KR20170025417A - Cs-ald 장치의 샤워헤드 - Google Patents

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Abstract

CS-ALD(Combinatorial Spatial Atomic Layer Deposition) 장치의 샤워헤드에 관해 개시되어 있다. 개시된 CS-ALD 장치의 샤워헤드는 복수의 샤워블록을 포함하고, 상기 복수의 샤워블록은 각각 복수의 단위모듈을 포함한다. 상기 샤워블록과 상기 단위모듈은 독립적으로 제어되는 개체이고, 상기 복수의 단위모듈은 각각 소스가스 분사노즐, 퍼지가스 분사노즐, 반응가스 분사노즐 및 상기 분사노즐들 사이에 배출영역을 포함한다. 상기 복수의 샤워블록은 서로 이격될 수 있다. 상기 분사노즐들의 가스 분사영역은 상기 배출영역과 이격될 수 있다.

Description

CS-ALD 장치의 샤워헤드{Shower head of Combinatorial Spatial Atomic Layer Deposition apparatus}
본 개시는 반도체 혹은 디스플레이 증착/식각 장치에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 CS-ALD(Combinatorial Spatial Atomic Layer Deposition) 장치의 샤워헤드에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 높아지면서 반도체 소자는 복합한 3차원 구조를 갖게 되고, 반도체 소자의 종횡비(aspect ratio)는 자연히 높아진다.
이와 같이 반도체 소자의 구조가 복잡해지면서 박막의 증착과 식각이 점점 어려워져서 생산성과 수율이 낮아질 수 있다. 이러한 난점의 해소 방안의 하나로 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)방법이 소개되었다. 기존의 ALD 방법은 복잡한 반도체 소자에 대해서도 균일한 두께로 박막을 증착할 수 있지만, 증착속도가 상대적으로 느린 문제가 있다. 이러한 문제는 공간 원자층 증착(Spatial ALD) 방법으로 해소될 수 있다. 따라서 공간 ALD 방법을 이용하면, 복잡한 반도체 소자에 대해서 균일한 두께로 박막을 증착하면서도 증착속도를 높일 수 있어, 생산성과 수율을 높일 수 있다.
본 개시는 한번의 실험으로 다양한 조합의 박막증착공정 및/또는 박막식각공정을 기판의 원하는 위치에 실험하여 최적 공정조건을 쉽게 찾을 수 있고, 양산전환이 쉬우며, 찾은 공정조건을 대면적 기판에 그대로 적용할 수 있어 박막 증착공정이나 식각공정을 쉽게 재현할 수 있는 CS-ALD(Combinatorial Spatial Atomic Layer Deposition) 장치의 샤워헤드를 제공한다.
본 개시에서 일 실시예에 의한 CS-ALD 장치의 샤워헤드는 복수의 샤워블록을 포함하고, 상기 복수의 샤워블록은 각각 복수의 단위모듈을 포함한다. 상기 샤워블록과 상기 단위모듈은 독립적으로 제어되는 개체이고, 상기 복수의 단위모듈은 각각 소스가스 분사노즐, 퍼지가스 분사노즐, 반응가스 분사노즐 및 상기 분사노즐들 사이에 배출영역을 포함한다.
이러한 샤워헤드에서, 상기 복수의 샤워블록은 서로 이격될 수 있다.
상기 분사노즐들의 가스 분사영역은 상기 배출영역과 이격될 수 있다.
상기 소스가스 분사노즐에 소스가스 공급라인이 연결되어 있고, 상기 퍼지가스 분사노즐에 퍼지가스 공급라인이 연결되어 있으며, 상기 각 공급라인에 프로그램으로 제어되는 자동밸브가 설치될 수 있다.
상기 복수의 단위모듈 사이에 갭이 존재할 수 있다.
상기 소스가스 분사노즐은 배출영역으로 둘러싸여 있다.
상기 반응가스 분사노즐은 배출영역으로 둘러싸여 있다.
상기 퍼지가스 분사노즐과 상기 반응가스 분사노즐 사이에 제2 소스가스 분사노즐과 제2 퍼지가스 분사노즐이 더 구비될 수 있다.
상기 제2 소스가스 분사노즐과 상기 제2 퍼지가스 분사노즐에 자동밸브가 연결될 수 있다.
상기 복수의 샤워블록은 원통형 드럼 표면을 따라 원형으로 배치될 수 있다.
상기 소스가스 분사노즐에 인접한 배출영역에 연결된 배출경로는 상기 반응가스 분사노즐에 인접한 배출영역에 연결된 배출경로와 다를 수 있다.
개시된 ALD 샤워헤드는 모듈 별로 혹은 샤워블록 별로 동작을 제어할 수 있다. 따라서 샤워 헤드에 대한 다양한 동작조합을 도출할 수 있다. 이에 따라 개시된 샤워헤드를 포함하는 CS-ALD 장치를 이용할 경우, 다양한 조합의 박막증착공정 및/또는 박막식각공정에 대한 실험을 동시에 실시할 수 있고, 이러한 실험을 통해 최적의 증착/식각공정조건을 쉽게 찾을 수 있으며, 찾은 최적의 공정조건에 따라 개시된 샤워헤드를 동작시킴으로써, 개시된 샤워헤드를 포함하는 CS-ALD 장치를 양산장치로 전환할 수 있다. 또한, 상기 찾은 최적의 공정조건을 대면적 기판에 대한 박막 증착공정 또는 식각공정에 그대로 적용할 수 있는 바, 대면적의 기판에 대해서도 균일하게 박막을 적용하거나 식각할 수 있다. 또한, 샤워 헤드에 대한 다양한 동작조합이 가능하므로, 적합한 물질에 대한 스크리닝(screening)도 가능하고, 다성분계 혹은 유무기 하이브리드 물질에 대한 개발기간도 단축할 수 있다. 또한, 개시된 샤워헤드의 동작은 박막증착공정과 식각공정에 모두 적용할 수 있는 바, 한 장치에서 박막의 증착과 식각공정을 모두 수행할 수도 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 CS-ALD(Combinatorial Spatial Atomic Layer Deposition) 장치의 샤워헤드의 밑면도이다.
도 2는 도 1의 단위모듈 장착영역(A1)에 장착될 단위모듈을 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 단위 모듈에 대한 입체도이다.
도 4는 도 3의 단위 모듈을 간략화한 입체도이다.
도 5는 기판 상에 모듈 어레이가 배치된 경우를 나타낸 입체도이다.
도 6은 도 5를 6-6' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 7은 일 실시예에 의한 샤워헤드의 샤워 블록에 포함된 복수의 단위모듈(노즐블록)을 나타낸 입체도이다.
도 8은 일 실시예에 의한 샤워헤드에 3개의 샤워 블록을 포함하여 박막을 증착하는 경우를 나타낸 입체도이다
도 9는 다른 일 실시예에 의한 CS-ALD 장치의 단면도이다.
도 10은 3 성분계 박막을 증착하기 위한 샤워헤드의 제2 단위모듈에 대한 단면도이다.
이하, 일 실시예에 의한 CS-ALD(Combinatorial Spatial Atomic Layer Deposition) 장치의 샤워헤드를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 개시된 CS-ALD(Combinatorial Spatial Atomic Layer Deposition) 장치의 샤워헤드의 밑면을 보여준다.
도 1을 참조하면, 샤워헤드(30)는 복수의 샤워 블록(B1, B2…Bn-1, Bn)을 포함한다. 여기서, 'n'은 자연수이다. 각 샤워블록(B1, B2…Bn-1, Bn)은 복수의 소스가스 분사영역(32), 복수의 퍼지가스(purge gas) 분사영역(36), 복수의 반응가스(reactant gas) 분사영역(38), 복수의 배출영역(34, 40)을 포함한다. 박막 증착공정 또는 식각공정에서 남은 가스와 공정 중에 발생되는 가스는 복수의 배출영역(34, 40)을 통해서 장치 외부로 배출된다. 제1 배출영역(34)은 복수의 소스가스 분사영역(32)을 둘러싼다. 제1 배출영역(34)과 복수의 소스가스 분사영역(32)은 이격되어 있다. 복수의 반응가스 분사영역(38)은 제2 배출영역(40)으로 둘러싸여 있다. 복수의 반응가스 분사영역(38)과 제2 배출영역(40)은 서로 이격되어 있다. 제1 배출영역(34)과 제2 배출영역(40) 사이에 한 개의 퍼지가스 분사영역(36)이 존재한다. 복수의 퍼지가스 분사영역(36)은 제1 및 제2 배출영역(34, 40)과 이격되어 있다. 각 블록(B1, B2…Bn-1, Bn)에서 복수의 소스가스 분사영역(32), 복수의 퍼지가스(purge gas) 분사영역(36), 복수의 반응가스(reactant gas) 분사영역(38) 및 복수의 배출영역(34, 40)은 서로 평행하게 배치되어 있다. 제1 배출영역(34)은 배출펌프(미도시)에 연결되어 있고, 제1 배출영역(34)을 통해서 소스가스 분사영역(32)에서 분사된 가스 중 사용되고 남은 가스와 퍼지가스 분사영역(36)에서 기판으로 분사된 퍼지가스와 퍼지가스에 의해 기판과 분리된 소스가스(기판에 온전히 부착되지 못한 소스가스, 곧 기판에 물리흡착된 소스가스)가 배출된다. 제2 배출영역(40)은 배출펌프(미도시)에 연결되어 있다. 제2 배출영역(40)을 통해서 반응가스 분사영역(38)에서 분사된 가스 중 사용되고 남은 가스와 퍼지가스 분사영역(36)에서 기판으로 분사된 퍼지가스와 퍼지가스에 의해 기판과 분리된 소스가스(기판에 온전히 부착되지 못한 소스가스, 곧 기판에 물리흡착된 소스가스)가 배출된다. 제1 배출영역(34)에 연결된 상기 배출펌프는 제2 배출영역(40)에 연결된 상기 배출펌프와 다를 수 있다. 곧, 제1 배출영역(34)을 통해 배출되는 가스의 배출통로와 제2 배출영역(40)을 통해 배출되는 가스의 배출통로는 다를 수 있다. 따라서 제1 배출영역(34)을 통해 배출되는 가스와 제2 배출영역(40)을 통해 배출되는 가스가 배출과정에 만나는 것을 방지할 수 있다.
참조부호 'A1'은 단위 모듈이 장착될 영역을 나타낸다. 단위 모듈이 장착될 영역(A1)에 후술되는 단위 모듈이 장착된다. 단위 모듈 장착 영역(A1)은 1개의 소스가스 분사영역(32)과 1개의 반응가스 분사영역(38)과 그 사이에 있는 퍼지가스 분사영역(36)을 포함하고, 상기 1개의 소스가스 분사영역(32)에 인접한 제1 배출영역(34)과 상기 1개의 반응가스 분사영역(38)에 인접한 제2 배출영역(40)을 포함한다. 각 블록(B1, B2…Bn-1, Bn)은 이러한 단위 모듈 장착 영역(A1)을 복수개 포함하여 이루어진다. 각 블록(B1, B2,…Bn-1, Bn)에서 복수의 단위 모듈 장착영역(A1)은 행과 열로 어레이(array)를 이룰 수 있다. 단위 모듈 장착영역(A1)은 증착되는 박막이 2성분계일 때이다. 증착된 박막이 3 성분계나 그 이상일 때, 단위 모듈 장착영역(A1)은 소스가스 분사영역과 배출영역과 퍼지영역을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 증착되는 박막이 3성분계(2개의 소스가스와 1개의 반응가스가 필요)일 때, 단위 모듈 장착영역(A1)은 퍼지가스 분사영역(36)과 제2 배출영역(40) 사이에 제2 소스가스 분사영역(미도시), 상기 제2 소스가스 분사영역을 둘러싸는 제3 배출영역(미도시) 및 제2 퍼지가스 분사영역(미도시)을 더 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 단위모듈 장착영역(A1)에 장착될 단위모듈을 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 단위 모듈(M1)은 소스가스 분사노즐(32A), 퍼지가스 분사노즐(36A) 및 반응가스 분사노즐(38A)을 포함한다. 각 분사노즐(32A, 36A, 38A)은 서로 이격되어 있다. 각 분사노즐(32A, 36A, 38A)은 가스 젯(gas jet) 구조를 갖는다. 각 분사노즐(32A, 36A, 38A) 사이에 도 1의 배출영역(34, 40)이 위치한다. 곧, 소스가스 분사노즐(32A)과 퍼지가스 분사노즐(36A) 사이에 도 1의 제1 배출영역(34)이 위치하고, 퍼지가스 분사노즐(36A)과 반응가스 분사노즐(38A) 사이에 도 1의 제2 배출영역(40)이 위치한다. 소스가스 분사노즐(32A)는 도 1의 단위모듈 장착영역(A1)의 소스가스 분사영역(32)에 장착(삽입)된다. 퍼지가스 분사노즐(36A)은 도 1의 단위모듈 장착영역(A1)의 퍼지가스 분사영역(36)에 장착(삽입)된다. 그리고 반응가스 분사노즐(38A)은 도 1의 단위 모듈 장착영역(A1)의 반응가스 분사영역(38)에 장착(삽입)된다. 도 2에서 하향 화살표는 기판을 향한 가스의 분사를, 상향 화살표는 배출영역을 통한 가스의 배출을 나타낸다. 소스가스 분사노즐(32A)에 소스가스 공급라인(32L)이 연결되어 있다. 소스가스 공급라인(32L)에 제1 및 제2 밸브(32V1, 32V2)가 설치되어 있다. 제1 및 제2 밸브(32V1, 32V2)의 적어도 하나는 자동밸브(auto valve)일 수 있다. 제1 및 제2 밸브(32V1, 32V2)는 컴퓨터 프로그램을 이용하여 공정조건에 따라 자동조절될 수 있다. 소스가스 공급라인(32L)은 샤워헤드 외부의 소스가스 공급원에 연결된다. 이때, 소스가스 공급라인(32L)은 직접 상기 가스 공급원에 연결될 수도 있으나, 다른 단위 모듈의 소스가스 공급라인과 결합되어 상기 가스 공급원에 연결될 수 있다. 퍼지가스 분사노즐(36A)에 퍼지가스 공급라인(36L)이 연결되어 있다. 퍼지가스 공급라인(36L)에 제3 및 제4 밸브(36V1, 36V2)가 설치되어 있다. 제3 및 제4 밸브(36V1, 36V2)의 적어도 하나는 프로그램으로 제어되는 자동밸브일 수 있다. 따라서 제3 및 제4 밸브(36V1, 36V2)는 컴퓨터 프로그램을 이용하여 공정상태에 따라 자동조절될 수 있다. 퍼지가스 공급라인(36L)은 샤워헤드 외부의 퍼지가스 공급원에 연결된다. 이때, 퍼지가스 공급라인(36L)은 소스가스 공급라인(32L)처럼 직접 상기 퍼지가스 공급원에 직접 연결되거나 다른 단위 모듈의 분사가스 공급라인과 결합되어 연결될 수 있다. 각 모듈의 분사가스 공급라인은 동일한 분사가스 공급원에 연결될 수도 있으나, 각 모듈의 분사가스 공급라인이 서로 다른 분사가스 공급원에 연결될 수 있다. 곧, 각 모듈별로 공급되는 퍼지가스가 다를 수 있다. 몇 개의 모듈 혹은 블록 별로 공급되는 퍼지가스가 다를 수도 있다. 반응가스 분사노즐(38A)에는 반응가스 공급라인(38L)이 연결되어 있다. 반응가스 공급라인(38L)을 통해 산소 혹은 플라즈마가 기판에 공급될 수 있다. 이때, 플라즈마는 라인 빔(line beam) 형태로 공급될 수 있다. 플라즈마는 원거리 주입 플라즈마(remote plasma)일 수 있다. 상기 공급되는 플라즈마는 전자빔일 수 있다. 반응가스 공급라인(38L)을 통해 중성의 산소가 공급되는 경우, 반응가스 공급라인(38L)에도 소스가스 공급라인(32L)이나 퍼지가스 공급라인(36L)의 경우와 유사하게 제어밸브가 설치될 수 있다. 도 2에서 단위 모듈(M1)의 범위에 가스 공급라인과 밸브까지 포함될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 가스 공급라인(32L, 36L)에 설치된 밸브들(32V1, 32V2, 36V1, 36V2)은 컴퓨터 프로그램을 이용하여 공정조건에 따라 제어할 수 있는 바, 박막 증착공정 또는 식각공정에서 단위 모듈은 공정조건에 따라 조절할 수 있다. 도 1의 블록(B1, B2…Bn-1, Bn)의 각각은 복수의 단위 모듈이 장착될 수 있으므로, 각 단위모듈의 제어를 통해 전체 블록도 공정조건에 따라 제어할 수 있다. 결국, 샤워헤드에서 정해진 영역 혹은 정해진 블록 혹은 블록 내의 정해진 모듈은 프로그램을 통해 임의로 제어할 수 있는 바, 모듈 혹은 블록의 다양한 조합을 통해 다양한 공정조건을 갖는 박막증착실험 혹은 박막 식각실험을 동시에 수행하여 최적의 박막증착조건이나 식각조건을 빠른 시간에 찾을 수 있다. 이렇게 찾은 최적의 박막증착조건을 샤워헤드의 특정 영역(몇 개의 모듈 혹은 특정 블록)에 적용하거나 샤워헤드의 전체 블록에 적용하여 기판의 원하는 영역 혹은 기판의 전체 영역에 박막을 증착할 수 있다. 또한, 찾은 최적의 식각조건을 샤워헤드의 상기 특정영역에 적용하거나 샤워헤드의 전체 블록에 적용하여 기판의 원하는 영역 혹은 기판의 전체 영역에서 박막을 식각할 수 있다. 또는 프로그램 제어를 통해 각 모듈 또는 몇 개의 모듈 또는 특정 블록(들) 별로 박막증착조건을 다르게 하여 기판의 서로 다른 영역에 서로 다른 박막을 동시에 증착할 수도 있다. 이때, 상기 기판의 서로 다른 영역에 증착되는 박막들은 박막의 성분이 서로 다른 박막일 수도 있으나, 박막의 성분은 동일하고 주요 성분비율이 다른 박막일 수 있다.
도 3은 도 2의 모듈을 입체적으로 보여준다. 편의 상, 가스 공급라인(32L, 36L)에 설치된 밸브는 도시를 생략하였다. 도시된 소스가스 분사노즐(32A), 퍼지가스 분사노즐(36A) 및 반응가스 분사노즐(38A)은 각각 도 1의 단위 모듈의 소스가스 분사영역(32), 퍼지가스 분사영역(36) 및 반응가스 분사영역(38)에 장착될 수 있다. 모듈(A1)은 각 분사노즐의 장착과 분리가 쉬운 구조를 가질 수 있다. 따라서 노후되거나 고장난 분사노즐은 새 것으로 쉽게 교체할 수 있다. 이러한 교체는 블록 단위로 이루어질 수도 있다.
도 3에 도시한 단위 모듈은 편의 상, 도 4에 도시한 바와 같이, 하나의 노즐블록(NB)과 하나의 공급라인(LB)으로 나타낸다.
도 5 및 도 6은 기판(70) 상에 모듈 어레이가 배치된 경우를 보여준다. 도 5는 입체도이고, 도 6은 도 5를 6-6' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 4개의 단위 모듈, 곧 4개의 노즐 블록(NB1-NB4)이 2행 2열의 어레이를 이룬다. 이러한 노즐 어레이와 기판(70) 사이에 소정의 갭(D1)이 존재한다. 곧, 노즐 어레이는 기판(70)으로부터 주어진 거리(D1)만큼 이격되어 있다. 이 거리(D1)는 샤워헤드의 위치 혹은 기판(70)이 장착되는 지지대(혹은 척)의 위치 조절을 통해 조절될 수 있다. 노즐 어레이는 고정되어 있고, 기판(70)은 X축 방향을 따라 좌우로 움직일 수 있다. 이 상태에서 일부 노즐 블록, 예를 들면 제1 및 제2 노즐 블록(NB1, NB2)의 박막 증착조건(예컨대, 가스 공급률, 가스 밀도 등)을 나머지 노즐블록(NB3, NB4)의 박막 증착조건을 다르게 할 수 있다. 이렇게 해서 기판(70)의 서로 다른 영역 상에 다른 박막을 동시에 증착할 수 있다. 식각의 경우도 일부 노즐블록(NB1, NB2)의 식각조건과 나머지 노즐블록(NB3, NB4)을 다르게 하여 기판(70)의 서로 다른 영역에 형성된 박막을 동시에 식각할 수 있다. 도 5에서 제1 및 제2 노즐블록(NB1, NB2)과 제3 및 제4 노즐블록(NB3, NB4)이 붙어 있는 것으로 도시하였으나, 주어진 거리만큼 이격되게 배치될 수 있다. 도 1의 블록(B1, B2,…Bn-1, Bn)에서도 블록들은 서로 주어진 간격으로 이격될 수 있다.
도 7은 복수의 단위 모듈, 곧 복수의 노즐블록을 포함하는 샤워블록을 보여준다.
도 7을 참조하면, 샤워블록(100)에 포함된 복수의 노즐블록은 n행 m렬(n×m)의 어레이를 이룬다.
도 7에서 블록(100) 내의 행별로 또는 열별로 증착조건 또는 식각 조건을 다르게 할 수 있다. 예를 들어 1행에 속한 노즐블록들(B(1,1)…B(1,m))은 모두 제1 동작조건(예컨대, 제1 가스 공급률 등)으로 동작시키고, n행에 속한 노즐블록들(B(n,1)…B(n,m), n은 2,3,4…m은 3,4,5…)은 모두 제n 동작조건(예컨대, 제n 가스 공급률 등)으로 동작시킬 수 있다. 상기 제1 동작조건은 상기 제n 동작조건과 다를 수 있다. 이러한 동작조건으로 블록(100)을 동작시킴으로써, 하나의 기판의 서로 다른 복수의 영역 상에 서로 다른 조건을 갖는 박막을 형성할 수 있다. 이때, 블록(100)은 움직이지 않고, 상기 기판은 블록(100) 아래를 주어진 방향으로 직선 왕복운동 할 수 있다. 이러한 운동은 상기 복수의 영역 상에 형성되는 박막의 두께가 설정한 두께가 될 때까지 계속할 수 있다.
상기 기판의 복수 영역 상에 각각 형성된 박막들에 대한 물리적 화학적 특성(값)을 측정하여 어느 영역 상에 형성된 박막이 원하는 박막(설정한 박막)에 가장 가까운 박막인지 알 수 있다. 상기 원하는 박막에 가장 가까운 박막이 형성된 영역은 블록(100)의 특정 영역(예컨대, 1행)에 대응될 수 있다. 이후, 블록(100)에서 1행에 속한 노즐블록(B(1,1)-B(1,m))을 제외한 나머지 행에 속한 노즐블록(B(2,1)-B(n,m))의 동작도 상기 제1 동작조건으로 동작시킬 수 있다. 이렇게 함으로써, 블록(100)은 상기 원하는 박막에 가장 가까운 박막을 형성하는 블록이 될 수 있다. 식각의 경우도, 상기 원하는 박막에 가장 가까운 박막을 찾는 과정과 유사한 과정을 거쳐서 원하는 식각조건 혹은 최적의 식각조건을 찾을 수 있고, 찾은 식각조건을 블록(100)에 속한 모든 노즐블록(B(1,1)-B(n,m))의 동작조건에 적용함으로써, 블록(100)은 최적의 식각 혹은 원하는 식각을 수행하는 블록이 될 수 있다.
도 8은 샤워헤드(30)가 3개의 블록(B1, B2, B3)을 포함하여 박막을 증착하는 경우를 나타낸 입체도이다. 도 8에서 가스 공급라인은 편의 상 도시를 생략한다.
도 8을 참조하면, 샤워헤드(30)에 포함된 제1 내지 제3 블록(B1-B3)은 지지대(74) 위에서 지지대(74)의 길이 방향으로 서로 평행하게 배치되어 있고, 서로 이격되어 있다. 제1 내지 제3 블록(B1-B3)의 각각에 포함된 노즐블록(단위 모듈)의 배치의 일 예는 도 7에 도시한 바와 같을 수 있다. 제1 내지 제3 블록은 각각 제1 내지 제3 증착조건으로 동작될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 증착조건은 동일하거나 다를 수 있다.
지지대(74) 상에 기판(70)을 로딩한 후, 제1 블록(B1)을 이용하여 기판(70) 상에 제1 박막을 증착할 수 있다. 제1 박막을 증착하는 중간중간에 기판(70)을 좌우로 이동시켜 기판(70)을 제1 블록(B1)과 제2 블록(B2) 사이에 위치시킬 수 있다. 기판(70)이 제1 블록(B1)과 제2 블록(B2) 사이에 위치한 순간에 측정장치(미도시)를 이용하여 형성된 박막에 대한 특성(예컨대, 두께)을 측정할 수 있다. 이러한 측정을 통해 기판(70)의 원하는 영역에 원하는 박막이 형성되었는지 알 수 있다. 기판(70) 상에 제1 박막이 형성되었다면, 기판(70)을 제2 블록(B2) 아래로 이동시킨다. 이어서 상기 제1 박막을 형성할 때와 동일한 방식으로 기판(70) 상에 제2 박막을 증착한다. 이때, 기판(70)에서 상기 제2 박막이 증착되는 영역은 상기 제1 박막이 증착된 영역과 다를 수도 있으나, 상기 제1 박막 상에 증착될 수도 있다. 상기 제2 박막을 증착하는 과정에서도 기판(70)이 제2 블록(B2)과 제3 블록(B3) 사이에 위치할 때, 상기 제2 박막에 대한 특성을 측정할 수 있다. 이러한 측정을 통해 상기 제2 박막이 기판(70)의 원하는 영역에 원하는 두께로 형성되었는지 알 수 있고, 상기 제2 박막이 원하는 영역이나 두께로 형성되지 않은 경우, 상기 제2 박막이 기판(70)의 원하는 영역에 증착되도록 제2 블록(B2)에 포함된 노즐블록의 필요한 부분을 조절할 수 있다. 기판(70) 상에 제2 박막이 완전히 증착되었다면, 지지대(74)를 이동시켜 기판(70)을 제3 블록(B3) 아래에 위치시킨다. 이어서 제3 블록(B3)을 상기 제3 증착조건으로 동작시켜 기판(70) 상에 제3 박막을 증착한다. 기판(70)에서 상기 제3 박막이 증착되는 영역은 상기 제1 및 제2 박막이 증착된 영역과 다를 수 있으나, 제2 박막 상에 증착될 수도 있다. 기판(70) 상에 상기 제3 박막을 형성하는 중간중간에 기판(70)을 제2 블록(B2)과 제3 블록(B3) 사이에 위치시켜 형성된 제3 박막에 대한 특성을 측정할 수 있다. 이러한 측정을 통해서 기판(70)의 원하는 영역에 원하는 두께로 상기 제3 박막이 증착되었는지 알 수 있다. 중간측정을 통해서 상기 제3 박막이 기판(70)의 원하는 영역이나 두께로 형성되지 않았다면, 기판(70)의 원하는 영역에 원하는 박막이 형성되도록 제3 블록(B3)에 포함된 노즐블록들의 동작을 제어할 수 있다.
상술한 제1 내지 제3 블록(B1-B3)을 이용한 제1 내지 제3 박막의 증착과정에서 상기 제1 내지 제3 박막은 기판(70)의 전체 영역 상에 증착되는 것이 아니라 기판(70)의 국소 영역에 증착될 수 있다. 이 경우, 제1 내지 제3 블록(B1-B3)에 포함된 노즐블록들은 전체가 동작되지 않고, 기판(70)의 상기 국소영역에 대응되는 노즐블록들만 동작될 수 있다.
한편, 제1 내지 제3 블록(B1-B3)의 전체 또는 일부를 이용하여 기판(70) 상에 교번 적층된 박막을 형성할 수도 있다. 예를 들면, 제1 블록(B1)을 이용하여 기판(70) 상에 제1 박막을 소정 두께로 형성한 다음(제1 과정), 제2 블록(B2)을 이용하여 상기 제1 박막 상에 제2 박막을 증착한다(제2 과정). 이어서, 상기 제1 및 제2 과정을 정해진 횟수만큼 실시할 수 있다. 이렇게 해서, 상기 제1 및 제2 박막이 교번적층된 물질층을 형성할 수 있다.
도 9는 기판의 지지대가 원형통 드럼과 그 둘레에 샤워헤드가 구비되어 있는 CS-ALD 장치의 단면도이다.
도 9를 참조하면, 원통형 드럼 지지대(94)의 원주 표면 상에 기판(90)이 장착되어 있다. 기판(90)은 플렉시블 기판(flexible substrate)일 수 있다. 기판(90)은 지지대(94)의 원주 표면 상에 주어진 간격으로 마련될 수 있다. 원통형 드럼 지지대(94)는 주어진 방향으로, 예컨대 시계 반대 방향으로 회전될 수 있다. 지지대(94) 둘레에 복수의 블록(BR1-BR8)을 포함하는 샤워헤드가 마련되어 있다. 도 9에서 샤워헤드에 포함된 복수의 블록(BR1-BR8)의 수는 8개이지만, 샤워헤드에 포함된 블록의 수는 8개보다 적거나 많을 수 있다. 복수의 블록(BR1-BR8)은 지지대(94) 둘레에서 지지틀(110)에 의해 고정될 수 있다. 지지틀(110)은 지지대(94) 둘레의 일부를 감싼다. 지지대(94)의 둘레에서 지지틀(110)이 구비되지 않은 부분에 암 챔버(96)가 근접해 있다. 암 챔버(96)를 통해 기판(90)이 지지대(94)의 원주면 상에 로딩된다. 기판(90)이 지지대(94) 상에 로딩될 때나 지지대(94)로부터 기판(90)을 언로딩할 때, 지지대(94)는 회전되지 않으며, 암 챔버(96)가 지지대(94)와 접촉된 상태에서 기판(90)의 로딩과 언로딩이 이루어진다. 기판(90) 로딩이나 언로딩이 완료된 후, 암 챔버(96)는 지지대(94)로부터 이격된다. 암 챔버(96)는 로드락 챔버(98)에 연결되어 있다. 로드락 챔버(98)에 로딩될 기판와 언로딩된 기판이 보관될 수 있다.
원통형 드럼 지지대(94)의 둘레에 장착된 기판(90)은 지지대(94) 둘레를 따라 배치된 블록들(BR1-BR8) 아래를 지나면서 기판(90) 상에 여러 박막이 증착될 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 블록(BR1, BR2)에 의해 기판(90) 상에 제1 물질층이 증착될 수 있고, 이어서 제3 내지 제5 블록(BR3-BR5)에 의해 기판(90) 상에 제2 물질층이 증착될 수 있다. 그리고 제6 내지 제8 블록(BR6-BR8)에 의해 기판(90) 상에 제3 물질층이 증착될 수 있다. 상기 제1 물질층은, 예를 들면 이차전지의 양극 활 물질층(예컨대, LCO (Lithium Cobalt Oxide))일 수 있다. 상기 제2 물질층은, 예를 들면 이차전지의 전해질층(예컨대, Li3PO4)일 수 있다. 상기 제3 물질층은 예를 들면, 이차전지의 전극층일 수 있다. 도 9의 장치를 이용하여 유무기 하이브리드 공정을 수행할 수 있다. 예컨대, 플렉시블 소자(flexible device)용 유연막을 증착하는데 사용할 수 있다. 상기 유연막은 유무기 하이브리드 공정의 핵임의 하나인 TFE(Thin Film Encapsulation)막일 수 있다.
상술한 바와 같은 모듈 및/또는 블록 단위로 샤워헤드의 동작을 제어함으로써, 상대적으로 공정이 복합한 유무기 하이브리드 공정에 적합한 공정도 간단히 찾을 수 있다. 그리고 찾은 적합한 공정을 샤워헤드 전체에 적용함으로써, 샤워헤드를 양산공정에 바로 사용할 수 있다. 따라서 본 개시의 샤워헤드를 이용할 경우, 실험에서 양산으로 쉽게 전환할 수 있다.
도 2에 도시한 단위 모듈(M1)은 2성분계 박막 증착용이다. 증착하고자 하는 박막이 3 성분계 이상일 때는 도 2에 도시한 단위 모듈(M1)에 1개 이상의 가스분사 노즐이 더 포함될 수 있다. 도 10은 이에 대한 일 예를 보여준다.
도 10은 3 성분계 박막을 증착하기 위한 샤워헤드의 제2 단위 모듈에 대한 단면도이다. 도 2의 단위 모듈과 다른 부분에 대해서만 설명한다.
도 10을 참조하면, 제2 단위 모듈(M2)은 소스가스 분사노즐(32A), 퍼지가스 분사노즐(36A), 제2 소스가스 분사노즐(120), 제2 퍼지가스 분사노즐(122), 반응가스 분사노즐(38A)을 포함하고, 이러한 노즐들 사이에 배출영역이 존재한다. 소스가스 분사노즐(32A)을 통해 제1 소스가스가 분사되고, 제2 소스가스 분사노즐(120)을 통해 제2 소스가스가 분사된다. 소스가스 분사노즐(32A) 양쪽에 있는 배출영역을 통해 배출되는 가스와 제2 소스가스 분사노즐(120)의 양쪽에 있는 배출영역을 통해 배출되는 가스와 반응가스 분사노즐(38A) 양쪽의 배출영역을 통해 배출되는 가스는 서로 다른 배출통로를 통해 배출된다. 따라서 상기 배출되는 가스들은 배출과정에서 만나지 않는 바, 배출가스의 반응으로 인한 파우더 형성을 방지할 수 있다. 퍼지가스 분사노즐(36A)을 통해 분사되는 퍼지가스와 제2 퍼지가스 분사노즐(122)을 통해 분사되는 퍼지가스는 동일하거나 다를 수 있다. 제2 소스가스 분사노즐(120)에 제2 소스가스 공급라인(120L)이 연결되어 있다. 제2 소스가스 공급라인(120L)에 제5 및 제6 밸브(120V1, 120V2)가 설치되어 있다. 제5 및 제6 밸브(120V1, 120V2) 중 적어도 하나는 외부에서 제어할 수 있는 자동밸브일 수 있다. 제2 퍼지가스 분사노즐(122)에 제7 및 제8 밸브(122V1, 122V2)가 설치되어 있다. 제7 및 제8 밸브(122V1, 122V2) 중 적어도 하나는 외부에서 제어할 수 있는 자동밸브일 수 있다. 도 9에 도시한 블록들(BR1-BR8)에 포함된 노즐블록(단위모듈)은 도 10에 도시한 단위 모듈일 수 있다. 그러므로 도 10에 도시한 단위모듈을 포함하는 샤워헤드를 이용하여 이차전지를 구성하는 물질층들(예, LCO, LiPON, 전극, TFE 등)을 적층할 수 있고, 이외에도 다른 다성분계 물질층을 적층하거나 식각할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
30:샤워헤드 32:소스가스 분사영역
32A:소스가스 분사노즐 32L:소스가스 공급라인
32V1, 32V2:제1 및 제2 밸브 34, 40:제1 및 제2 배출영역
36:퍼지가스 분사영역 36A:퍼지가스 분사노즐
36L:퍼지가스 공급라인 36V1, 36V2:제3 및 제4 밸브
38:반응가스 분사영역 38A:반응가스 분사노즐
38L:반응가스 공급라인 70:기판
74:지지대 90:기판
94:원통형 드럼 지지대 96:암 챔버
98:로드락 챔버 100:샤워블록
110:지지틀 120:제2 소스가스 분사노즐
120L:제2 소스가스 공급라인 120V1, 120V2:제5 및 제6 밸브
122:제2 퍼지가스 분사노즐 122L:제2 퍼지가스 공급라인
122V1, 122V2:제7 및 제8 밸브 A1:단위모듈 장착영역
B1, B2…Bn-1, Bn:샤워 블록 B(1,1)-B(n,m):노즐블록(단위모듈)
D1:기판과 노즐블록(단위모듈) 사이의 간격
BR1-BR8:샤워블록 LB, LB1-LB4:공급라인
M1: 단위모듈 NB1-NB4:제1 내지 제4 노즐블록(단위모듈)

Claims (11)

  1. 복수의 샤워블록을 포함하고,
    상기 복수의 샤워블록은 각각 복수의 단위모듈을 포함하고,
    상기 샤워블록과 상기 단위모듈은 독립적으로 제어되는 개체이고,
    상기 복수의 단위모듈은 각각,
    소스가스 분사노즐;
    퍼지가스 분사노즐;
    반응가스 분사노즐; 및
    상기 분사노즐들 사이에 배출영역;을 갖는 샤워헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 샤워블록은 서로 이격된 샤워헤드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사노즐들의 가스 분사영역은 상기 배출영역과 이격된 샤워헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스가스 분사노즐에 소스가스 공급라인이 연결되어 있고,
    상기 퍼지가스 분사노즐에 퍼지가스 공급라인이 연결되어 있으며,
    상기 각 공급라인에 프로그램으로 제어되는 자동밸브가 설치된 샤워헤드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 단위모듈 사이에 갭이 존재하는 샤워헤드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스가스 분사노즐은 상기 배출영역으로 둘러싸인 샤워헤드.
  7. 상기 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 분사노즐은 상기 배출영역으로 둘러싸인 샤워헤드.
  8. 상기 제 1 항에 있어서,
    상기 퍼지가스 분사노즐과 상기 반응가스 분사노즐 사이에 제2 소스가스 분사노즐과 제2 퍼지가스 분사노즐이 더 구비된 샤워헤드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 소스가스 분사노즐과 상기 제2 퍼지가스 분사노즐에 자동밸브가 연결된 샤워헤드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 샤워블록은 원통형 드럼 표면을 따라 원형으로 배치된 샤워헤드
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스가스 분사노즐에 인접한 배출영역에 연결된 배출경로는 상기 반응가스 분사노즐에 인접한 배출영역에 연결된 배출경로와 다른 샤워헤드.
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