KR101148011B1 - 성막 장치 - Google Patents

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KR101148011B1
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도루 이나가키
다카히로 시라하타
다카시 요코야마
미치히로 사노
나오치카 호리오
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스탠리 일렉트릭 컴퍼니, 리미티드
에어 워터 가부시키가이샤
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Abstract

원료 가스가 처리 기판에 도달하기 전에 반응하는 것을 방지하여, 처리 기판으로부터의 복사열의 영향을 최소화하고, 또, 반응실에서의 가스의 거동을 결정 성막에서 더욱 양호하게 할 수 있는 성막 장치를 제공한다. 가열 상태의 처리 기판(5)의 표면에, 복수의 원료 가스를 반응시켜 성막하는 성막 장치로, 상기 처리실(1)이 가열실(1a)과 반응실(1b)로 구분되고, 반응실(1b)에 노출되어 있는 처리 기판(5)과 대향하는 부분에, 원료 가스의 배기관(7)이 반응실(1b)에 연속된 상태로 설치되고, 처리 기판(5)의 표면에 대하여 각 원료 가스를 각각 독립된 상태로 공급하는 공급구(11, 12)가 배기관(7)보다도 바깥쪽에 위치하도록 배치되어 있다. 이렇게 함으로써, 처리 기판(5)의 바로 근처에서 원료 가스를 반응시켜 양호한 결정 성막이 처리 기판(5)상에 형성된다.
처리실, 처리 기판, 성막 장치, 가열실, 반응실, 공급구

Description

성막 장치{Film forming apparatus}
도 1은 본 발명의 1실시예를 도시하는 성막 장치의 단면도.
도 2는 도 1의 〔2〕-〔2〕을 절취한 단면도.
도 3은 냉각 재킷(jacket)의 일부를 도시하는 단면도.
도 4a 및 도 4b는 가스 확산실을 단독으로 도시하는 사시도와 단면도.
도 5는 제 2 실시예를 도시하는 성막 장치의 단면도.
도 6은 제 3 실시예를 도시하는 성막 장치의 단면도.
도 7은 도 6의 〔7〕-〔7〕을 절취한 단면도.
도 8은 복수의 사파이어 기판을 세트한 분리판의 단면도.
도 9는 사파이어 기판의 공전 및 자전의 구동기구를 개략적으로 도시하는 단면도.
도 10은 제 4 실시예를 도시하는 성막 장치의 개략적인 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
1 : 처리실 1a : 가열실
1b : 반응실 2 : 처리용기
3 : 분리판 3a : 원추형 분리판
4 : 개구 5 : 처리 기판, 사파이어 기판
7 : 배기관 7a : 내면
7b : 지지부재 H : 가열 히터
8 : 리플렉터 9 : 환상부재
10 : 벽판부재 10a : 벽
11 : 공급구(O원료 가스용) 12 : 공급구(Zn원료 가스용)
13 : 환상 박스 13a : 상부 환상판
13b : 원통판 13c : 하부 환상판
14 : 기판 15 : 가스 확산실
15a :환상관 16 : 가스 확산실
16a : 환상관 17 : 공급관
18 : 공급관 19 : 공급 파이프
19a : 두 갈래의 관로 20 : 공급 파이프
20a : 두 갈래의 관로 21 : 구획판
22 : 냉각 재킷 23 : 도관
24 : 냉각 재킷 25 : 유입관
26 : 접속관 27 : 유출관
28 : 기어 29 : 유성기어
30 : 유성기어 D1 : 사파이어 기판의 노출부분의 직경
D2 : 배기관의 내경 O-O : 중심선
본 발명은, 적어도 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스로 이루어지는 원료 가스에 의해, 처리 기판의 표면에 성막을 하는 성막 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 백색의 발광다이오드(LED) 등의 발광소자에 사용되는 ZnO 에피택셜막을 성막하는 성막 장치에 있어서는, 복수의 원료 가스 즉 O원료 가스와 Zn원료 가스를 반응시켜 처리 기판에 ZnO막을 형성하고 있다.
상기한 성막 장치에 있어서는, 동 장치 내에 설치되어 있는 처리 기판에 대하여, 가스의 공급구로부터 원료 가스가 분출되도록 되어 있다. 이 경우, 상기 공급구에 도달할 때까지는 복수의 원료 가스(O원료 가스와 Zn원료 가스 등)가 반응하지 않도록, 각 원료 가스를 분리된 유로를 지나서 공급구에 유도하도록 하고 있다. 그러나, 상기 유로의 밀봉(seal) 상태가 불충분하거나 하면, 공급구에 도달할 때까지 원료 가스가 반응하여, 결정 성막(ZnO의 결정 성막)이 상기 유로의 내면 등에 형성되어, 처리 기판에 대한 결정성이 악화되어, 막의 성장 속도의 저하나 파티클의 퇴적을 초래하게 된다.
또한, 공급구로부터 복수의 원료 가스를 처리 기판을 향하여 유출시키더라도, 공급구로부터 처리 기판에 도달할 때까지 원료 가스가 반응하기 때문에, 처리 기판의 성막에 소비되는 원료 가스의 양이 극히 작은 것이 되어, 원료 가스의 사용량이 막대해지고, 또한, 성막시간도 길어지게 된다.
특히, O원료 가스(O2, H2O, N2O 등)를 사용하여 ZnO 성막을 하는 경우에는, O원료 가스가 기상에서 다른 가스와 반응하기 쉽기 때문에, 처리 기판상에 양호한 품질의 결정 성막을 얻을 수 없다. 또, 반응실이 고진공 상태이더라도 반응성이 높기 때문에, 상기한 문제는 해소하기 어렵게 된다. 더구나, 반응실이 저진공 상태이면, 더욱 높은 반응성이 나타나 상기한 문제는 한층 더 해결하기 어렵게 된다.
또, 상기 공급구가 처리 기판으로부터의 복사열을 받기 쉬운 장소에 배치되어 있기 때문에, 공급구를 막 나온 원료 가스가 즉시 반응을 개시하여, 처리 기판상에 있어서의 결정성이 악화되는 원인이 되었다.
한편, 반응실에서는, 복수의 원료 가스가 처리 기판을 향하여 유동하는 것과, 배기 동작으로 상기 유동 중인 원료 가스를 유인하는 현상이 혼재하고 있다. 따라서, 성막 형성의 기능을 다하지 않는 동안에 원료 가스가 처리 기판의 근방에 반응 생성물을 생성하기 때문에, 상술한 경우와 같이, 처리 기판에 있어서의 결정성 악화, 막 성장속도의 저하, 파티클의 퇴적 등이 발생한다.
양호한 품질의 결정 성막을 처리 기판상에 형성하기 위해서는, 성막 장치 내에서의 원료 가스의 유로의 밀봉 상태를 완전한 것으로 하여, 복수의 원료 가스가 상기 유로과정에서 반응하지 않도록 해야만 한다. 또한, 원료 가스의 공급구로부터 처리 기판에 도달하기 전에 조기반응이 생기지 않도록 할 필요가 있다. 흔히, 처리 기판으로부터의 복사열의 영향을 최소화할 수 있는 장소에 원료 가스의 공급 구를 배치하는 것이 중요하다. 그리고, 반응실에서의 원료 가스의 거동이 배기 흡인에 의해서 방해받지 않도록 해야만 한다.
본 발명은, 상기와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 복수의 원료 가스가 처리 기판상에서 성막 형성 기능을 다하기 전에 반응하는 것을 방지하여, 처리 기판으로부터의 복사열의 영향을 최소화하고, 또, 반응실에서의 가스의 거동을 결정 성막에 있어서 더욱 양호하게 할 수 있는 성막 장치의 제공을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 성막 장치는, 처리실에 배치된 가열 상태의 처리 기판의 표면에, 적어도 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스로 이루어지는 복수의 원료 가스를 반응시켜 성막을 하는 성막 장치로, 상기 처리실이 적어도 처리 기판에 의해서 가열실과 반응실로 구분되고, 상기 반응실에 노출되어 있는 처리 기판과 대향하는 부분에, 원료 가스의 배기관이 반응실에 연속된 상태로 설치되고, 상기 처리 기판의 표면에 대하여 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스를 각각 독립된 상태로 공급하는 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스의 각 공급구가 상기 배기관보다도 바깥쪽에 위치하도록 배치되어 있는 것을 요지로 한다.
발명의 효과
즉, 본 발명의 성막 장치는 상기 처리실이 적어도 처리 기판에 의해서 가열실과 반응실로 구분되고, 상기 반응실에 노출되어 있는 처리 기판과 대향하는 부분에, 원료 가스의 배기관이 반응실에 연속된 상태로 설치되고, 상기 처리 기판의 표 면에 대하여 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스를 각각 독립된 상태로 공급하는 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스의 각 공급구가 상기 배기관보다도 바깥쪽에 위치하도록 배치되어 있다.
이 때문에, 상기 가열실과 반응실은 적어도 처리 기판에 의해서 구분되고, 처리 기판에 도달한 제 1 원료 가스 및 제 2 원료 가스는 결정 성막의 형성 후에는, 가열실이나 그 밖의 장소에 유입되지 않기 때문에, 처리 기판 이외의 불필요한 장소에 반응 생성물이 부착되지 않는다. 또한, 결정 성막의 형성 후에는, 처리 기판에 대향하고 있는 배기관으로부터 즉시 배기류로 흡인되기 때문에, 원료 가스의 흐름이 정연한 것이 되어 순환성이 양호해진다.
또, 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스의 각 공급구가 상기 배기관보다도 바깥쪽에 위치하고 있기 때문에, 처리 기판로부터의 복사열이 각 공급구에 미치기 어려운 상태가 된다. 이것에 의해서 각 공급구 부근의 온도가 낮아지고, 각 원료 가스의 일부가 혼합 상태가 되어도 처리 기판에 도달할 때까지는, 반응하기 어려운 온도 조건이 형성되어, 결정 성막의 형성에 제공되는 원료 가스를 증량할 수 있다. 상기 각 공급구의 배치 장소는, 다시 말하면, 배기관의 유로 공간을 반응실측으로 연장한 가상공간보다도 외측에 있어서 반응실에 개구되어 있다.
상기 제 1 원료 가스 및 제 2 원료 가스는 상기 각 공급구로부터 따로따로 유출되기 때문에, 유동 도중에 있어서도 혼합되는 양이 적어져, 처리 기판에 도달할 때까지 반응을 개시하는 것이 극히 소량화된다. 그리고, 처리 기판에 분출된 양 원료 가스는, 난류를 일으켜 처리 기판에 가장 가까운 장소에서 반응을 개시한 다. 이 반응에 의한 반응 생성물이 처리 기판의 원주방향 및 중심방향으로 확대되면서, 처리 기판의 전역에 결정성막이 생성된다. 이와 같이, 각 공급구로부터 유출된 원료 가스는 그 대략 전체가 결정 성막의 형성에 제공되고, 그 후, 처리 기판의 중앙부 부근에서 배기관쪽으로 유출된다.
본 발명의 성막 장치에 있어서, 상기 처리 기판이 배치되는 기판 배치 영역과, 상기 반응실에 연속되어 있는 배기관의 단면의 각 형상은 대략 원형이고, 상기 기판 배치 영역의 중심은 배기관의 중심선상에 배치되어 있는 경우에는, 상기 각 공급구로부터 유출된 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스가 처리 기판상에 성막을 한 후, 상기 기판 배치 영역의 대략 중앙부로부터 배기관쪽으로 흡인 배기를 할 수 있다.
본 발명의 성막 장치에 있어서, 상기 각 공급구의 외주측에 반응실의 외주측의 공간을 적게 하는 벽이 설치되어 있는 경우에는, 반응실 내에서 성막에 유효하게 기능하지 않는 양 원료 가스의 양을 소량화할 수 있어, 처리 기판의 결정성이 향상되고 막의 성장속도를 높일 수 있다. 또한, 상기 벽의 방향을 변경함으로써, 양 원료 가스의 정류판으로서의 기능을 다할 수 있고, 처리 기판에 대한 양호한 가스 흐름을 얻을 수 있다.
본 발명의 성막 장치에 있어서, 상기 각 공급구가 원주상에 교대로 배치되어 있는 경우에는 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스가 교대로 처리 기판의 소정 장소에 도달하여, 처리 기판의 바로 근처에서 이루어지는 양 원료 가스의 반응이 처리 기판의 각 반응 장소마다 균일하게 이루어져, 성막 품질의 균일화에 있어서 유효하 다.
본 발명의 성막 장치에 있어서, 상기 각 공급구가 등간격으로 배치되어 있는 경우에는, 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스가 등간격으로 규칙 바르게 처리 기판의 소정 장소에 도달하고, 성막품질의 균일화에 있어서 한층 더 유효하다.
본 발명의 성막 장치에 있어서, 상기 각 공급구가 반응실의 일부를 구성하여 처리 기판쪽을 향하여 확대 개방되어 있는 동시에 상기 배기관에 연속되어 있는 환상(環狀)부재에 설치되어 있는 경우에는, 각 공급구는 처리 기판으로부터 복사열을 받기 어려운 장소에 배치할 수 있어, 각 공급구 부근의 온도가 낮아지고, 각 원료 가스의 일부가 혼합 상태가 되어도 처리 기판에 도달할 때까지는, 반응하기 어려운 온도 조건이 형성되어, 결정 성막의 형성에 제공되는 원료 가스를 증량할 수 있다.
본 발명의 성막 장치에 있어서, 상기 원료 가스를 각 공급구에 분배하는 가스 확산실이 환상의 형상으로 설치되어 있는 경우에는, 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스는, 각 가스 확산실로부터 독립된 유로를 지나서 각 공급구에 원료 가스를 송급할 수 있다. 따라서, 각 가스 확산실로부터 각 공급구에 도달할 때까지는, 양 원료 가스의 유로가 완전히 분리되어 있기 때문에, 그 도중에서 반응하지 않는다. 또, 가스 확산실이 환상의 형상으로 되어 있기 때문에, 각 공급구가 설치된 상기 환상부재와의 위치적 대응성이 양호해지고, 가스 확산실로부터 공급구로의 배관이 간소화되고, 또한, 상기 각 배관의 길이를 균일화할 수 있어, 각 공급구로부터의 가스 유출량을 균일화하기 쉬워진다.
본 발명의 성막 장치에 있어서, 상기 가스 확산실의 내측에 상기 배기관이 배치되어 있는 경우에는, 환상의 가스 확산실의 내측에 배기관이 배치되어 있기 때문에, 가스 확산실과 배기관의 구조적인 통합이 양호해지고, 성막 장치를 콤팩트하게 할 수 있다.
본 발명의 성막 장치에 있어서, 상기 배기관의 단면 넓이는, 반응실 내에 노출되어 있는 처리 기판이 배치되는 기판 배치 영역의 넓이보다도 큰 경우에는, 상기 각 공급구로부터 유출된 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스가 처리 기판상에 성막을 한 후, 상기 기판 배치 영역의 대략 중앙부로부터 배기관쪽으로 흡인 배기를 할 수 있다. 특히, 기판 배치 영역에 복수의 처리 기판을 배치하여 각 처리 기판에 일제히 성막을 실시하는 경우에 있어서도, 원료 가스에 의한 성막 완료 후에 기판 배치 영역의 중앙부로부터 흡인 배기를 할 수 있고, 결정성이나 막 성장속도 등의 향상에 있어서 유효하다.
본 발명의 성막 장치에 있어서, 상기 각 공급구로부터의 원료 가스의 유출방향에 대하여 처리 기판의 표면이 대략 수직이 되도록 처리 기판이 배치되어 있는 경우에는, 각 원료 가스가 반응 생성물의 형성에 있어서 가장 효과적인 방향으로부터 처리 기판에 도달하기 때문에, 결정성이 현저하게 양호한 것이 된다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이어서, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 설명한다.
실시예 1
도 1 내지 도 4b는, 본 발명의 성막 장치의 1실시예를 도시한다.
도 1은, 성막 장치의 전체 구조를 도시하는 단면도이다. 또한, 도 2는, 도 1의 〔2〕-〔2〕 단면도이다. 이 장치는, 내부가 처리실(1)이 된 처리용기(2) 내에 분리판(3)이 설치되고, 분리판(3)에 뚫린 원형의 개구(4)에 합치시킨 상태로 처리 기판인 판상의 사파이어 기판(5)이 재치되어 있다. 사파이어 기판(5)의 이면의 위쪽에 가열 히터(H)가 배치되고, 상기 가열 히터(H)의 리플렉터(8; reflector)에 포위된 상태로 가열실(1a)이 형성되어 있다. 또한, 분리판(3)이나 사파이어 기판(5)의 하측의 처리실(1)이, 각종의 처리가스가 공급되는 반응실(1b)로 되어 있다. 그리고, 처리실(1)을 진공으로 하는 진공 펌프(도시하지 않음)가 배치되고, 배기구(6)로부터 처리실(1) 내가 진공 배기되도록 되어 있다. 또, 사파이어 기판(5)이 큰 면적을 갖는 경우에는, 이 사파이어 기판(5)만으로 가열실(1a)과 반응실(1b)을 구분할 수 있다.
상기 반응실(1b)이나 후술하는 환상부재, 배기관의 접속, 냉각실 등을 형성하기 위해서, 환상 박스(13)가 분리판(3)에 접근시킨 장소에 배치되어 있다. 환상 박스(13)의 내측에 반응실(1b)이 형성되어 있다. 상기 반응실(1b)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 사파이어 기판(5)의 바로 아래에 배치된 공간이며, 배기구(6)에 연통하는 배기관(7)이 접속되어 있다. 즉, 상기 배기관(7)은, 환상 박스(13)의 내측 개구부로부터 아래 쪽으로 연장되어 있다. 상기 배기관(7)의 유로 단면은, 도 2에 도시하는 바와 같이 원형이며, 부호 7a는 배기관(7)의 원형의 내면 형상을 도시하고 있다. 상기 개구(4)를 지나서 반응실(1b)에 노출되어 있는 원형의 사파이어 기판(5)의 중심은, 배기관(7)의 중심선(O-O)에 대략 일치하고 있다. 또, 평판형의 사파이어 기판(5)에 대하여 상기 중심선(O-O)은 수직의 위치관계로 되어 있 다.
이 실시예는, 1장의 사파이어 기판(5)의 중심이 중심선(O-O)에 일치하고 있는 예이며, 사파이어 기판(5)이 배치되어 있는 장소가 기판 배치 영역으로 되어 있다. 이 예에서는, 사파이어 기판(5)이 1장이기 때문에, 상기 기판 배치 영역은 단일한 원형이며, 이 원형부분의 중심이 배기관(7)의 중심선(O-O)상에 배치되어 있다.
반응실(1b)에 노출되어 있는 원형의 사파이어 기판(5)의 직경은, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 부호 D1로 도시되어 있다. 또한, 배기관(7)의 내경은, 부호 D2로 도시되어 있다. 그리고, 상기 직경과 내경의 크기는, D2>D1이 되는 관계로 설정하고 있다.
반응실(1b)을 이루는 부재는, 주로 환상부재(9)와 벽판부재(10)이다. 상기 환상부재(9)는, 일단을 배기관(7)에 연속하고 타단측을 사파이어 기판(5)쪽을 향하여 확대 개방한 테이퍼(tapered)형의 부재이다. 또한, 상기 벽판부재(10)는 반응실(1b)의 외주측의 공간을 적게 하여, 즉 반응실(1b)의 데드 스페이스를 적게 하기 위한 칸막이 부재이며, 그 내측의 벽(10a)이 상기 공간을 적게 하도록 기능하고 있다. 상기 벽판부재(10)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상기 중심선(O-O)과 동심형의 짧은 원통형의 부재이고, 또, 상기 환상부재(9)도 중심선(O-O)과 동심형으로 되어있다. 따라서, 반응실(1b)은, 도 1의 횡단면이 원형의 공간이고, 그 중심부를 중심선(O-O)이 관통하고 있다.
본 실시예에 있어서의 원료 가스는, O원료 가스와 Zn원료 가스이며, O원료 가스로서는, O2, H2O, N2O 등이 사용된다. 또한, Zn원료 가스로서는, DEZn(디?에틸아연)이 사용된다.
O원료 가스 즉 제 1 원료 가스를 사파이어 기판(5)을 향하여 유출시키는 공급구(11)와, Zn원료 가스 즉 제 2 원료 가스를 사파이어 기판(5)을 향하여 유출시키는 공급구(12)가 상기 환상부재(9)에 개구되어 있다. 각 공급구(11, 12)는 배기관(7)보다도 바깥쪽에 위치하도록 배치되어 있다. 즉, 배기관(7)의 내경(D2)과 같은 직경의 가상공간을 반응실(1b)측으로 연장하고, 이 가상 공간의 외측의 환상부재(9)에 공급구(11, 12)가 설치되어 있다.
각 공급구(11, 12)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 1장소의 가스 공급에 관하여 환상부재(9)의 직경방향으로 2개씩 나열하여 배치되어 있다. 그리고, 공급구(11)와 공급구(12)는 환상부재(9)의 원주상에 교대로 또한 등간격으로 배열되어 있다. 도 2는, 공급구(11과 12)를 식별하기 쉽게 하기 위해서, 공급구(12)만을 바둑판 무늬로 칠하고 있다. 또, 각 공급구(11, 12)를, 1장소의 가스 공급을 1개 또는 3개 이상의 공급구로 하여도 좋다.
상기 환상 박스(13)는, 환상부재(9)와, 그것에 연속해 있는 평판형의 상부 환상판(13a)과, 이 상부 환상판(13a)의 외주부에 연속해 있는 원통판(13b)과, 이 원통판(13b)의 외주부에 연속하고 있는 평판형의 하부 환상판(13c)과, 배기관(7)의 일부에 의해서 구성되어 있다. 또, 배기관(7)의 하부에는 환상의 지지부재(7b)가 결합되고, 그 하부가 두께가 크게 설정된 강성이 높은 환상의 기판(14)에 고정되어 있다. 따라서, 반응실(1b), 공급구(11, 12) 등을 구비한 환상 박스(13)가 배기관(7)이나 지지부재(7b)를 개재하여 기판(14)에 확실하게 결합된 구조가 형성되기 때문에, 강성이 높은 성막 장치를 얻을 수 있다. 또, 처리용기(2)도 상기 기판(14)에 결합되어 있기 때문에, 처리용기(2)의 일부에 형성된 분리판(3)이나 개구(4)와 반응실(1b)의 상대위치를 정확하게 설정할 수 있어, 사파이어 기판(5)에 대한 반응가스가 정확히 도달하고, 양호한 성막을 할 수 있다.
도 4a 및 도 1에 도시하는 바와 같이, 환상의 가스 확산실(15, 16)을 갖는 환상관(15a, 16a)이 하부 환상판(13c)에 결합하고 있다. 양 환상관(15a, 16a)은 대직경의 것과 소직경의 것이 내외에 배치되어 있지만, 이것을 동 직경으로 하여 상하에 배치하여도 좋다. 그리고, 상기 환상관(15a, 16a)의 내측을 배기관(7)이 관통하고 있다. 장치 외로부터 내부로 삽입되어 있는 제 1 원료 가스(O원료 가스)의 공급관(17)이 가스 확산실(15)에 접속되고, 또한, 마찬가지로 장치 바깥으로부터 내부에 삽입되어 있는 제 2 원료 가스(Zn원료 가스)의 공급관(18)이 가스 확산실(16)에 접속되어 있다. 환상관(15a)으로부터 연장되어 있는 복수개의 공급 펌프(19)가 환상 박스(13)의 내부를 통해 두 갈래로 분리되어 상기 공급구(11)에 도달하고 있다. 상기 두 갈래의 관로는 부호 19a로 도시되어 있다. 마찬가지로, 환상관(16a)으로부터 연장되어 있는 복수개의 공급 파이프(20)가 환상 박스(13)의 내부를 지나 두 갈래로 분리되어 상기 공급구(12)에 도달하고 있다. 상기 두 갈래의 관로는 부호 20a로 도시되어 있다. 또, 가스 확산실(15, 16)은, 도 4b 도시하는 바와 같이, 환상의 주조 부품으로 환상관(15a와 16a)을 일체적으로 구성하여, 내외 의 홈을 가스 확산실(15, 16)로 할 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 환상부재(9)의 배후에 환상부재(9)와 대략 같은 형상의 구획판(21)이 결합되어, 환상부재(9)와 구획판(21)의 사이에 냉각액을 도입하는 냉각 재킷(22)이 형성되어 있다. 상기 두 갈래의 관로(19a, 20a)는 재킷(22)을 밀봉 상태로 횡단하는 직선의 도관(23)에 접속되어 있고, 상기한 공급구(11, 12)는 이 도관(23)의 개구부에 의해서 구성되어 있다. 이 도관(23)으로부터 원료 가스가 유출됨으로써, 반응실(1b)에 있어서의 가스 흐름의 지향성이 형성된다.
배기관(7)의 외주부에 냉각 재킷(24)이 구성되어 있다. 장치의 외부로부터 냉각 재킷(24)에 도입관(25)이 접속되고, 상기 냉각 재킷(24)과 냉각 재킷(22)이 접속관(26)에서 접속되고, 냉각 재킷(22)에 접속된 유출관(27)이 장치 밖으로 돌출되어 있다. 유입관(25)으로부터 들어온 냉각액은, 냉각 재킷(24)에서 배기관(7) 내의 가스를 냉각하고, 또, 냉각 재킷(22)에 유입되어 두 갈래의 관로(19a, 20a)나 반응실(1b)을 냉각한다. 그 후, 유출관(27)으로부터 외부로 유출된다.
상기 실시예의 작용 효과를 열거하면, 다음과 같다.
제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스는 각각 독립된 공급관(17, 18)으로부터 가스 확산실(15, 16)로 따로따로 송급되고, 각 가스 확산실(15, 16)로부터 개별의 공급 파이프(19, 20)를 지나서 공급구(11, 12)에 보내진다. 따라서, 공급관(17, 18)으로부터 공급구(11, 12)에 도달할 때까지는, 양 원료 가스의 유로가 완전히 분리되어 있기 때문에, 그 도중에서 반응하지 않는다.
상기 공급구(11, 12)로부터 따로따로 유출된 제 1 원료 가스 및 제 2 원료 가스는, 상기 도관(23)에서 유출방향으로 지향성이 부여되어 있다. 이 때문에, 공급구(11, 12)로부터 유출된 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스는, 사파이어 기판(5)에 도달할 때까지 반응을 개시하는 것이 극히 소량화된다. 그리고, 양 원료 가스의 유출방향은, 사파이어 기판(5)의 외주측이 바람직하고, 사파이어 기판(5)의 외주부 부근에 분출된 양 원료 가스는, 난류를 일으켜 사파이어 기판(5)에 가장 가까운 장소에서 반응을 개시한다. 이 반응에 의한 반응 생성물이 사파이어 기판(5)의 원주방향 및 중심방향으로 확대되면서, 사파이어 기판(5)의 전역에 결정 성막이 생성된다. 이와 같이, 공급구(11, 12)로부터 유출된 원료 가스는 그 대략 전체가 결정 성막의 형성에 제공되고, 그 후, 사파이어 기판(5)의 중앙부 부근으로부터 배기관(7)쪽으로 유출된다.
또, 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스의 공급구(11, 12)가 배기관(7)의 반응실(1b)측으로 연장된 가상공간보다도 외측에 있어서 반응실(1b)에 개구되어 있다. 따라서, 사파이어 기판(5)으로부터의 복사열이 공급구(11, 12)에 미치기 어려운 상태가 되기 때문에, 공급구(11, 12) 부근의 온도가 낮아지고, 각 원료 가스의 일부가 혼합 상태가 되어도 사파이어 기판(5)에 도달할 때까지는, 반응하기 어려운 온도 조건이 형성되어, 결정 성막의 형성에 제공되는 원료 가스를 증량할 수 있다.
가열실(1a)과 반응실(1b)은 분리판(3)과 사파이어 기판(5)에 의해서 구분되어 있기 때문에, 사파이어 기판(5)에 도달한 양 원료 가스는 결정 성막을 형성 후에, 가열실(1a)이나 그 밖의 장소에 유입되지 않기 때문에, 사파이어 기판(5) 이외 의 불필요한 장소에 반응 생성물이 부착되지 않는다. 또한, 결정성막의 형성 후에, 즉시 배기류로 흡인되기 때문에, 원료 가스의 순환성이 양호해진다.
반응실(1b)의 외주측의 공간을 벽(10a)에 의해서 적게 하고 있기 때문에, 반응실(1b) 내에 있어서 유효하게 기능하지 않는 양 원료 가스량을 소량화할 수 있고, 사파이어 기판(5)의 결정성이 향상되어 막의 성장속도를 높일 수 있다.
또한, 각 공급구(11, 12)는, 원주방향으로 교대로 게다가 등간격으로 배치되어 있기 때문에, 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스가 규칙 바르게 교대로 사파이어 기판(5)의 소정 장소에 도달하고, 사파이어 기판(5)의 바로 근처에서 이루어지는 양 원료 가스의 반응이 사파이어 기판(5)의 각 반응 장소마다 균일하게 이루어져, 성막 품질의 균일화에 있어서 유효하다.
공급구(11, 12)는 사파이어 기판(5)쪽을 향하여 확대 개방되어 있는 페이퍼형 환상부재(9)에 설치되어 있는 것으로, 공급구(11, 12)는 사파이어 기판(5)으로부터 복사열을 받기 어려운 장소에 배치되고, 공급구(11, 12) 부근의 온도가 낮아지고, 각 원료 가스의 일부가 혼합 상태로 되어도 사파이어 기판(5)에 도달할 때까지는 반응하기 어려운 온도 조건이 형성되어, 결정성막의 형성에 제공되는 원료 가스를 증량할 수 있다.
제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스는 각 가스 확산실(15, 16)로부터 독립된 공급 파이프(19, 20)를 지나서 각 공급구(11, 12)에 원료 가스를 송급한다. 따라서, 각 가스 확산실(15, 16)로부터 각 공급구(11, 12)에 도달할 때까지는, 양 원료 가스의 유로가 완전히 분리되어 있기 때문에, 그 도중에서 반응하지 않는다. 또, 가스 확산실(15, 16)을 형성하는 부재의 형상이 환상관(15a, 16a)으로 되어 있기 때문에, 각 공급구(11, 12)가 설치된 상기 환상부재(9)와의 위치적 대응성이 양호해지고, 가스 확산실(15, 16)로부터 각 공급구(11, 12)에 대한 배관이 간소화되며, 또한, 상기 각 배관의 길이를 균일화할 수 있고, 각 공급구(11, 12)로부터의 가스 유출량을 균일화하기 쉬워진다.
또, 예를 들면, 10-3 내지 1Pa(10-5 내지 10-2Torr)의 고진공 중에 있어서의 Zn원료 가스(DEZn 가스)분자의 평균 자유공정은 50 내지 100mm 정도이기 때문에, 이 평균 자유공정을 크게 하여, 공급구(11, 12)로부터 사파이어 기판(5)에 도달할 때까지 O원료 가스(O2, H2O, N2O 등)와 반응하는 것을, 될 수 있는 한 억제하는 것이 요구된다. 때문에, 상기 Zn원료 가스의 평균 자유공정을, 상기한 진공압력의 범위에 있어서, 반응성을 저해하지 않는 범위에서 될 수 있는 한 큰 영역으로 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 상기 평균 자유공정은 50mm 이상이 바람직하고, 더욱 바람직한 것은 70mm 이상이고, 더욱 바람직한 것은 100mm 이상이다.
한편, Zn원료 가스는, 200 내지 300℃에서 분해하여 그것을 냉각하면 응축하기 때문에, Zn원료 가스의 온도가 100℃ 전후가 되도록 냉각 재킷(22) 등의 냉각 제어가 행하여진다.
또한, 환상 박스(13)에, 환상부재(9)의 배치, 공급구(11, 12)의 배치, 냉각 재킷(22)의 형성, 환상관(15a, 16a)을 설치하는 등, 이 환상 박스(13)를 구조상의 중핵 구조물로 한 구성이기 때문에, 성막 장치의 가장 중요한 기능부분의 구조가 조밀하게 집약한 상태로 형성할 수 있다.
실시예 2
도 5는, 본 발명의 성막 장치의 제 2 실시예를 도시한다.
이 실시예는, 환상의 상기 벽판부재(10)의 형상이, 사파이어 기판(5)측이 소직경이 된 테이퍼형으로 되어 있는 것이다. 그 이외에는, 상기 실시예와 마찬가지이며, 같은 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
상기 구성에 의해, 반응실(1b)의 외주측의 공간이 더 한층 적어지고, 더구나 공급구(11, 12)로부터의 가스 흐름이 벽판부재(10)의 벽(10a)에 의해서 정류되어, 양호한 가스 흐름이 사파이어 기판(5)의 표면에 간섭하여 높은 품질의 성막을 할 수 있다. 그 이외에는, 상기 실시예와 같은 작용 효과를 갖는다.
실시예 3
도 6 내지 도 9는, 본 발명의 성막 장치의 제 3 실시예를 도시한다.
이 실시예는, 기판 배치 영역에 8장의 사파이어 기판(5)을 배치한 것이다. 그 때문에, 분리판(3)에 8개의 개구(4)를 원주상에 설치하고 있다. 사파이어 기판(5)이 배치되어 있는 영역은 원형의 영역이며, 그 중심이 중심선(O-O)상에 존재하고 있다. 그리고, 도 7에 도시하는 바와 같이, 분리판(3)은 원형이 되고, 중심선(O-O)을 중심으로 하여 회전하도록 되어 있다. 이 분리판(3) 전체가 회전하는, 소위 공전은 여러가지의 구동기구로 할 수 있다. 예를 들면, 도시하지 않았지만, 분리판(3)의 중심부에 축을 결합하여 이 축을 회전 구동하도록 한다. 또, 배기관(7)의 단면 넓이는, 반응실(1b) 내에 노출되어 있는 사파이어 기판(5)이 배치되는 기 판 배치 영역의 넓이보다도 크게 설정하고 있다.
또한, 도 8, 도 9에 도시하는 바와 같이, 사파이어 기판(5) 자체가 회전하는, 소위 자전을 상기 공전에 추가하도록 하여도 좋다. 이 경우의 회전의 구동기구에는 여러가지의 것을 채용할 수 있지만, 예를 들면, 도 9에 도시하는 바와 같이, 공전용 기어(28)로 분리판(3)을 회전하고, 한편, 중앙부에 배치한 유성기어(29)에 유성기어(30)를 맞물려, 각 유성기어(30)에 상기 개구(4)를 설치하고, 여기에 사파이어 기판(5)을 배치한다. 기어(28)를 회전시키면 분리판(3) 전체가 공전하고, 그것과 함께 각 유성기어(30)가 회전하여 사파이어 기판(5)이 자전한다. 그 이외에는, 상기 각 실시예와 마찬가지이며, 같은 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
상기 구성에 의해, 복수의 사파이어 기판(5)이, 공전 또는 공전과 자전을 하여 원료 가스가 각 사파이어 기판(5)에 대하여 균일하게 간섭하여, 각 사파이어 기판(5)에 불균일함이 없는 양호한 품질의 성막이 이루어진다. 또, 상기 각 공급구(11, 12)로부터 유출된 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스가 사파이어 기판(5)상에 성막을 한 후, 상기 기판 배치 영역의 대략 중앙부로부터 배기관(7)쪽으로 흡인 배기를 할 수 있고, 특히, 기판 배치 영역에 복수의 사파이어 기판(5)을 배치하여 각 사파이어 기판(5)에 일제히 성막을 실시하는 데 있어서, 원료 가스에 의한 성막 완료 후에 기판 배치 영역의 중앙부로부터 흡인 배기를 할 수 있고, 결정성이나 막 성장 속도 등의 향상에 있어서 유효하다. 그 이외에는, 상기 각 실시예와 같은 작용 효과를 갖는다.
실시예 4
도 10은 본 발명의 성막 장치의 제 4 실시예를 도시한다.
이 실시예는, 상기 각 공급구(11, 12)로부터의 원료 가스의 유출방향에 대하여 사파이어 기판(5)의 표면이 대략 수직이 되도록 사파이어 기판(5)이 배치되어 있는 것이다. 그 때문에, 테이퍼형의 환상부재(9)에 대향하는 원추형 분리판(3a)이 설치되고, 이 원추형 분리판(3a)에 사파이어 기판(5)이 설치되고, 동 기판(5)의 표면이 각 공급구(11, 12)로부터의 원료 가스의 유출방향에 대하여 대략 수직이 되도록 상기 분리판(3a)의 경사 각도가 설정되어 있다. 또한, 이러한 사파이어 기판(5)의 배치 자세이기 때문에, 반응실(1b)도 테이퍼형의 공간형상으로 되어 있다. 그 이외에는, 상기 각 실시예와 마찬가지이며, 같은 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
상기 구성에 의해, 각 원료 가스가 반응 생성물의 형성에 있어서 가장 효과적인 방향으로부터 사파이어 기판(5)에 도달하기 때문에, 결정성이 현저하게 양호한 것이 된다. 또한, 사파이어 기판(5)이 원추형 분리판(3a)에 배치되어 배기관(7)의 방향에 대하여 비스듬하게 되어 있기 때문에, 성막 후의 가스 배기가 원활하게 배기관(7)쪽으로 유출된다.
처리 기판으로부터의 복사열을 받기 어려운 장소에 복수의 원료 가스의 공급구를 설치하고, 결정 성막 형성 후에 배기관쪽으로 흡인 배기를 하는 것이기 때문에, 성막화되는 원료 가스가 현저히 증량된다. 이와 같이 결정성이 양호하고 막의 성장시간이 단축되기 때문에, 이 종류의 산업분야에 있어서의 이용 가능성을 높이 기대할 수 있다.

Claims (10)

  1. 처리실에 배치된 가열 상태의 처리 기판의 표면에, 적어도 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스로 이루어지는 복수의 원료 가스를 반응시켜 성막을 하는 성막 장치에 있어서,
    상기 처리실이 적어도 처리 기판에 의해서 가열실과 반응실로 구분되고,
    반응실에 연속된 원료 가스의 배기관이, 상기 반응실에 노출되어 있는 처리 기판과 대향하는 부분에 개구되도록 설치되고,
    상기 처리 기판이 배치된 기판 배치 영역의 중심이 배기관의 중심선상에 배치되고,
    상기 처리 기판의 표면에 대하여, 제 1 원료 가스와 제 2 원료 가스를, 상기 배기관을 반응실측에 연장한 가상 공간의 외측에 개구된 공급구로부터 각각 독립된 상태로 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 처리 기판이 배치되는 기판 배치 영역과 상기 반응실에 연속되어 있는 배기관의 단면의 각 형상은 원형인 성막 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 각 공급구의 외주측에 반응실의 외주측 공간을 적게 하는 벽이 설치되는 성막 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 원료 가스와 상기 제 2 원료 가스의 각 공급구가 교대로 배치되는 성막 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 각 공급구는 등간격으로 배치되는 성막 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 각 공급구는, 환상부재에 설치되고,
    상기 환상부재는 상기 반응실의 일부를 구성하여 상기 배기관에 연속되어 있고,
    상기 환상부재의 기판측 단면의 직경은 상기 환상부재의 배기관측 단면의 직경보다도 큰 성막 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 원료 가스를 각 공급구에 분배하는 가스 확산실이 환상의 형상으로 설치되는 성막 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 가스 확산실의 내측에 상기 배기관이 배치되는 성막 장치
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 배기관의 단면 넓이는 반응실 내에 노출되어 있는 처리 기판이 배치되는 기판 배치 영역의 넓이보다도 큰 성막 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 각 공급구로부터의 원료 가스의 유출방향에 대하여 처리 기판의 표면이 수직이 되도록 처리 기판이 배치되는 성막 장치.
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