KR101146547B1 - 석영 박막 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

석영 박막 제조 장치가 석영으로 만들어지며 가스 배출구를 구비한 반응 용기, 이 반응 용기 안에 배치된 기판 홀더(선택적으로, 기판 홀더는, 상기 반응 용기 안에서 그 반응 용기의 내면을 따라 배치되며 또한 기상의 실리콘 산화물에 대해 불활성의 재료로 만들어진 내면을 갖는 차폐 실린더 안에 배치된다.), 외측단을 통해서 실리콘 알콕시드 원료 저장 용기에 연결되고 상기 기판 홀더 상에 고정된 기판 또는 이 기판 주위의 평면과는 거리를 두고 대향하는 내측단을 갖는 제 1 가스 유입관, 외측단을 통해서 산소 함유 가스 원료 저장 용기에 연결되고 상기 기판 홀더 상에 고정된 기판 또는 이 기판 주위의 평면과는 이 기판과 상기 제 1 가스 유입관의 내측단 사이의 거리보다 작은 거리를 두고 대향하는 내측단을 갖는 제 2 가스 유입관을 포함한다.

Description

석영 박막 제조 장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING QUARTZ FILM}
도 1 은 가스 공급 시스템을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 구성을 나타낸다.
도 2 는 본 발명에 따른 장치의 실시형태에서의 일부를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시형태에서의 일부를 도시한다.
도 4 는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시형태에서의 일부를 도시한다.
도 5 는 도 4 의 장치의 차폐판 (91) 을 좌측에서 바라본 평면도이다.
도 6 은 도 4 의 장치의 차폐판 (92) 을 좌측에서 바라본 평면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11: 가스 배출구
12: 반응 용기 12b: 뚜껑 유닛
13: 기판 홀더 14: 기판
16: 차폐링 19: 실리콘 알콕시드 원료 저장 용기
21: 제 1 가스 유입관 21a: 메인 파이프 유닛
21b: 상부 개방 유닛 22: 제 2 가스 유입관
22b: 상부 개방 유닛 23: 제 3 가스 유입구
36: 가열기 46: 가열기의 조절기
51b: 산소 함유 가스원 저장 용기 51c: 질소 가스 용기
52a, 52b, 52c: 수동(manual) 밸브
53a, 53b, 53c: 압력 센서
54a, 54b, 54c: 공압 밸브
55a, 55b, 55c, 55d, 55e: 질량 유량 조절기
본 발명은 석영 박막을 제조하기 위한 장치에 관한 것으로, 구체적으로는, 대기압하에서 석영 박막을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.
석영 박막은 발진기(oscillator), 진동자(vibrator), 고주파 필터용 표면탄성파 기기(surface acoustic wave device), 반도체 기판, 또는 반도체 기판의 구성요소로서 사용된다. 공지의 실용적 석영 박막 제조 방법은 석영 박막을 제조하기 위해 열수 합성(hydrothermal synthesis)으로 얻은 석영 단결정을 연마하는 과정을 포함한다. 졸-겔 공정, 플라즈마 화학 기상 증착법(CVD), 스퍼터링(sputtering) 법, 그리고 레이저 연마법을 포함한, 석영 박막을 직접 제조하는 다른 공지 방법도 있다. 그러나, 이들 제조 방법은 실용적으로 받아들일 수 있는 석영 박막의 제조로서는 낮은 생산량 및 대형 장치의 요구, 그리고 제조 조건의 정밀 제어와 같은 문제점을 지니고 있다. 그러므로 이들 방법들은 석영 박막을 제조하는 산업상의 공정으로는 바람직하지 않다.
일본 국내 특허공보 제2002-80296호는, 산업상 바람직하게 사용할 수 있는 석영 박막의 제조 방법으로서 대기압하 기상 에피택시(epitaxy) (AV-VPE) 를 개시한다. 이 대기압하 기상 에피택시에 따르면, 실리콘 알콕시드 및 산소는 대기압하에서 진공 장치의 사용 없이, 바람직하게는 염화 수소와 같은 촉매의 존재하에서 서로 반응하여 에피택시하게 성장하고 기판상에 석영 박막을 증착시킨다. 또한, 상기 문헌은 대기압하 기상 에피택시에 의해 기판상에 석영 박막을 형성할 때, 증착되는 석영 박막의 결정도를 향상시키기 위해, 미리 기판상에 완충(buffer) 층(예컨대, 석영 박막 또는 질화갈륨 박막)을 형성하는 것을 개시한다.
나오유키 타카하시 외는 "촉매 증진 대기압하 기상 에피택시에 의한 석영 후막의 급속 성장" [전기화학 및 고체 상태 논문, 6(5)C77-C78 (2003)] 에서 대기압하 기상 에피택시에 의해 우선적인 특정 방위 지향 AT-cut 평면으로 성장되는 석영 박막의 제조 공정을 개시한다. 상기 우선적인 특정 방위 지향 AT-cut 평면으로 성장된 석영 박막은 온도 변화에 덜 좌우되는 진동수를 만들어내는 진동자로써 바람직하게 사용된다. 더 구체적으로는, 상기 공정은 두 개의 석영 박막층(즉, 완충층) 을 기판상에 미리 형성하고나서, 이 완충층 위에 우선적인 특정 방위 지향 AT-cut 평면으로 성장하는 석영 박막층을 형성하는 것을 포함한다.
산업상 제조의 관점에서, 석영 박막을 커다랗게 제조하고나서 이 커다란 석영 박막을 복수 개의 작은 크기의 석영 박막체로 나누는 것이 바람직하다. 또한, 상기 커다란 석영 박막이 전 표면에 걸쳐서 균일한 두께를 지님으로써 나눠진 소부분들이 본질적으로 동일한 물리적 특성을 보이는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 전 표면에 걸쳐서 균일한 두께를 가지는 석영 박막을 제조하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
구체적으로는, 본 발명의 목적은 전 표면에 걸쳐서 균일한 두께를 가지는 커다란 얇은 석영 박막을 제조하는데 바람직하게 사용할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전 표면에 걸쳐서 균일한 두께를 가지며, 우선적인 특정 방위 지향 AT-cut 평면으로 성장하는 석영 박막을 제조하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
제 1 태양에서, 본 발명은 석영으로 만들어지며 가스 배출구를 구비한 반응 용기, 상기 반응 용기 안에 배치된 기판 홀더, 외측단을 통해서 실리콘 알콕시드 원료 저장 용기에 연결되고 상기 기판 홀더 상에 고정된 기판 또는 이 기판 주위의 평면과는 거리를 두고 대향하는 내측단을 갖는 제 1 가스 유입관, 외측단을 통해서 산소 함유 가스 원료 저장 용기에 연결되고 상기 기판 홀더 상에 고정된 기판 또는 이 기판 주위의 평면과 대향하는 내측단을 갖는 제 2 가스 유입관을 포함하는 석영 박막 제조 장치이다.
제 2 태양에서, 본 발명은 석영으로 만들어지며 가스 배출구를 구비한 반응 용기, 상기 반응 용기 안에서 그 내면을 따라 배치되며 기상의 실리콘 산화물에 대해 불활성의 재료로 만들어진 내면을 갖는 차폐 실린더, 상기 차폐 실린더 안에 배 치되는 기판 홀더, 외측단을 통해서 실리콘 알콕시드 원료 저장 용기에 연결되고 상기 기판 홀더 상에 고정되는 기판 또는 이 기판 주위의 평면과는 거리를 두고 대향하는 내측단을 갖는 제 1 가스 유입관 및, 외측단을 통해서 산소 함유 가스 원료 저장 용기에 연결되고 상기 기판 홀더 상에 고정되는 기판 또는 이 기판 주위의 평면과 대향하는 내측단을 갖는 제 2 가스 유입관을 포함하는 석영 박막 제조 장치이다.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시형태를 이하 설명한다.
(1) 본 발명에 따른 장치는 제 3 가스 유입구를 더 갖는다.
(2) 차폐 실린더 내면의 재료는 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드 또는 질화규소(Si3N4)이다.
(3) 반응 촉진제는 염화 수소 또는 암모니아이다.
(4) 반응 용기는 서로 기계적으로 분리가능한 원통 형상의 본체 유닛과 뚜껑 유닛으로 구성되고, 상기 원통 형상의 본체 유닛은 일단에서 개구를 가지며, 타단에서 모든 가스 유입구를 가지고, 상기 뚜껑 유닛의 일단에서 가스 배출구를 가지며 타단에서 상기 원통 형상의 본체 유닛의 개구에 결합하는 개구를 갖는다.
(5) 제 2 가스 유입관은 안쪽으로 뻗는 메인 파이프 유닛과, 상기 메인 파이프 유닛과 기계적으로 분리가능한 상태로 상기 메인 파이프 유닛의 전단에 결합되는 상부 개방 유닛으로 구성된다.
(6) 상부 개방 유닛은 굽혀져 있다.
(7) 제 2 가스 유입관은 안쪽으로 뻗는 메인 파이프 유닛과, 상기 메인 파이프 유닛과 기계적으로 분리가능한 상태로 상기 메인 파이프 유닛의 전단에 결합되는 상부 개방 유닛으로 구성된다.
(8) 원통 형상의 본체 유닛은 수평으로 배치되고, 상기 기판 홀더는 경사지게 배치된다.
(9) 반응 용기는 투명한 벽을 가진다.
(10) 본 장치는 반응 용기 둘레에 배치되는 가열 수단을 가진다.
(11) 상기 가열 수단은 제 1 가스 유입관으로부터 기판 홀더의 방향으로 복수의 유닛으로 나뉘고, 각각의 가열 유닛의 가열 조건은 다른 가열 유닛과는 독립적으로 조절 가능하다.
(12) 반응 용기는 가스들을 통과시킬 수 있는 개구를 가지는 적어도 두 개의 차폐판을 더 가지며, 제 1 및 제 2 유입관의 내측단과 기판 홀더는 이들 두 차폐판으로 둘러싸인 공간 안에 배치된다.
본 발명에 따른 장치를 첨부도면을 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1 은 가스 공급 시스템을 포함한 본 발명에 따른 장치의 구성을 나타낸다. 도 2 는 도 1 의 장치 (10) 의 실시형태의 일부를 도시한다.
도 1 및 도 2 에서, 장치 (10) 는, 석영으로 만들어지며 가스 배출구 (11) 를 구비한 반응 용기 (12), 이 반응 용기 (12) 안에 배치된 기판 홀더 (13), 외측단을 통해서 실리콘 알콕시드 원료 저장 용기 (19) 에 연결되고 상기 기판 홀더 상 에 고정된 기판 (14) 또는 이 기판 (14) 주위의 평면과는 거리 (L1) 를 두고 대향하는 내측단(즉, 전단)을 갖는 제 1 가스 유입관(제 1 가스 공급관) (21), 외측단을 통해서 산소 함유 가스 원료 저장 용기 (51b) 에 연결되고 상기 기판 (14) 또는 이 기판 (14) 주위의 평면과는 이 기판 (14) 과 상기 제 1 가스 유입관 (21) 의 내측단(즉, 전단) 사이의 거리 (L1) 보다 작은 거리 (L2) 를 두고 대향하는 내측단을 갖는 제 2 가스 유입관(제 2 가스 공급관) (22) 을 포함한다.
그러므로 제 1 가스 유입관 (21) 및 제 2 가스 유입관 (22) 각각은 상기 기판 홀더 (13) 에 고정된 기판 (14) 과 직접 대향할 수 있거나, 또는 기판 (14) 주위 평면과 대향할 수 있다. 여기서 "기판 주위 평면"이란, 상기 기판의 상부 표면으로부터 모든 방향으로 확장되는 평면을 의미한다(기판의 상부 표면 자체는 포함하지 않음). 상기의 확장은 바람직하게는 ½ ×d 이내로 제한된다(d: 기판의 직경, 직사각형 기판인 경우에는 상기 "d" 는 직사각형 기판의 외접원의 직경을 의미한다.)
제 1 가스 유입관 (21) 은 실리콘 알콕시드 원료 저장 용기 (19) 로부터 반응 용기 (12) 내부로 실리콘 알콕시드 증기를 공급할 수 있다. 실리콘 알콕시드 증기는 질소 가스 공급부 (51c) 로부터 이송된 질소 가스와 함께 공급된다. 제 2 가스 유입관 (22) 은 산소 함유 가스 원료 저장 용기 (51b) 로부터 산소 함유 가스를 반응 용기 (12) 내로 공급할 수 있다. 실리콘 알콕시드 증기는 대기압 하에 있는 반응 용기 (12) 내에서 상기 산소 함유 가스와 접촉하여 석영 박막의 형 태로 기판 (14) 위에 증착될 산화 실리콘(이산화실리콘)을 생성한다. 실리콘 알콕시드는 테트라메톡시실란(tetramethoxysilane), 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane), 테트라프로폭시실란(tetrapropoxysilane), 테트라부톡시실란(tetrabutoxysilane), 또는 이들이 임의로 조합된 혼합물일 수 있다. 산소는 오존, 일산화이질소, 그리고 물과 같은 임의의 산소 공급원이 될 수 있다. 대기압이란 의미는, 주변의 대기압뿐만 아니라, 또한 주변의 대기압에 가까운 압력(주변 대기압의 2배 이내 또는 절반 이내)을 의미한다.
실리콘 알콕시드 증기 (보통은 테트라에톡시실란(TEOS) 증기) 및 산소 함유 가스는 다음과 같은 방법으로 반응 용기 (12) 내로 공급할 수 있다.
테트라에톡시실란(TEOS)은 실온에서 액상이다. 그러므로, 통상은 기화 수단을 갖춘 용기 (19) 내에 TEOS를 둔다. 반응 용기 (19) 내의 TEOS는 가열기 (36) 로 가열되고 제 1 가스 유입관 (21) 을 통해서 반응 용기 (12) 내로 공급된다. 가열기 (36) 는 고주파 유도 가열기 또는 저항 가열기일 수 있다. 가열기 (36) 는 용기 안에서 TEOS의 온도를 소정의 온도(예컨대, 약 70℃)로 유지하기 위한 조절기 (46) 를 구비한다.
TEOS는 바람직하게는 캐리어 가스와 함께 반응 용기 (12) 안으로 공급됨으로써, TEOS는 정확히 제어된 유량으로 반응 용기 (12) 내로 효율적으로 도입될 수 있다. 캐리어 가스는 질소, 아르곤 또는 헬륨일 수 있다. 도 1 및 도 2 의 장치에서, TEOS의 증기가 제 1 가스 유입관 (21) 을 통해서 캐리어 가스(N2 가스)와 함께 반응 용기 (12) 내로 공급된다. 질소 가스(즉, 캐리어 가스)는 질소 가스 용기 (봄베) (51c) 로부터 수동(manual) 밸브 (52c), 공압(pneumatic) 밸브 (54c), 그리고 질량 유량 조절기 (55c) 를 거쳐 TEOS 용기 (19) 내로 공급된다. 질소 가스가 용기 (19) 내의 TEOS에 공급되고, 결과로써 얻은 TEOS와 질소 가스를 포함한 기상의 혼합물은 제 1 가스 유입관 (21) 을 통해서 반응 용기 (12) 로 이송된다. TEOS 용기 (19) 내로 도입될 질소 가스의 유량은 질량 유량 조절기 (55c) 에 의해 조절된다. 질소 가스의 유동은 공압 밸브 (54c) 에 의해 개시되거나 중단될 수 있다. 질소 가스 공급 시스템은 봄베 (51c) 에 남아있는 질소량을 확인하는 압력 센서 (53c) 를 가질 수 있다.
산소(O2)는 가스 봄베 (51b) 에 저장되며, 수동 밸브 (52b), 공압 밸브 (54b), 질량 유량 조절기 (55b), 그리고 제 2 가스 유입관 (22) 을 통해 반응 용기 (12) 안으로 이송된다. 산소의 유량은 질량 유량 조절기 (55b) 에 의해 조절된다. 산소 가스의 유동은 공압 밸브 (54b) 에 의해 개시되거나 중단될 수 있다. 산소 가스 공급 시스템은 봄베 (51b) 에 남아있는 산소량을 확인하는 압력 센서 (53b) 를 가질 수 있다.
산소 가스는 통상 질소 가스와 같은 캐리어 가스와의 혼합물로 반응 용기 (12) 내로 공급된다. 질소 가스 용기(봄베) (51c) 로부터 공급된 질소 가스는 수동 밸브 (52c), 공압 밸브 (54d), 그리고 질량 유량 조절기 (55e) 를 통과한 후에 산소 가스와 혼합된다. 산소 가스와 혼합될 질소 가스의 양은 질량 유량 조 절기 (55e) 에 의해 조절된다. 질소 가스의 유동은 공압 밸브 (54d) 에 의해 개시되거나 중단될 수 있다.
반응 용기 (12) 에서, TEOS는 산소와 접촉하여 석영 박막 형태의 이산화실리콘을 기판상에 생성한다. 도 2 에서 보는 바와 같이, TEOS 함유 가스를 공급하는 제 1 가스 유입관 (21) 은 그 전단이 기판 (14) 으로부터 거리 (L1) 만큼 떨어진 위치에 있도록 배치되고, 산소 함유 가스를 공급하는 제 2 가스 유입관 (22) 은 그 전단이 기판 (14) 으로부터 거리 (L2) 만큼 떨어진 위치에 있도록 배치되며, 이때, (L1) 은 (L2) 보다 크다. 이러한 조건하에서, TEOS 함유 가스는 제 2 가스 유입관 (22) 으로부터 도입된 산소와 반응하기에 앞서, 반응 용기 (12) 내에서 양호하게 확산한다. 그러므로, 기판 (14) 상에는 석영 박막이 균일한 두께로 증착된다.
만일 (L1) 이 (L2) 보다 작다면, TEOS 함유 가스가 반응 용기 (12) 안에서 확산하기 전에 산소와 반응하므로 기판 (14) 상에는 석영 박막이 불균일한 두께로 증착된다.
도 2 에서 보는 바와 같이, 산소를 공급하는 제 2 가스 유입관 (22) 은 바람직하게는 메인 파이프 유닛 (22a) 과 이 메인 파이프 유닛 (22a) 의 전단에 결합된 상부 개방 유닛 (22b) 으로 구성되며, 상부 개방 유닛 (22b) 을 메인 파이프 유닛 (22a) 으로부터 기계적으로 분리 가능하게 되어 있다. 이러한 조건하에서, 상부 개방 유닛 (22b) 의 위치는 조절이 가능하고, 또는 이 상부 개방 유닛 (22b) 을 제 2 가스 유입관 (22) 의 전단의 위치를 조절할 수 있도록 다른 상부 개방 유닛으로 대체할 수 있다. 그러므로 제 2 가스 유입관의 전단의 위치를 조절할 수 있다. 이것은 TEOS와 산소 간의 반응이 일어나는 영역의 위치를 조절할 수 있음을 의미한다. 이 조절은 바람직하게는 기판상에 소망하는 균일한 두께로 충분한 결정도를 가지는 석영 박막을 형성하기 위해, 반응 용기 (12) 안의 온도 분포를 확인한 후에, 또는 기판을 다른 크기의 기판으로 교환한 후에 실행된다.
또한, TEOS 함유 가스를 공급하기 위한 제 1 가스 유입관 (21) 은, 상부 개방 유닛 (21b) 이 메인 파이프 유닛 (21a) 으로부터 기계적으로 분리 가능한 상태로, 메인 파이프 유닛 (21a) 과 이 메인 파이프 유닛 (21a) 의 전단에 결합된 상부 개방 유닛 (21b) 으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 제 2 가스 유입관 (22) 의 상부 개방 유닛 (22b) 은 바람직하게는 기판 (14) 을 향해 굽혀져 있어, TEOS와 산소 간의 반응이 기판의 표면 부근에서 일어날 수 있다.
반응 용기 (12) 는 바람직하게는 반응 촉진제를 포함하는 가스를 반응 용기 (12) 안으로 공급하기 위한 제 3 가스 유입구 (23) 를 더 구비한다. 반응 촉진제가 제 3 가스 유입구 (23) 를 통해 반응 용기 (12) 안으로 공급되면, 기판 (14) 상의 석영의 증착률이 촉진된다.
염화 수소와 같은 반응 촉진제는 실리콘 알콕시드의 Si-O 결합을 끊기 때문에 제 2 가스 유입관 (22) 으로부터 공급된 실리콘 알콕시드와 기상의 산소 간의 반응(즉, 실리콘 알콕시드의 산화)이 촉진되고 석영의 증착률이 증가한다.
반응 촉진제는 염화 수소와 같은 산화성 가스 또는 암모니아와 같은 염기성 가스이다.
염화 수소(HCl)와 같은 반응 촉진제는 바람직하게는 캐리어 가스(예컨대, 질소 가스)와 5부피%의 HCl을 포함하는 기상 혼합물로서 공급된다. 이 기상 혼합물은 가스 봄베 (51a) 로부터 수동 밸브 (52a), 공압 밸브 (54a), 질량 유량 조절기 (55a), 그리고 제 3 가스 유입구 (23) 를 거쳐 반응 용기 (12) 안으로 공급된다. 염화 수소 및 질소의 기상 혼합물의 유량은 질량 유량 조절기 (55a) 에 의해 조절된다. 기상 혼합물의 유동은 공압 밸브 (54a) 에 의해 개시되거나 중단될 수 있다. 기상 혼합물 공급 시스템은 봄베 (51a) 안에 남아 있는 기상 혼합물의 양을 확인하는 압력 센서 (53a) 를 가질 수 있다.
반응 용기 (12) 는 바람직하게는 반응 용기 (12) 안에 있는 가스의 농도를 조절하기 위해 희석용 가스(예컨대, 질소 가스)를 반응 용기 (12) 내로 공급하기 위한 제 4 가스 유입구 (24) 를 더 구비한다. 질소 가스와 같은 희석용 가스는 가스 봄베 (51c) 로부터 수동 밸브 (52c), 공압 밸브 (54d), 질량 유량 조절기 (55d), 그리고 상기 제 4 가스 유입구 (24) 를 거쳐 반응 용기 (12) 내로 공급된다. 상기 희석용 가스의 유량은 질량 유량 조절기 (55d) 에 의해 조절된다. 상기 희석용 가스의 유동은 공압 밸브 (54d) 에 의해 개시되거나 중단될 수 있다.
반응 용기 (12) 는 바람직하게는 기계적으로 서로 분리가능한 원통형의 본체 유닛 (12a) 과 뚜껑 유닛 (12b) 으로 구성되고, 상기 원통형 본체 유닛 (12a) 은 일단에서 개구를 가지고 타단에서 모든 가스 유입관 (21, 22) 및 모든 가스 유입구 (23, 24) 를 가지며, 상기 뚜껑 유닛 (12b) 은 일단에서 가스 배출구 (11) 를 가지고 타단에서, 도 2 에 도시하는 바와 같이, 상기 원통형 본체 유닛 (12a) 의 개구에 결합하는 개구를 갖는다. 원통형 본체 유닛 (12a) 은 바람직하게는 수평으로 놓이고, 기판 홀더 (13) 는 바람직하게는 기판 (14) 이 본체 유닛 (12a) 의 하부벽에 대해 비스듬히 배열되도록 본체 유닛 (12a) 내에 배치된다. 이러한 구성은 반응 용기 내에서의 가스의 유동을 부드럽게 만듦으로써, 증착된 석영 박막의 질(예를 들어, 결정도(crystallinity) 및 박막 두께의 균일성)이 향상되고 안정화된다. 뚜껑 유닛 (12b) 은, 반응 용기 (12) 내의 기상 혼합물이 누출되는 것을 저지하기 위해, Ο링 (18) 과 같은 실링 보조 수단을 통해 본체 유닛 (12a) 의 개구와 결합한다.
반응 용기 (12) 는, 바람직하게는 기판 홀더 (13) 에 대한 기판 (14) 의 위치 및 제 1 가스 유입관 (21) 과 제 2 가스 유입관 (22) 전단 사이의 상대 위치를 시각적으로 확인할 수 있도록 석영 유리와 같은 투명한 재료로 만들어진다. 기판 홀더 (13) 는 바람직하게는 석영 유리로 만들어진 홀더 지지부 (17) 에 장착된다.
반응 용기 (12) 는 바람직하게는 이 반응 용기의 내면을 따라 배치되어 있으며 기판 홀더 (13) 를 둘러싸고 있는 차폐 실린더 (15) 를 갖는다. 이 차폐 실린더 (15) 의 내면은 바람직하게는 기상의 실리콘 산화물(즉, 이산화실리콘)에 불활성인 알루미나, 실리콘 카바이드, 질화규소(Si3N4), 또는 유사한 재료 등으로 코 팅된다.
반응 용기 (12) 내에서 생성된 기상의 실리콘 산화물(즉, 이산화실리콘)은 기판 (14) 에 뿐만 아니라 반응 용기 (12) 의 내벽에도 증착된다. 특히, 반응 용기 (12) 가 석영 유리(즉, 이산화실리콘)로 된 것이라면, 반응에 의해 생성된 기상의 이산화실리콘이 기판뿐 아니라 반응 용기의 내벽에도 증착되기 쉽다. 증착된 이산화실리콘 반응생성물은 내벽의 실리카와 쉽게 반응하여 그 내벽의 투명성을 저하시킨다. 또한, 반응이 진행됨에 따라 내벽의 물리적 강도가 저하된다.
실리콘 산화물 이외의 화학적으로 안정한 재료로 내면이 코팅된 상기 차폐 실린더 (15) 는 새로이 생성된 기상의 실리콘 산화물에 다소 비활성이며, 증착하는 실리콘 산화물의 화학적 영향을 덜 받는다. 또한, 차폐 실린더 (15) 를 두는 것은 기판상에 이산화실리콘(즉, 석영)의 증착량을 증가시키는데 효과적이다.
반응 용기 (12) 는 바람직하게는 원통형 본체 유닛 (12a) 이 뚜껑 유닛 (12b) 과 결합하는 위치에서 차폐 링 (16) 을 포함하기 때문에 새로이 생성된 이산화실리콘은 본체 유닛 (12a) 및 뚜껑 유닛 (12b) 의 개구 가장자리에 증착될 수 없다. 차폐 링 (16) 은 바람직하게는 불소 수지로 만들어진다.
반응 용기 (12) 의 외측 표면은 바람직하게는 가열 수단으로 덮여, 생성된 석영 박막의 결정도가 제어된다. 가열 수단이 제 1 가스 유입관으로부터 기판 홀더의 방향으로 복수의 유닛으로 나뉘고, 각각의 가열 유닛의 가열 조건은 다른 가열 유닛과 독립적으로 조절가능한 것이 바람직하다.
도 1 에서, 장치 (10) 는, 5 개의 가열 유닛 (31, 32, 33, 34, 35) 으로 나 누어진 가열 수단을 가지며, 각각의 유닛은 가열 조건 조절 수단 (41, 42, 43, 44, 45) 을 각각 구비한다. 가열 유닛은 링 모양의 고주파 유도 히터 또는 저항 히터로 될 수 있다.
각각의 나누어진 가열 유닛은 그 가열 조건이 독립적으로 조절된다. 그러므로, 제 1 가스 유입관 (21) 을 통해 공급된 TEOS 함유 가스의 온도, 제 2 가스 유입관 (22) 을 통해 공급된 산소 함유 가스의 온도, 그리고 기판 (14) 의 온도를 서로 독립적으로 제어할 수 있다. 이러한 온도 제어는 기판상에 형성된 석영 박막의 결정도를 제어하는 데 매우 효과적이다.
도 3 은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시형태의 일부를 도시한다. 도 3 에서, 장치 (60) 는, 석영으로 만들어지며 가스 배출구 (11) 를 구비한 반응 용기 (62), 이 반응 용기 (62) 안에 배치된 기판 홀더 (63), 외측단을 통해서 실리콘 알콕시드 원료 저장 용기(도시되지 않음)에 연결되고 상기 기판 홀더 (63) 상에 고정된 기판 (14) 또는 이 기판 (14) 주위의 평면과는 거리를 두고 대향하는 내측단을 갖는 제 1 가스 유입관(제 1 가스 공급관) (21), 외측단을 통해서 산소 함유 가스 원료 저장 용기(도시되지 않음)에 연결되고 상기 기판 홀더 (63) 상에 고정된 기판 (14) 또는 이 기판 주위의 평면과는 이 기판 (14) 과 상기 제 1 가스 유입관의 내측단 사이의 거리보다 작은 거리를 두고 대향하는 내측단을 갖는 제 2 가스 유입관(제 2 가스 공급관) (22) 을 포함한다.
반응 용기 (62) 는, 기계적으로 서로 분리 가능한 원통형의 본체 유닛 (62a) 과 뚜껑 유닛 (62b) 으로 구성된다. 원통형 본체 유닛 (62a) 은 일단에서 개구 를 가지며 타단에서 모든 가스 유입구 (관) (21, 22, 23, 24) 를 구비하고, 뚜껑 유닛은 일단에서 가스 배출구 (11) 를 가지고 타단에서 상기 원통형 본체 유닛 (62a) 과 결합하는 개구를 가진다. 기판 홀더 (63) 는 링 형태로 된 개구를 가져 미반응 가스 및 캐리어 가스가 이 개구를 통해서 가스 배출구 (11) 쪽으로 이동할 수 있고, 상기 기판 홀더는 홀더 고정 수단 (67) 에 의해 반응 용기 안에 놓인다.
도 3 에서 장치 (60) 는, 수직으로 배치된 원통형 본체 유닛 (62a) 과 수직으로 배치된 뚜껑 유닛 (62b) 으로 구성되는 수직으로 배치된 반응 용기 (62) 를 포함한다. 기판 홀더 (63) 는 수평으로 놓인다. 다른 구성 요소들의 배치는 본질적으로 도 2 의 구성 요소들의 배치와 동일하다. 수직의 반응 용기 (62) 는 협소한 공간에 반응 용기를 설치해야만 하는 경우에 유리하게 사용될 수 있다.
도 4 는 석영 박막을 제조하기 위한 본 발명에 따른 장치의 다른 실시형태를 나타낸다. 도 4 의 장치는 반응 용기 (12) 둘레에 배치된 3 개의 유닛 (31, 32, 33) 으로 나뉜 가열 수단을 포함한다. 반응 용기 (12) 는 3 개의 차폐판 (91, 92, 93) 포함한다.
통상, 반응 용기의 양단 영역의 온도는 중앙 영역의 온도보다 낮다. 가스 온도의 차이는 대류 순환을 일으킨다. 반응 용기 안에서의 기상 혼합물의 순환은, 기판의 온도뿐만 아니라 실리콘 알콕시드와 산소 사이의 비를 변화시키거나 변동시킨다. 이러한 변동이나 변화는 생산된 석영 박막의 품질 저하를 초래 한다.
차폐판 (91, 92) 은 제 1 가스 유입관 (21) 의 전단, 제 2 가스 유입관 (22) 의 전단, 그리고 기판 홀더 (13) 를 둘러싸도록 배치된다. 차폐판 (91, 92) 각각은 도입된 가스들을 통과시킬 수 있는 개구를 갖는다. 예를 들어, 차폐판 (92) 은, 중앙 위치에서의 상부 영역으로부터 우측위치에서의 상부 영역으로 이동하는 가스의 흐름을 방해하는 역할뿐만 아니라 우측 위치에서의 하부 영역으로부터 중앙 위치에서의 하부 영역으로 이동하는 가스의 흐름을 방해하는 역할도 한다. 그러므로 가스의 순환이 효과적으로 감소한다. 따라서, 차폐판 (91, 92) 에 의해 장착된 기판의 온도 변동이나 변화가 감소하고 가상 혼합물의 조성비가 안정하게 유지된다.
차폐판 (91, 92) 에 추가하여, 차폐판 (92) 바로 앞에 가스의 순환을 더 효율적으로 감소시키도록 다른 차폐판을 두어도 된다. 또한, 1 개에서 4 개까지 추가의 차폐판을 추가로 두어도 된다.
도 5 및 도 6 은 도 4 의 차폐판 (91, 92) 의 평면도(좌측에서 바라본)를 각각 나타낸다. 도 5 에 나타내는 바와 같이, 차폐판 (91) 은 개구(관통 구멍) (91a) 를 가지며, 이 개구를 관통하여 제 1 가스 유입관 (21) 및 제 2 가스 유입관 (22) 이 돌출되고, 또한 이 개구를 관통하여 제 3 가스 유입구 (23) 로부터 공급된 반응 촉진제 함유 가스와 제 4 가스 유입구 (24) 로부터 공급된 희석용 가스가 기판을 향해 유동한다. 도 6 의 차폐판 (92) 은, 개구(즉, 관통 구멍) (92a) 를 가지며 이 개구를 통해서 미반응 가스와 캐리어 가스(또는 희석용 가스)가 가스 배 출구를 가진 뚜껑 유닛을 향해 유동하게 된다. 마찬가지로, 도 4 의 차폐판 (93) 은 개구(관통 구멍) (93a) 를 가진다. 차폐판은 석영으로 만들어도 된다.
도 4의 장치 (70) 는 이하의 방법으로 조립할 수 있다. 가스 유입관 (21, 22) 및 가스 유입구 (23, 24) 를 가지는 원통형 용기 (12a) 와, 뚜껑 유닛 (12b) 을 제조한다. 차폐판 (91) 과 내측 실린더 (102) 를 용기의 개구로부터 용기 (12a) 내로 삽입함으로써, 차폐판 (91) 은 내측 실린더 (102) 와 용기 (12a) 안에 이미 배치된 고정 보조 수단 (101) (링의 형태로 됨) 사이에서 용기 (12a) 안에 고정된다. 그리고나서, 기판 홀더 (13) 가 고정되는 차폐 실린더 (15), 차폐판 (93), 다른 내측 실린더 (103), 차폐판 (92), 그리고 또 다른 내측 실린더 (104) 를 용기 (12a) 안으로 차례로 삽입한다. 이후, 뚜껑 유닛 (12b) 을 O링 (18) 을 통해 용기 (12a) 와 결합시킨다.
고정 보조 수단 (101) 과 내측 실린더 (102, 103, 104) 를 석영으로 만들어도 된다. 이들의 내면을 기상의 실리콘 산화물에 불활성의 재료로 코팅하여도 된다.
본 발명의 장치가 기판상에 석영 박막을 제조하기 위해 사용된다면, 기상의 실리콘 알콕시드가 산소에 의해 산화되기 앞서, 반응 용기 안에서 양호하게 확산 되게 된다. 그러므로 균일한 두께를 가지는 석영 박막을 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 기상의 실리콘 산화물(즉, 이산화실리콘)에 불활성의 재료로 된 내측면을 가지는 차폐 실린더를 반응 용기 안에서 기판 홀더 둘레에 둔다면, 이 반 응 용기의 사용 수명이 연장되고, 석영 박막의 산출량이 증가한다.
그러므로, 상기 개시한 방법에 의하면, 본 발명의 장치는 산업상 석영 박막을 제조하는데, 특히, 우선적인 특정 방위 지향 AT-cut 평면으로 성장된 석영 박막을 제조하는데 바람직하게 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 석영으로 만들어지며 가스 배출구를 구비한 반응 용기,
    상기 반응 용기 안에 배치된 기판 홀더,
    외측단을 통해서 실리콘 알콕시드 원료 저장 용기에 연결되고 상기 기판 홀더 상에 고정된 기판 또는 이 기판 주위의 평면과는 거리를 두고 대향하는 내측단을 갖는 제 1 가스 유입관,
    외측단을 통해서 산소 함유 가스 원료 저장 용기에 연결되고 상기 기판 홀더 상에 고정된 기판 또는 이 기판 주위의 평면과는 이 기판과 상기 제 1 가스 유입관의 내측단 사이의 거리보다 작은 거리를 두고 대향하는 내측단을 갖는 제 2 가스 유입관를 포함하고,
    상기 반응 용기는 가스들을 통과시킬 수 있는 개구를 가지는 적어도 두 개의 차폐판을 더 가지며, 제 1 및 제 2 유입관의 내측단과 기판 홀더는 이들 두 차폐판으로 둘러싸인 공간 안에 배치되는 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  2. 석영으로 만들어지며 가스 배출구를 구비한 반응 용기,
    상기 반응 용기 안에서 그 내면을 따라 배치되며 기상의 실리콘 산화물에 대해 불활성의 재료로 만들어진 내면을 갖는 차폐 실린더,
    상기 차폐 실린더 안에 배치되는 기판 홀더,
    외측단을 통해서 실리콘 알콕시드 원료 저장 용기에 연결되고 상기 기판 홀더 상에 고정되는 기판 또는 이 기판 주위의 평면과는 거리를 두고 대향하는 내측단을 갖는 제 1 가스 유입관, 그리고
    외측단을 통해서 산소 함유 가스 원료 저장 용기에 연결되고 상기 기판 홀더 상에 고정되는 기판 또는 이 기판 주위의 평면과 대향하는 내측단을 갖는 제 2 가스 유입관을 포함하고,
    상기 반응 용기는 가스들을 통과시킬 수 있는 개구를 가지는 적어도 두 개의 차폐판을 더 가지며, 제 1 및 제 2 유입관의 내측단과 기판 홀더는 이들 두 차폐판으로 둘러싸인 공간 안에 배치되는 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 가스 유입관은, 상기 기판 홀더 상에 고정되는 기판 또는 이 기판 주위의 평면과는 이 기판과 상기 제 1 가스 유입관의 내측단 사이의 거리보다 작은 거리를 두고 대향하는 내측단을 갖는 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 차폐 실린더의 내면의 재료는 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드 또는 질화규소(Si3N4)인 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 외측단을 통해서 반응 촉진제 원료 저장 용기에 연결되고 상기 반응 용기의 내부 공간과 대향하는 내측단을 갖는 제 3 가스 유입구를 가지는 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 반응 촉진제는 염화 수소 또는 암모니아인 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반응 용기는 서로 기계적으로 분리가 능한 원통 형상의 본체 유닛과 뚜껑 유닛으로 구성되고, 상기 원통 형상의 본체 유닛은 일단에서 개구를 가지며 타단에서 모든 가스 유입구를 가지고, 상기 뚜껑 유닛은 일단에서 가스 배출구를 가지며 타단에서 상기 원통 형상의 본체 유닛의 개구에 결합하는 개구를 가지는 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 가스 유입관은 안쪽으로 뻗는 메인 파이프 유닛과, 상기 메인 파이프 유닛의 전단에 결합되는 상부 개방 유닛으로 구성되고, 상기 상부 개방 유닛은 상기 메인 파이프 유닛으로부터 기계적으로 분리가능한 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 상부 개방 유닛이 굽혀져 있는 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 가스 유입관은 안쪽으로 뻗는 메인 파이프 유닛과, 상기 메인 파이프 유닛의 전단에 결합되는 상부 개방 유닛으로 구성되고, 상기 상부 개방 유닛은 상기 메인 파이프 유닛으로부터 기계적으로 분리가능한 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 원통 형상의 본체 유닛은 수평으로 배치되고, 상기 기판 홀더는 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반응 용기가 투명한 벽을 가지는 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반응 용기 둘레에 배치되는 가열 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 가열 수단은 제 1 가스 유입관으로부터 기판 홀더의 방향으로 복수의 유닛으로 나뉘고, 각각의 가열 유닛의 가열 조건은 다른 가열 유닛과는 독립적으로 조절 가능한 것을 특징으로 하는 석영 박막 제조 장치.
  15. 삭제
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