KR20110077743A - 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치 - Google Patents

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전영수
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Abstract

2원소 이상의 조성을 갖는 다성분 박막을 증착할 수 있는 원자층 증착장치가 개시된다. 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치는, 기판에 서로 다른 복수의 소스가스를 각각 제공하는 복수의 분사 모듈이 구비되고, 상기 분사 모듈 중 적어도 하나의 분사 모듈은 서로 다른 복수의 소스가스를 제공하도록 형성되며, 서로 독립된 유로를 통해 제공하도록 형성될 수 있다.
원자층 증착방법(atomic layer deposition), ALD, precursor, 다성분 박막

Description

다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치{APPARATUS FOR MULTI COMPONENT LAYER DEPOSITION FOR ATOMIC LAYER DEPOSITION}
본 발명은 2원소 이상의 조성을 갖는 다성분 박막을 증착할 수 있는 원자층 증착장치를 제공하기 위한 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 증착가스가 분사되는 영역이 형성되고, 가스분사 유닛 또는 서셉터의 고속 회전에 의해 기판이 순차적으로 각 영역을 통과함에 따라 기판 표면에서 증착가스 사이의 화학반응이 발생하여 반응 생성물이 증착된다.
한편, 기존의 원자층 증착장치는 단일 성분 산화물이나 질화물을 증착하는데는 효과적인데 반해, 2원소 또는 그 이상의 조성을 갖는 다성분 박막을 증착하기가 어렵다. 여기서, 다성분 박막을 증착하기 위해서는 적어도 3종 이상의 소스가스가 필요한데, 3종 이상의 소스가스를 증착시키기 위해서 증착 사이클에서 사이클 수를 증가시키거나 공급 펄스의 길이를 증가시키는 것으로는 해결할 수가 없고, 한 증착 사이클에서 스텝 수를 증가시켜야 하는데, 이와 같이 스텝 수를 증가시키는 경우 분기 수가 증가하게 된다. 예를 들어, 3성분의 박막을 증착하기 위해서는 제1 소스가스->퍼지가스->제2 소스가스->퍼지가스->제3 소스가스->퍼지가스와 같이 스텝 이 증가한다. 그런데, 이러한 원자층 증착장치의 경우에는 소스가스의 수가 증가하면 가스분사 유닛에 형성되어야 하는 분사 모듈의 수가 증가하므로 증착장치의 크기가 커지게 된다. 이에 반해 분사 모듈의 크기를 줄이면 증착장치의 크기 증가는 억제할 수 있지만 분사 모듈의 면적을 충분히 확보하기가 어려우며, 퍼지가스에 의한 분사 모듈 분리 효과가 제대로 작용하기 어렵다. 이로 인해 증착 효율이 낮고 막질이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들은 2원소 이상 다성분 박막을 증착할 수 있으며 증착장치의 크기 증가를 억제하고 더불어 소스가스의 분리 효과를 향상시켜 막질 저하를 방지할 수 있는 원자층 증착장치를 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 2원소 이상 다성분 박막을 증착하기 위한 세미 배치(semi batch) 타입 원자층 증착장치는, 기판에 서로 다른 복수의 소스가스를 각각 제공하는 복수의 분사 모듈이 구비되고, 상기 분사 모듈 중 적어도 하나의 분사 모듈은 서로 다른 복수의 소스가스를 제공하도록 형성되며, 서로 독립된 유로를 통해 제공하도록 형성될 수 있다.
실시예에서, 상기 분사 모듈은, 상하로 결합되어 외관을 형성하는 제1 및 제2 쉘 및 상기 제1 및 제2 쉘 내부에 구비되어 상기 분사 모듈 내부 공간을 복수의 버퍼부로 분할하고 복수의 분사홀이 형성된 제3 쉘을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제3 쉘 상부의 공간으로 정의되는 제1 버퍼부와 상기 제3 쉘 하부의 공간으로 정의되는 제2 버퍼부를 통해 서로 다른 소스가스를 제공할 수 있다. 그리고 상기 제3 쉘은 하부로 돌출되어 제2 쉘을 관통하여 결합되고 상기 제1 버퍼부의 소스가스를 기판에 제공하는 제1 분사홀이 형성된 결합 보스가 구비될 수 있다. 또한, 상기 제2 쉘은 상기 제2 버퍼부 내부의 소스가스를 기판에 제공하는 제2 분사홀이 형성되고, 상기 제3 쉘의 결합 보스가 삽입 결합되는 결합홀이 형성되고, 상기 결합홀은 상기 제2 분사홀과 겹치지 않는 영역에 형성될 수 있다. 그리고 상기 결합홀 주변에는 상기 결합 보스의 결합을 안내하고 가이드 보스가 돌출 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 3쉘은 상기 분사 모듈 내부 공간을 상하 방향으로 평행하게 복수의 버퍼부로 분할하도록 상기 제1 및 제2 쉘과 평행하게 구비될 수 있다. 또한, 상기 분사 모듈 내부 공간을 좌우 방향으로 복수의 버퍼부로 분할하도록 적어도 하나 이상의 제3 쉘이 구비되는 것도 가능하다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치는, 증착 공정이 수행되는 공간을 제공하는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 기판이 안착되는 서셉터 및 상기 기판 상부에 구비되어 상기 기판에 서로 다른 복수의 소스가스를 각각 제공하는 복수의 분사 모듈이 구비되고, 상기 분사 모듈 중 적어도 하나의 분사 모듈은 서로 다른 복수의 소스가스를 서로 독립된 유로를 통해 제공하도록 형성된 가스분사 유닛을 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에서, 상기 분사 모듈 유닛 일측에는 상기 가스분사 유닛에 소스가스를 제공하는 가스공급부가 구비되고, 상기 분사 모듈에서 서로 다른 복수의 소스가스가 분사되도록 복수의 공급원이 연결될 수 있다. 그리고 상기 복수의 공급원에는 각각 제어 밸브가 구비되고, 상기 각 공급원에서 교번적으로 소스가스를 제공하 도록 제어하는 가스 제어부가 구비될 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 서로 다른 소스가스를 서로 분리된 유로를 통해 분사할 수 있는 이중 구조의 분사 모듈을 구비함으로써 4분기 또는 8분기 가스분사 유닛에서 2원소 이상 다성분 박막을 증착할 수 있다.
또한, 박막의 구성 원소 수가 증가하더라도 분사 모듈의 면적을 일정 크기 이상 확보할 수 있으며 가스분사 유닛 및 원자층 증착장치의 크기 증가를 억제할 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 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치(100) 및 가스분사 유닛(103)에 대해 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치(100)를 설명하기 위한 종단면도이고, 도 2는 도 1의 원자층 증착장치(100)에서 가스분사 유닛(103)의 일 예를 예시한 평 면도이다. 그리고 도 3은 도 2의 가스분사 유닛(103)에서 제1 분사 모듈(131)의 단면도이고, 도 4는 도 3의 제1 분사 모듈(131)의 요부 분해 사시도이다. 그리고 도 5는 도 2의 가스분사 유닛(103)을 이용한 다성분 박막의 원자층 증착공정을 설명하기 위한 순서도이다.
도면을 참조하면, 원자층 증착장치(atomic layer deposition apparatus, ALD)(100)는 프로세스 챔버(101), 서셉터(102) 및 가스분사 유닛(103)을 포함하여 구성된다.
참고적으로, 본 실시예들에서 예로 들어 설명하는 원자층 증착장치(atomic layer deposition apparatus, ALD)(100)는 스루풋(throughput) 및 품질을 향상시키기 위해서 복수의 기판(10)에 대해 동시에 증착이 수행되며 기판(10)의 표면이 가스분사 유닛(103)에 대해 평행하게 지지된 상태로 공정하면서 가스분사 유닛(103)에서 분사되는 서로 다른 종류의 가스가 분사되는 영역을 통과함에 따라 소정의 박막이 증착되는 형태의 세미 배치 타입(semi-batch type)이 사용될 수 있다. 여기서, 원자층 증착장치(100)의 일반적인 구성요소들에 대한 상세한 기술구성은 공지의 기술로부터 이해 가능하며 본 발명의 요지가 아니므로, 자세한 설명 및 도시를 생략하고 주요 구성요소에 대해서만 간략하게 설명한다.
또한, 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(source gas)'라 함은 소정의 박막을 증착하기 위한 소스 물질을 포함하는 가스들로써, 박막을 조성하는 구성 원소를 포함하는 전구체 가스(precursor gas) 및 전구체 가스와 화학적으로 반응하여 소정의 반응 생성물에 따른 박막을 형성하는 리액턴스(reactant) 및 전구체 가스와 리액턴스 등의 미반응가스와 잔류가스를 제거하기 위한 퍼지가스(purge gas)를 포함할 수 있다.
서셉터(102)는 증착 공정이 수행되는 프로세스 챔버(101) 내부에 구비되어 기판(10)이 수평 방향으로 안착되며, 소정 속도로 공전하도록 형성된다. 예를 들어, 서셉터(102)는 6장의 기판(10)이 서셉터(102)의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 안착되도록 형성될 수 있다.
가스분사 유닛(103)은 2원소 이상의 조성을 갖는 다성분 박막을 증착할 수 있도록 서로 다른 2종 이상의 소스가스를 분사하도록 형성되며, 특히, 공전하는 기판(10)에 대해 동일한 시간 동안 소스가스를 제공할 수 있도록 가스분사 유닛(103)에서 각 소스가스가 분사되는 영역이 동일하게 분할 형성될 수 있다. 예를 들어, 가스분사 유닛(103)은 서로 다른 종류의 소스가스(본 실시예에서는 전구체 가스, 퍼지가스 및 리액턴스)가 각각 분사되는 복수의 분사 모듈(131, 132, 133, 134)이 형성되되, 가스분사 유닛(103)의 중심을 기준으로 동일한 각도로 분할된 부채꼴 형태를 가질 수 있다. 그리고 각 분사 모듈(131, 132, 133, 134)의 경계를 따라 가 스분사 유닛(103)을 통해 기판(10) 상부에서 배기가스를 배출시키기 위한 배기라인(135)이 구비될 수 있다. 여기서, 분사 모듈(131, 132, 133, 134)은 소스가스가 분사되는 복수의 분사홀(미도시)이 형성된 영역으로 정의되며, 도 2에서는 분사홀을 도시하지 않고 분사 모듈(131, 132, 133, 134)의 형태를 실선으로 도시하였다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 분사 모듈(131, 132, 133, 134)의 형태와 크기는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
또한, 가스분사 유닛(103)은 각 분사 모듈(131, 132, 133, 134)에 각각 전구체 가스와 리액턴스 및 퍼지가스를 제공하기 위한 가스공급부(104)가 연결되고, 배기라인(135)에는 배기가스를 흡입하여 배출시키기 위한 배기 펌프(미도시)가 연결될 수 있다. 참고로, 도면부호 141, 142, 143은 각각 전구체 가스 및 리액턴스, 퍼지가스를 공급하기 위한 공급원(141, 142, 143)이다.
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 영역 별로 분사할 수 있는 실질적으로 다양한 형태를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에서는 2원소 이상의 성분을 포함하는 다성분 박막을 증착하기 위해서 적어도 2종 이상의 전구체 가스가 사용되며, 증착하고자 하는 박막을 구성하는 원소의 농도에 따라 특정 전구체가 1회의 증착 사이클 동안 2회 이상 제공될 수 있도록 특정 전구체를 포함하는 전구체 가스가 2종류 이상 사용될 수 있다. 다만, 특정 전구체가 포함된 2 종류 이상의 전구체 가스는 동일한 가스 가 사용되거나 동일한 원소의 전구체를 포함하되 서로 다른 가스가 사용될 수 있다.
본 실시예에서는 제1 분사 모듈(131)에서 전구체 가스가 제공되고, 제2 및 제4 분사 모듈(132, 134)에서는 퍼지가스가 제공되고, 제3 분사 모듈(133)에서는 리액턴스가 제공되도록 구성되며, 특히, 제1 분사 모듈(131)에서 적어도 2종 이상의 전구체 가스를 제공하도록 형성된다. 또한, 기판(10)이 회전함에 따라 제1 내지 제4 분사 모듈(131, 132, 133, 134)을 순차적으로 통과하면서 기판(10)에 전구체 가스, 퍼지가스, 리액턴스, 퍼지가스가 제공됨으로써 소정의 박막이 형성되며, 기판(10)이 2회 또는 그 이상 복수 회 공전함에 따라 1증착 사이클이 수행된다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 제1 분사 모듈(131)에서 서로 다른 3종의 전구체 가스(S1, S2, S3)가 제공되며, 또한, 제1 전구체 가스는 지속적으로 제공되고, 제2 및 제3 전구체 가스(S2, S3)는 교번적으로 제공될 수 있다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 제1 분사 모듈(131)에서 제공되는 전구체 가스의 수는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있으며, 제1 분사 모듈(131)에서 제공되는 전구체 가스의 종류와 시퀀스(sequence) 역시 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
제1 분사 모듈(131)은 제1 분사 모듈(131) 내부에서 전구체 가스가 분사되는 동안 서로 혼합되는 것을 방지할 수 있도록 이중 샤워헤드 구조를 가질 수 있다.
도면을 참조하면, 제1 분사 모듈(131)은 서로 다른 3종의 전구체 가스를 제공할 수 있도록 형성되며, 내부가 4개의 독립된 공간으로 분할 형성되고, 복수의 분사홀(321, 331, 341)이 형성된 제1 내지 제4 쉘(shell)(310, 320, 330, 340)이 서로 맞물려서 결합 가능하게 형성되며, 내부 공간이 상하 방향으로 분할되어 제1 내지 제4 버퍼부(buffer part)(301, 302, 303, 304)가 분할 형성될 수 있다. 여기서, 제1 분사 모듈(131)은 소정 직경 및 높이를 갖는 원통 형태로 형성되어 가스분사 유닛(103)에 장착될 수 있다. 그리고 제1 및 제2 쉘(310, 320)은 제1 분사 모듈(131)의 상부와 하부에서 각각 외관을 형성하고 제3 및 제4 쉘(330, 340)이 제1 및 제2 쉘(310, 320) 내부에 구비되어 내부 공간을 상부 및 하부로 분할하고 동시에 양측으로 분할하여 모두 4개의 버퍼부(301, 302, 303, 304)가 분할 형성될 수 있다. 여기서, 설명의 편의를 위해서 이하에서는 도면에서 301 내지 304로 표시된 버퍼부를 도면부호 순서대로 '제1 내지 제4 버퍼부(301, 302, 303, 304)'라 한다.
그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 제1 분사 모듈(131)의 형태 및 크기와 제1 내지 제4 쉘(310, 320, 330, 340)의 크기와 형태 역시 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
여기서, 본 실시예에서는 가스공급부(104)는 서로 다른 3 종의 전구체 가스가 각각 제1 내지 제4 버퍼부(301, 302, 303, 304)에 공급되는데, 제3 및 제4 버퍼부(303, 304)는 서로 연통되어 하나의 전구체 가스가 공급된다. 그리고 제1 버퍼부(301)에 공급된 제1 전구체 가스(S1)는 제3 쉘(330)에 형성된 분사홀(331)을 통해 기판(10)으로 제공되고, 제2 버퍼부(302)에 공급된 제2 전구체 가스(S2)는 제4 쉘(340)에 형성된 분사홀(341)을 통해 기판(10)에 제공된다. 그리고 제3 및 제4 버퍼부(303, 304)에 공급된 제3 전구체 가스(S3)은 제2 쉘(320)에 형성된 분사 홀(321)을 통해 기판(10)에 제공된다.
이하에서는, 가스분사 유닛(103)은 제1 내지 제4 쉘(310, 320, 330, 340)의 결합 구조에 대해 설명한다. 제1 및 제2 쉘(310, 320)은 제1 분사 모듈(131)의 상부와 하부를 형성하고, 제3 및 제4 쉘(330, 340)은 제1 및 제2 쉘(310, 320) 내부에 구비되어 내부 공간을 상부 및 하부로 분할하고 제1 및 제2 버퍼부(301, 302)의 전구체 가스를 기판(10)에 제공할 수 있도록 분사홀(331, 341)이 제2 쉘(320)을 관통하여 형성된다. 그리고 제2 버퍼부(302)의 전구체 가스를 기판()에 제공할 수 있도록 제2 쉘(320)에는 복수의 분사홀(321)이 형성된다.
상세하게는, 제1 내지 제4 쉘(310, 320, 330, 340)은 테두리 부분에 서로 맞물리도록 소정의 림부(rim portion)(1312, 1322, 1332, 1342)가 형성되고 전구체 가스의 분사를 위한 분사홀(321, 331, 341)이 형성된 소정의 플레이트 형태의 프레임(frame)(1311, 1321, 1331, 1341)으로 구성된다. 여기서, 제1 쉘(310)은 제1 분사 모듈(131)의 상면을 형성하므로 분사홀이 형성되지 않고, 제1 내지 제4 버퍼부(301, 302, 303, 304)에 전구체 가스를 주입하기 위한 주입구(311, 312, 313)가 형성된다.
그리고 제3 쉘(330)과 제4 쉘(340)은 제1 분사 모듈(131) 내부를 제1 내지 제4 버퍼부(301, 302, 303, 304)로 4등분할 수 있도록 동일한 형상을 가지며, 제1 쉘(310) 하부에는 제3 및 제4 쉘(330, 340)이 결합되고 더불어 제1 분사 모듈(131)을 좌우로 분할하기 위한 격벽(partition wall)(1313)이 구비될 수 있다. 격벽(1313)은 제1 쉘(310)에서 하부로 소정 길이 연장 형성되며, 제2 쉘(320)에 닿을 수 있는 길이로 형성된다. 또한, 격벽(1313)에는 제3 및 제4 버퍼부(303, 304)에 전구체 가스(S3)를 주입할 수 있도록 주입유로(314)가 형성될 수 있다.
그리고 제1 쉘(310) 상부에는 전구체 가스를 공급하기 위한 제1 공급원(141)이 연결되는데, 제1 공급원(141)은 제1 및 제4 버퍼부(301, 302, 303, 304)에 전구체 가스(S1, S2, S3)을 공급하기 위한 전구체 공급원(411, 412, 413)을 포함한다. 여기서, 제1 전구체 가스(S1)는 제1 분사 모듈(131)에서 지속적으로 제공하되, 제2 및 제3 전구체 가스(S2, S3)는 교번적으로 제공할 수 있도록 제2 및 제3 전구체 공급원(412, 413)의 공급 유로 상에는 제어 밸브(451, 452)가 구비되고 제어 밸브(451, 452)의 동작을 제어하는 가스 제어부(415)가 구비될 수 있다.
제3 쉘(330)은 하부(즉, 제2 쉘(320)과 결합되는 방향)를 향해 소정 길이 돌출된 결합 보스(boss)(1333)가 형성되고, 결합 보스(1333)를 관통하여 분사홀(331)이 형성된다. 그리고 제2 쉘(320)에는 제3 쉘(330)의 결합 보스(1333)가 삽입 결합되는 결합홀(1324)이 형성된다. 여기서, 결합홀(1324)은 결합 보스(1333)가 삽입될 수 있도록 결합 보스(1333)와 대응되는 위치에 대응되는 크기로 형성되며, 제2 쉘(320)를 관통하여 형성된다. 또한, 결합홀(1324) 주변에는 결합 보스(1333)가 결합홀(1324)에 안정적으로 삽입 결합되고, 결합 상태를 안정적으로 유지할 수 있으며, 결합 보스(1333)와 결합홀(1324) 사이를 통해 제2 버퍼부(302)의 소스가스가 외부로 유출되거나 프로세스 챔버(101) 내부의 소스가스가 제3 버퍼부(303)로 유입되는 것을 방지할 수 있도록 제3 쉘(330)의 결합 보스(1333)와 결합되는 가이드 보스(1323)가 형성될 수 있다. 또한, 가이드 보스(1323)와 결합 보스(1333) 접촉 부 분에는 제3 버퍼부(303) 내부의 전구체 가스가 가이드 보스(1323)와 결합 보스(1333) 사이로 누출되는 것을 방지할 수 있도록 실링부재(미도시)가 구비될 수 있다. 여기서, 결합홀(1324)은 제2 쉘(320)의 분사홀(1321)과 간섭되지 않는 위치에 형성된다.
여기서, 제3 쉘(330)의 분사홀(331)은 일정 패턴에 따라 배치되며, 결합 보스(1333)는 분사홀(331)의 패턴에 따라 분사홀(331)과 일대일 대응이 되도록 형성된다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 결합 보스(1333)에 복수의 분사홀(331)이 형성되거나 이 외에도 다양한 형태를 가질 수 있다. 또한, 결합 보스(1333) 사이의 간격이 규칙적으로 배치되는 것뿐만 아니라 불규칙적으로 배치되거나 불연속적인 형태를 갖는 것도 가능하다.
또한, 결합 보스(1333)는 분사홀(331)이 형성될 수 있도록 충분한 두께로 형성되며, 제1 버퍼부(301)로 제공된 소스가스를 기판(10)에 직접 제공하기 위해서는 분사홀(331)이 프로세스 챔버(101) 내부로 노출될 수 있도록 결합 보스(1333)의 단부가 적어도 제2 쉘(320)의 하면(즉, 제2 쉘(320)에서 기판(10)을 향하는 면)과 동일한 평면 상에 위치하거나 제2 쉘(320)보다 돌출될 수 있는 길이로 형성된다. 또는, 결합 보스(1333)의 단부가 제2 쉘(320)의 하면보다 돌출되지 않고 결합홀(1324) 내부에 결합되는 실시 형태도 가능하다. 이 경우 결합 보스(1333)는 적어도 결합홀(1324)에 삽입 결합 가능한 길이를 갖도록 형성되며, 결합홀(1324) 내부에서 프로세스 챔버(101) 내부와 연통된다.
그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 제1 내지 제4 쉘(310, 320, 330, 340)의 형태는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 제4 쉘(340)의 경우 제3 쉘(330)과 구조가 동일하고 제1 및 제2 쉘(310, 320)과의 결합 구조가 동일하므로 상세한 설명을 생략한다. 다만, 도면에서 미설명 도면부호 1343은 제4 쉘(340)에서 분사홀(341)이 형성되고 제2 쉘(320)에 결합되는 제4 쉘(340)의 결합 보스(1343)이다.
본 실시예에 따르면, 제1 분사 모듈(131)에서 복수의 전구체 가스(S1, S2, S3)가 제공되므로 원자층 증착장치를 이용하여 2종 이상의 성분을 포함하는 다성분 박막을 증착할 수 있으며, 가스분사 유닛(103)의 분기 수를 증가시키지 않고도 3종 이상의 전구체 가스를 제공할 수 있으므로 가스분사 유닛(103)의 크기 증가를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 제1 분사 모듈(131) 내부가 4개의 버퍼부(301, 302, 303, 304)로 분할되어 전구체 가스(S1, S2, S3)가 서로 독립된 유로를 통해 분리되어 유동 및 분사되므로 제1 분사 모듈(131) 내부에서 서로 다른 전구체 가스(S1, S2, S3)가 혼합되어 반응 부산물이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는, 도 5를 참조하여, 본 실시예에 따른 원자층 증착장치에서 동작을 설명한다. 우선, 제1 분사 모듈(131)에서 제1 및 제2 전구체 가스(S1, S2)가 제공되어 기판(10)에 화학 흡착된다(S11).
다음으로, 제1 퍼지가스(P)를 제공하여 기판(10)에 흡착되지 않은 잉여 제1 및 제2 전구체 가스(S1, S2)를 제거한다(S12).
다음으로, 리액턴스(reactance)(R)를 제공함으로써 기판(10) 표면에 흡착된 제1 및 제2 전구체 가스(S1, S2)와 반응하도록 하여 제1 및 제2 전구체 가스(S1, S2)와 리액턴스(R)의 반응 생성물이 기판(10)에 증착된다(S13).
다음으로, 다시 제2 퍼지가스(P)를 제공하여 기판(10)에서 잔류 리액턴스(R)와 미반응가스 등을 제거한다(S14).
다음으로, 다시 제1 분사 모듈(131)에서 전구체 가스를 제공하되, 제1 및 제3 전구체 가스(S1, S3)를 제공하여 기판(10)에 화학 흡착시킨다(S15).
다음으로, 제1 퍼지가스(P)를 제공하여 기판(10)에 흡착되지 않은 잉여 제1 및 제3 전구체 가스(S1, S3)를 제거한다(S16).
다음으로, 리액턴스(R)를 제공함으로써 기판(10) 표면에 흡착된 제1 및 제3 전구체 가스(S1, S3)와 반응하도록 함으로써 이전 단계에서 증착된 제1 및 제2 전구체 가스(S1, S2)와 리액턴스(R)의 반응 생성물 및 본 단계에서 제1 및 제3 전구체 가스(S1, S3)와 리액턴스(R) 사이의 반응에 의해 제1 내지 제3 전구체 가스(S1, S2, S3)에 의한 반응 생성물이 기판(10)에 증착된다(S17).
다음으로, 다시 제2 퍼지가스(P)를 제공하여 기판(10)에서 잔류 리액턴스(R)와 미반응가스 등을 제거한다(S18).
그리고 이상과 같이 S11 내지 S18 단계가 기판(10)에 1층의 다성분 박막이 증착되는 1 증착 사이클(cycle)이 되고 기판(10)이 회전하여 S11 내지 S18 단계를 복수 회 지속적으로 반복 수행함에 따라 기판(10)에 소정 두께의 다성분 박막이 증착된다.
이하에서는 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 변형 실시예에 따른 원자층 증착장치(100) 및 가스분사 유닛(203)에 대해 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 6은 본 발명의 변형 실시예에 따른 가스분사 유닛(203)의 평면도이고, 도 7은 도 6의 가스분사 유닛(203)에서 제1 분사 모듈(131)의 단면도이고, 도 8은 도 7의 제1 분사 모듈(131)의 요부 분해 사시도이다. 그리고 도 9는 도 6의 가스분사 유닛(203)을 이용한 다성분 박막의 원자층 증착공정을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서 설명하는 원자층 증착장치(100) 및 가스분사 유닛(203)은 상술한 실시예와 가스분사 유닛(203)을 제외하고는 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도면을 참조하면, 가스분사 유닛(203)은 2종 이상의 소스가스를 분사하는 복수의 분사 모듈(231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238)과 배기라인(240)이 형성되고, 전구체 가스가 분사되는 제1 및 제5 분사 모듈(231, 235)은 서로 다른 2종 이상의 전구체 가스를 분사하도록 형성된다.
이하에서는, 제1 분사 모듈(231)에 대해서 설명하며, 제5 분사 모듈(235)은 제1 분사 모듈(231)과 동일한 구조를 가지므로 설명은 생략한다.
제1 분사 모듈(231)은 제1 내지 제3 쉘(510, 520, 530)이 서로 결합하여 형성되되, 서로 다른 2종의 전구체 가스를 분사하도록 복수의 분사홀(521, 531)이 형성된 제2 쉘(520)과 제3 쉘(530)에 의해 제1 분사 모듈(231) 내부가 독립된 2개의 제1 및 제2 버퍼부(501, 502)로 분할된다. 제1 내지 제3 쉘(510, 520, 530)은 소 정 높이 및 크기를 갖는 원통 형태로 결합되도록 서로 맞물려서 결합될 수 있도록 테두리 부분에 림부(1512, 1522, 1532)가 형성 원형 플레이트 형태를 갖는 프레임(1511, 1521, 1531)으로 구성된다. 그리고 제1 쉘(510) 상부에는 제1 및 제2 버퍼부(501, 502)에 전구체 가스를 공급하기 위한 주입구(511, 512)가 형성되며, 제2 버퍼부(502)에 전구체 가스를 주입할 수 있도록 제2 주입구(512)와 연통되는 주입유로(513, 532, 533)가 제1 쉘(510)과 제2 쉘(520)의 림부(1512, 1522)를 관통하여 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 제1 내지 제3 쉘(510, 520, 530)의 형태는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
제3 쉘(530)은 하부(즉, 제2 쉘(520)과 결합되는 방향)를 향해 소정 길이 돌출된 결합 보스(1533)가 형성되고, 결합 보스(1533)를 관통하여 분사홀(531)이 형성된다. 그리고 제2 쉘(520)에는 제3 쉘(530)의 결합 보스(1533)가 삽입 결합되는 결합홀(1524)이 형성되고, 제2 쉘(520)을 관통하여 결합 보스(1533)가 삽입될 수 있도록 결합 보스(1533)와 대응되는 위치에 대응되는 크기로 형성된다. 또한, 결합홀(1524) 주변에는 결합 보스(1533)가 결합홀(1524)에 안정적으로 삽입 결합되고, 결합 상태를 안정적으로 유지할 수 있으며, 결합 보스(1533)와 결합홀(1524) 사이를 통해 제1 버퍼부(501)의 소스가스가 외부로 유출되거나 프로세스 챔버(101) 내부의 소스가스가 제3 버퍼부(303)로 유입되는 것을 방지할 수 있도록 제3 쉘(530)의 결합 보스(1533)와 결합되는 가이드 보스(1523)가 형성될 수 있다. 또한, 가이드 보스(1523)와 결합 보스(1533) 접촉 부분에는 제2 버퍼부(502) 내부의 전구체 가스가 가이드 보스(1523)와 결합 보스(1533) 사이로 누출되는 것을 방지할 수 있도록 실링부재(미도시)가 구비될 수 있다. 여기서, 결합홀(1524)은 제2 쉘(520)의 분사홀(531)과 간섭되지 않는 위치에 형성된다.
그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며 제1 내지 제3 쉘(510, 520, 530)의 형태는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.
이하에서는 도 9를 참조하여, 본 실시예에 따른 원자층 증착장치에서 동작을 설명하면, 우선, 제1 분사 모듈(231)에서 제1 및 제2 전구체 가스(S1, S2)가 제공되어 기판(10)에 화학 흡착된다(S21).
다음으로, 제1 퍼지가스(P)를 제공하여 기판(10)에 흡착되지 않은 잉여 제1 및 제2 전구체 가스(S1, S2)를 제거한다(S22).
다음으로, 제1 리액턴스(R)를 제공하여 기판(10) 표면에 흡착된 제1 및 제2 전구체 가스(S1, S2)와 반응하도록 함으로써 제1 및 제2 전구체 가스(S1, S2)와 제1 리액턴스(R)의 반응 생성물이 기판(10)에 증착된다(S23).
다음으로, 다시 제2 퍼지가스(P)를 제공하여 기판(10)에서 잔류 제1 리액턴스(R)와 미반응가스 등을 제거한다(S24).
다음으로, 제5 분사 모듈(235)에서 전구체 가스를 제공하되 제3 및 제4 전구체 가스(S3, S4)를 제공하여 기판(10)에 화학 흡착시킨다(S25).
다음으로, 제3 퍼지가스(P)를 제공하여 기판(10)에 흡착되지 않은 잉여 제3 및 제4 전구체 가스(S3, S4)를 제거한다(S26).
다음으로, 제2 리액턴스(R)를 제공하여 기판(10) 표면에 흡착된 제3 및 제4 전구체 가스(S1, S3)와 반응하도록 함으로써 이전 단계에서 증착된 제1 및 제2 전구체 가스(S1, S2)와 제2 리액턴스(R)의 반응 생성물 및 본 단계에서 제공되는 제3 및 제4 전구체 가스(S3, S4)와 제2 리액턴스(R) 사이의 반응에 의해 제1 내지 제4 전구체 가스(S1, S2, S3, S4)에 의한 반응 생성물이 기판(10)에 증착된다(S27). 여기서, 제1 내지 제4 전구체 가스(S1, S2, S3, S4)는 각각 서로 다른 4종의 전구체 가스를 사용할 수 있다. 또는, 상술한 실시예와 같이 제1 내지 제4 전구체 가스(S1, S2, S3, S4) 중 제1 분사 모듈(231)에서 제공되는 전구체 가스 중 하나와 제5 분사 모듈(235)에서 제공되는 전구체 가스 중 하나가 동일한 전구체 가스가 제공될 수 있다.
다음으로, 다시 제4 퍼지가스(P)를 제공하여 기판(10)에서 잔류 제2 리액턴스(R)와 미반응가스 등을 제거한다(S28).
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 증착장치의 종단면도;
도 2는 도 1의 원자층 증착장치에서 가스분사 유닛의 일 예를 설명하기 위한 평면도;
도 3은 도 2의 가스분사 유닛에서 제1 분사 모듈의 단면도;
도 4는 도 3의 분사 모듈의 요부 분해 사시도;
도 5는 도 2의 가스분사 유닛을 이용한 다성분 박막의 원자층 증착공정을 설명하기 위한 순서도;
도 6은 도 2의 변형 실시예에 따른 가스분사 유닛의 평면도;
도 7은 도 6의 가스분사 유닛에서 제1 분사 모듈의 단면도;
도 8은 도 7의 분사 모듈의 요부 분해 사시도;
도 9는 도 6의 가스분사 유닛을 이용한 다성분 박막의 원자층 증착공정을 설명하기 위한 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판 100: 원자층 증착장치
101: 프로세스 챔버 102: 서셉터
103: 가스분사 유닛 104: 가스공급부
131, 132, 133, 134: 분사 모듈 135, 240: 배기라인
141, 142, 143: 공급원 301, 302, 303, 304: 버퍼부
310, 320, 330, 340: 쉘(shell) 311, 312, 313: 주입구
314: 주입유로 321, 331, 341: 분사홀
411, 412, 413: 전구체 가스 공급원 415: 가스 제어부
451, 452: 제어 밸브 1311, 1321, 1331, 1341: 프레임
1312, 1322, 1332, 1342: 림부 1313: 격벽(partition wall)
1323, 1333, 1343: 결합 보스 1324: 결합홀

Claims (10)

  1. 원자층 증착장치의 가스분사 유닛에 있어서,
    기판에 서로 다른 복수의 소스가스를 각각 제공하는 복수의 분사 모듈이 구비되고,
    상기 분사 모듈 중 적어도 하나의 분사 모듈은 서로 다른 복수의 소스가스를 제공하도록 형성되며, 서로 독립된 유로를 통해 제공하도록 형성된 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분사 모듈은,
    상하로 결합되어 외관을 형성하는 제1 및 제2 쉘; 및
    상기 제1 및 제2 쉘 내부에 구비되어 상기 분사 모듈 내부 공간을 복수의 버퍼부로 분할하고 복수의 분사홀이 형성된 제3 쉘;
    을 포함하고, 상기 제3 쉘 상부의 공간으로 정의되는 제1 버퍼부와 상기 제3 쉘 하부의 공간으로 정의되는 제2 버퍼부를 통해 서로 다른 소스가스를 제공하는 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 쉘은 하부로 돌출되어 상기 제2 쉘을 관통하여 결합되고 상기 제1 버퍼부의 소스가스를 기판에 제공하는 제1 분사홀이 형성된 결합 보스가 구비된 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 쉘은 상기 제2 버퍼부 내부의 소스가스를 기판에 제공하는 제2 분사홀이 형성되고, 상기 결합 보스가 삽입 결합되는 결합홀이 형성되고,
    상기 결합홀은 상기 제2 분사홀과 겹치지 않는 영역에 형성된 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 결합홀 주변에는 상기 결합 보스의 결합을 안내하고 가이드 보스가 돌출 형성된 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제 3쉘은 상기 분사 모듈 내부 공간을 상하 방향으로 평행하게 복수의 버퍼부로 분할하도록 상기 제1 및 제2 쉘과 평행하게 구비되는 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분사 모듈 내부 공간을 좌우 방향으로 복수의 버퍼부로 분할하도록 적 어도 하나 이상의 제3 쉘이 구비된 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치의 가스분사 유닛.
  8. 증착 공정이 수행되는 공간을 제공하는 프로세스 챔버;
    상기 프로세스 챔버 내부에 구비되어 기판이 안착되는 서셉터; 및
    상기 기판 상부에 구비되어 상기 기판에 서로 다른 복수의 소스가스를 각각 제공하는 복수의 분사 모듈이 구비되고, 상기 분사 모듈 중 적어도 하나의 분사 모듈은 서로 다른 복수의 소스가스를 서로 독립된 유로를 통해 제공하도록 형성된 가스분사 유닛;
    을 포함하는 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분사 모듈 유닛 일측에는 상기 가스분사 유닛에 소스가스를 제공하는 가스공급부가 구비되고,
    상기 분사 모듈에서 서로 다른 복수의 소스가스가 분사되도록 복수의 공급원이 연결되는 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 공급원에는 각각 제어 밸브가 구비되고, 상기 각 공급원에서 교번적으로 소스가스를 제공하도록 상기 제어 밸브의 동작을 제어하는 가스 제어부가 구비된 다성분 박막의 증착을 위한 원자층 증착장치.
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