KR20130079647A - 증기 증착용 2차원 구멍 배열체 - Google Patents
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Abstract
기화된 물질을 수용하기 위한 분배 부재를 제공하는 단계로서, 상기 분배 부재는 챔버를 형성하는 하나 이상의 벽을 가지며, 상기 벽에는 분자 유동(molecular flow)으로 상기 기화된 물질을 상기 표면 상에 전달하는 2차원 다각형 패턴의 구멍이 형성되어 있는, 상기 분배 부재 제공 단계와, 적어도 4개의 꼭지점을 갖도록 상기 2차원 다각형 패턴의 구멍을 제공하는 단계로서, 제 1 세트의 구멍(80)이 상기 꼭지점에 배치되고, 제 2 세트의 에지 구멍(78)이 상기 제 1 세트의 구멍 사이에 배치되어 상기 2차원 다각형 패턴의 에지를 형성하며, 제 3 세트의 내부 구멍(74)이 상기 제 1 및 제 2 세트의 구멍에 의해 형성되는 2차원 다각형 패턴의 둘레 내에 배치되는, 상기 2차원 다각형 패턴의 구멍 제공 단계와, 요구되는 유량을 얻도록 구멍의 크기를 설정하는 단계를 포함하는 디바이스 제조에 있어 표면 상에 층을 형성하기 위한 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 일반적으로 박막의 증착에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 최적의 사용 효율 및 균일성을 갖는 분자 유동 방식에서의 물질의 증기 증착용 장치 및 방법에 관한 것이다.
진행 중에 있는 전자 및 광학 요소에 대한 개발은 계속 확장되는 물질의 배열체의 박막 증착에 관한 다양한 기술의 발전에 자극을 받았다. 반도체 제조를 위해, 예를 들어 다양한 화학 증기 증착 방법(CVD)이 유전 물질, 금속 및 반도체에 대해 발전되어 왔다. CVD에 있어서, 전구체 물질이 증기 형태로 전달되어, 캐리어 가스와 혼합된다. 그 후, 이러한 처리 가스 혼합물은 잘 혼합된 처리 체적으로 확장됨으로써, 또는 기판 근처에 위치되는 샤워 헤드를 통해 국부적으로 분배됨으로써 기판으로 전달된다. CVD에 적용되는 처리 압력 및 기하학적 형상은 일반적으로 점성 유동 방식을 이용하기 위해 선택된다. 표면에서의 화학 반응을 용이하게 발생시켜 가열된 기판상에 물질을 증착시키기 위해 높은 기판 온도가 유지되곤 한다. CVD 장치가 점성 유동을 사용하기 때문에, 샤워 헤드 및 관련 전구체 전달 시스템에 의한 처리 가스의 분배는 점성 유동 방식에 있어서의 유체 역학의 원리에 부합한다.
유기 반도체 디바이스 및 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이의 제조에 대한 요구는 증기 증착 공정상의 훨씬 더 엄격한 요구사항 및 제한을 필요로 한다. 예를 들어, 많은 유기 반도체 물질은 오랜 시간 동안의 고온 상태에서 안정되지 않는다. 이들 물질의 증기 압력 곡선에 따라, 이들 물질은 캐리어 가스 내의 유기 증기의 충분한 농도를 비말동반하기 위해 현저하게 가열될 필요가 있을 수도 있다. 그러나, 이러한 물질의 변질 특성에 따라, 이러한 가열은 상기 물질의 변질에 대한 위험을 나타낼 수 있다. 몇몇 경우에 있어서, 확장된 기간 동안 기화를 위해 요구되는 온도로 증기 공급원을 유지하는 것은 오랜 시간에 걸쳐 상기 유기 물질의 현저한 변질을 야기할 수 있다. CVD와 유사하며 유기 증기를 기판에 전달하기 위해 사용되는 방법으로는 "유기 박막의 저압 기상 증착"이라는 명칭으로 Forrest 등에게 허여된 미국 특허 제 6,558,736 호에 개시된 것으로, 도 1에 도시된 기본적인 배열을 갖는 유기 기상 증착법(OVPD)이 있다. 증착 장치(10)는 유기 물질을 기화하기 위한 기화 챔버(12)를 갖는다. 기화된 물질은 캐리어 가스(14)와 혼합되고, 증착 챔버(20) 내에서 기판(18) 상에 증착되기 위해 샤워 헤드(16)로 전달된다.
개선된 균일화는 박막 증기 증착을 개선하기 위해 특히 주목되는 사안이다. 종래의 물리적 증기 증착법(예를 들어, 소형 도가니, 이른바 "점원" 또는 기다란 도가니로부터의 열기화법)은 요구되는 두께의 약 ±5% 내로 균일한 박막을 얻을 수 있다. 이러한 수준의 성능으로 개선하는 것이 유리할 것이다. 몇몇 개선된 방법은 약 ±3%의 범위에서 증착 균일성을 이끌어낸다. 그러나, 약 ±1% 내의 훨씬 우수한 균일성을 제공하는 것이 특히, 여러 층이 광학적으로 활성화되고, 두께 변화가 색채, 광출력, 광흡수 등에 있어서의 변화를 유발할 수 있는 장치에 대해서는 유리할 것이다.
또 하나의 주요한 관심사는 사용 효율에 관한 것이다. 종래의 시스템은 일반적으로 열악한 사용 효율성을 나타내며, 종종 많은 양의 재료를 낭비한다. 예를 들어, 제한적인 수의 점원으로부터의 대면적 증착은 허용 가능한 균일성을 얻기 위해, 큰 투사 거리(즉, 공급원-기판 간격)를 요구한다. 이러한 경우에, 기화 물질의 5% 정도만이 기판 상에 응축되고, 상기 물질의 대부분은 증착 챔버 내의 다른 곳에 응축된다. 주의 깊은 디자인 및 부정의 이동 기판 홀더의 설치는 기화 물질의 보다 우수한 사용 효율을 가능하게 하지만, 이러한 방법은 일반적으로 기판 표면으로부터 점원까지 거의 일정한 반경 방향 거리를 보장하기 위해, 다수의 극소형 기판의 배치에 한정된다.
CVD 및 OVPD 양자의 적용에 대한 증착 균일성 및 사용 효율성을 개선하고자 하는 시도에 있어서, 하나의 방안은 샤워 헤드의 성능을 개선하는 것이다. 열적 기화법(열적 물리적 증기 증착법)의 경우에, 기다란 증착 공급원은 연장 방향에 대해 직교하는 기판 및 기다란 공급원의 상대적인 이동과 함께 사용되어 왔다. 이러한 기다란 공급원은 복수의 구멍을 갖는 뚜껑 구조체로 밀봉되었으며, 상기 구멍의 크기 및 간격은 균일성을 개선하기 위해 조정될 수 있다. 균일성 및 사용 효율을 개선하고자 하는 이러한 시도의 몇몇 예는 다음과 같다.
귀(Gui) 등의 "화학적 증기 증착용 샤워 헤드 내의 구멍 패턴"이라는 명칭의 미국 특허 제 6,050,506 호에는 CVD 샤워 헤드로부터 금속을 증착하기 위한 천공 패턴이 개시된다.
도우엘스버그(Dauelsberg) 등의 "기판 상에 하나 이상의 층을 증착하기 위한 장치 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제 6,849,241 호에는 샤워 헤드로부터의 최적화된 증기 증착용 오리피스 형상이 개시된다.
부케릭(Vukelic)의 "유체 분산 헤드"라는 명칭의 미국 특허 제 5,268,034 호 및 "CVD 장치용 유체 분산 헤드"라는 명칭의 미국 특허 제 5,286,519 호는 다양한 CVD 장치용 샤워 헤드 천공 패턴을 개시한다.
규엔(Nguyen)의 "고 유동 전도성 및 고 열적 전도성 샤워 헤드 시스템 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제 6,565,661 호는 다양한 구멍 크기, 패턴 및 각도 배향을 갖는 샤워 헤드 디자인을 개시한다.
기아노우라키스(Gianoulakis) 등의 "가스 분배 샤워 헤드 형상 배출 구멍"이라는 명칭의 미국 특허 출원번호 제 2005/0103265 호는 다양한 배열체 내의 분배 및 배출 구멍 양자를 갖는 샤워 헤드 디자인을 개시한다.
슈타인(Shtein) 등의 "증착 물질용 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 특허 출원번호 제 2005/0087131 호는 유기 증기 제트 인쇄를 실행하기 위해 시준된 캐리어-지지식 가스 제트를 사용하여 표면 상에 패턴을 형성하는 것에 관해 개시한다.
프리먼(Freeman) 등의 "유기 광-발산 디바이스를 제조하기 위해 복수의 구멍을 갖는 신장된 열적 물리적 증기 증착 공급원"이라는 명칭의 공동 양수된 미국 특허 출원번호 제 2003/0168013 호는 균일성을 개선하기 위해 구멍 크기 및 간격이 변경되는 이송 기판 상에 대한 증기 증착을 위한 선형 공급원을 개시한다.
쥬겐센(Jurgensen) 등의 "조정 가능한 높이의 처리 챔버 내의 기판 상에 박막층을 증착하기 위한 공정 및 장치"라는 명칭의 미국 특허 출원번호 제 2005/0106319 호는 예를 들어, 상이한 압력에 대해 조정 가능한 높이인 챔버 내에 사용되는 샤워 헤드를 개시한다.
이러한 예에서 볼 수 있는 바와 같이, 샤워 헤드 디자인은 CVD 및 OVPD 시스템 양자에 있어서 물질의 균일한 증착을 얻기 위한 중요한 요소이며, 구멍 크기 및 간격은 유출(effusion)에 근거한 시스템에 있어서 균일성을 위해 중요하다. CVD 및 OVPD 시스템 양자는 기화된 물질의 비활성 또는 순수 캐리어 가스와의 혼합을 형성하여, 이러한 혼합물을 샤워 헤드 오리피스를 관통하도록 하며, 초기 CVD 시스템에 적용된 모델을 따르는 점성 유동 체계로 작동한다. 점성 유동을 위해 사용된 유체 동역학적 모델에 있어서, 샤워 헤드는 기판 표면을 향해 증기/캐리어 혼합물을 안내하도록 사용된다. 이러한 방법은 점성 유동을 사용하기 때문에, 기판 표면에 도달하기 위해, CVD 전구체 물질 또는 OVPD 기화된 유기 물질은 기판 표면 위의 얇은 경계층을 통해 확산되어야 한다.
CVD 및 OVPD 시스템에 있어서의 또 다른 문제는 섀도마스크를 사용하는 경우에 있어서의 패턴화 정밀성에 관한 것이다. 기판 표면 상에 형성된 패턴화된 피처(feature)는 간혹 예리하게 경계지어진 에지를 갖기보다 "필로우잉(pillowing)" 또는 보잉(bowing)을 나타내는 경우가 있다. 도 2a의 측면도 및 도 2b의 평면도를 참조하면, 기판(18) 상의 표면 피처(22)의 이상적인 형상은 기판(18)의 표면에 대한 법선(Ns)에 평행한 수직 측벽(24)을 가짐으로써 얻어질 것이다. 그러나, 실제적으로, 도 2c 및 도 2d의 대응하는 측면도 및 평면도에 도시된 바와 같이, 측벽(24)은 수직이 아니며, 통상적으로 외측으로 연장되는 경사 섹션(26)으로 굽혀져서 직선 측벽(24)에 가까워지고자 하는 의도를 달성하지 못하게 된다. 도 3의 측면도에 도시된 바와 같이, 증기 하부 유동(vapor underflow)은 물질의 일부가 마스크(30) 아래에서 미끄러져 도 2c에 도시된 경사 섹션(26)을 형성하게 된다. 이러한 증기 하부 유동은 점성 유동의 바람직하지 않은 부작용이다. 이러한 불완전성의 결과, 다른 피처를 제공하기 위해 표면 피처(22) 사이의 증가된 거리가 유지되어야 한다. 구성요소 제조에 있어서, 이는 장비 분해능이 결과적으로 제한된다는 것을 의미한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 보다 이상적인 경사 측벽(24)을 갖는 표면 피처(22)는 구성요소의 보다 촘촘한 패키징을 가능하게 할 것이며, 이는 전자 구성요소를 위해 요구되는 면적 또는 "부지"를 감소시켜, 장치의 이용 가능한 분해능을 증가시킨다.
보다 높은 정밀성을 얻기 위해, 종래의 다수의 열적 증기 증착 장비는 일렬로 배열된 오리피스를 갖는 선형 공급원을 사용한다. 이러한 유형의 시스템을 사용하여 표면을 증착하는 것은 증착 동안, 기판을 샤워 헤드를 지나 이동시키거나, 또는 기판 표면을 가로질러 샤워 헤드를 이동시키도록 여러 유형의 정밀 이송 기구를 필요로 한다. 높은 코팅 균일성을 위해, 이러한 유형의 장비는 기화된 물질의 높은 균일 유동을 전달하는 정밀 이송 기구를 요구한다.
CVD 및 OVPD 장비 및 방법의 또 다른 단점은 기판의 표면 온도와 연관된다. 종래의 실리콘 기반 반도체 모델에 있어서, 증착 공정 동안 기판의 표면 온도는 종종 400℃를 초과할 정도로 매우 높을 것이 요구되었다. 따라서, 반도체 제조를 위해 발전해 온 CVD 시스템은 기판의 온도를 상승시키기 위해, 그리고 물질 증착 동안 높은 온도를 유지하기 위해 설계되었다.
그러나, 유기 반도체 및 그 외 다른 유기 전자 물질의 출현으로, 그리고 유기 중합체 기판 상에 장치를 제조하는 것에 대한 요구로, 기판 온도에 대한 관심사는 CVD 접근법이 통상적으로 무기 유전체, 금속 및 반도체를 증착하기 위해 사용되었던 종래의 반도체 산업에서의 관심사와 매우 상이하다. 기판상의 증가된 온도를 대신하여, 유기 기판 상에 유기 물질을 적용하는 경우 훨씬 낮은 온도로 기판을 유지하는 것이 중요하다. 또한, 고 분해능 섀도우 마스킹(통상적으로 유기 전자 장치를 패턴화하는데 사용됨)은 마스크 물질과 기판 사이의 최소 차등 열 팽창을 요구하며, 이에 따라 최대 허용 가능한 열적 부하를 강요한다. 상당한 열적 부하를 갖는 증기 증착 공정을 위해, 기판을 냉각시킬 필요성이 있다. 점성 유동 체계에서 작동되는 증착 공정은 가열된 가스 전달 시스템(샤워 헤드)의 배출 표면으로부터 기판 표면으로 열을 전달하는 캐리어 가스의 열 전도성 또는 전구체나 기화된 물질의 열 전도성에 의해, 상당한 기판 가열을 유발할 수 있다.
츄(Chow) 등의 "박막 증발기“라는 명칭의 미국 특허 출원번호 제 2004/0255857 호는 캐리어 가스 사용 효율에 대한 언급 없이, 약 3% 내의 균일성을 청구하는 박막층을 증착하기 위한 시스템을 개시한다. 이러한 수준의 균일성을 얻기 위해, 츄 등의 상기 출원('5857)은 배출 구멍의 적절한 배열체의 개수, 위치 및 치수를 선택할 것을 제안한다. 그러나, 비록 츄 등의 상기 출원('5857)이 다수의 매니폴드 구멍의 가능한 배열체에 대해 도시 또는 설명하고 있지만, 높은 수준의 균일성을 유지하기 위해 이러한 구멍을 어떻게 분배하고, 이러한 구멍에 적합한 치수는 어떻게 되는지 등에 대해서는 명확하게 언급하고 있지 않다. 상이한 기판 크기를 다루기 위한 소정의 증착 시스템 구조체를 적용하기 위한 축척에 대한 가이드라인을 제시하지도 않는다.
따라서, 비록 종래의 열적 물리적 증기 증착, CVD, OVPD 장비 및 기술이 박막 구성요소 및 피처를 형성함에 있어서 일부 성공적인 대책을 얻었다 하더라도, 특히 OLED 및 관련 장치의 제조에 대한 개선의 여지는 상당하다.
본 발명은 최적의 사용 효율 및 균일성을 갖는 분자 유동 방식에서의 물질의 증기 증착용 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 이하의 구성, 즉 (a) 기화된 물질을 수용하기 위한 분배 부재를 제공하는 단계로서, 상기 분배 부재는 챔버를 형성하는 하나 이상의 벽을 가지며, 상기 벽에는 상기 기화된 물질을 분자 유동으로 상기 기판 상에 전달하는 2차원 다각형 패턴의 구멍이 형성되는, 상기 분배 부재 제공 단계와,
(b) 적어도 4개의 꼭지점을 갖도록 상기 2차원 다각형 패턴의 구멍을 제공하는 단계로서, 제 1 세트의 구멍이 상기 꼭지점에 배치되고, 제 2 세트의 에지 구멍이 상기 제 1 세트의 구멍 사이에 배치되어 상기 2차원 다각형 패턴의 에지를 형성하며, 제 3 세트의 내부 구멍은 상기 제 1 및 제 2 세트의 구멍에 의해 형성되는 2차원 다각형 패턴의 둘레 내에 배치되는, 상기 2차원 다각형 패턴의 구멍 제공 단계와,
(c) 상기 제 2 및 제 3 세트의 구멍으로부터의 단위 면적당 유량보다 상기 제 1 세트의 구멍으로부터의 단위 면적당 유량이 더 크고, 상기 제 3 세트의 구멍으로부터의 단위 면적당 유량보다 상기 제 2 세트의 구멍으로부터의 단위 면적당 유량이 더 크도록 상기 제 1, 2 및 3 세트의 구멍을 크기 설정하는 단계를 포함하는 디바이스 제조에 있어 표면 상에 층을 형성하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 특징은 점성 유동 체계가 아닌 분자 유동 체계로 작동하는 유기 증기의 증착을 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적, 특징 및 장점 및, 그 외 다른 목적, 특징 및 장점은 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되고 설명되는 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 통해 당업자에게 명확하게 될 것이다.
본 발명의 장점 중에는 이하의 것이 있다.
(ⅰ) 유기 물질을 증착하기 위한 개선된 열적 특성 및 가요성 기판 상의 증착
(ⅱ) 캐리어 가스에 대한 요구 및 기화된 물질과 캐리어 가스의 혼합물을 위한 장치를 지지하는 것에 대한 요구 없는 분자 유동 체계에서의 증기 증착
(ⅲ) 보다 작은 기판 면적으로부터 큰 기판 면적에 이르기까지 축척 가능한 증기 증착 능력
(ⅳ) 이송 기구의 유무와 상관 없는 사용 가능성. 즉, 본 발명의 장치 및 방법은 기판이 고정적으로 유지되는 챔버 내에서 사용될 수 있으며, 또는 웨브-기저 제조 장치와 함께 사용될 수 있다.
(ⅴ) 종래에 비해 보다 높은 정도의 균일성 및 사용 효율을 얻을 수 있음.
(ⅵ) 캐리어 가스 하부 유동 거동을 제거함으로써 보다 높은 마스킹 정밀도가 가능함.
도 1은 종래의 OVPD 장비의 주요한 구성요소를 도시하는 블럭도,
도 2a 및 도 2b는 OVPD 제조법을 사용하여 형성된 피처에 대한 이상적인 형상에 대한 측면도 및 평면도,
도 2c 및 도 2d는 OVPD 제조법을 사용하여 형성된 피처에 대한 실제적인 형상을 대략화한 측면도 및 평면도,
도 3은 측벽 형성물 상의 캐리어 가스 하부 유동의 효과를 나타내는 측면도,
도 4는 점성 유동 체계로부터 분자 유동 체계까지 유체 유동 체계에 대한 크누센 수의 대응관계를 도시하는 도면,
도 5는 점성 유동을 사용하는 종래의 샤워 헤드 디자인의 측면도,
도 6은 본 발명에 따른 증기 증착 장비의 주요한 구성요소를 도시하는 블럭도,
도 7은 2차원 구멍 배열체를 제공하는 분배 부재를 도시하는 사시도,
도 8은 분자 유동을 사용하여 증착될 증기를 방출하기 위한 본 발명에 따른 분배 부재에 대한 측면도,
도 9는 각각의 구멍으로부터 물질의 증기 증착을 위해 중요한 주요 매개변수 및 치수를 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 방법 및 장비를 사용하는 증기 증착에 대한 몇몇 주요 치수를 도시하는 사시도,
도 11은 도 10의 사시도로부터 수평방향으로 회전되고, 방사선 차폐물을 포함하는 분배 부재의 사시도,
도 12, 도 13 및 도 14는 다른 실시예에서 구멍 간격 및 그 외 다른 치수에 대한 예시적인 배열체를 도시하는 평면도,
도 15는 분배 부재 상의 구멍에 대한 또 다른 배열체의 일부를 도시하는 평면도,
도 16은 단일 구멍을 도시하고, 열 차폐물을 포함하는 측면도,
도 17은 플룸 멱지수 1에 대해 최적의 균일성이 피치 곱하기 투사 거리에 어떠한 관계를 갖는지를 도시하는 그래프,
도 18a는 플룸 멱지수 1에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 코너 강도를 도시하는 그래프,
도 18b는 플룸 멱지수 1에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 에지 강도를 도시하는 그래프,
도 19는 플룸 멱지수 1, 2, 및 3에 대해, 사용 효율 인자 대 기하학적 형상 축척 매개변수를 도시하는 그래프,
도 20a는 플룸 멱지수 2에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 코너 강도를 도시하는 그래프,
도 20b는 플룸 멱지수 2에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 에지 강도를 도시하는 그래프,
도 21a는 플룸 멱지수 3에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 코너 강도를 도시하는 그래프,
도 21b는 플룸 멱지수 3에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 에지 강도를 도시하는 그래프.
도 22는 최적 코너 및 에지 강도 대 홀 피치 곱하기 거리로 얻어지는 최상의 균일성을 도시하는 그래프
도 2a 및 도 2b는 OVPD 제조법을 사용하여 형성된 피처에 대한 이상적인 형상에 대한 측면도 및 평면도,
도 2c 및 도 2d는 OVPD 제조법을 사용하여 형성된 피처에 대한 실제적인 형상을 대략화한 측면도 및 평면도,
도 3은 측벽 형성물 상의 캐리어 가스 하부 유동의 효과를 나타내는 측면도,
도 4는 점성 유동 체계로부터 분자 유동 체계까지 유체 유동 체계에 대한 크누센 수의 대응관계를 도시하는 도면,
도 5는 점성 유동을 사용하는 종래의 샤워 헤드 디자인의 측면도,
도 6은 본 발명에 따른 증기 증착 장비의 주요한 구성요소를 도시하는 블럭도,
도 7은 2차원 구멍 배열체를 제공하는 분배 부재를 도시하는 사시도,
도 8은 분자 유동을 사용하여 증착될 증기를 방출하기 위한 본 발명에 따른 분배 부재에 대한 측면도,
도 9는 각각의 구멍으로부터 물질의 증기 증착을 위해 중요한 주요 매개변수 및 치수를 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 방법 및 장비를 사용하는 증기 증착에 대한 몇몇 주요 치수를 도시하는 사시도,
도 11은 도 10의 사시도로부터 수평방향으로 회전되고, 방사선 차폐물을 포함하는 분배 부재의 사시도,
도 12, 도 13 및 도 14는 다른 실시예에서 구멍 간격 및 그 외 다른 치수에 대한 예시적인 배열체를 도시하는 평면도,
도 15는 분배 부재 상의 구멍에 대한 또 다른 배열체의 일부를 도시하는 평면도,
도 16은 단일 구멍을 도시하고, 열 차폐물을 포함하는 측면도,
도 17은 플룸 멱지수 1에 대해 최적의 균일성이 피치 곱하기 투사 거리에 어떠한 관계를 갖는지를 도시하는 그래프,
도 18a는 플룸 멱지수 1에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 코너 강도를 도시하는 그래프,
도 18b는 플룸 멱지수 1에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 에지 강도를 도시하는 그래프,
도 19는 플룸 멱지수 1, 2, 및 3에 대해, 사용 효율 인자 대 기하학적 형상 축척 매개변수를 도시하는 그래프,
도 20a는 플룸 멱지수 2에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 코너 강도를 도시하는 그래프,
도 20b는 플룸 멱지수 2에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 에지 강도를 도시하는 그래프,
도 21a는 플룸 멱지수 3에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 코너 강도를 도시하는 그래프,
도 21b는 플룸 멱지수 3에 대해, 피치 곱하기 투사 거리와 축척 관계의 에지 강도를 도시하는 그래프.
도 22는 최적 코너 및 에지 강도 대 홀 피치 곱하기 거리로 얻어지는 최상의 균일성을 도시하는 그래프
비록, 상세한 설명이 특별히 지적하고, 명확하게 청구하고 있는 본 발명의 요지에 대해 결론내리고 있으나, 본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 이하의 개시 내용을 통해 보다 잘 이해될 것이다.
본 개시 내용은 특히, 본 발명에 따른 장비의 일부를 형성하거나, 상기 장비와 보다 직접적으로 연동하는 요소에 대한 것이다. 특별히 도시되거나 설명되지 않은 요소는 당업자에게 잘 알려진 다양한 형태를 취할 수 있음을 이해해야 한다.
정의함에 있어서, 물질 증착과 관련되는 경우, "균일성(uniformity)"이라 함은 기판 상의 최대 증착율과 최소 증착율 사이의 차이의 1/2을 기판 상의 평균 증착율로 나눈 것으로 정의된다. 다중 구멍으로부터 배출되는 증착 장비에 있어서, "물질 사용 효율(materials utilization)"은 기판 상의 평균 증착율(단위 시간당 단위 면적 당 질량으로)에 기판 면적을 곱하고, 모든 구멍의 총 방출 강도를(단위 시간당 질량으로) 나눈 것으로 정의된다.
용어 정의에 있어서, 이하의 설명은 일반적으로 증착 장비에 대한 문헌에서 찾아볼 수 있는 "오리피스"라는 용어와 동등한 것으로 "구멍"이라는 용어를 사용한다. 본 발명의 특성 및 범위를 보다 잘 이해하기 위해, 먼저 종래의 CVD 및 OVPD법의 실시에 사용된 방법과, 본 발명에서 사용된 방법 사이의 몇몇 중요한 차이점을 강조하는 것이 유용하다.
전술된 배경 기술란에서 언급된 바와 같이, 종래의 CVD 및 OVPD 장비는 점성 유동 체계로 작동한다. 유동 체계는 유체 동역학계의 당업자에게 잘 알려진 크누센 수(Kn)를 사용하여 서로 분별될 수 있다. 기본적으로, 크누센 수는 무차원 매개변수로서, 가스 산란의 상대량을 한정하는 비율이다. 보다 정확하게는, 크누센 수는 가스 분자의 평균 자유 경로와 가스가 이동하는 기하학적 형상의 특성 치수 사이의 비율을 제공한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 크누센 수에 의해 표시되는 다양한 체계가 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 약 0.01 미만의 크누센 수는 연속 유체 역학 원리 및 거동이 되는 점성 유동 체계(36)를 특징짓는 것으로 간주될 수 있다. 거동 사이의 차이가 점진적이기 때문에, 점성 유동 체계(36)는 슬립-유동 체계로 불리는 것의 일부를 포함하는 것으로 간주될 수도 있다. 캐리어 가스를 사용하는 종래의 CVD 시스템 및 OVPD 시스템은 전술된 배경 기술란에서 언급된 바와 같이, 이러한 체계 내에서 작동된다. CVD 및 OVPD 공정 동안 발생하는 상당량의 가스 산란으로 인해, 섀도우 효과가 완화되고, 등각 코팅(즉, 하부 기판의 윤곽을 따르는 코팅 두께 프로파일)이 얻어질 수 있다. 종래의 CVD 실시 및 개시 내용은 크누센 수가 약 1을 초과하는 분자 유동 체계(38)에서의 증착을 사용하는 것과는 거리가 있었다. 예를 들어, 바쓰(Barth) 등의 "광전지 모듈의 대량 생산을 위한 장비 및 공정"이라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제 2003/0129810 호는 감소된 가스 산란으로 인해 증기 증착을 위한 분자 유동 체계 조건의 사용 효율을 경시하며, 분자 유동이 적용되는 경우 비-균일 증착이 유발된다고 지적한다. 점성 유동에서 얻어지는 가스 산란 효과는 기판의 지형에 대한 코팅의 순응성을 개선하지만, 전술된 바와 같이 섀도우 마스크를 사용하여 패턴화하는 능력에는 한계를 보인다. 이러한 종래 기술에 반해, 바쓰 등의 특허출원('9810)에 개시된 바에 따르면, 분자 유동 체계에 있어서의 증착은 실제로 섀도우 마스크의 사용 효율에 확실히 적합하며, 증착 균일성은 기하학적 형상 광학의 원리와 공통점이 있는 원리에 의해 제어된다.
연속적 유체 역학 원리에 순응하는 점성 유동이 종래의 시스템에 적용되기 때문에, "유체 분산 헤드" 또는 "샤워 헤드"라는 용어는 종래의 CVD 및 OVPD 장비에서 이베이포란트(evaporant)/캐리어 가스 혼합물을 위한 일련의 오리피스를 제공하는 분산 구성요소에 적절하게 적용된다. 도 5의 측면도에 도시된 바와 같이 CVD에서, 샤워 헤드(16)는 증기/캐리어 처리 가스 혼합물을 오리피스(56)로부터 기판(18) 상으로 보낸다. 결과적으로, 경계층(58)은 분배 유동 패턴을 복잡하게 한다. 이러한 경계층의 특성, 그 내부의 이베이포란트 또는 전구체의 농도 및 기판 표면에서의 물질의 소비는 모두 균일한 필름을 생성하기 위해 고려되어야 한다.
배경 기술란에서 전술된 바와 같이, 점성 유동으로부터 야기되는 한 가지 주목할 만한 문제는 열 전도성에 관한 것이다. 증기/캐리어 처리 가스 혼합물은 상당한 양의 열을 기판(18) 상으로 안내한다. 가열된 처리 가스 혼합물을 사용하여 고온 벽형 CVD 챔버를 위해서는 배경 기술란에서 전술된 바와 같이, 이러한 전도성이 유리하다. 그러나, 이와 달리 OVPD를 위해, 이러한 가스를 통한 열 전도성은 전술된 허용 가능한 수준까지 기판(18)의 온도를 올릴 수 있다. 따라서, 종래의 OVPD 장비는 기판(18)으로부터 열을 끌어 내기 위한 냉각 기구를 적용하곤 한다. 이는 전체 영역에 걸쳐 온도를 제어하는 것이 곤란할 수 있고, 결과적으로 불평등한 분배 및 그 외 다른 원치 않은 효과가 발생할 수 있기 때문에 비용이나 복잡성이 증가하게 된다.
정립된 실시법 및 개시 내용과 달리, 본 발명의 장비 및 방법은 분자 유동 체계(38)로 증기 증착을 실행함으로써 종래의 CVD 및 OVPD 모델과는 거리가 있다. 분자 유동 증기 증착에 있어서, 다수의 매개변수 변경 및 일부 유체 역학 원리와 복잡성은 더 이상 적용되지 않는다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 증기 증착 장비(40)의 중요 구성요소에 대한 블럭도가 도시되어 있다. 예를 들어, 순간 증발 가열기(flash evaporation heater)와 같은 히터(42)가 증착될 물질을 증발시킨다. 증기압으로 인해 이러한 물질이 증착 용기(46) 내의 분배 부재(44)로 강제로 안내된다. 증기는 분배 부재(44)의 벽 내의 일련의 구멍(48)으로부터 기판 홀더(50)에 의해 유지되는 기판(18) 상으로 전달된다. 또한, 히터(42)는 분배 부재(44)에 인접하여, 증착 챔버(20) 내에서 상기 분배 부재(44) 바로 뒤 또는 위에 위치될 수 있으며, 또는 상기 히터가 분배 부재(44)와 기판(18) 사이에 놓이지 않도록 그 외 다른 위치에 배치될 수 있다.
도 7을 참조하면, 작동시의 증기 분배 부재(44)의 사시도가 도시된다. 덕트(52)에 공급된 증기는 일련의 구멍(48)으로부터 분배되고, 일련의 플룸(plume; 54)으로서 배출된다. 덕트(52)는 단일 덕트이거나 복수의 덕트일 수 있다. 또한, 덕트(들)(52)는 상기 덕트(들)(52)가 증기 플룸(54)과 실질적으로 교차하지 않도록 분배 부재(44)의 측면에 부착될 수 있다.
도 8은 본 발명에 사용된 유기 증기 증착용 분자 유동을 종래의 CVD 및 OVPD 점성 유동과 비교하기 위해 도 5와 대조될 수 있다. 도 8에 있어서, 캐리어 가스를 갖지 않은 증기가 본 발명의 증착 장비로부터 플룸(54)으로서 제공된다. 여기서, 분배 부재(44)는 기화된 물질을 기판(18) 상에 안내하는 구멍(48)을 제공한다. 도 5에 도시된 CVD 모델과 달리, 열 전도성은 분자 유동 체계에 있어서 현저하게 감소된다. 여기에서는 유동 패턴을 복잡하게 하는 경계층 효과가 없다. 분자 유동 분배는 점원(point source) 또는 구멍의 배열체로부터 광 분배를 위한 광학적 모델과 어느 정도 유사한 "시선(line of sight)"을 따른다. 분배 부재(44)와 기판(18) 사이에 투사 거리(d)가 유지되며, 여기서 d는 증기 분자 사이의 평균 자유 경로보다 짧다. 플룸(54)은 구멍(48)의 길이 및 반경 치수와 같은 요소에 의해, 그리고 증착 용기(46)(도 6) 내의 상대적인 압력 조건에 의해 제어되는 특징적 형상을 갖는다.
분자 유동 유기 증기 증착 공정의 최적화
도 9의 도면을 참조하여 보면, 기판(18) 상의 질량 플럭스 밀도(Γ) 및 분포를 결정하는데 중요한 주요 치수 및 각도 값이 도시되어 있다. 구멍(48)은 양의 z 방향의 반공간으로 단위 시간당 단위 질량을 방출하는 점원으로서 이상적으로 작용한다. 질량 플럭스 밀도(Γ)는 상기 점원으로부터 반경 방향 거리의 제곱에 역비례하여 떨어진다. 분자 유동의 제로 길이의 단일 구멍으로부터 유출되는 질량 플럭스 밀도(Γ)는 cos(θ)에 의해 주어지는 각도 종속성을 나타내며, 여기서 "θ"는 구멍의 평면(즉, 도 9의 x-y 평면)에 대한 법선과 관측자의 지점에 대한 반경 방향 벡터 사이의 각도이다. 구멍(48)이 비-제로 깊이이고, 짧은 덕트로 기술될 수 있는 경우, 질량 플럭스 밀도(Γ)의 각도 종속성은 z 방향으로 더 강화되고, cos(θ)의 보다 큰 힘으로서 대략적으로 변경될 수 있다.
도 9의 구멍(48)은 점원으로서 간주될 수 있다. 이러한 점원에 대해, 벡터(r)에 의해 규정되고 점원에 대해 상대적인 위치에 있는 디퍼런셜 표면적(dA)을 갖는 기판으로부터 거리(d)에 위치되는 이러한 점원에 대해, 상기 위치에 증착되는 단위 영역당 단위 시간당 질량은
으로서 주어진다.
cos(θ)의 인수는 반경 방향 벡터(r) 및 표면 법선(dA)의 점곱(dot product)로부터 기인한다. cos(θ)의 추가 인수는 플룸 형상 멱지수(p)에 기인하며, 여기서 상기 멱지수는 점원이 제로 길이 구멍인 경우 1의 값을 갖는다. 실제적으로, 플룸 형상 멱지수(p)는 구멍 직경에 대한 길이의 비-제로 비율을 갖는 점원에 대해 1보다 크다. 물질 증착 분야의 당업자들에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 방출 구멍에 대한 길이/직경 비가 크면 클수록, 플룸 형상 멱지수(p)의 값이 커진다.
이하의 방정식이 적용됨을 유념하여야 한다.
방정식 1은 다음과 같이 변경된다.
소정의 플룸 형상 멱지수(p) 및 소정의 점원-기판 거리에 대해, 또는 투사 거리(d)에 대해, 기판 표면에 걸쳐 증착율 프로파일을 계산하는 것이 수월하다. 또한, 기판 상에 증착하는 점원의 배열체에 대해, 각 점원으로부터 각각의 증착율 프로파일은 기판 표면에 걸쳐 전체 증착율 프로파일을 얻기 위해 서로 포개질 수 있다.
점원-기판 증착 형상의 일예가 도 10에 개략적으로 도시되어 있다. 측면 치수(L)의 기판(18)은 측면 치수(l)의 점원에 평행하며, 점원으로부터 투사 거리(d)만큼 떨어져 위치된다. 점원의 측면 길이는 l-L=2e가 성립되는 양(e)만큼 각 측면 상의 기판의 길이를 초과한다.
기판(18)의 측면 길이는 정사각형일 필요는 없다. 상기 기판의 측면 길이는 직사각형일 수 있다[따라서, 치수(L1, L2)는 각각 기판 길이 및 기판 폭 치수에 대한 상이한 값일 것이다]. 이와 달리, 기판(18)은 원형과 같은 타원형일 수 있다. 기판(18)은 정사각형, 직사각형, 육각형 또는 3개 이상의 에지와 꼭지점을 갖는 그 외 다른 형상을 포함하는 다각형일 수 있다. 또한, 기판(18)은 불규칙한 형상, 다시 말해 다각형 또는 타원으로 분류할 수 없는 몇몇 형상을 가질 수 있다. 이와 유사하게, 분배 부재(44)에서의 점원은 정사각형일 필요가 없다. 이것은 직사각형일 수 있다(여기서, l1 및 l2는 각각의 점원 길이 및 점원 폭임). 이와 달리, 이는 원형과 같은 타원형, 다각형 또는 불규칙한 형상일 수 있다. 이와 같은 모든 경우에, 점원 크기가 기판 크기를 초과하는 범위는 모든 방향에서 2e가 성립되며, 이에 따라 폭(e)의 둘레 영역을 제공한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 점원으로서 작용하는 분배 부재(44)는 분배기 챔버(60), 분배기 챔버(60)의 적어도 하나의 벽을 따르는 구멍(48)의 다각형 배열체, 증기 분사 덕트(62) 및 개구(또는 구멍)(66)를 갖는 방사선 차폐물(64)을 포함한다. 점원 길이(l)는 구멍(48) 패턴에 근거하며, 분배기 챔버(60)의 측면으로부터 측정되지 않는다.
무한대의 길이의 이론적인 구멍(48) 배열체에 대해, 증착율 프로파일은 구멍 사이의 간격보다 현저하게 큰 점원-기판 간격에서 기판(18)의 소정의 크기에 걸쳐 매우 균일할 것이다. 그러나, 실제로 구멍 배열체 및 기판은 한정적인 크기를 가지며, 한정된 매우 작은 점원-기판 간격(d)에 있어서만, 증착율 프로파일이 매우 균일할 것이다. 또한, 너무 작은 점원-기판 간격(d)으로, 구멍 배열체의 개별적 특성은 기판 영역에 걸쳐 증착율 프로파일에 있어서의 변동을 야기한다.
구멍 치수화의 일 관점에서, 구멍 간격을 나타내는데 편리한 매개변수는 피치(Pa) 또는 소정의 치수로 단위 길이당 구멍의 개수이다. Pa 및 d의 곱은 구멍 배열체의 개별적 특징으로부터 증착율 프로파일에 있어서의 과도한 변경을 방지하기 위한 최소 피치 또는 최소 점원-기판 간격을 결정하는데 중요하다. 특히, 곱(Pa d)은 ±3% 보다 우수한 균일성을 얻기 위해, 대략 1보다 커야 한다.
구멍(48) 배열체의 개별적 특성으로 인한 비균일성에 더해, 에지 효과의 결과로서 훨씬 단언적인 불균일성이 있다. 기판(18)의 중앙 영역은 기판(18)의 둘레 영역에 도달하는 분배와는 다른, 구멍(48)의 배열로부터의 분배를 받는다. 이러한 에지 효과 또는 한정된 크기 효과는 도 9를 참조하여 설명되는 바와 같은 이상적인 점원인 각 구멍(48)이 광원의 배열체 내의 구멍에 유사한 방식으로 작용하는 분자 유동 증착에 대해 특히 민감하다고 하는 하나의 근본적인 문제이다. 이러한 유추에 따라, 공평하게 분배된 광원의 배열체의 중앙 근처로부터 광에 노출되는 표면 영역은 광원의 배열체의 에지로부터 광에 노출되는 표면 영역보다 더 균일한 광을 받게 된다.
이러한 유형의 에지 효과를 보상하기 위해, 에지의 상대적 증기 전도성을 조절하고, 이에 따라 코너 구멍(48)을 조절할 필요가 있다. 도 12, 도 13 및 도 14의 평면도는 분배 부재(44)의 상이한 실시예에 사용될 수 있는 구멍(74)의 예시적인 배열체를 도시한다. 이들 도면 각각에서, 전체 배열은 다각형이지만, 원형과 같은 타원형 또는 불규칙한 형상(즉, 다각형이나 타원형을 제외한 형상)이 대안적으로 사용될 수 있다. 도 12의 예를 들어 보면, 육각형 패턴(70)의 구멍이 파선에 의해 경계지어지는 영역에 배열된다. 중앙 영역(72)은 단위 면적당 실질적으로 균일한 증기 전도성 또는 유량을 제공하는 내측 구멍(74)을 갖는다. 일 실시예에서, 구멍(74)은 평균 피치(Pa)로 균등하게 크기 및 간격 설정된다. 둘레 영역(76)은 2세트의 구멍, 즉 구멍의 2차원 다각형 패턴의 에지를 형성하는 에지 구멍(78) 및 코너 또는 꼭지점 구멍(80)을 갖는다. 구멍의 적절한 치수화(구멍의 직경 및 피치 양자를 조절하거나, 둘 중 하나를 조절하는 것)에 의해, 둘레 영역(76) 내의 에지 및 꼭지점 구멍(78, 80)의 단위 면적당 증기 전도성 또는 유량은 중앙 영역(72) 내의 내측 구멍(74)의 면적당 전도성보다 크다. 단위 면적당 전도성은 방출량의 국부적 크기이며, 단일 구멍 및 그에 관련된 영역으로부터 고찰될 수 있으며, 또한 소정의 국부적 영역의 다수의 이러한 구멍으로부터 고찰될 수도 있다. 사용된 구멍의 피치 및 개수 또는 구멍 전도성 자체가 증가함에 따라, 단위 면적당 전도성 또는 유량도 증가한다. 도 13 및 도 14는 구멍(70)의 패턴에 대한 가능한 다른 배열체를 도시한다. 이러한 배열체에 대해, 꼭지점 구멍(80)의 단위 면적당 유량은 에지 구멍(78)의 단위 면적당 유량보다 크다. 에지 구멍(78)의 단위 면적당 유량은 내측 구멍(74)의 단위 면적당 유량보다 크다.
구멍 자체는 내측 구멍(74), 에지 구멍(78) 또는 꼭지점 구멍(80)으로서의 사용 효율에 근거하여 서로 상이한 유량을 제공하도록 구성될 수 있다. 구멍 디자인에 있어서의 다른 인자로는 다각형, 타원형 또는 불규칙한 형상일 수 있는 단면 윤곽이 포함된다.
e/L에 대한 작은 값 및 1에 충분히 가까운 d/(d2+e2)(1/2)의 값의 제한에 있어서, 중앙의 구멍에 대해 요구되는 증기 전도성 증대는 로그-로그 플롯에서 2차 방정식에 적합한 Pad와 상당히 간단한 축척 관계를 따른다.
여기서, C/Co는 증기 전도성 증대 요소이며, A, B, C는 각각 이차 계수, 일차 계수 및 상수이다. 코너 구멍(80) 및 에지 구멍(78)에 대해 상이한 A, B, C 값이 얻어진다. 코너 구멍(80) 및 에지 구멍(78) 양자에 대해, 각각의 A, B, C 값은 또한 플룸 형상 멱지수(p)에 종속한다. 이어서 제시되는 예들은 플룸 형상 멱지수 1, 2 및 3에 대한 거동을 도시한다.
예 1:
플룸
형상 멱지수(p)=1
본 예에 대해, 방정식 3은 거리(d)만큼 이격되어 있는 측면 길이(L)의 기판 표면 상으로의 측면 길이(l)의 정사각형의 구멍 배열체로부터의 분배를 적분하기 위해 사용될 수 있다(도 10 및 도 11 참조). 상기 배열체의 길이(l)의 각 에지 상의 구멍의 개수(n)는 지정되며, 이로써 구멍의 총 개수 및 이에 대응하는 피치가 결정된다. 코너 상의 4개의 구멍의 방출 강도(세기) 및 외측 에지 상의(즉, 코너 구멍 사이에서 연장되는 라인을 따르는) 구멍의 방출 강도(세기)가 지정되어 각각 "Ic" 및 "Ie"로 표시된다. "Ic" 및 "Ie"는 본 예에서 단일 강도값을 할당받는 나머지 구멍에 대한 상대적인 방출 강도이다. 증착율의 공간적 분배는 다양한 기하학적 형상 및 방출 강도 매개변수에 대해 결정된다. "Ic" 및 "Ie"는 최상의 증착 균일성을 위해 변경된다. 플룸 형상 멱지수(p) 역시 p=1로 지정된다.
최적 균일성이 생산되는 일련의 각 매개변수에 대해, 기판[측면 길이(L)를 가짐] 상의 결과적인 균일성 및 사용 효율이 기록된다. 광범위한 기판 크기, 점원-기판 간격, 구멍 피치값 및 경계 폭 값, 즉 e=(l-L)/2이 검토된다. 일반적으로, e에 대한 값은 d의 값에 비례하여 증가된다. 그러나, 몇몇 경우에 있어서, 독립적으로 변경된다. 또한, 피치값은 n의 변경-배열체의 에지 길이를 따르는 구멍의 개수- 또는 l의 변경-배열체의 길이, 또는 n과 l 양자의 변경에 의해 변경될 수 있다.
플룸 형상 멱지수 값 1에 대한 균일성 및 사용 효율의 결과가 표 1에 도표화된다. 도 17에서, 균일성은 축척 매개변수(Pad)에 대해 도시된다. 방출 강도[Ic(코너/중앙) 및 Ie(에지/중앙)]는 도 18a 및 도 18b의 동일한 축척 매개변수에 대해 도시된다. 도 17, 도 18a 및 도 18b에 도시된 바와 같이, 최상의 균일성을 위해 요구되는 방출 강도는 Pad의 보다 높은 값으로 얻어진다.
국부적 증착율 프로파일은 그 이하에서 상기 프로파일이 국부 비율에 있어서의 기복으로부터 3%보다 더 열악한 균일성 값을 갖는 n/l의 임계값[기판-점원 간격(d)에 대해 주어진 값에 대해]을 찾기 위해, 기판의 중앙에 인접하여 결정된다. 이러한 계산으로부터, Pad의 임계값은 플룸 형상 멱지수 값 1에 대해 대략 0.97임이 알려졌다. 도 17은 Pad의 중요성을 도시하지만, 에지 효과가 고려되기 때문에, 기판의 중앙에서 보이는 것보다 약간 열악한 균일성을 보인다.
사용 효율에 대한 기하학적 축척 관계가 도 19에 도시되며, 표 1로부터의 자료는 무차원 매개변수[L4/(d2el)]에 대해 도시된다. 그래프로부터, 이러한 매개변수의 더 높은 값에 대해 보다 우수한 균일성이 얻어진다는 것이 명백하다.
증대된 구멍 방출의 에지 영역 또는 둘레의 폭(e)은 표 1에 도시된 성능을 벗어나 균일성을 개선하도록 추가로 증가될 수 있다. 추가의 자료가 증가된 e의 값으로 얻어지며, 표 2에 표시된다. 상기 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 현저하게 개선된 균일성이 얻어질 수 있다. 그러나, 보다 열악한 사용 효율로 인한 비용이 존재한다. 또한, 방출 강도는 점진적으로, 증대된 강도의 영역이 길이(L)의 기판의 에지로 덜 안내되기 때문에[기판 에지에 대한 정렬의 손실이 매개변수(d/(d2+d2)(1/2))에 의해 표현되며, 이러한 매개변수는 비율(e/d)이 상당하게 됨에 따라 1의 값 이하로 현저하게 감소됨], 도 18a 및 도 18b의 축척 관계에 대해 상대적으로 증가할 필요가 있다. 표 2에 도시된 추가점에 대한 요구되는 코너 및 에지 상대적 방출 강도는 도 18a 및 도 18b에 표시된다. 이러한 지점에 대한 사용 효율에 있어서의 교환은 도 19에 도시된다.
예 2:
플룸
형상 멱지수(p)=2
예 1에서와 같이, 방정식 3이 거리(d)만큼 이격되어 있는 측면 길이(L)의 기판 표면 상으로의 측면 길이(l)의 정사각형의 구멍 배열체로부터의 분배를 적분하기 위해 사용될 수 있다. 동일한 매개변수가 지정되고, 동일한 계산이 플룸 형상 멱지수(p)에 대한 2의 값을 사용하여 실행된다. 이러한 경우에, 임계값(Pad)은 대략 1.11로 알려진다(전술된 예와 같이, 이러한 임계값은 에지 효과에도 불구하고, 기판의 중앙 근처의 국부적 균일성을 조사함으로써 평가됨). 결과가 표 3에 도시된다. 코너 및 에지에 대한 사용 효율 및 방출 강도에 대한 기하학적 축척 관계가 도 20a 및 도 20b에 도시된다. 또한, 표 4에 도시된 점은 증대된 구멍 방출의 둘레 영역의 폭(e)이 균일성을 증가시키기 위해 사용 효율을 희생해가며, 어떻게 추가로 증가되는 지를 보여준다(도 19 참조). 또한, 방출 강도는 점진적으로, 증대된 강도의 영역이 길이(L)의 기판의 에지로 덜 안내되기 때문에[기판 에지에 대한 정렬의 손실이 매개변수(d/(d2+e2)(1/2))에 의해 표현되며, 이러한 매개변수는 비율(e/d)이 상당하게 됨에 따라 1의 값 이하로 현저하게 감소된다], 도 20a 및 도 20b의 축척 관계에 대해 상대적으로 증가할 필요가 있다. 표 4에 도시된 점에 대한 상대적인 코너 및 에지 방출 강도는 도 20a 및 도 20b에 표시된다.
도 22는 최적 코너 및 에지 강도 대 홀 피치 곱하기 거리로 얻어지는 최상의 균일성을 도시하는 그래프이다. 플룸 형상 멱지수(p=1, p=2 및 p=3)(예 3 이하)에 대한 결과가 도시된다.
예 3:
플룸
형상 멱지수(p)=3
예 1에서와 같이, 방정식 3은 거리(d)만큼 이격되어 있는 측면 길이(L)의 기판 표면 상으로의 측면 길이(l)의 정사각형의 구멍 배열체로부터의 분배를 적분하기 위해 사용될 수 있다. 동일한 매개변수가 지정되고, 동일한 계산이 플룸 형상 멱지수(p)에 대한 3의 값을 사용하여 실행된다. 이러한 경우에, 임계값(Pad)은 대략 1.22로 알려진다. 전술된 예에서처럼, 이러한 임계값은 에지 효과에도 불구하고, 기판의 중앙 근처의 국부적 균일성을 조사함으로써 평가된다. 계산 결과가 표 5에 도시된다. 코너 및 에지에 대한 사용 효율 및 방출 강도에 대한 기하학적 축척 관계가 도 21a 및 도 21b에 도시된다.
전술한 각각의 예에 대해, 코너 및 에지 강도는 방정식 4에 설명된 바와 같이 간단한 다항식에 맞을 수 있다. 적합한 매개변수(A, B, C)가 최적의 코너 및 에지 강도에 대해 그리고 플룸 형상 멱지수 1, 2, 3에 대해 표 6에 도시되어 있다. 얻어진 로그(방정식 4)는 밑이 10이다.
| 코너 방출 강도 비 적합 매개변수 | 에지 방출 강도 비 적합 매개변수 | |||||
| p | A | B | C | A | B | C |
| 1 | 0.512 | 0.961 | 0.219 | 0.229 | 0.561 | 0.126 |
| 2 | 0.552 | 0.819 | 0.128 | 0.266 | 0.477 | 0.067 |
| 3 | 0.486 | 0.794 | 0.043 | 0.309 | 0.378 | 0.043 |
도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 가능한 소정의 개수의 구멍(70) 패턴의 배열체가 있을 수 있다. 구멍(74, 78, 80)의 증기 전도성은 이하에 따라 조절될 수 있다.
(i) 예를 들어, 중앙 영역(72) 내의 구멍(74)의 폭에 대한 구멍(78, 80)의 확장 또는 중앙 영역 내의 구멍에 대한 길이의 감축에 의한 치수,
(ii) 도 15에 도시된 바와 같은 간격.
도 15는 도 13에서 윤곽이 그려진 섹션(Q)과 같이 분배 부재(44)의 섹션에 대한 구멍(82)의 패턴을 도시한다. 여기서, 코너 구멍(80)에 대한 치수의 변경에 대신하여, 꼭지점 구멍(80)을 형성하기 위해 일련의 구멍으로서 그룹지어지는 구멍(84)이 서로 보다 인접하여 이격되어 구멍 배열체의 코너에서 증가된 증기 전도성을 제공한다. 또한, 도 15에서, 중앙 배열체는 배열체의 둘레에 평행하게 정렬되는 정사각형 패턴이며, 이에 반해 도 13은 배열체의 둘레에 관해서는 45°회전된 정사각형 패턴을 도시한다.
구멍 측면 치수[예를 들어, 원형 구멍(48)에 대한 치수]는 실질적으로 그 길이보다 크며, 전도성 증대 인자는 구멍 영역의 비에 의해 주어진다. 그러나, 짧은 덕트에 대해, 구멍 증기 전도성은 αA[예를 들어, 반경(r)을 갖는 원형 구멍에 대해 απr2]로 축척되며, 여기서 α 및 A는 각각 전송 확률 및 구멍의 면적이다. 따라서, 방정식 (4)의 증기 전도성 증대 인자는 αA/α0A0로 주어질 수 있다. 긴 덕트(일반적으로, l/(2r)>>1)에 있어서, 전송 가능성은 r/l로서 축척되고, 증기 전도성 비는 (r/l)3/(r0/l0)3로 된다. 따라서, 전도성 증대 인자는 (r/l)s/(r0/l0)s로 기대될 수 있으며, 여기서 2≤s≤3 이다.
사용 효율/균일성 교환 고찰
개선된 균일성은 더 높은 소비 비용, 즉 낮은 사용 효율을 가져오곤 한다는 것이 알려졌다. 비록, 사용 효율 백분율과 균일성 사이에 적어도 어느 정도의 조악한 관계가 있다는 것이 알려져 있지만, 이를 결정하는 가장 일반적인 가이드라인이 종래의 실시에 있었다. 본 발명에 따른 방법은 유리하게, 사용 효율과 균일성의 다소 상반되는 요구를 계산하고 이들의 균형을 맞추는 방안을 제공한다.
정사각형 기판(18)의 경우, 본 발명의 분배 부재(44)에 대한 재료 사용 효율(u)은 도 19에 도시된 바와 같은 직선적인 축척 관계를 따른다.
u=f{L4/(d2el)} (5)
여기서,
f는 점진적으로 증가하는 함수이며,
d는 기판(18)의 표면과 구멍(48)을 갖는 분배 부재(44)의 벽 또는 표면 사이의 꼭지점 거리("투사 거리")이며,
e는 도 10에 대해 설명된 것과 같이 구멍 패턴 내의 에지 영역의 치수이며,
L은 기판 길이 및 폭이며,
l은 점원 길이 및 폭(구멍 패턴의 크기에 의해 규정됨)이다.
방정식(5)의 의미는 이하를 포함한다.
(i) 주어진 사용 효율을 유지하는 것, 비율(L/d)(또는 보다 일반적으로는, 직사각형 기판에 대해 L1/d 및 L2/d), L/l 및 L/e는 유지되어야 한다.
(ii) L, d 및 l의 주어진 값에 대해, 보다 우수한 균일성을 얻기 위해 에지 영역을 증가하는 것은 사용 효율을 감소시킨다.
도 19로부터 L4/(d2el)에 대한 1000 이상의 값은 0.5를 초과하는 사용 효율 인자를 제공한다. 직사각형 기판에 대해, 이러한 축척 매개변수는 L1 2L2 2/(d2e(l1+l2)/2)이며, 여기서 L1 및 L2, 그리고 l1 및 l2는 각각 직사각형 기판 및 구멍 패턴의 큰 길이 및 작은 길이이다. 유사하게, 축척 관계는 L 또는 L1 및 L2를 대체하는 직경(D) 또는 장축 및 단축(D1 및 D2) 및 l 또는 l1 및 l2를 대체하는 구멍 패턴 직경(D') 또는 축선 평균(D1'+D2')/2인 원형 또는 타원형 기판에 대해 예상될 수 있다. 즉, 도 19로부터, 다양한 플룸 형상에 대해, 매개변수[L4/(d2el)](또는 직사각형, 원형, 타원형 또는 4변 이상을 갖는 다각형에 있어서 유추되는 것)는 유용 재료 사용 효율 인자(0.3보다 크거나 대략 0.3인)에 대해 100보다 커야 하며, 바람직하게는 0.5보다 크거나 대략 0.5인 재료 사용 효율에 대해 1000보다 크다.
대략 ±3% 또는 그 보다 우수한 균일성에 대해, 1보다 크거나 대략 1인 Pad 값이 요구된다. 보다 높은 수준의 균일성은 Pad 값이 1.2를 초과한다. 추가적인 균일성 개선은 예 1 및 예 2에 개시된 바와 같이, ±1%보다 우수한 균일성을 얻기 위해 e를 증가시킴으로써 얻어질 수 있다. 또한, 이러한 높은 균일성은 보다 높은 p의 값(즉, 예를 들어, 배열체 내의 구멍에 대한 길이 대 직경 비를 증가시킴으로써 얻어질 수 있는 직선형의 플룸)에 대해 보다 용이하게 얻어진다. 분자 유동에 대한 플룸 형상의 관계는 "A User's Guide to Vacuum Technology, by John F. O'Hanlon, John Wiley & Sons, New York, 1989, Chapter 3를 참조할 수 있다.
방사선 차폐물
점성 유동 체계에서의 작동에 대해 공지된 단점 중 하나는 열 전도성에 관한 것이다. 가열된 샤워 헤드로부터의 소정의 압력 하에 인가되는 캐리어 가스는 기판을 가열하는 열 전도체로서 작용한다. 샤워 헤드로부터 열을 전도하는 것에 더해, 고온의 캐리어 가스는 기판으로 열을 직접 전달한다. 증착될 물질보다 캐리어 가스가 훨씬 높은 부분압에 있을 경우가 있기 때문에, 상기 가스가 운반하는 열은 원치 않는 열 부하를 기판에 나타낼 수도 있다. 그러나, 본 발명의 방법에 의해 사용된 분자 유동 체계에서의 증기 증착은 동일한 열적 거동을 제공하지 않는다. 지배적인 열 부하는 증착될 승화물 또는 이베이포런트의 응축열 및 샤워 헤드로부터의 열복사이다. 샤워 헤드와 기판 사이의 밀접한 간극으로, 이러한 분배는 캐리어 가스로부터의 열전도에 의한 열 부하보다 현저하게 적을 수 있다. 따라서, 분자 유동 체계에서의 작동은 본질적으로 예를 들어, 증착 필름의 결정화가 회피되어야 하는 경우, 기판-마스크 정렬이 고정밀로 유지되어야 하는 경우 및 기판이 열에 민감한 경우(예를 들어, 유기 폴리머 기판)와 같이 기판 가열이 중요하게 다루어지는 바람직한 열적 특성을 제공한다.
열적 부하로부터의 추가적인 경감(relief)이 분배 부재(44)에 추가될 수 있다. 도 11은 구멍(48)과 기판(18) 사이에서 분배 부재(44)의 일부로서 장착되는 임의의 방사선 차폐물(64)의 전개를 도시한다. 방사선 차폐물(64)은 구멍(48)과 일렬로 정렬된 구멍(66)의 배열체를 갖는다. 도 16의 확대된 측 단면도를 참조하면, 분배 부재(44)의 배출 벽(68) 상의 구멍(48)에 대해 상대적인 방사선 차폐물(64)의 하나의 구멍(66)의 배열체가 도시된다. 분배 부재(44)의 구멍(48)은 전술된 바와 같이 구멍(48)의 반경 및 깊이의 함수인 각도(θ)로 증기를 방출한다. 방사선 차폐물(64)의 구멍(66)은 각도(θ)로 방출을 허용하는 반경(δ)을 갖도록 적절하게 크기 설정된다. 방사선 차폐물(64)의 두께(t)는 방사선 차폐물(64)이 가열 조건 하에서 안정되도록 충분히 크기 설정된다.
임의의 방사선 차폐물(64)의 사용은 기판(18) 상의 배출 벽(68)으로부터의 열 방사를 감소시키기 위해 유리하다. 배출 벽으로부터 기판에 도달하는 총 복사열을 감소시킴으로써, 방사선 차폐물(64)은 다른 유형의 증착 장치에서 요구되는 바와 같이, 기판(18)용 보조 냉각 요소에 대한 필요성을 감소시키는데 일조한다.
요약
본 발명의 방법은 ±3% 내 또는 그 보다 우수한 균일성을 얻는, 증기 증착의 균일성을 최적화할 수 있다. 2차원 구멍 배열체에서의 증대된 전도성의 둘레 영역[폭(e)]을 생성함으로써, 균일성에 부정적인 영향을 미치는 에지 효과가 크게 완화될 수 있다. ±1% 또는 보다 우수한 균일성은 매개변수 Pd 및 e(각각, 구멍 피치 및 투사 거리의 곱 및 증대된 전도성의 둘레 영역의 길이)를 증가시킴으로써 얻어질 수 있다. 이러한 개선된 균일성은 재료 사용 효율에 있어서의 어느 정도의 손실로 얻어진다. 구멍 배열체의 둘레 영역에 있어서의 증대된 전도성은 매개변수 Pd와의 간단한 축척 관계를 근거로 최상의 균일성을 위해 선택될 수 있으며, 반면에 최상의 사용 효율에 대한 기하학적 매개변수는 매개변수[L4/(d2el)]와 간단한 축척 관계 또는 직사각형, 원형, 타원형 또는 다각형 형상에 있어서의 유사한 표현으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 방법의 하나의 유리한 효과는 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 배경 기술란에서 전술된 바와 같이 패턴화 정밀성에 관련된다. 점성 유동이 아닌 분자 유동 체계에서 작동함으로써, 본 발명의 방법은 캐리어 가스를 사용하는 종래의 증착 해결책에서보다 더 수직에 가까운 측벽을 갖는 표면 피처를 얻을 수 있다. 이는 표면 피처 사이에서 보다 명확한 정의 및 분별을 가능하게 하며, 구성요소의 소형화를 더욱 도모할 수 있다.
종래 기술에 비해 본 발명의 방법의 하나의 추가적인 장점은 캐리어 가스의 부재에 관한 것이다. 추가의 물질, 심지어는 불활성 캐리어 가스와 같은 불활성 물질의 도입은 비용의 추가를 가져온다. 상당한 부분압에서의 구성요소로서의 캐리어 가스로, 어느 정도의 불순물은 기화된 물질/캐리어 가스 혼합물 내로 도입될 수 있다. 어느 정도의 불순물은 기화된 물질과 반응할 수 있으며 증착 필름과 통합되어 필름 성능을 손상시킬 수 있다.
따라서, 최적의 사용 효율 및 균일성을 갖는 분자 유동 체계에서의 물질의 증기 증착을 제공하기 위한 장치 및 방법이 제공된다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 상세하게 설명되었지만, 다양한 변형예 및 개조예가 전술된 본 발명의 범위 내에서 그리고 첨부된 특허청구범위에 개시된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 실행될 수 있음을 이해할 것이다.
10: 증착 장치 12: 기화 챔버
14: 캐리어 가스 16: 샤워 헤드
18: 기판 20: 증착 챔버
22: 표면 피처 24: 측벽
26: 경사 섹션 30: 마스크
36: 점성 유동 체계 38: 분자 유동 체계
40: 증기 증착 장치 42: 히터
46: 증착 용기 48: 구멍
50: 기판 홀더 52: 덕트
54: 플룸 56: 오리피스
60: 분배기 챔버 62: 증기 주입 덕트
64: 방사선 차폐물 66: 구멍
68: 배출 벽 70: 구멍의 패턴
72: 중앙 영역 74: 구멍
76: 둘레 영역 78: 에지 구멍
80: 코너 구멍 82: 구멍의 패턴
84: 구멍 δ: 구멍 반경
l: 점원 치수 L: 기판 치수
d: 투사 거리 P: 피치
Q: 섹션 θ: 각도
q: 거리 r: 반경 벡터
t: 두께
14: 캐리어 가스 16: 샤워 헤드
18: 기판 20: 증착 챔버
22: 표면 피처 24: 측벽
26: 경사 섹션 30: 마스크
36: 점성 유동 체계 38: 분자 유동 체계
40: 증기 증착 장치 42: 히터
46: 증착 용기 48: 구멍
50: 기판 홀더 52: 덕트
54: 플룸 56: 오리피스
60: 분배기 챔버 62: 증기 주입 덕트
64: 방사선 차폐물 66: 구멍
68: 배출 벽 70: 구멍의 패턴
72: 중앙 영역 74: 구멍
76: 둘레 영역 78: 에지 구멍
80: 코너 구멍 82: 구멍의 패턴
84: 구멍 δ: 구멍 반경
l: 점원 치수 L: 기판 치수
d: 투사 거리 P: 피치
Q: 섹션 θ: 각도
q: 거리 r: 반경 벡터
t: 두께
Claims (13)
- 디바이스 제조에 있어 기판 표면 상에 층을 형성하기 위한 방법에 있어서,
(a) 기화된 물질을 수용하기 위한 분배 부재를 제공하는 단계로서, 상기 분배 부재는 챔버를 형성하는 하나 이상의 벽을 가지며, 상기 벽에는 분자 유동의 플룸(plume of molecular flow)으로 상기 기화된 물질을 상기 기판 표면상에 전달하는 2차원 다각형 패턴의 구멍이 형성되어 있는, 상기 분배 부재 제공 단계와,
(b)상기 분배 부재로부터 기판 표면이 투사거리(d)만큼 이격되도록 기판 홀더에 의해 상기 분배 부재에 대응하는 소정 위치에 상기 기판을 위치시키는 단계와,
(c) 적어도 4개의 꼭지점을 갖도록 상기 2차원 다각형 패턴의 구멍을 제공하는 단계로서, 제 1 세트의 구멍이 상기 꼭지점에 배치되고, 제 2 세트의 에지 구멍이 상기 제 1 세트의 구멍 사이에 배치되어 상기 2차원 다각형 패턴의 에지를 형성하며, 제 3 세트의 내부 구멍이 상기 제 1 및 제 2 세트의 구멍에 의해 형성되는 2차원 다각형 패턴의 주변부 내에 배치되는, 상기 2차원 다각형 패턴의 구멍 제공 단계와,
(d) 상기 제 1 세트의 구멍으로부터의 단위 면적당 유량이 상기 제 2 및 제 3 세트의 구멍으로부터의 단위 면적당 유량보다 크고, 상기 제 2 세트의 구멍으로부터의 단위 면적당 유량이 상기 제 3 세트의 구멍으로부터의 단위 면적당 유량보다 크도록 상기 제 1, 제 2 및 제 3 세트의 구멍의 크기를 설정하는 단계와,
상기 제 2 및 제 3 세트의 구멍의 단위 면적당 유량보다 더 큰 상기 제 1 세트의 단위 면적당 유량을 얻고, 상기 제 3 세트의 구멍의 단위 면적당 유량보다 더 큰 상기 제 2 세트의 단위 면적당 유량을 얻기 위해, 다음 식에 따라 상기 제 1, 제 2 및 제 3 세트의 구멍을 배치하는 단계를 포함하고,
여기서, C/Co는 제 3 세트의 구멍에 대한 증기 전도성 증대 요소이며, Pa는 단위 길이당 구멍의 수이고, A, B, C는 각각 이차 계수, 일차 계수 및 상수이고, 각각의 A, B, C 값은 상기 분자 유동의 플룸 형상에 종속하며, A, B, C의 상이한 값은 제 1 및 제 2 세트의 구멍에 대해 얻어지고, 상기 제 1 세트의 구멍은 0.1 내지 0.7 범위의 이차 계수A를 갖고, 0.5 내지 1.2 범위의 일차 계수B를 갖고, 0 내지 0.4 범위의 상수C를 갖고, 상기 제 2 세트의 구멍은 0.1 내지 0.5 범위의 이차 계수A를 갖고, 0.1 내지 0.7 범위의 일차 계수B를 갖고, 0 내지 0.2 범위의 상수C를 갖음을 특징으로 하는
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 세트의 구멍은, 적어도 하나의 꼭지점에, 상기 꼭지점에서 단위 벽당 증가된 유량을 제공하도록 다른 구멍보다 더 밀접한 간격을 갖는 복수의 구멍을 포함하는
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 구멍의 크기 설정 단계는 구멍 직경의 크기를 설정하는 단계를 포함하는
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 구멍의 크기 설정 단계는 구멍의 개수를 설정하는 단계를 포함하는
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 구멍의 크기 설정 단계는 구멍 깊이의 크기를 설정하는 단계를 포함하는
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 에지 위치에 대해, 상기 제 2 세트의 구멍은 복수의 구멍을 포함하는
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 벽 위치에서의 구멍의 개수 및 크기를 선택하는 단계를 더 포함하는
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 구멍의 단면 윤곽은 다각형, 타원형 또는 불규칙한 형상인
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
(e) 상기 제 3 세트의 구멍은 평균 피치(Pa)와 투사 거리(d)의 곱이 Pad>0.97에 부합하는 평균 피치(Pa)를 갖음을 더 포함하는
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 기판과 상기 구멍 패턴에 상응한 점원은 스퀘어이고,
관계식
이 만족되며,
여기에서, L은 상기 기판의 폭 및 길이이며, l은 상기 구멍 패턴의 크기에 의해 정의되는 점원의 폭 및 길이이고, e는
을 만족하는 에지 영역의 폭인
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 10 항에 있어서,
관계식
이 만족되는,
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 물질은 유기 물질인
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 분배 부재와 상기 표면 사이에 방사선 차폐물을 배치시키는 단계를 더 포함하는
디바이스 제조에 있어서의 표면 상에의 층 형성 방법.
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