KR20140133438A - 원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법 - Google Patents

원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법 Download PDF

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소니 주식회사
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Abstract

밀폐가능한 증착 챔버; 증착 챔버 안에 증착 표면을 포함하는 기판을 고정하도록 구성된 고정부; 가스를 공급하는 가스 공급원에 연결된 주입부를 포함하고, 증착 표면에 대향하는 위치로부터 증착 챔버에의 주입부로 주입된 가스를 공급하도록 구성된 공급 기구; 및 가스를 배기할 수 있는 배기 기구에 연결된 배기부를 포함하고, 증착 표면에 대향하는 위치로부터 증착 챔버를 배기하도록 구성된 배기 기구를 포함하는, 원자층 증착 장치가 제공된다.

Description

원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법{ATOMIC LAYER DEPOSITION APPARATUS AND ATOMIC LAYER DEPOSITION METHOD}
[관련 출원의 상호 참조]
본 출원은 2013년 5월 9일자로 출원된 일본 특허 출원 제2013-099016호인 우선권을 주장하며, 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
본 명세서는, 기판에 박막을 형성할 수 있는 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 장치 및 원자층 증착 방법에 관한 것이다.
최근, 대형 유리 기판(예를 들면, 평판 디스플레이(flat-panel display, FPD), 태양전지판 등에 사용되는 기판)의 제조 분야에 있어서의 박막 제조 방법으로서, 원자층 증착(ALD) 방법이 주목을 끌고 있다. ALD 방법은 2 종류의 전구체 가스를 기판의 증착 표면 위에 교대로 공급하여 기판의 증착 표면 위에 한 번에 타겟(target) 물질 일 층을 형성하는 것을 포함한다. ALD 방법은 박막의 막 두께에 관한 제어성이 뛰어나고, 따라서 고품질의 박막을 형성할 수 있다.
일본 특허 출원 공개 공보 제2006-310813호(이하, 특허문허 1로 언급)는 ALD 장치를 개시한다. ALD 장치에서, 전구체 가스를 증착 챔버에 주입하기 위한 주입부가 기판의 증착 표면 위의 일단부에서 제공되고, 증착 챔버를 배기하기 위한 배기부가 기판의 증착 표면 위의 상기 일단부에 대향하는 타단부에서 제공된다. 증착 챔버 안으로 주입된 전구체 가스가 기판의 증착 표면에 공급되고, 기판의 증착 표면을 통과해 온 잉여 가스가 배기된다. 그 때문에, 2 종류의 전구체 가스는 교대로 증착 챔버에 주입되고 그 이후 교대로 기판의 증착 표면에 공급된다. 그 결과, 기판의 증착 표면에 박막이 형성된다.
특허문헌 1에 개시된 ALD 장치에서, 기판의 증착 표면 위의 가스 농도는 주입부측 및 배기부측에서 불균일해진다. 그 때문에, 기판의 증착 표면의 전역에 걸쳐 가스 공급 조건을 균일하게 제어하는 것이 곤란하다. 따라서, ALD 장치에서, 기판의 증착 표면에 형성되는 박막의 막 두께 및 질이 불균일해지기 쉽다.
상기에서 설명한 바와 같은 상황을 볼 때, 균일한 박막을 형성할 수 있는 원자층 증착 장치에 대한 필요가 있다.
본 명세서의 실시양태에 따르면, 증착 챔버, 고정부, 공급 기구, 및 배기 기구를 포함하는 원자층 증착 장치가 제공된다.
증착 챔버는 밀폐가능하다.
고정부는 증착 챔버 내에 증착 표면을 포함하는 기판을 고정하도록 구성된다.
공급 기구는 가스를 공급하는 가스 공급원에 연결되는 주입부를 포함하고 주입부로 주입된 가스를 증착 표면에 대향하는 위치로부터 증착 챔버에 공급하도록 구성된다.
배기 기구는 가스를 배기할 수 있는 배기 기구에 연결되는 배기부를 포함하고 증착 표면에 대향하는 위치로부터 증착 챔버를 배기하도록 구성된다.
이 구조에 의해, 기판의 증착 표면에 대향하는 위치에서 증착 챔버에 대해 가스 주입 및 배기를 수행하는 것이 가능하게 된다. 그 때문에, 원자층 증착 장치에서, 기판의 증착 표면의 전체에 균일하게 가스가 공급되고, 기판의 증착 표면에서의 가스 농도는 거의 불균일해지지 않는다. 따라서, 원자층 증착 장치는 기판의 증착 표면에 균일한 박막을 형성할 수 있다.
또한, 원자층 증착 장치에서, 기판의 증착 표면에 대향하는 영역이 좁혀지더라도, 기판의 증착 표면에서의 가스 농도는 거의 불균일해지지 않는다. 그 때문에, 증착 챔버의 용적을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 원자층 증착 장치에서, 배기 시간을 단축시킬 수 있다.
공급 기구는, 주입부에 연결되고 증착 표면에 대향하는 공급 포트를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 배기 기구는, 배기부에 연결되고 증착 표면에 대향하는 배기 포트를 더 포함할 수 있다.
이 구조에 의해, 공급 기구 및 배기 기구를 독립적으로 제어할 수 있다.
공급 포트와 배기 포트는 서로 인접할 수 있다.
이 구조에 의해, 가스 주입 및 배기가 인접하는 위치에서 수행된다. 그 때문에, 원자층 증착 장치에서, 기판의 증착 표면의 가스 농도는 거의 불균일해지지 않는다.
공급 기구는 복수의 공급 포트 및 복수의 공급 포트를 주입부에 연결하고 복수의 공급 포트와 함께 매니폴드(manifold)를 형성하는 공급 경로를 더 포함할 수 있다.
추가로, 배기 기구는 복수의 배기 포트 및 복수의 배기 포트를 배기부에 연결하고 복수의 배기 포트와 함께 매니폴드를 형성하는 배기 경로를 더 포함할 수 있다.
이 구조에 의해, 공급 경로 및 복수의 공급 포트가 매니폴드를 형성하고 있기 때문에, 공급 경로에서의 가스 압력이 일정해지고, 복수의 공급 포트에서 증착 챔버에 대한 가스 주입 압력 또한 일정해진다. 또한, 배기 경로 및 복수의 배기 포트가 매니폴드를 형성하고 있기 때문에, 배기 경로에서의 가스 압력이 일정해지고, 복수의 배기 포트에서 증착 챔버에 대한 가스 배기 압력 또한 일정해진다. 그 결과, 원자층 증착 장치에서, 기판의 증착 표면에서의 가스 농도는 거의 불균일해지지 않는다.
공급 경로, 공급 포트, 배기 경로, 및 배기 포트가 단일 유로 형성 부재(single flow path formation member)에 모두 형성될 수 있다.
이 구조에 의해, 상기에서 설명한 기능을 용이하게 실현할 수 있다.
원자층 증착 장치는 복수의 공급 기구를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 복수의 공급 기구는 상이한 종류의 가스를 증착 챔버에 공급할 수 있다.
이 구조에 의해, 전구체 가스의 종류에 따라 공급 기구를 구별되게 사용할 수 있다. 그 결과, 전구체 가스 가운데서 크로스토크(crosstalk)가 공급 기구 내에 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이 구조에 의해, 전구체 가스가 낭비되게 사용되는 것을 방지할 수 있고, 공급 기구에서 반응 물질의 석출이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
공급 기구는 복수의 공급 경로 및 복수의 공급 경로를 주입부에 연결하고 복수의 공급 경로와 함께 매니폴드를 형성하는 주입 챔버를 더 포함할 수 있다.
추가로, 배기 기구는 복수의 배기 경로 및 복수의 배기 경로를 배기부에 연결하고 복수의 배기 경로와 함께 매니폴드를 형성하는 배기 챔버를 더 포함할 수 있다.
이 구조에 의해, 주입 챔버 및 복수의 공급 경로가 매니폴드를 형성하고 있기 때문에, 주입 챔버에서의 가스 압력이 일정하게 되고, 복수의 공급 경로에서 가스 압력 또한 일정하게 된다. 또한, 배기 챔버 및 복수의 배기 경로가 매니폴드를 형성하기 때문에, 배기 챔버에서의 가스 압력이 일정하게 되고, 복수의 배기 경로에서 가스 압력 또한 일정하게 된다.
그 때문에, 증착 챔버에 대해 모든 공급 포트에서 가스 주입 압력이 일정해지고, 모든 배기 포트에서 증착 챔버 내 가스 배기 압력이 일정하게 된다. 그 때문에, 원자층 증착 장치에서, 기판의 증착 표면에서 가스 농도는 거의 불균일해지지 않는다.
복수의 공급 경로 및 복수의 배기 경로는 교대로 배열될 수 있다.
이 구조에 의해, 복수의 공급 포트 및 복수의 배기 포트가 서로 근접한 구조를 실현할 수 있다.
원자층 증착 장치는 배기 기구와 주입부를 연결하는 바이패스 경로를 더 포함할 수 있다.
이 구조에 의해, 배기 기구에 의한 증착 챔버의 배기가 배기부 외에도 주입부를 통하여 수행된다. 따라서, 증착 챔버의 배기 시간을 단축할 수 있다.
원자층 증착 장치는, 가스 공급원과 주입부 사이에 제공되고 주입부로 주입되는 가스의 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 유닛을 더 포함할 수 있다.
이 구조에 의해, 플라즈마에 의해 활성화된 전구체 가스가 기판의 증착 표면에 공급된다. 그 때문에, 전구체 가스의 반응이 활성화된다.
원자층 증착 장치는, 증착 챔버 내에 제공되고 전원 공급 장치에 연결되어 증착 챔버 내에 가스의 플라즈마를 발생시키는 한 쌍의 전극을 더 포함할 수 있다.
이 구조에 의해, 증착 챔버 내에 전구체 가스의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 그 때문에, 전구체 가스의 반응이 활성화된다.
주입 기구 및 공급 기구 모두 단일 유로 형성 부재에 형성될 수 있고, 고정부 및 유로 형성 부재는 한 쌍의 전극을 구성할 수 있다.
이 구조에 의해, 증착 챔버에서 전구체 가스의 반응을 활성화할 수 있는 구조를 용이하게 실현할 수 있다.
원자층 증착 장치는 각각 증착 챔버, 고정부, 공급 기구, 및 배기 기구를 포함하는 복수의 원자층 증착 유닛을 더 포함할 수 있다.
이 구조에 의해, 동시에 복수의 기판의 증착 표면에 박막을 형성할 수 있다.
복수의 원자층 증착 유닛을 증착 표면과 수직한 방향으로 적층할 수 있다.
이 구조에 의해, 원자층 증착 장치는 다층 구조가 된다. 그 결과, 원자층 증착 장치의 소형화 및 원자층 증착 유닛에서 기판의 반입 및 반출 방향을 공통으로 설정하는 것이 가능하게 된다.
본 명세서의 실시양태에 따라, 기판의 증착 표면에 대향하는 제1 위치로부터 가스를 공급하는 것; 및 증착 표면에 대향하는 제2 위치로부터 배기하는 것을 포함하는 원자층 증착 방법이 제공된다.
이 구조에 의해, 증착 챔버에 대한 가스 주입 및 배기가 기판의 증착 표면에 대향하는 위치에서 수행된다. 그 때문에, 원자층 증착 방법에 의해, 기판의 증착 표면 전체에 걸쳐 균일하게 가스가 공급되기 쉽고, 기판의 증착 표면에서의 가스 농도는 거의 불균일해지지 않는다. 그 때문에, 원자층 증착 방법에 의해, 기판의 증착 표면에 균일한 박막을 형성할 수 있다.
제1 위치와 제2 위치는 서로 인접할 수 있다.
이 구조에 의해, 가스 주입 및 배기는 근접한 위치에서 수행된다. 그 때문에, 원자층 증착 방법에서, 기판의 증착 표면에서의 가스 농도는 거의 불균일해지지 않는다.
원자층 증착 방법은 복수의 제1 위치로부터 가스를 공급하는 것; 및 복수의 제2 위치로부터 배기하는 것을 더 포함할 수 있다.
이 구조에 의해, 기판의 증착 표면에서의 가스 농도는 더 균일해진다.
원자층 증착 방법은 제1 위치로부터 플라즈마에 의해 활성화된 가스를 공급하는 것을 더 포함할 수 있다.
이 구조에 의해, 플라즈마에 의해 활성화된 전구체 가스가 기판의 증착 표면에 공급된다. 그 때문에, 전구체 가스의 반응이 활성화된다.
원자층 증착 방법은 증착 표면 및 증착 표면에 대향하는 표면 사이에 전압을 인가함으로써 제1 위치로부터 공급된 가스의 플라즈마를 발생시키는 것을 더 포함할 수 있다.
이 구조에 의해, 증착 표면에 공급된 전구체 가스의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 그 때문에, 전구체 가스의 반응이 활성화된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 명세서의 실시양태에 따르면, 균일한 박막을 형성할 수 있는 원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법을 제공할 수 있다.
본 명세서의 이러한 및 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부한 도면에 도시된 바와 같이, 다음의 그 실시양태의 최적 모드의 상세한 설명에 비추어 더 분명해진다.
도 1a는 본 명세서의 실시양태에 따른 ALD 장치의 평면도.
도 1b는 도 1a에 도시한 ALD 장치의 내부 구조를 도시한 개략도.
도 2는 도 1a에 도시한 ALD 장치의 선 A-A'에 따른 단면도.
도 3은 도 1a에 도시한 ALD 장치의 선 B-B'에 따른 단면도.
도 4는 도 1a에 도시한 ALD 장치에 의한 증착 방법을 도시한 흐름도.
도 5는 도 1a에 도시한 ALD 장치의 변형예의 설명도.
도 6은 도 1a에 도시한 ALD 장치의 각 부의 크기를 예시한 도.
도 7은 도 5에 도시한 ALD 장치의 변형예를 도시한 도.
도 8은 본 명세서의 실시양태에 따른 다층 ALD 장치의 단면도.
도 9는 도 8에 도시한 다층 ALD 장치의 가스 공급 시스템 및 배기 시스템을 도시한 도.
도 10은 비교예에 따른 ALD 장치의 가스 공급 시스템 및 배기 시스템을 도시한 도.
도 11은 도 9에 도시한 다층 ALD 장치의 변형예를 도시한 도.
도 12는 도 9에 도시한 다층 ALD 장치의 변형예를 도시한 도.
이하, 본 명세서의 실시양태를 도면을 참조하여 설명한다. 도는 적절하게 서로 직각인 X축, Y축, 및 Z축을 도시한다는 것을 주의해야 한다.
(ALD 장치(1)의 전체 구조)
도 1a는 본 명세서의 실시양태에 따른 원자층 증착(ALD) 장치(1)의 평면도이다. 도 1b는 도 1a에 도시한 ALD 장치(1)의 내부 구조를 도시한 개략도이다. 도 2 및 도 3은 ALD 장치(1)의 단면도이다. 도 2는 도 1a의 선 A-A'에 따른 단면도이고, 도 3은 도 1a의 선 B-B'에 따른 단면도이다. 도 1a에서, ALD 장치(1)의 내부 구조는 절결선에 의해 투시되고 제시된다. 도 1b에서, ALD 장치(1)의 내부 구조가 개략적으로 도시된다.
ALD 장치(1)는 유로 형성 부재(2)를 포함한다. 유로 형성 부재(2)는 X 및 Y축 방향으로 연장된 직사각형 판이다. 유로 형성 부재(2)는 그 속에 전구체 가스의 유로가 형성되는 부재이다.
유로 형성 부재(2)는 전구체 기체에 의해 거의 손상되지 않고 충분한 내열성을 갖는 고체 상태 재료로 형성된다. 이러한 재료의 예는 금속 재료 및 세라믹 재료를 포함한다. ALD 장치(1)가 저온에서 사용되고 가스가 가열에 의해 발생되지 않는 환경 하에서 수지 재료는 유로 형성 부재(2)를 형성하는 재료로 채용될 수 있다.
유로 형성 부재(2)를 형성하는 재료는 증착 물질 및 유로 세척 방법에 기초하여 결정될 수 있다. 본 실시양태에서, 증착 물질이 알루미나(Al2O3)인 경우를 설명한다. 그 때문에, 유로 형성 부재(2)는, 유로에 부착된 알루미나 막을 제거할 때 손상되기 어려운 스텐레스강으로 형성된다. 그러나, 증착 물질이 알루미나가 아니면, 예를 들어, ALD 장치(1)의 경량화를 위해 유로 형성 부재(2)를 형성하는 재료로서 알루미늄(Al)을 채용할 수 있다.
유로 형성 부재(2)에서, X축 방향으로 연장되는, 가스 공급용의 공급 경로(13) 및 배기용의 배기 경로(23)가 Y축 방향에서 규칙적인 간격으로 교대로 배열된다. 공급 경로(13)는 도 1a 내지 3에 도시한 유로 형성 부재(2)의 좌단부부터 그 우단부까지 연장된다. 배기 경로(23)는 도 1a 내지 3에 도시한 유로 형성 부재(2)의 우단부부터 그 좌단부까지 연장된다. 공급 경로(13)는 유로 형성 부재(2)의 우단부를 관통하지 않고, 배기 경로(23)는 유로 형성 부재(2)의 좌단부를 관통하지 않는다.
추가로, 유로 형성 부재(2)에서, 공급 경로(13)로부터 Z축 방향 아래 쪽으로 연장되는 공급 포트(14) 및 배기 경로(23)로부터 Z축 방향 아래 쪽으로 연장되는 배기 포트(24)가 제공된다. 공급 포트(14)는 각 공급 경로(13)의 X축 방향으로 규칙적인 간격으로 제공되는 복수의 위치로부터, Z축 방향으로 유로 형성 부재(2)의 하부 표면을 관통한다. 배기 포트(24) 또한 각 배기 경로(23)의 X축 방향으로 규칙적인 간격으로 제공되는 복수의 위치로부터, Z축 방향으로 유로 형성 부재(2)의 하부 표면을 관통한다.
공급 포트(14) 및 배기 포트(24)는 유로 형성 부재(2)의 하부 표면에 제공되지만, 기판(S)의 증착 표면에 대향하기만 하면 된다. 즉, 공급 포트(14)가 형성된 표면 및 배기 포트(24)가 형성된 표면은 Z축 방향으로 단차가 있을 수 있다. 예를 들면, Z축 방향에서의 배기 포트(24)의 하단이 Z축 방향에서의 공급 포트(14)의 하단보다 기판(S)의 증착 표면에서 더 떨어져 있을 수 있다.
각 공급 경로(13)는 공급 포트(14)보다 큰 직경을 가지고 각각은 복수의 공급 포트(14)와 함께 매니폴드를 형성한다. 각 배기 경로(23)는 배기 포트(24)보다 큰 직경을 가지고 각각은 배기 포트(24)와 함께 매니폴드를 형성한다. 각 배기 포트(24)는 공급 포트(14)보다 약간 큰 직경을 가진다.
공급 경로(13) 및 복수의 공급 포트(14)가 매니폴드를 형성하기 때문에, 공급 경로(13)에서의 가스 압력은 일정하게 유지되고, 따라서 복수의 공급 포트(14)는 일정한 압력의 가스를 기판(S)의 증착 표면에 공급한다. 추가로, 배기 경로(23) 및 복수의 배기 포트(24)가 매니폴드를 형성하기 때문에, 배기 경로(23)에서의 가스 압력이 일정하게 유지되고, 따라서 복수의 배기 포트(24)는 일정한 압력으로 가스를 배기한다.
도 2의 부분 확대도에 도시한 바와 같이, 공급 경로(13)는 토출각도(θ)로 기판(S)의 증착 표면에 가스를 공급한다. 토출각도(θ)는 공급 경로(13)로부터 토출된 가스의 퍼짐을 의미하고, 가스 압력 등에 기초하여 결정된다. 토출각도(θ)는 공급 경로(13)에서 토출된 가스가 기판(S)의 증착 표면 전체에 공급되도록 가스 압력 등에 기초하여 조정될 수 있다.
공급 경로(13), 배기 경로(23), 공급 포트(14), 및 배기 포트(24)는 유로 형성 부재(2)가 드릴을 사용하는 절삭가공을 거침으로써 형성된다. 공급 경로(13), 배기 경로(23), 공급 포트(14), 및 배기 포트(24)의 형성에는, 경로 및 포트의 직경에 제각기 상응하는 직경을 가지는 드릴 비트(drill bit)를 사용한다.
본 실시양태에 따른 ALD 장치(1)는 300 mm × 350 mm 크기를 갖는 기판에 대한 증착에 상응하게 구성된다. 구체적으로, ALD 장치(1)에서, 공급 경로(13) 13개가 제공되고, 각 공급 경로(13)에 공급 포트(14) 13개가 제공된다. 또한 ALD 장치(1)에서, 배기 경로(23) 13개가 제공되고, 각 배기 경로(23)에 배기 포트(24) 13개가 제공된다. 그러나, 공급 경로(13), 공급 포트(14), 배기 경로(23), 및 배기 포트(24)의 수는 적절하게 결정될 수 있다.
ALD 장치(1)는 또한 연결 부재(5) 및 (6)을 포함한다. 연결 부재(5) 및 (6)은 Y축 방향에서 유로 형성 부재(2)의 전체 폭에 걸쳐 연장되고 X축 방향에서 제각기 유로 형성 부재(2)의 양단부에 부착된다. 연결 부재(5)는 가스 공급원(도시되지 않음)과 공급 경로(13)를 연결하기 위한 부재이다. 연결 부재(6)는 배기 기구(도시되지 않음)와 배기 경로(23)를 연결하기 위한 부재이다. 배기 기구는 본 실시양태에서 펌프로서 구성되지만 가스를 배기할 수 있기만 하면 된다.
연결 부재(5)는 공급 경로(13)가 개방된, X축 방향에서 유로 형성 부재(2)의 좌단부에 부착된다. 연결 부재(6)는 배기 경로(23)가 개방된, X축 방향에서 유로 형성 부재(2)의 우단부에 부착된다. 연결 부재(5) 및 (6)은 유로 형성 부재(2)처럼 스텐레스강으로 형성된다. 그러나, 연결 부재(5) 및 (6)을 형성하는 재료는 유로 형성 부재(2)처럼 적절하게 변경될 수 있다.
연결 부재(5)에서, Y축 방향으로 연장되고 모든 공급 경로(13)을 통하게 하는 일 공급 챔버(12) 및 공급 챔버(12)를 가스 공급원에 연결하기 위한 주입부 (11)가 제공된다. 공급 챔버(12)는 공급 경로(13)보다 큰 직경을 가지고 공급 경로(13)과 함께 매니폴드를 형성한다.
연결 부재(6)에서, Y축 방향으로 연장되고 모든 배기 경로(23)를 통하게 하는 일 배기 챔버(22) 및 배기 챔버(22)를 펌프에 연결하기 위한 배기부(21)가 제공된다. 배기 챔버(22)는 배기 경로(23)보다 큰 직경을 가지고 배기 경로(23)과 함께 매니폴드를 형성한다.
공급 챔버(12) 및 복수의 공급 경로(13)가 매니폴드를 형성하고 있기 때문에, 공급 챔버(12)에서의 가스 압력이 일정하게 유지되고, 복수의 공급 경로(13)에서 가스 압력 또한 일정하게 유지된다. 추가로, 배기 챔버(22) 및 복수의 배기 경로(23)가 매니폴드를 형성하고 있기 때문에, 배기 챔버(22)에서의 가스 압력이 일정하게 유지되고, 따라서 복수의 배기 경로(23)에서 가스 압력 또한 일정하게 유지된다.
주입부(11) 및 공급 챔버(12)는 연결 부재(5)가 드릴, 밀링 커터 등을 사용하는 절삭가공을 거침으로써 형성된다. 또한, 배기부(21) 및 배기 챔버(22)는 연결 부재(6)가 드릴, 밀링 커터 등을 사용하는 절삭가공을 거침으로써 형성된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 주입부(11), 공급 챔버(12), 공급 경로(13), 및 공급 포트(14)는 서로 통하고, 가스 공급원에 연결되는 공급 기구를 구성한다. 공급 기구는 공급 챔버(12) 및 공급 경로(13)으로 구성되는 매니폴드 및 공급 경로(13) 및 공급 포트(14)로 구성되는 매니폴드를 포함한다. 즉, 공급 기구는 매니폴드가 2 단계로 결합된 구조를 갖는다.
추가로, 배기부(21), 배기 챔버(22), 배기 경로(23), 및 배기 포트(24)는 서로 통하고, 펌프에 연결되는 배기 기구를 구성한다. 배기 기구는 배기 챔버(22) 및 배기 경로(23)로 구성되는 매니폴드 및 배기 경로(23) 및 배기 포트(24)로 구성되는 매니폴드를 포함한다. 즉, 배기 기구는 매니폴드가 2 단계로 결합된 구조를 갖는다.
ALD 장치(1)는 또한 고정 부재(3)를 포함한다. 고정 부재(3)는 X 및 Y축 방향으로 유로 형성 부재(2)의 전체 폭에 걸쳐 연장된다. 고정 부재(3)의 둘레연부(circumferential edge portion)는 유로 형성 부재(2)의 Z축 방향으로 하부 표면을 덮을 수 있도록 전체 둘레에 걸쳐 유로 형성 부재(2)에 결합되어 있다. 고정 부재(3)는 고정 부재(3)와 유로 형성 부재(2) 사이에 증착 챔버(4)를 형성하기 위한 부재이다. 고정 부재(3)는 유로 형성 부재(2)처럼 스텐레스강으로 형성된다. 그러나, 고정 부재(3)를 형성하는 재료는 유로 형성 부재(2)처럼 적절하게 변경될 수 있다.
고정 부재(3)는 유로 형성 부재(2)에 결합되는 둘레연부에 둘러싸이고 공급 포트(14) 및 배기 포트(24)에 대향하는 표면으로서 스테이지(3a)를 포함한다. Z축 방향으로 고정 부재(3)의 상부 표면을 절삭하는 것에 의해, 스테이지(3a)는 Z축 방향으로 유로 형성 부재(2)의 하부 표면에 평행해진다. 즉, 스테이지(3a)는 그 둘레연부에서 고정부(3)의 Z축 방향으로 상부 표면에서부터 Z축 방향으로 아래로 오목한 위치에 있다.
고정 부재(3)는 스테이지(3a)와 유로 형성 부재(2)의 Z축 방향으로 하부 표면 사이에 증착 챔버(4)를 형성한다. 증착 챔버(4)는 공급 포트(14) 및 배기 포트(24)를 제외한, 유로 형성 부재(2) 및 고정 부재(3)에 의해 닫힌 공간이다. 스테이지(3a)는 기판(S)을 고정하는 고정부로서 구성된다.
기판(S)은, 증착 표면의 다른 면의 그 표면이 스테이지(3a)에 대향하고 증착 표면이 유로 형성 부재(2)에 대향하게 설치된다. 그 때문에, 스테이지(3a)에 설치된 기판(S)의 증착 표면은 유로 형성 부재(2)의 공급 포트(14) 및 배기 포트(24) 측에 노출된다.
증착 챔버(4) 내 스테이지(3a) 위의 기판(S)의 설치는 수동 또는 로봇에 의한 자동 등으로 실행될 수 있다. 또한, ALD 장치(1)는 기판(S)을 수용하는 전체 카세트를 증착 챔버(4) 안에 설치할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
도 1a에 도시한 바와 같이, ALD 장치(1)의 공급 포트(14) 및 배기 포트(24)의 위치는 스테이지(3a)에 설치된 기판(S)의 증착 표면 전체에 걸쳐 고르게 배치된다. 그 결과, ALD 장치(1)는 기판(S)의 증착 표면 전체에 걸쳐 동일한 조건 하에 박막을 형성할 수 있다.
본 실시양태의 기판(S)은 유리 기판이지만, 기판의 종류는 제한되지 않는다. ALD 장치(1)에서 그 위에 박막이 형성될 수 있는 기판의 예는 다양한 세라믹 기판, 실리콘 기판, 수지 기판, 및 유기 막 기판을 포함한다. ALD 장치(1)는 또한 알루미늄, 구리 등으로 형성된 금속 기판 또는 복수의 종류의 재료를 조합하여 구성된 복합 기판 위에 박막을 형성할 수 있다.
(ALD 장치(1)에 의한 증착 방법)
도 4는 ALD 장치(1)에 의한 증착 방법을 도시하는 흐름도이다. 본 실시양태의 증착 방법을 도 4에서 도시한 흐름도를 따라 도 1a 내지 3을 참조하여 설명한다. 구체적으로, 기판(S)가 스테이지(3a) 위에 설치된 동안 도 4에서 도시한 단계(S1) 내지 (S9)가 실행된다.
단계(S1)에서, 배기부(21)에 연결된 펌프에 의해 증착 챔버(4)의 진공화를 수행한다. 이 때, 주입부(11) 측에 제공된 밸브(도시되지 않음)는 닫히고, 따라서 ALD 장치(1)는 밀폐 상태에 있다. 그 결과, 증착 챔버(4)를 포함하는 ALD 장치(1)에서 전체 공간은 진공이다. 단계(S1)에서 증착 챔버(4)의 진공도는 높은 것이 바람직하다.
구체적으로, ALD 장치(1) 내 공기는 배기 포트(24), 배기 경로(23), 배기 챔버(22), 및 배기부(21)의 배기 기구를 통하여 ALD 장치(1) 외부로 배기된다. 또한, 상세한 것은 후술하겠지만, 펌프는 또한 주입부(11)에 연결되어 ALD 장치(1) 내 공기는 또한 공급 포트(14), 공급 경로(13), 공급 챔버(12), 및 주입부(11)로 구성된 공급 기구에 의해 ALD 장치(1)의 외부로 배기된다.
이 구조에 의해, ALD 장치(1) 내 배기 시간이 단축된다. 따라서, 단계(S1)이 단축되고, 이후 단계에서의 배기 또한 단축될 수 있다.
단계(S2)에서, ALD 장치(1) 전체가 가열된다. ALD 장치(1)의 가열 온도는 전구체 가스의 반응 온도, 기판(S)의 증착 표면의 내열온도 등에 기초하여 설정된다. 본 실시양태에서, 전구체 가스로서 트리메틸알루미늄(TMA) 및 H2O(수증기)가 사용되고, ALD 장치(1)의 가열 온도는 50 ℃ 이상 320 ℃ 이하로 설정된다. 전구체 가스가 상이한 경우, 가열 온도가 적절히 변경될 수 있다는 것을 주의해야 한다.
단계(S3)에서, 증착 챔버(4)의 N2 퍼지(purge)를 수행한다. 단계(S3)에서, 단계(S1)에서 진공화된 증착 챔버(4) 안으로 불활성 가스로서 N2를 주입하고, 다시 증착 챔버(4)를 진공화한다. 따라서, 단계(S1) 후 증착 챔버(4) 안에 잔존하는 가스는 N2로 교체되고 증착 챔버(4) 외부로 배기된다. 단계(S3)에 의해, 단계(S1) 후 잔존하는 가스의 영향을 제거할 수 있다.
구체적으로, N2는 주입부(11), 공급 챔버(12), 공급 경로(13), 및 공급 포트(14)로 구성되는 공급 기구를 통해 증착 챔버(4) 안으로 주입된다. 또한, 증착 챔버(4) 내 N2는 배기 기구(24, 23, 22, 21) 및 공급 기구(14, 13, 12, 11)에 의해 ALD 장치(1) 외부로 배기된다.
단계(S4)에서, H2O가 증착 챔버(4) 안으로 펄스 주입된다. 구체적으로, 설정 시간 동안 주입부(11)로부터 H2O를 주입함으로써, H2O가 공급 포트(14)로부터 기판(S)의 증착 표면을 향해 토출된다. 이 때, 배기부(21) 측에 제공되는 밸브(도시되지 않음)는 닫히고, 증착 챔버(4)는 배기되지 않는다. H2O가 펄스 주입되는 시간 및 회수는 기판(S)의 증착 표면의 면적에 기초하여 결정할 수 있다. 또한, N2 주입량은, N2 유량이 30 내지 200 sccm이 되고 증착 챔버(4) 내 압력이 약 4×10-1 torr(5.33×10 Pa)가 되는 조건 하에서 결정할 수 있다.
H2O는 공급 기구(14, 13, 12, 11)를 통해 증착 챔버(4) 안으로 주입된다. 더 구체적으로, 주입부(11)에 주입된 Ｈ2O는 공급 챔버(12) 안에서 확산되어 공급 챔버(12)는 일정한 압력이 된다. 이어서, H2O는 일정한 압력으로 공급 챔버(12)로부터 공급 경로(13)로 주입되고 공급 경로(13) 안에서 확산되어 일정한 압력이 된다. 이어서, H2O는 일정한 압력으로 공급 경로(13)로부터 공급 포트(14) 안으로 주입된다. 따라서, H2O는 모든 공급 포트(14)로부터 일정한 압력으로 토출된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 실시양태에서, H2O는 일정한 토출 압력으로 모든 공급 포트(14)로부터 기판(S)의 증착 표면으로 공급된다. 그 때문에, 기판(S)의 증착 표면에 H2O의 농도 분포가 발생하기 어렵다.
단계(S5)에서, 증착 챔버(4) 안으로 주입된 H2O가 증착 챔버(4) 전체에 확산된다. 구체적으로, 단계(S4) 후, 주입부(11) 측에 제공된 밸브가 닫히고, 이러한 상태가 유지된다. 그 결과, 증착 챔버(4) 안의 H2O 농도가 균일해진다. 즉, 단계(S5)에 의해, 기판(S)의 증착 표면 전체에 걸쳐 H2O 공급 조건이 일정해진다.
본 실시양태에 있어, 단계(S4)에서 기판(S)의 증착 표면에 H2O의 농도 분포가 발생하기 어렵기 때문에, 단계(S5)의 시간이 현저하게 단축된다. 추가로, 기판(S)의 증착 표면에 형성되는 박막에 필요한 균일성에 기초하여, 단계(S4)에서 H2O 농도가 충분히 균일한 경우에는, 단계(S5)를 생략하는 것 또한 가능하다.
단계(S6)에서, 증착 챔버(4)의 N2 퍼지를 수행한다. 단계(S6)에서, 증착 챔버(4)를 진공화하고, 증착 챔버(4) 안으로 불활성 가스로서 N2를 주입하고, 다시 증착 챔버(4)를 진공화한다. 그 결과, 증착 챔버(4)로부터 H2O가 토출된다.
단계(S7)에서, TMA가 증착 챔버(4) 안으로 펄스 주입된다. 구체적으로, 설정 시간 동안 주입부(11)로부터 TMA를 주입함으로써, TMA가 공급 포트(14)로부터 기판(S)의 증착 표면을 향해 토출된다. 이 때, 배기부(21) 측에 제공되는 밸브(도시되지 않음)는 닫히고, 증착 챔버(4)의 배기는 수행되지 않는다. TMA가 펄스 주입되는 시간 및 회수는 기판(S)의 증착 표면의 면적에 기초하여 결정할 수 있다. 또한, N2 주입량은, N2 유량이 30 내지 200 sccm이 되고 증착 챔버(4) 내 압력이 약 4×10-1 torr(5.33×10 Pa)가 되는 조건 하에서 결정할 수 있다. N2 유량은 또한, 예를 들면, TMA 펄스 주입 시간 또는 증착 챔버(4)의 용적에 기초하여 결정할 수 있다.
TMA는 공급 기구(11, 12, 13, 14)를 통해 증착 챔버(4) 안으로 주입된다. 더 구체적으로, 주입부(11)에 주입된 TMA는 공급 챔버(12) 안에서 확산되어 공급 챔버(12)에서 일정한 압력이 된다. 이어서, TMA는 일정한 압력으로 공급 챔버(12)로부터 공급 경로(13)로 주입되고 공급 경로(13) 안에서 확산되어 공급 경로(13) 내에서 일정한 압력이 된다. 이어서, TMA는 공급 경로(13)로부터 공급 포트(14) 안으로 주입된다. 그 때문에, TMA는 모든 공급 포트(14)로부터 일정한 압력으로 토출된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 실시양태에서, TMA는 일정한 토출 압력으로 모든 공급 포트(14)로부터 기판(S)의 증착 표면으로 공급된다. 그 결과, 기판(S)의 증착 표면에 TMA 농도 분포가 발생하기 어렵다.
단계(S8)에서, 증착 챔버(4) 안으로 주입된 TMA가 증착 챔버(4) 전체에 확산된다. 구체적으로, 단계(S7) 후, 주입부(11) 측에 제공된 밸브가 닫히고, 이러한 상태가 유지된다. 그 결과, 증착 챔버(4) 안의 TMA 농도가 균일해진다. 즉, 단계(S8)에 의해, 기판(S)의 증착 표면 전체에 걸쳐 TMA 공급 조건이 일정해진다.
본 실시양태에 있어, 단계(S7)에서 기판(S)의 증착 표면에 TMA의 농도 분포가 발생하기 어렵기 때문에, 단계(S8)의 시간이 현저하게 단축된다. 추가로, 기판(S)의 증착 표면에 형성되는 박막에 필요한 균일성에 기초하여, 단계(S7)에서 TMA 농도가 충분히 균일한 경우에는, 단계(S8)을 생략하는 것 또한 가능하다.
단계(S9)에서, 증착 챔버(4)의 N2 퍼지를 수행한다. 단계(S9)에서, 증착 챔버(4)를 진공화하고, 증착 챔버(4) 안으로 불활성 가스로서 N2를 주입하고, 다시 증착 챔버(4)를 진공화한다. 그 결과, 증착 챔버(4)로부터 TMA가 토출된다.
단계(S4) 내지 (S9)를 일 사이클로서, ALD 장치(1)는 기판(S)의 증착 표면에 화학양론적 조성(Al2O3) 근처의 알루미나 1 분자층에 상응하는 층이 형성되도록 구성된다. 그 때문에, 단계(S9) 후 다시 단계(S4) 내지 (S9)를 수행함으로써, 기판(S)의 증착 표면에 2 입자에 상응하는 알루미나 층이 형성된다. ALD 장치(1)을 사용하는 증착 방법에서, 단계(S4) 내지 (S9)는 기판(S)의 증착 표면에 형성되는 박막의 두께에 따라 반복된다. 상기에서 설명한 바와 같이, ALD 장치(1)는 분자 유닛으로 박막의 막 두께를 제어할 수 있기 때문에, 박막의 막 두께에 대한 제어성이 뛰어나다.
또한, ALD 장치(1)에서, 단계(S4) 내지 (S9)이 설정 회수로 반복된 후, 증착 챔버(4)는 공기압으로 설정되고, 기판(S)가 꺼내어진다.
ALD 장치(1)는, 액정 디스플레이 패널 및 유기 EL(전기 발광)(Electro Luminescence) 패널용 TFT(박막 트랜지스터)(Thin Film Transistor)의 층간 절연 막, 또는 유기 EL 수증기 차단 막의 형성에 적합하다. ALD 장치(1)에서, 예를 들면, 300 mm × 350 mm의 기판 위에 막 두께 오차 범위가 3 % 이내이고, 밀도가 2.9 g/cm3 이상이고, 굴절률이 1.6 이상인 알루미나 박막을 형성했다. 알루미나 박막에서, 충분한 절연 특성 및 수증기 차단 특성을 얻었다.
본 실시양태의 ALD 장치(1)에서, 2 종류의 전구체 가스에 대하여 일 공급 기구(11, 12, 13, 14)가 사용되었다는 것을 주의해야 한다. 그러나, 전구체 가스의 종류에 기초하여 공급 기구를 변경하는 것이 적합하다. 이는 2 종류의 전구체 가스가 교대로 일 공급 기구를 통과할 때, 공급 기구 내에 약간 잔존하는 전구체 가스가 크로스토크를 발생시킬 수 있기 때문이다.
공급 기구 내에서 전구체 가스에 의해 크로스토크가 발생하면, 전구체 가스가 기상반응을 보이거나 공급 기구 내에 석출될 수 있다. 전구체 가스가 기상반응을 보이면, 기상반응을 보인 전구체 가스가 소모된다. 또한, 전구체 가스가 공급 기구 내에 석출되면, 공급 기구의 용적이 변할 수 있고, 공급 포트(14)가 석출 물에 의해 막힐 수 있다.
도 5는, ALD 장치(1)의 변형예에 따른 공급 기구 및 배기 기구를 개략적으로 도시하는 설명도이다. 이 ALD 장치는, 제1 전구체 가스 A를 공급하는 제1 공급 기구(실선으로 나타냄) 및 제2 전구체 가스 B를 공급하는 제2 공급 기구(은선으로 나타냄)를 포함한다. 또한 이 ALD 장치에서, 일 배기 기구(절결선으로 나타냄)가 제공된다는 것을 주의해야 한다. ALD 장치에서, 가스 A 및 가스 B에 대해 각각 공급 기구가 제공된다. 그 때문에, 공급 기구 내에서 가스 A와 가스 B 사이에 크로스토크는 발생하지 않는다.
(ALD 장치(1)의 각 부의 크기)
도 6은 ALD 장치(1)의 공급 기구 및 배기 기구의 크기를 예시한 평면도이다. 이 예는 100 내지 1000 l/분의 배기 성능을 갖는 펌프를 사용하는 것을 전제로 설계된다. 공급 포트(14)의 Y축 방향 간격(L11) 및 배기 포트(24)의 Y축 방향 간격(L21)은 모두 22 mm이다. 공급 포트(14)의 X축 방향 간격(L12) 및 배기 포트(24)의 X축 방향 간격(L22)는 모두 20 mm이다. 공급 경로(13)의 직경(D11) 및 배기 경로(23)의 직경(D21)은 모두 5 mm이다. 공급 포트(14)의 직경(D12)은 2 mm이고, 배기 포트(24)의 직경(D22)은 4 mm이다.
추가로, 공급 포트(14)와 기판(S)의 증착 표면 사이의 거리는 공급 포트(14)의 간격(L11) 및 (L12) 이하이다. 공급 포트(14)와 기판(S)의 증착 표면 사이의 거리가 작을수록, 증착 챔버(4)의 용적이 감소한다. 그 때문에, 증착 챔버(4)의 배기 시간을 단축하는 것이 가능하다. ALD 장치(1)에서, 공급 포트(14)와 기판(S)의 증착 표면 사이의 거리는 7 mm이고 1 mm 만큼 작게 성공적으로 감소된다.
반면, 공급 포트(14)에서 가스의 토출각도(θ)(도 3 참조)가 일정하다고 가정하면, 가스를 기판(S)의 증착 표면 전체에 공급하기 위해 공급 포트(14)와 기판(S)의 증착 표면 사이의 거리가 작아짐에 따라, 공급 포트(14)의 간격(L11) 및 (L12)을 단축시켜 만들 필요가 있다. 공급 포트(14)의 간격(L11) 및 (L12)을 단축하기 위해서는, 유로 형성 부재(2)의 가공을 위한 비용이 높아진다. 공급 포트(14)와 기판(S)의 증착 표면 사이의 거리는 약 2 mm가 되도록 설정하는 것이 현실적이다.
또한, 공급 포트(14)의 간격(L11) 및 (L12)은 작은 것이 바람직하지만, 공급 포트(14)의 간격(L11) 및 (L12)을 작게 만들면, 공급 포트(14)의 직경(D11)은 증가될 필요가 있다. 그 때문에, (L11), (L12), 및 (D11)의 값은, 종합적으로 그 효과를 고려하면서 결정하는 것이 바람직하다.
배기 포트(24)의 직경(D22)은, 배기 경로(23)의 직경(D21) 및 배기 포트(24)의 간격(L21) 및 (L22)에 의해 제한되지만, 클수록 좋다. 이는 증착 챔버(4)의 배기 시 컨덕턴스를 증가시킬 수 있고, 증착 챔버(4)가 균일하게 배기될 수 있기 때문이다.
도 7은 ALD 장치(1)의 변형예에 따른 공급 기구 및 배기 기구의 크기를 예시한 평면도이다. 공급 기구 및 배기 기구는 비용 절감을 달성하도록 설계된다. 구체적으로, 가스 공급 및 배기의 효율을 개선함으로써, 본 실시예는 100 내지 1000 l/분의 배기 성능을 가지는 펌프를 사용하는 것을 전제로서 설계된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 공급 포트(14) 및 배기 포트(24)의 간격이 넓고, 인접하는 4개의 공급 포트(14)로부터 대각선으로 배기 포트(24)가 배열되고, 인접하는 4개의 배기 포트(24)로부터 대각선으로 공급 포트(14)가 배열된다. 공급 포트(14)의 Y축 방향 간격(L11) 및 배기 포트(24)의 Y축 방향 간격(L21)은 모두 30 mm이다. 공급 포트(14)의 X축 방향 간격(L12) 및 배기 포트(24)의 X축 방향 간격(L22)은 모두 30 mm이다. 공급 경로(13)의 직경(D11) 및 배기 경로(23)의 직경(D21)은 모두 8 mm이다. 공급 포트(14)의 직경(D12)은 3 mm이고, 배기 포트(24)의 직경(D22)은 6 mm이다.
(다층 ALD 장치(100))
도 8은 본 실시양태에 따른 다층 ALD 장치(100)의 단면도이다. 다층 ALD 장치(100)에서, ALD 장치(1)를 일 유닛으로, 5 유닛이 Z축 방향에 적층된다. ALD 유닛(1)은 상기에 설명한 ALD 장치(1)와 동일한 구조를 갖기 때문에, 그 설명을 생략한다. 가스 공급원은 각 ALD 유닛의 주입부(11)에 병렬로 연결되고, 펌프는 배기부(21)에 병렬로 연결된다. 따라서, 다층 ALD 장치(100)에서, 박막은 5 개 기판(S)의 증착 표면에 동시에 증착될 수 있다.
양산을 목적으로 하는 구조를 갖는 ALD 장치에서, 증착 조건은 일반적으로 설치되는 기판 수에 따라 변한다는 것을 주의해야 한다. 그러나, 다층 ALD 장치(100)에서는, 모든 ALD 유닛(1)에 기판(S)이 설치될 필요는 없다. 예를 들면, 단 하나의 ALD 유닛(1)에만 기판(S)이 설치된 경우 또한, 다층 ALD 장치(100)는 모든 ALD 유닛(1)에 기판(S)를 설치하는 경우와 동일한 조건 하에 박막 형성을 형성할 수 있다.
추가로, 다층 ALD 장치(100)에서, 적층되는 ALD 유닛의 수는 적절하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 다층 ALD 장치는 10 개의 ALD 유닛이 적층된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 다층 ALD 장치는 최대 10 개 기판(S)의 증착 표면에 동시에 박막을 형성할 수 있다.
(다층 ALD 장치(100)의 가스 공급 시스템 및 배기 시스템)
도 9는 다층 ALD 장치(100)의 가스 공급 시스템 및 배기 시스템을 도시하는 개략도이다. 여기에서 다층 ALD 장치(100)에 대해 설명하지만, 상기에서 설명한 ALD 장치(1)와 관련하여 다층 ALD 장치(100)의 ALD 유닛 수가 1 개이기 때문에, 동일한 설명이 적용된다.
제1 가스 공급원으로서 H2O 공급원은 ALD 밸브 및 밸브(V2)를 통해 다층 ALD 장치(100)의 각 주입부(11)에 연결된다. N2 공급원은 질량 유량 제어기(MFC)를 통해 H2O ALD 밸브와 연결된다. 이 구조에 의해, H2O는 ALD 밸브에 의해 그 유량을 정밀하게 제어하면서 다층 ALD 장치(100)의 주입부(11)에 공급될 수 있다.
제2 가스 공급원으로서 TMA 공급원은 ALD 밸브 및 밸브(V1)를 통해 다층 ALD 장치(100)의 각 주입부(11)에 연결된다. N2 공급원은 질량 유량 제어기(MFC)를 통해 TMA ALD 밸브와 연결된다. 이 구조에 의해, TMA는 ALD 밸브에 의해 그 유량을 정밀하게 제어하면서 다층 ALD 장치(100)의 주입부(11)에 공급될 수 있다.
펌프로서, 일반적으로 사용되는 진공 펌프를 사용한다. 진공 펌프의 종류 또는 그 조합은 적절하게 결정될 수 있다. 본 실시양태에서, 진공 펌프는 드라이 펌프로서 구성된다. 드라이 펌프는 독립적으로 또는 다단계로 사용될 수 있다. 드라이 펌프가 다단계로 사용되는 경우, 주 펌프로서 메카니칼 부스터 펌프(MBP) 및 터보-분자 펌프를 예로 들 수 있고, 주 펌프를 보조하는 보조 펌프로서 루트 펌프, 스크롤 펌프, 및 스크류 펌프를 예로 들 수 있다. 드라이 펌프 대신 진공 펌프를 채용할 수 있다는 것을 주의해야 하고, 이러한 진공 펌프로서 로타리 펌프를 예로 들 수 있다.
또한, 펌프는 밸브(V4), 트랩, 밸브(V6), 및 밸브(V2)를 통하여 다층 ALD 장치(100)의 주입부(11)에 연결된다. 펌프는 또한 밸브(V4), 트랩, 밸브(V5), 및 밸브(V1)를 통하여 다층 ALD 장치(100)의 주입부(11)에 연결된다. 배기 시스템에서 다층 ALD 장치(100) 내 압력을 모니터링하기 위한 진공 게이지가 제공된다.
밸브(V4), 트랩, 밸브(V6), 및 밸브(V2)는 펌프와 주입부(11)를 연결하는 제1 바이패스 경로를 구성하고, 밸브(V4), 트랩, 밸브(V5), 및 밸브(V1)은 펌프와 주입부(11)를 연결하는 제2 바이패스 경로를 구성한다. 이 구조에 의해, 다층 ALD 장치(100)에서, 배기부(21) 뿐만 아니라 주입부(11)도 통하여 공급 기구 및 배기 기구가 배기될 수 있다. 따라서, 다층 ALD 장치(100)에서 배기 시간이 단축될 수 있다.
구체적으로, 120 ℃의 공정 온도에서 10 개 기판(S)의 증착 표면에 50 nm의 막 두께를 갖는 박막이 형성되었다. 본 실시양태의 ALD 장치로서, 10 개의 ALD 유닛(1)이 적층된 다층 ALD 장치를 사용했다. 일반적인 다층 ALD 장치에서 바람직한 절연 특성을 얻기 위한 공정 시간이 15.5 시간이었던 것에 반하여, 본 실시양태의 다층 ALD 장치에서는 바람직한 절연 특성을 얻기 위한 공정 시간이 1.4 시간이었다. 상기에서 설명한 바와 같이, 본 실시양태의 다층 ALD 장치에서, 배기 시간을 단축함으로써, 공정 시간을 현저하게 단축할 수 있었다. 또한, 본 실시양태의 다층 ALD 장치에서, 기판(S)의 증착 표면에 형성된 박막의 막 두께의 균일성이 개선되었다. 박막의 막 두께의 균일성은, 목표 막 두께(본 실시양태에서 50 nm)에 대한 오차가 목표 막 두께에 대하여 몇 % 이내로 떨어졌는가를 가리키는 지수에 기초하여 평가했다. 구체적으로, 일반적인 ALD 장치에서 균일성이 약 3 %였던 반면, 본 실시양태의 다층 ALD 장치(100)에서는 약 1 %로 개선됐다.
도 10은 본 실시양태의 비교예에 따른 다층 ALD 장치(500)의 가스 공급 시스템 및 배기 시스템을 도시하는 개략도이다. 다층 ALD 장치(500)는 진공 챔버 내에 복수 단의 선반(shelves)(501)이 배열된 구조를 갖는다. 다층 ALD 장치(500)에서, 가스 공급 및 배기는 상응하는 위치로부터 각각 수행된다.
즉, 다층 ALD 장치(500)에서 전구체 가스가 확산됨에 의해, 전구체 가스는 선반(501)에 설치된 기판(S)의 증착 표면에 공급된다. 추가로, 다층 ALD 장치(500)에서, 전구체 가스가 설정 시간 동안 확산된 후에 토출된다. 다층 ALD 장치(500)에서 가스 공급 및 배기를 반복함으로써, 선반(501)에 설치된 기판(S)의 증착 표면에 박막을 형성한다.
다층 ALD 장치(500)에서, 제1 가스 공급원으로서 H2O 공급원 및 제2 가스 공급원으로서 TMA 공급원은 ALD 밸브를 통해 다층 ALD 장치(500)에 연결된다. N2 공급원 또한 MFC를 통해 다층 ALD 장치(500)에 연결된다. 이 구조에 의해, H2O, TMA 및 N2가, ALD 밸브에 의해 그 유량을 정밀하게 제어하면서 다층 ALD 장치(500)에 공급될 수 있다.
펌프는 밸브(V15) 및 트랩을 통해 다층 ALD 장치(500)에 연결된다. 따라서, 다층 ALD 장치(500)에서, 펌프를 사용하여 배기를 수행할 수 있다.
비교예의 다층 ALD 장치(500)에서 가스 공급이 일 위치로부터 수행되기 때문에, 전구체 가스의 농도 분포가 발생하고, 따라서 전구체 가스가 기판(S)의 증착 표면에 균일하게 공급되지 않을 수 있다는 것을 주의해야 한다. 또한, 다층 ALD 장치(500)에서, 일 위치에서의 배기는 또한 전구체 가스의 농도 분포를 발생시킬 수 있다. 반면, 본 실시양태의 다층 ALD 장치(100)에서는, 각 기판(S)마다 증착 챔버가 제공되고 각 기판(S)의 증착 표면에 대향하는 공급 포트로부터 전구체 가스가 공급되기 때문에, 전구체 가스가 모든 기판(S)의 증착 표면에 균일하게 공급된다.
또한, 비교예의 다층 ALD 장치(500)의 용적은 본 실시양태의 다층 ALD 장치(100)의 그것보다 크다. 그 때문에, 본 실시양태의 다층 ALD 장치(100)에서, 배기 시간을 비교예의 다층 ALD 장치(500)의 그것보다 단축시킬 수 있다.
또한, 다층 ALD 장치(500)는 유로를 포함하지 않기 때문에, 배기 시의 컨덕턴스가 크다. 반면, 본 실시양태의 다층 ALD 장치(100)는 유로를 포함하기 때문에, 배기 시의 컨덕턴스가 다층 ALD 장치(500)의 그것보다 작다. 그러나, 상기에서 설명한 바와 같이 공급 기구 및 배기 기구의 배기는 배기부(21) 뿐만 아니라 주입부(11)도 통하여 수행되기 때문에, 배기 시의 컨덕턴스가 충분히 증가된다. 그 때문에, 다층 ALD 장치(100)에서는 단시간에 배기가 가능하다.
(변형예)
도 11은 본 실시양태의 다층 ALD 장치(100)의 변형예에 따른 다층 ALD 장치의 개략도이다. 다층 ALD 장치는 소위 원격 플라즈마 시스템을 채용하고 다층 ALD 장치(100)에 고주파 플라즈마 유닛(110)이 부가된 구조를 갖는다. 고주파 플라즈마 유닛(110)은 다층 ALD 장치(100)의 주입부(11)에 인접해서 제공되고, 주입부(11)에 주입되기 전 H2O 및 TMA에 고주파 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 그 결과 H2O 및 TMA가 플라즈마에 의해 활성화된다. 다층 ALD 장치에서, 플라즈마에 의해 활성화된 H2O 및 TMA는 기판(S)의 증착 표면에 공급되고, 따라서 H2O 및 TMA의 반응이 활성화된다.
도 12는 본 실시양태의 다층 ALD 장치(100)의 변형예에 따른 다층 ALD 장치 (200)의 개략도이다. 다층 ALD 장치(200)는 소위 다이렉트 플라즈마 시스템을 채용하고 증착 챔버(4)에서 전구체 가스의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 구조를 갖는다. 각 ALD 유닛(1)에서, 유로 형성 부재(2)가 애노드(제1 전극)로서 기능하고, 고정 부재(3)가 캐소드(제2 전극)로서 기능한다. 유로 형성 부재(2) 및 고정 부재(3)는 전원 공급 장치(도시되지 않음)에 연결된다. 다층 ALD 장치(200)는 ALD 유닛(1) 사이에 절연층(7)을 포함한다. Z축 방향에 인접하는 ALD 유닛(1) 중, 절연층(7)은 상부 ALD 유닛(1)의 고정 부재(3) 및 하부 ALD 유닛(1)의 유로 형성 부재(2)를 절연한다. 다층 ALD 장치(200)에서, ALD 유닛(1)의 유로 형성 부재(2)와 고정 부재(3) 사이에 고주파 전압을 인가하여 증착 챔버(4) 내에 플라즈마를 발생시킨다.
이상에서, 본 명세서의 실시양태를 설명했다. 그러나, 본 명세서는 상기 실시양태에 제한되지 않고 본 명세서의 요지를 벗어나지 않는 한 다양하게 변형될 수 있다.
예를 들면, 상기 실시양태에서, ALD 장치에 의해 기판(S)의 증착 표면에 알루미나가 형성된다. 그러나, 본 실시양태의 ALD 장치에서, 다양한 종류의 박막이 형성될 수 있다. 이러한 박막의 예는 다양한 산화물막, 다양한 질화물막, 다양한 금속막, 다양한 황화물막, 및 다양한 플루오린화물막을 포함한다.
산화물막의 예는 TiO2, TaO5, Nb2O5, ZrO2, HfO2, SnO2, ZnO, SiO2, 및 InO3를 포함한다. 질화물막의 예는 AlN, TaNx, TiN, MoN, ZrN, HfN, 및 GaN을 포함한다. 금속막의 예는 Pt, Pd, Cu, Fe, Co, 및 Ni를 포함한다. 황화물막의 예는 ZnS, SrS, CaS, 및 PbS을 포함한다. 플루오린화물막의 예는 CaF2, SrF2, 및 ZnF2를 포함한다.
추가로, XY 평면에서 공급 포트 및 배기 포트의 형상은 원형으로 제한되지 않는다. 공급 포트 및 배기 포트의 형상은, 예를 들면, 타원형 또는 다각형일 수 있다. 다르게는, 공급 포트 및 배기 포트는 슬릿일 수 있다. 이 경우, 슬릿의 형상은 직선 또는 호(arc)일 수 있고, 또는 복잡하게 구부러질 수 있다.
또한, ALD 장치에서, 공급 포트 및 배기 포트가 기판(S)의 증착 표면에 대향할 필요가 있을 뿐이고, ALD 장치가 본 실시양태의 공급 기구 및 배기 기구를 가지고 있을 필요는 없다. 공급 포트 및 배기 포트는, 소위 샤워헤드로서 구성될 수 있다. 이 경우, 샤워헤드가 기판(S)의 증착 표면에 대향하고, 샤워헤드의 개구는 공급 포트 또는 배기 포트로서 각각 구성될 수 있다.
본 명세서는 또한 다음의 구조를 취할 수도 있다는 것을 주의해야 한다.
(1) 밀폐가능한 증착 챔버;
증착 챔버 내 증착 표면을 포함하는 기판을 고정하도록 구성된 고정부;
가스를 공급하는 가스 공급원에 연결된 주입부를 포함하고, 증착 표면에 대향하는 위치로부터 증착 챔버에의 주입부로 주입된 가스를 공급하도록 구성된 공급 기구; 및
가스를 배기할 수 있는 배기 기구에 연결된 배기부를 포함하고, 증착 표면에 대향하는 위치로부터 증착 챔버를 배기하도록 구성된 배기 기구
를 포함하는, 원자층 층착 장치.
(2) 공급 기구가, 주입부에 연결되고 증착 표면에 대향하는 공급 포트를 더 포함하고,
배기 기구가, 배기부에 연결되고 증착 표면에 대향하는 배기 포트를 더 포함하는,
상기 (1)에 따른 원자층 증착 장치.
(3) 공급 포트와 배기 포트가 서로 인접하고 있는, 상기 (2)에 따른 원자층 증착 장치.
(4) 공급 기구가 복수의 공급 포트 및 복수의 공급 포트를 주입부에 연결하고 복수의 공급 포트와 함께 매니폴드를 형성하는 공급 경로를 더 포함하고,
배기 기구가 복수의 배기 포트 및 복수의 배기 포트를 배기부에 연결하고 복수의 배기 포트와 함께 매니폴드를 형성하는 배기 경로를 더 포함하는,
상기 (2) 또는 (3)에 따른 원자층 증착 장치.
(5) 공급 경로, 공급 포트, 배기 경로, 및 배기 포트가 모두 단일 유로 형성 부재에 형성된,
상기 (4)에 따른 원자층 증착 장치.
(6) 복수의 공급 기구를 더 포함하고,
복수의 공급 기구가 상이한 종류의 가스를 증착 챔버에 공급하는,
상기 (4) 또는 (5)에 따른 원자층 증착 장치.
(7) 공급 기구가 복수의 공급 경로 및 복수의 공급 경로를 주입부에 연결하고 복수의 공급 경로와 함께 매니폴드를 형성하는 주입 챔버를 더 포함하고,
배기 기구가 복수의 배기 경로 및 복수의 배기 경로를 배기부에 연결하고 복수의 배기 경로와 함께 매니폴드를 형성하는 배기 챔버를 더 포함하는,
상기 (4) 내지 (6) 중 어느 하나에 따른 원자층 증착 장치.
(8) 복수의 공급 경로 및 복수의 배기 경로가 교대로 배열된,
상기 (7)에 따른 원자층 증착 장치.
(9) 배기 기구와 주입부를 연결하는 바이패스 경로
를 더 포함하는, 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 따른 원자층 증착 장치.
(10) 가스 공급원과 주입부 사이에 제공되고 주입부에 주입되는 가스의 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 유닛
을 더 포함하는, 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 따른 원자층 증착 장치.
(11) 증착 챔버 내에 제공되고 전원 공급 장치에 연결되어 증착 챔버 내에 가스의 플라즈마를 발생시키는 1 쌍의 전극
을 더 포함하는, 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 따른 원자층 증착 장치.
(12) 배기 기구 및 공급 기구가 모두 단일 유로 형성 부재에 형성되고,
고정부 및 유로 형성 부재가 1 쌍의 전극을 구성하는.
상기 (11)에 따른 원자층 증착 장치.
(13) 각각 증착 챔버, 고정부, 공급 기구, 및 배기 기구를 포함하는 복수의 원자층 증착 유닛
을 더 포함하는, 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 하나에 따른 원자층 증착 장치.
(14) 복수의 원자층 증착 유닛이 증착 표면에 수직한 방향으로 적층된,
상기 (13)에 따른 원자층 증착 장치.
(15) 기판의 증착 표면에 대향하는 제1 위치로부터 가스를 공급하는 것;
및 증착 표면에 대향하는 제2 위치로부터 배기하는 것
을 포함하는, 원자층 증착 방법.
(16) 제1 위치와 제2 위치가 서로 인접하는,
상기 (15)에 따른 원자층 증착 방법.
(17) 복수의 제1 위치로부터 가스를 공급하는 것;
및 복수의 제2 위치로부터 배기하는 것
을 더 포함하는, 상기 (15) 또는 (16)에 따른 원자층 증착 방법.
(18) 제1 위치로부터 플라즈마에 의해 활성화된 가스를 공급하는 것
을 더 포함하는, 상기 (15) 내지 (17) 중 어느 하나에 따른 원자층 증착 방법.
(19) 증착 표면과 증착 표면에 대향하는 표면 사이에 전압을 인가함으로써 제1 위치로부터 공급된 가스의 플라즈마를 발생시키는 것
을 더 포함하는, 상기 (18)에 따른 원자층 증착 방법.
첨부한 청구 범위 또는 그 등가의 범위 내에 있는 한 설계 요건 및 다른 요소에 따라 다양한 변형, 조합, 부조합 및 대체가 일어날 수 있다는 것을 통상의 기술자가 이해하여야 한다.

Claims (19)

  1. 밀폐가능한 증착 챔버;
    증착 챔버 안에 증착 표면을 포함하는 기판을 고정하도록 구성된 고정부;
    가스를 공급하는 가스 공급원에 연결된 주입부를 포함하고, 증착 표면에 대향하는 위치로부터 증착 챔버에의 주입부로 주입된 가스를 공급하도록 구성된 공급 기구; 및
    가스를 배기할 수 있는 배기 기구에 연결된 배기부를 포함하고, 증착 표면에 대향하는 위치로부터 증착 챔버를 배기하도록 구성된 배기 기구
    를 포함하는, 원자층 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 공급 기구가, 주입부에 연결되고 증착 표면에 대향하는 공급 포트를 더 포함하고, 배기 기구가, 배기부에 연결되고 증착 표면에 대향하는 배기 포트를 더 포함하는, 원자층 증착 장치.
  3. 제2항에 있어서, 공급 포트와 배기 포트가 서로 인접하는 원자층 증착 장치.
  4. 제2항에 있어서, 공급 기구가 복수의 공급 포트 및 복수의 공급 포트를 주입부에 연결하고 복수의 공급 포트와 함께 매니폴드를 형성하는 공급 경로를 더 포함하고, 배기 기구가 복수의 배기 포트 및 복수의 배기 포트를 배기부에 연결하고 복수의 배기 포트와 함께 매니폴드를 형성하는 배기 경로를 더 포함하는, 원자층 증착 장치.
  5. 제4항에 있어서, 공급 경로, 공급 포트, 배기 경로, 및 배기 포트가 모두 단일 유로 형성 부재에 형성된, 원자층 증착 장치.
  6. 제4항에 있어서, 복수의 공급 기구를 더 포함하고, 복수의 공급 기구가 상이한 종류의 가스를 증착 챔버에 공급하는, 원자층 증착 장치.
  7. 제4항에 있어서, 공급 기구가 복수의 공급 경로 및 복수의 공급 경로를 주입부에 연결하고 복수의 공급 경로와 함께 매니폴드를 형성하는 주입 챔버를 더 포함하고, 배기 기구가 복수의 배기 경로 및 복수의 배기 경로를 배기부에 연결하고 복수의 배기 경로와 함께 매니폴드를 형성하는 배기 챔버를 더 포함하는, 원자층 증착 장치.
  8. 제7항에 있어서, 복수의 공급 경로 및 복수의 배기 경로가 교대로 배열된, 원자층 증착 장치.
  9. 제1항에 있어서, 배기 기구와 주입부를 연결하는 바이패스 경로를 더 포함하는, 원자층 증착 장치.
  10. 제1항에 있어서, 가스 공급원과 주입부 사이에 제공되고 주입부에 주입되는 가스의 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 유닛을 더 포함하는, 원자층 증착 장치.
  11. 제1항에 있어서, 증착 챔버 내에 제공되고 전원 공급 장치에 연결되어 증착 챔버 내에 가스의 플라즈마를 발생시키는 1 쌍의 전극을 더 포함하는, 원자층 증착 장치.
  12. 제11항에 있어서, 주입 기구 및 공급 기구가 모두 단일 유로 형성 부재에 형성되고, 고정부 및 유로 형성 부재가 1 쌍의 전극을 구성하는, 원자층 증착 장치.
  13. 제1항에 있어서, 각각 증착 챔버, 고정부, 공급 기구, 및 배기 기구를 포함하는 복수의 원자층 증착 유닛을 더 포함하는, 원자층 증착 장치.
  14. 제13항에 있어서, 복수의 원자층 증착 유닛이 증착 표면에 수직한 방향으로 적층된, 원자층 증착 장치.
  15. 기판의 증착 표면에 대향하는 제1 위치로부터 가스를 공급하는 것; 및
    증착 표면에 대향하는 제2 위치로부터 배기하는 것
    을 포함하는, 원자층 증착 방법.
  16. 제15항에 있어서, 제1 위치와 제2 위치가 서로 인접하는, 원자층 증착 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    복수의 제1 위치로부터 가스를 공급하는 것; 및
    복수의 제2 위치로부터 배기하는 것
    을 더 포함하는, 원자층 증착 방법.
  18. 제15항에 있어서, 제1 위치로부터 플라즈마에 의해 활성화된 가스를 공급하는 것을 더 포함하는, 원자층 증착 방법.
  19. 제15항에 있어서, 증착 표면과 증착 표면에 대향하는 표면 사이에 전압을 인가함으로써 제1 위치로부터 공급된 가스의 플라즈마를 발생시키는 것을 더 포함하는, 원자층 증착 방법.
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