KR20150023016A - 원자층 퇴적에 의한 기판 웹 코팅 - Google Patents

원자층 퇴적에 의한 기판 웹 코팅 Download PDF

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피코순 오와이
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Abstract

본 발명은 웹 기판(950)을 원자층 퇴적(ALD) 반응기 및 장치들의 반응 공간 안으로 드라이빙하는 방법과 관련된다. 상기 발명은 웹 기판을 원자층 퇴적 반응기의 반응 공간(930) 안으로 드라이빙하는 단계와, 순차적 자기포화 표면 반응들을 통해 상기 기판 웹 상에 물질을 퇴적하기 위해 전구체 펄스들을 상기 반응 공간에 노출시키는 단계를 포함한다. 상기 발명의 일 효과는 종래의 공간적 롤투롤 원자층 퇴적 반응기들에 비해 간단한 구조이다. 다른 효과는 퇴적된 물질의 두께가 상기 웹의 속도에 의해 직접적으로 결정될 수 있는 것이다.

Description

원자층 퇴적에 의한 기판 웹 코팅{Coating a substrate web by atomic layer deposition}
본 발명은 일반적으로 퇴적 반응기들(deposition reactors)에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 순차적 자기포화 표면 반응들(sequential self-saturating surface reactions)을 통해 표면들에 물질이 퇴적되는 원자층 퇴적(atomic layer deposition: ALD) 반응기들에 관한 것이다.
원자층 에피택시(Atomic Layer Epitaxy: ALE) 방법은 1970년대 초 뚜오모 순똘라(Tuomo Suntola) 박사에 의해 발명되었다. 상기 방법의 다른 일반적인 이름은 원자층 퇴적(ALD)이며, 근래에는 이것이 원자층 에피택시(ALE) 대신 사용되고 있다. 원자층 퇴적(ALD)은 적어도 하나 이상의 기판에 적어도 둘 이상의 반응성 전구체 종들(reactive precursor species)의 순차적 유입(introduction)에 기초한 특별한 화학적 퇴적 방법이다.
원자층 퇴적(ALD)에 의해 성장된 박막들은 치밀하며, 핀 홀(pinhole)이 없으며, 균일한 두께를 가진다. 예를 들어, TMA라고도 알려진 트리메틸 알루미늄(trimethylaluminum, (CH3)3Al)과 워터(water)로부터 열적 원자층 퇴적(thermal ALD) 방법에 의해 250 ~ 300 ℃에서 성장되는 알루미늄 옥사이드(aluminum oxide) 실험에서는 기판 웨이퍼(substrate wafer) 전체에서 대략 1% 만의 불균일성(non-uniformity)을 낳는다.
원자층 퇴적(ALD) 산업계는 아직까지 하나 또는 그 이상의 경성 기판들(rigid substrates) 상에의 물질 퇴적에 주로 집중해 오고 있다. 다만, 최근에는, 제1 롤(roll)로부터 풀리면서 퇴적 이후 제2 롤 주변에 감기는 기판 웹(substrate web)에 물질이 증착되는 롤투롤(roll-to-roll) 원자층 퇴적(ALD) 공정을 향한 관심이 증가하고 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 개선된 원자층 퇴적에 의한 기판 웹 코팅 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 예시적 양상에 따라 제공되는 방법은, 기판 웹을 원자층 퇴적 반응기의 반응 공간으로 드라이빙하는 단계 및 순차적 자기포화 표면 반응들을 통해 상기 기판 웹 상에 물질을 퇴적하기 위해 시간상으로 분리된 전구체 펄스들을 상기 반응 공간에 노출시키는 단계를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 물질은 기판 웹 상에 퇴적되며, 상기 물질 성장은 상기 웹의 속도에 의해 제어된다.
어떤 실시예들에서, 상기 기판 웹이 공정 챔버를 통하는 직선 트랙(straight track)을 따라 이동하며 시간상으로 분리된 원자층퇴적(ALD) 공정에 의해 원하는박막 코팅이 상기 기판 표면 위로 성장한다.
어떤 실시예들에서, 원자층 퇴적(ALD) 사이클의 각각의 단계들(phases)은 하나의 그리고 동일한 공정 챔버의 반응 공간(reaction space)에서 수행된다. 이는 예컨대 퇴적 사이클의 상이한 단계들이 상이한 반응 공간들에서 수행되는 공간적 원자층 퇴적(spatial ALD)과는 대조적이다.
어떤 실시예들에서, 상기 반응 공간 전부는 전구체 펄스들에 교대로 노출될 수 있다. 따라서, 제1 전구체의 전구체 펄스에의 상기 반응 공간의 노출은 제2 (다른) 전구체의 전구체 펄스에의 노출과 정확히 동일한 공간 (또는 동일한 공정 챔버의 볼륨(volume))에서 발생할 수 있다. 예컨대 반응 공간이 공간상으로 나누어질 필요가 있는 공간적 원자층 퇴적(spatial ALD)과는 대조적으로, 상기 반응 공간 안에서의 원자층 퇴적(ALD) 공정은 시간상으로 나누어(또는 시분할)진다. 상기 기판 웹은 상기 반응 공간을 통해 연속적으로(continuously) 이동하거나, 주기적으로(periodically) 이동할 수 있다. 상기 물질의 성장은 상기 기판 웹이 상기 반응 공간 안에 있는 동안, 그리고 상기 기판 웹이 상기 기판 웹의 표면에서 발생하는 순차적 자기포화 표면 반응들을 유발하는 전구체 증기 펄스에 교대로 노출되는 동안 발생한다. 상기 기판 웹이 상기 반응기의 상기 반응 공간의 외부에 있을 때에는, 기판 웹의표면은 단지 비활성(inactive) 가스에 노출될 뿐이며, 원자층 퇴적(ALD) 반응들은 발생하지 않는다.
상기 반응기는 상기 반응 공간을 제공하는 단일 공정 챔버를 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 상기 기판 웹은 소스 롤(source roll)과 같은 기판 웹 소스로부터 상기 공정 챔버(또는 반응 공간)안으로 드라이브(drive)된다. 상기 기판 웹은 상기 공정 챔버 안에서 원자층 퇴적(ALD) 반응들에 의한 공정이 수행되고, 목적지 롤(destination roll)과 같은 기판 웹 목적지를 향해 상기 공정 챔버의 외부로 드라이브 된다. 상기 기판 웹 소스 및 목적지가 롤들일 때, 롤투롤 원자층 퇴적 방법이 존재하게 된다. 상기 기판 웹은 제1 롤로부터 풀리고, 상기 공정 챔버로 드라이브되며, 퇴적 이후 제2 롤의 주변에 감길 수 있다. 이에 따라, 상기 기판 웹은 제1 롤로부터 제2 롤로 드라이브되는 도중에 원자층 퇴적(ALD) 반응에 노출될 수 있다. 상기 기판 웹은 벤더블(bendable)할 수 있다. 상기 기판 웹은 또한 롤러블(rollable)할 수 있다. 상기 기판 웹은 금속 포일(metal foil)과 같은 포일일 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 기판 웹은 제1 제한된 공간(confined space)으로부터 또는 통하여 상기 반응 공간에 들어간다. 상기 제1 제한된 공간은 과압력 볼륨(excess pressure volume)일 수 있다. 상기 기판 웹은 상기 반응 공간으로부터 제2 제한된 공간 안으로 드라이브될 수 있다. 상기 제2 반응 공간은 과압력 볼륨일 수 있다. 그것은 제1 제한된 공간과 동일하거나 상이한 볼륨일 수 있다. 상기 제한된 공간(들)의 목적은 단순히 상기 기판 웹 루트(route)를 통해 상기 공정 챔버의 외부로 전구체 증기/반응 가스가 플로우되는 것을 막기 위한 것일 수 있다. 롤투롤 시나리오에서, 상기 롤들은 상기 제한된 공간에 존재하거나, 아닐 수 있다. 상기 반응기는 원자층퇴적(ALD) 반응기(또는 모듈(module))와 공정 유닛들을 가진 생산 라인(production line)의 일부로 형성될 수 있다. 특히 이 경우 상기 롤들은 상기 제한된 공간(들)의 외부와 멀리 이격된 상기 생산 라인의 적절한 포인트에 존재할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 상기 방법은 과압력 볼륨과 상기 반응 공간 사이에서의 압력차(pressure difference)를 유지시키는 슬릿을 통해 상기 기판 웹을 상기 과압력 볼륨으로부터 상기 반응 공간에 입력(input)하는 단계를 포함한다.여기서 상기 과압력은 상기 과압력 볼륨의 압력이 비록 주변(또는 룸(room)) 압력에 비하여 감소된 압력이더라도 상기 반응 공간 안의 압력에 비하여 높은 압력을 의미한다. 비활성 가스는 상기 압력차를 유지하기 위해 상기 과압력 볼륨에 공급(feed)될 수 있다. 따라서, 어떤 실시예들에서, 상기 방법은 비활성 가스를 상기 과압력 볼륨에 공급하는 단계를 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 슬릿(입력 슬릿)은 상당히 얇아서 상기 기판 웹은 겨우 빠져나갈 수 있도록 꼭 맞다. 상기 과압력 볼륨은 상기 제1(또는 소스) 롤이 존재하는 볼륨일 수 있다. 어떤 실시예들에서, 제1 및 제2 롤 모두 상기 과압력 볼륨에 존재한다. 상기 과압력 볼륨은 과압력 공간 또는 구획(compartment)을 의미할 수 있다. 상기 슬릿은 비활성 가스가 상기 과압력 볼륨으로부터 상기 반응 공간(또는 공정 챔버)으로 플로우되는 것을 허용하나, 다른 방향으로 (즉, 반응 공간으로부터 상기 과압력 볼륨으로)의 플로우는 실질적으로 차단하는 플로우 제한 장치(flow restrictor)로서 동작할 수 있다. 상기 슬릿은 스로틀(throttle)일 수 있다. 상기 슬릿은 상기 비활성 가스 플로우를 위한 구조(constriction)로서 동작할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 상기 반응기는 상기 슬릿을 형성하는 압축 플레이트들(constriction plates)을 포함한다. 상기 압축 플레이트들은 서로 옆에 위치하여 상기 기판 웹이 딱 맞추어 빠져나갈 수 있도록 하는 2개의 플레이트들일 수 있다. 상기 플레이트들은 상기 플레이트들 사이의 상기 공간(슬릿 볼륨)이 상기 웹의 이동 방향으로 연장되도록 하는 평행(parallel) 플레이트들일 수 있다. 상기 기판 웹은 상기 제1 롤로부터 풀리면서, 상기 반응 공간을 제공하는 공정 챔버 안에서 원자층 퇴적(ALD) 공정이 수행되며, 그리고 상기 제2 롤에 감길 수 있다.상기 원자층 퇴적(ALD) 공정이 수행된 기판 웹은 제2 슬릿(출력(output) 슬릿)을 통해 상기 반응 공간으로부터 출력될 수 있다. 상기 제2 슬릿의 구조 및 기능은 상기 언급한 제1 슬릿의 그것과 일치할 수 있다. 상기 제2 슬릿은 상기 언급한 제1 슬릿과 비교하면 상기 반응 공간의 반대쪽에 존재할 수 있다.어떤 실시예들에서, 상기 퇴적된 물질의 두께는 상기 웹의 속도에 의해 제어된다. 어떤 실시예들에서, 상기 웹의 속도는 제어 유닛(control unit)에 의해 조절된다. 상기 퇴적된 물질의 두께는 상기 웹의 속도에 의해 직접적으로 결정될 수 있다. 상기 웹은 상기 제1 롤로부터 상기 제2 롤로 연속적으로 드라이브될 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 웹은 일정한 속도로 연속적으로 드라이브된다. 어떤 실시예에서, 상기 웹은 스탑 앤 고 방식(stop and go fashion)으로 드라이브된다. 이 경우 상기 기판 웹은 퇴적 사이클을 위해 정지하고, 상기 사이클의 끝에서 움직이며, 그리고 다음 사이클을 위해 정지하는 등등일 수 있다. 이에 따라, 상기 기판 웹은 미리 결정된 시각(time instants)에 가끔씩 움직일 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 방법은 비활성 가스를 상기 제1 및 제2 롤이 존재하는 상기 볼륨(들) 안으로 전달하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 상기 볼륨(들) 안의 상기 가스는 비활성 가스로 이루어질 수 있다. 상기 비활성 가스는 인근 볼륨으로부터 상기 볼륨(들) 안으로 전달될 수 있다. 예를 들어, 비활성 가스는 상기 반응 챔버를 둘러싸는 진공 챔버로부터 상기 롤들을 수용하고 상기 실질적 공정 챔버를 둘러싸는 반응 챔버 안으로 차례대로 전달될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 반응 공간 안에서의 상기 전구체 증기 플로우 방향은 상기 기판 웹의 이동 방향에 따른다. 상기 기판 웹은 2개의 표면들과 2개의 모서리들(edges)을 포함한다. 상기 전구체 증기는 상기 표면들 중 적어도 하나를 따라 플로우될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 방법은 상기 반응 공간의 상기 기판 웹 입력단에서 상기 반응 공간에 상기 전구체 증기를 공급하는 단계 및 상기 반응 공간의 기판 웹 출력단에서 가스들의 배기관을 마련하는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 (다른) 전구체의 전구체 증기는 상기 반응 공간의 상기 기판 웹 입력단 안으로 교대로(alternately) 전도(conduct)될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 반응 공간 내에서의 상기 전구체 증기 플로우 방향은 상기 기판 웹의 이동 방향에 대하여 횡단(traverse)한다. 상기 기판 웹은 2개의 표면들과 2개의 모서리들을 포함한다. 상기 횡단 전구체 증기 플로우 방향은 상기 표면들 중 적어도 하나를 따를 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 방법은 상기 반응 공간의 일측에서의 반응 공간에 상기 전구체 증기를 공급하고 상기 반응 공간의 타측에 가스의 배기관을 배치하는 단계를 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 방법은 상기 반응 공간의 제1 측면의 반응 공간 안으로의 제1 전구체의 전구체 증기 및 상기 반응 공간의 상기 제1 측면 또는 제2 (반대) 측면의 제2 (다른) 전구체의 전구체 증기를 교대로 공급하고, 상기 반응 공간의 중심 영역 또는 상기 반응 공간의 상기 기판 웹 출력단에 가스의 배기관을 배치하는 단계를 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 방법은 상기 제1 및 제2 롤을 반응 챔버 리드(lid)에 결합하는 단계를 포함한다. 상기 원자층 퇴적(ALD) 반응기는 내포된(nested) 챔버들을 가지는 반응기일 수 있다. 어떤 실시예들에서, 상기 반응기는 제2 챔버 (반응 챔버, 또는 제2 압력 용기(pressure vessel))를 둘러싸고 내장(housing)하는 제1 챔버 (진공 챔버, 또는 제1 압력 용기)를 포함한다. 상기 반응 챔버는 제1 및 제2 롤을 내장하고, 상기 반응 챔버의 안쪽에는 상기 반응 공간을 제공하는 제3 챔버(상기 공정 챔버)가 형성될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 상기 공정 챔버는 상기 반응 챔버 리드에 결합되어 있다.
상기 반응기는 상기 반응기/반응 챔버의 상부로부터 로드(load) 또는 언로드(unload)될 수 있다. 어떤 실시예들에서, (상기 진공 챔버로의 리드 또한 제공하는 듀얼 리드 시스템(dual lid system)일 수 있는) 상기 반응 챔버 리드는 로딩을 위한 상부 부분 안으로 올려질 수 있다. 상기 제1 롤 및 제2 롤은 상기 리드에 부착된다. 상기 리드는 상기 반응 챔버(및 진공 챔버)를 덮도록 내려진다. 상기 반응 공간 안으로의 가스 공급은 전구체/비활성 가스 소스들로부터 상기 반응 챔버 리드를 통해 이루어질 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 방법은 상기 반응 공간에 상기 기판 웹을 곧바로 드라이빙하는 단계를 포함한다.
다른 실시예들에서, 상기 웹은 더 큰 용량(capacity)을 가능하게 하기 위해 상기 반응 공간 내의 긴 트랙을 따라 정렬될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 방법은 말하자면 그것의 측면 방향에서, 상기 기판 웹의 폭과 동일한 폭좁은 공정 챔버를 사용하는 단계를 포함한다. 특히 상기 공정 챔버가 상기 기판 웹에 비해 실질적으로 넓지 않을 경우, 물질은 상기 기판 웹의 단일면에 퇴적될 수 있으며, 이는 상기 기판 자체가 가스가 상기 웹의 다른 면 상에서 플로우되는 것을 막기 때문이다. 상기 기판 웹, 상기 슬릿(들) 및 상기 공정 챔버 모두는 폭이 실질적으로 동일할 수 있다. 근본적으로, 상기 기판 웹이 상기 공정 챔버 벽과 (원하는물질 성장 방향으로) 가까이에서 이동하는 실시예들은 단일면 퇴적에 적합하며, 반면에 상기 기판이 상기 공정 챔버/반응 공간의 중앙 영역에서 이동하는 실시예들은 양면 퇴적에 적합하다.
어떤 실시예들에서, 상기 방법은 차폐(shielding) 볼륨을 형성하기 위해 상기 기판 웹의 후면과 공정 챔버 벽 사이의 공간에 비활성 가스를 공급하는 단계를 포함한다. 상기 차폐 볼륨은 상기 기판 웹의 후면 상의 퇴적을 막도록 형성되어, 따라서 상기 후면은 코팅되지 않은 상기 기판 웹의 표면이 된다. 어떤 실시예들에서, 상기 반응기는 상기 기판 웹의 양측 표면들을 위해 분리된 전구체 증기 인피드(in-feed) 개구부들(openings)을 포함한다.
본 발명의 제2 예시적 양상에 따라 제공되는 장치는, 기판 웹을 원자층 퇴적 반응기의 반응 공간 안으로 드라이빙하는 드라이빙 유닛 및 순차적 자기포화 표면 반응들을 통해 상기 기판 웹 상에 물질을 퇴적하기 위해 시간상으로 분리된 전구체 펄스들을 상기 반응 공간에 노출시키는 전구체 증기 공급부를 포함한다.
상기 장치는 원자층 퇴적(ALD) 반응기일 수 있다. 상기 원자층 퇴적(ALD) 반응기는 독자적 장치 또는 생산 라인의 일부일 수 있다. 상기 드라이빙 유닛은 상기 반응 공간을 경유하여 제1 롤로부터 제2 롤로 상기 기판 웹을 드라이브하도록 구성될 수 있다. 상기 드라이빙 유닛은 상기 제2 (목적지) 롤에 연결될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 상기 드라이빙 유닛은 각각 상기 제1 (소스) 롤과 연결된 제1 드라이브 및 상기 제2 (목적지) 롤과 연결된 제2 드라이브를 포함한다. 상기 드라이빙 유닛은 원하는 속도로 상기 롤(들)이 회전(rotate)하도록 구성될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 전구체 증기 공급부(feeding part)는 전구체 증기를 상기 반응 공간 내부로 전달하기 위해 상기 반응 공간 내부에 정렬된 복수의 샤워 헤드들(shower heads)을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 반응 챔버 리드는 전구체 증기 공급부를 형성한다.
어떤 실시예들에서, 상기 장치는 상기 기판 웹을 과압력 볼륨으로부터 상기 반응 공간 안으로 입력하기 위한 입력 슬릿을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 슬릿은 상기 볼륨과 상기 반응 공간 사이의 압력차를 유지하기 위한 것이다. 어떤 실시예들에서, 상기 장치는 상기 슬릿을 형성하는 압축 플레이트들을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 장치는 비활성 가스를 상기 과압력 볼륨에 수송(convey)하도록 구성된 채널(channel)을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 채널은 반응 챔버 벽 또는 리드를 경유하여 진공 챔버로부터 상기 반응 챔버 안으로 존재한다.
어떤 실시예들에서, 상기 장치는 상기 반응 공간의 상기 기판 웹입력단에서의 반응 공간에의 전구체 증기 인피드 개구부(in-feed opening) 및 상기 반응 공간의 상기 기판 웹출력단에의 배기관을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 상기 장치는 상기 반응 공간의 일측에의 전구체 증기 인피드 개구부 또는 개구부들 및 상기 반응 공간의 타측에의 배기관을 포함한다. 상기 장치는 상기 반응 공간의 대부분의 종방향(longitudinal direction)에 따른 처음부터 끝까지의 상기 반응 공간의 일측에의 전구체 증기 인피드 개구부 또는 개구부들을 포함할 수 있다. 상기 반응 공간의 방향은 다음과 같이 정의될 수 있다: 기판 웹 이동 방향, 원하는 물질 성장 방향 (상기 기판 웹 이동 방향에 수직하는 방향), 및 횡단(traverse) 방향 (상기 기판 웹 이동 방향 및 상기 원하는 물질 성장 방향 모두와 수직하는 방향). 상기 반응 공간의 상기 종방향은 상기 기판 웹 이동 방향에 평행하는 방향을 의미한다.
어떤 실시예들에서, 상기 장치는 제1 및 제2 롤을 리시브(receive)하도록 구성된 반응 챔버 리드를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 반응 챔버 리드는 상기 제1 및 제2 롤을 리시브하기 위해 그것에 결합된 롤 홀더들(holders)을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 반응 챔버 리드는 상기 제1 및 제2 롤이 부착될 수 있는 부착부(attachment) 또는 부착 기구(attachment mechanism)를 포함한다.
상기 기판 웹의 시작부(beginning portion)는 상기 리드가 내려지기 전에 상기 공정 챔버를 통해 상기 제2 롤 상에 끌어당겨질 수 있다.
어떤 실시예들에서, 상기 장치는 말하자면 그것의 측면 방향에서, 상기 입력 슬릿의 폭과 동일한 폭좁은 공정 챔버를 포함한다. 상기 측면 방향은 상기 횡단 방향을 의미한다. 상기 장치는 상기 전구체 펄스들의 시기(timing) 및 퍼지(purge) 주기들과 같은 상기 반응기의 동작을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 제어 유닛은 상기 드라이빙 유닛의 동작 또한 제어할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 상기 제어 유닛은 원하는 물질 성장 두께를 제어하기 위해 상기 기판 웹의 속도를 조절한다.
본 발명의 제3 예시적 양상에 따라 제공되는 장치는, 기판 웹을 원자층 퇴적 반응기의 반응 공간 안으로 드라이빙하는 수단 및 순차적 자기포화 표면 반응들을 통해 상기 기판 웹 상에 물질을 퇴적하기 위해 시간상으로 분리된 전구체 펄스들을 상기 반응 공간에 노출시키는 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 구속력 없는 예시적 양상들 및 실시예들이 상기에서 도해되었다. 상기 실시예들은 단지 본 발명의 구현들에 활용될 수 있는 선택된 양상들 또는 단계들을 설명하기 위해 이용되었다. 일부 실시예들은 오직 본 발명의 어떤 예시적 양상들을 참조하기 위해 존재할 수 있다. 상응하는 실시예들은 또한 다른 예시적 양상들에 적용될 수 있음이 인정되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 개선된 원자층 퇴적에 의한 기판 웹 코팅 방법 및 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 로딩 단계(loading phase)에서의 퇴적 반응기의 측면도를 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 퍼지 단계(purge step) 동안에 동작 중인 도 1의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 전구체 노출 주기(precursor exposure period) 동안에 동작 중인 도 1의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 도 1의 상기 퇴적 반응기의 얇은 공정 챔버의 상면도 및 입력 슬릿에서의 단면도를 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 원자층 퇴적(ALD) 공정이 완료된 후 도 1의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따른 단일 드라이브 시스템을 나타낸다.
도 7은 다른 실시예에 따른 로딩 단계에서의 퇴적 반응기의 측면도를 나타낸다.
도 8은 일 실시예에 따른 전구체 노출 주기 동안에 동작 중인 도 7의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다.
도 9는 포괄적인 실시예에 따른 퇴적 반응기의 측면도를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 전구체 노출 주기 동안에 동작 중인 도 9의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다.
도 11은 일 실시예에 따른 도 7의 상기 전구체 노출 주기 동안의 도 9의 퇴적 반응기의 상면도를 나타낸다.
도 12는 일 실시예에 따른 다른 전구체의 전구체 노출 주기 동안에 동작 중인 도 9의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다.
도 13은 일 실시예에 따른 압축 플레이트들을 가지는 퇴적 반응기를 나타낸다.
도 14는 일 실시예에 따른 반응 공간 안에서 이동된 거리 함수에 따른 퇴적 물질의 두께를 대략적으로 나타낸다.
도 15는 일 실시예에 따른 상기 공정 챔버의 상기 기판 웹 입력단에의 전구체 증기 인피드를 가지는 퇴적 반응기를 나타낸다.
도 16은 일 실시예에 따른 도 15의 퇴적 반응기의 종류의 상면도를 나타낸다.
도 17은 일 실시예에 따른 상기 공정 챔버의 측면에의 전구체 증기 인피드를 가지는 퇴적 반응기를 나타낸다.
도 18은 일 실시예에 따른 도 17의 퇴적 반응기의 종류의 상면도를 나타낸다.
도 19는 일 실시예에 따른 대안적인 구조를 나타낸다.
도 20은 또 다른 실시예에 따른 퇴적 반응기의 상면도를 나타낸다.
도 21은 일 실시예에 따른 한 번에 다수의 롤들의 퇴적을 위한 퇴적 반응기의 상면도를 나타낸다.
도 22는 일 실시예에 따른 얇은 반응기 구조를 나타낸다.
도 23은 일 실시예에 따른 다수의 롤들의 퇴적을 위한 얇은 반응기 구조를 나타낸다.
도 24는 일 실시예에 따른 양면 코팅을 나타낸다.
도 25는 일 실시예에 따른 단일면 코팅을 위한 세부 사항을 나타낸다. 그리고
도 26은 퇴적 반응기 제어 시스템의 대략적인 블록 다이아그램을 나타낸다.
이하의 설명에서, 원자층 퇴적(ALD) 기술은 예시로서 이용된다. 원자층 퇴적(ALD) 성장 메커니즘(mechanism)의 기초는 숙련된 기술자에게 알려져 있다. 이 특허 출원의 서론부에서 언급한 원자층 퇴적(ALD)은 적어도 하나 이상의 기판에 적어도 둘 이상의 반응성 전구체 종들의 순차적 유입에 기초한 특별한 화학적 퇴적 방법이다. 상기 기판, 또는 본 케이스의 상기 이동 기판 웹(moving substrate web)은 반응 공간 안에 위치한다. 상기 반응 공간은 일반적으로 가열되어 있다. 원자층 퇴적(ALD)의 근본적 성장 메커니즘은 화학적 흡착(chemisorption)과 물리적 흡착(physisorption) 사이의 결합력(bond strength) 차이에 의존한다. 원자층 퇴적(ALD)은 퇴적 공정 동안에 화학 흡착을 이용하고 물리 흡착을 제거한다. 화학 흡착 동안 고체상(solid phase) 표면의 원자(들)과 기체상(gas phase)으로부터 도달한 분자 사이에서 강력한 화학적 결합이 형성된다. 오직 반데르 발스의 힘(van der Waals forces)만이 관여하기 때문에, 물리 흡착에 의한 결합은 더욱 약하다.
원자층 퇴적(ALD) 반응기의 상기 반응 공간은 박막 또는 코팅의 퇴적을 위해 사용되는 각각의 원자층 퇴적(ALD) 전구체에 교대로 및 순차적으로 노출될 수 있는 모든 일반적으로 가열된 표면들을 포함한다. 기본적인 원자층 퇴적(ALD) 사이클은 4개의 순차적 단계들로 이루어진다: 펄스 A, 퍼지 A, 펄스 B, 및 퍼지 B. 펄스 A는 일반적으로 금속 전구체 증기로 이루어지고, 펄스 B는 비금속 전구체 증기로 이루어진다. 질소 또는 아르곤과 같은 비활성 가스와 진공 펌프는 일반적으로 퍼지 A 및 퍼지 B 동안에 상기 반응 공간에서의 가스 반응 부산물(gaseous reaction by-products)과 잔류 반응물 분자들(residual reactant molecules)을 퍼지하기 위해 사용된다. 퇴적 시퀀스(sequence)는 적어도 하나의 퇴적 사이클로 구성된다. 퇴적 사이클들은 상기 퇴적 시퀀스가 원하는 두께의 박막 또는 코팅을 생산할 때까지 반복된다.
일반적인 원자층 퇴적(ALD) 공정에서, 전구체 종들은 화학 흡착을 통해 가열된 표면들의 반응성 부위(reactive sites)로의 화학 결합을 형성한다. 전형적으로 하나보다 많지 않은 고체 물질의 분자 단층이 하나의 전구체 펄스 동안에 상기 표면들 상에 형성되는 방식으로 조건들이 마련된다. 상기 성장 공정은 따라서 자기 종결(self-terminating) 또는 포화성(saturative)이다. 예를 들어, 상기 제1 전구체는 흡착된 종들과 부착된 채 남아 있고 상기 표면을 포화시키고, 더 이상의 화학 흡착을 막는 리간드들을 포함할 수 있다. 반응 공간 온도는 상기 기판(들) 상에 전구체 분자 종들이 본질적으로 온전하게 화학 흡착할 정도까지 이용되는 전구체들의 응결 온도(condensation temperatures)보다 높고 열적 분해 온도(thermal decomposition temperatures)보다 낮게 유지된다. 본질적으로 온전하다 함은 상기 전구체 분자들 종들이 상기 표면에서 화학 흡착할 때 휘발성 리간드들이 상기 전구체 분자를 제거할 수 있음을 의미한다. 상기 표면은 본질적으로 반응성 부위의 제1 타입, 즉 제1 전구체 분자들의 흡착된 종들로 포화된다. 이러한 화학 흡착 단계 후에는 일반적으로 초과된 제1 전구체와 있을 수 있는 반응 부산물들이 상기 반응 공간으로부터 제거되는 제1 퍼지 단계(퍼지 A)가 뒤따른다. 제2 전구체 증기는 그 후 상기 반응 공간 안으로 유입된다. 제2 전구체 분자들은 일반적으로 상기 제1 전구체 분자들의 흡착된 종들과 반응하고, 그렇게 함으로써 원하는 박막 물질 또는 코팅을 형성한다. 이러한 성장은 상기 흡착된 제1 전구체의 전체 량이 모두 소모되고 상기 표면이 본질적으로 반응성 부위의 제2 타입으로 포화되면 종료된다. 초과된 제2 전구체 증기와 있을 수 있는 반응 부산물 증기들은 이후 제2 퍼지 단계(퍼지 B)에 의해 제거된다. 상기 사이클은 이후 상기 필름 또는 코팅이 원하는 두께로 성장될 때까지 반복된다. 퇴적 사이클들은 더욱 복잡하게 될 수도 있다. 예를 들어, 상기 사이클들은 셋 또는 그 이상의 퍼징 단계에 의해 분리된 반응물 증기 펄스들을 포함할 수 있다. 이러한 모든 퇴적 사이클들은 로직 유닛 또는 마이크로프로세서에 의해 제어되는 시간이 맞추어진(timed) 퇴적 시퀀스를 형성한다.
도 1은 일 실시예에 따른 로딩 단계에서의 퇴적 반응기의 측면도를 나타낸다. 상기 퇴적 반응기는 진공 챔버(110)를 형성하는 진공 챔버 벽(들)(111)을 포함한다. 상기 진공 챔버(110)는 압력 용기(pressure vessel)이다. 그것은 실린더(cylinder)형 또는 어떤 다른 적합한 형상일 수 있다. 상기 진공 챔버(110)는 다른 압력 용기인 반응 챔버(120)를 내장한다. 상기 반응 챔버(120)는 실린더형 또는 어떤 다른 적합한 형상일 수 있다. 상기 진공 챔버(110)는 진공 챔버 리드(lid)(101)에 의해 닫힌다. 일 실시예에서, 상기 진공 챔버 리드(101)는 도 1에 도시된 반응 챔버 리드(102)와 결합되어 리드 시스템(여기서는 듀얼 리드 시스템(dual-lid system))을 형성한다. 공정 챔버 벽들(131)을 포함하는 공정 챔버(130)는 잠금 장치(fastener)(들)(185)을 통해 상기 반응 챔버 리드(102)에 부착되어 있다. 상기 반응 챔버 리드(102) 및 상기 진공 챔버 리드(101) 사이에, 상기 리드 시스템은 열 리플렉터들(heat reflectors)(171)을 포함한다.
기판 웹(150)의 제1 (소스) 롤(151)은 제1 롤축(143)에 부착된다. 상기 롤축(또는 롤(151))은 상기 롤축(143)에 부착된 제1 드라이브(141)에 의해 회전할 수 있다. 상기 드라이브(141)는 상기 진공 챔버(110)의 외부에 위치한다. 그것은 잠금 장치(147)를 통해 상기 리드 시스템에 부착된다. 상기 리드 시스템 내(상기 진공 챔버 리드(101) 내 및 상기 반응 챔버 리드(102) 내의 양쪽 모두)에는 상기 롤축(143)이 이것을 경유하여 상기 반응 챔버(120)로 진입하는 리드-쓰루(lead-through)가 존재한다. 상기 반응 챔버(120)의 바닥에는, 상기 롤축(143)을 상기 반응 챔버(120)에 부착하기 위한 부착부(145)가 존재한다. 상기 롤(151)은 적절한 부착부(106)를 통해 상기 롤축(143)에 부착될 수 있다. 상기 롤축(143)과 상기 부착부(106)는 롤 홀더를 형성한다.
제2 (목적지) 롤(152)은 제2 롤축(144)에 부착된다. 상기 롤축(또는 롤(152))은 상기 롤축(144)에 부착된 제2 드라이브(142)에 의하여 회전할 수 있다. 상기 드라이브(142)는 상기 진공 챔버(110) 외부에 위치한다. 그것은 잠금 장치(148)를 통해 상기 리드 시스템에 부착된다. 상기 리드 시스템 내(상기 진공 챔버 리드(101) 내 및 상기 반응 챔버 리드(102) 내의 양쪽 모두)에는 상기 롤축(144)이 이것을 경유하여 상기 반응 챔버(120)로 진입하는 리드-쓰루(lead-through)가 존재한다. 상기 반응 챔버(120)의 바닥에는, 상기 롤축(144)을 상기 반응 챔버(120)에 부착하기 위한 부착부(146)가 존재한다. 상기 롤(151)과 유사하게, 상기 롤(152)은 적절한 부착부(107)를 통해 상기 롤축에 부착될 수 있다. 상기 롤축(144)과 상기 부착부(107)는 이에 따라 다른 롤 홀더를 형성한다.
반응 챔버(120)를 둘러싸는 진공 챔버(110) 안에서 (또는 일부 실시예들에서는 상기 공정 챔버(130)를 둘러싸는 상기 반응 챔버(120) 안에서), 상기 퇴적 반응기는 상기 공정 챔버(130) 안에 형성된 상기 반응 공간을 가열하기 위한 히터(175)를 포함한다. 진공 챔버 벽(111)과 반응 챔버 벽(121) 사이의 측면에서, 상기 진공 챔버(110)는 열 리플렉터들(172)을 포함한다.
상기 퇴적 반응기는 반응 챔버 탑 플랜지(reaction chamber top flange, 103)에 부착된 상부 계면 플랜지(upper interface flange, 104)를 포함한다. 상기 진공 챔버 리드(101)와 상기 상부 계면 플랜지(104) 사이에는 진공 챔버(110)의 상면 부분을 밀봉하기 위한 실(seal, 181)이 놓여있다. 상기 반응 챔버(120)는 반응 챔버 탑 플랜지(105)를 포함한다. 상기 리드 시스템을 내리면 상기 반응 챔버 리드(102)가 상기 반응 챔버 탑 플랜지(105) 상에 놓이며, 이에 따라 상기 반응 챔버(120)를 덮게 된다.
상기 퇴적 반응기는 동작 동안에 상기 공정 챔버(130)로부터 상기 진공 펌프(160)로의 유체 커뮤니케이션(fluid communication)을 하는 진공 펌프(vacuum pump, 160)와 배기 라인(exhaust line, 161)을 더 포함한다.
상기 퇴적 반응기는 그것의 상부 위치에 상기 리드 시스템이 로드된다. 벤더블 또는 롤러블한 기판 웹을 가지는 상기 소스 롤(151)은 상기 롤축(143)에 부착된다. 상기 기판 웹(150)의 제1 단부는 상기 공정 챔버(130)를 통하여 상기 목적지 롤(152)로 가지고 와져 거기에 부착된다. 상기 리드 시스템은 그 후 상기 챔버들을 덮기 위해 내려진다. 일 실시예에서, 상기 공정 챔버(130)는 바닥에 돌출 채널(protruding channel)을 포함한다. 상기 돌출 채널은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 리드 시스템이 내려지는 때에 상기 반응 챔버(120)안의 개구부를 관통하여 배기 라인(161)의 첫머리(beginning)를 형성한다.
게다가, 도 2는 일 실시예에 따른 퍼지 단계 동안에 동작 중인 도 1의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다. 상기 기판 웹(150)은 상기 공정 챔버 벽(131) 안으로 배치된 슬릿(291)을 통해 상기 공정 챔버(반응 공간)(130)에 들어간다. 비활성 가스는 상기 반응 챔버 리드(102)를 통해 상기 공정 챔버(130) 안으로 플로우된다. 그것은 주입구(inlet, 135)로부터 팽창(expansion) 볼륨(136)으로 플로우된다. 상기 가스는 상기 팽창 볼륨(136) 안에서 확산(spread)되고 (천공된 플레이트(perforated plate) 또는 메시(mesh) 같은) 플로우 디스트리뷰터(flow distributor, 137)를 통해 상기 공정 챔버(130)의 상기 반응 공간 안으로 플로우된다. 비활성 가스는 상기 기판 웹 표면을 퍼지하고 상기 배기 라인(161) 안으로 그리고 최종적으로 상기 진공 펌프(160)로 탑투바텀 플로우(top-to-bottom flow)로서 플로우된다. 상기 기판 웹(150)은 상기 공정 챔버 벽(131) 안으로 배치된 슬릿(292)을 통하여 상기 반응 공간(130)으로부터 출력된다. 상기 출력된 기판 웹은 상기 목적지 롤(152) 주변에 감긴다.
상기 반응 챔버(120)는 상기 진공 챔버(110)를 향하는 적어도 하나의 개구부를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 제1 개구부(201)는 상기 롤축(143)이 상기 반응 챔버 리드(102)를 관통하는 위치의 리드-쓰루(lead-through)에 배치된다. 상기 진공 챔버 안(상기 반응 챔버(120) 밖)으로는 비활성 가스의 주입구가 존재한다. 이러한 비활성 가스는 상기 개구부(201)를 통하여 (상기 진공 챔버와 반응 챔버 사이의) 중간 공간(intermediate space, 215)으로부터 상기 반응 챔버(120)로 상기 롤들(151, 152)이 존재하는 상기 제한된 공간(confined space) 안으로 플로우된다. 이러한 플로우는 화살표(211)로 묘사되었다. 유사하게, 제2 개구부(202)는 상기 롤축(144)이 상기 반응 챔버 리드(102)를 관통하는 위치의 리드-쓰루(lead-through)에 배치된다. 비활성 가스는 중간 공간(215)으로부터 상기 반응 챔버(120)로 상기 롤들(151, 152)이 존재하는 상기 제한된 공간 안으로 플로우된다. 이러한 플로우는 화살표(212)로 묘사되었다.
상기 슬릿들(291, 292)은 상기 공정 챔버(130)의 상기 반응 공간과 (상기 롤들(151, 152)이 존재하는 상기 제한된 공간 같은) 상기 인근 볼륨(surrounding volume) 사이의 압력차를 유지시키는 스로틀들로서 역할을 한다. 상기 제한된 공간 안의 압력은 상기 반응 공간 안의 압력보다 높다. 예를 들어, 상기 제한된 공간 안의 압력이 예를 들면 5 mbar 인 경우 상기 반응 공간 안의 압력은 1 mbar 일 수 있다. 상기 압력차는 상기 반응 공간으로부터 상기 제한된 공간으로의 플로우를 막는 베리어(barrier)를 형성한다. 상기 압력차 때문에, 그러나, 다른 방향에서의(즉, 상기 슬릿들(291, 292)을 통해 상기 제한된 공간으로부터 상기 반응 공간으로의) 플로우는 가능하다. 상기 주입구(135)로부터 플로우되는 상기 비활성 가스 (전구체 증기 펄스 주기들 동안의 전구체 증기 또한 마찬가지)에 관하여, 이러한 플로우는 따라서 사실상 상기 진공 펌프(160)만으로 향한다. 도 2에서 상기 반응 챔버(제한된 공간)로부터 상기 반응 공간까지의 상기 플로우는 화살표(221, 222)로 묘사되었다.
도 3은 일 실시예에 따른 전구체 노출 주기 동안에 동작 중인 도 1의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다. 제1 전구체의 전구체 증기는 반응 챔버 리드(102)를 통하여 상기 공정 챔버(130)에 플로우된다. 그것은 상기 주입구(135)로부터 상기 팽창 볼륨(136)으로 플로우된다. 상기 가스는 상기 팽창 볼륨(136) 안에서 확산(spread)되고 플로우 디스트리뷰터(137)를 통해 상기 공정 챔버(130)의 상기 반응 공간 안으로 플로우된다. 상기 전구체 증기는 원자층 퇴적(ALD) 성장 메커니즘에 따라 기판 웹 표면 상의 상기 반응성 부위들과 반응한다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 반응 공간과 상기 롤들(151, 152)이 위치하는 상기 제한된 공간 사이의 상기 압력차는 상기 반응 공간으로부터 상기 제한된 공간으로의 플로우를 막는 베리어를 형성한다. 상기 전구체 증기는 따라서 대체적으로 상기 롤들(151, 152)이 있는 상기 공간으로 들어가지 않는다. 상기 압력차 때문에, 그러나, 다른 방향에서의(즉, 상기 슬릿들(291, 292)을 통해 상기 제한된 공간으로부터 상기 반응 공간으로의) 플로우는 가능하다.
비활성 가스, (만약에 있다면) 가스 반응 부산물 및 (만약에 있다면) 잔류 반응물 분자들은 상기 배기 라인(161)안으로 그리고 최종적으로 상기 진공 펌프(160)로 플로우된다.
퇴적 시퀀스는 하나 또는 그 이상의 연속적인 퇴적 사이크들을 통해 형성되며, 각 사이클은 적어도 제1 전구체 노출 주기 (펄스 A), 뒤따르는 제1 퍼지 단계 (퍼지 A), 뒤따르는 제2 전구체 노출 주기 (펄스 B), 뒤따르는 제2 퍼지 단계 (퍼지 B)로 구성된다. 성장 물질의 두께는 상기 웹의 속도에 의해 결정된다. 상기 기판 웹은 상기 드라이버들(141, 142)에 의해 드라이빙된다. 단일 퇴적 사이클 동안에 상기 기판 웹은 특정 거리 d 만큼 이동한다. 만약 상기 반응 공간의 총 길이가 D일 경우, 상기 기판 웹에 퇴적되는 층들의 수는 근본적으로 D/d 가 된다. 원하는 기판 웹의 길이가 처리 완료된 때, 상기 리드 시스템은 올려지고 상기 퇴적된 롤은 상기 반응기로부터 언로드(unload)된다. 도 5는 상기 소스 롤(151)이 텅 비고 상기 목적지 롤(152)이 퇴적된 코팅으로 꽉 찬 퇴적 공정의 끝을 보여준다.
도 4의 상부 도면은 일 실시예에서의 상기 공정 챔버(130)의 상면도를 나타낸다. 상기 공정 챔버(130)는 상기 공정 챔버 벽(131) 안으로 배치된 상기 슬릿들(291, 292)을 가지는 얇은 공정 챔버이다. 상기 이동 기판 웹(150)은 슬릿(291)을 통해 상기 (좁은) 반응 공간으로 입력(input)되고 슬릿(292)을 통해 출력(output)된다. 상기 반응 공간으로부터 상기 반응 공간의 외부로의 상기 전구체 증기 흐름은 첫째로 상기 슬릿들의 협소함(narrowness)에 의해 차단되고, 둘째로 상기 언급한 압력차에 의해 차단된다.
도 4의 하부 도면은 일 실시예에 따른 상기 입력 슬릿(291)에서의 상기 공정 챔버(130)의 (라인 b) 단면도를 나타낸다. 상기 슬릿의 상기 길이 방향에서 상기 기판 웹(150)은 상기 슬릿(291)의 길이와 실질적으로 매치된다(상기 기판 웹(150)은 상기 슬릿(291)의 길이만큼 넓다).
어떤 실시예들에서, 상기 드라이브들(141, 142)은 전체의 퇴적 시퀀스 동안에 상기 롤들(151, 152)을 동일한 방향으로 회전시킨다. 본 실시예들에서, 사실상 하나의 드라이브, 즉 제2 드라이브(142)만을 가지더라도 충분하다. 어떤 다른 실시예들에서, 롤들(151, 152)의 상기 롤 방향은 상기 퇴적 시퀀스의 중간에서 바뀐다. 이러한 실시예들에서는, 상기 퇴적 시퀀스의 끝에서 상기 제1 롤(151)은 꽉 차고, 상기 제2 롤(152)은 텅 빈다.
도 6은 일 실시예에 따른 단일 드라이브 시스템을 나타낸다.
상기 기판 웹은 드라이브(142)에 의해 드라이브된다. (근본적으로 도 1의 롤축(143)에 상응하는) 상기 롤축(643)은 잠금 장치(147)에 부착된다. 그 외 도 6의 실시예의 상기 구조적 및 기능적 특징들에 관한 참조는 도 1 내지 5 및 그들의 설명에 되어 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 로딩 단계에서의 퇴적 반응기의 측면도를 나타내고, 도 8은 일 실시예에 따른 전구체 노출 주기 동안에 동작 중인 도 7의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다. 도 7 및 도 8의 실시예들의 기본적인 구조적 및 기능적 특징에 관한 참조는 도 1 내지 6을 참조하여 앞서 설명한 실시예들 및 관련된 설명에 되어 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 실시예들에서, 드라이브(741)는 상기 진공 챔버의 밑에 위치한다. 드라이브(741)의 드라이빙 기구(driving mechanism, 742)는 진공 및 반응 챔버 리드-쓰루로 진공 챔버 벽(711)과 반응 챔버 벽(721)을 관통하여 상기 반응 챔버 안으로 침투(penetrate)한다. 단부(744) 또는 제2 롤축은 상기 드라이빙 기구(742)의 대응부(counterpart, 746)에 꼭 들어맞는다.
제1 전구체 인피드(in-feed) 라인(771)은 상기 진공 챔버 리드-쓰루(772)로 상기 진공 챔버 벽(711)을 관통하여 침투한다. 그리고 제2 전구체 인피드 라인(781)은 상기 진공 챔버 리드-쓰루(782)로 상기 진공 챔버 벽(711)을 관통하여 침투한다. 상기 진공 챔버 리드(701)는 연결부(791)를 통해 상기 반응 챔버 리드(702)에 결합된다. 제1 및 제2 전구체 인피드 라인들(771, 781)은 상기 반응 챔버 탑 플랜지(705)를 통과하여 참조 숫자 773, 783으로 묘사되는 상기 반응 챔버 리드(702)의 내부와 이어진다. 상기 인피드 라인들(771, 781)은 상기 공정 챔버(730)에 오픈(open)된다.
도 8에 도시된 상기 제2 전구체 노출 주기 동안의 상기 제2 전구체의 루트는 상기 제2 전구체 인피드 라인(781)을 통해 상기 공정 챔버(730)의 상기 반응 공간 안으로 형성된다. 제1 전구체 인피드 라인(771)을 통한 상기 공정 챔버 안으로는 오직 비활성 가스 플로우만이 유지된다. 앞서 설명한 기판 웹 입력 및 출력 슬릿들에 형성된 상기 베리어 때문에, 상기 반응 공간 밖으로의 상기 가스의 루트는 상기 진공 펌프(760)로의 루트가 된다.
도 9는 다른 실시예에 따른 퇴적 반응기의 측면도를 나타낸다. 상기 퇴적 반응기는 예를 들면 TMA(trimethylaluminum) 소스인 제1 전구체 소스(913)와, 예를 들면 워터(water, H2O) 소스인 제2 전구체 소스(914)를 포함한다. 본 실시예 그리고 다른 실시예들에서, 상기 물 소스는 오존(ozone) 소스로 대체될 수 있다. 제1 펄싱 밸브(pulsing valve, 923)는 제1 전구체 인피드 라인(943) 안으로의 상기 제1 전구체의 전구체 증기의 플로우를 제어한다. 제2 펄싱 밸브(924)는 제2 전구체 인피드 라인(944) 안으로의 상기 제2 전구체의 전구체 증기의 플로우를 제어한다.
상기 퇴적 반응기는 제1 비활성 가스 소스(903)를 더 포함한다. 예를 들어 질소(nitrogen, N2)는 상기 비활성 가스로서 많은 실시예들에서 사용될 수 있다. 상기 제1 비활성 가스 소스(903)는 상기 제1 전구체 인피드 라인(943)과 유체 커뮤니케이션(fluid communication)을 한다. 제1 비활성 가스 소스(903)는 제1 (소스) 기판 웹 롤(953)을 형성하기 위해 그것 상에 감기는 벤더블한 기판 웹을 가지는 제1 롤 코어(core)(963)가 들어 있는 제한된 공간(920a)과도 유체 커뮤니케이션을 한다.
상기 퇴적 반응기는 제2 비활성 가스 소스(904)를 더 포함한다. 그러나, 상기 비활성 가스 소스들(903, 904)은 일부 실시예들에서는 단일 소스로 시행될 수 있다. 제2 비활성 가스 소스(904)는 제2 전구체 인피드 라인(944)과 유체 커뮤니케이션을 한다. 제2 비활성 가스 소스(904)는 제2 (목적지) 기판 웹 롤(954)을 형성하기 위해 그것 상에 감기는 벤더블한 기판 웹을 가지는 제2 롤 코어(964)가 들어 있는 제한된 공간(920b)과도 유체 커뮤니케이션을 한다.
상기 퇴적 반응기는 길이가 a인 반응 공간(930)을 제공하는 공정 챔버를 더 포함한다. 상기 인피드 라인들(943, 944)은 상기 공정 챔버에 들어가고 상기 공정 챔버 안에서 샤워 헤드 채널들(shower head channels, 973, 974) 각각과 이어진다. 도 9의 실시예에서의 샤워 헤드 채널들(973, 974)은 수평(horizontal) 채널들이다. 샤워 헤드 채널들(973, 974)은 상기 공정 챔버(또는 반응 공간)의 일단(one end)부터 타단(other end)까지 뻗어 있다. 그것들의 길이 상에서 샤워 헤드 채널들(973, 974) 각각은 (전구체 증기 및/또는 비활성 가스와 같은) 인피드 가스들을 위한 샤워 헤드들로서 기능하는 구멍들(apertures, 983, 984)을 가진다.
상기 퇴적 반응기는 동작 동안에 상기 반응 공간(930)으로부터 상기 진공 펌프(960)로의 유체 커뮤니케이션을 하는 진공 펌프(960) 및 배기 라인(961)을 더 포함한다.
게다가, 도 9는 일 실시예에 따른 퍼지 단계 동안에 동작 중인 상기 퇴적 반응기를 나타낸다. 상기 기판 웹(950)은 상기 제한된 공간(920a)과 상기 반응 공간(930) 사이에 배치된 슬릿 또는 좁은 통로(narrow passage, 993)를 통해 공정 챔버(반응 공간(930))에 들어간다. 상기 펄싱 밸브들(923, 924)은 잠긴다. 비활성 가스는 인피드 라인들(943, 944)을 통해 상기 공정 챔버 안으로 그리고 구멍들(983, 984)을 통해 상기 반응 공간(930) 안으로 플로우된다. 상기 비활성 가스는 상기 기판 웹(950) 표면을 퍼지하고 상기 배기 라인(961) 안으로 그리고 최종적으로 상기 진공 펌프(960)로 수평 플로우(horizontal flow)로서 플로우된다. 상기 기판 웹(950)은 상기 제한된 공간(920b)과 상기 반응 공간(930) 사이에 배치된 슬릿 또는 좁은 통로(994)를 통해 상기 반응 공간(930)에서 출력된다. 상기 출력된 기판 웹은 상기 목적지 롤(954)을 형성하기 위해 상기 제2 롤 코어(964) 주변에 감긴다.
상기 슬릿들(993, 994)은 상기 반응 공간(330) 과 상기 롤들(953, 954)이 위치하는 상기 제한된 공간 사이의 압력차를 유지시키는 스로틀들(throttles)로서 역할을 한다. 비활성 가스는 제한된 공간 인피드 채널들(confined space in-feed channels, 933, 934)을 통해 상기 제한된 공간들(920a, 920b) 각각으로 플로우된다. 상기 제한된 공간(들)(920a, 920b) 안의 압력은 상기 반응 공간(930) 안의 압력보다 높다. 예를 들어, 상기 제한된 공간(들)(920a, 920b) 안의 압력이 예를 들면 5 mbar 인 경우 상기 반응 공간(930) 안의 압력은 1 mbar 일 수 있다. 상기 압력차는 상기 반응 공간(930)으로부터 상기 제한된 공간(들)(920a, 920b)으로의 플로우를 막는 베리어를 형성한다. 상기 압력차 때문에, 그러나, 다른 방향에서의(즉, 상기 슬릿들(993, 994)을 통해 상기 제한된 공간(들)(920a, 920b)로부터 상기 반응 공간(930)으로의) 플로우는 가능하다. 샤워 헤드들(983, 984)을 통해 플로우되는 상기 비활성 가스 (전구체 증기 펄스 주기들 동안의 전구체 증기 또한 마찬가지)에 관하여, 이러한 플로우는 따라서 사실상 상기 진공 펌프(960)만으로 향한다.
상기 기판 웹(950)의 트랙은 공정 챔버 벽(931)과 가까이에 배치될 수 있다. 만약 상기 기판 웹이 측 방향(lateral direction)으로 있고, 실질적으로 상기 반응 공간 또는 공정 챔버(930)와 동일한 폭을 가지며, 상기 기판 웹이 사용되는 상기 전구체들에 대하여 불투과성(impermeable)이라면, 구현에 따라서는 상기 기판 웹의 단일 측(하측) 상에 물질을 퇴적한다.
도 10은 일 실시예에 따른 전구체 노출 주기 동안에 동작 중인 도 9의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다. 상기 펄싱 밸브(924)는 열린다. 워터(H2O) 전구체의 전구체 증기는 인피드 라인(944)을 통해 상기 공정 챔버 안으로 그리고 구멍들(984)을 통해 상기 반응 공간(930) 안으로 플로우된다. 상기 전구체 증기는 상기 반응 공간(930)을 채우고 원자층 퇴적(ALD) 성장 메커니즘에 따라 기판 웹 표면 상의 상기 반응성 부위들과 반응한다. 펄싱 밸브(923)가 잠겨 있기 때문에, 비활성 가스만이 구멍들(983)을 통해 상기 반응 공간 안으로 플로우된다. 비활성 가스, (만약에 있다면) 가스 반응 부산물 및 (만약에 있다면) 잔류 반응물 분자들은 상기 배기 라인(961)안으로 그리고 최종적으로 상기 진공 펌프(960)로 수평 플로우로서 플로우된다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 반응 공간(930) 및 상기 롤들(953, 954)이 위치하는 상기 제한된 공간(들)(920a, 920b) 사이에서의 상기 압력차는 상기 슬릿들(993, 994)에서의 베리어를 형성한다. 그런 식으로, 상기 전구체 증기 플로우는 상기 반응 공간(930)으로부터 상기 제한된 공간(들)(920a, 920b)으로 플로우되는 것이 막아진다. 상기 압력차 때문에, 그러나, 다른 방향에서의(즉, 상기 슬릿들(993, 994)을 통해 상기 제한된 공간(들)(920a, 920b)로부터 상기 반응 공간으로의) 플로우는 가능하다. 비활성 가스는 상기 인피드 채널들(933, 934)을 통해 각각의 상기 제한된 공간들(920a, 920b) 안으로 공급된다. 상기 압력차는 상기 슬릿들(993, 994)에 의해 야기되는 스로틀 기능에 의해 유지된다.
도 11은 일 실시예에 따른 상기 H2O 전구체 노출 주기 동안의 도 9 및 도 10의 퇴적 반응기의 상면도를 나타낸다. 도 11에서는 도어들(1141a, 1141b)을 통해 상기 소스 및 목적지 롤들(953, 954) 각각을 상기 퇴적 반응기에 로드 또는 상기 퇴적 반응기로부터 언로드할 수 있는 것을 볼 수 있다. 각각의 롤들(953, 954)의 롤축들(1105a, 1105b) 또한 볼 수 있다. 상기 퇴적 반응기는 상기 롤들(953, 954)을 회전시키기 위해 롤축(1105a) 및/또는 롤축(1105b)과 연결된 하나 또는 그 이상의 드라이브들(도 11에는 미도시)을 포함한다. 화살표들(1104)은 전구체 증기가 상기 샤워 헤드 채널(974)로부터 수집 채널(collecting channel, 962)로 플로우되는 것을 묘사한다. 상기 수집 채널의 모양과 위치는 구현에 따른다. 도 11에 도시된 실시예에서 상기 수집 채널은 상기 반응 공간의 측면에 위치한다. 도 11의 상기 수집 채널(962)은 상기 반응 공간의 전체 길이를 통해 실질적으로 연장된다. 상기 수집 채널은 진공 펌프(960)로 이어지는 배기 라인(961)과 유체 커뮤니케이션을 한다. 화살표들(1103)은 비활성 가스가 상기 샤워 헤드 채널(973)로부터 수집 채널(962)로 그리고 그것으로부터 배기 라인(961)으로 플로우되는 것을 묘사한다.
도 12는 일 실시예에 따른 다른 전구체의 전구체 노출 주기 동안에 동작 중인 도 9 내지 도 11의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다. 상기 펄싱 밸브(923)는 열린다. TMA 전구체의 전구체 증기는 인피드 라인(943)을 통해 상기 공정 챔버 안으로 그리고 구멍들(983)을 통해 상기 반응 공간(930) 안으로 플로우된다. 상기 전구체 증기는 상기 반응 공간(930)을 채우고 원자층 퇴적(ALD) 성장 메커니즘에 따라 기판 웹 표면 상의 상기 반응성 부위들과 반응한다. 펄싱 밸브(924)가 잠겨 있기 때문에, 비활성 가스만이 구멍들(984)을 통해 상기 반응 공간 안으로 플로우된다. 비활성 가스, (만약에 있다면) 가스 반응 부산물 및 (만약에 있다면) 잔류 반응물 분자들은 상기 배기 라인(961)안으로 그리고 최종적으로 상기 진공 펌프(960)로 수평 플로우로서 플로우된다.
퇴적 시퀀스는 하나 또는 그 이상의 연속적인 퇴적 사이크들을 통해 형성되며, 각 사이클은 적어도 제1 전구체 노출 주기 (펄스 A), 뒤따르는 제1 퍼지 단계 (퍼지 A), 뒤따르는 제2 전구체 노출 주기 (펄스 B), 뒤따르는 제2 퍼지 단계 (퍼지 B)로 구성된다. 여기에서, 만약 예를 들어 알루미늄 옥사이드(aluminum oxide, Al2O3)가 상기 퇴적되는 물질이면 상기 TMA 전구체가 상기 제1 전구체 (펄스 A)일 수 있고, 상기 워터 전구체가 제2 전구체 (펄스 B)일 수 있다.
성장된 물질의 두께는 상기 웹의 속도에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 반응 공간(930)의 길이는 100 cm 일 수 있다. 상기 퇴적 사이클은 0.1 초의 TMA 펄스, 0.3 초의 N2 퍼지, 0.1 초의 H2O 펄스, 그리고 0.5 초의 N2 퍼지로 구성될 수 있다. 그러므로 총 사이클 주기는 1 초이다. 만약 Al2O3의 일분자층이 대략 0.1 nm로 추정될 경우, 다음의 것이 적용된다.
만약 상기 웹의 속도가 1 cm/cycle 이고 100 사이클들이 존재하면 이 경우 1.66 분이 소모될 것이고 10 nm 의 Al2O3 코팅이 퇴적될 것이다.
만약 상기 웹의 속도가 0.5 cm/cycle 이고 200 사이클들이 존재하면 이 경우 3.33 분이 소모될 것이고 20 nm 의 Al2O3 코팅이 퇴적될 것이다.
만약 상기 웹의 속도가 0.1 cm/cycle 이고 1000 사이클들이 존재하면 이 경우 16.66 분이 소모될 것이고 100 nm 의 Al2O3 코팅이 퇴적될 것이다.
도 9 내지 도 12는 간략화된 도면들로서 그들은 어떠한 히터들(heaters) 및 상기 퇴적 반응기가 포함할 수 있는 다른 일반적인 부분들 또는 요소들을 나타내지 않으며, 그것들의 용법은 보통으로 알려진 것들이다.
도 13은 일 실시예에 따른 압축 플레이트들(constriction plates)을 가지는 도 9 내지 도 12의 퇴적 반응기를 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 기판 웹은 슬릿들을 통해 상기 반응 공간에 입력되고 상기 반응 공간으로부터 출력된다. 도 13의 실시예는 상기 슬릿들을 형성하는 압축 플레이트들을 나타낸다. 도 13의 실시예에서는, 상기 제한된 공간(920a)과 상기 반응 공간(930) 사이의 계면(interface)에서 서로 옆에 위치하는 2개의 압축 플레이트들(1301a, 1301b)이 존재한다. 상기 기판 웹(950)은 상기 플레이트들 사이를 겨우 빠져나갈 수 있도록 꼭 맞다. 유사하게, 상기 반응 공간(930)과 상기 제한된 공간(920a) 사이의 계면에는 다른 한 쌍의 압축 플레이트들(1302a, 1302b)이 존재한다. 상기 압축 플레이트들은 상기 플레이트들 사이의 상기 공간 (슬릿 볼륨)이 상기 웹 이동 방향으로 길게 늘어지도록 하는 평행한 플레이트들일 수 있다.
도 13의 실시예들의 다른 구조적 및 기능적 특징에 관한 참조는 도 9 내지 12을 참조하여 앞서 설명한 실시예들 및 관련된 설명에 되어 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 반응 공간 안에서 이동된 거리 함수에 따른 퇴적 물질의 두께를 대략적으로 나타낸다. 본 예시에서, 상기 기판 웹은 도 13의 실시예에 도시된 바와 유사하게 압축 플레이트들(1301a, 1301b)로 형성된 입력 슬릿을 통하여 상기 반응 공간에 들어간다. 상기 퇴적 물질의 두께는 상기 기판 웹이 압축 플레이트들(1302a, 1302b)로 형성된 출력 슬릿을 향하여 이동할 때 도 13에서 곡선 및 다른 색상들로 시사하는 것과 같이 점진적으로(gardually) 증가한다. 만약 기판 웹은 평균 속도가 1 cm/cycle 이고 상기 반응 공간의 길이가 100 cm이면, 본 예시의 끝에서의 두께는 10 nm 가 된다. 도 13의 성장 곡선은 상기 기판 웹이 10 사이클들마다 10 cm씩 이동하였음을 시사한다. 그러나, 다른 실시예들에서는 매번의 사이클 이후에 상기 기판 웹을 이동하는 것도 가능하다. 또는 상기 기판 웹의 이동은 연속적인 이동일 수 있다.
상기 반응 공간 안으로의 전구체 증기의 인피드는 샤워 헤드 채널들을 가지고 또는 그것 없이 상기 반응 공간의 단일면 또는 양면에서 할 수 있다. 대체 실시예들에서, 전구체 증기의 인피드는 인피드 헤드(들)에 의해 상기 반응 공간의 상기 기판 웹 입력단에서 할 수 있으며, 또는 그 대신에 상기 반응 공간의 상기 기판 웹의 입력 및 출력단 모두에서 할 수 있다. 실시예들에 따라, 상기 배기 라인과 가능한 수집 채널은, 상기 반응 공간의 상기 기판 웹 출력단에서, 또는 상기 반응 공간의 중간 영역에서 상기 인피드에 비해 상기 반응 공간의 반대면 상에 편의에 따라 배치될 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 상기 공정 챔버의 상기 기판 웹 입력단에의 전구체 증기 인피드를 가지는 퇴적 반응기를 나타낸다. 상기 반응기는 반응 공간(1530)을 제공하는 공정 챔버를 포함한다. 소스 롤(1553)은 제1 제한된 공간(1520a)에, 목적지 롤(1554)은 제2 제한된 공간(1520b)에 존재한다.
제1 펄싱 밸브(1523)는 제1 전구체 소스(1513)로부터의 제1 전구체의 전구체 증기의 흐름을 제어하고, 제2 펄싱 밸브(1524)는 제2 전구체 소스(1514)로부터의 제2 전구체의 전구체 증기의 흐름을 제어한다. 제1 비활성 가스 소스(1503)는 제1 (소스) 기판 웹 롤(1553)을 포함하는 제한된 공간(1520a)과 유체 커뮤니케이션을 한다. 제2 비활성 가스 소스(1504)는 제2 (목적지) 기판 웹 롤(1554)을 포함할 제한된 공간(1520b)과 유체 커뮤니케이션을 한다. 그러나, 상기 비활성 가스 소스들(1503, 1504)은 일부 실시예들에서는 단일 소스로 시행될 수 있고, 그들은 또한 전구체 증기 인피드 라인들과 유체 커뮤니케이션을 할 수 있다.
기판 웹(1550)은 상기 반응 공간(1530)의 상기 기판 웹 입력단에의 입력 슬릿(1593)을 통해서 상기 소스 롤(1553)로부터 상기 반응 공간(1530) 안으로 드라이브된다. 상기 기판 웹의 트랙은 상기 공정 챔버의 상기 상부 벽을 따른다. 그러나, 다른 루트들(routes)과 구조들(constructions)이 가능하다. 원자층 퇴적(ALD)은 반응 공간(1530) 안에서 발생한다. 상기 기판 웹은 상기 반응 공간(1530)의 상기 기판 웹 출력단에의 출력 슬릿(1594)을 통해서 상기 반응 공간(1530)으로부터 상기 목적지 롤(1554) 상으로 드라이브된다.
제1 및 제2 제한된 공간(1520a,b)은 상기 반응 공간(1530) 안의 압력에 비하면 과압력 볼륨들이다. 상기 과압력은 상기 슬릿들(1593, 1594)과 상기 비활성 가스 소스(들)(1503, 1504)로부터 과압력 볼륨들 안으로 공급되는 비활성 가스에 의해 유지된다.
제2 전구체의 전구체 증기는 도 15에 묘사된 바와 같이 상기 제2 전구체 노출 주기 동안에 상기 기판 웹 입력단에서 상기 반응 공간 안으로 공급된다. 도 16은 일 실시예에 따른 제2 전구체 증기 노출 주기 동안에 도 15의 퇴적 반응기의 종류의 상면도를 나타내며, 상기 전구체 증기는 도 16에 더욱 묘사된 바와 같이 인피드 헤드(1601)에 의해 공급된다. 상기 인피드 헤드(1601)는 상기 반응 공간(1530)의 전체 폭에 걸쳐서 실질적으로 연장될 수 있다. 제1 전구체 노출 주기 동안에, 상기 제1 전구체의 전구체 증기는 그에 상응하는 상기 기판 웹 입력단의 인피드 헤드(1602)에 의해 공급된다. 상기 제2 전구체 노출 주기 동안에는, 그러나, 단지 비활성 가스가 상기 인피드 헤드(1602)로부터 상기 반응 공간(1530) 안으로 가이드된다. 제2 전구체 노출 주기 동안, 상기 제2 전구체의 전구체 증기는 (화살표들(1611)로 나타낸 바와 같이) 상기 반응 공간(1530)의 상기 기판 웹 출력단에의 배기 라인(1561) 안으로 향하는 상기 기판 웹 이동 방향의 상기 기판 웹 표면을 따라서 플로우된다. 유사하게, 상기 인피드 헤드(1602)로부터의 비활성 가스는 (화살표들(1612)로 나타낸 바와 같이) 상기 반응 공간(1530)의 상기 기판 웹 출력단에의 배기 라인(1561) 안으로 향하는 상기 기판 웹 이동 방향을 따라서 플로우된다. 어떤 실시예들에서, 상기 퇴적 반응기는 상기 반응 공간(1530)의 상기 기판 웹 출력단에의 수집 채널(1662)을 포함한다. 도 16의 수집 채널(1662)은 상기 반응 공간(1530)의 전체 폭에 걸쳐서 실질적으로 연장될 수 있다. 상기 수집 채널(1662)은 진공 펌프(1560)로 이어지는 상기 배기 라인(1561)과 유체 커뮤니케이션을 하며, 상기 수집채널은 상기 배기 라인(1561) 안으로 그리고 최종적으로 상기 진공 펌프(1560)로 유도되는 상기 반응 공간(1530)으로부터 배출되는 상기 가스들을 수집한다.
도 16은 또한 상기 소스 및 목적지 롤들(1553, 1554)이 로드 또는 언로드될 수 있는 상기 퇴적 반응기의 양단들에의 도어들(1141a, 1141b)을 나타낸다.
도 17은 일 실시예에 따른 상기 공정 챔버의 측면에의 전구체 증기 인피드를 가지는 퇴적 반응기를 나타낸다. 상기 반응기는 반응 공간(1730)을 제공하는 공정 챔버를 포함한다. 소스 롤(1753)은 제1 제한된 공간(1720a)에, 목적지 롤(1754)은 제2 제한된 공간(1720b)에 존재한다.
제1 펄싱 밸브(1723)는 제1 전구체 소스(1713)로부터의 제1 전구체의 전구체 증기의 흐름을 제어하고, 제2 펄싱 밸브(1724)는 제2 전구체 소스(1714)로부터의 제2 전구체의 전구체 증기의 흐름을 제어한다. 제1 비활성 가스 소스(1703a)는 제1 (소스) 기판 웹 롤(1753)을 포함하는 제한된 공간(1720a)과 그리고 상기 제1 전구체 소스(1713)로부터의 인피드 라인과 유체 커뮤니케이션을 한다. 제2 비활성 가스 소스(1703b)는 제한된 공간(1720a)과 그리고 상기 제2 전구체 소스(1714)로부터의 인피드 라인과 유체 커뮤니케이션을 한다. 제3 비활성 가스 소스(1704)는 제2 (목적지) 기판 웹 롤(1754)을 포함할 제한된 공간(1720b)과 유체 커뮤니케이션을 한다. 그러나, 상기 비활성 가스 소스들(1703a와 b, 또는 1703a와 b 그리고 1704)은 일부 실시예들에서는 단일 소스로 시행될 수 있다.
기판 웹(1750)은 상기 반응 공간(1730)의 상기 기판 웹 입력단에의 입력 슬릿(1793)을 통해서 상기 소스 롤(1753)로부터 상기 반응 공간(1730) 안으로 드라이브된다. 상기 기판 웹의 트랙은 상기 공정 챔버의 상기 하부 벽을 따른다. 그러나, 다른 루트들과 구조들이 가능하다. 원자층 퇴적(ALD)은 반응 공간(1730) 안에서 발생한다. 상기 기판 웹은 상기 반응 공간(1730)의 상기 기판 웹 출력단에의 출력 슬릿(1794)을 통해서 상기 반응 공간(1730)으로부터 상기 목적지 롤(1754) 상으로 드라이브된다.
제1 및 제2 제한된 공간(1720a,b)은 상기 반응 공간(1730) 안의 압력에 비하면 과압력 볼륨들이다. 상기 과압력은 상기 슬릿들(1793, 1794)과 상기 비활성 가스 소스(들)(1703a,b, 그리고 1704)로부터 과압력 볼륨들 안으로 공급되는 비활성 가스에 의해 유지된다.
제1 전구체의 전구체 증기는 상기 반응 공간(1730)의 측면으로부터 상기 반응 공간(1730) 안으로 공급된다. 도 18은 일 실시예에 따른 제1 전구체 증기 노출 주기 동안에 도 17의 퇴적 반응기의 종류의 상면도를 나타내며, 상기 전구체 증기는 도 18에 더욱 묘사된 바와 같이 샤워헤드(showerhead) 채널(1873)을 통해 공급된다. 샤워헤드 채널(1873)은 상기 반응 공간(1730)의 전체 길이에 걸쳐서 실질적으로 연장될 수 있다. 제2 전구체 노출 주기 동안에, 상기 제2 전구체의 전구체 증기는 그에 상응하는 상기 반응 공간(1730)의 타측에의 샤워헤드 채널(1874)에 의해 공급된다. 상기 제1 전구체 노출 주기 동안에는, 그러나, 단지 비활성 가스가 상기 샤워헤드 채널(1874)로부터 상기 반응 공간(1730) 안으로 가이드된다. 제1 전구체 노출 주기 동안, 상기 제1 전구체의 전구체 증기는 (화살표들(1703)로 나타낸 바와 같이) 상기 기판 웹 표면을 따라 처음 횡단 방향으로 플로우되며 다만 상기 플로우 방향은 이후에 상기 진공 펌프(1760)에 의해 끌어당겨지는 상기 반응 공간(1730)의 상기 기판 웹 출력단에의 상기 수집 채널(1762)을 향하여 턴(turn)한다. 유사하게, 샤워헤드 채널(1874)로부터의 비활성 가스는 (화살표들(1704)로 나타낸 바와 같이) 상기 기판 웹 표면을 따라 처음 횡단 방향으로 플로우되며 다만 상기 플로우 방향은 이후에 상기 수집 채널(1762)을 향하여 턴한다. 도 18의 상기 수집 채널(1762)은 상기 반응 공간(1730)의 전체 폭에 걸쳐서 실질적으로 연장될 수 있다. 상기 수집 채널(1762)은 진공 펌프(1760)로 이어지는 상기 배기 라인(1761)과 유체 커뮤니케이션을 하며, 상기 수집 채널은 상기 배기 라인(1561) 안으로 그리고 최종적으로 상기 진공 펌프(1560)로 유도되는 상기 반응 공간(1530)으로부터 배출되는 상기 가스들을 수집한다.
도 18은 또한 상기 소스 및 목적지 롤들(1753, 1754)이 로드 또는 언로드될 수 있는 상기 퇴적 반응기의 양단들에의 도어들(1141a, 1141b)을 나타낸다.
앞서 언급한 바와 같이 상기 퇴적 반응기는 독자적 장치 또는 생산 라인의 일부일 수 있다. 도 19는 생산 라인의 일부로서의 상기 퇴적 반응기를 나타낸다.
상기 퇴적 반응기의 제1 펄싱 밸브(1923)는 제1 전구체 소스(1913)로부터의 제1 전구체의 전구체 증기의 흐름을 제어하고, 제2 펄싱 밸브(1924)는 제2 전구체 소스(1914)로부터의 제2 전구체의 전구체 증기의 흐름을 제어한다. 제1 비활성 가스 소스(1903)는 제한된 공간(1920a)과 유체 커뮤니케이션을 한다. 제2 비활성 가스 소스(1904)는 제한된 공간(1920b)과 유체 커뮤니케이션을 한다. 그러나, 상기 비활성 가스 소스들(1903, 1904)은 일부 실시예들에서는 단일 소스로 시행될 수 있고, 그들은 또한 전구체 증기 인피드 라인들과 유체 커뮤니케이션을 할 수 있다.
기판 웹(1950)은 상기 제1 제한된 공간(1920a)을 통하여 그리고 상기 반응기의 상기 기판 웹 입력측(input side)에의 입력 슬릿(1993)을 통하여 이전(previous) 공정 스테이지(stage)로부터 상기 퇴적 반응기의 상기 공정 챔버(1930)로 들어간다. 원자층 퇴적(ALD)은 반응 공간(1930) 안에서 발생한다. 상기 기판 웹은 출력 슬릿(1994) 을 통하여 그리고 상기 반응기의 상기 기판 웹 출력측(output side)에의 상기 제2 제한된 공간(1920b)을 통하여 상기 반응 공간(1930)으로부터 상기 생산 라인의 뒤따르는 공정 스테이지로 가이드된다.문단바꾸기제1 및 제2 제한된 공간(1920a,b)은 상기 반응 공간(1930) 안의 압력에 비하면 과압력 볼륨들이다. 상기 과압력은 상기 슬릿들(1993, 1994)과 상기 비활성 가스 소스(들)(1903, 1904)로부터 과압력 볼륨들 안으로 공급되는 비활성 가스에 의해 유지된다.
상기 반응 공간(1930) 안으로의 상기 전구체 증기의 상기 인피드 및 배기 라인(1961)을 통해 상기 반응 공간(1930)으로부터 진공 펌프(1960)로의 가스 배출은 도 15 및 도 16 도시된 실시예들 및 관련된 묘사과 관련하여 설명한 바와 유사하게 발생할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 과압력 볼륨들은 생략될 수 있다. 상기 기판 웹(1950)은 어떠한 제1 제한된 공간(1920a)을 통과하지 않고 상기 공정 챔버(1930)로 들어갈 수 있다. 만약 상기 생산 공정에서 요구된다면, 본 실시예에서, 상기 공정 챔버로의 입장(entry) 및 상기 공정 챔버로부터의 배출(outlet)은 적절한 디멘셔닝(dimensioning) 또는 실링(sealing)과 함께 충분히 타이트(tight)해야 한다.
도 20은 또 다른 실시예에 따른 퇴적 반응기의 상면도를 나타낸다. 상기 퇴적 반응기는 제1 및 제2 비활성 가스 소스들(2003, 2004), 그리고 제1 및 제2 전구체 소스들(2013, 2014), 나아가 제1 및 제2 펄싱 밸브들(2023, 2024)을 포함한다. 상기 비활성 가스 소스들(2003, 2004)은 상기 롤들(2053, 2054)이 존재하는 제한된 공간들(과압력 볼륨들)(2020a, 2020b)과 유체 커뮤니케이션을 한다. 상기 롤들은 도어들(2041a, 2041b)을 통해 로드 또는 언로드될 수 있다. 상기 기판 웹(2050)은 롤투롤으로부터 상기 공정 챔버(2030) 및 슬릿들(2093, 2094) (여기서: 압축 플레이트들을 가지는)을 통해 드라이브되고, 상기 공정 챔버(2030) 안에 있는 동안 원자층 퇴적(ALD) 공정이 수행된다. 도 20의 실시예들의 기본적인 구조적 및 기능적 특징에 관한 참조는 앞서 설명한 선행하는 실시예들에 되어 있다.상기 선행하는 실시예들과의 차이점은 상기 반응 공간 안의 (전구체 증기 인피드가 발생하는) 샤워헤드 채널들에 있다. 제1 샤워헤드 채널은 원하는 물질 성장의 방향으로 상기 공정 챔버(2030) 안에서 이동하는 제1 전구체의 전구체 증기를 공급하도록 구성된다. 제1 샤워헤드 채널은 (원하는 물질 성장의 방향의) 상기 기판 웹의 양면 상의 적어도 하나의 구멍(aperture)을 가진다. 유사하게, 제2 샤워헤드 채널(2074)은 원하는 물질 성장의 방향으로 상기 공정 챔버(2030) 안에서 이동하는 제2 전구체의 전구체 증기를 공급하도록 구성된다. 제2 샤워헤드 채널(2074)은 상기 기판 웹의 양면 상의 적어도 하나의 구멍(2084a,b)을 가진다. 상기 진공 펌프(2060)로의 배기관(exhaust)은 상기 공정 챔버의 바닥 상에서 상기 공정 챔버(또는 반응 공간)(2030)의 중앙 영역에 있다.
도 21은 일 실시예에 따른 한 번에 다수의 롤들의 퇴적을 위한 퇴적 반응기의 상면도를 나타낸다. 각각의 롤들은 상기 공정 챔버 안으로의 그들 각각의 분리된 입구들을 가진다. 제1 및 제2 샤워헤드 채널들(2173, 2174)은 원하는 물질 성장의 방향으로 상기 공정 챔버 안에서 이동한다. 상기 샤워헤드 채널들은 상기 기판 웹의 양면 상의 적어도 하나의 구멍을 가진다. 그 외, 도 21의 실시예의 기본적인 구조적 및 기능적 특징에 관한 참조는 도 20에 제시된 것들 및 관련된 설명에 되어 있다.
도 22는 일 실시예에 따른 얇은 반응기 구조를 나타낸다. 상기 퇴적 반응기는 제1 및 제2 비활성 가스 소스들(미도시), 그리고 제1 및 제2 전구체 소스들(2213, 2214), 나아가 제1 및 제2 펄싱 밸브들(2223, 2224)을 포함한다. 상기 비활성 가스 소스들은 상기 롤들(2253, 2254)이 존재하는 제한된 공간들(과압력 볼륨들)(2220a, 2220b)과 유체 커뮤니케이션(미도시)을 한다. 상기 기판 웹(2250)은 롤투롤으로부터 상기 공정 챔버(2230)를 통해 드라이브되고, 상기 공정 챔버(2230) 안에 있는 동안 원자층 퇴적(ALD) 공정이 수행된다. 전구체 증기 인피드는 상기 공정 챔버(2230)의 상기 기판 웹 입력단에서 된다. 진공 펌프(2260)를 향하는 배기 라인(2261)은 상기 공정 챔버(2230)의 상기 기판 웹 출력단에 존재한다. 도 22의 실시예들의 기본적인 구조적 및 기능적 특징에 관한 참조는 앞서 설명한 선행하는 실시예들에 되어 있다. 상기 선행하는 실시예들과의 차이점은 상기 공정 챔버(2230)에 있다. 본 실시예에서, 슬릿은 제1 제한된 공간(2220a)으로부터 제2 제한된 공간(2220b)까지 내내(all the way) 연장된다. 상기 슬릿은 그러므로 상기 얇은 공정 챔버(2230)를 형성한다.
도 23은 일 실시예에 따른 다수의 롤들의 퇴적을 위한 얇은 반응기 구조를 나타낸다. 각각의 롤들은 상기 공정 챔버(2330) 안으로의 그들 각각의 분리된 입력 슬릿들(2393)과 상기 공정 챔버(2330)로부터 나온 그들 각각의 분리된 출력 슬릿들(2394)을 가진다. 상기 소스 롤들은 제1 제한된 공간(과압력 볼륨)(2320a)에, 상기 목적지 롤들은 제2 제한된 공간(과압력 볼륨)(2320b)에 존재한다. 도 23에 나타난 실시예에서 상기 슬릿들(2393, 2394)의 외측들은 상기 공정 챔버 벽의 외측들(2331a, 2331b)을 형성한다. 그 외, 도 23의 실시예의 기본적인 구조적 및 기능적 특징에 관한 참조는 도 22에 제시된 것들 및 관련된 설명에 되어 있다.
상기 기판 웹이 상기 공정 챔버 벽과 (원하는 물질 성장 방향으로) 가까이에서 이동하는 상기 선행하는 실시예들은 단일면 퇴적에 적합하며, 반면에 상기 기판이 상기 공정 챔버/반응 공간의 중앙 영역에서 이동하는 실시예들은 양면 퇴적에 적합하다.
도 24는 일 실시예에 따른 양면 코팅을 나타낸다. 도 24의 상기 퇴적 반응기는 근본적으로 도 15의 상기 퇴적 반응기와 일치한다. 도 15로부터 이미 알려진 도 24의 특징들에 관한 참조는 도 15 및 관련된 설명에 되어 있다. 상기 기판 웹이 상기 공정 챔버의 상부 벽과 가까이에서 이동하는 도 15의 실시예와 대조적으로, 도 24의 실시예의 상기 기판 웹은 상기 공정 챔버/반응 공간(1530)의 중앙 영역을 따라 이동한다. 상기 퇴적 반응기는 양면 퇴적을 위한 상기 기판 웹의 양면 상의 각 전구체의 전구체 증기 인피드 헤드들(2475)을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 상기 공정 챔버 또는 반응 공간 안에서의 상기 기판 웹의 트랙의 배치(placement)는 조절 가능(adjustable)하다. 상기 트랙의 배치는 현재의 필요성에 기초하여 조절될 수 있다. 그것은 예를 들면 상기 공정 챔버(또는 반응 공간)와 관련하여 상기 입력 및 출력 슬릿들의 배치를 조절함으로써 조절될 수 있다. 언급한 바와 같이, 양면 퇴적을 위하여, 상기 기판 웹은 상기 공정 챔버의 중앙 영역에서 이동할 수 있으며, 반면에 단일면 퇴적을 위하여 상기 기판 웹은 상기 공정 챔버 벽과 가까이에서 이동할 수 있다. 도 25는 퇴적 반응기와 단일면 퇴적을 위한 세부 사항(specific detail)을 나타낸다. 도 25의 상기 퇴적 반응기는 근본적으로 도 15의 상기 퇴적 반응기와 일치한다. 상기 기판 웹(1550)은 상기 공정 챔버의 제1(여기서는: 상부) 벽과 가까이에서 이동한다. 비활성 가스는 (상기 소스(1503) 및/또는 소스(1504)와 같거나 다를 수 있는) 비활성 가스 소스(2505)로부터 상기 기판 웹의 상기 후면(즉, 코팅되지 않는 측면 또는 표면)과 제1 벽 사이의 공간 안으로 공급된다. 상기 비활성 가스는 상기 기판 웹의 상기 후면과 상기 제1 벽 사이의 상기 공간을 채운다. 상기 비활성 가스는 그렇게 하여 차폐(shielding) 볼륨을 형성한다. 상기 기판 웹의 다른 표면은 순차적 자기포화 표면 반응들에 의해 코팅된다. 실질적 반응 공간은 코팅될 상기 표면과 상기 공정 챔버의 (상기 제1 벽 반대의) 제2 벽 사이의 볼륨 안에 형성된다. 반응성 가스는 실질적으로 상기 차폐 볼륨에 들어가지 않는다. 이것은 부분적으로 상기 차폐 볼륨 안으로 상기 비활성 가스가 플로우되기 때문이고, 그리고 부분적으로 상기 기판 웹 자체가 상기 웹의 다른 면으로부터 상기 기판 웹의 후면으로 플로우되는 것을 막기 때문이다.
일 실시예에서, 여기서 설명된 상기 퇴적 반응기(또는 반응기들)는 컴퓨터 제어 시스템(computer-controlled system)이다. 상기 시스템의 메모리 안에 저장된 컴퓨터 프로그램은 상기 시스템의 적어도 하나의 프로세서에 의한 실행(execution)에 따라 상기 퇴적 반응기가 명령된 대로 동작하도록 하는 명령(instructions)을 포함한다. 상기 명령은 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드(computer-readable program code)의 형식일 수 있다. 도 26은 퇴적 반응기 제어 시스템(2600)의 대략적인 블록 다이아그램을 나타낸다. 기본적 시스템 셋업(setup)에서 공정 파라미터들(parameters)은 소프트웨어의 도움을 이용하여 프로그램되고, 인간 기계 인터페이스(HMI,human machine interface) 터미널(2606)을 이용하여 실행되며, 이더넷 버스(Ethernet bus) 또는 유사한 것들과 같은 통신 버스(communication bus)를 통해 제어 박스(control box)(2602)(제어 유닛)로 다운로드된다. 일 실시예에서, 상기 제어 박스(2602)는 범용 프로그램가능 논리 제어(general purpose programmable logic control: PLC) 유닛을 포함한다. 상기 제어 박스(2602)는 메모리 안에 저장된 프로그램 코드를 포함하는 제어 박스 소프트웨어의 실행을 위한 적어도 하나의 마이크로프로세서, 동적(dynamic) 및 정적(static) 메모리들, I/O 모듈들, A/D 및 D/A 컨버터들 및 전력 계전기들(power relays)을 포함한다. 상기 제어 박스(2602)는 상기 퇴적 반응기의 적합한 밸브들의 공기식 제어기들(pneumatic controllers)에 전력을 전송한다. 상기 제어 박스는 상기 드라이버(들), 상기 진공 펌프, 및 어떤 히터(들)의 동작을 제어한다. 상기 제어 박스(2602)는 적합한 센서들로부터 정보를 받고, 일반적으로 상기 퇴적 반응기의 종합적 동작을 제어한다. 제어 박스(2602)는 원자층 퇴적(ALD) 반응기 안에서의 반응 공간을 통해 제1 롤로부터 제2 롤까지의 기판 웹 드라이빙을 제어한다. 상기 웹의 속도 조절에 의해 상기 컨트롤 박스는 퇴적된 물질의 성장, 즉 물질 두께를 제어한다. 상기 제어 박스(2602)는 순차적 자기포화 표면 반응들을 통해 상기 기판 웹 상에 물질을 퇴적하기 위해 시간상으로 분리된 전구체 펄스들에의 상기 반응 공간 노출을 더 제어한다. 상기 제어 박스(2602)는 상기 퇴적 반응기로부터 상기 인간 기계 인터페이스 터미널(2606)로 프로부 측정값(probe readings)을 측정(measure) 및 전달(relay)할 수 있다. 점선(2616)은 상기 퇴적 반응기 부분들과 상기 제어 박스(2602) 사이의 인터페이스 라인(interface line)을 나타낸다.
특허 청구항들의 범위 및 해석의 제한 없이, 여기서 밝혀진 하나 또는 이상의 상기 실시예들의 어떤 기술적 효과들은 다음에서 열거된다. 하나의 기술적 효과는 공간적(spatial) 롤투롤 원자층 퇴적(ALD) 반응기들에 비할 때 단순한 구조이다. 다른 기술적 효과는 퇴적된 물질의 두께가 상기 웹의 속도에 의해 직접적으로 결정되는 것이다. 다른 기술적 효과는 얇은 공정 챔버 구조 때문에 전구체들의 소비를 최적화할 수 있다.
앞의 설명은 본 발명의 특정한 구현들 및 실시예들의 비제한적인 예시들을 통하여, 본 발명을 수행하기 위해 발명자들에 의해 현재 고려된 최적의 방식(best mode)에 대한 완전하고 유익한 설명을 제공한다. 그러나 본 발명은 위에 제시된 상기 실시들의 디테일들에 제한되지 않으며, 그러나 본 발명의 특징들로부터 벗어나지 않는 등가 수단들을 사용한 다른 실시들로서 구현될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 명확하다.
게다가, 본 발명의 위에 개시된 실시들의 몇몇 특징들은 다른 특징들의 상응하는 사용 없이 유리하게 사용될 수 있다. 그와 같이, 앞선 설명들은 단지 현 발명의 원리들의 예증으로서 고려되어야 하며, 그것에 제한되지 않는다. 이러한 이유로, 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구항들에 의하여만 제한된다.

Claims (19)

  1. 기판 웹(substrate web)을 원자층 퇴적 반응기의 반응 공간 안으로 드라이빙하는 단계; 및
    순차적 자기포화 표면 반응들(sequential self-saturating surface reactions)을 통해 상기 기판 웹 상에 물질을 퇴적하기 위해 시간상으로 분리된 전구체 펄스들을 상기 반응 공간에 노출시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    과압력 볼륨(excess pressure volume)과 상기 반응 공간 사이에서의 압력차를 유지시키는 슬릿을 통해, 상기 기판 웹을 상기 과압력 볼륨으로부터 상기 반응 공간에 입력하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 슬릿을 형성하는 압축 플레이트들을 포함하는 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 퇴적된 물질의 두께는 상기 웹의 속도에 의해 제어되는 방법.
  5. 제2 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    비활성 가스를 상기 과압력 볼륨에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 공간 내에서의 상기 전구체 증기 플로우 방향은 상기 기판 웹의 이동 방향에 따르는 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 반응 공간의 상기 기판 웹 입력단에서 상기 반응 공간에 상기 전구체 증기를 공급하는 단계 및 상기 반응 공간의 기판 웹 출력단에서 가스들의 배기관을 마련하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 공간 내에서의 상기 전구체 증기 플로우 방향은 상기 기판 웹의 이동 방향에 대하여 횡단하는 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 반응 공간의 일측에서의 반응 공간에 상기 전구체 증기를 공급하고 상기 반응 공간의 타측에 가스의 배기관을 배치하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 및 제2 롤을 반응 챔버 리드(lid)에 결합하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 공간을 통하여 일직선으로 상기 기판 웹을 드라이빙하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 기판 웹을 원자층 퇴적 반응기의 반응 공간 안으로 드라이빙하도록 구성된 드라이빙 유닛; 및
    순차적 자기포화 표면 반응들을 통해 상기 기판 웹 상에 물질을 퇴적하기 위해 시간상으로 분리된 전구체 펄스들을 상기 반응 공간에 노출시키도록 구성된 전구체 증기 공급부를 포함하는 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 기판 웹을 과압력 볼륨으로부터 상기 반응 공간 안으로 입력하기 위한 입력 슬릿을 포함하는 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 슬릿을 형성하는 압축 플레이트들을 포함하는 장치.
  15. 제12 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    비활성 가스를 상기 과압력 볼륨에 수송하도록 구성된 채널을 포함하는 장치.
  16. 제12 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 공간의 상기 기판 웹 입력단에서의 반응 공간에의 전구체 증기 인피드 개구부(in-feed opening) 및 상기 반응 공간의 상기 기판 웹 출력단에서의 배기관을 포함하는 장치.
  17. 제12 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 공간의 일측에의 전구체 증기 인피드 개구부 또는 개구부들 및 상기 반응 공간의 타측에의 배기관을 포함하는 장치.
  18. 제12 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 롤을 수용하도록 구성된 반응 챔버 리드를 포함하는 장치.
  19. 기판 웹을 원자층 퇴적 반응기의 반응 공간 안으로 드라이빙하는 수단; 및
    순차적 자기포화 표면 반응들을 통해 상기 기판 웹 상에 물질을 퇴적하기 위해 시간상으로 분리된 전구체 펄스들을 상기 반응 공간에 노출시키는 수단을 포함하는 장치.
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