KR20100119346A - 증착 장치 - Google Patents

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KR20100119346A
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김전호
김영훈
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한국에이에스엠지니텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 증착 장치는 기화 공급 시스템의 기화기와 반응기 사이에 버퍼부를 포함하여, 소스 기체를 임시로 보관할 수 있어, 반응기로 소스 기체를 공급하기 전과 공급 할 때, 기화기 내부의 압력 변화를 줄일 수 있어, 반응 공간에 균일한 소스 기체를 공급할 수 있고, 이에 의해, 균일한 박막 두께를 가지는 박막을 증착할 수 있다.
액화 소스, 기화기, 압력

Description

증착 장치{DEPOSITION APPARATUS}
본 발명은 증착 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 박막 제조 공정용 액체 기체 공급 시스템을 포함하는 증착 장치에 관한 것이다.
산화막이나 금속막 등 여러 박막 제조 공정에 사용되는 원료 기체를 공급하는 방식 중 기화 공급 시스템(LDS: liquid delivery system)이 널리 알려져 있다.
일반적으로, 기화 공급 시스템은 액체 원료의 유량을 제어하는 유량 제어기(LFC: liquid flow controller)와 고온으로 액체 원료를 기화하는 기화기(vaporizer)를 가지며, 기화기와 반응기 사이에 설치되어 있는 밸브(valve)를 이용하여 반응기로 기화된 소스 기체를 공급하게 된다.
이러한 기화 공급 시스템을 이용하는 경우, 기화기와 반응기 사이의 밸브가 닫힘 상태로, 소스 기체가 반응기에 공급되지 않는 경우, 기화기와 밸브 사이에 소스 기체가 정체되게 되고, 이에 의해 기화기의 내부 압력이 상승하게 된다. 이처럼 기화기 내부 압력이 상승한 상태에서, 소스 기체를 반응기에 공급하기 위해 밸브가 열리게 되면, 기화기의 내부 압력이 급격히 낮아지게 된다. 이처럼, 기화기 내부의 압력 변화가 크게 일어나는 경우, 기화기 내부에 오염 물질을 유발할 수 있 고, 반응기에 일정한 양으로 소스 기체를 공급하기 어렵다.
특히, 반응기가 복수의 반응 공간을 포함하고 있어서, 소스 기체를 순차적으로 복수의 반응 공간에 공급하는 다중 챔버 증착 장치의 경우, 소스 기체의 공급 밸브를 열고 닫는 단계를 반복 해야 하기 때문에, 기화기 내부의 압력 변화가 더욱 크게 발생할 수 있고, 이에 따라 반응 공간에 균일한 소스 기체가 공급되지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기화 공급 시스템의 기화기 내부의 압력 변화를 줄여, 반응 공간에 균일한 소스 기체를 공급할 수 있는 증착 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 증착 장치는 반응기, 상기 반응기에 공급되는 소스 기체의 액화 소스를 저장하는 액화 소스부, 액화 소스의 유량을 제어하는 액화 소스 유량 제어기, 상기 액화 소스부와 액화 소스 유량 제어기를 통해 공급되는 액화 소스를 기화하는 기화기, 상기 반응기와 상기 기화기 사이에 배치되어 있는 버퍼부를 포함한다.
상기 반응기는 복수의 반응 공간을 포함할 수 있다.
상기 증착 장치는 상기 버퍼부와 상기 반응기 사이에 배치되어 있는 소스 공급용 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 소스 공급용 밸브가 열림 상태인 경우, 상기 기화기로부터 상기 반응기로 소스 기체가 공급될 수 있다.
상기 소스 공급용 밸브가 닫힘 상태인 경우, 상기 기화기로부터 배출되는 소스 기체는 상기 버퍼부에 저장될 수 있다.
상기 반응기로 소스 기체의 공급이 시작된 후부터, 상기 기화기 내부의 압력은 일정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기화 공급 시스템의 기화기와 반응기 사이에 버퍼부를 포함하여, 소스 기체를 임시로 보관할 수 있어, 반응기로 소스 기체를 공급하기 전과 공급 할 때, 기화기 내부의 압력 변화를 줄일 수 있어, 반응 공간에 균일한 양의 소스 기체를 공급할 수 있고, 이에 의해, 균일도가 일정한 박막 두께를 가지는 박막을 증착할 수 있다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부 분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1을 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치는 액화 원료가 보관되어 있는 액화 소스부(110), 액화 소스부(110)로부터 전달되는 액화 소스의 유량을 제어하는 유량 제어기(120), 유량 제어기(120)에 의해 결정된 양으로 공급되는 액화 소스를 기화하는 기화기(130), 기화기(130)로부터 소스 기체를 공급받아 박막을 증착하는 반응기(150), 그리고, 기화기(130)와 반응기(150) 사이에 연결되어 있는 버퍼부(140)를 포함한다. 도시하지는 않았지만, 버퍼부(140)와 반응기(150) 사이에는 소스 기체 공급용 밸브(도시하지 않음)가 배치되어 있다.
액화 소스부(110)에는 원하는 박막을 형성하기 위한 액화 원료가 보관된다. 액화 소스부(110)는 유량 제어기(120)에 연결되어 있는데, 유량 제어기(120)는 박막 형성에 필요한 소스 기체의 양에 따라 기화기(130)에 공급되는 액화 소스의 유량을 제어한다. 유량 제어기(120)에 의해 제어된 유량에 의해 액화 소스가 기화기(130)로 공급되면, 기화기(130)는 높은 열 에너지 등을 이용하여, 액화 소스를 기체로 변화시킨다. 기화기(130)로부터 기화된 소스 기체는 소스 기체 공급용 밸브의 열고 닫음에 따라 반응기에 공급되게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 증착 장치는 기화기(130)와 반응기(150) 사이에 연결되어 있는 버퍼부(140)를 포함하는데, 버퍼부(140)는 소스 기체 공급용 밸브가 열림 상태에서 닫힘 상태로 바뀐 경우, 기화기(130)로부터 계속 공급되는 소스 기체를 임시 저장하는 역할을 한다. 이에 의해, 기화기(130)와 소스 기체 공급용 밸브 사이의 배관에 소스 기체가 누적되어 기화기(130)의 압력이 높아지는 것을 방지하는 완충 역할을 할 수 있다. 버퍼부(140)로 인하여 소스 기체 공급용 밸브가 열림 상태에서 닫힘 상태로 바뀐 경우에도 기화기(130) 내부 압력이 높아지지 않기 때문에, 소스 기체 공급용 밸브가 다시 닫힘 상태에서 열림 상태로 바뀐 경우에도 기화기(130) 내부의 압력 변화폭이 크지 않게 된다. 따라서, 소스 기체 공급용 밸브의 열림/담힘에 관계없이 소스 기체가 반응기(150) 내부로 일정하게 균일한 양이 공급될 수 있어, 균일도가 일정한 박막을 증착할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 증착 장치의 반응기(150)는 복수의 반응 공간을 포함할 수 있다. 따라서, 복수의 반응 공간에 순차적으로 동일한 소스 기체를 공급하는 경우, 소스 기체 공급용 밸브가 열림과 닫힘 상태를 순차적으로 반복하게 된다. 이 경우, 소스 기체 공급용 밸브가 열림 상태에서 닫힘 상태로 바뀌는 때, 버퍼부(140)는 기화기(130)로부터 계속 공급되는 소스 기체를 임시 저장하고, 이에 의해 기화기(130)와 소스 기체 공급용 밸브 사이의 배관에 소스 기체가 누적됨으로 인한 기화기(130) 내부 압력이 높아지는 것을 방지하게 된다. 따라서, 복수의 반 응 공간에 순차적으로 균일한 양의 소스 기체가 공급될 수 있고, 복수의 반응 공간에서 개별적으로 증착되는 박막들에 있어, 반응 공간에 관계없이 기판 위에 일정하고 동일한 균일도를 갖는 박막을 증착할 수 있다.
버퍼부(140)는 정해진 양의 소스 기체를 저장할 수 있을 정도의 저장량을 가지는 것이 바람직하고, 예를 들어, 약 1리터의 저장량을 가질 수 있다. 버퍼부(140)의 저장량은 증착 장치의 설계에 따라 달라질 수 있다.
그러면, 실험예를 참고로 하여, 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치의 효과에 대하여 설명한다.
본 실험 예에서는 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치와 기존의 기화 공급 시스템을 포함하는 증착 장치의 기화기 내부의 압력 변화를 측정하였다. 이를 위하여, 액화 소스의 기화가 시작되기 전부터, 액화 소스부(110)로부터 기화기(130)에 액화 소스가 공급되어 기화가 시작된 후, 소스 기체 공급용 밸브가 열림 상태로 설정되어 소스 기체가 반응기(150)로 공급되고, 그 후, 소스 기체 공급용 밸브가 닫힘 상태로 설정되어 소스 기체가 반응기(150)로 공급되지 않는 시점까지 기화기(130)의 내부 압력을 측정하였다. 본 실험예에서는 증착 장치의 버퍼부(140)를 포함하지 않은 경우(a)와 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치와 같이, 버퍼부(140)를 포함하는 경우(b)를 나누어 기화기(130) 내부의 압력 변화를 측정하였는데, 버퍼부(140)의 포함 여부를 제외하고, 다른 모든 조건은 동일하였다. 이러한 실험예의 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2는 본 발명의 한 실험예에 따른 기화기 내부의 압력 변화를 나타내는 그래프이다. 도 2에서, 액화 소스부(110)로부터 기화 기(130)에 액화 소스가 공급되어 기화가 시작된 시점을 x1으로 표시하였으며, 공정이 시작되어 소스 기체 공급용 밸브가 열림 상태로 설정되어 소스 기체가 반응기(150)로 공급되는 시점을 x2로 표시하였고, 공정 중 소스 기체 공급용 밸브가 닫힘 상태로 설정되어 소스 기체가 반응기(150)로 공급되지 않는 시점을 x3로 표시하였다. 그 후, 반응 기체 공급용 밸브가 열림 상태로 설정되어 반응 기체가 반응기(150)로 공급되는 시점을 x4로 표시하였다.
도 2를 참고하면, 소스 기체 공급 공정이 시작되고, 기화기(130)에서 액화 소스의 기화가 시작되는 시점(x1)에서는 기화기(130) 내부의 압력이 증착 장치의 버퍼부(140)를 포함하지 않은 경우(a)와 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치와 같이, 버퍼부(140)를 포함하는 경우(b) 모두 거의 같았다. 그 후, 액화 소스의 기화가 진행되면서 기화기(130) 내부의 압력은 상승하는데, 버퍼부(140)의 존재 여부에 따라 기화기 내부 압력 상승시의 압력 변동폭이 다르게 나타난다. 버퍼부(140)를 포함하지 않는 경우(a), 도 2(a)에 도시한 바와 같이, x2 지점까지 압력 변동폭이 큰 반면, 버퍼부(140)를 포함하는 경우(b), 도 2(b)에 도시한 바와 같이, x2 지점까지의 압력 변동폭은 작다. 이때, 기화기(130)로부터 기화된 소스 기체는 도 1에 도시한 경로(a)를 따라 반응기(150)가 아닌 배출구(v)로 배출된다.
기화기(130)내부의 압력이 일정 수준에 이르러 반응기에 공급하기에 충분한 기화량에 이르게 되면, 소스 기체 공급용 밸브가 열림 상태로 설정되어 도 1에 도시한 경로(b)를 따라, 소스 기체가 반응기(150)로 공급되기 시작한다(x2). 이후, 공정이 진행되면서 소스 기체 공급용 밸브는 열림/닫힘 상태를 반복하게 되는데, 소스 기체가 반응기(150)로 공급된 후 처음으로 소스 기체 공급용 밸브가 닫힘 상태로 설정된 시점을 x3로 표시하였다. 공정 중에, 소스 기체 공급용 밸브가 열림/닫힘을 반복하게 되어 반응기 안의 압력은 일정한 펄스(pulse) 형태로 x2에서의 압력과 x3에서의 압력 사이의 값으로 증감을 보이게 되는데, 기화기(130) 내부의 압력은 버퍼부(140)의 존재 여부에 따라 변화폭이 다르다.
도 2에 도시한 바와 같이, 증착 장치의 버퍼부(140)를 포함하지 않은 경우(a), 공정 중에 기화기(130) 내부의 압력 변동폭(x2에서의 압력과 x3에서의 압력의 차이)이 크지만, 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치와 같이, 버퍼부(140)를 포함하는 경우(b) 기화기(130) 내부의 압력 변동폭(x2에서의 압력과 x3에서의 압력의 차이)이 거의 없고 압력이 일정하여 소스 기체를 안정적으로 공급할 수 있다.
이는 소스 기체 공급용 밸브가 닫힘 상태로 설정되어 소스 기체가 반응기(150)로 공급되지 않는 경우, 기화기(130)로부터 배출되는 소스 기체가 버퍼부(140)에 저장되어 압력 변동에 대한 완충(buffer)역할을 하기 때문이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치의 경우, 기화기(130)의 압력을 일정하게 유지할 수 있음을 알 수 있었다.
다음으로, 4개의 반응 공간(RC1, RC2, RC3, RC4)을 포함하는 증착 장치에서, 버퍼부(140)를 포함하지 않은 경우(a)와 버퍼부(140)를 포함하는 경우(b)에 대해, SiH2(NR2)2 소스를 이용하여 실리콘 산화막(SiO2)을 증착하여, 증착한 박막의 균일도(uniformity)를 측정하였다. 본 실험예에서, 증착 장치가 버퍼부(140)를 포함하 는 지 여부를 제외하고, 다른 모든 조건은 동일하였다.
먼저, 복수의 반응 공간별로 증착된 박막의 균일도를 측정하여 이 결과를 도 3 및 표 1에 나타내었고, 반응 공간 별로 증착된 박막의 균일도를 비교하여 이 결과를 도 4에 나타내었다. 도 3은 본 발명의 한 실험예에 따라 증착한 박막의 위치별 두께를 나타내는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 증착한 박막의 반응 공간 별 두께 균일도의 상대적 차이를 나타내는 그래프이다.
도 3 및 아래의 표 1을 참고하면, 증착 장치의 버퍼부(140)를 포함하지 않은 경우(a)에 비하여, 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치와 같이, 버퍼부(140)를 포함하는 경우(b) 각 반응 공간(RC1, RC2, RC3, RC4)에서 증착된 실리콘 산화막의 평균 두께가 더 두꺼웠으며, 반응 공간에 따른 균일도의 차이가 작아, 두께 변화는 더 적었음을 알 수 있다. 이처럼, 본 발명의 실시예와 같이, 증착 장치가 버퍼부(140)를 포함하면, 소스 기체가 각 반응공간에 균일하게 공급되게 되어, 박막의 증착 효율이 증가하고, 균일도의 편차가 적은 두께를 가지는 박막이 증착됨을 알 수 있었다.
[표 1]
반응 공간 RC1 RC2 RC3 RC4
Case a 평균 두께 (Å) 48.69 48.65 48.14 48.67
Uniformity (%) 5.53 6.39 6.12 6.03
Case b 평균 두께 (Å) 49.34 49.21 49.23 49.43
Uniformity (%) 5.64 5.93 5.43 5.72
다음으로, 도 4를 참고하면, 증착 장치의 버퍼부(140)를 포함하지 않은 경우(a)에 비하여, 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치와 같이, 버퍼부(140)를 포함하는 경우(b) 각 반응 공간(RC1, RC2, RC3, RC4)에서 증착된 실리콘 산화막의 반응 공간별 두께 편차가 더 적음을 알 수 있었다. 구체적으로, 증착 장치의 버퍼부(140)를 포함하지 않은 경우(a), 각 반응 공간(RC1, RC2, RC3, RC4)에서 증착된 박막의 반응 공간별 균일도 편차는 약 0.57%이었으나, 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치와 같이, 버퍼부(140)를 포함하는 경우(b) 약 0.22%이었다. 이처럼, 본 발명의 실시예와 같이, 증착 장치가 버퍼부(140)를 포함하면, 각 반응공간에 소스 기체가 균일하게 공급되게 되어, 복수의 반응 공간에서 증착되는 박막의 균일도 편차가 적어지고 반응 공간에 관계 없이 동일한 균일도를 가진 박막이 증착됨을 알 수 있었다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치는 기화기와 소스 공급용 밸브 사이에 배치되어 있는 버퍼부를 포함함으로써, 기화기 내부의 압력을 일정하게 유지하고, 이에 의해, 반응기 내부에 균일한 양의 소스 기체를 공급할 수 있도록 소스기체의 양을 제어할 수 있어, 높은 균일도를 가지는 박막을 증착할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 증착 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 한 실험예에 따른 기화기 내부의 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 한 실험예에 따라 증착한 박막의 위치별 두께를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 증착한 박막의 두께 균일도를 나타내는 그래프이다.

Claims (9)

  1. 반응기,
    상기 반응기에 공급되는 소스 기체의 액화 소스를 저장하는 액화 소스부,
    상기 반응기에 공급되는 소스 기체의 유량을 제어하는 액화 소스 유량 제어기,
    상기 액화 소스 유량 제어기로부터 공급되는 액화 소스를 기화하는 기화기,
    상기 반응기와 상기 기화기 사이에 배치되어 있는 버퍼부를 포함하는 증착 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 반응기는 복수의 반응 공간을 포함하는 증착 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 버퍼부와 상기 반응기 사이에 배치되어 있는 소스 공급용 밸브를 더 포함하는 증착 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 소스 공급용 밸브가 열림 상태인 경우, 상기 기화기로부터 상기 반응기로 소스 기체가 공급되는 증착 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 소스 공급용 밸브가 닫힘 상태인 경우, 상기 기화기로부터 배출되는 소스 기체는 상기 버퍼부에 저장되는 증착 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 버퍼부와 상기 반응기 사이에 배치되어 있는 소스 공급용 밸브를 더 포함하는 증착 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 소스 공급용 밸브가 열림 상태인 경우, 상기 기화기로부터 상기 반응기로 소스 기체가 공급되는 증착 장치.
  8. 제6항에서,
    상기 소스 공급용 밸브가 닫힘 상태인 경우, 상기 기화기로부터 배출되는 소스 기체는 상기 버퍼부에 저장되는 증착 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 기화기로 소스 기체의 공급이 시작된 후부터, 상기 기화기 내부의 압력 변동폭이 적은 증착 장치.
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