KR20210115736A - 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 내부 공간을 구비하는 반응 챔버; 상기 내부 공간에 배치되고, 기판이 장착되는 기판 장착유닛; 금속산화물을 처리하여, 상기 금속산화물에서 발생된 금속 이온과 산소 이온이 상기 기판에 공급되게 하는 금속산화물 처리유닛; 및 상기 기판을 지향하도록 설치되어, 상기 기판에 비소 이온을 공급하는 비소 공급유닛을 포함하고, 상기 금속산화물 처리유닛은, 상기 내부 공간에서 상기 기판을 마주하도록 배치되고, 상기 금속산화물인 산화아연 판이 설치되는 장착대; 및 상기 산화아연 판을 향해 전자빔을 다이렉트 방식으로 조사하여, 상기 산화아연 판에서 증발된 아연 이온과 산소 이온이 상기 기판을 향해 이동하게 하는 전자빔 조사기를 포함하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치를 제공한다.

Description

단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치{APPARATUS FOR GROWING SINGLE CRYSTAL METAL-OXIDE EPI WAFER}
본 발명은 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 인듐 산화 주석(Indium Tin Oxide : ITO), 산화 아연(ZnO) 및 AZO, GZO, IGZO 등의 산화 아연계 화합물을 위시한 산화물 박막은 엘씨디(LCD), 올레드(OLED) 등의 디스플레이 패널의 양극으로 사용되는 투명 전극, 화소 구동을 위한 박막 트랜지스터의 전하 수송을 위한 채널 층, 태양전지의 양/음극 전극 등에 널리 사용되어 상용화 되어 있으며 차세대 전자 소자인 투명 전자 소자의 핵심 전극 재료 및 활성층 재료로서 연구 개발 중이다. 이와 더불어 발광다이오드의 능동층인 발광층으로서 많은 연구 개발 성과가 보고되고 있다.
위의 응용분야의 경우 다결정 산화물 반도체 박막을 성막하는 것과 더불어 정공의 이동도보다 전자의 이동도가 커서 신호 처리 속도에서 강점을 갖는 n-형 특성을 갖는 산화물 반도체 박막을 사용해도 무방한 경우가 많다. 그에 따라 그와 반대의 특성을 갖는 p-형 산화물 박막 형성을 위한 수용체(acceptor)를 도핑(doping)하는 등의 공정 및 이를 수행 가능한 장비에 대한 기술은 많이 발표 되지 않고 있다.
p-형 산화아연 박막 형성을 위한 도펀트로는 질소가 가장 많이 연구되었으나 재현성있는 효과적인 p-n 접합을 형성하기 어려워 응용분야가 트랜지스터 제작에 머무르고 있으며 이에 대한 대안으로 Na, Li, Ag, Sb, B, As 등이 연구되어져 왔다. 이들 중 가장 가능성 있는 물질은 비소로서 수용체로 작용하는 비소(As) 이온들의 농도 조절이 용이하며, 그 특성을 조절하기가 다른 여타 물질에 비해 가장 수월하기 때문에 현 기술에서는 최적의 물질로 여겨진다.
그런데, MOCVD 기술은 원재료로서 사용하는 금속유기물(metalorganic source) 내에 수소 및 탄소의 함유량이 많아, p-형 산화아연 박막 성장시 도펀트(dopant)로서 사용되는 As과 Zn-O의 결합보다는 O-H 결합이 발생하는 확률이 높다. 그래서 상대적으로 As 이온들이 도펀트로서 Zn-O 결합에 참여하여 Zn-O-As 결합이 발생할 수 있는 확률이 현저히 떨어진다.
본 발명의 일 목적은, 비소를 수용체 물질로 주입하여 효과적으로 고순도 p-형 산화아연 박막을 형성할 수 있게 하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 고순도 단결정 산화아연 기판을 성장 시킬 수 있는 공정 기술을 제시함으로써 생산 수율을 높일 수 있게 하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치는, 내부 공간을 구비하는 반응 챔버; 상기 내부 공간에 배치되고, 기판이 장착되는 기판 장착유닛; 금속산화물을 처리하여, 상기 금속산화물에서 발생된 금속 이온과 산소 이온이 상기 기판에 공급되게 하는 금속산화물 처리유닛; 및 상기 기판을 지향하도록 설치되어, 상기 기판에 비소 이온을 공급하는 비소 공급유닛을 포함하고, 상기 금속산화물 처리유닛은, 상기 내부 공간에서 상기 기판을 마주하도록 배치되고, 상기 금속산화물인 산화아연 판이 설치되는 장착대; 및 상기 산화아연 판을 향해 전자빔을 다이렉트 방식으로 조사하여, 상기 산화아연 판에서 증발된 아연 이온과 산소 이온이 상기 기판을 향해 이동하게 하는 전자빔 조사기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기판 장착유닛 및 상기 전자빔 조사기는, 상기 반응 챔버의 상부 측에 설치되고, 상기 장착대는, 상기 반응 챔버의 하부 측에 설치될 수 있다.
여기서, 상기 산화아연 판에 대해 상기 전자빔 조사기의 조사 각도는 40ㅀ 범위에서 결정될 수 있다.
여기서, 상기 전자빔 조사기는, 30kV의 가속 전압과 1A의 방출 전류를 사용하는 30kW의 파워로 작동할 수 있다.
여기서, 상기 기판 장착유닛 및 상기 장착대는, 상기 산화아연 판과 상기 기판 사이의 거리가 800 mm 내지 1,800 mm 범위 내가 되도록 배치될 수 있다.
여기서, 상기 비소 공급유닛은, 비소를 이온화하기 위하여 500℃ 내지 1,100℃ 범위에서 작동하여, 상기 비소 이온으로서 As2 +를 공급할 수 있다.
여기서, 상기 기판을 지향하도록 설치되어, 기체 상태의 산소 분자를 해리하여 상기 기판에 산소 라디컬을 공급하는 산소 공급유닛이 더 구비될 수 있다.
여기서, 상기 기판 장착유닛을 기준으로, 상기 금속산화물 처리유닛과 상기 산소 공급유닛은 서로 반대 측에 배치되고, 상기 비소 공급유닛은, 상기 금속산화물 처리유닛과 상기 산소 공급유닛 사이에 위치할 수 있다.
여기서, 상기 반응 챔버는, 상기 내부 공간을 한정하는 바닥에서 돌출 형성되고, 상기 산소 공급유닛과 상기 비소 공급유닛 사이에 배치되어 상기 산소 공급유닛에서 토출된 상기 산소 라디컬이 상기 비소 공급유닛 및 상기 금속산화물 처리유닛 측으로 이동하는 것을 차단하는 격벽을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 산소 공급유닛은, 상기 반응 챔버의 상기 내부 공간을 한정하는 바닥보다 낮은 레벨을 갖는 토출구; 및 토출구를 개폐하는 게이트 밸브를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 산소 공급유닛의 상기 기판에 대한 지향 각도는 20ㅀ 내지 40ㅀ 범위에서 결정될 수 있다.
여기서, 상기 기판 장착유닛에 연결된 채로 상기 반응 챔버에 설치되어, 상기 기판 장착유닛을 구동하는 구동 유닛이 더 구비되고, 상기 구동 유닛은, 상기 기판 장착유닛이 상기 반응 챔버의 바닥으로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동하게 하거나, 상기 기판 장착유닛이 회전하게 하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 기판을 가열하기 위하여 상기 기판 장착유닛에 대응하여 설치되는 히터 유닛을 더 포함하고, 상기 히터 유닛은, 750℃ 내지 1000℃로 작동하여, 성막 중에 상기 기판의 온도가 550℃ 내지 800℃를 유지하도록 할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치에 의하면, 종래 기술인 MOCVD에서 p-형 산화아연 박막을 성장시키기 어려웠던 것과 달리, 수용체로 작용하는 비소를 산화아연 에피 층 성장 과정에서 공급함으로서 p-형 산화아연 단결정 박막을 형성할 수 있게 된다.
또한, 종래 전자빔 조사기는 반응 챔버의 하부에 위치하여 근접 거리에서 산화아연 판에 전자빔을 조사하기 위해 180~270ㅀ 회절하는 디플렉션(deflection) 방식을 사용하기에 6~15kW 범위의 power만을 사용하는 것이 가능했으나, 본 발명에서는 다이렉트(direct) 방식으로 최대 2배가 되는 고 power 츨력을 사용함으로써 산화아연의 양을 증가시켜 증착율을 증가시키는 효과를 기대할 수 있으며 이에 따라 생산 수율이 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치(100)에 대한 개념도이다.
도 2는 도 1의 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치(100)를 이용한 단결정 금속산화물 반도체층을 형성하는 공정을 보인 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치(100)에 대한 개념도이다.
본 도면을 참조하면, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치(100)는, 반응 챔버(110), 기판 장착유닛(130), 금속산화물 처리유닛(150), 산소 공급유닛(170), 구동 유닛(190), 그리고 히터 유닛(210)을 포함할 수 있다.
반응 챔버(110)는 내부 공간(111)을 구비하고, 그 내부 공간(111)에서는 고순도 산화아연 박막 성장 공정이 이루어지게 된다. 내부 공간(111)은 기본적으로 10-8~10-9 torr, 성장 진행시에는 10-5~10-6 torr 수준의 진공이 형성된다. 이를 위해서, 내부 공간(111)에는 진공 펌프(113)가 연결된다. 반응 챔버(110)는 추가로 로드락 챔버(Loadlock chamber)에 연결될 수 있다. 로드락 챔버는 2개의 공간으로 분할하여 10-3 torr 수준의 진공도를 유지하는 기판 보관 영역과 10-8~10-9 torr 수준의 진공도를 유지하는 기판 이송 영역으로 분리될 수 있다. 그 로드락 챔버는 기판(W)이 장착된 기판 장착유닛(130)의 이송을 위한 자동 반송 장치, 금속산화물의 아웃개싱(outgasing) 시간 단축을 위한 예열 유닛, 최소 5개의 기판 홀더를 보관할 수 있는 슬롯 등을 구비할 수 있다. 로드락 챔버의 진공도는 공정이 진행되는 동안 반응 챔버(110)의 진공 수준인 10-8~10-9 torr 수준을 유지할 수 있다. 로드락 챔버와 반응 챔버(110) 간의 기판(W)의 이송은 로봇에 의해 이루어진다. 나아가, 내부 공간(111)의 바닥에는 격벽(115)이 돌출 형성된다.
기판 장착유닛(130)은 내부 공간(111)에 배치되고, 기판(W)이 장착되는 구성이다. 기판 장착유닛(130)은, 최대 108매의 4인치 사파이어 기판을 장착할 수 있는 사이즈를 가진다. 기판 장착유닛(130)는 로드락 챔버에서 반송되어 반응 챔버(110)에 설치된 크래들(cradle)에 부착된다. 이를 위해, 크래들과 기판 장착유닛(130)의 연결 부위에 전자석을 4 군데 설치하여 그들을 부착한 후, 에피 층 성장 시에는 상부에 위치한 히터 유닛(210)에 근접하여 기판(W)의 온도가 550~800℃를 유지하는 위치까지 위로 이동될 수 있다. 기판 장착유닛(130)이 로드락 챔버로의 반송되기 위해서는, 에피 층 성장 공정 완료 후 크래들을 80mm 정도 내린 후 전자석의 자기장을 해제하여 반송 시스템에 기판 장착유닛(130)가 안착할 수 있도록 제작하며 이를 반송하여 로드락 챔버에 구비된 슬롯에 보관할 수 있다. 기판 장착유닛(130)의 위치 제어를 위해 기판 장착유닛(130)이 크래들에 부착되는 위치 및 에피 층 성장 공정을 위해 상부로 이동해야 하는 위치에 위치 센서를 설치하여 기판 장착유닛(130)의 정확한 위치를 제어할 수 있다.
금속산화물 처리유닛(150)은 금속산화물을 처리하여, 그 금속산화물에서 발생된 금속 이온과 산소 이온이 기판(W)에 공급되게 하는 구성이다. 본 실시예에서 금속산화물을 처리한다는 것은, 그에 전자빔을 조사하여 금속 이온과 산소 이온이 증발되어 기판(W)을 향해 이동하게 하는 것이다.
여기서, 금속산화물은 구체적인 일 예로서 산화아연 판이고, 이는 산화아연 파우더를 소결하여 제작된 것일 수 있다. 그에 따라, 금속 이온은 Zn2+이고 산소 이온은 O2-일 수 있다. 산화아연 판의 지름은 8인치이며 두께는 2인치로서 100% 기화했을 경우를 가정하면 900cm3의 용량을 갖게 된다. 1일 5회 에피 성장을 할 경우 최대 4개월을 사용 가능한 용량으로 양산 공정에 적용하기에 적합한 양이 된다. 산화아연 판에서, 조사된 전자빔에 의해 고체 상태에서 기체 상태로 승화되는 영역의 산화아연의 온도는 1,000~1,500℃ 사이이며 녹는점은 1,950℃이다.
산화아연 판은 장착대(151)에 설치될 수 있다. 장착대(151)는 내부 공간(111)의 하부에 설치되어, 기판 장착유닛(130)을 마주하도록 배치된다.
산화아연은 세라믹 계열 물질로서 열전도율이 금속의 14% 수준인 5W/mK 정도에 지나지 않을 정도로 열전도율이 낮은 물질이다. 전자빔 조사에 의해 국부적으로 높은 온도를 갖는 증발 영역과 그 외의 영역의 온도 차이에 의해 산화아연 판에 생기는 열적 스트레스에 의한 변형을 방지하여야 한다. 이를 위해 산화아연 판 주위의 온도 구배를 최소화하기 위한 히터 유닛(미도시)을 설치할 수 있다. 이러한 히터 유닛은 산화아연 판을 둘러싸도록 장착대(151)에 설치될 수 있고, 산화아연 판의 온도 영역을 적어도 5개 이상으로 각각 구분하여 각 영역의 온도 차이가 300℃를 넘지 않도록 차등 가열하는 것이 바람직하다.
산화아연 판의 균일한 침식 프로파일(erosion profile)을 만들어 산화아연 판의 사용 효율을 증가 시키는 방법으로, 일정한 사용주기 간격으로 산화아연 판을 회전 시키는 장치(도 2)가 장착대(151)에 추가로 구비될 수 있다. 산화아연 판의 회전 각도는 45ㅀ로, 그의 교체 시까지 총 8번 회전될 수 있다.
증발 초기에 발생 가능한 산화아연 증기의 클로깅(clogging) 현상 방지를 위해 산화아연 판의 상측 일정 지점, 예를 들어 70mm 위치에 지름 9인치 이상의 셔터(shutter)를 설치할 수 있다. 이 때 셔터의 재질은 스테인레스 스틸 화합물, 탄탈륨 또는 알루미늄이 될 수 있다.
고에너지를 갖는 전자빔이 산화아연 판에 입사할 때 전자들의 산란 현상에 의해 후방 산란 전자(backscattered electron)가 발생한다. 후방 산란 전자의 에너지는 산화아연 판에 입사되는 전자빔의 에너지와 거의 유사한 수준으로 알려져 있다. 후방 산란 전자에 의한 열 등의 문제를 최소화하기 위해, 후방 산란 전자를 포집할 수 있는 금속 소재의 트랩(trap)이 산화아연 판 주위에 설치될 수도 있다.
산화아연 판에 전자빔을 조사하는 전자빔 조사기(155)는 내부 공간(111)의 상부 측에 설치된다. 이러한 전자빔 조사기(155)는 기판 장착유닛(130)와 거의 동일한 높이에 위치할 수 있다. 전자빔 조사기(155)는 반응 챔버(110)의 상부 바로 위(90ㅀ) 또는 40ㅀ 이내의 각도(θ1)에서 전자빔 소스를 위치시켜 전자빔을 산화아연 판에 다이렉트(direct) 방식으로 조사하는 구성이다. 위의 조사 각도(θ1)는 바람직하게는 20ㅀ 이내의 각도가 될 수 있다. 전자빔의 가속 전압이 높은 경우 산화아연 판에 조사된 후 발생하는 이차 전자(secondary electron)의 양이 최소화 하는 것이 중요하며 전자빔의 조사 각도가 40ㅀ를 넘을 경우 발생하는 이차 전자의 비율은 급격히 증가하여 50% 수준에 도달하므로 산화아연 증발 효율, 산화아연 판 사용 효율, 반응 챔버(110)의 벽의 오염 등에 악 영향을 끼치는 요인으로 작용하기 때문에 조사 각도를 20ㅀ 이내로 조절하는 것이 바람직하다.
전자빔 조사기(155)에서 조사되는 전자빔을 5~30kV의 범위의 가속전압 및 최대 2A의 방출 전류를 사용함으로서 최대 파워는 60kW이 된다. 바람직하게는, 30kV의 가속 전압 및 1A의 방출 전류를 사용하는 30kW가 최대 파워가 될 수 있다.
산화아연 판과 전자빔 조사기(155) 사이의 거리는 600 내지 1,800 mm 사이에서 가능하며, 최대 1,800mm를 넘지 않아야 한다. 또한, 기판 장착유닛(130)에 장착된 기판의 수가 많을 경우(예를 들면, 4인치 108장), 산화아연 판과 기판(W)간의 거리는 800 내지 1,800 mm 가 적당하다. 그 거리가 800mm 이하의 경우 기판(W) 전체에 균일한 에피 층 성장이 불가능하며, 1,800 mm 이상이 될 경우 균일한 에피 층 성장이 가능하더라도 증착 속도가 너무 느려지는 단점이 존재한다.
산소 공급유닛(170)은 기체 상태의 산소 분자를 해리하여 기판(W)에 산소 라디컬(O)을 추가로 공급하는 구성이다. 이는 기판(W)을 지향하도록 반응 챔버(110)에 설치된다.
산화아연 단결정 성장 시 이론적으로는 Zn:O의 비율이 1:1이 되어야 하나, 산화아연 박막의 특성상 실제 성분 분석을 하면 O의 비율이 Zn에 비해서 낮은 현상이 자연적으로 발생한다. 따라서 Zn:O의 비율을 1:1로 맞추기 위해, 산소 공급유닛(170)을 통해 기판(W)에 산소 라디컬을 공급해주는 것이다. 공급되는 산소는 O2가 아닌 열 또는 플라즈마에 의해 해리된 상태의 산소 라디컬이 공급되어야 한다.
산소 공급유닛(170)으로는 RF Atom source가 사용될 수 있고, 이는 반응 챔버(110)의 하부에 장착되는 구조이다. 이의 장착 각도(θ2)는 기판(W)을 바라보는 위치에서 20~40ㅀ 사이이며, 바람직하게는 30ㅀ 이내일 수 있다. RF Atom source는 산소 라디컬 공급 초기에 스피팅(spitting) 현상 또는 클로깅(clogging) 현상을 방지하기 위해, 그의 끝단에 셔터를 구비할 수 있다. 또한, 그는 산소 라디컬을 내부 공간(111) 내로 분사하기 위해 노즐을 구비하고, O2의 해리를 위해 RF 플라즈마 소스 및 전원 공급장치, 임피던스 매칭 시스템 등을 구비하는 장치이다. 플라즈마 시스템으로는 다이렉트 플라즈마 또는 리모트 플라즈마를 선택해도 무방하나, 본 실시예에서는 플라즈마에 의한 영향을 최소화 하기 위해 리모트 플라즈마 방식을 선정하였다.
효율적으로 O2를 해리하기 위해, RF 플라즈마 power는 300~750W의 범위에서 사용 가능하며, 바람직하게는 500W가 적당하다. 산소 라디컬의 공급을 위한 RF Atom source와 기판(W) 간의 거리는 800~1,400mm이며, 바람직하게는 800mm일 수 있다.
공급되는 산소 라디컬의 양이 과다할 경우 산화아연 에피 층내의 산소 라디컬의 빈 공간을 채우는 것에는 도움이 되나, 산소 라디컬으로 인한 반응 챔버(110) 및 내부 공간(111)에 존재하는 부품들의 산화에 의한 성능 저하를 야기할 수 있는 단점이 있다. 산소 라디컬의 양이 너무 적을 경우 산화아연 에피 층에 충분한 산소가 공급되지 않아 산소 라디컬의 빈자리를 채우지 못함으로써, 산화아연 에피 층의 성능 저하를 야기하는 단점이 존재하여 적절한 공급량을 선택하는 것이 중요하다. 본 실시예에서는 위에서 언급한 산소 라디컬을 공급할 시에 진공도가 10-5 torr를 유지할 수 있는 산소 라디컬의 공급량을 선택한다.
나아가, 산소 공급유닛(170)에서 공급되는 산소 라디컬에 의한 주변 부품의 산화 방지를 위하여, 기판 장착유닛(130)을 기준으로 산소 공급유닛(170)과 금속산화물 처리유닛(150)은 서로 반대 측에 배치될 수 있다. 나아가, 후술할 비소 공급유닛(180)은 그들 사이에 배치된다. 또한, 앞서의 격벽(115)은 산소 공급유닛(170)에서 도출된 산소 라디컬이 비소 공급유닛(180) 및 금속산화물 처리유닛(150) 측으로 이동하는 것을 차단하게 된다.
다른 방법으로서, 산소 공급유닛(170)의 토출구(171)는 내부 공간(111)의 바닥보다 낮은 레벨에 위치할 수 있다. 그러한 구조에서, 토출구(171)에는 그를 개폐하는 게이트 밸브(175)가 설치될 수 있다. 게이트 밸브(175)는 기판(W)에서 산화아연 박막이 성장하는 동안만 산소 라디컬이 내부 공간(111)으로 유동할 수 있게 개폐될 수 있다.
비소 공급유닛(180)은 기판(W)에 비소 이온을 공급하가 위한 구성이다. 그는 반응 챔버(110)의 바닥에 설치되어 기판(W)을 지향하도록 배치될 수 있다.
비소 공급유닛(180)으로는, 예를 들어 Knudsen cell(K-cell)이 사용될 수 있다. 그는 상온에서 고체인 비소를 500~1,100℃의 온도 범위, 바람직하게는 600℃내지 1100℃에서 분해하여, As2 + 상태의 이온으로 기판(W)에 공급한다. 비소 이온 중에 As4 +를 기판(W)에 공급하는 경우에는 Zn-O-As간의 화학 결합이 맞이 않아 고품질의 p-형 산화아연 막이 만들어지지 않는다. 따라서, 위의 온도 범위에서 As2 +를 만들어 내는 것이 중요하다. 또한, 비소 공급유닛(180)이 기판(W)을 바라보는 장착 각도(θ3)는 20~40ㅀ 사이이다. 비소 공급유닛(180)은 비소 이온의 양(궁극적으로는 As2 + doping concentration)을 1017~1021 개/cm3의 범위에서 에피 박막의 특성에 맞도록 조절하기 할 수 있게 하는 조절 밸브를 더 가질 수 있다.
비소을 분해하여 기판에 공급하는 초기에 As2 + 수용체들의 스피팅(spitting) 현상에 의한 불순물 농도 증가를 제어하기 위해, 비소 공급유닛(180)은 자체 셔터를 구비하고 비소의 분해를 위해 열을 가해줄 수 있는 히터 유닛을 구비할 수 있다. 또한, 비소 공급유닛(180)은 비소를 저장할 수 있는 저장기를 구비할 수 있다.
구동 유닛(190)은 기판 장착유닛(130)을 구동하기 위한 구성이다. 구동 유닛(190)은 기판 장착유닛(130)에 연결된 채로 반응 챔버(110)에 설치될 수 있다. 구동 유닛(190)은 구체적으로, 기판 장착유닛(130)이 수직 방향(V)을 따라 반응 챔버(110)의 바닥으로부터 멀어지거나 그에 가까워지는 방향으로 이동하게 할 수 있다. 나아가, 구동 유닛(190)은 기판 장착유닛(130)을 회전 방향(R)을 따라 회전시킬 수도 있다.
구체적으로, 구동 유닛(190)은 수직 방향(V)을 따라 기판 장착유닛(130)을 상하 50~100mm, 바람직하게는 80mm를 이동시킬 수 있다. 또한, 기판(W)에 균일한 박막 증착을 위해, 구동 유닛(190)은 기판 장착유닛(130)을 5~50rpm의 속도, 바람직하게는 10rpm으로 회전시킬 수 있다. 이 경우, 구동 유닛(190)은 상기 크래들만 회전시켜, 실질적으로 기판 장착유닛(130) 전체가 회전하게 할 수 있다.
히터 유닛(210)은 기판(W)을 가열하기 위하여 기판 장착유닛(130)에 대응하여 구비될 수 있다. 히터 유닛(210)은 반응 챔버(110)나 구동 유닛(190)에 설치되어 내부 공간(111)에 위치할 수 있다. 히터 유닛(210)은 750℃ 내지 1000℃로 작동하여, 성막 중에 기판(W)의 온도가 550℃ 내지 800℃를 유지할 수 있게 한다. 기판(W) 전체의 온도를 균일하게 유지하기 위해 히터 유닛(210)은 1~4개가 설치될 수 있다. 히터 유닛(210)은 진공 상에서 복사열에 의해 기판(W)에 열을 전달하도록 설계된다.
이상의 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치(100)를 이용한 단결정 금속산화물 반도체층 형성과정은 도 2를 추가로 참조하여 설명한다. 도 2는 도 1의 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치(100)를 이용한 단결정 금속산화물 반도체층을 형성하는 공정을 보인 순서도이다.
본 도면(및 도 1)을 참조하면, 먼저 기판(W)에 대한 이송 및 열처리가 이루어진다(S1). 구체적으로, 로드락 챔버에 기판(W)이 장착된 기판 장착유닛(130)이 투입된다. 여기서, 300℃ 온도에서 열처리 공정을 통한 아웃개싱 공정이 수행된다. 이 때 열처리 시간은 5 내지 30분이 바람직하며, 로드락 챔버의 압력은 10-3 torr를 유지하게 된다. 열처리된 기판(W)은 10-8 torr의 초고진공 상태의 트랜스퍼 챔버 영역으로 이송되어 5분 내지 30분 동안 아웃개싱 공정을 겪게 된다.
이후 기판(W)은 반응 챔버(110)로 이송되어 열처리된다(S3). 구체적으로, 트랜스퍼 챔버와 반응 챔버(110) 사이에 연결된 게이트 밸브가 열리고 나서 반응 챔버(110)로 기판(W)이 이송된다. 이후 게이트 밸브가 닫힘에 의해, 트랜스퍼 챔버와 반응 챔버(110)는 분리된다. 이 때 반응 챔버(110)의 진공도는 트랜스퍼 챔버의 진공도와 동일하도록 10-8 torr를 유지한다. 반응 챔버(110) 내에서 히터 유닛(210)에 전원을 제공하여 기판(W)의 온도를 600℃ 내지 700℃까지 상승시키고, 3차 아웃개싱 공정이 이루어진다.
이제는 기판(W)에 대한 표면처리가 이루어진다(S5). 산소 플라즈마를 이용하여 기판 표면 처리 공정을 수행하여 기판(W)의 표면에 단결정 금속산화물 막의 성장에 지장을 주지 않을 정도의 아주 얇은 두께의 자연 산화막이 생기게 한다. 산소 플라즈마를 이용한 기판 처리 시간은 10~60초 사이일 수 있다. 이 때 기판 (W) 표면에 존재할 수 있는 유기물 형태의 불순물을 제거하기 위해 수소 플라즈마를 이용하여 기판 표면 처리 공정을 수행할 수 있다. 수소 플라즈마를 이용한 기판 처리 시간은 30초 이내가 바람직하다.
기판(W)에 대한 박막 성장이 이루어진다(S7). 5~50 rpm의 속도로 기판(W)이 회전되는 중에, 금속산화물의 증발 공정을 수행될 수 있다. 금속산화물의 증발 공정 수행 시에는 초기에 한 번에 많은 양의 금속산화물이 증발되어 기판에 이송되는 것을 방지하기 위해, 증발원(산화아연 판) 측에 구비된 셔터로 금속산화물 기체를 차단하며 승화율이 일정한 양에 도달하였을 때 셔터를 이동시켜 금속산화물 기체가 기판(W)으로 이동하게 할 수 있다. 이와 동시에 플라즈마에 의해 해리된 산소 라디컬을 기판(W)에 동시 공급함으로써 기판(W) 상에 금속산화물 층이 형성되게 한다. p-형 금속산화물 층을 형성하기 위해 As2 +를 기판(W)에 공급하며, 이 때 금속산화물 기체 및 산소 라디컬이 공급되기 시작한 직후에 비소 2가 물질을 공급한다.
박막 성장 종료 단계가 이어진다(S9). 원하는 두께의 p-형 금속산화물 박막이 형성되었음을 두께 측정기를 이용하여 확인한 후, 금속산화물 기체, 산소 라디컬, 비소 2가 이온의 공급을 멈춤과 동시에 기판(W)의 회전을 중지할 수 있다.
이후 박막에 대한 표면처리가 이어진다(S11). 단결정 금속산화물 박막 형성을 위해 700℃의 온도에서 열처리 공정을 수행하며, 열처리 시간은 10분 내지 30분이되 바람직하게는 30분일 수 있다.
마지막으로, 기판 이송이 이루어진다(S13). 기판(W)의 온도를 냉각 시킨 후, 트랜스퍼 챔버, 로드락 챔버 순으로 기판(W)을 이동시킨다.
상기와 같은 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
100: 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치
110: 반응 챔버 130: 기판 장착유닛
150: 금속산화물 처리유닛 170: 산소 공급유닛
180: 비소 공급유닛 190: 구동 유닛
210: 히터 유닛

Claims (13)

  1. 내부 공간을 구비하는 반응 챔버;
    상기 내부 공간에 배치되고, 기판이 장착되는 기판 장착유닛;
    금속산화물을 처리하여, 상기 금속산화물에서 발생된 금속 이온과 산소 이온이 상기 기판에 공급되게 하는 금속산화물 처리유닛; 및
    상기 기판을 지향하도록 설치되어, 상기 기판에 비소 이온을 공급하는 비소 공급유닛을 포함하고,
    상기 금속산화물 처리유닛은,
    상기 내부 공간에서 상기 기판을 마주하도록 배치되고, 상기 금속산화물인 산화아연 판이 설치되는 장착대; 및
    상기 산화아연 판을 향해 전자빔을 다이렉트 방식으로 조사하여, 상기 산화아연 판에서 증발된 아연 이온과 산소 이온이 상기 기판을 향해 이동하게 하는 전자빔 조사기를 포함하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판 장착유닛 및 상기 전자빔 조사기는, 상기 반응 챔버의 상부 측에 설치되고,
    상기 장착대는, 상기 반응 챔버의 하부 측에 설치되는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화아연 판에 대해 상기 전자빔 조사기의 조사 각도는 20ㅀ 범위에서 결정되는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔 조사기는,
    30kV의 가속 전압과 1A의 방출 전류를 사용하는 30kW의 파워로 작동하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 기판 장착유닛 및 상기 장착대는,
    상기 산화아연 판과 상기 기판 사이의 거리가 800 mm 내지 1,800 mm 범위 내가 되도록 배치되는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 비소 공급유닛은,
    비소를 이온화하기 위하여 500℃ 내지 1,100℃ 범위에서 작동하여, 상기 비소 이온으로서 As2 +를 공급하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판을 지향하도록 설치되어, 기체 상태의 산소 분자를 해리하여 상기 기판에 산소 라디컬을 공급하는 산소 공급유닛을 더 포함하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기판 장착유닛을 기준으로, 상기 금속산화물 처리유닛과 상기 산소 공급유닛은 서로 반대 측에 배치되고,
    상기 비소 공급유닛은, 상기 금속산화물 처리유닛과 상기 산소 공급유닛 사이에 위치하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 반응 챔버는,
    상기 내부 공간을 한정하는 바닥에서 돌출 형성되고, 상기 산소 공급유닛과 상기 비소 공급유닛 사이에 배치되어 상기 산소 공급유닛에서 토출된 상기 산소 라디컬이 상기 비소 공급유닛 및 상기 금속산화물 처리유닛 측으로 이동하는 것을 차단하는 격벽을 더 포함하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 산소 공급유닛은,
    상기 반응 챔버의 상기 내부 공간을 한정하는 바닥보다 낮은 레벨을 갖는 토출구; 및
    토출구를 개폐하는 게이트 밸브를 포함하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 산소 공급유닛의 상기 기판에 대한 지향 각도는 20ㅀ 내지 40ㅀ 범위에서 결정되는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판 장착유닛에 연결된 채로 상기 반응 챔버에 설치되어, 상기 기판 장착유닛을 구동하는 구동 유닛을 더 포함하고,
    상기 구동 유닛은,
    상기 기판 장착유닛가 상기 비소 공급유닛으로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동하게 하거나, 상기 기판 장착유닛이 회전하게 하도록 구성되는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판을 가열하기 위하여 상기 기판 장착유닛에 대응하여 설치되는 히터 유닛을 더 포함하고,
    상기 히터 유닛은, 750℃ 내지 1000℃로 작동하여, 성막 중에 상기 기판의 온도가 550℃ 내지 800℃를 유지하도록 하는, 단결정 금속산화물 반도체 에피 성장 장치.
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