KR20000055919A - Thin layer forming method and the device thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 박막형성 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상세히는 헤리콘 웨이브플라즈마를 이용한 화학적 박막 증착 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for thin film formation, and in particular, to a method and apparatus for chemical thin film deposition using helicon wave plasma.
청색 발광소자와 반도체 레이져 다이오드의 주 재료인 GaN 및 III 족 질화물들은 고품질의 결정층 성장이 매우 어려운 재료들로서 이 질화물들의 고품질 에피성장은 곧바로 고성능의 광 디바이스 개발과 직결된다 할 수 있다. 현재 주로 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Depostion), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 등의 공정을 이용하여 성장되고 있는 GaN 결정층은 격자 상수, 열팽창 계수의 차이가 작은 사파이어, SiC 등으로 된 기판의 재료의 성질에 의해 전위밀도 1010 cm-1정도의 격자 결함을 내포하는 비교적 저품질의 결정특성을 보이고 있다.GaN and group III nitrides, which are the main materials of blue light emitting devices and semiconductor laser diodes, are very difficult to grow high quality crystal layers, and high quality epitaxial growth of these nitrides is directly related to the development of high performance optical devices. The GaN crystal layer, which is currently grown using MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Depostion) and MBE (Molecular Beam Epitaxy), has the properties of the substrate material of sapphire, SiC, etc. with small difference in lattice constant and thermal expansion coefficient. This results in a relatively low quality crystal characteristic containing lattice defects with a dislocation density of about 1010 cm −1 .
즉, MOCVD 법의 경우 공정의 원리 상 열평형적 표면 화학반응에 의해 GaN를 성장시킴으로 인해 1000℃ 이상의 고온의 합성온도가 필요하며 이로 인한 다수의 질소 공공(空孔)의 형성은 결정층에 대한 도핑 특성을 저하시킨다. 또한 광 디바이스 제조를 위해 필히 요구되는 연속되는 InGaN, AlGaN 등으로 이루어지는 활성층(active layer), 클래딩층(clading layer)의 최적 성장온도와의 큰 차이로 인해 다층구조에서 계면 특성의 저하 문제등을 안고 있다. 특히 다바이스 구조에서 가장 중요한 InGaN 층의 경우 발광빔의 파장 조절을 위해 필수적인 In 조성의 증가가 열역학적 특성으로 인해 상당히 제약을 받고 있다. MBE 공정의 경우 이 공정이 장비의 유지, 보수 및 에피층의 성장 단가가 높은 고비용 공정임을 차치하고라도 상온, 상압에서 비평형 상인 GaN 성장을 위해서는 반응성이 뛰어난 활성화된 질소원(ECR, RF plasma source)이 따로이 필요로하며 낮은 성장 속도 및 대면적의 균일한 결정층 성장에 기본적인 제약이 따른다.That is, in the case of the MOCVD method, GaN is grown by thermal equilibrium surface chemical reaction, and therefore, a high synthesis temperature of 1000 ° C. or higher is required. Decreases the doping properties. In addition, due to the large difference between the optimum growth temperature of the active layer and the cladding layer composed of continuous InGaN, AlGaN, and the like, which are required for the manufacture of optical devices, there is a problem of deterioration of interface characteristics in a multilayer structure. have. In particular, in the case of InGaN layer which is the most important in the device structure, the increase of In composition, which is essential for controlling the wavelength of the light emitting beam, is considerably limited due to the thermodynamic characteristics. In the case of the MBE process, this process is a high-cost process with high equipment maintenance, repair, and epilayer growth costs. For the GaN growth, which is a non-equilibrium phase at room temperature and pressure, a highly reactive activated nitrogen source (ECR) is needed. It is required separately and follows the basic constraints on low growth rate and large-area uniform crystal layer growth.
본 발명의 제1의 목적은, 양질의 결정층을 형성할 수 있는 박막 성장 방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.A first object of the present invention is to provide a thin film growth method and apparatus capable of forming a high quality crystal layer.
본 발명의 제2의 목적은 결정성장온도를 줄일 수 있고, 빠른 성장속도로 보다 균일한 결정층을 형성할 수 있는 박막 성장 방법 및 장치를 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a thin film growth method and apparatus which can reduce the crystal growth temperature and can form a more uniform crystal layer at a fast growth rate.
본 발명의 제3의 목적은 대면적의 결정층을 효과적으로 형성할 수 있는 박막 성장 방법 및 장치를 제공하는 것이다.It is a third object of the present invention to provide a thin film growth method and apparatus capable of effectively forming a large-area crystal layer.
도 1은 본 발명의 박막 형성 장치에 따른 실시예의 개략적 구성도이며,1 is a schematic configuration diagram of an embodiment according to a thin film forming apparatus of the present invention,
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 박막 형성장치에 적용되는 제어부의 개략적 발췌 사시도이다.FIG. 2 is a schematic perspective view of a control unit applied to the thin film forming apparatus of the present invention shown in FIG. 1.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 반응 챔버 내에 기판을 타겟으로서 설치한는 단계; 질소 등을 가스유동 경로상에 자기장과 전기장을 가하여 이들 상호 공명에 따른 헤리콘 웨이브(helicon wave) 플라즈마 가스를 형성하는 단계; 상기 헤리코 웨이브 플라즈마 가스를 반응챔버로 공급하되, 메쉬상의 이온억제 스크린을 통과시키는 단계; 상기 이온 억제 스크린을 에워 싸는 영역으로부터 상기 이온 억제 스크린의 평면을 따라서 소스를 주입하여 이를 을 통과하는 플라즈마 가스의 활성 이온을 혼합하는 단계;를 포함하는 박막 형성방법이 제공된다.According to the present invention for achieving the above object, the step of installing a substrate as a target in the reaction chamber; Applying a magnetic field and an electric field on a gas flow path with nitrogen to form a helicon wave plasma gas according to these mutual resonances; Supplying the helico wave plasma gas to a reaction chamber but passing an ion inhibitor screen on a mesh; And implanting a source along a plane of the ion suppression screen from a region enclosing the ion suppression screen and mixing active ions of the plasma gas passing therethrough.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 질소가스가 유동하는 플라즈마 발생관과; 상기 플라즈마 발생관에 전기장을 형성하는 RF(Radio Frequency) 안테나와; 상기 플라즈마 발생관에 자기장을 형성하는 마그네크 코일과; 상기 플라즈마 발생관으로부터 발생된 플라즈마 가스가 주입되는 것으로 그 내부에 기판이 설치되는 반응 챔버와; 상기 기판에 대한 상기 플라즈마 가스 진행경로 상에 마련되는 메쉬상의 이온 억제 스크린과; 상기 이온 억제 스크린을 지지하는 것으로 그 내면에 소스 분출공이 다수 형성된 소스 유입장치;를 구비하는 박막 형성 장치가 제공된다.In addition, according to the present invention in order to achieve the above object, the plasma generating tube through which nitrogen gas flows; An RF antenna for forming an electric field in the plasma generating tube; A magnetic coil forming a magnetic field in the plasma generating tube; A reaction chamber into which a plasma gas generated from the plasma generating tube is injected and a substrate is installed therein; An ion suppressing screen on a mesh provided on the plasma gas traveling path with respect to the substrate; There is provided a thin film forming apparatus including a source inlet device having a plurality of source ejection holes formed therein to support the ion suppressing screen.
이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 박막 형성 방법 및 장치의 일실시예를 상세히 설명하다.Hereinafter, an embodiment of a method and apparatus for forming a thin film according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 박막 형성 장치에 따른 실시예의 개략적 구성도이며, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 박막 형성장치에 적용되는 이온억제 스크린 및 TMG 소스 유입장치의 발췌사시도이다.1 is a schematic configuration diagram of an embodiment according to the thin film forming apparatus of the present invention, Figure 2 is an excerpt of the ion suppression screen and TMG source inlet device applied to the thin film forming apparatus of the present invention shown in FIG.
먼저 본 발명의 박막 형성 방법의 일실시예를 설명한다.First, an embodiment of the thin film forming method of the present invention will be described.
반응 챔버 내에 사파이어, SiC 등의 기판을 타겟으로서 설치한다(제1단계).A substrate such as sapphire, SiC, or the like is installed in the reaction chamber (first step).
질소 등을 가스유동 경로상에 자기장과 전기장을 가하여 이들 상호 공명에 따른 헤리콘 웨이브 플라즈마 가스를 형성한다(제2단계).Nitrogen or the like is applied to the magnetic field and the electric field on the gas flow path to form a helicon wave plasma gas according to these mutual resonances (second step).
상기 헤리콘 웨이브 플라즈마 가스를 10-1내지 10-4Torr의 기압을 유지하는 반응챔버로 공급하되, 메쉬상의 이온억제 스크린을 통과시킨다. 이와 동시에 상기 이온 억제 스크린을 에워 싸는 영역으로부터 상기 이온 억제 스크린의 평면을 따라서 소스를 주입하여 이를 을 통과하는 플라즈마 가스의 활성 이온을 혼합하도록 한다(제3단계).The helicon wave plasma gas is supplied to a reaction chamber maintaining an air pressure of 10 −1 to 10 −4 Torr, and passed through a mesh-like ion suppressing screen. At the same time, a source is injected along the plane of the ion suppression screen from an area surrounding the ion suppression screen to mix active ions of the plasma gas passing therethrough (step 3).
상기 제3단계를 거치게 되면, 먼저 소스가 기판의 표면에서 열분해되고, 이어 활성이온과 화학적 반응이 일어 남에 따라 상기 기판의 표면에 목적하는 결정층이 형성되게 된다.In the third step, the source is first thermally decomposed at the surface of the substrate, and then a chemical reaction with the active ions occurs to form a desired crystal layer on the surface of the substrate.
이상의 본발명의 박막 형성 방법에 있어서, 기판은 사파이어, SiC 등으로 형성되며, 소스는 TMG(Trimetyl-Ga), TMA(Trimetyl-Aluminium), TMIn(Trimetyl- Indium) 등의 MO(Metal Organic) 소스 등이 사용될 수 있다.In the thin film forming method of the present invention, the substrate is formed of sapphire, SiC, etc., the source is a metal organic (MO) source such as TMG (Trimetyl-Ga), TMA (Trimetyl-Aluminium), TMIn (Trimetyl-Indium) And the like can be used.
도 1을 참조하면서, 본 발명의 박막 형성장치의 실시예를 설명한다.An embodiment of a thin film forming apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. 1.
도 1을 참조하면, 본 발명의 박막 형성 장치는 플라즈마 발생부(10)와 반응 챔버(20)의 두 부분으로 구성되어 있다.Referring to FIG. 1, the thin film forming apparatus of the present invention includes two parts, a plasma generator 10 and a reaction chamber 20.
플라즈마 발생부(10)는 질소가스(N2)가 유동하는 플라즈마 발생관(11)과, 플라즈마 발생관(11)의 주위에 상기 플라즈마 발생관(11)내로 자기장을 형성하는 마그네트 코일(12)과, 상기 플라즈마 발생관(11) 내에 RF를 인가하는 RF 안테나(13)와, 상기 RF 안테나(13)에 RF 파워를 공급하는 RF 파워 서플라이(14)를 구비한다.The plasma generating unit 10 includes a plasma generating tube 11 through which nitrogen gas N 2 flows, and a magnet coil 12 forming a magnetic field in the plasma generating tube 11 around the plasma generating tube 11. And an RF antenna 13 for applying RF in the plasma generating tube 11 and an RF power supply 14 for supplying RF power to the RF antenna 13.
상기 반응챔버(20)는 상기 플라즈마 발생관(11)으로부터 발생된 플라즈마 가스가 유입되는 것으로서, 상기 플라즈마 발생관(11)으로 유입되는 플라즈마 가스 진행 경로 상에 위치하는 이온 억제 스크린(21a) 및 소스 유입장치(21b)를 갖춘 제어부(21) 및 타겟으로서 기판(23)이 설치되어 있는 구조를 가진다.The reaction chamber 20 is a plasma gas generated from the plasma generating tube 11 is introduced, the ion suppression screen (21a) and the source located on the plasma gas traveling path flowing into the plasma generating tube 11 It has a structure in which the control part 21 provided with the inflow apparatus 21b, and the board | substrate 23 as a target are provided.
상기 제어부(21)의 이온 억제 스크린(21a)은 망사구조로서 플라즈마 가스 중 활성 이온의 통과를 제어한다. 그리고, 제어부(21)의 소스 유입장치(21b)는 링형상으로서, 그 내부를 소스가 유동하며, 그 내측면에는 소스가 분출되는 소스 분출공(22)을 가진다. 이러한 소스 유입장치(21b)는 상기 이온억제 스크린(21a)의 지지체로서 역할을 하게 됨과 아울러 이온억제 스크린(21a)의 평면 방향으로 소스를 공급하여 소스와 플라즈마 가스의 활성 이온이 혼합되게 한다.The ion suppression screen 21a of the controller 21 is a mesh structure that controls the passage of active ions in the plasma gas. The source inlet device 21b of the control unit 21 is ring-shaped, and has a source ejection hole 22 through which a source flows, and an inside of which is ejected. The source inlet device 21b serves as a support of the ion suppression screen 21a and supplies a source in the planar direction of the ion suppression screen 21a so that the active ions of the source and the plasma gas are mixed.
상기 구조에 있어서, 상기 마그네트 코일(12)에 의한 자기장과 RF 안테나(13)에 의한 전기장 상호 공명 커플링 현상에 의해 헤리콘 웨이브가 형성된다. 따라서, 상기 마그네트 코일(12)과 RF 안테나(13)은 플라즈마 발생관(11)내를 유동하는 질소가스가 여기되어 고밀도의 헤리콘 웨이브 플라즈마 가스가 발생되고, 이 헤리콘 플라즈마 가스가 반응챔버(20) 내로 유입된다.In the above structure, the helicon wave is formed by the magnetic field by the magnet coil 12 and the electric field mutual resonance coupling phenomenon by the RF antenna 13. Accordingly, the magnet coil 12 and the RF antenna 13 excite nitrogen gas flowing in the plasma generating tube 11 to generate a high density helicon wave plasma gas, and the helicon plasma gas is a reaction chamber ( 20) flows into.
반응챔버(20)내로 유입된 플라즈마 가스는 제어부(21)이온 억제 스크린(21a)을 통과하게 된다. 제어부(21)의 소스 유입장치를 통해 TMG, TMA, TMIn 등의 MO 소스가 유입되면서, 상기 기판(23)에 목적하는 결정층이 형성되게 된다. TMG, TMA, TMIn 등의 MO 소스는 직접 반응 챔버(20) 내로 공급되어 기판 표면에서 열분해 되며 플라즈마 발생관으로부터 확산해 나오는 원자상태의 활성 질소와의 화학적 반응에 의해 기판(23)의 표면에 GaN등과 같은 질화물 결정층이 형성된다. 이때 질소 이온에 의한 결정층의 손상이 우려되는데, 상기 이온 억제 스크린에 의해 제어되어 결정층의 손상이 최소화된다.The plasma gas introduced into the reaction chamber 20 passes through the control unit 21 ion suppression screen 21a. MO sources such as TMG, TMA, TMIn, etc. are introduced through the source inlet of the control unit 21, so that a target crystal layer is formed on the substrate 23. MO sources such as TMG, TMA, and TMIn are directly supplied into the reaction chamber 20 to be pyrolyzed at the surface of the substrate, and GaN is formed on the surface of the substrate 23 by chemical reaction with active nitrogen in the atomic state diffused from the plasma generating tube. A nitride crystal layer such as the like is formed. At this time, damage to the crystal layer by nitrogen ions is concerned, which is controlled by the ion suppression screen to minimize damage to the crystal layer.
반응 챔버(20) 내의 기압은 10-1에서 10-4Torr 정도로서 TMG 등의 유기 금속 전구체와 도펀트 소스가 공급 가스없이 독자적으로 공급되거나 질소 공급가스와 더불어 공급되어 챔버내 수소의 공급이 억제된다.Atmospheric pressure in the reaction chamber 20 is about 10 −1 to 10 −4 Torr and an organic metal precursor such as TMG and a dopant source are supplied independently without a supply gas or are supplied together with a nitrogen supply gas to suppress the supply of hydrogen in the chamber.
이러한 본 발명은 질소 가스를 헤이콘 웨이브 플라즈마 가스화하여 반응챔버 내에서 CVD(Chemicla Vapor Deposition)에 의해 고품질의 결정층, 예를 들어 GaN 결정층이 형성되게 된다. 사용될 수 있는 기판으로서는 사파이어, SiC 등이 있다.The present invention is to form a high-quality crystal layer, for example, a GaN crystal layer by CVD (Chemicla Vapor Deposition) in the reaction chamber by the nitrogen gas gas haky wave plasma gasification. Substrates that can be used include sapphire, SiC and the like.
이상과 같은 본 발명은 전술한 바와 같이 헤이콘 웨이브 플라즈마를 이용한 화학적 증착법에 의해 기판에 대해 목적하는 결정층을 형성할 수 있고, 따라서, 기존의 MOCVD 법과 MBE 법의 약점을 극복하고 이들의 장점만을 취할 수 있다. 먼저, 플라즈마를 이용한 활성 질소원은 결정층의 성장온도를 현저히 줄여줄 수 있어서 앞에서 언급한 고온의 성장온도가 필요한 MOCVD 공정의 약점을 극복할 수 있다. 또한, 성장가능한 압력 대역, 즉 반응 챔버 내의 기압이 10-1에서 10-4Torr 로서 결정층을 균일하게 형성할 수 있다. 질소만을 플라즈마 가스원으로 사용하기 때문에 낮은 공정 압력으로 인해 TMG 등의 소스 가스 공급 시 H2가스등이 공급될 필요없어서, NH3를 주 질소원으로 이용하고 H2부분압이 큰 MOCVD 공정에서 발생하는 p-형 도펀트의 H 페시베이션(passivation)의 형성이 억제되고, 따라서, 이를 제거하기 위한 별도의 열처리 공정이 요구되지 않는다. 이러한 방법을 실시하는 본 발명의 박막 형성 장치는 구조가 간단하고, 특히 기판의 사이즈 증대에 따른 문제점이 거의 없기 때문에 대면적 결정층 형성에 불리한 MBE의 단점을 극복할 수 있다. 또한, 헤리콘 웨이브 플라즈마 가스에 의해 충분한 원자상태의 활성 질소를 공급할 수 있기 때문에 성장속도가 극히 향상되게 된다.As described above, the present invention can form a target crystal layer on a substrate by a chemical vapor deposition method using a hacon wave plasma, thus overcoming the weaknesses of the conventional MOCVD and MBE methods and only their advantages. Can be taken. First, an active nitrogen source using plasma can significantly reduce the growth temperature of the crystal layer, thereby overcoming the weaknesses of the MOCVD process requiring the high growth temperature mentioned above. In addition, it is possible to uniformly form the crystal layer with a growthable pressure zone, that is, an air pressure in the reaction chamber, from 10 −1 to 10 −4 Torr. No nitrogen only due to the low process pressure due to the use as a plasma source gas to be supplied to the gases H 2, a source gas of TMG or the like, using NH 3 as the main nitrogen source and p- generated in a large MOCVD process H 2 partial pressure Formation of H passivation of the type dopant is suppressed, and therefore, a separate heat treatment process for removing it is not required. The thin film forming apparatus of the present invention which implements such a method has a simple structure, and in particular, there is almost no problem due to the increase in the size of the substrate. In addition, since the active nitrogen in a sufficient atomic state can be supplied by the helicon wave plasma gas, the growth rate is extremely improved.
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1999
- 1999-02-11 KR KR1019990004827A patent/KR20000055919A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100561848B1 (en) * | 2003-11-04 | 2006-03-16 | 삼성전자주식회사 | Helical resonator type plasma processing apparatus |
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