KR20180018172A

KR20180018172A - 박막 증착 장치

Info

Publication number: KR20180018172A
Application number: KR1020160103217A
Authority: KR
Inventors: 신호식
Original assignee: 주식회사 케이랩
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2018-02-21

Abstract

박막 증착 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 박막 증착 장치는, 내부에서 기판에 대한 원자층 증착 공정(ALD)이 수행되는 공정 챔버에 연결되며 공정 챔버의 내부에 마련된 증착 영역으로 소스가스(source gas)를 공급하는 소스가스 공급유닛과, 공정 챔버에 연결되며 공정 챔버에 내부에 마련되고 증착 영역에 이격된 플라즈마 영역에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급유닛과, 공정 챔버에 연결되며 플라즈마 영역에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생유닛과, 증착 영역과 플라즈마 영역 사이에 배치되며 플라즈마 영역에 공급된 반응가스를 증착 영역으로 안내하는 디퓨저유닛을 포함한다.

Description

박막 증착 장치{Thin film deposition device}

본 발명은, 박막 증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 원자층 증착 공정(Atomic Layer Deposition, ALD)을 수행하는 박막 증착 장치에 관한 것이다.

액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD), 플라즈마 디스플레이장치(Plasma Display Panel, PDP) 및 유기발광다이오드 디스플레이장치(Organic Light Emitting Diode Display, OLED) 등의 디스플레이나 반도체는 박막 증착(Deposition), 식각(Etching) 등의 다양한 공정을 거쳐 제품으로 출시된다.

다양한 공정 중에서 특히 박막 증착 공정은, 증착의 중요한 원칙에 따라 크게 화학적 기상 증착 공정(Chemical Vapor deposition, CVD)과, 물리적 기상 증착공정(Physical Vapor Deposition, PVD) 및 원자층 증착 공정(Atomic Layer Deposition, ALD)로 나눌 수 있다.

화학적 기상 증착 공정(CVD)은, 반응가스 간의 화학반응으로 형성된 입자들을 기판의 표면에 증착하여 절연막이나 전도성 막을 형성하는 공정이다.

이러한 화학적 기상 증착 공정(CVD)은, 공정 챔버(Chamber)의 내부에 공급된 두 가지 이상의 가스(Gas)의 화학반응을 통해 특정한 화합물을 생성하며, 이렇게 생성된 화합물을 기판 위에 증착시키고, 나머지 불필요한 화학 반응 생성물을 가스(Gas)상태로 공정 챔버 밖으로 배출한다.

스퍼터링(sputtering) 장치로 대변될 수 있는 물리적 기상 증착 공정(PVD)은, 플라즈마 상태의 이온에 충분한 에너지를 걸어주어 타겟(target)에 충돌되도록 한 후, 타겟으로부터 튀어나오는, 즉 스퍼터되는 타겟 원자가 기판 상에 증착되도록 하는 방식이다.

원자층 증착 공정(ALD)는, 화학적 기상 증착 공정(CVD)과 달리 원자층을 1층씩 늘려 박막을 성장시키는 기술로써, 소스가스(source gas)와 반응가스를 일정한 시간 간격으로 교차하여 주기적으로 공정 챔버 내부로 공급하여 원자층을 순차적으로 성장시켜 박막을 형성한다.

이러한 원자층 증착 공정(ALD)은 화학적 기상 증착 공정(CVD) 및 물리적 기상 증착 공정(PVD) 보다 더욱 정밀하게 두께를 제어할 수 있다는 장점을 가진다. 즉 원자층 증착 공정(ALD)을 통해 생성된 박막 두께는, 소스가스(source gas)와 반응가스를 교대로 주입하는 사이클(Cycle)의 횟수에 따라 정밀하게 제어될 수 있고, 그에 따라 원자층 증착 공정(ALD)이 다양한 분야에서 각광을 받고 있는 실정이다.

한편, 원자층 증착 공정(ALD) 중 하나인 플라즈마 강화 원자층 증착(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition, PEALD)는, 플라즈마를 원자층 증착에 적용함으로써, 플라즈마에 의해 발생된 이온의 충돌효과(ion bombardment)와 라디칼(radical)을 이용한 원자층 증착을 통하여 높은 밀도의 박막을 형성할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착장치가 도시된 도면이다. 종래 기술에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 공정 챔버(10)의 내부에서 소스가스(source gas) 및 반응가스를 서셉터(11)에 로딩된 기판(S)으로 공급하는 샤워헤드(12)를 구비한다.

이러한 종래 기술에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착장치는, 반응가스의 공급 시 반응가스를 기판(S)에 공급하며 샤워헤드(12)와 기판(S)의 사이에 플라즈마를 발생시킨다.

그런데 화학적 기상 증착 공정(CVD)에 비해 저온 상태에서 이루어지는 원자층 증착 공정(ALD)의 특성 상, 기판(S)과 샤워헤드(12) 사이에 발생된 플라즈마가 기판(S)에 형성된 증착층에 데미지를 줄 수 있으며, 그에 따라 플라즈마의 영향으로 박막의 막질이 나빠지는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0020920호, (2009.02.27.)

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 공정을 적용하면서도 플라즈마가 박막의 막질에 악영향을 끼치는 것을 방지할 수 있는 박막 증착 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에서 기판에 대한 원자층 증착 공정(ALD)이 수행되는 공정 챔버에 연결되며, 상기 공정 챔버의 내부에 마련된 증착 영역으로 소스가스(source gas)를 공급하는 소스가스 공급유닛; 상기 공정 챔버에 연결되며, 상기 공정 챔버에 내부에 마련되고 상기 증착 영역에 이격된 플라즈마 영역에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급유닛; 상기 공정 챔버에 연결되며, 상기 플라즈마 영역에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생유닛; 및 상기 증착 영역과 상기 플라즈마 영역 사이에 배치되며, 상기 플라즈마 영역에 공급된 상기 반응가스를 상기 증착 영역으로 안내하는 디퓨저유닛을 포함하는 박막 증착 장치가 제공될 수 있다.

상기 소스가스 공급유닛은, 상기 공정 챔버의 상부벽에 연결되며, 상기 공정 챔버에 마련되되 상기 플라즈마 영역의 상부에 배치되는 전극부를 절연시키는 절연부를 관통하여 상기 디퓨저유닛에 연결되는 소스가스 공급관; 및 상기 소스가스 공급관에 연결되며 상기 소스가스(source gas)를 저장하는 소스가스 저장부를 포함하며, 상기 반응가스 공급유닛은, 상기 공정 챔버의 측벽에 연결되며, 상기 플라즈마 영역에 연통되는 반응가스 공급관; 및 상기 반응가스 공급관에 연결되며 상기 반응가스를 저장하는 반응가스 저장부를 포함할 수 있다.

상기 디퓨저유닛은, 상기 공정 챔버의 내부를 상기 증착 영역과 상기 플라즈마 영역으로 구획하며 상기 증착 영역과 상기 플라즈마 영역을 연통시키는 샤워헤드부를 포함할 수 있다.

상기 샤워헤드부는, 상기 증착 영역을 상기 플라즈마 영역에 대해 차폐하는 헤드 몸체부; 및상기 헤드 몸체부에 마련되며, 상기 증착 영역과 플라즈마 영역을 연통시키되 상호 미리 결정된 간격만큼 이격된 복수개의 연결관로를 포함할 수 있다.

상기 헤드 몸체부는, 중앙 영역에서 가장자리 영역으로 갈수록 두께가 커지는 형상으로 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 헤드 몸체부의 하단부는, 중앙 영역에서 가장자리 영역으로 갈수로 높이가 낮아지는 오목한 형상으로 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 사워헤드부는, 상기 헤드 몸체부의 중앙영역에 마련되고 상기 소스가스 공급유닛이 연결되며, 상기 소스가스(source gas)가 유동되는 소스가스 유동관로를 더 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 영역이 상기 증착 영역의 상부에 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 공정 챔버에 연결되며, 상기 기판을 지지하고 상기 기판을 상기 디퓨저유닛에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동시키는 서셉터유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 서셉터유닛은, 상기 기판을 지지하는 기판 지지부; 및 상기 기판 지지부에 연결되며, 상기 기판 지지부를 상기 기판을 상기 디퓨저유닛에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동시키는 기판 지지부용 이동부를 포함할 수 있다.

상기 기판 지지부는, 상기 기판을 가열하는 히터부를 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 발생유닛은, 상기 샤워헤드부에 전기적으로 연결되는 고주파 전원부(radio frequency source)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 소스가스(source gas)와 반응가스를 각각 증착 영역 및 플라즈마 영역으로 공급하는 소스가스 공급유닛과 반응가스 공급유닛을 구비하며 플라즈마 발생유닛이 플라즈마 영역에만 플라즈마를 발생시킴으로써, 기판의 상부 영역에 해당되는 증착 영역에는 플라즈마를 발생시키지 않아 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 공정을 적용하면서도 플라즈마가 박막의 막질에 악영향을 끼치는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 도 1은 종래 기술에 따른 플라즈마 강화 원자층 증착장치가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 장치가 도시된 도면이다.
도 3은 도 1의 샤워헤드부가 도시된 사시도이다.
도 4는 도 1의 샤워헤드부와 기판이 도시된 도면이다.
도 5 내지 도 8은 도 2의 박막 증착 장치의 동작 상태도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 장치가 도시된 도면이고, 도 3은 도 1의 샤워헤드부가 도시된 사시도이며, 도 4는 도 1의 샤워헤드부와 기판이 도시된 도면이고, 도 5 내지 도 8은 도 2의 박막 증착 장치의 동작 상태도이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 장치는, 내부에서 기판(S)에 대한 원자층 증착 공정(ALD)이 수행되는 공정 챔버(110)에 연결되며 공정 챔버(110)의 내부에 마련된 증착 영역(D)으로 소스가스(source gas)를 공급하는 소스가스 공급유닛(120)과, 공정 챔버(110)에 연결되며 공정 챔버(110)에 내부에 마련되고 증착 영역(D)에 이격된 플라즈마 영역(P)에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급유닛(130)과, 공정 챔버(110)에 연결되며 플라즈마 영역(P)에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생유닛(140)과, 증착 영역(D)과 플라즈마 영역(P) 사이에 배치되며 플라즈마 영역(P)에 공급된 반응가스를 증착 영역(D)으로 안내하는 디퓨저유닛(150)과, 공정 챔버(110)에 연결되며 기판(S)을 지지하고 기판(S)을 디퓨저유닛(150)에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동시키는 서셉터유닛(160)을 포함한다.

본 실시예의 공정 챔버(110)의 내부에서는 기판(S)에 대한 원자층 증착 공정(ALD)이 수행된다. 이러한 공정 챔버(110)는 육면체 형상으로 마련되며, 공정 챔버(110)의 측벽에는 기판(S)이 출입될 수 있는 게이트 밸브(미도시)가 마련된다.

또한, 공정 챔버(110)의 측벽에는 소스가스(source gas), 반응가스, 퍼지가스 등이 공정 챔버(110) 외부로 배출시키는 배출 밸브(미도시)가 마련된다. 배출 밸브(미도시)는 배출용 펌프(미도시)에 연결된 배출용 배관(111)에 연결된다.

공정 챔버(110)의 상부 영역에는 코어부(112)가 마련되는데, 이러한 코어부(112)는, 전극부(113)와, 소스가스 공급유닛(120)을 전극부(113)에 대해 절연시키는 절연부(114)를 포함한다.

전극부(113)는, 도 2 및 도 5 내지 도 8에 자세히 도시된 바와 같이, 플라즈마 영역(P)의 상부 영역에 배치된다. 이러한 전극부(113)는 플라즈마 발생유닛(140)과 연결되어 플라즈마 영역(P)에 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 영역(P)에서의 플라즈마 발생에 대해서는 설명의 편의를 위해 후술한다.

소스가스 공급유닛(120)은, 공정 챔버(110)의 내부에 마련된 증착 영역(D)으로 소스가스(source gas)를 공급한다. 본 실시예의 증착 영역(D)은, 도 2 및 도 5 내지 도 8에 자세히 도시된 바와 같이, 기판(S)과 디퓨저유닛(150)의 사이 공간이다.

이러한 소스가스 공급유닛(120)은, 공정 챔버(110)의 상부벽에 연결되며 절연부(114)를 관통하여 디퓨저유닛(150)에 연결되는 소스가스 공급관(121)과, 소스가스 공급관(121)에 연결되며 소스가스(source gas)를 저장하는 소스가스 저장부(미도시)와, 소스가스 공급관(121)에 연결되며 퍼지가스를 저장하는 퍼지가스 저장부(미도시)를 포함한다.

본 실시예에서 소스가스(source gas)는 증착하고자 하는 박막의 전구체(precursor)와 캐리어 가스를 포함한다. 본 실시예에 따른 소스가스 공급유닛(120)은 기판(S)의 상면에 적어도 한 층의 전구체 원자가 적층될 정도의 시간동안 소스가스(source gas)를 증착 영역(D)으로 공급한다.

또한, 소스가스 공급유닛(120)은 증착 영역(D)으로 퍼지가스를 공급한다. 본 실시예의 퍼지가스는 비활성 기체, 예를 들어 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 가스일 수 있다. 이러한 퍼지 가스는 기판(S)의 상면에 화학 흡착된 한 층의 전구체 원자를 제외한 다른 물리 흡착된 전구체 원자를 기판(S)의 상면에서 제거한다.

한편 반응가스 공급유닛(130)은, 증착 영역(D)에 이격되게 형성된 플라즈마 영역(P)에 반응가스를 공급한다. 도 2 및 도 5 내지 도 8에 자세히 도시된 바와 같이, 본 실시예의 플라즈마 영역(P)은 디퓨저유닛(150)과 코어부(112) 사이의 공간이며, 본 실시예의 플라즈마 영역(P)은 증착 영역(D)의 상부에 형성된다.

반응가스 공급유닛(130)은, 공정 챔버(110)의 측벽에 연결되며 플라즈마 영역(P)에 연통되는 반응가스 공급관(131)과, 반응가스 공급관(131)에 연결되며 반응가스를 저장하는 반응가스 저장부(미도시)와, 반응가스 공급관(131)에 연결되며 퍼지가스를 저장하는 퍼지가스 저장부(미도시)를 포함한다.

본 실시예의 반응가스는, 반응물(reactant)과, 플라즈마 발생을 돕는 보조 가스(assist gas), 예컨대, 아르곤 가스를 포함한다.

또한, 반응가스 공급유닛(130)은 플라즈마 영역(P)으로 퍼지가스를 공급한다. 본 실시예의 퍼지가스는 앞서 설명한 바와 같이 비활성 기체, 예를 들어 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 가스일 수 있다. 이러한 퍼지 가스는 플라즈마 영역(P)에서의 플라즈마 발생에 의한 반응 부산물 등을 배출용 배관(111)을 통해 공정 챔버(110) 외부로 배출한다.

디퓨저유닛(150)은, 증착 영역(D)과 플라즈마 영역(P) 사이에 배치되며, 플라즈마 영역(P)에 공급된 반응가스를 증착 영역(D)으로 안내한다.

이러한 디퓨저유닛(150)은, 공정 챔버(110)의 내부를 증착 영역(D)과 플라즈마 영역(P)으로 구획하며 증착 영역(D)과 플라즈마 영역(P)을 연통시키는 샤워헤드부(151)를 포함한다.

샤워헤드부(151)는, 증착 영역(D)을 플라즈마 영역(P)에 대해 차폐하는 헤드 몸체부(152)와, 헤드 몸체부(152)에 마련되며 증착 영역(D)과 플라즈마 영역(P)을 연통시키는 연결관로(153)와, 헤드 몸체부(152)의 중앙영역에 마련되고 소스가스 공급유닛(120)이 연결되며 소스가스(source gas)가 유동되는 소스가스 유동관로(154)를 포함한다.

헤드 몸체부(152)는 증착 영역(D)을 플라즈마 영역(P)에 대해 차폐하여 증착 영역(D)과 플라즈마 영역(P)을 이격시킨다. 이러한 헤드 몸체부(152)는 원반 형태로 마련되는데, 이에 본 발명의 권리범위가 한정되지 않으며, 본 실시예의 헤드 몸체부(152)는 다양한 형상으로 제작될 수 있다.

본 실시예의 헤드 몸체부(152)는, 도 4에 자세히 도시된 바와 같이, 중앙 영역에서 가장자리 영역으로 갈수록 두께가 커지는 형상으로 마련된다.

이와 같이 본 실시예에 따른 헤드 몸체부(152)는 중앙 영역에서 가장자리 영역으로 갈수록 두께가 커지는 형상으로 마련됨으로써, 소스가스(source gas), 반응 가스 및 퍼지가스 등의 배출 시 헤드 몸체부(152)의 중앙영역에서 가장자리 영역으로 갈수록 소스가스(source gas), 반응 가스 및 퍼지가스 등의 유속이 빨라지도록 한다.

자세히 설명하면, 앞서 설명한 바와 같이, 소스가스 공급유닛(120)에 의해 증착 영역(D)으로 공급된 소스가스(source gas) 및 퍼지가스 등은, 헤드 몸체부(152)의 중앙 영역 아래에서 헤드 몸체부(152)의 가장자리 영역을 거쳐 배출 밸브를 통해 공정 챔버(110) 외부로 배출된다.

즉, 증착 공정 시 소스가스(source gas) 및 퍼지가스 등은 헤드 몸체부(152)의 중앙 영역 아래에서 헤드 몸체부(152)의 가장자리 영역으로 유동되는데, 본 실시예와 같이 헤드 몸체부(152)가 중앙 영역에서 가장자리 영역으로 갈수록 두께가 커지는 형상으로 마련되면, 헤드 몸체부(152)의 중앙영역과 서셉터유닛(160) 사이 영역의 부피에 비해 헤드 몸체부(152)의 가장자리영역과 서셉터유닛(160) 사이 영역의 부피가 작아진다.

유체의 흐름에 있어 유체가 유동되는 공간의 부피가 작아지면 유체역학적으로 유체의 속도가 빨라지므로, 헤드 몸체부(152)가 중앙 영역에서 가장자리 영역으로 갈수록 소스가스(source gas) 및 퍼지가스 등의 유동 속도가 빨라지고, 이러한 소스가스(source gas) 및 퍼지가스 등의 유동 속도 증가는 소스가스(source gas) 및 퍼지가스 등의 배출을 원활히 하고, 궁극적으로 소스가스(source gas)와 반응가스를 교대로 공급하는 공급주기를 단축시켜 공정속도를 높일 수 있다.

또한, 헤드 몸체부(152)의 중앙 영역에서 가장자리 영역으로 갈수록 유동속도가 증가되는 소스가스(source gas) 등의 흐름은, 적층되는 증착층의 균일성(uniformity)을 높여 우수한 막질의 박막이 생성될 수 있도록 한다.

또한 본 실시예에 따른 헤드 몸체부(152)의 하단부는, 이러한 소스가스(source gas) 및 퍼지가스 등의 유동 속도 증가 효과를 더욱 극대화하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이, 중앙 영역에서 가장자리 영역으로 갈수로 높이가 낮아지는 오목한 형상(concave)으로 마련된다.

한편 연결관로(153)는, 헤드 몸체부(152)에 마련되며 증착 영역(D)과 플라즈마 영역(P)을 연통시킨다. 이러한 연결관로(153)는 플라즈마 영역(P)에 공급된 반응가스가 증착 영역(D)으로 유동되도록 하는 통로의 역할을 한다. 따라서, 헤드 몸체부(152)의 상부벽에는 연결관로(153)에 연통되는 유입구(152a)가 형성되며, 헤드 몸체부(152)의 하부벽에는 연결관로(153)에 연통되는 유출구(152b)가 형성된다.

본 실시예에서 연결관로(153)는 복수개로 마련된다. 이러한 복수개의 연결관로(153)는 해드 몸체부에 상호 미리 결정된 간격만큼 이격되어 배치된다.

한편 플라즈마 발생유닛(140)은, 공정 챔버(110)에 연결되며 플라즈마 영역(P)에 플라즈마를 발생시킨다. 이러한 플라즈마 발생유닛(140)은, 샤워헤드부(151)에 전기적으로 연결되는 고주파 전원부(radio frequency source, 141)를 포함한다. 고주파 전원부(141)는 샤워헤드부(151)에 고주파 전원(radio frequency source)을 인가한다.

본 실시예에는 상술한 공정 챔버(110)의 전극부(113)를 고주파 전원부(141)에 대한 관계에서 접지 상태로 구성하고, 샤워헤드부(151)에 고주파 전원을 공급하한다. 이렇게 전극부(113)와 플라즈마 영역(P)을 사이에 두고 이격된 샤워헤드부(151)에 고주파 전원을 인가하면, 플라즈마 영역(P)에 플라즈마가 발생된다.

플라즈마 영역(P)에 발생된 플라즈마는, 플라즈마 영역(P)에 공급된 반응물을 여기시켜 라디칼 상태로 변화시킨다. 라디칼 상태로 여기된 반응물은 연결관로(153)를 통해 기판(S)으로 공급되어 기판(S)에 증착된다. 이때 반응물이 플라즈마에 의해 라디칼 상태로 변화된 상태이므로 반응물의 화학 반응성이 높아지며, 그에 따라 기판(S) 상에 기 증착된 전구체와 반응물 사이의 반응성이 높아진다.

한편 서셉터유닛(160)은, 공정 챔버(110)에 연결되며 기판(S)을 지지하고 기판(S)을 디퓨저유닛(150)에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동시킨다.

이러한 서셉터유닛(160)은, 기판(S)을 지지하는 기판 지지부(161)와, 기판 지지부(161)에 연결되며 기판 지지부(161)를 기판(S)을 디퓨저유닛(150)에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동시키는 기판 지지부용 이동부(162)를 포함한다.

기판 지지부(161)는 로딩(loading)되는 기판(S)을 지지한다. 보통은 증착 대상물인 기판(S)의 면적보다 큰 구조물로 형성되며, 기판 지지부(161)의 상면은 기판(S)이 정밀하게 수평 상태로 로딩될 수 있도록 거의 정반(Surface plate)으로 제조된다.

이러한 기판 지지부(161)는 기판(S)을 가열하는 히터부(161a)를 포함한다. 히터부(161a)는 기판(S)을 가열함으로써 전구체가 기판(S)의 상면에 증착 시 전구체의 반응성을 높인다.

또한 서셉터유닛(160)에는, 그 상단이 기판 지지부(161)의 배면 중앙 영역에 고정되고 하단이 공정 챔버(110)의 하측벽을 통해 하방으로 노출되어 기판 지지부(161)를 승강 가능하게 지지하는 컬럼(163)이 마련된다.

한편 기판 지지부용 이동부(162)는, 기판 지지부(161)에 연결되며 기판 지지부(161)를 기판(S)을 디퓨저유닛(150)에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동시킨다.

이러한 기판 지지부용 이동부(162)는, 기판(S)이 로딩될 때는 공정 챔버(110)의 바닥면 영역에 배치되어 있다가 증착 공정이 진행될 때에는 기판(S)이 샤워헤드부(151)에 인접할 수 있도록, 기판 지지부(161)를 샤워헤드부(151)에 근접하는 방향으로 이동시킨다.

본 실시예에서 이러한 기판 지지부용 이동부(162)는, 기판 지지부(161)를 지지하는 이동 플레이트(164)와, 이동 플레이트(164)에 연결되며 이동 플레이트(164)의 이동을 안내하는 가이드부(165)와, 이동 플레이트(164)에 연결되며 이동 플레이트(164)를 이동시키는 이동 구동부(166)를 포함한다.

본 실시예서 이동 구동부(166)에는 유압 실린더가 사용될 수 있는데, 이에 본 발명의 권리범위가 한정되지 않으며 리니어 모터 등이 이동 구동부(166)로 사용될 수 있다.

이러한 기판 지지부용 이동부(162)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 증착 공정 시 기판(S)을 샤워 헤드부에 근접시킨다. 본 실시예에서 증착 공정 시 기판(S)은 헤드부 몸체의 중앙부에 대해서 5mm 이내로 근접한다.

이와 같이 증착 공정 시 기판(S)과 샤워헤드부(151)가 근접시키게 되면, 공정 속도를 증가시켜 생산성을 높일 수 있으며 증착막의 막질을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

이하에서 본 실시예에 따른 박막 증착 장치의 동작을 도 2 내지 도 4을 참조하여 도 5 내지 도 8을 위주로 설명한다.

먼저 도 5에 도시된 바와 같이, 기판(S)이 기판 지지부(161)에 로딩(loading)된 다음, 소스가스 공급유닛(120)이 증착 영역(D)으로 소스가스(source gas)를 공급한다. 상술한 바와 같이 소스가스(source gas)는 증착하고자 하는 박막의 전구체(precursor)를 포함한다. 증착 영역(D)에 공급된 전구체는 기판(S)의 상면에 증착된다. 이때 히터부(161a)가 기판(S)을 가열하여 전구체의 반응성을 높인다.

다음 도 6에 도시된 바와 같이, 소스가스 공급유닛(120)이 증착 영역(D)으로 퍼지가스를 공급한다. 증착 영역(D)에 공급된 퍼지가스는 기판(S)의 상면에 화학 흡착된 한 층의 전구체 원자를 제외한 다른 물리 흡착된 전구체 원자를 제거한다.

다음 도 7에 도시된 바와 같이, 반응가스 공급유닛(130)이 플라즈마 영역(P)으로 반응가스를 공급한다. 상술한 바와 같이 반응가스는 반응물(reactant)을 포함한다.

이때, 플라즈마 발생유닛(140)은 헤드 몸체부(152)에 고주파 전원을 인가하여 헤드 몸체부(152)와 전극부(113) 사이의 영역인 플라즈마 영역(P)에 플라즈마를 발생시킨다.

플라즈마 영역(P)에 발생된 플라즈마는 플라즈마 영역(P)의 반응물을 여기시켜 라디칼 상태로 변화시킨다. 라디칼 상태로 여기된 반응물은 연결관로(153)를 통해 기판(S)으로 공급되어 기판(S)에 증착된다. 이때 반응물이 플라즈마에 의해 라디칼 상태로 변화된 상태이므로 반응물의 화학 반응성이 높아지며, 그에 따라 기판(S) 상에 기 증착된 전구체와 반응물 사이의 반응성이 높아진다.

본 발명의 실시예의 경우 종래기술과 달리 플라즈마가 샤워헤드부(151)의 상부 영역인 플라즈마 영역(P)에서 발생되므로, 기판(S)과 샤워헤드부(151) 사이의 영역인 증착 영역(D)에는 플라즈마를 발생시키지 않고, 그에 따라 플라즈마가 박막의 막질에 악영향을 끼치는 것이 방지된다.

다음 도 8에 도시된 바와 같이, 반응가스 공급유닛(130)이 플라즈마 영역(P)으로 퍼지가스를 공급한다. 플라즈마 영역(P)으로 공급된 연결관로(153)를 통해 기판(S)으로 공급되며, 기판(S)으로 공급된 퍼지가스는 전구체에 화학 흡착된 한 층의 반응물 원자를 제외한 다른 물리 흡착된 반응체 원자를 제거한다.

상술한 소스가스(source gas)의 공급, 퍼지가스의 공급, 반응가스의 공급 및 퍼지가스의 공급을 반복되어 기판(S)의 상면에 원자단위의 증착층이 적층되어 박막이 형성된다.

이와 같이 본 실시예에 따른 박막 증착 장치는, 소스가스(source gas)와 반응가스를 상호 이격된 증착 영역(D) 및 플라즈마 영역(P)으로 각각 공급하며 플라즈마 영역(P)에만 플라즈마를 발생시킴으로써, 기판(S)의 상부 영역에 해당되는 증착 영역(D)에는 플라즈마를 발생시키지 않아 플라즈마 강화 원자층 증착(PEALD) 공정을 적용하면서도 플라즈마가 박막층의 막질에 악영향을 끼치는 것을 방지할 수 있다.

이상 도면을 참조하여 본 실시예에 대해 상세히 설명하였지만 본 실시예의 권리범위가 전술한 도면 및 설명에 국한되지는 않는다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

110: 공정 챔버 111: 배출용 배관
112: 코어부 113: 전극부
114: 절연부 120: 소스가스 공급유닛
121: 소스가스 공급관 130: 반응가스 공급유닛
131: 반응가스 공급관 140: 플라즈마 발생유닛
141: 고주파 전원부 150: 디퓨저유닛
151: 샤워헤드부 152: 헤드 몸체부
152a: 유입구 152b: 유출구
153: 연결관로 154: 소스가스 유동관로
160: 서셉터유닛 161: 기판 지지부
161a: 히터부 162: 기판 지지부용 이동부
163: 컬럼 164: 이동 플레이트
165: 가이드부 166: 이동 구동부
D: 증착 영역 P: 플라즈마 영역
S: 기판

Claims

내부에서 기판에 대한 원자층 증착 공정(ALD)이 수행되는 공정 챔버에 연결되며, 상기 공정 챔버의 내부에 마련된 증착 영역으로 소스가스(source gas)를 공급하는 소스가스 공급유닛;
상기 공정 챔버에 연결되며, 상기 공정 챔버에 내부에 마련되고 상기 증착 영역에 이격된 플라즈마 영역에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급유닛;
상기 공정 챔버에 연결되며, 상기 플라즈마 영역에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생유닛; 및
상기 증착 영역과 상기 플라즈마 영역 사이에 배치되며, 상기 플라즈마 영역에 공급된 상기 반응가스를 상기 증착 영역으로 안내하는 디퓨저유닛을 포함하는 박막 증착 장치.
제1항에 있어서,
상기 소스가스 공급유닛은,
상기 공정 챔버의 상부벽에 연결되며, 상기 공정 챔버에 마련되되 상기 플라즈마 영역의 상부에 배치되는 전극부를 절연시키는 절연부를 관통하여 상기 디퓨저유닛에 연결되는 소스가스 공급관; 및
상기 소스가스 공급관에 연결되며 상기 소스가스(source gas)를 저장하는 소스가스 저장부를 포함하며,
상기 반응가스 공급유닛은,
상기 공정 챔버의 측벽에 연결되며, 상기 플라즈마 영역에 연통되는 반응가스 공급관; 및
상기 반응가스 공급관에 연결되며 상기 반응가스를 저장하는 반응가스 저장부를 포함하는 박막 증착 장치.
제1항에 있어서,
상기 디퓨저유닛은,
상기 공정 챔버의 내부를 상기 증착 영역과 상기 플라즈마 영역으로 구획하며 상기 증착 영역과 상기 플라즈마 영역을 연통시키는 샤워헤드부를 포함하는 박막 증착 장치.
제3항에 있어서,
상기 샤워헤드부는,
상기 증착 영역을 상기 플라즈마 영역에 대해 차폐하는 헤드 몸체부; 및
상기 헤드 몸체부에 마련되며, 상기 증착 영역과 플라즈마 영역을 연통시키되 상호 미리 결정된 간격만큼 이격된 복수개의 연결관로를 포함하는 박막 증착 장치.
제4항에 있어서,
상기 헤드 몸체부는, 중앙 영역에서 가장자리 영역으로 갈수록 두께가 커지는 형상으로 마련되는 것을 특징으로 박막 증착 장치.
제5항에 있어서,
상기 헤드 몸체부의 하단부는, 중앙 영역에서 가장자리 영역으로 갈수로 높이가 낮아지는 오목한 형상으로 마련되는 것을 특징으로 박막 증착 장치.
제4항에 있어서,
상기 사워헤드부는,
상기 헤드 몸체부의 중앙영역에 마련되고 상기 소스가스 공급유닛이 연결되며 상기 소스가스(source gas)가 유동되는 소스가스 유동관로를 더 포함하는 박막 증착 장치.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 영역이 상기 증착 영역의 상부에 마련되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제1항에 있어서,
상기 공정 챔버에 연결되며, 상기 기판을 지지하고 상기 기판을 상기 디퓨저유닛에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동시키는 서셉터유닛을 더 포함하는 박막 증착 장치.
제9항에 있어서,
상기 서셉터유닛은,
상기 기판을 지지하는 기판 지지부; 및
상기 기판 지지부에 연결되며, 상기 기판 지지부를 상기 기판을 상기 디퓨저유닛에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동시키는 기판 지지부용 이동부를 포함하는 박막 증착 장치.
제10항에 있어서,
상기 기판 지지부는, 상기 기판을 가열하는 히터부를 포함하는 박막 증착 장치.
제2항에 있어서,
상기 플라즈마 발생유닛은, 상기 샤워헤드부에 전기적으로 연결되는 고주파 전원부(radio frequency source)를 포함하는 박막 증착 장치.