KR20150091848A - 원자층 증착장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카세트 없이 다수장의 기판을 챔버 내에 층상 흐름 간격으로 로딩한 상태에서 원자층 증착 공정을 수행할 수 있는 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 원자층 증착장치는, 원자층 증착 공정이 이루어지는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내부에 형성되며, 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재할 수 있는 기판 적재수단; 상기 공정 챔버의 일측부에 일측벽을 이루도록 형성되며, 상기 기판의 반출입시에 상기 공정 챔버를 열고 닫는 게이트부; 상기 공정 챔버 외부에 설치되며, 상기 공정 챔버 내부로 상기 기판을 반출입하고, 상기 기판 적재수단에 적재하는 기판 반송수단;을 포함한다.

Description

원자층 증착장치{THE APPARATUS FOR DEPOSITING ATOMIC LAYER}

본 발명은 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카세트 없이 다수장의 기판을 챔버 내에 층상 흐름 간격으로 로딩한 상태에서 원자층 증착 공정을 수행할 수 있는 원자층 증착장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자나 평판 디스플레이 소자 등의 제조에서는 다양한 제조공정을 거치게 되는데, 그 중에서 웨이퍼나 글래스(이하, '기판'이라고 한다) 상에 소정의 박막을 증착시키는 공정이 필수적으로 진행된다. 이러한 박막 증착공정은 스퍼터링법(sputtering), 화학기상증착법(CVD: chemical vapor deposition), 원자층 증착법(ALD: atomic layer deposition) 등이 주로 사용된다.

먼저, 스퍼터링법은 예를 들어, 플라즈마 상태에서 아르곤 이온을 생성시키기 위해 고전압을 타겟에 인가한 상태에서 아르곤 등의 비활성 가스를 공정챔버 내로 주입시킨다. 이때, 아르곤 이온들은 타겟의 표면에 스퍼터링되고, 타겟의 원자들은 타겟의 표면으로부터 이탈되어 기판에 증착된다.

이러한 스퍼터링법에 의해 기판과 접착성이 우수한 고순도 박막을 형성할 수 있으나, 공정 차이를 갖는 고집적 박막을 스퍼터링법으로 증착하는 경우에는 전체 박막에 대해서 균일도를 확보하기가 매우 어려워 미세한 패턴을 위한 스퍼티링법의 적용에는 한계가 있다.

다음으로 화학기상증착법은 가장 널리 이용되는 증착기술로서, 반응가스와 분해가스를 이용하여 요구되는 두께를 갖는 박막을 기판상에 증착하는 방법이다. 예컨데, 화학기상증착법은 먼저 다양한 가스들을 반응 챔버로 주입시키고, 열, 빛 또는 플라즈마와 같은 고에너지에 의해 유도된 가스들을 화학반응시킴으로써 기판상에 요구되는 두께의 박막을 증착시킨다.

아울러 화학기상증착법에서는 반응에너지만큼 인가된 플라즈마 또는 가스들의 비(ratio) 및 양(amount)을 통해 반응 조건을 제어함으로써, 증착률을 증가시킨다.

그러나 화학기상증착법에서는 반응들이 빠르기 때문에 원자들의 열역학적 안정성을 제어하기 매우 어렵고, 박막의 물리적, 화학적 전기적 특성을 저하시키는 문제점이 있다.

마지막으로 원자층 증착법은 (ALD: Atomic Layer Deposition)은 박막을 형성하기 위한 반응 챔버(chamber) 내로 두 가지 이상의 반응물(reactants)을 하나씩 차례로 투입하여 각각의 반응물의 분해와 흡착에 의해서 박막을 원자층 단위로 증착하는 방법이다. 즉, 제1반응가스를 펄싱(pulsing) 방식으로 공급하여 챔버 내부에서 하부막에 화학적으로 증착시킨 후, 물리적으로 결합하고 있는 잔류 제1반응가스는 퍼지(purge) 방식으로 제거된다. 이어서, 제2반응가스도 펄싱(pulsing)과 퍼지(purge) 과정을 통해 일부가 제1반응가스(제1반응물)와 화학적인 결합을 하면서 원하는 박막이 기판에 증착된다. 상술한 원자층 증착공정에서, 각각의 반응가스가 일회의 펄싱(pulsing) 및 퍼지(purge)가 행해지는 시간을 사이클(cycle)이라 부른다. 이러한 원자층 증착방식으로 형성 가능한 박막으로는 Al₂O₃, Ta₂O₃, TiO₂ 및 Si₃N₄가 대표적이다.

상기 원자층 증착은 600℃ 이하의 낮은 온도에서도 우수한 단차도포성(step coverage)을 갖는 박막을 형성할 수 있기 때문에, 차세대 반도체 소자, 디스플레이, 태양전지 등을 제조하는 공정에서 많은 사용이 예상되는 공정기술이다.

이렇게 원자층 증착 공정이 반도체 분야 뿐만아니라 디스플레이, 태양전지 등의 분야에 확대되어 사용되기 위해서는 대면적 기판에 대하여 균일한 박막을 얻을 수 있어야 할 뿐만아니라, 대면적 기판 다수장의 한 번의 공정으로 처리하여 충분한 생산성을 확보하여야 한다.

따라서 다수장의 대면적 기판을 하나의 챔버에 로딩한 상태에서 동시에 균일한 박막을 형성할 수 있는 원자층 증착장치의 개발이 절실하게 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 카세트 없이 다수장의 기판을 챔버 내에 층상 흐름 간격으로 로딩한 상태에서 신속하고 정확하게 원자층 증착 공정을 수행할 수 있는 원자층 증착장치를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 원자층 증착장치는, 원자층 증착 공정이 이루어지는 공정 챔버; 상기 공정 챔버 내부에 형성되며, 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재할 수 있는 기판 적재수단; 상기 공정 챔버의 상측벽 전체 또는 일부를 이루도록 형성되며, 상기 기판의 반출입시에 상기 공정 챔버를 열고 닫는 게이트부; 상기 공정 챔버 외부에 설치되며, 상기 공정 챔버 내부로 상기 기판을 반출입하고, 상기 기판 적재수단에 적재하는 기판 반송수단;을 포함한다.

그리고 본 발명에서 상기 기판 적재수단은, 상기 공정 챔버의 내부 각각 마주보는 위치에 형성되며, 상기 기판의 양 측단을 각각 파지하는 파지홈인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 기판 적재수단은, 다수장의 기판의 양측단을 파지하여 상기 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재하는 기판 적재부;와 상기 기판 적재부를 상기 공정 챔버 내부와 외부로 왕복 구동시키는 적재부 왕복 수단;을 포함하는 구조를 가질 수도 있다.

또한 본 발명에서 상기 기판 반송수단은, 상기 기판의 일면을 진공흡착하는 진공 흡착수단;과 상기 진공 흡착수단을 이동시키는 이동수단;을 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 진공 흡착수단에는 양 면에 진공 흡착부가 형성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 진공 흡착수단은, 다수장의 기판을 동시에 흡착할 수 있도록 기판 간격으로 이격되어 평행하게 설치되는 다수개의 진공 흡착부인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 게이트부는, 상기 공정 챔버의 상측벽을 이루는 벽판부; 상기 벽판부의 구동시키는 단속부;를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 원자층 증착장치는 카세트 없이도 다수장의 기판을 공정 챔버 내에 층상 흐름 간격으로 로딩한 상태에서 대면적 기판의 전면에 걸쳐서 균일한 박막을 신속한 공정 시간으로 형성할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치의 구조를 도시하는 도면이다 .
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치의 구조를 동작을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 적재수단의 구조를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 흡착수단의 구조를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 진공 흡착수단의 구조를 도시하는 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.

본 실시예에 따른 원자층 증착장치(1)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 공정 챔버(10), 기판 적재수단(20), 게이트부(30), 기판 반송수단(40), 공정 가스 공급부(50) 및 배기수단(60)을 포함하여 구성된다.

먼저 상기 공정 챔버(10)는 그 내부에서 원자층 증착 공정이 이루어지는 구성요소로서, 이를 위한 다양한 구성요소들, 예를 들어 공정가스 공급부(50), 배기수단(60), 챔버 내부 가열부(도면에 미도시) 등이 설치된다. 그리고 상기 공정가스 공급부(50), 배기수단(60) 및 챔버 내부 가열부는 다양한 구성을 가질 수 있다.

또한 상기 공정 챔버(10)에는 기판 적재수단(20)이 구비된다. 상기 기판 적재수단(20)은 상기 공정 챔버(10) 내부에 형성되며, 다수장의 기판(S)을 층상 흐름 간격으로 적재할 수 있는 구성요소이다. 본 실시예에 따른 원자층 증착장치(1)에서는, 다수장의 대면적 기판(S)에 신속하고 균일하게 박막을 형성하기 위하여 각 기판을 층상흐름 간격으로 상기 공정 챔버(10) 내에 로딩하고, 이 상태에서 공정 가스들이 층상흐름을 유지한 상태로 공급되면서 원자층 증착 공정이 이루어지도록 한다.

또한 상기 공정 챔버(10)의 전측벽에는 도 2에 도시된 바와 같이, 층상 흐름 형성홈(12)이 형성된다. 상기 층상 흐름 형성홈(12)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 공정 챔버(10) 전측벽의 내면에 형성되는 홈으로서, 상기 공정가스 공급부(50)로부터 공급되는 공정 가스가 유입되어 층상흐름을 유지하면서 확산되고, 상기 공정 챔버(10) 내부의 기판(S) 사이의 공간으로 공급되도록 하는 구성요소이다. 이 층상 흐름 형성홈(12)에 의하여 상기 기판 적재수단(20)에 적재된 기판(S)의 전단과 상기 공정 챔버(10) 전측벽의 내측면 사이가 층상흐름 간격을 유지하는 것이다.

여기에서 층상 흐름(laminar flow) 이라 함은 '가스가 좁은 간격 사이의 공간에 주입되어 자유 확산되지 않고 일정한 방향으로 흐트러짐이 거의 없이 방향성을 가지고 이동하는 가스의 흐름'을 말한다.

그리고 상기 '층상 흐름 간격'이라 함은 '가스가 층상 흐름 형태로 이동하는 2개의 판재 사이의 간격'을 말하는 것으로서, 본 실시예에서는 이 층상 흐름 간격이 0.2 ~ 10 mm인 것이 바람직하다. 상기 층상 흐름 간격이 0.2 mm 미만인 경우에는 가공 및 제조가 어려울 뿐만아니라 가스의 공급 제어가 어려운 문제점이 있고, 상기 층상 흐름 간격이 10mm 를 초과하는 경우에는 가스의 층상 흐름이 깨져서 기체가 자유확산하는 문제점이 있다.

이렇게 다수장의 기판이 층상흐름 간격으로 적재되도록 하기 위하여 상기 공정 챔버(10) 내에서는 기판 적재수단(20)이 설치되는 것이다. 상기 기판 적재수단(20)의 구체적인 구조는 다양하게 변화될 수 있다.

먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 기판 적재수단(20)은, 단순하게 파지홈으로 구성될 수 있다. 상기 파지홈(20)은 상기 공정 챔버(10)의 내부에 각각 마주보는 위치에 형성되며, 상기 기판(S)의 양 측단을 각각 파지할 수 있는 일정한 깊이를 가지는 홈으로 구성된다. 이때 상기 파지홈(20)에 삽입되는 상기 기판(S)의 양 측단, 상기 기판이 안정적으로 기립된 상태를 유지할 수 있는 최소한으로 제한되는 것이 바람직하다. 여기에서 '기립된다' 함은 기판(S)이 수직으로 또는 여기에서 일정 각도 기울어진 상태로 세워진 상태를 말한다.

그리고 상기 파지홈(20)에는 기판의 로딩 과정에서 기판이 손상되지 않도록 기판보다 경도가 낮은 소재로 이루어지는 보호 부재(도면에 미도시)가 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 기판 적재수단(20a)은 도 3에 도시된 바와 같이, 기판 적재부(22a)와 적재부 왕복수단(24a)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서 상기 기판 적재부(20a)는 다수장의 기판(S)의 상하단을 파지하여 상기 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재하는 구성요소이다. 따라서 상기 기판 적재부(22a)는 다수장의 기판(S)을 층상 흐름 간격으로 기립시켜 적재할 수 있는 박스 형태로 구성하며, 상기 공정 챔버(10) 내에 삽입될 수 있는 크기로 형성된다.

그리고 상기 적재부 왕복수단(24a)은 상기 기판 적재부(22a)를 상기 공정 챔버(10a) 내부와 외부로 왕복 구동시키는 구성요소로서, 다양한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 상기 적재부 왕복 수단(24a)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기판 적재부(22a)의 외면에 형성되는 이동 방향 가이드와 상기 이동 방향 가이드를 따라 상기 기판 적재부(22a)를 구동시키는 구동수단(도면에 미도시)을 포함하여 구성될 수 있다.

이렇게 상기 기판 적재수단(20a)을 상기 공정 챔버(10) 내외부로 왕복 이동가능하게 구성하며, 기판의 로딩 및 언로딩 과정에서 후술하는 기판 반송수단(40)의 구동이 용이해지는 장점이 있다.

한편 상기 기판 적재수단(20)은 상기 공정 챔버(10) 내부에서 기판(S)을 적재한 상태에서 순환이동할 수 있는 레일 구조를 가질 수도 있다. 이렇게 상기 기판 적재수단이 레일 구조를 가지면, 상기 기판 적재수단에 다수장의 기판을 일렬로 적재하기에 적합한 장점이 있다.

다음으로 상기 게이트부(30)는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 공정 챔버(10)의 상측벽 전체 또는 일부를 이루도록 형성되며, 상기 기판의 반출입시에 상기 공정 챔버(10)를 열고 닫는 구성요소이다. 구체적으로 상기 게이트부(30)는 벽판부(32) 및 단속부(36)를 포함하는 구성을 가질 수 있다. 상기 벽판부(32)는 닫힌 상태에서 상기 공정 챔버(10)의 상측벽을 이루는 구성요소이며, 상기 공정 챔버(10)와 접촉하는 부분에 기밀을 유지하기 위한 실링부재(도면에 미도시)가 구비된다.

다음으로 상기 단속부(36)는 상기 벽판부(32)를 구동시키는 구성요소로서, 상기 벽판부(32)를 개방위치와 밀폐위치로 구동시키는 것이다. 여기에서 개방위치라 함은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 벽판부(32)가 상기 진공 챔버(10)로부터 분리되어 상기 진공 챔버(10) 내부로 기판을 반입하거나 상기 진공 챔버(10) 내부의 기판을 반출하는데에 있어서 전혀 방해가 되지 않는 위치를 말하는 것이다. 한편 밀폐 위치라 함은 상기 벽판부(32)가 상기 공정 챔버(10)와 완전히 밀착되어 상기 공정 챔버(10)의 상측벽을 이루고, 상기 공정 챔버(10) 내부를 밀봉시킨 상태를 말한다.

따라서 상기 단속부(36)는 상기 벽판부(32)를 개폐할 수 있는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 벽판부(32)를 상기 공정 챔버(10)의 일측 모서리를 회전 중심으로하여 회동시키면서 개폐할 수도 있고, 상기 벽판부(32)를 수직 방향으로 승강시키면서 개폐할 수도 있을 것이다.

다음으로 상기 기판 반송수단(40)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 공정 챔버(10) 외부에 설치되며, 상기 공정 챔버(10) 내부로 상기 기판(S)을 반출입하고, 상기 기판 적재수단(20)에 적재하는 구성요소이다. 전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 원자층 증착장치(1)에서는 상기 공정 챔버(10) 내에 상기 기판 적재수단(20)을 이용하여 다수장의 기판을 층상 흐름 간격을 유지한 상태로 로딩한 상태에서 동시에 박막 형성 공정을 진행한다.

따라서 상기 기판 반송수단(40)이 한 번의 공정으로 처리될 기판(S)을 한 번에 또는 다수번의 동작으로 나누어서 상기 공정 챔버(10) 내에 로딩하고, 공정이 완료된 후에는 역순으로 상기 공정 챔버(10) 내부의 기판(S)을 외부로 언로딩하는 것이다.

본 실시예에서 상기 기판 반송수단(40)은 기판(S)에 손상을 주지 않고 오염시키지 않으면서 반송할 수 있는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 진공 흡착수단(42) 및 이동수단(44)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 진공 흡착수단(42)은 상기 기판(S)의 일면을 진공흡착하는 고정하는 구성요소이다. 이렇게 진공 흡착력으로 기판의 일면을 흡착하면 기판에 손상을 주지않고 그리핑(gripping)할 수 있는 장점이 있다.

이때 본 실시예에서 상기 진공 흡착수단(42)은 도 2에 도시된 바와 같이, 넓은 판상의 플레이트(41)에 다수개의 흡착 패드(43)가 매트릭스 형태로 배열되는 구조를 가질 수 있다. 또한 상기 진공 흡착수단(42a)은 도 4에 도시된 바와 같이, 양면에 진공 흡착패드(43a)가 형성되는 구조를 가질 수도 있다. 이렇게 양면에 진공 흡착패드가 형성되면 한번의 동작으로 2장의 기판을 반송할 수 있는 장점이 있다.

더 나아가서 상기 진공 흡착수단(42b)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 다수장의 기판(S)을 동시에 흡착할 수 있도록 기판 간격으로 이격되어 평행하게 설치되는 다수개의 진공 흡착부(41a)로 구성될 수도 있다. 이때 각 진공 흡착부에는 양면에 진공 흡착패드(43a)가 각각 형성될 수도 있다. 이렇게 다수개의 진공 흡착부가 평행하게 설치되는 구조를 가지면, 상기 공정 챔(10)버 내부에 로딩되는 다수개의 기판(S)을 한 번의 동작으로 로딩하거나 언로딩할 수 있어서 공정 시간을 대폭 단축할 수 있는 장점이 있다.

이때 상기 진공 흡착부(41a)의 두께는 상기 기판 적재수단(20)에 적재된 두 기판(S) 사이의 간격보다 얇게 구성되어야 한다.

다음으로 상기 이동수단(44)은 상기 진공 흡착수단(42)을 이동시키는 구성요소로서, 기판을 로딩하거나 언로딩하는 동작을 수행하기 위하여 필요한 상기 진공 흡착수단(42)의 공간 이동을 담당한다. 상기 이동수단(44)은 도 2에 도시된 바와 같이, 다축 로봇으로 구성될 수도 있고, 3차원 이동수단으로 구성될 수도 있다.

한편 본 실시예에서는 하나의 공정 챔버에 다수개의 카세트를 장입한 상태에서 공정이 진행되는 구조를 설명하였으나, 하나의 카세트만을 장입한 상태에서 공정이 진행되는 구조를 가질 수도 있다. 그리고 다수개의 카세트를 장입한 상태에서 공정이 진행되는 경우에는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 중간 가스 공급부(76)이 더 구비되는 구조를 가질 수도 있다.

또한 본 실시예에서 상기 공정 챔버의 상측벽이 개방되는 구조로 설명하였으나, 상측벽이 아니라, 좌우 측벽이 개방되는 구조를 가질 수도 있다.

1 : 본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착장치
10 : 공정 챔버 20 : 기판 적재수단
30 : 게이트부 40 : 기판 반송수단
50 : 공정가스 공급부 60 : 배기 수단
70 : 중간가스 공급부 S : 기판

Claims (7)

1. 원자층 증착 공정이 이루어지는 공정 챔버;
   상기 공정 챔버 내부에 형성되며, 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재할 수 있는 기판 적재수단;
   상기 공정 챔버의 상측벽의 전체 또는 일부를 이루도록 형성되며, 상기 기판의 반출입시에 상기 공정 챔버를 열고 닫는 게이트부;
   상기 공정 챔버 외부에 설치되며, 상기 공정 챔버 내부로 상기 기판을 반출입하고, 상기 기판 적재수단에 적재하는 기판 반송수단;을 포함하는 원자층 증착장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판 적재수단은,
   상기 공정 챔버의 내부 마주보는 위치에 형성되며, 상기 기판의 양 측단을 각각 파지하는 파지홈인 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 기판 적재수단은,
   다수장의 기판의 상하단을 파지하여 상기 다수장의 기판을 층상 흐름 간격으로 적재하는 기판 적재부;
   상기 기판 적재부를 상기 공정 챔버 내부와 외부로 왕복 구동시키는 적재부 왕복 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판 반송수단은,
   상기 기판의 일면을 진공흡착하는 진공 흡착수단;
   상기 진공 흡착수단을 이동시키는 이동수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 진공 흡착수단은,
   양 면에 진공 흡착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 진공 흡착수단은,
   다수장의 기판을 동시에 흡착할 수 있도록 기판 간격으로 이격되어 평행하게 설치되는 다수개의 진공 흡착부인 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 게이트부는,
   상기 공정 챔버의 상측벽을 이루는 벽판부;
   상기 벽판부를 열고 닫는 단속부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치.

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