KR100943091B1 - Hydride vapor phase epitaxy equipment for gan single crystal growth - Google Patents

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이경하
박기연
김상철
오충석
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Abstract

PURPOSE: A hydride vapor phase epitaxy equipment for GaN single crystal growth is provided to suppress the deposition of a parasite at end of the metal source tube by mounting HCI gas tube inside metal source tube and supplying HCI gas. CONSTITUTION: A metal source tube(150) supplies a metal source to grow gallium nitride single crystal on a substrate at a susceptor. An NH3 gas supply tube(130) supplies NH3 gas. A HCl(hydrogen chloride) gas supply tube(140) is installed inside a reacting furnace. In the metal source inside tube, the HCl gas supply tube(170) is installed independently of the HCl gas supply tube. The end of the HCl gas supply tube is more inner than the metal source tube. The HCl gas supply tube is installed in order not to touch with the metal source tube covering the surrounding.

Description

질화갈륨 단결정 성장을 위한 수소화기상증착기 {Hydride vapor phase epitaxy equipment for GaN single crystal growth}Hydride vapor phase epitaxy equipment for GaN single crystal growth}

본 발명은 질화갈륨 단결정 성장을 위한 수소화기상증착기에 있어, 장비 유지관리 효율의 향상과 양질의 고품위 단결정 성장을 위해 특수한 형태의 메탈 소스 튜브에 관한 것으로, 특히 메탈 소스 튜브 내부에 별도의 내부 HCl 가스 공급 튜브를 설치하여 별도의 HCl 가스를 공급할 수 있으므로 메탈 소스 튜브 끝단의 기생물 증착을 방지할 수 있고 나아가 고품질의 질화물 단결정 성장을 가능하게 한 질화갈륨 단결정 성장을 위한 수소화기상증착기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a metal source tube of a special type for the improvement of equipment maintenance efficiency and high quality single crystal growth in a hydrogen vapor deposition apparatus for gallium nitride single crystal growth. In particular, a separate internal HCl gas inside the metal source tube The present invention relates to a hydrogenation vapor deposition apparatus for gallium nitride single crystal growth, which can prevent the deposition of parasitic metal at the end of a metal source tube, and can supply high-quality nitride single crystal growth by supplying a separate HCl gas.

질화갈륨(GaN)은 3.42eV의 직접 천이형 에너지 밴드갭을 가지는 광대역반도체 물질로서, 원자 간의 큰 결합력으로 인해 뛰어난 열, 화학적 안정성과 높은 열전도성 및 고속의 전자속도를 갖는 특징이 있다. 이러한 물성의 질화갈륨은 광소자를 비롯하여 고온, 고출력 소자용 최적 물질로 이미 십수 년 전부터 주목받아 왔다. Gallium nitride (GaN) is a broadband semiconductor material with a direct transition energy bandgap of 3.42 eV, and has excellent thermal, chemical stability, high thermal conductivity, and high electron velocity due to the large bonding force between atoms. Such a material gallium nitride has been attracting attention for decades as an optimal material for high-temperature, high-power devices including optical devices.

특히, 질화갈륨을 기반으로 하는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 질화인듐(InN)부 터 질화알루미늄(AlN)간의 알로이 시스템(Alloy-system)형성이 용이하여, 에너지 밴드갭을 0.8eV ~ 6.4eV까지 광범위하게 조절할 수 있기 때문에 가시광 영역과 자외선 영역의 발광 다이오드(LED) 및 단파장 광소자인 레이저 다이오드(LD)로의 응용이 활발하게 이루어져 왔다. 이에 따라 최근, 우리나라를 포함한 세계 선진 각국은 LED를 포함한 광산업 시장의 중요성을 깨닫고 국가적 차원에서 육성, 발전시켜 나아가고자 다양한 정책을 전개해 나아가고 있다. 특히, 현재 질화물 반도체 제조장비의 주류를 이루고 있는 MOCVD 장비에 대한 관심이 증폭하고 있으며, 세계 유수 광소자 개발 업체들 간에는 MOCVD장비를 경쟁적으로 확보해 나아가고 있는 상태이다. In particular, group III-V nitride semiconductors based on gallium nitride are easy to form an alloy system between indium nitride (InN) and aluminum nitride (AlN), and the energy band gap is 0.8eV to 6.4eV. Because of the wide range of adjustment, applications to visible light and ultraviolet light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs), which are short wavelength optical devices, have been actively performed. Accordingly, recently, the world's advanced countries including Korea have developed various policies to realize the importance of the mining industry market including LED and to foster and develop at the national level. In particular, interest in MOCVD equipment, which is the mainstream of nitride semiconductor manufacturing equipment, is amplifying, and MOCVD equipment is being secured competitively among the world's leading optical device developers.

한편, 이러한 MOCVD 장비에 대한 관심과 더불어 같이 주목받고 있는 질화물 반도체 성장장비로 HVPE 장비가 있다. 이는 성장률이 매우 낮은 MOCVD의 단점을 극복하고 매우 높은 질화물 반도체 성장률을 구현하여 벌크 단결정 성장을 가능케 하고 있는 유일한 장비로서 현재 세계 유수 기업들과 연구소에서 HVPE를 이용한 질화물 벌크 단결정 성장 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다. 그 이유로는, 현재 광소자 양산을 위해 MOCVD장비에 사용되고 있는 기판은 질화물이 아닌 산화물 기판으로서 서로 다른 물성으로 인해 소자의 특성과 효율 향상에 크게 제한을 받고 있는 실정인 반면, HVPE를 이용한 질화물 벌크 단결정 기판이 가능할 경우 이러한 광소자 시장 판도는 크게 바뀔 것이라는 예측이 지배적이기 때문이다. 국내에서도 기업 연구소와 학교를 중심으로 HVPE를 이용한 질화물 벌크 단결정 성장연구가 수 년 전부터 활발하게 이루어져 왔지만 아직까지 뚜렷한 성과물이 없는 상황이다. 이러 한 이유는 질화물 벌크 단결정 성장이 매우 어렵다는 것이기도 하지만 HVPE 장비 자체가 기존 MOCVD와는 다르게 표준화되어있지 않아, 단순한 개념으로 접근하여 홈 메이드(home-made)방식으로 제작되어 운용되고 있는 이유이기도 하다.On the other hand, the nitride semiconductor growth equipment that is attracting attention together with the interest in such MOCVD equipment is the HVPE equipment. This is the only equipment that overcomes the disadvantages of MOCVD with very low growth rate and realizes very high nitride semiconductor growth rate to enable bulk single crystal growth. Currently, the world's leading companies and research institutes research on nitride bulk single crystal growth using HVPE is very active. ought. For this reason, substrates currently used in MOCVD equipment for mass production of optical devices are oxide substrates, not nitrides. However, the characteristics of the devices and their efficiency are greatly limited due to their different physical properties, whereas nitride bulk single crystals using HVPE are used. This is because the prediction that the optical device market will change significantly if a substrate is available is dominant. In Korea, research on growth of nitride bulk single crystal using HVPE has been actively conducted for several years, mainly in corporate research institutes and schools, but there are no clear achievements. This is because nitride bulk single crystal growth is very difficult, but HVPE equipment itself is not standardized unlike the conventional MOCVD, which is why it is manufactured and operated in a home-made manner with a simple concept.

즉, 도 1에 도시된 일반적인 HVPE 장비에 있어 질화물 반도체 성장을 위한 소스 공급 구조는 매우 중요한 장비 핵심 요소로서 각 연구소마다 오로지 다년간의 경험을 통해 소스 공급 구조를 최적화시켜 나아가고 있는 실정이다. 특히, 메탈 소스(120)와 NH3 가스의 반응은 다양한 부산물을 발생시키므로 HVPE장비 유지관리 측면도 반드시 고려해야 한다. HVPE 내에서 메탈 소스(120)를 공급하는 메탈 소스 튜브(150)와 NH3 가스 공급 튜브(130)는 주로 기판(100)이 놓이는 성장영역 부근에 위치하게 되는데, 두 튜브(130,150)로부터 나오는 소스 가스는 서셉터(110) 상에 놓인 기판(100) 위에서뿐만 아니라 각 소스 튜브, 특히 메탈 소스 튜브(150)의 끝단(160) 부위에서 이미 반응하기 십상이다. 이렇게 석영으로 이루어진 메탈 소스 튜브(150)에서 반응물이 발생한다면 튜브 끝단(160) 부위에 기생 질화물이 증착하기 시작하고 급기야 튜브 안쪽으로 점점 더 많은 증착물이 발생하고 만다. 이렇게 한번 증착된 질화물은 제거하기가 쉽지 않으며 고온에서 가스처리를 통해 에칭처리를 하더라도 튜브 안쪽까지는 완벽하게 제거되지 않는다. 이렇게 잔존해 있는 질화물은 이어지는 후속 성장에 대해 고도의 청정도를 요구하는 단결정 성장에 있어 불순물로 작용하게 되어 그 품질을 매우 심각하게 떨어뜨리는 요인이 된다. 또한, 이러한 상황이 반복된다면 튜브 끝 부분의 석영이 점차 헐어 그 사용 수명이 급격히 짧아지게 되어 또 다른 메탈 소스 튜브로의 교체가 불가피하다. 즉, 장비 유지관리 측면에서의 소모 비용이 매우 크다고 볼 수 있다. That is, in the general HVPE equipment shown in FIG. 1, the source supply structure for nitride semiconductor growth is a very important equipment core element, and each laboratory has been optimizing the source supply structure through many years of experience. In particular, the reaction between the metal source 120 and the NH 3 gas generates various by-products, so the maintenance aspect of the HVPE equipment must also be considered. The metal source tube 150 and the NH 3 gas supply tube 130 for supplying the metal source 120 in the HVPE are mainly located near the growth region in which the substrate 100 is placed. The source from the two tubes 130 and 150 is located. The gas is likely to react already on the substrate 100 overlying the susceptor 110 as well as at the end 160 portion of each source tube, particularly the metal source tube 150. In this way, if a reactant occurs in the metal source tube 150 made of quartz, parasitic nitride starts to deposit on the end portion of the tube 160, and more and more deposits are generated into the tube. Nitride deposited once is not easy to remove, and even if it is etched through gas treatment at high temperature, it is not completely removed until the inside of the tube. The remaining nitride acts as an impurity in single crystal growth, which requires a high degree of cleanliness for subsequent growth, which causes the quality to be severely degraded. In addition, if this situation is repeated, the quartz at the end of the tube is gradually torn down, and its service life is drastically shortened, so that replacement with another metal source tube is inevitable. In other words, it can be seen that the consumption cost in terms of equipment maintenance is very large.

도면 중 부호 140은 반응로의 에칭을 위한 HCl 가스 공급 튜브(또는 HCl 가스 공급 노즐)이다.Reference numeral 140 in the figure denotes an HCl gas supply tube (or HCl gas supply nozzle) for etching the reactor.

한편, 기본적인 질화물 반도체 성장, 특히 질화갈륨 성장에 있어 성장 공정 중에 별도의 HCl 가스를 첨가해 주는 것은 더욱 향상된 막질의 질화갈륨 성장을 가능케 한다고 여러 자료를 통해 보고되고 있다. (대한민국 공개특허 특2002-0037903, 대한민국 공개특허 10-2006-0020376) 즉, 질화갈륨 성장중에 반응로 내에 별도의 HCl 가스를 소량 흘려주면 더욱 균일하고 향상된 품질의 질화갈륨이 성장된다는 것이다. 그러나 기존의 홈 메이드 HVPE 장비에서는 이와 같은 HCl 첨가가 반응로 에칭을 위한 HCl 가스 공급 튜브(140)를 통해 이루어지므로 기판(100) 상에서 성장하는 질화갈륨에 대해 균일한 영향을 줄 수 없는 상황이며 에칭을 위한 HCl가스용 MFC(Mass Flow Controller)는 그 용량이 커서 극소의 사용량이 요구되는 상황에서는 농도 조절 역시 정밀하게 이루어질 수 없다. On the other hand, the addition of a separate HCl gas during the growth process for basic nitride semiconductor growth, especially gallium nitride growth has been reported through a variety of data that can be improved the growth of gallium nitride of the film. In other words, when a small amount of extra HCl gas is flowed into the reactor during gallium nitride growth, gallium nitride of more uniform and improved quality is grown. However, in the conventional home-made HVPE equipment, since such HCl addition is performed through the HCl gas supply tube 140 for etching the reactor, it is impossible to uniformly affect the gallium nitride growing on the substrate 100. MFC (Mass Flow Controller) for HCl gas for its capacity is too large, the concentration can not be precisely controlled in the situation where the minimum amount of use is required.

본 발명의 목적은 HVPE 장비 내에서, 메탈 소스 공급을 위한 메탈 소스 튜브를 질화물 단결정 성장중에 발생하는 기생 반응물로부터 보호·유지하여 그 사용 수명을 더욱 연장할 수 있고, 질화물 단결정 성장 품질을 향상시킬 수 있는 HCl 가스의 첨가 방법을 개선하여 반응 균일도와 유량 정밀도를 향상시켜 고품질의 질화물 단결정 성장을 가능하도록 하는 데 있다.An object of the present invention is to protect and maintain the metal source tube for metal source supply from parasitic reactants generated during nitride single crystal growth in HVPE equipment to further extend its service life and improve the quality of nitride single crystal growth. Improved method of adding HCl gas to improve the reaction uniformity and flow rate accuracy to enable high quality nitride single crystal growth.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반응로 내부의 서셉터 상에 놓인 기판 표면에 질화갈륨 단결정을 성장하기 위하여 메탈 소스가 공급되는 메탈 소스 튜브와, NH3 가스가 공급되는 NH3 가스 공급 튜브(130) 및 반응로 내부의 에칭공정을 위한 HCl 가스 공급 튜브가 구비된 수소화기상증착기에 있어서; 상기 메탈 소스 튜브 내부에 상기 HCl 가스 공급 튜브와는 별도로 HCl 가스 공급 튜브가 장착된 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 성장을 위한 수소화기상증착기를 제공한다.The present invention to attain the above object is achieved with a metal source tube metal source is supplied to grow a gallium nitride single crystal on the surface of the substrate placed on the susceptor within the reactor, NH 3 NH which the gas is supplied 3 gas supply tube 130 and a hydrogenation vapor deposition apparatus equipped with an HCl gas supply tube for an etching process inside the reactor; The HCl gas supply tube is provided inside the metal source tube separately from the HCl gas supply tube to provide a hydrogen vapor deposition for the growth of gallium nitride single crystal.

기존의 HVPE에서는 질화물 성장공정을 진행하고 나면 메탈 소스 튜브의 끝단에 검은색 다결정질의 기생물이 다량 증착하게 되며, 일정한 내경을 갖는 메탈 소 스 튜브의 내부로도 침투하여 그 안쪽 석영면에도 다량 증착해 있어 장비를 장시간 운용할 경우 메탈 소스 튜브 입구가 다소 협소해지게 되는데, 이는 메탈 소스의 튜브의 기체 출구 유속을 다소 빠르게 변화시키는 원인이 되어 전체적으로는 최적 성장공정에서 벗어나 기판에 대한 두께 불균일성을 가져오는 문제점이 야기되었다. In the conventional HVPE, after the nitride growth process, black polycrystalline parasites are deposited on the ends of the metal source tubes, and they penetrate into the inside of the metal source tubes having a constant inner diameter and deposit a large amount on the inner quartz surface. When the equipment is operated for a long time, the metal source tube inlet becomes somewhat narrow, which causes the gas outlet flow velocity of the tube of the metal source to change somewhat faster, which leads to a thickness non-uniformity on the substrate. Problems have arisen.

이러한 기생물을 제거하기 위해서 단결정 성장공정 이후에 반응로 에칭 공정을 진행하는데, 이 공정은 고온의 반응로 내부로 에칭을 위한 HCl 공급 튜브를 통해 다량의 HCl 가스를 주입함으로써 이루어진다. 그러나 이러한 에칭 공정 후에도 메탈 소스 튜브의 끝단에 증착된 기생물은 완벽하게 제거되기가 어려우며 특히, 그 안쪽 즉, 메탈 소스 튜브 내부에 증착된 기생물은 거의 제거되지 않는다. 따라서 그동안의 메탈 소스 튜브의 관리가 매우 어려웠으며 필요시 교체 장착해야 하므로 그 추가비용 또한 적지 않았다.In order to remove such parasites, the reactor etching process is performed after the single crystal growth process, which is performed by injecting a large amount of HCl gas through an HCl supply tube for etching into a high temperature reactor. However, even after such an etching process, the parasites deposited at the end of the metal source tube are difficult to be completely removed, and in particular, the parasites deposited therein, that is, inside the metal source tube, are hardly removed. Therefore, it was very difficult to manage the metal source tube in the past, and the additional cost was also small because it had to be replaced and replaced if necessary.

본 발명에서는 메탈 소스 튜브 내부에 HCl 가스 공급 튜브를 장착한 후 소량의 HCl 가스를 공급하면서 성장공정을 진행한 결과 메탈 소스 튜브 끝단의 기생물 증착률이 많이 감소하였으며 특히, 메탈 소스 튜브 안쪽에는 전혀 증착되지 않아 장시간 운용중에도 안정적인 공정이 가능하였다. 또한, 메탈 소스 튜브 바깥쪽에 증착된 기생물은 반응로 에칭 공정을 통해 완벽하게 제거되었으며, 이로써 메탈 소스 튜브의 평균 사용 수명이 5배 이상 연장되는 효과를 확인하였다. 물론 반응로 에칭 공정간에는 다량의 HCl을 별도의 에칭용 HCl 가스 공급 튜브와 메탈 소스 튜브 내부의 HCl 가스 공급 튜브를 통해 공급하였다. 또한, 질화물 단결정질을 향상시키고자 성장 공정 중 에칭용 HCl 가스 공급 튜브를 통해 별도의 HCl을 공급하던 때와는 달리 내부 에칭용 HCl 가스 공급 튜브를 통해 소량의 HCl을 공급하는 것이 표면 균일도와 그 효율 면에서 더욱 안정적이었다. 막질 역시 크게 향상되어 10㎛ 두께의 GaN/사파이어 단결정층의 결정성이 약 220arcsec(ω-scan, 002 peak FWHM)에 이르러, 기존대비 약 80arcsec 향상되는 결과를 확인하였다.In the present invention, as a result of the growth process while mounting the HCl gas supply tube inside the metal source tube and supplying a small amount of HCl gas, the deposition rate of the parasitic gas at the end of the metal source tube was greatly reduced, and in particular, no deposition inside the metal source tube. As a result, stable process was possible even during long time operation. In addition, the parasitic deposited on the outside of the metal source tube was completely removed through the reactor etching process, thereby confirming the effect of extending the average service life of the metal source tube by more than five times. Of course, a large amount of HCl was supplied between the HCl gas supply tube for etching and the HCl gas supply tube inside the metal source tube between the reactor etching processes. In addition, unlike in the case where a separate HCl is supplied through the etching HCl gas supply tube during the growth process to improve the nitride monocrystalline, supplying a small amount of HCl through the internal etching HCl gas supply tube requires surface uniformity and its It was more stable in terms of efficiency. The film quality was also greatly improved, and the crystallinity of the GaN / sapphire single crystal layer having a thickness of 10 μm reached about 220 arcsec (ω-scan, 002 peak FWHM), which is about 80 arcsec improved.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments that do not limit the present invention will be described in detail.

도 2는 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 성장을 위한 수소화기상증착기의 일례를 도시한 것으로, 반응로 내부의 서셉터(110) 상에 놓인 기판(100) 표면에 질화갈륨 단결정을 성장하기 위하여 메탈 소스(120)가 공급되는 메탈 소스 튜브(150)와, NH3 가스가 공급되는 NH3 가스 공급 튜브(130) 및 반응로 내부의 에칭공정을 위한 HCl 가스 공급 튜브(140)가 구비된 수소화기상증착기에 있어서, 상기 메탈 소스 튜브(150) 내부에 상기 HCl가스 공급 튜브(140)와는 별도로 에칭용 HCl 가스 공급 튜브(170)가 장착되어 있다. Figure 2 shows an example of a hydrogen vapor deposition for the growth of gallium nitride single crystal according to the present invention, a metal source for growing a gallium nitride single crystal on the surface of the substrate 100 placed on the susceptor 110 in the reactor Hydrogenation vapor deposition machine equipped with a metal source tube 150, 120 is supplied, NH 3 gas supply tube 130 is supplied with NH 3 gas and HCl gas supply tube 140 for the etching process inside the reactor In the metal source tube 150, the HCl gas supply tube 170 for etching is mounted separately from the HCl gas supply tube 140.

도 2에 도시된 것은 수직형 HVPE로서 이에 적용되는 새로운 형태의 메탈 소스 공급 튜브가 도시되어 있는데, 이는 기존의 메탈 소스 튜브(150) 내부에 별도의 HCl 가스 공급 튜브(170)가 장착되어 있다.2 is a vertical HVPE, and a new type of metal source supply tube applied thereto is illustrated, which is equipped with a separate HCl gas supply tube 170 inside an existing metal source tube 150.

장착된 HCl 가스 공급 튜브(170)는 메탈 소스 튜브(150)와 독립적으로 구분 되어 있으며 별도의 MFC를 통해 공급되는 가스의 유량을 정밀하게 조절할 수 있다. HCl 가스 공급 튜브(170)의 끝단은 메탈 소스 튜브(150) 끝단으로부터 수 cm 안쪽에 위치하게 하였으며, 그 주위를 감싸는 메탈 소스 튜브(150)와 접촉하지 않는다. The mounted HCl gas supply tube 170 is separated from the metal source tube 150 and can precisely adjust the flow rate of the gas supplied through a separate MFC. The end of the HCl gas supply tube 170 is positioned a few cm inward from the end of the metal source tube 150, it does not contact the metal source tube 150 surrounding the surrounding.

먼저, 기존의 HVPE 메탈 소스 튜브(150) 및 인렛 플랜지(F; Inlet flange)를 도 2와 같이 내부 HCl 가스 공급 튜브(170)를 장착할 수 있도록 개조하여야 하는데, 이때 주의해야 할 점은 NH3 가스 공급 튜브(130), 에칭용 HCl 가스 공급 튜브(140)의 장착부분을 같이 고려해야 하며, 석영 노즐과 금속 플랜지 간의 이격 없는 견고한 밀착이 이루어져야 한다는 것이다. 즉, 필요에 따라 오-링이나 테플론 링을 사용할 수 있으며 이를 위해서 금속 플랜지의 냉각수 가동이 필요할 수 있다. First, the existing HVPE metal source tube 150 and the inlet flange (F; Inlet flange) should be modified to mount the internal HCl gas supply tube 170 as shown in Figure 2, it should be noted that NH 3 The mounting portion of the gas supply tube 130 and the etching HCl gas supply tube 140 should be considered together, and a tight contact between the quartz nozzle and the metal flange should be made without separation. In other words, O-rings or Teflon rings can be used as needed, which may require cooling of the metal flanges.

내부 HCl 가스 공급 튜브(170)의 직경은 메탈 소스 튜브(150) 직경의 약 1/4 정도가 적당하나 꼭 정해진 것은 아니다. 그러나 메탈 소스 튜브(150) 내 메탈 소스 가스의 흐름을 방해하는 정도로 커서는 안 된다.The diameter of the inner HCl gas supply tube 170 is about 1/4 of the diameter of the metal source tube 150 is suitable, but not necessarily defined. However, it should not be large enough to disturb the flow of the metal source gas in the metal source tube 150.

또한, 내부 HCl 가스 공급 튜브(170)의 길이는 장착하였을 경우 메탈 소스 튜브(150)의 끝단(160) 내측으로 약 8cm 안쪽에 위치하도록 하는 것이 바람직하나 꼭 정해진 것은 아니다. 단지 메탈 소스 튜브(150)의 끝단(160)과 비슷한 위치에 놓이면 성장 공정시 내부 에칭용 HCl 공급 튜브(170) 상에도 성장 기생물이 증착할 수 있어 이를 피해야 한다. 외부의 NH3 가스 공급 튜브(130)의 길이는 메탈 소스 튜브(150)의 길이보다 더 짧아야 한다. 만약 두 튜브의 길이가 비슷하거나 NH3 가스 공급 튜브(130)가 더 길다면 오히려 NH3 가스 공급 튜브(130) 상에 성장 기생물이 증착하게 되며 이는 역시 제거하기가 매우 어렵다. 즉, 기생증착물이 발생하더라도 내부에 HCl 가스 공급 튜브(170)가 장착되어있는 메탈 소스 튜브(150)를 길게 두는 것이 장비 유지관리 측면에서도 더욱 유리하다. 마지막으로 반응로 에칭을 위한 HCl 가스 공급 튜브(140)는 NH3 가스 공급 튜브(130)보다 더 짧은 것이 좋다. 왜냐하면, 성장공정 후의 에칭은 반응로 내부 전체에 걸쳐 이루어져야 하므로 NH3 가스 공급 튜브(130)를 포함할 수 있도록 해야 하기 때문이다. In addition, the length of the internal HCl gas supply tube 170 is preferably located about 8 cm inside the end 160 of the metal source tube 150 when it is mounted, but is not necessarily defined. If only the position similar to the end 160 of the metal source tube 150, growth parasites may be deposited on the internal etching HCl supply tube 170 during the growth process, and should be avoided. The length of the outer NH 3 gas supply tube 130 should be shorter than the length of the metal source tube 150. If the two tubes are similar in length or the NH 3 gas supply tube 130 is longer, growth parasites will deposit on the NH 3 gas supply tube 130, which is also very difficult to remove. That is, even if parasitic deposits occur, it is more advantageous in terms of equipment maintenance to keep the metal source tube 150 having the HCl gas supply tube 170 mounted therein longer. Finally, the HCl gas supply tube 140 for the reactor etching is preferably shorter than the NH 3 gas supply tube 130. This is because the etching after the growth process has to be performed throughout the inside of the reactor so that the NH 3 gas supply tube 130 can be included.

상기에 기술한 내용은 도 2의 수직형 HVPE에만 국한된 것이 아니라 도 3에서와 같이 일반적 형태의 수평형 HVPE에서도 동일하게 적용 가능하다. 오히려 각 석영 튜브의 무게를 지탱해야하는 구조물이 없어도 되므로 수직형 HVPE 보다 더 간단한 인렛 플랜지 가공으로 내부 노즐을 장착할 수 있다. The above description is not limited to the vertical HVPE of FIG. 2 but is equally applicable to a horizontal type HVPE of a general type as shown in FIG. 3. Rather, there is no need for a structure that must support the weight of each quartz tube, allowing the installation of internal nozzles with simpler inlet flange machining than with vertical HVPE.

일반적으로 HVPE를 통한 질화물 반도체 성장에 있어 대표적인 공정은 도 4 및 도 5에 기술된 바와 같다. 이에 따른 구체적인 실시 예를 기술하자면, 최초 준비된 HVPE 장비(반응기)내의 서셉터(110)에 기판(100)을 장입한다(S200). 메탈 소스를 위한 온도와 성장을 위한 반응로 온도가 초기 설정한 온도에 이르면 적절한 시간 동안 (S210)과 같이 가스 전처리를 해주는데 그 처리 순서가 꼭 정해진 것은 아니다. 단지, NH3 가스뿐만 아니라 HCl 가스도 기판 전처리에 사용되는데, 이때 HCl 가스를 내부 HCl 가스 공급 튜브(170)를 통하여 투입하게 되면 기판에 대해 보 다 직접적이고 균일하게 반응할 수 있으므로 향상된 효율의 전처리가 이루어진다. In general, a representative process for nitride semiconductor growth via HVPE is as described in FIGS. 4 and 5. According to this specific embodiment, the substrate 100 is loaded in the susceptor 110 in the HVPE equipment (reactor) prepared for the first time (S200). When the temperature for the metal source and the reactor temperature for growth reaches the initial set temperature, the gas pretreatment is performed for a suitable time as shown in (S210). However, not only NH 3 gas but also HCl gas is used for pretreatment of the substrate. In this case, when HCl gas is introduced through the internal HCl gas supply tube 170, the reaction can be directly and uniformly reacted with the substrate more efficiently. Is done.

NH3 가스는 HCl 가스에 비해 매우 가벼운 기체이므로 비대칭적 노즐을 사용하더라도 균일도에 크게 영향을 미치지는 않는다. 기판 전처리 후 내부 HCl 가스 공급 튜브(170)의 HCl 가스공급을 중단하고 메탈 소스 튜브(150)를 통해 소스 HCl 가스를 공급하면 메탈 소스(120)와 반응하여 염화금속물을 형성하게 되며(S230), 이 염화 금속물이 메탈 소스 튜브(150)의 끝단(160)을 통해 기판(100)에 이르러 질화물 단결정 성장의 금속 소스로 작용하게 된다. 또한, 더욱 향상된 막질의 단결정 성장을 위해 성장 중 더미(dummy) HCl 가스의 공급이 필요할 수 있다. 이때는 도 5의 (S220)과 같이 질화물 반도체 성장을 위한 HCl(메탈 소스 튜브(150)를 통함)과 더미(dummy) HCl(내부 HCl 가스 공급 튜브(170)를 통함)을 동시에 공급하여 진행하면 종래 방식보다 더욱 균일하고 향상된 막질의 질화물 단결정을 얻을 수 있다. 이렇게 공정을 진행할 경우 메탈 소스 튜브(150) 내부에는 기생 성장물이 전혀 발생하지 않으며 메탈 소스 튜브(150) 외부에 소량 발생하는 수준이다. 이러한 상태는 공정 후 진행될 반응로 에칭을 통해 단시간 동안 완벽하게 제거될 수 있다. 이러한 개념의 공정 진행은 도 2의 수직형 HVPE 뿐만 아니라 도 3의 수평형 HVPE에서도 동일하게 적용될 수 있으며 이에 따라 HVPE 반응로 유지 관리 역시 더욱 효율적으로 이루어질 수 있다.NH 3 gas is very light compared to HCl gas, so even using an asymmetrical nozzle does not significantly affect the uniformity. After the substrate pretreatment, the HCl gas supply of the internal HCl gas supply tube 170 is stopped and the source HCl gas is supplied through the metal source tube 150 to react with the metal source 120 to form a metal chloride (S230). The metal chloride reaches the substrate 100 through the end 160 of the metal source tube 150 to serve as a metal source of nitride single crystal growth. In addition, it may be necessary to supply a dummy HCl gas during growth for more improved single-crystal growth of the film. In this case, as shown in (S220) of FIG. 5, when the HCl (through the metal source tube 150) and the dummy HCl (through the internal HCl gas supply tube 170) for the growth of the nitride semiconductor are simultaneously supplied and proceeded, More uniform and improved film quality nitride single crystals can be obtained than the conventional method. In this case, the parasitic growth does not occur at all in the metal source tube 150 and a small amount is generated outside the metal source tube 150. This state can be completely removed for a short time through the etching of the reactor to proceed after the process. The process of this concept can be equally applied not only to the vertical HVPE of FIG. 2 but also to the horizontal HVPE of FIG. 3, and thus the maintenance of the HVPE reactor can be made more efficient.

도 1은 종래의 수평형 HVPE 반응로의 구성도,1 is a block diagram of a conventional horizontal HVPE reactor,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 HVPE 반응로의 구성도,2 is a block diagram of a vertical HVPE reactor according to an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수평형 HVPE 반응로의 구성도,3 is a block diagram of a horizontal HVPE reactor according to another embodiment of the present invention,

도 4는 HVPE를 이용하여 사파이어 기판위에 질화갈륨을 성장하기 위한 기본 공정도,4 is a basic process diagram for growing gallium nitride on a sapphire substrate using HVPE,

도 5는 HVPE를 이용하여 사파이어 기판위에 향상된 특성의 질화갈륨을 성장하기 위한 개선된 공정도이다.5 is an improved process diagram for growing gallium nitride of improved properties on sapphire substrates using HVPE.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawing

100 : 기판(사파이어) 110 : 서셉터100: substrate (sapphire) 110: susceptor

120 : 메탈 소스(예 : 갈륨 금속)120: metal source (e.g. gallium metal)

130 : NH3 가스 공급 튜브(또는 NH3 가스 공급 노즐)130: NH 3 gas supply tube (or NH 3 gas supply nozzle)

140 : HCl 가스 공급 튜브(또는 HCl 가스 공급 노즐)140: HCl gas supply tube (or HCl gas supply nozzle)

150 : 메탈 소스 튜브 160 : 튜브 끝단150: metal source tube 160: tube end

170 : 내부 HCl 가스 공급 튜브170: internal HCl gas supply tube

S200 : 기판 장입 공정S200: Board Loading Process

S210 : 기판 전처리 공정S210: Substrate Pretreatment Process

S220 : 고품위 질화갈륨 성장을 위한 공정S220: Process for growing high quality gallium nitride

S230 : 일반적인 질화갈륨 성장 공정S230: General Gallium Nitride Growth Process

Claims (5)

반응로 내부의 서셉터(110) 상에 놓인 기판(100) 표면에 질화갈륨 단결정을 성장하기 위하여 메탈 소스(120)가 공급되는 메탈 소스 튜브(150)와, NH3 가스가 공급되는 NH3 가스 공급 튜브(130) 및 반응로 내부의 에칭공정을 위한 HCl 가스 공급 튜브(140)가 구비된 수소화기상증착기에 있어서,The metal source tube 150 is supplied with the metal source 120 to grow the gallium nitride single crystal on the surface of the substrate 100 placed on the susceptor 110 inside the reactor, and the NH 3 gas is supplied with the NH 3 gas. In the hydrogen vaporizer equipped with the supply tube 130 and the HCl gas supply tube 140 for the etching process inside the reactor, 상기 메탈 소스 튜브(150) 내부에 상기 HCl 가스 공급 튜브(140)와는 별도로 HCl 가스 공급 튜브(170)가 장착된 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 성장을 위한 수소화기상증착기.Hydrogen vapor deposition for the gallium nitride single crystal growth, characterized in that the HCl gas supply tube 170 is mounted separately from the HCl gas supply tube 140 inside the metal source tube (150). 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 HCl 가스 공급 튜브(170)의 끝단은 메탈 소스 튜브(150) 끝단으로부터 안쪽에 위치하며, 이 HCl 가스 공급 튜브(170)는 주위를 감싸는 메탈 소스 튜브(150)와 접촉하지 않도록 설치된 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 성장을 위한 수소화기상증착기.The end of the HCl gas supply tube 170 is located inward from the end of the metal source tube 150, the HCl gas supply tube 170 is installed so as not to contact the surrounding metal source tube 150 Hydrogen vapor deposition for gallium nitride single crystal growth. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 HCl 가스 공급 튜브(170)의 직경은 메탈 소스 튜브(150) 직경의 1/4 내외인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 성장을 위한 수소화기상증착기.The HCl gas supply tube 170 has a diameter of about 1/4 of the diameter of the metal source tube 150, hydrogen vapor deposition for the growth of gallium nitride single crystal. 삭제delete 삭제delete
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