KR20110076115A - 가스분사 유닛 및 이를 구비하는 원자층 증착장치 - Google Patents

가스분사 유닛 및 이를 구비하는 원자층 증착장치 Download PDF

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Abstract

기판 측부 방향에서 기판에 평행하게 소스가스를 제공하며, 특히, 서로 다른 반응가스를 서로 다른 방향으로 제공하여 혼합되는 것을 방지하는 가스분사 유닛 및 이를 구비하는 원자층 증착장치가 개시된다. 원자층 증착장치의 가스분사 유닛은 기판에 소스가스를 제공하는 복수의 분사 모듈을 포함하여 구성되고, 상기 분사 모듈은 일측에 가스 주입구가 형성되고 타측에 가스 배출구가 형성될 수 있다.
원자층 증착장치(atomic layer deposition apparatus), ALD, 가스분사 유닛

Description

가스분사 유닛 및 이를 구비하는 원자층 증착장치{ GAS DISTRIBUTION UNIT AND ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS HAVING THE GAS DISTRIBUTION UNIT}
본 발명은 원자층 증착장치에 관한 것으로, 기판에 대해 평행하게 소스가스를 분사하고 서로 다른 소스가스가 혼합되는 것을 방지할 수 있는 가스분사 유닛 및 이를 구비하는 원자층 증착장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 기판이나 글라스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하는 방법으로는 스퍼터링(sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)과, 화학반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있다. 최근 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐에 따라 미세 패턴의 박막이 요구되고 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커졌다. 이러한 추세로 인해 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 원자층 증착방법(atomic layer deposition, ALD)의 사용이 증대되고 있다.
ALD는 기체 분자들 간의 화학반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착방법과 유사하다. 하지만, 통상의 CVD가 복수의 기체 분자들을 동시에 챔버 내로 주입하여 발생된 반응 생성물을 기판에 증착하는 것과 달리, ALD는 하나의 소스 물질을 포함하는 가스를 챔버 내로 주입하여 가열된 기판에 화학흡착시키고 이후 다른 소스 물질을 포함하는 가스를 챔버에 주입함으로써 기판 표면에서 소스 물질 사이의 화학반응에 의한 생성물이 증착된다는 점에서 차이가 있다. 이러한 ALD는 스텝 커버리지 특성이 매우 우수하며 불순물 함유량이 낮은 순수한 박막을 증착하는 것이 가능하다는 장점을 갖고 있어 현재 널리 각광받고 있다.
원자층 증착장치 중에서 스루풋(throughput)을 향상시키기 위해 복수 장의 기판에 대해 동시에 증착 공정이 수행되는 세미 배치 타입(semi-batch type)이 개시되어 있다. 통상적으로 세미 배치 타입 원자층 증착장치는 서로 다른 종류의 소스가스가 분사되는 영역이 형성되고, 가스분사 유닛 또는 서셉터의 고속 회전에 의해 기판이 순차적으로 각 영역을 통과함에 따라 기판 표면에서 소스가스 사이의 화학반응이 발생하여 반응 생성물이 증착된다.
한편, 기존의 원자층 증착장치는 서로 다른 소스가스가 서로 혼합되면서 화학 반응에 의한 분산물로 인해 파티클이 발생하고 파티클은 불량 발생 및 막질에 악영향을 미치는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들은 서로 다른 소스가스가 가스분사 유닛에서 분사되는 과정에서 혼합되는 것을 방지할 수 있는 가스분사 유닛 및 이를 구비하는 원자층 증착장치를 제공하기 위한 것이다.
에 따르면, 기판에 평행하게 소스가스를 제공하며 서로 다른 반응가스를 서로 다른 방향으로 제공하는 원자층 증착장치의 가스분사 유닛은, 기판에 소스가스를 제공하는 복수의 분사 모듈을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 분사 모듈은 일측에 가스 주입구가 형성되고 타측에 가스 배출구가 형성될 수 있다.
실시예에서, 상기 분사 모듈은 방사상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 분사 모듈은 상기 가스 주입구가 노즐 또는 홀 형태를 가질 수 있다.또한, 상기 제1 및 제2 분사 모듈 사이에는 퍼지가스를 제공하는 퍼지가스 제공부가 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 퍼지가스 제공부는 복수의 홀이 조밀하게 형성된 샤워헤드 형태를 가질 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 기판에 평행하게 소스가스를 제공하며 서로 다른 반응가스를 서로 다른 방향으로 제공하는 원자층 증착장치는, 복수 장의 기판이 수용되어 증착공정이 수행되는 공간을 제공하는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 상기 복수 장의 기판이 평행하게 안착되는 서셉터 유닛, 상기 서셉터 유닛 상부에 구비되어 상기 기판에 대해 평행하게 소스가스를 제공하는 복수의 분사 모듈이 구비된 가스분사 유닛을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 분사 모듈은 일측에 가스 주입구가 형성되고 타측에 가스 배출구가 형성될 수 있다.
실시예에서, 상기 분사 모듈은 상기 가스분사 유닛의 반경 방향을 따라 직선 형태로 형성되고, 복수개의 분사 모듈이 방사상으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 가스분사 유닛은 서로 다른 2종의 반응가스를 제공하고, 제1 반응가스를 제공하는 제1 분사 모듈 및 상기 제1 분사 모듈과 반대 방향으로 제2 반응가스를 제공하는 제2 분사 모듈로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 분사 모듈과 상기 제2 분사 모듈은 서로 교번적으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 프로세스 챔버 내측 둘레를 따라 배기홀이 형성된 메인 배플이 구비되고, 상기 제1 및 제2 분사 모듈 중 하나의 분사 모듈은 상기 가스 배출구가 상기 배기홀과 연통되도록 형성되고, 다른 하나의 분사 모듈은 상기 가스분사 유닛의 중앙 부분에 형성될 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 소스가스를 기판의 측부에서 기판에 평행하게 분사하는 분사 모듈을 형성하고, 서로 반대 방향으로 소스가스를 분사함으로써 서로 다른 소스가스가 혼합되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 분사 모듈이 서로 교번적으로 배치되되, 제1 및 제2 분사 모듈에서 소스가스가 분사되는 방향이 서로 반대 방향으로 형성되므로 서로 다른 소스가스의 혼합을 효과적으로 방지할 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 원자층 증착장치(100)에 대해 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치(100)의 단면도이고, 도 2는 도 1의 원자층 증착장치(100)에서 가스분사 유닛(103)의 평면도이고, 도 3은 도 1의 원자층 증착장치(100)에서 가스분사 유닛(103)과 챔버 배기부(106)의 분해 사시도이다.
도면을 참조하면, 원자층 증착장치(atomic layer deposition apparatus, ALD)(100)는 증착공정이 수행되는 공간을 제공하는 프로세스 챔버(101), 프로세스 챔버(101) 내부에 구비되어 기판(10)이 안착되는 서셉터 유닛(102), 그리고 서셉터 유닛(102) 상부에 구비되어 기판(10)에 소스가스를 제공하는 가스분사 유닛(103)을 포함하여 구성된다. 여기서, 원자층 증착장치(100)는 다수의 기판(10)이 수평으로 배치되어 동시에 증착공정이 수행되는 세미 배치 타입(semi-batch type)이 사용될 수 있다. 또한, 원자층 증착장치(100)의 상세한 기술구성은 본 발명의 요지가 아 니므로, 자세한 설명 및 도시를 생략하고 주요 구성요소에 대해서만 간략하게 설명한다.
본 실시예에서 증착 대상이 되는 기판(10)은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)일 수 있다. 그러나 본 발명의 대상이 실리콘 웨이퍼에 한정되는 것은 아니며, 기판(10)은 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel)와 같은 평판 디스플레이 장치용으로 사용하는 글라스를 포함하는 투명 기판일 수 있다. 또한, 기판(10)의 형상 및 크기가 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 원형 및 사각형 등 실질적으로 다양한 형상과 크기를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예에서 '소스가스'라 함은 증착공정에서 사용되는 가스들로써, 증착하고자 하는 박막의 원료 물질을 포함하는 반응가스(source gas or reactant)와 기판(10) 표면에 화학흡착된 반응물을 제외한 나머지 가스를 제거하기 위한 퍼지가스(purge gas)를 포함할 수 있다.
서셉터 유닛(102)은 프로세스 챔버(101) 내부에 구비되며 기판(10)이 수평 방향으로 안착되도록 소정 크기의 원반 형태를 가질 수 있다. 여기서, 서셉터 유닛(102)의 형태는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 기판(10)의 크기와 형태 및 안착되는 기판(10)의 장수에 따라 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
가스분사 유닛(103)은 서셉터 유닛(102) 상부에 구비되며 수평으로 안착된 기판(10)에 대해 평행하게 소스가스를 분사할 수 있도록 복수의 분사 모듈(131, 132)이 형성되고, 상부 일측에는 가스분사 유닛(103)에 소스가스를 제공하는 소스가스 공급부(104)가 연결된다. 도 1에서 미설명 도면부호 141, 142는 분사 모듈(131, 132)에 각각 반응가스를 공급하는 가스공급부(141, 142)이고 143은 분사 모듈(131, 132)에서 반응가스를 배출시키기 위한 가스배출부(143)이다.
여기서, 가스분사 유닛(103)은 서로 다른 2종 이상의 소스가스를 분사하도록 복수의 분사 모듈(131, 132)이 구비되며, 특히, 공전하는 기판(10)에 대해 동일한 시간 동안 소스가스를 제공할 수 있도록 동일한 크기와 형상을 갖는 분사 모듈(131, 132)이 동일 간격으로 구비될 수 있다. 또한, 분사 모듈(131, 132)은 가스분사 유닛(103)에서 소정 깊이 요입 형성되며, 기판(10)에 평행하게 소스가스를 분사할 수 있도록 대략적으로 직선 형상을 가질 수 있다. 여기서, 분사 모듈(131, 132)에서 소스가스가 평행하게 직선 형태로 제공되므로 기판(10)이 공전하면서 소스가스와 직선 형태로 접촉되므로 기판(10) 표면에 대해 소스가스를 균일하게 제공할 수 있다.
예를 들어, 분사 모듈(131, 132)은 가스분사 유닛(103)의 직경 방향을 따라 직선 형태로 형성되며 방사상으로 배치될 수 있다. 또한, 분사 모듈(131, 132)은 기판(10)에 평행하게 소스가스를 분사할 수 있도록 분사 모듈(131, 132)의 일 측에 가스 주입구(311, 321)가 형성되고 가스 주입구(311, 321)와 대향된 타측에는 가스 배출구(312)가 형성되어 있어서 가스 주입구(311, 321)에서 주입된 소스가스가 분사 모듈(131, 132) 내부에서 가스 배출구(312)를 향해 유동함에 따라 기판(10)에 평행하게 유동할 수 있다. 예를 들어, 가스 주입구(311, 321)는 소스가스가 기판(10)에 평행하게 유동할 수 있도록 소스가스를 소정 유속 및 유량으로 제공하는 노즐 또는 홀 형태를 가질 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 2종의 반응가스와 1종의 퍼지가스를 사용하고, 제1 반응가스를 제공하는 제1 분사 모듈(131)과 제2 반응가스를 제공하는 제2 분사 모듈(132)이 서로 교번적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 각각 4개의 제1 및 제2 분사 모듈(131, 132)이 서로 동일 간격으로 이격되어 구비될 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 분사 모듈(131, 132)은 서로 다른 반응가스가 혼합되는 것을 방지할 수 있도록 제1 및 제2 분사 모듈(131, 132)에서 반응가스의 분사 방향이 서로 반대 방향이 되도록 배치된다. 도면에서는 제1 분사 모듈(131)은 가스분사 유닛(103)의 가장자리 부분에 가스 주입구(311)가 형성되고, 가스분사 유닛(103)의 중앙 부분에 가스 배출구(312)가 형성되어 있어서, 반응 가스를 가스분사 유닛(103)의 가장자리 부분에서 중앙 방향으로 반응가스를 분사되며 가스분사 유닛(103)의 중앙 상부를 통해 외부로 배출되도록 형성된다. 그리고 제2 분사 모듈(132)은 제1 분사 모듈(131)과 반대로 가스분사 유닛(103)의 중앙 부분에 가스 주입구(321)가 형성되어 있어서 가스분사 유닛(103)의 중앙 부분에서 가장자리 방향으로 반응가스를 분사되며 가스분사 유닛(103)의 하부, 특히 후술하는 챔버 배기부(106)을 통해 외부로 배출하도록 형성된다.그리고 제2 분사 모듈(132)은 별도로 가스 배출구가 형성되지 않고 제2 분사 모듈(132)의 단부가 메인 배플(161) 상면의 배기홀(162)과 연통되도록 형성될 수 있다. 즉, 배기홀(162)이 제2 분사 모듈(132)의 가스 배출구의 역할을 대신할 수 있다. 그리고 메인 배플(161)은 제2 분사 모듈(132)과 연통되는 위치에 4개의 배기홀(162)이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 분사 모듈(131)은 제1 분사 모듈(131)을 통해 제공되는 반응가스가 배기홀(162)로 흡입되는 것을 방지할 수 있도록 메인 배플(161)과 연통되지 않도록 내 측에 형성된다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 분사 모듈(131, 132)의 형태와 크기는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
여기서, 프로세스 챔버(101) 일측에는 프로세스 챔버(101) 내부에서 미반응 소스가스를 포함하는 배기가스를 배출시키기 위한 챔버 배기부(106)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 챔버 배기부(106)는 복수의 배기홀(162)이 형성된 메인 배플(main baffle)(161)과 배기가스를 배출시키기 위한 챔버 배기 펌프(165)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 메인 배플(161)은 프로세스 챔버(101) 내측에서 서셉터 유닛(102)의 둘레를 따라 구비되고 프로세스 챔버(101) 내부에서 배기가스를 흡입할 수 있도록 복수의 배기홀(162)이 형성되고 프로세스 챔버(101)에 일측에 형성된 챔버 배기구(163)를 통해 챔버 배기 펌프(165)로 배기가스를 배출시키는 유로가 된다. 예를 들어, 메인 배플(161)은 내부에 배기가스를 배출시키는 유로가 되는 빈 공간이 형성되고 상면을 관통하여 복수의 배기홀(162)이 형성된 링 형태를 가질 수 있다.
또한, 메인 배플(161)은 상면이 가스분사 유닛(103) 하면과 밀착되도록 형성되며, 제2 분사 모듈(132)와 연통되는 부분에 위치에 4개의 배기홀(162)이 형성되며, 프로세스 챔버(101) 내부의 배기가스 역시 흡입하여 배출시킬 수 있도록 배기홀(162)이 형성된 부분이 다른 부분에 비해 단차지게 단차부(162a)가 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 챔버 배기부(106)의 형상은 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.그리고 제1 및 제2 분사 모듈(131, 132) 사이에서 퍼지가스가 제공되는 퍼지가스 제공부(133)가 구비되며, 퍼지가스 제공 부(133)는 샤워헤드 형태를 가질 수 있다. 즉, 퍼지가스 제공부(133)는 제1 및 제2 분사 모듈(131, 132) 사이에서 복수의 홀이 조밀하게 형성되고 대략적으로 부채꼴 형태를 가질 수 있다. 여기서, 퍼지가스 제공부(133)는 퍼지가스를 제공함과 더불어 제1 및 제2 분사 모듈(131, 132)을 분리시키는 역할을 한다.
그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 도면에서 예시한 가스분사 유닛(103)은 본 발명을 설명하기 위한 예시적인 형태일 뿐이며, 서로 다른 종류의 소스가스를 영역별로 분사할 수 있는 실질적으로 다양한 형태를 가질 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 소스가스를 기판(10)에 대해 측부 방향에서 제공하므로 기판(10)에 균일하게 소스가스를 제공할 수 있으며, 특히, 서로 반대 방향으로 소스가스를 분사하므로 소스가스가 혼합되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 분사 모듈(131,132)이 서로 교번적으로 배치되되, 소스가스가 서로 반대 방향으로 분사되며, 제1 분사 모듈(131)은 가스분사 유닛(103)의 상부에 구비된 탑 배기부(top vacuum)을 통해 외부로 배출되고, 제2 분사 모듈(132)은 가스분사 유닛(103) 하부에 구비된 챔버 배기부(106)을 통해 외부로 배출되므로 분사된 소스가스를 배출시키는 과정에서도 소스가스가 혼합되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치를 설명하기 위한 단면도;
도 2는 도 1의 원자층 증착장치에서 가스분사 유닛을 설명하기 위한 평면도;
도 3은 도 1의 원자층 증착장치에서 가스분사 유닛과 챔버 배기부의 분해 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판 100: 원자층 증착장치
101: 프로세스 챔버 102: 서셉터 유닛
103: 가스분사 유닛 104, 141, 142: 가스 공급부
143: 가스배출부 106: 챔버 배기부
125: 구동축 131, 132: 분사 모듈
133: 퍼지가스 제공부 161: 메인 배플
162: 배기홀 162a: 단차부
163: 챔버 배기구 165: 배기 펌프
311, 321: 가스 주입구 312: 가스 배출구

Claims (9)

  1. 원자층 증착장치의 가스분사 유닛에 있어서,
    기판에 소스가스를 제공하는 복수의 분사 모듈을 포함하고,
    상기 분사 모듈은 일측에 가스 주입구가 형성되고 타측에 가스 배출구가 형성된 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분사 모듈은 방사상으로 형성된 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분사 모듈은 상기 가스 주입구가 노즐 또는 홀 형태를 갖는 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분사 모듈 사이에는 퍼지가스를 제공하는 퍼지가스 제공부를 더 포함하는 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 퍼지가스 제공부는 복수의 홀이 조밀하게 형성된 샤워헤드 형태를 갖는 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  6. 복수 장의 기판이 수용되어 증착공정이 수행되는 공간을 제공하는 프로세스 챔버;
    상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 상기 복수 장의 기판이 평행하게 안착되는 서셉터 유닛; 및
    상기 서셉터 유닛 상부에 구비되어 상기 기판에 대해 평행하게 소스가스를 제공하는 복수의 분사 모듈이 구비된 가스분사 유닛;
    을 포함하고,
    상기 분사 모듈은 일측에 가스 주입구가 형성되고 타측에 가스 배출구가 형성된 원자층 증착장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분사 모듈은 상기 가스분사 유닛의 반경 방향을 따라 직선 형태로 형성되고, 복수개의 분사 모듈이 방사상으로 형성된 원자층 증착장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스분사 유닛은 서로 다른 2종의 반응가스를 제공하고,
    제1 반응가스를 제공하는 제1 분사 모듈; 및
    상기 제1 분사 모듈과 반대 방향으로 제2 반응가스를 제공하는 제2 분사 모 듈;
    을 포함하고,
    상기 제1 분사 모듈과 상기 제2 분사 모듈은 서로 교번적으로 형성된 원자층 증착장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버 내측 둘레를 따라 배기홀이 형성된 메인 배플이 구비되고,
    상기 제1 및 제2 분사 모듈 중 하나의 분사 모듈은 상기 가스 배출구가 상기 배기홀과 연통되도록 형성되고, 다른 하나의 분사 모듈은 상기 가스분사 유닛의 중앙 부분에 형성된 원자층 증착장치.
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