KR20220038169A - 원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법 - Google Patents

원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법 Download PDF

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Abstract

샤워 헤드(4)가 챔버(2)내에서 성막대상물의 성막면(10a)에 대향하는 위치에 배치되고, 상기 성막면(10a)에 대향하도록 두 성막면 방향으로 소정 간격으로 교호로 배열되는 원료가스 분사구(41)와 OH* 형성가스 분사구(42)를 가지는 ALD장치가 개시된다. 상기 OH* 형성가스 분사구(42)는 오존가스분사를 위한 제1 분사구(42a)와 불포화 탄화수소 가스 분사를 위한 제2 분시구(42b)를 각각 포함한다. 성막 대상물(10)을 성막면(10a)의 두 방향을 따라 이동시키면서, 원료가스 분사구(41)로부터 원료가스를 분사하고, OH* 형성가스 분사구(42)의 제1 및 제2 분사구(42a, 42b)로부터 오존가스와 불포화 탄화수소를 각각 분사함으로써 성막면(10a)에 산화막(11)이 형성된다.

Description

원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법
본 발명은 원자층 증착 장치 및 원자층 증착 방법에 관한 것이다.
반도체 소자(예: CPU 회로)와 같은 첨단 소자의 박막을 형성(이하 간단히 '성막'이라고 함)하는 기술로서, 일반적으로 기상 증착, 스퍼터링, 화학 기상 증착(CVD) 및 원자층 증착(ALD)이 알려져 있다. 그 중에서도 ALD는 단차 피복성 및 막 밀도 면에서 가장 우수하여 첨단 소자의 필수 박막 형성 기술로 여겨져 왔다(특허 문헌 1 참조).
ALD 공정은 일반적으로 다음 4단계의 반복 실행에 의해 수행된다. 성막 대상물(예:실리콘 웨이퍼)이 배치되는 전체 챔버(진공용기 등)를 진공화하는 단계; ALD용 원료 가스(예: TMA(trimethylaluminum))를 챔버 내로 도입하는 단계; 챔버로부터 원료 가스를 제거하는 단계; 및 상기 원료 가스의 산화를 위한 산화제(예를 들어, 수증기)를 상기 챔버에 공급하는 단계.
원료가스를 챔버에 도입하고 챔버에 원료가스를 충전함으로써, 원료가스가 성막 대상물의 표면에 한분자층의 양으로 부착되어 원료가스의 분자층이 성막 대상물의 성막면에 형성된다.
그리고, 챔버 내에 원료 가스용 산화제를 공급함으로써, 성막면에 형성된 원료 가스의 분자층을 산화시킨다. 그 결과, 원료 가스의 산화물의 박막 분자층(예를 들어, 산화알루미늄의 박막)이 성막 대상물 상에 형성된다. 상술한 4단계를 반복함으로써, 4단계 공정의 반복 횟수에 따른 박막의 막두께가 부여되게 된다.
종래의 ALD 성막 공정에서는 성막 온도가 높아지는 경향이 있다. 예를 들면, TMA와 수증기의 충분한 반응에 의한 성막을 행하기 위해서는 성막 대상물을 비교적 높은 온도(예를 들면 300℃℃로 가열할 필요가 있다. 첨단 디바이스용 GAN, ZnO 등의 화합물 반도체를 성막하는 경우, 헤테로에피택시나 MBE(분자 빔 에피택시)에 기인하여 성막 대상물의 성막면에 약간 다른 조성의 복수의 반도체 박막층이 적층되어질 수 있다. 이들 반도체 박막층은 가열에 의해 조성 편차를 일으킬 수 있으므로 저온에서 성막하는 것이 강하게 요구되고 있다.
다른 첨단 디바이스의 경우, ALD에 의한 성막 온도는 실온 내지 100℃의 범위가 바람직하다는 견해가 있다. 이에 오존(O3)이나 플라즈마 산소를 산화제로 사용하는 ALD 공정에 대한 연구가 진행되고 있다. 오존의 사용은 오존의 열분해에 의해 강력한 산화제로서 O 라디칼이 생성될 수 있기 때문에 성막 온도의 저하로 이어진다. 그러나 오존의 경우에도 성막 대상물을 수백 °C까지 가열할 필요가 여전히 존재한다. 처음부터 O 라디칼을 공급할 수 있는 플라즈마 산소를 사용하여 성막 온도의 가장 많은 저하를 기대할 수 있는 경우에도, 성막 온도는 약 100~150℃정도로만 저하된다.
종래의 ALD 성막 공정에서는 성막 시간이 길어지는 경향도 있다. ALD에 의해 하나의 분자층을 증착하기 위해서는 성막면에 원료가스의 흡착을 유도하고, 잔류하는 원료가스를 제거한 후, 성막면에 형성된 원료가스층(흡착층)을 산화시키는 것이 필요하다. 일반적으로 이러한 공정 단계들을 수행하는 데 몇 분이 소요된다. 예를 들어, 산화알루미늄의 경우, 하나의 분자층은 두께가 약 0.1nm이다. 따라서 10nm 정도의 두께를 갖는 산화알루미늄막의 실질적인 형성을 위해 약 100개의 원자층을 증착하는 것이 필요하다. 하나의 원자층을 증착하는데 필요한 시간을 1분이라고 가정하면, 이러한 성막에 약 100분 정도 소요된다. 예를 들어, CVD와 같은 다른 성막 공정에서, 10nm 정도의 두께를 갖는 막을 1분 이내에 형성할 수 있다. ALD 공정의 성막 시간은 다른 성막 공정에 비해 긴 것이 큰 단점으로 꼽힌다. ALD 공정의 성막 시간 단축이 요구되고 있다.
특허 문헌 1: 일본국 공개 특허 공보 제2014-057014호 특허 문헌 2: 일본국 공개 특허 공보 제2008-294170호
비특허문헌 1: 12th ACSIN-21 초록집, ICSPM 21, Tsukuba(2013), 일본응용물리학회, 2013년 11월 14일, p. 98 비특허문헌 2: Convertech Magazine, Converting Technical Institute, 2018년 9월 15일, 2018년 9월호 비특허문헌 3: 보도 자료 2019, "Meiden이 상온에서 원자층 증착을 위한 획기적인 기술을 개발했다"(온라인), Meidensha Corporation 홈페이지, 인터넷, http://www.meidensha.co.jp/news/news_03/news_03_01 /1231056_2469.html
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은 ALD 성막 공정에 있어서 성막 온도의 저하 및 성막 시간의 단축에 기여하는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 형태는 성막 대상물의 성막면에 산화막을 형성하기 위한 원자층 증착 장치에 관한 것으로, 성막 대상물이 배치되는 챔버; 상기 챔버에 배치된 상기 성막 대상물을 상기 성막 대상물상의 4방향 중 대향하는 두 방향으로 이동 가능하게 지지하는 지지부; 상기 챔버내에 배치되고 상기 성막 대상물의 성막면에 대향하는 샤워 헤드; 및 흡입에 의해 가스를 상기 챔버의 외부로 배출하고, 상기 챔버의 내부를 감압상태로 유지하는 가스배출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 성막 장치는, 샤워 헤드가, 원료 가스를 챔버 내로 분사하기 위한 원료 가스 분사구 및 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스를 챔버 내로 분사하기 위한 OH* 형성 가스 분사구를 포함하고; 상기 원료 가스 분사구 및 상기 OH* 형성 가스 분사구는 상기 성막 대상물의 성막면에 대향하도록 상기 두 방향으로 소정의 간격을 두고 교호로 배치되고; 상기 OH* 형성 가스 분사구는 각각 오존 가스를 분사하는 제1 분사구와 불포화 탄화수소 가스를 분사하는 제2 분사구를 갖는 것이 특징이다.
상기 샤워 헤드는 상기 원료 가스 분사구와 상기 OH* 형성 가스 분사구 사이에 각각 배치되어 불활성 가스를 상기 챔버 내부로 분사하는 불활성 가스 분사구를 포함할 수 있다. 상기 샤워 헤드는 상기 분사구들중 적어도 어느 일부 사이에 배열된 가스 배출구를 포함할 수 있다.
상기 지지부는 상기 성막 대상물이 미리 권취되는 일단측 롤과 상기 일단측 롤로부터 공급되는 성막 대상물이 권취되는 타단측 롤을 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 지지부는 상기 성막 대상물이 지지되고 상기 성막 대상물의 성막면을 따라 이동 가능한 지지 스테이지를 포함할 수 있다.
상기 샤워 헤드에 있어서, 각각이 상기 원료 가스 분사구들중 하나 및 이에 인접하는 상기 OH* 형성 가스 분사구들중 하나로 구성되는 복수의 분사구 쌍이 상기 두 방향으로 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다. 상기 샤워 헤드에서, 복수의 상기 원료 가스 분사구가 성막면상의 4개의 방향 중 상기 두 방향을 가로지르는 교차 방향으로 배열되어 원료 가스 분사구군을 구성할 수 있고; 및 복수의 상기 OH* 형성 가스 분사구가 OH* 형성 가스 분사구군을 구성하도록 상기 교차 방향으로 배열될 수 있다.
상기 두 방향으로 상기 샤워 헤드의 각 분사구의 치수는 1mm 내지 50mm일 수 있다. 상기 샤워 헤드의 각 분사구로부터 상기 성막 대상물의 성막면까지의 거리는 1mm 내지 20mm의 범위일 수 있다. 상기 샤워 헤드의 분사구 중 적어도 일부는 상기 성막면상의 4방향 중 상기 두 방향을 교차하는 교차 방향으로 긴 슬릿 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 형태는 상기 원자층 증착 장치를 이용하여 성막 대상물의 성막면에 산화막을 형성하는 원자층 증착 방법에 관한 것으로, 상기 챔버내에 배치된 상기 성막 대상물을 상기 두 방향을 따라 이동시키면서 상기 성막면상에서 다음의 단계들을 수행하는 것으로 이루어진다: 상기 원료 가스 분사구로부터 상기 성막 대상물의 성막면에 원료 가스를 공급하여 성막면상에 원료가스의 흡착층을 형성하고, 상기 원료가스는 산화막의 구성원소를 포함하는 원료 가스 공급 단계; 상기 원료 가스 공급 단계에서 공급된 원료 가스의 잔류물과, 상기 원료 가스가 성막면에 흡착되어 발생하는 가스를 제거하는 원료 가스 퍼징 단계; 상기 OH* 형성 가스 분사구로부터 오존 농도 20vol% 이상의 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스를 상기 성막 대상물의 성막면에 공급하여, 상기 성막 대상물의 성막면에 형성된 흡착층을 산화시키는 산화제 공급 단계; 및 상기 산화제 공급 단계에서 공급된 오존 및 불포화 탄화수소 가스의 잔류물과 상기 원료 가스의 흡착층의 산화에 의해 발생된 가스를 제거하는 산화제 퍼징 단계.
상기 원자층 증착 방법에서, 상기 챔버 내부의 압력은 상기 원자층 증착 장치의 상기 가스 배출부에 의해 대기압보다 낮게 제어될 수 있다. 또한, 상기 원료 가스 퍼징 단계 및 산화제 퍼징 단계에서 챔버 내부의 압력을 1000Pa 이하로 제어할 수 있다.
상기 원료 가스 공급 단계, 상기 원료 가스 퍼징 단계, 상기 산화제 공급 단계 및 상기 산화제 퍼징 단계의 복수 사이클이, 상기 복수의 사이클중 적어도 하나의 원료 가스 공급 단계 및 상기 복수의 사이클 중 나머지의 원료 가스 공급 단계에서 상이한 종류의 원료 가스를 성막 대상물에 공급하는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 산화막은 Al2O3, HfO2, TiO2, ZnO, Ta2O3, Ga2O3, MoO3, RuO2, SiO2, ZrO2, 및 Y2O3 중 어느 하나 이상의 흡착층을 포함할 수 있다. 상기 불포화 탄화수소 가스는 에틸렌 가스일 수 있다.
또한, 상기 성막 대상물은 100℃이하의 범위 내에서 가열될 수도 있고, 가열되지 않은 상태로 유지될 수도 있다. 상기 원료가스의 공급량은 상기 원료가스 분사구에서 상기 두 방향에 수직인 방향으로 단위길이당 0.0001sccm 내지 1sccm의 범위 내에서 설정될 수 있다. 상기 오존 가스의 공급량은 상기 제1 분사구의 상기 두 방향에 수직인 방향으로 단위 길이당 0.1sccm 내지 10sccm의 범위 내에서 설정될 수 있다. 상기 불포화 탄화수소 가스의 공급량은 상기 제2 분사구에서 상기 두 방향에 수직인 방향으로 단위 길이당 0.1sccm 내지 10sccm의 범위 내에서 설정될 수 있다. 상기 각각의 분사구에 대향하는 상기 성막면의 압력은 0.1Pa 내지 1000Pa의 범위일 수 있다.
상술한 본 발명은 ALD 성막 공정에 있어서 성막 온도의 저하 및 성막 시간의 단축을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ALD 장치(1)를 나타내는 개략도이다.
도 2는 (두 성막면 방향으로 단면으로 절취한) 상기 ALD 장치(1)의 샤워 헤드(4)와 성막 대상물(10)을 나타내는 모식적 단면도이다.
도 3은 (두 성막면 방향으로 단면으로 절취하고 도 2의 일부에 대응하는) 상기 ALD 장치(1)의 샤워 헤드(4)의 각 분사구들을 보여주는 개략 단면도이다.
도 4는 상기 ALD 장치(1)에 의한 산화막 형성의 일례를 나타내는 반응 모식도이다.도 5는 (두 성막면 방향으로 단면으로 절취한) 상기 ALD 장치(1)에 의해 형성되는 산화막의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원자층 증착 장치 및 이를 이용한 원자층 증착 방법(이하, 각각 ALD 장치 및 ALD 방법이라고 칭함)은 성막면상 4방향중 대향하는 2개의 방향(이하, 간단히 두 성막면 방향이라고 함)으로 성막대상물을 이동시키면서(보다 구체적으로는 두 성막면 방향 중 한 방향으로 성막 대상물을 이동시키거나, 두 성막면 방향의 양방향으로 성막대상물을 왕복이동시키면서) 성막 대상물의 성막면에 산화막을 형성시키기 위한 것이다.
본 발명의 ALD 장치는, 성막 대상물이 배치되는 챔버; 및 상기 챔버 내에서 상기 성막대상물의 성막면과 대향하는 위치에 배치된 샤워 헤드를 포함한다. 샤워 헤드는 원료 가스를 챔버 내로 분사하기 위한 원료 가스 분사구와, 오존 가스 및 불포화 탄화수소 가스를 챔버 내로 분사하기 위한 OH* 형성 가스 분사구를 갖는다.
원료 가스 분사구 및 OH* 형성 가스 분사구는 성막 대상물의 성막면에 대향하도록 두 성막면 방향으로 소정의 간격을 두고 교호로 배치되어 있다. OH* 형성 가스 분사구는 각각 오존 가스를 분사하는 제1 분사구와 불포화 탄화수소 가스를 분사하는 제2 분사구를 갖는다.
본 실시 형태에서는, 성막 대상물을 이동시키면서 성막 대상물의 성막면에 대해 원료 가스 공급 단계, 원료 가스 퍼징 단계, 산화제 공급 단계 및 산화제 퍼징 단계를 개별적으로 행하는 것이 가능하다.
예를 들면, ALD용 원료 가스를 성막면에 흡착시킨 후, 바람직하게는 20vol% 이상, 보다 바람직하게는 80vol% 이상의 고농도 오존 가스 및 불포화 탄화수소 가스를 성막면에 공급함으로써, 성막면에 흡착된 원료 가스를 산화시켜 산화막을 형성시킬 수 있다. 즉, 오존과 불포화 탄화수소의 반응에 의해 발생하는 OH*(OH 라디칼)이 원료 가스의 산화를 위한 산화제로 사용된다.
오존과 불포화탄화수소를 이용한 ALD법은 저온에서 산화막을 형성할 수 있어서 Si기판과 같이 내열성이 상대적으로 높은 기판 뿐만 아니라 상대적으로 내열성이 낮은 합성수지로 만들어진 기판 또는 필름에도 산화막을 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 ALD 장치 및 ALD 방법은, 두 성막면 방향을 따라 성막 대상물을 이동시키면서 성막 대상물의 성막면에 산화막을 형성하기 위한 것이다. 상기 원자층 증착 장치 및 방법은, 성막 대상물을 이동시키면서 성막 대상물에 대해 원료 가스 공급 단계, 원료 가스 퍼징 단계, 산화제 공급 단계 및 산화제 퍼징 단계를 개별적으로 수행할 수 있는 임의의 형태로 구현될 수 있다. 다양한 분야(ALD, CVD 등에 의한 성막, 챔버, 오존 가스, 불포화 탄화수소 등)의 일반적인 기술 지식을 적절하게 적용하여 본 발명의 원자층 증착 장치 및 방법의 설계를 변형하는 것이 가능하다.
[본 실시예에 따른 ALD 장치(1)의 개략적인 구성]
본 실시예에 따른 ALD 장치(1)의 개략 구성이 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, ALD 장치(1)는 원하는 산화막(도 2에서 산화막(11)으로 도시됨)이 성막면(10a) 상에 형성될 수 있도록 성막 대상물(10)이 입출이 가능하게 배치되는 챔버(반응 용기)(2)를 포함한다. 챔버(2)에는 챔버(2) 내에 재치된 성막 대상물(10)을 성막면(10a)을 따라 길이 방향(두 성막면 방향)으로 이동 가능하게 지지하는 지지부(3)가 설치되어 있다.
도 1의 실시예에서, 지지부(3)는 소위 롤투롤 타입이다. 보다 구체적으로, 지지부(3)는 긴 필름형상 성막 대상물(10)의 일단측이 권취되는 권취축으로서의 일단측 롤(31); 긴 필름형상 성막 대상물(10)의 타단측이 권취되는 권취축으로서의 타단측 롤(32); 및 일단측 롤(31)과 타단측 롤(32) 사이에 배치된 반송 롤(33a, 33b)을 포함한다. 각각의 롤은 적절하게 회전하도록 되어 있다.
따라서, 지지부(3)는 성막 대상물(10)이 단부측 롤(31, 32) 중 하나로부터 송출되고, 반송 롤(33a, 33b)에 의해 이송되고, 단부측 롤(31, 32) 중 다른 하나에 권취되도록 구성된다. 환언하면, 지지부(3)는 두 성막면 방향을 따라 성막 대상물(10)의 적절한 이동을 가능하게 한다. 도 1의 지지부(3)에서, 반송 롤 모두(33a, 33b)는 이들 반송 롤 사이에서 이송되는 성막 대상물(10)의 성막면(10a)이 챔버(2)의 상부면에 대향하도록 챔버(2)의 상부에 서로 소정의 공간을 두고 배치된다(즉, 후술하는 샤워 헤드(4)에 대향함).
샤워 헤드(4)는 반송 롤(33a, 33b) 사이에서 반송되는 성막 대상물(10)의 성막면(10a)과 대향하도록 챔버(2)의 상부측에 배치되어 있다. 원료 공급부(51), 불포화 탄화수소 공급부(52), 오존 발생부(53) 및 불활성 가스 공급부(54)는 각각 파이프(51a, 52a, 53a, 54a)을 통해 샤워 헤드(4)에 연결되어 각각의 장치(51 내지 54)로부터 적절하게 챔버(2)로 가스가 공급된다. 챔버(2)에는 샤워 헤드(4)로부터 떨어진 위치(도 1에서는 측면 위치)에 가스 배출부(6)가 제공되어 챔버(2) 내부의 가스를 챔버(2) 외부로 흡입 및 배출하여, 챔버(2) 내부를 감압상태로 유지시킨다.
<지지부(3)의 다른 실시예>
지지부(3)는 도 1에 도시한 롤투롤 타입에 한정되지 않는다. 챔버(2) 내의 성막 대상물(10)을 성막면 방향으로 이동 가능하게 지지할 수 있는 임의의 형태일 수 있다. 예를 들어, 지지부는 대안적으로 성막 대상물(10)을 그위에 지지하기 위해 지지 스테이지(일본국 특허 제6052470호의 도 1에서 참조 번호 7로 지정된 스테이지와 같은)를 갖는 유형(단순히 지지 스테이지형이라 칭함)일 수 있다. 이 경우, 지지 스테이지는 두 성막면 방향을 따라 이동 가능하게 설정된다(성막면(10a)이 샤워 헤드(4)에 대향하도록).
<샤워 헤드(4)의 실시예>
샤워 헤드(4)의 일례가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 반송 롤(33a, 33b)사이로 이송되는 반송된 성막 대상물(10)의 성막면(10a)과 대향하는 샤워헤드(4)의 부분(40)에는, 복수의 원료 가스 분사구(41)와 복수의 OH* 형성 가스 분사구(42)가 형성되어 있다. 각각의 원료 가스 분사구(41)는 원료 공급부(51)와 (파이프(51a)를 통해) 연통되어 원료 가스가 이들 분사구로부터 챔버(2) 내로 분사된다. 각각의 OH* 형성 가스 분사구(42)는 (파이프(52a 또는 53a)를 통해) 불포화 탄화수소 공급부(52) 또는 오존 발생부(53)과 연통되어 이들 분사구로부터 챔버(2)내로 오존 가스 및 불포화 탄화수소 가스가 분사된다.
원료 가스 분사구(41) 및 OH* 형성 가스 분사구(42)는 두 성막면 방향으로 소정의 간격을 두고 교호로 배치되어 있다. 본 실시예에서, 원료 가스 분사구(41) 중 하나 및 이에 인접하는 OH* 형성 가스 분사구(42) 중 하나(도 2에서 참조부호 T로 표시됨)로 각각 구성된 복수개의 분사구 쌍이 두 성막면 방향으로 소정의 간격을 두고 배치된다.
OH* 형성 가스 분사구(42)는 각각 오존 가스를 분사하는 제1 분사구(42a)와 불포화 탄화수소 가스를 분사하는 제2 분사구(42b)를 갖는다. 제1 분사구(42a) 및 제2 분사구(42b)는 두 성막면 방향으로 나란히 인접하여 배치되어 있다.
또한, 샤워 헤드에는 원료 가스 분사구(41)와 OH* 형성 가스 분사구(42) 사이에 불활성 가스 분사구(43)가 각각 배치되어 있다. 불활성 가스 분사구(43) 각각은 (파이프(54a)을 통해) 불활성 가스 공급부(54)과 연통되어 불활성 가스가 이들 분사구로부터 챔버(2)내로 분사된다. 또한, 샤워 헤드는 원료 가스 분사구(41), OH* 형성 가스 분사구(42) 및 불활성 가스 분사구(43) 중 각각의 인접하는 것들 사이에 배출구(44)를 구비하고 있다. 각각의 인접하는 분사구 사이의 배출구(44)는 성막면(10a)과 배출구(44) 사이에 존재하는 가스를 흡입하여 챔버(2) 외부로 배출하도록 되어 있다.
<분사구(41~ 43)와 배출구(44)의 실시예>
원료 가스 분사구(41), OH* 형성 가스 분사구(42), 불활성 가스 분사구(43) 및 배출구(44)(일반적으로 간단히 분사구라고 칭함)는 두 성막면 방향에 복수개의 열로 배열될 뿐만 아니라 상기 두 성막면 방향에 교차하는 교차 방향(이하, 단순히 교차 방향이라고 함)으로 복수개의 열로 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수의 원료 가스 분사구(41)를 교차 방향으로 배열하여 원료 가스 분사구군을 형성하고, 복수의 OH* 형성 가스 분사구를 교차방향으로 배열하여 OH* 형성 가스 분사구군을 형성하는 것이 가능하다.
각 분사구의 형태(형상 및 크기) 및 각 분사구로부터 성막 대상물(10)의 성막면(10a)까지의 거리는 반드시 동일할 필요는 없고, 다른 값으로 설정해도 된다. 예를 들어, 각 분사구는 원형, 직사각형, 타원형, 슬릿 형상 등으로 형성될 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이 각 분사구의 성막면 방향의 치수(V1∼V9)(분사구가 슬릿 형상인 경우에는, 각 분사구의 슬릿 폭)는 바람직하게는 10-1mm 내지 수십mm, 보다 바람직하게는 1mm 내지 50mm의 범위 내에서 설정될 수 있다. 또한, 각 분사구로부터 성막 대상물(10)의 성막면(10a)까지의 거리 h1 내지 h9는 바람직하게는 수 mm 내지 수백 mm, 보다 바람직하게는 1 mm 내지 100 mm, 더욱 바람직하게는 1 mm 내지 20mm 의 범위 내로 설정될 수 있다. 도 3의 예시된 실시예에서. OH* 형성 가스 분사구(42)로부터 성막면까지의 거리 h8, h9는 다른 분사구로부터 성막면까지의 거리 h1 내지 h7보다 크게 설정되어 있다.
분사구들 사이의 피치(도 3에서 W1 내지 W9로 표시됨)는 분사구들의 개구 치수를 고려하여 적절하게 설정된다. 이 실시예에서 반응성종(OH)을 성막면(10a)에 공급하기 위해, 제1 분사구(42a)와 제2 분사구(42b)(도 3에서 W8로 표시) 사이의 피치는 다른 분사구들 사이의 피치보다 좁게 설정된다.
<가스 배출부(6)의 실시예>
가스 배출부(6)는 챔버(2) 내부의 가스를 챔버(2) 외부로 흡입 및 배출할 수 있고 챔버(2) 내부를 감압 상태로 유지할 수 있는 한 다양한 형태가 가능하다. 예를 들어, 가스 배출부(6)는 도 1에 도시된 바와 같이 진공 펌프(6b)가 장착된 배출 파이프(6a)를 갖는다. 대안적으로, 가스 배출부(6)에는 오존 킬러(즉, 오존을 분해할 수 있는 제거 실린더, 구체적으로 도시되지 않음) 및 가스 배출 밸브(즉, 개도 조정이 가능한 밸브, 구체적으로 도시되지 않음) 등이 구비될 수 있다.
가스 배출부(6)에 의한 챔버(2) 내부의 감압 상태 제어의 구체적인 예로서, 챔버(2) 내부의 압력은 수천 Pa 이하(예를 들어, 약 1000 Pa 이하), 바람직하게는 수백 Pa 이하(예: 약 130 Pa)로 감소되고 조절될 수 있다. 진공 펌프(6b)는 내오존형(예를 들어, 드라이 펌프)인 것이 바람직하다.
<성막 대상물(10)의 실시예>
성막 대상물(10)은 지지부(3)(예를 들어, 롤투롤형 또는 지지 스테이지형 지지부)에 의해 이동 가능하게 지지되어 두 성막면 방향을 따라 성막 대상물(10)의 이동과 함께 성막 대상물(10)의 성막면(10a)상에 산화막을 형성할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
본 실시예와 같이 오존과 불포화 탄화수소를 사용하여 산화막을 형성하는 기술에서는 비교적 낮은 온도에서 산화막을 형성할 수 있다. 따라서, 성막 대상물은 Si 기판과 같이 비교적 내열성이 높은 기판이나 필름 등에 한정되지 않는다. 산화막은 내열성이 비교적 낮은 합성 수지로 만들어진 기판이나 필름에 형성될 수 있다.
성막 대상물(10)이 수지 재료로 이루어지는 경우, 사용되는 수지 재료로서는 폴리에스테르 수지, 아라미드 수지, 올레핀 수지, 폴리프로필렌, PPS(폴리페닐렌 설파이드), PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 등을 들 수 있다.
수지재료로는 PE(폴리에틸렌), PEN(폴리에틸렌나프탈레이트), POM(폴리옥시메틸렌, 아세탈수지라고도 함), PEEK(폴리에테르에테르케톤), ABS수지(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합 합성수지), PA(폴리아미드) , PFA(테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알콕시에틸렌 공중합체), PI(폴리이미드), PVD(폴리비닐 디클로라이드) 등도 사용할 수 있다.
성막 대상물(10)의 형상은 고형상, 필름 형상, 시트 형상, 패브릭 형상, 섬유 형상 등일 수 있다. 도 1에서, 성막 대상물(10)은 긴 필름 형상이다. 이 경우, 길이 방향으로 연장되는 성막 대상물의 평평한 표리면의 한쪽 또는 양쪽이 성막면(10a)이 된다(도 1에서는 성막 대상물의 표리면 중 한쪽이 성막면(10a)이 된다.). 긴 필름 형상의 성막 대상물(10)은 지지부(6)에 의해 길이 방향(두 성막면 방향)으로 이동 가능하게 지지된다.
성막 성능의 향상을 위해, 성막 대상물(10)를 적절히 가열하는 것이 가능하다(열전대나 적외선 히터 등의 가열 기구에 의해, 구체적으로 도시하지 않음). 예를 들면, 성막면(10a)의 성막 온도가, 예를 들어 실온 내지 100℃가 되도록, 성막 대상물을 필요에 따라 가열할 수 있다.
<원료가스의 예>
사용되는 원료 가스는 산화막의 구성 원소(리튬(Li), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 몰리브덴 (Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 인듐(In), 주석(Sn), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 및 납 (Pb) 등; 이하 금속 또는 금속 원소라고 함)를 포함하는 가스이다. 예를 들어, 원료 가스는 Si-O 결합 또는 Si-C 결합을 갖는 유기 규소 화합물을 함유하는 가스 또는 금속-산소 결합 또는 금속-탄소 결합을 갖는 유기 금속 화합물을 함유하는 가스 및 유기 금속 착물 또는 실리콘 또는 금속의 수소화물을 포함하는 가스일 수 있다.
원료 가스의 구체예로서는 실란(즉, 규산수소의 총칭), TEOS(테트라에틸 오르토실리케이트), TMS(트리메톡시실란), TES(트리에톡시실란), TMA(트리메틸 알루미늄), TEMAZ(테트라키스(에틸메틸아미노) 지르코늄) 등이 있다. 원료 가스로서, 한 종류의 금속 원소를 함유하는 것보다, 복수 종류의 금속 원소를 함유하는 이종 다핵 착체의 가스(예를 들어, 일본국 공개 특허 공보 제2016-210742호에 개시됨)가 사용될 수 있다..
원료 가스는 캐리어 가스(N2, Ar, He 등)를 사용하여 챔버(2) 내로(예를 들어, 1 LSM 이하로) 공급될 수 있다.
<오존 가스의 예>
오존 가스는 다양한 농도로 사용할 수 있지만, 오존 농도는 가능한 한 높은 것이 바람직하다. 고농도 오존 가스의 오존 농도(vol%)는 바람직하게는 20 내지 100vol%, 보다 바람직하게는 80 내지 100vol%이다. 그 이유는 오존 농도가 100vol%에 가까울수록 오존 가스에서 생성된 반응성 종(OH)이 더 높은 밀도로 성막 대상물의 표면에 도달하기 때문입니다.
반응성종(OH)은 ALD에 필요한 반응에 참여할 뿐만 아니라 필름에 불순물로 포함된 탄소(C)와 반응하여 불순물인 탄소(C)를 기체 형태로 제거한다. 따라서, 성막면에 반응성종(OH)을 많이 공급함으로써 불순물이 적은 산화막을 형성한다. 오존 가스의 오존 농도가 높을수록(즉, 오존 가스의 산소 농도가 낮을수록) 오존의 해리에 의해 생성되는 원자 산소(O)의 수명이 길어지는 경향의 관점에서, 고농도 오존 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 오존 농도가 높을수록 산소 농도가 낮아져 원자 산소(O)가 산소 분자와 충돌하여 비활성화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 오존 농도의 증가에 따라 산화막 형성 공정 중의 공정 압력을 낮출 수 있다. 따라서, 상술한 원자 산소 수명 경향과 함께 가스 흐름 제어 및 가스 흐름 개선의 관점에서 고농도 오존 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
오존 가스는 증기압의 차에 기초하여 오존 함유 가스로부터 오존을 액화 및 분리한 후, 액화된 오존을 기화함으로써 얻을 수 있다. 오존 가스(고농도 오존 가스)를 발생시키는 장치로서, 일본국 공개특허공보 제2001-304756호 및 일본국 공개특허공보 제 2003-20209호 등의 특허문헌에서 개시된 오존 가스 발생 장치중 어느 것이라도 사용될 수 있다. 이들 오존가스 발생장치는 각각 오존과 다른 가스(예: 산소)의 증기압차에 의한 액화분리를 통해 오존을 분리하여 고농도 오존가스(오존농도 100vol%)를 발생시키도록 구성되어 있다. 특히 오존만을 액화 및 가스화하기 위한 복수의 챔버를 갖는 유형의 오존 가스 발생장치는 챔버의 개별 온도 제어에 의해 고농도 오존 가스의 연속 공급을 가능하게 한다. 예를 들면, 고농도 오존 가스 발생장치의 시판의 일례로서 메이덴샤사에서 제조한 퓨어 오존 제너레이터(Pure Ozone Generator)(MPOG-HM1A1)가 알려져 있다.
<불포화 탄화수소의 예>
사용되는 불포화 탄화수소 가스는 에틸렌과 같은 이중 결합을 갖는 탄화수소(알켄이라고 함) 또는 아세틸렌과 같은 삼중 결합을 갖는 가스(알킨이라고 함)를 포함하는 가스이다. 에틸렌 및 아세틸렌 이외에, 프로필렌, 부틸렌 등의 저분자량 불포화 탄화수소(예를 들어, 탄소수 n이 4 이하인 불포화 탄화수소)도 불포화 탄화수소로서 적합하게 사용할 수 있다. 상기 불포화 탄화수소를 포함하는 불포화 탄화수소 가스를 원료 가스 및 고농도 오존 가스와의 반응에 공급할 때, 불포화 탄화수소 가스에 포함되는 물의 양이 적은 것이 바람직하다. 그 이유는 반응에 사용되는 가스가 다량의 물을 포함하는 경우 물과 원료 가스의 반응에 의해 먼지가 발생할 가능성이 있기 때문이다. 예를 들어, 사용되는 불포화 탄화수소 가스는 바람직하게는 JIS Z 8806에 따라 결정된 -50℃이하의 대기압 노점(서리점) (대기압 1013.25 hPa)을 갖는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 후술하는 퍼지 가스의 대기압 노점(서리점)은 -50℃이하인 것이 바람직하다.
<불활성 가스의 예>
불활성 가스는 원료 가스 퍼징 단계 및 산화제 퍼징 단계에서 사용할 수 있는 한 임의의 종류일 수 있다. 불활성 가스의 예는 N2, Ar, He 등을 포함한다.
<가스 유량, 압력>
원료 가스, 오존 가스, 불포화 탄화수소 가스 및 불활성 가스의 유량 및 이들 각각의 가스의 분사에 의한 압력(즉, 각 분사구와 성막면(10a) 사이의 압력)은 성막면(10a)에 대한 반응성종(OH)의 공급, 분사구들 사이의 피치, 및 두 성막면 방향의 성막 대상물(10)의 이동 속도 등을 고려하여 적절하게 설정된다.
예를 들어, 오존 가스의 유량(공급 속도)은 성막면(10a)에 대한 반응성 종(OH)의 공급을 고려하여 적절하게 설정될 수 있다. 바람직하게는, 오존 가스의 유량(공급 속도)은 불포화 탄화수소 가스의 유량(공급 속도)의 2배 이상으로(예를 들어, 2 내지 3배 정도 높게) 설정된다.
오존 가스의 유량을 상술한 바와 같이 불포화 탄화수소 가스의 유량 이상으로 설정하는 목적은 불포화 탄화수소 가스의 OH기로의 분해가 복수의 단계로 진행된다는 가정에 기초한다. 이러한 가정하에, 오존 분자:불포화 탄화수소 분자의 비율= 1:1로 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스를 공급할 경우 반응에 필요한 오존 분자가 부족하여 충분한 양의 OH기가 얻어지지 않을 수 있기 때문이다.
오존 가스 및 불포화 탄화수소 가스의 유량의 구체적인 예로서, 오존 가스 및 불포화 탄화수소 가스의 각각의 유량은 제 1 또는 제 2 분사구(42a, 42b)에서 두 성막면 방향에 수직인 방향으로 단위 길이당 0.1sccm 내지 10sccm의 범위 내에서 설정될 수 있다.
또한, 원료 가스의 유량은 원료 가스 유량의 구체예로서 원료 가스 분사구(41)에서 두 성막면 방향에 수직인 방향으로 단위 길이당 0.0001sccm 내지 1sccm으로 설정될 수 있다.
불활성 가스의 유량의 구체예로서, 불활성 가스의 유량은 불활성 가스 분사구(43)와 성막면(10a) 사이의 압력이 너무 높아지지 않는 범위 내의 값으로 (예를 들어, 1000 Pa를 초과하지 않고, 보다 구체적으로 0.1 Pa 내지 1000 Pa의 범위로) 설정되고, 오존 가스의 유량보다 높게 설정된다. 원료 가스 분사구(41)와 성막면(10a) 사이 및 OH* 형성 가스 분사구(42)와 성막면(10a) 사이의 압력도 너무 높아지지 않도록(예를 들어, 1000 Pa를 초과하지 않고, 보다 구체적으로 0.1 Pa 내지 1000 Pa) 제어될 수 있다.
성막 대상물(10)의 두 성막면 방향에 따른 이동 속도는 분사구들 사이의 피치 등을 고려하여 적절하게 설정된다. 성막 대상물 이동 속도 등의 크기에 따라서, 각 분사구와 성막면(10a) 사이에 대류가 발생하여, 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스의 혼합이 용이하게 된다. 이 경우, 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스의 혼합 가스가 성막면(10a)에 효율적으로 작용할 수 있다.
<ALD 장치(1)에 의한 산화막 형성예>
ALD 장치(1)에 의한 산화막 형성의 일례를 도 1 내지 도 4을 참조하여 이하에 설명한다. 도 4는 TMA를 원료 가스로 하여 성막면(10a)에 Al2O3의 산화막(11)을 형성하는 경우의 반응모식도를 나타낸다.
지지부(6)에 의해 지지된 성막 대상물(10)이 도 1에 도시된 바와 같이 일단측 롤(31)로부터 타단측 롤(32)로(도 2에서는 좌측에서 우측으로) 이송되는 경우, 예를 들면 도 2에 도시한 바와 같이 성막면(10a)의 영역 A1∼A4가 순차 통과된다. 각 영역 A1~A4에 대해 다음의 단계들이 수행된다.
영역 A1에서는 산화제 공급 단계에서 OH* 형성 가스 분사구(42)의 제1 및 제2 분사구(42a, 42b)로부터 오존 가스 및 불포화 탄화수소 가스가 각각 분사된다. 제1 및 제2 분사구(42a, 42b)와 성막면(10a)사이 공간(예를 들면, 성막면(10a) 근방)에서 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스가 혼합 반응하여 산화종인OH*를 발생시킨다.
산화제 공급 단계가 처음 실시되는 경우(즉, 성막면(10a)의 영역(A1)에 아직 산화막(11)이 형성되지 않은 경우), OH*는 도 4(a)의 반응 모식도에서 보여지는 바와 같이 성막면(10a)에 작용한다. 그 결과, 원료 가스가 흡착될 수 있는 흡착 가능 영역(10b)(즉, 원료 가스의 흡착층(산화막(11))이 형성될 수 있는 영역)이 성막면(10a)상에(예를 들어 균일하게) 제공된다.
2회째 또는 그 이후의 산화제 공급 단계를 행한 경우(도 3에서 A3 영역 또는 그이후 영역 참조), 성막면(10a)은 후술하는 원료가스 공급단계에 의한 원료가스 흡착에 기인하여 산화막(11)이 형성된 상태가 된다. 결과적으로, 산화막(11)에 흡착된 원료 가스는 도 4(c)의 반응모식도에서와 같이 OH*에 의해 산화되어 다음 성막을 위한 흡착성 영역(10b)이 제공된다.
따라서, 처음으로 수행되는 산화제 공급 단계는 성막 표면(10a)의 전처리 단계에 해당하고; 2회째 이후의 산화제 공급 단계는, 성막면(10a)에 흡착된 원료 가스의 산화 공정에 해당한다.
A1영역에 대한 산화제 공급단계 후 산화제 공급단계에서 공급되는 오존 및 불포화 탄화수소 가스의 잔류물(산화제 공급단계가 2회째 이후인 경우, 이러한 잔류 가스 및 원료 가스의 흡착층의 산화에 의해 발생된 가스)은 가스 배출부(6) 및 배출구(44)에 의해 또는 산화제 퍼징 단계에 의해 제거된다. 산화제 퍼징 단계에서는 불활성 가스 분사구(43)로부터 불활성 가스를 분사하여 A1 영역의 잔류 가스 등을 제거한다.
A2 영역에서는 원료 가스 공급 단계에서 원료 가스 분사구(41)로부터 원료 가스가 분사된다. 도 4(b)의 반응모식도에 나타내는 바와 같이, 성막면(10a)의 흡착성 영역(10b)에 원료 가스가 흡착됨으로써, 원료 가스의 흡착층(산화막(11))을 형성한다. 도 4(b)는 TMA 가스의 한 분자층이 흡착된 상태를 나타낸다.
A2 영역에 대한 원료 가스 공급 단계후, 원료 가스 공급 단계에서 공급된 원료 가스의 잔류물과, 성막면에 원료 가스를 흡착하여 발생하는 가스(CH4 가스 등)는 가스 배출부(6) 및 배출구(44)에 의해 또는 원료 가스 퍼징 단계에 의해 제거된다. 원료 가스 퍼징 단계에서는, 불활성 가스 분사구(43)로부터 불활성 가스가 분사되어 A2 영역에 잔류하는 원료 가스 등을 제거한다.
상기 각 단계는 A1 및 A2 영역에 대해 수행된 것과 동일한 방식으로 후속 영역 A3 및 A4에 대해 수행된다. 영역 A3에서, 오존 가스 및 불포화 탄화수소 가스는 영역 A1과 동일한 방식으로 OH* 형성 가스 분사구(42)의 제1 및 제2 분사구(42a, 42b)로부터 각각 분사된다. 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스를 혼합 반응시켜 산화종인 OH*를 발생시킨다(산화제 공급 단계). 영역 A3의 OH*의 작용에 의해, 도 4(c)의 반응모식도에 나타내는 바와 같이, 성막면(10a)의 메틸기(CH3)가 산화된다. 결과적으로, 성막면(10a)에는 다음 성막을 위한 흡착성 영역(10b)이 제공된다. 도 4(c)의 반응 모식도에 나타낸 산화 반응은 실온(25°C)에서도 진행될 수 있다.
A3영역에 대한 산화제 공급단계 후 산화제 공급단계에서 공급된 오존 및 불포화 탄화수소 가스의 잔류물과 원료가스의 흡착층 산화에 의해 발생된 가스는 가스배출부(6) 및 배출구(44) 또는 불활성 가스 분사구(43)로부터 불활성 가스의 분사에 의해 제거된다(산화제 퍼징 단계).
A4 영역에서는 A2 영역과 마찬가지로 원료 가스 분사구(41)로부터 원료 가스가 분사된다. 도 4(b)의 반응 모식도에 도시된 바와 같이, 원료 가스를 산화막(11)의 흡착가능 영역에 흡착시켜 원료 가스의 흡착층(산화막(11)의 다른 층)을 형성한다(원료 가스 공급 단계).
A4영역에 대한 원료가스 공급단계 후, 원료가스 공급단계에서 공급된 원료가스의 잔류물과 산화막(11)에 원료가스가 흡착되어 발생한 가스를 배출부(6) 및 배출구(44) 또는 원료 가스 퍼징 단계에 의해 제거한다(원료 가스 퍼징 단계).
상술한 바와 같이, 원료 가스 공급 단계, 원료 가스 퍼징 단계, 산화제 공급 단계 및 산화제 퍼징 단계를 각각 적절히 행함으로써, 성막면(10a) 상에 원하는 대로 산화막(11)을 형성한다. 또한, 산화막(11)은 상술한 공정 단계의 복수 사이클을 수행함으로써 원하는 두께로 형성된다.
공정 단계의 복수 사이클을 수행하는 기술로서, 영역 A1 내지 A4에 대해 각각의 공정 단계를 수행한 후 두 성막면 방향으로 성막 대상물(10)를 왕복시킴으로써, A3, A4 영역에서 각각의 공정 단계를 복수회 수행(즉, 도 4(b) 및 (c)의 동작을 교대로 수행) 하는 것이 가능하다.
전술한 공정 단계의 복수의 사이클이 수행되는 경우, 사이클들의 적어도 하나의 원료 가스 공급 단계에서 성막 대상물에 공급되는 원료 가스 및 나머지 사이클의 원료 가스 공급 단계에서 성막대상물에 공급되는 원료가스는 서로 다른 종류의 원료가스의 흡착층을 가진 복수층구조의 산화막(11)(즉, 다수의 흡착층이 적층된 산화막(11))을 형성할 수 있도록 다른 종류일 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 성막 대상물(10), 원료 가스 및 불포화 탄화수소 가스로서 PEN, TMA 및 에틸렌 가스를 사용하고, 실온 부근의 성막 온도에서 상술한 공정 단계를 적절히 수행함으로써, 성막면에 두께 40nm의 Al2O3의 산화막(11)을 형성한 경우, 비특허 문헌 3의 ALD에 의해 형성된 산화막과 동등한 막질(6.5×10-5g/m2/day 정도의 투습도를 갖는 하이 배리어 특성 등)을 가짐을 확인하였다.
상기 구현된 ALD 장치(1) 및 ALD 방법은 보다 낮은 온도에서 ALD에 의한 성막을 가능하게 한다. 보다 구체적으로는, ALD에 있어서 원료 가스의 산화에 OH*를 사용함으로써, 100℃이하의 저온에서 성막할 수 있다. 따라서, 성막 대상물(10)를 가열하지 않고, 성막 대상물(10)를 냉각하거나, 실온(25℃에서, 성막 대상물(10)의 성막면(10a)에 원하는 대로 산화막(11)을 형성할 수 있다.
유기 화합물에 대한 OH 라디칼의 반응 속도는 O 라디칼의 반응 속도보다 더 높다. 예를 들어, OH 라디칼과 탄소의 단일 결합을 갖는 원료 가스(예: TMA)의 반응 속도는 O 라디칼의 반응 속도보다 약 100배 더 높다. 따라서, 플라즈마 산소를 사용하는 경우보다 OH 라디칼을 사용하는 경우에 성막 온도를 더 낮출 수 있다(예를 들어, 100℃이하).
가스를 샤워 헤드(4)에 의해 성막면(10a)에 균일하게 분사할 수 있기 때문에, 성막면(10a)에 형성되는 산화막의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 성막면(10a)에 원료 가스를 흡착할 수 있는 흡착 영역(10b)을 균일하게 형성할 수 있기 때문에, 산화막의 두께를 보다 균일하게 할 수 있다. 챔버 전체를 ALD 원료 가스와 산화제 가스로 채우는 기존의 ALD 공정으로 산화막을 형성하는 경우, ALD 원료 가스 및 산화제 가스로 챔버 전체가 균일하게 채워지지 않으면 산화막은 각각의 가스의 상류측과 하류측 사이에 막 두께 및 품질 분포가 생기는 경향이 있다.
본 실시예에 따른 ALD 장치(1)는, 성막면(10a)중 샤워 헤드(4)와 대향하는 영역(각 분사구와 대향하는 영역)에만 성막이 가능하다. 그 이유는 샤워 헤드(4)로부터 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스를 분사하고, 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스를 성막면(10a)에 균일하게 분사함으로써 산화제로서 발생하는 OH 라디칼의 수명이 매우 짧기 때문에, 샤워 헤드(4)에 대향하는 영역 이외의 영역에서 OH 라디칼은 비활성화되고 산화제로서 작용하지 않기 때문으로 여겨진다. 기존의 ALD 공정에서와 같이 챔버 벽과 같은 불필요한 영역에 막이 형성되는 문제가 발생하지 않는다. 따라서, 본 실시예에서 유지보수 비용이 감소되는 것이 가능하다.
원료 가스, 오존 가스 및 불포화 탄화수소 가스는 샤워 헤드(4)로부터 분사되어 성막면(10a)에 불어넣는 것만으로 충분한 양을 공급할 수 있기 때문에, 종래 ALD 공정에서와 같이 이들 가스를 챔버(2) 전체를 채울 필요는 없다. 따라서, 본 실시예에서는 종래의 ALD 공정에 비해 더 적은 양의 원료 가스, 오존 가스 및 불포화 탄화수소 가스를 사용하여 산화막을 형성하는 것이 가능하다.
본 실시예에 따른 ALD 장치 및 ALD 방법에서, 산화제는 플라즈마 없이 제공된다. 따라서, 본 실시예에서는 종래의 ALD 공정에 비해 성막 대상물(10) 및 성막 대상물(10)에 형성되는 산화막에 대한 플라즈마 손상이 적다고 할 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 ALD 장치 및 ALD 방법이 특정 실시예를 통해 설명되었지만, 본 발명에 따른 ALD 장치 및 ALD 방법은 상술한 특정 실시예의 것들에 한정되지 않는다. 상술한 실시예의 다양한 수정 및 변형은 본 발명의 특징을 손상시키지 않는 범위 내에서 가능하다. 이러한 모든 수정 및 변형은 본 발명의 기술적 범위에 속한다.
예를 들어, 동일한 성막 대상물(10)의 성막면(10a) 상에 ALD층과 CVD층을 포함하는 다층막 구조를 형성하기 위해 ALD 성막 공정의 전후에 CVD 공정을 수행할 수 있다. 이러한 변형예의 하나에서는, CVD에 의해 고탄성저항 SiO2막을 고속 성막 속도로 형성하고, ALD에 의해 이들 SiO2막 사이에 높은 투습성 Al2O3막을 형성하는 것이 가능하다. 이는 단일층 필름으로는 달성할 수 없는 다기능을 갖는 다층 필름 구조의 저온 형성으로 이어진다.
ALD 장치(1)의 구성 요소는 ALD 장치가 성막면(10a) 상에 원하는 산화막(11)을 형성할 수 있는 범위 내에서 적절히 생략될 수 있다. 산화제 퍼징 단계 및 원료 가스 퍼징 단계가, 예를 들어 챔버(2) 내부의 가스를 흡인하도록 가스 배출부(6)를 제어함으로써 충분히 실행되는 경우, 불활성 가스 분사구(43) 등을 생략하거나, 분사구들 사이의 배출구(43)를 생략할 수 있다(예를 들어, 분사구들중 일부사이에만 배출구를 제공함).

Claims (18)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 원자층 증착 장치를 사용하여 성막대상물의 성막면에 산화막을 형성하는 원자층 증착 방법에 있어서,
    상기 원자층 증착 장치는,
    성막 대상물이 배치되는 챔버;
    상기 챔버에 배치된 상기 성막 대상물을 상기 성막 대상물상의 4방향 중 대향하는 두 방향으로 이동 가능하게 지지하는 지지부;
    상기 챔버내에 배치되고 상기 성막 대상물의 성막면에 대향하는 샤워 헤드; 및 흡입에 의해 가스를 상기 챔버의 외부로 배출하고, 상기 챔버의 내부를 감압상태로 유지하는 가스배출부;를 포함하고,
    상기 샤워 헤드가, 원료 가스를 챔버 내로 분사하기 위한 원료 가스 분사구 및 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스를 챔버 내로 분사하기 위한 OH* 형성 가스 분사구를 포함하고;
    상기 원료 가스 분사구 및 상기 OH* 형성 가스 분사구는 상기 성막 대상물의 성막면에 대향하도록 상기 두 방향으로 소정의 간격을 두고 교호로 배치되고; 각각이 상기 원료 가스 분사구들중 하나 및 이에 인접하는 상기 OH* 형성 가스 분사구들중 하나로 구성되는 복수의 분사구 쌍이 상기 두 방향으로 소정의 간격을 두고 배치되고;
    상기 샤워 헤드는 상기 원료 가스 분사구와 상기 OH* 형성 가스 분사구 사이에 각각 배치되어 불활성 가스를 상기 챔버 내부로 분사하는 불활성 가스 분사구를 포함하고;
    복수의 상기 원료 가스 분사구가 성막면상의 4개의 방향 중 상기 두 방향을 가로지르는 교차 방향으로 배열되어 원료 가스 분사구군을 구성하고, 복수의 상기 OH* 형성 가스 분사구가 상기 교차방향으로 배열되어 OH* 형성 가스 분사구군을 구성하며;
    상기 OH* 형성 가스 분사구는 각각 오존 가스를 분사하는 제1 분사구와 불포화 탄화수소 가스를 분사하는 제2 분사구를 가지고;
    상기 샤워 헤드는 상기 분사구들중 적어도 일부 사이에 배열되는 가스 배출구들을 가지고;
    상기 두 방향으로 상기 샤워 헤드의 각 분사구의 치수는 1mm 내지 50mm이고, 상기 샤워 헤드의 각 분사구로부터 상기 성막 대상물의 성막면까지의 거리는 1mm 내지 20mm의 범위이고;
    상기 지지부는 상기 성막 대상물이 미리 권취되는 일단측 롤과 상기 일단측 롤로부터 공급되는 성막 대상물이 권취되는 타단측 롤을 포함하며;
    상기 원자층 증착 방법은:
    상기 챔버내에 배치된 상기 성막 대상물을 상기 두 방향을 따라 이동시키면서 상기 성막면상에서: 상기 원료 가스 분사구로부터 상기 성막 대상물의 성막면에 원료 가스를 공급하여 상기 성막면상에 원료가스의 흡착층을 형성하고, 상기 원료가스는 산화막의 구성원소를 포함하는 원료 가스 공급 단계;
    상기 원료 가스 공급 단계에서 공급된 원료 가스의 잔류물과, 상기 원료 가스가 성막면에 흡착되어 발생하는 가스를 제거하는 원료 가스 퍼징 단계;
    상기 OH* 형성 가스 분사구로부터 오존 농도 20vol% 이상의 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스를 상기 성막 대상물의 성막면에 공급하여, 상기 성막 대상물의 성막면에 형성된 흡착층을 산화시키는 산화제 공급 단계; 및
    상기 산화제 공급 단계에서 공급된 오존 및 불포화 탄화수소 가스의 잔류물과 상기 원료 가스의 흡착층의 산화에 의해 발생된 가스를 제거하는 산화제 퍼징 단계; 의 공정단계들을 수행하여 이루어지며;
    상기 원료 가스 퍼징 단계 및 산화제 퍼징 단계에서 챔버 내부의 압력이 1000Pa 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  5. 원자층 증착 장치를 사용하여 성막대상물의 성막면에 산화막을 형성하는 원자층 증착 방법에 있어서,
    상기 원자층 증착 장치는,
    성막 대상물이 배치되는 챔버;
    상기 챔버에 배치된 상기 성막 대상물을 상기 성막 대상물상의 4방향 중 대향하는 두 방향으로 이동 가능하게 지지하는 지지부;
    상기 챔버내에 배치되고 상기 성막 대상물의 성막면에 대향하는 샤워 헤드; 및 흡입에 의해 가스를 상기 챔버의 외부로 배출하고, 상기 챔버의 내부를 감압상태로 유지하는 가스배출부;를 포함하고,
    상기 샤워 헤드가, 원료 가스를 챔버 내로 분사하기 위한 원료 가스 분사구 및 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스를 챔버 내로 분사하기 위한 OH* 형성 가스 분사구를 포함하고;
    상기 원료 가스 분사구 및 상기 OH* 형성 가스 분사구는 상기 성막 대상물의 성막면에 대향하도록 상기 두 방향으로 소정의 간격을 두고 교호로 배치되고; 각각이 상기 원료 가스 분사구들중 하나 및 이에 인접하는 상기 OH* 형성 가스 분사구들중 하나로 구성되는 복수의 분사구 쌍이 상기 두 방향으로 소정의 간격을 두고 배치되고;
    상기 샤워 헤드는 상기 원료 가스 분사구와 상기 OH* 형성 가스 분사구 사이에 각각 배치되어 불활성 가스를 상기 챔버 내부로 분사하는 불활성 가스 분사구를 포함하고;
    복수의 상기 원료 가스 분사구가 성막면상의 4개의 방향 중 상기 두 방향을 가로지르는 교차 방향으로 배열되어 원료 가스 분사구군을 구성하고, 복수의 상기 OH* 형성 가스 분사구가 상기 교차 방향으로 배열되어 OH* 형성 가스 분사구군을 구성하며;
    상기 OH* 형성 가스 분사구는 각각 오존 가스를 분사하는 제1 분사구와 불포화 탄화수소 가스를 분사하는 제2 분사구를 가지고;
    상기 샤워 헤드는 상기 분사구들중 적어도 일부 사이에 배열되는 가스 배출구들을 가지고;
    상기 두 방향으로 상기 샤워 헤드의 각 분사구의 치수는 1mm 내지 50mm이고, 상기 샤워 헤드의 각 분사구로부터 상기 성막 대상물의 성막면까지의 거리는 1mm 내지 20mm의 범위이고;
    상기 지지부는 상기 성막 대상물이 지지되고, 상기 성막 대상물의 성막면을 따라 이동될수 있는 지지 스테이지로 이루어지며;
    상기 원자층 증착 방법은:
    상기 챔버내에 배치된 상기 성막 대상물을 상기 두 방향을 따라 이동시키면서 상기 성막면상에서: 상기 원료 가스 분사구로부터 상기 성막 대상물의 성막면에 원료 가스를 공급하여 상기 성막면상에 원료가스의 흡착층을 형성하고, 상기 원료가스는 산화막의 구성원소를 포함하는 원료 가스 공급 단계;
    상기 원료 가스 공급 단계에서 공급된 원료 가스의 잔류물과, 상기 원료 가스가 성막면에 흡착되어 발생하는 가스를 제거하는 원료 가스 퍼징 단계;
    상기 OH* 형성 가스 분사구로부터 오존 농도 20vol% 이상의 오존 가스와 불포화 탄화수소 가스를 상기 성막 대상물의 성막면에 공급하여, 상기 성막 대상물의 성막면에 형성된 흡착층을 산화시키는 산화제 공급 단계; 및
    상기 산화제 공급 단계에서 공급된 오존 및 불포화 탄화수소 가스의 잔류물과 상기 원료 가스의 흡착층의 산화에 의해 발생된 가스를 제거하는 산화제 퍼징 단계; 의 공정단계들을 수행하여 이루어지며;
    상기 원료 가스 퍼징 단계 및 산화제 퍼징 단계에서 챔버 내부의 압력이 1000Pa 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 샤워 헤드의 분사구 중 적어도 일부는 상기 성막면상의 4방향 중 상기 두 방향을 교차하는 교차 방향으로 긴 슬릿 형상인 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  10. 삭제
  11. 제4,5,9항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버 내부의 압력은 상기 원자층 증착 장치의 상기 가스 배출부에 의해 대기압보다 낮게 제어되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  12. 삭제
  13. 제4,5,9, 11항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료 가스 공급 단계, 상기 원료 가스 퍼징 단계, 상기 산화제 공급 단계 및 상기 산화제 퍼징 단계의 복수 사이클이 수행되고, 상기 복수 사이클중 적어도 하나의 원료 가스 공급 단계 및 상기 복수 사이클 중 나머지의 원료 가스 공급 단계에서 상이한 종류의 원료 가스를 성막 대상물에 공급하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  14. 제4,5,9, 11,13항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화막은 Al2O3, HfO2, TiO2, ZnO, Ta2O3, Ga2O3, MoO3, RuO2, SiO2, ZrO2, 및 Y2O3 으로 이루어지는 군중에서 선택되는 어느 하나이상의 흡착층을 포함하는
    것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  15. 제4,5,9, 11,13,14항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불포화 탄화수소 가스는 에틸렌 가스인 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  16. 제4,5,9, 11,13,14,15항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성막 대상물은 100℃이하의 범위 내에서 가열되거나, 가열되지 않은 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  17. 제4,5,9, 11,13,14,15,16항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료가스의 공급량은 상기 원료가스 분사구의 상기 두 방향에 수직인 방향으로 단위길이당 0.0001sccm 내지 1sccm의 범위 내에서 설정되고, 상기 오존 가스의 공급량은 상기 제1 분사구의 상기 두 방향에 수직인 방향으로 단위 길이당 0.1sccm 내지 10sccm의 범위 내에서 설정되고, 상기 불포화 탄화수소 가스의 공급량은 상기 제2 분사구에서 상기 두 방향에 수직인 방향으로 단위 길이당 0.1sccm 내지 10sccm의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 원자층 증착 방법.
  18. 삭제
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