KR100767798B1 - 화학증착장치 및 화학증착방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체막 등에 대한 화학증착장치 및 그 방법에 관한 것으로, 공급기체를 수평반응관에서 기판에 평행한 방향으로 공급하고; 압압기체를 기판에 수직인 방향으로 공급하고; 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작거나, 또는 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙부에서 더 작도록 한다. 상기 장치 및 방법은 대형크기의 기판 또는 다수 기판의 동시조작 혹은 고온에서의 화학증착의 실행에서도, 기판에 대향한 반응관벽 상에 분해물 또는 반응물이 침적되지 않으면서 결정성을 확보할 수 있게 한다.
Description
도 1은 본 발명에 따른 수평반응관으로 구성된 화학증착장치의 한 예를 나타내는 수직단면도;
도 2는 본 발명의 수평반응관으로 구성된 화학증착장치의 한 예를 나타내는 수평단면도;
도 3은 본 발명의 화학증착장치에서 (압압기체의 유량이 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작은 구조로 된) 압압기체 도입부의 한 예를 나타내는 평면도;
도 4는 본 발명의 화학증착장치에서 (압압기체의 유량이 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙부에서 더 작은 구조로 된) 압압기체 도입부의 한 예를 나타내는 평면도;
도 5는 (도 3 및 도 4의 경우외의) 압압기체 도입부의 한 예를 나타내는 평면도;
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 수평반응관 2 : 기판
3 : 서셉터 4 : 히터
5 : 공급기체 도입부 6 : 반응기체 배출구
7 : 압압기체 도입부 8 : 멀티-마이크로포어
9a : 멀티-마이크로포어 밀집부 9b : 멀티-마이크로포어 희박부
9c : 대직경 멀티-마이크로포어부 9d : 소직경 멀티-마이크로포어부
9e : 멀티-마이크로포어부 10 : 압압기체 도입부의 중앙부
11 : 압압기체 도입부의 주변부 12 : 공급기체 통로의 중앙부
13 : 공급기체 통로의 말단부 14 : 공급기체 통로
15 : 분할판 16: 압압기체 통로.
본 발병은 화학증착장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수평반응관에서 공급되는 공급기체의 방향이 실질적으로 기판에 평행하도록 배열된 수평반응관의 기체도입부에 공급기체를 공급하여 반도체막이 열처리된 기판상에서 균일하게 화학증착되도록 하기 위한 화학증착장치 및 이 장치를 사용한 화학증착방법에 관한 것이다.
최근 광통신 분야에서, 광방출 다이오드, 레이저 다이오드 등의 소자로 사용되는 질화갈륨 화합물 반도체에 대한 수요가 급속하게 증가하고 있다. 예를 들어, 질화갈륨 화합물 반도체 제조방법과 같이, 질화갈륨 화합물의 반도체 막이 3족 금속원으로 트리메틸갈륨, 트리메틸인듐 및 트리메틸알루미늄과 같은 유기금속 기체를 사용하고, 질소원으로 암모니아를 사용하여 목적막을 형성하기 위해 반응관에 사전설치된 사파이어류의 기판 상에 화학증착되는 방법이 알려져 있다.
또한 상술한 질화갈륨 화합물 반도체 제조장치에도, 기판 탑재를 위한 서셉터(susceptor)가 설치된 수평반응관, 기판 가열용 히터, 반응관에 공급된 공급기체의 방향이 기판에 평행하도록 배열된 공급기체 도입부 및 반응기체 배출부를 포함하는 화학증착장치를 사용할 수 있다. 상기 수평반응관을 포함하는 화학증착장치는 기판이 반응관의 서셉터 상에 설치된 구조로, 상기 기판을 열처리한 후 공급기체를 함유하는 기체를 기판에 평행한 방향으로 반응기에 공급하여 기판상에 막을 형성하도록 반도체막을 화학증착시킨다.
그러나, 상기 수평반응관에서는 기판 반대편의 반응관의 벽이 고온으로 가열되므로, 공급기체가 근처에서 열분해반응을 겪어, 분해생성물 혹은 반응생성물이 반응관벽에 침적되고 또한 침적된 고체가 기판에 적하되어 결정의 질을 현저히 떨어뜨리는 문제가 야기된다. 따라서, 화학증착 수행시 매회 반응관 내부를 청소해야만 하고 결국, 수평반응관을 구비한 상기 화학증착장치는 보통 생산율이 저하된다.
상기의 문제들을 해결하기 위해, 최근에는 압압기체 도입부가 기판에 대향하는 반응관벽부에 설치되고 캐리어 가스 등의 반응에 영향을 미치지 않는 압압기체는 기판에 대향한 반응관벽 근처에서 일어나는 공급기체의 열분해반응을 방지하기 위해 기판에 수직인 방향으로 반응관 내부에 공급되는 개선된 장치 및 방법을 개발하였다. 개선된 장치 및 방법은 공급기체의 종류와 유량, 가열된 기판의 온도 등에 따라 압압기체의 유량을 적절히 선택적으로 조절함으로써 열분해 생성물 혹은 반응 생성물이 기판 상의 반도체막의 화학증착에 대해 악영향을 미치지 않고, 반응관벽에 침적되는 것을 방지할 수 있는 것이다.
그럼에도 불구하고, 압압기체를 기판에 대향한 반응관벽으로부터 공급하여 열분해 생성물 혹은 반응생성물이 침적되는 것을 방지하는 상술한 방법 및 장치에 있어서, 직각으로 교차하는, 즉 공급기체 및 압압기체를 함유하는 기체를 기판상에서 혼합하는 기체흐름은 고장을 일으키기 쉽고 따라서 흐름을 제어하기가 어렵다. 예를 들어, 대형 기판의 화학증착 실행과정 혹은 동시에 다수 기판을 조작하는 과정에서, 광범위한 기판에 대해 균질한 농도로 공급기체를 공급하기가 어렵다. 더욱이, 상술한 트리메틸갈륨, 트리메틸인듐 혹은 트리메틸알루미늄을 공급기체로 사용하여 화학증착을 실행하는 경우, 기판 가열온도로 1,000 ℃ 이상의 온도가 필요하며 이는 기판 상에 복잡한 기체흐름을 형성하도록 유도하고 따라서 이러한 기체흐름을 제어하기는 어렵다.
일반적으로, 공급기체 함유 기체에 기반한 비교적 소량의 압압기체는 분해 생성물 혹은 반응 생성물이 침적되는 것을 방지하기 불가능하고 반면에 다량의 압압기체는 기판 상에 반도체막의 화학증착에 악영향을 미치게 된다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은 대형 기판의 화학증착 수행 혹은 다수기판의 동시조작이나 고온에서의 조작 경우에도 기판에 대향한 반응관벽에 분해생성물 혹은 반응생성물을 침적시키지 않고 수평반응관을 사용함에 있어서 고품질 결정을 확보할 수 있도록 해주는 화학증착방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 다음의 상세한 설명에서 더욱 명확해질 것이다. 이러한 상황에서, 본 발명자들은 공지기술에 수반된 상기의 문제를 해결하기 위한 연구개발에 집중하였다. 그 결과로써, 기판에 평행한 방향으로 공급기체 함유기체를 공급하고 기판에 수직인 방향으로 압압기체를 공급하는 수평반응기를 사용하여 화학증착하는 것에 있어서, 압압기체 도입부의 중앙부에 있는 압압기체의 유량이 이것의 말단부에서보다 작은 방법 혹은 공급기체 통로의 양측 말단보다 중앙의 압압기체 유량이 작은 방법에 의해, 대형기판의 화학증착 수행 혹은 다수 기판의 동시조작이나 고온에서의 조작을 실행하는 경우라도 기체유동 제어가 촉진되고 따라서 기판에 대한 반도체막 화학증착에 대한 역효과를 일으키지 않으면서 반응관벽에 대한 분해생성물 혹은 반응생성물의 침적이 방지될 수 있다는 것을 발견하였다. 따라서, 본 발명은 상기 지견에 의해 달성되었다.
즉, 본 발명은 반도체막 화학증착장치로서 기판 탑재를 위한 서셉터가 장착된 수평반응관, 기판가열을 위한 히터, 반응관에 공급된 공급기체의 방향이 기판과 실질적으로 평행하도록 배치된 공급기체 도입부, 반응기체 배출부 및 기판에 대향한 반응관벽의 압압기체 도입부를 포함하고, 여기서 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급되는 압압기체의 단위면적당 유량은 압압기체 도입부의 주변부에서 보다 압압기체 도입부의 중앙부에서 더 작게 된 반도체막의 화학증착장치에 관계한다.
또한, 본 발명은 기판 탑재를 위한 서셉터가 장착된 수평반응관, 기판가열을 위한 히터, 반응관에 공급된 공급기체의 방향이 기판과 실질적으로 평행하도록 배치된 공급기체 도입부, 반응기체 배출부 및 기판에 대향한 반응관벽의 압압기체 도입부를 포함하고, 여기서 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급되는 압압기체의 단위면적당 유량은 공급기체 통로의 양말단에서 보다 중앙부에서 더 작게 된 반도체막의 화학증착장치에 관계한다.
또한, 본 발명은 기판을 수평반응관의 서셉터에 탑재하고, 기판을 히터로 가열하고, 기판에 실질적으로 수평인 방향으로 공급기체 함유 기체를 공급하고, 기판에 대향한 반응관벽에 위치한 압압기체 도입부로부터 공급기체를 공급하여 반도체막을 기판 상에 화학증착하는 단계를 포함하고, 또한 압압기체 도입부로부터 반응관으로 공급되는 압압기체의 단위면적 당 유량을 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작게 하는 것을 더 포함하는 화학증착법에 관계한다.
또한, 본 발명은 기판을 수평반응관의 서셉터에 탑재하고, 기판을 히터로 가열하고, 기판에 실질적으로 수평인 방향으로 공급기체 함유 기체를 공급하고, 기판에 대향한 반응관벽에 위치한 압압기체 도입부로부터 공급기체를 공급하여 반도체막을 기판 상에 화학증착하는 단계를 포함하고, 또한 압압기체 도입부로부터 반응관으로 공급되는 압압기체의 단위면적 당 유량을 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙에서 더 작게 하는 것을 포함하는 화학증착법에 관계한다.
본 발명에 따른 화학증착장치 및 방법은 각각 공급기체를 함유하는 기체를 기판에 평행한 방향으로 공급하고, 압압기체를 기판에 수직방향으로 공급하는 수평반응관을 이용하여 화학증착에 적용된다.
본 발명에 따른 화학증착장치는 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작도록 하거나; 또는 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙부에서 더 작도록 하는 화학증착장치이다.
본 발명에 따른 화학증착방법은 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작도록 하거나; 또는 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙부에서 더 작도록 하여 화학 증착을 실행하는 화학증착방법이다.
본 발명에 따른 화학증착장치 및 방법에 있어서, 기판의 종류, 크기, 수, 공급기체의 종류, 유량은 특별히 한정되지 않는다.
그러나, 본 발명의 화학증착장치 및 방법은 공급기체를 광범위한 기판에 걸쳐 균일한 농도로 공급할 수 있는 작업 효과, 특히 지름이 적어도 4인치(약101.6mm)인 대형크기의 기판에 대해 화학증착을 수행하는 경우 또는 6개의 기판에 동시에 화학증착을 수행하는 경우에 작업효과를 충분히 나타내는 특징이 있다. 기판의 재질은 사파이어, SiC, 벌크형 질화갈륨 등이 있다.
또한, 본 발명의 화학증착장치 및 방법은 공급기체의 종류에 따라 1000℃ 또는 그 이상의 온도로 기판을 가열해야하는 화학증착을 실행하는 경우, 기판에 공급될 복잡한 기체흐름을 용이하게 제어할 수 있는 작업효과를 충분히 나타낼 수 있는 특징이 있다. 상기 공급기체를 이용한 화학증착으로는 질화갈륨계 화합물 반도체에 대한 화학증착이 있으며, 이는 3족 금속원으로서 트리메틸갈륨, 트리에틸갈륨, 트리메틸인듐, 트리에틸인듐, 트리메틸알루미늄 또는 트리에틸알루미늄을 사용하고, 질소원으로는 암모니아, 모노메틸히드라진, 디메틸히드라진, 3급-부틸히드라진 또는 트리메틸아민을 사용한다. 본원에서 언급되는 "공급기체를 함유하는 기체" 란 수소, 헬륨, 아르곤, 질소 등의 기체로 희석되어 공급되는 기체를 의미한다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 화학증착장치를 상세히 설명하면 다음과 같다. 이는 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 수평반응관으로 구성된 화학증착장치의 한 예를 나타내는 수직단면도이며; 도 2는 본 발명에 따른 수평반응관으로 구성된 화학증착장치의 한 예를 나타내는 수평단면도이다. 상기 도 1 및 도 2에서, 수평반응관(1)에는 기판(2)과, 기판을 고정시키고 회전시키기 위한 서셉터(3)와, 기판을 가열하기 위한 히터(4)와, 반응관에 공급된 공급기체의 방향이 기판에 실질적으로 평행하도록 배열된 공급기체 도입부(5)와, 반응기체 배출부(6)와, 기판에 대향한 수평반응관벽 상의 압압기체 도입부(7)가 설치된다.
도 1 및 도 2의 화학증착장치에 있어서, 반도체막의 화학증착을 수행하는 경우, 화학증착 반응에 대한 역효과를 일으키지 않는 불활성 기체 등으로 구성된 압압기체를 압압기체 도입부에서 멀티-마이크로포어(8)를 통해 반응관에 공급한다. 상기와 같은 방식에서, 상기 장치는 압압기체가 기판 대향 반응관벽 상에 얇은 기체층을 형성할 수 있게 하며, 동시에 분해 생성물 또는 반응 생성물이 기판 대향 반응관벽 주변에 침적되지 않도록 할 수 있는 구조이다. 상기 기판과 기판 대향 반응관벽 간의 공간은 일반적으로 20mm이하이며, 바람직하게는 10mm이하이고, 5mm이하가 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 화학증착장치는 압압기체 도입부(7)에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 도 2(A)에 도시된 압압기체 도입부의 주변부(11)에서보다 중앙부(10)에서 더 작게 되거나; 또는 상기 유량이 도 2(B)에 도시된 공급기체 통로(14)의 양측 말단(13)에서보다 중앙부(12)에서 더 작게된 수평반응관으로 구성된 장치이다. 본 발명에 따른 장치에서, 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 유량은 일반적으로 압압기체 도입부에 공급된 멀티-마이크로포어(8)의 희박성/밀도, 크기, 배열 또는 조합으로 제어하거나, 또는 다수의 배관을 통해 제어할 수 있다.
압압기체의 단위면적당 유량이 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작은 본 발명은, 상기 유량이 중앙부에서 주변부로 단계적으로 증가하는 경우와 연속적으로 증가하는 경우를 포함한다.
도 3은 압압기체 도입부의 한 예를 나타내는 평면도로 압압기체의 유량이 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작으며, 상기 유량은 도 1에 도시된 멀티-마이크로포어(8)의 희박성/밀도, 크기, 배열 등에 따라 제어된다. 도 4는 압압기체 도입부의 한 예를 나타내는 평면도로 압압기체의 유량이 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙부에서 더 작으며, 상기 유량은 도 1에 도시된 멀티-마이크로포어(8)의 희박성/밀도, 크기, 배열 등에 따라 제어된다. 도 5는 압압기체 도입부의 한 예를 나타내는 평면도로 압압기체의 유량이 도 3 및 도 4에서의 요구를 모두 만족한다. 도 4 및 5에서, 공급기체의 흐름방향은 왼편에서 오른편 및 그의 역방향이다.
도 3 내지 도 5의 압압기체 도입부에 있어서, 압압기체의 유량은 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작거나 또는 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙부에서 더 작으며, 상기 유량은 도 (A) 및 (D)에서 멀티-마이크로포어의 희박성/밀도를 조절하고; (B)에서 멀티-마이크로포어의 크기를 조절하고; (C)에서 이의 배열을 조절함으로써 제어된다. 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 압압기체 도입부는 일반적으로 원형이지만, 특별히 제한되지는 않는다. 멀티-마이크로포어의 분포구조는 일반적으로 원형, 타원 또는 밴드형이지만, 특별히 제한되지는 않는다. 상기 압압기체 도입부상의 멀티-마이크로포어는 다수의 선형 파이프로 구성될 수 있으나, 얇은 기체층의 형성가능성 측면에서 석영유리와 같은 소결압축체가 바람직하다. 석영유리 소결압축체의 기공 크기는 특별히 제한되지는 않으나, 일반적으로 약 0.1 내지 3mm이며, 약 0.3 내지 2mm가 바람직한 것으로, 이는 큰 기공일 경우 멀티-마이크로포어를 통해 기체를 균일하게 통과시키기가 곤란한 반면, 지나치게 미세한 기공은 압력을 저하시키는 경향이 있어 예상되는 기체 유량을 확보할 수 없게 된다.
본 발명의 화학증착장치에서 기판 대향 반응관벽 상에 멀티-마이크로포어가 설치된 위치는 일반적으로 기판의 반대쪽면 상이며, 또한 공급기체 통로의 약간 상류측 또는 상기 통로의 주변부이다. 기판의 하류측으로 멀티-마이크로포어부를 확장함으로써 반응관이 상기 통로의 하류측에서 오염되는 것을 막을 수 있다. 기판의 크기에 거의 상응하는 멀티-마이크로포어부의 크기는 반응관의 형태, 공급기체 등을 함유하는 기체의 유량에 따라 다양하며 특별히 제한되지는 않는다. 일반적으로 상기 크기는 기판면의 0.5 내지 5배이며, 약 1.0 내지 3.5배가 바람직한 것으로, 이는 화학증착 수행동안 기판의 말단면으로 표시되는 최외궤적으로 포위된 영역을 말한다. 이에 따라, 상기 기판면은 서셉터의 외측 직경의 궤적으로 포위된 영역과 거의 동일하다.
계속해서, 본 발명에 따른 화학증착방법은 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 화학증착방법은 상술한 화학증착장치를 이용하여 기판을 화학증착하여 반도체막을 형성하는 방법으로, 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작거나; 또는 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙부에서 더 작다.
압압기체 도입부에서 공급된 압압기체의 유량은, 얇은 기체층을 형성하는데 꼭 필요한 것으로, 일반적으로 기판면과 동일한 크기를 갖는 멀티-마이크로포어부당 유량단위로 표시된 공급기체를 함유하는 기체 유량의 약 1/30 내지 1/3, 바람직하게는 1/10 내지 1/4이다. 압압기체의 유량이 공급기체를 함유하는 기체 유량의 1/30보다 적은 경우 얇은 기체층을 형성하지 못하는 경향이 있어서 분해생성물 또는 반응생성물의 침적 방지 효과를 나타낼 수 없으며, 상기 유량이 공급기체를 함유하는 기체 유량의 1/3보다 큰 경우 기판상의 기체흐름을 방해할 우려가 있다.
본 발명에 따른 화학증착방법에 있어서, 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작은 경우, 상기 중앙부의 압압기체 단위면적당 유량은 일반적으로 상기 주변부 유량의 90%이하이고 50%이하가 바람직하며; 또한 압압기체의 단위면적당 유량이 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙부에서 더 작은 경우, 공급기체 통로의 중앙부에서 압압기체의 단위면적당 유량은 일반적으로 상기 통로의 양측 말단 유량의 90%이하이고 50%이하가 바람직하다.
본 발명에서 사용된 압압기체는 화학증착반응에 영향을 미치지 않는다면 특별히 제한되지는 않으나, 헬륨 및 아르곤과 같은 불활성 기체 외에도 질소 및 수소 중에서 선택될 수 있다.
본 발명의 화학증착방법을 수행하는 데 있어서 온도 및 압력은 특별히 제한되지는 않는다. 그러나, 온도가 600 내지 1400℃이고 압력이 대기압 및 0.1MPa/cm2G 등의 감압 상태일 때도 동작가능하다.
본 발명의 장점 및 작용효과를 요약하면, 상술된 화학증착장치 및 방법을 통해 대형 기판 또는 다수의 기판에 동시에 화학증착을 수행하는 경우, 또한 고온에서 화학증착을 수행하는 경우에도 기판에 대향한 반응관벽 상에 분해생성물 또는 반응생성물의 침적없이 고품질의 결정을 확보할 수 있다.
다음은 본 발명을 실시예와 비교예를 참조하여 보다 상세히 설명한 것으로, 이는 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
실시예 1
<<화학증착장치 준비>>
도 1의 수직단면도와 도 2의 수평단면도에 도시된 바와 같은 구조로, 압압기체 도입부에서 내부 폭이 280mm이며, 내부높이가 20mm이고, 내부길이가 1500mm인 석영으로 된 수평반응관으로 구성된 화학증착장치가 제조된다. 각각 원형인 서셉터 및 히터는 외부지름이 260mm이다. 지름이 2인치(약 50.8mm)인 한 기판은 서셉터의 중앙부에 위치하며, 전체 6개 중 5개의 기판은 기판을 동시처리할 수 있도록 서셉터의 주변부에서 동일한 간격으로 각각 위치한다.
또한, 석영유리 소결압축체를 사용하며 외경이 100mm인 중앙부는 마이크로포어의 수가 적고, 외경이 260mm인 주변부에 마이크로포어가 밀집한 형태의 멀티-마이크로포어부을 갖는 것으로, 밀집한 멀티-마이크로포어부에 대한 희박한 멀티-마이크로포어부의 마이크로포어 밀도비는 1:3이며, 압압기체 도입부의 멀티-마이크로포어부 면적은 기판면 면적의 2.5배인 도 3(A)에 도시된 바와 같이 압압기체 도입부가 제조된다.
<<화학증착 실험>>
상기와 같이 제조된 화학증착장치를 사용함에 따라, 다음 방식으로 GaN 결정의 성장을 지름이 각각 2인치(약 50.8mm)인 사파이어 기판상에 실행한다.
상기 사파이어 기판을 각각 서셉터에 고정하고 반응관의 대기를 수소기체로 대체한 후, 65리터/분의 유량일 때 수소를 공급기체 도입부의 제 1통로(도 1에서 분할판(15) 밑의 통로)를 통해 공급하고, 20리터/분 유량의 수소를 멀티-마이크로포어부를 통해 압압기체 도입부에 공급하면서 기판을 10분간 열처리하여 1150℃로 가열한다.
그 다음, 상기 기판의 반응온도를 500℃ 로 낮추고 안정화될 때까지 방치한다. 그 후, 암모니아와 수소의 혼합기체(40리터/분의 암모니아와 10리터/분의 수소)는 공급기체 도입부의 제 1통로를 통해 공급하고, 트리메틸갈륨을 함유하는 수소기체(240μmol/분의 트리메틸갈륨과 50리터/분의 수소)는 공급기체 도입부의 제 2통로(도 1에서 분할판(15) 위의 통로)를 통해 공급하며, 동시에 50리터/분의 질소는 저온에서 5분동안 GaN의 화학증착을 수행하기 위해 멀티-마이크로포어부를 통해 공급한다.
저온에서 성장층을 형성한 후, 트리케틸갈륨의 공급을 중단하고 온도는 1100℃까지 상승시키며, 상기 층은 안정화될 때까지 방치한다. 그 다음, 트리메틸갈륨을 함유하는 수소기체(240μmol/분의 트리메틸갈륨과 50리터/분의 수소)는 공급기체 도입부의 제 2통로를 통해 다시 공급하며, 동시에 50리터/분의 질소는 서셉터와 기판이 12rpm과 36rpm 으로 각각 회전하는 60분간 GaN의 화학증착을 수행하기 위해 멀티-마이크로포어부를 통해 공급한다. 상기 방식에서, 화학증착을 5번 반복 수행한다.
<<GaN막 등의 분석>>
화학증착을 완료한 후, 기판 대향 반응관벽을 고체접착의 존재여부에 대해 검사한다. 그결과, 고체접착 현상은 발견되지 않았다. 그후 기판을 분리하여 기판의 중앙에서 주변쪽으로의 막두께 분포도를 측정하며, 이때 막 두께의 균일성을 측정하기 위해 화학증착 동안의 기판의 회전을 고려한다. 표 1에는 서셉터의 중앙부에 설치된 하나의 기판 및 그 주변부에 설치된 5개의 기판에 대해 막 두께 및 이의 변화 범위{(최대-최소)/평균}를 측정한 결과가 나타나 있다. 또한, 결정 품질 및 침적막의 전기적 특성을 평가하기 위해, 6개의 기판에 대하여 X-선 회절 {면(002)의 1/2 폭}및 호올(이동성)을 측정한다. 또한 상기 결과는 표 1에 나타나 있으며, 여기에는 주변부의 기판에 대하여 5개 값의 평균을 나타내고, 다음 각각의 실시예에 대해서도 마찬가지로 한다.
실시예 2
석영유리 소결압축체로 제조하고, 외경이 100mm인 중앙부에서 소직경 마이크로포어를, 외경이 260mm인 주변부에서 대직경의 마이크로포어를 갖는 것으로된 멀티-마이크로포어부를 포함하고 이때의 소직경 대 대직경의 비율이 1:2인 도 3(B)의 압압기체 도입부를 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 화학증착장치를 제조했다. 그 다음, 상기의 화학증착장치를 사용하는 것을 제외하고, 화학증착 실험과 GaN 막 평가 등을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 실행한다. 그 결과는 표 1에서 보는 바와 같다.
실시예 3
석영유리 소결압축체로 제조하고 100mm 외경의 중앙부에 멀티-마이크로포어부가 없고 260mm 외경의 주변부에 멀티-마이크로포어부가 있는 도 3(C)의 압압기체 도입부를 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 화학증착장치를 제조했다. 이어서 상기의 화학증착장치를 사용하는 것을 제외하고, 화학증착 실험과 GaN 막 평가 등을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 실행한다. 그 결과는 표 1에 나타나있다.
실시예 4
석영유리 소결압축체로 제조하고 공급기체 통로에서 폭이 60mm인 중앙부의 멀티-마이크로포어의 수가 적고, 외경 260mm의 양측 말단에 멀티-마이크로포어가 밀집한 형태의 멀티-마이크로포어부를 포함하는 도 4(A)의 압압기체 도입부를 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 화학증착장치를 제조했다. 이어서 상기의 화학증착장치를 사용하는 것을 제외하고, 화학증착 실험과 GaN 막 평가 등을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 실행한다. 그 결과는 표 1에 나타나있다.
실시예 5
석영유리 소결압축체로 제조하고 공급기체 통로에서 폭이 60mm인 중앙부에 소직경 마이크로포어가 있고 공급기체 통로에서 외경 260mm의 양측 말단에 대직경 마이크로포어를 갖는 형태의 멀티-마이크로포어부를 포함하는 도 4(B)의 압압기체 도입부를 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 화학증착장치를 제조했다. 이어서 상기의 화학증착장치를 사용하는 것을 제외하고, 화학증착 실험과 GaN 막 평가 등을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 실행한다. 그 결과는 표 1에 나타나있다.
실시예 6
석영유리 소결압축체로 제조하고 공급기체 통로에서 폭이 60mm인 중앙부에 멀티-마이크로포어부가 없고 외경 260mm의 양측 말단에 멀티-마이크로포어부가 있는 도 4(C)의 압압기체 도입부를 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 화학증착장치를 제조했다. 이어서 상기의 화학증착장치를 사용하는 것을 제외하고, 화학증착 실험과 GaN 막 평가 등을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 실행한다. 그 결과는 표 1에 나타나있다.
비교예 1
석영유리 소결압축체로 제조하고 260mm의 외경으로된 전체적으로 균일한 멀티-마이크로포어부를 포함하는 압압기체 도입부를 제조한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 화학증착장치를 제조했다. 이어서 화학증착 장치를 사용하는 것을 제외하고, 화학증착 실험과 GaN 막 평가 등을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 실행한다. 그 결과는 표 1에 나타나있다.
[표 1]
| 압압기체 도입부 | 기판 위치 | 막 두께 (μm) | 변화 범위(%) | 1/2 폭 (arcsec) | 이동성 (cm2/vs) | 고체접착 | |
| 실시예 1 | 도 3(A) | 중앙부 주변부 | 2.48 2.43 | 2 2 | 232 240 | 193.5 178.3 | 없음 |
| 실시예 2 | 도 3(B) | 중앙부 주변부 | 1.74 1.78 | 3 3 | 242 273 | 166.8 136.1 | 없음 |
| 실시예 3 | 도 3(C) | 중앙부 주변부 | 1.72 1.78 | 3 3 | 267 312 | 141.3 134.1 | 없음 |
| 실시예 4 | 도 4(A) | 중앙부 주변부 | 2.76 2.72 | 2 2 | 368 320 | 231.6 230.4 | 없음 |
| 실시예 5 | 도 4(B) | 중앙부 주변부 | 2.61 2.56 | 3 2 | 220 241 | 218.0 220.6 | 없음 |
| 실시예 6 | 도 4(C) | 중앙부 주변부 | 1.62 1.58 | 3 3 | 284 362 | 144.2 140.1 | 없음 |
| 비교예 1 | 균일 멀티-마이크로포어 | 중앙부 주변부 | 1.54 1.47 | 4 5 | 378 446 | 128.1 122.2 | 없음 |
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 화학증착장치 및 방법은 중앙부 또는 주변부의 위치에 의해 영향받지 않고 1000℃이상의 온도를 필요로 하는 GaN 막에 대한 화학증착에서 전기적 특성 및 균일성이 뛰어난 GaN 막을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
Claims (18)
- 반도체막 화학증착장치로서, 기판을 탑재하기 위한 서셉터를 구비한 수평반응관, 기판을 가열할 히터, 상기 반응관에 공급된 공급기체의 방향이 기판과 실질적으로 평행하도록 배열된 공급기체 도입부, 반응기체 배출구 및 기판에 대향한 반응관벽 상의 압압기체 도입부를 포함하고, 상기 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작은 화학증착장치.
- 반도체막 화학증착장치로서, 기판을 탑재하기 위한 서셉터를 구비한 수평반응관, 기판을 가열할 히터, 상기 반응관에 공급된 공급기체의 방향이 기판과 실질적으로 평행하도록 배열된 공급기체 도입부, 반응기체 배출구 및 기판에 대향한 반응관벽 상의 압압기체 도입부를 포함하고, 상기 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙부에서 더 작은 화학증착장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 압압기체 도입부는 중앙부에 마이크로포어의 수가 적고 주변부에 마이크로포어가 밀집한 형태의 멀티-마이크로포어부를 포함하는 화학증착장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 압압기체 도입부는 중앙부에 소직경 마이크로포어가 있고 주변부에 대직경 마이크로포어가 있는 멀티-마이크로포어부를 포함하는 하는 화학증착장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 압압기체 도입부가 주변부에만 멀티-마이크로포어부를 포함하는 화학증착장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 압압기체 도입부는 공급기체 통로의 중앙부에 마이크로포어의 수가 적고 상기 통로의 양측 말단에 마이크로포어가 밀집한 형태의 멀티-마이크로포어부를 포함하는 화학증착장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 압압기체 도입부는 공급기체 통로의 중앙부에서 소직경을 갖고, 상기 통로의 양측 말단에서는 대직경을 갖는 멀티-마이크로포어부를 포함하는 화학증착장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 압압기체 도입부가 공급기체 통로의 양측 말단에만 멀티-마이크로포어부를 포함하는 화학증착장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 서셉터가 다수의 기판이 위에 탑재된 구조로 된 화학증착장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 서셉터가 다수의 기판이 위에 탑재된 구조로 된 화학증착장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 서셉터가 4인치(약 101.6mm)이상의 대형크기의 기판이 위에 탑재된 구조로 된 화학증착장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 서셉터가 4인치(약 101.6mm)이상의 대형크기의 기판이 위에 탑재된 구조로 된 화학증착장치.
- 수평반응관을 위한 서셉터 상에 기판을 탑재하고, 히터로 기판을 가열하고, 공급기체 함유 기체를 실질적으로 기판에 평행한 방향으로 공급하고 또한 반도체막을 상기 기판상에 화학증착할 수 있도록 기판에 대향한 반응관벽상에 설치된 압압기체 도입부로부터 압압기체를 공급하는 단계들을 포함하고, 또한 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 상기 압압기체 도입부의 주변부에서보다 중앙부에서 더 작아지게 하는 것을 더 포함하는 화학증착방법.
- 수평반응관을 위한 서셉터 상에 기판을 탑재하고, 히터로 기판을 가열하고, 공급기체 함유 기체를 실질적으로 기판에 평행한 방향으로 공급하고 또한 반도체막을 상기 기판상에 화학증착할 수 있도록 기판에 대향한 반응관벽상에 설치된 압압기체 도입부로부터 압압기체를 공급하는 단계들을 포함하고, 또한 압압기체 도입부에서 반응관으로 공급된 압압기체의 단위면적당 유량이 상기 공급기체 통로의 양측 말단에서보다 중앙부에서 더 작아지게 하는 것을 더 포함하는 화학증착방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 기판의 최고 가열온도는 1000℃이상인 화학증착방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 기판의 최고 가열온도는 1000℃ 이상인 화학증착방법.
- 제 13 항에 있어서,화학증착처리는 3족 금속원으로서 트리메틸갈륨, 트리에틸갈륨, 트리메틸인듐, 트리에틸인듐, 트리메틸알루미늄 또는 트리에틸알루미늄을, 또한 질소원으로서 암모니아, 모노메틸히드라진, 디메틸히드라진, 3급-부틸히드라진 또는 트리메틸아민을 이용하여 질화갈륨계 화합물 반도체에 대해 수행되는 화학증착방법.
- 제 14 항에 있어서,화학증착처리는 3족 금속원으로서 트리메틸갈륨, 트리에틸갈륨, 트리메틸인듐, 트리에틸인듐, 트리메틸알루미늄 또는 트리에틸알루미늄을, 또한 질소원으로서 암모니아, 모노메틸히드라진, 디메틸히드라진, 3급-부틸히드라진 또는 트리메틸아민을 이용하여 질화갈륨계 화합물 반도체에 대해 수행되는 화학증착방법.
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