具体实施方式

以下，针对本发明的优选实施例中的单结晶金属氧化物半导体外膜生长装置，将参照下文的附图进行具体说明。在本说明书中即使是相互不同的实施例，对于相同或相似的结构，将使用相同或相似的附图标记，对其说明只需参照最初的说明即可。

图1是图示本发明一实施例的单结晶金属氧化物半导体外膜生长装置100的概略图。

参照附图，单结晶金属氧化物半导体外膜生长装置100包括：反应腔室110；基板安装单元130，金属氧化物处理单元150，氧气供应单元170，驱动单元190，以及加热单元210。

反应腔室110具备有内部空间111，在所述内部空间111上高纯度氧化锌薄膜的生成工艺在此完成。内部空间111基本上处于10-8～10-9torr，在薄膜生成时形成10-5～10-6torr水平的真空。为此，内部空间111上连接有真空泵113。反应腔室110可以额外连接预抽真空腔室(Load lock chamber)。所述预抽真空腔室分隔成两个空间，一个是维持10-3torr水平真空度的基板保管领域，以及维持10-8～10-9torr水平真空度的基板移送领域。所述预抽真空腔室可以包括：用于移送安装基板的基板安装单元130的自动移送装置、用于缩短金属氧化物的排气(outgassing)时间的预热单元，以及可至少保管5个基板加持部的狭缝等结构。对于预抽真空腔室的真空度，可以在工艺进行期间将反应腔室110的真空水平维持在10-8～10-9torr。预抽真空腔室和反应腔室110之间的基板W移送是由机器人来完成的。进一步说，内部空间111的底部上形成凸起的分隔壁115。

基板安装单元130设置于内部空间111，是安装基板W的结构。所述基板安装单元130的尺寸可达到最多装载108枚4英尺蓝宝石基板。基板安装单元130从预抽真空腔室移送，附着至设置于反应腔室110的吊架(cradle)上。因此，吊架和基板安装单元130的连接部位上设置有4处电磁石，在电磁石附着后外膜生长层形成时，基板安装单元130可向上移动，靠近位于上部的加热单元210，到达使基板W的温度维持在550-800℃的位置。为了使基板安装单元130移送至预抽真空腔室，外膜层生长工艺完成后，将吊架下降80mm，然后解除电磁石的磁场，从而使所述基板安装单元130可以安装至移送系统上。同时在移送上述结构时，可以将其保管在设置于预抽真空腔室的狭缝处。为了控制基板安装单元130的位置，也为了基板安装单元130附着在吊架的位置和外膜层生长工艺，可在应该向上部移动的位置处安装位置传感器，这样就可以准确地控制基板安装单元130的位置。

金属氧化物处理单元150处理金属氧化物，使在金属氧化物上产生的金属离子和氧离子供应至基板W的结构。在本实施例中处理金属氧化物是指对其照射电子束，使金属离子和氧气离子蒸发而向基板W的方向移动。

这里的金属氧化物作为具体的一实施例可以是氧化锌，这可以通过烧结氧化锌粉末来完成制造。金属锌离子可以是Zn2+而氧离子为O2-。氧化锌板的直径是8英尺，厚度假定在2英寸的状态时100％汽化下，可以变成具有900cm3的容量的状态。在一天进行5次外延生成工艺时，最多可以使用4个月的容量，在适用至量产工艺上也是十分合适的量。在氧化锌板上，通过照射电子束使固体状态生化变成了气体状态，其升华区域的氧化锌温度在1000-1500℃之间，熔点在1950℃。

氧化锌板可设置在安装台151上。安装台设置于内部空间111的下部，与所述基板安装单元130相对配置。

氧化锌作为陶瓷系列的物质，其热传导效率还达不到金属的14％，即5W/mK，是热传导效率比较低的物质。通过照射电子束使得局部温度升高的蒸发领域以及除此之外的领域产生温度差异，因此需要防止氧化锌板上产生的热压导致的变形。为此，可在氧化锌板的周围设置一个加热单元(未图示)，使其温度斜率最小。这样的加热单元设置于安装台151，包裹氧化锌板，优选为通过差别加热的方式，使得氧化锌板的温度领域至少被区分成5个以上，并且各个领域之间的温度差异不超过300℃。

还可以额外将氧化锌板旋转的装置(附图2)设置于安装台151上，这是用于在氧化锌板上形成的均匀侵蚀剖面(erosion profile)从而使氧化锌板的使用效率增加的方法。使用时按照一定使用周期间隔进行。氧化锌板的旋转角度为45°，到更换它为止总共可以旋转8次。

在蒸发初期为了防止可能发生的氧化锌蒸汽的阻塞(clogging)现象，可在氧化锌板的上层一定支点上，例如70mm位置处设置直径为9英寸以上的百叶窗(shutter)。这里的百叶窗材质可以是不锈钢化合物、钽或者是铝。

具有高能的电子束在射向氧化锌板时，由于电子的散射现象产生背散射电子(backscattered electron)。人们通常都认为，背散射电子的能量和入射到氧化锌板上的电子束能量几乎相差无几。为了使背散射电子导致的热等问题最小化，可在氧化锌板的周围设置金属材质的捕捉器，用于捕捉后方散射电子。

向氧化锌板照射电子束的电子束照射器155设置在内部空间111的上一侧。所述电子束照射器155基本上与基板安装单元130处于同样的高度上。所述电子束照射器155在反应腔室110的正上方(90°)或者40°以内的角度(θ1)固定电子束源的位置，以直射(direct)的方式对将电子束照射至氧化锌板上。上述的照射角度θ1优选为设置成20°以内的角度。电子束的加速电压较高时，照射至氧化锌板之后产生二次电子(secondary electron)。将二次电子的产生量降至最低是十分重要的；如果电子束的照射角度超过40°，产生的二次电子的比率会集聚增加而达到50％的水平，从而对氧化锌的蒸发效率、氧化锌板的使用效率、反应腔室110的腔室壁受污染等产生消极影响，因此优选为对照射角度要调节至20°以内。

从电子照射器155照射的电子束在使用5～30Kv的范围的加速电压和最大2A的放电电流条件下，最大可达到60kW的功率。优选为使用30kv的加速电压和1A的放电电流，最大可达到30kW的功率。

氧化锌板和电子束照射器155之间的距离可以设置在600至1800mm之间，最大不应该超过1800mm。并且，在基板安装单元130上如果安装了多个基板(比如4英寸108张)，氧化锌板和基板W之间的距离维持在800至1800mm之间比较合适。如果距离在800mm以下，在整个基板W上保持均匀的外膜层是不可能的，如果距离在1800mm以上，虽然是可以保持均匀外膜层，但是附着速度太慢的劣势就会产生。

氧气供应单元170是在气体状态的氧气分子解离后将氧自由基(O)额外供应至基板W的结构。所述氧气供应单元170设置于反应腔室110，并与所述基板相对。

氧化锌单结晶在生长时，从理论上讲锌氧原子比率应为1：1，但如果分析实际氧化锌薄膜的特性上的实际成分，氧原子比率相比于锌原子要低，这是自然发生的现象。因此，氧化锌的比率为了调整至1：1，是通过氧气供应单元170向基板W供应氧自由基来完成的。供应的氧气不应该是氧分子O2状态，应该是供应通过热或者等离子体的解离状态的氧自由基。

氧气供应单元170可以利用RF Atom source，其是安装在反应腔室110下部的结构。其安装角度θ2利用是从看着基板W的位置20-40°之间，优选为30°以内的角度。而对于RFAtom source而言，在供应氧自由基的初期为了防止喷溅(spitting)现象或者阻塞(clogging)现象，在其末端还可设置百叶窗。并且，其还可以具备有喷嘴，用于将氧自由基喷射至内部空间111之内，还可具备用于使氧气解离的RF等离子源和电源供应装置和阻抗匹配系统。在使用等离子系统上，使用直接等离子体或者远程等离子体都无妨，在本实施例中，为了使等离子体的影响最小而选择了远程等离子体的方式来进行。

为了使O2能够高效解离，RF Plasma Power可以使用300-750W的范围，但优选为较为合适的500W。用于氧自由基供应的RF Atom Source和基板W之间的距离在800-1400mm，优选为800mm的距离。

供应氧自由基的量如果过多，氧气自由基就会更能填充至氧化锌延长层内的空白空间内，但氧自由基过多会导致反应腔室110和内部空间111中存在的部件被氧化，进而导致其性能低下，这时具有这样的劣势。氧自由基如果过少，在氧化锌延长层上就缺乏充足的氧自由基，氧自由基无法填充至空白空间，这就会造成氧化锌延长层的性能出现低下的劣势。因此选择合适的氧自由基的供应量是十分重要的。本实施例中上述提及的氧自由基在供应时，选择将真空度维持在10-5torr的氧气自由基供应量。

进一步而言，为了防止从氧气供应单元170供应的氧自由基造成周边部品的氧化，以基板安装单元130位基准，氧气供应单元170和金属氧化物处理单元150配置在两者相反的两侧上。进而后述的砷元素供应单元180配置在他们之间。并且，上述分隔壁115将从氧气供应单元170导出的氧自由基阻断，不让其进入至砷供应单元180和金属氧化物处理单元150一侧。

作为一种其他的方法，氧气供应单元170的排出口171可位于比内部空间111的底部还低的位置。在上述结构中，排出口171上设置有控制器开闭的阀门175。阀门175只是在基板W上氧化锌薄膜形成的期间内控制开闭，使氧自由基流动至内部空间111。

砷供应单元180是用于向基板W供应砷离子的结构。其设置于反应腔室110的底部，与基板W相对配置。

所述砷供应单元180，例如可以采用Knudsen cell(K-cell)，其在常温状态下将固体的砷在500～1100℃的温度范围内将其分解，优选为600-1100℃之间，以As2+的离子状态供应至基板W。在砷离子中如果将As4+供应至基板W，则Zn-O-As之间的结合就不能正常进行，高质量的p型氧化锌薄膜就无法正常生长。因此，在上述温度范围内，制造出As2+来供应是十分重要的。并且，所述砷供应单元180正对基板W的安装角度(θ3)优选为20-40°之间。砷供应单元180还可以具备调节阀门，通过调节砷离子的量(根本上来说是As2+，dopingconcentration)在1017～1021个/cm3的范围之内，使其能够符合外延薄膜的特性。

将砷分解后供应至基板的初期，As2+接受体的喷溅(spitting)现象导致的杂质浓度增加，为了对其进行控制，砷供应单元180其自身还具备百叶窗，且还具备加热单元，用于砷的分解而机型加热的结构。并且，砷供应单元180还可具备用于将砷储存的储存器。

驱动单元190是用于驱动基板安装单元130的结构。驱动单元190连接着基板安装单元130，同时设置于反应腔室110。具体而言，驱动单元190使基板安装单元130沿垂直方向V，从反应腔室110的底部逐渐远离或者逐渐靠近的方向进行移动。更进一步讲，驱动单元190可以将基板安装单元130沿着旋转方向R进行旋转。

具体而言，驱动单元190可以使基板安装单元130沿垂直方向V上下移动50-100mm，优选为移动80mm。并且为了使基板W上能够附着均匀的薄膜，驱动单元190可以使基板安装单元130以5-50rpm的速度进行旋转，优选为10rpm的速度。在上述情形下，驱动单元190只将所述支架旋转，实际上也可以对基板安装单元130的整体进行旋转。

加热单元210的设置是用于加热基板W，且与所述基板安装单元130相对应。加热单元210可设置于反应腔室110或者驱动单元190，位于内部空间111上。加热单元210在运转时可以达到750℃至1000℃之间，从而可以使成膜过程中基板W的温度保持在550-800℃之间。为了使基板W的整体温度能够均匀保持，加热单元210可以设置1-4个。加热单元210在真空状态下通过辐射的方式向基板W传递热量。

利用上述的单结晶金属氧化物半导体外膜生长装置的单结晶金属氧化物半导体层形成过程，将参照额外附图图2进行说明。图2是图示利用图1中单结晶金属氧化物半导体外膜生长装置100而形成单结晶金属氧化物半导体层的工艺流程图。

参照本附图(图2及图1)，首先完成向基板W的移送和热处理(S1)。具体而言，安装基板W的基板安装单元130投入至预抽真空腔室。这里，在300℃的温度下通过热处理工艺，执行排气工艺。这时的热处理时间优选为5-30分钟，预抽真空腔室的压力维持在10-3torr。热处理基板W被移送至10-8torr的超高真空状态的转移腔室领域，再经历5-30分钟的排气工艺。

之后，基板W被移送至反应腔室110进行热处理(S3)。具体而言，转移腔室和反应腔室110之间连接的阀门在打开之后，基板W被移送至反应腔室110。然后由于阀门被关闭，转移腔室和反应腔室110相分离。这时反应腔室110的真空度与转移腔室的真空度相同，都维持在10-8torr。在反应腔室110内向加热单元210提供电能后，基板W的温度上升至600℃乃至700℃，再执行第三次排气。

现在进行基板W的表面处理(S5)。利用氧等离子体对基板表面进行处理工艺，在不影响基板W的表面进行单结晶金属氧化物成膜的前提下，会自然形成十分薄的氧化膜。利用氧等离子体的基板处理时间可以再10-60秒之间。为了去除这时基板W的表面上存在的有机物形态的杂质，利用氢等离子体执行对基板表面进行处理的工艺。利用氢等离子体对基板进行处理的时间优选为30秒以内。

基板W上的薄膜进行生长(S7)。基板W以5-50rpm的速度进行旋转的过程中，可进行金属氧化物的蒸发工艺。金属氧化物的蒸发进行时，为了防止在初期金属氧化物大量蒸发而移送到基板上，蒸发源(氧化锌板)一侧设置的百叶窗就会阻断金属氧化物气体，当生化率到达一定程度时，通过移动百叶窗，可以使金属氧化物气体移动至基板W。与此同时，基于等离子体解离的氧自由基同时被供应至基板W，在基板W上形成了金属氧化物层。为了形成p型金属氧化物层，向基板供应As2+，这时金属氧化物气体和氧自由基开始供应之后，再开始供应2价砷。

薄膜生长结束阶段(S9)。所需厚度的p型金属氧化物薄膜形成后利用厚度测定器来确认，然后金属氧化物气体、氧气自由基、2价砷例子的供应停止的同时，停止基板W的旋转。

之后，对薄膜的表面进行处理(S11)。为了使单结晶金属氧化物薄膜生长，执行在700℃温度下的热处理工艺，热处理的时间控制在10分至30分之内，优选为控制在30分以内。

最后，对基板进行移送(S13)。基板W的温度经冷却后，按照转移腔室、预抽真空腔室的先后顺序移动基板W。

对如上所述的单结晶金属氧化物半导体外膜生长装置进行了说明，但并不局限于上文实施例的结构和运转方式。在所述多项实施例中，有选择性地组合上述实施例的部分或者全部结构，就可以产生多种多样的变形。