KR100966370B1 - 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

화학 기상 증착 장치를 제공한다.
본 발명은 일정 크기의 내부공간을 갖는 챔버; 상기 챔버 내부로 반응가스를 공급하는 가스 분사노즐; 상기 챔버내에 회전가능하게 배치되며 적어도 하나의 웨이퍼가 올려지는 서셉터; 상기 서셉터의 하부면에 배치되어 열을 제공하는 히터; 및 상기 서셉터와 마주하는 상기 챔버의 내부면에 상기 웨이퍼의 열대류가 발생되는 고온영역에서의 가스유로의 체적이 균일하게 유지되도록 상기 고온영역에서 상기 챔버의 가스 배기측 방향으로 하향 경사지게 구비되는 유속 제어부;를 포함하고, 상기 유속 제어부는 적어도 2개 이상의 분할부재로 이루어지며, 상기 챔버의 내부면에 분리가능하도록 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 챔버의 중심부에서 가스 배기측 방향으로 멀어질수록 가스유로의 체적이 증가함에 따른 반응가스의 유속이 감소하는 현상을 배제하여 안정된 층류 유동을 유지함으로써 웨이퍼 전체에 균일하게 화학 증착이 일어나도록 하며, 반응가스의 사용량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
화학 기상 증착, 챔버, 반응가스, 층류 유동, 가스유로

Description

화학 기상 증착 장치{Chemical Vapor Deposition Apparatus}
본 발명은 기판상에 고온의 화학 기상 증착을 이루는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 챔버의 내부면에 유속 제어부를 구비하여 챔버의 높이를 변화시킴으로써 챔버 내에서 반응가스의 유동속도를 균일하게 유지하여 웨이퍼 전체에 균일하게 화학 증착이 일어나도록 하는 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
다양한 산업분야에서 고효율의 LED가 점차 많이 사용됨에 따라서 품질이나 성능의 저하없이 대량으로 생산할 수 있는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 장비가 요구되고 있는 실정이다. 이에 따라서 CVD 반응로의 크기를 증가시켜 기존의 2인치 웨이퍼를 동시에 수십 개를 성장시키거나, 대구경(4, 6, 8, 12인치 크기)의 웨이퍼도 성장시킬 수 있는 새로운 구조를 가지는 반응로(챔버)가 필요하게 되었다.
화학 기상 증착 공법은 챔버 내의 서셉터 상에 웨이퍼를 안착하고, 반응가스를 공급하여 상기 웨이퍼의 표면에 박막을 형성하는 것인데, 균일한 두께의 박막을 얻기 위해서는 챔버 내에 유입되는 반응가스를 웨이퍼상의 각 부분으로 두루 균일 하게 분사시켜 주어야 한다.
도 1에서는 일반적인 방사형 타입(Radial type)의 화학 기상 증착장치를 도시하고 있는데, 이러한 장치(30)는 일정크기의 내부공간을 갖는 챔버(31)와, 상기 챔버(31) 내에 회전가능하게 배치되어 복수개의 기판(2)이 올려지는 서셉터(susceptor)(32)와, 상기 서셉터(32)의 하부에 배치되어 열을 제공하는 가열수단(33) 및 상기 챔버(31)의 상부면으로부터 서셉터(32)의 직상부까지 연장되는 반응가스 분사노즐(34)로 구성된다.
이러한 장치(30)는 상기 서셉터(32)의 상부면 근방까지 연장된 반응가스 분사노즐(34)을 통하여 반응가스인 소스 가스(source gas)와 캐리어 가스(carrier gas)가 서셉터(32)의 상부면 중앙영역으로 유입됨으로써, 유입되는 반응가스가 높은 온도의 기판(2)상에서 화학적 증착반응으로 인해 기판(2)의 표면에 질화물 박막을 형성하고, 잔류 가스나 분산물은 챔버(31)의 벽면을 타고 하부로 배출되는 것이다.
여기서, 소스 가스인 3족 가스로는 트리메틸갈륨(TMGa), 트리에틸갈륨(TEGa), 트리메틸인듐(TMIn) 및 트리메틸알루미늄(TMAl) 등이 사용되고, 캐리어 가스로는 암모니아 등이 사용된다.
한편, 도 2는 도 1의 A부분을 확대하여 나타내는 것으로서 도시하는바와 같이 기존의 일반적인 CVD 반응로에서는 챔버의 높이가 균일한 구조를 가지는 것이 일반적이다.
그러나, 챔버(31)의 중심부에 위치하는 분사노즐(34)에서 가스 배기측 방향 으로 멀어질수록 상기 챔버(31)의 내부면과 서셉터(32) 사이를 통과하는 반응가스에 의해 형성되는 가스유로(F)는 부채꼴 방향으로 확산하여 체적이 증가하게 되고, 상기 가스유로(F)를 따라 이동하는 반응가스의 유속은 감소하게 되어 균일하고 안정된 층류 유동(laminar flow)을 유지하기가 어렵다는 문제가 있다.
또한, 가열수단(33)에 의해 상기 서셉터(32)가 차등가열됨으로써 반응가스 분사노즐(34) 주변부에서는 온도분포가 낮고, 하부의 가열수단(33)에 의해 증착이 일어나는 웨이퍼(2) 부근에서는 상대적으로 높은 온도분포를 유지한다.
따라서, 상기 웨이퍼(2) 부근의 고온에 의한 강한 열대류(heat convection)현상 때문에 상기 웨이퍼(2) 부근에서 균일하고 안정된 층류 유동(laminar flow)을 유지하기 더더욱 어렵게 만든다.
이러한 현상으로 인해 챔버의 크기가 커짐에 따라 가스유동의 균일도를 확보하기가 더욱 어려워져 웨이퍼 표면에 균일한 박막을 형성하기가 곤란하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 저온영역인 챔버 중심부에서는 가스유로의 높이를 일정하게 유지하고 고온영역인 웨이퍼 부근에서는 가스유로의 높이가 점차 낮아지도록 챔버의 내부면에 유속 제어부를 구비함으로써 반응가스의 유동속도를 일정하게 유지하여 균일한 화학 증착이 가능하도록 할 수 있는 화학 기상 증착 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적 구성으로서 본 발명의 화학 기상 증착 장치는 일정 크기의 내부공간을 갖는 챔버; 상기 챔버 내부로 반응가스를 공급하는 가스 분사노즐; 상기 챔버내에 회전가능하게 배치되며 적어도 하나의 웨이퍼가 올려지는 서셉터; 상기 서셉터의 하부면에 배치되어 열을 제공하는 히터; 및 상기 서셉터와 마주하는 상기 챔버의 내부면에 상기 웨이퍼의 열대류가 발생되는 고온영역에서의 가스유로의 체적이 균일하게 유지되도록 상기 고온영역에서 상기 챔버의 가스 배기측 방향으로 하향 경사지게 구비되는 유속 제어부;를 포함하고, 상기 유속 제어부는 적어도 2개 이상의 분할부재로 이루어지며, 상기 챔버의 내부면에 분리가능하도록 구비될 수 있다.
바람직하게, 상기 가스 분사노즐은 상기 서셉터의 중심에서 외주측으로 향하는 방사형 가스흐름을 형성하도록 적어도 하나이상 구비되는 가스유입구로 이루어지며, 상기 서셉터의 중심과 대응하는 챔버의 상부 내부면에 구비된다.
바람직하게, 상기 유속 제어부는 상기 가스 분사노즐 주변부의 저온영역과 상기 웨이퍼의 열대류가 발생하는 고온영역 사이의 경계부에서부터 상기 챔버의 외주면까지 환고리형태로 구비된다.
보다 바람직하게, 상기 경계부는 온도분포가 200℃ ~ 300℃인 저온영역과 온도분포가 800℃ ~ 1000℃인 고온영역 사이에서 온도분포를 가진다.
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보다 바람직하게, 상기 유속 제어부는 상기 챔버보다 열전도율이 낮은 물질로 이루어진다.
삭제
보다 바람직하게, 상기 유속 제어부는 상기 가스 분사노즐로부터 유입되는 반응가스와 접하는 면이 상기 챔버의 외주면 방향으로 직선 또는 곡선의 형상을 가진다.
바람직하게, 상기 유속 제어부는 상기 챔버 외주면에서의 높이(d)가 상기 챔버와 서셉터 사이의 높이(h1)의 1%를 초과하지 않는다.
바람직하게 상기 챔버는 상기 유속 제어부와 대응하는 외부면에 상기 유속 제어부를 냉각시키는 냉각수단을 추가하여 구비한다.
본 발명에 따르면, 챔버의 중심부에서 가스 배기측 방향으로 멀어질수록 가스유로의 체적이 증가함에 따른 반응가스의 유속이 감소하는 현상을 배제하여 안정된 층류 유동을 유지함으로써 웨이퍼 전체에 균일하게 화학 증착이 일어나도록 하며, 반응가스의 사용량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 일실시예를 나타내는 개략도이고, 도 4는 도 3의 B부분을 확대한 것으로 유속 제어부가 구비된 가스유로의 체적 및 반응가스의 유속변화를 나타내는 개략도이며, 도 5는 도 3의 유속 제어부를 나타내는 확대사시도이다. 그리고, 도 6은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 다른 실시예를 나타내는 개략도이고, 도 7은 도 6의 유속 제어부를 나타내는 확대사시도이다.
본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치(100)는 도 3및 도 6에서 도시하는 바와 같이, 챔버, 반응가스 분사노즐, 서셉터, 히터 및 유속 제어부를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 챔버(110)는 도 3에서와 같이 일정한 크기의 내부공간을 갖는 수직 원통형의 구조로 내마모성 및 내부식성이 우수한 메탈재질로 이루어진다.
한편, 소정 크기의 지름을 가지는 상기 챔버(110)의 상부측 중앙부에는 외부로부터 반응가스를 상기 챔버(110) 내부로 유입하기 위한 반응가스 분사노즐(120)이 구비된다.
상기 반응가스 분사노즐(120)은 상기 서셉터(130)의 중심에서 외주측으로 향하는 방사형 가스흐름을 형성하도록 적어도 하나이상 구비되는 가스유입구(121)로 이루어지며, 상기 서셉터(130)의 중심과 대응하는 챔버(110)의 상부 내부면에 구비된다.
따라서, 외부로부터 공급되는 소스 가스 및 캐리어 가스는 상기 반응가스 분사노즐(120)을 통해 상기 챔버(110)의 내부로 유입되며, 상기 가스유입구(121)를 통해 방사형 가스흐름을 형성하며 분사되게 된다.
상기 서셉터(130)는 상기 챔버(110)의 내부면과 소정의 거리만큼 떨어져서 상기 반응가스 분사노즐(120)과 마주하는 위치에 회전가능하도록 배치된다. 이때, 상기 서셉터(130)의 회전중심축이 상기 반응가스 분사노즐(120)의 중심축과 서로 동일선상에 위치하도록 배치하며, 상기 서셉터(130)의 회전중심축과 모터(미도시)를 연결하여 상기 모터에 의해 상기 챔버(110) 내에서 일정한 방향으로 회전하도록 한다.
그리고, 상기 서셉터(130)의 상부면에는 회전중심축을 중심으로 소정거리만큼 이격된 위치에서 외주면을 따라 복수개의 웨이퍼(2)가 포켓(131)에 올려져 있으며, 상기 웨이퍼(2)를 가열하기 위한 히터(140)가 상기 포켓(131)의 위치와 대응하 여 상기 서셉터(130)의 하부면에 구비된다.
한편, 도 4는 도 3의 B부분을 확대하여 나타내는 사시도로서, 위와 같이 배치되는 상기 서셉터(130)에 의해 상기 챔버(110)의 내부면과 서셉터(130) 사이에 형성되는 가스유로(F)를 나타내고 있다.
도시하는 바와 같이, 상기 가스유로(F)는 높이(h1)가 상기 서셉터(130)와 챔버(110)의 내부면 사이의 거리에 의해 조절되며, 상기 반응가스 분사노즐(120)로부터 멀어질수록 체적이 증가하게 된다.
따라서, 상기 반응가스 분사노즐(120)을 통해 일정한 속도로 유입되는 반응가스는 상기 가스유로(F)를 따라 가스 배기측으로 흐르면서 상기 가스유로(F)의 체적이 팽창함에 의해 점차 그 속도가 감소하게 된다.
상기 히터(140)는 도 3에서와 같이 웨이퍼(2)가 안착되는 위치에 대응하여 상기 서셉터(130)의 하부면에 구비되며, 웨이퍼상에 화학 증착반응이 일어나도록 상기 서셉터(130)측으로 열을 공급한다.
이때, 상기 히터(140)에 의해 서셉터(130)가 차등가열됨에 따라서 서셉터(130)의 상부면에는 균일하지 못한 온도분포가 발생하게 되며, 이에 따라 웨이퍼(2)가 배치되는 부분은 고온영역(H)을 형성하게 되고, 상기 히터(140)가 구비되지 않은 상기 서셉터(130)의 중심축 부분은 상대적으로 온도가 낮은 저온영역(L)을 형성하게 된다(도 4 참조).
이러한 온도분포차에 의해 발생되는 저온영역(L)과 고온영역(H)은 반응가스의 유동에 영향을 주게 되는데, 고온영역(H)에서 일어나는 강한 열대류(heat convection)(C) 현상은 안정된 층류 유동(laminar flow)을 유지하지 못하게 한다.
도 3 및 도 4에서 도시하는 상기 유속 제어부(150)는 이러한 체적 증가에 따른 유속의 저하를 방지하고 안정된 층류 유동을 유지하도록 하기 위한 것으로서, 상기 서셉터(130)와 마주하는 상기 챔버(110)의 내부면에 상기 웨이퍼(2)의 열대류가 발생되는 고온영역(H)에서의 가스유로(F)의 체적이 균일하게 유지되도록 상기 고온영역(H)에서 상기 챔버(110)의 가스 배기측 방향으로 하향 경사지게 구비된다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 유속 제어부(150)는 나사체결 또는 끼움결합 등의 방법을 통해 상기 챔버(110)의 상부측 내부면에 분리가능하도록 구비되며, 적어도 2개 이상의 분할부재(151)로 이루어지도록 한다.
따라서, 고온 상태를 유지하는 챔버(110)의 내부온도에 의한 열변형 또는 자체 하자에 따른 문제가 발생하는 경우 해당 부재만을 교체할 수 있도록 함으로써 유지보수가 용이하다는 장점이 있다.
그리고, 고온상태의 챔버(110) 내에서 열변형의 발생을 방지하기 위해서는 상기 유속 제어부(150)를 상기 챔버(110)보다 열전도율이 낮은 물질, 즉 석영(quartz)과 같은 소재로 제작하는 것이 바람직하다.
한편, 도 6 및 도 7에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 챔버(110)와 유속 제어부(150)를 도시하고 있는데, 프레스 또는 주물성형 등의 방법을 통해 상 기 챔버(110)의 상부면이 상기 웨이퍼(2)의 고온영역(H)에서부터 상기 챔버(110)의 외주면까지 가스 배기측 방향을 따라 일정각도로 하향 경사지게 형성되도록 한다.
이와 같은 상기 유속 제어부(150)는 도 4 및 도 5에서와 같이 상기 반응가스 분사노즐(120) 주변부의 저온영역(L)과 상기 웨이퍼(2)의 열대류가 발생하는 고온영역(H) 사이의 경계부(M)에서부터 상기 챔버(110)의 외주면까지 환고리형태로 구비된다.
이때, 상기 경계부(M)는 온도분포가 200℃ ~ 300℃인 저온영역(L)과 온도분포가 800℃ ~ 1000℃인 고온영역(H) 사이에서 온도분포를 가지도록 한다.
따라서, 상기 가스유로(F)는 반응가스 분사노즐(120) 주변부의 저온영역(L)에서는 일정한 높이(h1)를 유지하고, 웨이퍼(2)가 배치되는 고온영역(H)에서는 점차 높이(h2)가 낮아지는 구조를 가지도록 함으로써 상기 가스유로(F)를 따라 배기측으로 흐르는 반응가스의 유동속도가 균일하게 유지될 수 있도록 한다.
한편, 상기 유속 제어부(150)는 상기 반응가스 분사노즐(120)로부터 유입되는 반응가스와 접하는 면이 직선의 형상을 가지도록 하는 것이 바람직하며, 보다 완만한 구배를 위해서 곡선의 형상으로 변화시키는 것 또한 가능하다.
그리고, 상기 유속 제어부(150)는 상기 챔버(110) 외주면에서의 높이(d)가 상기 가스유로(F)의 높이에 해당하는 상기 챔버와 서셉터 사이의 높이(h1)의 1%를 초과하지 않도록 한다.
이와 같이, 유속 제어부(150)를 통해 가스유로(F)의 높이가 고온영역(H)인 웨이퍼 부근에서 점차 낮아지는 구조를 가지도록 함으로써, 가스 배기측 방향으로 방사형으로 확장되는 가스유로(F)의 체적변화에 따른 반응가스의 유동속도가 균일하게 유지되도록 하여 안정된 층류 유동을 형성하는 것이 가능하다.
한편, 상기 챔버(110)의 외부면에는 상기 유속 제어부(150)와 대응하는 위치에 냉각수단(water pipe)(160)을 구비하여 챔버(110)의 내부온도에 의해 가열된 상기 유속 제어부(150)를 냉각시키도록 한다.
이를 통해 반응가스와 접하는 상기 유속 제어부(150)의 외부면에 발생하는 기생증착(parasitic deposition)을 최소화하여 웨이퍼(2) 전체에서 균일하게 증착반응이 일어날 수 있도록 한다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
도 1은 일반적인 방사형 타입(Radial type)의 화학 기상 증착 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 A부분을 확대한 것으로 가스유로의 체적 및 반응가스의 유속변화를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 일실시예를 나타내는 개략도이다.
도 4는 도 3의 B부분을 확대한 것으로 유속 제어부가 구비된 가스유로의 체적 및 반응가스의 유속변화를 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 3의 유속 제어부를 나타내는 확대사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 7은 도 6의 유속 제어부를 나타내는 확대사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 화학 기상 증착 장치 110 : 챔버
120 : 가스 분사노즐 121 : 가스유입구
130 : 서셉터 131 : 포켓
140 : 히터 150 : 유속 제어부
160 : 냉각수단 C : 열대류
H : 고온영역 L : 저온영역
M : 경계부 F : 가스유로

Claims (11)

  1. 일정 크기의 내부공간을 갖는 챔버;
    상기 챔버 내부로 반응가스를 공급하는 가스 분사노즐;
    상기 챔버내에 회전가능하게 배치되며 적어도 하나의 웨이퍼가 올려지는 서셉터;
    상기 서셉터의 하부면에 배치되어 열을 제공하는 히터; 및
    상기 서셉터와 마주하는 상기 챔버의 상부측 내부면에 상기 웨이퍼의 열대류가 발생되는 고온영역에서의 가스유로의 체적이 균일하게 유지되도록 상기 고온영역에서 상기 챔버의 가스 배기측 방향으로 하향 경사지게 구비되는 유속 제어부;
    를 포함하고,
    상기 유속 제어부는 상기 가스 분사노즐 주변부의 저온영역과 상기 웨이퍼의 열대류가 발생하는 고온영역 사이의 경계부에서부터 상기 챔버의 내측면까지 환고리형태로 구비되며, 적어도 2개 이상의 분할부재로 이루어지며, 상기 챔버의 내부면에 분리가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 분사노즐은 상기 서셉터의 중심에서 외주측으로 향하는 방사형 가스흐름을 형성하도록 적어도 하나이상 구비되는 가스유입구로 이루어지며, 상기 서셉터의 중심과 대응하는 챔버의 상부 내부면에 구비되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경계부는 온도분포가 200℃ ~ 300℃인 저온영역과 온도분포가 800℃ ~ 1000℃인 고온영역 사이에서 온도분포를 가지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유속 제어부는 상기 챔버보다 열전도율이 낮은 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유속 제어부는 상기 가스 분사노즐로부터 유입되는 반응가스와 접하는 면이 상기 챔버의 외주면 방향으로 직선 또는 곡선의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유속 제어부는 상기 챔버 외주면에서의 높이(d)가 상기 챔버와 서셉터 사이의 높이(h1)의 1%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 유속 제어부와 대응하는 외부면에 상기 유속 제어부를 냉각시키는 냉각수단을 추가하여 구비함을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
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