KR100956247B1 - 금속유기 화학기상 증착장치 - Google Patents
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Abstract
금속유기 화학기상 증착장치를 제공한다.
본 발명은 하부로 개방된 상부덮개와 상부로 개방된 하부덮개를 갖추어 상하 합형시 일정크기의 내부공간을 형성하는 반응챔버 : 상기 상,하부덮개에 구비되는 상,하부 중공축에 각각 회전가능하게 조립되는 상,하부 서셉터를 갖추어 서로 마주하는 상,하부 서셉터의 대응면에 적어도 하나 이상의 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼배치부 ; 상기 상부덮개와 상부 서셉터사이에 구비되는 상부히터와, 상기 하부덮개와 부 서셉터사이에 구비되는 하부히터를 갖추어 상기 상,하부 서셉터에 복사열을 제공하는 가열부 ;상기 상,하부 중공축을 회전중심으로 하여 상,하부 서섭터를 일방향으로 회전시키는 동력을 제공하는 회전구동부 ; 상기 상,하부 중공축에 연결되는 상,하부 가스공급구를 갖추고, 상기 상,하부 중공축사이를 연결하는 중앙가스공급노즐을 통하여 서로 마주하는 상,하부 서셉터의 대응면사이로 반응가스를 공급하는 가스공급부 ; 및 상기 상,하부덮개의 외측테두리에 접하도록 배치되고, 상기 반응챔버의 내부공간과 연결되어 상기 웨이퍼와 반응완료된 반응가스를 외부로 배출하는 가스배기부 ; 를 포함한다.
금속유기, 화학기상증착, 웨이퍼, 서셉터, 챔버, 히터, 층류
Description
본 발명은 서로 마주하도록 배치된 웨이퍼의 증착면에 성장층을 동시에 형성할 수 있도록 개선된 금속유기 화학기상 증착장치에 관한 것이다.
일반적으로 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition ; CVD)은 여러 가지 기판상에 다양한 결정막을 성장시키는 데 주요한 방법으로 사용되고 있으며, ㅇ이는 액상 성장법에 비해, 성장시킨 결정의 품질이 뛰어나지만, 결정의 성장 속도가 상대적으로 느린 단점이 있다. 이것을 극복하기 위해 한 번의 성장 싸이클에서 여러 장의 기판상에 동시에 성장을 실행하는 방법이 널리 채택되고 있다.
최근 반도체 소자의 미세화와 고효율, 고출력 LED 개발등으로 CVD 기술 중 금속유기 화학적 기상증착법 (Metal Organic Chemical Vapor Deposition ; MOCVD) 가 각광받고 있으며, 이러한 MOCVD는 화학적 기상성장법(CVD) 중의 한가지로 유기금속의 열분해반응을 이용해 반도체기판상에 금속화합물을 퇴적.부착시키는 화합물반도체의 기상성장법을 말한다.
도 1은 일반적인 금속유기 화학기상 증착장치를 도시한 구성도로서, 이러한 장치(10)는 일정크기의 내부공간을 갖는 챔버(11)와, 증착대상물인 웨이퍼(2)가 올려지는 다수의 포켓(12a)을 구비하는 서셉터(suscepter)(12)와, 상기 서셉터(12)의 하부에 배치되어 열을 제공하는 히터(13)와, 상기 서셉터(12)와 연결되는 구동축(17a)을 갖추어 회전동력을 제공하는 회전모터(17)와, 상기 챔버(11)내부로 반응가스를 공급하는 가스유입구(14) 및 반응이 종료된 폐 반응가스를 외부배출하는 가스배기구(15)를 포함하여 구성된다.
이러한 장치(10)는 상기 가스유입구(14)의 하부단에 구비된 노즐(16)이 상기 챔버내부중앙에 배치되는바, 상기 노즐(16)의 노즐공(16a)을 통하여 반응가스인 소스 가스(source gas)와 캐리어 가스(carrier gas)가 상기 챔버(11)내부의 중앙으로 공급된다.
이러한 반응가스는 상기 서셉터(12)에 로딩된 웨이퍼(2)의 상부면과 접촉함과 동시에 상기 웨이퍼(2)는 히터(13)에서 제공되는 복사열에 의해서 가열되는 서셉터(12)를 통해 고온으로 가열된다. 이에 따라, 상기 반응가스는 높은 온도의 웨이퍼(2)의 증착면인 상부면에서 화학적 증착반응을 하면서 상기 웨이퍼(2)의 표면에 질화물 성장층을 형성하고, 반응이 종료된 폐 반응가스는 부산물과 더불어 배기구(15)를 통하여 외부배출되는 것이다.
그러나, 종래의 금속유기 화학기상 증착장치에서는 특히 InGaN계 성장층을 형성하는 경우, 성장온도는 통상 700~800℃정도로 높고, 상기 웨이퍼(2)의 상부표면인 성장면과 상기 챔버(11)의 천정면간의 온도차가 크기 때문에 상기 챔버(11)내부에서 반응가스가 상부로 상승되는 열대류(A)가 발생되고, 이로 인하여 성장층의 조성이 불균일하게 되거나 화학적 증착반응이 원활하게 이루어지지 않게 된다.
또한, 성장온도가 1000℃ 로 고온이 되면 상기 챔버(11)내부에서의 열대류(A)가 한층 더 격렬해지면서 난류를 일으켜 GaN:Mg성장시에 Mg의 도핑 프로파일(Doping Profile)가 불균일하게 되는 문제를 일으킨다.
이에 따라, 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해서 반응가스의 유속을 증가시키거나 반응가스를 공급하는 방법을 변경하여 웨이퍼에 형성되는 성장층의 불균일을 해결하고자 하였다. 그러나, 이러한 방법은 성장 압력이나 반응가스의 공급 비율, 반응가스 공급 노즐 형상을 변화시키면 성장막의 조성 균일성이 무너지기 쉽고, 프로세스 윈도우(Process Window)가 좁아지는 문제가 있었다.
또한, 반응가스의 유속에 관해서, 예를 들면, 0.5 m/s, 200 Torr에서 균일한 조건이 얻어지고 있어도, 반응가스의 공급압력을 400 Torr로 하게 되면 반응가스의 유속이 0.25 m/s로 저하되면서 난류가 발생하고 균일성이 흐트러지는 경우가 있었다.
그리고, 동일 유속을 유지하려면 유량을 2배로 하거나 서셉터(12)의 상부면과 챔버(11)의 천정면간의 간격을 1/2로 할 필요가 있어, MFC(Mass Flow Controller)를 미리 大류량 대응으로 해 두는지, 장치의 하드적인 변경이 필요하게 되어 번잡하다.
그리고, 반응가스을 공급하는 방법을 개선하여 성장층의 균일성을 확보하고자하느 경우, 통상 AlInGaN 성장에 대해서는 3족가스로서 유기 금속(MO)이 사용되고, 5족가스로는 NH3가 사용되며, 캐리어 가스(Carrier Gas)로는 N2,H2가 사용되 지만, 상대적으로 유량이 많은 NH3의 비율을 변화시키면 3족가스의 조성 균일성도 흐트러지는 경우가 많기 때문에 결정성과 균일성을 양립시키기 위한 프로레스 윈도우(Process Window)는 제한된다.
이러한 현상은 챔버의 내부에서 발생하는 열대류가 주된 원인이라고 생각할 수 있어 열대류의 발생하기 어려운 반응로를 설계함으로서 균일성 확보가 용이한 넓은 프로세스 윈도우(Process Window)를 가지는 반응노를 얻을 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 그 목적은 화학기상 증착반응시 챔버내부의 상하온도차이에 기인하는 열대류의 발생을 근본적으로 억제하고자 하는 금속유기 화학기상 증착장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 고온환경에서도 반응가스의 흐름을 층류로 안정적으로 형성하고, 웨이퍼를 동일한 온도로 가열하고자 하는 금속유기 화학기상 증착장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 또다른 목적은 서로 마주하도록 배치된 웨이퍼에 성장층을 동시에 성막하면서 유기금속원료의 이용효율을 높이고자 하는 금속유기 화학기상 증착장치를 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 기술적인 수단으로서, 본 발명은 하부로 개방된 상부덮개와 상부로 개방된 하부덮개를 갖추어 상하 합형시 일정크기의 내부공간을 형성하는 반응챔버 : 상기 상,하부덮개에 구비되는 상,하부 중공축에 각각 회전가능하게 조립되는 상,하부 서셉터를 갖추어 서로 마주하는 상,하부 서셉터의 대응면에 적어도 하나 이상의 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼배치부 ;상기 상부덮개와 상부 서셉터사이에 구비되는 상부히터와, 상기 하부덮개와 부 서셉터사이에 구비되는 하부히터를 갖추어 상기 상,하부 서셉터에 복사열을 제공하는 가열부 ;상기 상,하부 중공축을 회전중심으로 하여 상,하부 서섭터를 일방향으로 회전시키는 동력을 제공하는 회전구동부 ; 상기 상,하부 중공축에 연결되는 상,하부 가스공급구를 갖추고, 상기 상,하부 중공축사이를 연결하는 중앙가스공급노즐을 통하여 서로 마주하는 상,하부 서셉터의 대응면사이로 반응가스를 공급하는 가스공급부 ; 및 상기 상,하부덮개의 외측테두리에 접하도록 배치되고, 상기 반응챔버의 내부공간과 연결되어 상기 웨이퍼와 반응완료된 반응가스를 외부로 배출하는 가스배기부 ; 를 포함하는 금속유기 화학기상 증착장치를 제공한다.
바람직하게, 상기 반응챔버의 일측에는 덮개 회동부를 추가 포함하며, 상기 덮개회동부는 상기 상부덮개 또는 하부덮개중 어느 하나에 연결되는 일단이 연결되는 회동아암과, 상기 회동아암과 상단이 힌지축을 매개로 하여 연결되는 고정아암을 포함한다.
바람직하게, 상기 상부 서셉터는 상기 상부 서셉터에 일단 고정단이 고정되고, 상기 웨이퍼의 표면에 타단 자유단이 탄성적으로 접하도록 굽힘변형된 복수개의 탄성와이어를 구비한다.
바람직하게, 상기 상,하부히터는 상기 상,하부서셉터를 동일한 온도로 가열하거나 서로 다른 온도로 가열하도록 독립적으로 제어된다.
바람직하게, 상기 회전구동부는 상기 상부서셉터의 외주면에 형성된 피동기어와 기어물림되는 구동기어를 선단에 장착한 구동축을 구비하는 상부회전모터와, 상기 하부서셉터의 외주면에 형성된 피동기어와 기어물림되는 구동기어를 선단에 장착한 구동축을 구비하는 하부회전모터를 포함한다.
더욱 바람직하게, 상기 상,하부 회전모터는 상기 상,하부서셉터를 동일한 방 향 및 동일한 속도로 회전구동한다.
바람직하게, 상기 상부덮개와 하부덮개에는 상기 상,하부 서셉터의 외부면이나 상기 상,하부 히터에 각각 근접하도록 배치되어 가열온도를 측정하는 상,하부 온도센서를 각각 구비한다.
바람직하게, 상기 중앙가스공급노즐로부터 반응챔버내로 공급되는 반응가스의 공급위치는 상기 상,하부 서셉터사이의 상하간격중심과 서로 일치된다.
바람직하게, 상기 가스배기부는 상기 상,하부덮개의 외측테두리에 접하도록 배치되는 환고리형의 삽입부재와, 상기 반응챔버의 내부공간측으로 개구되도록 상기 삽입부재에 구비되는 배기구 및 상기 배기구와 연결되는 배기라인을 포함한다.
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상기한 구성의 본 발명에 의하면, 개폐가 가능하도록 상하분할되는 상,하부 덮개로 이루어지는 반응챔버의 내부에 웨이퍼가 서로 마주하도록 배치한 상태에서 반응가스가 반응챔버의 중심으로부터 공급되어 외주측으로 배기되는 가스유로를 형성하거나 반응가스가 반응챔버의 외주측으로부터 공급되어 중심으로 배기되는 가스유료를 형성함으로서, 화학기상 증착반응시 챔버내부의 상하온도차이에 기인하는 열대류의 발생을 근본적으로 억제하여 균일한 성장층을 증착하여 우수한 품질의 증착 웨이퍼를 제조할 수 있다.
또한, 반응챔버내부의 고온환경에서도 반응가스의 흐름을 층류로 안정적으로 형성하고, 웨이퍼를 동일한 온도로 가열하여 성장층의 균일성, 결정성을 동시에 만족할 수 있는 한편, 서로 마주하도록 배치된 웨이퍼에 성장층을 동시에 성막함으로 서 유기금속원료의 이용효율을 높일 수 있는 것이다.
이하 본 발명에 대해서 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 2은 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제1실시예가 닫혀진 상태를 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제1실시예가 열려진 상태를 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제1실시예에서 반응가스의 공급 및 배기흐름을 도시한 상태도이고, 도 5는 도 4의 4-4' 선을 따라 절단한 상태에서 상부에서 바라본 평면도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 장치(100)는 도 2 내지 5에 도시한 바와 같이, 서로 마주하도록 배치된 웨이퍼(2,2)의 표면에 동시에 성장층을 증착시킬 수 있는 것으로, 이는 반응챔버(110), 웨이퍼배치부(120), 가열부(130), 회전구동부(140), 가스공급부(150) 및 가스배기부(160)를 포함하여 구성된다.
상기 반응챔버(110)는 상부덮개(111)와 하부덮개(112)를 갖추어 상하 합형시 일정크기의 내부공간을 형성하는바, 상기 상부덮개(111)는 하부로 개방되고, 내부천정면(111a)에 단열재(113)가 구비되는 상부구조물이다.
상기 하부덮개(112)는 상부로 개방되고 내부바닥면(112a)에 단열재(114)가 구비되는 하부구조물이다.
이러한 상,하부 덮개(111,112)는 몸체를 냉각시킬 수 있도록 몸체내부에 냉각수와 같은 유체가 일방향으로 흐르는 냉각수라인(115,116)을 각각 구비하는 것이 바람직하다.
또한,상기 반응챔버(110)의 일측에는 상기 상부덮개(111) 또는 하부덮개(112)중 어느 하나를 회동시켜 이들을 서로 분리하거나 합형하는 덮개회동부(170)를 구비할 수도 있으며, 이러한 덮개 회동부(170)는 상기 상부덮개(110)에 일단이 연결되는 회동아암(171)과, 상기 회동아암(171)과 상단이 힌지축(172)을 매개로 하여 연결되는 고정아암(173)을 갖추어 구성한다.
여기서, 상기 회동아암(171)은 상기 상부덮개(111)에 연결되어 이를 하부덮개에 대하여 회동시켜 상,하부덮개(111,112)의 합형 및 분리동작을 수행하는 것으로 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 웨이퍼 배치부(120)는 상부 서셉터(121)와 하부 서섭터(122)를 포함하는바, 상기 상부 서셉터(121)는 상기 상부덮개(111)의 내부에 배치되고, 상기 상부덮개(111)의 중앙부에 배치되는 상부 중공축(125)에 회전가능하게 조립된다.
상기 하부 서셉터(121)는 상기 하부덮개(112)의 내부에 배치되고, 상기 하부덮개(112)의 중앙부에 배치되는 하부 중공축(126)에 회전가능하게 조립된다.
이러한 상,하부 중공축(125,126)은 상기 상,하부 서셉터(121,122)의 정중앙에 관통형성된 중앙조립공(121b,122b)에 배치되는 베어링부재 또는 부쉬와 같은 회전지지부재(미도시)를 매개로 하여 회전가능하게 조립된다.
또한, 상기 상,하부 중공축(125,126)은 반응가스가 자유롭게 흐를 수 있도록 중공파이프로부재로 이루어진다.
상기 상,하부 서셉터(121,122)의 표면에는 증착대상물인 웨이퍼(2)가 로딩될 수 있도록 함몰형성되는 원반형의 포켓(121a,122a)을 구비하며, 이러한 상,하부서 셉터(121,122)은 포켓(121a,122a)에 로딩되는 웨이퍼(2)가 서로 마주하도록 배치된다.
여기서, 상기 상,하부 서셉터(121)에는 상기 포켓(121a)에 로딩된 웨이퍼(2)의 외부이탈이 곤란하도록 탄성와이어(124)를 복수개 구비하는바, 상기 탄성와이어(124)는 상기 상부서셉터(121)에 일단 고정단이 고정되고, 상기 웨이퍼의 표면에 타단 자유단이 탄성적으로 접하도록 굽힘변형된 와이어부재로 구비된다.
이에 따라, 상기 상부 서셉터(121)의 포켓(121a)에 로딩된 웨이퍼(2)와 상기 하부서셉터(122)의 포켓(122a)에 구비되는 웨이퍼(2)는 일정간격을 두고 증착면인 상부면이 서로 마주하도록 배치되는 것이다.
상기 가열부(130)는 상기 상,하부 서셉터(121,122)에 복사열을 제공하여 이에 로딩된 웨이퍼(2)를 가열하는 것으로, 이는 상부히터(131)와 하부히터(132)를 포함한다.
상기 상부히터(131)는 상기 상부덮개(111)의 내부 천정면과 상기 상부서셉터(121)사이에 구비되어 전원인가시 열을 발생시키는 전열부재이며, 상기 하부히터(132)는 상기 하부덮개(111)의 내부바닥면과 상기 하부서셉터(122)사이에 구비되는 전원인가시 일정온도의 열을 발생시키는 전열부재이다.
이러한 상,하부히터(131,132)는 상기 상,하부 서셉터(121,122)와 대응하는 영역에 상기 상,하부 서셉터(121,122)의 표면에 근접하도록 배치되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 상부덮개(111)와 하부덮개(112)에는 탐침봉이 상기 상,하부 서 셉터(121,122)의 외부면이나 상기 상,하부 히터(131,132)에 각각 근접하도록 배치되어 가열온도를 측정하는 상,하부 온도센서(134,135)를 각각 구비한다.
여기서, 상기 상부히터(131)와 하부히터(132)는 상기 상,하부서셉터(121,122)를 동일한 온도로 가열하거나 서로 다른 온도로 가열하도록 독립적으로 제어된다.
상기 회전구동부(140)는 상기 상,하부덮개(111,112)에 구비된 상,하부중공축(125,126)을 회전중심으로 하여 상기 상,하부서셉터(121,122)를 일방향으로 회전구동시키는 동력을 제공하는 것으로, 이는 상부회전모터(141)와 하부회전모터(142)를 구비하는바, 상기 상부회전모터(141)는 상기 상부서셉터(121)의 외주면에 형성된 피동기어(145)와 기어물림되는 구동기어를 선단에 장착한 구동축(143)을 구비한다.
상기 하부회전모터(142)는 상기 하부서셉터(122)의 외주면에 형성된 피동기어(146)와 기어물림되는 구동기어를 선단에 장착한 구동축(144)을 구비한다.
여기서, 상기 상,하부 회전모터(141,142)는 상기 상,하부 덮개(111,112)의 외부면에 고정설치되고, 상기 구동축(143,144)이 상기 상,하부 덮개(111,112)를 관통하여 배치되는 모터부재이다.
그리고, 상기 상,하부 회전모터(141,142)는 전원인가시 상기 상,하부 중공축(125,126)을 회전중심으로 하여 서로 마주하는 상,하부서셉터(121,122)를 동일한 방향 및 동일한 회전속도로 회전구동하는 것이 바람직하다.
상기 가스공급부(150)는 서로 마주하는 상,하부 서셉터(121,122)의 대응면사 이로 상기 반응챔버의 중심으로부터 외주측으로 반응가스가 흐르는 가스흐름을 형성하도록 반응가스를 공급하는 것이다.
이러한 가스공급부(150)는 상기 상,하부 중공축(125,126)에 각각 연결되는 상,하부 가스공급구(151,152)를 갖추고, 상기 상,하부 중공축(125,126)사이에는 이들을 서로 연결하는 중앙가스공급노즐(153)을 구비한다.
상기 중앙가스공급노즐(153)에는 상기 상,하부가스공급구(151,152)로부터 공공급되는 반응가스를 외부로 배출하기 위한 노즐공(154)을 복수개 구비한다.
여기서, 상기 중앙가스공급노즐(153)로부터 공급되는 반응가스의 공급위치는 상기 상,하부 서셉터(121,122)사이의 상하간격중심과 서로 대략적으로 일치되는 것이 바람직하다.
이러한 중앙가스공급노즐(153)은 상기 하부중공축(126)의 상단에 고정되는 것으로 도시하고 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며 상기 상부 중공축(125)의 하단에 고정될 수도 있다.
또한, 상기 중앙가스공급노즐(153)은 상기 상,하부중공축(126)의 외경보다 큰 외경을 갖는 중공부재로 도시하고 설명하였지만 이에 한정도는 것은 아니며 상기 상,하부중공축(125,126)의 외경과 동일하거나 작은 외경크기로 구비될 수도 있다.
상기 가스배기부(160)는 상기 반응챔버(110)의 내부중심으로 공급되어 서로 마주하도록 배치된 웨이퍼(2,2)의 표면과 접촉되면서 상기 웨이퍼(2,2)의 상부표면에 성장층을 형성하도록 반응완료된 폐반응가스를 외부로 배출하는 것이다
이러한 가스배기부(160)는 상기 상,하부덮개(111,121)의 외측테두리에 접하도록 배치되는 환고리형의 삽입부재(161)와, 상기 반응챔버의 내부공간측으로 개구되도록 상기 삽입부재(161)에 구비되는 배기구(162) 및 상기 배기구(162)와 연결되는 배기라인(163)을 갖추어 구성한다.
이에 따라, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 덮개 회동부(170)의 개방작동에 의해서 회동아암(171)에 연결된 상부덮개(111)를 위치고정된 하부덮개(112)에 대하여 도면상 반시계방향으로 회동됨으로서, 상기 상,하부덮개(111,112)에 구비된 상,하부 서셉터(121,122)를 외부로 개방한다.
이러한 상태에서, 상기 상,하부 서셉터(121,122)에 형성된 복수개의 포켓(121a,122a)마다 증착대상물인 웨이퍼(2,2)를 각각 삽입하여 배치한다.
이때, 상기 상부 서셉터(121)에 로딩되는 웨이퍼(2)는 하부로 향하여 자중에 의해서 이탈될 수 있으므로 상기 상부 서셉터(121)에 일단인 고정단이 고정되는 탄성와이어(124)의 타단인 자유단이 웨이퍼(2)의 표면에 탄력적으로 접하도록 한다.
그리고, 상기 웨이퍼(2,2)의 로딩이 종료되면, 상기 덮개 회동부(170)의 닫힘작동에 의해서 회동아암(171)에 연결된 상부덮개(111)를 위치고정된 하부덮개(112)에 대하여 도면상 시계방향으로 회동함으로서, 상기 상,하부덮개(111,112)는 그 외측테두리에 접하도록 배치되는 환고리형의 삽입부재(161)를 매개로 합형되며, 이에 따라, 상기 상,하부덮개(111,113)와 삽입부재(161)사이에는 밀폐된 일정크기의 내부공간을 형성하게 된다. ,
이와 더불어, 상기 상,하부히터(131,132)에 전원을 인가함으로서 상기 상,하부 서셉터(121,122)를 복사열로서 가열하여 이에 로딩된 웨이퍼(2,2)를 700 내지 1200도로 가열한다.
그리고, 상기 상,하부 덮개(111,112)에 구비된 상,하부 회전모터(141,142)에 전원을 인가하여 각 구동축(143,144)을 회전시키면, 상기 구동축(143,144)의 각 일단부에 일체로 구비되거나 별도로 조립되는 구동기어(미도시)와 상기 상,하부 서셉터(121,122)의 외주측테두리에 구비된 피동기어(145,146)간의 기어물림에 의해서 상기 상,하부 서섭터(121,122)는 상,하부 중공축(125,126)을 회전중심으로 하여 동일한 방향으로 회전된다.
이러한 상태에서, 상기 상,하부 가스공급구(151,152)를 통하여 공급된 반응가스는 상,하부 중공축(125,126)을 통하여 이들사이에 구비된 중앙가스공급노즐(153)로 공급되고, 상기 중앙가스공급노즐(153)의 노즐공(154)을 통해 공급되는 반응가스는 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 반응챔버(110)의 내부중심으로부터 외주측으로 흐르는 반응가스흐름(B)을 형성하게 된다.
그리고, 상기 반응가스흐름(B)은 서로 마주하는 상,하부 서셉터(121,122)사이에 형성되는 가스유로를 거쳐 상기 가스배기부(160)로 배출되는데, 상기 상부 서셉터(121)의 로딩면은 가스유로의 천정면에 해당되고, 상기 하부 서셉터(122)의 로딩면은 가스유로의 바닥면에 해당된다.
이때, 상기 서로 마주하는 상,하부 서셉터(121,122)는 상,하부 히터(131,132)에 의해서 동일한 온도로 가열되고, 이들간의 온도차이는 거의 없기 때 문에, 가스유로를 형성하는 천정면과 바닥면간의 온도차이에 의해서 발생되는 열대류 현상을 근본적으로 방지할 수 있고 가스유속이나 노즐형상에 관계없이 안정적인 반응가스 공급이 가능하게 된다.
이에 따라, 상기 서로 마주하는 상,하부 서셉터사이(121,122))사이를 통과하는 반응가스는 웨이퍼(2,2)의 증착면인 상부면에서 화학적 증착반응을 하면서 상기 웨이퍼(2)의 표면에 성장층을 균일하게 형성하고, 반응이 종료된 폐 반응가스는 부산물과 더불어 삽입부재(161)에 구비되는 배기구(162) 및 이에 연결된 배기라인(163)을 통하여 외부로 배출된다.
또한, 고온환경을 갖는 반응챔버내부에서 반응가스의 흐름을 층류로 안정적으로 형성하고, 복수개의 웨이퍼를 동일한 온도로 가열하여 성장층의 균일성 및 결정성을 안정적으로 확보할 수 있는 한편, 서로 마주하도록 배치된 웨이퍼에 성장층을 동시에 성막하면서 공급된 유기금속원료의 이용효율을 보다 높일 수 있는 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제2실시예가 닫혀진 상태를 단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제2실시예가 열려진 상태를 단면도이며, 도 8은 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제2실시예에서 반응가스의 공급 및 배기흐름을 도시한 상태도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 장치(200)는 도 6 내지 8에 도시한 바와 같이, 서로 마주하도록 배치된 웨이퍼(2,2)의 표면에 동시에 성장층을 증착시킬 수 있는 것으로, 이는 반응챔버(210), 웨이퍼 배치부(220), 가열부(230), 회전구동부(240), 가스배기부(250) 및 가스공급부(260)를 포함하여 구성된다.
상기 반응챔버(210)는 상부덮개(211)와 하부덮개(212)를 갖추어 상하 합형시 일정크기의 내부공간을 형성하는바, 상기 상부덮개(211)는 하부로 개방되고, 내부천정면(211a)에 단열재(213)가 구비되는 상부구조물이다.
상기 하부덮개(212)는 상부로 개방되고 내부바닥면(212)에 단열재(214)가 구비되는 하부구조물이다.
이러한 상,하부 덮개(211,212)는 몸체를 냉각시킬 수 있도록 몸체내부에 냉각수와 같은 유체가 일방향으로 흐르는 냉각수라인(215,216)을 각각 구비하는 것이 바람직하다.
또한,상기 반응챔버(210)의 일측에는 상기 상부덮개(211) 또는 하부덮개(212)중 어느 하나를 회동시켜 이들을 서로 분리하거나 합형하는 덮개회동부(270)를 구비할 수도 있으며, 이러한 덮개 회동부(270)는 상기 상부덮개(210)에 일단이 연결되는 회동아암(271)과, 상기 회동아암(271)과 상단이 힌지축(272)을 매개로 하여 연결되는 고정아암(273)을 갖추어 구성한다.
여기서, 상기 회동아암(271)은 상기 상부덮개(211)에 연결되어 이를 하부덮개에 대하여 회동시켜 상,하부덮개(211,212)의 합형 및 분리동작을 수행하는 것으로 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 웨이퍼 배치부(220)는 상부 서셉터(221)와 하부 서섭터(222)를 포함하는바, 상기 상부 서셉터(221)는 상기 상부덮개(211)의 내부에 배치되고, 상기 상부덮개(211)의 중앙부에 배치되는 상부 중공축(225)에 회전가능하게 조립된다.
상기 하부 서셉터(221)는 상기 하부덮개(212)의 내부에 배치되고, 상기 하부덮개(212)의 중앙부에 배치되는 하부 중공축(226)에 회전가능하게 조립된다.
이러한 상,하부 중공축(225,226)은 상기 상,하부 서셉터(221,222)의 정중앙에 관통형성된 중앙조립공(221b,222b)에 배치되는 베어링부재 또는 부쉬와 같은 회전지지부재(미도시)를 매개로 하여 회전가능하게 조립된다.
또한, 상기 상,하부 중공축(225,226)은 반응가스가 자유롭게 흐를 수 있도록 중공파이프로부재로 이루어진다.
이러한 상,하부 중공축(225,226)에는 상기 반응챔버(210)의 내부에서 반응완료된 폐반응가스를 외부로 배출시키도록 상,하부 덮개로부터 외부로 연장되는 배기라인(251,252)을 일체로 구비할 수 도 있지만 이에 한정되는 것은 아니며 별도의 배기라인을 연결할 수도 있다.
상기 상,하부 서셉터(221,222)의 표면에는 증착대상물인 웨이퍼(2,2)가 로딩될 수 있도록 함몰형성되는 원반형의 포켓(221a,222a)을 구비하며, 이러한 상,하부서셉터(221,222)은 포켓(221a,222a)에 로딩되는 웨이퍼(2,2)가 서로 마주하도록 배치된다.
여기서, 상기 상,하부 서셉터(221)에는 상기 포켓(221a)에 로딩된 웨이퍼(2)의 외부이탈이 곤란하도록 탄성와이어(224)를 복수개 구비하는바, 상기 탄성와이어(224)는 상기 상부서셉터(221)에 일단 고정단이 고정되고, 상기 웨이퍼의 표면에 타단 자유단이 탄성적으로 접하도록 굽힘변형된 와이어부재로 구비된다.
이에 따라, 상기 상부 서셉터(221)의 포켓(221a)에 로딩된 웨이퍼(2)와 상기 하부서셉터(222)의 포켓(222a)에 구비되는 웨이퍼(2)는 일정간격을 두고 증착면인 상부면이 서로 마주하도록 배치되는 것이다.
상기 가열부(230)는 상기 상,하부 서셉터(221,222)에 복사열을 제공하여 이에 로딩된 웨이퍼(2,2)를 가열하는 것으로, 이는 상부히터(231)와 하부히터(232)를 포함한다.
상기 상부히터(231)는 상기 상부덮개(211)의 내부 천정면과 상기 상부 서셉터(221)사이에 구비되어 전원인가시 열을 발생시키는 전열부재이며, 상기 하부히터(232)는 상기 하부덮개(211)의 내부바닥면과 상기 하부서셉터(222)사이에 구비되는 전원인가시 일정온도의 열을 발생시키는 전열부재이다.
이러한 상,하부히터(231,232)는 상기 상,하부 서셉터(221,222)와 대응하는 영역에 상기 상,하부 서셉터(221,222)의 표면에 근접하도록 배치되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 상부덮개(211)와 하부덮개(212)에는 탐침봉이 상기 상,하부 서셉터(221,222)의 외부면이나 상기 상,하부 히터(231,232)에 각각 근접하도록 배치되어 가열온도를 측정하는 상,하부 온도센서(234,235)를 각각 구비한다.
여기서, 상기 상부히터(231)와 하부히터(232)는 상기 상,하부서셉터(221,222)를 동일한 온도로 가열하거나 서로 다른 온도로 가열하도록 독립적으로 제어된다.
상기 회전구동부(240)는 상기 상,하부덮개(211,212)에 구비된 상,하부중공축(225,226)을 회전중심으로 하여 상기 상,하부서셉터(221,222)를 일방향으로 회전 구동시키는 동력을 제공하는 것으로, 이는 상부 회전모터(241)와 하부 회전모터(242)를 구비하는바, 상기 상부 회전모터(241)는 상기 상부서셉터(221)의 외주면에 형성된 피동기어(245)와 기어물림되는 구동기어를 선단에 장착한 구동축(243)을 구비한다.
상기 하부회전모터(242)는 상기 하부서셉터(222)의 외주면에 형성된 피동기어(246)와 기어물림되는 구동기어를 선단에 장착한 구동축(244)을 구비한다.
여기서, 상기 상,하부 회전모터(241,242)는 상기 상,하부 덮개(211,212)의 외부면에 고정설치되고, 상기 구동축(243,244)이 상기 상,하부 덮개(211,212)를 관통하여 배치되는 모터부재이다.
그리고, 상기 상,하부 회전모터(241,242)는 전원인가시 상기 상,하부 중공축(225,226)을 회전중심으로 하여 서로 마주하는 상,하부서셉터(221,222)를 동일한 방향 및 동일한 회전속도로 회전구동하는 것이 바람직하다.
상기 가스배기부(250)는 상기 반응챔버(210)의 내부중심으로 공급되어 서로 마주하도록 배치된 웨이퍼(2,2)의 표면과 접촉되면서 상기 웨이퍼(2,2)의 상부표면에 성장층을 형성하도록 반응완료된 폐반응가스를 외부로 배출하는 것이다.
이러한 가스배기부(250)는 상기 상,하부 중공축(225,226)으로부터 연장되어 상기 상,하부 덮개(211,212)의 외부면으로부터 외측으로 일정길이 연장되는 중공형 배기라인(251,252)으로 구비된다.
이러한 배기라인(251,252)은 상기 상,하부 중공축(225,226)으로부터 연속하여 일정길이 연장되는 중공부재로 구비될 수도 있지만 이에 한정되는 것은 아니며 상기 상,하부 중공축(225,226)의 출구단에 조립식으로 조립되는 일정길이의 중공부재로 구비될 수도 있다.
상기 가스공급부(260)는 서로 마주하는 상,하부 서셉터(221,222)의 대응면사이로 상기 반응챔버의 외주측에서 중심으로 반응가스가 흐르는 가스흐름을 형성하도록 반응가스를 공급하는 것이다.
이러한 가스공급부(260)는 상기 상,하부덮개(211,212)의 외측테두리에 접하도록 배치되는 환고리형의 삽입부재(261)와, 상기 반응챔버(210)의 내부공간측으로 개구되도록 상기 삽입부재(261)에 구비되는 급기구(262) 및 상기 급기구(262)와 급기라인(263)을 매개로 연결되는 가스공급구(264)를 구비한다.
여기서, 상기 반응챔버의 내부로 노출되는 급기구(262)로부터 공급되는 반응가스의 공급위치는 상기 상,하부 서셉터(221,222)사이의 상하간격중심과 대략적으로 서로 일치되는 것이 바람직하다.
상기 가스공급구(264)에서 제공되는 반응가스는 상기 삽입부재(261)의 급기구(262)를 통하여 상기 반응챔버(210)의 외주측에서 중심방향으로 공급될 수 있는 것이다.
이에 따라, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 덮개 회동부(270)의 개방작동에 의해서 회동아암(271)에 연결된 상부덮개(211)를 위치고정된 하부덮개(212)에 대하여 도면상 반시계방향으로 회동됨으로서, 상기 상,하부덮개(211,212)에 구비된 상,하부 서셉터(221,222)를 외부로 개방한다.
이러한 상태에서, 상기 상,하부 서셉터(221,222)에 형성된 복수개의 포 켓(221a,222a)마다 증착대상물인 웨이퍼(2,2)를 각각 삽입하여 배치한다.
이때, 상기 상부 서셉터(221)에 로딩되는 웨이퍼(2)는 하부로 향하여 자중에 의해서 이탈될 수 있으므로 상기 상부 서셉터(221)에 일단인 고정단이 고정되는 탄성와이어(224)의 타단인 자유단이 웨이퍼(2)의 표면에 탄력적으로 접하도록 한다.
그리고, 상기 웨이퍼(2,2)의 로딩이 종료되면, 상기 덮개 회동부(270)의 닫힘작동에 의해서 회동아암(271)에 연결된 상부덮개(211)를 위치고정된 하부덮개(212)에 대하여 도면상 시계방향으로 회동함으로서, 상기 상,하부덮개(211,212)는 도 6에 도시한 바와 같이, 그 외측테두리에 접하도록 배치되는 환고리형의 삽입부재(261)를 매개로 합형되며, 이에 따라, 상기 상,하부덮개(211,212)와 삽입부재(261)사이에는 밀폐된 일정크기의 내부공간을 형성하게 된다. ,
이와 더불어, 상기 상,하부히터(231,232)에 전원을 인가함으로서 상기 상,하부 서셉터(221,222)를 복사열로서 가열하여 이에 로딩된 웨이퍼(2,2)를 700 내지 1200도로 가열한다.
그리고, 상기 상,하부 덮개(211,212)에 구비된 상,하부 회전모터(241,242)에 전원을 인가하여 각 구동축(243,244)을 회전시키면, 상기 구동축(243,244)의 각 일단부에 일체로 구비되거나 별도로 조립되는 구동기어(미도시)와 상기 상,하부 서셉터(221,222)의 외주측테두리에 구비된 피동기어(245,246)간의 기어물림에 의해서 상기 상,하부 서섭터(221,222)는 상,하부 중공축(225,226)을 회전중심으로 하여 동일한 방향으로 회전된다.
이러한 상태에서, 상기 가스공급구(264)를 통하여 급기라인(263)과 연결된 급기구(262)로 공급된 반응가스는 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 반응챔버(210)의 외주측으로부터 중심측으로 흐르는 반응가스흐름(C)을 형성하게 된다.
그리고, 상기 반응가스흐름(C)은 서로 마주하는 상,하부 서셉터(221,222)사이에 형성되는 가스유로를 거쳐 상기 가스배기부(250)로 배출되는데, 상기 상부 서셉터(221)의 로딩면은 가스유로의 천정면에 해당되고, 상기 하부 서셉터(222)의 로딩면은 가스유로의 바닥면에 해당된다.
이때, 상기 서로 마주하는 상,하부 서셉터(221,222)는 상,하부 히터(231,232)에 의해서 동일한 온도로 가열되고, 이들간의 온도차이는 거의 없기 때문에, 가스유로를 형성하는 천정면과 바닥면간의 온도차이에 의해서 발생되는 열대류 현상을 근본적으로 방지할 수 있고 가스유속이나 노즐형상에 관계없이 안정적인 반응가스 공급이 가능하게 된다.
이에 따라, 상기 서로 마주하는 상,하부 서셉터사이(221,222)사이를 통과하는 반응가스는 웨이퍼(2,2)의 증착면인 상부면에서 화학적 증착반응을 하면서 상기 웨이퍼(2)의 표면에 성장층을 균일하게 형성하고, 반응이 종료된 폐 반응가스는 부산물과 더불어 상기 반응챔버의 중심부에 구비된 상,하부 중공축(225,226)및 이에 연결된 배기라인(251,252)을 통하여 배출된다.
또한, 고온환경을 갖는 반응챔버내부에서 반응가스의 흐름을 층류로 안정적으로 형성하고, 복수개의 웨이퍼를 동일한 온도로 가열함으로서, 성장층의 균일성 및 결정성을 안정적으로 확보할 수 있는 한편, 서로 마주하도록 배치된 웨이퍼에 성장층을 동시에 성막하면서 공급된 유기금속원료의 이용효율을 보다 높일 수 있는 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.
도 1은 일반적인 금속유기 화학기상증장치를 도시한 구성도이다.
도 2은 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제1실시예가 닫혀진 상태를 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제1실시예가 열려진 상태를 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제1실시예에서 반응가스의 공급 및 배기흐름을 도시한 상태도이다.
도 5는 도 4의 4-4' 선을 따라 절단한 상태에서 상부에서 바라본 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제2실시예가 닫혀진 상태를 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제1실시예가 열려진 상태를 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 금속유기 화학기상 증착장치의 제1실시예에서 반응가스의 공급 및 배기흐름을 도시한 상태도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
110,210 : 반응챔버 111,211 : 상부덮개
112,212 : 하부덮개 120,220 : 웨이퍼 배치부
121,221 : 상부 서셉터 122,222 : 하부 서셉터
130,230 : 가열부 131,231 : 상부 히터
132,232 : 하부 히터 140,240 : 회전 구동부
141,241 : 상부 회전모터 142,242 : 하부 회전모터
150, 260 : 가스 공급부 160,250 : 가스 배기부
Claims (19)
- 하부로 개방된 상부덮개와 상부로 개방된 하부덮개를 갖추어 상하 합형시 일정크기의 내부공간을 형성하는 반응챔버 :상기 상,하부덮개에 구비되는 상,하부 중공축에 각각 회전가능하게 조립되는 상,하부 서셉터를 갖추어 서로 마주하는 상,하부 서셉터의 대응면에 적어도 하나 이상의 웨이퍼가 배치되는 웨이퍼배치부 ;상기 상부덮개와 상부 서셉터사이에 구비되는 상부히터와, 상기 하부덮개와 부 서셉터사이에 구비되는 하부히터를 갖추어 상기 상,하부 서셉터에 복사열을 제공하는 가열부 ;상기 상,하부 중공축을 회전중심으로 하여 상,하부 서섭터를 일방향으로 회전시키는 동력을 제공하는 회전구동부 ;상기 상,하부 중공축에 연결되는 상,하부 가스공급구를 갖추고, 상기 상,하부 중공축사이를 연결하는 중앙가스공급노즐을 통하여 서로 마주하는 상,하부 서셉터의 대응면사이로 반응가스를 공급하는 가스공급부 ; 및상기 상,하부덮개의 외측테두리에 접하도록 배치되고, 상기 반응챔버의 내부공간과 연결되어 상기 웨이퍼와 반응완료된 반응가스를 외부로 배출하는 가스배기부 ; 를 포함하는 금속유기 화학기상 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 반응챔버의 일측에는 덮개 회동부를 추가 포함하며, 상기 덮개회동부는 상기 상부덮개 또는 하부덮개중 어느 하나에 연결되는 일단이 연결되는 회동아암과, 상기 회동아암과 상단이 힌지축을 매개로 하여 연결되는 고정아암을 포함함을 특징으로 하는 금속유기 화학기상 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 상부 서셉터는 상기 상부 서셉터에 일단 고정단이 고정되고, 상기 웨이퍼의 표면에 타단 자유단이 탄성적으로 접하도록 굽힘변형된 복수개의 탄성와이어를 구비함을 특징으로 하는 금속유기 화학기상 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 상,하부히터는 상기 상,하부서셉터를 동일한 온도로 가열하거나 서로 다른 온도로 가열하도록 독립적으로 제어됨을 특징으로 하는 금속유기 화학기상 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 회전구동부는 상기 상부서셉터의 외주면에 형성된 피동기어와 기어물림되는 구동기어를 선단에 장착한 구동축을 구비하는 상부회전모터와, 상기 하부서셉터의 외주면에 형성된 피동기어와 기어물림되는 구동기어를 선단에 장착한 구동축을 구비하는 하부회전모터를 포함함을 특징으로 하는 금속유기 화학기상 증착장치.
- 제5항에 있어서, 상기 상,하부 회전모터는 상기 상,하부서셉터를 동일한 방향 및 동일한 속도로 회전구동함을 특징으로 하는 금속유기 화학기상 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 상부덮개와 하부덮개에는 상기 상,하부 서셉터의 외부면이나 상기 상,하부 히터에 각각 근접하도록 배치되어 가열온도를 측정하는 상,하부 온도센서를 각각 구비함을 특징으로 하는 금속유기 화학기상 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 중앙가스공급노즐로부터 반응챔버내로 공급되는 반응가스의 공급위치는 상기 상,하부 서셉터사이의 상하간격중심과 서로 일치됨을 특징으로 하는 금속유기 화학기상 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 가스배기부는 상기 상,하부덮개의 외측테두리에 접하도록 배치되는 환고리형의 삽입부재와, 상기 반응챔버의 내부공간측으로 개구되도록 상기 삽입부재에 구비되는 배기구 및 상기 배기구와 연결되는 배기라인을 포함함을 특징으로 하는 금속유기 화학기상 증착장치.
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