KR101256923B1 - 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법 - Google Patents

증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 증착 반응 진행 중에서도 인-시튜로 증착막의 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기는 반응기에 있어서, 반응관, 반응관으로 반응가스를 주입하기 위한 가스 주입부, 반응관에 존재하는 잔류 반응가스를 배출하기 위한 가스 배출부, 및 반응관 내의 하부에 위치되며 상·하를 관통하는 구멍이 뚫린 서셉터를 포함하도록 구성되어, 증착막(film)의 휨을 인-시튜로 측정함으로써, 증착막의 성장 진행 중에 발생하는 크랙이나 냉각 중에 발생하는 크랙의 발생 시간 및 조건을 정확하게 측정 가능하여 증착막의 성장 기술 개발 및 재현성 확보에 우수한 효과를 제공한다.

Description

증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법 {REACTOR AND METHOD FOR IN-SITU MEASURING THE BENDING OF VAPOR DEPOSITED FILM}
본 발명은 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 증착 반응 진행 중에서도 인-시튜로 증착막의 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법에 관한 것이다.
GaN(Gallium Nitride)는 매우 큰 직접 천이형 에너지띠 간격을 가지고 있어 UV에서부터 청색에 이르는 영역까지 빛을 낼 수 있어, 차세대 DVD광원으로 쓰이는 청색 LD, 조명용 시장 대체를 위한 백색 LED, 고온·고출력 전자소자 분야 등에서 핵심소재로 사용되는 차세대 광전자 재료이다.
이 GaN를 성장시키는 방법으로는 유기금속화학증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)과 수소기상증착법(Hydride Vapor Phase Epitaxy;HVPE) 등이 사용되고 있다.
특히, 수소기상증착법은 암모니아, 수소 및 각종 염화물 가스를 이용해 기판상에 비교적 두꺼운 수십~ 수백 마이크로미터 두께의 화합물 층을 형성하는 기술로 유기금속화학증착법(MOCVD) 보다 GaN의 성장속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다.
이러한 HVPE법 등에 의해 GaN 등과 같은 증착막을 성장시키는 반응기에서 증착막의 성장 진행과정에서 발생하는 증착막의 휨(Bending) 및 스트레스(Stress)를 인-시튜(In-Situ)로 측정하기 위해 종래에는 도 1과 같은 방법을 사용하였다. 그러나 도 1과 같은 방법은 증착막의 성장이 진행되면서 기판(10)뿐만 아니라 반응관(20)의 내벽에도 증착막이 형성되기 때문에 휨 측정하기 위한 신호(30)가 기판 쪽으로 들어가고 나오는 것이 제한되어 인-시튜로 증착막의 휨을 측정하는 것이 매우 어려워진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 성장 진행과정에서 반응관 내벽에 증착막이 형성되더라고 이에 영향을 받지 않고 증착막의 휨 및 스트레스를 측정할 수 있는 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 반응기에 있어서, 반응관; 상기 반응관으로 반응가스를 주입하기 위한 가스 주입부; 상기 반응관에 존재하는 잔류 반응가스를 배출하기 위한 가스 배출부; 및 상기 반응관 내의 하부에 위치되며 상·하를 관통하는 구멍이 뚫린 서셉터(Susceptor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜(In-Situ) 휨(Bending) 측정이 가능한 반응기를 제공한다.
여기서, 상기 반응기는 수평형 HVPE 반응기일 수 있다.
또한, 상기 반응관은 외벽을 이루는 제1 반응관; 및 상기 제1 반응관의 내부에 형성되어 내벽을 이루는 제2 반응관을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2 반응관은 상기 서셉터에 뚫린 구멍에 대응하는 위치에 구멍이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 서셉터에 뚫린 구멍은 상기 서셉터에 배치되는 기판의 중심부가 위치하는 부분에 형성될 수 있다.
또한, 상기 서셉터에 뚫린 구멍은 기판에 의해 덮여질 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 반응관, 상기 제1 반응관의 내부에 형성되어 내벽을 이루는 제2 반응관, 상기 제2 반응관으로 반응가스를 주입하기 위한 가스 주입부, 상기 제2 반응관에 존재하는 잔류 반응가스를 배출하기 위한 가스 배출부, 및 상기 제2 반응관 내의 하부에 위치되며 상·하를 관통하는 구멍이 뚫린 서셉터를 포함하여 구성되는 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기에 있어서, 상기 서셉터에 형성된 구멍을 통하여 기판으로 광을 입사하는 단계; 상기 기판에서 반사된 광을 수신하는 단계; 및 상기 수신된 신호를 통해 증착막(film)의 휨을 측정하는 단계를 포함하는 증착막의 인-시튜(In-Situ) 휨(Bending) 측정방법을 제공한다.
여기서, 상기 반응기는 수평형 HVPE 반응기일 수 있다.
또한, 상기 제2 반응관은 상기 서셉터에 뚫린 구멍에 대응하는 위치에 구멍이 형성될 수 있다.
상기 증착막은 GaN막일 수 있다.
또한, 상기 증착막의 휨을 측정하는 단계는 측정된 휨 값을 이용하여 하기 <방정식>에 의해 증착막의 스트레스(Stress)를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
<방정식>
Figure 112011042450922-pat00001

(여기서, σf=증착막의 스트레스(stress), Ys=기판의 Young 상수, Vs= 기판의 Poisson's ratio, ts=기판의 두께, r=기판의 곡률 반경, ts= 증착막의 두께.)
상기 서셉터에 뚫린 구멍은 상기 서셉터에 배치되는 상기 기판의 중심부가 위치하는 부분에 형성될 수 있다.
또한, 상기 서셉터에 뚫린 구멍은 상기 기판에 의해 덮여질 수 있다.
상기 광은 레이저 광일 수 있다.
본 발명에 따르면, 증착막(film)의 휨을 인-시튜(In-Situ)로 측정함으로써, 증착막의 성장 진행 중에 발생하는 크랙(Crack)이나 냉각 중에 발생하는 크랙의 발생 시간 및 조건을 정확하게 측정 가능하여 증착막의 성장 기술 개발 및 재현성 확보에 우수한 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 증착막의 휨 측정방법의 일 예를 도시한 예시도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기의 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 증착막의 인-시튜 휨 측정 방법의 개략적인 흐름도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증착막의 인-시튜(In-Situ) 휨(Bending) 측정이 가능한 반응기의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기(100)는 반응관(200), 반응관(200)으로 반응가스를 주입하기 위한 가스 주입부(미도시), 반응관(200)에 존재하는 잔류 반응가스를 배출하기 위한 가스 배출부(미도시) 및 반응관(200) 내의 하부에 위치되며 상·하를 관통하는 구멍이 뚫린 서셉터(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
반응기(100)는 기판에 증착막을 성장시키기 위한 장치로서, 바람직하게는 HVPE법에 의해 기판에 증착막을 성장시기는 수평형 HVPE 반응기일 것이다. 특히, 증착막은 GaN막일 수 있다.
반응관(200)은 석영(Quartz) 재질로 이루어질 수 있으며, 그 내부에서 가스 주입부을 통해 주입되는 가스를 이용하여 기판에 증착막을 성장시키는 과정이 진행되며, 반응관 외벽에는 히팅부가 설치되어 반응관의 온도를 조절할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 반응관(200)은 외벽을 이루는 제1 반응관(210) 및 제1 반응관(210)의 내부에 형성되어 내벽을 이루는 제2 반응관(220)으로 이루어질 수 있다.
제1 반응관(210)은 제2 반응관(220)의 외부를 감싸면서 보호하고 외부와 제2 반응관(220)을 차단한다.
제2 반응관(220)은 내부에서 증착막 성장과정이 일어나며, 제1 반응관에 비해 크기가 작고 저비용으로 제조되며, 반응과정에서 반응관이 손상되는 경우 용이하게 교체가 가능할 것이다.
가스 주입부는 기판상에 막(film)을 형성하기 가스를 반응관에 주입하기 위한 것으로, 복수의 가스 주입관으로 구성될 수 있다.
가스 배출부는 반응 후의 잔여 가스를 반응관으로부터 배출한다.
서셉터(300)는 반응관(200) 내의 하부에 위치하고 그 상면에 기판(400)이 배치되며, 인-시튜로 증착막의 휨을 측정하기 위해 상·하를 관통하는 구멍이 형성되어 있다.
이 구멍을 통해 반응관(200) 하부에서 기판(400)으로 광을 입사한 후 반사되는 광을 수신하여 증착막의 휨(Bending)을 측정함으로써, 증착막의 스트레스를 구할 수 있을 것이다.
예를들어, 사파이어 기판을 사용하여 GaN를 성장시킬 경우, 사파이어와 질화갈륨 물질 사이의 격자 부정합(lattice mismatch) 및 열팽창 계수의 차이로 기판 및 이에 증착된 증착막의 휨이 발생하는데, 이 휨을 서셉터에 형성된 구멍에 광을 입사하여 측정하고, 이를 이용하여 이하의 Stoney 방정식을 통해 증착막의 스트레스를 측정할 수 있다.
Figure 112011042450922-pat00002
(여기서, σf=증착막의 스트레스(stress), Ys=기판의 Young 상수, Vs= 기판의 Poisson's ratio, ts=기판의 두께, r=기판의 곡률 반경, ts= 증착막의 두께이다.)
이와 같이, 서셉터가 위치함으로 인해 반응진행과정에서 증착막이 형성되지 않는 반응관의 하부 부분에서 서셉터에 뚫린 구멍을 통해 광을 입사하여 기판(즉, 증착막)의 휨을 구함으로써, 반응진행과정에서 반응관 내벽에 증착막이 형성되더라고 이에 영향을 받지 않고 증착막의 휨 및 스트레스를 측정할 수 있을 것이다.
이때, 서셉터(300)에 형성된 구멍은 서셉터에 배치되는 기판(400)에 의해 덮여지며, 또한 반응이 진행됨에 따라 서셉터(300)와 기판(400)의 틈새에 증착막이 형성됨으로써 서셉터(300)에 형성된 구멍으로의 가스 침투와 반응관 외부로의 가스 누출이 차단될 것이다.
또한, 서셉터(300)의 구멍은 기판(400)의 중심부가 위치하는 부분에 형성되는 것이 바람직하며, 구멍의 크기는 기판의 휨 측정을 위한 광의 입사 및 수신이 가능한 크기로, 히팅부에 의해 반응관에 공급되는 열이 서셉터에 형성된 구멍을 통해 손실되는 것을 최소로 하기 위해 작으면 작을수록 좋을 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 반응관(210) 및 제2 반응관(220)을 갖는 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기는 제2 반응관(220)에 서셉터(300)에 뚫린 구멍에 대응하는 위치에 구멍이 형성되게 구성될 수 있다.
이에 의해 증착막의 휨 측정을 위한 광이 반응관(200)을 통과하면서 발생하는 광의 손실을 최소화할 수 있을 것이다. 이 경우에도 히팅부에 의해 반응관(200)에 공급되는 열이 제2 반응관(220) 구멍을 통해 손실되는 것을 최소로 하기 위해 휨 측정을 위한 광의 입사 및 수신이 가능한 크기 범위에서 작으면 작을수록 좋을 것이고, 서셉터(300)에 뚫린 구멍의 크기가 제2 반응관(220)에 뚫린 구멍의 크기 보다 작게 이루어질 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 증착막의 인-시튜(In-Situ) 휨(Bending) 측정 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 증착막의 인-시튜 휨 측정 방법은 제1 반응관, 제1 반응관의 내부에 형성되어 내벽을 이루는 제2 반응관, 제2 반응관으로 반응가스를 주입하기 위한 가스 주입부, 제2 반응관에 존재하는 잔류 반응가스를 배출하기 위한 가스 배출부, 및 제2 반응관 내의 하부에 위치되며 상·하를 관통하는 구멍이 뚫린 서셉터를 포함하여 구성되는 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기에 있어서, 서셉터에 형성된 구멍을 통하여 기판으로 광을 입사하는 단계, 기판에서 반사된 광을 수신하는 단계, 및 수신된 신호를 통해 증착막의 휨을 측정하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 서셉터에 형성된 구멍을 통해 광을 기판의 두 지점에 입사하면 기판이 휠수록 기판에 의해 반사되어 수신된 두 광의 거리 차가 커지므로 이를 이용하여 증착막의 휨을 구할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 증착막의 인-시튜 휨 측정 방법은 측정된 휨 값을 이용하여 상기한 Stoney 방정식에 의해 증착막의 스트레스를 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 광은 레이저 광일 수 있고, 기판에 증착되는 증착막은 GaN막일 수 있다.
또한, 기판은 사파이어, SiC, Si로 구성될 수 있을 것이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 반응기 200 : 반응관
210 : 제1반응관 220 : 제2반응관
300 : 서셉터 400 : 기판

Claims (14)

  1. 반응기에 있어서,
    반응관;
    상기 반응관으로 반응가스를 주입하기 위한 가스 주입부;
    상기 반응관에 존재하는 잔류 반응가스를 배출하기 위한 가스 배출부; 및
    상기 반응관 내의 하부에 위치되며 상·하를 관통하는 구멍이 뚫린 서셉터(Susceptor)를 포함하고,
    상기 반응관은 외벽을 이루는 제1 반응관; 및
    상기 제1 반응관의 내부에 형성되어 내벽을 이루는 제2 반응관을 포함하며,
    상기 제2 반응관은 상기 서셉터에 뚫린 구멍에 대응하는 위치에 구멍이 형성되고,
    상기 서셉터에 뚫린 구멍의 크기는 상기 제2 반응관에 형성된 구멍의 크기 보다 작은 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜(In-Situ) 휨(Bending) 측정이 가능한 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기는 수평형 HVPE 반응기인 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터에 뚫린 구멍은 상기 서셉터에 배치되는 기판의 중심부가 위치하는 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 서셉터에 뚫린 구멍은 기판에 의해 덮여지는 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기.
  7. 제1 반응관, 상기 제1 반응관의 내부에 형성되어 내벽을 이루는 제2 반응관, 상기 제2 반응관으로 반응가스를 주입하기 위한 가스 주입부, 상기 제2 반응관에 존재하는 잔류 반응가스를 배출하기 위한 가스 배출부, 및 상기 제2 반응관 내의 하부에 위치되며 상·하를 관통하는 구멍이 뚫린 서셉터를 포함하여 구성되는 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기에 의한 증착막의 인-시튜(In-Situ) 휨(Bending) 측정방법에 있어서,
    상기 서셉터에 형성된 구멍을 통하여 기판으로 광을 입사하는 단계;
    상기 기판에서 반사된 광을 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 신호를 통해 증착막(film)의 휨을 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 반응관은 상기 서셉터에 뚫린 구멍에 대응하는 위치에 구멍이 형성되고,
    상기 서셉터에 뚫린 구멍의 크기는 상기 제2 반응관에 형성된 구멍의 크기 보다 작은 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜(In-Situ) 휨(Bending) 측정방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반응기는 수평형 HVPE 반응기인 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜 휨 측정방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 증착막은 GaN막인 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜 휨 측정방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 증착막의 휨을 측정하는 단계는 측정된 휨 값을 이용하여 하기 <방정식>에 의해 증착막의 스트레스(Stress)를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜 휨 측정방법.
    <방정식>
    Figure 112011042450922-pat00003


    여기서, σf=증착막의 스트레스(stress), Ys=기판의 Young 상수, Vs= 기판의 Poisson's ratio, ts=기판의 두께, r=기판의 곡률 반경, ts= 증착막의 두께.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 서셉터에 뚫린 구멍은 상기 서셉터에 배치되는 상기 기판의 중심부가 위치하는 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜 휨 측정방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 서셉터에 뚫린 구멍은 상기 기판에 의해 덮여지는 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜 휨 측정방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 광은 레이저 광인 것을 특징으로 하는 증착막의 인-시튜 휨 측정방법.

KR1020110054464A 2011-06-07 2011-06-07 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법 KR101256923B1 (ko)

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