KR20090031496A - 박막의 대면적 다층 원자층 화학 기상 공정을 위한 장치 및방법 - Google Patents

Abstract

대면적 고속 원자층 화학 기상 공정을 위한 장치 및 방법이 제공되며, 여기서 반응 가스들 및 불활성 가스들 흐름은 공정 챔버의 주변에 배치된 다수 개의 복합 노즐들로부터 그와 동축으로 실장된 회전식 원통형 서셉터쪽으로 연속적으로 번갈아 유도된다. 일 실시예에서, 공정 반응기는 네 개의 복합 주입부들을 포함하고, 상기 복합 주입부들은 원통형 서셉터의 회전축에 대해 실질적으로 평행하다. 다른 실시예에서, 서셉터 단면은 다각형이며, 상기 서셉터 면에 다수 개의 기판들이 실장된다. 반응기는 단일 원자층 정밀도 및 고속 화학 기상 공정 모드로 다수 개의 평면 또는 가요성 기판들을 가공하기 위해 구동될 수 있다. 본 발명의 원자층 화학 기상 공정 시스템은 주입된 반응 화학 전구체 하류의 사용되지 않은 부분을 포착하기 위한 준비부를 더 포함한다.

원자층 증착, 서셉터, 주입부, 전구체, 복합 노즐

Description

박막의 대면적 다층 원자층 화학 기상 공정을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR LARGE AREA MULTI-LAYER ATOMIC LAYER CHEMICAL VAPOR PROCESSING OF THIN FILMS}

본 출원은 2005년 2월 26일 등록된 미국 가출원 60/656772의 우선권을 주장하며, 상기 가출원은 여기서 참조로서 동봉된다.

본 발명은 서로 다른 물질들로 구성된 다층 박막들을 위한 화학 기상 공정을 하나의 원자층 정밀도(atomic layer precision)로 하기 위한 장치 및 방법의 분야에 속한다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 특히 반도체 소자, 대면적 박막 광학 태양 전지(large area thin film photovoltaic solar cells), 가요성 디스플레이(flexible displays) 및 연료 전지용 촉매 전극을 제조하기 위해 가요성 기판(flexible substrate)상에 다층 박막들을 하나의 원자층 정밀도로 고속으로 가공하는 것에 관한 것이다.

박막 공정은 마이크로 전자 소자, 광전 및 광학 소자(optoelectronic and photonic devices), 박막 광학 태양 전지, 광 코팅 등과 같은 여러 차세대 소자(advanced devices)를 제조하는 데 있어서 핵심 부분을 형성한다. 이러한 모든 응용에서, 규모의 경제(economics of scale)를 이루기 위해서는, 일정한 대면적 공 정 균일도 및 높은 공정 속도가 중요하다. 현재, 금속, 반도체 및 절연체의 박막을 증착하는 산업에서는, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 및 물리 기상 증착(physical vapor deposition, PVD)과 같은 다양한 박막 증착 기술들이 사용되고 있다. 상기 기술 및 그와 관련한 박막 증착 기술은 용제 의존적(flux dependent)이다. 따라서, 대면적의 기판상에서 매우 바람직한 박막 균일도를 이루기 위해, 장치 디자인 및 그 구동에 있어서 해결해야 할 과제가 있고, 더 많은 비용이 들 수도 있다. 비록, 상기 기술들에 의해, 분당 수십 나노미터부터 수백 나노미터까지 이르는 고속으로 박막들을 증착할 수 있긴 하나, 막 두께의 높은 균일도 및 초미세의 좁은 기하학적 특징을 가진 박막들을 고 품질 및 정각도로(conformal) 증착할 수가 없다는 단점이 두드러진다. 이는 기판의 면적이 커질수록 달성하기가 매우 어렵다.

일반적인 박막 증착 기술의 이러한 문제점들은, 해당 분야에서 원자층 증착 소위 ALD(atmomic layer deposition)라고 알려진 박막 증착 공정이 최근 등장하면서 대부분 제거되었다. 상기 원자층 증착은 1970년대 중반 발명되었으나, 최근까지도 마이크로 전자 공학 소자를 제조할 때는 사용되지 않고 있었다. ALD는 CVD가 변형된 것이다. 화학 흡착(chemisorption)이라는 잘 알려진 원칙에 기반을 둔 ALD 공정은 반응 가스 분자로 고 부착성 단층(monolayer)을 형성하는 것으로, 자기제한적(self limiting)이며, 기판의 면적에도 의존하지 않는다. 또한, 일반적으로, ALD 박막은 정각도이며, 이는 심지어 기판 표면 형상(surface morphology)의 초미세의 깊은 기하학적 형태에서도 그러하다. 이러한 점은 다양한 차세대 소자 공정을 위해 매우 강력하게 필요한 특성이다. 일반적인 ALD 공정에서, 반응 가스들 중 물리 흡착된 과잉의 가스 분자들 및 반응 부산물들은 불활성 가스 펄스(inert gas pulse)에 의해 기판의 근방으로부터 제거된다. 모든 가스들은 차례로 주입되어 전체 기판 표면상에 확산됨으로써, 증착되어야 할 박막의 단층을 형성한다. 기판은 적합하게 가열되어 있거나, 필요한 구동 에너지를 다른 방식으로 공급받아, 화학 흡착의 전체 반응 및 화학 반응에 영향을 주어, 박막이 제조된다. 따라서, 일반적으로 ALD 공정은 두 개의 불활성 가스 펄스들을 포함하여 네 개의 펄스들로 구성된다. 네 개의 가스 펄스들의 전체 진행 순서는 사이클 방식으로 소기의 막 두께가 형성되도록 단층 정밀도(monolayer precision)로 반복된다. 일반적인 ALD 공정은 아래의 반응식 1에 도시된 바와 같은 일반 화학 반응(generic chemical reaction)으로 개략적으로 나타난다.

ALD 공정 시, 상기 기재된 반응식 1에 따른 반응에서, 불활성 가스(P)의 제2 펄스는 Ax₂ 타입류(type species)의 화학 흡착된 단층을 기판의 표면상에 형성하는 역할을 하고, 이는 By₂ 라는 반응 가스류와 반응하여 AB라는 단층(monolayer)을 형성한다. 불활성 가스(P)의 제4 펄스는 반응 부산물(by-product) xy 및 다른 과잉의 By₂를 제거한다. 상기 기재된 반응식 1에 따른 반응에서, 불활성 가스 펄스는, 기판 표면으로부터 과잉의 반응체 Ax₂를 제거하기 위해 공정 챔버를 간단히 배기화(evacuation)하는 것으로 대체될 수 있다. 그러나, 불활성 가스의 충돌(impingement)에 의해, 모멘텀(momentum)이 부여됨으로써, 기판의 근방으로부터 과잉의 반응 가스 Ax₂(그리고 By₂ 및 전체 화학 반응의 부산물-xy)가 제거되는 효율이 개선된다. 더욱이, 불활성 가스는 전체 화학 반응에 활성으로 참여하지 않는다.

ALD 공정을 실시하는 또 다른 방법은, 챔버내에서 불활성 가스의 일정한 유동을 유지하고, 반응 가스 펄스를 인가할 때, 상기 불활성 가스와 충분한 시간 주기(time span)를 두는 것이다. 이와 동시에, 불활성 가스의 제2 펄스 또는 제4 펄스 또는 둘 다를 제거하는 것(또는 심지어 불활성 가스 펄스들 대신에 적용된 단순한 배기화 단계)은 전체의 반응 기제(reaction mechanism)를 ALD 타입에서 고속 CVD 타입으로 변환시킬 것이다. 네 개의 펄스들을 포함하는 전체 공정은 단층 증착 공정으로서 적합하게 표현되었어야 했다. 그러나, 원자층 증착은 그 시작부터 널리 보급되어 수용되어 왔다. ALD 공정에 대한 토대 및 기본적인 반응기 하드웨어(reactor hardware)는 선톨라 외(Suntola et al.)의 미국 특허 제 4,058,430에 기재되어 있으며, 이는 본 상세 사항에서 참조로서 동봉된다.

실질적으로, 일반적인 ALD 공정은 종래의 CVD 공정에 비해 상당히 오래 걸리는데, 그 이유는 ALD 공정은 하나의 ALD 공정 사이클이 완료되기 위한 시간에 매우 의존하기 때문이다. ALD에서 일순환시 사이클 시간(cycle time)은, ALD 반응기 내 의 가스 체류 시간(및 비-난류성(non-turbulent) 가스 유동)에 의존하며, 또한, 가스 펄싱 장치(gas pulsing mechanism) 및 예컨대 고속 스위칭 밸브(fast switching valves)와 같은 하드웨어의 구동 속도, 이들의 효율성, 신뢰성 그리고 유효 수명(useful lifetime)도 매우 중요한 인자들이다. ALD 반응기는 반응기 부피, 구동 압력 및 가스 유속(gas flow rate)에 의존하는데, 1 제곱 미터 정도로 측정되는 큰 기판을 위한 ALD 반응기 내에서 가스 체류 시간은, 겨우 1 ㎚/min의 증착률을 얻기까지 수 초에 이를 수도 있다. 따라서, 큰 면적의 기판에 ALD를 실질적으로 적용하는 것은 수십 나노미터 또는 그 이하의 값을 가지는 매우 얇은 박막에만 제한된다. 이러한 상황은 배치 공정(batch processing)을 채용함으로써 부분적으로 개선될 수 있다. 그러나, 배치 공정은 기판 후측 증착(substrate backside deposition), 비교적 큰 부피 및 기판 로드-언로드 시간(load-unload time)과 같은 다양한 인자들 때문에 바람직하지 않을 수 있다. 따라서, 산업 경향은 더 작은 부피를 가진 ALD 반응기, 단일 기판형 또는 미니 배치형(mini-batch)(배치당 4개 또는 5개의 기판) ALD 반응기를 선호해왔다. 그러므로, 효율적인 ALD 반응기 구동을 위해, 소기의 사용에 최적화된 해결책을 얻기 위한 바람직한 선택은 상기의 모든 인자들의 득실(pros and cons) 및 ALD 사이클 시간에 미치는 상기 인자들의 영향을 비교함으로써 이루어진다.

기판에서 후측 증착을 차단할 수 있는 다중 웨이퍼 배치 공정은 실리콘 소재의 에피택시얼(epitaxial) 박막 및 GaAs 등과 같은 복합 반도체 박막(compound semiconductor) 분야에서 보급되어 왔다. 이러한 목적을 위한 가장 성공적인 반응 기 구성 중 하나는 배럴(barrel) 타입 반응기로서, 상기 반응기내에서 다수 개의 기판들이 사다리꼴 형태의 고체 서셉터(solid susceptor)의 면에 실장되어 있다. 서셉터는 외부 램프와 같은 수단 또는 유도 가열 장치에 의해 가열될 수 있다. 반응 가스들은 일반적으로 상부에서부터 주입되어 배럴 바닥부에서 배출되기 전에 기판들상에서 유동한다. 이 때, 배럴 내에서, 고체 서셉터상에 실장된 기판들은 상기 서셉터의 수직 축을 중심으로 회전될 수 있다. 다중 웨이퍼 배럴 CVD 반응기 구성은, 수평의 CVD 반응기가 90˚로 터닝(turing)하여, 중심 축을 중심으로 다수 개로 구성되는 가장 기본적인 수평형 CVD 반응기 구성이 단순히 확장된 형태이다. 이러한 두 개의 반응기 구성은 젠슨 및 케른(Jensen and Kern)의 박막 공정(Ⅱ) 296-299쪽; 보센 및 케른(J.L.Vossen and W. Kern)(eds.), 학술지, 뉴욕, 1991에 기재되어 있으며, 이는 본문에서 참조로서 동봉된다. 배럴 CVD 반응기 구성은 작은 면적 기판에 유용하긴 하나, 기판 표면에 대해 실질적으로 평행한(길이 방향인) 내부 가스 유동 장치(internal gas flow mechanism) 때문에 비효율적인 것으로 고려된다. 이러한 유동 구조는 유로 길이를 길게 하여 사이클 시간이 길어지도록 한다. 이러한 점은 CVD 타입 공정을 위해 더 적합할 수 있다. 미국 특허 제 5,458,725에 기재된 장치는 다수 개의 튜브로 구성되고, 상기 튜브들은 다각형의 고정식 서셉터에 대해 평행하게 배치되는 개구들(apertures)을 각각 가지는데, 상기와 같은 튜브로부터 나온 가스는 고정식 서셉터에 대해 실질적으로 평행한 방향으로 유도되어, 서셉터에 장착된 기판상에서 입자들의 침전이 줄어든다. 미국 특허 제 5,716,484에는 그와 유사하게 다수 개의 수직형 튜브들로 된 장치가 기재되어 있고, 상기 튜브 들은 일련의 개구들을 포함하며, 상기 개구들은 다각형의 고정식 서셉터 주변에 배치된 각 튜브의 세 측면에 구비된다. 상기 튜브로부터의 유동은 배럴의 내부 표면을 스위핑(sweeping)하며 고정식 서셉터상에 충돌하여, 배럴 내의 가스가 소용돌이 유동하게 되고 입자가 감소된다.

다양한 ALD 반응기 디자인들은 전체 ALD 공정을 가속화하기 위해 미니 배치 구성으로 기판들의 동시적인 여러 공정들을 채용하며 도입되어 왔다. 김 외(Kim et al.)의 미국 특허 제 6,306,216에는 다수 개의 기판들의 동시적 공정들을 위한 ALD 장치가 기재되어 있다. 최근, 다수 개의 웨이퍼 상에 가스를 빠르게 확산시키기 위한 다수 개의 선형 주입부들(linear injectors)이 구비되는 다중 웨이퍼 연속 유동식 ALD 반응기 구성이 미국 특허 제 6,821,563, 제 6,576,062 및 제 6,634,314에 기재되었다. 여기서 상기 웨이퍼는 중앙 축을 중심으로 회전하며, 다수 개의 주입부들로부터 상기 웨이퍼로 가스 유동이 이루어진다. 모든 이러한 미니 배치형 ALD 반응기 구성에 있어서, 다수 개의 기판들은 수평면에서 회전하는 플랫폼(platform)상에 배치되고, 회전하는 동안 선형 주입부들 하부에서 스캐닝(scanning)된다. 연속 유동식 다중 기판 ALD 반응기 구성의 경우, 베델 외(Bedair et al.)는 증착율 2.0 micron/h.(~30 nm/min.)로 구동하는 GaAs 원자층 에피택시 공정의 결과를 1993년 5월 10일자의 응용 물리학지(Applied Physics Letter) 62호 19장에 공개하였다. 이러한 ALD 반응기 구성에서, 다수 개의 기판들은 수평면에서 회전하는 서셉터상에 배치되고, 원형 챔버내에서 동축으로 실장되는데, 상기 챔버는 다시 석영 칸막이들(partitions)에 의해 6개의 동일한 칸으로 나누어진다. 상기 챔버에는 두 개의 반응체 유입구들 및 하나의 불활성 가스 유입구가 제공된다. 회전식 서셉터상에 실장된 다수 개의 정사각형 형태의 기판들은 상기 반응체 및 불활성 가스에 번갈아 노출되며 ALD 사이클을 마치게 된다. 또한, 회전식 판들위에 실장된 선형 주입부들을 포함하는 다중 웨이퍼 ALD 반응기 구성 및 GaAs 박막층을 위한 원자층 에피택셜층 공정은 국제 광전자 공학회(SPIE)(1992) 1676장 20쪽의 리우 외(Liu et al.)의 글에 기재되어 있다. 수평 컨베이터 벨트 구성으로 연속 유동식 박막 CVD 공정을 하기 위해 외부 배기 포트(port)내에 배치된 다수 개의 선형 주입부들을 포함하는 층류 차단부(laminar flow block)를 사용하는 것은 미국 특허 제 5,683,516 및 제 6,521,048에 기재되어 있다.

연속 유동식 ALD 반응기 구성이 제공하는 몇 가지 이점들에는, 고속 스위칭 밸브(fast switching valves)를 이용하여 가스의 연속 분사(sequencing of gases)의 복잡한 장치를 제거하는 것 및 잠재적으로 높은 쓰루풋(throughput)이 있다. 그러나, 다중 웨이퍼 ALD 반응기 구성으로 실현될 수 있는 이득은 대부분 제한적일 수 있는데, 그 이유는 반응기 부피가 기판의 전체 면적에 비례하여 증가하여, 전체 ALD 사이클이 느려지고, 그 결과로서 증착률(deposition rate)도 낮아지기 때문이다. 또한, 기판을 로딩 및 언로딩하는 데 필요한 시간도 고려되어야 한다. 상기 시간은 효율적인 쓰루풋에 부정적인 영향을 미친다. 또한, 배치형 ALD 장비의 경우, 풋 프린트(foot print)는 제공되는 기판의 수와 함께 증가하는데, 이점은 신중히 고려해야할 인자이다. 더욱이, 상기와 같은 반응기가 공급할 수 있는 기판들은 평면만 되는 경우가 많다.

최근, 낮은 결함 빈도(defect density) 및 대면적 균일도를 가진 박막들을 제공하기 위한 ALD 공정의 본래 장점들은 박막 광학 태양 전지에서 층들을 제조할 때 사용되어 왔다. 기으모 외(Guillemole et al.)는 일본 응용 물리학 저널(Japanese Journal of Applied Physics) 40호(2001) 6065-6068쪽에서 ALD에 의해 증착된 인듐 황화물(In₂Se₃) 완충층들(buffer layers)을 이용하는 구리 인듐 디셀러나이드(CIGS) 태양 전지들의 경우, 그 효율을 13.5%로 보고하였다. 나하비 외(Naghavi et el.)는 프로그래스 인 포토볼테익스(Progress in Photovoltaics) 연구&개발 11호(2003) 437-443쪽에서 ALD에 의해 증착되는 30 nm의 인듐 황화물(In₂Se₃) 완충층을 포함하는 구리 인듐 디셀러나이드 태양 전지의 효율을 16.4%로 보고하였다. 오테이크 외(Ohtake et al.)는 일본 응용 물리학 저널 34호(1995) 5949-5955쪽에서 구리 인듐 디셀러나이드 태양 전지를 위한 100 nm 두께의 아연 셀러나이드(ZnSe) 완충층의 증착에 있어서, 그 구동 효율을 11%로 보고하였다. 그러나, 근래 들어, 태양 전지 효율을 현저히 높이기 위한 목적으로 주 흡수층(main absorber layer)을 제조할 때 ALD가 사용되는 경우가 많아지고 있다. 요한슨 외(Johansson et al.)는 물질 화학 저널(Journal of Materials Chemistry) 12호(2002) 1022-1026쪽에서, 전구체(precursor)로서 Cu(thd)₂[thd: 2,2,6,6,-tetramethyl-3,5,heptanedione] 및 H₂S를 채용하는 구리 황화물층을 증착하기 위한 ALD 공정을 기재하였다. 125-160℃의 온도 범위에서 증착율은 약 0.03 nm/cycle이다. 최근, 나누 외(Nanu et al.)는 화학 기상 증착법 10호(2004) 1장 45-49쪽에서 구리 인듐 황화물(CuInS₂) 박막들을 증착하기 위한 ALD 공정의 결과를 기재하였다. ALD 공정을 위해 채용된 전구체는 구리 염화물(CuCl), 인듐 3염화물(InCl₃) 및 H₂S 이며, 기판들은 유리, 주석 산화물 코팅된 유리 및 나노 다공성(nanoporous) TiO₂ 코팅된 유리이며, ALD 공정 온도는 350-500℃의 범위이다. 그러나, 막 증착률은 8 s/cycle보다 크며, 이러한 점은 약 수 미크론(micron) 두께의 흡수층을 증착하는 데 실질적으로 사용되는 경우에, 약간 느린 것이다.

근래 들어, 로쉐즌 외(Roscheisen et al.)의 미국 특허 공개 2005/0186338에는 가요성 기판상에 표면 처리를 하기 위한 ALD 장치가 기재되어 있으며, 상기 기판은 육각형 서셉터를 중심으로 코일 형태로 만곡되어 있다. 새저 외(Sager et al.)의 미국 특허 공개 2005/0186342에는 가요성의 긴 기판상에 구리 인듐 갈륨 셀러나이드(CIGS) 흡수층을 증착하기 위한 장치 및 ALD 공정이 기재되어 있는데, 상기 기판은 육각형의 고정식 서셉터를 중심으로 코일형태로 되어 있으며, 상기 코일의 인접 굴곡부들(adjacent turns)은 서로 접촉하지 않는다. 모든 불활성 가스들 및 반응 가스들은 바닥부의 공통 유입구를 통과하여 ALD 챔버로 주입된다. 상기와 같은 ALD 시스템 구성의 목적은, ALD 사이클에서 반응체로 사용되는 기판 표면 면적을 대규모로 측정하여, 더 작은 기판위에서 ALD 사이클을 가속화하는 어떤 수치(measure)보다도 높은 쓰루풋을 달성하기 위함이다. 그러나, 상기와 같은 ALD 시스템은 기판을 로딩-언로딩할 때의 길어진 시간, 가스 주입과 관련한 비가요성 및 실질적으로 더 길어진 펄스 폭이라는 문제에 부딪힐 것이다. 상기 펄스 폭은 사이 클 시간을 수 분 범위로 길어지게 한다. 약 수 미크론 두께의 태양광 흡수층(solar absorber layer)을 위해 상기와 같은 공정 시스템은 완전히 적합하지 않을 수 있다.

따라서, 큰 면적의 가요성 기판들을 현저하게 높은 사이클 속도로 ALD 및/또는 CVD 모드로 가공할 수 있는 원자층 화학 기상 공정 장치 및 상기 장치를 사용하여, 높은 균일도, 높은 정확도 및 막 두께의 높은 제어도를 포함하는 서로 다른 박막들을 가공하고 전체 공정에서 이들을 조합하는 것이 매우 필요하다는 것이 분명해진다. 이러한 목적을 달성하는 독창적인 장치 및 방법은 본 명세서에서 상세하게 설명될 것이다.

종래 기술에 대한 기재 내용을 고려하여, 본 발명은 대면적 기판들상에 고속으로 원자층을 가공하는 장치의 다양한 구성들 및 가요성 기판상에서 다층 박막들을 증착하기 위해 상기와 같은 구성을 구동하는 방법을 기재한다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 장치는 고속으로 구동할 수 있고, 가능한 풋 프린트 또는 물리적 공간을 최소화하여, 단일 또는 다수 개의 기판들을 균일하게 가공할 수 있다. 본 발명의 관점에서, 원자층 화학 기상 공정(atomic layer chemical vapor processing, ALCVP)이란 용어는 일반적으로 세 개의 공정들을 포함하는데, 말하자면 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD), 원자층 에칭(atomic layer etching, ALET)-이는 등방성 또는 비등방성으로 될 수 있다- 및 원자층 표면 개질(atomic layer surface modification, ALSM)이다.

따라서, 몇 개의 실시예들에 따른 본 발명은 원자층 화학 기상 공정(ALCVP) 반응기를 제공하고, 상기 반응기는 실질적으로 원통형인(cylindrical) 챔버를 포함하고, 상기 챔버 내에 실질적으로 원통형인 서셉터가 동축으로 실장되어 있어서, 그 사이에는 고리 형태의 갭(gap)이 정의된다. 가요성 직사각형 기판은 서셉터상에 랩핑(wrapping)되어, 서셉터의 원주(circumference)를 덮게 된다. 가요성 기판은 서셉터와 직접적으로 열 접촉하고 있다. 기판의 길이는 서셉터의 원주와 실질적으로 동일하며, 기판의 폭은 서셉터의 폭과 실질적으로 동일하다. 몇 개의 실시예들에서, 상기 독창적인 ALCVP 반응기는 고정식 저항 히터(resistance heater)를 더 포함하고, 상기 히터는 서셉터 하측에 배치된다. 히터에 공급되는 전기 에너지는 축 방향으로 실장된 서셉터의 할로우 샤프트(hollow shaft)를 관통하는 히터 전력 공급 케이블로부터 제공된다. 일 실시예에서, 서셉터의 할로우 샤프트의 개방된 말단은 다른 회전식 진공 밀봉(vacuum seal) 내에서 고정식 진공 피드-쓰루 커넥터들(vacuum feed-through connectors)로 둘러싸이며, 상기 커넥터들은 히터 전력 공급 케이블과 외부 전력원(power source)사이에서 전기적 접촉을 형성한다. 선택적으로, 장방형(longitudinal) 광학 히터는 외부 챔버벽에 실장되어 상기 챔버 벽내에 설치된 투명 창(window)을 통해 기판에 라디에이션(radiation)을 전달할 수 있다. 기판을 가열하는 두 개의 모드에서, 내부의 고정식 비접촉형 온도 프로브들(probes)은 서셉터 캐비티내에 실장되어 서셉터의 온도 균일도를 감시하고, 닫힘 루프(closed-loop) 방식으로 서셉터 온도를 제어할 수 있다. 비접촉형 온도 프로브들은 고정식 진공 피드-쓰루에 의해 연결되어 닫힘 루프 온도 제어를 용이하게 할 수 있다. 여기에 기재된 실시예에서, 공정 시 기판이 가공되는 영역은 상기 기판을 둘러싸도록 적응된다. 기판 가공 영역으로 개방된 로딩-언로딩 포트는 상기 기판을 기판 가공 영역으로 삽입하거나 그 영역으로부터 빼내기 위해 제공된다. 또한, 기판을 로딩하거나 언로딩하고, 공정 시 상기 로딩-언로딩 포트를 닫는 문(door)이 제공된다. 또한, 상기 문은 닫힘 위치의 상기 챔버에 진공 밀봉을 제공하도록 적응될 수 있다. 바람직하게는, 기판 가공 영역은 가스 주입 영역과 서셉터 사이에 배치되어, 공정 시 기판을 지지한다. 이러한 실시예에서, ALCVP 반응기는 상기 원형 챔버 내에 실장되는 적어도 하나의 복합 노즐을 포함한다. 상기 복합 노즐은 챔버의 원주상에서 서셉터의 회전축에 대해 실질적으로 평행하게 실장된다. 복합 노즐은 적어도 하나의 외부 배기부내에 또는 그에 근접하여 실장되는 단일 또는 다수 개의 내부 선형 주입부들을 포함한다. 각 내부 선형 주입부는 일측에 다수 개의 개구들을 포함하며, 상기 개구들은 자체로부터 기판쪽으로 가스가 발산되도록 유도한다. 내부 선형 주입부는, 그 일측이 닫혀 있고 다른 반대측에는 가스 유입구(gas inlet)가 구비되거나, 양측이 닫혀있고, 그 중앙에 가스 유입구가 구비될 수 있다. 내부 선형 주입부는 예컨대 질량유량계(mass flow controller, MFC)와 같은 제어식 및 계측식 가스 소스(gas source)에 연결된다. 복합 노즐 내에 실장되는 내부 선형 주입부의 길이는 서셉터의 폭과 실질적으로 동일하다. 장치가 구동하는 동안, 가스는 내부 선형 주입부로부터 기판쪽으로 유도되어, 서셉터의 폭을 덮게 되고, 그와 동시에 외부 배기 포트(exhaust port)는 기판의 표면으로부터 과잉의 (화학 흡착되지 않거나, 반응하지 않은) 가스를 모은다. 가스가 내부 선형 주입부로부터 흘러나옴과 동시에 복합 노즐의 외부 배기 포트에 의해 모이는 동안, 서셉터는 그 축을 중심으로 회전하여, 가스에 의한 기판의 커버리지(coverage)가 순차적으로 이루어진다. 서셉터 표면(각은 서셉터 표면에 대해 수직인 내부 선형 주입부로부터의 가스 유동 방향에 의해 형성됨)에 대한 가스 유동의 정렬(alignment)이 단순히 기울어진 내부 선형 주입부에 의해 바뀔 수 있는 것과 같은 편향을 상쇄시키기 위해, 회전하는 실린더에서의 가스의 유동이 회전 방향으로부터 편향된다는 것은 잘 알려져 있다. 복합 주입부의 외부 배기 포트는 게이트 밸브(gate valve)에 연결되고, 상기 게이트 밸브는 다시 조절 밸브(throttle valve)에 연결된다. 조절 밸브는 반응 가스/화학 증기 모집 트랩(collection trap)에 의해 예컨대 진공 펌프와 같은 진공원(vacuum source)에 연결되고, 상기 모집 트랩은 ALCVP 반응기내에 주입되어 있는 사용되지 않은 화학적 전구체/가스를 모은다.

바람직한 실시예에서, ALCVP 반응기는 챔버의 원주 상에 실장되어 상기 챔버의 축에 대해 실질적으로 평행한 네 개의 복합 노즐들을 포함한다. 복합 노즐들은 차례로 배치되어, 두 개의 인접한 복합 노즐들 사이의 각도 분리(angular separation)는 실질적으로 동일하다. 또한, 챔버는 챔버의 원주로부터 방사형으로 내측 방향으로 연장되는 네 개의 직사각형 유동 분할판들(flow partitioning plates)을 제공한다. 각 유동 분할판은 챔버의 원주를 따라 두 개의 인접한 복합 노즐 사이 공간에 배치된다. 더욱이, 각 유동 분할판은 벨로즈(bellows)상에 실장되어, 상기 분할판의 하부 에지와 기판 표면 사이의 간격은 원하는 대로 조절될 수 있다. ALCVP 반응기의 구동시, 제1 복합 노즐은 제1 반응 가스(A)를 주입하고, 그와 동시에 상기 기판 표면으로부터 과잉의 또는 화학 흡착되지 않은 가스(A)를 모은다. 제2 복합 노즐은 기판상에 불황성 가스(P)를 주입시켜, 기판 표면으로부터 화학 흡착되지 않은(과잉의) 반응 가스(A)를 상기 불활성 가스(P)와 함께 모아 제거시킨다. 제3 복합 노즐은 제2 반응 가스(B)를 주입시키고, 상기 기판으로부터 화학 흡착되지 않은 제2 반응 가스(B)를 모은다. 제4 복합 노즐은 불활성 가스(P)를 기판상에 주입시키고, 그와 동시에 제1 반응 가스(A)와 제2 반응 가스(B) 사이의 원자층 공정 반응의 반응 부산물 및 불활성 가스(P)를 모은다. 네 개의 복합 노즐들이 연속적으로 구동하는 동안, 동축으로 실장된 서셉터에 장착되는 기판의 연속적 회전에 의해, 기판 표면에는 제1 반응 가스(A), 불활성 가스(P), 제2 반응 가스(B) 및 불활성 가스(P)를 포함하는 가스 반응 공정이 순차적으로 진행됨으로써, 하나의 원차층 화학 기상 공정 순서가 완료된다. 소기의 두께를 가진 박막을 가공하는 것은 소정의 회전수로 기판을 회전시킴으로써 달성된다. 제1 및 제2 복합 주입부들의 배기 포트들은 공통의 파이프(pipe)에 연결되고, 상기 파이프는 제1 게이트 밸브에 연결된다. 제1 게이트 밸브는 제1 조절 밸브에 연결되고, 상기 제1 조절 밸브는 제1 화학 응착/모집 트랩에 의해 다시 진공 펌프(vacuum pump)에 연결된다. 그와 유사하게, 제3 및 제4 복합 주입부들의 외부 포트들은 공통 파이프에 연결되고, 상기 공통 파이프는 제2 게이트 밸브에 연결된다. 제2 게이트 밸브는 제2 조절 밸브에 연결되고, 상기 제2 조절 밸브는 제2 화학 응착/모집 트랩에 의해 다시 진공 펌프에 연결된다.

다른 실시예에서, ALCVP 반응기는 네 개의 복합 노즐들을 포함하고, 이 때 제1 복합 노즐 및 제3 복합 노즐은 적어도 두 개의 내부 선형 주입부들을 각각 포함하고, 각각의 내부 선형 주입부는 별도의 제어식 및 계측식 반응 가스 공급부에 연결된다. 복합 노즐들은 차례로 배치되고, 두 개의 인접한 복합 노즐들 사이의 각도 분리는 실질적으로 동일하다. ALCVP 반응기는 네 개의 직사각형의 유동 분할판들을 포함한다. 복합 노즐들 중 어느 하나에 공급될 반응 가스들은 복합 노즐 내에서 서로가 임의적으로 반응하지 않는 것으로 선택한다. 그러나, 이러한 반응 가스들은 다른 복합 노즐에 공급될 반응 가스에 대해 집단적으로 반응한다. ALCVP의 이러한 실시예에서, 제1 복합 노즐은 제1 반응 가스(A) 및 제3 반응 가스(C)를 채용하고; 제2 복합 노즐은 불활성 가스(P)를 채용하고; 제3 복합 노즐은 제2 반응 가스(B)와 제4 반응 가스(D)를 채용하며, 제4 복합 노즐은 불활성 가스(P)를 채용한다. ALCVP 반응기의 이러한 특정한 구성에서, 제1 원자층 화학 기상 공정 순서는, 제1 반응 가스(A), 불활성 가스(P), 제2 반응 가스(B) 및 불활성 가스(P)(예컨대: A, B, P, P)를 포함하며, 구동 시, 상기 순서는 서셉터가 회전되면서 시작되어, 필요한 모든 복합 노즐에 기판이 순차적으로 노출되도록 한다. 제1 원자층 화학 기상 공정 순서는, 제3 반응 가스(C), 불활성 가스(P), 제4 반응 가스(D) 및 불활성 가스(P)(예컨대: C, P, D, P)를 포함하는 제2 원자층 공정 순서이후에, ALCVP 반응기로부터 기판을 제거하지 않은 채로, 진행된다. 대안적으로, 모든 반응 가스들 A, B, C, D로부터 유도된 요소들을 포함하는 다양한 화합물(composition)의 박막이 가공될 수 있다. 또한, 공정 시, 상기 막의 화합물은 하나 이상의 반응 가스의 유동을 단순히 적합하게 조절(또는 필요시 오프(off)로 전환)함으로써 인시튜(in-situ)로 변경될 수 있으며, 상기 가스들은 A, B, C, D를 포함한 그룹으로부터 선택된다. 또한, 소정의 회전수만큼 기판이 회전하는 동안, 반응 가스들 A, B, C, D의 유동을 온 앤 오프(on and off)로 적절하게 전환시키면서, (AB)_m-(CD)_n-(AB)_o-(CD)_p...(여기서, m,n,o,p는 모두 정수이다)를 포함하는 교호 이중층 구조(alternating double layer)가 가공될 수 있다.

다른 실시예에서 ALCVP 반응기는 네 개의 복합 노즐들 및 네 개의 직사각형의 유동 분할판들을 포함한다. 복합 노즐들은 차례대로 배치되고, 두 개의 인접한 복합 노즐들 사이의 각도 분리는 실질적으로 동일하다. 제1 복합 노즐의 내부 선형 주입부는 독립적으로 제어되는 별도의 반응 가스 공급부에 연결되고, 상기 반응 가스들은 A₁, A₂ 및 A₃라는 기호로 표시된다. 제2 복합 노즐의 내부 선형 주입부는 불활성 가스(P)에 연결된다. 제3 복합 노즐의 내부 선형 주입부는 독립적으로 제어되는 별도의 반응 가스 공급부에 연결되며, 상기 반응 가스들은 B₁, B₂ 및 B₃라는 기호로 표시된다. 제1 그룹의 반응 가스들 A₁, A₂ 및 A₃은, 이들이 각각 임의적으로 반응하지 않는 것으로 선택된다. 또한, 제2 그룹의 반응 가스들 B₁, B₂ 및 B₃도 각각 임의적으로 반응하지 않는다. 그러나, 제1 그룹의 반응 가스들은 제2 그룹의 반응 가스에 대해 매우 반응적이며, 이러한 점은 ALCVP 타입 공정을 실행하는 데 매우 바람직하다. ALCVP 반응기의 이러한 실시예에서, 모든 여섯 개의 요소들 A₁, A₂, A₃, B₁, B₂ 및 B₃를 포함하는 화합물의 박막은 모든 여섯 개의 요소들의 상대적 농도를 서로 다르게 하여 가공될 수 있다.

다른 실시예에서, ALCVP 반응기에는 불활성 가스를 공급하는 두 개의 복합 노즐들을 포함하여 여섯 개의 복합 노즐들이 제공되며, 상기 노즐들은 원형 챔버내의 챔버 축에 대해 실질적으로 평행하게 실장된다. 또한, ALCVP 반응기에는 네 개의 유동 분할판들이 제공된다.

ALCVP 반응기의 대안적인 실시예에서, 서셉터의 단면은 다각형이고, 바람직하게는 각 면이 사다리꼴과 같이 형성되는 8각형이다. 상기 서셉터는 실질적으로 원형인 원자층 공정 챔버 내에서 동축으로 실장된다. 또한, 서셉터의 각 사다리꼴면은 적어도 하나의 기판을 홀딩하기 위한 준비부를 포함한다. 서셉터의 기하학적 형상을 제외하면, ALCVP 반응기 구성의 상세 사항은 상기 기재된 바람직한 실시예와 유사하다. ALCVP 반응기의 구동 시, 서셉터는 축을 중심으로 회전하며, 반면 반응 가스들 및 불활성 가스들은 모든 복합 노즐들로부터 흘러나와, 소기의 순서대로 가스에 의해 기판의 커버리지가 완료될 수 있다. 상기 서셉터상에는 다수 개의 개별 기판들이 실장되어 있다. 박막을 소기의 두께로 가공하는 일은, 소정의 회전수에 의해 달성된다. 또한, 사다리꼴 서셉터의 각 면은 챔버의 수직 축에 대해 예각을 형성하는데, 이는 서셉터 회전시 기판의 홀딩(holding)을 용이하게 하기 위함이다. 경사진 서셉터의 구성을 위해, 모든 복합 노즐들은 수직과 동일한 각도에서 실질적으로 경사지게 실장되고, 따라서 서셉터의 표면에 대해서는 실질적으로 평행하다.

본 발명의 다른 실시예에서, 적어도 두 개의 원통형 서셉터들은 직사각형 형태의 챔버내에 실장된다. 가요성 금속 벨트는 기판 홀더(substrate holder)로서 채용되고, 상기 홀더는 서셉터와 직접적으로 열 접촉되어 있다. 적어도 하나의 가요성 기판은 기판 홀더상에 실장된다. 각각의 원통형 서셉터는 하부에 동심원적으로 실장되는 고정식 히터를 더 포함한다. 추가적으로, 두 개의 장방형 고정식 히터들은 두 개의 원통형 서셉터들에 의해 정의되는 공간에 배치되어 기판을 가열한다. 네 개의 복합 노즐들은 직사각형 챔버의 주변 및 서셉터의 근방에 배치되고, 장치의 구동 시, 내부 선형 주입부는 가스를 기판쪽으로 유도하여, 기판폭을 실질적으로 덮도록 한다. 상기 내부 선형 주입부는 일측을 따라 다수 개의 개구들을 포함하며, 상기 복합 노즐들 내에 실장된다. 그와 동시에, 복합 노즐의 외부 배기 포트는 기판에 닿은 후, 기판의 근방에서 과잉의 가스를 모으며, 이 때 가요성 금속 벨트에 장착된 기판은 적어도 하나의 원통이 회전하면서 움직이게 된다. 네 개의 복합 노즐들이 설치되는 순서는, 기판의 회전 방향으로 제1 반응 가스(A), 불활성 가스(P), 제2 반응 가스(B) 그리고 불활성 가스(P)이다. 소기의 원자층 화학 기상 공정 순서는, 모든 복합 노즐이 구동하는 동안 기판이 회전되면서 실시된다. ALCVP 반응기의 이러한 특정한 실시예에서, 대안적으로, 가요성 금속 벨트는 슬리브(sleeve) 형태로 제공될 수 있는 가요성 기판으로 완전히 대체될 수 있다. 상기 기판은 원통형 서셉터상에서 직접적으로 회전될 수 있다. 소기의 막 두께는 소정의 회전수로 단순히 회전하는 기판에 의해 가공될 수 있다.

상기에 기재된 것과 같은 ALCVP 반응기의 구성에서, 가요성 기판은 서셉터에 고정된 한 쌍의 세라믹 말단 커넥터들(end connectors)을 이용하여 서셉터위에서 고정되고 회전될 수 있다. 또한, 기판들은 슬리브형태의 서셉터상에 실장될 수 있다. 대안적으로, 기판은 진공 흡입(vacuum suction) 또는 정전기 척(electrostatic chuck)을 채용하여 서셉터상의 위치에 유지될 수 있거나, 홈이 파인 캐비티내에 실장될 수 있다. 다각형 서셉터의 경우, 기판은 다각형 서셉터의 면위의 경사진 지점의 리세스내에서 유지될 수 있다. 또한, 기판을 제 위치에 홀딩하기 위해 핀들(pins)이 채용될 수 있다. 기판 물질은 금속 코팅된 플라스틱, 스테인리스강, 알루미늄, 몰리브데늄(molybdenum) 또는 다른 금속의 적합한 합금에서 선택되나, 이것에만 한정되지는 않는다. 실리콘, 복합 반도체, 석영 유리 또는 소다 유리는 기판 물질로 적합할 수 있다. 상기 복합 반도체는 예컨대 탄화 규소, 갈륨 비화물, 갈륨 질화물 웨이퍼가 있다.

따라서, 여기에 기재된 가요성 기판 공정의 다양한 구성은, 정밀하게 제어되는 화합물의 박막들을 가공하기 위해 채용된다. 이 때 상기 막 화합물은 소기의 막 두께에 의해 인시튜로 동적으로 변경될 수 있다. 이는 특히, 그래이디드 밴드 갭 태양 전지(graded band gap solar cells); 다중 접합 박막 태양 전지; 정밀하게 맞춰진 화합물을 이용하는 대면적 촉매 코팅, 정밀한 인터페이스 엔지니어링 및 대면적 기판상의 다층 박막 광학 코팅을 제조하는 데 유용하다. 더욱이, 기판 가공은 현저히 높은 속도의 원자층 공정 모드 또는 현저히 높은 속도의 화학 기상 공정 모드로 달성될 수 있다. 원자층 모드로 박막을 가공하는 속도는 서셉터의 회전율에 매우 의존한다. 고속 모드(high rate mode)에서 박막 가공하는 속도는 서셉터의 회전율, 기판쪽으로의 반응 가스 유동율 및 기판 온도에 의존한다. 따라서, 본 발명에 따른 장치의 구성은 대면적 가요성 기판뿐만 아니라 작은 부피 및 작은 풋 프린트내의 다수 개의 기판들에서 진행되는 원자층 공정을 현저히 가속화한다. 많은 실시예들에서 본 발명에 따른 ALCVP 장치는, 서셉터의 회전축이 바닥면(ground plane)에 평행하도록 한다. 그러나, 주지할 것은, 기판이 서셉터상에 랩핑되어 홀딩되므로, 서셉터 회전축의 어떤 다른 적합한 방향 설정은 장치의 구동을 위해 동일하게 효율적일 것이라는 것이다. 광학 태양 전지 및 다른 응용들에 있어서, 다중층의 그래이디드(graded) 다중 화합물 박막 물질을 증착하기 위한 화학 공정 및 상기 장치의 구동은 다양한 도면에 의거하여 이하에서 상세하게 설명된다.

도 1은 종래 기술에 따른, 다수 개의 기판들상에 박막을 증착하기 위해 사용되는 다중 웨이퍼 배럴 CVD 반응기의 개략도를 도시한다.

도 2a는 종래 기술에 따른, 네 개의 튜브 주입부들을 포함하는 다수 기판 회전식 판들 ALD 반응기의 개략적 단면도를 도시한다.

도 2b는 도 2a에 도시된 것과 같은 다수 기판 회전식 판들 ALD 반응기의 상면도로, 기판과 관련한 튜브 주입부들의 배치를 도시한다.

도 3a는 종래 기술에 따른, 컨베이터 벨트에서 그 하측이 옆으로 이동하는(traversing) 일 열의 가열된 기판들상에서 박막을 화학 기상 증착하기 위해 채용되는 병렬식 선형 주입 슬롯 시스템(linear injector slot system)을 개략적 단면도로 도시한다.

도 3b는 종래 기술에 따른, 다수 개의 근접 이격된 일 세트(set)의 대안적 병렬식 주입부들을 채용하는 ALD 시스템을 개략적 단면도로 도시하되, 상기 주입부들이 반응 가스(A), 불활성 가스(P) 및 반응 가스(B)를 주입시키며, 그 각각은 박막 원자층 증착을 위해 채용되는 공통의 배기부에 연결되어, A, P, B 및 P의 ALD 순서를 완료하는 것을 도시한다.

도 4a는 종래 기술에 기재된 바와 같이, 평면 표면상에 축 방향으로 균일한 젯(jet)이 직각으로 충돌함으로써, 두께(δ) 및 상기 젯의 중앙에 형성된 유동 정체점(P)을 포함하는 균일한 경계층(boundary layer)으로 발전(developing)되는 일반 정체점 유동 구성(generic stagnation point flow configuration)을 2차원 도면으로 도시한다.

도 4b는 종래 기술에 기재된 바와 같이, 원통형 표면상에 원형 젯이 충돌함으로써 두께(δ') 및 상기 젯의 중앙에 형성된 유동 정체점(P')을 포함하는 균일한 경계층으로 발전되는 일반 정체점 유동 구성을 2차원 도면으로 도시한다.

도 5a는 하나의 내부 선형 주입부와 외부 배기 포트를 포함하는 복합 노즐의 길이에 따른 개략적 단면도를 도시한다.

도 5b는 도 5a에 도시된 바와 같은 복합 노즐의 배기 포트의 저면도를 도시하되, 외부 배기 포트 내에 배치된 내부 선형 주입부를 도시한다.

도 6a는 외부 배기 포트내에 나란히 배치된 두 개의 내부 선형 주입부들을 포함하는 복합 노즐의 폭을 가로지르는 개략적 단면도를 도시한다.

도 6b는 도 6a에 도시된 바와 같은 복합 노즐의 배기 포트의 저면도를 도시하되, 공통의 외부 배기 포트내에 나란히 배치되는 두 개의 내부 선형 주입부들을 도시한다.

도 7은 측면 유입구 및 두 개의 병렬식 외부 선형 배기 포트들을 구비한 내부 선형 주입부를 포함하는 대안적 복합 주입부의 저면도를 도시한다.

도 8은 중앙의 유입구 및 양 끝단의 두 개의 외부 배기 포트들이 구비된 내부 선형 주입부를 포함하는 복합 주입부의 또 다른 구성의 저면도를 도시한다.

도 9a 내지 도 9d는 내부 선형 주입부의 배출 포트에 있어서 네 개의 서로 다른 배치의 저면도를 도시한다.

도 10은 내부 선형 주입부에 있어서 단일로 또는 다른 것과 조합하는 서로 다른 배출 포트들이 채용되어 발전될 수 있는 유동 포로파일(flow profiles)을 도시하되, L은 도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같은 내부 선형 주입부의 배출 포트의 길이를 의미한다.

도 11a는 ALCVP 반응기의 벽의 벨로즈 말단에 실장된 유동 분할 판의 개략적 배치를 도시하되, 유동 분할판의 정확한 이동을 위한 스테퍼 모터(stepper motor) 및 기어 장치를 도시한다.

도 11b는 ALCVP 반응기 벽에서 한 쌍의 O-링들(O-rings)을 구비한 립 밀봉부(lip seal)내에 실장되는 유동 분할판의 개략적 배치를 도시하되, 유동 분할판의 정확한 이동을 위한 스테퍼 모터 및 기어 장치를 도시한다.

도 12a는 폭(w), 길이(L) 및 두께(t)를 가지며 상부면과 하부면을 포함하는 가요성 기판을 도시한다.

도 12b는 기판의 상호 반대되는 말단들에 장착된 세라믹 말단 커넥터들을 포 함하는 가요성 기판의 조립체를 상면도로 도시한다.

도 12c는 상호 반대되는 말단들에 장착된 세라믹 말단 커넥터들을 포함하는 가요성 기판의 측면도를 도시하되, 기판을 집고 배치하기 위해 세라믹 말단 커넥터내에 있는 리세스들- 세라믹 말단 커넥터 조립체를 도시하며, 삽입된 도면은 가요성 기판을 홀딩하기 위해 채용되는 세라믹 말단 커넥터 조립체의 확대도를 도시한다.

도 13은 기판에 장착된 세라믹 말단 커넥터들의 배치를 위한 두 개의 상호 인접한 장방형 병렬식 홈들(grooves)을 포함하는 원형 서셉터의 단면도를 도시한다.

도 14는 제1 홈에 고정된 제1 세라믹 말단 커넥터가 가요성 기판에 장착되는 제1 단계를 개략적으로 도시하며, 그 이후 서셉터는 시계 반대 방향으로 회전하게 되는 것을 도시한다.

도 15는 가요성 기판의 (폭을 따라) 반대 말단에 제2 세라믹 말단 커넥터가 장착되는 마지막 단계를 개략적으로 도시하며, 상기 제2 말단 커넥터는 제2 홈에 고정되어 그 이후 기판은 서셉터를 중심으로 랩핑되며 홀딩되는 것을 도시한다.

도 16은 x-z 평면에서 네 개의 복합 노즐들을 포함하는 원자층 공정 반응기의 바람직한 실시예를 개략적 수직 단면도로 도시하며, 제1 복합 노즐은 제1 반응 가스(A)의 제어식 공급부에 연결되고, 제2 복합 노즐은 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결되고, 제3 복합 노즐은 제2 반응 가스(B)의 제어식 공급부에 연결되며, 제4 복합 노즐은 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결되어, 상기 모든 노즐 들이 원자층 공정의 원형 챔버 및 그와 동축으로 실장된 원통형 서셉터에 장착되는 가요성 기판내에서 순서대로 배치되어 있는 것을 도시한다.

도 17은 도 16에 도시된 바와 같이 원자층 공정 반응기의 개략적 수직 단면도를 도시하며, 제1 복합 노즐에 연결되는 반응 가스들(A₁, A₂ 및 A₃)의 제어식 소스(source) 및 제3 복합 노즐에 연결되는 반응 가스들(B₁, B₂ 및 B₃)의 제어식 소스를 도시한다.

도 18은 x-z 평면에서 여섯 개의 복합 노즐들을 포함하는 원자층 공정 반응기의 개략적 수직 단면도를 도시하며, 제1 복합 노즐은 제1 반응 가스(A)의 제어식 공급부에 연결되고, 제2 복합 노즐은 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결되고, 제3 복합 노즐은 제2 반응 가스(B)의 제어식 공급부에 연결되고, 제4 복합 노즐은 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결되고, 제5 복합 노즐은 제3 반응 가스(C)의 제어식 공급부에 연결되며, 제6 복합 노즐은 제4 반응 가스(D)의 제어식 공급부에 연결되는 것을 도시한다.

도 19는 x-y 평면에서 도 16의 ALCVP 반응기의 개략적 수평 단면도를 도시하며, 기판의 배치, 내부 캐비티내에 실장된 비접촉형 온도 센서들, 모터와 함께 양 말단의 회전식 진공 밀봉 및 서셉터 회전을 위한 풀리 장치(pulley arrangement)를 도시한다.

도 20은 x-z평면에서 네 개의 복합 노즐을 포함하는 원자층 공정 반응기의 대안적인 실시예의 개략적 수직 단면도를 도시하며, 제1 복합 노즐은 제1 반응 가 스(A)의 제어식 공급부에 연결되고, 제2 복합 노즐은 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결되고, 제3 복합 노즐은 제2 반응 가스(B)의 제어식 공급부에 연결되며, 제4 복합 노즐은 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결되고, 이 모든 노즐이 원자층 공정 원형 챔버 내에서 차례로 배치되는 것을 도시하며; 그와 동축으로 실장된 다각형 단면의 서셉터 및 상기 서셉터면에 장착된 평면 기판도 도시한다.

도 21은 x-y 평면에서 도 20의 ALCVP의 개략적 수평 단면도를 도시하며,기판의 배치, 내부 캐비티에 실장된 비접촉형 온도 센서들, 모터와 함께 양 말단의 회전식 진공 밀봉 및 서셉터 회전을 위한 풀리 장치를 도시한다.

도 22는 원자층 화학 기상 공정 반응기의 대안적 구성의 개략적 단면도를 도시하며, 원자층 화학 기상 공정의 직사각형 단면의 챔버내에 실장되어 차례로 배치된 네 개의 복합 노즐 및 두 개의 가열된 원통형 서셉터위에서 회전하는 금속 벨트상에 실장된 가요성 기판을 도시한다.

도 23은 본 발명의 원자층 화학 기상 공정 반응기, 각 복합 노즐을 위한 화학 전구체 계측 및 공급 시스템, 반응 가스(A)를 위한 게이트 밸브, 조절 밸브, 필터 컴 트랩(filter cum trap)의 일 세트 및 반응 가스(B)를 위한 게이트 밸브, 조절 밸브 및 필터 컴 트랩의 그와 유사한 세트 및 진공 펌프를 도시하나, 상기 ALCVP 반응기 제어 시스템은 도시하지 않는다.

도 24a는 회전 시 평면 기판을 홀딩하기 위해 채용되는 리세스를 포함한 제1 서셉터 구성을 개략적 단면도를 도시한다.

도 24b는 회전 시 평면 기판을 홀딩하기 위한 진공 배출구를 채용하는 제2 서셉터 구성을 개략적 단면도로 도시한다.

도 24c는 회전 시 평면 기판을 홀딩하기 위해 정전기 척의 능동 요소들(active elements)을 채용하는 제3 서셉터 구성을 개략적 단면도로 도시한다.

도 24d는 가요성 기판을 서셉터상에 실장하기 위한 원주형 리세스를 채용하는 제4 서셉터 구성을 개략적 단면도로 도시한다.

도 25a는 원형 서셉터상에 단일 가요성 기판을 배치하는 것을 개략도로 도시한다.

도 25b는 원형 서셉터상에 다수 개의 가요성 기판들을 배치하는 것을 개략도로 도시한다.

도 25c는 8각형 서셉터의 면에 단일 평면 기판을 배치하는 것을 개략도로 도시한다.

도 25d는 8각형 서셉터의 면에 다수 개의 평면 기판을 배치하는 것을 개략도로 도시한다.

본 발명은 반도체 소자, 광학 태양 전지, 디스플레이 및 박막을 제조하는 것을 포함한 다양한 응용을 위해, 대면적 가요성 평면 기판에 단일 원자층 정밀도로 수행되는 박막 공정- 적어도 증착, 에칭 및 표면 개질을 포함하는 박막 공정에 관한 것이다. 상기 기판은 촉매 전극, 멤브레인(membranes), 패널 등과 같이 사용된다. 본 발명의 다양한 실시예들이 이하에서 기재될 것이며, 기재된 상기 실시예들에 대한 다양한 수정이 있을 수 있음이 당업자에게 명백하다. 여기서 주장하며 기 재한 특허성 주제는 다른 실시예들에도 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에만 제한되지 않으며, 본 발명은 여기에 기재된 원칙 및 다양한 특징들과 일치되는 광범위한 관점에서 허용될 것이다.

본 발명이 제공하는 원자층 화학 기상 공정(ALCVP) 장치 구성에 의해, 반응 가스에 의한 다수 개의 가요성 평면 기판들의 커버리지(coverage)가, 콤팩트(compact)한 부피, 유동 안정성을 가진 작은 풋 프린트 및 매우 짧은 유로 길이로 달성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 기판의 빠르고 반복적이며 상대적인 동작을 다양한 가스 주입법과 분사식 가스젯의 정상류(steady flow) 형태로 조합함으로서, 빠르면서도 실질적으로 완전한 표면 커버리지가 이루어진다. 따라서, 당업자에게 명백하게 주지되어야 할 것은, 상기와 같은 장치가 매우 일반적(generic)이고, 기판에 실행될 소기의 공정의 반응 화학에만 한정되지 않으며, 상기 공정은 예컨대 박막 합성(synthesis of a film), 기판 물질의 제거(에칭) 또는 기판의 화학 성질의 개질이 있으나, 이것에만 한정되지는 않는다는 것이 당업자에게 명백하게 주지되어야 한다. 이제, 본 발명의 실시예에 따른 장치의 제2 목적은, 여기에 기재된 단일 또는 다수 개의 실시예를 이용하여, 적합한 공정조건에서, 금속, 반도체, 절연체 및 이들의 적절한 조합의 다양한 박막들을 단일 또는 다수 개의 기판위에서 원자 정밀도로 가공하는 것이다. 또한, 밝혀둘 것은, 원자층 화학 기상 공정을 위한 구동 범위는 구동 파라미터들에 관련하여 충분히 넓으며, 상기 구동 파라미터들은 구동 챔버 압력, 가스 유속 및 기판 온도를 포함하나, 이것에만 한정되지는 않는다. 적합한 구동 압력 범위는 760 Torr 보다 약간 낮은 값부터 수백 milli-Torr 에 이를 수 있고, 반면 반응 온도는 특정한 기상 반응 화학에 의존한다. 대부분, 최소의 가스 유속으로 공정을 구동하는 것이 매우 바람직하다. 그러나, 실질적으로 완전하며 필요시 균일한 표면 커버리지를 이루기 위해서는, 유속은 반응류(reactive species)가 기판 표면에 충분한 질량으로 공급되기에 적합해야 한다는 것이다. 상기와 같은 공정 파라미터의 최적화 방법론 및 이를 위해 필요한 도구들(예컨대 질량유량계, 온도 제어기, 압력 제어기, 밸브 제어부 및 공정 파라미터의 닫힘 루프 제어 등)은 서로 다른 공정을 제어하고 소기의 공정 레서피(process recipe)를 발전시키기 위해 적합하다는 것이, 당업자에게 잘 알려져 있다.

다양한 실시예에서 서로 다른 장치 디자인 및 구동을 포함하는 본 발명은, 다양한 도면들을 이용하여 이 부분에서 상세하게 설명될 것이다. 상기 도면은 발명자에게 개시되어 있는 기존의 장치로부터 시작된다. 도 1은 종래 기술의 예시로서, 본 발명에 앞서서 실시된, 다중 웨이퍼 배럴 타입 CVD 반응기 시스템(10)을 개략적으로 도시한다. 외부 원통형 배럴(12)은 챔버를 구성하고, 상기 챔버에서 기판들(14a, 14b, ... 14g, 14h)은 육각형의 단면을 가진 고체 서셉터(16)의 면에서 리세스가 형성된 영역에 배치된다. 다수 개의 기판들(14a, 14b, ... 14g, 14h)이 장착되어 있는 서셉터(16)는 원통형 배럴(12)에 배치되고, 상기 배럴은 바닥부에서 진공 펌프(미도시)와 연결되는 배출구(18)를 포함한다. 기상 증착 반응을 위해 필요한 반응 가스들은 상부의 각 유입구들(20, 22)로부터 공급된다. 외부 가열 장치(24)에 의해 가열된 서셉터(16)는 외부 회전 장치(26)에 의해 수직 축을 중심으로 회전된다. 이어서, 가열된 기판의 표면에서 화학 기상 증착 반응에 의해, 소기 의 박막이 증착된다. 대부피 배럴 CVD 반응기는 구동이 간단함에도 반응 화학을 위해 적합하지 않은데, 이 때 전구체 가스가 ALD 공정의 경우와 마찬가지로 임의적으로 혼합되어 반응할 경향이 있기 때문이다.

도 2a는 수평 서셉터(34)상에 배치되는 네 개의 기판 웨이퍼들(32a, 32b, 32c, 32d)에 박막을 증착하기 위해 채용되는 다중 웨이퍼 ALD 반응기(30)를 개략적 수직 단면도로 도시하며, 상기 서셉터(34) 하부에 각각 배치되는 고정식 히터들(36a, 36b)에 의해 상기 서셉터가 가열된다. 반응 가스들이 주입 튜브들(injector tubes)(38a, 38c)을 통과하여 연속적으로 유동하고 불활성 가스들이 상부에 고정된 주입 튜브들(38b, 38d)(주입 튜브들 38b 및 38d는 도 2a에 도시되지 않음)을 통과하여 연속적으로 유동하는 동안, 서셉터는 수평면에서 수직축을 중심으로 연속적으로 회전한다. 모든 웨이퍼들은 반응 가스들 및 불활성 가스들에 번갈아 노출되며 네 개의 타입의 가스들을 포함하는 ALD 공정 순서를 반복적 방법으로 완료하여 소기의 막 두께를 형성한다. 도 2b는 도 2a에 도시된 다중 웨이퍼 ALD 반응기의 상면도를 도시하며 기판 웨이퍼 및 서셉터에 관련된 주입 튜브들의 상대적 위치를 도시한다. 또한, 도 2b는 고정식 유동 분할판들(35a, 35b, 35c, 35d)을 도시하며, 상기 유동 분할판들은 두 개의 인접한 주입 튜브들 사이의 갭에서 수직으로 아래쪽으로(서셉터 평면에 수직으로) 삽입된다. 유동 분할판들은 정체된 경계층의 파괴에 도움이 되는데, 상기 경계층은 주입부 튜브로부터 가스가 정상류되면서 기판상에서 발전하기 시작하여 다음 주입부로부터 기판 표면으로 화학류의 빠른 이송이 용이해지도록 돕는다.

도 3a는 병렬식 선형 주입 슬롯(injector slots) CVD 시스템(40)을 개략적 단면도로 도시하며, 상기 시스템은 가열된 기판에 유전체 박막(thin dielectric films)을 증착하기 위해 채용되며, 상기 기판은 하부에서 컨베이어 벨트에서 직선으로 옆으로 이동한다. 제1 전구체(A)는 내부 슬롯(42)을 통과하여 주입되고, 그와 동시에 제2 전구체(B)도 상기 내부 슬롯(42)의 양측에 배치된 두 개의 인접 슬롯들(43a, 43b)로부터 주입된다. 세 개의 병렬식 슬롯(42, 43a, 43b)으로부터 흘러나온 가스는 일 열의 기판들(44a, 44b, 44c...)로 아래쪽으로 충돌하며, 이 때 상기 기판들은 이동식 컨베이어 벨트(46)에 의해 반응 가스들에 연속적으로 노출된다. 기판들은 컨베이어 벨트(46)의 하측에 배치된 일 세트의 고정식 관형(tubular) 히터들(47)에 의해 가열된다. 반응 가스들은 외부의 병렬식 배기 슬롯들(48a, 48b)에 의해 배출된다.

도 3b는 상호 간에 번갈아 병렬 배치되되, 근접 이격된 주입부들 및 진공 포트들로 이루어진 일 세트(52)를 다수 개로 채용하는 ALD 시스템(50)을 개략적 단면도로 도시한다. 이러한 구성에서, 각 가스 주입부 즉 반응 가스 또는 불활성 가스를 위한 주입부는 진공 포트에 의해 분리된다. 주입부들과 진공 포트들로 구성된 일 세트(52)는 일 세트의 병렬식 슬롯들 세트(54)에 연결되어, 반응 가스 및 불활성 가스를 아래쪽에 있는 기판(56)의 표면에 전달하고, 또한 상기 기판(56)으로부터 상부에 있는 공통의 진공 포트로도 전달한다. 모든 주입부들은 반응 가스 소스로부터 공급받고, 두 개의 가스 유입구 사이에 배치되는 모든 진공 포트들은 공통의 배기 매니폴드에 연결된다. 서셉터(58)상에 배치되어, 하측의 고정식 히터(60) 에 의해 가열되는 기판(56)은 일 방향으로만 옆으로 이동한다.

도 4a는 종래 기술에서, 정체점 유체 유동 구성(stagnation-point fluid-flow configuration)(60)을 2차원 도면으로 개략적으로 도시하는데, 상기 구성은, 평면 젯(62)이 평면 고체 기판(64)상에 축방향으로 균일한 속도(V_z)로 직각으로 충돌한다는 특징이 있다. 이어서, 유체 유동 구성은, 실질적으로 균일한 경계층(66)을 형성시키고, 상기 경계층은 두께(δ) 및 정체점을 포함하며, 상기 정체점은 젯의 중앙에서 P로 표시된다. 굵은 화살표는 고체 표면(64)의 근방에서 유체 유동의 방향을 표시한다.

도 4b는 종래 기술에서, 정체점 유체 유동 구성(70)을 2차원 기본 도면으로 개략적으로 도시하는데, 상기 구성은, 젯(72)이 배출 속도(V_R)로 만곡된 원통(74)상에 충돌하고, 상기 원통은 자체 축을 중심으로 시계 반대 방향으로 회전한다는 특징이 있다. 정체점(P')을 포함한 두께(δ')의 경계층(76)은 젯(72)의 중앙에서 원통(74) 표면상에 발전된다. 화살표는 회전하는 원통(74)의 표면의 근방에서 유체 유동 방향을 표시하고, 상기와 같은 유동은 상기 원통의 회전 방향으로 유도되거나 편향된다(당겨진다).

도 5a는 본 발명의 바람직한 실시예에서 유입 튜브(81a)를 포함한 복합 노즐(80a)의 길이를 따르는 개략적 단면도를 도시한다. 유입 튜브(81a)는 제1 내부 선형 주입부(82a)에 연결된다. 내부 선형 주입부(82a)는 그 양 말단들이 폐쇄되어 있고, 중앙에서 가스 유입구(81a)를 포함하고, 가스 배출 방향 쪽의 일측에서 구멍 으로 형성된 가스 배출구를 포함하는 할로우 캐비티(hollow cavity)이다. 대안적으로, 내부 선형 주입부(82a)는 일 말단이 폐쇄되어 있고 반대편 말단에 가스 유입구(81a)가 구비되는 할로우 캐비티일 수도 있다. 유동 분할판(83a)은 내부 선형 주입부(82a)내에서 두 개의 실장 스크류들(mounting screws)(84a, 85a)을 이용하여 실장된다. 내부 선형 주입부(82a)는 가스 주입(이하에 더욱 상세하게 기재됨)을 위한 다수 개의 개구들이 구비된 개방판(86a)을 포함한다. 내부 선형 주입부(82a)는 인클로져(enclosure)(88a)에 의해 형성되는 외부 배기 포트(87a)내에 둘러싸인다. 상기 인클로져(88a)는 배기콘(exhaust cone)(89a)에 연결되고, 배기콘(89a)은 진공 시스템에 연결되기 위해 배출 튜브(90)에 연결된다. 또한, 복합 노즐(80a)은 배기 가스의 응축을 방지하기 위해 외부 히터(91a)를 포함한다. 마지막으로, 복합 노즐(80a)은 챔버 본체에 진공 밀봉을 하기 위해 주변 O-링 밀봉부(92a)를 포함한다.

도 5b는 도 5a의 복합 노즐(80a)의 저면도로서, 외부 배기 포트(87a)를 형성하는 인클로져(88a)내에 실장된 내부 선형 주입부(82a)를 도시하며 상기 주입부는 다수 개의 개구들이 구비된 개방판(86a)을 포함한다. 외부 배기 포트(87a)는 배기콘(89a)에 연결된다. 주변 O-링 밀봉부(92a)는 진공 밀봉을 제공하기 위해 채용된다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에서, 상호 간에 근접하게 실장되는 두 개의 유입 튜브들(81a, 81b)을 포함하는 복합 노즐(80b)을 그 폭을 따르는 개략적 단면도로 도시한다. 제1 유입 튜브(81a)는 제1 내부 선형 주입부(82a)에 연결되고, 제2 유입 튜브는 제2 선형 주입부(82b)에 연결된다. 유동 분할판들(83a, 83b)은 내부 선형 주입부들(82a, 82b)내에 각각 실장된다. 내부 선형 주입부(82a)는 가스 주입을 위한 다수 개의 개구들이 구비된 개방판(86a)을 포함하고, 내부 선형 주입부(82b)는 가스 주입을 위한 다수 개의 개구들이 구비된 개방판(86b)을 포함한다. 개구판(aperture plate) 패턴의 상세한 내용은 이하에서 상세히 기재된다. 내부 선형 주입부들(82a, 82b)은 인클로져(88b)에 의해 형성되는 외부 배기 포트(87b)로 둘러싸인다. 인클로져(88b)는 배기콘(89b)에 연결되고, 배기콘(89b)은 진공 시스템(미도시)에 연결되기 위한 배출 튜브(90)에 연결된다. 또한, 복합 노즐(80b)은 배기 가스의 유동의 응축을 방지하기 위해 외부 히터(91b)를 포함한다. 더욱이, 복합 노즐(80b)는 공정 시, 챔버 본체에 진공 밀봉을 제공하기 위한 주변 O-링 밀봉부(92b)를 포함하는데, 이에 대해서는 이하에서 상세하게 기재된다. 말해둘 것은, 각 내부 선형 주입부들(82a, 82b)은, 양 말단들이 폐쇄되어 있고 중앙에 가스 유입구를 가지며 일측에는 가스 주입 방향으로 다수 개의 개구들을 구비하는 튜브, 또는 일 말단은 폐쇄되어 있고 그 반대 말단에 가스 유입구를 포함하는 두 개의 튜브들, 또는 이들의 적합한 조합으로 대체될 수 있다는 것이다. 또한 말해둘 것은, 도 5a 및 도 6a에 도시된 바와 같이 복합 노즐을 위해 유동 분할판들을 사용하는 것은 선택사항이라는 것이다. 그러나, 이하에서 설명되는 바와 같이, 활성 플라즈마원(plasma source)이 유입 튜브들(81a, 81b)에 직접적으로 연결되는 활성 플라즈마와 같은 몇몇 공정 화학을 위해, 복합 노즐들(80, 80')내에 유동 분할판들(83a, 83b)을 포함하는 것이, 기판의 플라즈마에서 때때로 유해한 고 에너지의 활성류(active species)의 작용을 최소화하는 데 도움이 될 수 있다.

도 6b는 도 6a에 도시된 복합 노즐(80b)을 저면도로 도시하며, 상기 복합 노즐은 두 개의 내부 선형 주입부들(82a, 82b)을 포함하고, 상기 내부 선형 주입부들은 외부 배기 포트(87b)를 형성하는 인클로져(88b)내에 실장되는, 각각 다수 개의 개구들이 구비된 개방판들(86a, 86b)을 포함한다. 외부 배기 포트(87b)는 배기 콘(89b)에 연결된다. 주변 O-링 밀봉부(92b)는 진공 밀봉을 획득하기에 용이하게 한다.

도 7은 복합 노즐(80c)의 대안적 구성을 저면도로 도시하는데, 여기서 내부 선형 주입부(82a')는, 일 말단에 유입구를 가지고 반대편 말단이 폐쇄되어 있으며 일 측에 다수 개의 개구들을 포함한다. 상기 주입부의 양 측면에는 두 개의 배기 포트들(93a, 93b)이 형성되어 있다. 상기와 같이, 내부 선형 주입부(82a')의 개구로부터 방출되어 그 직후 기판에 충돌하게 되는 유체는 배기 포트들(93a, 93b)에 의해 흡수된다.

도 8은 내부 선형 주입부(82a)를 포함한 복합 노즐(80d)의 또 다른 구성을 저면도로 도시한다. 내부 선형 주입부(82a)는 그 양 말단이 폐쇄되어 있고, 중앙에 유입구를 포함하고, 그 구성은 도 6a에 도시된 바와 같으며, 상기 내부 선형 주입부(82a)는 자체의 양 말단에 배치된 두 개의 배기 포트들(94a, 94b)을 포함한다.

여기서 말해둘 것은, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 복합 노즐의 내부 유입 튜브들(81a, 81b)이 두 개의 서로 다른 반응 가스들의 제어식 공급부에 연결될 수 있으며, 상기 반응 가스들은 상호 간에 임의적으로 반응하지 않는다는 것이다. 도 5a, 5b, 6a, 6b, 7, 8에 도시되어 여기서 상세히 기재된 모든 복합 노즐 구 성(80a 내지 80d)의 배출 튜브(90)는 게이트 밸브, 조절 밸브 및 필터/트랩으로 된 장치에 의해 예컨대 펌프와 같은 진공원에 연결될 수 있으며, 이는 이하에서 상세히 기술될 것이다. 모든 복합 노즐 구성들(80a 내지 80d)에서 가스들의 유로는, 유입된 유동이 굵은 화살표로, 배출되는 유동이 파선 화살표로 표시된다.

도 9a는 다수 개의 원형 배출구들(101a, 101b, ... 101m, 101n)이 구비된 개방판들(86a, 86b)을 위한 구멍 패턴(hole pattern)(100)을 저면도로 도시한다. 도 9b는 다수 개의 슬롯들(121a, 121b, ... 121m, 121n)이 구비된 개방판들(86a, 86b)을 위한 구멍 패턴(120)을 저면도로 도시한다. 도 9c는 다수 개의 장방형 슬롯들(141a, 141b, ... 141m, 141n)이 구비된 개방판들(86a, 86b)을 위한 구멍 패턴(140)을 저면도로 도시한다. 도 9d는 하나의 장방형 슬롯(161a)이 구비된 개방판들(86a, 86b)을 위한 구멍 패턴(160)을 저면도로 도시한다. 당업자에게 이해될 것은, 개방판(86a, 86b)의 개구 패턴이 도 9a 내지 도 9d에 도시된 다양한 패턴들의 적절한 조합에 의해 변경되거나, 또한 특정한 개구 패턴에서, 구멍 직경, 슬롯 폭 및 길이, 그리고 이들의 상대적인 간격 두기(spacing)와 같은 특정 형상의 치수화(dimensions) 및 간격 두기(spacing)는 특정한 화학 공정에서 필요할 수 있는 바에 따라 변경될 수 있다는 것이다.

도 10a 내지 도 10c는 길이(L)의 내부 선형 주입부의 길이를 따르는 가스 유동의 속도 분포를 서로 다른 세 개의 프로파일들로 도시한다. 여기서 말해두며, 당업자에게 명백한 점은, 유입구 유속 및 구동 조건이라는 다양한 구동 조건에서, 서로 다른 선형 주입부 구성, 형태, 크기 및 유입 튜브 배치를 조합하여 서로 다른 속도 분포 프로파일들이 얻어질 수 있다는 것이다. 또한, 말해둘 것은, 상기 내부 선형 주입부들이 2004년 10월 27일 등록된 본 발명자의 미국 특허 출원 10/975,169 에 기재된 바와 같은 인시튜 화학 기상 발생기(in-situ chemical vapor generator)로 대체될 수 있다는 것이다. 여기서 상기 특허는 참조로서 동봉된다.

도 11a는 지지 브리지(support bridge)(182)에 실장된 스테퍼 모터(181)를 채용하는 이동식 내부 유동 분할판 서브-시스템(180)을 개략적 단면도로 도시한다. 회전자(rotor)(183)는 방사형 기어 쓰레드들(gear threads)(184)을 포함한다. 외부판(185)은 상기 방사형 기어 쓰레드들(184)과 만나는 평면 기어 쓰레드들(186)을 포함한다. 외부판(185)은 벨로즈(187)에 연결된다. 벨로즈(187)는 ALCVP 챔버 본체(189)에 연결되고, 또한 이동식 내부 유동 분할판(188)에 연결된다. 외부판(185)에 장착된 평면 기어 쓰레드들(186)과 만나는 방사형 기어 쓰레드(184)가 정밀하게 회전함으로써, 공정 시 ALCVP 챔버내에서 이동식 내부 유동 분할판(188)이 원하는 대로 정밀하게 배치된다.

도 11b는 이동식 내부 유동 분할판 서브 시스템의 대안적 배치(180')를 단면도로 도시하는데, 상기 시스템은 립 밀봉부(lip-seal)(187')내에서 각각 한 쌍의 O-링들(190a, 190b)을 채용하여 ALCVP 챔버 본체(189)에 진공 밀봉을 형성한다. 립 밀봉부(187')는 외부판(185)을 홀딩하여 ALCVP 챔버 내에서 이동식 유동 분할판(188')의 정밀한 배치에 영향을 준다.

도 12a는 길이(L), 폭(w), 두께(t)를 가진 가요성 기판(200)의 사시도를 도시한다. 기판(200)은 외부 표면(210) 및 내부 표면(211)을 가진다는 특징이 있다.

도 12b는 제1 세라믹 말단 커넥터(212) 및 제2 세라믹 말단 커넥터(216)를 포함한 기판(200)(외부 표면(210)과 함께)의 상면도를 도시하는데, 상기 제1 말단 커넥터는 제1 말단 커넥터 스크류쌍(a pair of end connector screws)(214a, 214b)를 각각 이용하여 일 에지(상기 폭(w)을 따라)에 장착되고, 제2 말단 커넥터는 상기 에지와 평행한 반대의 에지에서 제2 말단 커넥터 스크류쌍(218a, 218b)을 각각 이용하여 장착된다. 상기 조립체의 전체 길이(각 세라믹 말단 커넥터의 폭의 두 배를 포함하여 L'라 할 때 L'>L 이다).

도 12c는 외부 표면(210) 및 내부 표면(211)을 포함한 가요성 기판(200)의 측면도를 도시하며, 상기 기판은 상호 반대되는 말단들에 장착된 각 세라믹 말단 커넥터들(212, 216)에 의해 유지된다. 제1 말단 커넥터 리세스(220) 및 제2 커넥터 리세스(222)는 기계화된 픽앤플레이스(pick-and-place)(예컨대 로봇 포크를 이용하여) 장치에 참여하여 기판을 취급하기 위해 제공되며, 이는 이하에서 상세히 기술된다. 삽입된 도면은 제1 세라믹 말단 커넥터(212)의 확대도이며, 제1 말단 커넥터 리세스(220) 및 말단 커넥터 스크류(214b)의 배치를 도시한다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 원형 서셉터(230)의 단면도를 도시한다. 원형 서셉터(230)는 내부 서셉터 표면(232) 및 외부 서셉터 표면(234)을 가진다는 특징이 있다. 원형 서셉터(230)는 자체의 폭을 따라 제1 잠금 슬롯(236) 및 제2 잠금 슬롯(238)을 더 포함한다. 상기에 기재된 바와 같이, 기판의 폭은 서셉터의 폭에 실질적으로 동일하다. 더욱이, 제1 잠금 슬롯(236) 및 제2 잠금 슬롯(238)의 치수는 제1 세라믹 말단 커넥터(212) 및 제2 세라믹 말단 커넥터(216)의 치수에 견줄 만하다.

도 14는 원형 서셉터(230)상에 가요성 기판(200)을 배치하는 공정의 제1 단계를 도시한다. 여기서, 기판(200)은 기계화된 포크 장치(미도시)에 의해 운반되는데, 포크 말단이 제1 말단 커넥터 리세스(220)로 삽입되면서 운반된다. 상기 기판의 상호 반대되는 말단들에는 각각 세라믹 말단 커넥터들(212, 216)이 장착된다. 제2 단계에서, 제1 세라믹 말단 커넥터(212)는 제1 잠금 슬롯(236)에 고정된다. 상기 실시예에서, 제3 단계에서, 서셉터(230)는 시계 반대 방향으로 회전되어 외부 서셉터 표면위에서 기판(200)을 랩핑(wrapping)하는데, 내부 기판 표면(211)은 외부 서셉터 표면(234)과 기계적으로 접촉하며 고정되고, 외부 기판 표면(210)은 노출된다. 도 15에 도시된 바와 같이,마지막으로, 제2 세라믹 말단 커넥터(216)는 제2 잠금 슬롯(238)에 고정되어, 가요성 기판이 서셉터 상에 실장(랩핑)되는 공정이 완료된다.

도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, z-x 평면에서 원자층 화학 기상 공정(ALCVP) 반응기(240)를 개략적 수직 단면도로 도시한다. 말해둘 것은, 여기에 기재된 바와 같은 모든 ALCVP 반응기 구성의 회전축은 바닥면에 대해 평행하나, 이것에만 한정되는 것은 아니며, 상기 축이 다른 방향으로 설정될 수 있다는 것이다. 원자층 공정 반응기(240)는 작은 부피 및 콤팩트하고 짧은 유로를 가진 원자층 화학 기상 공정 반응기이며, 실질적으로 원통형으로 형성되는 챔버 본체(189)를 포함한다. 상기 실시예에서, 챔버 본체(189)는 네 개의 복합 노즐들(80-1, 80-2, 80-3, 80-4)을 더 포함하며, 상기 노즐들은 챔버 본체(189)의 원주상에 차례로 각각 실장 되고, 두 개의 인접한 복합 노즐들 사이의 각도 간격(angular distance)은 실질적으로 동일하며, 상기 노즐들은 상기 본체의 근방을 중심으로 동일한 간격을 두어 배치된다. 여기서 명시적으로 분명히 해둘 것은, 명칭을 단순하게 하기 위해, 본 발명이 네 개의 복합 노즐들을 80a(도 5a-5b에서 개략적으로 도시됨), 80b(도 6a-6b에서 개략적으로 도시됨), 80c(도 7에서 개략적으로 도시됨) 및 80c(도 8에서 개략적으로 도시됨)라고 기재하였으나, 이후부터는 모든 네 개의 복합 노즐은 단일 번호(80)에 관련하며, 하이픈으로 붙은 접미어 1,2,3 및 4는 각각 제1, 제2, 제3 및 제4 복합 노즐로 표시되기 위해 사용된다. 따라서, 네 개의 노즐들 각각은 복합 노즐들(80a, 80b, 80c, 80d)을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. 또한, 이러한 ALCVP 반응기 구성에서, 제1 반응 가스(A)의 제어식 공급부는 제1 복합 노즐(80-1)에 연결되고; 불활성 가스(P)의 제어식 공급부는 제2 복합 노즐(80-2)에 연결되고; 제2 반응 가스(B)의 제어식 공급부는 제3 복합 노즐(80-3)에 연결되며; 불활성 가스(P)의 제어식 공급부는 제4 복합 노즐(80-4)에 연결된다. 네 개의 복합 노즐들(80-1, 80-2, 80-3, 80-4)의 각 배기구는 진공원(미도시)에 연결된다. 여기서 강조해둘 것은, 반응 가스들의 공급을 위한 질량 유량계 장치의 상세 사항은 도면에 도시되지 않았다는 것이다. 그러나, 당업자는, 이것을 잘 알고 있다. 복합 노즐들(80-1, 80-2, 80-3, 80-4)은 O-링 밀봉들(92-1, 92-2, 92-3, 92-4)을 이용하여 챔버 본체(189)에 각각 장착된다. 고정식 히터(252)를 후측에 가진 원형 서셉터(230)는 챔버 본체(189)내에 동축으로 실장되어 그들 사이에 고리갭(250)이 형성된다. 가요성 기판(200)은 원형 서셉터(230)상에 랩핑된다. ALCVP 반응기(240)는 기판 로딩-언로딩 포트(254) 및 문(256)을 포함하고, 상기 문은 O-링 밀봉부(258)를 구비한다. 문(256)은 기판 로딩-언로딩 포트(254)를 열고 닫기 위해, 원격으로 제어되는 공기 역할 밸브 장치(미도시)에 의해 구동될 수 있다. 기판 가공시, 닫힘 위치의 문(256)은 챔버 본체(189)에 진공 밀봉을 제공한다. 또한, ALCVP 반응기(240)는 고정식 비접촉형 온도 계측 프로브들(260a, 260b, 260c)을 포함하여 내부 서셉터 표면(232)의 온도를 감시하고, 그 결과 닫힘 루프 방식으로 후측 고정식 히터(252)에 공급되는 전기 에너지가 제어된다. 닫힘 루프 온도 제어 회로 및 그에 따른 하드웨어들은 도면에 도시되지 않았으나, 당업자에게 잘 알려져 있다. 서셉터의 회전축은 262라는 번호로 표시된다. 이러한 예시에서, 기판 가공시, 모든 복합 노즐들(80-1, 80-2, 80-3, 80-4)이 구동하는 동안, 소기의 온도로 유지되는 원형 서셉터(230)는 회전축(262)을 중심으로 시계 반대 방향으로 회전하여, 소정의 서셉터 회전수에 의해 소기의 치수를 가진 박막을 가공하게 된다. 소정 회수의 기판 회전이 완료된 이후, 반응 가스의 유동은 오프(off)로 전환될 수 있고, 기판은 불활성 가스의 유동으로 냉각될 수 있다. ALCVP 반응기 구동의 상세 사항은 이하에 제공된다. 더욱이, 반응 가스들(말하자면 80-1, 80-3)을 채용하는 복합 노즐들 중 적어도 하나의 복합 노즐은 2004년 10월 27일 등록된 미국 특허 출원 10/975,169에 개시된 인시튜 화학 기상 전구체 발생기의 형태일 수 있다; 상기 특허의 전체 내용은 본문에서 참조로서 동봉된다. 마지막으로, 인접한 복합 노즐들에서 배기 포트의 배치 및 이들의 연결법은 이하에 기재된다.

ALCVP 반응기(240)의 다른 실시예에서, 제1 복합 노즐(80-1) 및 제3 복합 노 즐(80-3)의 구성은 도 6a-6b에 도시된 바와 같으며, 반면 제2 복합 노즐(80-2) 및 제4 복합 노즐(80-4)의 구성은 도 5a-5b에 도시된 바와 같다. 여기서 말해둘 것은, 제1 복합 노즐(80-1)의 인접 내부 주입부들(82a, 82b)에 각각 채용되는 화학 전구체들 및 제3 복합 노즐(80-3)에 채용되는 화학 전구체들은 특정한 복합 노즐내에서 상호간에 반응하지 않는 것으로 선택된다. 그러나, 상기 전구체들은 다른 복합 노즐들로부터 채용되는 두 개의 화학 전구체들과 반응할 경향이 있다. 제2 실시예의 ALCVP 반응기 구성의 나머지 상세 사항은 도 16에 도시된 ALCVP 반응기(240)의 실시예를 위해 기재된 바와 유사하다.

도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른, z-x 평면에서의 원자층 화학 기상 공정(ALCVP) 반응기를 개략적 수직 단면도로 도시하며, 상기 반응기는 챔버 본체(189)의 원주에 실장되는 네 개의 복합 노즐들을 포함하고, 두 개의 인접한 노즐들의 각도 간격은 실질적으로 동일하다. 제1 복합 노즐(80-1)은 질량유량계들(265-1, 265-2, 265-3)에 의해 세 개의 서로 다른 반응 가스들(A₁, A₂, A₃)의 제어식 공급부에 각각 연결된다. 세 개의 반응 가스들(A₁, A₂, A₃)은 상호 간에 임의적으로 반응하지 않는 것으로 선택된다. 그와 유사하게, 제3 복합 노즐(80-3)은 질량유량계들(267-1, 267-2, 267-3)에 의해 세 개의 서로 다른 반응 가스들(B₁, B₂, B₃)의 제어식 공급부에 연결된다. 상기 세 개의 반응 가스들(B₁, B₂, B₃)은 상호 간에 임의적으로 반응하지 않는 것으로 선택된다. 그러나, 상기 가스들(B₁, B₂, B₃) 전체는 모든 상기 가스들(A₁, A₂, A₃)과 집단적으로 임의적으로 반응하는 경향을 가진다. 도 17에 도시된 ALCVP 반응기 구성의 나머지 상세 사항은 도 16을 위해 상기에 기재된 것과 정확하게 동일하다.

도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따라, z-x평면에서 원자층 화학 기상 공정(ALCVP) 반응기(240)의 개략적 수직 단면도를 도시한다. ALCVP 반응기의 상기 실시예에서, 제1 반응 가스(A)를 채용하는 제1 복합 노즐(80-1) 및 제3 반응 가스(C)를 채용하는 제5 복합 노즐(80-5)은 상호 간에 인접하게 실장되고, 제2 반응 가스(B)를 채용하는 복합 노즐(80-3) 및 제6 반응 가스(D)를 채용하는 제6 복합 노즐(80-6)은 상호 간에 인접하게 실장되어, 반응 가스들(A, C)을 각각 채용하는 상기 제1 복합 노즐(80-1) 및 제5 복합 노즐(80-5)을 포함하는 쌍과는 실질적으로 정반대이다. 불활성 가스(P)를 채용하는 두 개의 복합 노즐들(80-2, 80-4)은 반응 가스들을 채용하는 복합 노즐들 쌍의 사이에서 실질적으로 중앙에 실장된다. 이러한 실시예에서, 제1 반응 가스(A), 불활성 가스(P), 제2 반응 가스(B) 및 불활성 가스(P)를 포함하는 제1 원자층 화학 기상 공정 순서는, 구동 시 서셉터의 회전에 의해, 상기 복합 노즐들(80-1, 80-2, 80-3, 80-4)로부터의 가스 유동에 기판이 차례로 노출되면서 실행된다. 제1 원자층 화학 기상 공정 순서는, (제5 복합 노즐(80-5)로부터의) 제3 반응 가스(C), (제2 복합 노즐(80-2)로부터의) 불활성 가스(P), (제6 복합 노즐(80-6)로부터의) 제4 반응 가스(D) 및 (제4 복합 노즐(80-4)로부터의) 불활성 가스(P)를 포함하는 제2 원자층 기상 공정 순서 다음에, 상기 ALCVP 반 응기로부터 기판을 제거하지 않은 채로, 이어진다. 대안적으로, 반응 가스들(A, B, C, D)로부터 유도되는 요소들로 된 소정의 화합물을 포함하는 다양한 화합물의 박막이 가공될 수 있다. 상기 요소들은 금속, 비금속등을 포함한다. 또한, 어느 하나의 막 또는 두 개의 막으로 된 화합물은 가공 시 단일 또는 다수 개의 반응 가스들(A, B, C, D)의 유동을 간단히 적절하게 조정(또는 필요시 완전히 오프로 전환)함으로써 인시튜로 변경될 수 있다. 따라서, 서로 다른 화합물을 포함하는 다성분 화합물 또는 두께, 이중층 또는 다중층(이러한 특정한 경우 (AB)m-(CD)n-(AB)o-(CD)p...(여기서, m,n,o,p는 정수이다)의 교호 이중층막 구조임)의 복합적 변화를 포함한 다성분 박막이, 소기의 회전수에 따른 서셉터의 회전에 의해 가공될 수 있다.

도 19는 도 16에 도시된 바와 같은 ALCVP 반응기를 x-y 평면에서 본 단면도이다. 도 19는 챔버 본체(189) 및 그와 동축으로 실장된 원형 서셉터(230)를 도시한다. 상기 서셉터는 기본판(270)에 설치되고, 제1 복합 노즐(80-1) 및 제3 복합 노즐(80-3)은 상기 본체의 상호 반대되는 측에 실장되어, 서셉터의 회전축(262)에 대해 실질적으로 평행하다. 상기 실시예에서, 원형 서셉터(230)는 하부 서셉터 홀더판(272)에 의해 지지되고 상부 서셉터 홀더판(274)에 의해 둘러싸여, 캐비티(264)가 정의된다. ALCVP 반응기는 기본판(270)내에 실장된 하부 회전 밀봉부(lower rotating seal)(276) 및 덮개판(275)내에 실장된 상부 회전 밀봉부(278)를 더 포함한다. 덮개판(275) 및 기본판(270)은 O-링 밀봉들(279a, 279b)을 이용하여 챔버 본체(189)에 각각 연결된다. 하부 할로우 샤프트(280)는 하부 회전 밀봉 부(276)를 통과하여 하부 서셉터 홀더판(272)에 연결된다. 상부 할로우 샤프트(282)는 상부 회전 밀봉부(278)를 통과하여 상부 서셉터 홀더판(274)에 연결된다. 하부 서셉터판(272) 및 상부 서셉터판(274)에 의해 유지되는 원형 서셉터(230)는 챔버 본체(189)내에 동축으로 실장되며 회전축(262)을 중심으로 회전 가능하다. 하부 회전 밀봉부(276)를 중심으로 동심원적으로 배치되는 하부 퍼지 캐비티(284)는 퍼지 가스(파선 화살표에 의해 가스 유동 방향이 도시되어 있음)를 주입하기 위한 주변 유입구(285)를 포함하는데, 이는 복합 노즐들(80-1, 80-3)의 역할을 돕기 위함이다. 상부 회전 밀봉부(278)를 중심으로 동심원적으로 배치되는 상부 퍼지 캐비티(286)는 퍼지 가스를 주입하기 위한 주변 유입구(285')를 포함하며, 상기 퍼지 가스는 복합 노즐들(80-1, 80-3)을 향해 유동한다. 서셉터 회전을 위해, 전기 모터(287)가 하부 회전 샤프트(280) 근방에 제공된다. 구동 풀리(driving pulley)(288)는 전기 모터(287)에 연결된다. 벨트(289)는 구동 풀리(288)를 구동된 풀리(driven pulley)(290)에 연결시킨다. 상기 구동된 풀리는 하부 할로우 샤프트(280)에 실장된다. 하부 할로우 샤프트(280)는 기본 회전 밀봉부(291)내부에 배치된다. 기본 회전 밀봉부(291)는 제1 고정식 지지판(291')에 연결된다. 서셉터 퍼지 가스 캐비티(292)는 기본 회전 밀봉부(291)에 장착되어, 하부 할로우 샤프트(280)를 둘러싼다. 서셉터 퍼지 유입구(292')는 캐비티(264)에 퍼지 가스를 주입하기 위해, 서셉터 퍼지 가스 캐비티(292)에 제공된다. 전력 공급 안내부들(electrical power supply leads)(293a, 293b)은 하부 할로우 샤프트(280) 및 기본 회전 밀봉부(291)를 통과하여 외부 히터 전력 공급부(미도시)에 연결된다. 캐비 티(264)내에서, 고정식 후측 히터(252)는 히터 지지판(294)을 이용하여 회전 원형 서셉터(230)와 관련한 위치에서 지지 및 고정된다. 상부 회전 밀봉부(278)내에 배치된 상부 할로우 샤프트(282)는 상부 서셉터 퍼지 가스 캐비티(295)에 의해 둘러싸인다. 진공 피드-쓰루(296)는 상부 서셉터 퍼지 가스 캐비티(295)에 제공되어 지지 및 접촉 로드(rod)(297)를 캐비티(264)내에 배치하고, 비접촉형 온도 세선들(260a, 260b, 260c)을 홀딩한다. 상기 센서들은 기판 공정시 내부 서셉터 표면(232)의 온도를 감지(계측 및 닫힘 루프 제어)한다. 서셉터 온도 제어를 위한 닫힘 루프 온도 제어 시스템은 도면에 상세히 도시되지 않았다. 그러나, 상기와 같은 장치는 당업자에게 개시되어 있다. 마지막으로, 여기서 분명히 해둘 것은, 상부 서셉터 퍼지 가스 캐비티(295)는 상기 고정식 바닥 지지판(291')와 유사한 제2 고정식 지지판(미도시)에 연결되어 ALCVP 반응기(240)를 제자리에서 고정적으로 유지한다.

도 20은 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 원자층 화학 기상 공정(ALCVP) 반응기(300)를 z-x 평면에서 개략적 수직 단면도로 도시한다. 반응기(300)는 네 개의 복합 노즐들을 포함하고, x-z 평면에서, 제1 복합 노즐(80-1)은 제1 반응 가스(A)의 제어식 공급부에 연결되고, 제2 복합 노즐(80-2)은 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결되고, 제3 복합 노즐(80-3)은 제2 반응 가스(B)의 제어식 공급부에 연결되며, 제4 복합 노즐(80-4)은 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결되어, 모든 복합 노즐은 원형의 원자층 공정 챔버내에서 차례대로 배치되며, 두 개의 인접한 복합 노즐들 사이의 각도 간격은 실질적으로 동일하다. 챔버 본체(189)내에 동축으로 실장되는 8각형 서셉터(230')는 상기 본체와의 사이에서 갭(250')을 정의한다. 8각형 단면을 가진 고정식 후측 히터(252')는 서셉터 캐비티(264')내에 실장된다. 상기 실시예에서, 구동 시, 8개의 평면 기판들(205a, 205b, 205c, 205d, 205e, 205f, 205g, 205h)은 8각형 서셉터(230')의 8면에 장착된다.

도 21은 도 20에 도시된 ALCVP 반응기(300)의 대안적인 실시예를 x-y 평면에서 수평 단면도로 도시한다. 8각형 서셉터(230')의 면은 수직에 대해 (0°≤θ≤15°와 같은) 예각(θ)을 형성한다. 모든 복합 노즐들(도면에는 80-1, 80-3 만 도시됨)은 서셉터 표면(230')에 대해 실질적으로 평행하게 배치된다. 따라서, 고정식 후측 히터(252')는 8각형 서셉터(230')에 대해 경사진 위치에 실장되며, 서셉터의 후측(232')과 고정식 후측 히터(252')사이의 측 간격(lateral distance)은 실질적으로 동일하다. 도 21에 도시된 대안적인 실시예의 ALCVP 반응기 구성에 대한 나머지 상세 사항은 도 19에 도시된 바와 같은 ALCVP 반응기의 바람직한 실시예를 위해 기재된 상기 내용과 유사하다.

도 22는 직사각형 ALCVP 챔버(352)를 채용하는 ALCVP 반응기(350)의 또 다른 실시예를 도시한다. 회전축(x)을 가진 제1 회전 서셉터(354a) 및 회전축(x')을 가진 제2 회전 서셉터(354b)는 직사각형 ALCVP 챔버(352)내에 실장되고, 그 연결 라인(x-x')은 챔버(352)의 하나의 벽(w라는 기호로 표시됨)에 대해 실질적으로 평행하다. 외부 회전 장치(미도시)에 연결되는 제1 회전식 서셉터(354a)는 구동 서셉터이며, 그 반면 제2 회전식 서셉터(354b)는 구동된 서셉터이다. 제1 회전식 서셉터(354a)는 제1 고정식 내부 히터(356a)를 포함하고, 제2 회전식 서셉터(354b)는 제2 고정식 내부 히터(356b)를 포함한다. 가요성 금속 벨트(358)에 의해, 제1 회전식 서셉터(354a)와 제2 회전식 서셉터(354a)가 연결된다. 가요성 금속 벨트(358)는 다수 개의 가요성 기판들(200a, 200b, 200c, 200d)을 홀딩하기 위한 준비부를 포함한다. ALCVP 반응기(350)는 두 개의 고정식 평면 히터들(360, 362)를 더 포함하고, 상기 히터들은 두 개의 회전식 서셉터들(354a, 354b)사이의 공간(364)내에 각각 실장된다. ALCVP 챔버(350)는 상기 챔버의 원주상에 실장된 네 개의 복합 노즐들(80-1, 80-2, 80-3, 80-4)을 포함한다. 또한, 상기 각 복합 노즐들(80-1, 80-2, 80-3, 80-3)의 근방에는 유동 분할판들(180-1, 180-2, 180-3, 180-4)이 실장된다. 복합 노즐(80-1)은 반응 가스(A)의 제어식 공급부에 연결되고, 복합 노즐(80-2)은 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결되고, 제3 복합 노즐(80-3)은 제2 반응 가스(B)의 제어식 공급부에 연결되며, 제4 복합 노즐은 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결된다. ALCVP 반응기가 구동하는 동안, 제1 회전식 서셉터(354a)는 외부 회전 장치가 작동하면서 구동되고, 모든 복합 노즐들(80-1, 80-2, 80-3, 80-4)이 연속적으로 구동하는 동안, 서셉터들의 온도 및 ALCVP 챔버(350)의 압력은 소기의 레벨로 유지된다. 도 16 내지 도 22에 도시된 것과 같은 ALCVP 반응기(350)를 위해, 회전식 서셉터 온도 제어 장치가 특별히 도시되진 않는다.

여기서 특별히 말해둘 것은, 상기에 기재된(도 16 내지 도 22 참조)모든 ALCVP 반응기 구성, ALCVP 챔버 압력을 제어하기 위한 장치는 명확하게 도시되거나 상세히 기재되지 않는다는 것이다. 그러나, 원자층 화학 기상 공정이든, 고속 화학 기상 공정이든, 박막 공정을 위해 필요한 다양한 공정들에 있어서 기판 공정시 압 력을 제어하기 위해 필요한 장치 및 회로는, 당업자에게 잘 알려져 있다.

도 23은 본 발명의 실시예에 따른 ALCVP 반응기(240)를 포함하는 원자층 화학 기상 공정 시스템(400)을 개략적으로 도시하며, 상기 반응기는 네 개의 복합 노즐들(80-1, 80-2, 80-3, 80-4) 및 하류 진공 시스템 장치(downstream vacuum system arrangement)를 포함한다. 여기서 말해둘 것은, ALCVP 시스템(400)의 다양한 공정 파라미터들을 제어하기 위한 컴퓨터 제어 시스템은 도 23에 도시되지 않았다는 것이다. 그러나, 이는 당업자에게 잘 알려져 있다. 말해둘 것은, 반응기(240)는 예시적으로 도시된 것이며, 도 23에 도시된 바와 같은 하류 진공 시스템 장치는 본 발명에 기재된 ALCVP 반응기 구성의 다른 다양한 실시예에도 동일하게 사용될 수 있다는 것이다. 제1 복합 노즐(80-1)은 제1 유입 파이프(402) 및 제1 계측 밸브(404)에 의해 제1 반응 가스(A)의 제어식 공급부에 연결된다. 제2 복합 노즐(80-2)는 제2 유입 파이프(406) 및 제2 계측 밸브(408)에 의해 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결된다. 제3 복합 노즐(80-3)은 제3 유입 파이프(410) 및 제3 계측 밸브(412)에 의해 제2 반응 가스(B)의 제어식 공급부에 연결된다. 제4 복합 노즐(80-4)은 제4 유입 파이프(414) 및 제4 계측 밸브(416)에 의해 불활성 가스(P)의 제어식 공급부에 연결된다. 제1 복합 노즐(80-1)의 제1 배기 파이프(418) 및 제2 복합 노즐(80-2)의 제2 배기 파이프(420)는 함께 제1 게이트 밸브(422)에 연결된다. 제1 게이트 밸브(422)는 제1 게이트 밸브 커넥터 파이프(426)에 의해 제1 조절 밸브(424)에 연결된다. 이번에는, 제1 조절 밸브(424)는 제1 조절 밸브 커넥터 파이프(430)에 의해 제1 화학 전구체 모집 트랩(428)에 연결된다. 그 이후, 제1 화학 전구체 모집 트랩(428)은 제1 화학 전구체 모집 트랩 파이프(434)에 의해 진공 펌프(432)에 연결된다. 이와 유사하게, 제3 복합 노즐(80-3)의 제3 배기 파이프(436) 및 제4 복합 노즐(80-4)의 제4 배기 파이프(438)는 함께 제2 게이트 밸브(440)에 연결된다. 제2 게이트 밸브(440)는 제2 게이트 밸브 커넥터 파이프(444)에 의해 제2 조절 밸브(442)에 연결된다. 이번에는, 제2 조절 밸브(442)는 제2 조절 밸브 커넥터 파이프(448)에 의해 제2 화학 전구체 모집 트랩(446)에 연결된다. 그 이후, 제2 화학 전구체 모집 트랩(446)은 제2 화학 전구체 모집 트랩 파이프(450)에 의해 진공 펌프(432)에 연결된다.

여기서 말해둘 것은, 배기부에서 반응 가스들(화학 전구체들)의 응축을 방지하기 위해, 기판 공정 챔버로부터 게이트 밸브 및 조절 밸브를 지나 필터/트랩으로 안내하는 모든 커넥터 파이프들을 가열하는 것이 필요할 수 있다는 것이다. 양 화학 전구체 트랩인 428 및 446 각각은 일정한 냉각재를 제공하여, 반응 가스/화학 전구체의 응축을 용이하게 한다. 그러한 배치는 잠재적으로 매우 뛰어난 장점들을 제공한다. 우선, 화학 전구체 모집 트랩들은 반응 가스 흐름(gas stream)으로부터 고체 입자들을 제거하며, 이는 진공 펌프 및 그 구동에 매우 장점이 된다. 두번째로, 사용되지 않은 반응 가스들은 국부적으로 주입되고 국부적으로 별도 모집되어 비교적 깨끗한 상태에서 고립될 수 있다. 이러한 특징은 잠재적인 화학적 재사용 그리고 모든 공정 및 시스템 구동 효율을 증가시키는데 중요하며 하류로 유출되는 흐름(downstream effluent stream) 및 이들의 후-공정이 실질적으로 감소된다. 마지막으로, 유입된 가스 질량과 그에 대응하여 화학 전구체 모집 트랩에 유입된 가 스 질량사이의 닫힘 루프 연결 방법이 실시됨으로써, 유입된 반응 가스 질량이 최적화될 수 있어서, 화학 전구체 트랩에 모집되는 일이 최소로 감소되고, 전체 공정이 경제적으로 진행되도록 하는 데 도움이 된다.

도 24a 내지 24d는 기판에 양호한 열 접촉이 제공되는 동안 서셉터상에 기판을 홀딩하기 위한 장치를 서로 다른 개략도로 도시한다. 도 24a는 리세스(209)를 포함한 8각형 서셉터(230')의 경사진 면을 개략적으로 도시하며, 상기 리세스(209)내에서 평면 기판(205)이 홀딩된다. 도 24b는 리세스(209)내에서 평면 기판(205)을 홀딩하기 위한 진공 개구(213)가 포함된 8각형 서셉터(230')의 경사진 면을 개략도로 도시한다. ALCVP 반응기(300)이 구동하는 동안, 퍼지 가스 배출 포트(295)(도 21 참조)에 의한 흡입을 실행하여, 캐비티(209)내의 압력이 챔버 구동 압력보다 낮게 유지된다. 도 24c는 8각형 서셉터(230')의 경사진 면을 개략도로 도시하며, 상기 서셉터위에서 평면 기판(205)은 두 개의 정전기 척판들(215a, 215b)을 이용하여 리세스(209)내에 유지된다. 도 24d는 가요성 기판(200)을 포함한 원형 서셉터(230)를 개략도로 도시하며, 상기 기판은 못들(spikes)(219a, 219b)을 이용하여 원형 서셉터(230)상에 수직으로 배치된다.

도 25a 내지 25d는 서셉터의 면위에 기판을 배치하는 공간적 장치를 다양하게 도시한다. 도 25a는 실질적으로 원통형으로 형성되는 원형 서셉터(230)상에 유지되는 가요성 기판(200)을 전면도로 도시한다. 도 25b는 다수 개의 기판들(200a, 200b, 200c, 200d)이 장착된 원형 서셉터(230)를 전면도로 도시한다. 도 25c는 평면 기판(205)을 홀딩하는 8각형 서셉터(230')를 전면도로 도시한다. 도25d는 원자 층 화학 기상 공정을 위한 다수 개의 원형 평면 기판들(205'a, 205'b, 205'c, 205'd, 205'e, 205'f)을 홀딩하는 8각형 서셉터(230')의 면을 전면도로 도시한다.

본 발명한 장치의 구동

상기에 상세하게 기재된 본 발명의 원자층 화학 기상 공정 장치의 모든 구성들은 두 개의 모드로 구동될 수 있다. 상기 장치 구동의 제1 모드는 원자층 화학 기상 공정 반응기로서 하나의 원자층 정밀도로 기판을 가공하며, 상기 구동의 제2 모드는 고속 화학 기상 공정 반응기이다.

일 예시로서, 단일 또는 다수 개의 기판들로 시작되는 반응기 구동의 제1 모드에서, 상기 기판은 서셉터상에 고정되고, 상기 ALCVP 반응기 문은 O-링 밀봉부를 이용하여 닫혀 있어, 일정하고 고정된 내부 압력 환경을 얻는다. 모든 네 개의 유동 분할판들은 챔버내에서 서셉터쪽을 향해 하향 배치되며, 상기와 같은 모든 유동 분할판들의 하부 에지들은 회전식 서셉터와 매우 근접한 특정 위치에 유지된다. 유동 분할판들의 하부 에지와 서셉터 표면 사이의 간격은 공정 가스의 성질, 기판 온도 및 반응기 압력에 따라 1-5 mm 내에서 변경될 수 있다. ALCVP 반응기는 진공 펌프가 구동하면서 게이트 밸브 및 조절 밸브를 개방하여 배기화된다. 상부 및 하부 불활성 가스 퍼지 및 서셉터 캐비티 퍼지 가스 유동이 시작된다. 그와 동시에, 기판 회전이 시작된다. 소기의 각도 속도(angular speed)가 얻어진 이후, 상기 속도는 특정한 공정 단계에서 일정하게 유지되며, 불활성 가스(P)를 채용하는 제2 및 제4 복합 노즐들이 활성화된다. 그와 동시에, 기판은 소기의 온도로 가열되고, 상 기 온도는 닫힘 루프 방식으로 내장 히터에 전기 에너지가 공급됨으로써 일정하게 유지된다. 이 단계가 진행되는 동안, 챔버 압력은 조절 밸브 및 압력 센서 사이의 닫힘 루프 배치를 이용하여 조절되고 일정하게 유지된다. 그 이후, 제1 반응 가스(A)를 채용하는 복합 노즐이 활성화되고, 그 직후 제2 반응 가스(B)를 채용하는 제2 복합 노즐이 활성화된다. 본 발명을 위한 노즐의 활성화는, 내부 선형 주입부로부터 유동이 시작되는 것 및 그와 동시에 기판의 근방으로부터 과잉 가스를 배기화하기 위한 외부 배기 포트를 채용하는 것을 포함한다. 따라서, 기판은 제1 반응 가스(A), 불활성 가스(P), 제2 반응 가스(B) 및 불활성 가스(P)에 차례로 노줄되며 연속적으로 가공되어 상기 기판의 표면에서 단일 원자층이 가공된다. 기판 가공의 소기의 레벨이 얻어진 이후, 반응 가스들을 채용하는 제1 및 제3 복합 노즐들은 비활성화되고, 기판은 제2 및 제4 복합 노즐들로부터 불활성 가스가 유입되어 소기의 온도로 냉각되며, 이 때 상기 기판은 연속적으로 회전중이다. 결국, 기판 회전의 각도 속도는 점차 감소하여, 기판 회전이 완전히 중단된다. 유동 분할판들은 기판 표면으로부터 제거(밖으로 꺼내어짐)된다. 게이트 밸브가 닫히고, 챔버는 챔버 바깥으로 기판을 이송하기 위해 소기의 압력 레벨로 되는데, 이는 챔버 문을 기판 이송 포트쪽으로 열면서 이루어진다.

반응기 구동의 제2 모드에서, 모든 복합 노즐들이 활성화된 이후, 불활성 가스(P)를 채용하는 제2 복합 노즐은 불활성 가스(P)의 유동을 오프로 전환하고 외부 배기 포트에서 밸브를 턴 오프하면서 비활성화된다. 제2 복합 노즐이 비활성화되면, 제1 반응 가스(A)에 의한 제1 단층(원자층)의 형성을 위한 공정이 중지되며, 모든 공정은 고속 화학 기상 공정으로 변환된다. 선택적으로, 불활성 가스(P)를 채용하는 제4 복합 노즐도 비활성화된다. 또한, 고속 화학 기상 공정 모드에서 모든 유동 분할판들은 제거 위치에 배치되고, 상기 분할판들의 하부 에지들은 서셉터 표면으로부터 실질적으로 제거된다.

상기에 기재된 바와 같은 ALCVP 반응기의 구동 속도의 일 예시로서, 기판 폭은 30 cm일 수 있고, 그 길이는 약 100 cm일 수 있다. 상기와 같은 기판은 약 100 cm/π, 즉 약 32 cm의 직경을 가진 서셉터를 중심으로 랩핑될 수 있다. 박막 물질로 된 각 단층이 0.2 nm의 두께를 가지고, 서셉터 회전의 각도 속도가 1000 회전수/min 이라면, 200 nm/min의 증착률은 1 미터의 삼분의 일의 영역에서 달성될 수 있다. ALCVP 반응기는 제곱 미터의 삼분의 일의 크기를 가진 기판에 1.0 미크론(1000 nm)의 증착 두께를 5분안에 달성할 수 있다. 본 발명은 그 사용에 대한 예시를 통해 이하에서 더욱 상세하게 기재된다.

예시 1 : 구리의 원자층 증착

2004년 10월 27일 등록된 미국 특허 출원 10/975,169에 기재된 바와 같이, 구리막들은 일반 수식 CuX(X=F, Cl, Br, I)으로 동할라이드(cuprous halide)를 채용하여 하나의 단층 정밀도로 증착될 수 있으며, 상기 동할라이드는 제1 복합 노즐의 내부 선형 주입부내에서 인시튜로 생성된다. 그 이후, 동 할라이드 가스는 H₂ 플라즈마로부터 유도되는 활성 수소류(예컨대, 이온류 H⁺, 유기소 Hㆍ 및 활성화 수소 H₂ ^*)와 조합된다. 대안적으로, 기판 표면위의 CuX는 수소 유기소(Hㆍ)와 조합될 수 있고, 상기 수소 유기소는 제2 복합 노즐의 내부 선형 주입부에 연결되는 라디칼소스(radical source)로부터 얻어진다. 구리 단층 증착 공정의 경우, 제1 및 제3 복합 노즐은 동 할라이드 전구체를 각각 채용하고, 반면 제2 및 제4 복합 노즐은 전체 공정의 속도를 올리기 위해, 수소 유기소 또는 수소 플라즈마로부터 유도되는 것들을 채용한다.

전체 반응은 다음과 같다:

CuX + H⁺/Hㆍ→ Cu + HX

반응식 2에 기재된 바와 같이 동 할라이드 환원 화학 공정에서, 활성 수소류는 종래의 4단계 원자층 증착 공정에서 불활성 가스(P)로 대체되었다. 상기 목적을 위해 효율적으로 사용될 수 있는 대안적 구리 전구체로는, 특히 구리(∥) 플루오르화 아세틸 아세토네이트(hexafluoro-acetyl-acetonate)[Cu(hfac)₂], 구리(∥)2,2,6,6,-테트라메틸(tetramethyl)3,5-헵탄디오네이트(heptanedionate)[Cu(thd)₂]가 있다.

예시 2 : 구리 인듐 디셀러나이드 합금막의 증착

구리 인듐 디셀러나이드 박막은 상기 예시 1에 기재된 바와 같은 구리 전구 체들 중 하나를 선택하여 ALD 모드에서 증착될 수 있는데, 이는 인듐의 헬라이드와 같은 인듐의 적합한 전구체와 함께 조합될 수 있다. 상기 인듐의 헬라이드는 특히 예컨대 선형 주입부내에서 인시튜로 생성될 수 있는(2004년 10월 27일 등록된 미국 특허 출원 10/975,169 참조) 인듐 3염화물[InCl₃], 디메틸 인듐 염화물[(CH₃) ₂In-Cl], 인듐 플루오르화 펜탄디오네이트[C₁₅H₃F₁₈O₆In]가 있다. 인듐의 전구체들은 상기에 기재된 어느 하나에만 한정되지는 않는다. 바람직한 셀레늄 전구체(selenium precursors)는 H₂Se 가스이며, 이는 2004년 10월 27일 등록된 미국 특허 출원 10/975,169에 기재된 바와 같이 고체 셀레늄 및 수소로부터 인시튜로 생성될 수 있다. 구리 인듐 디셀러나이드 박막들의 합성을 위한 전체 화학 반응은 다음과 같다(반응식을 간단히 하기 위해 염화물 및 수소 셀러나이드 가스만 도시된다):

CuCl + InCl₃ + 2H₂Se → CuInSe₂ + 4 HCl

질소는 ALD 공정에서 퍼지용 불활성 가스로 채용될 수 있다. 이러한 목적을 위해 사용될 수 있는 ALCVP 반응기 구성은 도 6a에 도시되었으며, 여기서 두 개의 내부 선형 주입부들은 챔버내에 CuCl 및 InCl₃ 증기를 주입하기 위해 채용될 수 있다. 또한, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같은 ALCVP 반응기 구성도 상기 목적을 위해 효과적으로 채용될 수 있다.

예시 3 : 구리 인듐 (갈륨) 셀러나이드 (CIGS) 그래이디드 화합물 막의 증착

다양한 화합물로 된 소정 두께의 박막은 도 17 및 도 18에 기재된 바와 같은 ALCVP 반응기 구성을 채용함으로써 ALD 모드로 증착될 수 있다. 구리 및 인듐의 소스는 상기에 기재된 바와 같으나, 어느 하나에만 한정되지는 않는다. 이는 적합한 갈륨 소스와 조합될 수 있는데, 상기 갈륨 소스는 트리에틸 갈륨[(CH₃)₃ Ga], 디에틸-갈륨 3염화물 [(C₂H₅) Ga-Cl], 및 퍼지 가스로서 N₂를 포함한 H₂Se가 있으나, 이것에만 한정되지는 않는다. 구리 인듐 (갈륨) 디셀러나이드 막의 ALD/CVD 증착 공정이 진행되는 동안, 인듐의 유동은 증가되고, 갈륨의 유동은 적합하게 감소되는 반면 H₂Se의 유동은 유지된다. ALD/CVD 모드에서 상기와 같은 공정 순서는 그래이디드 광학 갭, 대면적 및 고품질 태양광 흡수 물질을 발전시키기에 매우 중요하며, 상기 순서에서 물질의 조합 및 광학적 밴드 갭은 막 두께와 관련하여 변경될 수 있다.

예시 4 : 아연 황화물/아연 셀러나이드 막의 증착

ZnSe의 박막은 아연 소스로서의 ZnCl₂ 그리고 황 및 셀레늄의 소스로서의 H₂S 또는 H₂Se를 채용하여 증착될 수 있다. ZnCl₂는 미국 특허 출원 11/ 에 기재된 바와 같은 내부 선형 주입부내에서 인시튜로 생성될 수 있다. 대안적으로, 디메틸 아연[(CH₃)₂Zn]이 아연 소스로서 채용될 수 있다.

예시 5 : 구리 인듐 (갈륨) 셀러나이드 및 아연 화황물/아연 셀러나이드 이중막(bi-layer film)의 증착

CIGS는 흡수층으로서 채용되고, ZnSSe는 박막 광학 태양 전지에서 창층(window layer)이다. 구리 인듐 (갈륨) 셀러나이드 (CIGS)의 이중 박막(bi-layer thin film)/ ZnSSe 박막은 상기 예시 3에 도시된 바와 같이 제1 CIGS 박막 증착에 의해 달성될 수 있고, 이때 도 17에 도시된 바와 같은 ALCVP 반응기 구성을 채용하며, 여기서 A₁은 구리 소스, A₂는 인듐 소스, A₃은 갈륨/아연 소스이며, 반면 B₁은 셀레늄 소스, B₂는 황 소스이다. 상기와 같은 공정 순서에서, ZnSSe 막은 상기와 동일한 챔버내에서 미리 형성된 CIGS막의 상부에 증착되되 진공을 파괴하지 않고 증착될 수 있다. 상기 박막의 CIGS 및 ZnSSe 또는 이 둘 중 하나는 ALD 또는 CVD 방법으로 증착될 수 있다. 상기와 같은 공정 순서는 흡수층과 창층 사이의 경계면(interface)을 보호함으로써 태양 전지 효율을 증가시키기 위해 매우 중요할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예와 관련하여 도시 및 기재되었으나, 이는 예시로서만 이해되어야 하며, 본 발명의 특정한 출원의 범위를 한정하지는 않는다. 따라서, 본 특허 청구 범위로부터 벗어나지 않는 한, 기술적 공정, 구성, 물질, 형태 및 구성 요소들에 있어서 어떠한 변경 및 수정이 가능하다. 예컨대, 실질적으로 선형인 복합 노즐은 서셉터의 높이에 해당하는 범위를 가지는 다수 개의 개별 노즐들로 이 루어진 일 세트 노즐로 대체될 수 있다. 실시예들에서 서셉터는 원형 드럼 또는 다수 개의 면 및 다각형 단면을 가진 회전 부재로 기재되었다. 그러나, 상기에 기재된 적어도 하나의 실시예에서, 상기 시스템에는 두 개의 회전식 드럼들(rotating drums)이 사용되고, 기판 또는 기판 캐리어는 상기 두 개의 드럼들을 일주(pass around)한다. 따라서, 서셉터는 챔버 내에서 이송 장치이며, 본 발명의 범위 내에서 다른 종류의 많은 이송 장치들이 가능하고 사용될 수 있다. 대안적으로, 기판을 덮기 위해, 서셉터의 전체 높이위에 유체를 방출하는 한점식 노즐(single point nozzle)이 효과적으로 채용될 수 있다. 또한, 많은 화학 공정들은 상기에 기재된 장치 및 방법을 채용함으로써 발전될 수 있다. 또한, 공정 순서는 공정 화학 및 소기의 제품에 따라 적합하게 수정되되, 본 발명의 범위내에서 수정될 수 있다. 상기와 같은 반응기의 구동은 가스 유속, 기판 온도, 기판 회전 속도 및 챔버 압력과 같은 다양한 공정 파라미터에 의해 변조될 있다. 증착에 대해 추가적으로, 본 발명은 물질의 에칭 및 제거, 포토레지스트의 제거, 미세 구조에서 부속물의 후-애쉬 또는 후-에치 클리닝(post-ash or post-etch cleaning), 공정 챔버의 내부 표면에서 증착물 제거 등과 같은 다른 공정 분야에도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 다양한 범위의 기판 공정이 포함되며, 이는 발명자에 의해 원자층 화학 기상 공정(atomic layer chemical vapor processing) "ALCVP"로 명명되며, 공정 챔버는 ALCVP 반응기로 정한다. 더욱이, 기재된 바와 같은 본 발명의 구성은 특정한 화학 공정에만 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범위내에서 광범위한 화학 공정이 효율적으로 수행될 수 있다. 기판 형태는 원형 또는 직사각형으로 제한될 필요는 없으 며, 정사각형, 다각형 또는 어떤 형태도 될 수 있다. 또한 복합 노즐의 조합 및 배치가, 도시되거나 기재된 바와 다를 수도 있다. 더욱이, 서셉터는 원형이거나 8각형 단면을 가지는 것과 별개로 다각형으로 형성될 수도 있다. 복합 노즐의 경우, 내부 선형 주입부들은 원통형 튜브들일 필요는 없으며, 원뿔형 또는 다른 어떤 형태도 가질 수 있다. 기판 공정의 상기와 같은 장치 및 방법은 충분히 상세히 설명되었다.

또한, 상기에 기재된 모든 ALCVP 반응기 구성에서, 서셉트는 예컨대 고주파 여기(radio-frequency excitation)과 같은 전자기 에너지원을 포함할 수 있고, 가공되어야 할 박막의 물성 및 기판 표면에 배치되는 화학 반응의 성질을 변경시키기 위해 적합하게 바이어스될(biased) 수 있다. 대안적으로, 적어도 하나의 내부 선형 주입부는 플라즈마원에 연결되거나, 하나의 선형 주입부가 유기소 소스에 연결되어, 낮은 온도에서 박막 공정 반응을 용이하게 할 수도 있다.

또한, 상기에 기재된 모든 원자층 화학 기상 공정 장치 구성에서, 상기 장치의 구성 모드는 이산형 원자층 공정(discrete atomic layer processing)으로부터 고속 화학 기상 공정(증착, 에칭 또는 표면 개질) 구동 모드로 인시튜로 전환될 수 있다. 원자층 화학 기상 공정 모드시, 모든 직사각형 유동 분할 판들은 기판을 향해 하향배치되어 기판 표면에 형성될 경계층을 파괴하는 데 도움이 된다. 이 때, 반응 가스들 및 불활성 가스들을 채용하는 모든 복합 노즐들은 구동하도록 설정된다. 이 때, 구동의 고속 모드는 기판을 향한 불활성 가스 유동을 오프로 전환하거나 및/또는 모든 유동 분할판들을 기판으로부터 제거함으로써 구현될 수 있다.

또한, 매우 중요하게 언급해둘 것은, 본 발명의 모든 ALCVP 장치 구성에서, 반응 가스들은 국부적으로 주입되고 또한 국부적 및 별도로 모집된다는 것이다. 하류 배관 장치(downstream piping arrangement)에서, 제1 복합 노즐 주입부의 배기부(exhaust arm) 및 제2 복합 노즐 주입부의 배기부는 Y(또는 T) 형태의 커넥터에 연결되고, 상기 커넥터는 다시 조절 밸브 및 화학 전구체 모집/응축 트랩에 의해 진공 펌프에 연결된다. 상기와 유사한 하류 배관 장치가 제3 및 제4 복합 주입부들에 각각 채용된다. ALCVP 장치의 배기부분에서 상기와 같은 배관 장치는 하류에서 반응성이 높은 화학 전구체들의 혼합을 방지하고, 일부의 사용되지 않은 전구체들을 비교적 순수한 형태로 복구하여 나중에 재사용이 가능하도록 하는 데 도움이 됨으로써, 구동 비용이 현저히 절약된다. 또한, 상기와 같은 장치에 의해, 하류 방출물의 질량, 폐기물 정화량 및 그에 동반되는 비용이 현저히 줄어든다. 또한, 여기에 기재된 다양한 반응기 구성들은 화학 전구체 소비를 최적화하는 데 도움이 된다. 이러한 인자들의 조합에 의해, 본 발명에 기재된 장치의 전체 공정 속도 및 구동 효율은 실질적으로 증가하게된다.

Claims (20)

1. 박막 공정 장치로서:

   외부 벽에서 외부 주변부 및 연결식 배기화 서브 시스템(evacuation subsystem)을 포함하는 공정용 챔버;

   상기 외부 벽의 외부 주변부를 중심으로 간격을 두어 배치되어, 각각 상기 챔버의 벽을 관통하여 상기 챔버의 외부로부터 내부로 공정 가스를 전달하고, 주입된 가스를 실질적으로 선형 패턴(linear pattern)으로 분산시키는 역할을 하는 다수 개의 주입용 노즐들; 및

   상기 공정용 챔버 내에 이송 서브시스템을 포함하고, 그리고

   상기 이송 서브시스템은 코팅되어야 할 단일 또는 다수 개의 기판들을 운반하되, 상기 이송 서브 시스템의 구동 시 단일 또는 다수 개의 기판들이 다수 개의 상기 주입용 노즐들에 매우 근접하여 순차적으로 이동하고 순차적인 상기 이동이 반복되도록 하는 방식으로 운반하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 주입용 노즐들 각각은 상기 노즐에 연결된 전용 배기화 장치(dedicated evacuation apparatus)를 포함하여, 구동 시 상기 노즐에 바로 접하여 과잉의 주입된 가스를 제거하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 주입용 노즐들의 개수는 4의 배수이며, 순차적으로, 네 개의 노즐들이 하나의 세트(set)로 구성되어, 상기 세트의 제1 노즐은 제1 반응 가스를 주입하여 화학 흡착된 단층(chemisorbed mololayer)을 형성하고, 상기 세트의 제2 노즐은 제1 불활성 가스를 주입하여 상기 제1 반응 가스의 잔여를 퍼지(purge)하고, 상기 세트의 제3 노즐은 제2 반응 가스를 주입하여 화학 흡착된 상기 제1 반응가스와 화학적으로 반응하여 단층막을 형성하고, 그리고 상기 세트의 제4 노즐은 제2 불활성 가스를 주입하여 상기 제2 반응 가스의 잔여량을 퍼지하고, 그리고

   네 개의 노즐들로 이루어진 일 세트는 순차적으로 반복되는 기판의 이동과 결합하여, 원자층 증착 공정을 수행하여 기판상에 단층정밀도의 막이 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 배수는 1이고, 순차적으로 상기 노즐들의 수는 4개인 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 챔버는 실질적으로 원형이고, 상기 외부 주변부는 상기 챔버의 직경이며, 상기 이송 서브시스템은 실질적으로 원형인 상기 챔버내에서 회전하는 드럼(drum)을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 기판은 상기 드럼상에 랩핑(wrapping)된 가요성 패널이며, 상기 드럼 높이와 상기 패널의 폭은 실질적으로 동일하고, 다수 개의 상기 노즐들 각각은 직선으로 연장된 범위에서 실질적으로 상기 기판의 폭에 있으며, 상기 드럼은 상기 기판의 한 점을 지지하여 주입의 선형 패턴에 대해 실질적으로 직각을 이루는 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 챔버는 전면 및 후면이 실질적으로 평평한 벽부와, 원형인 말단부를 가지고, 그리고,

   상기 이송 서브 시스템은 두 개의 드럼들을 포함하고, 상기 드럼들은 실질적으로 동일한 직경을 가지고, 공통의 각도 속도(angular velocity)로 회전하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 기판은 연속 루프(continuous loop)방식으로 상기 두 개의 드럼들을 일주(passing around)하는 가요성 패널이며, 다수 개의 상기 노즐들 각각은 직선으로 연장된 범위에서 실질적으로 상기 기판의 폭에 있으며, 상기 드럼은 기판의 한 점을 지지하여 주입의 선형 패턴에 대해 실질적으로 직각을 이루는 방향으로 회전하 는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 챔버는 실질적으로 원형이고, 상기 외부 주변부는 상기 챔버의 직경이며, 상기 이송 서브 시스템은 실질적으로 원형인 상기 챔버내에서 회전하는 드럼을 포함하고, 상기 드럼은 다각형 단면을 가진 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 다각형 단면을 가진 드럼의 평면 부분은 개별 평면 기판을 이송하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 장치.
11. 박막 공정 방법으로서:

    배기화 서브 시스템에 연결된 공정용 챔버의 벽의 외부 주변부를 중심으로 공간을 두고 배치되어, 각각 상기 챔버의 벽을 관통하여 상기 챔버의 외부로부터 내부로 공정 가스를 전달하고, 주입된 가스를 실질적으로 선형 패턴으로 분산시키는 역할을 하는 다수 개의 주입용 노즐들을 실장하는 실장 단계; 및

    코팅되어야 할 적어도 하나의 기판을 상기 공정용 챔버 내의 이송 서브시스템에 배치하되, 상기 이송 서브시스템의 구동 시 단일 또는 다수 개의 기판들이 다수 개의 상기 주입용 노즐들에 매우 근접하여 순차적으로 이동하고 순차적인 상기 이동이 반복되도록 배치하는 배치 단계를 포함하는 박막 공정 방법.
12. 청구항 11에 있어서,

    구동 시, 상기 주입용 노즐들 각각에서 상기 노즐에 바로 접하여 과잉 주입된 가스를 전용 배기화 장치에 의해 배기화하는 배기화 단계를 포함하는 박막 공정 방법.
13. 청구항 11에 있어서,

    상기 주입용 노즐들의 개수는 4의 배수이고, 순차적으로, 네 개의 노즐들이 하나의 세트로 구성되어, 상기 세트의 제1 노즐은 제1 반응 가스를 주입하여 화학 흡착된 단층을 형성하고, 상기 세트의 제2 노즐은 제1 불활성 가스를 주입하여 상기 제1 반응 가스의 잔여를 퍼지하고, 상기 세트의 제3 노즐은 제2 반응 가스를 주입하여 화학 흡착된 상기 제1 반응가스와 화학적으로 반응하여 단층막을 형성하고, 그리고 상기 세트의 제4 노즐은 제2 불활성 가스를 주입하여 상기 제2 반응 가스의 잔여량을 퍼지하고, 그리고

    네 개의 노즐들로 이루어진 일 세트는 순차적으로 반복되는 기판의 이동과 결합하여, 원자층 증착 공정을 수행하여 기판상에 단층정밀도의 막을 형성시키는 것을 특징으로 하는 박막 공정 방법.
14. 청구항 13에 있어서,

    상기 배수는 1이고, 순차적으로 상기 노즐들의 수는 4개인 것을 특징으로 하 는 박막 공정 방법.
15. 청구항 11에 있어서,

    상기 챔버는 실질적으로 원형이고, 상기 외부 주변부는 상기 챔버의 직경이며, 상기 이송 서브시스템은 실질적으로 원형인 상기 챔버내에서 회전하는 드럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 방법.
16. 청구항 15에 있어서,

    상기 기판은 상기 드럼상에 랩핑된 가요성 패널이며, 상기 드럼 높이와 상기 패널의 폭은 실질적으로 동일하고, 다수 개의 상기 노즐들 각각은 직선으로 연장된 범위에서 실질적으로 상기 기판의 폭에 있으며, 상기 드럼은 상기 기판의 한 점을 지지하여 주입의 선형 패턴에 대해 실질적으로 직각을 이루는 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 방법.
17. 청구항 11에 있어서,

    상기 챔버는 전면 및 후면이 실질적으로 평평한 벽부와, 원형인 말단부를 가지고, 그리고,

    상기 이송 서브 시스템은 두 개의 드럼들을 포함하고, 상기 드럼들은 실질적으로 동일한 직경을 가지고, 공통의 각도 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 방법.
18. 청구항 17에 있어서,

    상기 기판은 연속 루프방식으로 상기 두 개의 드럼들을 일주하는 가요성 패널이며, 다수 개의 상기 노즐들 각각은 직선으로 연장된 범위에서 실질적으로 상기 기판의 폭에 있으며, 상기 드럼은 기판의 한 점을 지지하여 주입의 선형 패턴에 대해 실질적으로 직각을 이루는 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 방법.
19. 청구항 11에 있어서,

    상기 챔버는 실질적으로 원형이고, 상기 외부 주변부는 상기 챔버의 직경이며, 상기 이송 서브 시스템은 실질적으로 원형인 상기 챔버내에서 회전하는 드럼을 포함하고, 상기 드럼은 다각형 단면을 가진 것을 특징으로 하는 박막 공정 방법.
20. 청구항 19에 있어서,

    상기 다각형 단면을 가진 드럼의 평면 부분은 개별 평면 기판을 이송하는 것을 특징으로 하는 박막 공정 방법.

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