使用具有超薄结构的沉积装置的薄膜沉积方法及该沉积装置与流程

本申请根据35 USC 119(a)要求于2015年1月16日向韩国知识产权局递交的韩国专利申请No.10-2015-0008104的利益，其全部公开内容通过引用并入本发明以用于所有目的。

技术领域

本发明涉及使用具有超薄结构的沉积装置的薄膜沉积方法和具有超薄结构的薄膜沉积装置。

背景技术：

配有薄膜晶体管(TFT)的有机光发射显示装置(OLED)以各种方式用于移动设备或电子产品(诸如超薄电视)的显示设备，所述移动设备如智能电话、平板个人计算机、超薄的笔记本电脑、数码相机、视频摄像机和个人数字助理。因此，随着半导体集成电路的尺寸逐渐减小和半导体集成电路的形状在半导体制造过程中的复杂化，微制造的需求也增大了。即，为了在单个芯片上形成微细图案和高集成化的单元，用于减小薄膜厚度的技术和用于研发具有高介电常数的新型材料的技术变得重要。

特别是，如果在晶片表面上形成台阶，确保顺利覆盖该表面的台阶覆盖率和晶片内的均匀性是非常重要的。为了满足该要求，原子层沉积(ALD)方法已经被广泛地用作用于在原子层中形成具有非常小的厚度的薄膜的方法。另外，在ALD方法中，针孔密度非常低，因为气相反应被最小化，薄膜致密度高，且沉积温度可以降低。

该ALD方法是指通过经由在晶片表面上的反应物的表面饱和反应引起的化学吸附和解吸形成单原子层的方法，并且ALD方法是能够控制膜的厚度在原子层级的薄膜沉积方法。

然而，在ALD方法中，很难选择适当的前体和反应物，并且由于源气体的供给以及吹扫和排放时间，因而处理速度显著减小。因此，生产率降低，并且薄膜的性能因剩余的碳和氢而大大劣化。

不同于ALD方法，使用热化学气相沉积(TCVD)和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的硅化合物薄膜的沉积与ALD方法相比以非常高的沉积速率执行。然而，因为会产生副产品和颗粒，所以薄膜包括大量的针孔，并且薄膜主要形成在高温下。因此，难以将该方法应用于诸如塑料膜之类的衬底上。

在这方面，韩国专利特开公开No.10-2014-0140524公开了一种薄膜沉积装置，该装置能够通过进一步包括喷嘴单元而沉积高品质薄膜，该喷嘴单元用于在使用原子层沉积在衬底上形成薄膜时排放源气体并且因此使颗粒的产生最小化。

技术实现要素：

基于前文所述，本公开提供了一种使用具有超薄结构的沉积装置的薄膜沉积方法和具有超薄结构的薄膜沉积装置。

然而，拟通过本公开解决的问题不限于上述问题。虽然这里没有描述，但本领域技术人员根据下面的描述可以清楚地理解拟通过本公开解决的其他问题。

在本公开的第一方面，提供了一种使用具有超薄结构的沉积装置的薄膜沉积方法，其包括：通过使用源气体和反应物气体对衬底进行等离子体处理；以及通过使所述源气体与所述反应物气体在所述衬底的表面上反应而在所述衬底上形成薄膜，其中通过使用所述源气体和所述反应物气体对所述衬底进行等离子体处理在单个等离子体模块内执行，以及所述等离子体处理选择性地对所述衬底的整体或部分进行。

在本公开的第二方面，提供了一种具有超薄结构的薄膜沉积装置，其包括：衬底加载单元，在其上加载衬底；衬底传送单元，其连接于所述衬底加载单元并被配置成交替地移动衬底；和薄膜沉积单元，其用以在所述衬底上沉积薄膜，其中所述薄膜沉积单元包括等离子体模块和被形成为邻接于所述等离子体模块的气体排放单元，所述等离子体模块包括产生源等离子体的源等离子体单元和产生反应物等离子体的反应物等离子体单元，以及薄膜沉积单元被交替地移动或所述衬底传送单元交替移动所述衬底加载单元，以使在所述衬底上沉积薄膜。

根据使用本公开的实施方式的具有超薄结构的沉积装置的薄膜沉积方法，生产在半导体和显示器中使用的化合物薄膜，特别是在低沉积温度下具有优良的薄膜特性的薄膜，这是可能的。特别是，在作为一种化学气相沉积(CVD)的扫描类型的方法中，通过除去源等离子体单元的气体排放单元，所述源等离子体单元和反应物等离子体单元是统一的。因此，可以减小模块的尺寸，并且还能够改善反应和反应速度。

此外，根据使用本公开的实施方式的具有超薄结构的沉积装置的薄膜沉积方法，类似于传统的ALD法，薄膜具有优异的薄膜特性，并且图案工艺可以在没有图案掩模的情况下通过使用本身存在于等离子体模块中的图案来进行。此外，系统的尺寸可以显著减小。因此，对于系统的大批量生产，它是非常有利的。

前面的概述仅是说明性的并无意以任何方式进行限制。除了以上描述的说明性方面、实施方式和特征外，进一步的方面、实施方式和特征将通过参考附图和下面的详细描述变得显而易见。

附图说明

在以下详细说明中，实施方式仅作为例证描述，因为对本领域技术人员而言各种改变和修改方案根据以下详细说明将变得显而易见。不同附图中使用相同附图标记表示相似或相同的项。

图1是根据本公开的实施方式图解具有超薄结构的薄膜沉积装置的示意图。

图2是根据本公开的实施方式图解具有超薄结构的薄膜沉积装置的底视图的示意图。

图3是根据本公开的实施方式图解具有超薄结构的薄膜沉积装置的示意图。

图4A和图4B是根据本公开的实施方式图解具有超薄结构的薄膜沉积装置的示意图。

图5是根据本公开的实施方式图解具有超薄结构的多个薄膜沉积装置的示意图。

具体实施方式

下文中，将对本公开的实施方式进行详细地描述，使得本领域技术人员能容易地实现这些实施方式。然而，应当注意本公开不限于这些实施方式，而是可以多种其它方式实现。在附图中，省略了与说明不直接相关的部件以使说明变得简要，并且在整个文档中相同的附图标记表示相同的部件。

在本公开的整个文档中，术语“连接到”或“耦合到”用于指示一个元件与另一个元件的连接或耦合，并且包括其中元件“直接连接或耦合到”另一个元件的情况和其中元件经由又一个元件“电连接或耦合到”另一个元件的情况两者。

在本公开的整个文档中，用于指示一个元件相对于另一个元件的位置的术语“在……上”包括一个元件邻近另一个元件的情况和任何其它元件存在于这两个元件之间的情况两者。

在本公开的整个文档中，用于文档中的术语“包含或包括”和/或“含有或包含有”是指除非上下文另外指示，否则除了所述的组件、步骤、操作和/或元件之外，不排除一个或多个其它的组件、步骤、操作和/或现有或添加的元件。在本公开的整个文档中，术语“约或大约”或“基本上”意指具有接近数值或由可允许的误差规定的范围的含义并且意在防止为理解本公开而公开的精确的或绝对的数值被任何不合理的第三方非法地或不公平地使用。在本公开的整个文档中，术语“……的步骤”不是指“用于……的步骤”。

在本公开的整个文档中，马库什(Markush)型说明中所包括的术语“……的组合”是指选自由以马库什型描述的组件、步骤、操作和/或元件组成的群组中的一个或多个组件、步骤、操作和/或元件的混合物或组合，从而意指本公开包括选自马库什组中的一个或多个组件、步骤、操作和/或元件。

在本公开的整个文档中，“A和/或B”这样的表达是指“A或B，或A和B”。

下文中，本公开的实施方式和实施例将参考附图详细地描述。然而，应当注意本公开不可能受限于所述的实施方式、实施例和附图。

在本公开的第一方面，提供了一种使用具有超薄结构的沉积装置的薄膜沉积方法，其包括：通过使用源气体和反应物气体对衬底进行等离子体处理；以及通过使所述源气体与所述反应物气体在所述衬底的表面上反应而在所述衬底上形成薄膜，其中通过使用所述源气体和所述反应物气体对所述衬底进行等离子体处理在单个等离子体模块内执行，以及所述等离子体处理选择性地对所述衬底的整体或部分进行。

根据本公开的一种实施方式，通过使用所述源气体和所述反应物气体对所述衬底进行等离子体处理可以分别在所述等离子体模块的源等离子体单元和反应物等离子体单元中进行，但可不受限于此。

根据本公开的一种实施方式，由于通过使用源气体和反应物气体对衬底进行的各等离子体处理在独立的等离子体模块中进行，因此，源气体和反应物气体之间的反应并不是气相反应，而是发生在衬底的表面上，并且因此，能够保持低的反应温度。另外，所述源气体和所述反应物气体不直接相互反应，并且，因此，减少在反应期间副产物的生成以及减少由UV引起的损坏是可能的。此外，因为通过使用源气体和反应物气体对衬底进行的各等离子体处理在独立的等离子体模块中在同一时间进行，因此，根据本公开的实施方式提高薄膜的沉积速率是可能的。

根据本公开的一种实施方式，剩余的没有被沉积在所述衬底上的所述源气体和所述反应物气体可以是通过气体排放单元排出的，但可不受限于此。

根据本公开的一种实施方式，选择性地对所述衬底的整体或部分进行的所述等离子体处理通过使用等离子体模块图案对衬底整体扫描或部分扫描进行，但可不受限于此。其中形成有多种图案孔的等离子体模块图案可以在等离子体模块的源等离子体单元和反应物等离子体单元中使用。例如，如果图案掩模被用于衬底上，则可通过扫描整个衬底而在图案掩模区域上执行沉积，并且如果不使用图案掩模，则可以通过对沉积目标区域进行部分扫描同时让使用等离子体模块图案的等离子体模块或衬底移动而仅在沉积目标区域上执行沉积。

根据本公开的一种实施方式，所述源气体可包括前体，所述前体包含金属和惰性气体，所述金属选自由硅、铝、锌和它们的组合组成的组中，但可不受限于此。

根据本公开的一种实施方式，所述惰性气体可包括选自由氩、氦、氖以及它们的组合组成的组中选出的成员，但可不受限于此。

根据本公开的一种实施方式，所述反应物气体可选自由N2、H2、O2、N2O、NH3以及它们的组合组成的组中的成员，但可不受限于此。

根据本公开的一个实施方式，该方法可进一步包括在约400℃或约400℃以下的温度下加热衬底，但可以不受限于此。举例而言，该方法可以进一步包括在约400℃或约400℃以下，约300℃或约300℃以下，约200℃或约200℃以下，约100℃或约100℃以下，约50℃或约50℃以下，或约30℃或约30℃以下的温度下加热衬底，但可以不受限于此。根据本公开的一实施方式，用于加热衬底的最佳温度可以为约25℃至约100℃，但可以不受限于此。根据本公开的实施方式，可以在生产薄膜的同时加热衬底，并且可通过调节温度到等于或小于所述源气体的前体的热分解温度而在衬底的表面上诱导源气体的前体和反应物气体之间的化学反应。

根据本公开的一实施方式，通过交替地使用源气体和反应物气体对衬底进行等离子体处理可以重复一次或更多次，但可以不受限于此。举例而言，通过重复等离子体处理大约n次(n是1或大于1的整数)，包含n层数的薄膜(n是1或大于1的整数)可以在衬底上形成。

根据本公开的一实施方式，分别通过使用源气体和反应物气体对衬底进行的等离子体处理可以在独立的等离子体模块同时或交替地进行，但可以不受限于此。例如，如果分别通过使用源气体和反应物气体对衬底进行的等离子体处理在独立的等离子体模块同时进行，则无机薄膜形成为在衬底上的混合层结构。此外，例如，如果分别通过使用源气体和反应物气体对衬底进行的等离子体处理在独立的等离子体模块交替地进行，则薄膜形成为在衬底上的堆叠层结构。

根据本公开的一实施方式，薄膜的厚度可为约1nm至约1000nm，但可以不受限于此。举例而言，薄膜的厚度可为约1nm至约1000nm，约1nm至约900nm，约1nm至约800nm，约1nm至约700nm，约1nm至约600nm，约1nm至约500nm，约1nm至约400nm，约1nm至约300nm，约1nm至约200nm，约1nm至约100nm，约100nm至约1000nm，约200nm至约1000nm，约300nm至约1000nm，约400nm至约1000nm，约500nm至约1000nm，约600nm至约1000nm，约700nm至约1000nm，约800nm至约1000nm，或约900nm至约1000nm，但可以不受限于此。根据本公开的实施方式，薄膜的最佳厚度可以为约1nm至约100nm，但可以不受限于此。

根据本公开的一实施方式，形成薄膜可以通过使用化学气相沉积法或原子层沉积法进行，但也可以不受限于此。

在本公开的第二方面，提供了一种具有超薄结构的薄膜沉积装置，其包括：衬底传送单元，其连接于所述衬底加载单元并被配置成交替地移动衬底；和薄膜沉积单元，其用以在所述衬底上沉积薄膜，其中所述薄膜沉积单元包括等离子体模块和被形成为邻接于所述等离子体模块的气体排放单元，所述等离子体模块包括产生源等离子体的源等离子体单元和产生反应物等离子体的反应物等离子体单元，以及薄膜沉积单元被交替地移动或所述衬底传送单元交替移动所述衬底加载单元，以使在所述衬底上沉积薄膜。

图1是根据本公开的实施方式图解具有超薄结构的薄膜沉积装置的示意图。

参考图1，根据本公开的实施方式的具有超薄结构的薄膜沉积装置包括：衬底10、衬底加载单元100、衬底传送单元200、和薄膜沉积单元400。

首先，将衬底10加载到衬底加载单元100上。衬底10是通常用于半导体装置的衬底，并且可以包括选自由石英、玻璃、硅、聚合物和它们的组合组成的组中的成员，但也可以不受限于此。

根据本公开的一实施方式，衬底传送单元200被连接到衬底加载单元100并且移动衬底10。在此，所述衬底10的移动方向可交替地移动通过线性或非线性路径，但也可以不受限于此。

根据本公开的一实施方式，具有超薄结构的薄膜沉积装置包括薄膜沉积单元400以在衬底10上形成薄膜。薄膜沉积单元400包括等离子体模块和气体排放单元430，该等离子体模块包括源等离子体单元410和反应物等离子体单元420。源等离子体单元410和反应物等离子体单元420还可以包括用于产生等离子体的电极，但也可以不受限于此。

根据本公开的一实施方式，具有超薄结构的薄膜沉积装置可以进一步包括模块传送单元(未示出)，但可以不受限于此。模块传送单元被连接到薄膜沉积单元400并移动薄膜沉积单元400。在此，薄膜沉积单元400的移动方向交替地移动通过线性或非线性路径，但是可以不受限于此。

根据本公开的一实施方式，气体排放单元430可通过在常规用于原子层沉积的装置中移除源等离子体单元的气体排放单元而被配置为源等离子体单元和反应物等离子体单元的集成气体排放单元。由于有集成的气体排放单元，因此提供根据本公开的实施方式的具有超薄结构的沉积装置是可能的。气体排放单元430的集成意指源等离子体单元和反应物等离子体单元的气体排放的一体化，并且在图1中所示的气体排放单元430意指在模块之间的分离的排放单元。

根据本公开的一实施方式，源等离子体单元410可对含有金属和惰性气体的前体进行等离子体处理，该金属选自由硅、铝、锌和它们的组合组成的组，但可以不受限于此。

根据本公开的一实施方式，反应物等离子体单元420可以对反应物气体执行等离子体处理，所述反应物气体选自由N2、H2、O2、N2O、NH3以及它们的组合组成的组，但可以不受限于此。

根据本公开的一实施方式，该装置可进一步包括在约400℃或约400℃以下的温度下加热衬底，但可以不受限于此。举例而言，该装置可以进一步包括在约400℃或约400℃以下，约300℃或约300℃以下，约200℃或约200℃以下，约100℃或约100℃以下，约50℃或约50℃以下，或约30℃或约30℃以下的温度下加热衬底，但可以不受限于此。根据本公开的一实施方式，用于加热衬底的最佳温度可以为约25℃至约100℃，但可以不受限于此。在本公开的一实施方式中，可以在生产薄膜的同时加热衬底，并且可通过调节温度到等于或小于所述源气体的前体的热分解温度而在衬底的表面上诱导源气体的前体和反应物气体之间的化学反应。

根据本公开的一实施方式，分别通过使用源气体和反应物气体对衬底进行的等离子体处理可以在独立的等离子体模块中同时或交替地进行，但可以不受限于此。例如，如果分别通过使用源气体和反应物气体对衬底进行的等离子体处理在独立的等离子体模块同时进行，则无机薄膜形成为在衬底上的混合层结构。此外，例如，如果分别通过使用源气体和反应物气体对衬底进行的等离子体处理在独立的等离子体模块交替地进行，则薄膜形成为在衬底上的堆叠层结构。

根据本公开的一实施方式，薄膜的厚度可为约1nm至约1000nm，但可以不受限于此。举例而言，薄膜的厚度可为约1nm至约1000nm，约1nm至约900nm，约1nm至约800nm，约1nm至约700nm，约1nm至约600nm，约1nm至约500nm，约1nm至约400nm，约1nm至约300nm，约1nm至约200nm，约1nm至约100nm，约100nm至约1000nm，约200nm至约1000nm，约300nm至约1000nm，约400nm至约1000nm，约500nm至约1000nm，约600nm至约1000nm，约700nm至约1000nm，约800nm至约1000nm，或约900nm至约1000nm，但可以不受限于此。根据本公开的实施方式，薄膜的最佳厚度可以为约1nm至约100nm，但可以不受限于此。

根据本公开的一实施方式，如图2所示，源等离子体单元410包括被配置成彼此间隔常规(regular)距离的多个孔，并且所述反应物等离子体单元420包括贯穿整个所述反应物等离子体单元420的一个孔，但也可以不限于此。

根据本公开的一实施方式，如图3所示，薄膜沉积单元400可以在包括图案掩模300的衬底10上沉积薄膜，并且薄膜可通过移动薄膜沉积单元400或衬底10而沉积在图案掩模上。

根据本公开的一实施方式，如图4A所示，薄膜沉积单元400包括等离子体模块图案440，但也可以不受限于此。

根据本公开的一实施方式，所述等离子体模块图案440控制孔的数量以及在所述源等离子体单元410和所述反应物等离子体单元420中的每个中的孔之间的距离，但也可以不受限于此。

根据本公开的一实施方式，如图4B所示，其中形成多种图案孔的等离子体模块图案440可以被设置在薄膜沉积单元400的源等离子体单元410和反应物等离子体单元420中，并且可控制位置以便将来自源等离子体单元410的源气体和来自反应物等离子体单元420的反应物气体喷射到衬底上。此外，衬底10可以包括图案掩模300，但也可以不受限于此。如果不使用图案掩模300，则可以在没有图案掩模300的情况下，利用等离子体模块图案440，在由模块传送单元移动衬底运送单元200或移动衬底的同时，直接在衬底上进行图案化工艺。

图5是根据本公开的实施方式图解具有超薄结构的多个薄膜沉积装置的示意图。

如图5所示，在根据本公开的实施方式的具有超薄结构的薄膜沉积装置中，薄膜沉积单元400可以包括多个源等离子体单元410和多个反应物等离子体单元420，但也可以不受限于此。

根据本公开的实施方式的具有超薄结构的薄膜沉积装置可以如图1到图5所示应用或者可以应用其修改方案和/或它们的组合。其可以容易地修改，并且因此具有广泛的应用范围。由于源等离子体单元的气体排放单元被移除，因此源等离子体单元和反应物等离子体单元可以统一。因此，可以减小模块的尺寸，并且还可以改善反应和反应速度。

此外，虽然在本文未示出，在本公开的实施方式中，具有超薄结构的薄膜沉积装置可以包括控制单元，但可以不限于此。控制单元可以耦合到具有超薄结构的薄膜沉积装置的衬底加载单元、衬底传送单元、衬底加热单元以及薄膜沉积单元并且可以控制形成薄膜所需的条件。举例而言，控制单元可以在薄膜沉积过程中调节反应等离子体和源等离子体的喷射时间、强度、波长和占空比，但也可以不受限于此。

本发明的上述描述被提供用于说明的目的，并且本领域技术人员应当理解，在不改变本发明的技术构思和基本特征的情况下，可以作出多种变化和修改方案。因此，清楚的是，上述实施方式在所有方面都是说明性的，并且不限制本发明。例如，被描述为单一类型的各部件可以以分布式的方式来实现。同样，被描述分布式的部件可以以组合的方式来实现。

本发明的范围由下面的权利要求限定，而不是由实施方式的详细描述限定。应当理解的是，从权利要求的意义和范围构思的所有修改方案和实施方式及其等同方案都包括在本发明的范围内。

标记说明

10：衬底

100：衬底加载单元

200：衬底传送单元

300：图案掩模

400：薄膜沉积单元

410：源等离子体单元

420：反应物等离子体单元

430：气体排放单元

440：等离子体模块图案