KR100722592B1 - 화학 기상 증착 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 웨이퍼(5)를 위한 기판 홀더(4A), 웨이퍼를 처리하기 위한 반응 가스의 제 1 가스 플로우(Φ1)와, 기판 홀더를 둘러싸고 있는 관형의 가스 수집기(16)를 수용하는 프로세스 챔버(101)를 갖는 화학 기상 증착 반응기에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 상기 반응기가 상기 기판 홀더의 하측과 상측에 각각 배치된 밑판(30)과 커버 판(20), 가스 수집기(16)를 둘러싸고 있으며 밑판(30)과 커버 판(20)에 닿아 있는 외측 링(10)과, 밑판(30)과 커버 판(20) 및 외측 링으로 한정되는 제 1 공간인 프로세스 챔버(101)의 외측 공간으로 전파되는 비반응 가스의 제 2 플로우(Φ2)로 구성되고, 역류(Φ2)로서 작용하는 제 2 플로우는 제 1 반응 가스 플로우(Φ1)가 가스 수집기(16)를 통하지 않고 프로세스 챔버로부터 배출되는 것을 방지한다.
화학 기상 증착 반응기, 프로세스 챔버, 반도체 웨이퍼, 기판 홀더, 가스 수집기

Description

화학 기상 증착 반응기{CHEMICAL VAPOR DEPOSITION REACTOR AND PROCESS CHAMBER FOR SAID REACTOR}
본 발명은 웨이퍼가 수용되고 상기 웨이퍼를 처리하기 위하여 반응 가스가 유동하는 프로세스 챔버를 포함하며 반응 가스가 가스 수집기를 통하지 않고서 상기 프로세스 챔버로부터 배출되는 것을 방지하기 위한 수단으로 구성되는 화학 기상 증착 반응기에 관한 것이다.
본 발명은 예를 들어 갈륨 비소 반도체 소자와 같은 반도체 소자를 처리하기 위한 화학 기상 증착 반응기의 제조 분야에 적용할 수 있다.
화학 기상 증착 반응기는 이미 미국특허 제 4,961,399 호로부터 알려져 있다. 이 특허문헌에는 다수의 반도체 웨이퍼를 반응 가스 플로우에 노출시킴으로써 이들을 처리하기 위한 에피텍셜 반응기가 기술되어 있다. 상기 반응기는 프로세스 챔버 내에 유성 기어 방식으로 운동하는 흑연 기판 홀더를 가지고, 이러한 프로세스 챔버는 가스 플로우가 웨이퍼와 접촉하는 공간이며 수직 축선을 가지고 가능한 한 기판 홀더에 근접하여 이를 둘러싸고 있는 원통형 동체로 구성된다. 원통형 동체는 저면판과 상부판에 의하여 그 하측과 상측이 기밀하게 밀폐된다. 평판형태의 커버가 이러한 구조물을 덮는다. 반응 가스 플로우의 유입구는 기판 홀더에 대향된 커버의 중앙에 배치된다. 이 유입구는 단부가 하측으로 플레어된(flared) 수 개의 동심원상 펀넬(flare)을 통하여 프로세스 챔버에 반응 가스 플로우를 도입한다. 반응기의 개방을 위하여, 프로세스 챔버로 접근할 수 있도록 커버가 상측으로 상승된다. 기판 홀더는 주연에 다수의 통공이 형성된 중공형의 석영링으로 둘러싸이며, 상기 통공은 반응 가스 플로우가 배출될 수 있는 튜브의 단부가 결합되는 배출구를 구성한다. 수소로 구성되는 부가적인 가스 플로우가 원통형 동체와 석영링 사이에 형성되는 공간으로 공급되어 반응 가스가 이 공간으로 침투하여 이를 오염시키는 것을 방지한다.
III-V 화학 족의 반도체 물질 상에 에피텍셜 층을 증착하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조분야에서, 상기 언급된 반응기는 몇가지의 문제점을 해결하지 못한다.
발명의 요약
문제점은 프로세스 챔버에 반응기의 주연 공간을 충분히 격리시킬 수 있는 수단이 구비되어 있지 않다는 점이다. 상기 프로세스 챔버는 상기 프로세스 챔버 내의 반응 가스 플로우가 프로세스 챔버로부터 배출되어 상기 프로세스 챔버 이외의 상기 반응기의 다른 공간으로 흐르는 것을 방지하고 상기 다른 공간을 오염시키는 것을 방지하기 위하여 격리되어야 한다. 실제로, 고온에서 반응 가스를 이용하여 수행되는 화학 반응은 웨이퍼에는 바람직한 증착물의 생성이 이루어질 수 있도록 하나 반응기의 다른 모든 공간에서는 바람직하지 않다. 이들 공간의 기능 손실, 에피텍셜 성장 조건의 변화, 또는 상기 웨이퍼의 적재 또는 하역의 과정 중에 이물질의 증착에 의한 웨이퍼 상의 이물질 증착을 방지하기 위하여, 이들 공간을 자주 청소해주어야 한다. 실제로, 상기 공간을 청소하거나 교체하는 것은 반응기를 이용하는 요효시간의 손실을 가져온다. 공간의 오염은 특히 이미 가열된 반응 가스에 노출되는 공간이 냉각될 때 일어나기 쉽다. 예를 들어, 비소를 포함하는 III-V 화합물의 경우에 있어서, 비소는 약 200 ℃ 이하의 모든 표면에 증착된다. 대형 반응기에 있어서, 프로세스 챔버의 외벽은 실질적인 많은 이유에서 냉각되어야 하고, 그 크기와 중량 및 이에 연결되는 많은 연결부분은 청소를 위하여 상기 프로세스 챔버를 용이하게 개방할 수 없도록 한다.
또한 이러한 프로세스 챔버는 웨이퍼가 노출되는 전구가스로 구성된 가스혼합물이 처리에 요구되는 바와 같이 신속히 변화될 수 있도록 하기 위하여 다른 반응기 공간으로부터 격리되어야 한다. 실제로, 중앙유입구를 통하여 프로세스 챔버에 전구가스의 도입을 중지한 후에, 웨이퍼 상에서의 전구가스 농도는 수 초 이내에 농도계수 10000 으로 감소되어야 한다. 이는 예를 들어 HEMT 라 불리는 고전자이동 트랜지스터(High Electron Mobility Transistor)와 같은 이중 도핑 구조물의 성장 중에 N-도핑 전구 물질이 사용될 때 요구된다. 이러한 조건은 반응 가스가 웨이퍼를 향하는 공간에만 한정되어 있는 경우에 만족될 수 있다. 또한 상기 프로세스 챔버는 화학 기상 증착 공정에 있어서 반응 가스가 통상적으로 위험한 가스이고 배출 공간이 아닌 프로세스 챔버의 외부로 누출되는 것이 허용될 수 없기 때문에 격리되어야 한다.
프로세스 챔버를 격리시키는데 특별히 어려운 것은 기판 홀더에 관련되어 있는 부분이다. 첫째로, 상기 기판 홀더는 화학반응이 이루어질 수 있도록 300 ~ 1500 ℃ 의 온도로 가열된다. 따라서, 상기 기판 홀더는 웨이퍼를 수용할 수 있고 고온에도 견딜 수 있는 물질로서 주로 다공질의 결점을 갖는 흑연으로 만들어진다. 둘째로, 상기 기판 홀더는 웨이퍼가 서로 균일하게 분포될 수 있도록 하고 또한 가스 플로우의 역학적인 영향을 받기 위하여 회전한다. 회전축과 고정부분사이의 연결부분은 밀폐가 용이하지 않으며 이 부분이 반응 가스 플로우의 배출구가 될 수 있다. 따라서, 프로세스 챔버는 기판 홀더 아래의 공간으로부터 용이하게 밀폐될 수 없다.
프로세스 챔버를 밀폐하는데 다른 특별한 어려움은 프로세스 챔버 외부의 공간체적이 웨이퍼를 직접 향하는 공간보다 현저히 크다는 점에 있다. 이와 같이, 상기 미국특허로부터 알려진 바와 같은 수소의 부가적인 플로우는 실질적으로 역류를 구성하기 위하여 상당한 크기를 가짐으로서 이들 공간에 반응 가스가 남아 있지 않아야 한다. 만약 반응기의 구조에 의하여 결정되는 이러한 역류의 크기가 웨이퍼를 직접 향하는 유효 공간에서의 전체 유동량보다 클 경우에, 에피텍셜 층의 균일성 저하, 층의 순도 저하, 초순수 가스의 과잉소모와 같은 여러 가지 부작용의 결과가 일어날 수 있다.
프로세스 챔버를 격리하는데 다른 특별한 어려움은 상기 프로세스 챔버가 동시에 여러 개의 웨이퍼를 수용하기 위하여 크기가 비교적 커야 한다는 것에 있다. 고온영역에 배치되는 상기 대형의 프로세스 챔버의 일부 요소는 예를 들어 웨이퍼의 도입시 또는 청소를 위하여 프로세스 챔버를 개방 또는 폐쇄할 수 있도록 다른 요소에 대하여 이동가능하여야 한다. 따라서, 이러한 고온영역에서 가동요소를 밀폐하기 위하여 표준형의 씨일을 사용할 수는 없다. 또한, 프로세스 챔버의 크기 크고 프로세스 챔버를 개폐하여야 한다는 점에서, 가동요소의 폐쇄면이 다른 요소에 간단히 접촉되지는 않는 바, 그 이유는 이러한 대형의 폐쇄면이 기계적으로 충분히 평탄한 면을 가질 수 없고 폐쇄면이 불규칙하기 때문이다. 따라서, 밀폐수단없이 대향된 폐쇄면의 간단한 접촉만으로 프로세스 챔버를 폐쇄하는 것은 반응 가스가 불규칙한 폐쇄면을 통하여 배출될 수 있고 역류가 상기 불규칙한 폐쇄면을 통하여 침입될 수 있다.
본 발명의 목적은 공정가스가 프로세스 챔버로부터 배출되는 것을 방지하는 문제점을 해결하는데 있다. 이러한 문제점은 웨이퍼를 수용하고 상기 웨이퍼를 처리하기 위한 반응 가스가 유동하는 프로세스 챔버로 구성되고 청구범위 제 1 항에 청구된 바와 같이 프로세스 챔버를 격리하기 위한 수단으로 구성되는 화학 기상 증착 반응기에 의하여 해결된다.
다른 문제점은 프로세스 챔버내의 가스압력이 대기압으로부터 실질적으로 다르게 할 수 없다는 점이다. 따라서, 역류를 형성하는 불활성 가스가 처리압력을 저해하지 않도록 도입되어야 한다. 즉, 효과적인 역류를 형성하기 위한 불활성 가스의 양은 프로세스 챔버의 가동요소의 주연 길이가 어떠하든 간에 중요하여서는 아니된다. 반응공정가스가 반응기 챔버로부터 배출되는 것을 방지하기 위한 불활성 가스의 양이 너무 많으면 불활성 가스가 반응 가스와 혼합되어 이를 희석시키며 프로세스 챔버내에서 수행되는 공정을 저해할 수 있다. 따라서, 불활성 가스는 공정을 저해하여서는 아니되므로 불활성 가스가 공정가스와 혼합되지 않도록 공정가스 이외의 영역으로 도입되어야 한다.
본 발명의 다른 목적은 반응기내에서 역류의 크기를 최소한으로 유지하기 위한 수단을 제안하는데 있다.
화학 기상 증착 반응기의 다른 실시형태가 상기 언급된 다른 문제점을 해결하기 위하여 종속항에서 청구되고 있다.
본 발명의 이점은 이들 수단의 제조 및 이용이 용이하고 종래기술의 수단에 비하여 효율적이라는 점에 있다. 웨이퍼에 증착되는 층은 보다 균일하고, 증착 챔버 외부의 공간이 깨끗하게 유지될 수 있으며, 역류의 양이 가능한 한 작게 유지되고, 증착 챔버의 압력이 요구된 레벨로 용이하게 유지될 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 원통형 화학 기상 증착 반응기의 단면도.
도 2 는 다른 실시형태의 이러한 반응기를 보인 단면도.
도 3 은 통공이 개방되어 있는 것을 보인 도 2 의 실시형태의 단면도.
도 4 는 다른 실시형태의 이러한 반응기를 보인 단면도.
도 5A 는 관형 배출구를 보인 확대단면도.
도 5B 는 배출구의 단면을 보인 단면도.
본 발명은 예를 들어 수 개의 반도체 웨이퍼를 수용하기 위한 프로세스 챔버로 불리는 화학 기상 증착챔버에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 프로세스 챔버를 갖는 화학 기상 증착 반응기에 관한 것이다. 프로세스 챔버는 프로세스 챔버내의 반응 가스가 상기 프로세스 챔버로부터 배출되어 상기 반응기의 다른 부분으로 유동하는 것을 방지하기 위한 격리요소를 갖는다. 또한 프로세스 챔버는 개폐작동을 위한 가동요소를 갖는다. 격리요소와 가동요소에는 프로세스 챔버의 격리가 이루어질 수 있도록 특정한 고온용 밀폐수단과 특정한 역류수단이 구비되어 있다. 고온이라 함은 300 ℃ 정도 또는 그 이상, 예를 들어 300 ~ 1500 ℃ 의 온도인 것으로 이해되어야 한다. 본 발명은 갈륨비소 반도체 소자를 제조하는 산업분야에 적용할 수 있다.
도 1 ~ 도 4 에서, 반응기는 거의 원통형으로 수직축선을 갖는다. 반응기에는 예를 들어 약 25cm 의 직경을 가지고 회전형 기판 홀더(4A)(4B)를 지지하는 원형의 밑판(30)이 구비되어 있으며 기판 홀더에는 하나 또는 수 개의 반도체 웨이퍼(5)가 배치된다. 기판 홀더는 밑판(30)의 개방부(32)를 관통하는 회전축(4C)을 갖는다. 당업자에게 잘 알려진 가열 수단(7)이 기판 홀더(4A)를 가열하기 위하여 밑판(30)의 하측에 배치된다. 기판 홀더는 웨이퍼를 수용할 수 있고 공정온도에 견딜 수 있는 흑연과 같은 적당한 물질로 구성된다. 그러나, 흑연은 다공질이어서 반응 가스가 프로세스 챔버로부터 배출될 수 있도록 하는 결점을 갖는다.
이러한 밑판(30)은 반응 가스가 웨이퍼에 접촉될 수 있도록 반응기내에 배치된다. 반응기는 수직축선을 가지고 밑판(30)을 둘러싸고 있는 원통형 동체(19C)로 구성된다. 상기 원통형 동체(19C)의 하측부와 상측부에는 저면판(19A)과 평면상의 커버(28)가 각각 배치된다. 반응기의 냉각영역에서 원통형 동체(19C)는 환상 조인트(21)에 의하여 저면판(19A) 및 커버(28)와 견실하게 결합되며, 저면판(19A)은 원통형 동체(19C)의 수평부분으로 구성되는 것이 좋다. 커버(28)는 밑판(30)을 배치하기 위하여 상승될 수 있다. 이는 실제로 공정과정중에 밑판에 평행하게 놓이며, 이러한 공정시에 반응 가스가 반응 가스 플로우(Φ1A)의 제 1 전구물질(precursor)을 위한 유입구(1A)와 반응 가스 플로우(Φ1B)의 제 2 전구물질을 위한 유입구(1B)를 형성하는 동심원상의 펀넬을 통하여 반응기 내로 도입된다. 가스 플로우는 밑판(30)의 주연방향을 향하여 상기 밑판의 상부에서 방사상으로 이동한다. 반응 가스는 유출구(12)를 통하여 가스 수집기(16)에 의하여 수집되고, 그리고 나서 배출구(40)에서 가스 수집기(16)에 연결된 가스 플레눔(gas plenum)에 의하여 수집된다. 가스 수집기(16)는 밑판(30)의 에지에 배치되며 이 밑판은 링(31) 상에 배치된다.
상기 가스 수집기는 도 5A에서 상세히 설명된다. 이 가스 수집기는 관형이며 환상 상측부(15)와 환상 하측부(14)로 구성되며, 상기 상측부 및 하측부는 측방향 플랜지(17)(18)에 의하여 연결된다. 스크류(13)가 등간격으로 배치되어 플랜지(17)(18)와 함께 상측부(15)와 하측부(14)를 고정한다. 프로세스 챔버(101)는 관형 가스 수집기(16)의 플랜지(18)에 의하여 한정된다. 기판 홀더(4A)를 둘러싸고 있는 플랜지(18)는 등간격을 두고 통공(12)이 형성되어 반응 가스가 프로세스 챔버(101)로부터 배출되어 가스 플레눔 튜브(29)를 향하여 가스 수집기(16)로 안내된다. 도 5B 에서, 가스 공간 튜브(29)는 외측으로 돌출된 종방향 돌기(29B)가 구비된 벽(29A)을 갖는다. 가스 플레눔 튜브(29)는 통공(40)의 내측부(41)와 이 튜브의 벽(29A) 사이의 작은 통공(29C)을 남기고 환상 하측부(14)의 통공(40) 측으로 투입된다. 가스 수집기를 구성하는 금속은 몰리브덴이 좋다. 몰리브덴으로 구성되는 이러한 가스 수집기는 커버 판과 밑판에 큰 힘이 가하여지는 것에 대한 위험이 없고 반도체 웨이퍼의 레벨에서 챔버내의 온도를 견디며 처리가스에 대하여 내성을 갖는 이점이 있다. 서로 직경 방향으로 대향된 두 개의 튜브(29)가 가스를 외부로 배출하기 위하여 가스 수집기(16)의 내부로 연장되는 것이 좋다.
도 1 에 도시된 실시형태에서, 유입구(1B)는 커버(28)에 결합된 연장부(20)를 가짐으로서 반응기의 개폐중에 유입구(1A)(1B)가 커버(28)와 함께 상측으로 들어올릴 수 있으며 이 연장부(20)가 웨이퍼(5)와 기판 홀더(4A)의 직상부 공간을 이루는 실질적인 커버, 즉 커버 판을 구성한다. 밑판(30)과, 연장부(20)로 구성되는 커버 판과, 비다공질의 물질인 석영으로 구성되는 유입구(1A)(1B)는 고온의 공정온도에 견딜 수 있다.
본 발명에 따르면, 격리 수단은 웨이퍼(5)가 배치되는 기판 홀더(4A), 유입구(1A)(1B) 및 가스 수집기(16)를 수용하는 프로세스 챔버(101)로 불리는 제 1 공간인 기판 홀더 및 웨이퍼의 직상부 공간 이외의 다른 반응기 공간으로 반응 가스가 유동하는 것을 방지한다. 상기 방지 수단은 다음과 같이 구성된다.
상기 방지 수단은 외측 링(10)으로 불리는 원통형 격리 요소로 구성된다. 상기 외측 링(10)은 가스 수집기(16)와 웨이퍼(5)가 배치되는 기판 홀더(4A)를 둘러싸고 있으며 밑판(30)과 커버 판(20)에 닿아 반응 가스가 수용된 프로세스 챔버(101)인 제 1 공간이 주연 벽(19A)(19B)내에서 외측 링(10)과 밑판(30) 및 커버 판(20)의 외측에 배치된 제 2 공간(102)과 제 3 공간(103)으로부터 격리되게 한다. 외측 링(10)은 밑판(30)의 에지상에 배치되고 밑판(30)과 연장부 커버(20)에 닿도록 상측 및 하측의 평면부를 갖는다. 이 외측 링(10)은 이녹스(inox)로 구성되는 것이 좋다.
가스 수집기(16)는 격리요소의 필수부분은 아니다. 이는 고온가스가 수집되는 동안에 팽창이 허용될 수 있도록 커버 판(20)에 닿지 않게 밑판(30)의 에지상에 세워진다.
비다공성의 환상 부분(4B)이 다공질의 기판 홀더(4A)와 회전축(4C)에 접착된다. 상기 비다공성의 환상 부분(4B)은 반응 가스가 회전축(4C)이 삽입되는 개방부(32)를 통하여 배출되는 것을 방지하기 위하여 개방부(32)의 직경보다 큰 직경을 갖는다. 실제로, 밑판(30)은 약 300 ℃ 의 온도로 가열 수단(7)에 의하여 가열되므로 요소(4B)는 이러한 온도에 견딜 수 있는 내화금속으로 구성된다. 기판 홀더(4A)의 비다공성 요소(4B)는 프로세스 챔버(101)를 제 3 공간(103)으로부터 격리하도록 밑판(30)에 결합된다.
비반응 가스의 역류(Φ2)는 반응 가스로부터 원격한 영역에서 도입된다. 즉, 유입구(39)를 통하여 주연의 제 1 공간(103)으로 도입된다. 이러한 역류는 공간(102)으로 전파되어 고온용 밀폐수단으로 불리는 특수구조에 의하여 반응 가스의 반대방향에서 프로세스 챔버로 도입된다.
상기 밀폐수단은 상기 언급된 바와 같은 격리수단의 계면들에 있는 작은 그루브(groove) 또는 조면 영역(roughened zone)이다. 밀폐 수단의 구조는 커버 판(20)과 밑판(30)의 계면들에서 외측 링(10)의 평면상 접촉면에 적용된다. 본 발명에 따른 밀폐수단의 구조는 공정가스가 상기 계면들을 통하여 배출되는 것을 방지하고 상기 공정가스가 유출구(12)와 가스 플레눔 튜브(29)를 통하여 강제로 보내질 수 있도록 한다. 이들 밀폐수단은 공정가스가 공간(102)(103)으로 도입되지 않도록 한다. 밀폐수단은 이후에 상세히 설명된다.
예를 들어 외측 링(10)의 상부면과 커버 판(20)사이의 계면들(I)을 고려할 때, 프로세스 챔버의 제 1 공간(101)내에 놓인 공정가스는 외부대기압보다 약간 높은 압력(P1)을 갖는 가스 플로우(Φ1)를 형성하며 이 가스 플로우(Φ1)는 제 1 방향(D1)으로 전파되고 상기 계면들(I)을 통하여 프로세스 챔버(101)로부터 배출되려는 경향을 갖는다. 본 발명에 따른 밀폐수단은 먼저 예를 들어 유입구(39)에 의하여 외측 링(10)의 둘레인 제 1 및 제 3 공간으로 도입되고 압력(P1)보다 약간 높은 압력(P2)을 갖는 불활성 가스의 역류(Φ2)를 형성하는 것으로 구성되며, 이러한 역류(Φ2)는 반대방향인 제 2 방향(D2)으로 전파되어 상기 계면들(I)을 통하여 프로세스 챔버 (101)로 도입되는 경향을 보인다. 불활성 가스의 역류(Φ2)는 포물선 속도를 갖는 층류의 형태로 계면들(I)을 통하여 전파된다. 포물선유동전파에 따라서, 역류의 층류속도는 계면들(I)의 작은 높이의 중간에서 최대가 되는 반면에, 상기 층류속도(V2)는 소위 계면들(I)의 접촉면에서 거의 제로가 된다. 이와 같이 함으로서, 내부 압력(P1)을 갖는 제 1 가스 플로우(Φ1)는 계면들(I)을 통하여 프로세스 챔버(101)로부터 배출되지 않도록 한다. 전문가라면 층류 가스 플로우의 전파가 계면들(I)의 높이(H)에 관련이 있고 가스 플로우와 역류 사이의 압력차에 관련이 있어 역류(Φ2)의 속도(V2)가 이러한 높이(H)의 함수임을 알 수 있을 것이다. 이와 같이, 효과적인 역류가 이루어지도록 하는 필수적인 속도(V2)는 가스 플로우와 역류 사이의 압력차 또는 계면들 높이의 제곱 H2 이 너무 작지 않음을 의미한다. 이미 언급된 바와 같이, 압력차 P2 - P1 는 증착공정을 저해하지 않기 위하여 커서는 아니된다. 또한 계면들의 높이는 증착공정을 저해할 정도로 많은 양의 불활성 가스를 사용하지 않도록 너무 크지 않도록 하는 것이 중요하다. 실제로, 계면들(I)을 통하여 도입되는 불활성 가스의 양이 너무 많아질 수 있으므로 프로세스 챔버의 주연길이는 수개의 웨이퍼를 수용하기 위하여 중요한 것으로 고려되어야 한다.
이들 모든 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 밀폐수단의 구조는 적어도 하나의 두 대향된 접촉면에 일련의 방사상 그루브가 형성되며 상기 그루브를 통하여 챔버(101)로 도입되는 역류(Φ2)를 위하여 상기 그루브는 외측 링의 상부 및 하부면의 방사상 크기와 같은 길이를 따라서 형성된다. 그루브의 깊이와 폭, 그리고 두 인접한 그루브 사이의 폭은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 외측 링(10)의 길이에 대하여 결정되어야 한다. 이를 위하여, 알려진 표준계산방법에 따라서 표준형태의 계산수단에 의하여 수행되고 이들의 적정한 값을 결정할 수 있도록 하는 시뮬레이션이 수행된다. 그루브를 대신하여 고려된 계면들의 접촉면에 조면영역이 이용될 수 있다. 이와 같이, 외측 링의 기능은 격리요소를 구성하고 적당한 역류(Φ2)의 도입이 허용될 수 있는 밀폐수단을 구성하는 것이다.
역류(Φ2)는 방향(D2)에서, 즉 공간(102)으로부터 프로세스 챔버(101)의 내측을 향하는 방향에서, 그루브를 통하여 전파된다. 그러나, 역류(Φ2)의 값에 의하여 그루브를 통하여 전파될 수 없는 가스 플로우(Φ1)는 기존의 계면들(I)을 통하여 그루브 사이로 전파될 수 있다. 만약, 그루브 사이의 폭이 너무 중요하다면, 상기 플로우(Φ1)는 통상적이지는 않지만 공간(102)에 이를 때까지 챔버(101)로부터 계면들(I)의 전 길이를 통하여 전파될 것이다. 이것이 역류(Φ2)와 가스 플로우(Φ1)의 모든 파라미터가 상기 언급된 바와 같이 조심스럽게 계산되어야 하는 이유이다. 그루브의 폭과 그루브 사이의 폭의 비율이 적당할 때, 그루브의 길이를 고려하여 가스 플로우(Φ1)는 계면들(I)을 통하여 챔버(101)로부터 배출되는 것이 더 이상 허용되지 않는 바, 이는 상기 적당한 비율에 의하여 가스 플로우(Φ1)가 그루브의 전체 길이를 통과할 수 없기 때문이다.
도 1 에서, 역류(Φ2)는 유입구(39)에 의하여 도입된다. 이는 가스 플로우(Φ1)와 역류(Φ2)가 유출구(12) 및 가스 플레눔 튜브(29)에 의하여 수집됨을 보이고 있다. 따라서, 가스 플로우(Φ1)는 가스 수집기(16)를 통하여 배출되고 계면들(I)을 통과하지 아니하며 역류(Φ2)가 공정을 방해하지 아니한다.
프로세스 챔버(101)와 외측 링(10)을 둘러싸고 있는 공간(102)(103)을 갖는 반응기에서, 압력차 P2 - P1 은 약 10-5 ~ 103 밀리바로서 압력차가 매우 작다. 폐쇄면 사이에서 계면들(I)의 높이는 약 0 ~ 1 mm, 바람직하게는 0.05 ~ 0.1 mm 로 매우 작다. 그리고, 그루브의 폭과 갚이는 각각 약 1 mm 와 3 mm 이며, 그루브 사이의 폭의 비율은 그루브의 폭의 5 배이다.
도 2 와 도 3 에서 보인 다른 실시형태에서, 반응기는 두 부분, 즉 기판 홀더(4A)의 하측에 배치된 링형의 제 1 밑판 부분(30A)과, 링형의 제 1 밑판 부분(30A), 가스 수집기(16) 및 외측 링(10)을 지지하는 링형의 제 2 밑판 부분(30B)의 두 부분으로 된 밑판으로 구성된다. 링형의 제 2 밑판 부분(30B)은 외측 링상의 웨이퍼와 가스 수집기로의 자유로운 접근이 이루어질 수 있도록 링형의 제 1 밑판 부분(30A)에 대하여 하측으로 이동가능하게 되어 있다.
링형의 제 2 밑판 부분(30B)이 도 3 에서 보인 최하측 위치에 있을 때 웨이퍼측으로 접근할 수 있도록 하기 위하여 게이트 밸브로 불리는 가동 윈도우(19B)에 결합되어 통공(40)이 주연 벽(19C)에 형성되어 있다. 예를 들어, 로버트의 암이 웨이퍼를 다루기 위하여 사용될 수 있다.
링형의 제 1 밑판 부분(30A)과 링형의 제 2 밑판 부분(30B)의 접촉면에는 상기 언급된 바와 같은 밀폐수단이 구비되어 있다.
도 4 에서 보인 다른 실시형태에서, 반응기는 튜브(57)를 도입하기 위하여 각각 외측 링(10)과 가스 수집기(16)에 형성된 통공(55)(58)로 구성된다. 튜브(57)를 통하여, 웨이퍼를 검사하고 예를 들어 이들의 회전속도를 측정하기 위하여 광선이 안내된다. 이러한 광선은 예를 들어 광을 투과하는 윈도우(52)를 통하여 튜브(57)로 도입될 수 있다. 광 투과성 윈도우(52)는 부분(51)에서 주연 벽(19C)에 접착될 수 있다. 튜브(57)를 대신하여 튜브 윈도우로 불리는 광에 대하여 투과성인 고체 물질 피스(56)가 삽입되어 상기 튜브 윈도우의 양측에서 제 2 공간 및 제 1 공간 사이의 압력차에 의하여 생성되는 역류(Φ2)의 작동이 허용될 수 있도록 한다.
이와 같이 본 발명은 예를 들어 갈륨비소 반도체 장치와 같은 반도체 장치를 처리하기 위한 화학 기상 증착 반응기의 제조분야에 적용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 화학 기상 증착 반응기에 있어서,
    웨이퍼(5)를 위한 기판 홀더(4A), 웨이퍼를 처리하기 위해 반응 가스인 제 1 가스 플로우(gas flow)(Φ1)를 형성하는 제 1 유입구(1A, 1B) 및 기판 홀더를 둘러싸고 있는 관형(crown-shape) 가스 수집기(16)를 수용하는 프로세스 챔버(101)로서, 상기 가스 수집기가 중공형 환상 공간(hollow anular space)을 형성하고 반응 가스가 프로세스 챔버로부터 배출될 수 있도록 하는 통공(12)을 갖는 프로세스 챔버(101)와,
    상기 기판 홀더의 하측과 상측에 각각 설치된 밑판(30)과 커버 판(20)과,
    가스 수집기(16)를 둘러싸고 있으며 밑판(30)과 커버 판(20)에 닿아 있는 외측 링(outer ring)(10)을 포함하며,
    프로세스 챔버(101)는 제 1 공간(101)을 형성하되, 밑판(30), 커버 판(20), 외측 링(10) 및 비반응 가스의 제 2 가스 플로우(Φ2)용 유입구(39)에 의하여 상기 제 1 공간(101)을 한정하며,
    제 1 공간(101)은 원통형 주연 벽(cylindrical peripheral wall) (19C), 하측의 수평벽(19A) 및 커버(28)로 한정되는 제 2 공간 및 제 3 공간으로 둘러싸여 있고,
    한 벽은 비반응 가스인 제 2 가스 플로우(Φ2)용 유입구를 포함하며,
    비반응 가스인 제 2 가스 플로우(Φ2)는, 반응 가스인 제 1 가스 플로우(Φ1)가 가스 수집기를 통과하는 것 외에는 프로세스 챔버로부터 빠져나가지 못하게 하기 위한 역류로서 작용함을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    외측 링(10)이 각 커버 판과 밑판에 닿는 평면 형태의 상부면 및 하부면을 가지며,
    상기 상부면과 하부면은 역류(Φ2)로서 작용하는 제 2 가스 플로우가 외측 링과 커버 사이의 계면 및 외측 링과 밑판 사이의 계면을 통과할 수 있도록 하는 그루브(groove) 또는 조면 영역(roughened zone)을 구비함을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    기판 홀더(4A)가 밑판(30)의 통공(32)을 통하여 프로세스 챔버(101)측으로 들어가는 회전축(4C)에 의하여 지지됨을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 회전축(4C)이 밑판(30)의 통공(32)보다 큰 환상 부분(annular part)(4B)에 의하여 기판 홀더(4A)에 연결되고,
    기판 홀더를 회전축에 연결하는 환상 부분(4B)이 기판 홀더보다 다공성(porosity)의 정도가 작은 재료로 구성됨을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    프로세스 온도가 약 300 ~ 1500 ℃ 이고,
    기판 홀더(4A)를 회전축(4C)에 연결하는 상기 환상 부분(4B)이 상기 고온에 견딜 수 있는 물질로 구성됨을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    밑판(30)이,
    기판 홀더의 하측에 배치된 링형의 제 1 내부 밑판 부분(30A)과,
    제 1 내부 밑판 부분(30A), 가스 수집기(16) 및 외측 링(10)을 지지하는 링형의 제 2 주연 밑판 부분(30B)을 포함하며,
    링형의 제 2 밑판 부분(30B)이 웨이퍼의 조작을 위하여 웨이퍼에 대해 자유롭게 접근할 수 있도록 링형의 제 1 밑판 부분(30A)에 대하여 하부 방향으로 이동가능하게 되어 있음을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    주연 벽(19C)은 웨이퍼에 접근할 수 있도록 하는 게이트 밸브(gate valve)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    링형의 제 1 및 제 2 밑판 부분 (30A, 30B)의 접촉면들은 상기 접촉면들 사이의 계면들을 통하여 역류로서 작용하는 제 2 가스 플로우(Φ2)가 통과할 수 있도록 하는 그루브 또는 조면 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    기판 홀더 상의 웨이퍼를 검사하는 광선을 도입하기 위하여, 튜브(57)가 외측 링(10)과 가스 수집기(16)에 각각 형성된 통공(55, 58)을 통하여 삽입됨을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    튜브와 튜브 윈도우의 접촉면에 의해서 제 2 가스 플로우(Φ2)가 역류로서 작용하여 제 1 반응 가스 플로우가 프로세스 챔버(101)로부터 배출되는 것을 방지할 수 있도록, 광선을 투과하는 상기 튜브 윈도우인 고체 물질 피스(56)가 상기 튜브(57)에 삽입됨을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    튜브(57)를 통하여 상기 광선을 도입하기 위하여 광선을 투과하는 윈도우(52)를 원통형 주연 벽(19C)이 포함하는 것을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    가열 수단(7)이 기판 홀더를 가열하기 위하여 밑판의 하측에 제공됨을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    가스 수집기는 환상 상측부(15)와 환상 하측부(14)로 구성되고,
    상기 환상 상측부와 상기 환상 하측부가 측방향 플랜지(17, 18)에 의하여 연결되고 스크류(13)로 함께 고정되며,
    기판 홀더와 대면하는 플랜지는 제 1 반응 가스 플로우를 위한 유출구(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    가스 수집기로부터 가스를 수집하는 가스 플레눔(gas plenum)은 가스 수집기와 밑판의 통공(40) 내로 투입되는 튜브(29)를 포함하고,
    상기 튜브(29)는 역류로서 작용하는 제 2 가스 플로우(Φ2)가 통과할 수 있도록 튜브(29)와 통공(40)의 에지(41) 사이의 공간을 형성하는 돌기(29B)가 구비된 벽(29A)을 가짐을 특징으로 하는,
    화학 기상 증착 반응기.
  15. 삭제
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