KR20200145803A

KR20200145803A - 원자층 증착장치용 가스 공급시스템

Info

Publication number: KR20200145803A
Application number: KR1020200180054A
Authority: KR
Inventors: 최경현
Original assignee: 제주대학교 산학협력단
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2020-12-30

Abstract

본 발명은 분사되는 분자량을 일정하게 유지하면서 유동속도를 제어할 수 있는 원자층 증착장치용 가스 공급시스템에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은, 액체상태의 전구체가 수용되는 캐니스터; 상기 캐니스터로 삽입되어 불활성기체를 주입시키는 불활성기체주입관; 상기 불활성기체의 압력에 의해 배출되는 전구체를 헤드방향으로 이송하는 전구체배출관; 상기 전구체배출관에 의해 운송된 전구체를 기화시킴과 동시에 유동속도를 제어하는 원자화유닛; 상기 원자화유닛에 의해 기화된 전구체를 헤드로 이송시키는 헤드분사관을 포함하는 원자층 증착장치용 가스 공급시스템을 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 헤드로 주입되는 불활성 가스, 전구체 및 반응가스의 분사량 및 분사속도를 각각 원하는 대로 조절할 수 있어 정밀하게 분사시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

원자층 증착장치용 가스 공급시스템{Gas supplying system for ALD}

본 발명은 원자층 증착장치용 가스 공급시스템에 관한 것이며, 구체적으로 분사되는 분자량을 일정하게 유지하면서 유동속도를 제어할 수 있는 원자층 증착장치용 가스 공급시스템에 관한 것이다.

기판이나 웨이퍼에 박막을 증착시키는 방법으로 원자층 증착(ALD)방법이 있다. 원자층 증착방법은 반응원료를 각각 분리, 공급하여 반응가스 간 화학반응으로 형성된 입자를 기판이나 웨이퍼 표면에 증착하여 박막을 형성시키는 방법이다. 이러한 원자층 증착방법을 이용하면 미세한 박막두께 조절이 가능한 장점이 있다.

원자층 증착장치는 헤드에서 불활성기체, 전구체 및 반응가스 등이 아래에 있는 기판으로 분사되어 한층한층 증착되게 된다. 이때, 분사되는 가스의 양 및 분사속도가 적절히 제어되어야 양질의 박막을 얻을 수 있다.

도 1에 나타낸 등록특허공보 제10-1764959호를 참조하면, 전구체 저장소(6)에는 반응챔버(1)내로 이송시킬 전구체가 저장되어 있고, 전구체 저장소(6)에서는 전구체를 소정의 온도까지 가열하여 증발시킨다.

또한, 불활성 가스 공급기(2)에서는 불활성 가스를 전구체 저장소 또는 반응챔버로 전송하여 준다. 이때, 불활성 가스는 가스유량제어기(mass flow controller;4,5)를 통해 유량이 제어된다.

상기 전구체 저장소로 들어간 불활성 가스는 전구체와 혼합되어 전구가스가 된다. 이렇게 혼합된 전구가스는 반응챔버 내로 주입된다.

하지만, 이러한 방식의 원자층 증착장치는 전구체의 유량 및 속도제어가 힘들어 헤드 내로 원하는 만큼의 적정한 양과 속도로 분사시키기가 어려운 문제점이 있다.

즉, 많은 에너지를 가해 기화되는 전구체의 양을 많게 하면 그만큼 유동속도도 빨라져 헤드 내에서 너무 빠른 속도로 분사되고, 기화되는 전구체의 양을 적게 하면 그만큼 유동속도도 느려져 헤드 내에서 너무 느린 속도로 분사되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것이며, 전구체 및 반응가스의 분사량을 일정하게 제어하면서 동시에 분사속도를 정밀하게 제어할 수 있는 원자층 증착장치용 가스 공급시스템을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 액체상태의 전구체가 수용되는 캐니스터; 상기 캐니스터로 삽입되어 불활성기체를 주입시키는 불활성기체주입관; 상기 불활성기체의 압력에 의해 배출되는 전구체를 헤드방향으로 이송하는 전구체배출관; 상기 전구체배출관에 의해 운송된 전구체를 기화시킴과 동시에 유동속도를 제어하는 원자화유닛; 상기 원자화유닛에 의해 기화된 전구체를 헤드로 이송시키는 헤드분사관을 포함하는 원자층 증착장치용 가스 공급시스템을 제공한다.

상기 원자화유닛은 상기 원자화유닛 내부로 상기 전구체를 기화시켜 분출하는 노즐이 구비되는 것이 바람직하다.

상기 원자화유닛은 상기 전구체의 유동속도를 제어하는 불활성기체를 분출하는 유동속도제어부가 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 헤드로 주입되는 불활성 가스, 전구체 및 반응가스의 분사량 및 분사속도를 각각 원하는 대로 조절할 수 있어 정밀하게 분사시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 원자화된 가스를 이용함으로써 더욱 균일한 고품질의 박막을 얻을 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 의한 원자층 증착장치의 전구체 공급장치 구성을 나타내는 구성도;
도 2는 본 발명에 의한 원자층 증착장치용 가스 공급시스템의 구성을 나타내는 구성도;
도 3은 도 2에서 원자화유닛의 구성을 나타내는 구성도.

본 발명의 실시예의 구성 및 작용에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 원자층 증착장치용 가스 공급시스템은 캐니스터(100), 제1불활성기체저장소(200), 제2불활성기체저장소(300), 원자화유닛(500), 헤드분사관(550), 불활성기체주입관(250), 전구체배출관(150), 제2불활성기체주입관(350), 제어부(700)를 포함하여 구성된다.

상기 캐니스터(100)에는 액체상태의 전구체 또는 증착물질이 저장된다. 예를 들어, 상기 전구체는 TMA(Trimethyl Aluminum) 등으로 구성될 수 있다.

상기 캐니스터(100)에는 불활성기체주입관(250) 및 전구체배출관(150)이 내부로 삽입되어 있다. 또한, 상기 제1불활성기체저장소(200)에는 불활성기체가 저장되며, 상기 제1불활성기체저장소에 저장된 불활성기체는 불활성기체주입관(250)을 통해 캐니스터(100)로 이송될 수 있다.

상기 불활성기체로는 질소(N₂), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등의 가스가 사용될 수 있다.

상기 전구체배출관(150)은 캐니스터(100)로부터 배출되는 전구체 또는 증착물질을 원자화유닛(500)으로 이송한다. 상기 전구체배출관(150)에는 액체 질량유동제어기(MFC)가 구비되어 이송되는 전구체 또는 증착물질의 양이 조절되는 것이 바람직하다.

한편, 제2불활성기체저장소(300)에도 불활성기체가 저장되며, 상기 제2불활성기체저장소(300)에 저장된 불활성기체는 캐니스터를 거치지 않고 바로 원자화유닛(500)으로 이송된다.

상기 캐니스터(100)에 삽입된 불활성기체주입관(250)은 불활성기체를 분사시켜 그 압력으로 내부에 저장된 전구체 또는 증착물질을 전구체배출관(150)을 통해 이송시키는 역할을 한다.

즉, 상기 불활성기체주입관(250)을 통해 분사되는 불활성기체의 압력에 따라 전구체배출관(150)을 통해 이송되는 전구체 또는 증착물질의 분자량이 조절되며, 상기 전구체배출관(150)을 통해 이송된 전구체 또는 증착물질은 원자화유닛(500)으로 이동된다.

도 3을 참조하면, 상기 원자화유닛(500)에는 노즐(510)이 구비된다. 즉, 상기 노즐(510)은 전구체배출관(150)의 끝단에 결합되며, 전구체배출관(150)을 통해이송된 전구체 또는 증착물질은 노즐(510)에 의하여 기화하며 원자화유닛(500) 내부로 분사된다.

이와 동시에 제2불활성기체저장소(300)에 저장된 불활성기체가 제2불활성기체주입관(350)을 통해 원자화유닛(500) 내부로 주입된다. 상기 제2불활성기체저장소(300) 및 제2불활성기체주입관(350)은 전구체 또는 증착물질의 유동속도를 제어하는 유동속도제어부를 구성한다.

구체적으로, 상기 노즐(510)에 의해 기화된 전구체 또는 증착물질은 상기 제2불활성기체주입관(350)을 통해 주입되는 불활성기체의 압력에 의하여 유동속도가 높아져 빠른 속도로 헤드분사관(550)을 통하여 헤드로 주입된다.

즉, 본 발명에 의하면, 제어부(700)에서 제1불활성기체저장소(200) 및 제2불활성기체저장소(300)에 저장된 불활성기체의 압력을 제어하여 전구체 또는 증착물질의 이송되는 분자량 및 유동속도를 각각 제어할 수 있어 최적화된 양과 속도로 전구체 또는 증착물질을 헤드로 주입시켜 고품질의 박막을 얻을 수 있다.

다음으로, 본 발명에 의한 원자층 증착장치용 가스 공급시스템을 이용한 원자층 증착방법에 대해 설명한다.

캐니스터(100)에는 TMA, H₂O와 같은 전구체 또는 증착물질이 액체상태로 밀폐된 상태로 저장된다.

이때, 제어부(700)에서는 제1불활성기체저장소(200)에 저장된 질소(N₂)와 같은 불활성기체를 불활성기체주입관(250)을 통해 캐니스터 내부로 주입시킨다. 그러면, 상기 불활성기체의 압력에 의해 캐니스터 내부에 수용된 전구체 또는 증착물질은 전구체배출관(150)을 통해 이송된다.

상기 불활성기체주입관(250)의 끝단은 캐니스터 내부에서 상기 전구체 또는 증착물질의 상부에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 전구체배출관(150)을 통해 이송된 전구체 또는 증착물질은 원자화유닛(500) 내부에서 노즐을 통해 기화되면서 분사된다. 이때, 제어부(700)에서는 제2불활성기체저장소(300)에 저장된 불활성기체를 원자화유닛(500) 내부로 일정압력으로 분사되도록 한다.

그러면, 원자화유닛(500) 내부에서 기화된 전구체 또는 증착물질은 불활성기체의 압력에 의하여 증속되어 원하는 속도로 헤드로 주입된다.

헤드로 주입된 전구체 또는 증착물질은 헤드 내부의 일정 패턴을 거쳐 기판에 분사되며, 상기 전구체와 증착물질은 서로 화학반응에 의하여 박막을 형성하게 된다.

상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 캐니스터 150 : 전구체배출관
200 : 제1불활성기체저장소 250 : 불활성기체주입관
300 : 제2불활성기체저장소 350 : 제2불활성기체주입관
400 : 헤드 600 : 기판
700 : 제어부

Claims

액체상태의 전구체가 수용되는 캐니스터;
불활성기체를 저장하는 제1 불활성기체저장소 및 제2 불활성기체저장소;
상기 캐니스터로 삽입되어 상기 제1 불활성기체저장소에 저장된 불활성기체를 상기 캐니스터로 주입시키는 제1 불활성기체주입관;
상기 제1 불활성기체의 압력에 의해 배출되는 액체상태의 전구체를 헤드방향으로 이송하는 전구체배출관;
상기 전구체배출관에 구비되어 상기 액체상태의 전구체의 양을 조절하는 액체 질량유동제어부;
상기 전구체배출관에 의해 운송된 액체상태의 전구체를 기화시킴과 동시에 유동속도를 제어하는 원자화유닛;
상기 제2 불활성기체저장소에 저장된 불활성기체를 상기 원자화유닛 내부로 주입하는 제2 불활성기체주입관;
상기 제2 불활성기체주입관에 구비되어 상기 전구체의 유동속도를 조절하는 유동속도제어부; 및
상기 원자화유닛에 의해 기화된 전구체를 헤드로 이송시키는 헤드분사관을 포함하고,
상기 원자화유닛은, 상기 전구체배출관의 끝단에 결합되는 노즐을 구비하고,
상기 전구체배출관을 통해 이송된 액채상태의 전구체는 상기 노즐에 의하여 기화되어 상기 원자화 유닛 내부로 분사되고,
상기 노즐에 의해 기화된 전구체는 상기 제2 불활성기체주입관을 통해 주입되는 불활성기체의 압력에 의해 유동속도가 제어되고 상기 헤드분사관을 통하여 상기 헤드로 주입되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착장치용 가스 공급시스템.