KR101066161B1 - Hvpe(hydride vapor phase epitaxy) system for manufacturing multiple gan wafers and method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 한번에 많은 수의 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 효율적이며 낮은 가격으로 성장시킬 수 있도록 하기 위하여, 반응기의 크기(직경)을 단순하게 증가시키는 대신에 여러 개의 작은 반응기와 가스균일공급장치 및 기판이송장치를 연동하여 작은 반응기들에서 동시에 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 성장시킬 수 있는 HVPE 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따른 질화물 반도체 단결정 웨이퍼 제조를 위한 HVPE 시스템의 작동 방법에서는, 복수의 반응기 각각이, 복수의 가스 균일 공급 장치로부터 복수의 가스를 공급받아, 제1 가열로를 통해 소스 영역의 반도체 원료 주위를 가열하며, 제2 가열로를 통해 성장 영역의 기판 주위를 가열하여, 상기 기판 상에 질화물 반도체 단결정을 성장시키되, 상기 복수의 반응기로 각각의 기판을 동시에 로딩하여 상기 복수의 반응기에서 동시에 상기 각각의 기판 상에 질화물 반도체 단결정을 성장시키고, 상기 성장 후에 상기 복수의 반응기로부터 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 상기 각각의 기판을 동시에 언로딩하여, 단 한번의 일련의 공정을 통해 동시에 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 복수의 기판을 획득할 수 있다. In order to enable the growth of a large number of nitride semiconductor single crystal wafers at an efficient and low cost at one time, the present invention uses several small reactors, a gas uniform supply device and a substrate transfer device instead of simply increasing the size (diameter) of the reactor. The present invention relates to an HVPE system capable of simultaneously growing a nitride semiconductor single crystal wafer in small reactors. In a method of operating an HVPE system for producing a nitride semiconductor single crystal wafer according to an aspect of the present invention, each of the plurality of reactors receives a plurality of gases from a plurality of gas uniform supply devices, and the semiconductor of the source region through the first heating furnace. Heating around the raw material and heating the substrate around the growth region through a second heating furnace to grow a nitride semiconductor single crystal on the substrate, simultaneously loading each substrate into the plurality of reactors simultaneously Growing a nitride semiconductor single crystal on each of the substrates, and simultaneously unloading the respective substrates on which the nitride semiconductor single crystals were grown from the plurality of reactors after the growth, and simultaneously simultaneously loading the nitride semiconductors through a single series of processes A plurality of substrates in which single crystals are grown can be obtained.

Figure R1020100037309
Figure R1020100037309

Description

ＧａＮ 웨이퍼 제조를 위한 ＨＶＰＥ 시스템 및 그 방법{HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) System for Manufacturing multiple GaN Wafers and Method thereof}HVPE system and method for manufacturing wafer wafers {Hydride Vapor Phase Epitaxy System for Manufacturing multiple GaN Wafers and Method}

본 발명은 기상 성장법으로 질화물 GaN 웨이퍼 등 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 성장시키는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 수소화물 기상 에피텍시) 시스템에 관한 것으로서, 특히, 한번에 많은 수의 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 효율적이며 낮은 가격으로 성장시킬 수 있도록 하기 위하여, 반응기의 크기(직경)을 단순하게 증가시키는 대신에 여러 개의 작은 반응기와 가스균일공급장치 및 기판이송장치를 연동하여 작은 반응기들에서 동시에 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 성장시킬 수 있는 HVPE 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) system for growing nitride semiconductor single crystal wafers such as nitride GaN wafers by vapor phase growth method. In order to be able to grow at low cost, instead of simply increasing the size (diameter) of the reactor, several small reactors, a gas uniform feeder and a substrate transfer device are interlocked to grow nitride semiconductor single crystal wafers simultaneously in small reactors. A HVPE system that can be made.

AlN, GaN, InN 등과 같은 질화물 반도체 재료는 밴드갭이 0.65eV에서 6.2eV에 이르는 직접 천이형 반도체 재료이므로, 이 세가지 재료가 고체-용액(solid-solution)을 형성하여 적외선에서부터 자외선까지 모든 가시광선을 발광할 수 있어 LED, LD와 같은 발광소자용 재료로 각광을 받고 있다. 또한, 위와 같은 질화물 반도체 재료는 물성이 단단하고 강하며 전자이동도(electron mobility)도 큰 장점이 있어 고온, 방사능 등의 열악한 환경에서도 높은 출력으로 동작하는 고온/고출력/고속 전자소자로도 활용되는 재료이다. 특히, GaN은 청색발광재료로 가장 적합한 소재이며 1993년 일본의 NAKAMURA가 청색 LED소자를 발표한 이후부터 급격한 기술발전과 시장의 확대로 새로운 블루 오션(blue ocean)을 탄생시킨 소재이다.Nitride semiconductor materials such as AlN, GaN, InN, etc. are direct transition semiconductor materials with a bandgap ranging from 0.65eV to 6.2eV, so these three materials form a solid-solution to provide all visible light from infrared to ultraviolet. It can emit light, and has attracted much attention as a material for light emitting devices such as LED and LD. In addition, the above-mentioned nitride semiconductor material has the advantages of hard and strong physical properties and great electron mobility, which is used as a high temperature / high power / high speed electronic device that operates at high power even in a harsh environment such as high temperature and radiation. Material. In particular, GaN is the most suitable material for blue light emitting materials, and since Japan's NAKAMURA announced a blue LED device in 1993, it is a material that has created a new blue ocean through rapid technological development and market expansion.

통상적인 청색 LED 또는 백색 LED는 사파이어 기판 위에 GaN 박막을 성장시켜 제조되지만, 초고출력 LED (Ultra High Brightness LED), 청자색 LD(Laser Diode)등과 같이 대단히 높은 전류밀도가(1000A/cm2이상) 요구되는 GaN 소자를 제조하기 위해서는 GaN 단결정 웨이퍼가 필요하다. 그 이유는 사파이어 기판 위에 성장된 GaN 박막의 결함밀도는 약 108~109/㎠ 정도이므로 높은 결함밀도에 기인하여 소자의 수명이 감소하는 단점이 있다. 반면에 GaN 단결정 웨이퍼의 결함밀도는 107/㎠이하이므로, 그 위에 청색 LED 또는 백색 LED 구조를 형성하는 경우 소자의 수명이 증가되는 장점이 있다. Conventional blue or white LEDs are manufactured by growing a GaN thin film on a sapphire substrate, but require very high current densities (more than 1000 A / cm 2 ) such as ultra high brightness LEDs and blue violet LDs. In order to manufacture GaN devices, GaN single crystal wafers are required. The reason is that the defect density of the GaN thin film grown on the sapphire substrate is about 10 8 to 10 9 / cm 2, so that the lifetime of the device is reduced due to the high defect density. On the other hand, since the defect density of the GaN single crystal wafer is 10 7 / cm 2 or less, when the blue LED or white LED structure is formed thereon, there is an advantage that the life of the device is increased.

GaN 단결정 웨이퍼를 제조하는 방법으로는 HVPE법이 가장 일반적인 방법이며, 이외에 SOLUTION법, SUBLIMATION법 등이 있다. HVPE 법은 기상 성장법 중의 하나로 성장속도가 빠르고 원료가 저렴한 장점이 있어 후막이나 벌크(bulk) 결정 성장에 주로 사용되는 방법이다. As a method of manufacturing a GaN single crystal wafer, the HVPE method is the most common method. In addition, there are SOLUTION method, SUBLIMATION method, and the like. The HVPE method is one of the vapor phase growth methods, which is mainly used for thick film or bulk crystal growth because of its rapid growth rate and low cost of raw materials.

그러나, 기존의 HVPE 장치는, 온도 균일성과 원료 균일 공급의 한계로 인하여 통상적으로 하나의 반응기(reactor) 내에 1장 ~ 3장 정도의 기판을 장착하고 GaN 결정을 성장한다. 이러한 방식으로 제조된 GaN 웨이퍼의 가격은 장당 300백만원 이상의 높은 가격으로 판매되고 있다. 따라서, GaN 웨이퍼의 가격이 높기 때문에 GaN 웨이퍼을 사용한 LED를 제조하기가 어려운 상황이다. However, conventional HVPE devices typically mount one to three substrates in one reactor and grow GaN crystals due to temperature uniformity and raw material uniform supply limitations. GaN wafers manufactured in this manner are sold at a high price of more than 300 million won per sheet. Therefore, it is difficult to manufacture LEDs using GaN wafers because of the high price of GaN wafers.

최근 들어 LED용 GaN 웨이퍼의 가격을 낮추는 방향으로 기술개발이 이루어지고 있는데, 그 중의 한가지 방법이 한번의 성장공정으로 많은 수의 웨이퍼를 성장시키고자 하는 기술개발 방향이다. 한번의 성장공정으로 많은 수의 웨이퍼를 성장시키기 위해 가장 쉬운 방법 중의 하나는 원통형 반응기의 직경을 증가시키는 것이다. 반응기의 직경을 증가시킬 경우 도 5와 같이 반응기의 가로방향으로 여러 장 기판을 장착할 수 있게 된다. 그러나 반응기의 직경이 증가하게 되면 NH3, GaCl, 캐리어 가스(carrier gas) 등과 같은 가스의 공급량도 그 반경의 제곱으로 증가하게 되므로 재료비가 크게 증가하는 문제점이 있다. Recently, technology development has been made in order to lower the price of GaN wafers for LEDs, one of which is a technology development direction for growing a large number of wafers in one growth process. One of the easiest ways to grow a large number of wafers in one growth process is to increase the diameter of the cylindrical reactor. Increasing the diameter of the reactor can be equipped with a plurality of substrates in the transverse direction of the reactor as shown in FIG. However, when the diameter of the reactor is increased, the supply amount of gas such as NH 3, GaCl, carrier gas, etc. is also increased by the square of the radius, thereby increasing the material cost.

또한, 기존의 HVPE 장치에서, 반응기의 단면적이 증가할수록 반응기 내부의 온도 균일성이 악화되므로 균일한 품질을 지닌 GaN 웨이퍼를 성장시킬 수 없게 되고, 반응기의 직경이 크기 때문에 가열로와 같은 주변 장치도 비례하여 커지는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하고자 본 발명을 고안하게 되었다.In addition, in the conventional HVPE apparatus, as the cross-sectional area of the reactor increases, the temperature uniformity inside the reactor deteriorates, thus making it impossible to grow GaN wafers with uniform quality. There is a disadvantage that increases proportionally. The present invention has been devised to compensate for this disadvantage.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 여러 장의 질화물 단결정 웨이퍼를 HVPE 방법으로 효율적이며 낮은 가격으로 성장시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an apparatus and method capable of growing a plurality of nitride single crystal wafers efficiently and at low cost by HVPE.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 HVPE 시스템은, 원료 가스와 캐리어 가스를 공급하기 위한 복수의 가스 탱크를 구비한 한 세트의 가스 캐비닛; 상기 복수의 가스 탱크 각각과 연결되고 각각의 밸브 조절에 따라 일정 압력으로 해당 가스를 공급하는 가스 공급 장치; 각각이 상기 가스 공급 장치로부터의 복수의 가스를 각각의 튜브를 통해 미리 설정된 양으로 공급하는 복수의 가스 균일 공급 장치; 각각이 상기 복수의 가스 균일 공급 장치로부터 복수의 가스를 공급받고, 제1 가열로를 통해 소스 영역의 반도체 원료 주위를 가열하며, 제2 가열로를 통해 성장 영역의 기판 주위를 가열하여, 상기 기판 상에 질화물 반도체 단결정을 성장시키는 복수의 반응기; 상기 복수의 반응기에서의 반응 후의 모든 가스를 배출하는 가스 스크러버; 상기 성장 전에 상기 복수의 반응기로 각각의 기판을 로딩하고 상기 성장 후에 상기 복수의 반응기로부터 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 각각의 기판을 언로딩하는 기판 이송 장치; 및 미리 설정된 시간에 따라, 상기 가스 공급 장치의 각 밸브를 조절하여 해당 가스의 공급을 제어하며, 상기 기판 이송 장치의 로딩 및 언로딩을 제어하는 제어장치를 포함한다.First, to summarize the features of the present invention, the HVPE system according to an aspect of the present invention for achieving the above object of the present invention, a set of having a plurality of gas tanks for supplying the source gas and the carrier gas Gas cabinets; A gas supply device connected to each of the plurality of gas tanks and supplying a corresponding gas at a predetermined pressure according to adjustment of each valve; A plurality of gas uniform supply devices each supplying a plurality of gases from the gas supply device through a respective tube in a predetermined amount; Each of which receives a plurality of gases from the plurality of gas uniform supply devices, heats around the semiconductor raw material of the source region through a first heating furnace, heats around the substrate of the growth region through a second heating furnace, A plurality of reactors for growing a nitride semiconductor single crystal on the phase; A gas scrubber for discharging all the gases after the reaction in the plurality of reactors; A substrate transfer apparatus for loading each substrate into the plurality of reactors before the growth and unloading each substrate on which the nitride semiconductor single crystals are grown from the plurality of reactors after the growth; And a control device that controls the supply of the corresponding gas by controlling each valve of the gas supply device according to a preset time, and controls the loading and unloading of the substrate transfer device.

상기 HVPE 시스템은, 상기 복수의 반응기로 상기 각각의 기판을 동시에 로딩하여 상기 복수의 반응기에서 동시에 상기 각각의 기판 상에 질화물 반도체 단결정을 성장시키고, 상기 성장 후에 상기 복수의 반응기로부터 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 상기 각각의 기판을 동시에 언로딩하여, 단 한번의 일련의 공정을 통해 동시에 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 복수의 기판을 획득한다.The HVPE system loads the respective substrates simultaneously into the plurality of reactors to grow nitride semiconductor single crystals on the respective substrates simultaneously in the plurality of reactors, and after the growth the nitride semiconductor single crystals are removed from the plurality of reactors. Each of the grown substrates is unloaded simultaneously to obtain a plurality of substrates on which the nitride semiconductor single crystal is grown simultaneously through a single series of processes.

상기 각각의 기판은 사파이어, SiC, GaAs, Si, 또는 GaN 기판이고, 상기 기판 상에 GaN를 성장시킨다.Each substrate is a sapphire, SiC, GaAs, Si, or GaN substrate, and grows GaN on the substrate.

상기 복수의 가스 탱크는, N2, HCl, 및 NH3등을 저장하는 각각의 탱크를 포함한다.The plurality of gas tanks include respective tanks for storing N 2 , HCl, NH 3 , and the like.

상기 복수의 가스 균일 공급 장치는, 상기 N2, HCl, 및 NH3을 상기 복수의 반응기 각각에 공급하기 위한 3개의 가스량 조절 수단을 한 세트로 하는 3세트의 균일 공급 장치를 포함하고, 상기 가스량 조절 수단은 공급 가스량이 수동 또는 자동으로 조절되도록 하는 플로우미터 또는 니들밸브 등으로 이루어진다.The plurality of gas uniform supply devices include three sets of uniform supply devices including three gas amount adjusting means for supplying the N 2 , HCl, and NH 3 to each of the plurality of reactors. The adjusting means consists of a flow meter or a needle valve or the like which allows the supply gas amount to be adjusted manually or automatically.

상기 기판 이송 장치는 상기 제어장치로부터 동일한 동기화된 신호를 받아 상기 복수의 반응기에 상기 기판을 로딩 및 언로딩하기 위한 복수의 이송 장치를 포함하고, 상기 복수의 이송 장치는 각각, 상기 동기화된 신호에 따라 모터 구동 신호를 생성하는 모터 제어기; 상기 모터 구동 신호에 따라 구동력을 발생하는 모터; 및 상기 모터의 구동력을 이용한 로봇암의 직선 또는 회전 운동을 통해 기판 장착 수단을 상기 복수의 반응기로 로딩 및 언로딩하는 이동 가이드부를 포함한다.The substrate transfer apparatus includes a plurality of transfer apparatuses for receiving the same synchronized signal from the controller and for loading and unloading the substrate into the plurality of reactors, each of the plurality of transfer apparatuses being configured to the synchronized signal. A motor controller for generating a motor drive signal accordingly; A motor generating a driving force according to the motor driving signal; And a movement guide part for loading and unloading the substrate mounting means into the plurality of reactors through a linear or rotary motion of the robot arm using the driving force of the motor.

상기 기판 이송 장치는 상기 복수의 반응기 각각에 단 하나의 기판을 로딩 및 언로딩한다.The substrate transfer device loads and unloads only one substrate into each of the plurality of reactors.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 질화물 반도체 단결정 웨이퍼 제조를 위한 HVPE 시스템의 작동 방법에서는, 복수의 반응기 각각이, 복수의 가스 균일 공급 장치로부터 복수의 가스를 공급받아, 제1 가열로를 통해 소스 영역의 반도체 원료 주위를 가열하며, 제2 가열로를 통해 성장 영역의 기판 주위를 가열하여, 상기 기판 상에 질화물 반도체 단결정을 성장시키되, 상기 복수의 반응기로 각각의 기판을 동시에 로딩하여 상기 복수의 반응기에서 동시에 상기 각각의 기판 상에 질화물 반도체 단결정을 성장시키고, 상기 성장 후에 상기 복수의 반응기로부터 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 상기 각각의 기판을 동시에 언로딩하여, 단 한번의 일련의 공정을 통해 동시에 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 복수의 기판을 획득한다. In the method of operating an HVPE system for manufacturing a nitride semiconductor single crystal wafer according to another aspect of the present invention, each of the plurality of reactors receives a plurality of gases from a plurality of gas uniform supply devices, and then supplies the source through a first heating furnace. Heating around the semiconductor raw material in the region, and heating the substrate around the growth region through a second heating furnace to grow a nitride semiconductor single crystal on the substrate, wherein each substrate is simultaneously loaded into the plurality of reactors to Simultaneously growing nitride semiconductor single crystals on the respective substrates in the reactor, and simultaneously unloading the respective substrates on which the nitride semiconductor single crystals were grown from the plurality of reactors after the growth, simultaneously through a single series of processes A plurality of substrates in which the nitride semiconductor single crystal is grown are obtained.

본 발명에 따라 동시에 다중으로 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 성장시키기 위한 HVPE 시스템에 따르면, 단순하게 반응기의 직경을 증가시킨 종래의 HVPE 성장장치에 비하여, 가열장치, 반응기 튜브 등의 크기가 작으므로 제작에 필요한 비용이 적게 소요되며, 설치에 필요한 면적도 작게 할 수 있다.According to the HVPE system for growing multiple nitride semiconductor single crystal wafers simultaneously according to the present invention, compared to the conventional HVPE growth apparatus which simply increases the diameter of the reactor, the size of the heating device, the reactor tube, etc. The cost is low and the area required for installation can be reduced.

또한, 질화물 반도체 단결정 웨이퍼의 성장에 필요한 원료의 양을 종래에 비하여 약 절반으로 감소시킬 수 있어 제조원가의 감소에 크게 기여할 수 있다. In addition, since the amount of raw materials required for the growth of the nitride semiconductor single crystal wafer can be reduced by about half compared to the conventional one, it can greatly contribute to the reduction of manufacturing cost.

또한, 질화물 반도체 단결정 웨이퍼의 성장에서 가장 중요한 균일한 온도 분포가, 직경을 단순하게 증가시킨 기존 장치의 경우 가열로에서 멀어질수록, 즉, 반응기 내부로 갈수록 온도가 낮아지는 단점이 존재하므로 성장된 기판끼리의 품질이 균일하지 못한 치명적인 단점이 존재하는 반면에, 본 발명에 따른 시스템에서는 가열로로부터 동일한 위치에서 질화물 반도체 단결정 웨이퍼가 성장되므로 대단히 균일한 품질의 질화물 반도체 단결정 웨이퍼들을 성장시킬 수 있다.In addition, the uniform temperature distribution, which is most important in the growth of nitride semiconductor single crystal wafers, has been developed because the existing device having a simple increase in diameter has a disadvantage in that the temperature decreases as it moves away from the furnace, that is, toward the inside of the reactor. While there is a fatal drawback in that the quality of the substrates is not uniform, the nitride semiconductor single crystal wafers are grown in the same position from the furnace in the system according to the present invention, so that the nitride semiconductor single crystal wafers of very uniform quality can be grown.

그리고, 본 발명에 따른 시스템에서는 기존의 1~3장을 성장시키는 성장 장치에 비하여 최소 2배에서 10 배 이상까지 반응기의 수를 증가시킬 수 있으므로 인건비 절약과 성장장치 제조비용 감소 등과 같은 제조원가 절감에 크게 기여할 수 있다. In addition, in the system according to the present invention, the number of reactors can be increased by at least 2 to 10 times more than the conventional growth apparatus for growing 1 to 3 sheets, thereby reducing manufacturing costs such as labor cost saving and growth apparatus manufacturing cost reduction. It can contribute greatly.

예를 들면, 본 발명에 의한 2개로 분할된 반응기로 구성된 시스템은 기존의 성장 장치를 2대 사용한 경우와 비교할 때, 동일한 수량의 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 성장시키면서도 가스공급장치가 2대에서 1대로 감소될 수 있으며, 가스 캐비넷의 수도 절반으로 감소되고, 배출가스를 처리하는 가스 스크러버의 수도 2대에서 1대로 감소된다. 또한, 가동인력도 2명에서 1명으로 감소시킬 수 있으며 설치 면적도 2배에서 1.5배로 감소될 수 있으므로 상대적으로 낮은 가격으로 설비를 제작할 수 있으며 기판제조 원가도 현저하게 낮출 수 있다. For example, the system consisting of two split reactors according to the present invention reduces the number of gas supply devices from two to one while growing the same quantity of nitride semiconductor single crystal wafers compared to using two conventional growth devices. The number of gas cabinets is reduced to half, and the number of gas scrubbers treating the off-gas is reduced from one to two. In addition, the operating manpower can be reduced from 2 to 1 people, and the installation area can be reduced from 2 times to 1.5 times, so that the equipment can be manufactured at a relatively low price and the board manufacturing cost can be significantly lowered.

이와 같이, 본 발명에 따른 분할된 복수의 반응기로 구성된 성장 시스템을 사용하는 경우, 설비가격을 기존의 HVPE 성장 장치 대비 크게 감소시킬 수 있으며 설비가 차지하는 면적과 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 생산하기 위한 재료비 절감, 설비 가동 인력의 감소 등의 효과에 의하여 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 고품질이면서도 저가격으로 효율적으로 생산할 수 있게 된다. As such, when using a growth system composed of a plurality of divided reactors according to the present invention, the equipment price can be significantly reduced compared to the existing HVPE growth apparatus, and the area occupied by the equipment and material cost for producing nitride semiconductor single crystal wafers. In addition, the production of nitride semiconductor single crystal wafers can be efficiently produced at high quality and low cost due to the reduction of facility operation manpower.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 HVPE 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스공급장치, 가스균일공급장치들, 및 반응기들의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 반응기들과 기판 이송 장치의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 HVPE 시스템의 동작 설명을 위한 흐름도이다.
도 5는 기존 반응기 대비 본 발명의 복수 반응기들의 단면적을 비교하기 위한 도면이다.1 is a schematic diagram of an HVPE system according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing the relationship between the gas supply device, the gas uniform supply device, and the reactor according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing the relationship between the reactors and the substrate transfer apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating the operation of the HVPE system according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for comparing the cross-sectional area of a plurality of reactors of the present invention compared to the existing reactor.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 HVPE 시스템(100)의 개략도이다.1 is a schematic diagram of an HVPE system 100 in accordance with one embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 HVPE 시스템(100)은, 가스 캐비닛(gas cabinet)(110), 가스 공급 장치(120), 복수의 가스 균일 공급 장치(130), 복수의 반응기(reactor)(140), 기판 이송 장치(150), 제어장치(160), 및 가스 스크러버(gas scrubber)(170)을 포함한다. 복수의 가스 균일 공급 장치(130)는 복수개, 예를 들어, 제1 가스 균일 공급 장치(131), 제2 가스 균일 공급 장치(132), 및 제3 가스 균일 공급 장치(133)으로 구성되며, 복수의 반응기(140)는 이에 대응하여 제1 반응기(141), 제2 반응기(142), 및 제3 반응기(143)로 구성된다. 여기서, 설명의 편의상 3개의 가스 균일 공급 장치(131,132,133)와 3개의 반응기(141, 142, 143)로 구성되는 것으로 설명하지만, 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 복수의 반응기(140)에 포함되는 반응기들을 더 많은 수로 구성할 수 있으며, 이에 대응된 가스 균일 공급 장치들도 그에 따라 더 많은 수로 구성할 수 있다. 제어장치(160)는 위와 같은 HVPE 시스템(100)의 각 구성요소들의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. Referring to FIG. 1, the HVPE system 100 according to an embodiment of the present invention includes a gas cabinet 110, a gas supply device 120, a plurality of gas uniform supply devices 130, and a plurality of A reactor 140, a substrate transfer device 150, a controller 160, and a gas scrubber 170 are included. The plurality of gas uniform supply devices 130 may include a plurality of, for example, a first gas uniform supply device 131, a second gas uniform supply device 132, and a third gas uniform supply device 133. The plurality of reactors 140 correspond to the first reactor 141, the second reactor 142, and the third reactor 143 correspondingly. Here, for convenience of description, it will be described as consisting of three gas uniform supply devices (131, 132, 133) and three reactors (141, 142, 143), but is not limited to this, the reactor included in the plurality of reactors 140 as necessary Can be configured in larger numbers, and corresponding gas uniform supply devices can be configured in larger numbers accordingly. The controller 160 may control the overall operation of each component of the HVPE system 100 as described above.

가스 캐비닛(110)은 원료 가스와 캐리어 가스를 공급하기 위한 복수의 가스 탱크를 포함하고, 예를 들어, 각각의 탱크에는 질화 처리를 위한 원료 가스인 NH3, HCl, 및 캐리어 가스인 N2(또는 아르곤 등 불활성 가스)를 각각 저장한다. 본 발명에서는 가스 캐비닛(110)이 위와 같은 복수 탱크를 구비한 한 세트로 충분하며, 복수의 반응기(140) 각각에 원료 가스와 캐리어 가스를 공급하기 위하여 가스 캐비닛(110)을 복수 세트로 구성할 필요가 없도록 하였다. The gas cabinet 110 includes a plurality of gas tanks for supplying source gas and carrier gas. For example, each tank includes NH 3 , HCl, which is a source gas for nitriding treatment, and N 2 (which is a carrier gas). Or an inert gas such as argon). In the present invention, the gas cabinet 110 is sufficient as one set having the plurality of tanks as described above, and the gas cabinet 110 may be configured in plural sets to supply the source gas and the carrier gas to each of the plurality of reactors 140. There was no need.

가스 공급 장치(120)는 가스 캐비닛(110)에 포함된 복수의 가스 탱크의 각 가스 탱크와 연결되고 각각의 밸브 조절에 따라 일정 압력으로 해당 가스를 복수의 가스 균일 공급 장치(130)로 공급한다. 가스 공급 장치(120)의 각 밸브는 제어장치(160)에 의하여 제어될 수 있으며, 제어장치(160)가 미리 설정된 시간(예를 들어, N2, HCl, 또는 NH3 각각의 공급 시간)에 따라, 가스 공급 장치(120)의 각 밸브를 조절하여 해당 가스(N2, HCl, 또는 NH3)가 복수의 가스 균일 공급 장치(130)로 공급되도록 제어할 수 있다. The gas supply device 120 is connected to each gas tank of the plurality of gas tanks included in the gas cabinet 110 and supplies the corresponding gas to the plurality of gas uniform supply devices 130 at a predetermined pressure according to adjustment of the respective valves. . Each valve of the gas supply device 120 may be controlled by the controller 160, and the controller 160 may be controlled at a predetermined time (eg, a supply time of each of N 2 , HCl, or NH 3 ). Accordingly, each valve of the gas supply device 120 may be adjusted to control the gas (N 2 , HCl, or NH 3 ) to be supplied to the plurality of gas uniform supply devices 130.

복수의 가스 균일 공급 장치(130)는 각각(131/132/133)이 가스 공급 장치(120)로부터의 복수의 가스(N2, HCl, NH3)를 각각의 튜브를 통해 미리 설정된 양으로 각각의 반응기(141/142/143)로 공급한다. Each of the plurality of gas uniform supply devices 130 has a plurality of gases N 2 , HCl, NH 3 from the gas supply device 120, respectively, in a predetermined amount through each tube. To the reactor (141/142/143).

복수의 반응기(140)는 각각(141/142/143)이 각각의 가스 균일 공급 장치(131/132/133)로부터 복수의 가스를 공급받고, 제1 가열로를 통해 소스 영역(source zone)의 소정 보트(boat)에 배치된 반도체 원료(예를 들어, 고체 Ga, 또는 Ga 메탈) 주위를 가열하며, 제2 가열로를 통해 성장 영역(growth zone)의 기판(예를 들어, 사파이어, SiC, GaAs, Si, 또는 GaN 기판) 주위를 가열하여, 기판 상에 질화물 반도체 단결정(예를 들어, GaN)을 성장시킨다. 각각의 반응기(141/142/143)의 외형은 쿼츠(quartz) 튜브 형태일 수 있고, 그 주위로 소스 영역(source zone)의 가열을 위한 제1 가열로가 배치되고, 또한 소스 영역과 구분된 성장 영역(growth zone)의 가열을 위한 제2 가열로가 쿼츠 튜브 주위에 배치될 수 있다. 각각의 반응기(141/142/143)에서 질화물 반도체 단결정(예를 들어, GaN)을 성장시킬 때의 반응 후의 가스는 하나의 가스 스크러버(170)를 통해 모두 배출될 수 있다. Each of the plurality of reactors 140 receives a plurality of gases from each of the gas uniform supply devices 131/132/133, respectively 141/142/143, and receives a plurality of gases from the source zone through the first heating furnace. Heating around a semiconductor raw material (e.g., solid Ga or Ga metal) disposed in a predetermined boat, and through a second heating furnace a substrate of a growth zone (e.g., sapphire, SiC, GaAs, Si, or GaN substrate) is heated to grow a nitride semiconductor single crystal (eg, GaN) on the substrate. The outer shape of each reactor 141/142/143 can be in the form of a quartz tube, around which a first furnace for heating of the source zone is arranged, also distinct from the source zone. A second furnace for heating the growth zone can be arranged around the quartz tube. The gas after the reaction when growing the nitride semiconductor single crystal (eg, GaN) in each reactor 141/142/143 may all be discharged through one gas scrubber 170.

기판 이송 장치(150)는 각각의 반응기(141/142/143)에서 질화물 반도체 단결정(예를 들어, GaN)을 성장시키기 전에 반응기들(141/142/143)로 각각의 기판을 로딩하고, 각각의 반응기(141/142/143)에서 질화물 반도체 단결정(예를 들어, GaN)의 성장이 완료된 후에는 반응기들(141/142/143)로부터 질화물 반도체 단결정(예를 들어, GaN)이 성장된 각각의 기판을 언로딩한다. 기판 이송 장치(150)는 아래에서 자세히 기술하는 바와 같이 로봇암에 결합된 기판 장착 수단인 서셉터(Susceptor)에 기판들을 장착하여, 제어장치(160)의 제어에 따라 각각의 기판을 반응기들(141/142/143)로 로딩(loading)하고 언로딩(unloading)할 수 있다. Substrate transfer device 150 loads each substrate into reactors 141/142/143 before growing a nitride semiconductor single crystal (eg GaN) in each reactor 141/142/143, respectively. After the growth of the nitride semiconductor single crystal (eg, GaN) in the reactor (141/142/143) of the is completed, each of the nitride semiconductor single crystal (eg, GaN) was grown from the reactors (141/142/143). Unload the substrate. The substrate transfer apparatus 150 mounts the substrates to a susceptor, which is a substrate mounting means coupled to the robotic arm, as described in detail below, and loads each substrate under the control of the controller 160. 141/142/143 may be loaded and unloaded.

이와 같은 본 발명의 HVPE 시스템(100)은, 반응기들(141/142/143)로 각각의 기판(예를 들어, 사파이어 기판)을 동시에 로딩하여 반응기들(141/142/143)에서 동시에 해당 각각의 기판 상에 질화물 반도체 단결정(예를 들어, GaN)을 성장시킬 수 있고, 성장이 완료된 후에는 반응기들(141/142/143)로부터 질화물 반도체 단결정이 성장된 각각의 기판을 동시에 언로딩하여, 단 한번의 일련의 공정을 통해 동시에 질화물 반도체 단결정(예를 들어, GaN)이 성장된 복수의 기판을 획득할 수 있도록 하였다.As such, the HVPE system 100 of the present invention simultaneously loads each substrate (eg, sapphire substrate) into the reactors 141/142/143 simultaneously and simultaneously in the reactors 141/142/143 respectively. Nitride semiconductor single crystals (e.g., GaN) can be grown on the substrates of the substrate, and after the growth is completed, unloading each substrate on which the nitride semiconductor single crystals have been grown from the reactors 141/142/143 at the same time, Through a single series of processes, it was possible to obtain a plurality of substrates on which nitride semiconductor single crystals (eg, GaN) were grown at the same time.

이에 따라, 본 발명에 따른 분할된 복수의 반응기(141/142/143)로 구성된 성장 시스템(100)을 사용하는 경우, 설비가격을 기존의 HVPE 성장 장치 대비 크게 감소시킬 수 있으며 설비가 차지하는 면적과 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 생산하기 위한 재료비 절감, 설비 가동 인력의 감소 등의 효과에 의하여 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 고품질이면서도 저가격으로 효율적으로 생산할 수 있게 된다. 본 발명에 따른 시스템(100)에서는 기존의 1~3장을 성장시키는 성장 장치에 비하여 최소 2배에서 10 배 이상까지 반응기의 수를 용이하게 증가시킬 수 있으므로, 인건비 절약과 성장장치 제조비용 감소 등과 같은 제조원가 절감에 크게 기여할 수 있다.Accordingly, when using the growth system 100 composed of a plurality of reactors (141/142/143) divided in accordance with the present invention, the equipment price can be significantly reduced compared to the existing HVPE growth apparatus and the area occupied by the equipment It is possible to efficiently produce nitride semiconductor single crystal wafers with high quality and low cost due to the reduction of material costs for manufacturing nitride semiconductor single crystal wafers and the reduction of manpower for operation. In the system 100 according to the present invention, since the number of reactors can be easily increased by at least 2 to 10 times or more, compared to the conventional growth apparatus for growing 1 to 3 sheets, labor cost and growth apparatus manufacturing cost are reduced. The same manufacturing cost can be greatly reduced.

예를 들어, 본 발명에 따른 시스템(100)이 2개로 분할된 반응기를 사용하여, 기존의 성장 장치를 2대 사용한 경우와 동일한 수량의 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 성장시킨다고 가정할 때, 가스공급장치(120)가 2대에서 1대로 감소될 수 있으며, 가스 캐비닛(110)의 수도 절반으로 감소되고, 배출가스를 처리하는 가스 스크러버(170)의 수도 2대에서 1대로 감소된다. 또한, 가동인력도 2명에서 1명으로 감소시킬 수 있으며 설치 면적도 2배에서 1.5배로 감소될 수 있으므로 상대적으로 낮은 가격으로 설비를 제작할 수 있으며 기판제조 원가도 현저하게 낮출 수 있게 된다. For example, assuming that the system 100 according to the present invention grows a nitride semiconductor single crystal wafer of the same quantity as when using two conventional growth apparatuses using a reactor divided into two, a gas supply apparatus ( 120 may be reduced from one to two, the number of gas scrubber 110 is reduced to half, and the number of gas scrubbers 170 for treating the exhaust gas is reduced to one from two. In addition, the operating manpower can be reduced from 2 to 1 people, and the installation area can be reduced from 2 times to 1.5 times, so that the equipment can be manufactured at a relatively low price and the board manufacturing cost can be significantly reduced.

이하, 도 2내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 HVPE 시스템(100)의 동작을 좀더 자세히 설명한다. Hereinafter, the operation of the HVPE system 100 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2 to 5.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스공급장치(120), 가스균일공급장치들(131/132/133), 및 반응기들(141/142/143)의 관계를 나타내는 도면이다.2 is a view showing the relationship between the gas supply device 120, the gas uniform supply devices (131/132/133), and the reactors (141/142/143) according to an embodiment of the present invention.

가스균일공급장치들(131/132/133)은 3세트의 균일 공급 장치들로 이루어지고, 각 세트(131/132/133)는 3개의 가스량 조절 수단(예를 들어, 공급 가스량이 수동으로 조절(또는, 경우에 따라 제어 장치에 의한 자동 조절도 가능)되도록 하는 플로우미터(flowmeter) 또는 니들밸브(needle valve))을 포함한다. 각 세트(131/132/133)는 가스 공급 장치(120)로부터의 복수의 가스(N2, HCl, NH3)를 각각의 튜브를 통해 미리 설정된 양으로 반응기들(141/142/143)로 공급한다. The gas uniform supply devices 131/132/133 consist of three sets of uniform supply devices, and each set 131/132/133 comprises three gas amount adjusting means (for example, the supply gas amount is manually adjusted). (Or, optionally, a flowmeter or needle valve to allow automatic adjustment by a control device). Each set 131/132/133 transfers a plurality of gases (N 2 , HCl, NH 3 ) from the gas supply device 120 to the reactors 141/142/143 in a predetermined amount through each tube. Supply.

가스균일공급장치들(131/132/133)을 구성하는 플로우미터(flowmeter) 또는 니들밸브(needle valve)를 사전에 미세 조절하여 공급 가스량이 한번 조절이 되면 반복하여 조절될 필요가 없으며, 가스균일공급장치들(131/132/133)은 플로우미터(flowmeter) 또는 니들밸브(needle valve)를 통하여 여러 개의 작은 반응기들(141/142/143)에 동일한 가스에 대하여 해당 량을 균일하게 공급할 수 있다. Fine adjustment of the flowmeter or needle valve constituting the gas uniform supply devices 131/132/133 in advance so that once the amount of supply gas is adjusted, there is no need to repeatedly adjust the gas uniformity. The feeders 131/132/133 can uniformly supply the same amount of gas to several small reactors 141/142/143 through a flowmeter or a needle valve. .

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 반응기들(141/142/143)과 기판 이송 장치(150)의 관계를 나타내는 도면이다.3 is a view showing a relationship between the reactors (141/142/143) and the substrate transfer device 150 according to an embodiment of the present invention.

기판 이송 장치(150)는 제어장치(160)로부터 동일한 동기화된 신호를 받아 반응기들(141/142/143)에 동시에 각각의 기판(예를 들어, 단 하나의 기판, 또는 복수 기판 가능)을 로딩 및 언로딩하기 위한 이송 장치들(151/152/153)을 포함한다. The substrate transfer device 150 receives the same synchronized signal from the controller 160 and simultaneously loads each substrate (eg, only one substrate or multiple substrates) into the reactors 141/142/143. And transfer devices 151/152/153 for unloading.

이송 장치들(151/152/153)은 각각 모터 제어기(311), 모터(312), 및 이동 가이드부(313)를 포함한다. 모터 제어기(311)는 제어장치(160)(예를 들어, 컴퓨터)로부터 수신하는 동기화된 신호에 따라 모터 구동 신호를 생성할 수 있다. 이에 따라 모터(312)는 모터 제어기(311)로부터의 모터 구동 신호에 따라 구동력(선형 이동력 또는 구동력)을 발생시키고, 이동 가이드부(313)는 모터(312)의 구동력을 이용하여 소정 로봇암의 직선 또는 회전 운동을 통해 그 끝에 설치된 기판 장착 수단(예를 들어, 서셉터)을 반응기들(141/142/143)로 동시에 로딩 및 언로딩할 수 있다. 이동 가이드부(313)를 통하여 기판 장착 수단(예를 들어, 서셉터) 위에 장착된 기판을 반응기들(141/142/143)로 로딩 및 언로딩할 각각의 시점에, 제어장치(160)는 자동으로 반응기들(141/142/143)의 로딩 및 언로딩을 위한 기판 장입/추출구를 열어 로딩/언로딩할 수 있도록 제어하고 로딩/언로딩 후 기판 출입구가 닫히도록 제어할 수도 있다. The conveying devices 151/152/153 each include a motor controller 311, a motor 312, and a movement guide 313. The motor controller 311 may generate a motor driving signal according to a synchronized signal received from the controller 160 (eg, a computer). Accordingly, the motor 312 generates a driving force (linear movement force or driving force) according to the motor driving signal from the motor controller 311, and the movement guide part 313 uses the driving force of the motor 312 to predetermined robot arm. The substrate mounting means (eg susceptor) installed at the end thereof can be simultaneously loaded and unloaded into the reactors 141/142/143 through a linear or rotary motion of. At each point in time to load and unload the substrate mounted on the substrate mounting means (e.g. susceptor) through the movement guide 313 into the reactors 141/142/143, the controller 160 The substrate loading / extraction opening for loading and unloading of the reactors 141/142/143 may be automatically opened to be loaded / unloaded and the substrate entrance may be closed after the loading / unloading.

이와 같이 본 발명에서는 여러 개의 작은 반응기들(141/142/143)에 기판을 장입하고 추출하는 기판이송장치(150)는 하나의 명령으로 동시에 동일하게 작동되도록 하는 기판이송연동장치로서, 제어장치(160)의 제어를 통해 이송 장치들(151/152/153)이 동기화되어 각각의 모터를 사용한 위치제어로 용이하게 반응기들(141/142/143)에 동시에 기판을 장입하고 추출할 수 있다. As described above, in the present invention, the substrate transfer device 150 for loading and extracting substrates into several small reactors 141/142/143 is a substrate transfer interlocking device that operates the same at the same time with a single command. Through the control of 160, the transfer devices 151/152/153 may be synchronized to easily load and extract the substrate into the reactors 141/142/143 simultaneously with the position control using the respective motors.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 HVPE 시스템(100)의 동작 설명을 위한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating the operation of the HVPE system 100 according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 먼저, 반응기들(141/142/143)에 동시에 각각 이송 장치들(151/152/153)을 이용하여 서셉터에 장착된 기판(예를 들어, 사파이어 기판)을 로딩한다(S10). 경우에 따라서는 각 서셉터에 복수 기판(2,3,4..)을 장착하고 반응기들(141/142/143)에 로딩할 수도 있다. Referring to FIG. 4, first, a substrate (eg, a sapphire substrate) mounted on a susceptor is loaded into the reactors 141/142/143 simultaneously using the transfer devices 151/152/153 respectively. (S10). In some cases, a plurality of substrates 2, 3, and 4 may be mounted on each susceptor and loaded into the reactors 141/142/143.

이 후, 제어 장치(160)는 반응기들(141/142/143)에 구비된 제1 가열로의 가열을 제어하여 소스 영역의 반도체 원료(Ga) 주위를 일정 온도, 예를 들어, 850℃까지 가열하며, 제2 가열로의 가열을 제어하여 성장 영역의 기판 주위를 다른 온도, 예를 들어, 1040℃까지 가열한다(S20). 이때, 반응기들(141/142/143)에는 가스균일공급장치들(131/132/133)로부터 불활성 가스(예를 들어, N2 등)가 공급되어 산소가 거의 없는 상태가 된다(S30). Thereafter, the control device 160 controls the heating of the first heating furnace provided in the reactors 141/142/143 to a predetermined temperature, for example, 850 ° C. around the semiconductor raw material Ga in the source region. It heats and controls the heating of a 2nd heating furnace, and heats around the board | substrate of a growth area to another temperature, for example, 1040 degreeC (S20). At this time, the inert gas (for example, N 2, etc.) is supplied to the reactors 141/142/143 from the gas uniform supply devices 131/132/133 to be in a state where there is almost no oxygen (S30).

다음에, 반응기들(141/142/143)에 장입된 기판 위에 가스균일공급장치들(131/132/133)를 통해 NH3 가스를 공급하여 기판을 질화 처리하고(S40), 적절한 시기에 반도체 원료(Ga) 위에 HCl을 공급하여 [화학식 1]과 같이 GaCl을 발생시키며(S50), 이를 질화 처리된 기판 위에 흘려주면 [화학식 2]와 같이 질화물 반도체 단결정GaN가 기판 위에서 성장하게 된다(S50). Next, NH 3 gas is supplied to the reactors 141/142/143 through the gas uniform supply devices 131/132/133 to nitride the substrate (S40), and at a suitable time, the semiconductor By supplying HCl on the raw material (Ga) to generate GaCl as shown in [Formula 1] (S50), and flowing it onto the nitrided substrate, the nitride semiconductor single crystal GaN is grown on the substrate as shown in [Formula 2] (S50). .

[화학식 1][Formula 1]

Ga + HCl -> GaCl + 1/2H2 Ga + HCl-> GaCl + 1 / 2H 2

[화학식 2][Formula 2]

GaCl + NH3 -> GaN + HCl + H2 GaCl + NH 3- > GaN + HCl + H 2

이때 질화물 반도체 단결정GaN의 성장속도는 30~200㎛/hr로 하는 것이 고품질의 GaN 결정을 성장시키는데 적합하다. 기판 위에 성장된 GaN 후막의 두께가, 예를 들어, 500㎛정도가 되면 성장을 중단시키고 가열로들을 상온 근처로 냉각시킨다(S70). 상온 정도가 되면 이송 장치들(151/152/153)을 이용하여 질화물 반도체 단결정GaN가 성장된 반응기들(141/142/143)의 각 기판을 동시에 밖으로 언로딩한다(S80). At this time, the growth rate of the nitride semiconductor single crystal GaN is 30 to 200 탆 / hr, which is suitable for growing high quality GaN crystals. When the thickness of the GaN thick film grown on the substrate becomes, for example, about 500 μm, the growth is stopped and the furnaces are cooled to about room temperature (S70). When the temperature is about room temperature, the substrates of the reactors 141/142/143 in which the nitride semiconductor single crystal GaN is grown are simultaneously unloaded out using the transfer devices 151/152/153 (S80).

이와 같이 단 한번의 일련의 공정을 통해 동시에 질화물 반도체 단결정 GaN이 성장된 복수의 기판을 획득할 수 있으며, 이에 따라 반응기들(141/142/143)의 각 기판 간의 품질 차이가 거의 없는 GaN 기판을 얻게 되어 우수한 양산성을 확보할 수 있으며 기존의 방법을 사용하였을 경우보다 저가격의 기판을 생산할 수 있다. As described above, a plurality of substrates in which nitride semiconductor single crystal GaN is grown at the same time through a series of processes can be obtained. Thus, a GaN substrate having almost no quality difference between the substrates of the reactors 141/142/143 can be obtained. As a result, it is possible to secure excellent mass production and to produce a lower cost substrate than using the conventional method.

한번의 성장공정으로 많은 수의 웨이퍼를 양산하기 위해 5와 같이 원통형 반응기(141/142/143) 튜브의 직경을 증가시켜서 가로방향으로 여러 장 기판을 장착할 수 있도록 하는 것도 가능하지만, 그러나 이와 같은 종래 방법의 경우에 반응기(141/142/143) 튜브의 직경이 증가하게 되면 N2, HCl, 또는 NH3 등 각 가스의 공급량도 그 반경의 제곱으로 증가하게 되므로 재료비가 크게 증가하는 문제점이 있다. 예를 들어, 도 5와 같이, 2~3인치 웨이퍼를 반응기 튜브에 4장 장착하는 경우에, 튜브의 직경이 30cm정도 이고, 이때 반응기 튜브의 단면적은 706cm2 정도이다. It is also possible to increase the diameter of the cylindrical reactor (141/142/143) tubes such as 5 to mount a large number of wafers in a single growth process so that multiple substrates can be mounted in the transverse direction. In the case of the conventional method, if the diameter of the reactor (141/142/143) tube is increased, the supply amount of each gas such as N 2 , HCl, or NH 3 is also increased by the square of the radius, so there is a problem in that the material cost is greatly increased. . For example, as shown in FIG. 5, when four 2 to 3 inch wafers are mounted in a reactor tube, the diameter of the tube is about 30 cm, and the cross section of the reactor tube is about 706 cm 2 .

반면, 본 발명의 경우에는, 도 5와 같이, 2~3인치 웨이퍼를 반응기 튜브에 1장씩 장착하고 4개의 반응기를 이용하는 경우에, 각 반응기 튜브의 직경이 11cm정도 이고, 이때 각 반응기 튜브의 단면적은 95cm2 정도이다. 따라서, 본 발명의 경우에는 4개의 반응기의 전체 단면적이 380cm2 정도로서, 종래 방식의 단면적 706cm2 보다 훨씬 작다.On the other hand, in the case of the present invention, as shown in Fig. 5, in the case of mounting two to three inch wafers in a reactor tube and using four reactors, the diameter of each reactor tube is about 11cm, wherein the cross-sectional area of each reactor tube Is about 95cm 2 . Therefore, in the case of the present invention, the total cross-sectional area of the four reactors is about 380 cm 2 , which is much smaller than the conventional cross-sectional area of 706 cm 2 .

따라서, 본 발명에 따라 동시에 다중으로 질화물 반도체 단결정 웨이퍼를 성장시키기 위한 HVPE 시스템(100)에 따르면, 단순하게 반응기의 직경을 증가시킨 종래의 HVPE 성장장치에 비하여, 반응기 튜브 등의 크기가 작으므로 제작에 필요한 비용이 적게 소요되며, 가열로 등 기타 필요 설비를 설치하는 데 필요한 면적도 작게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 HVPE 시스템(100)에 따르면, 질화물 반도체 단결정 웨이퍼의 성장에 필요한 원료의 양을 종래에 비하여 약 절반으로 감소시킬 수 있어 제조원가의 감소에 크게 기여할 수 있다. 또한, 본 발명의 HVPE 시스템(100)에 따르면, 질화물 반도체 단결정 웨이퍼의 성장에서 가장 중요한 균일한 온도 분포가, 직경을 단순하게 증가시킨 기존 장치의 경우 가열로에서 멀어질수록, 즉, 반응기 내부로 갈수록 온도가 낮아지는 단점이 존재하므로 성장된 기판끼리의 품질이 균일하지 못한 치명적인 단점이 존재하는 반면에, 본 발명에 따른 HVPE 시스템(100)에서는 가열로로부터 동일한 위치에서 질화물 반도체 단결정 웨이퍼가 성장되므로 대단히 균일한 품질의 질화물 반도체 단결정 웨이퍼들을 성장시킬 수 있다.Therefore, according to the HVPE system 100 for growing a nitride semiconductor single crystal wafer at the same time in accordance with the present invention, compared to the conventional HVPE growth apparatus that simply increased the diameter of the reactor, the size of the reactor tube, etc. is small The cost required for the installation is small, and the area required to install other necessary equipment, such as furnaces, can be reduced. In addition, according to the HVPE system 100 of the present invention, the amount of raw materials required for the growth of the nitride semiconductor single crystal wafer can be reduced by about half compared to the conventional one can greatly contribute to the reduction in manufacturing cost. In addition, according to the HVPE system 100 of the present invention, the uniform temperature distribution which is most important in the growth of the nitride semiconductor single crystal wafer is farther away from the heating furnace in the case of the existing device in which the diameter is simply increased, that is, into the reactor. While there is a disadvantage that the temperature is gradually lowered, there is a fatal disadvantage that the quality of the grown substrates are not uniform, while in the HVPE system 100 according to the present invention, since the nitride semiconductor single crystal wafer is grown at the same position from the heating furnace It is possible to grow nitride semiconductor single crystal wafers of very uniform quality.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

100: HVPE 시스템
110: 가스 캐비닛
120: 가스 공급 장치
130: 복수의 가스 균일 공급 장치
140: 복수의 반응기
150: 기판 이송 장치
160: 제어장치
170: 가스 스크러버100: HVPE system
110: gas cabinet
120: gas supply device
130: a plurality of gas uniform supply device
140: a plurality of reactors
150: substrate transfer device
160: controller
170: gas scrubber

Claims (8)

원료 가스와 캐리어 가스를 공급하기 위한 복수의 가스 탱크를 구비한 한 세트의 가스 캐비닛;
상기 복수의 가스 탱크 각각과 연결되고 각각의 밸브 조절에 따라 일정 압력으로 해당 가스를 공급하는 가스 공급 장치;
각각이 상기 가스 공급 장치로부터의 복수의 가스를 각각의 튜브를 통해 미리 설정된 양으로 공급하는 복수의 가스 균일 공급 장치;
각각이 상기 복수의 가스 균일 공급 장치로부터 복수의 가스를 공급받고, 제1 가열로를 통해 소스 영역의 반도체 원료 주위를 가열하며, 제2 가열로를 통해 성장 영역의 기판 주위를 가열하여, 상기 기판 상에 질화물 반도체 단결정을 성장시키는 복수의 반응기;
상기 복수의 반응기에서의 반응 후의 모든 가스를 배출하는 가스 스크러버;
상기 성장 전에 상기 복수의 반응기로 각각의 기판을 로딩하고 상기 성장 후에 상기 복수의 반응기로부터 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 각각의 기판을 언로딩하는 기판 이송 장치; 및
미리 설정된 시간에 따라, 상기 가스 공급 장치의 각 밸브를 조절하여 해당 가스의 공급을 제어하며, 상기 기판 이송 장치의 로딩 및 언로딩을 제어하는 제어장치
를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVPE 시스템.A set of gas cabinets having a plurality of gas tanks for supplying source gas and carrier gas;
A gas supply device connected to each of the plurality of gas tanks and supplying a corresponding gas at a predetermined pressure according to adjustment of each valve;
A plurality of gas uniform supply devices each supplying a plurality of gases from the gas supply device through a respective tube in a predetermined amount;
Each of which receives a plurality of gases from the plurality of gas uniform supply devices, heats around the semiconductor raw material of the source region through a first heating furnace, heats around the substrate of the growth region through a second heating furnace, A plurality of reactors for growing a nitride semiconductor single crystal on the phase;
A gas scrubber for discharging all the gases after the reaction in the plurality of reactors;
A substrate transfer apparatus for loading each substrate into the plurality of reactors before the growth and unloading each substrate on which the nitride semiconductor single crystals are grown from the plurality of reactors after the growth; And
Control device for controlling the supply of the corresponding gas by controlling each valve of the gas supply device according to a preset time, and the loading and unloading of the substrate transfer device
HVPE system comprising a. 제1항에 있어서,
상기 복수의 반응기로 상기 각각의 기판을 동시에 로딩하여 상기 복수의 반응기에서 동시에 상기 각각의 기판 상에 질화물 반도체 단결정을 성장시키고, 상기 성장 후에 상기 복수의 반응기로부터 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 상기 각각의 기판을 동시에 언로딩하여, 단 한번의 일련의 공정을 통해 동시에 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 복수의 기판을 획득하기 위한 것을 특징으로 하는 HVPE 시스템.The method of claim 1,
Simultaneously loading the respective substrates into the plurality of reactors to grow nitride semiconductor single crystals on the respective substrates simultaneously in the plurality of reactors, each of the nitride semiconductor single crystals grown from the plurality of reactors after the growth; And unloading the substrates simultaneously to obtain a plurality of substrates on which the nitride semiconductor single crystals are grown simultaneously in a single series of processes. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 각각의 기판은 사파이어, SiC, GaAs, Si, 또는 GaN 기판이고, 상기 기판 상에 GaN를 성장시키는 것을 특징으로 하는 HVPE 시스템.The method according to claim 1 or 2,
Wherein each substrate is a sapphire, SiC, GaAs, Si, or GaN substrate, wherein GaN is grown on the substrate. 제3항에 있어서,
상기 복수의 가스 탱크는, N2, HCl, 및 NH3을 저장하는 각각의 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVPE 시스템.The method of claim 3,
Wherein said plurality of gas tanks comprises respective tanks storing N 2 , HCl, and NH 3 . 제4항에 있어서,
상기 복수의 가스 균일 공급 장치는,
상기 N2, HCl, 및 NH3을 상기 복수의 반응기 각각에 공급하기 위한 3개의 가스량 조절 수단을 한 세트로하는 3세트의 균일 공급 장치를 포함하고,
상기 가스량 조절 수단은 공급 가스량이 수동 또는 자동으로 조절되도록 하는 플로우미터 또는 니들밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 HVPE 시스템.The method of claim 4, wherein
The plurality of gas uniform supply device,
Three sets of uniform supply apparatuses having three sets of gas amount regulating means for supplying the N 2 , HCl, and NH 3 to each of the plurality of reactors,
The gas amount adjusting means is HVPE system, characterized in that consisting of a flow meter or a needle valve to adjust the supply gas amount manually or automatically. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판 이송 장치는 상기 제어장치로부터 동일한 동기화된 신호를 받아 상기 복수의 반응기에 상기 기판을 로딩 및 언로딩하기 위한 복수의 이송 장치를 포함하고,
상기 복수의 이송 장치는 각각,
상기 동기화된 신호에 따라 모터 구동 신호를 생성하는 모터 제어기;
상기 모터 구동 신호에 따라 구동력을 발생하는 모터; 및
상기 모터의 구동력을 이용한 로봇암의 직선 또는 회전 운동을 통해 기판 장착 수단을 상기 복수의 반응기로 로딩 및 언로딩하는 이동 가이드부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 HVPE 시스템.The method according to claim 1 or 2,
The substrate transfer device includes a plurality of transfer devices for receiving the same synchronized signal from the control device for loading and unloading the substrate into the plurality of reactors,
Each of the plurality of transfer devices,
A motor controller configured to generate a motor driving signal according to the synchronized signal;
A motor generating a driving force according to the motor driving signal; And
Movement guide unit for loading and unloading the substrate mounting means into the plurality of reactors through a linear or rotary motion of the robot arm using the driving force of the motor
HVPE system comprising a. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판 이송 장치는 상기 복수의 반응기 각각에 단 하나의 기판을 로딩 및 언로딩하는 것을 특징으로 하는 HVPE 시스템.The method according to claim 1 or 2,
The substrate transfer device loads and unloads only one substrate into each of the plurality of reactors. 질화물 반도체 단결정 웨이퍼 제조를 위한 HVPE 시스템의 작동 방법에 있어서,
복수의 반응기 각각이, 복수의 가스 균일 공급 장치로부터 복수의 가스를 공급받아, 제1 가열로를 통해 소스 영역의 반도체 원료 주위를 가열하며, 제2 가열로를 통해 성장 영역의 기판 주위를 가열하여, 상기 기판 상에 질화물 반도체 단결정을 성장시키되,
상기 복수의 반응기로 각각의 기판을 동시에 로딩하여 상기 복수의 반응기에서 동시에 상기 각각의 기판 상에 질화물 반도체 단결정을 성장시키고,
상기 성장 후에 상기 복수의 반응기로부터 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 상기 각각의 기판을 동시에 언로딩하여,
단 한번의 일련의 공정을 통해 동시에 상기 질화물 반도체 단결정이 성장된 복수의 기판을 획득하기 위한 것을 특징으로 하는 HVPE 시스템의 작동 방법.A method of operating an HVPE system for the manufacture of nitride semiconductor single crystal wafers,
Each of the plurality of reactors receives a plurality of gases from the plurality of gas uniform supply devices, heats around the semiconductor raw material of the source region through the first heating furnace, and heats around the substrate of the growth region through the second heating furnace. Growing a nitride semiconductor single crystal on the substrate,
Simultaneously loading each substrate into the plurality of reactors to grow nitride semiconductor single crystals on the respective substrates simultaneously in the plurality of reactors,
After the growth, simultaneously unloading the respective substrates on which the nitride semiconductor single crystals were grown from the plurality of reactors,
And a plurality of substrates on which the nitride semiconductor single crystal is grown at the same time through a single series of processes.
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