KR100334416B1 - 가스 유도 부재를 구비한 화합물 반도체 제조용 수평 반응로 - Google Patents

Abstract

본 발명의 화합물 반도체 제조용 수평 반응로는, 기판을 지지하는 서셉터와, 길이 방향으로 반응 원료 가스 통로를 한정하고 서셉터 지지부와 암모니아 가스 공급관이 연결되는 확산 안내부를 구비하는 내벽과, 내벽의 상기 확산 안내부에 연결된 암모니아 가스 공급관과, 내벽의 일단부에 연결된 반응 원료 가스 공급수단과, 내벽의 타단부에 연결된 반응 가스 배출수단과, 암모니아 가스 공급관 주위에 배치된 암모니아 가스 가열수단과, 서셉터 가열수단을 구비한 화합물 반도체 제조용 수평 반응로에 있어서, 상기 내벽 안에서 암모니아 가스의 공급 방향을 상기 반응 원료 가스 통로 방향으로 유도하기 위해 내벽의 상기 확산 안내부 상부에 마련된 가스 유도 부재를 포함한다.

Description

가스 유도 부재를 구비한 화합물 반도체 제조용 수평 반응로 {Horizontal Reactor for Compound Semiconductor Growth having a Gas Guiding Member}

본 발명은 반도체 제조 장치의 반응로, 특히 가스 유도 부재를 구비한 반도체 제조용 수평 반응로에 관한 것이다.

컴퓨터, 통신, 멀티미디어 등 미래 정보화 사회용 기기에서 필요한 고속화, 대용량화, 광역화, 개인화, 지능화, 영상화를 만족할 수 있는 화합물 반도체 소자는 대부분이 에피택시 성장법에 의해 제조된다.

화합물 반도체는 디스플레이용 발광 다이오드(LED), 광통신, CD/VD (compact disc/video disc)용 LD(laser diode), 수광 소자, 고속 컴퓨터(cray)용 소자, 위성통신용 소자 등에 쓰이고 있으며, 앞으로 이동 통신, 고밀도 ODD(optical digital display)용 청색 LD, 광컴퓨터용 소자 등에 이용될 전망이다. 색채 영상, 그래픽 및 표시 소자 등에 이용되는 발광 소자는 적색(red), 녹색(green), 청색(blue) 등 3색의 LED를 조합하여 전색 디스플레이(full color display)를 구현하고 있다.

이 중에서 청색 LED는 약 450 nm 정도의 발광파장을 가지며 Ⅲ-Ⅴ nitride계의 반도체 재료인 AlN, GaN, InN 등으로 제조한다. (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yN 는 전체 조성범위 (1≥x≥0), 1≥y≥0)에서 직접천이형 에너지띠 구조를 가지며, x, y 값의 변화에 따라 에너지 띠간격을 2.0에서 6.2 eV (사용파장범위 : 370∼650 nm) 까지 바꿀 수 있어 여러 색상을 한 물질로 실현할 수 있는 장점이 있다.

Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 제조하는 데는 통상적으로 유기금속 화학기상증착 (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 장치를 사용하는데, 이 장치는 수평 반응로 및 수직 반응로 형태로 나뉘어진다.

수직 반응로는 통상 서셉터를 회전시켜 작동시키는데, 기판 가장자리의 반응 가스 흐름이 빨라 박막 두께의 균일성이 떨어지는 반면, 수평 반응로에서는 층류(laminar flow)가 기판과 평행하게 형성되어 수직 반응로보다는 박막 두께를 균일하게 하는 데 유리한 장점이 있다.

종래의 수평 반응로의 일례로는 대한민국 특허 공개 공보 제99-67949호에 개시된 것이 있으며, 상기 공보에 개시된 내용을 본 명세서에 참조한다.

상기 공보에 개시된 GaN 반도체 제조용 수평 반응로에서는 약 1,000℃의 고온을 요하는 질소 이온 공급원인 암모니아 가스를 열분해하는 부분을 별도로 제공하고, 열분해된 암모니아 가스를 기판 가까이에서 공급하여 반응 원료 가스와 미리 반응하는 것을 막고, 서셉터 윗부분의 내벽을 가스 배출구 쪽으로 경사지게 함으로써 고온으로 가열된 서셉터에 의한 반응 가스의 열대류를 막아서 양질의 박막을 성장할 수 있게 한다.

도1에는 상기 공보에 개시된 수평 반응로가 개략적으로 도시되어 있고, 도2에는 이 수평 반응로에 사용된 내벽의 구조가 단면도로 도시되어 있다. 이들 도면을 참조하여 종래 기술에 대하여 설명한다.

도1에 도시된 반응로(2)는 반응로 외벽(4)과, 반응 원료 가스의 층류를 유도하는 내벽(10)과, 반응 원료 가스 공급부(24)와, 기판(14)을 올려놓는 서셉터(16)와, 서셉터를 회전시키는 회전수단(7)과, 기판을 가열하기 위한 RF(radio frequency) 히터(6)와, 반응로로부터 반응 가스를 배출시키는 반응 가스 배출부(12)를 포함한다. 반응로(2)는 게이트 밸브(도시 생략)를 통해 기판 로딩 챔버(도시 생략)와 연결된다.

외벽(4)은 반응 가스 압력을 유지하는 역할을 하며, 외벽의 외부에 코일 형상으로 배치된 RF 히터(6)에 의해 가열되지 않는 투명 절연체인 석영관으로 되어 있고, 수냉 재킷 지지대(28)에 의해 고정되어 있다.

내벽(10)은 RF 히터로 가열되지 않는 석영관으로 되어 있으며, 한쪽 끝은 반응 원료 가스 공급부(24)와 연결되어 있고, 원료 가스를 분사하는 샤워부(22)와 열대류를 억제하도록 만든 경사면(8)을 포함한다. 내벽의 서셉터 상류측 하면에는암모니아 가스 공급관(18)에 연결되는 확산 안내부(20)가 마련되어 있다. 암모니아 가스는 암모니아 가스 공급원으로부터 암모니아 가스 공급관(18) 및 확산 안내부(20)를 통해서 내벽 안에 공급된다.

GaN 반도체 제조를 위한 반응 가스들 중 암모니아를 제외한 원료 가스의 유동은 가스가 분사되도록 일정 간격으로 구멍을 뚫은 샤워부(22)를 통과한다. 샤워부를 통과한 반응 원료 가스는 서셉터(16) 입구에서, 고온으로 가열된 암모니아 가스로부터 발생된 질소 이온 가스와 혼합되어 기판 위를 지나간다. 질소 이온 가스 및 기타 원료 가스는 내벽(10)의 중간부에 위치한 서셉터(16) 상의 기판(14) 위에 GaN 반도체 박막을 형성한다. 기판(14)은 이 기판 위에 성장하는 박막의 두께 균일성을 향상시키기 위해 서셉터(16)에 의해 회전가능하다.

도2는 종래 기술에 사용된 수평 반응로의 내벽을 도시한다. 내벽은 암모니아 가스를 제외한 반응 원료 가스를 공급하는 반응 원료 가스 공급부(24)와 연결되어 내벽의 반응 공간에 반응 원료 가스를 도입하는 원통형의 도입부(32)와, 서셉터를 지지하는 지지부를 갖는 하면(34)과, 서셉터 위에 위치한 경사면(8)을 갖는 상면(36)과, 상면과 하면을 연결하는 측벽들을 포함한다. 상면, 하면 및 측벽들은 반응 가스의 통로가 되는 직사각형 단면 형상의 통로를 형성한다. 반응 원료 가스는 샤워부(22)를 거쳐 분사된다. 상면(36)의 경사면(8)은 지지부에 의해 지지되는 서셉터 상의 기판과 대향하여 위치한다. 반응 가스는 기판 위를 지나 도입부와 반대인 내벽의 단부를 통해 배출된다.

외벽(4)과 내벽(10) 사이의 공간에는 내벽에 의해 둘러싸인 공간 내의 반응가스의 압력을 유지하는 역할을 하는 예를 들어 수소 가스 등의 가스가 유동된다. 외벽과 내벽 사이의 공간을 통과한 가스는 내벽의 단부에서 배출된 원료 가스의 유동과 혼합되어, (도시되지 않은) 펌프에 연결된 반응 가스 배출부(12)를 통해 반응로 외부로 배출된다. 따라서 반응에 필요한 압력이 유지되고 반응 가스가 계속 공급된다.

상기 구조를 취하는 종래 기술의 수평 반응로에서는 내벽의 경사면에 의해 서셉터 위를 지나가는 반응 가스의 열대류 현상을 제거하여 원료 가스의 유동을 층류로 유도함으로써 고품질의 박막 성장을 가능하게 하는 장점을 갖는다.

그러나, 상기 종래의 수평 반응로에서는 도2에 도시된 것처럼 고온의 암모니아 가스가 내벽에 형성된 가스 유로에 공급될 때 상방으로 솟구쳐서 내벽의 상면에 충돌하게 되며, 암모니아 가스와 공급부를 통해서 공급된 유기금속 원료가 암모니아 가스 공급부 바로 위쪽에서 급격히 섞이면서 미리 반응해 버려서 기판 위에서는 양질의 박막 성장을 어렵게 하는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 전술한 단점을 해결하여 양질의 박막을 제조할 수 있는 향상된 GaN 반도체 제조용 수평 반응로를 제공하는 것이다.

도1은 종래 기술에 따른 반응로의 개략 단면도.

도2는 도1에 도시된 반응로의 내벽의 종방향 단면도.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응로의 개략 단면도.

도4는 도3에 도시된 반응로의 내벽의 종방향 단면도.

도5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응로의 내벽을 도시한 종방향 단면도.

도6은 도5에 도시된 내벽의 우측면도.

도7은 도5에 도시된 내벽의 좌측면도.

도8은 도5에 도시된 내벽의 저면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2 : 반응로

4 : 외벽

6 : 히터

8 : 경사면

10 : 내벽

14 : 기판

16 : 서셉터

20 : 확산 안내부

24, 26 : 공급부

30 : 가스 유도 부재

34 : 하면

35 : 서셉터 지지부

36 : 상면

38: 경사부

39 : 수평부

상기 목적을 위해 본 발명에 의하면, 기판을 지지하는 서셉터와, 길이 방향으로 반응 원료 가스 통로를 한정하고 서셉터 지지부와 암모니아 가스 공급관이 연결되는 확산 안내부를 구비하는 내벽과, 내벽의 상기 확산 안내부에 연결된 암모니아 가스 공급관과, 내벽의 일단부에 연결된 반응 원료 가스 공급수단과, 내벽의 타단부에 연결된 반응 가스 배출수단과, 암모니아 가스 공급관 주위에 배치된 암모니아 가스 가열수단과, 서셉터 가열수단을 구비한 화합물 반도체 제조용 수평 반응로에 있어서, 상기 내벽 안에서 암모니아 가스의 공급 방향을 상기 내벽의 길이 방향으로 유도하기 위해 내벽의 상기 확산 안내부 상부에 마련된 가스 유도 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 반응로가 제공된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가스 유도 부재가 내벽의 하면으로부터 연장된 수평판으로 형성된 수평 반응로가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 확산 안내부의 상류측에 있는 내벽의 하면은, 상방으로 경사지면서 연장되는 경사부와, 이 경사부에 이어져서 확산 안내부를 약간 지난 위치까지 연장되어 가스 유도 부재로서 기능하는 수평부로 이루어진 구성을 취하는 수평 반응로가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 암모니아 가스 공급관이 반응 원료 가스 통로 방향으로 확산 안내부에 연결된 수평 반응로가 제공된다.

이하에 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도3은 본 발명에 따른 수평 반응로를 도시하며, 도4는 이 반응로에 사용된 내벽을 단면도로 도시한다. 도3 및 도4에서 도1 및 도2에 도시된 부분과 동일한 부분에는 동일한 부호를 병기하고 그에 대한 설명은 생략한다. 도4에 도시된 내벽은 가스 유도 부재(30)가 부착된 것을 제외하고는 도2에 도시된 내벽의 구성과 기본적으로 동일하다. 가스 유도 부재(30)는 단면이 L형상인 판으로서 내벽(10)의서셉터 상류측 하면(34)에 배치된 확산 안내부(20) 상부에 위치하도록 부착되어 있다. 구체적으로, 상기 가스 유도 부재(30)는 제1부분(33)과 이 제1부분에서 소정의 각도로 절곡되어 수평으로 연장되는 제2부분(37)으로 이루어져 있다. 제1부분(33)의 하단은 내벽의 소정 위치에, 즉 확산 안내부의 상류측에서 내벽의 하면에 부착되어 있다. 상기 제2부분(37)의 양 측면부는 내벽의 양 측벽에 부착된다.

상기 가스 유도 부재(30)는 암모니아 가스 공급관으로부터 확산 안내부(20)를 거쳐 내벽 안에 공급되는 고온의 암모니아 가스의 유동 방향을 내벽의 길이 방향과 나란하게 안내하는 작용을 한다. 가스 유도 부재가 없는 경우에는 내벽 안에 공급되는 약 1000 ℃ 정도의 고온인 암모니아 가스는 공급부를 통해서 내벽에 공급되는 기타 반응 원료 가스와 혼합되면서 상방으로 솟구쳐서 상면(36)에 불필요한 반응 생성물을 만들게 된다. 이는 원료 가스의 낭비를 초래하고 기판 상에서의 균일한 막의 성장을 방해하게 된다. 상기 가스 유도 부재(30)는 암모니아 가스와 기타 반응 원료 가스가 미리 혼합되어 반응하는 것을 방지하고, 또한 상기 반응물이 상면에 부착되는 것을 방지하는 작용을 한다. 이로써, 암모니아 가스가 내벽 안에 도입될 때 내벽 내에서의 유동 통로와 나란하게 유동하도록 유도되고, 또한 기판 가까이에서 다른 반응 원료 가스와 혼합되어 기판에 양질의 막을 형성하게 된다.

상기 실시예에서, 가스 유도 부재는 단면이 L형상인 판으로 되어 있다. 이러한 형상의 가스 유도 부재는 상류측에서 흘러오는 반응 원료 가스의 하부 부분이 가스 유동 부재의 제1부분인 직립부에 충돌하여 불안정하게 유동하는 경향이 있다.이러한 문제를 해결하기 위해서, 도5 내지 도8에 도시된 실시예에서는 L형상 가스 유도 부재에 의한 유동 통로의 단차를 없애기 위하여 가스 유도 부재를 내벽의 하면의 일부에 의해 형성하고 있다. 도5에서 확산 안내부의 상류측 부분에 있는 하면은 상방으로 약간 경사지면서 연장되는 경사부(38)와, 샤워부(22)에서부터 확산 안내부를 약간 지난 위치까지 연장되는 수평부(39)로 나뉜다. 상기 수평부(39)는 암모니아 가스가 공급되는 확산 안내부(20) 상부에 위치하게 되어 가스 유동 부재로서 기능한다.

이러한 구성에 의하면, 가스 유도 부재를 별도로 내벽의 하면에 부착했을 때 공급부(24)를 통해서 도입된 반응 원료 가스의 유동이 가스 유도 부재의 형상에 의해서 불안정해져서 가스 유도 부재의 말단부에서 암모니아 가스와 혼합된 후의 혼합 가스의 흐름도 불안정해지는 것을 방지할 수 있어서, 기판 상에서의 박막 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.

한편, 내벽 내에서는 암모니아 가스와 기타 반응 원료 가스가 혼합되어 화학 반응을 일으키기 때문에 반응물이 내벽의 상하 좌우 측면에 퇴적된다. 그 때문에, 소정 시간 동안 사용한 후에는 내벽을 포함한 반응로를 세척해 주어야 한다. 그러나, 실재로는 도1에 도시된 것처럼 내벽과 외벽 주변에는 이들의 길이 방향과 직각을 이루는 방향으로 암모니아 공급관(18) 등의 여러 장치가 부착되어 있다. 따라서, 내벽 및 외벽을 탈거하여 그 내부를 세척하는 작업이 번거로웠다. 즉, 이러한 구조에서는 내벽 및 외벽을 탈거하기 위해서는 먼저 암모니아 공급관을 하방으로 탈거한 후에 내벽 및 외벽을 탈거해야 한다. 이는 탈거 작업을 번거롭게 한다.

이러한 점을 고려하여 도3에 도시된 수평 반응로에서는 암모니아 공급관(18)을 내벽의 종방향과 나란한 방향으로 부착하고 있다. 이 실시예에서는 확산 안내부(20)가 수직 방향으로 연장되다가 수평 방향으로 절곡된 형상을 취한다. 암모니아 공급관(18)은 O링 등의 밀봉 수단을 거쳐 확산 안내부(20)에 끼움식으로 연결된다. 또한, 반응 원료 가스 공급부도 O링 등에 의해 내벽의 일단에 끼워져 있다. 이러한 구조에 의하면 반응로를 세척하기 위해 탈거할 때 반응로를 전체적으로 소정 방향(도면에서는 우측 방향)으로 당기면 암모니아 공급관(18)과 공급부(24) 등으로부터 반응로를 쉽게 빼낼 수 있다.

본 발명을 양호한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 상기에 설명한 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명의 기술 사상 및 첨부한 청구범위 내에서 본 발명을 여러 다른 형태로 변경할 수도 있다. 예를 들어, 앞에서 설명한 실시예에서는 내벽의 단면이 사각형인 경우에 대하여 설명하였으나, 내벽의 단면 형상은 사각형에 한정되지 않고 예를 들어 원형 단면, 타원형 단면 및 사다리꼴 단면 등의 여러 단면 형상을 취할 수 있다. 이러한 모든 변경 및 수정도 본 발명의 범위에 속한다.

전술한 구성을 취하는 본 발명에 따른 수평 반응로에 의하면, 고온의 암모니아 가스의 열대류를 억제하고 흐름 방향을 수평으로 유도할 수 있어서 유기금속 원료와 같은 방향으로 진행하면서 천천히 섞이도록 하여 기판 위의 위치에서 많은 반응이 이루어져 양질의 균일한 박막을 형성할 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 기판을 지지하는 서셉터와, 길이 방향으로 반응 원료 가스 통로를 한정하고 서셉터 지지부와 암모니아 가스 공급관이 연결되는 확산 안내부를 구비하는 내벽과, 내벽의 상기 확산 안내부에 연결된 암모니아 가스 공급관과, 내벽의 일단부에 연결된 반응 원료 가스 공급수단과, 내벽의 타단부에 연결된 반응 가스 배출수단과, 암모니아 가스 공급관 주위에 배치된 암모니아 가스 가열수단과, 서셉터 가열수단을 구비한 화합물 반도체 제조용 수평 반응로에 있어서,

   상기 내벽 안에서 암모니아 가스의 공급 방향을 상기 내벽(10)의 길이 방향으로 유도하기 위해 내벽의 상기 확산 안내부(20) 상부에 마련된 가스 유도 부재(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 반응로.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스 유도 부재(20)가 내벽(10)의 하면으로부터 연장된 수평판으로 형성된 것을 특징으로 하는 수평 반응로.
3. 제1항에 있어서, 상기 확산 안내부(20)의 상류측에 있는 상기 내벽(10)의 하면은, 상방으로 경사지면서 연장되는 경사부(38)와, 이 경사부에 이어져서 확산 안내부를 약간 지난 위치까지 연장되어 가스 유도 부재로서 기능하는 수평부(39)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수평 반응로.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 암모니아 가스 공급관(18)이 상기 반응 원료 가스 통로 방향으로 상기 확산 안내부(20)에 연결된 것을 특징으로 하는 수평 반응로.
5. 제4항에 있어서, 상기 확산 안내부(20)가 수직 방향으로 연장되다가 수평 방향으로 절곡되어 암모니아 가스 공급관(30)에 연결되는 것을 특징으로 하는 수평 반응로.