KR100944186B1 - Gas injection units of chemical vapor deposition chamber - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기판 표면의 전 영역에 가스를 균일하게 공급하여 박막을 증착하기 위한 화학기상증착 반응기의 가스분사장치에 관한 것으로, 상세하게는 공정 반응기 내부의 전 영역에 걸쳐 반응가스의 공급 균일도 향상을 도모하여 더욱 높은 수준의 박막 성장을 이뤄내도록 함과 아울러 대용량 면적에서도 균일한 가스공급이 가능하도록 하고 가스분사장치의 제작도 용이하도록 한 화학기상증착 반응기의 가스분사장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas injection device of a chemical vapor deposition reactor for depositing a thin film by uniformly supplying gas to the entire area of the substrate surface. The present invention relates to a gas ejection apparatus of a chemical vapor deposition reactor, which enables to achieve a higher level of thin film growth, enables uniform gas supply even in a large area, and facilitates the manufacture of a gas ejection apparatus.
일반적으로 반도체는 원자재인 기판에 박막 성장, 식각, 금속 전극 증착공정을 진행하면서 소자를 제작하게 된다.In general, semiconductors fabricate devices while thin film growth, etching, and metal electrode deposition are performed on a substrate, which is a raw material.
반도체 제조공정 중 박막공정은, 기판에 원하는 단결정 층을 성장하는 것으로 화학기상증착(CVD) 방법을 가장 일반적으로 사용한다. 그 중 가장 일반적인 증착방법은 유기금속 화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)으로, 반응기에 주입된 가스의 열분해와 재반응을 이용하여 가열된 기판 상에 박막을 형성하는 방법으로, 일반적으로 제1 반응가스와 제2 반응가스가 공정 반 응기 내부로 공급되면서 가열된 서셉터로 인해 열분해와 화학반응을 통하여 기판 위에 박막을 성장시키게 된다. In the semiconductor manufacturing process, the thin film process most commonly uses a chemical vapor deposition (CVD) method to grow a desired single crystal layer on a substrate. The most common deposition method is Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), which is a method of forming a thin film on a heated substrate by pyrolysis and re-reaction of gas injected into the reactor. The first reactant gas and the second reactant gas are supplied into the process reactor to grow a thin film on the substrate through pyrolysis and chemical reaction due to the heated susceptor.
상기와 같은 화학기상증착 반응기에 사용되는 가스분사장치는 중심부에서 별도의 반응가스 유로를 통하여 분사 노즐이 이용되며 기판의 윗면과 평행한 방향으로 분사하는 방법을 일부 분사장치 제조방법에서는 이용된다. 이 방법은 분사노즐과 가까운 부분에 있는 기판과 먼 곳에 있는 기판 상에서 반응하는 반응가스의 열분해, 재반응 환경의 차이가 있어서 균일한 박막성장이 불가능하며, 균일성을 향상 시키기 위하여 서셉터를 공전 및 자전을 할 수 있는 복잡한 서셉터를 사용하지만, 반응기가 대형화되면서 박막의 두께 및 조성의 균일성 향상에는 한계가 있다.The gas injection device used in the chemical vapor deposition reactor as described above uses a spray nozzle through a separate reaction gas flow path at the center, and a method of spraying in a direction parallel to the upper surface of the substrate is used in some injector manufacturing methods. In this method, there is a difference in pyrolysis and re-reaction environment of reactant gases reacting on the substrate close to the injection nozzle and the substrate far away, so that uniform thin film growth is impossible and the susceptor is idled to improve the uniformity. Although a complex susceptor capable of rotating is used, there is a limit in improving the uniformity of the thickness and composition of the thin film as the reactor is enlarged.
상기와 같은 반응 가스를 분사하는 방법은 서셉터를 반드시 공전, 자전을 시켜야 하며 복잡한 서셉터 구조에 따라 공정에 필요한 기판 온도를 유지하기 위하여 더욱더 높은 온도로 서셉터를 가열해야 함으로써, 수명 및 유지관리 비용 상승이 있으며, 복잡한 서셉터 형상은 다수개의 기판에 동일한 성장조건을 제공하기 곤란하다.The method of injecting the reactive gas as described above must suspend and rotate the susceptor, and according to the complex susceptor structure, the susceptor must be heated to a higher temperature in order to maintain the substrate temperature required for the process. There is an increase in cost, and complex susceptor geometries make it difficult to provide the same growth conditions for multiple substrates.
또한, 대면적의 반응기로 제작함에 있어서 분사노즐과 기판이 수용되는 서셉터 구간까지의 거리가 길어짐으로써, 성장조건이 변경되어 균일한 박막성장이 불가능하게 된다.(관련특허 제0722592호(2007.05.21. 등록), 화학기상증착반응기, 아익스트론 아게 / 특허공개 제2003-0091937호(2003.12.03. 공개), 결정층의 증착방법 과 이러한 방법을 수행하기 위한 장치, 아익스트론 아게)In addition, when the reactor is manufactured in a large-area reactor, the distance between the injection nozzle and the susceptor section in which the substrate is accommodated becomes long, so that the growth conditions are changed and uniform thin film growth is impossible. (Related Patent No. 0722592 (2007.05.2007) 21. Registration), Chemical Vapor Deposition Reactor, Aixtron AG / Patent Publication No. 2003-0091937 (published Dec. 2003), Deposition method of crystal layer and apparatus for performing such method, Aixtron AG
상기와 같은 반응기에 사용되는 가스분사장치의 다른 방법으로는 도 1 및 도 2에 나타낸 것처럼 다수개의 하측으로 개구된 제1 반응가스 분사관(53), 제2 반응 가스 분사관(54)을 통하여 반응가스를 기판(10) 윗면과 수직방향으로 전 영역에 균일하게 분사하는 분사장치(Shower Head)를 이용한다. 이 방법은 별도의 반응가스를 각각의 분사관을 이용하여 분사를 하는 방법으로 각각의 반응가스가 반응기 내부에 놓여진 기판 윗면에서 혼합 및 반응이 이루어진다. 따라서 균일한 막질이 형성되기 위하여 아주 좁은 간격으로 제1 반응가스, 제2 반응가스 분사가 이루어져야 하며, 하측으로 개구된 분사관과 기판의 간격에 따라 두 종류 이상의 반응가스 혼합 조성이 각각의 분사관 사이의 상대 거리에 따라 균일하지 않아, 최적의 성장조건을 유지하기는 어렵고, 대형화하기 위해서는 분사관 수량이 기하급수적으로 증가하기 때문에 제작하기도 어렵다.(관련특허 EP0687749, Apparatus for chemical vapour deposition, 1995.12.20) As another method of the gas injection device used in the reactor as described above, as shown in Figs. 1 and 2 through a plurality of lower opening first reaction
상기와 같은 샤워헤드 가스분사장치를 이용하여 박막 성장 시 별도의 제1 반응가스 분사관(53), 제2 반응가스 분사관(54)을 이용하여 각각의 반응가스가 반응기 내부공간(14)으로 공급되게 되는데, 이 때 반응기 크기가 대형화되면서 반응가스 공급관에서 전면 가스 분사관까지의 거리가 멀어지면서 균일한 가스 분사가 어려워진다.When the thin film is grown using the shower head gas spraying device as described above, each of the reaction gases is transferred to the reactor
또한, 각각의 대형화된 반응기에서 반응가스에 따라 제1 반응가스 분사관(53)과 제2 반응가스 분사관(54)이 서로 다른 길이로 제작되게 되는 경우 반응기 내부로 공급되는 각각의 반응가스의 속도가 다르기 때문에 기판 상에서 층류흐름이 어렵고, 각각의 반응가스 혼합 비율(제1 반응가스 량/제2 반응가스 량)을 크게 하면 이러한 현상은 더욱더 심화된다.In addition, when the first reaction
본 발명은 상기한 종래 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 공정 반응기의 대형화에 따른 반응기 내부 전 영역에 걸쳐 반응가스의 공급 균일도 향상을 가져옴으로써 더욱 높은 수준의 박막 성장을 이뤄낼 수 있도록 하고, 반응기를 더욱 간단한 구조로 구성함으로써 생산성 및 제조 비용을 절감하고, 유지보수가 용이하도록 하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, it is possible to achieve a higher level of thin film growth by improving the uniformity of the supply of the reaction gas throughout the entire area of the reactor according to the size of the process reactor, and the reactor The simpler structure is to reduce productivity and manufacturing cost, and to facilitate maintenance.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반응기의 내부공간에 피처물인 기판을 수용할 수 있는 서셉터가 위치하고, 외부에서 공급되는 반응가스를 반응기 내부공간으로 공급하는 화학기상증착기의 가스분사장치에 있어서; 적어도 하나 이상의 제1 반응가스 공급관, 적어도 하나 이상의 제2 반응가스 공급관이 형성되며, 제1 반응가스와 제 2 반응가스는 각각 독립된 체류공간이 형성되고, 각각의 제1 반응가스와 제2 반응가스가 독립된 체류공간에서 반응기의 내부공간으로 공급 시 분사관 내부에서 제1 반응가스와 제2 반응가스가 혼합되어 분사함으로써 균일한 반응가스 속도를 갖도록 반응가스 혼합 분사관을 형성하여, 상기 반응가스 혼합 분사관을 통해 반응기의 내부공간으로 공급된 반응가스는 가열된 서셉터 위에서 반응하고 반응을 마친 반응가스가 외부로 배출될 수 있도록 한 화학기상증착기의 가스분사장치를 제공한다. In the present invention for achieving the above object is a susceptor that can accommodate a substrate as a feature in the inner space of the reactor is located, the gas injection device of a chemical vapor deposition machine for supplying the reaction gas supplied from the outside into the reactor space ; At least one or more first reaction gas supply pipes and at least one or more second reaction gas supply pipes are formed, and each of the first reaction gas and the second reaction gas is formed with a separate residence space, respectively. The reaction gas mixture injection tube is formed to have a uniform reaction gas velocity by mixing and injecting the first reaction gas and the second reaction gas in the injection tube when supplying to the internal space of the reactor from the independent residence space, the reaction gas mixture The reaction gas supplied through the injection tube into the inner space of the reactor provides a gas injection device of a chemical vapor deposition machine that reacts on the heated susceptor and allows the reaction gas to be discharged to the outside.
본 발명에 의한 화학기상증착 반응기의 가스분사장치에 의하면, 박막 제조용 반응기의 면적이 넓어져도, 가스 공급부와 독립된 체류공간 사이에 별도의 분배관을 설치하여 전영역에 동일한 조성의 가스를 공급할 수 있으며, 각각의 반응가스를 혼합 분사관에서 분사 직전에 혼합하여 동일한 속도와 위치에서 혼합하여 공급함으로써, 박막의 두께 균일도를 향상시킬 수 있고, 반응기의 대형화가 가능하며, 제조공정이 간소화되고, 공정가스들의 공정 부산물을 감소시킴으로써 박막 제조의 재현성 및 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다. According to the gas injection device of the chemical vapor deposition reactor according to the present invention, even if the area of the reactor for manufacturing a thin film is enlarged, a separate distribution pipe can be provided between the gas supply unit and an independent residence space to supply the gas of the same composition to all areas. By mixing each reaction gas just before the injection in the mixing injection pipe and mixing at the same speed and position, the thickness uniformity of the thin film can be improved, the reactor can be enlarged, the manufacturing process is simplified, and the process gas By reducing the process by-products of these have the effect of improving the reproducibility and productivity of thin film production.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments that do not limit the present invention will be described in detail.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 화학기상증착 반응기의 가스분사장치를 도시한 것으로, 반응기(13) 상부에 위치한 가스분사장치는 제1 반응가스 공급관(38), 제2 반응가스 공급관(40)이 구비된 분사장치 덮개(100)와; 상기 각 공급관(38,40)에서 공급된 가스가 서로 혼합되지 않고 반응 가스 혼합 분사관(51)으로 공급할 수 있는 제 1 반응가스 체류공간(35), 제 2 반응가스 체류공간(37)이 구비되어 있고, 각 체류공간(35,37)에는 제1 반응가스와 제 2반응가스가 유입되어 관 내부에서 혼합된 후 상기 반응기(13)의 내부공간(14)으로 혼합가스를 공급하는 반응가스 혼합 분사관(51)이 연결되어 있고, 상기 체류공간(35,37)의 하부에는 가스 분사장치와 분사가스의 온도를 제어할 수 있는 냉각수 공급부(33)가 구비된 분사장치 몸체(200);로 이루어져 있다.3 illustrates a gas injection device of a chemical vapor deposition reactor according to a preferred embodiment of the present invention, and the gas injection device located above the
먼저, 분사장치 덮개(100)는 하측이 개구된 덮개 하우징(21)에 제1 및 제2 반응가스를 각각 독립적으로 공급할 수 있도록 제1 반응가스 공급관(38) 및 제2 반응가스 공급관(40)이 설치되어 있고, 제1 반응가스는 제1 반응가스 공급관(38)을 통해 제1 반응가스 분배관(39)으로 공급되고, 상기 분배관(39)에서 공급된 반응가스는 제1 반응가스 체류공간(35)을 통해 반응가스 혼합 분사관(51)으로 공급되도록 구성되어 있다. First, the
또, 제2 반응가스는 제2 반응가스 공급관(40)을 통해 상기 제1반응가스 체류공간(35)의 하부에 위치한 제2 반응가스 체류공간(37)으로 공급되며, 제2 반응가스 체류공간(37)으로 공급된 반응가스는 반응가스 혼합 분사관(51)으로 공급되도록 구성되어 있다.In addition, the second reaction gas is supplied to the second reaction
상기 제1 반응가스 체류공간(35)과 제2 반응가스 체류공간(37)은 격리판(36)으로 상호 격리되어 있고, 제2 반응가스 체류공간(37)과 냉각수 공급부(33)는 또 다른 격리판(34)으로 격리되어 있으며, 냉각수 공급부(33)와 반응기(13)의 내부공간(14) 사이는 또 다른 격리판(32)으로 격리되어 있다.The first reaction
상기 냉각수 공급부(33)는 상기 반응가스 및 가스분사장치의 온도를 제어할 수 있도록 외부에서 공급된 냉각수가 지속적으로 유입되고 반대방향으로 유출됨으로써 냉각기능을 발휘하게 된다.The cooling
한편, 제1 반응가스와 제2 반응가스는 반응가스 혼합 분사관(51) 내부에서 각각의 반응가스가 혼합되어 반응기(13)의 내부공간(14)으로 공급되도록 상기 반응가스 혼합 분사관(51)의 상단부에는 제1반응가스 유입구(51a)가 형성되어 있고, 상기 반응가스 혼합 분사관(51)의 대체로 중간부에는 제2반응가스 유입구(51b)가 형성되어 있으며, 상기 반응가스 혼합 분사관(51)의 하단부에는 혼합된 반응가스가 배출되는 배출구(51c)가 형성되어 있다.On the other hand, the first reaction gas and the second reaction gas is the reaction gas
상기 반응가스 혼합 분사관(51)에서 반응기(13)의 내부공간(14)으로 공급된 혼합 반응가스는 서셉터 지지대(12) 위에 놓여진 서셉터(11) 위에 공급되며, 반응을 마친 반응 가스는 측면으로 배기될 수 있도록 구성되어 있다. The mixed reaction gas supplied from the reaction gas
도 4는 덮개 하우징을 투명하게 도시한 것으로, 제1 반응가스 공급관(38), 제1 반응가스 분배관(39)과 제2 반응가스 공급관(40), 제2 반응가스 분배관(41)의 구조와 배치상태를 쉽게 이해할 수 있다. 4 is a transparent view of the lid housing, and shows the first reaction
제1 반응가스 공급관(38)과 제1 반응가스 분배관(39)은 분사장치 덮개 하우징(21)과 접합되어 있고, 상기 제1반응가스 분배관(39)은 대면적에 균일하게 반응가스를 공급할 수 있도록 원형 링 형태의 관으로 구성되어 있으며, 이 제1반응가스 분배관(39)은 도면에 도시된 바와 같이 동심원상태로 복수 개를 배치하는 것이 반응가스의 분산 균일도를 높일 수 있다. The first reaction
또, 제2 반응가스 공급관(40)에 연결된 제 2 반응가스 분배관(41)은 대면적에 균일하게 반응가스를 공급할 수 있도록 복수 개, 도면상으로는 세 개의 관으로 분배되어 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 세 개의 관으로 구성된 제 2 반응가스 분배관(41)을 통해 공급되는 공급가스가 제2 반응가스 체류공간(37)으로 공급시 분배관(41)에서 공급되는 반응가스가 대면적에 균일하게 같은 반응가스 속도로 공급될 수 있도록 상기 체류공간(37)의 내부에 방사상 격리판(52)에 의해 복수의 영역, 도면상으로는 세개의 영역으로 격리되어 구성되어 있다. In addition, the second reaction
도 6은 제1 반응가스와 제 2 반응가스가 각각의 분배관을 통해 체류공간으로 공급되어 반응가스 혼합 분사관(51)에 공급되는 과정을 보인 것으로, 제1 반응가스 분배관(39)에서 제1 반응가스 체류공간(35)으로 공급 시 대면적에 반응가스 공급 균일도를 향상시키기 위해 제1 반응가스 분배관(39)에 좌/우 방향으로 경사지게 다수의 분사 구멍이 형성되어 있고, 상기 다수의 분사 구멍은 분사장치 덮개 하우징(21) 방향을 향하도록 구성되어 있으며, 다수의 분사 구멍을 통해 분사되는 반응가스는 분사장치 덮개 하우징(21)면에 분사되어 반응가스가 대면적의 제1 반응가스 체류공간(35)에 균일하게 반응가스를 공급할 수 있도록 되어 있다. FIG. 6 shows a process in which the first reaction gas and the second reaction gas are supplied to the residence space through respective distribution pipes and supplied to the reaction gas
한편, 제2 반응가스는 분배관(41)을 통해 제2 반응가스 체류공간(37)으로 공급되며, 제2 반응가스 체류공간(37)으로 공급된 반응가스는 반응가스 혼합 분사관(51) 내부에 형성되어 있는 제2반응가스 유입구(51b)로 공급되어 반응가스 혼합 분사관(51)의 상단부에 형성된 제1 반응가스 유입구(51a)에서 유입된 제1 반응가스와 혼합 분사관(51) 내부에서 혼합된 후 하단의 배출구(51c)를 통해 반응기(13)의 내부공간(14)으로 공급되게 된다. Meanwhile, the second reaction gas is supplied to the second reaction
상기와 같이 본 발명은 반응가스가 반응기(13)의 내부공간(14)으로 공급 시 제1 반응가스와 제2 반응가스가 반응기(13)의 내부공간(14)으로 공급되기 전에 혼합 분사관(51)의 내부에서 서로 혼합되어 공급되도록 구성되어 있다. 따라서, 각각의 반응가스가 반응가스 혼합 분사관(51)에서 서로 혼합하여 공급하게 되므로 균일한 속도의 반응가스로 공급될 수 있다.As described above, in the present invention, when the reaction gas is supplied to the
도 7은 혼합된 반응가스가 반응가스 혼합 분사관(51)을 통해 서셉터(11) 위에 놓여진 기판(10)이 위치한 반응기(13)의 내부공간(14)으로 반응가스가 공급되는 것을 보인 것으로, 제1 반응가스는 분사장치 덮개 하우징(21)과 격리판(36)에 의해 형성된 체류공간(37)을 통해 공급되며, 제2 반응가스는 상기 격리판(36)과 그 하부의 격리판(34)에 의해 형성된 체류공간(35)을 통해 공급되고, 냉각수는 별도의 분사관(31)을 통해 격리판(34,32) 사이에 형성된 냉각수 공급부(33)내로 공급되도록 되어 있다.FIG. 7 shows that the mixed reaction gas is supplied to the
도 1은 종래 기술의 화학기상증착기의 가스분사장치 평면도, 1 is a plan view of a gas injection device of a chemical vapor deposition machine of the prior art,
도 2는 종래 기술의 화학기상증착기의 가스분사장치 분사관 상세도,Figure 2 is a detailed view of the gas injection device injection pipe of the conventional chemical vapor deposition machine,
도 3은 본 발명에 의한 화학기상증착기의 가스분사장치 평면도,3 is a plan view of a gas injection device of a chemical vapor deposition machine according to the present invention;
도 4는 본 발명에 의한 화학기상증착기의 가스분사장치의 덮개 하우징을 투명하게 표시한 사시도,Figure 4 is a perspective view showing the cover housing of the gas injection device of the chemical vapor deposition apparatus according to the present invention transparently,
도 5는 본 발명에 의한 화학기상증착기의 가스분사장치의 제2 반응가스 체류공간을 표시하기 위한 분사장치 덮개 하우징(21)과 격리판을 투명하게 표시한 사시도,5 is a perspective view showing the injector cover
도 6은 본 발명에 의한 화학기상증착기의 가스분사장치의 제1 반응가스가 균일하게 반응가스 혼합 분사관에 공급되도록 하기 위한 제1 반응가스 분사관의 단면도,6 is a cross-sectional view of a first reaction gas injection tube for uniformly supplying the first reaction gas of the gas injection device of the chemical vapor deposition machine according to the present invention;
도 7은 본 발명에 의한 화학기상증착기의 가스분사장치의 분사직전에 각각의 가스가 혼합되어 분사되는 가스 분사관의 단면도이다.7 is a cross-sectional view of a gas injection tube in which respective gases are mixed and injected immediately before the injection of the gas injection device of the chemical vapor deposition machine according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100 : 분사장치 덮개 200 : 분사장치 몸체100: injector cover 200: injector body
10 : 기판 11 : 서셉터10
12 : 서셉터 지지대 13 : 반응기12: susceptor support 13: reactor
14 : 내부공간 21 : 분사장치 덮개 하우징14: internal space 21: injector cover housing
22 : 결합용 볼트 23 : 오링22: coupling bolt 23: O-ring
31 : 냉각수 공급관 32 : 격리판31: cooling water supply pipe 32: separator
33 : 냉각수 공급부 34 : 격리판 33: cooling water supply portion 34: separator
35 : 제1 반응가스 체류공간 36 : 격리판 35: first reaction gas residence space 36: separator
37 : 제2 반응가스 체류공간 38 : 제1 반응가스 공급관37: second reaction gas residence space 38: the first reaction gas supply pipe
39 : 제1 반응가스 분배관 40 : 제2 반응가스 공급관 39: first reaction gas distribution pipe 40: second reaction gas supply pipe
41 : 제2 반응가스 분배관 51 : 반응가스 혼합 분사관41: second reaction gas distribution pipe 51: reaction gas mixture injection pipe
52 : 격리판52: separator
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