KR20190033418A - 박막 형성 장치 - Google Patents

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Abstract

박막 형성 장치는 공정 환경을 조성하는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내부에 배치되며 기판을 지지하는 기판 서포터 및 상기 기판을 가열하는 히터 유닛을 포함하는 프로세스 유닛; 상기 프로세스 유닛 내부로 공정 가스를 제공하는 가스 제공 장치; 상기 프로세스 챔버 내부에 배치되고 상기 기판 서포터로부터 이격된 위치에 배치되며, 상기 기판으로부터 방열된 열의 일부는 가두어 보온하고 상기 기판으로부터 발생된 열의 일부는 방열하여 상기 기판의 온도를 일정하게 유지하는 제1 기판 온도 유지 유닛; 및 상기 제1 기판 온도 유지 유닛의 내측에 배치되며 상기 기판 서포터에 연결되어 상기 기판으로부터 발생된 열의 일부를 가두어 상기 기판의 온도를 일정하게 유지하는 제2 기판 온도 유지 유닛을 포함한다.

Description

박막 형성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FORMING THIN FILM}
본 발명은 박막 형성 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 하나의 프로세스 챔버 내에서 결정화 공정을 통해 기판에 결정 박막을 형성하는 공정 또는 화학 기상 증착 공정을 통해 기판에 증착 박막을 형성하는 공정을 각각 수행할 수 있는 박막 형성 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 결정 성장 공정은 기판 상에 결정을 성장시키는 공정으로써 결정 성장 공정은 매우 높은 공정 온도 및 고진공압 환경에서 형성되기 때문에 열악한 공정 환경에 의한 장비의 파손이 빈번하게 발생되고 장비의 가격이 매우 고가인 단점을 갖는다.
한편, 화학 기상 증착 공정을 이용한 에픽텍셜 공정은 기판 상에 물질을 증착 후 성장시켜 막을 형성하는 공정이다.
화학 기상 증착 공정을 이용한 에픽텍셜 공정은 결정 성장 공정과 유사하게 매우 높은 공정 온도 및 고진공압 하에서 진행되기 때문에 장비의 파손이 빈번하게 발생될 수 있다.
이와 같은 결정 성장 공정 및 화학 기상 증착 공정을 이용한 에픽텍셜 공정은 이질적인 공정으로 종래에는 결정 성장 공정 및 에픽텍셜 공정을 서로 다른 장비에서 각각 진행 하였다.
또한 종래 결정 성장 공정 및 화학 기상 증착 공정을 이용한 에픽텍셜 성장 공정은 최대 약 2,000℃ 정도로 높은 온도에서 수행되지만 이와 같은 고온의 공정 온도 하에서 공정이 진행되는 동안 공정이 진행되는 기판의 온도를 균일하게 유지하기가 특히 어렵고 이로 인해 박막의 품질이 균일하지 못한 문제점도 갖는다.
또한 종래 결정 성장 공정 및 에픽텍셜 성장 공정은 최대 약 2,000℃ 정도로 높은 공정 온도에서 수행되는데 고온의 공정 온도를 구현하기 위해서 히터에 과도한 전압 또는 전류가 인가되고 이로 인해 히터의 과도한 열팽창에 의해 히터가 파손될 수 있는 문제점을 갖는다.
본 발명은 이질적인 결정화 공정 및 화학 기상 증착 공정을 이용한 에픽텍셜 성장 공정을 하나의 장비에서 통합 진행함으로써 장비 이용 효율을 향상시키고 생산 원가를 감소시킨 박막 형성 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 이질적인 결정화 공정 및 화학 기상 증착 공정을 이용한 에픽텍셜 성장 공정을 약 1,000℃에서 약 2,000℃의 온도로 공정을 진행할 때 공정 시간 동안 공정이 수행되는 기판의 온도를 일정하게 유지함으로써 박막 품질의 균일성을 향상시킬 수 있는 박막 형성 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 이질적인 결정화 공정 및 기상 증착 공정을 하나의 장비에서 약 1,000℃에서 약 2,000℃의 온도에서 진행할 때 열을 발생시키는 히터의 파손을 방지한 박막 형성 장치 및 방법을 제공한다.
일실시예로서, 박막 형성 장치는 공정 환경을 조성하는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내부에 배치되며 기판을 지지하는 기판 서포터 및 상기 기판을 가열하는 히터 유닛을 포함하는 프로세스 유닛; 상기 프로세스 유닛 내부로 공정 가스를 제공하는 가스 제공 장치; 상기 프로세스 챔버 내부에 배치되고 상기 기판 서포터로부터 이격된 위치에 배치되며, 상기 기판으로부터 방열된 열의 일부는 가두어 보온하고 상기 기판으로부터 발생된 열의 일부는 방열하여 상기 기판의 온도를 일정하게 유지하는 제1 기판 온도 유지 유닛; 및 상기 제1 기판 온도 유지 유닛의 내측에 배치되며 상기 기판 서포터에 연결되어 상기 기판으로부터 발생된 열의 일부를 가두어 상기 기판의 온도를 일정하게 유지하는 제2 기판 온도 유지 유닛을 포함한다.
박막 형성 장치의 상기 제1 기판 온도 유지 유닛은 상기 프로세스 챔버와 인접하게 배치된 제1 벽, 상기 제1 벽 내측에 배치된 제2 벽 및 상기 제2 벽의 외측면에 형성된 몰리브덴 벽을 포함한다.
박막 형성 장치의 상기 제2 기판 온도 유지 유닛은 3겹으로 형성된 몰리브덴통을 포함한다.
박막 형성 장치는 상기 히터 유닛 및 상기 기판 서포터 사이에 개재되어 상기 히터 유닛에서 발생된 열을 차단하는 몰리브덴 시트를 포함하는 열 차단 부재를 포함한다.
박막 형성 장치의 상기 프로세스 유닛은 상기 제1 기판 온도 유지 유닛에는 개구를 개방 또는 폐쇄하는 게이트 유닛을 포함하며, 상기 게이트 유닛은 판 형상을 갖고 몰리브덴 시트가 배치된 게이트 및 상기 게이트를 이송하는 구동 유닛을 포함한다.
박막 형성 장치의 상기 히터 유닛은 상기 히터 유닛은 상호 이격된 전극들 상기 전극들에 전기적으로 연결된 히터 몸체, 상기 히터 몸체의 하부에 배치된 열 차단판, 상기 열 차단판의 하부에 배치된 절연부재 및 상기 열 차단판의 하부에 배치된 물통을 포함하며, 상기 히터 몸체는 폭보다 긴 길이를 갖고 길이 방향을 따라 지그재그 형태로 배치된 띠 형상으로 형성되어 열팽창에 의하여 상호 접촉되는 것을 방지한다.
박막 형성 장치의 상기 가스 제공 장치는 기판에 형성된 탄화규소(SiC)막에 포함된 실리콘(Si)이 승화된 후 잔류된 탄소가 결정화하여 상기 기판에 그래핀 박막을 형성하기 위해 상기 프로세스 챔버로 제공되는 승화 가스를 포함하는 제1 가스 제공 유닛 및 기판에 탄화 규소(SiC) 박막을 증착하기 위해 실란(SiH4) 가스 및 메탄(CH4) 가스를 상기 프로세스 챔버로 제공하는 제2 가스 제공 유닛을 포함한다.
박막 형성 장치의 상기 제1 가스 제공 유닛은 상기 기판을 클리닝하기 위해 상기 프로세스 챔버로 제공되는 클리닝 가스를 포함한다.
일실시예로서, 박막 형성 방법은 프로세스 챔버에 제1 공정 환경을 세팅하는 단계, 기판을 상기 프로세스 챔버에 로딩하는 단계; 상기 프로세스 챔버 내부에 로딩된 상기 기판에 제1 공정을 진행하는 단계; 상기 기판을 상기 프로세스 챔버로부터 언로딩하는 단계; 상기 프로세스 챔버에 제2 공정 환경을 세팅하는 단계; 상기 프로세스 챔버에 신규 기판을 로딩하는 단계; 및 상기 신규 기판에 제2 공정을 진행하는 단계를 포함한다.
상기 제1 공정은 상기 제1 가스 제공 유닛으로부터 승화 가스인 아르곤 가스를 상기 기판에 형성된 탄화규소(SiC)막에 제공하여 실리콘(Si)을 승화 시킨 후 잔류된 탄소를 결정화하여 상기 기판에 그래핀 박막을 형성하고, 상기 제2 공정은 상기 제2 가스 제공 유닛으로부터 실란(SiH4) 가스 및 메탄(CH4) 가스를 상기 프로세스 챔버 내에서 화학 기상 반응시켜 생성된 탄화규소 물질을 신규 기판에 증착한 후 성장시켜 상기 신규 기판 상에 탄화규소 박막을 형성한다.
본 발명에 따른 박막 형성 장치 및 방법은 서로 다른 공정을 하나의 장비에서 진행할 수 있고, 서로 다른 공정을 하나의 장비에서 진행할 때 기판의 온도를 공정 시간 동안 일정하게 유지할 수 있도록 하여 기판에 형성된 박막의 품질을 향상시킬 수 있고, 서로 다른 공정을 하나의 장비에서 진행할 때 열을 발생시키는 히터의 파손을 방지하여 공정 불량을 방지 및 유지보수 비용을 절감하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 형성 장치를 도시한 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 프로세스 유닛을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 히터 유닛을 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 히터 몸체의 평면도이다.
도 5는 도 2의 'A' 부분을 확대 도시한 확대도이다.
도 6은 도 2의 'B' 부분을 확대 도시한 확대도이다.
도 7은 도 1에 도시된 박막 형성 장치를 이용하여 서로 다른 제1 공정 및 제2 공정을 수행하는 방법을 도시한 순서도이다.
이하 설명되는 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 구분하여 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 형성 장치를 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 박막 형성 장치(600)는 가스 제공 장치(100), 로드락 유닛(200), 프로세스 유닛(300) 및 압력 조절 유닛(400)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 박막 형성 장치(600)는 서로 다른 2개의 공정들을 하나의 프로세스 유닛(300)에서 진행할 수 있는 특징을 갖는다.
박막 형성 장치(600)는, 예를 들어, 하나의 프로세스 유닛(300) 내에서 결정 성장 공정의 하나인 그래핀 에픽텍셜 성장 공정 또는 화학 기상 증착 공정을 이용한 에픽텍셜 성장 공정의 하나인 탄화규소 에픽텍셜 성장 공정을 연속적으로 수행할 수 있다.
그래핀 에픽텍셜 성장 공정은 선행 공정에 의하여 기판에 미리 형성된 탄화규소(SiC)를 이용하여 기판에 그래핀을 형성하는 공정으로 정의된다.
그래핀 에픽텍셜 성장 공정은 탄화규소가 이미 형성된 기판을 약 1,000℃ ~ 약 2,000℃의 온도 및 고진공압 환경에서 기판에 승화 가스를 제공하여 탄화규소에 포함된 실리콘(Si)을 선택적으로 승화시켜 기판에 탄소를 잔류시키고, 잔류된 탄소를 기판 상에서 성장시켜 기판에 그래핀을 형성한다.
그래핀 에픽텍셜 성장 공정에서 기판에 미리 형성된 탄화규소에 포함된 실리콘을 승화 및 실리콘의 승화 속도를 정밀하게 제어하기 위해서 특별히 승화 가스로 아르곤(Ar) 가스가 사용될 수 있고, 이에 더하여 기판의 표면 세정을 위해서 수소(H2)가스가 사용된다.
화학 기상 증착 공정을 이용한 탄화규소 에픽텍셜 성장 공정은 약 1,000℃ ~ 약 2,000℃의 초고온 환경에서 실란(SiH4) 및 메탄(CH4)을 기상 화학 반응시켜 기판 상에 먼저 탄화규소(SiC) 물질을 증착하고, 증착된 탄화규소를 결정 성장시키는 공정이다.
화학 기상 증착 공정을 이용한 탄화규소 에픽텍셜 성장 공정은 기판 상에 초고순도이면서 치밀한 탄화규소 박막을 형성할 수 있는 장점을 갖는다.
화학 기상 증착 공정을 이용한 탄화규소 에픽텍셜 성장 공정에서 소스 가스로서는 메탄(CH4) 대신 프로판(C3H8)을 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 하나의 박막 형성 장치(600)가 화학 기상 증착 탄화규소 에픽텍셜 성장 공정 및 그래핀 에픽텍셜 성장 공정을 각각 수행하기 위해서 가스 제공 장치(100)는 제1 가스 제공 유닛(130) 및 제2 가스 제공 유닛(160)을 포함한다.
제1 가스 제공 유닛(130)은 그래핀 에픽텍셜 성장 공정에 필요한 공정 가스를 후술 될 프로세스 유닛(300)으로 제공한다.
제1 가스 제공 유닛(130)은 아르곤 가스 제공 유닛(132) 및 수소 가스 제공 유닛(134)를 포함할 수 있다.
아르곤 가스 제공 유닛(132)은, 예를 들어, 기판에 형성된 탄화규소에 포함된 실리콘의 승화 및 승화 속도를 조절하기 위해 필요한 승화 가스인 아르곤(Ar) 가스를 프로세스 유닛(300)으로 제공한다.
비록 본 발명의 일실시예에서는 승화 가스로서 아르곤 가스인 것이 설명되고 있지만 실리콘을 승화시키기 위한 승화 가스로서 아르곤 이외에 다른 승화 가스가 사용되어도 무방하다.
수소 가스 제공 유닛(134)은 승화 가스인 아르곤 가스와 함께 기판 및 기판의 표면을 클리닝하기 위해 클리닝 가스인 수소 가스를 프로세스 유닛(300)으로 제공한다.
제1 가스 제공 유닛(130)으로부터 제공된 가스들은 배관(135) 및 메인 배관(140)을 통해 프로세스 유닛(300)으로 제공된다. 배관(135)에는 배관(135)의 내부를 퍼지(purge)하기 위한 불활성 가스인 퍼지 가스가 별도로 제공될 수 있다.
제2 가스 제공 유닛(160)은 화학 기상 증착 공정을 이용한 탄화규소 에픽텍셜 성장 공정에 필요한 공정 가스를 후술 될 프로세스 유닛(300)으로 제공한다.
제2 가스 제공 유닛(160)은 제1 소스 가스 제공 유닛(162) 및 제2 소스 가스 제공 유닛(164)을 포함한다.
제1 소스 가스 제공 유닛(162)은 탄화 규소가 형성되지 않은 기판 상에 탄화 규소(SiC)를 형성하기 위해 실란(SiH4) 가스를 프로세스 유닛(300)으로 제공한다.
제2 소스 가스 제공 유닛(164)은 기판 상에 탄화 규소를 형성하기 위해 실란(SiH4)가스와 반응하는 메탄(CH4)가스를 프로세스 유닛(300)으로 제공한다.
이와 다르게 제2 소스 가스 제공 유닛(164)은 메탄 가스 대신 프로판 가스를 제공하여도 무방하다.
프로세스 유닛(300)의 내부로 제공된 실란 가스 및 메탄 가스는 프로세스 유닛(300)의 내부에서 반응하고 이로 인해 생성된 탄화 규소(SiC) 물질은 기판에 증착된다. 증착된 탄화 규소 물질은 프로세스 유닛(300) 내부에서 결정 성장되어 기판 상에는 결정화된 탄화규소 박막이 형성된다.
제2 가스 제공 유닛(160)으로부터 제공된 소스 가스들은 배관(165) 및 메인 배관(140)을 통해 프로세스 유닛(300)으로 제공된다. 배관(165)에는 배관(165) 내부를 퍼지하기 위한 불활성 가스인 퍼지 가스가 별도로 제공될 수 있다.
한편 프로세스 유닛(300)에는 프로세스 유닛(300) 내부로 기판을 로딩 또는 언로딩하기 위한 로드락 유닛(200)이 연결된다.
프로세스 유닛(300)에는 프로세스 유닛(300)의 내부에 공정 압력을 제공 또는 조절하기 위한 압력 조절 유닛(400)이 연결된다.
본 발명의 일실시예에서, 압력 조절 유닛(400)은 프로세스 유닛(300)의 내부에 대기압보다 낮은 진공압을 형성하는 진공 펌프 및 진공압의 레벨을 제어하는 제어 밸브를 포함할 수 있다.
압력 조절 유닛(400)은 프로세스 유닛(300)에 연결됨과 동시에 프로세스 유닛(300)에 연결된 로드락 유닛(200)이 수납되는 로드락 챔버(210)에도 함께 연결되어 로드락 챔버 내의 압력 역시 지정된 압력으로 조절할 수 있다.
프로세스 유닛(300)은 로드락 유닛(200)에서 제공된 기판에 형성된 탄화규소를 이용하여 기판에 그래핀을 형성하거나, 기판에 화학 기상 증착 공정을 통해 탄화규소 박막을 형성하기에 적합한 공정 환경을 제공한다.
도 2는 도 1에 도시된 프로세스 유닛을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에서, 프로세스 유닛(300)은 프로세스 챔버(310), 가스 노즐 유닛(315), 기판 서포터(320), 히터 유닛(330) 및 제1 기판 온도 유지 유닛(340) 및 제2 기판 온도 유지 유닛(360)를 포함한다. 이에 더하여 프로세스 유닛(300)은 기판 서포터(320)를 이송하는 이송 유닛(339)을 더 포함할 수 있다.
프로세스 챔버(310)는 기판 서포터(320)에 지지된 기판에 이질적인 2 개의 공정들을 진행할 수 있는 공정 환경을 제공한다.
프로세스 챔버(310)는, 예를 들어, 내충격성 및 내식성이 우수한 금속 소재로 제작될 수 있다. 프로세스 챔버(310)는, 예를 들어, 스테인리스 스틸 소재로 제작될 수 있다.
프로세스 챔버(310)의 내부에는 기판 서포터(320), 히터 유닛(330), 제1 기판 온도 유지 유닛(340) 및 제2 기판 온도 유지 유닛(360)이 배치된다. 이에 더하여, 프로세스 챔버(310)에는 가스 제공 장치(100), 로드락 유닛(200) 및 압력 조절 유닛(400)이 각각 연결된다.
가스 노즐 유닛(315)은 프로세스 챔버(410)에 연통되며, 가스 노즐 유닛(315)은 도 1을 통해 설명된 가스 제공 장치(100)와 연결된다. 가스 노즐 유닛(315)은 가스 제공 장치(100)로부터 제공된 가스를 프로세스 챔버(310) 내부에 배치된 기판으로 제공한다.
가스 노즐 유닛(315)는 가스 노즐(312)을 포함할 수 있으며, 가스 노즐(312)은 가스 제공 장치(100)에서 제공된 가스를 프로세스 챔버(410) 내부로 분사한다. 이에 더하여, 가스 노즐 유닛(315)은 가스 노즐(312)로부터 분사된 가스가 균일하게 기판으로 제공될 수 있도록 가스 분배기(314)를 더 포함할 수 있다.
가스 분배기(314)는 가스 노즐(312)에 결합되며, 다수개의 구멍이 형성되어 가스 노즐(312)로부터 분사된 가스를 균일하게 배출하는 분배판(313)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 가스 분배기(314)는 가스 노즐(312)에 고정될 수 있다. 이와 다르게, 가스 분배기(314)는 프로세스 챔버(310)의 내부에서 가스 노즐(312)을 따라 상하로 이동 가능하게 제작될 수 있고, 이로 인해 가스 분배기(314) 및 기판 사이의 간격은 기판에 형성되는 박막의 특성 및 공정 환경에 따라 조절될 수 있다.
한편, 프로세스 챔버(310)의 내부에 배치된 기판 서포터(320)는 로드락 유닛(200)으로부터 제공된 기판을 프로세스 챔버(310) 내부에서 서포트 하는 역할을 한다.
기판 서포터(320)의 일부는 프로세스 챔버(310)의 내부에 배치되며, 기판 서포터(320)의 나머지는 프로세스 챔버(310)의 외부에 배치될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 기판 서포터(320)의 일부가 프로세스 챔버(310)의 외부에 배치되더라도 프로세스 챔버(310)는 기밀성이 유지되어야 한다.
기판 서포터(320)의 하단에는 이송 유닛(339)이 연결된다. 이송 유닛(339)은 기판 서포터(320)를 가스 노즐 유닛(315)과 가까워지는 방향 또는 가스 노즐 유닛(315)에 대하여 멀어지는 방향으로 이동 시킨다.
본 발명의 일실시예에서, 기판에 도달하는 가스의 단위 시간당 유량 및 가스의 흐름은 이송 유닛(339)의 구동에 의하여 정밀하게 제어된다.
히터 유닛(330)은 기판 서포터(320)의 상단에 배치된다. 히터 유닛(330)은 기판이 약 1,000℃ 내지 약 2,000℃의 온도로 공정이 진행될 수 있도록 기판 서포터(320) 상에 배치된 기판을 가열한다.
일반적으로 박막 형성 공정을 수행하는 기판을 초고온으로 가열하기 위해서는 전원이 인가된 2 개의 전극들 사이에 연결된 저항체를 포함하는 저항 히터가 사용된다.
그러나, 일반적인 저항 히터를 이용하여 기판을 약 1,000℃ 내지 약 2,000℃로 가열할 경우, 저항 히터의 저항체가 열팽창되어 쇼트되고 이로 인해 저항체가 파손되어 박막 형성 공정에 치명적인 문제가 발생될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 히터 유닛을 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판 서포터(320) 상에 배치된 히터 유닛(330)은 구리바(331), 연결 로드(332), 전극(333), 히터 몸체(334), 열 차단판(335), 절연부재(336) 및 물통(337)을 포함한다.
구리바(331)는 상호 이격된 한 쌍으로 이루어지며, 구리바(331)는 히터 몸체(334)에 전원을 공급하는 역할을 한다. 구리바(331)는 기판 서포터(320)의 내부를 통과해서 기판 서포터(320)의 상부로 돌출된다.
연결 로드(332)는 각 구리바(331)의 단부에 연결되며, 각 연결 로드(332)는 구리바(331)에 수평으로 배치될 수 있다.
전극(333)은 각 연결 로드(332)의 단부에 결합되며, 한 쌍의 전극(333)에는 히터 몸체(334)가 결합되고, 히터 몸체(334)로부터는 각 구리바(331)를 통해 인가된 전원에 의하여 열이 발생된다.
전극(333)은, 예를 들어, 열에 강한 몰리브덴 소재로 제작될 수 있고, 전극(333)에는 전극(333)의 과열을 방지하는 냉각수가 제공될 수 있다.
한편, 히터 몸체(334)로부터 발생된 열이 히터 몸체(334)의 하부로 전달되어 구리바(331) 등이 손상되는 것을 방지하기 위해, 히터 몸체(334)의 하부에는 열 차단판(335)이 배치된다.
열 차단판(335)은, 예를 들어, 텅스텐판, 몰리브덴판 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 열 차단판(335)은 히터 몸체(334)로부터 발생된 열이 히터 몸체(334)의 하부로 전달되는 것을 억제 또는 방지함은 물론 히터 몸체(334)로부터 발생된 열의 보온 효과에 의해 히터 몸체(334)로부터 발생된 열에 의하여 가열되는 기판의 균일성 역시 향상시킨다. 열 차단판(335)은 전극(333)에 결합되어 지정된 위치에 고정될 수 있다.
절연부재(336)는 열 차단판(335)의 하부에 배치될 수 있다.
한편, 열 차단판(335)을 통해 열 차단판(335)의 하부로 전달된 열에 의하여 구리바(331) 또는 기판 서포터(320) 등이 열에 의하여 손상되는 것을 방지하기 위하여 열 차단판(335)의 하부에는 물통(337)이 배치되고, 물통(337)에는 냉각수가 제공되며, 물통(337)은 스테인리스 스틸 소재로 제작될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 히터 유닛(330)에 열 차단판(335), 물통(337) 등을 배치함으로써 기판에 초고온 공정이 진행될 때 기판의 온도를 일정하게 유지할 수 있으면서 초고온에 의하여 기판 서포터(320), 구리바(331) 등의 손상을 방지할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 히터 몸체의 평면도이다.
도 4를 참조하면, 약 1,000℃ 내지 약 2,000℃의 온도로 기판 서포터(320) 상에 배치되어 기판을 가열하는 저항체인 히터 몸체(334)는, 예를 들어, 공정 가스의 하나인 수소 가스가 프로세스 챔버(310)로 제공되었을 때, 수소 가스에 의하여 히터 몸체(334)가 영향받아 손상 및 파손되지 않는 소재로 제조된다.
저항체인 히터 몸체(334)는, 예를 들어, 수소 가스에 의하여 영향받지 않도록 고순도 그래파이트 소재로 제작된다.
저항체인 히터 몸체(334)의 일측단 및 타측단은 한 쌍의 전극(333)들에 전기적으로 접속된다.
히터 몸체(334)는, 예를 들어, 원판 형상을 갖는 기판과 유사한 외관을 갖는다.
본 발명의 일실시예에서, 히터 몸체(334)가 가열되어 아킹이 발생되는 것을 방지하기 위해 히터 몸체(334)는 폭에 비하여 길이가 긴 띠 형상을 갖고, 히터 몸체(334)는 지그재그 형태로 절곡된 형상으로 형성된다.
지그재그 형태로 절곡된 형상을 갖는 히터 몸체(334)의 전체적인 형상은 기판과 유사한 형상을 갖는다.
지그재그 형상으로 절곡된 띠 형상으로 히터 몸체(334)를 형성함으로써, 히터 몸체(334)는 도 4에 정의된 폭 방향의 열팽창 보다 길이 방향의 열 팽창이 크게 되고 이로 인해 히터 몸체(334)가 폭 방향으로 상호 접촉되어 발생되는 히터 몸체(334)의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 히터 몸체(334)의 상기 공간의 간격이 최소 10mm 이상이 되도록 함으로써 히터 몸체(334)의 열팽창에 따른 파손을 방지할 수 있다.
히터 유닛(330)에서 발생된 열을 이용하여 기판 서포터(320)에 배치된 기판을 약 1,000℃ ~ 약 2,000℃의 온도로 가열할 경우, 히터 유닛(330)을 고정 또는 지지하는 기판 서포터(320)의 일부가 초고온에 의하여 손상될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 프로세스 챔버(310)의 내부에서 이질적인 2 개의 공정을 각각 진행하기 위해서 기판 서포터(320)에 배치되어 히터 유닛(330)에 의하여 가열되는 기판은 공정 시간 동안 균일한 온도를 유지해야 한다.
그러나, 일반적으로 일정 시간 동안 기판 서포터(320)에 배치된 기판의 온도를 일정하게 유지하기는 매우 어려운데, 이는 프로세스 챔버(310)의 소재, 크기 및 프로세스 챔버(310)의 열전달률 등이 주요 원인이다.
한편, 프로세스 챔버(310)에 의한 열손실을 방지하기 위해서 프로세스 챔버(310)의 내벽에 난연성 단열재와 같이 열전달이 낮은 소재를 배치할 경우, 단열재가 고온에 의하여 손상되거나 기판 서포터(320)에 배치된 기판의 온도가 오히려 급속히 상승되어 기판의 온도 균일성이 낮아질 수 있다.
프로세스 챔버(310)의 내부에 배치된 기판의 온도를 일정 시간 동안 일정하게 유지하기 위해서는 히터 유닛(330)으로 제공되는 전원의 세기를 기판의 온도에 대응하여 정밀하게 제어하는 방법이 사용될 수 있지만 히터 유닛(330)에서 발생되는 열을 정밀하게 제어하기는 쉽지 않으며, 특히 기판을 약 1,000℃ ~ 약 2,000℃의 고온으로 가열할 경우 특히 히터 유닛(330)에서 발생되는 열을 정밀하게 제어하기 쉽지 않다.
본 발명의 일실시예에서는 프로세스 챔버(310)의 내부에 배치된 기판의 온도를 요구되는 공정 시간 동안 일정하게 유지하기 위하여 히터 유닛(330)으로부터 발생되어 기판을 가열한 열의 일부는 가두어 보온하고 히터 유닛(330)으로부터 발생된 열의 일부는 프로세스 챔버(310)로 제공하여 방열시켜 열적 균형을 맞춰 기판의 온도를 일정하게 유지한다.
이를 구현하기 위하여 프로세스 챔버(310)는 제1 기판 온도 유지 유닛(340) 및 제2 기판 온도 유지 유닛(360)을 포함한다.
도 5는 도 2의 'A' 부분 확대도이다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실예에서 제1 기판 온도 유지 유닛(340)은 앞서 설명된 가스 노즐 유닛(315)에서 분사된 가스가 균일하게 기판으로 제공되도록 하여 기판에 균일한 박막이 형성될 수 있도록 한다.
이에 더하여 제1 기판 온도 유지 유닛(340)은 히터 유닛(330)에 의하여 약 1,000℃ 내지 약 2,000℃의 온도로 가열된 기판의 온도를 공정 시간 동안 일정하기 유지하기 위하여 기판의 열의 일부는 가두어 보온하고 기판의 열의 일부는 프로세스 챔버(310)로 전달한다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 기판 온도 유지 유닛(340)는 가스 제공 장치(100)로부터 프로세스 챔버(310)로 가스를 도입하는 가스 노즐 유닛(315) 및 로드락 유닛(200)과 연결된 부분을 제외하고는 프로세스 챔버(310)를 감싸는 형상으로 형성될 수 있다.
제1 기판 온도 유지 유닛(340)은 제1 벽(342), 제2 벽(344) 및 몰리브덴 벽(346)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 벽(342)은 프로세스 챔버(310)의 내측면과 마주하게 배치되며, 제1 벽(342)은 프로세스 챔버(310)의 내측면에 대하여 소정 간격 이격된 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 벽(342)은 금속 소재, 예를 들어, 스테인리스 스틸 소재로 제작될 수 있다.
제2 벽(344)은 제1 벽(342)의 내측에 배치되며, 제2 벽(344)은 제1 벽(342)을 감싸는 형상으로 형성된다. 제2 벽(344)은 제1 벽(342)에 대하여 일정 간격 이격된 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제2 벽(344)은 금속 소재로 제작될 수 있고, 제2 벽(344)은 제1 벽(344)에 대하여 이격되게 배치된다. 제2 벽(344)는, 예를 들어, 스테인리스 스틸 소재로 제작될 수 있다.
몰리브덴 벽(346)은 제2 벽(344)의 일측면에 배치되며, 몰리브덴 벽(346)는 기판으로부터 발생된 열을 가두어 보온성을 향상시킨다.
본 발명의 일실시예에서, 제1 벽(342) 및 제2 벽(344)은 기판으로부터 발생된 열의 일부를 프로세스 챔버(310)로 전달하는 역할을 하고, 몰리브덴 벽(346)은 기판으로부터 발생된 열을 가두어 보온 및 기판이 지정된 온도로 충분히 가열될 수 있도록 한다.
본 발명의 일실시예에서는 제2 벽(344)의 외측에 몰리브덴 벽(346)을 배치함으로써 프로세스 챔버(310) 내부의 초저압 및 초고온 환경에서 승화 가스인 아르곤 가스에 의하여 제2 벽(344)이 승화되어 손상되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 제1 기판 온도 유지 유닛(340)에 의하여 로드락 유닛(200)과 연결되는 부분에는 로드락 유닛(200)으로부터 기판이 로딩 또는 언로딩될 수 있도록 개구(309)가 형성되는데, 이 개구(309)에 의하여 가스 노즐(315)을 통해 유입된 가스의 일부가 개구(309)에 의하여 기판으로 불균일하게 제공될 수 있다.
예를 들어, 개구(309)에 의하여 기판 중 개구(309)와 인접한 부분에 형성되는 박막의 두께 및 기판 중 개구(309)의 반대쪽과 부분에 형성되는 박막의 두께가 서로 다를 수 있다.
이와 같은 박막의 두께 불균일을 해소하기 위해서, 제1 기판 온도 유지 유닛(340) 중 개구(309)와 대응하는 부분에는 개구(309)를 개방 또는 폐쇄하는 게이트 유닛(350)이 배치된다.
게이트 유닛(350)은 게이트(352), 몰리브덴 시트(354) 및 구동 유닛(356)을 포함한다.
게이트(352)는 프로세스 챔버(310) 중 로드락 유닛(200)과 연통되는 개구(309)와 대응하는 위치에 형성되며, 게이트(352)는 개구(309)의 사이즈 보다 큰 사이즈로 형성된다. 게이트(352)는 개구(309)를 개방 또는 폐쇄한다.
몰리브덴 시트(354)는 게이트(352)와 대응하는 부분의 온도가 다른 부분의 온도 대비 편차가 발생되는 것을 방지하기 위해 게이트(352)의 내측면에 배치된다. 몰리브덴 시트(354)는 열차단 기능, 열누설 방지 기능 및 승화 방지 기능을 수행한다.
본 발명의 일실시예에서, 게이트(352) 및 몰리브덴 시트(354)는 가스 노즐 유닛(315)으로부터 제공된 가스가 안정적으로 기판으로 제공될 수 있도록 한다.
구동 유닛(356)은 게이트(352)에 연결되어 게이트(352)를 프로세스 챔버(310)의 내부에서 구동하여 게이트(352)가 개구(309)를 개방 또는 폐쇄할 수 있도록 한다.
도 6은 도 2에 도시된 'B'부분 확대도이다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 프로세스 유닛(310)은 제2 기판 온도 유지 유닛(360)을 포함한다.
제2 기판 온도 유지 유닛(360)은, 예를 들어, 기판 서포터(320)에 결합된다. 제2 기판 온도 유지 유닛(360)은 기판으로부터 방열되는 열의 일부는 보온하고 기판으로부터 방열된 열의 일부는 제1 기판 온도 유지 유닛(340)으로 전달하여 기판이 지정된 온도로 쉽게 가열된 후 기판이 지정된 온도를 특정 시간 동안 유지할 수 있도록 한다.
이에 더하여, 제2 기판 온도 유지 유닛(360)은 기판으로 제공되는 가스의 흐름을 안정시켜 기판에 형성되는 박막의 두께 균일성을 향상시키는 역할을 한다.
본 발명의 일실시예에서, 제2 기판 온도 유지 유닛(360)은, 예를 들어, 3겹으로 이루어지진 몰리브덴 통을 포함하며, 제2 기판 온도 유지 유닛(360)을 이루는 3겹의 몰리브덴 통은 상호 접촉되거나 상호 소정 간격 이격될 수 있다.
비록 본 발명의 일실시예에서, 제2 기판 온도 유지 유닛(360)이 3겹으로 이루어진 것이 도시 및 설명되고 있지만 제2 기판 온도 유지 유닛(360)은 4겹으로 이루어져도 무방하다.
도 7은 도 1에 도시된 박막 형성 장치를 이용하여 서로 다른 제1 공정 및 제2 공정을 수행하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 제1 공정, 예를 들어, 그래핀 에픽텍셜 성장 공정을 수행하기 위해서는 먼저 프로세스 유닛(300)의 내부에 제1 공정 환경을 세팅한다. (단계 S10)
예를 들어, 프로세스 유닛(300)의 내부에 배치된 기판 서포터(320)에 배치된 히터 유닛(330)을 가동하여 프로세스 유닛(300)의 프로세스 챔버(310)의 내부에 배치된 기판의 온도는 1,000℃ 내지 2,000℃의 사이로 조정한다.
이와 함께, 프로세스 유닛(300)에 연결된 압력 조절 유닛(400)을 구동하여 프로세스 유닛(300)의 프로세스 챔버(310)의 내부의 압력은 기 설정된 공정 압력으로 조절된다.
이어서, 로드락 유닛(200)으로부터 탄화규소 박막이 이미 형성된 기판이 언로딩되고, 탄화 규소가 형성된 기판은 프로세스 유닛(300)의 프로세스 챔버(310) 내부로 로딩된다.(단계 S20)
기판이 기판 서포터(320)의 상부에 고정되면 제1 공정을 수행한다. (단계 S30)
구체적으로, 가스 제공 장치(100)의 제1 가스 제공 유닛(130)의 아르곤 가스 제공 유닛(132)으로부터 아르곤 가스가 프로세스 챔버(310)의 내부로 제공되고, 아르곤 가스에 의하여 기판에 형성된 탄화 규소에 포함된 실리콘(Si)이 승화되어 실리콘은 기판으로 제거되고, 기판에는 고순도의 탄소만 남게 된다.
아르곤 가스 제공 유닛(132)으로 프로세스 챔버(310)로 아르곤 가스를 제공할 때 수소 가스 제공 유닛(134)로부터 프로세스 챔버(310)로 수소 가스가 제공되고 수소 가스를 이용해 기판의 표면은 클리닝될 수 있다.
프로세스 챔버(310) 내부에 배치된 기판 상에 고순도 탄소가 얇은 두께로 형성된 후, 탄소는 결정 성장되어 기판 상에는 단층 그래핀이 형성된다. 탄화 규소로부터 형성된 단층 그래핀을 포함하는 기판은 로드락 유닛에 의하여 프로세스 챔버(310)로부터 언로딩된다.
이어서, 프로세스 유닛(300)의 프로세스 챔버(310)의 내부에는 새로운 제2 공정을 수행하기 위한 제2 공정 환경이 세팅된다.(단계 S40)
이때, 제2 공정 환경은 프로세스 챔버(310) 내부의 공정 온도 및 공정 압력을 포함할 수 있다.
이후, 로드락 유닛(200)으로부터는 탄화 규소가 형성될 새로운 기판이 프로세스 챔버(310)의 내부에 배치된 기판 서포터(330) 상에 배치된다.
이후, 가스 제공 장치(100)의 제2 가스 제공 유닛(160)으로부터 실란 가스 및 메탄 가스가 제공되어 프로세스 챔버(310)의 내부에서 기상 화학 반응한 후 생성된 고형 물질인 탄화 규소는 기판 상에 증착되고, 기판 상에는 탄화 규소 박막이 형성된다. (단계 S60)
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 서로 다른 2 개의 공정이 하나의 장비에서 각각 진행될 수 있고, 서로 다른 2개의 공정을 하나의 장비에서 진행 될 때 일정 시간 동안 기판이 일정온도를 유지하도록 하여 박막의 품질을 향상시킬 수 있고, 약 1,000℃에서 약 2,000℃의 초고온의 공정 온도를 형성하는 히터의 파손을 방지할 수 있는 등 다양한 효과를 갖는다.
비록 본 발명의 일실시예에서는 프로세스 챔버 내부에 히터 유닛이 1개 배치된 것이 설명되고 있지만, 이와 다르게 히터 유닛이 기판의 하부 및 기판의 상부에 각각 2개가 배치되어도 무방하다. 이때 기판에 가스를 제공하기 위하여 가스 제공 유닛은 2개의 히터 유닛들 사이에 배치될 수 있다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

Claims (10)

  1. 공정 환경을 조성하는 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내부에 배치되며 기판을 지지하는 기판 서포터 및 상기 기판을 가열하는 히터 유닛을 포함하는 프로세스 유닛;
    상기 프로세스 유닛 내부로 공정 가스를 제공하는 가스 제공 장치;
    상기 프로세스 챔버 내부에 배치되고 상기 기판 서포터로부터 이격된 위치에 배치되며, 상기 기판으로부터 방열된 열의 일부는 가두어 보온하고 상기 기판으로부터 발생된 열의 일부는 방열하여 상기 기판의 온도를 일정하게 유지하는 제1 기판 온도 유지 유닛; 및
    상기 제1 기판 온도 유지 유닛의 내측에 배치되며 상기 기판 서포터에 연결되어 상기 기판으로부터 발생된 열의 일부를 가두어 상기 기판의 온도를 일정하게 유지하는 제2 기판 온도 유지 유닛을 포함하는 박막 형성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 온도 유지 유닛는 상기 프로세스 챔버와 인접하게 배치된 제1 벽, 상기 제1 벽 내측에 배치된 제2 벽 및 상기 제2 벽의 외측면에 형성된 몰리브덴 벽을 포함하는 박막 형성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기판 온도 유지 유닛은 3겹으로 형성된 몰리브덴통을 포함하는 박막 형성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 히터 유닛 및 상기 기판 서포터 사이에 개재되어 상기 히터 유닛에서 발생된 열을 차단하는 몰리브덴 시트를 포함하는 열 차단 부재를 포함하는 박막 형성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세스 유닛은 상기 제1 기판 온도 유지 유닛에는 개구를 개방 또는 폐쇄하는 게이트 유닛을 포함하며,
    상기 게이트 유닛은 판 형상을 갖고 몰리브덴 시트가 배치된 게이트 및 상기 게이트를 이송하는 구동 유닛을 포함하는 박막 형성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 히터 유닛은 상호 이격된 전극들 상기 전극들에 전기적으로 연결된 히터 몸체, 상기 히터 몸체의 하부에 배치된 열 차단판, 상기 열 차단판의 하부에 배치된 절연부재 및 상기 열 차단판의 하부에 배치된 물통을 포함하며,
    상기 히터 몸체는 폭보다 긴 길이를 갖고 길이 방향을 따라 지그재그 형태로 배치된 띠 형상으로 형성되어 열팽창에 의하여 상호 접촉되는 것을 방지한 박막 형성 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 제공 장치는 기판에 형성된 탄화규소(SiC)막에 포함된 실리콘(Si)이 승화된 후 잔류된 탄소가 결정화하여 상기 기판에 그래핀 박막을 형성하기 위해 상기 프로세스 챔버로 제공되는 승화 가스를 포함하는 제1 가스 제공 유닛 및 기판에 탄화 규소(SiC) 박막을 증착하기 위해 실란(SiH4) 가스 및 메탄(CH4) 가스를 상기 프로세스 챔버로 제공하는 제2 가스 제공 유닛을 포함하는 박막 형성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 가스 제공 유닛은 상기 기판을 클리닝하기 위해 상기 프로세스 챔버로 제공되는 클리닝 가스를 포함하는 박막 형성 장치.
  9. 청구항 1에 기재된 박막 형성 장치에 의하여 공정이 진행되며,
    프로세스 챔버에 제1 공정 환경을 세팅하는 단계
    기판을 상기 프로세스 챔버에 로딩하는 단계;
    상기 프로세스 챔버 내부에 로딩된 상기 기판에 제1 공정을 진행하는 단계;
    상기 기판을 상기 프로세스 챔버로부터 언로딩하는 단계;
    상기 프로세스 챔버에 제2 공정 환경을 세팅하는 단계;
    상기 프로세스 챔버에 신규 기판을 로딩하는 단계; 및
    상기 신규 기판에 제2 공정을 진행하는 단계를 포함하는 박막 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공정은 상기 제1 가스 제공 유닛으로부터 승화 가스인 아르곤 가스를 상기 기판에 형성된 탄화규소(SiC)막에 제공하여 실리콘(Si)을 승화 시킨 후 잔류된 탄소를 결정화하여 상기 기판에 그래핀 박막을 형성하고,
    상기 제2 공정은 상기 제2 가스 제공 유닛으로부터 실란(SiH4) 가스 및 메탄(CH4) 가스를 상기 프로세스 챔버 내에서 화학 기상 반응시켜 생성된 탄화규소 물질을 신규 기판에 증착한 후 성장시켜 상기 신규 기판 상에 탄화규소 박막을 형성하는 박막 형성 방법.
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