KR20110109216A - 유도 결합형 플라즈마 소스형 샤워 헤드를 가지는 화학기상 증착 장치 - Google Patents

유도 결합형 플라즈마 소스형 샤워 헤드를 가지는 화학기상 증착 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학기상증착 장치에 관한 것으로, 특히 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용하여 샤워헤드 내부 일 측면에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 화학기상 증착 장치에 관한 것이다. 샤워헤드 내부 플라즈마 생성을 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용함으로써 넓은 영역의 공정범위에서 플라즈마 효율 및 증착속도를 향상하도록 한다. 또한 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용함으로써 반응가스와 원료가스가 샤워헤드 내에서 혼합되지 않도록 하는 샤워헤드 제작에 있어서도 소재 선택이 자유롭고 그 구조를 간단하게 하여 제조 비용을 절감할 수 있도록 한다.

Description

유도 결합형 플라즈마 소스형 샤워 헤드를 가지는 화학기상 증착 장치 {PECVD Showerhead with Inductively coupled plasma source}
본 발명은 화학기상증착 장치에 관한 것으로, 특히 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용하여 샤워헤드 내부 일 측면에 고밀도 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 화학기상 증착 장치에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마를 이용한 화학기상 증착 장비는 반응가스 및 원료가스가 주입된 반응기 내부에 직접 플라즈마를 발생시켜 기판에 박막을 증착하는 방식과 반응기 외부에서 플라즈마를 발생시킨 후 반응기 내로 공급하여 증착에 적용하는 방식이 있다. 이러한 반응가스 및 원료가스가 주입된 반응기 내에 직접 플라즈마를 발생시키는 방식의 경우 증착 속도가 빠른 장점은 있으나 기판이 놓여진 반응기 내부에 플라즈마가 발생함으로 플라즈마에 의한 기판 손상이 발생하는 단점을 가진다. 또한 반응기 외부에서 플라즈마를 발생시킨 후 반응기내로 공급하여 증착에 활용하는 방식의 경우 플라즈마에 의한 기판 손상은 줄일 수 있으나 반응기 내부로 플라즈마가 공급되는 동안 플라즈마를 이루는 이온, 전자, 라디칼 등이 서로 재결합하여 최초 발생하는 플라즈마 소스에 비해 그 효율이 많이 감소하여 반응 기여도가 낮은 단점을 가진다.
상기와 같은 단점을 개선하기 위하여 대한민국 출원 특허 10-2002-0023372에서는 샤워헤드를 통하여 반응가스와 원료가스가 공급되는 주입구를 분리하고 반응가스가 공급되는 샤워헤드 일 측면에서만 플라즈마가 발생하는 샤워헤드를 적용함으로써 플라즈마 반응 기여도를 감소시키지 않고 기판 손상을 예방하는 방법이 소개되고 있다. 하지만 상기와 같은 샤워구조에서는 축전 결합형 플라즈마 소스를 이용함에 따라 플라즈마가 발생하는 공간영역에 플라즈마 밀도가 한정되어 기판에 일정수준이상의 라디칼을 공급하기 어려우며 그에 따라 증착 속도가 낮은 단점이 있으며, 이러한 단점은 대면적 기판사용을 위하여 샤워헤드의 크기가 커짐에 따라 더욱 증가한다. 또한 상기한 샤워헤드는 특정 샤워헤드 상부에 다수의 분사홀을 가지는 전극판을 배치하고 그 전극 판에 RF 전원을 인가시키는 형태로 구성됨에 따라 전원이 인가되는 전극판과 접촉되는 샤워헤드의 재질이 절연체로 한정되며, 전극판과 반응기 사이를 절연할 수 있는 다수의 부수기재가 필요하게 됨에 따라 샤워헤드 구조가 복잡해지고 그에 따라 제조비용이 높은 단점을 가진다.
이에 대한민국 출원 특허 10-2004-0013182에서는 상기한 축전 결합형 플라즈마 소스의 방전 특성에 따른 플라즈마 밀도 한정에 대한 단점을 보완하기 위하여 샤워헤드 내 플라즈마 발생홀에서만 플라즈마가 발생하는 구조를 소개하고 있으나, 일반적으로 유도 결합형 플라즈마 소스가 가지는(1011 cm-3 이상) 플라즈마 밀도 보다 낮은 109 ~ 1010 cm-3 인 축전 결합형 플라즈마 소스를 여전히 사용하고 있으며, 샤워헤드 구조의 특성상 일 측면 대부분에 플라즈마의 발생홀이 존재하여야 하므로 플라즈마 밀도 증가도 그 한계가 있다. 또한 플라즈마 발생홀을 가지는 구조물이 추가되어야 하므로 구조가 복잡하고 제조 비용이 증가하는 단점은 여전히 존재한다.
샤워헤드 내부에 플라즈마를 발생시키는 방식을 이용하는 종래의 일반적인 화학기상 증착 장치에 대한 단면을 도 1에 개략적으로 도시하였다.
샤워헤드 내부에 플라즈마를 발생시키는 방식을 이용하는 종래의 일반적인 화학기상 증착 장치는 도 1에 도시한 것과 같이 반응기(101), 기판(110), 기판 척(109), 하부플레이트(102), 상부플레이트(103), 샤워헤드 구조물(200), RF 전원 구성부(300), 제1 가스주입부(111), 제2 가스주입부(106), 진공펌핑부(108), 상부절연부(104), 하부절연부(105), RF로드 절연부(107)로 구성이 된다.
이때, 기판 척(109)은 기판(110)을 지지하는 역할 외 기판(110)의 온도를 조절할 수 있도록 구성된다. 상부플레이트(103)에는 RF전원(302)을 인가할 수 있도록 RF전원연결부(303)가 설치되며 RF전원(302)은 RF로드(304)를 통해 RF전극판(301)과 연결된다. RF로드(304) 및 RF전극판(301)은 RF로드 절연부(107), 상부절연부(101), 하부절연부(106)에 의해 상부플레이트(101), 하부플레이트(102)와 전기전으로 절연된다. 이로써, RF전극판(301)에 RF전원(302)이 공급될 경우 제1 버퍼부(210)에서만 플라즈마가 발생하게 된다. 제1 샤워헤드(203)에는 반응가스와 플라즈마에 의해 형성되는 반응가스 라디칼을 고르게 분사하기 위하여 반응가스 및 라디칼 분사관(202)이 형성된다. 제2 샤워헤드(201)는 그 상부에 위치하는 제1 샤워헤드(203)와 일정한 간격을 두고 대응하여 설치되고 하부 플레이트(102)에 의해 지지되며 반응가스 및 라디칼 분사관(202)이 관통할 수 있도록 다수의 관통홀(204)과 원료가스를 고르게 분사하기 위한 다수의 원료가스 분사홀(205)이 형성된다. 이 때 제1 샤워헤드(203)와 제2 샤워헤드(201)는 반응가스 및 원료가스가 샤워헤드 내부에서 혼합되지 않도록 구획된다. 상기와 같이 구성된 장치에서 기판의 소정의 박막을 형성하기 위해서 진공펌핑부(108)에 의해 반응기(101) 내부가 진공상태가 되면 제1 가스주입부(111)를 통해 제1 버퍼부(210)에 반응가스를 공급하고 RF전극판(301)에 RF전원(302)을 인가하여 제1 버퍼부(210)에 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마에 의해 발생된 반응가스 및 라디칼은 제1 샤워헤드(203)의 반응가스 및 라디칼 분사관(202)를 통해 기판(110)에 분사되고, 제2 가스주입부(106)을 통해 주입된 원료가스는 제2 버퍼부(211)를 통해 기판(110)에 분사되어 반응가스 및 라디칼, 원료가스의 종류에 따른 특정한 화학반응이 거쳐 기판(110)상에 소정의 박막이 형성되게 된다.
하지만 상기와 같은 샤워구조에서는 RF전극판(301)과 접지판 역할을 하는 상부플레이트(101)이 서로 마주보고 그 내부의 제1 버퍼부(210)에 플라즈마가 형성되는 축전 결합형 플라즈마 소스를 이용함에 따라 플라즈마가 발생하는 공간영역에 플라즈마 밀도가 한정되어 기판에 일정수준이상의 라디칼을 공급하기 어려우며 그에 따라 증착 속도가 낮은 단점이 있으며, 이러한 단점은 대면적 기판사용을 위하여 샤워헤드의 크기가 커짐에 따라 더욱 증가한다. 또한 상기한 샤워헤드 구조에서 제1 샤워헤드(203) 상부에 RF전극판(301)을 배치하고 그 RF전극판(301)에 RF전원(302)을 인가시키는 형태로 구성됨에 따라 RF전원(302)가 인가되는 RF전극판(301)과 접촉되는 제1 샤워헤드(203)는 그 제작을 위한 소재가 절연재로 한정되며, RF전극판(301)과 상부플레이트(103), 하부플레이트(102)와의 절연을 위해 RF로드 절연부(107), 상부절연부(101), 하부절연부(106)와 같은 다수의 절연부재가 필요하게 됨에 따라 샤워헤드의 구조가 복잡해지고 그에 따라 제조비용이 높은 단점을 가진다.
상기와 같은 샤워헤드 내부에 플라즈마를 발생시키는 방식을 이용하는 종래의 일반적인 화학기상 증착 장치의 축전 결합형 플라즈마 소스의 방전 특성에 따른 플라즈마 밀도 한정에 대한 단점을 보완하기 위하여 샤워헤드 내 플라즈마 발생홀에서만 플라즈마가 발생하는 구조가 소개되고 있으나(대한민국 출원특허 : 10-2004-0013182) 샤워헤드 구조 특성상 샤워헤드 일 측면 대부분에 플라즈마의 발생홀이 존재하여야 하므로 플라즈마 밀도 증가는 한계가 있으며, 플라즈마 발생홀을 가지는 구조물이 추가되어야 하므로 구조가 복잡하고 제조 비용이 증가하는 단점은 여전히 존재한다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용하여 샤워헤드 내부 일 측면에 고밀도 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 화학기상 증착 장치를 제공한다. 샤워헤드 내부 플라즈마 생성을 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용함으로써 넓은 영역의 공정범위에서 플라즈마 효율 및 증착속도를 향상하도록 한다. 또한 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용함으로써 반응가스와 원료가스가 샤워헤드 내에서 혼합되지 않도록 하는 샤워헤드 제작에 있어서도 소재 선택이 자유롭고 전극판과 접지부를 분리하기 위한 별도의 절연재를 이용하지 않는 등 그 구조를 간단하게 할 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있다.
상기에서 언급한 유도 결합형 플라즈마 소스는 샤워헤드 내부의 플라즈마 발생부 상부에 위치하는 것이 바람직하나 플라즈마 발생부 측면에 위치하거나 상부 및 측면에 동시에 위치하는 등 사용자의 의도에 따라 그 변경이 가능하다.
본 발명의 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용하여 샤워헤드 내부 일 측면에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 화학기상 증착 장치를 통하여 샤워헤드 내부 일 측면에 고밀도 플라즈마를 발생시켜 넓은 영역의 공정범위에서 플라즈마 효율 및 증착 속도를 향상하도록 한다. 플라즈마 효율 증가 및 이에 따른 증착 속도 향상은 장치의 생산성 향상을 가져온다. 또한 상기와 같은 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용함에 따라 반응가스와 원료가스가 샤워헤드 내에서 혼합되지 않도록 하는 샤워헤드 제작에 있어서도 소재 선택이 자유롭고 그 구조를 간단하게 할 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 종래의 일반적인 샤워헤드 내부에 플라즈마를 발생시키는 샤워헤드를 가지는 화학기상 증착 장치를 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용하여 샤워헤드 내부 일 측면에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 화학기상 증착 장치의 단면도
이하 본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용하여 샤워헤드 내부 일 측면에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 화학기상 증착 장치에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 2에 도시한 것과 같이 본 발명의 일 실시 예에 의한 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용하여 샤워헤드 내부 일 측면에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 화학기상 증착 장치는 반응기(101), 기판(110), 기판 척(109), 하부플레이트(102), 상부플레이트(103), 제1 가스주입부(111), 제2 가스주입부(106), 진공펌핑부(108), 평판 유전체 윈도우(112), 샤워헤드 구조물(200), RF전원(302), RF전원연결부(303), RF로드(304), RF정합기(305), 코일(306)로 구성된다.
샤워헤드 내부 일 측면에 유도 결합형 고밀도 플라즈마를 형성시키기 위하여 상부플레이트(103) 및 하부플레이트(102)로 둘러싸인 공간 내부에는 나선형 코일(306)이 위치하며, 평판 유전체 윈도우(112)는 반응기(101) 외부와 진공분위기 반응기(101) 내부의 차압을 견딜 수 있도록 10 mm 이상의 두께를 가지고 하부플레이트(102) 상부에 위치한다. RF전원(302)은 RF정합기(305), RF전원연결부(303), RF로드(304)를 거쳐 코일(306)에 인가된다. RF전원(302)에 의해 고주파 전력이 코일(306)에 인가되면 평판 유전체 윈도우(112) 통하여 제1 버퍼부(210) 내에 유도 자기장이 형성되고, 유도 자기장에 의한 유도 전기장이 발생하게 된다. 유도 전기장은 제1 버퍼부(210) 내의 자유 전자에 에너지를 공급하게 되고, 플라즈마를 발생 유지하게 된다. 제1 버퍼부(210)에 발생된 플라즈마는 제1 가스주입부(111)를 통해 주입되는 반응가스를 분해시키게 되고 발생된 반응가스 및 라디칼은 제1 샤워헤드(203)의 반응가스 및 라디칼 분사관(202)를 거쳐 제2 샤워헤드(201)에 존재하는 관통홀(204)을 통해 기판(109)으로 분사된다. 또한 제2 가스주입부(106)을 통해 주입된 원료가스는 제1 샤워헤드(203)의 일 측면에 위치하는 원료가스 분배구(206)을 통해 분배되어 제2 샤워헤드(201)의 원료가스 분사홀(205)을 통해 반응가스 및 라디칼과 분리되어 기판에 분사된다. 이때, 기판 척(109)은 기판(110)을 지지하는 역할 외 기판(110)의 온도를 조절할 수 있도록 구성되어 샤워헤드를 통해 분사되는 라디칼, 원료가스의 종류에 따라 특정한 화학반응이 거쳐 기판(110)상에 소정의 박막이 형성되게 된다.
상기에서 언급한 제1 샤워헤드(203) 및 제2 샤워헤드(201)은 별도의 절연재 없이 전기적으로 접지와 연결되는 하부플레이트(102)에 차례로 체결하는 형태로 구성되므로 유도 결합형 플라즈마 소스에 의해 발생된 고밀도 플라즈마는 제1 버퍼부(210)에서만 발생하게 된다.
상기에서 언급한 코일(306)은 일반적으로 나선형 코일로 구성되지만 제1 버퍼부(210)의 플라즈마 밀도 균일도를 조정하기 위하여 상,하,좌,우 이동 및 코일 사이의 간격 조절 등 사용자의 의도에 따라 변경되어 제작될 수 있다.
상기에서 언급한 평판 유전체 윈도우(112)의 경우 제1 버퍼부(210)의 플라즈마 밀도 균일도를 조정하기 위하여 평판, 다각형, 적층형 등 그 형상이 변경되어 제작될 수 있다.
상기에서 언급한 평판 유전체 윈도우(112)의 경우 제1 버퍼부(210)의 플라즈마 밀도 균일도를 조정하기 위하여 Quartz, SiO2, Alumina, ZrO2 등 사용자의 의도에 따라 세라믹 소재가 변경될 수 있다.
이상 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용하여 샤워헤드 내부 일 측면에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 화학기상 증착 장치의 구성은 상술한 예들에 한정한 것은 아니며, 그 예들의 변형이나 조합에 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 구성이 구체화될 수 있다.
101 : 반응기 102 : 하부플레이트
103 : 상부플레이트 104 : 상부절연부
105 : 하부절연부 106 : 제2 가스주입부
107 : RF로드 절연부 108 : 진공펌핑부
109 : 기판 척 110 : 기판
111 : 제1 가스주입부 112 : 평판 유전체 윈도우
200 : 샤워헤드 구조물 201 : 제2 샤워헤드
202 : 반응가스 및 라디칼 분사관
203 : 제1 샤워헤드 204 : 관통홀
205 : 원료가스 분사홀 206 : 원료가스 분배구
210 : 제1 버퍼부 211 : 제2 버퍼부
300 : RF전원구성부 301 : RF전극판
302 : RF전원 303 : RF전원연결부
304 : RF로드 305 : RF정합기
306 : 코일

Claims (5)

  1. 샤워헤드 내부에 플라즈마를 발생시키는 방식의 화학기상장치에 있어서 플라즈마를 발생원을 유도 결합형 플라즈마 소스를 이용하여 샤워헤드 내부 일 측면에 고밀도 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 샤워헤드를 구비한 화학기상 증착 장치
  2. 제 1항에 있어서, 샤워헤부 일 측면의 고밀도 플라즈마의 균일도를 확보하기 위하여 상,하,좌,우 이동이 가능한 코일을 가지는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 소스
  3. 제 1항에 있어서, 샤워헤드 내부 일 측면의 고밀도 플라즈마의 균일도를 확보하기 위하여 평판, 다각형, 적층형 유전체 윈도우를 가지는 유도 결합형 플라즈마 소스
  4. 제 1항에 있어서, 샤워헤드 내부 일 측면의 고밀도 플라즈마를 확보하기 위하여 Quartz, SiO2, Alumina, ZrO2 등 세라믹 소재의 유전체 윈도우를 가지는 유도 결합형 플라즈마 소스
  5. 제 1항에 있어서, 반응가스 및 라디칼을 분사하는 제1 샤워헤드는 제2 샤워헤드의 원료가스 분배구를 가지고, 원료가스를 분사하는 제2 샤워헤드는 제1 샤워헤드의 반응가스 및 라디칼 분사를 위한 관통홀을 가지는 것을 특징으로 하는 샤워헤드
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KR1020100028834A KR20110109216A (ko) 2010-03-30 2010-03-30 유도 결합형 플라즈마 소스형 샤워 헤드를 가지는 화학기상 증착 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20170027799A (ko) * 2014-06-27 2017-03-10 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 유전체 필름들의 라디칼-기반 증착을 위한 장치
KR20190086640A (ko) * 2019-07-09 2019-07-23 삼성디스플레이 주식회사 기상 증착 장치 및 유기 발광 표시 장치 제조 방법
WO2024062946A1 (ja) * 2022-09-22 2024-03-28 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 成膜装置

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