KR100940770B1 - 화학기상증착 반응기의 가스공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판 표면의 전 영역에 가스를 균일하게 분사하여 박막을 증착하기 위한 화학기상증착 반응기의 가스 공급장치에 관한 것으로, 내부에 기판을 수용하는 서셉터(2)를 가지고, 적어도 하나의 제1 반응가스 공급부(5)와 적어도 하나의 제2 반응가스 공급부(5')를 가지는 반응기로, 상기 가스 중 적어도 하나 이상의 반응가스는 서셉터(2)의 수평 방향으로 공정 반응기(1) 내부로 공급되고, 상기 가스 중 적어도 하나 이상의 반응가스는 서셉터(2)의 수직 방향으로 공정 반응기(1) 내부로 공급되어 중앙 배기구(8)를 통해서 배기 되도록 되어 있다. 제1 반응가스(6)의 경우 공정 반응기(1)의 상면에 형성된 분사핀(4')을 통하여 공정 반응기(1) 내부로 공급되고, 제2 반응가스(6')의 경우 공정 반응기(1)의 측면에 형성된 분사핀(4)을 통해 반응기(1) 내부로 공급된다.

화학기상증착 반응기, 가스, 샤워헤드, MOCVD, 박막, 가스분사장치

Description

화학기상증착 반응기의 가스공급장치 {GAS INJECTION UNITS OF CHEMICAL VAPOR DEPOSITION CHAMBER}

본 발명은 기판 표면의 전 영역에 가스를 균일하게 공급하여 박막을 증착하기 위한 화학기상증착 반응기의 가스 공급장치에 관한 것으로, 상세하게는 공정 반응기 내부의 전 영역에 걸쳐 반응가스의 공급 균일도 향상을 도모하여 더욱 높은 수준의 박막 성장을 이뤄내도록 함과 아울러 유지보수 또한 용이하도록 반응가스를 서셉터의 수평 방향 및 수직 방향으로 분산시켜 공급하도록 한 화학기상증착 반응기의 가스공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체는 원자재인 기판에 박막 성장, 식각, 금속 전극 증착공정을 진행하면서 소자를 제작하게 된다.

반도체 제조공정 중 박막공정은, 기판에 원하는 단결정 층을 성장하는 것으로 화학기상증착(CVD) 방법을 가장 일반적으로 사용한다. 그 중 가장 일반적인 증착방법은 유기금속 화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)으로, 반응기에 주입된 가스의 열분해와 재반응을 이용하여 가열된 기판 상에 박막을 형성하는 방법으로, 일반적으로 제 1 반응가스와 제 2 반응가스가 공정 반응기 내부로 공급되면서 가열된 서셉터로 인해 열분해와 화학반응을 통하여 기판 위에 박막을 성장시키게 된다.

종래 기술에 따른 화학기상증착 반응기는 도 1에서 보이는 바와 같이, 외부와 격리되어 진공상태를 유지하는 공정 반응기(1; 챔버)와, 공정 반응기(1)의 내부에 설치되어 기판(9)이 안착되는 서셉터(2)와, 서셉터(2)에 안착된 기판(9) 상에 박막을 형성하기 위하여 이종의 가스를 분사하는 가스분사장치(3)로 이루어져 있다.

도 1에 도시된 종래의 가스 분사 장치(3)는 기판(1) 상부에서 1단 또는 2단으로 나눠진 층을 통해서 이종(異種)의 공정 가스들이 공정 반응기(1) 내부로 공급되는 형태를 띠고 있다. 또한, 전 영역에서 고르게 분사된 가스들은 서셉터(2) 외곽을 통하여 공정 반응기(1) 외부로 배기되도록 되어 있다.

이런 장치에서의 가스분사장치(3)의 문제는 상면 분사핀(4')의 관리가 힘들다는 것이다. 가스분사장치(3)의 경우 기판이 대형화함에 따라서 화학기상증착 장비 역시 대형화되고 있는데, 종래 가스분사장치(3)의 경우 상면 분사핀(4)의 개수가 기하급수적으로 증가하게 되고, 이로 인해서 분사핀 전체의 균일도를 맞추기 어렵게 된다.

균일하지 못한 가스 분사는 공정 반응기(1) 내부의 공정 가스의 유동에 영향을 미친다. 이것은 최종적으로 기판 상부에 원하는 막을 원하는 두께로 성장시키지 못하게 된다.

또한, 서셉터 상부의 전 영역에서 고르게 분사된 공정 가스들은 서셉터의 외곽에 형성된 배기구 영역으로 갈수록 유효 단면적이 넓어져서 가스의 유동속도가 느려지게 되는데, 이 경우 증착 과정 중에 발생된 공정 부산물들이 느린 유속으로 인해 서셉터(2) 표면에 떨어지거나 공정 반응기(1) 벽면에 부착되어 반응기를 오염시키는 원인이 된다.

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 공정 반응기의 대형화에 따른 반응기 내부 전 영역에 걸쳐 반응가스의 공급 균일도 향상을 가져옴으로써 더욱 높은 수준의 박막 성장을 이뤄낼 수 있도록 하고, 반응기를 더욱 편리하게 유지보수할 수 있도록 하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반응기 내부에 피처리물인 기판을 수용하는 서셉터를 가지고, 외부에서 반응가스를 공급하여 상기 기판 표면을 증착하는 화학기상증착 반응기에 있어서; 적어도 하나 이상의 제1 반응가스가 서셉터의 수평방향으로 공급되도록 반응기의 측면에 제1 반응가스 공급부가 형성되고, 적어도 하나 이상의 제2 반응가스가 서셉터의 수직방향으로 공급되도록 반응기의 상면에 제2 반응가스 공급부가 형성되며, 상기 서셉터의 중앙에는 반응을 마친 가스가 외부로 배출되는 배기구가 형성된 화학기상증착 반응기의 가스공급장치를 제공한다.

본 발명에 의한 화학기상증착 반응기의 가스공급장치는 서셉터의 측면과 상부에서 분사되는 공정 가스들로 인해서 서셉터의 전 영역에 배치된 기판 위에 반응 가스를 균일하게 공급할 수 있어 박막의 두께 균일도를 향상시킬 수 있고, 반응기의 대형화가 가능하며, 공정 가스들의 공정 부산물을 감소시킴으로써 박막 제조의 재현성 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 화학기상증착 반응기의 가스공급장치를 도시한 것으로, 본 발명은 공정 반응기(1) 내부로 들어가는 공정 반응가스가 공정 반응기(1)의 상면과 측면에 각각 형성된 반응가스 공급부를 통해서 동시에 공급되도록 되어 있다. 즉, 본 발명의 가스공급장치는 적어도 하나 이상의 제 1 반응가스(6)가 제 1 반응가스 공급부(5)와 측면 분사핀(4)을 통해 서셉터(2)의 수평방향으로 측면 냉각수층(7)을 지나 공정 반응기(1) 내부로 유입되도록 되어 있고, 적어도 하나 이상의 제 2 반응가스(6')는 제 2 반응가스 공급부(5')와 상면 분사핀(4')을 통해 서셉터(2)의 수직방향으로 상면 냉각수층(7')을 지나 공정 반응기(1) 내부로 공급되어 서셉터(2)의 중심부에 위치한 배기구(8)를 통해 외부로 배기되도록 되어 있다.

본 발명에서 강기 반응가스 공급부를 형성하는 분사핀 타입으로 형성된 공정 가스의 유로는 기존의 슬롯 타입보다 상대적으로 유속이 빠르기 때문에 공정부산물 에 의한 유로 막힘 현상이 거의 없는 장점이 있다.

또한, 공정 반응기(1)의 측부 및 상부 외벽은 냉각수층(7,7')에 의해 냉각되므로 150℃ 미만으로 유지되고 이와 같은 저온 상태에서는 공정 반응기(1)의 벽면에 증착 반응이 일어나지 않아 공정 반응기의 청결 유지에도 큰 효과가 있다.

도 4에 도시된 바와같이 본 발명에서 상기 상면 분사핀(4')의 위치는 서셉터(2)의 영역에만 한정하여 형성되어 있는데, 이는 서셉터(2) 바깥부분 영역에서 반응가스가 수직 하방으로 분사될 경우 측면에서 수평방향으로 분사되는 반응가스의 흐름과 공급에 영향을 미칠 수 있고, 필요 이상의 가스들이 공급되어 공정 가스의 낭비를 초래할 수 있기 때문이다.

또, 서셉터(2)의 상면에서 분사되는 공정 가스의 경우에는 분사 균일도의 향상을 위해 서셉터(2) 표면과 약 14mm 정도의 최적 거리를 유지하고, 상면 분사핀(4’)간의 간격은 최적 조건인 3 ~ 5mm로 한다.

도 5는 도 4의 Ⅲ부분을 확대도시한 것이고, 도 6은 도 5의 변형예를 도시한 것으로, 이는 측면에서 공급되는 공정 가스가 서셉터(2)에 안치된 기판(9)의 회전에 따른 공정 가스 혼합 효율을 증가 시킬 수 있도록 측면 분사핀(4)의 분사 각도를 기판(9)의 회전방향을 향하도록 형성하거나 또는 이와 반대로 기판(9)의 회전 반대방향을 향하도록 형성할 수도 있다.

한편, 공정 반응기(1) 내부에서 열분해 반응을 완료한 공정 가스들은 서셉터(2) 중심부에 있는 배기구(8)를 통해서 공정 반응기(1) 외부로 배기되도록 되어 있다.

본 발명에 의한 화학기상증착 반응기의 공정가스 공급에 있어서 서셉터(2)의 수평방향으로 공급된 공정 가스들은 중심부로 갈수록 유속이 증가한다. 이것은 종래의 가스분사장치(3)에서 반응을 마친 공정 가스가 서셉터의 외곽으로 배기되도록 구성된 것과는 다르게 본 발명은 서셉터(2)의 측면과 상부에서 분사된 공정 가스가 서셉터(2)의 중심부로 이동할수록 공정 가스가 통과하는 단면적이 줄어들게 된다(V(유속)=Q(유량)/A(단면적)). 이로 인해서 공정 가스들은 서셉터(2)의 중심부로 이동할수록 유속이 점점 더 빨라지게 되는데 이는 공정이 완료된 후 생성되는 공정 부산물이 배기구(8) 부위에 쌓여 배기구(8)가 막히게 되는 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 종래 기술의 가스 공급장치 단면도.

도 2는 본 발명의 화학기상증착 반응기의 가스 분사 장치 단면도.

도 3은 도 2에 도시된 가스 분사 장치의 확대 단면도.

도 4는 본 발명의 화학기상 증착 반응기의 측면 분사핀의 평면도.

도 5는 도 4에 도시된 Ⅲ영역의 평면도.

도 6은 도 5의 변형예를 도시한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명

1 : 공정 반응기 2 : 서셉터

3 : 가스 분사 장치 4 : 측면 분사핀

4' : 상면 분사핀 5 : 제 1 반응가스 공급부

5' : 제 2 반응가스 공급부 6 : 제 1 반응가스

6' : 제 2 반응가스 7 : 측면 냉각수층

7' : 상면 냉각수층 8 : 배기구

9 : 기판

Claims (5)

1. 삭제
2. 반응기 내부에 피처리물인 기판을 수용하는 서셉터를 가지고, 외부에서 반응가스를 공급하여 상기 기판 표면을 증착하는 화학기상증착 반응기에 있어서;

   적어도 하나 이상의 제1 반응가스가 서셉터(2)의 수평방향으로 공급되도록 반응기(1)의 측면에 제1 반응가스 공급부(5)가 형성되고, 적어도 하나 이상의 제2 반응가스가 서셉터(2)의 수직방향으로 공급되도록 반응기(1)의 상면에 제2 반응가스 공급부(5')가 형성되며, 상기 서셉터(2)의 중앙에는 반응을 마친 가스가 외부로 배출되는 배기구(8)가 형성되고, 상기 제1,2 반응가스 공급부(5,5')는 복수의 분사핀(4,4')으로 이루어지되, 상기 분사핀(4,4')의 주변에는 이 분사핀(4,4')을 통해 서셉터(2) 내부로 공급되는 공정가스의 온도 제어 및 반응기(1) 내부의 열에 의한 보호를 위한 냉각수층(7,7')이 형성되며, 상기 제2반응가스 공급부(5')의 분사핀(4')은 서셉터(2)의 영역에만 형성된 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기의 가스 공급장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 제1 반응가스 공급부(5)의 분사핀(4)은 서셉터(2)의 회전방향을 향하거나 회전 반대방향을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기의 가스 공급장치.

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