KR100472630B1 - 복수의 질화물 기판 성장 장치 - Google Patents

Abstract

챔버내에서 하나의 갈륨 보트를 이용해 복수의 기판 상부에 질화물층을 동시에 성장시킬 수 있도록 하여 성장 장치의 크기를 줄이고, 갈륨 분자를 생성하는 분말의 불필요한 낭비를 방지하며 아울러 성장 장치의 온도 프로파일을 적절히 유지시킨다.

이를 위해 본 발명은 외주면에 가열 수단이 장착되어 고온으로 가열되는 챔버와, 상기 챔버의 일측에 장착되어 N₂ 분자를 생성하는 기체를 주입받으며 복수의 노즐이 설치되어 주입받은 N₂ 분자 생성 기체를 상기 챔버로 배출하는 제 1 반응관과, 상기 챔버의 타측에 장착되고 갈륨 분자 생성 분말을 수용하는 갈륨 보트를 내장하여 측단에 설치된 복수의 노즐을 통해 외부로부터 주입된 반응 가스와 갈륨 분말이 반응하여 생성된 가스를 상기 챔버로 배출하는 제 2 반응관을 포함하여 이루어지도록 한다.

Description

복수의 질화물 기판 성장 장치{Apparatus for growing multi-substrate of Nitride chemical semiconductor}

본 발명은 챔버내에서 하나의 갈륨 보트를 이용해 복수의 기판 상부에 질화물층을 동시에 성장시킬 수 있도록 하는 복수의 질화물 기판 성장 장치에 관한 것이다.

최근, 고 효율의 단파장 광소자에 대한 수요가 늘어남에 따라 이러한 용도에 적합한 것으로 알려져 있는 질화물 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데,특히, 청자색 계열의 단파장 광소자 이외에 포스퍼(Phosphor)를 첨가하여 백색광을 만들 수 있게 되면서, 이 분야에 대한 관심의 폭이 날로 증대되어지고 있다.

한편, 이러한 질화물 계열의 레이저 다이오드와 같은 발광 소자에서는 기판으로 사파이어를 주로 사용하였으나, 질화물과 사파이어는 격자 상수 및 열 팽창 계수의 차이로 인해, 사파이어 기판에 질화물층을 형성하면, 고 밀도의 결정성 결함이 발생하는 문제점이 있었다.

이를 해소하기 위하여 프리 스탠딩(Free standing)된 질화물 기판으로 발광 소자를 제조하려는 시도가 이루어지고 있는데, 이러한 프리 스탠딩 기판 제조 방법은, 사파이어 기판 위에 두꺼운 질화물층을 성장시킨 후, 기계적인 래핑(Mechanical lapping)공정을 수행하거나, 사파이어 기판에 레이저를 조사하여, 질화물층과 사파이어 기판의 계면 부분을 녹이는 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여, 사파이어 기판을 질화물층으로부터 분리한다.

이러한 프리 스탠딩된 질화물 기판을 만들기 위한 시도의 일환으로 할라이드 기상 성장법(HVPE)을 이용하는 방법이 통용되고 있으며, 도 1은 이러한 할라이드 기상 성장법을 이용해 특히 복수의 질화물 기판을 생산할 수 있는 장치를 도시한 것이다.

이에 도시한 바와 같이, 복수의 질화물 기판을 생산할 수 있는 장치는, 외주면에 전기로(10)가 장착되어 고온으로 가열되는 챔버(11)와; 상기 챔버(11)에 장착되어 N₂ 분자를 생성하는 기체인 암모니아(NH₃)를 주입받고, 주입받은 N₂ 분자 생성 기체를 복수의 노즐(12, 12')을 통해 상기 챔버(11)로 배출하는 주입관(13)과; 상기 챔버(11)에 장착되어 염화수소(HCl)를 주입받고, 주입받은 염화수소를 복수의 노즐(14, 14')을 통해 갈륨 분말을 수용하고 있는 갈륨 보트(15, 15')로 토출하는 반응관(16)과; 상기 챔버(11)내에 안착되며 상기 주입관(13)을 통해 주입된 암모니아(NH₃)와 상기 반응관(16)에서 배출된 염화갈륨이 결합되어 형성된 질화물(17)을 성장시키는 복수개의 기판(18, 18')으로 이루어진다.

이렇게 이루어지는 장치는 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 기판마다 염화갈륨을 생성하는 갈륨 보트를 별도로 설치해야 하기 때문에, 갈륨 보트를 수용하는 해당 장치의 크기가 비대해지며, 질화물 성장시 갈륨 보트에 수용되어 있는 갈륨(Ga)의 소모량이 필요 이상으로 증대된다.

또한, 질화물을 성장시키기 위해서는 기판의 온도가 약 1050℃, 갈륨 보트의 온도가 890℃정도로 유지되어야 하는데, 상기와 같이 복수의 기판마다 염화갈륨을 생성하는 갈륨 보트를 별도로 설치하게 되면 그 온도 프로파일(profile)을 유지하기가 어려운 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위한 것으로, 챔버내에서 하나의 갈륨 보트를 이용해 복수의 기판 상부에 동시에 질화물층을 성장시킬 수 있도록 하는 복수의 질화물 기판 성장 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은 외주면에 가열 수단이 장착되어 고온으로 가열되는 챔버와, 상기 챔버의 일측에 장착되어 N₂ 분자를 생성하는 기체를 주입받고 적어도 하나 이상의 노즐이 연결되어 상기 주입받은 N₂ 분자를 생성하는 기체를 상기 챔버로 배출하는 제 1 반응관과, 상기 챔버의 타측에 장착되며 갈륨 보트를 내장하고 외부로부터 주입된 반응 가스와 상기 갈륨 보트에 수용되어 있는 갈륨 분자 생성 분말과 반응하여 생성된 가스를 상기 챔버로 배출하는 노즐이 적어도 하나 이상 연결된 제 2 반응관을 포함하여 이루어지도록 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명이 적용된 질화물 박막 성장 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 외주면에 가열 수단(20)이 장착되어 고온으로 가열되는 챔버(21)와; 상기 챔버(21)의 일측에 장착되어 N₂ 분자를 생성하는 기체를 주입받으며 복수의 노즐(22, 22')이 연결되어 주입받은 N₂ 분자 생성 기체를 상기 챔버(21)로 배출하는 제 1 반응관(23)과; 상기 챔버(21)의 타측에 장착되고 갈륨 분자를 생성하는 갈륨 보트(24)를 수용하며 일측에 복수의 노즐(25, 25')이 설치되어 외부로부터 주입된 반응 가스와 갈륨 분말이 반응하여 생성한 가스를 상기 챔버(21)로 배출하는 제 2 반응관(26)과; 상기 제 2 반응관(26)과 갈륨 보트(24)를 연결하는 체결 장치(27, 27')와; 상기 챔버(21) 내부에 안착되며 상기 제 1 반응관(23)의 노즐(22, 22')에서 배출된 N₂ 생성 기체와 상기 제 2 반응관(26)의 노즐(25, 25')에서 배출된 반응 가스가 결합하여 형성된 질화물(28, 28')이 성장되는 복수개의 기판(29, 29')으로 이루어진다.

이렇게 이루어지는 질화물 박막 성장 장치에서, 먼저 가열 수단(20) 예컨대 전기로에서 가열된 열을 이용해 챔버(21)의 온도를 1050℃정도로 유지하고, 제 2 반응관(26)내에 설치된 갈륨 보트(24)의 온도는 890℃정도로 한다.

다음, 염화수소(HCL) 가스를 약 50sccm(standard cubic centimeter per minute)의 유량으로 제 2 반응관(26)을 통해 갈륨 보트(24)로 주입한다.

그러면, 주입한 염화 수소(HCl) 가스는 제 2 반응관(26) 내부에 위치한 갈륨 보트(24)에 미리 수용되어 있는 분말과 반응하는데, 여기서 상기 갈륨 보트(24)는 제 2 반응관(26)에 장착된 체결 장치(27, 27')를 통해 연결된다.

그리고, 상기 갈륨 보트(24)에 수용되어 있는 분말은 질화갈륨 분말이나 메탈 갈륨 또는 이들의 혼합된 분말 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직한데, 여기서는 20g ~ 50g 정도의 메탈 갈륨을 사용한다.

다음, 주입된 염화수소(HCl) 가스와 상기 갈륨 보트(24)에 수용되어 있는 분말이 전기로(20)에서 가열된 열을 통해 결합하면 화합물이 형성되는데, 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 분말이 메탈 갈륨일 경우에 염화갈륨(GaCl)이 형성되며 그 화학 반응식은 다음과 같다.

2Ga + 2HCL -> 2GaCl + H_{2 ↑}

즉, 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 체결 장치(27, 27')를 통해 제 2 반응관 (26)내부에 설치된 갈륨 보트(24)로 염화 수소(HCl)가스가 주입되고, 상기 갈륨 보트(26)에 수용되어 있는 분말, 예를 들면, 메탈 갈륨이 챔버(21)의 외주면에 설치된 가열 수단(20)에서 가열한 열에 의해 승화되면, 주입된 염화 수소(HCl)와 승화된 갈륨 분자가 결합하여 염화 갈륨(GaCl)이 생성된다.

이렇게 생성된 염화 갈륨은 상기 제 2 반응관(26)의 측단에 설치된 복수의 노즐(25, 25')을 통해 챔버(21)로 토출되고, 토출된 염화 갈륨은 상기 제 1 반응관(23)의 측단에 설치된 복수의 노즐(22, 22')을 통해 챔버(21)로 주입된 N₂ 생성 가스와 결합하여 질화물이 형성된다.

이 때, 상기 N₂ 생성 가스는 암모니아(NH₃) 가스를 사용하는 것이 바람직하며, 화학 반응식은 다음과 같다.

GaCl + NH₃ -> GaN + HCL + H₂

다음, 이렇게 형성된 질화물(28, 28')은 챔버(21) 내부에 위치한 복수의 기판(29, 29') 상부에 안착되어 결정 성장이 이루어지는데, 이 때 상기 복수의 기판(29, 29')들은 제 1 반응관(23)의 측단에 설치된 복수의 노즐(22, 22')들과 동일한 거리에 위치되도록 안착하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 제 1 반응관(23)의 제 1 노즐(22)과 제 1 기판(29)간 거리와, 제 1 반응관(23)의 제 2 노즐(22')과 제 2 기판(29')간의 거리가 동일하도록 상기 복수의 기판들을 위치시키는 것이 바람직하며 아울러, 상기 복수의 기판들이 제 2 반응관(26)의 측단에 설치된 복수의 노즐(25, 25')들과도 동일한 거리에 위치되도록 안착하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 기판은 사파이어(Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘과 갈륨 비소(GaAs)중에서 선택된 어느 하나를 사용하며, 상기 제 2 반응관(26)의 측단에 설치된 복수의 노즐(25, 25')을 체결 장치(도시하지 않음)를 통해 연결한 가스 분리기(도시하지 않음)를 추가로 포함시켜, 상기 제 1 반응관(23)의 노즐들(22, 22')에서 토출되는 암모니아(NH₃)와 상기 제 2 반응관(26)의 노즐들(25, 25')에서 토출되는 염화갈륨이 챔버(21)내에서 불필요하게 결합하는 것을 되도록 줄이는 것이 바람직하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 복수의 질화물 기판 성장 장치는 챔버내에서 하나의 갈륨 보트를 이용해 복수의 기판 상부에 동시 또는 각기 질화물층을 성장시킬 수 있도록 하여 성장 장치의 크기를 줄일 수 있고, 갈륨 분자를 생성하는 분말의 불필요한 낭비를 방지할 수 있으며 아울러 성장 장치의 온도 프로파일을 적절히 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 일반적인 복수의 질화물 기판 성장 장치를 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 복수의 질화물 기판 성장 장치를 도시한 도면이고,

도 3은 본 발명에 따른 복수의 질화물 기판 성장 장치에 수용되어 있는 갈륨 보트의 양태를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20 : 전기로 21 : 챔버

22, 22', 25, 25' : 노즐 23 : 제 1 반응관

24 : 갈륨 보트 26 : 제 2 반응관

27, 27' : 체결 장치 28, 28' : 질화물

29, 29' : 기판

Claims (3)

1. 외주면에 가열 수단이 장착되어 고온으로 가열되는 챔버와;

   상기 챔버의 일측에 장착되어 N₂ 분자를 생성하는 기체를 주입받으며 복수의 노즐이 설치되어 주입받은 상기 N₂ 분자 생성 기체를 상기 챔버로 배출하는 제 1 반응관과;

   상기 챔버의 타측에 장착되고 갈륨 분자 생성 분말을 수용하는 갈륨 보트를 내장하여 측단에 설치된 복수의 노즐을 통해 외부로부터 주입된 반응 가스와 상기 갈륨 분말이 반응하여 생성된 가스를 상기 챔버로 배출하는 제 2 반응관을 포함하여 이루어지는 복수의 질화물 기판 성장 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 반응관에 설치된 복수의 노즐을 체결 장치를 통해 연결한 가스 분리기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 질화물 기판 성장 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 갈륨 분자를 생성하는 분말은;

   질화 갈륨 분말, 갈륨 금속 분말 또는 이들의 혼합된 분말 중 선택된 것이며,

   상기 반응 가스는;

   염화 수소(HCl)이고,

   상기 N₂ 분자 생성 기체는;

   암모니아(NH₃) 가스인 것을 특징으로 하는 복수의 질화물 기판 성장 장치.