KR20130133488A - 원자층 증착장치 - Google Patents

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Abstract

원자층 증착장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치는, 기판이 출입되는 개구가 마련되며, 기판을 지지하는 서셉터가 내부에 설치되고, 증착물질을 제공하기 위한 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나가 공급되는 원자층 증착챔버유닛; 및 원자층 증착챔버유닛의 내부에 설치되는 스캐닝 캐소드유닛을 포함하며, 스캐닝 캐소드유닛은, 기판 위로 이동하면서 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나를 방출하여 기판에 증착물질을 적층시킬 수 있도록 증착물질 공급부; 및 증착물질 공급부에 이격되게 마련되어 원료 전구체 및 반응 전구체 중 적어도 하나의 이탈을 차단하는 적어도 하나의 1차 퍼지가스 공급부를 포함한다.

Description

원자층 증착장치{ATOMIC LAYER DEPOSITION SYSTEM}
본 발명은, 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 기판 상에 원료 전구체로 한층을 증착하고 잔존가스를 모두 퍼지시킨 상태에서 반응 전구체를 반응시켜 박막을 한층 더 쌓아 올리는 일련의 공정을 반복적으로 진행하여 원하는 박막의 두께를 증착시킬 수 있는 원자층 증착장치에 관한 것이다.
원자층 증착방법은 반응 원료물질의 가스들을 일정한 시간 간격으로 교차하여 주기적으로 반응관 안으로 흘려 보내줌으로써, 각 반응 단계에서 하나의 원자층이 순차적으로 성장되는 방식으로 물질이 성장된다.
이와 같은 원자층 증착방법은 기판 위에서 기체를 균일하게 분사시켜 증착하는 샤워 헤드 방식과 기판의 한쪽 끝에서 분사되어 기판의 다른 한쪽 끝으로 배기되는 트래블링 웨이브 방식이 있다.
원자층 증착(ALD; Atomic Layer Deposition)방법을 통한 증착은 그 두께 제어에 있어서는 원자층 수준으로 기존의 증착방법보다 더욱 정밀하게 두께를 제어할 수 있다는 장점을 가진다. 반면 기판에 대한 박막은 일정한 두께 이상이어야만 정해진 역할을 할 수 있기에 원자층 증착방법은 반복적인 공정의 사이클이 필수적이다.
즉 원자층 증착(ALD; Atomic Layer Deposition) 방식을 통한 성막층은 그 두께 생성의 속도가 늦다는 단점이 있으나, 원자층 증착챔버 내에서 다층의 증착막을 형성시키기 위하여 진행되는 사이클(Cycle)의 횟수를 조절함으로써 최종적인 성막층의 두께를 정밀하게 제어할 수 있다.
이러한 원자층 증착방법은 반도체공정에서 박막균일도, 박막특성 개선 및 미세패턴, 고유전율 물질증착에 주로 사용되는데, 원자층 증착을 수행하는 원자층 증착장치는 가스의 균일한 분사를 위한 샤워헤드에 각 공정가스 또는 퍼지가스를 주기적으로 공급해주는 유량조절장치(MFC) 및 밸브 그리고, 기판을 지지하면서 히팅시켜주는 서셉터(Susceptor), 공정가스를 배출해주는 배기구 등을 기본적으로 갖는다.
그러나, 종래의 원자층 증착장치는 여러 가지 장점에도 불구하고, 디스플레이에 대해서는, 대면적에 기인한 부피증가에 따른 증착 및 퍼지 시간증가에 따른 처리량(Throughput) 감소, 대면적 균일도 문제, 대형화에 따른 여러 가지 기구적 안정성 문제로 인해서, 실질적인 적용이 어려웠다.
즉 대면적 디스플레이 공정에 반도체에서 사용 중인 원자층 증착장치를 그대로 적용 시 대면적에 기인한 부피증가에 따른 증착시간 및 퍼지시간 증가에 따른 처리량(Throughput) 감소, 대면적에서 증착박막의 균일도 문제, 대형화에 따른 기구적 안정성 문제로 인해 제품의 원가상승 및 수율저하가 예상되는 문제점이 있었다.
[특허문헌 1] 대한민국 특허출원 제10-2000-52436호
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 대면적에 기인한 부피증가에 따른 증착시간 및 퍼지시간 증가에도 불구하고 처리량(Throughput)이 우수하며, 대면적에서 증착의 박막에 대한 균일도가 우수하며, 원하는 영역만 증착이 가능하므로 마스크가 불필요하여 증착영역 구분에 따른 주변부의 오염을 최소화할 수 있는 원자층 증착장치을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판이 출입되는 개구가 마련되며, 상기 기판을 지지하는 서셉터가 내부에 설치되고, 증착물질을 제공하기 위한 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나가 공급되는 원자층 증착챔버유닛; 및 상기 원자층 증착챔버유닛의 내부에 설치되는 스캐닝 캐소드유닛을 포함하며, 상기 스캐닝 캐소드유닛은, 상기 기판 위로 이동하면서 상기 원료 전구체 및 상기 반응 전구체 중 다른 하나를 방출하여 상기 기판에 상기 증착물질을 적층시킬 수 있도록 증착물질 공급부; 및 상기 증착물질 공급부에 이격되게 마련되는 적어도 하나의 1차 퍼지가스 공급부를 포함하는 원자층 증착장치를 제공할 수 있다.
상기 스캐닝 캐소드유닛은, 상기 증착물질 공급부의 하부에 마련되어 플라즈마를 생성하는 플라즈마 반응부를 더 포함할 수 있다.
상기 스캐닝 캐소드유닛은, 상기 증착물질 공급부가 마련되는 캐소드몸체; 상기 플라즈마 반응부가 홈 형상으로 마련되는 캐소드블록; 및 상기 캐소드블록의 상기 플라즈마 반응부에 플라즈마를 생성하는 전극부를 포함할 수 있다.
상기 캐소드블록은, 상기 증착물질 공급부와 이격되어 상기 증착물질 공급부로부터 공급되는 상기 반응 전구체 및 상기 원료 전구체 중 다른 하나를 배출하는 증착물질 배출부를 더 포함할 수 있다.
상기 1차 퍼지가스 공급부는, 상기 증착물질 공급부와 상기 증착물질 배출부로부터 각각 이격되어 상기 증착물질 공급부와 상기 증착물질 배출부를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 캐소드블록에는, 상기 전극부가 결합되는 전극 결합부가 마련되며, 상기 전극부는, 상기 전극 결합부의 일측에 결합되는 제1 전극을 포함할 수 있다.
상기 전극 결합부에는, 상기 제1 전극을 감싸는 전극 절연부가 구비될 수 있다.
상기 전극부는, 상기 제1 전극과 이격되어 상기 전극 결합부의 타측에 마련되되, 상기 제1 전극과의 사이에 상기 플라즈마 반응부를 형성하는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 전극 절연부 중 적어도 어느 하나에는 상기 증착물질 공급부와 상기 증착물질 배출부가 마련될 수 있다.
상기 캐소드블록의 하부에는 타공판이 마련될 수 있다.
상기 캐소드블록은, 상기 전극부가 일체로 마련될 수 있다.
상기 캐소드블록의 외부에는, 상기 전극부를 감싸도록 전극 절연부가 마련될 수 있다.
상기 적어도 하나의 1차 퍼지가스 공급부는 상기 플라즈마 반응부를 둘러싸도록 마련되며, 상기 원자층 증착챔버유닛에는 상기 원료 전구체가 공급되고, 상기 스캐닝 캐소드유닛은 상기 반응 전구체를 방출할 수 있다.
상기 스캐닝 캐소드유닛은, 상기 1차 퍼지가스 공급부의 외측에 상기 1차 퍼지가스 공급부에 이격되게 마련되는 원료 전구체 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 스캐닝 캐소드유닛은, 상기 1차 퍼지가스 공급부의 외측에 이격되어 마련되는 1차 배기부를 더 포함할 수 있다.
상기 스캐닝 캐소드유닛은, 상기 1차 배기부의 외측에 이격되어 마련되는 2차 퍼지가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 스캐닝 캐소드유닛은, 상기 1차 퍼지가스 공급부의 외측에 이격되어 마련되는 2차 배기부를 더 포함할 수 있다.
상기 스캐닝 캐소드 유닛은 상호 이격되어 복수열로 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 원자층 증착챔버유닛에 공급된 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나가 공급된 상태에서 스캐닝 캐소드유닛이 기판 상을 스캔방식으로 이동하면서 정해진 영역만큼 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나를 연속적으로 방출하여, 그 방출 전구체가 정해진 영역만큼 기판 상에 흡착되어져 있는 다른 전구체와 반응하여 증착물질을 형성하고 기판에 증착막을 형성함으로써, 대면적에 기인한 부피증가에 따른 증착시간 및 퍼지시간 증가에도 불구하고 처리량(Throughput)이 우수하며, 대면적에서 증착 박막에 대한 균일도가 우수하며, 원하는 영역만 증착이 가능하므로 마스크가 불필요하여 증착영역 구분에 따른 주변부의 오염을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 내부를 개방하여 나타낸 사시도이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 1의 스캐닝 캐소드유닛의 사시도이다.
도 4는 도 3의 캐소드부에 대한 Ⅰ-Ⅰ단면도이다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 각각 다른 실시 예에 따른 도 3의 캐소드부에 대한 Ⅰ-Ⅰ단면도이다.
도 5는 또 다른 실시 예에 따른 도 3의 캐소드부에 대한 Ⅰ-Ⅰ단면도이다.
도 6은 또 다른 실시 예에 따른 배기부가 추가된 도 3의 캐소드부에 대한 Ⅰ-Ⅰ단면도이다.
도 7은 또 다른 실시 예에 따른 원료 전구체 공급부가 추가된 도 3의 캐소드부에 Ⅰ-Ⅰ단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 단일 스캐닝 캐소드유닛의 이동 상태도이다.
도 9는 도 8의 단일개로 배치되는 스캐닝 캐소드유닛에 대한 반응 전구체, 퍼지가스, 배기부, 및 원료 전구체의 배치도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 복수의 스캐닝 캐소드유닛의 일괄이동 상태도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 복수의 스캐닝 캐소드유닛의 순차이동 상태도이다.
도 12는 도 10 및 도 11의 복수개로 배치되는 스캐닝 캐소드유닛에 대한 원료 전구체, 반응 전구체, 퍼지가스, 및 배기부의 배치도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 리니어 모터를 사용하는 캐소드 구동유닛에 대한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 왕복 롤러부 및 왕복 이동부를 사용하는 캐소드 구동유닛에 대한 단면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 퍼지가스 공급부에 갭 조절유닛의 퍼지가스 분사노즐이 적용된 단면도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 퍼지가스 공급부에 갭 조절유닛의 갭 센서가 설치된 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 퍼지가스 공급부에 갭 조절유닛의 플로팅 노즐과 갭 압력센서가 설치된 단면도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 이하, 기판으로는 글라스(glass) 기판뿐만 아니라 플렉서블 기판등 OLED 디스플레이 패널 및 태양광 패널 등 대면적 패널의 제작을 위한 다양한 기판이 사용될 수 있다. 또한, 원자층 증착을 위한 반응 전구체, 원료 전구체, 플라즈마는 각각 R, S, PL의 도면부호로 도면 상에서 지시되며, 각 가스의 유동 방향은 화살표로 표시되는데, 캐소드부(111)에 대한 단면도에 함께 도시하였다. 또한, 본 실시 예에서 사용되는 용어 중 증착물질은 반응 전구체, 원료 전구체, 또는 반응 전구체와 원료 전구체의 화학반응에 의한 생성물질를 통칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 내부를 개방하여 나타낸 사시도이며, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 도 1의 스캐닝 캐소드유닛의 사시도이며, 도 4는 도 3의 캐소드부에 대한 Ⅰ-Ⅰ단면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치는, 기판(101)이 출입되는 개구(102)가 마련되며, 기판(101)을 지지하는 서셉터(103)가 내부에 설치되며 증착물질을 기판(101) 상에 제공하기 위한 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나가 공급되는 원자층 증착챔버유닛(100)과, 원자층 증착챔버유닛(100)의 내부에 설치되되 기판(101)을 따라 이동하면서 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나를 방출하여 기판(101)에 증착물질을 적층시키는 스캐닝 캐소드유닛(110)과, 원자층 증착챔버유닛(100)의 내부에 설치되어 스캐닝 캐소드유닛(110)을 이동시키는 캐소드 구동유닛(170)을 포함한다.
이때 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나는 원자층 증착챔버유닛(100)에 기판에 흡착될 수 있도록 일정 압력으로 충분히 공급될 수 있을 뿐만 아니라, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 원자층 증착챔버유닛(100)의 일측 상부로부터 타측 하부까지 기판 상을 유동하도록 공급될 수도 있다.
도 1a과 도 2a에 도시된 원자층 증착챔버유닛(100)은 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나가 상부 중앙 또는 상부 외곽으로부터 기판 상으로 고르게 공급된 후 기판의 하부로 유동하여 배출되는 경우이다.
즉 원자층 증착챔버유닛(100)의 일측 상부에는 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나를 공급하는 공급구(105)가 설치되며, 타측에는 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나를 흡입하는 배기구(106)가 설치될 수 있다. 이때 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나는 증착에 필요한 양만큼 원자층 증착챔버유닛(100)의 기판 상에 연속적으로 또는 간헐적으로 공급될 수 있다.
또한, 원자층 증착챔버유닛(100)의 상부에는 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나를 공급하는 기판 상으로 고르게 공급할 수 있도록 분무 홀(108)이 형성된 공급패널(107)이 설치될 수 있다.
원자층 증착챔버유닛(100)은 직육면체형상으로서, 기판(101)이 서셉터(103) 상에 지지되어 증착이 이루어질 수 있도록 증착공간을 제공하며, 외부에 대해서는 기밀이 유지되어 기판(101)이 반입되기 전에 진공배기될 수 있으며, 게이트 밸브(미도시) 등에 의해 개폐되는 기판(101)의 출입을 위한 개구(102)가 형성된다.
이때, 원자층 증착챔버유닛(100)은 기판이 하나의 챔버유닛(미도시)을 중심으로 그 주위에 배치되는 복수의 챔버유닛(미도시)으로 이동되면서 공정이 수행되는 클러스터 방식의 원자층 증착공정설비에 배치될 수 있을 뿐만 아니라, 기판이 일렬로 배치되는 복수의 챔버유닛을 이동하면서 공정이 수행되는 인라인 방식의 원자층 증착공정설비에 배치될 수 있다. 이때 원자층 증착공정을 클러스터 방식과 인라인 방식 중 어느 방식으로 수행하는가에 따라 원자층 증착챔버유닛(100)의 개구(102)의 위치는 다양하게 변경될 수 있다.
또한 원자층 증착챔버유닛(100)의 형상은 평면에 대한 투영형상이 사각형인 직육면체뿐만 아니라 육각 또는 팔각, 원형으로도 가능한 것으로서, 그 형상이 일률적으로 정해지는 것이 아니므로, 본 발명의 권리범위는 일정형상으로 제한되진 않는다.
원자층 증착챔버유닛(100)에는 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나(본 실시 예에서는 원료 전구체)가 공급된다.
스캐닝 캐소드유닛(110)은, 기판(101)으로부터 이격되어 캐소드 구동유닛(170)에 결합되며 기판(101) 상에 공급되는 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나에 플라즈마를 공급하는 캐소드부(111)와, 원자층 증착챔버유닛(100)에 설치되어 캐소드부(111)에 연결되며 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나를 공급하는 증착물질 공급라인(112) 및 캐소드부(111)에 퍼지가스를 공급하는 퍼지가스 공급라인(113)이 내장되는 스캔물질 공급부(150)를 포함한다.
캐소드부(111)는 캐소드 구동유닛(170)에 결합되어 기판(101) 상으로 이동하면서 기판(101) 상에 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나(본 실시 예에서는 반응 전구체)를 방출한다. 이때 원자층 증착챔버유닛(100)에는 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나(본 실시 예에서는 원료 전구체)가 공급된 상태이며, 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나(본 실시 예에서는 반응 전구체)가 방출되는 영역에는 원료 전구체와 반응 전구체가 반응되도록 전원에 의한 플라즈마가 생성되므로, 기판(101) 상에 원료 전구체와 반응 전구체로부터 생성되는 증착물질이 증착될 수 있다.
이때 캐소드부(111)는 기판(101)의 너비 방향으로 배치되어 기판(101)의 길이 방향을 따라 이동하면서, 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나를 기판 상에 차지하는 영역만큼 연속적인 이동에 의한 스캔방식으로 기판(101) 상으로 방출할 수 있다.
본 실시 예에 따른 캐소드부(111)는 기판(101)의 너비 방향으로 배치되어 길이 방향을 따라 이동하나, 이와 반대로 배치되어 기판의 너비 방향을 따라 이동도 가능하므로, 본 발명의 권리범위는 캐소드부(111)가 기판의 어느 하나의 변을 따라 이동하는 것으로 제한되진 않으며, 기판 상에 스캔방식으로 증착물질을 제공할 수 있도록 배치되어 이동할 수 있는 경로를 갖춘 캐소드부(111)는 적용이 가능하다.
이를 위해, 캐소드부(111)는, 증착물질 공급라인(112)과 퍼지가스 공급라인(113)이 연결되는 캐소드 몸체(120)와, 캐소드 몸체(120)에 결합되며 증착물질 공급라인(112) 및 퍼지가스 공급라인(113)에 각각 대응되어 연결되는 증착물질 공급부(115)와 퍼지가스 공급부(118)가 마련되는 캐소드블록(125)을 포함한다.
캐소드 몸체(120)는 캐소드블록(125)의 상부에 결합되어 스캔물질 공급부(150)에 내장된 증착물질 공급라인(112)과 퍼지가스 공급라인(113)을 캐소드블록(125)에 연결시킬 수 있는 메인 파이프(121)와 서브 파이프(122)를 포함할 수 있다. 메인 파이프(121)는 캐소드 몸체(120)의 길이 방향을 따라 배치되며, 서브 파이프(122)는 다수개로서 메인 파이프(121)의 하부에 상호 이격되게 결합되어 캐소드블록(125)에 연결될 수 있다.
그리고 캐소드블록(125)에는, 원료 전구체와 반응 전구체의 원활한 화학반응을 위해 플라즈마가 생성되는 홈 형상의 플라즈마 반응부(126)가 마련된다.
본 실시 예에 따른 플라즈마 반응부(126)는 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나가 기판에 제공되는 영역에 플라즈마를 생성하기 위한 것으로서, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되진 않으며, 캐소드블록(125)뿐만 아니라 캐소드블록(125)과 별도로 이동되도록 마련되는 다른 블록에도 적용될 수 있으며, 홈 형상뿐만 아니라 돌출된 형상, 판 형상, 막대 형상 등으로도 가능하다.
본 실시 예에 따르면, 원자층 증착챔버유닛(100)에 채워지는 원료 전구체가 이미 기판(101)에 증착된 상태에서 플라즈마가 생성되는 플라즈마 반응부(126)에 반응 전구체가 방출되며, 캐소드블록(125)이 기판(101)을 따라 이동하면서 캐소드블록(125)의 면적만큼 원료 전구체에 대한 반응 전구체의 화학반응이 일어나며, 이를 통해 반응 전구체와 원료 전구체의 증착물질이 기판(101) 상에 증착되는 증착이 수행된다.
이때 원료 전구체와 반응 전구체는 전기에 의한 직류, 초고주파, 전자빔 등 전기적 방법을 가해 플라스마를 생성한 다음 자기장 등을 사용해 이런 상태를 유지하는 플라즈마에 의해 증착될 수 있을 뿐만 아니라, 서셉터(103) 또는 원자층 증착챔버유닛(100)의 내벽에 설치되는 다른 히터(미도시)와 같이 기판(101)에 열을 제공할 수 있도록 설치되는 열원(미도시)에 의해 생성되는 플라즈마에 의해서도 증착될 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 전자기에 의한 플라즈마 만을 사용하여 증착을 수행하는 것으로 제한되지 않는다.
이때 열원(미도시)은 캐소드부(111)의 캐소드블록(125)에 내장될 수 있을 뿐만 아니라, 캐소드블록(125)에 인접하여 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나가 제공되는 영역에 플라즈마를 제공할 수 있도록 별도로 마련될 수 있다. 즉 열원(미도시)는 캐소드블록(125)과 함께 이동가능하도록 캐소드부(111)에 설치될 수 있을 뿐만 아니라 캐소드 구동유닛(170) 또는 원자층 증착챔버유닛(100)의 내부에 이동가능하게 설치될 수 있다. 캐소드블록(125)에는, 증착물질 공급부(115)와 이격되어 증착물질 공급부(115)로부터 공급되는 반응 전구체 및 원료 전구체 중 다른 하나에 대한 잉여 량을 배출하는 증착물질 배출부(116)가 구비된다. 증착물질 배출부(116)는 증착물질 공급부(115)와 함께 플라즈마 반응부(126)에 나란하게 연결되어 있는데, 플라즈마 반응부(126)으로 배출되는 원료 전구체 및 반응 전구체의 다른 하나의 잉여 유입량의 배출을 위한 배출통로를 제공한다. 본 실시 예에 따르면, 증착물질 공급부(115)를 통해 플라즈마 반응부(126)로 반응 전구체가 유입되므로, 증착물질 배출부(116)로는 잉여의 반응 전구체가 배출될 수 있다.
또한 증착물질 배출부(116)는 원료 전구체와 플라즈마 상태에서 반응된 반응 전구체의 불필요한 생성물질을 흡입하여 배출함으로써 1차의 원자층 증착이 수행된 후 다음의 원자층 증착수행을 위해 공급되는 원료 전구체가 균일하게 기판 상에 흡착될 수 있도록 한다.
이때 배출되는 반응 전구체는 증착물질 공급부(115)로 반응 전구체를 공급하는 증착물질 저장탱크(미도시)로 다시 저장된 후 재순환됨으로써 증착물질 공급부(115)를 통해 기판에 흡착되도록 제공될 수 있다.
퍼지가스 공급부(118)는, 기판(101)을 향해 퍼지가스를 분사할 수 있도록 기판(101)에 대향하게 설치되며, 플라즈마 반응부(126)로부터 이격배치되어 퍼지가스가 공급되는 통로를 제공한다. 퍼지가스로는 산소, 질소, 및 아르곤 등의 불활성 가스가 사용될 수 있다.
이때 본 실시 예에 따르면, 퍼지가스가 기판에 분사될 때 기판 상에 먼저 제공되어 기판에 흡착 -기판에 달라붙음- 되어진 원료 전구체는 남게 되며, 기판에서 떨어져 있거나 흡착력이 약한 원료 전구체는 플라즈마가 생성되는 영역, 즉 스캐닝에 의한 증착 영역으로부터 제거되므로, 퍼지가스는 원료 전구체에 대한 대한 에어샤워 역할을 행한다.
일 예로, 원료 전구체가 기판에 흡착되어 한 층의 원료 전구체가 기판에 적층된 상태에서, 캐소드부(110)가 기판 상을 이동하면서 반응 전구체를 방출한다고 할 때, 한 층의 원료 전구체 상에 있는 윗 층의 원료 전구체는 기판에 대한 흡착력이 약하여 퍼지가스의 분사압력에 의해 기판으로부터 떨어지게 되며, 진공 배기계(미도시)에 연결되어 진공압이 제공되는 증착물질 배출부(116)로 흡입되어 재순환 공급처리될 수 있다.
또한, 본 실시 예에 따르면, 퍼지가스 공급부(118)는 플라즈마 반응부(126)에 인접하여 플라즈마 반응부(126)를 둘러싸도록 배치되고, 증착물질 공급부(115)와 증착물질 배출부(116)는 플라즈마 반응부(126)에 배치되는데, 캐소드부(111)가 이동하면서 증착물질 공급부(115)를 통해 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나가 방출될 때, 그 전구체는 양측의 퍼지가스 공급부(118)를 통해 분사되는 양측 퍼지가스 사이에 갇히게 된다. 이때 퍼지가스 공급부(118)에서 분사되는 퍼지가스는 공기의 흐름에 의해 방출되는 가스의 영역을 격리시키는 에어커튼과 같은 기능을 수행함으로써 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나가 방출되는 영역을 외부로 격리시켜 기판에 대한 증착이 일어나는 영역을 형성할 수 있다.
캐소드부(111)는, 캐소드블록(125)의 플라즈마 반응부(126)에 플라즈마를 생성하는 전극부(130)와, 전극부(130)와 연결되어 전기를 공급하는 파워공급부(135)와, 전극부(130)를 감싸는 전극 절연부(136)를 더 포함한다.
즉 증착물질 공급부(115)를 통해 방출되는 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나는 증착을 위해 전극부(130)에 의해 플라즈마화되어 이온화되는데, 캐소드블록(125)의 플라즈마 반응부(126)에서 기판(101) 상에 흡착되어 있는 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나와 원활하게 화학반응하여 증착될 수 있다.
본 실시 예에 따르면, 반응 전구체가 플라즈마화된 상태에서 기판에 이미 흡착되어 있는 원료 전구체와 화학반응하여 증착되며, 그 반대로도 진행이 가능하다.
스캔물질 공급부(150)는, 수평 다관절 로봇과 같은 구조로서, 캐소드부(111)의 일 영역에 결합되어 캐소드부(111)의 이동 시에 접히는 복수의 관절(152, 153)이 구비되는 박스 관절대(151)와, 원자층 증착챔버유닛(100)에 마련되어 박스 관절대(151)가 상대 회전가능하게 결합되는 반송 지지대(155)를 포함한다.
본 실시 예에 따르면 스캔물질 공급부(150)는, 수평 다관절 로봇과 같은 구조로서 반송 지지대(115)와 박스 관절대(151)가 가진 위치와 구조를 가질 수 있으나, 이에 본 발명의 권리범위가 제한되진 않으며, 퍼지가스, 원료 전구체 및 반응 전구체 등 기판의 원자층 증착에 필요한 각 라인이 안정하게 내장되어 캐소드부(111)의 스캔방식 증착을 위한 왕복이동을 허용할 수 있는 구조와 위치이면 가능할 것이다.
캐소드부(111)는 캐소드 구동유닛(170)에 결합되어 기판(101) 상에 일정하게 유격된 상태를 유지하면서 이동될 수 있는데, 스캔물질 공급부(150)는 캐소드부(111)가 이동할 때 복수의 관절(152, 153)에 의해 유연하게 접히는 구조를 제공하여 내장된 증착물질 공급라인(112)과 퍼지가스 공급라인(113)의 접힘에 의한 막힘 없이 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나와 퍼지가스를 원활하게 유동시켜 공급할 수 있다.
본 실시 예에 따르면, 박스 관절대(151)는 캐소드부(111)에 상대 회전가능하게 결합되는 제1 관절(152), 제1 관절(152)에 상대 회전가능하게 결합되는 제2 관절(153)을 포함하며, 제2 관절(153)과 반송 지지대(155)는 상대 회전가능하게 결합되어 있으나, 이에 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니며, 박스 관절대(151)는 제1 관절(152)과 제2 관절(153)이 같이 접히면서 신축이 가능한 자바라 또는 케이블 슈트 구조로도 구성될 수 있을 것이다.
또한 박스 관절대(151)의 관절(152, 153) 및 박스 관절대(151)와 반송 지지대(155)의 연결부위에는 자성유체 씰(seal), 오링, 립씰(lip seal) 등을 사용하는 회전 씰(seal)이 구성되며, 회전 씰은 박스 관절대(151)의 회전 시에도 외부에 대해 진공이 유지되는 구조를 제공할 수 있다.
이때 캐소드부(111)는 기판(101)을 따라 복수개가 배치될 수 있으며, 복수의 박스 관절대(151)는 상호 인접되는 것끼리 서셉터(103)를 따라 원자층 증착챔버유닛(100)의 일측과 타측에 교대로 배치되는 반송 지지대(155)에 각각 연결된다. 즉 본 실시 예에 따르면, 캐소드부(111)는 단일하게 배치될 수 있을 뿐만 아니라, 기판(101)의 길이 방향을 따라 두 개 이상으로 여러 개가 배치될 수 있다.
예를 들면, 복수의 스캔물질 공급부(150)가 인접한 복수의 캐소드부(111)의 일측에 일렬로 배치되는 경우, 원자층 증착챔버유닛(100)의 제한적인 증착공간에 대한 배치가 어렵게 되며, 캐소드부(111)가 이동할 때 간섭이 일어날 수 있다. 그러나 본 실시 예에 따르면, 반송 지지대(155)가 캐소드부(111)의 일측과 타측에 교대로 배치되고 이에 대응하는 박스 관절대(151)도 일측과 타측에 교대로 배치되므로, 인접한 박스 관절대(151) 사이의 이격거리가 간섭이 없을 정도로 충분히 확보될 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치에 의한 원자층 증착방법은, 기판(101)이 원자층 증착챔버유닛(100)의 일측 개구(102)로 반입되어 서셉터(103) 상에 지지되는 단계와, 원자층 증착챔버유닛(100)의 내부에 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나가 공급되는 단계와, 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나를 정해진 영역만큼 기판(101)에 공급하는 스캐닝 캐소드유닛(110)이 기판(101) 상에서 상대 이동함으로써 스캔방식으로 원자층 증착을 수행하는 단계를 포함한다.
이러한 원자층 증착을 수행하는 단계는, 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나에 플라즈마를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 플라즈마는 전술한 바와 같이 캐소드부(111)의 플라즈마 반응부(126)에 의해 제공될 수 있다.
또한 원자층 증착을 수행하는 단계는, 퍼지가스 공급부(118)에 의해 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나가 공급되는 영역에서 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나의 이탈을 방지하며, 기판에 흡착되지 않은 원료 전구체 및 반응 전구체를 제거하는 퍼지가스를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 퍼지가스에 의해 제거된 기판에 흡착되지 않은 원료 전구체 및 반응 전구체는 증착물질 배출부(116)를 통해 흡입되어 증착물질 저장탱크(미도시)로 배출된 후, 순환되어 재사용될 수 있다.
또한 원자층 증착을 수행하는 단계는, 캐소드 구동유닛(170)이 스캐닝 캐소드유닛(110)을 기판(101) 상에서 이동시키면서 스캔방식으로 기판(101) 상에 원자층 증착을 수행하는 단계가 될 수 있다.
본 실시 예에 따른 원자층 증착을 수행하는 단계에서, 캐소드 구동유닛(170)이 스캐닝 캐소드유닛(110)을 기판(101) 상에서 이동시키는 경우, 박스 관절대(151)는 반송 지지대(155)를 중심으로 회전되고, 캐소드부(111)가 반송 지지대(155)에 접근함에 따라 각 관절(152, 153)에서는 접힘이 일어나며, 반대로 캐소드부(111)가 반송 지지대(155)로부터 멀어짐에 따라 각 관절(152, 153)은 펴지게 된다.
이상에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치 및 원자층 증착방법의 전반적인 구성을 설명하였다. 이하에서는 전술한 스캐닝 캐소드유닛(110)에 대한 다양한 실시 예들을 상세하게 설명할 것이다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 각각 다른 실시 예에 따른 도 3의 캐소드부에 대한 Ⅰ-Ⅰ단면도이며, 도 5는 또 다른 실시 예에 따른 도 3의 캐소드부에 대한 Ⅰ-Ⅰ단면도이며, 도 6은 또 다른 실시 예에 따른 배기부가 추가된 도 3의 캐소드부에 대한 Ⅰ-Ⅰ단면도이며, 도 7은 또 다른 실시 예에 따른 원료 전구체 공급부가 추가된 도 3의 캐소드부에 Ⅰ-Ⅰ단면도이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 캐소드부(111)는 전극부(130)가 플라즈마 반응부(126)에 일체로 마련된 것으로서, 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나의 이탈을 차단하도록 증착물질 공급부(115)와 이격되어 배치되고 플라즈마 반응부(126)를 둘러싸는 퍼지가스 공급부(118)를 포함한다.
본 실시 예에 따르면, 퍼지가스 공급부(118)는 단면으로 볼 때, 플라즈마 반응부(126)의 양측에 배치된 것으로 보이지만 실질적으로 캐소드부(111)의 저면에서 볼 때는, 캐소드부(111)의 길이 방향을 따라 플라즈마 반응부(126)에 인접하여 플라즈마 반응부(126)를 포위하는 배치를 갖는다. 이러한 퍼지가스 공급부(118)의 배치는 후술되는 1차 배기부(160), 2차 퍼지가스 공급부(165), 2차 배기부(168), 및 원료 전구체 공급부(169)에도 동일하게 적용된다.
또한, 전극부(130)는 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나의 플라즈마 상태를 제공하기 위한 것으로서, 고전압에 의해 분자들을 이온상태로 전이시켜 원자층 증착이 기판에서 발생되도록 하는데, 기판을 지지하는 서셉터(103)를 대응되는 그라운드로 사용하여 플라즈마를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 플라즈마를 생성할 정도로 높은 전위차를 제공하기 위해서 캐소드부(111)와 함께 또는 원자층 증착챔버유닛(100)에 이동가능하게 설치되는 그라운드(미도시)를 사용할 수도 있다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c를 참조하면, 본 실시 예에 따른 캐소드블록(125)은 상호 유사한 구조의 퍼지가스 공급부(118)와 증착물질 공급부(115)를 갖게 되지만, 플라즈마 반응부(126)에 전극부(130)를 제공하기 위한 측면에서는 상호 다른 구조를 가질 수 있다. 즉 전극부(130)의 배치가 다양하게 제공되어 증착물질 -원료 전구체 또는 반응 전구체의 플라즈마- 생성이 전극부(130)의 양태에 따라 다양하게 제공될 수 있다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 캐소드블록(125)은 "┏┓"와 같은 홈 형상의 플라즈마 반응부(126)에 "┏┓"와 같은 단면을 갖는 전극부(130)를 갖는다. 전극부(130)는 내측의 제1 전극(141)과 제1 전극(141)을 둘러싸서 절연하는 외측의 전극 절연부(136)를 포함한다. 이때 도 4a와 같은 형상의 제1 전극(141)에 의한 플라즈마는 플라즈마 반응부(126)를 벗어나 상하로 길쭉한 타원형의 단면을 갖는 영역에 주로 생성될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 전극부(130)는 캐소드블록(125)의 "┏┓"와 같은 홈 형상의 플라즈마 반응부(126)의 좌측 내벽에 설치되는 평판 형상으로 설치되는 제1 전극(141)과 제1 전극(141)을 감싸면서 절연하는 전극 절연부(136)를 포함한다. 플라즈마 반응부(126)의 벽체는 제1 전극(141)에 대응하는 그라운드로서 제2 전극(142)에 해당된다. 이때 플라즈마 반응부(126)의 우측 내벽은 전극 절연부(136)가 배치되지 않은 상태로서 제1 전극(141)에 대한 전위차를 형성한다.
이때 도 4b와 같은 형상의 제1 전극(141)에 의한 플라즈마는 플라즈마 반응부(126)의 내측에서 좌우로 길쭉한 타원형의 단면을 갖는 영역에 주로 생성될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 전극부(130)는 캐소드블록(125)의 "┏┓"와 같은 홈 형상의 플라즈마 반응부(126)의 상측 내벽에만 평평하게 설치되는 제1 전극(141)과 제1 전극(141)을 감싸면서 절연하는 "┏┓"와 같은 형상의 전극 절연부(136)를 포함한다. 플라즈마 반응부(126)의 하단에는 플라즈마화된 원료 전구체를 고르게 방출할 수 있는 홀들이 형성된 타공판(138)이 설치될 수 있다.
이때 도 4c와 같은 형상의 제1 전극(141)에 의한 플라즈마는 제1 전극(141)과 그라운드에 해당하는 서셉터(103)의 전위차로 발생하며, 플라즈마 반응부(126)의 내측에서 좌우로 길쭉한 타원형의 단면을 갖는 영역에 주로 생성될 수 있다.
또한 도 4a, 도 4b, 및 도 4c를 참조하면, 캐소드블록(125) 자체가 전극부(130) 기능을 수행하지 않고 전극부(130)와 전극 절연부(136)가 별도로 설치되는 경우, 플라즈마 반응부(126)를 형성하는 벽체는 절연 또는 금속재로 모두 제작될 수 있다. 이때, 플라즈마 반응부(126)를 형성하고 전극 절연부(136)가 배치되지 않는 벽체가 전극부(130)에 대응하여 그라운드 기능을 수행하는 경우에 그 벽체는 금속재로 제작되어야 한다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 실시 예에 따르면, 캐소드블록(125)에는, 전극부(130)가 결합되는 전극 결합부(140)가 마련되며, 전극부(130)는 전극 결합부(140)의 상부에 결합되는 제1 전극(141)과, 제1 전극(141)과 이격되어 전극 결합부(140)의 하부에 결합되되, 제1 전극(141)과의 사이에 플라즈마 반응부(126)를 형성하는 제2 전극(142)을 포함하며 제1 전극(141)과 제2 전극(142)에는 증착물질 공급부(115)와 증착물질 배출부(116)가 형성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 전극 결합부(140)는 캐소드블록(125)에 홈 형상뿐만 아니라, 도 7에 도시된 바와 같이 관통된 형상으로도 제공될 수 있다. 이때 제1 전극(141)과 제2 전극(142)은 전극 결합부(140)에 상호 이격되어 결합됨으로써 그 사이에 플라즈마 반응부(126)를 제공하며, 제1 전극(141)과 제2 전극(142)에는 플라즈마 반응부(126)를 사이에 두고 연결되는 증착물질 공급부(115)와 증착물질 배출부(116)가 형성될 수 있다.
원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나가 원자층 증착챔버유닛(100)에 공급된 상태에서, 다른 하나가 제1 전극(141)의 증착물질 공급부(115)를 통해 플라즈마 반응부(126)로 유입되고, 제1 전극(141)과 제2 전극(142)에 전원이 공급되어 플라즈마가 생성되면, 플라즈마 반응부(126)에서 플라즈마 상태로 변화된 원료 전구체 및 반응 전구체 중 다른 하나의 가스는 제2 전극(142)의 증착물질 공급부(115)를 통해 방출되어 기판(101)에 제공된다.
본 실시 예에 따르면, 이미 기판(101)에 원료 전구체(S)가 흡착된 상태이고, 반응 전구체(R)가 플라즈마화된 상태이므로, 반응 전구체(R)는 플라즈마 상태에서 원료 전구체(S)와 원활한 반응을 이루어 증착 성막을 형성할 수 있다.
본 실시 예에 따른 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에는, 전극부(130)와 연결되어 전기를 공급하는 파워공급부(135)와, 전극부(130)에 설치되어 전극부(130)를 감싸는 전극 절연부(136)가 설치된다. 이때 파워공급부(135)는 캐소드블록(125)의 상부에서 제1 전극(141)에 삽입되어 연결된다.
앞서 설명한 전극 절연부(136)는 전극부(130)를 감싸서, 플라즈마 반응부(126)의 외부에서 플라즈마의 생성을 차단하고 주로 내부 영역에 플라즈마가 생성될 수 있도록 할 뿐만 아니라, 전극부(130)로부터 고압의 누전을 차단하여 전극부(130)가 설치된 캐소드블록(125) 자체를 보호할 수 있다. 전극 절연부(136)는 세라믹과 같이 초고전압에 견딜 수 있는 재료로 제작될 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 스캐닝 캐소드유닛(110)은, 퍼지가스 공급부(118)의 외측에 이격되어 마련되는 배기부(160)를 더 포함할 수 있다. 배기부(160)는 진공펌프(미도시)를 갖춘 진공 배기계(미도시)에 연결되는데, 원자층 증착공정 중 원료 전구체 및 반응 전구체가 공급되기 전에 원자층 증착챔버유닛(100)의 증착공간을 진공배기시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 실시 예에 따른 스캐닝 캐소드유닛(110)은, 퍼지가스 공급부(118)의 외측에 퍼지가스 공급부(118)에 이격되어 마련되는 원료 전구체 공급부(169)를 더 포함할 수 있다.
원료 전구체 공급부(169)는 반응 전구체(R)의 외측에서 원료 전구체(S)를 방출하여 원자층 증착챔버유닛(100)에 채울 수 있다. 이때 원료 전구체는(S)는 반응 전구체(R)가 방출되기 전에 기판(101)에 흡착된 상태이므로, 캐소드부(111)가 이동할 때 플라즈마화된 반응 전구체(R)는 원료 전구체(S)와 반응하여 기판(101)에 증착막을 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 단일 스캐닝 캐소드유닛의 이동 상태도이며, 도 9는 도 8의 단일개로 배치되는 스캐닝 캐소드유닛에 대한 반응 전구체, 퍼지가스, 배기부, 및 원료 전구체의 배치도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 원자층 증착챔버유닛(100)에는 스캐닝 캐소드유닛(110)이 단일개로 배치된다. 이러한 단일개의 스캐닝 캐소드유닛(110)은 기판(101)을 따라 기판(101) 상을 반복적으로 왕복이동하면서 스캐닝 방식으로 원자층 증착을 수행할 수 있다.
도 8에 도시된 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)는 도 9에 도시된 바와 같이 통과되는 반응 전구체, 퍼지가스, 원료 전구체, 및 진공배기를 위한 배기부가 각각 R, P, S, V로 표시되는 개략적인 횡 단면배치를 가질 수 있다.
이러한 단일개의 스캐닝 캐소드유닛(110)은, 1차 배기부(160)의 외측에 이격되어 마련되는 2차 퍼지가스 공급부(165)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 앞서 설명한 퍼지가스 공급부(118)는 1차 퍼지가스 공급부(118)에 해당되며, 배기부(160)는 1차 배기부(160)에 해당될 수 있다.
또한 단일개의 스캐닝 캐소드유닛(110)은, 1차 퍼지가스 공급부(118)의 외측에 이격되어 마련되는 2차 배기부(168)를 더 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상위 첫 번째인 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에 대한 개략적인 횡 단면 배치(110a)로서, 중앙에 R이 배치되고, 양측에 P가 배치되며, 사각박스의 외측에 S가 배치되어 있는 경우는, 증착물질 공급부(115)에 반응 전구체가 공급되며, 퍼지가스 공급부(118)를 통해 퍼지가스가 공급되어 반응 전구체에 대한 에어커튼 및 원료 전구체에 대한 에어샤워 역할을 수행하며, 원료 전구체가 원자층 증착챔버유닛(100)의 내벽에 설치되는 원료 전구체의 공급구(105)에 의해 원자층 증착챔버유닛(100)에 공급되는 실시 예이다.
이를 참고할 때, 상위 두 번째의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에 대한 개략적인 횡 단면 배치(110b)는, 원료 전구체가 캐소드부(111)의 캐소드블록(125)을 통해 방출될 수 있도록 퍼지가스 공급부(118)의 외측에 원료 전구체 공급부(169)가 마련된 실시 예이다. 이러한 경우 캐소드블록(125)에 원료 전구체 공급부(169)가 마련됨으로써 캐소드블록(125)이 이동할 때 원재료 전구체가 기판 상으로 고르게 방출되어 흡착될 수 있다.
또한, 상위 세 번째의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에 대한 개략적인 횡 단면 배치(110c)는, 상위 두 번째의 스캐닝 캐소드유닛(110)에 대해 퍼지가스 공급부(118)와 배기부(160)가 추가된 실시 예로서, 1차 퍼지가스 공급부(118)에 2차 퍼지가스 공급부(165)가 추가되고, 배기부(160)가 1차 퍼지가스 공급부(118)와 2차 퍼지가스 공급부(165) 사이에 배치된 실시 예이다.
이러한 경우, 1차 퍼지가스 공급부(118)의 외측에 배기구(160)가 추가됨으로써 1차 퍼지가스 공급부(118)에 의해 기판으로부터 제거되어 비산되는 원료 전구체 및 비산된 원료 전구체와 플라즈마 상태에서 반응된 반응 전구체의 불필요한 생성물질을 흡입하여 배출함으로써 1차의 원자층 증착이 수행된 후 다음의 원자층 증착수행을 위해 공급되는 원료 전구체가 균일하게 기판 상에 흡착될 수 있도록 한다. 이때, 배기부(160)는 불필요한 생성물질을 필터링하여 원료 전구체만을 재순환시킬 수 있는 진공 배기계(미도시)에 연결될 수 있다.
또한 배기부(160)의 외측에는 2차 퍼지가스 공급부(165)가 2차적으로 플라즈마 반응영역을 포위함으로써 플라즈마 반응영역에 대한 중복되는 에어커튼과 에어샤워를 제공할 수 있다.
또한, 상위 네 번째의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에 대한 개략적인 횡 단면 배치(110d)는 상위 세 번째 스캐닝 캐소드유닛(110)와 동일한 구조이나, 반응 전구체가 원자층 증착챔버유닛(100)의 내벽부에 설치되는 반응 전구체의 공급부(105)를 통해 공급되어 기판에 흡착되고 배출되는 상태에서, 중앙의 증착물질 공급부(115)를 통해 원료 전구체가 방출되어 증착을 수행할 수 있는 실시 예이다.
또한, 마지막 다섯 번째의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에 대한 개략적인 횡 단면 배치(110e)는, 상위 세 번째 스캐닝 캐소드유닛(110)의 양측 최 외곽에 2차 배기부(168)를 더 추가한 것으로서, 원료 전구체가 원자층 증착챔버유닛(100)에 공급되는 상태에서 증착물질 공급부(115)를 통해 반응 전구체가 방출되어 증착을 수행할 수 있는 실시 예이다.한편, 스캐닝 캐소드유닛(110)은 원자층 증착챔버유닛(100)에 단일개로 제공되어 기판(101)에 대한 증착을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 상호 이격되어 복수열로 배치되어 기판(101)에 대한 증착을 수행할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 복수의 스캐닝 캐소드유닛의 일괄이동 상태도이며, 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 복수의 스캐닝 캐소드유닛의 순차이동 상태도이며, 도 12는 도 10 및 도 11의 복수개로 배치되는 스캐닝 캐소드유닛에 대한 원료 전구체, 반응 전구체, 퍼지가스, 및 배기부의 배치도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 원자층 증착챔버유닛(100)에 세 개의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)가 설치되는 경우, 세 개의 캐소드부(111)가 일괄적으로 왕복이동하면서 스캔방식으로 기판(101)에 대한 증착을 수행할 수 있다.
또한 도 11에 도시된 바와 같이, 원자층 증착챔버유닛(100)에 세 개의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)가 설치되는 경우, 세 개의 스캐닝 캐소드유닛(110)이 순차적으로 하나씩 왕복이동하면서 스캔방식으로 기판(101)에 대한 증착을 수행할 수 있다.
도 10과 도 11 및 도 12를 참조하면, 단일한 스캐닝 캐소드유닛(110)을 설명할 때처럼, 도 12에 도시된 복수의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에 대한 개략적인 횡 단면 배치를 참조하면, 복수열의 스캐닝 캐소드유닛(110) 중 어느 하나의 열에는 반응 전구체가 공급되는 실시 예가 있고, 이와 반대로 원료 전구체가 공급되는 실시 예가 있을 수 있다.
즉, 첫 번째 복수의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에 대한 개략적인 횡 단면 배치(110f)는, 기본적인 세 개의 사각박스로 구성된 하나의 캐소드부(111)를 도시한 좌/우 블록의 PRP 배치가 상호 이격되어 있으며, 그 사이와 외곽에는 원자층 증착챔버유닛(100)에 원료 전구체를 공급하여 채우고 배출하기 위한 S가 배치되는 실시 예를 제공한다.
또한, 두 번째 복수의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에 대한 개략적인 횡 단면 배치(110g)는, 기본적인 PRP 배치와 반대의 PSP 배치를 갖는 복수의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에 대한 실시 예를 제공한다. 이들은 PRP 배치의 R을 통해 반응 전구체가 배출되고, PSP배치의 S를 통해 원료 전구체가 배출되는 실시 예에 해당한다. 이때 원료 전구체는 PSP배치를 갖는 캐소드부(111)에 의해 원자층 증착챔버유닛(100)의 내부로 공급되어 채워지고 잉여 량이 배출될 수 있다.
다음으로, 세 번째 복수의 복수의 스캐닝 캐소드유닛(110)의 캐소드부(111)에 대한 개략적인 횡 단면 배치(110h)는, 첫 번째와 반대로, R 즉 반응 전구체가 공급되어 기판에 흡착된 상태에서 이들 중앙의 S를 통해 원료 전구체가 방출되어 증착이 이루어지는 실시 예를 제공한다.
이와 같은 본 실시 예에 따르면, 스캐닝 캐소드유닛(110)에 대한 반응 전구체, 퍼지가스, 원료 전구체를 각각 공급하기 위한 증착물질 공급부 및 증착물질 배출부(115, 116)와 퍼지가스 공급부(118, 165) 및 배기부(160, 168)의 규격화, 블록화, 및 여러 가지 복합조합이 다양하게 가능하므로, 원료 전구체용 캐소드부(111)와 반응 전구체용 캐소드부(111)의 연속 또는 불연속 배치가 가능하며, 원자층 증착챔버유닛(110)에 대한 각각의 탈부착 및 위치변경이 용이하다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 리니어 모터를 사용하는 캐소드 구동유닛에 대한 단면도이며, 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 왕복 롤러부 및 왕복 이동부를 사용하는 캐소드 구동유닛에 대한 단면도이다.
도 13과 도 14에 도시된 바와 같이, 캐소드부(111)의 양측 상부는 기판(101)에 대한 증착물질의 스캐닝 증착을 위해 캐소드 구동유닛(170)이 설치된다.
이러한 캐소드 구동유닛(170)은, 원자층 증착챔버유닛(100)에 서셉터(103)를 사이에 두고 상호 이격되게 배치되되, 원자층 증착챔버유닛(100) 및 캐소드부(111)에 결합되어 캐소드부(111)를 이동시키는 리니어 모터(171)를 포함한다.
캐소드부(111)는 원자층 증착챔버유닛(100)의 양측에 대향하게 배치되는 리니어 모터(171)에 속한 이동블록(172) 상에 결합되며, 이동블록(172)이 고정블록(173) 상에서 비접촉된 상태로 전자기력에 의해 왕복이동됨으로써 기판(101)의 일측 단과 타측 단 사이를 반복적으로 왕복이동할 수 있다. 이러한 리니어 모터(171)의 작동으로 캐소드부(111)의 왕복이동 사이클수가 제어됨으로써 기판(101)에 대한 증착물질의 적층 두께를 조절할 수 있다.
이와 같은 본 실시 예에 따른 캐소드 구동유닛(170)은, 리니어 모터(171)가 마찰에 의한 미세한 이물질의 발생이 거의 없어 원자층 증착 공정 시에 기판(101)에 대한 이물질의 부착을 방지할 수 있다.
또한 도 14를 참조하면, 캐소드 구동유닛(170)은, 원자층 증착챔버유닛(100)에 서셉터(103)를 사이에 두고 상호 이격되게 설치되는 왕복 롤러부(175)와, 왕복 롤러부(175)에 상대 이동가능하게 설치되어 캐소드부(111)에 결합되는 왕복 이동부(176)와, 왕복 이동부(176)에 결합되어 왕복 롤러부(175)를 감싸는 커버부(177)를 포함한다.
도시하지는 않았으나, 캐소드 구동유닛(170)은 왕복 이동부(176)의 선형 이동을 위한 리드 스크류 및 구동모터를 포함할 수 있으나, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되지는 않으며, 미세 이물질의 발생이 거의 없고 선형 이동을 제공할 수 있는 다른 구동수단이 제공될 수 있다.
도 14에 도시된 본 실시 예에 따른 캐소드 구동유닛(170)은, 캐소드부(111)가 왕복 이동부(176)에 결합되어 왕복 롤러부(175)를 따라 이동될 수 있는데, 왕복 이동부(176)로부터 왕복 롤러부(175)의 상부까지 설치되는 커버부(177)에 의해 왕복 롤러부(175)로부터 발생되는 이물질의 유출이 차단되어 기판(101)의 원자층 증착공정 시에 기판(101)에 대한 이물질의 부착을 방지하며, 이에 이물질에 의한 기판(101)의 최종적인 불량을 미리 방지할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 퍼지가스 공급부에 갭 조절유닛의 퍼지가스 분사노즐이 적용된 단면도이며, 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 퍼지가스 공급부에 갭 조절유닛의 갭 센서가 설치된 단면도이며, 도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자층 증착장치의 퍼지가스 공급부에 갭 조절유닛의 플로팅 노즐과 갭 압력센서가 설치된 단면도이다.
본 실시 예에 따른 원자층 증착장치는 스캐닝 캐소드유닛(110)이 이동 중에 기판(101)에 대한 거리가 일정하게 유지될 때, 기판(101)에 대한 균일한 증착을 반복적으로 수행하여 증착 두께를 조절할 수 있다.
이를 위해 도 15 내지 도 17에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 원자층 증착장치는 스캐닝 캐소드유닛(110)에 설치되어 기판(101)으로부터 스캐닝 캐소드유닛(110)의 유격거리를 조절하는 갭 조절유닛(180)을 포함한다.
먼저, 도 15를 참조하면, 갭 조절유닛(180)은, 퍼지가스의 압력을 사용하기 위해 퍼지가스 공급부(118)의 하단부에 퍼지가스 공급부(118)와 일체로 마련되는 퍼지가스 분사노즐(181)을 포함한다.
이때 퍼지가스 분사노즐(181)은, 하단으로부터 상단까지 갈수록 노즐 개구(182)가 점차 좁혀지도록 형성될 수 있다.
본 실시 예에 따르면, 퍼지가스는 노즐 개구(182)로 통해 배출되어 기판(103)에 부딪힌 후, 노즐 개구(182)의 외측으로 유동하여 기판(101)을 따라 사방으로 유동될 수 있는데, 퍼지가스의 유동압력을 조절함으로써 기판(101)으로부터 스캐닝 캐소드유닛(110)의 유격거리를 조절할 수 있다.
이때 노즐 개구(182)가 상부는 좁고 하부로 점차 넓게 형성되고, 이에 따라 퍼지가스가 자연스럽게 노즐 개구(182)의 하부에서 퍼지면서 기판에 대한 지지압력을 제공하므로, 기판(101)으로부터 스캐닝 캐소드유닛(110) 측으로 압력이 작용하여 유격거리가 조절될 수 있다.
또한, 도 16을 참조하면, 갭 조절유닛(180)은, 퍼지가스 공급부(118)에 설치되어 유격거리를 감지하는 갭 센서(185)를 포함할 수 있다.
본 실시 예에 따르면, 갭 센서(185)는 도시하지 않은 제어부에 연결되어, 기판(101)에 대한 퍼지가스 공급부(118)의 유격거리가 실시간으로 제어부(미도시)에 제공되어 이격거리가 일정하게 유지될 수 있도록 한다. 즉 제어부(미도시)는 갭 센서(185)의 신호에 의해 스캐닝 캐소드유닛(110)의 승강유닛(미도시)를 실시간으로 피드백 제어하여 기판(101)에 대한 캐소드부(111)의 이격거리를 일정하게 유지시킬 수 있다.
또한, 도 17을 참조하면, 갭 조절유닛(180)은, 퍼지가스 공급부(118)의 하단부에 설치되어 기판(101)을 향해 퍼지가스를 유출하는 플로팅 노즐(187)과, 플로팅 노즐(187)의 상면부에 결합되어 플로팅 노즐(187)에 가해지는 퍼지가스의 압력을 감지하는 갭 압력센서(188)를 포함할 수 있다.
본 실시 예에 따르면, 갭 압력센서(188)는 플로팅 노즐(187)에 결합되어 있으므로, 플로팅 노즐(187)의 분사통로(189)를 통해 배출되는 퍼지가스에 의한 플로팅 노즐(187)의 상승압력을 실시간으로 감지할 수 있고, 상승압력이 증가되거나 감소되는 경우 기판(101)에 대한 퍼지가스 공급부(118)의 유격거리가 변화되는 것이므로, 이 변화를 감지하는 갭 압력센서(188)와 연결된 제어부(미도시)는 갭 압력센서(188)의 신호에 의해 스캐닝 캐소드유닛(110)의 승강유닛(미도시)을 실시간으로 피드백 제어하여 기판(101)에 대한 캐소드부(111)의 유격거리를 일정하게 유지시킬 수 있다.
이때, 본 실시 예에 따르면 전술한 퍼지가스 분사노즐(181)와 같이 플로팅 노즐(187)에서 분사되는 퍼지가스의 압력만 가지고도 기판(101)에 대한 캐소드부(111)의 유격거리가 일정하게 유지될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 원자층 증착챔버유닛 101: 기판
102: 개구 103: 서셉터
105: 공급구 106: 배기구
110: 스캐닝 캐소드유닛
111: 캐소드부 112: 증착물질 공급라인
113: 퍼지가스 공급라인 115: 증착물질 공급부
116: 증착물질 배출부 118: 퍼지가스 공급부
120: 캐소드 몸체 121: 메인 파이프
122: 서브 파이프 125: 캐소드블록
126: 플라즈마 반응부 130: 전극부
135: 파워공급부 136: 전극 절연부
140: 전극 결합부 141: 제1 전극
142: 제2 전극 150: 스캔물질 공급부
151: 박스 관절대 152: 제1 관절
153: 제2 관절 155: 반송 지지대
160: 1차 배기부 165: 2차 퍼지가스 공급부
168: 2차 배기부 169: 원료 전구체 공급부
170: 캐소드 구동유닛 171: 리니어 모터
172: 이동블록 173: 고정블록
175: 왕복 롤러부 176: 왕복 이동부
177: 커버부 180: 갭 조절유닛
181: 퍼지가스 분사노즐 182: 노즐 개구
185: 갭 센서 187: 플로팅 노즐
188: 갭 압력센서

Claims (18)

  1. 기판이 출입되는 개구가 마련되며, 상기 기판을 지지하는 서셉터가 내부에 설치되고, 증착물질을 제공하기 위한 원료 전구체 및 반응 전구체 중 어느 하나가 공급되는 원자층 증착챔버유닛; 및
    상기 원자층 증착챔버유닛의 내부에 설치되는 스캐닝 캐소드유닛을 포함하며,
    상기 스캐닝 캐소드유닛은,
    상기 기판 위로 이동하면서 상기 원료 전구체 및 상기 반응 전구체 중 다른 하나를 방출하여 상기 기판에 상기 증착물질을 적층시킬 수 있도록 증착물질 공급부; 및
    상기 증착물질 공급부에 이격되게 마련되는 적어도 하나의 1차 퍼지가스 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스캐닝 캐소드유닛은, 상기 증착물질 공급부의 하부에 마련되어 플라즈마를 생성하는 플라즈마 반응부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스캐닝 캐소드유닛은,
    상기 증착물질 공급부가 마련되는 캐소드몸체;
    상기 플라즈마 반응부가 홈 형상으로 마련되는 캐소드블록; 및
    상기 캐소드블록의 상기 플라즈마 반응부에 플라즈마를 생성하는 전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드블록은, 상기 증착물질 공급부와 이격되어 상기 증착물질 공급부로부터 공급되는 상기 반응 전구체 및 상기 원료 전구체 중 다른 하나를 배출하는 증착물질 배출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 1차 퍼지가스 공급부는, 상기 증착물질 공급부와 상기 증착물질 배출부로부터 각각 이격되어 상기 증착물질 공급부와 상기 증착물질 배출부를 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 캐소드블록에는, 상기 전극부가 결합되는 전극 결합부가 마련되며,
    상기 전극부는,
    상기 전극 결합부의 일측에 결합되는 제1 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전극 결합부에는, 상기 제1 전극을 감싸는 전극 절연부가 구비되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극부는,
    상기 제1 전극과 이격되어 상기 전극 결합부의 타측에 마련되되, 상기 제1 전극과의 사이에 상기 플라즈마 반응부를 형성하는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 전극 절연부 중 적어도 어느 하나에는 상기 증착물질 공급부와 상기 증착물질 배출부가 마련되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 캐소드블록의 하부에는 타공판이 마련되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드블록은, 상기 전극부가 일체로 마련되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 캐소드블록의 외부에는, 상기 전극부를 감싸도록 전극 절연부가 마련되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 1차 퍼지가스 공급부는 상기 플라즈마 반응부를 둘러싸도록 마련되며,
    상기 원자층 증착챔버유닛에는 상기 원료 전구체가 공급되고, 상기 스캐닝 캐소드유닛은 상기 반응 전구체를 방출하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스캐닝 캐소드유닛은, 상기 1차 퍼지가스 공급부의 외측에 상기 1차 퍼지가스 공급부에 이격되게 마련되는 원료 전구체 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 스캐닝 캐소드유닛은, 상기 1차 퍼지가스 공급부의 외측에 이격되어 마련되는 1차 배기부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 스캐닝 캐소드유닛은,
    상기 1차 배기부의 외측에 이격되어 마련되는 2차 퍼지가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 스캐닝 캐소드유닛은,
    상기 1차 퍼지가스 공급부의 외측에 이격되어 마련되는 2차 배기부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 스캐닝 캐소드 유닛은 상호 이격되어 복수열로 배치되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
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