KR100831751B1 - Ｍ'ｎ 물의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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칼슨에릭피.
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Abstract

고 증착률 스퍼터 방법이 미세 전자 및 광전자 소자 그리고 후속 에피택시 공정용 기판에 적합한 벌크, 단결정, 낮은 결함 밀도의 III족 질화물을 생성하거나, 고정렬된 다결정 윈도우를 생성하는데 사용된다. 에피택시 개시 성장 표면을 구비하는 주형 물질이 제공된다. 비-열이온성 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리를 포함하는 스퍼터링 장치를 사용하는 플라즈마 강화된 환경에서 III족 금속 타겟을 스퍼터링하여, III족 금속 소스 증기를 생성한다. III족 금속 소스 증기는 질소 함유 가스와 결합하여 III족 금속과 질소를 포함하는 증기 반응 종을 생성한다. 증기 반응 종은 성장 표면 위에 증착되어 성장 표면 위에 단결정 MIIIN층을 형성한다. 주형 물질을 제거하여, 직경이 0.5 인치 이상 두께가 50㎛ 이상인 자유 기립, 단결정 MIIIN 물을 제공한다.
스퍼터링, 강화 플라즈마, III족 금속 질화물

Description

Ｍ'Ｎ 물의 제조 방법 및 장치{Methods and apparatus for producing Ｍ'Ｎ based materials}
본 발명은 추가 공정을 요하는 기판 및/또는 미세전자 및 광전자 소자에 사용되는 기판 뿐만 아니라 외적 지지 구조 없이 그 자체로 독립된 구조가 되는 자유 기립(free-standing)물에 사용되는 3족 금속 질화물의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 강화(enhanced) 스퍼터링 기술을 사용하여 단결정 물질 및 고정렬된 다결정 물질을 낮은 결함 밀도로 제조하는 방법에 관한 것이다.
기판 자체의 특성과 다르거나, 동일하거나 우세한 특성을 달성하기 위해 기판 상에 박막을 증착하기 위한 다양한 기술이 존재한다. 박막은 광, 전기, 자기, 화학, 기계 및 열 분야에서의 응용 등에 다양하게 사용된다. 광 분야에서는 반사/반사 방지 코팅, 간섭 필터, 컴팩트 디스크 형태의 메모리 저장 및 웨이브 가이드 등에 응용된다. 전기 분야에서는 압전 드라이버 뿐만 아니라 절연물, 도전물 및 반도체 소자 등에 응용된다. 화학 분야에서는 확산 또는 불순물(예.,갈링(galling))에 대한 장벽막, 산화 또는 부식에 대한 차단막, 및 기체 또는 액체 센서 등에 응용된다. 기계 분야에서는 마찰(내마멸) 코팅, 바람직한 강도 또는 부착력을 구비하는 물질 및 미세기구 등에 응용된다. 열 분야에서는 장벽막 및 열 싱크 등에 응용 된다.
벌크 물질은 그 위에 미세 전자 소자 및 광 소자 등이 제조되는 기판으로 사용될 수 있다. 갈륨 질화물, 알루미늄 질화물, 인듐 질화물, 및 이들의 혼합물 등과 같은 넓은 밴드 갭을 가지는 반도체 물질들이 미세 전자 및 광 전자 분야에 유력한 적용 물질로 연구되어 왔다. 이들 물질들은 녹색, 청색 및 UV 발광 소자(LEDs 및 LDs)등과 같은 단 파장 광에 대한 응용 및 가시 및 태양광-차단(solar-blind) UV 검출기 등에 특히 적합하다. UV 또는 청색 GaN에 기초한 LED의 사용은, 종래의 광원보다 높은 효율을 가지고 수명이 종래의 광원보다 10 내지 100배 긴 입체 상태의 백색 광원의 제조를 가능하게 한다. 게다가, GaN는 높은 최대 전자 속도 및 높은 포화(high-saturated) 속도를 가지는 음성 차등 이동도 영역을 구비해서, 고속 스위칭 또는 마이크로파 구성 요소의 제조에 사용될 수 있다. 상대적으로 높은 정공 농도로 GaN 및 AlGaN를 용이하게 P-형 도핑할 수 있으며, n형 및 p형 물질들에 대한 오믹 콘택 및 쇼트키 콘택이 알려져 왔다. 따라서, 상기 소자들 중 다수가 크고 기술적으로 중요한 시장을 가지고 있거나 잠재적으로 가지고 있다. 이들 시장은 디스플레이 기술, 광 저장 기술, 및 우주 공간에서의(space-based) 커뮤니케이션 및 검출 시스템 등을 포함한다. 고온 미세 전자 소자, 광-전자 소자, 압전 및 음향-광 변조기, 음성-전자 친화 소자 및 군 및 우주 기술에 사용되는 복사/EMP 내성 소자 등에도 응용될 수 있다.
결함 밀도가 낮은 GaN 박막을 사파이어 및 실리콘 카바이드(SiC) 등의 기판 상에 헤테로에피택셜(heteroepitaxial)하게 성장시키는 시도들은 매우 제한적으로 만 성공해왔다. 이들 기판 상에 헤테로에피택셜하게 성장한 GaN 물질은 박막과 기판 간의 다수의 격자 불일치로 인해 쓰레딩 결함(threading defect) 농도가, 일반적으로 10-8 내지 10-10 ㎝-2으로 높은 문제가 있다. 쓰레딩 결함은 다이오드 및 FET 구조에서 누설 전류를 증가시키고 광검출기에서 주 잡음원으로 작용한다. 그 결과 현재 고속, 고 감도 UV 광검출기 및 고전력, 고주파 미세 전자 소자 등과 같은 고성능 소자의 동작이 제한을 받고 있다. AlN, GaN 및 기타 다른 물질로 이루어진 버퍼층이 격자 불일치를 감소시키기 위해서 사용되어왔다. 그러나, 쓰레딩 결함 및 입계의 작은 각(angle)이 막내에 잔류한다. 막과 기판간의 열 팽창 계수의 차이 또한 막 내의 스트레스의 요인이 된다.
따라서, GaN 벌크 기판 상에 GaN 박막을 호모에피택셜하게 성장시키는 것이 주목을 끌고 있다. GaN 기판의 사용은 격자 불일치 및 열 팽창 불일치에 기인한 문제들을 해결할 수 있다. 그러나, 불행히도 GaN 기판의 이용도는 종래의 공정력의 한계로 매우 제한적이다. 이 문제로 인해 GaN에 기초한 소자 및 연관된 질화물 반도체의 발달이 저해되어 왔다. 전자 및 기타 다른 응용에 적용하기 위하여 소자 제조에 적합한 고품질을 지니고, 벌크, 단결정, 다결정 또는 에피택시 형태로 3족에 기초한 물질을 제조하고 상업화에 성공하는데 몇가지 장애물들이 존재한다. 이들 장애물들로는 비용, 재생가능성, 및 순도 등이 있다.
예를 들면, 갈륨 질화물은 갈륨 질화물의 승온 상태에서의 분해를 일으키는 질소의 높은 평형 증기압을 가진다. 상온 및 상압에서 갈륨 금속 내로의 질소의 용 해도는 매우 낮다. 그 결과 GaN를 생산하기 위한 종래의 결정 성장 방법은 실용적이지 않다. 이로 인해 고온, 고압(15kbar) 용액 성장, 증발 및 승화를 포함하는 몇몇 벌크 성장법이 대안으로 개발되었다.
현재, 알루미늄 질화물 및 갈륨 질화물은 박막 내에 다결정 또는 파우더(powder) 형태로만 존재한다. 다결정 벌크 알루미늄 질화물은 파우더 공정 기술을 사용해서 제조될 수 있다. 이 공정은 반도체 등급의 단결정 물질을 생산하지 못한다. 순수 알루미늄 질화물 파우더를 생산하는 것으로부터 시작해서 산소가 없고 결함이 없는 알루미늄 질화물로 소결하는 이와 같은 기술에는 해결하기 어려운 문제점들이 있다. 이들 문제점들은 균일한 입자 크기를 가지는 파우더를 고순도로 생산하는 것을 포함한다. 최고 순도 파우더는 1%의 산소 및 Y2O3 등의 바인더를 포함할 수 있으며, 이 최고 순도 파우더가 고밀도의 알루미늄 질화물을 생산하는데 요구된다. 따라서, 고밀도는 오염을 최소화함으로써 얻을 수 있다. 이들 알루미늄 질화물의 소결 또한 어려운 공정이다. 알루미늄 질화물의 공유 결합 성질은 저온에서 순수한 알루미늄 질화물의 밀도를 높이는 것을 방해한다. 알루미늄 질화물은 1600℃ 이상의 고온에서 분해되어 고밀도화를 방해한다. 따라서, 고밀도 물질을 생산하기 위해서는 고압 및 불순물 등의 비용을 요하는 소결 보조 수단이 요구된다. 알루미늄 질화물의 파우더 공정과 관련된 다른 문제점들은 파우더의 순도 및 무결성을 유지하고, 고온 소결 온도에서 환경을 조절하고, 결함이 없는 부품을 생산하는 것을 포함한다. 물질의 광 특성 및 열 특성에 역 효과를 미치는 오염원을 도입 하지 않고 파우더 공정 기술을 사용하여 알루미늄 질화물을 제조하는 것은 매우 어렵다. 이들 분순물들은 결정 격자 구조에 존재하거나 소결시 입계로 이동하여 적외선 흡수가 매우 높아지도록 한다.
이하에서 개시하는 바와 같이, 물리 기상 증착(PVD) 기술인, 강화 스퍼터링 기술이 개발되어 결함 밀도가 낮은 III족 금속 질화물을 벌크 두께 및 소자 품질의 결정으로 생산하는데 적합하게 사용될 수 있다는 것이 현재 발견되었다. 전통적으로 마그네트론 스퍼터링은 박막 증착과 연관이 있다. 스퍼터링 합성의 장점은 고순도 소스 물질로부터 고순도 화합물이 직접 형성될 수 있다는 것이다. 게다가, 합성이 잘 조절된 조건하에서 이루어질 수 있다. 질소 및 알루미늄 등의 III족 금속은 미세 전자 산업에 사용되는 초-순도급(예, 99.9999%)의 다양한 소스로부터 쉽게 사용가능하다. 스퍼터 합성은, 스퍼터 환경이 초고진공 조건으로 조절가능하므로, 벌크로부터 수소를 가장 효과적으로 제거하는 현존하는 공정이다. III족 질화물의 스퍼터 합성을 통해, 벌크 특성에 근접한 특성을 가지는 물질을 얻는 것이 가능하다. 초고진공 조건에서 진행되기 때문에, 수소 및 산소를 물질로부터 제거할 수 있다. 반응성 스퍼터링은 고밀도로 고순도 물질을 생산하고, 용이하게 결정질 물질을 제조할 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 종래의 마그네트론 스퍼터링은 몇몇 결점이 있어서, 벌크 물질을 제조하는 것이 어렵다. 이들 결점들은 원치 않는 타겟 반응, 수송 제한, 및 낮은 성장률을 포함한다. 반응성 마그네트론 스퍼터링시, 음극 표면에서 마이크로 아크 방전이 일어나서 증작된 물질내에 결함을 일으킨다. 이 공정과 관련된 다른 문제점은 "아노드 소멸(disappearing anode)" 효과인데, 이는 무작위적으로 성장한 절연층에 의해 아노드 전체가 덮여버리는 것이다. 또 이 공정시 타겟 표면에 절연 질화물층이 형성되어 타겟이 완전히 파괴되거나 완전히 절연될 때까지 음극의 임피던스를 증가시키는 문제가 있다. 이는 타겟이 너무 질화되어 동작할 수 없을 때, 증착률이 급속하게 감소하여 거의 0이 되도록 한다. 측벽으로 물질의 상당한 손실이 존재할 수 있기 때문에 물질 수송 또한 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 벌크 결정을 성장시킬 때 문제가 될 수 있다.
본 발명은 박막 및 벌크 물질들의 성장과 관련된 상기 문제점들을 해결하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 방법에 따르면, 단결정 MIIIN 물(article)이 생성된다. 에피택시 개시 성장 표면을 구비하는 주형 물질이 제공된다. 플라즈마-강화 환경하에서 III 족 금속 타겟을 스퍼터링하여 III 족 금속 소스 증기를 생성한다. III 족 금속 소스 증기를 질소 함유 가스와 결합하여 III 족 금속과 질소를 포함하는 증기 반응 종을 생성한다. 성장 표면 위에 증기 반응 종을 증착해서 성장 표면 위에 단결정 MIIIN 층을 생성한다. 주형 물질을 제거하여, 직경이 0.5 인치 이상이고 두께가 50 ㎛ 이상인 자유 기립의 단결정 MIIIN 물을 제공한다.
본 발명의 방법들은 박막 및 벌크 물질 제조를 강화시키기 위한 새로운 스퍼터 물질 운반 장치를 제공함으로써 수행될 수 있다. 새로운 스퍼터 물질 운반 장치 는 높은 성장률로 증착을 할 수 있어서, 두꺼운 물질 성장이 가능하고 제조 공정의 생산량을 증가시킨다. 운반 장치는 결정질 벌크 물질 성장이나 벌크 기판 위에 박막 및 에피택셜 층 증착에 모두 사용될 수 있다. 일반적으로, 기타 다른 스퍼터 공정과 비교해 보면, 상기 운반 장치는 낮아진 공정 압력, 높은 증착률, 높은 이온화 효율, 및 불순물이 없도록 잘 조절된 공정 환경 등의 장점들을 구비한다. 상기 운반 장치는 강화된 스퍼터링 공정을 사용해서 금속 및 유전체를 신속히 증착한다. 이와 같은 강화는 종래의 PVD 기술의 한계를 극복한 공정이 가능하도록 한다.
본 발명에 따른 운반 장치는 종래의 기타 다른 증착 공정에 의해 얻어지는 성장률보다 열 배 이상의 성장률을 달성할 수 있다. 현재 테스트한 바로는, 상기 장치는 단결정 또는 다결정 물질을 60㎛/hr 이상의 비율로 증착할 수 있다. 높은 증착률은 높은 생산량으로 생산이 가능하도록 하고, 단 기간 동안에 벌크 물질 제조가 가능하도록 한다. 상기 장치는 매우 높은 이온화 효율로 인해 증가된 성장률을 가지므로, 스퍼터링 물질의 "파괴(poisoning)" 없이 스퍼터링 공정을 강화한다. 물질을 높은 증착률로 증착할 수 있는 능력은, 관심이 있는 물질을 높은 생산량으로 제조하는 공정을 포함하여 많은 상업적인 응용이 가능하도록 한다. 게다가, 고품질 물질이 효과적인 비용 처리 방식으로 증착될 수 있다. 상기 장치는 벌크 유전체 및 반도체 물질의 상업화를 도울 수 있으며, 기타 다른 다양한 물질들에도 적용될 수 있을 것이다.
상기 운반 장치는 이온화 효율을 증가시켜 전체 증착률을 증가시키는 삼극 스퍼터링 배열 형태에 근거한 비-오염 방법을 제공함으로써 종래의 기술들을 능가 한다. 상기 장치는 열이온성 동공 음극 배열보다 낮은 온도에서 동작이 가능한 장점이 있어서, 장치의 주입 수단을 저온 물질로 구성하는 것을 가능하게 하고, 그 결과 종래의 공정에 비해 매우 넓은 범위의 물질들에 적용될 수 있다. 운반 장치는 타겟 물질의 증착률을 증가시키고 스퍼터링 압력을 낮출 수 있어서, 가시적인 증착 공정이 가능하도록 한다.
상기 운반 장치는 알루미늄 질화물 및 기타 III족 질화물 등의 벌크 물질의 성장이 가능하도록 하고, 또 반도체 제조 공정에서 깊은 트렌치 내에 금속을 증착하는 것이 가능하도록 한다.
본 발명에 따르면, 상기 운반 장치는 마그네트론 소스 및 마그네트론 플라즈마를 강화하기 위한 비-열이온성 전자(또는, 효과적으로는, 플라즈마) 인젝터 어셈블리를 포함한다. 바람직하기로는, 전자/플라즈마 인젝터는 음극 타겟 물질 표면 바로 아래에 배치되고, 마그네트론 소스에 의해 생성된 자기장내로 전자를 주입할 수 있는 복수개의 비-열이온성, 동공 음극형의 주입 장치를 포함한다. 인젝터는 다양한 마그네트론 형태에 적합하도록 다양한 형태(예, 원형 또는 선형)로 설계될 수 있다. 환형 고리 형태로 제공될 경우, 인젝터는 상기 고리의 내경을 따라서 위치한 복수개의 동공 음극을 포함한다.
상기 운반 장치는 이전에 개발된 열이온 방출에 근거한 동공 음극 강화 마그네트론 스퍼터링 장치보다 개선된 장치이다. 본 발명의 장치는 "냉(cold)" 플라즈마 소스로 동작하고 스퍼터링 타겟과 동일한 물질로 구성될 수 있는 비-열이온성 전자 이미터를 포함한다. 이 인젝터는 초고순도(예, 99.9999%) 금속으로 제조될 수 있어서, 성장막의 오염원을 제거할 수 있다. 마그네트론 스퍼터링 프로세스에 인젝터를 추가함으로써 종래의 마그네트론 스퍼터링 장치에 의해 달성할 수 있는 증착률에 비해 높은 증착률로 증착하는 것이 가능하다. 또, 운반 장치는 종래의 열이온성 방출 탄탈륨 팁과 관련된 오염 문제없이 전자 및 플라즈마를 자기장 내로 주입해서 플라즈마 밀도를 증가시킬수 있는 동공 음극 효과의 장점을 가진다. 상술한 바와 같이, 운반 장치는 종래의 마그네트론 스퍼터링에 비해 낮아진 동작 압력 및 증가된 이온화율로 더 특징지워질 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 방법에 따르면, 비-열이온성 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리를 포함하는 스퍼터링 장치를 사용하여 III 족 금속 타겟으로부터 III 족 금속 소스 증기를 생성함으로써 단결정 MIIIN 물을 생성한다. III 족 금속 소스 증기는 질소 함유 가스와 결합하여 III 족 금속과 질소를 포함하는 증기 반응 종을 생성한다. 증기 반응 종이 주형 물질의 성장 표면 위에 증착되어 성장 표면 위에 단결정 MIIIN 층을 생성한다.
스퍼터 운반 장치는 내부 공간을 정의하고 밀봉 가능하거나 배기가능한 압력 조절 챔버, 상기 챔버내에 배치된 타겟 음극, 상기 타겟 음극과 소정 거리 이격되어 상기 챔버 내에 배치된 기판 지지대를 포함한다. 타겟 음극은 타겟 음극 지지대에 결합하고 네가티브 바이어스된 것이 바람직하다. 마그네트론 어셈블리는 챔버 내에서 타겟 음극에 인접한 위치에 배치된다. 네가티브 바이어스되고, 비-열이온성 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리는 타겟 음극과 기판 지지대 사이에 배치된다. 인젝 터 어셈블리는 반응성 가스 소스와 유체 소통을 하고 복수개의 동공 음극형 구조를 포함한다. 각 동공 음극은 챔버의 내부 공간과 소통할 수 있는 구멍을 포함한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리는 플라즈마를 반응 챔버내로 비-열이온적으로 공급하기에 적합화된다. 인젝터 어셈블리는 본체와 대체 가능하거나 교체 가능한 복수개의 가스 노즐을 포함한다. 본체는 중심 축에 대해 환형으로 배향되고, 공정 가스부와 냉각부를 포함한다. 공정 가스부는 공정 가스 챔버를 정의하고, 냉각부는 열 전달 유체 저장기를 정의한다. 가스 노즐들은 중심 축에 대해 방사상으로 배향되고 열 전달 유체 저장기와 연관된 열 전달 경로를 따라 본체 내에 이동할 수 있도록 배치된다. 각 가스 노즐은 공정 가스 챔버와 본체의 외부 영역 사이에서 유체 소통을 제공한다.
본 발명의 방법들은 소자 품질에 적합한 물을 성공적으로 생산하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단결정 벌크 MIIIN 물은 직경이 약 0.5 인치 내지 약 12 인치이고 두께가 50㎛ 이상이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 단결정 벌크 MIIIN 물은 두께가 50 ㎛ 내지 약 1 ㎜ 인 웨이퍼 형태로 생산된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 단결정 벌크 MIIIN 물은 직경이 약 2 인치 이상이고 두께가 1㎜ 내지 100㎜인 부울(boule) 형태로 생산된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 단결정 벌크 MIIIN 물이 씨드 결정으로 사용되어, III 족 금속 및 질소를 포함하는 추가적인 기상 반응 종이 MIIIN 층 상에 증착되어 호모에피택셜하게 성장한 벌크 MIIIN 물을 생성할수 있다.
벌크 MIIIN 물이 생성되는 본 발명의 방법들과 연계되어, MIIIN 물로부터 웨이퍼를 절단하여 웨이퍼 위에 순차적으로 에피택셜층이 증착될 수 있다.
본 발명의 방법들에 의해 생산된 단결정 MIIIN층 또는 MIIIN물은 약 10㎛/hr 이상의 증착률로 형성될 수 있다.
본 발명의 방법들과 연계되어, MIIIN층 또는 MIIIN물 위, 또는 MIIIN층 또는 MIIIN물 위에 성장한 기타 다른 층 위에, 미세전자 또는 광전자 소자 또는 구성 요소들이 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 고도로 배향된 다결정 III족 질화물이 제공된다. 다결정 III족 질화물은 연장면 및 연장면에 대해 실질적으로 수직으로 배향된 복수개의 입계를 구비한다. 연장면에 대해 실질적으로 수직한 방향으로는 물질 두께를 통해 열 전도도가 높고(즉, 증대되거나 강화되고), 연장면에 대해 실질적으로 평행한 방향으로는 열 전도도가 낮다(즉, 방해된다). 연장면에 실질적으로 수직한 방향을 따라 적외선 또는 마이크로파 스펙트럼내의 방사 에너지에 대해 투명하다. 물질 성장 공정의 일환으로, 물질이 금속 프레임에 결합될 수 있으며, 방 향성이 있는 열 전도도 및/또는 방향성 있는 투명도가 장점으로 사용될 수 있는 여러가지 응응분야에 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 방법에 따르면, 적외선 및/또는 마이크로 웨이브 스펙트럼내의 방사 에너지 투과에 적합화되도록 윈도우가 제조된다. 타켓 물질을 포함하는 네가티브 바이어스된 타겟 음극을 밀봉된 챔버 내에 제공한다. 챔버 내에 타겟 음극과 소정 거리 이격시켜 금속 프레임을 제공한다. 타겟 음극에 동작 전압을 인가하여 챔버 내에 전기장을 생성한다. 챔버 내에 마그네트론 어셈블리를 제공하여 챔버 내에 자기장을 생성한다. 네가티브 바이어스되고, 비-열이온성 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리를 타겟 음극과 금속 프레임 사이에 제공하여 상기 타켓 음극과 인접한 곳에 고밀도 플라즈마를 생성한다. 챔버 내로 가스를 도입하여 플라즈마 기질을 생성하기 위한 환경을 제공한다. 타겟 물질의 일부가 스퍼터링되어 플라즈마 기질을 통해 금속 프레임으로 전달된다.
따라서, 본 발명의 목적은 이전에 얻을 수 없었던 순도 및 크기로 특징지워지는 낮은 결함 밀도의 단결정 III 족 질화물, 기판, 및 소자 층을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 낮은 결함 밀도를 가지는 III족 질화막을 초고 증착률 및 성장률로 형성할 수 있는 새로운 스퍼터 물질 운반 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 적외선 및/또는 마이크로파 에너지를 투과시킬 수 있는 다결정 물질을 벌크 형태로 제공하는 것이다.
비록 본 발명의 몇몇 목적들이 언급되었으나, 이하 첨부된 도면 및 이를 참조하여 설명된 상세한 설명으로부터 기타 다른 목적들 또한 자명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 의해 제공된 헤테로 구조의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 자유 기립 벌크 물의 측면도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 벌크 물 위에 추가층이 증착된 측면도이다.
도 3b는 상면에 추가층이 증착된 도 1에 도시된 헤테로 구조와 유사한 구조의 측면도이다.
도 4a는 그 위에 제조된 소자를 구비하는 도 2에 도시된 벌크 물의 측면도이다.
도 4b는 그 위에 제조된 소자를 구비하는 도 3A에 도시된 헤테로 구조의 측면도이다.
도 4c는 그 위에 제조된 소자를 구비하는 도 1에 도시된 헤테로 구조의 측면도이다.
도 4d는 그 위에 제조된 소자를 구비하는 도 3B에 도시된 헤테로 구조의 측면도이다.
도 5a는 횡방향 에피택셜 과도 성장을 위해 준비된 그 위에 중간층을 구비하는 헤테로 구조의 측면도이다.
도 5b는 횡방향 에피택셜 과도 성장 공정이 수행 및 패터닝 후의 도 5A에 도시되어 있는 헤테로 구조의 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 제조된 매우 투명하고, 잘 정렬된 다결정 물질을 포함하는 윈도우의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 새로운 스퍼터 운반 장치의 개략도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리의 상면도이다.
도 8b는 도 8a의 8b-8b 선을 따라 자른 인젝터 어셈블리의 수직 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 새로운 스퍼터 운반 장치의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리의 입면도이다.
도 11은 도 10에 도시되어 있는 인젝터 어셈블리의 개략적인 상면도이다.
도 11a는 도 11의 11a-11a 선을 따라 자른 인젝터 어셈블리의 수직 단면도이다.
도 11b는 도 11의 11b-11b 선을 따라 자른 인젝터 어셈블리의 수직 단면도이다.
도 12a는 도 10에 도시되어 있는 인젝터 어셈블리의 다른 입면도이다.
도 12b는 도 10에 도시되어 있는 인젝터 어셈블리의 상면도이다.
도 13은 도 10에 도시되어 있는 인젝터 어셈블리의 동작 및 예시적인 전자/플라즈마 주입 패턴을 나타내는 입면도이다.
도 14는 본 발명에 따라 제공된 운반 장치와 종래의 마그네트론 소스의 소스 수행력을 비교한 그래프이다.
도 15는 본 발명과 조합하여 사용될 수 있는 사각 마그네트론 소스의 입면도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 새로운 스퍼터 운반 장치의 개략도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 새로운 스퍼터 운반 장치의 개략도이다.
본 발명의 개시를 위하여, 층, 영역 또는 기판과 같은 어떤 요소가 다른 요소의 "위(상)"에 위치한다 또는 형성된다라고 기재된 경우, 상기 요소가 상기 다른 요소의 위에 직접 존재하거나, 그 사이에 제3의 다른 요소들(예를 들어, 하나 이상의 버퍼층, 층간막, 전극 또는 콘택)이 개재된 경우로 이해될 수 있다. "위(상)에 위치한다" 또는 "위(상)에 형성된다"라는 용어는 주어진 요소가 다른 요소와의 관계에서 어떻게 놓여지고 위치하는가를 기술하기 위해 서로 혼용되어 사용될 수 있음도 이해될 것이다. 이처럼, "위(상)에 위치한다" 또는 "위(상)에 형성된다"라는 용어는 특정 물질의 운반, 증착 또는 제조 방법에 관계된 어떠한 제한을 도입하려는 것이 아니다.
여기서 "MⅢN", "MⅢ 질화물" 및 "Ⅲ족 질화물"이라는 용어는 모든 가능한 결정 구조 및 형상뿐만 아니라 첨가된 도펀트나 다른 의도적인 불순물이 있든 없든, 알루미늄 질화물, 갈륨 질화물, 인듐 질화물, 알루미늄 갈륨 질화물, 인듐 갈륨 질화물 및 알루미늄 인듐 갈륨 질화물과 같은 이성분계, 삼성분계, 사성분계 Ⅲ족 질화물계 화합물, 및 이들의 조합, 그리고 이들로부터 유도된 물질이나 수정된 조성을 기술하기 위해 사용된다.
밀러 지수 및 물질층의 면각과 같은 결정학적 방향에 관한 용어는 정확하게 검증된 값(예컨대 (116), 45°등)뿐만 아니라 이러한 값으로부터의 관측 가능한 작은 변위도 포괄하려는 것이다.
여기서 사용된 것과 같이, "에피택시"라는 용어는 결정성 기판 상에 단결정 층 구조를 형성하는 것을 일컫는다. 에피택시는 말하자면 호모에피택시 (homoepitaxy)와 헤테로에피택시(heteroepitaxy)라는 두 개의 범주로 크게 구분할 수 있다. 호모에피택시의 경우, 층과 하지 기판이 동일한 구조적 관계를 가진다. 기판을 그 위에 증착된 동일 조성의 에피택셜층 혹은 "에피층"으로 신장하는 이유는 에피택셜층이 기판에 비하여 결함으로부터 자유롭다는 것, 일반적으로 순도가 더 높다는 것, 그리고 기판과는 별개로 도핑될 수 있다는 것을 관찰한 것을 포함한다. 에피층과 기판의 각 격자 상수는 계면 결합 스트레인(strain) 없이 정확하게 일치된다.
반면에 헤테로에피택시에 있어서는, 층과 기판이 서로 다른 조성을 가진다. 뿐만 아니라, 헤테로에피택시의 경우에 정의 및 다른 정도에 있어서도 각자의 격자 상수가 일치하지 않는다. 헤테로에피택시는 헤테로 접합 계면 구조가 호모에피택셜 구조와 유사해지도록 매우 작은 격자 불일치를 초래하는 공정에서 달성되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 층과 기판의 화학적인 차이뿐만 아니라 열적 불일치(다시 말해, 층과 기판 사이의 열 팽창 계수의 차이)가 있어 전자 물성과 계면 품질을 저하시킨다. 격자 상수가 심하게 불일치되면, 이완된 에피택시 또는 스트레인이 걸린 에피택시가 초래된다. 이완된 에피택시의 경우, 미스피트(misfit) 전위 결함이 층과 기판 사이의 계면에 형성된다. 스트레인이 걸린 에피택시의 경우, 층과 기판의 각 격자는 그들의 서로 다른 결정성을 수용하기 위해 스트레인이 걸리게 된다.
여기에 사용된 것처럼, "소자(장치)"라는 용어는 "요소"라는 용어와 혼용할 수 있는 의미를 가지는 것으로 해석된다.
이제 도 1을 참조하면, 총칭하여 10으로 가리킨, 헤테로 구조가 본 발명에 따라 도시되어 있다. 헤테로 구조(10)는 그 위에 단결정, 저결함 밀도의 MⅢN 층(14)이 에피택셜 성장되어 있는 베이스 기판(12)을 포함한다. 바람직하기로는, 베이스 기판은 0.5 인치 이상의 직경을 가진다. 베이스 기판(12)은 베이스 기판(12)이 MⅢN 층(14)의 에피택셜 성장을 위한 주형으로 작용할 수 있도록 하는 조성과 구조를 가진 성장표면(12A)을 가진다. 대신에, 버퍼층 또는 층간막(16)이 MⅢN 층(14)을 위한 적당한 에피택시 개시 성장 표면(16A)을 제공하도록 베이스 기판(12) 상에 성장된다.
베이스 기판(12)으로 사용하기 적당한 물질 조성의 비제한적인 예는 사파이어, 실리콘, 실리콘 카바이드, 다이아몬드, 리튬 갈레이트, 리튬 알루미네이트, ScAlMgO4, 아연 산화물, 스피넬, 마그네슘 산화물, 갈륨 비소화물, 유리, 텅스텐, 몰리브덴, 하프늄, 하프늄 질화물, 지르코늄, 지르코늄 질화물, 카본, 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator), 카본화된 실리콘-온-절연체, 카본화된 실리콘-온-실리콘 및 갈륨 질화물을 포함한다. 뿐만 아니라, 선택된 특정 베이스 기판은 전도성 기판, 절연성 기판, 반-절연성 기판, 트위스트 접합 기판, 유연성 기판 또는 패터닝된 기판으로 분류될 수 있다.
층간막(16)으로 사용하기 적당한 물질 조성의 비제한적인 예는 갈륨 질화물, 알루미늄 질화물, 인듐 질화물, 아연 산화물, 실리콘 카바이드, 및 그들의 합금을 포함한다. 층간막(16)은 SiO2, SiN, 다이아몬드, 리튬 갈레이트, 리튬 알루미네이트, 아연 산화물, 스피넬, 마그네슘 산화물, 갈륨 아세나이드, 텅스텐, 몰리브덴, 하프늄, 하프늄 질화물, 지르코늄, 지르코늄 질화물 및 카본으로 이루어질 수도 있다.
바람직하기로는, 베이스 기판(12)은 열적 불일치를 최소화하기 위해서 MⅢN 층(14)의 열팽창 계수와 거의 동일한 열팽창 계수를 가진다. 그러나, 층간막(16)이 성장표면(12A) 상에 먼저 증착된다면, 베이스 기판(12)과 MⅢN 층(14) 사이와 같은 열적 불일치는 덜 중요하다.
본 발명의 하나의 방법에 의하면, 베이스 기판(12)과 Ⅲ족 물질 타겟이 스퍼터 증착 챔버에 로딩된다. 상당히 에너지가 높은 플라즈마-강화 분위기가 아르곤과 같은 적당한 배경 가스를 이용하여 챔버 안에 조성된다. 별도의 질소-함유 소스 가스가 챔버 안으로 도입된다. 대신에, 플라즈마를 발생시키기 위해 사용되는 가스가 반응성 소스 가스로 사용될 수도 있다. 그러한 경우에, 배경 가스는 질소 종(species)을 제공한다. Ⅲ족 물질 타겟은 스퍼터되어 Ⅲ족 금속 소스 증기를 생산한다. Ⅲ족 금속 소스 증기는 암모니아와 같은 질소 함유 화합물뿐만 아니라, 이원자 질소, 단원자 질소, 질소 이온, 및 부분적으로 이온화된 질소와 같은 하나 이상의 종을 포함하는 것이 특징인 질소함유가스와 결합한다. 결과적으로, Ⅲ족 금속 원소와 질소로 이루어진 반응성 증기 종이 반응 챔버 안에 생산되어 베이스 기판(12)의 성장표면(12A)(혹은 먼저 버퍼층(16)을 증착한다면 성장표면(16A)) 상에 증착된다. 증착된 반응성 증기 종은 성장표면(12A) 상에서 에피택셜 성장하여 단결정 MⅢN 층(14)을 형성한다. MⅢN 층(14)은 도펀트를 포함하는 가스를 제어된 조건 하에서 반응 챔버 안에 도입하는 것과 같은 전형적인 도핑 방법을 수행함으로써 도핑될 수 있다.
본 발명의 일 관점에 있어서, MⅢN 층(14)의 성장은 벌크 결정이 소자급 품질로 여겨지기에 충분히 낮은 결함 밀도를 가진다는 것을 확실케 하기에 충분한 두께를 가질 때까지 지속되도록 허용된다. 추가적으로, MⅢN 층(14)은 종래 방법에 따라 성장시키면서 회전시킬 수 있다. 그런 다음, 구조는 반응 챔버로부터 제거되고 베이스 기판(12)은 MⅢN 층(14)으로부터 분리 혹은 제거된다. MⅢN 층(14)으로부터 베 이스 기판(12)을 제거하는 데에 이용되는 기술은 예를 들어, 폴리싱, 화학 기계적 폴리싱, 레이저-유도 리프트오프, 벽개(cleaving), 습식 식각 또는 건식 식각일 수 있다. 제거 기술의 선택은 베이스 기판(12)의 특정 조성에 의존할 것이다. 유사하게, 습식 식각이 바람직하다면, 에천트의 선택도 마찬가지로 베이스 기판(12)의 특정 조성에 의존할 것이다. 뿐만 아니라, 건식 식각이 바람직하다면, 특정 건식 식각 기술의 선택도 마찬가지로 베이스 기판(12)의 특정 조성에 의존할 것이다.
도 2를 참조하면, 기판 제거 공정을 완료한 후, 벌크, 자유-기립(free-standing)하는, 단결정 MⅢN 물(20)이 생산된다. 본 발명에 따르면, 물(20)은 0.5 인치 이상의 직경(d), 50㎛ 이상의 두께(t) 및 109 개/cm3 이하의 결함 밀도를 가진다. 물(20)은 공지의 방법에 따라 도핑될 수 있다. 합금과 합성물의 제조에 있어서, 결과적인 조성은 Ⅲ족 금속과 질소 원소를 50% 이상 함유할 수 있다.
방금 언급된 것과 같은 치수와 물성을 가진 물(20)을 제조하기 위해서, 본 발명 공정에 있어서의 중요한 단계는 MⅢN 층(14) 요소가 베이스 기판(12)의 성장표면(12A)으로 운반되도록 하는 기술이다. 본 발명에 따르면, 화학 기상 증착 방법뿐만 아니라 다른 물리적 기상 증착 방법 및 다른 기상 기술 대신에 스퍼터링이 수행된다. 바람직하게는, 스퍼터링은 아래에 기술하는 것과 같은 신규의 비-열이온성(non-thermionic), 플라즈마-강화 스퍼터링 기술에 의해, 10㎛/시 이상의 성장 속도로 달성된다.
층간막(16)이 성장표면(12A)에 형성되려면, 이러한 층간막(16)은 (스퍼터링 과 같은) 물리적 기상 증착, 분자 빔 에피택시, 상압 화학 기상 증착, 저압 화학 기상 증착, 플라즈마-강화 화학 기상 증착, 유기 금속 화학 기상 증착, 증발, 승화, 및 수소화물 기상 에피택시를 포함하는 다양한 기술에 의해 증착될 수 있다. 그러면, 베이스 기판(12)은 화학적 식각, 벽개, 레이저 리프트오프, 또는 다른 적당한 제거 기술에 의해 층간막(16)을 제거함으로써 MⅢN 층(14)으로부터 제거될 수 있다.
도 2에 도시된 벌크 결정 물(20)은 두께가 50㎛ 내지 1mm 범위 안이 될 웨이퍼의 형태로 생산될 수 있다. 다수의 웨이퍼는 한번에 하나 또는 하나 이상의 베이스 기판(12)을 반응 챔버 안에 제공함으로써 생산될 수 있다. 후속 제조 공정의 부분으로서, 웨이퍼의 주된 면은 폴리싱과 같은 알려진 방법에 따라 에피택셜 성장을 위해 처리될 수 있고, 그 후에 적당한 조성의 에피택셜층이 그 처리된 표면에 증착될 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 방법은 직경이 적어도 2 인치이고 두께가 1mm와 100mm 이상 사이인 부울 형태로 벌크 결정 물(20)의 생산을 가능케 한다. 웨이퍼 톱날을 사용하여 상기 부울로부터 다수의 웨이퍼가 절단될 수 있으며, 후속적으로 에피택시를 위해 준비된다.
도 3a를 참조하면, 총칭하여 30으로 가리킨, 다른 헤테로 구조가 본 발명에 따라 도시되어 있다. 도시된 대로, MⅢN 물(20)은 MⅢN 물(20)보다도 작은 결함 밀도를 갖는 것이 특징인 벌크의 제2 MⅢN 층(32)의 호모에피택셜 성장을 위한 씨드 결 정으로 기능할 수 있다. 이 방법에 따르면, MⅢN 물(20)은 약 50 내지 1000㎛의 두께를 가진다. 상술한 것과 유사하게, 물(20)은 예를 들어 도 2에 도시한 것과 같은 자유-기립하는 벌크 단결정(본 실시예에 있어서는 MⅢN 층(32)에 해당)을 생산하기 위해 제거될 수 있다. 본 방법에 따르면, MⅢN 층(32)은 약 0.1 내지 약 100mm의 두께와 약 0.5 인치 이상의 직경을 가진다. 덧붙여, MⅢN 층(32)은 앞서 설명한 대로 웨이퍼 또는 부울 형태로 성장될 수 있다. 여기에 언급한 대로 웨이퍼는 부울로부터 절단될 수 있다.
MⅢN 층(32)은 (스퍼터링과 같은) 물리적 기상 증착, 분자 빔 에피택시, 상압 화학적 기상 증착, 저압 화학적 기상 증착, 플라즈마-강화 화학적 기상 증착, 유기금속 화학적 기상 증착, 증발, 승화, 및 수소화물 기상 에피택시를 포함하는 다양한 기술에 의해 물(20)의 성장표면(20A) 상에 증착될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 총칭하여 35로 가리킨, 다른 헤테로 구조가 본 발명에 따라 도시되어 있다. 도시된 대로, MⅢN 층(14)은 MⅢN 층(14)보다도 작은 결함 밀도를 갖는 것이 특징인 벌크의 제2 MⅢN 층(36)의 호모 에피택셜 성장을 위한 씨드 결정으로 기능할 수 있다. 이 방법에 따르면, 제1 MⅢN 층(14)은 약 10 내지 10,000nm의 두께를 가진 박막 형태로 성장된다. 상술한 바와 같이, 베이스 기판(12)은 도 2에 도시된 자유-기립하는 벌크 결정(20), 본 실시예에 있어서는 MⅢN 층(36)에 해당하는 것을 생산하기 위해 제거될 수 있다. 덧붙여, MⅢN 층(36)은 앞서 설명한 대로 웨이퍼 또는 부울 형태로 성장될 수 있다. 여기에 언급한 대로 웨이퍼는 부울로부터 절단될 수 있다.
제2 MⅢN 층(36)은 (스퍼터링과 같은) 물리적 기상 증착, 분자 빔 에피택시, 상압 화학 기상 증착, 저압 화학 기상 증착, 플라즈마-강화 화학 기상 증착, 유기금속 화학 기상 증착, 증발, 승화, 및 수소화물 기상 에피택시를 포함하는 다양한 기술에 의해 성장표면(14A) 상에 증착될 수 있다.
이제 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 MⅢN 물(20)과 층(14, 32, 36)은 하나 이상의 마이크로전자 소자, 광전자 소자, 및/또는 다른 전자 요소(38)의 제조를 위한 플랫폼으로 기능할 수 있는 소자급 품질의 물질이다. 전자 요소(38)의 비제한적인 예는 발광 다이오드, 검출기, 바이오 또는 화학 센서, 필터, 트랜지스터, 정류 회로, 반도체 레이저, 본드 패드, 금속화 요소, 및 배선을 포함한다.
도 5a를 참조하면, 총칭하여 40으로 가리킨, 다른 헤테로 구조가 횡방향 에피택셜 과도 성장 방법이 구현되는 본 발명에 따라 도시되어 있다. 본 실시예에서, 층간막(16) 및/또는 (층간막(16)과는 다른 조성을 갖는) 추가적인 층간막(18)이 베이스 기판(12) 상에 증착되어 있고, 전형적인 마스킹 및/또는 식각 기술을 이용하 여 패턴(예를 들면 줄무늬)층(42)의 형태로 패터닝된다. 여기에 개시된 강화된 스퍼터링을 이용하여, Ⅲ족 금속과 질소 원소를 포함하는 반응성 증기 종이 패턴된 층(42)과 층(42)의 노출된 부분(42A)으로 운반된다. 소자급 품질, 벌크 단결정 MⅢN 층(44)이 층(42)의 노출된 부분(42A)으로부터 상방향으로 성장하기 시작하고, 패턴된 층(42)의 상면 위에서 횡방향으로 성장한다. MⅢN 층(44)이 지속적으로 성장하면, 성장하는 결정은 응집하여 연속적이고 저결함 밀도의 층을 형성한다.
도 6을 참조하면, 아래에 기술하는 것과 같은 비-열이온적, 플라즈마-강화 스퍼터링 기술이 총칭하여 50으로 가리킨, 고순도 및 잘 배향된 다결정 형상을 특징으로 하는 적외선 및/또는 마이크로파-투과성, 벌크-형태, Ⅲ족 질화물 윈도우를 제조하는 데에 이용될 수 있다. 윈도우(50)는 일반적으로 금속 프레임(54) 안에 지지된 (알루미늄 질화물 또는 갈륨 질화물과 같은) 벌크 Ⅲ족 질화물 윈도우 물질(52)을 포함한다. 윈도우 물질(52)은 알루미늄 질화물의 경우 320W/mK인 열 전도도를 포함하는 이론적 벌크값에 근접한 물성을 가진다. 높은 열 전도도 때문에 윈도우 물질(52)은 열 충격에 강하다. 게다가, 약 50㎛ 이상의 두께도 가능하다. 윈도우 물질(52)의 투명도는 약 65% 이상이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 윈도우 물질(52)은 외부 연장면(52A)과 내부 연장면(52B)을 포함한다. 여러 개의 입계(52C)는 연장면(52A, 52B)에 거의 수직으로 배향되어 있다. 이로써, 윈도우 물질(52)은 연장면(52A, 52B)에 일반적으로 수직인 방향(다시 말해, 입계(56C) 방향)으로 두께를 통과하여 열 에너지(H)를 쉽게 전도 한다. 그러나, 열 에너지(H)는 일반적으로 연장면(52A, 52B)에 수평인 방향으로는 가로막힌다. 사용에 있어서, 열 에너지(H)는 수소나 헬륨 같은 열 전달 매체(G)를 내부 연장면(52B) 가까이 또는 인접하게 제공함으로써 내부 연장면(52B)으로부터 멀리 운반될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 의해 윈도우(50)를 생산할 때의 장점은 윈도우 물질(52)이 성장 공정의 고유한 단계로서 금속 프레임(54)에 직접적으로 접합될 수 있다는 것이다. 금속 프레임(54)은 여러 가지 다양한 모양과 단면 형상으로 제공될 수 있고, 후속의 설치 과정에서 윈도우 물질(52)을 위한 구조적 지지대로 이용될 수 있다. 윈도우 물질(52)이 성장할 초기 기판이 제공될 수 있고, 그런 다음 식각이나 다른 공지의 제거 과정에 의해 제거된다.
윈도우(50)는 고전력 레이더를 위한 마이크로파 윈도우, 고속 열 탐지 미사일을 위한 적외선 윈도우, 고온 제조 공정의 광학적 모니터링을 위한 윈도우, 터빈 엔진 및 발전소의 광학 센서를 위한 윈도우, 전자 기판을 위한 물질, 및 고전력 전자 소자의 열 분산 요소를 포함하는 몇가지 유용한 응용을 가지고 있다. (소결이나 다른 세라믹 분말 공정 기술에 의한 것과 같은) 다른 소스로부터 입수할 수 있는 벌크 형태 알루미늄 질화물 또는 갈륨 질화물은 IR 및 마이크로파-투과성 윈도우를 위한 요구조건을 만족하지 못한다. 대개는 종래의 제조 기술의 결과로서 벌크 안에 존재하는 오염물질에 기인한다. 예를 들어, 세라믹 분말 공정 기술은 입계를 막을 수 있는 산화물 바인더를 필요로 하고 그 결과 적외선 및 마이크로파의 투과를 감소시킨다.
여기에 기술된 본 발명의 실시예에 있어서, 적어도 하나의 MⅢN 층이 고-성장속도 스퍼터링 기술에 의해 에피택셜 성장된다. 스퍼터링 공정은 종래의 기술 또는 바람직한 공정에 있어서는 다음에 설명하는 신규의 강화된 스퍼터링 기술을 구현함으로써 달성된다.
종래의 스퍼터링 기술은 밀폐할 수 있는 반응 챔버 안에 전극 갭(gap)에 의해 음극과 양극이 서로 이격되어 있는 평행판, 평판 다이오드 구조를 이용한다. 음극은 전원 공급에 의해 음으로 하전된다. 글로우-방전 플라즈마는 두 개의 전극 사이에 발생되고 반응 챔버의 접지된 금속 진공 컨테인먼트(containment) 벽 안에 가두어진다. 방전을 "개시"(시작)하기 위해서, 더 높은 전압의 스파이크를 공급하거나 가능한 전압에서 가스가 분해되도록 압력을 최소치로 조정하는 것이 종종 필요하다. 플라즈마의 쉬스(sheath)를 가로지르는 전압 강하는 양이온에 의한 음극의 고-에너지 이온 충돌과 음극의 스퍼터링을 초래한다. 양극 전압 강하도 음극으로부터 방출된 2차 전자를 플라즈마 안으로 가속함으로써 플라즈마를 유지하는데, 플라즈마 안에서 2차 전자는 일련의 이온화 충돌을 시작한다. 다이오드는 인가된 DC 전압 또는 RF 전압 하에서 작동될 수 있다. 절연성 타겟을 스퍼터할 때에는 RF 여기가 필요하다.
일반적으로 "반응성 스퍼터링"이라고 알려진 플라즈마-강화 화학 활성화 모드는 스퍼터된 소스 물질을 가스와 함께 사용한다. 가스는 스퍼터링 플라즈마 안에서 분해되어 합성물 박막을 만들도록 반응한다. 평행판 플라즈마 구조는 타겟 물질 로 기능하는 음극의 스퍼터-침식에 의해 박막 증착을 위한 증기를 공급하는 데에 사용될 수 있다. 종종, 플라즈마는 마그네트론 어셈블리를 이용하여 자화된다. 합성물 타겟으로부터의 스퍼터링에 있어서 합성물 박막 화학 양론을 조절하기 위해서, 혹은 금속성 타겟(예를 들면 Al)으로부터 합성물 박막을 증착하기 위해서, 반응성 가스(예를 들면 N2)가 스퍼터링 플라즈마(예를 들면 아르곤 가스 플라즈마)에 첨가된다. 박막 조성이 중요한 경우에 비록 공정 조절이 어려울 수 있지만, 금속성 타겟으로부터의 반응성 스퍼터링에 의한 합성물 증착이 합성물 타겟을 사용하는 경우에 비하여 일반적으로 타겟 제조 비용을 낮추고 타겟 순도를 높인다.
스퍼터링을 일으키기 위해 평판 다이오드 플라즈마 구조를 이용하는 때에, 음극에서 방출된 빔 전자는 빔 전자가 양극에 닿아 그곳에서 제거되기 전까지 플라즈마를 유지하기 위해서 가스와의 충분한 이온화 충돌을 겪어야 한다. 이러한 요구 조건은 동작 압력에 하한을 두게 하고, 마그네트론 어셈블리를 사용하여 개선될 수 있다. 마그네트론 어셈블리는 전형적으로 중심부 막대 자석과 외부 링 자석 또는 반대 극성의 자극을 포함한다. 마그네트론은 음극 상에 횡단하는(cross-wise) 자기장을 형성한다. 자기장은 음극 표면 근처를 돌고 있는 빔 전자를 포획한다. 결과적으로, 빔 전자의 경로 길이는 충돌성 스캐터링에 의해 최종적으로 양극으로 빠져나갈 때까지 매우 증가한다. 전자의 경로가 전극 갭보다 길어지므로 플라즈마를 유지하기 위한 최소의 압력은 마그네트론이 없는 평판 다이오드에 비해 마그네트론을 사용할 때 훨씬 낮다(전형적으로 3Pa이라기보다는 0.1 Pa). 낮은 압력(예를 들어, 0.1 Pa)에서, 스퍼터된 입자는 기판에 닿을 때 그들 운동에너지의 대부분을 보유하고, 이 에너지는 증착되는 박막의 구조에 유리한 영향을 가진다. 게다가, 스캐터링과 스퍼터된 입자의 음극 상 재증착이 감소되기 때문에 증착 속도가 증가한다. 뿐만 아니라, 주어진 밀도의 플라즈마를 유지하는 데에 낮은 인가 전압(예를 들어, 대략 500V)이 필요하다는 결과와 함께, 빔 전자는 보다 효율적으로 이용되고, 비-마그네트론 평판 다이오드 구조와 비교할 때 전압이 전력 입력에 따라 덜 가파르게 증가한다.
전형적인 마그네트론은 평판, 원형 구조를 가진다. 음극의 타겟 물질은 전형적으로 3-10mm의 두께를 가진 원반이고, 수-냉각된 구리 안벽판(backing plate)에 (양호한 열 접촉을 위해, 납땜에 의한 것과 같이) 접착되어 있다. 수 냉각제는 전기적으로 바이어스된 안벽판과 접지된 물 공급원 사이의 전기분해 침식을 방지하기 위해 탈이온화될 수 있다. 음극은 세라믹 절연체 링으로 종종 접지 부동된다. 접지된 쉴드가 스퍼터된 물질을 한정하기 위해 추가될 수 있지만 반응 챔버의 컨테인먼트 벽은 양극으로 기능한다. 횡단하는 자기장은 자석에 의해 형성된다. 자석은 자기 회로를 완성하고 자기장을 가두기 위해 스틸(steel)로 된 "자기장-회귀(field-return)" 플레이트로 후면이 연결된다.
플라즈마를 점화하면, 음극으로부터 방출된 빔 전자는 음극 쉬스의 전기장에 의해 플라즈마 안으로 가속화된다. 자기장의 존재는 로렌츠 힘, F = FE+FB = qe E+qeV×B의 결과로써 빔 전자가 궤도(orbit)로 굽어지도록 한다. (자이러트론, 사이클로 트론 또는 라머 반경이라고 불리는) 궤도의 반경은 자기장의 세기와 전자의 자기장에 수직한 속도 성분에 의존한다. 자기장이 빔 전자에 영향을 갖게 하려면, 압력이 충분히 낮아(전형적으로 수 Pa보다 낮음) 전자의 평균 자유 경로가 궤도 반경보다 너무 작지 않은 정도이어야 한다. 이러한 조건이 충족되면, 비록 이온은 자화되지 않지만 빔 전자는 자화되었다고 한다. 마그네트론은 높은 압력에서는 스퍼터링의 소스로서 동작할 수 있으나, 그러한 경우에 자기장 자체보다는 가스 스캐터링이 빔 전자의 행동을 압도한다.
낮은 압력 조건 하에서는, 음극의 타겟 표면으로부터 방출되거나 쉬스 장 안에서 이온화에 의해 발생된 빔 전자는 전기장에 의해 수직으로 가속화되는 동시에 자기장에 의해 측면으로의 힘을 받는다. 빔 전자는 결국 방향을 바꾸어 타겟으로 되돌아간다. 빔 전자가 이렇게 타겟 쪽으로 향하게 됨에 따라, 그들의 방향이 다시 한번 바뀔 때까지는 전기장 안에서 감속된다. 이러한 전자의 유효 운동 또는 경로는 타겟의 원 주위를 도는 원형 드리프트 경로이다. 드리프트 경로는 E×B 벡터 곱의 방향에 있다. 빔 전자가 어느 위치에 쌓이거나 축적되지 않도록 마그네트론은 E×B 드리프트 경로가 자기 위에서 종료되도록 디자인된다.
바람직하기로는, 반응 챔버 안에서 발생된 플라즈마는 "공동 음극(hollow cathode)" 효과를 이용하여 강화된다. 이 효과는 이온-충돌된 타겟 음극으로부터 방출된 2차 전자를 포획하는 기하학적 수단 이용을 일반적으로 포함하는 현상이다. 공동-음극-타입 구조가 매우 높은 방전 전류로 몰리면, 그 음극 표면은 전자의 열이온 방출을 일으키기 충분한 온도까지 가열되고 국부적 플라즈마 글로우 방전이 아크 모드로 들어갈 것이다. 전형적으로 내화성 물질로 구성되고 국부적 가스 공급부가 구비된 공동 음극은 플라즈마를 위한 적당한 에너지의 전자를 제공하는 유용한 소스가 될 수 있다. 공동 음극은 탄탈륨 팁을 가진 튜브 형상으로 제공될 수 있다. 가스 소스가 공동 음극의 한쪽 끝에 연결되고, 작은 개구부나 구멍이 그 팁에 구비된다. 개구부는 가스의 흐름을 한정하고 팁을 가로지르는 큰 압력 차이를 초래한다. 공동 음극의 내부 압력은 일반적으로 수백 mTorr 범위 안에 있다. 전자는 국부적 플라즈마 전위(대개 접지 전위)에 대해 공동 음극을 음으로 바이어싱함으로써 방출된다. 단지 수 밀리미터의 직경을 가진 공동 음극이 수 내지 10 암페어의 전자 전류를 생산하기 위해 이용될 수 있다. 방출을 위해 필요한 온도까지 공동 음극을 가열하기 위해 외부 가열기 또는 단시간의 고전압 스파이크가 전형적으로 이용된다.
공동 음극은 마그네트론 방전에 추가적인 전자를 제공하기 위해 마그네트론의 자기장의 가장자리 영역 안에 위치한다. 공동 음극은 챔버 안의 동작 압력을 낮추는 것뿐만 아니라 다이오드 플라즈마의 전류-전압 관계를 분리하고 넓은 범위의 전압과 전류에서 플라즈마의 동작을 허용하는 기능을 한다. 공동 음극은 0.1mTorr에서 동작할 수 있는데, 이것은 여기에 설명된 전형적인 마그네트론/다이오드 설비에서의 범위보다 낮다. 전형적인 마그네트론/다이오드 설비가 이러한 낮은 압력에서 동작하기 위해서는, 2차 전자에 의한 충분한 이온화를 위한 가스 원자가 충분하지 않을 수 있다. 공동 음극으로부터의 추가적인 전자 공급은, 그러나, 이러한 한계를 제거하고 마그네트론 설비의 경우 대략 0.1mTorr, RF-다이오드 설비의 경우 대략 0.5mTorr에서의 동작을 허용한다. 이러한 압력은 긴 평균 자유 경로 모드에 적합하고, 스퍼터된 원자와 이온이 직선상으로, 가스 스캐터링 없이 조준선(line-of-sight) 궤적으로 움직인다.
공동 음극 강화 스퍼터링 장치가 다른 스퍼터 증착 기술에 비해 장점을 제공하지만, 그들이 열이온 방출 전자 장치라는 점에 기인하여 그들을 사용함에 장해가 있기는 하다. 예를 들어, 오염이 여전히 문제되는 것으로 관찰되는데 특히 공동 음극 팁 물질이 증발하여 성장하는 증착 물질과 혼합되는 경향이 있기 때문이다. 다른 문제는 열이온 방출에 의해 발생한 강한 열에 관계되는데, 이것은 성장하는 물질에 손상을 입힐 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 비-열이온 전자/플라즈마 주입 어셈블리의 사용을 특징으로 하는 신규한 스퍼터 운반 장치가 제공된다.
이제 도 7을 참조하면, 총칭하여 100으로 가리킨, 비-열이온 스퍼터 운반 장치가 도시되어 있다. 운반 장치(100)의 중요한 동작 요소는 접지되고 밀폐할 수 있는 스퍼터-운반 챔버(102) 안에 포함된다. 기술 분야의 숙련된 자에게 이해될 수 있는 것처럼, 펌핑 시스템(미도시)이 챔버(102) 안의 압력(진공 또는 다른 것)을 제어하기 위해 제공된다. 공급 시스템(미도시)도 배경 가스(예를 들면 아르곤)와 반응성 스퍼터링의 경우 반응성 가스(예를 들면 질소)를 챔버(102) 안으로 운반하기 위해 구비된다. 본 발명의 몇 가지 응용에 있어서는, 반응성 가스가 배경 가스로 이용될 수도 있다.
금속성, 유전체 또는 화합물 타겟 물질로 구성된 음극(104)이 타겟 홀더(106)에 결합되어 그들 사이의 열 접촉을 구성한다. 타겟 음극(104)은 원형 디스크 또는 직선의 플레이트 또는 다른 형태로 제공될 수 있다. 타겟 홀더(106)는 바람직하게는 구리나 적절한 열 및 전기전도도를 제공하는 다른 비교적 저렴한 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 타겟 홀더(106)(그리고 이로써 타겟 음극(104))를 차갑게 유지하기 위해서, 열 교환 시스템(미도시)이 물과 같은 열 교환 매체를 타겟 홀더(106)를 통과하여 순환시키도록 구비될 수 있다. 마그네트론 어셈블리(110)는 자기장 회귀 플레이트(118)로 연결된 반대 극성의 자석(112, 116) 세트를 포함한다. 자석(112, 116)으로 된 설비는 비록 다른 구조나 모양이 제공될 수도 있지만, 바람직하게는 외부 자석 고리(116)로 둘러싸인 중심 자석 막대(112)로 이루어진다. 자석(112, 116)은 바람직하게는 타겟 음극(104) 반대편으로 타겟 홀더(106)의 측면에 위치한다. 타겟 홀더(106)를 전압 소스(120)에 직렬 연결함으로써, 음의 바이어스 전압이 타겟 홀더(106)에 인가된다.
주된 양극으로 기능하는 기판 홀더(130)가 챔버(102) 안에 타겟 음극(104)과 간격을 두고 나란하게 위치한다. 바람직하게 간격은 대략 2cm 내지20cm의 범위에 있다. 기판 홀더(130)는 전기적으로 전도성이거나 절연된 임의의 물질로 구성될 수 있고 냉각 구조 또는 가열 구조로 제공될 수 있다. 타겟 음극(104)이 전형적으로 기판 홀더(130) 반대편에 위치하도록 운반 장치(100)가 배향되는 것이 바람직하나, 기판 홀더(130)의 수직 위 또는 아래에 있을 수도 있다. 기판(132)은 기판 홀더(130) 상에 놓여진다. 운반 장치(100)의 특정 응용에 따라, 기판(132)은 박막이 증착될 벌크 형태로 제공되거나, 운반 장치(100)를 사용하여 벌크 물질을 성장 하는 것을 나타낸다.
기술 분야의 숙련된 자에게 이해될 수 있는 것처럼, 기판 홀더(130) 또는 이에 관련된 이송 암(transfer arm)(미도시)이 기판 홀더(130)를 이송하는 데에 이용될 수 있고, 가능하다면, 처음에 제공된 기판 물질을 챔버(102) 안팎으로 운반하는 데에 이용될 수 있다. 덧붙여, 기판 홀더(130) 및/또는 처음에 제공된 기판 물질이 챔버(102)에 로딩되거나 챔버(102)로부터 제거될 때에 챔버(102) 안의 감압 상태를 유지하는 것을 도울 수 있도록, 로드락 또는 유사한 요소(미도시)가 챔버(102)와 주변 환경 사이의 인터페이스로 기능하게 제공될 수 있다. 전자적 제어 시스템, 전원 공급 시스템, 압력 모니터링 시스템, 질량 유량 조절 시스템, 온도 모니터링 시스템, 및 작업 대상물에 대한 자동화된 추적 및 운반 시스템을 포함하는, 운반 장치(100)의 사용을 포함하는 본 발명 방법을 구현하는 것을 돕기 적당한 다른 알려진 공정 요소가 사용될 수 있다.
본 발명에서의 한 중요한 특성으로서, 총칭하여 150으로 가리킨 인젝터 어셈블리가 챔버(102) 안에 타겟 음극(104) 가까이 위치하고, 별개로, 전압 소스(152)와의 직렬 연결을 통해 음으로 바이어스된다. 이렇게 하여, 인젝터 어셈블리(150)는 타겟 음극(104)과는 분리된 추가적인 음극으로서 기능하여, 운반 장치(100)가 트라이오드(3극) 스퍼터링 소스가 되게 한다.
도 8a와 도 8b를 참조하면, 인젝터 어셈블리(150)는 본질적으로 개별적인 공동 음극으로 기능하는 인젝터(152)를 여러 개 포함한다. 각 인젝터(152)는 타겟 음극(104) 표면 가까이의 영역 안에서 챔버(102) 내부와 소통하는 주입 구멍(152A) 안에서 종단된다. 비록 개별적인 인젝터(152)들이 직선상으로 또는 다른 적당한 모양으로 배열될 수 있지만, 본 실시예에서 인젝터 어셈블리(150)는 챔버(102)에 대하여 각 주입 구멍(152A)이 방사상 내부로 면하도록 한 인젝터 링 형상을 취한다.
동작에 있어서, 전자가 후속적으로 주입되어 강한 플라즈마를 발생하기 위한 마그네트론 소스(110)에 의해 형성된(가상 자기력선 B로 표시된) 자기장 경사 안으로 결합되도록, 보충적 또는 부차적인 플라즈마 빔의 형태에 있는 전자가 인젝터(152)에서의 전기장 세기가 증가함에 따른 결과로서 인젝터(152)로부터 방출된다. 인젝터 어셈블리(150)는 도 7에 도시된 타겟 음극(104) 부근 영역 안으로 대략 동일한 수의 이온과 전자를 주입하여 타겟 물질의 높은 이온화 가능성을 발생시키는 냉각된, 비-열이온적 전자/플라즈마 소스로 분류될 수 있다.
인젝터 어셈블리(150)로부터 추가된 전자에 기인하여 마그네트론 전류의 증가가 관찰된다. 이러한 효과는 스퍼터 증착 속도에 있어서의 눈에 띄는 증가뿐만 아니라 플라즈마 밝기에 있어서의 눈에 띄는 증가로 가시화된다. 타겟 음극(104) 표면 가까이에서 생성된 강한 플라즈마는 종래기술에 비하여 증착 속도를 10배 이상 크게 증가시키는 결과를 초래한다. 인젝터 어셈블리(150)는 기판(132)으로 향하는 넓은 플라즈마 빔(160)을 형성하기 위해 플라즈마를 정전기적으로 한정하는 기능도 할 수 있다. 인젝터 어셈블리(150)의 벌크 질량 및/또는 냉각 디자인 때문에, 그것의 온도는 낮게 유지되고 따라서 증착하는 동안에 열이온 방출, 증발 또는 오염이 발생하지 않는다.
운반 장치(100)는 연속적인 DC, 펄싱된 DC, AC 또는 RF 모드 어느 것으로든 작동될 수 있는데, 이것은 운반 장치(100)가 전도성이나 절연성 물질 모두 매우 빠른 속도로 반응성 있게 스퍼터하는 것을 가능케 한다. 가스 이온화의 높은 가능성 때문에, 타겟 음극(104)의 물질은 치명적인 절연층이 타겟 표면에 형성되는 것을 방지하기에 충분한 초고속으로 스퍼터된다. 덧붙여, 본 발명에 따른 공정과 관련된 매우 높은 이온 에너지 때문에 다량의 물질이 스퍼터될 수 있다. 장치(100)는 100% 반응성 분위기에서 성공적으로 작동하는 것이 입증되었고, 따라서 매우 반응성인 조건 하에서 장치의 안정성이 검증되었다.
상술한 바와 같이, 마그네트론 스퍼터링 방전을 발생시키는, 타겟 홀더(106)에 음의 바이어스가 인가되고, 별개의 음의 바이어스가 인젝터 어셈블리(150)에 인가된다. 이것은 인젝터 어셈블리(150)의 각 인젝터(152)로부터 방출되는 플라즈마의 빔과 함께 매우 강한 플라즈마를 발생시킨다. 타겟 음극(104) 영역에서의 추가된 플라즈마 밀도와 이온화 퍼센티지는 타겟 충돌을 증가시키고, 이로써 증가된 스퍼터 속도를 야기한다. 스퍼터링 가스의 증가된 이용 때문에 배경 공정 압력은 예를 들어 대략 5mTorr에서 대략 0.1mTorr로까지 낮추어질 수 있다. 이것은 형성되는 물질의 미세구조를 개선할 수 있다. 이러한 압력 감소는 분자의 평균 자유 경로를 증가시켜 타겟 음극(104)과 기판 홀더(130)(다시 말해, 양극) 사이에 플라즈마 빔의 형성을 가능케 한다. 플라즈마 빔은 매우 높은 이온화 효율과 초고속 스퍼터 운반 속도를 달성한다는 것이 특징이다.
도 9를 참조하면, 총칭하여 200으로 가리킨, 스퍼터 운반 장치가 본 발명의 다른 실시예에 따라 도시되어 있다. 이 특정 실시예에 있어서, 알루미늄 또는 다른 전도성 물질로 이루어진 바이어스된 컨테인먼트 쉴드(containment shield)(202)가 챔버(102) 안에 타겟 음극(104)과 기판 홀더(130) 사이에 배치되어 있고 컨테인먼트 자석 또는 자석들(204)로 둘러싸여 있다. 전압 소스(206)로부터 컨테인먼트 쉴드(202)에 인가된 높은 전압은 스퍼터된 물질과 플라즈마 빔(160)을 성장하는 기판(132) 상에 집중시키는 역할을 하며, 이로써 스퍼터된 물질(예를 들면 알루미늄 질화물)의 기판(132)으로의 운반 효율을 증가시킨다. 이온과 전자는 전기장과 자기장의 영향 하에 컨테인먼트 영역 안에 포획되고 후속적으로 기판(132) 상에 증착된다.
어떤 경우에 있어서는, 운반 장치(100, 200)의 사용자가 인젝터 어셈블리(150)의 가열이 저-융점 금속을 녹이는 것을 발견할 수 있다. 이러한 문제는 도 9에 도시된 것과 같이, 구리 냉각 링(220)을 가지고 인젝터 어셈블리(150)를 냉각시켜 해결할 수 있다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 총칭하여 300으로 가리킨, 유체-냉각, 링-형상 인젝터 어셈블리의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 인젝터 어셈블리(300)는 본체(302)와 클램핑 나사(306)에 의해 탈착 가능하게 고정된 외부 컬러(collar)(304)를 포함한다. 본체(302)는 공정 가스부(302A)와 냉각부(302B)를 포함한다. 도 11a 및 도 11b에 가장 잘 도시된 바와 같이, 공정 가스부(302A)와 외부 컬러(304)는 함께 공정 가스챔버(308)를 정의한다. 참조번호 310으로 가리킨, 전자와 냉각 플라즈마를 공급하기 위한 개개의 인젝터는, 한쪽 끝으로는 공정 가스챔버(308)와 유체를 교환하고 다른 한쪽 끝으로는 스퍼터-운반 챔버(102)와 유체를 교환하는 가스 교환 노즐(312)에 의해 정의되어 있다. 가스 노즐(312)은 타겟 음극(104) 및/또는 컨테인먼트 쉴드(202)와 동일한 물질로 이루어질 수 있고 그렇지 않을 수도 있다. 본체(302)의 냉각부(302B)는 물과 같은 열 전달 유체를 각 가스 노즐(312) 가까이에서 순환시키도록 적용된 냉각조(314)를 정의한다. 열 전달 유체는 열 전달 유체 주입 관로(316)와 출구 관로(318)에 의해 냉각조(314)를 지나 순환된다. 이원자 질소 또는 아르곤과 같은 공정가스가 본체(302) 상의 공정가스 입구(322) 하나 이상과 소통하는 공정가스 통로 시스템(320)에 의해 인젝터 어셈블리(300)에 공급된다. 도 13은 인젝터 어셈블리(300)로써 얻을 수 있는 플라즈마/전자의 방출 패턴(310)의 한 예를 도시한다. 가스 노즐 압력뿐만 아니라 패턴은 하나 이상의 개개 가스 노즐(312)을 차단함으로써 변경할 수 있다.
통상적으로는, 스퍼터-증착 박막은 낮은 반응성 스퍼터 속도, 과도한 응력 및 불량한 결정 성장 때문에 시달려왔다. 그러나, 장치(100, 200)의 비-오염성 때문에 공동 음극 효과는 여기에 기술된 것과 같은 단결정 또는 잘 배향된 다결정, 벌크-형태 기판을 저압에서 초고속의 증착 속도로 최소의 물질 응력을 가지게 생산하는 데에 유리하게 이용될 수 있다. 운반 장치(100, 200)는 또한 기판 상에 에피택셜층을 성장시킬 수 있다. 증착되는 물질의 예는, 알루미늄 질화물, 갈륨 질화물, 인듐 질화물, 알루미늄 갈륨 질화물, 인듐 갈륨 질화물 및 알루미늄 인듐 갈륨 질화물, 및 이들의 조합과 같은 화합물계 이성분계, 삼성분계, 및 사성분계 Ⅲ족 질화물을 포함한다. 적당한 도펀트가 성장 과정 동안에 첨가될 수 있다. 단결정과 다결정 형태 모두 얻을 수 있다. 하나의 특정 실시예에 있어서, 운반 장치(100, 200)는 분말 공정 방법으로 만든 것보다 순도가 높고 CVD 방법보다는 빠르게 알루미늄 질화물을 성장시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 운반 장치(100, 200)가 매우 높은 정도의 스퍼터 입자 이온화를 보이므로, 운반 장치(100, 200)는 질화물계 물질의 합성을 촉진하는 플라즈마 빔 분위기를 생산한다. 운반 장치(100, 200)로 성장시킨 물질은 높은 결정성과 순도 때문에 질화물의 벌크 특성을 보인다. 특히, 운반 장치(100, 200)로부터의 벌크 알루미늄 질화물은 높은 IR 및 UV 투과도, 높은 열 전도도, 및 높은 정도의 c-축 배향성을 가진다.
여기에 설명된 물질의 성장에 추가하여, 운반 장치(100, 200)는 알루미늄 산화막과 아연 산화막과 같은 다양한 세라믹 박막을 성장시키거나 패턴된 전자 소자 상에 구리나 다른 금속성 배선을 증착하는 데에 이용될 수 있다. 높은 운반 속도는 물체의 고수율 코팅도 가능케 한다.
도 14는 증착 속도에 있어서의 극적인 개선을 보여주는 것으로, 운반 장치(100)가 0.7A 전자 강화(다시 말해, 본 발명의 인젝터 링이 설치되고 공동 음극-타입 구조로부터 전류를 공급하는) 상태인 경우에 전자 강화가 없는 종래의 마그네트론 스퍼터링과 비교해서, 플라즈마 전류를 인가된 소스 전압의 함수로 도시한 것이다.
종래의 평판 마그네트론 디자인은 불량한 타겟-물질 활용 때문에 고생하였는데 이는 빔 전자의 E×B 드리프트 경로 근방의 타겟 물질 표면에 생기기 쉬운 도랑 모양의 침식 패턴 때문이다. 이 도랑의 방사상 좁아짐은 플라즈마의 방사상 압축 때문인데, 이는 잘 알려진 "자기-거울(magnetic mirror)" 효과에 기인한다. 플라즈 마의 전자는 자기장이 자기 극 조각들로 모이는 장소에서의 작고 큰 마그네트론 반경으로부터 멀어지게 된다. 전자는 이러한 거울에 의해 자기장이 균일한 중간적인 반경으로 압축된다. 플라즈마와 이온 충돌 모두 자기장 균일 영역 안에서 가장 강하다. 자기-거울 효과는 플래터(flatter) 자기장을 디자인하거나 스퍼터링 동안에 자석을 앞뒤로 기계적으로 스캔함으로써 감소될 수 있다. 플라즈마 압축에서 기인되는 박막의 두께 불균일성은 증착 동안에 기판을 움직이는 것에 의해 피할 수 있다. 균일도를 개선하기 위한 하나의 간단한 기하학적 접근이 도 15에 도시되어 있는데, 여기서는 총칭하여 410으로 가리킨 장방형 자석이 사용된다. 장방형 기하 구조 때문에, 자기력선(B)은 직선 방향 상에 위치하고 빔 전자는 타겟 음극(104)에서 E×B 드리프트 경로 "경주로" 또는 타원을 따른다. 불균일성이 문제되면 본 발명과 관련하여 장방형 자석 모양이 사용될 수 있다.
마그네트론 어셈블리(110)의 횡단 자기장에 의해 타겟 음극(104) 위로 플라즈마가 국부화되는 것은 비-마그네트론 평판 다이오드의 경우보다 훨씬 낮은 플라즈마 밀도를 기판(132) 상에 초래하고 이에 따라 기판(132)으로의 이온 충돌 플럭스가 감소된다. 이것은 박막 구조를 최적화하기 위해 중성 스퍼터된 입자 홀로 충분한 운동 에너지를 전달할 때, 또는 이온 충돌에서 기인하는 기판 가열이 최소로 유지될 것이 중요한 때에 바람직하다. 다른 경우에는, 그러나, 운반 장치(100, 200)의 동작 압력은 낮게 보유하면서 박막 충돌을 더 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 성장하는 박막의 이온 충돌을 증가시키는 하나의 방법은 중심 자석(112)이 외부 자석(116)에서 방출되는 모든 자기력선을 끌어당기지 못하도록 중심 자석(112)의 크기를 축소시키는 것과 같이, 마그네트론 어셈블리(110)의 자석을 "불균형"하게 만드는 것이다. 이렇게 하여, 불균형한 구조에서 중심 자석(112) 쪽으로 끌어 당겨지지 않은 자기력선은 기판 홀더(130)로부터 멀리 굽어질 것이다. 자기장에 평행하게 움직이는 전자는 자기장에 의해 영향을 받지 않으므로 이들은 이러한 방향의 자기력선을 따라 탈출하여 기판(132) 쪽으로 움직일 수 있다. 탈출하는 전자는 동시 극성 확산(ambipolar diffusion)에 의해 양이온을 끌어당기므로, 이로써 기판(132)으로의 이온-충돌 플럭스가 증가된다. 덧붙여, 충돌 에너지는 기판(132)에 음의 바이어스를 가함으로써 증가시킬 수 있다.
성장하는 박막으로의 이온-충돌 플럭스를 증가시키는 다른 방법은 기판(132)으로의 운반 중에 대부분은 중성인 스퍼터 입자 플럭스를 이온화하기 위한 RF-전력 코일을 제공하는 것이다. 코일은 마그네트론 플라즈마의 하류 2차 플라즈마 안으로 에너지를 유도 결합함으로써 동작한다.
도 16을 참조하면, 총칭하여 600으로 가리킨, 스퍼터 운반 장치가 본 발명의 추가적인 실시예에 따라 도시되어 있다. 스퍼터 운반 장치의 많은 요소는 도 7에 도시된 스퍼터 운반 장치(100)의 것과 유사하다. 특히 물질 운반 과정을 향상시키기 위해 위에서 설명한 인젝터 어셈블리(150)가 이용된다. 주된 차이점은 액상 알루미늄 또는 갈륨과 같은 액체 타겟(604)이 소스 종으로서 제공된다는 것이다. 본 실시예에 있어서 타겟 홀더는 액체 타겟 물질을 담을 수 있는 컵(606) 형태로 제공된다. 바람직하게는, 이 타겟 홀더는 간여하는 열을 버티기에 적당하고 타겟 물질은 오염시키지 않는 물질로 이루어져야 한다. 타겟 홀더(606)로서 가능한 물질은 몰리브덴과 스테인리스 스틸을 포함한다. 하나의 실시예에서, 6 인치 직경 몰리브덴 액상 갈륨 또는 알루미늄 타겟 홀더(606)가 홀더와 고순도(99.9999%) 액체 갈륨 또는 알루미늄 소스(604)와의 반응을 방지하기 위해 사용된다. 갈륨 또는 알루미늄의 평평하고 균일한 액상 표면을 얻기 위해서 갈륨 또는 알루미늄과 몰리브덴 홀더(606)간의 충분한 적심(wetting)이 일어나야 한다. 이를 위해서, 표면적을 증가시켜 적심성(wettability)을 증가시키기 위해 타겟 홀더(606) 바닥에 홈을 형성할 수 있다. 덧붙여, 액체 갈륨 또는 알루미늄 아래에 포획된 가스를 제거하기 위해 홈을 연결하는 통기 구멍이 제공될 수 있다.
이제 도 17을 참조하면, 총칭하여 700으로 가리킨, 스퍼터 운반 장치가 본 발명의 다른 실시예에 따라 도시되어 있다. 스퍼터 운반 장치(700)는 도 9를 참조하여 설명한 것과 유사한, 바이어스된 컨테인먼트 쉴드(202)와 컨테인먼트 자석(204)을 구비한다. 컨테인먼트 쉴드(202)에 인가된 높은 전압은 스퍼터된 물질을 성장 기판 또는 박막(132) 상으로 집중시킬 것이고, 이로써 기판 혹은 박막(132)으로의 Ga 또는 Al 운반 효율이 증가된다.
스퍼터 운반 장치(600, 700)는 상술한 것과 같이 동작한다. 음극으로부터 스퍼터된 갈륨(또는 알루미늄) 입자는 음극 자기장 안에서 질소 원자와 반응한다. 갈륨 질화물(또는 알루미늄 질화물) 입자는 컨테인먼트 자석을 지나 기판까지 움직인다. 성장 물질의 품질은 기판 표면에서의 핵 생성과 성장에 의해 결정된다.
< 실시예 1 >
질소 분위기하에서 갈륨에 대한 강화된 스퍼터링을 통하여 사파이어 기판상 에 갈륨 질화물(GaN) 단결정층을 형성하는 방법의 한 실시예를 이하에서 설명한다. 이 방법에서 채용된 원료 물질들은 99.9999%의 순수 갈륨과 질소 또는 암모니아와 같은 질소함유가스들을 포함한다. 갈륨 소스 증기를 제공하기 위해 사용된 갈륨 타겟이 진공챔버내에 배치된 수냉되는 마그네트론 어셈블리 상에 로딩된다. 질소 소스 증기를 제공하기 위해 사용된 질소함유가스는 유량조절기(MFC)를 사용하여 진공챔버내로 도입된다.
사파이어 웨이퍼가 세정되어진 후 웨이퍼 플래터(platter)내에 놓여진다. 이 웨이퍼 플래터가 진공챔버내로 로딩되며 기판 히터 어셈블리와 접촉되도록 놓여진다. 이어서 진공챔버는 기계식 진공펌프에 의해 10-2 Torr로 낮아지도록 펌핑되어진다. 챔버내의 압력을 10-7 Torr로 감소시키기 위해서 확산펌프가 사용된다. 이어서 상기 샘플은 1시간내에 1000℃의 온도로 가열된다. 상기 챔버는 10-6 Torr의 압력으로 베이크되어진다. 이어서 질소 및 아르곤 가스가 진공챔버내로 도입된다. 전체 챔버압력은 10 mTorr이며, 아르곤 분압은 2.5 mTorr이며, 질소 분압은 7.5 mTorr이다. 플라즈마가 점화되고, 5 kW의 파워로 설정된다. 상기 시스템은 12시간 동안 이러한 형태로 유지된다. 이어서 플라즈마가 소화되고 히터는 5시간 내에 25℃로 하강된다. 이러한 단계들 동안에 단결정 갈륨 질화물층이 예를 들어, 도 1(도시된 버퍼층(16)은 무시하고)에서 층(14)으로 도시된 바와 같이 사파이어 웨이퍼상에 형성된다. 가스의 도입이 중단되고, 상기 결정은 상온으로 냉각된다. 이어서 상기 갈륨 질화물 결정은 챔버로부터 제거된다. 결과적으로 사파이어상에 형성된 갈륨 질화물 층은 300 ㎛의 두께가 되고, 그 직경은 2 인치가 된다.
이어서 갈륨 질화물층은 사파이어 형판으로부터 제거되어 기판으로 사용될수 있도록 준비된다. 상기 사파이어 형판은 예를 들어, 기계식 랩핑기를 사용하는 등의 공지의 제거 기술들을 사용하여 갈륨 질화물층으로부터 제거된다. 결과적인 갈륨 질화물 웨이퍼는 도 2에서 아티클(20)으로 표현된 바와 같이 약 200㎛의 두께와 약 2인치의 직경을 가진다. 이어서 갈륨 질화물 웨이퍼는 공지 기술들에 의해 화학적 또는 기계적으로 연마된다. 연마 단계 이후에 갈륨 질화물 웨이퍼상에 갈륨 질화물의 박막에 대한 수용성이 좋은 표면을 만들기 위해 건식 식각 절차가 뒤따른다. 이어서 갈륨 질화물 에피택셜층이 예를 들어, 스퍼터링, MBE, MOCVD 또는 HVPE와 같은 적절한 공정에 의해 전형적으로 약 1 내지 2 마이크론 두께로 상기 갈륨 질화물 웨이퍼의 준비된 표면상에 증착된다. 여러가지 소자, 부품, 및/또는 부가적인 층들이 상기 준비된 갈륨 질화물 기판상에 형성될 수 있다.
< 실시예 2 >
질소 분위기하에서 갈륨에 대한 강화된 스퍼터링을 통하여 사파이어 상의 갈륨 질화물 버퍼층상에 갈륨 질화물 단결정 호모에피택셜층을 형성하는 방법의 한 실시예를 이하에서 설명한다. 이 방법에서 채용된 원료 물질들은 99.9999%의 순수 갈륨과 질소 또는 암모니아와 같은 질소함유가스들을 포함한다. 갈륨 소스 증기를 제공하기 위해 사용된 갈륨 타겟이 진공챔버내에 배치된 수냉되는 마그네트론 어셈블리 상에 로딩된다. 질소 소스 증기를 제공하기 위해 사용된 질소함유가스는 유량조절기(MFC)를 사용하여 진공챔버내로 도입된다.
사파이어 웨이퍼가 세정되어진 후 웨이퍼 플래터내에 놓여진다. 이 웨이퍼 플래터가 진공챔버내로 로딩되며 기판 히터 어셈블리와 접촉되도록 놓여진다. 이어서 진공챔버는 기계식 진공펌프에 의해 10-2 Torr로 낮아지도록 펌핑되어진다. 챔버내의 압력을 10-7 Torr로 감소시키기 위해서 확산펌프가 사용된다. 이어서 상기 샘플은 1시간 내에 1000℃의 온도로 가열된다. 상기 챔버는 10-6 Torr의 압력으로 베이크되어진다. 이어서 질소 및 아르곤 가스가 진공챔버내로 도입된다. 전체 챔버 압력은 10 mTorr이며, 아르곤 분압은 2.5 mTorr이며, 질소 분압은 7.5 mTorr이다. 플라즈마가 1분동안 500 W로 턴온된다. 이 시점에서 갈륨 질화물 버퍼층이 도 1에서 중간층(16)으로 표시된 바와 같이 사파이어 웨이퍼상에 형성된다. 이어서 온도가 5분내에 1000℃로 상승된 후 10분동안 유지된다. 다시 플라즈마가 점화되고 5 kW의 파워로 설정된다. 상기 시스템은 12시간 동안 이러한 형태로 유지된다. 이어서 플라즈마가 소화되고 히터는 5시간 내에 25℃로 하강된다. 이러한 단계들 동안에 단결정 갈륨 질화물층이 예를 들어, 도 1에서 층(14)으로 도시된 바와 같이 버퍼층상에 형성된다. 가스의 도입이 중단되고, 상기 결정은 상온으로 냉각된다. 이어서 상기 갈륨 질화물 결정은 챔버로부터 제거된다. 결과적으로 사파이어와 버퍼층상에 형성된 갈륨 질화물층은 300 ㎛의 두께가 되고, 그 직경은 2 인치가 된다.
이어서 갈륨 질화물층은 사파이어 형판으로부터 제거되어 기판으로 사용될수 있도록 준비된다. 상기 사파이어 형판은 예를 들어, 기계식 랩핑기를 사용하는 등의 공지의 제거 기술들을 사용하여 갈륨 질화물층으로부터 제거된다. 결과적인 갈 륨 질화물 웨이퍼는 도 2에서 물(20)로 표현된 바와 같이 약 200㎛의 두께와 약 2인치의 직경을 가진다. 이어서 갈륨 질화물 웨이퍼는 공지 기술들에 의해 화학적 또는 기계적으로 연마된다. 연마 단계 이후에 갈륨 질화물 웨이퍼상에 갈륨 질화물의 박막에 대한 수용성이 좋은 표면을 만들기 위해 건식 식각 절차가 뒤따른다. 이어서 갈륨 질화물 에피택셜층이 예를 들어, 스퍼터링, MBE, MOCVD 또는 HVPE와 같은 적절한 공정에 의해 전형적으로 약 1 내지 2 마이크론 두께로 상기 갈륨 질화물 웨이퍼의 준비된 표면상에 증착된다. 여러가지 소자, 부품, 및/또는 부가적인 층들이 상기 준비된 갈륨 질화물 기판상에 형성될 수 있다.
< 실시예 3 >
질소 분위기하에서 갈륨에 대한 강화된 스퍼터링을 통하여 사파이어 기판상에 갈륨 질화물 단결정층을 형성하는 방법의 다른 실시예를 이하에서 설명한다. 이 방법에서 채용된 원료 물질들은 99.9999%의 순수 갈륨과 질소 또는 암모니아와 같은 질소함유가스들을 포함한다. 갈륨 소스 증기를 제공하기 위해 사용된 갈륨 타겟이 진공챔버내에 배치된 수냉되는 마그네트론 어셈블리 상에 로딩된다. 질소 소스 증기를 제공하기 위해 사용된 질소함유가스는 유량조절기(MFC)를 사용하여 진공챔버내로 도입된다.
사파이어 웨이퍼가 세정되어진 후 웨이퍼 플래터내에 놓여진다. 이 웨이퍼 플래터가 진공챔버내로 로딩되며 기판 히터 어셈블리와 접촉되도록 놓여진다. 이어서 진공챔버는 기계식 진공펌프에 의해 10-2 Torr로 낮아지도록 펌핑되어진다. 챔버 내의 압력을 10-7 Torr로 감소시키기 위해서 확산펌프가 사용된다. 이어서 상기 샘플은 1시간내에 1000℃의 온도로 가열된다. 상기 챔버는 10-6 Torr의 압력으로 베이크되어진다. 이어서 아르곤 가스가 전술한 비열이온성(non-thermionic) 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리를 통하여 진공챔버내로 도입된다. 질소가스는 사파이어 웨이퍼 기판 근처의 진공챔버내로 도입된다. 전체 챔버압력은 10 mTorr이며, 아르곤 분압은 2.5 mTorr이며, 질소 분압은 7.5 mTorr이다. 상기 마그네트론 플라즈마가 점화되고, 5 kW의 파워로 설정된다. 상기 시스템은 3시간 동안 이러한 형태로 유지된다. 이어서 플라즈마가 소화되고 히터는 5시간 내에 25℃로 하강된다. 이러한 단계들 동안에 단결정 갈륨 질화물층이 예를 들어, 도 1(도시된 버퍼층(16)은 무시하고)에서 층(14)으로 도시된 바와 같이 사파이어 웨이퍼상에 형성된다. 가스의 도입이 중단되고, 상기 결정은 상온으로 냉각된다. 이어서 상기 갈륨 질화물 결정은 챔버로부터 제거된다. 사파이어상에 형성된 갈륨 질화물층은 300 ㎛의 두께가 되고, 그 직경은 2 인치가 된다.
이어서 갈륨 질화물층은 사파이어 형판으로부터 제거되어 기판으로 사용될수 있도록 준비된다. 상기 사파이어 형판은 예를 들어, 기계식 랩핑기를 사용하는 등의 공지의 제거 기술들을 사용하여 갈륨 질화물층으로부터 제거된다. 결과적인 갈륨 질화물 웨이퍼는 도 2에서 물(20)로 표현된 바와 같이 약 200㎛의 두께와 약 2인치의 직경을 가진다. 이어서 갈륨 질화물 웨이퍼는 공지 기술들에 의해 화학적 또는 기계적으로 연마된다. 연마 단계 이후에 갈륨 질화물 웨이퍼상에 갈륨 질화물 의 박막에 대한 수용성이 좋은 표면을 만들기 위해 건식 식각 절차가 뒤따른다. 이어서 갈륨 질화물 에피택셜층이 예를 들어, 스퍼터링, MBE, MOCVD 또는 HVPE와 같은 적절한 공정에 의해 약 1 내지 2 마이크론 두께로 상기 갈륨 질화물 웨이퍼의 준비된 표면상에 증착된다. 여러가지 소자, 부품, 및/또는 부가적인 층들이 상기 준비된 갈륨 질화물 기판상에 형성될 수 있다.
< 실시예 4 >
질소 분위기하에서 갈륨에 대한 강화된 스퍼터링을 통하여 사파이어 기판상에 부울 형태로 갈륨 질화물 단결정을 형성하는 방법의 한 실시예를 이하에서 설명한다. 이 방법에서 채용된 원료 물질들은 99.9999%의 순수 갈륨과 질소 또는 암모니아와 같은 질소함유가스들을 포함한다. 갈륨 소스 증기를 제공하기 위해 사용된 갈륨 타겟이 진공챔버내에 배치된 수냉되는 마그네트론 어셈블리 상에 로딩된다. 질소 소스 증기를 제공하기 위해 사용된 질소함유가스는 유량조절기(MFC)를 사용하여 진공챔버내로 도입된다.
사파이어 웨이퍼가 세정되어진 후 웨이퍼 플래터내에 놓여진다. 이 웨이퍼 플래터가 진공챔버내로 로딩되며 기판 히터 어셈블리와 접촉되도록 놓여진다. 이어서 진공챔버는 기계식 진공펌프에 의해 10-2 Torr로 낮아지도록 펌핑되어진다. 챔버내의 압력을 10-7 Torr로 감소시키기 위해서 확산펌프가 사용된다. 이어서 상기 샘플은 1시간 내에 1000℃의 온도로 가열된다. 상기 챔버는 10-6 Torr의 압력으로 베이크되어진다. 이어서 온도가 10분 내에 500℃로 하강된다. 이어서 아르곤 가스가 전술한 비열이온성 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리를 통하여 진공챔버내로 도입된다. 질소가스는 사파이어 웨이퍼 기판 근처의 상기 진공챔버내로 도입된다. 전체 챔버압력은 10 mTorr이며, 아르곤 분압은 2.5 mTorr이며, 질소 분압은 7.5 mTorr이다. 마그네트론 플라즈마가 1분동안 500 W에서 턴온된다. 이 시점에서 갈륨 질화물 버퍼층이 도 1에서 중간층(16)으로 표시된 바와 같이 사파이어 웨이퍼상에 형성된다. 이어서 온도가 5분내에 1000 ℃로 상승된 후 10분 동안 유지된다. 100 V의 전압이 전술한 컨테인먼트 쉴드로 인가되고, 역시 전술한 컨테인먼트 마그넷이 턴온된다. 마그네트론 플라즈마가 점화되고, 10 kW의 파워로 설정된다. 상기 인젝터 어셈블리에 의해 공급된 플라즈마가 점화되고, 5 kW의 파워로 설정된다. 상기 시스템은 50시간 동안 이러한 형태로 유지된다. 이어서 플라즈마가 소화되고 히터는 5시간 내에 25℃로 하강된다. 이러한 단계들 동안에 단결정 갈륨 질화물 부울이 예를 들어, 도 3서 층(32)으로 도시된 바와 같이 사파이어 웨이퍼상에 형성된다. 가스의 도입이 중단되고, 상기 결정은 상온으로 냉각된다. 이어서 상기 갈륨 질화물 결정 부울은 챔버로부터 제거된다. 사파이어상에 형성된 갈륨 질화물 부울은 30 mm 두께가 되고, 그 직경은 2 인치가 된다.
이어서 하나 또는 그이상의 소자용 기판이 상기 갈륨 질화물 부울로부터 제공될 수 있다. 갈륨 질화물 부울은 예를 들어, 내경(inside diameter) 웨이퍼 톱을 사용하는 것과 같은 공지의 기술로 절단되어 갈륨 질화물 웨이퍼로 된다. 이 웨이퍼는 약 500㎛의 두께와 약 2인치의 직경을 가진다. 이어서 갈륨 질화물 웨이퍼는 공지 기술들에 의해 화학적 또는 기계적으로 연마된다. 연마 단계 이후에 갈륨 질 화물 웨이퍼상에 갈륨 질화물의 박막에 대한 수용성이 좋은 표면을 만들기 위해 건식 식각 절차가 뒤따른다. 이어서 갈륨 질화물 에피택셜층이 예를 들어, 스퍼터링, MBE, MOCVD 또는 HVPE와 같은 적절한 공정에 의해 약 1 내지 2 마이크론 두께로 상기 갈륨 질화물 웨이퍼의 준비된 표면상에 증착된다. 여러가지 소자, 부품, 및/또는 부가적인 층들이 상기 준비된 갈륨 질화물 기판상에 형성될 수 있다.
본 발명의 여러가지 상세한 부분들이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 변경될 수 있다는 것은 이해될 수 있을 것이다. 나아가, 전술한 설명들은 이하의 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 단순히 설명을 하기 위한 것이다.
본 발명은 광, 전기, 자기, 화학, 기계 및 열 분야에서의 응용 등에 다양하게 사용된다.

Claims (56)

  1. (a) 에피택시 개시 성장 표면을 구비하는 주형 물질을 제공하는 단계;
    (b) 플라즈마-강화 환경하에서 III 족 금속 타겟을 스퍼터링하여 III 족 금속 소스 증기를 생성하는 단계;
    (c) 상기 III 족 금속 소스 증기를 질소 함유 가스와 결합하여 III 족 금속과 질소를 포함하는 증기 반응 종을 생성하는 단계;
    (d) 상기 성장 표면 위에 상기 증기 반응 종을 증착해서 상기 성장 표면 위에 단결정 MIIIN 층을 생성하는 단계; 및
    (e) 상기 주형 물질을 제거하여 자유 기립의 단결정 MIIIN 물을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 주형 물질은 사파이어, 실리콘, 실리콘 카바이드, 다이아몬드, 리튬 갈레이트, 리튬 알루미네이트, ScAlMg, 아연 산화물, 스피넬, 마그네슘 산화물, 갈륨 비소화물, 유리, 텅스텐, 몰리브덴, 하프늄, 하프늄 질화물, 지르코늄, 지르코늄 질화물, 카본, 실리콘-온-절연체(SOI), 카본화된 SOI, 카본화된 실리콘-온-실리콘 및 갈륨 질화물로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 주형 물질은 도전성 기판, 절연성 기판, 반-절연성 기판, 트위스트-접합 기판, 유연성 기판, 및 패턴된 기판으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 주형 물질은 상기 MIIIN 층의 열 팽창 계수와 동일한 열 팽창 계수를 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 III 족 금속은 갈륨, 인듐, 알루미늄, 이성분계 합금, 삼성분계 합금, 사성분계 합금, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 질소 함유 가스는 이원자 질소, 단원자 질소, 질소 이온, 암모니아, 질소 함유 화합물 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 종을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 증기 반응 종은 상기 주형 물질 바로 위에 증착된 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 증기 반응 종을 증착하는 단계 전에 상기 주형 물질위에 중간층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 중간층은 GaN, AlN, InN, ZnO, SiC 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 중간층은 SiO2, SixNy, 다이아몬드, 리튬 갈레이트, 리튬 알루미네이트, 아연 산화물, 스피넬, 마그네슘 산화물, 갈륨 비소화물, 텅스 텐, 몰리브덴, 하프늄, 하프늄 질화물, 지르코늄, 지르코늄 질화물 및 카본으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 증간층은 상기 증간층의 횡방향 에피택셜 과도 성장에 의해 상기 성장 표면위에 증착되는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 중간층은 한 층 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  14. 제 9항에 있어서, 상기 중간층은 물리 기상 증착, 스퍼터링, 분자 빔 에피택시, 상압 화학 기상 증착, 저압 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 금속 유기 화학 기상 증착, 증발, 승화 및 수소화물 기상 에피택시로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  15. 제 9항에 있어서, 상기 주형 물질은 폴리싱, 화학 기계적 폴리싱, 레이저 유 도 리프트오프, 벽개, 습식 식각 및 건식 식각으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 제거 방법에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 MIIIN 층을 도핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 MIIIN 층은 10㎛/hr 의 성장률로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 MIIIN 물은 진성 MIIIN, 도우프된 MIIIN, MIIIN 혼합물 및 50% 와 100% 사이의 MIII 와 N을 포함하는 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  19. 삭제
  20. 제 1항에 있어서, 상기 주형 물질은 폴리싱, 화학 기계적 폴리싱, 레이저 유도 리프트오프, 벽개, 습식 식각 및 건식 식각으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 제거 방법에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 MIIIN 물로부터 웨이퍼를 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 MIIIN 물 위에 에피택셜 성장을 실시하기 위해 상기 MIIIN 물의 표면을 준비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  23. 제 1항에 있어서, 상기 MIIIN 물 위에 에피택셜층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  24. 제 1항에 있어서, 상기 MIIIN 물 위에 소자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  25. 제 1항에 있어서, 상기 단결정 MIIIN 물을 씨드 결정으로 사용하고 III족 금속 및 질소를 포함하는 추가적인 기상 반응 종을 증착하여 호모에피택셜하게 성장한 벌크 MIIIN 물을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 벌크 MIIIN 물은 물리 기상 증착, 스퍼터링, 분자 빔 에피택시, 상압 화학 기상 증착, 저압 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 금속 유기 화학 기상 증착, 증발, 승화 및 수소화물 기상 에피택시로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  27. 제 25항에 있어서, 상기 호모에피택셜하게 성장한 벌크 MIIIN 물로부터 웨이퍼를 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 웨이퍼 위에 에피택셜 성장을 실시하기 위해 상기 웨이퍼의 표면을 준비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 웨이퍼 위에 에피택셜 층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  30. 제 27항에 있어서, 상기 웨이퍼 위에 소자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  31. 제 1항에 있어서, 상기 주형 물질은 제거되지 않고, 상기 MIIIN 층을 III족 금속 및 질소를 포함하는 추가적인 기상 반응 종의 증착을 위한 씨드 결정으로 사용하여, 호모에피택셜하게 성장한 벌크 MIIIN 물을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  32. 제 31항에 있어서, 상기 벌크 MIIIN 물은 물리 기상 증착, 스퍼터링, 분자 빔 에피택시, 상압 화학 기상 증착, 저압 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 금속 유기 화학 기상 증착, 증발, 승화 및 수소화물 기상 에피택시로 이루어 진 그룹에서 선택된 어느 하나의 방법에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  33. 제 31항에 있어서, 상기 벌크 MIIIN 물로부터 웨이퍼를 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  34. 제 33항에 있어서, 상기 웨이퍼 위에 에피택셜 성장을 실시하기 위해 상기 웨이퍼의 표면을 준비하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 웨이퍼 위에 에피택셜 층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  36. 제 33항에 있어서, 상기 웨이퍼 위에 소자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  37. 제 1항의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 벌크 MIIIN 물로서, 상기 물은 0.5 인치에서 12 인치의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 MIIIN 물.
  38. 제 1항의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 벌크 MIIIN 물로서, 상기 물은 50 ㎛ 에서 1 ㎜ 의 범위의 두께를 갖는 웨이퍼 형태인 것을 특징으로 하는 MIIIN 물.
  39. 제 1항의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 벌크 MIIIN 물로서, 상기 물은 1 ㎜ 에서 100 ㎜ 의 범위의 두께를 갖는 부울 형태인 것을 특징으로 하는 MIIIN 물.
  40. (a) 에피택시 개시 성장 표면을 구비하는 주형 물질을 제공하는 단계;
    (b) 비-열이온성 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리를 포함하는 스퍼터링 장치를 사용하여 III족 금속 타겟으로부터 III족 금속 소스 증기를 생성하는 단계;
    (c) 상기 III족 금속 소스 증기를 질소 함유 가스와 결합하여 III족 금속과 질소를 포함하는 증기 반응 종을 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 성장 표면 위에 상기 증기 반응 종을 증착해서 상기 성장 표면 위에 단결정 MIIIN 층을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  41. 제 40항에 있어서, 상기 인젝터 어셈블리는 가스 소스와 유체 소통을 하도록 배열된 복수개의 동공을 구비하는 음극 인젝터를 포함하고, 각 인젝터는 스퍼터링 챔버와 소통하는 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  42. 제 40항에 있어서, 상기 인젝터 어셈블리는
    (a) 중심 축에 대해 환형으로 배향되고 공정 가스 챔버를 정의하는 공정 가스부와 열 전달 유체 저장기를 정의하는 냉각부를 포함하는 본체; 및
    (b) 상기 중심 축에 대해 방사상으로 배향되고 상기 열 전달 유체 저장기와 연관된 열 전달 경로를 따라 상기 본체 내에 이동할 수 있도록 배치된 복수개의 가스 노즐들로, 각 가스 노즐은 상기 공정 가스 챔버와 상기 본체의 외부 영역 사이의 유체 소통을 제공하는 복수개의 가스 노즐들을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  43. 제 40항에 있어서, 상기 주형 물질을 제거하여, 자유 기립의 단결정 MIIIN 물을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 MIIIN 물의 제조 방법.
  44. 제 40항의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 벌크 MIIIN 물로서, 상기 물은 0.5 인치에서 2 인치 범위의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 MIIIN 물.
  45. 제 40항의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 벌크 MIIIN 물로서, 상기 물은 50 ㎛ 에서 1 ㎜ 범위의 두께를 갖는 웨이퍼 형태인 것을 특징으로 하는 MIIIN 물.
  46. 제 40항의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 벌크 MIIIN 물로서, 상기 물은 1 ㎜ 에서 100 ㎜ 범위의 두께를 갖는 부울 형태인 것을 특징으로 하는 MIIIN 물.
  47. 제 40항의 제조 방법에 의해 10㎛/시간의 성장률로 제조된 단결정 벌크 MIIIN 물.
  48. 연장면 및 상기 연장면에 대해 수직으로 배향된 복수개의 입계를 구비하는 고정렬된 다결정 III족 질화물로서, 상기 연장면에 대해 수직한 방향으로는 상기 물질 두께를 통해 열 전도도가 강화되고 상기 연장면에 대해 평행한 방향으로는 열 전도도가 방해되며, 상기 연장면에 수직한 방향을 따라 적외선 또는 마이크로파 스펙트럼내의 방사 에너지에 대해 투명한 것을 특징으로 하는 다결정 III족 질화물.
  49. 제 48항에 있어서, 상기 다결정 III족 질화물은 알루미늄 질화 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 III족 질화물.
  50. 제 48항에 있어서, 상기 다결정 III족 질화물은 갈륨 질화 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 III족 질화물.
  51. 제 48항에 있어서, 상기 다결정 III족 질화물은 50 ㎛ 에서 1 ㎜ 범위의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 다결정 III족 질화물.
  52. (a) 금속 프레임; 및
    (b) 상기 금속 프레임에 의해 지지되고, 서로 대향하는 외부 및 내부 연장면들을 구비하고, 상기 연장면들에 대해 수직하게 배향된 복수개의 입계들을 포함하고, 상기 연장면에 대해 수직한 방향으로는 상기 물질 두께를 통해 열 전도도가 강화되고 상기 연장면에 대해 평행한 방향으로는 열 전도도가 방해되는 다결정 III족 질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 또는 마이크로파 스펙트럼내의 방사 에너지 투과에 적합화된 윈도우.
  53. 제 52항에 있어서, 상기 다결정 III족 질화물은 알루미늄 질화물인 것을 특징으로 하는 윈도우.
  54. 제 52항에 있어서, 상기 다결정 III족 질화물은 갈륨 질화물인 것을 특징으로 하는 윈도우.
  55. 제 52항에 있어서, 상기 다결정 III족 질화물은 50 ㎛ 에서 1 ㎜ 범위의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 윈도우.
  56. (a) 밀봉된 챔버 내에 타켓 물질을 포함하는 네가티브 바이어스된 타겟 음극을 제공하는 단계;
    (b) 상기 챔버 내에 상기 타겟 음극과 이격시켜 금속 프레임을 제공하는 단계;
    (c) 상기 타겟 음극에 동작 전압을 인가하여 상기 챔버 내에 전기장을 생성하는 단계;
    (d) 상기 챔버 내에 마그네트론 어셈블리를 제공하여 상기 챔버 내에 자기장을 생성하는 단계;
    (e) 네가티브 바이어스되고, 비-열이온성 전자/플라즈마 인젝터 어셈블리를 상기 타겟 음극과 상기 금속 프레임 사이에 제공하여 상기 타켓 음극과 인접한 곳에 플라즈마를 강하게 생성하는 단계;
    (f) 상기 챔버내로 가스를 도입하여 플라즈마 기질을 생성하기 위한 환경을 제공하는 단계; 및
    (g) 상기 타겟 물질의 일부가 스퍼터링되어 상기 플라즈마 기질을 통해 상기 금속 프레임으로 전달되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 또는 마이크로 웨이브 스펙트럼내의 방사 에너지 투과에 적합화된 윈도우의 생성 방법.
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