KR20100119807A - 원자층 성막장치 - Google Patents

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KR20100119807A
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카즈토시 무라타
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미쯔이 죠센 가부시키가이샤
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Abstract

원자층 성막장치(原子層成膜裝置)는, 성막실(101)에 원료 가스를 공급하기 위한 복수(複數)가스공급배관(121) 내지 (123)과, 성막실(101)의 내부를 배기(排氣)하기 위한 배기부(105)를 구비하고 있다. 가스공급배관(121) 내지 (123)의 각각에는, 밸브(131) 내지 (133)가 설치되어 있다. 성막실(101) 내부에는, 성막실(101) 내(內)의 상태를 측정하는 성막실 모니터(141)~(149)가 배치되어 있다. 밸브(131) 내지 (133)의 개도(開度) 또는 개방시간은, 성막실 모니터(141) 내지 (149)의 측정결과를 기초로 하여, 제어부(107)에 의해서 제어된다. 따라서, 복수 가스공급구(供給口)를 이용한 경우 가스의 균일성을 향상시킬 수 있다.

Description

원자층 성막장치{ATOMIC LAYER FILM-FORMING DEVICE}
본 발명은, 원자층 및 분자층 단위에서 박막 형성이 가능한 원자층 성막장치에 관한다.
최근에, 300℃이하의 저온에서 양질의 박막을 보다 균질 상태로 형성 가능성 등의 여러 특징을 구비한 기술로서, 원자층 및 분자층 단위로 박막의 형성이 가능한 원자층 성장(Atomic Layer Deposition : ALD)법이 주목되고 있다. 원자층 성장법은, 형성하고자 하는 막(膜)을 구성하는 각 원소의 원료를 기판에 상호 공급하는 것에 따라, 원자층 단위로 성막을 형성하는 기술이다. 원자층 성장법에서는, 각 원소의 원료를 공급하는 사이에 1층 혹은 n층(n은 2이상의 정수(整數)만을 표면에 흡착시켜, 여분의 원료는 성장에 기여하지 않도록 한다. 이것을, 성장의 자기정지작용(自己停止作用)이라고 한다. 원자층 성장법에 의하면, 일반적인 CVD에 비교해서 대단히 뛰어난 형상 적응성과 막후(film thickness)제어성(膜厚制御性)을 동시에 가지고, 보다 저온에서 보다 넓은 면적에 대해서 균일한 박막을 재현성(再現性) 좋게 형성할 수 있는 기술로서, 대형화면의 평면판넬디스플레이 제조에 적용이 검토되고 있다.
대형화에 대응하는 원자층 성장장치로는, 1변이 수십cm를 넘는 단형(單形)의 기판이 대상이 되기 때문에, 기판에 평행하게 가스를 공급하는 횡형(橫型)의 장치가 제안되고 있다. 횡형의 장치로는, 잘 알려진 듯이, 기판에 평행하게 가스를 공급하고, 장치의 구성이 단순하고, 기판의 대형화에 적용하기 쉬운 구성으로 이루어진다. 또한 원자층 성장법은, 상기 성장의 자기정지작용을 구비하고, 다른 화학적 에피탁셜성장(epitaxial growth)법에 비교해서, 형성되는 막의 상태가 공급되는 가스 분포에 그다지 영향을 받지 않는다. 이 때문에, 기판의 대형화에 동반하여, 가스의 공급구로부터 거리가 크게 다른 상태로 되어 있더라도, 기판 전역에 대해서 균일한 막의 성장을 기대할 수 있다.
그렇지만, 횡막이 박막형성장치에서 원자층 성장을 하는 경우라도, 기판의 가스가 흐르는 중심영역과, 이 영역으로부터 떨어진 기판 단부(端部)의 영역과, 막의 상태에 분포(分布)가 발생하는 등이, 발명자들로부터 확인되고 있다. 이 분포는, 기판의 대형화에서 보다 현저해진다. 이것을 해소하기 위해서, 특개2007-157885에, 가스 공급구를 넓혀서 한 쪽 측부(測部)에서 보다 넓은 영역에서 가스를 공급하는 구성으로 하고, 가스가 균일하게 공급되는 상태로서 불균일을 해소하려는 기술이 제안되고 있다.
그렇지만, 복수 가스공급구를 이용해서, 이것들로부터 균일하게 가스를 공급(분출)하더라도, 균일성이 확보되지 않는 경우가 발생하는 것이, 발명자들로부터 확인되었다. 이와 같이, 종래의 기술로는, 복수 가스공급구를 이용하더라도, 꼭 균일성을 확보할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은, 이와 같은 과제를 해소하기 위한 것이고, 복수 가스공급구를 이용한 경우의 가스의 균일성을 향상하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관련된 원장층 성막장치는, 성막대상(對象)이 기판이 배치된 성막실과, 기판에 박막을 형성하기 위해서 원료를 포함한 가스를 성막실의 제 1 측부의 근처부터 성막실로 공급하는 복수의 가스공급배관과, 복수 가스공급배관의 각각에 설치된 복수의 밸브와, 성막실의 제 1 측부에 대응하는 제 2 측부의 근처부터 성막실 내부를 배기하는 배기부와, 성막실 내부에 배치되고 기판의 위에 있어서 성막실 내의 상태를 측정하는 성막실 상태 측정부와, 성막실 상태 측정부에 의한 측정된 결과를 기초로 하여 복수 밸브의 개도 및 개방시간이 적어도 한 쪽을 개별적으로 제어하는 제어부를 구비한 것이다.
본 발명에 의하면, 기판 위에 있어서 성막실 내의 상태의 측정결과를 기초로 해서, 각 밸브의 개도 및 개방시간이 적어도 한 쪽을 개별적으로 제어하도록 했기 때문에, 복수의 가스공급구를 이용한 경우 가스의 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 1는, 본 발명의 일 실시 예에 있어서 원자층 성막장치의 평면구성을 표시하는 도이다.
도 2는, 도 1에 표시한 원자층 성막장치의 단면 구성을 표시한 도이다.
도 3는, 본 발명의 다른 실시 예에 있어서 원자층 성막장치의 단면 구성을 표시한 도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 관해서 도를 참조해서 설명한다. 도 1는, 본 발명의 일 실시 예에 있어서 원자층 성막장치의 평면 구성을 표시한 도이다.
본 실시 예에 있어서 원자층 성막장치는, 원료 가스 및 오존가스 등의 산화 가스가 도입되어 성막대상의 기판(W)위에 성막형성을 하는 성막실(101)과, 박막을 형성하기 위한 원료를 포함한 가스를, 성막실(101)의 한 쪽의 측부(제 1 측부)로부터 성막실(101)의 영역에 대해서 공급하기 위한 가스 공급배관(121), (122), (123)과, 가스 공급배관(121), (122), (123)의 각각에 설치된 밸브(131), (132), (133)를 구비한다.
또한, 도시하지 않았지만, 가스 공급 배관(121) 내지 (123)에는, 잘 알려진 것과 같이, 액체원료를 기화하는 기화기(氣化器) 등을 포함하는 가스 공급구조가 접속되어, 트리메틸알루미늄(TMA) 등의 원료가스 및 오존 가스 등의 산화 가스, 또는, 아르곤(Ar) 등의 퍼지 가스가 공급 가능하다.
원자층성막장치는 또는, 성막실(101) 내부에 배치된 성막실 모니터(성막실 상태 측정부)(141) 내지 (149)를 구비한다.
원자층 성막장치는 또는, 성막실(101)의 다른 한 쪽의 측부(제2측부)에서 성막실(101) 내부를 배기하기 위한 배기배관(151), (152)과, 배기배관(151), (152)이 도중에 각각 설치된 배기배관 모니터(배기배관 내 상태 측정부)(161), (162)를 구비한다. 또한, 도시하지 않았지만, 잘 알려진 대로, 배기배관(151), (152)에는, 드라이펌프 등 배기 구조가 접속되어, 이것 등에 의해서 성막실(101) 내부의 배기를 가능하게 한다. 여기서, 가스 공급배관(121) 내지 (123)으로 된 일련의 가스 공급부(102)와, 배기 배관(151), (152)로 된 일련의 배기부(105)는, 성막실(101)내에서 대향해서 배치되어 있다.
더불어, 원자층 성막장치는, 성막실 모니터(141) 내지 (149) 및 배기 배관 모니터(161), (162)으로부터 측정된 결과에 의하면, 밸브(131) 내지 (133)의 개도 또는 개방시간을 각각 개별적으로 제어하는 제어부(107)를 구비한다.
여기서, 성막실 모니터(141) 내지 (149)는, 예를 들면 도 2에 표시한 것과 같이, 성막실(101) 내부에 있어서, 기판(W) 위의 천정(101a) 부분에 배치되어 있다.
성막실 모니터(141), (142), (143)은, 성막실(101) 내의 가스 공급부(102)측에 배치되어 있다. 성막실 모니터(147), (148), (149)는, 성막실(101) 내의 배기부(105)측에 배치되어 있다. 성막실 모니터(144), (145), (146)은, 성막실 내의 가스공급부와 배기측과의 중간위치에 배치되어 있다.
성막실 모니터(141), (144), (147)은, 가스 공급부로부터 배기측의 가스가 흐르는 방향이 예를 들면 좌측(좌열)에 배열되어, 성막실 모니터(142), (145), (148)은, 가스 공급측으로부터 배기측의 가스 흐름 방향이 중앙부(중앙열)에 배열되어, 성막실 모니터(143), (146), (149)은, 가스 공급측으로부터 배기부의 가스 흐름 방향의 우측(우열)에 배열되어 있다.
따라서, 성막실(101) 내부에서는, 그 천정에, 3행3열로 배열된 9개의 성막실 모니터(141) 내지 (149)가 배치되어, 기판(W)에 형성되어 있는 박막을 포함해서 기판(W) 위에 있어서 성막실(101) 내부의 상태를 모니터 가능하게 한다.
성막실 모니터(141~149)에서는, 수정발진식(水晶發振式)모니터(예를 들면, 주식회사 알박제(ULVAC) 수정발진식 막후(film thickness)모니터 CRTM-9000)을 이용할 수 있다. 이 모니터에 의하면, 수정진동자로 된 검출부에 기판(W) 위와 동일하게 퇴적(堆積)하는 막의 질량을 측정가능하고, 측정한 질량에 의해서 막후(film thickness)를 측정 가능하다. 또한, 이 모니터는, 모니터의 배치장소(성막실(101) 내의 기판 위)로 흐르는 가스 양을 간접적으로 측정하게 된다. 따라서, 이 모니터는, 막후(film thickness) 측정부 및 가스양 측정부로서 기능한다.
이와 같은 성막실 모니터(141) 내지 (149)를 구비한 원자층 성막장치에 의하면, 성막실(101)에 있어서 기판(W) 위에 형성된 박막과 동일하게 박막이 검출부에 형성되도록 하기 때문에, 기판(W) 위에 형성된 박막의 막후(film thickness)를 간접적으로 측정할 수 있다. 따라서, 성막실 모니터(141) 내지 (149)에 의한, 기판(W) 위에 형성된 박막의 막후(film thickness) 분포가 간접적으로 측정되게 된다. 또한, 성막실 모니터(141) 내지 (149)로부터, 기판(W) 위에 흐르는 가스양의 분포가 간접적으로 측정되게 된다.
이와 같이 해서 측정된 결과에 따라서, 제어부(107)는, 밸브(131) 내지 (133)의 개도 또는 개방시간을 개별적으로 제어한다. 예를 들면, 좌열에 배열된 성막실 모니터(141), (144), (147)에 의해 측정된 막후(film thickness)가, 다른 열의 성막 모니터로부터 측정된 막후(film thickness)보다 두꺼운 경우, 제어부(107)는, 밸브(131)의 개도를 적게 혹은 개방시간을 짧게, 가스 공급배관(121)로부터 공급된 가스량을 감소시킨다.
또한, 제어부(107)는, 예를 들면, 좌열에 배열된 성막실 모니터(141), (144), (147)에서 측정된 가스양이, 다른 열의 성막 모니터에서 측정된 결과보다 많은 경우, 제어부(107)는, 밸브(131)의 개도를 적게 또는 개방시간을 짧게, 가스 공급배관(121)로부터 공급되는 가스량을 감소시킨다.
또한, 성막실 모니터(141) 내지 (149)로, 엘립소메터(Elipsometer)를 이용할 수 있다. 엘립소메터에 의하면, 기판(W) 위에 형성된 박막의 막후(film thickness) 및 굴절율이 측정 가능하다. 따라서, 이 엘립소메터는, 막후(film thickness)측정부 및 굴절율측정부로서 기능한다. 따라서, 이 엘립소메터는, 막후측정부 및 굴절율측정부로서 기능한다. 이와 같은 성막실 모니터(141) 내지 (149)를 구비한 원자층 성막실에 의하면, 성막실(101)에 있어서 기판(W) 위에 형성된 박막의 두께(thickness)를 직접 측정할 수가 있다.
따라서, 성막실 모니터(141) 내지 (149)로부터, 기판(W) 위에 형성된 박막의 두께 분포가 측정되게 된다.
이렇게 해서 측정된 결과로, 제어부(107)는, 밸브(131) 내지 (133)의 개도 또는 개방시간을 개별적으로 제어한다. 예를 들면, 좌열에 배열된 성막실 모니터 (141), (144), (147)에 의해서 측정된 막후(film thickness)가, 다른 열의 성막 모니터에서 측정된 막후(film thickness)보다 두꺼운 경우, 제어부(107)는, 밸브(131)의 개도를 적게 또는 개방시간을 짧게, 가스 공급배관(121)에 공급 되는 가스량을 감소시킨다.
또한, 성막실 모니터(141) 내지 (149)로서, 기판(W) 상부공간에 발생하는 이물(발진)의 상태를 측정하는 파티클 모니터(이물측정부, 예를 들면 HACH Ultra Analytics사)를 이용하는 것도 할 수 있다. 이와 같은 성막실 모니터(141) 내지 (149)를 구비한 원자층 성막장치에 의하면, 성막실(101)에 있어서 기판(W)상부에 있어서 발생하고 있는 파티클(이물, 발진)의 상태를 측정할 수 있다. 발진 상태는, 기판(W) 위에 흐르는 가스량에 영향을 받고, 예를 들면, 필요이상으로 가스가 공급되어진 영역에 있어서는, 파티클이 발생하기 쉬운 상태가 된다. 따라서, 성막실 모니터(141) 내지 (149)로, 기판(W) 위에 흐르고 있는 가스 분포가 간접적으로 측정된다.
이와 같이 해서 측정된 결과로부터, 제어부(107)은, 밸브(131) 내지 (133)의 개도 또는 개방시간을 개별적으로 제어한다. 예를 들면, 좌열에 배열된 성막실 모니터(141), (144), (147)로부터 측정된 발진량이, 다른 열의 성막 모니터로부터 측정된 발진량보다 많은 경우, 제어부(107)은, 밸브(131)의 개도를 적게 또는 개방시간을 짧게 가스 공급배관(121)로부터 공급되는 가스량을 감소시킨다.
배기배관 모니터(161)는, 배기배관(151) 내의 상태를 측정하고, 배기배관 모니터(162)는, 배기배관(152) 내의 상태를 측정해서, 배기배관 모니터(162)는, 배기배관(152) 내의 상태를 측정한다.
배기배관 모니터(161), (162)에서는, 수정발진식 모니터를 이용할 수가 있다. 이 모니터에 의하면, 상기, 수정진동자로 이루어진 검출부에 기판(W) 위와 동일하게 퇴적하는 막의 질량을 측정가능하고, 측정한 질량에 의해서 막후(film thickness)가 측정 가능하다. 이와 같은 배기배관 모니터(161), (162)를 구비한 원자층 성막장치에 의하면, 배기배관(151), (152)으로 흐르는 가스보다, 기판(W) 위에 형성된 박막과 동일하게 박막이 검출부로 형성되도록 된다. 따라서, 배기배관 모니터(161), (162)에 의하면 배기 배관(151), (152)로 흐르는 가스량이 간접적으로 측정되게 되고, 배기배관 모니터(161), (162)는, 가스량 측정부로서 기능을 한다.
이와 같이 해서 측정된 결과에 따라서, 제어부(107)는, 밸브(131) 내지 (133)의 개도 또는 개방시간을 개별적으로 제어한다. 예를 들면, 배기배관 모니터(161)로부터 측정된 가스량이, 배기배관 모니터(162)으로부터 측정된 양보다 많은 경우, 제어부(107)는, 밸브(131)의 개도를 적게 또는 개방시간을 짧게 해서, 가스 공급배관(121)로부터 공급되는 가스량을 감소시킨다.
이상으로 설명했듯이, 본 실시 예에 있어서 원자층 성막장치에서는, 제어부(107)가, 성막실 모니터(141) 내지 (149)로부터, 기판(W) 위에 있어서 성막실(101)내의 상태를 측정하고, 이 측정결과를 기초로 하여, 밸브(131) 내지 (133)의 개도 또는 개방시간을 개별적으로 제어하도록 했다. 예를 들면, 성막실 모니터 (141) 내지(149)의 각각 측정결과로, 공급된 가스의 흐르는 방향에 대한 폭 방향(幅方向)의 좌측에 있어서, 막후(film thickness)가 두껍게 형성된 분포가 확인되면, 이 좌측에 있어서 가스 유량(流量)이 감소하도록, 밸브(131)의 개도 또는 개방시간을 적게 한다. 또한 우측에 있어서 가스 유량이 증가하도록, 밸브(133)의 개도를 크게 또는 개방시간을 길게 한다. 이 결과, 성막실 모니터(141) 내지 (149)에서 측정된 성막실(101)내에 있어서 가스 유량 분포 및 기판(W) 위에 형성된 막후(film thickness)의 분포에 대응하고, 이 분포의 치우침이 해소될 수 있게 된다.
또한, 상기 성막실(101)의 한 쪽 측부(제 1 측부)에, 3개의 가스공급배관(121)내지 (123)을 구비하도록 한다. 그러나, 이것에 한정하는 것은 아니고, 2개의 가스 공급배관을 설치하도록 해도 좋다. 또한, 4개 이상의 가스 공급배관을 설치해도 좋다.또한, 상기, 좌열, 중앙열, 및 우열에, 각각 3개의 성막실 모니터를 배치하도록 한다. 그러나, 이것에 한정하는 것은 아니고, 예를 들면, 각 열에 1개의 성막실 모니터를 배치하더라도 좋다. 또한, 좌측과 우측의 2개소에 성막실 모니터를 설치하도록 해도 좋다. 또한, 가스가 흐르는 방향에 평행 4개 이상의 복수 열을 설정하고, 이것들의 각 열에 각각 성막실 모니터를 배치 또는 배열해도 좋다.
또한, 도 3에 표시한 것과 같이, 성막실(101)의 한 쪽의 측부(제 1 측부)의 가스 공급부에 있어서, 성막실(101)의 상하방향에, 가스 공급배관(122a), (122b)를 설치하는 등, 복수 가스 공급배관을 설치하도록 해도 좋다. 예를 들면, 가스 공급배관(122a)로부터 산화가스가 공급되어, 가스 공급배관(122b)에서는, 원료가스가 공급되도록 하면 좋다. 또한 가스 공급배관(122a), (122b)에, 각각 밸브(132a), (132b)를 설치한다.
동일하게, 성막실(101)의 다른 쪽 측부(제 2 측부)의 배기부에 있어서, 성막실(101)의 상하방향에, 배기배관(152a), (152b)를 설치하는 등, 복수의 배기배관을 설치하도록 해도 좋다. 예를 들면, 산화가스의 배기는, 배기배관(152a)에서 행하고, 원료가스의 배기는 배기배관(152b)에서 행하면 좋다.
또한 제어부(107)에 의한 배기배관(151), (152), (152a), (152b)에서의 배기량의 제어를 각각 개별적으로 행한 경우에도 앞서 말한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제어부(107)는, 성막실 모니터(141) 내지 (149) 및 배기배관 모니터(161), (162)에서 측정한 결과에 의해, 밸브(131) 내지 (133)의 개도 또는 개방시간을 각각 개별적으로 제어하도록 해도 좋다. 또한, 상기 제어부(107)는, 밸브(131) 내지(133)의 개도 및 개방시간을 제어할 수도 있다. 더구나, 상기 제어부(107)는 성막실 모니터(141) 내지 (149) 또는 배기배관 모니터(161), (162)에서 측정한 결과에 의해 밸브(131) 내지 (133)의 개도 또는 개방시간을 제어할 수도 있다.
101 성막실 102 가스 공급부
107 제어부 121~123 가스공급배관
131~133 밸브 141~149 성막실 모니터
151~152 배기배관 161~162 배기배관 모니터

Claims (4)

  1. 성막대상 기판이 배치된 성막실과,
    상기 기판에 박막을 형성하도록 하기 위해서 원료를 포함한 가스를 상기 성막실의 제 1 측부의 근처부터 상기 성막실에 공급하는 복수의 가스 공급배관과,
    상기 복수 가스 공급배관이 각각 설치된 복수의 밸브와,
    상기 성막실의 상기 제1측부에 대향하는 제 2 측부의 근처부터 상기 성막실의 내부를 배기하는 배기부와,
    상기 성막실의 내부에 배치되는 상기 기판의 위에 있어서, 상기 성막실 내의 상태를 측정하는 성막실 상태 측정부와,
    상기 성막실 상태 측정부로부터 측정된 결과를 기초로 해서 상기 복수 밸브의 개도 및 개방시간을 적어도 한 쪽을 개별적으로 제어하는 제어부를,
    구비하는 것을 특징으로 하는 원자층 성막장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기부는, 복수 배기배관을 구비,
    상기 원자층 성막장치는, 상기 복수 배기배관이 각각 설치되어 상기 복수 배기배관 내의 상태를 제어하는 복수 배기배관 내 상태 측정부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 성막실 내 측정부에서 측정된 결과를 더하여, 상기 복수의 배기배관 내 상태 측정부로부터 측정된 결과를 기초로 제어하도록 되는 것을 특징으로 하는 원자층 성막장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 성막실 내 측정부는, 상기 성막실 내의 상기 기판 위에 흐르는 가스량을 측정하는 가스 측정부,
    상기 박막의 막후(film thickness)를 측정하는 막후(film thickness)측정부,
    상기 박막의 굴절율을 측정하는 굴정율 측정부, 및
    상기 기판 위에 발생하는 이물의 상태를 측정하는 이물측정부중 적어도 1개를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자층 성막장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기배관 내 상태측정부는, 상기 배기배관에 흐르는 가스량을 측정하는 가스량 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 원자층 성막장치.
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