KR20120027399A - 기상 증착 반응기 및 박막 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

기상 증착 반응기 및 박막 형성 방법이 개시된다. 기상 증착 반응기는 기상 증착 반응기의 제1 부분 내의 오목부에 반응 물질을 주입하기 위한 하나 이상의 제1 주입부를 포함한다. 제2 부분이 제1 공간에 연결되며 제2 부분은 제1 부분의 오목부에 연결된 오목부를 갖는다. 제2 부분의 오목부는 제1 부분 내의 압력에 비해 낮은 압력을 갖도록 유지된다. 제3 부분이 제2 공간에 연결되며 배기부가 제3 공간에 연결된다.

Description

기상 증착 반응기 및 박막 형성 방법{VAPOR DEPOSITION REACTOR AND METHOD FOR FORMING THIN FILM}
본 발명은 기상 증착 반응기 및 이를 이용한 박막 형성 방법에 대한 것이다.
화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD)에서는 통상적으로 전구체(precursor) 주입을 위해 샤워헤드(showerhead)형 반응기가 사용된다. 샤워헤드형 반응기에서는, 원료전구체(source precursor)와 반응전구체(reactant precursor)가 샤워헤드 내부에서 섞인 후 기판에 분사되어 증착이 이루어진다. 반면, 원자층 증착(Atomic layer Deposition; ALD)을 위한 반응기에서는 원료전구체와 반응전구체가 서로 섞이지 않도록 교번하여 분사된다. 전구체의 분사 방향에 따라, 반응기는 (i) 교차 흐름(cross-flow) 또는 이동파(travelling-wave) 방식의 반응기와 (ii) 전구체가 기판면에 수직으로 주입되는 방식의 반응기로 나뉜다. 교차 흐름 또는 이동파 방식의 반응기는 전구체를 증착할 기판 표면에 평행한 방향으로 전구체를 주입한다.
원자층 증착은 화학흡착층의 결합력과 물리흡착층의 결합력이 상이한 것을 이용한다. 원자층 증착에서는, 전구체를 기판의 표면에 흡착시킨 후 불활성 기체로 퍼지(purge)시킨다. 그 결과, 반데르발스(Van der Waals) 힘에 의하여 결합을 하고 있는 전구체의 물리흡착 분자(physisorbed molecules)는 탈착된다. 그러나, 공유결합(covalent bond)을 하고 있는 화학흡착 분자(chemisorbed molecules)는 기판과 강하게 흡착하고 있기 때문에 탈착되지 않는다. 기판에 흡착되어 있는 전구체의 화학흡착 분자가 반응전구체와 반응 및/또는 치환하는 성질을 이용하여 원자층 증착이 이루어진다.
자세히 설명하면, 챔버에 원료전구체를 주입하여 원료전구체를 기판에 과잉으로 흡착시킨다. 다음으로, 퍼지 기체(purge gas)의 주입 및/또는 챔버의 펌핑(pumping)에 의하여 과잉의 전구체 또는 물리흡착 분자를 제거함으로써 화학흡착 분자만을 기판에 남겨 단일 분자층(mono molecule layer)을 얻는다. 다음으로, 반응전구체(또는 치환제(replacement agent))를 챔버에 주입한 후, 퍼지 기체 및/또는 챔버의 펌핑에 의하여 과잉의 전구체 또는 물리흡착 분자를 제거함으로써 최종적인 원자층을 얻게 된다.
원자층 증착에 있어서 이들 4 단계에 의하여 이루어지는 기본 단위를 통상 사이클(cycle)이라 한다. 포화 상태의 화학 흡착층을 얻게되면 사이클 당 약 1Å 두께의 박막이 형성되는 증착 속도를 얻게 되지만, 전구체가 포화 상태의 흡착이 되지 않는 때에는 사이클 당 약 1Å보다 낮은 증착 속도가 얻어진다. 물리 흡착 분자층을 전부 제거하지 않고 일부 남겨두게 되면 증착 속도는 더 높아진다.
이러한 원자층 증착에서는 통상적으로 1 사이클당 한 층의 단일 원자층(1 atomic monolayer)이 형성된다. 이러한 ALD 기술은 챔버 내부로 원료전구체, 반응전구체, 및 퍼지 기체를 반복적으로 주입하며, 배기를 위하여 밸브 및 진공 펌프를 사용하게 된다. 이는 예컨대, 본 명세서에 참조로서 온전히 포함되는, 미국등록특허 제7,422,636호, 제7,402,210호, 제6,511,539호 및 제6,820,570호 등에 개시되어 있다.
각 단계에서 챔버에 주입된 전구체들이 챔버 내에 잔류하게 되면 원료전구체와 반응전구체가 서로 반응하여 기상 반응(CVD 반응이라고 부름)이 일어난다. 따라서, 원자층 증착을 하기 위해서는 고속으로 동작하는 ALD 전용 밸브를 사용하여야 할 뿐 아니라 챔버 내에 잔류하는 전구체가 없도록 퍼지 및/또는 펌핑을 하여야 한다. 이때 ALD에 사용하게 되는 밸브의 동작 횟수가 많게 된다. 예를 들면, 통상적으로 100nm 두께의 박막을 증착하기 위하여 원료전구체 주입, 퍼지, 반응전구체 주입, 퍼지 등의 각 단계별로 103회 이상의 밸브 동작이 필요하다. 그 결과 밸브의 수명과 신뢰성의 문제가 발생하게 되고, 밸브의 고속 동작 및 동작 횟수의 증가에 따라 오동작이나 입자(particle)가 발생하게 되는 등 밸브의 수명과 관련된 사항들이 발생하게 된다.
그러나, ALD 방식의 박막 형성에 있어서 중요한 것은 장치의 요구 사항을 만족시키기 위한 균일한 특성(즉, 물리적, 화학적, 전기적 특성)의 박막을 형성하여야 하는 것이다. 이를 위해서는 원료전구체 및 반응전구체 주입시 이들이 기판에 도달하는 시간이 동일하여야 할 필요성이 있다. 원자층 증착에 사용되는 전구체가 기판과 평행으로 주입되는 교차 흐름 또는 이동파 방식의 반응기에서는 기판이 전구체의 주입부에 인접한 쪽으로부터 먼저 흡착이 이루어지면서 점차적으로 배기부 쪽으로 흡착이 이루어지므로 흡착 현상은 시간의 함수에 따른다. 특히 대면적의 기판일 경우 이러한 현상은 더욱 심화되어, 기판의 각 부위에 따라, 특히 주입부와 배기부에 위치하는 막의 조성, 두께 또는 특성이 달라지게 된다.
전구체를 수용하기 위한 반응기에 있어서, 이러한 문제를 방지하기 위해 전구체가 기판에 수직으로 주입된다. 그러나, 전구체의 주입부(통상적으로 샤워헤드)와 기판과의 거리가 가까울 경우 전구체가 주입되는 샤워헤드의 홀(hole) 근방에서는 근접(proximity) 현상에 의해 박막이 두꺼워지거나 얇아지게 되므로 샤워헤드의 홀 패턴(hole pattern) 형태를 갖는 불균일한 박막이 얻어지게 된다. 따라서, 전구체가 주입되는 주입구와 기판과의 거리가 충분히 떨어져 있어야 한다. 그 결과, 챔버의 공간 부분이 커지게 되고, 기판 표면에 전구체를 포화(saturation) 흡착시키기 위해 챔버 내부를 충분한 양의 전구체로 채워야 하여 많은 양의 전구체가 필요할 뿐 아니라, CVD 반응을 피하기 위하여 원료전구체와 반응전구체가 만나지 않도록 해야 하므로, 챔버 내에 원료전구체나 반응전구체가 잔류하지 않도록 충분한 퍼지 및/또는 펌핑을 하기 위해 많은 시간이 소요된다. 또한, 원료전구체와 반응전구체가 동일한 배기 라인을 통하여 배기되므로 이들이 서로 반응하여 배기 라인에 반응부산물(예컨대, 파우더(powder)나 검(gum) 등)이 생기기 때문에 박막뿐만 아니라 장치의 신뢰성과 내구성 및 경제성도 떨어지는 단점이 있다
일 예로서, 미국등록특허 제6,821,563호의 경우, 복수 개의 기체 포트(gas port)에서 나오는 기체 스트림(gas stream)을 기판에 공급하고, 퍼지(purge) 와 펌프(pump) 포트를 이웃하여 설치함으로써 연속적으로 전구체를 주입하면서 퍼지와 펌핑을 수행하여 원자층 증착이 이루어지도록 하였다. 그러나, 각 포트 간의 격리 또는 분리를 위한 격벽(partition)들이 설치되어 있고 각 격벽의 양쪽에 펌핑 포트가 설치되어 있기 때문에 구조가 복잡한 단점이 있다. 또한, 격벽은 각 포트들을 격리시키는 물리적 장벽(physical barrier) 역할만을 수행하기 때문에 전구체 주입이나 퍼지가 되는 포트의 양쪽(또는 좌우)으로 꼭 펌핑 포트가 설치되어야만 하는 구조적 제약이 있다.
미국등록특허 제7,422,636호 미국등록특허 제7,402,210호 미국등록특허 제6,511,539호 미국등록특허 제6,820,570호 미국등록특허 제6,821,563호
실시예들은 기판상에 원료전구체 및/또는 반응전구체를 흡착시키고, 원료전구체 및/또는 반응전구체의 물리흡착층을 탈착시키며, 탈착된 분자층을 외부로 배기하는 일련의 과정이 기상 증착 반응기의 내부에서 이루어지는 폐쇄 루프(closed-loop) 방식의 기상 증착 반응기를 제공한다.
일 실시예에서, 기상 증착 반응기는 하나 이상의 제1 주입부를 포함한다. 하나 이상의 제1 주입부는 제1 물질을 주입한다. 기상 증착 반응기의 제1 부분은 그 안에 형성된 제1 오목부(recess)를 갖는다. 제1 오목부는 하나 이상의 제1 주입부에 연결되어 제1 물질을 수용한다. 제2 부분은 제1 부분과 인접하며 그 안에 형성된 제2 오목부를 갖는다. 제2 오목부는 제1 오목부에 연결되어 제1 오목부를 통해 제1 물질을 수용한다. 제3 부분은 그 안에 제2 오목부와 연결된 제3 오목부를 포함하며, 제2 오목부를 통해 제1 물질을 수용한다. 제3 오목부의 압력은 배기부에 의해 제1 오목부에 비해 낮도록 유지된다. 기판은 제1 오목부, 제2 오목부 및 제3 오목부에 걸쳐 이동하여 그 표면에 제1 물질을 흡착시킨다.
일 실시예에서, 제1 부분은 복수의 제1 오목부를 포함하며, 제2 부분은 복수의 제2 오목부를 포함한다. 기상 증착 반응기는 제1 오목부들 중 하나, 제2 오목부들 중 하나, 제3 부분의 제3 오목부, 제1 오목부들 중 다른 하나 및 제2 오목부들 중 다른 하나의 오목부들을 순차적으로 연결하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 기상 증착 반응기는 추가적인 제1 부분 및 추가적인 제2 부분을 더 포함한다. 추가적인 제1 부분 및 추가적인 제2 부분은 각각 그 안에 추가적인 제1 오목부 및 추가적인 제2 오목부를 갖는다. 추가적인 제2 오목부 내의 압력은 추가적인 제1 오목부 내의 압력에 비해 낮다. 추가적인 제1 및 제2 오목부들은 제2 물질로 채워진다. 기판은 제1 및 제2 오목부들에 걸쳐 이동하여 기판상에 제2 물질을 흡착시킨다.
실시예들에 따른 기상 증착 반응기를 이용하면, 기상 증착 반응기의 제1 부분에만 반응 물질을 충진시키기 때문에 종래의 기상 증착 반응기에 비하여 증착 효율이 매우 높다. 또한, 기상 증착 반응기의 하부로 기판을 통과시키는 동안 분자층의 흡착 및 탈착이 이루어지기 때문에, 원자층 증착을 위한 전용 밸브나 구동부 없이 연속적으로 전구체가 공급되므로 기상 증착 반응기의 구성이 간단해질 수 있다.
나아가, 반응 물질의 주입, 탈착 및 배기가 기상 증착 반응기 내부에서 이루어지므로 챔버 내부의 분위기와 관계없이 증착이 이루어질 수 있다. 또한, 원료전구체 및 반응전구체가 각각 별도의 기상 증착 반응기에 의해 주입 및 배기되므로 배기 라인에 파우더(powder)나 검(gum) 등의 반응부산물이 생기지 않으며, 이로 인하여 박막뿐만 아니라 장치의 신뢰성, 내구성, 및 경제성도 향상되는 이점이 있다.
본 발명의 이상에 기술한 측면, 특징 및 이점 또는 다른 측면, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 이하의 바람직한 실시예의 기술로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이다.
도 1b는 일 실시예에 따른 도 1a의 기상 증착 반응기의 저면도이다.
도 1c는 일 실시예에 따른 도 1a의 기상 증착 반응기의 제1 부분의 단면도이다.
도 1d는 일 실시예에 따른 도 1a의 기상 증착 반응기의 제2 부분의 단면도이다.
도 1e는 일 실시예에 따른 도 1a의 기상 증착 반응기의 제3 부분의 단면도이다.
도 2a 내지 2d는 실시예들에 따른 기상 증착 반응기의 부분 단면도들이다.
도 3은 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 저면도이다.
도 4a 내지 4b는 일 실시예에 따른 도 3의 기상 증착 반응기의 부분 단면도들이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 저면도이다.
도 6a 내지 6c는 일 실시예에 따른 도 5의 기상 증착 반응기의 부분 단면도들이다.
도 7a 내지 7c는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 부분 단면도들이다.
도 8a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 저면도이다.
도 8b 및 8c는 일 실시예에 따른 도 8a의 기상 증착 반응기의 부분 단면도들이다.
도 9a 및 9b는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 부분 단면도들이다.
도 10a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이다.
도 10b는 일 실시예에 따른 도 10a의 기상 증착 반응기의 저면도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이다.
도 13a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이다.
도 13b는 일 실시예에 따른 도 13a의 기상 증착 반응기의 저면도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이다.
도 15a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이다.
도 15b는 일 실시예에 따른 도 15a의 기상 증착 반응기의 저면도이다.
도 16a 내지 16c는 실시예들에 따른 박막 형성 방법의 순서도들이다.
도 17a 내지 17e는 실시예들에 따른 기상 증착 반응기를 포함하는 원자층 증착 설비의 예시적인 단면도들이다.
도 18a 내지 18d는 실시예들에 따른 기상 증착 반응기를 포함하는 원자층 증착 설비의 예시적인 평면도들이다.
도 19은 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 이용한 실험 장치의 개략도이다.
도 20은 일 실시예에 따른 도 19의 실험 장치에서 기상 증착 반응기 부분의 개략적인 사시도이다.
도 21a는 일 실시예에 따른 도 19의 실험 장치의 개략적인 단면도이다.
도 21b는 일 실시예에 따른 도 19의 실험 장비의 동축 플라즈마(coaxial plasma) 발생기의 개략적인 단면도이다.
도 22a 내지 22d는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 이용하여 형성된 TiN 박막의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)사진이다.
도 23a 내지 23d는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 이용하여 형성된 TiN 박막의 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope; TEM) 사진이다.
도 24a 내지 24d는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 이용하여 형성된 TiN 박막의 TEM 사진이다.
예시적인 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 그러나 본 발명은 다른 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기서 설명되는 예시적인 실시예들로 한정되지 않는다. 오히려, 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 상세하고 완전하도록 제공되며, 당업자에게 본 발명의 범위를 온전히 나타낼 것이다. 상세한 설명에서, 잘 알려진 구성 및 기술에 대한 상세 설명은 본 실시예들의 취지를 명확하게 하기 위하여 생략된다.
본 명세서에서 사용되는 용어들은 특정 실시예를 기술하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에서, 맥락에서 명백하게 복수로 지칭하지 않는 한 단수형은 복수형도 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 관사 등의 사용은 수량의 제한을 나타내는 것이 아니라 언급된 항목의 하나 이상의 존재를 나타낸다. "제1", "제2" 등의 용어는 특정 순서를 나타내는 것이 아니라 개별 구성요소를 식별하기 위한 것이다. 나아가, "제1", "제2" 등은 중요도의 순서를 나타내는 것도 아니며, 하나의 구성요소를 다른 것으로부터 구분하기 위한 것이다. 또한 "포함한다" 및/또는 "포함하는" 등의 기재가 명세서에 사용될 경우, 기술된 특징, 영역, 정수(integer), 단계, 동작, 소자 및/또는 컴포넌트(component)의 존재를 나타내며 하나 이상의 다른 특징, 영역, 정수, 단계, 동작, 소자, 컴포넌트 및/또는 이들의 그룹의 존재를 배제하지 않는다.
다른 기재가 없을 경우, 본 명세서에서 기술적 및 과학적인 용어를 포함하는 모든 용어는 기술 분야에서 당업자에게 이해되는 통상의 의미를 갖는다. 또한 상기 용어들은 일반적인 사전에 정의된 용어들과 같이 기술 분야 및 본 명세서의 맥락에서 이들의 의미와 상응하는 의미로 해석되며, 명시적으로 그렇게 정의되지 않는 한 이상화되거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 형상, 크기 및 영역 등은 분명한 표시를 위해 과장될 수도 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이며, 도 1b는 도 1a에 도시된 기상 증착 반응기의 저면도이다.
기상 증착 반응기의 몸체(9)는 제1 부분(10), 제2 부분(20) 및 제3 부분(30)을 포함한다. 제1 부분(10), 제2 부분(20) 및 제3 부분(30)에 형성된 오목부(recess) 또는 공간들은 서로 기체 교환이 가능하도록 연결될 수 있다. 기상 증착 반응기는 제1 부분(10)에 반응 물질을 주입하기 위한 하나 이상의 주입부(11)를 포함할 수 있다. 주입부(11)는 반응 물질을 운반하는 채널(12)에 연결될 수 있다.
예컨대, 기상 증착 반응기를 원자층 증착(Atomic Layer Deposition; ALD)에 이용하는 경우 반응 물질은 원료전구체(source precursor) 또는 반응전구체(reactant precursor)일 수 있다. 원료전구체는 기상 증착 반응기에서 최종적으로 형성하고자 하는 박막의 종류에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 원료전구체는 금속, 절연체 또는 반도체 박막을 형성하기 위한 원자를 함유하는 화합물일 수 있으며, 유기화합물 또는 무기화합물이 모두 사용 가능하다. 반응전구체는 원료전구체와의 반응 및/또는 치환에 의하여 금속, 산화물, 질화물, 탄화물 또는 반도체용 재료 등을 형성함으로써 박막을 얻기 위한 물질이다. 예를 들어, 반응전구체는 H2O, H2O2, O2, N2O, NO, O3, O* 라디칼(radical), NH3, NH2-NH2, N* 라디칼, CO, CO2, CH4, C2H6, H2 및 H* 라디칼 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 기판(미도시)이 기상 증착 반응기에 걸쳐 이동하여 제1 부분(10) 내지 제3 부분(30)을 통과함으로써 기판상에 원자층 또는 분자층으로 된 박막이 형성될 수 있다. 예컨대, 기판을 직선 또는 회전 이동 방식으로 기상 증착 반응기의 하부에 인접하여 이동시킴으로써 기판상에 박막을 형성할 수 있다. 다른 실시예에서는, 기판을 고정시키고 기상 증착 반응기를 기판에 대해 이동시키는 것도 가능하다.
제1 부분(10) 및 제2 부분(20)은, 기상 증착 반응기의 몸체(9)의 바닥면에 형성되어 소정의 폭(WE, WC), 높이(H, z) 및 길이(L)를 갖는 사각기둥 형상의 오목부를 포함할 수 있다. 또한, 제3 부분(30)은 소정의 폭(WX) 및 길이(L)를 가지며, 제3 부분(30)의 상부는 배기부(31)가 형성된 배기부(32)와 연결될 수 있다. 기상 증착 반응기의 상기 구조는 단지 예시적이다. 즉, 제1 부분(10) 내지 제3 부분(30)의 형상은 기상 증착 반응기의 목적에 따라 전술한 것과 상이하게 구성할 수도 있다.
여기서 제1 부분(10) 내지 제3 부분(30) 각각의 폭이란, 제1 부분(10) 내지 제3 부분(30)에 형성된 오목부의 기판의 이동 방향과 평행한 방향의 크기를 의미한다. 또한 제1 부분(10) 내지 제3 부분(30) 각각의 길이란, 기판의 이동 방향에 수직한 방향의 제1 부분(10) 내지 제3 부분(30) 각각의 크기를 의미한다. 또한, 제1 부분(10) 및 제2 부분(20) 각각의 높이란 몸체(9)의 하부면과 제1 부분(10) 및 제2 부분(20)의 해당 오목부의 내측 상부면 사이의 거리를 지칭한다.
기판에 형성되는 박막의 특성은, 제1 부분(10)의 폭(WE)과 높이(H), 제2 부분(20)의 폭(WC)과 높이(z), 제3 부분(30)의 폭(WX) 및 기판의 이동 속도 v에 적어도 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 기판의 이동 속도를 v, 제1 부분(10) 내지 제3 부분(30) 중 기판이 통과하는 해당 부분의 폭을 x라고 할 경우, 해당 부분에 대한 기판의 노출 시간 t는 하기 수학식에 의하여 결정된다.
Figure pct00001
제1 부분(10)의 오목부는 주입부(11)를 통해 주입된 반응 물질로 충진될 수 있다. 속도 v로 이동하는 기판이 제1 부분(10)의 하부를 통과하게 되면, 기판은 시간 WE/v 동안 반응 물질에 노출된다. 그 결과, 기판상에 반응 물질의 물리흡착층 및 화학흡착층이 형성될 수 있다. 제1 부분(10)의 폭(WE)이 클수록 제1 부분(10)에 더 많은 양의 반응 물질이 공급되고, 폭(WE)이 작을수록 반응 물질이 흡착될 가능성이 작아지게 된다. 따라서, 기상 증착 반응기의 설계시 반응 물질의 특성에 따라 제1 부분(10)의 폭(WE)을 정할 수 있다. 반응 물질의 증기압이 높을수록 제1 부분(10)의 폭(WE)을 작게 하고/하거나 기판의 이동 속도 v를 빠르게 할 수 있다. 그 결과, 기판이 제1 부분(10)에 머무르는 시간이 적어지게 되므로 기판상에 흡착되는 반응 물질의 양을 조절할 수 있다.
제1 부분(10)의 하부를 통과한 기판은 다음으로 제2 부분(20)의 하부를 통과하게 된다. 제2 부분(20)의 오목부 내의 압력 PC는 제1 부분(10)의 오목부 내의 압력 PE에 비하여 상대적으로 작을 수 있다(PC<PE). 그 결과, 기판이 제2 부분(20)의 하부를 통과하는 시간 WC/v 동안 기판에 흡착되어 있는 반응 물질의 일부가 탈착될 수 있다. 예를 들어, 기판이 제2 부분(20)의 하부를 통과하는 동안 기판 표면으로부터 반응 물질의 물리흡착층이 탈착될 수 있다.
제2 부분(20)의 하부를 통과한 기판은 다음으로 제3 부분(30)의 하부를 통과하게 된다. 기판이 제3 부분(30)의 하부를 통과하는 시간 WX/v 동안, 전술한 제2 부분(20)을 통과하는 과정에서 기판으로부터 탈착된 반응 물질이 배기부(31)를 통하여 외부로 배출될 수 있다. 그 결과, 기판상에서 반응 물질의 물리흡착층은 적어도 부분적으로 제거되며, 반응 물질의 화학흡착층이 남게된다. 일 실시예에서, 제3 부분(30) 내의 압력 PX은 제1 부분 내의 압력 PE에 비하여 상대적으로 작을 수도 있다(PX<PE).
이상과 같이 기판이 기상 증착 반응기의 제1 부분(10) 내지 제3 부분(30)을 통과하는 동안, 일련의 공정이 이루어진다. 일련의 공정 동안, 기판이 원료전구체 및/또는 반응전구체와 같은 반응 물질에 노출되어 반응 물질이 기판 표면에 흡착된다. 다음으로, 반응 물질의 물리흡착층이 기판으로부터 탈착되어 적어도 부분적으로 제거되고, 기판에 반응 물질의 화학흡착층이 형성된다.
하나의 기상 증착 반응기에서 반응 물질로 원료전구체를 사용하여 이상의 공정을 수행하고, 그 후 이어지는 다른 기상 증착 반응기에서 반응 물질로 반응전구체를 사용하여 이상의 공정을 수행할 수 있다. 그 결과, 기판은 원료전구체의 흡착, 물리흡착층의 제거, 반응전구체의 흡착 및 물리흡착층의 제거라는 4 단계를 순차적으로 거치면서 기판상에는 박막이 형성될 수 있다. 생성된 박막은 원자층(atomic layer) 또는 단일 분자층(mono molecule layer)일 수 있으며, 또는 복수 개의 분자층을 포함할 수도 있다. 원료전구체로 충진되는 기상 증착 반응기를 통과하는 기판의 이동 속도는, 반응전구체로 충진되는 기상 증착 반응기를 통과하는 기판의 이동 속도와 동일하거나 또는 상이하게 조절될 수 있다.
기상 증착 반응기의 제1 부분(10)의 오목부에 원료전구체 및 반응전구체를 번갈아 주입함으로써, 하나의 기상 증착 반응기를 이용하여 전술한 과정을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 채널(12)에 ALD 전용 밸브(미도시) 및 그 구동부를 연결하고, 밸브의 개폐에 따라 채널(12)에 원료전구체 및 반응전구체를 번갈아 주입할 수 있다. 또한, 원료전구체 및 반응전구체 각각의 주입 후에 퍼지 기체(purge gas) 로서 불활성 기체가 주입될 수도 있다. 이 경우, 제1 부분(10)을 통과하는 기판은 원료전구체 흡착, 불활성 기체 주입, 반응전구체 흡착 및 불활성 기체 주입의 네 단계를 거치게 되어 기판상에 원자층 박막이 형성될 수 있다. 기판에 흡착된 전구체의 일부 및/또는 불활성 기체는 기판이 제2 부분(20) 및 제3 부분(30)을 통과하는 동안 탈착되어 배기될 수 있다.
하나의 기상 증착 반응기에 원료전구체, 불활성 기체 및 반응전구체가 번갈아 주입되는 경우, 상기 하나의 기상 증착 반응기를 통과하는 기판의 이동 속도는 원료전구체 또는 반응전구체의 어느 하나만이 주입되는 다른 기상 증착 반응기를 통과하는 기판의 이동 속도에 비하여 상대적으로 작을 수 있다. 예컨대, 기판의 이동 속도는 기판이 하나의 제1 부분(10)을 통과하는 동안 원료전구체, 불활성 기체, 반응전구체 및 불활성 기체에 순차적으로 노출될 수 있도록 조절될 수 있다. 이상과 같은 방식으로 ALD를 수행할 경우, 하나의 기상 증착 반응기를 이용하여 원자층 박막을 형성할 수 있으므로 동일한 개수의 기상 증착 반응기를 사용하여 더 많은 수의 원자층 박막을 형성할 수 있다.
한편, 기상 증착 반응기의 하부와 기판 사이는 이격될 수 있다. 예를 들어, 기상 증착 반응기의 하부와 기판은 약 0.5mm 내지 수 mm 정도 이격될 수 있다. 또는, 기상 증착 반응기의 하부와 기판 사이의 간격은 약 1mm일 수도 있다. 기상 증착 반응기의 하부와 기판 사이의 간격이 충분히 작은 경우, 예컨대 약 1mm 이하인 경우 기상 증착 반응기로부터 외부로 반응 물질이 누출되는 양은 무시할 수 있을 정도로 작을 수 있다. 그러나, 반응 물질이 누출되는 양을 최소화하기 위하여 기상 증착 반응기 주위로 불활성 기체를 주입하거나 펌핑(pumping)을 할 수도 있다. 이 경우 불활성 기체는 N2, Ar 및 He 로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 기체를 포함할 수도 있다.
기판상에 흡착된 반응 물질의 효과적인 탈착에는 제1 부분(10) 및 제2 부분(20)의 형태가 영향을 미친다. 반응 물질의 탈착에 관련된 파라미터(parameter)를 도출하기 위하여 다양한 형태의 제1 부분(10) 및 제2 부분(20)을 이용하여 실험이 수행되었다. 예컨대, 약 250℃로 유지되는 기판에 트리메틸알루미늄(trimethylaluminum; TMA)을 1초간 충분히 흡착시킨 후 기상 증착 반응기의 하부로 기판을 통과시켰다. 이때 제1 부분(10)에는 아르곤(Ar) 기체와 같은 불활성 기체를 주입할 수 있다. Ar 기체가 제2 부분(20)의 하부를 통과하면서 압력이 낮아져 기판에 흡착되어 있는 TMA 분자들을 탈착시키고, 탈착된 TMA 분자는 Ar 기체와 함께 제3 부분(30)에서 외부로 배기될 수 있다. 이때 제1 부분(10) 및 제2 부분(20)의 형태를 변화시키면서 탈착을 조사하였다. 또는, 기상 증착 반응기에 의하여 형성된 원자층 박막의 두께를 이용하여 탈착을 조사할 수도 있다.
제1 부분(10)의 높이(H)가 제1 부분(10)의 폭(WE) 보다 큰 기상 증착 반응기를 이용하여, 제1 부분(10)의 폭(WE) 및 제2 부분(20)의 오목부의 높이(z)와 탈착의 상관 관계를 조사한 결과 하기 표 1의 결과를 얻었다. 이때, 제1 부분(10)의 폭(WE) 및 제3 부분(30)의 폭(WX)은 동일하며, 제2 부분(20)의 폭(WC)은 제1 부분(10)의 폭(WE)의 약 1/2인 상태에서 실험을 수행하였다.
항목 0 <z≤WE/3 WE/3<z≤2WE/3 2WE/3<z≤WE
탈착 현상 발생(Yes) 발생(Yes) 미미함(Negligible)
기판상의 물질 화학흡착 분자 화학흡착 분자 +
물리흡착 분자 일부		 화학흡착 분자 +
물리흡착 분자
흡착에 의한
박막의 증착 특성		 화학흡착층에 의한 단일 원자층 박막 형성 화학흡착층과 물리흡착층에 의한 복수의 원자층 박막 형성 불완전한 원자층 박막 형성
또한, 제1 부분(10)의 높이(H)가 제1 부분(10)의 폭(WE) 보다 큰 기상 증착 반응기를 이용하여, 제2 부분(20)의 폭(WC) 및 제2 부분(20)의 높이(z)와 탈착의 상관 관계를 조사한 결과 하기 표 2의 결과를 얻었다. 이때, 제1 부분(10)의 폭(WE) 및 제3 부분(30)의 폭(WX)은 동일하며, 제2 부분(20)의 높이(z)는 제1 부분(10)의 폭(WE)의 약 1/2인 상태에서 실험을 수행하였다.
항목 0<WC≤0.5z 0.5z<WC≤3z WC>3z
탈착 현상 미미함(Negligible) 발생(Yes) 발생(Yes)
기판상의 물질 화학흡착층 +
물리흡착층		 화학흡착층 +
물리흡착층 일부		 화학흡착층
흡착에 의한
박막의 증착 특성		 불완전한 원자층 박막 형성 화학 흡착층과 물리흡착층에 의한 복수의 원자층 박막 형성 화학흡착층에 의한 단일 원자층 박막 형성
반면, 제1 부분(10)의 높이(H)가 제1 부분(10)의 폭(WE) 보다 작은 기상 증착 반응기를 이용하여, 제1 부분(10)의 높이(H) 및 제2 부분(20)의 높이(z)와 탈착의 상관 관계를 조사한 결과 하기 표 3의 결과를 얻었다. 이때, 제2 부분(20)의 폭(WC)은 제3 부분(30)의 폭(WX)의 약 1/2인 상태에서 실험을 수행하였다.
항목 0<z≤H/3 H/3<z≤2H/3 2H/3<z≤H
탈착 현상 발생(Yes) 발생(Yes) 미미함(Negligible)
기판상의 물질 화학흡착층 화학흡착층 +
물리흡착층 일부		 화학흡착층 +
물리흡착층
흡착에 의한
박막의 증착 특성		 화학흡착층에 의한 단일 원자층 박막 형성 화학 흡착층과 물리흡착층에 의한 복수의 원자층 박막 형성 불완전한 원자층 박막 형성
상기 표 1 내지 표 3에서, 제2 부분(20)의 높이(z)가 0인 경우에는 반응 물질이 기상 증착 반응기의 주위로 누출되어 확산되기 때문에 제2 부분(20)에 의한 탈착을 얻을 수 없으며, 따라서 제2 부분(20)의 높이(z)가 0인 경우의 결과는 표 1 내지 표 3에 표시하지 않았다.
상기 표 1 내지 표 3의 결과에서 알 수 있듯이, 제2 부분(20)의 높이(z)가 작을수록 탈착 효과가 크며, 또한 제2 부분(20)의 높이(z)가 동일할 때 제2 부분(20)의 폭(WC)이 넓을수록 탈착 효과가 커짐을 알 수 있다. 일 실시예에서 제2 부분(20)의 폭(WC)은 제2 부분(20)의 높이(z)의 약 1/2 보다 클 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 부분(20)의 높이(z)는 0보다 크며 제1 부분(10)의 폭(WE)의 2/3 이하일 수 있다. 또는, 제2 부분(20)의 높이(z)는 0보다 크며 제1 부분(10)의 높이(H)의 2/3 이하일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제2 부분(20)의 높이(z)는 제3 부분(30)의 폭(WX) 이하일 수 있다.
도 1c는 이상에서 설명한 기상 증착 반응기의 제1 부분(10)의 횡단면도이며, 도 1d는 기상 증착 반응기의 제2 부분(20)의 횡단면도이고, 도 1e는 제3 부분(30)의 횡단면도이다.
도 1e를 참조하면, 기판이 제3 부분(30)을 통과하는 동안 컨덕턴스(conductance)가 최대한 크도록 하기 위하여 제3 부분(30)에서 배기부(31)로 연결되는 곡면이 복수 개의 부분(301, 302, 303)에서 서로 상이한 곡률을 갖도록 구성할 수 있다. 예컨대, 일 부분(301)에서는 곡률이 음(-)의 값을 가지며, 즉, 상기 부분(301)은 제3 부분(30) 바깥을 향해 오목한 형태가 된다. 한편, 다른 부분(303)에서는 곡률이 양(+)의 값을 가지며, 즉, 상기 부분(303)은 제3 부분(30) 내로 볼록한 형태가 된다. 나머지 한 부분(302)은 전술한 두 부분(301, 303) 사이의 변곡점에 대응된다.
도 2a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기에서 제2 부분(20)을 도시한 부분 단면도이다. 기상 증착 반응기의 몸체(209)의 하부에 제1 부분(10), 제2 부분(20) 및 제3 부분(30)이 제공된다. 제2 부분(20)은 제1 부분(10) 및 제3 부분(30) 사이에 위치한다. 제2 부분(20)은 소정의 폭(WC)을 가지며 기판(40)으로부터 소정의 거리(z)에 위치하는 격벽(partition)(200)에 의하여 정의되는 오목부를 갖는다. 제2 부분(20) 내의 압력 P2은 제1 부분(10) 내의 압력 P1에 비하여 작으며, 그 결과 기판(40)이 제2 부분(20)을 지나는 동안 낮은 압력으로 인하여 기판(40)상에 흡착된 반응 물질의 물리흡착층이 기판(40)으로부터 탈착될 수 있다.
도 2a에 도시된 제2 부분(20)에서, 격벽(200)의 표면은 기판(40)의 표면과 평행하게 형성된다. 그러나, 다른 실시예에서 격벽(200)의 표면은 기판(40)의 표면에 대해 다양한 높이를 갖는 곡면 형상을 갖도록 형성될 수도 있다. 예컨대, 도 2b는 기판(40)을 향하여 볼록한 표면을 갖는 격벽(200)에 의해 정의되는 제2 부분(20)을 도시한다. 도 2b에 도시된 격벽(200)은 중심을 기준으로 좌우 대칭적인 하부면을 갖는다. 그러나, 다른 실시예에서 격벽(200)의 하부면은 비대칭적으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도 2c는 제1 부분(10)과 인접한 영역에서 상대적으로 큰 높이 구배를 갖는 표면을 갖는 격벽(200)에 의해 정의되는 제2 부분(20)을 나타낸다. 반대로, 도 2d는 제3 부분(30)과 인접한 영역에서 상대적으로 큰 높이 구배를 갖는 표면을 갖는 격벽(200)에 의해 정의되는 제2 부분(20)을 나타낸다.
한편, 복수 개의 기판이 로드(load)되어 회전되면서 증착되는 회전형 기상 증착 반응기의 경우, 회전 반경에 따라 각속도가 상이하게 된다. 예컨대 기판이 회전 테이블상에 로드되고 테이블이 작동되는 경우, 회전 테이블의 바깥쪽의 각속도가 회전 테이블의 안쪽의 각속도보다 크다. 이 경우, 회전 테이블의 바깥쪽에 위치하는 기판의 부분이 기상 증착 반응기에 의한 공정을 거치는 시간은 회전 테이블의 안쪽에 위치하는 기판의 다른 부분이 기상 증착 반응기에 의한 공정을 거치는 시간과 상이하므로, 양 부분에서 반응 물질의 탈착률은 상이한 결과가 된다.
도 3은 기판이 기상 증착 반응기를 통과하는 속도가 영역별로 상이한 경우 사용될 수 있는 기상 증착 반응기의 저면도이다. 또한, 도 4a는 도 3의 A-A'를 잇는 직선을 따른 제2 부분의 단면도이며, 도 4b는 도 3의 B-B'를 잇는 직선을 따른 제2 부분의 단면도이고, 도 4c는 도 3의 C- C'를 잇는 직선을 따른 제2 부분의 단면도이다.
도 4a 내지 4c를 참조하면, 기상 증착 반응기의 A-A' 부분에서 제2 부분(20)의 오목부의 높이(Z1)에 비해 기상 증착 반응기의 C-C' 부분에서 제2 부분(20)의 오목부의 높이(Z3)가 작을 수 있다(Z1>Z3). 기상 증착 반응기의 B-B' 부분에서 제2 부분(20)의 높이(Z2)는 전술한 기상 증착 반응기의 양 끝 부분에서 제2 부분(20)의 높이(Z1, Z3) 사이의 값을 가질 수 있다(Z1>Z2>Z3). 제2 부분(20)의 높이가 작아질수록 제2 부분(20) 내의 압력이 감소하며, 따라서 해당 공간을 통과하는 기판에서 반응 물질의 탈착률이 증가하게 된다. 그러므로, 빠르게 움직이는 부분은 기상 증착 반응기의 C-C' 부분을 통과시키고, 느리게 움직이는 부분은 기상 증착 반응기의 A-A' 부분을 통과시킴으로써, 기판의 전 영역에 걸쳐 탈착률을 균일하도록 할 수 있다.
도 5는 기판이 기상 증착 반응기를 통과하는 속도가 영역별로 상이한 경우 사용될 수 있는 또 다른 기상 증착 반응기의 저면도이다. 또한, 도 6a는 도 5의 A-A'를 잇는 직선을 따른 제2 부분의 단면도이며, 도 6b는 도 5의 B-B'를 잇는 직선을 따른 제2 부분의 단면도이고, 도 6c는 도 5의 C- C'를 잇는 직선을 따른 제2 부분의 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 기상 증착 반응기의 A-A' 부분에서 격벽(200)의 표면은 기판(40)과 평행할 수 있다. 이 경우, 격벽(200)의 폭 전체가 A-A' 부분의 제2 부분(20)의 유효 폭(Weff1)이 된다. 도 6b를 참조하면, 기상 증착 반응기의 B-B' 부분에서 격벽(200)의 표면은 기판(40)에 대해 구배를 가질 수 있다. 이 경우, B-B' 부분에서 제2 부분(20)의 유효 폭(Weff2)은, 격벽(200)의 표면이 기판(40)과 평행한 영역으로 제한되며, 따라서 A-A' 부분의 제2 부분(20)의 유효 폭(Weff1)에 비해 작아지게 된다(Weff1>Weff2). 도 6c를 참조하면, 기상 증착 반응기의 C-C' 부분에서는 격벽(200)의 구배가 더 증가함에 따라, C-C' 부분에서 제2 부분(20)의 유효 폭(Weff3)은 B-B' 부분에서의 제2 부분(20)의 유효 폭(Weff2) 보다 더 작아지게 된다(Weff2>Weff3).
한편, 도 7a 내지 7c는 또 다른 실시예에서 기상 증착 반응기에서 제2 부분의 단면도들이다. 도 7a 내지 7c를 참조하면, 상기 실시예에 따른 기상 증착 반응기는 도 4a 내지 4c에 도시된 구조와 도 6a 내지 6c에 도시된 구조를 조합한 구성을 가질 수도 있다. 즉, 기상 증착 반응기의 한쪽 끝 부분으로부터 다른 쪽 끝 부분으로 갈수록 제2 부분(20)의 높이는 점차적으로 감소할 수 있다(Z1>Z2>Z3). 또한, 기판(40)이 상기 한쪽 끝 부분으로부터 상기 다른 쪽 끝 부분으로 갈수록 격벽(200)의 구배가 증가하여, 제2 부분(20)의 유효 폭이 점차적으로 감소할 수 있다(Weff1>Weff2>Weff3).
한편, 반응 물질의 종류와 특성에 따라 기상 증착 반응기의 형태가 수정될 수 있다. 특히, 제2 부분의 형태에 따라 흡착 및 탈착 특성이 상이하게 되므로, 사용되는 반응 물질에 따라 제2 부분의 형태를 최적화할 수 있다. 예를 들어, 증기 압력(vapor pressure)이 낮거나/낮고 점성(viscosity)이 높은 전구체를 반응 물질로 사용할 경우의 경우 탈착률이 상대적으로 높은 구조가 필요하며, 증기 압력이 높거나/높고 점성이 낮은 전구체를 반응 물질로 사용할 경우 탈착률이 상대적으로 낮은 구조가 필요하다. 하나의 기상 증착 반응기에 의해 상이한 반응 물질들을 이용하기 위해서는, 제2 부분의 특성을 가변시킬 수 있다.
도 8a는 제2 부분의 특성을 가변시킬 수 있도록 구성된 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 저면도이다. 상기 실시예에 따른 기상 증착 반응기는 제2 부분을 정의하는 격벽(200) 및 상기 격벽(200)의 적어도 일부 영역을 형성하는 가변 구동부(adjustable wing)(210)를 포함할 수 있다.
도 8b는 도 8a의 기상 증착 반응기에서 제2 부분을 나타내는 단면도이며, 도 8c는 도 8a의 기상 증착 반응기에서 가변 구동부(210)가 구동 위치로 이동하였을 경우 제2 부분을 나타내는 단면도이다. 가변 구동부(210)가 도 8b에 도시된 초기 위치로부터 도 8c에 도시된 구동 위치로 이동하게 되면, 초기의 높이(Z0)에 비하여 유효 높이(Zeff)가 감소하게 된다. 가변 구동부(210)로 인하여 제2 부분(20)을 통과하는 기체의 경로도 길어지기 때문에, 가변 구동부(210)에 인접한 영역(25) 내의 압력은 더욱 감소한다. 따라서, 동일한 배기 능력을 갖는 기상 증착 반응기를 사용하더라도 가변 구동부(210)에 의하여 반응 물질의 탈착률을 변화시킬 수 있어 박막의 증착 특성을 변화시킬 수 있다. 또한, 점성이나 증기 압력 등의 화학적 성질이 상이한 반응 물질들을 동일한 기상 증착 반응기에 의해 사용할 수도 있다.
한편 도 8c에 도시된 것과 같이 가변 구동부(210)가 구동 위치에 있을 경우, 기판(40)으로부터 탈착된 반응 물질이 격벽(200)과 가변 구동부(210) 사이의 틈새로 들어갈 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 격벽(200)과 가변 구동부(210)의 사이에 불활성 기체를 커튼 기체(curtain gas)로서 주입할 수 있다.
도 9a는 격벽과 가변 구동부 사이에 커튼 기체의 주입부를 포함하는 기상 증착 반응기의 단면이며, 도 9b는 도 9a의 기상 증착 반응기에서 가변 구동부(210)가 구동 위치로 이동하였을 경우의 단면도이다. 격벽(200)에서 가변 구동부(210)의 상부 영역에 채널(22) 및 하나 이상의 주입부(21)를 형성할 수 있다. 주입부(21)를 통해서는 불활성 기체를 커튼 기체로서 주입할 수 있다. 예컨대, 불활성 기체는 N2, Ar 및 He 로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 불활성 기체는 제2 부분(20) 내의 압력보다 높은 압력으로 주입되어, 기판(40)으로부터 탈착된 물질이 격벽(200)과 가변 구동부(210) 사이로 들어가는 것을 방지할 수 있다.
도 8 및 9를 참조하여 전술한 실시예에서, 가변 구동부(210)는 격벽(200) 내에 삽입되어 제2 부분(20)의 일부 영역의 형태를 변화시키도록 구성되었다. 그러나, 다른 실시예에서 가변 구동부는 기판(40) 진행 방향을 따라 격벽(200)의 위치를 이동시킬 수도 있다. 격벽(200)의 위치가 변화하면, 제1 부분(10)의 폭(WE)과 제2 부분(20)의 폭(WC)의 비율(WE/WC)이 변화되어 기판(40)상에 흡착되는 반응 물질의 양이 변하게 된다. 예를 들어, 격벽(200)이 초기 위치에 비해 제1 부분(10) 방향으로 이동하면 제1 부분(10)에서 반응 물질의 흡착량이 감소할 수 있다. 반면, 격벽(200)이 초기 위치에 비해 제2 부분(20) 방향으로 이동하면, 제1 부분(10)에서 반응 물질의 흡착량이 증가할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 가변 구동부는 격벽(200)과 기판(40) 사이의 거리(z), 즉, 제2 부분(20)의 높이(z)를 변화시킬 수도 있다. 격벽(200)과 기판(40) 사이의 거리가 감소하면, 제2 부분(20)의 높이(z)가 감소하면서 제2 부분(20) 내의 압력이 낮아지게 되어 기판(40)으로부터 반응 물질의 탈착률이 증가할 수 있다. 반면, 격벽(200)과 기판(40) 사이의 거리가 증가하면, 제2 부분(20)의 높이(z)가 증가하면서 제2 부분(20) 내의 압력이 높아지게 되어 기판(40)으로부터 반응 물질의 탈착률이 감소할 수 있다.
이상의 실시예들에 따르면, 가변 구동부를 이용함으로써 동일한 크기를 갖는 기상 증착 반응기에 의해 점성이 상이한 반응 물질들을 사용할 수 있다. 또한, 기상 증착 반응기를 이용한 원자층 박막의 증착 특성 및/또는 흡착된 분자의 탈착률을 변화시킬 수 있다.
도 10a는 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이며, 도 10b는 도 10a의 기상 증착 반응기의 저면도이다. 기상 증착 반응기는 몸체(309)를 포함한다. 반응 물질을 주입하기 위한 하나 이상의 제1 주입부(11) 및 불활성 기체를 주입하기 위한 하나 이상의 제2 주입부(13)가 몸체(309)에 형성된다. 제1 주입부(11)는 반응 물질의 운반을 위한 제1 채널(12)에 연결될 수 있으며, 제2 주입부(13)는 불활성 기체의 운반을 위한 제2 채널(14)에 연결될 수 있다. 또한 제1 채널(12)은 외부로부터 반응 물질이 주입되는 전송관(120)에 연결될 수 있으며, 제2 채널(14)은 외부로부터 반응 물질이 주입되는 전송관(140)에 연결될 수 있다. 제1 주입부(11) 및 제2 주입부(13)는 제1 부분(10)에 제공되어, 제1 부분(10)의 오목부를 반응 물질 및 불활성 기체를 충진시킨다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 제2 주입부(13)는 제1 주입부(11)와 비교하여 상대적으로 기판으로부터 먼 위치, 즉, 높은 높이를 갖도록 형성되나, 이는 예시적인 것이다. 다른 실시예에서는, 도 11에 도시된 것과 같이 기상 증착 반응기는 제2 주입부(13)가 제1 주입부(11)에 비해 상대적으로 기판으로부터 가까운 위치에 형성된 제1 주입부(11) 및 제2 주입부(13)를 갖는 몸체(409)를 포함한다. 또는, 도 12에 도시되는 것과 같이 제1 주입부(11) 및 제2 주입부(13)가 기판으로부터 실질적으로 동일한 거리에 형성될 수도 있다.
이상의 기상 증착 반응기를 이용하면, 제1 부분(10)의 오목부 내로 원료전구체 또는 반응전구체뿐만 아니라 불활성 기체를 함께 주입할 수 있다. 불활성 기체는 기판이 제2 부분(20)을 통과하는 동안 기판에 흡착되어 있는 반응 물질을 퍼지(purge)하는 역할을 하며, 따라서 원료전구체 또는 반응전구체만을 사용하는 경우에 비하여 기판상에 남아있는 물리흡착층이 더 적게 된다. 그러므로 상기 기상 증착 반응기는 단일 원자층(atomic mono-layer)의 형성에 유리한 이점이 있다.
도 13a는 반응 물질과 함께 불활성 기체를 주입하기 위한 몸체(609)를 갖는 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이며, 도 13b는 도 13a에 도시된 기상 증착 반응기의 저면도이다. 하나 이상의 제1 주입부(11) 및 하나 이상의 제2 주입부(13)는 기판의 이동 방향에 대해 수직한 하나의 선상에 서로 교번하여 배열될 수 있다.
도 14는 반응 물질과 함께 불활성 기체를 주입하기 위한 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기의 단면도이다. 도 14를 참조하면, 상기 기상 증착 반응기는 단지 한 종류의 주입부(11) 및 채널(12)이 형성된 몸체(709)를 포함할 수 있다. 그러나, 상기 채널(12)에 연결되어 물질이 주입되는 전송관(120)은 밸브(V3)에 의하여 서로 상이한 두 개의 전송관(121, 122)으로 나누어질 수 있다. 또한 각각의 전송관(121, 122) 내의 물질의 흐름은 밸브(V1, V2)에 의하여 조절될 수 있다.
상기 기상 증착 반응기를 이용하면, 밸브(V1 내지 V3)를 개폐시킴으로써 한 종류의 주입부(11) 및 채널(12)을 통해 서로 상이한 두 종류의 물질, 예컨대 반응 물질 및 불활성 기체를 제1 부분(10)에 주입할 수 있다. 이 경우 밸브(V1 및 V2)를 동시에 개폐시켜 제1 부분(10)의 오목부 내로 반응 물질과 불활성 기체를 동시에 주입할 수 있으며, 또는 밸브(V1 및 V2)를 번갈아 개폐시켜 제1 부분(10)의 오목부 내로 반응 물질과 불활성 기체를 서로 분리하여 주입할 수도 있다. 한편, 하나의 기상 증착 반응기에 복수 개의 제1 부분을 배치함으로써 하나의 기상 증착 반응기에서 원료전구체 및 반응전구체를 모두 기판에 주입하도록 구성하는 것도 가능하다. 도 15a는 또 다른 실시예에 따라 복수 개의 제1 부분을 갖는 몸체(809)를 포함하는 기상 증착 반응기의 단면도이며, 도 15b는 도 15a의 기상 증착 반응기의 저면도이다.
도 15a 및 15b를 참조하면, 기상 증착 반응기의 몸체(809)는 두 개의 제1 부분(10, 10'), 두 개의 제2 부분(20, 20') 및 제3 부분(30)을 포함할 수 있다. 두 개의 제2 부분(20, 20')은 제3 부분(30)의 양 측면에 각각 배열될 수 있다. 또한 두 개의 제1 부분(10, 10')은 제2 부분(20, 20')의 바깥쪽으로 양 측면에 각각 배열될 수 있다. 즉, 기상 증착 반응기는 제1 부분(10), 제2 부분(20), 제3 부분(30), 제2 부분(20') 및 제1 부분(10')이 순차적으로 배열되어 구성된다. 또한, 제3 부분(30)은 제3 부분(30)의 상이한 측면에 위치하는 제2 부분(20, 20') 및 제1 부분(10, 10')들에 의하여 공유된다.
각각의 제1 부분(10, 10')에는 제1 주입부(11, 11')가 형성될 수 있다. 제1 주입부(11, 11')는 각각의 채널(12, 12')에 연결될 수 있다. 제1 주입부(11, 11')를 통해 제1 부분(10, 10')에 반응 물질이 주입될 수 있다. 기상 증착 반응기 내에 제1 부분(10, 10')이 두 개 위치하는 기상 증착 반응기를 이용함으로써, 기판이 하나의 기상 증착 반응기를 통과하는 동안 기판상에 반응 물질이 2회 흡착될 수 있다.
일 예로, 첫 번째 제1 부분(10)에는 원료전구체를 주입하고, 두 번째 제1 부분(10')에는 반응전구체를 주입할 수 있다. 상기 기상 증착 반응기를 통과하는 기판은 첫 번째 제1 부분(10)을 통과하는 동안 기판상에 원료전구체가 흡착되고, 제2 부분(20), 제3 부분(30) 및 제2 부분(20')을 통과하는 동안 원료전구체의 물리흡착층이 탈착 및 배기되며, 제1 부분(10')을 통과하는 동안 반응전구체가 기판상의 원료전구체와 반응 및/또는 치환하여 원자층 박막을 형성할 수 있다. 이상에서는 원자층 박막의 형성을 예로 들었으나, 상기 기상 증착 반응기를 이용하여 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 수행하는 것도 물론 가능하다.
또한, 각각의 제1 부분(10, 10')에는 제2 주입부(13, 13')가 더 형성될 수도 있다. 제2 주입부(13, 13')는 각각의 채널(14, 14')에 연결될 수 있다. 제2 주입부(13, 13')를 통해 제1 부분(10, 10')에 불활성 기체가 주입될 수 있다. 원료전구체 또는 반응전구체와 함께 불활성 기체가 주입되는 경우, 불활성 기체는 기판이 제2 부분(20, 20') 및 제3 부분(30)을 통과하는 동안 기판에 흡착되어 있는 물리흡착층을 퍼지(purge)하는 역할을 하여 탈착이 더 효과적이 된다. 따라서, 원료전구체 또는 반응전구체만을 주입하는 경우에 비해 기판상의 물리 흡착층이 적게 되어 단일 원자층(atomic mono-layer)의 형성에 유리한 이점이 있다.
한편 상기 기상 증착 반응기를 통과한 기판에는, 원자층 박막이 형성된 후에 물리흡착된 반응전구체가 남게 된다. 그 후 기판을 또 다른 기상 증착 반응기에 통과시키면, 기판상에 물리흡착되어 있던 반응전구체와 새로운 기상 증착 반응기에서 주입된 원료전구체가 반응 및/또는 치환하여 박막을 형성하기 때문에 증착 속도가 빨라진다. 이를 소위 가원자층증착 모드(pseudo-ALD mode)라고 지칭한다.
한편, 또 다른 예로, 첫 번째 제1 부분(10)의 오목부 내로 반응 물질로서 원료전구체(또는 반응전구체)를 주입하고, 제1 부분(10')의 오목부 내에는 반응 물질 없이 불활성 기체만을 주입할 수도 있다. 이 경우 기판이 제1 부분(10)을 통과하면서 기판상에 반응 물질이 흡착되고, 기판이 제2 부분(20), 제3 부분(30) 및 제2 부분(20')을 통과하면서 반응 물질의 탈착 및 배기가 일어난다. 제1 부분(10')에 주입되는 불활성 기체에 의해 탈착이 가중되어 우수한 품질의 흡착층을 얻을 수 있다. 원자층 박막을 형성하고자 할 때에는 반응전구체(또는 원료전구체)의 흡착을 위해 추가적인 기상 증착 반응기가 필요하나, 특성이 우수한 원자층 박막이 형성되는 이점이 있다.
도 15a 및 15b에 도시된 기상 증착 반응기는, 도 10a 및 10b에 도시된 기상 증착 반응기의 형태를 기본으로 하여 두 개의 반응기가 제3 부분을 공유하며 서로 마주보도록 대칭적으로 배열되어 구성되었다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 기상 증착 반응기는 도 1 내지 도 14를 참조하여 전술한 다른 실시예들에 따른 기상 증착 반응기의 형태를 기본으로 하여 두 개의 기상 증착 반응기를 배열하여 구성될 수도 있다.
도 16a는 일 실시예에 따른 박막 형성 방법을 도시한 순서도이다. 기상 증착 반응기의 제1 부분에 반응 물질이 주입된다(S11). 예를 들어 상기 반응 물질은 원료전구체 및/또는 반응전구체일 수 있다. 일 실시예에서는, 상기 단계(S11)에서 제1 부분에 반응 물질과 함께 불활성 기체를 주입할 수도 있다.
다음으로, 기판을 제1 부분에 대해 상대적으로 이동시켜 기판 표면에 반응 물질을 흡착시킨다(S12). 이때 기판상에는 반응 물질의 화학흡착층 및 물리흡착층이 형성된다. 기판과 제1 부분의 상대적인 이동은, 기상 증착 반응기를 고정한 채로 기판을 기상 증착 반응기와 인접하여 이동시킴으로써 수행될 수 있다. 또는, 기판을 고정한 채로 기상 증착 반응기를 이동시키는 것도 가능하다.
다음으로, 기판을 제2 부분에 대해 이동시켜 기판상의 반응 물질의 물리흡착층을 탈착시킨다(S13). 이를 위하여, 제2 부분 내의 압력은 제1 부분 내의 압력에 비해 작을 수 있다. 또한 이때 제2 부분의 위치, 폭, 높이 및/또는 제2 부분 내의 가변 구동부의 위치를 조절하여 물리흡착층의 탈착량을 조절할 수도 있다. 기판상의 물리흡착층을 전부 제거할 수도 있으나, 또는 물리흡착층의 일부를 남겨두어 증착 속도를 증가시킬 수도 있다.
다음으로, 기판을 제3 부분에 대해 이동시켜, 탈착된 반응 물질을 배기부를 통해 외부로 배출한다(S14). 그 결과, 기판상에 물리흡착된 반응 물질은 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 이상의 과정에 의하여, 기판상에 반응 물질의 화학흡착층을 포함하는 박막을 형성할 수 있다.
전술한 과정(S11 내지 S14)을 반응 물질을 변화시켜가면서 반복적으로 수행할 경우, 예컨대, 상기 단계(S11)에서 반응 물질로서 원료전구체와 반응전구체를 번갈아 사용하면서 전술한 과정(S11 내지 S14)을 반복적으로 수행하여 기판상에 원자층 박막을 형성할 수 있다. 또는, 하나의 단계(S11)에서 제1 부분에 반응 물질로서 원료전구체 및 반응전구체를 번갈아 주입함으로써, 전술한 과정(S11 내지 S14)을 한 번 수행하는 동안 기판상에 원자층 박막을 형성할 수도 있다. 이 경우 원료전구체 및 반응전구체의 주입 후에 퍼지 기체로서 불활성 기체가 주입될 수도 있다.
도 16b는 또 다른 실시예에 따른 박막 형성 방법을 도시한 순서도이다. 도 16b의 박막 형성 방법은 두 개의 기상 증착 반응기를 이용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 상기 박막 형성 방법은 도 1 내지 14를 참조하여 전술한 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 두 개 이용하여 수행될 수 있다.
도 16b를 참조하면, 먼저 제1 반응기의 제1 부분에 원료전구체 및 불활성 기체를 주입하고, 기판을 제1 반응기의 제1 부분에 대해 상대적으로 이동시킨다(S21). 그 결과 기판 표면에 원료전구체가 흡착될 수 있다. 한편, 다른 실시예에서는, 상기 단계(S21)에서 불활성 기체 없이 원료전구체만을 주입할 수도 있다.
기판을 제1 반응기의 제2 부분에 대해 이동시킨다(S22). 이때 제2 부분 내의 압력은 제1 부분 내의 압력보다 낮을 수 있다. 또한, 기판을 제1 반응기의 제3 부분에 대해 이동시킨다(S23). 기판이 제2 부분 및 제3 부분을 통과하는 동안, 기판상에 흡착된 원료전구체의 물리흡착층이 적어도 부분적으로 탈착되어 제1 반응기의 외부로 배기된다.
제2 반응기의 제1 부분에 반응전구체 및 불활성 기체를 주입하고, 기판을 제2 반응기의 제1 부분에 대해 상대적으로 이동시킨다(S24). 그 결과 기판 표면에 반응전구체가 흡착되며, 제1 반응기에서 흡착된 원료전구체와 반응전구체가 반응하여 원자층 박막이 형성된다. 한편, 다른 실시예에서는, 상기 단계(S24)에서 불활성 기체 없이 반응전구체만을 주입할 수도 있다.
기판을 제2 반응기의 제2 반응기의 제2 부분에 대해 이동시킨다(S25). 이때 제2 부분 내의 압력은 제1 부분 내의 압력보다 낮을 수 있다. 또한, 기판을 제2 반응기의 제3 부분에 대해 이동시킨다(S26). 기판이 제2 부분 및 제3 부분을 통과하는 동안, 반응전구체의 일부가 기판으로부터 탈착되어 외부로 배기될 수 있다.
이상의 단계(S21 내지 S26)를 최종 두께의 원자층 박막이 형성될 때까지 수행함으로써(S27) 원하는 두께의 원자층 박막을 얻을 수 있다.
도 16c는 또 다른 실시예에 따른 박막 형성 방법을 도시한 순서도이다. 도 16c의 박막 형성 방법은 두 개의 제1 부분을 포함하는 기상 증착 반응기를 이용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 상기 박막 형성 방법은 도 15a 및 15b를 참조하여 전술한 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 이용하여 수행될 수도 있다.
도 16c를 참조하면, 먼저 기상 증착 반응기의 첫 번째 제1 부분에 원료전구체 및 불활성 기체를 주입하고, 기판을 상기 첫 번째 제1 부분에 대해 이동시킨다(S31). 그 결과 기판 표면에 원료전구체가 흡착될 수 있다. 한편, 다른 실시예에서는, 상기 단계(S31)에서 불활성 기체 없이 원료전구체만을 주입할 수도 있다.
기판을 첫 번째의 제2 부분에 대해 이동시킨다(S32). 이때 제2 부분 내의 압력은 제1 부분 내의 압력보다 낮을 수 있다. 또한, 기판을 제3 부분에 대해 이동시킨다(S33). 또한, 기판을 두 번째의 제2 부분에 대해 이동시킨다(S34). 기판이 두 개의 제2 부분 및 제3 부분을 통과하는 동안, 기판상에 흡착된 원료전구체의 물리흡착층이 적어도 부분적으로 탈착되어 외부로 배기된다.
기상 증착 반응기의 두 번째 제1 부분에 반응전구체 및 불활성 기체를 주입하고, 기판을 상기 두 번째 제1 부분에 대해 상대적으로 이동시킨다(S35). 그 결과, 기판 표면에 반응전구체가 흡착되며, 첫 번째 제1 부분을 통과하는 과정에서 흡착된 원료전구체와 반응전구체가 반응하여 기판상에 원자층 박막이 형성된다. 한편, 다른 실시예에서는, 상기 단계(S35)에서 불활성 기체 없이 반응전구체만을 주입할 수도 있다.
이상의 단계(S31 내지 S35)를 최종 두께의 원자층 박막이 형성될 때까지 수행함으로써(S36) 원하는 두께의 원자층 박막을 얻을 수 있다.
도 17a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 원자층 증착 설비에 적용한 예를 도시한 단면도이다. 상기 원자층 증착 설비는 각각 제1 부분(10), 제2 부분(20) 및 제3 부분(30)을 갖는 하나 이상의 기상 증착 반응기(1, 2)가 챔버(5) 내에 배치되어 구성될 수 있다. 기판(40)은 서셉터(susceptor)(400)에 의하여 지지되며, 기상 증착 반응기의 하부를 통과하도록 이동된다. 챔버(5) 내부는 펌프 등을 이용하여 진공이 되도록 조절될 수 있다. 챔버(5) 내에는 기판(40)과 인접한 영역을 제외하고 충진재(50)로 채워질 수 있다. 상기 충진재(50)는 챔버(5)의 외벽과 동일한 물질로 이루어질 수도 있다.
상기 원자층 증착 설비에서, 제1 기상 증착 반응기(1)의 제1 부분(10)에는 원료전구체 및 불활성 기체가 충진될 수 있다. 또한, 제2 기상 증착 반응기(2)의 제1 부분(10)에는 반응전구체 및 불활성 기체가 충진될 수 있다. 기판(40)이 제1 기상 증착 반응기(1)의 제1 부분(10)을 통과함에 따라 기판상에는 원료전구체가 흡착될 수 있다. 다음으로, 기판(40)이 제1 기상 증착 반응기(1)의 제2 부분(20) 및 제3 부분(30)을 통과함에 따라 압력이 낮아져 기판(40)상에 흡착되어 있던 원료전구체의 물리흡착층이 기판으로부터 탈착되어 제1 기상 증착 반응기(1)의 외부로 배기된다.
다음으로, 기판(40)이 제2 기상 증착 반응기(2)의 제1 부분(10)을 통과함에 따라 기판(40)상에 반응전구체가 흡착될 수 있다. 반응전구체는 기판(40)에 흡착되어 있던 원료전구체와 반응하여 원자층 박막을 형성한다. 다음으로, 기판(40)이 제2 기상 증착 반응기(2)의 제2 부분(20) 및 제3 부분(30)을 통과함에 따라 반응전구체가 적어도 부분적으로 기판(40)으로부터 탈착되어 제2 기상 증착 반응기(2)의 외부로 배기된다. 이때 원료전구체 및 반응전구체는 각각 제1 기상 증착 반응기(1) 및 제2 기상 증착 반응기(2)에서 주입 및 배기되므로, 원료전구체 및 반응전구체가 만나지 않는다. 따라서, 배기관에 파우더(powder)나 검(gum) 등의 반응부산물 또는 반응생성물이 생성되는 것을 최소화할 수 있다.
도 17b는 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 원자층 증착 설비에 적용한 예를 도시한 단면도이다. 상기 기상 증착 반응기는 도 17a에 도시된 기상 증착 반응기와 유사하되, 제1 기상 증착 반응기(1) 및 제2 기상 증착 반응기(2)가 충진재(50)에 의해 소정의 간격만큼 이격되도록 하였다. 따라서, 제1 기상 증착 반응기(1)에 주입되는 원료전구체와 제2 기상 증착 반응기(2)에 주입되는 반응전구체가 섞이는 것을 최소화할 수 있다. 이때, 제1 기상 증착 반응기(1) 및 제2 기상 증착 반응기(2) 사이의 간격은, 제1 및 제2 기상 증착 반응기(1, 2)와 기판(40) 사이의 간격, 챔버(5)의 펌핑을 위한 펌프(미도시)의 성능, 및/또는 원료전구체와 반응전구체의 특성 등에 기초하여 적절히 결정될 수 있다.
도 17c는 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 원자층 증착 설비에 적용한 예를 도시한 단면도이다. 도 17c를 참조하면, 상기 기상 증착 반응기는 도 17b에 도시된 기상 증착 반응기와 유사하되, 제1 기상 증착 반응기(1) 및 제2 기상 증착 반응기(2) 사이의 충진재(50)에 하나 이상의 주입부(51) 및 상기 주입부(51)에 연결된 채널(52)을 형성하였다. 상기 채널(52) 및 주입부(51)를 통해서 불활성 기체가 주입될 수 있다. 불활성 기체로 인하여, 제1 기상 증착 반응기(1)와 제2 기상 증착 반응기(2) 사이에 기체가 섞일 가능성을 더욱 줄일 수 있다.
도 17d는 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 원자층 증착 설비에 적용한 예를 도시한 단면도이다. 도 17d를 참조하면, 상기 기상 증착 반응기는 도 17c에 도시된 기상 증착 반응기와 유사하되, 제1 기상 증착 반응기(1)와 제2 기상 증착 반응기(2)의 사이뿐만 아니라 제1 및 제2 기상 증착 반응기(1, 2)의 바깥쪽으로도 불활성 기체를 주입하기 위한 주입부(51) 및 채널(52)을 형성하였다.
도 17c 및 17d에 도시된 원자층 증착 설비에서 챔버(5) 내부는 별개의 펌프(미도시)에 의하여 펌핑되고 있다. 그러므로, 주입부(51)를 통해 주입되는 불활성 기체는 제1 및 제2 기상 증착 반응기(1, 2)의 제1 부분(10) 내의 압력보다 높은 압력을 갖도록 조절될 수 있다. 그 결과, 제1 및 제2 기상 증착 반응기(1, 2) 주위의 압력이 제1 및 제2 기상 증착 반응기(1, 2)의 제1 부분(10)의 압력보다 높아질 수 있으며, 따라서 원료전구체 및 반응전구체가 제1 및 제2 기상 증착 반응기(1, 2)의 외부로 누출되는 것을 최소화할 수 있다.
도 17a 내지 17d에서는, 도 10a 및 10b에 도시된 기상 증착 반응기를 제1 기상 증착 반응기(1) 및 제2 기상 증착 반응기(2)로서 이용한 원자층 증착 설비를 도시하였다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 원자층 증착 설비는 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 이용하여 구성될 수도 있다. 일 예로, 원자층 증착 설비는 두 개의 제1 부분을 포함하는 기상 증착 반응기를 이용하여 구성될 수도 있다.
도 17e는 두 개의 제1 부분을 포함하는 기상 증착 반응기를 이용하여 구성된 원자층 증착 설비를 도시한 단면도이다. 상기 원자층 증착 설비에서 제1 기상 증착 반응기(1) 및 제2 기상 증착 반응기(2)는 각각 두 개의 제1 부분(10, 10'), 두 개의 제2 부분(20, 20') 및 제3 부분(30)을 포함할 수 있다. 이상과 같이 구성된 원자층 증착 설비에서, 제1 기상 증착 반응기(1)의 첫 번째 제1 부분(10)에는 원료전구체를 주입하고, 제1 기상 증착 반응기(1)의 두 번째 제1 부분(10')에는 불활성 기체를 주입할 수 있다. 또한, 제2 기상 증착 반응기(1)의 첫 번째 제1 부분(10)에는 반응전구체를 주입하고, 제2 기상 증착 반응기(1)의 두 번째 제1 부분(10')에는 불활성 기체를 주입할 수 있다.
기판(40)이 제1 기상 증착 반응기(1)를 통과하면서 이하의 과정이 수행된다. 먼저, 기판(40)이 첫 번째 제1 부분(10)을 통과하면서 원료전구체가 기판(40)에 흡착될 수 있다. 또한, 기판(40)이 첫 번째 제2 부분(20) 및 제3 부분(30)을 통과하면서 원료전구체의 물리흡착층이 탈착되어 배기될 수 있다. 다음으로, 기판(40)이 두 번째 제2 부분(20')을 통과하면서, 두 번째 제1 부분(10')에 주입된 불활성 기체가 두 번째 제2 부분(20')을 통과하면서 압력이 낮아지므로 추가 탈착이 일어난다. 이상의 과정을 거쳐, 제1 기상 증착 반응기(1)를 통과한 기판(40)상에는 원료전구체의 순수 화학흡착층만이 남게 될 수 있다.
기판(40)이 제2 기상 증착 반응기(2)를 통과하는 동안에는 제1 기상 증착 반응기(1)를 통과하는 동안 수행되는 공정이 유사하게 수행되는데, 다만 제2 기상 증착 반응기의 첫 번째 제1 부분(10)에는 반응전구체가 주입되는 점에서만 차이점이 있다. 반응전구체가 기판(40)상에 흡착되어 있는 원료전구체의 화학흡착층과 반응하므로, 제1 및 제2 기상 증착 반응기(1, 2)를 모두 통과한 기판(40)상에는 단일한 분자층의 원자층 박막이 형성될 수 있다.
이상에서 도 17a 내지 도 17e를 참조하여 설명한 원자층 증착 설비들에 포함된 기상 증착 반응기의 형태는 단지 예시적인 것으로서, 본 명세서에서 설명된 다른 실시예 또는 본 명세서에서 기술되지 않은 다른 다양한 변형예에 따른 기상 증착 반응기를 이용하여 원자층 증착 설비를 구성하는 것이 가능하다는 점이 당업자에게 용이하게 이해될 것이다.
도 18a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기가 포함된 원자층 증착 설비의 평면도이다. 도 18a를 참조하면, 원자층 증착 설비에서 기판(40)은 서셉터(400)에 의하여 지지되며, 회전 테이블(410)상에 배치되어 회전 이동할 수 있다. 제1 기상 증착 반응기(1) 및 제2 기상 증착 반응기(2)는 회전 테이블(410)상에 배치되며, 회전 테이블(410)이 회전함에 따라 기판(40)이 제1 및 제2 기상 증착 반응기(1, 2)의 하부를 차례로 통과하도록 배치될 수 있다. 도 18a에 도시된 제1 기상 증착 반응기(1) 및 제2 기상 증착 반응기(2)의 개수 및 형태는 단지 예시적인 것으로서, 기상 증착 반응기(1, 2)의 형태 및/또는 개수는 형성하고자 하는 박막의 특성 등에 따라 적절히 조절될 수 있다.
도 18b는 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기가 포함된 원자층 증착 설비의 평면도이다. 도 18b를 참조하면, 하나의 제1 기상 증착 반응기(1) 및 하나의 제2 기상 증착 반응기(2)를 쌍으로 구성하고, 이러한 제1 및 제2 기상 증착 반응기(1, 2)의 쌍을 하나 이상 배치할 수 있다. 기판(40)이 제1 및 제2 기상 증착 반응기(1, 2)의 한 쌍의 하부를 통과할 때마다 기판(40)상에는 한 층의 박막이 형성될 수 있다.
도 18c는 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기가 포함된 원자층 증착 설비의 평면도이다. 도 18c를 참조하면, 두 개의 제1 부분(10, 10'), 두 개의 제2 부분(20, 20') 및 하나의 제3 부분(30)을 포함하는 기상 증착 반응기(1)를 이용하여 원자층 증착 설비를 구성할 수도 있다. 기상 증착 반응기(1)의 두 개의 제1 부분(10, 10')에 각각 원료전구체 및 반응전구체를 주입함으로써, 하나의 기상 증착 반응기(1)를 통과할 때마다 기판(40)상에 한 층의 원자층 박막을 형성할 수 있다. 또는, 하나의 기상 증착 반응기(1)에서 두 개의 제1 부분(10, 10')에 각각 원료전구체 및 불활성 기체를 주입하고, 후속하는 기상 증착 반응기(1)에서 두 개의 제1 부분(10, 10')에 각각 반응전구체 및 불활성 기체를 주입하는 것도 가능하다.
도 18a 내지 18c를 참조하여 전술한 실시예들에서, 회전 테이블(410)이 회전하므로 회전 테이블(410)의 안쪽과 바깥쪽에서 기판(40)의 이동 각속도가 상이하게 된다. 그 결과, 기상 증착 반응기(1, 2)를 통과하는 기판(40)상에 형성되는 박막의 두께 및/또는 특성이 균일하지 않을 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 회전 테이블(410)의 회전과 별도로 서셉터(400)를 회전시킴으로써, 기판(40)이 회전하면서 기상 증착 반응기(1, 2)의 하부를 통과하도록 할 수 있다. 예컨대, 하나의 기상 증착 반응기(1, 2)를 통과하는 동안 기판(40)이 1회전 하도록 구성할 수 있으나, 기판(40)의 회전 속도는 이에 한정되는 것은 아니며 형성하고자 하는 박막의 특성 등에 따라 적절히 조절될 수 있다.
한편, 회전 테이블(410)의 안쪽과 바깥쪽에서 기판(40)의 이동 속도가 상이한 문제점은 기상 증착 반응기의 형태를 변형하는 것에 의하여 해결될 수도 있다. 도 18d는 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기가 포함된 원자층 증착 설비의 평면도이다. 도 18d를 참조하면, 회전 테이블(410)의 안쪽과 바깥쪽에서 기판(40)의 이동 속도가 상이하므로, 기상 증착 반응기(1)를 회전 테이블(410)의 안쪽에서는 상대적으로 폭이 좁으며 회전 테이블(410)의 바깥쪽에서는 상대적으로 폭이 넓은 부채꼴 형상으로 구성할 수 있다. 이와 같이 구성할 경우에는 서셉터(400)를 회전시킬 필요는 없게 된다.
기상 증착 반응기를 이용한 TiN 박막 형성의 예
도 19는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 이용하여TiN 원자층 박막을 형성하기 위한 실험 장치의 개략도이며, 도 20은 일 실시예에 따른 도 19의 실험 장치에서 기상 증착 반응기 부분의 개략적인 사시도이다. 도 21a는 도 19의 실험 장치의 개략적인 단면도이며, 도 21b는 일 실시예에 따른 동축(coaxial) 용량형(capacitive) 플라즈마 발생기의 개략적인 단면도이다.
도 19 내지 21b를 참조하면, 상기 실험 장치는 2인치 및 3인치 기판을 각각 2개씩 놓을 수 있도록 0.5mm의 깊이로 오목부가 형성된 회전 서셉터(410)를 포함할 수 있다. 회전 서셉터(410)에 의해 지지되는 기판은 회전 서셉터(410)의 하부에 설치되어 있는 금속 히터(heater)(66)에 의해 간접 가열된다. 챔버(5)는 진공 펌핑을 위해 직경 40mm의 배기관에 연결 가능한 홀(65)을 포함할 수 있다. 기상 증착 반응기(1)의 배기부(31)는 펌핑을 위하여 직경 20mm의 배기관에 연결될 수 있다. 이때 배기 속도를 조절할 수 있도록 챔버(5) 또는 기상 증착 반응기(1)의 배기관에 스로틀 밸브(throttle valve)(미도시)가 설치될 수도 있다. 챔버(5)의 진공도는 진공 게이지(vacuum gauge)(62)에 의해 측정되며, 회전 서셉터(susceptor)(410)의 회전 속도는 모터(61)의 회전 속도에 비해 10:1로 감속되어 약 18rpm일 수 있다.
또한, 상기 실험 장치는 유도 결합 플라즈마(inductive coupled plasma; ICP) 형태의 원격 플라즈마(remote-plasma)를 인가할 수 있도록 석영 튜브(quartz tube)(63) 및 코일(64)을 포함할 수 있다. 코일(64)에는 약 5 내지 100 와트(watt)의 무선주파수(radio frequency; RF) 전압이 인가되어 NH3 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 그러나 다른 실시예에서는 플라즈마를 발생시키지 않고 단순히 열적 반응에 의한 TiN 원자층 박막을 형성할 수도 있다. 이 경우, 실험 장치에는 석영 튜브(63) 및 코일(64)이 설치될 공간에 대신 추가적인 기상 증착 반응기를 설치하고, 추가적인 기상 증착 반응기에는 반응전구체로서 NH3를 주입할 수 있다. 기상 증착 반응기(1)에는 TiCl4가 원료전구체로서 아르곤 버블링(Ar bubbling) 방식으로 공급될 수 있다. 이때 상기 기상 증착 반응기는 증착 효율, 즉, 공급되는 원료전구체에 대한 박막 형성에 소요되는 원료전구체의 비율이 높기 때문에, TiCl4는 온도가 약 -4℃로 냉각된 용기(canister)로부터 공급되도록 하였다.
기상 증착 반응기(1)의 제1 부분의 높이는 약 20mm, 폭은 약 10mm, 길이는 약 100mm이며, 제3 부분(30)의 폭은 약 16mm이고, 표 1, 2 및 3에서 얻은 결과로부터 제2 부분(20)의 높이는 약 2mm, 폭은 약 4mm가 되도록 구성할 수 있다. 기상 증착 반응기(1)의 하부로 기판(40)이 통과할 때 기판(40)이 제1 부분에 노출되는 시간은, 회전 테이블(410)의 회전 속도가 10rpm일때 회전 테이블(410)의 중심에 가까운 기판(40) 안쪽 부분에서 약 105밀리초(msec)이며, 회전 테이블(410)의 회전 속도가 약 18rpm일때는 약 60msec이다. 한편, 기판(40)이 회전 테이블(410)의 중심과 먼 기판(40) 바깥쪽 부분은 각속도가 안쪽 부분에 비해 크다. 그 결과, 회전 테이블(410)의 회전 속도가 약 10 rpm 및 약 18 rpm일 경우 기판(40)의 바깥쪽 부분이 제1 부분에 노출되는 시간은 각각 약 80msec및 약 44msec이다.
기판(40)의 안쪽 부분이 제2 부분(20) 및 제3 부분(30)을 통과하는 시간은, 회전 테이블(410)의 회전 속도가 약 10rpm일 때 약 210msec이며, 회전 속도가 약 18rpm일때 약 120msec이다. 또한, 기판(40)의 안쪽 부분이 기상 증착 반응기(1)를 완전히 통과하는데 걸리는 시간은, 회전 테이블(410)의 회전 속도가 약 10rpm일 때 약 315msec이며, 회전 속도가 약 18rpm일 때 약 180msec이다.
상기 실험 장치는 도 21b에 도시된 것과 같이 동축 원격 플라즈마 발생기(2)를 더 포함할 수 있다. 플라즈마 발생기(2)는 몸체(2100) 및 플라즈마를 발생시키기 위한 물질을 운반하고 비율을 조절하기 위한 밸브(Va, Vb 및 Vc)를 포함한다. 500V 내지 1500V의 전압이 제1 부분(10)의 전극(12a 및 12b) 사이에 인가되어 플라즈마(1200)를 발생시킨다. 발생된 플라즈마(2100)는 슬릿(slit) 형태의 주입기(1100)를 통해 공급된다. 일 실시예에서, 슬릿은 2mm 이상의 폭을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 기판 및 주입기(1100)의 위쪽 끝 사이의 거리는 바람직하게는 15 내지 20mm이다. 플라즈마(1200)를 수용하는 원통형 공간의 지름은 10mm 내지 20mm이다. 일 실시예에서 기판과 주입기 사이의 거리는 12mm이다.
일 실시예에서, O2, H2 또는 NH3와 같은 반응 기체가 파이프(2202, 2204, 2206) 및 밸브(Va, Vc 및 Vc)를 통해 원통형 공간에 공급된다. 반응 기체가 존재하는 상태에서 전극(12a 및 12b) 사이에 전압을 인가함으로써, 동축 용량형 플라즈마가 발생된다. 기판의 상부면은 동축 용량형 플라즈마에 의하여 얻어지는 O* 라디칼, N* 라디칼 또는 H* 라디칼에 노출되어 ALD 층이 형성된다. 여분의 O* 라디칼, N* 라디칼 또는 H* 라디칼은 제2 부분(20), 제3 부분(30) 및 배기부(310)를 통해 배출된다.
한편, 상기 실험 장치는 기상 증착 반응기(1)의 사이 또는 기판(40)의 마지막 위치에 설치된 할로겐 램프(halogen lamp)(미도시)를 포함하여, 박막을 증착하는 도중 또는 박막을 증착한 후 추가 열처리를 수행할 수도 있다. 뿐만 아니라, 원자층 박막을 증착하기 전, 기판(40)의 세정 또는 자연산화막 제거를 할 수도 있다. 이 경우, 기상 증착 반응기(1)에 ClF3나 NF3등의 산화막 제거용 기체를 주입하거나 수소 원격 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 다음으로, 원자층 박막을 증착하기 전에 표면처리 또는 전처리공정을 진행한 후 인-시추(in-situ) 방식으로 원자층 박막을 증착할 수도 있다. 또는, 자연산화막을 제거한 후 질소 원격 플라즈마에 의한 질소 라디칼을 이용하여 기판을 질화시킬 수 있다. 다음으로, 인-시추 방식으로 고유전(high-k) 박막을 증착할 수도 있다.
도 22a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 이용하여 형성된 TiN 박막의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이며, 도 22b 내지 23d는 각각 도 22a의 상부, 중간부 및 하부(2200, 2210, 2220)를 확대한 사진이다.
또한 도 23a는 일 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 이용하여 형성된 TiN 박막의 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope; TEM) 사진이며, 도 23b 내지 23d는 각각 도 23a의 상부, 중간부 및 하부(2300, 2310, 2320)를 확대한 사진이다.
도 22 및 23에 도시된 TiN 박막은, 원자층 박막의 특성인 등방성(conformality)을 살펴보기 위해 직경이 약 135nm인 트렌치 패턴(trench pattern)상에 증착되었다. 이때 트렌치의 깊이는 약 8㎛ 정도이며, 패턴 밀도(density)는 1:2이다. 원료전구체로서 TiCl4를 버블링시키기 위해 약 3sccm의 Ar 기체가 사용되었으며, 반응전구체로는 약 20 sccm의 NH3 기체가 사용되었다. 박막의 증착 온도는 약 380℃였으며, 회전 테이블의 회전 속도를 약 10rpm으로 200회 회전시켜 두께 약 13.5nm의 TiN 원자층 박막을 증착하였다. 기판이 기상 증착 반응기를 통과할 때마다 두께 약 0.67Å의 TiN 박막이 형성되었다. 상기 TiN 박막은 주상(columnar shape) 형태의 (111) 결정 방향을 가지며, 바닥 커버리지(bottom coverage)가 95%인 우수한 등방성을 갖는다.
도 24a는 또 다른 실시예에 따른 기상 증착 반응기를 이용하여 형성된 TiN 박막의 TEM 사진이며, 도 24b 내지 24d는 각각 도 24a의 상부, 중간부 및 하부(2400, 2410, 2420)를 확대한 사진이다. 도 24는 원격 플라즈마를 이용하여 형성된 TiN 원자층 박막을 도시한다.
도 24에 도시된 TiN 박막의 경우, 원료전구체로서 TiCl4를 버블링시키기 위해 약 3 sccm의 Ar 기체가 사용되었으며, 반응전구체로는 약 15 sccm의 NH3 기체가 사용되었다. 플라즈마를 발생시키기 위한 전력으로 10W를 인가하였다. 증착 온도는 약 380℃이며, 회전 테이블의 회전 속도를 약 10rpm으로 200회 회전시켜 두께 약 15.5nm의 TiN 박막을 증착하였다. 기판이 기상 증착 반응기를 통과할 때마다 두께 약 0.77Å의 TiN 박막이 형성되었다. 또한 상기 TiN 박막은 약 80%의 스텝 커버리지(step-coverage)를 보였다.
도 22 및 23에 도시된 TiN 박막과 도 24에 도시된 TiN 박막을 비교하면, 플라즈마에 의해 발생된 라디칼을 이용하였을 경우 증착 속도는 증가하는 반면 등방성은 감소하는 것을 확인할 수 있다.
종래의 원자층 증착법은 챔버 내에 전구체를 주입한 후 기판의 표면에 흡착되어 있는 분자층만을 사용하여 박막을 얻는다. 따라서, 원자층 형성에 있어서 증착 효율, 즉, 주입된 총 원료와 증착에 소요된 원료의 비율은 챔버의 크기와 밀접한 관계를 갖는다.
그러나 전술한 실시예들에 따른 기상 증착 반응기를 이용하면, 기상 증착 반응기의 제1 부분에만 반응 물질을 충진시키기 때문에 종래의 기상 증착 반응기에 비하여 증착 효율이 매우 높다. 또한, 기상 증착 반응기의 하부로 기판을 통과시키는 동안 분자층의 흡착 및 탈착이 이루어지기 때문에, 원자층 증착을 위한 ALD 전용 밸브나 구동부 없이 연속적으로 전구체가 공급되므로 기상 증착 반응기의 구성이 간단해질 수 있다.
나아가, 반응 물질의 주입, 탈착 및 배기가 기상 증착 반응기 내부에서 이루어지므로 챔버 내부의 분위기와 관계없이 증착이 이루어질 수 있다. 또한, 원료전구체 및 반응전구체가 각각 별도의 기상 증착 반응기에 의해 주입 및 배기되므로 배기 라인에 파우더(powder)나 검(gum) 등의 반응부산물이 생기지 않으며, 이로 인하여 박막뿐만 아니라 장치의 신뢰성, 내구성, 및 경제성도 향상되는 이점이 있다.
본 발명은 몇몇 예시적인 실시예들과 관련하여 설명되었으나, 본 발명은 개시된 실시예들에 한정되지 않으며, 오히려 반대로 첨부된 청구항들의 사상 및 범위 내에 포함된 다양한 변형 및 균등 구성과 이들의 균등물까지도 포함하는 것으로 의도된다는 점이 이해되어야 한다.

Claims (29)

  1. 기상 증착 반응기로서,
    제1 오목부를 갖도록 형성된 제1 부분으로서, 상기 제1 오목부는 상기 제1 오목부 내로 반응 물질을 주입하기 위한 하나 이상의 제1 주입부와 소통 가능하게 연결되며 제1 압력을 갖는, 상기 제1 부분;
    상기 제1 부분과 인접한 제2 부분으로서, 상기 제1 오목부에 소통 가능하게 연결되며 상기 제1 압력보다 낮은 제2 압력을 갖는 제2 오목부를 갖도록 형성된 상기 제2 부분;
    상기 제2 부분과 인접한 제3 부분으로서, 상기 제2 오목부에 소통 가능하게 연결된 제3 오목부를 갖도록 형성된 상기 제3 부분; 및
    상기 기상 증착 반응기로부터 상기 반응 물질을 배기하기 위해 상기 제3 오목부와 연결된 배기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 부분의 폭은 상기 제2 부분의 높이의 1/2 보다 큰 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 부분의 높이는, 상기 제1 부분의 폭의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 부분의 높이는, 상기 제1 부분의 높이의 2/3 이하인 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제3 부분의 폭은 상기 제2 부분의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제3 부분은 상기 제1 압력보다 낮은 제3 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 부분의 높이를 적어도 부분적으로 변화시키도록 구성된 제1 가변 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 부분의 폭에 대한 상기 제2 부분의 폭의 비율을 변화시키도록 구성된 제2 가변 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 물질은 원료전구체 및 반응전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 원료전구체는 무기화합물 및 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 반응전구체는 H2O, H2O2, O2, N2O, NO, O3, O* 라디칼, NH3, NH2-NH2, N* 라디칼, CO, CO2, CH4, C2H6, H2 및 H* 라디칼로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 주입부는 상기 제1 오목부 내로 불활성 기체를 더 주입하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 불활성 기체는 N2, Ar 및 He로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 오목부에 연결되며 상기 제1 오목부 내로 불활성 기체를 주입하도록 구성된 하나 이상의 제2 주입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 불활성 기체는 N2, Ar 및 He로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 부분은 복수 개의 제1 오목부를 포함하며, 상기 제2 부분은 복수 개의 제2 오목부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 오목부, 상기 제2 오목부 및 상기 제3 오목부가 순차적으로 연결된 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 물질은 전구체, 불활성 기체, 라디칼 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 기상 증착 반응기.
  19. 하나 이상의 주입부를 통해 제1 물질을 공급함으로써, 기상 증착 반응기의 제1 부분에 형성된 제1 오목부 내에 상기 제1 물질을 제1 압력으로 채우는 단계;
    상기 제1 오목부를 통해, 상기 제1 부분에 인접하여 위치하는 상기 기상 증착 반응기의 제2 부분에 형성된 제2 오목부에 상기 제1 물질을 수용하는 단계;
    상기 제2 오목부를 통해, 상기 제2 부분에 인접하여 위치하는 상기 기상 증착 반응기의 제3 부분에 형성된 제3 오목부에 상기 제1 물질을 수용하는 단계;
    상기 제3 오목부 내의 상기 제1 물질을 상기 기상 증착 반응기의 배기부를 통해 배기하는 단계; 및
    기판을 상기 제1 오목부, 상기 제2 오목부 및 상기 제3 오목부에 걸쳐 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 제1 물질은 원료전구체, 반응전구체 및 불활성 기체로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 원료전구체는 무기화합물 및/또는 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 반응전구체는 H2O, H2O2, O2, N2O, NO, O3, O* 라디칼, NH3, NH2-NH2, N* 라디칼, CO, CO2, CH4, C2H6, H2 및 H* 라디칼로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  23. 제 20항에 있어서,
    상기 불활성 기체는 N2, Ar 및 He로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  24. 제 19항에 있어서,
    상기 기상 증착 반응기의 추가적인 제1 부분에 제2 물질을 채우는 단계;
    상기 제1 부분을 통해, 상기 기상 증착 반응기의 추가적인 제2 부분에 상기 제2 물질을 수용하는 단계;
    상기 제2 부분을 통해, 상기 기상 증착 반응기의 추가적인 제3 부분에 상기 제2 물질을 수용하는 단계; 및
    상기 기판을 상기 추가적인 제1 부분, 상기 추가적인 제2 부분 및 상기 추가적인 제3 부분에 걸쳐 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 제2 물질은 원료전구체, 반응전구체 및 불활성 기체로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 원료전구체는 무기화합물 및/또는 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  27. 제 25항에 있어서,
    상기 반응전구체는 H2O, H2O2, O2, N2O, NO, O3, O* 라디칼, NH3, NH2-NH2, N* 라디칼, CO, CO2, CH4, C2H6, H2 및 H* 라디칼로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  28. 제 25항에 있어서,
    상기 불활성 기체는 N2, Ar 및 He로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
  29. 제 19항에 있어서,
    상기 반응 물질은 전구체, 불활성 기체, 라디칼 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 박막 형성 방법.
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