KR101297933B1 - 성막 장치 - Google Patents

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Abstract

원료 가스와 반응 가스를 혼합시키지 않고 종래 기술보다 효과적으로 냉각시켜 진공조 내로 방출할 수 있는 성막 장치를 제공한다.
제 1 면 (20a) 이 진공조 (11) 내에 노출된 방출판 (21) 에는, 방출판 (21) 을 관통하는 복수의 원료 가스 도입공 (27a) 과 반응 가스 도입공 (27b) 이 형성되어 있다. 방출판 (21) 의 제 1 면 (20a) 과는 반대측의 제 2 면 (20b) 에는, 원료 가스용 도입공 (27a) 이 바닥면에 위치하는 복수 개의 홈이 형성되고, 제 2 면 (20b) 상에는 홈을 폐색하는 천판 (23) 이 배치되며, 천판 (23) 에 형성된 원료 가스용 관통공과 원료 가스용 도입공 (27a) 은 제 1 보조 배관에 의해 접속되어 있다. 제 1 보조 배관을 흐르는 원료 가스와 반응 가스용 도입공 (27b) 을 흐르는 반응 가스는, 각 홈과 천판 (23) 으로 둘러싸인 각 홈 내 공간에 각각 개별적으로 흐르는 냉각 매체에 의해 냉각되어, 원료 가스용 개구 (28a) 와 반응 가스용 개구 (28b) 로부터 진공조 (11) 내로 방출된다.

Description

성막 장치{FILM-FORMING APPARATUS}
본 발명은 성막 장치에 관한 것으로서, 특히 CVD 기술 분야에 관한 것이다.
현재, 질화갈륨 (GaN) 은 발광 다이오드 등의 전자 소자의 재료에 사용되고 있다. 질화갈륨의 결정을 제작하기 위해서는 유기 금속 기상 성장 (MOCVD) 법의 성막 장치가 사용되고 있다.
도 7 은 MOCVD 법에 사용하는 종래의 성막 장치 (110) 의 내부 구성도를 나타내고 있다.
성막 장치 (110) 는, 진공조 (111) 와, 진공조 (111) 내에 원료 가스를 도입하는 복수의 원료 가스용 도관 (127a) 과, 진공조 (111) 내에 반응 가스를 도입하는 복수의 반응 가스용 도관 (127b) 과, 진공조 (111) 내에 위치하는 성막 대상물 (140) 을 가열하는 가열 장치 (143) 를 갖고 있다. 부호 113 은 진공조 (111) 내를 진공 배기하는 진공 배기 장치이다.
진공조 (111) 내에는, 표면 (유지면) 에 성막 대상물 (140) 을 유지할 수 있도록 구성된 기판 유지대 (141) 가 배치되어 있다. 부호 147 은 기판 유지대 (141) 를 회전시키는 회전 장치이다.
가열 장치 (143) 는 전열 저항 (142) 과 전원 장치 (144) 를 갖고 있다. 전열 저항 (142) 은 기판 유지대 (141) 의 내부에 장착되고, 전원 장치 (144) 는 전열 저항 (142) 에 전기적으로 접속되어 있다.
기판 유지대 (141) 의 유지면과 대면하는 위치에는 냉각 챔버 (121) 가 배치되어 있다. 냉각 챔버 (121) 에는, 내부에 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급부 (155) 와, 냉각 매체를 외부로 배출하는 냉각 매체 배출부 (156) 가 접속되어 있다.
냉각 챔버 (121) 의 기판 유지대 (141) 와는 반대측의 위치에 반응 가스실 (126) 이 배치되고, 반응 가스실 (126) 의 냉각 챔버 (121) 와는 반대측의 위치에 원료 가스실 (134) 이 배치되어 있다.
원료 가스용 도관 (127a) 은 반응 가스실 (126) 과 냉각 챔버 (121) 를 관통하여 배치되며, 원료 가스용 도관 (127a) 의 일단은 원료 가스실 (134) 내에 접속되고, 타단의 개구 (128a) 는 진공조 (111) 내에 노출되어 있다. 반응 가스용 도관 (127b) 은 냉각 챔버 (121) 를 관통하여 배치되며, 반응 가스용 도관 (127b) 의 일단은 반응 가스실 (126) 내에 접속되고, 타단의 개구 (128b) 는 진공조 (111) 내에 노출되어 있다.
원료 가스실 (134) 에는, 진공조 (111) 의 외측에 배치된 원료 가스조 (151) 가 접속되고, 반응 가스실 (135) 에는 반응 가스조 (152) 가 접속되어 있다. 원료 가스조 (151) 와 반응 가스조 (152) 로부터 원료 가스실 (134) 내와 반응 가스실 (126) 내에 원료 가스와 반응 가스가 각각 공급되면, 원료 가스와 반응 가스는 원료 가스용 도관 (127a) 내와 반응 가스용 도관 (127b) 내를 각각 통과하여 진공조 (111) 내로 방출된다. 원료 가스조 (151) 와 반응 가스조 (152) 로부터 공급된 원료 가스와 반응 가스는, 진공조 (111) 내로 방출될 때까지 섞이지 않도록 되어 있다.
전원 장치 (144) 로부터 전열 저항 (142) 으로 전류가 흘러, 기판 유지대 (141) 상의 성막 대상물 (140) 이 가열되면, 방출된 원료 가스와 반응 가스의 화학 반응에 의해, 진공조 (111) 내부의 성막 대상물 (140) 의 표면에 박막이 형성되도록 되어 있다.
원료 가스와 반응 가스를 성막 대상물 (140) 표면의 직전에서 혼합시키기 위해, 원료 가스용 도관 (127a) 단부의 개구 (128a) 와 반응 가스용 도관 (127b) 단부의 개구 (128b) 는 성막 대상물 (140) 표면에 접근되어 있다. 성막 대상물 (140) 을 고온으로 가열하면, 성막 대상물 (140) 의 열에 의해 원료 가스용 도관 (127a) 과 반응 가스용 도관 (127b) 이 가열되어, 각 도관 (127a, 127b) 내에서 원료 가스나 반응 가스가 분해될 우려가 있다. 특히 원료 가스가 유기 금속 가스 인 경우에는, 원료 가스용 도관 (127a) 내에서 원료 가스가 열분해될 우려가 크다.
그 때문에, 성막 중에는 냉각 매체 공급부 (155) 로부터 냉각 챔버 (121) 내로 온도 관리된 냉각 매체를 흘리고, 냉각 매체 배출부 (156) 로부터 배출하여, 원료 가스용 도관 (127a) 과 반응 가스용 도관 (127b) 을 냉각 매체와의 열전도에 의해 냉각시켜 둘 필요가 있다.
그러나, 종래의 성막 장치 (110) 에서는, 모든 원료 가스용 도관 (127a) 과 반응 가스용 도관 (127b) 이 동일한 냉각 챔버 (121) 를 관통하여 배치되어 있어, 냉각 챔버 (121) 내로 냉각 매체를 흘리면, 냉각 매체는 냉각 챔버 (121) 내로 확산되어, 냉각 챔버 (121) 내에서 소용돌이를 일으키거나, 부분적으로 흐름이 정체되거나 하여, 냉각 챔버 (121) 내에서의 냉각 매체의 온도가 불균일해지거나, 각 도관 (127a, 127b) 의 냉각 효과가 불균일해진다는 문제가 있었다.
또 예를 들어, 성막 대상물 (140) 의 중앙부가 외연부보다 가열되기 쉬운 경우에는, 냉각 챔버 (121) 내에 냉각 매체를 흘려도, 성막 대상물 (140) 의 중앙부와 대면하는 위치에 배치된 도관 (127a, 127b) 이 다른 도관보다 고온으로 가열되어, 당해 도관 (127a, 127b) 내에서 원료 가스나 반응 가스가 열분해될 우려가 있었다. 또한, 성막 대상물 (140) 의 중앙부와 외연부의 온도 불균일에 의해, 형성되는 박막의 막질이 불균일해진다는 문제가 있었다.
일본 특허 공보 제 3442536호
본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해서 창작된 것이고, 그 목적은, 원료 가스와 반응 가스를 혼합시키지 않고 종래보다 효과적으로 냉각시켜 진공조 내로 방출할 수 있는 성막 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 진공조와, 제 1 면과, 상기 제 1 면과는 반대측의 위치의 제 2 면을 갖는 방출판과, 상기 방출판을 각각 관통하는 복수의 반응 가스용 도입공과 복수의 원료 가스용 도입공과, 상기 진공조 내에 위치하는 성막 대상물을 가열하는 가열 장치를 갖고, 상기 제 1 면은 상기 진공조 내에 노출되며, 상기 진공조의 외부에 배치된 원료 가스조와 반응 가스조로부터, 상기 원료 가스용 도입공과 상기 반응 가스용 도입공에 원료 가스와 반응 가스가 공급되면, 상기 진공조의 내부에는, 상기 원료 가스용 도입공의 상기 제 1 면에 위치하는 원료 가스용 개구로부터 상기 원료 가스가 방출되고, 상기 반응 가스용 도입공의 상기 제 1 면에 위치하는 반응 가스용 개구로부터 상기 반응 가스가 방출되고, 방출된 상기 원료 가스와 상기 반응 가스에 의해, 상기 성막 대상물의 표면에 상기 진공조의 내부에서 박막을 형성시키는 성막 장치로서, 상기 제 2 면에 형성되고, 상기 원료 가스용 도입공이 바닥면에 위치하는 복수 개의 홈과, 상기 제 2 면 상에 배치되고, 상기 홈을 폐색하는 천판(天板)과, 상기 천판에 형성된 원료 가스용 관통공과, 상기 홈과 상기 천판으로 둘러싸여 상기 진공조의 내부 공간으로부터 분리된 홈 내 공간에 접속되어, 상기 홈 내 공간에 액체의 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급로와, 상기 홈 내 공간에 접속되어, 상기 홈 내 공간을 흐른 상기 냉각 매체를 배출시키는 냉각 매체 배출로와, 상기 원료 가스용 도입공과 상기 원료 가스용 관통공을 접속하는 제 1 보조 배관을 가지며, 상기 원료 가스는, 상기 제 1 보조 배관 내를 흘러 상기 원료 가스용 개구로부터 방출되는 성막 장치이다.
본 발명은 성막 장치로서, 상기 천판의 상기 홈과 면하는 면과는 반대측의 면 상에 반응 가스실이 배치되고, 상기 반응 가스실은 각 상기 반응 가스용 도입공에 접속되며, 일단이 상기 원료 가스용 관통공에 접속된 제 2 보조 배관이, 상기 반응 가스실을 관통하여 배치되어, 상기 제 2 보조 배관을 통과한 상기 원료 가스가, 상기 원료 가스용 개구로부터 방출되도록 구성된 성막 장치이다.
본 발명은 성막 장치로서, 상기 제 1, 제 2 보조 배관의 단부끼리는 접속되어, 1 개의 접속 배관이 구성된 성막 장치이다.
본 발명은 성막 장치로서, 상기 반응 가스실의 상기 천판과는 반대측의 위치에 원료 가스실이 배치되고, 상기 제 2 보조 배관의 단부는, 상기 원료 가스실의 내부에 접속된 성막 장치이다.
본 발명은 성막 장치로서, 상기 천판의 상기 홈과 면하는 면과는 반대측의 면 상에 원료 가스실이 배치되고, 상기 원료 가스실은 각 상기 원료 가스용 관통공에 접속되며, 일단이 상기 반응 가스 도입공에 접속된 제 3 보조 배관이, 상기 원료 가스실을 관통하여 배치되어, 상기 제 3 보조 배관을 통과한 상기 반응 가스가, 상기 반응 가스용 개구로부터 방출되도록 구성된 성막 장치이다.
본 발명은 성막 장치로서, 상기 원료 가스실의 상기 천판과는 반대측의 위치에 반응 가스실이 배치되고, 상기 제 3 보조 배관의 단부는, 상기 반응 가스실의 내부에 접속된 성막 장치이다.
냉각 매체를 복수의 홈 내 통로로 각각 개별적으로 흘리기 때문에, 냉각 매체의 흐름이 부분적으로 정체되는 것을 방지할 수 있어, 원료 가스나 반응 가스의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
홈 내 통로마다 개별적으로 냉각 매체의 온도나 유량을 제어할 수 있기 때문에, 온도가 높은 부분을 통과하는 제 1 홈과 낮은 부분을 통과하는 제 2 홈이 있는 경우에, 제 1 홈 내의 온도를 제 2 홈 내의 온도와 동등한 온도로 낮출 수 있다.
도 1 은 본 발명의 성막 장치의 내부 구성도이다.
도 2 는 방출판의 제 2 면에서 본 평면도이다.
도 3 은 본 발명의 성막 장치의 부분 확대도이다.
도 4 는 방출판의 다른 형태를 설명하기 위한 부분 확대도이다.
도 5 는 본 발명의 성막 장치의 제 2 예의 내부 구성도이다.
도 6 은 본 발명의 성막 장치의 제 2 예의 부분 확대도이다.
도 7 은 종래의 성막 장치의 내부 구성도이다.
본 발명의 성막 장치의 구조를 설명한다. 도 1 은 성막 장치 (10) 의 내부 구성도를 나타내고 있다.
성막 장치 (10) 는, 진공조 (11) 와, 제 1 면 (20a) 과, 제 1 면 (20a) 과는 반대측의 위치의 제 2 면 (20b) 을 갖는 방출판 (21) 과, 방출판 (21) 을 각각 관통하는 복수의 원료 가스용 도입공 (27a) 과 복수의 반응 가스용 도입공 (27b) 과, 진공조 (11) 내에 위치하는 성막 대상물 (40) 을 가열하는 가열 장치 (43) 를 갖고 있다.
진공조 (11) 의 벽면에는 회전축 (46) 이 벽면을 기밀하게 관통하여 형성되어 있다.
회전축 (46) 의 진공조 (11) 내에 위치하는 단부에는 기판 유지대 (41) 가 회전축 (46) 에 대해 수직으로 고정되어 있다.
기판 유지대 (41) 는, 회전축 (46) 이 고정된 면과는 반대측의 면인 유지면에 성막 대상물 (40) 을 유지할 수 있도록 구성되어 있다.
가열 장치 (43) 는 여기서는 전열 저항 (42) 과 전원 장치 (44) 를 갖고 있다. 전열 저항 (42) 은 기판 유지대 (41) 의 내부에 장착되고, 전원 장치 (44) 는 전열 저항 (42) 에 전기적으로 접속되어 있다. 전원 장치 (44) 로부터 전열 저항 (42) 으로 직류 전류를 흘리면, 전열 저항 (42) 은 발열하여 기판 유지대 (41) 에 유지된 성막 대상물 (40) 을 가열할 수 있도록 되어 있다.
본 발명의 가열 장치 (43) 는, 성막 대상물 (40) 을 가열할 수 있다면, 전열 저항 (42) 과 전원 장치 (44) 를 갖는 구성에 한정되지 않으며, 적외선 램프나 레이저 등의 다른 공지 기술에 의해 구성한 것도 본 발명에 포함된다.
방출판 (21) 은 기판 유지대 (41) 의 유지면과 대면하는 위치에 배치되며, 방출판 (21) 의 제 1 면 (20a) 은 기판 유지대 (41) 의 유지면과 대면하도록 향해져 진공조 (11) 내에 노출되어 있다.
방출판 (21) 의 원료 가스용 도입공 (27a) 과 반응 가스용 도입공 (27b) 에, 원료 가스와, 원료 가스와 섞이면 반응하는 반응 가스가 각각 공급되면, 진공조 (11) 의 내부에는, 원료 가스용 도입공 (27a) 의 제 1 면 (20a) 에 위치하는 원료 가스용 개구 (28a) 로부터 원료 가스가 방출되고, 반응 가스용 도입공 (27b) 의 제 1 면 (20a) 에 위치하는 반응 가스용 개구 (28b) 로부터 반응 가스가 방출된다. 원료 가스조 (51) 와 반응 가스조 (52) 로부터 공급된 원료 가스와 반응 가스는, 후술하는 바와 같이, 원료 가스용 개구 (28a) 와 반응 가스용 개구 (28b) 로부터 방출될 때까지 섞이지 않도록 되어 있다.
가열 장치 (43) 에 의해, 기판 유지대 (41) 에 유지된 성막 대상물 (40) 이 가열되면, 방출된 원료 가스와 반응 가스의 화학 반응에 의해, 성막 대상물 (40) 의 표면에 진공조 (11) 의 내부에서 박막이 형성되도록 되어 있다.
도 2 는 방출판 (21) 의 제 2 면 (20b) 측에서 본 평면도를 나타내고 있다.
방출판 (21) 의 제 2 면 (20b) 은, 중앙부의 방출공 영역 (39a) 과, 방출공 영역 (39a) 의 외주 외측인 고리형의 시일 영역 (39b) 을 갖고 있다.
방출판 (21) 의 제 2 면 (20b) 의 방출공 영역 (39a) 에는, 원료 가스용 도입공 (27a) 이 바닥면에 위치하는 복수 개의 홈 (221 ∼ 223) 이 형성되어 있다. 각 홈 (221 ∼ 223) 의 경로나 길이는, 성막 대상물 (40) 을 가열했을 때에 각 홈 (221 ∼ 223) 이 놓여지는 온도에 기초하여 결정된다.
원료 가스용 도입공 (27a) 의 직경은 홈 (221 ∼ 223) 의 폭보다 짧게 형성되며, 각 원료 가스용 도입공 (27a) 은 홈 (221 ∼ 223) 이 연장되는 방향을 따라 나란히 배치되어 있다.
여기서는 원료 가스용 도입공 (27a) 과 반응 가스용 도입공 (27b) 은, 방출공 영역 (39a) 의 내측에서, 제 1 방향 (61) 과, 제 1 방향 (61) 과 직각인 제 2 방향 (62) 을 각각 따라 등 간격으로 교대로 나란히 배열되며, 이웃하는 원료 가스용 도입공 (27a) 과 반응 가스용 도입공 (27b) 은 서로 이간되어 있다.
도 3 은 성막 장치 (10) 중 도 1 의 부호 30 으로 나타낸 영역의 부분 확대도를 나타내고 있다. 각 홈 (221 ∼ 223) 의 구조는 동일하며, 부호 221 의 홈으로 대표하여 설명한다.
성막 장치 (10) 는, 제 2 면 (20b) 상에 배치되고, 홈 (221) 을 폐색하는 천판 (23) 과, 천판 (23) 에 형성된 원료 가스용 관통공 (29) 과, 원료 가스용 도입공 (27a) 과 원료 가스용 관통공 (29) 을 접속하는 제 1 보조 배관 (32a) 을 갖고 있다.
제 1 보조 배관 (32a) 의 외주의 직경은 홈 (221) 의 폭보다 짧게 형성되며, 제 1 보조 배관 (32a) 의 외주 측면은 홈 (221) 의 측면과 이간되어 있다.
여기서는 천판 (23) 의 홈 (221) 과 면하는 표면과는 반대측의 이면 상에 중공의 케이싱인 반응 가스실 (26) 이 배치되며, 반응 가스실 (26) 은 방출판 (21) 의 각 반응 가스용 도입공 (27b) 에 접속되어 있다. 여기서는 천판 (23) 은 반응 가스실 (26) 의 벽의 일부를 구성하고 있고, 반응 가스용 도입공 (27b) 과 접속하는 구멍이 뚫려 있다.
도 1 을 참조하여, 반응 가스실 (26) 에는, 진공조 (11) 의 외부에 배치된 반응 가스조 (52) 가 접속되어 있다. 반응 가스조 (52) 로부터 반응 가스실 (26) 내에 반응 가스가 공급되면, 공급된 반응 가스는 각 반응 가스용 도입공 (27b) 내를 통과하여, 반응 가스용 개구 (28b) 로부터 진공조 (11) 의 내부로 방출되도록 되어 있다.
도 3 을 참조하여, 여기서는 방출판 (21) 의 반응 가스용 도입공 (27b) 에는 반응 가스용 배관 (33) 이 삽입되며, 반응 가스용 배관 (33) 의 단부는 천판 (23) 의 구멍을 관통하여 반응 가스실 (26) 내에 접속되어 있다. 반응 가스용 배관 (33) 단부의 외주 측면과 천판 (23) 구멍의 내주의 간극은 납땜 가공에 의해 기밀하게 폐색되어 고정되어, 반응 가스실 (26) 내의 반응 가스가 반응 가스용 배관 (33) 의 외주 측면과 천판 (23) 구멍의 내주의 간극으로부터 외측으로 누출되지 않도록 되어 있다.
반응 가스실 (26) 에는, 일단이 천판 (23) 의 원료 가스용 관통공 (29) 에 접속된 제 2 보조 배관 (32b) 이 반응 가스실 (26) 을 관통하여 배치되어 있다. 제 2 보조 배관 (32b) 단부의 외주 측면과 천판 (23) 의 원료 가스용 관통공 (29) 의 내주의 간극은 납땜 가공에 의해 기밀하게 폐색되어 고정되어, 반응 가스실 (26) 내의 반응 가스가 제 2 보조 배관 (32b) 의 외주 측면과 원료 가스용 관통공 (29) 의 내주의 간극으로부터 외측으로 누출되지 않도록 되어 있다.
여기서는 제 1, 제 2 보조 배관 (32a, 32b) 의 단부끼리 접속되어, 1 개의 접속 배관 (32) 이 구성되어 있지만, 본 발명은 제 1, 제 2 보조 배관 (32a, 32b) 이 별개의 배관으로 구성되어 있는 경우도 포함된다.
반응 가스실 (26) 의 천판 (23) 과는 반대측의 위치에 중공의 케이싱인 원료 가스실 (34) 이 배치되고, 제 2 보조 배관 (32b) 의 천판 (23) 측과는 반대측의 단부는 원료 가스실 (34) 의 내부에 접속되어 있다. 여기서는 반응 가스실 (26) 과 원료 가스실 (34) 은 공통의 격벽 (36) 을 갖고 있으며, 격벽 (36) 에는 제 2 보조 배관 (32b) 의 단부와 접속하는 구멍이 뚫려 있다.
도 1 을 참조하여, 원료 가스실 (34) 에는, 진공조 (11) 의 외부에 배치된 원료 가스조 (51) 가 접속되어 있다. 원료 가스조 (51) 로부터 원료 가스실 (34) 내에 원료 가스가 공급되면, 공급된 원료 가스는, 도 3 을 참조하여 각 제 2 보조 배관 (32b) 내를 통과하고, 제 1 보조 배관 (32a) 내를 흘러 원료 가스용 개구 (28a) 로부터 진공조 (11) 내로 방출되도록 구성되어 있다.
접속 배관 (32) 단부의 외주 측면과 격벽 (36) 구멍의 내주의 간극은 납땜 가공에 의해 기밀하게 폐색되어 고정되어, 반응 가스실 (26) 내의 반응 가스는 그 간극으로부터 원료 가스실 (32) 내로 누출되지 않도록 되어 있고, 원료 가스실 (34) 내의 원료 가스는 그 간극으로부터 반응 가스실 (26) 내로 누출되지 않도록 되어 있다.
즉, 원료 가스조 (51) 와 반응 가스조 (52) 로부터 원료 가스실 (34) 과 반응 가스실 (26) 에 각각 공급된 원료 가스와 반응 가스는, 원료 가스용 개구 (28a) 와 반응 가스용 개구 (28b) 로부터 방출될 때까지 서로 섞이지 않도록 되어 있다.
도 1, 도 2 를 참조하여, 성막 장치 (10) 는, 홈 (221 ∼ 223) 의 측면과 바닥면과 천판 (23) 의 표면으로 둘러싸여 진공조 (11) 의 내부 공간으로부터 분리된 홈 내 공간 (311 ∼ 313) 에 접속되고, 홈 내 공간 (311 ∼ 313) 에 액체의 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급로 (241 ∼ 243) 와, 홈 내 공간 (311 ∼ 313) 에 접속되어 홈 내 공간 (311 ∼ 313) 을 흐른 냉각 매체를 배출하는 냉각 매체 배출로 (251 ∼ 253) 를 갖고 있다.
도 2 를 참조하여, 냉각 매체 공급로 (241 ∼ 243) 와 냉각 매체 배출로 (251 ∼ 253) 는 시일 영역 (39b) 에 배치되어 있다.
각 홈 (221 ∼ 223) 의 바닥면에는 원료 가스 도입공 (27a) 이 홈 (221 ∼ 223) 이 연장되는 방향을 따라 나란히 배치되고, 각 홈 (221 ∼ 223) 중 원료 가스 도입공 (27a) 열의 일단으로부터 외측의 부분과 타단으로부터 외측의 부분이 각각 시일 영역 (39b) 으로 이끌어내져, 냉각 매체 공급로 (241 ∼ 243) 와 냉각 매체 배출로 (251 ∼ 253) 에 접속되어 있다.
도 1 을 참조하여, 방출판 (21) 의 제 2 면 (20b) 상에는, 반응 가스실 (26) 과 원료 가스실 (34) 을 덮도록, 덮개 형상 (일단이 폐색된 통 형상) 의 덮개부 (38) 가 배치되며, 덮개부 (38) 의 가장자리는 방출판 (21) 의 시일 영역 (39b) 에 고리형으로 밀착하여 기밀하게 고정되어 있다.
냉각 매체 공급로 (241 ∼ 243) 와 냉각 매체 배출로 (251 ∼ 253) 는 덮개부 (38) 의 측벽의 내부를 관통하여 진공조 (11) 의 외측으로 연장되어 있다.
즉, 냉각 매체 공급로 (241 ∼ 243) 와 홈 내 공간 (311 ∼ 313) 과 냉각 매체 배출로 (251 ∼ 253) 로 구성된 각 냉각 매체 유로는, 진공조 (11) 의 외측의 대기와 연통되며, 진공조 (11) 의 내부 공간과는 분리되어 연통되어 있지 않다.
냉각 매체 공급로 (241 ∼ 243) 의 단부에는 온도 관리된 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급부 (55) 가 접속되어 있다. 냉각 매체 공급부 (55) 는 여기서는 각 냉각 매체 공급로 (241 ∼ 243) 에 공급하는 냉각 매체의 유량이나 온도를 개별적으로 제어할 수 있도록 구성되어 있다.
그 때문에, 방출판 (21) 중 온도가 높은 부분을 통과하는 제 1 홈과 낮은 부분을 통과하는 제 2 홈이 있는 경우에, 제 1 홈의 홈 내 공간으로 흘리는 냉각 매체의 온도를 제 2 홈의 홈 내 공간으로 흘리는 냉각 매체의 온도보다 낮게 하거나, 제 1 홈의 홈 내 공간으로 흘리는 냉각 매체의 유속을 제 2 홈의 홈 내 공간으로 흘리는 냉각 매체의 유속보다 빠르게 함으로써, 제 1 홈의 홈 내 공간에 위치하는 제 1 보조 배관 (32a) 의 냉각 효과를 높이고, 제 1 홈의 홈 내 공간에 위치하는 제 1 보조 배관 (32a) 의 온도를, 제 2 홈의 홈 내 공간에 위치하는 제 1 보조 배관 (32a) 의 온도와 동등한 온도로 낮출 수 있다.
냉각 매체 배출로 (251 ∼ 253) 의 단부에는 냉각 매체를 외부로 배출하는 냉각 매체 배출부 (56) 가 접속되어 있다. 여기서는 냉각 매체 배출부 (56) 는 냉각 매체 공급부 (55) 에 접속되어, 냉각 매체를 순환시킬 수 있도록 구성되어 있다.
도 3 을 참조하여, 냉각 매체 공급부 (55) 로부터 각 홈 내 공간 (311) 에 냉각 매체를 공급하면, 홈 내 공간 (311) 에 공급된 냉각 매체는 각 제 1 보조 배관 (32a) 의 외주 측면과 홈 (221) 의 측면 사이를 통과하여 흐르도록 되어 있다.
홈 내 공간 (311) 을 흐르는 냉각 매체는 제 1 보조 배관 (32a) 의 외주 측면에 접촉하며, 제 1 보조 배관 (32a) 내를 흐르는 원료 가스는 제 1 보조 배관 (32a) 의 벽을 개재하여 냉각 매체와의 전열 (傳熱) 에 의해 냉각된다. 반응 가스용 배관 (33) 을 흐르는 반응 가스는 홈 (221) 의 측면과 반응 가스용 도입공 (27b) 의 측면 사이의 벽을 개재하여 냉각 매체와의 전열에 의해 냉각되도록 되어 있다.
여기서는 반응 가스용 배관 (33) 단부의 외주 측면과 반응 가스용 개구 (28b) 의 내주 사이의 간극은 납땜 가공에 의해 기밀하게 폐색되어 고정되고, 접속 배관 (32) 단부의 외주 측면과 원료 가스용 개구 (28a) 의 내주 사이의 간극도 납땜 가공에 의해 기밀하게 폐색되어 고정되어 있다. 따라서, 접속 배관 (32) 단부의 외주 측면과 원료 가스용 개구 (28a) 의 내주의 간극으로부터 냉각 매체가 진공조 (11) 내로 누출되지 않도록 되어 있다. 또, 홈 (221) 의 측면과 반응 가스용 도입공 (27b) 의 측면 사이의 벽의 상단 (즉 방출판 (21) 의 제 2 면 (20b)) 과 천판 (23) 사이의 간극으로 유입되는 냉각 매체도, 반응 가스용 배관 (33) 단부의 외주 측면과 반응 가스용 개구 (28b) 내주의 간극으로부터 진공조 (11) 내로 누출되지 않도록 되어 있다.
본 발명의 방출판 (21) 은, 도 3 에 나타내는 바와 같이 바닥이 있는 홈 (221) 이 형성된 1 장의 판인 경우에 한정되지 않으며, 도 4 에 나타내는 바와 같이 상기 1 장의 판보다 얇은 바닥판 (21a) 과, 관통공인 바닥이 없는 홈 (221') 이 형성된 중간판 (21b) 이 중첩되어 구성되어 있는 경우도 본 발명에 포함된다.
본 발명의 반응 가스실 (26) 은, 천판 (23) 이 벽의 일부를 구성하고 있는 경우에 한정되지 않으며, 천판 (23) 과는 별개의 벽을 갖고 있는 경우도 포함된다. 이 경우에는, 반응 가스실 (26) 을 천판 (23) 과 이간하여 배치할 수 있으며, 반응 가스실 (26) 을 성막 대상물 (40) 로부터 멀리하거나, 반응 가스실 (26) 과 천판 (23) 사이에 단열재를 배치함으로써, 성막 대상물 (40) 의 열에 의해 반응 가스실 (26) 이 가열되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 반응 가스실 (26) 과 원료 가스실 (34) 은, 격벽 (36) 을 공유하고 있는 경우에 한정되지 않으며, 서로 별개의 벽으로 가로막혀 있는 경우도 포함된다. 이 경우에는, 원료 가스실 (34) 을 반응 가스실 (26) 과 이간하여 배치할 수 있으며, 원료 가스실 (34) 을 성막 대상물 (40) 로부터 멀리하거나, 원료 가스실 (34) 과 반응 가스실 (26) 사이에 단열재를 배치함으로써, 성막 대상물 (40) 의 열에 의해 원료 가스실 (34) 이 가열되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 성막 장치 (10) 는, 원료 가스가 흐르는 제 1 보조 배관 (32a) 이 홈 내 공간 (311 ∼ 313) 을 관통하여 배치되어 있다면, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 천판 (23) 의 홈 (221 ∼ 223) 과 면하는 표면과는 반대측의 이면 상에 반응 가스실 (26) 이 배치되고, 반응 가스실 (26) 의 천판 (23) 과는 반대측의 위치에 원료 가스실 (34) 이 배치되어 있는 구조에 한정되지 않으며, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 천판 (23) 의 홈 (221 ∼ 223) 과 면하는 표면과는 반대측의 이면 상에 원료 가스실 (34) 이 배치되고, 원료 가스실 (34) 의 천판 (23) 과는 반대측의 위치에 반응 가스실 (26) 이 배치되어 있는 구조도 본 발명에 포함된다.
도 5 에 나타내는 성막 장치에 부호 10' 를 붙여 설명한다. 부호 10' 의 성막 장치의 구성 중, 도 1 에 나타내는 부호 10 의 성막 장치의 구성과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙여 나타내고 있다.
도 6 은 성막 장치 (10) 중 도 5 의 부호 30' 로 나타낸 영역의 부분 확대도를 나타내고 있다. 각 홈 (221 ∼ 223) 의 구조는 동일하며, 부호 221 의 홈으로 대표하여 설명한다.
원료 가스실 (34) 내는 각 원료 가스용 관통공 (29) 에 접속되어 있다. 원료 가스조 (51) 로부터 원료 가스실 (34) 내에 원료 가스가 공급되면, 공급된 원료 가스는 각 제 1 보조 배관 (32a) 을 통과하여 원료 가스용 개구 (28a) 로부터 진공조 (11) 내로 방출되도록 되어 있다.
원료 가스실 (34) 내에는 제 3 보조 배관 (32c) 이 원료 가스실 (34) 을 관통하여 배치되어 있다. 제 3 보조 배관 (32c) 의 일단은 반응 가스용 도입공 (27b) 에 접속되고, 타단은 반응 가스실 (26) 의 내부에 접속되어 있다. 반응 가스조 (52) 로부터 반응 가스실 (26) 내에 반응 가스가 공급되면, 공급된 반응 가스는 각 제 3 보조 배관 (32c) 내를 통과하고, 반응 가스용 도입공 (27b) 내를 통과하여 반응 가스용 개구 (28b) 로부터 진공조 (11) 내로 방출되도록 되어 있다.
부호 10' 의 성막 장치에서는, 부호 10 의 성막 장치에 비해 원료 가스실 (34) 이 성막 대상물 (40) 에 가까워지게 되지만, 원료 가스실 (34) 내는 천판 (23) 을 개재하여 홈 내 공간 (311 ∼ 313) 을 흐르는 냉각 매체에 의해 냉각되기 때문에, 원료 가스실 (34) 내의 원료 가스는 열분해되지 않는다.
여기서는 반응 가스용 도입공 (27b) 에는 반응 가스용 배관 (33) 이 삽입되고, 제 3 보조 배관 (32c) 의 단부와 반응 가스용 배관 (33) 의 단부끼리는 접속되어, 1 개의 배관이 구성되어 있지만, 본 발명은 제 3 보조 배관 (32c) 과 반응 가스용 배관 (33) 이 별개의 배관으로 구성되어 있는 경우도 포함된다.
본 발명의 성막 장치 (10, 10') 를 사용한 성막 방법을, 성막 대상물 (40) 의 표면에 질화갈륨 (GaN) 의 박막을 성막하는 경우를 예로 설명한다.
도 1, 도 5 를 참조하여, 진공조 (11) 의 벽면에 진공 배기 장치 (13) 를 접속하여 진공조 (11) 내를 진공 배기한다. 이후, 진공 배기 장치 (13) 에 의한 진공 배기를 계속하여, 진공조 (11) 내의 진공 분위기를 유지한다.
진공조 (11) 내의 진공 분위기를 유지하면서, 진공조 (11) 내에 성막 대상물 (40) 을 반입하여, 기판 유지대 (41) 의 유지면에 유지시킨다.
전원 장치 (44) 로부터 전열 저항 (42) 으로 직류 전류를 흘려 성막 대상물 (40) 을 여기서는 1100 ℃ 부근으로 가열해 둔다.
회전축 (46) 의 진공조 (11) 의 외측에 위치하는 단부에는 회전 장치 (47) 가 접속되어 있다. 회전 장치 (47) 는 여기서는 모터를 가지며, 회전축 (46) 을 중심축선을 중심으로 회전 가능하도록 구성되어 있다.
회전 장치 (47) 에 의해 회전축 (46) 을 회전시키고, 기판 유지대 (41) 에 유지된 성막 대상물 (40) 을 방출판 (21) 의 제 1 면 (20a) 에 평행하게 회전시켜 둔다. 이후, 성막 대상물 (40) 을 계속 회전시킨다.
냉각 매체 공급부 (55) 로부터 각 냉각 매체 공급로 (241 ∼ 243) 에 냉각 매체를 공급하고, 냉각 매체 배출부 (56) 로부터 배출하며, 도 2 를 참조하여, 각 홈 내 공간 (311 ∼ 313) 에 온도 관리된 냉각 매체를 순환시켜 둔다. 이후, 각 홈 내 공간 (311 ∼ 313) 의 냉각 매체를 계속 순환시킨다.
도 1, 도 5 를 참조하여, 원료 가스조 (51) 와 반응 가스조 (52) 로부터 각각 원료 가스실 (34) 내와 반응 가스실 (26) 내에 원료 가스와 반응 가스를 공급한다. 여기서는 원료 가스에 트리메틸갈륨 (TMGa) 의 유기 금속 가스를 사용하고, 반응 가스에 암모니아 (NH3) 가스를 사용한다.
도 3, 도 6 을 참조하여, 원료 가스실 (34) 내에 공급된 원료 가스는, 제 1 보조 배관 (32a) 내를 통과하여 원료 가스용 개구 (28a) 로부터 방출되고, 반응 가스실 (26) 내에 공급된 반응 가스는, 반응 가스용 배관 (33) 내를 통과하여 반응 가스용 개구 (28b) 로부터 방출된다.
제 1 보조 배관 (32a) 과 반응 가스용 배관 (33) 은 각 홈 내 공간 (311) 을 흐르는 냉각 매체와의 전열에 의해 냉각되어, 제 1 보조 배관 (32a) 과 반응 가스용 배관 (33) 의 내부에서 원료 가스와 반응 가스가 성막 대상물 (40) 의 열에 의해 분해되는 것이 방지되고 있다.
도 2 를 참조하여, 각 홈 내 공간 (311 ∼ 313) 으로 개별적으로 냉각 매체를 흘리고 있기 때문에, 냉각 매체의 흐름이 부분적으로 정체되는 것을 방지할 수 있어, 원료 가스나 반응 가스의 냉각 효율을 종래 기술보다 향상시킬 수 있다.
또 도 3, 도 6 을 참조하여, 각 제 1 보조 배관 (32a) 에 냉각 매체를 일정한 유량으로 접촉시킬 수 있어, 제 1 보조 배관 (32a) 내에서의 원료 가스의 열분해를 확실히 방지할 수 있다.
반응 가스용 배관 (33) 은 제 1 보조 배관 (32a) 보다 잘 냉각되지 않지만, 반응 가스인 암모니아 가스는 500 ℃ 까지 열분해 되지 않기 때문에, 반응 가스용 배관 (33) 내에서는 반응 가스의 열분해는 발생하지 않는다.
도 1, 도 5 를 참조하여, 원료 가스용 개구 (28a) 와 반응 가스용 개구 (28b) 로부터 방출된 원료 가스와 반응 가스는, 성막 대상물 (40) 의 열에 의해 화학 반응을 일으켜, 성막 대상물 (40) 의 표면에 GaN 의 박막이 형성된다. 성막 대상물 (40) 을 회전시키고 있기 때문에, 형성되는 박막의 막질 및 막 두께는 균일해진다. GaN 과 함께 생성되는 부생성물은 진공 배기 장치 (13) 에 의해 진공 배기된다.
예를 들어 성막 대상물 (40) 의 중앙부가 외연부보다 가열되기 쉬운 경우에는, 도 2 를 참조하여, 방출판 (21) 의 중앙부를 통과하는 홈 (222) 으로 흘리는 냉각 매체의 온도를 다른 홈 (221, 223) 으로 흘리는 냉각 매체의 온도보다 저온으로 하거나, 방출판 (21) 의 중앙부를 통과하는 홈 (222) 으로 흘리는 냉각 매체의 유속을 다른 홈 (221, 223) 으로 흘리는 냉각 매체의 유속보다 빠르게 함으로써, 방출판 (21) 의 중앙부에 위치하는 제 1 보조 배관 (32a) 의 냉각 효과를 높일 수 있어, 당해 제 1 보조 배관 (32a) 내에서의 원료 가스의 열분해를 방지할 수 있다. 또 냉각 매체와의 전열에 의해, 성막 대상물 (40) 의 중앙부의 온도를 낮출 수 있기 때문에, 성막 대상물 (40) 의 중앙부와 외연부에서 온도를 균일하게 할 수 있어, 형성되는 박막의 막질의 균일성을 향상시킬 수 있다.
소정의 막 두께의 박막을 형성한 후, 원료 가스조 (51) 와 반응 가스조 (52) 로부터의 원료 가스와 반응 가스의 공급을 정지한다. 전원 장치 (44) 로부터 전열 저항 (42) 으로의 전류 공급을 정지하여, 성막 대상물 (40) 의 가열을 멈춘다. 회전 장치 (47) 에 의한 성막 대상물 (40) 의 회전을 정지한다.
진공조 (11) 내의 진공 분위기를 유지하면서 성막이 끝난 성막 대상물 (40) 을 진공조 (11) 의 외측으로 반출한다. 이어서, 다른 미 (未) 성막의 성막 대상물 (40) 을 진공조 (11) 내의 진공 분위기를 유지하면서 반입하여, 상기 서술한 성막 방법에 의한 박막의 형성을 반복한다.
10 : 성막 장치
11 : 진공조
20a : 제 1 면
20b : 제 2 면
21 : 방출판
221 ∼ 223 : 홈
23 : 천판
241 ∼ 243 : 냉각 매체 공급로
251 ∼ 253 : 냉각 매체 배출로
26 : 반응 가스실
27a : 원료 가스용 도입공
27b : 반응 가스용 도입공
28a : 원료 가스용 개구
28b : 반응 가스용 개구
29 : 원료 가스용 관통공
311 ∼ 313 : 홈 내 공간
32 : 접속 배관
32a : 제 1 보조 배관
32b : 제 2 보조 배관
32c : 제 3 보조 배관
34 : 원료 가스실
40 : 성막 대상물
51 : 원료 가스조
52 : 반응 가스조

Claims (6)

  1. 진공조와,
    제 1 면과, 상기 제 1 면과는 반대측의 위치의 제 2 면을 갖는 방출판과,
    상기 방출판을 각각 관통하는 복수의 반응 가스용 도입공과 복수의 원료 가스용 도입공과,
    상기 진공조 내에 위치하는 성막 대상물을 가열하는 가열 장치를 갖고,
    상기 제 1 면은 상기 진공조 내에 노출되며, 상기 진공조의 외부에 배치된 원료 가스조와 반응 가스조로부터, 상기 원료 가스용 도입공과 상기 반응 가스용 도입공에 원료 가스와 반응 가스가 공급되면, 상기 진공조의 내부에는, 상기 원료 가스용 도입공의 상기 제 1 면에 위치하는 원료 가스용 개구로부터 상기 원료 가스가 방출되고, 상기 반응 가스용 도입공의 상기 제 1 면에 위치하는 반응 가스용 개구로부터 상기 반응 가스가 방출되며,
    방출된 상기 원료 가스와 상기 반응 가스에 의해, 상기 성막 대상물의 표면에, 상기 진공조의 내부에서 박막을 형성시키는 성막 장치로서,
    상기 제 2 면에 형성되고, 상기 원료 가스용 도입공이 바닥면에 위치하는 복수 개의 홈과,
    상기 제 2 면 상에 배치되고, 상기 홈을 폐색하는 천판과,
    상기 천판에 형성된 원료 가스용 관통공과,
    상기 홈과 상기 천판으로 둘러싸여 상기 진공조의 내부 공간으로부터 분리된 홈내 공간에 접속되어, 상기 홈내 공간에 액체의 냉각 매체를 공급하는 냉각 매체 공급로와,
    상기 홈내 공간에 접속되고, 상기 홈내 공간을 흐른 상기 냉각 매체를 배출시키는 냉각 매체 배출로와,
    상기 원료 가스용 도입공과 상기 원료 가스용 관통공을 접속하는 제 1 보조 배관을 가지며,
    상기 원료 가스는, 상기 제 1 보조 배관 내를 흘러 상기 원료 가스용 개구로부터 방출되는, 성막 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 천판의 상기 홈과 면하는 면과는 반대측의 면 상에 반응 가스실이 배치되며, 상기 반응 가스실은 각 상기 반응 가스용 도입공에 접속되고,
    일단이 상기 원료 가스용 관통공에 접속된 제 2 보조 배관이, 상기 반응 가스실을 관통하여 배치되어, 상기 제 2 보조 배관을 통과한 상기 원료 가스가, 상기 원료 가스용 개구로부터 방출되도록 구성된, 성막 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 보조 배관의 단부끼리는 접속되어, 1 개의 접속 배관이 구성된, 성막 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 반응 가스실의 상기 천판과는 반대측의 위치에 원료 가스실이 배치되고, 상기 제 2 보조 배관의 단부는, 상기 원료 가스실의 내부에 접속된, 성막 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 천판의 상기 홈과 면하는 면과는 반대측의 면 상에 원료 가스실이 배치되며, 상기 원료 가스실은 각 상기 원료 가스용 관통공에 접속되고,
    일단이 상기 반응 가스 도입공에 접속된 제 3 보조 배관이, 상기 원료 가스실을 관통하여 배치되어, 상기 제 3 보조 배관을 통과한 상기 반응 가스가, 상기 반응 가스용 개구로부터 방출되도록 구성된, 성막 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 원료 가스실의 상기 천판과는 반대측의 위치에 반응 가스실이 배치되고, 상기 제 3 보조 배관의 단부는, 상기 반응 가스실의 내부에 접속된, 성막 장치.
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