KR101177983B1 - 화학 기상 증착 반응기 - Google Patents
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Abstract
에피택셜층의 유기금속 화학 기상 증착을 수행하는 MOCVD 반응기와 같은 CVD 반응기가 제공된다. 상기 CVD 또는 MOCVD 반응기는 일반적으로 흐름 플랜지 어셈블리, 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리, 챔버 어셈블리 및 다수-세그먼트 중앙 회전 샤프트를 포함한다. 상기 반응기는 가스의 사용을 줄이면서도 증착의 수행을 향상시키는 기능을 하는 특별한 구성요소에 새로운 구조를 제공한다.
Description
본 출원은 2007년 10월 11일자에 출원된 미국 가특허 출원 제60/979,181호의 이익을 주장하고, 상기 출원 전체는 본 출원에 참조로서 삽입된다.
본 발명은 유기금속 화학 기상 증착(metalorganic chemical vapor deposition; "MOCVD") 반응기를 포함하는 화학 기상 증착(CVD) 반응기에 관한 것이다.
화학 기상 증착("CVD") 반응기, 특히 유기금속 화학 기상 증착("MOCVD") 반응기는 고형 물질층을 웨이퍼에 증착시키는데 이용된다. 이러한 물질은 통상적으로 주기율표의 Ⅲ족 그룹과 Ⅴ족 그룹 원소의 화합물을 포함한다(이하, Ⅲ-Ⅴ물질로 나타내지만, "Ⅱ-Ⅵ 물질"도 포함함). 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 산화아연(ZnO) 같은 물질 및 다른 물질도 이들 반응기를 이용하여 웨이퍼나 다른 표면에 증착된다. 통상, 이러한 반응기는 고상(solid-state) 반도체 마이크로전자장치, 광학장치 및 광전(태양)장치의 제조에 이용되고, 다른 전자/광-전자 물질과 장치를 제조하는데 이용된다.
작동에 있어서, 웨이퍼 캐리어 상면의 얕은 포켓(shallow pocket)에 적재된 하나 이상의 웨이퍼를 갖는 전형적인 평판-원통형 웨이퍼 캐리어(flat-cylindrical wafer carrier)는 통상적으로 하면 아래에 위치된 히터 어셈블리에 의하여 필요 온도(450-1400℃)까지 가열된다.
연속적으로-공급된 가스 혼합물은 웨이퍼 및 가열된 웨이퍼 캐리어의 표면 위로 흐르도록 안내된다. 상기 가스 혼합물의 대부분(약 75-95%)은 캐리어 가스이고, 상기 캐리어 가스는 반응기에서 일반적인 흐름 패턴(flow pattern)을 정의하고 반응 가스(reactant gas)를 적절히 희석시키는 기능을 하는 고유의 불활성 가스(통상적으로 수소 또는 질소)이다. 상기 가스 혼합물의 나머지는 Ⅴ족 그룹의 반응 가스(약 4-23%), Ⅲ족 그룹의 반응 증기(약 1-2%) 및 도펀트(dopant) 가스나 증기(미량 정도)로 구성된다.
상기 Ⅴ족 그룹의 가스는 웨이퍼 및 가열 웨이퍼 캐리어의 표면 및 그 위에서 즉시 분해되어, Ⅴ족 그룹 원소의 중심 원자가 웨이퍼 및 웨이퍼 캐리어의 표면모두에 증착되는 물질층에 삽입된다. 상기 Ⅲ족 그룹의 가스는 Ⅲ족 그룹 원소의 원자를 제공하기 위하여 유사하게 분해된다. 상기 도펀트 가스는 반도체 물질의 전기 전도성을 변경시키는 기능을 하는 원자를 제공하기 위하여 유사하게 분해된다.
상기 가스 혼합물(반응 부산물도 포함함)은, 웨이퍼 및 웨이퍼 캐리어의 표면 위로 방사상으로 외측 방향으로 흐른 후, 하나 이상의 배출 포트를 통하여 반응기에서 유출된다. 특히, 대부분의 물질은 대기압보다 낮은 압력에서 최적으로 증착되기 때문에, 진공 펌프가 반응기를 통하여 가스 혼합물을 끌어내는데 통상적으로 이용된다. 상기 가스 혼합물은 가열 웨이퍼 캐리어를 통과한 후, 급속히 냉각하기 시작하여 고체 상태로 부산물의 빠른 축합을 야기시킨다. 이는 배출 튜브와 웨이퍼 캐리어 아래의 반응기 챔버의 내면을 코팅하는 경향이 있다.
상기 웨이퍼 캐리어는, 유동 가스 혼합물을 균일하게 분포시키고, 반응물질 사용량 및 부산물 제거의 효율성을 증가시키는 물질-수송 경계층(mass-transport boundary layer)의 두께를 감소시키기 위하여 통상적으로 100에서 1000 RPM 이상으로 회전된다.
이러한 방법을 이용하여 배치(batch)식으로 물질이 증착된다. 상기 반응물질 배치 작동(batch run) 동안에 연속적으로 공급되지 않는다. 통상적인 배치 작동은 다음과 같이 수행된다. 작동의 초기 단계 동안에 캐리어 가스만이 낮은 유량으로 공급된다. 그리고 나서, 일제히 웨이퍼 캐리어의 회전이 요구 값으로 점차 증가되고, 웨이퍼 캐리어의 온도가 요구 값으로 증가되고, 그리고 캐리어 가스의 유량이 요구 값으로 증가된다.
Ⅴ족 그룹의 반응 가스는 기판 웨이퍼의 표면을 안정시키기 위하여(Ⅴ족 그룹 원자의 증착을 방지하기 위하여) 먼저 특정 온도 레벨에서 반응기내로 전환된 후, Ⅲ족 그룹 및 도펀트 가스가 물질층의 "성장(growth)"을 가져오기 위하여 전환된다(물질 성장은 적어도 하나의 Ⅴ족 그룹 및 적어도 하나의 Ⅲ족 그룹의 공급원이 반응기로 전환된 경우에만 발생함). Ⅲ족 그룹이나 도펀트 가스가 반응기로 공급되지 않는 잠시 동안의 멈춤(pauses)이 발생할 수 있지만, 적어도 하나의 Ⅴ족 그룹의 가스는 전체의 성장 단계 동안에 통상적으로 공급된다(한편, 온도는 약 350-400℃ 이상임).
모든 물질층이 성장되면, 온도는 점차 감소된다. 온도가 약 350℃ 아래이면, Ⅴ족 그룹의 반응 가스는 스위치 오프되고, 회전, 온도 및 캐리어 가스의 유량은 개시 레벨까지 감소된다. 이어서, 반응기 챔버 상부를 개방시키거나 또는 반응기 챔버의 외부로 전체 웨이퍼 캐리어를 기계수단에 의하여 이송시킴으로써, 웨이퍼 캐리어로부터 웨이퍼가 제거된다. 증착되는 물질에 따라, 노출된 상부 표면에 증착된 과잉의 물질이 세정되기에 앞서, 동일한 웨이퍼 캐리어가 여러 배치 작동 또는 단 하나의 작동을 위하여 이용될 수 있다.
현재 시장에서 이용되고 있는 공지된 다수의 MOCVD 반응기 시스템이 있다. 이러한 공지된 MOCVD 반응기의 각각은 결함 및 단점을 안고 있다.
공지된 첫번째 디자인은 전체의 리드 영역(lid area) 위로 흐름을 고르게 확산시키기 위한 가스 흐름 인젝션 상부 리드를 갖는 큰 원통형 베셀(vessle)을 이용한다. 어느 한도까지는, 수직 분리가 가스 흐름이 유입되는 내부 리드 표면에 부산물이 증착되는 것을 방지한다. 그러나, 상기 리드의 디자인은, 리드에서 다수 가스의 확산 "구역(zone)"의 비효율적인 격리(isolation)으로 인한, 전-반응(pre-reaction) 및 부산물 증착을 야기시키는 것; 공급 가스 튜브로부터 넓은 구역의 영역 위로 가스 흐름이 비효율적으로 확산되어서, 내부 리드 표면에 부가적인 물질의 증착뿐만 아니라 최적이 아닌 물질의 특성을 야기시키는 것; 및 큰 챔버의 체적을 통하여 리드로부터 비교적 균일한 출구 흐름을 생성시키기 위하여 가스의 높은 유량을 필요로 하는 것을 포함하는 단점을 갖고 있다.
두번째 디자인은 (가열된) 증착 표면에 밀접하게 간격을 두고 있는 가스 흐름 인젝션 상부 리드를 갖는 짧은 원통형 베셀을 이용한다. 밀접한 간격 구분은 반응기 체적을 최소화하는데 효과적이며, 증착 표면에 가스가 효과적으로 접촉하게 하고, 가스 챔버의 격리가 효과적이다. 그러나, 밀접한 간격 구분으로 인하여 내부 리드 표면에 부산물의 증착을 야기시키고 거의 모든 프로세스 작동 후에 세정을 필요로 하여, 큰 유지시간과 비용이 필요하며 생산성이 낮다, 높은 유지비용 외에, 상부 리드를 제조하는 비용은 리드의 복잡성 및 넓은 면적으로 인하여 매우 높다.
두개의 디자인은 이용하는데 비용이 많이 든다. 첫번째 디자인은 매우 높은 작동 비용을 갖고 낮은 품질과 성능의 제품을 생산한다. 두번째 디자인은 상대적으로 낮은 작동 비용을 갖지만, 고도의 시스템 유지를 필요로 한다.
낮은 생산 단가와 작동 비용을 갖는 CVD 반응기 시스템이 바람직하다. 증착 물질의 개선된 특성, 높은 가동시간 및 고품질을 갖는 CVD 반응기 시스템이 바람직하다.
본 발명은 에피텍셜층(epitaxial layers)의 유기금속 화학 기상 증착을 수행하는 유기금속 화학 기상 증착(MOCVD) 반응기를 포함하는 화학 기상 증착(CVD) 반응기를 제공한다. 상기 CVD 또는 MOCVD 반응기는 일반적으로 하나 이상의 흐름 플랜지(flow flange) 어셈블리, 조정가능한 비례(proportional) 흐름 인젝터 어셈블리, 챔버 어셈블리 및 다수-세그먼트(multi-segment) 중앙 회전 샤프트를 포함한다.
본 발명의 CVD 반응기는 가스의 사용을 줄이면서도 증착을 향상시키는 기능을 하는 특별한 구성요소에 대한 새로운 구조를 제공한다. 본 발명의 일 관점에서, 새로운 구조를 갖는 다수의 CVD 반응기 구성요소에 대하여 설명한다. 다른 관점에서, 통상적인 CDV 반응기의 문제를 대처하는 새로운 구성요소를 설명한다. 예를 들어, 챔버 상부와 측벽은 통상적인 구성요소와 상당히 다른 구조를 갖는다. 상기 상부와 측벽은 플레어형(flared) 또는 커브 원뿔형(curved concial) 표면을 형성한다. 또한 상기 반응기의 출구 영역은 점차 가늘어지거나(tapered) 또는 경사진 (sloped) 표면을 포함하는 향상된 구조를 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서 성능과 경제성을 더 향상시키기 위하여 새로운 가스 인젝터가 포함된다.
본 발명의 디자인은 다수의 이점을 제공한다. CVD 반응기는 반응기의 체적을 감소시키고, 유입되는 가스 흐름을 증착 표면에 직접적으로 접촉시키도록 안내하는 흐름-가이드 표면을 제공하고, 사용된 반응 가스의 주 반응 체적으로의 역-유입 (back-entry)을 방지하는 부가적인 흐름-가이드 표면을 제공하고, 핵심적인 내부 반응기 표면의 높은 균일한 유체 냉각이나 온도 제어를 제공하고, 증착 표면으로부터 열 손실을 줄이기 위한 수단을 제공한다.
상기 반응기의 디자인은 다음을 포함하는 기존 디자인의 여러 문제점을 대처하나 이에 한정되는 것은 아니다: (1) 고/비효율적인 가스와 화학물질 사용, (2) 유입하는 가스 흐름의 비-균일 분포, (3) 장비의 고가의 제조비용 및 (4) 내부 반응기 표면에 문제가 있는 부산물의 증착. 상기 반응기 디자인의 결과는 낮은 작동 비용, 증착 물질층의 향상된 특성 및 낮은 기계 유지 필요성의 이점을 갖는다.
상기 흐름 플랜지 어셈블리는 다른 디자인의 수직 원통형 벽과 달리 3차원적으로 점차 가늘어지거나 플레어형 원뿔 상부 표면 및 상기 표면 바로 뒤에 얇은 유체 갭을 포함한다. 이러한 디자인은 반응기 체적과 가스의 사용을 감소시키고, 더 효율적인 화학물질 사용을 위하여 가스를 증착 표면으로 효과적으로 안내하고, 향상된 증착 균일성을 위하여 거의 균일한 방사상 방향 속도를 제공한다.
상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터는 증착 표면보다 작은 영역, 격리된 흐름 구역, 별개의 장벽(barriers)이 없는 단일의 조정가능한 흐름 구역 및 균일한 냉각 유체 흐름 프로파일을 포함하는 수개의 특징을 갖는다. 이러한 특징은 낮은 가스 유량, 낮은 제조비용, 구역 교차 누출(zone cross leak) 및 전-반응과 부산물의 증착이 없는 것 및 증착 물질의 향상된 균일성을 제공하여 종래기술의 인젝터의 수개의 문제점을 대처한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리는 하나 이상의 반응 가스 흐름을 별개로 유지시키기 위한 하나 이상의 가스 챔버 및 반응기 챔버로 가스를 주입하기 전에 가스 온도를 조절하기 위한 유체 캐비티( cavity)를 포함한다. 상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리는 공급 튜브로부터 하나 이상의 가스 입구 스트림을 수용하며, 이러한 흐름을 균일한 출구 흐름 속도로 확산/분산시키고, 가스 스트림을 유출될 때까지 분리되도록 유지하면서, 또한 가스가 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리를 유출함에 따라 가스의 온도를 조절한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 챔버 어셈블리는 대체로 원뿔형이나 또는 경사진 하부 흐름 가이드를 포함한다. 상기 하부 흐름 가이드는 가스가 반응 구역으로 다시 재순환하는 것을 방지하고, 더 안정적인 전체 반응기 흐름 프로파일을 위하여 웨이퍼 캐리어의 외부 에지로부터 배출 포트로의 흐름의 원활함을 향상시키고, 보다 나은 온도 균일성 및 향상된 물질의 특성을 위하여 웨이퍼 캐리어의 외부 에지에서 열 손실을 줄인다.
상기 웨이퍼 캐리어의 실시예는 반응기 체적 내에서 기판 웨이퍼(들)를 유지하는 높은 온도 저항성 물질로 이루어진 원통형 플레이트를 갖고, 본 발명의 일 실시예에서 히터 어셈블리로부터 수용된 열을 웨이퍼로 전달한다.
상기 중앙 회전 샤프트는 대체로 웨이퍼 캐리어와 연통하여 웨이퍼 캐리어의 회전 운동을 발생시킨다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 중앙 회전 샤프트는 통상 페로유체(ferrofluid) 밀봉 타입과 같은 회전 진공 피드스루(feedthrough)와 결합하여 베이스플레이트 중심 축을 관통하고, 반응기 내에서 웨이퍼 캐리어를 지지하며 회전시킨다.
본 발명의 특별한 실시예에서, 상기 반응기는 상부와 바닥부를 갖는 두 부분의 웨이퍼 캐리어를 포함하고, 상기 상부는 기판 웨이퍼를 유지하는데 최적의 특성을 갖고, 상기 바닥부는 열 흡수에 최적의 특성을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서 다수-세그먼트 중앙 회전 샤프트가 제공된다. 상기 다수-세그먼트 샤프트는 반응기에서 선택적으로 이용될 수 있는 둘 이상의 세그먼트를 갖는다. 상기 다수-세그먼트 샤프트 중 적어도 하나의 세그먼트는 낮은 열 전도성을 갖는 물질로 이루어진다. 상기 다수-세그먼트 샤프트는 높은 열 전달 저항성을 갖고, 웨이퍼 캐리어로부터 열 손실을 줄이도록 디자인된 세그먼트 인터페이스(segment interfaces)를 가질 수 있다. 상기 다수-세그먼트 샤프트는 웨이퍼 캐리어의 중심 근처에서 부가적인 열을 발생시킬 수 있으며, 웨이퍼 캐리어 및/또는 샤프트로부터의 열 손실에 대한 열적 장벽을 제공한다.
본 발명에 따른 반응기의 구조에 의하면 가스의 사용을 줄이면서도 증착의 수행을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
다음은 본 명세서에 기재된 도면의 일반적인 설명이다.
도 1은 전체 반응기 챔버 어셈블리의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 2는 전체 반응기 챔버 어셈블리의 일 실시예에 따른 측면도이다.
도 3 - 도 5는 전체 반응기 챔버 어셈블리의 일 실시예에 따른 단면도이다.
도 6은 흐름 플랜지 어셈블리의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 7은 흐름 플랜지 어셈블리의 일 실시예에 따른 분해 측면도이다.
도 8은 흐름 플랜지 어셈블리의 일 실시예에 따른 분해 하면도이다.
도 9a - 도 9c는 상부 흐름 가이드의 일 실시예에 따른 3개의 측단면도이다.
도 10은 상부 흐름 가이드의 일 실시예에 따른 상세 단면도이다.
도 11은 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 일 실시예에 따른 측면도이다.
도 12는 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 일 실시예에 따른 분해 측면도이다.
도 13 - 도 15는 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 일 실시예에 따른 3개의 단면도이다.
도 16은 조정가능한 비례 흐름 인젝터 가스 챔버 기계의 일 실시예에 따른 상부 내부도이다.
도 17은 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 일 실시예에 따른 하부도이다.
도 18은 흐름 플랜지 어셈블리에 밀봉된 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 이중 O-링 밀봉부의 상세 단면도이다.
도 19는 챔버 어셈블리의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 20은 챔버 어셈블리의 일 실시예에 따른 상부를 나타낸 도면이다.
도 21a 및 도 21b는 중앙 회전 샤프트 어셈블리의 일 실시예에 따른 두개의 분해도이다.
도 22는 중앙 회전 샤프트 어셈블리의 일 실시예에 따른 측면도이다.
도 23은 중앙 회전 샤프트 어셈블리의 일 실시예에 따른 단면도이다.
도 24는 중앙 회전 샤프트 어셈블리의 일 실시예에 따른 상세 단면도이다.
도 25a - 도 25c는 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 가스 챔버의 서브어셈블리의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 1은 전체 반응기 챔버 어셈블리의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 2는 전체 반응기 챔버 어셈블리의 일 실시예에 따른 측면도이다.
도 3 - 도 5는 전체 반응기 챔버 어셈블리의 일 실시예에 따른 단면도이다.
도 6은 흐름 플랜지 어셈블리의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 7은 흐름 플랜지 어셈블리의 일 실시예에 따른 분해 측면도이다.
도 8은 흐름 플랜지 어셈블리의 일 실시예에 따른 분해 하면도이다.
도 9a - 도 9c는 상부 흐름 가이드의 일 실시예에 따른 3개의 측단면도이다.
도 10은 상부 흐름 가이드의 일 실시예에 따른 상세 단면도이다.
도 11은 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 일 실시예에 따른 측면도이다.
도 12는 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 일 실시예에 따른 분해 측면도이다.
도 13 - 도 15는 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 일 실시예에 따른 3개의 단면도이다.
도 16은 조정가능한 비례 흐름 인젝터 가스 챔버 기계의 일 실시예에 따른 상부 내부도이다.
도 17은 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 일 실시예에 따른 하부도이다.
도 18은 흐름 플랜지 어셈블리에 밀봉된 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 이중 O-링 밀봉부의 상세 단면도이다.
도 19는 챔버 어셈블리의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 20은 챔버 어셈블리의 일 실시예에 따른 상부를 나타낸 도면이다.
도 21a 및 도 21b는 중앙 회전 샤프트 어셈블리의 일 실시예에 따른 두개의 분해도이다.
도 22는 중앙 회전 샤프트 어셈블리의 일 실시예에 따른 측면도이다.
도 23은 중앙 회전 샤프트 어셈블리의 일 실시예에 따른 단면도이다.
도 24는 중앙 회전 샤프트 어셈블리의 일 실시예에 따른 상세 단면도이다.
도 25a - 도 25c는 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리의 가스 챔버의 서브어셈블리의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명을 바람직한 실시예를 이용하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다. 또한, 실시예에서의 요건은 다른 실시예에 자유로이 적용가능하고, 그 요건은 특별한 조건이 부가되지 않는 한 상호간에 대체가능하다.
특히, CVD 반응기(화학 기상 증착 반응기)나 MOCVD 반응기(유기금속 화학 기상 증착 반응기) 및 상기 반응기의 구성요소와 부품은 다음에 상세하게 후술한다. 상기 CVD 반응기나 MOCVD 반응기는 본 명세서에서 특별히 언급되지 않는 다른 구성요소 및 부품을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 범위는 본 명세서에서 설명된 구성요소 및 부품의 일부를 포함하거나 또는 본 명세서에서 설명된 모든 구성요소 및 부품을 포함할 수 있는 CVD 반응기나 MOCVD 반응기에 관련되는 것을 알 수 있을 것이다.
도 1은 전체 반응기 어셈블리(1)의 일 실시예에 따른 전면 사시도이다. 전체 반응기 어셈블리(1)는 전체 반응기 어셈블리(1)를 함께 형성하는 3개의 서브어셈블리로 이루어진다. 상기 3개의 서브어셈블리는 흐름 플랜지 어셈블리(3), 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(5) 및 챔버 어셈블리(7)이다.
도 2는 반응기 어셈블리(1)의 측면 및 반응기(1)의 외부로부터 보여지는 개개의 구성요소 중 일부를 나타낸 도면이다. 이러한 구성요소는 더 상세하게 후술된다.
도 3 - 도 5는 3개의 서브어셈블리의 상호연결을 나타낸 전체 반응기 어셈블리(1)의 단면 및 3개의 서브어셈블리를 이루는 개개의 구성요소의 단면을 나타낸 도면이다. 상기 흐름 플랜지 어셈블리(3), 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리 (5) 및 챔버 어셈블리(7)가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 상기 3개의 서브어셈블리(3, 5, 7)의 각 구성요소가 표시되어 있고 이하 더 상세하게 설명할 것이다.
도 6 - 도 10 및 도 18은 흐름 플랜지 어셈블리(3)의 일 실시예에 따른 몇개의 도면을 나타낸 것이다. 상기 흐름 플랜지 어셈블리(3)는 메인 플랜지 바디(30)를 포함하고, 상부에 흐름 인젝터 어셈블리(5)를 위한 결합 포트(mating port)를 형성하는 상부 개방부(31)를 갖고, 바닥단에서 챔버 어셈블리(7)에 결합한다(도 3 - 도 5의 단면도에 최적으로 도시함). 상기 흐름 플랜지 어셈블리(3)는, 흐름 인젝터 및 웨이퍼 캐리어와 함께, 반응기 체적(33) 및 반응기 체적 내에 가스 흐름 프로파일을 형성하고, 메인 플랜지 바디(30)에 끼워진 상부 흐름 가이드(32)를 갖는다.
상기 상부 흐름 가이드(32)는 종래 기술의 수직 원통형 벽과는 대조적으로 3차원으로 점차 가늘어진 원뿔형의 외측 대향면(34)을 갖는 것이 바람직하다. 상기 상부 흐름 가이드(32)는, 도 7 및 도 8에 최적으로 도시한 바와 같이, 메인 플랜지 바디(30) 내에 끼워져 위치된다. 상기 메인 플랜지 바디(30)의 하면(35)은 상부 흐름 가이드(32)와 메인 플랜지 바디(30) 사이에서, 얇은 유체 갭이나 캐비티(37)가 상부 흐름 가이드(32)의 바로 뒤에 형성되도록, 상부 흐름 가이드(32)의 내측 대향면(36)을 수용하기 위하여 대응하는 형상을 갖는다(도 8 - 도 10에 최적으로 도시함). 본 발명의 일 실시예에서, 도 9a - 도 9c에 도시된 바와 같이, 유체 캐비티 집합 채널(41, 42)(여기서는 두 지점)이 흐름 오리피스(40)를 통하여 얇은 유체 캐비티(37)와 연결된다.
상기 상부 흐름 가이드(32)의 구조는 반응기 챔버 체적을 최소화시키고, 반응기 챔버 체적(33) 내의 재순환 소용돌이를 억제하며, 반응 가스와 웨이퍼 캐리어 표면(77)의 효율적인 접촉을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 도 3 - 도 5에 최적으로 도시한 바와 같이, 상기 상부 흐름 가이드(32)는 조정가능한 비례 흐름 인젝터(APFI)(5)의 직경과 대략 같은 제1(상부)직경(D1) 및 웨이퍼 캐리어(76)의 직경(d3)과 대략 같은 제2(하부)직경(D2)을 갖는다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 제1직경(D1)은 제2직경(D2)보다 작다. 상기 제1직경(D1)은 제2직경(D2)의 약 0.2에서 0.5배인 것이 바람직하다. 상기 상부 흐름 가이드(32)는 정확하게 원뿔 형상이 아니라, 가이드가 하방향으로 연장되며 제2직경(D2)으로 접근하면서 나팔 형태로 넓어지는 것처럼 커브 형상이다. 상기 상부 흐름 가이드(32)는 균일하게 분포된 하방향-유동 가스 스트림이 웨이퍼 캐리어(76)를 향하여 안내되는 가스 흐름 패턴을 생성하고, 상기 가스 스트림은 또한 측방향으로 돌려져 확장되어, 반응기 챔버 체적(33) 내에서 가스의 재순환의 발생 없이 작은 직경의 흐름 인젝터(5)가 대략 큰 웨이퍼 캐리어(76) 위로 흐름을 균일하게 분포시키는데 이용될 수 있다.
상기 상부 흐름 가이드(32)의 커브형 또는 플래어형 프로파일은 거의 동등한 방사상 가스 속도를 제공한다. 이러한 구조를 갖는 상부 흐름 가이드(32)는 확장 원뿔 상부 흐름 가이드(32)로서 나타낸다. 이론에 구속되지는 않지만, 가스 흐름을 반경 외측 방향으로 이동시키기 위하여, 가스는 원통형 구조의 반경과 함께 증가하는 연속적으로 증가하는 단면적을 가로질러야 하고, 그 결과 흐름 속도는 감소한다. 대략 일정한 속도를 유지하기 위하여, 내포 구조(containing geometry)의 높이 (H1)는 점차 감소되어, 단면적(원주 곱하기 높이의 결과)은 대략 일정하게 유지되고, 이는 반경과 함께 원주가 증가하는 것을 중화시킨다.
상기 흐름 플랜지 어셈블리(3)는 상부 흐름 가이드(32)와 메인 플랜지 바디 (30) 사이에서) 상부 흐름 가이드(32) 뒤에 바로 위치되는 유체 갭(37)을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유체 갭(37)은 비교적 얇고(약 0.1 인치 이하), 이는 분당 약 1갤런의 유체 유량을 위하여 그리고 대략 물의 크기 정도 내의 밀도와 점도를 갖는 유체를 위하여, 유체 갭 내의 층류 흐름(laminar flow) 및 유체의 효율적인 사용량을 나타내는 3200보다 작은 레이놀드 수 값 (Reynold's number value)을 발생시킬 수 있다. 이러한 구성은 유체 사용량을 감소시키고 및/또는 저장기/재순환기 열교환기 시스템이 이용될 경우 유체 재순환기의 용량을 감소시킨다.
상기 흐름 플랜지 어셈블리(3)는 공기의 제거 및 역-흐름 열교환을 위하여 유체 갭(37)을 통하여 바닥부/외부에서 상부/내부로의 흐름을 더 포함할 수 있다. 즉, 유체는 반응기 체적에서 가스가 흐르는 방향으로부터 유체 갭을 통하여 역방향으로 흐른다. 상기 유체 갭을 통한 이러한 타입의 흐름 경로는 본 발명의 일 실시예에서 하나 이상의 공급관(미도시)을 통하여 선택적으로 아래에 있는 공급채널 (41)로부터 이루어진다. 각 공급채널(41)은 각 공급채널(41)의 단부에 가까운 하나 이상의 흐름 억제 오리피스(40)를 갖는다. 상기 흐름 억제 오리피스(40)는 유체의 동일한 유량이 유체 갭(37)으로 들어가기 바로 전에 각 공급채널을 통과하여 유체 갭(37)의 외주 주위에서 균일한 흐름 전달을 생성하도록 흐름을 충분히 억제한다. 유체는 유체 갭(37)을 통하여 방사상 내측방향으로 흐르고, 이어서 유체를 선택적으로 하나 이상의 리턴관(미도시)을 통하여 리턴채널(42)로 이동시키는 흐름 억제 오리피스(40)의 제2 세트를 통과한다. 유체는 공급채널 입구 튜브(45)를 통하여 공급되고, 유체 출구 튜브(46)를 통하여 리턴된다. 상기 유체 갭(37) 내에서의 유체의 흐름 특성은 반응기 챔버 체적(33) 내에서 온도의 균일성을 개선시키고, 이는 가스 흐름 프로파일의 균일성 및 증착 균일성을 향상시킨다. 상기 유체 갭(37)에서 바닥부/외부에서 상부/내부로의 흐름 패턴은 갭(37)으로부터 공기의 효과적인 제거 및 역-흐름 열교환을 야기시킨다.
상기 상부 흐름 가이드의 최외경(D2)에서(즉, 웨이퍼 캐리어(76)에 가까운 상부 흐름 가이드의 단부에서), 상부 흐름 가이드(32) 사이의 갭(43) 및 웨이퍼 캐리어(76)의 최외경(d3)에서의 웨이퍼 캐리어 상부 표면(77)은 대체로 웨이퍼 캐리어(76) 위로 분출된 가스의 재순환을 억제하거나 방지한다. 특히, 도 3 - 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 캐리어(76)는 중앙 회전 샤프트(75)의 상부에 있다. 상기 상부 흐름 가이드(32)의 최외경(D2)은 상부 흐름 가이드(32)가 웨이퍼 캐리어(76)에 가장 가까운 경우에 웨이퍼 캐리어의 최외경(d3)과 거의 같다. 이 점에서, 두 부분(H2) 사이의 분리는 최소값으로 되고, 상기 갭(43)은 반응기 챔버 체적 (33) 내에서 분출 가스의 재순환을 억제시키거나 막는 것을 용이하게 한다. 예를 들어, 상기 갭은 약 1.00 인치 이하, 예를 들어 약 0.25 인치 이하의 치수(H2)를 가질 수 있다.
상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(5)로부터 하방향으로 흐르는 가스는 반응기 챔버 체적(33) 내에서 측방향으로 바뀌어 방사상 외측방향으로 흐른다. 상기 가스가 갭(43)에 도달하는 경우에, 가스는 최대 흐름 속도를 달성할 수 있고, 갭(43)을 지나면 가스는 갭(43)에 가까운 배출 집합 구역(44)에서 확장 및 감속하기 시작하여, 이미 사용된 가스 혼합물(즉, 웨이퍼 캐리어(76) 및 그 위에서의 반응 영역으로부터 이동된 가스)이 역행하는 재순환을 방지한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 확장 원뿔형 상부 흐름 가이드(32)를 갖는 반응기(1)는 또한 하부 흐름 가이드(72)를 포함한다(이하 상세하게 설명됨). 상기 하부 흐름 가이드(72)는 반응 구역으로 돌아가는 가스 재순환을 방지하고, 더 안정적인 전체 반응기 흐름 프로파일을 위하여 웨이퍼 캐리어의 외부 에지로부터 배출 포트로의 흐름의 원활함을 향상시키고, 보다 나은 온도 균일성 및 개선된 물질 특성을 위하여 웨이퍼 캐리어(76)의 외부 에지에서 열 손실을 줄인다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(5)가 도 11 - 도 18 및 도 25에 도시되어 있다. 상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터는 공급 튜브로부터 복수의 가스 입구 스트림을 수용하며, 균일한 출구 흐름 속도를 위하여 이 흐름을 확산시키거나 분산시키고, 배출될 때까지 가스 흐름을 분리되게 유지시키는 흐름 인젝터이다. 선택적으로, APFI(5)는 가스가 조정가능한 비례 흐름 인젝터로 유출됨에 따라 가스의 온도를 조절한다. 상기 APFI(5)는 통상적으로 원통형 형상이며(원형 영역과 수직 높이), 흐름 플랜지 어셈블리(3) 내에 끼워진다. 원통형 APFI가 도면에 도시되어 있지만, APFI는 임의의 형상으로 이루어질 수 있고, 정확한 형상은 일반적으로 결합되는 상부 개방부(31)의 형상(영역)에 의하여 설명될 것이다. 예를 들어, 상기 상부 개방부(31)가 정사각형이거나 직사각형이면, 이때 APFI는 이에 일치될 수 있도록 대응한 정사각형 또는 직사각형 형상을 가질 것이다.
상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(5)는 대체로 지지 플랜지(51)에 결합되는 구성요소를 위한 구조적 일체성을 제공하는 지지 플랜지(51) 및 상기 지지 플랜지(51)를 관통하는 가스 챔버 입구 튜브나 포트(54)를 포함한다. 상기 지지 플랜지(51)는 전체의 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(5)의 메인 플랜지 바디(30)에의 결합을 더 제공한다.
상기 APFI(5)는 하나 이상의 가스 챔버(52)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 가스 챔버(50)는 가스 챔버 기계(52)로 가공될 수 있고, 복수의 가스 챔버 상부벽이나 표면(57) 및 가스 챔버 바닥벽이나 표면(58)으로 형성될 수 있다. 상기 가스 챔버 상부벽(57)은 도 16 및 도 17의 평면도에 도시된 바와 같이 상이한 구역을 형성하도록 가공될 수 있다. 상기 가스 챔버(50)는 가스 챔버 상부벽(57)으로부터 가스 챔버 바닥벽(58)으로 연장되는 가스 챔버 수직벽(59)에 의하여 다른 가스 챔버(50)와 분리되어 가스 챔버(50)를 형성한다. 상기 가스 챔버 상부벽(57)에 통합될 수 있는 하나 이상의 가스 입구(54)는 조정가능한 비례 흐름 인젝터(5)의 하나 이상의 가스 챔버(50)로, 예를 들어 수직방향(즉, 가스 챔버 상부벽(57)과 가스 챔버 바닥벽(58)에 거의 수직한 방향)으로 가스를 전달한다.
각 가스 챔버(50)는 서로 다른 가스 스트림을 수용할 수 있고, 하나 이상의 가스 챔버는 가스를 확산시키거나 분산시키며, 제1가스 스트림을 다른 가스 스트림으로부터 또는 각 가스 스트림을 다른 것과 분리 유지시키고, 특정 출구 표면적 위에서 균일한 흐름 속도를 생성할 수 있다. 또한, 각 가스 챔버(50)는 다른 가스 챔버(50)와 동일하거나 또는 상이한 형상으로 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 16(지지 플랜지(51)가 도면으로부터 제거되어 있음)에 도시된 바와 같이, 외부 가스 챔버(50a), 4개의 중간 가스 챔버(50b, 50c) 및 내부 가스 챔버(50d)가 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 가스 챔버(50b)는 Ⅲ족 그룹의 반응물질을 수용하고, 중간 가스 챔버(50c)는 Ⅴ족 그룹의 반응물질을 수용한다. 상기 챔버(50a-50d)는 수직벽(59), 가스 챔버 상부벽(57)(미도시) 및 가스 챔버 바닥벽(58)에 의하여 분리된다.
상기 APFI(5)는 또한 하나 이상의 가스 챔버(50) 아래에 위치되는 유체 캐비티(60)를 포함할 수 있다. 상기 유체 캐비티(60)는 유체 캐비티 기계(53)의 가스 챔버 기계(52)에의 결합에 의하여 형성될 수 있다.
도 17은 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(5)의 일 실시예에 따른 하부를 나타낸 도면으로서, 유체 캐비티 기계(53)의 바닥면을 나타낸다. 가스 챔버 출구(61)는 가스 챔버의 바닥벽(58)으로부터 유체 캐비티(60)를 통하여, 예를 들어 도관 튜브(63)를 통하여 반응기 챔버 체적(33)으로 연장되거나 관통될 수 있다. 상기 도관 튜브(63)는 동일하거나 상이한 외부 직경 및 동일하거나 상이한 내부 직경을 가질 수 있다. 상기 유체 캐비티(60)를 통하여 도관 튜브(63)를 관통시키면, 유체 캐비티(60)를 통하여 흐르는 유체 온도의 적절한 제어에 의하여, 반응기 챔버 체적(33)으로 가스를 도입하기 전에 가스 온도를 조절할 수 있다. 상기 유체 캐비티(60)는 유체 캐비티 출구 튜브(67)에 연결되는 유체 캐비티(60)의 대략 중앙에 위치된 유체 캐비티 출구(66)를 갖는다. 또한, 유체 캐비티 입구(68)가 유체 캐비티(60)의 외주를 향하는 유체 캐비티 입구 튜브(69)를 통하여 제공된다.
유체 캐비티 디퓨저(65)(더 상세히 후술함)를 포함하는 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유체 캐비티 출구(68)는 디퓨저(65)의 원주 내측에 위치되고, 유체 캐비티 입구(68)는 디퓨저(65)의 원주 외측에 위치된다.
상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(5)는 선택적으로 하나 이상의 다음 특징을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 가스 출구 구멍(61)은 가스 입구(54)보다 작은 크기인 것이 바람직하다(예를 들어, 약 100에서 10,000 가스 출구 구멍일 수 있음). 상기 가스 출구 구멍(61)의 수 및 유체 캐비티(60)를 통하여 연장되는 도관 튜브(63)의 내경과 길이는 특정 가스 조성, 유량, 온도 및 압력에 따라 좌우되고, 또한 가스 챔버의 바닥벽(58)의 총 표면적 및 제조성과 비용에 의하여 제한되고, 도관 튜브(63)의 외경과 내경이 감소에 따라 그리고 인접한 가스 출구 구멍(61)의 간격이 감소됨에 따라 장애 및 비용이 증가한다.
그러나, 일반적으로 모든 도관 튜브(63)의 총 단면적은 주어진 가스 챔버에 대한 가스 입구(54)의 단면적보다 2배 및 6배 사이의 큰 것이 바람직하다. 이러한 배열은 가스 입구(54)에 비하여 큰 벽의 표면적 및 작은-직경의 도관 튜브(63)의 대응하는 유체 전단력과 압력 강하를 고려하여, 주어진 가스 챔버의 도관 튜브의 세트를 가로지르는 압력 강하(즉, 가스 챔버로부터 반응기 챔버 체적(33)으로의 압력 강하)가 수 토르(Torr)에서 수십 토르인 것이 바람직하다.
상기 가스 챔버 상부벽(57) 및 가스 챔버 바닥벽은 대략 평행한 것이 바람직하다. 모든 가스 챔버의 상부벽/표면(57)은 대략 같은 평면에 있을 수 있고, 또는 서로 상이한 평면에 있을 수 있다. 마찬가지로, 모든 가스 챔버(50)의 가스 챔버 바닥벽(58)은 같은 평면 또는 서로 상이한 평면에 있을 수 있다.
상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(5)는 선택적으로 가스 챔버 상부벽(57)과 가스 챔버 바닥벽(58) 사이에 이들과 대략 평행한 하나 이상의 중간 분산 배플(baffle) 플레이트(55)를 포함할 수 있다. 상기 중간 분산 배플 플레이트 (55)가 이용되는 경우, 중간 분산 배플 플레이트(55)를 포함하는 가스 챔버(50)에 상부 가스 챔버 섹션(50a) 및 하부 가스 챔버 섹션(50b)이 형성된다. 예를 들어, 상부 가스 챔버 섹션(50a)이 가스 챔버 상부벽(57), 중간 분산 배플 플레이트(55)의 상부 표면 및 임의의 측벽(들)(59)에 의하여 형성될 수 있고, 하부 가스 챔버 섹션(50b)은 가스 챔버 하부벽(58), 중간 분산 배플 플레이트(55)의 하부 표면 및 임의의 측벽(들)(59)에 의하여 형성될 수 있다.
각 가스 챔버(50)의 가스 출구 구멍(61)은 유체 캐비티 기계(53)에 부착 또는 이외의 방법으로 결합될 수 있는 유체 캐비티(60)를 관통하는 출구 도관(바람직하게는 작은 직경의 튜브)(63)에 결합되어, 반응기 챔버 체적(33)의 경계 표면인 최하측에 가까운 하부 유체 캐비티 벽을 형성한다. 상기 출구 도관(63)은 가스 챔버 출구 구멍(61)의 조합된 세트와 매칭되는 구멍 패턴을 갖는 것이 바람직하다.
상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(5)의 다른 실시예는 균일하고 방사상 흐름 프로파일을 갖는 유체 온도 제어 구역과 관련된다. 온도 조절 유체, 예를 들어 냉각 유체는 외부 분포채널(62)로 유입된다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 유체 캐비티(60)는 유체 캐비티 디퓨저(65)를 갖는다. 상기 유체 캐비티 디퓨저(65)는 유체 캐비티(60)의 높이보다 약간 큰 높이를 갖는 얇은 원통형 시트 금속 링인 것이 바람직하고, 가능한 얇을 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 원통형 시트 금속 링은 가스 챔버 기계(53)의 바닥 표면 및 유체 캐비티 기계(52)의 상부 표면에서 대향하는 원형 홈(grooves)에 삽입되고, 이러한 두 홈의 깊이의 합은 유체 캐비티 높이 이상의 흐름 분산 장벽의 부가적인 높이와 같은 것이 바람직하고, 이에 따라 유체 캐비티의 최외곽 주연에서 다수의 입구(68)에서의 유체 캐비티(60)에 전달된 유체는, 흐름 분산 장벽(65)에서 바람직하게는 같은 간격으로 이격된 복수의 작은 구멍(64)을 통하여 흐르기 전에 접선방향 (tangentially)으로 바로 이동해야 하고, 그 결과 유체 캐비티(60)의 최외곽 주연으로부터 유체 캐비티(60)의 중심 출구(66)에서 단일 출구(66)를 향하는 방사상 내측방향으로 균일한 흐름 분포를 발생시킨다. 상기 작은 구멍(64)은 각 구멍(64)을 통하여 동일한 흐름이 되도록 충분히 흐름을 억제하는 흐름 억제 오리피스로서 작용한다.
도 25a - 도 25c는 APFI를 제조하는 다른 방법을 나타낸 것이다. 이전에 설명된 모든 APFI 구성요소가 도시되어 있지는 않다. APFI의 제조 및 시험을 쉽고 효율적으로 증가시키기 위하여, APFI의 구성요소는 교환가능 모듈 또는 서브어셈블리로 조립될 수 있다. 예를 들어, 가스 출구 구멍 서브-어셈블리(150)는 상부 플레이트(151), 하부 플레이트(152) 및 다수의 도관(63)으로 구성될 수 있다. 상기 상부 플레이트(151)는 전술한 가스 챔버(50)의 바닥벽(58)을 구성한다. 상기 하부 플레이트(152)는 전술한 유체 캐비티 기계(53)의 바닥벽(58)의 일부를 구성한다.
이러한 실시예에서, 가스 챔버 기계(52)는 다수의 가스 출구 구멍 서브-어셈블리(150)를 수용하도록 구성되어, 상부 플레이트(151)의 상부 표면(153)이 전술한 가스 챔버 벽(59)의 하나 이상의 하부 표면(155)과 같은 평면상에서 결합한다. 인접한 가스 출구 구멍 서브-어셈블리(150)의 상부 플레이트(151) 사이의 이음매 (seam)는 가스 챔버 벽(59)의 주어진 하부 표면(155)의 중심선을 따라 내려와서, 형성된 유체 캐비티(63)와 가스 챔버(50) 사이의 누설을 방지하는 밀봉부가 형성될 수 있다.
도 25a - 도 25c에 도시된 실시예에서, 인접한 가스 출구 구멍 서브-어셈블리(150)의 하부 플레이트(152) 사이 및 주어진 가스 출구 구멍 서브-어셈블리(150)의 하부 플레이트(152)와 가스 챔버 기계(52)와 통합된 하부 유체 캐비티 벽(157)의 이음매는 유체 캐비티(63)와 반응기 챔버 체적(33) 사이의 누설을 방지하도록 밀봉될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 필요 없을 지라도, 각 가스 출구 구멍 서브-어셈블리(150)의 하부 표면(154)이 모든 다른 가스 출구 구멍 서브-어셈블리 (150)의 하부 표면(154) 및 가스 챔버 기계의 하부 표면(156)과 같은 평면상에 있게 하는 방법으로 밀봉될 수 있다. 따라서, 유체는 다수의 유체 캐비티 입구(68)를 통하여 유체 캐비티(63)로 전달되며, 하나 이상의 유체 캐비티 출구(66)를 통하여 유출되고, 유체 캐비티 디퓨저(65)(미도시)는 전술한 바와 유사한 방법으로 위치결정된다.
본 발명의 다른 실시예는 하나 이상의 방사상 패턴에서 대략 같은 간격으로 이격된 가스 출구의 패턴을 생성하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법에 따르면, 홀이 예를 들어 정사각형 또는 6각형 패턴과 같이 서로 같은 거리에 있도록 하나 이상의 원형 홀 패턴이 배열된다. 조정가능한 비례 흐름 인젝터 가스 챔버를 포함하는 방사상 구역의 경우에, 홀이 대략 서로 같은 거리 및 영역 경계에 있도록 홀을 분포하는 방법을 포함할 수 있다.
이러한 방법은 일반적으로 (1) 홀 사이에서 방사상 방향으로 같은 공간을 갖도록, 제1 방사상 영역 경계에 인접하며 평행한 제1라인에 제1세트의 홀을 배치하는 단계, (2) 기계의 중심축으로부터 제1 방사상 거리의 제1 라인에서의 제1 지점과 제2 방사상 영역 경계에 인접하며 평행한 제2 라인에서의 대응하는 제2 지점 사이에서, 기계의 중심축에 정점(vertex)을 갖는 각도를 결정하는 단계, (3) 제1 방사상 영역 경계에 인접하게 놓인 주어진 반경(radius)에서의 제1홀과 대응하는 제2 방사상 영역 경계에 인접하게 놓인 동일한 반경에서의 대응하는 제2홀 사이에서, 가스 챔버 기계의 중심에 원점을 갖는 호(arc)의 길이를 결정하는 단계, (4) 요구되는 중심 대 중심(center-to-center) 홀의 간격 거리에 의하여 상기 호의 길이를 분할하는 단계 및 (5) 결과 수를 근사 정수로 마무리하는 단계를 포함한다. 상기 (2) - (5) 단계는 (1) 단계에서 설명된 세트를 포함하는 각 홀에 대하여 반복된다. 이러한 방법은 홀의 방사상 세트 사이에서의 동일한 분리 및 홀의 각 방사상 세트 내에서 홀의 거의 동일한 분리를 갖는 홀 패턴을 생성한다. 특히, 이러한 방법은 작은 영역 위에서 원형 또는 반원형 패턴으로 대략 같은 거리의 홀 세트를 생성하는데 유용하고, 홀 간격에서의 불규칙성은 큰 영역 상에서의 패턴을 위한 것보다 더 중요하다.
또한 도 17에 도시된 바와 같이, 반응기는 구역 분리 장벽이 없는 조정성을 갖는 가스 분포 구역을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 반응기는 둘 이상의 가스 입구 튜브(54) 및 조정가능한 출구 흐름 패턴을 생성하는 구조적인 기능을 하는 복수의 출구 홀(61)을 포함한다. 이론에 구속되지는 않지만, 하나 이상의 입구 튜브(54)로 흐르는 양을 증가 또는 감소시킴으로써, 임의의 입구 튜브(54) 사이에서 별개의 임의의 수직 분리벽(59)을 갖지 않는, 출구 흐름 홀을 가질 수 없는 분리벽 아래의 영역에 의하여 통상적으로 생성될 수 있는 정체 영역(stagnation areas)이 제거된다.
상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(5)는 세정 및/또는 배플의 변화를 위하여 하나 이상의 O-링 밀봉 챔버 상부와 같은 하나 이상의 밀봉 챔버 상부를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 가스 챔버 기계(52)는 가스 챔버 구역 상부벽(57)을 제거하는, 가스 챔버를 분리하는 수직벽(59)의 상부 표면에 가공되는 O-링 홈을 포함한다. 이는 수직벽의 상부 표면을 따라 놓인 O-링이 지지 플랜지(51)의 하부 표면 또는 복수의 용접 표면보다는 오히려 다른 단일 중간 밀봉 표면에 직접 밀봉할 수 있기 때문이다. 이러한 구성에 의하여 가스 챔버는 개방 및 세정되거나 검사될 수 있고, 필요 부품의 수를 줄일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 조정가능한 비례 흐름 인젝터 어셈블리(7)는 도 18에 최적으로 도시한 바와 같이, 진공 장벽 구역을 갖는 이중 O-링 밀봉을 포함한다. 이중 O-링 밀봉은 가스 챔버 기계(52) 및 유체 캐비티 기계(53)에서 O-링 홈(92)의 O-링(91)에 의하여 생성된다. 하나의 O-링(91a)은 가스 챔버 기계(52)와 메인 플랜지 바디(30) 사이에 위치된다. 제2 O-링(91b)은 유체 캐비티 기계(53)와 메인 플랜지 바디(30) 사이에 위치된다. APFI, 메인 플랜지 바디(31) 및 O-링 (91) 사이에 진공 캐비티(93)가 생성된다. 차동(differential) 밀봉 진공 포트 튜브(94)는 진공 밀봉을 생성 및 해제시키기 위하여 메인 플랜지 바디(31)에 포함된다. 이러한 구성은 각 밀봉의 어느 한 측면에서보다 두 O-링 밀봉 사이의 체적에 생성된 상당히 낮은 진공 정도로 인하여 O-링 탄성물질의 가스 분자 투과를 거부하는 동안에 조정가능한 비례 흐름 인젝터(5)의 제거를 용이하게 한다.
챔버 어셈블리(7)의 실시예가 도 19 - 도 20 및 도 3 - 도 5에 도시되어 있다. 상기 챔버 어셈블리(7)는 반응기 베이스플레이트 메인 바디(70)를 갖는다. 상기 반응기 베이스플레이트 메인 바디는 반응기 자르 벽(reactor jar wall)(101)을 통하여 반응기 자르 상부 플랜지(100)에 연결된다. 상기 반응기 자르 상부 플랜지 (100)는 흐름 플랜지 어셈블리(3)의 메인 플랜지 바디(30)와 결합한다. 상기 베이스 플레이트 메인 바디(70)는 중앙 회전 샤프트(75)(더 상세히 후술함), 베이스플레이트 배출 튜브(79); (혼선될 수 있어서 디자인 및 다른 도면에 현재는 포함되어 있지 않으나, 나중의 디자인에 일부를 이용할 수 있기 때문에 남겨둠); 고전류 피드스루(high current feedthrough)(90); 및 회전 진공 피드스루 하우징(88)과 같은 CVD 반응기에서 유용한 다수의 구성요소를 위한 포트를 포함한다.
상기 챔버 어셈블리(7)는 웨이퍼 캐리어(76)를 가열하기 위한 열 반사 쉴드 및 열원을 포함하는 히터 어셈블리와 같은 CVD 반응기에서 통상적으로 보여지는 구성요소를 갖는다. 본 실시예에서, 하나 이상의 가열요소(83)가 웨이퍼 캐리어(76) 아래에 위치되고, 하나 이상의 열 쉴드(84)가 가열요소(83) 아래에 위치된다. 예를 들어, 상기 열원은 방사열용 필라멘트 또는 유도열용 구리 튜브일 수 있고, 웨이퍼 캐리어의 원형 영역에 맞추기 위하여 동심의(concentric) 원형 패턴에 배치되는 것이 바람직하다. 히터 어셈블리의 다른 타입이 웨이퍼 캐리어(76)를 가열하기 위하여 이용될 수 있다.
상기 챔버 어셈블리(7)는 하부 흐름 가이드(72)를 갖는다. 상기 하부 흐름 가이드(72)는 원뿔대 형상(frustoconical shape)을 갖는다. 상기 원뿔형 하부 흐름 가이드(74)는 내경(d1) 및 외경(d2)을 갖는다. 상기 내경(d1)은 웨이퍼 캐리어(76)의 외경(d3)보다 약간 큰 것이 바람직하고, 상기 내경(d1)은 웨이퍼 캐리어(76)의 외경(d3)과 대략 같거나, 작거나 또는 클 수 있다. 상기 하부 흐름 가이드(72)는 웨이퍼 캐리어(76)의 상부 표면(77)과 거의 정렬된다. 상기 하부 흐름 가이드(72)의 외경(d2)은 하방향으로 경사면을 생성하는 내경(d1)보다 크다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 내경(d1)은 웨이퍼 캐리어(76)의 외경 (d3)보다 약간 크다. 상기 하부 흐름 가이드(72)의 내경(d1)과 웨이퍼 캐리어(76)의 외경 사이의 공간은 웨이퍼 캐리어(76)의 외부 에지 아래에서 분출된 가스의 재순환을 점차적으로 확장하고 억제나 방지하기 위하여 웨이퍼 캐리어(76)와 상부 흐름 가이드(32) 사이의 갭(43)으로부터 가스가 분출되게 한다. 상기 하부 흐름 가이드의 내경(d1)과 웨이퍼 캐리어(76)의 외경은 둘 사이에 좁은 하부 흐름 가이드 갭을 제공하도록 매우 근접하고, 하부 흐름 가이드 갭이 좁아질수록 가스의 충분한 분출이 일어나며 반응기 챔버 체적(33) 내에서 가스의 재순환을 더 억제 및 방지한다. 바람직한 실시예에서, 상기 하부 흐름 가이드(72)는 흑연(graphite)으로 제조된다.
상기 챔버 어셈블리(7)는 하부 흐름 가이드 반사기(74)를 포함한다. 상기 하부 흐름 가이드 반사기(74)는 하부 흐름 가이드(72) 내에 위치되며, 웨이퍼 캐리어 (76)의 원주로부터 연장되고 하방향으로 경사진다. 상기 반사기(74)는 얇은 금속 조각, 바람직하게는 몰리브덴으로 구성된다. 상기 반사기(74)는 내측 방향으로 열을 반사시키는 작용을 하며 하부 흐름 가이드(72)의 표면 상에서 열을 일정하게 유지시킨다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 하부 흐름 가이드(72)는 두-부분의 하부 흐름 가이드(72)와 같은 하나 이상의 섹션(section)이나 부분(pieces)으로 이루어진다. 상기 하부 흐름 가이드(72)와 웨이퍼 캐리어(76) 사이의 밀접한 간격 및 상기 웨이퍼 캐리어(76)가 공정 동안에 도달하는 고온으로 인하여, 다른 실시예에서 상기 하부 흐름 가이드(72)는, 우수한 온도 내성과 웨이퍼 캐리어(76)의 물질(통상적으로 흑연, 사파이어, 또는 내열성 금속)와 거의 같거나 유사한 열팽창계수를 갖는 물질로 제조된 웨이퍼 캐리어(76)에 바로 인접한 제1부분 및 상기 제1부분을 이루는 물질보다 덜 비싸며 더 쉽게 형성된 물질과 같이 상기 온도 내성 또는 열팽창계수를 갖지 않는 물질로 제조된 제2부분을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 상기 제1부분은 적절한 온도 내성 및 웨이퍼 캐리어 물질와 일치하는 열팽창계수를 제공하기 위하여 흑연으로 제조된다.
상기 하부 흐름 가이드(72)는 부분적으로 또는 전체적으로 웨이퍼를 유지하는 웨이퍼 캐리어(76)의 표면의 직경(d3)으로부터 연장되는 웨이퍼 캐리어의 연장부, 즉 웨이퍼를 유지하는 웨이퍼 캐리어 표면(77)의 외부 에지 프로파일일 수 있다. 이 실시예에서, 상기 하부 흐름 가이드(76)의 일부나 모두는 바람직하게는 웨이퍼 캐리어 상부 표면(77) 또는 하부 표면(78)의 외주로부터, 또는 이들 사이의 원주를 따르는 일부 지점에서의 웨이퍼 캐리어의 연장부이다. 특정 실시예에서, 상기 하부 흐름 가이드(72)는 웨이퍼 캐리어 외경(76)과 상부 흐름 가이드(72) 사이의 좁은 갭(40)으로부터 처음 몇 센치미터 내인 웨이퍼 캐리어(76)의 연장부인 제1섹션 및 웨이퍼 캐리어(76)와 완전히 분리되며 제1부분에 인접한 분리 부분으로 형성되는 제2부분을 갖는다.
상기 반응기용 웨이퍼 캐리어(76)는 통상적인 일체의 구조를 가질 수 있지만, 다른 구조를 갖는 실시예도 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서, 반응기는 제거가능한 상부(즉, 웨이퍼를 유지하는 플래터(platter)나 표면)와 바닥부로 이루어진 두 부분의 웨이퍼 캐리어(76)를 포함할 수 있다. 상기 제거가능한 상부는 다수의 물질, 바람직하게는 사파이어로 이루어질 수 있고, 바닥부는 흑연으로 이루어질 수 있고, 바닥부의 유도열 및 제거가능한 상부와 제거가능한 상부의 표면에서의 임의의 웨이퍼의 전도열을 위한 가열된 RF와 같은 가열수단을 더 포함할 수 있다. 상기 두 부분의 웨이퍼 캐리어는 바닥부가 재이용될 수 있는 동안에 필요시에 대체되는 제거가능한 상부를 가질 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서, 두 부분의 웨이퍼 캐리어는 웨이퍼를 유지하기 위한 사파이어 제거가능한 상부 및 상기 사파이어 제거가능한 상부를 지지하는 흑연 바닥부를 가질 수 있다. 상기 사파이어 상부는 비-다공성이며 분해되지 않고, SiC 캡슐화제(encapsulant)와 같이 통상적으로 이용되는 표면으로 된다. 상기 사파이어 제거가능한 상부는 흑연 웨이퍼 캐리어에서 용이하게 수행되지 않는 빠른 습식 화학 에칭과 같이 더 철저히 세정될 수도 있다. 상기 흑연 바닥 부분은, 제거가능한 상부의 상부 표면에서 가공될 수 있는 웨이퍼 포켓 내에서와 같이, 제거가능한 상부 및 제거가능한 상부의 표면위의 웨이퍼로 전도성 열을 전달하기 위한 열 흡수체이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 웨이퍼 캐리어(76)는 웨이퍼 캐리어(76)의 바닥 표면(78)의 중심으로부터 하방향으로 연장되는 샤프트(75)인 중앙 회전 샤프트(75)의 일부와 일체로, 즉 일부에 직접 기계가공되게 이루어진다. 상기 중앙 샤프트 (75)(또는 중앙 회전 샤프트(75))는 가열 코일을 통하여 하방향으로 연장되고, 가열을 위한 적절한 물질, 예를 들어 유도열을 위한 적절한 물질로 이루어진다. 이러한 중앙 회전 샤프트(75)는 웨이퍼 캐리어(76)의 주요부가 있는 그대로 가열될 수 있고, 통상적인 지지 스핀들 샤프트에 발생할 수 있는 전도성 열 손실에 열적 장벽을 제공한다.
상기 웨이퍼 캐리어(76)용 중앙 회전 샤프트(75)는 통상적으로 일체 구조일 수 있지만, 다른 구조를 갖는 실시예가 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 21 - 도 24에 도시된 바와 같은 실시예에서, 웨이퍼 캐리어를 회전시키기 위한 다수-세그먼트 샤프트(75), 즉 동일 물질이나 상이한 물질로 이루어진 하나 이상의 세그먼트를 포함하는 샤프트가 이용된다. 다수-세그먼트 실시예에서, 적어도 하나의 세그먼트는 이용된 나머지 샤프트 세그먼트(들)보다 대략 낮은 열 전도성을 가질 것이다. 상기 다수-세그먼트 스핀들은 특히 방사 가열기와 관련하여 유용하지만 본 발명이 이러한 점에 제한될 필요는 없다.
도 21 - 도 24에 도시된 실시예에서는 3개의 세그먼트가 있다. 샤프트 상부 세그먼트(81)는 웨이퍼 캐리어(76)와 직접 접촉한다. 상기 샤프트 상부 세그먼트 (81)는 웨이퍼 캐리어(76)의 바닥 표면(78)이 있는 가장 가까운 단부에 서셉터 (susceptor)나 플랜지(82)를 갖는다. 방사 가열기가 이용되는 경우, 상기 상부 세그먼트는 다수-세그먼트 샤프트(75) 중 하나 이상의 나머지 세그먼트(들)보다 낮은 열 전도성을 갖는 알루미늄이나 사파이어 같은 물질로 제조되는 것이 바람직하다. 이러한 물질의 선택은 가능한 높은 열 전달 저항성을 생성한다. 상기 다수-세그먼트 중앙 샤프트(75)와 웨이퍼 캐리어(76) 사이의 세그먼트 인터페이스는 열 전달 저항성을 더 향상시키기 위하여 최소의 표면으로 설계될 수 있다. 이러한 특징은 웨이퍼 캐리어 중앙 영역 근처의 온도 균일성을 향상시키고, 반응기의 작동에 있어서 에너지 손실을 줄인다.
또한, 반응기에서 유도 가열기가 이용되는 경우, 웨이퍼 캐리어와 접촉하는 세그먼트(샤프트 상부 세그먼트(81))는 유도 가열 코일을 통하여 하방향으로 연장된다. 이 경우, 상기 상부 세그먼트(81)는 유도 가열에 적절한 물질로 이루어진다. 예를 들어, 상기 반응기에서 유도 가열기가 이용되는 경우, 다수-세그먼트 중앙 샤프트(75)의 상부 세그먼트(81)는 흑연으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 다수-세그먼트 샤프트(75)는 사파이어와 같이 쉽게 열을 유도하지 않는 물질로 구성되는 샤프트 하부 세그먼트(85)를 갖는다. 상기 샤프트 상부 세그먼트(81)와 샤프트 하부 세그먼트(85)는 바람직하게는 알루미나로 구성되는 스페이서(86)를 통하여 연결된다. 상기 3개(또는 그 이상)의 세그먼트 사이의 인터페이스는 가능한 높은 열 전달 저항성을 생성하기 위하여 최소의 표면 접촉 면적을 갖는 것이 바람직하다. 상기 표면적은 세그먼트 단부의 원주 주위에서 얇은 레일(96)을 생성하기 위하여 도 24에 도시된 인터페이스 지점에서의 세그먼트에 기계가공된 리세스(recesses)(87)를 포함함으로써 감소될 수 있다. 상기 세그먼트 사이의 접촉은 세그먼트 단부의 전체 영역과는 대조적으로 얇은 레일 (96)에서만 발생한다. 상기 세그먼트는 통기된(vented) 헤드 캡 스크류(97)에 의하여 고정되는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명은 바람직한 실시예의 문맥에서 설명되지만, 본 발명의 완전한 범위는 다음의 청구항의 범위를 참조하여 고려될 수 있다.
Claims (27)
- 메인 플랜지 바디 및 메인 플랜지 바디에 연결되는 확장 원뿔형 상부 흐름 가이드를 포함하고, 확장 원뿔형 상부 흐름 가이드와 메인 플랜지 바디 사이에 제1 유체 갭이 형성되어 있는 흐름 플랜지 어셈블리;
상기 흐름 플랜지 어셈블리의 상부에 연결되는 흐름 인젝터; 및
상기 흐름 플랜지 어셈블리의 바닥부에 연결되는 웨이퍼 캐리어를 포함하고,
상기 확장 원뿔형 상부 흐름 가이드와 웨이퍼 캐리어 사이에 제2 갭이 형성되고, 확장 원뿔형 상부 흐름 가이드는 웨이퍼 캐리어를 향하여 하방향으로 연장됨에 따라 나팔 형태로 넓어지는 형상을 갖고,
상기 확장 원뿔형 상부 흐름 가이드, 흐름 인젝터 및 웨이퍼 캐리어는 반응기 챔버 체적을 형성하고, 제2 갭은 화학 기상 증착 반응기의 작동 동안에 반응기 챔버 체적 내에서 분출된 가스의 재순환을 억제하도록 최소값으로 되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 반응기. - 제1항에 있어서, 상기 제1 유체 갭의 두께는 0.1 인치 이하인 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 반응기.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 유체 갭의 바닥 또는 외부에서 제1 유체 갭과 유체 연통하는 제1 채널 및 상기 제1 유체 갭의 상부 또는 내부에서 제1 유체 갭과 유체 연통하는 제2 채널을 더 포함하고, 유체는 제1 채널 및 제2 채널 중의 하나의 채널에서 다른 채널로 흘러 확장 원뿔형 상부 흐름 가이드의 외부 표면의 온도를 효율적으로 제어하는 화학 기상 증착 반응기.
- 제3항에 있어서, 상기 유체는 가스가 반응기 체적에서 흐름 인젝터로부터 웨이퍼 캐리어로 흐르는 방향으로부터 제1 유체 갭을 통하여 역방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 반응기.
- 제1항에 있어서, 상기 확장 원뿔형 상부 흐름 가이드는 흐름 인젝터의 직경과 같은 상부 직경 및 웨이퍼 캐리어의 직경과 같은 하부 직경을 갖고, 상기 상부 직경은 하부 직경보다 작고, 제2 갭의 최소값은 1.00 인치 이하인 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 반응기.
- 제1항에 있어서, 상기 흐름 인젝터는 흐름 플랜지 어셈블리에서의 결합 포트에 연결되고, 하나 이상의 공급 튜브, 공급 튜브로부터 가스 스트림을 수용하는 하나 이상의 가스 챔버, 가스 챔버 아래의 유체 캐비티 및 가스 챔버에서 유출되며 유체 캐비티를 관통하는 하나 이상의 출구 도관을 포함하는 화학 기상 증착 반응기.
- 제1항에 있어서, 상기 흐름 인젝터는 유출되기 전에 분리되는 하나 이상의 가스 스트림을 유지하기 위한 수단을 갖고, 상기 어셈블리는 가스가 어셈블리에서 유출됨에 따라 가스의 온도를 조절하기 위한 수단을 갖는 화학 기상 증착 반응기.
- 제1항에 있어서, 상기 흐름 플랜지 어셈블리에 연결된 챔버 어셈블리를 더 포함하고, 상기 챔버 어셈블리는 원뿔 형상의 하부 흐름 가이드를 포함하는 화학 기상 증착 반응기.
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