KR102332644B1 - 유출 셀, 유출 셀을 포함하는 증착 시스템, 및 관련 방법들 - Google Patents

유출 셀, 유출 셀을 포함하는 증착 시스템, 및 관련 방법들 Download PDF

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Abstract

유출 셀은 상기 유출 셀 내에서 증발하거나 승화될 재료를 내부에 포함하는 도가니, 상기 도가니로부터 유래하는 증발된 또는 승화된 재료를 상기 유출 셀로부터 챔버로 전달하도록 구성되는 전달 튜브, 상기 도가니로부터 연장하며, 증발된 또는 승화된 재료로부터 유래하는 응축물을 포착하고 상기 응축물을 상기 도가니로 다시 전달하도록 배치되고 구성되는 공급 튜브, 및 상기 도가니 내의 재료의 증발 또는 승화를 초래하고 또한 증발된 또는 승화된 재료를 상기 전달 튜브를 통해 상기 유출 셀로부터 유출되도록 하기 위하여 상기 도가니 내에 포함된 재료를 가열하도록 배치되고 구성되는 적어도 하나의 가열 요소를 포함한다. 상기 유출 셀은 상기 도가니가 프로세스 진공 챔버로부터 상기 유출 셀을 제거하지 않고 증발 또는 승화될 재료로 채워질 수 있도록 구성된다. 반도체 기판 처리 시스템은 그러한 유출 셀을 포함할 수 있다.

Description

유출 셀, 유출 셀을 포함하는 증착 시스템, 및 관련 방법들
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 4월 25일에 출원된 미국 가출원 제 62/327,323 호의 이익을 주장하며, 2016년 6월 13일자로 출원된 미국 가출원 제 62/349,499 호의 이익을 주장하며, 그 개시 내용은 본 명세서에서 그 전체가 본 명세서에 통합된다.
기술 분야
본 발명은 물리적 기상 증착 시스템과 함께 사용하기 위한 유출 소스, 이러한 유출 셀을 포함하는 증착 시스템, 및 그러한 유출 셀 및 증착 시스템을 제조 및 사용하는 방법에 관한 것이다.
물리적 기상 증착은 증착 챔버 내의 기판 상에 증착될 원소 또는 분자가 증발 또는 승화 공정을 통해 공급되는 공지된 증착 프로세스이다. 물리적으로 상이한 공정들에서, "증발" 및 "승화"라는 단어는 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용되고, 증착될 재료에만 의존한다. 증착 챔버는 일반적으로 진공하에 밀봉되어 있다. 환언하면, 적어도 일부의 측정 가능한 양의 가스가 증착 챔버 내에서 제거된다. 증착 챔버는 전형적으로 강철, 알루미늄, 다른 금속 또는 유리로 형성되고, 외부 영역, 전형적으로 공기와 가스가 부분적으로 제거되는 내부 영역 사이의 물리적 경계를 규정한다.
기체의 온도가 절대 영도 켈빈 이상일 때, 기체의 각 분자 또는 원자는 ½ mv2에 의해 정의된 특정 운동 에너지를 가지며, 여기서 m은 기체 입자(원자 또는 분자)의 질량이고, v는 입자 속도이다. 이러한 고에너지 입자가 챔버 벽과 충돌하면 챔버 벽에 힘을 가한다. 챔버 벽에 가해지는 이러한 힘은 압력으로서 나타나며, 종종 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 공지된 다른 유닛들 중 제곱 인치당 파운드(psi), 파스칼 또는 토르와 같은 단위로 기술된다. 가해지는 힘의 양은 챔버의 면적, 발생하는 충돌의 수, 따라서 가스의 밀도 및 운동 에너지에 의존한다.
챔버 외부의 압력이 진공 챔버 내부의 압력과 다른 시스템을 고려할 때, 알짜 힘(net force)이 챔버 벽에 작용한다. 챔버 외부의 압력이 챔버 내부의 압력보다 작으면, 챔버를 팽창시키거나 파열하려고 하는 힘이 가해진다. 이 경우, 챔버는 압력 챔버로 불린다. 챔버 내부의 압력이 챔버 외부의 압력보다 낮으면, 챔버를 압축하거나 심지어 부수려는 알짜 힘이 가해진다. 이 경우, 챔버는 종종 진공 챔버로 지칭되며, 챔버에 작용하는 힘을 견딜 수 있도록 견고하게 만들어져야 한다. 이 시점에서, 약식으로, "진공 챔버" 또는 "챔버"를 "챔버"라고 한다.
반도체, 광학 코팅, 공구 코팅 및 다양한 생물 의학 응용과 같은 많은 응용 분야에서 제품 가공에는 박막 증착, 에칭 및 어닐링이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다. 따라서, 챔버를 비우는 것뿐만 아니라, 알려진 가스의 제어된 흐름을 진공 챔버에 도입하는 것이 바람직하다. 이 가스는 증착, 에칭, 어닐링 또는 일반적으로 진공 환경에서 생산된 제품의 가공에 사용되는 제품을 공급할 수 있다. 진공은 플라즈마 처리와 같은 진공 없이는 불가능한 처리 수단을 제공할 수 있거나 또는 가스가 유동하여 처리중인 제품에 전달될 수 있도록 단지 압력차를 제공할 수 있다. 다르게는, 진공은 바람직하지 않은 배경 불순물 농도를 감소시켜 제품의 오염을 방지하거나 바람직하지 않은 화학적 또는 열적 반응을 방지하는 수단을 제공할 수 있다. 당업자는 제품을 처리하기 위해 진공을 사용하는 다수의 이유를 알고 있으며, 이들은 예로서 여기에 언급된 것일뿐 전체를 망라하는 것은 아니다.
통상적으로 챔버 내의 모든 가스 입자를 제거하는 것이 가능하지 않기 때문에, 잔류 가스의 측정 가능한 양의 일부는 해수면에서의 대기압에 대해 통상적으로 측정되는 진공 챔버 압력을 정의한다(1 기압은 760 torr 임). 가스가 제거되어 압력이 ~ <760 torr 내지 ~ 1x10-3 torr 인 경우, 진공은 "중간 진공"이라고 한다. 압력이 ~ 1x10-3 torr 내지 ~ 1x10-8 torr 범위로 더 감소되는 경우, 진공은 "고진공"또는 "HV"라고 한다. 압력이 ~ 1x10-8 torr 이하로 더욱 낮아지면, 진공은 "초고진공"또는 "UHV"라고 한다.
챔버가 진공 챔버, 튜브, 오리피스 또는 다른 밀폐된 볼륨인지 여부에 관계없이, 챔버의 기하학적 크기는 가스가 시스템을 통과하는 방식의 특정 주요 특징을 규정한다. 따라서 모든 밀폐된 볼륨을 단순히 "챔버(chamber)"라고 부른다. 가스가 충분히 낮은 압력에 있는 경우, 입자는 서로 자주 충돌하지 않는다. 입자가 서로 충돌하기 전에 이동하는 평균 거리는 당업자에게 "평균 자유 경로"(충돌 사이)로 일반적으로 알려져있다. 챔버 벽이 평균 자유 경로(λ)보다 작은 거리만큼 이격되는 경우, 챔버 벽과의 충돌은 가스 및 챔버 벽으로/로부터의 운동량 전달을 통한 가스 흐름에 대한 저항을 결정하는데 있어서의 입자간 충돌을 지배한다. 이 가스 흐름 모드를 "분자 흐름"이라고 한다.
가스의 평균 자유 경로가 챔버 벽의 크기보다 작으면, 입자간 충돌이 입자 간 운동량 전달을 통해 가스 흐름에 대한 저항을 지배한다. 이 가스 흐름 모드는 "점성 유동(viscous flow)"으로 알려져 있으며 입자가 챔버 벽으로부터 보다 적은 임피던스 효과로 다른 입자를 감속시키고 산란 시키도록 작용하는 유체와 매우 유사하게 행동한다.
가스는 진공 시스템을 통과할 때 일 흐름 모드에서 다른 흐름 모드로 전환 할 수 있다. 예를 들어, 가스는 작은 튜브(진공 챔버의 한 형태)로 전달될 수 있으며, 이 튜브의 압력과 튜브 치수는 점성 유동 모드로 정의된다. 이어서, 가스는 더 큰 챔버로 주입될 수 있으며, 이 챔버의 압력 및 챔버 치수는 가스가 분자 유동 모드에 있는 것으로 규정된다. "Knudson number"("K")로서 당업자에게 알려진 챔버 주요 치수에 대한 평균 자유 행정의 비율에 의해 정의된 무차원 양은 가스가 어느 모드에 있는지를 규정한다. Knudson 수가 약 1 보다 큰 경우, 가스는 분자 유동 거동을 하는 경향이 있는 반면에, Knudson 수가 약 1 보다 작으면, 가스는 점성 유동으로 향하게 된다. 당업자는 점성 유동 대 분자 유동을 규정하기 위한 명확한 경계가 존재하지 않는다는 것을 인식하고, 따라서 "혼합 유동"으로 정의된 영역은 Knudson 수가 약 1 일 때 유동 특성의 전이를 정의하는데 종종 사용된다.
종종 진공 도구의 처리 속도는 분자 플럭스 J와 관련된 "가스 처리량"("Q")에 의해 부분적으로 결정된다. 처리량은 시스템을 통과하는 총 질량 유동의 일정 정도이다. 따라서, 더 높은 질량 흐름은 더 많은 기체 종이 챔버로 들어가는 것과 동일하다. 증착 시스템에서, 보다 높은 Q 또는 J는 증착 속도를 증가시키고 따라서 처리량을 처리하는 것에 있어 바람직하다. 처리량 Q는 초당 토르 - 리터, 표준(대기압) 입방 센티미터/초, 표준 리터/초 또는 당업자에게 알려진 다른 단위의 공통 단위로 주어진다. 분자 플럭스 J는 원자 수/(cm2-초) 또는 그램/(cm2-초) 단위로 주어진다. 일부 경우에, 이 처리량은 챔버가 작동하려는 소정의 압력에서 규정되고, 다른 경우에는 대기압(표준 압력)에 대해 규정된다.
챔버 압력 및 가스 처리량은 챔버 컨덕턴스 C에 의해 관련된다. 챔버, 튜브 또는 오리피스 컨덕턴스는 가스의 흐름에 대한 역저항의 일정 정도이며, 가장 일반적으로 초당 리터(L/S) 단위로 측정된다. 결과적으로, 분자 흐름 체제에서, 컨덕턴스는 전적으로 챔버의 치수에 의해 규정되는데, 이는 가스 흐름을 제한하는데 거의 영향을 주지 않으면서, 입자간 충돌로 유동을 제한하는 역할을 한다. 마찬가지로, 점성 유동 영역에서의 챔버의 컨덕턴스는 가스 압력이 충돌 횟수 및 가스 흐름에 대한 임피던스를 결정한다는 점에서 가스의 압력에 의존한다. 일반적으로, Q, C와 압력 P 사이의 관계는
수식 1) Q = CP,
여기서 C는 분자 유동에 대한 챔버 치수에 의존하는 상수이고, C는 점성 유동에 대한 압력 및 챔버 치수에 의존하는 변수이다. 점성 유동에 대한 보다 정확한 수식은 다음과 같은 결과를 초래하는 컨덕턴스의 압력 의존성을 고려한다.
수식 2) Q = F(P2 up-P2 down),
여기서 Pup는 상류의 압력(가스 흐름의 소스)이고 Pdown은 가스 흐름의 하류(진공 챔버 또는 챔버에 진공을 공급하는 펌프의) 압력이다. 상류 및 하류 압력의 차이는 종종 하류 압력이 무시될만큼 충분히 크다. 따라서, 수식 2)는 C = F/(2xPaverage) ~ F/(2xPup)로 함으로써 수식 1)로 감소될 수 있다.
진공은 진공을 생성하기 위해 진공 챔버로부터 가스를 제거하기 위해 일종의 펌프를 필요로 한다. 진공 펌프가 연속적으로 가스를 제거하지 않는 한, 챔버로의 가스 흐름은 압력 증가를 초래한다. 따라서 모든 진공 시스템에는 적어도 하나 이상의 진공 펌프가 포함된다. 진공 펌프의 성능은 펌핑 속도 S로 알려진 양으로 기술되고, 챔버 컨덕턴스의 것과 동일한 단위를 갖는다. 따라서 펌프의 펌핑 속도는 점성 유동 영역의 압력에 의존하고 분자 유동 영역의 압력과는 무관하다.
펌핑 속도 및 챔버 컨덕턴스가 동일한 단위를 갖기 때문에, 수식 1 및 2의 컨덕턴스 C를 유효 컨덕턴스 Ceff로 대체함으로써 각각의 결합된 효과를 나타낼 수 있다.
수식 3) 1/Ceff = 1/C + 1/S
마찬가지로 여러개(n)의 크고 작은 챔버와 펌프가 직렬 가스 흐름 배열로 연결될 때 유효 컨덕턴스는 아래와 같다.
수식 4) 1/Ceff = 1/C1 + 1/C2 + ... 1/Cn + 1/S
높은 펌핑 속도를 갖는 펌프가 다양한 치수의 일련의 챔버에 연결될 때, 가장 작은 전도도 챔버, 즉 가장 작은 특성 치수를 갖는 챔버가 전체 컨덕턴스를 결정할 것이기 때문에, 시스템의 처리량 및 압력을 좌우한다. 따라서, 고속 펌프가 작은 개구(제한된 컨덕턴스)를 통해 진공 챔버에 연결되면, 개구는 전체 컨덕턴스 및 따라서 처리량 및 달성 가능한 압력을 제한한다. 이 특징은 본 발명의 실시예를 이해하는데 중요할 것이며, 수식 3 및 수식 4에서 펌핑 속도 S를 무시할 수 있는 능력으로 이끌어 낼 것이며, 결과적으로 시스템 플럭스 처리량은 소스의 압력 및 전달 시스템(즉, 본원에 기재된 유출 셀)의 결합된 컨덕턴스에 의해 결정된다.
분자 유동 조건 하에서, 가스 분자는 서로 상호 작용할 가능성이 적기 때문에 컨덕턴스는 압력과 무관하다. 원형 오리피스(개구부의 직경보다 실질적으로 작은 두께를 갖는 개구부를 갖는 구멍)는 다음과 같은 컨덕턴스를 갖는다:
수식 5) C = 11.6πD2 / 4; 또는
C = 11.6 (단면적orifice).
튜브의 컨덕턴스는 다음과 같다.
수식 6) Ctube = 11.6 (D3 / L); 또는
Ctube = 11.6 (단면적tube) (4D / πL),
여기서 D는 오리피스/튜브 내경(cm), L은 튜브 길이(cm), P는 압력(torr)이다. 이 분자 유동의 경우, 컨덕턴스 C는 압력과 무관하다는 점에 유의한다.
튜브에 대한 점성 유동의 경우, 컨덕턴스 C는 다음과 같이 주어진다.
수식 7) C = 180(D4 / L) Paverage; 또는
C = 180 (단면적tube) (4D2 / πL) Paverage.
단순히 Q = CeffP보다 점성 유동 체제에서 가스 유동을 특징화하는 보다 정확한 수단은 다음과 같다.
수식 8) Q = F (P2 upstream - P2 downstream)
여기서, Pupstream은 오리피스의 상류의 압력이고 Pdownstream은 오리피스의 하류의 압력이고, F는 아래 관계에 의해 컨덕턴스 C와 관련된다:
수식 9) F = C / (2Paverage), 여기서
Paverage = 0.5 (Pupstream + Pdownstream).
점성 유동에 대한 C와 F 사이의 관계는 다음과 같이 증명할 수 있다:
Figure 112018117171405-pct00001
수식 5에서 수식 7 까지 모든 컨덕턴스는 치수가 cm 단위로 표시되고 Torr 단위로 압력이 표시되는 경우에 L/Sec로 측정되며, 위 컨덕턴스 수식들 각각에 대한 전인자(pre-factor)는 단위 변환을 설명한다. 비원형 구멍 및 튜브는 당업계에 공지되나 덜 일반적인 유사한 표현을 갖는다.
튜브 및 오리피스의 개구부의 면적 크기는 컨덕턴스에 영향을 준다. 따라서, 수식 1에 기술된 바와 같은 높은 질량 유동에 대해, 컨덕턴스를 최대화하는 큰 직경의 튜브 및 오리피스를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예들은 종래의 도가니 및 유출 셀 디자인 보다 실질적으로 더 큰 기계적 부하를 지지하도록 설계된 수개의 견고한 기계적 연결부를 사용하고, (일부 경우에) 액화된 증발 재료가 탈출하는 것을 허용하지 않기 위해 액밀이 되는데 이들 연결부가 필요할 수 있으므로, 두껍고 무거운 부분을 "가상 누설"을 일으키지 않고 진공 상태로 결합하는 수단이 필요할 수 있다. 가상 누출은 낮은 컨덕턴스 경로를 통해 진공에 연결된 볼륨으로 포착된 가스(액체가 아닌)의 포켓이다. 그러한 경로는 종종 작거나 매우 수축된 개구부이거나 또는 나사와 같은 길다란 좁은 통로이다. 가상 누설을 피하기 위해 본 기술 분야에서 잘 알려진 방법은 가운데 구멍뚫은 볼트 및 스크류가 블라이드 탭 구멍에 이용되도록 하여 대체적 가스 경로를 제공하는 것이거나 또는 조인트의 암나사를 슬롯팅(slotting) 하여 가스가 탈출하기 위한 보다 직접적(더 직선이며 더 짧은) 경로를 허용하는 것이다. 유감스럽게도, 포착된 가스가 빠져 나가는데 암나사를 슬롯팅하는 것이 필요하지만, 이는 액체 증발 재료가 슬롯을 통해 "윅(wick)"되어 조인트를 빠져 나올 기회를 허용하게 된다.
당해 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이, MBE 시스템은 진공 챔버 내에 구성된 증발(또는 승화) 재료로 채워진 하나 이상의 가열된 도가니로 구성되어 증발 재료를 기질을 향해 고체막으로 응축되도록 유도한다. 기계식 셔터는 전형적으로 증발 재료의 플럭스가 기판 상에 증착되는 것을 차단하거나 허용도록 도가니의 외부에 배치된다. 도가니는 일반적으로 열분해성 질화 붕소(PBN) 또는 기타 적합한 고순도, 열 투명한 재료 또는 경우에 따라 열 불투명 한 내화 금속, 알루미나와 같은 산화물, 산화 베릴륨 또는 흑연으로 만들어진 얇은 벽 재료(일반적으로 ~ 0.035 인치 두께)로 설계된다. 일반적으로, 도가니는 제거 및 대체가 가능해서 교체가 가능하므로, 재질에 구애받지 않는다. 증착 속도를 달성하기 위해 증발 플럭스를 조정하거나 복합 박막을 제조하기 위해 특정한 플럭스 비율로 증발 재료를 혼합하는 것이 바람직하기 때문에, 대부분의 경우에, MBE 도가니는 열 질량을 최소화하기 위해 얇고, 따라서 변화하는 온도의 응답 시간을 최대화하고, 따라서 원하는 증발 플럭스를 변화시킨다.
임의의 박막 증착 시스템, 특히 MBE에서, 상부 증착 속도는 유출 셀로부터의 침출의 개시에 의해 제한된다. 침출은 온도가 상승함에 따라 격렬하게 증가하는 가열된 용융물에 형성된 대류 흐름(때로는 부정확하게는 "비등"이라고도 함)으로 인해 기판에 도달할 수 있는 액체 방울의 유리를 초래하고 또한 금속 방울부터 건조된 화학적으로 반응한 액적 합금까지 범위의 결함을 초래하는데, 이는 일부 응용 분야에서 그 식별 기하학을 위해 종종 "타원형 결함"으로 기술된다. 일부 증발물이 도가니 벽 상에 응축되고 수집되는 경우, 저온에서도 소스 침출이 발생할 수 있다. PBN과 같은 열 투명한 재질을 사용하는 경우, 용융물 위쪽의 도가니 벽이 용융물 자체만큼 뜨겁지 않아 벽에 물방울이 응축되기 때문에, 이러한 수집은 가중된다. 이러한 응축된 물방울은 셀에서 용융물 "튀김(splattering)" 액체로 되돌아 갈 수 있다. 당해 기술 분야에서 공지된 이들 메커니즘 또는 다른 유사한 메카니즘 중 하나는 증착된 막에 결함을 혼입시킬 수 있는 소스 침출을 초래할 수 있다. 적당한 속도로 증착할 때, 재료 응축을 방지하기 위해 도가니의 오리피스 또는 립을 "핫 립" 디자인으로 가열함에 의해 또는 오목한(reentrant) 도가니 형상을 이용함에 의해 침출 결함 생성을 줄였다. 이러한 디자인들은 비효율적인 열 흡수 및 표준 개방 셀 설계와 비교하여 침출 부분의 완만한 감소만을 제공하는 용융 영역에 비해 제한된 온도 차이로 인해 어려움을 겪는다.
"캠페인 길이"은 유지 보수를 위해 시스템을 열어야 하기 전에 MBE 또는 PVD 시스템을 사용할 수있는 시간으로. 대부분의 경우 재료를 리로딩하는 것이다. 거의 모든 현재 사용되는 유출 셀은 재료가 적재되는 동일한 개구를 통해 재료가 증발되는 단일 개방 설계를 사용한다. 이를 위해서는 소모된 재료를 리로딩하기 위해 유출 셀을 시스템에서 제거될 필요가 있다. 약 100조개의 반도체 원자 중 하나의 불순물이 "불순물(impure)"로 간주되는 반도체 재료의 증착과 같이 고순도를 필요로 하는 공정에서, H2O, CO, O2, CO2 및 대기 중에 발견되는 기타 오염 가스를 통한 진공 파괴 및 시스템 오염은 비싸고 시간이 많이 걸리는 "유지 보수 후 청소"사이클이 채용되도록 한다. 종종, 전체 시스템은 여러 가지 펌프로 불순물을 뽑아내기 위해 며칠 동안 250℃와 같이 고온의 높여진 온도에서 구워진다. 이것은 MBE 프로세스의 주요 산업상 한계 중 하나로 간주되며, 많은 제조업체들이 MBE 대신 경쟁 기술을 선택하는 주된 이유이다. 재료를 증발시키는 동일한 개구부를 통해 재료를 로드하지 않는 선별된 몇몇 소스에서, 디자인은 재료를 로드하기 위한 진공 파괴가 여전히 필요하게 되고, 결과적으로 캠페인 길이가 유사하게 제한된다.
타겟 기판상의 증착된 막의 균일성은 기판상의 위치의 함수로서 구성된 경우, 합금의 막 두께 또는 원자 조성의 통계적 및 기하학적 변화이다. MBE 시스템과 같은 PVD 시스템은 경우에 따라 1 % 이하의 두께 및 조성의 표준 편차로 매우 균일한 막을 제조하는 것으로 알려져 있다. 유출 셀 축에 대한 플럭스 분포 대 각도가 일반적으로 코사인의 멱(일반적으로 ~ 3보다 작음)을 따르는 것으로 가정하면, MBE 시스템의 높은 균일성은 소스-기판 거리를 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 거의 평평한 플럭스 분포를 얻기에 충분히 큰 거리까지 증가시킴에 의해 얻어진다. 그러나, 기판에 도달하는 플럭스는 LSS가 기판-소스 간격인 1/LSS 2의 인자만큼 감소하기 때문에, 이러한 통상적인 실행은 증착 속도를 실질적으로 감소시킨다. 포지티브 드래프트 도가니(positive draft crucibles)는 균일성을 향상시키기 위해 사용되었지만, 직선 벽 도가니에 비해 용량이 감소하고 "공핍 효과"로 알려진 잘 알려진 장기간의 플럭스 불안정성을 나타내며, 증발되는 재료의 표면적은 재료가 공핍되면서 변하고, 일정한 온도에서도 시간의 경과에 따라 플럭스가 변한다. 포지티브 드래프트(원추형) 또는 직선 벽면(straight walled)에 관계없이 모든 개방형 도가니는 공핍 효과로 인한 어느 정도의 장기 플럭스 불안정성을 나타내며, 외부 셔터가 열리거나 닫힐 때 단기 플럭스 불안정성이 발생하기 쉽다. 이러한 단기 외부 플럭스 과도 현상은 부분 열 반사 셔터가 유출 셀 개구에서 제거될 때 유출 셀의 과도 냉각 또는 가열로 인한 것으로 잘 알려져 있어, 더 많은(열린 셔터) 또는 적은(닫힌 셔터) 전력을 저항성 필라멘트에 적용하여 원하는 일정 온도로 돌아가는 비례 적분 미분(PID) 제어 시스템에 의해 구동되는 과도적인 변화에 의해 보상되는 더 많은(열린 셔터) 또는 적은(닫힌 셔터) 셀의 열 손실을 허용한다.
압력 P를 갖는 증기 또는 가스를 함유하고 단면적 A의 제한된 충분히 얇은 개구(오리피스)를 통해 진공으로 진행하는 유출 셀을 떠나는 흐름은 다음과 같이 주어진다:
수식 10) J=PA/(2πmkT)1/2
여기서, 개구는 개구 폭 보다 충분히 더 얇은 두께를 가짐에 의해 오리피스로 분류되도록 충분히 얇으며, 여기서 J = 흐름, m = 증발된 종의 KG 단위의 분자 질량, k = 볼츠만 상수, T = 셀 내의 절대 온도, P = 아래 형태 법칙에 의해 관련된 온도 T와 링크된 셀 내의 압력:
수식 11) P = Ye(-Ea/kT),
Y는 증발된 재료의 특징 상수이며, Ea는 증발 또는 승화 공정과 관련된 활성화 에너지이다.
오리피스로부터 거리(LSS)에서 진공으로 향하는 분자의 정확한 플럭스는 많은 변수의 복잡한 함수이지만, 당 업계에 공지되어 있다. 이 변수 중 일부는 J, 오리피스 크기, A, 오리피스 모양 및 국부 압력(P는 위치 z의 함수이며, 0 ≤ z ≤ LSS 임)을 포함하며, 이 국부 압력은 분자 빔이 진공으로 향해 처리 될 때 기판 위치 지점(LSS)까지 확장되거나 집중함에 따라 변한다.
램버트의 근사는 따라서 유용하며, 오리피스로부터 거리(LSS)에 위치한 기판상의 입사 플럭스(F)은 오리피스로부터의 거리(LSS)의 제곱으로 감소한다고 말한다.
수식 12) F = HJ/(LSS 2),
여기서, H는 비례 인수이다.
이러한 플럭스를 생성하는 공지된 방법은 전형적으로 기화될 재료를 포함하는 도가니, 도가니에 열을 가하는 필라멘트 히터, 및 빔 블로킹 메커니즘(셔터 또는 밸브)을 포함한다. 도가니는 다양한 재료로 만들 수 있지만 기화될 원재료와 화학 반응하지 않는 능력과 바람직하지 않은 오염 가스의 배출을 최소화하기 위해 선택된다. 도가니는 가장 일반적으로 하나의 개방 단부를 갖는 용기이지만, 어떤 경우에는 셀을 떠나는 플럭스를 수축시키거나 성형하도록 설계된 노즐 또는 오리피스를 갖는 밀봉된 용기이다.
대부분의 유출 셀은 유출 셀을 떠나는 플럭스의 분자 빔 경로에 배치된 블레이드로 구성된 도가니 외부에 장착된 기계식 셔터를 사용한다. 이러한 외부 장착된 셔터는 전달된 플럭스를 감소시키지만, 산란 또는 챔버 탈착이 발생하는 더 높은 압력에서 이 플럭스 감소는 폐쇄 위치에 있을 경우 ~ 10의 계수일 수 있다. 이 블레이드는 W, Ta, Mo, PBN, 흑연 또는 증발 재료와의 반응성이 충분히 제한된 임의의 다른 재료로 제조될 수 있으며, 전형적으로 가열되지 않아 셔터 상에 증착된 재료의 두께가 지속적으로 증가하게 된다. 증착된 재료는 셔터 작동 문제(느린 동작 또는 고정된 동작)를 야기할 수 있는 두께까지 축적될 수 있으며, 셔터를 감싸는 차가운 표면에 닿아서 셔터와 차가운 표면 사이에 "응고된 재료 용접"을 형성하여, 셔터 작동을 방지할 수 있다. 블레이드는 전형적으로 선형 후퇴/삽입 메카니즘 또는 실질적으로 360 ° 미만, 일반적으로 90 ° 내지 180 °의 아크 경로를 따른 회전 운동을 통해 작동된다. 열린 셔터를 닫을 때는 셔터가 여는 사이클에서 이동한 경로를 역으로 통과해야 하므로, 느리고 종종 다루기 힘든 과정이다.
마찬가지로 드문 수의 유출 셀에서는 분자 플럭스를 차단하고 복원하기 위해서 유출 셀 도가니의 원통형 튜브를 플러그 하고 개방하는데 이용되는 플런저형 밸브가 이용된다. 이러한 설계는 가열된 밸브 몸체를 허용하여 재료 누적을 최소화하고 보다 포지티브한 폐쇄를 제공하여 밸브/셔터를 지나 "유출되는" 플럭스 양을 낮춘다. 그러나 플럭스 변조의 이러한 플런저 밸브 방식에서도 동일한 경로를 역으로 통과해야하므로 외부 셔터 구성과 유사한 느린 플럭스 변조가 발생한다. 분자 플럭스 인터럽트의 이러한 방법은 수시로 빔을 간단히 시작 및 중지하도록 설계되었으며, MBE 분야에서 신속하고 빈번한 셔터/밸브 작동이 필요한 경우 곤란을 가져오는 것으로 알려져 있다. 신속한 플럭스 변조를 필요로 하는 방법은 초격자로 알려진 얇은 교번 조성물의 다중층의 성장시에 또는 금속-변조된 에피택시(MME) 공정에서 발견되는 표면 이동을 증가시키기 위해 금속의 빈번한 펄스를 공급하는 경우로서, 예를 들어, 미국 특허 제 9,142,413 호의 "비-상분리 III족 질화물 반도체 합금 성장 시스템 및 방법"에 개시되어 있다. 따라서, 외부 장착된 "블레이드 스타일" 셔터 또는 내부 장착된 "플런저 스타일 밸브"는 빠른 펄스-변조 플럭스 성장이 요구되는 경우에 바람직한 작동 속도를 제공할 수 있다. 셔터/밸브 시스템의 이러한 일시적인 제약은 증착 속도가 증가함에 따라 악화된다. 예를 들어 MME의 경우, 셔터 작동은 1 ~ 2 μm/hour의 성장 속도에서는 2초 마다가 될 수 있지만, ~ 10-50 μm/hour의 성장 속도에서는 0.1 ~ 0.2 초마다 주파수가 증가한다.
MBE 시스템을 사용하는 주요 이유 중 하나는 원치 않는 불순물의 혼합을 최소화하기 위해 초고진공 배경을 유지하는 것이다. 대부분의 경우, 이러한 불순물은 원하지 않는 산소 및 탄소 가스의 형태로 되어 있는데, 주로 이러한 불필요한 오염 가스에 거의 무한한 소스로 작용하는 가열된 금속으로 인해 발생한다. 매우 낮은 기본 압력이 매일 달성되는 것을 보장하도록 유지 보수 및 작동 절차에 극도의 주의를 기울인다. 예를 들어, III- 질화물 재료를 성장시키는 데 사용되는 상업용 MBE 시스템은 (이온 게이지 압력 센서로 읽을 수 있는 것의 하한선 근처에서) ~ 6-8x10-11 Torr의 기본 압력으로 각 작동 일을 시작할 수 있다. 그러나, 임의의 유출 셀 또는 기판 히터가 유휴 값(약 200 ℃)으로부터 작동 온도까지 증가하자마자, 시스템 내의 기저 압력은 이 정지 값으로부터 10-9 Torr만큼(또한, 순간적으로는 더 높게) 상승할 수 있다.
MBE는 금속성 Ta, W 또는 지르코니아 안정화 Pt로 만들어진 저항성 금속 필라멘트 및 기판 홀더로 가열된 유출 셀을 사용하여 수행된다. 그러나, 이러한 저항성 금속 필라멘트, 저항성 금속 필라멘트를 보유하는 세라믹 부품, 및 열을 반사시키고 상기 유출 셀 또는 기판 히터를 빠져 나가는 열의 양을 최소화하기 위해 사용되는 금속의 가스 포착 롤은 증발 플럭스에 불순물 도입을 초래할 수 있다. 금속은 탄소와 산소를 함유한 가스의 무한한 소스이며, CO, CO2 및 O2 가스 및 기타 바람직하지 않은 원소를 배출하는 경향이 있으며, 이러한 원소는 펌핑할 필요가 있으며 그렇지 않으면 성장하는 막에 포함될 것이다. 또한, 기판 히터 및 유출 셀은 성장 기판에 대해 직접적 시선(line of sight)에 있다. 따라서, 산란된 또는 탈착된 가스에 유용한 정교한 모든 냉각 쉴드(cryoshields) 및 게터링 펌프는 성장 기판과 마주 치기 전에 이들 가스 농도를 낮추는데 거의 영향을 미치지 않는다.
일부 실시예에서, 본 발명은 유출 셀을 포함하며, 상기 유출 셀은 상기 유출 셀 내에서 증발하거나 승화될 재료를 내부에 포함하도록 구성된 도가니; 상기 도가니로부터 유래하는 증발된 또는 승화된 재료를 상기 유출 셀로부터 챔버로 전달하도록 구성되는 전달 튜브; 상기 도가니로부터 연장하며, 증발된 또는 승화된 재료로부터 유래하는 응축물을 포착하고 상기 응축물을 상기 도가니로 다시 전달하도록 배치되고 구성되는 공급 튜브; 및 상기 도가니 내의 재료의 증발 또는 승화를 초래하고 또한 증발된 또는 승화된 재료를 상기 전달 튜브를 통해 상기 유출 셀로부터 유출되도록 하기 위하여 상기 도가니 내에 포함된 재료를 가열하도록 배치되고 구성되는 적어도 하나의 가열 요소를 포함한다. 상기 유출 셀은 상기 도가니가 프로세스 진공 챔버로부터 상기 유출 셀을 제거하지 않고 증발 또는 승화되도록 재료로 채워질 수 있도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 하나 이상의 상기 유출 셀을 포함하는 반도체 기판 처리 시스템을 포함한다.
도 1a는 유출 셀과 기판 사이의 제1 이격 거리에 대한 유출 셀 및 기판의 중심으로부터의 반경 방향 거리의 함수로서 유출 셀에 의해 제공되는 플럭스 분포를 나타내는 그래프이다.
도 1b는 유출 셀과 기판 사이의 제2 이격 거리에 대한 유출 셀 및 기판의 중심으로부터의 반경 방향 거리의 함수로서 유출 셀에 의해 제공되는 플럭스 분포를 나타내는 그래프이다.
도 2a는 유출 셀이 채용되고 외부 진공 챔버 케이스 없는 시스템과 별개로 조립된 상태에 있는 본 발명의 유출 셀의 실시예의 사시도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 유출 셀의 분해 사시도이다.
도 3a는 외부 진공 챔버 케이스가 진공 챔버에 부착된 도 2a 및 도 2b의 유출 셀의 측면도이다.
도 3b는 외부 진공 챔버 케이스가 진공 챔버에 부착된 도 2a 및 도 2b의 유출 셀의 다른 실시예의 측면도이다.
도 4는 조립된 상태에 있는 도 2a 및 도 2b의 유출 셀의 측단면도이다.
도 5a는 도 2a, 도 2b 및 도 4의 유출 셀의 공급 튜브 및 (공급 튜브 내에 배치될 수 있는)복수의 배플의 분해 사시도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 배플들 중 하나의 상부 사시도이다.
도 5c는 도 5a에 도시된 배플 중 하나의 저면 사시도이다.
도 6a는 도 2a, 도 2b 및 도 4의 유출 셀의 RF 코일 조립체의 사시도이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 RF 코일 조립체의 확대된 부분 상면도이다.
도 6c는 도 6a 및 도 6n에 도시된 RF 코일 조립체의 하부 부분 측면도이다.
도 7a는 도 2a, 도 2b 및 도 4의 유출 셀의 도가니(20)에 부착된 것으로 도시된 도 2a, 도 2b 및 도 4의 유출 셀의 전달 튜브 및 관련 구성 요소의 사시도이며, 유출 셀의 다른 구성 요소들은 생략된다.
도 7b는 도 7a에 도시된 유출 셀의 다양한 구성 요소들의 분해도이다.
도 8a는 본 발명의 유출 셀의 실시예에 따라 사용될 수 있는 구성의 도가니 및 전달 튜브를 도시한 간략하고 개략적으로 도시된 측단면도이다.
도 8b는 본 발명의 유출 셀의 실시예에 따라 사용될 수 있는 다른 구성의 도가니 및 전달 튜브를 도시한 간략화되고 개략적으로 도시된 측단면도이다.
도 9a는 유출 셀의 다른 구성 요소와는 별개로 도시된 도 2a, 도 2b 및 도 4의 유출 셀의 전달 튜브 및 관련 구성 요소를 도시하는 사시도이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 유출 셀의 다양한 구성 요소의 분해도이다.
도 10a는 도 2a, 도 2b 및 도 4의 유출 셀의 셔터 조립체, 가이드 튜브 및 노즐의 사시도이다.
도 10b는 도 10a에 도시된 셔터 조립체, 가이드 튜브 및 노즐의 확대 부분 사시도이다.
도 10c는 도 10b와는 다른 관점에서 취해진 도 10a에 도시된 셔터 조립체, 가이드 튜브 및 노즐의 확대된 부분 사시도이다.
도 11a는 도 2a, 도 2b 및 도 4의 유출 셀의 셔터 조립체 및 노즐의 분해 사시도이다.
도 11b는 조립된 상태로 도시된 도 11a의 셔터 조립체 및 노즐의 사시도이다.
도 11c는 도 11a의 것과는 다른 관점에서 취해진 도 11a와 유사한 셔터 조립체 및 노즐의 또 다른 분해 사시도이다.
여기에 포함된 예시는 임의의 특정 유출 셀 또는 반도체 기판 처리 시스템의 실제적인 뷰가 아니라, 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 사용되는 단지 이상적인 표현이다. 그림들 사이에 공통적인 구성 요소 및 특징은 동일한 숫자 지정을 유지할 수 있다.
본 발명의 유출 셀의 실시예는 "분자 빔 에피 택시"("MBE")로 공지된 응용 또는 보다 일반적으로는 일반적으로 "물리적 기상 증착"("PVD")으로 공지된 얇고 두꺼운 막들의 진공 증착에서, 또는 하나 이상의 기판을 처리하기 위해 밀폐된 진공 챔버가 사용되는 임의의 다른 처리 시스템에서 사용될 수 있으며, 유출 셀은 기판(들)의 처리를 위해 진공 챔버 내로 증발을 제공하는데 사용된다. 본원에 기술된 유출 셀의 실시예의 조작 압력 범위는 "분자 흐름"으로 정의된 것보다 높을 수 있기 때문에, 유출 셀은 이전에 알려진 유출 셀과 비교하여 구체적으로 보다 높은 증발 또는 주변 압력에서 향상된 유연성으로 작동할 수 있으며, 따라서 유출 셀은 MBE 시스템 이외의 처리 시스템에 채용될 수 있다. 전통적인 "MBE- 스타일" 소스와는 달리, 본원에 기술된 유출 셀의 실시예에 의해 제공되는 증발 플럭스는 주로 듀티 사이클의 변화 및 플럭스의 신속한 펄싱 지속 시간에 의해 조정되고, 온도 변화로 인한 플럭스 변이에만 느리게 응답한다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 파손되기 어려운 보다 두껍고 보다 견고한 도가니가 이용될 수 있다. 도가니의 온도는 또한 플럭스 변화를 일으키기 위해 변화될 수 있지만, 일정한 온도가 요구되는 경우에는 더 높은 열적 안정성을 갖고 느린 속도로 변한다. 본원에 기술된 유출 셀은 증착이 중질 진공, 고진공(HV) 또는 초고진공(UHV) 압력 범위 하에서 수행되는 증착 챔버 및 프로세스에서 유용할 수 있다. 일반적으로, 증착 시스템의 주요 바람직한 특징은 높은 증착 속도, 우수한 균일성, 넓은 작동 압력 범위, 낮은 불순물 도입 및 다중 성분 막의 조성에 대한 우수한 제어이다. 이러한 모든 바람직한 특징 이외에, 본 발명은 액적의 침출을 감소시키고 또한 원위치 재료(in-situ material) 리로딩 능력을 가지고 높은 증착 속도로 플럭스의 신속한 시간 응답을 제공하는 능력을 포함한다. 또한, 본원에 개시된 유출 셀의 실시예는 시스템을 대기에 노출시키지 않고 원위치 리로딩을 허용하는 독창적인 "진공 탈출(out of vacuum)" 리로딩 설계를 이용하여, 시스템의 캠페인 길이를 제한하는 요인들 중에서 재료 리로딩을 제거한다. 또한, 본 발명의 유출 셀의 실시예는 분자 플럭스의 비교적 신속한 변조(예를 들어, 플럭스 차단 메커니즘의 활성화 및 비활성화)가 가능하다. 본원에 기술된 바와 같은 유출 셀의 실시예는 이전에 알려진 유출 셀 디자인에 의해 야기된 가스 발생을 감소시키고, 설계에서 불필요하게 가열 된 시선 금속을 모두 제거함으로써 그러한 유해 가스의 공급원을 최소화하거나 심지어 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 유출 셀의 실시예의 또 다른 장점은 유출 셀 비용의 감소이다. 구체적으로, 이전에 공지된 저항성 가열된 유출 셀은 고가의 탄탈륨, 백금 및 저항성 가열 필라멘트 및 가열된 열 반사기의 형태의 다른 희귀 금속을 포함한다. 산화 저항성 유출 셀은 필라멘트 산화를 피하기 위해 고가의 지르코니아 안정화 백금 또는 이리듐을 사용한다. 본 발명의 유출 셀의 실시예는 비싸고 불순물을 방출하는 금속이 없으며, MOCVD 및 Si-기반 반도체 제조 시스템에서 표준으로 널리 사용되는 고순도의 재료로 형성될 수 있다. 본 발명의 유출 셀의 실시예는 탄탈, 백금 또는 다른 희귀 금속을 포함하는 그러한 저항성 가열 필라멘트 또는 가열된 열 반사기를 포함하지 않을 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유출 셀을 조립된 상태로 도시한 도면이다. 도 2b는 도 2a의 유출 셀의 구성 요소들의 분해도이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 유출 셀은 두꺼운, 기계적으로 견고한 영구적인(즉, 재료 교환 가능하지 않은) 도가니(20)를 가열하는 RF 유도 코일(10)을 포함한다. 상기 유출 셀은 내부 오프셋 배플(31)을 갖는 조합된 증발 재료 공급 및 기계적 지지 튜브(30)를 더 포함한다. 유출 셀은 고속 360 ° 회전 셔터 조립체(50)와 상기 전달 튜브(40) 내부에 조립된 교체 가능 노즐(60)이 장착된 전달 튜브(40)를 가열하는 또 다른 RF 유도 코일(11)을 포함한다. 가이드 튜브(70)는 셔터 조립체(50)를 기계적으로 지지하고, 전달 튜브(40) 내에 중심을 둔다. 두꺼운 벽의 도가니(20)는 내부에 배플(31)이 있는 공급 튜브(30)로부터 기계적으로 매달려있다. 공급 튜브(30)는 증기를 액체로 응축시키는 실질적인 전도성 온도 구배를 제공하도록 작용한다. 액체는 배플(31) 상에 포착되고 아래에 장착된 도가니(20) 내부의 소스 저장소로 다시 떨어지게 된다. 내부 배플(31)을 갖는 이 공급 튜브(30)는 또한 제 2 개방 단부(32)를 가지나, 상당한 양의 증기가 이 개방 단부(32)를 빠져 나가는 것을 허용하지 않는다. 공급 튜브(30)는 열 격리체(90)에 대한 나사식 커넥터(81)를 통해 표준 양면 진공 플랜지(80)에 부착된다. 진공 플랜지(80)는 당 분야에 공지된 방법을 통해 물, 액체 질소(LN2) 또는 다양한 공지된 냉각제 액체를 통해 전도된 열을 방산하도록 선택적으로 냉각될 수 있다. 열 격리체(90)는 다공성 재료로 만들어져 드릴되거나 및/또는 열 저항을 제한하도록 기계 가공되어 선택적으로 진공 플랜지(80)로의 열 흐름의 양을 제어할 수 있다. 또한, 공급 튜브(30)의 길이는 진공 플랜지(80)로의 소망된 열 전도를 달성하기 위하여 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 공급 튜브(30)의 상부 단부는 공급 튜브(30)에 존재하는 증발물이 응축되고 도가니로 복귀되도록 보장하기 위해 적절한 온도로 유지 될 수 있다. 열 격리체(90)는 후술하는 바와 같이 재료 리로딩을 돕기 위해 원추형 또는 깔때기형 내부 형상을 선택적으로 가질 수 있다.
전체 유출 셀은 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 진공 챔버 내부에 수용 될 수 있다. 진공 수용 챔버는 임의의 다양한 형상을 가질 수 있다. 비 제한적인 예로서, 진공 수용 챔버는 도 3a에 도시된 바와 같은 원통형 챔버(100)(예를 들어, 튜브) 또는 도 3b에 도시된 바와 같은 직사각 형상의 챔버(101)를 포함할 수 있다. 양면 진공 플랜지(80)는 진공 챔버에 부착된 4 개의 진공 플랜지(102a, 102b, 102c, 102d) 중 하나와 선택적 진공 게이트 밸브(103) 사이에 결합된다. 이 진공 게이트 밸브(103)는 아래의 도 3를 참조로 설명된 바와 같이 리로딩 챔버로부터 유출 셀을 격리한다. 선택적 진공 게이트 밸브(104)는 증발물이 주입되는 프로세스 챔버(107)로부터 유출 셀을 격리시킬 수 있다. 진공 게이트 밸브(104)는, 존재한다면, 진공 플랜지(108)를 통해 프로세스 챔버(107)에 부착될 수 있다. 당해 기술 분야에 잘 알려진 회전식 기계적 피드 스루(106)가 그 조작을 위해 셔터 조립체(50)에 연결된다. 마찬가지로, 바람직하지 않은 가스 배출을 최소화하도록 충분히 낮은 온도에서 RF 유도 코일(10, 11)을 유지하기 위하여 전력 및 액체 냉각 모두를 피딩하고 리터닝하는 공급 및 반환 연결을 RF 유도 코일(10, 11)에 설정하도록 4개의 RF 진공 피드 스루(105a, 105b, 105c, 105d)가 제공된다.
진공 챔버는 선택적으로 가스 피드 스루(feed-through)를 포함할 수 있다. 이러한 가스 피드 스루는 유출 셀로부터 발생하는 국부 압력을 조정하는 수단을 제공할 수 있으며, 이는 증발 재료의 충돌 사이의 평균 자유 경로를 제어하는데 도움이 될 수 있고, 따라서 증발 재료의 방향성을 이전에 알려진 유출 셀에서는 발견되지 않은 방식으로 맞춰진다.
진공 챔버는 또한 온도 센서, 압력 센서 등과 같은 다양한 센서를 포함 할 수 있으며, 선택적으로 소스의 "차동 펌핑"을 가능하게 하는 추가의 펌핑 포트를 포함할 수 있으며, 그 방법은 당해 분야에 공지된다.
공급/공급 튜브(30)는 진공 밸브(103) 및 로드 락 챔버와 소스 로딩 튜브 사이의 통로를 개방하도록 밸브(103)를 개방하기 이전에 프리퍼지(pre-purged)되고, 소성되고 따라서 정제될 수 있는 별개의 재료 로드 락 챔버를 통한 원위치 재료 리로딩에 이용될 수 있다. 일단 밸브(103)가 개방되면, 사전 방출된 보충 재료는 열 격리체(90) 내로 로딩될 수 있으며, 이는 재료를 공급 튜브(30) 및 도가니(20)로 유입시킨다.
유출 셀이 Plainview, NY의 Veeco Instruments Inc.로부터 상업적으로 이용 가능한 GEN200 MBE System 또는 GEN2000 MBE System 또는 이 또는 다른 판매사로부터의 유사한 "대형 포트" 모델과 같은 충분히 큰 진공 시스템 내부에 설치될 수 있지만, 유출 셀의 전체 크기는 이전에 공지된 유출 셀 보다 상대적으로 더 크며, 일반적으로 증착 챔버(107) 내부에 설치되는 종래의 유출 셀과 대조적으로 완전 외부 위치로부터의 동작을 위해 설치될 수 있다. 따라서, 격리 밸브(104)는 유출 셀이 증착 챔버(107)에 외부적으로 장착되는 경우 유출 셀과 증착 챔버 사이에서 선택적으로 채용될 수 있다.
도 4는 도 2a 및 도 2b의 유출 셀의 단면도이다. 상기 유출 셀은 도가니(20), 기계적 지지 및 리로딩 공급 튜브(30) 및 전달 튜브(40)를 포함하는 몇 개의 상호 연결된 두꺼운 벽 튜브를 포함한다. 도 4 및 도 5a, 도 5b, 도 5c의 분해도에 도시된 것처럼, 지지/공급 튜브(30)의 내부에는 중력 공급 재료가 도가니(20) 저장소로 아래로 배출될 수 있지만 튜브의 개방 단부(32)를 향한 위로의 증기 유동을 제한하는 몇 개의 배플(31)이 있다. 공급 튜브(30)를 따라 온도 구배를 생성함으로써, 증발된 재료의 응축이 일어나고, 응축된 액체 증발 재료가 도가니(20) 저장소로 다시 배출될 수 있게 한다. 열 격리체(90)(도 4)는 공급 튜브(30)의 개방 단부(32) 내로 액체 재료를 향하게 하는 재료 리로딩을 돕기 위한 내부 깔때기(funnel) 형상을 갖는다. 일단 공급 튜브(30)에 들어가면, 액체 재료는 배플(31)을 통해 도가니(20) 저장소로 배출된다. 열 격리체는 로딩된 재료가 액화된 채로 유지되도록 공급 튜브(30)의 상부에서 적절한 온도를 유지하도록 기계 가공되거나, 천공되거나 또는 다공성 재료로 제조될 수 있다. 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 재료의 일반적인 녹는 점은 Ga의 경우 ~ 27℃에서 Al의 경우 ~ 660 ℃ 까지 범위이나, 다양한 전이 금속 및 철 금속에 대해서는 실질적으로 더 고온이다. 그러나 용융되지 않은 재료의 경우에도, 고체 분말을 사용하여 원료를 리로드할 수 있다. 이러한 액체 또는 고체 리로딩 방법 모두가 적절하지 않은 어플리케이션에서, 유출 셀은 적절한 플러그로 밀봉된 공급 튜브(30)의 개구(32)로 리로딩 절차를 사용하지 않고 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 작동 중에, 온도 구배가 공급 튜브(30), 도가니(20) 및 전달 튜브(40)를 포함하는 3 개의 구역 사이에 설정될 수 있다. 이들 영역의 실제 온도는 증발 및 공정 조건에 의존하여 변할 수 있지만, 전달 튜브(40) 내의 온도는 도가니(20)보다 적어도 200 ℃ 더 고온일 수 있고, 도가니(20)는 공급 튜브(30)보다 적어도 200 ℃ 더 고온일 수 있다. 일부 실시예에서, 도가니(20)는 각각의 RF 유도 코일 가열 요소를 사용하여 약 2,200 ℃까지의 온도로 가열될 수 있고, 전달 튜브(40)는 각각의 RF 유도 코일 가열 요소를 사용하여 2,500 ℃ 또는 그 이상의 고온으로 가열될 수 있다.
도 4를 참조로, 전술한 바와 같이, 상기 유출 셀은 RF 유도 가열 코일을 채용할 수 있다. 또한, 도 6a-6c는 유출 셀로부터 분리된 RF 유도 코일을 도시한다. RF 유도 코일(10 및 11)은 반경이 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 RF 유도 코일은 도 4 및 도 6a-6c에 도시된 바와 같이 내부 권선(10a, 11a) 및 외부 권선(10b, 11b)을 포함할 수 있다. 환언하면, 각각의 코일(10, 11)은 내부 권선(10a, 11a) 및 외부 권선(10b, 11b)을 갖는 전기 전도성 재료의 중공 튜브를 포함할 수 있다. 도 6b는 내부 권선(10a, 11a)의 피치(P10a, P11a)와 외부 권선(10b, 11b)의 피치(P10b, P11b)를 도시하며, 여기서 피치는 권선에서 코일의 인접한 두 부분 사이의 거리로 정의된다. 따라서, 각각의 RF 유도 코일(10,11)은 외측 나선형 권선 내에 내측 나선형 권선을 포함할 수 있으며, 내측 권선(10a, 11a)은 코일 직경보다 큰 피치(P10a, P11a)를 가지므로, 권선 내의 코일의 인접한 부분들은 서로 접촉하지 않는다. 이들 피치들(P10a 및 P11a)는 코일의 길이를 따라 변할 수 있고 더 많은 가열이 요구되는 곳에서는 더 많은 전자기 플럭스를 우선적으로 집중시키기 위해 한쪽 단부쪽으로 더 밀집할 수 있다. 교류가 내부 권선(10a, 11a)을 통해 흐르게 되므로, 내부 권선(10a)(도가니(20) 및 증발 또는 승화될 재료에 의해 점유됨)에 의해 또는 내부 권선(11a)(이는 전달 튜브(40) 및 내부 셔터 조립체(50) 및 노즐(60)에 의해 점유됨)에 의해 둘러싸인 공간의 체적 내에 변동 자기장이 생성된다. 도가니(20) 또는 전달 튜브(40) 내에서 변동하는 자기장 유도 전류 흐름 뿐만 아니라 증발되거나 승화될 재료 및 체적 내의 다른 재료는 그 내부의 전류 흐름에 의해 저항성으로 가열된다. 내부 권선(10a, 11a)의 직경, 코일 피치(P10a, P11a) 및 권선의 총 권선 수가 결합하여 코일(10, 11)의 인덕턴스를 설정하고, 경험적 방법 또는 당 업계에 공지된 계산에 의해 도가니(20) 및 전달 튜브(40) 로드 임피던스에 매칭될 수 있다.
물 또는 다른 냉각액 또는 유체가 상기 유출 셀의 작동 중에 상기 코일(10, 11)을 통해 흐르게 하여, 상기 코일 (10, 11)을 냉각하고 상기 도가니(20) 및 그 내부에 함유된 재료로부터 방출된 열 방사를 흡수할 수 있다.
더욱이, 내부 권선(10a, 11a)은 주어진 직경 및 가열되는 재료에 대한 바람직한 인덕턴스에 대해 코일의 인접 섹션들 사이에 별개의 갭 또는 공간을 가지지 만, "복귀 권선"인 외부 권선(10b, 11b)은 코일의 인접 섹션들 사이에 갭을 가지지 않도록 나선형으로 감겨서, 코일(10, 11)의 축에 평행한 방향으로 외부 권선의 벽을 따라 전기적 단락이 발생한다. 선택적으로, 외부 권선(10b, 11b) 내의 코일(10, 11)의 인접한 부분들 사이의 전기적 접촉은 코일들을 함께 용접, 납땜, 브레이징 또는 묶음으로써 유도 공정에 거의 기여하지 않는 고체 외부 수냉 차폐를 형성함으로써 향상될 수있다. 따라서, 코일(10, 11)은 도가니(20) 및 그 내부의 재료로부터 방사된 열의 대부분을 제거할 수 있는 수냉식 외부 쉘을 포함할 수 있어, 챔버의 어떠한 외부 가열도 방지한다. 이들 열 차폐 외부 권선(10b, 11b)은 진공 챔버의 열 차폐에 유용한 외부 코일을 형성한다. 외부 코일 (10b, 11b)은 외부 권선(10b, 11b)을 따라 수직으로 전기 쇼트를 형성하는 코일의 각각의 턴이 인접한 다음 턴과 접촉하도록 코일 직경과 동일한 피치(P10b, P11b)를 가질 수 있다.
열 손실을 증가시키는 도가니(20) 및 전달 튜브(40)로부터 실질적인 복사열이 방출될 수 있기 때문에, 외부 권선(10b, 11b)은 외부 권선(10b, 11b)에 집적 접촉하거나, 용접되거나, 브레이즈되거나 또는 묶이고 열을 효과적으로 반사하기 위해 당해 분야에 공지된 재료로 만들어진 임의의 수의 부가된 열 반사성 캐니스터(10c, 11c) 또는 다층식 포일에 의해 증대될 수 있다. 이러한 재료는 강철, Ta, Mo, Cu, Au, Ag, Ni, Al, Cr 및/또는 이들의 다양한 산화물, 불화물 또는 질화물 코팅된 버전을 포함한다. 표준 유출 셀과는 달리, 열 차폐는 외부 권선(10b, 11b)에 대한 두드러진 접촉에 의해 저온으로 유지된다.
전술한 바와 같이, RF 유도 코일(10, 11)은 도가니(20) 및 내부에 포함된 재료를 RF 유도 가열을 통해 가열하기 위해 물/냉각수 냉각된 전기 전도성의 코일을 포함한다. 이러한 구성에서, RF 유도 코일(10, 11)은 유출 셀의 다른 구성 요소를 현저하게 가열하지 않으면서 도가니(20)와 그 내부에 함유된 재료 및 전달 튜브(40) 및 그 내부에 함유되는 구성 요소를 효율적으로 가열하여, 이전에 알려진 유출 셀에 비해 바람직하지 않은 가스 방출을 감소시킨다. 도가니(20)에 함유된 재료가 승화 재료(Mg, As, P 등)인 제한된 경우에, 유출 셀이 RF 유도 코일 내에서 제 위치에 고체 재료를 유지하기 위한 수단을 포함하는 한, (비록 도가니(20)가 여전히 바람직하지 않은 부유 증발을 방지하기 위해 사용될 것이지만) 도가니(20)는 선택적으로 제거될 수 있다. 모든 경우에, 가열된 Ta(또는 W, 지르코늄 안정화된 Pt 등) 필라멘트는 필요하지 않다. 왜냐하면 RF 에너지가 증발 재료에 직접 및 고순도 초고밀도 흑연 도가니(또는 다른 적절한 재료 SiC, TaC, BeO, PBN, BN, AlN, Al2O3 또는 도가니 재료로서 통상적으로 사용되는 유사 재료)를 통해 연결되기 때문이다. 이 초고밀도 흑연 도가니는 MOCVD 시스템에서 일상적으로 사용되며, PBN 세라믹보다 동등하거나 우수한 것으로 입증된 성능을 갖춘 얇은 도가니 MBE 어플리케이션에 채택되었다. 그러나, 이 경우, 도가니(20)는 종래의 얇은 벽(t≤0.035 ")의 교체 가능한 도가니 대신에 기계적 보전을 위해 두꺼운 벽(0.036"≤ t ≤ 1 ")으로 구성된다. 이러한 흑연, 세라믹, 금속, 금속-탄화물, 금속-질화물, 금속-붕화물 또는 이와 유사한 도가니에 특정 응용 분야와의 호환성을 위해 다양한 코팅재(예를 들면, 당 업계에 공지된 많은 다른 옵션들 중에서 TaC, 흑연 탄소, 질화규소 또는 Al의 경우 AlN, 산소의 경우 SiC 환경)가 나열될 수 있다. 택일적으로, 배출가스가 덜 우려되는 산화물 재료의 성장의 경우가 수용 가능한 것으로 간주되는 경우, 도가니는 Ta, Mo, W, Nb, Ti 또는 다른 고순도의 두꺼운 벽 금속으로 제조될 수 있다.
RF 가열은 공간이 필요하기 때문에 이전에는 MBE 시스템에서 사용되지 않았다는 것을 알아야 한다. MBE 시스템은 항상 가스 배출량이 적은 불순물을 포착하도록 설계된 좁은 유출 셀 구멍이 있다. 따라서 액체 질소 또는 부동액 혼합물로 채워진 크리오패널(cryopanel)의 작은 구멍이 사용되었다. 이 구멍들 중 하나에 RF 셀을 놓는다면, 그것은 맞지 않을 것이고, 그것은 극저온 냉각기에 연결되어 액체 질소를 끓일 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 유출 셀은 대구경 진공 증착 또는 MBE 시스템에서 또는 외부적으로 장착된 구성에서 사용될 수 있다. 이것은 새로운 RF 유출 셀이 가열된 금속에서 불순물을 가스 배출하지 않고 가열된 재료 및 도가니만 가스 배출하기 때문에 가능하다.
도 4, 7a, 7b, 8a 및 8b에 도시된 바와 같이, 유출 셀은 또한 전달 튜브(40)를 포함한다. 전달 튜브의 축은 증발 재료(21)를 유지하는 도가니(20) 영역의 축에 대해 각도 Φ로 배향될 수 있으며, RF 가열식 고속 회전 밸브(50) 및 제거 가능한 노즐 조립체(60)과 맞춰질 수 있다. 도 7a 및 도 7b는 전달 튜브(40) 및 관련 구성 요소를 더 도시한다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 도가니(20)에 대한 전달 튜브(40)의 각도(φ)는 0 °와 대략 180 ° 사이의 임의의 각도일 수 있지만, 0 °와 135 ° 사이의 각도는 유출 셀로부터의 침출을 최소화할 수 있다. 0 °와 135 ° 사이의 각도에서, 도가니(20) 내의 "비등" 용융 액체 소스 재료(21)는 튜브가 도가니(20) 내에 포함된 용융된 재료(21)와 정렬되지 않기 때문에 전달 튜브(40) 내로 매우 적은 액적들을 침출시킨다. 도 8a는 도가니(20)에 대한 전달 튜브(40)의 각도(Φ)가 약 0 °(즉, 전달 튜브(40)가 도가니(20)와 평행)인 실시예를 도시하고, 도 8b는 도가니(20)에 대한 전달 튜브(40)의 각도(Φ)가 약 90 °(즉, 전달 튜브(40)가 도가니(20)에 수직)인 실시예를 도시한다. 전달 튜브(40)가 도가니(20) 내의 용융된 소스 재료(21)와의 시선(line-of-sight)에 있지 않기 때문에, 그리고 전달 튜브(40)는 전달 튜브(40)를 도가니(20)보다 더 뜨겁게 하도록 동작될 수 있는 그 자체의 독립적인 RF 유도 가열 소스(11)으로 설계되어 있기 때문에, 전달 튜브(40) 내로 침출하는 작은 수의 누락된 액적은 밸브(50) 및 노즐 조립체(60)를 통해 튜브를 나가기 전에 재증발된다.
수식 1) 내지 9)는 임의의 특정 증착 시스템에서 원하는 분자 플럭스 유동을위한 적절한 조합된 컨덕턴스를 정의함으로써 도가니(20), 전달 튜브(40), 밸브(50) 및 노즐 조립체(60)의 허용 가능한 치수를 정의하는데 사용될 수 있다. 따라서, 보다 짧고 및/또는 더 넓은 전달 튜브(40)는 더 많은 플럭스를 제공하고, 더 길고 및/또는 더 좁은 전달 튜브(40)는 플럭스를 제한 및 감소시킨다. 마찬가지로, 수식 3 및 4)에 따른 결합된 컨덕턴스는 밸브(50) 및 노즐(60)의 관형 및 오리피스 컨덕턴스에 대한 유사한 관계를 의미한다.
액체가 그렇지 않으면 빠져 나갈 수 있는 일부 중요한 관절은 관절을 밀봉하기 위해 관절의 외부에서 코팅될 수 있다. 예를 들어, 도가니(20) 및 전달 튜브(40)의 결합부는 임의의 외부 흑연 코팅(또는 전술한 라이너 코팅과 유사한 다양한 종류의 다른 재료)과의 나사 결합을 통해 형성되어, 액밀 및 기밀 밀봉을 형성한다. 이러한 조인트는 나사 연결부에 의해 기계적으로 건장(sound)하고 외부 코팅을 통해 액밀된다. 결합부의 나사산은 가스 포트 릴리프(나사산을 따른 절단) 및 암 소켓 보다 더 짧은 수나사를 포함하여, 나사산 또는 기계적 결합부의 기저를 따라 포착된 가스를 제거한다. 이 설명의 조립체는 나사산을 통해 기계적으로 부착되므로, 더 큰 기계적 및 열적 하중을 지지할 수 있지만, 추가된 외부 흑연(또는 다른 유사한) 코팅에 의해 가스/액체 누설에 대해 밀봉되어야 한다. 이러한 누설 방지 밀봉은 Φ가 0 °에 가깝거나 동일할 때 특히 필요하며, 도가니(20)와 전달 튜브(40)의 결합부는 용융 액체(21)와 접촉하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전달 튜브의 단부는 도가니(20) 전달 튜브(40) 결합부에 대해 기술된 것과 유사한 사양의 나사 연결을 통해 전달 튜브(40)에 맞춰진 노즐(60)을 포함한다. 도 9a 및 도 9b는 또한 노즐(60)을 도시한다. 노즐(60)은 실제로는 오리피스 또는 튜브일 수 있는 하나 이상의 조여진 "개구"(61)를 포함하여, 밸브(50) 내의 "개구"(51A, 51B, 51C)(다시, 도 9b 내에 도시된 오리피스, 슬롯, 또는 튜브)와 정렬되는 경우, 분자 플럭스를 유동하게 하며, 오정렬되는 경우, 분자 플럭스를 중단한다. 플럭스 중단의 속도는 아래와 같이 규정된다:
수식 13) 플럭스 속도 = 60/(N x rpm)
여기서 플럭스 속도는 초당 플럭스 변조의 회수이며, N은 밸브 내의 같은 수의 오리피스 또는 튜브를 갖는 노즐에 위치한 원형 정렬된 오리피스 또는 튜브의 수이며, rpm은 밸브의 회전에 대한 분당 회전수이다. 도 9에서, 이 예에서는 N = 3이다.
따라서, 적당한 200 rpm 밸브 회전의 경우, 단지 3개의 노즐 및 밸브 개구만으로도 0.1 초에 플럭스의 변조가 수행될 수 있다. 더 높은 플럭스 속도가 필요하면, 더 높은 rpm 또는 노즐과 밸브의 더 많은 구멍을 사용할 수 있다. 밸브(50) 및 노즐(60) 모두의 개구의 간격 및 개수는 플럭스 변조의 속도 및 듀티 사이클을 조정하도록 변화될 수 있다. 예를 들어, 플럭스는 약 0.001 초 내지 약 수 초의 범위 내에서 전달되거나 또는 플럭스의 일정한 공급을 위해 개방 상태로 유지될 수 있다. 밸브(50) 및 노즐(60)은 50 % 듀티 사이클이 요구되지 않는 한 동일한 개수의 개구를 가질 필요는 없다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 노즐(60)상의 각각의 오리피스(61)의 형상은 일반적으로 전달 튜브(40) 축에 대해 25-45 °각도로 근사화하는 드래프트(61)를 갖는 외부 상의 포지티브 드래프트이다. 각 오리피스의 특정 모양 및 테이퍼는 당업자에게 잘 공지된 바와 같이 보다 지향되거나 확산된 분자 플럭스를 생성하도록 조정될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 노즐은 또한 밸브(50)가 회전할 수 있는 회전 허브(52)를 포함한다. 이러한 허브(hub)는 내부 측상에서 노즐에 대해 테이퍼된 커브이거나 및/또는 선택적으로는 노즐(60)이 둘러싸는 원통형 포스트(52)일 수 있다. 최종적으로, 고밀도 그래파이트, TaC, SiC, AlN 또는 다른 재료와 같은 적절한 마모 적합성 및 증발 재료 적합성 코팅이 밸브(50) 및 노즐(60)의 접촉 측면에 선택적으로 적용될 수 있다.
상기 소스는 증발 재료를 함유하는 도가니(20)의 온도와 비교하여 전달 튜브(40), 노즐(60) 및 밸브 조립체(50)의 온도를 독립적으로 제어할 수 있도록 독립적으로 제어 가능한 RF 유도 코일(10,11)을 포함한다. 이는 응축 및 결과적인 침출 및/또는 클로깅(clogging)을 방지하기 위해 전달 튜브(40), 밸브 조립체(50) 및 노즐(60)이 과도하게 높은 온도에서 작동되도록 한다. 밸브 조립체(50)는 부착 된 밸브 샤프트를 가질 수 있고 또한 긴 밸브 샤프트 튜브(70)에 끼워 맞춰질 수 있다. 긴 밸브 샤프트 튜브(70)는 전술한 바와 같이 누설 방지 연결부를 형성하는 도가니(20) 벽을 통해 나사 결합된다. 전달 튜브(40) 내부의 밸브(50)에서 밸브 샤프트-튜브 개구(70)는 누설 방지되어 있지 않지만, 타이트 클리어런스 및 긴 길이의 밸브(50) 샤프트 및 긴 밸브 샤프트 튜브(70)가 수식 1) 내지 수식 9)에 의해 설명된 방식으로 컨덕턴스 제한을 형성하고, 이는 밸브(50) 샤프트 - 밸브 샤프트 튜브(70) 갭 밖으로의 증기 누설을 방지하는 컨덕턴스 제한을 형성한다. 밸브 샤프트 튜브(70)는 또한 밸브 조립체(50)를 노즐(60)에 정렬시키기 위해 전달 튜브(40) 내부에 기계식 센터링 지지부(71)를 가질 수 있다. 임의의 수 N의 노즐 개구(61)가 이용될 수 있지만, 12개 보다 많은 노즐 개구는 노즐 개구(61) 직경이 수식 1) 내지 수식 9)에 따라 컨덕턴스를 감소시키기 때문에 큰 소스 전달 튜브(40) 크기 또는 감소된 플럭스를 초래한다. 실제적으로, 임의 크기의 소스 전달 튜브(40) 직경이 허용될 수 있지만, 증착될 영역 이하의 치수가 유리할 수 있다. 또한, 여기에 주어진 예에서는 본질적으로 원통형이지만, 어떠한 기하학적 형태도 보편성의 손실 없이 가능하다. 특히, 평평한 전달 튜브(40), 원형 동심이 아니거나 분자 플럭스 프로파일을 보다 양호하게 성형하기 위해 다수의 크기, 형상 및 위치 개구를 갖는 노즐 개구(61), 또는 단일 도가니(20) 또는 다수의 독립적으로 제어되는 도가니(20)로부터 기인하는 다수의 전달 튜브(40)를 갖는 유출 셀을 갖는 것이 유용할 수 있다. 또한, 다른 위치들 중에서 다수의 온도 센서, 열전쌍, 저항 온도 장치 또는 도가니, 전달 튜브 및 열 격리체 온도를 모니터링하는데 유용한 유사 센서가 채용될 수 있다.
마지막으로, 진공 수용 챔버 본체 상의 선택적 주입 가스 포트는 증발된 재료의 국부적 압력을 증가시키고 증발된 재료가 활성 또는 비활성 속성의 가스 빔에 의해 둘러싸인 "커튼 가스"를 제공하는데 사용될 수있다. 불활성 가스는 증발된 재료를 챔버 내의 다른 반응성 기체로부터 격리시키거나 충돌 사이의 평균 자유 경로(λ)를 감소시킴으로써 분자 빔의 지향성을 감소시키는 역할을 할 수 있다. 활성 가스 커튼은 증발된 재료가 증착 기판에 도달하기 전에 바람직한 기체상 예비 반응이 일어나도록 하거나, 기판 상에 반응하는 2-성분 증착을 위한 반응 기체로서 사용될 수 있다.
본 개시의 추가의 비제한적 실시예가 아래에 설명된다:
실시예 1 : 유출 셀로서: 상기 유출 셀 내에서 증발하거나 승화될 재료를 내부에 포함하도록 구성된 도가니; 상기 도가니로부터 유래하는 증발된 또는 승화된 재료를 상기 유출 셀로부터 챔버로 전달하도록 구성되는 전달 튜브; 및 상기 도가니 내의 재료의 증발 또는 승화를 초래하고 또한 증발된 또는 승화된 재료를 상기 전달 튜브를 통해 상기 유출 셀로부터 유출되도록 하기 위하여 상기 도가니 내에 포함된 재료를 가열하도록 배치되고 구성되는 적어도 하나의 무선 주파수(RF) 가열 요소를 포함한다.
실시예 2 : 도가니가 하나 이상의 벽을 포함하고, 하나 이상의 벽의 각각의 벽이 평균 벽 두께가 0.036 인치 (0.091cm) 이상인 실시예 1에 따른 유출 셀.
실시예 3 : 하나 이상의 벽의 각각의 벽이 0.25 인치 (0.635cm) 이상의 평균 벽 두께를 갖는 실시예 2에 따른 유출 셀.
실시예 4 : 하나 이상의 벽의 각각의 벽이 0.50 인치 (1.27cm) 이상의 평균 벽 두께를 갖는 실시예 3에 따른 유출 셀.
실시예 5 : 상기 유출 셀은 상기 프로세스 진공 챔버로부터 상기 소스를 제거하지 않고 상기 도가니가 상기 증착될 또는 승화될 재료로 충전될 수 있도록 구성되는 것인 실시예 1 내지 4 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 6 : 상기 유출 셀을 사용하여 수행된 프로세싱 작업을 중단시키지 않고 또한 상기 도가니로부터 유래된 증발된 또는 승화된 재료가 상기 전달 튜브를 통해 상기 유출 셀로부터 전달되는 챔버 내의 진공을 해제하지 않고 상기 도가니가 증발 또는 승화될 재료로 채워질 수 있도록 상기 유출 셀이 구성되는 실시예 5에 따른 유출 셀.
실시예 7 : 도가니가 흑연, 세라믹, 금속, 금속-탄화물, 금속-질화물, 금속-붕화물로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 것인 실시예 1 내지 6 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 8 : 도가니가 TaC, 흑연 탄소, 탄화 규소, 질화규소, 탄화 붕소 또는 AlN으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 라이닝을 갖는 것을 특징으로하는 실시예 1 내지 7 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 9 : 상기 유출 셀이 임의의 탄탈 또는 백금 저항 필라멘트를 포함하지 않는 것을 특징으로하는 실시예 1 내지 8 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 10 : 전달 튜브의 축이 도가니의 수직 축에 대해 소정 각도로 배향되는 실시예 1 내지 9 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 11 : 전달 튜브의 축은 도가니의 수직 축에 대해 0 ° 내지 135 ° 사이의 각도로 배향되는 실시예 10에 따른 유출 셀.
실시예 12 : 전달 튜브의 축은 도가니의 수직축에 대해 약 90 °의 각도로 배향된 실시예 11에 따른 유출 셀.
실시예 13 : 전달 튜브와 작동 가능하게 결합된 셔터 조립체를 추가로 포함하고, 상기 셔터 조립체는 전달 튜브로부터 증발되거나 승화된 재료의 흐름을 선택적으로 차단하도록 구성되는 실시예 1 내지 12 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 14 : 셔터 조립체가 전달 튜브를 통해 증발된 또는 승화된 재료의 유동을 위해 하나 이상의 통로를 선택적으로 개폐하도록 구성된 실시예 13에 따른 유출 셀.
실시예 15 : 셔터 조립체는 셔터 조립체의 이동 방향을 변화시키지 않고 전달 튜브 내의 하나 이상의 통로를 선택적으로 개폐하도록 구성된 실시예 13 또는 14에 따른 유출 셀.
실시예 16 : 셔터 조립체가 회전 셔터 조립체를 포함하는 실시예 13 내지 15 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 17 : 회전 셔터 조립체가 회전 밸브 및 고정 노즐을 포함하는 실시예 16의 유출 셀.
실시예 18 : 상기 회전 밸브는 제1 복수의 개구를 포함하고, 상기 노즐은 제2 복수의 개구를 포함하고, 상기 고정 노즐에 대한 상기 회전 밸브의 회전 축을 중심으로 하는 단일 회전 방향으로의 상기 회전 밸브의 연속 회전은 상기 전달 튜브 내의 하나 이상의 통로의 순차적 및 반복적 개폐를 유발하도록 상기 제1 복수의 개구 및 제2 복수의 개구의 순차적 및 반복적 정렬 및 오정렬을 유발하는 실시예 17에 따른 유출 셀.
실시예 19: 구동기구가 0.1 초 이내에 전달 튜브 내의 하나 이상의 통로의 개폐를 유발하기에 충분한 회전 속도로 회전 밸브의 회전을 구동할 수 있는 실시예 18에 따른 유출 셀.
실시예 20 : 셔터 조립체가 적어도 부분적으로 전달 튜브 내에 배치되는 실시예 13 내지 19 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 21 : 적어도 하나의 고주파 (RF) 가열 요소가 도가니를 둘러싸는 RF 코일을 포함하는 실시예 1 내지 20 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 22 : 상기 전달 튜브를 통과하여 상기 유출 셀로부터 유출되는 증발된 또는 승화된 재료의 응축을 방해하도록 상기 전달 튜브 내에 포함되는 재료를 가열하도록 위치되고 구성되는 하나 이상의 추가 가열 요소를 더 포함하는 실시예 1 내지 21 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 23 : 상기 유출 셀이 저항성 가열 요소를 포함하지 않는 것을 특징으로하는 실시예 1 내지 22 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 24 : 상기 도가니로부터 연장되는 공급 튜브를 추가로 포함하고, 상기 공급 튜브는 상기 증발되거나 승화된 재료로부터 유래된 응축물을 포착하고 상기 응축물을 상기 도가니로 다시 전달하도록 배치 및 구성되는 실시예 1 내지 23 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 25 : 공급 튜브가 도가니에 결합된 단부를 갖는 실시예 24에 따른 유출 셀.
실시예 26: 공급 튜브 내에 배치된 하나 이상의 배플을 더 포함하는 실시예 24 또는 실시예 25에 따른 유출 셀.
실시예 27 : 공급 튜브 및 공급 튜브의 개구 중 적어도 하나가 냉각되는 실시예 24 내지 26 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 28 : 상기 유출 셀 내에 증발되거나 승화될 재료를 내부에 수용하도록 구성된 도가니; 도가니로부터 유래된 증발되거나 승화된 재료를 상기 유출 셀로부터 챔버로 전달하도록 구성된 전달 튜브; 상기 도가니로부터 연장되고 상기 증발되거나 승화된 재료로부터 유래된 응축물을 포착하고 상기 응축물을 상기 도가니로 다시 전달하도록 배치 및 구성되는 공급 튜브; 상기 도가니 내의 재료의 증발 또는 승화를 초래하고 또한 증발된 또는 승화된 재료를 상기 전달 튜브를 통해 상기 유출 셀로부터 유출되도록 하기 위하여 상기 도가니 내에 포함된 재료를 가열하도록 배치되고 구성되는 적어도 하나의 가열 요소를 포함하되, 상기 유출 셀은 상기 도가니가 프로세스 진공 챔버로부터 상기 유출 셀을 제거하지 않고 증발 또는 승화될 재료로 채워질 수 있도록 구성되는, 유출 셀.
실시예 29 : 상기 유출 셀은 상기 도가니로부터 유래된 증발된 또는 승화된 재료가 상기 전달 튜브를 통해 상기 유출 셀로부터 전달되는 챔버 내의 진공을 해제하는 동작을 수행하는 프로세싱 동작을 중단하지 않고 상기 도가니가 증발될 또는 승화될 재료로 채워질 수 있도록 구성되는 실시예 28에 따른 유출 셀.
실시예 30 : 적어도 하나의 가열 요소는 무선 주파수 (RF) 가열 요소를 포함하는 실시예 28 또는 실시예 29에 따른 유출 셀.
실시예 31 : 도가니가 하나 이상의 벽을 포함하고, 하나 이상의 벽의 각각의 벽이 0.036 인치 (0.091cm) 보다 더 두껍거나 같은 평균 벽 두께를 갖는 실시예 28 내지 30 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 32 : 하나 이상의 벽의 각각의 벽이 0.25 인치 (0.635cm) 이상의 평균 벽 두께를 갖는 실시예 31에 따른 유출 셀.
실시예 33 : 하나 이상의 벽의 각각의 벽이 0.50 인치 (1.27cm) 이상의 평균 벽 두께를 갖는 실시예 32에 따른 유출 셀.
실시예 34 : 상기 유출 셀은 상기 도가니로부터 유래된 증발된 또는 승화된 재료가 상기 전달 튜브를 통해 상기 유출 셀로부터 전달되는 챔버 내의 진공을 해제하는 동작을 수행하는 프로세싱 동작을 중단하지 않고 상기 도가니가 증발될 또는 승화될 재료로 채워질 수 있도록 구성되는 실시예 28 내지 33 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 35 : 상기 도가니가 흑연, 세라믹, 금속, 금속-탄화물, 금속-질화물, 금속-붕화물로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 실시예 28 내지 34 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 36 : 상기 도가니가 TaC, 흑연 탄소, 탄화 규소, 질화규소, 탄화 붕소 및 AlN으로 구성된 군으로부터 선택된 재료를 포함하는 라이닝을 갖는 실시예 28 내지 35 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 37 : 상기 유출 셀이 임의의 탄탈 또는 백금 저항 필라멘트를 포함하지 않는 실시예 28 내지 36 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 38 : 전달 튜브의 축이 도가니의 수직 축에 대해 소정 각도로 배향되는 실시예 28 내지 37 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 39 : 상기 전달 튜브의 축은 상기 도가니의 수직축에 대해 0 ° 내지 135 °의 각도로 배향되는 실시예 38에 따른 유출 셀.
실시예 40 : 상기 전달 튜브의 축이 상기 도가니의 수직축에 대해 약 90 °의 각도로 배향되는 실시예 39에 따른 유출 셀.
실시예 41 : 전달 튜브와 동작 가능하게 연관된 셔터 조립체를 추가로 포함하고, 상기 셔터 조립체는 전달 튜브로부터 증발되거나 승화된 재료의 흐름을 선택적으로 차단하도록 구성되는 실시예 28 내지 40 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 42 : 상기 셔터 조립체가 전달 튜브를 통해 증발되거나 승화된 재료의 유동을 위해 하나 이상의 통로를 선택적으로 개폐하도록 구성된 실시예 41에 따른 유출 셀.
실시예 43 : 상기 셔터 조립체는 상기 셔터 조립체의 이동 방향을 변화시키지 않고 상기 전달 튜브 내의 하나 이상의 통로를 선택적으로 개폐하도록 구성된 실시예 41 또는 실시예 42에 따른 유출 셀.
실시예 44 : 상기 셔터 조립체가 회전 셔터 조립체를 포함하는 실시예 41 내지 43 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 45 : 상기 회전 셔터 조립체가 회전 밸브 및 고정 노즐을 포함하는 실시예 44에 따른 유출 셀.
실시예 46 : 상기 회전 밸브는 제1 복수의 개구를 포함하고, 상기 노즐은 제2 복수의 개구를 포함하고, 상기 고정 노즐에 대한 상기 회전 밸브의 회전 축을 중심으로 하는 단일 회전 방향으로의 상기 회전 밸브의 연속 회전은 상기 전달 튜브 내의 하나 이상의 통로의 순차적 및 반복적 개폐를 유발하도록 상기 제1 복수의 개구 및 제2 복수의 개구의 순차적 및 반복적 정렬 및 오정렬을 유발하는 실시예 45에 따른 유출 셀.
실시예 47 : 구동 기구가 0.1 초 이하 내에 전달 튜브 내의 하나 이상의 통로의 개폐를 발생시키기에 충분한 회전 속도로 회전 밸브의 회전을 구동할 수 있는 실시예 46에 따른 유출 셀.
실시예 48 : 상기 셔터 조립체가 적어도 부분적으로 전달 튜브 내에 배치되는 실시예 41 내지 47 중 어느 하나에 따른 유출 셀.
실시예 49 : 적어도 하나의 가열 요소가 도가니를 둘러싸는 RF 코일을 포함하는 실시예 28 내지 48 중 어느 하나에 따른 유출 셀.
실시예 50 : 상기 전달 튜브를 통과하여 상기 유출 셀로부터 유출되는 증발된 또는 승화된 재료의 응축을 방해하도록 상기 전달 튜브 내에 포함되는 재료를 가열하도록 위치되고 구성되는 적어도 하나의 추가 가열 요소를 더 포함하는 실시예 28 내지 49 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 51 : 상기 유출 셀이 저항성 가열 요소를 포함하지 않는 실시예 28 내지 50 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 52 : 공급 튜브가 도가니에 결합된 단부를 갖는 실시예 28 내지 51 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 53 : 공급 튜브 내에 배치된 하나 이상의 배플을 더 포함하는 실시예 28 내지 52 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 54 : 공급 튜브 및 공급 튜브의 개구 중 적어도 하나가 냉각되는 실시예 28 내지 53 중 어느 하나의 실시예에 따른 유출 셀.
실시예 55 : 반도체 기판 처리 시스템은 챔버; 챔버 내부에 진공을 형성하기 위하여 상기 챔버로부터 가스를 배출하도록 구성되는 적어도 하나의 진공 펌프; 및 상기 챔버와 동작 가능하게 연관되고 증발된 또는 승화된 재료를 적어도 하나의 유출 셀로부터 상기 챔버로 선택적으로 도입하도록 구성되는 실시예 1 내지 54 중 어느 하나의 실시예에 기재된 적어도 하나의 유출 셀을 포함한다.
실시예 56 : 반도체 기판 처리 시스템이 물리 기상 증착 시스템을 포함하는, 실시예 55에 따른 반도체 기판 처리 시스템.
실시예 57 : 상기 물리 증착 시스템이 분자 빔 에피택시(MBE) 시스템을 포함하는 실시예 56에 따른 반도체 기판 처리 시스템.
실시예 58 : 실시예 1 내지 54 중 어느 하나에 기재된 유출 셀의 제조를 포함하는 방법.
실시예 59 : 실시예 1 내지 54 중 어느 하나에 기재된 적어도 하나의 유출 셀을 사용하여 증발되거나 승화된 재료를 진공 챔버로 도입하는 단계를 포함하는 반도체 기판 처리 방법.
특정 예시적인 실시예가 도면과 관련하여 설명되었지만, 당업자는 본 개시에 포함되는 실시예가 본 명세서에 명시적으로 도시되고 기술된 실시예로 제한되지 않음을 인식할 것이다. 오히려, 여기에 기술된 실시예에 대한 많은 추가, 삭제 및 수정이 법적 등가물을 포함하여 이하 청구되는 바와 같이 본 개시에 포함되는 실시예들의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 또한, 하나의 개시된 실시예로부터의 특징은 발명자에 의해 고려되는 개시의 범위 내에 여전히 포함되지만, 다른 개시된 실시예의 특징과 결합될 수 있다.

Claims (20)

  1. 유출 셀로서:
    상기 유출 셀 내에서 증발하거나 승화될 재료를 내부에 포함하도록 구성된 도가니;
    상기 도가니로부터 유래하는 증발된 또는 승화된 재료를 상기 유출 셀로부터 증착 챔버로 전달하도록 구성되는 전달 튜브;
    상기 도가니의 제1 단부에서 상기 도가니로부터 연장되고 상기 도가니와 물리적으로 결합되고, 증발된 또는 승화된 재료로부터 유래하는 응축물을 포착하고 상기 응축물을 상기 도가니로 다시 전달하도록 배치되고 구성되는 공급 튜브;
    상기 도가니 내의 재료의 증발 또는 승화를 초래하고 또한 증발된 또는 승화된 재료를 상기 전달 튜브를 통해 상기 유출 셀로부터 유출되도록 하기 위하여 상기 도가니 내에 포함된 재료를 가열하도록 배치되고 구성되는 적어도 하나의 가열 요소;
    액세스 포트 및 진공 펌프를 포함하는 로드 락 장치; 및
    상기 로드 락 장치 및 상기 공급 튜브 사이의 열 절연체
    를 포함하되,
    상기 유출 셀은 상기 공급 튜브 및 상기 도가니가 상기 증착 챔버로부터 상기 유출 셀을 제거하지 않고 상기 유출 셀이 진공으로 유지되면서 증발 또는 승화될 재료로 채워질 수 있도록 구성되고,
    상기 유출 셀은 진공 하우징 내에 둘러싸여 있고,
    상기 공급 튜브의 제1 단부에 대향하는 제2 단부는 상기 열 절연체를 통하여 상기 진공 하우징에 개방되어 있는,
    유출 셀.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 유출 셀은 상기 도가니로부터 유래된 증발된 또는 승화된 재료가 상기 전달 튜브를 통해 상기 유출 셀로부터 전달되는 챔버 내의 진공을 해제하는 동작을 수행하는 프로세싱 동작을 중단하지 않고 상기 도가니가 증발될 또는 승화될 재료로 채워질 수 있도록 구성되는, 유출 셀.
  3. 청구항 1에 있어서, 적어도 하나의 가열 요소는 무선 주파수(RF) 가열 요소를 포함하는, 유출 셀.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 도가니는 하나 이상의 벽들을 포함하며, 상기 하나 이상의 벽들 중 각각의 벽은 0.036 인치(0.091cm)와 같거나 더 두꺼운 평균 벽 두께를 갖는, 유출 셀.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 하나 이상의 벽들 중 각각의 벽은 0.25 인치(0.635cm)와 같거나 더 두꺼운 평균 벽 두께를 갖는, 유출 셀.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 하나 이상의 벽들 중 각각의 벽은 0.50 인치(1.27cm)와 같거나 더 두꺼운 평균 벽 두께를 갖는, 유출 셀.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 도가니는 TaC, 흑연 탄소, 탄화규소, 질화규소, 탄화붕소, 및 AlN으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 라이닝(lining)을 갖는, 유출 셀.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 전달 튜브의 축은 상기 도가니의 수직 축에 대해 소정 각도로 배향되는, 유출 셀.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 전달 튜브의 축은 상기 도가니의 축에 대해 90°의 각도로 배향되는, 유출 셀.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 전달 튜브와 동작 가능하게 연관된 셔터 조립체를 더 포함하며, 상기 셔터 조립체는 상기 전달 튜브로부터의 증발된 또는 승화된 재료의 유출을 선택적으로 차단하도록 구성되는, 유출 셀.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 셔터 조립체는 상기 셔터 조립체의 이동 방향을 변화시키지 않고 상기 전달 튜브 내의 상기 하나 이상의 통로를 선택적으로 개폐하도록 구성되는, 유출 셀.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 셔터 조립체는 회전 셔터 조립체를 포함하는, 유출 셀.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 회전 셔터 조립체는 회전 밸브 및 고정 노즐을 포함하는, 유출 셀.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 회전 밸브는 제1 복수의 개구를 포함하고, 상기 노즐은 제2 복수의 개구를 포함하고, 상기 고정 노즐에 대한 상기 회전 밸브의 회전 축을 중심으로 하는 단일 회전 방향으로의 상기 회전 밸브의 연속 회전은 상기 전달 튜브 내의 하나 이상의 통로의 순차적 및 반복적 개폐를 유발하도록 상기 제1 복수의 개구 및 제2 복수의 개구의 순차적 및 반복적 정렬 및 오정렬을 유발하는, 유출 셀.
  15. 청구항 14에 있어서, 구동 기구는 0.1 초 이내의 상기 전달 튜브 내의 상기 하나 이상의 통로의 개폐를 유발하기에 충분한 회전 속도로 상기 회전 밸브의 회전을 구동할 수 있는, 유출 셀.
  16. 청구항 10에 있어서, 상기 셔터 조립체는 상기 전달 튜브 내에 적어도 부분적으로 배치되는, 유출 셀.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 전달 튜브를 통과하여 상기 유출 셀로부터 유출되는 증발된 또는 승화된 재료의 응축을 방해하도록 상기 전달 튜브 내에 포함되는 재료를 가열하도록 위치되고 구성되는 하나 이상의 추가 가열 요소를 더 포함하는, 유출 셀.
  18. 청구항 1에 있어서, 상기 공급 튜브 내에 배치된 하나 이상의 배플들(baffles)을 더 포함하는, 유출 셀.
  19. 청구항 1에 있어서, 상기 공급 튜브 및 상기 공급 튜브의 개구 중 적어도 하나는 냉각되는, 유출 셀.
  20. 반도체 기판 처리 시스템으로서,
    챔버;
    챔버 내부에 진공을 형성하기 위하여 상기 챔버로부터 가스를 배출하도록 구성되는 적어도 하나의 진공 펌프; 및
    상기 챔버와 동작 가능하게 연관되고 증발된 또는 승화된 재료를 적어도 하나의 유출 셀로부터 상기 챔버로 선택적으로 도입하도록 구성되는 청구항 1에 기재된 적어도 하나의 유출 셀
    을 포함하는, 반도체 기판 처리 시스템.

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