KR101013492B1 - 화학기상증착장치 및 이의 제어방법 - Google Patents

화학기상증착장치 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학기상증착장치와 이의 제어방법에 관한 것으로, 질화물층을 성장시키는 공간을 구비하는 두 개의 공정챔버, 상기 두 개의 공정챔버에서 각각 전처리 공정, 질화물층 성장공정 및 쿨링 공정을 순차적으로 반복하여 진행하도록 상기 두 개의 공정챔버를 제어하는 제어부 그리고, 복수개의 가스공급원을 구비하고, 공정 내용에 따라 상기 두 개의 공정챔버로 각각 공정가스를 공급하는 가스공급장치를 포함하고, 상기 제어부는 상기 두 개의 공정챔버에서 서로 다른 공정을 진행하도록 제어하는 화학기상증착장치 및 이의 제어방법을 제공한다.
본 발명에 의할 경우 하나의 가스공급장치를 지속적으로 질화물층 성장에 이용함으로서, 공정 효율을 현저하게 개선시킬 수 있다.

Description

화학기상증착장치 및 이의 제어방법{A metal organic chemical vapor deposition apparatus and a method for controlling thereof}
본 발명은 화학기상증착장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수개의 챔버(chamber)를 구비하는 화학기상증착장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
화학기상증착장치는 기판 상에 원하는 박막을 증착시키는 장치이다. 이 가운데서도 금속 유기물 화학기상증착장치는 Ⅲ족 유기 화합물 가스와 Ⅴ족 화합물 가스를 공정챔버로 공급하여 박막을 형성하는 장치로서, 최근 질화물 반도체 발광소자의 질화물층을 성장시키는데 널리 이용되고 있다.
이러한 금속 유기물 화학기상증착장치에서는 공정챔버 내측으로 기판이 투입되면, 가스공급장치에서 공급되는 공정가스가 기판의 상측에서 반응하면서 질화물층이 성장된다. 그런데, 이러한 질화물층의 성장공정은 공정환경을 조성하는 공정챔버의 상태에 크게 영향을 받기 때문에, 질화물층을 성장시키기에 앞서 공정챔버 내부의 이물질 등을 제거하고 질화물층 성장 분위기를 조성하는 전처리 공정이 필수적으로 요구된다. 또한, 질화물층이 성장된 이후에는 기판을 수취하기 전에 기판을 자연 냉각 시키는 등의 후처리 공정이 진행된다.
이러한 종래의 금속 유기물 화학기상증착장치는 하나의 가스공급장치가 하나의 공정챔버에 연결되는 구조로 이루어지며, 하나의 공정챔버에서 전처리 공정, 질화물층 성장공정 및 후처리 공정이 모두 진행되는 것이 일반적이다. 그런데, 전처리 공정 및 후처리 공정에만 4시간 이상의 장시간이 소요되기 때문에 공정 효율이 낮고, 전처리 공정 및 후처리 공정 진행 중에는 가스공급장치가 실질적으로 질화물층을 성장시키는데 이용될 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 공정 효율을 개선하고, 가스공급장치를 연속적으로 질화물층 성장에 활용할 수 있는 화학기상증착장치 및 이의 제어방법을 제공하기 위함이다.
전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 질화물층을 성장시키는 공간을 구비하는 두 개의 공정챔버, 상기 두 개의 공정챔버에서 각각 전처리 공정, 질화물층 성장공정 및 쿨링 공정을 순차적으로 반복하여 진행하도록 상기 두 개의 공정챔버를 제어하는 제어부 그리고, 복수개의 가스공급원을 구비하고 공정 내용에 따라 상기 두 개의 공정챔버로 각각 공정가스를 공급하는 가스공급장치를 포함하고, 상기 제어부는 상기 두 개의 공정챔버에서 서로 다른 공정을 진행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치를 제공한다.
이때, 상기 제어부는 상기 두 개의 공정챔버 중 어느 하나의 공정챔버에서 질화물층 성장 공정을 진행하는 동안 나머지 공정챔버에서 전처리 공정 또는 쿨링 공정을 진행하도록 제어하도록 구성된다.
일 예로, 상기 제어부는 상기 두 개의 공정챔버 중 어느 하나의 공정챔버에서 질화물층 성장공정이 종료되면, 나머지 공정챔버에서 질화물층 성장공정을 시작하도록 제어할 수 있다.
한편, 상기 복수개의 가스공급원 중 일부의 가스공급원은 상기 두 개의 공정챔버 중 택일하여 해당 공정가스를 공급하도록 상기 두 개의 공정챔버와 각각 연결되고, 나머지 가스공급원은 상기 두 개의 공정챔버 중 하나의 공정챔버만으로 연결되도록 구성된다.
여기서, 트리메틸 인듐(TMIn) 가스공급원은 상기 두 개의 공정챔버 중 택일하여 트리메틸 인듐(TMIn) 가스를 공급하도록 구성도리 수 있다. 그리고, 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스 공급원은 2개로 구비되어, 공정 내용에 따라 상기 두 개의 공정챔버로 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스를 동시에 공급할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 전술한 과제는 가스공급장치와 연결된 두 개의 공정챔버에서 Ⅲ족 질화물층을 성장시키는 유기금속 화학기상 증착장치의 제어방법에 있어서, (a) 제1 공정챔버에서 질화물층 성장을 위한 전처리 공정을 진행하는 단계, (b) 상기 (a) 단계 종료 후 상기 제1 공정챔버에서 질화물층을 성장시키는 단계, (c) 상기 (b) 단계 종료 후 상기 제1 공정챔버를 쿨링하는 단계, (d) 상기 (b) 단계가 진행되는 동안 제2 공정챔버에서 질화물층 성장을 위한 전처리 공정을 진행하는 단계, (e) 상기 (d) 단계 종료 후 상기 제2 공정챔버에서 질화물층을 성장시키는 단계 그리고, (f) 상기 (e) 단계 종류 후 상기 제2 공정챔버를 쿨링하는 단계를 포함하는 화학기상증착장치의 제어방법에 의해 해결될 수도 있다.
여기서, 상기 제1 공정챔버에서 상기 (a) 내지 (c) 단계가 순차적으로 반복하여 진행되고, 상기 제2 공정챔버에서 상기 (d) 내지 (f) 단계가 순차적으로 반복하여 진행되도록 제어된다. 그리고, 상기 제2 공정챔버에서 상기 (d) 단계가 종료되면 상기 (b) 단계가 종료될 때까지 대기한 후, 상기 (e) 단계를 진행하도록 제어될 수 있다.
이때, 상기 가스공급장치는 상기 제1, 제2 공정챔버 중 택일하여 공정 가스를 공급할 수 있는 하나의 트리메틸 인듐(TMIn) 가스공급원을 포함하고, 상기 트리메틸 인듐(TMIn) 가스공급원은 상기 (b) 단계가 진행되는 동안 상기 제1 공정챔버로 공정가스를 공급할 수 있도록 제어되고, 상기 (e) 단계가 진행되는 동안 상기 제2 공정챔버로 공정가스를 공급할 수 있도록 제어하는 것도 가능하다.
본 발명에 의할 경우 하나의 가스공급장치를 지속적으로 질화물층 성장에 이용함으로서, 공정 효율을 현저하게 개선시킬 수 있다.
또한, 하나의 가스공급장치를 이용하여 두 개의 공정챔버에서 질화물층을 성장시키는 것이 가능하므로, 공정 효율 대비 화학기상증착장치 설비에 소요되는 비용 및 공간을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상증착장치의 구성을 도시한 도면,
도 2는 도 1의 공정챔버에서 진행되는 공정의 내용을 도시한 도면,
도 3는 도 1의 가스공급장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 4은 도 1의 제1, 제2 공정챔버에서 진행되는 공정 스케줄을 도시한 도면,
도 5는 도 3의 공정 스케줄에 따른 가스공급장치의 각 가스공급원의 운전 내용을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하도록 한다. 본 실시예에서는 화학기상증착장치로 금속 유기물 화학기상증착장치를 이용하여 설명하나, 이는 일 예로서 다른 방식으로 박막을 성장시키는 화학기상증착장치에도 적용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상증착장치(10)의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 금속 유기물 화학기상증착장치(10)는 두 개의 공정챔버(process chamber) (100, 200), 가스공급장치(300) 및 제어부(400)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 공정챔버(100,200)는 제1 공정챔버(100) 및 제2 공정챔버(200)로 구성된다. 그리고, 각각의 공정챔버(100,200) 내부에는 질화물층 성장 공정이 진행될 수 있는 공정 공간(110,210)을 각각 구비한다.
각 공정챔버(100,200)의 공정공간(110,210)에는 적어도 한장 이상의 기판(S)이 안착되는 서셉터(susceptor)(120,220)를 구비한다. 서셉터(120,220)의 하부에는 서셉터(120,220)를 고온으로 가열하기 위한 히터(130,230)가 설치될 수 있다. 히터(130,230)는 텅스텐 히터(tungsten heater), 세라믹 히터(ceramics heater) 또는 RF 히터(radio frequency heater) 등이 사용될 수 있다. 그리고 서셉터(120,220)는 회전장치(140,240)에 의해 회전 가능하게 설치될 수 있다. 또한 서셉터(120,220)는 회전장치(140,240)의 회전축 상단과 분리 가능하게 설치될 수 있다.
서셉터(120,220)의 상측에는 공정 가스를 공급하는 샤워헤드(shower head)(150,250)가 구비된다. 샤워헤드(150,250)는 가스공급장치(300)와 연결되어 공정챔버(100,200) 내측으로 공정가스를 공급한다. 그리고, 샤워헤드(150,250)에서 분사되는 복수개의 공정가스가 서셉터(120,220) 상측에서 반응하면서 기판(S) 상에 질화물층이 성장된다.
한편, 가스공급장치(300)는 반응에 참여하는 가스를 공급하는 복수개의 가스공급원(310)을 포함하여 구성된다. 구체적으로, Ⅲ족 질화물층 성장을 위한 Ⅲ족 유기 화합물, 질소 화합물, n형 도펀트, p형 도펀트 등의 가스공급원을 구비하며, 도 1에 도시된 바와 같이 트리메틸 갈륨 (TMGa : trimethylgalliu), 트리메틸 인듐 (TMIn : trimethylindum), 트리메틸 알루미늄(TMAl : trimethylaluminum), 암모니아(NH3), SiH4(silane), Cp2Mg (isocyclo pentadieny magnesium)을 공급할 수 있다. 이때, 각각의 가스공급원은 수소(H2) 또는 질소(N2)등의 캐리어 가스와 함께 해당 공정가스를 제1 공정챔버(100) 및 제2 공정챔버(200)로 공급한다.
나아가, 본 실시예에서는 제1, 제2 공정챔버(100,200)에서 진행되는 각각의 공정 단계을 스케줄링 하는 제어부(400)를 구비할 수 있다. 이처럼, 각 공정챔버(200,300)에서 진행되는 각각의 공정 단계가 제어부(400)에 의해 스케줄링 되는 경우, 두 개의 공정챔버(200,300)로 공정가스를 공급하는 가스공급장치(300)의 구성을 단순화시킬 수 있다.
이하에서는, 각 공정챔버(100,200)에서 진행되는 공정 단계의 내용을 구체적으로 검토한 후, 본 실시예의 제어부(400)에 의해 스케줄링 되는 각 공정챔버의 공정 내용 및 가스공급장치(300)의 구조에 대하여 설명한다.
도 2는 도 1의 공정챔버에서 진행되는 공정의 내용을 도시한 도면이다. 각각의 공정챔버(100,200)에서는 질화물층 성장을 위한 전처리 공정(S10,S20), 질화물층 성장 공정(S40) 및 후처리 공정(S50)이 순차적으로 진행되며, 각 공정챔버(100,200)에서는 상기 세 공정을 하나의 사이클로 하는 순환 공정이 반복하여 진행된다.
여기서, 전처리 공정(S10,S20)은 공정챔버 내벽을 클리닝 하는 베이킹 공정(baking out process) (S10) 및 성장 분위기를 조성하는 코팅 공정(coating process) (S20)을 포함한다. 그리고, 질화물층 성장 공정(S40)은 기판 상에 다양한 종류의 질화물층을 적층 성장시키는 다수의 공정을 포함하여 구성된다. 마지막으로, 후처리 공정(S50)은 기판을 질화물층 성장 후 기판을 반출하기 전에 진행되는 어닐링 공정(annealing process) 및 쿨링 공정(cooling process) (S50)을 포함하며, 본 실시예에서는 설명의 편의상 후처리 공정으로서 쿨링 공정(S50)만을 진행한다.
도 2를 참조하여 하나의 순환 공정을 구체적으로 설명하면, 우선 이전 단계에서 진행된 질화물층 성장공정 동안 공정챔버의 내부가 오염된 것을 클리링 하는 베이킹 공정(baking out process)을 진행한다(S10). 베이킹 공정시에는 히터를 가열하여 공정 공간을 800℃ 이상의 고온으로 조성한 후, 수소(H2) 가스를 공급함으로써 공정챔버 내부에 있는 각종 이물질 등을 제거할 수 있다. 이러한 베이킹 공정은 1~2 시간에 걸쳐 진행되며, 본 실시예에서는 1.5시간동안 진행하도록 설계된다.
베이킹 공정이 완료되면, 코팅 공정(coating process)을 진행한다(S20). 코팅 공정에서는 서셉터(120,220) 상에 모형 기판(dummy wafer) (미도시)을 안착시킨 상태에서, 암모니아(NH3) 가스 및 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스를 공급하여 서셉터 및 공정챔버 내벽에 언도핑 GaN층 얇게 증착시킨다. 이에 의해, 이전 순환 공정에서 (+)극 분위기로 마무리된 공정공간의 분위기를 무극 분위기로 전환시킬 수 있다. 이러한 코팅 공정은 600℃ 이상의 온도에서 1~2시간에 걸쳐 진행되며, 본 실시예에서는 1.5시간동안 진행하도록 설계된다.
전술한 단계에 의해 전처리 공정이 완료되면, 공정챔버(100,200)에 기판(S)을 투입하여 서셉터(120,220) 상에 안착시킨다. 그리고, 공정챔버 내부에 수소(H2) 가스를 공급하면서, 10분 내지 20분 동안 기판을 가열하는 열처리 공정을 진행할 수 있다(S30). 이러한 열처리 공정을 통해 기판 상에 형성된 산화막과 같은 이물질층을 제거한다.
열처리 공정이 종료되면, 수소(H2) 가스 분위기를 유지한 상태에서 공정챔버 내부로 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스와 암모니아(NH3) 가스를 공급한다. 그리고 대략 30분 내외의 시간 동안 기판 상에 GaN 버퍼층을 성장시키는 공정이 진행된다(S40a). 버퍼층을 형성하는 동안 기판의 온도는 500~700℃를 유지할 수 있다. 이때의 버퍼층은 대략 20nm 내외의 두께로 형성될 수 있다.
버퍼층의 성장이 완료되면 다음으로 공정챔버를 가열하여 기판의 온도가 대략 1000~1200℃가 되도록 한다. 그리고, 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스와 암모니아(NH3) 가스를 지속적으로 공급하여 버퍼층 상에 언도핑 GaN층을 성장시킨다(S40b). 이 언도핑 GaN층은 1~1.5시간 동안 1~3㎛ 정도의 두께로 성장될 수 있다.
다음으로 언도핑 GaN층 상에 n형 GaN층을 성장시킨다(S40c). 이때, 공정챔버의 온도는 1000~1200℃로 유지된다. 그리고, 수소(H2) 가스 분위기를 유지한 상태에서 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스와 암모니아(NH3) 가스 그리고 n형 도펀트 가스로서 SiH4(silne)가 공급되어, Si 도핑된 n형 GaN층이 성장된다. 여기서, n형 GaN층은 대략 1~1.5시간 동안 1~3㎛ 정도의 두께로 성장된다.
그리고, n형 GaN층 상에 활성층을 성장시킨다(S40d). 활성층은 양자우물층 및 양자장벽층에 의해 우물구조를 형성하도록 구성되며, 본 실시예에서는 다중 양자우물구조를 갖는 활성층을 성장시킨다.
활성층의 성장을 위해서는 우선 공정공간 내부를 질소(N2) 분위기로 치환시킨다. 이후 80분 내외의 시간 동안 기판의 온도를 700~900℃의 온도 범위에서 가변 조절하면서, 1~1.5시간동안 100nm 정도의 두께로 활성층을 성장시킨다. 이때, 공정공간으로는 암모니아(NH3) 가스, 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 트리메틸 인듐(TMGa) 가스, 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스가 공급되며, 각 공정가스의 함량비 또는 공급 시점을 조절하여 양자 장벽층과 양자우물층을 교대로 성장시킨다. 그리고, 이를 위하여 공정 공간의 온도 또한 반복적으로 제어할 수 있다.
활성층의 성장이 완료되면 p형 질화물을 성장시키는 단계를 진행한다(S40e). 이때, 공정 챔버의 온도는 900~1100℃의 온도로 형성된다. 그리고, 다시 수소(H2) 분위기로 전환한 상태에서 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스와 암모니아(NH3) 가스 그리고 p형 도펀트 가스로서 Cp2Mg(isocyclopentadienyl magnesium)를 공급하여, Mg 도핑된 p형 GaN층을 성장시킨다. 이와 같이, 10분 내지 30분 동안 p형 GaN층을 활성층 상에 200nm의 두께로 성장시킴으로서 질화물층의 성장 공정이 종료된다.
질화물층 성장공정이 종료되면, 후공정으로서 쿨링 공정을 진행한다(S50). 쿨링 공정에서는 히터의 운전을 멈춰 자연 냉각 방식으로 공정 공간을 쿨링한다. 쿨링 공정은 0.5~2시간 동안 진행되며, 공정 중에는 질소(N2) 또는 수소(H2)를 지속적으로 공급할 수 있다. 그리고, 쿨링 공정이 종료되면 공정챔버의 게이트(미도시)를 개방하여 기판(S)을 수취함으로서, 하나의 순환 공정이 종료된다(S60).
이상에서 설명한 바와 같이, 질화물층을 성장시키기 위해 진행되는 순환 공정은 대략 7~12시간이 소요되며, 본 실시예에 의할 경우 9.5 시간이 소요된다. 그리고, 각각의 세부 공정시 공급되는 공정 가스의 종류를 요약하면 아래의 표와 같다.
공정 내용 소요 시간 공정 가스
베이킹 공정 1.5hr 캐리어 가스(H2)
코팅 공정 1.5hr NH3, TMGa, 캐리어 가스(H2)
질화물층 성장공정 5h NH3, TMGa, TMIn, TMAl, SiH4,,
Cp2Mg, 캐리어 가스(H2,, N2)
쿨링 공정 1.5h 캐리어 가스(N2 or H2)

상기 표에 나타난 바와 같이 순환 공정 중 각 세부공정에서 사용되는 공정 가스의 종류는 상이하다. 질화물층 성장공정(S40 내지 S80)시에는 가스공급장치 (300)에서 공급되는 다양한 종류의 공정가스가 사용되는 것에 비해, 베이킹 공정(S10) 및 쿨링 공정(S90)시에는 캐리어 가스만이 사용되고, 코팅 공정(S20)에서는 캐리어 가스 이외에 암모니아(NH3) 가스 및 트리메틸 갈륨(TMGa)가 사용된다.
따라서, 제어부(400)가 제1, 제2 공정챔버(100,200)에서 서로 다른 공정을 진행하도록 각 공정챔버의 세부 공정을 스케줄링함으로써, 가스공급장치(300)의 구조를 단순화시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(400)가 두 공정챔버 중 어느 하나의 공정챔버에서 질화물층 성장공정이 진행하는 동안, 나머지 공정챔버에서는 질화물층 성장 공정 이외의 다른 공정을 진행하도록 제어하는 경우, 질화물층 성장 공정에만 사용되는 트리메틸 인듐(TMIn), 트리메틸 알루미늄(TMAl), n형 도펀트인 SiH4(Silane) 및 p형 도펀트인 Cp2Mg(isocyclopentaldienyl magnesium)에 해당하는 가스공급원을 각각 단수개로 구성할 수 있다. 그리고, 단수개의 가스공급원들이 해당 공정가스를 제1, 제2 공정챔버 중 택일하여 공급하도록 설치되어, 두 개의 공정챔버가 하나의 가스공급원을 공용하여 사용할 수 있다.
본 실시예의 가스공급장치의 구조는 도 3에서 개략적으로 도시하고 있으며, 이하에서는 도 3을 참조하여 가스공급장치의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
가스공급장치는 반응에 참여하는 공정가스를 제공하는 복수개의 가스공급원 (311~318)을 구비한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 암모니아(NH3), 트리메틸 갈륨(TMGa), 트리메틸 인듐(TMIn), 트리메틸 알루미늄(TMAl), n형 도펀트인 SiH4(Silane) 및 p형 도펀트인 Cp2Mg(isocyclopentaldienyl magnesium)에 해당하는 가스공급원(311~318)을 각각 구비한다.
그리고, 각각의 가스공급원(311~318)은 캐리어 가스를 공급하는 다수개의 공급라인과 연결된다. 여기서, 공급라인의 선단에는 수소(H2) 및 질소(N2)와 같은 캐리어 가스를 공급하는 캐리어가스공급원(320a,320b)이 구비되어, 각각의 가스공급원(311~318)들에서 공급되는 공정가스는 캐리어 가스와 함께 공급라인(330)을 따라 각각의 공정챔버로 이송된다. 이때, 각각의 공정챔버에는 공급라인이 각각 두 개씩 연결되어, 공정챔버에 도달하기 이전에 Ⅲ족 화합물 공정가스와 Ⅴ족 화합물 공정가스 간에 반응이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 공정챔버의 설정 압력을 유지하기 위해 공정챔버의 배기부와 연결되는 벤트라인 및 각 공급라인과 벤트라인의 압력을 유지하기 위한 압력유지용 가스공급라인이 별도로 구비되나, 여기에서는 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
그리고, 복수개의 가스공급원(311~318) 및 캐리어가스공급원(320a,320b)은 가스의 유량 및 압력을 조절하는 유량제어기(MFC : mass flow controller)를 각각 구비할 수 있다.
여기서, 질화물층 성장공정 및 코팅공정에 동시에 이용되는 암모니아(NH3) 및 트리메틸 갈륨(TMGa)의 가스공급원(315~318)은 각각 2개씩 구비될 수 있다. 그리고, 제1 암모니아(NH3) 가스공급원(315) 및 제1 트리메틸 갈륨(TMGa) (317) 가스공급원은 제1 공정챔버(100)로 연결되는 공급라인에 연결되고, 제2 암모니아(NH3) 가스공급원(316) 및 제2 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스공급원(318)은 제2 공정챔버(200)로 연결된다. 따라서, 하나의 공정챔버가 하나의 암모니아(NH3) 및 트리메틸 갈륨(TMGa)의 가스공급원(315~318)을 전용하여 사용할 수 있도록 설치되어, 두 개의 공정챔버에서 암모니아(NH3) 가스 및 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스를 동시에 사용할 수 있다.
이에 비해, 질화물층 성장 공정에만 사용되는 트리메틸 인듐(TMIn), 트리메틸 알루미늄(TMAl), SiH4(Silane) 및 Cp2Mg (isocyclo pentaldienyl magnesium)의 가스공급원(311~314)은 각각 단수개로 구비된다. 그리고, 단수개의 가스공급원(311~314)은 제1 공정챔버의 공급라인(331a)과 제2 공정챔버의 공급라인(332a)에 연결되는 2개의 유로(341~344)를 각각 구비하고, 삼방밸브(three way valve)(350) 등을 이용하여 제1 공정챔버 및 제2 공정챔버 중 택일적으로 해당 공정가스를 공급할 수 있다.
따라서, 제어부가 제1, 제2 공정챔버(100,200)에서 서로 다른 공정을 진행하도록 세부 공정을 스케줄링 함으로써, 전술한 가스공급장치(300)를 공용하여 각각의 공정챔버에서 질화물층을 성장시킬 수 있다. 이하에서는 제어부에 의해 스케줄링 된 각 공정챔버의 공정에 따라 가스공급장치가 운전하는 모습을 설명하도록 한다.
도 4은 도 1의 제1, 제2 공정챔버에서 진행되는 공정 스케줄의 일 예를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 공정 스케줄에 따른 가스공급장치의 각 가스공급원의 운전 내용을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 공정챔버에서는 베이킹 공정(S10a1), 코팅 공정(S20a1), 질화물층 성장 공정(S40a1) 및 쿨링 공정(S50a1) 순서로 첫 번째 순환 공정을 진행한다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 공정챔버에서 베이킹 공정(S10a1)이 진행되는 동안에는 가스 공급원으로부터 별도의 공정가스를 공급하지 않고 캐리어 가스만이 제1 공정챔버(100)로 공급된다. 코팅 공정(S20a1)이 시작되는 시점에서 제1 암모니아(NH3) 가스 공급원(315)과 제1 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스공급원(317)은 해당 공정가스를 제1 공정챔버(100)로 공급한다. 그리고, 질화물층 성장 공정(S40a1)이 시작되면, 트리메틸 인듐(TMIn), 트리메틸 알루미늄(TMAl), SiH4(Silane) 및 Cp2Mg (isocyclo pentaldienyl magnesium)의 가스공급원(311~314)은 제2 공정챔버(200)로 공급되는 유로를 차단하고, 제1 공정챔버(100)로 해당 공정가스를 공급한다(참고로, 질화물층 성장 공정중에서도 성장되는 질화물층의 종류에 따라 각 가스공급원이 사용되는 시점이 상이하나, 도 5에서는 설명의 편의상 질화물층 성장공정 중 일부 시점에만 이용되는 가스 공급원들도 사용시점을 구분하지 않고 도시하였다). 한편, 쿨링 공정(S50a1)에서는 베이킹 공정(S10a1)과 마찬가지로 캐리어 가스만이 제1 공정챔버(100)로 공급될 수 있다.
한편, 제1 공정챔버(100)에서 상기와 같이 순환 공정이 진행됨에 따라 제2 공정챔버(200)에서는 4~6시간의 시간 차이를 두고 순환 공정을 시작할 수 있다.즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 공정챔버(100)에서 질화물층 성장 공정(S40a1)이 진행되는 동안, 제2 공정챔버(200)에서 베이킹 공정(S10b1) 및 코팅 공정(S20b1)이 진행된다. 그리고, 제1 공정챔버(100)에서 질화물층 성장 공정(S40a1)이 종료되면, 제2 공정 챔버(200)에서 질화물층 성장 공정(S40b1)을 시작한다. 따라서, 제2 공정챔버(200)에서 질화물층 성장 공정(S40b1)을 시작하는 시점은, 제1 공정챔버(100)에서 쿨링 공정(S50a1)을 시작함에 따라 히터(130)의 운전을 종료하는 시점과 일치하도록 제어될 수 있다.
이때, 제2 공정챔버(200)에서 코팅 공정(S20b1)이 시작됨에 따라 제2 암모니아(NH3) 가스 공급원(316)과, 제2 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스공급원(318)은 제2 공정챔버(200)로 해당 공정가스를 공급한다. 그리고, 제1 공정챔버(100)에서 질화물층 성장공정(S40a1)이 종료되고 제2 공정챔버(200)에서 질화물층 성장공정(S40b1)이 시작되면, 트리메틸 인듐(TMIn), 트리메틸 알루미늄(TMAl), SiH4(Silane) 및 Cp2Mg (isocyclo pentaldienyl magnesium)의 가스공급원(311~314)은 제1 공정챔버(100)로 연결되는 유로를 차단하고, 제2 공정챔버(200)로 연결되는 유로를 개방하여 해당 공정가스를 공급한다.
한편, 제2 공정챔버(200)에서 질화물층 성장공정(S40b1)이 진행되는 동안, 제1 공정챔버는 쿨링 공정(S60a1)을 마지막으로 첫번째 순환 공정을 종료하고, 두 번째 순환 공정을 시작한다. 따라서, 제1 공정챔버(100)에서는 다시 베이킹 공정(S10a2) 및 코팅 공정(S20a2)을 진행할 수 있다. 전술한 바와 마찬가지로, 베이킹 공정(S10a2)시에는 캐리어 가스만이 제1 공정챔버(100)로 공급되고, 코팅 공정시(S20a2)에는 제1 암모니아(NH3) 가스 공급원(315)과, 제1 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스공급원(317)으로부터 공정가스가 제1 공정챔버(100)로 공급된다.
이때, 제1 공정챔버(100)에서 두 번째 순환 공정 중 진행되는 질화물층 성장 공정(S40a2)은 제2 공정챔버(200)의 질화물층 성장 공정(S40b1)이 종료된 후 시작된다. 따라서, 제1 공정챔버(100)에서 베이킹 공정(S10a2) 및 코팅 공정(S20a2)이 완료된 시점에서 제2 공정챔버(200)의 질화물층 성장 공정(S40)이 아직 진행되는 경우, 소정의 대기 시간을 갖을 수 있다.
다만, 도 4 및 도 5에서는 코팅 공정(S20a2)을 종료한 후 대기 시간을 갖는 것으로 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 첫 번째 순환 공정 종료 후 또는 베이킹 공정(S10a2) 후에 해당 시간만큼 대기하도록 스케줄링 하는 것도 물론 가능하다.
한편, 제2 공정챔버에서서 질화물층 성장공정(S40b1)이 종료되면, 쿨링 공정(S50b1)을 진행함으로써 첫 번째 순환 공정을 종료한다. 그리고, 제1 공정챔버(100)와 마찬가지로, 베이킹 공정(S10b2) 및 코팅 공정(S20b2)을 진행함으로써 다시 순환 공정을 시작한다. 그리고, 앞선 순환 공정과 마찬가지로 제1 공정챔버(100)의 질화물층 성장공정(S40a2)이 종료될 때까지 소정 시간 대기한 후, 제2 공정챔버(200)의 질화물층 성장공정(S40b2)을 시작하는 방식으로 순환 공정을 반복하여 진행한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상증착장치(10)는 제어부(400)에 의해 각각의 공정챔버에서 진행되는 공정이 전술한 바와 같이 스케줄링 됨으로써, 하나의 가스공급장치(300)를 이용하여 두 개의 공정챔버에서 연속적으로 공정을 진행한다. 이 때, 두 공정챔버에서 공용하는 가스공급원들은 스케줄링된 공정 내용에 따라 공급 유로를 전환하면서 지속적으로 사용이 가능한 바(도 5 참조), 가스공급장치의 공정 효율을 효과적으로 개선할 수 있다. 나아가, 두 개의 공정챔버에 사용되는 가스공급장치의 구조를 단순화 시킬 수 있어, 비용 및 공간을 절감할 수 있다.
이상에서는 본 실시예에 따른 제1, 제2 공정챔버의 공정 스케줄을 예를 들어 설명하였으나, 이는 일 예에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로서, 질화물층 성장공정 중에서도 SiH4(Silane)은 n형 GaN층을 성장단계에서만 사용되고, 트리메틸 인듐(TMIn), 트리메틸 알루미늄(TMAl)은 활성층 성장단계에서만 사용되며, Cp2Mg (isocyclo pentaldienyl magnesium)는 p형 GaN층 성장단계에서만 사용되므로, 제1 공정챔버 및 제2 공정챔버에서 동시에 질화물층 성장공정을 진행하더라도 서로 다른 질화물층을 성장시키도록 공정을 스케줄링 하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시예에서는 각 공정챔버에서 연속적으로 진행되는 순환 공정을 최단 주기로 스케줄링 할 수 있도록 암모니아(NH3) 가스 공급원과, 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스 공급원을 각각 2개로 구성하였다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 두 개의 공정챔버 중 하나의 공정챔버에서 코팅 공정 및 질화물층 성장 공정을 진행하는 동안, 나머지 하나의 공정챔버에서는 캐리어 개스만을 사용하는 쿨링 공정 및 베이킹 공정을 진행한 후 대기 시간을 갖도록 스케줄링 함으로써, 모든 가스공급원을 단수개로 구비하도록 가스공급장치를 구성하는 것도 가능하다.
한편, 본 실시예에서는 제1 및 제2 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스 공급원을 구비하여, 각각 제1 공정챔버 및 제2 공정챔버에 하나의 가스 공급원이 전용 사용되도록 설치된다. 다만, 도면에는 도시되지 않았으나, 각각의 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스 공급원은 정상 구동시 공정가스를 공급하지 않는 공정챔버와도 보조 유로에 의해 연결되도록 설치될 수 있다. 이 경우, 일측 공정챔버에 이상이 발생하는 경우 해당 공정챔버에 전용 사용되던 가스공급원은 보조 유로를 이용하여 타측 공정챔버로 저장된 공정가스를 공급할 수 있는 바, 이상 발생시 공정 가스의 낭비를 방지할 수 있다.
나아가, 기판에 성장시키고자 하는 질화물층의 구조 및 공정챔버의 구성 등에 따라 가스공급원의 종류 및 각 공정에 소요되는 시간 등이 상이할 수 밖에 없다. 따라서, 전술한 실시예 이외에도 가스공급원을 공용하여 복수개의 공정 챔버에서 질화물층을 성장시킬 수 있도록 설계자의 필요에 따라 가스공급장치의 구조 및 공정의 스케줄링 내용을 얼마든지 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
100 : 제1 공정챔버200 : 제2 공정챔버
300 : 가스공급장치310 : 가스공급원
330 : 공급라인400 : 제어부

Claims (12)

  1. 기판상에 Ⅲ족 질화물층을 성장시키는 공간을 구비하는 두 개의 공정챔버;
    상기 각 공정 챔버에서 진행되는 전처리 공정, 질화물층 성장 공정 및 쿨링 공정의 스케줄을 제어하는 제어부; 그리고,
    복수개의 가스공급원을 구비하고, 공정 내용에 따라 상기 두 개의 공정챔버로 각각 공정가스를 공급하는 가스공급장치;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 두 개의 공정챔버에서 서로 다른 공정을 진행하도록 스케줄링 하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 두 개의 공정챔버 중 어느 하나의 공정챔버에서 질화물층 성장 공정을 진행하는 동안 나머지 공정챔버에서 전처리 공정 또는 쿨링 공정을 진행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 두 개의 공정챔버 중 어느 하나의 공정챔버에서 질화물층 성장 공정을 진행하는 동안 나머지 공정챔버에서 전처리 공정 및 쿨링 공정을 진행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 두 개의 공정챔버 중 어느 하나의 공정챔버에서 질화물층 성장공정이 종료되면, 나머지 공정챔버에서 질화물층 성장공정을 시작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수개의 가스공급원 중 일부의 가스공급원은 상기 두 개의 공정챔버 중 택일하여 해당 공정가스를 공급하도록 상기 두 개의 공정챔버와 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스공급장치는 하나의 트리메틸 인듐(TMIn) 가스공급원, n형 도펀트 가스 공급원, 및 p형 도펀트 가스 공급원을 포함하고, 상기 트리메틸 인듐(TMIn) 가스공급원, n형 도펀트 가스공급원 및 p형 도펀트 가스 공급원은 상기 두 개의 공정챔버 중 택일하여 해당 공정 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스공급장치는 상기 두 개의 공정챔버에 각각 연결되는 두 개의 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스 공급원을 포함하여, 공정 내용에 따라 상기 두 개의 공정챔버로 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스를 동시에 공급할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
  8. 가스공급장치와 연결된 두 개의 공정챔버에서 Ⅲ족 질화물층을 성장시키는 유기금속 화학기상 증착장치의 제어방법에 있어서,
    (a) 제1 공정챔버에서 질화물층 성장을 위한 전처리 공정을 진행하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계 종료 후 상기 제1 공정챔버에서 질화물층을 성장시키는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계 종료 후 상기 제1 공정챔버를 쿨링하는 단계;
    (d) 상기 (b) 단계가 진행되는 동안 제2 공정챔버에서 질화물층 성장을 위한 전처리 공정을 진행하는 단계;
    (e) 상기 (d) 단계 종료 후 상기 제2 공정챔버에서 질화물층을 성장시키는 단계; 그리고,
    (f) 상기 (e) 단계 종류 후 상기 제2 공정챔버를 쿨링하는 단계를 포함하는 화학기상증착장치의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 공정챔버에서 상기 (a) 내지 (c) 단계가 순차적으로 반복하여 진행되고, 상기 제2 공정챔버에서 상기 (d) 내지 (f) 단계가 순차적으로 반복하여 진행되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 제어방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 공정챔버에서 상기 (d) 단계가 종료되면 상기 (b) 단계가 종료될 때까지 대기한 후, 상기 (e) 단계를 진행하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 제어방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 가스공급장치는 상기 제1, 제2 공정챔버 중 택일하여 공정 가스를 공급하도록 설치된 트리메틸 인듐(TMIn) 가스공급원, n형 도펀트 가스공급원, p형 도펀트 가스공급원을 포함하고,
    상기 트리메틸 인듐(TMIn) 가스공급원, n형 도펀트 가스공급원, p형 도펀트 가스공급원은 상기 (b) 단계가 진행되는 동안 상기 제1 공정챔버로 공정가스를 공급할 수 있도록 제어되고, 상기 (e) 단계가 진행되는 동안 상기 제2 공정챔버로 공정가스를 공급할 수 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 제어방법.
  12. 가스공급장치와 연결된 두 개의 공정챔버에서 Ⅲ족 질화물층을 성장시키는 유기금속 화학기상 증착장치의 제어방법에 있어서,
    제1 공정챔버 및 제2 공정챔버에서 질화물층 성장을 위한 전처리 공정, 질화물층 성장 공정 및 공정쿨링 공정을 포함하는 순환 공정을 각각 반복하여 진행하고,
    상기 제1 공정챔버에서 진행되는 순환 공정과 제2 공정챔버에서 진행되는 순환 공정은 4~6 시간의 간격을 유지하면서 진행되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치의 제어방법.
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