KR20190008702A - 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 보다 큰 대면적의 전자빔을 이용하여 챔버 내부의 공정가스를 이온화하되, 대면적 전자빔의 상태를 가변하여 챔버로 방출하여 챔버 내에서 이방성 모드와 등방성 모드의 박막 공정이 복합적으로 수행되도록 함으로써, 패턴 단차가 큰 기판에 대해서도 균일한 특성의 박막 공정 처리를 수행할 수 있도록 해 주는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치는 내부 공간이 형성되고, 상부측에 공정 가스가 유입되는 가스 유입구가 형성되며, 하부측에 가스가 배출되는 가스 배출구가 형성됨과 더불어 기판이 안착되는 기판 지지대가 형성되는 챔버와, 상기 챔버의 측면에 결합되면서 챔버 내측으로 상기 기판보다 큰 대면적의 전자빔을 방출하되, 챔버 내에서 공정가스의 진행방향과 수직하는 방향으로 대면적의 전자빔을 방출하는 전자빔 발생수단을 포함하여 구성되고, 상기 전자빔 발생수단은 대면적의 전자빔을 생성하는 전자빔 생성부와, 상기 전자빔 생성부에서 생성된 대면적 전자빔의 폭을 일정 주기 단위로 가변시키면서 상기 챔버로 방출함으로써, 챔버 내부에서 전자빔 폭에 대응하여 등방성 모드와 이방성 모드의 박막 공정이 교대로 이루어지도록 하는 전자빔 조정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치{THIN FILM PROCESSING APPARATUS USING LARGE AREA E-BEAM}
본 발명은 기판 보다 큰 대면적의 전자빔을 이용하여 챔버 내부의 공정가스를 이온화하되, 대면적 전자빔의 상태를 가변하여 챔버로 방출하여 챔버 내에서 이방성 모드와 등방성 모드의 박막 공정이 복합적으로 수행되도록 함으로써, 패턴 단차가 큰 기판에 대해서도 균일한 특성의 박막 공정 처리를 수행할 수 있도록 해 주는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자는 도전막 및 절연막의 증착 공정, 포토리소그래피 공정에 의한 마스크 형성 공정 및 마스크를 이용한 식각 공정에 의해 제조된다.
최근의 반도체 장치의 고집적화, 고밀도화 추세에 따라 더욱 미세한 패턴을 형성하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 예를 들면, 전자 빔, 이온 빔 또는 X선을 이용한 노광법이나, 광원의 회절을 이용한 변형조명방법, 새로운 레지스트 재료나 레지스트 처리 방법 등에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다.
특히, 반도체 소자에서 절연막으로 이용되는 실리콘 옥사이드(Sio2), 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 등은 비용 효율성 및 막 특성 조정력으로 인해 플라즈마를 이용한 화학 기상 증착(CVD) 공정을 이용하여 기판에 형성된 패턴에 수 nm ~ 수 μm 정도까지 증착된다.
선행기술자료로써, 특허공개번호 제10-2011-0009872호(공개일자 2011년01월31일)를 보면 전자빔 조사를 이용한 박막의 특성을 변환하는 장치 및 방법에 관한 기술내용이 공개되어 있다.
상기한 전자빔 조사를 이용한 박막의 특성을 변환하는 장치는 진공 챔버, 상기 진공 챔버의 하부에 장착되며 스퍼터링법 또는 플라즈마 화학 기상 증착법을 이용하여 박막이 증착되는 기판, 상기 기판을 안치시키는 기판 홀더, 및 상기 진공 챔버의 상단의 일측에서 상기 기판을 향하여 전자빔을 조사하여 상기 박막을 결정화하는 전자빔 방출부를 포함한다.
여기서, 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(PECVD) 공정을 이용하는 경우 유리기판 상부에 산화규소(SiO2), 질화실리콘(Si3N4) 등을 통상 2 Torr의 압력과 300 ~ 400℃의 고온환경에서 공정이 진행된다.
그러나, 이러한 통상의 PECVD 공정의 경우 300 ~ 400℃의 고온에서 이루어지므로 유리기판이 아닌 유연 디스플레이(flexible display)에 이용되는 유연기판(flexible substrate)인 합성수지 기판상에는 통상의 PECVD 공정을 통해 절연막을 형성하는 경우 열 부담에 의해 합성수지 기판 손상이 되는 문제점이 있다.
그에 따라, 낮은 온도에서 공정을 진행하기 위한 대안으로서, 마이크로 웨이브 (micro-wave)를 이용하여 전자의 운동에너지를 증가시켜 이온화 효율을 높이는 방법, 전자와 자계의 공진에 의하여 이온화률을 높이는 ECR (electron cyclone resonant ) 방법, 유도 결합 플라즈마를 이용한 플라즈마 발생장치 등이 제안된 바 있으나, 상기의 장치들은 기판 면적이 커질수록 전기장, 자기장의 균일한 분포가 제공되기 어려워짐에 따라 진공챔버 내에서 플라즈마의 균일한 생성이 불가능하게 되고, 그에 따라 저온에서의 균일한 박막 증착에 어려움이 있었다.
또한, 기판에 형성되는 패턴의 상층부와 하층부간의 단차가 일정 높이 이상인 경우, 챔버 내 상부 전극을 이용하여 플라즈마를 발생시켜 공정 가스를 전리 증착시키는 방법은 기판상의 지향성 증착 성분으로 인해 패턴의 상층부와 하층부 및 측면부에 증착되는 막의 두께 및 물질의 조성비에 차이를 발생시키게 된다.
즉, 기판에 형성되는 패턴에 균일한 특성을 갖는 박막의 형성에 어려움이 있게 되고, 이는 결국 불균일한 특성의 박막 공정을 통해 양상된 반도체 소자의 신뢰도를 낮추는 문제를 유발하게 된다.
1. 한국등록특허 제10-1042636호 (명칭 : 에너지빔 조사를 이용한 실리콘 박막 제조방법) 2. 한국공개특허 제10-2017-0059510호 (명칭 : 박막 증착 장치 및 증착 방법)
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 기판보다 큰 대면적의 전자빔을 이용하여 챔버 내부의 공정가스를 이온화함으로써, 저온 환경에서 기판에 형성된 패턴에 대한 박막 공정을 수행할 수 있도록 해 주는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치를 제공함에 그 기술적 목적이 있다.
또한, 챔버 내부로 제공되는 대면적 전자빔의 폭을 조절하여 챔버 내에서 등방성 증착모드와 이방성 증착모드가 복합적으로 동작되도록 함으로써, 패턴 단차가 큰 기판에 대해서도 균일한 특성의 박막 공정처리를 수행할 수 있도록 해 주는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치를 제공함에 또 다른 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 내부 공간이 형성되고, 상부측에 공정 가스가 유입되는 가스 유입구가 형성되며, 하부측에 가스가 배출되는 가스 배출구가 형성됨과 더불어 기판이 안착되는 기판 지지대가 형성되는 챔버와, 상기 챔버의 측면에 결합되면서 챔버 내측으로 상기 기판보다 큰 대면적의 전자빔을 방출하되, 챔버 내에서 공정가스의 진행방향과 수직하는 방향으로 대면적의 전자빔을 방출하는 전자빔 발생수단을 포함하여 구성되고, 상기 전자빔 발생수단은 대면적의 전자빔을 생성하는 전자빔 생성부와, 상기 전자빔 생성부에서 생성된 대면적 전자빔의 폭을 일정 주기 단위로 가변시키면서 상기 챔버로 방출함으로써, 챔버 내부에서 전자빔 폭에 대응하여 등방성 모드와 이방성 모드의 박막 공정이 교대로 이루어지도록 하는 전자빔 조정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자빔 조정부는 상기 전자빔 발생부로부터 제공되는 대면적 전자빔 방출 경로를 챔버측으로 안내함과 더불어, 대면적 전자빔 방출 경로를 따라 대면적 전자빔을 챔버측으로 집중시키는 마그네틱 렌즈와 고전압 레벨에 대응되도록 2차 전자를 가속시키는 그리드 전극이 교대로 배치되는 구조를 통해 챔버로 방출되는 대면적 전자빔의 폭을 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자빔 조정부의 끝단에는 외부 가스가 전자빔 조정부 내부로 유입되는 것을 차단하기 위한 가스 실드가 추가로 형성되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자빔 조정부는 상기 마그네틱 렌즈와 그리드 전극 사이에 공정 가스를 배기시켜 전자빔 방출 경로를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 라인이 추가적으로 형성되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 챔버는 상부에 형성되는 상부전극과 이 상부 전극에 고주파 전원을 공급하는 제1 고주파 발생기를 추가로 구비하여 상기 전자빔에 의해 생성되는 플라즈마 보다 높은 위치에 상부 플라즈마를 더 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 전극에는 고주파 공진 전류를 챔버 내로 통과시키기 위한 유전체 창이 형성되고, 상기 유전체 창에는 플라즈마 내의 이온화율을 높이기 위한 고정자석, 전자석, 유도결합코일, 용량성 코일 중 적어도 어느 하나가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 챔버의 하부에는 하부 전극이 형성되고 상기 하부 전극에 고주파 전원을 인가하는 제2 고주파 발생기가 접속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자빔 발생부는 몸체 내부 상측에 형성되어 몸체 내측으로 공정 가스를 유입하기 위한 가스 유입구와, 몸체 내부 상측에 설치되면서 상방으로 만곡진 곡면 형상으로 형성되어 2차 전자를 방출하는 캐소드, 상기 캐소드의 하측으로 평균 자유 행로 내에 설치되고, 상기 캐소드에 대응되는 형상의 곡면 상에 다수의 홀이 형성되어 캐소드의 초점 위치에서 생성되는 라인 형태의 전자빔을 상기 전자빔 조정부로 방출하는 애노드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자빔 발생부는 몸체 내부 상측에 설치되면서 하단이 상방으로 만곡진 곡면 형상으로 형성되고, 챔버 상측으로부터 길이방향으로 관통되는 다수의 가스홀을 형성하도록 구성되며, 이 가스홀들을 통해 공급되는 공정 가스가 전리됨으로써, 2차 전자를 방출하는 캐소드와, 상기 캐소드의 하측에 설치되고, 상기 캐소드에 대응되는 형상의 곡면 상에 다수의 홀이 형성되어 캐소드의 초점 위치에서 생성되는 라인 형태의 전자빔을 상기 전자빔 조정부로 방출하는 애노드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 기판보다 큰 대면적의 전자빔을 이용하여 챔버 내부의 공정가스를 이온화함으로써, 저온 환경에서의 박막 공정처리를 수행하는 것이 가능하다.
또한, 챔버로 방출되는 대면적 전자빔의 폭을 조절하여 등방성 모드와 이방성 모드의 박막 공정처리가 교번하여 이루어지도록 함으로써, 패턴 단차가 큰 기판에 대해서도 균일한 두께 및 조성비를 갖는 박막 공정처리를 진행할 수 있다.
또한, 전자빔 발생수단과 챔버가 물리적으로 분리되어 독립적인 운용이 가능함으로써, 상호간 내부 환경을 고려한 제어를 통해 보다 안정적으로 연속적인 박막 공정 수행이 가능하다. ,
또한, 챔버 내부에 상부 전극을 추가적으로 구성하여 챔버 내 플라즈마 환경을 추가적으로 형성함으로써, 고밀도 플라즈마 생성에 의한 높은 증착률/식각률 및 박막의 밀도 증가에 따른 양질의 전기적 광학적 막 형성이 가능하다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치의 구성을 설명하는 도면.
도2는 도1에 도시된 전자빔 발생수단(200)의 내부구성을 설명하기 위한 도면.
도3은 도2에 도시된 전자빔 발생부(210)의 구성을 예시한 도면.
도4는 도1에 도시된 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치의 박막 공정 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도5는 도4에서 전자빔 상태에 따른 공정 모드 진행 상태를 설명하기 위한 도면.
도6과 도7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치의 구성을 설명하는 도면.
본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
도1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전자빔을 이용한 박막 공정 장치는 챔버(100)와, 이 챔버(100)의 내측으로 전자빔(201)을 방출하는 전자빔 발생수단(200)을 포함하여 구성된다.
상기 챔버(100)는 내부 공간이 형성되면서, 상부측에 공정 가스가 유입되는 가스 유입구(110)가 형성되고, 하부측에 공정 가스가 배출되는 가스 배출구(120)가 형성된다. 상기 가스 배출구(120)의 일측에는 진공 펌프(160)가 형성되어 챔버(100) 내의 가스를 외부로 배출함으로써 챔버(100) 내부를 진공상태로 유지할 수 있도록 한다.
또한, 챔버(100)의 내부 하측에는 기판 지지대(130)가 형성되어 공정 대상 기판(140)이 안착된다. 이때, 상기 기판(140)의 상면에는 단차를 갖는 각종 형태의 패턴이 형성된다.
또한, 상기 기판 지지대(130)의 하측에는 기판(140)상의 박막 상부 및 하부를 균일하게 경화시키기 위해 가열 수단(150)을 추가로 구비하여 구성될 수 있다. 가열 수단(150)은 적외선 히터 또는 열판 등을 포함하는 기판(140)으로 열을 전달할 수 있는 각종 형태의 수단이 될 수 있다.
상기, 전자빔 발생수단(200)은 상기 챔버(100)의 일측, 즉 좌측면 또는 우측면에 설치되어 공정가스의 진행 방향과 수직방향으로 전자빔(201)을 방출하는 것으로, 챔버(100) 내 기판(140)의 상면으로부터 5mm ~ 150mm 상측에서 전자빔(201)이 방출되도록 챔버(100)와 결합되다.
또한, 상기 전자빔 발생수단(200)은 상기 챔버(100) 내에 안착된 기판(140)의 크기보다 큰 대면적을 가지는 라인빔 형상의 전자빔(201)을 기판(140)의 상측에서 기판(140)의 공정 면과 평행한 방향 즉, 공정 가스가 낙하하는 진행방향과 수직하는 방향으로 방출한다. 이때, 상기 전자빔 발생수단(200)은 공정 가스의 종류 및 챔버(100)의 진공 상태에 대응하여 전자빔(201)의 가속 에너지를 적절한 정도로 조정하여 출력한다.
또한, 상기 전자빔 발생수단(200)은 일정 높이 이상의 단차를 갖는 기판(140)상의 패턴에 대해 균일한 박막을 형성하기 위해 챔버(100)로 방출되는 전자빔(201)의 상태를 조절하여 등방성 모드와 이방성 모드의 공정이 교대로 반복 수행되도록 제어한다.
즉, 본 발명에 있어서는 상기 챔버(100) 내부가 진공 상태를 유지하는 상태에서, 챔버(100) 상부에 형성된 가스 유입구(110)로부터 유입된 공정 가스가 하방으로 낙하하면서 챔버(100) 측면으로부터 방출되는 전자빔(201)에 의해 전리되어 플라즈마가 형성되고, 전리된 공정 가스가 기판(140)에 형성된 일정 단차를 갖는 패턴과 화학적 물리적으로 결합함으로써, 기판(140)에 대해 목적하는 박막 공정이 수행된다. 예컨대, 공정 가스의 종류에 따라 박막 증착 공정, 또는 박막 식각 공정을 포함하는 박막 공정이 수행된다.
이때, 챔버(100)와 전자빔 발생수단(200)은 독립적으로 각 내부 환경을 조정하는 것이 가능하도록 구성된다. 이에 따라 종래 챔버(100) 내에서 전자빔을 발생하는 구조에서 챔버 내부 압력이 전자빔 발생 조건을 벗어남으로 인해 공정이 중단되는 등의 문제를 해결할 수 있다.
또한, 도1에는 챔버(100)에 대해 하나의 전자빔 발생수단(200)이 결합되도록 구성하였으나, 챔버(100)의 일측 또는 양측으로 다수의 전자빔 발생수단(200)이 결합되어 구성될 수 있음은 물론이다.
도2는 도1에 도시된 전자빔 발생수단(200)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도2에 도시된 바와 같이 전자빔 발생수단(200)은 전자빔 발생부(210)와 전자빔 조정부(220)를 포함하여 구성된다.
전자빔 발생부(210)는 대면적 전자빔(201)을 발생하여 상기 전자빔 조정부(220)로 방출한다. 이때, 대면적 전자빔(201)은 1mm ~ 10cm 의 폭과 기판(140) 보다 큰 넓이를 가지면서, 0.1KV ~20KV의 가속 에너지를 갖고, 10 ~ 100mA의 전류 밀도를 갖는다.
또한, 상기 전자빔 발생부(210)는 냉음극 2차 전자 발생장치 또는 Hallow cathode 전자 빔 장치 등의 목적하는 상태의 전자빔(201)을 발생시키는 각종 형태로 구현될 수 있다. 이때, 전자빔 발생부(210)의 전원은 DC 전원 ,DC pulse 전원 및 전압을 일정 주기로 변환시키는 방법 등을 이용할 수 있다. 냉음극 2차 전자발생원을 사용하는 경우 전자빔은 양극과 음극으로 구성되며 음극의 전원은 0.1 ~ 10 KV의 부전원과 양극의 전원은 10 ~ 300V의 부전원을 사용하고, 양극의 위치는 제2 음극의 하부에 설치되며, 형태는 메쉬타입 혹은 플레이트를 사용하고, 음극의 재료는 일함수가 낮은 물질 중 스퍼터링 효율이 낮고 2차 전자 방출 효율이 좋은 알루미늄, 카본, 등의 재료가 이용될 수 있다.
전자빔 조정부(220)는 챔버(100)의 내부 공간과 상기 전자빔 발생부(210)를 연결시키고, 전자빔 발생부(210)로부터 발생된 전자빔(201)을 챔버(100) 내부 공간으로 방출시키는 기능을 수행한다. 이때, 상기 전자빔 조정부(220)는 전자빔 발생부(210)의 구조에 따라 일자("-") 형상(도2 A) 또는 일측이 챔버(100) 방향으로 절곡된 니은자("ㄴ")형상(도2 B)으로 구성될 수 있다.
즉, 상기 전자빔 조정부(200)는 상기 전자빔 발생부(210)에서 발생된 전자빔(201)의 방출 경로를 챔버(100) 측으로 안내하기 위해 터널 형태의 구조를 가지며, 전자빔 방출 경로 주변으로 적어도 하나 이상의 마그네틱 렌즈(221)와 그리드 전극(222)이 전자빔 방출 방향으로 교번되게 배치되는 형태로 구성된다. 이때, 상기 마그네틱 렌즈(221)와 그리드 전극(222)은 사용자가 전기적인 입력 레벨, 예컨대 전류 또는 전압 레벨을 임의로 조절함으로써, 전자빔 방출 경로의 자장 및 전압 환경을 변화시킬 수 있도록 구성된다.
그리고, 전자빔 조정부(220)의 전자빔 방출단에는 챔버(100) 내부의 가스가 전자빔 조정부(220) 내부로 유입되는 것을 차단하기 위한 가스 실드(223)가 추가적으로 형성된다. 이에 따라 전자빔의 내부 오염을 방지하는 것이 가능하다.
또한, 마그네틱 렌즈(221)와 그리드 전극(222) 사이에는 전자빔 조정부(220)의 내부 공간을 일정 레벨의 진공 상태로 유지하기 위한 진공 라인(224)이 추가적으로 형성될 수 있다. 즉, 진공 라인(224)을 통해 전자빔 조정부(220) 내부, 보다 상세하게는 전자빔 방출 경로의 진공 상태를 임의로 조절하는 것이 가능하다. 이에 따라, 챔버(110) 내부의 진공도(압력)를 고려하여 전자빔 조정부(220) 내부 공간의 진공도(압력)를 독립적으로 조절함으로써, 보다 안정적인 전자빔(201)의 생성이 가능하게 된다.
여기서, 상기 마그네틱 렌즈(221)는 전자빔 조정부(200)로 유입되는 대면적 전자빔(201)을 챔버(100)측으로 집중시키고, 상기 그리드 전극(222)은 고전압에 의해 2차 전자를 가속시켜 전자빔(201), 보다 상세하게는 상기 마그네틱 렌즈(221)에 의해 집중된 전자빔(201)의 밀도를 10배 ~ 100배로 높이는 역할을 수행한다. 그리고, 상기 그리드 전극(222)은 적어도 하나 이상의 홀이 형성되는 것으로, 일정 길이를 갖는 슬릿 구조의 그리드로 구현될 수 있다.
이때, 마그네틱 렌즈(221)의 자장에 따라 전자빔(201)의 집중도 즉, 전자빔(201) 폭이 조절되고, 그리드 전극(222)에 인가되는 10 ~ 200KV의 고전압 레벨에 따라 전자빔(201) 밀도가 달라진다. 즉, 상기 마그네틱 렌즈(221)와 그리드 전극(222)으로 인가되는 전압 레벨을 조절하여 챔버(100)로 방출되는 전자빔(201)의 상태, 보다 상세하게는 전자빔(201)의 폭과 밀도를 조절함으로써, 챔버(100) 내부에서 전자빔(201)에 의해 형성되는 플라즈마에 의해 공정 모드가 변경됨과 더불어 공정률이 변경된다. 다시말해, 전자빔(201) 폭을 일정 레벨 이하, 예컨대 5mm ~ 30mm로 설정하여 챔버(100) 내부에서 이방성(Anisotropic) 모드로 공정이 이루어지도록 하고, 전자빔(201) 폭을 일정 레벨 이상, 예컨대 1cm ~ 10cm으로 설정하여 챔버(100) 내부에서 등방성(Isotropic) 모드로 공정이 이루어지도록 한다.
한편, 도3은 도2에 도시된 전자빔 발생부(210)의 내부구성을 예시한 도면이다.
도3 (C)에 도시된 바와 같이, 전자빔 발생부(210)는 내부 공간이 형성되고 일측이 접지되며, 일측에 공정 가스가 유입되는 가스 유입구(211)가 형성됨과 더불어 진공상태를 유지하기 위한 진공 수단(미도시)이 구비되는 몸체와, 몸체의 상부측에 설치되고, 상방으로 만곡진 곡면 형상으로 형성되어 2차 전자를 방출하는 캐소드(212) 및, 상기 캐소드(212)의 하측으로 평균 자유 행로 내에 설치되고, 상기 캐소드(212)에 대응되는 형상의 곡면 상에 다수의 홀이 형성되어 라인 형태의 전자빔(201)을 방출하는 애노드(213)로 구성될 수 있다. 이때, 상기 몸체는 내부 공간을 형성하면서 캐소드(212)의 초점 위치(F)가 개구되는 구조로서, 캐소드(212)와 애노드(213)에 의해 캐소드(212)의 초점 위치(F)에 라인 형상의 전자빔(201)이 생성되어 상기 전자빔 조정부(220)로 방출된다. 이는 본 출원인이 선출원한 국내특허출원 10-2017-0087534호에 기재된 전자빔 관체 구성과 유사한 것으로, 그 작용에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
또한, 전자빔 발생부(210)는 도3 (D)에 도시된 바와 같이, 내부 공간이 형성되고 일측이 접지되며, 일측에 진공상태를 유지하기 위한 진공 수단(미도시)이 구비되는 몸체와, 상기 몸체의 상부측에 설치되고, 하단이 상방으로 만곡진 곡면 형상으로 형성되면서 몸체 상측으로부터 길이방향으로 관통되는 다수의 가스홀(212A)을 형성하도록 구성되며, 이 가스홀(212A)들을 통해 공급되는 공정 가스가 전리됨으로써, 2차 전자를 방출하는 캐소드(122)와, 상기 캐소드(212)의 하측에 설치되고, 상기 캐소드(212)에 대응되는 형상의 곡면 상에 다수의 홀이 형성되어 라인 형태의 전자빔(201)을 방출하는 애노드(203)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 몸체는 내부 공간을 형성하면서 캐소드(212)의 초점 위치(F)가 개구되는 구조로서, 캐소드(212)와 애노드(213)에 의해 캐소드(212)의 초점 위치(F)에 라인 형상의 전자빔(201)이 생성되어 전자빔 조정부(220)로 방출된다. 이는 본 출원인이 선출원한 국내특허출원 10-2017-0087539호에 기재된 공간분할관체 구성과 유사한 것으로, 그 작용에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
상기 도3에 도시된 바와 같이 하방으로 전자빔(201)을 방출하는 구조의 전자빔 발생부(210)에 대해서는 도2의 (B)와 같이 일측이 절곡된 "ㄴ"자 형상의 전자빔 조정부(220)를 통해 챔버(100)와 결합될 수 있다.
이어, 도1에 도시된 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치를 이용한 박막 공정 과정을 도4에 도시된 흐름도를 참조하여 설명한다.
도4를 참고하면, 먼저 일정 높이 이상의 단차를 갖는 패턴(도 5의 P)이 형성된 기판(140)이 챔버(100) 내의 기판 지지대(130) 상에 로딩된다(ST10).
기판(140)이 로딩되면, 진공 펌프(160)가 작동하여 챔버(110)의 가스 배출구(120)를 통해 가스가 배출됨으로써 챔버(100) 내부에 진공을 형성함과 더불어, 압력 조절 밸브(미도시)를 통해 챔버(100) 내부 압력을 조절한다(ST20). 예컨대, 챔버(100)의 내부는 0.01 ~ 0.1Torr 의 낮은 압력으로 조절되어 진공 저압 상태의 박막 공정 환경을 형성한다.
이어, 챔버(100)의 가스 유입구(110)를 통해 공정 가스가 유입되고, 전자빔 발생수단(200)을 통해 적어도 둘 이상의 서로 다른 상태를 갖는 대면적의 전자빔(201)이 교번하여 챔버(100)로 유입된다(ST30, ST40). 예컨대, 실리콘 산화막을 증착을 위해 silan(SiH4), 산소(O2), 질소(N2) 및, TEOS(tetraethyl orthosilicate) 등의 공정 가스가 사용된다.
상기 전자빔 발생수단(200)은 외부로부터 인가되는 전원에 대응하여 대면적의 전자빔(201)을 생성하고, 기 설정된 전자빔 프로파일에 기초하여 전자빔(201) 상태, 보다 상세하게는 전자빔(201)의 폭과 에너지를 가변함으로써, 서로 다른 상태의 대면적 전자빔(201)을 교번하여 챔버(100)으로 방출한다. 이때, 전자빔(201) 생성을 위해서는 아르곤(Ar), 헬륨(He), 질소(N2) 등이 이용된다.
상기 전자빔 발생수단(200)에서 생성된 전자빔(201)이 챔버(100)의 측방에서 내측으로 방출되면서 챔버(100) 내에서 공정가스가 전리되어 플라즈마(도1의 점선)가 형성되고, 이에 따라 본격적인 박막 공정이 개시된다(ST50). 즉, 전자빔 발생장치(200)에서 방출되는 기판(140) 크기보다 큰 면적의 대면적 전자빔(201)에 의해 챔버(100)의 상측에서 유입되어 하방으로 낙하하는 공정가스가 전리되고, 플라즈마 내의 전자, 이온 또는 가스 분자들에 의해 1×1010 ~1×1012/cm3 의 고 밀도의 플라즈마 막을 형성함으로써, 100 ~250℃ 의 낮은 온도에서 박막 공정이 가능하게 된다.
이때, 전자빔 발생수단(200)으로부터 방출되는 전자빔(201)의 폭 두께에 따라 챔버(100) 내부에서의 박막 공정 모드가 이방성 모드와 등방성 모드로 변화된다.
이방성 모드는 도5 (X)에 도시된 바와 같이 공정가스가 전리되어 발생된 이온이 수직한 방향으로 기판(140)으로 증착됨으로써, 주로 패턴(P)의 상면부와 하면부에 대한 박막 공정이 이루어진다.
또한, 등방성 모드는 도5 (Y)에 도시된 바와 같이 공정가스가 전리되어 발생된 이온이 랜덤한 방향으로 기판(140)에 증착됨으로써, 주로 패턴(P)의 측면부에 대한 박막 공정이 이루어진다.
도5 (Z)는 전자빔 발생수단(200)에서 챔버(100)로 방출되는 전자빔 프로파일을 예시한 것으로, 전자빔(201) 폭 두께를 일정 시간 단위로 교번하여 조정하여 출력하는 전자빔 프로파일이 도시되어 있다. 즉, 전자빔(201) 폭 두께를 일정 레벨 이상 크게(H) 설정함으로써 등방성 모드가 설정되고, 전자빔(201) 폭 두께를 일정 레벨 미만으로 작게(L) 설정함으로써 이방성 모드가 설정될 수 있다.
도5 (Z)에는 등방성 모드와 이방성 모드가 동일한 시간 단위로 수행되도록 전자빔(201) 폭 두께를 조절하는 전자빔 프로파일이 예시되어 있으나, 기판(140)에 형성된 패턴(P)의 단차 높이에 따라 등방성 모드와 이방성 모드의 동작 시간을 서로 다르게 설정할 수 있다. 예컨대, 패턴(P)의 단차 높이가 높을수록 등방성 모드의 동작시간이 보다 길게 설정된 전자빔 프로파일이 제공될 수 있다.
상술한 일련의 과정을 통해 기판(140)상의 박막 공정이 완료되면, 기판(140)을 언로딩하여 박막 공정이 완료된다(ST60). 즉 공정 가스의 종류에 대응하여 박막 증착 공정 또는 박막 식각 공정이 완료된다.
도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치의 구성도이다.
본 발명의 제2 실시예는 도1의 구성에서 챔버(100)의 상부에 상부전극(200)을 추가로 형성되어 구성된 것이다. 이때, 상부 전극(200)에는 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생기(미도시)가 결합되어 구성된다.
상기, 고주파 발생기는 챔버(100) 내부로 고주파 에너지를 공급하여 상부 전극(200)에 의해 공정가스가 전리됨으로써, 챔버(100)의 상부, 즉 전자빔(201)에 의해 생성되는 높은 위치에 상부 플라즈마(PL2)가 추가로 형성되도록 하기 위한 것으로, 고주파 전원으로는 RF, VHF, 마이크로파 대역의 전원이 사용될 수 있다.
챔버(100)로 유입되는 공정 가스는 0.01 ~ 0.1 torr의 압력에서, 전자빔 발생장치(200)에서 방출된 전자빔(201)에 의해 가스가 전리되어 하부 플라즈마(PL1)가 형성되고, 추후 상부전극(200)에 고주파 전원을 인가함으로써, 상부 플라즈마(PL2)를 추가적으로 형성한다.
일반적으로 가스 분자를 기저상태에서 여기 시키려면 많은 에너지가 필요하나, 여기된 상태의 가스 분자는 상대적으로 낮은 전자빔 에너지로도 준안정상태의 입자를 형성하는 가능한 바, 낮은 밀도의 플라즈마 상태로 전리된 가스분자들은 재차 전자빔(201) 내에서 전리되어 높은 플라즈마 밀도를 갖게 된다.
즉, 전자빔(201)에 의한 하부 플라즈마(PL1)와 고주파 전원에 의한 상부 플라즈마(PL2)를 조합하면 고밀도 플라즈마 생성에 의한 높은 공정 속도(증착속도/식각속도) 및, 박막의 밀도 증가에 따른 양질의 전기적 광학적 박막 공정이 가능하며, 특히 유연 기판상인 합성수지 기판상에 산화규소(SiO2), 질화규소(SI3N4)등의 많은 종류의 산화막을 저온에서 증착하는 것이 가능하다
유연 기판상의 박막 공정시에는 가능하면 증착률(deposition rate) 또는 식각률(etch rate)을 높여 플라즈마 상에 기판을 노출시키는 시간을 단축시키는 것이 효율적이므로 고밀도 플라즈마 시스템의 필요성이 더욱 높아지게 되며, 이는 전자빔(201)과 고주파에 의한 플라즈마를 연동시킴으로서 가능하다.
도7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치의 구성도이다.
도7의 제3 실시예는 기본적인 구조는 도6과 동일하나, 상부 전극 상에 유전체 창(300)을 형성하고, 기판 지지대(130)에 제2 고주파 발생기(미도시)를 결합하여 기판지지대(130)에 제 2 고주파 전원을 인가하는 구성이 상이하다.
유전체 창(300)은 석영 또는 사파이어 등 고주파 전원을 챔버(100) 내로 그대로 통과시키는 물질로 이루어진 것으로서, 이를 통과하는 전기장 또는 자기장에 의해 챔버(100) 내부에 발생하는 상부 플라즈마(PL2) 내의 이온화률을 높이기 위한 수단(310)으로, 고정자석, 전자석 ,유도결합 코일 등을 설치한다. 이를 통해 상부전극(200)을 통해 고주파 전원 인가시 플라즈마 내의 전자의 운동 에너지를 증가시키고, 그에 따라 가스분자들의 이온화률이 높아져서 플라즈마의 밀도가 높아지게 된다.
또한, 챔버(100)의 하측, 즉, 기판지지대(130)에는 하부 전극(미도시)이 형성되고, 하부 전극에 제 2 고주파 발생기(미도시)가 접속되어 500W ~ 3KW 정도의 고주파 바이어스 전압을 하부 전극으로 인가함으로써, 이온에 의한 박막의 밀도, 응력 등을 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 가열 수단(150)을 이용하여 기판(140) 상부에 형성되는 증착막의 성장을 증가시키도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 박막 공정 장치는 반도체 및 디스플레이 산업에 이용되는 각종 산화물의 원자막 증착 및 원자막 에칭, 어닐링(annealing) 용으로 사용이 가능하다.
100 : 챔버 110 : 가스 유입구
120 : 가스 배출구 130 : 기판 지지대
140 : 기판 150 : 가열수단
200 : 전자빔 발생수단 210 : 전자빔 발생부
220 : 전자빔 조정부 221 : 마그네틱 렌즈
222 : 그리드 전극 223 : 가스 실드
224 : 진공 라인.

Claims (9)

  1. 내부 공간이 형성되고, 상부측에 공정 가스가 유입되는 가스 유입구가 형성되며, 하부측에 가스가 배출되는 가스 배출구가 형성됨과 더불어 기판이 안착되는 기판 지지대가 형성되는 챔버와,
    상기 챔버의 측면에 결합되면서 챔버 내측으로 상기 기판보다 큰 대면적의 전자빔을 방출하되, 챔버 내에서 공정가스의 진행방향과 수직하는 방향으로 대면적의 전자빔을 방출하는 전자빔 발생수단을 포함하여 구성되고,
    상기 전자빔 발생수단은 대면적의 전자빔을 생성하는 전자빔 생성부와, 상기 전자빔 생성부에서 생성된 대면적 전자빔의 폭을 일정 주기 단위로 가변시키면서 상기 챔버로 방출함으로써, 챔버 내부에서 전자빔 폭에 대응하여 등방성 모드와 이방성 모드의 박막 공정이 교대로 이루어지도록 하는 전자빔 조정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔 조정부는 상기 전자빔 발생부로부터 제공되는 대면적 전자빔 방출 경로를 챔버측으로 안내함과 더불어, 대면적 전자빔 방출 경로를 따라 대면적 전자빔을 챔버측으로 집중시키는 마그네틱 렌즈와 고전압 레벨에 대응되도록 2차 전자를 가속시키는 그리드 전극이 교대로 배치되는 구조를 통해 챔버로 방출되는 대면적 전자빔의 폭을 조정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자빔 조정부의 끝단에는 외부 가스가 전자빔 조정부 내부로 유입되는 것을 차단하기 위한 가스 실드가 추가로 형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전자빔 조정부는 상기 마그네틱 렌즈와 그리드 전극 사이에 공정 가스를 배기시켜 전자빔 방출 경로를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 라인이 추가적으로 형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 라인 형태의 전자빔 방출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 상부에 형성되는 상부전극과 이 상부 전극에 고주파 전원을 공급하는 제1 고주파 발생기를 추가로 구비하여 상기 전자빔에 의해 생성되는 플라즈마 보다 높은 위치에 상부 플라즈마를 더 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 전극에는 고주파 공진 전류를 챔버 내로 통과시키기 위한 유전체 창이 형성되고, 상기 유전체 창에는 플라즈마 내의 이온화율을 높이기 위한 고정자석, 전자석, 유도결합코일, 용량성 코일 중 적어도 어느 하나가 설치되는 것을 특징으로 하는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 챔버의 하부에는 하부 전극이 형성되고 상기 하부 전극에 고주파 전원을 인가하는 제2 고주파 발생기가 접속되는 것을 특징으로 하는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔 발생부는 몸체 내부 상측에 형성되어 몸체 내측으로 공정 가스를 유입하기 위한 가스 유입구와, 몸체 내부 상측에 설치되면서 상방으로 만곡진 곡면 형상으로 형성되어 2차 전자를 방출하는 캐소드, 상기 캐소드의 하측으로 평균 자유 행로 내에 설치되고, 상기 캐소드에 대응되는 형상의 곡면 상에 다수의 홀이 형성되어 캐소드의 초점 위치에서 생성되는 라인 형태의 전자빔을 상기 전자빔 조정부로 방출하는 애노드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔 발생부는 몸체 내부 상측에 설치되면서 하단이 상방으로 만곡진 곡면 형상으로 형성되고, 챔버 상측으로부터 길이방향으로 관통되는 다수의 가스홀을 형성하도록 구성되며, 이 가스홀들을 통해 공급되는 공정 가스가 전리됨으로써, 2차 전자를 방출하는 캐소드와, 상기 캐소드의 하측에 설치되고, 상기 캐소드에 대응되는 형상의 곡면 상에 다수의 홀이 형성되어 캐소드의 초점 위치에서 생성되는 라인 형태의 전자빔을 상기 전자빔 조정부로 방출하는 애노드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 전자빔을 이용한 박막 공정 장치.
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