KR20160059524A - 증기 이송 증착 장치 - Google Patents

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KR20160059524A
KR20160059524A KR1020140160776A KR20140160776A KR20160059524A KR 20160059524 A KR20160059524 A KR 20160059524A KR 1020140160776 A KR1020140160776 A KR 1020140160776A KR 20140160776 A KR20140160776 A KR 20140160776A KR 20160059524 A KR20160059524 A KR 20160059524A
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전성채
차보경
허두창
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 장치는 기판이 처리되는 내부 공간이 형성된 진공챔버; 상기 기판 상에 증착할 원료 물질을 기화시키는 증기 변환 챔버; 상기 증기 변환 챔버의 압력을 관측하는 압력 센서; 상기 압력 센서의 압력 측정 결과에 따라 상기 증기 변환 챔버 내로 투입되는 상기 원료 물질의 투입량을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 상기 증기 변환 챔버로 투입되는 원료 물질의 양을 변화시키는 원료 투입부를 포함한다.

Description

증기 이송 증착 장치 {Vapor transport deposition apparatus}
본 발명은 증기 이송 증착 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 증착률을 제어하고 높은 품질의 박막을 증착시키며, 생산성이 향상된 증기 이송 증착 장치에 관한 것이다.
최근 들어 반도체 소자의 선폭이 미세화(100nm 이하)되고, 반도체 기판의 대형화 및 박막 적층의 미세화 및 다층화에 따라 균일한 복합막의 도포와 높은 스텝 커버리지(step coverage) 특성이 요구되고 있다. 특히, 반도체 장치의 집적도가 증가하여 패턴의 디자인 룰이 작아짐에 따라서 소자의 미세 패턴간의 전기적 절연을 위한 복합막 증착 기술이 중요시되고 있다.
반도체 집적 기술의 발달로 인하여 고순도, 고품질의 박막을 증착시키는 공정은 반도체 제조 공정 중에서 중요한 부분을 차지하게 되었다. 박막형성의 대표적인 방법으로 화학 기상 증착(Chemical Vapour Deposition, CVD)법과 물리 기상 증착(Physical Vapour Deposition, PVD)법이 있다.
스퍼터링(sputtering)법 등의 물리 기상 증착법은 형성된 박막의 단차피 복성(step coverage)이 나쁘기 때문에 요철이 있는 표면에 균일한 두께의 막을 형성하는 데에는 사용할 수 없다.
화학 기상 증착법은 가열된 기판의 표면 위에서 기체상태의 물질들이 반응하고, 그 반응으로 생성된 화합물이 기판 표면에 증착되는 방법이다. 화학 기상 증착법은 물리 기상 증착법에 비하여 단차 피복성이 좋고, 박막이 증착되는 기판의 손상이 적고, 박막의 증착 비용이 적게 들며, 박막을 대량 생산할 수 있기 때문에 많이 적용되고 있다.
화학 기상 증착법에서는 동일한 가스인 경우에도 증기압에 따라 증착되는 박막에 질적 차이가 발생할 수 있다. 그런데 이와 같은 반도체 제조 공정에서 소자의 집적화가 높아질 경우 3차원 배선구조를 이루게 되는 등 그 구조가 매우 복잡하게 되므로, 보다 우수한 박막의 질적 특성을 요구하게 된다.
또한 박막의 질적 특성은 이후의 노광 및 배선 공정에 영향을 주게 되는바, 박막의 질적 특성이 저하될 경우 반도체 정밀도 저하는 물론 생산 수율의 감소와 생산비용 증가의 원인이 될 수 있다.
따라서 박막의 질적 특성을 높이기 위한 기술이 필요한바, 이를 위해 챔버 내부의 증기압을 관측하면서 투입하는 증착 물질의 양을 조절하는 기술이 요구되는 실정이다.
본 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 장치는 고온에서 투입되는 공정 기체들의 편중 현상을 개선하고 생산성이 향상된 고품질의 박막을 증착하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 장치는 장치의 구현에 필요한 온도 제어의 정밀도를 감소시킴으로써 증착 장치를 간소화하여 낮은 비용으로 고품질의 박막을 증착하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 장치는 기판이 처리되는 내부 공간이 형성된 진공챔버; 상기 기판 상에 증착할 원료 물질을 기화시키는 증기 변환 챔버; 상기 증기 변환 챔버의 압력을 관측하는 압력 센서; 상기 압력 센서의 압력 측정 결과에 따라 상기 증기 변환 챔버 내로 투입되는 상기 원료 물질의 투입량을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 상기 증기 변환 챔버로 투입되는 원료 물질의 양을 변화시키는 원료 투입부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 장치는 고온에서 투입되는 공정 기체들의 편중현상을 개선하고 생산성이 향상된 고품질의 박막을 증착할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 장치는 장치의 구현에 필요한 온도 제어의 정밀도를 감소시킴으로써 증착 장치를 간소화하여 낮은 비용으로 고품질의 박막을 증착할 수 있다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 장치의 구성도이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 발명의 실시예에 따라 챔버 내의 온도 및 압력에 따른 증착 조건을 나타내는 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 장치(1000)는 증기 변환 챔버(10), 압력 센서(20), 제어부(30), 원료 투입부(40), 가스 주입부(50), 이송관(60), 가스 분사부(70), 기판(80), 기판 지지부(90) 및 진공챔버(100)를 포함한다.
증기 변환 챔버(10)는 원료 투입부(40)로부터 액상, 고체 원료물질을 공급받아 이를 기상화하여 증기로 변환시키는 기상화 수단을 구비할 수 있다.
CdTe(카드뮴-테릴륨:cadmium telluride)이라는 분말상의 고체 화합물이 원료 투입부(40)에 존재하고 원료 투입부(40)에 포함된 분말 이송 기구물에 의해 분말 상태로 증기 변환 챔버(10)로 공급된다.
압력 센서(20)는 증기 변환 챔버(10) 내부의 압력을 관측하는 측정 장치이며, 증기 변환 챔버(10) 내부의 압력 측정 결과를 제어부(30)로 전달한다.
제어부(30)는 압력 센서(20)와 연결되고, 압력 측정 결과에 따라 원료 투입부(40)로부터 증기 변환 챔버(10)에 투입되는 물질의 투입량을 제어하는 제어 장치이다.
고온의 증기 변환 챔버(10)는 원료 물질이 분말상의 고체 화합물인 CdTe인 경우 650℃ 이상, 바람직하게는 700℃ 내지 800℃의 고온으로 유지되며, 증기 변환 챔버(10) 내에서 분말상의 고체 화합물인 CdTe가 기화하여 Cd 및 Te2의 가스 상태로 변화된다. Cd 기체 유량 및 Te2 기체 유량의 합은 CdTe 분말 투입량에 변환상수를 곱한 값과 동일하다.
따라서 압력 센서(20)의 측정 결과에 따라 제어부(30)를 통해 원료 투입부(40)에서 분말상의 CdTe 공급량을 조절하게 되면, Cd 및 Te2 기체의 발생량을 제어할 수 있다.
예를 들어, Cd 및 Te2의 증기압이 각각 0.3 torr 및 0.15torr이고, 운반자 가스로 사용되는 He의 분압이 1torr이며, He의 투입량이 200sccm인 경우, 기판(80)에 증착되는 CdTe의 양은 다음과 같이 계산될 수 있다.
(0.3 / 1) × 200 × 4.48 molecules / sec = 1.1 × 10-2 g/sec
기판(80)에 증착하기 위해 CdTe 분말 외에도 Cd(1-x)Zn(x)Te가 사용될 수 있으며, 0.01≤x≤0.2 범위의 값을 갖는다. Zn의 비율이 바뀜에 따라 해당 반도체의 밴드갭이 변화된다. 이를 조절하여 원하는 밴드갭을 갖는 반도체를 형성할 수 있게 된다.
또한 반도체 내부의 결함을 제거하기 위해 미량의 원소, 예를 들어, Cl, In, Au를 0.1ppm 내지 1000ppm 추가할 수 있다.
또한 방도체 방사선 센서로 사용되는 물질인 PbI2, PbO, BiI3, HgI2, TlBr 중 하나를 증착할 수 있고, X선 검출용 섬광체 물질(CsI + 미량의 원소(Na, Ti))를 증착할 수도 있다. 미량의 원소인 Na, Ti는 섬광체에서의 빛 생성 효율을 높이거나, 응답 속도를 조정하기 위한 것이다.
원료 투입부(40)는 제어부(30)와 연결되어 제어부(30)의 제어에 따라 증기 변환 챔버(10)로 투입되는 원료의 양을 조절한다. 원료 투입부(40)는 원료 물질의 공급을 제어하는 유량 조절부(MFC;Mass Flow Controller)인 밸브를 포함할 수 있으며 원료 투입부(40)는 기상 원료물질 또는 액상, 고체 원료물질을 저장할 수 있다.
가스 주입부(50)는 증기 변환 챔버(10) 또는 원료 투입부(40)의 압력과 무관하게 일정량의 운반자 가스(carrier gas)를 주입하기 위한 가스 주입 제어 장치이다. 운반자 가스는 가스를 진공챔버(100) 내로 이송시키는 보조 가스이다. 운반자 가스는 예를 들어, He가 사용될 수 있다.
운반자 가스는 기체상으로 변환된 원료 물질을 이송관(60)을 통해 기판(80)으로 이송시킴과 동시에, 기체상으로 변환된 원료 물질이 확산에 의해 원료 투입부(40) 쪽으로 역류하는 것을 방지할 수 있게 한다.
가스 주입부(50)의 온도는 700℃ 이상, 바람직하게는 750℃ 이상이고, 운반자 가스가 이동하는 경로는 470℃ 이상인 것이 바람직하다. 운반자 가스의 이동 경로는 가스 주입부(50)로부터 이송관(60)까지의 경로이다.
또한 운반자 가스로 사용되는 He의 분압은 0.1 내지 760 torr인 것이 바람직하다.
이송관(60)은 적정 온도를 유지하면서 운반자 가스 및 원료의 증기를 혼합하여 증착 대상인 기판(80)까지 이송한다. 증기 변환 챔버(10)에서 혼합된 운반자 가스, Cd 및 Te2 기체는 이송관(60)을 통해 기판(80) 쪽으로 이동하게 된다.
운반자 가스, Cd 및 Te2 기체가 균일하게 혼합될 수 있도록 이송관(60)은 충분히 좁게 형성된다. 따라서 이송관(60)에 의해 압력의 변화가 발생하게 되며, 증기 변환 챔버(10) 및 진공챔버(100)의 압력차이는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
증기 변환 챔버 압력 - 진공챔버 압력 = (운반자 가스 유량 + Cd 기체 유량 + Te2 기체 유량)/ 이송관의 컨덕턴스(Conductance)
상기의 이송관(60)의 작용에 의해 증기 변환 챔버(10)의 CdTe 분압이 2 torr이면서 진공챔버(100)의 CdTe 분압은 0.1 torr 상태를 만들 수 있게 된다. 이렇게 이동한 운반자 가스와 Cd 및 Te2 기체 중 Cd 및 Te2 기체는 고온의 증기 변환 챔버(10)보다 낮은 온도로 유지되는 기판(80)에서 다시 고체가 되어 막을 형성하고, 운반자 가스는 진공펌프 및 배기장치(미도시)를 통해 외부로 배출된다.
가스 분사부(70)는 기판(80)의 상부에 이격되어 구비되며, 기판(80) 측으로 기상화된 원료 물질, 캐리어 가스 등 이송관(60)에 의해 이송된 가스를 분사한다. 가스 분사부(70)는 샤워헤드 타입으로 외부로부터 유입된 서로 다른 종류의 가스가 혼합되며, 이들 가스를 기판(80)을 향하여 분사한다. 가스 분사부(70)는 샤워헤드 타입 외에 인젝터나 노즐 등 다양한 방식의 분사기를 사용할 수도 있다.
기판 지지부(90)는 반도체 박막이 증착되는 대상인 기판(80)을 지지하기 위한 구성으로서, 회전축을 포함할 수 있다. 기판 지지부(90)는 원판 형상으로 진공챔버(100) 내부에 수평방향으로 구비되고, 회전축은 지지플레이트인 기판 지지부(90)의 저면에 수직으로 연결되어 기판 지지부(90)를 승강 및 회전시킨다. 승강기구는 가스 분사부(70)와 기판 사이의 간격을 조절하도록, 기판 지지부(90)를 원하는 위치까지 승강시킨다. 가스 분사부와 기판 사이의 간격이 너무 좁을 경우 원하는 박막 형성이 어려우며 반면에 간격이 너무 멀 경우 공정 가스의 낭비가 있을 수 있기 때문에, 이를 고려하여 미리 정해진 거리를 유지하도록 기판 지지부(90)를 위치시킨다.
또한, 기판 지지부(90)는 가열수단이 구비되어 기판(80)을 일정한 공정 온도로 가열, 유지시킬 수 있다.
진공챔버(100)의 내부에는 증착 공정 등 기판(80)에 대한 처리가 행해지는 내부 공간이 형성된다. 내부 공간은 일반적으로 진공 분위기로 형성되어야 하므로, 진공챔버(100)의 소정 위치에는 내부 공간에 존재하는 가스의 배출을 위한 배기구(미도시)가 형성될 수 있다.
또한 진공챔버(100)의 내부에는 내부를 일정한 온도로 유지하기 위한 가열 수단이 구비될 수 있다. 가열 수단은 챔버 벽면에 형성될 수 있으며 기판 지지부(90) 내부에 설치되는 히터로 구현될 수도 있는데, 기판 지지부(90) 내부의 히터를 구동 제어하여, 챔버 내부의 온도를 원하는 온도 범위로 유지되도록 할 수 있다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 증기 이송 증착 과정을 나타내는 도면이고, 도 3은 발명의 실시예에 따라 챔버 내의 온도 및 압력에 따른 증착 조건을 나타내는 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이 CdTe는 분말상의 고체 화합물이었으나, 증기 변환 챔버(10)에서 분말상의 CdTe가 기화하여 Cd 및 Te2의 가스로 변화된다(도 3의 a). 또한 운반자 가스를 통해 이송관(60)을 통과하여 기판(80)에 증착되어 박막(85)을 형성한다(도 3의 b). 또한 운반자 가스는 He가 사용될 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다.
Cd 및 Te2의 가스는 증기 변환 챔버(10)에서 운반자 가스와 최초로 혼합된다. 진공챔버(100)의 내부에서 Cd 분압은 0.3 torr이고 Te2의 증기압은 0.01 내지 10 torr이다. 분압이 증가하게 되면 증착 속도가 향상될 수 있다.
이후, 혼합된 기체는 이송관(60)을 경유하여 가스 분사부(70)를 통해 기판(80)으로 분사된다. 가스 분사부(70)에서 분사된 가스는 고온의 증기 변환 챔버(10)보다 낮은 온도로 유지되는 기판(80)과 접하여 온도가 감소함에 따라 박막(85)을 형성하게 된다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”,“중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라구성될 수 있음을 알 수 있다.
10: 증기 변환 챔버
20: 압력 센서
30: 제어부
40: 원료 투입부
50: 가스 주입부
60: 이송관
70: 가스 분사부
80: 기판
90: 기판 지지부
100: 진공챔버
1000: 증기 이송 증착 장치

Claims (10)

  1. 기판이 처리되는 내부 공간이 형성된 진공챔버;
    상기 기판 상에 증착할 원료 물질을 기화시키는 증기 변환 챔버;
    상기 증기 변환 챔버의 압력을 관측하는 압력 센서;
    상기 압력 센서의 압력 측정 결과에 따라 상기 증기 변환 챔버 내로 투입되는 상기 원료 물질의 투입량을 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 증기 변환 챔버로 투입되는 원료 물질의 양을 변화시키는 원료 투입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 이송 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 공간에서 기판을 지지하는 기판 지지부; 및
    상기 기판 지지부와 대향하여 이격 설치되는 가스 분사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 이송 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원료 투입부로 운반자 가스를 공급하는 가스 주입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 이송 증착 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 증기 변환 챔버 및 상기 가스 분사부의 사이에 형성되고 상기 증기 변환 챔버로부터의 기체를 상기 가스 분사부로 이송시키는 이송관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 이송 증착 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 증기 변환 챔버는 650℃ 내지 800℃의 고온으로 유지되는 것을 특징으로 하는 증기 이송 증착 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 원료 물질은 Cd, Te를 포함하는 분말상의 고체 화합물인 것을 특징으로 하는 증기 이송 증착 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 원료 물질은 Cd(1-x)Zn(x)Te이며 0.01≤x≤0.2 범위인 것을 특징으로 하는 증기 이송 증착 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 원료 물질외에 Cl, In, Au 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 이송 증착 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 원소는 0.1ppm 내지 1000ppm로 포함되는 것을 특징으로 하는 증기 이송 증착 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 원료 물질은 PbI2, PbO, BiI3, HgI2, TlBr 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 이송 증착 장치.
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