KR100571436B1

KR100571436B1 - 박막 성장 장치

Info

Publication number: KR100571436B1
Application number: KR1020007000036A
Authority: KR
Inventors: 투오모 순톨라; 펙카 소이니넨; 니클라스 본데스탐
Original assignee: 에이에스엠 인터내셔널 엔.붸.
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2006-04-17
Also published as: FI972874A0; KR20010021506A; AU8218098A; US6630030B1; JP2002508033A; WO1999001595A1; JP4291418B2

Abstract

본 발명은 박막을 기판 상에 생성시키는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 방법에 있어서, 반응 공간(2, 21) 내에 위치하는 기판은 2종 이상의 상이한 반응물의 교대로 반복되는 표면 반응에 노출되어 박막이 형성되며, 본 발명의 방법에 따르면, 상기 반응물은, 각각의 반응물이 그 자체의 공급원으로부터 독립적으로, 증기상 펄스의 형태로, 반복적으로 및 교대로, 상기 반응 공간(1) 내에 공급되고, 상기 증기상 반응물은 기판(13)의 표면과 반응하게 되어 고체 상태 박막 생성물이 기판 상에 형성되며, 기체 반응 생성물과 임의의 가능한 과량의 반응물은 반응 공간으로부터 기체상의 형태로 제거된다. 본 발명에 따르면, 반응 공간 내로의 기체 흐름의 도입은, 유입 배관이 기판(13)의 평면에 대해 본질적으로 수직이 되도록, 노즐 오리피스(10, 11)가 본질적으로 평면형으로 배열되어 있는, 나무 모양의 유입 배관(3)에 의해 달성된다.

Description

박막 성장 장치 {APPARATUS FOR GROWING THIN FILMS}

(기술분야)
본 발명은 반응 공간 내에 위치하는 기판을, 박막을 형성시키는데 사용되는 2종 이상의 반응물의 교대로 반복되는 표면 반응에 노출시켜서, 박막을 기판 상에 형성시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법에 있어서, 반응 공간 내에 위치하는 기판은, 박막을 생성시키기 위해 사용되는 2종 이상의 상이한 반응물의 교대로 반복되는 표면 반응에 노출된다. 증기상 반응물은, 그 자체의 공급원으로부터 반응 공간 내로 반복적으로 및 교대로 도입되어, 반응 공간에서, 이들 반응물은 기판 표면과 반응하게 되어 고체 상태 박막 생성물을 기판 상에 형성시킨다. 기판 상에 부착하지 않은 반응 생성물과 임의의 발생 가능한 과량의 반응물은 반응 공간으로부터 증기상의 형태로 제거된다.

또한, 본 발명은 기판을 증기상 반응물의 교호적 표면 반응에 노출시켜서, 박막을 표면 반응에 의해 기판 상에 형성시키는 장치에 관한 것이다.

(배경기술)
통상적으로, 박막은, 진공 증착, 즉, 분자 비임 적층성장 (Molecular Beam Epitaxy)(MBE) 및 기타 상응하는 진공 증착법, 즉, 다수의 상이한 화학적 증착 (CVD)법 (예를 들어, 저압 및 유기금속 CVD와 플라즈마 강화된 CVD), 또는 대안적으로, 원자층 적층성장 (Atomic Layer Epitaxy)(ALE)법으로 일컬어지는, 전술된 교대로 반복되는 표면 반응의 증착법을 이용하여 형성된다. MBE법 및 CVD법의 경우, 기타 공정 변수 이외에, 박막 형성 속도는 출발 물질의 유입 농도에 의해 또한 영향을 받는다. 통상적인 방법의 제 1의 카테고리에 의해 증착되는 균일한 두께의 층을 얻기 위해서는, 출발 물질의 농도와 반응성이 전체 기판 면적에 걸쳐 균등하게 유지되어야 한다. 예를 들어 CVD법에서와 같이, 서로 상이한 출발 물질들이 기판 표면에 도달하기 전에 서로 혼합하게 되는 경우, 이들 물질의 상호 반응의 위험이 발생한다. 따라서, 기체 반응물용 유입 채널 내에서 이미 미세입자가 형성될 위험성이 있다. 이러한 미세입자는 보통 박막의 품질에 대해 유해한 효과를 갖는다. 따라서, 출발 물질을 기판 표면에서의 가열 보다 먼저 가열하지 않음으로써 MBE와 CVD 반응기 내에서의 조기 반응의 가능성이 방지된다. 가열 이외에, 목적하는 반응은 예를 들어, 플라즈마 또는 그 밖의 유사한 활성제를 사용하여 개시될 수 있다.

MBE법과 CVD법의 경우, 박막의 형성은 기판 상에 부딪히는 출발 물질의 유입 속도를 조절함으로써 주로 조정된다. 대조적으로, ALE법은 증착 속도가 출발 물질 농도 또는 흐름 특성보다는 기판 표면 특성에 의해 조절되는 것에 기초한다. ALE법에서의 유일한 필요조건은 출발 물질이 전체 기질에 걸쳐 박막 형성에 충분한 농도로 존재해야 한다는 것이다.

ALE법은 예를 들어, FI 특허 제 52359호, 97730호 및 57975호, WO 공개 출원 제 96/17107호, 및 미국 특허 제 4,058,430호 및 4,389,973호에 기재되어 있으며, 이들 문헌에는, 이 방법을 수행하기에 적당한 몇몇 장치의 구체예가 또한 기재되어 있다. 박막을 형성시키는 장치 구성은 문헌 [Material Science Report 4(7) (1989), p. 261] 및 [Tyhjiotekniikka (Finnish publication for vaccum techniques), ISBN 951-794-422-5, pp. 253-261]에 또한 기재되어 있다.

ALE 증착법의 경우, 원자 또는 분자가 기판 위를 스윕핑(sweep)하도록 구성되어, 기판의 표면 상에 계속 부딪힘으로써, 완전 포화된 분자층이 표면상에 형성된다. FI 특허 제 57975호에 공지된 통상적인 기법에 따라, 포화 단계 후에, 과량의 출발 물질과 기체 반응 생성물을 기판으로부터 제거시키는 확산 장벽을 형성하는 비활성 기체 펄스가 이어진다. 상이한 출발 물질의 연속 펄스와 캐리어 기체의 확산 장벽의 연속 펄스 (후자는 전자와 별개임)에 의해, 상이한 물질의 표면 화학 특성에 의해 조절되는 속도로 박막이 형성된다. 이러한 반응기는 "진행파(traveling wave)" 반응기로서 일컬어진다. 상기 방법의 작용에 있어서, 이동하는 것이 기체인지 기판인지와는 무관하지만, 연속되는 반응 단계들의 상이한 출발 물질들이 서로 분리되고, 기판 상에 교대로 부딪히도록 구성되는 것이 필수적이다.

대부분의 진공 증발기는 소위 "단발(single-shot)" 원리로 동작한다. 따라서, 증발된 원자 또는 분자는 기판 상에 단 한번 부딪힐 수 있다. 기판 표면과의 반응이 일어나지 않는 경우, 이것은 다시 튀어 나오거나 재증발되어, 장치 벽 또는 진공 펌프에 부딪힘으로써, 그 안에서 응축된다. 고온 벽 형태의 반응기의 경우, 반응기 벽 또는 기판에 부딪히는 원자 또는 분자는 재증발됨으로써, 기판에 반복적으로 부딪힐 수 있다. ALE 반응기에 적용하는 경우, 이러한 "다발(multi-shot)" 원리는 개선된 물질 소비 효율을 제공할 수 있다.

ALE 증착에서의 출발 물질이, 흐름 역학적 원인 또는 기타 원인으로 인해, 기판의 다수의 부분에 걸쳐 불균일하게 분포하는 경우, 매우 두께가 얇은 흐름에서도 각각의 펄스에서 충분량이 유동하여 막의 균일한 성장을 보장할 정도의 양으로 각각의 출발 물질을 기판에 걸쳐 펄싱시킬 필요가 있다. 다른 한편, 흐름 기하학에 의해, 수십 배의 농도차가 초래될 수 있음을 알기 때문에, 불리한 흐름 기하학의 경우에는, 온전한 막이 형성될 것으로 예상되는 양보다 많은 양의 출발 물질을 펄싱시키는 것이 필요할 수 있다. 이것을 과용량이라고 하며, 기타 원인, 예를 들어 출발 물질의 화학적 특성이 또한 여기에 영향을 미칠 수 있다.

충분량의 출발 물질을 임의의 현저한 과용량 없이 기판의 다수의 부분에 걸쳐 제공하기 위해, 하기 두 가지 해법이 기체의 균일한 분포를 달성하는데 사용된다:

1. 기판 상의 압력이 낮아서 기체 분자의 평균 상호 충돌 거리가 기판 사이의 거리보다 크게 되도록 장치를 구성한다. 따라서, 기체 분자의 대부분의 충돌은 기판에 부딪힐 것이고, 기판에 대해 균일하게 분포하는 기체는 거의 없게 된다. 평균 충돌 거리가 전형적인 시스템에서의 벽들 사이의 거리 (d) 또는 이것의 1/100부 이상과 동일한 경우, 이러한 기체는 과도적(transitional)이라고 일컬어진다. 1mbar의 압력 및 실온에서, 하나의 질소 분자의 충돌 거리는 64㎛이고, 0.01mbar에서는 6.4mm 이다. ALE 반응기의 경우, 기판 사이의 거리는 수 밀리미터의 범위인 것이 전형적이다. 따라서, 논의된 해법이 이용되는 경우, 압력은 약 1mbar 또는 바람직하게는 그 보다 낮아야 한다.

2. 더 높은 압력에서, 기체 분자의 평균 충돌 거리는 감소하고, 기체는 더 이상 과도적이지 않으며, 그 대신, 점성 상태로 존재한다 (충돌 간격 < d/100). 점성 상태에서, 기체의 흐름은 충돌에 의해 함께 결합되어 있는 기체 분자가 압력이 낮은 쪽으로 집합적으로 이동하는 것이다. 열운동에 의해 유발되는 분자의 혼합은 확산으로서 표현된다. 이들 해법에 있어서, 목표는 상이한 기체 흐름 발생기와 노즐에 의해 기체를 기판에 균일하게 분포시키는 것인데, 이는 기체 흐름의 횡방향으로의 확산 속도가 기체의 전파 속도에 비해 작기 때문이다.

첫번째 대안의 문제점은 실제 치수의 경우에 저압이 필요하다는 데에 있다. 압력이 10배 감소하면, 펌프 용량은 또한 10배 증가해야 하며, 기체 흐름이 일정하다면 기체 속도 또한 10배 증가한다.

기체 속도는 음속을 초과할 수 없으며, 펌프 가격은 치솟는다. 또한, 압력이 감소할수록, 압력을 증가시키는 압력 손실이 방지되도록 전송율을 개선하기 위해 반응기의 치수가 커져야 한다. 이는 압력이 감소해야 함을 다시 필요조건으로 할 것이다.

압력은 출발 물질의 스윕(sweep) 흐름과 전달 흐름을 감소시킴으로써 또한 감소될 수 있다. 전달되어야 하는 출발 물질의 양이 여전히 동일할 것이고, 충분한 스위핑이 필요하기 때문에, 이는 공정 시간을 연장시킬 것이다. 이는 반드시 연구용 반응기에서만 문제를 나타내는 것이 아니며, 이러한 문제는 제조 장치에서, 그리고 기판 표면적이 넓은 경우에 두드러질 것이다.

두번째 대안에 따른 해법에 있어서, 압력은 전형적으로 2 내지 10mbar이며, 이로써, 필요한 펌프는 적당한 크기를 갖고, 배관 및 기판 홀더의 치수는 수행하기에 용이한 정도가 되며, 기체의 흐름 시간 및 속도는 적당하게 된다.

기체가 기판의 전체 폭에 걸쳐 균일하게 분포되는 경우, 다양한 종류의 충돌 유발기 및 압력 강하 장치 또는 드로틀(throttle)이 사용된다. 충돌 유발기의 경우, 기체 제트는 표면에 부딪히도록 되어 제트의 확산과 혼합을 야기한다. 또한, 이와 같이 다수의 연속 충돌을 배열할 수 있다. 따라서, 기체 드로틀의 기능은, 드로틀을 통한 컨덕턴스(conductance)에 비해 큰 컨덕턴스가 평행한 드로틀들의 유입 측면 상에 존재한다는 사실을 기초로 한다. 따라서, 기체에 대해, 모든 드로틀은 균등하며, 흐름은 직선 또는 평면 형태로 균일하게 분포된다. 드로틀로서, 예를 들어, 좁은 슬릿, 인접 구멍(파이프), 신터(sinter) 등이 사용될 수 있다.

균일한 흐름이 달성된다고 하더라도, 점성 기체가 저압측, 즉, 기체 배출구측으로 유도되기 때문에 실시상, 막의 균일성에 대한 문제가 존재한다.

이 문제에 대한 해법은 FI 특허 제 97731호에 기술되어 있다. 상기 특허에 따른 해법에 있어서, 기체의 배출은 배출 단부에 있는 드로틀을 조절함으로써 조절된다. 이 방법은 공급 단부에 있는 채널이 크고, 격렬한 "기체 제트"에 의해 유발되는 동적 인자가 분포에 영향을 줄 수 없는 경우에 효과적이다. 따라서, 배출 단부에서의 균일한 흡입에도 불구하고, 공급 흐름이 평면화되어, 기체 혼합물의 분포를 돕게 된다.

배출 흡입의 균일성은 배출관의 컨덕턴스가 예를 들어, 배출 슬릿의 컨덕턴스의 10배 내지 100배가 되도록 달성되었다. 몇몇 공지된 해법에 있어서, 기판들 사이의 슬릿은 흐름을 분할시키는 드로틀로서의 기능을 한다. 따라서, 기체 흐름 분포는 배출관 컨덕턴스와 배출 슬릿 컨덕턴스 사이의 관계에 의해 영향을 받을 수 있다. 기체가 배출 슬릿을 통과하면, 이들의 가능한 혼합은 더 이상 중요하지 않게 되며, 이로써, 배출관의 컨덕턴스는 배출관의 치수를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 충분히 양호한 컨덕턴스비를 얻는 또 다른 대안은 배출 슬릿의 컨덕턴스를 감소시키는 것일 것이다. 그러나, 반응기에서의 압력 증가와, 또한 전달용 배관에서의 압력 증가가 문제가 될 것이다.

따라서, 투입 측면과 관련하여, 기체 유속, 채널의 스위핑 기능 및 압력 손실이 중요한 역할을 한다. 공급 슬릿을 초우킹(choking)시킴으로써 컨덕턴스 비가 조절되는 경우, 공급 채널 내의 압력은 상승하여, 고체(또는 액체, 기체) 공급원에서의 최저 가능 압력을 상승시킬 것이다. 따라서, 이것은, 증기압을 상승시키기 위해 공급원 온도가 상승되어야 하는 것(가능한 경우)을 필요조건으로 하는 데, 이는 출발 물질에 대해 악영향을 미칠 수 있다. (예를 들어, 공급원의 효율 (공급된 캐리어 기체의 양과 비교되는 공급된 출발 물질 펄스의 세기)은 출발 물질 용기 내의 압력과 해당 온도에서의 공급원 물질의 증기압 사이의 비에 좌우된다. 압력이 증가할 수록, 분자 사이의 충돌은 증가하며, 이로써, 몇몇 출발 물질은 분해될 것이다.) 압력이 증가할 수록, 기체 밀도가 증가하며, 이로써, 배관 내의 유속은 유해할 정도의 저수준으로 감소될 수 있다. 컨덕턴스 비는 공급 채널의 크기를 증가시킴으로써 또한 영향을 받을 수 있다. 이는 유속을 감소시키며, 반응기의 속도를 늦출 것이다.

본 발명에 따른 구성에 있어서, 전달 배관은 나무 모양으로 가지화된 배관으로 구성된다. 모델링 소프트웨어가 배관을 계산하기 위해 개발되었고, 기체가 작은 컨덕턴스 비에서도 균일하게 분포될 정도로 배관을 치수화시키기 위해 사용될 수 있으며, 이로써, 팩이 신속하게 설계되어, 공급 채널 내의 기체 속도의 변화가 거의 없을 정도로 적은 압력 손실만 발생하게 된다 (즉, 다수의 부분이 충분히 스위핑되고, 출발 물질이 가속 및 감속에 의해 불필요하게 파쇄되지 않는다).

종래의 구성(초우킹이 유리 사이의 슬릿 이외의 수단에 의해 처리되는 경우)에 있어서 , 기판은 기판과 평행한 판에 구비된 리세스(recess)내에 위치된다. 따라서, 전달 배관과 배출 배관의 일부가 각각의 기판 또는 한 쌍의 기판마다 판내에 제공된다. 기판의 수가 증가함에 따라, 기판보다 많은 이들 판의 수도 상응하게 증가한다. 여기에서, 문제는 팩의 가격 및 중량이 기판 수의 증가에 정비례하여 증가한다는 데에 있다. (판은 기판보다 길이가 약 10 내지 15㎝ 길고, 폭이 약 5 내지 10㎝ 넓으며, 매우 엄격한 허용오차로 제조되어야 한다. 재료로서, 예를 들어 티타늄이 사용됨으로써, 기판을 지지하는 이 판의 질량은 예를 들어, 유리 또는 Si 웨이퍼 기판에 비해 크다). 중량이 크면, 또한 진공중에서 서서히 가열되는 질량을 증가시킨다. 상기 공지된 구조는 조밀하고, 구성에 있어서, 팩이 소수의 부분으로 구성될 수는 있으나, 기판의 수가 증가함에 따라 전술한 문제점이 부각된다.

(발명의 상세한 설명)
본 발명에 따른 구성에 있어서, 별도의 기체 공급 유닛이 기체를 공급하기 위해 구성된다. 유닛은 파이프로 구성될 수 있지만, 기체 슬릿이 기계가공된 시이트로 형성되는 것이 가장 유리하다. 이러한 시이트들은 기판에 대해 횡방향으로 배치된다. 따라서, 기체 공급 채널의 시스템은 표면적이 팩의 횡단면보다 약간 큰 시이트의 형태로 형성된다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 결점을 해결하고, 균일한 특성의 박막을 성장시키는 완전히 신규한 방법과 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명은 나무 모양의 유입 분기관을 구성하는 개념을 기초로 하며, 공급 슬릿의 평면은 기판의 평면에 대해 본질적으로 수직인 것이 바람직하다.

본 발명의 방법은 반응 공간으로부터 전체가 또는 대안적으로, 한번에 한 쌍의 기판, 하나의 피라미드 구조 또는 V자 구조물 형태로 배출될 수 있는 피라미드형 구조를 갖는 장치로 유리하게 수행될 수 있다.

더욱 상세하게는, 본 발명에 따른 방법은 노즐 오리피스가 본질적으로 평면형으로 배열되어 노즐 오리피스의 평면이 기판의 평면과 본질적으로 수직이 되는, 나무 모양의 유입 배관을 사용하여 기체 흐름을 반응 공간 내에 도입시키는 것을 주요 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 장치는 유입 배관이, 이것의 노즐 오리피스가 기판의 평면에 본질적으로 수직인 형태로 본질적으로 평면형으로 배열되도록, 나무 형태인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 용어 "반응물"은 기판 표면과 반응할 수 있는 증발성 물질을 의미한다. ALE법의 경우, 2종의 상이한 군에 속하는 반응물이 통상적으로 사용된다. 반응물은 고체, 액체 또는 기체일 수 있다. 용어 "금속 반응물"은 금속 화합물 또는 원소 금속에 대해 사용된다. 적당한 금속 반응물은 예를 들어 염화물과 브롬화물을 포함하는 금속의 할로겐화물 및 thd 착화합물과 같은 유기 금속 화합물이다. 금속 반응물의 예로는, Zn, ZnCl₂, Ca(thd)₂, (CH₃)₃Al 및 Cp₂Mg가 언급될 수 있다. 용어 "비금속 반응물"은 금속 화합물과 반응할 수 있는 화합물 및 원소에 대해 사용된다. 후자 군으로는 대표적으로 물, 황, 황화수소 및 암모니아가 언급된다.

본 발명에 있어서, 용어 "캐리어" 기체는 반응 공간 내로 유입되어, 반응물 및 대응 기판과 관련하여 원하지 않는 반응을 방지할 수 있는 기체를 의미한다. 이러한 반응으로는 예를 들어, 반응물 및 기판과, 발생 가능한 불순물과의 반응이 있다. 캐리어 기체는 또한 예를 들어 유입 배관에서의 상이한 반응물 군의 물질 간의 반응을 방지하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 방법에 있어서, 캐리어 기체는 반응물의 증기상 펄스의 캐리어 기체로서 또한 유리하게 사용된다. 상이한 반응물 군 중의 반응물이 별개의 유입 분기관을 통해 반응 공간 내로 유입되는 바람직한 구체예에 따르면, 증기상 반응물 펄스는 어느 한 유입 채널로부터 도입되고, 캐리어 기체는 다른 유입 채널로부터 도입됨으로써, 도입된 반응물이 또 다른 반응물의 유입 채널에 들어가는 것을 방지한다. 본 발명의 방법에 사용하기에 적당한 캐리어 기체로는, 질소 기체 및 0족 기체, 예를 들어 아르곤과 같은 캐리어 기체가 언급될 수 있다. 또한, 캐리어 기체는 원하지 않는 반응 (예를 들어, 산화 반응)이 기판 표면에서 일어나는 것을 방지하는 작용을 하는 본래 반응성인 기체, 예를 들어 수소 기체일 수 있다.

본 발명에 따르면, 용어 "반응 공간"은 기판이 위치하는 공간과, 증기상 반응물이 기판과 반응하여 박막을 형성시키는 공간 (즉, 반응 챔버) 둘 모두를 포함하며, 기체 유입/유출 채널은 반응 챔버와 직접 연통하고, 상기 채널은 반응물을 반응 챔버 내로 유입시키거나 (유입 채널), 박막 형성 공정의 기체 반응 생성물과 과량의 반응물을 반응 챔버로부터 제거시키는 (유출 채널) 기능을 한다. 본 발명의 구체예의 구성에 따르면, 유입 및 유출 채널의 수는 각각 하나 이상 만큼 달라질 수 있다. 이들은 기판의 양측 단부에 또한 위치할 수 있으며, 이로써, 각각의 반응물 군에 상응하는 유출 오리피스가 바람직하게 텅(tongue)에 의해 서로 이격되어 있는 나머지 군의 유입부의 단부에 위치하게 된다 (도 3의 구체예 참조). 기체는 반대 방향으로부터 교대로 기판 상에 공급될 수 있다. 이러한 방식으로, 기판의 유입 단부에서 관찰되는 어떠한 강한 막 성장도 보상할 수 있다. 또한, 유출 채널로부터의 배출 흡입은 교호적 방식으로 이루어진다.

본원에서, 용어 "기판 표면"은 반응 챔버 내로 유동하는 기체상 반응물이 최초로 부딪히는 기판의 상부 표면을 의미하고자 사용된다. 실제로, 상기 표면은, 박막 형성 공정의 제 1의 사이클 동안에는, 예를 들어 유리와 같은 기판의 표면에 의해 구성되며; 제 2의 사이클 동안에는, 표면은, 제 1의 사이클 동안에 형성되며, 반응물 간의 반응에 의해 증착되고, 기판 등에 부착되는 고체 상태 반응 생성물을 포함하는 층에 의해 구성된다.

본 발명에 따르면, 개개의 기판 상으로의 흐름은 유입 단부에서의 흐름에 의해 결정되는데, 이는 유동 물질의 동적 특성으로 인해 가능한 빠른 흐름이 특히 유리하기 때문이다.

균일한 막을 형성하기 위해, 본 발명의 해법에 있어서, 각각의 반응물 군이 별도의 유입 채널을 통해 반응 챔버 내로 직접 공급되는 것이 필수적인 것으로 밝혀졌다. 바람직하게는, 반응물은 또 다른 반응물 군의 유입 채널로부터 유입되는 캐리어 기체 흐름과 혼합되고, 균일화된 후, 반응물은 기판과 접촉한다. 상이한 반응물 군들의 유입 채널의 배출 단부 (명세서 후반부에는 반응물 "공급 오리피스"라 일컬어짐)는 박막 구조물을 갖는 기판에 인접한 위치에서 반응 챔버 내로 배출되도록 조정된다. 반응물 오염의 위험을 제거하기 위해, 캐리어 기체 흐름을, 반응물을 공급하는데 통상 사용되지 않는 유입 채널(들)을 통해 유도시키는 것이 특히 유리하다. 반응물 공급 오리피스들은 캐리어 기체의 공급 오리피스에 대해 양쪽에 배열된다.

균일화 구역은 반응 챔버의 전방에 또한 배열될 수 있다.

반응 구역에 있어서, 목적은 통과하여 흐르는 기체의 균일성을 유지시키는데 있다. 좁은 반응 챔버를 구성함으로써 (즉, 기판에서, 챔버의 높이가 챔버의 폭에 비해 작게 되도록), 반응 챔버 내의 기체 흐름에서는 어떠한 농도 프로파일도 생성되지 않는다. 기판을 둘러싸는 반응 챔버는 챔버 벽이 처리하려는 기판에 인접한 위치에 배치되도록 설계되는 것이 특히 유리하다.

본 발명에 대한 대안으로서, 초우킹이 음압 공급원(예를 들어, 진공 펌프)과 연통하는 배출 채널과 반응 챔버 사이의 좁은 흡입 슬릿으로서 달성될 수 있다. 이것은 하나의 연속 슬릿으로 구성될 수 있지만, 슬릿에 대해 높은 컨덕턴스를 갖는 반응 챔버의 전방에 위치한 다수의 작은 평행 슬릿으로 또한 구성될 수 있다.

카세트형 구조를 갖는 장치에는 캐리어 기체 밀봉부가 제공되며, 이는 흡입 그루브가 임의의 누출물을 수집하기 위해 판의 에지에 근접한 위치에서 이들의 주변을 따라 평면 엘리먼트의 표면 내에 형성되도록 이루어진다. 흡입 그루브는 음압 유출 채널과 연통하게 된다. 흡입 그루브의 목적은 외부 오염물이 반응 공간 내로 들어가는 것을 방지하고, 반응물이 반응 공간 외부로 누출되는 것을 방지하는 데에 있다. 흡입 그루브 내의 격리용 밀봉 흐름은 반응 기체의 가장 강력한 수축이 유출 채널에 근접한 위치에서 기판의 단부에서 일어나는 경우에 최적의 기능을 한다. 흡입 그루브 내의 압력이 반응 공간 또는 이것의 외부의 압력보다 낮은 것이 흡입 그루브의 동작에 필수적이다.

카세트 구조물 부품의 표면은 ALE 증착에 사용된 반응물에 대해 비활성인 재료로 제조된다. 유리한 재료로는, 유리 및 유사한 실리케이트 기초 재료 뿐만 아니라 다수의 세라믹 재료가 있다.

본 발명에 따른 해법은 종래에 사용된 ALE 해법에 비해 현저한 이점을 제공한다. 따라서, 기체가 기판 표면 상에 더욱 균일하게 분포되기 때문에, 보다 적은 과용량이 가능해져서, 출발 물질의 양이 절약되고, 공정 시간이 단축된다. 막의 질이 또한 개선된다. 정확하게 치수화된 나무 모양의 구조물이 압력 손실을 줄이기 위해 사용될 수 있기 때문에, 공급원에서의 시스템 압력은 감소하며, 이는 장치의 효율을 높인다. 본 발명에 따라 치수화된 유입 분기관은 공정 시간을 단축시키는 보다 빠른 장치를 또한 제공할 것이다.

전술한 장치 구성으로 인해, 반응 공간의 중량이 감소될 수 있고, 시스템 내의 구성 요소의 수가 줄어들 수 있다.

본 발명 및 이의 이점은 하기 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 보다 명확하게 나타날 것이다.

(도면의 간단한 설명)
도 1은 본 발명에 따른 유입 분기관을 갖는 장치를 개괄적으로 도시한 도면이다.

도 2는 도 1의 유입 분기관을 보다 상세히 나타낸 도면이다.

도 3은 주 유입관을 구성하는 본 발명에 따른 판의 단면도 및 저면도를 도시한 도면이다.

도 4는 유입 채널을 제공하는 본 발명에 따른 판의 저면도 및 단면도를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 노즐 판의 저면도를 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명에 다른 유입 분기관의 유입 채널에서의 횡단면도를 도시한 도면이다.

도 7은 도 6의 평면 구성의 정면도를 도시한 도면이다.

도 8은 본 발명에 따른 기판을 지지하는 시스템의 단면도를 도시한 도면이다.

도 9는 도 8의 지지 엘리먼트 중의 하나의 단면도이다.

도 10은 도 9의 엘리먼트의 측면도이다.

하기 용어 및 참조 번호는 엘리먼트를 나타내기 위해 사용된다.

ALE 장치 1

반응 챔버 2

유입 배관 A 3

공급원 군 A 4a

공급원 군 B 4b

유입 배관 B 5

주 유입 채널 A 6a

주 유입 채널 B 6b

유입 채널 A 7a

유입 채널 B 7b

캐리어 기체용 주 유입 채널 8

캐리어 기체 채널 9

유입 슬릿 B 10

유입 슬릿 A 11

캐리어 기체용 슬릿 12

기판 13

기판 홀더 14

기판 홀더용 프레임 15

가열 저항기 16

흐름 방향 17

흡입 그루브 18

주 공급기 판 19

공급기 판 20

슬릿이 형성된 판 21

기판 팩 22

진공 엔벨로프 23

(실시예)
도 1에 따르면, 본 발명에 따른 ALE 장치(1)는 진공 엔벨로프(진공 공간)(23)의 내부에 반응 챔버(2)를 포함하며, 챔버는 저항기(16)로 가열된다. 상기 장치는 물질 공급원(4a), 유입 배관(3) 및 공급원(4b)로부터의 제 2 유입 배관(5)을 추가로 포함한다. 상기 장치는 또한 도면에 별도로 나타나 있지 않지만 유출 배관을 포함한다.

도 2에 따르면, 두 개의 공급원 물질에 대한 주 유입 채널(6a, 6b)를 포함하는 나무 모양의 유입 배관(3, 5)은 반응 챔버의 한쪽 단부, 이 경우, 상단부에 배열된다. 또한, 유입 배관(3)에는, 필요한 모든 곳에, 예를 들어 질소 N₂를 반응 챔버 내로 공급시키기 위한 캐리어 기체 채널(9)이 제공된다. 적당한 공정 온도는 반응 챔버(2)의 외부에 배열되어 있는 저항기(16)에 의해 유지된다.

도 3에 따르면, 주 유입 채널(6a, 6b) 뿐만 아니라 캐리어 기체 채널(9)과 흡입 그루브(18)가 주 공급기 판(19)에 제공되며, 흡입 그루브는 나머지 유입 채널을 둘러싼다. 흡입 그루브(18)에는, 진공 공간(23) 및 실제 반응 챔버(2)의 압력보다 낮은 압력이 제공되며, 이로써, 모든 불순물이 흡입 그루브(18) 내에 퍼져있는 최저압측으로 이동한다. 대안적으로, 흡입 그루브(18)는 진공 공간(23)과 반응 챔버(2)에 대해 양압을 갖도록 배열될 수 있으며, 이로써, 캐리어 기체는 양압으로 흡입 그루브 내로 공급된다. 따라서, 양압에 의해, 진공 공간(23)으로부터 반응 챔버(2) 내로의 불순물의 침투량이 감소한다.

도 4의 공급기 판(20)은 주 공급기 판(19)에 연결되며, 이로써, 주 유입 채널은 유입 채널(7a, 7b)로 나무 모양으로 갈라진다. 유입 채널 (7a, 7b) 내의 흐름은, 균일한 흐름을 달성하기 위해, 유입 채널(7a, 7b)의 횡단면이 공급원(4a)으로부터 노즐 오리피스측으로 갈수록 줄어들도록, 채널 횡단면의 형태와 면적에 의해 조절된다.

도 5의 슬릿이 형성된 판(21)은 유입 채널을 상이한 공급 물질에 대한 유입 슬릿(10, 11)으로 나누고, 캐리어 기체는 슬릿(12)을 통해 반응 챔버 내로 공급된다. 균일한 흐름을 유지시키기 위해, 슬릿(10, 11)의 면적은, 슬릿의 위치가 공급원으로부터 멀수록 커지는 것이 전형적이다. 슬릿 (10, 11)은 전체 반응 챔버의 길이를 갖는 연속 슬릿을 형성하도록 또한 결합될 수 있으며, 이로써, 슬릿의 형태가 흐름을 조절하기 위해 추가로 사용될 수 있다.

도 6은 조립된 구조물로서의 판 구조물(19, 20, 21)을 도시한다. 흡입 그루브(18)의 위치는 이 도면으로부터 특히 명확하다.

도 7은 파선으로 도시된 도 6의 구조물의 평면도이다.

도 8은 구조물의 일부로서, 기판 단부의 방향으로부터 본 기판 팩(22)의 구조를 도시한 도면이다. 기판 홀더(14)는 "피라미드" 형태로 두 개의 기판을 지지한다. 기판 사이의 각도는 약 2°이지만, 1 내지 10°로 달라질 수 있다. 따라서, 기판은 송입 분기관을 형성하는 판(19, 20, 21)에 대해 실질적으로 수직으로 배열된다. 이 경우, 흐름은 도면의 좌표에 따라 아래쪽(17)으로 유도된다. "피라미드" 구조 대신에, 기판은 "걸려있는 파일 폴더 (hanging file folder)"의 방식으로 V자 형태로 또한 지지될 수 있다. 기판 사이의 각도는 "피라미드" 방식에서의 각도와 본질적으로 동일하다.

도 9에 따르면, 개개의 기판 홀더는 전체 팩(22)과 함께 또는 개별적으로 팩으로부터 분리될 수 있다. 기판 홀더(14)는 서로 연결되어, 전체적으로 아코디언 형태를 형성하며, 이로써, 팩은 기판의 추가 처리를 위해 용이하게 개방될 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 기판(13)은 프레임(15)에 의해 둘러싸여 있다.

예를 들어, 350 x 350㎜ 기판의 10개들이 팩의 경우의 판(19, 20, 21)의 크기는 약 150 x 500㎜이다. 1개 이상의 판이 필요하며, 보다 작은 판들이 여기에 연결되어, 흐름 구멍을 커버할 수 있다. 가벼운 구조물이 도 8 내지 10에 따른 실제 기판(13)을 지지하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 정확하게 제작되는 부품의 수 및 크기는 감소한다. 또한, 기판(13)을 교체하는 경우에 구조물을 분해시킬 필요가 없다. 그 후, 기록철용 캐비넷(filing cabinet)으로부터 걸려있는 파일 폴더를 빼내는 것과 같은 방식으로 기판(13)을 팩으로부터 잡아당김으로써 팩(22)이 분해될 수 있다. 기판이 매달린 방식 또는 지지된 방식으로 고정되든지 간에, 이들 기판을 이러한 타입의 구조물 내에 채우고, 이로부터 분리시키는 것은 종래 방식 보다 간단하다.

따라서, 본 발명에 따르면, 주 유입 채널(6a, 6b) (나무의 줄기)이 두 판(19, 20) 사이에 제공되고 기판들 사이의 하나 이상의 슬릿에 대한 유입 채널(7a, 7b) (가지)로 갈라지도록 유입 배관(3)이 구성된다. 이 부분으로부터, 기체 흐름은 평행 슬릿(10, 11) (잎)에 의해 기판들 사이의 각각의 슬릿으로 갈라진다. 또한, 상기 슬릿(10, 11)들이 연결되어, 치수가 슬릿의 여러의 부분에서 달라질 수 있는 하나의 연속 슬릿을 형성할 수도 있다. 모델링 프로그램이, 바람직한 압력 손실, 속도 및 속도 변동이 얻어지는 슬릿과 유입 채널의 치수를 특정하기 위해 이용된다. 그러한 목적은 각각의 슬릿(10, 11)으로부터의 동일한 물질 흐름을 제공하는데 있다. 팩 내부의 허용오차 변화 및 흐름 동적 인자(flow dynamic factors)의 영향을 제거하기 위해, 흐름 분포의 조절을 위한 치수 변경이 쉽도록 구조적 성분의 일부가 구성된다. 채널 횡단면의 측면의 치수는 2 내지 20㎜인 것이 전형적이다. 슬릿의 폭은 0.1 내지 2 이며, 깊이는 0.5 내지 20㎜이다.

기판에 도달하기 전에 막이 형성되는 것을 방지하기 위해 양 출발 물질 그룹 모두에 대해 개별적인 유입 채널(7a, 7b)이 제공된다. 필요에 따라, 유입 슬릿 부근에서의 기체들간의 분리는 질소에 대한 유사한 기체 공급 시스템(9)을 구성함으로써 강화될 수 있다. 그러나, 질소 공급은 항상 필요한 것은 아니다. 때로는, 예를 들어 출발 물질들의 펄스가 질소 펄스 내에 잔류물을 남기는 경향이 있는 경우, 기판에 도달하기 전에 동일한 유입 채널이 두 공급원 재료 모두에 대해 사용될 수 있는 정도까지 기체를 혼합시키는 것이 더 유리하다. 따라서, 유입 채널들 중 하나로부터의 공급 펄스는 CVD형 방식으로 이들 잔류물과 반응하고, 이렇게 생성된 CVD 막은 기판의 전방에서 형성되며, ALE 막의 증착에 간섭할 수 없다.

실시예

본 발명의 박막 장치를 치수화한 한 가지 예를 하기에 나타내었다:

기판 크기 300 x 300mm

기판의 수 10

반응 챔버의 수 5

기판 사이의 평균 간격 10㎜

반응 챔버의 전체 용적 300 x 300 x 10 x 5㎜ = 4,500㎤

유입 채널의 용적 100㎤

전체 용적 4600㎤ 또는 약 4.6ℓ

펌프 용량은 600m³/h, 즉, 167ℓ/s로서 선택된다. 펄스 사이의 시간 간격은 약 0.028s 이상이다.

균일한 흐름이 요망되는 경우, 이것은 흐름이 모든 노즐에서 동일한 크기를 갖는다고 또한 표현될 수 있다. 따라서, 동일한 흐름이 달성되는 조건들을 조사할 수 있다. 전기 저항 네트워크(network)에 의해 설명될 수 있는 하기 모델은 그러한 상태를 예시하기 위해 기안될 수 있다:

범례:

A 기체 공급 지점

Bn 기체 배출 지점

R_sn 유입 채널 섹션의 흐름 저항

R_rn 흐름 드로틀의 흐름 저항

동일한 흐름이 모든 흐름 슬릿 B1 내지 B5에서 요구되는 경우, 해당 흐름 저항에 의해 형성된 저항 네트워크에서의 저항의 크기는 "실제" 전기 저항 네트워크의 경우에서와 같이 분석되어야 한다.

문제를 해결하는 한 가지 방법은 저항 R_s1과 R_r1에 대해 적당한 값을 제공함으로써 나머지 저항을 계산하는 것이다. 흐름이 두 개의 양자택일적 흐름 경로 사이에서 이들의 흐름 저항에 비례하여 갈라지기 때문에, B2는, R_r1을 R_s1와 R_r1의 합과 동일하게 되도록 규정함으로써 B1과 동일하게 되도록 조절될 수 있다. 상응하게는, R_r3의 값은 R_r2를 통해 B2와 B3로 이동하는 값의 절반이 되도록 결정된다. 이러한 해법의 수학은 유입 슬릿의 수가 증가함에 따라 복잡해진다.

또 다른 대안은 흐름에 의해 유발된 압력 손실을 계산하는 것이다.

이 대안에 있어서, R_r2의 공급부에서의 압력은 특정한 흐름이 R_r1과 R_s1을 통해 기판으로 이동하는 경우에 계산된다. 지점 B1 내지 B5 (기판의 전방 에지)에서의 압력이 본질적으로 일정하다고 가정하면, R_r2의 값은 이것을 통과하는 흐름이 B1으로의 흐름과 동일하게 되도록 해결될 수 있다. 그 후, 전체 흐름 용적에 의해 필요한 흐름 저항 R_s2에 걸친 압력 증가가 계산된다. 얻어진 압력은 R_r2에 대해 수행된 바와 같이 R_r3의 값을 계산하기 위해 사용된다. 그 후, 이것은 모든 슬릿에 대해 반복된다.

R_sn의 값이 0 이라면, 이러한 특수 상태는, 슬릿의 전체 컨덕턴스가 공급기 파이프의 컨덕턴스보다 훨씬 작은 경우에 해당할 것이다. 실제 상태에서, 항상 약간의 저항이 있으며, 이것의 영향은 고려되어야 한다. 흐름 용적이 공급기 파이프의 다수의 부분에서 서로 상이한 경우, 공급부로부터 멀리 떨어져서 전달되는 경우에 흐름이 감소하기 때문에 이것의 횡단면을 감소시키는 것이 유리하다. 따라서, 기체 속도가 본질적으로 일정하거나, 최종 유입 슬릿의 전방에서 더 가속됨을 또한 확인할 수 있다. 이것은 파이프의 개선된 세정, 즉, 반응기의 보다 빠른 동작을 제공한다.

흐름을 분포시키는 방식은 사용되는 압력과 무관하지만, 상기 방법을 1 내지 50mbar의 압력에서 시험하였다.

본 발명의 방법은 배출 흡입을 안정시키기 위해 또한 사용될 수 있다.

드로틀은 예를 들어, 슬릿, 구멍 또는 파이프일 수 있다. 평행 슬릿의 경우, 이들은 또한 결합될 수 있으며, 이로써, 다양한 길이 또는 높이를 갖는 연속 슬릿이 형성된다.

본 발명의 방법에 있어서의 필요조건이 분자가 질량을 갖지 않는다는 것이기 때문에, 실제로, 흐름 분포는 분자의 질량과 이들의 속도의 효과로 인해 변한다. 또한, 방식의 부정확성 및 생산 허용오차가 이러한 변화의 한 원인이 된다. 이는 배관이 하기 트리밍을 거치기 때문이다:

가중 평균에 따른 평균 런오프(runoff)를 기판으로부터 측정한다. 각각의 흐름 드로틀을 상기 평균 런오프와 비교하고, 그에 상응하여 크거나 작게 만든다. 이 과정을 수 회 반복함으로써, 고도로 균일한 흐름이 달성된다. 종종, 1회의 보정이면 충분하다.

본 발명의 방법에 의해, 정확한 값에 매우 가깝게 되어, 정확한 값으로 트리밍하기 매우 쉽도록 흐름과 배관을 설계할 수 있다. 동시에, 균일한 속도로 이동하는 흐름을 얻는다. 균일한 분포를 제공하는 흐름 배관은 낮은 흐름 저항 및 빠른 속도를 갖도록 구성될 수도 있다.

평면형 흐름을 제공하기 위해 본 발명의 방법을 적용시켰다. 따라서, 공급기 파이프는 흐름 슬릿의 후방에 배열되어 있으며, 흐름 분포는 파이프에 대한 상응하는 방식으로 수행된다.

본 발명의 방법은 하나의 광폭 공급기 슬릿을 사용하는 평면 흐름 분포에 또한 가능하게 적용될 수 있다.

Claims

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기판을 증기상 반응물의 교호적 표면 반응에 노출시켜서, 표면 반응에 의해 기판 상에 박막을 형성시키는 장치로서:

제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 반응 챔버;

상기 제 1 단부와 제 2 단부 사이에서 상기 반응 챔버내에 위치되고, 다수의 기판을 유지하도록 구성된 다수의 기판 홀더를 가지며, 상기 다수의 기판의 주요 표면들에 평행하게 연장하는 길이방향 축선을 각각 가지는 다수의 흐름 경로를 상기 기판 홀더들 사이에 형성하는 기판 팩;

제 1 의 반응물 유입 배관 및 제 2 의 반응물 유입 배관; 및

기체 반응 생성물 및 과량의 반응물을 제거하기 위해 상기 흐름 경로와 연통하는 하나 이상의 배출 통로를 포함하며,

상기 제 1 반응물 유입 배관은 하나 이상의 주(main) 채널을 포함하고, 상기 주 채널은 상기 유동 경로의 길이방향 축선에 수직으로 연장하는 길이방향 축선을 가지는 둘 이상의 유입 가지(branch) 채널로 가지화되며, 상기 가지 채널은 다수의 배출 오리피스에서 중단되며, 상기 제 2 반응물 유입 배관은 하나 이상의 주 채널을 포함하고, 상기 제 2 반응물 유입 배관의 상기 주 채널은 상기 제 1 반응물 유입 배관에 대한 상기 둘 이상의 유입 가지 채널들 사이에서 상기 유동 경로의 길이방향 축선에 수직으로 연장하는 길이방향 축선을 가지는 둘 이상의 유입 가지 채널로 가지화되며, 상기 제 2 반응물 유입 배관에 대한 가지 채널들은 다수의 배출 오리피스에서 중단되며,

상기 제 1 및 제 2 반응물 유입 배관에 대한 배출 오리피스들은 상기 유동 경로들의 길이방향 축선에 수직인 제 1 평면내에 놓이는 제 1 플레이트내에 적어도 부분적으로 형성되며,

상기 제 1 및 제 2 반응물에 대한 가지들은 상기 제 1 및 제 2 반응물 유입 배관에 대한 주 채널들 사이에 위치되는 박막 성장 장치.
제 8항에 있어서, 상기 제 1 플레이트에 연결된 제 2 플레이트를 더 포함하며, 상기 제 1 플레이트는 상기 제 1 및 제 2 반응물 유입 배관의 가지 채널들을 적어도 부분적으로 형성하는 박막 성장 장치.
제 9항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 반응물 유입 배관의 주 채널의 적어도 일부를 형성하는 제 3 플레이트, 및 상기 제 1, 제 2 및 제 3 플레이트 중 하나 이상내의 흡입 그루브를 더 포함하며, 그에 따라 상기 반응 챔버내의 압력 보다 높거나 낮은 압력이 상기 그루브내에 생성되는 박막 성장 장치.
제 10항에 있어서, 상기 흡입 그루브에 연결된 캐리어 기체 공급원을 더 포함하는 박막 성장 장치.
제 8항에 있어서, 상기 다수의 기판 홀더가 기판들을 V자 형태로 또는 역전된 V자 형태로 지지하는 박막 성장 장치.
제 12항에 있어서, 상기 기판 홀더들은 기판들을 인접 기판에 대해 1 내지 10°의 각도로 지지하는 박막 성장 장치.
제 12항에 있어서, 상기 기판 홀더가 기판을 인접 기판에 대해 2°의 각도로 지지하는 박막 성장 장치.
제 8항에 있어서, 상기 기판 홀더들이 반응 공간으로부터 하나씩 제거될 수 있도록 또는 다수의 기판 홀더들을 포함하는 기판 팩이 전체적으로 제거될 수 있도록 상기 기판 홀더들 및 기판 팩이 구성되는 박막 성장 장치.
제 8항에 있어서, 인접 기판들 사이의 상기 반응 공간이 경사형 공간을 형성하도록 상기 다수의 기판 홀더들이 기판들을 지지하는 박막 성장 장치.
제 16항에 있어서, 상기 경사형 공간은 하류쪽으로 갈수록 단면적이 좁아지는 방향으로 경사지는 박막 성장 장치.
제 16항에 있어서, 상기 경사형 공간은 하류쪽으로 갈수록 단면적이 넓어지는 방향으로 경사지는 박막 성장 장치.
제 8항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 반응물들은 상기 제 1 및 제 2 반응물이 배출 오리피스 유입 배관을 통해 상기 반응 챔버내로 도입될 때까지 서로 분리 유지되는 박막 성장 장치.