KR101378707B1 - 반응성 코이베포레이션에 의한 산화물 박막 성장을 위한높은 쓰루풋의 피착 시스템 - Google Patents

Abstract

기판 지지 부재 상에 포함된 기판들 상에 박막을 성장시키기 위한 히터는 복수의 히터 엘리먼트들을 포함한다. 기판들을 포함하는 기판 지지 부재는 복수의 히터 엘리먼트들에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 복수의 히터 엘리먼트들 중 적어도 두 개는 서로에 대해 이동가능하여서 기판 지지 부재로의 외부 접근을 제공하게 된다. 히터 엘리먼트들 중 하나 또는 개별적인 산소 포켓 부재 내에 산소 포켓이 형성되며 이는 기판들 상의 막의 산화에 이용된다.

히터, 고온 초전도체, 기판 지지 부재, 산소 포켓, 박막 성장

Description

반응성 코이베포레이션에 의한 산화물 박막 성장을 위한 높은 쓰루풋의 피착 시스템{HIGH-THROUGHPUT DEPOSITION SYSTEM FOR OXIDE THIN FILM GROWTH BY REACTIVE COEVAPORATION}

본 발명의 분야는 일반적으로 기판 상에서 박막들을 생성하는 데에 이용되는 장치들 및 방법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 분야는 고온 초전도(high-temperature superconducting; HTS) 막을 인 시츄(in-situ) 형성하는 데에 이용되는 장치들 및 방법들에 관한 것이다.

HTS 물질의 페로브스카이트 페밀리를 1980년대 중반에 발견한 이래로, 고품질의 HTS 막을 피착시키는 능력에 있어서 광범위한 진보가 이루어져 왔다. HTS 물질에 의해 형성된 박막은, 예를 들어 검출기, 디지털 회로, 및 수동 마이크로파 디바이스(예를 들면, HTS 기반 필터)를 비롯하여 각종 초전도성 전자 응용기기에 매우 바람직하다.

지난 수년 동안, HTS 산화물 물질의 박막의 피착에 대한 여러가지 기술들이 개발되어 왔다. 이들 기술들에는, 스퍼터링, PLD(pulsed laser deposition), 및 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)가 포함된다. 예시적인 HTS 산화물 물질로서는, YBCO(Yttrium Barium Copper Oxide), BSCCO(Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide), TBCCO(Thallium Barium Calcium Copper Oxide), 및 HBCCO(Mercury Barium Calcium Copper Oxide)를 들 수 있다. 이들 물질들 중에서, YBCO는 상대적으로 더 작은 전도 이방성(conduction anisotropy), 자계에서의 높은 초전도성 임계 전류, 및 양호한 화학적 안정성으로 인해 많은 응용 분야에서 현재 선호되는 화합물이다. 또한, 다른 HTS 화합물들에 비해, YBCO의 고품질의 단일 상(phase) 박막들이 성장될 수 있는 상대적인 용이함이 아마도 가장 큰 특성일 것이다.

그럼에도 불구하고, 이들 물질의 박막 성장은 여전히 어렵다. 고품질의 막을 얻기 위해서는, 특정 방향으로 향하게 되는(oriented) 에피택셜 성장(면 내(in-plane) 및 면 외(out-ot-plane))이 필요한데, 이는 고품질의 막은 고온(일반적으로 700℃보다 높음)에서만 성장될 수 있음을 의미한다. 따라서, 화학적 융화성(chemical compatibility), 격자 상수 일치, 및 열 팽창 일치라고 하는 엄격한 요건들을 만족시키는 소수의 단결정 기판들 상에서만 성장이 가능하다. 또한, 기판의 속성들은 요구되는 용도에 적합해야 한다. 예를 들면, MgO는, 성장 요건(needs)을 만족시키고 또한 마이크로파 응용물에 대해 충분히 낮은 손실을 갖는 기판이다.

HTS 물질들의 성장은, 이들 화합물이 산화물 형태의 적어도 세 가지 금속 종류를 일반적으로 포함한다는 사실로 인해 더욱 복잡하다. 따라서, 채용되는 성장 방법은, 적절한 막 화학양론 및 균일성을 얻기 위해 엄격하게 제어되어야 한다. 또한, 이들 물질의 인 시츄 성장에는 이들이 성장할 때 산소가 주입될 것을 필요로 하는데, 이는 물리적 기상 증착과 같은 많은 통상적인 기술들과 일반적으로 양립되지 않는다. 또한, 특정 응용물에서는, 단일 기판의 두 개의 면들 상에 HTS 박막들이 성장될 것이 요구된다.

스퍼터링, 펄스형 레이저 피착 및 금속-유기 화학 기상 증착과 같은 종래의 인 시츄 성장 기술 모두는 HTS 박막 성장에 성공적으로 이용되어 왔다. 그러나, 이들 방법들에는, 저속 성장(스퍼터링), 조성 제어의 어려움, 열악한 재현성(reproducibility), 열악한 막 균일성(스퍼터링, MOCVD), 대규모 영역 피착의 어려움(PLD), 및 확장 및 축소(scalability)의 어려움(전술한 모든 기술들이 해당됨)을 비롯한 심각한 한계 사항들이 존재한다.

보다 최근에는, 회전하는 산소-포켓 히터를 이용하는 반응성 코이베포레이션(coevaporation) 기술이 이용되어 왔으며, 이 기술은 전술한 한계 사항들 중 많은 부분들을 다루고 있다. 이 기술에서는, 회전하는 기판 지지 부재 또는 턴테이블 상에 중력에 의해 기판들이 홀딩된다. 이 기판들을 포함하는 기판 지지 부재는, 반응에 필요한 균일한 고온으로 되도록 방사 형태로 기판들을 가열시키는 원통 모양의 히터(즉, 히터 본체)에 의해 그 꼭대기, 바닥 및 측면들이 둘러싸인다. 기판 지지 부재는, 히터 본체의 내부에서 회전가능하며, 일부 회전 기간 동안 히터 본체의 하측 부분 내에 배치된 윈도우를 통해 진공 챔버에 노출된다. 진공 챔버는 히터 본체를 둘러싸며 반응을 위한 피착 소스들을 포함한다.

일실시예에서, 히터 본체는 또한 히터 본체의 바닥 부분에 위치한 산소 포켓 영역을 포함한다. 산소가 산소 포켓 영역에 공급되어 일부 회전 기간 동안 기판들 이 산소에 노출된다. 산소 포켓 영역과 둘러싸는 진공 챔버 간에는 큰 압력 차가 발생한다. 이 압력 차는, 회전하는 기판 지지 부재와 산소 포켓 영역 사이에 형성된 좁은 갭에 의해 유지되며, 이에 의해 산소 포켓으로부터 산소가 느리게 누출된다.

기판들이 진공 챔버에 노출되는 회전 기간 동안, 이베포레이션(evaporation)과 같은 일반적인 PVD 기술을 이용하여 박막 구성물들(일반적으로 금속 종류들임)이 기판들의 하측 상에 피착될 수 있다. 기판들이 기판 지지 부재 상에서 산소 포켓 내로 회전될 때 산화 반응이 일어난다.

회전하는 산소 포켓 히터를 이용한 반응성 코이베포레이션은, 예를 들어 HTS 막의 성장에 필요한 높은 산소 압력 상태 하에서 발생할 수 있는 복잡성을 야기하지 않고 진공에서 금속들을 이베포레이팅할 수 있는 능력을 비롯하여 여러가지 이점들을 갖는다. 또한, 회전하는 산소 포켓 히터 기술은 비교적 큰 표면 영역을 갖는 기판들 상의 피착을 가능하게 해준다. 또한 이 기술은 동시에 여러 기판들 상에 HTS 물질을 피착시킬 수 있는 능력을 갖는다. 히터는 흑체 복사체와 거의 비슷하기 때문에, 서로 다른 기판 물질도 또한 이들이 서로 다른 흡수율을 가질지라도 동시에 통합될 수 있다. 최종적으로, 회전하는 산소 포켓 히터를 이용한 반응성 코이베포레이션은, 기판의 어떠한 면도 히터 본체와 직접 접촉하지 않기 때문에 기판의 양쪽 면상에 순차적으로 HTS 물질을 피착시킬 수 있게 해준다.

반응성 코이베포레이션 방법들이 HTS 박막의 형성에 매우 적절하지만, 반응성 코이베포레이션이 상업적으로 실용적인 제조 공정으로 구현될 수 있도록 이러한 방법들의 역량 및 안정성을 증가시킬 필요성이 남아 있다. 따라서, 반응성 코이베포레이션 피착 시스템들 및 방법들의 쓰루풋 및 신뢰성을 증가시킬 필요성이 존재한다.

<발명의 요약>

본 발명의 제1 양태에서, 반응성 코이베포레이션을 수행하기 위한 장치는, 포켓 히터를 포함하는 히터 챔버, 소스 홀더를 포함하고 밸브를 통해 히터 챔버에 결합되는 소스 챔버, 및 연장가능한 이송 암을 포함하고 밸브를 통해 히터 챔버에 결합되는 이송 챔버를 포함하며, 연장가능한 이송 암은, 밸브를 통해 히터 챔버로, 그리고 히터 챔버로부터 이동가능하며, 히터 챔버, 소스 챔버, 및 이송 챔버는 진공 소스에 결합되어 있다. 이 장치는 예를 들어 (RE)BCO와 같은 희토(rare earth; RE) 산화물을 포함하는 산화물 박막을 형성하는 데에 이용될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서, 정면 및 이면을 갖는 적어도 하나의 기판 상에 반응성 코이베포레이션을 수행하기 위한 장치는, 포켓 히터를 포함하는 히터 챔버, 소스 홀더를 포함하며 밸브를 통해 히터 챔버에 결합되는 소스 챔버, 적어도 하나의 기판을 고정시키기 위한 것으로 적어도 하나의 기판의 정면 및 이면중 한쪽 또는 양쪽 모두와 접촉함으로써 적어도 하나의 기판을 고정시키는 기판 지지 부재, 및 기판 지지 부재를 홀딩하기 위한 것으로 적어도 하나의 기판의 정면 및 이면 중 어느 하나 또는 양쪽 모두를 소스 챔버를 향해 노출시키도록 회전가능한 연장가능한 이송 암을 포함한다.

본 발명의 또다른 양태에서, 포켓 히터는, 원형의 꼭대기 플레이트를 포함하며 그 주위에 원통형 측벽을 갖는 히터 캡 또는 상부 히터 구역(이 원형의 꼭대기 플레이트 및 측벽은 내부에 히터 엘리먼트(예를 들면, 히터 와이어)를 가짐), 및 상부 및 하부 면을 갖는 하부 히터 플레이트(하부 히터 플레이트의 일부는, 하부 히터 플레이트의 상부 면으로부터 하부 면으로 관통되는 윈도우를 그 내부에 가지며, 또한 하부 히터 플레이트의 상부 면의 일부 내에 형성된 산소 포켓을 가짐)를 포함하며, 히터 캡은 하부 히터 플레이트의 면에 대해 수직인 방향으로 이동가능하다.

본 발명의 다른 양태에서, 반응성 코이베포레이션을 수행하기 위한 장치는, 히터 챔버 내에 배치된 포켓 히터, 연장가능한 이송 암을 포함하며 밸브에 의해 포켓 히터를 포함하는 히터 챔버에 결합되는 로딩 이송 챔버, 및 연장가능한 이송 암을 포함하며 밸브에 의해 포켓 히터를 포함하는 히터 챔버에 결합되는 언로딩 이송 챔버를 포함한다.

본 발명의 또다른 양태에서, 반응성 코이베포레이션을 수행하는 방법은, 히터 챔버 내에 배치되는 포켓 히터를 제공하는 단계(이 포켓 히터는, 포켓 히터의 일부를 관통하는, 수직으로 이동가능한 스핀들을 포함함), 연장가능한 이송 암을 포함하며 밸브에 의해 포켓 히터를 포함하는 히터 챔버에 결합되는 로딩 이송 챔버를 제공하는 단계, 및 소스 물질을 포함하는 소스 챔버를 제공하는 단계를 포함한다.

적어도 하나의 기판을 포함하는 기판 지지 부재가, 로딩 이송 챔버 내부의 연장가능한 이송 암 상에 로딩된다. 로딩 이송 챔버에 결합된 진공 펌프를 이용하여, 로딩 이송 챔버 내부에 진공 상태가 설정된다. 그 후, 포켓 히터를 포함하는 히터 챔버와 로딩 이송 챔버 사이의 밸브가 오픈되고 적어도 하나의 기판을 포함하는 기판 지지 부재가 연장가능한 이송 암을 이용하여 포켓 히터 내로 연장된다. 적어도 하나의 기판을 포함하는 기판 지지 부재가 연장가능한 이송 암으로부터 들어올려지도록 스핀들이 상승된다. 연장가능한 이송 암은 로딩되는 이송 챔버 내로 집어넣어지며, 정확한 기판 온도, 포켓 압력, 및 기판 지지 부재의 회전 속도가 확립된 후에 소스 물질이 이베포레이팅된다.

본 발명의 또다른 양태에서, 장치는, 원형의 꼭대기를 가지며 그 주위에 원통형 측벽을 갖는 히터 캡 또는 상부 히터 구역(이 원형의 꼭대기 및 측벽은 내부에 히터 엘리먼트를 가짐), 상부 및 하부 면을 갖는 하부 히터 플레이트(이 하부 히터 플레이트의 일부는 하부 히터 플레이트의 상부 면으로부터 하부 면으로 관통되는 윈도우를 그 내부에 가지며 또한 하부 히터 플레이트의 상부 면의 일부 내에 형성된 산소 포켓을 가짐), 및 z-조정 어셈블리를 포함한다.

본 발명의 일 양태에서, z-조정 어셈블리는, 하부 히터 플레이트 내의 센터 구멍을 통해 돌출되는 회전가능 스핀들, 스핀들에 기계적으로 결합된 모터, 및 롤러를 포함한다. 경사진 캠이 롤러와 맞물리며, 이 경사진 캠의 수평 방향으로의 이동은, 회전가능 스핀들, 모터 및 롤러가 z-방향으로 이동하게 한다.

본 발명의 또다른 양태에서, 반응성 코이베포레이션을 수행하기 위한 장치는, 포켓 히터를 포함하는 히터 챔버, 소스 홀더를 포함하며 밸브를 통해 히터 챔버에 결합되는 소스 챔버, 및 적어도 하나의 피착 모니터를 포함하며 밸브를 통해 포켓 히터를 포함하는 히터 챔버에 결합되는 모니터 챔버를 포함한다.

본 발명의 또다른 양태에서, 반응성 코이베포레이션을 수행하기 위한 장치는, 포켓 히터를 포함하는 히터 챔버, 및 코이베포레이션 소스 물질을 포함하는 소스 챔버를 포함하며, 소스 챔버는 밸브를 통해 히터 챔버에 결합된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 포켓 히터에 대해 기판 지지 부재를 로딩 및 언로딩하는 방법은, (1) 원형의 꼭대기와, 이 원형의 꼭대기 주위의 원통형 측벽을 포함하는 히터 캡(예를 들면, 상부 가열 구역)을 갖는 포켓 히터를 제공하는 단계; (2) 상부 및 하부 면을 갖는 하부 히터 플레이트(예를 들면, 하부 가열 구역)를 제공하는 단계(하부 히터 플레이트의 일부는, 하부 히터 플레이트의 상부 면으로부터 하부 면으로 관통되는 윈도우를 그 내부에 가지며, 또한 하부 히터 플레이트의 상부 면의 일부 내에 형성된 산소 포켓을 가짐); (3) 복수의 기판들을 홀딩하기 위한 제1 회전가능 기판 지지 부재를 제공하는 단계(제1 회전가능 기판 지지 부재는 하부 히터 플레이트와 히터 캡 사이에 삽입됨); (4) 하부 히터 플레이트의 상부 면에 수직인 방향으로, 제1 회전 가능 기판 지지 부재로부터 떨어져 배치되어 있는 언로드 위치로 히터 캡을 이동시키는 단계; (5) 제1 회전가능 기판 지지 부재를 포켓 히터로부터 제거하는 단계; (6) 제2 회전가능 기판 지지 부재를 포켓 히터에 삽입하는 단계(제2 회전가능 기판 지지 부재는 히터 캡과 하부 히터 플레이트 사이에 삽입됨); 및 (7) 히터 캡을, 제2 회전가능 기판 지지 부재에 인접하여 배치된 로드 위치로 이동시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 목적은, 반응성 코이베포레이션을 이용하여 기판들 상에 피착/성장되는 여러 구성성분의 HTS 막들의 쓰루풋을 증가시키는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 피착 공정의 각종 양태들(예를 들면, 소스 물질 이베포레이션, 로딩, 언로딩, 모니터링, 피착)을, 서로 연결되어 있지만 개별적인 챔버들로 분리시키는 것이다. 이와 관련하여, 본 발명의 목적은 이들 챔버들을, 나머지 챔버들과는 독립적으로 펌핑될 수 있는 진공 소스들에 결합시켜서, 개별적인 챔버들중 하나 내에서 진공 상태가 깨어졌을 때 장치의 전체 펌핑 시간을 제한하는 것이다.

본 발명의 이들 및 또다른 목적은 이하에 보다 상세히 기술된다.

도 1은 본 발명의 하나의 바람직한 양태에 따른 반응성 코이베포레이션에 의해 산화물 박막의 높은 스루풋 피착에 사용되는 장치의 투시도를 나타낸 도면.

도 2A는 스핀들 상에 중력에 의해 홀딩된 기판 지지 부재를 도시한 도면.

도 2B는 도 2A에 도시된 기판 지지 부재의 하측을 도시한 도면.

도 3A는 스핀들 상에 중력에 의해 홀딩된 기판 지지 부재를 도시한 도면.

도 3B는 도 3A에 도시된 기판 지지 부재의 하측을 도시한 도면.

도 4A는 기판 지지 부재 홀더에 의해 주변이 둘러싸이도록 홀딩되는 기판 지지 부재를 도시한 도면.

도 4B는 기판 지지 부재 홀더 및 스핀들을 도시한 도면.

도 5A는 피착 챔버를 도시한 도면으로서, 스핀들을 구동하는 모터가 이 피착 챔버에 대해 외부에(꼭대기에) 위치되는 것을 나타낸 도면.

도 5B는 피착 챔버를 도시한 도면으로서, 스핀들을 구동하는 모터가 이 피착 챔버에 대해 외부에(바닥에) 위치되는 것을 나타낸 도면.

도 6A는 결합기를 통해 스핀들에 결합되는 모터를 도시한 도면.

도 6B는 기어를 통해 스핀들에 결합된 모터를 도시한 도면.

도 6C는 벨트를 통해 스핀들에 결합된 모터를 도시한 도면.

도 7A는 기판 지지 부재를 수용하기 위한 슬롯을 내부에 갖는 히터 엘리먼트의 탑 다운(top down) 도면(슬롯의 폭은 각도 α로 나타냄).

도 7B는 기판 지지 부재를 수용하기 위한 슬롯을 내부에 갖는 히터 엘리먼트의 탑 다운 도면(슬롯의 폭은 각도 β로 나타냄).

도 8A는 스핀들이 통과하는 히터 엘리먼트를 나타낸 도면.

도 8B는 스핀들이 부분적으로 통과하는 히터 엘리먼트를 나타낸 도면.

도 9는 하부 히터 플레이트(예를 들면, 구역(zone))와 상부 히터 플레이트(예를 들면, 구역) 사이에 삽입된 기판 지지 부재를 나타낸 도면.

도 10A는 분리가능 히터 엘리먼트의 일 실시예를 나타낸 도면.

도 10B는 분리가능 히터 엘리먼트의 다른 실시예를 나타낸 도면.

도 10C는 분리가능 히터 엘리먼트의 다른 실시예를 나타낸 도면.

도 10D는 분리가능 히터 엘리먼트의 다른 실시예를 나타낸 도면.

도 10E는 분리가능 히터 엘리먼트의 다른 실시예를 나타낸 도면.

도 11은 하부 히터 플레이트에 대해 이동가능한 히터 엘리먼트의 실시예를 나타낸 도면.

도 12는 고정된 히터 엘리먼트에 대해 이동가능한 하부 히터 플레이트의 실시예를 나타낸 도면.

도 13은 서로에 대해 이동가능한 하부 히터 플레이트 및 기판 지지 부재를 나타낸 도면.

도 14는 도 1에 도시된 장치의 히터 챔버 내부에 이용되는 포켓 히터의 부분 분해도.

도 15는 포켓 히터의 하부 플레이트 히터 부분의 꼭대기 쪽을 나타낸 도면으로서, 산소 포켓, 및 소스 챔버를 향해 관통하는 윈도우가 도시된 도면.

도 16A는 도 1에 도시된 장치의 히터 챔버의 내부에 사용되는 포켓 히터의 다른 실시예의 측면도.

도 16B는 도 16A에 도시된 포켓 히터의 하부 투시도.

도 17A는 기판 지지 부재를 홀딩하는, 수직으로 방향이 정해진 스핀들(vertically oriented spindle)을 나타낸 도면(여기서, 스핀들이 피착 챔버의 꼭대기를 관통함).

도 17B는 기판 지지 부재를 홀딩하는, 수직으로 방향이 정해진 스핀들을 나타낸 도면(여기서, 스핀들이 피착 챔버의 바닥을 관통함).

도 18은 z-조정 어셈블리의 실시예를 나타낸 도면(여기서, 모터 및 스핀들은 하나의 유닛으로서 이동가능함).

도 19A는 z-조정 장치의 정면도(여기서, 모터의 샤프트는 결합기를 통해 스 핀들에 결합됨).

도 19B는 도 19A의 z-조정 장치의 측면도.

도 19C는 z-조정 장치의 정면도(여기서, 모터의 샤프트는 벨트를 통해 스핀들에 결합됨).

도 20A는 수평 피드쓰루(feedthrough) 및 타원형 캠을 이용하는 z-조정 장치의 정면도.

도 20B는 도 20A의 z-조정 장치의 측면도.

도 21A는 수직으로 방향이 정해진 지지 플레이트를 올리고 내리기 위해 시저 잭 장치(scissor jack device)를 구동시키는, 수평으로 방향이 정해진 회전식 피드쓰루를 이용하는 z-조정 장치의 정면도.

도 21B는 도 21A의 z-조정 장치의 측면도.

도 22는 잭 스크류를 구동시키는, 수직으로 방향이 정해진 회전식 피드쓰루를 이용하는 z-조정 장치를 나타낸 도면.

도 23은 수직으로 방향이 정해진 지지 플레이트를 올리고 내리기 위해 수평 피드쓰루 및 캠을 이용하는 z-조정 장치를 나타낸 도면.

도 24는 수직 지지 플레이트 상에 위치된 모터 어셈블리 및 스핀들 샤프트를 나타낸 도면.

도 25는 하부 플레이트 히터의 꼭대기 상에 로딩된 기판들을 포함하는 기판 지지 부재를 나타낸 도면.

도 26은 수직 지지 플레이트 상에 위치된 모터 어셈블리 및 스핀들 샤프트를 나타낸 도면.

도 27은 도 26에 도시된 모터 어셈블리 및 스핀들 샤프트를 올리고 내리는 데에 이용되는 캠 장치를 나타낸 도면.

도 28A는 하나 이상의 QCM을 저장하는 데에 이용되는 로드-록(load-lock) 챔버의 일 양태를 나타낸 도면.

도 28B는 하나 이상의 QCM을 저장하는 데에 이용되는 로드-록 챔버의 다른 양태를 나타낸 도면.

도 29는 세 개의 QCM이 내부에 배치되어 있는 로드-록 챔버를 나타낸 도면.

도 30은 로드-록 챔버의 다른 실시예를 나타낸 도면(여기서, 이 챔버의 하측은 피착 챔버로의 접근을 제공하기 위한 구멍을 가짐).

도 31A는 로드-록 챔버의 다른 실시예를 나타낸 도면(로드-록 챔버로의 밸브는 피착 챔버 내부에 위치되어 있음).

도 31B는 로드-록 챔버의 다른 실시예를 나타낸 도면(밸브는 로드-록 챔버의 하측에 배치되어 있으며 오픈될 때 피착 챔버로의 접근을 제공함).

도 31C는 도 31B에 도시된 로드-록 챔버의 탑 다운 도면.

도 32는 소스 챔버 내에 포함된 소스 물질의 이베포레이션을 모니터링하는 데에 이용되는 피착 모니터를 나타내는, 오픈 구성의 모니터 챔버의 투시도.

도 33A는 본 발명의 바람직한 일 양태에 따른 기판 지지 부재 및 기판을 나타낸 도면.

도 33B는 기판 지지 부재를, 도 1에 도시된 장치의 히터 챔버로 로딩하는 데 에 이용되는 이송 챔버를 나타낸 도면.

도 34는 도 1에 도시된 장치를 제어하고 이로부터 데이터를 얻기 위해 사용되는 컴퓨터를 도시한 도면.

도 1은 반응성 코이베포레이션에 의한, 산화물 박막의 높은 쓰루풋 피착에 이용되는 장치(2)의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 장치(2)는 예를 들면 MgB₂(Magnesium diboride)와 같은 비산화물(non-oxide) 물질을 피착시키는 데에도 또한 이용될 수 있다. 본 명세서에 마치 전체가 개시된 것처럼 참조로 포함되는, 발명의 명칭이 "Growth of In-Situ Thin Films By Reactive Evaporation"인 미국 특허 출원 10/726,232에서는 포켓 히터 장치를 이용하여 MgB₂를 형성하는 방법을 개시하고 있다. 장치(2)를 이용하여 다양한 물질들이 피착될 수 있음을 이해해야 한다. 이들 물질로서는, 복합 산화물, 루테늄산염(ruthenates), 망간산염(manganates), 티탄산염(titanates), 자성 물질, 압전기체, 유전체, 강유전체, 반도체, 질화물 등을 들 수 있지만, 이는 예시이며 한정을 의미하는 것은 아니다. 장치(2)는 프레임(4) 상에 위치되는 몇몇 서브시스템, 또는 전체 장치(2)를 형성하도록 통합되는 그 밖의 다른 지지 구조체를 포함하는 것이 바람직하다. 장치(2)는 복수의 개별적인 챔버들, 즉 히터 챔버(10), 소스 챔버(30), 두 개의 이송 챔버들(40, 50), 및 모니터 챔버(60)를 포함할 수 있다.

히터 챔버(10)는 예를 들어 진공 펌프와 같은 진공 소스(12)에 결합된다. 진공 소스(12)는, 예를 들어 게이트 밸브와 같은 밸브(14)에 의해 히터 챔버(10)로부터 분리된다. HTS 막을 피착시키기 전에, 진공 소스(12)를 이용하여 히터 챔버(10)가 비워진다.

장치(2)는 또한, 피착 공정에 이용되는 플럭스(flux) 물질의 소스(80a, 80b, 80c)를 포함하는 소스 챔버(30)를 포함한다. 소스 챔버(30)는 예를 들어 진공 펌프와 같은 진공 소스(32)에 마찬가지로 연결된다. 소스 챔버(30)는 예를 들어 게이트 밸브와 같은 밸브(34)에 의해 진공 소스(32)로부터 분리된다.

히터 챔버(10)와 소스 챔버(30) 사이에 밸브(36)가 또한 배치된다. 밸브(36)는 게이트 밸브인 것이 바람직하다. 게이트형 구조는 바람직하게도, 두 개의 챔버들(즉, 히터 챔버(10) 및 소스 챔버(30))이 개별적으로 진공으로 펌핑되는 것을 허용한다. 이는 중요한데, 그 이유는 예를 들면 소스 챔버(30) 내에 위치한 플럭스 소스들이, 히터 챔버(10)를 방해하거나 이를 대기 상태에 노출시키지 않고 변경될 수 있기 때문이다. 마찬가지로, 소스 챔버(30) 내부의 진공 상태를 방해하지 않고 히터 챔버(10) 내에 포함된 구성 요소들에 대해 유지보수 등이 수행될 수 있다. 이러한 구성은, 필요한 총 "펌핑" 시간을 감소시키는데, 그 이유는 장치(2)의 여러 서브시스템들을 분리함으로써 펌핑되어야 하는 공간의 부피가 감소되기 때문이다. 이는 장치(2)의 전체 쓰루풋을 증가시키는 것을 돕는다.

계속해서 도 1을 참조하면, 장치(2)는 히터 챔버(10)의 외벽 상에 장착된 두 개의 이송 챔버들(40, 50)을 포함한다. 하나의 이송 챔버(40)는 로딩 챔버이고 나머지 이송 챔버(50)는 언로딩 챔버인 것이 바람직하다. 이송 챔버들(40, 50) 양쪽 모두는 예를 들어 진공 펌프와 같은 진공 소스(42, 52)에 결합된다. 이송 챔버들(40, 50)은 개별적인 진공 소스들(42, 52)에 결합될 수 있으며, 혹은 대안적으로는 동일한 진공 소스에 결합될 수도 있다. 두 개의 이송 챔버들(40, 50)은 밸브(41)에 의해 히터 챔버(10)로부터 분리된다. 언로딩 챔버(50)는 또한 산소 소크(oxygen soak)로서 이용될 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 따라서 장치(2)는 제어가능 밸브들을 통해 서로 연결되어 있는 5개의 개별적인 진공 챔버들(즉, 히터 챔버(10), 소스 챔버(30), 두 개의 이송 챔버들(40, 50), 및 모니터 챔버(60))로 구성된다. 물론, 다른 실시예에서는, 장치(2)는 5개보다 더 적은 챔버들(50)을 가질 수도 있고, 혹은 이와 달리 5개의 챔버들(50)보다 더 많은 챔버를 가질 수도 있다. 이들 챔버들 각각은 원할 경우 다른 챔버들과는 독립적인 진공 압력으로 펌핑될 수 있다. 이와 관련하여, 임의의 하나 또는 여러 챔버들이 대기로 벤팅(venting)되는 반면에 나머지 챔버들은 진공 하에 남아 있을 수 있다. 이로 인해, 플럭스 소스들을 소스 챔버(30)로 리로딩하거나, 모니터 챔버(60) 또는 히터 챔버(10) 내의 피착 모니터들(64)을 교체 및/또는 조정하거나, 기판 지지 부재(110)(예를 들면, 캐리어)를 히터 챔버(10)에 대해 로딩/언로딩하거나, 혹은 하나 이상의 챔버들 내의 구성요소들에 대한 유지 보수 등을 위해 장치(2)의 부품들을 클리닝하기 위해 오픈될 때마다 전체 장치(2)를 펌핑할 필요성이 없어진다.

본 발명의 일양태에서, 도 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 5A 및 5B를 참조하면, 기판 지지 부재(110)는 센터 구멍(113)을 통해 수직으로 방향이 정해진 스핀 들(112) 상에 홀딩된다. 수직으로 방향이 정해진 스핀들(112)은 위 또는 아래 중 어느 한 쪽에서 기판 지지 부재(110)를 홀딩할 수 있다. 도 2A 및 도 2B는, 기판 지지 부재(110)가, 센터 구멍(113)을 통과하는 스핀들(112)에 의해 아래쪽에서 홀딩되는 일 실시예를 나타내고 있다. 이 실시예에서, 기판 지지 부재(110)는 스핀들(112)에 의해 중력에 의해 홀딩된다. 다른 실시예에서는, 도 3A 및 도 3B에 도시된 바와 같이, 수직으로 방향이 정해진 스핀들(112)이 위에서 기판 지지 부재(110)를 홀딩한다. 예를 들면, 스핀들(112)은 센터 구멍(113)을 통과하여, 기판 지지 부재(110)를 고정시키는 부착 부재(115)에서 종결될 수 있다. 또다른 실시예에서는, 도 4A 및 도 4B에 도시된 바와 같이, 기판 지지 부재(110)는 기판 지지 부재 홀더(117)를 통해 둘러싸이도록 홀딩된다.

기판 지지 부재(110)는 스핀들(112)의 회전 이동에 의해 회전될 수 있다. 기판 지지 부재(110)와 스핀들(112) 사이의 마찰 피트(frictional fit)는 스핀들(112)의 회전 이동을 기판 지지 부재(110)에 부여한다. 스핀들(112)(및 이에 따른 기판 지지 부재(110))은 모터(예를 들면 후술하는 모터(122))를 통해 구동될 수 있다. 도 5A 및 도 5B에 도시된 바와 같이, 모터(122)는, 기판 지지 부재(110)를 포함하는 피착 챔버(예를 들면, 챔버(10)) 내에, 또는 피착 챔버(10)의 외부에 위치될 수 있다. 모터가, 기판 지지 부재(110)를 홀딩하는 피착 부재(10)의 외부에 위치되는 경우, 스핀들(112)은, 기판 지지 부재(110) 및 진공 챔버의 위 또는 아래 중 어느 하나에 위치된 회전식 진공 피드쓰루에 연결될 수 있다. 도 5A 및 도 6A에 도시된 바와 같이 모터는 스핀들(112)에 기계적으로 직접 결합될 수 있다. 이 와 달리, 도 5B, 도 6B 및 도 6C에 도시된 바와 같이, 모터는 기어(111), 벨트(126), 체인 등을 통해 스핀들(112)에 기계적으로 결합될 수 있다.

전술한 바와 같이, 기판 지지 부재(110)는 박막 형성 동안 이용되는 히터 챔버(10)에 적어도 부분적으로 수용된다. 본 발명의 일 양태에서, 히터 챔버(10)는 거의 흑체(near-blackbody) 복사체인 포켓 히터(100)를 포함한다. 포켓 히터(100)는 하나 이상의 히터 엘리먼트(101)(예를 들면, 구역(zone)), 및 이송 메카니즘(예를 들면, 이송 암(arm))을 통해 기판 지지 부재(110)가 삽입 및 철회될 수 있는 슬롯(10b)(도 7A 및 도 7B 참조)을 포함한다. 그러면 스핀들(112)은, 기판 지지 부재(110)를 지지 및 회전시키기 위해 포켓 히터(100)의 위 또는 아래로부터 연장될 수 있다. 도 8A 및 도 8B는 두 개의 예시적인 실시예를 나타내는데, 여기서 스핀들(112)은 히터 챔버(10) 내의 히터 엘리먼트를 관통한다.

전술한 구성은 기판 지지 부재(110)가 예를 들어 도 7A에 도시된 바와 같이, 일방향으로 히터 내에 삽입되고 이로부터 제거될 수 있게 해준다. 대안적으로는, 도 7B에 도시된 바와 같이, 기판 지지 부재(110)는 더 긴 슬롯(10b)를 이용하여 여러 방향으로(예를 들면 측면들로부터) 히터 내에 삽입되고 이로부터 제거될 수 있다.

박막 형성 공정 동안, 최소 온도 ― 이 최소 온도를 초과하면 기판 지지 부재(110)가 히터 챔버(10)로부터 제거될 수 없음 ― 가 존재할 수 있다. 이는, 기판 지지 부재(110)가 너무 뜨겁기 때문일 수 있으며, 혹은 히터 챔버(10)로부터 제거될 피착되는 박막(예를 들면, (RE)BCO)이 그들의 구조적 상 천이 온 도(structural phase transition temperature)보다 너무 높기 때문일 수 있다. 따라서, 기판 지지 부재(110)가 히터 엘리먼트(101)에 가깝게 유지되는 경우, 기판들(116)(예를 들면, 웨이퍼)의 냉각 시간이 히터 엘리먼트(101)의 냉각 시간으로 제한될 것이다. 기판 지지 부재(110)는 균일하게 가열되어야 하기 때문에, 히터 엘리먼트(101)는 일반적으로 크며, 또한 긴 냉각 시간을 필요로 한다. 히터 엘리먼트(101) 및 기판 지지 부재(110)에 포함된 열을 빼내기 위해 냉각 코일 등을 이용함으로써 전체 냉각 시간을 감소시킬 수 있다. 코일 등과 같은 냉각 소자를 이용함에도 불구하고, 기판 지지 부재(110) 및 관련 기판들(116)의 냉각 시간은 히터 구성요소들에 의해 제한된다. 기판 지지 부재(110)(및 기판들(116))를 히터 엘리먼트(101)로부터 물리적으로 분리함으로써 기판 지지 부재(110) 및 기판들(116)이 급속하게 냉각될 수 있는 것이 이상적이다.

포켓 히터(100)가 히터 챔버(10)에 사용되는 경우, 기판 지지 부재(110)는 산소 포켓 영역 가까이에 위치되어야 하는데, 그 이유는 산소 포켓 근처에 작은 갭이 유지될 것이 요구되기 때문이다. 일실시예에서, 산소 포켓 영역은 하부 히터 구역 또는 엘리먼트와 함께 구성요소로서 형성될 수 있다. 이러한 경우, 꼭대기 및/또는 측면 히터 구역들은, 예를 들어 도 9(기판 지지 부재(110)로부터 어느 정도 떨어져 배치된 꼭대기 구역을 도시하고 있음)에 도시된 바와 같이 기판 지지 부재(110)로부터 멀리 떨어져 위치될 수 있다. 이러한 구성은, 기판 지지 부재(110)가 히터 및 히터 챔버(10) 내로 들어가고 이로부터 나올 수 있게 해준다. 그러나, 히터 구역들은 원하는 기판(116) 온도보다 더 높아야 하는데, 그 이유는 히터(100) 가 더 이상 흑체 복사체로서 동작하지 않기 때문이다. 산소 포켓이 직접 가열되지 않을 경우, 히터 엘리먼트(들)(101)는, 원하는 기판(116) 온도보다 훨씬 더 고온이어야 할 것인데, 이는 설계를 더 복잡하고 비실용적으로 만들 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 히터 엘리먼트(들)(101)를, 박막의 피착에 이어서 기판 지지 부재(110)로부터 물리적으로 분리시키는 해결책이 제안된다. 이는, 기판 지지 부재(110)로부터 멀어지도록 히터 엘리먼트(들)(101)를 이동시키거나, 혹은 이와 달리 히터 엘리먼트(들)(101)로부터 멀어지도록 기판 지지 부재(110)를 이동시킴으로써 달성될 수 있다. 바람직하게도, 기판 지지 부재(110)는 히터 엘리먼트(들)(101)로부터 제거되어 자유롭게 또는 능동적으로 산소 중에서 냉각될 수 있다. 또한, 히터 엘리먼트(들)(101)와 연관하여 기판 지지 부재(110)를 이동시킴으로써(혹은, 기판 지지 부재(110)와 연관하여 히터 엘리먼트(들)(101)를 이동시킴으로써), 기판 지지 부재(110)(및 관련 기판들(116))을 피착 챔버(예를 들면, 히터 챔버(10)) 내에 이송시키고 이로부터 빼내는 것을 돕는다.

포켓 히터(100)가 흑체 유형 오븐이거나 그와 유사한 것으로 가정하여, 도 10A-10E, 도 11 및 도 12는 기판 지지 부재(110)와 연관하여 히터 엘리먼트(들)(101)를 이동시키는 몇몇 예시적인 방식을 도시한다. 일반적으로, 도 10A-10E, 도 11 및 도 12에 도시된 실시예들은 기판 지지 부재(110)가 위 또는 아래로부터 히터 엘리먼트(101)로부터 수직 방향으로(즉, 상승 방향) 이동할 수 있게 해주고, 또한 히터 챔버(10)로부터 수평으로 이동될 수 있게 해준다. 예를 들면, 도 10A는, 히터 엘리먼트들(101)이, 화살표 A 및 B의 방향으로 각각의 절반을 이동시 킴으로써, 2등분으로 분리(예를 들면, 꼭대기 및 측부 가열 구역들, 또는 꼭대기, 측부, 및 하부 가열 구역들)되는 실시예를 나타낸다. 도 10B는 두 개의 절반부가 오픈되게 해주는 수직 힌지(107)가 제공되는 실시예를 나타낸다. 도 10C는 수평으로 위치된 힌지(107)가 꼭대기 및 측부 히터 엘리먼트들(101)의 오픈을 가능하게 해주는 실시예를 나타낸다. 도 10D는, 수평으로 위치된 힌지(107)가 꼭대기 히터 엘리먼트(101) 또는 구역이 나머지 히터 엘리먼트(101)(예를 들면 측부 히터 엘리먼트)에 대해 플립(flip) 오픈될 수 있게 해주는 실시예를 나타낸다. 또다른 실시예에서는, 도 10E에 도시된 바와 같이, 수직 힌지(107)는, 꼭대기 히터 엘리먼트(101)가 나머지 히터 엘리먼트(들)(101)에 대해 선회하거나 스윙할 수 있게 해준다.

도 11 및 도 12는, 히터 엘리먼트(101)가 바닥 히터 엘리먼트 또는 구역(101a)(예를 들면, 하부 히터 플레이트) 및 두 개의 상부 히터 엘리먼트들 또는 구역들(101b, 101c)(예를 들면, 히터 캡)을 포함하는 또다른 실시예들을 나타낸다. 일 양태에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 두 개의 상부 히터 구역들(101b, 101c)은 하부 히터 구역(101a)에 대해 수직으로 이동하며, 이에 따라 히터 엘리먼트(101)가 그 내부에 포함된 기판 지지 부재(110)(도 11 및 도 12에는 도시하지 않음)로부터 분리될 수 있게 된다. 또다른 실시예에서는, 도 12에 도시된 바와 같이, 상부 히터 구역들(101b, 101c)은 고정된 채로 유지되고 하부 히터 구역(101a)은 수직 방향으로 이동가능하다. 도 13은 이동가능한 기판 지지 부재(110)와 연관되어 이동가능한 히터 엘리먼트(101a)를 나타낸다. 이 히터 엘리먼트(101a)는 산소 포켓을 포 함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다.

본 발명의 일 양태에서, 히터 챔버(10)는, 다중 구성요소의 HTS 산화물 박막을 피착 및/또는 성장시키는 데에 이용되는, 회전 구동되는 포켓 히터(100)를 포함한다. 도 14는 포켓 히터(100)에 이용되는 여러 구성요소들을 나타낸다. 포켓 히터(100)는, 원형의 상부 플레이트 면(102(a))과 아래 방향으로 돌출되는 원통형 측벽(102(b))(도 11 및 도 12에 도시된 바와 같은 가열 구역(101c))을 포함하는 가열된 캡 부분(102)(예를 들면, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같은 상부 가열 구역(101b))을 포함하는데, 원통형 측벽(102(b))은, 포켓 히터(100)의 각종 구성요소들이 삽입되는 내부 부분(102(c))을 형성한다(후술함). 가열된 캡 부분(102)은, 상부 면(102(a)) 및 원통형 측벽(102(b))을 형성하도록 감싸여지는 절연된 히터 와이어(히터 엘리먼트)로 제조될 수 있다. 상부 면(102(a)) 및 원통형 측벽(102(b)) 각각은 하나의 절연 와이어 세그먼트로 형성되어서 상부 면(102(a)) 및 원통형 측벽(102(b))이 온도 균일성을 위해 서로 독립적으로 가열될 수 있는 것이 바람직하다. 절연 와이어를 통해 전류가 흘러서 열을 발생시키게 된다.

포켓 히터(100)의 가열된 캡 부분(102)은 바람직하게도 z-방향으로 이동가능하여 포켓 히터(100)를 오픈하고 이에 따라 기판 지지 부재(110)(후술함)가, 박막이 피착되기 전에 포켓 히터(100)에 로드되고 피착후 제거될 수 있다. 예를 들면, 가열된 캡 부분(102)은, 도 1에 도시된 바와 같이 히터 챔버의 꼭대기 벽을 통해 연장되는 액츄에이터(103)에 고정된다. 액츄에이터(103)는 포켓 히터(100)의 가열된 캡 부분(102)에 수직 이동(즉, z-방향으로의 이동)을 제공한다.

도 14 및 도 15를 참조하면, 본 장치의 일 양태에서, 포켓 히터(100)는, 제3의 독립적인 가열 구역인 하부 히터 플레이트(104)(예를 들면, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같은 하부 히터 구역(101a))를 포함한다. 하부 플레이트 히터(104)는 고정되어 있으며, 히터 챔버(10)의 꼭대기, 바닥, 또는 측벽에 고정되어 있을 수 있다. 하부 히터 플레이트(104)는 원하는 형상으로 가공된 하나의 금속 조각, 바람직하게는 INCONEL로 형성되는 것이 바람직하다. 물론, 히터 플레이트(104)는 그 밖의 다른 물질로 형성될 수도 있다. 하부 플레이트 히터(104)는, 이 플레이트를 완전하게 관통하여 소스 챔버(30) 및 그 내부에 포함된 소스 플럭스에 노출되는 윈도우 개구(104(a))(도 15에 가장 잘 도시됨)를 포함하도록 가공된다.

하부 플레이트 히터(104)는 또한 하부 플레이트 히터(104)의 상부 면 내로 가공되는 포켓(104(b))(도 15에 가장 잘 도시됨)을 포함한다. 장치(2)의 동작 동안, 박막 성장/피착의 반응 부분을 위해 예를 들면 산소(O₂) 가스가 포켓(104(b))에 주입된다. 산소 가스는 하나 이상의 포트(105)를 통해 포켓(104(b))에 주입된다. 하부 플레이트 히터(104(c))의 하측은 포켓(도시하지 않음)을 포함하는데, 이 포켓 내에 절연 열 배선이 브레이징(brazing)된다. 이 배선을 통해 전류가 흘러서 하부 플레이트 히터(104)를 가열시킨다. 본 명세서에 마치 전체가 개시된 것처럼 참조로 포함되는 미국 특허 제5,126,533호에서는, 이러한 유형의 히터를 형성하기 위해 절연 와이어를 브레이징하는 방법이 개시되어 있다.

대안적으로, 완전히 분리된 산소 포켓 부재(108)가 하부 히터 구역과는 독립 적으로 존재할 수 있다. 예를 들어 도 16A 및 도 16B에 도시된 바와 같이, 산소 포켓 부재(108)는, 하부 히터 구역의 일부가 아닐 수도 있는 산소 포켓(108a)을 포함한다. 따라서, 산소 포켓 부재(108)는 히터 엘리먼트들을 포함할 수도 있고 혹은 포함하지 않을 수도 있다. 일반적으로, 산소 포켓(108a)의 용도는 막 산화를 위해 기판들에 인접하는 국부적인 산소 영역을 제공하는 것이다. 이러한 구성에서, 산소 포켓 부재(108) 및 기판 지지 부재(110) 양쪽 모두는 의사(quasi)-흑체 히터 내에 포함되며, 이 의사-흑체 히터의 히터 엘리먼트들은 산소 포켓 부재(108) 및 지지 플레이트 양쪽 모두를 여러 측면에서 혹은 모든 측면에서 둘러쌀 수 있다. 산소 포켓 부재(108)는 예를 들면, 원하는 형상으로 가공되는 INCONEL과 같은 하나의 금속 조각으로 형성되는 것이 바람직하다. 물론, 산소 포켓 부재(108)는 그 밖의 다른 물질로도 형성될 수 있다. 산소 포켓 부재(108)는, 이 산소 포켓 부재(108)를 완전하게 관통하여 소스 챔버(30) 및 그 내부에 포함된 소스 플럭스에 노출되는 윈도우 개구(108b)를 포함하도록 가공된다. 이 실시예에서, 하부 히터 구역(101a)은, 감싸여진 절연 히터 와이어(히터 엘리먼트)로 제조될 수 있다. 하부 히터 구역(10a)은 하나의 절연 와이어 세그먼트로 제조될 수 있어서 하부 히터 구역(101) 및 히터 구역들(10b, 101c)은 온도 균일성을 위해 서로 독립적으로 가열될 수 있게 된다.

다시 도 14 및 도 16A를 참조하면, 포켓 히터(100)는, 하부 플레이트 히터(101a) 아래에 배치된 히트 실드(106)를 포함하는 것이 바람직하다. 도 14에 도시된 바와 같이, 히트 실드(106)는 그 내부에 윈도우(106(a))를 포함하는데, 이는 하부 플레이트 히터(104)의 윈도우 개구(104(a))와 플럭스 소스를 포함하는 소스 챔버(30)로의 접근을 제공한다.

이제 도 17A, 17B, 18, 19A, 19B, 19C, 20A, 20B, 21A, 21B, 22 및 23을 참조하면, 회전하는 기판 지지 부재(110)와 산소 포켓(104(b)) 사이의 갭을 조정하기 위해 z-조정 어셈블리(121)가 제공되는데, 이 z-조정 어셈블리(121)는 하부 플레이트 히터(104) 내에 존재할 수도 있고(예를 들어 도 14 및 도 15 참조), 혹은 개별적인 산소 포켓 부재(108)의 일부로서 존재할 수도 있다. 갭의 폭은, 산소 포켓(104b, 108a) 및 피착 챔버 간의 높은 압력 차를 유지하기 위해 중요하다. 작고 균일한 갭이 바람직한데, 그 이유는 이러한 갭이 포켓(104b, 108a)으로부터의 임의의 산소 누출을 최소화하면서 포켓(104b, 108a) 내의 산소 압력을 최대화하기 때문이다. 또한, 작고 균일한 갭은 피착 챔버 내에서의 백그라운드 압력을 최소화한다. 갭의 크기는 하부 플레이트 히터(104) 또는 산소 포켓 부재(108) 및 기판 지지 부재(110)의 온도뿐만 아니라 그들 각각의 열 이력에 따라 달라진다. 이들 구성요소들은 온도의 함수로서 확대 및 축소되며, 이들은 또한 온도 프로파일 및 히터 램프(ramp) 사이클에 따라 서로 다른 정도로 왜곡된다.

따라서, 최적의 갭 폭을 유지하기 위해 실행되는 가열 사이클 및 피착 동안에 언제라도 갭을 인 시츄로 조정할 필요가 있다. 이를 달성하기 위해, 기판 지지 부재(110)(기판들(116)을 포함함) 또는 하부 플레이트 히터(104) 또는 산소 포켓 부재(108) 중 어느 하나가 도 13에 일반적으로 도시된 바와 같이 수직으로 조정될 수 있는 것이 필요하다.

본 발명의 일 양태에서, 하부 플레이트 히터(104) 또는 산소 포켓 부재(108)는 캠, 가위, 잭 스크류, 엄지 나사, 서보, 및 당업계에 알려진 기타 메카니즘을 이용하여 수직으로 조정된다. 다른 실시예에서는, 기판 지지 부재(110)는, 예를 들면 도 17A, 17B, 18, 19A, 19B, 19C, 20A, 20B, 21A, 21B, 22 및 23에 도시된 바와 같이, 스핀들(112)의 수직 이동에 의해 수직으로 조정된다. 도 17A는, 기판 지지 부재(110)를 그 꼭대기에서 홀딩하고 히터 챔버(10)의 꼭대기를 통과해 연장되는 z-조정가능 스핀들(112)을 도시한다. 스핀들(112)은, 스핀들(112) 및 기판 지지 부재(110)를 회전 구동시키기 위한 모터(도시하지 않음)에 연결되거나 결합될 수 있다. 스핀들(112)은 선형 진공 피드쓰루 또는 선형 슬라이드(또는 기타 호환가능한 z-조정 메카니즘들)를 이용하여 수직 방향(화살표 A)으로 조정될 수 있다. 도 17B는, 스핀들(112)이 기판 지지 부재(110)를 그 아래쪽에서 홀딩하고 히터 챔버(10)의 바닥을 통과하여 연장되는 실시예를 도시한다. 스핀들(112)은 화살표 A의 방향으로 회전 구동되고 상승/하강될 수 있다.

본 발명의 일 양태에서, 도 18에 도시된 바와 같이, 전체 스핀들(112)이 피착 챔버(즉, 히터 챔버(10)) 내부에 위치되며, 이하에 더 자세히 설명될 진공내(in-vacuum) 모터 어셈블리를 통해 구동된다.

적절한 결합 메카니즘이 사용될 경우, 스핀들(112)은 진공내 모터(122)와는 개별적으로 이동될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 모터(122) 및 스핀들(112)은 하나의 유닛으로서 함께 움직이는 것이 바람직하다. 도 19A 및 도 19B는, 모터(122)의 샤프트가 결합기(123)를 통해 스핀들(112)에 결합되는 실시예를 나타낸다. 모 터(122)는 수직으로 방향이 정해진 지지 플레이트(118)에 고정되거나 혹은 부착된다. 도 19C는, 진공내 모터(122)가 벨트(126) 등을 통해 스핀들(112)에 고정되는 다른 실시예를 나타낸다.

도 20A 및 도 20B는, 회전식 샤프트(125)가 수직으로 방향이 정해진 지지 플레이트(118)를 이동시키는 회전가능 캠(127)을 구동시키는 실시예를 도시한 도면이다. 도 21A 및 도 21B는, 가위 잭 장치(129)를 구동시키는 수평으로 방향이 정해진 회전식 샤프트(125)를 도시한다. 도 22는 잭 스크류(131)를 구동시키는 수직으로 방향이 정해진 회전식 샤프트(125)를 도시한다. 다른 실시예에서는, 예를 들면 도 23에 도시된 바와 같이, 선형 피드쓰루(133)가, 수직으로 방향이 정해진 지지 플레이트(118)를 인게이징(engaging)하는 캠(132)을 구동시킨다. 본 발명의 또다른 양태에서, 제2 진공내 모터(도시하지 않음)가 샤프트/피드쓰루(125, 133) 및 캠(127, 133)을 구동시키는 데에 사용될 수 있으며, 이에 의해 진공 챔버로의 피드쓰루의 수를 최소화하게 된다.

도 24 및 도 25를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 양태에서, 수직으로 방향이 정해진 지지 플레이트(118)는 스핀들 샤프트 및 모터 어셈블리(120)(z-조정 어셈블리)를 포함한다. 지지 플레이트(188)는 예를 들면 도 24의 화살표 A로 나타낸 바와 같이 z-방향으로 이동가능하다. 스핀들 샤프트 및 모터 어셈블리(120)는 지지 플레이트(118)에 고정된 모터(122)(바람직하게는 진공내 모터(122))를 포함한다. 진공내 모터(122)는, 벨트(126) 또는 기타 연결 어셈블리를 통해 스핀들 샤프트(112(a))에 기계적으로 결합된 구동 샤프트(124)를 포함한다. 진공내 모터(122) 는 가변 속도 회전을 기판 지지 부재(110)에 제공한다. 지지 플레이트(118)는, 스핀들 샤프트 및 모터 어셈블리(120)를 z-방향으로 움직이는 데에 이용되는 롤러(128)를 더 포함한다(이하에 상세히 설명함). 다른 구성에서는, 모터 어셈블리(120)는 인 시츄가 아니라 익스 시츄(ex-situ)로 제공될 수 있다.

도 24 및 도 25를 참조하면, 본 발명의 일 양태에서, 기판 지지 부재(110)는, 포켓 히터(100)의 상부 히터 구역들(101b, 101c)과 하부 히터 구역(101a) 사이에 홀딩된다. 스핀들(112)은 히트 실드(106) 및 하부 플레이트 히터(104) 내에 위치한 센터 구멍을 통과한다. 스핀들(112)은 모터(이하에 상세히 설명함)에 회전가능하게 결합되며 또한 도 24의 화살표 A로 나타낸 바와 같이 z 방향으로 이동가능하다.

도 25는 회전가능한 스핀들(112) 상에 홀딩되는 기판 지지 부재(110)를 도시한 도면이다. 기판 지지 부재(110)는 중력에 의해 스핀들(112)의 상부 단부 상에 홀딩되는 것이 바람직하다. 기판 지지 부재(110)는, HTS 물질이 피착되는 기판들(116)을 수용하고 이들을 홀딩하는 기판 지지 부재(110) 내에 커팅(cutting)된 복수의 구멍들(114)을 포함한다. 기판들(116)은 예를 들면 MgO(magnesium oxide)로 형성된 기판들을 포함할 수 있다. 물론, 그 밖의 물질도 본 명세서에 개시된 본 발명에 따라 이용될 수 있다. 기판들(116)은, 구멍들(114)이 위치되는 기판 지지 부재(110)의 하부 에지를 따라 위치된 작은 핑거들 또는 릿지(ridge)에 의해 적소에 중력에 의해 홀딩되는 것이 바람직하다. 따라서, 기판 지지 부재(110)는, 가열 및 피착 공정 동안 기판들(116)의, 본질적으로 무접촉의 서스펜션을 허용한다.

또한, 이 구성은 기판(116)의 일측, 즉 도 25에 도시된 바와 같은, 기판의 하부측(116(a)) 상의 HTS 박막의 성장 및/또는 피착을 허용한다. 기판들의 상부측(또는 이면측)(116(b))은 방해받지 않으며(undisturbed), 기판(116)을 뒤집음으로써 후속 피착 공정에서 피착될 수 있다.

기판 지지 부재(110)는 더 적은 수의 더 큰 지름의 기판들(116) 또는 더 많은 수의 더 작은 지름의 기판들(116)을 수용하도록 설계될 수 있다. 또한, 기판 지지 부재 내의 구멍들(114)은 또한 서로 다른 형상들을 갖는 기판들(116)을 포함하도록 설계될 수 있다.

장치(2)는 바람직하게도, 포켓 히터(100)가 오픈될 때, 즉 가열된 캡 부분(102)이 하부 히터 플레이트(104)로부터 상승될 때 기판 지지 부재(110)가 히터 챔버(10) 내에 인 시츄로 삽입될 수 있게 해준다. 그러면, 가열된 캡 부분(102)은 가동 동안 기판 지지 부재(110) 위에 그 주위에서 하강되며 그 후 작업의 종료시 혹은 포켓 히터(100)가 충분히 냉각되었을 때 상승될 수 있다. 포켓 히터(100)를 오픈하고 기판 지지 부재(100)를 로드/언로드할 수 있는 이러한 능력은 피착 공정의 사이클 시간을 향상시키는데, 그 이유는 포켓 히터(100)가 냉각될 때 기판 지지 부재(110)가 포켓 히터(100)에 부착될 필요가 없기 때문이다. 오히려, 기판 지지 부재(110)는, 포켓 히터(100)가 그 가열 및 냉각 사이클을 통과하는 도중일 때에만 로드/언로드될 수 있다.

다른 실시예에서, 기판 지지 부재(110)는, 기판들의 하부 면(116(a)) 및 상부 면(116(b)) 양쪽 모두로부터 기판들(116)을 그리핑(gripping)하는 것을 허용하 여 전체 기판 지지 부재(110)가 피착 작업들 사이에 뒤집힐 수 있게 해준다. 바람직하게는, 기판 지지 부재(110)는 히터 챔버(10) 내에 또는 이송 챔버들(40, 50) 내에 인 시츄로 뒤집힐 수 있어서 장치(2) 내의 진공을 파괴할 필요없이 HTS 물질이 기판(116)의 제2 측(예를 들면, 상부측(116(b)) 상에 피착될 수 있어서, 장치(2) 및 공정의 쓰루풋을 현저하게 증가시킨다. 이 실시예에서, 이송 암(45)은 그 장축 주위로 회전가능하여 기판 지지 부재(110)를 일측에서 다른 측으로 플립시킬 수 있다.

도 26은 본 발명의 바람직한 양태에 따라 이용되는 진공 내 모터(122)를 도시한 도면이다. 진공 내 모터(122)는 인클로징된 압력 용기(122(b)) 내부에 하우징된 모터(122(a))를 포함한다. 압력 용기(122(b))는 모터(122(a))를 히터 챔버(10) 내부의 진공 상태로부터 효과적으로 분리시킨다. 구동 샤프트(124)는 진공 피드쓰루(도시하지 않음)를 통해 압력 용기(122(b))의 내부로부터 압력 용기(122(b))의 외부로 연장된다. 압력 라인(122(c))은 압력 용기(122(b))에 고정되며 모터(122(a))를 둘러싸는, 압력 용기(122(b))의 공간 내부에 압력이 가해진 건조 공기를 전달한다. 압력이 가해진 건조 공기는 모터(122(a))로부터 열을 제거한다. 모터(122(a))를 동작시키는 데에 필요한 전력 및 기타 제어 와이어들을 제공하기 위한 다른 도관(conduit)(122(d))이 압력 용기(122(b))에 결합된다.

다른 실시예에서, 모터(122)는, 공기 또는 가스의 압축된 소스 또는 압력이 가해진 소스에 의해 파워가 공급되는 공기 또는 가스로 구동되는 모터를 포함할 수 있다. 모터(122)의 속도 제어를 위해 기계적, 전기적, 또는 심지어는 광학적 피드 백이 사용될 수 있다.

도 27은 스핀들 샤프트 및 모터 어셈블리(120)에 z-방향 이동(도 27의 화살표 A)을 부여하는 데에 이용되는 예시적인 캠 장치(130)를 나타낸 도면이다. 캠 장치(130)는, 지지 플레이트(118)에 고정된 롤러(128)와 맞물리게 되는 여러 경사 면들(132(a), 132(b))을 갖는 캠(132)을 포함한다. 캠(132)은 스테인레스 스틸 플레이트의 솔리드 피스(solid piece)로부터 가공되는 것이 바람직하다. 제1 경사진 면(132(a))은 각도 α로 경사져 있으며, 제2 경사진 면(132(b))은 각도 β로 경사져 있다. 각도 β가 각도 α보다 큰 것이 바람직하다. 이러한 서로 다른 각도들은 스핀들 샤프트 및 모터 어셈블리(120)의 z-방향의 대략적이거나 미세한 경로 조정들을 가능하게 해준다. 다른 구성에서는, 캠(132)은 연속적이거나 혹은 반(semi)-연속적인 아크(도시하지 않음) 형태의 면을 가질 수 있다.

캠(132)은, 피드쓰루(133)를 통해 캠(132)에 연결되는 액츄에이터(134)에 의해 수형 방향(도 27에서 화살표 B)으로 이동가능하다. 액츄에이터(134)는 히터 챔버(10)의 외부에 위치되며 히터 챔버(10)의 측벽을 관통하는 피드쓰루(133)를 포함하는 것이 바람직하다. 액츄에이터(134)의 이동은, 피착 공정 동안 실시간으로 스핀들(112)(및 이에 따른 기판 지지 부재(110))의 동적인 움직임을 가능하게 해주는 컴퓨터(200)(도 34 참조) 또는 마이크로프로세서에 의해 제어되는 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 기판들(116)을 홀딩하는 기판 지지 부재(110)와 하부 히터 플레이트(104) 사이의 갭이 최적화될 수 있다.

장치(2)의 동작 동안, 지지 부재(110)를 히터 어셈블리로 로딩하고 이로부터 언로딩하고 지지 부재(110)와 히터 어셈블리를 분리하기 위해 기판 지지 부재(110)가 하부 히터 플레이트(104)로부터 상승 및 하강할 필요가 있을 경우 제2 경사진 면(132(b)), 즉 더 가파른 기울기를 갖는 면이 이용된다. 이와 대조적으로, 기판 지지 부재(110)를 하부 히터 플레이트(104)에 가능한한 가깝게 배치하여 기판 지지 부재(110)와 하부 히터 플레이트(104) 간의 갭을 조정하기 위해 기판 지지 부재(110)의 미세한 z-축 조정을 허용하는 데에 제1 경사진 면(132(a)), 즉 더 작은 경사를 갖는 면이 이용된다.

원하는 막 조성을 생성하기 위해서는, HTS 박막을 형성하는 데에 이용되는 금속의 이베포레이션 레이트가 주의깊게 모니터링 및 제어되어야 한다. 이러한 피착 공정을 모니터링하기 위해 QCM 및 관련 전자기기를 이용하는 것이 알려져 있지만, 이들 크리스털은 일반적으로 모든 피착 작업 후에 교체되어야 하는데, 그 이유는 특히 크리스털에 의해 생성된 신호에, 많은 양의 피착된 물질 및 산화물로부터의 소음이 삽입되는 경향이 있기 때문이다. 그러나, 이들 크리스털을 교체하기 위해 히터 챔버(10)를 오프닝하는 것은 바람직하지 않은데, 그 이유는 큰 부피의 히터 챔버(10)가 세정되고 다시 진공 상태로 펌핑되어야 하기 때문이다. 이는 장치의 쓰루풋에 악영향을 미친다. 그러나, 개별적인 모니터 챔버(60)를 갖는 본 장치(2)는, 히터 챔버(10)(또는 기타 챔버들)를 방해하지 않고 피착 모니터들(64)(예를 들면, QCM)의 교체를 가능하게 해준다.

도 28A, 28B, 29, 30, 31A, 31B, 및 31C는 모니터 챔버(60)의 양태들을 나타내는데, 여기서 QCM(또는 다른 레이트, 플럭스 또는 두께의 모니터들)은, 차별적으 로 펌핑되는 로드-록 챔버(70) 또는 하우징 내에 집어 넣어질 수 있다. 로드-록 챔버는 진공 소스(68)에 결합되어 차별적인 펌핑 양태를 제공한다. 본 실시예의 이점은, 작업 동안 혹은 작업들 사이에 진공을 깨거나 피착 챔버를 오픈하지 않고도 QCM(또는 그 밖의 센서들)의 교체를 가능하게 한다는 점이다. 또한, 진공 펌핑된 로드-록 챔버(70)는 QCM의 산소 노출을 최소화하는데 이러한 산소 노출은 이들의 레이트 모니터링 능력을 저하시킨다.

도 28A는 메인 피착 챔버(예를 들면, 히터 챔버(10))에 연결된 로드-록 챔버(70)를 도시한 도면이다. 로드-록 챔버(70)는, 피착 챔버의 내부를 로드-록 챔버(70)의 내부로부터 분리하기 위한, 게이트 밸브와 같은 밸브(72)를 포함한다. 도 28A로부터 알 수 있는 바와 같이, QCM(센서(들)(64))을 피착 챔버로 및 그로부터 옆 방향으로 이동시키는 데에 진공 벨로우(bellow) 구동 메카니즘(73)이 이용된다. 도 28B는, 자기(magnetic) 이송 암(74b)을 구동시키는 데에 이용되는 이동가능한 외부 자석(74a)을 포함하는 자기적으로 결합된 이송 암 메카니즘(74)을 이용하여 피착 챔버로 및 그로부터 QCM(64)이 이동되는, 본 발명의 다른 양태를 도시한다. 도 29는 밸브(72)를 통해 하나의 로드-록 챔버(70) 내에 집어 넣어질 수 있는 세 개의 QCM을 도시한 도면이다. 이와 달리, 개별적인 로드-록 챔버(70)가 각 QCM에 대해 이용될 수도 있다.

도 30 및 도 31A-31C는, 로드-록 챔버(70)가 피착 챔버(10) 내에 연장되고 진공 소스(68)를 이용하여 연속적으로 펌핑되어 QCM 헤드 근처의 잔여 산소량을 감소시키는 실시예를 나타낸 도면들이다. 예를 들면, 도 30은, 이베포레이팅된 종 들(species)이 챔버(70) 내에 삽입되어 QCM(64) 상에 피착될 수 있도록, 챔버(70)의 하측에 위치된 슬릿 또는 홀(75)을 갖는 로드-록 챔버(70)를 도시하고 있다. 밸브(72)는 피착 챔버(10)의 내부와 로드-록 챔버(70)의 내부를 분리시킨다. 여러 QCM(예를 들면, 세 개의 QCM)이 하나의 로드-록 챔버(70) 내에 통합될 수 있다.

다른 실시예에서, 도 31A에 도시된 바와 같이, 밸브(72)는 로드-록 챔버(70) 상에 위치될 수 있어서 밸브(72)가 피착 챔버(10) 내에 혹은 내부에 있게 된다. 이와 달리, 도 31B 및 도 31C에 도시된 바와 같이 밸브(72)가 슬릿 자체(예를 들면, 슬릿 밸브)를 형성할 수도 있다. 슬릿 밸브(72)를 오픈함으로써, 이베포레이팅된 종들이 QCM에 노출된다.

도 31B 및 도 31C의 엘리먼트들은, 장치(2)의 연결에 이용된 모니터 챔버(60)의 하나의 바람직한 실시예에 통합된다. 이 바람직한 실시예는 도 32에 도시되어 있다. 모니터 챔버(60)는, 모니터 챔버(60) 내에서 슬라이드가능한 정면 플레이트(62)를 포함한다. 슬라이드가능한 정면 플레이트(62)는, 레일(65) 상에 위치된 하나 이상의 피착 모니터(64)에 대한 용이한 접근을 가능하게 해준다. 피착 모니터(64)는 소스 챔버(30)를 향해 아래로 조준되며, 각 모니터(64)를 소스 챔버(30) 내의 특정 플럭스 소스로 향하게 하는 디바이더들(dividers) 등(도시하지 않음)을 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 피착 모니터(64)는 QCM(quartz crystal monitor)이다.

피착 모니터(64)는 레일(65) 상에 위치되어서, 정면 플레이트(62)가 모니터 챔버(60)에 대해 클로즈되어 있는 경우, 피착 모니터(64)는 모니터 챔버(60)의 하 측 상에 위치한 슬릿 밸브(66) 위에 배치되게 된다. 슬릿 밸브(66)는 플럭스 소스들을 포함하는 소스 챔버(30)로의 접근을 오픈/클로즈한다. 이러한 방식으로, 모니터 챔버(30)는 슬릿 밸브(66)를 통해 소스 챔버(30)로부터 로드-록된다.

슬릿 밸브(66)가 오픈되는 경우, 피착 모니터(64)는, 소스 챔버(30)로부터 히터 챔버(10)로 상승하는 이베포레이팅된 플럭스에 노출되며, 이에 따라 플럭스 종들의 피착 레이트가 모니터링될 수 있다. 슬릿 밸브(66)가 클로즈되면, 모니터 챔버(60)는 다른 챔버들과는 개별적으로 대기로 벤팅될 수 있으며, 슬라이드가능한 정면 플레이트(62)를 이용하여 피착 모니터(64)가 모니터 챔버(60)로부터 제거된다. 이러한 방식으로, 피착 모니터(64)가, 나머지 진공 시스템을 방해하지 않고 감시 및 교체될 수 있다.

계속해서 도 32를 참조하면, 예를 들면 진공 펌프와 같은 진공 소스(68)가 모니터 챔버(30)에 결합되어 장치(2)의 동작 동안 모니터 챔버(30)를 펌핑하는 데에 이용된다. 진공 소스(68)는, 예를 들면 터보 분자 펌프(turbomolecular pump)와 같은 고수준의 진공 펌프인 것이 바람직하다.

또한, 전술한 바와 같이, QCM은, 특히 산소 및 산화물이 존재할 때 신뢰될 수 없게 된다. 작업 동안 QCM이 고장나는 경우, 장치(2)는 피착 공정을 중단시키지 않고 피착 작업 동안 QCM을 교체할 수 있게 해준다. 따라서, QCM 고장시에 작업 효율성 및 쓰루풋이 매우 증대된다. 또한, 슬릿 밸브(66)는, 히터 챔버(10)가 산소로 범람되기 전에 피착에 이어서 클로즈될 수 있으며, 이에 따라 QCM과 산소/산화물 간의 접촉량을 더욱 최소화하게 된다.

히터 챔버(10) 내부에 여러 회전가능한 수정 진동자를 이용하는 장치도 또한 이용될 수 있으며, 이에 의해 수정 진동자가 교환될 필요가 있는 횟수를 제한하게 된다(이 장치는 다음 수정 진동자로 회전하여 작업들 사이의 펌핑을 피하게 된다). 피착 공정을 모니터링하는 데에 원자적 흡수 기술들이 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 원자적 흡수 측정에 사용되는 방사 빔이, 히터 챔버(10) 내에 위치된 진입 및 출구 포트들 또는 윈도우들(도시하지 않음)을 통해 히터 내부의 피착 플룸(plume)을 관통할 수 있다.

이제 도 33A 및 도 33B를 참조하면, 장치(2)의 일 양태에서, 기판(들)(116)을 수용하는 기판 지지 부재(110)의 로딩 및 언로딩을 위해 두 개의 이송 챔버들(40, 50)이 제공된다. 도 33B는 로딩 이송 챔버(40) 중 하나를 도시한다. 그러나, 이송 챔버들(40, 50) 양쪽 모두는 본질적으로 동일하며 동일한 방식으로 동작한다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 두 개의 이송 챔버들(40, 50)은 히터 챔버(10)의 각 측 상에 서로의 바로 맞은편에 위치되어 있다. 물론, 이송 챔버들(40, 50)은 히터 챔버(10)의 서로 다른 측들 또는 동일한 측 상에 위치될 수 있다. 히터 챔버(10)의 벽 내의 슬릿은 기판 지지 부재(110)가 히터 챔버(10) 내에 들어가고 이로부터 나오는 것을 가능하게 해준다. 히터 챔버(10)는 밸브(41)에 의해 두 개의 이송 챔버들(40, 50)로부터 분리된다(도 1 참조).

다시 도 33B를 참조하면, 동작 동안, 실내 온도 및 압력 환경에서 기판 지지 부재(110)가 취해져서 이송 챔버(40)의 꼭대기 상에 위치된 도어(44)를 이용하여 로딩 이송 챔버(40) 내에 위치된다. 도어(44)가 닫히면, 이송 챔버(40)는 진공 소 스(42)(언로딩 이송 챔버(50)의 경우 진공 소스(52))를 이용하여 진공 상태로 펌핑된다. 기판 지지 부재(110)는, 기판 지지 부재(110)를 홀딩하기 위한 여러 타인들(tines)(47)을 포함하는 연장가능한 이송 암(45) 상에 배치된다. 이러한 연장가능한 이송 암(45)은 도 33B에 도시된 화살표 A의 방향으로 이동가능하다.

이송 챔버(40)의 하측에 배치된 회전식 드라이브(도시하지 않음)는 자기 커플링을 이용하여 이송 암(45)의 수평 변위를 제공한다. 이와 관련하여 모터가 달린 구성요소들이 이송 챔버들(40, 50)의 외부에 포함된다. 이송 암(45)을 외부 회전식 드라이브에 자기적으로 결합시킴으로써, 드라이브 메카니즘을 진공 환경에 노출시킬 필요가 없게 된다.

이송 챔버(40)가 진공 상태로 펌핑되었을 때, 이송 챔버(40)를 히터 챔버(10)에 연결시키는 밸브(41)(도 1에 도시됨)가 오픈되고, 기판 지지 부재(110)는 회전식 드라이브를 활성화시킴으로써 히터 챔버(10) 내로 연장된다.

언로딩 동작의 경우, 언로딩 이송 챔버(50)에서는 반대 순서로 작업이 진행된다. 특히, 이송 암(45)은 기판 지지 부재(110)를 히터 챔버(10)로부터 회수해 와서 이송 챔버(50) 내로 집어넣는다. 이송 챔버(50)는 그 후 대기로 벤팅될 수 있거나 소크 루틴(soak routine)이 채용될 수 있다. 그 후 도어(44)가 오픈되어서 기판 지지 부재(110)가 회수될 수 있다.

기판을 적재한 기판 지지 부재(110)를 히터 챔버(10) 내에 삽입하기 전에 예열하기 위해 이송 챔버(40) 내에 선택가능한 히터(도시하지 않음)가 포함될 수 있다. 기판 지지 부재(110)는 방사 형태로 가열되는 것이 바람직하다. 이 예열은, 이송 챔버(40) 내에 배치되는 히터 램프, 코일, 또는 기타 히터 엘리먼트들에 의해 달성될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 장치(2)의 소스 챔버(30)가 하나 이상의 이베포레이션 소스, 예를 들면 소스들(80a, 80b, 80c)을 포함한다. 소스들(80a, 80b, 80c)은 소스 물질로 채워진 도가니들(81a, 81b, 81c), 보트들 등을 포함할 수 있다. 일례로서, 이트륨(Y)이 도가니(81a) 내에 놓여지고, 구리(Cu)가 도가니(81b) 내에 놓여질 수도 있다. 소스 물질은 도가니(81a, 81b, 81c) 또는 유사한 구조체의 내부에 배치되어 이베포레이션 온도로 가열된다. 예를 들면, 소스 물질을 가열시키는 데에 e-건(gun) 어셈블리 등이 이용될 수 있다. 또다른 일례로서, 소스 물질은 YBCO 박막의 경우 바륨(Ba)을 포함할 수 있다. 소스(80)(예를 들면, 80a, 80b, 80c)는 전자 빔, 크누센 셀(Knudsen cells), 저항성 보트, 스퍼터링, 레이저 절제 등(이에 한정되는 것은 아님)을 포함하는 임의의 기술을 이용하여 이베포레이팅될 수 있다.

이하에서는, 반응성 코이베포레이션을 이용하여 YBCO 또는 기타 산화물 막을 피착시키는 데에 이용되는 공정에 대해 설명한다.

우선, 첫 번째로 히터 챔버(10)를 벤팅하고, 히터 챔버 도어(10(a))를 오픈시키고, 수정 진동자를 교체하고, 히터 챔버 도어(10(a))를 닫고, 히터 챔버(10)를 진공 상태로 펌핑함으로써, 가열 챔버(10) 내의 전체 플럭스를 모니터링하는 데에 이용되는 수정 진동자가 교체된다.

다음으로, 모니터 챔버(60) 내에서 피착 모니터들(64)(예를 들면, QCM들)이 교체된다. 이는, 모니터 챔버(60)를 벤팅하고, 정면(62)을 오픈하고, 피착 모니터 들(64)을 교체하고, 정면(62)을 닫고, 피착 모니터(64)를 진공 상태로 펌핑함으로써 달성된다.

필요할 경우, 소스 물질이 도가니들(81a, 81b, 81c)(또는 기타 소스 홀더들)에 로딩된다. 이러한 과정에서, 소스 챔버(30)는 대기로 벤팅되고 오픈된다. 하나 이상의 도가니들(81a, 81b, 81c)에 추가 및/또는 교체 소스 물질이 로딩된다. 그 후 소스 챔버(30)는 닫히고 진공 상태로 펌핑된다.

기판들(116)은, 처음에 하나 이상의 기판(116)을 기판 지지 부재(110) 상에 로딩함으로써 장치(2)에 로딩된다. 이송 챔버(40)는 대기로 벤팅되고 도어(44)가 오픈된다. 로딩된 기판 지지 부재(110)는 그 후 이송 암(45)의 타인들(tines) 상에 배치된다. 그 후 도어(44)는 닫히고 이송 챔버(40)는 진공 상태로 펌핑된다. 이송 챔버(40)와 히터 챔버(10) 사이의 밸브(41)는 히터 챔버(10)로의 접근을 제공하도록 오픈된다. 또한, 포켓 히터(100)의 가열된 캡 부분(102)이 액츄에이터(103)에 의해 상승된다. 그 후, 기판 지지 부재(110)를 포함하는 이송 암(45)이 히터 챔버(10) 내로 연장된다.

기판 지지 부재(110)가 포켓 히터(100)의 가열된 캡 부분(102) 아래에 중앙에 위치되면, 스핀들(112)이 z-방향으로 상승되어 기판 지지 부재(110)와 맞물리게 된다. 기판 지지 부재(110)는 상승된 스핀들(112)에 의해 이송 암(45)의 타인들(47)로부터 들어 올려진다. 그 후 이송 암(45)은 이송 챔버(40) 내로 철회된다. 밸브(41)는 닫히고 스핀들(112)은 원하는 높이로 하강되어 기판 지지 부재(110)와 하부 히터 플레이트(104) 사이에 갭을 형성하게 된다.

다음으로, 액츄에이터(103)를 이용하여 포켓 히터(100)의 상부 히터 구역들(101b, 101c)이 소정의 위치로 하강된다. 그 후 기판 지지 부재(110)의 회전이 시작된다. 기판 지지 부재(110)는, 원하는 갭이 형성될 때까지 하부 히터 플레이트(104)를 향해 하강된다. 반응 포켓으로의 산소 이동이 시작되며, 포켓 내부에 원하는 산소 압력을 제공하기 위해 이러한 이동 속도 및 갭(즉, 기판 지지 부재(110)와 하부 히터 플레이트(104) 사이의 간격)이 조정된다. 히터 코일에 전류를 흘려서 포켓 히터(100)를 원하는 온도로 램프(ramp)시킨다. 그 후 소스 물질이 이베포레이팅된다. 이 시점에서, 히터 챔버(10)와 소스 챔버(30) 사이의 게이트 밸브(36)가 오픈된다. 기판 지지 부재(110)와 소스 챔버(30) 사이에 셔터가 삽입되어 기판들(116)로의 피착을 방지한다. 소스 물질과 게이트 밸브(36) 사이에 삽입된, 소스 챔버 내에 위치한 제2 셔터도 또한 오픈된다. 모니터 챔버(60) 내의 슬릿 밸브(66)가 오픈되고, 피착 모니터들(64)에 의한 측정에 기초하여 소스 물질의 이베포레이션 레이트가 조정된다.

일단 포켓 히터(100)가 원하는 온도에 있고 소스 물질의 원하는 이베포레이션 레이트가 달성되면, 기판 지지 부재(110)와 소스 챔버(30) 사이에 삽입된 셔터가 오픈되어 회전하는 기판들(116)로의 피착이 가능하게 된다.

원하는 막 두께에 도달하면, 전술한 제1 및 제2 셔터들이 닫힌다. 이 두 개의 셔터들이 닫힌 후, 히터 챔버(10)와 소스 챔버(30) 사이의 게이트 밸브(36)가 닫힌다. 그 후 히터 챔버(10)는 산소 가스로 도로 메워진다. 그 후 포켓 히터(100)의 온도가 램핑 다운(ramping down)된다. 그 후 도가니들(81a, 81b,81c)이 냉각된다. 일단 히터 챔버(10)(또는 포켓 히터(100)) 온도가 충분히 낮게 되면, 포켓 히터(100)의 가열된 캡 부분(102)이 액츄에이터(103)를 통해 수직 방향으로 상승된다. 기판 지지 부재(110)는 이동가능 스핀들(112)을 이용하여 하부 히터 플레이트(104)로부터 상승된다.

기판 지지 부재(110)가 하부 히터 플레이트(104)로부터 상승함에 따라, 이송 챔버(언로딩)(50) 내의 압력은 등화 회로를 이용하여 히터 챔버(10) 내의 압력과 동일하게 된다. 밸브(41)는 오픈되고 이송 암(45)은 히터 챔버(10) 내로 연장된다. 그 후 기판 지지 부재(110)는 캠 장치(130)를 이용하여 이송 암(45)의 타인들(47) 상으로 하강된다. 그후 이송 암(35)(및 기판 지지 부재(110))은 이송 챔버(50) 내로 철회되며 밸브(41)는 닫힌다. 기판 지지 부재(110)가 냉각되면, 이송 챔버(50)가 대기로 벤팅된다. 도어(44)가 오픈될 수 있으며, HTS 박막이 적재된 기판들(116)을 포함하는 기판 지지 부재(110)가 제거된다.

본 발명의 바람직한 양태에서, 전술한 장치(2) 및 공정은, 피착 공정을 제어 및 모니터링할 수 있는 소프트웨어가 로딩된, 도 34에 도시된 바와 같은 컴퓨터(200)(즉, 마이크로프로세서)에 의해 실행된다. 컴퓨터(200)는 바람직하게도 펌프들, 히터들, 밸브들, 이송 암들, 액츄에이터들, 모터들, 캠 장치, 플럭스 소스들 등을 제어한다. 또한, 컴퓨터(200)는 예를 들어 장치의 각종 챔버들 내의 온도 및 압력과 같은 데이터를 장치(2)로부터 획득할 수 있다. 컴퓨터(200)는 또한, 피착 공정이 특정 작업 동안 모니터링될 수 있도록 하기 위해 피착 모니터들(64)로부터 데이터를 수신한다. 상기 소프트웨어는 소프트웨어 사용자에게 친숙한 그래픽 사 용자 인터페이스(GUI)를 이용하여 구현된다.

본 발명은 각종 변형 및 다른 형태가 취해질 수 있으며, 그 특정 예들이 도면에 도시되었으며 본 명세서에 상세히 설명되었다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태들 및 방법들에 한정되는 것이 아니며, 그 반대로 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범주 내에 해당되는 모든 변형물, 등가물 및 대안들을 포함하는 것임을 이해해야 한다.

Claims (43)

1. 기판 지지 부재 상에 포함된 기판들 상에 박막을 성장시키기 위한 장치로서,

   복수의 히터 엘리먼트들을 갖는 히터 - 상기 기판 지지 부재는 서로에 대해 이동가능한 상기 복수의 히터 엘리먼트들에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸임 -;

   상기 복수의 히터 엘리먼트들에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이는 산소 포켓 부재 - 상기 산소 포켓 부재는 상부 면과 하부 면, 및 상기 상부 면과 상기 하부 면 사이에 연장되는 개구를 포함하고, 상기 개구는 플럭스(flux)의 소스를 포함하도록 되어 있는 소스 챔버로의 액세스를 제공하도록 구성되고, 상기 산소 포켓 부재의 상부 면은 그 안에 산소 포켓을 포함하고, 상기 산소 포켓은 압력이 가해진 산화제 소스(pressurized oxidizer source)에 동작가능하게 접속됨 -;

   상기 히터 엘리먼트들 중 하나의 히터 엘리먼트 내의 구멍을 통해 돌출되는 회전가능 스핀들(rotatable spindle)을 포함하는 z-조정 어셈블리 - 상기 회전가능 스핀들은 z-방향으로 이동가능하여, 박막 형성 프로세스 동안 상기 기판 지지 부재와 상기 산소 포켓 사이에 형성된 갭을 동적으로 조정하며, 상기 갭은 상기 산소 포켓으로부터의 상기 압력이 가해진 산화제의 누출을 최소화할 정도로 작은 폭을 가짐 -

   를 포함하는 박막 성장 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 z-조정 어셈블리는,

   수직으로 방향이 정해진(vertically oriented) 지지 플레이트;

   상기 스핀들에 기계적으로 결합된 모터 - 상기 모터는 상기 수직으로 방향이 정해진 지지 플레이트 상에 장착됨 -;

   상기 수직으로 방향이 정해진 지지 플레이트 상에 장착된 롤러; 및

   상기 롤러와 인게이징된 경사진 캠(inclined cam) - 상기 경사진 캠이 수평 방향으로 이동하면, 상기 회전가능 스핀들, 상기 모터, 및 상기 롤러가 상기 수직 방향으로 이동함 -

   을 포함하는 박막 성장 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 경사진 캠은 적어도 두 개의 경사진 면들을 포함하는 박막 성장 장치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 경사진 캠에 동작가능하게 결합된 액츄에이터를 더 포함하고,

   상기 액츄에이터는 상기 경사진 캠을 앞뒤로 이동시키도록 구성되는 박막 성장 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 액츄에이터에 동작가능하게 결합된 마이크로프로세서를 더 포함하고,

   상기 마이크로프로세서는 상기 액츄에이터의 이동을 제어하는 박막 성장 장치.
6. 제3항에 있어서,

   제1 경사진 면이 각도 α로 경사져 있고, 제2 경사진 면이 각도 β로 경사져 있으며, 각도 β는 각도 α보다 큰 박막 성장 장치.
7. 제2항에 있어서,

   상기 히터는 꼭대기 히터 엘리먼트, 측면 히터 엘리먼트, 및 바닥 히터 엘리먼트를 포함하는 박막 성장 장치.
8. 제2항에 있어서,

   상기 복수의 히터 엘리먼트들 중 하나의 히터 엘리먼트는 고정된 히터 엘리먼트에 대하여 이동가능한 박막 성장 장치.
9. 제7항에 있어서,

   상기 바닥 히터 엘리먼트는 그 일부 내에 윈도우 개구를 포함하는 박막 성장 장치.
10. 제7항에 있어서,

    상기 바닥 히터 엘리먼트는 고정되어 있으며, 상기 꼭대기 히터 엘리먼트 및 상기 측면 히터 엘리먼트는 상기 바닥 히터 엘리먼트에 대해 이동가능한 박막 성장 장치.
11. 제7항에 있어서,

    상기 꼭대기 히터 엘리먼트 및 상기 측면 히터 엘리먼트는 고정되어 있으며, 상기 바닥 히터 엘리먼트는 상기 꼭대기 히터 엘리먼트 및 상기 측면 히터 엘리먼트에 대해 이동가능한 박막 성장 장치.
12. 제1항에 있어서,

    상기 복수의 히터 엘리먼트들 중 적어도 두 개의 히터 엘리먼트는 힌지를 통해 연결되는 박막 성장 장치.
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