KR100972976B1

KR100972976B1 - 서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치

Info

Publication number: KR100972976B1
Application number: KR1020080042053A
Authority: KR
Inventors: 정호일; 유상덕; 이원신
Original assignee: 삼성엘이디 주식회사
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2008-05-06
Publication date: 2010-07-29
Also published as: KR20090116234A; US20090277387A1

Abstract

본 발명은 서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 유기 금속 화학 기상 증착 (MOCVD) 장치 등에 사용되는 서셉터와 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.

Description

서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치{SUSCEPTOR AND APPARATUS FOR CHEMICAL VAPOR DEPOSTION INCLUDING THE SAME}

일반적으로 유기 금속 화학 증착 장치(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD)는 화학 반응을 이용하여 웨이퍼 기판 등에 금속 산화막을 형성하는 박막 형성 장치로서, 진공으로 이루어진 챔버 내에서 가열된 기판에 증기압이 높은 금속의 유기 화합물 증기를 보내어 그 금속의 막을 기판에 성장시키도록 하는 장치이다.

도 1에서 일반적인 화학 기상 증착 장치에 관하여 개략적으로 나타내고 있는데, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 화학 기상 증착 장치는 소정의 진공 공간을 형성하는 챔버(10)와, 상기 챔버(10) 내부에 구비되며 기판(30)을 수용하는 서셉터(20), 그리고 상기 서셉터(20)와 인접하여 구비되는 RF코일(40)을 포함한다.

챔버(10)의 측단부에는 박막 형성을 위한 원료가스를 도입하는 가스도입 부(11)가 구비되며, 챔버(10)의 중심부에는 상기 가스도입부(11)를 통해 도입된 가스가 챔버(10) 내부를 유동하며 배출될 수 있도록 하는 가스배기구(12)가 구비된다.

따라서 상기 가스도입부(11)를 통해 유입되어 유동하는 가스에 서셉터(20)에 놓여진 기판(30)이 노출되고, 상기 RF코일(40)에서 유도가열 함으로써 상기 기판(30)에 열이 가해지면서 상기 기판(30) 상에 박막이 성장하게 된다.

상기한 바와 같이 기판(30)에 박막이 형성되는 과정에서 상기 RF코일(40)로부터 매우 높은 온도의 고열이 발생하고 이때 기판(30)은 가장자리 쪽이 윗쪽으로 휘어지는 휨 현상(Bowing Effect)이 발생한다.

그러나, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 서셉터(20)는 기판(30)을 수용하는 부분의 바닥면이 평평하게 형성되기 때문에 기판(30)에 박막을 성장시키는 과정에서 고온으로 말미암아 기판(30)이 휘어지는 경우, 기판의 중심부분과 가장자리 부분이 받는 열이 각각 달라지기 때문에 기판의 온도가 전체적으로 균일하지 못하게 되어 박막의 성장이 기판 전체적으로 균일하게 이루어지지 못하게 되는 문제점이 있었다.

도 2는 종래의 기술에 따른 화학 기상 증착 장치의 서셉터에 대한 기판의 온도 균일도를 시험한 결과를 나타내는 도면이다.

여기서 도 2에 도시된 실험결과 도면은 포토루미네선스(Photoluminescence) 장비를 이용하여 종래의 바닥면이 평평한 서셉터에서 증착이 이루어지는 기판의 온도 균일도를 자극광에 대한 방출광의 파장을 분석하여 측정한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이 기판의 증착 과정에서 휨 현상이 발생하기 때문에 방출광의 파장이 중심부 쪽에서 가장 낮고 가장자리 쪽으로 갈수록 파장이 더 길어지는 것을 알 수 있다.

그리고 전체적으로 파장이 고르지 못하고 파장의 표준 편차가가 대략 5.8 nm임을 알 수 있다. 따라서 기판의 증착 과정에서 기판의 온도가 균일하지 못하고 성장한 박막도 균일도가 떨어진다.

온도 균일도 및 박막 성장의 균일도를 향상시킬 수 있는 방법으로서 서셉터를 회전시키는 방법과 기판 각각을 자전시키는 방법, 그리고 RF코일을 제어하여 온도를 조절하는 방법 등 여러 가지가 제안되었으나 박막의 성장 속도가 빠를 경우에는 상기한 바와 같은 방법들은 온도의 균일도를 향상시키는 데 있어 한계가 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 고온에서 피증착체에 박막을 성장시킴에 있어서 피증착체의 온도 균일도를 향상시켜 박막의 성장이 전체적으로 균일하게 이루어지도록 함으로써 완성품에 대한 품질의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터는, 피증착체를 수용하는 적어도 하나의 포켓부; 상기 포켓부 상단으로부터 아래 쪽으로 단차를 이루며 피증착체가 놓이도록 마련되는 안착부; 및 상기 안착부로부터 소정의 깊이로 만곡되어 형성되는 만곡부를 포함하며, 상기 만곡부의 곡률반경은 실질적으로 8000 mm 이상 25000 mm 이하의 범위 에 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안착부의 외주에 대한 직경이 실질적으로 2 inch 이상 12 inch 이하의 범위 중 어느 하나의 값을 가질 때, 상기 만곡부는 상기 곡률반경의 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 만곡부는, 상기 안착부의 외주에 대한 직경(D)이 실질적으로 2 inch 이상 12 inch 이하의 범위 중 어느 하나인 경우, 상기 안착부로부터 상기 만곡부의 하단까지의 수직 방향 깊이(t)가 실질적으로 다음의 조건식을 만족시키도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

ro1*{1-cos(sin^-1(D/(2*ro1)))} ≤ t ≤ ro2*{1-cos(sin^-1(D/(2*ro2)))}

여기서, ro1과 ro2는 상기 만곡부의 곡률반경으로서 ro1은 실질적으로 25000 mm이고 ro2는 실질적으로 8000 mm이다.

또한, 상기 만곡부는, 상기 안착부의 외주에 대한 직경(D)이 실질적으로 2 inch 이상 12 inch 이하의 범위 중 어느 하나인 경우, 상기 만곡부의 곡률중심으로부터 상기 만곡부의 중심과 상기 안착부의 외주가 이루는 각도(θ)가 실질적으로 다음의 조건식을 만족시키도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

sin^-1(D/(2*ro1)) ≤ θ ≤ sin^-1(D/(2*ro2))

그리고, 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치는 상기한 바와 같은 서셉터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치는 피증착체를 수용하는 포켓부의 구조를 소정의 조건에 따라 변경함으로써 박막의 성장 과정에서 피증착체의 온도 균일도를 향상시켜 박막 성장이 균일하게 이루어질 수 있도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 서셉터에 관한 실시예를 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

여기서 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치는 본 발명에 따른 서셉터를 포함하는 모든 방식의 화학 기상 증착 장치를 모두 포함하며, 서셉터를 제외한 다른 부분들에 관한 내용은 종래의 기술과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하고 이하에서는 본 발명에 따른 서셉터에 관하여 주로 설명한다.

먼저 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터에 관하여 개략적으로 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터는 피증착체(30)를 수용할 수 있도록 포켓부(20)가 구비된다.

본 발명에 따른 서셉터는 하나의 피증착체를 수용하도록 하나의 포켓부가 구비되는 경우뿐만 아니라 둘 이상의 피증착체를 수용할 수 있도록 둘 이상의 포켓부가 구비되는 경우를 모두 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터의 포켓부(20)에는 안착부(21)와 만곡부(22)가 마련된다.

상기 안착부(21)는 포켓부(20)의 상단으로부터 아래 쪽으로 단차를 이루며 형성되어 피증착체(30)가 안착될 수 있도록 마련된다. 상기 안착부(21)는 포켓부(20)의 둘레를 따라 형성되는 것이 바람직하다.

상기 만곡부(22)는 상기 안착부(21)로부터 아래 쪽으로 소정의 곡률반경 및 소정의 깊이로 만곡되어 형성된다.

따라서 증착과정에서 고온의 분위기 하에서 피증착체에 박막이 성장할 때 휨 현상이 발생하더라도 피증착체의 중심부 부분으로부터 가장자리까지 골고루 열이 전달될 수 있어 온도의 균일도를 향상시킬 수 있고 이는 박막의 균일도 향상으로 이어진다.

한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터의 포켓부(20)의 직경(D)과 만곡부(22)의 곡률반경(ro), 안착부(21)로부터 만곡부(22)의 하단까지의 수직방향 깊이(t), 그리고 만곡부(22)의 곡률중심에서 안착부(21)의 외주와 만곡부(22)의 중심이 이루는 각도(θ)에 관하여 도시하고 있다.

상기 포켓부(20)의 직경(D)은 구체적으로 안착부(21)의 외주의 직경을 의미한다.

이와 같은 포켓부(20)의 직경(D)은 실제로 다양하게 존재할 수 있다. 즉 직경이 2 inch인 경우부터 크게는 12 inch인 경우까지 존재할 수 있다.

이와 같이 다양한 크기의 직경을 갖는 포켓부에서 만곡부(22)의 곡률반경이나 깊이는 일정한 조건에 의해 결정되는 것이 바람직하다.

도 5는 포켓부의 직경이 2 inch인 경우에 만곡부의 깊이를 50 ㎛로 형성한 경우에 대해 포토루미네선스(Photoluminescence) 장비를 이용하여 자극광에 대한 방출광의 파장 변화를 측정함으로써 피증착체의 온도 균일도에 관하여 분석한 것이다.

도 5에 도시된 실험 결과 도면에서 도 2에 도시된 종래의 서셉터에서의 피증착체의 온도 균일도 보다 훨씬 더 향상된 온도 균일도를 나타내고 있다는 것을 확인할 수 있다. 도 5에 도시된 실험 결과에서 파장의 표준 편차는 3.4 nm로서 종래 의 기술에 따른 서셉터 보다 온도 균일도가 훨씬 더 향상되었다.

도 6은 포켓부의 직경이 2 inch인 경우에 만곡부의 깊이를 25 ㎛로 형성한 경우에 대한 온도 균일도 실험 결과이다.

파장의 표준 편차는 1.8 nm로서 도 2에 도시된 종래의 서셉터의 경우는 물론 도 5에 도시된 만곡부의 깊이가 50 ㎛인 경우 보다 온도 균일도가 훨씬 더 향상된 것을 확인할 수 있다.

따라서 2 inch 직경의 포켓부에서 만곡부의 깊이는 0 보다 더 크고 50 ㎛ 보다는 더 작은 범위에서 적절한 범위의 값을 갖도록 함이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

여기서 만족할 만한 온도 균일도 향상을 기대할 수 있는 만곡부의 깊이를 2 inch 직경의 포켓부에 대해 대략 12 ㎛ 보다 크고 대략 40 ㎛ 보다 작은 범위를 선택하여 적용할 수 있다.

그런데, 상기한 바와 같은 만곡부의 깊이 범위는 포켓부의 직경이 2 inch인 경우에 적용되는 것이고, 포켓부의 직경이 더 커진다면 만곡부의 깊이도 직경이 2 inch일 때의 곡률반경과 동일한 곡률반경에 따라 변경된다.

즉 포켓부의 직경이 달라짐에 따라 만족스러운 결과를 나타낼 수 있는 만곡부의 깊이도 달라지지만, 만곡부의 곡률반경은 모든 크기의 직경에 대해서 실질적으로 동일하게 적용된다.

이는 상기한 만곡부의 깊이 범위에 해당하는 만곡부의 곡률반경을 구하여 이를 더 큰 직경을 갖는 포켓부에도 동일하게 적용함으로써 다양한 직경에서의 만곡 부의 깊이 범위를 도출해 낼 수 있다.

상기한 바와 같이 만곡부의 유효한 곡률반경을 구하기 위해 도 4를 참조하여 직경(D), 곡률반경(ro), 각도(θ), 그리고 만곡부의 깊이(t)에 관하여 다음과 같은 관계식을 도출할 수 있다.

θ = sin-1(D/(2*ro))

그리고 다음과 같은 관계식도 도출할 수 있다.

t = ro*{1-cos(sin-1(D/(2*ro))}

따라서 2 inch인 경우의 만곡부의 깊이로 선택된 12 ㎛와 40 ㎛를 상기 수학식 2에 적용하면 곡률반경인 ro를 구할 수 있다. 즉 대략 다음과 같은 곡률반경의 범위를 다양한 직경의 포켓부에 적용할 수 있다.

8000 mm ≤ ro ≤ 25000 mm

이와 같이 도출된 곡률반경을 포켓부의 직경이 2 inch ~ 12 inch의 범위 중 어느 하나의 값을 갖는 경우에 대해 적용하여 θ값을 다음과 같은 범위로 결정할 수 있다.

sin^-1(D/(2*ro1)) ≤ θ ≤ sin^-1(D/(2*ro2))

그리고 포켓부의 직경이 2 inch ~ 12 inch의 범위 중 어느 하나의 값을 갖는 경우에 대해 만곡부의 깊이(t)를 다음의 범위에서 결정할 수 있다.

ro1*{1-cos(sin^-1(D/(2*ro1)))} ≤ t ≤ ro2*{1-cos(sin^-1(D/(2*ro2)))}

다음의 표 1 내지 표8은 상기 수학식 3과 수학식 4에 따른 구체적인 수치값의 적용결과를 나타낸 것이다.

하기의 각 표에서 Inch는 포켓부의 직경을 inch 단위로 나타낸 것이고, D(mm)는 포켓부의 직경을 mm 단위로 나타낸 것이며, θ(rad)는 곡률중심으로부터의 각도를 radian 단위로 나타낸 것이고, t(mm)는 만곡부의 깊이를 mm 단위로 나타낸 것이다.

상기 표 1에 도시된 데이터는 만곡부의 곡률반경(ro)이 8000 mm인 경우에 관한 것이다.

상기 표 2에 도시된 데이터는 만곡부의 곡률반경(ro)이 10000 mm인 경우에 관한 것이다.

상기 표 3에 도시된 데이터는 만곡부의 곡률반경(ro)이 12000 mm인 경우에 관한 것이다.

상기 표 4에 도시된 데이터는 만곡부의 곡률반경(ro)이 14000 mm인 경우에 관한 것이다.

상기 표 5에 도시된 데이터는 만곡부의 곡률반경(ro)이 19000 mm인 경우에 관한 것이다.

상기 표 6에 도시된 데이터는 만곡부의 곡률반경(ro)이 21000 mm인 경우에 관한 것이다.

상기 표 7에 도시된 데이터는 만곡부의 곡률반경(ro)이 23000 mm인 경우에 관한 것이다.

상기 표 8에 도시된 데이터는 만곡부의 곡률반경(ro)이 25000 mm인 경우에 관한 것이다.

그리고 도 7에 도시된 그래프는 상기 표 1 내지 표 8에 나타낸 데이터들을 근거로 도출한 것이다.

도 7에 도시된 그래프를 통하여 ro가 8000 mm에서 25000 mm인 범위 내에서 직경이 어떠한 값이든 임의로 정해져도 이에 맞는 적절한 만곡부의 깊이(t)를 정할 수 있다.

따라서 포켓부의 직경이 대략 2 inch에서 대략 12 inch 까지 또는 대략 50 mm 에서 대략 310 mm 까지의 값들 중 어느 하나의 값을 갖는 경우, 만곡부의 깊이를 도 7에 도시된 그래프에 따라 적절히 결정하여 형성함으로써 증착 과정에서 피증착체의 온도를 보다 균일하게 되도록 할 수 있고 박막도 보다 균일하게 성장할 수 있다.

도 1은 일반적으로 사용되는 화학 기상 증착 장치에 있어서 서셉터의 구조에 관하여 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1에 도시된 화학 기상 증착 장치의 서셉터에서 증착이 이루어지는 기판의 온도 균일도에 관하여 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 도 3에 도시된 서셉터에서 각종 파라미터를 표시하여 나타낸 도면이다.

도 5 및 도 6은 만곡부의 깊이를 각각 50 ㎛와 25 ㎛에 대해 적용한 결과를 나타낸 도면이다.

도 7은 표 1 내지 표 8에 나타낸 데이터들에 따른 결과 그래프를 나타낸 것이다.

Claims

피증착체를 수용하는 적어도 하나의 포켓부;

상기 포켓부 상단으로부터 아래 쪽으로 단차를 이루며 피증착체가 놓이도록 마련되는 안착부; 및

상기 안착부로부터 소정의 깊이로 만곡되어 형성되는 만곡부를 포함하며,

상기 만곡부의 곡률반경은 실질적으로 8000 mm 이상 25000 mm 이하의 범위 에 포함되고,

상기 만곡부는, 상기 안착부의 외주에 대한 직경(D)이 실질적으로 2 inch 이상 12 inch 이하의 범위 중 어느 하나인 경우, 상기 안착부로부터 상기 만곡부의 하단까지의 수직 방향 깊이(t)가 실질적으로 다음의 조건식을 만족시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 서셉터.

ro1*{1-cos(sin^-1(D/(2*ro1)))} ≤ t ≤ ro2*{1-cos(sin^-1(D/(2*ro2)))}

여기서, ro1과 ro2는 상기 만곡부의 곡률반경으로서 ro1은 실질적으로 25000 mm이고 ro2는 실질적으로 8000 mm이다.
제1항에 있어서,

상기 안착부의 외주에 대한 직경이 실질적으로 2 inch 이상 12 inch 이하의 범위 중 어느 하나의 값을 가질 때, 상기 만곡부는 상기 곡률반경의 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 서셉터.
피증착체를 수용하는 적어도 하나의 포켓부;

상기 포켓부 상단으로부터 아래 쪽으로 단차를 이루며 피증착체가 놓이도록 마련되는 안착부; 및

상기 안착부로부터 소정의 깊이로 만곡되어 형성되는 만곡부를 포함하며,

상기 만곡부의 곡률반경은 실질적으로 8000 mm 이상 25000 mm 이하의 범위 에 포함되고,

상기 만곡부는, 상기 안착부의 외주에 대한 직경(D)이 실질적으로 2 inch 이상 12 inch 이하의 범위 중 어느 하나인 경우, 상기 만곡부의 곡률중심으로부터 상기 만곡부의 중심과 상기 안착부의 외주가 이루는 각도(θ)가 실질적으로 다음의 조건식을 만족시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 서셉터.

sin^-1(D/(2*ro1)) ≤ θ ≤ sin^-1(D/(2*ro2))

여기서, ro1과 ro2는 상기 만곡부의 곡률반경으로서 ro1은 실질적으로 25000 mm이고 ro2는 실질적으로 8000 mm이다.
제3항에 있어서,

상기 안착부의 외주에 대한 직경이 실질적으로 2 inch 이상 12 inch 이하의 범위 중 어느 하나의 값을 가질 때, 상기 만곡부는 상기 곡률반경의 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 서셉터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 서셉터를 포함하는 화학 기상 증착 장치.