KR101188977B1 - 수직 유동 회전 디스크 반응기용 알킬 압출 유동 - Google Patents

수직 유동 회전 디스크 반응기용 알킬 압출 유동 Download PDF

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Abstract

기판(3)상에서 에피택셜 층을 성장시키기 위한 회전 디스크 반응기(1)에서, 디스크의 회전축으로부터 상이한 반경방향 거리에서 기판을 향하는 가스는 실질적으로 동일한 속도를 갖는다. 축(10a)에서 먼 디스크 부분을 향하는 가스는 축(10a)에 가까운 디스크 부분을 향하는 가스보다 높은 반응 가스(4) 농도를 가질 수 있으며, 따라서 축(14)으로부터 상이한 거리에 있는 기판 표면 부분들은 단위 면적당 실질적으로 동일한 양의 반응 가스(4)를 수용한다. 기판 상에서 에피택셜 층의 균일한 증착 및 성장을 가능하게 하는 바람직한 유동 패턴이 반응기에서 달성된다.

Description

수직 유동 회전 디스크 반응기용 알킬 압출 유동{ALKYL PUSH FLOW FOR VERTICAL FLOW ROTATING DISK REACTORS}
본 발명은 금속 유기 화학물 기상 증착 반응기에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 회전 기판의 표면 상에 하나 이상의 가스가 분사되어 에피택셜 층을 성장시키는 회전 디스크 반응기에 관한 것이다.
반응기 내에서 회전하는 기판 표면상에 가스가 하향 분사되는 수직 고속 회전 디스크 반응기는 유기 금속 화학 기상 증착(MOCVD)용으로 빈번하게 사용된다. 수직 디스크형 CVD 반응기는 특히, 레이저 및 LED와 같은 다층 구조물 및 반도체 단일 필름의 다양한 조합을 포함하는 다양한 에피택셜 화합물에 유용한 것으로 알려져 있다. 이들 반응기에서, 기판 캐리어 위에 이격된 하나 이상의 분사기는, 기판과 접촉할 때 기판의 표면에 에피택셜 재료의 층들을 증착하는 소정의 가스 유동을 제공한다.
대형 웨이퍼에 있어서, 회전 디스크 반응기는 기판 위에 이격된 여러 개의 분사기를 사용한다. 이들 분사기는 통상 기판 캐리어의 중심축에 대해 웨이퍼의 하나 이상의 반경방향 축을 따른 다양한 위치에서 웨이퍼 위에 이격되어 있다. 빈번하게, 공급원 반응 물질이 반응기 내로 분사되는 속도는 분사기마다 달라서 동일한 몰 양(molar quantity)의 반응물이 기판의 표면에 도달할 수 있다. 그러므로, 일부 반응물 분사기는 다른 것들과 상이한 가스 속도를 가질 수 있다. 이러한 반응물 속도의 변화는 관련 부분에 있어서 분사기의 상대적 배치 때문이다. 기판을 유지하는 반응기 캐리어가 소정 속도로 회전하면, 캐리어의 외측 에지 근처에 있는 분사기는 어떤 주어진 기간 내에 캐리어의 중심에 가까운 분사기에 비해 캐리어상의 표면적의 넓은 영역을 커버한다. 따라서, 외측 분사기는 통상 소정의 균일성을 유지하기 위해 내측 분사기에 비해 가스 속도가 빠른 반응물을 사용한다. 예를 들면, 인접하는 분사기들 사이에서 각 분사기의 가스 속도는 최대 세 가지 내지 네 가지의 인자에 의해 달라질 수 있다.
이러한 가스 속도의 변화는 보다 균일한 층 두께 확보를 도와주지만, 그 변화하는 속도로 인해 분사기 유동 사이에 난류를 초래할 수도 있다. 또한, 불균일한 층 두께, 반응물의 소산(dissipation), 또는 반응물의 조기 응축과 같은 부작용이 증가할 수도 있다.
본 발명의 일 양태는 반응기를 제공한다. 본 발명의 일 양태에 따른 반응기는, 챔버와 이 챔버 내에 이동가능하게, 보다 바람직하게는 축을 중심으로 회전 운동하도록 장착되는 기판 캐리어를 포함하는 것이 바람직하다. 기판 캐리어는 처리될 기판의 표면이 축에 대해 실질적으로 수직하게 놓이도록 하나 이상의 기판을 유지하게 되어 있다. 본 발명의 이러한 양태에 따른 반응기는, 챔버 내에서 하나 이상의 가스 스트림을 실질적으로 균일한 속도로 기판 캐리어를 향해 송출하도록 배치되는 가스 스트림 발생기를 구비하는 것이 바람직하다.
가스 스트림 발생기는, 하나 이상의 가스 스트림이 캐리어 가스 및 반응 가스를 구비하고, 하나 이상의 가스 스트림의 상이한 부분들이 상이한 농도의 반응 가스를 함유하도록 배치되는 것이 가장 바람직하다. 기판 캐리어가 축을 중심으로 회전 운동하도록 장착되는 경우, 가스 스트림 발생기는 축으로부터 상이한 반경방향 거리에서 상기 하나 이상의 가스 스트림에 상이한 반응 가스 농도를 제공하도록 배치되는 것이 바람직하다. 축 근처의 기판 캐리어 부분을 향하는 가스는 비교적 고농도의 캐리어 가스와 비교적 저농도의 반응 가스를 포함하는 것이 바람직한 반면, 기판 캐리어의 일부를 향하는 가스는 고농도의 반응 가스를 포함하는 것이 바람직하다.
가스 스트림 발생기는 축으로부터 상이한 거리에서 챔버와 연통하는 복수의 가스 유입구뿐 아니라, 유입구에 연결되는 하나 이상의 반응 가스 공급원 및 적어도 하나의 유입구에 연결되는 하나 이상의 캐리어 가스 공급원을 구비할 수 있다.
본 발명의 추가 양태는 기판 처리 방법을 포함한다. 본 발명의 이러한 양태에 따른 방법은 처리될 하나 이상의 기판을 그 표면이 축에 대해 실질적으로 수직하게 놓이도록 지지체 상에서 지지하면서 기판 지지체를 축을 중심으로 회전시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 반응 가스와 캐리어 가스가 상기 챔버 내에서 표면을 향하여 상기 축으로부터 상이한 반경방향 거리에서 실질적으로 균일한 속도를 갖는 하나 이상의 스트림으로 유동하도록 반응 가스와 캐리어 가스를 챔버 내로 도입하는 단계를 더 포함한다. 상기 하나 이상의 가스 스트림은 상기 축으로부터 상이한 반경방향 위치에서 상기 하나 이상의 표면의 상이한 부분들이 단위 면적당 단위 시간당 실질적으로 동일한 양의 상기 반응 가스를 수용하도록 배치된다. 가장 바람직하게는, 기판 표면의 반경방향 외측 부분을 향해 유동하는 가스가 상기 표면의 반경방향 내측 부분을 향해 유동하는 가스보다 높은 반응 가스 농도를 갖도록 반응 가스의 적어도 일부를 캐리어 가스와 혼합하는 단계가 상기 캐리어 가스와 반응 가스 도입 단계에 포함된다.
본 발명의 전술한 양태에 따른 바람직한 반응기 및 방법은, 기판 캐리어의 처리 표면 위에, 예를 들면 회전 디스크 기판 캐리어의 표면 위에 반응 가스의 균일한 분포를 제공할 수 있으며, 반응 가스 속도를 달리함으로써 초래되는 난류를 방지할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기를 도시하는 개략도.
도 1b는 도 1a의 실시예에 사용되는 기판 캐리어의 평면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반응기를 도시하는 부분 단면 정면도.
도 3은 도 2의 3-3선을 따라 취한 부분 도시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반응기에 사용되는 플레이트의 부분 저면도.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반응기를 도시하는 부분 단면 정면도.
도 5b는 도 5a의 5B-5B선을 따라 취한 단면도.
도 6, 도 7, 및 도 8은 도 4와 유사하지만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반응기에 사용되는 플레이트의 부분들을 도시하는 도면.
도 1에 개략 도시된, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 반응 챔버(1)와 기판 캐리어(2)를 구비한다. 상기 챔버는 상벽(16)과 배기구(11)를 구비한다. 기판 캐리어(2)는 중심축(14)을 중심으로 회전하도록 챔버(1) 내에 장착되며, 기판 캐리어(2)가 중심축(14)을 중심으로 회전할 수 있도록 회전 구동 시스템(12)에 연결된다. 기판 캐리어(2)는, 중심축(14)에 대해 수직하고 상벽(16)을 향하는 대체로 편평한 디스크 형태의 처리 표면(18)을 한정한다. 그러한 표면(18)의 일부만이 도 1에 도시되어 있다. 반응 챔버(1)는 소정의 에피택셜 성장 반응을 촉진하기 위한 다른 종래의 요소들(도시되지 않음), 예를 들면 기판 캐리어를 고온으로 유지하기 위한 가열 시스템, 온도 감시 장치 및 압력 감시 장치를 구비한다. 상기 장치의 이들 특징부는 New Jersey, Somerset 소재의 Emcore Corporation에 의해 상표명 TURBODISC®로 판매되는 반응기에 사용되는 형태의 것일 수 있다.
반응기는 상벽(16)을 통해서 챔버의 내부와 연통하는 복수의 가스 스트림 유입구(8a 내지 8d)를 갖는다. 도 1의 실시예에서, 각 유입구는 캐리어의 처리 표면(18)을 향하여 중심축(14)에 평행한 방향으로 하측을 향하는 단일 포트 형태이며, 각 유입구의 포트는 크기가 동일하다. 가스 스트림 유입구(8a 내지 8d)는 중심축(14)으로부터 반경방향으로 연장되는 공통 평면을 따라서 배치된다. 공통 평면은 축(14)과 이 축(14)에 수직하게 연장되는 반경방향 라인(17)에 의해 한정되는 평면이다. 가스 스트림 유입구(8a 내지 8d)는, 예를 들어 반경방향으로 일정한 간격(h)으로 서로 간격을 두고 있다. 각각의 유입구(8)는 처리 표면(18)의 상이한 환형 영역에 정렬된다. 따라서, 최외측 또는 제1 유입구(8a)는 축(14)에서 가장 먼 최외측 영역(10a)에 정렬되고, 유입구(8b)는 다음 영역(10b)에 정렬되며, 유입구(8c)는 영역(10c)에 정렬되고, 유입구(8d)는 축(14)에 가장 가까운 최내측 영역(10d)에 정렬된다. 도시의 명료성을 위해 이들 영역의 경계선을 도 1에서 파선으로 도시하였지만, 이들 영역은 통상 기판 캐리어의 가시적 특징부로 규정되지 않는다.
반응기는 복수의 반응 가스 공급원(6a 내지 6d)을 포함하며, 각각의 가스 공급원은 소정의 질량 유량으로 반응 가스를 공급하게 되어 있다. 소정 유량으로 반응 가스를 제공할 수 있는 임의의 장치가 사용될 수도 있다. 도시된 배치에서, 각각의 반응 가스 공급원(6a 내지 6d)은 유동 제한 장치이며, 모든 공급원은 반응 가스의 공통 공급부(4), 예를 들면 그러한 가스를 가압 유지하는 탱크에 연결되어 있다. 각각의 가스 공급원(6a 내지 6d)에 구비된 유동 제한 장치는 피드백 제어 시스템(도시되지 않음) 또는 정량 펌프에 연결되는 고정 오리피스, 수동 조절가능한 밸브 또는 자동-제어식 밸브와 같은 임의의 종래 유동 제어 구조물을 구비할 수 있다. 반응 가스가 액상으로부터의 기화에 의해 형성되는 경우, 각각의 반응 가스 공급원은 기화 속도를 제어하기 위한 별도의 증발기를 구비할 수 있거나, 아니면 각각의 가스 공급원은 전술한 유동 제한 장치를 구비할 수 있으며, 이들은 모두 공통 증발기에 연결된다.
반응 가스는 반응기 내의 기판 증착에 기여하기 위해 반응기에 분사되는 임의의 가스, 기체, 또는 재료일 수 있다. 보다 구체적으로, 반응 가스는 기판 표면을 처리하기에 적합한 임의의 가스일 수 있다. 예를 들어, 소정의 처리가 에피택셜 성장과 같은 반도체 층의 성장인 경우, 반응 가스는 성장될 반도체의 하나 이상의 성분을 포함한다. 예를 들어, 반응 가스는 반도체 화합물의 증착을 위해 하나 이상의 알킬 금속을 포함할 수도 있다. 반응 가스는 여러 종류의 화학물질의 혼합체일 수도 있고, 비활성, 비반응성 성분을 포함할 수도 있다. 소정 반응이 기판 표면의 에칭을 포함하는 경우, 반응 가스는 기판 표면의 재료와 반응하는 성분을 포함할 수 있다.
본 발명을 적용할 수 있는 재료 시스템의 형태는, 예를 들어 GaAs, GaP, GaAs1-xPx, Ga1-y, AlyAs, Ga1-yInyAs, AlAs, InAs, InP, InGaP, InSb, GaN, InGaN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체의 에피택셜 성장을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은 다른 시스템에 적용될 수도 있다. 그러한 다른 시스템에는 ZnSe, CdTe, HgCdTe, CdZnTe, CdSeTe 등과 같은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물; SiC, 다이아몬드, SiGe와 같은 Ⅳ-Ⅳ족 화합물; YBCO, BaTiO, MgO2, ZrO, SiO2, ZnO, ZnSiO와 같은 산화물; 및 Al, Cu, W와 같은 금속이 포함된다. 또한, 그 결과적인 재료는, 고휘도 발광 다이오드(LED), 레이저, 태양전지, 광전음극(photocathode), HEMT, 및 MESFET을 포함하는 광범위한 전자 및 광전자 적용분야를 가질 것이다.
캐리어 가스 공급원(7a 내지 7d)이 또한 제공된다. 캐리어 가스 공급원(7a 내지 7d)은 구조상 반응 가스 공급원과 유사할 수 있으며, 캐리어 가스 공통 공급원(5)에 연결될 수 있다. 각각의 가스 스트림 유입구(8a 내지 8d)는 하나의 반응 가스 공급원(6a 내지 6d) 및 하나의 캐리어 가스 공급원(7a 내지 7d)에 연결된다. 예를 들어, 유입구(8a)는 반응 가스 공급원(6a)과 캐리어 가스 공급원(7a)에 연결되고, 유입구(8d)는 반응 가스 공급원(6d)과 캐리어 가스 공급원(7d)에 연결된다.
캐리어 가스는 기판에 적용될 반응 가스가 제공될 경우 챔버 내에서의 증착 반응에 참여하지 않는 비활성 가스 또는 반응 비참여 가스와 같은 소정의 임의 캐리어일 수 있거나, 대안적으로 캐리어 가스는 예를 들어, 반응에 속도 비제한 참여물로서 작용하는 반응 가스 자체일 수 있고, 따라서 소정 온도, 압력 및 반응 조건에서 반응기 내에 속도 제한 양을 초과하여 존재하는 한 임의의 소정 양으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법에서는, 처리 표면(18) 위에 기판(3)이 놓이도록 또한 처리될 기판(3)의 표면이 상벽(16)을 향하여 위를 향하도록, 기판 캐리어(2)의 처리 표면(18)에 편평한 얇은 디스크 형태의 기판(3)이 배치된다. 기판(3)의 노출된 표면은 처리 표면의 주위 부분과 동일한 평면에 놓이거나 거의 동일한 평면에 놓이는 것이 바람직하다. 예를 들어, 처리 표면(18)에 배치되는 비교적 얇은 웨이퍼 형태의 기판(3)은 처리 표면(18)의 주위 부분 위로 웨이퍼(3)의 두께만큼만 상승한 노출된 상향 표면을 가질 것이다. 기판 캐리어(2)의 처리 표면(18)은 웨이퍼(도시되지 않음)의 두께와 거의 동일한 깊이를 갖는 포켓 또는 오목부를 가질 수 있다.
기판 캐리어(2)와 기판(3)이 소정의 반응 온도로 있고 챔버(1)의 내부가 달성될 특정 반응을 위한 소정의 대기압 미만의 압력에 있을 때, 반응 가스 공급원(6a 내지 6d) 및 캐리어 가스 공급원(7a 내지 7d)은 유입구(8a 내지 8d)에 가스를 공급하도록 작동된다. 각각의 유입구에 공급되는 반응 가스(4)와 캐리어 가스(5)는 혼합되어, 각 유입구(8a 내지 8d)로부터 유출되는 혼합 가스 스트림(9a 내지 9d)을 형성한다. 유입구에서 유출되는 가스 스트림(9a 내지 9d)은 축(14)에 평행한 축 방향으로 챔버 내로 하향 유동하며, 처리 표면 및 기판(3)의 노출된 표면에 부딪힌다. 상이한 유입구(8a 내지 8d)로부터의 가스 스트림(9a 내지 9d)은 처리 표면(18)의 상이한 영역(10a 내지 10d)에 부딪힌다. 예를 들면, 유입구(8a)로부터 유출되는 스트림(9a)은 주로 최외측 영역(10a)에 부딪히는 반면에, 스트림(9b, 9c, 9d)은 각각 주로 영역(10b, 10c, 10d)에 부딪힌다. 따라서, 스트림(9a 내지 9d)이 서로 합쳐져서 기판 캐리어를 향하여 유동하는 실질적으로 연속적이고 반경방향으로 긴 가스 스트림 또는 가스 커튼을 형성하더라도, 다양한 유입구(8a 내지 8d)로부터의 개별 스트림(9a 내지 9d)은 처리 표면(18)의 상이한 영역(10a 내지 10d)으로 이동한다. 달리 말하면, 처리 표면(18)의 최내측 영역(10d)에 부딪히는 가스는 주로 유입구(8d)로부터의 스트림(9d) 내의 가스로 구성되고, 영역(10b)에 부딪히는 가스는 주로 유입구(8b)로부터의 스트림(9b) 내의 가스로 구성되며, 나머지도 마찬가지이다. 기판 캐리어(2)가 소정 회전 속도(α)로 회전함에 따라, 축(14) 주위의 상이한 원주방향 위치에서의 캐리어(2)의 상이한 부분은 가스 스트림(9a 내지 9d)에 정렬되며, 따라서 가스 스트림(9a 내지 9d)에 대한 처리 표면(18)의 노출은 모든 원주방향 위치에서 동일하다.
노출된 기판(3) 표면의 다양한 영역에 동일한 반응 속도를 제공하기 위해, 처리 표면(18)의 모든 영역(10a 내지 10d)에는 단위 시간당 처리 표면의 단위 면적당 동등한 양의 반응 가스(4)가 제공되어야 한다. 그러나, 다양한 가스 유출구에 의해 공급되는 영역(10a 내지 10d)의 면적은 동일하지 않다. 예를 들어, 처리 표면의 둘레 근처의 영역(10a)은 축 근처의 영역(10d)보다 큰 표면적을 갖는다. 따라서, 공급원(6a 내지 6d)에 의해 제공되는 반응 가스 유량은 다양한 유입구(8a 내지 8d)로부터 유출되는 스트림(9a 내지 9d) 내의 반응 가스 유량이 상이하도록 선택된다. 달리 지시하지 않는 한, 본원에서 언급되는 유량은 몰 유량(molar flow rate)이다. 몰 유량은 단위 시간당 가스의 분자(또는 단원자 가스 중의 원자)수를 나타낸다. 공급원(6a)은 스트림(9a)용 유입구(8a)에 반응 가스를 비교적 큰 유량으로 공급하도록 배치되는 반면에, 공급원(6d)은 스트림(9d)용 유입구(8d)에 반응 가스를 비교적 적은 유량으로 공급하도록 배치된다. 공급원(6b, 6c)은 중간 유량으로 반응 가스를 공급한다. 달리 말하면, 반응 가스 유량은 반응기(1)의 기판 캐리어(2)용 중심 회전축(14)과 반응 가스가 공급될 가스 유입구(8a 내지 8d) 사이의 거리에 직접적인 관계로 증가한다.
캐리어 가스 공급원(7a 내지 7d)은 캐리어 가스(5)를 다양한 유입구(8a 내지 8d)에 상이한 유량으로 공급하도록 설정된다. 캐리어 가스의 유량은 다양한 스트림(9a 내지 9d)의 속도가 상호 동일하도록 선택된다. 동일한 단면적의 스트림을 제공하는 동일한 구성의 유입구에 있어서, 각 유입구(8a 내지 8d)로부터 유출되는 스트림(9a 내지 9d)의 체적 유량은 동일해야 한다.
제1 근사(approximation)로서, 가스들이 이상 기체에 가깝다고 전제하면, 각 스트림내 가스의 체적 유량은 스트림내 전체 몰 유량, 즉 반응 가스 몰 유량과 캐리어 가스 몰 유량의 합에 정비례한다. 따라서, 동일한 전체 몰 유량 및 동일한 속도를 갖는 스트림을 제공하기 위해, 공급원(7d)에 의해 유입구(8d)에 공급되는 캐리어 가스 몰 유량은 공급원(7a)에 의해 유입구(8a)에 공급되는 캐리어 가스 몰 유량보다 커야 한다. 유입구(8d)에 공급되어 스트림(9d)에 통합되는 큰 캐리어 가스 유량은, 반응 가스 공급원(6a)에 의해 유입구(8a)에 제공되는 것에 비해서 작은 반응 가스 공급원(6d)으로부터의 반응 가스 유량을 상쇄한다.
달리 말하면, 다양한 스트림은 동일한 전체 체적 유량을 갖지만 상이한 반응 가스 농도를 갖는다. 최대 영역(10a)에 부딪히는 스트림(9a)이 최고 반응 가스 유량 및 최저 캐리어 가스 유량을 갖는 반면, 최소 영역(10d)에 부딪히는 스트림(9d)은 최저 반응 가스 농도 및 최고 캐리어 가스 유량을 갖는다.
이러한 배치는 도 1에서 막대(bar)(13a 내지 13d) 그래프로 도시된다. 막대(13d)의 전체 길이(C)는 유입구(8d)로부터 유출되는 스트림(9d)의 전체 몰 유량 또는 체적 유량을 나타낸다. 이 막대의 검은 부분의 길이는 스트림 내의 반응 가스 몰 유량(va)을 나타내는 반면, 막대의 흰 부분은 동일 스트림(9d) 내의 캐리어 가스 몰 유량(ia)을 나타낸다. 막대(13a, 13b, 13c)는 마찬가지로 각각 스트림(9a, 9b, 9c)의 조성 및 유량을 나타낸다. 전체 막대(13)의 총 길이(C)는 동일하지만, 막대(13a, 13b, 13c)는 스트림(9c, 9b, 9a)에서 점차 큰 반응 가스 몰 유량(vc, vb, va) 및 점차 작은 캐리어 가스 몰 유량(ic, ib, ia)을 나타낸다. 반응 가스의 농도는 상이하지만 전체 스트림 속도는 동일하게 다양한 스트림(9a-9d)을 공급함으로써, 시스템은 난류를 방지하고 속도가 상이한 스트림에 의해 생성될 기타 유동 불균일성을 방지하지만, 처리 표면의 다양한 영역에 단위 면적당 실질적으로 동일한 반응 가스 몰 유량을 공급한다.
따라서, 처리 표면(18)의 모든 부분에서의 웨이퍼(3)의 노출 표면은 단위 면적당 단위 시간당 실질적으로 동일한 양의 반응 가스를 수용한다. 따라서, 반응은 노출된 웨이퍼 표면(3) 전체에 걸쳐서 실질적으로 균일한 속도로 진행된다. 예를 들어, 반응이 에피택셜 성장과 같은 층의 증착을 수반하는 경우, 증착된 층은 다양한 노출 표면에서 실질적으로 균일한 속도로 성장한다.
시스템은 단위 시간당 단위 표면적당 동일하지 않은 양의 반응 가스를 송출하도록 변화될 수 있다. 예를 들어, 반응기 내의 가스 유동 패턴은 처리 표면 또는 그 근처에서 반경방향 외측 방향으로의 일부 유동을 포함할 수 있다. 그러한 유동은 일부 미반응 가스를 최내측 영역(10d)으로부터 최외측 영역(10a)으로 운반할 수 있다. 이 효과를 상쇄하기 위해, 가스 공급원은 단위 시간당 정확히 동일한 반응 가스 유동을 달성하기 위해 필요한 것 이상으로 최내측 스트림(9d) 내의 반응 가스 농도를 증가시킴으로써 최내측 영역에 약간 더 많은 반응 가스를 이송하도록 조절될 수 있다. 이 경우, 반응 가스 유동 및 반응 가스 농도는 축(14)으로부터의 반경방향 거리에 정확히 비례하지 않을 것이다. 그러나, 시스템은, 상이한 반경방향 위치에서 속도는 실질적으로 균일하지만 반응 가스 농도는 동일하지 않은 하향 또는 축방향으로 유동하는 가스 커튼을 제공하기 위해, 농도는 상이하지만 속도는 동일한 복수의 가스 스트림을 사용한다.
다른 변형예에서, 최외측 유입구(8a)로부터의 가스 스트림내의 반응 가스 농도는 100%일 수 있으며, 따라서 최외측 영역에 부딪히는 하향-유동 가스는 캐리어 가스를 전혀 갖지 않는 완전히 반응 가스로 구성된다. 이 예에서, 유입구(8a)와 연관된 캐리어 가스 공급원(7a)은 생략될 수 있다. 또한, 전술한 원리는 보다 많거나 적은 가스 유입구가 보다 많거나 적은 영역으로 향하는 경우에 적용될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된, 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치에서, 가스 스트림 유입구는 도 1을 참조하여 전술했듯이 회전축의 한쪽에 있는 반경방향 평면에 배치되지 않는다. 대신에, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서, 최외측 가스 유입구(108a)는 기판 캐리어(102)의 회전축(114)의 한쪽에 축으로부터 긴 반경방향 거리에 배치되는 반면, 다음 가스 유입구(108b)는 축(114)의 반대쪽에 그러나 축으로부터 보다 짧은 반경방향 거리에 놓인다. 축(114)으로부터 보다 짧은 반경방향 거리에 있는 유입구(108c, 108d)는 또한 공통 직경(219)을 따라 축의 반대쪽에 놓인다(도 3). 여기서 다시, 상이한 가스 스트림(109a-109d)은 상이한 면적을 갖는 처리 표면(118)의 상이한 영역에 부딪힌다. 캐리어 가스 공급원(107a-107d)으로부터의 캐리어 가스와 반응 가스 공급원(106a-106d)으로부터의 반응 가스는, 반응 가스 농도 및 유량은 상이하지만 속도는 동일한 가스 스트림(109a-109d)을 제공하도록 전술한 것과 동일한 방식으로 선택된다. 추가 변형예에서, 가스 유입구는 중심축의 각 측부에 한 세트씩 두 개의 완전한 세트로서 제공될 수 있는 바, 각각의 그러한 세트는 가스를 처리 표면의 모든 영역으로 지향시키도록 되어 있는 가스 유입구의 완전한 보완물(complement)을 포함한다. 두 세트 이상의 가스 유입구가 제공될 수 있는 바, 예를 들면 네 세트의 가스 유입구가 두 직경에 배치될 수 있다. 추가 변형예(도 4)에서는, 다양한 가스 유입구(36a-36d)가 상이한 반경(17a-17d)을 따라서, 중심축(114)으로부터 상이한 반경방향 거리에 분포될 수 있다.
전술한 장치에서, 각각의 가스 스트림은, 혼합 가스를 반응 챔버에 도입하기 전에 캐리어 가스와 반응 가스를 혼합함으로써 형성된다. 그러나, 이것은 필수적인 것은 아니다. 도 5a 및 도 5b의 장치에서, 최내측 가스 유입구(208d)는 반응기 상벽(216)을 통해서 개방되는 두 개의 개별 포트, 즉 반응 가스 포트(230d) 및 캐리어 가스 포트(232d)를 구비한다. 반응 가스 포트(230d)는 반응 가스 공급원(206d)에 연결되고, 캐리어 가스 포트(232d)는 캐리어 가스 공급원(207d)에 연결된다. 포트(230d, 232d)는 포트(232d)를 통해서 도입되는 캐리어 가스와 포트(230d)를 통해서 도입되는 반응 가스가 반응 챔버(201)의 내부에 진입한 직후에 상호 병합되도록 상호 인접하게 배치되며, 처리 표면(218)의 연관 영역으로 하향 통과하는 혼합 가스 스트림을 형성한다. 다른 유입구(208a-208c)의 각각은 유사한 쌍의 포트로 구성되며, 동일한 방식으로 작동한다.
도 5a 및 도 5b의 장치는 또한 반응 챔버(201) 내에서 상벽(216)과 처리 표면 사이에 장착되는 다공성 판(215)을 구비한다. 그 내용이 본원에 참조로 인용되는 미국 특허 제6,197,121호에 보다 자세히 개시되어 있듯이, 그러한 다공성 판은 예를 들어, 냉매 도관 세트에 의해 지지되는 와이어 메쉬 스크린을 구비할 수 있다. 다공성 판은 상벽(216)을 향하는 상류측 또는 유입구측을 가지며, 기판 캐리어(202)를 향하는(도 5a의 바닥을 향하는) 하류측을 갖는다. 다공성 판(215)은 상벽으로부터 간격을 두고 있다. 유입구(208a-208d)의 근처에서 상벽(216)과 다공성 판(215) 사이에서 배리어 벽(250)의 세트가 연장된다. 배리어 벽(250)은 다공성 판의 상류 공간을 공간(254a-254d)으로 분할한다. 각각의 가스 유입구(208a-208d)는 하나의 그러한 공간으로 개방된다. 추가 벽(256)은 공간(254a-254d)을 다공성 판의 상류에 배치된 다른 공간(258)(도 5b)으로부터 분리한다.
작동에 있어서, 각각의 유입구를 통해서 제공되는 캐리어 가스 및 반응 가스는 그 유입구와 연관된 공간(254)내에서 혼합되며, 그러한 공간과 정렬된 다공성 판의 영역을 통과한다. 예를 들어, 포트(230d)로부터의 반응 가스와 포트(232d)로부터의 캐리어 가스를 포함하는, 유입구(208d)에 의해 제공되는 혼합 가스는 다공성 판(215)의 영역을 통해서 하류를 통과하고, 분사판의 하류측으로부터 처리 표면으로 스트림(209d)으로서 통과하며, 따라서 이 스트림은 주로 처리 표면(218)의 최내측 영역(210d)에 부딪힌다. 동일한 방식으로, 유입구(208c, 208b, 208a)로부터의 가스는 각각 공간(254c, 254b, 254a)에서 혼합되어, 처리 표면의 다른 영역에 부딪히는 스트림(209c, 209b, 209a)을 형성한다. 도시의 명료함을 위해 도 5a에서 각각의 스트림은 따로따로 도시되었으나, 실제로 스트림들은 반경방향으로 퍼져서 다공성 판(215)으로부터 처리 표면으로의 도중에 상호 병합된다. 여기서 다시, 각각의 가스 공급원에 의해 공급되는 캐리어 가스와 반응 가스의 유량은, 각 스트림(209)내의 전체 유량 및 각 스트림의 속도는 실질적으로 동일하지만 다양한 스트림내의 반응 가스의 농도가 동일하지 않도록 선택된다. 이러한 배치에서도, 캐리어 가스 및 반응 가스용의 추가적인 유입구(208') 세트가, 중심축(214) 주위의 원주방향으로 간격을 둔 다른 위치에 제공될 수 있다. 각각의 그러한 유입구 세트는 유입구(208a-208d)와 동일한 방식으로 배치된다. 또한, 성장 공정에 사용되는 다른 가스들이 추가 공간(258)에 연결된 추가 유입구(도시되지 않음)를 통해서 도입될 수 있다. 그러한 다른 가스는 공정의 다른 스테이지 동안에 캐리어 가스 및 반응 가스와 동시에, 또는 다른 시간에 도입될 수 있다.
도 1a 및 도 2를 참조하여 전술한 것과 같은 유입구와 더불어 유사한 다공성 판이 사용될 수 있다.
추가 실시예에 따른 장치(도 6)에서, 유입구를 구성하는 포트는 각각의 가스 스트림에서의 가스 양을 제어하도록 작용한다. 이 실시예에서, 최외측 가스 유입구(308a)는 반응 가스 포트(330a)와 캐리어 가스 포트(332a)를 구비하며, 다른 가스 유입구(308b, 308c, 308d)는 각각 유사한 포트 쌍을 구비한다. 여기에서 다시, 각각의 가스 유입구를 구성하는 포트들은 상호 인접하여 배치된다. 이들 포트는 공통 반경방향 라인(317)을 따라서 배치된다. 반응 가스 포트(330a, 330b, 330c, 330d) 전체는 반응 가스 공급원에 연결되는 공통 도관(306)에 연결되며, 따라서 반응 가스 포트 전체에는 실질적으로 동일한 압력의 반응 가스가 공급된다. 마찬가지로, 캐리어 가스 포트(332a, 332b, 332c, 332d) 전체는 캐리어 가스 공급원에 연결되는 공통 도관(307)에 연결되며, 따라서 캐리어 가스 포트 전체에는 실질적으로 동일한 압력의 캐리어 가스가 공급된다. 포트의 크기 및 포트의 유동 저항은 상이하다. 최외측 가스 유입구(308a)의 반응 가스 포트(330a)는 비교적 크고 유동 저항이 비교적 낮은 반면, 최외측 가스 유입구의 캐리어 가스 포트(332a)는 비교적 작아서 유동 저항이 크다. 따라서, 이들 포트 및 가스 유입구(308a)로부터 유출되는 가스 스트림은 많은 비율의 반응 가스와 적은 비율의 캐리어 가스를 포함할 것이다. 역으로, 최내측 가스 유입구(308d)의 반응 가스 포트(330d)는 비교적 작고 유동 저항이 큰 반면, 동일 유입구의 캐리어 가스 포트(332d)는 비교적 크고 유동 저항이 크다. 유입구(308d)로부터 유출되는 가스 스트림은 비교적 많은 비율의 캐리어 가스를 포함한다. 도 6을 참조하여 알 수 있듯이, 반응 가스 포트(330)의 크기는 축(314)으로부터 반경방향 외측 방향으로, 즉 처리 표면의 최소 영역으로부터 최대 영역으로의 방향으로 점차 증가하며, 따라서 반응 가스 포트의 유동 저항은 이 방향으로 점차 감소한다. 역으로, 캐리어 가스 포트의 유동 저항은 동일한 방향으로 점차 증가한다. 따라서 장치는, 실질적으로 동일한 전체 유량을 갖지만 상이한 반응 가스 농도를 가지며 처리 표면의 상이한 영역들에 부딪히는 가스 스트림(캐리어 가스 + 반응 가스)을 제공할 것이다. 전술한 여러 세트의 포트는 챔버의 둘레 주위에 복수의 전술한 스트림을 제공하기 위해 수많은 반경방향 라인을 따라서 제공될 수 있다.
추가 변형예(도 7)에서는, 개별 포트 및 유입구들이, 상부판(416)을 통해서 연장되는 캐리어 가스 통로(432)와 반응 가스 통로(430)로 대체된다. 이들 통로의 하류 단부(반응 챔버 내로 개방되는 통로의 단부)는 도 7에서 볼 수 있다. 이들 통로는 나란히 배치된다. 캐리어 가스 통로(432)는 캐리어 가스 도관(407)에 연결되고, 반응 가스 통로(430)는 반응 가스 도관(406)에 연결된다. 도관(407, 406)은 각각 캐리어 가스 공급원 및 반응 가스 공급원에 연결된다. 캐리어 가스 통로(432)는 축(414)으로부터 멀어지는 반경방향 외측 방향으로 점차 감소되는 폭(w432)을 갖는다. 따라서, 통로의 하류 방향(도 7에서의 도면의 평면 밖으로의 방향)으로의 캐리어 가스 유동에 대한 캐리어 가스 통로의 저항은 반경방향 외측 방향으로 점차 증가한다. 반응 가스 통로는 반경방향 외측 방향으로 점차 증가하는 폭(w430)을 가지며, 따라서 반응 가스의 하류 유동에 대한 반응 가스 통로의 저항은 반경방향 외측 방향으로 점차 감소한다. 작동에 있어서, 반응 가스 통로(430)의 반경방향 외측 부분을 통해서는 비교적 많은 양의 반응 가스가 통과하는 반면, 캐리어 가스 통로(432)의 반경방향 외측 부분을 통해서는 비교적 적은 양의 캐리어 가스가 통과한다. 역으로, 이들 통로의 반경방향 내측 부분을 통해서는 적은 양의 반응 가스와 많은 양의 캐리어 가스가 통과한다. 캐리어 가스와 반응 가스는 하류(도 7에서의 도면의 평면 밖으로의 방향)로 이동하는 가스 스트림을 형성하도록 병합되며, 그러한 가스 스트림은 단위 반경방향 거리당 실질적으로 일정한 전체 유량과 모든 반경방향 위치에서 실질적으로 일정한 속도를 갖지만, 반경방향 외측 방향으로는 점차 증가하는 반응 가스 농도를 갖는다.
도 8에 도시된 본 발명의 추가 실시예에 따른 반응기는, 도 7을 참조하여 전술한 통로와 마찬가지로 반응 가스 통로(530)와 캐리어 가스 통로(532)를 갖는다. 그러나 도 8의 반응기에서, 통로는 그 반경방향 길이에 걸쳐서 일정한 폭을 갖는다. 반응 가스 통로(530)에는, 축(514)으로부터 반경방향 외측 방향으로 점차 다공성이 증가하는 메쉬 또는 다른 다공성 구조물(531)이 충전된다. 따라서, 반응 가스의 하류 유동에 대한 통로(530)의 저항은 반경방향 외측 방향으로 감소한다. 캐리어 가스 통로(532)에는, 반경방향 외측 방향으로 점차 다공성이 감소하고 따라서 점차 유동 저항이 증가하는 다공성 구조물(533)이 충전된다. 최종적인 효과(net effect)는 도 7을 참조하여 기술된 것과 동일하다. 통로의 다른 특징들은, 통로의 반경방향 길이를 따라서 유사한 유동 저항 편차를 달성하기 위해 변화될 수 있다. 예를 들어, 통로는 다양한 반경방향 위치에 배치되는 배플 또는 부분 장애물을 구비할 수 있다. 또 다른 변형예에서, 각각의 통로는 그 내측 에지와 외측 에지에서 통로의 하류 방향으로 상이한 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 통로가 판을 통해 연장되는 경우, 판의 두께는, 반경방향으로의 통로 길이 및 통로의 유동 저항을 변경하기 위해 반경방향으로 변화될 수 있다.
본원의 발명은 특정 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 이들 실시예는 본 발명의 원리 및 용례를 단지 예시하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 예시된 실시예에 대한 수많은 변형예가 있을 수 있으며, 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다른 구성이 안출될 수 있음을 알아야 한다.
본 발명은 전자기기 제조 산업에 적용될 수 있으며, 그 위에서의 재료의 에 피택셜 성장을 통한 다수의 전자 부품 제조가 요구되는 경우에 적용될 수 있다. 본 발명은 예를 들어, 전자 부품용 실리콘 웨이퍼 상에서의 재료의 에피택셜 성장을 위한 수직 디스크 반응기에 적용될 수 있다.

Claims (30)

  1. 기판을 처리하기 위한 반응기로서,
    반응 챔버와,
    상기 반응 챔버 내에서 축을 중심으로 회전하도록 장착되어, 하나 이상의 기판이 장착될 수 있는 기판 캐리어로서, 상기 기판 캐리어는 상기 축에 수직인 처리 표면을 지니며, 상기 처리 표면은 면적이 상이한 복수 개의 환형 영역을 포함하는 것인 기판 캐리어,
    상기 반응 챔버에 연결되는 복수 개의 가스 유입구와,
    상기 유입구에 연결되는 하나 이상의 반응 가스 공급원과 상기 유입구 중 하나 이상에 연결되는 하나 이상의 캐리어 가스 공급원
    을 포함하며,
    상기 가스 공급원과 상기 유입구는 각각의 유입구가 가스 스트림을 상기 반응 챔버 내로 상기 기판 캐리어를 향하여 상기 기판 캐리어의 회전축에 평행한 유동 방향으로 지향시키도록 구성 및 배치되고, 상기 유입구는 상기 각 가스 스트림이 상기 처리 표면의 상이한 영역에 부딪히도록 배치되며,
    상기 하나 이상의 반응 가스 공급원과 상기 하나 이상의 캐리어 가스 공급원은 상기 복수 개의 가스 유입구에 의해 지향된 다양한 스트림이 상이한 반응 가스의 농도와 상이한 반응 가스의 질량 유량을 지니지만 동일한 전체 스트림 속도(total stream velocity)를 지니도록 구성되고,
    상기 가스 공급원은 각 가스 스트림의 반응 가스 질량 유량이 처리 표면에서 각 가스 스트림이 부딪히는 영역의 면적에 비례하도록 배치되는 것인 반응기.
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  3. 제1항에 있어서, 상기 유입구 및 상기 가스 공급원은, 상기 가스 스트림 중 제1 가스 스트림이 상기 영역 중 제1 면적을 갖는 제1 영역에 부딪히고, 상기 가스 스트림 중 제2 가스 스트림이 상기 영역 중 상기 제1 면적보다 큰 제2 면적을 갖는 제2 영역에 부딪히도록 배치되고, 그리고 상기 하나 이상의 반응 가스 공급원과 상기 하나 이상의 캐리어 가스 공급원은, 상기 가스 스트림 중 상기 제2 가스 스트림이 상기 제1 가스 스트림의 반응 가스 질량 유량보다 큰 반응 가스 질량 유량을 갖도록 구성되어 있는 것인 반응기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 유입구는 상기 축으로부터 상이한 반경방향 거리에 배치되어 있는 것인 반응기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 유입구는 상기 가스 스트림을 공통 평면을 따라 지향시키도록 배치되며, 상기 공통 평면은 상기 축으로부터 반경방향으로 연장되는 것인 반응기.
  8. 제1항에 있어서, 상류 면 및 하류 면을 갖는 분사판을 더 포함하며, 상기 분사판은 적어도 부분적으로 다공성이고, 상기 분사판은 상기 유입구로부터 상기 기판 캐리어로 통과하는 가스가 상기 분사판을 통해서 상기 하류 면으로 유동하고 상기 하류 면으로부터 상기 기판 캐리어를 향하여 유동하도록 상기 상류 면이 상기 유입구와 마주하는 상태에서 상기 유입구와 상기 기판 캐리어 사이에서 상기 챔버 내에 배치되어 있는 것인 반응기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 유입구 중 하나 이상은, 하나 이상의 상기 반응 가스 공급원 중 하나에 연결되는 반응 가스 포트와, 하나 이상의 상기 캐리어 가스 공급원 중 하나에 연결되는 캐리어 가스 포트를 구비하며, 이들 포트는 상기 반응 가스 포트를 통해서 도입된 반응 가스와 상기 캐리어 가스 포트를 통해서 도입된 캐리어 가스가 혼합되어 상기 분사판의 상기 하류 면으로부터 배출되는 혼합 가스 스트림을 형성하도록 상기 챔버쪽으로 개방되어 있는 것인 반응기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 유입구 중 하나 이상은, 상기 챔버쪽으로 개방되고 하나 이상의 상기 반응 가스 공급원 중 하나에 연결되며 하나 이상의 상기 캐리어 가스 공급원 중 하나에도 또한 연결되는 공통 포트를 구비하는 것인 반응기.
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