KR20070035864A

KR20070035864A - 원자층 증착 장치

Info

Publication number: KR20070035864A
Application number: KR1020050090756A
Authority: KR
Inventors: 박진성; 안택; 서민철
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-04-02
Also published as: KR101065312B1

Abstract

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 플렉시블 평판 표시장치용 기판에 박막의 무기물 층을 연속적으로 형성할 수 있는 원자층 증착장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이를 위하여, 본 발명은, 챔버 내로 서로 다른 적어도 2종류의 반응가스가 분사되고, 서로 분리되어 있는 적어도 두개의 반응챔버와, 상기 각 반응챔버들에 후속하여 위치하고, 상기 각 반응챔버들에 인접하며, 챔버 내로 불활성가스가 분사되며, 상기 반응챔버들과 분리되어 있는 적어도 두개의 퍼지챔버와, 플렉시블한 롤상의 기판을 상기 반응챔버들과 퍼지챔버들을 그 배치된 순서에 따라 순차로 통과시키도록 하는 기판 공급부를 포함하는 원자층 증착장치를 제공한다.

Description

원자층 증착 장치{Apparatus for depositing an atomic layer}

도 1은 본 발명의 원자층 증착장치가 수행하는 ALD방법의 공정단계를 순차로 도시한 블럭도,

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 ALD장치의 개략적인 단면도,

도 3은 도 2의 챔버들 중 제1반응챔버(21)의 측단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10: 플렉시블 기판 20: 유지챔버

21: 제1반응챔버 22: 제1퍼지챔버

23: 제2반응챔버 24: 제2퍼지챔버

30: 기판 공급부 32: 주게 롤러

33: 감게 롤러 41: 제1인젝터

42: 제2인젝터 43: 제3인젝터

50: 가스 펌프

본 발명은 원자층 증착 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 공정의 진행을 빠르게 할 수 있는 인라인형 원자층 증착장치에 관한 것이다.

원자층 증착방법(atomic layer deposition, 이하 ALD방법이라 함)은 반응가스들을 시분할로 주입하면서 표면반응을 통해 박막을 형성시키는 방법으로, 우수한 도포성과 균일성을 보이는 증착방법이다.

미국 공개 특허 20040026374호, 및 미국 등록 특허 제6821563호에는 복수개의 챔버를 이용해 ALD공정을 수행하는 장치가 개시되어 있다.

그런데, 이러한 종래의 ALD 장치는 웨이퍼에 박막을 증착하는 공정을 염두에 두고 개발되어진 것으로, 복수개의 반응챔버를 원형으로 배치하여 원형으로 배치된 반응챔버에서 연속적으로 공정을 수행하도록 되어 있거나, 개별 낱장의 기판이 복수개의 반응챔버를 지나가도록 구비되어 있다.

따라서, 이러한 종래의 ALD 장치로는 플렉시블한 디스플레이를 제조할 경우와 같이, 일반 기판을 적용하여 양산하기 어려운 한계가 있다. 즉, 일반 플렉시블 디스플레이용 기판의 경우, 플라스틱제 롤링 필름을 사용할 수 있는 데, 이러한 롤링 필름을 적용할 수 없는 한계가 있다.

또한, 유기 발광 표시장치와 같이, 기판 자체의 내투습성 및 내투산소성을 높은 수준으로 요구할 경우, 전술한 종래의 ALD 장치는 반응가스의 공급 방향으로 가스의 토출이 이뤄지도록 구비되어 편면 성막이 되도록 구비되어 있어, 상기 내투습성 및 내투산소성이 떨어지는 한계가 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 챔버 내로 서로 다른 적어도 2종류의 반응가스가 분사되고, 서로 분리되어 있는 적어도 두개의 반응챔버와, 상기 각 반응챔버들에 후속하여 위치하고, 상기 각 반응챔버들에 인접하며, 챔버 내로 불활성가스가 분사되며, 상기 반응챔버들과 분리되어 있는 적어도 두개의 퍼지챔버와, 플렉시블한 롤상의 기판을 상기 반응챔버들과 퍼지챔버들을 그 배치된 순서에 따라 순차로 통과시키도록 하는 기판 공급부를 포함하는 원자층 증착장치를 제공한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 원자층 증착장치(이하, "ALD장치"라 함)가 수행하는 ALD방법의 공정단계를 순차로 도시한 것이다.

도 1에서 볼 수 있듯이, 먼저, 플렉시블한 기판을 반응 챔버 내에 삽입하고(S1), 챔버 내로 제 1 반응원을 피딩하여 제 1 물질층을 화학적 증착의 방법으로 형성한다(S2). 그 후 챔버 내의 제 1 반응원을 제거하는 제 1 퍼지단계(S3)를 거친 후, 챔버 내에 제 2 반응원을 피딩하여 이미 형성된 제 1 물질층과 제 2 반응원이 반응을 일으키도록 하여 제 1 물질층을 변화시켜 원하는 성분의 원자층 박막을 형성한다(S4). 그리고 제 1 물질층과 반응하지 않은 잔존 제 2 반응원이나 반응하여 생성된 부산물을 제거하는 제 2 퍼지단계(S5)를 추가적으로 거칠 수 있다. 예컨대 알루미늄 옥사이드(Al2O3)로 만들어진 원자층 박막을 형성할 경우에는, 먼저 트리메틸 알루미늄(TMA: Al(CH3)3)막을 증착한 후 수증기 또는 오존 등을 피딩하여 열처리를 행함으로써 트리메틸 알루미늄막을 알루미늄 옥사이드막으로 변환시켜 원자층 박막을 형성할 수 있다.

이렇게 제1피딩단계, 제1퍼지단계, 제2피딩단계, 및 제2퍼지단계의 사이클을 1회 또는 수회 반복 실시하여 원자층 박막의 두께를 조절할 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 ALD장치의 개략적인 단면도이고, 도 3은 도 2의 챔버들 중 제1반응챔버(21)의 측단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 ALD장치는 제1반응가스를 분사하는 제1반응챔버(21), 제1반응챔버(21)에 후속하여 위치하고, 불활성가스를 분사하는 제1퍼지챔버(22), 제1퍼지챔버(22)에 후속하여 위치하고, 제2반응가스를 분사하는 제2반응챔버(23), 및 제2반응챔버(23)에 후속하여 위치하고, 불활성가스를 분사하는 제2퍼지챔버(24)가 연속하여 배치되어 있다. 제1반응챔버(21)에서 도1에서 볼 수 있는 제1피딩단계(S2)를 수행하고, 제2퍼지챔버(22)에서 제1퍼지단계(S3)를 수행하며, 제2반응챔버(23)에서 제2피딩단계(S4)를 수행하고, 제2퍼지챔버(24)에서 제2퍼지단계(S5)를 수행한다.

본 발명에 있어, 이들 제1반응챔버(21), 제1퍼지챔버(22), 제2반응챔버(23), 및 제2퍼지챔버(24)는 도 2에서 볼 수 있듯이 인라인(in-line)상으로 연결되어 있다. 그리고, 제1반응챔버(21), 제1퍼지챔버(22), 제2반응챔버(23), 및 제2퍼지챔버(24)가 순차로 연결되어 제1챔버군(Ⅰ)을 형성하고, 이 제1챔버군(Ⅰ)에 인접하여 역시 제1반응챔버(21), 제1퍼지챔버(22), 제2반응챔버(23), 및 제2퍼지챔버(24)가 순차로 연결된 제2챔버군(Ⅱ) 및 동일한 구조의 제3챔버군(Ⅲ)이 순차로 연결될 수 있다. 이러한 챔버군은 기판 및 성막 조건에 따라 다양한 개수를 배치할 수 있다.

각 챔버들에는 플렉시블한 기판(10)이 관통하여 지나갈 수 있도록 개구(25)가 형성되어 있고, 개구(25) 사이사이에는 롤상의 기판(10)을 지지하는 롤러(31)들이 설치될 수 있다.

이러한 챔버들을 플렉시블한 롤상의 기판(10)이 관통한다. 이 기판(10)으로는 플라스틱 필름 뿐 아니라, 금속제 호일 등 모든 종류의 플렉시블한 기판이 적용 가능하다.

롤상의 기판(10)은 기판 공급부(30)에 의해 챔버들을 순차로 통과하는 데, 기판 공급부(30)는 챔버들의 끝나는 위치에 구비되는 감게 롤러(33)와, 챔버들의 시작 위치에 구비되는 주게 롤러(32)로 구비될 수 있다. 증착 시작단계인 로딩단계(S1)에서 감게 롤러(33)는 기판(10)의 선단에 위치하는 피더(11)를 감으면서 기판(10)을 잡아당겨 챔버들을 통과시키고, 주게 롤러(32)는 롤상의 기판(10)을 장착한 후 연속하여 풀어준다.

이러한 기판 공급부(30) 및 챔버들은 유지챔버(20)내에 장착되어 있으며, 유지챔버(20)는 증착 조건에 따라 양압, 음압 또는 대기압이 걸리도록 조절될 수 있 다. 그리고, 비록 도면으로 도시하지는 않았지만, 상기 각 챔버들(21)(22)(23)(24)은 별도의 가열장치를 구비해 증착 조건을 조절할 수 있다. 상기 주게롤러(32) 및 감게 롤러(33)는 유지챔버(20)의 외측에 구비되어 있을 수 있으며, 유지챔버(20)에는 개폐도어를 설치하여 기판(10)이 지나가도록 할 수 있다. 그리고, 유지챔버(20)와 주게롤러(32) 및 감게 롤러(33)의 사이에는 다른 처리 챔버를 더 배치하여 연속적으로 다수의 공정이 수행되도록 할 수 있다.

한편, 상기 각 챔버들(21)(22)(23)(24)의 상단에는 각 가스를 분사하는 가스 인젝터들(41)(42)(43)이 연결되고, 하단에는 각 가스를 배출해내는 가스 펌프(50)가 연결된다.

즉, 제1가스 인젝터(41)는 제1반응챔버(21)에 설치된 제1노즐(51)에 연결되고, 제2가스 인젝터(42)는 제1퍼지챔버(22) 및 제2퍼지챔버(24)에 설치된 제2노즐(52) 및 제4노즐(54)에 각각 연결되며, 제3가스 인젝터(43)는 제2반응챔버(23)에 설치된 제3노즐(53)에 연결된다.

제1가스 인젝터(41)는 제1반응가스를 제1노즐(51)을 통해 제1반응챔버(21)로 분사한다. 제3가스 인젝터(43)는 제2반응가스를 제3노즐(53)을 통해 제2반응챔버(23)로 분사한다. 그리고, 제2가스 인젝터(42)는 N2, H2, Ar과 같은 불활성 가스를 제1반응챔버(21)와 제2반응챔버(23)의 사이 및 제2반응챔버(23)의 후단에 위치한 제1퍼지챔버(22) 및 제2퍼지챔버(24)에 분사한다.

가스 펌프(50)는 각 노즐(51)(52)(53)(54)이 설치된 반대측에 연결되어 진공형성으로 각 챔버(21)(22)(23)(24)내의 가스를 배출시킨다. 도 2에서는 각 챔버 (21)(22)(23)(24)가 하나의 가스 펌프(50)에 연결되어 배출되는 것으로 도시되었으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되지 않으며, 각 챔버(21)(22)(23)(24)가 별도의 가스 펌프에 각각 연결되어 있을 수 있다.

본 발명에 있어서, 이처럼 각 챔버들(21)(22)(23)(24)의 상단에 가스 인젝터들(41)(42)(43)을 연결하고, 하단에 각 가스를 배출해내는 가스 펌프(50)가 연결함으로써, 각 챔버들(21)(22)(23)(24) 내에서 가스의 흐름은 도 2에서 볼 수 있듯이, 일방향으로 흐를 수 있게 된다.

이상 설명한 것은 서로 다른 2종류의 반응가스를 이용하여 원자층 증착을 행하는 ALD 장치를 나타낸 것이나, 본 발명은 반드시 이에 한정되지 않으며, 3종류 이상의 반응가스를 이용하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있다. 예컨대, 3종류의 서로 다른 반응가스를 이용하여 원자층 증착을 행할 경우, 상기 제2퍼지 챔버(24)와 제1반응챔버(21)의 사이에 제3반응챔버 및 제3퍼지챔버를 더 배치하면 된다.

다음으로, 상기와 같은 구성의 ALD 장치의 작용을 설명한다.

먼저 로딩단계(S1)에서, 롤상의 플렉시블한 기판(10)을 주게 롤러(32)에 장착하고, 기판(10) 선단의 피더(11)를 감게 롤러(33)에 연결한 후, 기판 공급부(30)를 가동한다.

다음으로, 제1인젝터(41), 제2인젝터(42), 및 제3인젝터(43)를 통해 제1반응가스, 불활성가스, 및 제2반응가스를 각각 제1반응챔버(21), 제1,2퍼지챔버(22)(24), 및 제2반응챔버(23)에 분사한다. 그리고, 가스 펌프(50)를 가동하여, 가스가 도 2에서와 같이, 위에서 아래를 향해 흐르도록 한다.

이 상태에서 기판(100)은 제1반응챔버(21)를 거치면서 기판 표면에 제 1 물질층을 화학적 증착의 방법으로 형성하고(S2), 그 후 제1퍼지챔버(22)를 거치면서 미반응 제1반응가스나 부산물등을 제거하는 제 1 퍼지단계(S3)를 거친다. 다음, 제2반응챔버(23)를 거치면서 기판 표면에 이미 형성된 제 1물질층과 제2반응가스가 반응을 일으키도록 하여, 제1물질층을 변화시켜 원하는 성분의 원자층 박막을 형성하고(S4), 그 후 제2퍼지챔버(24)를 거치면서 미반응 제2반응가스나 부산물등을 제거하는 제 2 퍼지단계(S5)를 거친다.

이러한 단계는 제2퍼지챔버(24) 다음에 위치한 제2챔버군(Ⅱ) 및 제3챔버군(Ⅲ)을 거치면서 반복 수행되고, 이에 따라, 원하는 두께의 원자층 박막을 형성할 수 있게 된다.

도 3은 제1반응챔버(21)를 통과하는 기판(10)의 상태를 도시한 것으로, 각 챔버 내에서 반응가스가 기판(10)을 둘러싸는 모습을 나타낸 것이다. 이처럼, 반응가스는 기판(10)을 둘러싸고 흐르기 때문에, 원자층 박막은 기판(10)의 표면을 둘러싸도록 형성된다.

이러한 본 발명에 따른 ALD 장치는 플렉시블한 표시장치의 기판으로 사용될 수 있는 데, 전술한 바와 같이, 인라인상으로 형성함에 따라, 공정 시간을 현저히 단축시킬 수 있고, 생산성을 증대시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 각 챔버들을 인라인상으로 배치함으로써 롤상의 플렉시블한 기판에 원자층 박막을 성막하기 쉽다.

둘째, 각 챔버내에서 반응가스가 일방향으로 흐르도록 함으로써, 기판을 둘러싸도록 성막이 가능해, 기판의 베리어특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

셋째, 롤상의 플렉시블한 기판을 공급함으로써, 공정 시간을 현저히 단축시킬 수 있고, 생산성을 증대시킬 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

챔버 내로 서로 다른 적어도 2종류의 반응가스가 분사되고, 서로 분리되어 있는 적어도 두개의 반응챔버;

상기 각 반응챔버들에 후속하여 위치하고, 상기 각 반응챔버들에 인접하며, 챔버 내로 불활성가스가 분사되며, 상기 반응챔버들과 분리되어 있는 적어도 두개의 퍼지챔버; 및

플렉시블한 롤상의 기판을 상기 반응챔버들과 퍼지챔버들을 그 배치된 순서에 따라 순차로 통과시키도록 하는 기판 공급부;를 포함하는 원자층 증착장치.
제1항에 있어서,

상기 서로 다른 종류의 반응챔버들과, 상기 각 반응챔버들에 후속하여 배치되는 퍼지챔버들이 하나의 챔버군을 형성하고, 상기 챔버군이 인라인상으로 복수개 배설된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
제1항에 있어서,

상기 기판 공급부는,

상기 반응챔버들과 퍼지챔버들의 외측 일측에 위치하여 상기 롤상의 기판을 상기 반응챔버들 및 퍼지챔버들로 공급하는 주게 롤러; 및

상기 반응챔버들과 퍼지챔버들의 외측 타측에 위치하여 상기 반응챔버들 및 퍼지챔버들을 통과한 롤상의 기판을 감는 감게 롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 각 챔버들의 상단에는 각 가스를 분사하는 가스 인젝터가 연결되고, 하단에는 각 가스를 배출해내는 가스 펌프가 연결된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.