KR20160014042A - 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드 - Google Patents

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안드리아누스 조하네스 페트루스 마리아 베르메르
로날드 헨리카 마리아 반 디크
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솔래이테크 비.브이.
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Abstract

기판 상에 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드는, 연결 유닛에 결합된 복수 개의 바들을 포함한다. 바들은 복수 개의 적층된 바들을 형성하기 위해 이웃하는 바의 측벽들에 대하여 개별적으로 적층된, 스페이서 프로파일을 구비하는 측벽들을 구비한다. 바들을 연결 유닛 내 개별적인 슬롯과 소통하는 바의 길이 상에서 연장하는 슬롯들을 포함한다. 흐름 경로는 개별적인 전구체 드레인, 반응물 드레인, 또는 배리어 가스 드레인을 형성하기 위해 상대적으로 낮은 마찰계수를 구비하는 바를 통해 정의된다. 스페이서 프로파일들은 연결 유닛 내 개별적인 슬롯과 소통하는 인접한 바들 사이에 연장하는 슬릿들을 정의한다. 추가적인 흐름 경로는 개별적인 전구체 가스 서플라이, 반응물 가스 서플라이 또는 흐름 배리어를 형성하기 위해, 상대적으로 높은 마찰계수를 구비하는 바를 따라 형성된다.

Description

원자층 증착을 위한 인젝터 헤드{INJECTOR HEAD FOR ATOMIC LAYER DEPOSITION}
본 발명은 기판의 표면 상에 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드에 관한 것이다. 본 발명은 추가적으로 그러한 인젝터 헤드를 포함하는 장치에 관한 것이다.
원자층 증착(Atomic layer deposition)은 타켓 물질 모노층(monolayer)의 (반복된) 증착을 위한 방법으로 공지되어 있다. 원자층 증착은 원자층 증착이 적어도 두 개의 프로세스 단계들을 취한다는 점에서 예를 들어 화학 증기 증착(chemical vapour deposition)과 다르다. 원자층 증착은 우수한 층 두께 제어를 가능하게 하는 이점을 가진다.
이러한 프로세스 단계들 중 첫 번째 것은 기판 표면 상에 전구체 가스(precursor gas)의 적용을 포함한다. 이를 위해, 공지된 인젝터 헤드들에는 전구체 서플라이(supply)를 구비하는 증착 공간이 제공된다. 상기 서플라이는 전구체 서플라이로부터 증착 공간을 통해 전구체 드레인(precursor drain)에 전구체 가스 흐름을 제공하도록 배치된다. 이런 식으로 증착 공간은 사용 중에 인젝터 헤드 및 기판 표면에 의해 경계되도록 형성된다.
이러한 프로세스 단계들 중 두 번째 것은 타켓 물질 모노층을 형성하기 위해 전구체 물질의 반응을 포함한다. 이를 위해 추가적인 증착 공간이 반응물 서플라이(reactant supply)를 구비하는 인젝터 헤드 내에 제공된다. 추가적인 증착 공간은 사용 중에 흐름 배리어(barrier)에 의해 전구체 가스로부터 분리되고 기판 표면의 적어도 일부 상에 전구체 가스의 증착 후에 전구체에 반응을 일으키기 위해 반응물 가스(reactant gas), 플라즈마, 레이저-발생 방사선(laser-generated radiation), 및 자외선 중 적어도 하나를 제공하도록 배치될 수 있다.
흐름 배리어를 제공하기 위해, 배리어 가스 흐름은 인젝터 헤드 및 기판 표면 사이에 주입될 수 있다. 공지된 인젝터 헤드는 개별적인 복수 개의 가스 공급원들(gas supply sources) 및 드레인 수집기들(drain collectors)에 연결 가능한 연결 유닛을 더 포함하여 상기 연결 유닛을 통해, 개별적인 전구체 증착 공간, 반응물 증착 공간 및 흐름 배리어에 개별적인 가스들을 위한 접근(access)을 제공할 수 있다.
여기에 참조로서 포함된 동일 발명자의 WO 2012/105831에는 원자층 증착 장치 및 구체적인 인젝터 헤드 배치가 개시되어 있다. 그러한 배치들에서 다양한 프로세스 가스들의 동질의(homogenous) 가스 흐름을 제공하기 위해 요구되는 상대적으로 높은 마찰계수의 관점에서 제작성(manufacturability)이 문제된다. 이러한 동질성은 견고한 원자층 증착 프로세스를 수행하기 위해 중요하다. 동시에 더 많은 수의 인젝터 헤드는 시스템의 처리량(throughput)을 상당히 개선할 수 있으므로, 설계가 컴팩트하게 되는 것 또한 중요하다.
WO2008/085474에는 원자층들의 증착을 위한 장치가 개시되어 있다. 증착 헤드는 플레이트렛들(platelets)의 스택(stack)에 의해 제공되며, 더 많은 수의 플레이트렛들을 고려하여 복잡한 흐름 경로들이 문제가 될 수 있다. 프로세스 가스들의 흐름에 필요한 동질성을 제공하고 제작 가능한 인젝터 헤드를 제공하는 데 난관이 존재한다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따라, 프로세스 가스들의 개선된 동질성을 구비하는 원자층 증착을 위한 장치 및 방법을 제공하고, 신뢰 가능하고 안정적인 슬릿 폭(slit width)이 제공되고 컴팩트한 설계가 제공될 수 있는 것을 목적으로 한다.
따라서, 인젝터 헤드는 기판 상에 원자층 증착을 위해 제공되고, 연결 유닛에 결합된 복수 개의 모놀리식 바들을 포함한다. 바들은 다수의 적층된 바들을 형성하기 위해 이웃하는 바의 측벽들에 대하여 개별적으로 적층된, 스페이서 프로파일이 구비된 측벽들을 구비한다. 바들은 매니폴드 내에 개별적인 슬롯과 소통하는 바의 길이 상으로 연장하는 슬롯들을 포함한다. 흐름 경로는 개별적인 전구체 드레인, 반응물 드레인 또는 배리어 가스 드레인을 형성하기 위해 상대적으로 낮은 마찰계수를 구비하는 바를 통해 정의된다. 스페이서 프로파일들은 매니폴드 내에 개별적인 슬롯과 소통하는 인접한 바들 사이에서 연장하는 슬릿들을 정의한다. 추가적인 흐름 경로는 개별적인 전구체 가스 서플라이, 반응물 가스 서플라이 또는 흐름 배리어를 형성하기 위해, 상대적으로 높은 마찰계수를 구비하는 바를 통해 형성된다. 슬롯된 바 설계에 의해, 동시에 정확하게 형성된 슬릿들이 형성될 수 있으며 모놀리식 바 설계에 의해 기계적인 완전성을 획득할 수 있다. 이는 제작성을 상당히 개선하고 설계 시방에 대한 준수를 수월하게 한다.
본 명세서 내에 포함되어 있음.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여, 비-제한된 방식으로, 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 개별적인 측면도를 도시한다.
도 2는 다른 실시예의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인젝터 헤드의 실시예를 도시한다.
도 4는 다른 실시예에 따른 원자층 증착을 위한 장치를 위한 셋업(setup)의 개략적인 배치를 도시한다.
도 5는 반-조립 상태로 된 두 개의 슬롯된(slotted) 바들의 구조 상세 사항을 도시한다.
도 6은 슬롯된 바 설계의 실시예의 상세도를 도시한다.
도 7은 슬롯된 바의 프로파일된(profiled) 측벽의 추가적인 평면도(planar view)를 도시한다.
도 8은 인젝터 헤드 내 슬롯 설계의 다른 개략적인 예시를 도시한다.
도 9는 물결 형상(undulate shape)의 개략적인 예시를 도시한다.
달리 언급되지 않는 한, 동일한 참조 번호들은 도면들 전반에 걸쳐 유사한 구성요소들을 언급한다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 개략적인 측면도를 도시한다. 예시로서, 인젝터 헤드(injector head; 1)는 가스 베어링 영역(gas bearing region)에 의해 분리된 두 개의 증착 공간들(2, 3)을 구비하는 것으로 도시된다. 대체로 원자층을 위해서, 적어도 두 개의 프로세스 단계들이 요구되나, 프로세스 단계들 중 오직 하나만이 물질 증착(material deposition)의 개입(involvement)을 필요로 할 수 있다. 그러한 물질 증착은 전구체 서플라이(precursor supply; 4)가 제공되는 증착 공간(2) 내에서 수행될 수 있다. 따라서, 이 실시예에서 인젝터 헤드는 반응물 서플라이(reactant supply; 40)가 제공되는 추가적인 증착 공간(3)을 포함하는 것으로 도시되고, 추가적인 증착 공간(3)은 사용 중에 가스 베어링(7)에 의해 경계된다. 그 대신에 또는 추가적으로, 반응물 가스, 플라즈마, 레이저-발생 방사선(laser-generated radiation), 및 자외선(ultraviolet radiation) 중 적어도 하나는 기판 표면의 적어도 일부 상에 원자층을 획득하도록 기판 표면의 적어도 일부 상에 전구체 가스의 증착 후에 반응물 가스와 전구체를 반응시키기 위해 반응 공간 내에 제공될 수 있다. 공간들(2 및 3)의 적절한 퍼징(purging)에 의해, 서플라이들(4 및 40)은 프로세싱 동안 스위치될(switched) 수 있다. 이는 웨이퍼가 증착 공간의 위치에 존재하는 동안 전구체 가스가 오직 증착 공간 안으로 흐르게 하는 방식으로 정밀하게 정기적으로(timed) 수행될 수 있다. 이는 웨이퍼가 증착 공간 외부에 있는 동안, 값비싼 전구체 가스가 사용되지 않고 배출구(exhaust)로 흐르는 것을 방지할 것이며, 전구체 가스 사용 효율을 추가적으로 개선할 수 있다.
전구체 및 반응물 서플라이들(4, 40)은 바람직하게 플라즈마 증착을 허용하도록 상당한 흐름 제한들(flow restrictions) 없이 설계된다. 그러므로 기판 표면(5)을 향해, 플라즈마 흐름이 어떠한 흐름 제한들에 의해 방해받지 않는다.
이 실시예에서, 전구체 가스는 기판 표면(5)과 나란한 흐름에 의해 증착 공간(2) 내에서 순환된다. 가스 흐름은 전구체 서플라이(4)로부터 증착 공간을 통해 전구체 드레인(precursor drain; 6)으로 제공된다. 사용 중에 증착 공간(2)은 인젝터 헤드(1) 및 기판 표면(5)에 의해 경계된다. 가스 베어링들(7)에는 인젝터 헤드(1) 및 기판 표면(5) 사이에 베어링 가스를 주입하기 위해, 증착 공간에 인접하게 배치된 베어링 가스 인젝터(8)가 제공되고, 가스 베어링은 증착 공간(2)에 주입된 전구체 가스를 가두면서 가스-베어링을 형성할 수 있다. 전구체 드레인(6)은 추가적으로 증착 공간(2, 3) 안으로 베어링 가스의 흐름을 방지하는 드레인 베어링 가스(drain bearing gas)에 대한 기능을 할 수 있다.
이 실시예에서 각각의 가스 베어링(7)이 가스 베어링과 같이 치수화된(dimensioned) 것으로 도시되었으나, 대체로, 이것은 필수적이지 아니 하며, 예를 들어, 증착 공간들(2, 3)을 분리하는 흐름 배리어는 효율적인 흐름 배리어가 제공되는 한 가스 베어링과 같이 치수화될 필요가 없다. 일반적으로, 흐름 배리어는 갭 높이(gap height)보다 큰 갭 높이를 구비할 수 있고, 이때 가스 베어링이 효과적이다. 실제 예시들에서, 가스 베어링은 5um - 100um 범위인 갭 높이 내에서 작동하고; 이때 흐름 배리어는 그러한 값들보다 높게, 예를 들어 500 um까지 여전히 효과적일 수 있다. 또한, 가스 베어링들(7)은 기판(9)의 존재 시 흐름 배리어(또는 그것에 관한 가스 베어링)으로만 효과적일 수 있으나, 흐름 배리어들은 기판의 존재에 관계없이 활성화되도록 설계되거나 설계되지 않을 수 있다. 중요하게, 증착 공간들(2, 3) 사이에 활성 물질들(active materials)의 흐름은 오염을 방지하도록 어느 때에든지 흐름 배리어들에 의해 방해된다. 이러한 흐름 배리어들은 가스 베어링들(7)과 같이 설계되거나 설계되지 않을 수 있다.
도 1에는 구체적으로 이송 시스템(도 2에서 보다 상세히 보기 바란다)이 구체적으로 도시되어 있지 않으나, 기판(9)은 증착 공간들(2 및 3)로부터 물질들의 뒤이은 증착을 수용하도록, 인젝터 헤드(2)에 대해 이동될 수 있다. 인젝터 헤드(1)에 대한 기판(9)의 왕복 이동에 의해, 층들의 수가 제어될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이 실시예에 국한되지 아니하며, 이하에 추가적으로 개시된 인젝터 헤드 설계 또한 지지 테이블 상에 고정된 기판에 대해 왕복 운동하는 헤드; 왕복 운동하는 지지 테이블 상에 제공된 기판 등을 구비하는 원자층 증착 기계들 내에 제공될 수 있다. 비-왕복 운동 실시예들 또한 실현 가능할 수 있다.
지지 부재(10)는 기판(9)의 중심선으로 보일 수 있는 이송 평면을 따라 기판(9)을 위해 캐리어 없는 지지(carrier less support)를 제공하도록 제공될 수 있다. 지지 부재(10)는 인젝터 헤드와 반대되게 배치되고 이송 평면 내에 인젝터 헤드 가스-베어링(7)의 균형을 유지시키는 가스 베어링 압력 배치를 제공하도록 구성된다. 완전히 대칭이지 않은 배치들이 효과를 제공하도록 실현될 수 있으나, 바람직하게, 균형은 인젝터 헤드(1)에 의해 제공된 바와 같이 지지 부재 내에 동일한 흐름 배치를 구비하는 것에 의해 제공된다. 그러므로 바람직하게 지지 부재(10)의 흐름 배출 노즐(flow ejecting nozzle)은 인젝터 헤드(1)의 대응되는 노즐을 향해 대칭되게 위치된다. 이런 식으로, 기판은 지지 없이, 즉 기계적 지지 없이, 인젝터 헤드(1) 및 지지 부재(10) 사이에 상기 가스 베어링 압력 배치에 의해 유지될 수 있다. 보다 일반적으로, 이송 평면을 따라, 0.5mm보다 작은, 특히 0.2mm보다 작은, 인젝터 헤드(1) 및 지지 부재(10) 내 흐름 배치들의 위치 변화는 여전히 동일한 흐름 배치와 관련될 수 있다. 예시에서, 기계적 지지의 부재에 의해, 그러한 지지의 오염(contamination)에 대한 위험이 방지되어 기판(9)에 대한 인젝터 헤드(1)의 최적 작동 높이를 고정하는 데 매우 효율적이다. 게다가, 시스템의 짧은 정지 시간이 세척 목적들을 위해 필요하다. 추가적으로, 중요하게, 지지 부재의 부재에 의해, 시스템의 열 용량이 감소될 수 있고, 이는 생산 온도들(production temperatures)에 대하여 기판들의 더 빠른 가열 응답을 초래하여, 생산 처리량을 상당히 증가시킬 수 있고 전력 소비를 감소시킬 수 있다.
이와 관련하여, 증착 공간은 기판 표면에 대한 증착 공간 높이(D2)를 정의하고, 이때 흐름 배리어로 기능하는, 가스 베어링(7)은 기판에 대해, 증착 공간 높이(D2)보다 작은 갭 거리(D1)를 정의하는, 기판 표면(5)을 향하는 흐름 제한 표면(flow restricting surface; 11)을 포함한다. 증착 공간에는 전구체 서플라이(4) 및 전구체 드레인(6)이 제공된다. 상기 서플라이 및 드레인은 전구체 서플라이로부터 증착 공간을 통해 전구체 드레인으로 전구체 가스 흐름을 제공하기 위해 배치될 수 있다. 사용 중에, 증착 공간은 인젝터 헤드(1) 및 기판 표면에 의해 경계된다. 증착 공간은 깊이(D2-D1)를 구비하는, 캐비티(cavity; 29)에 의해 형성될 수 있고, 서플라이 및/또는 드레인은 종결하고(end) 및/또는 시작한다(begin). 그러므로 보다 일반적으로, 캐비티는 증착 헤드(1) 내에 정의되고, 사용 중에, 기판(9)을 향한다. 기판을 향하는 캐비티(29)를 구비하는 것에 의해, 기판은 실질적으로 캐비티에 대한 클로져(closure)를 형성하여, 전구체 가스를 공급하기 위해 폐쇄된 환경이 형성될 수 있다. 게다가, 기판은 기판의 다양한 인접한 부분들 또는 동등한(even) 인접한 기판들 또는 다른 부분들은 그러한 클로져를 형성하도록 제공될 수 있다. 장치는 전구체 가스가 캐비티로부터 누출되는 것을 실질적으로 방지하기 위해 캐비티로부터 증착 헤드(1)의 전구체 드레인(6)에 의해 전구체 가스를 드레인하도록 배치될 수 있다. 베어링 서플라이가 캐비티로부터 이격되어 위치될 수 있다는 것은 분명할 수 있다. 캐비티는 가스-베어링 층 내에 프로세스 조건들(process conditions)과 다른 캐비티 내 프로세스 조건들을 적용하게 할 수 있다. 바람직하게, 전구체 서플라이(4) 및/또는 전구체 드레인(6)은 캐비티 내에 위치된다.
캐비티(29)의 깊이(D2-D1)는 전구체 서플라이 및 베어링 가스 인젝터(8)가 제공된 인젝터 헤드의 출력면(output face) 및 기판(9) 사이 거리의 국부적 증가로서 정의될 수 있다. 깊이(D2-D1)는 10 내지 500 마이크로미터 범위 내에, 보다 바람직하게 10 내지 100 마이크로미터 범위 내에 있을 수 있다.
흐름 제한 표면(11)은 베어링 가스 인젝터(8)를 포함하는 돌출 부분들(projecting portions; 110)에 의해 형성될 수 있다. 가스-베어링 층은 사용 중에 예를 들어 표면(5) 및 흐름 제한 표면(11) 사이에 형성된다. 전구체 드레인들(30) 사이의 거리(C1)는 또한 증착 공간(2, 3)의 일반적인 폭인, 1 내지 10 밀리미터 범위 내에 있을 수 있다. D1에 의해 가리켜지는, 가스-베어링 층의 일반적인 두께는, 3 내지 15 마이크로미터 범위 내에 있을 수 있다. 그러나 다양한 표면 평탄도 품질을 수용하기 위해, 베어링 갭은 15 마이크로미터보다 크고, 예를 들어 더 큰 치수들로, 예를 들어 70 마이크로미터까지 연장될 수 있다. 돌출 부분(110)의 일반적인 폭(C2)은 1 내지 30 밀리미터 범위 내에 있을 수 있다. 기판(9)의 평면으로부터 증착 공간(2)의 일반적인 두께(D2)는 3 내지 300 마이크로미터 범위 내에 있을 수 있다.
이는 보다 효과적인 프로세스 세팅들을 가능하게 한다. 결과적으로, 예를 들어, 서플라이(4)로부터 증착 공간(2) 안으로 주입된 용적 측정의 전구체 유량(volumetric flow rate)은 가스-베어링 층 내 베어링 가스의 용적 측정의 유량보다 클 수 있고, 전구체 가스의 주입을 위해 요구되는 압력은 가스-베어링 층 내 베어링 가스를 주입하기 위해 요구되는 압력보다 작을 수 있다. 그러므로 가스-베어링 층(7)의 두께(D1)는 대체로 기판 표면으로부터 평면 내에서 측정된, 증착 공간(2)의 두께(D2)보다 작은 것으로 이해될 것이다.
예를 들어 전구체 서플라이로부터 전구체 드레인까지의 거리와 동일한, L = 5mm인 일반적인 거리 및 5·10-4 - 2·10-3 m3/s인 일반적인 유량에서, 채널 두께(DC), 예를 들어 증착 공간(2)의 두께(D2)는 바람직하게 25 - 40㎛보다 커야 한다. 그러나 가스-베어링 기능성(gas-bearing functionality)은 바람직하게 요구되는 가스 베어링의 양을 최소화하기 위해 가스 분리 및 강성에 대한 중요한 요구들을 만족시키기 위해, 대표적으로 5㎛의 수로 되는, 전구체 인젝터 헤드로부터 기판으로 훨씬 작은 거리를 요구한다. 그러나 전술된 프로세스 조건들을 구비하여, 5㎛인 증착 공간(2)의 두께(D2)는, ~20 바의 수용 불가능한 높은 압력 강하들을 이끌 수 있다. 그러므로 가스-베어링 층(즉, 두께(D1)) 및 증착 공간(즉, 두께(D2))을 위한 다른 두께를 구비하는 장치의 설계가 바람직하게 요구된다. 편평한 기판들, 예를 들어 웨이퍼들에서 - 웨이퍼들은 10보다 작거나 같은 세장비(aspect ratio)(A) (트렌치 깊이가 트렌치 폭에 의해 나뉨)를 구비하는 많은 양의 낮은 세장비(즉, 낮은) 트렌치들(trenches; 8)을 포함함 - 프로세스 속도는 전구체 유량(kg/s)에 의존한다: 더 큰 전구체 유량, 더 짧은 포화 시간(saturation time).
많은 양의 50보다 크거나 같은 높은 세장비(즉, 깊고 좁은(deep narrow)) 트렌치들(A)을 포함하는 웨이퍼들에서, 프로세스 속도는 전구체 유량 및 전구체 부분압에 의존할 수 있다. 양쪽 케이스들에서, 프로세스 속도는 실질적으로 증착 공간(2) 내 총 압력과 독립적일 수 있다. 프로세스 속도는 증착 공간(2) 내 총 압력과 (거의) 독립적일 수 있으나, 대기압에 근접한 증착 공간(2)의 총 압력은 몇몇의 이유들에서 이로울 수 있다.
- 서브-대기압들(sub-atmospheric pressures)에서, 증착 공간(2) 내 가스 속도(vg)는 증가하는 것이 요구되어, 증착 공간(2)을 따라 바람직하지 않게 높은 압력 강하를 초래할 수 있다.
- 낮은 압력들에서, 가스 속도(vg)의 증가는 산출량에 부정적인 영향을 미치는, 증착 공간(2) 내 더 짧은 가스 체류 시간을 이끌 수 있다.
- 낮은 압력들에서, 가스-베어링 층을 통해 증착 공간(2)으로부터 전구체 누출의 억제(suppression)는 덜 효과적일 수 있다.
- 낮은 압력들에서, 값비싼 진공 펌프들이 요구될 수 있다.
증착 공간(2)에서 가스 속도(vg)의 하한선(lower limit)은 기판 횡방향 속도(vs)에 의해 결정될 수 있다: 일반적으로 증착 공간(2)에서 비대칭적인 흐름 양상을 방지하기 위해, 다음의 조건을 바람직하게 만족하여야 한다:
에러! 대상들이 편집 코드들로부터 생성될 수 없다.
이러한 조건은 바람직한 반응 공간(3)의 두께(D, D2)의 상한선을 제공한다. 전술된 필요조건들의 적어도 하나, 그리고 바람직하게 모두를 만족하는 것에 의해, ALD 증착 시스템은 많은 양의 높은 세장비 트렌치들을 포함하는 웨이퍼들을 위해 그리고 편평한 웨이퍼들 상에서 빠른 연속적인 ALD을 위해 존재된다.
따라서, 사용 중에, 증착 공간(2)에서 총 가스 압력은 추가적인 증착 공간(2)에서 총 가스 압력과 다를 수 있다. 증착 공간(2)에서 총 가스 압력 및/또는 추가적인 증착 공간(3)에서 총 가스 압력은 0.2 내지 3 바(bar) 범위 내에 있을 수 있고, 예를 들어 0.5 바 또는 2 바 또는 10 mBar만큼 낮으며, 특히 0.01 바 내지 3 바의 범위 내에 있을 수 있다. 그러한 압력 값들은 전구체의 특성들, 예를 들어 전구체의 휘발성(volatility)에 기초하여 선택될 수 있다. 게다가, 장치는 증착 공간으로부터 전구체 가스의 흐름을 최소화하기 위해, 증착 공간 내 총 가스 압력 및 베어링 가스 압력의 균형을 맞추도록 배치될 수 있다.
도 2는 평면도로 도시된 인젝터 헤드(1)의 개략적인 평면도를 도시한다. 인젝터 헤드(1)는 각각 가스 베어링들/흐름 배리어들(7)에 의해 경계되어, 개별적으로 전구체들 및 반응물들을 위하여, 증착 공간들(2, 3)의 교대하는 슬릿들(alternating slits)을 포함한다. 기판은 리드 인 영역(lead in zone; 15)으로부터, 인젝터 헤드(1)가 작동되는 작업 영역(working zone; 16) 안으로 이송되는 것으로 보인다. 작업 영역(16)은 리드 인 영역(15)에 인접하고 이송 평면에 대해 정렬되어, 기판이 이러한 영역들(15, 16) 사이에서 쉽게 이송될 수 있다. 추가적인 리드 아웃 영역(lead out zone; 17)이 제공될 수 있다. 프로세스 단계들에 따라, 리드 인 및 리드 아웃이 교환되거나 대체될 수 있다. 그러므로 기판(9)은 작업 영역(16)을 통해 두 개의 영역들(15, 17) 사이에서 중심선을 따라 왕복 운동으로 이동될 수 있다.
도시된 실시예에서 이송 시스템에는 이송 평면을 향하고 이송 평면을 따라 출구(182)로부터 입구(181)를 향해 흐름(183)을 제공하는 쌍으로 된 가스 입구들(181) 및 출구들(182)이 제공된다. 명확화를 위해 오직 한 쌍만이 도면에 도시된다. 가스 흐름 제어 시스템은 가스 흐름을 제어하는 것에 의해 작업 영역(16)을 통해 이송 평면을 따라 중심선을 따라 기판(9)의 움직임을 방지하기 위해, 이송 평면을 따라 가스 흐름(183) 및 가스 베어링 압력을 제공하도록 배치된다.
도 3은 추가적인 실시예의 개략적인 측면도를 도시한다. 이전 도면들이 참조된다. 특히, 리드 인 영역(15), 작업 영역(16) 및 리드 아웃 영역(17)이 도시된다. 작업 영역은 인젝터 헤드(1) 및 지지체(support; 10)에 의해 형성된다. 리드 인 및 리드 아웃 영역에서, 화살표 R에 의해 가리켜진, 이송 평면을 따라 기판(9)의 수송(transport)를 제공하기 위해, 트랜스포트 요소들(transport elements) 또는 구동 섹션들(drive sections; 18)이 제공된다. 일 실시예에 따라, 리드 인 영역(15)은 이송 평면을 향하는 기울어진 벽 부재들(slanted wall parts; 19)을 포함한다. 구동 섹션(18)은 기판이 이송되는 이송 평면을 형성하기 위해 기판의 평면을 따라 인젝터 헤드 및 기판의 상대 이동을 제공하도록 배치된 트랜스포트 요소들(도 7A를 보기 바란다)을 포함한다. 리드 인 영역(15)은 기판(9)과 일치하는 이송 평면에 대해 대칭되게 배치된 기울어진 벽 부재들을 포함한다. 기울어진 벽 부재들(19)은 제1 이송 방향(P)으로 기판(9)보다 높은 약 100-200 미크론으로부터 구동 섹션(18)을 향해 30-100 미크론 범위의, 바람직하게 약 50 미크론의 감소된 작업 높이로 작업 높이(Dx)를 감소시키도록 형성되고 구성되어, 가장 작은 갭 거리를 형성할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따라 원자층 증착을 위한 장치를 위한 셋업의 개략적인 배치를 도시한다. 설명을 위해, 전술된 예시들과 유사하게, 개시된 실시예는 캐리어 없는 액츄에이션(carrier less actuation)에 대하여 설계되고 영역들(I, II) 내 실질적으로 대칭적인 배치를 구비한다. 이하에서 추가적으로 예시되는 바와 같이 바 설계는 다른 배치들, 예를 들어 오직 영역(I) 내에 설계된 일 측으로 된 인젝터 헤드 내에 적용될 수 있다. 특히, 영역(I)에서 동일한 구성요소들은 영역(II) 내에 나타내지지 않는다. 영역(I)에서, 인젝터 헤드 설계는 개별적인 복수 개의 가스 공급원(190) 및 드레인 수집기들(drain collectors; 195)에 연결 가능한 연결 유닛(150)에 의해 형성되어 상기 연결 유닛을 통해, 인젝터 헤드(이하를 보기 바란다) 내 개별적인 전구체 증착 공간, 반응물 증착 공간 및 흐름 배리어에 접근을 제공할 수 있다. 연결 유닛은 적절한 일반적인 설계로 될 수 있으나, 바람직하게 함께 볼트로 고정될 수 있는 모듈식 블록 배치로 제공된다. 그것은 연결 유닛(150)에 결합된 복수 개의 모놀리식 바들(monolithic bars; 160)에 흐름 경로를 제공하는, 매니폴드 블록(manifold block; 170)을 포함할 수 있다. 바들은 매니폴드(170)에 폼 클로징 방식(form closing manner)으로 바들을 클램프(clamp)하는 바람직하게 숄더 피스들(shoulder pieces; 180)에 의해, 매니폴드 블록(170)에 편리한 실링(sealing) 방법으로 결합될 수 있다. 매니폴드는 예를 들어 밀링(milling), 드릴링(drilling)에 의해 단일의 일체 피스(single integral piece)로 제작될 수 있다.
도 4의 구조를 더 잘 이해하기 위해, 도 5는 반-조립된 상태로 슬롯된 바들(slotted bars; 160, 160')의 구조 상세 사항을 도시한다. 바들(160)은 복수 개의 적층된 바들을 형성하기 위해 이웃하는 바(160')에 대항하여 개별적으로 적층된, 스페이서 프로파일(spacer profile)(이하에서 보다 상세히 기재됨)을 구비하는 측벽들(165)을 구비한다. 스페이서 프로파일은 매니폴드(170) 내 개별적인 슬롯과 소통하는 인접한 바들 사이에 연장하는 좁은 슬릿(narrow slit; 161)을 정의한다. 완성된 상태에서, 전체 매니폴드에는 매니폴드(170) 내 개별적인 슬롯(175)에 각각 연결된 슬롯들(162)을 구비하고 슬릿들(161)을 형성하는 (III과 함께 도시된) 대응하게 적층된 바들(160)이 제공된다. 게다가, 매니폴드는 연결 유닛(150)에 프로세스 가스들을 분배하는, 분배 블록(distribution block; 155)에 결합된다.
그러므로 슬릿들(161)은 개별적인 전구체 가스 서플라이; 반응물 가스 서플라이 또는 흐름 배리어를 형성하기 위해, 상대적으로 높은 마찰계수를 구비하는 바(160)를 따라 흐름 경로를 정의한다. 일반적인 슬릿 폭은 40-200 미크론, 보다 특히 50-125 미크론이 될 수 있다. 이는 기판 표면에 근접하게 반응 가스들 및/또는 배리어 가스들을 증착시키는 서플라이들 내 상당한 압력 강하를 제공하여, 가스 분배, 흐름 배리어 및/또는 가스 베어링 기능성에 우수한 동질성을 제공한다. 도 6은 슬롯된 바 설계의 실시예의 상세사항을 도시한다. 도시된 실시예에서, 바들(160)은 매니폴드 내 개별적인 슬롯(175)과 소통하는 바(160)의 길이 상에서 연장하는 슬롯(162)을 포함하여, 개별적인 전구체 드레인; 반응물 드레인 또는 배리어 가스 드레인을 형성하기 위해, 상대적으로 낮은 마찰계수를 구비하는 바(160)를 통해 흐름 경로를 정의할 수 있다. 슬릿(161)은 개별적인 이웃하는 바(160)의 두 개의 슬롯들(162, 162')에 의해 둘러싸인다.
스택 어셈블리(Stack assembly)는 전술된 숄더 피스들에 결합하는 숄더들(166)에 의해; 관통홀들(67) 내에 제공된 로드들(rods)을 당기는 것에 의해 제공될 수 있다. 이것들은 선택된 엘레베이션들(elevations; 69)에, 또는 관통홀(67)을 둘러싸는 측면 엘레베이션들(side elevations; 68)에 제공될 수 있다. 이러한 엘레베이션들은 특히 흐름 방향으로 대칭 축을 구비하는, 다각형을 구비할 수 있다. 다른 조립 기술들이 접착, 용접, 클램핑 등과 같이 제공될 수 있다.
배출구 채널들이 높은 마찰계수일 필요가 없어 상대적으로 넓은 슬롯 치수들을 구비하여 기계 가공될 수 있다는 것은 본 발명의 통찰들 중 하나이다. 따라서, 슬롯은 200-1000 마이크로미터의 슬롯 폭을 구비할 수 있다. 배출구 슬롯들은 슬롯 폭이 증착 공간(2) 내 배출구(162)에 근접하게 적절히 치수화되는 한, 증착 면(164)으로부터 방향으로 (드릴링 장비를 수용하기 위해) 증가될 수 있는 채널 폭을 구비하여 드릴링될 수 있다.
따라서, 큰 길쭉한 홀들(162)은 길쭉한 바들(160)의 중앙에 마련된다. 중앙에 배치된 상대적으로 큰 기계 가공된 슬롯들은 바들(160)의 강성을 약화시키지 않아, 슬릿들(161)의 정밀한 정의를 위한 바들의 정확한 기계 가공을 허용한다.
마찰계수(F)는 F~1/l*L*d^3 등식에 따라, 슬릿 채널 길이(l), 슬릿 길이(L), 및 슬릿 갭 폭(d)의 세제곱에 반비례한다는 것에 주목된다. 측벽은 슬릿 채널의 길이를 형성하는, 바(160)의 전체 높이 상에서 정확하게 치수화되므로, 흐름 동질성이 상당히 증가될 수 있다. 슬롯된 바들(160) 및 매니폴드 블록(170) 사이에 제공될 수 있는 실링 포일(미도시) 내 선택적으로 설계된 오리피스 영역들에 의해, 흐름 프로파일은 다양한 채널들 사이에 흐름 프로파일을 추가적으로 균형 맞추기 위해, 배출구 슬롯들(162) 및 서플라이 슬릿들(161)에 대하여 조절될 수 있다.
많은 슬롯된(slotted) 설계들이 제공될 수 있으나, 바람직하게 바들(160)의 바깥 측면(facing side; 164)은 증착 공간들(2)을 형성하기 위해 프로파일된(profiled) 컨투어(contour; 163)를 구비한다. 도 6은 오직 바들(160) 및 대응하는 서플라이 슬릿(161) 및 배출구 슬롯들(162)만을 도시하였으나, 도 7은 바(160)의 길이 상에서 연장하는 배출구 슬롯(162)을 나타내는 바(160)를 보다 상세히 도시한다. 컨투어(163)는 측벽(165)을 따라 연장하여, 사용 중일때 기판 표면에 대해 증착 공간 높이를 구비하는 리세스된 부분(recessed portion; 2)을 정의한다.
바(160)의 반대되는 벽들(165, 165')은 유사하게 프로파일된 설계를 구비할 수 있고, 하부 벽 측면(165')은 프로세스 가스 주입을 위해 증착 공간 내 서플라이 슬릿을 형성하는 리세스된 부분(2)에서 종결된다. 스페이서 프로파일은 이런 식으로 10-250 마이크로미터의 슬릿 폭을 정의할 수 있다.
하부 벽(165')과 반대되게 상부 벽 측면(165)은 컨투어(163) 내에서 종결된다. 컨투어(163)는 예를 들어 측벽(165)을 따라 주입된 배리어 가스에 의해 형성된, 배리어 가스 인젝터를 형성하기 위해 증착 공간 높이보다 작은 갭 거리를 기판에 대해 정의하는 바깥 측면(face side)을 구비한다. 프로파일된 벽(profiled wall; 165) 상에 스페이서 프로파일들은 평면 바닥 벽 상에 제공된 이격된 엘레베이션들(interspaced elevations; 69)에 의해 형성된다.
도 8은 최적화된 설계를 구비하는 슬롯된 바의 프로파일된 측벽(165)의 상세도를 도시한다. 유출된 가스 흐름(Q)은 스페이서 설계(69)에 의해 슬릿의 전체 길이 상에서 동질화될 수 있다. 이를 위해, 엘레베이션(69)은 흐름(P)의 방향을 향하여 돔 형상(dome shape; 70)을 구비할 수 있다. 게다가, 엘레베이션은 돔 형상과 반대되게 플래튼된 측면(flattened side; 71)을 구비할 수 있다.
흐름 프로파일을 더 최적화하기 위해 분배 그루비(72)가 흐름(P) 방향으로 보이는 엘레베이션(69) 아래에 제공될 수 있다. 그루브는 바깥 측면에 실질적으로 평행하게, 즉 흐름(P)에 대하여 교차 방향으로, 측벽의 길이를 따라 연장할 수 있다. 그루브(72)는 엘레베이션들(69)에 인접하게 제공될 수 있고 흐름에 최적화된 깊이, 예를 들어 약 150-200 미크론을 구비할 수 있고 슬릿의 연장 상에서 흐름 분배를 제공하도록 스트립 형상으로 될 수 있다.
바람직하게 그루브는 흐름 프로파일을 더 최적화시키는 엘레베이션에 인접한 확장 부분을(widening part; 73)을 구비한다. 그루브는 1000-2500 미크론의 그루브 폭을 정의할 수 있고 이때 확장은 100-500미크론이 될 수 있다.
많은 프로파일된 설계들은 증가된 마찰계수를 구비하는 가스 흐름, 특히 마이크로벌들의 패턴된 프로파일링(patterned profiling of microburls), 반-다공성 채널 설계(semi-porous channel design), 또는 특히 흐름 방향으로 대칭 축을 구비하는, 다각형을 구비하는 이격된 엘레베이션들을 제공할 수 있다. 설계에 따라서, 스페이서들 그 자체는 슬릿을 통해 가스 흐름 내에 이질성(inhomogeneity)을 유도할 수 있다. 바람직하게, 엘레베이션들(69)은 흐름 방향으로 보이는 이격된 엘레베이션들 아래에 가스 흐름을 동질화하도록 배치된 흐름 가이드 컨투어(flow guide contour)를 구비한다.
도 9는 본 발명에서 슬롯된 바들의 적용 범위를 설명하기 위해, 기판 표면에 수직한 방향으로 보이는 인젝터 헤드(1)에 대하여 물결(undulate) 형상의 개략적인 예시를 도시한다. 전반에 걸쳐서, "슬롯(slot)" 및 "슬릿(slit)"이라는 용어들은 개별적으로 다른 폭들을 구비하는 인젝터 헤드 내 길쭉한 오리피스들을 가리킨다. 그러한 오리피스들은 원자 증착 층 프로세스 단계들을 수행하기 위해 인젝터 헤드를 통해 프로세스 가스 처리량을 제공한다. 슬릿은 대체로 전술된 바와 같이 슬롯보다 작은 폭을 구비한다. 게다가, 바(bar)라는 용어는 보통 기계적 완결성(mechanical integrity)을 제공하면서 그것의 면을 따라 바를 통해 연장하는 슬롯을 수용하기에 충분한 두께를 구비하는 적층 가능한 길쭉한 완전한 형상을 가리키기 위해 사용될 수 있으며, 슬롯은 드릴링 같은 정밀 기계 가공 기술들에 의해 형성될 수 있다. 바는 평면, 예를 들어 직사각형 형상으로 될 수 있으나 이러한 형상들에 국한되지 않는다. 최적의 흐름 안내를 위해 슬롯들 및 슬릿들은 서로에 대해 실질적으로 등간격으로 배치된 내부 표면들을 구비한다. 슬릿들은 바들의 형상을 따른 컨투어(form following contour)에 의해 형성될 수 있고, 슬롯들은 예를 들어 바를 통한 드릴링과 같은 기계 가공에 의해 제작될 수 있다. 슬롯들은 또한 복수 개의 바들을 따를 수 있다. 그 대신에, 슬롯들의 굽은 형상은 기판의 1차 벤딩 모드들(first order bending modes)을 방지할 수 있다. 따라서, 기판의 1차 벤딩 모드들을 방지하기 위해 물결 형상들과 같이, 기판 표면에 대해 수직하는 방향으로 보이는, 가스 베어링(7)이 형성되는 것이 보일 수 있다. 게다가, 일반적으로 증착 공간들, 슬릿들(2, 3)의 형상은 인젝터 헤드 구조를 컴팩트하게 하기 위해, 가스 베어링 슬릿들(7)의 형상을 따를 수 있다. 도면들에서, 주변 배출구 슬롯들(surrounding exhaust slots)이 도시되지 않는다. 이러한 변형들은 기판 표면 상에 압력 분포를 최적화하기 위해 허용된다. 그러한 최적화는 연약하거나 유연한 기판들에 대하여 중요할 수 있다.
마찬가지로 모든 운동학적 변환들은 본질적으로 개시된 것으로 고려되며 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. "바람직하게(preferably)", "특히(in particular)", "일반적으로(typically)" 등과 같은 표면들의 사용은 본 발명을 국한시키지 않는다. "하나(a)" 또는 "하나(an)" 같은 부정관사는 복수 개를 배제하지 않는다. 예를 들어 본 발명에 따른 실시예에서 장치에는 복수 개의 인젝터 헤드들이 제공될 수 있다. 추가적으로 '상대 모션(relative motion)' 및 '상대 이동(relative movement)'이라는 용어들은 교환 가능하게 사용될 수 있다. 개시된 실시예의 측면들은 다른 실시예들과 적절하게 결합될 수 있으며 개시된 것으로 간주된다. 명시적으로 또는 구체적으로 개시되거나 청구되지 않는 특징들은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명에 따른 구조 내에 추가적으로 포함될 수 있다.
2: 증착 공간
3: 추가적인 증착 공간
4: 전구체 서플라이
7: 흐름 배리어
6: 전구체 드레인
40: 반응물 서플라이
69: 스페이서 프로파일
150: 연결 유닛
160: 복수 개의 바들
161: 슬릿
162: 슬롯
165: 측벽들

Claims (13)

  1. 기판 상에 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드에 있어서,
    전구체 서플라이(4) 및 전구체 드레인(6)이 제공되는 증착 공간(2), 상기 서플라이 및 드레인은 상기 전구체 서플라이로부터 상기 증착 공간을 통해 상기 전구체 드레인으로 전구체 가스 흐름을 제공하도록 배치되고, 상기 증착 공간은 사용 중에 상기 인젝터 헤드 및 기판 표면에 의해 경계됨;
    상기 인젝터 헤드 및 상기 기판 표면 사이에 배리어 가스 흐름을 주입하도록 배치된 흐름 배리어(7); 및
    반응물 서플라이(40)가 제공되는 추가적인 증착 공간(3), 상기 추가적인 증착 공간은 사용 중에 상기 흐름 배리어(7)에 의해 전구체 가스로부터 경계되고, 상기 기판 표면의 적어도 일부 상에 상기 전구체 가스의 증착 후에 상기 전구체에 반응을 일으키기 위한 반응물 가스, 플라즈마, 레이저-발생 방사선 및 자외선 중 적어도 하나를 제공하도록 배치됨;
    을 포함하고,
    연결 유닛(150)은 개별적인 복수 개의 가스 공급원들 및 드레인 수집기들에 연결 가능하여 상기 연결 유닛을 통해, 개별적인 전구체 증착 공간, 반응물 증착 공간 및 흐름 배리어로 개별적인 가스들을 위한 접근을 제공하며,
    복수 개의 바들(160)이 상기 연결 유닛에 결합되고, 상기 바들은 다수의 적층된 바들을 형성하기 위해 이웃하는 바의 측벽들에 대항하여 개별적으로 적층된, 스페이서 프로파일(69)을 구비하는 측벽들(165)을 구비하고, 바들은 상기 연결 유닛 내에 개별적인 슬롯과 소통하는 상기 바의 길이 상에서 연장하는 슬롯들을 포함하여, 개별적인 전구체 드레인, 반응물 드레인 또는 배리어 가스 드레인을 형성하기 위해, 상대적으로 낮은 마찰계수를 구비하는 상기 바를 통해 흐름 경로를 정의하며,
    상기 스페이서 프로파일들(69)은 상기 연결 유닛 내에 개별적인 슬롯(162)과 소통하는 인접한 바들 사이에서 연장하는 슬릿들(161)을 정의하여, 개별적인 전구체 가스 서플라이, 반응물 가스 서플라이 또는 흐름 배리어를 형성하기 위해, 상대적으로 높은 마찰계수를 구비하는 상기 바를 따라 추가적인 흐름 경로를 정의하는 기판 상에 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서 프로파일들은 이격된 엘레베이션들(interspaced elevations)에 의해 형성되는 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드.
  3. 제1항에 있어서,
    엘레베이션들은 흐름의 방향으로 보이는 이격된 엘레베이션들보다 낮은 가스 흐름을 동질화하도록(homogenize) 배치된 흐름 가이드 컨투어(flow guide contour)를 구비하는 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 측벽의 길이를 따라 연장하는 흐름의 방향으로 보이는 상기 엘레베이션들보다 낮게 제공된 분배 그루브(distribution groove)를 더 포함하는 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 그루브는 스트립(strip) 형상으로 되고 상기 엘레베이션들에 인접하게 제공되는 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 그루브는 상기 엘레베이션에 인접하게 확장 부분(widening part)을 구비하는 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 그루브는 1000-2500 미크론(micron)의 그루브 폭을 정의하고 확장(widening)은 100-500 미크론인 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이서 프로파일은 10-250 마이크로미터의 슬릿 폭을 정의하는 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬롯은 200-1000 마이크로미터의 슬롯 폭을 구비하는 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바들은 각각 상기 기판 표면에 대해 증착 공간 높이(D2)를 정의하는 측벽을 따라 연장하는 컨투어(contour)를 구비하고, 상기 컨투어는 상기 기판에 대하여, 상기 배리어 가스 인젝터를 형성하기 위해 상기 증착 공간 높이(D2)보다 작은 갭 거리(D1)를 구비하는 원자층 증착을 위한 인젝터 헤드.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 인젝터 헤드를 포함하는 원자층 증착을 위한 장치.
  12. 제1항에 따른 원자층 증착을 위한 장치에 있어서,
    상기 인젝터 헤드에 반대되게 배치된 지지 부재를 더 포함하고,
    상기 지지 부재는 상기 흐름 배리어 압력에 대항하도록 가스 베어링 압력 배치를 제공하도록 구성되어, 상기 기판이 상기 인젝터 헤드 및 상기 지지 부재 사이에 상기 가스 베어링 압력 배치에 의해 균형 잡힌(balanced) 지지가 없는(supportless) 원자층 증착을 위한 장치.
  13. 제1항에 따른 시트로 된(sheeted) 기판의 표면 상에 원자층 증착을 위한 장치에 있어서,
    구동 섹션(18)을 포함하는 이송 시스템을 더 포함하고,
    상기 구동 섹션은 상기 기판이 이송 방향으로 상기 인젝터 헤드를 향해 이송되는 이송 평면을 형성하기 위해 상기 기판의 평면을 따라 상기 인젝터 헤드 및 상기 기판의 상대 이동을 제공하도록 배치된 트랜스포트 요소들을 포함하는 원자층 증착을 위한 장치.
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