KR20160074986A - 플라즈마 증착 반응기 및 이를 이용한 증착 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응 챔버가 위치하는 상부 그라운드와, 증착의 대상이 되는 기판 또는 웨이퍼가 위치하는 하부 그라운드로 구성되어 있는 플라즈마 증착 반응기로서, 상기 상부 그라운드의 반응 챔버는, 가스 또는 상기 가스와 기상의 전구체가 혼합된 형태의 전구 가스가 반응 챔버의 내부로 유입되는 가스 유입구; 반응 챔버의 내부로 유입된 가스 또는 전구 가스의 잔여 가스가 반응 챔버의 외부로 배출되는 가스 배출구; 반응 챔버의 내면을 따라 형성되어 있는 유전체 층; 유전체 층의 내면을 따라 형성되어 있는 제 1 전극; 및 제 1 전극과 전위가 같고, 반응 챔버의 중공 부위에 위치하며, 다공성 구조로 이루어진 제 2 전극;을 포함하고 있고, 상기 하부 그라운드에는 기판 또는 웨이퍼가 안착되어, 대면적 박막 제조에 적합한 플라즈마 증착 반응기를 제공한다.

Description

플라즈마 증착 반응기 및 이를 이용한 증착 방법 {Reactor for Plasma Deposition and Deposition Method Using the Same}
본 발명은 플라즈마 증착 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 반응기 내부의 중공 부위에 등전위의 다공 구조를 형성한 플라즈마 증착 반응기 및 이를 이용한 증착 방법에 관한 것이다.
최근 소비자의 요구에 따라 다양한 기능을 수행할 수 있는 전자 기기의 제품 개발의 필요성이 높아지고 있고, 그에 따라 박막형 트랜지스터, 박막형 태양전지, 반도체용 패시베이션, 전극 또는 나노입자의 코팅 등에 적용되는 증착 기술 개발의 중요성이 높아 지고 있다.
이러한 증착 기술은 다양한 요구에 따라, 보다 정밀하고 복잡한 구조로 제조되기 위해 형상이 원자 단위로 제어되고, 단차 피복성이 우수한 특성을 가지며, 또한 계면에서 확산과 산화가 일어나지 않게 하기 위해서 낮은 증착 온도에서 제조되는 기술이 필요로 하게 되었다.
그러나, 현재 증착 기술로 많이 이용되고 있는 화학 증착(Chemical Vapor Deposition) 기술은 열, 전계, 빛 등의 외부 에너지를 사용하여 원료를 기화시켜 기재에 증착시키는 방법을 이용하므로, 정밀한 두께로 제어하기 힘들고, 고온의 환경에서 증착이 이루어져 쉽게 변성을 일으킬 수 있어, 앞서 언급한 요구 조건을 충족시키기엔 한계가 있었다.
따라서, 증착 온도를 낮추고 다양한 종류의 박막을 증착하기 위하여, 박막을 증착할 때, 보조에너지로서 챔버 내부에 플라즈마를 인가하는 PEALD(plasma-enhanced ALD), PAALD(Plasma-assisted ALD), PECVD(plasma-enhanced CVD) 등이 개발되었다.
PEALD 또는 PECVD는, 증착 과정에서 플라즈마를 인가하는 플라즈마 증착 반응기를 이용하여 기판에 원료 물질을 증착시키는 바, 도 1에서는 종래 일반적인 플라즈마 증착 반응기를 모식적으로 나타내었다.
플라즈마 증착 반응기(10)는 반응 챔버(40)가 위치하는 상부 그라운드(20)와, 증착의 대상이 되는 기판(50)이 위치하는 하부 그라운드(30)로 구성되어 있다.
반응 챔버(40)는, 가스 또는 전구 가스가 반응 챔버의 내부로 유입되는 가스 유입구(41), 반응 챔버의 내부로 유입된 가스 또는 전구 가스의 잔여 가스가 반응 챔버의 외부로 배출되는 가스 배출구(42), 반응 챔버(40)의 내면을 따라 형성되어 있는 유전체 층(43), 유전체 층의 내면을 따라 형성되어 있는 전극(44), 전극(44)과 등전위면을 형성하는 플레이트(45)로 구성되어 있다.
상부 그라운드(20)는 반응 챔버(40)의 외면을 구성하고, 하부 그라운드(30) 상에는 기판(50)이 안착되어 증착 반응이 수행된다.
이와 같이, 플라즈마 증착 반응기(10)는 기판(50)이 안착되어 있는 챔버(40) 내부로 반응원을 피딩하는 동안, 전극(44)에 전압을 인가하여 플레이트(45)와 하부 그라운드(30) 사이에 위치한 공간(B)에 플라즈마를 형성하여, 반응원의 분해가 잘 일어나도록 한다.
그러나, 전극에 인가된 전압은, 플레이트(45) 하부에 위치하는 공간(B)뿐만 아니라, 플레이트(45) 상부에 위치하는 챔버 내부 공간(A)에서도 분해시키는 바, 가스가 공간(B)의 플라즈마까지 도달하기도 전에 상부 플라즈마에 의해 by-product가 형성되고, 이렇게 형성된 by-product가 표면 반응에 참여하기 되어, 증착에서의 순도가 떨어지는 문제점이 있었다.
이러한 문제점은 기판이 대면적이거나, 챔버 내부 공간(A)의 부피가 커질수록 극대화 되는 바, 박막 태양전지 및 소자가 대형화 됨에 따라 더욱 문제된다. 따라서, 이러한 종래 기술의 문제점들을 해결할 수 있는 기술개발의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은, 가스 또는 전구 가스에 인가된 전압에 의해 반응 챔버의 중공부위에 by-product 형성을 저감할 수 있도록, 상기 반응 챔버의 중공 부위에 다공성 구조로 이루어진 보조 전극을 구비하여, 빠르고 균질한 박막 증착이 가능한 플라즈마 증착 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기 플라즈마 증착 반응기를 이용하여 순도 및 안정성이 향상된 화학적 기상 증착 방법 및 원자층 증착 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 증착 장치는,
반응 챔버가 위치하는 상부 그라운드(ground)와, 증착의 대상이 되는 기판(substrate) 또는 웨이퍼(wafer)가 위치하는 하부 그라운드로 구성되어 있는 플라즈마 증착 반응기(reactor)로서,
상기 상부 그라운드의 반응 챔버는,
가스(gas) 또는 상기 가스와 기상(氣相)의 전구체가 혼합된 형태의 전구 가스가 반응 챔버의 내부로 유입되는 가스 유입구;
반응 챔버의 내부로 유입된 가스 또는 전구 가스의 잔여 가스가 반응 챔버의 외부로 배출되는 가스 배출구;
반응 챔버의 내면을 따라 형성되어 있는 유전체 층(dielectric layer);
유전체 층의 내면을 따라 형성되어 있는 제 1 전극; 및
제 1 전극과 전위가 같고, 반응 챔버의 중공 부위에 위치하며, 다공성 구조로 이루어진 제 2 전극;
을 포함하고 있고,
상기 하부 그라운드에는 기판 또는 웨이퍼가 안착되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 증착 반응기는, 반응 챔버의 중공 부위에 다공성 구조로 이루어진 제 2 전극을 포함하여, 중공 부위에는 플라즈마의 형성을 억제하고, 기판 또는 웨이퍼와 가까운 부분에서만 플라즈마가 형성되도록 한다. 상기 제 2 전극이 포함된 중공 부위가 넓을수록, 유입되는 가스에서 by-product 가스의 높아지고, 따라서 유입된 가스 대비 by-product 가스의 비율이 감소하게 된다.
즉, 유입된 전체 가스에서 플라즈마 반응을 하는 가스를, 증착 반응에 필요한 수준으로 최소화 하기 위해, 웨이퍼 또는 기판과 가까운 부분을 제외한 반응 챔버의 중공 부위에서는 플라즈마 반응을 억제하여, 전체 가스 대비 by-product의 비율을 감소시키는 바, 고순도의 박막을 제조할 수 있다.
또한, 상기 기판 또는 웨이퍼와 가까운 부분에서 형성된 by-product는 상기 중공 부위에 형성된 제 2 전극으로 들어가 반응하지 않은 가스와 충분한 공간을 통해 섞일 수 있고, 기판 또는 웨이퍼와 부가적인 반응을 하지 않은 채 배출구로 함께 빠져나갈 수 있다.
이러한 구성을 통해, 대면적의 기판 또는 웨이퍼에 증착 반응을 수행하는 경우에도, 유입되는 가스 대비 by-product 가스의 비율이 감소하는 바, 증착의 대상이 되는 기판 또는 웨이퍼에 비교적 안정적이고 균질한 박막을 형성한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 가스 유입구는 가스 배출구보다 지면으로부터 상대적으로 이격된 위치에 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 가스 또는 전구가스는 상대적으로 높은 곳에 위치한 유입구로 유입되어, 상대적으로 낮은 곳에 위치한 배출구를 향하여 자연적으로 흐를 수 있다. 퍼지(purge) 공정을 수행하는 원자층 증착 방식의 경우에도, 가스 배출구를 상대적으로 낮은 위치에 형성함으로써 보다 수월하게 가스를 퍼지시킬 수 있다.
본 발명은, 앞서 설명한 바와 같이, 반응 챔버의 중공 부위에 다공성 구조의 제 2 전극을 형성함으로써 균질하고 안정적인 박막을 형성 할 수 있는 플라즈마 증착 반응기에 관한 것이다.
상기 제 2 전극은, 다공성 구조이고, 전기전도성을 가지는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니나, 알루미늄, 철, 구리, 스테인리스강, 및 이들의 합금 등으로 이루어져 있을 수 있고, 다공성 스테인리스 스틸(porous stainless steel)로 이루어져 있을 수도 있다.
상기 다공성 구조의 제 2 전극에 형성된 공극의 크기는 각각 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있으나, 공극의 크기는 0.01 mm 내지 3.0 mm 범위 이내이고, 상세하게는 0.1 mm 내지 2.0 mm 범위 이내인 것이 바람직하다. 이때, 공극은 상기 제 2 전극을 이루고 있는 다공성 구조 내부의 상호 이격된 빈 공간을 의미하고, 공극의 크기는 상기 빈 공간의 가로, 세로, 높이의 길이들을 의미한다.
상기 범위를 벗어나 공극의 크기가 0.01 mm 미만인 경우에는 전극이 반응 챔버 내부의 대부분을 차지하여 가스가 통과할 수 있는 부피가 지나치게 작으며, 대면적의 기판 증착에 적합하지 않은 바, 바람직하지 않고, 공극의 크기가 3.0 mm를 초과하는 경우에는, 챔버의 중공 부위에 플라즈마 형성을 억제하기 위한 골격을 형성하기 어려우므로 바람직하지 않다.
상기 제 2 전극은 중공 부위 플라즈마 형성을 억제하기 위한 다공성 구조이면 특별히 제한되는 것은 아니나, 공정의 편의성을 고려하여 2차원의 규칙적인 다공성 형상을 가진 전극판들을 적층하거나, 3차원의 규칙 또는 불규칙적인 구조를 형성하고 있을 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제 2 전극은 메쉬(mesh)형 구조, 3차원 격자 구조, 또는 벌집형 구조로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 제 2 전극은 둘 이상의 판상형 전극판들이 적층되어 있는 구조로 이루어져 있고, 각각의 전극판은 메쉬형 구조로 이루어질 수 있다.
상기 메쉬형 전극판들은 각각의 형상 및 두께는 서로 상이할 수도 있고 동일할 수도 있으나, 제조 용이성을 고려하여 동일한 것이 바람직하다. 또한, 상기 전극판들 각각의 두께가 지나치게 두껍거나, 지나치게 얇은 경우, 소망하는 효과를 얻기 어렵고, 반응 챔버 내 불필요한 공간이 형성되는 문제점이 있는 바, 상기 전극판들 각각은 0.1 mm 내지 5.0 mm의 두께를 가질 수 있고, 상세하게는, 0.1 mm 내지 3.0 mm일 수 있다.
또한, 상기 전극판들 간의 거리는 0.01 mm 내지 3.0 mm 범위 이내일 수 있고, 상세하게는 0.1 mm 내지 3.0 mm 범위 이내일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 전극판들 간의 거리가 0.01 mm 미만인 경우, 전극판의 개수 증가로 제조비용 및 시간이 증가하고, 반응 챔버 내 체류할 수 있는 가스의 양이 감소하는 바, 대면적의 기판 증착에 적합하지 않고, 3.0 mm 초과인 경우, 등전위면이 충분히 형성되지 않아 공극의 중심부에 플라즈마가 형성될 수 있어 바람직하지 않다.
메쉬형 구조는 그물형 구조로, 다수의 관통구를 포함는 것으로, 상기 전극판들은 각각 평면상으로 다각형, 타원형 또는 원형의 관통구들을 포함하고 있을 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 관통구들이 직사각형인 경우에 가로 및 세로의 길이가 0.01 mm 내지 3.0 mm 범위 이내이고, 원형인 경우에 직경의 길이가 0.01 mm 내지 3.0 mm 범위 이내일 수 있고, 상세하게는, 각각 0.5 mm 내지 3.0 mm 범위 이내일 수 있다.
즉, 플라즈마 증착 반응에 참여하는 가스 및 전구가스는 등전위의 제 2 전극에 형성되어 있는 상기 관통구들을 통과하면서 반응 챔버 내부에 고르게 퍼지고, 플라즈마의 형성을 억제할 수 있는데, 가로, 세로, 또는 높이가 3.0 mm를 초과하는 공간에 가스 및 전구가스가 통과되는 경우 그 중심부에 전위차가 발생하여, 플라즈마가 형성될 수 있다. 따라서, 중공 부위에 by-product가 형성될 수 있는 바, 바람직하지 않다.
반대로, 상기 관통구들의 가로 및 세로의 길이, 또는 직경의 길이가 0.01 mm 미만인 경우 메쉬형 보다는 관통구들이 형성되어 있지 않은 판형에 가까우며, 웨이퍼 또는 기판에서 형성된 by-product를 제 2 전극이 형성되어 있는 중공 부위로 분산시키지 못하는 바, 바람직하지 않다.
또 하나의 구체적인 예에서, 상기 제 2 전극은 3차원 격자 구조로 이루어져 있고, 상기 3차원 격자 구조는 정육면체, 정사면체, 정팔면체, 또는 정사면체 및 정팔면체의 공극을 포함하고 있을 수 있다.
3차원 격자구조는, 격자의 구조가 한 평면뿐만 아니라 입체적으로 분포되어 있는 것으로, 일정한 구조가 공간 내에서 반복하여 배열되어 있는 구조를 의미한다.
구체적으로, 상기 3차원 격자 구조의 격자 상수(lattice constant)는 0.01 mm 내지 4.0 mm 범위 이내인 것이 바람직하고, 상세하게는 0.5 mm 내지 3.0mm범위 이내인 것이 더욱 바람직하다. 상기 범위를 벗어나 격자 상수가 0.01 mm 미만인 경우에는 구조가 복잡하고 제조비용이 증가하는 문제점이 있고, 4.0 mm 초과인 경우, 앞서 설명한 바와 같이 중심부에 플라즈마가 형성되어, 소망하는 효과를 달성하기 어렵다.
한편, 상기 반응 챔버는 배치(batch), 세미 배치(semi-batch), 또는 싱글 타입일 수 있다. 즉, 하나의 기판에 증착 공정이 수행되는 싱글 타입 또는 다수 장의 기판에 대해 동시에 증착 공정이 수행되는 배치 또는 세미 배치 타입일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 플라즈마 증착 반응기를 사용하여 웨이퍼 또는 기판에 원료가스를 증착시키는 박막 증착 방법을 제공한다.
상기 플라즈마 증착 반응기를 사용한 박막 증착 방법은 특별히 제한되는 것은 아니나, 화학반응이 수반되는 증착 방법인 것이 바람직하며, 플라즈마를 이용하여 증착 반응이 수행되는 바, 플라즈마 CVD 또는 플라즈마 ALD에 적용될 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 플라즈마 증착 반응기를 사용하여 화학적 기상 증착 반응을 수행할 수 있다. 플라즈마 CVD는 일반적으로 사용되는 열 CVD와는 달리 플라즈마를 이용해 반응 에너지를 높이고, 보다 낮은 온도에서 빠르게 증착 반응이 가능하여 박막 제조에 용이하다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 화학적 기상 증착에 사용되는 반응 가스는 실란(Silane), 디실란(Disilane), 4불화 실리콘, 4염화 실리콘 등의 규소(Si)를 포함하는 화합물; 게르마늄(Ge)을 포함하는 화합물; CH4, N2O, NH3, H2; 및 N2, Ar, He, Ne 등의 불활성 가스;로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상 혼합된 가스일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 증착 반응기를 사용하는 경우, 대면적에 고르게 전압이 인가되어, 반응 챔버의 부피가 큰 경우에도 균일하고 안정적인 박막 형성이 가능하다.
또 다른 구체적인 예에서, 상기 플라즈마 증착 반응기는 원자층 증착 반응을 수행할 수 있다.
상기 원자층 증착 반응은,
(a) 반응 챔버 내에 기판을 위치시키는 과정;
(b) 가스 유입구를 통해 반응 챔버 내에 반응 가스 또는 상기 가스와 기상의 전구체가 혼합된 형태의 전구 가스를 유입시키는 과정; 및
(c) 가스 유입구를 통해 반응 챔버 내에 퍼지 가스를 유입시키는 과정;
을 포함하는 것을 특징으로 한다.
플라즈마가 인가된 ALD, 예를 들어 PEALD, PAALD는 일반적인 ALD와 비교하여 상대적으로 낮은 온도에서 증착이 가능하고, 밀도 높은 박막을 증착할 수 있으며, 단일 물질 등 증착할 수 있는 물질이 다양해지는 이점이 있다.
구체적으로, 유입된 가스가 반응을 통해 고에너지의 플라즈마를 형성할 수 있도록, 상기 과정(b)에서 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다.
또한, 상기 원자층 증착 방법은 각각의 반응물이 기판 상에 공급되고 한번의 증착 공정으로 하나의 원자층이 증착되어지는 방식이므로 의도한 박막 두께로 증착하기 위해서는 반복적으로 증착 공정을 실시하여 그 두께를 제어한다.
따라서, 원자층 증착 방법에서 상기 과정(b) 내지 상기 과정(c)를 순차적으로 진행한 후, 상기 과정(b) 내지 상기 과정(c)를 하나의 사이클로 설정하여 반복 수행하여, 박막의 두께를 제어할 수 있다.
상기 가스 또는 전구가스는 박막의 제조시 직접적으로 반응하여 박막의 원료가 되는 반응 가스와, 퍼지단계에서 이용되는 퍼지가스로 구분되고, 상기 반응 가스는 Al, Si, Ti, Cr, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Sn, W, Bi 등을 포함하는 화합물; O2; O3; CO2; N2O; NH3; 및 H2S;로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 가스일 수 있고, 퍼지가스는 아르곤, 질소, 네온, 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 가스일 수 있다.
하나의 비제한적인 예에서, 상기 Al, Si, Ti, Cr, Co, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Sn, W, Bi 등을 포함하는 화합물로 Trimethyl Aluminum (TMA), Butylpyrrolidino-Trimethyl Aluminum (BP-TMA); Tetrakis(ethylmethylamino) Silane (TEMAS), Tris(ethylmethylamino) Silane (Tris-EMAS), Tris(dimethylamino) Silane (Tris-DMAS); Trimethly Galium (TMG); Tetramethyl Tin (TMT), Tetrakis(ethylmethylamino) Tin (TEMA-tin), Tetrakis(dimethylamino) Tin (TDMA-tin); Tetrakis(diethylamino) Titanium (TDEAT), Tetrakis(dimethylamino) Titanium (TDMAT), Tetrakis(ethylmethylamino) Titanium (TEMAT); 전이금속이 포함된 Diethly-zinc; 등이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 원자층 증착 방법에서 반응 가스 또는 상기 가스와 기상의 전구체가 혼합된 형태의 전구 가스를 주입하는 시간은 60초 이내인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 플라즈마 증착 반응기에 의해 제조된 박막을 제공한다. 상기 플라즈마 증착 반응기에 의해 제조된 박막은 기판 또는 웨이퍼의 면적이 넓은 경우에도, by-product의 비율을 저감시켜, 고순도의 균질한 막을 형성하는 바, 박막형 트랜지스터의 gate insulator, active layer 및 passivation, 박막형 태양전지의 버퍼층, 유, 무기 전기소자의 passivation, 배터리의 전극 코팅, nanoparticle 의 coating 등에 용이하게 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 증착 반응기는, 유전체층의 내면을 따라 형성되어 있는 제 1 전극 이외에, 제 1 전극과 전위가 같고, 반응 챔버의 중공 부위에 위치하며, 다공성 구조로 이루어진 제 2 전극을 포함하여, 대면적의 박막 제조시에도 플라즈마 반응에 의한 by-product를 억제하여 안정적이고 균일한 박막을 형성하는 효과가 있다.
도 1은 종래 일반적인 플라즈마 증착 반응기를 모식적으로 나타낸 단면도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 플라즈마 증착 반응기를 모식적으로 나타낸 단면도이다;
도 3은 도 2의 플라즈마 증착 반응기에 포함되는 제 2 전극을 상부에서 바라본 단면도를 모식적으로 나타낸 것이다; 및
도 4는 도 2의 플라즈마 증착 반응기에 포함되는 또 다른 제 2 전극을 상부에서 바라본 단면도를 모식적으로 나타낸 것이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 플라즈마 증착 반응기를 모식적으로 나타낸 단면도가 도시되어 있다.
플라즈마 증착 반응기(100)는 반응 챔버(400)가 위치하는 상부 그라운드(200)와, 증착의 대상이 되는 기판(500)이 위치하는 하부 그라운드(300)로 구성되어 있다.
반응 챔버(400)는, 가스 또는 전구 가스가 반응 챔버의 내부로 유입되는 가스 유입구(410), 가스 유입구(410)보다 아래에 위치하고, 가스를 반응 챔버의 외부로 배출시키는 가스 배출구(420), 반응 챔버(400)의 내면을 따라 형성되어 있는 유전체 층(430), 유전체 층의 내면을 따라 형성되어 있는 제 1 전극(440), 반응 챔버의 중공 부위에 위치하는 제 2 전극(450)으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 증착 반응기(100)는, 도 1에 도시된 종래 플라즈마 증착 반응기(10)와는 달리, 챔버 내부 공간(A)에 제 2 전극(450)을 추가적으로 도입하여, 반응 챔버(400)의 내면뿐만 아니라, 중공 부위에도 등전위면을 형성하여, 플라즈마 형성을 억제하는 바, 유입 가스 대비 플라즈마에 의한 by-poduct의 비율을 감소시킨다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 증착기(100)는 기판 상부 공간(B)에 형성된 by-product를, 제 2 전극(450)이 형성된 공간에서 반응을 하지 않은 가스와 충분히 섞이고, 빠져나가도록 하여, 기판 또는 웨이퍼에 균일하고 안정적인 박막을 형성한다.
이러한 제 2 전극의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니나, 메쉬(mesh)형 구조로 이루어질 수 있다.
도 3 및 도 4는, 도 2의 플라즈마 증착 반응기에 포함되는 제 2 전극을 상부에서 바라본 단면도들을 모식적으로 나타낸 것이다.
제 2 전극은 등전위면을 형성하여 플라즈마 형성을 억제할 수 있는 구조이면 상관 없으나, 제조의 용이성 측면에서 평면상 다각형, 타원형 또는 원형의 관통구들을 포함시킬 수 있다. 따라서, 도 3에 나타난 제 2 전극(450)의 관통구들(451)은 사각형이고, 도 4에 나타난 제 2 전극(450)의 관통구들(452)은 원형이다.
도 3의 관통구들(451)은 가로(w) 및 세로(h)의 길이가 3.0 mm 보다 작고, 도 4의 관통구들(452)은 직경(r)이 3.0 mm 보다 작도록 구성하여, 관통구들(451, 452)의 중심부에 플라즈마 형성을 억제할 수 있도록 한다.
따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 증착 장치(100)는 제 1 전극(440)과 별도로 제 2 전극(450)을 구성함으로써, 대면적의 박막 제조를 하는 경우에도, 플라즈마 반응에 의한 by-product의 비율을 줄이는 것과 동시에, 웨이퍼 또는 기판 상에서는 반응원을 분해하여 빠른 시간 내에, 낮은 온도에서 안정적이고 균일한 박막을 형성할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 반응 챔버가 위치하는 상부 그라운드(ground)와, 증착의 대상이 되는 기판(substrate) 또는 웨이퍼(wafer)가 위치하는 하부 그라운드로 구성되어 있는 플라즈마 증착 반응기(reactor)로서,
    상기 상부 그라운드의 반응 챔버는,
    가스(gas) 또는 상기 가스와 기상(氣相)의 전구체가 혼합된 형태의 전구 가스가 반응 챔버의 내부로 유입되는 가스 유입구;
    반응 챔버의 내부로 유입된 가스 또는 전구 가스의 잔여 가스가 반응 챔버의 외부로 배출되는 가스 배출구;
    반응 챔버의 내면을 따라 형성되어 있는 유전체 층(dielectric layer);
    유전체 층의 내면을 따라 형성되어 있는 제 1 전극; 및
    제 1 전극과 전위가 같고, 반응 챔버의 중공 부위에 위치하며, 다공성 구조로 이루어진 제 2 전극;
    을 포함하고 있고,
    상기 하부 그라운드에는 기판 또는 웨이퍼가 안착되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 유입구는 가스 배출구보다 지면으로부터 상대적으로 이격된 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전극에 형성된 공극의 크기는 0.01 mm 내지 3.0 mm 범위 이내인 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 전극에 형성된 공극의 크기는 0.1 mm 내지 2.0 mm 범위 이내인 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전극은 메쉬(mesh)형 구조, 3차원 격자 구조, 또는 벌집형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전극은 둘 이상의 판상형 전극판들이 적층되어 있는 구조로 이루어져 있고, 각각의 전극판은 메쉬형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전극판들은 각각 0.1 mm 내지 5.0 mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 전극판들 간의 거리는 0.01 mm 내지 3.0 mm 범위 이내인 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 전극판들은 각각 평면상으로 다각형, 타원형 또는 원형의 관통구들을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 관통구들이 직사각형인 경우에 가로 및 세로의 길이가 0.01 mm 내지 3.0 mm 범위 이내이고, 원형인 경우에 직경의 길이가 0.01 mm 내지 3.0 mm 범위 이내인 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 전극은 3차원 격자 구조로 이루어져 있고, 상기 3차원 격자 구조는 정육면체, 정사면체, 정팔면체, 또는 정사면체 및 정팔면체의 공극을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 3차원 격자 구조의 격자 상수(lattice constant)는 0.01 mm 내지 4.0 mm 범위 이내인 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 반응 챔버는 배치(batch), 세미 배치(semi-batch), 또는 싱글 타입인 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착 반응기.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 플라즈마 증착 반응기를 사용하여 화학적 기상 증착을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 따른 플라즈마 증착 반응기를 사용하여 원자층 증착을 수행하는 방법으로서,
    (a) 반응 챔버 내에 기판을 위치시키는 과정;
    (b) 가스 유입구를 통해 반응 챔버 내에 반응 가스 또는 상기 가스와 기상의 전구체가 혼합된 형태의 전구 가스를 유입시키는 과정; 및
    (c) 가스 유입구를 통해 반응 챔버 내에 퍼지 가스를 유입시키는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 과정(b)에서 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 과정(b) 내지 상기 과정(c)를 순차적으로 진행한 후, 상기 과정(b) 내지 상기 과정(c)를 하나의 사이클로 설정하여 반복 수행하는 것에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 반응 가스 또는 상기 가스와 기상의 전구체가 혼합된 형태의 전구 가스를 주입하는 시간은 60초 이내인 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  19. 제 14 항 또는 제 15 항에 따른 방법으로 박막이 증착된 것을 특징으로 하는 박막.
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