반도체 장비 - ALD(Atomic Layer Deposition) 장비

ALD(Atomic Layer Deposition)

ALD(Atomic Layer Deposition-원자층 증착) 공정은 원자 단위로 박막을 증착시키는 CVD 공정의 방식입니다. CVD와의 공통점은 기체 상태의 프리커서가 공급되고 결과적으로 박막을 형성한다는 점이고, 차이점은 기체 간의 반응으로 박막이 형성되는 것이 아니라 기체와 표면 간의 반응으로만 박막을 형성한다는 점입니다. 독성이 없고 환경 친화적이며 우수한 변동성을 가지고 있어 합성 및 핸들링이 쉬워 필름, 기판 소재의 제품을 만들 때 주로 사용됩니다,

■ ALD(Atomic Layer Deposition)

ALD의 특징은 PVD와 같은 물리적 방식이 아닌, CVD와 유사한 화학적 방식이라는 것입니다. 하지만 PVD나 CVD는 여러 입력 소스를 동시에 공급해 여러 분자들이 표면에서 반응하면서 한꺼번에 막이 쌓이게 하는 방식인 반면, ALD는 입력 소스들을 순서에 맞추어 차례로 공급하여 단원자(혹은 분자) 층이 한 사이클 당 한 개 원자층(Mono Layer: ML)이 쌓이도록 합니다.

 

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■ ALD(Atomic Layer Deposition) Scheme ■

자료-ECS Journal of Solid State Science and Technology, 미래에셋증권 리서치센터

ALD의 작동 원리는, 먼저 기판 표면에만 흡착하는 기체(A)를 주입해 기판에 흡착시킵니다. 기판의 표면과만 반응을 일으키는 물질이기 때문에 기판의 모든 표면이 반응을 마치면 자동적으로 더 이상의 반응은 일어나지 않습니다. 이를 Self Limiting Reaction(자기 제한적 반응)이라고 합니다.

 

이후, 잔여 A기체를 배출하고, 기판 표면상의 A 물질과만 반응하는 기체(B)를 주입하면 A와 B 간의 반응이 일어나고, AB가 1개 Layer 형성된 후 Self Limiting Reaction으로 반응이 종료됩니다. 이러한 방법을 통해 기판 위에 AB 박막층을 한 층씩(Digital) 쌓아갈 수 있는 것입니다. 이때, 기체 A를 AB층 형성을 위한 ALD 프리커서라고 하고, B를 Reactant라고 합니다.

 

ALD 공정의 전구체는 공정 시 열분해가 일어나면 안 되기 때문에 열적으로 안정해야 하고 과잉 전구체는 purge 단계에서 제거되어야 하기에 액체나 가스 상태의 휘발성이어야 합니다. 또한 전구체는 기판 표면의 화학종과 강한 발열 반응을 일으켜 빠르게 흡착되어야 하며 기판과 기존의 박막을 식각 하거나 박막을 손상시키면 안 됩니다.

 

전구체는 증착하는 박막에 따라 구분할 수 있습니다. 산화막 형성에는 H2O, O3, O2, H2O2 등의 물질을 이용하며 질화막 형성에는 NH3, N2H4를 이용합니다. 또한 금속 박막 형성에는 Halide, Amide, Alkyl, Aminate, Alkoxide, carbonyl 등을 사용합니다.

 

■ ALD의 장, 단점

• 장점
  • 저온 공정
  • 정밀한 두께 제어
  • 우수한 박막 품질
  • 넓은 공정 여유도
  • 대구경 공정 용이
  • 우수한 단차 피복성
• 단점
  • 낮은 증착 속도
  • 소스 공급의 어려움
  • 증착 공정간 엄격한 분리 필요

■ 글로벌 시장 점유율

글로벌 ALD 시장의 약 30%를 차지하는 Batch Type ALD의 경우 TEL이 100% 독점하고 있는 시장입니다. TEL의 Diffusion 장비와 Batch Type CVD에서의 기술력과 시장지배력을 고려하면 Batch 기반 장비의 진입장벽이 높아 보입니다. Non-Batch Type ALD 시장에서는 네덜란드의 ASMI가 63%, LamResearch가 14%를 점유하고 있고, 국내에서는 주성엔지니어링, 유진테크, 원익IPS가 도합 19%를 점유하고 있습니다.