KR101681375B1 - 기상 성막 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 적은 가스 소비량으로 높은 휘발 성분 분압, 빠른 유속, 그리고 완만한 퇴적 속도 곡선의 3요소를 동시에 실현하는 성막 장치를 제공한다.
리액터 구조(10)는 원판 형상의 서셉터(20)와, 상기 서셉터(20)에 대향하는 대향면 형성 부재(30)와, 인젝터부(40)와, 재료 가스의 도입부(60)와, 가스 배기부(38)에 의하여 구성된다. 기판 W는 기판 보유 지지 부재(22)에 의하여 보유 지지되고, 기판 보유 지지 부재(22)는 서셉터(20)의 받침부(26)에 보유 지지된다. 서셉터(20)는 그 중심축에 대하여 회전하고, 동시에 기판 W는 자전한다. 대향면 형성 부재(30)는, 부채형의 오목부(34)와 볼록부(36)가 교대로 방사상으로 형성된 구조로 되어 있기 때문에, 플로우 채널 높이가 주방향으로 변화한다. 이로 인하여, 적은 캐리어 가스 유량으로 종래 장치의 최적 조건과 동등한 성막을 실현할 수 있으며, 휘발 성분의 재료 가스 분압을 종래보다도 현저히 높일 수 있다.
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Description
본 발명은, 반도체 또는 산화물 기판 위에 반도체 막을 형성하는 기상 성막 장치에 관한 것이며, 상세하게는 성막 중에 기판을 자공전(自公轉)시키는 타입의 기상 성막 장치에 관한 것이다.
일반적으로 기상 성막법에 의하여 형성되는 막의 품질을 높게 유지하는 데 필요한 요소는 3가지 있다고 생각된다. 구체적으로는 a) 성막 압력, b) 유속, c) 퇴적 속도 곡선의 3가지이다. 이하, 각각이 막질에 끼치는 영향에 대하여 상세하게 설명한다.
우선 a)의 성막 압력에 관해서는, 막 중의 원소에 휘발성이 높은 성분이 있는 경우에 특히 중요하다. 막으로부터의 휘발이 심각해지는 계에서는 성막 압력을 높게 함으로써 휘발 성분의 분압을 높여, 그 결과, 휘발 성분의 막으로부터의 이탈을 억제하여 결함이 적은 고품질의 막을 얻는 것이 행해진다. ⅢV족 화합물 반도체를 예로 들면, V족 원소의 휘발성이 높기 때문에 이를 억제하기 위하여 기상 중에서의 V족의 분압을 높일 필요가 있다. 특히 질화물계의 화합물 반도체에 있어서는 질소의 휘발성이 높기 때문에, 상압에 가까운 압력에서의 성막이 바람직한 경우가 많다.
다음으로 b)의 유속인데, 유속은 빠를수록 바람직하다. 통상의 성막 조건에서는 난류가 발생할 정도로 레이놀즈수는 높지 않다. 난류가 발생하지 않는 범위내이면 보다 빠른 유속으로 하는 편이 바람직하다. 그 이유로서는, 유속이 느리면 막의 계면 품질이 떨어지는 것을 우선 첫째로 들 수 있다. 일반적인 성막에 있어서는, 성막의 도중에 막의 조성을 바꾸거나 도핑 종류를 바꾸거나 하여 막 중에 다양한 계면을 형성하는 것이 행해지지만, 유속이 느리면 계면 형성 전의 성막층에서 사용하고 있던 재료 가스의 배출이 빠르게 행해지지 않기 때문에, 급준(sharp)한 막 계면을 얻는 것이 어렵고, 따라서 막 계면의 품질을 높게 유지할 수 없게 된다. 다음으로는 리액터 내에 원료 가스가 도입되고 난 후 기판에 도달하기까지의 시간이 오래 걸리기 때문에, 기상 중 반응에 의하여 전구 물질(원료 분자)이 소비되는 비율이 많아지는 것을 들 수 있다. 이것에 의하여 원료의 이용 효율이 저하되어 버린다. 나아가, 유속이 느리면 원료 분자의 무질서한 확산을 가스 흐름에 의하여 제어하는 것이 어려워지기 때문에, 리액터 내의 의도치 않는 장소(기판이 위치하지 않는 장소)에의 바람직하지 않은 퇴적물을 발생시키고, 이것이 막질이나 재현성에 악영향을 끼치게 된다.
이와 같이 유속에 관해서는 난류가 발생하지 않는 범위 내이면, 빠르면 빠를수록 높은 막 품질, 우수한 계면 품질을 안정적으로 얻을 수 있다. 유속과 전술된 성막 압력을 관련지어 생각하면, 동일한 캐리어 가스 유량에서 비교했을 때, 압력이 높을수록 유속이 느려지기 때문에, 휘발 성분의 이탈 억제에는 이점은 있지만, 유속의 관점에서는 불리하다고 할 수 있어, 두 요소는 기본적으로는 양립하지 않는다. 따라서, 종합적으로 보아 최적의 성막 압력과 유속을 탐색하는 조작이 필요해진다.
마지막으로 c)의 퇴적 속도 곡선에 대하여 고찰한다. 도 10에 종래 방법에 의한 일반적인 자공전식 리액터 구조의 단면도를 도시하였다. 보다 정확하게는 ⅢV족 화합물 반도체의 성막에 종종 사용되는 리액터의 예이다. 리액터(100)는 원판 형상의 서셉터(20)와, 상기 서셉터(20)에 대향하는 대향면 형성 부재(110)와, 재료 가스의 도입부(60)와, 가스 배기부(38)에 의하여 구성된다. 기판 W는 기판 보유 지지 부재(22)에 의하여 보유 지지되고, 기판 보유 지지 부재(22)는 서셉터(20)의 받침부(26)에 보유 지지되어 있다. 상기 리액터(100)는 중심 대칭성이 있고, 서셉터(20)는 그 중심축에 관하여 공전하며, 그와 동시에 기판 W는 자전하는 구조로 되어 있다. 이들 공전·자전을 위한 기구는 공지된 기구이다. 또한 도 10의 구조에서는 분리 공급형 인젝터부(120)도 구비하고 있다. 도 10의 분리 공급형 인젝터부(120)는, 제1 인젝터 구성 부재(122)와 제2 인젝터 구성 부재(124)에 의하여 상중하 3층의 가스 도입부로 나뉘어 있으며, 위로부터는 V족 및 H2, N2 등의 캐리어 가스, 중간으로부터는 Ⅲ족의 원료 가스, 아래로부터는 H2 또는 N2 그리고 상황에 따라 V족 가스를 추가한 가스를 도입하도록 하여 사용하는 경우가 많다. 본 발명에서는, 서셉터(20) 또는 기판 W 위의 각 위치에 있어서의 퇴적 속도를 자공전식 리액터(10)의 반경 방향에 대하여 플롯한 성장 곡선을 퇴적 속도 곡선이라고 정의한다.
도 11에 상기 구조의 성막 장치에서 얻어지는 일반적인 퇴적 속도 곡선을 나타내었다. 이 곡선은 주로 원료 분자의 수송에 의하여 지배된다. 예를 들어 ⅢV족 화합물 반도체의 경우에는, 통상 V족을 과잉으로 하여 성막이 행해지기 때문에, Ⅲ족만이 퇴적 속도 곡선을 지배하는 원료 분자로서 취급된다. 횡축은 인젝터 단부로부터의 거리이고, 종축은 퇴적 속도를 나타낸다. 퇴적이 개시되는 지점은, 분리 공급형 인젝터로부터 원료 가스가 리액터 내에 도입되는 인젝터 단부 위치와 거의 같다. 퇴적 속도는 이 곳으로부터 상승하여, 피크에 도달한 후 단조 감소한다. 기판을 배치하는 위치는, 이 피크보다 약간 하류의 위치에 기판의 최상류부를 위치시키는 것이 보통이다. 그리고 기판을 자전시킴으로써 상류와 하류의 퇴적 속도 차는 상쇄되어, 비교적 양호한 막 두께 균일성이 얻어진다. 반대로 말하면, 퇴적 속도 곡선이야말로 자공전한 결과 얻어지는 막 두께 균일성을 결정짓게 된다. 막 두께 이외에도 막의 화학 조성이나 불순물 농도 등은 퇴적 속도의 영향을 크게 받기 때문에, 이러한 특성이나 그 기판면 내 균일성에 대해서도 퇴적 속도 곡선은 매우 중요한 의미를 가진다. 그 때문에, 퇴적 속도 곡선은 막질에 큰 영향을 끼치는 중요한 요소의 하나로 꼽히는 것이다.
퇴적 속도 곡선에 대하여 더 깊은 고찰을 진행한다. 이번에는 퇴적 속도 분포에 영향을 미치는 중요한 인자에 대하여 설명한다. 자공전식 성막 방법에 있어서는, 층류(層流) 모드의 가스 흐름 하에서 원료 분자 확산을 주로 한 물질 수송(mass transport)이 퇴적 속도를 율속(律速)한다는, 소위 물질 수송(mass transport) 율속 모드로 성막이 행해지는 경우가 극히 많다. 이 경우, (1) 가스 중의 원료 분자 농도, (2) 캐리어 가스 유량, (3) 플로우 채널 높이의 3가지를 퇴적 속도 분포에 영향을 미치는 주요 인자로서 들 수 있다. 또한 본 발명에서는, 캐리어 가스 유량이라는 말은, 순수한 캐리어 가스 외에 성막에 사용되는 모든 가스 종류를 총합한 총 유량을 의미하는 말이다. 상기 (1) 내지 (3) 중 (1)의 원료 분자 농도에 관해서는, 퇴적 속도는 원료 분자 농도에 비례한다는 단순한 관계가 있다(원료 분자 농도를 변화시켰을 때의 퇴적 속도 곡선의 변환을 나타내는 도 12를 참조).
다음으로 (2)의 캐리어 가스 유량에 대하여 고찰하는 데 있어서, 도 13에 캐리어 가스 유량을 변화시켰을 때의 퇴적 속도 곡선의 차이를 나타내었다. 또한 캐리어 가스 유량을 변화시킬 때, 다른 성막 조건은 모두 불변으로 한다. 도면 중 a)를 어느 캐리어 가스 유량 F0일 때의 퇴적 속도 곡선이라고 하면, b), c)는 각각 그 2배, 3배의 캐리어 가스 유량에 있어서의 퇴적 속도 곡선을 나타낸다. 이로부터 알 수 있는 바와 같이 캐리어 가스를 증가시키면, 퇴적 속도 곡선은 세로 방향으로 수축하고 가로 방향으로 신장되도록 변화한다. 정량적으로 말하면, 유량을 α배로 하면 퇴적 속도 곡선은 세로로 1/α배, 가로로 
배로 한 것과 대략 일치하게 된다. 이는, 상술한 층류 및 물질 수송 율속 모드의 경우, 퇴적 속도는 기판 또는 서셉터면에 수직인 방향의 원료 분자 농도의 기울기에 비례하며, 그리고 플로우 채널 중의 원료 분자 농도는, 기판 또는 서셉터 표면에 있어서의 원료 분자 농도를 0으로 한 경계 조건 하에서의, 이류 확산 방정식(advective diffusion equation)의 해(解)에 대략 따르기 때문이다. 그리고 상술한 캐리어 가스 유량과 퇴적 속도 곡선의 관계는, 이류 확산 방정식이 갖는 상사칙적 성질로부터 유도된다.
또한, (3)의 플로우 채널의 높이가 퇴적 속도 곡선에 끼치는 영향에 대하여 기술한다. 도 14에서 플로우 채널 높이를 바꾸었을 때의 퇴적 속도 곡선을 나타내었다. a)를 어느 플로우 채널 높이 L0일 때의 퇴적 속도 곡선이라고 하면, b), c)는 각각 그 2배, 3배의 플로우 채널 높이에 있어서의 퇴적 속도 곡선을 나타낸다. 이것도 유량일 때와 같이 이류 확산 방정식의 상사칙이 적용되며, 플로우 채널 높이를 α배로 하면 퇴적 속도 곡선은 세로로 1/α배, 가로로 
배로 한 것과 대략 일치하게 된다.
이상, (1) 내지 (3)의 인자에 관한 고찰을 이하에 정리한다. (2)의 캐리어 가스 유량을 증가시킬수록, 또한 (3)의 플로우 채널 높이를 크게 할수록, 퇴적 속도 곡선은 상대적으로 반경 방향으로 신장된 형상, 결국에는 상대적으로 완만한 경사를 갖는 형상의 분포를 나타낸다. 그리고 퇴적 속도의 절대값은, (1)의 원료 분자 농도가 그것을 결정한다.
(1) 내지 (3)의 3인자 외에, 이하에서는 성막 압력이 퇴적 속도 곡선에 끼치는 영향에 대하여 고찰한다. 이류 확산 방정식에 의하면, 유속과 확산 계수의 비가 일정하면, 그 해(解)인 플로우 채널 중의 원료 분자 농도 분포는 변하지 않는다. 동일한 캐리어 가스 유량에서 압력만을 변화시킨 경우를 생각하면, 유속은 압력에 반비례하고, 확산 계수도 또한 일반적으로는 압력에 반비례하기 때문에, 결국 유속과 확산 계수의 비는 변하지 않는다. 따라서 압력만을 변화시켰을 때는 거의 동일한 결과가 얻어지게 된다. 단, 기상 중의 화학 반응을 무시하지 못할 때는, 유속이나 압력에 의하여 화학 반응의 진행 정도가 변하기 때문에, 그 요인으로부터 결과는 상이한 것으로 될 수 있다.
퇴적 속도 곡선을 지배하는 3인자의 역할이 밝혀진 바, 여기서는 이상적인 퇴적 속도 곡선에 대하여 고찰한다. 상술한 바와 같이 3인자를 변화시키면 다양한 퇴적 속도 곡선이 얻어지지만, 그들에는 각각 이점 및 결점이 존재한다. 캐리어 가스 유량이 적을 때, 또는 플로우 채널 높이가 작을 때 얻어지는 상대적으로 급준한 퇴적 속도 곡선에서는, 원료 가스가 배출되기까지 그에 포함되는 대부분의 원료 분자를 다 쓰게 된다. 그 때문에 원료의 이용 효율이 높다는 이점을 갖는다. 한편, 기판보다 상류의 서셉터 위에 필연적으로 두꺼운 퇴적층이 형성되어 버리는 것이 결점으로 된다. 이 상류 퇴적물은 막질을 저하시킬 우려가 있는 것 외에, 성막을 불안정하게 하여 수율 저하를 초래하거나, 유지 보수 빈도를 증대시키거나 하여 비용 상승의 요인으로 된다. 또한 상류와 하류의 퇴적 속도의 차가 크므로, 항상 동일한 퇴적 속도로 성막되는 기판 중심과, 빠르고 느림을 번갈아 경험하는 기판 주변부는, 조성이나 불순물 농도 등의 막질에 차이를 발생시키기 쉬우며, 이들 균일성 저하를 초래하는 결과로 된다.
캐리어 가스 유량이 많을 때, 또는 플로우 채널 높이가 클 때는, 반대로 퇴적 속도 분포는 완만해지며, 이 경우에는 원료의 이용 효율은 상대적으로 낮지만, 상류 퇴적물에 의한 악영향은 적으며, 또한 보다 균일한 막질을 얻기 쉽다. 이와 같이 어떠한 경우에도 장단점이 있으며, 그로 인해 막질이나 생산성 등의 요소를 종합적으로 판단하여 최적의 퇴적 속도 곡선이 선택된다. 단, 순수하게 막질 또는 막질의 균일성을 추구한다면, 완만한 퇴적 속도 곡선이 보다 바람직하다.
여기서 서두에서 예를 든 3요소, a) 성막 압력(특히 휘발 성분의 분압), b) 유속, c) 퇴적 속도 곡선으로 돌아와, 그들이 막질에 끼치는 영향에 대하여 정리하면, 좋은 막질 또는 막질 균일성을 얻기 위해서는, a) 성막 압력은 높을수록 좋고, b) 유속은 빠를수록 좋으며, c) 퇴적 속도 곡선은 완만한 편이 좋다는 것으로 된다.
지금 캐리어 가스 유량을 고정하는 것으로 하여, 높은 성막 압력으로 빠른 유속을 얻고자 하면, 플로우 채널 높이를 작게 하는 수밖에 없다. 그러나 플로우 채널 높이를 작게 하면, c)의 퇴적 속도 분포가 급준해지고, 이 점이 불리해진다. 이 상태에서 완만한 퇴적 속도 분포를 실현하고자 하면, 결국 캐리어 가스 유량을 증가시키는 수밖에 없다. 그러나 캐리어 가스 유량만을 증가시키면, 휘발 성분의 재료 가스의 비율이 저하되기 때문에, 휘발 성분의 분압이 저하된다는 결과를 발생시킨다. 결국 궁극적으로 생각하면 휘발 성분의 재료 가스도 캐리어 가스와 마찬가지로 증가시킬 필요가 있지만, 재료 가스는 고가이므로 자유롭게 증가시키는 것은 현실적으로 불가능하다.
반대로 빠른 유속을 실현할 수 있는 감압 하에서는, 기본적으로 각종 가스 분압은 낮아질 수밖에 없다. 그러나, 캐리어 가스 중의 휘발 성분 재료 가스의 비율을 많게 하면, 감압 하에서도 높은 분압을 실현할 수 있다. 이하에서는 이 가능성에 대하여 생각해 본다. 상술한 바와 같이 재료 가스의 공급 유량은 제한 없이 늘릴 수 있다는 것은 아니며, 사실상 상한이 있다. 따라서, 어떠한 압력 및 결정된 재료 가스 유량 하에서 재료 가스의 분압을 높이기 위해서는, 재료 가스 이외의 캐리어 가스를 저감시킬 필요가 있다. 적은 캐리어 가스 유량으로 완만한 퇴적 속도 곡선을 얻기 위해서는, 플로우 채널 높이를 크게 하면 된다. 그러나 적은 캐리어 가스 유량으로 플로우 채널 높이를 크게 하면, 상승적(相乘的)으로 유속이 저하되어 버리기 때문에, 감압 하에서도 심각한 막질 저하 및 생산성의 저하를 초래하게 된다.
이상과 같은 고찰로부터, 현실적인 재료 가스 유량을 유지한 채, 높은 휘발 성분 분압, 빠른 유속, 그리고 완만한 퇴적 속도 분포의 3요소를 동시에 만족시키는 것은 종래 장치에 있어서는 어려우며, 특히 양산에 사용되는 대형 장치에 있어서는 불가능하다고 해도 과언은 아니었다.
상기 종래 기술의 문제점을 감안하여, 본 발명에서는 적은 가스 소비량으로 높은 휘발 성분 분압, 빠른 유속, 그리고 완만한 퇴적 속도 곡선의 3요소를 동시에 실현하는 성막 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 성막용 기판을 보유 지지하기 위한 기판 보유 지지 부재를 구비하는 원판 형상 서셉터, 상기 기판을 자공전시키는 기구, 상기 기판 보유 지지 부재에 대향하여 플로우 채널을 형성하는 대향면, 재료 가스의 도입부 및 배기부를 갖는 기상 성막 장치에 있어서, 상기 원판 형상 서셉터와 상기 대향면의 거리가 상기 기판의 공전 방향에 있어서 변화되도록, 상기 대향면에 요철 형상을 형성한다.
주요한 실시 형태의 하나는, 상기 재료 가스의 도입부에 원판 형상의 인젝터를 구비하고, 이 인젝터에 상기 대향면의 요철 형상과 연속(대응)으로 되도록 요철 형상을 형성한다. 다른 실시 형태는, 성막 방식이 화학 기상 성장인 것이다. 또 다른 실시 형태는, 생성되는 막이 화합물 반도체막 또는 산화물막인 것이다.
또 다른 실시 형태는, 상기 재료 가스의 일부에 유기 금속을 포함하는 것이다. 또 다른 실시 형태는, 상기 대향면 및 상기 인젝터를 구성하는 부재의 재질이 스테인레스, 몰리브덴 등의 금속재료, 카본, 탄화규소, 탄화탄탈 등의 탄화물, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄 등의 질화물, 및 석영, 알루미나 등의 산화물계 재료 중 어느 하나, 또는 그들의 조합인 것이다. 본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 이점은, 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 명료해질 것이다.
본 발명에 의하면, 적은 캐리어 가스 유량으로 종래 장치의 최적 조건과 동등한 성막을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 휘발 성분의 재료 가스 분압을 종래보다도 현저히 높일 수 있으며, 그로 인하여 종래보다도 고품질의 성막이 실현 가능해진다.
도 1은 본 발명의 대향면 형성 부재를 도시하는 평면도이다.
도 2는 상기 도 1의 A-A 단면도이다.
도 3은 대향면 형성 부재의 다른 예를 도시하는 평면도이다.
도 4는 대향면 형성 부재의 다른 예를 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 리액터 구조를 도시하는 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 리액터 구조를 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 인젝터 구조를 도시하는 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실험예에서 얻어진 퇴적 속도 곡선을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험예에서 얻어진 다중 양자 웰의 포토 루미네선스 스펙트럼(Photo Luminescence spectrum)을 나타내는 도면이다.
도 10은 종래의 자공전식 성막 장치의 리액터 구조를 도시하는 단면도이다.
도 11은 일반적인 퇴적 속도 곡선과 자공전하는 기판의 배치를 나타내는 도면이다.
도 12는 원료 분자 농도를 변화시켰을 때의 퇴적 속도 곡선의 변화를 나타내는 도면이다.
도 13은 캐리어 가스 유량을 변화시켰을 때의 퇴적 속도 곡선의 변화를 나타내는 도면이다.
도 14는 플로우 채널 높이를 변화시켰을 때의 퇴적 속도 곡선의 변화를 나타내는 도면이다.
도 2는 상기 도 1의 A-A 단면도이다.
도 3은 대향면 형성 부재의 다른 예를 도시하는 평면도이다.
도 4는 대향면 형성 부재의 다른 예를 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 리액터 구조를 도시하는 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 리액터 구조를 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 인젝터 구조를 도시하는 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실험예에서 얻어진 퇴적 속도 곡선을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험예에서 얻어진 다중 양자 웰의 포토 루미네선스 스펙트럼(Photo Luminescence spectrum)을 나타내는 도면이다.
도 10은 종래의 자공전식 성막 장치의 리액터 구조를 도시하는 단면도이다.
도 11은 일반적인 퇴적 속도 곡선과 자공전하는 기판의 배치를 나타내는 도면이다.
도 12는 원료 분자 농도를 변화시켰을 때의 퇴적 속도 곡선의 변화를 나타내는 도면이다.
도 13은 캐리어 가스 유량을 변화시켰을 때의 퇴적 속도 곡선의 변화를 나타내는 도면이다.
도 14는 플로우 채널 높이를 변화시켰을 때의 퇴적 속도 곡선의 변화를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태를 실시예에 기초하여 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
<본 발명의 기본 개념> 먼저, 도 1 및 도 2을 참조하여 본 발명의 개념을 설명한다. 상술한 과제를 해결하고자 예의 노력한 결과, 발명자들은 적은 캐리어 가스 소비량으로 충분히 빠른 유속을 실현할 수 있고, 또한 최적의 퇴적 속도 곡선을 동시에 실현할 수 있는 리액터 구조를 발견하였다. 그 방법은, 대향면 위에 요철을 형성함으로써, 반응로 중심으로부터 방사상으로 넓어지는, 서로 분리된 플로우 채널을 형성하고, 성막에 기여하는 에리어를 이 플로우 채널에 한정시키는 것이다. 종래 기술에서는 대향면 형상을 주발형으로 하거나, 또는 플로우 채널의 도중에 단차를 부여하는 등의 방법으로 플로우 채널 높이에 변화를 부여하는 방법은 존재하고 있었다(예를 들어 일본 특허 공개 제2005-5693호 공보 등). 그러나, 어느 쪽도 주(周)방향에서 보았을 때의 플로우 채널 높이는 일정하였다. 따라서, 일본 특허 공개 제2005-5693호 공보의 기술에서는, 기판보다도 상류의 영역에서의 불필요한 퇴적을 삭감하는 효과는 있지만, 기판 영역에서의 플로우 채널 높이는 주방향에 있어서 일정하므로, 기판 영역에서의 퇴적 속도 곡선은 통상의 플로우 채널 형상의 것과 본질적으로 다르지 않다. 따라서 이 구조에 있어서도, 상술한 성막 압력, 유속, 퇴적 속도 곡선의 3요소가 복합된 문제를 회피할 수 있는 것은 아니다. 본 발명은, 주방향에 있어서 플로우 채널 높이에 변화를 부여한다는 것이며, 그 의미에서 종래의 것과는 완전히 형태가 상이하며, 그리고 거기에는 후술하는 바와 같은 효능이 있다.
도 1 및 도 2에 본 발명의 개념을 도시하였다. 도 1은 본 발명의 성막 장치를 구성하는 대향면 형성 부재의 평면도, 도 2는 상기 도 1의 A-A 단면도이다. 성막 장치의 리액터 구조는, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같지만, 여기서는 본 발명의 기본 개념의 설명을 위하여, 대향면 형성 부재(30)에 대해서만 설명한다. 또한, 리액터 구조(10) 자체는, 상술한 배경 기술의 리액터 구조(100)와 기본적으로 마찬가지이지만, 본 발명에서는 서셉터(20)와 대향하는 대향면 형성 부재(30)의 형상에 특징을 갖는다. 상기 대향면 형성 부재(30)는 중앙에 개구부(32)를 갖고 있으며, 오목부(34)와 볼록부(36)가 교대로 방사상으로 형성되어 있다. 서셉터(20)와의 대향면이 이러한 형상이면, 볼록부(36)에는 원료 가스가 거의 흐르지 않으며, 가스의 대부분은 오목부(34)를 흐르기 때문에, 성막은 기본적으로 오목부(34)에서만 행해진다.
또한, 예를 통하여 본 발명의 개념을 상세하게 설명한다. 종래 구조(도 10 참조)에 있어서, 플로우 채널 높이 L0에서 성막 압력, 유속, 퇴적 속도 곡선의 관점에서 최적의 성막 조건이 얻어지고 있다고 가정한다. 본 발명 구조를, 볼록부(36)와 오목부(34)의 면적 비율을 1:1로 설정하고, 그리고 오목부(34)에 있어서의 플로우 채널 높이 L(도 2 참조)은, 종래 구조에 있어서의 최적값 L0과 동일하게 한다. 이해를 용이하게 하기 위하여, 볼록부(36)에는 전혀 가스가 흐르지 않고 오목부(34)에만 흐르는 것으로 가정한다. 또한, 실제의 구조에 있어서는 성막 에리어를 완전히 오목부(34)에 한정할 수는 없지만, 그에 가까운 상황은 용이하게 실현 가능하므로, 이 가정 하에서 고찰을 진행하여도 지장 없다. 성막 압력은 임의로 제어가 가능하므로, 이를 종래 장치의 조건과 동일하게 설정한다.
이상의 리액터 구조 하에서, 종래와 마찬가지의 적합한 퇴적 속도 곡선을 얻기 위해서는, 오목부 플로우 채널에 있어서의 유속을 종래의 것과 일치시키면 된다. 본 발명 구조에 있어서는, 가스가 흐르는 단면적은 종래에 비하여 절반으로 되어 있기 때문에, 동일한 유속을 얻기 위해서는 절반의 캐리어 가스 유량이어도 된다. 반대로 그 조건이면, 오목부(34)에 있어서는 플로우 채널 높이 L 및 유속이 종래의 최적 조건과 완전히 같아져 있으므로, 필연적으로 최적의 퇴적 속도 곡선이 얻어진다.
다음으로 퇴적 속도의 절대값에 관하여 고찰한다. 본 발명 구조에서는, 종래 구조에 비하여 성막에 기여하는 영역은 절반으로 되므로, 이는 퇴적 속도의 절대값을 절반으로 하는 작용이 있다. 한편, 캐리어 가스가 절반으로 되므로 가스 중의 원료 농도는 배로 되며, 이는 퇴적 속도를 배로 하는 효과를 갖는다. 그 결과, 이들의 효과가 서로 상쇄되어, 퇴적 속도의 절대값은 종래와 같아진다. 즉, 동일한 원료 분자의 투입량으로 종래와 동등한 퇴적 속도가 얻어진다는 것이며, 원료의 이용 효율을 손상시키는 일은 없다.
여기까지의 설명에서 본 발명 구조를 채용함으로써, 종래의 절반 분량의 캐리어 가스로, 종래의 최적 조건과 완전히 같은 상태를 실현할 수 있는 것을 알 수 있다. 이것만으로도 캐리어 가스의 사용량을 삭감할 수 있고, 나아가서는 제품의 비용 절감에 이바지한다는 큰 이점을 갖지만, 사실은 본 발명에는 그와는 별도의, 더 중요한 이점이 존재한다. 캐리어 가스 유량을 저감시킬 때, 휘발 성분의 재료 가스 유량을 종래와 같이 유지하면, 캐리어 가스 중의 휘발 성분 재료 가스의 비율이 자동적으로 증가한다. 따라서, 종래에 비하여 휘발 성분의 재료 가스 분압을 대폭 높일 수 있는 것이다. 여기서도 ⅢV족 반도체를 예로 들어 설명한다. 본 발명의 성막 조건에 있어서, 성막에 있어서의 가장 중요한 파라미터의 하나인, V/Ⅲ비를 종래 조건과 동일하게 설정하는 것으로 가정한다. Ⅲ족의 공급량은 종래와 동일해도 되므로, V족 재료 가스의 공급량도 동일하게 하여도 된다. 한편, 캐리어 가스 유량은 종래의 절반 분량이므로, 공급하는 전체 가스 유량 중의 V족 재료 가스의 비율은 2배로 상승한다. 이로 인하여 V족 재료 가스의 분압도 2배로 된다. 이 높은 분압은 V족 원자의 막으로부터의 이탈을 억제하는 데 효과적이며, 따라서 종래보다도 질이 높은 막이 얻어지는 것이다.
이상과 같이 본 발명의 방법에 의하면, 적은 캐리어 가스 유량으로 종래 장치의 최적 조건과 동등한 성막을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 휘발 성분의 재료 가스 분압을 종래보다도 현저히 높일 수 있으며, 그로 인하여 종래보다도 고품질의 성막이 실현 가능해진다.
상술한 바와 같이, 실제의 구조에 있어서는 성막 에리어를 완전히 오목부(34)에 한정할 수는 없지만, 볼록부(36)와 오목부(34)의 높이 비, 면적 비를 적당히 선택하면, 본 발명의 효과는 충분히 얻어진다. 또한 볼록부의 측면인 플로우 채널의 측벽(35)이 흐름의 패턴에 얼마간 영향을 주지만, 이 효과는 한정적이다. 만약 측벽(35)의 영향을 보정하고자 하면, 이는 유속에 관계하는 것이므로, 가스 조건의 미세 조정에 의하여 교정 가능하다.
마지막으로 퇴적 속도의 시간 추이에 대하여 고찰한다. 본 발명에서는 기판이 공전하는 동안에, 오목부(34)인 성막 영역과, 볼록부(36)의 성막이 이루어지지 않는 영역을 교대로 통과하게 된다. 따라서 퇴적 속도의 시간 추이를 생각하면, 그것은 직사각형 또는 펄스적으로 될 것으로 생각된다. 이것이 문제로 되는지의 여부는 당연히 관심의 대상이다. 이에 대해서는, 최근에는 펄스 MOCVD법 등 원료 공급을 펄스 형상으로 행하는 성막 방식도 보고되어 있으며(C.Bayram et.al. Proc. of SPIE Vol. 7222 722212-1 등), 통상의 성막 방법을 상회하는 결과도 나오고 있다. 이 점을 감안하면, 퇴적 속도가 직사각형 또는 펄스적으로 추이하는 것에는 기본적으로 문제는 없다고 할 수 있다. 또한 펄스적인 퇴적 속도가 막질 균일성에 끼치는 영향에 대해서는, 기판의 모든 장소에 있어서 마찬가지로 펄스적인 퇴적 속도가 되기 때문에, 이 것이 균일성에는 영향을 끼치는 일은 없다. 즉, 종래 방법과 마찬가지로, 성막 균일성에 대해서는 어디까지나 퇴적 속도 곡선만이 지배한다고 생각해도 된다. 이상과 같은 고찰로부터, 펄스적인 퇴적 속도의 시간 추이는, 모든 관점에서 결점은 될 수 없다고 결론 내릴 수 있다.
이와 같이 본 발명은, 종래와 비교하여 어떠한 결점도 없는 한편, 높은 재료 가스 분압에 의한 막질의 향상과 가스 소비의 대폭 삭감이라는, 절대적인 이점을 갖는 것이다.
<본 발명의 상세한 구조> 이어서, 도 3 내지 도 7도 함께 참조하여 본 발명의 성막 장치의 구조에 대하여 상세하게 설명한다. 도 3은 대향면 형성 부재의 다른 예를 도시하는 평면도이다. 도 4는 대향면 형성 부재의 다른 예를 도시하는 단면도이다. 도 5는 본 발명의 리액터 구조를 도시하는 분해 사시도이다. 도 6은 본 발명의 리액터 구조를 도시하는 단면도이다. 도 7은 본 발명의 인젝터 구조를 도시하는 분해 사시도이다. 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 대향면 형성 부재(30)와 인젝터부(40) 이외에는 종래 구조와 완전히 동일하게 해도 된다. 본 발명의 근간을 이루는 대향면 형상에 관해서는, 설계 파라미터로서 대향면의 평면 형상 및 단면 형상, 오목부 볼록부의 면적 비율 및 높이 비율, 그리고 플로우 채널의 분할 수를 들 수 있다.
도 1에는 평면도에 있어서의 오목부(34)의 형상으로서 부채형의 예를 도시했지만, 직사각형, 또는 이들의 조합으로도 유사한 효과는 얻어진다. 각각의 성막 조건 등을 감안하여 적절히 형상을 선택하면 된다. 도 3에 도시하는 대향면 형성 부재(70)는 오목부(74)가 직사각형 부분(74A)과 부채형 부분(74B)을 조합한 형상으로 되어 있다. 또한 오목부의 단면 형상에 대해서는, 도 2에는 직사각형의 예를 도시했지만, 물론 사다리꼴, 삼각형, 또는 사인 곡선과 같은 곡면이어도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것은 명백하다. 보다 원활한 흐름이라는 관점에서는 곡면을 포함하는 형상이 적합할지도 모른다. 도 4는 요철 형상의 단면 형상을 사다리꼴로 하고, 에지에 필릿(75, fillet)을 형성한 예를 도시한다.
다음으로 오목부(34)와 볼록부(36)의 면적 비율에 관한 것인데, 오목부(34)의 면적 비율이 작을수록 캐리어 가스의 절감 효과, 그리고 휘발 성분 재료 가스 분압의 상승 효과는 높다. 단, 오목부(34)의 면적을 지나치게 작게 하면, 성장에 기여하지 않는 볼록부의 통과 시간이 길어지며, 이는 경우에 따라서는 매우 얇은 막층을 형성할 때 불리해질 가능성이 있다. 자공전의 회전 속도에 따라 다르지만, 오목부(34)의 면적 비율로서는 20 내지 80％ 정도가 허용 범위일 것이다.
오목부(34)와 볼록부(36)의 높이 비에 대해서는, 서셉터는 자공전하는 한편, 대향면은 정지해 있으므로, 볼록부(36)와 서셉터(20) 사이에는 간극이 필요하다. 오목부(34)와 볼록부(36)의 플로우 채널 높이(서셉터와 대향면 간의 거리)의 비는, 물론 이것이 클수록 발명의 효과는 크다. 그러나, 조금이라도 고저 차가 있으면 이론적으로는 얼마간의 효과는 얻어진다. 현실적으로 만족할 수 있는 효과를 얻고자 하면, 이 높이 비율은 볼록부:오목부로 1:2 정도는 설정하는 것이 좋다. 높이 비를 크게 하기 위해서는, 볼록부(36)와 서셉터(20) 사이의 거리는 작을수록 유리하지만, 이를 지나치게 작게 하면 서셉터(20)의 열변형 등에 의하여, 서셉터(20)와 대향면 볼록부(36)가 접촉해 버릴 위험이 높아진다. 이 점에서 볼록부(36)와 서셉터(20)의 간극의 하한은, 1㎜ 정도는 필요할 것이다. 오목부(34)의 플로우 채널의 높이는, 종래 타입의 최적 조건과 일치시킬 필요가 있다. 현실에 사용되고 있는 자공전식 노(爐)의 플로우 채널 높이는 5 내지 40㎜로 폭이 있다. 만약 오목부(34)의 높이로서 40㎜를 선택하면, 볼록부(36)의 높이는 20㎜ 정도이어도 효과는 나타난다. 또한 오목부의 높이를 5㎜로 하면, 볼록부(36)의 높이는 2.5㎜ 이하, 바람직하게는 1㎜ 정도로 억제하기 바란다. 이상의 점에서, 볼록부(36)의 높이는 1 내지 20㎜, 오목부(34)의 높이는 5 내지 40㎜ 정도의 범위 내에서, 조건에 따라 적절히 선택하는 것이 좋다.
대향면 형상의 마지막 설계 파라미터는 플로우 채널의 분할 수이다. 분할이 많을수록 주(周)방향의 치우침이 작아지기 때문에, 이 의미에서는 분할 수는 많을수록 좋다. 그러나 분할 수를 많게 하여, 오목부 플로우 채널의 폭이 지나치게 작아지면, 플로우 채널 측벽면(35)의 영향이 강하게 발현된다. 이것이 즉시 문제로 되는 것은 아니지만, 종래의 방식에서 얻어져 온 데이터로부터의 괴리가 커지는 것은 피할 수 없다. 이러한 점들을 감안하면 분할 수는, 엄밀하지는 않지만 3 내지 30 정도가 적당한 범위일 것이다. 리액터의 크기에 따라 다르지만, 양산에 사용되는 대형 장치에서는, 이 범위 내이면 종래 방식에서 얻어진 데이터를 그대로 활용하는 것이 가능하다. 분할 수가 3보다 작아지면 볼록부 1개당 면적이 커져, 여기를 통과하는 시간이 지나치게 길어진다. 또한 30보다 커지면 플로우 채널의 폭이 지나치게 작아져, 유체역학적 관점에서 가스 흐름에 대한 플로우 채널 측벽면의 영향이 현저하게 나타난다.
대향면 형상 외에 인젝터에 대해서도, 대향면의 요철 형상에 맞춰 그 형상을 변화시키는 것이 좋다. 여기서도 ⅢV족 화합물 반도체를 예로 드는데, 이 분야에서 종종 사용되는 인젝터는, V족과 Ⅲ족이 혼합되는 포인트를 가능한 한 기판 가까이에 가지고 오는 것, 그리고 인젝터를 저온으로 유지함으로써 원료 분자의 전구 반응을 억제하는 등의 기능을 갖는다. 종래 장치에서는, 도 10에 도시한 바와 같이 인젝터부(120)는, 기본적으로 단순한 원판 형상의 제1 인젝터 구성 부재(122) 및 제2 인젝터 구성 부재(124)에 의하여 구성되어 있다. 그에 비하여 본 발명에서는, 난류를 방지하기 위하여 도 5 또는 도 7에 도시되는 바와 같이, 대향면 플로우 채널과 연속(대응)으로 되도록 인젝터 내의 흐름도 분할하는 것이 바람직하다.
구체적으로는 도 5 및 도 7에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는, 분리 공급형의 인젝터부(40)를 구성하는 제1 인젝터 구성 부재(42)와 제2 인젝터 구성 부재(50)는, 도 1에 도시하는 대향면 형성 부재와 마찬가지의 표면 형상을 갖고 있다. 제1 인젝터 구성 부재(42)는 부채형의 오목부(44)와 볼록부(46)가 교대로 방사상으로 형성되어 있으며, 중앙에, 관통 구멍(48A)이 형성된 가스 도입구(48)를 갖고 있다. 제2 인젝터 구성 부재(50)는 부채형의 오목부(52)와 볼록부(54)가 교대로 방사상으로 형성되어 있으며, 중앙에, 관통 구멍(56A)이 형성된 가스 도입구(56)를 갖고 있다.
이러한 구조로 함으로써, 인젝터 부재가 하면에 접촉하는 면적을 크게 취할 수 있으며, 그리고 이 접촉부를 히트 싱크(heat sink)로 함으로써, 인젝터를 종래보다도 보다 저온으로 유지하는 것이 가능해진다. 인젝터를 하면에 접촉시켜 냉각하는 기술로서는 일본 특허 공개 제2011-155046호 공보에 기재된 기술이 있는데, 이 발명에서는 접촉부 형상을 원기둥 형상으로 함으로써 흐름을 흐트리지 않는 고안이 이루어져 있지만, 그 효과는 충분하다고는 할 수 없다. 본 발명의 구조이면 접촉 면적을 충분히 크게 취할 수 있는 데다 난류의 발생도 막을 수 있으므로, 그 이점은 절대적이다.
여기까지 인젝터부(40)를 갖는 구조에 대하여 설명해 왔지만, 본 발명은 인젝터를 사용하는 경우에 한정되는 것은 아니다. 비소계나 인계 등의 화합물 반도체의 성막에 있어서는 인젝터를 사용하지 않는 경우도 많다. 이 경우에 있어서도 대향면에 요철을 부여하여, 복수의 플로우 채널로 분할하는 본 발명의 개념을 적용할 수 있으며, 또한 그 효과가 얻어지는 것은 명확하다.
또한 상기 설명에 따른 도면에 있어서는, 기판 표면이 연직 하향으로 되는 소위 페이스 다운 타입의 장치에 관하여 도시했지만, 통상의 성막 조건에 있어서는 중력의 영향은 경미하므로, 기판 표면이 상향으로 되는 소위 페이스 업의 장치에 있어서도 본 발명에 의한 효과가 동등하게 얻어지는 것은 자명하다. 따라서 본 발명은 페이스 다운 타입에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 대향면 형성 부재(30) 및 인젝터부(40)를 형성하는 부재의 재료에 관해서는, 순도 및 사용되는 환경에 견디는 내열, 내부식성이 충족되면 기본적으로는 어떠한 재료이어도 된다. 구체적으로는 반도체 또는 산화물의 성막에 일반적으로 자주 사용되는 스테인레스, 몰리브덴 등의 금속재료, 카본, 탄화규소나 탄화탄탈 등의 탄화물, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄 등의 질화물, 석영, 알루미나 등의 산화물계 재료 등을 들 수 있으며, 이 중에서 적절히 선택하면 된다.
<실험예 1> 질화갈륨막의 퇴적 속도 곡선
이어서, 본 발명을 질화갈륨막의 성막에 적용하고, 종래 방법과 비교한 예를 소개한다. 우선 비교를 위하여 행한 종래 방법의 예에 대하여 설명한다. 종래예에서는, 도 10에 도시된 단면 구조를 갖는 리액터를 사용하였다. 이 장치에 있어서 막질, 원료 이용 효율, 캐리어 가스 소비량 및 유속의 관점에서 조건 제시를 행한 바, 최적의 성막 압력은 25㎪, 플로우 채널 높이는 14㎜, 캐리어 가스 유량은 120SLM이었다. 한편 본 발명의 구조로서는, 대향면 형성 부재로서 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 직사각형의 단면 형상을 갖고, 12분할의 플로우 채널로 되는 대향면을 채용하였다. 오목부(34), 볼록부(36)의 어느 쪽도 개방각은 15˚이며, 이들은 30˚의 주기성을 가지고, 따라서 12회 대칭의 형상이다. 오목부(34)와 서셉터(20)의 거리는 종래 구조에서의 최적값인 14㎜에 일치시키고, 볼록부(36)와 서셉터(20)의 거리는 4㎜로 하였다. 대향면 형성 부재의 재질에는 카본을 사용하였다.
또한 종래 구조에 맞추어, 3층의 흐름으로 되는 인젝터를 사용하였다. 3층의 플로우 채널의 높이는 각 4㎜이고, 각각을 구획하는 판의 판 두께가 1㎜이다. 합하면 대향면부 플로우 채널 높이와 같은 14㎜로 된다. 3층 중 아래 두 플로우 채널 형상은 대향면의 플로우 채널과 연속(대응)으로 되도록 12분할로 하고, 위의 1층은 분할 없이 360˚ 균등하게 흐르는 형태로 하였다. 또한 인젝터에 사용한 재질은 몰리브덴이다. 이 구조를 도 5, 도 6에 도시하였다. 도 5는 부품으로 분할한 사시도, 도 6은 조립하였을 때의 단면도이다. 단면도에 있어서의 우측 절반은 오목부 플로우 채널을 도시하고, 좌측 절반은 볼록부 플로우 채널을 도시하고 있다.
이하의 표 1에 질화갈륨막 성막 시의 가스 조건을 나타내었다. 종래예에 대해서는 최적 조건인 캐리어 가스 총 유량 120SLM의 조건, 본 발명의 예에서는 종래예와 같은 120SLM, 그 절반인 60SLM, 그리고 결과적으로 종래예와 유사한 퇴적 속도 곡선이 얻어진 35SLM의 실험 조건에 대하여 게재하고 있다.
도 8에 각 조건에 있어서의 성막의 결과 얻어진 퇴적 속도 곡선을 나타낸다. 이는 자전 없이 5rpm의 공전만에 의한 성막의 결과이다. 본 발명 구조에서 종래와 동일한 120SLM의 캐리어 가스 유량으로 했을 경우, 퇴적 속도 곡선은 가로 방향으로 확대되고 세로 방향으로 축소되어 있다. 이 양태는 유속이 지나치게 빠른 것을 나타내고 있으며, 서두에서 고찰한 이론과 잘 맞는 결과였다. 캐리어 가스 유량을 저감시켜 가면 퇴적 속도 곡선은 급준화되어, 35SLM의 캐리어 가스 유량에 있어서 종래예의 퇴적 속도 곡선에 가까운 결과가 얻어졌다. 본 발명의 구조에서는, 플로우 채널의 단면적은 종래의 약 64％로 되어 있기 때문에, 종래의 약 29％의 유량인 35SLM에 있어서 유사한 퇴적 속도 곡선이 얻어진 것은 기묘하게 생각된다. 그러나 확산 계수를 고려하면, 이는 타당한 결과라고 할 수 있다. 본 발명예에서는 캐리어 가스 중의 NH3 비율이 상승하고 있지만, NH3은 수소에 비하여 분자량이 현저히 크기 때문에, 그레이엄의 법칙(Graham's law)으로부터 확산 계수가 수소보다도 대폭 작다. 퇴적 속도 곡선은 이류 확산 방정식에 지배되기 때문에, 유속뿐만 아니라 확산 계수에 따라서도 변화한다. 본 실험예에서는 캐리어 가스의 실효적인 확산 계수가 저하되었기 때문에, 예상 이상으로 적은 캐리어 가스 유량으로 종래와 유사한 퇴적 속도 곡선이 얻어졌다고 생각된다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 종래와 마찬가지인 퇴적 속도 곡선을 얻는 데, 70％ 이상의 캐리어 가스의 삭감이 가능하게 되는 데다, 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이 NH3 분압은 종래의 5㎪에서 17.1㎪로 3배 이상으로 상승하고 있다. 이로 인하여 막 표면으로부터의 질소 원자의 이탈이 억제되어, 보다 고품질의 막이 얻어지게 된다.
<실험예 2> 다중 양자 웰의 발광 특성
이어서, 실시예 1에 있는 종래형과 본 발명형의 장치를 사용하여, InGaN/GaN의 다중 양자 웰을 제작하고, 포토 루미네선스의 스펙트럼에 의하여 평가하였다. 각각의 성막 조건을 이하의 표 2에 기재하였다.
이들 성막 조건 하에서, 4인치 크기의 기판을 사용하여 공전 5rpm, 자전 15rpm의 회전 속도로 기판을 자공전시켜 성막을 행하였다. 도 9는 얻어진 다중 양자 웰의 포토 루미네선스 스펙트럼이다. 이 도면으로부터, 본 발명 구조에서 제작된 다중 양자 웰 쪽이 피크 강도가 15％ 정도 높고, 또한 반값 폭(FWHM)은 보다 작아져 있는 것을 알 수 있다. 당연한 것이지만, 피크가 급준하고 강도가 강한 쪽이 보다 고품질이다. 이와 같이 다중 양자 웰의 품질이 향상된 것은, 표 2에 나타나 있는 바와 같이 NH3의 분압이 약 40％ 높아져 있기 때문이라고 생각된다. 이는 본 발명 구조를 사용함으로써, 캐리어 가스 총 유량을 저감시켰기 때문에 실현될 수 있었던 것이다. 또한, 가스의 사용량 외에 Ⅲ족의 사용량도 저감시킬 수도 있었기 때문에, 성막 비용의 삭감에도 대단히 기여하는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경을 가할 수 있다. 예를 들어, 이하의 것도 포함된다.
(1) 상기 실시예에서 나타낸 형상, 치수는 일례에 속하며, 마찬가지의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절히 설계 변경 가능하다.
(2) 상기 실시예에서 나타낸 대향면 형성 부재(30)나 인젝터부(40)를 구성하는 재료도 일례에 속하며, 마찬가지로 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절히 변경 가능하다.
(3) 상기 실시예에서는, 인젝터부(40)를 사용하는 것으로 했지만, 이것도 일례에 속하며, 인젝터는 필요에 따라 설치하도록 하면 된다. 또한 인젝터부(40)의 구조도 일례에 속하며, 필요에 따라 적절히 설계 변경 가능하다.
(4) 상기 실시예에서는, 기판 표면이 아래를 향하는 페이스 다운의 타입으로 했지만, 기판 표면이 위를 향하는 페이스 업에 있어서도 적용 가능하다.
본 발명에 의하면, 적은 캐리어 가스 유량으로 종래 장치의 최적 조건과 동등한 성막을 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 휘발 성분의 재료 가스 분압을 종래보다도 현저히 높일 수 있으며, 그로 인하여 종래보다도 고품질의 성막이 실현 가능해지기 때문에, 자공전식의 기상 성막 장치의 용도에 적용할 수 있다. 특히, 화합물 반도체막 및 산화물막의 성막 용도에 적합하다.
10: 리액터 구조
20: 서셉터
22: 기판 보유 지지 부재
24: 균열판
26: 받침부
30: 대향면 형성 부재
30A: 대향면
32: 개구부
34: 오목부
34A: 오목부 대향면
35: 측벽
36: 볼록부
36A: 볼록부 대향면
38: 가스 배기부
40: 인젝터부
42: 제1 인젝터 구성 부재
44: 오목부
46: 볼록부
48: 가스 도입구
48A: 관통 구멍
50: 제2 인젝터 구성 부재
52: 오목부
54: 볼록부
56: 가스 도입구
56A: 관통 구멍
60: 가스 도입부
70: 대향면 형성 부재
72: 개구부
74: 오목부
74A: 직사각형 부분
74B: 부채형 부분
75: 경사면
76: 볼록부
100: 리액터 구조
110: 대향면 형성 부재
120: 인젝터부
122: 제1 인젝터 구성 부재
124: 제2 인젝터 구성 부재
W: 기판
20: 서셉터
22: 기판 보유 지지 부재
24: 균열판
26: 받침부
30: 대향면 형성 부재
30A: 대향면
32: 개구부
34: 오목부
34A: 오목부 대향면
35: 측벽
36: 볼록부
36A: 볼록부 대향면
38: 가스 배기부
40: 인젝터부
42: 제1 인젝터 구성 부재
44: 오목부
46: 볼록부
48: 가스 도입구
48A: 관통 구멍
50: 제2 인젝터 구성 부재
52: 오목부
54: 볼록부
56: 가스 도입구
56A: 관통 구멍
60: 가스 도입부
70: 대향면 형성 부재
72: 개구부
74: 오목부
74A: 직사각형 부분
74B: 부채형 부분
75: 경사면
76: 볼록부
100: 리액터 구조
110: 대향면 형성 부재
120: 인젝터부
122: 제1 인젝터 구성 부재
124: 제2 인젝터 구성 부재
W: 기판
Claims (11)
- 성막용 기판을 보유 지지하기 위한 기판 보유 지지 부재를 구비하는 원판 형상 서셉터, 상기 기판을 자공전시키는 기구, 상기 기판 보유 지지 부재에 대향하여 플로우 채널을 형성하는 대향면, 재료 가스의 도입부 및 배기부를 포함하는 기상 성막 장치에 있어서,
상기 원판 형상 서셉터와 상기 대향면의 거리가 상기 기판의 공전 방향에 있어서 변화하도록, 상기 대향면에 요철 형상을 형성하고, 또한,
상기 재료 가스의 도입부에 원판 형상의 인젝터를 구비하고,
상기 인젝터에, 상기 대향면의 요철 형상의 볼록부와 동일한 위치에 볼록부를 가지고, 상기 대향면의 요철 형상의 오목부와 동일한 위치에 오목부를 가지는 요철 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 기상 성막 장치. - 제1항에 있어서,
성막 방식이 화학 기상 성장인 것을 특징으로 하는 기상 성막 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 재료 가스가 화합물 반도체 또는 산화물의 재료 가스인 것을 특징으로 하는 기상 성막 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 재료 가스의 일부에 유기 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 성막 장치. - 제3항에 있어서,
상기 재료 가스의 일부에 유기 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 성막 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 대향면 및 상기 인젝터를 구성하는 부재의 재질이 스테인레스, 몰리브덴 등의 금속재료, 카본, 탄화규소, 탄화탄탈 등의 탄화물, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄 등의 질화물, 및 석영, 알루미나 등의 산화물계 재료 중 어느 하나, 또는 그들의 조합인 것을 특징으로 하는 기상 성막 장치. - 제3항에 있어서,
상기 대향면 및 상기 인젝터를 구성하는 부재의 재질이 스테인레스, 몰리브덴 등의 금속재료, 카본, 탄화규소, 탄화탄탈 등의 탄화물, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄 등의 질화물, 및 석영, 알루미나 등의 산화물계 재료 중 어느 하나, 또는 그들의 조합인 것을 특징으로 하는 기상 성막 장치. - 제4항에 있어서,
상기 대향면 및 상기 인젝터를 구성하는 부재의 재질이 스테인레스, 몰리브덴 등의 금속재료, 카본, 탄화규소, 탄화탄탈 등의 탄화물, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄 등의 질화물, 및 석영, 알루미나 등의 산화물계 재료 중 어느 하나, 또는 그들의 조합인 것을 특징으로 하는 기상 성막 장치. - 제5항에 있어서,
상기 대향면 및 상기 인젝터를 구성하는 부재의 재질이 스테인레스, 몰리브덴 등의 금속재료, 카본, 탄화규소, 탄화탄탈 등의 탄화물, 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄 등의 질화물, 및 석영, 알루미나 등의 산화물계 재료 중 어느 하나, 또는 그들의 조합인 것을 특징으로 하는 기상 성막 장치. - 삭제
- 삭제
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