KR101217171B1 - 화학기상 증착장치 및 방법 - Google Patents

화학기상 증착장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

기판을 지지하는 서셉터가 전면적에 대하여 균일한 온도로 가열되도록 한 화학기상 증착장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 화학기상 증착장치는 내부로 공정가스가 공급되는 챔버와, 상기 챔버의 내부에 배치되어 기판을 지지하는 서셉터와, 복수개로 분리되어 상기 서셉터 전체면적에 대응되도록 배치되며, 각각 별도의 고주파전원을 공급받아 상기 서셉터를 가열하는 고주파코일을 포함할 수 있다.

Description

화학기상 증착장치 및 방법{Apparatus and method for chemical vapor deposition}
본 발명은 화학기상 증착장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Ⅲ-V족 재료를 이용하여 기판 상에 결정층을 형성하는 데 사용되는 화학기상 증착장치 및 방법에 관한 것이다.
질화물 재료는 발광소자를 제조하기 위한 재료로 가장 잘 알려져 있다. 질화물 재료를 이용한 발광소자의 적층 구조는 일반적으로 사파이어와 같은 기판 상에 GaN 결정으로 이루어지는 버퍼층과, n형 GaN 결정으로 이루어지는 n형 도핑층과, InGaN 으로 이루어지는 활성층과, p형 GaN으로 형성되는 p형 도핑층이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 이러한 각 결정층은 화학기상 증착장치에 의해 차례로 적층된다.
일반적인 화학기상 증착장치는 챔버, 챔버의 내부로 공정가스를 분사하는 샤워헤드, 샤워헤드에 대향되어 기판을 지지하는 서셉터, 서셉터의 내부에 설치되어 서셉터를 가열함으로써 기판이 가열되도록 하는 가열기를 포함한다.
이러한 화학기상 증착장치는 챔버의 내부로 공정가스가 공급되고, 챔버의 내부에 지지되는 기판이 가열됨으로써, 공정가스에 포함되는 원료물질이 기판 표면에서 화학적으로 반응하여 결정층이 형성되도록 한다.
이때, 기판은 원료가스와 원활하게 화학적으로 반응할 수 있는 온도로 가열되어야 한다. 기판은 결정층의 재료에 따라 작게는 낮게는 700℃, 높게는 1200℃에 도달해야 한다. 결정층의 두께가 균일하게 증착되기 위해서 기판은 전면적에 대하여 균일한 온도로 가열되어야 한다.
하지만, 가열기에 의해 가열되는 서셉터가 전면적에 대해 균일한 온도로 가열되지 못한다면, 기판 상에 증착되는 결정층이 균일한 두께로 형성되지 않아 결정층의 품질이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제점은 발광소자 전체의 품질을 저하시키는 문제점으로 작용할 수 있다.
본 발명의 목적은 기판을 지지하는 서셉터가 전면적에 대하여 균일한 온도로 가열되도록 한 화학기상 증착장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 화학기상 증착장치는 내부로 공정가스가 공급되는 챔버와, 상기 챔버의 내부에 배치되어 기판을 지지하는 서셉터와, 복수개로 분리되어 상기 서셉터 전체면적에 대응되도록 배치되며, 각각 별도의 고주파전원을 공급받아 상기 서셉터를 가열하는 고주파코일을 포함할 수 있다.
상기 고주파코일은 상기 서셉터의 중앙부에 대응되는 위치에 배치되는 제 1고주파코일과, 상기 서셉터의 테두리부에 대응되는 위치에 배치되는 제 2고주파코일로 분리될 수 있다.
상기 제 1고주파코일과 상기 제 2고주파코일은 상기 서셉터와 동심을 이룰 수 있다.
상기 화학기상 증착장치는 상기 제 1고주파코일과 상기 제 2고주파코일로 각각 서로 다른 주파수의 고주파전원을 공급하는 듀얼 고주파전원발전기와, 상기 듀얼 고주파전원발전기와 상기 제 1고주파코일에 연결되어 상기 듀얼 고자파전원발전기로부터 발생되는 고주파전원을 상기 제 1고주파코일에 매칭시키는 제 1메칭박스와, 상기 듀얼 고주파전원발전기와 상기 제 2고주파코일에 연결되어 상기 듀얼 고자파전원발전기로부터 발생되는 고주파전원을 상기 제 2고주파코일에 매칭시키는 제 2매칭박스를 더 포함할 수 있다.
상기 듀얼 고자파전원발전기는 상기 제 1고주파코일로 공급되는 고주파전원보다 높은 주파수의 고주파전원을 상기 제 2고주파코일로 공급할 수 있다.
상기 고주파코일은 상기 서셉터의 면적, 상기 서셉터에 지지되는 상기 기판의 배치, 상기 서셉터에 지지되는 상기 기판의 개수에 따라 분리될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 화학기상 증착방법은 서셉터의 중앙부에 대응되는 위치에 배치되는 제 1고주파코일로 공급되는 고주파전원과, 상기 서셉터의 테두리부에 대응되는 위치에 배치되는 제 2고주파코일로 공급되는 고주파전원을 각각 다른 주파수로 출력한다.
상기 화학기상 증착방법은 상기 제 1고주파코일로 공급되는 고주파전원보다 상기 제 2고주파코일로 공급되는 고주파전원의 주파수를 높게 출력할 수 있다.
본 발명에 따른 화학기상 증착장치 및 방법은 서셉터의 열 분포가 균일하여 기판 상에 증착되는 결정층의 두께가 균일하게 증착되므로, 결정층의 품질이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 화학기상 증착장치를 간략하게 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 실시에에 따른 화학기상 증착장치 중 고주파전원의 배치상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 화학기상 증착방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 실시예에 따른 화학기상 증착장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 실시예에 따른 화학기상 증착장치를 간략하게 나타낸 단면도이며, 도 2는 본 실시에에 따른 화학기상 증착장치 중 고주파전원의 배치상태를 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 화학기상 증착장치(100)는 챔버(110)를 포함한다. 도시되지 않았지만, 챔버(110)에는 기판(10)이 반입 및 반출될 수 있도록 리드, 도어, 게이트벨브 등과 같은 개폐수단이 설치될 수 있다.
챔버(110)의 상부에는 챔버(110)로 공급되는 공정가스가 챔버(110)의 내부로 균일하게 분사되도록 하는 샤워헤드(120)가 설치된다. 공정가스는 원료물질이 기화된 원료가스와, 원료가스를 운반하는 캐리어가스를 포함할 수 있다. 공정가스로는 Ⅲ족 가스인 트리메탈갈륨(Trimethyl-gallium;TMGa), 트리메탈인듐(Trimethyl-Indium;TMI), 트리메탈알루미늄(Trimethyl-aluminium;TMA) 가스 중 어느 하나, 또는 Ⅴ족 가스인 암모니아(NH3) 가스를 사용할 수 있다.
챔버(110)의 내부에는 샤워헤드(120)에 대향되는 서셉터(130)가 배치된다. 서셉터(130)는 기판(10)이 평탄하게 지지되도록 평판의 형태로 마련된다. 서셉터(130)의 상부면에는 기판(10)이 안정적으로 지지될 수 있도록 하는 기판수용홈(131)이 형성된다. 기판수용홈(131)은 서셉터(130)에 복수개의 기판(10)이 함께 지지될 수 있도록 복수개로 형성될 수 있다.
이러한 서셉터(130)는 회전축(140)에 의해 지지된다. 회전축(140)은 도시되지 않은 벨트와 같은 동력전달장치에 의해 회전모터에 의해 회전됨으로써 서셉터(130)가 회전되도록 한다. 이와 같이 서셉터(130)는 복수개의 기판(10)에 증착되는 결정층이 동일한 두께로 형성될 수 있도록 회전가능하게 구성된다.
한편, 본 실시예에 따른 화학기상 증착장치(100)는 기판(10)이 원료물질과 화학적으로 반응할 수 있는 온도에 도달할 수 있도록 서셉터(130)를 가열하는 가열기(200)를 포함한다.
가열기(200)는 서셉터(130)의 하측에 배치되는 고주파코일(210)을 포함한다. 고주파코일(210)은 제 1고주파코일(211)과 제 2고주파코일(212)로 분리될 수 있다. 제 1고주파코일(211)과 제 2고주파코일(212)은 서셉터(130)와 동심원을 이루는 형태로 마련된다. 제 1고주파코일(211)은 서셉터(130)의 중앙부에 대응되는 위치에 배치된다. 제 2고주파코일(212)은 서셉터(130)의 테두리부에 대응되는 위치에 배치된다.
가열기(200)는 제 1고주파코일(211)과 제 2고주파코일(212)로 공급되는 고주파전원을 발생시키는 듀얼 고주파전원발전기(220)를 포함한다. 듀얼 고주파전원발전기(220)는 서로 다른 주파수의 고주파전원을 발생시켜, 서로 다른 주파수의 고주파전원이 제 1고주파코일(211)과 제 2고주파코일(212)로 각각 공급되도록 한다.
이와 함께 듀얼 고주파전원발전기(220)와 제 1고주파코일(211)의 사이, 듀얼 고주파전원발전기(220)와 제 2고주파코일(212)의 사이에는 제 1매칭박스(231)와 제 2매칭박스(232)가 각각 설치된다. 제 1매칭박스(231)는 듀얼 고주파전원발전기(220)로부터 발생되는 고주파전원이 제 1고주파코일(211)에 매칭되도록 한다. 제 2매칭박스(232)는 듀얼 고주파전원발전기(220)로부터 발생되는 고주파전원이 제 2고주파코일(212)에 매칭되도록 한다.
제 1고주파코일(211)은 서셉터(130)의 중앙부에 대응되는 위치에 배치되고, 제 2고주파코일(212)은 서셉터(130)의 테두리부에 대응되는 위치에 배치됨에 따라, 제 2고주파코일(212)에 의해 가열되는 서셉터(130)의 면적은 제 1고주파코일(211)에 의해 가열되는 서셉터(130)의 면적에 비해 클 수 있다.
따라서, 듀얼 고주파전원발전기(220)는 제 1고주파코일(211)로 공급되는 고주파전원의 주파수보다 제 2고주파코일(212)로 공급되는 고주파전원의 주파수를 높게 발생시켜 제 2고주파코일(212)에 의해 발생되는 유도열의 온도를 더 높게 발생시킬 수 있다.
이와 같이, 고주파코일(210)은 제 1고주파코일(211)과 제 2고주파코일(212)로 분리되고, 제1 고주파코일(211)로 공급되는 고주파전원과 제 2고주파코일(212)로 각각 다른 주파수를 가질 수 있다. 이에 따라 서셉터(130)의 중앙부와 서셉터(130)의 테두리부의 온도를 각각 개별 조절함으로써, 서셉터(130)는 전면적에 대하여 균일한 온도로 가열될 수 있다.
상술된 설명에서, 고주파코일(210)은 서셉터(130)의 중앙부와 서셉터(130)의 테두리부에 각각 대응되는 제 1고주파코일(211)과 제 2고주파코일(212)로 분리되는 것으로 설명하고 있다. 상술된 고주파코일(210)의 개수 및 배치는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것으로 이해해서는 아니되며, 고주파코일(210)의 개수 및 배치는 서셉터(130)의 면적, 서셉터(130)에 지지되는 기판(10)의 개수, 서셉터(130)에 지지되는 기판(10)의 배치에 따라 얼마든지 변경 실시 될 수 있을 것이다.
이하, 본 실시예에 따른 화학기상 증착방법에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 본 실시예에 따른 화학기상 증착방법을 나타낸 순서도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 기판(10)은 챔버(110)의 내부로 반입되어 서셉터(130)에 지지된다. 이때, 한번의 증착공정으로 복수개의 기판(10)에 동일한 결정층을 형성할 수 있도록, 서셉터(130)에는 복수개의 기판(10)이 함께 지지될 수 있다.(단계;S10)
이와 같이 서셉터(130)에 기판이 안착되면, 샤워헤드를 통해 챔버(110)의 내부로 공정가스가 공급된다. 이와 함께, 서셉터(130)를 회전시키며, 기판(10)이 공정가스에 포함되는 원료가스와 화학적으로 반응할 수 있는 온도에 도달할 수 있도록 가열기(200)는 서셉터(130)를 가열한다.
즉, 듀얼 고주파전원발전기(220)는 서로 다른 주파수의 고주파전원을 발생시킨다. 서로 다른 주파수의 고주파전원은 서셉터(130)의 중앙부에 대응되도록 배치되는 제 1고주파코일(211)과 서셉터(130)의 테두리부에 대응되도록 배치되는 제 2고주파코일(212)로 각각 공급된다.
이때, 제 2고주파코일(212)에 의해 가열되는 서셉터(130)의 면적은 제 1고주파코일(211)에 의해 가열되는 서셉터(130)의 면적보다 크므로, 제 2고주파코일(212)로 공급되는 고주파전원은 제 1고주파코일(211)로 공급되는 고주파전원보다 높은 주파수로 출력된다.(단계;S20)
듀얼 고주파전원발전기(220)로부터 출력되어 제 1고주파코일(211)로 공급되는 고주파전원은 제 1매칭박스(231)를 거치면서 제 1고주파코일(211)에 매칭되며, 듀얼 고주파전원발전기(220)로부터 출력되어 제 2고주파코일(212)로 공급되는 고주파전원은 제 2매칭박스(232)를 거치면서 제 2고주파코일(212)에 매칭된다.
이와 같이 서로 다른 주파수를 가지는 고주파전원이 제 1고주파코일(211)과 제 2고주파코일(212)로 각각 공급됨에 따라 서셉터(130)의 전면적은 균일한 온도로 가열될 수 있다. 서셉터(130)에 지지되는 기판(10)은 서셉터(130)로부터 전도되는 열에 의해 가열된다. 기판(10)으로 공급되는 원료물질은 기판(10)의 표면에 화학적으로 반응하여 결정층을 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 화학기상 증착방법은 복수개의 고주파코일(210)로 인가되는 고주파전원의 주파수를 조절함으로써 서셉터(130)의 전면적에 대해 균일한 열 분포를 형성할 수 있다.
따라서, 기판(10)은 전면적에 대하여 균일한 온도로 가열되므로, 기판(10)에 증착되는 결정층의 두께가 균일하게 형성되어 결정층의 품질을 향상시킬 수 있다.
100 : 화학기상 증착장치 110 : 챔버
120 : 샤워헤드 130 : 서셉터
210 : 고주파코일 211 : 제 1고주파코일
212 : 제 2고주파코일 220 : 듀얼 고주파전원발전기
231 : 제 1매칭박스 232 : 제 2매칭박스

Claims (8)

  1. 내부로 공정가스가 공급되는 챔버와,
    상기 챔버의 내부에 배치되어 기판을 지지하는 서셉터와,
    상기 서셉터의 중앙부에 대응되는 위치에 배치되어 상기 서셉터의 중앙부를 가열하는 제 1고주파코일과,
    상기 서셉터의 테두리부에 대응되는 위치에 배치되어 상기 서셉터의 테두리부를 가열하는 제 2고주파코일과,
    상기 제 1고주파코일과 상기 제 2고주파코일로 서로 다른 주파수의 고주파전원을 공급하는 듀얼 고주파전원발생기를 포함하고,
    상기 듀얼 고주파전원발생기는 상기 제 1고주파코일과 상기 듀얼 고주파전원발생기에 연결되어 상기 듀얼 고주파전원발생기로부터 발생되는 고주파전원을 상기 제 1고주파코일에 매칭시키는 제 1매칭박스와, 상기 제 2고주파코일과 상기 듀얼 고주파전원발생기에 연결되어 상기 듀얼 고주파전원발생기로부터 발생되는 고주파전원을 상기 제 2고주파코일에 매칭시키는 제 2매칭박스를 포함하되, 상기 제 2고주파코일은 상기 제 1고주파코일로 공급되는 고주파전원보다 높은 주파수의 고주파전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 화학기상 증착장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1고주파코일과 상기 제 2고주파코일은 상기 서셉터와 동심을 이루는 것을 특징으로 하는 화학기상 증착장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 1, 2고주파코일은
    상기 서셉터의 면적, 상기 서셉터에 지지되는 상기 기판의 배치, 상기 서셉터에 지지되는 상기 기판의 개수에 따라 분리되는 것을 특징으로 하는 화학기상 증착장치.
  7. 챔버의 내부에 기판을 지지하고, 상기 기판을 지지하는 서셉터를 고주파를 이용하여 유도가열하면서 상기 챔버의 내부로 공정가스를 공급하여 상기 기판에 결정층을 형성하는 화학기상 증착방법에 있어서,
    상기 서셉터의 중앙부에 대응되는 위치에 배치되는 제 1고주파코일로 공급되는 고주파전원보다 상기 서셉터의 테두리부에 대응되는 위치에 배치되는 제 2고주파코일로 공급되는 고주파전원의 주파수를 더 높게 출력하되, 상기 제 1, 2고주파코일로 각각 공급되는 고주파전원은 듀얼 고주파전원발생기에 연결된 제 1, 2매칭박스를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 화학기상 증착방법.
  8. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2003234170A (ja) * 2002-02-08 2003-08-22 Hitachi Zosen Corp 誘導加熱用コイル

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