KR20150132417A - 광 여기 프로세스용 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예들은 기판 상에 층을 증착하는 방법 및 장치를 제공한다. 일 실시예에서, 이 방법은 프로세싱 챔버 내에 배치된 기판의 표면을 유체 전구체에 노출하는 단계, 재료 층이 형성되는 기판의 표면에 걸쳐 전자기 방사가 편향 및 스캔되도록 방사선원으로부터 광 스캐닝 유닛까지 생성된 전자기 방사를 지향시키는 단계, 기판의 표면 상에 재료 층을 증착하도록 유체 전구체의 광분해 해리를 위해 선택된 파장을 갖는 전자기 방사를 사용하여 증착 프로세스를 개시하는 단계를 포함한다. 방사선원은 레이저 소스, 휘도(bright) 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 소스, 또는 열 소스를 포함할 수 있다. 일 예에서, 방사선원은 자외선(UV) 파장 범위에서 출력을 발생시키는 광섬유 레이저이다.

Description

광 여기 프로세스용 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHODS FOR PHOTO-EXCITATION PROCESSES}
[0001] 본 발명의 실시예들은 일반적으로 기판들을 열적으로 처리하는 방법들, 그리고 보다 자세하게는 기판 상에 층을 증착하는 방법들에 관한 것이다.
[0002] 반도체 제조는 기판 상에서 형성된 재료들을 증착하고, 제거하며, 세정하고 그리고 다른 방식으로 변형(transform)하기 위해서 화학적 프로세스들에 의존한다. 이들 프로세스들은, 전형적으로 화학적 프로세스들을 가속하기 위해서 열적 또는 전기 에너지를 적용하는 반응기(reactor)에서 발생한다. 일부의 경우들에 있어서, 열 에너지를 추가하기 위해서 저 에너지의 광자들이 사용된다. 다른 경우들에 있어서, 광자들이 반응기에 진입하기 이전에 분자들을 해리하기 위해서 더 높은 에너지의 광자들이 사용된다. 또 다른 경우들에 있어서, 기판 상에서 재료들을 변형하기 위해서 더 높은 에너지 광자들이 사용된다.
[0003] 진보된 집적 회로(integrated circuit)들을 위해 요구되는 매우 얕은(shallow) 회로 피처(feature)들을 위해서, 요구되는 열적 프로세싱을 성취할 때 전체 열 버짓(thermal budget)을 감소시키는 것이 크게 요망된다. 열 버짓은 완전한 디바이스 제작에 필수인 고온들이 전체 시간에 걸쳐 고려될 수 있다. 기판이 고온을 받게 되는 전체 시간이 더 길수록, 주입된 접합부(implanted junction)들과 같은 피처들이 원자들의 확산(diffusion) 또는 이동(migration)으로 인해 이들 피처들의 명확함(definition)을 더 많이 손실할 수 있다. 그러나, 반도체 적용분야들을 위한 화학적 프로세스들을 활성화하는 종래의 접근법들은 전형적으로 에너지 집약적이며, 이에 따라 대부분의 디바이스 제조를 위해서 적합하지 않다. 예컨대, CMOS 디바이스들을 위한 기판들은 전형적으로 약 400ºC의 임계 온도를 갖는다. 게다가, 더 높은 온도일지라도, 현재의 CVD, ALD 또는 에피택셜 프로세스는 처리량(throughput)을 바람직하게 않게 감소시키는 여전히 긴 증착 시간들을 필요로 한다.
[0004] 이에 따라, 더 빠른 프로세싱 시간으로 저온 증착들을 촉진시키는 기판 프로세스를 위한 개선된 장치 및 방법들에 대한 요구가 존재한다.
[0005] 에피택시, CVD, 및 ALD와 같은 광 여기식(photo-excited) 프로세스 반응들을 위한 광 기반(photonic-based) 장치 및 방법들이 개시된다. 본 발명의 개념은, 하나 이상의 "LASE" 적용, 예컨대 레이저(laser)("L")와 같은 전자기 방사를 이용하고, 활성화하거나 활성화(activation)("A")를 보조하기 위해 전자기 방사를 이용하며, 표면(surface) 상에서의 프로세스들 또는 객체의 선택적(selective) 프로세싱("S")을 실행하기 위해서 전자기 방사를 이용하고, 에피택시(epitaxy) 또는 식각(etch) 프로세스("E")를 실행하기 위해서 전자기 방사를 이용하는 적용들을 필요로 할 수 있는 프로세스들에 이로울 수 있다.
[0006] 일 실시예에서, 기판 상에 층을 증착하는 방법이 개시된다. 이 방법은 프로세싱 챔버 내에 배치된 기판의 표면을 유체 전구체에 노출하는 단계, 재료 층이 형성되는 기판의 표면에 걸쳐 전자기 방사가 편향 및 스캔되도록 방사선원으로부터 광 스캐닝 유닛까지 생성된 전자기 방사를 지향시키는 단계, 기판의 표면 상에 재료 층을 증착하도록 유체 전구체의 광분해 해리를 위해 선택된 파장을 갖는 전자기 방사를 사용하여 증착 프로세스를 개시하는 단계를 포함한다. 방사선원은 레이저 소스, 휘도(bright) 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 소스, 또는 열 소스를 포함할 수 있다. 일 예에서, 방사선원은 자외선(UV) 파장 범위에서 출력을 발생시키는 광섬유 레이저이다.
[0007] 다른 실시예에서, 방법은, 기판의 표면이 유체 전구체에 잠기도록(immersed) 층상(laminar) 방식으로 프로세싱 챔버 내에 배치되는 기판의 표면에 걸쳐 반경 방향으로 유체 전구체를 유동시키는 단계, 재료 층이 형성되는 표면에서 또는 표면 근처에서 기판에 걸쳐 미리 정해진 조명 형상으로 전자기 방사가 편향 및 스캔되도록 방사선원으로부터 광 스캐닝 유닛까지 생성된 전자기 방사를 지향시키는 단계, 및 기판의 표면 상에 재료 층을 증착하도록 유체 전구체의 광분해 해리를 위해 선택된 파장을 갖는 전자기 방사를 사용하여 증착 프로세스를 개시하는 단계를 포함한다.
[0008] 또 다른 실시예에서, 기판 프로세싱 챔버가 제공된다. 프로세싱 챔버는, 프로세싱 챔버 내에서 기판을 지지하는 기판 서포트, 프로세싱 챔버 내로 유체 전구체를 제공하는 가스 공급장치, 및 기판의 표면 상에 재료 층을 증착하도록 유체 전구체의 광분해 해리를 위해 선택된 파장 및 파워 레벨을 갖는 전자기 방사를, 기판의 표면에 또는 기판의 표면 근처에서 유체 전구체에 방사하는 방사선원을 포함한다. 프로세싱 챔버는, 기판의 표면에 걸쳐 스캐닝하도록 방사선원으로부터 전자기 방사를 지향시키도록 구성된 광 스캐닝 유닛을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 상세들은 도 1a, 도 1b, 도 2 및 도 3에 대해서 하기에서 논의된다.
[0009] 본 발명의 위에서 언급한 특징들이 구체적으로 이해될 수 있는 방식으로, 본 발명에 대한 더욱 구체적인 설명이, 그의 일부가 첨부 도면들에 예시된 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있다. 그러나, 본 발명이 다른 동등한 효과적인 실시예들을 허용할 수 있기 때문에, 첨부된 도면들은 본 발명의 단지 전형적인 실시예들만을 예시하며 따라서 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 간주되지 않는다는 것에 주목해야 한다.
[0010] 도 1a는 본 발명의 실시예들을 실시하기 위해 사용될 수 있는 예시적 열적 프로세싱 챔버의 개략적 단면도를 예시한다.
[0011] 도 1b는 도 1a의 1B-1B 선을 따라 취한 프로세스 챔버의 개략적 측면도를 예시한다.
[0012] 도 2는 본 발명을 실시하기 위해 사용될 수 있는 방사선원(radiation source)의 대체적 실시예의 평면도를 예시한다.
[0013] 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 표면 상에서 재료 층의 에피택셜 성장(epitaxial growth)의 예시적 방법의 흐름도이다.
[0014] 본 발명의 실시예들은, 일반적으로 스캐닝 유닛 상으로 소망하는 코히어런시(coherency)를 갖는 빔을 투사하며,(project) 길이 방향 또는 횡단 방향으로 기판의 표면의 일 부분 또는 전체 부분을 커버하는데 충분한 정사각형 또는 직사각형 형상과 같은 소망하는 이미지 형상으로 광 또는 전자기 방사선을 편향시키는 방사선원을 사용한다. 광 또는 전자기 방사선은, 기판의 표면 상에서 재료 층의 효율적인 증착을 위해 기판 표면에 또는 기판 표면 근처에 기체 또는 액체 전구체를 광해리(photo-dissociate)시키도록 선택된 파장 및 파워를 갖는다. 일 예에서, 자외선(ultraviolet; UV) 파장 범위에서 파이버 레이저들을 사용하는 실질적으로 광분해성 비열적 해리(photolytic, non-thermal dissociation) 프로세스를 통해 400°C 미만의 낮은 온도로 증착이 실행된다.
예시적 하드웨어
[0015] 도 1a는 본 발명의 실시예들을 실시하기 위해 사용될 수 있는 예시적 열적 프로세싱 챔버(100)의 개략적 단면도를 예시한다. 도 1b는 도 1a의 1B-1B선을 따라 취한 프로세스 챔버(100)의 개략적 측면도를 예시한다. 열적 프로세싱 챔버(100)가 에피택셜 증착 프로세스, 예컨대 에피택셜 실리콘(epitaxial silicon) 증착 프로세스를 실행하도록 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 방법들 및 개념은, 또한 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 프로세스, 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 프로세스, 또는 원자층 에피택시(atomic layer epitaxy; ALE) 프로세스와 같은 다른 프로세스들을 실행하기 위한 다른 프로세싱 챔버들에서 활용될 수 있다.
[0016] 프로세스 챔버(100)는 기판(108)의 상부 표면 상의 재료의 증착을 포함하는, 하나 또는 그 초과의 기판들을 프로세스하기 위해 사용될 수 있다. 프로세스 챔버(100)는 일반적으로 다른 구성요소들 사이에서, 프로세스 챔버(100) 내에 배치되는 기판 서포트(106)의 배면 측(back side)(104)을 가열하기 위해서 복사 가열(radiant heating) 램프(102)들의 어레이를 포함한다. 기판 서포트(106)는 도시된 바와 같이 디스크형 기판 서포트(106)일 수 있으며, 또는 도 1b에 도시된 바와 같이 중심 개구를 갖지 않는 링형 기판 서포트(107)일 수 있으며, 이 서포트는 램프(102)들의 열 방사선에 대한 기판의 노출을 용이하게 하도록 기판의 가장자리로부터 기판을 지지한다.
[0017] 기판 서포트(106)는 상부 돔(dome)(128)과 하부 돔(114) 사이에서 프로세스 챔버(100) 내에 위치된다. 상부 돔(128) 및 하부 돔(114)은, 상부 돔(128)과 하부 돔(114) 사이에 배치된 베이스 링(136)과 함께, 일반적으로 프로세스 챔버(100)의 내부 구역을 형성한다. 기판(108)(실제 축척은 아님)은 프로세스 챔버(100) 내로 운반될 수 있으며, 로딩 포트(103)를 통해 기판 서포트(106) 상에 위치 설정되며, 이는 도 1a의 기판 서포트(106)에 의해서는 모호하지만, 도 1b에서 볼 수 있다. 기판 서포트(106)는 승강된 프로세싱 위치에 도시되어 있지만, 리프트 핀(105)들이 하부 돔(114)에 접촉하여, 기판 서포트(106) 및 중심 샤프트(132)에서 스루 홀들을 통과하며, 기판 서포트(106)로부터 기판(108)을 상승시키는 것을 허용하도록 프로세싱 위치 아래 로딩 위치로 액츄에이터(도시 생략)에 의해 수직으로 횡단할 수 있다. 이후, 로봇(도시 생략)이 프로세스 챔버(100)에 진입하여 이로부터 로딩 포트(103)를 통해 기판(108)과 맞물림하고 기판을 제거할 수 있다. 이후, 기판 서포트(106)는 기판(108)을, 기판의 디바이스 측(116)을 기판 서포트(106)의 전방 측(110) 위에 바로 배치하도록 프로세싱 위치까지 상승될 수 있다.
[0018] 기판 서포트(106)는 프로세싱 위치에 위치되는 동안, 프로세스 챔버(100)의 내부 용적을 기판 위에 있는 프로세스 가스 구역(156) 및 기판 서포트(106) 아래에 있는 퍼지 가스 구역(158)으로 분할한다. 기판 서포트(106)는 프로세스 챔버(100) 내의 열적 그리고 프로세스 가스 유동 공간 이형(flow spatial anomalies)의 영향을 최소화하기 위해서 중심 샤프트(132)에 의한 프로세싱 중에 회전된다. 기판 서포트(106)는 기판(108)의 로딩, 언로딩 및 프로세싱 중 상방 및 하방방향(134)으로 기판(108)을 이동시키는, 중심 샤프트(132)에 의해 지지된다. 기판 서포트(106)는 램프(102)들로부터 복사 에너지를 흡수하고 이 복사 에너지를 기판(108)으로 안내하도록 실리콘 카바이드 또는 실리콘 카바이드로 코팅된 흑연으로부터 형성될 수 있다.
[0019] 일반적으로, 상부 돔(128) 및 하부 돔(114)은 석영과 같은 광학적으로 투명한 재료(optically transparent material)로부터 전형적으로 형성된다. 상부 돔(128) 및 하부 돔(114)은 전형적으로 약 3 mm 내지 약 10 mm 사이, 예컨대 약 4 mm 두께를 갖는 열적 메모리를 최소화하기 위해서 얇다. 상부 돔(128)의 두께 및 만곡도(degree of curvature)는 프로세스 챔버에서 균일한 유동 균일도(flow uniformity)의 보다 평탄한 기하학을 제공하도록 구성될 수 있다. 대안으로, 상부 돔(128) 또는 하부 돔(114)은 반드시 돔 형상일 필요는 없지만, 다소 평탄해질 수 있다. 상부 돔(128)은 냉각 가스와 같은 열적 제어 유체를 입구 부분(126)을 통해 열적 제어 공간(137) 내도 도입하고 그리고 출구 포탈(131)을 통해 열적 제어 유체를 배출함으로써 열적으로 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 열적 제어 공간(136)을 통해 순환하는 냉각 유체는, 상부 돔(128)의 내부 표면 상의 증착을 감소시킬 수 있다.
[0020] 하나 또는 그 초과의 램프들, 이를테면 램프(102)들의 어레이는, 프로세스 가스가 지나감(pass over)에 따라 기판(108)을 가열하도록 중심 샤프트(132) 둘레에서 특정의 최적화된 소망하는 방식으로 하부 돔(114)에 인접하게 그리고 하부 돔 아래에 배치될 수 있으며, 이에 의해 기판(108)의 상부 표면 상으로의 재료의 증착을 용이하게 한다. 다양한 실시예들에서, 기판(108) 상에 증착되는 재료는, 3족(group III), 4족(group IV) 및/또는 5족(group V) 재료일 수 있거나, 3족(group III), 4족(group IV) 및/또는 5족(group V) 도펀트를 포함하는 재료일 수 있다. 예컨대, 증착되는 재료는, 갈륨 비소(gallium arsenide), 질화 갈륨(gallium nitride) 또는 알루미늄 질화 갈륨(aluminum gallium nitride)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 기판(108) 상에 증착되는 재료는 금속 또는 유전체(dielectric)들을 포함할 수 있다.
[0021] 서큘러 쉴드(circular shield)(167)가 선택적으로 기판 서포트(106) 둘레에 배치되고 챔버 본체(101)의 측벽에 커플링될 수 있다. 쉴드(167)는 프로세스 가스들을 위한 예열 존(pre-heat zone)을 제공하는 것 이외에 램프(102)로부터 기판(108)의 디바이스 측(116)으로의 열(heat)/광(light) 노이즈(noise)의 누출을 방지하거나 최소화한다. 쉴드(167)는, CVD Sic, SiC가 코팅된 소결된 흑연, 성장된 SiC, 불투명 석영, 코팅된 석영 또는 프로세스 및 퍼징 가스들에 의한 화학적 손상(chemical breakdown)에 대한 내성이 있는 임의의 유사한 적절한 재료로 만들어질 수 있다.
[0022] 반사체(reflector)(122)가 선택적으로 상부 돔(128) 외부측에 배열되어 기판(108)에서 나오는 광을 기판(108) 상으로 역으로 반사시킬 수 있다. 반사체(122)는 클램프 링(130)을 사용하여 상부 돔(128)에 고정될 수 있다. 반사된 광으로 인해, 가열 효율은 열을 포함함으로써 개선될 것이며, 이 열을 포함하지 않는다면 열은 프로세스 챔버(100)를 나갈 수 있다. 반사체(122)는 알루미늄 또는 스테인리스강과 같은 금속제일 수 있다. 반사체(122)는 반사체(122)를 냉각하는 냉각수와 같은 유체의 흐름을 운반하기 위해서 기계가공된 채널(도시 생략)들을 가질 수 있다.
[0023] 프로세스 가스 공급원(process gas supply source)(172)으로부터 공급된 프로세스 가스는, 베이스 링(136)의 측벽에 형성된 프로세스 가스 입구부(174)를 통해 프로세스 가스 구역(156) 내로 도입된다. 프로세스 가스 입구부(174)는 일반적으로 반경 방향 내측 방향으로 프로세스 가스를 지향하도록 구성된다. 성막 프로세스(film formation process) 중, 기판 서포트(106)는 프로세싱 위치에 위치되며, 이 위치는 프로세스 가스 입구부(174)와 인접하며 대략 동일한 높이(elevation)에 있으며 프로세스 가스가 위로 흘러(flow up) 기판(108)의 상부 표면을 가로질러 유동 경로(173)를 따라 도는 것(round along)을 허용한다. 프로세스 가스는 프로세스 가스 입구부(174)와 같이 프로세스 챔버(100)의 대향측 상에 위치된 가스 출구부(178)를 통해 (유동 경로(175)를 따라) 프로세스 가스 구역(156)을 나간다. 가스 출구부(178)를 통한 프로세스 가스의 제거는, 출구부에 커플링되는 진공 펌프(180)에 의해 용이해질 수 있다. 프로세스 가스 입구부(174) 및 가스 출구부(178)가 서로 정렬되고, 대략 동일한 높이에 배치됨에 따라, 이러한 평행한 배열은, 더 평탄한 상부 돔(128)과 결합할 때, 기판(108)을 가로질러 일반적으로 평면이며 균일한 가스 유동을 허용할 것이다.
[0024] 퍼지 가스 공급원(162)으로부터 공급된 퍼지 가스는, 베이스 링(136)의 측벽에 형성된 퍼지 가스 입구부(164)를 통해 퍼지 가스 구역(158)에 도입된다. 퍼지 가스 입구부(164)가 프로세스 가스 입구부(174) 아래 높이에 배치된다. 서큘러 쉴드(167)가 사용된다면, 서큘러 쉴드(167)는 프로세스 가스 입구부(174)와 퍼지 가스 입구부(164) 사이에 배치될 수 있다. 어떠한 경우에도, 퍼지 가스 입구부(164)는 퍼지 가스를 일반적으로 반경 방향 내측 방향으로 지향시키도록 구성된다. 성막 프로세스 중, 기판 서포트(106)는, 프로세스 가스가 아래로 흘러(flows down) 기판 서포트(106)의 이면측(104)을 가로질러 유동 경로(165)를 따라 도는 그러한 위치에 위치된다. 퍼지 가스의 유동은, 프로세스 가스의 유동이 퍼지 가스 구역(158)으로 진입하는 것을 방지하거나 실질적으로 회피하거나, 또는 퍼지 가스 구역(158)(즉, 기판 서포트(106) 아래에 있는 구역)에 진입하는 프로세스 가스의 확산(diffusion)을 감소시키도록 의도된다. 퍼지 가스는 (유동 경로(166)를 따라) 퍼지 가스 구역(158)을 나가며, 퍼지 가스 입구부(164)와 같이 프로세스 챔버(100)의 대향측 상에 위치된 가스 출구부(178)를 통해 프로세스 챔버 밖으로 배기된다.
[0025] 프로세싱 챔버(100)에는 방사선원(186)이 제공되며, 이 방사선원은, 도 3에 대해서 하기에 논의되는 것과 같이, 기판의 표면 상에서 재료 층의 증착을 위해 프로세싱 챔버 내로 도입되는 유체 기체 또는 액체 전구체를 광해리(photo-dissociate)시키도록 선택된 파장 및 파워를 갖는 광 또는 전자기 방사선을 방사한다. 방사선원(186)은 임의의 적절한 곳에서 프로세싱 챔버(100) 내에 위치 설정될 수 있다. 예컨대, 방사선원(186)은 상부 돔(128) 외부측, 이를테면 상부 돔(128)과 반사체(122) 사이에 배치될 수 있다. 방사선원(186)은 레이저 소스, 휘도(bright) 발광 다이오드(light emitting diode; LED), 열원(thermal source), 또는 이들의 조합일 수 있으며, 이들 중 일부는 펄스식 모드(pulsed mode) 또는 연속파(continuous wave) 모드에 전달될 수 있다. 전자 빔 소스(electron beam source), 이온 빔 소스(ion beam source) 또는 마이크로웨이브 에너지 소스(microwave energy source)와 같은 다른 유형의 방사선원들이 또한 예측된다.
[0026] 일 실시예에서, 방사선원(186)은 레이저 소스를 사용한다. 방사선원(186)은 복수 개의 레이저들을 포함할 수 있다. 레이저 소스는 광섬유 레이저(fiber laser), 가스 레이저, 고상 레이저(solid state laser), 엑시머 레이저(excimer laser), 반도체 레이저 등을 포함할 수 있으며, 이는 단일 파장 또는 2 또는 그 초과의 상이한 파장들로 동시에 발광하도록 어레이로 구성가능할 수 있다. 펄스식 레이저들이 사용될 수 있다. 대안으로, 방사선원(186)은 연속파(continuous wave; CW) 레이저 빔 또는 유사(quasi) CW 레이저 빔을 고출력으로(high power) 출력하도록 구성될 수 있다. 레이저 에너지는 본질적으로 유니모달(unimodal) 에너지(
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)로부터 수백 또는 수천 공간 모드들을 갖는 고차원 모달 에너지(M2 > 30)까지의 범위일 수 있다. 펄스식 레이저들은 펨토초(femtosecond) 범위로부터 마이크로초(microsecond) 범위까지 펄스 지속기간들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 약 500 내지 약 1000 사이의 M2를 갖는 펄스당 약 5 nsec로부터 약 30 nsec 까지의 범위들에서 30 MW 내지 50 MW 사이에서 532 nm 레이저 에너지를 방사하는 4 개의 q-스위치식, 이중 주파수식(frequency-doubled) Nd:YAG 레이저가 사용될 수 있다.
[0027] 다른 실시예에서, 방사선원(186)은 약 10 nm 내지 약 500 nm 사이, 예컨대, 약 190 nm 내지 365 nm 사이, 이를테면, 193 nm, 예컨대, 248 nm, 예컨대 266 nm, 예컨대 355 nm, 예컨대 365 nm, 또는 예컨대 420 nm 파장들의 자외선(ultraviolet; UV) 범위에서 광 또는 전자기 방사를 방사한다. 일 예에서, 방사선원(186)은 타겟 표면(예컨대, 광 스캐닝 유닛(188), 이하에 논의됨) 상에서 코히어런스와 관련된 스페클(coherence-related speckle) 감소를 돕기 위해서 발생된 조명(illumination)의 빔을 가로질러 공간적으로 변화하는 다중 모드 출력들을 발생시키는 UV 광섬유 레이저들의 다발을 사용할 수 있다.
[0028] 다양한 예시들에서, 광 또는 전자기 방사는 적어도 1 밀리와트(milliWatt; mW), 이를테면 약 10 mW 내지 약 100 킬로와트(kiloWatts; kW), 예컨대, 약 10 kW 내지 약 80 kW의 파워 레벨로 전달될 수 있다. 광 또는 전자기 방사는, 약 0.1 J/㎠ 내지 약 1.0 J/㎠ 사이, 예컨대 약 0.2 J/㎠ 내지 약 0.5 J/㎠ 사이의 에너지 밀도로 전달될 수 있다. 광 또는 전자기 방사는 약 50 마이크로초(μsec)로부터 약 1 초까지의 짧은 지속기간 동안 전달될 수 있다. 레이저들은 소망하는 전력 레벨들을 개설하도록 증폭(amplified)될 수 있다. 그러나, 에너지 밀도는 광 경로를 따라 배치된 광학 구성요소에 증착되는 광학 구성요소 및/또는 광학 코팅의 파괴 임계치(threshold)를 초과하지 않도록 선택되어야 한다. 전자기 방사에서 적용된 에너지장(energy field)은, 평균 세기(average intensity)의 단지(no more than) 약 4% 이하(no more than), 이를테면 약 3.5% 미만(less than), 예컨대 약 3.0% 미만인 세기의 공간 표준 편차를 가져야 한다. 어떠한 경우라도, 광 또는 전자기 방사는 해리된 전구체들의 광파편들이 임의로 부여된 압력과 재결합하는 것을 방지하면서 기판 표면에서 또는 기판 표면 근처에서 전구체 유체들을 광분해로(photolytically) 해리(dissociate)하기에 충분한(sufficiently enough) 전력 레벨 및 펄스 반복으로 전달된다. Nd:YAG, Nd:유리(glass), 티타늄-사파이어(titanium-sapphire) 또는 다른 희토류 도핑된 크리스탈 레이저(rare earth doped crystal laser)들과 같은 고상 레이저들이 사용될 수 있음이 예측된다. 이러한 경우에 있어서, 레이저들은 프로세스 체계(scheme)들에 따라서, 예컨대 q-스위칭(패시브 또는 액티브), 게인(gain) 스위칭 또는 모드 로킹에 의해 스위치될 수 있다.
[0029] 프로세싱 챔버(100)에는 상부 돔(128) 외부측에 위치 설정될 수 있는, 광 스캔 유닛(188)이 제공된다. 방사선원(186)은, 소망하는 이미지 형상으로, 이를테면 길이 방향 또는 횡 방향으로(x 또는 y 방향) 기판의 주요 부분을 커버하기에 충분한 정사각형 또는 직사각형 형상, 또는 광 스캐닝 유닛(188)에 의해 편향될 때, 전체 기판을 커버하는데 충분한 소망하는 형상을 갖는 이미지로 광 스캐닝 유닛(188) 상에 광 또는 전자기 방사의 실질적으로 코히어런트 또는 인코히어런트 빔을 투사한다. 광섬유 레이저들이 방사선원으로서 사용되는 일 실시예에서, 광섬유 레이저들은 선형 배향을 갖는 헤드 내로 모여질 수 있으며, 광섬유 레이저들로부터의 광은, 광 스캐닝 유닛(188) 상으로 균일한 이미지로 광을 균질화하기 위해서 당분야에 공지된 마이크로 렌즈 어레이(micro-lens array) 및/또는 집속 광학계(focusing optics)와 같은 광학 구성요소들을 통해 통과될 수 있다. 이미지는, 예컨대, 약 1 - 5 mm 폭 및 약 320 mm 길이일 수 있으며, 이는 예컨대, 광 스캐닝 유닛(188)의 크기에 따라 변할 수 있다. 이후, 광 스캐닝 유닛(188)은 기판(108)의 디바이스 측(116)을 향해 이미지를 편향시킨다.
[0030] 광 스캐닝 유닛(188)은 모터에 의해 구동되는 회전 다면경(rotary polygon mirror)일 수 있다(도시 생략). 회전 다면경은, 소망하는 속도, 이를테면 약 100 rpm 내지 10,000 rpm 사이의 속도로 회전할 수 있는 복수 개의 반사 패싯(reflecting facet)들을 가져, 표면에서 또는 표면 근처에서 기판(108)을 가로질러 라인 빔을 스캔한다. 해리된 전구체들의 광파편들이 완화시간(relaxation time)의 지속기간 내에서 임의의 특별한 위치의 실제적인 조명을 얻기 위해서, 회전 속도는 전구체들 상에 빠르고 신규한 방사를 가능케 하기에 충분할 정도로 빨라야 한다. 이에 따라, 해리된 전구체들의 재조합이 회피된다. 다면경의 각각의 패싯은, 일반적으로 다른 패싯에 대해서 경사지며, 평탄하거나 곡선 표면을 가질 수 있다. 일 예에서, 광 스캐닝 유닛(188)은 대략 10 내지 50 개의 평탄한 반사 패싯들을 갖는 긴 원통형 회전 다면경이다. 육각형 미러가 예시되지만, 다소의(more or less) 측면들을 갖는 다면경이 또한 예측된다. 광 스캐닝 유닛(188)은 약 250 mm 내지 약 450 mm의 길이, 예컨대 약 320 mm의 길이를 가질 수 있는데, 이는 기판의 크기에 따라 변할 수 있다.
[0031] 소정의 실시예들에서, 기판 서포트 상에 배치된 기판 일부 또는 전체 기판을 커버하기에 충분한 소망하는 형상으로 전자기 에너지를 성형하고 라인 빔을 외부로 투영하도록 구성되는, 하나 또는 그 초과의 광학 구성요소(190)들, 이를테면 렌즈들(예컨대, 빔 확장기(beam expander)/초점조절장치(focuser) 또는 원통형 오목 렌즈(concave cylindrical lens)), 필터들, 미러들 등이 광 스캐닝 유닛(188)과 기판(108) 사이에서 광학 경로를 따라 선택적으로 위치설정될 수 있어 조명 커버리지(illumination coverage)를 증가 또는 향상시키거나 라인 빔의 방향을 조절한다. 선택적인 광학 구성요소(190)는 명확함을 위해서 도 1b로부터 제거되고 있다.
[0032] 작동시, 다면경의 회전은, 방사선원(186)으로부터 광 또는 전자기 방사의 콜리메이트 빔(collimated beam)이 미러의 파셋 중 하나에 의해 편향되는 것을 유발하며, 이에 의해 이미지가 기판의 길이 또는 횡단 방향으로 기판 표면을 커버하기에 충분한 조명의 소망하는 형상으로 기판(108)의 일측으로부터 타측으로 기판을 가로질러 스캔하는 것을 유발한다. 다면경이 추가로 회전됨에 따라, 빔 라인은 상이한 반사 파셋 상에 입사(incident)하게 될 것이며, 전체 기판 또는 기판의 소망하는 구역이 조명될 때까지 새로운 스캔이 기판의 길이방향 또는 횡방향을 따라 시작된다. 이렇게 하여, 프로세싱 챔버 내의 가스 전구체, 특히 기판(108)의 표면에서 또는 표면 근처에서의 전구체는, 가스 전구체의 구성요소의 효과적인 광분해(photodecomposition 또는 photolysis)를 위해 선택된 파장 및 전력 레벨로 입사 빔 라인으로부터 광자 에너지를 흡수할 수 있으며, 이에 의해 기판의 표면 상에 재료 층을 증착한다.
[0033] 도 2는 본 발명을 실시하기 위해 사용될 수 있는 방사선원(radiation source)의 대체적 실시예의 평면도를 예시한다. 이 실시예에서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 광 스캐닝 유닛(188)은 필수는 아니다. 방사선원(204)이 열적 프로세싱 장치(200) 내에 위치 설정되며, 전원(202)에 커플링된다. 방사선원(204)은 에너지 발생장치(energy generator)(206), 이를테면 광원 및 광학 구성요소(208)를 포함한다. 에너지 발생장치(206)는 전자기 에너지를 발생시키고 전자기 에너지를 광학 구성요소(208) 내로 지향시키도록 구성된다. 광학 구성요소(208)는, 열적 프로세싱 챔버(230) 내에 위치 설정되는, 기판 서포트(211) 상에 배치되는 전체 기판(210)을 커버하기에 충분한 정사각형 또는 직사각형과 같은 소망하는 형상으로 전자기 에너지를 성형하고 빔(213)을 외부로 투영하도록 구성되는, 렌즈들, 필터들, 미러들 등을 포함할 수 있다. 열적 프로세싱 챔버(230)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 열적 프로세싱 챔버(100) 또는 기판 프로세싱에 적합한 임의의 증착 챔버일 수 있다. 열적 프로세싱 장치(200)가 열적 프로세싱 챔버(230) 상부에 도시되어 있지만, 열적 프로세싱 장치(200)는 기판(210)의 조명을 실행하도록 임의의 소망하는 장소에 위치 설정될 수 있음이 예측된다. 예컨대, 열적 프로세싱 장치(200)는 열적 프로세싱 챔버(230)의 측벽에 인접하게 위치 설정될 수 있다. 렌즈들 또는 미러들과 같은 적절한 광학계가 기판(210)을 향해서 이미지를 라우트(route)하고 투영하는 것을 돕도록 사용될 수 있다.
[0034] 에너지 발생 장치(206)가 펄스식 모드 또는 연속파 모드로 전자기 에너지를 전달할 수 있다. 일 실시예에서, 에너지 발생 장치(206)는 펄스식 레이저 소스를 포함하며, 이는 단일 파장 또는 2 또는 그 초과의 파장들로 동시에 광을 방사하도록 구성될 수 있다. 에너지 발생 장치(206)는, 하나 또는 그 초과의 내부 주파수 변환기(internal frequency converter)들을 갖는 Nd:YAG 레이저일 수 있다. 그러나, 다른 유형의 레이저가 예측될 수 있고 활용될 수 있다. 에너지 발생 장치(206)는, 3 또는 그 초과의 파장들을 동시에 방사하고, 또는 추가로 파장 조절가능한(wavelength-tunable) 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 유용한 파장은, 약 10 nm 내지 약 500 nm 사이, 예컨대, 약 190 nm 내지 420 nm 사이, 이를테면, 193 nm, 예컨대, 248 nm, 예컨대 266 nm, 예컨대 355 nm, 예컨대 365 nm 파장을 포함할 수 있다. 일 예에서, 에너지 발생 장치(206)에 사용되는 레이저 헤드는, 예컨대, 0.01 마이크로초(μsec)로부터 약 100 나노초(nsec)로, 예컨대 약 10 나노초 범위의 펄스 지속기간으로 355 nm인 짧은 집중 펄스 광을 방사하는 q스위치식 Nd:YAG 레이저이다. 일 예에서, 레이저 헤드는 30 나노초 펄스 지속기간으로 10 kHz 레이저 펄스들을 발광한다.
[0035] 펄스식 레이저 출력을 전달하기 위해서, 열적 프로세싱 장치(200)는 스위치(212)를 포함할 수 있다. 스위치(212)는 1μsec 또는 미만으로 개방 또는 폐쇄될 수 있는 빠른 셔터일 수 있다. 대안으로, 스위치(212)는 광학 스위치, 이를테면 임계 세기의 광이 스위치에 충돌(impinge)할 때 분명히 1 μsec 미만, 이를테면 1 나노초 미만이 되는 불투명(opaque) 크리스탈일 수 있다. 스위치(212)는 기판(210)을 향해서 지향된 전자기 에너지의 연속 빔을 중단시킴으로써 펄스들을 발생시킨다. 스위치(212)는 제어기(214)에 의해 작동되며, 에너지 발생 장치(206) 내부측 또는 외부측에 위치될 수 있다. 제어기(214)는, 일반적으로 본원에 설명된 프로세싱 기술들의 제어 및 자동화를 용이하게 하도록 설계되며, 통상적으로 중앙 처리 유닛, 메모리 및 서포트 회로들을 포함할 수 있다. 제어기(214)에 의해 판독가능한 프로그램(또는 컴퓨터 명령들)은 기판 상에서 실행가능한 작업(task)들을 판정한다. 예컨대, 본원에 설명된 방법들을 실행하기 위해서 제어기(214) 상에서 프로그램이 저장될 수 있다.
[0036] 대안의 실시예에서, 에너지 발생 장치(206)가 전기 수단에 의해 스위치될 수 있다. 예컨대, 제어기(214)는 필요에 따라 전원(202)을 온(on) 및 오프(off)로 스위치하도록 구성될 수 있다. 대안으로, 커패시터(capacitor)(216)가 전원(202)에 의해 충전되고(charged), 제어기(214)에 의해 에너지공급된(enengized) 회로에 의해서 에너지 발생장치(206) 내로 방전되도록(discharged) 커패시터(216)가 제공될 수 있다. 스위치(212)가 전기 스위치인 실시예들에서, 전기 스위치는 약 1 나노초 미만으로 파워를 온 및 오프로 스위치하도록 구성될 수 있다.
[0037] 방사선원(204)은, 일반적으로 기판의 표면 상에서 재료 층의 증착을 위해 도 3에 대해서 하기에 논의되는 바와 같은 방식으로 기판(210)의 표면에 또는 기판 표면 근처에서 유체 전구체를 광분해로 해리(photolytically dissociated)시키도록 전자기 에너지를 전달하도록 구성된다. 전자기 에너지의 전형적인 소스들은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 광학 방사선원(예컨대, 레이저 또는 플래시(flash) 램프들), 전자 빔 소스, 이온 빔 소스 및/또는 마이크로파 에너지 소스를 포함한다. 레이저를 활용할 때, 방사선원(204)은 약 10 nm 내지 약 420 nm 사이, 이를테면, 약 190 nm 내지 365 nm 사이, 예컨대, 355 nm의 자외선(ultraviolet; UV) 파장들에서 전자기 방사를 전달하도록 구성될 수 있다. 에너지 소스(204)의 파장(들)은, 방사된 전자기 방사의 상당 부분이 열적 프로세싱 챔버(230) 내에서 전구체 유체들에 의해 흡수되도록 조정(tuned)될 수 있다. 이 실시예의 다양한 예들에서, 전자기 방사는, 약 0.01 마이크로초(μsec)와 약 100 나노초(nsec) 사이, 이를테면 약 5 마이크로초(μsec)와 100 밀리초(msec), 예컨대 약 10 마이크로초(μsec)와 약 3 밀리초(msec) 사이 지속기간의 짧은 펄스들에서 약 0.2 J/㎠와 약 1.0 J/㎠ 사이 평균 세기로 전달될 수 있다. 에너지 펄스의 반복률(repetition rate)은, 약 1 kHz와 약 1 MHz 사이, 이를테면 약 10 kHz와 약 200 kHz 사이, 예컨대 약 30 kHz 내지 약 60 kHz일 수 있다. 어떠한 경우라도, 전자기 방사의 반복률, 전력 레벨 및 노출은, 해리된 전구체들의 광파편들이 재결합하는 것을 방지하면서 기판 표면에서 또는 기판 표면 근처에서 전구체 유체들을 광분해로 해리할 수 있어야 한다.
예시적 프로세스
[0038] 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 표면 상에서 게르마늄의 에피택셜 성장(epitaxial growth)을 위한 예시적 방법의 흐름도(300)이다. 본 발명은, 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 프로세스, 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 프로세스, 또는 원자층 에피택시(atomic layer epitaxy; ALE) 프로세스와 같은 상이한 증착 프로세스에 의해 다른 유형들의 재료 또는 화합물에 동등하게 적용가능할 수 있음이 예측된다. 본원에 설명된 흐름도(300)는 도 1a, 도 1b 및 도 2에 대해 상기 논의된 다양한 실시예들과 함께 실행될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 작동들이 본 발명의 기본 범주로부터 벗어나지 않으면서 부가, 삭제 및/또는 재정렬될 수 있기 때문에, 도 3에 예시된 작동들의 회수(number) 및 순서(sequence)는 본원에 설명된 본 발명의 범주에 대한 제한으로 의도되지 않음에 주목해야 한다.
[0039] 일반적으로, 본원에 사용된 바와 같이 용어 "기판"은, 일부 고유의 전기 전도 능력을 갖는 임의의 재료 또는 전기를 전도하는 능력을 제공하도록 변경될 수 있는 재료로부터 형성될 수 있는 객체들을 지칭한다. 전형적인 기판 재료들은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 반도체들, 예를 들면 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge) 그리고 그 혼합물뿐만 아니라 반도체의(semiconducting) 특성들을 나타내는 다른 화합물들을 포함한다. 이러한 반도체 화합물들은 일반적으로 III-V 족 및 II-VI 족 화합물들을 포함한다. 대표적인 III-V족 반도체 화합물들은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 갈륨, 알루미늄 및 인듐 및 그 혼합물들의 비소화물(arsenides), 인화물(phosphides)(GaP) 및 질화물(nitrides)을 포함한다. 일반적으로, 용어"반도체 기판들"은 벌크 반도체 기판들뿐만 아니라 그 위에 형성된 층들을 갖는 기판들을 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이 "기판 표면"은, 그 위에서 재료 또는 에너지 프로세스가 실행될 수 있는 임의의 기판 표면을 지칭한다. 기판 표면은, 트랜지스터 접합부(transistor junction)들, 비아(via), 접점(contact), 라인(line) 또는 임의의 다른 상호 연결 패싯(interconnect facet), 예컨대, 수직 또는 수평 상호연결부와 같은 피처들을 포함할 수 있음이 예측된다.
[0040] 흐름도(300)는 프로세싱 챔버, 예컨대 도 1a 및 도 1b의 프로세싱 챔버(100) 또는 도 2의 프로세싱 챔버(230) 내에 배치된 기판 서포트 상에 기판을 제공함으로써 작동(302)을 시작한다.
[0041] 작동(304)에서, 유체 전구체가 프로세싱 챔버 내로 도입된다. 유체 전구체는 기체 전구체 또는 액체 전구체일 수 있다. 기체 또는 액체 전구체의 사용은 화학적 조성물들의 취급, 신속한 반응, 맞춤화(tailoring)에 대해 이들 조성물들이 상대적으로 용이하다는 관점에서 고체(solid) 전구체에 비해 이점들을 가질 수 있으며, 대량으로 적용될 수 있다. 어떠한 경우에도, 아르곤, 헬륨, 수소 또는 질소 등과 같은 적절한 캐리어 가스가 기체 또는 액체 전구체와 함께 선택적으로 유동될 수 있다. 기체 전구체가 사용되는 경우들에 있어서, 기체 전구체는 층상(laminar) 방식으로 기재의 표면을 가로질러 반경 방향으로 유동될 수 있는데, 예컨대 도 1a에 대해서 상기 논의된 바와 같이, 기판(108)의 상부 표면을 가로질러 유동 경로(173)를 따라 프로세스 가스 입구부(174)로부터 유동할 수 있다. 유체 전구체는 기판의 표면이 유체 전구체에 잠기는(immersed) 한 임의의 적절한 방식으로 도입될 수 있음이 예측된다.
[0042] 이 실시예에서, 게르마늄을 함유하는 전구체가 기판의 표면 상에서 게르마늄 재료를 에피택셜 방식으로 성장하도록 프로세싱 챔버 내로 도입된다. 게르마늄을 함유하는 전구체는 게르만(germane)(GeH4), 디게르만(digermane)(Ge2H6) 또는 더 높은 차수(higher order)의 게르만들 또는 게르만 올리고머(oligomer)들과 같은 화합물일 수 있으며, 이들에는 게르마늄 전구체 혼합물에서 캐리어 가스 또는 희석 가스가 제공될 수 있다. 캐리어 가스 또는 희석 가스는, 전형적으로 아르곤, 헬륨, 질소, 수소 또는 그의 조합과 같은 불활성 가스이다. 게르마늄을 함유하는 전구체는, 게르마늄 전구체 혼합물에서 임의의 조성으로 제공될 수 있으며, 전형적으로 프로세싱 챔버를 통해 소망하는 가스 유량(flow rate)을 제공하도록 비율(ratio)이 선택된다. 300 mm 기판을 위해서, 게르마늄 전구체 혼합물의 유량은, 약 0.1 내지 2.0 sLm 사이일 수 있으며, 그중 게르마늄을 함유하는 전구체는 체적(volume)%로, 20 % 내지 90 %, 예컨대 70 %이다.
[0043] 선택적으로, 선택성 제어 시약, 이를 테면 HCl, HF, 또는 HBr이 증착 중 프로세싱 챔버에 제공될 수 있다. 선택성 제어 시약은, 기판 표면, 예컨대 유전체 재료(dielectric material), 이를테면 산화물 또는 질화물들이 커버된 피처들을 갖는 단결정질(single crystalline) 실리콘 표면 상에서의 선택적인 성막(film deposition)을 촉진시킨다. 선택도 제어 시약은, 전형적으로, 체적 유량(volumetric flow rate)으로 제공되며, 게르마늄을 함유하는 전구체의 체적 유량에 대한 선택도 향상 시약(selectivity enhancing reagent)의 체적 유량의 비율은, 약 0.0과 0.5 사이이며, 이를테면 약 0.02 내지 약 0.06 사이, 예컨대, 약 0.04이다. 선택도 제어 시약은 임의의 미성숙(premature) 또는 부반응(side reaction)들을 방지하기 위해서 게르마늄을 함유하는 전구체와 상이한 경로를 통해 프로세싱 챔버에 제공될 수 있다. 선택도 제어 시약에는 또한 희석 또는 캐리어 가스가 제공될 수 있다.
[0044] 원한다면, 도펀트 전구체에는 또한 기판 표면 상에 형성된 막에 소망하는 도펀트 농도(concentration)를 제공하기 위해 선택된 량으로 게르마늄을 함유하는 전구체가 포함될 수 있다. 보란(borane), 포스핀(phosphine), 또는 아르신(arsine), 및/또는 이합체(dimer)들, 올리고머(oligomer)들과 같은 도펀트들 및 유도체들, 이를테면 할로겐화물(halides)이 제공될 수 있다.
[0045] 작동(306)시, 방사선원으로부터 방사된 빔 에너지는, 도 1a 및 도 1b에 대해 상기 논의된 바와 같이, 빔 에너지가 길이 방향 또는 횡 방향으로(x 또는 y 방향으로) 기판의 주요 부분을 커버하기에 충분한 조명의 소망하는 형상으로, 증착이 요망되는 표면에서 또는 표면 근처에서 기판을 가로질러 스캔되도록, 광 스캔 유닛으로 지향된다. 대안으로, 빔 에너지는, 도 2에 대해 상기 논의된 바와 같이, 기판 서포트 상에 배치되는 전체 기판을 커버하기에 충분한 정사각형 또는 직사각형과 같은 소망하는 형상을 갖는 라인 빔으로 밖으로 투사될 수 있다. 어떤 경우에도, 빔 에너지는 게르마늄 전구체 혼합물의 효과적인 광분해(photodecomposition 또는 photolysis)를 위해서 상기 논의된 광 특성들과 같은 광 특성들을 제공하도록 선택될 수 있다.
[0046] 일 실시예에서, 에너지 소스는 UV 파장 범위, 이를테면 190 nm 내지 420 nm 사이, 예컨대 355 nm에서 광섬유 레이저들을 방사하는 레이저 광 다발(bundle)이다. 빔 에너지는, 적어도 0.1 밀리와트(milliWatt; mW), 이를테면 약 10 mW 내지 약 100 킬로와트(kiloWatts; kW), 예컨대, 약 20 W 내지 약 80 W의 파워 레벨로 전달될 수 있다. 일 예에서, 파워 레벨은, 약 0.1 J/㎠ 내지 약 1.0 J/㎠ 사이, 예컨대 약 0.2 J/㎠ 내지 약 0.5 J/㎠ 사이의 에너지 밀도로 그리고 약 0.01 마이크로초(μsec) 내지 약 1 초의 짧은 지속 기간으로 전달된다. 펄스식 레이저 에너지가 적용되는 다른 이 실시예에서, 빔 에너지는, 약 0.01 마이크로초(μsec)와 약 100 나노초(nsec) 사이, 이를테면 약 5 마이크로초(μsec)와 약 100 밀리초(msec), 예컨대 약 10 마이크로초(μsec)와 약 3 밀리초(msec) 사이 지속기간의 짧은 펄스들에서 약 0.2 J/㎠와 약 1.0 J/㎠ 사이의 에너지 밀도(energy density)로 전달되는 Nd:YAG 레이저일 수 있다. 에너지 펄스의 반복률(repetition rate)은, 약 1 kHz와 약 1 MHz 사이, 이를테면 약 10 kHz와 약 200 kHz 사이, 예컨대 약 50 kHz 내지 약 100 kHz일 수 있다. 대안으로, 본원에 설명된 바와 동일한 Nd:YAG 레이저 또는 UV 광섬유 레이저는, 해리될 전구체 가스에 따라 약 20W 내지 약 80W, 예컨대 50 W의 파워 레벨로 연속 모드로 전달될 수 있다.
[0047] 작동(308)시, 광여기식(photo-excited) 증착은, 선택된 파장들을 갖는 빔 에너지(광 스캐닝 유닛에 의해 편향됨)를 사용하여 게르마늄을 함유하는 전구체에서 하나 이상의 성분의 광분해 해리에 의해 개시된다. 게르마늄 재료가 기판 상에서 성장하고 있는 경우들에 있어서, 게르마늄 재료 중 하나는 게르마늄을 함유하는 전구체로서 게르만(GeH4)을 사용할 수 있다. GeH4의 광분해 중 발생되는 초기 광파편들은, 다음과 같은 2 개의 주요한 해리 메카니즘들로 인해서, GeH2, Ge, 및 H2를 포함할 수 있다:
[0048] GeH4 → GeH2 + H2 ------ (1)
[0049] GeH2 → Ge + 2H2 ------ (2)
[0050] 반응(1) 및 반응(2)의 결합 해리 에너지는, 제각기 약 52 kcal/mol(2.25 eV에 해당함) 및 약 35 kcal/mol(1.52 eV에 해당함)인 것으로 판정되고 있다. 이에 따라, 355 nm의 파장에서 3.5 eV의 광자(photon) 에너지들 또는 365 nm의 파장과 같은 더 낮은 광자 에너지(3.4 eV)들이 유리할 수 있는데, 이는 왜냐하면 이들의 에너지는 게르마늄을 함유하는 전구체에서 Ge-H 결합(bond)을 파괴하기에 충분하기 때문이다. 일 예에서, GeH4의 광 분해 해리는, 190 nm 내지 365 nm 사이의 UV 파장 범위에서 펄스식 또는 CW 레이저 광에 의해 여기될 수 있다. 다른 예에서, 355 nm의 파장으로 CW 또는 펄스식 레이저 광을 발광하는 광섬유 레이저 또는 번들형 광섬유 레이저가 사용될 수 있다. 빔 에너지의 파장은 전구체 매체에서 해리될 결합들에 따라 변할 수 있다. GeH4의 광분해 해리는, Ge 소스의 높은 분압으로 그리고 약 400°C 미만, 예컨대 약 200°C 미만의 저온으로 실행될 수 있다.
[0051] 광분해 해리 프로세스가 현장(in-situ) 프로세스로서 본원에서 설명되어 있지만, 해리된 전구체들의 광파편들이 충분히 긴 수명을 가지며 증착이 실행되는 증착 챔버 내로 도입되기 이전에 아주 빠르게 재결합되지 않는 한, 전구체들의 광분해 해리가 증착 챔버로부터 원격으로 실행될 수 있음이 예측된다.
[0052] UV 광섬유 레이저를 사용하여 기판의 표면에서 또는 기판의 표면 근처에서 게르마늄을 함유하는 전구체를 조사하는 것(irradiating)은 결정질 게르마늄의 단분자층(monolayer)이 높은 증착률(deposition rate)로 기판의 표면 상에서 에피택셜 방식으로(호모 에피택셜 방식으로(homoepitaxially) 또는 헤테로 에피택셜 방식으로(heteroepitaxially)) 성장되는 것을 허용한다. 증착이 UV 광섬유 레이저들을 사용하여 실질적으로 광분해, 비 열적 해리 프로세스(photolytic, non-thermal dissociation process)를 통해서 효과적으로 성취될 수 있기 때문에, 에피택시 프로세스를 실행하기 위해서 더 높은 프로세싱 온도(예컨대, 500°C 초과)를 필요로 하는 종래 기술의 에피택시 챔버 설계와는 대조적으로, 증착 프로세스들은 에피택셜 프로세스를 위해서 400°C 미만, 예컨대 200°C 미만의 낮은 온도 또는 심지어 실온으로 실행될 수 있다. 유체 전구체를 광 해리(photo-dissociate)하기 위해서 UV 광섬유 레이저를 사용함으로써, 기판의 열적 프로세싱을 향상시키기 위해서 현재의 에피택시 챔버에서 사용되는 반사체 및/또는 램프들을 제거할 수 있고, 낮은 프로세싱 온도의 실현으로 인하여, 여전히 효율적으로(economically) 실현가능한 막 성장률(film growth rate)을 제공하는 것이 가능할 수 있다.
[0053] 본 발명의 개념은, 다른 재료들 또는 실리콘, 유전체들, III-V 족 화합물 반도체들 또는 II-VI 족 화합물 반도체들(그의 이원(binary), 삼원(ternary), 그리고 사원(quaternary) 합금을 포함함) 또는 다른 반도체들(유기 반도체(organic semiconductor)들 그리고 자성 반도체(magnetic semiconductor)들을 포함함)과 같은 반도체 화합물들의 증착에 동일하게 적용가능할 수 있음이 예측된다. 빔 에너지의 파장, 파워 레벨, 노광 시간(exposure time) 또는 펄스 특성들은, 프로세스 전구체(들)에서의 구성요소를 광분해 해리하기 위해서 조절될 수 있다.
[0054] 전술한 내용이 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예 및 추가의 실시예가 본 발명의 기본 범주를 벗어나지 않고 창작될 수 있으며, 본 발명의 범주는 후속하는 청구항들에 의해 판정된다.

Claims (15)

  1. 기판 상에 층을 증착하는 방법으로서,
    프로세싱 챔버 내에 배치된 기판의 표면을 유체 전구체에 노출하는 단계;
    재료 층이 형성되는 기판의 표면에 걸쳐 전자기 방사가 편향 및 스캔되도록 방사선원으로부터 광 스캐닝 유닛까지 생성된 전자기 방사를 지향시키는 단계;
    기판의 표면 상에 재료 층을 증착하도록 유체 전구체의 광분해 해리를 위해 선택된 파장을 갖는 전자기 방사를 사용하여 증착 프로세스를 개시하는 단계를 포함하는,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사선원은 레이저 소스, 휘도(bright) 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 소스, 또는 열 소스를 포함하는,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저 소스는 약 10 nm 내지 약 420 nm 사이의 자외선(ultraviolet; UV) 파장 범위로 출력을 발생시키는 광섬유 레이저인,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 방사는 펄스식 레이저 빔, 연속파(continuous wave; CW) 레이저 빔 또는 유사(quasi) CW 레이저 빔인,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 방사는, 약 0.01 마이크로초(microsecond)(μsec) 내지 약 100 밀리초(millisecond)(msec)의 펄스 지속기간(duration)을 사용하여 펄스식 모드로 전달되며, 0.1 J/㎠ 및 약 1.0 J/㎠ 범위의 에너지 밀도를 갖는,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 스캐닝 유닛은 약 1 mm 내지 약 5 mm의 폭 및 약 320 mm의 길이의 균일한 라인 빔으로 기판의 표면을 향해서 전자기 방사를 편향(deflect)시키는,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 스캐닝 유닛은 복수 개의 반사 패싯(reflecting facet)들을 갖는 회전 다면경(rotary polygon mirror)인,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  8. 기판 상에 층을 증착하는 방법으로서,
    기판의 표면이 유체 전구체에 잠기도록(immersed) 층상(laminar) 방식으로 프로세싱 챔버 내에 배치되는 기판의 표면에 걸쳐 반경 방향으로 유체 전구체를 유동시키는 단계;
    재료 층이 형성되는 표면에서 또는 표면 근처에서 기판에 걸쳐 미리 정해진 조명 형상으로 전자기 방사가 편향 및 스캔되도록 방사선원으로부터 광 스캐닝 유닛까지 생성된 전자기 방사를 지향시키는 단계; 및
    기판의 표면 상에 재료 층을 증착하도록 유체 전구체의 광분해 해리를 위해 선택된 파장을 갖는 전자기 방사를 사용하여 증착 프로세스를 개시하는 단계를 포함하는,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 방사선원은 레이저 소스, 휘도(bright) 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 소스, 또는 열 소스를 포함하는,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자기 방사는 펄스식 레이저 빔, 연속파(continuous wave; CW) 레이저 빔 또는 유사(quasi) CW 레이저 빔인,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자기 방사는, 약 0.01 마이크로초(microsecond)(μsec) 내지 약 100 밀리초(millisecond)(msec)의 펄스 지속기간(duration)을 사용하여 펄스식 모드로 전달되며, 0.1 J/㎠ 및 약 1.0 J/㎠ 범위의 에너지 밀도를 갖는,
    기판 상에 층을 증착하는 방법.
  12. 기판 프로세싱 챔버로서,
    프로세싱 챔버 내에 기판을 지지하기 위한 기판 서포트;
    프로세싱 챔버 내로 유체 전구체를 제공하는 가스 공급장치; 및
    기판의 표면 상에 재료 층을 증착하도록 유체 전구체의 광분해 해리를 위해 선택된 파장 및 파워 레벨을 갖는 전자기 방사를, 기판의 표면에 또는 기판의 표면 근처에서 유체 전구체에 방사하는 방사선원을 포함하는,
    기판 프로세싱 챔버.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 방사선원은 레이저 소스, 휘도(bright) 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 소스, 또는 열 소스를 포함하는,
    기판 프로세싱 챔버.
  14. 제 12 항에 있어서,
    기판의 표면에 걸쳐 스캐닝하도록 방사선원으로부터 전자기 방사를 지향시키는 광 스캐닝 유닛을 더 포함하는,
    기판 프로세싱 챔버.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 방사선원과 기판 사이의 광학 경로를 따라 배치된 광학 구성요소를 더 포함하며, 상기 광학 구성요소는 기판의 일부 또는 기판의 전체 표면을 커버하기에 충분한 소망하는 형상으로 전자기 에너지를 성형하고 라인 빔을 외부로 투사하는,
    기판 프로세싱 챔버.
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