KR101053047B1 - 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조가 간단하고, 서셉터 본체는 고정되어 회전하지 않으면서 서셉터에 구비된 웨이퍼 포켓만이 회전을 하여 서셉터 회전에 따른 진동의 영향 없이 보다 안정적인 회전이 가능한 화학 기상 증착 장치를 제공한다.
화학 기상 증착, 챔버, 서셉터, 웨이퍼 포켓

Description

화학 기상 증착 장치{Chemical Vapor Deposition Apparatus}
본 발명은 기판상에 고온의 화학 기상 증착을 이루는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서셉터 본체는 고정되어 회전하지 않고 서셉터에 구비된 웨이퍼 포켓만이 회전을 하는 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
최근 다양한 산업분야에서 반도체 소자의 미세화와 고효율, 고출력 LED 개발등의 요구가 점차 많아짐에 따라서 품질이나 성능의 저하 없이 대량으로 생산할 수 있는 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 장비가 요구되고 있는 실정이다.
일반적으로 화학적 기상 증착(CVD)은 여러 가지 기판상에 다양한 결정막을 성장시키는데 주요한 방법으로 사용되고 있다. 일반적으로 액상 성장법에 비해 성장시킨 결정의 품질이 뛰어나지만, 결정의 성장 속도가 상대적으로 느린 단점이 있다.
화학 기상 증착 공법은 챔버(chamber) 내의 서셉터 상에 기판을 안착하고, 반응가스를 공급하여 상기 기판의 표면에 박막을 형성하는 것인데, 균일한 두께의 박막을 얻기 위해서는 챔버 내에 유입되는 반응가스를 기판상의 각 부분으로 두루 균일하게 분사시켜 주어야 한다.
이때, 기판 표면의 전영역에서 박막이 균일한 두께를 가지도록 하는 것이 필요한데, 복수개의 기판을 동시에 성막(成膜)할 수 있는 유성형(planetary) 타입의 CVD 장치에서는 박막의 조성 균일성을 확보하기 위해서 서셉터 본체(공전)와 서셉터에 구비되는 웨이퍼 포켓(자전) 모두가 회전을 하는 방식이 일반적이다.
그러나, 챔버 내에는 회전 시스템 외에 가열 시스템(RF 가열, 저항 가열, 램프 가열 등)기구, 온도 측정기(IR, Tc 등), 냉각 기구 등 부수적으로 구비되는 구성요소가 다수 포함되어 있다.
특히, 회전 시스템으로 공전과 자전을 병용하게 되면 시스템을 구성하는 전체 구조가 복잡해지고, 제작비가 상승할 뿐만 아니라, 세섭터 본체의 회전(공전)에 의한 진동이 웨이퍼 포켓에 전해져 웨이퍼 포켓의 안정적인 회전(자전)에 장애요인이 되는 경우가 일반적이다.
이와 같이 웨이퍼 포켓의 회전이 불안정해진다면 웨이퍼 포켓의 회전시 온도 변화에 의해 InGaN 성장시에 In조성이 변화하여 고품질의 InGaN 성장이 어려워진다는 문제가 발생한다.
본 발명은 구조가 간단하고, 서셉터 본체는 고정되어 회전하지 않으면서 서셉터에 구비된 웨이퍼 포켓만이 회전을 하여 서셉터 회전에 따른 진동의 영향 없이 보다 안정적인 회전이 가능한 화학 기상 증착 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치는, 챔버; 외부의 반응가스를 챔버 내부로 공급하는 가스 유입부; 상기 챔버 내에 고정되어 구비되는 서셉터; 및 웨이퍼가 안착되며, 상기 서셉터에 회전가능하도록 적어도 하나 구비되는 웨이퍼 포켓;을 포함한다.
또한, 상기 서셉터는 상기 웨이퍼 포켓이 결합되어 회전할 수 있도록 분리된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 서셉터는 상기 챔버의 중심부에 위치하여 회전하지 않고 고정되어 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 웨이퍼 포켓은 회전구동시 내부에 안착된 웨이퍼가 이탈하지 않고 고정되도록 하기 위한 고정클립을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 웨이퍼 포켓을 회전구동시키는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동부는, 일단부는 상기 웨이퍼 포켓과 연결되고, 타단부에는 기어가 구비된 회전축; 상기 회전축의 기어와 치결합되어 회전하는 기어 링; 및 상 기 기어 링과 치결합되어 상기 기어 링을 회전시키는 구동모터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 유입부는, 소정의 가스를 도입하는 적어도 하나의 가스 도입관과, 챔버의 측단부 둘레에 구비되어 상기 가스 도입관을 통해 도입되는 가스를 저장하는 적어도 하나의 리저버와, 상기 리저버에 저장된 가스를 상기 챔버 내부로 분사되도록 하는 분사노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스 유입부는, 소정의 가스를 도입하는 적어도 하나의 가스 도입관과, 챔버의 상부면측에 구비되어 상기 가스 도입관을 통해 도입되는 가스를 저장하는 적어도 하나의 리저버와, 상기 리저버에 저장된 가스를 상기 챔버 내부로 분사되도록 하는 분사노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 서셉터가 상기 챔버 내에 구비되어 회전하지 않도록 지지하며, 상기 구동부가 반응가스에 의해 영향을 받지 않도록 커버하는 지지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치는 구조가 간단하고, 서셉터 본체는 고정되어 회전하지 않으면서 서셉터에 구비된 웨이퍼 포켓만이 회전을 하여 서셉터 회전에 따른 진동의 영향 없이 보다 안정적인 회전이 가능하여 성막의 균일성이 향상되는 효과를 가진다.
본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 실시예에 관한 구체적인 사항을 도면을 참조하여 설명한다.
먼저 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 구동부를 나타내는 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치(1)는 챔버(10), 가스 유입부(20), 서셉터(40), 웨이퍼 포켓(41), 구동부(30)로 구성되며, 하나 또는 다수의 웨이퍼 상으로 가스가 흐르면서 증착이 이루어지는 것이다.
상기 챔버(10)는 중공형의 공간을 형성하는 것으로서, 도면에서와 같이 적어도 하나의 웨이퍼가 장착되는 서셉터(40) 및 가열수단(51)을 내부에 구비하며, 상기 서셉터(40)와 마주하는 상부측에는 반응가스가 유동하는 반응유로부(60)가 마련된다.
또한, 상기 챔버(10)는 상기 반응유로부(60)를 형성하는 상부 챔버(11)와 상기 서셉터(40)를 수용하는 하부 챔버(12)를 포함한다.
여기서, 상기 챔버(10)는 내마모성 및 내부식성이 우수한 메탈 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 상부 챔버(10)는 냉각수(W)가 흐르는 상판부(11a) 및 내부에 소정 크기의 공간을 형성하는 몸통부(11b)로 구성되며, 상기 상부 챔버(10)가 상기 하부 챔버(12)에 대해 개폐 가능한 구조로 구비된다.
따라서, 증착 공정을 위해 웨이퍼(S)를 장착하거나 공정이 끝난 웨이퍼(S)를 제거하는 경우 상기 챔버(10)의 상부 챔버(11)와 하부 챔버(12)를 용이하게 분리하여 원하는 작업을 수행하는 것이 가능하다.
아울러, 장치의 이상유무에 대한 점검이나 부품교체 등의 유지보수 작업 및 기생증착으로 인한 불순물의 제거작업을 수행하는 경우에 있어서도 용이하게 작업을 수행할 수 있다.
한편, 상기 하부 챔버(12)와 서셉터(40) 사이로 반응가스가 흘러들어가 상기 하부 챔버(12) 내부로 반응가스가 유입되는 것을 방지하기 위해 차단부(13)가 상기 상부 챔버(11)와 결합하는 상기 하부 챔버(12)의 상부측 내주면을 따라 연속하여 구비된다.
상기 차단부(13)는 상기 서셉터(10)의 지름과 형상에 대응하는 크기의 중앙홀(14)을 가지는 원반형상으로, 석영과 같은 내부식성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 서셉터(40)는 상기 챔버(10)의 중심부에 위치하여 상기 챔버(10)의 중심축과 상기 서셉터(40)의 중심축이 실질적으로 일치하도록 하며, 상기 하부 챔버(10)가 상기 상부 챔버(11)와 결합하는 상부측면과 나란히 위치하도록 하여 상기 하부 챔버(12) 내에서 회전하지 않고 고정되어 구비된다.
그리고, 상기 서셉터(40)는 적어도 하나의 웨이퍼(S)를 상부단에 수용하여 상기 웨이퍼(S)의 표면이 상기 상부 챔버(11)의 하부에 마련되는 반응유로부(60)에 노출되도록 상기 상부 챔버(11)의 내측 하부면과 마주하여 배치된다.
도면에서와 같이, 상기 서셉터(40)는 상기 상부 챔버(11)의 내측 하부면과 소정의 간격을 이루며 배치되어 상기 서셉터(40)와 상기 상부 챔버(11) 사이에 반응유로부(60)를 형성한다. 즉, 상기 서셉터(40)의 상단부와 상기 상부 챔버(11)의 내측면 사이에 형성되는 공간이 상기 반응유로부(60)에 해당하는 것이다.
한편, 상기 서셉터(40)의 상단부에는 적어도 하나의 웨이퍼(S)를 수용하여 장착하기 위한 웨이퍼 포켓(41)이 적어도 하나 구비된다. 따라서, 상기 웨이퍼 포켓(41)에 장착되는 웨이퍼(S)는 상기 반응유로부(60)에 그 표면이 노출되도록 상방향 지향(face up)되어 장착되게 되는 것이다.
본 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치에서는 서셉터(40)가 하부 챔버(12)에 구비되어 상방향 지향(face up)되도록 구비되는 구조에 관하여 도시하고 있으나, 반드시 이에 한하지 않고 상부 챔버(11)에 구비되어 하방향 지향(face down)되도록 구비되는 구조도 포함될 수 있다.
상기 웨이퍼 포켓(41)은 상기 서셉터(40)에 결합되어 독립적으로 회전할 수 있도록 분리된 구조를 가지도록 하며, 고정되어 회전하지 않도록 구비되는 서셉터(40)와는 달리 상기 서셉터(40) 내에서 회전가능하도록 구비된다.
그리고, 상기 웨이퍼 포켓(41)은 회전구동시 그 내부에 안착된 웨이퍼(S)가 이탈하지 않고 고정되도록 하기 위한 고정클립(미도시)을 적어도 하나 구비한다.
따라서, 서셉터(40)를 회전시키기 위한 별도의 구성요소가 생략되어 전체 구성요소가 간략해지며, 상기 서셉터(40)의 회전구동에 의한 진동이 웨이퍼 포켓(41)에 전해져 안정적인 회전을 방해하는 장애요인이 제거될 수 있다.
도 3에서와 같이 상기 구동부(30)는 회전축(31), 기어 링(33), 및 구동모터(34)로 구성되며, 상기 웨이퍼 포켓(41)을 회전시키기 위한 구동력을 제공한다.
상기 회전축(31)은 일단부는 상기 웨이퍼 포켓(41)과 연결되고, 타단부에는 기어(32)가 구비되는 소정 길이의 봉형상의 구조물이며, 상기 회전축(31)의 회전을 통해 상기 웨이퍼 포켓(41)이 회전을 하게 된다.
상기 기어 링(33)은 원반형상의 구조를 가지며, 중심축에 배기구(61)가 관통하는 관통홀(33b)을 구비하고, 외주면에는 상기 회전축(31)의 기어(32)와 치결합되도록 나사산(33a)이 형성된다.
그리고, 상기 구동모터(34)는 상기 기어 링(33)의 나사산(33a)과 치결합하여 전원인가시 상기 기어 링(33)을 회전구동시킨다.
상기 기어 링(33)의 외주면에는 적어도 하나의 가이드부(36)를 구비하여 상기 기어 링(33)이 일정하게 수평을 유지하며 회전하도록 유도한다. 따라서, 상기 기어 링(33)의 회전구동시 치결합이 어긋나거나 분리되지 않고 안정적으로 유지되도록 함으로써 상기 웨이퍼 포켓(41)이 안정적으로 회전할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치는 상기 서셉터(40)가 상기 챔버(10) 내에 구비되어 회전하지 않도록 지지하며, 상기 구동부(30)가 반응가스에 의해 영향을 받지 않도록 커버하는 지지부재(50)를 더 포함하여 이루어진다.
도면에서 도시하는 바와 같이, 상기 지지부재(50)는 상기 하부 챔버(12) 내에 구비되어 상부면 외측에는 상기 서셉터(40)가 올려져 고정되고, 중심부에는 상기 배기구(61)가 관통하여 결합되며, 내측 공간부에는 상기 구동부(30)가 위치하여 외부로부터 영향을 받지않도록 커버한다.
상기 지지부재(50)는 상기 하부 챔버(12)의 형상에 대응하는 형상으로 이루어지나 이에 한정하는 것은 아니며, 내열성 및 내부식성을 위해 석영으로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에서와 같이, 상기 가스 유입부(20)는 상기 반응유로부(60)로 외부의 반응가스를 공급하기 위해 상기 상부 챔버(11)의 몸통부(11b)를 따라서 구비되는 유성형(planetary)의 구조를 이룬다.
상기 반응가스는 AlGaInN, 원료가스(source gas)로 NH3, MO 등을 포함하고, 캐리어가스(carrier gas)로 N2, H2 등을 포함하며, 상기 MO는 NH3, TMGa, TMAI, Cp2Mg, SiH4, TMIn 등을 포함한다.
상기 가스 유입부(20)는 외부로부터 가스 도입관(21)을 통해 도입되는 소정의 가스를 저장하는 리저버(22)를 적어도 하나 상기 상부 챔버(11)의 몸통부(11b) 둘레 내측에 구비하며, 상기 리저버(22)에 저장된 가스를 상기 반응유로부(60)로 분사하는 분사노즐(23)을 상기 리저버(22)와 상기 반응유로부(60)를 연통하여 구비한다.
따라서, 상기 리저버(22)가 하나인 단일의 리저버(22)로 구비되는 경우에는 상기 리저버(22)를 따라 원료가스 및 캐리어가스가 혼합된 상태로 저장되어 분사되거나 원료가스만을 분사하게 된다.
또한, 상기 리저버(22) 내에는 분리막(24)을 적어도 하나 구비하여 상기 리저버(22)를 복수개의 영역으로 구분할 수 있으며, 이 경우 반응가스가 일정한 압력으로 분사되도록 하는 것이 가능하다.
그리고, 상기 가스 유입부(20)로부터 분사되어 상기 반응유로부(60)로 유입되는 반응가스는 상기 서셉터(40)의 중심부에 구비되는 배기구(61)를 통해 다시 외부로 배기된다.
한편, 도 4및 도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치(1')에 관하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 다른 실시예를 나타내는 단면도이고, 도 5는 도 4의 평면도이다.
도 4 및 도 5에서는 중복되는 구성요소인 서셉터(40), 웨이퍼 포켓(41), 구동부(30) 및 지지부재(50)에 대해서는 동일한 도면부호를 기재하고, 이에 대한 설명은 생략한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치(1')는 챔버(10), 가스 유입부(20), 서셉터(40), 웨이퍼 포켓(41), 구동부(30)로 구성된다.
상기 챔버(10)는 가스 유입부(20)를 구비하는 상부 챔버(11)와 반응유로부(60)를 형성하고 서셉터(40)를 수용하는 하부 챔버(12)로 이루어지며, 상기 상부 챔버(11)가 상기 하부 챔버(12)에 대해 개폐 가능한 구조로 구비된다.
본 실시예에 따른 상기 가스 유입부(20)는 상기 하부 챔버(12)의 반응유로부(60)로 외부의 반응가스를 공급하기 위해 상기 상부 챔버(11)의 내측 공간부에 구비되는 샤워 헤드(shower head)의 구조를 이룬다.
도 4에서와 같이 상기 가스 유입부(20)는 외부로부터 가스 도입관(21)을 통해 도입되는 소정의 가스를 저장하는 리저버(22)를 적어도 하나 상기 상부 챔버(11)의 상부면측에 구비하며, 상기 리저버(22)에 저장된 가스를 상기 반응유로부(60)로 분사하는 분사노즐(23)을 복수개 구비한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 리저버(22)가 단일의 리저버(22)로 구비되는 경우에 대해 도시하고 있으나 이에 한정하는 것은 아니며, 복수개의 층을 이루며 복수개의 리저버(22)로 구비되는 경우 또한 가능하다.
이 경우, 상기 가스 도입관(21)을 통해 유입되는 가스를 구분하여 각 리저버(22)로 분리하여 저장하고, 분리하여 분사하는 것이 가능하다.
분사된 상기 가스는 고정되어 회전하지 않는 세섭터(40)와 상기 서셉터(40) 내에서 회전하는 웨이퍼 포켓(41) 상부를 지나 지지부재(50)의 측면을 따라 흘러 내려 하부측에 구비된 배기구(61)를 통해 외부로 배기된다.
도 1은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 화학 기상 증착 장치의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 구동부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 화학 기상 증착 장치의 평면도이다.

Claims (11)

  1. 하부 챔버와, 상기 하부 챔버에 개폐 가능하게 구비되는 상부 챔버를 포함하는 챔버;
    외부의 반응가스를 챔버 내부로 공급하는 가스 유입부;
    상기 챔버 내에 구비되는 서셉터;
    웨이퍼가 안착되며, 상기 서셉터에 회전가능하도록 적어도 하나 구비되는 웨이퍼 포켓;
    상기 웨이퍼 포켓을 회전구동시키는 구동부; 및
    상기 하부 챔버 내에 구비되며, 상면에는 상기 서셉터가 올려져 회전하지 않도록 지지하고, 내부에는 상기 구동부가 배치되어 상기 반응가스에 의해 영향을 받지 않도록 커버하는 지지부재;
    를 포함하며, 상기 가스 유입부는,
    상기 반응가스를 도입하는 적어도 하나의 가스 도입관과, 챔버의 측단부 둘레를 따라 구비되어 상기 가스 도입관을 통해 도입되는 반응가스를 저장하는 적어도 하나의 리저버와, 상기 리저버에 저장된 반응가스를 상기 챔버 내부로 분사하는 분사노즐을 포함하는 화학 기상 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터는 상기 웨이퍼 포켓이 결합되어 회전할 수 있도록 분리된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터는 상기 챔버의 중심부에 위치하여 회전하지 않고 고정되어 구비되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 웨이퍼 포켓은 회전구동시 내부에 안착된 웨이퍼가 이탈하지 않고 고정되도록 하기 위한 고정클립을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 구동부는,
    일단부는 상기 웨이퍼 포켓과 연결되고, 타단부에는 기어가 구비된 회전축;
    상기 회전축의 기어와 치결합되어 회전하는 기어 링; 및
    상기 기어 링과 치결합되어 상기 기어 링을 회전시키는 구동모터;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  7. 삭제
  8. 하부 챔버와, 상기 하부 챔버에 개폐 가능하게 구비되는 상부 챔버를 포함하는 챔버;
    외부의 반응가스를 챔버 내부로 공급하는 가스 유입부;
    상기 챔버 내에 구비되는 서셉터;
    웨이퍼가 안착되며, 상기 서셉터에 회전가능하도록 적어도 하나 구비되는 웨이퍼 포켓;
    상기 웨이퍼 포켓을 회전구동시키는 구동부; 및
    상기 하부 챔버 내에 구비되며, 상면에는 상기 서셉터가 올려져 회전하지 않도록 지지하고, 내부에는 상기 구동부가 배치되어 상기 반응가스에 의해 영향을 받지 않도록 커버하는 지지부재;
    를 포함하며, 상기 가스 유입부는,
    상기 반응가스를 도입하는 적어도 하나의 가스 도입관과, 상기 챔버의 상부면측에 구비되어 상기 가스 도입관을 통해 도입되는 반응가스를 저장하는 적어도 하나의 리저버와, 상기 리저버에 저장된 반응가스를 상기 챔버 내부로 분사되도록 하는 분사노즐을 포함하는 화학 기상 증착 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 리저버 내에 적어도 하나 구비되어 상기 리저버를 복수개의 영역으로 구분하는 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  11. 삭제
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