KR20210094694A - 기판 처리 장치, 물질막 증착 장치, 및 상압 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

기판 처리 장치, 물질막 증착 장치, 및 상압 화학 기상 증착 장치 Download PDF

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Abstract

반응 기체가 공급되는 입구 및 잔여 기체가 배출되는 출구를 갖는 반응 챔버; 상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 반응 기체를 이온화시키도록 구성된 복수의 이오나이저들; 및 상기 반응 챔버를 가열하도록 구성된 히터를 포함하고, 상기 복수의 이오나이저들은: 상기 반응 기체를 양성으로 이온화시키도록 구성된 제 1 이오나이저; 및 상기 반응 기체를 음성으로 이온화시키도록 구성된 제 2 이오나이저를 포함하는 기판 처리 장치가 제공된다.

Description

기판 처리 장치, 물질막 증착 장치, 및 상압 화학 기상 증착 장치 {Substrate processing apparatus, material layer deposition apparatus, and apparatus for atmospheric pressure chemical vapor deposition}
본 발명은 기판 처리 장치, 물질막 증착 장치, 및 상압 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로서 더욱 구체적으로는 우수한 품질의 물질막을 신속하게 형성할 수 있는 기판 처리 장치, 물질막 증착 장치, 및 상압 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
화학 기상 증착은 고품질의 물질막을 제조하는 데 유용하다. 여러 가지 방식의 화학 기상 증착 공정들이 알려져 있는데, 플라스마를 이용한 화학 기상 증착은 고진공의 분위기를 필요로 하고 비용이 많이 들며 물질막에 손상을 입힐 가능성이 있다. 비교적 마일드한 분위기에서 결정성의 막을 신속하게 형성할 수 있는 방법에 대한 요구가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 우수한 품질의 물질막을 신속하게 형성할 수 있는 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 우수한 품질의 물질막을 신속하게 형성할 수 있는 물질막 증착 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 우수한 품질의 물질막을 신속하게 형성할 수 있는 상압 화학 기상 증착 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 네 번째 기술적 과제는 우수한 품질의 물질막을 신속하게 형성할 수 있는 물질막 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 반응 기체가 공급되는 입구 및 잔여 기체가 배출되는 출구를 갖는 반응 챔버; 상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 반응 기체를 이온화시키도록 구성된 복수의 이오나이저들; 및 상기 반응 챔버를 가열하도록 구성된 히터를 포함하고, 상기 복수의 이오나이저들은: 상기 반응 기체를 양성으로 이온화시키도록 구성된 제 1 이오나이저; 및 상기 반응 기체를 음성으로 이온화시키도록 구성된 제 2 이오나이저를 포함하는 기판 처리 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 증착 기체가 공급되는 입구 및 잔여 기체가 배출되는 출구를 갖고, 물질막을 형성하고자 하는 기판을 수용할 수 있는 증착 챔버; 상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 증착 기체를 양성으로 이온화시키도록 구성된 제 1 이오나이저; 상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 증착 기체를 음성으로 이온화시키도록 구성된 제 2 이오나이저; 상기 제 1 이오나이저에 양의 직류 전원을 공급하도록 구성된 제 1 파워 장치; 및 상기 제 2 이오나이저에 음의 직류 전원을 공급하도록 구성된 제 2 파워 장치를 포함하는 물질막 증착 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 증착 기체가 공급되는 입구 및 잔여 기체가 배출되는 출구를 갖고, 내부 압력이 약 0.5 기압 내지 약 1.5 기압의 절대 압력으로 유지되는 증착 챔버; 상기 증착 챔버를 가열하도록 구성된 히터; 상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 증착 기체를 양성으로 이온화시키도록 구성된 하나 이상의 제 1 이오나이저; 상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 증착 기체를 음성으로 이온화시키도록 구성된 하나 이상의 제 2 이오나이저; 상기 제 1 이오나이저에 양의 직류 전원을 공급하도록 구성된 제 1 파워 장치; 상기 제 2 이오나이저에 음의 직류 전원을 공급하도록 구성된 제 2 파워 장치; 상기 제 1 이오나이저 및 상기 제 2 이오나이저에 전구체 가스 및 캐리어 가스를 공급하도록 구성된 가스 공급계를 포함하고, 상기 제 1 이오나이저 및 상기 제 2 이오나이저의 각각은 공급된 기체가 유입되는 입구부, 유입된 상기 기체를 이온화시키기 위하여 방전을 수행하는 방전부, 및 이온화된 기체를 배출하기 위한 출구부를 포함하고, 상기 기체의 흐름 방향에 있어서, 상기 출구부의 길이가 상기 입구부의 길이보다 더 크고, 상기 출구부의 내경은 상기 방전부로부터 멀어질수록 감소하는 상압(atmospheric pressure, AP) 화학 기상 증착 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 네 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 반응 챔버 내에 기판을 반입하는 단계; 반응 기체의 일부를 제 1 이오나이저로 양이온으로 이온화시키는 단계; 상기 반응 기체의 다른 일부를 제 2 이오나이저로 음이온으로 이온화시키는 단계; 이온화된 상기 반응 기체들을 상기 반응 챔버 내로 공급하는 단계; 및 잔여 기체를 상기 반응 챔버로부터 배출시키는 단계를 포함하는 물질막 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 기판 처리 장치, 물질막 증착 장치, 및 상압 화학 기상 증착 장치를 이용하면 우수한 품질의 물질막을 신속하게 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증착 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 이오나이저를 상세하게 설명한 단면 사시도이다.
도 3은 상기 방전 전극의 단부를 보다 상세하게 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질막 형성 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 이온화 성능 테스트를 수행하기 위하여 제작된 이오나이저와 그의 주변 구성을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 8은 도 7의 이오나이저에 의하여 이온화된 가스의 이온화 정도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실험예 1 및 비교예 1에 따라 형성된 실리콘 층의 단면을 나타낸 전계 방출 주사 전자 현미경(field emission scanning electron microscope, FESEM) 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실험예 2 및 비교예 2에 따라 형성된 실리콘 층의 단면을 나타낸 FESEM 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실험예 3 및 비교예 3에 따라 형성된 실리콘 층의 단면을 나타낸 FESEM 이미지이다.
도 12는 본 발명의 실험예 4 및 비교예 4에 따라 형성된 실리콘 층의 단면을 나타낸 FESEM 이미지이다.
도 13은 본 발명의 실험예 5 및 비교예 5에 따라 형성된 실리콘 층의 단면을 나타낸 FESEM 이미지이다.
도 14는 본 발명의 실험예 4 및 비교예 4에서 형성된 실리콘 층의 자유 표면의 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM) 이미지이다.
도 15는 본 발명의 비교예 6 및 비교예 7에 따라 형성된 실리콘 층의 단면을 나타낸 FESEM 이미지이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 처리 장치(100)를 나타낸 개략도이다. 상기 기판 처리 장치(100)는 상압 화학 기상 증착(atmospheric pressure chemical vapor deposition, AP-CVD) 장치, 저압 화학 기상 증착(low pressure chemical vapor deposition, LP-CVD) 장치 등일 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 상기 기판 처리 장치(100)는 반응 챔버(110), 상기 반응 챔버(110)의 전단에 부착된 복수의 이오나이저들(120), 상기 반응 챔버(110)의 내부의 온도를 조절할 수 있는 히터(140), 및 반응에 필요한 가스들을 공급하도록 구성된 가스 공급계(170)를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 반응 챔버(110)는 증착 챔버일 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 반응 챔버(110)는 예컨대 증착 반응이 일어나는 반응 공간을 정의한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 반응 챔버(110)의 내부에는 기판(W)을 위치시킬 수 있는 지지대(112)가 제공될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 반응 챔버(110)의 내부에는 기판(W)을 지지하면서 이동시킬 수 있는 컨베이어 벨트가 제공될 수 있다. 또, 상기 반응 챔버(110)는 기판(W)을 반입할 수 있는 반입구 및 기판(W)을 반출할 수 있는 반출구를 가질 수 있다.
상기 반응 챔버(110)는 기판(W)을 1장씩 처리하도록 구성될 수도 있고, 여러 장의 기판들을 한꺼번에 처리하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시예들에 있어서, 증착과 같은 기판 처리가 수행되는 동안 상기 기판(W)은 고정된 위치에서 정지 또는 회전할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 증착이 수행되는 동안 상기 기판(W)은 컨베이어 벨트에 의해 반입구로부터 반출구 쪽으로 서서히 이동할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 기판 처리를 위하여 상기 기판(W)이 기울어져 배치되도록 상기 반응 챔버(110)가 구성될 수 있다.
상기 반응 챔버(110)의 일측 또는 주위에는 반응 챔버(110)의 내부 온도를 조절할 수 있는 히터(140)가 제공될 수 있다. 상기 히터(140)는 인덕션 가열, 저항 가열 등 임의의 방법으로 상기 반응 챔버(110)로 에너지를 가할 수 있는 수단이면 되고 특별히 한정되지 않는다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 히터(140)는 상기 반응 챔버(110)의 내부의 온도를 약 350 ℃ 내지 약 1000 ℃의 온도로 가열하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 히터(140)는 상기 반응 챔버(110)의 내부의 온도를 약 400 ℃ 내지 약 900 ℃, 약 450 ℃ 내지 약 800 ℃, 또는 약 480 ℃ 내지 약 600 ℃의 온도로 가열하도록 구성될 수 있다.
만일 상기 반응 챔버(110)의 내부의 온도가 과도하게 높으면 이온화에 의하지 않고도 화학 기상 증착이 활발하게 일어나 이온화에 따른 장점이 발휘되기 어렵고, 에너지가 많이 들어 경제적으로 불리할 수 있다. 반대로 상기 반응 챔버(110)의 내부가 과도하게 낮으면 화학 기상 증착에 필요한 활성화 에너지가 부족하여 증착 속도가 미흡할 수 있다.
만일 상기 기판 처리 장치(100)가 AP-CVD 장치인 경우, 상기 반응 챔버(110)의 내부 압력은 약 0.5 기압 내지 약 1.5 기압의 절대 압력을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 반응 챔버(110)의 내부 압력은 약 0.6 기압 내지 약 1.4 기압, 약 0.7 기압 내지 약 1.3 기압, 약 0.8 기압 내지 약 1.2 기압, 또는 약 0.9 기압 내지 약 1.1 기압이 되도록 조절될 수 있다.
만일 상기 반응 챔버(110)의 내부 압력이 너무 높으면 증착되는 물질막의 단차 도포성이 불량해질 수 있다. 만일 상기 반응 챔버(110)의 내부 압력이 너무 낮으면 증착 속도가 과도하게 낮아질 수 있다.
만일 상기 기판 처리 장치(100)가 LP-CVD 장치인 경우, 상기 반응 챔버(110)의 내부 압력은 약 1 torr 내지 약 500 torr의 절대 압력을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 반응 챔버(110)의 내부 압력은 약 10 torr 내지 약 450 torr, 약 20 torr 내지 약 400 torr, 약 30 torr 내지 약 350 torr, 또는 약 50 torr 내지 약 300 torr가 되도록 조절될 수 있다.
상기 반응 챔버(110)는 반응 공간 내부로 반응 가스를 공급하는 입구(inlet)(114i)와 반응 공간 내부에서 반응하지 않은 잔여 가스가 배출되는 출구(114o)를 가질 수 있다.
상기 입구(114i)에는 복수의 이오나이저들(120)이 연결될 수 있다. 도 2는 이오나이저(120)를 상세하게 설명한 단면 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 이오나이저(120)는 입구부(IP), 방전부(DP), 및 출구부(OP)를 포함할 수 있다. 이온화될 가스는 상기 입구부(IP)를 통해 상기 이오나이저(120)의 내부로 유입된 후 방전부(DP)에서 이온화되고, 이후 출구부(OP)를 통하여 상기 이오나이저(120)의 외부로 유출된다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 입구부(IP)를 이루는 입구 하우징(122)은 실린더 형태의 입구 연장부(122h)와 유입 가스가 통과하여 유입되는 입구 포트(122p), 및 상기 입구 포트(122p)를 형성하면서 입구 측의 단부를 정의하는 입구 커버(122c)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 출구부(OP)를 이루는 출구 하우징(126)은 실린더 형태의 출구 연장부(126h)와 이온화된 반응 가스가 통과하여 유출되는 출구 포트(126p), 및 상기 출구 포트(126p)를 형성하면서 출구 측의 단부를 정의하는 출구 커버(126c)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 입구부(IP)와 상기 출구부(OP)는 각각 전기적 도체로 이루어질 수 있으며, 이들은 접지될 수 있다.
상기 입구부(IP)와 출구부(OP)의 사이에는 방전부(DP)가 배치된다. 상기 방전부(DP)는 상기 입구부(IP)를 통해 유입되어 방전부(DP)를 통과하는 반응 기체를 이온화시키는 역할을 수행한다.
상기 반응 기체를 이온화시키기 위하여 상기 방전부(DP)는 상기 이오나이저(120)의 내부 공간을 향하여 노출된 방전 전극(124e) 및 상기 방전 전극(124e)을 지지하기 위한 전극 지지부(124)를 포함할 수 있다.
상기 전극 지지부(124)는 상기 방전 전극(124e)을 지지할 수 있는 임의의 형태를 가질 수 있고, 도 2에 도시된 모양에 한정되지 않는다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 지지부(124)는 전기적 부도체로 이루어질 수 있으며, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 실리콘(Silicone), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등과 같은 폴리머; 또는 실리카, 알루미나, 지르코니아, 파이렉스 유리 등과 같은 세라믹 재료로 이루어질 수 있다.
상기 방전 전극(124e)은 전기적 도전체이면 되고 특별히 한정되지 않는다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 방전 전극(124e)은 외부로부터 직류 전원을 공급받으며 상기 반응 공간을 향하여 일단이 노출된 전기적 도전체일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 방전 전극(124e)은 탄소계 소재가 이용될 수 있으며, 예를 들면, 탄소 섬유, 탄소 나노 튜브, 탄소 나노와이어, 그래핀, 흑연 등이 이용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 방전 전극(124e)은 다수의 탄소 섬유가 묶여진 탄소 섬유들의 다발(bundle)일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 방전 전극(124e)은 약 10개 내지 약 3000개의 탄소 섬유들이 묶여진 다발일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 방전 전극(124e)의 단부에서 각 탄소 섬유들이 무작위적으로(randomly) 이격되도록 탄소 섬유들이 묶여지지 않을 수 있다.
도 3은 상기 방전 전극(124e)의 단부를 보다 상세하게 나타낸 사시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 방전 전극(124e)은 탄소 섬유들을 묶는 피복부(EC) 및 상기 피복부(EC)로부터 말단부가 노출되어 이격된 탄소 섬유들(CF)을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 상기 방전 전극(124e)은 다수의 탄소 섬유들이 피복부(EC)에 의하여 묶여져 있을 수 있으며, 그 단부는 소정 길이에 걸쳐 탄소 섬유들이 묶여지지 않고 무작위적으로 상호 이격될 수 있다.
상기 피복부(EC)는 절연성을 갖는 임의의 피복재일 수 있고, 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌, 실리콘(Silicone), 폴리염화비닐, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등과 같은 폴리머로 이루어질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 방전 전극(124e)의 탄소 섬유들의 단부가 무작위적으로 상호 이격됨으로써 보다 효과적으로 반응 가스를 이온화시킬 수 있다. 즉, 상기 방전 전극(124e)에 소정 전위의 전원을 인가하면, 상기 단부에서 코로나 (corona) 방전이 일어나고 상기 단부 부근을 통과하는 반응 가스가 이온화될 수 있는데, 상기 단부가 이격됨으로써 보다 많은 반응 가스가 유효하게 이온화될 수 있는 공간이 증가할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 방전부(DP)는 복수의 상기 방전 전극(124e)들을 포함하며, 상기 복수의 방전 전극들(124e)은 상기 방전부(DP)의 둘레에 소정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 방전 전극들(124e)은 상기 방전부(DP)의 둘레에 일정한 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 뒤에서 설명되는 도 7에서는 하나의 이오나이저에 대하여 6개의 방전 전극들을 포함하는 것으로 도시되었지만 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 있어서, 하나의 이오나이저는 1개 내지 5개의 방전 전극들을 포함할 수 있다. 다른 일부 실시예들에 있어서, 하나의 이오나이저는 6개보다 많은, 예를 들면, 7개 내지 32개, 8개 내지 16개, 또는 10개 내지 14개의 방전 전극들을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 입구부(IP)에 비하여 상기 출구부(OP)가 상기 반응 가스의 흐름 방향으로 더 길게 연장될 수 있다. 상기 이오나이저(120)가 원통형을 갖는 경우, 이를 원통형(cylindrical) 좌표계에 배치할 수 있다. 특히, 상기 이오나이저(120)가 연장되는 방향을 z 방향으로 정의하고, 원통의 중심을 원점(origin)으로 정의하고 반지름(r) 방향 및 중심각(θ)을 정의할 수 있다. 이 때 상기 z 방향에 있어서 상기 출구부(OP)의 연장 길이는 입구부(IP)의 연장 길이에 비하여 더 클 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 출구부(OP)의 내벽은 원추형 또는 이에 대체로 유사한 형태를 가질 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 출구부(OP)의 내벽은 z 축에 수직인 단면으로 잘랐을 때 원형의 단면을 가질 수 있다. 상기 원형의 단면은 내경(ID)를 가질 수 있다. 상기 내경(ID)는 상기 방전부(DP)로부터 멀어질수록, 그리고 상기 출구 포트(126p)에 가까워질수록 감소할 수 있다.
도 2에서는 상기 방전부(DP)로부터 멀어질수록 내경(ID)이 선형적으로 감소하는 것으로 도시하였지만, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 출구부(OP)의 내벽은 도 2에 도시된 바에 비하여 더 오목하게 또는 더 볼록하게 형성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 복수의 이오나이저들(120)이 상기 입구(114i)에 연결될 수 있다.
상기 복수의 이오나이저들(120)은 상기 반응 기체를 양성으로 이온화시키도록 구성된 제 1 이오나이저(120p) 및 상기 반응 기체를 음성으로 이온화시키도록 구성된 제 2 이오나이저(120n)를 포함할 수 있다.
상기 이오나이저들(120)은 상기 이오나이저(120)의 방전 전극(124e)에 제공되는 전류의 방향에 의하여 이온화의 극성(polarity)이 결정될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 방전 전극(124e)에 전원(124p)의 양극(cathode)이 연결되어 있음을 알 수 있다. 이 경우 상기 방전부(DP)를 통과하는 반응 가스는 양성으로 이온화될 수 있다. 예컨대 상기 방전부(DP)를 실레인(silane)(SiH4) 가스가 통과하고 있었다면, 상기 실레인 가스는 SiH4 +로 이온화될 수 있다.
상기 전원(124p)에 인가되는 전압의 크기는 약 +1 kV 내지 약 +15 kV, 약 +2 kV 내지 약 +12 kV, 약 +3 kV 내지 약 +10 kV, 또는 약 +4 kV 내지 약 +7 kV일 수 있다. 만일 상기 전압의 크기가 과도하게 크면 코로나 방전이 생성되지 않고 아크 방전이 일어나 반응 기체의 이온화가 일어나지 않을 수 있다. 만일 상기 전압의 크기가 과도하게 작으면 코로나 방전에 의한 반응 기체의 이온화 효과가 미흡할 수 있다.
만일, 상기 방전 전극(124e)에 전원(124p)의 음극(anode)이 연결되어 있었다면 상기 방전부(DP)를 통과하는 반응 가스는 음성으로 이온화되었을 것이다. 즉, 예컨대 상기 방전부(DP)를 실레인(silane)(SiH4) 가스가 통과하고 있었다면, 상기 실레인 가스는 SiH4 -로 이온화되었을 것이다.
만일, 상기 방전 전극(124e)에 전원(124p)의 음극(anode)이 연결되어 있었다면 상기 전원(124p)에 인가되는 전압의 크기는 약 -1 kV 내지 약 -15 kV, 약 -2 kV 내지 약 -12 kV, 약 -3 kV 내지 약 -10 kV, 또는 약 -4 kV 내지 약 -7 kV일 수 있다. 만일 상기 전압의 크기의 절대값이 과도하게 크면 코로나 방전이 생성되지 않고 아크 방전이 일어나 반응 기체의 이온화가 일어나지 않을 수 있다. 만일 상기 전압의 크기의 절대값이 과도하게 작으면 코로나 방전에 의한 반응 기체의 이온화 효과가 미흡할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 제 1 이오나이저(120p) 및 상기 제 2 이오나이저(120n)은 상기 반응 챔버(110)의 입구(114i)에 병렬적으로 연결될 수 있다. 상기 제 1 이오나이저(120p)에서 배출된 양성으로 이온화된 반응 가스는 예컨대 제 1 도관(131p)을 통하여 상기 반응 챔버(110)로 유입될 수 있다. 또, 상기 제 2 이오나이저(120n)에서 배출된 음성으로 이온화된 반응 가스는 예컨대 제 2 도관(131n)을 통하여 상기 반응 챔버(110)로 유입될 수 있다.
가스 G가 상기 제 1 이오나이저(120p)를 통과하면 가스 G가 가스 G+로 이온화될 수 있다. 가스 G가 상기 제 2 이오나이저(120n)를 통과하면 가스 G가 가스 G-로 이온화될 수 있다. 상기 기판(W) 위에 물질막을 형성하기 위해 가스 G 대신 이온화된 가스들(G+, G-)을 이용하면 보다 우수한 물질막을 보다 신속하게 형성할 수 있다.
더욱 구체적으로, 반응 가스로서 SiH4 가스가 이용될 때 실리콘 원자와 수소 원자 사이의 결합 에너지는 이온화되었을 때 더욱 약화된다. SiH4 가스에서 실리콘 원자와 수소 원자 사이의 결합 에너지는 3.9 eV인 한편, 양성으로 이온화된 SiH4 + 가스 및 음성으로 이온화된 SiH4 - 가스에서 실리콘 원자와 수소 원자 사이의 결합 에너지는 각각 0.30 eV 및 0.98 eV이다.
유사하게, 반응 가스로서 디실레인(disilane)(Si2H6) 가스가 이용될 때 실리콘 원자들 사이의 결합 에너지 및 실리콘 원자와 수소 원자 사이의 결합 에너지는 반응 가스가 이온화되었을 때 더욱 약화된다. Si2H6 가스에서 실리콘 원자들 사이의 결합 에너지는 3.2 eV이고 실리콘 원자와 수소 원자 사이의 결합 에너지는 3.5 eV이다. 한편, 양성으로 이온화된 Si2H6 + 가스에서 실리콘 원자들 사이의 결합 에너지는 1.6 eV이고 실리콘 원자와 수소 원자 사이의 결합 에너지는 1.59 eV이다. 또, 음성으로 이온화된 Si2H6 - 가스에서 실리콘 원자들 사이의 결합 에너지는 1.11 eV이고 실리콘 원자와 수소 원자 사이의 결합 에너지는 1.02 eV이다.
본 발명이 특정 이론에 의하여 제한되는 것은 아니지만, 이와 갈이 이온화에 의해 약화된 결합 에너지로 인해 보다 신속한 물질막 퇴적이 가능하다.
상기 반응 가스는 가스 공급계(170)로부터 상기 이오나이저들로 공급될 수 있다. 도 1에 도시된 가스 공급계(170)는 실리콘의 전구체인 p(Si)와 헬륨(He)이 혼합된 제 1 공급 가스가 제공되고 여기에 캐리어로서 아르곤(Ar)인 제 2 공급 가스가 혼합되어 반응 가스 혼합물(G)을 이루는 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것으로서 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치(100a)를 나타낸 개략도이다.
도 4에 도시한 기판 처리 장치(100a)는 도 1에 도시한 기판 처리 장치(100)에 비하여 더 많은 수의 이오나이저들이 제공된 점을 제외하면 도 1을 참조하여 설명한 기판 처리 장치(100)와 동일하다. 따라서 이하에서는 이러한 차이점을 중심으로 설명한다.
도 4를 참조하면, 상기 반응 챔버(110)의 입구(114i)에는 두 개의 제 1 이오나이저들(120p1, 120p2)과 두 개의 제 2 이오나이저들(120n1, 120n2)이 병렬로 연결될 수 있다.
구체적으로, 가스 공급계로부터 공급되는 반응 가스 혼합물(G)은 네 개의 이오나이저들(120p1, 120p2, 120n1, 120n2)에 각각 유입된다. 두 개의 제 1 이오나이저들(120p1, 120p2)로 유입된 반응 가스 혼합물(G)은 양성으로 이온화된 반응 가스 혼합물(G+)이 되어 상기 반응 챔버(110) 내부로 도입된다. 두 개의 제 2 이오나이저들(120n1, 120n2)로 유입된 반응 가스 혼합물(G)은 음성으로 이온화된 반응 가스 혼합물(G-)이 되어 상기 반응 챔버(110) 내부로 도입된다.
두 개의 상기 제 1 이오나이저들(120p1, 120p2)은 각각 제 1 도관(131p1) 및 제 2 도관(131p2)을 통해 상기 반응 챔버(110)와 연결될 수 있다. 두 개의 상기 제 2 이오나이저들(120n1, 120n2)은 각각 제 3 도관(131n1) 및 제 4 도관(131n2)을 통해 상기 반응 챔버(110)와 연결될 수 있다.
도 4의 기판 처리 장치(100a)는 도 1의 기판 처리 장치(100)와 대비할 때 동일한 부피 유속의 반응 가스 혼합물(G)이 공급된다고 가정할 때 4 개의 이오나이저에 분기되어 공급되기 때문에 보다 효과적인 이온화가 가능할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기판 처리 장치(100b)를 나타낸 개략도이다.
도 5에 도시한 기판 처리 장치(100b)는 도 1에 도시한 기판 처리 장치(100)에 비하여 더 많은 수의 이오나이저들이 제공된 점을 제외하면 도 1을 참조하여 설명한 기판 처리 장치(100)와 동일하다. 따라서 이하에서는 이러한 차이점을 중심으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 상기 반응 챔버(110)의 입구(114i)에는 두 개의 제 1 이오나이저들(120p1, 120p2)이 직렬로 연결될 수 있다. 나아가, 상기 반응 챔버(110)의 입구(114i)에는 두 개의 제 2 이오나이저들(120n1, 120n2)이 직렬로 연결될 수 있다. 이 때 상기 두 개의 제 1 이오나이저들(120p1, 120p2)과 상기 두 개의 제 2 이오나이저들(120n1, 120n2)은 상기 반응 챔버(110)의 입구(114i)에 대하여 병렬로 연결될 수 있다.
구체적으로, 가스 공급계(170)로부터 공급되는 반응 가스 혼합물(G)은 전방의 제 1 이오나이저(120p1)과 전방의 제 2 이오나이저(120n1)에 각각 공급된다. 상기 전방의 제 1 이오나이저(120p1)에서 일부 이온화된 반응 가스 혼합물은 후방의 제 1 이오나이저(120p2)로 공급되어 추가적으로 이온화된 후 제 1 도관(131p1)을 통해 상기 반응 챔버(110)로 도입될 수 있다. 또, 상기 전방의 제 2 이오나이저(120n1)에서 일부 이온화된 반응 가스 혼합물은 후방의 제 2 이오나이저(120n2)로 공급되어 추가적으로 이온화된 후 제 2 도관(131n1)을 통해 상기 반응 챔버(110)로 도입될 수 있다.
도 5의 기판 처리 장치(100b)는 도 1의 기판 처리 장치(100)와 대비할 때 동일한 부피 유속의 반응 가스 혼합물(G)이 공급된다고 가정할 때 제 1 이오나이저들(120p) 쪽으로 분기된 반응 가스 혼합물이 전방의 제 1 이오나이저(120p1)와 후방의 제 2 이오나이저(120p2)를 모두 경유하기 때문에 보다 효과적인 이온화가 가능할 수 있다. 이러한 효과는 제 2 이오나이저들(120n) 쪽으로 분기된 반응 가스 혼합물들에 대해서도 마찬가지이다.
실리콘 막을 형성하기 위하여 상기 반응 챔버에 공급될 수 있는 실리콘 전구체는 예를 들면 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 모노플루오로실란(SiFH3), 디플루오로실란(SiF2H2), 트리플루오로실란(SiF3H), 테트라플루오로실란(SiF4), 모노플루오로디실란(Si2FH5), 디플루오로디실란(Si2F2H4), 트리플루오로디실란(Si2F3H3), 테트라플루오로디실란(Si2F4H2), 펜타플루오로디실란(Si2F5H), 헥사플루오로디실란(Si2F6), 모노클로로실란(SiClH3), 디클로로실란(SiCl2H2), 트리클로로실란(SiCl3H), 테트라클로로실란(SiCl4), 모노클로로디실란(Si2ClH5), 디클로로디실란(Si2Cl2H4), 트리클로로디실란(Si2Cl3H3), 테트라클로로디실란(Si2Cl4H2), 펜타클로로디실란(Si2Cl5H), 헥사클로로디실란(Si2Cl6), 모노브로모실란(SiBrH3), 디브로모실란(SiBr2H2), 트리브로모실란(SiBr3H), 테트라브로모실란(SiBr4), 모노브로모디실란(Si2BrH5), 디브로모디실란(Si2Br2H4), 트리브로모디실란(Si2Br3H3), 테트라브로모디실란(Si2Br4H2), 펜타브로모디실란(Si2Br5H), 헥사브로모디실란(Si2Br6), 모노아이오도실란(SiIH3), 디아이오도실란(SiI2H2), 트리아이오도실란(SiI3H), 테트라아이오도실란(SiI4), 모노아이오도디실란(Si2IH5), 디아이오도디실란(Si2I2H4), 트리아이오도디실란(Si2I3H3), 테트라아이오도디실란(Si2I4H2), 펜타아이오도디실란(Si2I5H), 헥사아이오도디실란(Si2I6) 등일 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 실리콘 전구체는 디에틸실란(Et2SiH2), 테트라에틸 오쏘실리케이트(Si(OCH2CH3)4, TEOS), 또는 알킬 아미노실란계 화합물들일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 알킬 아미노실란계 화합물은, 예를 들면, 디이소프로필아미노실란(H3Si(N(i-Prop)2)), 비스(터셔리-부틸아미노)실란((C4H9(H)N)2SiH2), 테트라키스(디메틸아미노)실란(Si(NMe2)4), 테트라키스(에틸메틸아미노)실란(Si(NEtMe)4), 테트라키스(디에틸아미노)실란(Si(NEt2)4), 트리스(디메틸아미노)실란(HSi(NMe2)3), 트리스(에틸메틸아미노)실란(HSi(NEtMe)3), 트리스(디에틸아미노)실란(HSi(NEt2)3), 트리스(디메틸하이드라지노)실란(HSi(N(H)NMe2)3), 비스(디에틸아미노)실란(H2Si(NEt2)2), 비스(디이소프로필아미노)실란(H2Si(N(i-Prop)2)2), 트리스(이소프로필아미노)실란(HSi(N(i-Prop)2)3), 또는 (디이소프로필아미노)실란(H3Si(N(i-Prop)2)을 포함할 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
여기서, Me는 메틸기, Et는 에틸기, i-Prop은 이소프로필기를 나타낸다.
일부 실시예들에 있어서, 저머늄(Ge)을 함유하는 물질막을 형성하기 위하여 상기 반응 챔버(110)에 저머늄 전구체가 공급될 수 있다. 상기 저머늄 전구체는 예를 들면 저메인(GeH4), 디저메인(Ge2H6), 모노플루오로저메인(GeFH3), 디플루오로저메인(GeF2H2), 트리플루오로저메인(GeF3H), 테트라플루오로저메인(GeF4), 모노플루오로디저메인(Ge2FH5), 디플루오로디저메인(Ge2F2H4), 트리플루오로디저메인(Ge2F3H3), 테트라플루오로디저메인(Ge2F4H2), 펜타플루오로디저메인(Ge2F5H), 헥사플루오로디저메인(Ge2F6), 모노클로로저메인(GeClH3), 디클로로저메인(GeCl2H2), 트리클로로저메인(GeCl3H), 테트라클로로저메인(GeCl4), 모노클로로디저메인(Ge2ClH5), 디클로로디저메인(Ge2Cl2H4), 트리클로로디저메인(Ge2Cl3H3), 테트라클로로디저메인(Ge2Cl4H2), 펜타클로로디저메인(Ge2Cl5H), 헥사클로로디저메인(Ge2Cl6), 모노브로모저메인(GeBrH3), 디브로모저메인(GeBr2H2), 트리브로모저메인(GeBr3H), 테트라브로모저메인(GeBr4), 모노브로모디저메인(Ge2BrH5), 디브로모디저메인(Ge2Br2H4), 트리브로모디저메인(Ge2Br3H3), 테트라브로모디저메인(Ge2Br4H2), 펜타브로모디저메인(Ge2Br5H), 헥사브로모디저메인(Ge2Br6), 모노아이오도저메인(GeIH3), 디아이오도저메인(GeI2H2), 트리아이오도저메인(GeI3H), 테트라아이오도저메인(GeI4), 모노아이오도디저메인(Ge2IH5), 디아이오도디저메인(Ge2I2H4), 트리아이오도디저메인(Ge2I3H3), 테트라아이오도디저메인(Ge2I4H2), 펜타아이오도디저메인(Ge2I5H), 헥사아이오도디저메인(Ge2I6) 등일 수 있으나 이들에 한정되는 것은 아니다.
일부 실시예들에 있어서, 붕소(B)를 함유하는 물질막을 형성하기 위하여 상기 반응 챔버(110)에 붕소 전구체가 공급될 수 있다. 상기 붕소 전구체는 보레인(BH4), 디보레인(B2H6), 모노플루오로보레인(BFH3), 디플루오로보레인(BF2H2), 트리플루오로보레인(BF3H), 테트라플루오로보레인(BF4), 모노플루오로디보레인(B2FH5), 디플루오로디보레인(B2F2H4), 트리플루오로디보레인(B2F3H3), 테트라플루오로디보레인(B2F4H2), 펜타플루오로디보레인(B2F5H), 헥사플루오로디보레인(B2F6), 모노클로로보레인(BClH3), 디클로로보레인(BCl2H2), 트리클로로보레인(BCl3H), 테트라클로로보레인(BCl4), 모노클로로디보레인(B2ClH5), 디클로로디보레인(B2Cl2H4), 트리클로로디보레인(B2Cl3H3), 테트라클로로디보레인(B2Cl4H2), 펜타클로로디보레인(B2Cl5H), 헥사클로로디보레인(B2Cl6), 모노브로모보레인(BBrH3), 디브로모보레인(BBr2H2), 트리브로모보레인(BBr3H), 테트라브로모보레인(BBr4), 모노브로모디보레인(B2BrH5), 디브로모디보레인(B2Br2H4), 트리브로모디보레인(B2Br3H3), 테트라브로모디보레인(B2Br4H2), 펜타브로모디보레인(B2Br5H), 헥사브로모디보레인(B2Br6), 모노아이오도보레인(BIH3), 디아이오도보레인(BI2H2), 트리아이오도보레인(BI3H), 테트라아이오도보레인(BI4), 모노아이오도디보레인(B2IH5), 디아이오도디보레인(B2I2H4), 트리아이오도디보레인(B2I3H3), 테트라아이오도디보레인(B2I4H2), 펜타아이오도디보레인(B2I5H), 헥사아이오도디보레인(B2I6), 보라진(B3N3H6) 등일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
일부 실시예들에 있어서, 텅스텐(W)을 함유하는 물질막을 형성하기 위하여 상기 반응 챔버(110)에 텅스텐 전구체가 공급될 수 있다. 상기 텅스텐 전구체는 WF6, W(CO)6, BTBMW(Bis(tert-butylimino)bis(dimethylamino)tungsten(VI)), MDNOW(methylcyclopentadienyl-dicarbonylnitorsyl-tungsten) 등일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
일부 실시예들에 있어서, 티타늄(Ti)을 함유하는 물질막을 형성하기 위하여 상기 반응 챔버(110)에 티타늄 전구체가 공급될 수 있다. 상기 티타늄 전구체는 TiCl4, TDMAT(tetrakis(dimethylamido)titanium(IV)), Ti(NEt2)4(TDEAT), Ti(NMeEt)4 (TEMAT), Ti(COCH3)(η5-C5H5)2Cl, Ti(η5-C5H5)Cl2, Ti(η5-C5H5)Cl3, Ti(η5-C5H5)2Cl2, Ti(η5-C5(CH3)5)Cl3, Ti(CH3)(η5-C5H5)2Cl, Ti(η5-C9H7)2Cl2, Ti((η5-C5(CH3)5)2Cl, Ti((η5-C5(CH3)5)2Cl2, Ti(η5-C5H5)2(μ-Cl)2, Ti(η5-C5H5)2(CO)2, Ti(CH3)3(η5-C5H5), Ti(CH3)2(η5-C5H5)2, Ti(CH3)4, Ti(η5-C5H5)(η7-C7H7), Ti(η5-C5H5)(η8-C8H8), Ti(C5H5)2(η5-C5H5)2, Ti(η5-C5(CH3)5)2, Ti(η5-C5(CH3)5)2H2, 및 Ti(CH3)2(η5-C5(CH3)5)2 등일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
일부 실시예들에 있어서, 몰리브덴(Mo)을 함유하는 물질막을 형성하기 위하여 상기 반응 챔버(110)에 몰리브덴 전구체가 공급될 수 있다. 상기 몰리브덴 전구체는 MoCl6, MoCl5, Mo(CO)6, MoOxCly 등일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
일부 실시예들에 있어서, 알루미늄(Al)을 함유하는 물질막을 형성하기 위하여 상기 반응 챔버(110)에 알루미늄 전구체가 공급될 수 있다. 상기 알루미늄 전구체는 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum, TMA), AlEt3, AlMe2H, [Al(O-sBu)3]4, Al(CH3COCHCOCH3)3, AlCl3, AlBr3, AlI3, Al(O-iPr)3, [Al(NMe2)3]2, Al(iBu)2Cl, Al(iBu)3, Al(iBu)2H, AlEt2Cl, Et3Al2(O-sBu)3, 및 Al(THD)3 등일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물질막 형성 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 반응 챔버(110) 내에 기판(W)을 반입할 수 있다(S110). 도 1에서는 단일 기판(W)을 반입하는 것으로 도시하였지만, 필요에 따라 둘 이상의 기판들이 상기 반응 챔버(110) 내에 반입될 수도 있다.
이후 반응 기체(G)의 일부를 제 1 이오나이저(120p)로 이온화하고(S120A), 상기 반응 기체(G)의 다른 일부를 제 2 이오나이저(120n)로 이온화할 수 있다(S120B). 상기 제 1 이오나이저(120p)는 상기 반응 기체(G)를 양이온으로 이온화시키고 상기 제 2 이오나이저(120n)는 상기 반응 기체(G)를 음이온으로 이온화시킬 수 있다. 상기 제 1 이오나이저(120p)와 상기 제 2 이오나이저(120n)가 상기 반응 기체를 각각 양이온과 음이온으로 이온화시키는 것에 관해서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하였으므로 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.
그런 다음, 이온화된 상기 반응 기체(G)를 상기 반응 챔버(110) 내부로 공급한다(S130). 이온화된 상기 반응 기체(G)는 상기 반응 챔버(110) 내에서 화학 기상 증착 반응을 일으키고, 상기 반응 기체(G)의 금속 원소는 상기 기판(W)의 상부 표면 위에 빠른 속도로 증착될 수 있다.
상기 화학 기상 증착 반응에 의하여 반응 부산물들(by-product)이 생성되며, 이러한 반응 부산물들은 상기 반응 챔버(110)의 외부로 배출될 필요가 있다. 이를 위하여 상기 반응 부산물들을 포함하는 잔여(residue) 기체는 예컨대 펌프와 같은 수단에 의하여 상기 반응 챔버(110)의 외부로 배출될 수 있다(S140). 또한 공급된 반응 기체(G) 중 일부는 상기 화학 기상 증착 반응에 참가하지 못할 수 있으며 이들도 상기 잔여 기체에 일부 포함될 수 있다.
상기 반응 기체(G)의 공급은 상기 기판(W) 위에 원하는 두께의 물질막이 형성될 때까지 계속될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
<이온화 성능 테스트>
이오나이저를 도 7에 도시한 바와 같이 구성하고 이오나이저를 통과하는 기체를 이온화하는 성능을 측정하였다.
도 7을 참조하면, 테플론으로 전극 지지부(124)를 형성하고, 여기에 6개의 방전 전극(124e)을 동일 간격을 갖도록 삽입하였다. 각 방전 전극(124e)은 각기 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛의 직경을 갖는 300개의 탄소 섬유들을 절연 테이프로 묶어 제조하였다. 입구 하우징(122) 및 출구 하우징(126)은 스테인레스 스틸로 형성하였다.
5 kV의 직류 전원을 공급할 수 있는 파워팩을 상기 방전 전극(124e)에 연결하고, 상기 파워팩에는 220V 교류 전원을 공급하였다.
이후 상기 입구 하우징(122)을 통하여 반응 가스 혼합물을 공급하면서 출구 하우징(126)으로부터 배출되는 가스의 이온화 정도를 페러데이 컵 일렉트로미터(Faraday cup electrometer, FCE) 및 여기에 연결된 피코암미터(picoammeter)를 이용하여 측정하였다.
상기 반응 가스 혼합물로는 헬륨(He) 가스에 10% 농도로 희석된 실레인 가스 혼합물 50 sccm과 아르곤(Ar) 1000 sccm을 이용하였다.
도 8은 상기 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 우선 방전 전극(124e)에 전원을 공급하지 않는 동안에는 중성 가스가 유지되어 FCE에 아무런 전류가 흐르지 않는 것이 관찰되었다. 이후 6개의 방전 전극(124e)에 5 kV의 전원을 하나씩 공급하였으며, 그에 따라 출구 하우징(126)을 통해 배출되는 반응 가스 혼합물의 이온화 정도가 증가하는 것이 관찰되었다(굵은 실선 참조).
또, 반응 가스 혼합물의 흐름을 유지하면서 6 개의 방전 전극(124e)에 -5 kV의 전원을 하나씩 공급하였으며, 그에 따라 출구 하우을 통해 배출되는 반응 가스 혼합물의 이온화 정도도 음의 방향으로 증가하는 것이 관찰되었다(가는 실선 참조).
특히, 종전에는 코로나 방전에 의하여 음성으로 하전되는 것이 양성으로 하전되는 것에 비하여 더 어렵다고 알려졌다. 그러나, 도 8을 참조하면 양성으로 이온화되는 경향(굵은 실선)과 음성으로 이온화되는 경향(가는 실선)이 거의 대등하여 코로나 방전을 응용하더라도 효과적으로 음성으로 이온화하는 것이 가능함이 실증되었다.
<실리콘 막 형성 시험>
실험예 1
도 1에 도시한 바와 같이 구성된 기판 처리 장치(100)에 반응 가스 혼합물을 공급하여 기판 상에 실리콘 층을 형성하였다. 기판은 10 mm x 10 mm x 1 mm의 치수를 갖는 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하였다. 상기 반응 가스 혼합물로는 헬륨(He) 가스에 10% 농도로 희석된 실레인 가스 혼합물 50 sccm과 아르곤(Ar) 1000 sccm을 이용하였다.
기판 처리 장치(100)의 온도를 450℃로 하고 제 1 이오나이저에 +5 kV의 전원을 공급하고, 제 2 이오나이저에 ??5 kV의 전원을 공급하면서 10시간 동안 화학 기상 증착에 의해 실리콘 층을 형성하였다. 이오나이저로는 도 7을 참조하여 설명한 이오나이저를 사용하였다.
비교예 1
제 1 및 제 2 이오나이저에 전원을 공급하지 않은 점을 제외하면 실험예 1과 동일한 방법으로 기판 상에 실리콘 층을 형성하였다.
실험예 1 및 비교예 1에서 형성된 실리콘 층들의 단면을 전계 방출 주사 전자 현미경(field emission scanning electron microscope, FESEM)으로 관찰하고 그 이미지를 도 9에 나타내었다.
도 9를 참조하면, 실험예 1에 의해 형성된 실리콘 층은 680 nm의 두께를 보였고(이미지 (a)), 비교예 1에 의해 형성된 실리콘 층은 200 nm의 두께를 보였다(이미지 (b)). 이오나이저를 이용하지 않았을 때에 비하여 이오나이저를 이용하면 동일한 시간 동안 약 3.4배의 속도로 증착이 가능함을 발견하였다.
실험예 2
온도를 500 ℃로 하고 반응 시간을 8시간으로 한 점을 제외하면 실험예 1과 동일한 방법으로 기판 상에 실리콘 층을 형성하였다.
비교예 2
제 1 및 제 2 이오나이저에 전원을 공급하지 않은 점을 제외하면 실험예 2와 동일한 방법으로 기판 상에 실리콘 층을 형성하였다.
실험예 2 및 비교예 2에서 형성된 실리콘 층들의 단면을 FESEM으로 관찰하고 그 이미지를 도 10에 나타내었다.
도 10을 참조하면, 실험예 2에 의해 형성된 실리콘 층은 3700 nm의 두께를 보였고(이미지 (a)), 비교예 2에 의해 형성된 실리콘 층은 650 nm의 두께를 보였다(이미지 (b)). 이오나이저를 이용하지 않았을 때에 비하여 이오나이저를 이용하면 동일한 시간 동안 약 5.7배의 속도로 증착이 가능함을 발견하였다.
실험예 3
온도를 700 ℃로 하고 반응 시간을 30분으로 한 점을 제외하면 실험예 1과 동일한 방법으로 기판 상에 실리콘 층을 형성하였다.
비교예 3
제 1 및 제 2 이오나이저에 전원을 공급하지 않은 점을 제외하면 실험예 3과 동일한 방법으로 기판 상에 실리콘 층을 형성하였다.
실험예 3 및 비교예 3에서 형성된 실리콘 층들의 단면을 FESEM으로 관찰하고 그 이미지를 도 11에 나타내었다.
도 11을 참조하면, 실험예 3에 의해 형성된 실리콘 층은 1420 nm의 두께를 보였고(이미지 (a)), 비교예 3에 의해 형성된 실리콘 층은 440 nm의 두께를 보였다(이미지 (b)). 이오나이저를 이용하지 않았을 때에 비하여 이오나이저를 이용하면 동일한 시간 동안 약 3.2배의 속도로 증착이 가능함을 발견하였다.
실험예 4
온도를 900 ℃로 하고 반응 시간을 30분으로 한 점을 제외하면 실험예 1과 동일한 방법으로 기판 상에 실리콘 층을 형성하였다.
비교예 4
제 1 및 제 2 이오나이저에 전원을 공급하지 않은 점을 제외하면 실험예 4와 동일한 방법으로 기판 상에 실리콘 층을 형성하였다.
실험예 4 및 비교예 4에서 형성된 실리콘 층들의 단면을 FESEM으로 관찰하고 그 이미지를 도 12에 나타내었다.
도 12를 참조하면, 실험예 4에 의해 형성된 실리콘 층은 2580 nm의 두께를 보였고(이미지 (a)), 비교예 4에 의해 형성된 실리콘 층은 770 nm의 두께를 보였다(이미지 (b)). 이오나이저를 이용하지 않았을 때에 비하여 이오나이저를 이용하면 동일한 시간 동안 약 3.4배의 속도로 증착이 가능함을 발견하였다.
실험예 5
온도를 1100 ℃로 하고 반응 시간을 30분으로 한 점을 제외하면 실험예 1과 동일한 방법으로 기판 상에 실리콘 층을 형성하였다.
비교예 5
제 1 및 제 2 이오나이저에 전원을 공급하지 않은 점을 제외하면 실험예 5와 동일한 방법으로 기판 상에 실리콘 층을 형성하였다.
실험예 5 및 비교예 5에서 형성된 실리콘 층들의 단면을 FESEM으로 관찰하고 그 이미지를 도 13에 나타내었다.
도 13을 참조하면, 실험예 5에 의해 형성된 실리콘 층은 32.9 마이크로미터(㎛)의 두께를 보였고(이미지 (a)), 비교예 5에 의해 형성된 실리콘 층은 24.4 ㎛의 두께를 보였다(이미지 (b)). 이오나이저를 이용하지 않았을 때에 비하여 이오나이저를 이용하면 동일한 시간 동안 약 1.3배의 속도로 증착이 가능함을 발견하였다.
이상의 실험예 1 내지 실험예 5 및 비교예 1 내지 비교예 5의 실험 결과를 정리하면 다음과 같다.
<표 1>
Figure pat00001
표 1에서 보는 바와 같이 실험예와 비교예 사이의 증착 속도의 차이는 대략 500 ℃의 반응 온도에서 최대가 될 수 있음을 발견하였다.
<결정성 시험>
실험예 4 및 비교예 4에서 형성된 실리콘 층의 자유 표면에 대하여 투과 전자 현미경(transmission electron microscope, TEM)을 이용하여 표면 이미지를 획득하고 그 이미지를 도 14에 나타내었다.
도 14에서 (a)와 (c)로 표시한 이미지는 각각 실험예 4와 비교예 4에서 형성된 실리콘의 자유 표면들에 대하여 획득한 저배율 TEM 이미지이고 (b)와 (d)로 표시한 이미지는 각각 (a)와 (c)의 사각형 부분에 대하여 획득한 고배율 TEM 이미지이다.
우선 (d)의 이미지를 살펴보면, 전체 표면에 대하여 비결정질의(amorphous) 실리콘 층이 형성된 것을 알 수 있다.
한편 (b)의 이미지를 살펴보면 대부분의 면적에 걸쳐 나노 결정질의 실리콘이 형성되고 이러한 나노 결정질의 결정립들 사이에 일부 비결정질의 실리콘이 형성된 것을 볼 수 있다. 특히, 점선의 네모로 표시한 부분들에서는 형성된 실리콘 층이 결정질의 구조를 갖는다는 것을 비교적 선명하게 관찰할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 양성 이오나이저 및 음성 이오나이저를 이용하면 결정학적인 측면에서도 더 우수한 품질의 물질막을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
<단일 이오나이저 시험>
비교예 6
제 2 이오나이저를 가동하지 않는 점을 제외하면 실험예 4와 동일한 방법으로 실리콘 막을 형성하였다. 즉, 제 1 이오나이저만을 가동하였으며 따라서 반응 기체 혼합물을 양성으로만 이온화하였다.
비교예 7
제 1 이오나이저를 가동하지 않는 점을 제외하면 실험예 4와 동일한 방법으로 실리콘 막을 형성하였다. 즉, 제 2 이오나이저만을 가동하였으며 따라서 반응 기체 혼합물을 음성으로만 이온화하였다.
비교예 6에서 형성된 실리콘 막(이미지 (a)) 및 비교예 7에서 형성된 실리콘 막(이미지 (b))의 단면을 FESEM으로 관찰하고 그 이미지를 도 15에 나타내었다.
도 9 내지 도 13의 이미지들과 도 15를 대비하면, 도 15의 이미지들에 나타난 실리콘 막은 표면에서 불규칙한 3차원 구조들을 갖고 이는 도 9 내지 도 13에 나타낸 실시예 1 내지 실시예 5의 표면은 물론 비교예 1 내지 비교예 5의 표면과 비교하여서도 불량한 표면 모폴로지(morphology)를 보인다. 본 발명이 특정 이론에 의하여 한정되는 것은 아니나, 도 15에 도시된 이러한 모폴로지는 단일 극성으로 하전됨에 따라 나타난 정전기적 상호작용의 결과물인 것으로 보인다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
100, 100a, 100b: 기판 처리 장치 110: 반응 챔버
120: 이오나이저 120p, 120p1, 120p2: 제 1 이오나이저
120n, 120n1, 120n2: 제 2 이오나이저 122: 입구 하우징
122c: 입구 커버 122h: 입구 연장부
122p: 입구 포트 124: 전극 지지부
124e: 방전 전극 126: 출구 하우징
126c: 출구 커버 126h: 출구 연장부
126p: 출구 포트 140: 히터
170: 가스 공급계

Claims (10)

  1. 반응 기체가 공급되는 입구 및 잔여 기체가 배출되는 출구를 갖는 반응 챔버;
    상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 반응 기체를 이온화시키도록 구성된 복수의 이오나이저들; 및
    상기 반응 챔버를 가열하도록 구성된 히터;
    를 포함하고,
    상기 복수의 이오나이저들은:
    상기 반응 기체를 양성으로 이온화시키도록 구성된 제 1 이오나이저; 및
    상기 반응 기체를 음성으로 이온화시키도록 구성된 제 2 이오나이저;
    를 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 이오나이저 및 상기 제 2 이오나이저는 상기 반응 챔버의 입구에 병렬적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 이오나이저 및 상기 제 2 이오나이저는 각각 입구부, 방전부, 및 출구부를 포함하고,
    상기 반응 기체의 흐름 방향에 있어서, 상기 출구부의 연장 길이는 상기 입구부의 연장 길이보다 더 큰 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 출구부의 내경은 상기 방전부로부터 멀어질수록 감소하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 방전부는 전극 지지부 및 상기 전극 지지부를 관통하여 상기 제 1 이오나이저 및 상기 제 2 이오나이저의 내부 공간으로 연장되는 방전 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 이오나이저와 상기 제 2 이오나이저가 각각 복수로 제공된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    복수의 상기 제 1 이오나이저들 및 복수의 상기 제 2 이오나이저들이 각각 상기 반응 챔버의 입구에 병렬적으로 연결된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  8. 증착 기체가 공급되는 입구 및 잔여 기체가 배출되는 출구를 갖고, 물질막을 형성하고자 하는 기판을 수용할 수 있는 증착 챔버;
    상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 증착 기체를 양성으로 이온화시키도록 구성된 제 1 이오나이저;
    상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 증착 기체를 음성으로 이온화시키도록 구성된 제 2 이오나이저;
    상기 제 1 이오나이저에 양의 직류 전원을 공급하도록 구성된 제 1 파워 장치; 및
    상기 제 2 이오나이저에 음의 직류 전원을 공급하도록 구성된 제 2 파워 장치;
    를 포함하는 물질막 증착 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 물질막을 형성할 때 상기 증착 챔버의 내부의 압력은 약 0.5 기압 내지 약 1.5 기압의 절대 압력을 갖고,
    상기 증착 기체는 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), WF6, W(CO)6, BTBMW (Bis(tert-butylimino)bis(dimethylamino)tungsten(VI)), TiCl4, TDMAT (tetrakis(dimethylamido)titanium(IV)), MoCl6, MoCl5, Mo(CO)6, MoOxCly, 또는 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum, TMA)인 것을 특징으로 하는 물질막 증착 장치.
  10. 증착 기체가 공급되는 입구 및 잔여 기체가 배출되는 출구를 갖고, 내부 압력이 약 0.5 기압 내지 약 1.5 기압의 절대 압력으로 유지되는 증착 챔버;
    상기 증착 챔버를 가열하도록 구성된 히터;
    상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 증착 기체를 양성으로 이온화시키도록 구성된 하나 이상의 제 1 이오나이저;
    상기 입구의 전단에 배치되고 상기 입구로 공급되는 증착 기체를 음성으로 이온화시키도록 구성된 하나 이상의 제 2 이오나이저;
    상기 제 1 이오나이저에 양의 직류 전원을 공급하도록 구성된 제 1 파워 장치;
    상기 제 2 이오나이저에 음의 직류 전원을 공급하도록 구성된 제 2 파워 장치;
    상기 제 1 이오나이저 및 상기 제 2 이오나이저에 전구체 가스 및 캐리어 가스를 공급하도록 구성된 가스 공급계;
    를 포함하고,
    상기 제 1 이오나이저 및 상기 제 2 이오나이저의 각각은 공급된 기체가 유입되는 입구부, 유입된 상기 기체를 이온화시키기 위하여 방전을 수행하는 방전부, 및 이온화된 기체를 배출하기 위한 출구부를 포함하고,
    상기 기체의 흐름 방향에 있어서, 상기 출구부의 길이가 상기 입구부의 길이보다 더 크고, 상기 출구부의 내경은 상기 방전부로부터 멀어질수록 감소하는 화학 기상 증착 장치.


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