KR100747940B1 - 화학증착 반응장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 평면으로 연장하는 기판(10)상에 재료의 피복을 화학증착하는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 내화재료로 이루어지고 증착을 위해 필요한 가스혼합물에 의해 소제되는 덕트(6)에 기판(10)을 위치시켜, 상기 덕트(6)가 상기 기판(10)과 상기 기판(10) 평면의 양측에 위치한 제1가열수단(8) 및 제2가열수단(9) 사이에 개재되는 단계와, 상기 제1가열수단(8) 및 제2가열수단(9)에 의해 가열되는 상기 덕트(6)의 열로부터의 복사에 의해 상기 기판(10)을 가열하는 단계를 포함한다.

Description

화학증착 반응장치 및 방법{REACTOR AND METHOD FOR CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION}
본 발명은 기판 상에 재료층을 제조하는 분야에 관한 것으로 더욱 상세하게는 층들, 가능하게는 단결정 층들을 제조하기 위해 기판 상에 재료를 화학증착(CHEMICAL VAPOR DEPOSITION)하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이 방법을 실행하는 반응장치에 관한 것이다.
많은 장치들이, 소위 CVD(Chemical Vapor Deposition) 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 즉, 하나 또는 그 이상의 전구체(precursor)가 유기금속 화합물(organometallic compounds)의 형태로 존재하는 경우)방법에 의해 기판 상에 층을 증착하는 장치로서 이미 알려져 있다.
의도한 적용을 위해 충분히 높은 질을 구비하는 재료의 층을 얻기 위해서 층이 증착되는 기판을 가열하는 것이 필요하다. 일반적으로, 기판은 이 기판과 기판 홀더(holder)사이의 열전도에 의해 가열되는데, 기판홀더는 종종 서셉터(susceptor)로 불리며 이것은 유도가열, 저항가열 또는 램프(lamp)에 의해 발생된 복사에 의해 가열된다.
예를 들면, PCT 국제출원 제 WO96/23913호는 CVD법에 의한 실리콘 카바이드 의 에피택셜 성장(epitaxial growth)용 반응장치를 개시한다. 이 반응장치는 외측챔버와 내측 덕트를 포함한다. 운반가스(carrier gas)와 성장가스(growth gas)는 내측덕트로 흘러갈 뿐만 아니라, 내측 덕트와 외측 챔버 사이에 놓인 공간과 연통할 수 있다. 이러한 반응장치에서는 층들이 적층되어야 하는 기판이 내측 덕트 내의 가스흐름에 위치하게 된다. 이 기판은 서셉터와 코일을 포함하는 가열수단에 의해 가열된다. 서셉터는, 증착시에 기판이 위치하는 내측 덕트의 영역 아래에 위치하게 된다. 서셉터는 내측 덕트 근방에 있거나 내측 덕트와 접한다. 서셉터는 이 영역에서 덕트 벽의 일부를 형성할 수도 있다. 코일은 서셉터의 영역에서 라디오주파수 필드(radiofrequency field)를 발행시켜 서셉터가 이 라디오주파수 필드에 의해 여기될 때 열을 발생하도록 한다.
일본특허 초록 vol.7, No. 251호로부터, 덕트에 위치하는 기판의 어느 측면 상에, 램프로 구성되고 수정(quartz)덕트의 외측에 위치하는 제1, 제2 가열수단을 포함하는, 주로 평면으로 연장하는 기판 상에 재료의 층을 증착하는 반응장치가 알려져 있다.
그러나, 한편으로는 그와 같은 복사에 의한 가열방식의 에너지 균형은 발전기(코일과 램프)와 서셉터 사이의 불량한 결합 때문에 특히 불량하다.
때때로, 기판홀더가 구속되는 수정(quartz)튜브가 가스의 통로용으로 사용되고 이 튜브가 냉각을 위한 물이 순환되도록 하는 이중벽 튜브인 경우에는 에너지 균형은 더욱 악화된다. 그러나, 이것은 유도코일과 서셉터 사이의 결합을 더욱 제한한다.
이와 같이, 이러한 종류의 반응장치를 사용하여 층을 증착하기 위해서는, 종종 1500℃ 보다 높은 온도에서 직경 50mm의 기판에 대한 용량을 구비하는 반응장치에 대하여 종종 10킬로와트(kilowatts)보다 높은 전력을 반응장치에 공급하는 것이 요구된다. 또한, 유도가열은, 고주파 발전기가 사용되는 경우에는 기술과 과다한 크기 때문에 고가의 투자를 요구하게 된다.
반면, 에너지 균형은 기판홀더와 기판 사이의 불량한 열적 결합 때문에 가열의 방식에 상관없이 불량하게 된다. 이것은 기판이 기판홀더에 단순하게 위치하게 될 때, 열 교환이 고체전도에 의해 불량하게 일어나고, 특히, 가스 압력이 상당히 낮으면, 기체 전도에 의해서는 조금 일어나거나 매우 적게 또는 거의 일어나지 않기 때문이며, 서셉터의 복사범위에서 기판이 투명한 경우에는 복사에 의한 열 교환이 거의 일어나지 않는다. 이러한 문제들을 경감시키기 위한 해결책으로는, 가령, 기판을 기판홀더에 접착결합시키거나, 기판 뒤에 흡착 층을 증착하는 것을 들 수 있다. 그러나, 이러한 방안들은 바람직하지 않은 부가적 준비공정을 필요로 하게 되고, 접착결합을 위한 재료 또는 기판의 후면 상에 증착되는 재료들이 증착 반응장치와 이 반응장치에서 생산되는 층을 오염시키게 되며, 이러한 해결방안들이 고온가열에서는 더욱 비효율적이 되고 만다.
본 발명의 목적은 더욱 경제적이며, 특히 종래 기술의 장치에 의해 허용되던 것보다도 에너지 균형이 더욱 양호한, 기판 상에 박막 재료를 증착하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적은 본 발명의 측면 중의 하나인, 운반가스 및 전구체 가스를 공급하여 평면으로 연장하는 기판(10)상에 재료의 층을 증착하는 방법으로서, 내화재료로 이루어지고 증착을 위해 필요한 가스혼합물에 의해 소제되는 덕트(6)에 기판(10)을 위치시켜, 상기 덕트(6)가, 상기 기판(10)과, 상기 기판(10) 평면의 양측에 위치한 제1가열수단(8) 및 제2가열수단(9) 사이에 개재되는 단계와, 상기 제1가열수단(8) 및 제2가열수단(9)에 의해 가열되는 상기 덕트(6)의 열로부터의 복사에 의해 상기 기판(10)을 가열하는 단계를 포함하는 방법에 의해 성취되었다.
이로써, 본 발명에 따른 방법에 의하면, 일반적으로 평면인 기판의 두 주된 면이 가열된다. 제2수단에 의한 증착면의 가열은 이 면으로부터의 복사에 의한 열손실을 보상하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 이 면에 대하여 요망되는 온도는, 제1가열수단에 의해 반대측 면을 덜 가열함으로써 도달된다. 이러한 방식으로, 제1가열수단에서는 좀더 적은 양의 전력을 소모하게 된다. 전체로서, 이렇게 감소된 전력은 제2가열수단에의 소비에 의해 상쇄되지는 않는다. 그러므로, 본 발명에 따른 증착공정은 이미 알려진 증착공정에 비해 더욱 경제적이다.
또한, 기판이 증착을 위해 필요한 기상혼합물에 의해 소제(swept)되는 덕트로서, 기판과, 제1, 제2가열수단 사이에 개재된 덕트에 위치하기 때문에, 기판은 덕트 열로부터의 복사에 의해 가열되고, 덕트 가까이 위치한 가열수단에 의해 가열되며, 덕트에 의해 가열된 가스에 의해서도 가열된다. 이것은 가열수단과 기판사이의 결합을 더욱 향상시킨다. 또한, 덕트는 가스 흐름을 다른 데로 돌리므로 기판 상에서의 재료층의 성장을 저해하는 교란을 제한하게 된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은 상기 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)의 주위에 적어도 하나의 열막이(14,15)를 위치시키는 단계를 더 포함한다.
또한, 바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은 상기 기판(10)의 평면에 수직이고 제1방향을 향하는 온도 기울기를 생성하는 단계를 더 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 방법은 상기 제1방향과 관련하여 온도기울기의 방향을 역전시키는 단계를 더 포함한다. 기울기방향을 선택하거나 수정할 수 있다는 것은 본 발명에 따른 방법에 있어서 매우 유리한 사항이다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 평면으로 연장하는 기판(10)상에 재료의 층을 증착하는 반응장치로서, 상기 기판(10) 평면의 양측에 위치하는 제1가열수단(8), 제2가열수단(9)과, 내화재료로 이루어지고 증착을 위해 필요한 가스혼합물에 의해 소제되며, 상기 기판(10)과 제1가열수단(8) 및 제2가열수단(9) 사이에 개재되는 덕트(6)를 포함하는 반응장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면, 이점들 그리고 목적은 이하의 상세한 설명을 통해 더욱 분명해 질 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 참조부호를 참조하면 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도1은 본 발명에 따른 반응장치의 일 실시예의 중간 종단면을 도시한 개략도.
도2는 도1에 도시된 반응장치의 구성에 사용된 제1가열수단과 덕트의 배열을 도시한 확대사시도.
도3은 덕트가 도1에 도시된 반응장치의 챔버내의 소정위치에 유지되도록 한 구성의 평면도.
도4는 본 발명에 따른 다른 실시예의 중간 종단면을 도시한 개략도.
도5는 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 중간 종단면을 도시한 개략도.
본 발명에 따른 반응장치의 제한되지 않은 실시예가 도1에 도시된다. 반응장치(1)는 튜브(3)로 이루어지는 챔버(2), 이 튜브(3)의 단부 일측에 위치하는 제1차폐판(4) 및 제1차폐판(4)에 대하여 튜브(3)의 반대측 단부에 위치한 출구 크로스(cross, 5)를 포함한다. 전체 반응장치(1)는 밀봉되고 수 MPa의 압력을 지탱할 수 있다. 반응장치(1)의 밀봉은 시일(32,33)에 의해 제공된다.
출구 크로스(5)는 "T"자형 구성요소로 대치될 수 있다.
튜브(3)의 축은 수평방향이다. 덕트(6)는 튜브(3) 내에 위치하고, 이것과 공축관계에 있다. 냉각수단(11)은 튜브(3)의 외측에 위치하고, 튜브(3)를 냉각할 수 있다. 튜브(3)는 스테인레스강으로 만들어진 실린더인 것이 바람직하다.
크로스(5)는 그 출구 중 하나가 펌프시스템에 연결되어 있으므로 고정되는 것이 바람직하다.
출구 크로스(5)는 하측 오리피스와 상측 오리피스를 구비하는 데 이들은 수직방향에서 반경방향으로 대향하고 있다. 이 출구 크로스(5)의 하측 오리피스는, 일정압력으로 가스를 배출하도록 펌프나 저압용 압력조절기 상에 위치하거나, 대기압보다 큰 압력에 대한 압력해제 밸브 상에 위치한다. 이들 장치는 도1에 도시되어 있지는 않다. 출구 크로스(5)의 상측 오리피스는 제2차폐판(26)에 의해 기밀하게 차단된다. 출구 크로스(5)는 튜브(3)에 종방향으로 대향하는 오리피스를 구비한다. 이 오리피스에는 회전경로(rotating passage)가 선택적으로 제공된다. 본 실시예에서는, 이 오리피스가 튜브(3)의 축에 수직인 제3차폐판(27)에 의해 차단된다. 제3차폐판(27)은 덕트(6)내의 광학 측정을 위한 유리창 또는 이동 가능한 거울을 선택적으로 구비한다. 이 제3차폐판(27)은 기판(10)을 반응장치(1)로 인도하거나 취출하도록 하는 기밀하게 밀봉된 포트(28)를 포함한다. 제3차폐판(27)은 또한 가이드(30,31)를 포함한다. 이들 가이드(30,31)는 차폐판(27)의 평면에 수직이고, 이것에 견고하게 고정된다. 이 가이드(30,31)는 도면에 도시되지는 않았으나, 머니퓰레이터(manipulator)를 수평방향으로 가이드하는 역할을 한다. 제3차폐판(27)은 제1전류 리드(current lead,22,23)를 위한 경로를 포함한다. 챔버(2)의 내측을 향해 위치한 제1전류 리드(22,23)의 부분에는 커넥터(24,25)가 제공된다.
덕트(6)는, 제1차폐판(4)에 덕트(6)를 고정하기 위한 수단(35)에 의해 튜브(3)에 위치하여 소정위치에 유지된다. 이로써, 덕트(6)는 튜브(3)와 접촉하지 않도록 소정위치에 유지된다. 이것은 열전도에 의한 소실을 제한하고 열 스트레스(thermal stress)를 피하도록 하게 해 준다.
도2에 도시된 바와 같이, 덕트(6)는, 그 일단에 직사각형의 단면인 협소부(36, narrowing)를 구비하는 튜브형상이다. 이 덕트(6)는 하측벽(37)과 상측벽(38)을 형성하는 두 개의 판을 형성한다. 덕트(6)의 하측벽(37)과 상측벽(38)은 수평이고 증착시에 점유하는 위치에서 기판(10)의 평면에 평행이다. 측벽(39,40)은 종방향으로 덕트(6)를 밀폐하기 위해 하측벽(37)과 상측벽(38)의 종방향 가장자리를 접합한다. 협소부(36)와 동일 측에 위치하는 덕트(6)의 단부는 정사각형의 단면을 구비한다. 덕트(6)의 종축에 수직한 지지판(41)이 제공된다. 이 지지판(41)은 협소부(36)와 동일 측에 위치한 덕트(6)의 입구를 향하는 개구를 구비한다. 지지판(41)은 또한, 결합수단(35)을 이용하여 덕트(6)가 제1차폐판(4)에 고정되도록 하기 위해 구멍을 구비한다. 덕트(6)가 제1차폐판(4)에 고정될 때, 협소부(36)와 동일 측에 위치한 덕트(6)의 입구와 지지판(41)의 개구는 가스입구(7)를 향하여 놓인다. 덕트(6)는 가스입구(7)에서 제1차폐판(4)에 밀봉되는 방식으로 결합된다. 덕트(6)와 제1차폐판(4)사이의 접합부는 예를 들어 고정수단(35)을 사용하여 그라파이트 시일(graphite seal)에 의해 시일된다.
가스입구(7)는 반응장치(1)에 운반가스와 전구체 가스를 공급하는 역할을 한다. 제1차폐판(4)에는 가스경로(44)가 제공되는데, 이 가스경로는 제1차폐판(4)에 의해 형성된 디스크 평면에 수직인 대칭축에 대하여 어긋나있고, 덕트(6)와 튜브(3)사이에 위치한다. 가스경로(44)는 또한 반응장치(1)로 가스를 유도하도록 한다. 가스경로(44)는 반응장치(1)에 포함된 모든 재료에 대하여, 그리고 증착될 재료 및 덕트(6)를 흐르는 가스에 대하여 불활성인 가스를 흐르도록 하는데 이 불활성 가스는 공정으로부터 발생하는 가스가 덕트(6)의 외측의 가열부를 향하여 되돌아오는 것을 방지한다.
바람직하게는, 반응장치(1)의 정상적인 작동 동안의 유출되는 가스물질의 확산을 최소화하도록 선택적으로, 반응장치(1)의 기판(10)상에 증착되도록 의도된 재료의 이전의 피복이 덕트(6) 벽(37,38,39,40)의 내측면상에 증착될 수 있을 지라도, 덕트(6)는 양호한 열전도체, 양호한 전기적 절연체, 고 내화물질이며 화학적으로 안정하고 작동온도에서 낮은 증기압을 갖는 재료로 이루어진다.
또한, 바람직하게는 이러한 재료는 덕트(6)의 벽(37,38,38,40)이 작은 두께를 갖도록 하기 위해 양호한 기계적 강도를 갖는다. 이들 벽(37,38,39,40)의 작은 두께는 열전도에 의한 손실을 최소화하도록 한다.
덕트(6) 재료의 기계적 강도는 협소부(36)의 동일 측에 위치한 그 단부와 지지판(41)에 의해서만 덕트(6)를 지지하도록 할 수 있는 데에 있어서 중요하다.
덕트(6)의 구성재료는 1200℃보다 낮은 온도에서 또는 고 질소농도의 존재로 생산되는 재료의 요구품질을 손상시키지 않는 경우에는 그 보다 높은 온도에서 사용되는 질화붕소인 것이 바람직하다.
고온에 대해서는 덕트(6)는 흑연으로 이루어질 수 있다. 어떤 경우에 있어서는, 다른 경우와 마찬가지로 덕트(6)는 예를 들면, 덕트(6)로 흐르는 가스에 대하여 불활성이고 증착되는 재료에 대하여 오염시키지 않는 내화재료로 이루어지는 2차덕트를 구비하여 최 고온부분(가열수단 앞에 위치된 부분)에 내측으로 정렬될 수 있다. 흑연 또는 질화붕소로 이루어졌던 간에 덕트(6)는 열분해 (pyrolitic) 증착 또는 벽(37,38,39,40)의 다양한 구성판과 지지판(41)을 조립 및/또는 접착결합함으로써 생산될 수 있다. 이 2차덕트는 하나가 있을 때, 연속적인 방식으로 덕트(6)의 내측에 정렬하는 것이 바람직하다. 즉, 판으로 이루어지는 경우에 이들은 연속적이며 이들 판에는 구멍이 없다. 2차덕트는 예를 들면, 텅스텐, 탄탈, 몰리브데늄(molybdenum), 흑연 또는 질화붕소로 이루어진다.
예를 들면, 덕트(6)의 벽의 두께는 대략 1mm 또는 그 이하이고, 덕트(6)의 내측높이는 30mm보다 작은 것이 바람직하며, 덕트(6)의 폭은 기판(10)의 폭과 동일하거나, 동일한 증착시에 처리되는 기판(10)의 폭에 기판 또는 기판(10)과 벽(39,40)사이의 약 1㎝를 더한 합과 동일하다.
협소부(36)에 대응하는 덕트(6)의 부분은 덕트(6)의 총 길이의 약 1/5에 해당한다. 덕트(6)의 일정한 단면부분의 길이는, 사용하기에 바람직한 가장 큰 기판(10)의 직경 또는 길이의 약 5배와 동일하거나, 또는 동일한 작업 시에 증착이 행해지는 기판(10)의 직경 또는 길이의 합의 5배와 동일하다. 기판의 직경 또는 길이에 대응하는 길이 또는 기판들의 직경 또는 길이의 합에 대응하는 길이에 걸쳐 연장하는 덕트(6)의 부분을 이하에서는 증착영역이라 부르겠다.
바람직하게는, 반응장치(1)는 증착영역 근방에 위치하고 기판(10)의 평면의 한 면에 위치하는 제1가열수단(8), 제2가열수단(9)을 구비한다.
바람직하게는, 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)은 노출 저항요소(bare resistive elements)로 이루어진다. 즉, 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)의 구성 재료는 덕트(6)와 튜브(3)의 사이에서 흐르는 가스와 직접 접촉한다.
제1가열수단(8) 또는 제2가열수단(9)에 각각 대응하는 각각의 저항요소는 밴드(band) 즉, 덕트(6)의 하측벽(37)과 상측벽(38)에 평행하고 평평하게 위치한 견고한 판요소 또는 스트립으로 이루어진다(도2). 이 스트립 또는 밴드는 적절한 기하구조를 가지고 있어서 증착영역에서, 증착을 위해 의도된 기판(10)의 면상의 평균온도로부터의 이탈을 최소화한다. 더욱 바람직하게는, 이러한 이탈은 3℃보다 작다. 바람직하게는, 각각의 저항요소는 덕트(6)의 폭에 평행한 방향이며 이 폭에 대략 동일한 치수를 갖는다. 덕트(6)의 길이에 평행한 방향의 각각의 저항요소의 치수는 대략 증착영역의 길이의 두 배와 동일하다. 이것은 증착영역에서의 온도구간의 균일성을 최적화하기 위한 것이다. 바람직하게는, 저항요소의 각각의 밴드 또는 스트립은 튜브(3)의 종축방향에 서로 평행한 밴드로 구성되며, 이들 밴드들은 지그재그의 기하구조를 형성하도록 일단 또는 타단에서 짝을 지어 교호로 상호 접합된다. 나선형 기하구조와 같은 다른 기하구조도 고려될 수 있다.
각각의 저항요소는, 그 두께를 변화시켜 얻어지고 증착영역의 제어된 온도 프로파일(profile)의 형성을 양호하게 하는 종방향의 저항 프로파일을 구비할 수 있다.
각각의 저항요소는 증착영역에서 고 충진계수(high filling coefficient)를 구비하여 그들의 온도가 요망되는 국부온도에서 가능한 상승하지 않고 유지된다.
저항요소의 밴드사이의 간격은 원호 또는 짧은 순회를 피하기에 충분하다. 그러나, 온도영역에서의 수용 가능한 균일성을 유지하기에 충분히 작고, 그 온도는 증착이 일어나는 덕트의 온도보다 훨씬 높게 할 필요는 없다. 바람직하게는, 제1가열수단(8)과 제2가열수단(2)은 240볼트 또는 그 이하의 전압이 공급되고, 더욱 바람직하게는, 100볼트 또는 그 이하 또는 110볼트가 제공된다.
선택적으로, 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)은 상기한 유형의 몇 개의 저 항요소로 각각 이루어진다.
바람직하게는, 저항요소는 작업온도에서 매우 낮은 증기압을 가지고 전기적으로 전도체이며 내화물질의 재료로 제조된다. 이러한 재료는 예를 들면, 흑연, 탄탈 또는 텅스텐과 같은 금속, 또는 그 밖의 내화합금일 수 있으며, 바람직하게는, 고 순도의 흑연일 수 있다.
제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)은 서로 다른 온도로 상승되도록 각각 독립적인 전류가 제공된다. 기판(10)의 평면에 수직인 온도기울기를 또한 생성할 수 있다. 이 기울기는, 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)의 어느 하나에 가해지는 전력을 각각 제어함으로써 양, 음, 0의 값을 가질 수 있다.
제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)은 증착영역의 지역에서 덕트(6)의 외측에 적용될 수 있어서 이들이 각각 하측벽(37)과 상측벽(38)과 접촉할 수 있다. 그러나, 변형예에 의하면, 이들 수단은 덕트(6)의 외측에 각각 위치하여 하측벽(37)과 상측벽(38)의 어느 하나로부터 1mm 내지 3mm의 거리로 될 수 있다. 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)은, 전기적으로 절연체이고 열적으로 전도체인 유지판(retention plate, 12,13)에 의해 하측벽(37)과 상측벽(38)에 대하여 각각 압축된다. 만일 덕트(6)가 전기적으로 절연재료가 아닌 경우에는 전기적 접촉을 피하기 위해 덕트(6)와 제1가열수단(8), 제2가열수단(9)사이에, 특히, 매우 고온을 요하는 경우에는 고온영역에 전기적 절연매개재료를 배치하는 것이 필요하다.
유지판(12,13)은 질화붕소로 이루어지며, 대략 1mm 또는 그 이하의 두께를 갖는다. 유지판(12,13)을 덕트(6)의 가장 차가운 요소의 단부에 구속시켜 질화붕소의 분해와 질소의 형성을 방지하는 것이 특히 바람직하다. 열전대(51)를 수용하도록 설계된 질화붕소 피복(sheaths)은 유지판(12,13)에 접합될 수 있지만, 이들은 상기 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)이 또한 없다.
열전대(51, 도1 내지 도3에 도시되지 않음)는 덕트를 조절하고 증착영역에서의 덕트의 균일성을 제어하기 위해 덕트(6)의 온도를 측정하는 데 사용된다. 이들은 1700℃보다 작은 온도에 대해 사용된다(1700℃보다 높은 온도에 대해서는 광학 고온측정법 또는 어떠한 접촉도 없는 열전대에 의해 온도가 측정되어야 한다). 열전대(51)의 고온접합은 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)에 가능한 근접하여 덕트(6)의 외측에 위치한다.
도2에 도시된 바와 같이, 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9) 및 유지판(12,13)은 크래들(cradle, 16,17)에 의해 덕트(6)에 대하여 서로 유지된다. 각각의 크래들(16,17)은 서로 평행한 두 개의 반(半)디스크로 이루어지고, 이들 디스크는 디스크에 수직인 로드(rod)에 의해 함께 연결된다. 두 개의 반(半)디스크에 의해 이루어지는 디스크의 직경은 튜브(3)의 내경보다는 약간 작다. 두 디스크의 직선 가장자리는 수평면이다. 반(半)디스크의 각각의 직선 가장자리는 유지판(12,13), 제1가열수단(8), 제2가열수단(9) 및 덕트(6)의 높이의 절반을 수용할 수 있는 노치를 포함한다. 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)의 저항요소는 크래들(16,17)에 의해 덕트(6)로부터 고립되어 유지된다.
덕트(6)가 흑연으로 이루어진 경우 즉, 전도체인 경우에는 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)은 견고한 흑연으로 이루어질 수 있다. 이들은 예를 들면, 질화붕소 로 이루어지고 가열수단을 덕트(6)로부터 수mm 만큼 분리시키는 스페이서에 의해 덕트(6)로부터 전기적으로 고립된다. 이 스페이서는 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)의 단부에 고정되므로 과열되지 않는다. 흑연 또는 질화붕소로 이루어진 하나 또는 그 이상의 피복은 내화 또는 전기적으로 절연된 피복 내에서 절연된 열전대를 수용하기 위해 덕트(6)의 면에 고정된다.
덕트(6)의 종축에 평행한 방향의 크래들(16,17)의 치수는 그 방향으로 제1가열수단(8), 제2가열수단(9)의 길이와 대략 대응한다.
이들 크래들(16,17)은 그 종방향을 따라서 덕트(6)의 대략 중앙에 위치한다.
바람직하게는, 크래들(16,17)의 반(半)디스크는 덕트(6)의 저온부분에서 덕트와 접촉한다.
열막이(heat shield, 14,15)는 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)중 어느 한 측상에 위치되며, 제2가열수단(9)의 외측에 있다. 더욱 상세하게는, 열막이(15)는 튜브(3)의 내측벽과 크래들(16,17)을 구성하는 반(半)디스크의 곡선부 사이에 위치한다. 이들은 튜브(3)의 내면 아래로 연장하지만 튜브에 접촉하지 않고 가열영역 둘레에 동심원적으로 연장한다. 또 다른 열막이(14)는 유지판(12,13)과 열막이(15)사이에 위치한다. 이들 열막이(14,15)는 가령 탄탈, 몰리브데늄 등의 두, 세 장의 광택, 반사, 내화재의 얇은 시트들로 이루어진다. 최외각 열막이(14 or 15)는 튜브(3)의 내측벽으로부터 수 밀리미터 가장 가까운 지점에 있다. 덕트(6)와 접촉하는 튜브(3)내의 제1가열수단(8), 제2가열수단(9)과 두 개 또는 세 개의 열막이(14,15)를 가지는 이 종방향 구성은, 실리콘 카바이드의 증착시에 요구되는 복사손실과 같은 고온에서의 상당한 복사손실을 매우 제한한다.
크래들(16,17)의 반(半)디스크는 전기적, 열적으로 절연인 재료로 제조된다. 이와 같이, 열막이(14,15)는 가열수단(8,9)으로부터 그리고 서로에게서 전기적으로 그리고 열적으로 절연되어 있다.
덕트(6), 제1가열수단(8), 제2가열수단(9), 유지판(12,13) 및 이들 구성요소모두를 열막이(14,15)와 함께 지지하는 크래들(16,17)로 이루어지는 조립체는 튜브(3)내에 위치한다. 이러한 조립체는 덕트의 고온부 외측의 가스의 흐름을 제한하고 이로써 열손실을 제한하는 것을 돕는다.
바람직하게는, 두 개의 디스크(18,19)는 크래들(16,17) 및 출구크로스(5) 사이의 튜브(3)의 축에 수직으로 위치한다.
도3에 도시된 바와 같이, 이들 디스크(18,19)에는 직사각형의 중앙 개구가 제공되는 데, 그 면적은 덕트(6)의 단면(라큐나(lacuna))에 대략 대응하여 이들 디스크(18,19)를 덕트(6)상으로 미끄러지게 한다. 이들 디스크(18,19)는 또한 상기 중앙 개구에 수직이고 제2전류 리드(20,21)와 열전대 와이어(51)의 경로로서 구멍을 가진다. 이들 디스크(18,19) 중의 하나인 디스크(19)는 출구크로스(5)에 위치한다. 이들 디스크(18,19)중의 하나인 디스크(18)는 디스크(19)와 크래들(16,17)사이에 위치한다. 이들 디스크(18,19)의 목적은 덕트(6), 제2전류 리드(20,21) 및 열전대(51)의 와이어를 함께 지탱할 뿐만 아니라, 덕트(6)의 내측과 덕트(6), 튜브(3)사이에 놓인 공간 사이의 가스교환을 제한하기 위한 것이다. 그러나, 디스크(18,19)는, 압력이 벽(37,38,39,40)의 어느 한쪽 측 상에서 균형이 이루어지 도록, 덕트(6)의 내측 공간과 덕트(6), 튜브(3)사이에 놓인 공간 사이에 있는 덕트(6)의 출구로부터 유출되는 가스의 경로를 허용하여야 한다. 이와 같이, 압력이 벽(37,38,39,40)의 어느 한쪽 측 상에서 균형이 이루어지도록 함으로써, 벽들이 작은 두께를 가지도록 할 수 있다.
제2전류 리드(20,21)의 쌍은 커넥터(24,25)에 의해 제1전류 리드(22,23)에 연결된다. 열전대(51)는 챔버(2)에 위치한 커넥터를 경유하여 챔버(2)의 외측에 연결된다. 디스크(18,19)는 전기적으로 그리고 열적으로 절연체인 그러나 반드시 고 내화재료일 필요는 없는 재료로 이루어진다.
기밀하게 시일된 포트(28)는 그 폭이 덕트의 그것과 대략 동일한 개구를 덮는다. 이 개구는 덕트(6)의 축상에 위치한다. 이것은 기판(10)이 삽입되거나 제거되도록 하는 것이다. 입구 에어록(air lock)은, 기판(10)을 삽입하거나 제거하는 작업 시에 반응장치가 대기로 다시 새는 것을 방지하기 위하여 제3차폐판(27)에 연결될 수 있다.
기판(10)은 기판홀더(29)에 의해 반응장치(1)에 삽입되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 기판홀더(29)는 양호한 열전도체로 이루어져서 적은 열적관성(thermal inerial)을 가지게 된다. 바람직하게는, 이 기판홀더(29)는, 질화붕소로 이루어지지만 예를 들어 흑연으로 이루어질 수도 있다. 기판홀더(29)는, 가이드(30,31)를 따라 미끄러지는 그립퍼(gripper) 머니퓰레이터에 의해 반응장치(1)에 삽입된다. 이 머니퓰레이터는, 덕트(6)의 축과 공축을 가지는 가늘고 견고한 튜브와, 이 튜브의 내측 상에 나사형성되고 반응장치(1)상에서 수직힌지 주위로 이동하는 두 개의 대칭 그립퍼 요소에 고정된 긴 로드(rod)로 이루어진다. 나사가 형성된 로드의 외측단부는 자유롭게 회전하는 캡티브 너트(captive nut)에 의해 나사결합된다. 너트를 조임으로써 나사가 형성된 로드는 쑥 들어가고 그립퍼는 기판홀더(29)의 수직부분 상에 열적으로 고정된다. 머니퓰레이터는, 기판홀더(29)를 삽입 또는 제거하기 위해서 가이드(30,31)를 따라 이동된다. 덕트(6)가 벽(37)의 내측면에 대하여 마찰하지 않도록 그립퍼가 덕트(6)내측의 소정위치에서 기판홀더(29)를 포착했을 때, 그립퍼가 상승되도록 하기 위해, 캠(cam)이 머니퓰레이터 상에 제공된다.
반응장치(1)를 취역시키기 전에, 반응장치(1)가 바쳐진 지배적 제품의 코팅이, 통상적인 증착온도 이상의 온도에서 완전한 가스제거 공정과, 운반가스를 구비한 완전한 퍼지(purge) 후에 기판(10)과 기판홀더(29)가 없는 상태인 덕트(6)에 증착된다. 이러한 공정 다음에는 기판(10)이 없는 기판홀더(29)상에 유사한 증착이 뒤따른다. 그러면 반응장치(1)는 사용할 수 있는 상태가 된다.
본 발명에 따른 방법과 반응장치의 다양한 변형이 가능하다.
상기한 것들은 저항 제1(8), 제2(9)가열수단이었다. 이러한 유형의 가열수단은 종래의 방법과 반응장치에 비하여 재료와 더 작은 에너지소비의 관점에서 적은 투자로 온도를 1750℃까지 상승시킬 수 있도록 해 준다. 그러나, 가령 유도가열수단, 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)이 덕트(6)의 전체둘레에 위치한 단일의 장치를 형성하는 것 등의 다른 유형의 가열수단(8,9)을 비록 이들이 덜 유익해 보일지라도 고려해 볼 수 있다.
도4는 본 발명에 따른 반응장치(1)의 또 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서는 반응장치(1)가 두 개의 동심원을 이루며 그 공통의 회전축이 수평인 스테인레스강 튜브(3,103)로 이루어진 챔버(2)를 포함한다. 냉매는 이들 튜브(3,103)의 두 벽 사이의 공간에서 흐른다.
엔티스플래시(antisplash) 노즐(50)은 가스입구(7)의 축상에 탑재되어 양호한 가스속력의 균일성을 달성하도록 이바지한다. 가스경로(44)에는 스플래시(splash) 노즐이 선택적으로 제공된다.
기밀 페네트레이션(gastight penetration,62)과 슬라이딩 커플링(sliding coupling,63)을 관통하는 샤프트(61)에 의해 구동되는 메카니즘(60)은 기판(10)을 회전하도록 하여 더욱 균일한 증착을 확실하게 한다.
제3차폐판(27)과 제1차폐판(4)으로의 모든 전기적 결합 그리고 유체결합은 충분히 길고 턱트(6)의 길이의 대략 2배에 걸쳐 이들을 이동시킬 수 있을 정도로 유연하다. 바람직하게는, 상기 결합은 제1차폐판(4)에만 행해질 수 있다.
제1차폐판(4)은 수직 지지체(64)와 수평 지지체(65)를 포함하는 캐리지(carriage)에 고정된다. 수평 지지체(65)는 작동 트랙에 걸쳐 튜브(3)의 축에 평행하게 이동할 수 있지만 도시되어 있지는 않다. 덕트(6)와 그것의 장치들을 포함하는 조립체를 탑재하기 위하여 제1차폐판(4)은 개방되고 튜브(3)는 크로스(5)에 고정되어 남게 된다.
기판(10)을 넣거나 빼기 위하여 제3차폐판(27)을 개방하거나 또는 크로스(5)로부터 튜브(3)를 분리하는 것 사이에 선택이 있다.
기판(10)은, 덕트(6)에 수직평면상의 더욱 큰 돌출영역을 제공하도록, 가스흐름에 대하여 하류측 상에서 몇 도(degree) 상승될 수 있는 흑연기판홀더(29)에 의해 증착영역에 삽입되어 소정위치에 유지된다. 기판홀더는 예를 들면, 림(rim)을 구비하는 디스크로 이루어진다. 바람직하게는, 림은 기판(10)의 높이보다 더 큰 높이를 갖는다. 기판홀더(29)는 이것이 지지하는 기판(10)을 회전시켜 더욱 양호한 증착 균일성을 확실하게 한다. 바람직하게는, 이것은 수평축을 구비하며 샤프트(61)에 고정된 베벨기어로 이루어지는 기계적 트랜스미션에 의해 성취되는데, 샤프트는 반응장치(1)의 외측에 위치한 모터에 의해 다양한 속도로 회전하며, 가능하게는 매 초당 10회까지 이르는 기판회전속력을 제공한다.
도시되지 않은 본 발명에 따른 반응장치의 다양한 변형예에 따르면, 반응장치는 덕트(6)의 종축방향으로 어느 하나가 다른 것에 대하여 어긋남(offset)을 형성하는 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)을 구비한다. 이것은 온도분포가 기판의 전 표면적에 걸쳐 균일하도록 하여 종방향의 온도 프로파일에서의 평평한 부분을 형성하도록 한다.
또 다른 유익한 변형예에 따르면, 기판홀더(29)상의 기판(10)의 중심은, 제1가열수단(8)과 제2가열수단(9)의 영역에서 기판(10)이 영역을 떠나지 않음에도 불구하고 가스의 하류방향을 향하여 쉬프트 된다.
도5에 도시된, 또 다른 변형예에 따르면 제2덕트는 덕트(6)에 도시되지 않은 홈에서의 미끄러짐에 의해 용이하게 삽입, 제거되는 제거가능한 판(70)으로 이루어진다. 이들 판(70)은 기판(10)으로부터 떨어져 있는 증착으로부터 덕트(6)를 보호한다. 이들은 용이하게 유지되며, 공정온도 및 주위의 매체와 양립할 수 있는 흑연, 질화붕소 또는 다른 내화 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
도5에 도시된, 또 다른 변형에 따르면, 온도는, 온도측정수단의 수명을 증가시키도록, 열전대(51)에 의하기보다는 차라리, 덕트(6)에 고정된 피복과 덕트(6)와 제1, 제2가열수단(8,9)사이에 위치한 광학 고온계 섬유(optical pyrometer fiber, 71)에 의해 측정될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은, 종래의 방법과 반응장치에 의해 얻어진 층의 불순물 레벨과 동등한 층의 불순물 레벨을 유지하면서, 상기한 이점들을 성취하는 것이 가능하도록 한다. 본 발명에 따른 방법과 반응장치는 기판(10)상에 실리콘 카바이드 또는 질화알루미늄 층을 성장시키는 데 특히 적절하다.

Claims (21)

  1. 운반가스 및 전구체 가스를 공급하여 평면으로 연장하는 기판(10)상에 재료의 층을 증착하는 방법으로서,
    내화재료로 이루어지고 증착을 위해 필요한 가스혼합물에 의해 소제된 덕트(6)에 기판(10)을 위치시켜, 상기 덕트(6)가, 상기 기판(10)과, 상기 기판(10) 평면의 양측에 위치된 제1가열수단(8) 및 제2가열수단(9) 사이에 개재되는 단계와,
    상기 제1가열수단(8) 및 제2가열수단(9)에 의해 가열되는 상기 덕트(6)의 열로부터의 복사에 의해 상기 기판(10)을 가열하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가열수단(8)과 제2가열수단(9)의 주위에 적어도 하나의 열막이(14,15)를 위치시키는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판(10)의 평면에 수직이고 제1방향을 향하는 온도 기울기를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1방향과 관련하여 온도기울기의 방향을 역전시키는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    반응장치에 포함된 모든 재료에 대하여, 그리고 증착되는 상기 재료 및 상기 덕트(6)로 흐르는 가스에 대하여 불활성인 가스의 흐름을 생성하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  6. 평면으로 뻗은 기판(10)상에 재료의 층을 증착하는 반응장치로서,
    내화 재료로 이루어지는 덕트(6),
    상기 덕트(6) 외부에서 상기 기판(10) 평면의 양측에 위치하는 제1 가열수단(8) 및 제2 가열수단(9), 및
    증착을 위해 필요한 가스혼합물을 상기 덕트(6) 내로 도입하는 수단(7)을 포함하고,
    상기 제1 가열수단 및 제2 가열수단은 노출 저항소자(bare resistive elements)로 이루어지고, 상기 덕트(6)의 하측벽과 상측벽 중 한쪽 또는 양쪽을 가열하도록 서로 독립적으로 전류가 공급될 수 있으며,
    상기 덕트는 상기 제1 가열수단 및 제2 가열수단에 의해 방출되는 복사열을 흡수하고, 상기 기판은 상기 덕트의 열로부터의 복사에 의해 가열될 수 있는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 덕트(6)는 직사각형 단면을 가지고, 수평이고 증착시 점유하는 위치에서 상기 기판(10)의 평면에 평행한 하측벽(37)과 상측벽(38)을 형성하는 두 개의 판을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1가열수단(8)과 상기 제2가열수단(9)의 주위에 적어도 하나의 열막이(14,15)를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 덕트(6), 상기 제1가열수단(8), 상기 제2가열수단(9) 및 각각의 상기 열막이(14,15)로 이루어지는 조립체가 튜브(3) 내에 위치하는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 덕트(6)는 상기 튜브(3)의 소정위치에 유지되어 상기 튜브(3)와 접촉하지 않도록 되는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 덕트(6)의 내측 공간과, 상기 덕트(6)와 상기 튜브(3) 사이에 놓인 공간 사이에서 상기 덕트(6)의 출구를 경유하여 가스가 통하도록 되어 상기 덕트(6)의 상기 하측벽(37), 상기 상측벽(38) 및 측벽(39,40) 상의 압력이 균형잡히게 되는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 덕트(6)의 상기 벽들(37,38,39,40)은 1mm 이하의 두께를 가지는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제1 가열수단(8)과 상기 제2 가열수단(9)은 적절한 기하구조로 상기 하측벽(37)과 상측벽(38)에 평행하고 평평하게 위치한 흑연 스트립 또는 밴드로 이루어져서, 증착을 위하여 의도된 상기 기판(10) 표면상의 평균온도로부터의 이탈이 3℃보다 작도록 한 것
    을 특징을 하는 반응장치.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 제1가열수단(8)과 상기 제2가열수단(9)은 각각 상기 하측벽(37)과 상측벽(38) 중 하나로부터 1mm 내지 3mm의 거리로 각각 상기 덕트(6)의 외측에 위치하는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 제1가열수단(8)과 상기 제2가열수단(9)은 서로 다른 온도로 상승될 수 있는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  16. 제6항에 있어서,
    상기 제1가열수단(8)과 상기 제2가열수단(9)은 상기 덕트(6)의 전면에 걸쳐 위치하는 단일의 가열장치를 형성하는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  17. 제6항에 있어서,
    상기 제1가열수단(8)과 상기 제2가열수단(9)은 증착 영역의 근처에 위치하는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  18. 제6항에 있어서,
    상기 가열수단(8,9)에는 240볼트 이하의 전압이 공급되는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  19. 제6항에 있어서,
    상기 덕트(6)는, 내화재료로 이루어지는 제2덕트와 연속하여 상기 가열수단 앞에 위치된 부분의 내측에 정렬되는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  20. 제6항에 있어서,
    상기 제1가열수단(8)과 상기 제2가열수단(9)은 상기 덕트(6)의 종방향으로 서로에 대하여 어긋나 있는 것
    을 특징으로 하는 반응장치.
  21. 삭제
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