KR101234151B1 - Ｒｆ-가열식 프로세스 챔버를 가지는 화학기상증착 반응기 - Google Patents

Ｒｆ-가열식 프로세스 챔버를 가지는 화학기상증착 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 기판 특히, 결정상에 결정 코팅을 증착하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 전기적 전도성을 가지며 단부-대-단부 방식으로 배치되어 접촉부(2', 2", 3', 3")를 형성하는 다수의 벽 부재(1, 2, 3, 4)에 의해 형성되는 처리 챔버(5), 상기 프로세스 챔버 벽 부재(1, 2, 3, 4)를 수용하고 전기적 절연 물질로 구성되는 반응기 하우징(6), 그리고 상기 처리 챔버의 벽 부재(1, 2, 3, 4)를 둘러싸는 RF 가열 코일을 포함한다. 본 발명은 반응기 하우징(6)과 벽(1, 2, 3, 4) 사이에 배치되는 하나의 피스(piece)인 차폐 가열 파이프(8)를 포함한다. 상기 파이프의 물질은 RF 코일에 의해 생성된 RF 필드에 의해 유도된 맴돌이 전류에 의해 가열될 수 있도록 하는 방식으로 전기적으로 전도성을 가지며, 상기 맴돌이 전류는 RF 필드를 상당히 흡수하며 상기 처리 챔버의 벽(1, 2, 3, 4)을 가열한다.

Description

ＲＦ-가열식 프로세스 챔버를 가지는 화학기상증착 반응기{CVD REACTOR COMPRISING AN RF-HEATED TREATMENT CHAMBER}
본 발명은 하나 이상의 기판상에 특히, 결정 기판상에 층, 특히 결정 층을 증착하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 전기적 전도성을 가지며 서로에 대해 결합되어 터치 접촉부(touching contacts)를 형성하는 다수의 벽 부재에 의해 형성되는 프로세스 챔버를 포함하고, 상기 프로세스 챔버 벽 부재를 수용하고 전기적 절연 물질로 구성되는 반응기 하우징을 포함하며, 그리고 상기 프로세스 챔버 벽 부재를 둘러싸는 RF 가열 코일을 포함한다.
그러한 장치가 DE 100551852 A1에 개시되어 있다. 이러한 장치는 내부에 프로세스 챔버가 위치되는 석영 튜브를 포함한다. 프로세스 챔버 벽은 다수의 그라파이트 부재, 즉 상부, 두 개의 벽, 및 바닥부를 포함한다. 각각의 그라파이트 벽 부재는 서로에 대해서 터치 접촉상태로 결합된다. 이러한 공지된 장치는 RF 코일에 의해 둘러싸이며, 그 RF 코일은 반응기 하우징내에 RF 필드(field)를 생성한다. 상기 필드는 프로세스 챔버 벽내에 맴돌이 전류(eddy currents)를 생성한다. 각 벽 부재가 서로에 대해 결합된 영역에서의 접촉 저항의 결과로서, 국부적인 가열이 일어나는 경우가 있고 심지어는 스파크 방전이 일어나기도 한다.
본 발명의 목적은 프로세스 챔버내의 온도 프로파일(profile)을 보다 균질하게 할 수 있는 범용(generic) 장치를 개발하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위에 기재된 발명에 의해 달성된다.
원칙적으로, 종속항에 기재되어 있더라도, 모든 특허청구범위의 청구항들은 독립적인 해결책을 기재하고 또 청구하고 있다. 각 청구항은 어떠한 원하는 형태로도 서로 조합될 수 있을 것이다.
특허청구범위 제 1 항은 제 1 의 그리고 주요한 차폐(shielding) 및 가열 튜브를 제공한다. 이러한 튜브는 반응기 하우징 내부에 배치될 것이나, 프로세스 챔버의 외부에 배치될 수도 있을 것이며, RF 코일에 의해 생성된 RF 필드가 맴돌이 전류를 생성할 수 있도록 하는 방식으로 전기적으로 전도성을 가진다. 이러한 맴돌이 전류는 차폐 및 가열 튜브를 가열하기 위한 것이고 또 동시에 차폐 및 가열 튜브의 물질내에서도 가열이 실질적으로 동시에 발생하도록 종래 기술에서 인가되었던 맴돌이 전류의 일부만이 프로세스 챔버의 전기 전도성 벽들내에 유도되게 하는 방식으로 RF의 필드 강도를 감쇠(dampen)시키기 위한 것이다. 그 결과, 각 프로세스 챔버 벽 부재의 접촉 구역(contact zone)('접촉부' 또는 '터치 접촉부' 라고도 한다)들의 영역내에서 종래에 관찰되었던 국부적인 가열의 발생이 방지된다. 그 결과로서, 균질화된 온도 프로파일이 고온-벽 반응기의 프로세스 챔버 내부에서 얻어진다. 본 발명에 있어서, 차폐 및 가열 튜브가 그라파이트로 구성된다. 그 차폐 및 가열 튜브는 단일 부분을 포함하며 중실(solid) 상태이다. 선반(lathe)상에서 이미 회전(turned) 가공되어 원통형 형태를 가지는 중실 물질 부분을 예를 들어 보어 가공(boring)에 의해 제거함으로써 튜브가 제조될 수 있다. 차폐 및 가열 튜브의 벽 두께는 원하는 차폐 효과를 얻을 수 있도록 선택된다. 또한, 바람직하게, 차폐 및 가열 튜브의 내측 벽은 프로세스 챔버가 차폐 및 가열 튜브내에서 유지될 수 있도록 하는 프로파일링(profiling)을 가진다. 이러한 유지 수단은 노치 절개부 또는 차폐 및 가열 튜브의 내측 벽으로부터 방사상 내측으로 돌출한 돌출부의 형태를 가질 수 있을 것이다. 프로세스 챔버의 상부 위쪽에 그리고 프로세스 챔버의 바닥부 아래쪽에, 한편으로는 프로세스 챔버 벽과의 사이에 그리고 한편으로는 차폐 및 가열 튜브와의 사이에 각각 공동(cavity)이 존재한다. 이러한 공동은 화학증착 프로세스가 완료되었을 때 전체 장치를 냉각시키는데 사용될 수 있을 것이다. 냉각은 예를 들어 냉각 가스를 도입함으로써 이루어질 수 있을 것이다. 그러나, 적절한 냉각 유체를 가지는 고체 바디들(solid bodies)이 냉각을 위해 이러한 공동내로 도입되게 할 수도 있을 것이다. 본 발명에 있어서, 프로세스 챔버의 바닥부가 분리가능한 로딩 플레이트를 구비할 수 있으며, 그러한 로딩 플레이트는 코팅될 기판이 놓이는 기판 홀더를 지지한다. 그러한 로딩 플레이트의 구성과 관련하여, DE 10055182 A1을 참조할 수 있을 것이며, 그 공보의 전체 내용은 본 출원에 포함된다. 예를 들어, 기판 홀더를 위한 회전 가스 쿠션(rotating gas cushion)을 생성하기 위해, 기판 홀더 하부에 배출구 노즐을 통해 배출되는 캐리어 가스가 도입되는 유동 채널이 특히, 프로세스 챔버 벽의 바닥부내에 제공된다.
이하에서는, 본 발명의 예시적인 실시예들이 첨부 도면을 참조하여 설명된다.
도 1 은 제 1 의 예시적인 실시예의 반응기 하우징의 단면도이다.
도 2 는 제 2 의 예시적인 실시예의 반응기 하우징의 단면도이다.
도 3 은 도 1 의 선 Ⅲ-Ⅲ을 따라 도시한 단면도이다.
도 4 는 도 1 에 따른 실시예로서, 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한 하우징의 단면도이다.
도 5 는 도 4의 Ⅴ부분을 도시한 상세도이다.
예시적인 실시예들에서 설명되는 장치들은 CVD(화학기상증착) 반응기들이며, 상기 반응기들은 프로세스 챔버(5)를 구비하며, 상기 프로세스 챔버내에서는 증착 프로세스가 이루어진다. 이러한 반응기들은 특히 Ⅲ-Ⅴ 또는 Ⅱ-Ⅵ 기판상에 Ⅲ-Ⅴ 또는 Ⅱ-Ⅵ 반도체 층을 증착하기 위한 CVD 반응기들이다. 반응 가스들이 가스 유입구(14)를 통해 프로세스 챔버(5)내로 도입되고, 상기 프로세스 챔버의 모든 측면이 가열된다. 바람직하게, 반응 가스들은 갈륨 염화물 또는 인듐 염화물과 같은 금속 염화물, 또는 아르신이나 포스핀과 같은 수소화물이다. 프로세스 챔버(5)내부의 열 분해(pyrolytic decomposition)의 결과로서, 결정 층이 기판상에 증착된다. 또한, 수소나 질소와 같은 적절한 캐리어 가스가 프로세스 챔버내로 도입된다.
특별한 가스 공급 라인(16)이 제공되며, 상기 가스 공급 라인을 통해 캐리어 가스, 예를 들어 수소가 프로세스 챔버의 바닥부(4; '바닥부 벽 부재' 라고도 한다)내로 도입된다. 이러한 가스 공급 라인(16)은 로딩 플레이트(13)가 있는 계단부(step)의 바닥부로 개방된다. 가스 공급 라인(16)의 입구는 환형 홈으로 둘러싸이며, 로딩 플레이트(13)의 바닥부상의 돌출부로서의 환형 시일(seal)(또한, '실링 수단'이라고도 함)이 상기 환형 홈내로 돌출된다. 결과적으로 생성된 환형 챔버로부터, 가스 공급 라인(16)을 통해 유동하는 가스가 얇은 가스 라인을 통해 로딩 플레이트(13)내의 리세스로 유동할 수 있으며, 상기 리세스내에서 기판 홀더(15)가 놓인다. 기판 홀더(15)는 원형이고 기판을 지지한다. 기판 홀더(15) 아래로 도입된 가스는 기판 홀더(15)의 회전 및 승강에 영향을 미치며, 그에 따라 그 기판이 가스 쿠션상에서 호버링(hover)된다.
로딩 플레이트(13)는 적절한 취급 장비에 의해 프로세스 챔버(5)로부터 분리될 수 있다. 이에 관한 구체적인 내용이 DE 10055182 A1에 개시되어 있다.
반응 챔버의 벽은 반응기 하우징(또는 '하우징 튜브'나 '석영 튜브'라고도 한다)(6)에 의해 형성된다. 이는 가스 유입구(14)의 영역내에서 폐쇄(closure) 플레이트(17)에 의해 폐쇄된다. 유사한 폐쇄 플레이트(도시 안 됨)가 가스 유입구 측에 제공된다.
RF 코일이 반응기 하우징(6) 둘레에 감긴다. 이러한 코일은 다수의 턴(turns)을 포함하며, 그러한 턴들은 서로에 대해 축방향으로 앞뒤에 놓여 프로세스 챔버의 축방향 부분이 RF 코일('RF 가열 코일'이라고도 한다)(7)에 의해서 생성되는 무선-주파수 필드의 영역내에 놓이게 된다.
반응기 하우징(6)의 내부에서, 차폐 및 가열 튜브(또한, '그라파이트 튜브'라고도 한다)(8)가 사실상 RF 코일(7)의 전체 길이에 걸쳐 연장한다. 이러한 차폐 및 가열 튜브(8)는 차폐 및 가열 튜브를 형성한다. 그 내부에서, RF 코일의 RF 필드는 맴돌이 전류를 생성하며, 그에 따라 차폐 및 가열 튜브(8)가 가열된다. 차폐 및 가열 튜브(8)는 작은 맴돌이 전류만이 프로세스 챔버 벽 부재(1, 2, 3, 4)내에 유도되어 프로세스 챔버가 실질적으로 열 복사에 의해 전체적으로 가열되도록 하는 방식으로 RF 필드의 댐핑을 추가적으로 일으키며, 상기 복사 열은 차폐 및 가열 튜브로부터 도입된다.
프로세스 챔버(5)는 위쪽의 상부('상부 벽 부재'라고도 한다)(1) 및 아래쪽의 바닥부(4)에 의해 둘러싸인다. 바닥부(4)의 둘레 부분상에는, 프로세스 챔버의 상부(1) 및 바닥부(4)에 각각 형상결합식으로(positively) 연결된 측면 부재('측면 벽 부재'라고도 한다)(2, 3)가 위치된다. 측면 부재(2, 3)들의 돌부(tongues)가 프로세스 챔버의 상부(1) 및 바닥부(4)의 대응 홈들에 결합된다. 이러한 영역들은 터치 접촉부(2', 2", 3' 및 3")를 형성한다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예의 경우에, 프로세스 챔버가 사각형 형태를 가지며, 그 폭은 높이 보다 상당히 크다. 바닥부(4)의 모서리 영역은 차폐 및 가열 튜브(8)의 내측 벽의 모서리 리세스(9)내에 놓인다. 이러한 모서리 리세스(9)의 반대쪽에는 프로세스 챔버의 상부(1)의 모서리를 둘러싸는 추가적인 모서리 리세스(10)가 위치된다. 프로세스 챔버 부재(1, 2, 3, 4)는 열 팽창에 대한 적절한 여유(play)가 존재하도록 모서리 리세스(9, 10)내에 위치된다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예의 경우에, 돌출부가 차폐 및 가열 튜브(8)의 내측 벽으로부터 돌출하고 유사하게 모서리 리세스(9)를 형성하며, 상기 모서리 리세스내에는 프로세스 챔버의 바닥부(4)의 모서리 영역이 위치된다.
중요한 요소는, 전기 전도성과 조합된, 그라파이트로 이루어진 차폐 및 가열 튜브의 방사상 두께이다. 이는, 국부적인 가열을 초래할 수 있는 고전압이 터치 접촉부(2', 2", 3', 3")내에서 생성되지 않도록 충분한 댐핑을 달성할 수 있을 정도로 커야 한다.
또 다른 이점은, 두 개의 지름방향으로 대향된 중공부(hollow)(11, 12)에 있으며, 그러한 중공부는 프로세스 챔버의 상부(1)의 위쪽에 그리고 바닥부(4)의 아래쪽에 각각 배치된다. 이러한 중공부(11, 12)는 냉각 단계에서 냉각 바디(cooling bodies)들의 도입을 위해 이용될 수 있을 것이다. 또한, 이러한 중공 공간들을 통해 다른 타입의 냉각 매체가 유동할 수도 있을 것이다. 가장 단순한 경우에, 도면에 도시되지 않은 냉각 로드(rod)가 가스 배출구 측 또는 가스 유입구 측으로부터 도입될 수도 있을 것이다. 이러한 냉각 로드들은, 반응기로부터 열을 신속하게 제거할 수 있도록, 수냉식일 수도 있다.
도 4 및 도 5 에 도시된 예시적인 실시예의 경우에, 차폐 및 가열 튜브(8)가 그라파이트로부터 제조되고, 상기 차폐 및 가열 튜브는 내부 벽 측부에 각을 이루는 모서리 리세스('플루트'라 할 수도 있다)(anuglar flute)(9)를 구비하며, 상기 리세스는 프로세스 챔버의 바닥부(4)의 하부 둘레 엣지(edge)를 수용한다. 여기서, 프로세스 챔버는 두 부분으로 형성된다. 그라파이트로 이루어진 U-자형 상부 부분(1)의 프로파일화된 레그(profiled leg)(1')가 바닥부(4)의 둘레에 놓인다.
차폐 및 가열 튜브(8)는 그라파이트 포옴(foam)(18)에 의해 둘러싸인다. 그러한 그라파이트 포옴은 두개의 지름방향으로 대향된 환형 팽창 갭(19)을 구비한다. 두 개의 절반-쉘(half-shell)로 이루어진 그라파이트 포옴(18)의 본체(body)는 석영으로 이루어진 반응기 하우징(6)과 관련하여 동축적인 위치에서 차폐 및 가열 튜브(8)를 유지한다. 그라파이트 포옴의 구성과 관련하여, DE 10055182 A1을 참조할 수 있다.
모든 기재 내용은 본 발명과 관련된 것이다. 관련/첨부 우선권 서류(이전 특허 출원의 사본)의 개시 내용은 본 출원의 개시 내용에 모두 포함되며, 본 출원의 특허청구범위에는 이러한 서류의 특징들이 포함된다.

Claims (14)

  1. 하나 이상의 결정(crystalline) 기판상 결정 층을 증착하기 위한 장치로서:
    전기적 전도성을 가지며 서로에 대해 결합되어 터치 접촉부(2', 2", 3', 3")를 형성하는 다수의 벽 부재(1, 2, 3, 4)에 의해 형성되는 프로세스 챔버(5);
    상기 프로세스 챔버의 벽 부재(1, 2, 3, 4)를 수용하고, 그리고 전기적 절연 물질로 구성되는 반응기 하우징(6);
    상기 프로세스 챔버의 벽 부재(1, 2, 3, 4)를 둘러싸는 RF 코일(7); 및
    상기 반응기 하우징(6)과 상기 프로세스 챔버의 벽 부재(1, 2, 3, 4) 사이에 배치되는 하나의 피스(piece)인 중실(solid) 차폐 및 가열 튜브(8)로서, 상기 차폐 및 가열 튜브(8)가 RF 코일(7)에 의해 생성된 RF 필드에 의해 유도된 맴돌이 전류에 의해 가열될 수 있도록 하는 방식으로 그리고 RF 필드를 감쇠시키도록 하는 방식으로 상기 차폐 및 가열 튜브(8)의 물질이 그라파이트로 구성되고 그리고 전기적으로 전도성을 가지며, 상기 프로세스 챔버의 벽 부재(1, 2, 3, 4)가 상기 차폐 및 가열 튜브(8)로부터의 열 복사에 의해서 가열되도록 상기 차폐 및 가열 튜브(8)가 상기 프로세스 챔버의 벽 부재(1, 2, 3, 4)를 둘러싸는, 차폐 및 가열 튜브(8); 를 포함하는
    결정 층 증착 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버의 벽 부재(1, 2, 3, 4)가 서로 분리될 수 있는 둘 이상의 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버의 벽 부재(1, 2, 3, 4)가 상기 차폐 및 가열 튜브(8)에 의해서 상기 반응기 하우징(6) 내에 유지되는 것을 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버의 벽 부재(1, 2, 3, 4)의 모서리 영역 내에서 작용하는 상기 차폐 및 가열 튜브(8)의 유지 수단(9, 10)을 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유지 수단(9, 10)이 상기 차폐 및 가열 튜브(8)의 내측 벽 상의 리세스 또는 돌출부인 것을 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버의 벽 부재(1, 2, 3, 4)와 상기 차폐 및 가열 튜브(8) 사이에 배치된 중공부(11, 12)를 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 중공부(11, 12) 내로 도입될 수 있는 냉각 부재를 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버의 벽 부재들 중의 바닥부 벽 부재와 연관되고 기판을 수용하기 위한 로딩 플레이트(13)를 더 포함하는
    결정 층 증착 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    취급 장치에 의해서 상기 프로세스 챔버내로 도입될 수 있고 그리고 제거될 수 있는 로딩 플레이트(13)가 기판 홀더(15)를 이송하는 것을 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판 홀더(15)가 가스 쿠션상에서 회전방향으로 구동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버 벽 부재들 중의 바닥부의 벽 부재(4)와 연관되고 상기 바닥부의 벽 부재의 영역 내의 계단부 내로 개방되는 가스 공급 라인을 더 포함하고,
    상기 계단부가 상기 로딩 플레이트(13)를 수용하며,
    상기 로딩 플레이트(13) 내의 리세스 내에 놓여 기판 홀더를 유지하는 원형 디스크-형 플레이트를 회전 구동하기 위해서, 상기 가스 공급 라인으로부터 배출되는 가스 스트림이 상기 로딩 플레이트 내의 접근 통로를 통과할 수 있도록 하는 방식으로 상기 가스 공급 라인(16)의 가스 배출 개구부를 실링하기 위한 실링 수단을 상기 로딩 플레이트의 하부에 구비하는 것을 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    CVD 프로세스가 상기 프로세스 챔버내에서 실시되며, Ⅲ 및 Ⅴ 또는 Ⅱ 및 Ⅵ 주족(main group) 원소가 결정-형성 방식으로 증착되는 것을 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    Ⅲ 주족 원소들이 염화물로서 공급되고, 그리고 Ⅴ 주족 원소들이 수소화물로서 공급되는 것을 특징으로 하는
    결정 층 증착 장치.
  14. 삭제
KR1020077013640A 2004-12-24 2005-12-12 Ｒｆ-가열식 프로세스 챔버를 가지는 화학기상증착 반응기 KR101234151B1 (ko)

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