KR101153244B1 - 화학기상증착장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 화학기상증착장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 설치되며 기판이 안착되는 서셉터; 상기 서셉터 상부에 위치하여 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부; 상기 서셉터의 하부에 설치되어 상기 기판을 가열하는 히터; 상기 서셉터의 상부에 위치하여 상기 서셉터 또는 상기 기판의 표면 측으로 개구된 센싱관; 상기 센싱관을 통하여 상기 서셉터 온도를 측정하도록 상기 챔버의 일측에 설치되는 온도감지부재; 상기 센싱관 측으로 상기 공정가스의 일부가 공급되어 상기 서셉터 상으로 분사되도록 하는 보조 공급부를 구비하는 것으로 본 발명에 따른 화학기상증착장치는 공정가스 중의 하나인 암모니아 가스를 센싱관을 통하여 다량 주입하여 공정가스가 센싱관으로 역류하는 것을 보다 효과적으로 차단하고, 또한 센싱관의 출구 크기를 보다 크게 형성하여 광고온계의 대물렌즈를 저 개구수로 채택하더라도 충분한 온도감지 성능을 발휘할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

화학기상증착장치{Chemical Vapor Deposition apparatus}

본 발명은 화학기상증착장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서셉터 및 기판의 온도를 측정하는 광고온계가 설치되는 센싱관을 구비하는 화학기상증착장치에 관한 것이다.

화학기상증착장치는 기판인 웨이퍼 상에 원하는 박막을 증착시키는 장치이다. 이 화학기상증착장치 중에서 금속 유기물 화학기상증착장치는 3족과 5족 화학물을 챔버 내부로 공급하여 질화갈륨 박막을 기판 상에 증착하는 장치이다.

이 금속 유기물 화학기상증착장치는 질화갈륨 박막을 증착하기 위하여 600 ~ 1300℃ 까지의 고온 환경에서 공정을 수행한다. 이러한 고온 환경 때문에 접촉식 온도계를 기판이나 서셉터에 설치하여 사용하는 것이 어렵다.

따라서 금속 유기물 화학가승장착장치에서는 기판이나 서셉터의 온도를 측정하기 위하여 적외선 온도계(infrared thermometer) 또는 광고온계(optical pyrometer)와 같은 비접촉식 온도계를 사용한다.

광고온계는 측정물의 휘도를 기준 휘도와 비교하여 온도를 측정하는데, 광고온계를 공정 공간 내부에 위치시킬 수 없기 때문에 금속 유기물 화학기상 증착장치에서는 이 광고온계를 샤워헤드 또는 노즐 플레이트의 상부에 위치시키고, 샤워헤드 또는 노즐 플레이트에는 상하로 관통한 센싱관이 구비된다. 그리고 센싱관의 상단에는 광고온계가 설치된다.

한편, 공정 진행 중에 공정 가스의 일부가 이 센싱관의 내부로 역류하는 경우가 발생한다. 그리고 역류한 공정가스는 이물질로 작용하여 센싱관의 내부에 증착될 수 있다. 따라서 이러한 경우를 방지하기 위하여 퍼지가스를 센싱관 내부로 공급한다. 그러나 퍼지가스를 너무 많이 센싱관으로 공급하면 센싱관에서 불필요한 양의 퍼지가스가 공정 공간으로 공급되어 공정훼손이 발생할 수 있다.

이러한 이유로 퍼지가스의 공급량과 분사량을 최소화하기 위하여 센싱관의 출구의 크기를 최소화함으로써 공정가스의 역류 및 퍼지가스의 공급량을 최소화 할 수 있다. 하지만 센싱관의 출구 크기를 최소화하는 것은 광고온계의 감지능력이 저하될 수 있으므로 광고온계의 감지능력을 향상시키기 위하여 개구수가 매우 높은 고 개구수(Numerical Aperture)의 대물렌즈를 사용하여야 한다. 그런데 고 개구수의 대물렌즈는 매우 고가이다. 따라서 고가의 대물렌즈를 장착한 광고온계는 화학기상증착장치의 제조원가를 높이는 원인이 된다.

본 발명의 목적은 광고온계의 센싱을 위하여 공정가스 공급부에 형성되는 센싱관을 통하여 공정가스가 서셉터 측으로 분사되도록 하는 화학기상증착장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 화학기상증착장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 설치되며 기판이 안착되는 서셉터; 상기 서셉터 상부에 위치하여 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부; 상기 서셉터의 하부에 설치되어 상기 기판을 가열하는 히터; 상기 서셉터의 상부에 위치하여 상기 서셉터 또는 상기 기판의 표면 측으로 개구된 센싱관; 상기 센싱관을 통하여 상기 서셉터 온도를 측정하도록 상기 챔버의 일측에 설치되는 온도감지부재; 상기 센싱관 측으로 상기 공정가스의 일부가 공급되어 상기 서셉터 상으로 분사되도록 하는 보조 공급부를 구비한다.

상기 보조 공급부로 공급되는 상기 공정가스는 암모니아 가스일 수 있다.

상기 센싱관에는 퍼지가스를 상기 센싱관으로 공급하는 퍼지가스 공급부가 연결될 수 있다.

상기 센싱관에서 분사되는 상기 공정가스의 공급압력은 가변 조절될 수 있다.

상기 센싱관의 상단에는 실링된 투명창인 윈도우가 구비되고, 하단에는 출구가 형성될 수 있다.

상기 센싱관의 내부 상측에는 퍼지가스로 사용되는 질소 또는 수소가스가 공 급되는 퍼지가스 공급부가 연결되고, 상기 보조 공급부는 상기 센싱관의 내부 하측에 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 화학기상증착장치는 공정가스 중의 하나인 암모니아 가스를 센싱관을 통하여 다량 주입하여 공정가스가 센싱관으로 역류하는 것을 보다 효과적으로 차단하고, 또한 센싱관의 출구 크기를 보다 크게 형성하여 광고온계의 대물렌즈를 저 개구수로 채택하더라도 충분한 온도감지 성능을 발휘할 수 있도록 하는 효과가 있다.

이하에서는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는 금속 유기물 화학기상증착장치는 외관을 형성하는 챔버(100)를 구비한다. 챔버(100) 내부의 상측에는 3족과 5족 가스를 챔버(100) 내부로 분사하는 공정가스 공급부(110)가 구비된다.

본 실시예에서 공정가스 공급부(110)는 샤워헤드로 실시하였지만, 다른 실시예로 노즐 플레이트 형태로 실시할 수 있다.

한편, 공정가스 공급부(110)의 상부 외측에는 온도감지부재인 광고온계(200)가 설치된다. 광고온계(200)의 설치 위치는 도면에 도시된 바와 같이 공정가스 공 급부(110)의 상측에 위치할 수 있고, 또는 도시되지 않았지만 챔버(100)의 상부 커버 측에 설치될 수 있다. 그리고 광고온계(200)는 공정가스 공급부(110)에 상하로 관통 형성된 센싱관(111)의 상측에 설치된다. 이 광고온계(200)의 대물렌즈는 센싱관(111)에 상단에 형성된 투명창인 윈도우(113)에 인접하여 위치한다.

또한 광고온계(200)는 기판(S)이나 서셉터(120)의 휘도를 기준 휘도와 비교하여 기판(S)이나 서셉터(120)의 온도를 측정하기 때문에 기판(S)이나 서셉터(120) 표면의 휘도 감지를 위하여 대물렌즈(미도시)를 구비한다. 한편 다른 실시예로 온도감지부재는 적외선 온도계(infrared thermometer)가 사용될 수 있다. 적외선 온도계의 경우에도 기판(S)이나 서셉터(120)의 복사열을 감지하여야 하기 때문에 대물렌즈를 구비한다.

공정가스 공급부(110)의 하부에는 서셉터(120)가 구비된다. 서셉터(120)에는 다수개의 기판(S)이 안착된다. 기판(S)은 에피텍셜 공정이 수행되는 웨이퍼일 수 있다. 서셉터(120)의 하부에는 회전축(160)이 구비되고, 챔버(100) 외부로 연장된 회전축(160)의 하단에는 모터(170)가 장착된다. 따라서 서셉터(120)는 공정 수행중에 회전할 수 있다.

챔버(100) 내부의 서셉터(120) 하부에는 서셉터(120)를 가열하는 히터(130)가 설치된다. 히터(130)는 복수개로 구비될 수 있다. 히터(130)는 서셉터(120)에 안착된 기판(S)을 최대 600℃ ~ 1,300℃ 로 가열할 수 있다. 히터(130)는 텅스텐 히터 또는 RF 히터 등으로 실시될 수 있다.

서셉터(120)와 히터(130)의 측부에는 챔버(100)의 바닥까지 연장된 격벽이 구비된다. 그리고 격벽과 챔버(100)의 내벽 사이에는 "J" 형태의 라이너(140)(Liner)가 설치될 수 있다. 이 라이너(140)는 챔버(100)와 격벽에 파티클이 증착되는 것을 차단하여 파티클에 의한 챔버(100)와 격벽을 보호하는 기능을 한다. 이 라이너(140)는 쿼츠(quartz)로 실시될 수 있다. 본 실시예에서 라이너(140)의 사용은 사용자가 선택할 수 있다.

챔버(100)의 하부 측부에는 배기구(180)가 형성된다. 배기구(180)는 라이너(140)에 형성된 홀과 연통된다. 배기구(180)에는 외부로 연장된 배기관(190)이 연결된다. 그리고 배기관(190)에는 배기가스의 정화를 위한 가스 스크러버(미도시)와 펌프(미도시) 등이 설치된다.

한편, 도 2는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 센싱관을 도시한 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 센싱관(111)에 대한 구성을 설명하면 센싱관(111)은 공정가스 공급부(110)인 샤워헤드를 관통한 형태로 형성된다.

그리고 센싱관(111)의 하부 출구(112)의 직경은 센싱관(111)의 내부 직경보다 작을 수 있다. 센싱관(111)의 내부 상측으로는 질소 또는 수소와 같은 퍼지가스가 투입되는 퍼지가스 공급부(210)가 구비되고, 센싱관(111)의 내부 하측으로는 암모니아 가스가 투입되어 센싱관(111)의 하부 출구(112)로 배출되도록 하는 보조 공급부(220)가 구비된다.

본 실시예에서 보조 공급부(220)에서 암모니아 가스가 센싱관(111)으로 공급되는 이유는 본 실시예의 화학기상증착장치가 3족과 5족 반응가스를 이용하여 질화갈륨막을 증착하는 금속 유기물 화학기상증착장치인 경우에 대한 실시예를 나타내 기 때문이다. 따라서 공정가스가 다를 경우에는 다른 공정가스가 센싱관(111)으로 투입될 수 있다.

이하에서는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 처리방법에 대하여 설명한다. 본 실시예에 따른 화학기상증착장치는 기판(S)에 대한 증착 공정을 수행하기 위하여 최초 적어도 하나 이상의 기판(S)을 챔버(100) 내부의 서셉터(120) 위에 안착한다.

그리고 챔버(100) 내부를 히터(130)가 가열한다. 히터(130)는 공정에 필요한 온도에 따라 600℃ ~ 1,300℃까지 가변하면서 기판(S)을 가열할 수 있다. 그리고 히터(130)에 의하여 기판(S)이 가열된 상태에서 예를 들어 3족과 5족 공정가스를 서셉터(120)의 기판(S) 상으로 공급하면 기판(S) 상에 질화갈륨막이 성장된다.

한편, 질화갈륨막을 에피텍셜 성장시키는 공정은 주로 엘이디를 제조하는 공정에서 주로 수행된다. 이 경우 양자 우물층 등을 성장시키기 위하여 기판의 온도 및 공정가스의 종류는 수시로 변하게 되는데, 이때 온도 변화를 매우 정밀하게 수행하여야만 고효율의 엘이디 소자를 제조할 수 있다.

온도 조절은 히터(130)에서 수행하지만, 히터의 온도 조절 기능이 효과적으로 이루어지기 위해서는 광고온계(200)와 같은 온도감지부재가 정확하게 온도를 감지할 수 있어야 한다.

이와 같이 온도감지부재가 정밀하게 온도를 감지하고자 하는 경우에는 광고온계(200)와 같은 온도감지부재의 성능이 매우 뛰어나야 하는데, 광고온계(200)와 같은 비접촉식 온도계가 높은 온도 감지 성능을 발휘하기 위해서는 대물렌즈가 고 개구수를 가지는 높은 해상도를 가져야 한다.

그러나 본 실시예에서는 종래의 대물렌즈에 비하여 낮은 개구수를 가지는 저렴한 가격의 대물렌즈를 사용하는 경우에도 높은 온도 감지 성능을 발휘할 수 있는데, 그 이유는 센싱관(111)의 출구 직경을 크게 하더라도 공정 수행중 공정 공간에서 공정가스가 센싱관(111)으로 침투하는 것을 매우 효과적으로 차단될 수 있기 때문이다.

종래의 경우에는 센싱관(111)으로 질소 또는 수소가스와 같은 퍼지가스를 미량 흘려서 공정가스가 센싱관(111) 내부로 역류하는 것을 차단하였다. 하지만 너무 적은 양의 퍼지가스는 공정가스가 센싱관(111) 내부로 역류하는 것을 충분히 차단하지 못하기 때문에 센싱관(111)의 출구(112)를 최대한 작게 형성하여야 하였다.

그리고 센싱관(111)의 출구(112)를 작게 형성하는 경우에는 광고온계(200)의 대물렌즈가 상대적으로 고개구수를 가져야 하므로 높은 가격의 광고온계(200)를 사용하여야 하는 원인이 되었다.

이때 공정가스의 역류를 차단하기 위하여 질소 또는 수소가스를 대량으로 센싱관(111)에 주입하게 되면 공정 공간 내부로 다량의 퍼지가스가 투입되어 에피텍셜 공정 자체를 방해하게 된다.

그러나 본 실시예에서와 같이 공정가스 중의 하나인 암모니아 가스를 센싱관(111)을 통하여 다량 주입하게 되면 암모니아 자체가 공정가스이기 때문에 암모니아 가스에 의하여 에피텍셜 공정 훼손이 발행하지 않는다.

또한 다량의 암모니아 가스가 퍼지가스와 함께 센싱관(111)을 거쳐서 토출되 기 때문에 공정가스가 센싱관(111)으로 역류하는 것을 보다 효과적으로 차단할 수 있게 되고, 이에 따라 센싱관(111)의 출구(112) 크기를 보다 크게 형성할 수 있다. 그리고 센싱관(111)의 출구(112) 크기를 크게 형성하면 그 만큼 광고온계(200)의 대물렌즈를 저 개구수로 채택하더라도 충분한 온도감지 성능을 발휘할 수 있게 되므로 광고온계(200)를 보다 저성능의 저렴한 것으로 채택하는 경우에도 온도감지와 온도 제어가 효과적으로 이루어질 수 있게 한다.

그리고 암모니아 가스를 공급하는 보조 공급부(220)에서는 암모니아와 같은 공정가스의 공급압력을 압력조절기(미도시)등을 이용하여 조절하도록 함으로써 공정 공간의 공정 조건 및 압력조건에 따라 보다 능동적으로 공정가스를 센싱관(111)으로 공급하도록 할 수 있다.

이상의 실시예에 따라 금속 유기물 화학기상증착장치에서 직접 실험한 결과에 의하면, 센싱관(111)의 출구(112)의 직경이 종래의 2.6mm 인 경우와 본 실시예에서는 같이 3.5mm 확대하고, 광고온계의 대물렌즈를 개구수가 10% 이상 낮은 저 개구수의 대물렌즈를 사용하였을 때 광고온계의 해상도 및 온도감지성능이 거의 유사함을 나타내었다.

한편, 이와 같은 본 실시예에 따른 광고온계(200)와 센싱관(111)은 기판(S) 및 서셉터(120)에 대한 다수의 위치를 감지하기 위하여 다수의 위치에 설치 및 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의 하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 단면도이다.

도 2는 본 실시예에 따른 화학기상증착장치의 센싱관을 도시한 단면도이다.

Claims (8)

1. 챔버;

   상기 챔버 내부에 설치되며 기판이 안착되는 서셉터;

   상기 서셉터 상부에 위치하여 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부;

   상기 서셉터의 하부에 설치되어 상기 기판을 가열하는 히터;

   상기 서셉터의 상부에 위치하여 상기 서셉터 또는 상기 기판의 표면 측으로 개구되며, 내부가 비어있고, 출구 직경이 내부 직경보다 작게 형성되는 센싱관;

   상기 센싱관을 통하여 상기 서셉터 온도를 측정하도록 상기 챔버의 일측에 설치되는 온도감지부재;

   상기 센싱관의 내부와 연통되도록 구비되어 퍼지가스를 상기 센싱관 내로 공급하는 퍼지가스 공급부;

   상기 퍼지가스에 의한 증착 환경 변화를 방지하고 상기 공정가스가 상기 센싱관 내로 역류하는 것을 방지하기 위해, 상기 퍼지가스 공급부와 다른 경로로 상기 센싱관의 내부와 연통되도록 구비되어, 상기 센싱관 내로 상기 퍼지가스보다 많은 양의 암모니아 가스를 공급하는 암모니아 가스 공급부를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 암모니아 가스 공급부는 상기 암모니아 가스의 공급압력을 가변 조절하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 센싱관의 상단에는 실링된 투명창인 윈도우가 구비되고, 하단에는 출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 퍼지가스로 사용되는 질소 또는 수소가스가 공급되는 상기 퍼지가스 공급부는 상기 센싱관의 내부 상측에 연결되고, 상기 암모니아 가스 공급부는 상기 센싱관의 내부 하측에 연결되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 센싱관의 상기 출구 직경은 3mm 이상 5mm 이하인 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 온도감지부재와 상기 센싱관 사이에는 대물렌즈가 구비되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착장치.

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