KR20140108419A - 원자층 증착장치 - Google Patents

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KR20140108419A
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김기현
김연태
조남진
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삼성전자주식회사
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Abstract

원자층 증착장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치는, 기판(Substrate)이 로딩되는 기판 로딩 플레이트를 구비하며, 원자층 증착공정이 진행되는 공정 챔버(Process Chamber) 내에 마련되는 기판 로딩유닛(Substrate Loading Unit); 공정 챔버에 결합되며, 기판 로딩 플레이트에 로딩되는 기판을 향해 스위핑되면서 기판의 표면으로 다중막 증착을 위한 다수의 반응물을 공급하는 인젝터 어셈블리(Injector Assembly); 및 공정 챔버의 서로 다른 위치에 다수 개 배치되며, 기판과의 접촉 또는 비접촉 방식을 선택 적용하여 다수의 반응물에 따라 상이한 공정 온도에 대응되게 공정 챔버 내부를 가열하는 멀티 히트 소스(Multi Heat Source)를 포함한다.

Description

원자층 증착장치{APPARATUS FOR DEPOSITION ATOMIC LAYER}
본 발명은, 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 다중막 증착 시 반응물의 종류에 따라 상이한 공정 온도를 적절하게 대응시킬 수 있는 원자층 증착장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화에 따라 박막 증착공정이 나노급(nano-scale) 이하로 정밀 제어되고 있다.
따라서 박막 증착공정은 기존의 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD)이나 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)보다 진보된 기술을 요구하고 있다. 이러한 요구에 충족하는 기술이 원자층 증착기술이다.
원자층 증착기술은 70년대 중반 핀란드의 선톨라(Suntola)에 의해 원자층 에피탁시(Atomic layer epitaxy) 기술이란 이름으로 처음 소개된 바 있다.
원자층 증착기술이 초기에는 발광(electro-luminescent) 평판 디스플레이 소자의 형광층 박막 증착에 응용되었으나, 90년대 들어오면서 반도체 공정에 적용을 목표로 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
원자층 증착기술은 반응 전구체(reaction precursor)들을 개별적으로 분리하여 펄스 형태로 반도체 기판 상에 유동시킴으로써, 반도체 기판의 표면에 반응물의 포화 표면 반응(saturated surface reaction)에 의한 화학적 흡착과 탈착을 이용한 신개념의 박막 증착기술이다.
다시 쉽게 표현하면, 원자층 증착기술은 기판(Substrate)의 표면에 A 반응물을 공급하여 A 반응물이 기판의 표면과 반응을 하여 화학 흡착되도록 한 후, A 반응물에 의한 원자층이 증착되면 과잉의 A 반응물을 제거하고, 이어 같은 방식으로 B 반응물을 공급하여 A 반응물에 의한 원자층 표면에 B 반응물에 의한 원자층이 증착되도록 하면서 원자층 박막을 성장시키는 기술이다. 이러한 원자층 증착기술이 구현된 장치가 원자층 증착장치이다.
이때, 원자층 증착장치를 통한 증착공정이 제대로 진행되기 위해서는 원자층 증착공정 시 아래의 조건을 만족되어야만 한다.
첫째, 반응물과 기판의 표면 간의 반응은 자기 제한적 반응(self-limiting reaction)에 의해서 이루어져야 한다.
둘째, 자기 제한적 반응 또는 화학 흡착반응이 주반응이어야 한다.
여기서, 자기 제한적 반응이라 함은, 반응물과 표면의 반응만 일어나고 반응물과 반응물 간의 반응이 일어나지 않는 반응으로서 원자층 증착기술의 가장 기본이 되는 사항이다.
한편, 최근, 반도체 소자의 초미세화로 인해 박막의 증착 두께가 100Å 이하의 초박막으로 더욱 얇아지고 있다. 이러한 이유로 인해 박막의 전기적 특성을 확보하는데 원자층 증착장치의 기술적인 문제가 더욱 대두되고 있다.
증착 두께가 100Å 이하의 초박막에서 전기적 특성을 확보하기 위해, 기판 상에 단일막보다는 이중막 또는 삼중막 등의 다중막을 증착하는 방안이 제안될 수 있으며, 이에 대한 연구가 최근들어 활발히 진행 중에 있다.
하지만, 기존의 원자층 증착장치를 통해 기판 상에 다중막을 증착할 경우, 아래와 같은 기술적 문제가 해결되지 않아 실질적인 적용이 어렵다.
즉 앞서 기술한 것처럼 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 주반응을 이루어야 하는데, 반응물에 따라 자기 제한적 반응이 이루어지는 온도 영역이 다를 수밖에 없다는 점을 고려할 때, 그 온도 영역이 다른 2개 이상의 반응물을 박막으로 증착하려 하는 경우, 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 이루어질 수 없어 박막의 전기적 특성을 최적화시킬 수 없다. 특히 현존 장비로는 이러한 문제를 해결할 수 없으므로 새로운 대안이 요구된다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다중막 증착 시 반응물의 종류에 따라 상이한 공정 온도를 해당 반응물에 따라 유동적으로 변경시켜 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 박막의 전기적 특성을 최적화시킬 수 있는 원자층 증착장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판(Substrate)이 로딩되는 기판 로딩 플레이트를 구비하며, 원자층 증착공정이 진행되는 공정 챔버(Process Chamber) 내에 마련되는 기판 로딩유닛(Substrate Loading Unit); 상기 공정 챔버에 결합되며, 상기 기판 로딩 플레이트에 로딩되는 기판을 향해 스위핑되면서 상기 기판의 표면으로 다중막 증착을 위한 다수의 반응물을 공급하는 인젝터 어셈블리(Injector Assembly); 및 상기 공정 챔버의 서로 다른 위치에 다수 개 배치되며, 상기 기판과의 접촉 또는 비접촉 방식을 선택 적용하여 상기 다수의 반응물에 따라 상이한 공정 온도에 대응되게 상기 공정 챔버 내부를 가열하는 멀티 히트 소스(Multi Heat Source)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치가 제공될 수 있다.
상기 다수의 반응물에 대응되는 공정 온도를 통해 상기 다수의 반응물이 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응을 진행할 수 있도록 상기 멀티 히트 소스를 컨트롤하는 컨트롤러 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 다수의 반응물 중 어느 하나가 상기 공정 챔버 내로 공급될 때, 상기 공정 챔버 내로 공급되는 반응물의 공정 온도에 상기 공정 챔버 내의 공정 온도가 대응될 수 있도록 상기 멀티 히트 소스를 실시간으로 컨트롤할 수 있다.
상기 기판 로딩 플레이트는 상기 공정 챔버 내에서 상하 방향을 따라 다수 개 배치되어 상기 기판을 층별로 지지할 수 있으며, 다수 개의 상기 기판 로딩 플레이트는 상기 공정 챔버 내에서 상하 방향을 따라 승하강 운동될 수 있다.
상기 멀티 히트 소스는 상기 기판 로딩 플레이트 하나당 하나씩 대응 배치될 수 있다.
상기 멀티 히트 소스는, 상기 기판과 접촉되어 상기 기판을 가열하는 제1 히트 소스; 및 상기 제1 히트 소스에 이웃하게 배치되며, 상기 기판과 비접촉된 상태로 상기 기판을 가열하는 제2 히트 소스를 포함할 수 있다.
상기 제1 히트 소스와 상기 제2 히트 소스는 독립적으로 컨트롤될 수 있다.
상기 제1 히트 소스는 상기 기판과 직접 접촉될 수 있도록 상기 기판 로딩 플레이트의 상면에 부착되는 히팅 패드일 수 있다.
상기 제2 히트 소스는 상기 기판 로딩 플레이트의 둘레면 외측 영역에서 상기 공정 챔버의 사이드 벽면에 배치될 수 있다.
상기 제2 히트 소스는 상기 기판 로딩 플레이트를 사이에 두고 상기 공정 챔버의 양측 사이드 벽면에 대칭되게 배치될 수 있다.
상기 공정 챔버의 사이드 벽면에 형성되며, 상기 제2 히트 소스가 수용되는 소스 수용부를 더 포함할 수 있다.
상기 기판 로딩유닛과 상기 소스 수용부 사이에 마련되어 상기 제2 히트 소스를 보호하는 보호 윈도우(Window); 및 상기 보호 윈도우의 반대편 벽면에 마련되며, 상기 제2 히트 소스로부터의 열에 대한 방향성을 유지시키면서 전달하는 열반사 미러(Mirror)를 더 포함할 수 있다.
상기 보호 윈도우는 평평한 평면을 형성할 수 있으며, 상기 열반사 미러는 곡면을 형성할 수 있다.
상기 제2 히트 소스는 상기 기판 로딩 플레이트의 상부 영역에서 상기 기판 로딩 플레이트와 나란하게 배치될 수 있다.
상기 인젝터 어셈블리는, 상기 공정 챔버의 코너 영역에 각각 배치되며, 대각 방향의 것끼리 한 조를 이루면서 동작되는 다수의 수직 샤프트; 상기 다수의 수직 샤프트에 그 길이 방향을 따라 이격 간격을 두고 배치되며, 상기 다수의 수직 샤프트의 회전 시 상기 기판을 향해 스위핑되면서 상기 기판의 표면으로 다중막 증착을 위한 다수의 반응물을 공급하는 다수의 인젝터; 및 상기 다수의 수직 샤프트에 각각 결합되어 상기 다수의 수직 샤프트를 회전시키는 다수의 샤프트 회전부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다중막 증착 시 반응물의 종류에 따라 상이한 공정 온도를 해당 반응물에 따라 유동적으로 변경시켜 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 박막의 전기적 특성을 최적화시킬 수 있다.
도 1은 원자 단위 증착공정의 사이클을 도시한 개념도이다.
도 2는 반응물에 따른 공정 온도와 증착의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자층 증착장치의 사시도이다.
도 4는 도 3의 평면도이다.
도 5는 도 3의 부분 절개 사시도이다.
도 6은 도 5의 B 영역에 대한 확대도이다.
도 7은 도 5의 정면도이다.
도 8은 도 7에서 인젝터가 스위핑된 상태의 도면이다.
도 9는 도 8의 C 영역에 대한 확대도로서 기판이 배치된 상태의 도면이다.
도 10은 인젝터의 스위핑 동작을 도시한 도면이다.
도 11은 도 1의 원자층 증착장치에 대한 제어블록도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자층 증착장치의 절개 사시도이다.
도 13은 도 12의 정면도이다.
도 14는 도 13에서 인젝터가 스위핑된 상태의 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 원자 단위 증착공정의 사이클을 도시한 개념도이다.
이하에서 설명될 본 실시예에 따른 원자층 증착장치를 통한 증착공정은 도 1과 같은 사이클로 진행될 수 있다. 도 1의 경우, 2개의 A 반응물과 B 반응물을 제시하고 있다.
1 단계 ; 원자층 증착장치의 반응 챔버 내에 A 반응물(기체)을 공급하면, A 반응물은 기판(Substrate)의 표면과 화학 흡착반응한다. 이러한 화학 흡착반응을 통해 A 반응물에 의한 원자층이 기판의 표면에 증착되고 나면 과잉의 A 반응물이 공급되더라도 더 이상의 반응이 진행되지 않는다.
2 단계 ; A 반응물이 더 이상 반응되지 않는 상태에서 불활성 기체를 사용하여 과잉의 A 반응물을 반응 챔버 외부로 제거한다.
3 단계 ; 반응 챔버 내에 A 반응물이 완전히 제거되고 나면 이번에는 B 반응물(기체)을 반응 챔버 내에 공급한다. 공급된 B 반응물은 기판의 표면과 화학 흡착반응된 A 반응물과 화학 흡착반응한다. 이러한 화학 흡착반응을 통해 B 반응물에 의한 원자층이 A 반응물 상에 증착되고 나면 과잉의 B 반응물이 공급되더라도 더 이상의 반응이 진행되지 않는다.
4 단계 ; B 반응물이 더 이상 반응되지 않는 상태에서 불활성 기체를 사용하여 과잉의 B 반응물을 반응 챔버 외부로 제거한다.
만약, B 반응물에 의한 원자층 상에 C 반응물에 의한 원자층을 더 증착하는 경우에는 전술한 방법을 그대로 따른다.
상기 1 단계 내지 4 단계의 과정을 한 사이클이라 부르며, 이러한 사이클을 반복함으로써, 기판 상에 원하는 두께의 원자층 박막을 성장(증착)시킬 수 있다. 물론, 앞서 기술한 것처럼 기판 상에 원하는 두께의 원자층 박막을 성장시키려면 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 이루어져야 한다.
도 2는 반응물에 따른 공정 온도와 증착의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2의 경우, 3개의 A 반응물, B 반응물, C 반응물이 기판 상에 원자층 박막으로 증착될 때, 3개의 A 반응물, B 반응물, C 반응물에 따른 공정 온도와 증착의 관계를 그래프로 나타낸 것이다.
앞서 기술한 것처럼 증착 두께가 100Å 이하의 초박막에서 전기적 특성을 확보하기 위해서는 기판 상에 다중막을 증착하는 것이 필요하다. 다만, 다중막 증착 시 반응물에 따라 상이한 공정 온도를 적절하게 대응시키지 못할 경우에는 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 진행될 수 없다.
A 반응물이 공정 챔버 내로 공급될 때, A 반응물이 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 진행될 수 있게 예컨대, 255℃로 공정 온도를 유지할 수 있다.
하지만, A 반응물과 자기 제한적 반응의 공정 온도가 전혀 다른 B 반응물이 공정 챔버 내로 공급될 때는 B 반응물이 공정 챔버 내로 공급됨과 동시에 공정 온도를 예컨대, 265℃로 대응시켜 주어야 하고, 마찬가지로 C 반응물이 공정 챔버 내로 공급될 때는 C 반응물이 공정 챔버 내로 공급됨과 동시에 공정 온도를 그에 맞는 온도로 대응시켜 주어야 한다.
그래야만 A 반응물, B 반응물, C 반응물 모두가 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 진행될 수 있으며, 이에 따라 박막의 전기적 특성, 예컨대 박막 내의 불순물 또는 디펙트(Defect)를 최소하면서 박막의 전기적 특성을 최적화시킬 수 있다. 이를 위해 본 실시예의 원자층 증착장치가 제안된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 원자층 증착장치의 사시도, 도 4는 도 3의 평면도, 도 5는 도 3의 부분 절개 사시도, 도 6은 도 5의 B 영역에 대한 확대도, 도 7은 도 5의 정면도, 도 8은 도 7에서 인젝터가 스위핑된 상태의 도면, 도 9는 도 8의 C 영역에 대한 확대도로서 기판이 배치된 상태의 도면, 도 10은 인젝터의 스위핑 동작을 도시한 도면, 그리고 도 11은 도 1의 원자층 증착장치에 대한 제어블록도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 원자층 증착장치는 다중막 증착 시 반응물에 따라 상이한 공정 온도를 적절하게 대응시킬 수 있도록 한 것으로서, 공정 챔버(110, Process Chamber), 기판 로딩유닛(120, Substrate Loading Unit), 인젝터 어셈블리(130, Injector Assembly), 멀티 히트 소스(140,150, Multi Heat Source), 그리고 컨트롤러(160)를 포함한다.
본 실시예의 원자층 증착장치는 메모리 분야, 비메모리 분야, 디스플레이(Display) 분야, 에너지 분야 등 박막 증착이 필요한 모든 분야에 적용될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 공정 챔버(110)는 기판(Substrate), 즉 웨이퍼(Wafer)에 대한 도 1과 같은 방식의 원자층 증착공정이 진행되는 장소를 이룬다.
원자층 증착공정의 원활한 진행을 위해 공정 챔버(110)는 외부로부터 밀폐된 독립 공간을 형성한다.
공정 챔버(110)의 하단에는 도시 않은 배기관이 형성되며, 이 배기관에 진공 펌프가 연결된다. 진공 펌프의 동작에 의해 공정 챔버(110) 내의 공기가 펌핑됨에 따라 공정 챔버(110) 내부가 저진공 또는 고진공의 상태로 유지될 수 있다.
자세히 도시하지는 않았으나 공정 챔버(110)는 기판이 전달되는 트랜스퍼 챔버(Transfer Chamber)를 중심으로 하여 주변에서 클러스터 타입(Cluster Type)으로 다수 개가 전개(Spread Out)되면서 연결되도록 배치될 수 있다.
이와 같은 구조에서는 트랜스퍼 챔버 내의 로봇이 기판을 파지하여 공정 챔버(110)로 전달한다.
로봇에 의해 공정 챔버(110) 내로 기판이 전달되어 원자층 증착공정이 진행되도록 하거나 원자층 증착공정이 완료된 기판을 공정 챔버(110)로부터 배출시키기 위해 공정 챔버(110)의 일측에는 게이트(111)가 형성된다.
게이트(111) 내에는 게이트(111)의 개구를 개폐하는 게이트 밸브(Gate Valve)가 마련된다.
기판 로딩유닛(120)은 기판이 로딩되는 기판 로딩 플레이트(121)를 구비하며, 공정 챔버(110) 내에 마련된다.
본 실시예의 경우, 기판 로딩 플레이트(121)는 동시에 여러 장의 기판에 대한 증착공정을 수행하는 멀티 슬롯(Multi Slot) 구조를 갖는다. 즉 본 실시예에서 기판 로딩 플레이트(121)는 공정 챔버(110) 내에서 상하 방향을 따라 다수 개, 예를 들어 5개 배치된다. 따라서 5개의 기판에 대한 증착공정이 한번에 이루어질 수 있다.
기판이 게이트(111)를 통해 기판 로딩 플레이트(121)로 출입되어야 하기 때문에 다수의 기판 로딩 플레이트(121)는 공정 챔버(110) 내에서 상하 방향을 따라 승하강 운동되게 마련된다.
즉 기판이 공급될 때는 다수의 기판 로딩 플레이트(121)가 공정 챔버(110) 내의 하부 영역에 배치되어 있다가 기판이 로딩되면 다수의 기판 로딩 플레이트(121)가 공정 챔버(110) 내의 상부 공정 위치까지 이동되며, 이후에 증착공정이 진행된다.
인젝터 어셈블리(130)는 공정 챔버(110)에 결합되며, 도 7 내지 도 10처럼 기판 로딩 플레이트(121)에 로딩되는 기판을 향해 스위핑되면서 기판의 표면으로 다중막 증착을 위한 다수의 반응물을 공급한다.
인젝터 어셈블리(130)는 공정 챔버(110)의 코너 영역에 각각 배치되는 다수의 수직 샤프트(131)와, 수직 샤프트(131)들에 그 길이 방향을 따라 이격 간격을 두고 배치되며, 수직 샤프트(131)들의 회전 시 기판을 향해 스위핑되면서 기판의 표면으로 다중막 증착을 위한 다수의 반응물을 공급하는 다수의 인젝터(132)와, 수직 샤프트(131)들에 결합되어 수직 샤프트(131)들을 회전시키는 샤프트 회전부(133)를 포함한다.
본 실시예의 경우, 수직 샤프트(131)는 공정 챔버(110)의 코너 영역에 각각 하나씩 배치되며, 각 수직 샤프트(131)들의 상단부에 샤프트 회전부(133) 예컨대, 모터가 결합된다.
그리고 각각의 수직 샤프트(131)에는 기판 로딩 플레이트(121)의 개수에 대응되는 수만큼의 인젝터(132)들이 수직 샤프트(131)들의 길이 방향을 따라 서로 이격 간격을 두고 배치된다.
이러한 인젝터(132)들은 도 10처럼 기판의 표면 상부 영역을 스위핑하면서 증착공정을 진행한다.
본 실시예의 경우, 한번에 5장의 기판에 대한 증착공정을 진행하고 있으므로 하나의 수직 샤프트(131)에 5개씩의 인젝터(132)들이 갖춰진다. 물론, 이러한 사항은 하나의 예일 뿐이며, 이들의 개수에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다. 게이트(111) 쪽에는 인젝터(132)들이 배치되지 않는다.
인젝터 어셈블리(130)에 대해 좀 더 부연 설명한다. 본 실시예의 경우, 5개의 인젝터(132)들이 하나의 수직 샤프트(131)에 연결되어 있기 때문에 샤프트 회전부(133)에 의한 수직 샤프트(131)의 회전 시 5개의 인젝터(132)들이 동시에 같은 궤적을 그리면서 움직인다.
따라서 수직 샤프트(131)를 통해 들어온 반응물(기체)은 5개의 인젝터(132)들에 형성되는 다수의 분사구(132a)를 통해 5장의 기판 표면으로 각각 분사되어 증착공정을 수행할 수 있다.
한편, 4개의 수직 샤프트(131)들에 각각 마련되는 인젝터(132)들은 도 10처럼 대각 방향에 배치된 것끼리 한 조를 이루면서 기판 상을 스위핑하면서 기체 상의 반응물을 분사한다.
다른 쪽의 대각 방향에 배치된 인젝터(132)들은 앞선 반응물과 반응되는 기체 상의 반응물을 분사함으로써 순차적인 증착공정이 진행되도록 한다.
예컨대, 도 10에서 점선으로 도시되어 동작되는 인젝터(132)들은 TMA(Tri Methyl Aluminum), DMAH(Di Methyl Aluminum Hydride), DMAHEPP(DiMethyl Aluminum Hydride Ethyl PiPeridine), TEMAH(Tetrakis EthylMethylAmino Hafnium), TDEAH(Tetrakis DiEthylAmino Hafnium), TDMAH(Tetrakis DiMethylAmino Hafnium), TEMAZ(Tetrakis EthylMethylAmino Zirconium), TDEAZ(Tetrakis DiEthylAmino Zirconium), TDMAZ(Tetrakis DiMethylAmino Zirconium), 실란, 암모니아 등과 같은 가스로서의 반응물을 기판으로 스위핑하면서 분사할 수 있다.
이에 반해, 도 10에서 동작되지 않는 인젝터(132)들은 N2O, NO, NO2, O3 등과 같은 산화 반응 가스를 기판 상으로 스위핑하면서 분사할 수 있다.
이러한 방식으로 한 쌍의 인젝터 어셈블리(130)가 한 번의 스위핑, 즉 스캐닝(Scanning) 동작으로 5장의 기판 상에 반응물을 분사할 수 있게 됨으로써 기존 장비들에 비해 월등히 우수한 하이 스루풋(High Throughput) 효과를 제공할 수 있다.
또한 본 실시예의 경우, 기판 하나당 4개의 수직 샤프트(131)가 장착되는 구조를 가지기 때문에, 반응물의 교체 시간이 짧아 기존 장비에 비해 반응물 교체 시간 로스(loss)를 줄일 수 있으며, 이에 따라 하이 스루풋(High Throughput) 효과를 제공할 수 있다.
그리고 샤프트 회전부(133)의 제어를 통해 수직 샤프트(131)의 회전 속도를 최적화할 수 있어 스루풋(High Throughput)에 유리한 효과를 제공할 수 있다.
한편, 멀티 히트 소스(140,150)는 공정 챔버(110)의 서로 다른 위치에 다수 개 배치되며, 다수의 반응물에 따라 상이한 공정 온도에 대응되게 공정 챔버(110) 내부를 가열하는 역할을 한다.
본 실시예처럼 멀티 히트 소스(140,150)가 적용될 경우, 다중막 증착 시 반응물의 종류에 따라 상이한 공정 온도를 해당 반응물에 따라 유동적으로 변경시킬 수 있으며, 이에 따라 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 박막의 전기적 특성을 최적화시킬 수 있다.
이러한 역할을 수행하는 멀티 히트 소스(140,150)는 기판과 접촉되어 기판을 가열하는 제1 히트 소스(140)와, 제1 히트 소스(140)에 이웃하게 배치되며, 기판과 비접촉된 상태로 기판을 가열하는 제2 히트 소스(150)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 제1 및 제2 히트 소스(140,150)는 기판 로딩 플레이트(121) 하나당 하나씩 대응 배치될 수 있다. 컨트롤러(160)에 의해 제1 히트 소스(140)와 제2 히트 소스(150)는 동시에 함께 컨트롤될 수도 있고, 아니면 독립적으로 컨트롤될 수도 있다.
제1 히트 소스(140)는 기판과 직접 접촉될 수 있도록 기판 로딩 플레이트(121)의 상면에 부착되는 히팅 패드로 적용될 수 있다.
이와 달리, 제2 히트 소스(150)는 기판 로딩 플레이트(121)의 둘레면 외측 영역에서 공정 챔버(110)의 사이드 벽면에 배치될 수 있다. 이때, 제2 히트 소스(150)는 기판 로딩 플레이트(121)를 사이에 두고 공정 챔버(110)의 양측 사이드 벽면에 대칭되게 배치될 수 있다. 도시된 배치와 달리, 제2 히트 소스(150)는 공정 챔버(110)의 안쪽, 바깥쪽, 혹은 공정 챔버(110) 자체에 포함될 수 있다. 결과적으로 제2 히트 소스(150)는 공정 챔버(110)의 모든 면 또는 공간에 배치될 수 있다.
본 실시예에서 제2 히트 소스(150)는 예컨대 일반적 저항 히터, 램프 히터(Lamp Heater) 등의 단품이거나 단품의 조합일 수 있다.
제2 히트 소스(150)의 재질은 석영을 비롯한 모든 비금속과 알루미늄을 포함하는 금속일 수 있다.
제2 히트 소스(150)로부터의 열전달 방식은 전도, 대류, 복사 등의 형태가 모두 가능하다.
본 실시예의 경우, 제2 히트 소스(150)가 공정 챔버(110)의 사이드 벽면에 배치되어 대략 수평 방향으로 열전달을 진행하고 있지만 수직 방향이나 경사 방향으로 열전달이 진행되도록 할 수도 있으며, 이러한 사항 모두는 본 발명의 권리범위에 속한다 하여야 할 것이다.
이와 같은 제2 히트 소스(150)가 설치되기 위해 공정 챔버(110)의 사이드 벽면에는 제2 히트 소스(150)가 수용되는 소스 수용부(151)가 형성된다.
기판 로딩유닛(120)과 소스 수용부(151) 사이에는 제2 히트 소스(150)를 보호하는 보호 윈도우(152, Window)가 마련된다. 그리고 윈도우(152)의 반대편 벽면에는 제2 히트 소스(150)로부터의 열에 대한 방향성을 유지시키면서 전달하는 열반사 미러(153, Mirror)가 마련된다.
도시된 것처럼 보호 윈도우(152)는 평평한 평면을 형성하며, 열반사 미러(153)는 곡면을 형성할 수 있다.
컨트롤러(160)는 다수의 반응물에 대응되는 공정 온도를 통해 다수의 반응물이 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응을 진행할 수 있도록 제1 및 제2 히트 소스(140,150)를 컨트롤한다.
이때, 컨트롤러(160)는 다수의 반응물 중 어느 하나가 공정 챔버(110) 내로 공급될 때, 공정 챔버(110) 내로 공급되는 반응물의 공정 온도에 공정 챔버(110) 내의 공정 온도가 대응될 수 있도록 제1 및 제2 히트 소스(140,150)를 실시간으로 컨트롤한다.
이와 같은 구성을 갖는 원자층 증착장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
별도의 로봇에 의해 5장의 기판이 공정 챔버(110) 내로 유입되어 기판 로딩 플레이트(121)에 로딩된다.
기판이 공급될 때는 다수의 기판 로딩 플레이트(121)가 공정 챔버(110) 내의 하부 영역에 배치되어 있다가 기판이 로딩되면 다수의 기판 로딩 플레이트(121)가 공정 챔버(110) 내의 상부 공정 위치까지 이동되며, 이후에 증착공정이 개시된다.
예컨대, A 반응물에 대한 증착공정이 개시되면 컨트롤러(160)가 제1 및 제2 히트 소스(140,150)를 동시에 혹은 독립적으로 컨트롤하는 한편 실시간으로 컨트롤한다. 즉 A 반응물이 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 진행될 수 있게 컨트롤러(160)가 제1 및 제2 히트 소스(140,150)를 동시에 혹은 독립적으로 컨트롤하는 한편 실시간으로 컨트롤하여 공정 온도를 예컨대, 255℃로 유지시킨다.
이어 샤프트 회전부(133)에 의한 수직 샤프트(131)가 회전되고, 이에 따라 5개의 인젝터(132)들이 동시에 같은 궤적을 그리면서 기판의 상부 영역에서 움직인다.
따라서 수직 샤프트(131)를 통해 들어온 반응물(기체)은 5개의 인젝터(132)들에 형성되는 다수의 분사구(132a)를 통해 5장의 기판 표면으로 각각 분사되어 A 반응물에 대한 원자층 증착공정을 수행할 수 있다. 원자층 증착공정의 사이클은 도 1을 참조한다.
다음, A 반응물의 원자층 증착공정이 완료되면, 이어서 B 반응물의 원자층 증착공정이 개시된다.
B 반응물이 공정 챔버(110) 내로 공급될 때는 A 반응물과 자기 제한적 반응의 공정 온도가 전혀 다른 B 반응물이 공정 챔버(10) 내로 공급됨과 동시에 공정 온도를 예컨대, 265℃로 대응시켜 주어야 한다. 이는 컨트롤러(160)가 담당한다.
즉 컨트롤러(160)가 제1 및 제2 히트 소스(140,150)를 동시에 혹은 독립적으로 컨트롤하는 한편 실시간으로 컨트롤하여 B 반응물이 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 진행될 수 있게 공정 온도를 예컨대, 265℃로 유지시킨다.
공정 온도가 B 반응물이 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 진행될 수 있는 온도로 맞춰지면 비로소 인젝터(132)들의 동작에 의한 B 반응물의 원자층 증착공정이 진행된다.
B 반응물의 원자층 증착공정이 완료되면, 이어서 C 반응물의 원자층 증착공정이 개시되는데, 이 역시 위에서 설명한 동일한 방식을 취한다.
이와 같은 구조와 동작을 갖는 본 실시예에 따르면, 다중막 증착 시 반응물의 종류에 따라 상이한 공정 온도를 해당 반응물에 따라 유동적으로 변경시켜 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 박막의 전기적 특성을 최적화시킬 수 있게 된다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원자층 증착장치의 절개 사시도, 도 13은 도 12의 정면도, 그리고 도 14는 도 13에서 인젝터가 스위핑된 상태의 도면이다.
본 실시예의 경우, 제2 히트 소스(250)는 기판 로딩 플레이트(121)의 상부 영역에서 기판 로딩 플레이트(121)와 나란하게 배치되고 있다.
즉 전술한 실시예의 제2 히트 소스(150)는 공정 챔버(110)의 사이드 벽면에 배치된 상태에서 수평 상태로 열전달을 수행하고 있지만, 본 실시예의 제2 히트 소스(250)는 기판 로딩 플레이트(121)의 상부 영역에 배치된 상태에서 수직 상태로 열전달을 수행하고 있다.
이와 같은 구조가 적용되더라도 다중막 증착 시 반응물의 종류에 따라 상이한 공정 온도를 해당 반응물에 따라 유동적으로 변경시켜 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응이 정상적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 박막의 전기적 특성을 최적화시킬 수 있다.
본 실시예의 제2 히트 소스(150)는 기판 로딩 플레이트(121) 하나당 하나씩 배치될 수도 있고, 도시된 것처럼 기판 로딩 플레이트(121)에 다수 개가 배열될 수도 있다.
본 실시예의 제2 히트 소스(250) 역시, 예컨대 일반적 저항 히터, 램프 히터(Lamp Heater) 등의 단품이거나 단품의 조합일 수 있다. 또한 제2 히트 소스(250)의 재질은 석영을 비롯한 모든 비금속과 알루미늄을 포함하는 금속일 수 있다. 그리고 제2 히트 소스(250)로부터의 열전달 방식은 전도, 대류, 복사 등의 형태가 모두 가능하다. 기타 나머지 구성들의 구조와 역할은 전술한 실시예와 동일하다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 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.
110 : 공정 챔버 111 : 게이트
120 : 기판 로딩유닛 121 : 기판 로딩 플레이트
130 : 인젝터 어셈블리 131 : 수직 샤프트
132 : 인젝터 133 : 샤프트 회전부
140 : 제1 히트 소스 150 : 제2 히트 소스
151 : 소스 수용부 152 : 보호 윈도우
153 : 열반사 미러 160 : 컨트롤러

Claims (10)

  1. 기판(Substrate)이 로딩되는 기판 로딩 플레이트를 구비하며, 원자층 증착공정이 진행되는 공정 챔버(Process Chamber) 내에 마련되는 기판 로딩유닛(Substrate Loading Unit);
    상기 공정 챔버에 결합되며, 상기 기판 로딩 플레이트에 로딩되는 기판을 향해 스위핑되면서 상기 기판의 표면으로 다중막 증착을 위한 다수의 반응물을 공급하는 인젝터 어셈블리(Injector Assembly); 및
    상기 공정 챔버의 서로 다른 위치에 다수 개 배치되며, 상기 기판과의 접촉 또는 비접촉 방식을 선택 적용하여 상기 다수의 반응물에 따라 상이한 공정 온도에 대응되게 상기 공정 챔버 내부를 가열하는 멀티 히트 소스(Multi Heat Source)를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 반응물에 대응되는 공정 온도를 통해 상기 다수의 반응물이 자기 제한적 반응에 의한 화학 흡착반응을 진행할 수 있도록 상기 멀티 히트 소스를 컨트롤하는 컨트롤러 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 다수의 반응물 중 어느 하나가 상기 공정 챔버 내로 공급될 때, 상기 공정 챔버 내로 공급되는 반응물의 공정 온도에 상기 공정 챔버 내의 공정 온도가 대응될 수 있도록 상기 멀티 히트 소스를 실시간으로 컨트롤하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판 로딩 플레이트는 상기 공정 챔버 내에서 상하 방향을 따라 다수 개 배치되어 상기 기판을 층별로 지지하며,
    다수 개의 상기 기판 로딩 플레이트는 상기 공정 챔버 내에서 상하 방향을 따라 승하강 운동되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 멀티 히트 소스는 상기 기판 로딩 플레이트 하나당 하나씩 대응 배치되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 멀티 히트 소스는,
    상기 기판과 접촉되어 상기 기판을 가열하는 제1 히트 소스; 및
    상기 제1 히트 소스에 이웃하게 배치되며, 상기 기판과 비접촉된 상태로 상기 기판을 가열하는 제2 히트 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 히트 소스는 상기 기판과 직접 접촉될 수 있도록 상기 기판 로딩 플레이트의 상면에 부착되는 히팅 패드이며,
    상기 제2 히트 소스는 상기 기판 로딩 플레이트의 둘레면 외측 영역에서 상기 공정 챔버의 사이드 벽면에 배치되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 공정 챔버의 사이드 벽면에 형성되며, 상기 제2 히트 소스가 수용되는 소스 수용부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기판 로딩유닛과 상기 소스 수용부 사이에 마련되어 상기 제2 히트 소스를 보호하는 보호 윈도우(Window); 및
    상기 보호 윈도우의 반대편 벽면에 마련되며, 상기 제2 히트 소스로부터의 열에 대한 방향성을 유지시키면서 전달하는 열반사 미러(Mirror)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 히트 소스는 상기 기판 로딩 플레이트의 상부 영역에서 상기 기판 로딩 플레이트와 나란하게 배치되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
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