KR20210108042A - 가스 분사 시스템 및 이를 포함하는 원자층 증착 장치 - Google Patents

Abstract

원자층 증착장치는, 적어도 하나의 기판이 수용되어 기판의 증착공정이 수행되는 챔버유닛, 챔버유닛의 내부에서 기판을 회전 가능하게 지지하는 서셉터유닛, 기판을 향해 증착을 위한 증착가스를 공급시키는 공급유닛, 챔버유닛 내부의 미반응 증착가스를 배기시키는 배기유닛 및, 기판에 대한 증착공정 이후에 챔버유닛의 내부로 냉각된 퍼지가스를 공급하여 클리닝시키는 클리닝유닛을 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 챔버유닛 내부의 미 반응 증착가스의 빠른 배기를 가이드하여 내부 클리닝 효율이 향상된다.

Description

가스 분사 시스템 및 이를 포함하는 원자층 증착 장치{Gas injection system and apparatus for atomic layer deposition includinf the system}

본 발명은 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 가스 분사 시스템을 포함하는 원자층 증착장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 기판이나 글라스 등의 기판 상에 소정 두께의 박막을 증착하는 방법으로는 스퍼터링(sputtering)과 같이 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)과, 화학반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있다. 최근 반도체 소자의 디자인 룰(design rule)이 급격하게 미세해짐에 따라 미세 패턴의 박막이 요구되고 박막이 형성되는 영역의 단차 또한 매우 커졌다. 이러한 추세로 인해 원자층 두께의 미세 패턴을 매우 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 원자층 증착방법(atomic layer deposition, ALD)의 사용이 증대되고 있다.

ALD는 기체 분자들 간의 화학반응을 이용한다는 점에 있어서 일반적인 화학 기상 증착방법과 유사하다. 하지만, 통상의 CVD가 다수의 기체 분자들을 동시에 챔버 내로 주입하여 발생된 반응 생성물을 기판에 증착하는 것과 달리, ALD는 하나의 소스 물질을 포함하는 가스를 챔버 내로 주입하여 가열된 기판에 화학적으로 흡착시키고 이후 다른 소스 물질을 포함하는 가스를 챔버에 주입함으로써 기판 표면에서 소스 물질 사이의 화학반응에 의한 생성물이 증착된다는 점에서 차이가 있다. 이러한 ALD는 스텝 커버리지 특성이 매우 우수하며 불순물 함유량이 낮은 순수한 박막을 증착하는 것이 가능하다는 장점을 갖고 있어 현재 널리 사용되고 있다.

한편, 이러한 원자층 증착기의 경우, 챔버 내부의 환경이 기판 제조의 품질에 영향을 미친다. 그런데, 원자층 증착기용 챔버의 내부의 미반응 증착가스가 미처 배기되지 못하고 다음 공정의 기판 증착이 진행될 경우, 챔버 내부의 오염으로 인해 기판 품질이 저하된다. 이에 따라, 근래에는 챔버 내부의 환경을 개선시키기 위한 다양한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 추세이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 증착공정이 완료된 증착챔버 내부로 냉각된 퍼지가스를 분사하여 내부를 클리닝 할 수 있는 원자층 증착장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 원자층 증착장치는, 적어도 하나의 기판이 수용되어, 상기 기판의 증착공정이 수행되는 챔버유닛, 상기 챔버유닛의 내부에서 상기 기판을 회전 가능하게 지지하는 서셉터유닛, 상기 기판을 향해 증착을 위한 증착가스를 공급시키는 공급유닛, 상기 기판에 대한 증착공정 이후에 상기 챔버유닛의 내부로 냉각된 퍼지가스를 공급하여 클리닝시키는 클리닝유닛을 포함한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 증착공정이 완료된 챔버유닛의 내부로 냉각된 퍼지가스를 공급함으로써, 증착가스의 반응성을 저하시켜 빠르게 배기시킬 수 있게 된다.

둘째, 챔버유닛 내부의 파티클과 같은 오염물질의 제거가 가능해져, 클리닝 효율이 향상된다.

셋째, 챔버유닛 내부의 클리닝 효율 향상에 따른 기판의 증착품질 향상에 기여할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 원자층 증착장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 원자층 증착장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 원자층 증착장치(1)는 챔버유닛(10), 서셉터유닛(20), 공급유닛(30), 배기유닛(40) 및 클리닝유닛(50)을 포함한다.

참고로, 상기 원자층 증착장치(1)는 반도체 기판이 되는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 증착시킨다. 그러나, 상기 기판(W)이 실리콘 웨이퍼인 것으로 한정되는 것은 아니며, 기판(W)은 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel)와 같은 평판 디스플레이 장치용으로 사용하는 글라스를 포함하는 투명 기판을 포함 할 수 있다. 또한, 상기 기판(W)의 형상 및 크기가 도면의 도시된 예로 한정되지 않으며, 원형 및 사각형 등과 같이 다양한 형상과 크기를 가질 수 있음은 당연하다.

상기 챔버유닛(10)은 적어도 하나의 기판(W)이 수용되며, 기판(W)의 증착공정이 수행되는 증착환경을 제공한다.

상기 챔버유닛(10)은 외부와 격리된 증착공정을 조성하기 위해, 내부가 비워진 중공의 프로세서 챔버이다. 이러한 챔버유닛(10)의 내부에는 스루풋(throughput) 및 품질 향상을 위해 복수의 기판(W)에 대해 동시에 증착이 수행되는 형태의 세미 배치 타입(semi-batch type)이 적용되기 위해, 충분한 증착환경을 제공한다.

상기 서셉터유닛(20)은 챔버유닛(10)의 내부에서 기판(W)을 회전 가능하게 지지한다. 상기 서셉터유닛(20)은 상면에 복수의 기판(W)을 동시에 지지할 수 있도록 마련되어, 회전축(20a)을 중심으로 회전된다. 또한, 상기 서셉터유닛(20)의 하부, 보다 구체적으로는 서셉터유닛(20)을 사이에 두고 기판(W)과 마주하는 하부 위치에, 기판(W) 및 서셉터유닛(20)을 가열시키기 위한 히터(21)가 구비된다.

참고로, 상기 서셉터유닛(20)을 회전 시키기 위한 회전 구동원과 연결되는 구성은 공지된 기술로부터 이해 가능하므로, 자세한 도시 및 설명은 생략한다.

상기 공급유닛(30)은 기판(W)을 향해 증착을 위한 증착가스를 공급시킨다. 상기 공급유닛(30)은 증착가스를 공급하는 증착가스 공급원(31)과, 증착가스 공급원(31)과 연결되어 서셉터유닛(20)에 놓여진 기판(W)과 마주하도록 챔버유닛(10)의 상부에 마련되는 공급홀(32)을 포함한다.

여기서, 상기 증착가스 공급원(31)은 서로 다른 종류의 증착가스를 각각 공급하며, 공급홀(32)은 서로 다른 종류의 증착가스를 각각 분사하는 복수의 공급영역을 가지도록 기판(W)의 회전 방향을 따라 방사상으로 복수개 배치된다. 이에 따라, 상기 서셉터유닛(20)이 회전하여 기판(W)이 공급홀(32)에 대해 공전함으로써, 공급홀(32)로부터 분사되는 서로 다른 종류의 증착가스가 분사되는 복수의 공급영역을 순차적으로 통과하여 박막이 증착된다.

참고로, 상기 증착가스는 TiN 막을 형성시키기 위한 Ti를 포함하는 소스가스와 소스가스를 퍼지시키기 위한 퍼지가스를 포함한다. 또한, 상기 공급홀(32)은 일종의 샤워헤드 형태를 가지나, 노즐이나 에어 나이프(air knife) 등과 같은 다양한 형상으로 변형 가능하다.

한편, 상기 챔버유닛(10)의 내부에서의 증착공정 중 증착가스가 산소와 반응하여 비저항성이 상승함에 따라, 산소 제거가 필요하다. 이를 위해, 상기 공급유닛(30)의 상부에는 증착가스를 플라즈마화 시키기 위한 플라즈마 발생부(33)와 챔버유닛(10)의 내부에서 산소를 제거하기 위한 자외선 조사부(34)가 마련되며, 플라즈마 발생부(33)와 자외선 조사부(34)은 동일한 개체로 마련될 수 있다. 이때, 상기 플라즈마 발생부(33)와 자외선 조사부(34)에는 증착가스 공급원(31)과 연결된다. 이에 따라, 상기 증착가스 공급원(31)으로부터 공급되는 증착가스는 플라즈마 발생부(33) 및 자외선 조사부(34)를 거쳐 반응가스와 함께 챔버유닛(10)의 내부로 분사되게 된다.

이러한 증착가스의 플라즈마화와 자외선 조사에 의한 산소 제거 기술은 공지의 기술로부터 이해 가능하므로, 자세한 도시 및 설명은 생략한다.

상기 배기유닛(40)은 미반응 증착가스를 배기시킨다. 이를 위해, 상기 배기유닛(40)은 공급유닛(30)을 통해 챔버유닛(10) 내부의 증착가스를 배기시키는 탑 배기라인(41)과, 챔버유닛(10)의 하부의 원주방향을 따라 형성되어 챔버유닛(10) 내부의 증착가스를 배기시키는 챔버 배기라인(42)을 포함한다. 이러한 탑 배기라인(41) 및 챔버 배기라인(42)은 배기 펌프(43)와 연결되어 증착가스를 배기시킨다.

상기 클리닝유닛(50)은 기판(W)에 대한 증착공정 이후에, 챔버유닛(10)의 내부로 냉각된 퍼지가스를 공급시켜 클리닝시킨다. 이를 위해, 상기 클리닝유닛(50)은 냉각 퍼지 가스원(51) 및 클리닝라인(52)을 포함한다. 참고로, 상기 클리닝유닛(50)은 챔버유닛(10)의 내부에서 증착공정이 완료되어 기판(W)이 챔버유닛(10)으로부터 배출된 이후에 냉각된 퍼지가스를 공급시킬 수 있다.

상기 냉각 퍼지 가스원(51)은 상술한 공급유닛(30)의 증착가스 공급원(31)과 별도로 마련되어 냉각된 퍼지가스를 챔버유닛(10)의 내부로 제공한다. 상기 클리닝라인(52)은 냉각 퍼지 가스원(51)과 연결되도록 챔버유닛(10)의 하부에 마련된다. 이러한 클리닝라인(52)은 챔버유닛(10)의 저면에 원주방향을 따라 방사상으로 상호 이격되도록 복수개 마련되어 냉각 퍼지 가스원(51)과 연결되는 것으로 도시 및 예시하나, 꼭 이에 한정되지 않는다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 원자층 증착장치(1)의 클리닝 동작을 도 1을 참고하여 설명한다.

도 1과 같이, 상기 챔버유닛(10)의 내부의 서셉터유닛(20)에 기판(W)이 로딩되면, 서셉터유닛(20)은 회전축(20a)을 중심으로 회전된다. 이때, 상기 서셉터유닛(20)을 향해 공급유닛(30)의 공급홀(32)을 통해 증착가스가분사됨으로써, 기판(W)의 표면이 증착된다. 참고로, 상기 증착가스는 서로 다른 종류의 소스가스와 반응가스가 서로 다른 영역을 통해 퍼지가스에 의해 퍼지되어 분사된다. 상기 챔버유닛(10)의 내부로 공급된 증착가스 중미 반응 증착가스는 배기유닛(40)의 탑 배기라인(41)과 챔버 배기라인(42)을 통해 배기된다. 이러한 원자층 증착방법은 공지된 기술로부터 이해 가능하므로 자세한 설명은 생략한다.

상기 챔버유닛(10) 내부에서 기판(W)의 증착공정이 완료되면, 챔버유닛(10)의 내부로 냉각 퍼지 가스원(51)으로부터 공급되는 냉각된 퍼지가스가 챔버유닛(10)의 하부에 마련된 클리닝라인(52)을 통해 챔버유닛(10)의 내부로 공급된다. 상기 챔버유닛(10)의 내부는 냉각됨으로써, 챔버유닛(10) 내부에서 미처 배기되지 못하고 부유하는 소스가스, 반응가스 및 퍼지가스와 같은 증착가스가 냉각되어 반응성이 저하된다. 그로 인해, 상기 배기유닛(40)의 탑 배기라인(41)과 챔버 배기라인(42)을 통해 반응성이 저하된 증착가스가 빠르게 배기된다. 이에 따라, 상기 챔버유닛(10) 내부의 파티클과 같은 오염물질 발생 방지와 함께 제거가 가능해진다.

한편, 상기 클리닝유닛(50)이 챔버유닛(10)의 하부에서만 냉각된 퍼지가스를 공급하는 실시예로만 한정되지 않는다. 즉, 도 2의 도시와 같은 다른 실시예에 의한 원자층 증착장치(100)의 경우, 클리닝유닛(150)이 냉각 퍼지 가스원(151)으로부터 제공된 냉각된 퍼지가스를 챔버유닛(10)의 하부와 상부를 통해 동시에 공급한다.

구체적으로, 다른 실시예에 의한 클리닝유닛(150)은 냉각 퍼지 가스원(151), 챔버유닛(10)의 하부로 냉각된 퍼지가스를 공급하는 제1클리닝라인(152) 및, 챔버유닛(10)의 상부로 냉각된 퍼지가스를 공급하는 제2클리닝라인(153)을 포함한다. 이때, 상기 제2클리닝라인(153)은 챔버유닛(10)의 상부에 마련되는 공급유닛(30)의 공급홀(32)과 연결되어 냉각된 퍼지가스를 공급한다. 그러나, 꼭 이에 한정되지 않으며, 제2클리닝라인(153)이 공급홀(32)과 별도로 챔버유닛(10)의 상부에 마련되는 변형예도 가능하다.

참고로, 상기 제1클리닝라인(152)은 상술한 일 실시예에 의한 클리닝라인(52)과 유사한 구성을 가지므로, 자세한 설명은 생략한다. 아울러, 다른 실시예에 의한 원자층 증착장치(100)의 챔버유닛(10), 서셉터유닛(20), 공급유닛(30) 및 배기유닛(40)의 구성은 일 실시예와 동일하므로, 동일 참조부호를 부여하며 자세한 설명은 생략한다.

한편, 상술한 일 및 다른 실시예에 의한 클리닝유닛(50)(150)은 자세히 도시되지 않았으나, 1사이클(Cycle) 증착공정 이후의 증착공정 중에 냉각된 퍼지가스를 공급시킬 수 있다. 즉, 상기 클리닝유닛(50)(150)은 기판(W)의 증착공정 이후의 다음의 증착공정 중에 냉각가스인 냉각된 퍼지가스를 공급시키는 것이다.

또한, 상기 클리닝유닛(50)(150)은 냉각된 퍼지가스를 반복적으로 공급시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 클리닝 유닛(50)(150)은 냉각된 퍼지가스를 증착공정 이후에 반복적으로 수차례 공급시켜 클리닝 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 원자층 증착장치 10: 챔버유닛
20: 서셉터유닛 30: 공급유닛
40: 배기유닛 50, 150: 클리닝유닛
W: 기판

Claims (1)

1. 적어도 하나의 기판이 수용되어, 상기 기판의 증착공정이 수행되는 챔버유닛;
   상기 챔버유닛의 내부에서 상기 기판을 회전 가능하게 지지하는 서셉터유닛;
   상기 기판을 향해 증착을 위한 증착가스를 공급시키는 공급유닛;
   상기 챔버유닛 내부의 미반응 증착가스를 배기시키는 배기유닛; 및
   상기 기판에 대한 증착공정 이후에 상기 챔버유닛의 내부로 냉각된 퍼지가스를 공급하여 클리닝시키는 클리닝유닛;
   을 포함하는 원자층 증착장치.

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