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KR100255430B1 - 박막을 성장시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

박막을 성장시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR100255430B1
KR100255430B1 KR1019960704091A KR19960704091A KR100255430B1 KR 100255430 B1 KR100255430 B1 KR 100255430B1 KR 1019960704091 A KR1019960704091 A KR 1019960704091A KR 19960704091 A KR19960704091 A KR 19960704091A KR 100255430 B1 KR100255430 B1 KR 100255430B1
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린드포르스 스벤
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순톨라 투오모
마이크로케미아 오와이
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Abstract

본 발명은 반응 공간(21)에 위치된 기판에 박막 성장의 목적으로 적어도 두 개의 증기상 반응제의 선택적으로 반복되는 표면 반응이 이루어지는 기판상에 박막을 성장시키는 방법에 관한 것이다. 본 방법에 따르면 반응제원으로부터 분리된 각 반응제를 중기상 형태로 반복적으로 그리고 선택적으로 상기 반응 공간(21)내로 공급하고 상기 기판상에 고상의 박막 혼합물 성장의 목적으로 기판의 표면과 반응되도록 중기상 반응제를 접촉 시킨다. 본 발명에 따르면, 상기 반응공간의 가스부피는 두 연속적인 중기상 반응제 펄스사이의 진공펌프에 의하여 소개된다. 본 장치를 통하여 상이한 시간에 상이한 개시 재료를 운송하는 것에의하여, 서로 각각으로부터 개시재료를 분리하고, 따라서 조기상호반응을 방지할 수 있다.

Description

박막을 성장시키기 위한 방법 및 장치
제1도는 본 발명의 제 1실시예에 따른 반응 챔버 팩의 개략적인 종단면도이고,
제2도는 본 발명의 제 2실시예에 따른 반응공간 구조체의 개략적인 종단면도이다.
제1도에 도시된 장치는 평행하게 적제된 상호 유사한 평면형 요소(10)로 조립된 반응 공간(1)을 포함하고 있는데, 이러한 반응 공간에는 가스흐름 채널(7,4)과 반응 챔버(13)가 평면형 요소로 형성된 개구 및 노치에 의하여 형성되어 있다. 이러한 장치에서는 ALE법을 사용하여 박막이 성장될 8개의 기판(12)이 놓여지는 4개의 반응 챔버(13)가 결합되어 있다. 참조부호 3은 펌프의 유입부와 연통하는 배관에 반응 공간을 연결하는 연결부를 나타낸다. 연결부는 기체상 반응 생성물 및 과도한 반응물의 배출 채널과 연통하고 있으며, 여기서 배출 채널은 반응 챔버로부터의 배출을 위한 집적형 매니폴드로서 작용한다. 따라서, 참조부호 2는 기체상 반응물의 유입 개구를 나타내는데, 이러한 유입 개구는 반응물 유입 채널(7)과 연통하고 있다.
평면형 요소는 어떠한 가스 유출도 모을 수 있는 원형 흡입 그루브(5)를 갖추고 있다. 흡입 그루브는 배출 채널(4)과 연통하고 있다. 흡입 그루브는 외부 오염물이 반응공간으로 유입하는 것을 방지하고 또한 반응물이 반응공간 외부로 유출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 따라서, 흡입 그루브는 반응공간을 위한 분리형 밀봉부로서 작용한다.
평면형 요소를 적층시킬 때, 두 개의 중첩된 요소 사이에는 각각 중간판(6)이 설치되는데, 이러한 중간판은 유입 채널(7)로부터 반응 챔버(13)로 입구 슬릿(8)의 단면 및 출구 슬릿의 단면, 즉 반응 챔버로부터 배출 채널(4)로의 가스 흐름 제한부를 설정함으로써 가스 흐름을 제어한다.
최상부 반응 챔버의 상반부는 반응 챔버 팩의 상부판(9)으로서 작용하고, 최하부 반응 챔버의 하반부는 지지 베이스(17)상에 장착되는 하부판으로서 작용한다. 이러한 상부판 및 하부판 사이에는 세 개의 상호 동형인 평면형 요소가 적층된다. 각각의 정면형 요소는 우선 기판과 조합하여 두 개의 인접하여 적층된 반응 챔버 사이에 벽을 형성하고, 이어서 중간판 및 다른 보조판과 조합하여 유입 및 배출 채널(7,4)을 형성한다. 평면형 요소의 수는 0 내지 100개의 범위에서 변화한다.
유입/배출 채널(7,4)과 반응 챔버는 편평한 가스 흐름을 용이하게 하고 반응공간의 부피를 최소화하기 위하여 세로폭이 좁은 직사각형 단면을 갖도록 형상화된다.
제1도에 도시된 실시예에서, 상이한 반응물 그룹의 기체상 반응물 펄스는 유입채널(7)로 선택적으로 공급된다. 공급 전에, 가스 유입 펄스는 유입 채널(7)에서 또는 그 전에 무반응성 가스 흐름으로 균일화된다. 도면에서 종단면으로 유입 채널에서, 기체상 반응물 펄스는 채널을 따라 편평한 형태로 흐른다. 흐름 전방부는 두깨가 1 내지 3cm인 반면에 폭은 기판의 폭과 동일한 약 10 내지 30cm이다.
유입 채널(7)의 흐름 전도도가 반응 챔버(13)를 통한 흐름 전도도보다 크도록 반응공간을 가스 흐름 제한부의 치수와 같게 설정함으로써, 유입 채널에서 이동하는 흐름은 평행하게 적층된 반응 챔버(13) 사이에서 균일하게 분배된다. 각각의 반응 챔버를 통과하는 흐름 통로는 다른 통로를 경유하는 가스 통로와 동일한 전도도를 가져야 한다. 또한, 압력과 유량은 개개의 반응 챔버 사이에서 균형을 이루며, 이에 의해 박막 성장율이 각각의 챔버에서 또한 동일하다. 반응 챔버(13)의 내부에서, 흐름 패턴은 반응 챔버의 배출단부에 형성된 좁은 흡입 슬릿(14)에 의하여 동일하게 된다. 흡입 슬릿을 단일 슬릿 또는 다수의 작고 평행한 슬릿에 의해 형성될 수도 있는데, 이러한 슬릿에서 배출 방향으로의 흐름은 슬릿의 전도도보다 상당히 큰 전도도를 갖는 대용량의 반응 챔버(13)에 의하여 진행된다. 이후, 가스 흐름은 동일하게 분배된 패턴에서 슬릿을 통해 배출된다. 반응 챔버(13)에서, 이는 평형 분배 가스 전방부를 나타내는 분배 가스 펄스의 리딩 에지의 평행한 압력 성분으로 명백해진다. 실험(감소전 반응물 공급)에서, 가스 전방부는 거의 직선에 가까운 형상을 띤다.
가스 전방부의 평형화된 배출 패턴을 보장하는 것은 중요한데, 이는 가스 분자가 최저압의 방향으로 이동(가장 효율적인 흡입)하는 경향이 있기 때문이고, 불균일한 흡입이 이루어지면 직선형 가스 전방부는 뒤틀릴 것이다. 더욱이, 균일한 흡입 효과는 다른 가능한 이유로 인하여 뒤틀려진 가스 전방부를 교정할 것이다.
제2도에 따르면, 전술된 실시예와 약간 다른 실시예가 도시되어 있다. 다이어그램에서 참조부호의 범례는 다음과 같다.
21. 반응 공간
22. 그룹 A의 개시재료용 유입 덕트 개구
23. 그룹 B의 개시재료용 유입 덕트 개구
24. 펌프의 흡입구와 연통하는 배관용 연결부
25. 평행하게 적재된 반응 챔버로부터의 배출 슬릿용 집적 배출 채널
26. 누출된 가스를 수집하기 위해 평면형 요소를 둘러싸는 흡입 그루브로서, 집적 배출 채널과 연통하는 흡입 그루브
27, 배출 술릿 높이, 즉 가스 흐름 제한부를 설정하도록 작용하는 배플로서, 배출 제한부를 설정하는 기능 이외에 배플은 유입측에서 상이한 개시재료 그룹을 분리하는 격판을 형성함
28. 그룹 B의 개시재료용 유입 채널
29. 그룹 A의 개시재료용 유입 채널
30. 개시재료를 평행한 반응 챔버로 분배시키는 유입 채널
31. 최상부 반응 챔버의 상부판과 일반부
32. 0 내지 100 개의 유사한 평면형 요소로서, 기판과 조합된 각각의 평면형 요소는 중간판 및 다른 보조판과 조합된 유입 채널 및 배출 채널뿐 아니라 두 개의 중첩된 반응 챔버 사이에 분리된 벽을 형성한다.
33. 최하부 반응 챔버의 하부판 및 일반부
34. 지지 베이스의 최상부판
35. 지지 베이스의 중간판
30. 지지 베이스의 최하부판
37. 기판
38. 반응 챔버
39. 기판을 떠나는 가스 흐름을 제한하는 작용을 하는 슬릿
제2도에 도시된 실시예는 제1도에 도시된 실시예와 동일한 방법으로 사용된다. 그러나, 이 구성은 상이한 반응물 그룹의 상이한 개시재료가 그들 자신의 유입 채널을 따라 반응 챔버의 유입 슬릿까지 진행한다는 점에서 상이하다. 따라서, 반응 챔버 팩은 지지 베이스판(34 내지 36) 상에 조립되는데, 이들의 적층부는 상이한 개시재료 그룹의 반응물용의 개별적인 흐름덕트 개구(22,23)를 제공한다. 비슷하게, 반응물은 반응 챔버 팩의 측면에서 그들의 개별적인 유입 채널(28,29)에서 이동하게 된다.
가스가 의하여 형성된 배플(27)에 의하여 분리된 유입 채널(28,29)로부터 공급되는데, 여기서 반응 챔버의 높이는 확산이 상이한 채널로부터 유입되는 흐름을 효율적으로 혼합할 수 있도록 결정된다. 확산은 편평한 가스 흐름 패턴의 폭 방향에서는 너무 느리게 혼합되는 방법이지만, 높이 방향에서는 양호하게 혼합시킨다. 따라서, 예를 들면 반응물이 한 유입 채널(28)로부터 공급될 때, 무반응성 가스가 다른 채널(29)로부터 공급된다. 배플에 충돌될 때 반응물과 무반응성 가스는 각각 편평한 흐름 패턴으로 편평화되어, 반응 챔버의 유입 슬릿에서 상호 혼합되는 동안 균일하게 된다.
유입 덕트 개구(22,23) 및 유입 채널(28,29)은 원형 단면을 가질 수도 있으며, 반응 가스 흐름은 단지 배플에서 부채꼴로 편평하게 퍼진다.
제 1실시예와 유사하게, 가스 전방부의 동일한 단면의 방향 유출 패턴은 매우 중요하다.
제2도에서는 도면이 명료하도록, 유입 채널(28,29)의 위치를 약간 변위시켜 도시하였다. 실제로, 이들 유입 채널들은 평행하게, 즉 횡방향으로 인접하여 배열되는데, 이에 의해 반응 챔버내로의 공급 개구가 기판으로부터 동일한 거리에 위치하게 된다.
[예]
다음의 예는 제1도에 도시된 장치의 펌프의 구성원리와 본 발명에 따라 장치가 작동시키는 연속적인 기체상 반응물 펄스 사이의 간격을 기술하고 있다.
기판 크기 300×300mm2
기판 수 10pcs
반응 챔버 수 5pcs
기판 사이의 공간 4mm
반응 챔버의 전체 부피 5×300×300×4mm3= 18,000cm3
유입 채널의 치수/부피 300×10×100mm = 300cm3
배출 채널의 치수/부피 300×10×100mm = 300cm3
전체 부피 18,600cm3, 또는 약 19ℓ
펌프 용량은 360cm3/h, 또는 360×1000/3600(ℓ/s)=100ℓ/s.
따라서, 전출한 전체 가스 부피는 펌프로 약 0.2초 동안 배출되도록 크기가 결정된다.
전술한 성능을 갖는 펌프는 내경 76mm와 π×O.38×0.38×10cm3= 4.07ℓ/분의 단위 길이당 부피를 갖는 바, 이것은 반응 챔버 팩으로부터 장치의 출구 연결부까지의 펌핑 라인의 길이가 1m이면, 그의 배출은 0.04초의 추가 시간이 소요된다.
따라서, 전술된 실시예에서 반응물 펄스 사이의 간격은 약 0.25초로서 선택되는데, 이는 두 연속적인 반응물 사이의 간격 동안 장치의 전체 가스 부피를 한차례 배출시킬 수 있는 충분한 시간이다. 펄스 사이의 간격을 연장시킴으로써 전체 가스 부피는 약 4배로 배출될 수 있다. 여기에서 무반응성 가스는 소개동안 반응 챔버내로 도입될 수도 있다.
본 발명은 반응공간 내에 위치된 기판 상에 박막을 형성하도록 적어도 두 개의 기체상 반응물을 교대로 반복적으로 기판에 가함으로써 기판 상으로 박막을 성장시키기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에서는 기판을 일반적으로 반응공간에 위치시키고, 원자층 에피택시법(Atomic Layes Epitaxy method : 이하 ALE 방법이라 함)에 따라 적어도 두 개의 상이한 반응물을 기판에 교대로 반복적으로 가함으로써 기판에 박막을 성장시킨다.
본 발명의 방법에 따르면, 반응물들은 반응물 소오스로부터 기체상 펄스의 형태로 반응공간으로 반복적으로 교대로 공급된다. 여기서, 기체상 반응물은 기판상에 고상의 박막을 형성하도록 기판 표면과 반응한다.
이러한 ALE 방법은 원하는 복합 박막의 성분을 포함하는 반응물을 사용하여 소위 복합 박막을 제조하는데 가장 폭넓게 사용되지만, 원소 박막을 성장시키는 분야에도 적용될 수도 있다. 기술분야에서 일반적으로 사용되는 복합 박막중에서 전자발광 디스플레이에 사용되는 ZnS 박막이 제조될 수 있는데, 이러한 박막은 반응물로서 황화아연 및 황화수소를 사용하여 유리 기판 상에서 성장한다. 원소 박막으로는 실리콘 박막이 있다.
본 발명은 또한 기판 상에 고상의 박막을 형성하도록 기판에 기체상 반응물의 표면 반응을 교대로 반복적으로 가함으로써 기판 상으로 박막을 성장시키기 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명에 빠른 ALE 장치는 기판이 놓여질 수 있는 반응공간과, 박막 성장 공정에 사용되는 반응물을 기체상 펄스 형태로 반응공간으로 공급하는 둘 이상의 반응물 소오스를 갖추고 있다. 반응물 소오스는 반응물 유입채널을 통해 반응공간에 연결되어 있고, 유출 채널(펌핑 라인)은 펌프에 부착되어 있어서 과도한 기체상 반응물 뿐만 아니라 박막 성장 공정의 반응생성물을 제거하기 위해 반응공간에 연결되어 있다.
종래에는, 진공 증발 증착, 분자 비임 에피택시법(Molecular Beam Epitaxy; 이하 MBE 방법이라 함), 및 다른 종류의 진공 증착방법, 즉 다양한 종류의 화학적 증착 방법(이하 CVD 방법이라 함)(저압 및 금속 유기물 CVD 및 플라즈마 강화 CVD를 포함함), 또는 그밖에 원자층 에피택시법(Atomic Layer Epitaxy: 이하 ALE 방법이라 함)을 이용하여 박막을 성장시켰다.
MBE 및 CVD 방법에서, 성장률에 영향을 미치는 공정 변수로는 유입되는 개시재료의 농도를 들 수 있다. 종래 방법의 제 1카테고리에 의해 일정한 두께의 증착층을 얻기 위해, 개시재료의 농도 및 반응성은 모든 표면영역에 걸쳐서 일정하게 유지되어야 한다. 개시재료가 예컨대 CVD 방법에서와 같이 기판표면에 도달하기 전에 서로 혼합된다면, 개시재료는 상호반응하게 된다. 이는 이후에 기체상 반응물의 유입채널내에 미세 입자를 형성시킬 수 있다. 이러한 미세 입자는 박막 성장의 질에 악영향을 미친다. 따라서, MBE 및 CVD 반응기에서 때이른 반응이 일어날 가능성은 기판 표면보다 개시재료를 늦게 가열함으로써 방지된다. 이러한 가열 방법 이외에, 예컨대 플라즈마 또는 다른 종류의 유사한 활성화 수단을 사용하여 원하는 반응을 개시할 수 있다.
MBE 및 CVD 공정에서는, 기판 상에 충돌하는 개시재료의 유입율을 조정함으로써 박막의 성장이 조절된다. 이와 대조적으로, ALE 공정은 개시재료의 농도 또는 흐름 변수보다는 기판 표면의 질에 의해 증착율이 제어된다. ALE 공정에서 유일한 전제조건은 기판의 모든 측면에 박막을 형성하기 위해 충분한 농도의 개시재료가 사용되어야 한다는 것이다.
ALE 방법은 핀란드 특허 제 52,359호와 제 57,975호 및 미합중국 특허 제 4,058,430호 및 제 4,389,973호에 공개되어 있다. 여기에는 또한 이러한 방법을 수행하기에 적합한 일부 장치의 실시예가 개시되어 있다. 박막을 성장시키기 위한 설비의 구조는 다음의 간행물에도 개시되어 있다. “얇은 고체막”, 225(1993) 96 내지 98쪽, “재료과학 보고서(Material Science Report) 4(7)(1989), 261쪽”및 티지오테크니카(Tyhjiotekniikka)(진공기술에 관한 핀란드 간행물), ISBN 951-794-422-5, 253 내지 261쪽.
ALE 방법에서는, 원자 또는 분자가 기판위에 연속적으로 쓸어내려지도록 배열되어서 기판 표면위에 완전히 포화된 분자층이 형성되도록 기판표면상에 충돌한다. 핀란드 특허공개 제 57,975호에 공개된 종래기술에 따르면, 포화단계는 무반응성 가스 펄스가 기판위로부터 과잉의 개시재료와 기체상 반응 생성물을 쓸어내리는 확산방벽을 형성함으로써 수행된다. 상이한 개시재료의 연속적인 펄스와 이를 분리하는 무반응성 가스의 확산 방벽은 상이한 재료 표면의 화학적 특성에 의해서 조절되는 비율로 박막을 성장시킨다. 이러한 반응기는 “이동파” 반응기라 한다. 공정의 작용에 있어서, 가스 또는 기판의 미동 여부는 무의미하며, 그보다는 연속적인 반응단계에서 상이한 개시재료가 서로 분리되어서 기판을 순차적으로 씻어내리도록 배열하는 것이 중요하다.
대부분의 진공 증발기는 소위 “단일-충돌(single-shot)” 원리에 따라 작동된다. 여기에서, 중기화된 원자 또는 분자종(species)은 기판상에 단지 한번만 충돌한다. 기판과 어떤 반응도 일어나지 않는 종이 발생한다면, 이들 종은 튀어나오거나 재증발하여 진공펌프에 연결된 입구 또는 장치벽에 부딪쳐서 그곳에서 응축된다. 뜨거운 벽 반응기에서 반응기 벽 또는 기판상에 충돌하는 원자 또는 분자종은 재증발할 수 있고, 따라서 기판상에 분자 등의 반복된 충돌을 위한 양호한 조건을 형성시킬 수 있다. ALE 반응기에 적용될 때는 이 “다중-충돌(multi-shot)” 원리는 개선된 재료 이용 효율을 제공할수 있다. 종래의 ALE 장치의 특징은 반응의 상이한 개시재료가 개시재료의 두연속적인 펄스 사이에서 이동하는 무반응성 가스 영역에 의해 형성된 확산벽과 같은 수단에 의해 서로 분리되어 있다는 점이다(상기한 핀란드 특허 제 57,975호 및 대응 미합중국 특허 제 4,389,973호 참조). 하류 흐름 확산벽으로서 작용하는 무반응성 가스 영역은 단지 약 백만개의 반응물 가스 분자가 분리된 확산벽의 두깨보다 긴 거리를 역류방향으로 양호한 조건하에서 충분한 확산속도로 이동할 수 있도록 충분한 길이를 갖는다.
그러나, 상기한 구성의 높은 신뢰도에도 불구하고, 약간의 문제점들이 있다. 예를들면, 실제 반응기 구성에서, 배관의 단면과 형상은 공급 매니폴드와 기판 사이에서 변화하는데, 이에 의해 확산벽의 두께와 형상이 제어되기 어렵게 되며, 개시재료는 서로 접촉된 상태로 운반될 수도 있다. 확산벽은 또한 기체상 반응물을 기판에 공급하는 노즐, 가스 혼합기 또는 파이프의 다른 불연속점에서 파괴될 수도 있다. 또한, 유입 가스총이 배관의 과도한 굽힘에 의해 파괴될 수도 있다.
흐름 시스템에서, 개시재료의 상호 혼합은 가스 부피를 서로 각각 분리하는 것만으로는 방지할 수 없는데, 이는 개시재료 펄스로부터 분자가 장치벽 또는 불연속점상에 점착되어서 이후 연속적인 개시재료 펄스의 분자에 접근하여 혼합되기 때문이다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결하고 박막을 성장시키기 위한 전체적으로 신규한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적은 각각의 개시재료 펄스가 또다른 개시재료 펄스와 분리된 상태로 장치의 배관을 통해 반응공간으로 개별적으로 유입되도록 개시재료 반응물의 기체상 펄스를 ALE 반응기내로 유입시킴으로써 달성된다. 본 발명에 따르면, 이러한 개념은 두 연속적인 기체상 펄스 사이에서 반응성 가스를 수용하는 반응공간의 가스 부피를 99% 이상, 바람직하게는 99.99%의 정화 효율로 정화시킴으로써 실현된다. 따라서, 기체상 반응물로 채워진 전체 가스 부피로서 언급되는 모든 반응 가스는 연속하는 펄스사이에서 반응공간으로부터 정화된다. 상이한 개시재료의 반응물 펄스는 서로 분리된 상태로 존재하고, 이에 의해 반응물들은 서로 혼합되지 않는다.
본 발명의 방법을 실시하기에 적합한 장치에서, 유출 채널이 반응공간을 진공으로 배출시킬 수 있는 펌프에 연결되어 있고, 이러한 펌프의 성능은 두 개의 연속적인 기체상 반응물 펄스 사이의 시간동안 반응공간으로부터 배출되는 가스의 부피에 대응하는 가스 부피를 완전히 배출시킬 수 있도록 충분히 높아야 한다. 따라서, 펌프는 단위 시간당, 유리하게는 두 개의 연속적인 기체상 반응물 펄스 사이의 간격당 용량은 반응공간의 가스 부피 보다 더 크다.
특히, 본 발명에 따른 방법은, 반응물 소오스로부터 분리된 상기 반응물을 기체상의 형태로 교대로 반복적으로 상기 반응공간내로 공급하는 단계와, 상기 기판 상에 고상의 박막 혼할물을 형성하도록 상기 기체상 반응물을 상기 기판의 표면과 반응시키는 단계와, 두 연속적인 기체상 펄스 사이의 간격동안 상기 반응공간의 두 가스 부피보다 더 큰 용량을 배출시킬 수 있는 펌프에 상기 반응공간을 연결시킴으로써 상기 두 연속적인 기체상 펄스 사이에서 상기 둘 이상의 반응공간의 가스 부피를 배출시키는 단계로서, 상기 반응공간내에 잔존하는 상기 두 연속적인 기체상 펄스의 제 1펄스의 잔류 성분이 상기 두 연속적인 기체상 펄스의 제 2펄스가 유입되기 전에 1% 미만의 레벨이 되는 단계와, 그리고 상기 배출 단계와 동시에 상기 반응공간내로 무반응성 가스물 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 장치는, 기판이 위치되는 반응공간과, 상기 반응공간과 연통하고 있고, 박막 성장 공정에 사용되는 반응물을 기체상 펄스 형태로 상기 반응 공간으로 공급하는 동시에 무반응성 가스를 상기 반응 공간으로 공급하기에 적합하도록 구성된 다수의 유입 채널과, 그리고 상기 반응공간과 연통하고 있고, 상기 반응공간으로부터 반응 생성물과 과잉의 반응물을 배출시키기에 적합한 반응물 배출 채널을 포함하고 있으며, 상기 반응물 배출 채널이 상기 반응공간을 진공으로 배출시킬 수 있는 펌프에 연결된 연결부를 갖추고 있고, 상기 펌프가 두 연속적인 기체상 반응물 펄스 사이의 간격동안 상기 반응 공간의 가스 부피의 적어도 두 배를 배출시킬 수 있는 용량을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 사용된 “배출”이라는 용어는 기체상 반응물의 잔류물을 제거하는 것을 의미한다. 반응공간의 배출은 장치에서의 내부 압력을 충분히 높은 진공도로 낮출 수 있는 하나 이상의 펌핑 사이클에 의해 장치의 가스 부피를 정화시킴으로써 달성될 수 있다. 필요한 경우, 장치는 반응공간으로부터 반응물 잔류물의 정화를 촉진시키는 무반응성 가스로 동시에 충진될 수도 있다.
본 명세서에 사용된 “무반응성(inactive)”가스라는 용어는 반응공간으로 유입되는 가스로서, 반응물 및 기판 각각에 관련된 바람직하지 못한 반응을 방지할 수 있는 가스를 의미한다. 이러한 반응은 예컨대 반응물과 블순물을 포함한 기판의 반응을 포함한다. 무반응성 가스는 또한 유입 배관내의 상이한 반응물 그룹의 물질들 사이의 반응을 방지하는 작용도 한다. 본 발명의 방법에 따르면, 무반응성 가스는 또한 반응물의 기체상 펄스의 캐리어 가스로서 작용한다. 상이한 반응물 그룹의 반응물들이 개별적인 유입 매니폴드를 통해 반응공간으로 유입되는 바람직한 실시예에 따르면, 기체상 반응물 펄스가 하나의 유입 채널로부터 유입되는 동안 다른 유입 채널로부터 무반응성 가스가 유입됨으로써, 이미 유입된 반응물이 다른 반응물의 유입 채널로 유입되는 것이 방지된다. 본 발명에 적절하게 사용될 수 있는 무반응성 가스는 질소와 같은 불활성 가스 및 아르곤과 같은 희가스로 제조될 수 있다. 무반응성 가스는 또한 기판 표면에서 발생하는 바람직하지 못한 반응(산화반응)을 방지하도록 작용하는 수소 가스와 같은 반응성 가스일 수도 있다.
본 발명에 따르면, “반응공간”이라는 용어는 기판이 위치되는 공간 및 박막을 성장시키기 위해 기체상 반응몰이 기판과 반응하는 공간(반응 챔버) 모두를 포함하는데, 이러한 반응공간은 반응물을 반응 챔버에 유입시키는 유입 채널 및 박막 성장 공정의 가스 반응 생성물과 반응 챔버로부터 과도한 반응물을 제거하는 유출 채널과 직접 연통하고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 구성에서, 유입 채널 및 유출 채널의 수는 각각 한 개로부터 그 이상으로 변화될 수 있다. 본 발명에 따르면, 반응공간은 두 연속적인 기체상 펄스 사이에서 배출될 전체 부피이다.
본 명세서에 사용된 “반응물”이라는 용어는 기판의 표면과 반응할 수 있는 기화가능한 개시재료를 의미한다. ALE 방법은 통상적으로 2개의 별도의 그룹으로부터 선택된 반응물을 사용한다. 이러한 반응물은 고체, 액체, 또는 기체일 수 있다. “금속 반응물”이라는 용어는 금속을 주성분으로 하는 금속화합물을 의미한다. 적절한 금속 반응물은 예컨대 착화합물(Complex compound)과 같은 금속 유기 화합물과, 염화물 및 브롬화물을 포함하는 금속 할로겐화물이다. 금속 반응물의 예로는 Zn, ZnC12, Ca(thd)2, (CH3)3Al 및 Cp2Mg가 언급될 수 있다. 여기서, ZnCl2는 염화아연을 의미하고, Cp2Mg는 Ca(2,2,6,6-tetramethylheptane-3,5-dione)2를 의미하며, Cp2Mg는 (cyclopentadienyl radical)2Mg를 의미한다. “비금속 반응물”이라는 용어는 금속 화합물과 반응할 수 있는 화합물 및 성분을 의미한다. 비금속 반응물로는 물, 황, 황화수소, 및 암모니아가 사용된다.
본 명세서에 사용된 “기판 표면”이라는 용어는 반응 챔버 내로 흐르는 기체상 반응물이 처음으로 충돌하는 기판의 상부 표면을 의미한다. 실제로, 박막 성장 공정의 제 1주기동안 기판 표면은 유리와 같은 기판 표면으로 구성되고, 제 2주기동안 표면은 반응물 간의 반응에 의하여 증착되어서 기판에 부착된 고상의 반응 생성물을 포함하는 층으로 구성된다.
전술된 바와 같이, 실제적인 실시예에서 기체상 반응물은 반응 챔버내로 유동하여 이를 통과하는 캐리어 가스에 의해 구동된다. 따라서, 반응물 소오스로부터 얻어진 기체상 반응물은 장치의 소정의 지점에서 무반응성 가스 흐름과 혼합된다. 본 명세서에 사용된 “반응공간 가스 흐름 채널”은 또한 무반응성 가스 흐름의 제어 밸브 뒤에 위치된 반응물 유입 배관의 일부를 포함한다.
본 발명의 특징은 상이한 개시재료가 배관 또는 반응기(반응공간)로 동시에 유입되지 않지만, 배관 및 반응공간내에 있는 이미 유입된 기체상 반응물 펄스가 다음의 기체상 반응물 펄스가 유입되기 전에 배출된다는 점이다. 유리하게, 연속하는 펄스 사이의 간직은 펄스 사이의 간격동안 적어도 두배 또는 세배의 정화 가스를 사용하여 반응공간을 배출할 수 있을 만큼 충분히 길다. 반응물 잔류물을 최대의 효율로 배출시키기 위해, 반응공간은 반응물 펄스 사이의 간격동안 무반응성 가스로 정화되며, 반응물 펄스 사이의 간격동안 반응공간으로부터 배출되는 가스의 전체 부피는 반응공간 부피의 적어도 2 내지 10배에 달한다. 후행하는 펄스가 유입될 때, 잔류하는 이미 유입된 기체상 반응물 펄스의 성분이 1% 미만, 유리하게는 1‰ 미만이 되도록 배출 효율의 목표값을 설정할 수 있다. 본 발명에 따른 작용은 이미 유입된 반응물 펄스로부터 1ppm 미만의 반응물 잔류물이 잔류하도록 반응공간을 정화시킬 수 있다.
본 방법에 따르면, 배출은 두 개의 연속적인 기체상 반응물의 펄스 간격동안의 부피용량이 반응공간의 가스 부피보다 큰 펌프에 반응공간율 연결시킴으로써 가장 효율적으로 달성된다. 두 연속적인 기체상 펄스 사이의 간격은 일반적으로 1초 정도이기 때문에, 이러한 요건은 두 연속적인 기체상 펄스 사이의 간격동안 반응공간 부피의 적어도 2 내지 3배, 특히 유리하게는 4 내지 10배의 가스 부피량을 배출하기에 충분한 능력을 갖는 펌프를 반응 공간에 접속시킴으로써 달성된다.
본 발명은 반응공간에 충분한 진공을 형성시킬 수 있으며, 충분한 용량을 갖는 적절한 펌프를 사용하여 구현될 수 있다. 적절한 펌프의 예로는 회전식 진공 펌프, 루트스 블로어(Roots′ blower), 및 터보 펌프를 들 수 있다.
효율적인 배출을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 장치는 최소의 봉합부를 갖는 최소의 부피와 배관 단면적을 갖는 구성을 갖는 것을 특징으로 한다. 배관은 흐름 패턴의 층류를 교란시키지 않거나 또는 가스 포켓을 정화시키기 용이하도록 설계된다.
종래의 박막 성장 장치에서, 상기한 목표는 장치에서의 가스 부피가 생성물에 의하여 점유되는 부피에 비하여 상당히 크고 가스가 복잡한 통로를 통하여 흐르기 때문에 달성하기 어렵다. 명백하게, 단순한 확산벽으로는 모든 가스 포켓을 정화시킬 수 없다. 다중 기판상에 동시에 박막을 성장시킬 수 있도록 구성된 장치에서는 상기한 문제점이 두드러지게 나타난다.
본 발명은 장치의 가스 부피를 최소화하고 박막의 파괴를 최소화는 다수의 특징을 개시하고 있다. 동시에, 본 발명은 둘 이상의 기판상에 박막을 동시에 증착시키기에 적합한 장치의 특별한 실시예를 제공한다.
장치 오염을 감소시킬 수 있는 효과적인 방법은 각각의 반응물 그룹을 분리된 유입 채널을 통해 반응 챔버내로 직접 공급하는 것이다. 바람직하게, 반응물은 기판과 접촉하기 전에 다른 반응물 그룹의 유입 채널로부터 유입되는 캐리어 가스 흐름과 혼합된다. 이러한 반응물과 캐리어 가스의 혼합은 기판 위를 지나는 가스 흐름을 균일하계 한다.
상기한 실시예는 둘 이상의 혼합 성분 반응물을 사용하는 박막 성장공정에 특히 적합하다. 상이한 반응물 그룹의 유입 채널의 출구 단부(이하에서 반응물 “공급 개구”라 함)는 반응물을 기판의 박막 구조물에 인접하게 배출하도록 구성되어 있다. 하나의 공급 개구로부터 유입되는 반응물이 다른 반응물의 공급 개구로 유입되는 것을 방지하는 배플이 공급 개구 사이에 설치된다. 반응물의 오염 가능성을 최소화하기 위해, 매우 바람직하게 캐리어 가스는 현재 반응물을 공급하지 않는 유입 채널 또는 채널들을 통해 흐른다. 바람직하게는, 반응물 공급 개구는 배플판의 양측면에 위치되고, 반응물 유입은 배플판에 대하여 수직으로 이루어지는데, 이에 의해 가스 흐름은 “편평한” 흐름 패턴을 형성하도록 편평한 흐름으로 확산될 수 있다. 배플판을 가격함으로써 편평해진 캐리어 가스 흐름 및 반대방향으로부터 유입되는 기체상 반응물 각각은 기판과 접촉하여 혼합 흐름을 이루기 전에 혼합된다. 확산에 의한 상이한 종들의 혼합은 편평한 가스 흐름 사이에서 매우 효율적인데, 이에 의해 균일한 가스 흐름이 기판에 적용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 장치의 가스 부피는 반응공간의 부피를 최소화하기 위하여 반응 챔버와 연통하는 가스 흐름 채널을 폭이 좁은 직사각형 형태로 구성함으로써 최소화된다. 따라서, 가스 흐름 채널은 상기 한 실시예의 배열에서와 같은 편평한 가스 흐름 패턴을 형성할 수 있는 “평평한” 형태를 갖는다.
일반적으로, 본 발명에 따른 편평한 가스 흐름 채널은 채널 높이의 약 1 내지 100배의 폭(가스 펄스 전면의 흐름 방향에 직교함)을 갖는 단면을 갖는다. 유리하게, 폭과 높이의 비는 약 5:1 내지 50:1, 일반적으로는 30:1 내지 5:1 정도이다.
상기한 두 실시예에서, 기판을 둘러싸는 반응 챔버는 챔버벽이 처리될 기판에 인접하여 배치되도록 구성된다. 챔버의 내부 상부벽은 기판 상부벽과 평행하게 정렬된다. 사실, 채널의 내부 상부벽은 다른 기판에 의하여 형성될 수도 있다.
장치에서 가스 부피의 최소화는 단일 반응공간이 두 개 이상의 기판상에 박막의 성장을 위해 동시에 사용될 수 있기 때문에 반응물의 사용 효율을 개선시킨다. 본 발명에 따르면, 이러한 구성은 반응공간의 전체 부피를 최소화하기 위하여 공통의 가스 흐름 채널을 갖는 반응 챔버 팩을 제공하도록 수직 또는 수평하게 적제된 분리된 반응 챔버에 기관을 위치시킴으로써 구현된다. 수직 또는 수평하게 적재되는 반응 챔버의 수는 2 내지 100개일 수도 있으며, 각각의 챔버가 두 개 이상의 기판을 동시에 처리하기 위해 사용될 수 있기 때문에, 처리될 박막 표면의 총수는 예를 들면 2 내지 200개의 범위에서 변화될 수도 있다.
본 발명의 유리한 실시예에 따른 장치는 수직 또는 수평하게 적재된 평면형 요소를 포함하며, 이러한 요소는 반응 챔버들 및 반응 챔버들에 장착된 가스 흐름 채널에 대응하는 리세스/그루브를 갖추고 있으며, 다수의 상기 요소가 동일하다. 평면형 요소의 에지 영역은 평면형 요소를 통해 연장하는 원형 또는 직사각형 형태의 노치 또는 개구를 포함하는데, 이러한 노치 또는 개구는 평면형 요소가 반응 챔버 팩을 형성하도록 수직 또는 수평하게 적재될 때 반응공간의 가스 흐름 채널을 형성한다. 반응 유입측상의 원형 개구의 수는 각각의 반응물 그룹 당 하나이고, 이는 두 개의 개구를 의미한다. 유입측상에 필요한 직사각형 개구의 수는 단지 하나이다.
평면형 요소의 중심부는 리세스가 그들의 반응물 유입 및 배출측에서 노치 또는 개구에 각각 연결되도록 평면형 요소로부터 리세스된 영역이 제공될 수 있다. 리세스된 영역은 반응공간의 반응 챔버 또는 반응부를 형성한다. 리세스된 영역과 가스 흐름 채널 사이의 흐름 연결부는 가스 흐름의 제한부로서 작용한다. 평면형 요소의 리세스된 영역은 평면형 요소의 중앙부의 개구로부터 평면형 요소의 전체 두께를 통해 연장되는 깊이로 제조될 수도 있다. 유리하게, 리세스된 영역의 내부 에지는 리세스의 적어도 두 개의 대향 측부를 따라 기판의 에지와 일치하며, 이에 의해 기판은 리세스 내에 위치하게 된다. 필요한 경우, 리세스의 내부 에지에는 기판을 지지하도록 작용하는 브래킷이 제공될 수 있다. 이 경우에, 반응 챔버 팩의 넓은 벽은 평면형 요소의 중앙부의 개구내로 위치된 기판에 의하여 형성되고, 이에 의해 기관들은 기판 상측부가 서로 접하도록 정렬될 수도 있다.
상기한 구성의 장치는 반응공간의 중량을 감소시키고 시스템에서의 구성 요소의 수를 감소시킬 수 있다. 또한, 수직 또는 수평하게 적재된 반응챔버를 포함하도록 반응공간을 구성함으로써, 가스 유입 채널 및 가스 배출 채널의 길이를 각각 감소시킬 수 있다. 이는 특히 기판 자체가 반응 챔버의 넓은 벽으로서 작용하는 경우에 명백하다.
본 발명은 종래의 ALE 반응기에 비하여 상당한 잇점이 있다. 따라서, 시스템으로 운송될 개시재료를 결코 두 개 이상 갖지 않는 기초한 개시재료의 펄스 개념은 개시재료를 서로로부터 동시에 효율적으로 분리할 수 있고, 따라서 개시재료들이 조기에 상호 반응하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 반응이 기체상태에서 발생한다면, 이는 CVD 박막 성장을 의미하는 것으로서, 이러한 반응기는 ALE 방법의 작동 조건으로부터 벗어나기 때문에 더이상 ALE 반응기라 할 수 없다. 사실, 종래의 ALE 반응기에서 CVD 박막 성장 조건은 종종 유해한 미세입자 먼지/파편을 형성한다.
본 발명에 따르면, CVD 박막 성장의 위험이 제거되며, 따라서 순수한 표면 제어식 박막 성장 및 우수한 품질의 박막을 성장시키는 ALE 방법이 달성되며, 실제로 본 발명에 따른 장치는 ALE 공정의 주요 특징인 개별 반응 단계를 실현할 수 있다.
최소화된 표면적과 부피는 또한 배관에서 성장하는 박막의 양을 최소화시켜서, 먼지/파편의 형성율을 감소시키고 정화의 필요성을 제거한다. 최적의 유체역학을 갖는 작은 가스 부피는 가스의 흐름 속도를 가속시키고, 반응에 참여하는 가스의 정화를 개선시키며, 이에 의해 공정 속도가 향상되고 박막의 품질이 개선된다.
배출 단계 및 무반응성 가스가 공급되는 보충 단계는 시스템의 내부벽상에 흡수된 분자를 효율적으로 제거시키며, 따라서 이러한 분자가 연속적인 반응물 펄스의 분자종들과 반응할 가능성을 감소시킨다.
이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

Claims (15)

  1. 반응공간내에 위치된 기판 상에 박막을 형성하도록 두 개 이상의 기체상 반응물을 교대로 반복적으로 상기 기판에 가함으로써 상기 기판 상으로 박막을 성장시키기 위한 방법으로서, 반응물 소오스로부터 분리된 상기 반응물을 기체상의 형태로 교대로 반복적으로 상기 반응공간내로 공급하는 단계와, 상기 기판 상에 고상의 박막 혼합물을 형성하도록 상기 기체상 반응물을 상기 기판의 표면과 반응시키는 단계와, 두 연속적인 기체상 펄스 사이의 간격동안 상기 반응공간의 두 가스부피 보다 훨씬 큰 용량을 배출시킬 수 있는 펌프에 상기 반응공간을 연결시킴으로써 상기 두 연속적인 기체상 펄스 사이에서 상기 반응공간의 둘 이상의 가스 부피를 배출시키는 단계로서, 상기 반응공간내에 잔존하는 상기 두 연속적인 기체상 펄스의 제 1펄스의 잔류 성분이 상기 두 연속적인 기체상 펄스의 제 2펄스가 유입되기 전에 1% 미만의 레벨이 되는 단계와, 그리고 상기 배출 단계와 동시에 상기 반응공간내로 무반응성 가스를 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응공간의 상기 가스 부피가 상기 두 연속적인 기체상 펄스 사이의 간격동안 2배 내지 10배로 배출되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응공간에 잔류하는 상기 두 연속적인 기체상 펄스의 제 1펄스의 잔류 성분이 상기 연속적인 기체상 펄스의 제 2펄스가 유입되기 전에 1% 미만의 레벨이 되도록 상기 반응공간의 상기 가스 부피가 배출되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응공간이 상기 두 연속적인 기체상 펄스 사이의 간격동안 상기 반응공간의 가스 부피 보다 훨씬 큰 용량을 갖는 폄프에 연결되는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 각각의 기체상 반응물이 상기 반응공간으로부터 배출된 가스 부피를 최소화시키기 위해 별도의 유입 채널을 통해 상기 반응공간내로 공급되는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 각각의 기체상 펄스가 상기 반응공간내로 유입되기 전에 상기 무반응성 가스와 혼합되는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반응공간은 상기 기판이 위치될 반응 챔버와, 상기 반응 챔버와 연통하는 가스 흐름 채널을 포함하고 있으며, 상기 가스 흐름 채널은 상기 기체상 펄스를 상기 반응 공간내로 유입시키고 상기 반응 챔버로부터 상기 기체상 펄스의 비반응된 성분을 배출시키기에 적합하도록 구성되며, 상기 가스 흐름 채널의 일부분이 상기 반응공간의 부피를 최소화하기 위해 높이보다 폭이 큰 직사각형 단면을 갖는 방법.
  8. 제1항에 또는 제7항에 있어서, 상기 반응공간은 상기 기판이 위치될 반응 챔버와, 상기 반응 챔버와 연통하는 가스 흐름 채널을 포함하고 있으며, 상기 가스 흐름 채널은 상기 기체상 펄스를 상기 반응 공간내로 유입시키는 동시에 상기 반응 챔버로부터 상기 기체상 펄스의 비반응된 성분을 배출시키기에 적합하도록 구성되어 있고, 상기 반응 챔버가 상기 반응공간의 부피를 최소화하기 위해 높이 보다 폭이 큰 직사각형 단면을 갖는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기체상 펄스가, 평면형 기체상 반응물 펄스를 형성하고 상기 기체상 반응물과 캐리어 가스 흐름의 상호 혼합을 개선하기 위해, 높이보다 폭이 큰 직사각형 단면을 갖는 상기 가스 흐름 채널을 통해 공급되는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 각각의 반응물 그룹의 상기 기체상 펄스의 각각의 유입 채널을 통해 상기 반응 챔버로 직접 공급되며, 상기 기체상 펄스는 상기 반응물이 상기 기판과 접촉하기 전에 캐리어 가스 흐름과 상호 혼합되는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기체상 펄스의 일부가 층류로서 상기 반응 챔버내로 공급되는 방법.
  12. 기판상에 고상의 박막을 형성하도록 상기 기판에 기체상 반응물을 교대로 반복적으로 상기 기판 상에 가함으로써 상기 기판 상으로 박막을 성장시키기 위한 장치로서, 기판이 위치되는 반응공간과, 상기 반응공간과 연통하고 있고, 박막 성장 공정에 사용되는 반응물을 기체상 펄스 형태로 상기 반응 공간으로 공급하는 동시에 무반응성 가스를 상기 반응 공간으로 공급하기에 적합하도록 구성된 다수의 유입 채널과 그리고 상기 반응공간과 연통하고 있고, 상기 반응공간으로부터 반응 생성물과 과잉의 반응물을 배출시키기에 적합하도록 구성된 반응물 배출 채널을 포함하고 있으며, 상기 반응물 배출 채널이 상기 반응공간을 진공으로 배출시킬 수 있도록 펌프에 연결된 연결부를 갖추고 있고, 상기 펌프가 두 연속적인 기체상 반응물 펄스 사이의 간격동안 상기 반응 공간의 가스 부피의 두 배 이상을 배출시킬 수 있는 용량을 갖는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 펌프가 두 연속적인 기체상 반응물 펄스 사이의 간격동안 상기 반응공간의 가스 부피의 두 배 이상을 배출시킬 수 있는 용량을 갖는 장치.
  14. 기판 상에 고상의 박막을 형성하도록 기판에 기체상 반응물의 표면 반응을 교대로 반복적으로 가함으로써 기판 상으로 박막을 성장시키기 위한 장치로서, 기판이 위치되는 반응공간과, 상기 반응공간과 연통하고 있는 가스 흐름 채널을 포함하고 있으며, 상기 가스 흐름 채널은 다수의 상기 기체상 펄스와 무반응성 가스를 상기 반응 공간내로 유입시키는 동시에 상기 반응 공간으로부터 상기 박막 성장 공정 중에 발생되는 반응 생성물 및 과잉의 반응물 펄스를 상기 반응공간으로부터 배출시키기에 적합하도록 구성되어 있고, 상기 반응공간의 부피를 최소화하기 위해 상기 가스 흐름 채널의 일부분이 높이보다 폭이 큰 직사각형 단면을 갖는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 반응공간의 부피를 최소화하기 위해 상기 반응 챔버가 높이보다 폭이 큰 직사각형 단면을 갖는 장치.
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