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KR20160093510A - 성막장치 및 성막방법 - Google Patents

성막장치 및 성막방법 Download PDF

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KR20160093510A
KR20160093510A KR1020150026934A KR20150026934A KR20160093510A KR 20160093510 A KR20160093510 A KR 20160093510A KR 1020150026934 A KR1020150026934 A KR 1020150026934A KR 20150026934 A KR20150026934 A KR 20150026934A KR 20160093510 A KR20160093510 A KR 20160093510A
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film
substrate
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타카히로 사사키
마사야 오다
토시미 히토라
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가부시키가이샤 플로스피아
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Abstract

[과제] 성막 레이트가 뛰어나고, 미스트CVD법을 적용할 수 있는 성막장치를 제공한다.
[해결수단] 원료용액을 무화 또는 액적화하는 무화·액적화부, 상기 무화·액적화부에서 발생되는 미스트 또는 액적을 캐리어 가스에 의하여 기체까지 반송하는 반송부, 및 상기 미스트 또는 상기 액적을 열처리하여 상기 기체위에 성막하는 성막부를 구비하는 성막장치에 있어서, 성막부가, 원통 형상이고, 성막부의 측면에, 상기 미스트 또는 상기 액적의 반입구가 설치되어 있고, 상기 미스트 또는 상기 액적을 선회시켜서 선회류를 발생시키게 구성되어 있고, 성막부 표면에 배기구를 가지고 있다.

Description

성막장치 및 성막방법{Apparatus and method for forming film}
본 발명은 미스트 화학 기상성장법의 적용에 유용한 새로운 성막장치 및 성막방법에 관한 것이다.
종래부터 펄스 레이저 증착법(Pulsed laser deposition: PLD), 분자선 에피택시법(Molecular beam epitaxy: MBE), 스패터링법 등의 비평형 상태를 실현할 수 있는 고진공 제막장치가 검토되고 있고, 지금까지의 융액법 등으로서는 제작이 불가능하였던 산화물 반도체의 제작이 가능해지고 있다. 그 중에서도, 무화(霧化)된 원료(미스트)를 이용하여, 기판 위에 결정 성장시키는 미스트 화학기상성장법(Mist Chemical Vapor Deposition: Mist CVD. 이하, 미스트 CVD법이라 칭함)이 검토되고 있고, 코런덤 구조를 가지는 산화 갈륨(α-Ga2O3)의 제작이 가능해지고 있다. α-Ga2O3은 밴드갭이 큰 반도체로서, 고내압, 저손실 및 고내열을 실현할 수 있는 차세대의 스위칭 소자에의 응용이 기대되고 있다.
미스트 CVD법에 대하여, 특허문헌 1에는 관상로형(管狀爐型)의 미스트 CVD 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 2에는 파인 채널형의 미스트 CVD 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 3에는 리니어 소스형의 미스트 CVD 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 4에는 관상로의 미스트 CVD 장치가 기재되어 있고, 특허문헌 1에 기재된 미스트 CVD 장치와는 미스트 발생기 내에 캐리어 가스를 도입하는 점에서 다르다. 또한, 특허문헌 5에는 미스트 발생기의 윗 쪽에 기판을 설치하고, 더욱이 서셉터가 핫플레이트 위에 구비된 회전 스테이지인 미스트 CVD 장치가 기재되어 있다.
그러나, 미스트 CVD법은 다른 방법과는 다르고, 고온으로 할 필요도 없고, α-산화 갈륨의 코런덤 구조와 같은 준안정상(準安定相)의 결정구조도 제작할 수 있는 한편, 비특허문헌 1에 기재된 라이덴 프로스트 효과에 의하여, 미스트 휘발층으로 기판 표면을 덮는 것으로, 미스트의 액적(液滴)이 직접 막에 접촉되지 않게 결정성장시킬 필요가 있기 때문에, 그 제어가 용이하지 않고, 균질한 결정막을 얻는 것이 곤란하였다. 또한, 미스트 CVD법에서는, 미스트의 입자가 불균일하거나, 기판에 도달되기까지, 공급관 내에서 미스트가 가라앉아버리는 문제도 존재하고, 성막 레이트가 낮은 등의 문제가 존재한다.
[특허문헌 1] 일본공개특허 평 1-257337호 공보 [특허문헌 2] 일본공개특허 2005-307238호 공보 [특허문헌 3] 일본공개특허 2012-46772호 공보 [특허문헌 4] 일본등록특허 제5397794호 공보 [특허문헌 5] 일본공개특허 2014-63973호 공보
[비특허문헌 1] B. S. Gottfried., et al., "Film Boiling of Spheroidal Droplets. Leidenfrost Phenomenon", Ind. Eng. Chem. Fundamen., 1966, 5 (4), pp 561~568
본 발명은 성막 레이트가 뛰어나고, 미스트 CVD법이 적용될 수 있는 성막장치 및 성막방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 검토한 결과, 성막부에, 상기 미스트 또는 상기 액적을 선회시켜서 선회류를 발생시키는 수단이 설치된 미스트CVD장치의 창작에 성공하여, 상기와 같은 미스트CVD장치를 이용하고, 또한 미스트CVD법에 의하여 성막하면, 놀랍게도, 성막 레이트가 우수하고, 균일한 막 두께로 분포하고, 대면적 성막이 가능한 것 등을 알아내었다. 그리고, 이러한 장치가, 상기에 기재된 종래의 문제를 한꺼번에 해결할 수 있다는 것을 찾아내었다.
또한, 본 발명자들은 상기와 같은 식견을 얻은 후, 검토를 더 거듭하여 본 발명을 완성하게 되었다.
즉, 본 발명은, 이하의 발명에 관계된다.
[1] 원료용액을 무화 또는 액적화하는 무화·액적화부, 상기 무화·액적화부에서 발생된 미스트 또는 액적을 캐리어 가스에 의하여 기체(基體)까지 반송하는 반송부, 및 상기 미스트 또는 상기 액적을 열처리하여 상기 기체 위에 성막하는 성막부를 구비하는 성막장치에 있어서,
성막부가, 상기 미스트 또는 상기 액적을 선회시켜서 선회류를 발생시키는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 성막장치.
[2] 선회류가, 안으로 향하여 흐르는 상기 [1]에 기재된 성막장치.
[3] 성막부가, 원통 형상 또는 대략 원통 형상이고, 성막부의 측면에, 상기 미스트 또는 상기 액적의 반입구(搬入口)가 설치되어 있는 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 성막장치.
[4] 성막부의 상기 반입구보다도 상기 기체로부터 떨어져 있는 곳에, 상기 미스트 또는 상기 액적의 배기구(排氣口)가 설치되어 있는 상기 [3]에 기재된 성막장치.
[5] 더욱이, 배기팬이 구비되어 있는 상기 [1]~[4]의 어느 한 항에 기재된 성막장치.
[6] 핫플레이트를 성막부에 구비하는 상기 [1]~[5]의 어느 한 항에 기재된 성막장치.
[7] 초음파 진동자를 무화·액적화부에 구비하는 상기 [1]~[6]의 어느 한 항에 기재된 성막장치.
[8] 원료용액을 무화 또는 액적화하여 생성되는 미스트 또는 액적을, 캐리어 가스에 의하여 성막실내에 설치되는 기체까지 반송하고, 또한 상기 기체 위에서 상기 미스트 또는 상기 액적을 열반응시켜 성막하는 성막방법에 있어서,
상기 성막실내에 있어서, 상기 미스트 또는 상기 액적을 선회시켜 선회류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 성막방법.
[9] 선회류가, 안으로 향하여 흐르는 상기 [8]에 기재된 성막방법.
[10] 성막실이 원통 형상 또는 대략 원통 형상이고, 성막실의 측면에 상기 미스트 또는 상기 액적의 반입구가 설치되어 있는 상기 [8] 또는 [9]에 기재된 성막방법.
[11] 성막실의 상기 반입구보다도 상기 기체로부터 떨어져 있는 곳에, 상기 미스트 또는 상기 액적의 배기구가 설치되어 있는 상기 [10]에 기재된 성막방법.
[12] 배기팬을 이용하여 배기하는 상기 [11]에 기재된 성막방법.
[13] 무화 또는 액적화를, 초음파 진동에 의하여 행하는 상기 [8]~[12]의 어느 한 항에 기재된 성막방법.
본 발명의 성막장치 및 성막방법은 미스트 CVD법을 적용할 수 있고, 성막 레이트가 뛰어나다.
도 1은 본 발명의 성막장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명에 이용되는 무화·액적화부의 일 형태를 설명하는 도이다.
도 3은 도 2에서의 초음파 진동자의 일 형태를 나타내는 도이다.
도 4는 본 발명에 이용되는 성막부의 일 형태를 나타내는 도이다.
도 5는 실시예에서의 막 두께의 측정 부위를 설명하는 도이다.
도 6은 비교예에서 사용된 성막장치의 개략 구성도이다.
도 7은 비교예에서의 막 두께의 측정 부위를 설명하는 도이다.
도 8은 도 4의 성막실에서의 기판위의 미스트 또는 액적의 흐름을 설명하는 모식도이다. (a)는 원통 형상의 성막실의 단면을 표면으로 관찰한 모식도이고, (b)는 원통 형상의 성막실의 단면을 측면으로부터 관찰한 모식도이다.
도 9는 실시예에 있어서의 XRD측정 결과를 나타내는 도이다.
본 발명의 성막장치는, 원료용액을 무화 또는 액적화하는 무화·액적화부, 상기 무화·액적화부에서 발생된 미스트 또는 액적을 캐리어 가스에 의하여 기체까지 반송하는 반송부, 및 상기 미스트 또는 상기 액적을 열처리하여 상기 기체 위에 성막하는 성막부를 구비하는 성막장치에 있어서, 성막부가, 상기 미스트 또는 상기 액적을 선회시켜서 선회류를 발생시키는 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 성막장치에 대하여, 도면을 이용하여 설명하지만, 본 발명은, 이들 도면에 한정되는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 성막장치의 일 예를 제시한다. 성막장치(1)는, 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스원(2a)과, 캐리어 가스원(2a)으로부터 송출되는 캐리어 가스의 유량을 조절하기 위한 유량 조절 밸브(3a)와, 희석용 캐리어 가스를 공급하는 희석용 캐리어 가스원(2b)과, 희석용 캐리어 가스원(2b)으로부터 송출되는 희석용 캐리어 가스의 유량을 조절하기 위한 유량 조절 밸브(3b)와, 원료용액(4a)이 수용되는 미스트 발생원(4)과, 물(5a)이 수용되는 용기(5)와, 용기(5)의 저면에 설치된 초음파 진동자(6)와, 성막실(7)과, 미스트 발생원(4)으로부터 성막실(7)까지를 연결하는 공급관(9)과, 성막실(7)내에 설치된 핫플레이트(8)와, 배기관(17)과 배기팬(11)을 구비한다. 핫플레이트(8) 위에는, 기판(10)이 설치되어 있다.
본 발명의 성막장치(1)는, 원료용액을 무화 또는 액적화하는 무화·액적화부를 구비한다. 도 2는 무화·액적화부의 일 형태를 나타낸다. 원료용액(4a)이 수용되어 있는 용기로 이루어지는 미스트 발생원(4)은 물(5a)이 수용되어 있는 용기(5)에, 지지체(도면에 나타내지 않음)를 이용하여 수납되어 있다. 용기(5)의 저부에는, 초음파 진동자(6)가 구비되어 있고, 초음파 진동자(6)와 발진기(16)가 접속되어 있다. 그리고, 발진기(16)를 작동시키면, 초음파 진동자(6)가 진동하고, 물(5a)을 통하여, 미스트 발생원(4)내에 초음파가 전파되어, 원료용액(4a)이 무화 또는 액적화되게끔 구성되어 있다.
도 3은 도 2에 나타낸 초음파 진동자(6)의 일 형태를 나타낸다. 도 3의 초음파 진동자는 지지체(6e) 위의 원통 형상의 탄성체(6d)내에, 원판 형상의 압전체(壓電體) 소자(6b)를 구비하고, 압전체 소자(6b)의 양면에는 전극(6a, 6c)이 설치되어 있다. 그리고, 전극에 발진기를 접속하여 발진 주파수를 변경하면, 압전 진동자의 두께 방향의 공진 주파수 및 직경 방향의 공진 주파수를 가지는 초음파가 발생되게끔 구성되어 있다.
상기와 같이, 무화·액적화부에서는 원료용액을 조정하고, 상기 원료용액을 무화 또는 액적화하여 미스트 또는 액적을 발생시킨다. 무화 또는 액적화 수단은 상기 원료용액을 무화 또는 액적화할수만 있으면 특별히 한정되지 않고, 공지된 무화 수단 또는 액적화 수단이어도 좋지만, 본 발명에 있어서는, 초음파 진동에 의하여 행하는 무화 수단 또는 액적화 수단인 것이 바람직하다.
반송부에서는, 캐리어 가스 및 필요에 의해 공급관 등을 사용하여 상기 미스트 또는 상기 액적을 기체까지 반송한다. 캐리어 가스의 종류로서는, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 산소, 오존, 질소나 아르곤 등의 불활성 가스, 또는 수소 가스나 포밍 가스 등의 환원 가스 등을 호적한 예로 들 수 있다. 또한, 캐리어 가스의 종류는 1종류여도 좋지만, 2종류 이상이어도 좋다. 예를 들면, 제1 캐리어 가스와 동일한 가스를 그 이외의 가스로 희석(예를 들면 10배로 희석하였다)한 희석 가스 등을, 제2 캐리어 가스로 더 이용하여도 좋다. 또한, 캐리어 가스의 공급 부위도 1곳뿐만 아니라, 2곳 이상이어도 좋다. 캐리어 가스의 유량은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 30mm 각(角) 기판 위에 성막할 경우에는, 0.01~20L/분인 것이 바람직하고, 1~10L/분인 것이 더 바람직하다.
성막부에서는, 상기 미스트 또는 상기 액적을 열처리하여, 열반응을 생성시켜, 상기 기체표면의 일부 또는 전부에 성막한다. 상기 열반응은, 가열에 의하여 상기 미스트 또는 상기 액적이 반응하면 그것으로 좋고, 반응 조건 등도 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 한정되지 않는다. 본 발명의 공정에 있어서, 열반응을 행할 때의 조건 등에 대하여서는 특히 제한되지 않지만, 통상적으로, 가열 온도는 120~600℃의 범위이고, 바람직하게는 120℃~350℃의 범위이고, 보다 바람직하게는 130℃~300℃의 범위이다. 또한, 열반응은, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한, 진공하, 비산소 분위기하, 환원 가스 분위기하 및 산소 분위기하 중 어느 하나의 분위기하에서 행하여도 좋고, 또한, 대기압하, 가압하 및 감압하 중 어느 하나의 조건에서 행하여도 좋지만, 본 발명에 있어서는, 대기압하에서 행하는 것이 바람직하다.
도 4는 성막부의 일 형태를 나타낸다. 도 4의 성막실(7)은 원통 형상이고, 핫플레이트(8) 위에 설치되어 있다. 그리고, 성막실(7)은 미스트 발생원(4)과 공급관(9)을 통하여 접속되어 있고, 미스트 발생원(4)에서 발생된 미스트 또는 액적(4b)이, 캐리어 가스에 의하여 공급관(9)을 통하여 성막실(7)내로 흘러들고, 핫플레이트 위에 놓여진 기판(10) 위에서, 열반응하도록 구성되어 있다. 또한, 성막실(7)은 천장면(표면)의 중심에 배기구를 가지고 있고, 상기 반입구보다도 상기 기체로부터 떨어져 있는 곳에, 상기 미스트 또는 상기 액적의 배기구가 설치되어 있다. 그리고, 성막실(7)은 배기구에서부터 배기관(17)과 접속되어 있고, 열반응 후의 미스트, 액적 혹은 배기가스(4c)가 배기관(17)으로 운송되게 구성되어 있다. 본 발명에 있어서는, 열반응 후의 미스트, 액적 혹은 배기가스가 트랩 처리에 넘겨지도록, 트랩 수단을 더 구비하여도 좋다. 성막실(7)에, 미스트 또는 액적(4b)이 반송되면, 도 4에서 화살표로 나타내는 바와 같이, 기판을 향하여 미스트 또는 액적(4b)이 흘러나간다. 이때, 안쪽 방향의 선회류가 발생한다. 그리고, 미스트 또는 액적(4b)이 선회하면서, 기판상에서 열반응한다. 그 다음에, 열반응 후의 미스트, 액적 혹은 배기가스는, 도 4에서 화살표로 나타내는 바와 같이, 배기구로 흘러가고, 또한, 배기관(17)으로 운송된다.
상기 선회류는 내부로 향하거나 외부로 향하거나 어느 쪽으로 향하여 흘러도 좋지만, 본 발명에 있어서는, 내부로 향하여 흐르는 것이 바람직하다. 도 8은 도 4의 성막실에서의 기판상의 미스트 또는 액적의 흐름을 설명하는 모식도이다. 도 8(a)는 원통 형상의 성막실(7)의 단면을 표면에서 관찰한 도이고, 성막실(7)내에는 기판(10)이 설치되어 있고, 미스트 또는 액적의 흐름이 화살표로 표시되어 있다. 도 4의 성막실에서는, 도 8(a)의 화살표 방향으로 선회류가 생기고, 미스트 또는 액적이 내부 방향으로 선회하여 기판 중심으로 흐른다. 도 8(b)는 원통 형상의 성막실(7)의 단면을 측면에서 관찰한 모식도이고, 성막실(7)내에 기판(10)이 설치되어 있다. 도 8(b)에서 화살표로 나타내는 바와 같이, 외측으로부터 내측을 향하여 미스트 또는 액적이 흐른다. 그리고, 기판 중심 부근 위에 도달한 미스트 또는 액적은, 윗쪽의 배기구를 향하여 흐른다. 한편, 본 발명에 있어서는, 기체를 성막실 상면에 설치하는 등으로 하여, 페이스 다운하여도 좋고, 도 4와 같이, 기체를 저면에 설치하고, 페이스 업하여도 좋다. 한편, 상기 선회류의 발생 수단은, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 한정되지 않고, 공지된 수단을 이용하여도 좋다. 예를 들면, 성막실을 원통 형상으로 하여, 저면 또는 상면에 기체를 배치하고, 측면에서부터 미스트 또는 액적을 도입하고, 기체가 배치되어 있는 면과 대칭되는 면(바람직하게는 부위)에 배출구를 설치하고, 선회류를 발생시키는 수단 등을 들 수 있다. 미스트 또는 액적은, 미스트 또는 액적이 성막실의 내벽면을 따라 이동하게끔, 성막실내에 도입되는 것이 바람직하다. 때문에, 미스트 또는 액적의 도입구가, 실질적으로 성막실의 내벽면의 접선방향으로 향해 있는 것이 바람직하다. 그러나, 미스트 또는 액적을 성막실의 직경 방향 중앙을 향하여 성막실내에 도입할 경우에도, 예를 들면 캐리어 가스의 유속을 적절히 조정하는 등의 공지된 수단을 이용하는 것에 의해, 선회류를 발생시킬 수 있기 때문에, 미스트 또는 액적의 도입 방향은, 특별히 한정되지 않는다. 한편, 선회류의 유속은, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 10~100cm/초이며, 더 바람직하게는 20~70cm/초이다.
이하, 도 1을 이용하여, 본 발명의 제조 장치의 사용 형태를 설명한다.
우선, 원료용액(4a)을 미스트 발생원(4)내에 수용하고, 기판(10)을 핫플레이트(8) 위에 설치하여, 핫플레이트(8)를 작동시킨다. 다음에, 유량 조절 밸브(3a, 3b)를 열어 캐리어 가스원(2a, 2b)으로부터 캐리어 가스를 성막실(7)내에 공급하고, 성막실(7)의 분위기를 캐리어 가스로 충분히 치환한 후, 캐리어 가스의 유량과 희석용 캐리어 가스의 유량을 각각 조절한다. 다음에, 초음파 진동자(6)를 진동시켜, 그 진동을, 물(5a)을 통하여 원료용액(4a)에 전파시키는 것에 의해, 원료용액(4a)을 무화 또는 액적화시켜 미스트 또는 액적(4b)을 생성한다. 다음에, 미스트 또는 액적(4b)이, 캐리어 가스에 의하여 성막실(7)내에 도입된다. 성막실(7)의 상면 중앙에는, 배기구가 설치되어 있고, 배기관(17)과 접속되어 있다. 또한, 배기관(17)은 배기팬(11)에 접속되어 있고, 배기팬(11)에 의하여, 성막실(7)안의 배기가스 등이 배기구로부터 흡기되게 구성되어 있다. 또한, 원통 형상의 성막실(7)의 측면에는, 미스트 또는 액적의 반입구가 설치되어 있고, 성막실(7)내에 도입된 미스트 또는 액적이 선회하여, 내부로 향하여 흐르는 선회류가 생기게끔 구성되어 있다. 그리고, 선회하면서, 미스트 또는 액적이, 성막실(7)내에서 핫플레이트(8)의 가열에 의해 열반응하여, 기판(10) 위에 성막할 수 있다.
한편, 상기 성막실의 형상은, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 한정되지 않고, 원통 형상인 것이 바람직하다. 성막실은, 원통 형상 또는 대략 원통 형상이어도 좋고, 각기둥(角柱) 형상(예를 들면 입방체, 직방체, 5각기둥, 6각기둥 혹은 8각기둥 등) 또는 대략 각기둥 형상이어도 좋지만, 본 발명에 있어서는, 원통 형상 또는 대략 원통 형상이 바람직하다.
또한, 상기 기체는 성막시에 회전하여도 좋고, 회전 방향은, 상기 선회류의 방향과 반대되는 것이 바람직하다.
(원료용액)
원료용액은 무화 또는 액적화가 가능한 재료를 포함하면 특별히 한정되지 않고, 무기재료거나 유기재료여도 좋지만, 본 발명에 있어서는, 금속 또는 금속화합물인 것이 바람직하고, 갈륨, 철, 인듐, 알루미늄, 바나듐, 티타늄, 크롬, 로듐, 니켈 및 코발트로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속을 포함하는 것이 보다 바람직하다.
상기 원료용액은 상기 금속을 무화 또는 액적화할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 상기 원료용액으로서, 상기 금속을 착체(錯體) 또는 염의 형태로 유기용매 또는 물에 용해 또는 분산시킨 것을 호적하게 이용할 수 있다. 착체의 형태로서는, 예를 들면, 아세틸아세토네이트 착체, 카르보닐 착체, 안민 착체, 하이드리도 착체 등을 들 수 있다. 염의 형태로서는, 예를 들면, 염화 금속염, 브롬화 금속염, 요오드화 금속염 등을 들 수 있다.
또한, 상기 원료용액에는 할로겐화 수소산이나 산화제 등의 첨가제를 혼합하여도 좋다. 상기 할로겐화 수소산으로서는, 예를 들면, 브롬화 수소산, 염산, 요오드화 수소산 등을 들 수 있지만, 그 중에서도, 브롬화 수소산 또는 요오드화 수소산이 바람직하다. 상기 산화제로서는, 예를 들면, 과산화 수소(H2O2), 과산화 나트륨(Na2O2), 과산화 바륨(BaO2), 과산화 벤조일(C6H5CO)2O2 등의 과산화물, 차아염소산(HClO), 과염소산, 초산, 오존수, 과초산이나 니트로벤젠 등의 유기 과산화물 등을 들 수 있다.
상기 원료용액에는 도펀트가 포함되어 있어도 좋다. 상기 도펀트는, 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한, 특별히 한정되지 않는다. 상기 도펀트로서는, 예를 들면, 주석, 게르마늄, 규소, 티타늄, 지르코늄, 바나듐 또는 니오브 등의 n형 도펀트, 또는 p형 도펀트 등을 들 수 있다. 도펀트의 농도는, 통상적으로, 약 1×1016/cm3~1×1022/cm3여도 좋고, 또한, 도펀트의 농도를 예를 들면 약 1×1017/cm3이하의 저농도로 하여도 좋다. 또한, 더욱이, 본 발명에 의하면, 도펀트를 약 1×1020/cm3이상의 고농도로 함유시켜도 좋다.
(기체)
상기 기체는 상기 막을 지지할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 상기 기체의 재료도 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한 특별히 한정되지 않고, 공지된 기체여도 좋고, 유기 화합물이어도 좋고, 무기화합물이어도 좋다. 상기 기체의 형상으로서는, 어떠한 형상의 것이어도 좋고, 모든 형상에 대하여 유효하고, 예를 들면, 평판이나 원판 등의 판 형상, 섬유 형상, 막대 형상, 원주 형상, 각기둥 형상, 원통 형상, 나선 형상, 구 형상, 링 형상 등을 들 수 있지만, 본 발명에 있어서는, 기판이 바람직하다. 기판의 두께는, 본 발명에 있어서는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는, 10~2000㎛이고, 보다 바람직하게는 50~800㎛이다.
상기와 같이 본 발명의 성막장치 및 성막방법을 이용하는 것으로써, 미스트CVD법으로도 성막 레이트가 뛰어나게 되고, 균일한 막 두께 분포와 또한 대면적 성막이 가능하다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것이 아니다.
<실시예 1>
1. 제조 장치
우선, 도 1을 이용하여, 본 실시예에서 이용되는 성막장치(1)를 설명한다. 성막장치(1)는, 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스원(2a)과, 캐리어 가스원(2a)으로부터 송출되는 캐리어 가스의 유량을 조절하기 위한 유량 조절 밸브(3a)와, 희석용 캐리어 가스를 공급하는 희석용 캐리어 가스원(2b)과, 희석용 캐리어 가스원(2b)으로부터 송출되는 희석용 캐리어 가스의 유량을 조절하기 위한 유량 조절 밸브(3b)와, 원료용액(4a)이 수용되는 미스트 발생원(4)과, 물(5a)이 수용되는 용기(5)와, 용기(5)의 저면에 설치된 초음파 진동자(6)와, 성막실(7)과, 미스트 발생원(4)으로부터 성막실(7)까지를 연결하는 석영으로 제조된 공급관(9)과, 성막실(7)내에 설치된 핫플레이트(8)와, 배기관(17) 및 배기팬(11)을 구비하고 있다. 핫플레이트(8) 위에는 기판(10)이 설치되어 있다.
2. 원료용액의 제작
브롬화 갈륨 0.1mol/L의 수용액을 조정하며, 이 때, 48% 브롬화 수소산용액을 체적비로 10%로 되도록 함유시키고, 이것을 원료용액으로 하였다.
3. 성막준비
상기 2.에서 얻은 원료용액(4a)을 미스트 발생원(4)내에 수용하였다. 다음에, 기판(10)으로서 4인치의 c면 사파이어 기판을 이용하여, c면 사파이어 기판을 핫플레이트(8) 위에 설치하고, 핫플레이트(8)를 작동시켜 성막실(7)내의 온도를 500℃까지 승온시켰다. 다음에, 유량 조절 밸브(3a, 3b)를 열어서 캐리어 가스원(2a, 2b)으로부터 캐리어 가스를 성막실(7)내에 공급하고, 성막실(7)의 분위기를 캐리어 가스로 충분히 치환한 후, 캐리어 가스의 유량을 5L/min로, 희석용 캐리어 가스의 유량을 0.5L/min로 각각 조절하였다. 한편, 캐리어 가스로서 산소를 이용하였다.
4. 단층막 형성
다음에, 초음파 진동자(6)를 2.4MHz로 진동시키고, 그 진동을, 물(5a)을 통하여 원료용액(4a)에 전파시키는 것에 의하여, 원료용액(4a)을 무화하여 미스트(4b)를 생성하였다. 상기 미스트(4b)가, 캐리어 가스에 의하여 성막실(7)내에 도입되어, 성막실(7)내에서 미스트가 선회하고, 도8에 나타내는 바와 같이 내부로 향하여 흐르는 선회류가 발생하였다. 그리고, 대기압, 560℃에서, 성막실(7)내에서 선회류의 미스트가 반응하여, 기판(10) 위에 박막이 형성되었다. 한편, 미스트의 유속은 45.6cm/초이고, 성막시간은 30분이었다.
5. 평가
상기 4.에서 얻은 α-Ga2O3 박막의 상(相)의 동정(同定)을 하였다. 동정은, 박막용 XRD 회절장치를 이용하고, 15도에서부터 95도의 각도로 2θ/ω 스캔을 하는 것으로 행하였다. 측정은 CuKα 선을 이용하여 행하였다. 그 결과, 얻은 박막은 α-Ga2O3이였다.
또한, 도 5에 나타내는 기판(10) 위의 박막의 각 측정 부위(A1, A2, A3, A4, A5)에 대하여, 단차계를 이용하여 막 두께를 측정하고, 각각의 막 두께의 값으로부터 평균치를 산출하며, 평균 막 두께는 3,960nm였다. 그리고, 평균 막 두께를 성막시간으로 나눈 성막 레이트는 132nm/분이였다.
<비교예>
도 6을 이용하여, 비교예에서 이용된 성막장치(19)를 설명한다. 미스트 CVD 장치(19)는 기판(20)을 올려놓는 서셉터(21)와, 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 수단(22a)과, 캐리어 가스 공급 수단(22a)으로부터 송출되는 캐리어 가스의 유량을 조절하기 위한 유량 조절 밸브(23a)와, 희석용 캐리어 가스를 공급하는 희석용 캐리어 가스 공급 수단(22b)과, 희석용 캐리어 가스 공급 수단(22b)으로부터 송출되는 캐리어 가스의 유량을 조절하기 위한 유량 조절 밸브(23b)와, 원료용액(24a)이 수용되는 미스트 발생원(24)과, 물(25a)이 수용되는 용기(25)와, 용기(25)의 저면에 설치된 초음파 진동자(26)와, 내경이 40mm인 석영관으로 이루어지는 공급관(27)과, 공급관(27)의 주변부에 설치된 히터(28)와, 배기구(29)를 구비하고 있다. 서셉터(21)는, 석영으로 이루어지고, 기판(20)을 올려놓는 면이 수평면으로부터 45도 경사져 있다. 성막실로 되는 공급관(27)과 서셉터(21)를 모두 석영으로 제작하여, 기판(20) 위에 형성되는 막 내에 장치 유래의 불순물이 혼입되는 것을 억제한다.
도 6에 나타내는 성막장치를 이용하고, 또한 기판(20)으로서 10mm 각의 c면 사파이어 기판을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 성막하였다. 얻은 박막에 대하여, 상기 실시예와 동일하게, 박막용 XRD 회절장치를 이용하여, 상을 동정하였다. 그 결과, 얻은 박막은 α-Ga2O3였다. 또한, 상기 실시예와 동일하게 막 두께를 측정하였다. 한편, 막 두께 측정 부위는, 도 7에 나타내는 기판(20) 위의 박막의 각 측정 부위(B1, B2, B3, B4 및 B5)로 하였다. 결과를 비교예로 표 1에 나타낸다.
<실시예 2>
기판(10)으로서, 10mm 각의 c면 사파이어 기판을 이용하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 성막하였다. 얻은 박막에 대하여, 상기 비교예와 동일하게, 박막용 XRD 회절장치를 이용하여, 상을 동정하였다. 그 결과, 얻은 박막은 α-Ga2O3였다. 또한, 상기 비교예와 동일하게 막 두께를 측정하였다. 한편, 막 두께 측정 부위는, 기판(20)을 기판(10)으로 한 것 이외에는, 비교예와 동일하게, 박막의 각 측정 부위(B1, B2, B3, B4 및 B5)로 하였다. 결과를 실시예 2로서 표 1에 나타낸다.
Figure pat00001
표 1의 결과로부터, 평균 막 두께, 성막 레이트, 변동 계수 및 면내 균일성을 구하였다. 결과를 표 2에 나타낸다. 한편, 평균 막 두께는 각 측정 부위의 막 두께의 평균치이고, 성막 레이트는 각 측정 부위의 막 두께의 평균치를 성막시간(분)으로 나눈 값이고, 변동 계수는 막 두께의 표준편차를 막 두께의 평균치로 나눈 것이고, 면내 균일성은 평균치와, 최대치 또는 최소값의 차를 백분율로 나타내고, 불균일한 범위를 나타낸 것이다.
Figure pat00002
표 1 및 표 2에서 명백한 바와 같이, 실시예에서는, 성막 레이트에 있어서, 자릿수가 다르게 뛰어나고, 성막 레이트나 면내 균일성 등의 성막품질의 차도 분명하다는 것을 알았다. 때문에, 본 발명의 성막장치 및 성막방법은, 종래의 미스트 CVD 장치보다도 성막 레이트나 막 두께의 균일성이 우수하다.
<실시예 3>
갈륨아세틸아세토네이트와 알루미늄 아세틸아세토네이트의 몰비가 1:6이고, 또한 염산이 체적비가 2%로 되게 끔 수용액을 조정하여, 이것을 원료용액으로 하였다.
얻은 원료용액을 이용하고, 성막 온도를 600℃로 하고, 캐리어 가스의 유량을 8LPM로 하고, 성막 시간을 3시간으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 성막하였다. 한편, 미스트의 유동 속도는 73.0cm/초였다. 얻은 막에 대하여, 알루미늄의 함유율을 X선으로 측정하였다. XRD 측정 결과를 도 9에 나타낸다. XRD 측정 결과로부터, 얻은 막은, 지금까지 성막이 어려운 코런덤 구조인 알루미늄 62.8% 함유 AlGaO계 반도체막이였다. 또한, 얻은 코런덤 구조인 AlGaO계 반도체막에 대하여, 막 두께를 측정한바, 720nm였다.
지금까지 코런덤 구조인 AlGaO계 반도체막을 얻었다 하여도, 두께가 50nm이상인 막을 얻는 것은 곤란하였지만, 본 발명에 의하면, 700nm 이상이 되는 두꺼운 코런덤 구조인 AlGaO계 반도체막을 얻을 수 있었다. 이것으로부터, 본 발명의 성막장치는 미스트 CVD법을 적용하는 것이 우수하고, 더욱이, 성막 레이트가 각별히 우수하다는 것을 알았다.
본 발명의 성막장치 및 성막방법은 모든 성막 분야에 이용될 수 있고, 공업적으로 유용하다. 특히, 미스트 CVD법으로 얻은 박막을 성막할 경우에는, 본 발명의 성막장치 및 성막방법을 아주 적합하게 이용할 수 있다.
1 성막장치
2a 캐리어 가스원
2b 희석용 캐리어 가스원
3a 유량 조절 밸브
3b 유량 조절 밸브
4 미스트 발생원
4a 원료용액
4b 미스트
4c 배기가스
5 용기
5a 물
6 초음파 진동자
6a 전극
6b 압전체 소자
6c 전극
6d 탄성체
6e 지지체
7 성막실
8 핫플레이트
9 공급관
10 기판
11 배기팬
16 발진기
17 배기관
19 미스트CVD장치
20 기판
21 서셉터
22a 캐리어 가스 공급 수단
22b 희석용 캐리어 가스 공급 수단
23a 유량 조절 밸브
23b 유량 조절 밸브
24 미스트 발생원
24a 원료용액
25 용기
25a 물
26 초음파 진동자
27 공급관
28 히터
29 배기구

Claims (13)

  1. 원료용액을 무화 또는 액적화하는 무화·액적화부, 상기 무화·액적화부에서 발생된 미스트 또는 액적을 캐리어 가스에 의하여 기체까지 반송하는 반송부, 및 상기 미스트 또는 상기 액적을 열처리하여 상기 기체 위에 성막하는 성막부를 구비하는 성막장치에 있어서,
    상기 성막부가, 상기 미스트 또는 상기 액적을 선회시켜서 선회류를 발생시키는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 성막장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선회류가, 내부로 향하여 흐르는 성막장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성막부가, 원통 형상 또는 대략 원통 형상이고, 성막부의 측면에, 상기 미스트 또는 상기 액적의 반입구가 설치되어 있는 성막장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 성막부의 상기 반입구보다도 상기 기체로부터 떨어져 있는 곳에, 상기 미스트 또는 상기 액적의 배기구가 설치되어 있는 성막장치.
  5. 제1항 내지 제4항의 어느 한 항에 있어서,
    배기팬이 더 구비되어 있는 성막장치.
  6. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서,
    핫플레이트를 상기 성막부에 구비하고 있는 성막장치.
  7. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,
    초음파 진동자를 상기 무화·액적화부에 구비하고 있는 성막장치.
  8. 원료용액을 무화 또는 액적화하여 생성되는 미스트 또는 액적을, 캐리어 가스에 의하여 성막실내에 설치된 기체까지 반송하고, 이어서 상기 기체위에서 상기 미스트 또는 상기 액적을 열반응시켜서 성막하는 성막방법에 있어서,
    상기 성막실내에 있어서, 상기 미스트 또는 상기 액적을 선회시켜서 선회류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 성막방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 선회류가, 내부로 향하여 흐르는 성막방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 성막실이 원통 형상 또는 대략 원통 형상이고, 성막실의 측면에 상기 미스트 또는 상기 액적의 반입구가 설치되어 있는 성막방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 성막실의 상기 반입구보다도 상기 기체로부터 떨어진 곳에, 상기 미스트 또는 상기 액적의 배기구가 설치되어 있는 성막방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 배기팬을 이용하여 배기하는 성막방법.
  13. 제8항 내지 제12항의 어느 한 항에 있어서,
    무화 또는 액적화를, 초음파 진동에 의하여 행하는 성막방법.
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