KR200263699Y1 - 확산억제가스흐름과 확산억제수단을 이용한 화학기상증착장치 - Google Patents

확산억제가스흐름과 확산억제수단을 이용한 화학기상증착장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 화학기상증착(CVD) 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막 형성을 위한 원료물질이 반응실 가운데 쪽으로 모이도록 유도하여 서셉터 위쪽의 원료물질 농도를 증대시킴과 아울러 반응실 내벽 또는 반응실 내의 구조물에 원료물질이 접촉되지 않게 함으로써 증착속도를 높이고 오염 입자의 생성을 방지하는 화학기상증착 장치에 관한 것이다.
본 고안은 서셉터를 감싸면서 원료물질을 공급하는 하나 이상의 원료물질 주입구가 설치되고 그 표면에 다수의 관통 구멍이 형성된 확산억제수단과; 상기 확산억제수단의 바깥쪽으로 확산억제가스를 공급하는 확산억제가스 주입구와; 상기 반응실에서 발생된 배기가스를 배출시키는 배기가스 배기구를 포함하여 구성됨으로써 확산억제수단의 외부로 주입된 확산억제가스가 확산억제수단 바깥쪽으로 원료물질이 확산되는 것을 저지하는 확산억제흐름(가둠흐름)을 형성하고 서셉터 상부의 원료물질 농도를 증대시켜 원료물질이 반응실과 확산억제수단의 내벽에 접촉되지 않도록 함으로써 오염 입자의 생성을 방지할 뿐 아니라 증착속도를 높이는 것을 특징으로 한다.

Description

확산억제가스흐름과 확산억제수단을 이용한 화학기상증착 장치{Apparatuses of Chemical Vapor Deposition using diffusion suppressing gasses and devices}
본 고안은 화학기상증착(CVD) 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막 형성을 위한 원료물질이 반응실 가운데 쪽으로 모이도록 유도하여 서셉터 위쪽의 원료물질 농도를 증대시킴과 아울러 반응실 내벽 또는 반응실 내의 구조물에 원료물질이 접촉되지 않게 함으로써 증착속도를 높이고 오염 입자의 생성을 방지하는 화학기상증착 장치에 관한 것이다.
화학기상증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)은 진공 상태의 반응실 내부에 주입된 원료물질을 열이나 플라즈마 등으로 분해시킨 후 화학 반응시켜 기판 상에서 증착하는 것이다. 종래의 일반적인 화학기상증착 장치는 도1에 도시된 바와 같이, 외부와 격리되어 진공 분위기를 유지하는 반응실(3)과, 상기 반응실에 원료물질을 공급하기 위한 원료물질 주입구(7)와, 주입된 원료물질을 화학 반응시키기 위한 가열수단, 반응가스를 배출시키기 위한 배기구 및 반응실 가운데에 위치되며 증착대상물이나 기판이 안착되어 그 위에서 막의 증착이 일어나는 서셉터(Susceptor; 5)를 포함하여 구성된다.
따라서 막 형성에 관여하는 주원료물과 주원료물의 운반, 기화 또는 희석에 관여하는 보조원료물의 혼합물인 기체상태의 원료물질을 진공상태의 반응실로 분사하는 순간 원료물질은 사방으로 확산되어 전체 반응실의 원료물질 농도가 균등하게 되고 이어 서셉터의 상부에 위치된 원료물질은 서셉터의 고온에 의해 여기된 후 증착대상물이나 기판 상에서 화학반응을 일으켜 막으로 증착되게 된다.
그러나 종래의 화학기상증착 장치는 증착속도가 느리기 때문에 두께 3㎛이하의 박막을 증착하는 데 주로 사용하였고 그 이상의 두께(3㎛이상)를 갖는 후막을 증착하기 위해서는 반응실 내의 원료물질의 농도를 상당히 증가시켜야 하는데, 고농도의 원료물질를 주입하면 다음과 같은 문제가 발생되었다.
먼저, 기체상태의 원료물질을 주입구를 통해 분사하는 순간 원료물질이 반응실 전체로 퍼지기 때문에 반응실의 내벽, 샤워헤드 등 구조물에 증착이 일어나 오염 입자가 발생되는 원인이 된다. 즉, 반응실 내벽 등에 증착된 막은 반복적인 열 팽창과 수축 그리고 내벽 등과의 격자 구조상의 차이로 인해 작은 입자로 탈리되어 증착 중인 막을 오염시키는 오염 입자(particle)가 될 수 있다. 특히 고집적반도체를 제조하는 경우에는 반응실 내부의 오염 입자 수가 증가되면 그 수율이 크게 저하된다. 예를 들어 오염 입자는 주로 배선 간 쇼트나 단선으로 패턴 불량을 일으키는 것이므로 그 수율에 영향을 주는 오염입자의 크기는 패턴 치수와 비례 관계에 있다. 따라서 패턴 치수가 작아짐에 따라 즉, 고집적화의 경향이 높아짐에 따라 수율에 영향을 주는 입자의 크기도 점차 작아져 반응실 내에서 제어되어야할 오염 입자의 수도 그 만큼 증가되게 된다.
또한 종래에는 반응실 전체의 원료물질 농도가 균등하기 때문에 실질적으로 막의 증착에 사용되는 서셉터 상부의 원료물질 농도를 높이기 위해 다른 부분까지 원료물질을 공급하여야 함으로 원료물질의 소모량이 과도하여 경제성이 떨어지는 문제가 있었다.
이에 따라 반응실 내벽 등으로부터 오염 입자가 발생되는 것을 방지하기 위해서는 반응실 내벽의 온도를 적정하게 조절하여 증착과 응축을 동시에 방지하여야 하나 이 온도영역은 매우 좁을 뿐만 아니라 여러 가지 원료물질이 혼합되어 있는 경우에는 그 영역이 존재하지도 않게 되어 실질적으로 반응실의 온도를 조절하여 오염 입자의 발생을 방지하는 것을 불가능하다.
그리고 종래의 화학기상증착 장치는 반응실 중심부와 바깥쪽 또는 구석 등과의 온도차가 커서 반응실 내에 대류현상이 발생되는 문제가 있었다. 따라서 원료물질의 이동이 일정치 않아 균일한 막 형성을 어렵게 하고 발생된 오염 입자가 자연 대류를 따라 재순환됨으로써 입자 오염이 심화되는 문제가 있었다.
그러므로 고집적 반도체를 제조하거나 3㎛이상의 후막을 신속하고 경제적으로 증착하기 위해서는 반응실 내부에 고농도의 원료물질을 주입하더라도 오염 입자가 생성되지 않고 종래의 기술에 비해 반응실 내부로 유입되는 원료물질의 양을 늘리지 않으면서도 서셉터 상부의 원료물질 농도를 크게 증대시킬 수 있는 새로운 형태의 화학기상증착 방법 및 장치가 요구되고 있다. 본 고안은 이러한 요구를 만족시키기 위한 화학기상증착 장치와 관련된다.
아래에 설명하는 두 가지 종래 기술은 본 고안의 기술적 사상과 동일하지는 않으나 서셉터 상부의 반응물질 농도를 높이는 기술과 오염 입자의 생성을 방지하는 기술에 관한 것으로서 본 고안의 선행기술로 볼 수 있다. 먼저 도1에서 보는 바와 같이, 대한민국 공개특허 10-2001-0025958호에서는 반응실 내부에 서셉터를 둘러싸는 사각뿔이나 돔 형태의 석영튜브(100)를 설치하여 그 내부에 균일한 온도분포 및 고밀도 플라즈마를 형성하여 증착속도를 높일 수 있는 기술이 제시되어 있다. 따라서 서셉터 상부에서 자연순환을 크게 줄여줄 수 있다는 점에서는 뒤에서 기술하게 될 본 고안의 효과의 하나와 동일하나 후술하는 확산억제가스흐름(또는 확산억제흐름, 가둠흐름)을 사용하지 않으므로 석영튜브(100) 내부로 고농도의 원료물질을 주입할 경우 석영튜브(100) 내벽에 원치 않는 막이 증착되어 오염 입자가 대량으로 발생되는 문제점이 있다.
또한 도2에서 보는 바와 같이, 대한민국 등록특허 제10-0262196호에서는 막을 형성하기 위한 반응기 내에서 오염 입자가 발생하는 것을 방지하기 위해 막을 형성하기 전에 반응기 내벽에 막 스트레스가 작은 완충막(200)을 증착하는 기술이 제시되어 있다. 그러나 반응실의 내측 벽면을 주기적으로 클리닝한 다음 완충막을증착하여야 하기 때문에 반응공정이 매우 복잡하며 운전조건이 급변하는 경우에는 완충막(200) 자체가 탈리되어 오염 입자로 될 가능성도 있는 등 적용하기 어려운 문제점이 있었다.
이에 따라 본 고안자는 종래의 화학기상증착 장치에서 증착할 수 없었던 두께 3㎛이상의 후막을 입자오염 없이 종래의 화학기상증착 장치를 거의 그대로 이용하면서도 효과적으로 증착할 수 있는 방법 및 장치를 연구하였으며, 그 결과로서 본 고안을 완성하였다. 본 고안의 기본적인 사상은 자체적으로 분해되거나 반응물을 만들기 어려운 확산억제가스를 반응실 내벽 쪽으로 주입하는 동시에 반응실의 가운데 쪽으로 원료물질을 공급함으로써 원료물질과 확산억제가스의 상호확산억제 작용을 이용하는 것이다.
본 고안은 상술한 점을 고려하여 이루어진 것으로서, 본 고안의 주된 목적은반응실 내에 서셉터를 감싸는 확산억제수단을 설치하고 이 확산억제수단의 안쪽에는 원료물질을 공급하고 확산억제수단의 바깥쪽에는 확산억제가스를 공급함으로써 원료물질과 확산억제가스의 상호확산억제 작용을 보강하여 반응실 중심 쪽에는 원료물질의 농도가 높아지는 동시에 반응실 내벽 쪽에는 원료물질의 농도가 낮아지게 되어 결과적으로 증착속도가 향상되는 화학기상증착 장치를 제공하는 것이다.
본 고안은 또한 반응실 내에 확산억제가스의 유통이 가능하도록 다수의 관통 구멍이 형성된 확산억제수단을 설치하고 확산억제수단의 바깥쪽으로 공급된 확산억제가스가 확산억제수단의 안쪽으로 유입되도록 그 유량 또는 확산속도를 조절함으로써 원료물질이 확산억제수단의 표면에 직접 접촉되는 것을 방지하는 확산억제흐름 또는 가둠흐름을 형성하는 화학기상증착 장치를 제공하는 것이다.
본 고안은 또한 반응실 내에 온도차에 의한 자연 대류를 방지하고 원료물질의 혼합 및 확산을 신속하고 원활하게 유도하는 확산억제수단을 설치함으로써 공정의 반복성 및 재현성을 높이고 증착 균일도가 우수한 화학기상증착 장치를 제공하는 것이다.
도1은 종래 기술에 따라 서셉터의 상부에 석영튜브가 설치된 CVD 장치의 반응실을 개략적으로 보여주는 단면도,
도2는 종래 기술에 따라 반응실의 내벽에 완충막이 형성된 CVD 장치의 반응실을 개략적으로 보여주는 단면도,
도3은 본 고안에 따른 바람직한 실시예로서 CVD 장치의 반응실을 개략적으로 나타낸 부분절단 사시도,
도4는 본 고안에 따른 확산억제수단의 일예를 보여주는 부분절단 사시도,
도5A, 5B 및 5C는 본 고안에 따른 확산억제수단의 상부에 설치되는 원료물질 주입구의 다양한 형태를 보여주는 부분절단 사시도,
도6은 본 고안의 일실시예에 따라 원료물질 주입구를 접선방향으로 설치할 경우(도5C) 나타나는 맴돌이 현상을 보여주는 시뮬레이션 결과도,
도7은 본 고안에 따른 확산억제수단의 다른 실시예를 보여주는 사시도,
도8은 본 고안에 따른 확산억제수단의 또다른 실시예를 보여주는 단면도,
도9는 본 고안의 각 구성요소 중 서셉터 높이에 따른 TiO2증착거동 변화를비교한 그래프,
도10은 본 고안에 따른 CVD 장치의 반응실 내부의 혼합물질의 속도를 보여주는 시뮬레이션 결과도 ,
도11은 본 고안에 따른 CVD 장치의 반응실 내부의 원료물질의 농도 분포를 보여주는 시뮬레이션 결과도,
도12는 본 고안에서 확산억제가스의 유량에 따른 TiO2증착거동 변화를 비교한 그래프,
도13은 본 고안과 종래의 샤워헤드 방식의 TiO2증착에 대한 영향을 서로 비교한 그래프,
도14 및 도15는 본 고안에서 반응실 진공도에 따른 TiO2증착거동 변화를 비교한 그래프,
도16은 본 고안에서 TIP입력유량에 따른 TiO2증착거동을 보여주는 그래프,
도17은 본 고안에 따라 맨(bare) 실리콘 위에 TiO2층을 증착한 결과를 보여주는 전자현미경 사진,
도18은 본 고안에 따라 실리콘 나이트라이드가 입혀진 웨이퍼 위에 TiO2+ZrO2층 등을 증착한 결과를 보여주는 전자현미경 사진,
도19는 실시예1의 장치를 이용하여 맨(bare) 실리콘 위에 증착한 PZT층의 전자현미경 사진,
도20은 확산억제수단의 다른 실시예(도7)에서 써셉터 높이에 따른 TiO2증착거동변화를 비교한 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 확산억제수단 3 : 반응실
5 : 서셉터 7 : 원료물질 주입구
9 : 샤워헤드(확산억제가스 주입구) 13 : 관통 구멍
15 : 서셉터 윗면 18 : 배기구
19 : 유통 통로 21 : 혼합부
23 : 확산부 25 : 증착부
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 고안은 화학기상증착 장치는 외부와 격리되어 진공상태를 유지하는 반응실과 상기 반응실 내에 위치되며 기판이 안착되어 그 위에서 막의 증착이 일어나는 서셉터를 포함하여 구성된 화학기상증착 장치에 있어서, 상기 서셉터의 상부에 설치되며 원료물질을 공급하는 하나이상의 원료물질 주입구가 설치되고 그 표면에 다수의 관통 구멍이 형성된 확산억제수단과; 상기 확산억제수단의 바깥쪽으로 확산억제가스를 공급하는 확산억제가스 주입구와; 상기 반응실에서 발생된 배기가스를 배출시키는 배기가스 배기구를 포함하여 구성되어 확산억제수단의 외부로 주입된 확산억제가스가 확산억제수단 바깥쪽으로 원료물질이 확산되는 것을 저지하는 확산억제흐름(가둠흐름)을 형성하여 서셉터 상부의 원료물질 농도를 증대시켜 증착속도를 높일 뿐만 아니라 원료물질이 반응실과 확산억제수단의 내벽에 접촉되지 않도록 함으로써 오염 입자의 생성을 방지하는 것을 특징으로 한다.
본 고안에 따른 상기 확산억제수단은 그 표면에 확산억제가스가 유통할 수있는 다수의 관통 구멍이 형성되어 확산억제가스에 의해 형성된 확산억제흐름이 확산억제수단의 내부로 일정 깊이 유입되어 원료물질이 상기 확산억제수단의 내벽에 접촉되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 확산억제수단은 납작한 돔형, 종형, 삿갓형 등 서셉터의 상부로 원료물질을 가둘 수 있는 형태이고 그 상단에 하나 이상의 원료물질 주입구가 형성되어 있다.
본 고안에 따른 확산억제수단은 원료물질이 주입되는 하나 이상의 원료물질 주입구와 상기 원료물질 주입구를 통해 주입된 원료물질이 혼합되어 하강할 수 있는 형태를 갖는 혼합부와, 하강되는 원료물질이 수평방향으로 확산될 수 있도록 경사관부로 이루어진 확산부 및 상기 확산부를 통해 확산된 원료물질의 농도 등고선이 평평해지도록 충분한 길이를 갖는 수직관부로 이루어진 증착부가 일체로 형성되고 상기 혼합부, 확산부 및 증착부의 표면에는 다수의 관통 구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 원료물질 주입구는 미리 혼합된 주원료물과 보조원료물을 수직방향으로 주입하도록 설치된 하나의 원료물질 주입관이거나 혼합되거나 분리된 다수의 원료물질을 수직방향으로 주입하도록 설치된 다수의 원료물질 주입관이거나 또는 혼합되거나 분리된 다수의 원료물질을 접선방향으로 주입할 수 있도록 설치된 하나 이상의 원료물질 주입관이다.
본 고안의 다른 실시예에 따르면 상기 확산억제수단은 서셉터를 감쌀 수 있는 형태이고 원료물질 주입구에서 주입된 원료물질이 수평방향으로 확산될 수 있도록 경사관부로 이루어진 확산부 및 상기 확산부를 통해 확산된 원료물질의 농도 등고선이 평평해져 증착 균일도가 확보되도록 충분한 길이를 갖는 수직관부로 이루어진 증착부가 일체로 형성되며 상기 확산부와 증착부의 표면에는 다수의 관통 구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 고안에 따라 상기 원료물질 주입구로 주입되는 원료물질은 막 형성에 직접 관여하는 주원료물과 단지 주원료물을 운반하거나 기화시키거나 희석시키는 보조원료물의 혼합물이거나 운반기체가 필요 없는 순수 증기상태의 주원료물인 것을 특징으로 한다.
또한 본 고안에 따른 상기 확산억제가스는 Ar, N2, He, H2,O2중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 고안에 따르면, 반응실 내부를 원료물질의 농도가 높은 안쪽 영역과 원료물질의 농도가 낮은 바깥쪽 영역의 두 영역으로 구분함으로써 적은 양의 원료물질로도 실질적인 원료물질의 농도를 현저히 증대시킬 수 있고, 확산억제수단 외부로 주입되는 확산억제가스의 유량을 적절히 조절하여 확산억제수단의 내벽 등에 원료물질이 증착되거나 응축되어 오염 입자가 생성되는 것은 방지함으로써 막 품질을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 또한 본 고안은 원료물질의 농도를 용이하게 조절할 수 있는 순수한 증기상태의 주원료물을 상술한 확산억제수단의 내부로 주입함으로써 입자오염 없이 두꺼운 막을 신속히 증착시킬 수 있게 된다.
이하, 본 고안에 따른 화학기상증착 장치를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 먼저 도3은 본 고안에 따른 확산억제수단(1)의 가장 바람직한 실시예가 적용된 화학기상증착 장치를 개략적으로 나타낸 단면도로서, 도시된 바와 같이, 서셉터(5)를 감쌀 수 있는 확산억제수단(1)이 반응실(3)의 가운데에 설치되어 있다. 이때 상기 확산억제수단(1)은 그 내부에 증착대상물 또는 기판이 안착되는 서셉터(5)의 윗표면이 위치되도록 반응실(3) 가운데에 놓여있다. 그리고 상기 확산억제수단(1)의 내부에서 발생된 반응가스는 서셉터(5)와 확산억제수단(1) 사이의 배기구(18)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
그리고 상기 확산억제수단(1)의 상단에는 원료물질을 확산억제수단(1) 내로 공급할 수 있도록 하나 이상의 원료물질 주입구(7)가 설치되어 있고 상기 확산억제수단(1)의 전체 표면에는 확산억제가스가 유통할 수 있는 다수의 관통 구멍(13)이 형성되어 있다.
본 고안에 따른 상기 확산억제수단(1)은 내열성과 내염성이 우수한 스테인레스 스틸 등과 같은 금속, 세라믹, 석영, 강화유리 등과 같은 무기재료를 이용하여 만들어질 수 있으며, 그 재질에 따라 스피닝(spinning), 주물, 단조, 성형 등 다양한 방법으로 제작될 수 있다. 그리고 상기 확산억제수단(1)의 표면에 형성된 관통 구멍(13)은 금속의 경우에 드릴링으로 용이하게 뚫을 수 있고 무기재질의 경우에는 주물, 성형공정에서 형성된다. 이때 상기 관통 구멍(13)의 직경과 간격은 확산억제가스가 확산억제수단(1)의 내부로 유입되어 확산억제흐름(가둠흐름)을 형성할 수 있는 크기로 형성된다. 예를 들어, 상기 관통 구멍(13)은 지름 3mm이고, 그 간격은 20mm일 수 있다. 그러나 관통 구멍(13)의 크기 및 배열 구조는 확산억제가스의 확산속도, 유량 및 농도 등 여러 가지 변수에 따라 달라질 수 있으므로 상기한 수치로 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 반응실(3) 상부에는 확산억제가스를 반응실(3) 내부로 공급하기 위한 샤워헤드(9)가 설치되어 있다. 본 고안에서 확산억제가스라 함은 자체적으로 분해되거나 반응물을 만들기 어려운 기체상태의 물질로서, 예를 들어, 운반기체로 사용되는 Ar, N2, He, H2등과 희석을 위해 사용되는 고순도의 Ar, N2, 또는 반응에 참가하긴 해도 자체로는 분해되거나 반응물을 만들기 어려운 O2등을 말한다. 이들 확산억제가스는 분자량이 작아 쉽게 확산되고 진공 펌프의 작용으로 인한 강제순환 영향을 비교적 덜 받으며 반응실 내부 구조물에 증착, 흡착, 기타 표면반응을 일으키지 않는 특성이 있다.
따라서 반응실(3) 내부로 주입된 확산억제가스는 신속히 확산되어 반응실(3) 전체의 확산억제가스 농도를 균일하게 하려고 한다. 이때 반응실(3)의 가운데 쪽으로 원료물질이 주입되게 되면 확산억제가스와 원료물질이 충돌되어 상호확산억제 작용을 일으켜 확산억제가스와 원료물질의 확산이 소정의 경계면에서 억제되게 된다. 이러한 경계면 근처에 본 고안에 따른 확산억제수단(1)을 설치하면 상호확산억제 작용을 보강하고 확산억제가스와 원료물질이 혼합되는 것을 방지하게 된다. 따라서 이 경우 반응실 내부로 주입된 확산억제가스는 먼저 상기 확산억제수단(1)의 표면에 다다른 다음 관통 구멍(13)을 통해 확산억제수단(1)의 내부로 유입되어 상기 확산억제수단(1)의 안쪽에 경계면을 형성하게 된다.
한편, 상기 샤워헤드(9)는 반응실 내에 확산억제가스 흐름(가둠흐름)이 특정한 방향성을 갖도록 하기 위해 샤워헤드(9)에 형성된 유통통로(19)의 간격을 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 샤워헤드(9)의 중심부는 유통통로(19)의 간격을 넓게 하고 가장자리는 그 간격을 좁게 하여 반응실의 바깥쪽과 안쪽에 확산억제가스의 농도차를 둠으로써 확산억제흐름이 바깥쪽에서 안쪽으로 향하도록 한다. 그러나 반응실(3)에 상술한 확산억제수단(1)을 설치하는 경우에는 샤워헤드를 이용하지 않고 반응실의 일측에 설치된 확산억제가스 주입관(도시되지 않음)을 통해 공급하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
그리고 본 고안에 따른 상기 확산억제수단(1)은 도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 서셉터(5)를 완전히 감쌀 수 있는 형태가 바람직하다. 예를 들어, 도4에 도시된 종 또는 삿갓 형태의 확산억제수단(1)은 상부로부터 혼합부(21), 확산부(23) 및 증착부(25)가 일체로 형성되어 원료물질을 신속히 혼합, 확산시킴으로써 동일한 두께의 막을 증착할 수 있게 된다.
즉, 상기 혼합부(21)는 비교적 작은 직경을 갖고 있음으로 원료물질 주입구(7)를 통해 주입된 주원료물과 보조원료물을 좁은 공간에서 신속하게 혼합시킬 수 있다. 또한 혼합부(21)의 표면에 형성된 관통 구멍(13)을 통해 유입된 확산억제가스의 영향으로 원료물질이 혼합부(21)의 중앙부에서 혼합되므로 오염 입자가 생성되지 않게 된다.
그리고 상기 혼합부(21)의 상단에 설치된 원료물질 주입구(7)은 여러 가지 형태를 가질 수 있는데, 예를 들어, 도5에 도시되어 있는 바와 같이, 막 형성에 직접 관여하는 주원료물과 보조원료물을 미리 혼합시키거나, 또는 운반기체의 도움 없는 순수한 증기상태의 주원료물을 하나의 원료물질 주입구(7)를 통해 수직방향으로 주입하는 방식(도5A)과, 혼합되거나 분리된 여러 종류의 원료물질을 다수의 원료물질 주입구(7)를 통해 수직방향으로 주입하는 방식(도5B) 및 혼합되거나 분리된 여러 가지 원료물질을 접선방향으로 설치된 여러 개의 원료물질 주입구(17)를 통해 주입하는 방식(도5C) 등이 있다. 특히, 접선방향으로 주입된 원료물질은 도6에서 보는 바와 같이, 혼합부(21) 내에 맴돌이 현상(사이클론 효과)을 유도하기 때문에 원료물질을 수직방향으로 주입하는 경우보다 진행거리가 길어져 원료물질을 충분히 혼합시킬 수 있는 효과가 있다. 따라서 반응실(3)의 종방향 길이가 짧거나 원료물질이 충분한 진행거리를 필요로 할 경우에는 원료물질을 접선방향으로 주입하는 것이 좋다.
한편, 상기 원료물질 주입구(7)는 보통 안지름이 수mm정도이고 스테인레스 스틸, 테프론, 세라믹, 또는 내부를 별도로 코팅한 관 형상의 튜브, 또는 그 끝부분을 넓어지게 내부를 가공한 튜브의 구조를 갖는다. 그리고 이 원료물질 주입구는 도시되지 않는 버블러, 기화기 등에 연통된다.
다시 도4를 참조하면, 상기 확산부(23)는 그 직경이 하방으로 갈수록 점진적으로 커지는 경사관부로서, 상기 혼합부(21)에서 혼합된 고농도의 원료물질이 수평방향으로 확산되면서 농도 등고선이 평평하게 되는 구간이다. 즉, 도11에서 보는 바와 같이, 혼합부(21)에서 고농도로 존재하던 원료물질이 확산부(23)를 통해 밑으로 내려오는 동안 혼합부의 용적이 점차 커짐에 따라 원료물질이 수평방향으로 확산되어 그 농도가 점차 엷어지게 된다. 이때 상기 확산부(23)의 경사각과 확산부(23)의 높이는 원료물질의 확산속도와 밀접한 관계를 갖는다. 예를 들어, 사용하는 원료물질의 확산속도가 빠르면, 상기 확산부(23)의 경사각이 커지거나 그 높이는 낮아질 수 있다.
이어 증착부(25)에서는 원료물질의 수평방향 농도 등고선이 평탄해져 서셉터 윗면(15)과 평행하게 된다. 따라서 실질적으로 막이 형성되는 서셉터 윗면(15)은 원료물질의 농도가 적당하고 농도 등고선이 충분히 펴진 영역 즉, 수평 균일도가 보장될 수 있는 영역에 위치되어야 한다. 그러므로 상기 증착부(25)는 일정한 직경을 갖고 충분한 높이를 갖는 수직관부로 이루어져 상기 서셉터 윗면(15)이 위치될 수 있는 충분한 영역을 확보하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 증착부(25)의 높이는 반응실의 크기와 배기가스의 원활한 배출을 고려하여 가능한 한 길게 하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 확산억제수단(1)의 표면에 형성된 다수의 관통 구멍(13)은 확산억제수단(1)의 외부로 공급된 확산억제가스의 일부가 확산억제수단(1)의 표면에 대해 수직한 방향으로 확산 가능하도록 한다. 따라서 바깥쪽에서 안쪽으로 확산되는 확산억제가스 흐름에 의해 확산억제수단(1) 내부의 원료물질은 외부로 확산되는 것이 저지된다. 또한 확산억제가스는 안쪽에서 바깥쪽으로 확산되는 원료물질에 의해 일정 깊이 이상 상기 확산억제수단(1)의 내부로 확산되는 것이 억제된다. 이와 같이 확산억제가스와 원료물질는 상호확산억제 작용으로 반응실 내부에 확산억제흐름 또는 가둠흐름을 형성하게 된다.
따라서 확산억제가스 및 원료물질의 유량 및 확산속도를 적절히 조절하면 원료물질을 확산억제수단(1) 표면에 접촉되지 않게 하면서 확산억제수단(1) 내에 가둘 수 있게 된다. 이에 따라 본 고안에 따른 화학기상증착 장치는 반응실 내벽뿐만 아니라 확산억제수단 내벽에서도 오염 입자가 생성되지 않아 증착속도와 수율이 함께 증대되는 것이다.
그러나 본 고안에 따른 확산억제수단은 상술한 형태에 한정되지 않고 원료물질의 특성과 반응실의 여건에 따라 다양한 형태로 적용될 수 있다. 예를 들어, 도7에 도시되어 있는 확산억제수단(1)은 혼합부를 두지 않고 확산부(23)의 경사각을 더욱 크게 한 경우이다. 이것은 원료물질의 확산속도가 매우 커서 별도의 혼합부가 없어도 원료물질이 충분히 혼합할 있는 경우에 가능한 것으로서, 특히 대면적의 증착대상물이나 기판 상에 막을 증착할 때 유리하게 적용될 수 있으며 나머지 부분은 상술한 확산억제수단(1)과 동일하다.
또한 도8에 도시되어 있는 확산억제수단(1)은 혼합부와 증착부를 모두 생략하고 낮은 높이의 돔형 확산부(23)로 구성된 경우이다. 그러나 이 경우에는 반드시 확산억제가스를 샤워헤드(9)를 통해 유입시켜 원료가스의 흐름을 교란시키지 않는 안정적인 확산억제흐름이 형성되도록 하는 것이 필요하다.
따라서 본 고안은 반응실의 가운데 쪽으로 막 형성에 관여하는 원료물질을 공급하는 동시에 반응실의 내벽 쪽으로는 확산억제가스를 공급함으로써 서셉터가 놓이게 되는 반응실 가운데 영역에서의 원료물질 농도가 바깥쪽 영역에서의 원료물질 농도에 비해 수 배 혹은 수십배 이상 높아지도록 한다.
또한 본 고안은 반응실 내로 주입된 원료물질과 확산억제가스의 상호확산억제 작용을 강화시키기 위해 반응실 내에 서셉터를 감싸는 확산억제수단을 설치한 후 상기 확산억제수단의 내부로 원료물질을 공급하는 동시에 상기 확산억제수단의 외부로 확산억제가스를 유입시킨다.
본 고안은 또한 확산억제수단 외부로 주입되는 확산억제가스의 유량을 적절히 조절하여 확산억제수단의 내벽 등에 원료물질이 증착되거나 응축되어 오염 입자가 생성되는 것은 방지하여 막 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
그리고 확산억제수단 내부를 동일한 온도 조건으로 유지시킴으로써 온도 차이로 인한 자연 대류가 발생되지 않을 뿐만 아니라 확산억제가스에 의해 형성되는 확산억제흐름이 일정한 방향성을 갖게 되므로 미세한 온도 차이로 인한 효과를 무시할 수 있게 된다.
결국, 본 고안은 확산억제수단의 구조, 서셉터 윗면이 놓이는 위치, 그리고 확산억제가스의 유량을 적절히 설계하고 원료물질의 혼합, 확산, 배기를 적절히 제어함으로써 증착속도를 현저히 증대시키고 증착 균일도를 최대한 확보하며 입자 오염을 최소화 하는 것이다.
이하에서는 본 고안에 따른 화학기상증착 장치의 구체적인 실시예를 통해 본 고안의 작용 및 효과를 보다 상세히 살펴본다.
실시예1
<화학기상증착 장치의 구성>
본 실시예에서는 서셉터의 지름은 240mm이며, 반응실 진공도는 133Pa인 조건에서 높이가 445mm이고 서셉터 윗표면의 위치가 바닥면으로부터 80mm이며 지름이 300mm인 삿갓형 확산억제수단을 사용하였다. 그리고 운반기체의 도움 없이 순수한 TIP 기체가 확산억제수단 안쪽으로 1×10-6kg/sec로 유입되고, 확산억제수단의 외부로 확산억제가스가 1×10-5kg/sec로 공급되었다. 여기서 상기 순수한 TIP 기체는 액체상태의 금속유기화합물(TIP)을 열 분해가 일어나지 않는 온도로 가열하여 자체 증기압만으로 반응실에 공급되도록 한 것으로서 특히 증착에 소요되는 금속유기화학물의 정량적인 평가가 용이한 특징이 있다.
실시예2
<TiO2증착>
상술한 화학기상증착 장치를 이용하여 TiO2를 증착하였다. 그 이유는 TiO2를 증착하는 데 사용되는 주원료물은 금속유기화합물의 일종인 티타늄이소프로폭사이드(titanium iso-propoxide, TIP, Ti(OC3H7)4))로서 증기압이 높아 적당한 온도로 가열하게 되면, 자체 증기압과 반응실 압력과의 차이로 인해 반응실 안으로 운반기체 도움 없이 기체 상태로 유입될 수 있기 때문이다. 또한 TIP에 대한 물성, 예를 들어, 확산계수, 열전도도, 비열 등을 키네틱 이론(kinetic theory)으로 예측이 가능하게끔 물리적인 가상의 상수, 가령 레너드 존즈 파라미터(Lenard Jones parameter) 등이 잘 알려져 있기 때문이다. 다음 식은 TiO2가 TIP로부터 열분해 반응에 의해 생성되는 반응식을 나타낸 것이다.
TIP → TiO2+ 4C3H6+ 2H2O
이상의 반응식을 근거로 하고, 물리상수를 정의하기 위한 레너드 존즈 파라미터를 도입하였으며, 유체해석 시뮬레이션 프로그램인 플루언트(Fluent)를 써서 증착속도에 대해 해석하였다.
실시예3
도9에 도시된 그래프에서 보는 바와 같이, 실시예1과 실시예2를 통해 증착 균일도가 반지름 100mm 이내에서 ±5% 이내로 확보되는 TiO2막을 증착했다. 이때 반지름 100mm 바깥쪽 영역, 즉 서셉터 윗 표면의 가장자리에서의 증착속도가 갑자기 커지는 것은 이 부근에서 유동의 방향이 급격히 변하게 되어 농도 구배가 보다 가파르게 변하기 때문이다.
실시예4
도10 및 도11은 본 고안의 특징을 나타내기 위한 것으로서 확산억제수단 내부의 원료물질의 속도 및 농도분포를 보여주는 해석 결과들이다. 이때 도10에서 보이는 최고 속도는 1m/sec이었다. 그리고 사진에서 보는 바와 같이, 확산억제수단 바깥쪽에서 안쪽으로 확산억제가스가 유입되는 것(확산억제흐름 또는 가둠흐름)을 확인할 수 있다. 도11은 최고 농도를 0.3으로 하여 50단계로 TIP 질량농도에 대한 등고선을 그린 것을 보여준다. 도11에서 보듯이 확산억제수단 안쪽으로 유입된 확산억제가스는 원료물질 주입구를 통해 들어온 TIP의 혼합부에서의 농도를 크게 떨어뜨리지 않는다. 또한 반응실 내벽 근방에서는 확산억제가스의 흐름(가둠흐름)의영향으로 인해 TIP의 농도가 거의 무시되고, 유동은 확산억제수단 바깥쪽에서 안쪽으로 일정한 방향성을 갖게 되어 반응실 내벽 안쪽 표면에서 원하지 않는 오염 입자가 생성되지 않았다.
또한 확산억제수단의 표면에도 TiO2증착이 일어나지 않았다. 이는 확산억제수단 바깥쪽에서 안쪽으로 향하는 확산억제가스의 유동속도 성분에 TIP의 확산 속도를 더한 알짜 TIP 속도 성분이 항상 확산억제수단의 바깥쪽에서 안쪽으로 향하고 있기 때문이다. 즉, 다음의 도12에서 보듯이 실제 운전에 있어서 TiO2증착 균일도를 ±5% 이내로 확보하는 경우에 선택 가능한 확산억제가스의 유량 범위가 매우 넓기 때문에 알짜 TIP 속도 성분이 확산억제수단의 안쪽에서 바깥쪽으로 존재할 가능성이 없기 때문이다. 예를 들어, TIP의 유량을 1×10-6kg/sec로 할 때, 확산억제가스는 대략 2×10-6∼20×10-6kg/sec로 TIP 유량의 2∼20배에 해당되다. 따라서 확산억제가스의 유량을 대략 TIP유량의 20배 이내로 잡으면 확산억제가스의 유동의 속도보다 TIP의 확산속도가 커질 가능성이 없게 되어 확산억제수단의 내벽에 TiO2가 증착되는 것을 방지할 수 있다.
실시예5
도12는 실시예1의 장치에 순수한 TIP 기체를 확산억제수단 안쪽으로 1×10-6kg/sec 만큼 공급하면서 확산억제가스의 유량 변화에 따른 TiO2증착 거동 변화를보여주는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 확산억제가스의 유량이 증가하면 확산억제효과(가둠흐름효과) 즉, TIP를 확산억제수단 안쪽 영역에 잡아두려는 효과가 두드러져 대략 20×10-6kg/sec 까지의 유량에서는 서셉터의 반지름 방향으로 비교적 균일한 증착속도를 보임과 동시에 증착속도도 전체적으로 증가하는 것을 볼 수 있었다. 그러나 확산억제가스의 유량이 대략 100×10-6kg/sec 이상에서는 TIP가 반응실의 중앙부로 지나치게 몰리게 되어 기판의 가운데에서는 증착속도가 높고 바깥쪽에서는 현저하게 떨어지는 현상을 발견할 수 있었다.
실시예6
도13은 TiO2증착에 있어서 주원료물인 TIP의 입력질량분율-여기서는 TIP입력질량을 총입력질량으로 나눈 것-에 대해 종래기술과 본 고안이 증착속도에 끼치는 영향을 서로 비교한 것을 보여준다. 도면에서 보는 바와 같이, TIP의 모든 입자질량분율에 대해 본 고안(■●◆)이 종래의 고안(□○◇)의 경우보다 더 큰 증착속도를 보임을 알 수 있었다. 예를 들어 TIP 입력질량분율이 10%일 때 본 고안(●)의 경우는 종래의 방식(○)에 비해 약30%이상, 입력질량분율이 1%일 때는 본 고안(◆)의 경우가 300% 이상 빠른 속도로 증착이 되는 것을 볼 수 있었다.
실시예7
도14는 반응실 진공도에 따른 TiO2증착 거동을 보여주는 그래프이다. 도면에서 보는 바와 같이, 증착속도는 반응실 압력이 증가하면서 점차 증가하다가 대략133Pa에서 최대치를 보이고 이후 점차 감소하게 된다. 그리고 증착속도가 최대치를 보이는 133Pa 근방의 진공도에서는 도15에서 보듯이 진공도에 크게 민감하지 않음을 알 수 있었다. 이는 실제 양산과 관련하여 어떤 특정한 진공도에서 운전할 때 진공도 변화에 대해 많은 여유가 있음을 보여준다.
실시예8
도16은 본 고안에 따른 확산억제수단을 이용할 경우 원료물질의 공급량을 증대시킴으로써 증착 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있음을 보여주는 그래프이다. 예를 들어 확산억제수단 안쪽으로 운반기체의 도움 없는 순수한 TIP기체를 유입시키는 경우 TIP 입력 유량의 증가에 비례해서 TiO2의 증착속도가 증가하는 것을 볼 수 있다. 특히, 운반기체의 도움 없이 TIP를 유입하는 것은 그 유입량을 증가시키는 것이 매우 용이하므로 높은 증착속도를 원할 때에 효과적으로 적용될 수 있다.
실시예9
도17은 실시예1의 장치를 이용하여 맨(bare) 실리콘 위에 증착한 TIO2층의 전자현미경 사진이다. 반응실의 진공도는 133Pa이었으며 증착두께는 약8㎛로서 증착속도는 20㎛/hr이었다. 이 결과는 본 고안의 가장 큰 특징인 높은 증착속도를 잘 보여주고 있다.
그리고 도18은 실시예1의 장치를 이용하여 TiO2+ZrO2층을 실리콘 나이트라이드가 미리 얇게 입혀진 웨이퍼 위에 증착하고, 이후 전극인 Ni을 별도의 물리적 증착방법으로 형성하고 이 전극층 위에 실시예 1의 방법으로 PZT층을 증착한 것을 보여주는 전자현미경 사진이다. 이 사진에서 볼 때 TiO2+ZrO2층의 두께는 약5㎛이며, PZT층의 두께는 약3㎛이었다.
이러한 높은 증착속도 특성을 활용하면, 본 고안은 초소형정밀기계시스템(MEMS, Micro-Eletro Mechanical System)에서 두꺼운 막을 필요로 하는 각종 액츄에이터, 센서 등에서 탄성기판, 구동체, 감지체 구조물 제작에 널리 활용될 수 있다. 예를 들면, 잉크젯 프린터헤드 제작에 있어서 탄성체 및 PZT 등의 압전구동체를 라미네이팅 방법이 아닌 증착의 방법으로 증착할 수 있게 되며, 그 두께에 있어서도 기존의 스퍼터링, 솔젤, MOCVD 방법으로는 구현하기 힘든 3㎛이상의 막을 증착할 수 있을 뿐만 아니라 기존의 스크린 프린팅, 그린쉬트(green sheet)방법으로는 구현하기 힘든 10㎛이하의 막을 형성할 수 있다는 뚜렷한 장점이 있는 것이다.
실시예10
도19는 실시예1의 장치를 이용하여 맨(bare) 실리콘 위에 증착한 PZT층의 전자현미경 사진이다. 반응실의 진공도는 200Pa이었으며 증착두께는 약6㎛로서 증착속도는 6㎛/hr이었다. 이 결과는 증착에 의해 얻은 PZT 막의 두께로 가장 두꺼운 범위에 속하는 것을 보여준다.
실시예11
도20은 본 고안의 다른 실시예로서, 도7에 도시되어 있는 혼합부를 갖지 않는 확산억제수단을 이용한 증착 결과를 보여주는 그래프이다. 본 실시예에서 확산억제수단의 총높이는 300mm이고 나머지 조건은 실시예1의 경우와 동일하였다. 도면에서 보듯이 증착속도는 상당히 증가하였으나 증착 균일도가 다소 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이것은 확산억제수단의 길이를 충분히 길게 하여 원료물질의 농도 등고선을 평평하게 하는 것이 증착 균일도 확보에 유리하다는 것을 의미한다. 따라서 확산억제수단의 길이는 시스템의 구조적인 효율성과 증착 균일도의 만족이라는 두 가지 관점에서 신중히 결정되어야 할 것이다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 고안은 확산억제가스를 반응실 내로 주입하여 원료물질을 막 증착이 이루어지는 반응실의 가운데 쪽으로 가둘 수 있는 확산억제흐름(가둠흐름)을 형성함으로써 종래의 화학기상 장치와 비교하여 원료물질의 사용량을 늘리지 않으면서도 실질적으로 원료물질의 농도를 증대시켜 증착속도를 향상시킬 뿐만 아니라 원료물질이 반응실 내벽에 접촉되지 않아 오염 입자가 생성되지 않는 효과가 있다.
또한 본 고안은 반응실 내에 서셉터를 감쌀 수 있는 형태이며 확산억제가스의 유통이 가능하도록 다수의 관통 구멍이 형성된 확산억제수단을 더 설치하고 확산억제수단의 바깥쪽으로 공급된 확산억제가스가 확산억제수단의 안쪽으로 일부 유입되도록 그 유량 또는 확산속도를 조절하여 원료물질과 확산억제가스의 상호확산억제 작용을 보강하는 동시에 확산억제수단의 표면으로부터 오염 입자가 발생되는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 고안은 또한 반응실 내에 온도차에 의한 자연 대류를 방지하고 원료물질의 혼합 및 확산을 신속하고 원활하게 유도하는 확산억제수단을 설치함으로써 공정의 반복성 및 재현성을 높이고 증착 균일도가 향상되는 효과가 있다.
본 고안은 종래 기술에 따른 화학기상증착 장치에 비해 원료물질의 손실 없이 막이 증착되는 반응실 가운데 쪽의 원료물질 농도를 현저히 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 고농도의 원료물질 주입에 따른 오염 입자의 생성을 완전히 차단할 수 있으므로 초소형 정밀기계시스템(MEMS) 등에서 필요로 하는 3㎛이상의 두꺼운 막을 효과적으로 증착할 수 있게 된다.

Claims (11)

  1. 외부와 격리되어 진공상태를 유지하는 반응실과 상기 반응실 내에 위치되며 기판이 안착되어 그 위에서 막의 증착이 일어나는 서셉터를 포함하여 구성된 화학기상증착 장치에 있어서,
    상기 서셉터의 상부에 설치되며 원료물질을 공급하는 하나 이상의 원료물질 주입구가 설치되고 그 표면에는 다수의 관통 구멍이 형성된 확산억제수단과;
    상기 확산억제수단의 바깥쪽으로 확산억제가스를 공급하는 확산억제가스 주입구와;
    상기 반응실에서 발생된 배기가스를 배출시키는 배기가스 배기구를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 확산억제수단은 상기 원료물질 주입구를 통해 주입된 원료물질이 혼합되어 하강할 수 있는 형태를 가지는 혼합부와, 하강되는 원료물질이 수평방향으로 확산될 수 있도록 경사관부로 이루어진 확산부 및 상기 확산부를 통해 확산된 원료물질의 농도 등고선이 평평해지도록 충분한 길이를 갖는 수직관부로 이루어진 증착부가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원료물질 주입구는 미리 혼합된 주원료물과 보조원료물을 수직방향으로 주입하도록 설치된 하나 이상의 튜브형 원료물질 주입구인 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원료물질 주입구는 혼합되거나 분리된 다수의 원료물질을 접선방향으로 주입할 수 있도록 설치된 하나 이상의 튜브형 원료물질 주입구인 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터의 윗면을 확산억제수단의 밑바닥 면으로부터 일정한 거리만큼 떨어뜨려서 확산억제수단의 내부에 위치시키는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배기구는 확산억제수단과 서셉터 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 확산억제수단은 상기 혼합된 원료물질이 수평방향으로 확산될 수 있도록 경사관부로 이루어진 확산부 및 상기 확산부를 통해 확산된 원료물질의 농도 등고선이 평평해지도록 충분한 길이를 갖는 수직관부로 이루어진 증착부가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 확산억제수단은 낮은 높이의 돔형 확산부로 이루어진 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 원료물질은 막 형성에 직접 관여하는 주원료물과 단지 주원료물을 운반하거나 기화시키거나 희석시키는 보조원료물의 혼합물인 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 원료물질은 운반기체가 필요 없는 순수 증기상태의 주원료물인 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
    한다.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 확산억제가스는 Ar, N2, He, H2,O2중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치.
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