KR20170063336A

KR20170063336A - 성막 장치

Info

Publication number: KR20170063336A
Application number: KR1020160098561A
Authority: KR
Inventors: 유지 후루무라; 노리요시 시미즈; 신지 니시하라; 에리 하이카타
Original assignee: 가부시키가이샤 필테크
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2017-06-08
Also published as: CN106811732A; JP2017101271A; JP6529129B2; CN106811732B; KR101956911B1; US20170152599A1; DE102016222666A1; TWI601844B; US20180223431A1; TW201718926A

Abstract

베이스가 변형되어도 갈라짐이나 박리를 일으키지 않는 화합물막을 실온에서 성장시키는 것.
원료 가스를 순간 가열하고, 순간 가열하여 발생시킨 2종 이상의 생성 가스 분자종을 각각 따로따로 도입하고, 원료 가스의 순간 가열 기구의 가열 온도보다 낮은 온도의 베이스에 접촉시켜 제1 화합물막을 형성시킴과 아울러, 제1 화합물막이 포함하는 원소를 적어도 하나 포함하는 제2 화합물막을 형성하여, 적어도 제1 화합물막과 제2 화합물막으로 이루어지는 적층막을 생성한다.

Description

성막 장치{Film-forming apparatus}

본 발명은 성막 장치에 관한 것이다.

일반적으로 가스 분자의 화학 결합 에너지는 3eV 이상인 것이 많고, 가스를 고온 가열한 것만으로는 분자는 분해되지 않는다. 그러나, 고온으로 가열한 가스가 촉매 효과가 있는 원소를 포함하는 금속에 수직으로 충돌하면, 가스 분자는 구조를 바꾼다. 또한, 촉매 상에 화학 반응이 가능한 가스를 가열하여 충돌시키면, 원래 가스와는 다른 분자종 또는 형태의 가스를 생성할 수 있다(이후, 이를 촉매 충돌 반응이라고 부름).

예를 들어, 루테늄 촉매를 넣은 용기 내에서 메탄과 수증기를 순간적으로 가열한 가스를 루테늄 촉매 상에 충돌시키면 반응이 진행되어 수소(H₂)와 이산화탄소(CO₂), 일산화탄소(CO)가 생성된다. 이 반응이 촉매 충돌 반응의 일례이다.

또한, 예를 들어 물이 가열되면 수증기가 된다. 이는, 온도가 단순히 높아질 뿐만 아니라 분자가 중합된 다량체(물의 클러스터)로부터 단량체로 그 구조를 변화시키기 때문이라고 생각된다. 또한, 생성된 단량체 가스는 화학적인 성질이 변화하여 통상의 물과는 다른 활성인 화학적 성질을 가진다고 추측된다.

이 촉매 충돌 반응을 산업적으로 이용하기 위해서는, 가스를 순간적으로 가열하는 장치(가열 기구)와 가스를 촉매에 충돌시키는 저가, 소형의 장치가 필요하다.

그 요구를 만족시키는 가스의 순간 가열 장치가 특허문헌 1에 기재되어 있다. 이후, 이들 특허문헌에 기재된 가스의 순간 가열 장치를 여기서는 히트 빔 가열 장치라고 한다. 이 가열 원리는, 가스를 고속으로 고온의 벽에 충돌시켜 효율적으로 벽과 가스의 열교환을 행하게 하는 것이다.

이를 위해, 열교환기의 베이스 표면에 형성된 좁은 가스 유로에서 가스를 고속화하고 이를 유로 벽에 수직 충돌시킨다. 그 유로 벽은 전기적으로 가열되어 있고, 충돌에 의해 열교환이 행해진다.

특허문헌 1은, 복수 가스를 상기 히트 빔 가열 장치로 가열하고, 그 가열 온도보다 낮은 온도로 유지된 유리나 플라스틱 베이스 상에서, 통상적으로는 그 내열 온도 이상으로 베이스를 고온으로 하지 않으면 성장할 수 없다고 생각되는 재료를 성막시키는 성막 장치의 기본 발명을 개시하고 있다.

즉, 실온에서 성막이 가능해지면, 플라스틱의 필름 베이스 상에서도 알루미나 막이나 실리콘 산화막, 실리콘 질화막을 대표로 하는 세라믹막, 또는 질화티타늄이나 산화티타늄을 대표로 하는 내열성이 높은 금속 화합물의 막을 성막할 수 있다.

특허문헌 1: 일본특허 제5105620호 공보

원료 가스를 가열하여 생성한 가스 분자종을 실온의 베이스에 도입하여 성막하는 기술이 상기 특허문헌 1에 기재되어 있다. 여기서, 통상은 베이스의 내열 온도를 넘는 온도가 아니면 성막이 불가능하다고 생각되는 재료로서는, 알루미늄의 산화막이나 질화막, 티타늄의 산화막이나 질화막, 실리콘의 산화막이나 질화막이 있다. 그 재료를 여기서는 고온 재료라고 부르기로 한다.

여기서, 원료 가스를 가열하여 활성인 가스 분자종을 생성하여 이를 베이스 표면에 도입하고, 고온 재료를 플라스틱 베이스 상에 성막하는 방법을 예로서 생각하자. 이 예의 경우, 성막 후에 베이스를 변형시키면 새로운 과제가 발생하는 것을 생각할 수 있다. 즉, 플라스틱 베이스 자신을 변형시켜도 플라스틱이기 때문에 베이스는 갈라지지 않지만, 고온 재료를 일정 이상으로 크게 변형시키면 갈라지거나 베이스로부터 벗겨지는 문제가 있다.

즉, 플라스틱 베이스의 표면에 고온 재료를 성막할 수 있어도, 베이스를 일정 이상으로 변형시키면 막이 갈라지거나 벗겨진다는 실용상 과제가 발생한다.

그래서, 본 발명은 상술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 원료 가스를 순간 가열하여 발생시킨 원하는 생성 가스를 낮은 온도로 유지된 베이스 표면에 도입하여 고온 재료를 성막하였을 때에, 그 베이스를 변형시켜도 고온 재료막이 갈라지지 않거나 벗겨지지 않는 베이스를 생성하는 성막 장치를 제공한다.

본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태는, 상기 과제를 해결하기 위해 이하의 사항을 제안하고 있다.

형태 1; 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태는, 원료 가스를 순간 가열하는 원료 가스의 순간 가열 기구와, 이 원료 가스의 순간 가열 기구의 가열 온도보다 낮은 온도의 베이스를 구비하고, 상기 원료 가스의 순간 가열 기구를 통해 발생시킨 2종 이상의 생성 가스 분자종을 각각 따로따로 도입하고, 상기 베이스에 접촉시켜 제1 화합물막을 형성시킴과 아울러, 상기 제1 화합물막이 포함하는 원소를 적어도 하나 포함하는 제2 화합물막을 형성하여, 적어도 상기 제1 화합물막과 상기 제2 화합물막으로 이루어지는 적층막을 생성하는 성막 장치를 제안하고 있다.

형태 2; 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태는, 상기 원료 가스의 순간 가열 기구가, 촉매 기능을 가지는 원소를 포함하는 금속 재료에 의해 구성된 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 성막 장치를 제안하고 있다.

형태 3; 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태는, 상기 제1 화합물막과 상기 제2 화합물막이 수소나 산소, 질소, 탄소, 실리콘, 알루미늄, 갈륨, 티타늄, 아연, 인듐, 마그네슘 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 화합물막인 것을 특징으로 하는 성막 장치를 제안하고 있다.

형태 4; 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태는, 상기 원료 가스의 순간 가열 기구의 온도를 설정된 온도 간격으로 변화시켜 상기 제1 화합물막과 제2 화합물막을 성막하는 것을 특징으로 하는 성막 장치를 제안하고 있다.

형태 5; 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태는, 상기 원료 가스의 순간 가열 기구의 유로의 표면이 루테늄이나 니켈, 백금, 철, 크롬, 알루미늄, 탄탈의 원소를 적어도 하나 이상 포함하는 금속으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치를 제안하고 있다.

형태 6; 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태는, 상기 원료 가스의 순간 가열 기구의 가열 온도가 실온에서부터 900℃인 것을 특징으로 하는 성막 장치를 제안하고 있다.

형태 7; 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태는, 상기 베이스가 이동하는 것을 특징으로 하는 성막 장치를 제안하고 있다.

형태 8; 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태는, 상기 적층막을 적층하는 상기 베이스의 재료가 유리, 실리콘 웨이퍼, 플라스틱, 카본 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 성막 장치를 제안하고 있다.

형태 9; 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태는, 상기 베이스가 유기 EL 디바이스 또는 액정 디바이스 또는 태양 전지 또는 패턴이 형성된 디바이스 기판인 것을 특징으로 하는 성막 장치를 제안하고 있다.

본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시형태에 의하면, 원료 가스를 순간 가열하여 발생시킨 원하는 생성 가스를 낮은 온도로 유지된 베이스 표면에 도입하고 고온 재료를 성막하였을 때에, 그 베이스를 변형시켜도 고온 재료막이 갈라지지 않거나 벗겨지지 않는 베이스를 생성할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 실시형태에 관한 성막 장치의 구성도이다.
도 2는 본 실시형태의 변형예에 관한 성막 장치의 구성도이다.
도 3은 본 실시형태에 관한 순간 가열 기구의 모식도이다.
도 4는 본 실시형태에 관한 적층막의 단면 모식도이다.

<실시형태>

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.

또, 본 실시형태에 관한 성막 장치는, 베이스보다 고온으로 순간 가열하는 원료 가스의 순간 가열 기구에 원료 가스를 통과시켜 생성한 2종류 이상의 가스 분자종을 베이스 표면에 도입하고 접촉시켜 화합물의 막을 성장시킬 때에, 그 막과 베이스의 사이에 중간층을 형성한 적층막을 생성하는 것이다.

즉, 본 실시형태에 관한 성막 장치는, 고온으로 가열함으로써 원료 가스의 분자 구조를 변화시켜 화학적으로 활성인 분자종을 생성시키고, 서로 반응하는 활성 분자종이 베이스 표면에 도입되어 접촉함으로써, 원료 가스의 순간 가열 기구의 온도보다 낮은 온도로 유지된 베이스의 표면에 적층막을 성장시키는 것이다.

<성막 장치의 구성>

도 1을 이용하여 본 실시형태에 관한 성막 장치의 구성에 대해 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 관한 성막 장치는 가스 순간 가열 기구(105, 106, 107, 108), 가이드(113), 성막실(115, 116), 필름형상 베이스(117), 배기구(118, 119), 권취 드럼(120), 공급 드럼(121), 반응 세트(S1, S2)로 구성되어 있다.

가스 순간 가열 기구(105, 106, 107, 108)는, 유량이 시간 제어된 원료 가스 A(101), B(102), C(103), D(104)를 도입하고, 온도 Ta, Tb, Tc, Td에서 순간적으로 가열을 행하여 생성 가스 a, b, c, d(109, 110, 111, 112)를 생성한다.

가이드(113)는, 가스 순간 가열 기구(105, 106, 107, 108)에서 생성된 생성 가스 a, b, c, d(109, 110, 111, 112)를 성막실(115, 116)에 도입하여 성막실(115, 116)에 마련된 필름형상 베이스(117)의 표면에 대해 분출하기 위한 기구로서, 하나의 원료 가스에 대해 복수 마련되어 있다.

배기구(118, 119)는, 필름형상 베이스(117)의 표면에 대해 분출된 생성 가스 a, b, c, d(109, 110, 111, 112)를 배기한다. 또한, 필름형상 베이스(117)는 권취 드럼(120), 공급 드럼(121)에 감겨 있고, 도 1을 예로 들면, 생성 가스 a, b에 의한 성막 공정이 종료되면 권취 드럼(120), 공급 드럼(121)이 회전하여 필름형상 베이스(117)가 보내지고, 생성 가스 a, b에 의해 형성된 막 상에 생성 가스 c, d에 의한 성막 공정이 실행되고, 이러한 공정을 종료한 필름형상 베이스(117)가 권취 드럼(120)의 회전에 의해 회수된다. 또, 본 실시형태에 관한 성막 장치에서는 필름형상 베이스(117)에 적층막을 형성하기 위해 복수의 반응 세트(S1, S2)가 마련되어 있다.

예를 들어, 본 실시형태에서는 생성 가스 a, b와 c, d에 대한 생성 가스의 반응 세트를 S1, S2로 하여 2세트 마련되어 있다. 즉, 적층막의 종류 수에 따라 생성 가스의 반응 세트가 필요한 수만큼 배치된다. 또한, 본 실시형태에서는 적층막을 성장시키기 위해 성막 장치를 직렬로 배치한 구조의 성막 장치를 나타내고 있다.

또, 본 실시형태의 변형예로서 도 2에 도시된 바와 같이 성막 장치를 구성해도 된다.

본 실시형태의 변형예에 관한 성막 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이 가스 순간 가열 기구(201, 202, 203), 가이드(207), 성막실(209), 필름형상 베이스(210), 배기구(211), 권취 드럼(212), 공급 드럼(214)으로 구성되어 있다.

본 실시형태의 변형예에 관한 성막 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이 하나의 성막실(209)로 구성되어 있고, 필름을 공급하는 공급 드럼(214)으로부터 필름형상 베이스(210)가 공급된다. 그리고, 필름 지지대(213) 상을 필름형상 베이스(210)가 통과하고 필름을 권취하는 권취 드럼(212)에 의해 회수된다. 이 때, 필름형상 베이스(210) 상에는 생성 가스 a, b, c의 반응 세트 S가 다단으로 배치되어 생성 가스 a, b, c를 공급하고, 이들 생성 가스 a, b, c가 필름형상 베이스(210) 상에서 접촉하여 막이 형성된다. 또한, 반응 세트 S의 수는 원하는 막두께에 따라 자유롭게 설계할 수 있다.

<가스 순간 가열 기구의 구성>

본 실시형태에 관한 가스 순간 가열 기구의 모식적 구성은, 도 3에 도시된 바와 같이 원료 가스의 유로를 둘러싸도록 전기 히터(301)가 구비되어 있고, 원료 가스를 가열한 가스(302)가 배출된다.

<본 실시형태의 작용>

활성인 분자종의 구조는 가스 순간 가열 기구의 온도에 의존하고 있으므로, 가열 온도를 바꾸면 이에 의존하여 반응에 관한 생성 가스 분자종의 구조가 변화한다. 또한, 일정 온도보다 낮으면 원료 가스 분자의 구조는 변화하지 않는다.

따라서, 가열 온도를 일정 온도보다 높은 온도와 낮은 온도의 2단계에서 변화시켜 성막하면, 도 4에 도시된 바와 같이 공통의 구성 원소를 포함하고 있는 다른 조성 또는 조성비 또는 구조의 제1 화합물막(401)과 제2 화합물막(402)의 적층막(403)을 성막할 수 있다.

예를 들어 가열 온도를 저온으로 하면, 성막한 제1 화합물막(401)은 고온일 때와 구성 원소는 동일해도 조성비가 다르거나 또는 다른 결합종을 포함하는 유연한 막이 되기 쉽다. 저온 가열로 유연한 구조의 제1 화합물막(401)을 중간층으로서 성막하고, 다음에 고온 가열의 분자종으로 치밀하고 안정된 구조의 제2 화합물막(402)을 성장시켜 화합물의 적층막(403)을 성막한다.

이 적층막(403)은, 유연한 중간층으로서의 제1 화합물막(401)이 있기 때문에 갈라지기 어려워진다. 결합종이나 구조·조성비가 다른 적층막을 형성함으로써, 단층에서는 얻지 못하는 특성의 적층막을 얻을 수 있다. 즉, 조성비가 다른 2층 적층막을 반복 형성한 적층막이나, 조성 원소의 종류를 바꾸어 2단계 이상 소정의 온도 간격을 가지는 온도로 가열하여 특성 변화시킨 다층 적층막도 설계할 수 있다.

일반적으로 치밀한 구조의 막은 가스의 투과를 잘 방지하지만 갈라지기 쉽다. 또한, 치밀한 막은 베이스와 기계적 성질이 다르면 벗겨지기 쉽다. 그 때문에, 다른 성질의 중간층을 적층시킨 적층막에 의하면 이 과제를 해결할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서, 적층막은 제1 화합물막(401), 제2 화합물막(402)이 수소나 산소, 질소, 탄소, 실리콘, 알루미늄, 갈륨, 티타늄, 아연, 인듐, 마그네슘 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 화합물막이다.

여기서, 제1 화합물막(401)은 제2 화합물막(402)에 비해 그 두께는 얇아도 되고, 1층으로 한정되지 않아도 된다. 나아가 경사 조성의 막이어도 된다. 또한, 베이스 재료가 반응하여 밀착력을 높이는 약품이 있을 때는, 베이스 표면을 약품으로 처리하여 표면의 구조나 결합종을 수식하여 제1 화합물막(401)으로 간주해도 된다.

또한, 본 실시형태에서는 원료 가스의 가스 순간 가열 기구의 온도를 설정된 온도 간격으로 변화시켜 제1 화합물막(401)과 제2 화합물막(402)을 성막한다.

또한, 본 실시형태에서는 원료 가스의 가스 순간 가열 기구의 유로의 표면이 루테늄이나 니켈, 백금, 철, 크롬, 알루미늄, 탄탈의 원소 중 하나 이상을 포함하는 금속으로 형성되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는 원료 가스의 가스 순간 가열 기구의 가열 온도가 실온에서부터 900℃이다.

적층막의 제1 화합물막(401)을 밀착성이 높은 유연층으로 하기 위해, 고의로 가열하지 않고 원료 가스를 공급하고, 성막된 제1 화합물막(401)의 결합종을 안정적인 것으로만 하지 않는 조성 설계가 있다. 이를 이용하면, 금속 원소를 포함하는 원료 가스와 물을 교대로 기판 표면에 공급하여 반응시켜 금속 산화막을 성막할 수 있다.

이 때, 가스 순간 가열 기구의 온도를 실온 그대로 하여 제1 화합물막(401)을 성장시키고, 그 위에 온도를 올려 고온 성장시킨 제2 화합물막(402)을 성막하는 설계를 행함으로써, 밀착도를 높여 갈라짐을 방지한 적층막(403)을 얻을 수 있다. 한편, 900℃ 이상으로 하는 것은, 가스 순간 가열 기구가 스텐레스강인 경우 표면이 수소나 물, 암모니아 원료 가스와 반응하여 재료 조직을 장시간 유지할 수 없게 되어 실용상 적당하지 않다.

또한, 본 실시형태에서는 베이스(400)가 이동한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 생성 가스 a, b와 생성 가스 c, d에 대한 생성 가스의 반응 세트를 S1, S2로 하여 2세트의 반응 세트가 마련된다. 적층막의 종류 수에 따라 생성 가스의 반응 세트가 필요한 수만큼 배치된다.

제1 화합물막(401)이 반응 세트(S1)로 성막되고, 그 다음에 반응 세트(S2)로 제2 화합물막(402)이 성막되어 적층막(403)이 성막된다.

도 1의 경우에는 적층막이 2종류이기 때문에, 2개의 반응 세트(S1, S2)가 배치되어 있다. 도입된 생성 가스(114(a, b, c, d))는 각각 가이드(113)를 통과하여 성막실(115, 116)에 놓인 필름형상 베이스(117)에 도입되어 접촉하고, 배기구(118, 119)로부터 배기된다.

원료 가스 A, B, C, D와 각각의 가열 온도 Ta, Tb, Tc, Td와 각각의 유량을 자유롭게 설계하여 시간 프로그래밍에 따라 도입할 수 있다. 서로 반응하는 원료 가스 A와 B, 원료 가스 C와 D의 공급은 같은 시간에 겹치지 않도록 해도 되고, 또는 일부 겹치도록 해도 되고, 또는 전부 겹치도록 해도 된다.

또한, 본 실시형태에서는 베이스의 재료가 유리, 실리콘 웨이퍼, 플라스틱, 카본이다. 베이스는 평면이어도 되고 만곡되어 있어도 되고 통형이어도 된다. 플라스틱일 때는, 베이스에 나사나 기어부가 가공되어 있어도 된다.

또한, 본 실시형태에서는 베이스가 유기 EL 디바이스 또는 액정 디바이스 또는 태양 전지 또는 패턴이 형성된 디바이스 기판이다. 이들 디바이스는 산화나 흡습으로 열화된다. 이를 방지하기 위해 산소나 물이 투과할 수 없는 다층막을 성장시킨 필름형상 베이스로 덮을 필요가 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 고온으로 가열함으로써 원료 가스의 분자 구조를 변화시켜 화학적으로 활성인 분자종을 생성시킨다. 서로 반응하는 활성 분자종이 베이스 표면에 도입되어 접촉함으로써, 원료 가스의 순간 가열 기구의 온도보다 낮은 온도로 유지된 베이스의 표면에 막을 형성시킬 수 있다.

이 때, 다른 가열 온도나 다른 조성의 가스를 이용함으로써, 다른 성질의 막을 적층하여 성장시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 저온으로 유지된 베이스 표면에 밀착성이나 유연성이 높은 구조의 밀착막과 치밀한 구조의 치밀막을 적층하여 적층막을 성장시키는 것이 가능해진다. 치밀막은 밀착막에 의해 베이스에 밀착되어 벗겨지기 어려워지고 갈라지기 어려워진다.

또한, 가스 순간 가열 기구의 온도를 임의로 설정할 수 있다. 이 때문에, 베이스의 온도에 의존하지 않고, 독립적으로 막 특성을 제어한 적층막의 성장이 가능해진다. 또한, 원료 가스의 종류와 그 유로의 촉매 금속 원소를 선택함으로써, 원료 가스의 가스 순간 가열 기구의 온도를 원하는 생성 분자종에 따라 설계할 수 있다.

또한, 다른 원료 가스로부터 성장시킨 2종류 조성의 적층막을 얻는 것도 가능하다. 예를 들어, 제1 화합물막과 제2 화합물막을 조합하여 밀착성이 높은 산화알루미늄과 실리콘 산화막의 적층막, 밀착성이 높은 산화알루미늄과 물 배리어성이 우수한 실리콘 질화막의 적층막 등을 생각할 수 있다.

또한, 다양한 종류의 제1 화합물막과 제2 화합물막의 적층막을 설계할 수 있다. 또, 물과 트리메틸알루미늄(TMA)의 활성 분자종의 반응에 의한 산화알루미늄의 적층막에 대해서는 실시예 1에서 설명한다.

또한, 물이라는 산화제와 티타늄의 염화물인 4염화티타늄을 원료 가스로서 이용하면 산화티타늄을 성막할 수 있다. 암모니아는 일정한 온도 이상, 예를 들어 600℃로 가열하면 분해되어 활성인 분자종 NH₂를 생성한다.

또한, 질화하기 위한 원료로서 암모니아를 이용하고, 4염화티타늄과 조합하면 질화티타늄(TiN)을 성막할 수 있다.

또한, 실리콘의 유기 원료 또는 염화실리콘 가스와 암모니아를 원료로서 이용하면 실리콘 질화막을 성막할 수 있다.

또한, 염화갈륨(GaCl₃)과 암모니아를 조합하면 질화갈륨의 막을 성막할 수 있다.

이상은 원소 조합의 일례이다. 가스 순간 가열 기구의 온도와 원료 가스 원소의 조합으로 제1 화합물막과 제2 화합물막의 적층막의 조성이나 조성비는 자유롭게 설계할 수 있다.

또한, 복수의 생성 분자종을 조합하여 임의의 조성의 화합물의 적층막을 성막할 수 있다.

즉, 2원 화합물의 성막인 경우에는, 예를 들어 금속 원소를 포함하는 원료의 생성 분자종과 산화제의 원소를 포함하는 생성 분자종을 교대로 베이스 표면에 도입하여 분출하면, 실온이라는 저온에서 성막할 수 있다. 활성 분자종을 생성하는 온도는 원료 가스의 종류에 따라, 실온에서부터 900℃까지 제어하여 설정한다. 촉매 원소의 루테늄이나 니켈용으로 제어한 온도로 접촉시키면, 원료 가스는 분해되어 활성 분자종을 생성한다. 서로 활성인 분자종은 바로 원래 안정 분자로 되돌아가는 일은 없고, 일정한 수명이 있고, 활성인 분자종 그대로 베이스 표면에 도달하여 베이스 표면에서 서로 반응하여 화합물막을 생성한다.

또한, 실리콘이나 알루미늄, 지르코늄, 마그네슘, 하프늄, 갈륨, 아연, 티타늄, 인듐의 금속 원소를 포함하는 유기 금속 가스의 원료의 활성 분자종은 산화되었을 때의 생성 에너지가 크고, 산소 원소를 포함하는 물의 원료의 활성 분자종과 격렬하게 반응한다. 이들 금속 원료 가스와 반응하는 가스로는 물 외에 수소나 암모니아 등의 환원 가스 또는 이들의 혼합 가스가 있다. 원료 가스의 조합은 자유롭게 설계할 수 있다.

또한, 생성 가스와 접촉하는 장소에 대해 베이스가 상대적으로 이동하는 것을 가능하게 한다.

즉, 온도 Ta에서 순간 가열된 원료 가스 A의 생성 분자종 a와, 온도 Tb에서 순간 가열된 원료 가스 B의 생성 분자종 b가, 배치된 가이드의 세트로부터 분출되고, 베이스 상에서 생성 분자종 a, b끼리가 반응하여 화합물막을 성막한다. 이 화합물막을 기호로 AB막이라고 여기서는 적는다.

온도 Tc에서 순간 가열하여 얻은 원료 가스 C의 생성 분자종 c와, 온도 Td에서 순간 가열하여 얻은 원료 가스 D의 생성 분자종 d가 배치된 가이드로부터 분출되어 화합물막 CD막을 성막한다.

그리고, 배치된 가이드의 아래를 베이스가 이동하면, 베이스 표면에는 AB막과 CD막의 적층막을 얻을 수 있다. 이 때, 베이스가 연속적인 필름형상이면, 이 필름형상 베이스 상에 화합물 AB막과 CD막의 적층막을 연속적으로 성막하는 것이 가능해진다. 여기서, A=C, B=D이면 적층막은 다른 화합물 AB막 1과 AB막 2의 적층막이 된다.

또한, 베이스 재료를 유리나 실리콘 웨이퍼, 플라스틱, 카본으로부터 자유롭게 선택할 수 있다. 베이스가 플라스틱일 때, 필름형상의 베이스는 공급 드럼(121)으로부터 공급되어 권취 드럼(120)에 감겨 이동한다.

이들 재료는, 유리를 제외하면 활성 분자종을 흡착하였을 때의 흡착 에너지가 작기 때문에 흡착 밀도가 낮고, 베이스 표면의 화합 반응이 일어나기 어렵다. 용이하게 흡착하는 분자종을 발생하는 원료 가스를 선택하고, 이 화합물막을 베이스 표면에 성막하면, 이 화합물막 1이 활성 분자종의 흡착층이 된다. 흡착 에너지가 커지는 흡착층을 설계하면, 베이스와의 밀착을 높인 적층막이 설계될 수 있다.

또한, 유기 EL 디바이스 또는 액정 디바이스 또는 태양 전지 또는 포토레지스트 패턴이 형성된 디바이스 베이스 상에 성막할 수 있다.

유기 EL을 대표로 하는 표시 디바이스는 산화나 흡습에 의해 열화된다. 이것이 수명을 보증한 실용화의 방해가 된다. 그 때문에, 큰 면적의 베이스를 저온으로 유지한 채로 내습성이 있는 재료의 보호 박막을 디바이스가 형성된 베이스의 표면에 성막할 수 없다는 과제가 있었다.

현재 실리콘 산화막의 진공 스퍼터링이 유일한 방법이지만, 제조 원가가 높고 이것이 대형 유기 EL 디스플레이의 실용화를 저해하고 있다. 또한, 태양 전지도 장기 신뢰성을 확보하기 위해서는 제조 원가가 올라간다.

또한, 포토레지스트 패턴 상에 건식 에칭 내성이 있는 마스크 재료의 실리콘 산화막 등을 성장시키는 것이 행해지고 있지만, 이것은 플라즈마 CVD라는 방법을 이용하기 때문에 고가의 공정이 된다. 그러나, 본 실시형태에 관한 성막 방법은, 플라즈마 처리를 이용하지 않는 열에 의한 성막 방법이기 때문에 저가의 공정이 실현될 수 있다.

<실시예 1>

본 실시예에서는, 도 1에 도시된 성막 장치에 의해, 화합물의 적층막(403)으로서 산화알루미늄의 제1 화합물막(401)과 제2 화합물막(402)의 적층막(403)을 플라스틱 베이스(400)의 표면에 성장시키는 예를 나타낸다.

원료 가스 A, C로서 질소로 버블링한 원료의 물과 질소 캐리어의 혼합 가스를 이용한다. 원료 가스 B, D로서 질소로 버블링한 원료 TMA와 질소 캐리어의 혼합 가스를 이용한다.

원료 가스 A와 B, 원료 가스 C와 D의 공급은 서로 시간이 겹치지 않는 프로그램으로 하였다. 각각의 원료 가스는, 가스 순간 가열 기구(105, 106, 107, 108)에 의해 Ta, Tb, Tc, Td의 온도로 가열되어 생성 가스 a, b, c, d(109, 110, 111, 112)를 발생시킨다.

여기서, Ta=160℃, Tb=50℃로 하고 Tc=Td=160℃로 하였다. 물의 생성 가스 a(109)는 수분자가 모인 클러스터 상태이고, TMA의 생성 가스 b(110)는 2량체이다. 물의 생성 가스 c(111)와 TMA의 생성 가스 d(112)는 단량체의 활성 분자종이다.

생성 가스 a와 b는 배관으로 도입되고 가이드(113)로부터 분출되어 플라스틱인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 필름형상 베이스(117)에 접촉한다. 160℃로 가열된 생성 가스 a와 50℃로 가열된 생성 가스 b가 2세트의 가이드(113)에서 공급되어 일정한 반응을 하는 반응 세트(S1)를 형성한다.

도 1의 경우 2세트의 가이드에서 공급하고 있지만, 크기에 맞추어 세트 수는 자유롭게 설계할 수 있다.

마찬가지로 생성 가스 c와 d는 2세트의 가이드로부터 공급되는 반응 세트(S2)를 형성한다. 성막실(115, 116)의 압력은 0.1~0.5 기압 정도의 감압으로 조정하여 설정하였다.

성막실(115)에서는, 160℃ 가열의 생성 가스 a와 50℃ 가열의 생성 가스 b의 표면 반응에 의해 산화알루미늄의 제1 화합물막이 베이스 표면에 성막되었다. 성막실(116)에서는, 160℃ 가열의 생성 가스 c와 d의 표면 반응에 의해 산화알루미늄의 제2 화합물막이 성막되었다.

PET의 필름형상 베이스(117)를 움직이면, 제1 화합물막과 제2 화합물막의 화합물의 적층막이 성막된 필름형상 베이스(117)를 얻을 수 있었다.

산화알루미늄의 제1 화합물막과 제2 화합물막의 조성은 알루미늄 원소 Al과 산소 원소 O를 공통으로 포함한다. 2가지 원소의 조성 차이를 분석하면, Al/O의 조성비는 제1 화합물막보다 제2 화합물막이 컸다.

베이스와 생성막의 밀착도 차이를 보기 위해, 각각의 막을 단체(單體)로 필름형상 베이스(117)로 성장시켜 필름을 변형시켰다. 제1 화합물막은 갈라지기 어렵고 벗겨지기 어려웠지만, 제2 화합물막은 상대적으로 갈라지기 쉽고 벗겨지기 쉬웠다.

조성의 차이가 있었기 때문에 물에 대한 알루미늄의 용출을 분석한 바, 제2 화합물막에 비해 큰 알루미늄의 용출이 제1 화합물에 있음을 알게 되었다. 완전한 결합의 산화알루미늄의 경우, 물에 알루미늄은 용출되지 않는다.

본 실시예의 제1 화합물과 제2 화합물의 산화알루미늄 적층막은 베이스 필름을 변형시켜도 벗겨지기 어렵고, 또한 알루미늄의 용출이 억제되었다. 이는 제1 화합물막이 있기 때문에 갈라지기 어렵고 벗겨지기 어려운 막이 되며, 또한 성분 원소 Al이 용출되지 않는 산화알루미늄막의 적층막을 얻을 수 있었다. 이에 의해, 도 1의 성막 장치에 의해 산화알루미늄을 적층한 PET의 필름형상 베이스를 제작할 수 있었다.

<실시예 2>

실시예 1에서는 제1 화합물막과 제2 화합물막의 구성 원소가 산소와 알루미늄으로 공통이었다. 실시예 2는 적층막의 구성 원소 중 적어도 하나가 다른 적층막의 실시예이다.

제1 화합물막에 산화알루미늄을, 제2 화합물막에 실리콘 산화막을 선택하였다. 원료 가스 A, C로서 물을 질소 버블링한 가스와 질소 캐리어의 혼합 가스를 이용하였다.

원료 가스 B는, 질소로 버블링한 트리메틸알루미늄(TMA)과 질소 캐리어의 혼합 가스를 이용하였다. 원료 가스 D는, 질소로 버블링한 4염화규소와 질소 캐리어의 혼합 가스를 이용하였다.

원료 가스 A와 B, 원료 가스 C와 D의 공급은 서로 시간이 겹치지 않는 프로그램으로 공급하였다. 각각의 원료 가스는 가스 순간 가열 기구(105, 106, 107, 108)에 의해 Ta, Tb, Tc, Td의 온도로 가열되어 생성 가스 a, b, c, d(109, 110, 111, 112)를 발생하였다.

여기서, Ta=160℃, Tb=50℃로 하고 Tc=Td=600℃로 하였다.

생성 가스 a와 b는 배관으로 도입되고 가이드(113)로부터 분출되어 플라스틱인 PET의 필름형상 베이스(117)에 접촉한다. 가열된 생성 가스 a와 b가 2세트의 가이드(113)에서 공급되어 반응하는 반응 세트(S1)를 형성한다.

성막실(115)에서는, 160℃ 가열의 생성 가스 a와 50℃ 가열의 생성 가스 b의 반응에 의한 산화알루미늄의 제1 화합물막이 성막되었다. 성막실(116)에서는, 600℃ 가열의 생성 가스 c와 d의 반응에 의한 산화실리콘의 제2 화합물막이 성막되었다.

PET의 필름형상 베이스(117)를 움직이면, 제1 화합물막과 제2 화합물막의 적층막이 성막된 필름형상 베이스(117)를 얻을 수 있었다. 제1 화합물막과 제2 화합물막의 조성은 산소(O) 원소를 공통으로 포함한다.

산화알루미늄의 제1 화합물막은 PET의 필름형상 베이스로부터 벗겨지기 어렵다. 산화실리콘의 제2 화합물막은 단체로는 PET 필름으로부터 벗겨지기 쉽다. 그러나, 적층막에는 벗겨지기 어려운 제1 화합물막이 있기 때문에, PET의 필름형상 베이스로부터 벗겨지기 어렵다. 그 때문에, 도 1에 도시된 성막 장치에 의해 산화알루미늄과 산화실리콘막을 적층하여 성장시킨 PET의 필름형상 베이스(117)를 제작할 수 있었다.

<실시예 3>

실시예 3에서는 제1 화합물막에 산화알루미늄막, 제2 화합물막에 질화알루미늄막을 선택하였다.

원료 가스 A로는 질소로 버블링한 물과 질소 캐리어의 혼합 가스를 이용하였다. 원료 가스 B, D로서 질소로 버블링한 트리메틸알루미늄(TMA)과 질소 캐리어의 혼합 가스를 이용하였다.

원료 가스 C는, 암모니아와 질소 캐리어의 혼합 가스를 이용하였다.

원료 가스 A와 B, 원료 가스 C와 D는 서로 시간이 겹치지 않는 프로그램으로 공급하였다. 각각의 원료 가스는 가스 순간 가열 기구(105, 106, 107, 108)에 의해 Ta, Tb, Tc, Td의 온도로 가열되어 생성 가스 a, b, c, d(109, 110, 111, 112)를 발생시켰다.

여기서, Ta=160℃, Tb=50℃로 하고, 암모니아의 원료 가스의 가열 온도 Tc=600℃, TMA의 원료 가스의 가열 온도 Td=300℃로 하였다.

생성 가스 a와 b는 배관으로 도입되고 가이드(113)로부터 분출되어 플라스틱인 PET의 필름형상 베이스(117)에 접촉한다. 가열된 생성 가스 a와 b가 2세트의 가이드(113)에서 공급되어 산화알루미늄막의 제1 화합물막을 형성한다.

생성 가스 c는 암모니아의 600℃ 분해의 생성 가스로서, 질화 능력이 있는 분자종(NH₂) 등을 포함한다고 추측한다. 성막실(115, 116)의 압력은 0.1~0.5 기압 정도의 감압으로 조정하여 설정하였다.

성막실(115)에서는, 생성 가스 a와 b의 반응에 의한 산화알루미늄의 제1 화합물막이 성막되었다. 성막실(116)에서는, 생성 가스 c와 d의 반응에 의한 질화알루미늄의 제2 화합물막이 성막되었다.

PET의 필름형상 베이스(117)를 움직이면, 제1 화합물막과 제2 화합물막의 적층막이 성막된 필름형상 베이스를 얻을 수 있었다. 산화알루미늄의 제1 화합물막과 질화알루미늄의 제2 화합물막의 조성은 알루미늄 원소(Al)를 공통으로 포함한다.

산화알루미늄의 제1 화합물막은 PET의 필름형상 베이스로부터 벗겨지기 어렵다. 질화알루미늄의 제2 화합물막은 단체로는 PET 필름으로부터 벗겨지기 쉽다. 적층막에는 벗겨지기 어려운 제1 화합물막이 있기 때문에, PET의 필름형상 베이스로부터 벗겨지기 어렵다. 그 때문에, 도 1에 도시된 성막 장치에 의해 산화알루미늄과 질화알루미늄막을 적층한 PET의 필름형상 베이스를 제작할 수 있었다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하였지만, 구체적인 구성은 본 실시형태에 한정된 것은 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위의 설계 등도 포함된다.

101; 원료 가스 A
102; 원료 가스 B
103; 원료 가스 C
104; 원료 가스 D
105; 가스 순간 가열 기구
106; 가스 순간 가열 기구
107; 가스 순간 가열 기구
108; 가스 순간 가열 기구
109; 생성 가스 a
110; 생성 가스 b
111; 생성 가스 c
112; 생성 가스 d
113; 가이드
114; 도입된 생성 가스
S1; 반응 세트
S2; 반응 세트
115; 성막실
116; 성막실
117; 필름형상 베이스
118; 배기구
119; 배기구
120; 권취 드럼
121; 공급 드럼
201; 가스 순간 가열 기구
202; 가스 순간 가열 기구
203; 가스 순간 가열 기구
207; 가이드
209; 성막실
210; 필름형상 베이스
211; 배기구
212; 권취 드럼
213; 지지대
214; 공급 드럼
301; 전기 히터
302; 가열된 가스
400; 베이스
401; 제1 화합물막
402; 제2 화합물막
403; 적층막

Claims

원료 가스를 순간 가열하는 원료 가스의 순간 가열 기구와,
이 원료 가스의 순간 가열 기구의 가열 온도보다 낮은 온도의 베이스를 구비하고,
상기 원료 가스의 순간 가열 기구를 통해 발생시킨 2종 이상의 생성 가스 분자종을 각각 따로따로 도입하고, 상기 베이스에 접촉시켜 제1 화합물막을 형성시킴과 아울러, 상기 제1 화합물막이 포함하는 원소를 적어도 하나 포함하는 제2 화합물막을 형성하여, 적어도 상기 제1 화합물막과 상기 제2 화합물막으로 이루어지는 적층막을 생성하는 성막 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 원료 가스의 순간 가열 기구가, 촉매 기능을 가지는 원소를 포함하는 금속 재료에 의해 구성된 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 화합물막과 상기 제2 화합물막이 수소나 산소, 질소, 탄소, 실리콘, 알루미늄, 갈륨, 티타늄, 아연, 인듐, 마그네슘 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 화합물막인 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 원료 가스의 순간 가열 기구의 온도를 설정된 온도 간격으로 변화시켜 상기 제1 화합물막과 제2 화합물막을 성막하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 원료 가스의 순간 가열 기구의 유로의 표면이 루테늄이나 니켈, 백금, 철, 크롬, 알루미늄, 탄탈의 원소를 적어도 하나 이상 포함하는 금속으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 원료 가스의 순간 가열 기구의 가열 온도가 실온에서부터 900℃인 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 베이스가 이동하는 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 적층막을 적층하는 상기 베이스의 재료가 유리, 실리콘 웨이퍼, 플라스틱, 카본 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 성막 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 베이스가 유기 EL 디바이스 또는 액정 디바이스 또는 태양 전지 또는 패턴이 형성된 디바이스 기판인 것을 특징으로 하는 성막 장치.