KR101271499B1 - 반도체 박막 제조용 반응기 및 그를 이용한 반도체 박막 제조 방법 - Google Patents

반도체 박막 제조용 반응기 및 그를 이용한 반도체 박막 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 박막 제조용 반응기 및 그를 이용한 반도체 박막 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 반도체 박막 제조용 반응기는 내부에 기판이 수용될 수 있는 공간이 형성된 상태로 상부가 개방되며, 유체가 유입될 수 있는 유입구 및 유출될 수 있는 유출구가 형성된 용기; 상기 용기의 개방된 상부를 덮는 덮개; 및 상기 용기의 하부에 위치하여 기판을 가열하기 위해 상기 용기 측으로 빛을 조사하는 광조사부를 포함하고, 상기 용기의 재질은 빛을 투과할 수 있는 것임을 특징으로 한다. 그러므로 용기는 빛을 투과할 수 있고, 기판은 불투명하게 제작되기 때문에 용기 측으로 빛을 조사할 때, 용기 자체는 가열 되지 않고, 불투명한 기판만 가열되어 기판에 박막을 균일하게 형성할 수 있다는 효과가 있다.

Description

반도체 박막 제조용 반응기 및 그를 이용한 반도체 박막 제조 방법{REACTOR FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR THIN FILM AND MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 반도체 박막 제조용 반응기 및 그를 이용한 반도체 박막 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체를 이용해서 반도체에 박막을 제조하기 위한 반응기 및 이 반응기에서 유체를 주입하여 반도체 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 하나의 반도체를 생산하기 위해서는 수많은 반도체공정과 반도체 공정을 진행할 수 있는 반도체 설비가 필요하다. 이런 반도체 설비는 각 반도체 공정을 진행하면서 반도체 공정에 맞는 조건들을 충족시켜야 한다.
그 중에서도 반응기 내에서 기체나 액체를 고체 상태의 기판에 증착시키는 화학증착법의 원리와 유사하게 증착하는 경우, 저압의 상태에서 증착이 이루어지는데 이때에는 적절한 온도를 유지하는 것이 중요하게 작용한다. 특히, 기판의 온도는 고온으로 유지되면서 기판에 증착되는 기체나 액체의 온도는 낮아야 기판의 표면에서 박막이 형성되기 때문이다.
그렇지만, 기존의 반응기의 경우에는 반응기의 자체 온도를 높이면 기판의 온도뿐만 아니라, 기체나 액체의 온도까지 상승하게 된다. 그로 인해서 기체나 액체가 기판 위에 도달하기 전에 입자로 형성되기 때문에 균일하게 기판 위에 박막이 형성되지 않고 기판 위에 박막이 형성되지 않는 곳도 발생하는 문제가 있다.
그렇다고 기판에 직접 열원을 접촉시켜 기판만의 온도를 상승시키면 기판의 위에 박막이 균일하게 형성되는 것은 가능하지만, 기판의 온도보다 열원의 온도가 더 높기 때문에 기판보다 열원의 표면에 박막이 더 많이 형성되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 액체상태의 전구체를 공급하여 기판에만 균일하게 박막을 형성할 수 있는 반도체 박막 제조용 반응기와 그를 이용하여 반도체 박막을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 반도체 박막 제조용 반응기는; 내부에 기판이 수용될 수 있는 공간이 형성된 상태로 상부가 개방되며, 유체가 유입될 수 있는 유입구 및 유출될 수 있는 유출구가 형성된 용기; 상기 용기의 개방된 상부를 덮는 덮개; 및 상기 용기의 하부에 위치하여 기판을 가열하기 위해 상기 용기 측으로 빛을 조사하는 광조사부를 포함하고, 상기 용기의 재질은 빛을 투과할 수 있는 것임을 특징으로 한다.
이때, 상기 용기로 유입되고 유출되는 유체는 용액인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 용액은 전구체 용액인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용기는 빛이 투과할 수 있는 유리 또는 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이때의 유리는 적외선과 가시광을 투과할 수 있으며, quartz가 이용될 수도 있다. 그리고 실리콘은 적외선을 투과할 수 있다.
그리고 상기 광조사부에서 조사하는 빛은 적외선, 가시광 및 적외선과 가시광이 혼합된 빛 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 용기와 덮개 사이에는 상기 용기의 공간을 밀폐시키기 위한 오링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 용기에 형성된 유입구 및 유출구에는 각각 유입관 및 유출관이 연결되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 덮개에는 상기 유입관 및 유출관이 관통할 수 있도록 홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용기와 광조사부 사이에 위치하고, 상기 광조사부에서 조사된 빛이 기판에만 조사될 수 있도록 빛을 조사 방향을 조절하는 가림판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 반응기를 이용한 반도체 박막 제조 방법은; 빛이 투과할 수 있는 용기의 내부에 기판이 놓여지는 A단계; 상기 A단계에서 용기의 내부에 놓인 기판의 위로 유체가 외부에서 유입되는 B단계; 상기 B단계에서 유체가 유입되어 기판의 위에 유체가 위치하면 빛을 조사하는 C단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 B단계에서 유입되는 유체는 용액인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 용액은 전구체 용액인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 C단계에서 조사하는 빛은 적외선, 가시광 및 적외선과 가시광이 혼합된 빛 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 용기는 빛이 투과하는 유리 또는 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이때의 유리는 적외선과 가시광을 투과할 수 있으며, quartz가 이용될 수도 있다. 그리고 실리콘은 적외선을 투과할 수 있다.
이때, 상기 C단계에서 조사되는 빛은 기판에만 조사될 수 있도록 가림판에 의해 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖춘 본 발명에 따른 빛을 조사하여 반응기에 열을 가하면, 용기는 빛을 투과할 수 있고, 기판은 불투명하게 제작되기 때문에 용기 측으로 빛을 조사할 때, 용기 자체는 가열 되지 않고, 불투명한 기판만 가열되어 기판에 박막을 균일하게 형성할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 박막 제조용 반응기의 평면도를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 AA단면을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 BB의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 반도체 박막 제조용 반응기의 내부용기와 덮개를 각각 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 반도체 박막 제조용 반응기의 다른 실시예에 대해 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 반도체 박막 제조용 반응기의 다른 실시예에서 온도를 측정하는 것을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 반도체 박막 제조용 반응기에서 측정한 온도를 도시한 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
본 발명의 반도체 박막 제조용 반응기(100)에 대해서 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명하고, 반도체 박막 제조용 반응기(100)는 외부용기(110), 내부용기(120), 덮개(130), 오링(140) 및 광조사부(150)를 포함하여 구성된다.
외부용기(110)는 상부가 개방된 상태로 내부에 수용공간이 형성되는데, 본 발명의 일실시예에서 외부용기(110)는 원기둥 형상을 가지며 수용공간도 원기둥 형상의 공간으로 형성된 것에 대해 설명한다. 그리고 외부용기(110)의 내측으로 금속막대(112)가 연결되는데, 금속막대(112)에는 스프링(114)이 감겨 있다. 이때, 외부용기(110)에 마련되는 금속막대(112)는 다수 개가 구비될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 네 개의 금속막대(112)가 구비된다. 이에 대해서는 이후 다시 설명한다.
내부용기(120)는 외부용기(110)의 내부 수용공간에 삽입되고, 외부용기(110)와 마찬가지로 상부가 개방된 상태로 내부에 일정한 공간이 형성된다. 내부에 형성된 공간의 바닥에는 기판(200)이 놓여지고, 외부에서 유체가 유입되어 내부용기(120)의 바닥에 놓인 기판(200) 위로 흐른다.
그렇기 때문에 내부용기(120)에는 유체가 유입될 수 있는 유입구(122)와 유입된 유체가 외부로 빠져 나갈 수 있는 유출구(124)가 형성된다. 그리고 내부용기(120)에 형성된 유입구(122)에는 유입관(122a)이 연결되고 유출구(124)에는 유출관(124a)이 연결되어, 유체의 유입 및 유출이 가능하다.
그리고 내부용기(120)는 빛이 투과할 수 있는 투명한 재질의 재료가 이용되어 제작되며, 본 발명의 일실시예에서는 내열성을 가지며 투명한 유리가 이용될 수 있다. 또한, 가열에 사용되는 빛이 적외선인 경우에는 적외선을 투과할 수 있는 실리콘이 내부용기의 재질로 이용될 수도 있다. 여기서, 내부용기(120)는 되도록 빛이 완전히 투과가 가능한 것이 바람직한데, 이는 빛이 되도록 최대한 투과가 되어야 빛이 조사되어도 내부용기(120)에서 열이 발생하지 않을 수 있기 때문이다.
또한, 내부용기(120)로 유입되는 유체는 본 발명의 일실시예에서 전구체 용액이 이용되는데, 이 전구체 용액도 빛이 투과되기 때문에 빛에 의해 온도 상승이 거의 없다.
그리고 기판(200)의 경우에는 빛이 투과되지 않는 것이 바람직한데, 유리 기판이 사용되는 경우에는 몰리브데늄(Mo) 등으로 박막이 형성되어 있는 기판(200)을 사용하면 빛이 투과되지 않기 때문에 조사된 빛에 의해 기판(200)의 표면만 가열될 수 있어, 기판(200) 위에 박막을 형성하는 효과가 증대될 수 있다.
덮개(130)는 내부용기(120)를 덮기 위해 마련되는 것으로, 내부용기(120)에 유입되는 전구체 용액이 유출구(124)이외의 경로를 통해 외부로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 구비된다. 그래서 덮개(130)는 외부용기(110)에 형성된 금속막대(112)와 금속막대(112)에 감겨있는 스프링(114)에 의해 아래쪽으로 압력을 받는다. 이는 도 2에 도시된 바와 같이, 네 개의 금속막대(112)에 감겨있는 스프링(114)에 의해 덮개(130)가 어느 한쪽으로 치우지지 않으면서 덮개(130)와 내부용기(120)를 밀착시킬 수 있도록 한다.
그리고 덮개(130)와 내부용기(120) 사이에는 오링(o-ring, 140)이 구비되는데, 이는 덮개(130)와 내부용기(120) 사이에서 발생할 수 있는 공간에 의해 내부용기(120)의 내부와 외부를 차단한다. 이 역시 덮개(130)의 상부에서 금속막대(112)에 감겨있는 스프링(114)에 의해 덮개(130)에 압력이 가해지면서 오링(140)에 의해 내부용기(120)의 내부 공간을 외부와 차단할 수 있도록 한다.
또한, 덮개(130)에는 내부용기(120)에 형성된 유입구(122)와 연결된 유입관(122a) 및 유출구(124)와 연결된 유출관(124a)이 관통할 수 있는 홀(132)이 형성된다. 그래서 유입관(122a)과 유출관(124a)이 각각 덮개(130)의 위쪽으로 연장되어 외부에서 전구체 용액을 내부용기(120)의 내부로 유입시키고 기판(200)에 박막을 형성한 후 남은 전구체 용액을 외부로 빼낼 수 있다.
광조사부(150)는 내부용기(120)의 하부에 위치하여 위쪽으로 빛을 조사한다. 즉, 광조사부(150)는 내부용기(120) 내부 공간에 배치되는 기판(200)을 향해 빛을 조사하는 것으로, 광조사부(150)에서 조사된 빛에 의해 기판(200)이 가열되도록 하기 위함이다.
그리고 본 발명의 일실시예에서는 광조사부(150)에서 조사하는 빛은 적외선인 것이 바람직하여, 적외선램프가 광조사부(150)에 구비되는 것이 바람직하다. 적외선은 가시광선에 비해 투과력이 강하기 때문에 투명한 유리 등으로 제조되는 내부용기(120)는 그냥 투과되기 때문에 내부용기(120)가 적외선에 의해서 거의 가열되지 않는다. 물론, 상기와 같이, 적외선뿐만 아니라 가시광이나 적외선과 가시광이 혼합된 광원을 사용하여도 무방하다.
대신에 불투명하게 제작되는 기판(200)의 경우에는 적외선이 조사됨에 따라 적외선을 그대로 흡수하기 때문에 내부용기(120)는 가열되지 않으면서 기판(200)은 가열되는 것이다. 더욱이, 기판(200)을 유리 기판으로 사용하면서 유리 기판에 몰리브데늄(Mo) 등으로 박막이 형성된 것을 이용하면, 적외선에 의해 박막만이 가열되기 때문에 기판(200)의 표면만 가열할 수 있다. 그렇기 때문에 기판(200)의 표면에서만 전구체 용액이 반응해서 박막이 형성될 수 있다.
마찬가지로, 전구체 용액의 경우에도 투명하기 때문에 적외선이 그대로 투과하여 가열이 되지 않는다. 그러므로 내부용기(120) 및 박막에 이용되는 전구체 용액은 가열되지 않으면서 기판(200)만이 가열되도록 할 수 있다.
여기서, 광조사부(150)의 크기는 내부용기(120) 내부 공간 전체를 향해 빛을 조사하는 것보다 기판(200)에만 빛을 조사하도록 하기 위해 기판(200)의 크기와 동일하거나 유사한 것이 바람직하다. 이는 광조사부(150)의 크기가 일정 이상 커져 빛이 금속막대(112)나 오링(140)에 조사되면, 금속막대(112)나 오링(140)도 가열되기 때문에 내부용기(120)에 대한 기밀성 등에 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
또한, 광조사부(150)의 크기를 조절하는 것이 자유롭지 않은 경우에는 본 발명의 다른 실시예로, 도 5에 도시된 바와 같이, 광조사부(150)와 내부용기 사이에 가림판(360)이 구비되는 것도 가능할 것이다. 이처럼 광조사부(150)가 내부용기 측으로 빛을 조사하는 경우에 기판(200) 이외의 다른 기구들까지 가열되지 않도록 하기 위함이다. 가림판은 내부용기의 하부에 위치하여 본 발명의 다른 실시예에서는 원형의 형상을 가지며, 중앙은 빛이 통과할 수 있는 홀이 형성된다. 이때의 홀은 기판(200)의 크기와 동일하거나 유사한 것이 바람직하다.
상기와 같이, 구비되는 반응기(100)를 이용하여 반도체 박막을 제조하기 위해서는 빛이 투과할 수 있는 내부용기(120) 내부에 몰리브데늄(Mo)이 증착된 유리기판을 놓고, 덮개(130)를 이용하여 내부용기(120)의 내부를 외부와 차단시킨다. 그런 다음 유입관(122a)을 통해 반도체 박막형성에 이용될 전구체 용액을 내부용기(120) 내부로 유입시키면서 광조사부(150)에 의해서 빛을 기판(200) 측으로 조사한다. 빛에 의해 투명한 내부용기(120)나 전구체 용액은 가열되지 않은 상태에서 기판(200)만이 가열되기 때문에 내부용기(120) 내부로 유입된 전구체 용액은 기판(200) 위에 효과적으로 박막이 형성될 수 있다.
이때, 빛은 적외선이나 가시광일 수 있으며, 적외선과 가시광이 혼합된 빛일 수도 있다.
이렇게 함으로써, 외부용기(110)이나 내부용기(120)의 온도는 거의 일정하게 유지되면 선택적으로 기판(200)만을 가열할 수 있기 때문에 기판(200) 위에 전구체 용액을 이용하여 균일하면서 기판(200)의 전체에 고르게 박막을 형성할 수 있다.
이때, 전구체 용액을 제조하는 용매의 종류에 따라 광원의 종류와 외부용기(110)이나 내부용기(120)의 재질이 달라질 수 있다. 일례로, 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 용매로 하여 전구체 용액을 만들고 몰리브데늄 재질의 기판(200)에 반도체 박막을 형성할 경우의 광원은 가시광이 적합하다. 그리고 내부용기(120)는 가시광을 투과할 수 있는 소다라임유리나 석영(quartz) 등의 유리가 적합하다. 기판(200)의 재질에 포함되는 Mo는 가시광을 모두 흡수하지만 유리나 에틸렌글리콜은 가시광을 대부분 투과시키기 때문이다.
그리고 적외선을 광원으로 사용할 경우의 내부용기(120) 재질은 실리콘이 적합한데, 실리콘은 적외선을 대부분 투과하기 때문이다. 이렇게 적외선을 광원으로 사용할 경우 전구체 용액은 용매가 물(H2O)이 아닌 것을 사용하는 것이 바람직하다. 물은 적외선을 대부분 흡수하기 때문이다.
그렇기 때문에 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 광조사부(150)의 크기를 기판(200)과 동일하거나 유사하게 하거나 도 5에 도시된 바와 같이, 광조사부(150)의 상부에 가림판을 배치하여 광조사부(150)에서 조사된 빛이 기판(200)에만 흡수되도록 할 수 있다. 일례로, 광원으로 적외선을 사용하는 경우, 투명한 재질의 내부용기(120)를 사용하면서 용매로 물이 이용된 전구체 용액을 사용하더라도 광조사부(150)에서 조사된 적외선은 내부용기(120)를 투과하여 기판(200)에만 대부분 흡수된다. 그에 따라 전구체 용액에는 적외선은 전구체 용액에 거의 흡수되지 않으므로 전구체 용액은 가열되지 않는다.
그러므로 가림판을 이용하여 조사된 빛이 대부분 기판(200)에만 흡수되도록 함으로써, 적외선과 가시광이 혼합된 빛도 이용할 수 있다.
상기와 같이 구성된 반도체 박막 제조용 반응기(100)에서 기판(200)의 표면과 전구체 용액의 온도를 직접 측정한 것을 도 7에 도시하였다. 이는 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(200)과 전구체 용액에 서모커플(thermocouple) 등의 온도계(250)를 이용하여 온도를 측정하였다. 본 실험에서는 기판(200)으로 몰리브데늄이 2㎛ 두께로 증착된 유리판을 이용하고 전구체 용액의 용매는 에틸글리콘(ethyle glycol)을 사용했다. 그리고 기판(200) 표면에 전구체 용액이 공급되는 유속을 1.5 ml/min에서 0.2 ml/min으로 조절하면서 실험을 하였다.
전구체 용액의 유속이 느려질수록 기판(200)의 온도와 전구체 용액의 온도는 도 7 및 표 1에 도시된 바와 같이 온도 차가 커짐을 알 수 있다. 특히, 전구체 용액의 유속을 0.2 ml/min로 고정하고 기판(200)의 온도를 450℃로 유지할 경우, 기판(200)을 지나가는 전구체 용액의 온도는 100℃ 이하가 된다. 그러므로 반도체 박막 형성을 위해 공급된 전구체들은 주로 기판(200) 표면에서만 반응을 일으키고, 전구체 용액의 상태에서는 반응을 일으키지 않아 기판(200) 표면에만 반도체 박막이 형성됨을 알 수 있다.
유량/
기판온도
0.2ml/min 0.5ml/min 1.0ml/min
(0.001몰의 시료)
1.5ml/min
300℃ 80℃ 86~88℃ 85~97℃ 91~92℃
350℃ 86~87℃ 91~95℃ 93~107℃ 105~106℃
400℃ 93~94℃ 100~103℃ 108~115℃ 118~119℃
450℃ 99~100℃ 108~109℃ 126~135℃ -
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.
100, 300: 반응기
110, 310: 외부용기
112, 312: 금속막대 114, 314: 스프링
120, 320: 내부용기
122, 322: 유입구 124, 324: 유출구
122a, 322a: 유입관 124a, 324a: 유출관
130, 330: 덮개
132: 홀
140, 340: 오링 150, 350: 광조사부
360: 가림판
200: 기판 250: 온도계

Claims (15)

  1. 내부에 기판이 수용될 수 있는 공간이 형성된 상태로 상부가 개방되며, 전구체 용액이 유입될 수 있는 유입구 및 유출될 수 있는 유출구가 형성된 용기;
    상기 용기의 개방된 상부를 덮는 덮개; 및
    상기 용기의 하부에 위치하여 용기 자체는 가열하지 않고 기판만을 가열하기 위해 상기 용기 측으로 빛을 조사하는 광조사부를 포함하고,
    상기 용기의 재질은 빛을 투과할 수 있는 유리 또는 실리콘으로 형성된 것이고,
    상기 광조사부에서 조사하는 빛은 적외선, 가시광 및 적외선과 가시광이 혼합된 빛 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 박막 제조용 반응기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 용기와 덮개 사이에는 상기 용기의 공간을 밀폐시키기 위한 오링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 제조용 반응기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 용기에 형성된 유입구 및 유출구에는 각각 유입관 및 유출관이 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 제조용 반응기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 덮개에는 상기 유입관 및 유출관이 관통할 수 있도록 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 제조용 반응기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 용기와 광조사부 사이에 위치하고, 상기 광조사부에서 조사된 빛이 기판에만 조사될 수 있도록 빛을 조사 방향을 조절하는 가림판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 제조용 반응기.
  10. 빛이 투과할 수 있는 유리 또는 실리콘 재질 용기의 내부에 빛이 투과할 수 없는 기판이 놓여지는 A단계;
    상기 A단계에서 용기의 내부에 놓인 기판의 위로 전구체 용액이 외부에서 유입되는 B단계;
    상기 B단계에서 전구체 용액이 유입되어 기판의 위에 전구체 용액이 위치하면 적외선, 가시광 및 적외선과 가시광이 혼합된 빛 중 어느 하나의 빛을 조사하는 C단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기를 이용한 반도체 박막 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 C단계에서 조사되는 빛은 기판에만 조사될 수 있도록 가림판에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 제조 방법.
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