KR100688836B1 - 촉매 화학기상증착장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 샤워헤드와 촉매 와이어가 분리되어 간단한 구성을 가지고, 공정 최적화 조건으로서 샤워헤드, 촉매 와이어 및 기판 간의 거리조절이 가능하며, 저온부에서 발생될 수 있는 이물질의 발생방지가 가능하도록 퍼징기능이 구비된 촉매 화학기상증착장치에 관한 것으로서, 공정챔버; 상기 공정챔버 내에 공정 가스를 인입하도록 구성되는 샤워헤드; 상기 샤워헤드로부터 인입되는 가스를 분해시키도록 상기 공정챔버 내에 구성되는 촉매 와이어; 상기 촉매 와이어를 지지하도록 구성된 촉매 지지부; 상기 촉매 와이어에서 분해된 가스가 증착되는 기판; 및 상기 기판을 지지하는 기판 지지부;를 포함하여 이루어져, 샤워헤드와 촉매 와이어가 분리되어 간단한 구성을 가지고, 공정 최적화 조건으로서 샤워헤드, 촉매 와이어 및 기판 간의 거리조절이 가능하며, 퍼징기능을 구비하여 저온부에서 발생될 수 있는 이물질의 발생방지가 가능하다.
촉매 화학기상증착장치, 촉매 와이어, 퍼징, 샤워헤드

Description

촉매 화학기상증착장치{Catalyst ehhanced chemical vapor depostion apparatus}
도 1은 종래의 촉매 화학기상증착장치가 개략적으로 도시된 도면,
도 2는 종래의 촉매 화학기상증착장치의 촉매, 촉매 지지부, 기판지지부 및 샤워헤드가 도시된 일부 정면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매 화학기상증착장치의 촉매 와이어, 촉매 지지부, 기판지지부 및 샤워헤드가 도시된 일부 정면도,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 지지부의 지지부 및 공급부가 체결되는 방식이 도시된 일부 절단 정면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 화학기상증착장치의 공정 시의 가스 유동경로가 개략적으로 도시된 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1... 공정챔버, 7... 샤워헤드
8... 촉매 와이어, 800...촉매 지지부,
820...지지부, 830...공급부,
840...퍼징가스 공급라인, 850...가스 공급라인,
890...누결부, S... 기판.
본 발명은 촉매 화학기상증착장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 샤워헤드와 촉매 지지부가 분리되어 간단한 구성을 가지고, 공정 최적화 조건으로서 샤워헤드, 촉매 와이어 및 기판 간의 거리조절이 가능하며, 저온부에서 발생될 수 있는 이물질의 발생방지가 가능하도록 퍼징기능이 구비된 촉매 화학기상증착장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자 또는 표시소자 등의 제작에 있어서, 기판 상에 소정의 박막을 형성하는 공정 중의 하나로서 화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)법이 널리 사용되고 있다.
화학기상증착법에는, 방전 플라즈마 중에서 원료가스를 분해 및/또는 활성화시켜서 성막을 행하는 플라즈마 화학기상증착법이나 기판을 가열해서 그 열에 의해 화학반응을 발생시켜 성막을 행하는 열화학기상증착법 등이 있다. 이외에도, 소정의 고온으로 유지한 발열체에 의해 원료가스를 분해 및/또는 활성화시켜서 성막을 행하는 방식의 화학기상증착법(이하, '발열체 화학기상증착법'이라 함)이 있다.
발열체 화학기상증착법을 행하는 성막처리장치는, 진공배기가능한 챔버 내에 설치된 텅스텐 등의 고융점금속으로 이루어지는 발열체를 1000~2000℃ 정도의 고온으로 유지하면서 원료가스를 도입하도록 구성되어 있다. 도입된 원료가스는 발열체의 표면을 통과할 때에 분해나 활성화된다. 이후, 이 분해나 활성화된 원료가스가 기판에 도달함으로써, 최종적인 목적물인 재료의 박막이 기판의 표면에 증착된다. 또한, 이와 같은 발열체 화학기상증착법 중, 와이어 형상의 발열체를 사용하는 것에 대해서는 핫 와이어(Hot Wire) 화학기상증착법이라고 부르고 있다. 특히, 발열체에 의한 원료가스의 분해 혹은 활성화에 있어서, 발열체의 촉매반응을 이용하고 있는 것에 대해서는 촉매 화학기상증착법이라고 부르고 있다.
촉매 화학기상증착법에서는 원료가스의 분해나 활성화는 촉매의 표면을 통과할 때에 일어나기 때문에, 기판의 열에 의해서만 반응을 생기게 하는 열 화학기상증착법에 비해 기판의 온도를 낮게할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 플라즈마 화학기상증착법과 같이 플라즈마를 형성하는 일이 없으므로, 플라즈마에 의한 기판의 손상과 같은 문제가 발생하지 않는다. 이와 같이, 촉매 화학기상증착법은 고집적화나 고기능화 및 고정세화 되어가는 차세대의 반도체 소자 및 표시소자 등에 적용가능한 성막법으로서 유망하다.
이러한 촉매 화학기상증착법을 수행하는 촉매 화학기상증착장치가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 촉매 화학기상증착장치는 배기관(2)에 의해 진공펌프(미도시)가 접속된 측벽을 구비한 챔버(1)를 포함한다. 챔버(1)는 이 진공펌프에 의해서 예를 들면, 약 1×10-6 ㎩의 압력까지 배기될 수 있다. 챔버(1)의 한측에는 박막성장에 사용되는 반응가스를 가스 공급관(3)을 통하여 챔버(1)에 공급하기 위한 가스 공급관(3)이 부착된다. 이를테면, 다결정 실리콘층을 성장시키기 위한 기판(S)은 도시되지 않은 로드락실을 통해 챔버(1) 내 일측에 구비된 기판 지지부(4)에 설치된다. 기판 지지부(4)는 예를 들면, SiC가 코팅된 그래파이트 서셉터일 수 있고, 대기측으로부터 히터(6)에 의해 가열될 수 있다. 촉매 와이어(8)는 가스 공급관(3) 끝의 샤워헤드(7)와 기판 지지부(4) 사이에 배치된다. 기판(S)의 온도는 기판 지지부(4)의 일측에 부착되는 열전대(9)에 의해 측정될 수 있다.
상기된 바와 같은 구성에서 촉매 와이어, 촉매 지지부, 기판지지부 및 샤워헤드의 일부 정면도가 도 2에 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 촉매 화학기상증착장치에서 샤워헤드(7)는 가스 공급관(3)과 연통되어 구성되며, 챔버(1) 내부 측으로 다수의 분사공(72)이 형성되어 있다. 촉매 와이어(8)는 샤워헤드(7)와 연접구성되어 있으며, 촉매 와이어(8)를 계지하도록 하는 지지체(84)와 촉매 와이어(8)에 가스를 공급하는 공급관(82)이 구성된다.
이러한 구성으로 이루어진 종래의 촉매 화학기상증착장치에서는, 촉매 와이어(8)가 샤워헤드(7)에 연접되어 구성되어 있으며, 촉매 와이어(8)의 저온부에서 발생할 수 있는 이물질의 방지를 위한 퍼징 기능이 없거나 또는 공정가스를 공급하는 공급관(3)과 별도로 촉매 와이어(8)에 가스를 공급하는 공급관(82)이 구성되어 있어서 샤워헤드(7)의 구성이 복잡하다. 따라서, 이의 유지보수가 어렵고 또한 공정가스의 균일한 공급에도 영향을 끼치는 등의 문제점이 있다.
더욱이, 이러한 구성에 있어서는, 공정 최적화 조건으로써 구현할 수 있는 샤워헤드(7)와 기판(S) 간의 거리(D), 샤워헤드(7)와 촉매 와이어(8) 간의 거리(d1) 및 촉매 와이어(8)와 기판(S) 간의 거리(d2)를 조절하는 기능이 부재하였다.
이러한 거리들(D, d1, d2)은 챔버(1) 내의 진공도 및 분위기온도 등과 함께 공정 가스의 유입, 분해, 결합 및 배출을 조절할 수 있는 변수로써 공정 최적화를 위하여 가장 손쉽게 구현할 수 있는 변수 중의 하나이므로, 이의 용이한 구현이 요구되어 왔다.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 샤워헤드와 촉매 와이어가 분리되어 간단한 구성을 가지고, 공정 최적화 조건으로서 샤워헤드, 촉매 와이어 및 기판 간의 거리조절이 가능하며, 저온부에서 발생될 수 있는 이물질의 발생방지가 가능하도록 퍼징기능이 구비된 촉매 화학기상증착장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 촉매 화학기상증착장치는, 공정챔버; 상기 공정챔버 내에 공정 가스를 인입하도록 구성되는 샤워헤드; 상기 샤워헤드로부터 인입되는 가스를 분해시키도록 상기 공정챔버 내에 구성되는 촉매 와이어; 상기 촉매 와이어를 지지하도록 구성된 촉매 지지부; 상기 촉매 와이어에서 분해된 가스가 증착되는 기판; 및 상기 기판을 지지하는 기판 지지부;를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 촉매 지지부에는 상기 촉매 와이어에 가스를 공급하도록 가스 공급라인이 더 구성되어 이루어지고, 공정 이전에 상기 공정챔버 내부를 퍼징할 수 있도록 퍼징가스 공급라인이 더 구성되어 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판 지지부는 상기 기판 지지부와 상기 샤워헤드로부터의 거리(D)가 조절가능하도록 구성되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는, 상기 촉매 지지부는 상기 촉매 와이어와 상기 샤워헤드 및/또는 상기 기판 지지부로부터의 거리(d1, d2)가 조절가능하도록 구성된다.
여기서, 상기 촉매 지지부는, 가스를 공급하도록 구성되는 공급부; 및 상기 공급부에 길이가변하도록 끼워맞춤으로 결합되며, 상기 촉매 와이어를 계지하고 지지하도록 구성되는 지지부;로 이루어진다.
특히, 상기 지지부와 상기 공급부가 결합된 누결부는 상기 기판 지지부보다 하부위치에 구성되며, 상기 지지부와 상기 공급부의 결합은 스크류 방식, 핀 고정방식 및 공압 방식 중 어느 하나로 구성되어 상기 지지부가 길이가변하도록 이루어진다.
여기서, 상기 샤워헤드로부터 인입되는 가스는 Si기가 포함된 단일 혹은 복합가스이며, 특히, 상기 Si기가 포함된 가스는 SiH4 또는 SiH4/H2일 수 있다.
또한, 상기 촉매 지지부의 상기 가스 공급라인에서 상기 촉매 와이어로 공급되는 가스는 수소기가 포함된 가스이며, 상기 수소기가 포함된 가스는 H2, H2/NH3, NH3, H2/SiH4 중 어느 하나일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 촉매 화학기상증착장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매 화학기상증착장치의 촉매 와이어, 촉매 지지부, 기판지지부 및 샤워헤드가 도시된 일부 정면도이다.
본 발명에 따른 촉매 화학기상증착장치는, 공정챔버(1); 이 공정챔버(1) 내에 공정 가스를 인입하도록 구성되는 샤워헤드(7); 이 샤워헤드(7)로부터 인입되는 가스를 분해시키도록 공정챔버(1) 내에 구성되는 촉매 와이어(8); 이 촉매 와이어(8)를 지지하도록 구성된 촉매 지지부(800); 촉매 와이어(8)에서 분해된 가스가 증착되는 기판(S); 및 상기 기판을 지지하는 기판 지지부(4);를 포함하여 이루어진다.
공정챔버(1) 내에 구성된 샤워헤드(7)는 공정챔버(1) 외부로부터 가스가 인입되는 가스 공급관(3)과 연통되어 구성된다. 가스 공급관(3)을 통하여 공급되는 가스는 샤워헤드(7)의 분사공(72)을 통하여 분사된다. 이 샤워헤드(7)의 분사공(72)을 통하여 분사된 가스는 샤워헤드(7)로부터 d1의 간격을 두고 구성되는 촉매 와이어(8)에서 요구되어지는 물질로 분해된다. 촉매 와이어(8)에서 분해된 가스는 촉매 와이어(8)로부터 d2의 간격만큼 이격된 기판(S) 상에 증착되게 된다.
촉매 와이어(8)는 촉매 지지부(800)에 의해 지지되어진다. 이 촉매 지지부(800)에는 촉매 와이어(8)에 가스를 공급하도록 가스 공급라인(850)이 구성된다. 이 가스 공급라인(850)은 공정챔버(1)의 외부로부터 공정챔버(1)의 벽을 관통하여 촉매 와이어(8)가 지지된 파지부(810)에까지 연통되어 구성된다.
또한, 촉매 지지부(800)에는 공정 이전에 공정챔버(1) 내부를 퍼징할 수 있도록 퍼징가스 공급라인(840)이 구성된다. 이 퍼징가스 공급라인(840)도 상술한 가스 공급라인(850)과 같이, 공정챔버(1)의 외부로부터 공정챔버(1)의 벽을 관통하여 촉매 지지부(800)를 경유하여 공정챔버(1) 내부로 유입된다.
기판(S)을 지지하도록 공정챔버(1) 내부에 구성된 기판 지지부(4)는 기판 지지부(4)와 샤워헤드(7)로부터의 거리(D)가 조절가능하도록 구성된다. 이 거리(D)의 조절은 기판 지지부(4)와 연결된 지지축(40)의 운동에 의하여 가능하며, 이 지지축(40)에 의한 거리(D)조절방식은 진공시스템에서 사용할 수 있는 어느 기술이나 가능하다.
또한, 촉매 지지부(800)는 촉매 와이어(8)와 샤워헤드(7)로부터의 거리(d1) 조절이 가능하고, 기판 지지부(4)로부터의 거리(d2) 또한 조절가능하다. 기판 지지부(4)의 이동방식은 상술한 바와 같으며, 이하 촉매 지지부(800)에 의한 거리(d1) 조절을 설명한다.
촉매 지지부(800)는, 가스를 공급하도록 구성되는 공급부(830) 및 이 공급부(830)에 길이가변하도록 끼워맞춤으로 결합되며, 촉매 와이어(8)를 계지하고 지지하도록 구성되는 지지부(820)로 이루어진다.
여기서, 지지부(820)와 공급부(830)가 결합된 누결부(890)는 기판 지지부(4) 보다 하부위치에 구성된다.
도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 지지부(820)와 공급부(830)의 결합은 스크류 방식(도 4a), 핀 고정방식(도 4b) 및 공압 방식(도 4c) 중 어느 하나로 구성되어 지지부(820)가 길이가변하도록 이루어진다.
도 4a에 도시된 스크류 방식에서는, 상·하가 분리되며 하부에는 나사산(824)이 형성된 중공의 지지부(820)와, 이 지지부(820)에 맞물려 나사산(834)이 형성된 중공의 공급부(830)로 구성되어 스크류 나사 체결방식을 이루게 된다.
도 4b에 도시된 핀 고정방식에서는, 중공의 지지부(820)에는 체결홈(825)이 형성되어 있으며, 이에 부합되어 중공의 공급부(830) 또한 체결홈(835)이 구성되며, 원하는 높이로 가변되면 체결핀(837)을 체결홈(835, 825)에 관통하여 고정시키는 방식을 이루게 된다.
또한, 도 4c에 도시된 공압 방식에서는, 지지부(820)는 동축중공 형상으로 이루어지며, 공급부(830) 또한 이에 부합되게 동축중공 형상으로 구성된다. 공급부(830)의 외측중공은 지지부(820)의 외측벽을 지지하며, 지지부(820)의 외측중공은 공급부(830)의 내측벽(836)에 수납된다. 공급부(830) 외측중공의 저면에는 공압공(838)이 형성되어 이를 통하여 지지부(820)에 공압이 가해지게 된다. 공압가스로는 공정 중의 리크를 고려하여 공정에 사용되는 가스인 것이 바람직하다. 공압공(838)을 통하여 일정량의 유속이 연속되게 유입되는 경우 배출공(미도시)이 더 형성되어질 수 있으며, 정해진 공압이 공압공(838)으로 유입 및 배출되도록 구성되어 지지부(820)를 지지하도록 하는 것도 가능하다. 이 공압방식으로는 기 공지된 솔레노이 드방식 등 어느 것이나 무방하다.
이하, 본 발명에 따른 촉매 화학기상증착장치의 작용을 Si 박막을 증착시키는 경우를 예로 들어 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 화학기상증착장치의 공정 시의 가스 유동경로가 개략적으로 도시된 도면이다.
먼저, 상술한 지지축(40) 및 지지부(820)로서 기판(S), 촉매 와이어(8) 및 샤워헤드(7) 간의 최적공정 거리(D, d1, d2)를 조정한다. 이 거리는 공정가스가 샤워헤드(7)에서 분사되어 촉매 와이어(8)를 거치지 않고 기판(S) 상에 도달하는 거리(D), 공정가스가 샤워헤드(7)로부터 촉매 와이어(8)까지 운동되는 거리(d1), 공정가스가 촉매 와이어(8)에서 분해되어 기판(S) 상에 도달되는 거리로서 공정 상의 중요한 인자 중의 하나이다. 특히, 이 중에서 촉매 와이어(8)에서 분해된 공정가스가 기판(S) 상에 도달되는 거리(d2)는 분해된 가스종의 재결합 및 기판(S) 도달 시의 운동에너지 등의 인자와 관계되므로 가장 중요한 인자라고 할 수 있다. 공정 중의 촉매 와이어(8) 가열로 인해 이 거리(d2)를 너무 가까이 할 시에는 기판(S) 상에 열손상이 가해지게 되며 열에너지로 인한 증착된 박막의 탈착 또한 이루어질 수 있다. 적절한 진공도를 비롯한 거리인자(D, d1, d2)를 조절함으로써 최적의 공정을 구현할 수 있다.
이 거리(D, d1, d2)가 조절된 뒤 진공 배기계(2)를 통하여 공정챔버(1) 내부가 진공상태로 이루어지면, 퍼징가스 공급라인(840)을 통하여 퍼징가스가 유입된다(F1). 충분한 퍼징이 이루어진 후에, 기판(S)에 Si 박막을 증착시키기 위하여 샤워헤드(7)를 통하여 Si기가 포함된 가스가 분사된다(F2). 또한, 가스 공급라인(850)을 통하여 수소기가 포함된 가스가 촉매 와이어(8) 상에 분사된다(F3). 통상적으로 촉매 와이어(8) 및 파지부(810)와의 연결부에는 촉매 와이어(8)에서 가열이 이루어지지 않는 파지부(810)로의 열전달로 인하여 열손실이 발생하며, 이로 인한 온도저하에 따라 촉매 와이어(8) 상에 이물질이 형성된다. 이러한 촉매 와이어(8) 상의 가스 분사(F3)로 인하여, 촉매 와이어(8) 상의 이물질 형성이 방지될 수 있다.
촉매 지지부(800)의 지지부(820)와 공급부(830)와의 결합에 의해서 생기는 누결부(890)에서의 리크(F4)는 상대적으로 많은 양의 공정가스 유동경로(F2)에 의해, 그리고 박막의 증착이 이루어지는 기판(S) 및 기판 지지부(4)보다 하부의 유동경로(F2) 상에 있으므로 공정에 영향을 미치지는 않는다.
상술한 촉매 화학기상증착장치의 Si박막 증착에 있어서, 샤워헤드(7)로부터 인입되는 가스는 Si기가 포함된 단일 혹은 복합가스이며, 이 Si기가 포함된 가스는 SiH4 또는 SiH4/H2 또는 이외 가능한 가스일 수 있다.
또한, 촉매 지지부(800)의 가스 공급라인(850)에서 촉매 와이어(8)로 공급되 는 가스는 수소기가 포함된 가스이며, 이 수소기가 포함된 가스는 H2, H2/NH3, NH3, H2/SiH4 중 어느 하나 또는 이외 가능한 가스일 수 있다.
상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 촉매 화학기상증착장치에 의하여, 샤워헤드와 촉매 와이어가 분리되어 간단한 구성을 가지고, 공정 최적화 조건으로서 샤워헤드, 촉매 와이어 및 기판 간의 거리조절이 가능하며, 퍼징기능을 구비하여 저온부에서 발생될 수 있는 이물질의 발생방지가 가능하여 촉매 와이어의 수명연장이 가능하다.

Claims (12)

  1. 공정챔버;
    상기 공정챔버 내에 공정 가스를 인입하도록 구성되는 샤워헤드;
    상기 샤워헤드로부터 인입되는 가스를 분해시키도록 상기 공정챔버 내에 구성되는 촉매 와이어;
    상기 촉매 와이어를 지지하도록 구성된 촉매 지지부;
    상기 촉매 와이어에서 분해된 가스가 증착되는 기판; 및
    상기 기판을 지지하는 기판 지지부;
    를 포함하여 이루어지는 촉매 화학기상증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 지지부에는 상기 촉매 와이어에 가스를 공급하도록 가스 공급라인이 더 구성되어 이루어지는 촉매 화학기상증착장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매 지지부에는 공정 이전에 상기 공정챔버 내부를 퍼징할 수 있도록 퍼징가스 공급라인이 더 구성되어 이루어지는 촉매 화학기상증착장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판 지지부는 상기 기판 지지부와 상기 샤워헤드로부터의 거리(D)가 조절가능하도록 구성되는 촉매 화학기상증착장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 지지부는 상기 촉매 와이어와 상기 샤워헤드 및/또는 상기 기판 지지부로부터의 거리(d1, d2)가 조절가능하도록 구성되는 촉매 화학기상증착장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 촉매 지지부는,
    가스를 공급하도록 구성되는 공급부; 및
    상기 공급부에 길이가변하도록 끼워맞춤으로 결합되며, 상기 촉매 와이어를 계지하고 지지하도록 구성되는 지지부;
    로 이루어지는 촉매 화학기상증착장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지지부와 상기 공급부가 결합된 누결부는 상기 기판 지지부보다 하부위치에 구성되는 촉매 화학기상증착장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 지지부와 상기 공급부의 결합은 스크류 방식, 핀 고정방식 및 공압 방식 중 어느 하나로 구성되어 상기 지지부가 길이가변하도록 이루어지는 촉매 화학기상증착장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 샤워헤드로부터 인입되는 가스는 Si기가 포함된 단일 혹은 복합가스인 촉매 화학기상증착장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 Si기가 포함된 가스는 SiH4 또는 SiH4/H2인 촉매 화학기상증착장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 촉매 지지부의 상기 가스 공급라인에서 상기 촉매 와이어로 공급되는 가스는 수소기가 포함된 가스인 촉매 화학기상증착장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수소기가 포함된 가스는 H2, H2/NH3, NH3, H2/SiH4 중 어느 하나인 촉매 화학기상증착장치.
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