KR100988213B1

KR100988213B1 - 질화갈륨기판 제조장치

Info

Publication number: KR100988213B1
Application number: KR1020080131395A
Authority: KR
Inventors: 이정훈; 오현정
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-10-18
Also published as: KR20100072862A

Abstract

본 발명은 두꺼운 두께를 가지는 질화갈륨 단결정 층 및 얇으면서 우수한 품질을 가지는 에피텍셜 질화갈륨 층을 함께 성장시킬 수 있도록 구조가 개선된 질화갈륨기판 제조장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 질화갈륨기판 제조장치는 챔버와, 중공의 형상으로 형성되며, 외부로부터 공급되는 암모니아(NH₃)가스가 챔버의 내부로 분사되도록 챔버에 결합되는 제1가스공급관과, 중공의 형상으로 형성되며, 외부로부터 공급되는 염화수소(HCl) 가스와 내부에 배치된 갈륨(Ga)이 반응하여 생성되는 염화갈륨(GaCl) 가스가 챔버의 내부로 분사되도록 챔버에 결합되는 제2가스공급관과, 암모니아 가스의 분사방향 및 염화갈륨 가스의 분사방향에 대해 경사지도록 제1기판이 안착되며, 기판의 상측으로 암모니아 가스 및 염화갈륨 가스가 유동되도록 챔버의 내부에 설치되는 제1기판지지대와, 암모니아 가스 및 염화갈륨 가스의 유동경로 상 제1기판지지대의 후방에 배치되도록 챔버의 내부에 설치되며, 제1기판에 대하여 경사지도록 제2기판이 안착되는 제2기판지지대를 포함한다.

질화갈륨, 챔버, 염화수소, 갈륨, 제2기판지지대

Description

질화갈륨기판 제조장치{Device for manufacturing GaN substrate}

본 발명은 암모니아 가스 및 염화 갈륨 가스를 기판으로 분사하여, 기판 상에 질화갈륨 단결정을 성장시키는데 이용되는 질화갈륨기판 제조장치에 관한 것이다.

기판 상에 질화갈륨(GaN) 단결정을 성장시키기 위해 현재 사용되고 있는 반응기는 성장되는 질화갈륨 단결정의 두께에 따라 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 반응기와, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 반응기로 분류된다.

HVPE 반응기는 Ga metal liquid를 이용하여 질화갈륨 단결정을 성장시키는 반응기로, HVPE 반응기를 사용하는 경우 기판 상에 두께가 100um 이상이 되는 질화갈륨 후막층이 형성된다. 하지만, HVPE 반응기는 공정 가스의 유동을 제어함에 있어서 정밀성에 한계가 존재하는 바, 두께가 7um 이하이며 높은 균일성을 가지는 에피텍셜 막을 성장시키는데에는 사용할 수 없다는 한계가 있다.

반면, MOCVD 반응기는 TMG 가스를 이용하여 질화갈륨 단결정을 성장시키는 반응기로, MOCVD 반응기를 사용하는 경우 기판 상에 질화갈륨 에피텍셜 층이 형성 된다. 하지만, MOCVD 반응기의 경우 질화갈륨 층의 성장속도가 매우 느려 두꺼운 후막층을 성장시키는데에는 사용할 수 없다는 한계가 있다.

즉, 종래의 경우 성장시키고자 하는 질화갈륨 층의 두께에 따라 각각 별개의 장치를 사용하여야 한다. 따라서, 장치의 개발과 제작에 투입되는 비용이 중복으로 소모된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 두꺼운 두께를 가지는 질화갈륨 단결정 층 및 얇으면서 우수한 품질을 가지는 에피텍셜 질화갈륨 층을 함께 성장시킬 수 있도록 구조가 개선된 질화갈륨기판 제조장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 질화갈륨기판 제조장치는 챔버와, 중공의 형상으로 형성되며, 외부로부터 공급되는 암모니아(NH₃)가스가 상기 챔버의 내부로 분사되도록 상기 챔버에 결합되는 제1가스공급관과, 중공의 형상으로 형성되며, 외부로부터 공급되는 염화수소(HCl) 가스와 내부에 배치된 갈륨(Ga)이 반응하여 생성되는 염화갈륨(GaCl) 가스가 상기 챔버의 내부로 분사되도록 상기 챔버에 결합되는 제2가스공급관과, 상기 암모니아 가스의 분사방향 및 상기 염화갈륨 가스의 분사방향에 대해 경사지도록 제1기판이 안착되며, 상기 기판의 상측으로 상기 암모니아 가스 및 상기 염화갈륨 가스가 유동되도록 상기 챔버의 내부에 설치되는 제1기판지지대와, 상기 암모니아 가스 및 상기 염화갈륨 가스의 유동경로 상 상기 제1기판지지대의 후방에 배치되도록 상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 제1기판에 대하여 경사지도록 제2기판이 안착되는 제2기판지지대를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 암모니아 가스의 분사방향에 대해 상기 제1기판이 경사진 정도가 변경가능한 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 제2기판은 상기 암모니아 가스의 분사방향과 평행하도록 상기 제2기판지지대에 안착되는 것이 바람직하다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 하나의 장치 내에서 한번의 공정을 통하여 두꺼운 두께를 가지는 질화갈륨 단결정 층 및 얇으면서 우수한 품질을 가지는 에피텍셜 질화갈륨 층을 기판에 동시에 성장시킬 수 있다. 따라서, 장치의 제작비용이 감소되며, 장치의 생산성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨기판 제조장치의 개략적인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 질화갈륨기판 제조장치(100)는 챔버(10)와, 제1가스공급관(20)과, 제2가스공급관(30)과, 제1기판지지대(40)와, 제2기판지지대(50)를 포함한다.

챔버(10)의 내부는 외부와 밀폐되게 형성된다. 챔버(10)에는 가스가 배기되는 배기구(11)가 형성되어 있다.

제1가스공급관(20)은 중공의 형상으로 형성된다. 제1가스공급관(20)은 챔버(10)에 결합되며, 챔버(10)의 내부와 제1가스공급관(20)의 내부는 서로 연통된 다. 제1가스공급관(20)은 암모니아(NH₃) 가스 저장탱크와 같은 외부의 장치(미도시)와 연결되며, 이 외부의 장치로부터 제1가스공급관(20)으로 암모니아 가스가 공급되며, 공급된 암모니아 가스는 챔버(10) 내부로 분사된다. 이때, 도 1에 화살표(A)로 도시된 바와 같이, 암모니가 가스는 수평한 방향으로 분사된다.

제2가스공급관(30)은 중공의 형상으로 형성된다. 제2가스공급관(30)은 챔버(10)에 결합되며, 제1가스공급관(20)의 상방에 배치된다. 제2가스공급관(30)의 내부는 챔버(10)의 내부와 서로 연통되며, 제2가스공급관(30)의 내부에는 갈륨(Ga)(31)이 놓여져 있는 보트(32)가 설치되어 있다. 제2가스공급관(30)은 염화수소(HCl) 가스 저장탱크와 같은 외부의 장치(미도시)와 연결되며, 이 외부의 장치로부터 제2가스공급관(30)으로 염화수소 가스가 공급된다. 제2가스공급관(30)으로 공급된 염화수소 가스와 보트(32)에 담겨져 있는 갈륨(31)이 반응하여 염화갈륨(GaCl) 가스가 생성되며, 생성된 염화갈륨 가스는 챔버(10)의 내부로 분사된다. 이때, 도 1에 화살표(B)로 도시된 바와 같이, 염화갈륨 가스는 암모니아 가스의 분사방향과 평행하게 분사된다.

제1기판지지대(40)는 챔버(10)의 내부에 배치되며, 구동축(41)에 결합되어 회전축(c)을 중심으로 회전가능하게 설치된다. 제1기판지지대(40)의 상면에는 웨이퍼와 같은 제1기판(71)이 안착되는데, 여기서 제1기판(71)은 두께가 100um 이상인 두꺼운 질화갈륨 단결정 층을 성장시키기 위한 기판을 의미한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1기판(71)은 암모니아 가스의 분사방향(A) 및 염화갈륨 가스의 분 사방향(B) 즉 수평방향에 대해 경사지게 배치되며, 제1기판지지대(40)가 회전함에 따라 수평방향에 대하여 제1기판(71)이 경사진 정도(θ)가 변경되게 된다. 이때, 후술하는 바와 같이 제1기판(71)은 수평방향에 대해 10도 내지 45도 정도로 경사지게 배치되는 것이 바람직하다.

제2기판지지대(50)는 챔버(10)의 내부에 설치되며, 암모니아 가스 및 염화갈륨 가스의 유동경로 상 제1기판지지대(40)의 후방에 배치된다. 제2기판지지대(50)는 수평하게 배치되며, 제2기판지지대(50)의 상면에는 웨이퍼와 같은 제2기판(72)이 수평하게 안착된다. 여기서 제2기판(72)은 두께가 7um 이하인 에피텍셜 질화갈륨 층을 성장시키기 위한 기판을 의미한다.

상기한 바와 같이 구성된 질화갈륨기판 제조장치(100)에 있어서, 제1가스공급관(20) 및 제2가스공급관(30)에서 각각 분사된 암모니아 가스 및 염화갈륨 가스는 수평한 방향으로 유동하다가 제1기판지지대(40)의 상면을 따라 유동하게 된다. 이때, 암모니아 가스 및 염화갈륨 가스가 제1기판지지대(40)에 도달하여 그 유동방향이 변화되는 시점에서부터 본격적으로 두 가스가 서로 혼합되기 시작하며, 혼합된 가스는 제1기판(71)의 상면을 따라 유동하면서 빠른 속도로 반응하여, 제1기판(71)에 질화감륨 단결정이 빠른 속도로 두껍게 성장하게 된다.

한편, 제1기판(71)을 통과한 암모니아 가스 및 염화갈륨 가스는 제2기판지지대(50)를 따라 선형적으로 유동하게 되며, 이 과정에서 미반응 된 암모니아 가스 및 염화갈륨 가스가 서로 반응하여 제2기판(72) 상에 질화갈륨 에피텍셜 층이 성장하게 된다.

상기한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 암모니아 가스 및 염화갈륨 가스가 제1기판지지대(40)를 통과하는 과정 중, 두 가스의 유동방향이 변화되면서 두 가스가 빠르게 혼합되어 반응하면서 제1기판(71) 상에 빠른 속도로 질화갈륨 단결정이 성장하게 된다. 그리고, 제1기판지지대(40)을 통과한 미반응 암모니아 가스 및 염화갈륨 가스가 제2기판지지대(50) 상을 선형적으로 유동하면서 서로 반응하여, 제2기판(72) 상에 질화갈륨 에피텍셜 층이 성장하게 된다. 즉, 본 실시예에 따르면 하나의 챔버(10) 내에서 한번의 공정을 통하며, 100um 이상의 두께를 가지는 질화갈륨 단결정 층과 7mu 이하의 두께를 가지는 에피텍셜 질화갈륨 층을 모두 성장시킬 수 있게 된다. 따라서, 종래와 같이 성장되는 질화갈륨 층의 두께에 따라 별도의 장치를 제작할 필요성이 없으며, 한번에 두가지 형태의 질화갈륨 층을 성장시킬 수 있는 바 장치의 생산성이 향상된다.

한편, 상기한 내용을 검증하기 위한 시뮬레이션을 실시하였으며, 그 결과가 도 2 내지 도 4에 도시되어 있다. 도 2는 제1기판의 기울기에 따라 제1기판에 질화갈륨 층이 성장되는 속도를 나타낸 그래프이며, 도 3은 제1기판의 기울기에 따라 제2기판에 질화갈륨 층이 성장되는 속도를 나타낸 그래프이며, 도 4는 제1기판의 기울기에 따라 제1기판 및 제2기판에 성장된 질화갈륨 층의 두께 편차를 나타낸 표이다.

도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 시뮬레이션은 가스의 분사방향 즉 수평방향에 대하여 제1기판(71)이 기울어진 각도가 각각 10도, 30도, 45도인 경우에 대해 실시하였다.

도 2에 나타난 바와 같이, 제1기판(71)이 기울어진 각도(θ)가 10도인 경우 제1기판(71)에 질화갈륨이 성장되는 속도가 약 18um/h로 가장 빠르며, 기울어진 각도가 증가할수록 성장속도가 감소됨을 알 수 있다. 그리고, 도 2의 그래프에서 나타난 경향성으로 예측할 수 있는 바와 같이, 제1기판(71)의 기울어진 각도가 45도를 넘어서게 되면, 질화갈륨의 성장속도가 종래의 HVPE 반응기의 성장속도인 10um/h 아래로 떨어지게 되며, 따라서 장치의 생산성이 종래보다 더 떨어지게 된다. 한편, 그래프 상에 도시되어 있지는 않으나, 제1기판(71)의 기울어진 각도가 10도 미민인 경우에는, 가스공급기에서 분사된 가스가 제1기판(71)에 도달하기 전의 유동방향과 도달한 후의 유동방향이 조금 밖에 변화되지 않는 등의 이유로 인해 두 가스가 잘 혼합되지 않게 되고, 따라서 질화갈륨의 성장속도가 떨어지게 된다.

그리고, 도 3에 나타난 바와 같이, 제1기판(71)이 기울어진 각도가 10도인 경우 제2기판(72)에 질화갈륨이 성장되는 속도가 약 3.6um/h로 가장 빠르며, 기울어진 각도가 증가할수록 성장속도가 감소됨을 알 수 있다.

한편, 도 4에 나타난 바와 같이, 제1기판(71) 및 제2기판(72) 모두 제1기판(71)의 기울어진 각도가 10도 일 때 질화갈륨 층의 두께 편차(TTV)가 가장 크게 나타난다. 하지만, 일반적인 품질규격에서 성장완료된 질화갈륨 층(두께가 약 100um를 기준)의 두께 편차를 50um까지 허용하는 바, 제1기판(71)의 기울어진 각도가 10도인 경우에도 충분히 우수한 품질의 질화갈륨 층이 형성될 것임을 예상할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발 명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

예를 들어, 본 실시예의 경우에는 제1기판지지대(40)와 제2기판지지대(50)가 서로 독립된 별개의 구성으로 구성되었으나, 도 5에 도시된 바와 같이 제1기판지지대(40A)와 제2기판지지대(50A)를 일체로 구성할 수도 있다. 그리고, 이와 같이 제1기판지지대(40A) 및 제2기판지지대(50A)를 구성하면, 장치의 구조가 더 간단해 지게 된다. 또한, 제1기판지지대(40A)를 통과한 암모니아 가스 및 염화갈륨 가스가, 제1기판지지대(40A)와 제2기판지지대(50A)가 연결된 지점(E)을 따라 제2기판지지대쪽으로 유동하게 되므로, 제2기판지지대(50A) 위를 통과하는 가스의 흐름이 종래보다 더 선형적으로 되며, 그 결과 제2기판(72) 상에 보다 더 균일하게 질화갈륨 층이 형성된다.

도 2는 제1기판의 기울기에 따라 제1기판에 질화갈륨 층이 성장되는 속도를 나타낸 그래프이다.

도 3은 제1기판의 기울기에 따라 제2기판에 질화갈륨 층이 성장되는 속도를 나타낸 그래프이다.

도 4는 제1기판의 기울기에 따라 제1기판 및 제2기판에 성장된 질화갈륨 층의 두께 편차를 나타낸 표이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화갈륨기판 제조장치의 개략적인 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...질화갈륨기판 제조장치 10...챔버

20...제1가스공급관 30...제2가스공급관

40...제1기판지지대 50...제2기판지지대

Claims

챔버;

중공의 형상으로 형성되며, 외부로부터 공급되는 암모니아(NH₃)가스가 상기 챔버의 내부로 분사되도록 상기 챔버에 결합되는 제1가스공급관;

중공의 형상으로 형성되며, 외부로부터 공급되는 염화수소(HCl) 가스와 내부에 배치된 갈륨(Ga)이 반응하여 생성되는 염화갈륨(GaCl) 가스가 상기 챔버의 내부로 분사되도록 상기 챔버에 결합되는 제2가스공급관;

상기 암모니아 가스의 분사방향 및 상기 염화갈륨 가스의 분사방향에 대해 경사지도록 제1기판이 안착되며, 상기 기판의 상측으로 상기 암모니아 가스 및 상기 염화갈륨 가스가 유동되도록 상기 챔버의 내부에 설치되는 제1기판지지대; 및

상기 암모니아 가스 및 상기 염화갈륨 가스의 유동경로 상 상기 제1기판지지대의 후방에 배치되도록 상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 제1기판에 대하여 경사지도록 제2기판이 안착되는 제2기판지지대;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨기판 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 암모니아 가스의 분사방향과 상기 염화갈륨 가스의 분사방향은 서로 평행한 것을 특징으로 하는 질화갈륨기판 제조장치.
제2항에 있어서,

상기 암모니아 가스의 분사방향에 대해 상기 제1기판이 경사진 정도가 변경가능한 것을 특징으로 하는 질화갈륨기판 제조장치.
제2항에 있어서,

상기 제1기판은 상기 암모니아 가스의 분사방향에 대하여 10도 내지 45도로 경사지도록 상기 기판지지대에 안착되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨기판 제조장치.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2기판은 상기 암모니아 가스의 분사방향과 평행하도록 상기 제2기판지지대에 안착되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨기판 제조장치.