KR20130143234A - 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 기판의 대면적화 및 기판에 대한 플라즈마의 균일한 공급이 가능할 뿐만 아니라 반응물 라디칼의 손실을 억제할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치에 관한 것이다.

Description

플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치{Plasma generator and thin film deposition apparatus comprising the same}
본 발명은 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 기판의 대면적화 및 기판에 대한 플라즈마의 균일한 공급이 가능할 뿐만 아니라 반응물 라디칼의 손실을 억제할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 등의 기판(이하, '기판'이라 한다) 상에 박막을 형성하기 위한 증착법으로 화학기상증착법(CVD, chemical vapor deposition), 플라즈마 화학기상증착법(PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition), 원자층증착법(ALD, atomic layer deposition), 플라즈마 원자층증착법(PEALD, plasma enhanced atomic layer deposition) 등의 기술이 사용되고 있다.
도 1은 기판 증착법 중 원자층증착법에 관한 기본 개념을 도시하는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원자층증착법은 기판상에 트리메틸알루미늄(TMA, trimethyl aluminium) 같은 원료를 포함하는 원료가스를 분사한 후 아르곤(Ar) 등의 불활성 퍼지 가스 분사 및 미반응 물질 배기를 통해 기판상에 단일 분자층을 흡착시키고, 상기 원료와 반응하는 오존(O3) 같은 반응물을 포함하는 반응가스를 분사한 후 불활성 퍼지 가스 분사 및 미반응 물질/부산물 배기를 통해 기판상에 단일 원자층(Al-O)을 형성하게 된다.
또한, 상기 반응가스는 직류, 교류, 고주파 전압 등이 인가되는 전극, 코일 등에 의해 형성되는 전기장에서 플라즈마화되어 기판에 공급됨으로써, 효율적인 박막증착이 수행될 수 있다. 종래의 플라즈마 발생장치로는 대향하는 한 쌍의 전극 사이에서 플라즈마를 발생시켜 상기 전극에 인접한 기판에 바로 증착을 수행하는 다이렉트(direct) 플라즈마 장치 및 기판과 이격된 장치로부터 발생된 플라즈마가 기판에 공급되는 원격(remote) 플라즈마 장치가 사용되고 있으나, 상기 다이렉트 플라즈마 장치는 이온 충격(ion bombardment), 고에너지 전자(high energy electron) 등에 의한 차지 트랩(charge trap) 등이 원인이 되는 박막의 막질저하가 유발되므로 원격 플라즈마 장치, 특히 완화된 이온 충격(mild ion bombardment)에 의해 치밀한 박막의 성장이 가능한 플라즈마 플럭스(plasma flux)를 이용하는 원격 플라즈마 장치의 사용이 선호된다.
한편, 단일 슬롯(slot)을 통해 플라즈마를 기판에 공급하는 원격 플라즈마 장치는 기판의 대면적화가 어려운 문제가 있어 플라즈마 공급용 슬릿(slit), 샤워헤드(showerhead) 등을 활용한 장치를 사용하는데, 상기 슬릿형 장치의 경우 플라즈마의 공급이 긴 슬릿의 몇몇 지점에 집중되어 플라즈마의 균일한 공급이 어렵고, 상기 샤워헤드형 장치의 경우 샤워헤드가 갖는 다수의 분사홀에 의한 표면적 증가로 반응물 라디칼의 손실이 증가하는 문제가 있다.
따라서, 기판의 대면적화 및 기판에 대한 플라즈마의 균일한 공급이 가능할 뿐만 아니라 반응물 라디칼의 손실을 억제할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치가 요구되고 있다.
본 발명은 대향하는 한 쌍의 전극 사이의 간격에 의해 형성되는 플라즈마 공급 슬릿을 병렬로 복수 개 구비함으로써 기판의 대면적화가 가능한 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 슬릿의 길이방향으로 공급되는 플라즈마의 양이 균일한 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 상기 슬릿을 통한 플라즈마 공급에 의해 플라즈마에 포함된 반응물 라디칼의 손실을 억제할 수 있는 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 박막증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
전체적으로 하나의 전극을 형성하는 동일 또는 상이한 길이의 복수의 전극바를 포함하는 제1 전극; 상기 전극바 측면의 전체 또는 부분과 대향하면서 이격되어 배치되고 전체적으로 하나의 전극을 형성하는 복수의 전극바를 포함하며 제1 전극과 상이한 극성을 갖는 제2 전극; 및 상기 제1 전극의 전극바와 상기 제2 전극의 전극바 사이의 이격된 공간에 의해 공정가스가 주입되는 하나 이상의 가스 분사 채널을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에서 공정가스가 플라즈마화 되는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
여기서, 상기 제2 전극이 상기 제1 전극의 측면 전체 둘레를 감싸는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
또한, 상기 제2 전극이 상기 플라즈마 발생장치의 하우징(housing)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
그리고, 상기 제1 전극의 복수의 전극바는 중앙에서 바깥쪽으로 갈수록 전극바의 길이가 짧아지는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
한편, 상기 가스 분사 채널에 상기 공정가스를 주입하는 가스 주입부를 포함하고, 상기 가스 주입부는 상기 제1 전극의 전극바 또는 제2 전극의 전극바 내부에 실장된 복수의 가스 유로를 포함하고, 상기 가스 유로는 상기 가스 분사 채널에 공정가스를 주입하기 위한 복수의 가스 주입홀을 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
여기서, 상기 가스 주입부는, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 상부에 배치되고 상기 가스 분사 채널에 방전가스를 주입하는 샤워헤드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
또한, 상기 공정가스는 방전가스(discharge gas)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
그리고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 하나의 전극에 전원이 인가되고 다른 하나의 전극이 접지되어 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
한편, 상기 전원은 직류 전원, 교류 전원 또는 고주파 전원인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
또한, 상기 가스 분사 채널은 하부에 복수의 가스 분사홀을 갖는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
여기서, 상기 가스 분사홀은 상기 가스 분사 채널의 길이방향을 따라 일측부로 갈수록 직경이 증가하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치를 제공한다.
한편, 반응챔버; 상기 반응챔버 내부에 배치되고 기판이 안착되는 하나 이상의 기판탑재부; 상기 반응챔버의 내부에 배치되고 제1항에 따르는 플라즈마 발생장치를 포함하는 하나 이상의 가스 공급부; 및 상기 가스 공급부로부터 공급되는 가스를 상기 기판의 처리면에 공급하기 위해 상기 기판탑재부를 상기 가스 공급부에 대하여 상대적으로 이동시키는 기판이송부를 포함하는, 박막증착장치를 제공한다.
여기서, 상기 기판이송부가 상기 기판탑재부의 하부 중심에 고정된 회전축 및 상기 회전축을 회전시키는 구동 모터를 포함하고, 상기 기판탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 곡선 이동인 것을 특징으로 하는, 박막증착장치를 제공한다.
또한, 상기 기판이송부가 복수 개의 축, 상기 축 각각에 연결되고 상기 기판탑재부가 결합되는 동력전달부재, 및 상기 축 중 하나 이상의 축을 회전시킴으로써 이에 연결된 동력전달부재를 순환 이동시키는 구동 모터를 포함하고, 상기 기판탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 직선 이동 및 곡선 이동을 포함하는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치를 제공한다.
그리고, 상기 플라즈마 발생장치에 포함된 제1 전극의 복수의 전극바는 중앙에서 바깥쪽으로 갈수록 전극바의 길이가 짧아지는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치를 제공한다.
나아가, 상기 기판 탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 직선 이동인 구간에 배치된 상기 플라즈마 발생장치에 포함된 제1 전극의 복수의 전극바는 동일한 길이를 갖고, 상기 기판 탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 곡선 이동인 구간에 배치된 상기 플라즈마 발생장치에 포함된 제1 전극의 복수의 전극바는 중앙에서 바깥쪽으로 갈수록 전극바의 길이가 짧아지는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치를 제공한다.
한편, 상기 기판 탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 곡선 이동인 구간에 배치된 상기 플라즈마 발생장치에 포함된 상기 가스 분사 채널은 하부에 복수의 가스 분사홀을 갖고, 상기 가스 분사홀의 크기는 곡선 이동 반경이 증가할수록 함께 증가하는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치를 제공한다.
본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 대향하는 한 쌍의 전극 사이의 간격에 의해 형성되는 플라즈마 공급 슬릿을 병렬로 복수 개 구비함으로써 기판의 대면적화가 가능할 뿐만 아니라 종래의 샤워헤드 방식에 비해 반응물 라디칼 손실을 억제할 수 있는 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 상기 병렬로 배치된 복수 개의 슬릿을 형성하는 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)가 각각 하나의 전극으로 이루어져 전압 분배가 용이한 효과를 나타낸다.
그리고, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 상기 슬릿에 반응가스를 주입하는 반응가스 주입관이 슬릿의 길이방향으로 일정간격 이격되어 분기됨으로써 상기 슬릿의 길이방향으로 균일한 양의 플라즈마를 공급할 수 있는 효과를 나타낸다.
나아가, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 각각의 슬릿을 형성하는 양전극 및/또는 음전극의 치수를 달리함으로써, 서셉터 회전형 세미뱃치 타입, 트랙 타입 등의 박막증착장치에 있어서 기판의 곡선 이동 반경에 따른 각속도 차이에 의한 기판 중심과 가장자리의 플라즈마 노출 시간차이를 보상함으로써 균일한 박막을 형성할 수 있는 효과를 나타낸다.
도 1은 원자층증착법에 관한 기본 개념을 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치가 적용될 수 있는 세미뱃치 타입의 박막증착장치의 실시예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치가 적용될 수 있는 트랙 타입의 박막증착장치의 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 다양한 실시예를 도시한 것이다.
도 6은 도 5a에 도시된 플라즈마 발생장치가 적용된 세미뱃치 타입의 박막증착장치를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 하부에 구비된 가스 분사홀의 실시예를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 있어서 반응가스와 방전가스가 분리되어 가스 분사 채널로 주입되는 구조에 관한 실시예를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 세미뱃치 타입, 트랙 타입 등의 다양한 박막증착장치에 널리 적용 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치가 적용될 수 있는 세미뱃치 타입의 실시예를 도시한 것이다. 상기 세미뱃치 타입의 박막증착장치는 일반적으로 반응챔버 내부에 복수의 기판이 안착되고 이러한 기판이 하나 이상의 가스 공급부의 가스 공급면을 통과하면서 복수의 기판에 대한 공정가스 공급 및 증착이 순차적으로 또는 동시에 수행되는 방식의 증착 장치이다. 여기서, 상기 가스 공급부는 하나 이상의 원료가스 공급부 및 반응가스에 포함된 반응물을 플라즈마화하는 플라즈마 발생부를 포함하는 하나 이상의 반응가스 공급부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 2a는 세미뱃치 타입의 박막증착장치(1000)의 전체 구성을 도시한 사시도이다. 세미뱃치 타입의 박막증착장치(1000)는 일반적으로 기판의 증착을 수행하는 반응챔버(300), 반응챔버(300)로 기판을 인입/인출하는 로드락 챔버(400), 반응챔버(300)로 원료가스/반응가스/퍼지가스를 공급하는 가스공급원(500), 공정을 제어하는 제어부(600) 등을 포함할 수 있다.
또한, 반응챔버(300)는 반응챔버(300)를 개폐할 수 있는 챔버리드(310) 및 반응챔버(300)를 개폐하기 위해 챔버리드(310)를 들어올리고 내릴 수 있도록 하는 챔버리드 리프터(330)를 포함할 수 있고, 하나 이상의 원료가스 공급부(380) 및 플라즈마 발생부를 갖는 하나 이상의 반응가스 공급부(200)를 포함하는 가스 공급부를 포함할 수 있다. 상기 원료가스 공급부(380) 및 상기 반응가스 공급부(200)는 바람직하게는 챔버리드(310)에 결합될 수 있고, 기판의 이송방향을 따라 번갈아 배치될 수 있다. 또한, 이들의 갯수는 반응챔버(300)로 인입되는 기판의 갯수, 공정 조건 등에 따라 상이할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선택될 수 있다. 그리고, 상기 반응챔버(300)는 미반응 공정가스 및 부산물을 퍼지하고 배기하는 수단(미도시)을 포함할 수 있다.
도 2b는 챔버리드(310)를 들어올린 상태에서 챔버몸체(320) 내부를 도시한 것이다. 챔버몸체(320) 내부에는 복수의 기판이 각각 안착되는 복수의 기판 안착면(341)이 기판탑재부, 즉 서셉터(340) 위에 위치한다. 또한, 도 2c에 도시된 바와 같이, 서셉터(340) 하부에는 메탈 히터(350)가 구비되어 있어 서셉터(340) 위의 기판을 간접 가열함으로써 증착 공정을 수행하기 위한 기판의 온도 조건을 만족시킨다.
도 2d는 챔버몸체(320)의 하부를 도시한 것이다. 챔버몸체(320) 하부에는 서셉터(340)를 회전시키기 위한 회전축(360)이 존재한다. 회전축(360)은 별도의 구동 모터(미도시)로부터 동력을 전달받아 회전함으로써 이에 연결된 서셉터(340) 및 이의 기판 안착면(341)에 안착된 기판을 회전 이동시킨다.
즉, 상기 회전축(360) 및 상기 구동 모터는 기판이송부를 구성하게 되고, 원료가스 공급부(380) 및 반응가스 공급부(200)에 대한 기판의 이동은 곡선 이동이 된다. 한편, 또 다른 실시예에서는 서셉터(340)가 고정된 상태에서 챔버리드(310)에 고정된 원료가스 공급부(380) 및 반응가스 공급부(200)가 회전할 수도 있다. 즉, 기판은 원료가스 공급부(380) 및 반응가스 공급부(200)에 대해 상대적으로 이동하면서 원료가스 공급부(380) 및 반응가스 공급부(200)의 가스 공급면을 통과함으로써 증착 공정이 수행된다.
또한, 챔버몸체(320) 하부에는 기판의 인입/인출시 기판을 승하강시키기 위한 기판 지지부(370)가 존재한다. 예를 들어, 상기 기판 지지부(370)는 메탈 히터(350), 서셉터(340) 및 기판 안착면(341) 상의 관통홀(미도시)을 통해 승하강함으로써 서셉터(340) 상의 기판을 지지하여 승하강시키는 복수개, 바람직하게는 3개 이상의 지지핀(미도시)을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치가 적용될 수 있는 트랙 타입의 박막증착장치의 실시예를 도시한 것이다. 트랙 타입의 박막증착장치는 넓은 의미의 세미뱃치 타입의 박막증착장치에 속하나, 기판이송부가 후술하는 벨트, 체인 등의 동력전달부재, 가이드 레일 등으로 구성되어 있다는 특징을 갖는다.
도 3a는 트랙 타입의 박막증착장치(2000)의 전체 구성을 도시한 평면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 트랙 타입의 박막증착장치(2000)는 기판에 대한 증착 작업 등과 같은 처리를 수행하는 반응챔버(100), 진공 또는 대기압 상태로 전환이 가능한 로드락 챔버(700), 증착을 진행할 기판을 적재하는 복수의 보트(810), 증착이 완료된 기판을 적재하는 복수의 보트(820), 및 로드락 챔버(700)로부터 반응챔버(100)로 기판을 인입 및 인출하는 기판인입인출부(900)를 구비한다.
기판을 반응챔버(100)로 공급하는 경우, 로드락 챔버(700) 내부의 제1 로봇암(미도시)이 보트(810)에서 기판을 로드락 챔버(700) 내부로 이송한다. 이어서 로드락 챔버(700)을 진공상태로 전환하고 기판인입인출부(900)의 제2 로봇암(910)이 기판을 넘겨 받아 반응챔버(100)로 기판을 공급하게 된다. 기판을 반응챔버(100)에서 반출하는 경우에는 반대의 순서로 진행된다.
도 3b는 반응챔버(100)에 있어서 챔버리드(110)가 분리되어 챔버몸체(130)의 내부를 도시한 사시도이다.
반응챔버(100)는 내부에 기판을 수용하여 기판에 대한 증착 작업 등을 수행할 수 있도록 각종 구성요소를 구비할 수 있는 공간을 제공한다. 나아가, 내부의 공기를 배기하는 펌프(미도시)와 같은 진공장비에 의해 내부를 진공상태로 유지하여 증착 작업 등과 같은 기판 처리 작업을 수행할 수 있는 환경을 제공한다.
반응챔버(100)는 구체적으로 내부에 소정의 공간을 구비하며 상부가 개구된 챔버몸체(130)와 챔버몸체(130)의 개구된 상부를 개폐하는 챔버리드(110)를 포함한다. 챔버몸체(130)의 일측에는 기판이 반응챔버(100)의 내부로 인입 및 인출되는 개구부(134) 및 기판인입인출부(900)와 개구부(134)를 밀폐하는 커넥터(132)를 구비한다.
상기 개구부(134)는 챔버몸체(130)에 한 쌍이 구비될 수 있다. 이는 도 3a에 도시된 바와 같이 박막증착장치(2000)에 반응챔버(100)를 2개 구비하여 하나의 기판인입인출부(900)에 2개의 반응챔버(100)를 연결하는 경우에 생산성 및 호환성을 높이기 위함이다. 즉, 기판인입인출부(900)와 연결되는 반응챔버(100)의 방향에 관계없이 반응챔버(100)를 제작하는 경우에 한 쌍의 개구부(134)를 구비하도록 제작하여 생산성을 향상시킨다. 나아가, 상기 기판인입인출부(900)에 반응챔버(100)를 연결하고 작업을 하는 중에 반응챔버(100)의 연결부를 변경할 필요가 있는 경우에 나머지 하나의 개구부에 기판인입인출부(900)를 연결하여 호환성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 기판인입인출부(900)는 반응챔버(100)에 연결되어 반응챔버(100) 내부로 기판을 인입하거나 또는 증착이 완료된 기판을 반응챔버(100) 외부로 인출하는 역할을 하게 된다. 후술하는 바와 같이 기판이송부에 의해 기판탑재부(150)가 이동하는 경우에 증착이 완료된 기판을 기판인입인출부(900)의 제2 로봇암(910)에 의해 개구부(134)를 통하여 인출한다. 또한, 증착이 필요한 기판을 기판인입인출부(900)의 제2 로봇암(910)에 의해 개구부(134)를 통하여 반응챔버(100) 내부의 기판탑재부(150)로 공급하게 된다.
한편, 반응챔버(100)의 챔버리드(110)에는 하나 이상의 가스 공급부가 구비될 수 있고, 상기 가스 공급부는 하나 이상의 원료가스 공급부(390) 및 반응가스에 포함된 반응물을 플라즈마화하는 플라즈마 발생부를 포함하는 하나 이상의 반응가스 공급부(200)가 포함될 수 있으며, 이들은 기판의 이송방향을 따라 번갈아 배치될 수 있다. 또한, 이들의 갯수는 반응챔버(100)로 인입되는 기판의 갯수, 공정 조건 등에 따라 상이할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선택될 수 있다. 그리고, 상기 반응챔버(100)는 미반응 공정가스 및 부산물을 퍼지하고 배기하는 수단(미도시)을 포함할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 반응챔버(100)에는 처리될 기판이 안착되는 기판탑재부(150), 소정의 경로를 따라 기판탑재부(150)를 이송하는 기판이송부를 포함하고, 상기 기판이송부는 복수 개의 축, 및 상기 각각의 축 또는 상기 축에 각각 연결된 풀리(182,184)에 연결되어 있고 상기 기판탑재부(150)와 결합되어 있어 상기 축 및/또는 풀리의 회전에 의해 구동함으로써 기판탑재부(150)를 이송하는 벨트, 체인 같은 동력전달부재(190)를 포함할 수 있고, 추가로 상기 기판탑재부(150)의 이송 경로를 가이드하는 가이드 레일(180)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 복수 개의 축 중 하나 이상의 축은 구동 모터(미도시)로부터 동력을 전달받아 이에 연결된 풀리(182,184)를 회전시키고 이로써 상기 풀리(182,184)에 감긴 동력전달부재(190)를 구동시킨다. 결과적으로, 상기 동력전달부재(190)에 결합된 기판탑재부(150)는 상기 동력전달부재(190)의 구동에 의해 가이드 레일(180)을 따라 순환 이송된다.
따라서, 상기 가스 공급부, 즉 원료가스 공급부(380) 및 반응가스 공급부(200)에 대한 기판탑재부(150)의 이동은 곡선 이동 및 직선 이동을 포함하게 되고, 기판탑재부(150)에 안착된 기판의 처리면은 원료가스 공급부(380) 및 반응가스 공급부(200)의 가스 공급면을 통과함으로써 증착 공정이 수행된다. 여기서, 상기 원료가스 공급부(380) 및 반응가스 공급부(200)는 기판탑재부의 직선 이동 구간 및/또는 곡선 이동 구간에 설치될 수 있고, 바람직하게는 직선 이동 구간에 설치될 수 있다.
또한, 반응챔버(100)에 있어서 기판탑재부(150)의 이송 경로 하부에는 복수의 메탈 히터(170)가 배치될 수 있고, 상기 메탈 히터(170)에 의한 간접 가열에 의해 기판탑재부(150)에 안착된 기판은 증착 공정을 수행하기 위한 온도 조건이 충족된다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 구체적으로, 도 4는 위에서부터 아래로 플라즈마 발생장치의 상부면, 단면 및 하부면을 차례로 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 서로 다른 극성을 갖는다. 예를 들어, 상기 제1 전극(210)은 캐소드(cathode)이고, 상기 제2 전극(220)은 애노드(anode)일 수 있으며, 그 반대일 수도 있다.
또한, 상기 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 중 하나의 전극은 이에 전압을 인가하기 위한 전원(미도시)이 연결되고, 다른 하나의 전극은 접지될(grounded) 수 있다. 상기 전원은 예를 들어 직류 전원, 교류 전원, 고수파 전원 등일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극(210)은 동일 또는 상이한 길이의 복수의 전극바를 포함하고 상기 복수의 전극바가 하나로 연결되어 전체로서 포크(fork) 형상을 갖는 전극일 수 있다. 또한, 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)의 전극바 각각의 측면 전체 또는 일부와 대향하면서 일정 간격 이격되어 배치되고 전체적으로 하나의 전극을 구성하는 복수의 전극바를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 전극(210)의 전극바와 상기 제2 전극(220)의 전극바 사이의 이격된 거리는 사용되는 공정가스, 형성하고자 하는 박막의 성질, 기타 공정 조건에 따라 상이할 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 적절히 선택할 수 있으며, 바람직하게는 3 내지 10mm일 수 있다.
이로써, 상기 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 각각을 구성하는 복수의 전극바들 대향면 사이의 공간은, 플라즈마 발생장치 하부를 통과하는 기판에 반응물 플라즈마를 공급하기 위해, 공정가스가 주입되는 슬릿 형태의 하나 이상의 가스 분사 채널(240)을 형성하게 된다. 한편, 상기 제2 전극(220)은 제1 전극(210)의 측면 전체의 둘레를 감싸는 형상을 가질 수 있고, 이로써 플라즈마 발생장치의 하우징(housing)을 형성할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 외부의 가스 공급원으로부터 반응가스 등을 공급받아 상기 가스 분사 채널(240)에 주입하는 가스 주입부(230)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 반응가스는 생성하고자 하는 박막에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 원자층증착법에 의한 박막 증착시 알루미늄, 티타늄, 아연 등의 금속계, 실리콘계 등의 원료물질을 사용하는 경우 금속산화막 등을 형성하기 위해 오존 같은 반응물을 포함하는 반응가스를 사용할 수 있다.
또한, 상기 가스 주입부(230)는 상기 가스 공급원으로부터 반응가스 등의 공정가스를 공급받는 하나 이상의 가스 공급로를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 가스 공급로는 상기 가스 주입부(230) 상측부와 하측부에 각각 구비될 수 있다. 이로써, 상기 가스 주입부(230)로의 신속하고 원활한 가스 공급을 수행할 수 있다.
그리고, 상기 가스 주입부(230)는 예를 들어 상기 제2 전극(220)을 구성하는 복수의 전극바의 내부에 실장되는 가스 유로(231)를 포함하고, 상기 각각의 가스 유로(231)는 상기 제1 전극(210)을 구성하는 복수의 전극바의 대향면에 하나 이상의 가스 주입홀(232)을 포함할 수 있다. 한편, 상기 가스 유로(231) 및 가스 주입홀(232)은 제1 전극(210)에 배치될 수도 있다. 이로써, 외부의 가스 공급원으로부터 오존 같은 반응가스를 포함하는 공정가스가 상기 가스 주입부(230)에 공급되고 공급된 가스는 상기 가스 유로(231)를 따라 이송되어 상기 가스 주입홀(232)을 통해 상기 가스 분사 채널(240)로 주입된다.
한편, 상기 가스 주입부(230)는 상기 실시예에 한정되지 않고 상기 가스 분사 채널(240)에 반응가스 등을 주입할 수 있다면 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 상기 가스 주입부(230)는 상기 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 상부에 배치되는 샤워헤드 형태일 수 있다.
상기 가스 분사 채널(240)로 주입된 상기 반응가스는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 각각을 구성하는 복수의 전극바들 대향면 사이에 형성되는 전기장에서 라디칼과 전자로 분리됨으로써 플라즈마화되어 상기 플라즈마 발생장치 하부를 통과하는 기판에 공급된다. 또한, 상기 가스 주입부(230)는 반응가스 이외에 아르곤, 헬륨 같은 방전가스를 상기 가스 분사 채널(240)로 함께 주입할 수 있다. 상기 방전가스의 플라즈마화에 의해 생성된 고에너지 전자(high energy electron)는 저온에서도 반응가스의 플라즈마화를 촉진하는 역할을 수행한다.
앞서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 각각을 구성하는 복수의 전극바들이 대향면에 슬릿 형태의 하나 이상의 가스 분사 채널(240)을 형성함으로써 플라즈마 발생면적 및 밀도의 증가에 따라 기판의 대면적화가 용이하며 단순한 샤워헤드 방식에 비해 반응물 플라즈마의 낭비를 억제할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다. 또한, 제1 전극(210) 및 제2 전극(220) 각각을 구성하는 복수의 전극바들이 분리되어 있지 않고 하나의 전극을 구성함으로써 전압 분배가 용이한 효과를 나타낸다. 나아가, 상기 가스 유로(231)는 상기 제1 전극(210) 또는 제2 전극(220) 각각을 구성하는 복수의 전극바 각각에 실장되고 일정 간격마다 복수의 가스 주입홀(232)을 구비함으로써 슬릿 형태의 가스 분사 채널(240)의 길이방향으로 균일한 양의 플라즈마를 공급할 수 있는 효과를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치를 구성하는 제1 전극 및 제2 전극의 구조에 관한 다양한 실시예를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 5a 내지 5c는 세미뱃치 타입의 박막증착장치 또는 트랙 타입의 박막증착장치에서 기판의 곡선 이동 구간에 적용하기 바람직한 구조의 플라즈마 발생장치의 구조에 관한 실시예를 도시한 것이다. 세미뱃치 타입 또는 트랙 타입의 박막증착장치에 있어서, 기판의 곡선 이동 구간에서는 곡선 이동 반경의 외곽으로 갈수록 이동에 따른 각속도가 증가하게 되고 이로써 기판의 외곽으로 갈수록 기판 처리면의 단위면적당 플라즈마에 노출되는 시간이 감소하게 되어, 결과적으로 형성되는 박막의 불균일이 발생된다.
따라서, 도 5a 내지 5c에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마 발생장치에 있어서, 제1 전극(210)을 구성하는 복수의 전극바의 길이가 중앙으로부터 바깥쪽으로 갈수록 짧아지도록 구성하여 기판의 외곽 영역이 통과하는 부분에 인위적으로 플라즈마 공급양을 증가시킴으로써, 박막의 균일도를 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 전극바 길이가 짧아지는 정도는 사용되는 공정가스, 기판의 크기 및 이동 속도, 기타 공정조건에 따라 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있다. 참고로, 도 6은 상기 도 5a에 도시된 구조의 플라즈마 발생장치가 세미뱃치 타입 박막증착장치의 챔버리드(310)에 배치된 반응가스 공급부(200) 내부에 적용된 실시예를 투과 도시한 것이다.
도 7은 상기 가스 분사 채널(240) 하부의 가스 공급면에 형성된 가스 분사홀의 실시예를 도시한 것이다. 구체적으로, 도 7a 및 7b는 도 1에 도시된 플라즈마 발생장치의 이면을 도시한 것이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 가스 분사 채널(240)의 가스 공급면에는 일정한 패턴을 형성하는 복수의 가스 분사홀(241)이 구비될 수 있고, 이로써 공급되는 가스의 유속이 감소하여 상기 가스 분사 채널(240) 내에서 확산됨으로써 슬릿형 가스 분사 채널(240)의 길이방향으로 균일한 양의 플라즈마를 공급할 수 있다. 상기 가스 분사홀(241)의 직경은 사용되는 공정가스, 기타 공정조건 등에 따라 통상의 기술자가 적절히 선택할 수 있으며, 예를 들어, 1 내지 2mm일 수 있다.
또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 가스 분사홀(241)은 상기 가스 분사 채널(240)의 길이방향을 따라 일측부로 갈수록 직경이 증가하도록 구성됨으로써, 세미뱃치 타입 또는 트랙 타입 박막증착장치의 기판의 곡선 이동 구간에서 곡선 이동 반경이 큰 외곽 영역에 공급되는 플라즈마 공급양을 상대적으로 증가시켜 박막의 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치에 있어서 방전가스와 반응가스가 가스 분사 채널(240)로 분리되어 주입되는 구조의 실시예를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)의 상부에 방전가스 공급용 샤워헤드(250)를 구비할 수 있다. 상기 샤워헤드(250)는 방전가스를 하부의 플라즈마 발생장치의 상기 가스 분사 채널(240)로 공급한다. 이로써, 방전가스가 일차적으로 플라즈마화되어 고에너지 전자가 생성되고 상기 고에너지 전자는 하부의 가스 분사 채널(240)에서 후속적으로 발생하는 반응가스의 플라즈마화를 촉진하게 된다. 상기 방전가스와 반응가스가 혼합된 형태로 동시에 플라즈마화되는 경우 생성되는 박막의 막질이 변형될 수 있으므로, 앞서 기술한 바와 같이 방전가스와 반응가스를 플라즈마 발생장치로 분리하여 공급함으로서 방전가스와 반응가스 각각의 플라즈마화가 순차적으로 수행되도록 하여 목적한 박막을 생성하고 박막의 균일도를 향상시킬 수 있다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
1000,2000 : 박막증착장치 100,300 : 반응챔버
200 : 반응가스 공급부 380 : 원료가스 공급부
400,700 : 로드락 챔버 500 : 가스공급원
600 : 제어부 810,820 : 보트
900 : 기판인입인출부

Claims (17)

  1. 전체적으로 하나의 전극을 형성하는 동일 또는 상이한 길이의 복수의 전극바를 포함하는 제1 전극;
    상기 전극바 측면의 전체 또는 부분과 대향하면서 이격되어 배치되고 전체적으로 하나의 전극을 형성하는 복수의 전극바를 포함하고 제1 전극과 상이한 극성을 갖는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극의 전극바와 상기 제2 전극의 전극바 사이의 이격된 공간에 공정가스가 주입되는 하나 이상의 가스 분사 채널을 포함하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에서 상기 공정가스가 플라즈마화 되는, 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극이 상기 제1 전극의 측면 전체 둘레를 감싸는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 전극이 상기 플라즈마 발생장치의 하우징(housing)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극의 복수의 전극바는 중앙에서 바깥쪽으로 갈수록 전극바의 길이가 짧아지는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 분사 채널에 상기 공정가스를 주입하는 가스 주입부를 포함하고,
    상기 가스 주입부는 상기 제1 전극의 전극바 또는 제2 전극의 전극바 내부에 실장된 복수의 가스 유로를 포함하고, 상기 가스 유로는 상기 가스 분사 채널에 공정가스를 주입하기 위한 복수의 가스 주입홀을 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 주입부는, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 상부에 배치되고 상기 가스 분사 채널에 방전가스를 주입하는 샤워헤드를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공정가스는 방전가스(discharge gas)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 하나의 전극에 전원이 인가되고 다른 하나의 전극이 접지되어 있는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전원은 직류 전원, 교류 전원 또는 고주파 전원인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 분사 채널은 하부에 복수의 가스 분사홀을 갖는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가스 분사홀은 상기 가스 분사 채널의 길이방향을 따라 일측부로 갈수록 직경이 증가하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 발생장치.
  12. 반응챔버;
    상기 반응챔버 내부에 배치되고 기판이 안착되는 하나 이상의 기판탑재부;
    상기 반응챔버의 내부에 배치되고 제1항에 따르는 플라즈마 발생장치를 포함하는 하나 이상의 가스 공급부; 및
    상기 가스 공급부로부터 공급되는 가스를 상기 기판의 처리면에 공급하기 위해 상기 기판탑재부를 상기 가스 공급부에 대하여 상대적으로 이동시키는 기판이송부를 포함하는, 박막증착장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기판이송부가 상기 기판탑재부의 하부 중심에 고정된 회전축 및 상기 회전축을 회전시키는 구동 모터를 포함하고, 상기 기판탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 곡선 이동인 것을 특징으로 하는, 박막증착장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 기판이송부가 복수 개의 축, 상기 축 각각에 연결되고 상기 기판탑재부가 결합되는 동력전달부재, 및 상기 축 중 하나 이상의 축을 회전시킴으로써 이에 연결된 동력전달부재를 순환 이동시키는 구동 모터를 포함하고, 상기 기판탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 직선 이동 및 곡선 이동을 포함하는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생장치에 포함된 제1 전극의 복수의 전극바는 중앙에서 바깥쪽으로 갈수록 전극바의 길이가 짧아지는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 기판 탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 직선 이동인 구간에 배치된 상기 플라즈마 발생장치에 포함된 제1 전극의 복수의 전극바는 동일한 길이를 갖고, 상기 기판 탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 곡선 이동인 구간에 배치된 상기 플라즈마 발생장치에 포함된 제1 전극의 복수의 전극바는 중앙에서 바깥쪽으로 갈수록 전극바의 길이가 짧아지는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 기판 탑재부의 상기 가스 공급부에 대한 상대적 이동이 곡선 이동인 구간에 배치된 상기 플라즈마 발생장치에 포함된 상기 가스 분사 채널은 하부에 복수의 가스 분사홀을 갖고, 상기 가스 분사홀의 크기는 곡선 이동 반경이 증가할수록 함께 증가하는 것을 특징으로 하는, 박막증착장치.
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