KR20120034072A

KR20120034072A - 롤-투-롤 화학 기상 증착 시스템

Info

Publication number: KR20120034072A
Application number: KR1020117027775A
Authority: KR
Inventors: 에릭 에이. 아머르; 윌리엄 이. 퀸; 피에로 스펠라쪼
Original assignee: 비코 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 2009-06-07
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2012-04-09
Also published as: WO2010144302A2; EP2441085A2; EP2441085A4; TW201105817A; JP2012529562A; CN102460648A; US20100310766A1; WO2010144302A3

Abstract

롤-투-롤 시스템은 CVD 공정 중에 증착 챔버를 통해 웹을 이송하는 적어도 두 개의 롤러를 포함한다. 증착 챔버는 적어도 두 개의 롤러에 의해 이송되는 동안 통과할 웹의 통로를 규정한다. 증착 챔버는 복수의 공정 챔버 각각 내에 공정 화학 성분을 별개로 유지하는 배리어에 의해 격리되는 복수의 공정 챔버를 포함한다. 복수의 공정 챔버 각각은 가스 입력 포트 및 가스 배기 포트, 및 복수의 CVD 가스 공급원을 포함한다. 복수의 CVD 가스 공급원 중 적어도 두 개는 복수의 공정 챔버 각각의 가스 입력 포트에 결합된다.

Description

롤-투-롤 화학 기상 증착 시스템{ROLL-TO-ROLL CHEMICAL VAPOR DEPOSITION SYSTEM}

본 발명은 롤-투-롤 화학 기상 증착 시스템에 관한 것이다.

본 명세서에서 사용되는 섹션 제목은 단지 관리 목적으로 제공되는 것이며 어떠한 방법으로든 본 출원에서 설명되는 주제를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 할 것이다.

화학 기상 증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)은 화학 종들을 함유하는 하나 또는 그 이상의 가스를 기판의 표면상으로 향하게 하여 반응성 종들이 반응하여 기판 표면상에 필름을 형성하도록 하는 단계를 포함한다. 예를 들면, CVD는 결정성 반도체 웨이퍼 상에 합성 반도체 물질을 성장시키도록 사용될 수 있다. III-V 반도체와 같은 합성 반도체는 III족 금속의 공급원 및 V족 원소의 공급원을 사용하여 웨이퍼 상에 다양한 층의 반도체 물질을 성장시킴으로써 통상적으로 형성된다. 염화물 공정으로 불리기도 하는, 하나의 CVD 공정에 있어서, III족 금속은 GaCl₂와 같은 통상 염화물인 금속의 휘발성 할로겐화물로서 제공되며, V족 원소는 V족 원소의 수소화물로서 제공된다.

다른 타입의 CVD는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition)이다. MOCVD는 갈륨, 인듐 및 알루미늄과 같은 III족 금속의 알킬류와 같은 하나 또는 그 이상의 금속 유기 화합물을 포함하는 화학 종을 사용한다. MOCVD는 NH₃, AsH₃, PH₃ 및 안티몬의 수소화물과 같은 하나 또는 그 이상의 V족 원소의 수소화물을 포함하는 화학 종을 사용한다. 이들 공정에 있어서, 가스들은 사파이어(sapphire), Si, GaAs, InP, InAs 또는 GaP로 된 웨이퍼와 같이, 웨이퍼의 표면에서 서로 결합하여 일반적인 화학식 In_XGa_YAl_ZN_AAs_BP_CSb_D의 III-V족 화합물을 형성한다. 여기서, X+Y+Z는 대략 1이며, A+B+C+D는 대략 1이며, X, Y, Z, A, B, 및 C 각각은 0과 1 사이일 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 비스무트(bismuth)는 기타 III족 금속 중 몇몇 또는 모두를 대신하여 사용될 수 있다.

다른 타입의 CVD는 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE; Halide Vapor Phase Epitaxy)로서 공지되어 있다. 하나의 HVPE 공정에 있어서, III족 질화물(예를 들면, GaN, AlN)은 뜨거운 가스 금속 염화물(예를 들면, GaCl or AlCl)을 암모니아 가스(NH3)와 반응시킴으로써 형성된다. 금속 염화물은 뜨거운 III족 금속 위로 뜨거운 HCl가스를 통과시킴으로써 생성된다. 모든 반응은 온도 제어식 석영로(quartz furnace) 내에서 수행된다. HVPE의 하나의 특징은 몇몇 최신 기술의 공정에 있어서 시간당 100μm까지의 매우 높은 성장률을 가질 수 있다는 것이다. HVPE의 다른 특징은 필름이 탄소가 없는 환경에서 성장되고 뜨거운 HCl가스가 자체 정화 효과를 제공하기 때문에 상대적으로 높은 품질의 필름을 증착하도록 사용될 수 있다는 것이다.

본 발명의 목적은 상대적으로 높은 품질의 필름을 증착하도록 사용될 수 있는 롤-투-롤 화학 기상 증착 시스템을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템은, a. CVD 공정 중에 웹을 이송하는 적어도 두 개의 롤러; b. 상기 적어도 두 개의 롤러에 의해 이송되는 동안 상기 웹이 통과하기 위한 통로를 규정하는 증착 챔버 - 상기 증착 챔버는 배리어에 의해 격리되는 복수의 공정 챔버를 포함하고, 상기 배리어는 상기 복수의 공정 챔버 각각 내의 공정 화학 물질을 분리 상태로 유지하며, 상기 복수의 공정 챔버 각각은 가스 입력 포트 및 가스 배기 포트를 포함함 - ; 및 c. 상기 복수의 공정 챔버 각각의 상기 가스 입력 포트에 결합되는 적어도 하나의 CVD 가스 공급원을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상대적으로 높은 품질의 필름을 용이하게 증착할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 배리어를 이용하여 인접한 공정 챔버 내의 공정 화학 물질이 서로 혼합되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 증착 시스템이 가스 분배 매니폴드를 구성함으로써 증착되는 물질 구조를 변화시키도록 용이하게 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 가스 입력 포트 및 가스 배기 포트는 공정 가스의 반응이 웹에서 떨어져 발생하는 것을 실질적으로 방지하도록 구성되어, 증착된 필름의 오염을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 증착 챔버 내의 복수의 공정 챔버의 구조가 물질 구조를 거의 결정하기 때문에, 증착 장치가 매우 다용도이며 대량 생산에 적합할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 공정 챔버의 치수 및 웹의 이송율이 웹이 공정 가스에 노출되는 CVD 반응 시간을 규정하기 때문에, 더 정확하고 반복 가능한 CVD 반응을 유도할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 증착 챔버 내의 증착된 필름이 인시튜 특성화를 수행하도록 쉽게 구성될 수 있다.

바람직하며 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 지침은 그의 추가의 이점과 함께 첨부한 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명에 더욱 특정되어 설명된다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이하에 설명되는 도면은 단지 예시적 목적으로 제공된다는 것을 이해할 것이다. 도면은 반드시 축척에 맞아야 하는 것은 아니며, 본 발명의 지침의 원리를 예시하도록 일반적으로 도시하는 대신 강조될 수도 있다. 도면은 어찌 됐든 출원인의 지침의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1은 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 2a는 증착 챔버 내의 복수의 공정 챔버 중 하나 내에 있는 복수의 수평 가스 흡입 포트의 저면도를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템의 공정 챔버 내의 단일 수평 가스 흡입 포트 및 단일 가스 배기 포트를 포함하는 공정 챔버의 일부의 측면도를 도시한다.
도 2c는 균일한 필름 두께가 웹(web)의 전체 폭을 가로질러 달성될 수 있는 방법을 설명하는 웹 폭의 함수로서의 필름 두께를 나타낸 그래프를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템용 단일 수직 가스 공급원의 저면도 및 측면도를 도시한다.
도 3b는 복수의 수직 가스 공급원 각각이 웹의 표면 전체에 공정 가스를 공급하도록 웹을 따라 위치되는 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템의 복수의 수직 가스 공급원의 측면도를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템용 단일 수직 배기 포트의 평면도 및 측면도를 도시한다.
도 4b는 복수의 수직 가스 공급원의 반대쪽에 있는 공정 챔버 내의 단일 수직 배기 포트의 위치 설정을 도시한다.

본 명세서에서 참조되는 "일 실시예" 또는 "하나의 실시예"는 본 실시예에 연계되어 설명되는 특별한 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 지침의 적어도 하나의 실시예 내에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 위치에서의 "일 실시예에 있어서"라는 구절의 출현은 동일한 실시예에 대해 모두 참조 되어야 하는 것은 아니다.

본 발명의 지침 방법의 개별 단계가 상기 지침이 작동 가능하게 남아 있는 한 어떤 순서로든 및/또는 동시에 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명의 지침 장치 및 방법은 상기 지침이 작동 가능하게 남아 있는 한 전술한 실시예의 어떤 숫자 또는 모두를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.

본 발명의 지침은 첨부한 도면에 도시되는 바와 같은 바람직한 실시예를 참조로 상세히 설명될 것이다. 본 발명의 지침이 다양한 실시예 및 예시와 연계되어 설명된다 하더라도, 본 발명의 지침이 이러한 실시예에 제한되도록 의도되지는 않는다. 그와 반대로, 본 발명의 지침은 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 알 수 있는 바와 같은 다양한 대안, 변형예 및 균등물을 포괄한다. 본 명세서의 지침에 접근하는 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 설명된 바와 같은 본 발명의 내용의 범주 내에 있는 기타 사용 분야뿐만 아니라, 추가의 구현예, 변형예 및 실시예를 인식할 수 있을 것이다.

본 발명의 지침은 CVD, MOCVD, 및 HVPE와 같은 반응성 기상 공정용 방법 및 장치에 관한 것이다. 반도체 물질의 반응성 기상 공정에 있어서, 반도체 웨이퍼는 반응 챔버 내의 웨이퍼 캐리어 내에 장착된다. 가스 분배 인젝터 또는 인젝터 헤드는 웨이퍼 캐리어를 향해 대면하여 장착된다. 인젝터 및 인젝터 헤드는 통상적으로 일 조합의 가스를 수용하는 복수의 가스 입구를 포함한다. 인젝터 및 인젝터 헤드는 상기 조합의 가스를 화학 기상 증착용 반응 챔버에 제공한다. 많은 가스 분배 인젝터는 헤드 상의 패턴 내에서 이격되는 샤워헤드(showerhead) 장치를 갖는다. 가스 분배 인젝터는 전구체(precursor) 가스가 가능한 웨이퍼에 인접하여 반응하도록 전구체 가스를 웨이퍼 캐리어에서 배향시켜, 웨이퍼 표면에서의 반응 공정 및 에피택셜 성장(epitaxial growth)을 최소화하도록 한다.

몇몇 가스 분배 인젝터는 화학 기상 증착 공정 중에 층류 가스 유동을 제공하도록 돕는 슈라우드(shroud)를 제공한다. 또한, 하나 또는 그 이상의 캐리어 가스(carrier gas)는 화학 기상 증착 공정 중에 층류 가스 유동을 제공하도록 돕는데 사용될 수 있다. 캐리어 가스는 통상 어떤 공정 가스와도 반응하지 않으며 화학 기상 증착 공정에 어떤 영향도 미치지 않는다. 가스 분배 인젝터는 통상 인젝터의 가스 입구로부터의 전구체 가스를 웨이퍼가 처리되는 반응 챔버의 특정 목표 영역으로 향하게 한다.

예를 들면, MOCVD 공정에 있어서, 인젝터는 암모니아 또는 수소화비소(arsine)와 같은 금속 유기물 및 수소화물을 포함하는 전구체 가스들의 조합들을 인젝터를 통해 반응 챔버 내로 유입시킨다. 수소 또는 질소와 같은 캐리어 가스, 또는 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스는 종종 웨이퍼 캐리어에서의 층류 유동을 유지하는데 도움을 주도록 인젝터를 통해 반응기 내로 유입된다. 전구체 가스들은 반응 챔버 내에서 혼합되어 웨이퍼 상에 필름을 형성하도록 반응한다. GaAs, GaN, GaAlAs, InGaAsSb, InP, ZnSe, ZnTe, HgCdTe, InAsSbP, InGaN, AlGaN, SiGe, SiC, ZnO, 및 InGaAlP와 같은 많은 합성 반도체는 MOCVD에 의해 성장되어 왔다.

MOCVD 및 HVPE 공정에 있어서, 웨이퍼는 반응 챔버 내에서 상승한 온도에서 유지된다. 공정 가스는 이들이 반응 챔버 내로 유입되는 경우 대략 50 내지 60°C 또는 그 이하의 상대적으로 낮은 온도에서 통상적으로 유지된다. 가스들이 뜨거운 웨이퍼에 도달함에 따라, 이들의 온도 및 그에 따른 반응을 위한 가용 에너지도 증가한다.

가장 공통적인 타입의 CVD 반응기는 회전 디스크 반응기이다. 이러한 반응기는 통상적으로 디스크형 웨이퍼 캐리어를 사용한다. 웨이퍼 캐리어는 처리될 하나 또는 그 이상의 웨이퍼를 유지하도록 배열되는 포켓 또는 기타 특징을 갖는다. 웨이퍼가 그 위에 위치되는 캐리어는 반응 챔버 내에 위치되고 상류 방향으로 대면하는 캐리어의 웨이퍼-베어링(wafer-bearing) 표면으로 유지된다. 캐리어는 통상 50rpm 내지 1,500rpm의 범위 내인 회전 속도에서 상류에서 하류 방향으로 연장하는 축선을 중심으로 회전된다. 웨이퍼 캐리어의 회전은 증착된 반도체 물질의 균일성을 향상시킨다. 웨이퍼 캐리어는 이러한 공정 중에 대략 350℃ 내지 1,600℃의 범위 내에 있을 원하는 상승 온도에서 유지된다.

캐리어가 축선을 중심으로 회전되는 동안, 반응 가스는 캐리어 위의 유동 입구 요소로부터 챔버 내로 유입된다. 유동 가스는 바람직하게 층류 플러그 유동내에서 캐리어 및 웨이퍼를 향해 아래쪽으로 통과한다. 가스가 회전하는 캐리어에 접근함에 따라, 점성 저항은 이들이 축선을 중심으로 회전하도록 하여, 캐리어의 표면에 인접한 경계 영역에서, 가스가 축선 둘레에서 캐리어의 외주를 향해 외측으로 흐르도록 한다. 가스들이 캐리어의 외측 에지(edge) 위로 흐름에 따라, 이들은 캐리어 아래에 위치되는 배기 포트를 향해 아래쪽으로 흐른다. 가장 공통적으로, MOCVD 공정은 연속되는 각기 다른 가스 조성물과 함께 수행되며, 몇몇 경우에 있어서, 각기 다른 웨이퍼 온도에서, 원하는 반도체 소자를 형성하는데 요구되는 바와 같이 각기 다른 조성을 갖는 복수 층의 반도체를 증착한다.

MOCVD 및 HVPE와 같은 공지된 CVD용 장치 및 방법은 웹 상에 물질을 증착하도록 공통적으로 사용되는 롤-투-롤 증착 시스템과 같은 선형 공정 시스템에 적합하지 않다. 상기 장치 및 방법은 선형 이송 시스템 내에 위치되는 웹 기판 또는 통상의 웨이퍼 상에서 MOCVD 및 HVPE와 같은 어떤 타입의 CVD든 수행할 수 있다. 이러한 장치 및 방법에 대한 하나의 특정 적용예는 태양 전지의 제조이다. 이러한 장치 및 방법에 대한 다른 특정 적용예는 초전도 물질의 제조이다.

도 1은 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템(100)의 일 실시예를 도시한다. 롤-투-롤 CVD 시스템(100)은 복수의 CVD 공정 챔버(108)를 갖는 증착 챔버(106)를 통해 웹(104)을 이송하는 적어도 공급 롤러(102) 및 복귀 롤러(102')를 포함하는 적어도 두 개의 롤러를 포함한다. 웹(104)은 태양 전지와 같은 장치용 웹 기판(web substrate)일 수 있다.

선택적으로, 웹(104)은 웹(104) 상 또는 그 위의 통상의 반도체 웨이퍼를 이송하도록 설계될 수 있다. 다양한 실시예에 있어서, 웹(104)은 공정 중에 웹 상에 통상의 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 캐리어 또는 기타 구조를 포함할 수 있다. 공기 베어링(air bearing)은 또한 웹(104) 및 웨이퍼 사이에 가스를 주입함으로써 웹(104) 위에 통상의 웨이퍼를 지지하도록 사용될 수 있다. 몇몇 시스템에 있어서, 공기 베어링은 웹(104)을 따라 제어된 방식으로 웨이퍼를 이동시킨다. 처리된 웨이퍼는 웨이퍼 핸들링 메커니즘(wafer handling mechanism)에 의해 웹(104)으로부터 제거될 수 있다. 웹(104)은 웨이퍼가 복수의 공정 챔버(108) 내에서 처리된 후 세정되고 그 후 추가의 웨이퍼를 처리하도록 재사용될 수 있다. 예를 들면, 웹(104)은 플라즈마 클리닝(plasma cleaning) 또는 열 클리닝(thermal cleaning) 공정으로 세정될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 공급 롤러(102)는 처리될 웹(104)을 제공하며, 수용 롤러(102')는 공급 롤러(102)에 의해 공급되는 웹(104)을 받아서 상기 웹(104)을 처리된 웹 물질의 롤 내로 말아 넣는다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 적어도 두 개의 롤러(102, 102')는 상기 공급 롤러(102)로부터 상기 수용 롤러(102')까지 하나의 방향으로 증착 챔버(105)를 통해 웹(104)을 이송한다. 그러나, 다른 실시예에 있어서, 적어도 두 개의 롤러(102, 102')는 하나의 방향으로 증착 챔버(106)를 통해 웹(104)을 이송하고, 웹(104)의 원하는 섹션이 증착 챔버(106) 내에서 처리된 후, 적어도 두 개의 롤러(102, 102')는 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 증착 챔버(106)를 통해 웹(104)을 뒤로 이송한다.

다양한 공정에 있어서, 공급 롤러(102) 및 수용 롤러(102')는 연속 모드 또는 단계적 모드로 웹(104)을 이송한다. 연속 모드에 있어서, 공급 롤러(102) 및 수용 롤러(102')는 웹을 일정한 이송률로 이송한다. 단계적 모드에 있어서, 공급 롤러(102) 및 수용 롤러(102')는 복수의 별개 단계에서 증착 챔버(106)를 통해 웹(104)을 이송하고, 각각의 단계에서, 웹(104)은 소정의 공정 시간 동안 고정되어 복수의 공정 챔버(108)에서 CVD 공정에 노출되도록 한다.

증착 챔버(106)는 그를 통과하는 웹(104)을 위한 통로(110)를 규정하여, 웹(104)이 공급 롤러(102)로부터 수용 롤러(102')까지 복수의 공정 챔버(108)를 통해 이송하도록 한다. 복수의 공정 챔버(108) 각각은 별개의 공정 화학 물질을 유지하는 배리어에 의해 각각의 다른 공정 챔버(108)로부터 격리된다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 많은 다른 타입의 배리어들이 복수의 공정 챔버(108) 각각에서 공정 화학 물질을 별개로 유지하도록 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

예를 들면, 복수의 공정 챔버(108) 각각 내의 공정 화학 물질을 별개로 유지하는 배리어들은 인접한 공정 챔버(108) 내의 가스들이 혼합하는 것을 방지하도록 인접한 공정 챔버(108) 사이에 불활성 가스를 주입하는 가스 커튼(gas curtain)일 수 있다. 따라서, 배리어들은 복수의 공정 챔버(108) 각각 내에 별개의 공정 화학 물질을 유지시키도록 한다. 또한, 배리어들은 인접한 공정 챔버(108) 사이의 가스를 제거하는 인접한 공정 챔버(108) 사이에 위치되는 진공 영역에 해당할 수 있고, 이에 따라 별개의 공정 화학 물질이 복수의 공정 챔버(108) 각각 내에 유지되도록 할 수 있다.

복수의 공정 챔버(108) 각각은 적어도 하나의 CVD 공정 가스 공급원(114)에 연결되는 적어도 하나의 가스 입력 포트(112)를 포함하여, 적어도 하나의 가스 입력 포트(112)가 적어도 하나의 공정 가스를 공정 챔버(108) 내로 주입하도록 한다. 공정 가스는 CVD 시스템(100)에 인접하게 위치될 수도 있고 먼 곳에 위치될 수도 있다. 많은 실시예에 있어서, MOCVD 가스 공급원과 같은 복수의 CVD 가스 공급원은 가스 분배 매니폴드(116; gas distribution manifold)를 통해 각각의 복수의 공정 챔버(108)에 연결될 수 있다. 본 발명의 지침 중 하나의 특징은, 증착 시스템(100)이 가스 분배 매니폴드(116)를 구성함으로써 증착되는 물질 구조를 변화시키도록 용이하게 구성될 수 있다는 것이다. 예를 들면, 가스 분배 매니폴드(116)는 매니폴드(116)에서 수동으로 구성될 수도 있고 전기 작동식 밸브 및 솔레노이드를 작동시킴으로써 먼 곳에 구성될 수도 있다. 이러한 장치는 그가 증착된 물질 구조를 변화시키도록 재구성되기(reconfigure) 쉽기 때문에 연구 환경에 적합할 수 있다.

가스 입력 포트(112)는 적어도 하나의 CVD 가스가 웹(104)에 도달할 때까지 CVD 가스가 반응하는 것을 거의 방지하는 가스 분배 노즐을 포함할 수 있다. 이러한 가스 분배 노즐은 반응 부산물이 웹(104)의 표면상에 증착되는 물질 내로 함입되는(embedding) 것을 방지한다. 또한, 복수의 공정 챔버(108) 각각은 공정 가스 및 반응 부산물 가스용 출구를 제공하는 적어도 하나의 가스 배기 포트(118)를 포함한다. 복수의 공정 챔버(108) 각각을 위한 적어도 하나의 배기 포트(118)는 배기 매니폴드(120)에 연결된다. 진공 펌프(122)는 배기 매니폴드(120)에 연결된다. 진공 펌프(122)는 배기 매니폴드를 통하게 하여, 복수의 공정 챔버(108)로부터 공정 가스 및 반응 부산물을 제거하는 압력 차이를 생성한다.

가스 입력 포트(112) 및 가스 배기 포트(118)는 증착 챔버 디자인 및 원하는 공정 조건에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 많은 실시예에 있어서, 가스 입력 포트(112) 및 가스 배기 포트(118)는 공정 가스의 반응이 웹(104)에서 떨어져 발생하는 것을 실질적으로 방지하도록 구성되어, 증착된 필름의 오염을 방지한다. 도 2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 4a 및 4b 및 관련 내용은 가스 입력 포트(112) 및 가스 배기 포트(118)의 다양한 구성을 보여준다.

많은 실시예에 있어서, 가스 입력 포트(112)는 제 1 위치에 위치되며 가스 배기 포트(118)는 제 2 위치에 위치된다. 예를 들면, 하나의 특정 실시예에 있어서, 가스 입력 포트(112)는 공정 챔버(108)의 상면에 위치되며 가스 배기 포트(118)는 공정 챔버(108)의 일 측면에 위치된다. 다른 특정 실시예에 있어서, 가스 입력 포트(108)는 공정 챔버(108)의 일 측면에 위치되며 대응하는 배기 포트(118)는 공정 챔버(108)의 타 측면에 위치되어 CVD 공정 가스가 공정 챔버(108)를 가로질러 흐르도록 한다.

다른 실시예에 있어서, 적어도 두 개의 가스 입력 포트(112)는 다양한 구성으로 각기 다른 위치에 위치된다. 예를 들면, 하나의 특정 실시예에 있어서, 하나의 가스 입력 포트(112)는 가스가 웹(104) 상으로 내려가도록 위치되며, 다른 가스 입력 포트(112)는 가스가 웹(104)을 가로질러 흐르도록 위치된다. 이러한 구성은 수소화비소 가스가 웹(104) 상으로 내려가도록 사용될 수 있으며 동시에 TMG 가스가 웹(104)을 가로질러 흐르도록 하여 MOCVD용 가스의 균일한 혼합을 생성한다.

다른 실시예에 있어서, 적어도 두 개의 배기 포트(118)는 복수의 증착 챔버(108) 중 적어도 몇 개 내의 다른 위치에 배치된다. 예를 들면, 하나의 특정 실시예에 있어서, 배기 포트(118)는 복수의 공정 챔버(108) 중 적어도 몇 개의 양 측면에 위치되어 공정 가스의 펌핑(pumping)이 웹(104)의 전체 표면을 가로질러 발생하도록 한다.

다른 실시예에 있어서, 적어도 몇 개의 공정 챔버(108)는 웹(104)의 일 측면 상에 적어도 하나의 가스 입력 포트(112)를 갖고, 웹(104)의 타 측면 상에 적어도 하나의 배기 포트(118)를 갖도록 구성된다. 매우 균일한 증착 두께는 차후의 공정 챔버(108) 내에 가스 입력 포트(112)의 측면을 번갈아 배치함으로써 웹(104)을 가로질러 달성될 수 있다. 예를 들면, 제 1 공정 챔버(108)는 웹(104)의 제 1 측면 상에 가스 입력 포트(112)를 갖고, 웹(104)의 제 2 측면 상에 배기 포트(118)를 갖도록 구성될 수 있으며; 제 2 차후 공정 챔버(108)는 웹(104)의 제 2 측면 상에 가스 입력 포트(112)를 갖고, 웹(104)의 제 1 측면 상에 배기 포트(118)를 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 차후 공정 챔버(108)의 몇몇 또는 전부로 반복될 수 있다. 예를 들어, 공정 가스가 교호하는(alternating) 공정 챔버(108) 내의 웹(104)의 대향 측면에서 분사되는 경우 균일한 증착 두께가 얻어질 수 있는 방법을 나타내는 도 2c에 도시된 그래프(280)를 참조한다.

다른 실시예에 있어서, 적어도 몇 개의 공정 챔버(108)는 웹(104) 아래에 적어도 하나의 가스 입력 포트(112)를 갖고, 웹(104)의 일 측면 또는 양 측면에 적어도 하나의 배기 포트(118)를 갖도록 구성된다. 또 다른 실시예에 있어서, 적어도 몇 개의 공정 챔버(108)는 웹(104) 상에 적어도 하나의 가스 입력 포트(112)를 갖고, 웹(104)의 일 측면 또는 양 측면에 적어도 하나의 배기 포트(108)를 갖도록 구성된다.

웹(104)은 많은 CVD 공정 동안 가열된다. 웹(104)이 복수의 공정 챔버(108)를 통해 이동되는 동안 원하는 공정 온도까지 웹(104)을 가열하도록 사용될 수 있는 많은 타입의 히터가 있다. 일 실시예에 있어서, 복사 히터(radiant heater)는 웹(104)을 원하는 공정 온도까지 가열하기 위해 웹(104)에 인접하여 위치된다. 다른 실시예에 있어서, 그래파이트 히터(graphite heater)와 같은 가열 요소는 웹(104)을 원하는 공정 온도까지 가열하기 위해 웹(104)과 열 접촉 상태로 위치된다. 다른 실시예에 있어서, RF 유도 코일은 웹(104)에 인접하게 위치되어 RF 유도 코일로부터의 에너지가 웹(104)을 가열하도록 한다. 또 다른 실시예에 있어서, 웹(104) 자체는 저항 히터로서 사용된다. 본 실시예에 있어서, 웹(104)은 저항 가열에 적합한 저항성을 유발하는 물질 및 두께로 구성된다. 전원은 웹(104)에 전기적으로 연결된다. 전원에 의해 발생되는 전류는 웹(104)이 원하는 공정 온도까지 가열되도록 조정된다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 다른 타입의 히터가 웹(104)을 가열하도록 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 하나 이상의 타입의 히터가 웹(104)을 가열하도록 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명의 지침에 따른 증착 시스템의 하나의 특징은, 복수의 공정 챔버(108) 각각이 물질 구조 내에 층을 규정하기 때문에, 증착된 필름의 물질 구조가 증착 챔버(106)의 구조에 의해 규정된다는 것이다. 다시 말하면, 증착 공정은 증착 챔버(106) 내에 공간적으로 분포된다. 그에 따라, 증착 챔버(106) 내의 복수의 공정 챔버(108)의 구조는 물질 구조를 거의 결정한다. 이송률, 가스 유량, 배기 컨덕턴스(exhaust conductance), 웹 온도, 및 복수의 공정 챔버 내의 압력과 같은 공정 변수 또한 필름 품질 및 필름 두께와 같은 물질 구조의 특성을 결정한다. 이러한 증착 장치는 매우 다용도이며 높은 처리량으로 대량 생산에 적합하다. 또한, 이러한 증착 장치는 그가 증착된 물질 구조를 변화시키도록 용이하게 재구성될 수 있기 때문에 연구 분야에 적합하다.

본 발명의 지침에 따른 증착 시스템의 다른 특징은, 공정 챔버(108)의 치수 및 웹(104)의 이송률이 웹(104)이 공정 가스에 노출되는 CVD 반응 시간을 규정한다는 것이다. 이러한 구성은 가스 밸브의 정확성에 의존하지 않으며, 그에 따라, 공지된 CVD 공정과 비교하여 더 정확하고 반복 가능한 CVD 반응을 유도할 수 있다. 본 발명의 지침에 따른 증착 시스템의 다른 특징은 전체 웹이 거의 동일한 공정 조건에 노출되므로, 상기 시스템이 매우 반복 가능하다는 것이다.

본 발명의 지침에 따른 증착 시스템의 또 다른 특징은 상기 시스템이 증착 챔버(106) 내의 증착된 필름의 인시튜(in-situ) 특성화를 수행하도록 쉽게 구성될 수 있다는 것이다. 그에 따라, 롤-투-롤 CVD 시스템(100)은 웹(104)을 따라 어느 곳에든 위치되는 인시튜 측정 장치(124)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 인시튜 측정 장치(124)는 CVD 공정 챔버(108) 내에 위치될 수 있다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 많은 타입의 인시튜 측정 장치가 공정 챔버(108) 내의 또는 공정 챔버(108) 사이의 증착된 필름을 특성화하도록 사용될 수 있다.

예를 들면, 인시튜 측정 장치(124) 중 적어도 하나는 증착 중에 온도를 측정하는 고온계(pyrometer)일 수 있다. 고온계는 웹(104)의 온도를 제어하는 하나 또는 그 이상의 히터의 출력 전원을 제어하는 피드백 신호를 제공할 수 있다. 다양한 실시예에 있어서, 하나 또는 그 이상의 고온계는 증착 챔버(106) 내의 웹(104) 전체 부분의 온도를 제어하는 단일 히터를 제어하도록 사용될 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 개별 CVD 공정 챔버(108)를 가열하는 히터를 제어하도록 사용될 수도 있다.

인시튜 측정 장치(124) 중 적어도 하나는 증착된 필름의 두께 및/또는 성장률을 측정하는 반사계(reflectometer)일 수도 있다. 반사계는 웹 이송률, 공정 가스 유량, 및 CVD 공정 챔버(108) 내의 압력과 같은 다양한 증착 변수를 제어하는 피드백 신호를 제공할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 증착 챔버(106)는 특정 CVD 공정을 위해 복수의 공정 챔버(108) 중 적어도 몇몇의 물리적 치수를 설정하는 수단을 갖는다. 예를 들면, 복수의 공정 챔버(108) 중 적어도 몇몇은 이들이 조절 가능한 치수를 갖도록 설정될 수 있다. 또한, 복수의 공정 챔버(108) 중 적어도 몇몇은 이들이 각기 다른 치수를 갖는 다른 공정 챔버(108)와 용이하게 상호 교환되도록 제거 가능하게 설정될 수 있다. 이러한 장치에 있어서, 작업자는 원하는 물질 구조에 대응하는 증착 챔버(106) 내로 공정 챔버(108)를 삽입할 수 있다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템용 공정 챔버(200) 내의 수평 공정 가스 분사의 다양한 양태를 도시한다. 도 2a는 증착 챔버 내의 복수의 공정 챔버(204) 중 하나 내에 있는 복수의 수평 가스 흡입 포트(202)의 저면도이다. 저면도는 복수의 가스 흡입 포트(202) 위로 이송하는 웹(206)을 도시하는바, 복수의 가스 흡입 포트(202)로부터 분사되는 가스는 웹(206)의 표면과 반응한다.

도 2b는 본 발명에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템의 공정 챔버 내에 단일 수평 가스 흡입 포트(252) 및 단일 가스 배기 포트(254)를 포함하는 공정 챔버(250)의 일부의 측면도를 도시한다. 측면도(250)는 가스 흡입 포트(252) 위로 이송하는 웹(256)을 보여준다.

도 2c는 웹(256, 도 2b 참조) 폭의 함수로서의 필름 두께를 나타낸 그래프(280)를 도시한다. 그래프(280)는 웹(256)의 전체 폭을 가로질러 균일한 필름 두께를 달성하는 하나의 방법을 도시한다. 그래프(280)는 공정 가스가 교호하는 공정 챔버(108) 내의 웹(104, 도 1 참조)의 대향 측면에서 분사되는 경우, 매우 균일한 두께가 달성될 수 있다는 것을 보여준다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템용 공정 챔버 내의 수직 공급 가스 분사의 다양한 양태를 도시한다. 도 3a는 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템용 단일 수직 가스 공급원(304)의 저면도(300) 및 측면도(302)를 도시한다. 저면도(300)는 웹(308)의 전체 폭을 가로질러 공정 가스를 균일하게 분포시킬 수 있는 가스 분사 노즐(306)을 도시한다.

도 3b는 복수의 수직 가스 공급원(352) 각각이 공정 가스를 웹(354)의 표면 위로 분포시키도록, 웹(354)을 따라 위치되는 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템용 복수의 수직 가스 공급원(352)의 측면도(350)를 도시한다. 이러한 수직 가스 공급원들은 특정의 원하는 물질 구조를 증착하도록 용이하게 상호 교환될 수 있다. 또한, 이러한 수직 가스 공급원들은 특정 웹 이송률에 대한 증착 두께를 변화시키도록 시스템으로부터 추가 및/또는 제거될 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템용 공정 챔버 내의 수직 배기 포트의 다양한 양태를 도시한다. 도 4a는 본 발명의 지침에 따른 롤-투-롤 CVD 시스템용 단일 수직 배기 포트(404)의 평면도(400) 및 측면도(402)를 도시한다. 평면도(400)는 웹(406)을 도시한다. 도 4b는 복수의 수직 가스 공급원(454)의 반대쪽에 있는 공정 챔버 내의 단일 수직 배기 포트(452)의 측면도(450)를 도시한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 지침에 따른 화학 기상 증착 시스템을 작동하는 방법은 복수의 공정 챔버(108)를 통해 웹(104)을 이송하는 단계를 포함한다. 웹(104)은 원하는 공정 온도까지 가열될 수 있다. 몇몇 방법에 있어서, 복수의 공정 챔버(108) 중 적어도 하나의 치수는 특정 CVD 공정을 위해 변화된다. 웹(104)은 단지 하나의 방향으로만 복수의 공정 챔버(108)를 통해 이송될 수도 있고, 전방 방향으로 복수의 공정 챔버(108)를 통해 이송된 후 전방 방향과 반대인 후방 방향으로 이송될 수도 있다. 또한, 웹(104)은 일정한 이송률로 복수의 공정 챔버(108)를 통해 이송될 수도 있고 복수의 별개 단계로 복수의 공정 챔버(108)를 통해 이송될 수도 있다. 몇몇 방법에 있어서, 웨이퍼는 웹(104) 위에서 공기 베어링 상에 이송되어, 복수의 공정 챔버를 통해 웨이퍼를 이송하는 동안 필름이 화학 기상 증착에 의해 웨이퍼 상에 증착되도록 한다.

상기 방법은 화학 기상 증착에 의해 원하는 필름을 증착하는 유량으로 복수의 공정 챔버 각각에 적어도 하나의 CVD 가스를 제공하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 CVD 가스는 MOCVD 가스일 수 있다. 상기 방법은 복수의 공정 챔버의 적어도 몇 개에 원하는 CVD 가스를 제공하도록 가스 분배 매니폴드를 구성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 방법은 다양한 수단에 의해 복수의 공정 챔버 중 적어도 몇 개 내에서 공정 화학 물질을 격리시키는 단계를 포함한다. 예를 들면, 상기 방법은 인접한 공정 챔버 사이에 가스 커튼을 생성함으로써 공정 화학 물질을 격리시키는 단계를 포함한다. 선택적으로, 상기 방법은 인접한 공정 챔버 사이의 영역을 배기하는 단계를 포함할 수 있다.

균등물

출원인의 지침이 다양한 실시예와 연계되어 설명된다 하더라도, 출원인의 지침이 이러한 실시예에 제한되도록 의도되는 것은 아니다. 반대로, 출원인의 지침은, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 바와 같은, 본 발명의 지침의 사상 및 범주를 이탈하지 않고 그 안에서 이루어질 수 있는, 다양한 대안, 변형예 및 균등물을 포괄한다.

100: 롤-투-롤 CVD 시스템 102: 공급 롤러
102': 복귀 롤러 104: 웹
106: 증착 챔버 108: 공정 챔버
112: 가스 입력 포트 114 : CVD 공정 가스 공급원
116 : 가스 분배 매니폴드 118: 가스 배기 포트
120: 배기 매니폴드 122: 진공 펌프

Claims

a. CVD 공정 중에 웹을 이송하는 적어도 두 개의 롤러;
b. 상기 적어도 두 개의 롤러에 의해 이송되는 동안 상기 웹이 통과하기 위한 통로를 규정하는 증착 챔버 - 상기 증착 챔버는 배리어에 의해 격리되는 복수의 공정 챔버를 포함하고, 상기 배리어는 상기 복수의 공정 챔버 각각 내의 공정 화학 물질을 분리 상태로 유지하며, 상기 복수의 공정 챔버 각각은 가스 입력 포트 및 가스 배기 포트를 포함함 - ; 및
c. 상기 복수의 공정 챔버 각각의 상기 가스 입력 포트에 결합되는 적어도 하나의 CVD 가스 공급원
을 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 롤러는 상기 복수의 공정 챔버를 통해 단지 하나의 방향으로만 웹을 이송하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 롤러는 상기 복수의 공정 챔버를 통해 상기 웹을 제 1 방향으로 이송하고, 그 후 상기 복수의 공정 챔버를 통해 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 복귀시키는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 롤러는 상기 웹을 연속적으로 이송하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 롤러는 상기 웹을 복수의 별개 단계로 이송하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 복수의 공정 챔버 중 적어도 몇 개의 상기 가스 입력 포트는 적어도 두 개의 CVD 가스가 상기 웹에 도달할 때까지 상기 CVD 가스가 반응하는것을 실질적으로 방지하는 가스 분배 노즐을 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 가스 입력 포트의 적어도 몇 개는 상기 공정 챔버의 상면에 위치되며, 대응하는 배기 포트는 상기 공정 챔버의 적어도 일 측면에 인접하게 위치되는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 공정 챔버의 적어도 몇 개는 상기 공정 챔버의 일 측면에 인접하는 가스 입력 포트, 및 상기 공정 챔버의 타 측면에 인접하게 위치되는 대응하는 배기 포트를 구비하여, 상기 CVD 공정 가스가 상기 공정 챔버를 가로질러 흐르도록 하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 CVD 가스 공급원은 증착 두께 균일성을 향상시키도록, 교호하는 공정 챔버의 대향 측면에서 분사되는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 배리어 중 적어도 몇 개는 가스 커튼을 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 배리어 중 적어도 몇 개는 인접한 공급 챔버 사이의 진공 영역을 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 웹을 원하는 공정 온도까지 가열하되, 상기 웹에 인접하게 위치되는 복사 히터를 더 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 웹은 상기 웹을 원하는 공정 온도까지 가열하는 가열 요소와 열 접촉하여 위치되는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, RF 코일은 웹과 전자기 연통 상태로 위치되어 상기 RF 코일에 인접한 상기 웹의 온도를 증가시키는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 웹에 전기적으로 연결되되, 상기 웹에 전류를 제공하여 상기 웹의 온도를 제어하는 전원을 더 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 웹은 상기 웹 상에 웨이퍼를 지지하는 복수의 공기 베어링을 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 복수의 CVD 가스 공급원, 및 상기 복수의 공정 챔버 중 적어도 몇 개의 상기 가스 입력 포트 사이에 결합되는 사용자 설정 가능한 가스 분배 매니폴드를 더 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
a. 복수의 공정 챔버를 통해 웹을 이송하기 위한 수단;
b. 상기 복수의 공정 챔버 중 적어도 몇 개 내의 공정 화학 물질을 격리하기 위한 수단; 및
c. 화학 기상 증착에 의해 상기 복수의 공정 챔버 각각 내의 상기 웹 상에 원하는 필름을 증착하도록, 상기 복수의 공정 챔버에 복수의 CVD 가스를 제공하기 위한 수단
을 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 18 항에 있어서, 상기 웹은 화학 기상 증착을 위해 웨이퍼를 지지하기 위한 수단을 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 18 항에 있어서, 특정 CVD 공정을 위해 상기 복수의 공정 챔버 각각의 치수를 설정하기 위한 수단을 더 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 18 항에 있어서, 원하는 가스 혼합물이 상기 복수의 공정 챔버 각각에 제공되도록, 복수의 CVD 가스 공급원을 구성하기 위한 가스 매니폴드 스위칭 수단을 더 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
제 18 항에 있어서, 특정 CVD 반응을 촉진하도록 원하는 공정 온도까지 상기 웹을 가열하기 위한 수단을 더 포함하는 롤-투-롤 CVD 시스템.
화학 기상 증착 방법에 있어서,
a. 복수의 공정 챔버를 통해 웹을 이송하는 단계;
b. 상기 복수의 공정 챔버 중 적어도 몇 개 내의 공정 화학 물질을 격리시키는 단계; 및
c. 화학 기상 증착에 의해 원하는 필름을 증착하는 유량으로 상기 복수의 공정 챔버 각각에 적어도 하나의 CVD 가스를 제공하는 단계
를 포함하는 화학 기상 증착 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 웹은 상기 복수의 공정 챔버를 통해 제 1 및 제 2 방향으로 이송되는 화학 기상 증착 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 웹은 상기 복수의 공정 챔버를 통해 연속적으로 이송되는 화학 기상 증착 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 웹은 상기 복수의 공정 챔버를 통해 복수의 별개 단계로 이송되는 화학 기상 증착 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 복수의 공정 챔버 중 적어도 몇 개 내의 상기 공정 화학 물질을 격리시키는 단계는, 상기 복수의 공정 챔버 중 적어도 몇 개 사이에 가스 커튼을 생성하는 단계를 포함하는 화학 기상 증착 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 웹을 원하는 공정 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 화학 기상 증착 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 복수의 공정 챔버 중 적어도 몇 개에 원하는 CVD 가스를 제공하도록 가스 분배 매니폴드를 구성하는 단계를 더 포함하는 화학 기상 증착 방법.
제 23 항에 있어서, 특정 CVD 공정을 위해 상기 복수의 공정 챔버 중 적어도 하나의 치수를 변화시키는 단계를 더 포함하는 화학 기상 증착 방법.