있도록 구성된, 히터블록; 상기 반응기 내에서 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 상기 히터블록의 아래로 유입되는 것을 방지하고자, 상기 반응기의 하부에 불활성가스를 공급하여 상기 불활성가스에 의한 압력을 상기 히터블록의 하방에 형성할 수 있도록 구성된, 불활성가스 공급부; 및 상기 히터블록과 항상 이격되어 상기 반응기의 측부에 배치되되, 상기 반응기 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스, 불활성가스를 상기 반응기 외부로 배기될 수 있도록 구성된, 배기단;을 포함한다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 배기단은 상기 반응기 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스를 상기 반응기 외부로 배기하도록 배치된 제 1 배기홀 및 상기 반응기 내로 유입된 상기 불활성가스를 상기 반응기 외부로 배기하도록 배치된 제 2 배기홀을 구비할 수 있다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀은 상기 제 2 배기홀보다 더 상부에 위치할 수 있다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀의 레벨(level)은 증착 공정이 수행될 때의 상기 히터블록의 상단보다 낮을 수 있다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀은 배기를 위한 가스의 인입 방향이 상기 반응기의 상방에서 하방으로 진행하는 수직 방향이 되도록 구성되며, 상기 제 2 배기홀은 배기를 위한 가스의 인입 방향이 상기 반응기의 내측에서 외측으로 진행하는 수평 방향이 되도록 구성될 수 있다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 제 2 배기홀은 상기 히터블록과 상기 반응기 사이에서 상기 히터블록과 대향하는 방향으로 배치되도록 구성될 수 있다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치는, 상기 샤워헤드와 상기 히트블록 사이에 전기장이 집중될 수 있도록 상기 샤워헤드의 측부에 배치되되 세라믹 재질로 이루어진 반응기 월;을 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 의한 플라즈마 원자층 증착 장치를 제공한다. 상기 플라즈마 원자층 증착 장치는 반응기; 상기 반응기 내의 상부에 배치되어, 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전원이 인가되되, 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 교대로 공급될 수 있도록 구성된, 샤워헤드; 상기 샤워헤드의 하방에서 상기 샤워헤드와 대향하도록 배치되되, 기판을 지지하면서 가열할 수 있도록 구성된, 히터블록; 상기 반응기 내에서 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 상기 히터블록의 아래로 유입되는 것을 방지하고자, 상기 반응기의 하부에 불활성가스를 공급하여 상기 불활성가스에 의한 압력을 상기 히터블록의 하방에 형성할 수 있도록 구성된, 불활성가스 공급부; 및 상기 히터블록과 항상 이격되어 상기 반응기의 측부에 배치되되, 상기 반응기 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스, 불활성가스를 상기 반응기 외부로 배기될 수 있도록 구성된, 배기단;을 포함한다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 불활성가스 공급부는 상기 반응기의 측부에 불활성가스를 추가로 공급하도록 구성되며, 상기 배기단은 상기 반응기 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스 및 불활성가스를 상기 반응기 외부로 배기하도록 배치된 제 1 배기홀 및 상기 반응기의 측부로 추가로 공급되는 불활성가스를 상기 반응기 내부로 유입하도록 구성된 제 3 배기홀을 구비한다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀은 상기 제 3 배기홀보다 더 상부에 위치하며, 상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀의 레벨(level)은 증착 공정이 수행될 때의 상기 히터블록의 상단보다 낮으며, 상기 제 3 배기홀은 상기 히터블록과 상기 반응기 사이에서 상기 히터블록과 대향하는 방향으로 배치되도록 구성될 수 있다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀은 배기를 위한 가스의 인입 방향이 상기 반응기의 상방에서 하방으로 진행하는 수직 방향이 되도록 구성되며, 상기 제 3 배기홀은 상기 반응기의 측부에 추가로 공급되는 불활성가스의 인입 방향이 상기 반응기의 내측으로 진행하는 수평 방향이 되도록 구성될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 따르면, 기판 상의 균일한 증착 및 파티클 발생을 최소화 할 수 있는 플라즈마 원자층 증착 장치를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 비교예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치의 구조를 도해하는 단면도이다.
도 2는 기판이 로딩된 상태에서 증착 공정이 수행되는 과정에서 본 발명의 제 2 비교예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치의 구조를 도해하는 단면도이다.
도 3은 증착 공정이 완료된 후 기판이 언로딩되는 과정에서 본 발명의 제 2 비교예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치의 구조를 도해하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치의 구조를 도해하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치의 구조를 도해하는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치에서 제 1 배기홀과 히터블록의 위치관계를 도해하는 평면도 및 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 적어도 일부의 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 비교예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치의 구조를 도해하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 비교예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치는 배기 장치(170)가 반응기(110) 하부로 배치된다. 따라서, 반응기(110) 상부의 주입구(121)를 통해 공급된 원료가스, 반응가스 및/또는 퍼지가스는 샤워헤드(120)를 통하여 히터블록(140) 중심부에서 가장자리의 공간(159)을 거쳐 반응기(110) 하부의 구동부(142)에 인접하여 흘러나가면서 배기되는 구조로 되어 있다. 즉, 원료가스, 반응가스 및/또는 퍼지가스의 유동 경로는 f1 → f2 → f3으로 이해될 수 있다.
하지만 이러한 구조에서는 대상 증착 물질이 SiO2, Si3N4, TiN 또는 W인 경우 누적증착에 따른 파티클 발생 시 반응기 하부까지 주기적인 인시츄 클리닝에 의해 파티클 생성을 제어 및 억제 할 수 있다. 한편, 인시츄 클리닝이 되지 않는 고유전체물질로 AlO, HfO, ZrO, TiO2 등과 같은 high-k 물질의 증착 공정은 반응기의 파트 교체를 통하여 습식 세정에 따른 파티클 발생을 제어 할 수 있지만, 반응기 내부의 교체 파트들은 교체가 용이한 샤워헤드 및 스킨 커버 등으로 일부 교체만 가능하지만, 히터블록(140) 및 구동부(142)에 연결된 벨로우즈(144)를 교체하기에는 많은 시간이 소요되고, 벨로우즈(144)와 같은 부품들은 습식세정을 행하기에는 용이하지 않아, 원료가스 및 반응가스가 반응기(110) 하부의 히터블록 구동부로 유입되는 배기구조의 반응기는 부적합하고, 파티클 발생 문제를 해결하기가 어렵다.
이를 위해 배기 장치가 반응기의 하부쪽에 위치하지 않고, 측부에 위치한 본 발명의 제 2 비교예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치 구성에 대하여 설명한다. 나아가, 본 발명의 제 2 비교예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치는 반응기(110) 내에서 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 히터블록(140)의 아래로 유입되는 것을 방지하고자, 반응기(110)의 하부에 불활성가스를 공급하여 상기 불활성가스에 의한 압력을 히터블록(140)의 하방에 형성할 수 있도록 구성된, 불활성가스 공급부(160)를 포함한다.
도 2는 기판이 로딩된 상태에서 증착 공정이 수행되는 과정에서 본 발명의 제 2 비교예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치의 구조를 도해하는 단면도이고, 도 3은 증착 공정이 완료된 후 기판이 언로딩되는 과정에서 본 발명의 제 2 비교예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치의 구조를 도해하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 배기단(150)이 반응기(110)의 측부에 위치한 플라즈마 원자층 증착장치는 증착 진행시 히터블록(140)이 배플(155)에 물리적으로 밀착되게 구성되어 있다. 배플(155)은 샤워헤드(120)를 통하여 제공된 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 히터블록(140)의 아래로 유입되는 것을 방지하고, 불활성가스 공급부(160)를 통하여 제공된 불활성 가스가 히터블록(140)의 위로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
하지만, 이러한 구조는 증착 과정 중에 히터블록(140)과 배플(155)이 접촉되어 있는 면으로 박막이 증착될 수 있고, 기판의 언로딩시 히터블록(140)과 배플(155)의 밀착된 면이 이격되는 과정에서 증착된 박막의 파괴로 물리적인 파티클이 발생될 수 있다. 또한 배플(155)은 히터블록(140)과 물리적 접촉이 되어 있기 때문에, 배플(155)을 통해 히터블록(140)의 열손실이 발생되어, 기판(W)의 증착 과정 중에 박막 품질 및 두께 균일도에 영향을 줄 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 비교예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치에서는 플라즈마 발생을 위해 샤워헤드(120)와 기판(W)이 장착된 히터블록(140) 사이로만 전기장(E1)이 유도되어 플라즈마를 발생시켜야 하는데, 샤워헤드(120)에 인접해 있는 알루미늄 재질의 반응기 월(126)이 히터블록(140) 보다 샤워헤드(120)에 더 가깝기 때문에 전기장(E2)이 월(126) 방향으로도 유도되어 플라즈마가 왜곡될 수 있다. 또한, 히터블록(140)에 밀착된 배플(155)의 에지 부위로 전계가 히터블록(140)보다 강하게 유도되어 기판(W)의 에지와 센터 부위의 플라즈마 효율 차이로 인해 기판(W)의 증착 과정 중에 박막 품질 및 두께 균일도에 영향을 줄 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치의 구조를 도해하는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치(100)는 반응기(110); 상기 반응기(110) 내의 상부에 배치되어, 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전원이 RF 전원부(128)로부터 인가되되, 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 교대로 공급될 수 있도록 구성된, 샤워헤드(120); 상기 샤워헤드(120)의 하방에서 상기 샤워헤드(120)와 대향하도록 배치되되, 기판(W)을 지지하면서 가열할 수 있도록 구성된, 히터블록(140); 상기 반응기(110) 내에서 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 상기 히터블록(140)의 아래로 유입되는 것을 방지하고자, 상기 반응기(110)의 하부에 불활성가스를 공급하여 상기 불활성가스에 의한 압력을 상기 히터블록(140)의 하방에 형성할 수 있도록 구성된, 불활성가스 공급부(160); 및 상기 히터블록(140)과 항상 이격되어 상기 반응기(110)의 측부에 배치되되, 상기 반응기(110) 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스, 불활성가스를 상기 반응기(110) 외부로 배기될 수 있도록 구성된, 배기단(150);을 포함한다.
반응기(110)의 최상단에는 리드(122)가 배치되며, 샤워헤드(120)와 리드(122) 사이에는 절연부재(124)가 개재될 수 있다. 히터블록(140)의 하부에는 구동부(142)가 연결되어 히터블록(140)의 상하 운동을 유도한다.
상기 배기단(150)은 상기 반응기(110) 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스를 상기 반응기(110) 외부로 배기하도록 배치된 제 1 배기홀(151) 및 상기 반응기(110) 내로 유입된 상기 불활성가스를 상기 반응기(110) 외부로 배기하도록 배치된 제 2 배기홀(152)을 구비할 수 있다.
이에 따르면, 반응기(110)의 상방에 배치된 주입구(121)를 통하여 샤워헤드(120)를 거쳐 제공된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스는 히터블록(140) 상에 로딩된 기판(W)의 상면을 거쳐 히터블록(140)의 외측으로 흘러나가 배기단(150)의 제 1 배기홀(151)로 인입되어 배기된다. 이 경우, 상기 원료가스, 반응가스 및/또는 퍼지가스의 유동 경로는 f1 → f2 → f6으로 이해될 수 있다.
또한, 반응기(110)의 하방에 배치된 불활성가스 공급부(160)를 통하여 반응기(110) 내 히터블록(140)의 하방 공간으로 투입된 불활성가스는 배기단(150)의 제 2 배기홀(152)로 인입되어 배기된다. 이 경우, 상기 불활성가스의 유동 경로는 f4 → f5 → f6으로 이해될 수 있다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치(100)에서, 상기 반응기(110) 내에서 상기 제 1 배기홀(151)은 제 2 배기홀(152) 보다 더 상부에 위치할 수 있다. 한편, 상기 반응기(110) 내에서 제 1 배기홀(151)의 레벨(level)은 증착 공정이 수행될 때의 상기 히터블록(140)의 상단보다 낮을 수 있다. 상기 반응기(110) 내에서 상기 제 1 배기홀(151)은 배기를 위한 가스의 인입 방향이 상기 반응기(110)의 상방에서 하방으로 진행하는 수직 방향이 되도록 구성되며, 상기 제 2 배기홀(152)은 배기를 위한 가스의 인입 방향이 상기 반응기(110)의 내측에서 외측으로 진행하는 수평 방향이 되도록 구성될 수 있다. 나아가, 제 2 배기홀(152)은 상기 히터블록(140)과 상기 반응기(110) 사이에서 상기 히터블록(140)과 대향하는 방향으로 배치되도록 구성될 수 있다.
이러한 구성을 가지는 경우, 상기 원료가스, 반응가스 및/또는 퍼지가스는 대부분 제 1 배기홀(151)로 인입되어 배기되며, 설령 제 1 배기홀(151)로 인입되지 않고 하방의 제 2 배기홀(152)을 통하여 인입될 수는 있으나 상기 원료가스, 반응가스 및/또는 퍼지가스가 제 2 배기홀(152)의 아래로 내려가는 것은 상기 불활성가스의 흐름에 의하여 차단되므로 반응기(110) 하부의 파트에 불필요한 막이 누적 증착되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 불활성가스는 대부분 제 2 배기홀(152)로 인입되어 배기되며, 설령 제 2 배기홀(152)로 인입되지 않고 상방의 제 1 배기홀(151)을 통하여 인입될 수는 있으나 상기 불활성가스가 제 1 배기홀(151)보다 위로 올라가는 것은 상기 원료가스, 반응가스 및/또는 퍼지가스의 흐름에 의하여 차단되므로 상기 불활성가스가 기판(W) 상으로 유입되어 증착 박막의 두께 산포에 영향을 주는 것을 방지할 수 있다.
한편, 히터블록(140)의 상하로 가스의 흐름을 적절하게 제어하면서도, 히터블록(140)과 직접 접촉하는 배플을 도입하지 않아도 되므로 파티클 발생을 원천적으로 방지할 수 있으며 접촉에 따른 열전도를 차단하여 증착 박막의 균일도를 개선시킬 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치(100)는 상기 샤워헤드(120)와 상기 히터블록(140) 사이에 전기장이 집중될 수 있도록 상기 샤워헤드(120)의 측부에 배치되되 세라믹 재질로 이루어진 반응기 월(130);을 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치의 구조를 도해하는 단면도이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 원자층 증착 장치에서 제 1 배기홀과 히터블록의 위치관계를 도해하는 평면도 및 사시도이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 의한 플라즈마 원자층 증착 장치는 반응기(110); 상기 반응기(110) 내의 상부에 배치되어, 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전원이 인가되되, 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 교대로 공급될 수 있도록 구성된, 샤워헤드(120); 상기 샤워헤드(120)의 하방에서 상기 샤워헤드(120)와 대향하도록 배치되되, 기판을 지지하면서 가열할 수 있도록 구성된, 히터블록(140); 상기 반응기(110) 내에서 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 상기 히터블록(140)의 아래로 유입되는 것을 방지하고자, 상기 반응기(110)의 하부에 불활성가스를 공급하여 상기 불활성가스에 의한 압력을 상기 히터블록(140)의 하방에 형성할 수 있도록 구성된, 불활성가스 공급부(161, 162); 및 상기 히터블록(140)과 항상 이격되어 상기 반응기(110)의 측부에 배치되되, 상기 반응기(110) 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스, 불활성가스를 상기 반응기(110) 외부로 배기될 수 있도록 구성된, 배기단(150);을 포함한다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 불활성가스 공급부(161, 162)는 상기 반응기(110)의 측부에 불활성가스를 추가로 공급하도록 구성되는 공급부(162)를 더 포함하며, 상기 배기단(150)은 상기 반응기(110) 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스 및 불활성가스를 상기 반응기(110) 외부로 배기하도록 배치된 제 1 배기홀(151) 및 상기 반응기(110)의 측부로 추가로 공급되는 불활성가스를 상기 반응기(110) 내부로 유입하도록 구성된 제 3 배기홀(153)을 구비한다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 반응기(110) 내에서 상기 제 1 배기홀(151)은 상기 제 3 배기홀(153)보다 더 상부에 위치하며, 상기 반응기(110) 내에서 상기 제 1 배기홀(151)의 레벨(level)은 증착 공정이 수행될 때의 상기 히터블록(140)의 상단보다 낮으며, 상기 제 3 배기홀(153)은 상기 히터블록(140)과 상기 반응기(110) 사이에서 상기 히터블록(140)과 대향하는 방향으로 배치되도록 구성될 수 있다.
상기 플라즈마 원자층 증착 장치에서, 상기 반응기(110) 내에서 상기 제 1 배기홀(151)은 배기를 위한 가스의 인입 방향이 상기 반응기(110)의 상방에서 하방으로 진행하는 수직 방향이 되도록 구성되며, 상기 제 3 배기홀(153)은 상기 반응기(110)의 측부에 추가로 공급되는 불활성가스의 인입 방향이 상기 반응기(110)의 내측으로 진행하는 수평 방향이 되도록 구성될 수 있다.
참고로, 반응기(110)의 우측에 도시된 불활성가스 공급부(161, 162)의 구성은 반응기(110)의 좌측에 도시된 배기단(150)의 구성에도 동일하게 적용되지만 편의상 도 5에서는 생략하였다. 마찬가지로, 반응기(110)의 좌측에 도시된 배기단(150)의 가스 유동 경로(f6)는 반응기(110)의 우측에 도시된 배기단(150)에도 동일하게 적용되지만 본 명세서의 도면들에서는 편의상 생략하였다.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 플라즈마 원자층 증착 장치에서는, 배기방향이 측면부로 주 공정가스(원료가스, 반응가스, 퍼지가스)가 배플 배기단으로 배기되고, 반응기(챔버) 하부 공간으로 상기 공정가스가 확산되지 못하도록 반응기 하부에서 불활성가스가 공급되고 동시에 히터블록과 배플 배기단 사이에서 불활성가스가 추가로 공급되어 공정가스가 반응기 하부로 유입되지 않도록 하여, 반응기 내부에 증착막이 적층되는 것을 사전에 방지할 수 있다.
도 5에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 의한 플라즈마 원자층 증착 장치의 그 외의 구성은 도 4에 도시된 본 발명의 제 2 실시예에 의한 플라즈마 원자층 증착 장치의 그 외의 구성과 동일하므로 그에 대한 중복된 설명은 여기에서 생략한다.
지금까지 히터블록과 배기장치 구성장치와 챔버내 별도의 불활성 가스 공급 방법에 따른 효율적인 플라즈마 발생 및 파티클 생성을 억제함에 따라 기판에 균일한 두께 증착 및 생산성이 향상된 플라즈마 원자층 증착장치를 설명하였다. 원자층 증착 반응기 장치 구조에 따른 불안정한 플라즈마 발생, 반응가스 및 공급가스의 불균일한 배기 문제에 따른 기판 상에서의 불균일한 두께산포 및 박막특성 저하와 반응기 내 원하지 않는 위치에서 형성된 증착막에 따른 파티클 발생에 따른 생산성 저하 문제를 해결할 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 플라즈마 원자층 증착 장치 뿐만 아니라 화학적 기상 증착 장치에도 적용될 수 있다.
이러한 본 발명의 증착 장치를 다른 관점에서 요약하자면, 증착하고자 하는 물질의 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 공급될 수 있는 샤워헤드와 박막 품질 및 증착속도를 제어할 수 있도록 기판을 가열 할 수 있는 히터블록과 반응기 내로 유입된 공급가스가 균일하게 배기될 수 있는 배기단으로 구성된다.
본 발명에서의 샤워헤드 구조는 증착 과정에서 원료가스 및 반응가스가 반응성이 있다면 샤워헤드 내부의 확산 영역에서 가스가 혼합되지 않는 구조로 구성되어 있거나, 원료가스 및 반응가스가 서로 반응성이 없으면 상기 확산 영역에서 혼합될 수 있는 샤워헤드 구조를 포함할 수 있다. 증착 과정에서 플라즈마가 필요한 경우, 증착 과정 중에 매우 짧은 시간 내에 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 플라즈마가 기판 방향으로만 유도될 수 있도록 샤워헤드와 기판이 장착된 히터블록 사이로만 등전위의 전기장이 집중될 수 있는 구조로 구성되어 있다.
또한, 기판에 균일한 두께 산포를 얻기 위해 상기 샤워헤드에서 공급된 원료가스 및 반응가스는 기판 위에서 균일하게 배기될 수 있도록 반응기 내 외곽에 설치된 배기단을 통하여 배기될 수 있도록 되어있고, 배기단은 균일한 배기 방향 및 배기 효율을 가지도록 홀 크기 및 간격이 일정하게 구성되어 있고, 배기단의 위치는 배기 효율 및 공급가스가 정체 및 와류가 발생되지 않도록 히터블록 보다 아래에 배치되어 있다.
또한 증착 과정 중에 반응기 내 원하지 않는 영역에서 원료가스 및 반응가스가 유입되어 증착막이 형성되어 파티클을 형성시킬 수 있는데, 이를 방지하기 위해 반응기 내부에 원료가스가 유입되지 않도록 챔버 하부에 일정한 압력을 유지하기 위한 불활성 가스를 공급할 수 있다. 그러나, 반응기 내부로 공급되는 불활성가스는 기판 증착 과정 중에 증착영역에 유입되어 반응가스의 흡착특성 저하 및 플라즈마 불안정을 유도 할 수 있고, 유입된 가스는 두께 균일도 및 박막 특성에 영향을 줄 수 있기에, 증착되는 기판 영역으로 유입되지 않도록 배기단에 별도로 구성된 제 2 배기홀을 통해 배기될 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 본 발명은 상술한 비교예들의 증착장치의 문제점을 해결하기 위해, 예를 들어, 도 2와 같은 히터블록과 배플이 밀착되는 구조의 문제점을 해결하기 위하여, 히터블록과 배기단이 항상 이격되어 배치된 구조를 구성하여 히터블록에서의 열손실이 발생하지 않도록 하였고, 히터블록에 놓여진 기판의 언로딩시 이격에 따른 물리적 파티클이 발생되지 않도록 하였다, 또한, 반응기 하부로 히터블록과 배기단 사이의 공간으로 샤워헤드에서 공급된 반응가스의 유입에 따른 증착막이 형성되어 파티클 발생을 유도할 수도 있는데, 하부쪽에 불활성가스를 공급하여 하부쪽에 반응가스가 유도되지 않도록 하였고 배기단에 별도로 추가 구성된 배기홀을 통하여 증착영역으로 불활성가스가 유도되지 않도록 하여, 박막특성 및 두께 산포에 영향을 주지 않도록 구성하였다. 또한 기판에 플라즈마 효율이 집중될 수 있도록, 즉, 히터블록과 샤워헤드에 전기장이 집중될 수 있도록, 샤워헤드에 인접해 있는 반응기 월은 전기적으로 절연 될 수 있는 세라믹 재질로 이루어져 있고, 기판이 놓여진 히터블록과 샤워헤드의 거리보다 넓게 되어 있다. 또한 반응가스의 균일한 배기 방향 및 원활한 배기 효율을 가지기 위해 배기단의 위치는 히터블록보다 아래에 위치하였다.
본 발명에 따른 플라즈마 원자층 증착장치의 구조는 파티클 생성에 따른 생산성 저하를 방지할 수 있고, 플라즈마 효율 및 균일한 가스 배기에 따른 고품질의 박막 및 균일한 두께 산포를 제공할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 플라즈마 원자층 증착 장치
110 : 반응기
120 : 샤워헤드
140 : 히터블록
150 : 배기단
151 : 제 1 배기홀
152 : 제 2 배기홀
153 : 제 3 배기홀
160, 161, 162 : 불활성가스 공급부

Claims (7)

  1. 반응기;
    상기 반응기 내의 상부에 배치되어, 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전원이 인가되되, 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 교대로 공급될 수 있도록 구성된, 샤워헤드;
    상기 샤워헤드의 하방에서 상기 샤워헤드와 대향하도록 배치되되, 기판을 지지하면서 가열할 수 있도록 구성된, 히터블록;
    상기 반응기 내에서 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 상기 히터블록의 아래로 유입되는 것을 방지하고자, 상기 반응기의 하부에 불활성가스를 공급하여 상기 불활성가스에 의한 압력을 상기 히터블록의 하방에 형성할 수 있도록 구성된, 불활성가스 공급부; 및
    상기 히터블록과 항상 이격되어 상기 반응기의 측부에 배치되되, 상기 반응기 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스, 불활성가스를 상기 반응기 외부로 배기될 수 있도록 구성된, 배기단;
    을 포함하되,
    상기 배기단은 상기 반응기 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스를 상기 반응기 외부로 배기하도록 배치된 제 1 배기홀 및 상기 반응기 내로 유입된 상기 불활성가스를 상기 반응기 외부로 배기하도록 배치된 제 2 배기홀을 구비하는,
    플라즈마 원자층 증착 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀은 상기 제 2 배기홀보다 더 상부에 위치하며, 상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀의 레벨(level)은 증착 공정이 수행될 때의 상기 히터블록의 상단보다 낮으며, 상기 제 2 배기홀은 상기 히터블록과 상기 반응기 사이에서 상기 히터블록과 대향하는 방향으로 배치되도록 구성된,
    플라즈마 원자층 증착 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀은 배기를 위한 가스의 인입 방향이 상기 반응기의 상방에서 하방으로 진행하는 수직 방향이 되도록 구성되며, 상기 제 2 배기홀은 배기를 위한 가스의 인입 방향이 상기 반응기의 내측에서 외측으로 진행하는 수평 방향이 되도록 구성된,
    플라즈마 원자층 증착 장치.
  5. 반응기;
    상기 반응기 내의 상부에 배치되어, 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전원이 인가되되, 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 교대로 공급될 수 있도록 구성된, 샤워헤드;
    상기 샤워헤드의 하방에서 상기 샤워헤드와 대향하도록 배치되되, 기판을 지지하면서 가열할 수 있도록 구성된, 히터블록;
    상기 반응기 내에서 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스가 상기 히터블록의 아래로 유입되는 것을 방지하고자, 상기 반응기의 하부에 불활성가스를 공급하여 상기 불활성가스에 의한 압력을 상기 히터블록의 하방에 형성할 수 있도록 구성된, 불활성가스 공급부; 및
    상기 히터블록과 항상 이격되어 상기 반응기의 측부에 배치되되, 상기 반응기 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스, 불활성가스를 상기 반응기 외부로 배기될 수 있도록 구성된, 배기단;
    을 포함하되,
    상기 불활성가스 공급부는 상기 반응기의 측부에 불활성가스를 추가로 공급하도록 구성되며,
    상기 배기단은 상기 반응기 내로 유입된 상기 원료가스, 반응가스, 퍼지가스 및 불활성가스를 상기 반응기 외부로 배기하도록 배치된 제 1 배기홀 및 상기 반응기의 측부로 추가로 공급되는 불활성가스를 상기 반응기 내부로 유입하도록 구성된 제 3 배기홀을 구비하며,
    상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀은 상기 제 3 배기홀보다 더 상부에 위치하며, 상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀의 레벨(level)은 증착 공정이 수행될 때의 상기 히터블록의 상단보다 낮으며, 상기 제 3 배기홀은 상기 히터블록과 상기 반응기 사이에서 상기 히터블록과 대향하는 방향으로 배치되도록 구성된,
    플라즈마 원자층 증착 장치.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응기 내에서 상기 제 1 배기홀은 배기를 위한 가스의 인입 방향이 상기 반응기의 상방에서 하방으로 진행하는 수직 방향이 되도록 구성되며, 상기 제 3 배기홀은 상기 반응기의 측부에 추가로 공급되는 불활성가스의 인입 방향이 상기 반응기의 내측으로 진행하는 수평 방향이 되도록 구성된,
    플라즈마 원자층 증착 장치.
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