KR200224419Y1 - 박막 성장 장치 - Google Patents

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KR200224419Y1 KR2020000036813U KR20000036813U KR200224419Y1 KR 200224419 Y1 KR200224419 Y1 KR 200224419Y1 KR 2020000036813 U KR2020000036813 U KR 2020000036813U KR 20000036813 U KR20000036813 U KR 20000036813U KR 200224419 Y1 KR200224419 Y1 KR 200224419Y1
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배이뇌 킬피
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에이에스엠 마이크로케미스트리 오와이
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Abstract

본 고안은 기상의 반응물의 교대로 반복되는 표면 반응에 기판을 노출시켜 기판(4)의 표면상에 박막을 성장시키는 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 반응 공간, 상기 박막 성장 공정에 이용되는 상기 반응물을 상기 반응 공간으로 공급하기 위하여 상기 반응 공간으로 연결된 공급 수단, 및 상기 반응 공간으로부터 과잉 반응물 및 가스상태의 반응 생성물을 방출하기 위하여 상기 반응 공간으로 연결된 배출 수단을 포함하는 반응 챔버, 상기 반응 공간으로 적용된 하나 이상의 기판(4), 및 상기 박막이 성장하며 상기 박막 성장 공정을 지지하는 상기 기판 표면으로부터 일정한 거리에 배치되는 상기 기판(4)의 표면에 대응된 배치에서 상기 반응 공간내로 적용되는 제 2 표면을 포함하며, 상기 반응물이 상기 대응된 표면 사이에 형성된 공간에서 상기 대응된 표면에 대하여 강제로 유동된다. 상기 기판(4)의 박막 성장 지지 표면과 상기 표면에 대응되게 배치된 표면은 상기 반응 챔버내로 배치되어 상기 대응 표면에 관련된 반응물의 유동 방향으로 개방되는 일정한 각도(11)를 형성하여, 반응물의 공급 단부에서 상기 대응된 표면 사이의 거리가 가스 배출 단부에서의 거리보다 더 작다.

Description

박막 성장 장치{APPARATUS FOR GROWING THIN FILMS}
본 고안은 기판에 기상 반응물(vapor-phase reactants)의 표면 반응을 교대로 반복적으로 수행함으로써 기판의 표면 상에 박막을 제조하기 위한 청구항 1의 전제부에 따른 장치에 관한 것이다.
이러한 종류의 장치는 반응 공간을 포함하는 반응 챔버, 박막 성장 공정에서 사용된 반응물을 반응 공간으로 공급하기 위해 반응 공간으로 연결된 공급 수단, 및 반응 공간으로부터 과도한 반응물 및 기체상 반응 생성물을 배출하기 위해 반응 공간으로 연결된 배출 수단을 포함한다. 반응 공간으로 하나 이상의 기판이 적용되고, 박막이 성장되고 박막 성장 공정을 지지하는 기판 표면으로부터 거리를 두고 배치된 제 2표면이 상기 기판의 표면에 대향되게 위치되어서, 반응물이 대향하는 표면들 사이에 형성된 공간 내에서 대향하는 표면에 대해 흐르도록 가압된다.
종래에는, 진공 증발 증착 공정, 분자 비임 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 및 다른 유사한 진공 증착 방법, 변형된 다른 화학 기상 증착(CVD) 방법(저압 및 유기금속 CVD 및 플라즈마 강화 CVD) 또는 소위 원자층 에피택시(Atomic Layer Epitaxy, ALE 또는 ALCVD) 방법으로 지칭되는 표면 반응을 교대로 반복적으로 수행하는 증착 방법을 사용하여 박막을 증착하였다. 다른 공정 변수에 추가하여, MBE 및 CVD 방법에서의 박막 성장 속도는 또한 개시 재료의 유입 농도에 의해 결정된다. 이들 방법에 의해 균일한 두께의 층을 달성하기 위해, 개시 재료의 농도 및 반응성은 기판의 상이한 표면적에 대해 일정하게 유지되어야 한다. CVD 방법을 사용하는 경우에 있어서, 상이한 개시 재료들이 기판 표면에 도달하기 전에 서로 혼합된다면, 예컨대 이들 개시 재료들의 상호 반응이 유발된다. 이후, 기체상 반응물의 공급 채널 내에 이미 미세 입자가 형성될 가능성이 커지게 된다. 이러한 미세 입자는 일반적으로 증착된 박막의 품질에 악영향을 미친다. 따라서, MBE 및 CVD 반응기 내에서의 조기 반응의 가능성은 기판 표면을 가열하기 이전에 개시 재료를 가열함으로써 방지된다. 이러한 가열에 부가하여, 플라즈마 방출 또는 다른 유사한 활성 수단을 사용하여 원하는 반응이 개시될 수 있다.
MBE 및 CVD 공정에서, 박막의 성장은 주로 기판 상에 충돌하는 개시 재료의 공급 속도를 제어함으로써 조절된다. 이와 반대로, ALE 공정에서의 성장 속도는 개시 재료의 농도 또는 흐름 변수 보다는 기판 표면 품질에 의해 제어된다. ALE 공정에서 필수적으로 요구되는 것은 개시 재료가 기판의 표면 상에 박막을 형성하기 위한 충분한 농도를 가져야 한다는 것이다. ALE 방법은 핀란드 특허 공보 제 52,359호 및 제 57,975호, 및 미국 특허 공보 제 4,058,430호 및 제 4,389,973호에 개시되어 있다. 또한, 이러한 방법을 수행하기에 적합한 장치는 미국 특허 공보 제 5,855,680호 및 핀란드 특허 공보 100,409호에 개시되어 있다. 박막 성장 장치는 또한 재료 과학 리포트 4(7)(1989) 261페이지 및 티지외테크닉카(Tyhjioetekniikka)(진공 기술에 대한 핀란드 공보) ISBN 951-794-422-5 253-261페이지에 개시되어 있다.
핀란드 특허 공보 제 57,975호에 개시된 ALE 성장 방법에서, 반응물 원자 또는 분자는 기판 표면 상에 완전히 충만된 분자층이 형성될 때까지 기판 표면 상에 충돌하여 기판 위에서 세척되도록 배열된다. 다음으로, 과도한 반응물 및 기체상 반응 생성물은 기판 위를 통과하는 불활성 가스 펄스에 의해 또는, 선택적으로, 상이한 반응물의 다음 기체상 펄스가 가해지기 전에 반응 공간을 진공으로 펌핑함으로써 기판으로부터 제거된다. 연속적인 상이한 기체상 반응물 펄스 및 개별적인 불활성 가스 펄스 또는 진공 펌핑 주기에 의해 형성된 확산 배리어는 이들 모든 성분의 개별적인 표면-화학적 반응에 의해 제어된 박막 성장을 유발한다. 필요한 경우, 진공 펌핑 주기의 영향은 불활성 가스 흐름에 의해 증가될 수도 있다. 공정 함수에 있어서, 기체상 반응물 또는 기판이 거동 상태를 유지하는 것은 무관하며, 연속적인 반응의 상이한 반응물이 서로 분리되어 유지되고 상기 반응물이 기판 위에서 연속적으로 세척되는 것이 중요하다.
대부분의 진공 증발기는 소위 '단일-슈트(single-shot)' 원리에 따라 작동한다. 여기에서, 기화된 원자 또는 분자는 단지 한차례만 기판 상에 충돌할 수 있다. 만일 기판 표면과 아무런 반응이 일어나지 않는다면, 원자/분자는 되튀거나 재기화되어서 장치의 벽을 가격하거나 진공 펌프 내에 응축된다. 고온벽 반응기에서, 프로세스 챔버벽 또는 기판과 충돌하는 원자 또는 분자는 재기화될 수 있으며, 기판 상에 반복적으로 충돌된다. ALE 프로세스 챔버에 적용될 때, 이러한 '다중-슈트(multi-shot)' 원리가 재료 소비 효율성의 개선을 포함하는 다수의 잇점을 제공한다.
'다중-슈트' 원리로 작동하는 ALE 반응은 일반적으로 다수의 기판이 동시에 프로세스 챔버 내에서 수행되거나 또는 선택적으로 기판이 압력 용기에 의해 형성된 공정 공간 내로 비장착식으로 배치될 수 있는 카셋트 유닛을 사용하도록 구성되며, 이에 의해 공정 공간은 또한 기상 반응물이 기판 표면과 반응하여 박막 구조를 성장시키는 반응 챔버로서 역할한다. 만일 여러 기판을 유지하도록 구성된 카셋트 유닛이 적용된다면, 반응 챔버는 카셋트 유닛 내부에 형성된다. 카셋트 유닛의 사용은 단일 기판 주기에 대해 기판 당 성장 시간을 단축시키며, 이에 의해 높은 제조 수율이 얻어진다. 더욱이, 프로세스 챔버 안팎으로 이동할 수 있도록 배열된 카셋트 유닛은 제조 흐름을 방해하지 않으면서 해체되어 세척될 수 있는데, 이는 하나의 카셋트 유닛이 프로세스 챔버에서 사용되는 동안 다른 카셋트 유닛이 세척될 수 있기 때문이다.
ALE 방법의 제조 속도가 다른 박막 성장 기술에 비해 상대적으로 느리기 때문에 배치 공정은 종래의 ALE 박막 공정에서 바람직하다. 더욱이, 박막 성장 구조물의 기판 당 전체 성장 시간은 보다 경쟁적인 레벨로 배치 공정에서 감소될 수 있다. 동일한 이유로, 보다 큰 기판 크기가 바람직하다.
ALE 기술의 일실시예에서, 카셋트 유닛의 프레임워크가 티타늄으로 제조되고 개방된 상부 및 바닥 단부를 갖춘 홀더 박스에 의해 형성되며, 이에 의해 홀더 박스는 내부로 도입된 다수의 기판을 종방향으로 평행한 위치로 지지할 수 있다. 기판은 프레임에 장착된 둘레부 또는 그 단부를 가지며, 프레임은 기판 홀더 박스의 대향 단부에 만들어진 홈 내에 놓인다. 각 기판 프레임에는 2개의 기판이 그 배면이 서로 마주하도록 장착된다. 여기서 기판의 배면이란 박막이 성장하지 않는 기판면을 의미한다. 연속적인 보호 실링 섹션으로 기판의 길이방향 상부 및 바닥 엣지를 덮음으로써, 하나의 프레임에 장착된 기판의 배면 사이에 남아 있는 공간 내로 반응물이 접근하는 것이 방지된다. 반응물과 불활성가스는, 홀더 박스 위에 위치한 스프레이헤드 매니폴드의 평행한 공급 채널의 공급 구멍(infeed holes)을 통해 홀더 박스 내로 들어간다. 스프레이헤드의 구조는 필요에 따라 쉽게 변화될 수 있다. 과잉 반응물 및 반응 가스는, 홀더 박스의 바닥부에 연결된 흡입 박스의 배출 채널을 통해 홀더 박스로부터 제거된다. 이러한 방식으로, 가스는 박막이 성장될 기판의 면 사이에 남아 있는 공간을 통해 흐르게 된다.
기체상의 반응물을 한쪽 단부로부터만 홀더 박스로 공급함으로써, 반응물의 공급부에 근접하여 위치한 기판 표면 영역에서의 필름 증착을 더 강하게 할 수 있다. 이 효과를 상쇄시키기 위해, 서로 반대 방향으로부터 교대로 가스가 기판에 공급될 수 있다. 배출 채널을 통한 배기 흡입 역시 대향하는 단부들에서 교대로 발생되도록 설정되어야 한다. 교대로 반복되는 공급 사이클 때문에, 공급/배출 노즐은 홀더 박스의 상단 및 하단 모두에 위치하여야 하는데, 이에 따라 구조가 상당히 복잡하게 된다.
본 고안의 목적은, 공지 기술에 비해 반응물의 유동이 개선되어, 기판 표면 위에서 필름이 평탄하게 성장하게 되는, 전혀 새로운 형태의 ALE 반응 챔버를 제공하는 것이다.
도 1은 본 고안에 따른 장치에 사용되는 반응 챔버의 분해도;
도 2는 도 1의 반응 챔버의 기판 홀더 박스의 보다 구체적인 도면;
도 3은 평행 프레임 내에 놓이는 기판의 개략적인 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 반응 공간 2 : 공급 수단
4 : 기판 6 : 섹션
7 : 배출 채널 8 : 배출 수단
11 : 각도 12 : 덕트
본 고안의 목적은, 기판을 카세트 유닛의 기판 홀더 박스에 길이방향으로 나란히 A자 모양으로 기울어지게 배치하여, 박막 성장을 지지하고 사이에 가스가 흐르도록 하기 위한 대향면 사이의 거리가 가스 배출단에서보다 공급단에서 더 좁도록 함으로써 이루어진다. 바꿔 말하면, 박막이 증착되는 대향면의 A자 모양의 배치가, 반응 가스의 유동 방향으로 개방되어, 가스 유동 채널의 단면이 상기 방향에서 더 크게 되어, 결과적으로 유동 속도는 기판 홀더 박스의 배출단을 향하여 감소된다. 더욱이 본 고안의 바람직한 실시예는, 기판의 길이방향 축에 대해 적어도 실질적으로 개방되기에 적합한 스프레이헤드 매니폴드의 평행한 반응물 공급 채널을 가져, 기판 홀더 박스 내에 놓이는 기판의 수가 공급 채널 사이의 거리를 바꾸지 않고 변화될 수 있다.
보다 구체적으로 본 고안에 따른 장치는 청구항 1의 특징부에 기재된 것을 특징으로 한다.
본 고안은 상당한 이점을 제공한다.
기판을 반응물과 반응가스의 유동 방향으로 개방되어 있는 A자 모양으로 경사진 형태로 놓음으로써, 기판 표면에서 성장하는 박막이, 기판을 서로 일정한 거리를 두고 배치함으로써 얻어지는 것보다 더 균일하게 되거나, 이와 달리 박막 성장을 지지하기 위한 기판 표면을 A자 모양으로 대향 배치하여, 가스가 폐쇄된 정점을 향하여 유동할 수 있다.
따라서 만일 반응물과 불활성 가스의 공급을 위해 작용하는 스프레이헤드가 카세트 유닛의 상부에 위치하면, 배면이 서로 마주하는 한 쌍의 기판은 단일 기판 프레임에 배치되어, 역 A자 모양을 이룰 것이다. 이후 기판 프레임이 홀더 박스에 놓일 때, 기판 프레임이 자체 무게에 의해, 위쪽으로 V자 모양으로 배열되며 기판 홀더 박스의 단부에 만들어지는 홈의 벽에 대해 견고하게 맞춰져서, 기판의 정확한 배치에 의해, 임의의 가스 유동이 기판의 배면으로부터 벗어나는 것을 방지한다.
반응물이 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해, 다른 반응물의 공급 채널을 가능한 한 서로 분리되게 할 필요가 있다. 종래 기술의 구조에서, 반응물과 불활성가스의 공급 채널은 기판의 종축선을 따르는 방향에서 카세트 유닛 내로 개방되도록 배치되어, 처리될 기판의 배치(batch)의 어떠한 변화도 공급채널의 수 또는 거리의 변화를 요구하여, 가스 유동을 박막이 성장될 기판 표면 사이의 모든 공간 내에 제공할 수 있다. 본 고안에 따른 실시예에서, 스프레이헤드의 공급 채널은 기판의 종축선에 직각으로 위치하여, 카세트 유닛 내에 놓이는 기판의 수가, 공급 채널의 수 또는 채널 사이의 거리를 바꾸지 않고 변화될 수 있다.
이하, 본 고안을 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 실시예를 들어 구체적으로 설명한다.
본 명세서에서, '반응물(reactants)'이라는 용어는 기판 표면과 반응할 수 있는 가스 또는 기화 가능한 고체 또는 액체 개시 재료를 의미한다. ALE 방법은 통상적으로 2개의 별개의 그룹으로부터 선택되는 반응물을 사용한다. '금속 반응물(metallic reactants)'은 금속화합물을 의미하며, 원소 금속일 수도 있다. 적당한 금속 반응물은, 예를 들어 염화물 및 브롬화물을 포함하는 금속의 할로겐화합물 및 티에이치디(thd) 복화합물과 같은 유기금속 화합물이다. 금속 반응물의 예로서, Zn, ZnCl2, Ca(thd)2, (CH3)3Al 및 Cp2Mg를 들 수 있다. '비금속 반응물(nonmetallic reactants)'이란 용어는 금속화합물과 반응할 수 있는 화합물 및 원소를 의미한다. 이는 물, 황, 황화수소 및 암모니아로 대표된다.
본문 중에서 '보호 가스(protective gas)'라는 용어는, 반응공간 내부로 도입되어지고 반응물 및, 반사적으로, 기판에 관련된 불필요한 반응들을 방지할 수 있는 가스를 나타내는 경우에 사용된다. 이러한 반응들은 예컨대 가능할 수도 있는 불순물과 반응물 및 기판과의 반응을 포함한다. 또한 보호 가스는 예를들어 공급용 파이프내의 상이한 반응물 그룹에서 물질간의 반응을 방지하는데에도 기여한다. 본 고안의 방법에 따르면, 상기 보호 가스는 또한 반응물의 증기상 펄스(vapor-phase pulses)의 운반 가스로서 유용하게 이동될 수 있다. 바람직한 실시예, 즉, 상이한 반응물 그룹으로 이루어진 반응물이 별개의 공급 매니폴드를 통해 반응 공간으로 도입되어지는 실시예에 따르면, 증기상 반응물 펄스는 하나의 공급 도관으로부터 도입되고 이때 보호가스는 다른 공급 채널로부터 도입되며 따라서 도입된 반응물이 다른 반응물 그룹의 반응물 공급 도관으로 들어가는 것을 막는다. 적당한 보호 가스의 예로는 질소 및 희가스(noble gas)(예컨대, 아르곤)와 같은 불활성 가스가 있다. 보호 가스는 바람직하지 못한 반응(예컨대, 산화반응)이 기판표면상에 발생하는 것을 방지하기 위해 선택된, 수소 가스와 같은 본질적인 반응성 가스일 수도 있다.
본 고안에 따르면, '반응 챔버'라는 용어는, 기판이 위치하고 있는 그리고 증기상 반응물이 기판과 반응하여 박막을 형성하도록 하는 반응 공간뿐 아니라, 상기 반응 공간과 즉시 소통되는 가스 공급/배출 도관을 포함한다. 상기 도관은 반응물을 반응 공간(공급 도관)으로 수용하거나 반응 공간(배출 도관)으로부터 박막 형성 공정 중의 잉여 반응물 및 가스상 반응 산물을 제거하는데 이용된다. 이러한 종류의 반응 챔버내에 위치한 기판은 박막을 형성하는데 사용되는 적어도 2가지의 상이한 반응물의 교번적으로 반복되는 표면 반응을 받는다. 증기상 반응물은 반복적으로 그리고 교번적으로 도입되고, 각각의 반응물은 그 자체의 공급원으로부터 개별적으로 반응 챔버 내로 공급되는데, 이들은 기판상에 고체상태(solid-state)의 박막을 형성할 목적으로 상기 반응 챔버내에서 기판 표면과 반응하는 것이 허용된다. 기판에 접착되지 못한 반응 산물 및 임의의 가능한 잉여 반응물은 증기상으로 반응 챔버로부터 제거된다.
여기서 '기판 표면'이라는 용어는, 반응 챔버내로 유입되는 증기상 반응물이 충돌하는 기판의 표면을 가리킨다. 실제로, 박막 형성 공정의 제1 사이클 도중에, 상기 표면은 예컨대, 유리 또는 다른 시작 표면과 같은 기판 표면에 의해 이루어지고; 제2 사이클 도중에, 상기 표면은 제1 사이클동안 형성된 층에 의해 이루어지며, 반응물간의 반응에 의해 적층되고 기판 등에 접착되는 고체상태의 반응 산물을 포함한다.
'프로세스 챔버'라는 용어는, 박막 형성 공정이 수행되는 공간 그리고 밀봉형태로 그의 주변과 분리되는 공간을 가리키는 경우에 사용된다. 반응 챔버는 프로세스 챔버 내부에 위치하고, 또한, 단일 프로세스 챔버는 다수개의 반응 챔버를 통합할 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 반응 챔버는 반응 공간으로 작용하는 카세트 유닛(1) 및, 반응물과 보호 가스 공급 도관을 포함하고 반응 챔버의 상단에 부착가능한 스프레이헤드(2)를 둘러싼다. 유리하게는, 카세트 유닛(1)은 티타늄으로 제조되고 양 내측 단부에서 홈(3)과 같은 부착 수단과 결합한다. 기판(4) 사이에서, 이들의 양단부에 대해, 지지 프레임 요소(5)가 적용된다. 각각의 지지 프레임 요소(5)상에는 2개의 기판(4)이 후면을 서로 마주한 채로 설치된다. 여기서, 기판 후면이라는 용어는 어떠한 박막도 생성되지 않는 기판(4) 면을 지칭한다. 대향하는 기판(4)의 후면은 서로 맞닿을 수 있고, 간극에 의해 서로 이격되거나, 그렇지 않은 경우, 온도 이퀄라이징 또는 능동적 가열 스페이서 플레이트(temperature equalizing or actively heated spacer plate)가 기판의 후면 사이에 삽입될 수 있다. 동일한 지지 프레임 요소(5)에 배치된 기판(4)의 상부 및 하부 엣지는 연속적인 밀봉부(6)에 의해 커버되는데, 상기 밀봉부(6)는 대향하는 기판(4) 후면 사이의 잔여 공간으로 가스가 도달되는 것을 방지하는 역할을 한다. 지지 프레임 요소(5)에서 후면이 서로 대향되도록 설치된 기판(4)은 카세트 유닛(1)에 대해 형성된 홈(3)내에서 인접하게 놓여진다.
스프레이헤드(2), 기판을 보유한 카세트 유닛(1), 지지 프레임 요소(5) 및 연속 밀봉부(6)로 형성된 본체는 프로세스 챔버밖으로 이동될 수 있다. 카세트 유닛(1)은, 유리하게는, 가스 배출 도관(7)을 갖춘 영구적으로 고정된 흡입 박스(8)상에서 프로세스 챔버내로 장착되는데, 이로써 카세트 유닛(1), 스프레이헤드(2) 및 흡입 박스(8)는 ALE장치의 반응 챔버를 형성한다. 반응물 및 불활성 가스는 스프레이헤드(2)의 나란한 매니폴드 도관을 통해 반응챔버내로 통과된다. 스프레이헤드(2)의 다른 구성이 이용될 수도 있다. 가스 유동은, 박막이 적층되는 대향 기판 표면에 의해 형성된 유동 도관을 따라 흡입 박스(8)를 향해 이동된다. 마지막으로, 가스 유동은 흡입 박스(8)의 배출 도관(7)을 통해 반응 챔버를 빠져나간다. 가스 유동을 증대시키기 위해, 카세트 유닛(1)과 흡입 박스(8) 사이에 깔때기형상의 가스 유동 가이드(12)가, 그 유동 도관의 단면이 흡입 박스(8)를 향하여 테이퍼되는 형상으로, 설치될 수 있다.
흡입 박스(8)가 예를들어 그 엣지부분이 프로세스 챔버상에서 지지되는 경우, 흡입 박스(8) 및 카세트 유닛(1)의 열팽창 운동은 흡입 박스(8)상에 열응력을 가할 수 있다. 열팽창 변위의 크기는 최대 몇 밀리미터에 이를 수 있다. 이와같은 변위는, 예를들어, 자동 적재 및 하역 도중에 카세트 유닛(1)을 프로세스 챔버내에 배치하는데 있어서, 문제점을 야기한다. 따라서, 흡입 박스(8)는 프로세스 챔버벽상에서, 지지 구성의 중심점이 흡입 박스(8) 바닥의 중심점과 적어도 본질적으로 일치하여, 이로인해 흡입 박스(8)가 그 지지점으로부터 바깥쪽으로 팽창하는데 있어 보다 많은 자유도를 가지며 카세트 유닛(1)의 위치가 보다 안정되도록, 지지되는 것이 유리하다.
프로세스 챔버 내부로 그리고 외부로 이동될 수 있는 카세트 유닛(1)과 스프레이헤드(2)에 대해 형성된 가스 공급 및 배출 도관은, 예를들어 정확하게 정렬되고 호닝(honing)된 플랜지 표면을 이용하여, 프로세스 챔버내에 영구적으로 설치된 흡입 박스(8)와 프로세스 챔버에 상응하는 도관에 연결된다. 스프레이헤드(2)는, 카세트 유닛(1)이 흡입 박스(8)로부터 이격된 시간 동안 먼지 입자로부터 기판 표면(4)을 보호하는, 기판(4)상의 커버를 형성한다. 또한, 스프레이헤드(2)는 고온의 기판(4)사이의 공간에서 가열된 가스가 위로 상승하여 동반된 유해 미립자의 이월(carry-over) 문제를 야기시키는 것을 방지한다.
도 3의 단면도에 도시한 바와 같이, 기판 홀더 박스의 단부에 형성된 홈에 위치하는 지지 프레임 부재 상에 기판(4)의 단부가 장착된다. 각각의 지지 프레임 부재의 내부에는 2개의 기판(4)이 위치하며, 이러한 2개의 기판 이면은 서로 마주한다. 동일 지지 프레임 부재에 위치한 기판(4)의 상부 및 바닥 엣지는, 동일 지지 프레임 부재 내에 자리하게 되는 기판 사이에 유지되는 공간 안으로 가스가 유입되는 것을 방지하는 연속형 밀봉 섹션(continous seal sections)(6)으로 덮여 있다. 기판(4) 위로 기판의 종축선과 적어도 거의 수직하게 스프레이헤드(sprayhead)(2)의 공급 채널(infeed channels)(9)이 평행하게 되어 있으며, 이로써, 지지 프레임 부재에 인접해서 서로 마주하여 위치한 기판(4)의 박막 성장 지지면 사이에 형성된 유동 채널 안으로 직접, 또는 대안으로서 기판(4)의 엣지를 덮는 연속형 밀봉 섹션(6) 상에 먼저 충돌하여, 공급 채널의 배출구(10)로부터 반응물 및 삽입 가스가 인도될 수 있고, 이에 의해, 연속형 밀봉 섹션(6)에 의해 유동 패턴이 동일화된다.
박막 성장을 지지하게 되는 마주보는 기판 표면 사이의 거리가 유동 채널의 배출 단부(outfeed end of the flow channel)에서보다 반응물 공급 단부에서 더 좁기 때문에, 공급 채널(9)로부터 인도된 가스 유동의 단면(cross section)이 흡입 박스(8) 및 가스 배출 채널(7)을 향하여 하향으로 넓어지도록, 기판(4)은 A형 경사 배치로 위치하게 된다. 작은 높이의 기판이 보다 커지는 동안에도, 마주하는 기판(4)의 박막 성장 지지 표면 사이에 형성된 각도(11)의 범위는 0-10°이다. 프로세싱 기판(4)의 높이가 약 500mm인 경우, 가스 공급 단부에 있는 마주하는 박막 성장 지지 표면 사이의 간극은 전형적으로 약 4-8mm이며, 가스 배출 단부에 있는 마주하는 박막 성장 지지 표면 사이의 간극은 전형적으로 약 5-20mm이다.
ALE 방법에서, 기판 표면 상에 완전한 포화 분자층이 형성되기 까지 박막 성장을 지지하게 되는 기판 표면 상에 충돌하면서, 반응 원자 또는 반응 분자가 기판(4)을 소제하게 된다. 다음에, 기판에 대해 삽입 가스 펄스를 통과시키거나, 상이한 반응물 중 다음 가스 펄스를 인도하기 전에 진공 펌핑을 이용함으로써, 초과 반응물 및 가스 반응 생산물이 기판(4)으로부터 제거된다. 삽입 가스 펄스 또는 진공 펌핑 사이클에 의해 상이한 반응물 펄스 사이에 위치한 확산 배리어(diffusion barriers)와 더불어, 상이한 반응물 펄스의 표면 화학 특성에 의해 제어된 비율로 상이한 반응물 펄스가 원하는 박막 성장을 수행한다. 필요하다면, 삽입 가스 펄스를 도입함으로써 진공 펌핑 사이클의 효과를 증대시킬 수 있다. 프로세스의 기능에 대해, 이동하는 것이 가스이든 기판(4)이든 관계없지만, 서로로 부터 분리되며 연속 방식으로 기판(4)의 박막 성장 지지 표면을 소제하도록 배열된 연속 반응의 상이한 반응물을 구비하는 것은 필수적이다.
반응물 개시 물질(reactant starting materials)의 균질 가스 유동 또는 농도와 같은 인자에 ALE에 따른 박막 성장 프로세스는 본래 영향을 받지 않지만, 기판(4) 표면의 임의의 포인트에서 일정한 박막 성장을 지지하도록 항상 충분한 개시 물질 농도를 제공하는 것이 필요하다. 기판(4)의 박막 성장 지지 표면 사이에 반응물이 유동하여 기판(4)의 박막 성장 지지 표면과 반응하면, 가스 유동의 반응물의 상대 농도는 감소하고, 동시에 반응에서 해제된 반응 가스의 농도는 증가한다. 따라서, A형 경사 배열로 기판을 위치시키는 것이 당업자에게는 당연한 것으로 여겨져서, 기판(4)의 표면 상에 보다 높은 투사 가능성(a higher probability of incidence)에 반응물의 감소된 양이 확실히 영향을 미치도록, 반응물 및 반응 가스의 이동 방향으로의 유동 채널 단면이 카세트 유닛(cassette unit)(1)의 배출 단부를 향하여 좁아지게 된다. 그러나, 본 고안의 실시예에서, 이러한 배열이 기판(4) 상의 표면 프로파일 거칠기를 개선시킨다는 것이 공지되었기 때문에, 기판의 A형 배열의 경사각은 역전되는 것이 바람직하다. 이러한 예상치 못한 결과에 대한 정확한 배경은 아직 알려지지 않았지만, 그 이유는 지체된 가스 유동 속도에 의해 생성될 수 있는 보다 긴 반응 시간, 또는 박막의 성장을 지지하는 기판 표면 상의 반응 성분의 일부 비공지된 반응으로 규명될 수도 있다.
가스의 공급 단부에서 기판의 마주하는 박막 성장 지지 표면 사이의 거리가 협소하기 때문에, 마주하는 기판(4)이 반응 챔버 안으로 도입된 가스 유동을 제한하며, 이에 의해 상이한 포인트에서 기판(4)의 박막 성장 지지 표면 사이의 공간 안으로 상술한 가스 유동이 보다 균등하게 분리된다.
상술한 실시예에 추가하여, 본 고안은 다른 실시예를 가질 수도 있다.
흡입 박스(8)는 프로세스 챔버로부터 탈착될 수 있는 구성 요소의 일부분을 형성하도록 설계될 수도 있으며, 이에 의해 카세트 유닛(1)에 접속된 공급 채널 및 배출 채널은 프로세스 챔버의 각각의 채널과 직접 결합하게 된다. 본 고안의 실시예의 가장 큰 장점은 반응물 및 삽입 가스가 상부로부터 하향으로 유동하도록 정렬된다는 점이지만, 유동 방향은 또한 바닥에서 상향으로 역전될 수도 있다. 그 후, 공급 채널(9)을 갖춘 스프레이헤드(2)는 카세트 유닛의 바닥 부분에 위치해야만 하며, 배출 채널(7)을 갖춘 흡입 박스(8)는 카세트 유닛의 상부 부분에 각각 위치하여야만 한다, 또한, 기판(4)의 A형 경사 배치는 여기서 확실히 역전되어야 한다. 예컨대, 수평 방향으로부터 주어진 각도에서, 기판 사이의 가스 유동이 수평 또는 경사지도록 마주하는 기판(4)이 위치해야만 한다. 이것은 기판(4)의 박막 성장 지지 표면의 A형 경사진 배치가 가스 유동의 방향으로 개방 각도를 형성하도록 정렬되는 것을 분명히 필요로 한다.
분리된 공급 채널(9)의 매니폴드를 포함하는 대신, 스프레이헤드(2)는 기판(4)의 박막 성장 지지 표면 사이에 형성된 공간 안으로 가스를 공급하기 위해 개구부 또는 다른 배출 오리피스가 형성된 단일 가스 볼륨을 포함하도록 설계될 수도 있다.
일부 경우에, 스프레이헤드(2)와 가장 가까운 마주하는 기판(4)의 엣지는 예컨대, 곡선 외형일 수도 있어서, 기판(4)의 엣지가 곡선 외형을 가짐으로써 공급 채널(9)과 보다 잘 결합하도록 스프레이헤드(2)가 상이한 레벨에 위치한 평행한 공급 채널(9)을 가지도록 설계될 수 있다.
본 고안에 따른 실시예는 상술한 배치의 공정과 상이한 다른 공정 정렬에 적용 가능하다. 단일 기판 상의 박막을 성장시키는 데에 본 고안은 분명히 매우 적합하다. 여기서, 예컨대, 기판의 박막 성장 지지 표면이 다른 표면에 대해 가스 유동 방향에 개방 각도를 형성하도록 다른 표면과 마주하는 배열로 기판을 위치시킴으로써, 본 고안에 따른 A형 경사 배치를 달성할 수 있다. 예컨대, 벽 또는 판은 다른 표면으로서의 역할을 한다. ALE 프로세스는 기판이 이동하는 만큼 반응물이 매우 잘 이동하면서 작동하기 때문에, 본 고안은 반응 챔버에서의 기판의 이동이 반응 가스 유동을 대체하는 배열에 적용할 수도 있다. 또한, 여기서, 반응물은 기판의 마주하는 박막 성장 지지 표면 사이에 형성된 공간으로 이동하게 된다.
이와 같이, 본 고안은, 공지 기술에 비해 반응물의 유동이 개선되어, 기판 표면 위에서 필름이 평탄하게 성장하게 되는, 전혀 새로운 형태의 ALE 반응 챔버를 제공하는 효과가 있다.

Claims (16)

  1. 기상 반응물의 교대로 반복되는 표면 반응에 기판을 노출시켜 기판(4)의 표면상에 박막을 성장시키는 장치로서,
    반응 공간(1), 상기 박막 성장 공정에 이용되는 상기 반응물을 상기 반응 공간(1)으로 공급하기 위하여 상기 반응 공간(1)으로 연결되는 공급 수단(2), 및 상기 반응 공간(1)으로부터 과잉 반응물 및 가스상태의 반응 생성물을 방출하기 위하여 상기 반응 공간(1)으로 연결되는 배출 수단(8)을 포함하는 반응 챔버와;
    상기 반응 공간(1)에 적용된 하나 이상의 기판(4); 및
    상기 박막이 성장하고 상기 박막 성장 공정을 지지하는 상기 기판(4) 표면으로부터 일정한 거리에 배치되고, 상기 기판 표면에 대응되는 위치에서 상기 반응 공간(1)에 적용되는 제 2 표면을 포함하여,
    상기 반응물이 대응하는 상기 양 표면 사이에 형성된 상기 공간에서 상기 양 표면에 대하여 강제로 유동되는, 박막 성장 장치에 있어서,
    상기 기판(4)의 박막 성장 지지 표면과 상기 표면에 대응되게 배치된 상기 제 2 표면은 상기 반응 챔버내로 배치되어 상기 양 표면에 관련해서 반응물의 유동 방향으로 개방되는 각도(11)를 형성하여, 상기 반응물의 상기 공급수단의 단부에서 상기 양 표면 사이의 거리가 상기 가스 배출 수단의 단부에서의 거리보다 더 작은 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응물은 상기 기판(4)의 박막 성장 지지 표면과 상기 표면에 대응하는 상기 제 2 표면 사이에 형성된 공간의 반응 챔버내로 유동되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판(4)의 박막 성장 지지 표면 및 상기 표면에 대응하는 상기 제 2 표면은 상기 반응 챔버의 내부 공간으로 이동하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 표면은 다른 기판(4)의 박막 성장 지지 표면인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 반응 공간은, 상기 반응물의 상기 공급 수단(2)이 연결되는 공급 단부와 가스 상태의 반응 생성물 및 과잉 반응물을 배출하기 위하여 상기 배출 수단(8)이 연결되는 배출 단부에서 개방되는 카세트 유닛(1), 및
    서로로부터 일정한 거리로 대응되게 배치되는 박막 성장 지지 표면들을 가지도록 상기 카세트 유닛(1)에 적용되는 기판을 포함하여, 상기 반응물이 상기 양 표면 사이에 형성된 공간에서 상기 양 표면상으로 강제 유동되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(4)의 상기 박막 성장 지지 표면과 상기 표면에 대응된 상기 제 2 표면 사이에 정해진 각도(11)는 가스 유동의 상대적인 방향으로 0 내지 10。의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 반응물 공급 수단(2)은 상기 기판(4)의 종방향 또는 측방향 축선에 적어도 거의 수직하게 배출되도록 구성된 평행한 공급 채널(9)의 매니폴드로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 반응물 공급 수단(2)에 대응하게 배치되는 상기 기판(4)의 단부 표면의 형상과 정합하도록 상기 반응물 공급 수단(2)이 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 5 항에 있어서, 가스 공급 단부는 상기 카세트 유닛(1)의 상단부로 연결되며 가스 배출 단부는 상기 카세트 유닛(1)의 하단부에 연결되어, 가스 유동이 상기 카세트 유닛(1)을 통하여 상부로부터 바닥으로 강제로 통과하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 대응된 배치 상태로 구성된 배면을 가지는 상기 기판(4)의 상부 엣지는 연속적인 밀봉 섹션(6)에 의하여 덮혀지는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 대응된 배치 상태로 구성된 배면을 가지는 상기 기판(4)의 바닥 엣지는 연속적인 밀봉 섹션(6)에 의하여 덮혀지는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 가스 배출 수단은 가스 배출 채널(7)이 연결되는 흡입 박스(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 프로세스 챔버의 구조물로 상기 반응 챔버의 지지 포인트가 상기 가스 배출 수단(8)의 중앙 포인트와 적어도 거의 일치하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 5 항에 있어서, 가스 배출 단부와 상기 가스 배출 수단(8) 사이에는 깔때기형 유동 안내 덕트(12)가 적용되어, 상기 가스 유동 채널의 단면이 상기 가스 배출 수단(8)을 향하여 상기 가스 배출 단부로부터 길이를 따라 테이퍼지는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 대응된 배치 상태로 구성되는 상기 기판(4)의 박막 성장 지지 표면이 상기 반응물의 유동을 제한하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 반응물의 유동 프로파일을 균일하게 하기 위해 상기 대응 기판(4)의 상기 상부 엣지를 덮는 연속적인 밀봉 섹션(6)상에서 상기 공급 수단(2)으로부터 상기 반응물이 배출되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
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