KR100695536B1 - Chemical vapor deposition system having dual substrate - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 및 도 2는 종래 수평형 탄화규소 에피탁시 박막성장 장치의 구조를 보여주는 도면.1 and 2 are views showing the structure of a conventional horizontal silicon carbide epitaxy thin film growth apparatus.
도 3은 본 발명에 따른 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치의 전체적인 구성을 보여주는 도면. 3 is a view showing the overall configuration of a chemical vapor deposition apparatus having a double substrate according to the present invention.
도 4는 도 3의 화학기상증착 장치의 발열체의 내부통로와 그 상,하면에 설치된 기판을 보여주는 부분 발췌도.4 is a partial excerpt view showing the inner passage of the heating element of the chemical vapor deposition apparatus of FIG.
도 5는 본 발명의 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치에 있어서, 단열재가 석영관의 내면벽과 접촉되지 않도록 구성된 예를 보여주는 도면.FIG. 5 is a view showing an example in which a chemical vapor deposition apparatus having a double substrate of the present invention is configured such that a heat insulator is not in contact with an inner wall of a quartz tube. FIG.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치에 있어서, 발열체 내부 통로의 상면 또는 하면을 소정 각도 경사지게 구성한 다양한 예들을 보여주는 도면.6 to 9 are views showing various examples in which the upper surface or the lower surface of the inner passage of the heating element is inclined at an angle in the chemical vapor deposition apparatus having the double substrate of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
110,210,310...석영관 120,220,320...고주파 코일110,210,310 ... Quartz 120,220,320 ... High frequency coil
130,230,330...발열체 140,240,340...단열재130,230,330 ... heating elements 140,240,340
150,250,350a,350b...기판 160,260,360...원료가스 및 희석가스150,250,350a, 350b ... substrate 160,260,360
230h,330h...발열체 내부통로 230h, 330h ... inner passage of heating element
본 발명은 화학기상증착(chemical vapor deposition) 장치에 관한 것으로서, 특히 화합물 반도체 박막 성장이 일어나는 발열체 내부에 박막 성장을 위한 기판을 발열체의 아래쪽과 위쪽 양쪽에 형성함으로써 박막 성장이 양쪽에서 동시에 진행되도록 하여 박막 성장의 효율을 높이고, 동일한 기판이 위쪽에도 존재하므로 불순물을 용이하게 제어할 수 있으며, 기판의 면적이 2배로 증가하여 동일한 용량의 장치에서도 2배의 양으로 박막 성장이 가능하여 공정 비용을 절감할 수 있는 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a chemical vapor deposition apparatus, and in particular, by forming a substrate for thin film growth inside a heating element where compound semiconductor thin film growth occurs, on both the lower and upper sides of the heating element, the thin film growth proceeds simultaneously on both sides. Improve the efficiency of thin film growth, and control the impurities easily because the same substrate is also located on the upper side, and the process area is reduced by double the area of the substrate, enabling the thin film to be doubled in the same capacity device The present invention relates to a chemical vapor deposition apparatus having a double substrate.
일반적으로, 탄화규소 에피탁시(epitaxy) 박막 성장에 있어서는 1500∼1600℃의 고온이 필요하며, 화학기상증착법(CVD)이 이용된다. 이러한 탄화규소 에피탁시 박막 성장은 산화성 가스(예,산소)가 없는 분위기에서 고온 유지 및 고속 승온을 위해 고주파(RF)를 이용한 유도가열 형태로 이루어진다. 이때, 발열체로는 고밀도의 흑연이 사용된다. 원료가스로는 규소의 원료가 되는 SiH4, Si2H6 등의 가스와 탄소의 원료가 되는 CH4, C2H6, C3H8 등이 많이 이용된다. 최근에는 단일 화학종에 규소와 탄소가 포함되어 있는 TMS(trimethylsilane), BTMSM(bistrimethylsilyl methan) 등이 사용되기도 한다. 이들 원료가스의 원활한 전달을 위한 전달가스로는 주로 수소나 헬륨 등 열전달 계수가 높은 가스들이 이용된다. 수소의 경우 가연성이 커서 반응 후 가스의 처리 등에 많은 주의가 필요하다. 이런 문제점을 해결하고자 최근에 헬륨가스를 이용한 화학기상증착법이 적용된 바 있으나, 헬륨가스의 가격이 고가이어서 실제 박막 증착에는 거의 이용되고 있지 않다. 화학기상증착법의 경우 반응실 내의 전달가스의 흐름이 층류 유동을 형성해야 한다.In general, high temperature of 1500-1600 ° C. is required for epitaxial silicon carbide thin film growth, and chemical vapor deposition (CVD) is used. The silicon carbide epitaxy thin film growth is in the form of induction heating using high frequency (RF) to maintain high temperature and high temperature in an atmosphere without oxidizing gas (eg, oxygen). At this time, high density graphite is used as the heating element. As the source gas, SiH 4 and Si 2 H 6 are used as raw materials of silicon. CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , which are the raw materials of gas and carbon Etc. are used a lot. Recently, trimethylsilane (TMS) and bistrimethylsilyl methan (BTMSM) containing silicon and carbon in a single chemical species have been used. Gases having high heat transfer coefficients, such as hydrogen or helium, are mainly used as delivery gases for smooth delivery of these source gases. In the case of hydrogen, it is highly flammable and requires much attention for the treatment of the gas after the reaction. In order to solve this problem, chemical vapor deposition using helium gas has recently been applied. However, since helium gas is expensive, it is rarely used in actual thin film deposition. In chemical vapor deposition, the flow of delivery gas in the reaction chamber must form a laminar flow.
층류 유동이 형성되기 위해서는 기본적으로 다음의 수식에서와 같이 유체의 속도와 유체 점성계수로부터 결정되는 레이놀즈(Reynolds) 번호가 작아야 한다.In order to form a laminar flow, the Reynolds number, which is basically determined from the fluid velocity and the fluid viscosity coefficient, must be small as in the following equation.
(여기서, V=유체 평균속도, D=관지름, ρ=유체밀도, μ=유체 점성계수를 각각 나타낸다.)(V = fluid mean velocity, D = diameter, ρ = fluid density, μ = fluid viscosity, respectively.)
이는 일반적으로 가스의 유속이 느린 경우에 층류를 형성하기기 용이하다는 것을 의미한다. 하지만, 탄화규소 에피탁시 박막성장 장치의 경우에는 성장온도가 고온(1500∼1600℃)이므로 가스의 대류력이 커져서 이들 흐름을 방해하게 된다. 따라서 탄화규소 에피탁시 박막성장 장치의 경우에는 가스의 유속이 충분히 커서 대류력에 의한 가스의 흐름을 억제할 수 있어야 하고. 동시에 관성력이 점성력에 비해 너무 크지 않도록 낮은 유속을 만족해야 한다. 현재까지의 여러 연구들을 통해 반응실내 전체 유속(V)이 1cm/sec<V<10cm/sec의 범위일 때 에피탁시 박막 성장에 적합한 가스 흐름이 형성되는 것으로 알려져 있다.This generally means that it is easy to form laminar flow when the gas flow rate is slow. However, in the case of the silicon carbide epitaxy thin film growth apparatus, since the growth temperature is high (1500-1600 ° C.), the convection force of the gas is increased to hinder these flows. Therefore, in the case of silicon carbide epitaxy thin film growth apparatus, the gas flow rate must be large enough to suppress the flow of gas due to convective force. At the same time, the low flow rate must be satisfied so that the inertial force is not too large for the viscous force. Several studies to date indicate that a gas flow suitable for epitaxial thin film growth is formed when the total flow rate (V) in the reaction chamber is in the range of 1 cm / sec <V <10 cm / sec.
도 1 및 도 2는 종래 수평형 탄화규소 에피탁시 박막성장 장치의 구조를 보 여주는 도면이다.1 and 2 is a view showing the structure of a conventional horizontal silicon carbide epitaxy thin film growth apparatus.
도 1을 참조하면, 종래 탄화규소 에피탁시 박막성장을 위한 고온 화학기상증착 장치는 산화성 가스의 유입을 억제하기 위해 진공에서 사용가능하도록 제작되며, 반응실은 석영관(110)이 주로 이용된다. 탄화규소 기판(150)을 장착할 수 있는 흑연발열체(130)가 석영관(110) 중심부에 안치되고, 그 밑에는 다공질의 단열재(140)가 위치한다. 일반적으로 이때의 발열체(130)는 가스(160)의 흐름방향에 대하여 소정 각도(α)로 비스듬히 기울어져 가스의 흐름에 대해 경계영역이 증가하는 효과를 억제하기도 한다. 한편, 석영관(110) 외부에는 유도가열을 위한 고주파(RF) 코일(120)이 위치된다. 또한, 석영관(110) 외부에는 냉각수나 공기의 도움으로 온도가 상온 근처로 유지되도록 구성된다. 규소와 탄소를 함유한 원료가스들은 수소 가스에 희석되어 반응실 내로 주입된다. 이 원료가스와 수소가스의 혼합가스(160)는 발열체(130)를 지나면서 발열체(130)로부터 고온의 에너지를 공급받아 온도가 상승하게 된다. 이때, 상부의 석영관(110) 부분에서의 온도는 상온 근처로 유지되기 때문에 발열체(130)의 중심 부분에 위치한 기판(150) 부근의 기체와 석영관(110) 근처의 온도는 큰 차이가 나게 된다. 이러한 온도 차이로 인해 기판 부근에서부터 석영관 쪽으로 대류현상에 의한 기체의 상승압력이 높아지게 된다. 화학기상증착법에 의해 박막을 형성하는 경우, 특히 단결정 박막을 형성하는 경우, 가스의 흐름은 전술한 바와 같이 기판 위에서 층류를 형성하여야 하고, 이를 위해 많은 희석가스를 사용하게 된다. 이를 보완하기 위해 제시된 것이 도 2의 hot-wall 형태의 화학기상증착 장치이다.Referring to FIG. 1, the conventional high temperature chemical vapor deposition apparatus for thin film growth of silicon carbide epitaxy is manufactured to be used in a vacuum to suppress the inflow of oxidizing gas, and the reaction chamber is mainly used as a
도 2를 참조하면, 발열체(230) 내부로 가스가 흐를 수 있는 통로(230h)가 형성되고, 발열체 외부는 단열재(240)로 감싸는 형태로 구성되어 있다. 이 경우에는 기판(250)이 놓이는 아랫부분의 발열체(230) 뿐만 아니라 위쪽에도 발열체(230)가 존재하여, 기판(250) 부근과 상부에서의 기체온도차가 줄어들어 대류현상에 의한 가스 흐름의 난류화를 억제하는 효과를 가진다. 발열체(230) 내의 온도 분포 및 가스 흐름은 상부와 하부가 거의 동일한 분포를 가지게 되며, 따라서 발열체(230) 상부 벽면에도 박막이 증착되는 현상이 일어난다. 이렇게 형성된 발열체(230) 상부 벽면의 박막은 지속적인 박막 증착에 따라 발열체의 특성 및 발열체 내부를 흐르는 가스의 온도, 속도, 점도 등의 특성도 변화시켜 동일한 특성의 박막을 증착하는 것을 저해하여 박막의 재현성을 확보하기 힘들다. Referring to FIG. 2, a
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 화합물 반도체 박막 성장이 일어나는 발열체 내부에 박막 성장을 위한 기판을 발열체의 아래쪽 면과 위쪽 면의 양쪽에 형성함으로써 박막 성장이 양쪽에서 동시에 진행되도록 하여 박막 성장의 효율을 높이고, 동일한 기판이 위쪽에도 존재하므로 불순물을 용이하게 제어할 수 있으며, 기판의 면적이 2배로 증가하여 동일한 용량의 장치에서도 2배의 양으로 박막 성장이 가능하여 공정 비용을 절감할 수 있는 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above matters, and by forming a substrate for thin film growth inside the heating element where the compound semiconductor thin film growth occurs, on both sides of the lower and upper surfaces of the heating element so that the thin film growth proceeds simultaneously on both sides. Improve the efficiency of thin film growth, and control the impurities easily because the same substrate is also located on the upper side, and the process area is reduced by double the area of the substrate, enabling the thin film to be doubled in the same capacity device It is an object of the present invention to provide a chemical vapor deposition apparatus having a double substrate.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이중 기판을 갖는 화학기상 증착 장치는,In order to achieve the above object, a chemical vapor deposition apparatus having a dual substrate according to the present invention,
고주파 유도가열에 의한 박막 성장을 위한 반응실로서의 석영관과, 그 석영관의 외주면에 설치되며, 고주파 유도가열을 위한 고주파 코일과, 상기 석영관의 내부에 설치되며, 그 내부로 화학기상증착을 위한 원료가스와 희석가스가 흐르는 통로를 제공하는 한편 박막 성장을 위한 기판을 지지 및 고정하고, 상기 고주파 코일에 의해 유도가열되는 발열체와, 상기 석영관의 내주면과 발열체 사이에 설치되며, 발열체로부터 발생된 열을 외부와 차단하는 단열재를 구비하는 화학기상증착 장치에 있어서,It is installed on the quartz tube as a reaction chamber for thin film growth by high frequency induction heating, and on the outer circumferential surface of the quartz tube, and is installed inside the quartz tube for high frequency induction heating, and inside the quartz tube, It provides a flow path for raw material gas and diluent gas while supporting and fixing the substrate for thin film growth, and is installed between the heating element induction heating by the high frequency coil, the inner circumferential surface of the quartz tube and the heating element, generated from the heating element In the chemical vapor deposition apparatus having a heat insulating material for blocking the heat to the outside,
상기 발열체의 내부 통로의 상면과 하면에는 탄화규소 에피탁시 박막 성장을 위한 기판이 각각 설치되는 점에 그 특징이 있다.The upper surface and the lower surface of the inner passage of the heating element is characterized in that the substrate for the growth of silicon carbide epitaxy thin film is provided respectively.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치를 나타낸 것으로서, 도 3은 전체적인 구성을 보여주는 도면이고, 도 4는 발열체의 내부통로와 그 상,하면에 설치된 기판을 보여주는 부분 발췌도이다.3 and 4 show a chemical vapor deposition apparatus having a double substrate according to the present invention, Figure 3 is a view showing the overall configuration, Figure 4 is a portion showing the inner passage of the heating element and the substrate installed on the upper and lower surfaces Excerpt is also.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치는, 고주파 유도가열에 의한 박막 성장을 위한 반응실로서의 석영관(310)과, 그 석영관(310)의 외주면에 설치되며, 고주파 유도가열을 위한 고주파 코일(320)과, 상기 석영관(310)의 내부에 설치되며, 그 내부로 화학기상증착을 위한 원료가스와 희석가스가 흐르는 통로를 제공하는 한편 박막 성장을 위한 기판을 지지 및 고정하고, 상기 고주파 코일(320)에 의해 유도가열되는 발열체(330)와, 상기 석영 관(310)의 내주면과 발열체(330) 사이에 설치되며, 발열체(330)로부터 발생된 열을 외부와 차단하는 단열재(340)를 기본적으로 구비한다. 3 and 4, the chemical vapor deposition apparatus having a double substrate according to the present invention, a
그러나, 본 발명의 화학기상증착 장치에 있어서는, 상기 발열체(330)의 내부 통로(330h)의 상면과 하면에 탄화규소 에피탁시 박막 성장을 위한 기판(350a) (350b)이 각각 설치되는 점에 특징이 있다.However, in the chemical vapor deposition apparatus of the present invention,
여기서, 상기 발열체(330)의 내부 통로(330h)로 흐르는 원료가스로는 SiH4, Si2H6 등의 규소를 함유한 가스와 CH4, C2H6, C3H8 등의 탄소를 함유한 가스가 사용될 수 있고, 희석가스로는 수소 또는 헬륨이 사용될 수 있다. 도 3에서 참조번호 360은 원료가스와 수소의 혼합가스를 나타낸다. Here, the source gas flowing into the
도 5는 이상과 같은 본 발명의 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치에 있어서, 단열재가 석영관의 내면벽과 접촉되지 않도록 구성된 예를 보여주는 것으로서, 이 실시예의 경우는 상기 도 3의 경우와는 달리 원료가스와 희석가스(수소)가 혼합된 혼합가스가 발열체(330)의 내부 통로(330h) 및 석영관(310)의 내벽과 발열체(330)의 외벽 사이의 공간으로도 흐를 수 있도록 구성한 것이다.FIG. 5 illustrates an example in which a chemical vapor deposition apparatus having a double substrate of the present invention as described above is configured such that a heat insulating material does not come into contact with an inner wall of a quartz tube. In this embodiment, unlike the case of FIG. The mixed gas in which the source gas and the dilution gas (hydrogen) are mixed may flow into the space between the
한편, 도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치에 있어서, 발열체 내부 통로의 상면 또는 하면을 소정 각도 경사지게 구성한 다양한 예들을 보여주는 도면이다.Meanwhile, FIGS. 6 to 9 are views showing various examples in which the upper surface or the lower surface of the inner passage of the heating element is inclined at a predetermined angle in the chemical vapor deposition apparatus having the double substrate according to the present invention.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 발열체(330) 내부 통로(330h)의 하면(330b)의 입구쪽을 경사각도 α만큼(예를 들면, 1˚∼30˚) 기울어지게 구성할 수도 있 고, 도 7에서와 같이 발열체(330) 내부 통로(330h)의 상면(330a)의 입구쪽을 경사각도 β만큼(예를 들면, 1˚∼30˚) 기울어지게 구성할 수도 있으며, 도 8에서와 같이 발열체(330) 내부 통로(330h)의 하면(330b)과 상면(330a)의 입구쪽을 모두 경사각도 α와 β만큼 각각 기울어지게 구성할 수도 있다. First, as shown in FIG. 6, the inlet side of the
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 이상의 경우들에서와는 달리 발열체(330) 내부 통로(330h)의 상면(330a)의 출구쪽을 경사각도 δ만큼(예를 들면, 1˚∼30˚) 기울어지게 구성할 수도 있다. 이와 같은 도 9의 경우는 발열체(330) 내부의 가스 흐름이 완전히 대칭적이지 못하고, 수직방향으로의 대류력이 더 큰 영향을 미칠 경우, 하부에 위치하는 기판(350b)과 상부에 위치하는 기판(350a)에 증착되는 박막의 품질과 두께가 동일하도록 조절하기 위한 것이다.In addition, as shown in FIG. 9, unlike the above-described cases, the outlet side of the
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치를 이용한 에피탁시 박막 성장에 대하여 간략히 설명해 보기로 한다.Then, the epitaxial thin film growth using the chemical vapor deposition apparatus having a double substrate according to the present invention having the above configuration will be briefly described.
우선 반응실로서의 석영관(310) 내부를 고진공으로 펌핑하여 산화성 가스 및 기타 불순물 가스 등이 석영관(310) 내부에 존재하지 않도록 한다. 이후 희석가스(수소 또는 헬륨)를 석영관(310) 내에 주입하여 적정 압력(예컨대, 100Torr에서 상압까지)에 도달시킨 후 유지시킨다. 적정압력이 유지되면 고주파 코일(320)에 전원을 인가하여 발열체(330)가 유도가열되도록 한다. 발열체(330)가 유도가열되어 원하는 성장온도에 도달하면, 희석가스와 함께 SiH4, C3H8 등의 원료가스를 적정량 조절하여 석영관(310) 내에 주입한다. 이때 성장온도는 1200℃∼1800℃까지 이용되 며, 각 원료가스의 유량은 0.1∼100sccm 범위에서 조절한다. 성장온도에서 주입된 원료가스와 혼합된 희석가스는 발열체(330) 내부로 흐르면서 열에너지를 전달받아 승온되어, 기판(350a)(350b)에 도달해서는 각 원료가스로부터 Si, C 원자들이 흡착되어 탄화규소(SiC)막을 형성한다. 이렇게 하여 원하는 시간 동안 박막의 성장이 수행되면 먼저 원료가스의 주입을 차단하고, 고주파 코일(320)의 전원을 차단하여 발열체(330)가 서서히 냉각되도록 한다. 발열체(330)가 충분히 냉각된 후에 희석가스의 주입을 차단하고 진공펌프를 이용하여 펌핑한다. 충분히 펌핑된 후 다시 아르곤(Ar) 또는 질소 등의 불활성 가스를 주입하고 다시 펌핑한다. 이러한 과정을 수차례 반복한 후 불활성 가스로 석영관(310) 내부의 압력을 대기압 상태로 만든 후, 발열체(330) 및 기판(350a)(350b)을 석영관(310) 밖으로 꺼내어 기판(350a)(350b)을 탈착한다. First, the inside of the
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 이중 기판을 갖는 화학기상증착 장치는 원료가스 및 희석가스가 흐르는 발열체 내부 통로의 상,하면에 모두 기판이 마련되어 있어 성장시 발생하는 불순물을 용이하게 제어할 수 있고, 박막 성장이 양쪽에서 동시에 진행되므로 박막 성장의 효율을 높일 수 있으며, 기판의 면적이 2배로 증가하여 동일한 용량의 장치에서도 2배의 양으로 박막 성장이 가능하여 공정 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.As described above, the chemical vapor deposition apparatus having a double substrate according to the present invention is provided with a substrate on both the upper and lower surfaces of the inner passage of the heating element flowing through the source gas and the diluent gas can easily control the impurities generated during growth. In addition, thin film growth proceeds simultaneously on both sides to increase the efficiency of thin film growth, and the area of the substrate is doubled, so that the thin film can be grown by twice the amount of the same capacity device, thereby reducing the process cost. There is this.
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