KR20090117351A - 원자층 증착 장치 - Google Patents

Abstract

증착가스를 균일하게 분사할 수 있는 샤워헤드를 구비하는 원자층 증착 장치가 개시된다. 원자층 증착 장치는 프로세스 챔버 내에 회전 가능하게 장착되되, 복수의 기판이 안착되는 서셉터와 샤워헤드에 구비되어 배기가스를 배기시키는 배기라인을 구비하고, 상기 샤워헤드는 상기 프로세스 챔버의 상부에 구비되어 상기 기판으로 증착가스가 분사되는 복수의 분사홀이 일직선을 따라 배치되되, 서로 평행한 복수의 직선을 따라 배치된 분사라인이 형성된다. 따라서, 소스가스 및 퍼지가스를 분사하는 샤워헤드에 있어서, 분사홀을 라인 형태 및 방사상으로 배치하여 기판 상에 분사되는 증착가스의 양을 균일하게 하고, 증착 효율 및 성막 품질을 향상시킨다.

샤워헤드, 소스가스영역, 반응가스영역, 퍼지가스영역, 분사홀 패턴

Description

원자층 증착 장치{ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS}

본 발명은 원자층 증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막 증착을 위한 서로 다른 복수의 소스가스가 서로 혼합되는 것을 방지하고, 증착가스를 균일하게 분사함으로써 성막 품질을 향상시킬 수 있는 원자층 증착 장치를 제공한다.

일반적으로, 반도체 웨이퍼나 글래스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하기 위해서는 스퍼터링(Sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(PVD; Physical Vapor Deposition)과, 화학 반응을 이용하는 화학 기상 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition) 등을 이용한 박막 제조 방법이 사용된다.

여기서, 화학 기상 증착법으로는 상압 화학 기상 증착법(APCVD; Atmospheric Pressure CVD), 저압 화학 기상 증착법(LPCVD; Low Pressure CVD), 플라즈마 유기 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced CVD)등이 있으며, 이 중에서 저온 증착이 가능하고 박막 형성 속도가 빠른 장점 때문에 플라즈마 유기 화학 기상 증착법이 많이 사용되고 있다.

그러나, 반도체 소자의 디자인 룰(Design Rule)이 급격하게 미세해짐으로써 미세 패턴의 박막이 요구되었고, 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커지게 되었다. 이에 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 원자층 증착 방법(ALD; Atomic Layer Deposition)의 사용이 증대되고 있다.

원자층 증착 방법(ALD)은 기체 분자들 간의 화학 반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착(CVD) 방법과 유사하다. 하지만, 통상의 화학 기상 증착(CVD) 방법이 다수의 기체 분자들을 동시에 프로세스 챔버 내로 주입하여 기판의 상방에서 발생된 반응 생성물을 기판에 증착하나 이와 달리, 원자층 증착 방법은 하나의 기체 물질을 프로세스 챔버 내로 주입한 후 이를 퍼지(purge)하여 가열된 기판의 상부에 물리적으로 흡착된 기체만을 잔류시키고, 이후 다른 기체 물질을 주입함으로써 상기 기판의 상면에서만 발생되는 화학 반응 생성물을 증착한다는 점에서 상이하다.

이러한 원자층 증착 방법을 통해 구현되는 박막은 스텝 커버리지 특성이 매우 우수하며, 불순물 함유량이 낮은 순수한 박막을 구현하는 것이 가능한 장점을 갖고 있어 현재 널리 각광받고 있다.

그러나 기존의 원자층 증착 장치를 이용하여 샤워헤드 또는 서셉터가 고속으로 회전하면서 서로 다른 종류의 소스가스들을 분사하고, 기판이 순차적으로 소스가스를 통과하여 박막을 형성할 경우, 프로세스 챔버 내에서 서로 다른 소스가스가 서로 혼합되어 성막 품질이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 원자층 증착 장치를 이용하여 형성한 성막의 품질은 샤워헤드에서 제공되는 가스 공급량의 균일한 정도에 영향을 받는다.

그러나, 기존의 원자층 증착 장치는 샤워헤드의 형태 및 기판의 형태로 인해 가스가 기판에 균일하게 제공하는 것이 어렵다.

설명의 편의를 위한 일 예로, 샤워헤드의 중심점을 기준으로 동심원 상을 따라 균일하게 분사홀을 형성할 수 있을 것이다. 그러나 샤워헤드와 기판 사이의 형태 차이로 실제 기판에 도달하는 가스의 양이 균일하지 않은 문제점이 있다.

다른 예로 샤워헤드에서 기판에 대응되는 위치에 기판의 형태에 대응되는 원형으로 분사홀을 배치하는 것도 가능할 것이다. 그러나 원자층 증착 방법을 통해 기판 위에 형성되는 성막은 기판이 회전하면서 고속으로 소스가스가 분사되는 영역을 통과하여 형성되므로 실질적으로 기판에 도달하는 가스의 양이 균일하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기판에 도달하는 증착가스의 양을 균일하게 제공하는 원자층 증착 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 증착 품질을 향상시킬 수 있는 원자층 증착 장치를 제공하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 기판에 균일하게 증착가스를 분사할 수 있는 원자층 증착 장치가 개시된다. 원자층 증착 장치는 프로세스 챔버 내에 회전 가능하게 장착되되, 복수의 기판이 안착되는 서셉터와 샤워헤드에 구비되어 배기가스를 배기시키는 배기라인을 구비하고, 상기 샤워헤드는 상기 프로세스 챔버의 상부에 구비되어 상기 기판으로 증착가스가 분사되는 복수의 분사홀이 일직선을 따라 배치되되, 서로 평행한 복수의 직선을 따라 배치된 분사라인이 형성된다.

실시예에서, 상기 샤워헤드에는 상기 증착가스가 분사되는 분사영역이 소스가스가 분사되는 하나 이상의 소스영역과 퍼지가스가 분사되는 하나 이상의 퍼지영역으로 나뉜다. 그리고, 상기 분사라인은 상기 소스영역에 형성될 수 있다. 또는, 상기 분사라인은 상기 분사영역 전체에 형성될 수 있다.

실시예에서, 상기 분사라인은 상기 샤워헤드의 반경 방향을 따라 형성될 수 있다. 또는, 상기 분사라인은 상기 샤워헤드의 중심부를 기준으로 방사상으로 배치될 수 있다. 또 다른 변형예로서, 상기 분사라인은 상기 분사영역 내에서 상기 샤워헤드의 중심부를 기준으로 부챗살 형태로 배치될 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 첫째, 샤워헤드에서 기판에 분사되는 증착가스가 직선 형태로 분사될 수 있도록 분사홀을 직선 형태로 배치함으로써 기판에 균일한 양의 증착가스를 제공할 수 있다.

둘째, 균일한 양의 증착가스가 제공되므로 기판에 증착되는 박막의 막질을 향상시킬 수 있다.

첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치의 측단면도이다. 도 2는 도 1의 샤워헤드의 일 실시예를 설명하기 위한 평면도이고, 도 3은 도 2의 샤워헤드에 대한 변형된 실시예를 설명하기 위한 평면도이다.

이하에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 원자층 증착 장치(100)는 프로세스 챔버(110), 샤워헤 드(130) 및 서셉터(120)로 이루어진다.

도 1을 참조하면, 원자층 증착 장치(100)는 프로세스 챔버(110), 샤워헤드(130) 및 서셉터(120)로 이루어진다.

상기 프로세스 챔버(110)는 기판(W)을 수용하여 박막 증착 공정이 수행되는 공간을 제공한다.

여기서, 상기 기판(W)은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 기판(W)은 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel)와 같은 평판 디스플레이 장치용으로 사용하는 유리 따위의 투명 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(W)은 형상 및 크기가 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 원형 및 사각형 플레이트 등 실질적으로 다양한 형상과 크기를 가질 수 있다.

상기 프로세스 챔버(110) 하부에는 배기가스의 배기를 위한 챔버배기부(111)가 구비된다.

상기 서셉터(120)는 상기 프로세스 챔버(110) 내에 구비되고, 상기 복수의 기판(W)을 지지한다. 예를 들어, 상기 서셉터(120)는 스루풋(throughput)이 우수한 세미배치(semi-batch) 타입으로서, 복수의 기판(W)이 동일 평면 상에 일면이 지지되도록 배치되고, 상기 서셉터(120) 표면에서 원주 방향을 따라 방사상으로 배치된다.

상기 서셉터(120)는 상기 서셉터(120)의 중심을 기준으로 상기 기판(W)들이 공전하도록 회전 가능하게 구비되고, 상기 서셉터(120) 하부에는 회전축(121) 및 상기 회전축(121)에 연결되어 상기 서셉터(120)를 회전시키는 회전 구동부(125)가 구비된다.

상기 샤워헤드(130)는 상기 프로세스 챔버(110) 상부에 구비되어 상기 서셉터(120)에 지지된 상기 기판(W) 표면으로 증착가스를 제공한다.

상기 증착가스는 상기 기판(W) 표면에 증착하고자 하는 박막을 구성하는 물질이 포함된 소스가스와 상기 소스가스의 퍼지를 위한 퍼지가스를 포함하여 통칭하며, 본 실시예에서는 서로 다른 종류의 복수의 소스가스가 제공된다.

상기 샤워헤드(130)에는 상기 프로세스 챔버(110) 내에서 미반응 증착가스 및 잔류 증착가스를 배기시키는 배기라인(140)이 구비되고, 상기 프로세스 챔버(110) 일측에는 상기 배기라인(140)과 연통되어 상기 배기라인(140)에서 배기되는 배기가스를 배출시키기 위한 토출부(160)가 구비된다. 상기 토출부(160)는 일단이 상기 프로세스 챔버(110)를 관통하여 상기 배기라인(140)과 연결되고 타단이 상기 프로세스 챔버(110) 외부에 구비된 배기부(165)로 연결된다.

상기 배기라인(140)은 상기 샤워헤드(130)를 관통하여 상기 프로세스 챔버(110) 내부와 연통되도록 형성되며, 상기 배기라인(140)을 따라 복수의 배기홀(141)이 형성된다.

여기서, 상기 배기홀(141)은 상기 배기라인(140)의 길이 방향을 따라 소정 간격으로 형성된다. 여기서, 상기 배기홀(141)의 크기나 개수 및 위치는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 배기량에 따라 서로 다른 크기의 홀이 형성되거나, 다른 피치 간격으로 홀이 배치될 수 있다. 또한, 상기 배기홀(141)은 원형 또는 슬 릿 형태 등을 가질 수 있다.

이하, 도 2와 도 3을 참조하여 상기 샤워헤드(130)에 대해 상세하게 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 상기 샤워헤드(130)는 상기 증착가스가 분사되는 복수의 분사홀(131)이 형성된다. 여기서, 상기 샤워헤드(130)에서 상기 증착가스가 분사되도록 상기 분사홀(131)이 형성된 분사영역(132)이 형성되는데, 상기 샤워헤드(130)에는 서로 다른 복수의 증착가스가 각각 분사되는 복수의 영역이 형성된다. 상세하게는, 상기 분사영역(132)은 서로 다른 복수의 소스가스가 분사되는 제1 소스영역(132a, 132b)과 제2 소스영역(132a, 132b) 및 퍼지가스가 분사되는 복수의 퍼지영역(132c, 132d)으로 이루어진다.

상기 배기라인(140)은 상기 각 분사영역(132)의 경계 부분에 구비되어, 상기 프로세스 챔버(110) 내의 배기가스를 배출시킴은 물론, 상기 분사영역(132)들을 분리시키는 역할을 한다. 예를 들어, 상기 샤워헤드(130)에는 4개의 분사영역(132)이 부채꼴 형태로 형성되어 있다. 그리고 상기 배기라인(140)은 상기 제1 및 제2 소스영역(132a, 132b)의 면적을 최대한 확보할 수 있는 ‘V’자 구조를 가지며, 상기 분사영역(132)의 경계선을 따라 형성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의‘V’자형 상기 배기라인(140)은 수평으로 대칭을 이루며, 서로 마주하는‘V’형의 꼭지점이 상기 샤워헤드(130)의 중심부에 존재한다.

본 실시예에서는 상기 배기라인(140)이 ‘V’자 형태인 것을 예로 들어 설명 하였으나, 상기 배기라인(140)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 배기라인(140)은 반원 또는 반타원 형상 등 실질적으로 다양한 형태를 가질 수 있을 것이다.

상기 샤워헤드(130)의 상기 분사영역(132)에는 상기 분사홀(131)이 임의의 일직선(이하, 분사홀 라인(131a)이라 한다)을 따라 배치되어 복수의 분사홀 라인(131a)을 형성한다. 그리고 복수의 분사홀 라인(131a)은 서로 평행하게 배치되며, 분사라인(131b)을 형성한다. 여기서, 상기 분사라인(131b)은 하나의 분사홀 라인(131a)을 따라 배치된 분사홀(131)들일 수 있다.

상기 분사라인(131b)은 상기 분사영역(132) 내에서 직선 형태로 상기 기판(W)에 소스가스 또는 퍼지가스를 분사하도록 형성된다. 여기서, 본 실시예에서는 상기 분사라인(131b)이 상기 제1 및 제2 소스영역(132a, 132b) 및 상기 퍼지영역(132c, 132d)에 모두 형성되는 것을 예로 들어 설명한다.

그러나, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 분사라인(131b)은 복수의 분사영역(132) 중 필요한 영역에만 형성될 수 있다. 즉, 하나의 제2 소스영역(132b)에, 또는 제1 및 제2 소스영역(132a, 132b)이나 퍼지영역(132c, 132d)에만 형성하는 것도 가능할 것이다.

상기 분사라인(131b)은 상기 기판(W)에 직선 형태로 상기 증착가스를 분사 가능하도록 형성된다. 예를 들어, 상기 분사라인(131b)은 상기 기판(W)의 이동 방향에 대해 대략적으로 수직한 직선인 상기 기판(W)의 직경 방향에 나란한 직선 형태로 형성된다. 그리고, 상기 분사라인(131b)에서 분사되는 증착가스가 상기 기 판(W)에 균일하게 제공될 수 있도록, 상기 분사라인(131b)의 길이는 상기 기판(W)의 직경보다 크거나 같다.

여기서, 상기 분사라인(131b)의 배치가 도면 및 상술한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 분사라인(131b)의 형태는 상기 기판(W)의 이동에 대해 직선 형태로 증착가스를 분사할 수 있는 실질적으로 다양한 형태를 가질 수 있다. 즉, 상기 분사라인(131b)은 상기 샤워헤드(130)의 반경 방향을 따라 배치되거나, 상기 분사영역(132) 내에서 상기 샤워헤드(130)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치될 수 있을 것이다.

상세하게는, 상기 제1 및 제2 소스영역(132a, 132b) 또는 상기 퍼지영역(132c, 132d)이 부채꼴 형태를 가지므로, 상기 분사라인(131b)은 상기 샤워헤드(130)의 중심점을 기준으로 상기 분사영역(132) 내에서 부챗살 형태로 배치된다.

상기 분사라인(131b)에서 상기 분사홀(131)의 크기와 형태가 동일한 홀이 동일한 피치로 배치될 수 있다. 또는, 상기 분사홀(131)은 상기 기판(W)에 제공되는 상기 증착가스가 동일하게 분사될 수 있도록, 서로 다른 크기와 형태의 홀이 형성된다. 또는, 상기 분사라인(131b)은 서로 다른 피치로 분사홀(131)이 배치될 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 상기 서셉터(120)가 회전함에 따라 상기 기판(W)은 상기 샤워헤드(130)의 중심을 기준으로 공전하고, 상기 분사라인(131b)은 상기 기판(W)의 회전 이동 경로와 대략 수직이 되는 방향, 예를 들어, 상기 기판(W) 직경과 나란한 방향으로 배치된다. 따라서, 상기 기판(W)이 이동함에 따라 상기 기 판(W) 전체 표면에는 증착가스가 균일하게 분사된다. 본 실시예에 따르면, 상기 분사라인(131b)이 상기 기판(W)에 대해 직선 형태로 증착가스를 분사하므로, 상기 기판(W)에 대해서 균일하게 증착가스를 제공할 수 있다. 상세하게는, 상기 분사홀(131)은 상기 분사라인(131b) 상에만 형성되므로 상기 분사영역(132)에 대해서 보았을 때는 상기 분사홀(131)이 균일하게 배치되어 있지 않다. 또한, 상기 기판(W)이 정지한 상태에서도 상기 기판(W)으로는 상기 분사라인(131b)에 대응되는 직선 형태로만 증착가스가 제공될 것이다. 그러나, 상기 기판(W)이 일정 속도로 회전하고 있으므로, 상기 기판(W) 표면에서 보았을 때, 상기 분사라인(131b)에서 분사되는 증착가스가 상기 기판(W) 표면 전체를 지나가게 된다. 특히, 상기 분사라인(131b)은 상기 기판(W)과 직선 형태로 교차하게 되므로, 상기 기판(W) 표면에 상기 증착가스를 균일하게 분사할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 설명하기 위한 측단면도;

도 2는 도 1의 샤워헤드를 설명하기 위한 평면도;

도 3은 도 2의 샤워헤드의 변형된 실시예를 설명하기 위한 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 원자층 증착 장치 110: 프로세스 챔버

111: 챔버 배기부 120: 서셉터

121: 회전축 125: 회전 구동부

130: 샤워헤드 131: 분사홀

131a: 분사홀 라인 131b: 분사라인

132: 분사영역 132a, 132b: 소스영역

132c, 132d: 퍼지영역 140: 배기라인

141: 배기홀 160: 토출부

165: 배기부 W: 기판

Claims (5)

1. 프로세스 챔버;

   상기 프로세스 챔버 내에 회전 가능하게 장착되며, 하나 이상의 기판이 안착되는 서셉터;

   상기 프로세스 챔버 상부에 존재하며, 복수의 직선 형태로 배치된 분사라인을 포함하는 샤워헤드; 및

   상기 프로세스 챔버의 상부에 구비되어 상기 기판으로 증착가스가 분사되는 복수의 분사홀이 일직선을 따라 배치되되, 서로 평행한 복수의 직선을 따라 배치된 분사라인이 형성된 샤워헤드; 및

   상기 샤워헤드에 구비되어 상기 프로세스 챔버 내의 배기가스를 배기시키는 배기라인;

   를 포함하며,

   상기 분사라인은 일직선으로 배치된 복수의 분사홀로 이루어진 복수의 분사홀 라인으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 샤워헤드는 상기 증착가스가 분사되는 분사영역이 존재하며, 상기 분사영역은 소스가스가 분사되는 하나 이상의 소스영역과 퍼지가스가 분사되는 하나 이상의 퍼지영역으로 이루어진 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 분사라인은 상기 샤워헤드의 반경 방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 분사라인은 상기 샤워헤드의 중심부를 기준으로 방사상으로 배치된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
5. 제2항에 있어서,

   상기 분사라인은 상기 소스영역 또는 상기 퍼지영역에 형성된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.

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