KR20140109234A - 분산을 이용한 원자층 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노 입자를 진동을 가진 파장을 이용하여 분산시켜 개별 나노 입자에 균일하게 증착할 수 있는 분산을 이용한 원자층 증착 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 분산을 이용한 원자층 증착 장치는 파우더 챔버; 상기 파우더 챔버와 연결되어 기체가 상기 파우더 챔버로 이동될 수 있는 가스 이동관; 일정 주파수의 진동을 일으킬 수 있는 파장을 발생시키는 파장 발생부; 상기 파장 발생부의 파장 발생을 제어하는 파장 제어부; 및 상기 파우더 챔버 및 상기 파장 발생부를 수용하고, 상기 파장 발생부에서 발생한 파장이 상기 파우더 챔버로 전달수 있도록 소정 매질이 채워질 수 있는 매질 챔버를 포함할 수 있다.

Description

분산을 이용한 원자층 증착 장치{APPARATUS OF ATOMIC LAYER DEPOSITION USUING DISPERSION}
본 발명은 원자층 증착 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 입자를 진동을 가진 파장을 이용하여 분산시켜 개별 나노 입자에 균일하게 증착할 수 있는 분산을 이용한 원자층 증착 장치에 관한 것이다.
원자층 증착법(Atomic Layer Deposition: ALD)은 박막 증착 장치로서 자기제한적(self-limitation) 특성을 이용하여 박막의 두께를 원자층 단위로 조절 할 수 있는 방법이다. 또한 에어로졸 공정(Aerosol process) 및 화학기상 증착법(Chemical Vapor Depostion)등의 종래의 증착 기술보다 월등한 박막의 균일성(conformality)으로 인해 특히 반도체 산업에서 게이트 산화막과 같은 초박막을 형성하는데 있어 큰 장점을 지니고 있다.
나노입자에 균일한 박막을 형성하는 것은 촉매, 에너지 저장장치 그리고 연료전지와 같은 에너지 분야에서 필요로 하는 기술이다. 최근에는 이러한 기술적인 수요에 발맞추어 원자층 증착법의 균일성을 이용한 파우더 및 파티클과 같은 다공성 나노입자에 균일한 증착을 수행하려는 시도가 이루어지고 있다.
하지만 나노입자의 경우 서로 응집(agglomeration)하려는 특성이 있기 때문에 나노입자들을 분산(dispersion)시키지 않는 다면 원자층 증착법으로도 균일한 박막 형성이 어렵게 된다.
이를 해결하기 위하여 진동 및 회전 원자층 증착법이 개발되어 쓰이고 있다. 진동을 이용한 원자층 증착법은 챔버를 위아래로 진동시켜 챔버내의 나노입자를 유동화시켜 분산시키면서 원자층 증착법을 수행하는 것이다. 또한 회전 원자층 증착법은 자성을 이용하여 외부에서 챔버 내의 나노입자를 함유한 다공성 실린더를 회전시켜 줌으로서 나노입자를 분산시키면서 원자층 증착법을 수행하는 것이다.
진동 및 회전 원자층 증착법의 경우 결과적으로는 나노입자에 균일한 원자층 증착이 가능하다는 점에서 의미가 있지만 진동 원자층 증착법은 기계적인 진동을 이용하기 때문에 시스템의 수명이 짧고 회전 원자층 증착법의 경우 시스템의 구성이 복잡하고 오래 사용할수록 회전력이 감소한다는 단점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0055435호는 하나의 프로세스 챔버에서 동시에 서로 다른 소스가스를 제공하여 복수의 기판에 대해 동시에 막 증착 공정이 가능한 원자층 증착 장치가 개시되어 있다.
그러나 상기 대한민국 공개특허 제10-2009-0055435호는 기계적인 진동이나 회전 없이도 나도 입자의 응집 예방 및 분산을 통해 균일한 원자층 증착을 위한 기술에 대해서는 개시하고 있지 않다.
따라서 기계적인 진동이나 회전 없이도 나도 입자의 응집 예방 및 분산을 통해 균일한 원자층 증착을 위한 기술에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 기계적인 진동이나 회전 없이도 나노 입자의 응집 예방 및 분산을 통해 나노 입자의 표면에 균일하게 원하는 물질을 증착 할 수 있는 분산을 이용한 원자층 증착 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 파우더 챔버; 상기 파우더 챔버와 연결되어 기체가 상기 파우더 챔버로 이동될 수 있는 가스 이동관; 일정 주파수의 진동을 일으킬 수 있는 파장을 발생시키는 파장 발생부; 상기 파장 발생부의 파장 발생을 제어하는 파장 제어부; 및 상기 파우더 챔버 및 상기 파장 발생부를 수용하고, 상기 파장 발생부에서 발생한 파장이 상기 파우더 챔버로 전달수 있도록 소정 매질이 채워질 수 있는 매질 챔버를 포함하는 분산을 이용한 원자층 증착 장치가 제공된다.
본 발명의 일실예와 관련된 분산을 이용한 원자층 증착 장치는 진동을 가진 파장(예: 초음파)을 이용하여 챔버에 진동 또는 회전과 같은 물리적인 요소를 가하지 않더라도 내부의 나노 입자를 분산시키는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 분산을 이용한 원자층 증착 장치의 구조도이다.
도 2는 도 1에 도시된 분산을 이용한 원자층 증착 장치를 이용하여 원자층 증착을 수행하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 파장의 세기별 나노 입자의 응집 및 분산 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 임계 초음파 조건에서의 비활성 기체 유량별 나노 입자의 분산상태를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일실시예와 관련된 분산을 이용한 원자층 증착 장치 및 원자층 증착법에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 하겠다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 분산을 이용한 원자층 증착 장치의 구조도이다.
도시된 바와 같이, 분산을 이용한 원자층 증착 장치(200)는 비활성 기체 저장부(10), 유량 조절부(20), 공정 제어부(30), 파장 제어부(40), 파장 발생부(50), 반응물 저장부(60), 가스 이동관(70), 클램프(80), 파우더 챔버(90), 매질 챔버(100), 압력 게이지(110), 디스플레이(120), 펌프(130), 배기 통로(140) 등을 포함할 수 있다.
비활성 기체 저장부(10)에는 질소 또는 아르곤 가스 등의 비활성 기체가 저장될 수 있다. 상기 비활성 기체는 운반 기체(carrier gas) 역할을 수행할 수 있다.
유량 조절부(20)는 운반 기체의 유량을 제어한다. 예를 들어, 유량 조절부(20)는 상기 압력 게이지(110)에 측정된 압력에 근거하여 유량을 제어할 수 있다. 압력을 측정하여 나노 입자는 상기 파우더 챔버(90)에 남게 하고, 비활성 기체만 배기 통로(140)를 통해 배출되도록 유량을 제어할 수 있다.
공정 제어부(30)는 비활성 기체의 유입(purging)과 전구체 유입(pulsing)의 반복적 자동적 수행을 제어할 수 있다.
파장 제어부(40)는 진동을 가진 파장의 발생, 파장의 세기 등을 제어하여 파장 발생부(50)를 파장을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 파장 제어부(40)는 상기 파장 발생부(50)를 통해 초음파를 발생시킬 수 있다. 상기 파장 발생부(50)는 상기 매질 챔버(100) 내에 담겨 있을 수 있다.
반응물 저장부(60)는 반응물이 저장될 수 있다. 상기 반응물 저장부(60)는 실린더 형태일 수 있다. 상기 반응물은 물, 산소, 오존 등을 포함할 수 있을 뿐만 아니라 전구체도 포함할 수 있다. 반응물 저장부(60)는 각각 캐니스터, 매뉴얼 벨브, 공압밸브로 구성될 수 있다.
가스 이동관(70)은 가스 라인으로 반응물 또는 비활성 기체가 이동하는 통로이다.
상기 반응물 또는 비활성 기체는 상기 가스 이동관(70)을 통해 이동되어 파우더 챔버(90)로 공급될 수 있다. 상기 파우더 챔버(90)에는 중력 반대 방향의 이동 경로가 형성될 수 있다. 상기와 같이 파우더 챔버(90)에 중력 반대 방향의 이동 경로가 형성됨으로써, 원자측 증착 공정 중 나노 입자가 소실되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 파우더 챔버(90)는 U자관 형태일 수 있다. 상기 파우더 챔버(90)에는 파우더인 나노 입자가 주입된다.
상기 가스 이동관(70)과 상기 파우더 챔버(90)는 클램프(80)로 연결하여 탈부착이 쉽게 가능하다.
매질 챔버(100)에는 진동을 가진 파장(예: 초음파)를 파우더 챔버(90)로 전달할 수 있는 매질이 채워질 수 있다. 상기 매질은 밀도가 높을수록 파장을 잘 전달될 수 있다. 예를 들어, 매질로 기름을 사용할 수 있다. 또한, 상기 매질 챔버(100)에는 파우더 챔버(90) 및 파장 발생부(50)가 수용될 수 있다. 상기 진동을 가진 파장(예: 초음파)이 상기 매질을 통해 파우더 챔버(90)에 전달되면, 상기 파우더 챔버(90)에 존재하는 나노 입자는 분산될 수 있다. 이를 통해 원자층 증착법이 개별 나노입자마다 균일하게 이루질 수 있다.
상기 압력 게이지(110)는 상기 파우더 챔버(90) 내의 압력을 측정하며, 상기 디스플레이(120)를 통해 측정된 압력이 관찰될 수 있다.
펌프(130)는 비활성 기체 및 발생한 여러 반응물이 상기 배기 통로(140)를 통해 배출되도록 펌핑을 수행할 수 있다. 또한, 펌프(130)는 원자측 증착 공정 중 진공을 유지하는 역할을 수행할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 분산을 이용한 원자층 증착 장치를 이용하여 원자층 증착을 수행하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
먼저, 원자층을 증착시키기 위한 나노 입자(91)를 파우더 챔버(90) 내에 유입한다(S210).
상기 나노 입자(91)가 유입된 상태에서, 상기 파장 제어부(40)는 상기 진동을 가진 파장을 파장 발생부(50)를 통해 발생시킬 수 있다(S220).
이하, 실시예서는 초음파를 진동을 가진 파장의 예로 설명하기로 하겠다.
발생된 초음파의 세기에 따라 나노 입자의 분산 정도가 조절될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 파장의 세기별 나노 입자의 응집 및 분산 상태를 나타내는 도면이다.
먼저 초음파 세기가 약할 때는 나노 입자간 응집을 깰 수가 없으므로 나노 입자를 분산시킬 수 있는 초음파 세기(임계 초음파)를 만들어야 한다.
도 3(a)는 초음파를 가하지 않았을 경우 나노 입자의 모양이며 분산이 이루어지지 않고 응집해 있는 모양이다. 도 3(b)는 초음파를 약하게 가했을 경우이며, 개별 나노 입자 분산이 이루어지지 않고 부분 응집이 관찰되는 된다. 도 3(c)는 임계 초음파 이상의 초음파 세기를 가했을 경우이며, 나노 입자가 완전히 분산된 형태를 보인다.
즉, 나노 입자가 응집되었는지를 판단하여 응집되어 있는 경우는 파장 제어부(40)는 파장의 세기를 조절할 수 있다(S230, S240).
파장의 세기 조절을 통해, 나노 입자의 분산이 잘 이루어진 경우, 상기 반응물 저장부(60)에 저장된 전구체를 상기 가스 이동관(70)을 통해 상기 파우더 챔버(90) 내로 유입할 수 있다(S250).
상기 전구체가 유입된 상태에서 상기 비활성 기체 저장부(10)에 저장된 비활성 기체를 상기 상기 가스 이동관(70)을 통해 상기 파우더 챔버(90) 내로 유입할 수 있다(S260).
이 경우, 상기 비활성 기체의 유량에 따라 파우더 챔버(90) 내에 존재하는 나노 입자의 분산이 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 임계 초음파 조건에서의 비활성 기체 유량별 나노 입자의 분산상태를 나타내는 도면이다. 즉, 도 4는 임계 초음파 이상의 초음파를 가한 상태에서 유량 조절의 정도에 따라 나노 입자의 분산을 나타낸 것이다.
도 4(a)는 임계 초음파 이상의 초음파를 가한 상태이지만 비활성 기체가 가해지지 않거나 그 유량이 적은 경우로서 나노 입자의 분산은 이루어 졌지만 입자간 거리가 가깝다.
도 4(b)는 임계 초음파 이상의 초음파와 함께 비활성 기체가 충분히 가해지는 경우의 나노 입자 분산 형태이다.
도 4(c)는 나노 입자 분산의 원리를 나타낸다.
도 4(b)와 같이, 임계 초음파 이상의 초음파와 함께 비활성 기체가 충분히 가해지는 경우, 적절한 비활성 기체의 유량이 가해질 경우 비활성 기체 유량에 의한 힘과 중력이 평행을 이루게 되면서 유동화가 이루어지게 된다. 이 때, 초음파에 의한 진동에 의한 힘은 입자간 응집을 예방하게 된다. 이런 상태에서 원자층 증착이 지속적으로 이루어질 경우 개별 나노 입자에 균일한 증착이 가능하게 된다.
즉, 나노 입자간 거리가 소정 거리 이내에 있는가를 판단하여, 나노 입자간 거리가 소정 거리에 있는 경우는 상기 유량 조절부(20)는 비활성 기체의 유량을 조절하여 상기 나노 입자의 분산이 잘 이루어지게 할 수 있다(S270, S280)
상기 파우더 챔버(90)에서 원자층 증착이 이루어지면 비활성 기체 및 발생한 여러 반응물은 펌프(130)를 통해 배기 통로(140)로 배출된다. 펌프(130)는 원자층 증착 공정 시, 진공을 유지하는 역할을 하며 이 때 압력 게이지(110)를 통해 압력을 측정되면, 디스플레이(120)를 통해 측정된 압력이 관찰될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의한 원자층 증착법에서는 파우더 챔버(90) 내의 나노 입자를 가열하는 것이 필요한데 이 때 초음파는 나노 입자를 분산시킴과 동시에 초음파 매질 및 나노 입자를 미세하게 진동시켜 진동에 의한 열을 발생시킬 수 있다. 이 때 원하는 온도에 맞게 초음파의 세기를 조절 할 수 있고 초음파 매질을 다르게 사용하여(고체 매질 및 액체 매질) 초음파 매질이 열적 평형에 다다르게 될 경우 그 안에 담겨있는 파우더 챔버(90) 및 나노 입자 또한 그 온도에 맞게 가열될 수 있다. 즉, 기존에 원자층 증착법에서 챔버를 가열하기 위해 사용하는 히팅 맨틀, 히팅 컨트롤러로 구성된 히팅 시스템이 요구되지 않아 시스템 단순화 및 가격 절감이 가능하고 히팅 맨틀에서 발생하는 열경화로 인한 수명 문제를 해결 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의하면, 챔버를 U자관 형태로 제작하게 되면 나노 입자가 중력에 의하여 움직임이 제한되기 때문에 나노 입자의 손실 및 훼손을 방지하기 위한 다공성 구조의 실린더, 메쉬 가스켓 및 필터를 필요로 하지 않게 되어 시스템의 단순화 및 가격 절감이 가능하다. 이 때 챔버를 투명한 재질을 사용하면 나노입자의 분산 정도와 원자층 증착법 공정 과정을 관찰 할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이 설명된 분산을 이용한 나노입자 원자층 증착 장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
200: 원자층 증착 장치
10: 비활성 기체 저장부 20: 유량 조절부
30: 공정 제어부 40: 파장 제어부
50: 파장 발생부 60: 반응물 저장부
70: 가스 이동관 80: 클램프
90: 파우더 챔버 91: 파우더
100: 매질 챔버 110: 압력 게이지
120: 디스플레이 130: 펌프
140: 배기 통로

Claims (5)

  1. 파우더 챔버;
    상기 파우더 챔버와 연결되어 기체가 상기 파우더 챔버로 이동될 수 있는 가스 이동관;
    일정 주파수의 진동을 일으킬 수 있는 파장을 발생시키는 파장 발생부;
    상기 파장 발생부의 파장 발생을 제어하는 파장 제어부; 및
    상기 파우더 챔버 및 상기 파장 발생부를 수용하고, 상기 파장 발생부에서 발생한 파장이 상기 파우더 챔버로 전달수 있도록 소정 매질이 채워질 수 있는 매질 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산을 이용한 원자층 증착 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파우더 챔버는
    중력 반대 방향으로의 이동 경로를 형성된 것을 특징으로 하는 분산을 이용한 원자층 증착 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 파우더 챔버는
    U자관 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 분산을 이용한 원자층 증착 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 분산을 이용한 원자층 증착 장치는
    상기 가스 이동관을 통해 이동되는 비활성 기체의 유량을 제어하는 유량 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분산을 이용한 원자층 증착 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 분산을 이용한 원자층 증착 장치는
    상기 가스 이동관을 통한 비활성 기체의 유입 및 전구체의 유입의 반복적 수행을 위한 공정 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분산을 이용한 원자층 증착 장치.
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