KR20130103754A - 원자 층 증착 코팅 시스템 - Google Patents

원자 층 증착 코팅 시스템 Download PDF

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KR20130103754A
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마이클 제이. 서센
가네시 엠. 선다람
로저 알. 쿠투
질 스벤야 베커
마크 제이. 달버스
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캠브리지 나노테크 인크.
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Abstract

ALD 코팅 시스템은 전구체 오리피스 플레이트와 대면하는 기판의 코팅 표면을 가지는 이동 기판 위에 배치되는 고정형 가스 매니폴드를 포함한다. 가스 제어 시스템은 가스 또는 증기 전구체 및 불활성 가스를 고정형 가스 매니폴드 내로 전달하고, 그러한 매니폴드는 입력 가스를 이동 기판의 코팅 표면 상으로 지향시킨다. 가스 제어 시스템은, 미사용 전구체, 불활성 가스 및 반응 부산물을 코팅 표면으로부터 제거하기 위해서 가스 매니폴드를 통해서 가스를 인출하는 가스 매니폴드와 인터페이스하는 송풍기를 포함한다. 가스 매니폴드는, 서로 다른 전구체가 혼합되는 것을 방지하기 위해서, 코팅 표면에서 전구체 가스를 격리시키도록 구성된다. 또한, 가스 매니폴드는 배기 시스템 내에서 미사용 전구체 가스를 격리시킬 수 있고, 그에 따라 미반응 전구체가 회수되고 재사용될 수 있다.

Description

원자 층 증착 코팅 시스템{ALD COATING SYSTEM}
1. 관련된 미국 특허 출원에 대한 상호 참조
본원은, 35 U.S.C. 119(e)하에서, 2010년 10월 16일자로 출원되고 명칭이 "Application of ALD Coatings to a Moving Substrate at Atmospheric Pressure"인 가특허 출원 제 61/455,223 호를 기초로, 그리고 추가적으로 2010년 10월 26일자로 출원되고 명칭이 "Apparatus for Applying ALD Coatings to a Moving Substrate" 인 가특허 출원 제 61/455,772 호를 기초로, 그리고 추가적으로 2011년 3월 23일자로 출원되고 명칭이 "ALD Coating System"인 가특허 출원 제 61/466885 호를 기초로 우선권을 주장하고, 상기 출원 모두는 그 전체가 본원에서 참조로서 포함된다.
2. 저작권 공지
본원 특허 서류의 개시내용의 일부가 저작권 보호의 대상이 되는 자료를 포함할 수 있을 것이다. 저작권 소유자는 특허 서류 또는 특허 개시내용을, 특허 상표청 특허 파일 또는 기록에서 보여지는 상태 그대로, 어느 누구라도 팩시밀리 복제하는 것을 반대하지는 않으나, 다른 경우에는 어떠한 경우에도 모든 저작권을 보유한다. 이하의 공지는 이러한 서류에 적용될 것이다: Copyright 2011, Cambridge Nanotech, Inc.
3.1.1. 기술 분야
본원 발명은 가스 증착을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본원 발명은 대기압에서 실시되는 원자 층 증착(ALD)에 의해서 이동 기판 상으로 복수의 얇은 필름 재료 층을 도포하기에 적합한 장치 및 방법에 관한 것이다.
3.1.2 관련 기술에 관한 설명
ALD 코팅 방법을 이용하여 대기압에서 이동 기판을 코팅하기 위한 시스템이 Levy 등의 미국 특허 제 7413982 호로서 명칭이 PROCESS FOR ATOMIC LAYER DEPOSITION 인 특허 및 Levy 등의 특허에 의한 관련된 개시내용에서 공지되고 개시되어 있다. Levy 등의 특허는, 도 2 및 5에서, 제 1 전구체 가스, 제 2 전구체 가스 및 불활성 가스를 내부로 수용하기 위한 3개의 가스 유입구 포트를 가지는 가스 분배 매니폴드를 개시한다. 분배 매니폴드는 제 1 전구체 가스를 외부로 방출하기 위한 제 1 배출구 채널, 제 2 전구체 가스를 외부로 방출하기 위한 제 2 배출구 채널, 및 제 1 및 제 2 배출구 채널의 각각의 사이에 배치된, 불활성 가스를 외부로 방출하기 위한 제 3 배출구 채널을 가지는 복수의 배출구 채널을 구비하는 배출구 면(face)으로 형성된다. 배출구 면은 기판 코팅 표면과 대향하여 배치되고 그리고 거리(D) 만큼 기판 코팅 표면으로부터 균일하게 이격되며, 그에 따라 각각의 배출구 채널이 거리(D) 만큼 코팅 표면으로부터 분리된다. 배출구 채널은 인접한 배출구 채널에 의해서 공유되는 구획부에 의해서 분리된다. 구획부는, 대향하는 구획부에 의해서 형성된 채널로 가스 유동을 실질적으로 한정한다. 가스가 각각의 배출구 채널 내로 전달되고, 기판 코팅 표면에 대해서 평행하게 지향되고, 그리고 구획부 및 기판 코팅 표면에 의해서 배출구 채널 내에서 유동하도록 한정된다.
동작 중에, 분배 매니폴드 및/또는 기판이 서로에 대해서 상대적으로 이동된다. 상대적인 운동 방향은 배출구 채널 내의 가스 유동의 방향에 대해서 수직이 된다. 상대적인 운동은 각각의 배출구 채널을 코팅 표면 위에서 순차적으로 진행시킨다. 그에 따라, 코팅 표면이 제 1 배출구 채널을 통해서 유동하는 제 1 전구체에 먼저 노출된다. 코팅 표면이 제 1 전구체에 노출되는 기간 동안, 제 1 전구체가 기판 코팅 표면과 반응하여 코팅 표면을 변경시키고(alter) 그리고 반응 부산물을 생성한다. 이어서, 코팅 표면이 불활성 가스 배출구 채널을 통해서 유동하는 불활성 가스에 노출된다. Levy 등의 특허의 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같이, 불활성 가스는 반응하지 않은 제 1 전구체 및 반응 부산물을 코팅 표면으로부터 제거하고 그리고 배출유동(outflow)을 배기(exhaust) 포트로 이송한다. 다음에, 코팅 표면이 제 2 배출구 채널을 통해서 유동하는 제 2 전구체 가스에 노출된다. 코팅 표면이 제 2 전구체에 노출되는 기간 동안, 제 2 전구체가 기판 코팅 표면과 반응하고 그리고 그 표면 상에 얇은 필름 고체(solid) 코팅을 형성하고 그리고 반응 부산물을 생성한다. 다음에, 코팅 표면이 불활성 가스 배출구 채널을 통해서 유동하는 제 2 불활성 가스에 노출되며, 이는 반응하지 않은 제 2 전구체 및 반응 부산물을 코팅 표면으로부터 제거한다.
혼합된 전구체 가스가 서로 반응하기 쉽고 그리고 접촉하게 되는 대부분의 표면과 반응하기 쉽다는 것, 그리고 혼합된 전구체가 표면 상에 고체 재료 층을 형성함으로써 표면을 오염시킨다는 것이 잘 알려져 있다. 혼합된 전구체가 기판 코팅 표면을 오염시킬 때, 표면이 오염되었다는 가시적인 징후(sign)를 거의 나타내지 않는 상태에서, 기판의 물리적 및 화학적 성질이 손상될 수 있다. Levy 등의 특허에 의해서 개시된 분배 매니폴드의 경우에, 불활성 가스 채널 내의 혼합된 전구체가 분배 매니폴드의 표면을, 그리고 배출유동과 접촉하게 되는 펌프 밸브 및 센서를 포함하는 배기 시스템의 다른 표면을 오염시킬 수 있다. 일반적으로, 혼합된 전구체와의 접촉으로부터 초래되는 표면 오염은 성능 저하 및 최종적인 결함(failure)을 초래한다.
Levy 등의 특허에 의해서 개시된 분배 매니폴드가 가지는 하나의 문제점은, 코팅 표면과 분배 매니폴드의 배출구 면 사이의 분리 거리(D)가 반드시 짧아야 한다는 것이다. 특히, Levy 등의 특허는 약 0.025 mm 또는 25 ㎛의 분리(D)가 유리하다는 것을 개시하고 있는데, 이는, 그러한 거리가, 분배 헤드와 코팅 표면 사이의 채널 구획부 주위로 전구체 가스가 유동하는 것을 방지하기 때문이고 그에 따라, 예를 들어, 불활성 가스 채널 내에서, 상이한 전구체가 함께 혼합되는 것을 방지하기 때문이다. 추가적으로, Levy 등의 특허는, 도 8a 및 8b에서, 작은 분리(D)가 전구체와 코팅 표면의 반응 시간을 바람직하게 감소시킨다는 것을 개시하고 있는데, 이는 전구체가 코팅 표면에 보다 신속하게 도달하기 때문이다. 그러나, 본원 출원인은 , 작은 분리 거리(D)가 전형적인 코팅 적용예에서 실용적이지 못하다는 것을 발견하였는데, 이는 코팅되는 많은 기판 재료가 Levy 등의 특허에서 권장하는 분리 거리인 25 ㎛를 초과하는 표면 변동(variation)을 가지기 때문이다. 특히, 기판을 지지하는 요소의 기하형태(geometry)에서 그리고 매니폴드 자체에서, 기판 두께의 변동이 25 ㎛를 초과하기 쉬울 수 있고, 결과적으로, 희망하는 코팅 속도로 분배 매니폴드를 통과하는 코팅 표면의 이동 중에, 코팅 표면과 분배 매니폴드 사이의 접촉이 발생하기 쉬워서, 바람직하지 못한 코팅 표면과 기판의 손상을 초래할 수 있다.
Levy 등의 특허에서, 작은 분리(D)가 Yudovsky에게 허여된 미국 특허 제 6821563 호로서 명칭이 GAS DISTRIBUTION SYSTEM FOR CYCLICAL LAYER DEPOSITION 인 특허에 개시된 종래 기술의 증착 시스템에 대비하여 개선된 것이라고 주장하고 있지만, Yudovsky 시스템은 이동하는 표면을 코팅하는데 있어서 보다 실용적인 분리가 되는 500 ㎛ 이상의 분리 거리를 이용한다.
Yudovsky 특허는, 코팅 사이클 중에 대기압 미만에서 유지되는 밀봉된 프로세싱 챔버를 포함하는 주기적(cyclic) 층 증착 시스템을 도 1에서 개시한다. 그러한 시스템은 고정된 위치에서 프로세스 챔버 내부에서 지지되는 가스 분배 매니폴드를 포함한다. 그러한 시스템은 코팅되는 기판을 지지하고 그 기판을 라이너(liner) 운동으로 가스 분배 매니폴드를 통해서 이송하는 셔틀을 포함한다. 분배 매니폴드는 제 1 전구체 가스를 내부에 수용하기 위해서 제 1 전구체 공급부에 연결된 제 1 가스 포트, 제 2 전구체 가스를 내부에 수용하기 위해서 제 2 전구체 공급부에 연결된 제 2 전구체 포트, 불활성 가스를 내부에 수용하기 위해서 불활성 가스 공급부에 연결된 퍼지 포트, 및 프로세스 챔버로부터 가스를 제거하기 위해서 진공 시스템에 연결된 진공 포트를 포함한다. 가스 포트는, 대향하는 포트가 측면에 위치되는(flanked) 각각의 전구체 포트와 함께 그리고 대향하는 제 1 및 제 2 전구체 포트 사이에 배치된 퍼지 포트와 함께 배열된다.
가스 포트의 각각은 구획부에 의해서 인접하는 가스 포트로부터 분리된다. 구획부는 기판 코팅 표면에 근접하여 연장하고 그리고 인접 가스 포트로부터의 가스 유동을 격리시키고 가스 유동을 코팅 표면을 향해서 지향시킨다. 각각의 가스 포트는 코팅 표면과 대면하는 개방 단부를 가지며, 그에 따라 가스 포트를 빠져나가는 가스가 코팅 표면과 충돌하여, 전구체 가스의 경우에서와 같이 코팅 표면과 반응하거나 또는 퍼지 포트를 빠져나오는 불활성 가스의 경우와 같이 코팅 표면으로부터 전구체를 퍼지한다. 전구체 포트를 빠져나가는 가스 스트림이 인접한 진공 포트를 향해서 구획부의 하부 단부 주위로 유동할 수 있게 허용하기 위해서, 각 구획부의 하부 단부는 약 500 ㎛ 이상의 분리 간격 만큼 코팅 표면으로부터 분리된다.
Yudovsky 특허에 의해서 개시된 가스 분배 매니폴드가 코팅 표면과 각각의 구획부의 하부 단부 사이에 보다 실용적인 분리 거리를 제공하지만, Yudovsky 특허는 다른 단점을 가진다. 특히, Yudovsky 특허에서는, 프로세스 챔버가 밀봉되어야 할 필요가 있고 그리고 코팅 프로세스가 진공에서 또는 적어도 대기압 미만에서 실시될 필요가 있다. 이는, 각각의 코팅 사이클의 시작과 종료시에 로드 록 챔버와 프로세스 챔버 사이에서 이송되는 기판의 로딩 및 언로딩을 복잡하게 만들고, 그리고 이는 코팅 사이클 시간을 상당히 증가시킨다. 추가적으로, Yudovsky 특허에서는, 도 3 및 5에 도시된 바와 같이, 왕복하는 선형 운동에 의해서 기판이 분배 매니폴드를 지나서 이동될 것을 요구하거나, 또는 개별적인 웨이퍼가 가스 분배 매니폴드를 지나서 회전될 것을 요구한다. 이는, 선형 왕복의 경우에 2개의 선형 운동 방향을 필요로 함으로써 그리고 회전 운동의 경우에 웨이퍼의 로딩 및 언로딩을 필요로 함으로써 프로세스 사이클 시간을 추가적으로 증가시킨다.
종래 기술에서, 기존의 ALD 코팅 화학물질에 의해서 용이하게 제공될 수 있는 코팅으로 기판 재료의 웨브(web) 또는 롤을 코팅할 필요가 있다. 또한, 진공 챔버에서의 기판 코팅의 높은 비용 및 복잡성을 피하기 위해서 그리고 진공 또는 밀봉된 챔버 내외로의 기판의 로딩 및 기판의 언로딩과 연관된 사이클 시간의 증가를 피하기 위해서, 그러한 코팅을 대기압에서 도포하는 것이 바람직할 것이다. Levy 등의 특허가 대기압에서의 ALD 코팅을 위한 시스템을 개시하고 있지만, Levy 등의 특허에 의해서 개시된 시스템은 기판 코팅 표면과 가스 유동 채널을 형성하기 위해서 이용되는 구획부의 하부 단부 사이에서 작은 분리 거리(25 ㎛ 이하)를 요구하고, 그리고 25 ㎛의 분리 거리는 분리 거리에 있어서 보다 큰 가변성을 요구하는 많은 적용예에서 실용적이지 못하다. 하나의 문제점은, 코팅되는 일부 재료의 두께가 25 ㎛ 초과로 변화될 수 있다는 것이다. 다른 문제점은, 이송 장치로 인한 재료 연신 및 위치 변동으로 인해서, 재료가 가스 분배 매니폴드를 지나서 진행될 때, 분리 거리가 25 ㎛ 초과로 변화될 수 있다는 것이다. 이는 웨브 이송 속도가 0.5 내지 20 m/초에 도달할 때 특히 문제가 되는데, 그러한 속도는 본원 발명의 시스템 및 방법에 의해서 가능하게 되는 속도 범위이다. 따라서, 가변적인 재료 두께로 인한 분리 거리의 변동 및 재료 이송 메커니즘에 의해서 도입되는 재료 연신 및 이동으로 인한 분리 거리의 동적인 변화를 수용하기 위해서, 500 ㎛ 내지 3 mm 이상의 범위의 기판 대 가스 매니폴드 분리 거리에서 신뢰가능한 코팅 ALD 속성을 제공할 수 있는 시스템 및 방법을 제공할 것이 종래 기술에서 요구된다.
보다 일반적으로, ALD 코팅 레이트(rate)(예를 들어, 분당 평방 미터 단위로 측정되는 바와 같음)를 증가시킬 필요가 있다. 본원 발명은, 대기압에서의 ALD 코팅을 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공함으로써, 그에 따라 통상적인 ALD 코팅 시스템에서 사용되는 밀봉 챔버와 연관된 프로세스 챔버 로딩 및 언로딩 사이클 시간 및 펌핑 감압 및 퍼지 사이클 시간을 배제함으로써, 이러한 요구를 해결한다. 추가적으로, 본원 발명은, 희망하는 기판 속도에서 완전한 포화를 제공하는, 단위(unit) 셀 치수 및 기판으로의 가스 부피 전달의 최적화에 의해서 분당 코팅 레이트를 증가시킨다.
추가적으로, 증가된 기판 속도에서 기판 표면의 보다 신속한 포화를 달성할 필요성이 존재한다. 본원 발명은, 개별적인 가스 채널에 노출된 기판 구역(area)에 걸친 보다 신속하고 보다 균일한 프로세스 가스 전달 및 제거를 제공함으로써, 이러한 요구를 해결한다.
ALD 프로세스를 이용하여 코팅되는 기판 표면의 포화를 달성하기 위해서 이용되는 화학물질의 부피를 줄이는 것에 대한 추가적인 요구가 있다. 본원 발명은, 희망하는 기판 이송 속도에 따라 단위 셀 치수 및 기판에 대한 가스 부피 전달을 최적화함으로써 제 1 노출 중에 이용되는 화학물질의 부피를 감소시키는 것에 의해서, 그리고 퍼지 사이클 중에 제거된 상이한 전구체를 격리(segregating) 및 수집함으로써 미반응 전구체를 재사용할 수 있는 기회를 제공하는 것에 의해서, 이러한 요구를 해결한다. 반응 존(zone)이 기판 표면에 근접한다.
코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법 및 장치가 이하에서 설명된다.
하나의 양태에서, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 제 1 전구체 노즐 조립체 및 제 2 전구체 노즐 조립체를 가지는 단위 셀을 포함하는 증착 헤드를 제공하는 단계; 상기 코팅 표면에 실질적으로 수직한 방향을 따라 제 1 전구체 노즐 조립체로부터 대기압(atmospheric) 조건으로 제 1 전구체를 방출하는 단계; 및 상기 코팅 표면에 실질적으로 수직한 방향을 따라 제 2 전구체 노즐 조립체로부터 대기압 조건으로 제 2 전구체를 방출하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은, 제 2 전구체가 코팅 표면의 제 1 구역 상으로 지향되기에 앞서서 제 1 전구체가 코팅 표면의 제 1 구역 상으로 지향되도록, 증착 헤드 및 기판을 상대적으로 이동시키는 단계를 더 포함한다.
하나의 양태에서, 증착 시스템이 제공된다. 시스템은 코팅 표면을 포함하는 기판, 그리고 제 1 전구체 노즐 조립체 및 제 2 전구체 노즐 조립체를 가지는 단위 셀을 포함하는 증착 헤드를 포함한다. 제 1 전구체 노즐 조립체는 상기 코팅 표면에 실질적으로 수직한 방향을 따라 대기압 조건으로 제 1 전구체를 방출하도록 구성되고 배열되며, 그리고 상기 제 2 전구체 노즐 조립체는 상기 코팅 표면에 실질적으로 수직한 방향을 따라 대기압 조건으로 제 2 전구체를 방출하도록 구성되고 배열된다. 시스템은 증착 헤드 및/또는 기판과 연관된 액추에이터를 더 포함한다. 액추에이터는, 상기 코팅 표면의 제 1 구역을 제 1 전구체에 노출시키고 이어서 상기 코팅 표면의 제 1 구역을 제 2 전구체에 노출시키기 위해서, 증착 헤드와 기판 사이의 상대적인 운동을 생성하도록 구성된다.
하나의 양태에서, 증착 헤드가 제공된다. 증착 헤드는 복수의 제 1 전구체 노즐 조립체; 복수의 제 2 전구체 노즐 조립체; 및 상기 제 1 전구체 노즐 조립체와 제 2 전구체 노즐 조립체 사이에 각각 배열되는 복수의 불활성 가스 노즐 조립체를 포함한다. 상기 증착 헤드는 상기 제 1 전구체 노즐 조립체와 상기 불활성 가스 노즐 조립체 사이에 배열된 복수의 제 1 배기 채널; 및 상기 제 2 전구체 노즐 조립체와 상기 불활성 가스 노즐 조립체 사이에 배열된 복수의 제 2 배기 채널을 더 포함한다. 상기 증착 헤드는 상기 복수의 제 1 전구체 노즐의 각각으로 제 1 전구체를 전달하기 위한 제 1 전구체 전달 시스템; 상기 복수의 제 2 전구체 노즐의 각각으로 제 2 전구체를 전달하기 위한 제 2 전구체 전달 시스템; 및 복수의 불활성 가스 노즐의 각각으로 불활성 가스를 전달하기 위한 불활성 가스 전달 시스템을 더 포함한다. 상기 증착 헤드는 상기 제 1 배기 채널의 각각 및 제 2 배기 채널의 각각을 통해서 배기 가스를 인출(drawing)하고 증착 헤드로부터 배기 가스를 제거하기 위한 배기 가스 제거 시스템을 더 포함한다.
이러한 양태 및 다른 양태 그리고 장점은, 첨부 도면과 함께 이하의 설명을 참조할 때, 명확해질 것이다.
본원 발명의 특징은, 설명을 위한 목적으로 선택되고 첨부 도면에 도시된 본원 발명 및 본원 발명의 바람직한 실시예에 관한 구체적인 설명으로부터 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 본원 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른, 대기압 ALD에 적합한 단위 셀의 개략적인 측단면도를 도시한다.
도 2는 본원 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른, 이동 기판 및 정지형의(stationary) 단일 단위 셀 가스 분배 매니폴드를 포함하는 가스 증착 시스템의 개략적인 저면도를 도시한다.
도 3은 본원 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른, 이동 기판 위에 배치된 4개의 단위 셀을 포함하는 가스 분배 매니폴드의 개략적인 측단면도를 도시한다.
도 4는 본원 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따른, 이동 기판의 대기압 ALD 코팅에 적합한 하나의 가스 노즐 및 연관된 이격부재의 개략적인 측단면도를 도시한다.
도 5는 본원 발명의 하나의 양태에 따른, 3개의 상이한 노즐 폭에 대한 초 단위의 체류(dwell) 시간 대 분당 미터 단위의 기판 선형 속도의 도식적인 플롯(plot)을 도시한다.
도 6은 본원 발명의 하나의 양태에 따른, 밀리초 단위의 3개의 체류 시간에 대한 밀리미터 단위의 채널 폭 대 분당 미터 단위의 기판 속도의 도식적인 플롯을 도시한다.
도 7은 본원 발명의 하나의 양태에 따른, ALD 코팅 사이클을 실시하기에 적합한 기판 선형 이송 메커니즘 위에서 지지되는 가스 분배 매니폴드의 등측도를 도시한다.
도 8은 본원 발명에 따른, 가스 분배 매니폴드의 등측도를 도시한다.
도 9는 본원 발명에 따른, 가스 분배 매니폴드의 등측적인 단면도를 도시한다.
도 10은 본원 발명의 실시예에 따른, 전구체 오리피스(orifice) 플레이트의 단위 셀의 등측적인 단면도를 도시한다.
도 11은 본원 발명의 다른 실시예에 따른, 전구체 오리피스 플레이트의 단위 셀의 등측적인 단면도를 도시한다.
도 12는 본원 발명의 하나의 양태에 따른, 입력 가스 유동을 도시한 가스 분배 매니폴드의 등측적인 단면도를 도시한다.
도 13은 본원 발명의 하나의 양태에 따른, 배기 가스 유동을 도시한 가스 분배 매니폴드의 단위 셀의 등측적인 단면도를 도시한다.
도 14는 본원 발명의 하나의 양태에 따른, 가스 제어 시스템을 도시하는 개략도를 도시한다.
도 15는 본원 발명의 실시예에 따른, 이동 기판을 포함하는 대기압 ALD에 적합한 증착 시스템의 등측적인 측단면도를 도시한다.
도 16은 본원 발명의 실시예에 따른, 이동 기판을 포함하는 대기압 ALD에 적합한 증착 시스템의 등측적인 측단면도를 도시한다.
부호의 설명(callout)
Figure pct00001

Figure pct00002

Figure pct00003

Figure pct00004
단위 셀(100)의 개략적인 단면도인 도 1 및 2를 참조하며, 상기 단위 셀은 바람직하게 복수의 단위 셀을 포함하는 가스 분배 헤드의 일부를 형성한다. 단위 셀은, 단위 셀(100)에 의해서 코팅되는 표면이 되는 상단부 표면 또는 코팅 표면(110)을 포함하는 고체(solid) 기판 위에 배치되어 도시되어 있다. 이하에서 설명되는 예시적인 실시예에서, 가스 분배 프로세스가 원자 층 증착(ALD) 프로세스이나; 본원에 개시된 장치 및 방법은 개시된 대로 이용될 수 있고 또는 코팅 표면 상으로 단일 가스 또는 증기 전구체를 지향시킴으로써 코팅 표면 상에 얇은 필름 코팅을 형성하는 것과 같은 또는 둘 초과의 상이한 전구체를 코팅 표면 상으로 순차적으로 지향시킴으로써 코팅 표면 상에 얇은 필름 코팅을 형성하는 것과 같은 또는 둘 이상의 상이한 가스 또는 증기 전구체의 혼합물을 코팅 표면의 동일한 영역 상으로 동시에 지향시킴으로써 얇은 필름 코팅을 형성하는 것과 같은 다른 가스 증착 프로세스를 실시하도록 구성될 수 있다.
기판은 ALD 프로세스에 의해서 또는 다른 가스 및 증기 증착 프로세스에 의해서 코팅되기에 적합한 임의 재료를 포함할 수 있을 것이다. 일부 비-제한적인 예시적 기판에는, 금속, 세라믹, 플라스틱, 반도체, 유전체, 직조된(woven) 직물, 및 목재, 종이 등과 같은 유기질 재료가 포함된다. 기판은 고체 재료의 연속적인 웨브 또는 하나 이상의 단속적인 요소를 포함할 수 있을 것이다. 바람직하게, 단위 셀(100)이 정지상태이고 그리고 기판이 속도(V)로 단위 셀을 지나서 이동되나; 단위 셀이 정지상태의 기판 또는 기판들에 대해서 이동될 수 있고 또는 기판 및 단위 셀의 양자 모두가 이동될 수 있을 것이다.
단위 셀(100)은 폭(Wc) 및 길이방향 길이(L)를 가지고, 기판은 폭(Ws)을 가지며, 이들 모두가 도 2에 도시되어 있다. 바람직하게, 단위 셀 길이방향 길이(L)가 기판 폭(Ws)과 실질적으로 매칭되거나(match) 기판 폭을 초과하나; 일부 코팅 적용예에서, 단위 셀 길이방향 길이(L)가 기판 폭(Ws) 보다 좁은 것이 요구될 수 있을 것이다. 단위 셀(100) 및 코팅 표면(110)은 적어도 단위 셀의 폭(Wc)에 걸쳐서 서로 실질적으로 평행하게 배치되고 그리고 분리 거리(D) 만큼 분리된다.
단위 셀(100)은 제 1 가스 전구체를 코팅 표면(110) 상으로 지향시키도록 구성된 제 1 전구체 노즐 조립체(120)를 포함한다. 단위 셀(100)은 제 2 가스 전구체를 코팅 표면(110) 상으로 지향시키도록 구성된 제 2 전구체 노즐 조립체(130)를 포함한다. 바람직하게, 제 1 및 제 2 전구체 노즐 조립체(120, 130)의 각각은, 전체 기판 폭(Ws)에 걸쳐서 표면(110)에 대해서 실질적으로 수직으로 전구체 가스를 지향시키도록 구성된다. 또한, 제 1 및 제 2 전구체 노즐 조립체(120, 130)의 각각이 전체 폭(Ws)에 걸쳐서 표면(110) 상으로 전구체 가스의 실질적으로 균일한 부피를 지향시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
이제 도 1-3을 참조하면, 바람직한 실시예에서, 단위 셀은 ALD 코팅 사이클을 이용하여 동작하도록 구성된다. 동작 중에, 코팅 표면(110)이 속도 벡터(135)에 의해서 표시된 방향을 따라서 속도(V)로 단위 셀(100)을 지나서 진행하며, 그에 따라 기판 선단 엣지(140)가 제 2 전구체 노즐 조립체(130)를 지나서 진행하기 전에 제 1 전구체 노즐 조립체(120)를 지나서 진행한다. 따라서, 코팅 표면 선단 엣지(140)는 제 1 전구체 노즐 조립체(120)를 빠져나오는 제 1 전구체에 먼저 노출되고 그 후에 제 2 전구체 노즐 조립체(130)를 빠져나오는 제 2 전구체에 노출된다. 제 1 및 제 2 전구체 노즐 조립체(120, 130) 각각은 전구체 가스의 실질적으로 연속적인 유동을 전달한다. 당업자가 인지할 수 있는 바와 같이, ALD 반응에서, 코팅 표면(110)이 제 2 전구체 노즐(130)을 빠져나오는 제 2 전구체에 노출되기에 앞서서, 제 1 전구체가 코팅 표면(110)과 반응하고 코팅 표면(110)을 화학적으로 변화시킨다. 이어서, 화학적으로 변화된 코팅 표면이 제 2 전구체와 반응하고, 그러한 제 2 전구체와의 반응은 코팅 표면(110) 상에 제 1 고체 재료 층 또는 얇은 필름을 형성한다. 따라서, 바람직한 단위 셀(100)은 코팅 표면(110)의 상이한 구역 위에 각각 배치되는 2개의 전구체 공급원을 포함하고, 그에 따라 코팅 표면이 순차적으로 제 1 전구체에 노출되고 이어서 제 2 전구체에 노출되며, 코팅 표면(110)이 단위 셀을 지나서 진행함에 따라, 2개의 작업이 조합되어 하나의 고체 재료 층을 코팅 표면(110) 상에 증착한다. 그 대신에, 상기 표면(110)을 먼저 제 1 전구체 노즐 조립체(120)를 지나서 진행시키고 이어서 제 2 전구체 노즐 조립체(130)를 지나서 진행시키는 단위 셀(100)과 코팅 표면(110) 사이의 상대적인 운동의 임의 조합을 이용하여 표면(110) 상에 하나의 고체 재료 층을 증착할 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 단위 셀(110)은 상기 제 1 전구체 노즐 조립체(120)와 제 2 전구체 노즐 조립체(130) 사이에 배치된 제 1 불활성 가스 또는 다른 적합한 퍼지 가스 노즐 조립체(150), 그리고 상기 제 2 전구체 노즐 조립체(130)에 인접하여 배치된, 예를 들어 제 2 전구체 노즐 조립체(130)와 인접한 단위 셀의 제 1 전구체 노즐 조립체(120) 사이에 배치된 제 2의 불활성 가스 또는 퍼지 노즐 조립체(160)를 더 포함한다. 바람직하게, 제 1 및 제 2 퍼지 노즐 조립체(150, 160)의 각각은, 전체 기판 폭(Ws)에 걸쳐 코팅 표면(110)에 대해서 실질적으로 수직하게 불활성 가스를 지향시키도록 구성된다. 또한, 제 1 및 제 2 퍼지 노즐 조립체(150, 160)의 각각이 전체 폭(Ws)에 걸쳐서 표면(110) 상으로 실질적으로 균일한 부피의 전구체 가스를 지향시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 추가적으로, 퍼지 노즐 조립체(150, 160)의 각각에 의해서 코팅 표면(110) 상으로 전달되는 불활성 가스의 압력 및 부피가 전구체 노즐 조립체(120, 130)의 각각에 의해서 코팅 표면(110)으로 전달되는 전구체의 압력 및 부피를 초과하는 것이 바람직하며, 그에 따라 코팅 표면 상으로 지향된 불활성 가스가 코팅 표면에 근접한 전구체 가스 유동을 인접한 퍼지 노즐 조립체(150, 160) 사이의 영역으로 한정하는 경향을 가지는 것이 바람직하다.
불활성 가스 노즐 조립체에 의해서 표면(110) 상으로 지향된 불활성 가스는 2가지 목적을 제공한다. 제 1 목적은 코팅 표면(110)에 근접하여 제 1 전구체와 제 2 전구체 사이에 배치된 불활성 가스 버퍼 존을 형성하는 것이다. 불활성 가스 버퍼 존은 코팅 표면(110)에 근접한 전구체 가스를 단위 셀(100)의 전체 길이방향 길이(L)를 따라서 배치된 길이방향 존으로 실질적으로 한정하며, 그에 따라 제 1 및 제 2 전구체가 코팅 표면(110)에 근접한 곳에서 혼합되는 것을 방지하는 불활성 가스 버퍼 존을 제공한다. 추가적으로, 퍼지 노즐 조립체(150, 160)에 의해서 코팅 표면(110) 상으로 지향되는 불활성 가스의 연속적인 유동은 미반응 전구체 그리고 제 1 및 제 2 전구체 및 코팅 표면(110) 사이의 반응에 의해서 생성된 반응 부산물을 연속적으로 퍼지하는 역할을 한다. 보다 구체적으로, 선단 엣지(140)가 제 1 전구체 노즐 조립체(120)를 통과하며, 그러한 통과는 선단 엣지(140)를 제 1 전구체에 노출시켜 제 1 전구체와 코팅 표면(110) 사이의 화학적 반응을 초래하고, 그러한 통과 그 직후에 선단 엣지(140)가 제 1 불활성 가스 노즐 조립체(150)를 통과하며, 그러한 통과는, 선단 엣지(140)가 제 2 전구체 노즐 조립체(130)에 도달하기 전에, 임의의 반응 부산물 및/또는 미반응된 제 1 전구체를 선단 엣지(140)로부터 퍼지한다. 유사하게, 선단 엣지(140)가 제 2 전구체 노즐 조립체(130)를 통과하며, 그러한 통과는 제 2 전구체와 코팅 표면(110) 사이의 화학적 반응을 초래하고, 그러한 통과 그 직후에 선단 엣지(140)가 제 2 불활성 가스 노즐 조립체(160)를 통과하며, 그러한 통과는, 선단 엣지(140)가 단위 셀의 단부에 도달하기 전에, 임의의 반응 부산물 및/또는 미반응된 제 2 전구체를 선단 엣지(140)로부터 퍼지한다. 따라서, 단위 셀(100)은, 제 1 전구체를 코팅 표면(110) 상으로 동시에 지향시키는 한편, 제 1 불활성 가스 노즐 조립체(150)를 이용하여 임의의 미반응된 제 1 전구체 및 반응 부산물을 코팅 표면(110)으로부터 연속적으로 퍼지하는 한편, 제 2 전구체를 코팅 표면(110) 상으로 동시적으로 지향시키고 제 2 불활성 가스 노즐 조립체(160)를 이용하여 임의의 미반응된 제 1 전구체 및 반응 부산물을 코팅 표면(110)으로부터 연속적으로 퍼지하는, 연속적인 ALD 재료 층 형성 장치로서 동작한다. 바람직하게, 진공 챔버 내에서 ALD 프로세스를 실시하는 것과 연관된 고비용, 복잡성 및 처리량 감소를 피하기 위해서, 단위 셀(100) 및 코팅 표면(110)은 실질적으로 대기압이 된다. 또한, 코팅 사이클 중에 챔버의 밀봉을 필요로 하는 진공 압력 또는 저압에서 유지되는 반응 챔버에서 ALD 프로세스를 실행하는 것과 대비하여, 코팅 표면(110)이 단위 셀을 통해서 진행할 때 제 1 및 제 2 전구체를 동시에 인가하는 한편 코팅 표면의 상이한 영역으로부터 반응 부산물을 동시에 퍼지하는 프로세스는 코팅 사이클 시간을 단축시키는데, 이는, 반응 챔버에서의 일반적인 경우와 같이 전구체 인가 및 퍼지 사이클이 순차적으로 실시되는 대신에, 본원 발명에 따라, 전구체 인가 및 퍼지 사이클이 동시에 실시되기 때문이다.
단위 셀(100)은 이격부재(170)를 포함하거나, 노즐 조립체(120, 150, 130 및 160)를 분리하는 일체형 공간과 함께 형성되고, 그리고 인접한 단위 셀을 서로로부터 이격시켜 분리하기 위한 단부 이격부재(172)를 더 포함한다. 각각의 노즐 조립체는, 가스를 외부로 방출하기 위한 하나 이상의 노즐 개구(180) 및 노즐 하단부 엣지(175)를 포함하는 상호연결된 요소 또는 일체형 플레이트 또는 바아(bar) 구조물을 포함한다. 일반적으로, 각각의 노즐 개구는 가스 공급원과 유체 소통하고 그리고 가스 공급(feed) 시스템은 적절한 가스 또는 증기가 노즐 개구를 통해서 배출되게 하고 그리고 코팅 표면 상으로 지향되게 한다. 인접한 노즐 개구(예를 들어, 120 및 150) 사이에 배치된 벽 또는 구획부를 포함할 수 있는 이격부재(들)(170)를 노즐 조립체 각각이 더 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같은 길이방향 축을 따라, 각각의 노즐 조립체는 노즐 개구의 행(row)을 포함하고, 각각의 이격부재는 단위 셀(100)의 전체 길이방향 길이(L)를 따라서 연속적으로 연장하는 솔드(sold) 벽 또는 구획부를 포함한다. 일부 실시예에서, 노즐 개구(들)는 도 10에 도시된 것과 같은 이격부재 하단부 엣지(175)와 실질적으로 동일 평면적이 될 수 있고, 또는 노즐 개구(120, 150, 130 및 160)가, 예를 들어 도 11에 도시된 바와 같이, 하단부 엣지(175)로부터 리세스될 수 있을 것이고, 그에 따라 이격부재 또는 분리부는 노즐 개구의 행으로부터 이격부재 또는 분리부에 의해서 형성된 상응하는 길이방향 유동 채널(290)에 의해서 형성된 부피로 빠져나가는 가스 유동을 한정하는 길이방향 유동 채널(290)을 형성한다. 이격부재 하단부 엣지(175)가 분리 거리(D)만큼 코팅 표면(110)으로부터 이격되고, 그러한 거리는 실질적으로 제로로부터 약 5 mm까지의 범위를 가질 수 있을 것이나, 바람직하게는 0.5 내지 3 mm 가 된다. 도 1의 예에서, 각각의 노즐 조립체(120, 150, 130 및 160) 및 각각의 이격부재(170, 172)가 동일한 폭 치수(w)를 가진다. 다른 실시예에서, 노즐 및 이격부재의 폭 치수가 균일하지 않을 수 있을 것이고 그리고 희망하는 가스 유동 패턴을 생성하는 방식으로 변경될 수 있을 것이다.
이제 도 2를 참조하면, 단위 셀(200) 및 기판(210)이 저면도로 도시되어 있다. 단위 셀(200)은 실질적으로 기판 속도 벡터(V)의 축을 따라서 연장하는 셀 폭(Wc)을 가진다. 단위 셀(200)은 셀 폭(Wc)에 대해서 실질적으로 수직인 길이방향 셀 길이(L)를 가진다. 기판(210)은, 속도 축(V)을 따라서 실질적으로 제한이 없는 길이를 가지는 재료 웨브를 포함할 수 있을 것이고, 또는 기판(210)은 상부에서 지지된 복수의 단속적인 기판을 속도(V)로 단위 셀(200)을 통해서 이송하도록 구성된 이동 웨브와 같은 이송 표면 상에서 지지되는 복수의 단속적인 기판을 포함할 수 있을 것이다. 기판(210)은 기판 폭(Ws)을 가진다. 바람직하게, 단위 셀 길이(L)는 기판 폭(Ws)과 매칭되거나 그 폭을 초과한다. 그러나, 셀 길이(L) 대 기판 폭(Ws)은 기판의 전체 폭(Ws) 보다 작은 코팅을 포함하는 특별한 코팅 적용예에 따라서 구성될 수 있을 것이다.
단위 셀(200)은 제 1 전구체 노즐 조립체(220), 제 2 전구체 노즐 조립체(230) 및 2개의 불활성 가스 또는 퍼지 노즐 조립체(250 및 260)를 포함하는 복수의 노즐 조립체를 포함한다. 전술한 바와 같이, 복수의 이격부재 또는 분리부(170, 172)가 노즐 조립체 사이에 배치되어, 노즐 조립체를 서로로부터 분리시키고 그리고 일부 경우에(도 11에 도시된 바와 같음) 셀 길이(L)를 따라서 연장하는 길이방향 가스 유동 채널(290)을 형성한다. 또한, 각각의 가스 유동 채널(290)이 하나 이상의 배기 채널 또는 플리넘(280 및 285)과 유체적으로 상호연결될 수 있을 것이다. 예시적인 실시예에서, 배기 채널 또는 플리넘(280, 285)이 속도 축을 따라서 연장하는 유동 채널(290)의 각각의 대향 단부에 배치되고, 그리고 배기 채널(280, 285) 중의 하나 또는 양자 모두는 분리 거리(D)에 의해서 형성된 단위 셀과 코팅 표면 사이에서 연장하는 부피와 유체 소통된다. 또한, 배기 채널은 배기 도관(295)을 통해서 진공 펌프 또는 팬과 같은 배기 요소(265)와 유체 소통된다. 배기 요소(265)는 배기 채널(280, 285)로부터 가스를 제거하도록 연속적으로 동작하고, 그에 따라 분리 거리(D)에 의해서 형성된 단위 셀과 코팅 표면 사이에서 연장하는 부피로부터 가스가 연속적으로 제거된다. 단위 셀(200)이 실질적으로 평면형인 하단부 표면을 가지는 경우에, 예를 들어 노즐 개구가 이격부재 하단부 엣지(175)와 동일한 높이(flush)인 경우에, 분리 거리(D)는 전체 프로세스 구역에 걸쳐서 실질적으로 균일하고 그리고 배기 채널(280, 285)은 전체 단위 셀 폭(Wc)을 따라서 실질적으로 균일하게 가스를 제거하도록 위치되고 구성될 수 있을 것이다. 노즐 개구가 이격부재 하단부 엣지로부터 리세스되는 다른 경우에서, 분리 거리(D)는 균일하지 않고, 배기 채널은 길이방향 유동 채널(290)의 각각으로부터 실질적으로 가스를 제거하도록 위치되고 구성될 수 있을 것이다. 어느 경우에도, 배기 요소(265)는 배기 채널(280, 285)로부터 가스를 제거하도록 연속적으로 동작한다. 또한, 단위 셀(200)의 배기 채널(280, 285)은, 도 3에 도시된 증착 헤드 시스템(300)과 같은 증착 헤드를 형성하기 위해서 몇 개의 단위 셀이 함께 조립될 때, 인접한 단위 셀의 배기 채널과 유체적으로 소통하도록 구성될 수 있을 것이다.
단위 셀(200)의 추가적인 실시예에서, 퍼지 노즐 조립체(250, 260) 내의 가스 유동은, 전술한 바와 같이 수직 입사 형태로 코팅 표면 상으로 지향되는 대신에, 코팅 표면(110)에 대해서 평행하게 또는 길이방향 축(L)을 따라서 지향된다. 단위 셀(200)의 이러한 실시예에서, 퍼지 가스는 코팅 표면에 평행하게 유동하고 그리고 모든 미사용 전구체 및 반응 부산물을 코팅 표면으로부터 배출구 채널(280, 285) 중 하나 또는 양자 모두를 향해서 스위핑(sweep)한다. 이어서, 배기 채널로부터의 배출유동이 배기 요소(265)로 이송되고 그리고 환기되거나 달리 프로세싱된다. 이러한 실시예에서, 퍼지 노즐 조립체(220 및 230)만이 배기 채널(280 및 285)과 유체 소통하며, 그에 따라 전구체 노즐 조립체(220 및 230) 내의 가스 유동은 배기 채널(280 및 285) 내로 도입되지 않고, 그 대신에 퍼지 노즐 조립체를 향하여 인출되고 그리고 각각의 퍼지 노즐 조립체 내의 길이방향 유동에 의해서 배기 채널로 스위핑된다. 또한, 교번적인 퍼지 노즐 조립체 내의 가스 유동이 동일한 방향 또는 반대 방향이 될 수 있을 것이고, 또는 퍼지 가스가 길이방향 축의 중심에서 각각의 퍼지 노즐 조립체로 도입될 수 있고 그리고 중심으로부터 대향하는 배기 채널(280 및 285)의 각각으로 반대로 지향되어 유동될 수 있다는 것을 주지할 수 있을 것이다.
도 2에 추가적으로 도시된 바와 같이, 각각의 노즐 조립체(220, 250, 230 및 260)는 복수의 노즐 개구(292)를 포함하고, 그러한 노즐 개구를 통해서 가스가 압력하에서 배출된다. 노즐 조립체는 복수의 밀접하게 이격된 원형 홀 또는 다른 개구 형상, 또는 적절한 공급 플리넘과 유체 소통하는 각각의 원형 홀 또는 슬롯과 함께 길이방향 길이(L)를 따라서 배치된 하나 이상의 길이방향 슬롯을 포함할 수 있을 것이다. 2가지 모두의 경우에, 적절한 가스 또는 증기가 실질적으로 전체 길이방향 길이(L)를 따라서 코팅 표면 상으로 지향되고, 그리고 각각의 노즐 개구(292)로부터 실질적으로 균일한 가스 부피가 배출되도록 노즐 개구의 수 및 형상이 최적화된다. 따라서, 기판 폭(Ws)에 걸친 균일한 코팅을 촉진하기 위해서, 코팅 표면은 그 전체 길이방향 길이(L)를 따라서 프로세스 또는 불활성 가스의 실질적으로 균일한 부피에 동시에 노출된다. 바람직하게, 각각의 노즐 조립체(220, 250, 230 및 260)는 실질적으로 연속적인 가스의 유동을 방출하고, 그리고 배기 채널의 각각은, 경우에 따라서, 단위 셀과 기판 사이의 부피로부터 또는 퍼지 노즐 조립체로부터 실질적으로 연속적인 가스의 유동을 연속적으로 인출하도록 동작된다.
이제 도 3을 참조하면, 가스 분배 헤드 시스템(300)의 비-제한적인 실시예는 기판 코팅 표면(110) 위로 거리(D)를 두고 배치된 각각의 단위 셀을 가지는 구역 어레이 내에 함께 조립된 4개의 단위 셀(310, 320, 330 및 340)을 포함한다. 단부 단위 셀(340) 만이 단부 채널(390)을 형성하기 위한 단부 이격부재(372)를 포함한다는 것을 제외하고, 각각의 단위 셀(310, 320, 330 및 340)은 도 1에 도시된 바와 같이 구성된다. 각각의 단위 셀(310, 320, 330 및 340)은 제 1 전구체 공급 시스템(360)으로부터 제 1 전구체 가스의 공급을 수용하고 그리고 제 1 전구체의 부피를 4개의 제 1 전구체 노즐 조립체의 각각으로 전달한다. 유사하게, 제 2 전구체 공급 조립체(370)는 제 2 전구체의 부피를 4개의 제 2 전구체 노즐 조립체의 각각으로 전달하고, 그리고 불활성 가스 공급 조립체(380)는 불활성 가스의 부피를 8개의 퍼지 가스 노즐 조립체의 각각으로 전달한다. 각각의 가스 공급 시스템(360, 370, 380)이 가스 공급 컨테이너(1, i, 2), 가스 압력 및/또는 질량 유량을 조정하기 위한 가스 유동 조정기(미도시), 및 전구체를 희망하는 반응 온도로 가열하기 위한 가열 요소(미도시)를 포함할 수 있을 것이다. 추가적으로, 시스템(300)은 기판 이송 시스템(미도시), 전자적 제어기(미도시), 및 여러 가지 센서 및 공급 회로(미도시)을 포함할 수 있을 것이고, 상기 센서 및 피드백 회로는 필요에 따라서 온도, 가스 압력 및 질량 유량, 기판 이송 속도, 얇은 필름 코팅 두께, 및 기타 성질을 감지하고 제어하기 위한 것이다.
예시적인 증착 헤드 시스템(300)은 속도 축을 따라서 연장하는 단위 셀 폭(Wc)과 함께 조립된 4개의 단위 셀(310, 320, 330 및 340)을 포함하며, 그에 따라 예시적인 헤드 시스템(300)은 조립 폭(Wd)에 걸친 기판의 1회의 통과 중에 4개의 재료 층을 기판 표면(110) 상으로 증착하도록 구성된다. 예시적인 실시예(300)에서, 기판 표면(110) 상으로 증착되는 모두 4개의 재료 층은, 각각의 재료 층의 조성 및 두께가 실질적으로 균일하고 코팅 표면(110)으로 인가되는 제 1 및 제 2 전구체의 조성에 의존하는, 실질적으로 동일한 재료 층이다. 이상적으로, 전구체 및 코팅 표면(110)은 희망하는 반응에 적합한 반응 온도에서 유지되고, 그리고 반응 온도는 전구체 및 기판 재료에 의존하여 20 ℃ 내지 600 ℃ 범위가 될 수 있을 것이다. 다른 예시적인 실시예에서, 본원 발명으로부터 벗어나지 않고도, 증착 헤드 시스템(300)이 상이한 재료 조성 및/또는 재료 두께를 가지는 고체 재료 층으로 코팅 표면(110)을 코팅할 수 있게 구성되도록, 단위 셀의 하나 이상으로 전구체의 상이한 조합이 공급될 수 있을 것이다. 추가적인 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 전구체 노즐 조립체가 가스 전구체의 입자를 이온화하기에 적합한 플라즈마 또는 다른 높은 에너지 공급원을 포함할 수 있을 것이다.
이제 도 4를 참조하면, 단일 노즐 조립체(400)가 노즐 조립체(410) 및 그 주위의 이격부재(420 및 430)를 포함한다. 노즐 조립체(400)는 단위 셀(100)의 임의의 가스 노즐 조립체를 포함할 수 있을 것이다. 노즐 조립체(400)의 예시적인 실시예에서, 노즐 개구 구역(410) 및 각각의 이격부재(420, 430)가 동일한 폭(w)을 가지나; 본원 발명을 벗어나지 않고도 다른 구성이 이용될 수 있을 것이다. 코팅 표면(110)이 속도(V)로 노즐 조립체(410)를 지나서 진행될 때, 코팅 표면(110)의 일부가 노즐 아래를 통과하는 시간의 지속시간을 체류 시간(td)으로 지칭하고, 그러한 체류 시간은 다음에 의해서 주어진다:
체류 시간(td) = 2w/V [1]
이상적으로, 체류 시간은 체류 시간 동안에 노즐을 통과하는 기판 표면의 구역의 완전한 포화를 위해서 필요한 지속시간과 같다. 보다 구체적으로, 완전한 포화는, 전구체의 분자와 반응할 수 있는 코팅 표면의 실질적으로 모든 분자가 반응을 완료할 때, 이루어진다. 따라서, 이상적인 속도(V)는, 속도가 증가되는 경우에 체류 시간 중에 노즐 조립 폭(2w)을 통과하는 기판 표면의 구역의 완전한 포화를 달성할 수 없는 그러한 속도가 될 것이다. 포화의 레벨에 영향을 미치는 다른 변수에는, 노즐 폭(w), 코팅 표면(110)과 반응하기 위해서 이용될 수 있는 전구체의 부피, 전구체 및 기판 온도, 전구체 압력, 코팅 표면에 근접한 가스 난류, 및 코팅 표면에 근접한 영역 내의 전구체 가스 농도가 포함된다. 유사하게, 전체 기판 폭(Ws)에 걸친 완전한 포화를 보장하기 위해서 전체 단위 셀 길이방향 길이(L)에 걸쳐 기판 표면(110)에 근접하여 실질적으로 균일한 전구체 이용가능성 및 반응 조건을 제공하도록, 각각의 전구체 노즐 조립체(410) 및 연관된 이격부재(420 및 430)가 구성되는 것이 바람직하다.
이제 도 1을 참조하면, 하나의 비-제한적인 실시예에서, 단위 셀(100)은 복수의 동일한 폭의 전구체 노즐 조립체(120 및 130), 퍼지 노즐 조립체(150 및 160), 및 동일한 폭의 이격부재(170 및 172)와 속도(V)로 단위 셀을 통해서 진행하는 기판 코팅 표면(110)을 포함한다. 수학식(1)의 체류 시간을 이용하여, 단일 ALD 사이클을 실시하기 위해서 즉, 단일 재료 층을 표면(110) 상으로 증착하기 위해서 단위 셀에서 요구되는 사이클 시간(tc)이 다음과 같이 주어진다:
사이클 시간(tc) = tprec1 + tpurge + tprec 2 + tpurge = 8w/V [2]
복수의 단위 셀이 함께 조립된 도 3에 도시된 예시적인 실시예에서, 증착 헤드(300)의 폭(Wd)은 (N 개의) 단위 셀(100)의 조합된 폭이고 다음과 같이 주어진다:
증착 헤드 폭(Wd) = N(8w) [3]
필름 두께 성장(G)에 기여하는 각각의 단위 셀(310, 320, 330 및 340)에서, 폭(Wd)을 가지는 증착 헤드에 의해서 도포되는 전체 재료 층 두께(Tm)는 다음에 의해서 주어진다:
재료 층 두께(Tm) = NG = (Wc/8w)G [4]
6.1 체류 시간 및 기판 속도
이제 도 5를 참조하면, 증착 헤드 시스템(300)을 이용하여 필름을 증착하는 것과 연관된 특징적인 시간 및 치수가 그래프적으로 도시되어 있다. 구체적으로, 도 5는, 0.7 내지 1.5 mm 범위의 3개의 상이한 채널 폭(w)에 대해서, 초 단위의 체류 시간(td)을 기판 속도의 함수로서 플롯팅한다. 삽입도(500)에 추가적으로 도시된 바와 같이, 전술한 수학식(2-4)은 1 mm 채널 폭에 상응하는 5 ms의 체류 시간에 대한 24 m/분의 재료 코팅 속도를 달성할 수 있는 능력을 나타낸다.
6.1.1. 예 1
체류 시간의 핵심적인 견지(aspect)를 보다 명확하게 이해하기 위해서, Al2O3 와 같은 ALD 필름의 통상적인 증착을 고려하는 것이 유익할 것이다. Al2O3 의 증착은 트리메틸알루미늄(TMA)을 포함하는 제 1 전구체 및 물(H2O)을 포함하는 제 2 전구체의 이용으로 시작된다. Cambridge MA에 소재하는 Cambridge Nanotech Inc.로부터 이용가능한 SAVANNAH ALD 시스템과 같은 통상적인 ALD 진공 반응기에서, 이전의 증착 연구 경험을 기초로, 본원 발명자는 대기압 조건하에서의 0.5 ms의 체류 시간은 진공 조건하에서의 기판 상의 전구체의 단순한 포화에서 관찰되는 조건을 반복할 것(replicate)임을 예상하였다. 그에 따라, 대기압 조건하에서의 5 ms의 전구체의 체류 시간(단순 포화에서 요구되는 것 보다 100x 더 크다)은 20 m/분을 초과하는 속도에서도 충분한 포화를 제공하여야 한다.
6.2 채널 폭 및 기판 속도
이제 도 6을 참조하면, 채널 폭과 기판 속도 사이의 관계가 그래프적으로 도시되어 있다. 구체적으로, 도 6은 여러 가지 체류 시간(td)에 대해서 채널 폭(w) 대 기판 속도(V)를 플로팅한다. 일반적으로, 그러한 플롯은 채널 폭이 클수록 보다 느슨한(relax) 체류 시간에서 보다 빠른 기판 속도를 허용한다는 것을 보여주나, 특히 큰 전체적인 필름 두께(즉, 많은 수의 단위 셀)가 요구되는 경우에, 채널 폭이 클수록 증착 헤드에 대한 실용적이지 못한 크기를 유도할 수 있다는 것을 보여준다. 그러나, 그러한 플롯은, 더 짧은 체류 시간을 이용하는 것이 채널 폭이 감소될 수 있게 허용한다는 것을 추가적으로 보여준다.
보다 구체적으로, 도 6은 5.0, 2.5, 및 0.5 ms의 3개의 체류 시간(td)에 대한 채널 폭(w) 대 기판 속도(V)를 플롯팅한다. 각각의 곡선은, 기판 속도가 증가될 때, 고정된 체류 시간을 유지하기 위해서 필요한 채널 폭의 변화를 설명한다. 그 결과는, 약 20 m/초의 프로세싱 속도를 달성하기 위해서, 채널 폭이 약 1 mm에서 유지될 필요가 있다는 것을 나타내고, 그에 따라 실용적인 전체 셀 크기가 보다 더 두꺼운 필름에 대해서 유지될 수 있다는 것을 나타낸다.
보다 구체적으로, 본원 발명의 하나의 비-제한적인 실시예는 0.1-5 ms 범위의 체류 시간, 0.1-10 mm 채널 폭 및 0.5 내지 20 m/초 범위의 기판 속도로 동작되도록 구성된 증착 시스템(300)을 포함한다.
6.3 예시적인 가스 매니폴드 및 선형 이송 장치
도 7을 참조하면, 비-제한적인 예시적인 ALD 코팅 시스템(700)은 ALD 챔버 외장(745)에 고정적으로 부착된 가스 매니폴드(710) 및 연관된 선형 이송 요소를 포함한다. 외장(745)은 외측으로 연장하는 구동 요소와 함께 내부에 수용된 선형 변위 메커니즘을 포함한다. 선형 변위 메커니즘은, 고정된 가스 매니폴드(710)를 통과한 기판(들)을 이송하는 선형 변위 메커니즘 상에서 코팅되는 기판 또는 기판들을 지지하도록 구성된다. ALD 챔버 외장(745)은, ALD 챔버(745) 내로의 접근을 제공하는 접근 해치(705)를 통해서 선형 변위 메커니즘 상으로 코팅되는 기판(들)을 로딩하도록 구성된다.
가스 매니폴드(710)는, 기판(들)이 가스 매니폴드(710)를 통해서 이송될 때, ALD 전구체를 ALD 챔버 내로 전달하도록 그리고 ALD 전구체를 여러 기판(들)의 코팅 표면으로 지향시키도록 구성된다. 추가적으로, 미반응 전구체 가스 및 반응 부산물을 코팅 표면으로부터 멀리 퍼지하기 위해서, 그리고 미반응 전구체 가스, 반응 부산물 및 불활성 가스를 가스 매니폴드(710) 및 ALD 챔버 외장(745) 외부의 배기 구역으로 배기하기 위해서, 전술한 불활성 가스 분리 존을 이용하여 코팅 표면에서 전구체를 서로 격리시키도록, 가스 매니폴드(710)가 구성된다.
챔버 외장(745)은 챔버 외장(745)의 측벽을 통과하는 여러 가지 접근 포트(720)와 함께 형성된다. 접근 포트는, 필요에 따라서 ALD 챔버 내부에서 이용하기 위해서, 가스 입력 및 출력 도관을 접근 포트(720)에 연결하기 위해서, 그리고 게이지, 센서, 제어 장치, 히터, 또는 다른 전기 장치를 접근 포트에 연결하기 위해서, 가스 및 전기 피팅과 연결부 등을 포함한다. ALD 챔버의 상단부는 제거가능한 덮개(715)를 구비할 수 있을 것이다. 바람직하게, ALD 챔버는 실질적으로 대기압에서 유지되고 그리고 환기 포트, 또는 팬 등에 의해서 대기로 환기될 수 있을 것이다. 그 대신에, 접근 포트(720)를 통해서 ALD 챔버 외장(745) 내로 불활성 가스 유동을 펌핑함으로써, ALD 챔버가 약간 가압될 수 있고, 예를 들어 대기압의 1.1 배로 가압될 수 있고, 그에 따라 ALD 챔버 내부의 가스가 가스 매니폴드(710) 내에 제공된 배출 도관을 통해서 ALD 챔버를 빠져나오는 경향을 가지게 된다.
이러한 비-제한적인 예시적 실시예에서, 선형 변위 메커니즘은 볼 스크류 조립체(740), 선형 트랙(735), 모터 구동부 또는 구동 커플링(730), 및 선형 벨로우즈(725)를 포함하는 기계적인 선형 변위 시스템을 포함하고, 그리고 이송 방향은 선형 벨로우즈(725)의 길이방향 축을 따른다. 그러한 시스템이 ALD 코팅 시스템(700)의 성능을 평가하는데 편리하지만, 추가적인 실시예에서, 가스 매니폴드(710)는, 컨베이어 벨트 상에서 지지된 복수의 단속적인 기판을 가스 매니폴드(710)를 통해서 연속적으로 진행시키는 컨베이어 시스템, 예를 들어, 컨베이어 벨트 등의 위쪽에 배치될 수 있을 것이다. 시스템(700)에서와 같이, 연속적인 웨브는, 선형 벨로우즈(725)의 길이방향 축에 의해서 실질적으로 형성된 이송 축을 따라서, 매니폴드(710)를 지나서 기판을 이송한다. 추가적인 실시예에서, 가스 매니폴드(710)는 가스 매니폴드를 통해서(past) 이송되는 기판 재료의 웨브 위에 배치될 수 있고, 그에 따라 가스 매니폴드로부터 빠져나오는 전구체가 기판 재료의 웨브의 코팅 표면과 반응함으로써, 전체 재료의 웨브가 하나 이상의 얇은 필름 층으로 코팅된다.
또한, ALD 코팅 시스템(100)은, 기판이 가스 매니폴드(710)를 통과할 때 코팅되는 기판의 하나 이상의 실질적으로 일정한 선형 속도를 유지하기 위해서 다양한 속도로 모터 구동부(730) 등을 동작시키기 위한, 정밀 선형 이송 구동 시스템 및 선형 위치 피드백 시스템을 적어도 포함하는 전자적 제어기(미도시)와 인터페이스한다. 추가적으로, 전자적 제어기는 도 7에 도시된 가스 유동 제어 시스템의 요소, 및 시스템(700)의 동작과 성능 평가와 연관된 여러 가지 다른 전기 요소와 인터페이스한다.
6.4 예시적인 가스 매니폴드
도 7-14를 참조하면, 본원 발명에 따른 비-제한적인 예시적 가스 매니폴드(710)는, 코팅 표면(들)이 전구체 오리피스 플레이트(930)를 지나서 진행될 때, 전구체 가스 유동을 기판 코팅 표면(들) 상으로 지향시키도록 구성된다. 추가적으로, 가스 매니폴드(710)는, 상이한 전구체가 혼합되는 것을 방지하는 방식으로 전구체 가스 유동 사이에서 코팅 표면(들) 상으로 불활성 가스 유동을 지향시키도록 구성된다. 또한, 가스 매니폴드(710)는 코팅 표면(들)로부터 멀리 가스 유동을 인출하도록 그리고 배기 가스를 가스 매니폴드(710)로부터 제거하도록 구성된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 가스 매니폴드(710)는 상이한 전구체를 내부에 수용하기 위한 복수의 입력 포트를 포함한다. 하나 이상의 입력 포트(815)가 제 1 전구체 공급원으로부터 제 1 가스 또는 증기 전구체(A)의 공급을 수용하고, 그리고 하나 이상의 입력 포트(820)는 제 2 전구체 공급원으로부터 제 2 가스 또는 증기 전구체(B)의 공급을 수용한다. 또한, 가스 매니폴드(710)는 질소계 가스, 네온 가스, 아르곤 가스, 크세논 가스, 헬륨 가스 또는 이들의 조합과 같은 불활성 가스 공급원과 각각 유체 소통하는 하나 이상의 입력 도관(825)을 포함한다. 또한, 가스 매니폴드(710)는, 배기 가스를 수집하기 위해서 그리고 일부 실시예에서 배기 가스를 프로세싱하기 위한 하나 이상의 유출유동 저장소(depository)에 연결될 수 있는 하나 이상의 출력 또는 배기 도관(805, 810)을 포함한다.
도 9-14에 가장 잘 도시된 바와 같이, 배기 가스는 전구체 오리피스 플레이트(930)를 통과하는 복수의 배기 유입구(1010A, 1010B, 1105A, 1105B)를 통해서 코팅 표면(들)으로부터 수집된다. 배기 유입구에 의해서 수집된 배기 가스는, 배기 유입구로부터 각각의 플레이트(925, 920 및 915)를 통해서 연장하는 배기 유동 채널에 의해서, 배기 수집 매니폴드(830 및 835)로 이송된다. 배기 가스는 미반응 전구체, 반응 부산물 및 불활성 가스의 혼합물을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 배기 가스는 그러한 배기 가스가 포함하는 미반응 전구체에 따라서 격리된다(segregate). 보다 구체적으로, 본원 발명의 하나의 양태에 따라서, 가스 매니폴드(710)는, 독립적인 격리된 배기 유동 채널 내에서, 미반응 전구체(A)와 미반응 전구체(B)를 포함하는 가스를 배기하도록 구성된다. 제 1 배기 유동 채널은, 배기 포트(805)를 포함하는 제 1 배기 수집 매니폴드(835)로 미반응 전구체(A)를 포함하는 배기 가스를 이송하도록 배열된다. 유사하게, 제 2 배기 유동 채널은, 배기 포트(810)를 포함하는 제 2 배기 수집 매니폴드(830)로 미반응 전구체(B)를 포함하는 배기 가스를 이송하도록 배열된다. 각각의 배기 포트(805 및 810)는, 배기 포트(805 및 810)의 외부로 배기 가스를 인출하고 배기 매니폴드로부터 제거된 배기 가스를 배기 가스 수집 모듈(1475)로 전달하도록 동작되는 송풍기(1485)와 유체 소통한다. 바람직하게, 배기 가스 수집 모듈(1475)은, 배기 포트(810)로부터의 유출유동으로부터 배기 포트(805)로부터의 유출 유동을 수집 및 격리시키기 위한 2개의 독립적인 챔버 또는 채널을 포함하고, 그에 따라 각각의 유출유동은 재사용을 위해서 미반응 전구체(A 및 B)를 독립적으로 재생(reclaim)하도록 추가적으로 처리될 수 있다. 여러 가지 실시예에서, 단일 송풍기(1485)가 양 배기 수집 매니폴드(835 및 830)의 외부로 배기 가스를 인출하기 위해서 이용될 수 있거나, 또는 각각의 배기 수집 매니폴드가 독립적인 송풍기(1485)와 유체 소통될 수 있을 것이다. 추가적인 실시예에서, 가스 매니폴드(710)는, 예를 들어, 배기 매니폴드(830 및 835)를 단일 배기 매니폴드 내로 조합함으로써, 전체 배기 가스 유출유동을 단일 배기 매니폴드 내로 조합하도록 구성될 수 있을 것이다. 배기 가스 매니폴드(830 및 835) 중 하나 또는 양자 모두로부터 배기 가스를 제거하는 것에 더하여, 송풍기 또는 송풍기들(1475)이, 전구체 오리피스 플레이트(930)를 통과하는 복수의 배기 유입구(1010A, 1010B, 1105A, 1105B)를 통해서 코팅 표면으로부터 멀리 가스를 인출하는 작용을 하는, 배기 가스 매니폴드의 각각의 내부의 가스 압력을 낮추는 작용을 한다. 도 1에 도시된 단위 셀(100)과 비교하면, 배기 유입구(1010A, 1010B, 1105A, 1105B)가 이격부재(170, 172)의 위치에 배치된다.
도 9-13에 가장 잘 도시된 바와 같이, 프로세스 가스가 이하와 같이 가스 매니폴드(710)로 도입되고 통과하여 유동한다. 전구체(A)는 하나 이상의 전구체(A) 입력 포트(815)를 통해서 도입되고, 그리고 전구체(A)만을 이송하도록 지정된 제 1 전구체 유동 채널을 통해서 기판 코팅 표면으로 이송된다. 유사하게, 전구체(B)는 하나 이상의 전구체(B) 입력 포트(820)를 통해서 도입되고, 그리고 전구체(B)만을 이송하도록 지정된 제 2 전구체 유동 채널을 통해서 기판 코팅 표면으로 이송된다. 유사하게, 퍼지 가스는 하나 이상의 퍼지 가스 입력 포트(825)를 통해서 도입되고, 그리고 퍼지 가스만을 이송하도록 지정된 퍼지 가스 유동 채널을 통해서 기판 코팅 표면으로 이송된다. 제 1 및 제 2 전구체 채널 및 퍼지 가스 채널의 각각은 전구체 오리피스 플레이트(930)를 통과하고 그리고 플레이트(925, 920 및 915)의 각각을 통과한다.
가스 매니폴드(710)의 하단부 면이 전구체 오리피스 플레이트(930)에 의해서 형성된다. 바람직하게, 하단부 면은, 길이방향 축(L)을 따라 연장하는 길이방향 치수(Lh), 및 기판 속도에 의해서 규정되는 축인 속도 축(V)을 따라서 길이방향 치수(Lh)에 실질적으로 수직하게 연장하는 횡방향 치수(Wc)를 가지는 정사각형 또는 직사각형이다. 여러 가지 실시예에서, 전구체 오리피스 플레이트(930)는, 4 내지 36 인치 범위의 길이방향 치수 및 0.2 내지 36 인치 범위의 횡방향 치수를 가지는 프로세스 구역에 걸쳐 가스 증착 층을 도포하도록 구성될 수 있을 것이다. 당업자는 전구체 오리피스 플레이트(930)의 하단부 면 및 프로세스 구역에 대한 다른 기능적인 치수 및 형상이 본원 발명의 범위 내에 포함된다는 것을 인지할 것이다. 보다 일반적으로, 가스 매니폴드(710)는 기판 코팅 표면의 폭 치수(Ws)에 매칭되는 또는 그것을 초과하는 길이방향 치수(Lh)로, 그리고, 예를 들어 상기 수학식(3)에서 기술된 바와 같이, 가스 매니폴드(710) 내에 포함된 단위 셀의 수에 상응하는 헤드 폭(Wc) 또는 횡방향 치수로 구성된다. 전술한 바와 같이, 헤드 폭(Wc)은 단일 단위 셀(예를 들어, 100)의 폭의 일부 배수(some multiple)를 가지고, 각각의 단위 셀은 코팅 표면 상으로 하나의 얇은 필름 재료 층을 증착한다. 따라서, 헤드 폭(Wc)은 결국, 단위 셀 별로 도포되는 두께와 단위 셀의 수의 곱(product)과 같은, 도포되는 희망하는 전체 필름 두께의 함수가 된다. 가스 매니폴드(710)의 길이방향 치수(Lh) 또는 코팅 폭이 일반적으로 고정되어 있지만, 복수의 가스 매니폴드(710)가 (V) 축을 따라서 함께 조합되거나 개별적으로 나란히 배치되어 희망하는 전체 필름 두께를 증가시킬 수 있다는 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이며, 여기에서 각각의 가스 매니폴드(710)는 추가적인 얇은 필름 층을 하부에서 이송되는 기판으로 도포한다. 보다 일반적으로, 하나의 가스 매니폴드(710)는, 특별한 목적을 위해서 통과(pass) 마다 증착되는 얇은 필름 층의 수 및 코팅 폭을 최적화하도록 구성된 전구체 오리피스 플레이트(930)의 길이방향 치수(L) 및 횡방향 치수(Wd)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 보다 큰 전체 재료 두께를 달성하기 위해서 선형 운동을 반복함으로써, 동일한 가스 매니폴드(710) 아래로 복수 횟수로 통과하는 것을 통해서 기판이 사이클링될 수 있다는 것을 또한 이해할 수 있을 것이다. 또한, 가스 분배 매니폴드 또는 기판 또는 양자 모두의 왕복 운동을 이용하여 큰 비-웨브(non-web) 기판을 코팅하기 위해서, 가스 분배 매니폴드의 코팅 구역이 특별한 비-웨브 기판(예를 들어, 대형 텔레비전 화면)에 매칭될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
6.5 예시적인 전구체 오리피스 플레이트
이제, 도 10을 참조하면, 가스 오리피스 플레이트(930)의 제 1 실시예의 하나의 단위 셀(1000)을 통해서 취해진 개략적인 단면도가 제 1 가스 오리피스 플레이트 디자인 및 가스 유동 패턴을 도시한다. 전체 가스 오리피스 플레이트(930)가 하나의 단위 셀(1000)을 포함할 수 있지만, 가스 오리피스 플레이트(930)는 속도 축(V)을 따라서 그 횡방향 치수(Wd)를 따라 연장하는 그리고 나란히 배치된 복수의 단위 셀(1000)을 포함하는 일체형 플레이트로서 구성되는 것이 바람직하다. 앞서서 구체적으로 설명한 바와 같이, 각각의 단위 셀(1000)은 단위 셀을 통해서 이송되는 코팅 표면 상으로 하나의 ALD 코팅 층 또는 얇은 필름을 증착한다. 도 10에서, 기판(1025)은 속도 축(V)을 따라서 단위 셀(1000)을 통해서 이송되고 그리고 분리 거리(1030) 만큼 단위 셀의 베이스 표면으로부터 이격되며, 그러한 분리 거리는 0.5 내지 5 mm의 치수를 가질 수 있고 바람직하게는 0.5 내지 2 mm 의 분리 거리 범위를 가진다. 기판 코팅 표면은 단위 셀(1000)과 대면하고 그리고 바람직하게 단위 셀 베이스 표면(1050)과 동일 평면적이 된다. 바람직한 실시예에서, 분리 거리(1030)는, 베이스 표면(1050)과 코팅 표면 사이에 충분한 간극을 제공하여 기판 두께의 변동뿐만 아니라 기판이 가스 매니폴드를 통해서 이송될 때 기판 위치의 임의의 바람직하지 못한 요동을 수용하도록, 적어도 0.5 mm가 된다. 추가적으로, 베이스 표면(1050) 아래로 누출되기 위해서 전구체 및 퍼지 노즐 조립체로부터 빠져나오는 가스가 배기 유입구 내로 끌어 당겨지도록 그리고 코팅 표면에 근접한 영역으로부터 제거되도록, 0.5 mm의 최소 분리 거리는 하단부 표면(1050)과 코팅 표면 사이에 충분한 간극을 제공한다. 0.5 mm의 본원 발명의 최소 분리 거리는 Levy 등의 특허에 의해서 종래 기술에서 개시된 0.025 mm의 개구부 분리 거리 보다 상당히 더 크고, 상기 Levy 등의 특허의 분리 거리는 이동 웨브를 코팅하는데 있어서 또는 이동하는 웨브 상에서 지지되는 기판을 코팅하는데 있어서 실용적이지 못하다.
단위 셀(1000)은, 전구체(A 및 B)를 코팅 표면으로 지향시키기 위해서 2개의 전구체 노즐 조립체(1005A, 1005B)를 포함한다. 단위 셀은 불활성 가스 또는 퍼지 가스(예를 들어, 질소)를 코팅 표면으로 지향시키기 위한 2개의 불활성 가스 또는 퍼지 가스 노즐 조립체(1015A, 1015B)를 포함하고, 각각의 퍼지 노즐 조립체는 2개의 전구체 노즐 조립체 사이에 배치된다. 단위 셀(1000)은 3개의 배기 유입구(1010A, 1010B, 1010C)를 포함하고, 각각의 배기 유입구는 전구체 오리피스 플레이트(930)를 통해서 수직으로 통과하는 길이방향 슬롯(1060)을 포함한다. 각각의 배기 유입구는 유동 분배 플레이트(925), 배기 오리피스 플레이트(920) 및 배기 수집 플레이트(915)를 통해서 배기 수집 매니폴드(830 또는 835) 중 하나까지 수직으로 통과하는 적절한 배기 유동 통로와 유체 소통한다. 각각의 배기 유입구(1010A, 1010B, 1010C)는 실질적으로 전구체 오리피스 플레이트(930)의 전체 길이방향 치수에 걸쳐 연장하고 그리고 분리 거리(1030)로부터 가스를 회수한다. 각각의 배기 유입구가 전구체 노즐 조립체(1005A, 1005B)와 퍼지 노즐 조립체(1015) 사이에 배치된다. 또한, 전구체 노즐 조립체(1005A)는, 다른 단위 셀이 단위 셀(1000)에 인접하여 그 좌측 엣지에 배치될 때, 그 좌측에 배치된 배기 유입구 및 퍼지 노즐 조립체를 가진다.
기판 코팅 표면이 단위 셀(1000)을 통해서 진행함에 따라, 그 코팅 표면은 전구체(A)를 코팅 표면 상으로 지향시키는 제 1 전구체 노즐 조립체(1005A)를 먼저 통과한다. 전구체(A)가 코팅 표면과 반응하여, 코팅 표면의 화학적 및 물리적 성질을 변화시키고 그리고 반응 부산물을 생성한다. 퍼지 노즐 조립체(1015A)로부터 배출되는 미반응 전구체(A), 반응 부산물 및 불활성 가스는 전구체 노즐 조립체(1005A)에 근접하여 분리 거리(1030) 내에서 함께 혼합되고, 그리고 미반응 전구체(A), 불활성 가스 및 전구체(A)와 코팅 표면의 반응과 연관된 반응 부산물의 가스 혼합물은, 코팅 표면이 배기 유입구(1010A)를 통해서 진행함에 따라, 제 1 배기 유입구(1010A) 내로 실질적으로 완전하게 인출된다. 추가적으로, 각각의 퍼지 노즐 조립체에 의해서 배출되는 불활성 가스의 커튼(curtain)은 미반응 전구체(A) 및 반응 부산물이, 배기 유입구(1010A)로 인출되기 전에, 다른 전구체 노즐 조립체를 향해서 코팅 표면에 평행하게 유동 또는 확산되는 것을 방지하는 경향을 가진다. 예를 들어 도시되지 않은 인접한 단위 셀의 다른 배기 포트가 배기 유입구(1010A)에 대향하여 전구체 노즐 조립체(1005A)에 인접하여 배치될 수 있고, 그에 따라 분리 거리(1030)로부터 가스를 연속적으로 회수하기 위해서 2개의 배기 라인이 전구체 노즐 조립체(1005A)를 둘러싼다.
이어서, 기판 코팅 표면은, 불활성 가스를 코팅 표면 상으로 지향시키는 퍼지 노즐 조립체(1015A)를 통해서 진행된다. 불활성 가스 유동은, 분리 거리(1030)에서 전구체(A)를 전구체(B)로부터 격리시키는 길이방향 축(L)을 따라서 연장하는 불활성 가스 커튼을 제공하며, 이는 미반응 전구체 및 반응 부산물이 배기 유입구로부터 인출되는 것을 허용할 정도로 충분히 크나, 이웃하는 전구체 노즐 조립체로 가스가 확산하는 것을 방지할 수 있을 정도로 작다. 또한, 퍼지 노즐 조립체(1015A)로부터의 불활성 가스 유동은, 코팅 표면이 퍼지 노즐 조립체(1015A) 아래를 통과할 때 그러한 코팅 표면을 퍼지하는 경향이 있고 그리고 임의의 추가적인 미반응 전구체(A) 및 반응 부산물의 분리 거리(1030)를 계속적으로 퍼지한다. 한편, 각각의 배기 유입구(1010A 및 1010B)에 의해서 퍼지 노즐 조립체(1015A)에 근접한 코팅 표면 및 분리 거리(1030)로부터 가스가 연속적으로 회수된다.
이어서, 코팅 표면은, 전구체(B)를 코팅 표면 상으로 지향시키는 제 2 전구체 노즐 조립체(1005B)를 지나서 진행한다. 전구체(B)는 전구체(A)와의 반응에 의해서 변경된 후의 코팅 표면과 반응하고, 그리고 전구체(B)와 코팅 표면 사이의 반응은 코팅 표면 상에 새로운 얇은 필름 층을 증착하는 한편 다른 반응 부산물을 또한 생성한다. 미반응 전구체(B), 코팅 표면과의 전구체(B)의 반응으로부터의 반응 부산물, 그리고 제 1 및 제 2 퍼지 노즐 조립체(1015A, 1015B)로부터 배출되는 불활성 가스가 전구체 노즐 조립체(1005B)에 근접하여 분리 거리(1030) 내에서 함께 혼합되고, 그리고 제 2 및 제 3 배기 유입구(1010B 및 1010C) 내로 인출된다. 코팅 표면은 최종적으로, 전구체(A)를 전구체(B)로부터 격리시키기 위해서 그리고 폐가스를 배기 유입구(1010C)로 향하게 밀어내기 위해서 불활성 가스를 코팅 표면 상으로 지향시키는 제 2 퍼지 노즐 조립체(1015B)를 통해서 진행한다. 예를 들어 도시되지 않은 인접한 단위 셀의 다른 배기 유입구가 배기 유입구(1010C)에 대향된 퍼지 노즐 조립체(1015B)에 인접하여 배치될 수 있고, 그에 따라 분리 거리(1030)로부터 가스를 연속적으로 회수하기 위해서 2개의 배기 유입구가 퍼지 노즐 조립체(1015B)를 둘러싼다는 것을 주의하기로 한다. 또한, 퍼지 노즐 조립체(1015A)로부터의 불활성 가스 유동은, 코팅 표면이 포트(1015B)를 통과할 때 코팅 표면을 추가적으로 퍼지하고, 그리고 임의의 미반응 전구체(B) 및 반응 부산물을 분리 거리(1030)로부터 계속적으로 퍼지한다.
도 11을 참조하면, 전구체 오리피스 플레이트(930)의 제 2 실시예는 단위 셀(1100)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 단위 셀(1100)은 3개의 분리 거리를 가진다. 제 1 분리 거리(1140)는 전구체 노즐 조립체 베이스 벽(1160A 및 1160B)의 각각의 하단부 표면과 코팅 표면 사이에서 연장하고, 제 1 분리 거리(1140)는 4-10 mm 범위의 치수를 가질 수 있을 것이다. 제 2 분리 거리(1175)는 퍼지 노즐 조립체 베이스 벽(1165)의 각각의 하단부 표면과 코팅 표면 사이에서 연장하고, 그리고 상기 제 2 분리 거리는 2-8 mm 범위의 치수를 가질 수 있을 것이다. 제 3 분리 거리(1145)는 전구체 오리피스 플레이트 베이스 표면(1150)과 코팅 표면 사이에서 연장하고, 상기 제 3 분리 거리는 0.5 내지 3 mm 범위의 치수를 가질 수 있을 것이다. 바람직한 실시예에서, 제 3 분리 거리(1145)는, 베이스 표면(1150)과 코팅 표면 사이에 충분한 간극을 제공하여 기판 두께의 변동뿐만 아니라 기판이 베이스 표면(1150)을 통해서 이송될 때 기판 위치의 임의의 바람직하지 못한 요동을 수용하도록, 적어도 0.5 mm가 된다. 추가적으로, 0.5 mm의 최소 분리 거리는, 베이스 표면(1150) 아래로 누출되기 위해서 퍼지 노즐 조립체로부터 빠져나오는 가스에 대해서, 배기 유입구 내로 끌어 당겨지도록 그리고 코팅 표면에 근접한 영역으로부터 제거되도록 충분한 하단부 표면(1150)과 코팅 표면 사이의 간극을 제공한다.
일반적으로, 제 2 분리 거리(1175)는 제 3 분리 거리(1145)보다 더 크고, 그리고 제 1 분리 거리(1140)는 제 2 분리 거리(1175) 보다 더 크나; 일부 실시예에서, 제 1 및 제 2 분리 거리(1140 및 1175)는 서로 실질적으로 동일하고 제 3 분리 거리(1145) 보다 더 클 수 있을 것이다. 이러한 실시예에서, 퍼지 노즐 조립체(1115A 및 1115B)는, 베이스 표면(1150)과 만나기 위해서 수직 하향 연장하는 대향하는 평행 벽(1162)과 제 2 분리 거리(1175)를 형성하는 하단부 표면을 가지는 베이스 벽(1165)을 포함한다. 벽(1162)은 퍼지 노즐 조립체(1115A 및 1115B)를 인접한 배기 유입구(1105A 및 1105B)로부터 분리하고, 그리고 퍼지 가스 노즐 조립체로부터 코팅 표면을 향해서 퍼지 가스를 이송하는 한편 코팅 표면에 근접할 때까지, 예를 들어 코팅 표면으로부터 0.5 내지 2 mm로 근접할 때까지 퍼지 가스가 인접한 배기 유입구(1105A 및 1105B) 내로 인출되는 것을 방지한다. 또한, 벽(1162)은 전구체 노즐 조립체(1110)로부터 배출되는 전구체(A)가 전구체 노즐 조립체(1120)로부터 배출되는 전구체(B)와 혼합되는 것을 방지하는데 도움을 주기 위한 기계적인 배리어를 제공한다. 이러한 실시예에서, 각각의 전구체 노즐 조립체(1110 및 1120)는 제 3 분리 거리(1140)를 형성하는 하단부 표면을 가지는 베이스 벽(1160A 및 1160B)을 포함한다. 각각의 전구체 노즐 조립체(1110 및 1120)는, 전구체를 코팅 표면으로 이송하는데 도움이 되는 그리고 전구체가 퍼지 가스 노즐 조립체를 통과하여 확산되는 것을 방지하는데 도움이 되는 대향 측벽(1162)에 의해서 경계가 지어진다.
단위 셀(1100)은 코팅 표면(1130) 상으로 전구체(A)를 지향시키기 위한 제 1 전구체 노즐 조립체(1110), 및 코팅 표면으로부터 그리고 분리 거리(1040 및 1145)의 각각에 의해서 경계지어지는 부피로부터 배기 가스를 수집하기 위해서 제 1 전구체 노즐 조립체(1110)의 각 측부 상에 하나씩 배치되는 2개의 대향하는 배기 유입구(1105A)를 포함한다. 2개의 배기 라인(1105A)에 의해서 수집된 배기 가스는 미반응 전구체(A), 반응 부산물 및 불활성 가스를 포함한다. 유사하게, 단위 셀(1100)은 코팅 표면(1130) 상으로 전구체(B)를 지향시키기 위한 제 2 전구체 노즐 조립체(1120), 및 코팅 표면으로부터 그리고 분리 거리(1040 및 1145)의 각각에 의해서 경계지어지는 부피로부터 배기 가스를 수집하기 위해서 제 2 전구체 노즐 조립체(1120)의 각 측부 상에 하나씩 배치되는 2개의 대향하는 배기 유입구(1105B)를 포함한다. 2개의 배기 라인(1105B)에 의해서 수집된 배기 가스는 미반응 전구체(B), 반응 부산물 및 불활성 가스를 포함한다. 4개의 배기 유입구(1105A 및 1105B)의 각각이 전구체 오리피스 플레이트(930)를 통과하고, 그리고 폐가스를 배기 가스 매니폴드(830 또는 835) 중 하나로 전달하는, 유동 분배 플레이트(925), 배기 오리피스 플레이트(920) 및 배기 수집 플레이트(915)를 통과하는 유동 채널과 유체 소통하고, 상기 송풍기(1485)는 배기 수집 매니폴드(830 및 835)의 각각으로부터의 유출유동을 회수한다. 본원 발명의 하나의 양태에 따라서, 배기 유입구(1105A)에 의해서 수집되는 배기 가스는 배기 유입구(1105B)로부터 수집된 배기 가스로부터 격리되고, 그에 따라 미반응 전구체(A)를 포함하는 배기 가스만이 배기 수집 매니폴드(805)로부터 빠져나오게 되고 그리고 미반응 전구체(B)를 포함하는 배기 가스만이 배기 수집 매니폴드(810)로부터 빠져나오게 된다.
단위 셀(1100)은 제 1 전구체 노즐 조립체(1110)와 제 2 전구체 노즐 조립체(1120) 사이에 배치된 제 1 퍼지 노즐 조립체(1115A) 및 제 2 퍼지 노즐 조립체(1115B)를 더 포함한다. 각각의 퍼지 노즐 조립체(1115A 및 1115B)는 불활성 가스를 대향 벽(1162) 사이의 코팅 표면 상으로 지향시키고, 그리고 불활성 가스는 전구체(A)가 전구체(B)와 혼합되는 것을 방지하기 위해서 제 3 분리 거리(1145)를 통해서 벽(1162) 아래로 누출된다. 바람직한 실시예에서, 전구체 가스 및/또는 반응 부산물이 돌출 벽(1162) 아래로 누출되지 않도록 보장하기 위해서, 각각의 퍼지 노즐 조립체(1115A 및 1115B)로부터 배출되는 가스 압력 및/또는 가스 부피는 각각의 전구체 노즐 조립체(1110 및 1120)로부터 배출되는 가스 압력 및 부피 보다 더 클 수 있을 것이다.
기판(1130)이 단위 셀(1100)을 통해서 진행함에 따라, 기판은 먼저 코팅 표면으로 전구체(A)를 지향시키는 제 1 전구체 노즐 조립체(1110)를 통과한다. 전구체(A)는 코팅 표면과 반응하여, 코팅 표면의 화학적 및 물리적 성질을 변화시키고 그리고 반응 부산물을 생성한다. 제 1 퍼지 노즐 조립체(1115A)로부터 배출되는 미반응 전구체(A), 반응 부산물 및 불활성 가스는 코팅 표면에 근접하여 그리고 분리 거리(1145 및 1140)에 의해서 형성된 부피 내에서 함께 혼합된다. 혼합물은, 제 1 전구체 노즐 조립체(1110)의 각 측부 상에 하나씩 배치된 2개의 배기 유입구(1105A)에 의해서, 분리 거리(1145 및 1140)에 의해서 형성된 부피로부터 그리고 코팅 표면으로부터 회수된다. 배기 유입구(1105A)의 각각은 미반응 전구체(A), 반응 부산물 및 불활성 가스를, 미반응 전구체(B)와 배기 가스가 혼합되지 않는 상태로, 제거한다. 이어서, 기판은, 코팅 표면으로부터 임의의 반응 생성물 또는 미반응 전구체(A)를 추가적으로 퍼지하기 위해서 불활성 가스를 코팅 표면 상으로 지향시키는 퍼지 노즐 조립체(1115A)를 통과하여 진행한다. 전술한 바와 같이, 코팅 표면 상으로 배출되는 불활성 가스는 베이스 벽(1165)으로부터 코팅 표면까지 연장하는 가스 커튼을 형성하고 그리고 전구체(A)를 전구체(B)로부터 격리시킨다.
이어서, 기판(1130)은 전구체(B)를 코팅 표면 상으로 지향시키는 제 2 전구체 노즐 조립체(1120)를 통해서 진행한다. 전구체(B)는 전구체(A)와의 반응에 의해서 변경된 후의 코팅 표면과 반응하고, 그리고 전구체(B)와 물리적 및 화학적으로 변경된 코팅 표면 사이의 반응은 코팅 표면 상에 새로운 얇은 필름 층을 증착하는 한편 다른 반응 부산물을 또한 생성한다. 미반응 전구체(B), 반응 부산물, 그리고 퍼지 노즐 조립체(1115A, 1115B)로부터 배출되는 불활성 가스가 코팅 표면에서 함께 혼합된다. 혼합물은, 제 2 전구체 노즐 조립체(1120)의 각 측부 상에 하나씩 배치된 배기 유입구(1105B)에 의해서, 분리 거리(1140 및 1145)에 의해서 형성된 부피로부터 그리고 코팅 표면으로부터 회수된다. 이어서, 기판은 코팅 표면 상으로 불활성 가스를 지향시키는 퍼지 노즐 조립체(1115B)를 통해서 진행한다. 코팅 표면 상으로 배출되는 불활성 가스는 베이스 벽(1165)과 코팅 표면 사이에서 연장하는 가스 커튼을 형성하고, 그리고 전구체(B)를 전구체(A)로부터 격리시키고, 그리고 추가적으로 반응 부산물 및 미반응 전구체(B)를 코팅 표면으로부터 제거한다.
6.6. 전구체 및 불활성 가스 전달
도 12를 참조하면, 가스 매니폴드(710)는 상단부 등측적 분할 도면으로 부분적으로 절개되어 도시되어 있고, 상기 분할 도면은 가스 매니폴드(710)를 통한 전구체의 유동을 설명하기 위해서 도면의 후방 부분 내의 하드웨어 및 도면의 전방 부분 내의 가스 유동을 도시한다. 명료함을 위해서 전구체(A)의 유동 경로를 패턴화하였다. 도 12는 배기 수집 플레이트(915), 배기 오리피스 플레이트(920) 및 유동 분배 플레이트(925)를 통해서 취한 단면도를 도시한다. 전구체 오리피스 플레이트(930)는 도 12에 도시되어 있지 않다. 전구체(A)는 복수의 전구체 포트(815)를 통해서 가스 매니폴드(910)로 도입된다. 전구체 포트(815)는 배기 수집 플레이트(915)를 통과하고, 그리고 전구체(A)를 배기 오리피스 플레이트(920) 내에 형성된 제 1 횡단 유체 도관 내로 전달한다. 아이템(1236)은 제 1 횡방향 도관을 통과하는 것으로 보여질 수 있는 전구체(A)를 포함한다. 전구체(A)는, 유동 분배 플레이트(925) 내에 형성된 복수의 제 1 길이방향 유체 도관에 의해서 형성된 복수의 길이방향 유동 경로(1241)를 통해서 횡방향 도관을 빠져나간다. 복수의 유동 경로(1241)의 각각은, 앞서서 구체적으로 설명한 (1005A 또는 1110)과 같은, 제 1 전구체 노즐 조립체를 공급하고, 그리고 복수의 제 1 전구체 노즐 조립체를 통한 가스 유동이 도 12에서 (1250)으로서 도시되어 있다.
전구체(B)는 복수의 전구체 포트(820)를 통해서 가스 매니폴드(910) 내로 도입된다. 전구체 포트(820)는 배기 수집 플레이트(915)를 통과하고 그리고 전구체(B)를 배기 오리피스 플레이트(920) 내에 형성된 제 2 횡방향 유체 도관 내로 전달한다. 아이템(1235)은 배기 오리피스 플레이트(920) 내에 형성된 제 2 횡방향 도관을 통과하는 것으로 보여질 수 있는 전구체(B)를 포함한다. 전구체(B)는, 유동 분배 플레이트(925) 내의 복수의 제 2 길이방향 유체 도관에 의해서 형성된 복수의 제 2 길이방향 유동 경로(1240)를 통해서 제 2 횡방향 도관을 빠져나간다. 복수의 유동 경로(1240)의 각각은, 앞서서 구체적으로 설명한 (1005B 또는 1120)과 같은, 제 2 전구체 노즐 조립체를 공급하고, 그리고 복수의 제 2 전구체 노즐 조립체를 통한 가스 유동이 도 12에서 (1265)로서 도시되어 있다.
도 12에 추가적으로 도시된 바와 같이, 불활성 가스는 불활성 가스 포트(825)를 통해서 매니폴드 내로 도입된다. 복수의 불활성 가스 포트는 배기 수집 플레이트(915)를 통과하고 그리고 불활성 가스 유동을 배기 오리피스 플레이트(920) 내에 형성된 제 3 횡방향 유체 도관 내로 전달한다. 아이템(1237)은 배기 오리피스 플레이트(920) 내에 형성된 제 3 횡방향 도관을 통과하는 것으로 보여질 수 있는 불활성 가스를 포함한다. 퍼지 가스는, 유동 분배 플레이트(925) 내의 복수의 제 3 길이방향 유체 도관에 의해서 형성된 복수의 제 3 길이방향 유동 경로(1242)를 통해서 제 3 횡방향 도관을 빠져나간다. 복수의 유동 경로(1242)의 각각은, 앞서서 구체적으로 설명한 (1015A, 1015B, 또는 1115A 및 1115B)와 같은, 퍼지 노즐 조립체를 공급하고, 그리고 퍼지 가스가 유동 경로(1242)의 각각으로부터 길이방향으로 연장하는 복수의 퍼지 노즐 조립체를 통해서 유동한다.
6.7 배기 가스 제거
이제 도 9 및 13을 참조하면, 도 9는 도 8의 섹션(900-900)을 통해서 취한 단면도이고 그리고 도 13은 도 9로부터 취한 전개도(1300)를 도시한다. 전개도(1300)는 단위 셀을 도시한다. 도 9를 참조하면, 상단부로부터 하단부까지 그 베이스에서 배기 수집 플레이트(915)에 부착되어 도시된 배기 매니폴드(835)의 벽을 도시한다. 배기 수집 플레이트(915)는 배기 오리피스 플레이트(920)와 짝을 이루고, 상기 배기 오리피스 플레이트는 유동 분배 플레이트(925)와 짝을 이루고 그리고 유동 분배 플레이트는 전구체 오리피스 플레이트(930)와 짝을 이룬다. 배기 수집 플레이트(915), 배기 오리피스 플레이트(920), 유동 분배 플레이트(925) 및 전구체 오리피스 플레이트(930)의 각각은, 재료 두께에 의해서 분리되는 대향하는 평행 표면 및 실질적으로 동일한 길이방향 및 횡방향 치수를 가지는 실질적으로 직사각형 또는 정사각형 플레이트 형상의 요소이다. 길이방향 치수는 코팅 표면의 폭(Ws) 또는 가스 분배 매니폴드의 코팅 폭과 상응한다. 횡방향 치수는 하나의 단위 셀(예를 들어, 100)의 폭의 일부 배수가 되는 가스 분배 매니폴드의 폭(Wc)에 상응한다.
플레이트의 각각은, 플레이트 사이로부터 분배 매니폴드의 외부로 가스가 누설되는 것을 방지하기 위해서, 예를 들어 O-링, 또는 가스켓 등(미도시)에 의해서 짝을 이루는 플레이트에 대해서 가스 밀봉될 수 있을 것이다. 또한, 각각의 플레이트는 플레이트를 통해서 또는 부분적으로 통해서 연장하고 필요에 따라서 가스 매니폴드를 통해서 가스를 이송하기 위한 유체 도관으로서 역할을 하는 여러 가지 오리피스, 또는 채널 등을 포함한다. 추가적으로, 짝을 이루는 플레이트는, 플레이트가 조합되어 유체 도관을 형성할 때 함께 결합되는, 상응하는 표면 채널 등을 포함할 수 있을 것이다. 플레이트 재료가 예를 들어 알루미늄 또는 스테인리스 스틸과 같은 금속을 포함할 수 있을 것이고, 또는 플레이트가 예를 들어 ABS 또는 폴리카보네이트와 같은 형성가능한(formable) 폴리머 재료를 포함할 수 있을 것이며, 또는 플레이트가 석영이나 유리와 같은 세라믹 재료를 포함할 수 있을 것이다.
도 13을 참조하면, 예시적인 배기 가스 유동 경로가 도시되어 있으며, 여기에서 전구체 노즐 조립체(1340)는 대향하는 배기 유입구(1355A) 사이에 배치된다. 도시된 바와 같이, 각각의 배기 유입구(1355A)는, 전구체 오리피스 플레이트(930)를 통해서 전체적으로 수직으로 그리고 유동 분배 플레이트(925)를 통해서 전체적으로 배기 오리피스 플레이트(920)까지 통과하는 길이방향 슬롯을 포함한다. 배기 오리피스 플레이트(920)는, 배기 오리피스 플레이트(920)의 대향하는 면으로부터 연장하는 대향하는 길이방향 슬롯(1310 및 1315)을 포함한다. 대향하는 슬롯은, 관통하여 통과하는 복수의 원형 오리피스(1320)를 포함하는 중심 벽(1305)에서 종료된다. 배기 가스는 복수의 원형 오리피스(1320)의 각각을 통과하고 그리고 배기 수집 매니폴드(835) 상으로 유동한다. 오리피스(1320)는 중심 벽(1305)을 통한 초킹된(choked) 유동 조건을 생성하도록 크기가 정해지고, 그에 따라 길이방향 슬롯(1310)으로부터 슬롯(1315)으로의 가스 유동이 오리피스(1320)에 의해서 제한된다. 제한된 가스 유동은, 중심 벽(1305)의 길이방향 길이를 따른 오리피스(1320)의 각각을 통한 실질적으로 균일한 배기 가스 유동을 끌어당기는 결과를 초래한다. 유사하게, 전구체 노즐 조립체(1335)는, 배기 유입구(1355)가 수집된 배기 가스를 대안적인 배기 수집 매니폴드(830)으로 전달할 수 있다는 것을 제외하고, 배기 유입구(1355A)와 실질적으로 동일한 구성 및 동작을 가지는 대향하는 배기 유입구(1355) 사이에 배치된다.
송풍기(1485)는 배기 수집 매니폴드(830 및 835)의 각각과 유체 소통하고, 그리고 송풍기의 동작은 배기 수집 매니폴드(830 및 835)의 각각의 외부로 배기 가스를 인출한다. 배기 수집 매니폴드(830 및 835)의 각각의 내부의 결과적인 압력 강하는 오리피스(1320)의 각각을 통해서 배기 가스 부피를 균일하게 끌어 당기고, 이는 배기 가스를 배기 유입구(1355A)의 각각의 내부로 끌어 당긴다. 유사하게, 전구체 노즐 조립체(1335)는, 배기 유입구(1355)가 복수의 원형 오리피스(1325)의 각각을 통과하고 그리고 배기 수집 매니폴드(830) 대신에 배기 수집 매니폴드(830)로 유동한다는 것을 제외하고, 배기 유입구(1355A)와 실질적으로 동일한 대향하는 배기 유입구(1355) 사이에 배치된다.
6.8 예시적인 노즐 조립체
도 10-13을 참조하면, 각각의 전구체 노즐 조립체(1005A, 1005B, 1110, 1120, 1335, 1340) 및 각각의 퍼지 노즐 조립체(1015A, 1015B, 1115A, 1115B, 1350)는, 베이스 벽(1045, 1160A, 1160B, 1165, 1345)에 의해서 그리고 대향하는 측벽(1035, 1135, 1375)에 의해서 경계지어지는 길이방향 입력 챔버(1330)를 포함한다. 도 13에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 길이방향 입력 챔버(1330)는 전구체 오리피스 플레이트(930) 내에 부분적으로 형성되고 그리고 유동 분배 플레이트(925) 내에 부분적으로 형성된다. 도 12에 가장 잘 도시된 바와 같이, 전구체 노즐 조립체와 연관된 각각의 길이방향 입력 챔버에는 제 1 및 제 2 길이방향 도관(1240 또는 1241) 중 하나를 통해서 전구체가 공급되고, 그리고 퍼지 노즐 조립체와 연관된 길이방향 입력 챔버에는 제 3 길이방향 도관(1242) 중 하나를 통해서 불활성 가스가 공급된다. 따라서, 적절한 가스는 길이방향 입력 챔버(1330)의 일 단부로부터 그러한 길이방향 입력 챔버의 각각으로 도입되고 충진된다. 각각의 길이방향 입력 챔버(1330)는, 가스 매니폴드의 코팅 폭(Ws)을 형성하고 가스 매니폴드의 활성(active) 부분의 전체 길이방향 치수(L)를 실질적으로 따라서 전구체 오리피스 플레이트(930)의 길이방향 치수를 따라 수평으로 연장한다.
각각의 베이스 벽(1045, 1160A, 1160B, 1345)은, 코팅 표면에 실질적으로 수직한 축을 따라서 베이스 벽을 통해서 연장하는 복수의 오리피스(1070, 1170, 1370)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 복수의 오리피스(1070, 1170, 및 1370)는, 초킹된 가스 유동이 각각의 길이방향 챔버(1330)를 빠져나가게 하기에 충분할 정도로 작은 지름을 가지는 원형이다. 보다 구체적으로, 길이방향 챔버(1330)의 외부로의 가스 유동이 원형 오리피스(1070, 1170, 및 1370)에 의해서 제한될 때, 초킹된 가스 유동이 초래된다. 초킹된 가스 유동은, 임의의 길이방향 입력 챔버(1330) 내의 가스 압력 또는 가스 부피의 작은 주기적인 변동이 오리피스(1070, 1170, 1370)를 통과하는 가스 부피의 상응하는 결과를 초래하지 않는다는 점에서, 종래 기술에 대비한 장점을 제공한다. 추가적으로, 초킹된 유동 조건은, 길이방향 입력 챔버(1330)의 전체 길이방향 길이를 따른 원형 오리피스의 각각을 통과하는 실질적으로 균일한 가스 부피를 초래한다. 따라서, 초킹된 유동 조건은, 바람직하게, 각각의 가스 노즐 조립체 아래를 통과하는 코팅 표면을 길이방향 축(L)을 따른 단위 길이 당 그리고 단위 시간 당 프로세스 가스의 실질적으로 균일한 부피에 노출시키며, 그에 따라 희망하는 체류 시간 동안 시스템 코팅 폭(Ws)에 걸친 완전한 포화를 초래한다. 따라서, 본원 발명에 의해서 제공되는 초킹된 유동 조건은 대기압에서 개선된 코팅 균일성을 제공하는 한편, 감소된 전구체 이용을 또한 제공한다. 전술한 예시적인 실시예에서, 희망하는 초킹된 유동 조건을 제공하는 가스 오리피스(1050, 1170, 1370)는 지름 범위가 0.025 내지 0.127 mm(0.0001 내지 0.005 인치)인 원형 홀을 포함한다. 바람직하게, 오리피스 지름은 0.064-0.0165 mm, (0.00025-0.00065 인치)의 범위를 가진다. 전술한 예시적인 실시예에서, 가스 오리피스는 0.25 내지 10 mm(0.010 내지 0.4인치) 범위의 및 바람직하게 약 3mm(0.12 인치)의 중심 대 중심 이격 거리 또는 피치를 가진다. 본원 발명으로부터 벗어나지 않고도, 길이방향 축을 따른 희망하는 균일한 가스 분배를 제공하는 다른 간격 배열을 이용할 수 있다. 추가적인 실시예에서, 복수의 원형 개구가, 본원 발명을 벗어나지 않고도, 길이방향 축을 따라 희망하는 균일한 가스 분배를 제공하는, 하나 이상의 길이방향 슬롯, 하나 이상의 타원형 또는 다른 형상의 오리피스 또는 다른 오리피스 패턴에 의해서 대체될 수 있을 것이다.
각각의 가스 오리피스(1070, 1170, 1370)로부터 빠져나오는 가스는, 원형 지름을 가질 수 있는 분배 패턴을 가지는 코팅 표면 상으로 수직 입사각으로 충돌된다. 분배 패턴의 형상 및 크기는 적어도 가스 밀도, 분리 거리, 및 다른 유동 특성에 의존한다. 전술한 바와 같이, 초킹된 유동 조건의 결과로서, 분배 패턴은 길이방향 입력 챔버(1330) 내부의 가스 압력 또는 길이방향 입력 챔버로 진입하는 가스의 질량 유량에 덜 의존적이 되고, 이는 코팅 특성을 개선한다. 바람직하게, 오리피스(1070, 1170, 1370)는, 인접 오리피스의 분배 패턴의 일부 중첩을 제공하는 중심 대 중심 피치를 가지고 길이방향 축을 따라 균일하게 이격된다. 원형 오리피스(1070, 1170, 1370)의 지름 및 중심 대 중심 간격은, 활성 기판 코팅 폭(Ws)에 상응하는 가스 매니폴드(710)의 전체 길이방향 치수(L)를 실질적으로 따라서 가스 부피를 균일하게 분배하도록 선택된다.
코팅 표면으로 지향되는 퍼지 가스의 부피와 전구체 가스의 부피 간에 차이를 주기 위해서, 퍼지 노즐 조립체(1015A, 1015B, 1115A, 1115B, 1350)의 베이스 벽을 통과하는 오리피스의 크기 및 형상이 전구체 노즐 조립체(1005A, 1005B, 1110, 1120, 1335, 1340)의 베이스 벽을 통과하는 오리피스의 크기 및 형상과 상이할 수 있다. 하나의 전구체의 부피를 코팅 표면으로 지향되는 다른 전구체와 관련하여 차별화시키기 위해서, 전구체 노즐 조립체(1005A, 1005B, 1110, 1120, 1335, 1340)의 베이스 벽을 통과하는 가스 오리피스의 크기 및 형상이 다른 전구체 가스의 경우와 상이할 수 있을 것이다. 단위 길이 당 코팅 표면에 대한 가스 부피 전달을 차별화하기 위해서, 베이스 벽을 통과하는 오리피스의 중심 대 중심 간격 또는 피치가 하나의 노즐 조립체와 다른 노즐 조립체 간에 상이할 수 있다. 예를 들어, 전구체 노즐 조립체가 퍼지 노즐 조립체 보다 더 많은 또는 더 적은 전체 오리피스의 수를 가질 수 있을 것이고, 또는 하나의 전구체 노즐 조립체가 동일한 가스 매니폴드 상의 다른 전구체 노즐 조립체 보다 더 많은 또는 더 적은 전체 오리피스의 수를 가질 수 있을 것이다. 보다 일반적으로, 본원 발명의 여러 가지 실시예에 따라서, 코팅 표면에서 완전한 포화를 보다 신뢰가능하게 획득하도록 코팅 표면에서 가스 분배 패턴을 조정하기 위해서, 길이방향 입력 챔버(1330)의 외부로 유도되는 오리피스의 크기, 형상 및 피치가 달라질 수 있을 것이다. 추가적으로, 가스 분배 패턴을 조정하여 코팅 표면에서 완전한 포화를 보다 신뢰가능하게 획득하기 위해서, 분리 거리(1030, 1145, 1140 및 1175)가 달라질 수 있을 것이다.
6.9 코팅 표면에서의 예시적인 가스 유동
도 10 및 11의 각각에서 가스 오리피스로부터 빠져나오는 것으로 도시된 가스 유동 라인을 참조하면, 전술한 단위 셀 실시예의 각각에서, 베이스 벽(1045, 1160A, 1160B, 1325)을 통과하는 오리피스는, 수직 축이 될 수 있는 코팅 표면에 대해서 직교하는 축을 실질적으로 따라서 배향된다. 원형 가스 오리피스를 빠져나가는 가스가 원형 존을 형성하는 실질적으로 원뿔형인 패턴을 형성할 수 있을 것이고, 상기 원형 존 상에서 가스가 코팅 표면으로 충돌한다. 전술한 바와 같이, 원형 존의 지름은 분리 거리(1030, 1140)에 의존하고, 가스 오리피스 지름 및 가스 압력은 어느 정도까지 가스 온도, 밀도, 기판 속도 등에 의존할 수 있을 것이다. 코팅 표면 상에서의 충돌 이후에, 가스가 동일한 원뿔형 패턴 내의 코팅 표면으로부터 멀리 편향되고, 이는 코팅 표면으로부터의 거리가 멀어질수록 지름이 계속적으로 확장된다. 따라서, 편향된 가스의 상당 부분이 배기 유입구, 예를 들어, (1010B, 1010C, 1105A)를 향해서 지향되고, 그러한 배기 유입구에서 가스가 분리 거리(1030, 1140, 및 1145)로부터 신속하게 제거된다.
편향된 가스의 일부가 코팅 표면에 평행하게 또는 거의 평행하게 지향되는 범위까지, 전구체 노즐 조립체의 대향 측부 상에 배치된 퍼지 노즐 조립체(1015A, 1115A, 1350)는 불활성 가스의 커튼을 분리 거리(1030, 1145) 내로 전달하고, 그리고 불활성 가스의 커튼은 전구체 가스가 코팅 표면에 평행하게 유동하거나 확산되는 것을 방지하고 그리고 바람직하게 분리 거리(1030, 1140)로부터 미반응 전구체 가스 및 반응 부산물을 제거하는 배기 유입구(1010A, 1105A)에 의해서 생성된 저압 구역으로 전구체를 한정한다. 일부 실시예에서, 전구체가 코팅 표면에 대해서 평행하게 또는 거의 평행하게 유동하는 것을 방지하기 위해서, 퍼지 노즐 조립체(1015A, 1115A)를 통해서 보다 큰 부피의 불활성 가스를 전달하는 것이 바람직할 수 있을 것이다. 따라서, 배출구 유입구, 예를 들어, (1010A, 1105A) 내로 끌어당겨지는 전구체 가스에 더하여, 코팅 표면으로부터 편향되는 그리고 퍼지 노즐 조립체(1015A, 1015B, 1115A, 1115B)로부터 배출되는 불활성 가스의 일부가 분리 거리(1030 및 1145)를 통해서 인접한 배기 유입구(1010A 및 1105A)를 향해서 유동한다.
전술한 단위 셀 실시예의 각각에서, 가스 전구체 오리피스 플레이트(930)와 코팅 표면 사이의 분리 거리 내에서 서로 다른 전구체가 혼합되는 것을 방지하기 위해서, 퍼지 노즐 조립체가 전구체 노즐 조립체 사이에 배치된다. 전술한 단위 셀 실시예의 각각에서, 서로 다른 전구체가 혼합되는 것을 방지하도록 그리고 전체 코팅 표면 구역에 걸쳐서 전구체와 코팅 표면 사이의 신속하고 완전한 반응을 촉진하도록 코팅 표면으로부터 배기 유입구(1010 및 1105)를 향해서 편향된 미반응 전구체 가스와 반응 부산물을 유도하기 위해서, 분리 거리(1030, 1145)가 선택된다.
6.10 가스 제어 시스템
이제 도 14를 참조하면, 본원 발명의 하나의 실시예에 따른 가스 제어 시스템(1400)이 개략적으로 도시되어 있다. 제어 시스템(1400)은 도 8에 도시되고 전술한 가스 매니폴드(710)와 같은 가스 매니폴드(1460)를 포함한다. 전구체 및 불활성 가스가 입력 라인(1412)을 통해서, 예를 들어 복수의 입력 도관에 걸쳐, 가스 매니폴드(1460) 내로 전달된다. 입력 라인(1412)은, 가스 입력 압력 및 질량 유량을 조정하기 위해서 그리고 필요에 따라 전구체 입력을 조절하기 위해서, 하나 이상의 압력 게이지(P), 유량계(1425, 1455), 제어 밸브(1435, 1440, 1445) 및 압력 조정기(1410 및 1420)를 포함할 수 있을 것이다. 불활성 가스는, 가스 압력 조정기(1410)에 의해서 압력이 조정되는 불활성 가스 공급부(1405)로부터 전달된다.
가스 제어 시스템(1400)은 매니폴드(1460)를 통해서 배기 가스를 인출하는 송풍기(1485)를 더 포함한다. 배기 가스는, 각각 미반응 전구체(A)를 포함하는 배기 가스와 연관된 하나의 가스 라인(1465) 및 미반응 전구체(B)와 연관된 다른 가스 라인(1470)으로 2개의 독립된 배기 라인(1465 및 1470)을 통해서 회수될 수 있을 것이다. 배기 가스 수집 모듈(1475)은 배기 가스를 수집 및 프로세싱하기 위해서 송풍기(1485)와 매니폴드(1460) 사이에 배치된다. 배기 수집 모듈(1475)은 미반응 전구체를 트랩핑(trapping)하기 위한 트랩, 미반응 전구체를 재생하기 위한 전구체 재생 모듈, 또는 양자 모두를 포함할 수 있을 것이다. 배기 수집 모듈(1475)은 또한 배기 가스로부터 반응 부산물을 분리하기 위한 트랩 또는 필터링 장치를 포함할 수 있을 것이다. 가스 제어 시스템(1400)은 또한, 배기 가스 압력 및/또는 질량 유량을 조정하기에 적합한 송풍기(1485)와 가스 매니폴드(1460) 사이에 배치된 스로틀 밸브(1480) 등을 포함할 수 있을 것이다.
가스 제어 시스템(1400)은 액체 또는 고체 전구체를 증기화하기 위한 하나 이상의 통상적인 가스 버블러(1450)를 포함할 수 있을 것이다. 대안적으로 또는 부가적으로, 시스템은 버블러를 필요로 하지 않는 하나 이상의 가스 전구체 컨테이너를 포함할 수 있을 것이다. 가스 버블러(1450)는 밀봉된 컨테이너 내의 액체 또는 고체 전구체를 포함하고 그리고 불활성 가스는 유동 라인(1430)을 따라서 컨테이너 내로 전달된다. 버블러(1450) 내로의 불활성 가스 입력은 압력 조정기(1410) 및 질량 유동 제어기(1425)에 의해서 조정될 수 있을 것이다. 전구체 증기가 제어 밸브(1440)를 통해서 버블러로부터 배출된다. 제어 밸브(1435, 1440, 및 1445)는, 불활성 가스가 버블러(1450) 내로 유동하는 것을 방지하기 위해서 및/또는 전구체가 버블로부터 빠져나오는 것을 방지하기 위해서, 이용될 수 있을 것이다.
가스 제어기(1400)는, 가스 매니폴드(1460)로, 예를 들어, 도 8에 도시된 불활성 가스 입력 포트(825)의 각각의 내부로, 불활성 가스를 직접적으로 전달한다. 부가적인 불활성 가스가 캐리어 가스로서 하나 또는 2개 모두의 전구체와 혼합될 수 있고, 그에 따라 혼합물 또는 불활성 가스 및 전구체 증기가 도 8에 도시된 전구체 입력 포트(815 및 820)의 각각의 내부로 전달된다.
2가지의 전구체 시스템을 이용하여 본원 발명을 설명하였지만, 본원 발명은 2개의 전구체로 제한되지 않는다. 본원 발명은, 본원 발명을 벗어나지 않고도 희망하는 코팅 목표를 달성하는데 필요한 임의 수의 전구체에 대해서 열려 있다. 또한, 가스 제어 시스템(1400)은 개략적으로 대표하는 것이고, 그리고 여러 가지 상이한 재료 층을 복수의 상이한 기판 상으로 도포하기 위해서 사용자가 가스 매니폴드를 구성하는 경우에 요구되는 바에 따라서, 그리고 복수의 상이한 전구체 및 불활성 가스 컨테이너, 버블러, 및 유동 경로를 포함할 수 있을 것이다.
6.11 기판 이송 시스템을 포함하는 증착 시스템
도 15 및 16은 각각 본원 발명의 실시예에 따른 상이한 기판 이송 시스템을 포함하는 증착 시스템을 도시한다.
도 15를 참조하면, 증착 시스템(1500)은, 전술한 기술에 따라서 기판 상에 코팅을 증착하기 위해서 가스 증착 헤드 시스템 아래에서 실질적으로 평면형인 구성으로 기판을 이송하도록 디자인된 기판 이송 시스템을 포함한다. 기판이 헤드 시스템 아래를 통과할 때 각각의 단위 셀과 기판의 코팅 표면 사이의 분리 거리가 실질적으로 동일하도록, 증착 헤드 시스템이 디자인되고 배열된다. 도 15의 실시예는, 4개의 단위 셀(1510, 1520, 1530, 1540)을 포함하는 도 3에 도시된 가스 증착 헤드 시스템을 이용한다.
도 15의 실시예에서, 이송 시스템은 미코팅 기판을 공급하는 공급 롤(1550), 및 코팅된 기판이 수집되는 수거 롤(1560)을 포함한다. 증착 프로세스 중에, 공급 롤(1550)은 기판을 풀기 위해서(to unwind), 예를 들어 반-시계 방향으로, 회전된다. 일부 실시예에서 그리고 도시된 바와 같이, 기판이 선택적인 기판 지지부(1570) 위로 이송되고, 그러한 기판 지지부가 존재할 때 그러한 기판 지지부는 기판을 실질적으로 평면형의 구성으로 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 기판이 가스 증착 헤드 시스템 아래를 통과할 때, 전술한 기술에 따라서 층이 코팅 표면 상으로 증착된다. 이러한 실시예에서, 구동 메커니즘(1580)은 수거 롤(1560)을 회전시켜 코팅된 기판을 수집하고, 이는 다시 공급 롤(1550)이 회전되어 기판을 공급하게 유도한다. 그러나, 다른 실시예에서, 구동 메커니즘은, 수거 롤(1560)과 연관된 구동 메커니즘 대신에 또는 그에 부가하여, 공급 롤(1550)과 연관될 수 있을 것이다. 또한, 이송 시스템(1500)은, 단위 셀의 배기 채널을 통해서 배기 가스를 수집하기 위해서 배기 모듈(1590) 및 단위 셀의 각각의 상응하는 가스 노즐 조립체로 전구체 및 불활성 가스를 전달하기 위한 가스 공급 모듈(1585)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 기판이 약 24 m/분의 속도로 가스 증착 헤드를 지나서 진행되고, 가스 노즐 조립체의 각각은 약 1 mm의 노즐 폭을 가지며, 코팅 표면과 증착 헤드의 베이스 표면 사이의 분리 거리가 약 0.5 mm가 된다. 도 15의 예시적인 실시예에서 4개의 단위 셀이 도시되어 있으며, 각각의 단위 셀은 ALD 코팅 프로세스에 의해서 하나의 고체 필름 층을 코팅 표면 상으로 증착한다. 다른 실시예에서, 증착 헤드 시스템의 단위 셀의 수를 증가시킴으로써 보다 많은 고체 필름 층을 증착하도록 시스템(1500)이 구성될 수 있을 것이다.
도 16을 참조하면, 증착 시스템(1600)은, 전술한 기술에 따라서 기판 상에 코팅을 증착하기 위해서 곡선형 구성으로 기판을 이송하도록 디자인된 기판 이송 시스템을 포함한다. 이러한 실시예에서, 기판이 헤드 아래를 지날 때 각각의 단위 셀(1610, 1620, 1630, 1640)과 코팅 표면 사이의 분리 거리가 실질적으로 동일하도록, 증착 헤드가 또한 곡선형이 된다. 도 15의 실시예와 유사하게, 이송 시스템은 미코팅 기판을 공급하는 공급 롤(1650), 및 코팅된 기판을 수집하는 수거 롤(1660)을 포함한다. 이송 시스템은 각각의 단위 셀(1610, 1620, 1630, 1640)로부터 일정한 거리에서 기판 코팅 표면을 유지하기 위한 곡선형 기판 지지 요소(1670)를 포함한다. 구동 메커니즘(1680)은 기판을 수집하기 위해서 수거 롤(1660)을 회전시키고, 이는 다시 기판 공급을 위해서 공급 롤(1650)이 회전되게 한다. 그러나, 다른 실시예에서, 곡선형 기판 지지 요소(1670)는, 코팅 표면을 희망하는 속도로 단위 셀을 통해서 진행시키기 위해서, 구동 메커니즘(1680)에 의해서 구동되는 롤러를 포함할 수 있을 것이다. 추가적으로, 구동 메커니즘(1680)이 공급 롤(1610)을 구동하기 위한 요소를 포함할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 모두에서, 불활성 가스뿐만 아니라 전구체 가스가 하나 이상의 불활성 가스 입력 포트(825)를 통해서 또는 코팅 프로세스에서 이용되는 각각의 전구체와 연관된 적어도 하나의 전구체 입력 포트(815 및 820)를 통해서 가스 매니폴드(710) 내로 실질적으로 연속적으로 전달된다. 전술한 실시예 모두에서, 배기 가스가 복수의 배출 포트(805 및 810)의 각각을 통해서 가스 매니폴드(710)로부터 실질적으로 연속적으로 제거된다. 다른 실시예에서, 단일 배기 배출 포트가 이용될 수 있다. 배출 포트(805 및 810)는 삼각형 형상의 배출 플리넘(830, 835)으로부터 가스를 회수한다. 다른 실시예에서, 하나의 배출 플리넘이 이용될 수 있다. 각각의 배출 플리넘이 배기 수집 플레이트(915)와 짝을 이루고, 그리고 각각의 배출 플리넘과 배기 수집 플레이트 사이의 인터페이스가 가스켓, 또는 O-링 등에 의해서 밀봉된다. 또한, 각 전구체뿐만 아니라 불활성 가스의 질량 유량, 압력 및 온도가 제어 시스템에 의해서 필요에 따라서 변경될 수 있고, 그에 따라 주어진 코팅 사이클에 대한 완전한 포화를 달성할 수 있을 것이다. 본원 발명의 다른 실시예에서, 사용자는, 예를 들어, 코팅 표면 상의 자체-조립형 모노층(self-assembled monolayer)의 기상 증착을 촉진하기 위해서, 기판 코팅 표면 상으로 하나의 전구체 가스를 전달하도록 선택할 수 있을 것이다. 그러한 경우에, 하나의 전구체 가스가 입력 포트(815, 820) 중 하나로 또는 모두로 전달될 수 있을 것이다.
바람직한 실시예와 관련하여 본원 발명을 앞서서 설명하였지만, 본원 발명이 그러한 것으로 제한되지 않는다는 것을 당업자는 또한 이해할 수 있을 것이다. 전술한 발명의 여러 가지 특징 또는 양태가 개별적으로 또는 결합되어 이용될 수 있을 것이다. 또한, 특별한 환경에서 그리고 특별한 적용예(예를 들어, ALD)에 대해서 본원 발명의 구현예의 내용으로 본원 발명을 설명하였지만, 본원 발명의 유용성은 그러한 것으로 제한되지 않으며, 본원 발명이 화학기상증착, 물리기상증착, 플라즈마 에칭형 화학적기상증착, 및 펄스형 레이저 증착과 같은 증착 방법의 임의 수의 환경 및 구현예에서 유리하게 이용될 수 있다는 것을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 이하에 기재된 청구항은 본원에 개시된 바와 같은 발명의 전체 범위 및 사상에 비추어 이해되어야 할 것이다.

Claims (26)

  1. 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법이며,
    제 1 전구체 노즐 조립체 및 제 2 전구체 노즐 조립체를 가지는 단위 셀을 포함하는 증착 헤드를 제공하는 단계;
    상기 코팅 표면에 실질적으로 수직한 방향을 따라 상기 제 1 전구체 노즐 조립체로부터 대기압 조건으로 제 1 전구체를 방출하는 단계;
    상기 코팅 표면에 실질적으로 수직한 방향을 따라 상기 제 2 전구체 노즐 조립체로부터 대기압 조건으로 제 2 전구체를 방출하는 단계; 및
    상기 제 2 전구체가 상기 코팅 표면의 제 1 구역 상으로 지향되기에 앞서서 상기 제 1 전구체가 상기 코팅 표면의 제 1 구역 상으로 지향되도록, 상기 증착 헤드 및 기판을 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하는, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 셀은 상기 제 1 전구체 노즐 조립체와 상기 제 2 전구체 노즐 조립체 사이에 배열된 불활성 가스 노즐 조립체를 구비하고,
    상기 방법은 상기 코팅 표면에 대해서 실질적으로 수직하게 대기압 내로 불활성 가스 노즐 조립체로부터의 불활성 가스를 방출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 불활성 가스는 버퍼 존을 형상하도록 지향되고, 상기 버퍼 존은 상기 제 1 전구체가 상기 제 2 전구체와 혼합되는 것을 실질적으로 방지하는, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단위 셀은 상기 제 1 전구체 노즐 조립체와 상기 불활성 가스 노즐 조립체 사이에 배열된 제 1 배기 채널 및 상기 제 2 전구체 노즐 조립체와 상기 불활성 가스 노즐 조립체 사이에 배열된 제 2 배기 채널을 포함하고,
    상기 방법은 미반응 제 1 전구체 및 반응 부산물 중 하나를 상기 제 1 배기 채널을 통해서 제거하는 단계 및 상기 미반응 제 2 전구체 및 반응 부산물 중 하나를 상기 제 2 배기 채널을 통해서 제거하는 단계를 더 포함하는, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전구체 및 상기 제 2 전구체는 동시에 방출되는, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅 표면 위에서 측방향으로 증착 헤드를 이동시키는 단계를 포함하는, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 헤드 아래에서 측방향으로 상기 기판을 이동시키는 단계를 포함하는, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 헤드가 0.5 내지 5 mm의 거리 만큼 코팅 표면으로부터 분리되는, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전구체는 코팅 표면과 반응하여 화학적으로 변경된 표면을 형성하고, 상기 제 2 전구체는 상기 화학적으로 변경된 표면과 반응하여 고체 재료 층을 형성하는, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 헤드는 복수의 단위 셀을 포함하는, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 증착 헤드는 정지상태이고, 상기 상대적으로 이동시키는 단계는 상기 기판 코팅 표면을 10-35 m/분 범위의 속도로 상기 증착 헤드를 지나서 이동시키는 단계를 포함하는, 기판의 코팅 표면 상에 층을 증착하기 위한 방법.
  11. 증착 시스템이며,
    코팅 표면을 포함하는 기판;
    제 1 전구체 노즐 조립체 및 제 2 전구체 노즐 조립체를 가지는 단위 셀을 포함하는 증착 헤드로서, 상기 제 1 전구체 노즐 조립체는 상기 코팅 표면에 실질적으로 수직한 방향을 따라 대기압 조건으로 제 1 전구체를 방출하도록 구성되고 배열되며, 그리고 상기 제 2 전구체 노즐 조립체는 상기 코팅 표면에 실질적으로 수직한 방향을 따라 대기압 조건으로 제 2 전구체를 방출하도록 구성되고 배열되는, 증착 헤드; 및
    상기 증착 헤드 및/또는 기판과 연관된 액추에이터로서, 상기 액추에이터는, 상기 코팅 표면의 제 1 구역을 제 1 전구체에 노출시키고 이어서 상기 코팅 표면의 제 1 구역을 제 2 전구체에 노출시키기 위해서, 상기 증착 헤드와 상기 기판 사이의 상대적인 운동을 생성하도록 구성되는, 액추에이터를 포함하는, 증착 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 단위 셀은 상기 제 1 전구체 노즐 조립체와 상기 제 2 전구체 노즐 조립체 사이에 배열된 불활성 가스 노즐 조립체를 가지는, 증착 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 단위 셀은 상기 제 1 전구체 노즐 조립체와 상기 불활성 가스 노즐 조립체 사이에 배열된 제 1 배기 채널 및 상기 제 2 전구체 노즐 조립체와 상기 불활성 가스 노즐 조립체 사이에 배열된 제 2 배기 채널을 포함하는, 증착 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 배기 채널은 상기 제 2 배기 채널로부터 격리되는, 증착 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 상기 기판과 연관된 기계적 선형 변위 메커니즘을 포함하는, 증착 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 증착 헤드는 정지 상태인 한편, 상기 기판과 연관된 기계적인 선형 변위 메커니즘은 상기 기판을 3 내지 35 미터/분 범위의 속도로 상기 증착 헤드를 지나서 진행시키는, 증착 시스템.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 단위 셀은 0.7-1.5 mm 범위의 채널 폭으로 구성되는, 증착 시스템.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 증착 시스템은 5-50 msec 범위의 체류 시간으로 동작되도록 구성되는, 증착 시스템.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 증착 헤드는 0.5 내지 5 mm 거리만큼 상기 코팅 표면으로부터 분리되는, 증착 시스템.
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 각각의 노즐 조립체는 전구체 오리피스 플레이트를 통과하는 하나 이상의 오리피스를 포함하는 전구체 오리피스 플레이트를 포함하고, 가스가 하나 이상의 오리피스로부터 빠져나가는 위치가 0.5 내지 5 mm의 거리 만큼 상기 코팅 표면으로부터 분리되는, 증착 시스템.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 전구체 노즐 조립체, 상기 제 2 전구체 노즐 조립체, 및 상기 불활성 가스 노즐 조립체의 각각은, 상기 코팅 표면에 대한 수직 축을 따라 전구체 오리피스 플레이트를 통과하는 하나 이상의 오리피스를 포함하는 전구체 오리피스 플레이트를 포함하고, 상기 전구체 오리피스 플레이트는 가압 가스로 충진된 챔버를 대기압 조건으로부터 분리시키고, 그리고 상기 하나 이상의 오리피스의 각각은 가압 가스로 충진된 챔버로부터 빠져나오는 초킹된 가스 유동을 유발하도록 크기가 정해지는, 증착 시스템.
  22. 제 11 항에 있어서,
    상기 증착 헤드는 복수의 단위 셀을 포함하는, 증착 시스템.
  23. 증착 헤드이며,
    복수의 제 1 전구체 노즐 조립체;
    복수의 제 2 전구체 노즐 조립체;
    상기 제 1 전구체 노즐 조립체와 제 2 전구체 노즐 조립체 사이에 각각 배열되는 복수의 불활성 가스 노즐 조립체;
    상기 제 1 전구체 노즐 조립체와 상기 불활성 가스 노즐 조립체 사이에 배열된 복수의 제 1 배기 채널;
    상기 제 2 전구체 노즐 조립체와 상기 불활성 가스 노즐 조립체 사이에 배열된 복수의 제 2 배기 채널;
    상기 복수의 제 1 전구체 노즐의 각각으로 제 1 전구체를 전달하기 위한 제 1 전구체 전달 시스템;
    상기 복수의 제 2 전구체 노즐의 각각으로 제 2 전구체를 전달하기 위한 제 2 전구체 전달 시스템;
    상기 복수의 불활성 가스 노즐의 각각으로 불활성 가스를 전달하기 위한 불활성 가스 전달 시스템; 및
    상기 제 1 배기 채널의 각각 및 제 2 배기 채널의 각각을 통해서 배기 가스를 인출하고 상기 증착 헤드로부터 배기 가스를 제거하기 위한 배기 가스 제거 시스템을 포함하는, 증착 헤드.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 배기 가스 제거 시스템은 상기 제 1 배기 채널로부터 인출되는 배기 가스를 상기 제 2 배기 채널로부터 인출되는 배기 가스로부터 격리시키는, 증착 헤드.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전구체 노즐 조립체 각각은, 상기 코팅 표면에 대한 수직 축을 따라 전구체 오리피스 플레이트를 통과하는 하나 이상의 오리피스를 포함하는 전구체 오리피스 플레이트를 포함하고, 상기 전구체 오리피스 플레이트는 가압된 전구체 및 불활성 가스로 충진된 챔버를 대기압 조건으로부터 분리시키고, 그리고 상기 하나 이상의 오리피스는 가압된 가스로 충진된 챔버로부터 빠져나오는 초킹된 가스 유동을 유발하도록 크기가 정해지는, 증착 헤드.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 오리피스는, 0.25-0.127 mm 범위의 지름을 각각 가지는 복수의 원형 오리피스를 포함하는, 증착 헤드.
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