KR20100003536A - 원자층 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

서셉터의 회전에 의해 증착가스를 서셉터 및 기판으로 강제 유동시키는 기류를 형성하는 기류형성부를 구비하는 원자층 증착 장치가 개시된다. 원자층 증착 장치는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내에 구비되어 복수의 기판이 안착되어 회전하는 서셉터, 상기 서셉터 상부에 구비되어 상기 복수의 기판에 박막을 증착하기 위한 증착가스를 분사하는 샤워헤드, 상기 서셉터 표면에 구비되어 상기 샤워헤드에서 분사되는 증착가스를 상기 서셉터 쪽으로 하강시키고 상기 기판을 향하도록 강제 유동시키는 기류형성부를 포함하여 이루어진다. 따라서, 기류형성부는 서셉터의 고속 회전에 의해 흡입력이 발생하여, 분사된 증착가스를 서셉터 및 기판으로 효과적으로 제공한다. 또한, 증착효율 및 박막 품질을 향상시키고 증착가스의 소비량을 절감할 수 있다.
원자층 증착 장치, ALD, 서셉터, 기류형성

Description

원자층 증착 장치{ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS}
본 발명은 원자층 증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막 증착 장치에서 배기를 균일하게 유지하고 배기효율을 향상시킴으로써 파티클 발생을 방지하고 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(physical vapor deposition, PVD)과, 화학 반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등을 이용한 박막 제조 방법이 사용된다.
여기서, 화학 기상 증착법으로는 상압 화학 기상 증착법(atmospheric pressure CVD, APCVD), 저압 화학 기상 증착법(low pressure CVD, LPCVD), 플라즈마 유기 화학 기상 증착법(plasma enhanced CVD, PECVD)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 단원자층 증착 방법(atomic layer deposition, ALD)의 사용이 증대되고 있다.
원자층 증착 방법(ALD)은, 기체 분자들 간의 화학 반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착 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.
통상적으로 원자층 증착 장치는 샤워헤드 또는 서셉터가 고속으로 회전하면서 서로 다른 종류의 소스가스들이 분사되고, 기판이 순차적으로 소스가스를 통과하여 기판 표면에 박막이 형성된다. 또한 기존의 원자층 증착 장치는 기판이 프로세스 챔버 내로 투입되어 서셉터에 로딩되고, 서셉터가 일정 높이 상승한 상태에서 고속으로 회전하면서 박막이 형성된 후, 증착공정이 완료되면 서셉터가 로딩 위치 로 재하강하여 기판을 언로딩한다.
한편, 기존의 원자층 증착 장치는 서셉터의 고속 회전으로 인해 서셉터 및 기판 표면에서는 경계층 및 소정의 상승기류가 형성된다. 이로 인해 샤워헤드에서 분사된 증착가스가 서셉터 표면에 형성된 기류의 영향을 받아 기판에 충분히 도달하기가 어려운 문제점이 있다.
또한, 기존의 원자층 증착 장치에서 프로세스 챔버 내의 배기가스를 배출시키기 위한 배기라인이 샤워헤드에 구비될 수 있다. 이와 같은 경우, 배기라인의 근처 위치에서는 배기라인에 형성된 흡입력으로 인해 증착가스가 배기라인으로 흡입되어 기판에 도달하는 양이 더욱 감소하게 된다. 그리고 배기라인에서의 거리에 따라 증착가스가 기판에 도달하는 양에 차이가 발생하면서 증착효율 및 형성된 박막의 품질이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 서셉터의 고속 회전에 의해 발생하는 서셉터 및 기판 표면에서의 상승기류의 영향으로 인해 증착가스가 기판 표면에 충분히 도달하지 못하는 것을 방지하는 원자층 증착 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 배기라인에 의해 증착가스가 배기라인으로 흡입되어 기판에 도달하는 양이 감소되고 불균일해 지는 것을 방지하는 원자층 증착 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 서셉터의 회전에 의해 증착가스를 기판으로 강제 유동시키는 기류형성부를 구비하는 원자층 증착 장치가 개시된다. 원자층 증착 장치는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내에 구비되어 복수의 기판이 안착되어 회전하는 서셉터, 상기 서셉터 상부에 구비되어 상기 복수의 기판에 박막을 증착하기 위한 증착가스를 분사하는 샤워헤드, 상기 서셉터 표면에 구비되어 상기 샤워헤드에서 분사되는 증착가스를 상기 서셉터 쪽으로 하강시키고 상기 기판을 향하도록 강제 유동시키는 기류형성부를 포함하여 이루어진다.
실시예에서, 상기 기류형성부는 상기 서셉터 표면에서 함몰되어 상기 서셉터의 반경 방향을 따라 길게 형성된 그루브이다. 예를 들어, 상기 기류형성부는 상 기 복수의 기판 사이에 배치되며 상기 서셉터의 중심을 기준으로 방사상으로 배치된다.
실시예에서, 상기 기류형성부는 일측이 상기 기판을 향해 볼록한 유선형 곡선 형태를 갖는다. 또한, 상기 기류형성부는 유선형 곡선 형태의 제1 단부와 직선 형태의 제2 단부가 형성된다.
실시예에서, 상기 기류형성부는 상기 제1 단부에 비해 상기 제2 단부의 깊이가 더 깊게 형성된다. 또한, 상기 기류형성부는 상기 제2 단부에 가까운 표면이 일정 곡률을 갖는 곡면 형태를 갖는다.
본 발명에 따르면, 첫째, 서셉터 표면에서 기판 사이 사이에 복수의 그루브를 형성함으로써 서셉터의 회전에 의해 증착가스를 상기 서셉터 및 상기 기판으로 강제 유동시키는 기류가 형성된다.
둘째, 서셉터의 고속 회전에 의해 상기 서셉터 표면에 형성된 경계층 및 표면 상승기류의 영향을 상쇄시킬 수 있으므로 증착가스를 상기 기판으로 효과적으로 공급할 수 있다.
셋째, 기류형성부가 기판의 사이사이 및 배기라인에 대응되는 위치에 배치됨으로써 배기라인에 형성된 흡입력에 의해 분사된 증착가스가 배기라인으로 흡입되는 것을 방지하여 기판에 도달하는 증착가스를 효과적으로 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 기판에 도달하는 증착가스의 양이 증가하므로 증착효율 및 박박의 품질을 향상시킬 수 있으며, 증착공정에서 증착가스의 소비량을 절감할 수 있 다.
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 장치를 설명하기 위한 단면도이다. 도 2는 도 1의 원자층 증착 장치에서 샤워헤드를 도시한 평면도이고, 도 3은 도 1의 원자층 증착 장치에서 서셉터를 도시한 평면도이다. 도 4는 도 1의 원자층 증착 장치에서 기류형성부의 동작을 설명하기 위한 요부 단면도이다.
이하에서는, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 원자층 증착 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 원자층 증착 장치(100)는 프로세스 챔버(110), 서셉터(120), 샤워헤드(130) 및 상기 샤워헤드(130)에서 분사되는 증착가스를 기판(W)으로 강제 유동시키는 기류를 형성하는 기류형성부(150)를 포함하여 이루어진다.
상기 프로세스 챔버(110)는 기판(W)을 수용하여 증착공정이 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 유리를 포함하는 투명 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(W)은 형상 및 크기가 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 원형 및 사각형 플레이트 등 실질적으로 다양 한 형상과 크기를 가질 수 있다.
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 형성하고자 하는 박막을 구성하는 물질이 포함된 소스가스와 상기 소스가스의 퍼지를 위한 퍼지가스를 포함한다. 또한, 본 실시예에 따르면 소스가스로서 서로 반응하여 박막 물질을 형성하는 서로 다른 2 종류의 가스가 사용되고, 퍼지가스로는 상기 소스가스들 및 상기 기판(W)과 상기 기판(W) 상에 형성된 박막과 화학적으로 반응하지 않는 안정한 가스가 사용된다.
상기 샤워헤드(130)에는 증착가스가 분사되는 상기 증착가스를 분사하는 복수의 분사홀(132)이 형성되고, 상기 기판(W)에 대응되는 영역에서 동일한 증착가스를 분사하는 복수의 분사홀(132) 그룹으로 이루어진 복수의 분사영역(131)이 형성된다. 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 분사영역(131)은 2 종류의 서로 다른 소스가스들이 각각 분사되는 제1 소스영역(311)과 제2 소스영역(312) 및 퍼지가스가 분사되는 복수의 퍼지영역(313, 314)으로 이루어지고, 상기 퍼지영역(313, 314)은 상기 제1 및 제2 소스영역(311, 312)의 사이에 각각 배치된다.
여기서, 상기 분사홀(132)의 크기나 개수 및 배치 형태는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 기판(W)으로 균일하게 증착가스를 분사할 수 있도록 실질적으로 다양한 형태로 배치될 수 있다. 또한, 상기 분사홀(132)은 원형 홀 또는 슬릿 형태를 가질 수 있다.
상기 샤워헤드(130)에는 상기 프로세스 챔버(110) 내의 미반응 증착가스 및 잔류 증착가스를 포함하는 배기가스를 상기 샤워헤드(130)를 통해 배출시키기 위한 배기라인(140)이 형성된다. 예를 들어, 상기 배기라인(140)은 상기 분사영역(131)을 구획할 수 있도록 2개의‘V’자형으로 복수의 배기홀(142)이 배열되어 형성되며, 상기 2개의 배기라인(140)은 서로 마주하는‘V’형의 꼭지점이 상기 샤워헤드(130)의 중심부에 존재하도록 구비된다.
본 실시예에서는 상기 배기라인(140)이 ‘V’ 자 형태인 것을 예로 들어 설명하였으나 상기 배기라인(140) 및 상기 분사영역(131)의 형상이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 배기라인(140)이 구비되지 않고 상기 프로세스 챔버(110)의 측부 또는 하부를 통해 배기가스가 배출되는 실시예도 가능하다.
상기 서셉터(120)는 상기 프로세스 챔버(110) 내에 구비되고 상기 복수의 기판(W)을 지지한다. 상기 서셉터(120)는 상기 서셉터(120)의 중심점을 기준으로 상기 기판(W)이 공전하도록 회전하고 상기 서셉터(120) 하부에는 상기 서셉터(120)의 회전을 위한 회전축(125)이 구비된다.
예를 들어, 도 3에 도시한 바와 같이, 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.
한편, 고속으로 회전하는 상기 서셉터(120)의 표면에서는 상기 서셉터(120)의 표면과 대기의 마찰에 의해 경계층(boundary layer)이 형성되거나 소정의 상승 기류가 발생하게 된다. 따라서, 상기 샤워헤드(130)에서 분사된 증착가스는 상기 서셉터(120) 표면의 경계층 및 상승기류에 의해 상기 기판(W)에 충분히 도달하기가 어렵다.
또한, 상기 배기라인(140)이 상기 샤워헤드(130) 상에 구비되므로 상기 샤워헤드(130)에서 분사된 증착가스가 상기 배기라인(140)에서 작용하는 흡입력에 영향을 받아 상기 기판(W)까지 충분히 도달하지 못하는 문제점이 있다.
그러나 본 실시예에서는 상기 서셉터(120) 표면으로 증착가스를 강제 하강시키고 상기 기판(W)쪽으로 강제 유동시키는 기류를 형성하는 상기 기류형성부(150)를 형성함으로써, 상기 서셉터(120) 표면의 경계층 및 상승기류를 상쇄시키고 상기 배기라인(140)에 의한 흡입력을 상쇄시킴으로써 증착가스를 상기 기판(W)으로 효과적으로 공급할 수 있다.
이하, 도 3과 도 4를 참조하여 상기 기류형성부(150)의 일 예에 대해 설명한다.
상기 기류형성부(150)는 상기 서셉터(120)의 회전에 의해 상기 서셉터(120)를 향하는 기류가 형성되도록 상기 서셉터(120) 표면에 형성된 그루브 형태를 갖는다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 기류형성부(150)는 상기 서셉터(120)의 회전에 의해 일정한 방향성을 갖는 기류가 형성될 수 있도록 형성된다. 예를 들어, 상기 기류형성부(150)는 상기 서셉터(120)의 반경 방향을 따라 길게 형성된다. 그리고 상기 기류형성부(150)는 상기 서셉터(120)의 회전 방향에 대해 제1 단부(151)와 제2 단부(152)를 갖고, 상기 제1 단부(151)는 유선형 곡선 형태를 가지며 상기 제2 단부(152)는 직선 형태를 가질 수 있다.
상기 기류형성부(150)는 상기 서셉터(120) 표면에서 소정 깊이 요입된 그루브이다. 여기서, 상기 제1 단부(151)는 증착가스를 상기 기판(W)을 향해 효과적으로 강제 유동시킬 수 있도록 상기 기판(W)의 중심에 대응되는 위치가 가장 표면적이 넓고 상기 서셉터(120)의 중심 및 에지 부분 즉, 상기 기류형성부(150)의 양단부로 갈수록 표면적이 작아지는 곡선 형태를 갖는다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 기류형성부(150)는 상기 서셉터(120) 표면에서 소정 깊이 요입된 그루브로서, 상기 기류형성부(150)는 그 표면이 선풍기 날개의 곡면과 유사한 형태의 곡면 형태를 갖는다. 즉, 상기 기류형성부(150)는 상기 제1 단부(151)에 비해 상기 제2 단부(152)가 더 깊이 요입된 형태를 갖고, 상기 제1 단부(151)와 상기 제2 단부(152)를 연결하는 면 상에서 상기 제1 단부(151)에 가까운 면은 소정의 곡률 반경을 갖는 곡면으로 형성된다.
상기 기류형성부(150)는 증착가스를 상기 기판(W)으로 효과적으로 유동시킬 수 있도록 상기 복수의 기판(W) 사이에 복수의 그루브가 배치되며, 각 그루브에서 형성된 기류가 서로 상쇄되거나 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 상기 기류형성부(150)는 상기 제1 단부(151)가 일 방향을 향하도록 상기 서셉터(120)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영 역으로부터 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 단면도;
도 2는 도 1의 원자층 증착 장치에서 샤워헤드의 일 예를 도시한 평면도;
도 3은 도 1의 원자층 증착 장치에서 서셉터의 일 예를 도시한 평면도;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원자층 증착 장치를 설명하기 위한 단면도;
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 원자층 증착 장치 110: 프로세스 챔버
120: 서셉터 125: 회전축
130: 샤워헤드
131, 311, 312, 313, 314: 분사영역 132: 분사홀
140: 배기라인 142: 배기홀
150, 151, 152: 기류형성부 W: 기판

Claims (7)

  1. 프로세스 챔버;
    상기 프로세스 챔버 내에 구비되어 복수의 기판이 안착되어 회전하는 서셉터;
    상기 서셉터 상부에 구비되어 상기 복수의 기판에 박막을 증착하기 위한 증착가스를 분사하는 샤워헤드; 및
    상기 서셉터 표면에 구비되어 상기 샤워헤드에서 분사되는 증착가스를 상기 기판으로 강제 유동시키는 기류를 형성하는 기류형성부;
    를 포함하는 원자층 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기류형성부는 상기 서셉터 표면에서 요입되되 상기 서셉터의 반경 방향을 따라 길게 형성된 그루브(groove)인 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기류형성부는 상기 복수의 기판 사이에 배치되며 상기 서셉터의 중심을 기준으로 방사상으로 배치된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기류형성부는 일측이 상기 기판을 향해 볼록한 유선형 곡선 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기류형성부는 유선형 곡선 형태의 제1 단부와 직선 형태의 제2 단부가 형성된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기류형성부는 상기 제1 단부에 비해 상기 제2 단부의 깊이가 더 깊게 형성된 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기류형성부는 상기 제2 단부에 가까운 표면이 일정 곡률을 갖는 곡면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 장치.
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