KR20090126793A

KR20090126793A - 기상 자기조립 단분자막 코팅장치

Info

Publication number: KR20090126793A
Application number: KR1020080053096A
Authority: KR
Inventors: 유연상; 박성진; 이준구; 윤능구; 박진구
Original assignee: 주식회사 소로나
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2009-12-09
Also published as: WO2009148284A3; US20110083607A1; KR100994920B1; WO2009148284A2

Abstract

공간을 적게 차지하고 제조비용을 절감할 수 있는 기상 자기조립 단분자막의 코팅장치를 개시한다. 그 장치는 기판을 장착하기 위한 공간을 제공하는 챔버의 일측에 설치되고, 주사기 형태의 하나 또는 복수개의 전구체 주입장치를 포함한다. 또한 전구체 주입장치에 액상의 전구체를 공급하는 하나 또는 복수개의 전구체 공급부를 포함한다.

기상 자기조립 단분자막, 코팅, 전구체 주입장치

Description

기상 자기조립 단분자막 코팅장치{Thin film coating apparatus of forming vapor phase self-assembled monolayer}

본 발명은 박막 코팅장치에 관한 것으로, 특히 단층의 고분자 박막을 고르게 코팅할 수 있는 장치에 관한 것이다.

자기조립 단분자막(Self-Assembled Monolayer; SAM)은 주어진 기판의 표면에 자발적으로 도포되고 규칙적으로 정렬된 유기 단분자 박막(이하, 자기조립 단분자막이라고 함)이다. 구체적으로, 자기조립은 단위분자들이 분자 간의 상호작용을 통하여 자발적으로(spontaneously) 조립되어 특정한 구조물이 만들어지는 현상으로, 자발적인 반응을 통하여 형성된다. 단위 자기조립 단분자막의 코팅에 이용되는 분자는 세 부분으로 이루어져 있다. 즉, 기판과 결합하는 머리 부분의 반응기, 규칙적으로 분자막을 형성하게 하는 몸통부분의 알칸사슬(alkane chain) 및 분자막에 특수한 기능을 좌우하는 꼬리부분의 작용기로 나누어진다.

SAM이 적용되는 예인 나노 임프린팅 리소그래피(Nano-Imprinting Lithography; NIL)는 한번의 리소그래피 공정으로 나노 패턴을 적은 비용으로 대량생산할 수 있는 기술로 알려져 있다. 이는 기판 위에 스핀코팅(spin coating) 또는 디스펜싱(dispensing)된 열경화성 또는 광경화성 수지와 같은 고분자 수지의 표면에 나노 구조물이 각인된 스탬프(stamp)의 형상대로 전사하는 것이다. 즉, NIL 기술은 물리적인 접촉을 통하여 스탬프와 동일한 형상의 패턴을 피전사체인 고분자 수지에 유도하는 것이다.

그런데, NIL 기술에 의해 서로 다른 물질이 접촉할 때, 두 물질의 계면 사이에는 서로 달라붙으려는 점착력이 존재한다. 이러한 점착력은 패턴의 형상이 조밀해지고 선폭이 줄어들수록 커지므로 NIL 기술의 성공적인 수행에 중요한 변수로 작용한다. 다시 말해, 점착현상에 의해 스탬프에 고분자 수지의 일부가 잔류하게 되고, 잔류하는 수지로 인하여 패턴의 전사가 왜곡되어 피전사체에 정확한 패턴을 형성할 수 없게 된다. 이로 인해 스탬프의 수명이 단축되고 생산의 수율이 떨어진다. 따라서 성공적으로 NIL 공정을 수행하고 스탬프를 보호하기 위해서는, 수지가 스탬프에 달라붙지 않도록 해야 한다.

한편, 수지가 스탬프에 달라붙지 않도록 하는 방법 중의 하나는 낮은 표면에너지를 가지는 자기조립 단분자막을 스탬프에 코팅하는 것이다. 자기조립 단분자막을 코팅하는 방법은 크게 스핀코팅, 액상 자기조립 단분자막(liquid SAM), 기상 자기조립 단분자막, 플라즈마 중합(plasma polymerization) 등이 있다. 이때, 스핀코팅이나 액상 자기조립 단분자막은 액상의 물질을 활용한다. 특히 액상 자기조립 단분자막의 코팅에 따르면, 실리콘 산화물, 금 또는 백금 등의 기판을 유기 활성물질 등이 녹아 있는 용액에 담그면 기판 위에 유기 활성물질이 결합하여 나노미터급의 단분자막을 자발적으로 형성할 수 있다.

그런데, 스핀코팅이나 액상 자기조립 단분자막 방식의 코팅은, 코팅시 반응물의 양을 정밀하게 제어하기 어렵기 때문에, 동일한 조건으로 코팅을 하여도 신뢰성을 가지기 어렵다. 또한 반도체 소자 등의 미세소자의 제조공정은 대부분 기상 공정으로 제작되고 있고, 액상이 가지고 있는 표면장력 등의 특성 때문에 미세소자에 액상 자기조립 단분자막의 제조공정을 적용하는 데에는 많은 문제점이 있다.

그런데, 기상 자기조립 단분자막을 형성하는 데 사용되는 전구체는 고분자물질로 액체상태로 존재하여 미세한 전자소자에 균일한 코팅이 어렵다. 기상 자기조립 단분자막 방법으로 코팅하기 위해서는 액체를 증기상태로 만들어 주어야 하는 데, 전구체의 낮은 증기압으로 인해 쉽게 증기로 변화되지 않기 때문에 별도의 증기화를 위한 장치가 필요하다.

코브린과 보리스(Koblin, Boris) 등에게 허여된 2005년 1월 20일자 국제특허출원 제 WO 2005/006398 A2는 전구체(precursor)를 이용하는 기상 자기조립 단분자막 형성장치에 대해 개시하였다. 이 장치는 전구체가 컨테이너에 있을 때 전구체의 증기상(vapor phase)을 생성하기 위한 가열(저장) 용기를 포함한다. 기상 자기조립 단분자막의 코팅은 하나 이상의 전구체와 하나 이상의 촉매가 필요하므로 각각의 증기상을 생성하는 저장용기가 요구된다. 필요한 양의 증기의 생성을 위해서는 50~1000cc의 저장용기가 각각 요구되므로, 상기 저장용기는 장치를 대형화하고 가격을 상승시키는 원인이 되고 있다. 또한 저장용기는 증기의 생성을 위해 별도의 가열장치가 부가되어야 하므로 저장용기의 부피는 더욱 커지고 이에 따라 비용이 증가한다.

특히 나노임프린팅, MEMS 등 미세전자소자에 이용되는 코팅은 반응에 필요한 전구체의 양을 정확하게 제공하기 위해서는 복수개의 증기 저장용기가 필요하게 되어 제조비용이 증가한다. 또한 큰 부피의 저장용기가 각각 장착되면 박막 형성장치의 크기가 커져서 공간을 많이 차지하는 문제점도 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 공간을 적게 차지하고 제조비용을 절감할 수 있는 기상 자기조립 단분자막의 코팅장치를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기상 자기조립 단분자막의 코팅장치는 기판을 장착하기 위한 공간을 제공하는 챔버와 상기 챔버의 일측에 설치되고, 주사기 형태의 하나 또는 복수개의 전구체 주입장치를 포함한다. 또한 상기 전구체 주입장치에 액상의 전구체를 공급하는 하나 또는 복수개의 전구체 공급부를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 전구체 주입장치는 액상의 전구체를 수용하는 주사기와, 상기 주사기에 수용된 상기 전구체를 소량으로 상기 챔버에 공급하는 주사바늘 및 상기 액상의 전구체를 상기 주사바늘 방향으로 밀어내는 피스톤을 포함할 수 있다. 이때, 상기 주사기에 수용되는 상기 액상 전구체의 양은 5~50cc인 것이 바람직하다. 나아가, 상기 주사바늘이 포함된 상기 전구체 주입장치는 상기 챔버에 설치되고 상기 액상의 전구체를 상기 챔버에 공급을 계속하거나 중단하는 밸브를 포 함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 복수개의 주사기는 서로 다른 전구체를 공급할 수 있고, 상기 복수개의 주사기는 서로 동일한 전구체를 공급할 수 있다. 또한, 상기 전구체 주입장치는 상기 피스톤을 상기 주사바늘 방향으로 이동시키는 구동부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 챔버의 내부에는 상기 전구체 주입장치에서 공급된 상기 액상의 전구체를 수용하면서 상기 전구체를 증기상태로 변환시키는 기화부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 기화부는 상기 증기상태로 변환된 전구체를 상기 챔버로 보내는 복수개의 유로를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 챔버의 내벽 또는 외벽에 부착되어 상기 챔버의 온도를 조절하는 히터를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 챔버 내에는 상기 기판에 OH- 말단기를 형성하기 위한 플라즈마 장치를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 코팅장치에 있어서, 상기 기판은 미세 전자소자를 제조하기 위한 패턴이 형성될 수 있고, 특히 상기 기판은 나노 임프린팅 리소그래피를 위한 스탬프가 형성될 수 있다.

본 발명의 코팅장치에 따르면, 5~50cc 정도의 액상 전구체를 0.01~1cc의 미량으로 증기화함으로써, 전구체를 증기화하는 장치가 코팅장치에 차지하는 부피와 그에 소요되는 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 저장용기에서 증기를 생성하 기 위하여 저장용기에 부가되는 가열장치를 없애고 챔버 내의 온도를 조절하는 히터와 기화부를 이용함으로써, 전구체를 증기화하는 장치가 코팅장치에 차지하는 부피와 그에 소요되는 비용을 크게 줄일 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

이하 본 발명의 실시예에서는 공간을 적게 차지하면서 비용을 절감할 수 있는 기상 자기조립 단분자막을 코팅하는 장치와 이를 이용한 단분자막의 제조방법으로 구분하여 설명될 것이다. 본 발명의 기상 자기조립 단분자막은 전자소자, 특히 미세전자소자를 제조하기 위한 패턴이 형성된 기판에 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 나노 임프린팅 리소그래피를 위한 스탬프가 형성된 것 또는 기판에 다이아몬드가 배열된 것에 적용될 수 있다. 그런데, 위의 장치와 방법을 설명하기 이전에 본 발명에 적용되는 단분자막의 전구체에 대하여 살펴보기로 한다.

본 발명의 실시예에 사용되는 전구체는 실란, 클로로실란, 플루오로실란, 메톡시실란, 알킬실란 및 아미노실란과 같은 유기 전구체물질이 유용하다. 바람직하게는, 단분자막 코팅에 이용되는 전구체들 중 일반적으로 사용되는 트리클로로실란 전구체 일부, 예를 들면, 플로오로데실트리클로로실란(FDTS), 운데세닐트리클로로 실란(UTS), 비닐-트리클로로실란(VTS), 데실트리클로로실란(DTS), 옥타데실트리클로로실란(OTS), 디메틸디클로로실란(DDMS), 도데세닐트리클로로실란(DDTS), 플루오로-테트라히도로옥틸트리메틸클로로실란(FOTS), 퍼플루오로옥틸디메틸클로로실란, 아미노프로필메톡시실란(APTMS), 플루오로프로필메틸디클로로실란 및 퍼플루오로데실디메틸클로로실란이 있다. 이중에서 OTS, DTS, UTS, VTS, DDTS, FOTS 및 FDTS가 더욱 바람직하다.

전구체 사슬(chain)의 하단부는 OTS, DTS 및 UTS를 가지는 포화 탄화수소이며, VTS 및 DDTS와 관련하여 비닐 작용기를 포함하며, 체인의 길이의 대부분을 따라 불소원자를 가지는 FDTS와 관련하여 불소원자를 포함한다. 다른 유용한 전구체는 아미노 작용성을 제공하는 3-아미노프로필트리메톡시실란(APTMS) 및 3-글리시톡시프로필메톡시실란(GPTMS)를 포함한다. 유기 화학분야의 당업자는 이러한 전구체들로부터 기상증착된 코팅의 표면에 특별한 특성을 제공하도록 조절될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 코팅장치(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 코팅장치(100)는 전구체를 전구체 주입장치(20)에 공급하는 부분, 전구체 주입장치(20) 및 박막을 형성하는 부분을 포함하여 구성된다. 적어도 하나 이상의 액상의 전구체는 이를 공급하기 위한 공급라인(60)에 의해 전구체 주입장치(20)에 공급되며, 여기에는 제1, 2, 3 전구체 공급부(51, 52, 53)가 연결되고 각 공급부(51, 52, 53)와 전구체의 공급을 각각 단속하는 제2 내지 제4 단 속밸브(V2, V3, V4)가 마련된다. 여기서는 전구체 공급부가 3개인 경우를 설명하였으나, 필요에 따라 공급부의 수를 다양하게 설정할 수 있다. 경우에 따라 도시하지는 않았지만 퍼지가스를 공급하는 부분을 별도로 설치할 수 있다.

전구체 주입장치(20)는 본 발명의 특징이 나타나는 부분이며, 이에 대해서는 도 2를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 도 2에 의하면, 전구체 주입장치(20)는 액상의 전구체(25)를 챔버로 공급하는 주사부(a)와 주사부(a)를 구동하기 위한 구동부(b)로 구분된다. 주사부(a)는 액상의 전구체(25)를 수용하는 주사기(21)와 주사기(21) 내의 전구체(25)를 소량으로 챔버로 공급하기 위한 주사바늘(24) 및 전구체(25)를 공급하는 구동력을 부여하는 피스톤(22)을 포함한다. 이때, 주사기(21)는 주사기 고정부(23)에 의해 고정되며, 챔버에 공급되는 전구체는 주사바늘(24) 끝부분에 부착된 제5 단속밸브(V5)에 의해 그 공급이 중단되거나 계속된다. 제5 단속밸브(V5)는 히터(12)와 주사기(21) 사이의 챔버(10) 바깥쪽에 설치할 수도 있다.

구동부(b)는 구동부를 지지하는 몸체(30), 구동력을 부여하는 모터(31), 모터(31)에 의한 구동력을 전달하는 전달부(32), 전달부(32)에 의해 전달된 구동력에 의해 직선운동을 하는 제1 및 제2 구동자(33, 35)를 포함한다. 구체적으로, 모터(31)에서 발생한 구동력은 전달부(32)에 의해 제1 구동자(33)가 가이드(34)를 따라 직선운동을 하도록 한다. 제1 구동자(33)의 운동은 제1 구동자(33)와 피스톤(22)을 연결한 제2 구동자(35)에 그대로 전달되어 피스톤(22)의 직선운동을 일으킨다. 전달부(32) 및 구동부(b)는 당업자에 의해 다양한 방법으로 구현할 수 있다. 경우에 따라 별도의 구동부(b)를 두지 않고 수작업에 의해 전구체(25)를 주입할 수 있다.

주사기(21) 내의 전구체(25)는 다음과 같은 과정을 통하여 챔버에 주입된다. 먼저, 제5 단속밸브(V5)를 닫은 상태에서 공급라인(60)을 통하여 액상의 전구체(25)를 주사기(21)에 공급한다. V2 또는 V3 또는 V4의 밸브를 열고, 피스톤(22)이 챔버의 반대방향으로 이동하여 주사기(21)의 턱(26)에서 멈출 때까지 이동함으로써 액상의 전구체가 주사기에 일정량 충전되고, 일정량이 채워지면 V2 또는 V3 또는 V4의 밸브를 닫아준다. 이때, 피스톤(22)의 구동력에 의해 자연스럽게 이루어질 수 있고, 전구체 공급부(51,52,53)에 일정 압력을 가함으로서 피스톤의 반대 방향으로 진행될 수도 있다

이어서, 공급라인(60)을 닫고 제5 단속밸브(V5)를 개방한 상태에서 제2 공급자(35)를 챔버 방향으로 이동시켜 전구체(25)를 챔버로 주입한다.

한편 주사기(21)는 필요에 따라 하나 또는 복수로 설치할 수 있다. 예를 들어, 주사기(21)를 하나만 설치하는 경우는 하나의 전구체를 계속 주입할 때 사용될 수 있다. 필요한 경우, 하나의 전구체를 하나의 주사기(21)로 공급한 후 퍼지한 다음, 다른 전구체를 상기 하나의 주사기(21)로도 공급할 수 있다. 주사기(21)를 하나만 설치하는 경우에는 본 발명의 코팅장치에 전구체 주입장치(20)가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다는 장점이 있으며, 전구체가 주입되는 챔버의 크기가 작은 경우에 특히 유용하다. 복수개의 주사기(21)를 설치하는 경우는 서로 다른 여러 전구체를 각각 챔버에 주입하거나 하나의 전구체를 복수개의 주사기(21)를 통하여 주입할 때 사용될 수 있다.

본 발명의 주사기(21)의 내부 용적은 5~50cc이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명의 주사기(21)는 그 크기가 종래에 비해 매우 작으므로 코팅장치에서 차지하는 공간을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 챔버에 공급되는 전구체의 양이 종래에 비해 매우 적은 양이므로 액상의 전구체를 용이하게 증기상태로 변환시킬 수 있다. 그런데, 통상적인 기상 자기조립 단분자막을 형성하는 경우의 전구체의 양은 약 5~50cc이 필요하므로, 본 발명의 주사기(21)에 의해 기화를 위하여 한번에 0.01~1cc씩 반복하여 여러 번 주입함으로써 상기 전구체를 소모할 수 있다. 예를 들어, 주사기(21)에 전구체가 충전된 후, 최소 약 50회 그리고 최대 약 5000회의 공정을 진행할 수 있는 전구체의 양을 확보할 수 있다.

박막을 형성하는 부분은 박막을 형성하기 위한 공간을 제공하는 챔버(10) 내에 단분자막이 형성되는 기판(16)이 장착되는 기판 장착부(14)를 포함한다. 기판(16) 상에는 단분자막을 형성하기 위한 전구체를 증기화하기 위한 기화부(40)가 설치되어 있다. 챔버(10)의 바깥쪽에는 챔버(10) 내부의 온도를 조절하도록 외벽에 히터(12)가 부착되고, 챔버(10) 내부를 퍼지할 수 있도록 N₂와 같은 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급부(55)와 퍼지가스의 공급을 단속하는 제1 밸브(V1)가 설치되어 있다. 히터(12)는 챔버(10)의 내벽에 설치될 수도 있다.

기화부(40)는 도 3을 참조하여 설명하면 전구체 주입장치(20)에 의해 주입된 전구체를 일단 수용한 후, 히터(12)에 의해 가해진 열에 의해 증기화를 시키는 부분이다. 구체적으로, 전구체는 기화부(40)에서 기화되어 유로(42)를 거쳐 챔버(10)에 주입된다. 기화부(40)는 전구체가 직접 기판(16)에 닿는 것을 방지하고, 챔 버(10) 내에 균일한 증기압을 유지하여 기판(16)에 단분자막이 균일하게 도포되도록 한다.

기화부(40)의 모양과 크기 코팅장치에 따라 다르게 설정할 수 있다. 예를 들어, 챔버(10)가 크면 기화부(40)의 크기도 커질 수 있고, 작으면 기화부(40)의 크기도 작아질 수 있다. 또한 유로(42)의 형태와 개수는 전구체가 기화되는 특성에 따라 달리할 수도 있다.

기판(16)은 그 용도에 따라 다양한 형태(예컨대 나노임프린팅에 사용되는 스탬프)를 가질 수 있다. 한편, 클로로-작용기를 기판(16)의 표면에 결합시키기 위하여 기판(16)의 표면에 OH- 말단기를 생성하는 것이 바람직하다. 이를 기판(16)의 예비처리 공정이라고 한다. OH- 말단기는 챔버(10)의 외부에서 Piranah 용액(Surfuric acid Peroxide Mixture; SPM)에 의해 처리하거나, 챔버(10)의 내부에서 H₂O 증기를 퍼지하거나, 챔버(10)의 내부에서 O₂ 플라즈마 또는 H₂O 플라즈마로 처리하여 생성시킬 수 있다.

일반적으로 OH- 말단기는 수분이 존재하는 분위기에서 O₂ 플라즈마로 처리하여 주로 생성한다. 이때 플라즈마는 산소가 공급되는 샤워헤드(도시하지 않음)에 RF 전원을 인가함으로써 만들어진다. 따라서 기판(16)의 예비처리는 본 발명의 기판(16)이 장착되는 챔버(10)에서 실시하거나 별도의 챔버에서 생성한 후 본 발명의 챔버(10)로 이송할 수도 있다. 기판(16)의 예비처리 공정에서 기판(16)이 산소 플라즈마에 노출되는 동안 챔버(10) 내의 압력을 통상적으로 0.5~5 Torr로 유지하는 것이 바람직하고, 산소의 유량은 50~150sccm을 유지하는 것이 바람직하다. 또한 통상적으로 산소 플라즈마에 기판(16)이 노출되는 시간은 1~5분 정도가 바람직하다. 히터(12)는 챔버(10) 내의 온도를 일정하게 유지하여 기화부(40)에서 기화된 전구체의 증기압(vapor pressure)을 조절하기 위한 것이다.

이하에서는 클로로실란 전구체인 FOTS를 중심으로 기상 자기조립 단분자막을 형성하는 과정을 통하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. FOTS를 이용한 단분자막을 형성하는 과정에는 코팅 전구체인 제1 전구체 FOTS와 촉매인 수증기 전구체가 필요하다. 제1 전구체는 제1 공급부(51)에서 공급되고 제2 전구체는 제2 공급부(52)에서 공급된다. 따라서 여기서는 제3 공급부(53)는 사용되지 않는다.

상기 기상 단분자막을 코팅하기 위해서는 전구체를 증기상태로 하는 증기화가 반드시 필요하다. 이를 위하여 액상으로 존재하는 전구체를 가열하여 증발시키는 방법이 주로 이용된다. 이러한 방법은 증기화가 잘 일어나는 전구체에서는 효과적이지만 고분자의 전구체는 증기화의 속도가 느려 효과적이지 않다. 이러한 단점을 극복하기 위해서는 본 발명의 일 실시예에서는 전구체 주입장치(20)를 이용한다. 전구체 주입장치(20)는 주입기(21)에 수용되는 액상의 전구체의 양을 크게 줄여 증기화를 용이하게 한다. 또한 챔버(10)로 주입되는 전구체의 양을 주사바늘(24)로 소량으로 주입함으로써 증기화의 속도를 최대로 할 수 있다.

단분자막을 코팅하기 위하여, 먼저 제6 밸브(V6)를 열고 배기펌프(70)를 이용하여 챔버(10)의 내부를 진공상태로 한 후, 제5 밸브(V5)를 열어 주사기(21) 내부를 진공상태로 한다. 제5 및 제6 밸브(V5, V6)를 닫고, 제1 공급부(51)와 연결된 제2 공급밸브(V2)를 개방하여 제1 전구체인 FOTS를 주사기(21) 내부로 공급한 후 제2 공급밸브(V2)를 닫는다. 이때, 주사기(21)에 주입되는 양은 약 5~50cc로 한다.

이어서, 히터(12)에 의해 챔버(10)의 내부를 가열하여 기판(16)의 온도를 소정의 온도로 조절한다. 그리고 앞에서 설명한 바와 같이 제5 밸브(V5)를 열어 액상의 제1 전구체(25)를 주사바늘(24)을 통하여 0.01~1cc 만큼 기화부(40)로 보낸 다음 제5 밸브(V5)를 닫고 전구체를 증기 상태로 만들어 챔버(10) 내부에 일정한 증기압력을 만든 다음, 일정한 압력에서 증기화된 전구체가 기판(16)에 고르게 단분자막을 형성할 수 있도록 일정한 시간 동안 반응상태를 유지한다.

한편 제2 전구체인 수증기를 공급하기 위하여 제1 밸브 및 제6 밸브(V1, V6)를 열어 챔버(10) 내부를 퍼지한다. 그후, 제1 밸브(V1)와 제6 밸브(V6)를 닫고 제3 공급밸브(V3)를 열어 주사기(21) 내부에 제2 전구체를 공급한다. 이어서, 제1 전구체와 동일한 방법으로 챔버(10) 내부에 제2 전구체를 주입한 후에 제6 밸브(V6)를 잠근 후 일정시간 바람직하게는 약 3~10분 동안 유지하여 제1 및 제2 전구체간의 반응을 유도하여 기판(16)에 단분자막을 형성한다.

본 발명의 일 실시예는 두 개의 전구체를 사용하여 기상 자기조립 단분자막을 코팅하는 경우를 설명하였으나, 둘 또는 그 이상의 전구체를 사용하여 코팅이 될 수도 있다. 이때, 주사기(21)의 개수와 기화부(40)의 크기를 최적의 코팅이 되는 조건에 맞추어 변경할 수 있다.

코팅은 약 0.1~10 Torr의 압력에서 실시된다. 코팅 전구체가 물 촉매와 함께 조합되어 사용되는 FOTS 또는 DDMS인 경우에, 기판(16)의 온도는 일반적으로 약 20~200℃이다. 반응에 앞서서 이러한 코팅 전구체를 증기 상태로 유지하기 위해, 챔버(10)의 온도는 약 20~200℃로 유지된다. 이러한 코팅 전구체들 및 특정 온도를 이용하여 실리콘 기판의 전체 표면에 걸쳐 연속적인 단일층 코팅을 하는 데 소요되는 시간은 전구체의 화학적 조성 및 기판 물질에 따라 약 3분 내지 수 시간인 데, 코팅 전구체가 FOTS 또는 DDMS인 경우는 통상적으로 약 5~30분이다.

또한 기상 자기조립 단분자막의 코팅이 이루어진 후, 코팅된 박막의 안정화를 위하여 일정한 시간 동안 일정한 온도에서 안정화처리를 하는 것이 바람직하다. 이때, 전구체의 조합에 따라 안정화 처리의 온도와 시간이 달라지고, DDMS의 경우 약 20~200℃에서 약 3~20분 정도 안정화 처리를 행하는 것이 바람직하다. FOTS의 경우 20~200℃에서 약 3~20분 정도 안정화 처리를 행하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 안정화 온도에 따른 접촉각의 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서 접촉각이란 기판에 물방울 등의 유체를 떨어뜨려서 표면장력에 따른 물방울의 응집상태를 나타내는 것을 말한다. 접촉각이 클수록 표면장력이 작으며, 적어도 90ㅀ보다 큰 것이 바람직하다.

도시된 바와 같이, FOTS를 전구체로 사용하였을 때, 안정화 과정을 거친 단분자막은 안정화 온도가 약 50~180℃에서 접촉각이 100ㅀ보다 큰 것을 알 수 있었다. 접촉각이 100ㅀ보다 크면, 이물질이 단분자막에 표면장력에 의해 흡착될 가능성이 크게 줄어든다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 의한 단분자막은 피전사체의 고분자 수지가 달라붙는 것을 방지하여 미세 전자소자의 제조에 응용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 코팅장치(100)에 따르면, 0.01~1cc 정도의 미량의 액상 전구체를 증기화함으로써, 50~1000cc의 저장용기가 필요한 종래에 비해 코팅장치에 차지하는 부피와 그에 소요되는 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 저장용기에서 증기를 생성하기 위하여 저장용기에 부가되는 가열장치를 없애고 챔버 내의 온도를 조절하는 히터와 기화부를 이용함으로써, 전구체를 증기화하는 장치가 코팅장치에 차지하는 부피와 그에 소요되는 비용을 크게 줄일 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 코팅장치(200)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 여기서 코팅장치(200)는 챔버(10) 내부에 장착되는 기판(16)이 복수 개인 것을 제외하고 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 코팅장치(100)와 동일하다. 따라서 동일한 참조부호는 동일한 구조와 기능을 가지므로 이와 관련된 설명을 생략하기로 한다. 또한 기판(16)에 형성되는 단분자막의 접촉각의 특징도 도 4를 참조하여 설명한 코팅장치(100)에서와 동일하다.

도 5를 참조하면, 복수 개의 기판 장착부(14)에 기판(16)들이 각각 장착된다. 이때, 기판(16) 각각의 온도를 동일한 것이 바람직하다. 하지만, 히터(12)에 의한 가열이 기판(16)에 불균일하게 일어날 수 있다. 이에 따라, 온도조절기(80)와 기판(16) 각각을 전기선(81)을 이용하여 연결한 후, 기판(16) 각각의 온도를 온도조절기(80)를 이용하여 동일하게 조절한다. 이에 따라, 복수개의 기판(16)에 단분자막을 한꺼번에 형성할 수 있다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에 서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 코팅장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전구체 주입장치를 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 기화부를 나타내는 사시도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 안정화 온도에 따른 접촉각의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전구체 주입장치를 나타내는 단면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100, 200; 코팅장치 10; 챔버

12; 히터 14; 기판 장착부

16; 기판 20; 전구체 주입장치

21; 주사기 22; 피스톤

24; 주사바늘 33; 제1 구동자

35; 제2 구동자 40; 기화부

42; 유로

Claims

하나 또는 복수개의 기판을 장착하기 위한 공간을 제공하는 챔버;

상기 챔버의 일측에 설치되고, 주사기 형태의 하나 또는 복수개의 전구체 주입장치; 및

상기 전구체 주입장치에 액상의 전구체를 공급하는 하나 또는 복수개의 전구체 공급부를 포함하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항에 있어서, 상기 전구체 주입장치는,

액상의 전구체를 수용하는 주사기;

상기 주사기에 수용된 상기 전구체를 소량으로 상기 챔버에 공급하는 주사바늘; 및

상기 액상의 전구체를 상기 주사바늘 방향으로 밀어내는 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항에 있어서, 상기 주사기에 수용되는 상기 액상 전구체의 양은 5~50cc인 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제2항에 있어서, 상기 전구체 주입장치는,

상기 챔버에 설치되고 상기 주사바늘에 부착되어 상기 액상의 전구체를 상기 챔버에 공급을 계속하거나 중단하는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항에 있어서, 상기 복수개의 주사기는 서로 다른 전구체를 공급하는 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항에 있어서, 상기 복수개의 주사기는 서로 동일한 전구체를 공급하는 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제2항에 있어서, 상기 전구체 주입장치는 상기 피스톤을 상기 주사바늘 방향으로 이동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항에 있어서, 상기 챔버의 내부에는 상기 전구체 주입장치에서 공급된 상기 액상의 전구체를 수용하면서 상기 전구체를 증기상태로 변환시키는 기화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제8항에 있어서, 상기 기화부는 상기 증기상태로 변환된 전구체를 상기 챔버로 보내는 복수개의 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항에 있어서, 상기 챔버의 내벽 또는 외벽에 부착되어 상기 챔버의 온도를 조절하는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항에 있어서, 상기 챔버 내에는 상기 기판에 OH- 말단기를 형성하기 위한 플라즈마 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항 내지 제11항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 미세 전자소자를 제조하기 위한 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항 내지 제11항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 나노 임프린팅 리소그래피를 위한 스탬프가 형성된 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항 내지 제11항의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 다이아몬드가 배열된 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.
제1항에 있어서, 상기 복수개의 기판의 각각의 온도를 조절할 수 있는 온도조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 자기조립 단분자막 코팅장치.