KR20140144243A - 원자층 증착 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20140144243A
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스벤 린드포르스
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피코순 오와이
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Abstract

본 발명의 실시 구현예에 따르면, 순차적 자기 포화(self-saturating) 표면 반응에 의해 적어도 하나의 기판 상에 물질을 증착시키도록 구성된 원자층 증착 반응기를 작동시키는 단계, 및 건조 공기를 상기 반응기 내에서 퍼지 가스로 사용하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

Description

원자층 증착 방법 및 장치{Atomic layer deposition method and apparatuses}
본 발명은 일반적으로 증착 반응기에 관한 것이다. 보다 특히, 그러나 배타적이지는 않게, 본 발명은 순차적 자기 포화 표면 반응(sequential self-saturating surface reaction)에 의해 표면 상에 물질이 증착되는 그러한 증착 반응기에 관한 것이다.
원자층 에피택시(Atomic Layer Epitaxy (ALE)) 방법은 1970년대 초에 Dr. Tuomo Suntola에 의해 발명되었다. 상기 방법에 대한 또 다른 일반 명칭은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition (ALD))이고, 이것이 요즘에는 ALE 대신에 사용된다. ALD는 적어도 하나의 기판에 적어도 두개의 반응성 전구체 종의 순차적 도입에 기초하는 특수한 화학 증착 방법이다.
ALD에 의해 성장된 박막은 치밀하고, 핀홀이 없으며, 균일한 두께를 갖는다. 예를 들어, 실험에서, 산화 알루미늄은 열 ALD에 의해 트리메틸알루미늄 ((CH3)3Al, TMA로도 지칭됨), 및 250-300℃의 물로부터 성장되고, 이는 기판 웨이퍼 상에서 단지 약 1%의 불균일성만을 초래한다.
전형적인 ALD 반응기는 꽤 복잡한 장치이다. 따라서, 장치 그 자체 또는 상기 장치의 사용을 단순화할 해결책을 만들어 내기 위한 계속적인 요구가 있다.
본 발명의 제 1 실시 형태에 따르면, 순차적 자기 포화 표면 반응에 의해 적어도 하나의 기판 상에 물질을 증착시키도록 구성된 원자층 증착 반응기를 작동시키는 단계; 및 건조 공기를 상기 반응기 내에서 퍼지 가스로 사용하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
특정한 실시 구현예에서, 건조 공기는 퍼지 가스 공급 라인(in-feed line)을 따라 흐른다(또는 흐르도록 구성된다). 특정한 실시 구현예에서, 퍼지 가스로서의 건조 공기가 불활성 가스 공급원으로부터 퍼지 가스 공급 라인을 거쳐 반응 챔버 내로 흘러 들어간다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 방법은 건조 공기를 캐리어 가스로 사용하는 단계를 포함한다.
특정한 실시 구현예에서, 건조 공기는 전구체 증기 공급 라인을 따라 흐른다(또는 흐르도록 구성된다). 특정한 실시 구현예에서, 이는 ALD 공정 동안 일어날 수 있다. 특정한 실시 구현예에서, 캐리어 가스로서의 건조 공기는 불활성 가스 공급원으로부터 전구체 공급원을 거쳐 반응 챔버내로 흘러 들어간다. 특정한 실시 구현예에서, 캐리어 가스로서의 건조 공기는 상기 전구체 공급원의 압력을 증가시키기 위해 사용된다. 특정한 다른 구현예에서, 캐리어 가스로서의 건조 공기는 상기 전구체 공급원을 통과하지 않고 불활성 기체 공급원으로부터 전구체 증기 공급 라인을 거쳐 반응 챔버내로 흘러 들어간다. 흐름 경로는 상기 전구체 증기의 증기압 자체가 충분히 높은지 여부, 또는 상기 전구체 공급원으로 흘러 들어가는 불활성 기체에 의해 압력이 증가되어야하는지 여부에 기초하여 설계될 수 있다.
단일 건조 공기 공급원 또는 복수의 건조 공기 공급원이 사용될 수 있다. 이와 관련해서 건조 공기(또는 건조된 공기)는 수분 잔류물이 없는 공기를 의미한다. 건조 공기는 압축 가스일 수 있다. 이는 전구체 공급원으로부터 반응 챔버 내로 전구체를 운반하기 위해 사용될 수 있다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 방법은 전체 증착 시퀀스 동안 건조 공기가 상기 반응기의 반응 챔버 내로 흘러 들어가도록 하는 단계를 포함한다. 증착 시퀀스는 하나 이상의 연속적인 증착 사이클로 형성되고, 각각의 사이클은 적어도 제 1 전구체 노출 기간(펄스 A), 이후의 제 1 퍼지 단계(퍼지 A), 이후의 제 2 전구체 노출 기간(펄스 B), 이후의 제 2 퍼지 단계(퍼지 B)로 구성된다.
특정한 실시 구현예에서, 반응 챔버 가열은 적어도 부분적으로 가열된 건조 공기를 상기 반응 챔버 내로 도입하는 것을 통해 실행된다. 이는 초기 퍼지 동안 및/또는 증착 ALD 공정 (증착) 동안 발생할 수 있다.
따라서, 특정한 실시 구현예에서, 상기 방법은 건조 공기를 상기 반응기의 반응 챔버를 가열하는데 사용하는 단계를 포함한다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 방법은 퍼지 가스 공급 밸브의 하류에서 상기 건조 공기를 가열하는 단계를 포함한다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 방법은 상기 반응기의 배출부로부터 퍼지 가스 공급 라인 히터까지 열의 피드백 연결을 제공하는 단계를 포함한다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 배출부는 열 교환기를 포함한다. 상기 배출부는 상기 반응기의 상기 반응 챔버의 배출부일 수 있다. 상기 배출부는 가스 배출부일 수 있다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 방법은 상기 원자층 증착 반응기를 대기압에서 작동시키는 단계를 포함한다.
이러한 구현예에서, 진공 펌프는 요구되지 않는다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 방법은 상기 반응기의 배출부에 부착된 이젝터를 사용하여 상기 반응기 내의 작동 압력을 감소시키는 단계를 포함한다.
대기압 미만에서 작동하도록 요구되지만 진공은 요구되지 않는 경우, 이젝터가 진공 펌프 대신에 사용될 수 있다. 상기 배출부는 반응기 챔버 뚜껑일 수 있다. 상기 이젝터는 상기 뚜껑 또는 배출 채널에 부착된 진공 이젝터일 수 있다.
상기 반응 챔버 내로의 가스의 유입구는 반응 챔버의 바닥면에 위치할 수 있고, 반응 잔류물의 배출구는 반응 챔버의 상단면에 위치할 수 있다. 대안적으로, 상기 반응 챔버 내로의 가스의 유입구는 상기 반응 챔버의 상단면에 위치할 수 있고, 반응 잔류물의 배출구는 상기 반응 챔버의 바닥면에 위치할 수 있다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 반응 챔버는 경량(lightweight)이다. 반응 챔버로서 압력 용기는 필요하지 않다.
본 발명의 제 2 실시 형태에 따르면, 순차적 자기 포화 표면 반응에 의해 적어도 하나의 기판 상에 물질을 증착시키도록 구성된 원자층 증착 반응기; 및 건조 공기 공급원으로부터 건조 공기를 퍼지 가스로 상기 반응기의 반응 챔버 내로 공급하기 위한 건조 공기 공급 라인을 포함하는 장치가 제공된다.
상기 장치는 원자층 증착 (ALD) 반응기일 수 있다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 장치는 건조 공기 공급원으로부터 전구체 공급원을 거쳐 상기 반응 챔버 내로 전구체 증기를 운반하기 위한 전구체 공급 라인을 포함한다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 장치는 상기 건조 공기를 가열하도록 구성된 히터를 포함한다. 특정한 실시 구현예에서, 상기 장치는 퍼지 가스 공급 밸브의 하류에 상기 히터를 포함한다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 장치는 상기 반응기의 배출부로부터 퍼지 가스 공급 라인 히터까지 연장된 열의 피드백 연결부를 포함한다. 특정한 실시 구현예에서, 상기 배출부는 열 교환기를 포함한다. 상기 배출부는 상기 반응기의 상기 반응 챔버의 배출부일 수 있다. 상기 배출부는 가스 배출부일 수 있다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 반응기는 대기압 또는 대기압 부근에서 작동하도록 구성된 경량 반응기(lightweight reactor)이다. 상기 경량 반응기는 진공 펌프를 구비하지 않을 수 있다. 대기압 부근이라는 것은 상기 압력이 감소된 압력일 수 있으나, 진공 압력이 아닌 것을 의미한다. 이러한 구현예들에 있어서, 상기 반응기는 얇은 벽을 가질 수 있다. 특정한 실시 구현예에서, 원자층 증착은 진공 펌프 없이 수행될 수 있다. 또한, 특정한 실시 구현예에서, 원자층 증착은 압력 용기 없이 수행될 수 있다. 따라서, 특정한 실시 구현예에서, 경량(경량 구조화) 반응기는 압력 용기 없이 경량(경량 구조화) 반응 챔버로 실행된다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 장치는 상기 반응기의 작동 압력을 감소시키기 위한 것으로서, 상기 반응기의 배출부에 부착된 이젝터를 포함한다.
이젝터는 대기압 미만에서 작동하도록 요구되지만 진공은 필요하지 않은 경우, 진공 펌프 대신에 사용될 수 있다. 상기 배출부는 반응기 챔버 뚜껑일 수 있다. 상기 이젝터는 뚜껑 또는 배출 채널에 부착된 진공 이젝터일 수 있다.
본 발명의 제 3 실시 형태에 따르면, 제 2 실시 형태의 장치를 생산 라인의 일부로서 포함하는 생산라인이 제공된다.
본 발명의 제 4 실시 형태에 따르면, 순차적 자기 포화 표면 반응에 의해 적어도 하나의 기판 상에 물질을 증착시키도록 구성된 원자층 증착 반응기를 작동시키기 위한 수단; 및 건조 공기를 상기 반응기 내에서 퍼지 가스로 사용하기 위한 수단을 포함하는 장치가 제공된다.
본 발명의 다양한 비결합 실시 형태 및 구현예들이 상기에서 설명되었다. 상기 구현예들은 단지 본 발명을 실행하는데 이용될 수 있는 선택된 형태 또는 단계를 설명하기 위해 사용된다. 일부 구현예들은 오직 본 발명의 특정한 실시 형태를 참조해서만 제시될 수 있다. 상응하는 구현예들이 또한 다른 실시 형태에도 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 구현예들의 임의의 적절한 조합이 형성될 수 있다.
본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 오직 실시예에 의해서만 설명될 것이다:
도 1은 실시 구현예에 따른 증착 반응기 및 로딩 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 퍼지 단계 동안 작동 중인 도 1의 증착 반응기를 나타내는 도면이다.
도 3은 제 1 전구체 노출 기간 동안 작동 중인 도 1의 증착 반응기를 나타내는 도면이다.
도 4는 제 2 전구체 노출 기간 동안 작동 중인 도 1의 증착 반응기를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시 구현예에 따른 로딩 방식을 나타내는 도면이다.
도 6은 다른 실시 구현예에 따른 증착 반응을 나타내는 도면이다.
도 7은 또 다른 실시 구현예에 따른 증착 반응을 나타내는 도면이다.
도 8은 또 다른 구현예를 나타내는 도면이다.
도 9는 특정한 실시 구현예에 따른 증착 반응기의 특정한 세부 사항을 더욱 자세히 나타내는 도면이다.
도 10은 특정한 실시 구현예에 따른 생산 라인의 일부로서의 증착 반응기를 나타내는 도면이다.
다음의 설명에서, 원자층 증착 (ALD) 기술이 일례로서 사용된다. ALD 성장 메커니즘의 기초는 통상의 기술자에게 알려져 있다. 본 특허 출원의 도입 부분에서 언급한 바와 같이, ALD는 적어도 하나의 기판에 적어도 두개의 반응성 전구체 종의 순차적 도입에 기초하는 특수한 화학 증착 방법이다. 기판, 또는 많은 경우에 있어서 일단의 기판들이 반응 공간 내에 위치된다. 상기 반응 공간은 전형적으로 가열된다. ALD의 기본적인 성장 메커니즘은 화학적 흡착(chemisorption) 및 물리적 흡착(physisorption) 사이의 결합 강도 차이에 의존한다. ALD는 증착 공정 동안 화학흡착을 이용하고, 물리흡착을 제거한다. 화학흡착 동안 고상 표면의 원자(들) 및 가스상으로부터 도착하는(arriving) 분자 사이에 강한 화학 결합이 형성된다. 물리흡착에 의한 결합은 오직 반데르발스 힘(van der Waals force)만이 관여되기 때문에 훨씬 약하다. 물리흡착 결합들은 국소 온도가 분자의 응축 온도 보다 높을 경우 열 에너지에 의해 쉽게 끊어진다.
ALD 반응기의 반응 공간은, 박막 또는 코팅의 증착에 사용되는 각각의 ALD 전구체에 교대로 및 순차적으로 노출될 수 있는, 모든 전형적으로 가열된 표면들을 포함한다. 기본적인 ALD 증착 사이클은 4개의 순차적인 단계들(펄스 A, 퍼지 A, 펄스 B 및 퍼지 B)로 구성된다. 펄스 A는 전형적으로 금속 전구체 증기로 구성되고 펄스 B는 비금속 전구체 증기, 특히 질소 또는 산소 전구체 증기로 구성된다. 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 기체, 및 진공 펌프는 전형적으로 퍼지 A 및 퍼지 B 동안 상기 반응 공간으로부터 가스 반응 부산물 및 잔류 반응물 분자를 퍼지하기 위해 사용된다. 증착 시퀀스는 적어도 하나의 증착 사이클을 포함한다. 증착 사이클들은 증착 시퀀스가 원하는 두께의 박막 또는 코팅을 생성할 때까지 반복된다.
전형적인 ALD 공정에서, 전구체 종들은 화학흡착을 통해 가열된 표면의 반응성 사이트에 화학 결합을 형성한다. 조건들은 전형적으로 하나의 전구체 펄스 동안 표면 상에 오직 고체 물질의 분자 단층(molecular monolayer)만이 형성되는 방식으로 설정된다. 따라서, 성장 공정은 자기 종결적(self-terminating) 또는 포화적이다. 예를 들어, 제 1 전구체는 흡착된 종에 부착된 상태로 잔류하여 표면을 포화시키는 리간드들을 포함할 수 있으며, 이는 추가적인 화학흡착을 방지한다. 반응 공간 온도는 상기 이용된 전구체의 응축 온도 보다는 높고 열 분해 온도 보다는 낮게 유지되어 전구체 분자 종이 기판(들)상에 본질적으로 온전하게 (essentially intact) 화학흡착된다. 본질적으로는 온전하다는 것의 의미는 전구체 분자 종이 표면상에 화학흡착될 경우 휘발성 리간드가 전구체 분자로부터 떨어질 수 있다는 것을 의미한다. 표면은 반응성 사이트의 제 1 타입, 즉, 제 1 전구체 분자의 흡착 종(adsorbed species)으로 본질적으로 포화된다. 이 화학흡착 단계 후에는 전형적으로 제 1 퍼지 단계(퍼지 A)가 뒤따르고, 상기 제1 퍼지 단계에서는 과량의 제 1 전구체 및 가능한 반응 부산물들이 상기 반응 공간으로부터 제거된다. 이후, 제 2 전구체 증기가 상기 반응 공간 내로 도입된다. 제 2 전구체 분자들은 전형적으로 제 1 전구체 분자들의 흡착 종들과 반응하고, 이에 의해 원하는 박막 물질 또는 코팅을 형성한다. 이러한 성장은 상기 흡착된 제 1 전구체의 전체 양이 소비되었을 경우 종료되고, 표면은 반응성 사이트의 제 2 타입으로 본질적으로 포화된다. 그 후, 과량의 제 2 전구체 증기 및 가능한 반응 부산물 증기들이 제 2 퍼지 단계 (퍼지 B)에 의해 제거된다. 그 후, 상기 사이클은 필름 또는 코팅이 원하는 두께로 성장할 때까지 반복된다. 또한, 증착 사이클은 더욱 복잡할 수 있다. 예를 들어, 상기 사이클들은 퍼지 단계들에 의해 분리된 세 개 이상의 반응물 증기 펄스를 포함할 수 있다. 모든 이러한 증착 사이클은 논리 유닛 또는 마이크로프로세서에 의해 제어되는 시간 조절된(timed) 증착 시퀀스를 형성한다.
도 1은 실시 구현예에 따른 증착 반응기 및 로딩 방법을 나타낸다. 상기 증착 반응기는 적어도 하나의 기판(135)을 운반하는 기판 홀더(130)을 수용하기 위한 공간을 형성하는 반응 챔버(110)를 포함한다. 상기 적어도 하나의 기판은 실제로 일단의(a batch of) 기판들일 수 있다. 도 1에 도시된 구현예에서, 적어도 하나의 기판(135)은 기판 홀더(130)에 수직으로 배치된다. 이 구현예에서, 기판 홀더(130)는 그 바닥면 상의 제 1 흐름 제한기(131) 및 그 상단면 상의 제 2 (선택적) 흐름 제한기(132)를 포함한다. 제 2 흐름 제한기(132)는 전형적으로 제 1 흐름 제한기(131)보다 더 거칠다(coarser). 대안적으로, 흐름 제한기들(131, 132) 중의 하나 또는 모두는 기판 홀더(130)로부터 분리될 수 있다. 반응 챔버(110)는 반응 챔버(110)의 상부면 상의 반응 챔버 뚜껑(120)에 의해 밀폐된다. 뚜껑(120)에 부착된 것은 배출 밸브(125)이다.
상기 증착 반응기는 상기 증착 반응기의 바닥부에 전구체 증기 공급 라인(101 및 102)을 포함한다. 제 1 전구체 증기 공급 라인(101)은 불활성 캐리어 가스 공급원(141)으로부터 제 1 전구체 공급원(142) (여기서는 TMA)을 거쳐, 제 1 전구체 공급 밸브(143)를 통해 반응 챔버(110)의 바닥부 내로 연장된다. 제 1 전구체 공급 밸브(143)는 작동기(144)에 의해 제어된다. 유사하게, 제 2 전구체 증기 공급 라인(102)은 불활성 캐리어 가스 공급원(151)으로부터 제 2 전구체 공급원(152) (여기서는 H2O)을 거쳐, 제 2 전구체 공급 밸브(153)를 통해 반응 챔버(110)의 바닥부 내로 연장된다. 제 2 전구체 공급 밸브(153)는 작동기(154)에 의해 제어된다. 불활성 캐리어 가스 공급원 (141, 151)은 단일 공급원 또는 별개의 공급원들에 의해 실행될 수 있다. 도 1에 도시된 구현예에서, 질소가 불활성 캐리어 가스로 사용된다. 그러나, 높은 증기압을 갖는 전구체 공급원이 사용되는 경우, 캐리어 가스는 일부 경우에 전혀 사용될 필요가 없다. 대안적으로, 그러한 경우에, 캐리어 가스의 경로는 캐리어 가스가 문제의 전구체 증기 공급 라인을 통해 흐르지만, 문제의 전구체 공급원을 지나치도록 구성될 수 있다.
상기 증착 반응기는 상기 증착 반응기의 바닥부에 퍼지 가스 공급 라인(105)을 더 포함한다. 퍼지 가스 공급 라인(105)은 퍼지 가스 공급원(162)으로부터 퍼지 가스 밸브(163)를 통해 반응 챔버(110)의 바닥부 내로 연장된다. 퍼지 가스 밸브(163)는 작동기(164)에 의해 제어된다. 도 1에 도시된 구현예에서, 건조 공기(또는 건조된 공기)와 같은 압축 가스가 퍼지 가스로 사용된다. 본 명세서에서, 건조 공기 및 건조된 공기라는 표현은 수분 잔류물이 없는 공기를 의미한다.
반응 챔버(110)는 증착 반응기의 상단 부분으로부터 반응 챔버(110) 내로 기판 홀더(130)를 내림으로써 적어도 하나의 기판으로 로딩된다. 증착 후에, 반응 챔버(110)는 반대 방향으로, 즉 반응 챔버(110)로부터 기판 홀더(130)를 들어 올림으로써 언로딩된다. 로딩 및 언로딩 목적을 위해, 상기 반응 챔버의 뚜껑(120)은 옆으로 이동되었다.
이전에 언급한 바와 같이, 증착 시퀀스는 하나 이상의 연속적인 증착 사이클로 형성되고, 각각의 사이클은 적어도 제 1 전구체 노출 기간(펄스 A), 이후의 제 1 퍼지 단계(퍼지 A), 이후의 제 2 전구체 노출 기간(펄스 B), 이후의 제 2 퍼지 단계(퍼지 B)로 구성된다. 로딩 후이지만, 상기 증착 시퀀스의 개시(commencement) 전에, 반응 챔버(110)는 또한 초기에 퍼지된다.
도 2는 그러한 퍼지 단계, 즉 초기 퍼지 동안 또는 퍼지 A 또는 퍼지 B 동안 작동 중인 도 1의 증착 반응기를 나타낸다.
이 실시 구현예에서, 이전에 언급된 바와 같이, 건조 공기와 같은 압축 가스가 퍼지 가스로 사용된다. 퍼지 가스 밸브(163)는 개방된 상태로 유지되어 상기 퍼지 가스는 퍼지 가스 공급원(162)으로부터 퍼지 가스 공급 라인(105)을 거쳐 반응 챔버(110) 내로 흘러 들어간다. 상기 퍼지 가스는 제 1 흐름 제한기(131) 상류의 팽창 부피(expansion volume)(171)에서 반응 챔버(110)로 들어간다. 흐름 제한기(131) 때문에, 상기 퍼지 가스는 팽창 부피(171)의 좌우로(laterally) 퍼진다. 팽창 부피(171)의 압력은 기판 영역, 즉, 부피(volume)(172)의 압력보다 높다. 상기 퍼지 가스는 흐름 제한기(131)를 통해 상기 기판 영역 내로 흘러 들어간다. 제 2 흐름 제한기(132) 하류의 뚜껑 부피(173)의 압력은 기판 영역(172)의 압력보다 낮기 때문에, 상기 퍼지 가스는 기판 영역(172)으로부터 제 2 흐름 제한기(132)를 통해 뚜껑 부피(173) 내로 흘러 들어간다. 뚜껑 부피(173)로부터, 상기 퍼지 가스는 배출 밸브(125)를 거쳐 배출 채널로 흐른다. 퍼지 A 및 B 동안, 퍼지의 목적은 기상의 반응 부산물 및 잔류 반응물 분자를 밀어내는 것이다. 초기 퍼지 동안 그 목적은 전형적으로 잔류 습도/수분 및 임의의 불순물을 밀어내는 것이다.
실시 구현예에서, 상기 퍼지 가스는 반응 챔버(110)를 가열하기 위해 사용된다. 상기 퍼지 가스에 의한 가열은 상황에 따라 상기 초기 퍼지 동안, 또는 상기 초기 퍼지 및 상기 증착 시퀀스 모두 동안, 작동될 수 있다. 반응 챔버(110)를 가열하기 위해 사용되는, 건조 공기와 같은, 압축 가스가 상기 사용된 전구체 및 상기 사용된 캐리어 가스(존재하는 경우)에 대하여 불활성인 경우, 상기 퍼지 가스에 의한 상기 가열이 상기 전구체 노출 기간들(펄스 A 및 펄스 B) 동안 사용될 수 있다.
가열 구현예에서, 상기 퍼지 가스는 퍼지 가스 공급 라인(105)에서 가열된다. 상기 가열된 퍼지 가스는 반응 챔버(110) 내로 들어가서, 반응 챔버(100) 및 특히 상기 적어도 하나의 기판(135)을 가열시킨다. 따라서 상기 사용된 열 전달 방법은 일반적으로 대류, 보다 상세하게는, 강제 대류이다.
수분 잔류물이 없는 공기를 의미하는 건조 공기(또는 건조된 공기)는, 예를 들어, 일반적으로 알려진 종래의 깨끗한 건조 공기 생성 장치(깨끗한 건조 공기 공급원)에 의해, 용이하게 제공될 수 있다. 그러한 장치는 퍼지 가스 공급원(162)으로 사용될 수 있다.
도 3은 상기 사용된 전구체(제 1 전구체)가 트리에틸알루미늄 (TMA)인 경우, 펄스 A 동안 작동 중인 도 1의 증착 반응기를 나타낸다. 이 구현예에서, 질소(N2)가 불활성 캐리어 가스로 사용된다. 상기 불활성 캐리어 가스는 제 1 전구체 공급원(142)을 통해 흘러 전구체 증기를 반응 챔버(110) 내로 운반한다. 기판 영역(172)으로 들어가기 전에, 상기 전구체 가스는 팽창 부피(171)에서 좌우로 퍼진다. 제 1 전구체 공급 밸브(143)는 개방된 상태로 유지되고, 제 2 전구체 공급 밸브(153)는 폐쇄된 상태로 유지된다.
동시에, 상기 가열된 불활성 퍼지 가스는 상기 개방된 퍼지 가스 밸브(163)를 통해 퍼지 가스 라인(105)을 거쳐 반응 챔버(110) 내로 흘러 들어가서 반응 챔버(110)를 가열시킨다.
도 4는 상기 사용된 전구체(제 2 전구체)가 물(H2O)인 경우 펄스 B 동안 작동 중인 도 1의 증착 반응기를 나타낸다. 이 구현예에서, 질소(N2)가 불활성 캐리어 가스로 사용된다. 상기 불활성 캐리어 가스는 제 2 전구체 공급원(152)을 통해 흘러 전구체 기체를 반응 챔버(110) 내로 운반한다. 기판 영역(172)으로 들어가기 전에, 상기 전구체 증기는 팽창 부피(171)내에서 좌우로 퍼진다. 제 2 전구체 공급 밸브(153)는 개방된 상태로 유지되고, 제 1 전구체 공급 밸브(143)는 폐쇄된 상태로 유지된다.
동시에, 상기 가열된 불활성 퍼지 가스는 상기 개방된 퍼지 가스 밸브(163)를 통해 퍼지 가스 라인(105)을 거쳐 반응 챔버(110) 내로 흘러 들어가서 반응 챔버(110)를 가열시킨다.
도 5는 일 실시 구현예에 따른 로딩 방식을 나타낸다. 이 구현예에서, 반응 챔버(110)는 양 측면에 문들(doors)을 가지며, 기판 홀더(130)는 일 측면으로부터 로딩되어, 타 측면, 예를 들어, 반대 측면으로부터 언로딩된다. 반응 챔버 뚜껑(120)은 제거 가능할 필요가 없다.
특정한 실시 구현예에서, 상기 증착 반응기에서의 증착 시퀀스는 대기압(전형적으로 실내압), 또는 1 표준 기압(1 atm)에 가까운 압력에서 수행될 수 있다. 이러한 구현예들에 있어서, 진공 펌프 또는 이와 유사한 것이 배출 채널에서 필요하지 않다. 또한, 임의의 진공 챔버가 반응 챔버(110)를 수용하기 위해 필요하지 않다. 압력 용기가 생략될 수 있다. 경량 반응기 챔버(110)가 사용될 수 있다. 반응 챔버(110)의 벽은 얇을 수 있고, 예를 들어 판금(sheet metal)으로 제조될 수 있다. 상기 벽은 이를 수동층(passive layer)으로 코팅함으로써 사용 전에 부동태화(passivated)될 수 있다. ALD 방법이 사용될 수 있다. 사실상, 반응 챔버(110)의 내부 표면은 적합한 전구체와 함께 상기 증착 반응기 자체를 사용하여 미리(기판 상에 증착 시퀀스가 수행되기 전에) 부동태화될 수 있다.
대기압 미만에서 작동하도록 요구되는 경우, 상기 증착 반응기는 일반적으로 알려진 진공 이젝터를 구비할 수 있다. 도 6은 상기 증착 반응기의 상기 배출 채널에 부착된 그러한 진공 이젝터(685)를 보여준다. 진공 이젝터(685)에서, 적합한 불활성 구동 가스가 상기 이젝터로 유입되어 반응 챔버(110)로부터 가스 및 작은 입자를 흡입하는 저압 영역을 생성하며, 이에 의해 반응 챔버(110)의 압력을 감소시킨다.
도 7은 또 다른 실시 구현예에 따른 증착 반응을 나타낸다. 이 구현예에서, 퍼지 가스 라인(105)에서 퍼지 가스로 사용되는 가스와 동일한 가스가 불활성 캐리어 가스로도 사용된다. 작동하는 동안, 건조 공기와 같은 상기 압축 가스는 교대로 공급원(141)으로부터 제 1 전구체 공급원(142)을 거쳐 반응 챔버(110) 내로 흘러 들어가고, 공급원(151)으로부터 제 2 전구체 공급원(152)을 거쳐 반응 챔버(110) 내로 흘러 들어가서 이와 함께 전구체 증기를 운반한다. 또한, 상기 불활성 퍼지 가스는 퍼지 가스 공급 라인(105)을 거쳐 반응 챔버(110) 내로 흘러 들어간다. 대안적으로, 상기 캐리어 가스의 경로는 캐리어 가스가 문제의 상기 전구체 증기 공급 라인을 통해 흐르지만, 문제의 상기 전구체 공급원을 지나치도록 구성될 수 있다. 일 실시 구현예에서, 상기 불활성 캐리어 가스는 문제의 상기 전구체 공급원을 통해 흐르지 않고 문제의 상기 불활성 가스 공급원으로부터 문제의 상기 전구체 증기 공급 라인을 거쳐 흐른다. 가스 공급원(141, 151 및 162)은 단일 공급원 또는 별개의 공급원들에 의해 실행될 수 있다.
도 8은 또 다른 실시 구현예에 따른 증착 반응을 나타낸다. 이 구현예는 상기 증착 시퀀스 동안 공급 라인(105)의 퍼지 가스가 반응 챔버(110)로 들어가는 것이 허용될 수 없는 상황(예를 들어, 퍼지 가스가 상기 사용된 전구체에 대하여 불활성이 아닌 경우)의 경우에 특히 적합하다. 이 구현예에서, 퍼지 가스 공급 라인(105)은 초기 퍼지 동안 개방되어 있다. 상기 초기 퍼지 동안, 가열된 퍼지 가스는 반응 챔버(110)를 가열시키기 위해 퍼지 가스 공급 라인(105)으로부터 반응 챔버(110) 내로 흘러 들어간다. 상기 초기 퍼지 이후에, 퍼지 가스 밸브(163)는 폐쇄되고, 이는 전체 증착 시퀀스 동안 폐쇄된 상태로 유지된다.
도 9는 특정한 실시 구현예에 따른 증착 반응기의 특정한 세부 사항을 더 자세히 나타낸다. 도 9에서는, 반응 챔버 히터(또는 히터들)(902), 열 교환기(905), 퍼지 가스 공급 라인 히터(또는 히터들)(901), 및 열의 피드백 연결 (950)이 보여진다.
반응 챔버(110) 주위에 위치한 반응 챔버 히터(902)는 원하는 경우 반응 챔버(110)에 열을 제공한다. 히터(902)는 전기 히터 또는 유사한 것일 수 있다. 상기 사용된 열 전달 방법은 주로 복사(radiation)이다.
퍼지 가스 공급 라인 히터(901)는, 공급 라인(105)에서, 상기 퍼지 가스를 가열하고, 상기 퍼지 가스는 차례로 반응 챔버(110)를 가열한다. 상기 사용된 열 전달 방법은 전술한 바와 같은 강제 대류이다. 도 9에서 공급 라인(105)에서 가스 공급 라인 히터(901)의 위치는 퍼지 가스 밸브(163)의 하류이다. 대안적으로, 퍼지 가스 공급 라인 히터(901)의 위치는 퍼지 가스 공급원(162)과 더 가까운 퍼지 가스 밸브(163)의 상류일 수 있다.
상기 반응 챔버의 상단부 또는 뚜껑(120), 또는 상기 배출 채널에 부착된 열 교환기(905)는 피드백 연결(950)을 실행하기 위해 사용될 수 있다. 특정한 구현예에서, 상기 배출 가스로부터 수집된 열 에너지는 히터(901)에 의해 상기 퍼지 가스를 가열하는데 사용되고, 및/또는 상기 열 에너지는 히터(902)에 활용될 수 있다.
상기 제시된 구현예들 각각에서, 반응 챔버 뚜껑(120) 또는 상기 증착 반응기의 상기 배출 채널은 가스 세정기(scrubber)를 포함할 수 있다. 그러한 가스 세정기는 상기 증착 반응기로부터 방출될 것으로 예상되지 않는 그러한 가스들, 화합물들 및/또는 입자들을 흡수하는 활성 물질을 포함한다.
특정한 구현예에서, 전구체 공급원(142, 152)은 가열될 수 있다. 그들의 구조에 있어서, 공급원(142, 152)은 관통형한 공급원(flow-through source)일 수 있다. 흐름 제한기(131, 132), 특히 더 거친 것, 즉, 제 2 흐름 제한기(132)는 특정한 구현예들에서 선택적일 수 있다. 증착 시퀀스 동안 성장 메커니즘이 느린 경우, 특정한 구현예에서, 전구체 소비를 감소시키기 위해, 배출 밸브(125)는 펄스 A 및 B 동안 폐쇄될 수 있고, 그 외에는 개방될 수 있다. 특정한 구현예에서, 상기 증착 반응기는 본 명세서에서 제시된 구현예들에 비해 거꾸로(upside down) 실행된다.
도 10은 생산 라인의 일부로서의 증착 반응기, 즉 ALD 반응기, 따라서 인-라인(in-line) ALD 반응기(또는 반응기 모듈)를 나타낸다. 이전에 제시된 상기 ALD 반응기와 유사한 증착 반응기가 생산 라인에서 사용될 수 있다. 도 10의 실시 구현예는 생산 라인에서 세 개의 인접한 모듈 또는 기계를 나타낸다. 적어도 하나의 기판, 또는 상기 적어도 하나의 기판을 운반하는 기판 홀더 또는 카세트 또는 유사한 것은, ALD 반응기 모듈(1020) 이전의 모듈 또는 기계(1010)로부터 입력 포트 또는 문(1021)을 통해 수용된다. 상기 적어도 하나의 기판은 ALD 반응기 모듈(1020)에서 ALD 처리되고, 추가 처리를 위해 출력 포트 또는 문(1022)을 통해 다음 모듈 또는 기계(1030)로 보내어진다. 출력 포트 또는 문(1022)은 입력 포트 또는 문(1021)보다 상기 ALD 반응기 모듈의 반대측에 위치할 수 있다.
특허청구범위의 범위 및 해석을 제한하지 않으면서, 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시 구현예들의 특정한 기술적 효과들이 아래에 열거된다: 하나의 기술적 효과는 더욱 단순하고 더욱 경제적인 증착 반응기 구조이다. 다른 기술적 효과는 강제 대류에 의해 반응 챔버 및 기판 표면을 가열 또는 예열시키는 것이다. 또 다른 기술적 효과는 ALD 증착 시퀀스 동안 건조 공기를 퍼지 가스 및 캐리어 가스 모두로 사용하는 것이다. 또 다른 기술적 특징은 대기압 또는 대기압보다 약간 아래에서 ALD 처리를 하는 것으로, 이에 의해 ALD 반응기 / ALD 반응기 모듈이 생산 라인에서 편리하게 사용되게 할 수 있다. 전술한 설명은 본 발명의 특별한 실시예들 및 구현예들의 비제한적인 예를 통해 본 발명을 수행하기 위해 본 발명자들이 현재 고려한 최선의 실시예의 완전하고 유익한 설명을 제공하였다. 그러나, 본 발명이 상기 제시된 구현예들의 세부 사항에 한정되지 않으며, 본 발명의 특징으로부터 벗어나지 않고 동등한 수단들을 사용하여 다른 구현예들에서 실시될 수 있다는 것은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백하다.
더욱이, 본 발명의 상기 개시된 구현예들의 특징들 중의 일부는 다른 특징들의 대응하는 사용없이 유리하게 사용될 수 있다. 이와 같이, 상기 설명은 단지 본 발명의 원리를 예시하는 것으로 간주되어야 하며, 이를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 오직 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (17)

  1. 순차적 자기 포화 표면 반응(self-saturating surface reaction)에 의해 적어도 하나의 기판 상에 물질을 증착시키도록 구성된 원자층 증착 반응기를 작동시키는 단계; 및
    건조 공기를 상기 반응기 내에서 퍼지 가스로 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 건조 공기를 캐리어 가스로 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전체 증착 시퀀스 동안 건조 공기가 상기 반응기의 반응 챔버 내로 흘러 들어가게 하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 건조 공기를 상기 반응기의 반응 챔버를 가열하는데 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 퍼지 가스 공급 밸브(in-feed valve)의 하류에서 상기 건조 공기를 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기의 배출부로부터 퍼지 가스 공급 라인(in-feed line) 히터까지 연장된 열의 피드백 연결부를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원자층 증착 반응기를 대기압에서 작동시켜 순차적 자기 포화 표면 반응에 의해 적어도 하나의 기판 상에 물질을 증착시키는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기의 배출부에 부착된 이젝터를 사용하여 상기 반응기의 작동 압력을 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  9. 순차적 자기 포화 표면 반응에 의해 적어도 하나의 기판 상에 물질을 증착시키도록 구성된 원자층 증착 반응 챔버; 및
    건조 공기 공급원으로부터 건조 공기를 퍼지 가스로 상기 반응기의 반응 챔버 내로 공급하기 위한 건조 공기 공급 라인(in-feed line)을 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반응 챔버 내로 전구체 증기를 운반하기 위한 것으로서, 건조 공기 공급원으로부터 전구체 공급원을 거쳐 상기 반응기 챔버 내로 연장된 전구체 공급 라인(in-feed line)을 포함하는 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 건조 공기를 가열하도록 구성된 히터를 포함하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 퍼지 가스 공급 밸브(in-feed valve)의 하류에 상기 히터를 포함하는 장치.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기의 배출부로부터 퍼지 가스 공급 라인(in-feed line) 히터까지의 열의 피드백 연결을 포함하는 장치.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기가 대기압 또는 대기압 부근에서 작동하도록 구성된 경량 반응기(lightweight reactor)인 장치.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 내의 작동 압력을 감소시키기 위한 것으로서, 상기 반응기의 배출부에 부착된 이젝터를 포함하는 장치.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항의 장치를 생산 라인의 일부로서 포함하는 생산 라인.
  17. 순차적 자기 포화 표면 반응에 의해 적어도 하나의 기판 상에 물질을 증착시키도록 구성된 원자층 증착 반응기를 작동시키기 위한 수단; 및
    건조 공기를 상기 반응기 내에서 퍼지 가스로 사용하기 위한 수단을 포함하는 장치.
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