KR20110001762A - 원자층 증착장치 및 이를 이용한 원자층 증착방법 - Google Patents

원자층 증착장치 및 이를 이용한 원자층 증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자층 증착장치 및 이를 이용한 원자층 증착방법에 관한 것으로서, 전구체 공급부와 전구체 배출부가 구비된 복수개의 반응기를 포함하고, 상기 복수개의 반응기 중 적어도 하나의 반응기에 구비된 전구체 배출부가 다른 반응기의 전구체 공급부에 연결된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 원자층 증착장치를 이용하면 연결된 복수개의 반응기 중 적어도 하나의 반응기에서 반응에 참여하지 못하고 배출된 미반응 전구체가 다른 반응기에서 재사용될 수 있으므로 원자층 증착에 사용되는 전구체의 양을 감소시킬 수 있고, 그 결과로 원자층 증착의 공정비용을 감소시킬 수 있다.

Description

원자층 증착장치 및 이를 이용한 원자층 증착방법{Atomic layer deposition equipment and atomic layer deposition method using thereof}
본 발명은 원자층 증착장치 및 원자층 증착방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원자층 증착에 사용되는 전구체의 양을 감소시켜 공정비용을 저감시킬 수 있는 원자층 증착장치 및 원자층 증착방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 위에 일정한 패턴을 가진 층을 차례로 적층하여 트랜지스터나 캐패시터와 같은 소자를 고밀도로 집적한 전자소자이다. 반도체 소자의 제조에는 증착 공정, 포토리쏘그라피 공정 및 식각 공정 등의 반도체 제조공정이 사용되게 된다.
반도체 제조공정 중 증착 공정은 스퍼터링(sputtering)법과 같이 물리적인 방법을 이용하는 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)과 기판의 표면에서 일어나는 화학반응을 이용하는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 크게 구분할 수 있다. 화학기상증착법은 물리기상증착법에 비하여 막질이 우수하고 균일도가 높은 박막을 증착할 수 있는 장점을 가지고 있고, 계단도포성(step coverage) 또한 우수하기 때문에 반도체 제조공정에 널리 사용되고 있다.
화학기상증착법은 증착압력 조건에 따라 APCVD(Atmospheric pressure CVD)와 LPCVD(Low pressure CVD)로 구분될 수 있고, 그 중 반응성이 큰 플라즈마 상태에서 박막을 증착하는 PECVD(Plasma Enhanced CVD)는 저온증착이 가능하고 박막형성속도가 빠른 장점 때문에 가장 많이 사용되고 있는 증착방법 중 하나이다.
그런데 최근에는 이러한 종래의 증착방법에 비하여 막질이 우수하고, 막의 균일도와 계단 도포성이 매우 뛰어난 박막증착이 가능한 원자층 증착법(atomic layer deposition)의 적용 범위가 넓어지고 있다. 특히 원자층 증착법은 결함이 적은 막질이 요구되는 게이트 산화층(gate-oxide layer), 커패시터 유전층(capacitor dielectric layer) 및 확산방지막(diffusion barrier layer) 등의 증착공정에 이용되고 있다.
도 1은 일반적인 원자층 증착장치를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 원자층 증착장치(110)는 외부의 기체유입을 막고 진공도를 유지하기 위한 체임버(chamber, 101), 전구체 및 퍼지기체 등을 유입시키기 위한 기체 공급부(102) 및 기체의 배출을 위한 기체 배출부(103)를 포함하고, 체임버(101)의 내부에는 증착대상기판(104)이 장착된다. 각 기체의 유입은 MFC(mass flow controller)에 의하여 조절이 되고, 기체의 배출은 진공펌프에 의하여 이루어진다. 이러한 원자층 증착장치를 이용한 원자층 증착은 전구체(precursor)와 반응기체가 각각 단일층으로 기판의 표면에 화학흡착함으로써 이루어진다. 따라서 한 번의 원료공급 주기에서 증착되는 막의 두께가 일정하므로 원료공급주기의 횟수를 조절하여 증착되는 박막의 두께를 정밀하게 조절할 수 있는 장점과 계단 도포성이 뛰어난 장점을 가지고 있다. 다만 원자층 증착법은 원자층의 단위로 막을 증착하므로, 원하는 두께의 박막을 위해 수 회 내지 많게는 수백 회의 증착공정을 거쳐야 하므로, 공정시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
원자층 증착법의 또 다른 문제점은 전구체의 소모량이 많은 것이다. 전구체의 공급과 배기 및 반응기체의 공급과 배기로 이루어지는 한 번의 싸이클로 한 층의 막이 증착되므로 전구체의 소모량이 많을 수밖에 없다. 이러한 전구체의 과도한 소모 문제는 증착대상물질이 매끈한 표면을 가지는 물질보다는 촉매용 담체와 같이 다공성 물질인 경우에 더욱 심각하다. 예를 들어 12인치 실리콘 웨이퍼의 경우 비 표면적이 약 4.9×10-4m2/g이지만, 촉매용 담체의 비표면적은 약 200m2/g으로 실리콘 웨이퍼의 약 100만 배에 달하므로, 원자층 증착법에서 전구체의 소모량을 저감할 수 있는 기술에 대한 개발 필요성이 크다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 복수개의 반응기를 연결하여 미반응 전구체를 재사용함으로써 전구체의 사용량을 저감시킬 수 있는 원자층 증착장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기의 원자층 증착장치를 이용하여 원자층 증착을 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 전구체 공급부와 전구체 배출부가 구비된 복수개의 반응기를 포함하고, 상기 복수개의 반응기 중 적어도 하나의 반응기에 구비된 전구체 배출부가 다른 반응기의 전구체 공급부에 연결된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연결된 전구체 배출부와 전구체 공급부에 의하여, 상기 적어도 하나의 반응기에서 배출된 미사용 전구체가 상기 다른 반응기에 공급되어 원자층 증착의 전구체로 재사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 연결된 전구체 배출부와 전구체 공급부는 직렬방식으로 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 연결된 전구체 배출부와 전구체 공급부는 병렬방식으로 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 전구체 공급부와 전구체 배출부가 구비된 복수개의 반응기는 2 내지 10개의 반응기로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 반응기에 공급되는 전구체의 양은 복수개의 반응기에서 동일하게 유지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 다른 반응기의 전구체 공급부는 별도의 전구체 저장부에서 공급된 전구체를 추가로 공급하여, 복수개의 반응기에 공급되는 전구체의 양이 동일하게 유지될 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 반응기에 전구체를 공급하여 증착대상 물질 표면에 전구체를 단일 원자층으로 흡착시키는 단계와, 비활성기 체로 퍼지시키며 미흡착 전구체 또는 반응 부산물을 배기시키는 단계와, 비활성기체를 배기시키고 반응기체를 공급하여 전구체와 반응기체를 반응시켜 원자층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 반응기에 공급되는 전구체는 다른 반응기에서 배출된 미반응 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응기에 공급되는 전구체는 별도의 전구체 저장부에서 공급된 전구체를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 다른 반응기에서 배출된 미반응 전구체와 상기 별도의 전구체 저장부에서 공급된 전구체의 합이 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 증착대상 물질은 다공성 물질일 수 있다.
본 발명의 원자층 증착장치를 이용하면 연결된 복수개의 반응기 중 적어도 하나의 반응기에서 반응에 참여하지 못하고 배출된 미반응 전구체가 다른 반응기에서 재사용될 수 있으므로 원자층 증착에 사용되는 전구체의 양을 감소시킬 수 있고, 그 결과로 원자층 증착의 공정비용을 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 원자층 증착장치는 전구체 공급부와 전구체 배출부가 구비된 복수개의 반응기를 포함하고, 상기 복수개의 반응기 중 적어도 하나의 반응기에 구 비된 전구체 배출부가 다른 반응기의 전구체 공급부에 연결되어 있다. 이 경우, 연결된 전구체 배출부와 전구체 공급부에 의하여, 상기 적어도 하나의 반응기에서 배출된 미사용 전구체가 상기 다른 반응기에 공급되어 원자층 증착의 전구체로 재사용될 수 있다.
원자층 증착법은 기판의 표면에 전구체 및 반응기체를 주입하고 화합흡착(chemisorption)시켜 원자층 단위로 박막을 성장시킬 수 있는 기술이다. 원자층 증착법은 전구체의 공급단계, 비활성기체를 이용한 퍼지(purge)단계, 반응기체의 공급단계 및 비활성기체를 이용한 퍼지단계를 하나의 싸이클(cycle)로 하여 기판의 표면에 박막을 성장시킨다.
도 2는 원자층 증착법에서 한 싸이클 동안의 기체 주입과 표면반응을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, (a) 단계에서는 반응기 내부로 전구체가 공급되고, (b) 단계에서는 전구체가 배기되며 비활성기체로 반응기가 퍼지되고, (c) 단계에서는 퍼지된 비활성기체가 배기되며 반응기체가 반응기로 공급되고, (d) 단계에서는 다시 반응기체 및 반응부산물 기체가 배기되며 비활성기체로 반응기가 퍼지된다. 전구체의 공급 단계에서는 전구체가 기판에 흡착되는데 표면에 일차적으로 흡착된 전구체는 화합흡착을 하게 되고, 이미 흡착된 전구체층 위에 흡착된 전구체는 물리흡착을 하게 된다. 이때 물리흡착된 전구체는 화학흡착된 전구체에 비하여 흡착에 의한 결합력이 약하므로 이어지는 퍼지 단계에서 탈착되어 배기되고, 기판의 표면에는 단일층(mono layer)로 흡착된 전구체만이 남게 된다. 반응기체의 공급 단계에서는 기판의 표면에 흡착된 전구체와 반응기체가 반응하여 원하는 재질의 박 막이 성장하고, 이어지는 퍼지 단계에서 미반응 반응기체와 반응부산물 기체가 배기된다. (a) 내지 (d)의 4단계로 하나의 원자층 증착 싸이클이 완성되고 기판의 표면에 한 층의 박막이 형성되며, 이러한 싸이클의 반복에 의하여 일정한 두께로 조절된 박막을 성장시킬 수 있다. 원자층 증착의 각 단계에서의 기체 공급은 펄스 형태로 이루어지고, 퍼지 단계에 의하여 전구체와 반응기체의 표면 흡착이 분리되어 일어날 수 있다. 전구체는 박막의 재료가 되는 물질을 포함하는 화합물로서 리간드와 배위결합한 금속이 될 수 있고, 반응기체는 전구체와 표면반응을 일으킬 수 있는 화합물로서 물(H2O) 등이 될 수 있다.
원자층 증착법은 자기제한적 반응(self-limiting reaction)을 한다. 자기제한적 반응이란 반응물과 표면의 화학흡착반응만 일어나고 반응물과 반응물간의 반응 또는 전구체의 열분해 등은 일어나지 않는 공정으로 원자단위의 증착을 가능하게 하는 이유가 된다. 원자층 증착법의 이러한 자기제한적 반응 특성은 전구체의 낭비를 초래한다. 특히 실리콘 웨이퍼와 같은 매끄러운 표면을 가진 기판이 아닌 촉매용 담체와 같이 다공성 물질에 원자층 증착법을 이용하여 박막을 증착하는 경우는 전구체의 낭비가 더욱 심각하다.
본 발명은 원자층 증착법에 의하여 증착대상물질의 표면에 박막을 증착함에 있어 전구체의 낭비를 줄일 수 있는 원자층 증착장비와 증착법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 3은 원자층 증착장치에서 낭비되는 전구체의 양을 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, N몰의 전구체가 반응기로 공급되고 반응에 참여하지 못한 전구체 N(1-δ)몰이 배기되는 것을 알 수 있다. 이때 δ는 공급된 전구체 중 증착대상물질의 표면에 흡착되어 반응에 참여한 전구체의 비율을 의미한다. 즉 (1-δ)×100 %의 전구체가 낭비되고 있으며, N의 값이 커질수록 낭비되는 전구체의 양이 늘어나므로 다공성 물질 표면에 박막을 증착하는 경우에 낭비되는 전구체의 양은 더욱 늘어난다.
본 발명에서는 이러한 전구체의 낭비를 줄이기 위하여 복수개의 반응기에서 어느 한 반응기의 전구체 배출부를 다른 반응기의 전구체 공급부에 연결하여, 미반응된 전구체를 다른 반응기에서 재사용할 수 있도록 한다. 이러한 반응기의 연결은 직렬방식(serial type)일 수도 있고, 병렬방식(parallel type)일 수도 있다. 이론적으로는 많은 개수의 반응기를 상호연결 할수록 전구체 낭비율이 낮아질 수 있다. 다만, 진공 체임버는 미세한 리크(leak)나 내부벽에서의 아웃게싱(out-gassing)으로 내부 기체가 오염되는 공정이상이 발생할 수 있고, 상호 연결된 어느 하나의 체임버에서 공정 이상이 발생하면 다른 체임버의 공정에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 상호 연결되는 반응기의 개수는 적정하게 제한되는 것이 바람직하다. 바람직한 반응기의 연결개수는 2 내지 10개인데, 10개를 초과하면 상기에서 언급한 문제점의 정도가 공정안정성의 문제보다 커질 수 있기 때문이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 직렬방식으로 2개의 반응기가 결합된 원자층 증착장비를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 제1반응기의 전구체 배출부는 제2반응기의 전구체 공급부와 연결되어 있고, 제2반응기에는 별도로 저장 된 전구체를 추가로 공급하여 제1반응기와 제2반응기에 공급되는 전구체의 양을 동일하게 유지하도록 구성되어 있다. 이때, 제1반응기에 공급된 N몰의 전구체 중 반응에 참여한 전구체의 비율을 δ라고 하면, 제1반응기의 전구체 배출부를 통하여 제2반응기로 공급되는 전구체의 양은 N(1-δ)몰이 된다. 이때, 별도의 공급라인을 통하여 제2반응기에 Nδ몰의 전구체가 공급되면 제1반응기와 제2반응기에 공급되는 전구체의 양은 N몰로 동일하게 유지될 수 있다. 이와 같이 서로 연결된 복수개의 반응기의 구조가 유사하고 증착대상물질의 비 표면적이 유사하면, 복수개의 반응기에 공급되는 전구체의 양이 동일한 것이 공정의 효율 및 전구체의 낭비를 최소화할 수 있는 방법이 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 직렬방식으로 3개의 반응기가 결합된 원자층 증착장비를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 제1반응기의 전구체 배출부는 제2반응기의 전구체 공급부와 연결되어 있고, 제2반응기의 전구체 배출부는 다시 제3반응기의 전구체 공급부와 연결되어 있다. 또한 제2반응기와 제3반응기에는 별도로 저장된 전구체를 추가로 공급하여 제1반응기 내지 제3반응기에 공급되는 전구체의 양을 동일하게 유지하도록 구성되어 있다. 이를 구체적으로 살펴보면, 제1반응기에 공급된 N몰의 전구체 중 반응에 참여한 전구체의 비율을 δ라고 하면, 제1반응기의 전구체 배출부를 통하여 제2반응기로 공급되는 전구체의 양은 N(1-δ)몰이 된다. 이때, 별도의 공급라인을 통하여 제2반응기에 Nδ몰의 전구체가 공급되면 제1반응기와 제2반응기에 공급되는 전구체의 양은 N몰로 동일하게 유지될 수 있고, 제3반응기도 별도로 공급되는 Nδ몰의 전구체에 의하여 전구체의 전체 공 급량을 N몰로 유지할 수 있는 것이다.
본 발명에 따른 원자층 증착장치를 이용하는 경우, δ가 0.6이라고 가정하면 하나의 반응기를 사용하는 경우는 40%의 전구체 낭비율을 가지게 되고, 2개의 반응기를 직렬연결하는 경우는 25%의 전구체 낭비율을 가지게 되며, 3개의 반응기를 직렬연결하는 경우는 18.18%의 전구체 낭비율을 가지게 된다. 이를 보다 일반화하면 다음과 같다. α개의 반응기가 직렬연결되고, 공급된 전구체 중 반응에 참여한 전구체의 비율을 δ라고 하면, 전구체의 낭비율은
Figure 112009040064669-PAT00001
로 계산된다. 도 6은 δ를 달리하는 경우에 대하여 반응기의 직렬연결 개수와 낭비되는 전구체의 비율을 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, δ가 0.5 이상인 경우에 반응기를 3개만 직렬연결하여도 전구체의 낭비율을 20% 미만으로 줄일 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 원자층 증착장치는 병렬방식으로 연결될 수도 있다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 병렬방식으로 3개의 반응기가 결합된 원자층 증착장비를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 제1반응기와 제2반응기의 전구체 배출부는 제3반응기의 전구체 공급부와 연결되어 있다. 또한 제3반응기에 별도로 저장된 전구체를 추가로 공급하여 제1반응기 내지 제3반응기에 공급되는 전구체의 양을 동일하게 유지하도록 구성되어 있다. 이러한 병렬방식으로 연결된 반응기 구조를 가지는 원자층 증착장치는 직렬방식으로 연결된 구조에 비하여 공정안정성이 높다는 장점을 가질 수 있다. 상호연결된 반응기에서 앞단의 반응기에서 공정 이상이 발생하면 뒷단에 연결된 반응기의 공정에도 영향을 미칠 수 있는데, 병렬방식으로 연결된 구조의 경우는 앞단의 반응기 개수가 더 많으므로 공정안정성이 직렬방식으로 연결된 구조에 비하여 높다는 장점을 가질 수 있다. 2개의 반응기와 1개의 반응기가 병렬방식으로 연결된 원자층 증착장치는 δ값이 0.5 이상인 경우에 적용이 용이하지만, 0.5 미만인 경우라 할지라도 뒷단의 반응기에 초과로 공급된 전구체를 일부 배기시키면 모든 반응기에 공급되는 전구체의 양을 동일하게 유지할 수 있다.
도 7에서는 2개의 반응기에서 배출된 미반응 전구체가 1개의 반응기에 재공급되는 형태의 병렬연결 구조를 도시하였지만, 3개 이상의 반응기와 1개의 반응기가 병렬연결된 구조와 같이 다양한 구조의 병렬연결이 고려될 수 있고, 직렬연결과 병렬연결이 병행된 구조도 본 발명의 범주에 속한다는 것은 당업자의 입장에서 자명하다.
도 8은 본 발명에 따라 2개의 반응기가 직렬로 연결된 경우의 원자층 증착장치의 연결상태를 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 제1반응기와 제2반응기가 밸브 4를 통하여 연결되어 있고, 제1반응기와 제2반응기에는 전구체(A), 반응기체(B) 및 퍼지기체(N2)가 각각 밸브 1 내지 밸브 3 및 밸브 6 내지 밸브8을 통하여 연결되어 있으며, 제1반응기와 제2반응기는 배기라인이 각각 밸브 5와 밸브 9를 통하여 연결되어 있다. 전구체(A), 반응기체(B) 및 퍼지기체(N2)의 공급은 MFC를 이용하여 유량이 조절될 수 있고, 밸브 5와 밸브 9는 컨덕턴스(conductance)를 조절하여 배기량이 조절될 수 있다. 전구체는 메탈-유기물 화합물(metal-organic compound)일 수 있고, 반응기체는 상기 메탈-유기물 화합물과 반응하여 특정 박막을 형성하는 반응성 기체일 수 있다. 본 발명에서 도 8과 같이 2개의 반응기가 연결된 경우 전구체와 반응기체를 포함한 기체의 공급과 배기 및 반응기간의 기체 이동은 다양한 방법과 조합에 의하여 이루어질 수 있다. 아래에서 그 중 가능한 조합에 의한 원자층 증착의 공정 순서를 표 1을 이용하여 제시한다. 다만, 아래에 제시하는 공정 순서는 본 발명의 일실시예에 해당할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 훼손하지 않는 한도에서 다양한 변형이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범주에 속함은 자명하다.
표 1을 참조하면, 도 8에 도시한 원자층 증착장치를 이용한 본 발명에 따른 원자층 증착은 (가) 단계 내지 (바) 단계를 하나의 싸이클로 하여 이루어질 수 있다. 표 1에서 ○로 표시된 부분은 각 단계에서 밸브가 열린 상태임을 나타내고, ×로 표시된 부분은 밸브가 닫힌 상태임을 나타낸 것이다.
(가) 단계에서는 밸브 1을 통하여 A가 제1반응기로 공급되고, 공급된 A는 밸브 4를 통하여 제2반응기로 공급되며, 밸브 9에 의하여 배기량이 조절되어 제1반응기의 증착대상 시료에 A의 흡착이 포화된다. 이 단계가 끝나면 제1반응기의 증착대상 시료는 A의 흡착이 포화되지만, 제2반응기의 증착대상 시료는 A의 흡착이 포화되지 못한 상태가 된다.
이어서, (나) 단계에서는 제1반응기의 증착대상 시료에 A의 흡착이 포화되었으므로, 밸브 4가 닫혀 제1반응기와 제2반응기간의 기체 이동이 차단되고, 밸브 3을 통하여 N2가 제1반응기로 유입되고 밸브 5를 통하여 배기됨으로써 제1반응기가 퍼지된다. 이 때, 제2반응기에는 밸브 6을 통하여 A가 추가로 공급되어 제2반응기의 증착대상 시료에 A의 흡착을 포화시킨다. 이 단계가 끝나면, 제1반응기는 N2로 퍼지된 상태가 되고, 제2반응기의 증착대상 시료는 A의 흡착이 완료된다.
이어서, (다) 단계에서는 밸브 8을 통하여 제2반응기의 퍼지가 이루어진다. 이 단계가 끝나면, 제1반응기와 제2반응기의 증착대상 시료에 A의 흡착이 이루어진 상태에서 N2에 의한 퍼지가 완료된다.
이어서, (라) 단계에서는 밸브 2를 통하여 반응기체 B가 제1반응기로 공급되고, 공급된 B는 밸브 4를 통하여 제2반응기로 공급되며, 밸브 9에 의하여 배기량이 조절되어 제1반응기의 증착대상 시료에 B의 흡착이 포화된다. 이 단계가 끝나면, 제1반응기의 증착대상 시료에 B의 흡착이 완료되지만, 제2반응기의 증착대상 시료에서는 B의 흡착이 포화되지 않은 상태가 된다.
이어서, (마) 단계에서는 제1반응기의 증착대상 시료에서 B의 흡착이 포화되었으므로, 밸브 4가 닫혀 제1반응기와 제2반응기간의 기체 이동이 차단되고, 밸브 3을 통하여 N2가 제1반응기로 유입되고 밸브 5를 통하여 배기됨으로써 제1반응기가 퍼지된다. 이 때, 제2반응기에는 밸브 7을 통하여 B가 추가로 공급되어 제2반응기의 증착대상 시료에서 B의 흡착을 포화시킨다. 이 단계가 끝나면, 제1반응기는 N2로 퍼지된 상태가 되고, 제2반응기의 증착대상 시료는 B의 흡착이 완료된다.
이어서, (바) 단계에서는 밸브 8을 통하여 제2반응기의 퍼지가 이루어진다. 이 단계가 끝나면, 제1반응기와 제2반응기의 증착대상 시료에 B의 흡착이 이루어진 상태에서 N2에 의한 퍼지가 완료된다.
이와 같이, (가) 내지 (바) 단계의 하나의 싸이클에 의하여 증착대상 시료의 표면에서 A와 B의 반응에 의한 한 층의 박막 형성이 이루어지고, 싸이클의 반복에 의하여 박막의 성장이 이루어질 수 있다.
상기에서 설명한 공정순서에서 필요한 경우 퍼지 단계와 전구체 또는 반응기체의 공급 단계 사이에 퍼지에 사용된 기체의 배기 단계가 추가될 수도 있으나, 설명의 편의를 위하여 이에 대한 설명은 생략하였다. 또한 반응기가 3개 이상 직렬로 연결된 경우나, 반응기가 병렬로 연결된 경우에 있어서도 적절한 조합에 의한 밸브의 개폐를 통하여 본 발명을 구현할 수 있다.
표 1
밸브 1 밸브 2 밸브 3 밸브 4 밸브 5 밸브 6 밸브 7 밸브 8 밸브 9
(가) 단계 ○ × × ○ × × × × ○
(나) 단계 × × ○ × ○ ○ × × ○
(다) 단계 × × ○ × ○ × × ○ ○
(라) 단계 × ○ × ○ × × × × ○
(마) 단계 × × ○ × ○ × ○ × ○
(바) 단계 × × ○ × ○ × × ○ ○
도 1은 일반적인 원자층 증착장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 원자층 증착법에서 한 싸이클 동안의 기체 주입과 표면반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 원자층 증착장치에서 낭비되는 전구체의 양을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 직렬방식으로 2개의 반응기가 결합된 원자층 증착장비를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 직렬방식으로 3개의 반응기가 결합된 원자층 증착장비를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6은 δ를 달리하는 경우에 대하여 반응기의 직렬연결 개수와 낭비되는 전구체의 비율을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 병렬방식으로 3개의 반응기가 결합된 원자층 증착장비를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따라 2개의 반응기가 직렬로 연결된 경우의 원자층 증착장치의 연결상태를 도시한 것이다.

Claims (11)

  1. 전구체 공급부와 전구체 배출부가 구비된 복수개의 반응기를 포함하고, 상기 복수개의 반응기 중 적어도 하나의 반응기에 구비된 전구체 배출부가 다른 반응기의 전구체 공급부에 연결된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결된 전구체 배출부와 전구체 공급부에 의하여, 상기 적어도 하나의 반응기에서 배출된 미사용 전구체가 상기 다른 반응기에 공급되어 원자층 증착의 전구체로 재사용되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결된 전구체 배출부와 전구체 공급부는 직렬방식으로 연결된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연결된 전구체 배출부와 전구체 공급부는 병렬방식으로 연결된 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전구체 공급부와 전구체 배출부가 구비된 복수개의 반응기는 2 내지 10개의 반응기로 이루어진 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  6. 제1항에 있어서,
    반응기에 공급되는 전구체의 양은 복수개의 반응기에서 동일하게 유지되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다른 반응기의 전구체 공급부는 별도의 전구체 저장부에서 공급된 전구체를 추가로 공급하여, 복수개의 반응기에 공급되는 전구체의 양이 동일하게 유지되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장비.
  8. 반응기에 전구체를 공급하여 증착대상 물질 표면에 전구체를 단일 원자층으로 흡착시키는 단계;
    비활성기체로 퍼지시키며 미흡착 전구체 또는 반응 부산물을 배기시키는 단계; 및
    비활성기체를 배기시키고 반응기체를 공급하여 전구체와 반응기체를 반응시켜 원자층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 반응기에 공급되는 전구체는 다른 반응기에서 배출된 미반응 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반응기에 공급되는 전구체는 별도의 전구체 저장부에서 공급된 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 다른 반응기에서 배출된 미반응 전구체와 상기 별도의 전구체 저장부에서 공급된 전구체의 합이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 증착대상 물질은 다공성 물질인 것을 특징으로 하는 원자층 증착방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114072538A (zh) * 2019-04-25 2022-02-18 Beneq有限公司 前驱体供应柜
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