KR101308523B1 - Ｃｖｄ 시스템을 위한 가스 인젝터들 - Google Patents

Ｃｖｄ 시스템을 위한 가스 인젝터들

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Abstract

본 발명은 CVD 챔버 내로 주입하기 전에 가스들을 가열하는 CVD(chemical vapour deposition) 시스템들에 사용하기 위한 개선된 가스 인젝터들을 제공한다. 제공된 인젝터들은 가열된 영역들을 통해 가스 유동 시간들을 증가시키도록 구성되고 가열된 영역들에서 가스 체류 시간들을 늘리는 가스-운반 도관들을 포함한다. 제공된 인젝터들은 또한 선택된 유동 패턴들로 가스들을 주입할 수 있는 크기, 형상 및 배치를 갖는 출구 포트들을 갖는다. 본 발명은 또한 제공된 가열 가스 인젝터들을 이용하는 CVD 시스템들을 제공한다. 본 발명은 GaN 기판들의 다량 제조에 특히 적용된다.

Description

ＣＶＤ 시스템을 위한 가스 인젝터들{GAS INJECTORS FOR CVD SYSTEMS WITH THE SAME}
본 발명은 반도체 공정 장비에 관한 것으로서, 특히, 가열된 가스들을 CVD 챔버들 내로 주입하는 가스 인젝터들을 제공하고, 미리 결정된 유동 패턴들로 가열된 가스들을 주입하는 인젝터들에 관한 것이다. 본 발명은 또한 제공된 가스 인젝터들을 이용하는 CVD 시스템들을 제공한다. 본 발명은 GaN 기판들의 다량 제조에 특히 적용된다.
CVD 챔버 내로 주입되기 이전 전구체(precursor) 가스들의 부적합한 가열(가열) 및 챔버 내에서의 이들의 조기 혼합(premature mixing)은 많은 문제점들을 초래할 수 있으며, 그 문제점들은 수행되는 각각의 특별한 CVD 공정에서 특정될 수 있다. 예로써, 전구체 가스들로 GaCl3, NH3을 이용하는 GaN의 하이드라이드-기상 에피택셜(HVPE; hydride-vapour-phase epitaxial) 성장을 고려한다. 여기서, 부적합한 가열 및 조기 혼합에 의해 야기되는 문제점들은 다음과 같은 것을 포함한다.
먼저, 부적절하게 가열된 전구체들의 주입은 성장 기판 이외의 표면들 위에 원치 않는 증착을 가져올 수 있다. 시간이 지남에 따라 이러한 원치 않는 물질은 웨이퍼 품질을 감소시키기에 충분한 반응기 내의 미립자 레벨들을 증가시킬 수 있고, 효율적인 복사 가열을 방해하기에 충분한 챔버 벽들의 코팅으로 이어질 수 있다. 이와 같은 바람직하지 않은 증착은 GaCl3이 비교적 낮은 온도들(예컨대 500℃보다 낮은 온도)에서 기상(vapour phase)으로부터 응축되어 기화 온도보다 높게 유지되지 않는 반응기의 영역들이 코팅될 수 있기 때문에 일어난다. 그러므로, GaCl3은 반응 챔버 내로 주입하기 전에 적어도 약 500℃의 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 실제로, GaCl3 전구체를 반응 챔버 내로 주입하기 전에 730℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하다.
게다가, HVPE 공정들과 관련하여, 부적절하게 가열된 전구체들의 주입은 실제의 GaN 증착을 제한하는 원치 않는 부작용으로 이어질 수 있다. 약 930℃보다 낮은 가스 온도들은 바람직하지 않은 부가 화합물들(adducts)(예로써, GaCl3:NH3)의 형성으로 이어질 수 있기 때문에, GaCl3 및 NH3는 모두 반응 챔버 내로 주입하기 전에 적어도 약 930℃의 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 더욱이, 이와 같은 원치 않는 부가 화합물의 형성을 더 제한하기 위해, III족 및 V족 전구체 유동들은 그것들이 성장 서셉터에 바로 근접할 때까지 분리되는 것이 바람직하다. 전구체 가스들의 조기 혼합은 반응기 내에서 원치 않는 반응 부산물들 및 미립자들의 생성을 가져올 수 있다.
끝으로 HVPE 공정들과 관련하여, 반응 챔버 내로 주입하기 전에 V족 전구체(일반적으로 NH3)를 가열하는 것이 바람직하다. 부적절하게 가열된 V족 전구체는, 가열된 III족 전구체와 혼합할 때, III족을 충분한 정도로 냉각하여 상기의 원치 않는 효과들을 가져올 수 있다. 그러나, V족 암모니아 전구체의 가열은, 종종 행해지는 것과 같이 금속들을 포함하는 환경(예컨대 금속성 가스 라인들, 금속성 반응기 컴포넌트들 등)에서 행해지지 않아야 한다. 상승된 온도에서 금속들은 반응성 NH3가 N2(및 H2)로 분해되는 것을 촉진할 있으며, N2는 GaN을 생성하도록 GaCl과 반응하지 않는다.
부적절한 가열 및 조기 혼합에 기인한 상기 문제들은 기판에 GaN 생성물을 형성하는 전구체 가스들의 비효율적인 반응을 낳는다. 전구체 반응물들은 원치 않는 표면들 상에서의 입자(particle)/화합물(complex)의 형성, 증착 등으로 인해 상실된다. 전구체 가스들의 가열 및 이송을 개선하는 것은 감소된 비용들 및 재료 성장 속도의 향상들과 관련된 이익들과 함께 전구체 가스들의 더 효율적인 이용을 가져올 것으로 기대될 수 있다.
HVPE III-질화물 증착에 대한 전구체 가열 및 분리의 문제들은 미국 특허 6,179,913, 6,733,591에서 다룬다. 그러나, 이러한 선행 기술은 HCl 가스를 액체 갈륨과 반응시킴으로써 GaCl가 인시튜로(in situ) 형성되는 종래의 장비와 관련이 있으며 기체 상태의 GaCl3를 직접 주입하는 장비에는 적용할 수 없다. 미국 임시 출원 60/015,524은 외부 GaCl3 및 NH3 소스들을 이용하는 전구체들의 가열 및 공간 분리와 관련이 있지만, 이러한 종래 기술 출원은 III족 및 V족 전구체들의 주입을 위해 단일 주입 고정구(fixture)를 이용한다.
종래 기술의 한계들을 극복하기 위해, 본 발명은 전구체 가열 및 혼합, 유리한 것으로 앞서 기재된 특징들을 개선하기 위해, 가열 가스 인젝터(thermalizing gas injector)들을 구비하는 다수의 요소들을 제공한다.
본 발명의 가열 가스 인젝터들은 운반된 가스들의 체류 시간을 증가시킬 수 있는 크기로 만들어지고 구성되는 도관 구조들을 통해 가스들을 운반하고, 동시에 도관 구조들을 수동 또는 능동으로 가열하는 가열 수단을 제공함으로써 더 나은 전구체 가열(precursor thermalization)을 제공한다. 일반적으로, 체류 시간(residence time)은 가스 유속에 대한 가스 유동 거리의 비율이므로, 본 발명의 상이한 실시예들은 가스 유동 경로 길이들 및 가스 유속들을 이들의 비율(체류 시간)이 증가되는 한 증가시키거나, 감소시키거나, 변경되지 않은 채로 둘 수 있는 구성 및 크기로 만들어지는 도관 구조들을 제공할 수 있다. 바람직한 실시예들에 있어서, 이들 파라미터들 중 하나만이 크게 변경되고 반면 다른 것은 실질적으로 변경되지 않은 채로 있다. 특히, 특정의 바람직한 실시예들은 유속들을 보존하기에 충분한 단면을 갖는 긴 경로 길이를 가지도록 또는 실질적으로 변경되지 않은 경로 길이를 갖는 증가된 단면(및 대응하여 감소된 가스 속도들)을 가질 수 있는 구성 및 크기로 만들어지는 도관 구조들을 가진다.
본 발명의 도관에 적용되는, 관련 용어들, 예컨대, "증가된(increased)", "감소된(decreased)" 및 "변경되지 않은(unchanged)"은 동일한 가스 소스들과 가스 싱크들(gas sinks) 사이에서 동일하게 선택된 양들의 가스들을 운반하기 위해 전형적으로 사용될 수 있는 도관과 견줄만할 것으로 이해되는 것이다. 전형적인 도관들은 보통 소스와 싱크 사이의 장애물들, 설계 기준, 안전성 등의 관점에서 적절히 허용되는 한 짧다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이와 같은 적절한 최소 길이들보다 긴 도관들을 가진다. 또, 전형적인 도관들은 보통 필요로 되는 질량 유동, 가스 특성들 등의 관점에서 적절히 허용되는 한 작은 단면을 가진다. 유사하게, 본 발명의 실시예들은 이와 같은 적절한 최소 단면들보다 큰 단면들을 갖는 도관들을 구비한다.
본 발명은 특정 바람직한 가열 인젝터들을 포함하고, 그 각각은 특정 가스 주입 요건을 만족한다(그리고 특정 CVD 챔버에 적합하다). 예를 들어, 비교적 높은 유량들로 가스들을 주입하기 위해, 적합한 실시예들은 더 넓은 그리고/또는 더 짧은 가스-운반 도관들을 가질 수 있고, 한편 역으로, 가스들을 비교적 낮은 유량들로 주입하기 위해, 적합한 실시예들은 더 좁고 그리고/또는 더 긴 가스-운반 도관들을 가질 수 있다. 또, 선택된 단면 프로파일들을 갖는 가스 스트림(stream)들을 주입하기 위해, 적합한 실시예들은 선택된 단면 프로파일과 유사하게 구성된 출구 포트들을 가질 수 있다. 더 작은 단면 프로파일을 갖는 가스 스트림들은 노즐형 출구 포트들을 통해 주입될 수 있고, 한편 더 큰 단면 프로파일들, 예컨대 CVD 챔버의 중요한 부분을 가로질러 연장하는 프로파일을 갖는 가스 스트림들은 수평방향으로는 넓지만 수직방향으로는 좁은 출구 포트를 통해 주입될 수 있다. 또, 증가되는 가열로부터 유리할 수 있는 가스들을 주입하기 위해, 적합한 실시예들은 훨씬 긴 체류 시간들을 갖는 가스 도관들, 예컨대 더 긴 도관들 또는 더 넓은 단면들 또는 이들 모두를 가진 가스 도관들을 가질 수 있다. 게다가, 순수 효과(net effect)가 증가된 체류 시간들인 한, 도관 구조들 및 가스 유동 경로들은 단면 크기 및 길이의 상이한 조합들 또는 완만하게 변하는 단면 크기들 등을 갖는 상이한 부분들을 가질 수 있다. 그러나, 이와 같은 특정 실시예들은 아주 다양한 다른 및 상이한 주입 요건들을 가진 가스들에 대해 폭넓게 유용하다는 것이 이해되어야 한다.
도관 구조들 및 구성요소들은, 예컨대, 가스-운반부들은 바람직하게는 고온, 부식성 환경들을 견딜 수 있지만 낮은 비용으로 요구되는 형상들로 형성될 수 있는 재료들로 제조된다. 바람직한 재료는 수정을 포함한다.
도관 구조들을 위한 가열 수단은 능동적이거나 수동적일 수 있다. 능동 가열 수단은 열을 도관 구조들에 직접 전달하도록, 특별히 선택되고 위치되는, 보통 인접하는 열 생성 요소들, 예컨대, 저항 요소들, 복사 요소들, 마이크로파 요소들 등을 구비한다. 수동으로 가열하는 것은 열이 흡수될 수 있는 가열된 환경, 예컨대, CVD 챔버에 적어도 부분적으로 배치되는 도관들을 가리킨다. 가열된 환경들은 종종 능동 가열 수단에 의해 가열되고, 도관 구조들은 바람직하게는 이와 같은 능동 가열 수단에 대해 이와 같은 환경들에서 위치되고 그 결과 열전달이 그 환경들에서 최적화된다. 예를 들어, 복사 요소들에 의해 가열되는 CVD 챔버의 경우에, 도관 구조는 복사 요소들 근방에 또는 방해받지 않는 경로와 함께 위치될 수 있지만, 그 결과 서셉터들, 로봇 아암들 등은 간섭받지 않는다. 수동 가열은 또한 열을 도관 구조들로 전달하도록 환경으로부터 열을 흡수하는 구조들을 구비함으로써 최적화될 수 있다. 추가로, 수동 열전달 수단은 복사 에너지를 흡수하고 도관 구조에 다시 방사하기 위해 위치된 흑체 구조들을 구비할 수 있다.
흑체 구조들은 바람직하게는 1 에 가깝고(적어도 적외선 방사를 위해), 고온, 부식성 환경들에 견딜 수도 있는 방사율값을 갖는 재료들로 제조된다. 적합한 재료들은 AlN, SiC 및 B4C(0.98, 0.92, 0.92의 방사율값을 각각 가짐)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 CVD(chemical vapour deposition) 챔버들 내로 가스들을 주입하기 위한 인젝터들을 제공한다. 인젝터들은 유동 경로를 따라 도관을 통해 가스 입구 포트로부터 하나 이상의 가스 출구 포트들로 가스들을 운반하기 위한 하나 이상의 가스-운반 도관들을 포함하고, 도관들은 가스들이 도관들을 통해 흐르는데 필요한 시간들을 증가시킬 수 있는 구성 및 크기로 만들어지지 않은 선택된 세그먼트(segment)에 요구되는 시간들에 비교해 가스들이 도관을 통해 흐르는데 요구되는 시간들을 증가시킬 수 있는 구성 및/또는 크기로 만들어지는 하나 이상의 세그먼트들(200)을 가진다. 바람직하게는, 가스-운반 도관들의 적어도 일부는 수정(quartz)으로 되어 있다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 또한 가열된 CVD 챔버, 또는 하나 이상의 열 생성 요소들, 또는 유사한 것을 구비하는 도관들을 가열하는 가열 수단을 제공한다. 본 발명의 인젝터들의 바람직한 이용들은 CVD 공정들을 실행하기 위해 전구체 가스들 및/또는 퍼지 가스들을 주입하는 것을 포함하고, 예를 들어 전구체 가스들은 CVD 챔버 내에서 III족 질화물 반도체의 성장을 위한 질소 전구체들 또는 III-금속 전구체들을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예들에 있어서, 제공된 인젝터들은 가스 유동 시간들이 가스 유속들을 감소시키지 않고 증가되도록 긴 가스 유동 경로를 가지도록 구성되는 적어도 하나의 세그먼트를 구비하는 가스-운반 도관들을 가진다. 긴 세그먼트들은 입구와 출구 사이의 가스 유동 경로를 늘리는 나선형 형상을 가지도록 구성될 수 있다. 도관들은 또한 나선형 세그먼트의 일부 또는 전부를 둘러싸는 외부 하우징을 구비할 수 있고, 외부 하우징에는 외부 하우징에 인접하여 배열되는 외부 클램프-쉘 히터들(clamp-shell heater) 또는 외부로부터 가스-운반 도관으로의 열전달을 향상시키는 나선형 세그먼트 외부의 내부 흑체 요소들이 제공될 수 있고, 외부 하우징은 또한 가스들이 내부 하우징을 통해 입구 포트로부터 출구 포트로 흐를 수 있는 구성 및 크기로 만들어 질 수 있는 가스 출구 포트 및 가스 입구 포트를 가질 수 있다.
바람직한 실시예들에 있어서, 제공된 인젝터들은 가스 유속들의 감소에 따라 가스 유동 시간들이 증가되도록 큰 단면 크기를 갖는 가스 유동 경로를 가지도록 구성되는 적어도 하나의 세그먼트를 구비하는 가스-운반 도관들을 가진다. 큰 세그먼트들은 크지만 실질적으로 일정한 단면으로 될 수 있고, 큰 세그먼트들은 CVD 챔버 내에 배열될 수 있는 구성 및 크기로 만들어질 수 있고, 여기서 이들은 CVD 챔버에 의해 (그것이 가열될 때) 가열될 수 있고, 이와 같은 인젝터들의 큰 내부 세그먼트들은 또한 챔버의 종방향 내벽을 따라 배열될 수 있고, 이와 같은 인젝터들 세그먼트들의 큰 측벽은 가스 유동들을 측벽으로부터 챔버의 중심을 향해 보내도록 배열되는 복수의 출구 포트들을 가질 수 있다.
바람직한 실시예들에 있어서, 큰 단면 크기들을 가진 도관들을 갖는 제공된 인젝터들은 가스들이 도관으로 들어가는 최상부(apex portion)로부터 가스들이 도관을 떠나 CVD 챔버로 들어가는 베이스부(base portion)를 향해 단면 크기들이 커질 수 있도록 구성될 수 있고, 큰 세그먼트들은 하나 이상의 가스 입구 포트들을 갖는 비교적 좁은 정점 및 CVD 챔버 내로 개방되는 하나 이상의 가스 출구 포트들을 갖는 비교적 넓은 베이스를 가지도록 구성될 수 있고, 큰 세그먼트들은 평면 구조 내에서 쐐기형 채널로서 구성될 수 있다. 평면 구조는 수직 방향에서 짧고 횡방향에서 길도록 구성될 수 있고, 평면 구조는 CVD 챔버 내에 배열될 수 있는 구성 및 크기로 만들어질 수 있고 여기서 그것은 CVD 챔버(가열될 때)에 의해 가열될 수 있고, 특히, 평면 구조는 빠져 나가는 가스를 하류 방향으로 보내도록 상류 횡방향 챔버 벽을 따라 위치될 수 있고, 평면 구조는 또한 쐐기형 채널을 가로지르지 않는 하나 이상의 제2 가스-운반 도관들을 구비할 수 있다. 제2 가스-운반 도관들은 실질적으로 일정한 단면 크기들을 가질 수 있고, 쐐기형 채널의 출구 포트 옆으로 CVD 챔버 내로 개방되는 하나 이상의 제2 출구 포트들을 가질 수 있다.
본 발명은 또한 하나 이상의 제공된 가스 인젝터들을 갖는 CVD 시스템들을 제공한다. 이와 같은 시스템은 최상부로부터 베이스부를 향해 커질 수 있는 구성 및 크기로 만들어지는 도관을 가진 실시예들의 하나 이상의 제1 인젝터들을 구비할 수 있고, 이 인젝터는 CVD 챔버 내에 성장 표면을 가진 서셉터에 인접한 출구 포트를 가질 수 있고 제1 가스들을 서셉터 성장 표면의 일부 또는 전부를 횡방향으로 가로질러 연장하는 종방향 유동으로 제1 가스들을 보내도록 배향될 수 있고, 이 인젝터는 제1 가스 유동 옆의 종방향 유동들로 제2 가스들을 보내도록 배향되는 2개 이상의 제2 출구 포트들을 갖는 제2 도관들을 구비할 수 있다.
이와 같은 시스템은 또한 나선형 형상으로 구성된 도관을 가진 실시예들의 하나 이상의 제2 인젝터들을 구비할 수 있고, 이 인젝터는 가스들을 제1 인젝터들의 입구 포트들로 보내도록 위치되고 배열되는 출구 포트들을 가질 수 있다.
이와 같은 시스템은 또한 큰 단면 크기를 가지고 구성되는 세그먼트를 가진 실시예들의 하나 이상의 제3 인젝터들을 구비할 수 있고, 이 인젝터는 큰 세그먼트들이 CVD 챔버 내부에 배열될 수 있는 구성 및 크기로 만들어질 수 있고, 여기서 그것은 CVD 챔버에 의해 (그것이 가열될 때) 가열될 수 있고, 큰 내부 세그먼트는 챔버의 종방향 내벽을 따라 배열될 수 있고, 이러한 큰 세그먼트는 다수의 가스 유동들을 측벽으로부터 챔버의 중심을 향해 보내도록 위치되고 배향되는 복수의 출구 포트들을 가질 수 있다. 이와 같은 시스템은 또한 CVD 챔버 외부의 가열 요소들로부터 제3 인젝터들로의 열전달을 향상시키기 위해 하나 이상의 흑체 플레이트들을 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, CVD(chemical vapour deposition) 챔버 내로 가스들을 주입하기 위한 방법에 있어서, 분할된(segmented) 유동 경로를 따라 가스 입구 포트로부터 하나 이상의 가스 출구 포트들로 가스들을 이송하는 단계로서, 각각의 세그먼트는 가스 유동 시간을 증가시킬 수 있는 구성 및 크기로 만들어지지 않은 세그먼트들에 비해 가스 유동 시간을 증가시킬 수 있는 구성 및 크기로 만들어지는, 가스 이송 단계; 및 상기 가스들이 거기를 통해 이송됨에 따라 상기 하나 이상의 세그먼트들을 가열하는 단계를 포함하는, CVD 챔버 내로 가스들을 주입하기 위한 방법에 관한 것이다. 적어도 하나의 선택된 세그먼트는 큰 단면 크기 및 작은 가스 유속들에서 증가된 가스 유동 시간들을 갖는 가스 유동 경로를 제공하고 거기에서 흐르는 가스들은 챔버 내에서 III족 질화물 반도체의 성장을 위한 질소 전구체를 포함한다. 또, 적어도 하나의 다른 세그먼트는 최상부로부터 세그먼트가 챔버 내로 개방되는 베이스부를 향해 커지는 단면 크기를 가지며, 거기에서 흐르는 가스들은 챔버 내에서 III족 질화물 반도체의 성장을 위한 III족 금속 전구체를 포함한다. 챔버는 바람직하게는 성장 표면을 가진 서셉터를 내부에 구비하고 III족 금속 및 질소 전구체들의 가스들은 가열되고 서셉터 성장 표면 위에서의 III족 질화물 반도체의 성장을 위해 서셉터 성장 표면을 향한다. 유리하게는, 가스들은 원치 않는 전구체 화합물들의 형성을 최소화하면서 서셉터 성장 표면 위에 III족-질화물 반도체의 성장을 촉진하기 위해 930℃보다 대략 높은 온도에서 반응한다.
여기에 기술된 바람직한 실시예들 및 특별한 예들은 본 발명의 범위의 예들로서 보여져야 하고 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 이 기술 분야에서 숙련된 사람에게 명백한, 변경들, 등가물들, 대안들 등을 포함하는 것으로 해석되는, 청구항들을 참조하여 결정되어야 한다. 명확성 및 간결성을 위해, 실시예들의 모든 특징들은 여기에 기술되지 않고, 기술되지 않은 특징들은 이 기술에서 관용적이고 통상의 기술자에 의해 부가될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
표제들은 단지 명확성을 위한 여기서 사용되며 어떠한 의도된 제한 없이 사용된다. 다수의 인용문헌들이 여기에 인용되고, 그것의 전체 개시 내용은 그 전체가 모든 목적들을 위해 참조로 본원에 포함된다. 더욱이, 인용된 문헌들의 어느 것도, 어떻게 특징되어 있는지와는 무관하게, 여기에 청구된 대상의 본 발명 이전으로서 인정된다.
본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예들 및 특정 실시예들의 예시적인 예들의 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 완전히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 CVD 반응기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 가열 가스 인젝터들의 제 1 실시예를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 가열 가스 인젝터들의 제 2 실시예를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 가열 가스 인젝터들의 제 3 실시예를 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 CVD 챔버와 가열 가스 인젝터들을 함께 도시한 개략도이다.
본 발명은 화학적 기상 증착(CVD) 반응기 시스템들, 특히 반도체 공정에 사용되는 CVD 시스템들 및 더욱 특히 전구체 가스들의 평면 유동이 증착 또는 다른 반응들이 일어나는 기판을 가로지르는 대략 직사각형 단면을 갖는 챔버들을 가진 CVD 시스템들에 대해 개선된 가스 취급을 제공한다. 본 발명에 들어가기 전에 본 발명이 유용하게 적용될 수 있는 예시적인 CVD 챔버들이 간단히 기술된다.
도 1은 본 발명이 적용 가능한 예시적인 CVD 챔버(1)의 관련 상세를 평면도로 나타낸다. 도 3a는 유사한 CVD 반응기를 단면도로 나타낸다. 공통 참조 번호들은 양 도면들에서 유사한 요소들을 나타낸다. 예시적인 반응기(1)는 보통 수정(quartz)으로 만들어져서 외부의 복사 가열 램프들에 의해 가열될 수 있는 반응기 챔버(3)를 구비한다. 전구체 가스들 및 퍼지 가스들을 포함하는 공정 가스들은 도면의 저부에서 포트들(또는 입구들 또는 인젝터들)(5, 9)을 통해 챔버(3)로 들어간다. 입구 포트들은 전구체 가스들의 조기 혼합을 방지하기 위해 일반적으로 설계되고 배열된다. 여기서, 예를 들어, 상이한 전구체 가스들은 이격된 포트들(5, 9)을 통해 들어갈 수 있고, 한편, 비교적 불활성 퍼지 가스들은 포트(7)를 통해 들어갈 수 있다. 이후 공정 가스들은 챔버를 통해 도면에서 상향으로('하류' 방향을 규정함) 이동할 수 있고 서셉터(susceptor: 15) 상의 기판들(17)에 의해 지지되는 중앙 배치된 기판들에서 반응한다. 서셉터는 보통 지지 링(또는 플레이트)(13)에 의해 회전 안내된다. 공정 가스들은 배기부(11)를 통해 챔버를 빠져나간다.
선택적으로, 반응기(1)는 서셉터(15) 및 기판들(17) 위에서 예컨대 지지체(21) 위에 지지되는 흑체 플레이트(black body plate: 19)를 구비할 수 있다. 이 흑체 플레이트는 복사 가열 램프들로부터의 복사열을 흡수하고 흡수된 복사열을 공정 가스들에 재방사하여 플레이트에 근접하여 흐르는 공정 가스들을 가열하는 것을 도울 수 있다. 예컨대 2008년 2월 27일자로 출원된 미국 임시 특허 출원 61/031,837을 참조된다(모든 목적을 위해 그 전체가 본원에 참조로서 포함된다).
다음에서, 용어들 "종방향(longitudinal)" 및 "횡방향(transverse)"은 도 1에 꼬리표를 붙인 화살표들로 나타낸 CVD 챔버 내의 방향들을 가리키기 위해 사용된다. 종방향들은 또한 "상류(upstream)" 및 "하류(downstram)"로서 불리고, 종방향으로 배향된 벽들은 또한 측(또는 옆)벽들로서 불린다. 횡방향들은 또한 "반응기를 가로지는 것(across the reactor)"으로서 불리고, 횡방향으로 배향된 벽들은 또한 단부벽들로서 불린다.
이하에서 본 발명은 이러한 예시적인 CVD 챔버 상황에서 설명되며, 그 상세는 더 고려되지 않는다. 그러나, 이러한 예시적인 챔버는 한정적이지 않으며 본 발명의 장치는 다른 CVD 챔버들과 호환 가능하다는 것을 이해할 수 있기 때문에, 초점은 단지 간결성에 있고 제한이 없다.
가스 인젝터 가열의 바람직한 실시예 들
상기 환경들에서(챔버 및 관련 장비의 물리적 레이아웃의 관점에서) 도관 구조들을 적절히 필요한 것 이상으로 증가되는 길이들을 갖는 가스 유동 경로들을 가질 수 있는 구성 및 크기로 만듦으로써 증가된 가스 체류 시간들을 달성하고 의도된 가스 유속들(도관들 내의 가스 유동의 알려진 원리들의 관점에서)에 적절히 필요한 것보다 적어도 실질적으로 작지 않은 단면을 갖는 본 발명의 가열 가스 인젝터들의 바람직한 실시예들이 이제 기술된다. 따라서, 본 실시예의 인젝터들은 상대적은 낮은 유량들로 CVD 챔버 내로 들어가는 가스들에 유용할 수 있다. 바람직하게는, 증가된 경로 길이는 사형(serpentine shape), 예컨대 나선형으로 유동 경로를 벤딩(bending) 및/또는 폴딩(folding)하여 조절될 수 있다.
본 발명의 가열 가스 인젝터들은 비교적 낮은, 또는 적어도 증가되지 않은 유량으로 더 양호하게 가열된 가스들을 주입하는데 유용하므로, III-질화물 화합물들의 성장과 관련하여 사용될 때, 본 실시예의 인젝터들은, 전형적으로 비교적 높은 유량으로 들어가는 N 전구체들과 함께 사용하는 것보다 전형적으로 비교적 낮은 유량으로 들어가는 III-금속 전구체들과 함께 사용하는 것이 더 바람직하다. 그러나, 본 실시예의 인젝터들은 또한 비교적 낮은 유량들로 CVD 챔버에 들어가는 가스들에 유용할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 실시예의 가열 가스 인젝터들을 나타낸다. 특히, 도 2a는 실질적으로 균일한 직경(단면)을 갖는 나선형, 가스-운반 도관(49)을 갖는 도관 구조(47)를 나타낸다. 가스들, 예컨대, 전구체 가스들은 입구 포트(39)를 통해 도관 구조(47) 내로 들어가고, 나선형 가스-운반 도관(49)을 통해 흐르고, 도관 구조로부터 출구 포트(41)를 통해, 예컨대 직접 CVD 챔버 내로 빠져 나간다. 가스-운반 도관(49)은 입구 포트(39)와 출구 포트(41) 사이에서 짧은, 물리적 거리에 비해 가스들을 운반하는데 적절히 필요한 것보다 실질적으로 더 긴 가스 경로 길이를 제공한다. 나선형의 가스-운반 도관(49) 때문에, 도관 구조(47)를 흐르는 가스의 경로 길이는 더 길고, 심지어 입구와 출구 포트들 사이의 실제 물리적 거리보다 실질적으로 더 길다. 여기에 도시된 나선형은 제한적인 것이 아니고, 본 발명은 다른 사형들(serpentine shapes)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 전구체 가스들은 외부 가스 제어 장치("가스 패널")에 의해 제어되는 유량들로 외부 소스들로부터 도관 구조(47)에 공급될 수 있다.
본 실시예의 도관 구조들은 바람직하게는 쉽게 손상될 것으로 예상되는 적어도 가스-운반 도관들의 사형 부분들(serpentine-shaped portions)을 둘러싸고 보호하는 외부 하우징들을 구비한다. 여기서, 도관 구조(47)는 입구 포트(39) 및 출구 포트(41) 이외의 모든 가스-운반 도관(49)을 둘러싸는 외부 하우징(33)을 구비한다. 외부-하우징은 또한 예컨대 퍼지 가스들을 위한 추가의 가스-운반 도관들로서 작용할 수 있다. 여기서, 외부 하우징(33)에는 퍼지-가스 입구 포트(43)와 퍼지-가스 출구 포트(45)가 제공되고 그 결과 퍼지 가스는 외부 하우징을 통해 흐를 수 있다. 퍼지 가스(또는 유사 가스) 유동들이 유리한 데, 그 이유는 이들이 챔버 내부로부터 가스들의 역류를 제한하거나 방지하도록 작용할 수 있는 CVD 챔버 내부에 대해 초과 압력(overpressure)의 영역들을 형성할 수 있기 때문이다. 작동하는 CVD 챔버의 내부로부터의 반응성이며 종종 부식성인 가스들의 역류들은 도관 구조에 손상을 줄 수 있거나 도관 구조 상에 원치 않는 증착을 일으킬 수 있다.
도관 구조(47)는 수동적으로 가열되거나, 능동적으로 가열되거나, 또는 수동적이면서 능동적으로 가열될 수 있다. 도관 구조들은 바람직하게는 가열된 CVD 챔버 내에(또는 다른 가열된 환경 내에) 부분적으로 또는 전체적으로 배치됨으로써 수동적으로 가열된다. 도 2b는 대부분 CVD 챔버(53)와 함께 배치되는 수동적으로 가열되는 도관 구조(54)(도 2a의 것과 유사함)를 도시한다. 챔버 내부로부터 도관 구조로의 열의 전달을 개선하기 위해 수동 열전달 요소들(여기에 도시되지 않음)이 선택적으로 제공될 수 있다. 예를 들어, CVD 챔버가 가열 램프들에 의해 가열되면, 상기 수동 요소는 가열 램프들로부터 복사열을 흡수하고 그것을 도관 구조에 재방사하는, 가스 인젝터의 근방에 배치된 흑체 구조를 포함할 수 있다.
도관 구조들은 바람직하게는, 가스-운반부의 적어도 일부분(바람직하게는 증가된 가스 체류 시간들을 위해 구성된 적어도 일부분)에 인접하여 상기 인접부에 열을 직접 제공하는 열 생성 요소들을 제공함으로써, 능동적으로 가열된다. 능동적 가열 요소들은 바람직하게는 도관 구조에 인접하게(또는 가깝게) 그리고 외부에 배치된다. 즉 이들은 또한 도관 구조의 내부에 배치될 수 있다. 능동 가열 요소들은 복사열 방출 요소들, 예컨대, 가열 램프들, 유도 가열 요소들, 전기 가열 요소들, 예컨대, 저항 가열 요소들 등을 포함한다. 예를 들어 능동적으로 가열되는 도관 구조가 적어도 부분적으로 CVD 내에 배치될 때, 도관 구조들은 수동적으로 그리고 능동적으로 가열될 수도 있다.
도 2b는 대부분 CVD 챔버(53)(도 1의 CVD 챔버(1)와 유사)의 외부에 배치되는 능동적으로 가열되는 가스 인젝터(55)를 도시한다. 인젝터(55)는 가스-운반부(56) 및 능동 가열 요소들(57)을 포함한다. 본 발명의 추가 실시예들에 있어서, 능동적으로 가열되는 가스 인젝터(55)는, CVD 챔버(53)의 외부에 존재할 수 있으며, CVD 챔버의 하측으로(즉, 베이스로) 들어가는 가열된 전구체 입력부(41)를 지닌 반응기의 하측에 배치될 수 있다.
도 2c 및 도 2d는 능동적으로 가열되는 인젝터(51)의 기본 상세들을 도시한다. 도 2c(평면도)에 있어서, 능동 가열 요소(31)는 외부 하우징(33) 외부 및 외부 하우징(33) 주위에 배치되는 도전성 요소, 예컨대 저항으로 가열되는 클램프-쉘 히터(resistively heated clamp-shell heater)를 포함한다. 도 2d(단면도)에 있어서, 능동 가열 요소들(31)은 복사 요소들(예로써, 가열 램프들)을 포함하는데, 그 복사 요소들은 도관 구조의 외부 하우징(33)의 외부에 있지만 쉘(32) 안에 둘러싸여지며, 그 쉘은 가스-운반 도관(49) 내측을 향해 복사열을 반사시키는 기능을 한다. 양 도면들에 있어서, 입구 포트(39)로부터 출구(41)로 나선형의 가스-운반 도관(49)을 통해 흐르는 가스는 CVD 챔버 안으로 주입되기 이전에 능동 가열 요소(31)에 의해 가열된다. 선택적으로, 퍼지-가스 입구 포트(43)로부터 퍼지-가스 출구 포트(45)로 외부 하우징(33)을 통해 흐르는 퍼지 가스들도 주입 전에 가열된다. 능동 가열 요소들은 주입 전에 가스가 흐르는 고온 영역을 정의하는 것이 이들 도면들로부터 명백하다.
도 2c 및 도 2d는 또한 능동 또는 수동 가열 요소일 수 있는 선택적 요소를 도시한다. 바람직하게는, 이러한 선택적 요소는 능동 가열 요소들(31)로부터 가스-운반 도관(49)으로의 열전달을 개선하기 위해 작용하는 수동 소자이다. 전도성 가열 요소들의 경우에, 수동 소자(35)는 열을 가스-운반 도관(49)의 내부에 재분배하는 전도체일 수 있다. 복사 가열 요소들의 경우에, 수동 소자(35)는 흑체 구조, 예컨대, 열을 재방사하는 흑체 물질을 포함하는 로드(rod)일 수 있다. 유도 가열 요소들의 경우에, 수동 소자(35)는 가스-운반 도관들을 가열하도록 유도 에너지(inductive energy)를 흡수할 수 있는 전기 전도성 구조들을 포함할 수 있다. 선택적 요소가 구비됨으로써, 가스-운반 도관(49) 내의 가스들은 능동 가열 요소들에 의해 직접적으로 그리고 수동 소자(35)에 의해 간접적으로도 가열될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 가열 가스 인젝터들(특히 도 2c의 인젝터(51)와 같은 인젝터들)은, III-질화물(nitride) 화합물들에 대한 공정을 위해, 특히 HVPE 공정에 따른 GaN 성장용 기체 상태 GaCl3 전구체를 제공하기 위해, 기체 상태의 III-금속 전구체들을 CVD 챔버 안으로 주입하는데 사용될 수 있다. 이와 같은 적용에서, 외부 하우징(33) 및 가스-운반 도관(49)은 바람직하게는 수정을 포함한다. 수동 소자(35)는 솔리드형(solid) 또는 관형(tubular)이며, 흑체 구조는 바람직하게는 예를 들어 SiC, B4C, AlN을 포함한다. 능동 가열 요소(31)는 전기 가열 자켓(electric heating jacket), 예컨대 클램프 쉘 히터(clamp shell heater)를 포함하는데, 이것은 수정 외부 하우징(33)을 둘러싸며 500 내지 1000 ℃의 온도로 가열할 수 있다.
동작에 있어서, GaCl3 전구체는 보통 수백 sccm(standard cubic centimetres per minute) 정도이지만 가능하게는 20-30 SLM(standard litres per minute)까지의 유입 유량으로 입구 포트(39)를 통해 인젝터로 들어가고 바람직하게는 500와 1000℃ 사이의 온도로 출구(41)를 통해 빠져 나간다. N2(또는 대안으로 N2와 H2 가스 혼합물) 퍼지 가스는 퍼지-가스 입구 포트(43)를 통해 대략 1-5 SLM의 유입 유량으로 들어가고, 적어도 외부 하우징의 내부에서 초과 압력을 유지하며, 퍼지-가스 출구 포트(45)를 통해 빠져나간다. 인젝터 내에서 체류하는 동안, 퍼지 가스 또한 가열될 수 있다.
가열 가스 인젝터들의 바람직한 추가 실시예 들
의도된 가스 유속들(도관들 내의 가스 유동의 알려진 원리들의 관점에서)에 적절히 필요한 것 이상으로 증가되는 단면들을 가지고 적어도 가능한 한 상기 환경들에서(특히, 챔버 및 결합된 장비의 물리적 레이아웃의 관점에서) 도관 구조들을 적절히 필요한 길이들을 가지는 가스 유동 경로들을 가질 수 있는 구성 및 크기로 만듦으로써 증가된 가스 체류 시간들을 달성하는 본 발명의 가열 가스 인젝터들의 바람직한 실시예들이 이제 기술된다. 따라서, 본 실시예의 인젝터들은 높고 낮은 유량으로 CVD 챔버 내로 들어가는 가스에 유용할 수 있다.
본 실시예의 가열 가스 인젝터들은 가열된 가스들을 비교적 높은 유량으로 주입하는데 유용하므로, III-질화물 화합물들의 성장과 관련하여 사용될 때, 본 실시예의 인젝터들은 전형적으로 낮은 유량으로 투입되는 III-금속 전구체들과 함께 사용하는 것보다는 전형적으로 비교적 높은 유량들로 투입되는 N 전구체들과 함께 사용하는 것이 더 바람직하다. 그러나, 본 실시예의 인젝터들은 또한 비교적 높은 유량으로 CVD 챔버 내로 투입되는 가스들에 유용할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 바람직한 가열 가스 인젝터들의 실시예의 단면도 및 횡단면도를 각각 도시한다. 종래의 구성요소들은 챔버 하우징(71), 서셉터(69), 성장 기판(67) 및 가열 요소들(60)을 포함한다. 본 실시예의 가스-운반 도관들(61)은 서셉터(69)의 상측 표면의 높이에서 챔버 하우징(71)의 양 측면을 따라 배열된다. 가스는 입구 포트들(75)로 들어가고, 측벽들을 따라 종방향으로 도관 구조 내에서 흐르며, 서셉터(69)의 상측 표면을 가로질러 성장 기판(67)을 향해 횡방향 유동들(62)로 유도하는 하나 이상의 출구 포트들을 통해 빠져나간다. 본 실시예의 도관 구조들은 또한 다른 요소들, 특히 외부 하우징들을 구비할 수 있다. 가스-운반 도관들(61)은 이 기술에서 알려진 고정구들(fixtures), 여기서는 가스 운반 도관들이 지지되는 횡방향으로 돌출하는 뾰족한 끝들(prongs)(또는 선반들(shelves))을 가진 예시적인 좌우 지지 고정구들(support fixture: 73)에 의해 챔버 내에 지지되고 고정된다. 단일의 길다란 지지 고정구가 CVD 챔버의 각각의 측벽을 따라 연장되거나 또는 대안으로 다수의 짧은 지지 고정구들이 각각의 벽을 따라 배치될 수 있다.
가스-운반 도관들(61)은 능동적으로 가열되거나 수동적으로 가열되거나 수동적 및 능동적 모두로 가열될 수 있다. 도 2c의 도관 구조들(47)과 마찬가지로, ㄱ가스-운반 도관들(61)은 또한 적어도 가스-운반부의 일부에 인접한 열 생성 요소들을 제공하여 능동적으로 가열될 수 있다. 바람직하게는, 가스-운반 도관들(61)은, 가열된 환경(예컨대, 가열된 CVD 챔버)를 통해 부분적으로 또는 전체적으로 라우팅되어(routed) 그리고/또는 그 가열된 환경 내에 배치되어, 수동적으로 가열된다. 또, 수동 열전달 수단은 바람직하게는 상기 환경으로부터 도관 구조들로의 열전달을 개선하기 위해 가열된 실시예 내에서 도관 구조의 일부(또는 전부)와 결합된다. 예를 들어, 이와 같은 수동 열전달 수단은 챔버 가열 램프들로부터 복사열을 흡수하고 흡수된 열을 도관 구조에 재방사하도록 흑체 물질을 포함할 수 있다.
도 3a는 도관 구조들 위에서 예시적인 고정구들(73)의 상측 프롱(prong) 상에 지지되며 CVD 챔버를 가로질러 연장되는 하나 이상의 플레이트들(65)을 포함하는 수동 열전달 수단을 도시한다(따라서, 서셉터로의 열전달도 향상시킴). 도 3b는 양 가스-운반 도관들(61)의 실질적인 부분을 덮도록 챔버를 따라 위치된 다수의 플레이트들(65)을 도시한다. 플레이트들(65) 사이에 도시된 갭들은 이들 플레이트들이 통상 서로 인접할 수 있기 때문에 단지 명확성을 위한 것임을 주목하라. 대안으로, 가스-운반 도관들(61)은 플레이트들(65) 아래에 배치될 수 있고, 또는 플레이트들(65)은 가열 램프들에 노출되는 챔버의 중심 부분을 남기고 단지 가스-운반 도관들(61) 위에서만 연장할 수 있다.
본 실시예의 가열 가스 인젝터들의 실시예들은 도 3a 및 도 3b에 도시된 횡방향 유동 패턴들과는 다른 유동 패턴들로 가스를 주입할 수 있다. 예를 들어, 도 3c는 가스-운반 도관들(61)이 종방향 유동들(63)에 평행한 종방향들로 가스들을 주입하는 출구 포트들(76)을 가지도록 또한 구성되는 실시예를 도시한다. 도 3c의 가스-운반 도관들(61)에는 도 3a 및 도 3b에 도시된 것과 같이, 횡방향 유동들로 가스들을 주입하기 위해, 다른 출구 포트들이 제공될 수 있다. 가스들은 이 기술 분야의 당업자에게 명백한 바와 같이 적당한 출구 포트들을 제공함으로써 다른 유동 패턴들로 주입될 수 있다. 다른 실시예들은 단지 단일(좌 또는 우)의 가스-운반 도관(61)을 가질 수 있고, 상이한 제 2 가스들을 도시된 2개의 가스-운반 도관들의 각각을 통해 주입될 수 있는 등등이 있다.
본 실시예의 가스-운반 도관들은 동작하는 CVD 반응기들(예컨대 HVPE 반응기들)의 내부에서 발생하는 고온, 부식성 환경에 견딜 수 있고, 전구체 가스들(특히, NH3)과 약간 상호작용하거나 또는 거의 상호작용하지 않는 바람직하게는 비금속 재료들로 제조될 수 있다. 바람직한 이와 같은 재료는 수정을 포함한다. 흑체 플레이트들은 바람직하게는 고온, 부식성 환경들을 견딜 수도 있는 높은 방사율 값들(high emissivity values)(1에 가까움)을 갖는 물질들을 포함한다. 바람직한 이와 같은 물질들은 AlN, SiC 및 B4C(각각 0.98, 0.92, 및 0.92의 방사율)를 포함한다.
더욱이, 도관 구조들 및 수동 열전달 수단은 바람직하게는 특별한 CVD 챔버의 관점에서 어떤 크기로 만들어지고 구성되고 그 결과 이들은 예컨대 기존의 가스 인젝터들, 서셉터, 로봇 전달 수단 및 다른 연관된 구성요소들의 동작과 간섭하지 않도록 챔버 내에 배열될 수 있다. 따라서, 가열 가스 인젝터들의 상이한 특정 실시예들은 상이한 크기로 만들어지고 구성된 CVD 챔버들 내에 배열될 수 있는 크기로 만들어지고 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3c의 가열 가스 인젝터들은 지금 기술되는 방식으로 도 1의 예시적인 CVD 챔버(1) 내에 배열되고 협력할 수 있는 크기로 만들어지고 구성되었다.
먼저 가스들은 챔버 하우징(71)의 상류 단부(도 3b 및 도 3c의 바닥)로부터 종방향 유동(63)으로 주입되고 서셉터를 향해 흐른다. 비록 상세하게 도시되지 않았지만, 상류 인젝터들은 도 2a 내지 도 2d의 실시예들의 하나 이상의 인젝터들일 수 있다. 제 2 가스들은 입구 포트들(75)(챔버 하우징(71)의 외부)을 통해 본 실시예의 가스-운반 도관들(61)로 들어가고 보다 큰 단면적의 가스-운반 도관들(61) 내에서 흐른다. 도 3b의 경우에, 가스들은 복수의 출구 포트들을 통해 양 측벽들로부터 서셉터를 향해 복수의 횡방향 스트림들로 주입되고, 도 3c의 경우에, 제 2 가스들은 서셉터를 향해 흐르는 2개의 종방향 스트림들로 주입된다. 제 1 및 제 2 가스들은 서셉터 위에서 만나고 반응하고 소비된 가스들은 배기관(64)을 통해 빠져 나간다. 가스-운반 도관들(61)은 서셉터 및 다른 구성요소들과 간섭하지 않도록 챔버 하우징(71)의 벽들을 향해 대부분 배열될 수 있는 크기로 만들어지고 구성되었다.
도 3b의 경우에도, 횡방향 유동들(62)의 패턴의 사양들은 예컨대 출구 포트들의 크기들의 차이에 의해 용이하게 제어될 수 있다. 가스-운반 도관들(61)의 직경들의 큰 단면적들은, 비록 챔버 내부로부터 열을 흡수하기 위해 유용한 체류 시간을 증가시키기 위해 우선적으로 선택되지만, 또한, 가스-운반 도관들이 도관들의 길이를 따라 가스 압력들을 대략 일정하게 하는 플레넘 챔버들(plenum chambers)로 작용할 수 있도록 한다. 예를 들어, 출구 포트들이 유사한 크기들이면, 횡방향 유동들(62)은 종방향으로 균일하게 될 수 있고, 반면 출구 포트들이 가변 크기이면, 횡방향 유동들이 가변일 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시예의 가열 가스 인젝터들, 특히 도 3a 내지 도 3c의 인젝터와 유사하게 구성되는 인젝터들은 III-질화물 화합물들에 대한 공정을 위한, 특히 HVPE 공정에 따른 GaN 성장을 위해 NH3을 공급하기 위한 CVD 챔버 내로 기체 상태의 N 전구체들을 제공하는데 사용될 수 있다. 이와 같은 적용들을 위해, 가스-운반 도관들(61)은 약 1 cm로부터 2 cm 내지 2.5 cm까지의 크기로 만들어질 수 있고(그리고 크기들은 이들 사이에 있음), 바람직하게는 수정을 포함하며, 고정구들(73)에 의해 흑체 플레이트들 아래에서(대안으로 위에서) 챔버 내에 지지되고, 서셉터(69)의 상측 표면의 근방에 횡방향 유동(62)이 있는 가스 출구를 가진다. 인젝터들은 바람직하게는 수정들을 포함하고, 수동 가열 플레이트들은 바람직하게는 SiC, B4C, AlN을 포함한다.
동작시, NH3은 1 - 3 SLM의 유량으로 입구 포트들(75)을 통해 인젝터로 들어간다. 그러한 두 개 보다 하나 이상 많은 입구들이 단지 이용될 수 있다. 가스-운반 도관들(61)의 출구들은 서셉터(69)의 근방에 배치된다. NH3은 CVD 챔버의 가열된 내부 및 SiC 플레이트들로부터 전달된 열에 의해 가열되고, 이들 모두는 챔버 하우징(71) 위에(그리고 아래에) 위치한 외부 램프 소스들로 구비되는 가열 요소들(60)에 의해 가열된다. NH3는 반응 챔버 내로 들어가기 전에 적어도 600℃의 온도로 가열된다.
가열 가스 인젝터들의 바람직한 추가 실시예들
증가된 가스 체류 시간들로 인해 어느 정도의 서멀라이제이션을 달성할 뿐만 아니라, 제어된 횡방향 공간 분포를 지닌 분리된 종방향 가스 유동들로 하나 이상의 가스 스트림들을 주입하는, 본 발명의 가열 가스 인젝터들의 바람직한 실시예들이 설명된다. 특히, 적어도 하나의 종방향 가스 스트림의 공간 분포는 서셉터의 폭을 가로질러 횡방향으로 대부분 균일하도록 제어되며 상기 폭은 서셉터의 직경의 중요한 부분에 해당한다. 공간 분포들이 또한 제어되고, 다른 가스들이 조기에 혼합되지 않도록, 또한 온도를 변화시키지 않도록, 또는 화학적으로 상호작용하지 않도록, 공간 분포들이 제어될 수 있다. 여기서 본 실시예의 인젝터들은 '바이저(visor)'-타입 인젝터들, 또는 '바이저' 인젝터들 또는 '바이저들'로서 지칭된다.
예를 들어, III-질화물 화합물들의 성장의 경우에, 본 실시예의 바이저 인젝터들은 III-전구체 가스들, N 전구체 가스들, 및 퍼지 가스들을 주입하는데 유용하다. 특히, 바이저 인젝터는 서셉터의 직경의 상당 부분인 폭을 가로질러 횡방향으로 충분히 균일한 유동으로 전구체 가스들을 주입할 수 있다. 따라서, 서셉터가 회전할 때, 성장 기판들은 전구체들 중 하나에 대해 충분히 균일하게 노출될 것이다.
"서셉터의 상당 부분(significant portion of the susceptor)"라는 용어는, 위의 상황에서 사용될 때, 서섭터 상에서 수행되는 모든 성장 기판들이 가스 유동에 직접 노둘될 수 있도록 그 가스 유동(중요한 퍼짐 없이 주입될 때)이 서셉터의 모든 영역들에 충분히 도달할 수 있음을 의미한다. 서셉터는 보통 동작 중에 회전하므로, 서셉터의 직경의 적어도 1/2이상을 가로질러 연장하는 종방향 유동은 "서셉터의 상당 부분"을 가로질러 충분히 균일할 것이다. 특히 바람직하게는, 유동은 적어도 서셉터의 직경의 65% 또는 80% 이상을 가로질러 연장한다. 더 더욱 바람직하게는, 챔버 구성이 허용하는 경우, 유동은 실질적으로 모든 서셉터 직경에 걸쳐 연장한다. "대략 균일한(largely uniform)"이라는 용어는 가스 유동의 속도들이 약 15% 미만, 또는 약 25% 미만, 또는 약 35% 미만에서 변화됨을 의미한다.
바이저-타입 인젝터들은 선택된 종방향 분포들로 빠져나가는 가스를 형성하고 촉진하기 위해 선택된 단면들을 갖는 출구 포트들을 가진다. 특히, 바이저-타입 인젝터는 서셉터의 상당 부분에 해당하는 횡방향 폭(예컨대, 서셉터 직경의 약 1/2 이상인 횡방향 폭)을 갖는 적어도 하나의 출구 포트를 가진다('넓은' 출구 포트). 다른 출구 포트들('좁은' 출구 포트들)은 더 제한된 유동들(예컨대, 도 3c의 출구 포트들(76)과 유사하게 구성되는 출구 포트들을 통해 주입될 수 있는 유동들과 같은 유동들)로 가스들을 주입하기 위해 전형적으로 더 좁아진다. 편리하게는 그리고 바람직하게는, 넓은 출구 포트의 연직방향 길이들(vertical extents)은 이들의 횡방향 길이들보다 작고(또는 훨씬 작고) 그 결과 이들 출구들은 예컨대 '평평한(flattened)' 형상을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 좁은 출구 포트들은 필적할 만한 횡방향 수평 및 연직 길이들을 가질 수 있다.
더 넓은 횡방향 길이 및 더 작은 연직방향 길이를 갖는 출구 포트들은 평평한 형상을 가지도록 판상 재료들로부터 바이저-타입 인젝터들을 제조함으로써 편리하게 제공될 수 있다. 출구 포트들은 바람직하게는 평평한 형상의 횡방향 에지를 따라 있고, 입구 포트들은 바람직하게는 본체 내에 있거나 대향하는 횡방향 에지를 따라 있을 수 있고, 평평한 형상 내의 채널들은 입구와 출구 포트들을 연결한다. 포트들 및 채널들(또는 홈들 또는 절결부들(cut-outs))은 예컨대 에칭, 기계가공(machining), 삭마(ablating) 등에 의해 제1의 판상 재료로 용이하게 제조될 수 있으며, 이후 제2의 판상 재료에 의해 개방 채널들이 밀봉된다. 다른 실시예들에서, 채널들은 제1 및 제2의 판상 재료들 모두로, 또는 단편(single piece)의 판상 재료 내에서 제조될 수 있다. 판상 재료들은 바람직하게는 고온 즉, 화학적으로 부식성인 환경들을 견딜 수 있다. 바람직한 이와 같은 재료는 수정이고, 또한 AlN, SiC 및 B4C와 같은 흑체 물질들이 또한 사용될 수 있다.
바람직하게는, 넓은 출구 포트를 그것의 (하나 이상의) 입구 포트에 연결하는 채널은 입구 포트 근방에서 비교적 좁고 그것이 그것의 출구 포트의 횡방향 길이와 일치할 때까지 점진적으로 증가하는 횡방향 길이를 가진다. 다양한 실시예들에 있어서, 그러한 점진적 채널들은 상이하게 구성되는 측벽들을 갖는 상이한 형상들을 가질 수 있다. 예를 들어, 선형 측벽들(linear side walls)을 갖는 그러한 채널은 '쐐기형(wedge-like)' 형상을 가질 수 있고, 대안으로 곡선 측벽들에 있어서 이와 같은 채널은 '벨형(bell-like)'(볼록 측벽들) 또는 '노즐형(nozzle-like)' 형상(오목 측벽들)을 가질 수 있다. 일반적으로, 채널 형상 및 벽 구성은 유체 유동의 원리들을 따라 선택될 수 있고 그 결과 출구 포트들을 통해 주입되는 유동은 원하는 특징들, 예컨대 횡방향 균일성을 가진다. 좁은 출구 포트들을 이들의 입구 포트들에 연결하는 채널들은 대부분 일정한 단면 크기를 가질 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 넓고 좁은 채널들의 예시적인 구성들 및 배열들을 갖는 바이저-타입 인젝터들의 예시적인 실시예들을 도시한다. 도 4a는 단일의 넓은, 중앙 배치형 출구 포트(89) 및 출구 포트(89) 옆에 배치된 2개의 좁은 출구 포트들(99)을 갖는 바이저 인젝터를 도시한다. 진한 화살표들은 이들 포트들을 통해 주입될 수 있는 가스 유동들을 나타낸다. 가스-운반 도관(97)은 입구 포트(91)를 출구 포트(89)에 연결하고 입구 포트(91) 부근의 가장 좁은 정점부(apex)로부터 출구 포트(89)의 것과 동일한 횡방향 길이를 가질 때까지 선형으로 넓어지는 대략 쐐기형 형상을 가진다. 가스-운반 도관(85)은 입구 포트(93)(이 도면에서 볼 수 없음)를 양 출구 포트들(99)에 연결한다. 이러한 도관은 출구 포트들에서 끝나는 2개의 아암들 및 이 아암들을 입구 포트와 연결하고 대부분 일정하고 상대적으로 좁은 단면 크기를 가질 수 있는 크기로 만들어져 있는 중앙 부분을 가지도록 구성된다. 이러한 도관은 도관(97)의 외부(교차하지 않음)에 놓인다. 이러한 바이저-타입 인젝터에 있어서, 포트들 및 채널들은 바닥 판상 재료(105)에 있으며 상부 판상 재료(103)에 의해 밀봉되는데, 이들 모두는 바람직하게는 수정을 포함한다.
도 4b는 상대적으로 넓고 횡방향으로 배치된 2개의 출구 포트들(117, 123) 및 상대적으로 좁고 중앙에 배치되는 단일의 출구 포트를 갖는 다른 예시적인 바이저-타입 인젝터를 도시한다. 가스 운반 도관(115)이 입구 포트(113)를 출구 포트(117)에 연결하고 하나의 직선 측벽 및 하나의 곡선 측벽을 갖는 형상을 가져 그것의 횡방향 길이는 입구 포트(113) 근방에서 더 빠르게 증가하고 출구 포트(117) 근방에서 더 느리게 증가한다. 입구 포트(119)를 출구 포트(123)에 연결하는 가스 운반 도관(121)은 유사하지만 거울-이미지 형상을 가진다. 함께 시각화된 이들 도관 모두는 '노즐형(nozzle-like)'으로 간주될 수 있는 형상을 가진다. 가스-운반 도관(127)은 입구 포트(125)를 더 좁은 출구 포트(129)와 연결하고 대략 일정한 단면 크기를 가진다.
도 4c는 도 4b의 실시예의 단부 도면을 나타내며, 바이저-타입 인젝터가 이종 재료들로 제조될 수 있음을 입증한다. 여기서, 도 2a의 실시예와 대조적으로, 저부 판상 재료는 바람직하게는 수정을 포함하고 상부 판상 재료는 바람직하게는 흑체 물질을 포함한다.
바이저 인젝터들에 의해 주입된 가스들은 바람직하게는 가열된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 바이저-타입 인젝터는, 보조 인젝터들(accessory injectors) 예컨대, 도 2a 내지 도 2d 또는 도 3a 내지 도 3c의 실시예들과 유사한 인젝터들을 통한 사전 통과에 의해 이미 가열된 가스들을 받을 수 있다. 바람직한 실시예들에 있어서, 주입된 가스들을 가열하기 위해 또는 추가 가열하기 위해 바이저 인젝터들이 가열된다. 여분의 가열 요소들을 사용하는 능동 가열은 덜 바람직하다(인젝터의 큰 횡방향 길이 때문).
더욱 바람직하게는, 바이저 인젝터들은 CVD 챔버 내에 배치됨으로써 수동으로 가열될 수 있다. 또, 넓은 출구 포트들을 통해 주입된 가스들의 체류 시간들은 줄어든 평균 유속들로 인해 증가될 수 있다. 특히, 가스들이 채널의 좁은 부분으로부터 채널의 넓은 부분을 향해 흐르기 때문에, 그것들의 유속들은 길이는 같지만 단면 크기가 일정한 채널을 통해 주입된 가스들에 비해 감소한다. 게다가, 수동적인 흑체 요소들이 바이저-타입 인젝터로의 열전달을 증가시키기 위해 제공될 수 있다. 이와 같은 흑체 요소들은 도 4c에 도시된 것과 같이 인젝터의 일부분일 수 있다. 또, 본 발명의 다른 인젝터들과 유사하게, 흑체 플레이트들은 바이저-타입 인젝터의 외부에 그러나 인접되게 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명의 수개의 가열 가스 인젝터들, 특히 어떤 CVD 공정을 위해 필요한 가열된 가스들을 주입하기 위해 협력하는 바이저-타입 인젝터들과 예시적인 CVD 챔버(111)의 조합을 도시한다. 여기서, 도 4a에 도시된 실시예와 유사한 바이저-타입 인젝터(82)는 챔버(111)의 상류 단부에 배치되어 제 1 및 제 2 가스 유동들을 주입한다. 상기 출구 포트(89)에서의 제 1 가스 유동은 서셉터(84)의 직경의 상당 부분에 해당하는 폭을 가로질러 횡방향으로 대략 균일하다. 그리고 출구 포트들(99)에서의 제 2 가스 유동들은 제 1 가스 유동의 그리고 한정된 횡방향 길이의 측면들 옆에 있다.
제 1 및 제 2 가스 유동들이 모두 가열된다. 바이저-타입 인젝터(82)는 가스 유동들(108)을 도 2c 및 도 2d를 참조하여 기술된 인젝터와 유사한 인젝트들(83)을 통과함으로써 이미 가열된 외부 소스들로부터 받는다. 인젝터들(83)은 능동적으로 가열되고 챔버(111)의 대략 외측에 배치된다. 바이저-타입 인젝터(82)는 챔버(111) 내에 배치되고 그래서 그것은 주입 전에 가스들을 더 가열할 수 있다. 선택적 흑체 플레이들(109)(명확성을 위해 파단선으로 표시됨)이 인젝터(81)에 인접하게 제공되어 챔버로부터 바이저-타입 인젝터로의 열전달을 개선시킨다.
상기 조합은 서셉터(84) 옆에서 챔버(111)의 측벽들에 인접하여 배치되는, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명된 인젝터들과 유사한 인젝터들(81)을 또한 포함하며, 횡방향에서 서셉터(84)를 가로질러 양 챔버 벽들로부터 서셉터(84)로 제 3 횡방향 가스 유동들(87)을 주입한다. 횡방향 유동들은 인젝터들(81)로부터의 출구 포트들의 구조들의 크기들에 따라 선택된 종방향 분포들을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 3 횡방향 가스 유동들(87)이 서셉터의 상당 부분을 가로질러서도 실질적으로 균일하도록, 출구 포트들이 구성되고 그 크기가 정해질 수 있다.
인젝터들(81)이 챔버(111) 내에 배치되어 가스들은 주입되기 이전에 가열될 수 있다. 선택적인 흑체 플레이트들(109)이 인젝터들(81)에 인접되게 제공되어 챔버로부터 바이저-타입 인젝터로의 열전달을 개선한다.
본 발명의 CVD 챔버와 가열 가스 인젝터들의 이러한 조합은 예컨대 III-질화물 물질들(특히, HVPE 공정에 따른 GaN)의 증착에 유용할 수 있다. GaN 증착의 경우, 제 1 가스 유동들은 기체 상태의 GaCl3를 포함할 수 있고, 제 3 횡방향 가스 유동들(87)은 NH3을 포함할 수 있으며, 제 2 가스 유동은 H2와 같은 퍼지 가스를 포함할 수 있다. 이 두 전구체 가스들은 서셉터(84)의 직경의 상당 부분인 폭을 가로질러 횡방향으로 대략 균일한 유동들의 수직 방향들로부터 주입되며, 다양한 목적들을 위해 출구 포트들이 주입될 수 있다.
본 발명의 인젝터들의 다른 조합들이 선택된 다른 패턴들로 가스 유동들을 주입하기 위해 준비될 수 있다.
비록 본 발명의 특정 특징들이 몇몇 도면들에 도시되고 다른 도면들에는 도시되지 않았지만, 각각의 특징이 본 발명에 따라 다른 특징들 중 임의의 하나 또는 모두와 조합될 수 있기 때문에 이것은 단지 편의를 위한 것이다. 본원에서 사용된 단어들 "구비하는(including)", "포함하는(comprising)", "가지는(having)", 및 "갖는(with)"은 넓게 그리고 포괄적으로 해석되고 임의의 물리적 상호접속으로 제한되지 않는다. 관사들 "하나(a 또는 an)" 등은 또한 단수 및 복수 모두를 참조하여 넓게 포괄적으로 해석된다. 게다가, 본 출원에 기술되는 임의의 실시예들은 단지 가능한 실시예들로서 취해지지 않는다. 다른 실시예들이 이 기술 분야에서 숙련된 사람들에 의해 만들어질 수 있고 다음의 청구항들 내에 있다.

Claims (30)

  1. CVD(chemical vapour deposition) 챔버 내로 가스들을 주입하기 위한 가스 인젝터로서,
    상기 가스 인젝터는 하나 이상의 가스-운반 도관들을 포함하며, 각각의 가스-운반 도관은 상기 가스-운반 도관을 통하는 유동 경로를 따라 가스 입구 포트로부터 하나 이상의 가스 출구 포트들로 가스들을 운반하기 위한 것이며,
    상기 하나 이상의 가스-운반 도관들은 수동적으로 또는 능동적으로 가열되는, 가스 인젝터.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 선택된 가스-운반 도관은, 다른 가스-운반 도관들의 가스 유동 경로들 및 가스 유동 시간들과 비교하여, 보다 긴 가스 유동 경로 및 보다 큰 가스 유동 시간을 갖도록 구성되는, 가스 인젝터.
  3. 제2항에 있어서,
    각각의 가스-운반 도관은 상기 CVD 챔버 내에서의 III족 질화물 반도체의 성장을 위한 III족 금속 전구체를 포함하는 내부 유동 가스를 포함하는 가스 인젝터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 선택된 가스-운반 도관은 나선 형상을 포함하는 가스 인젝터.
  5. 제4항에 있어서,
    나선형의 상기 가스-운반 도관의 일부 또는 전부를 둘러싸는 외부 하우징, 및 상기 외부 하우징의 외부에 배열되는 하나 이상의 능동 가열 요소를 더 포함하는 가스 인젝터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 인젝터는, 상기 외부 히터들로부터 상기 가스-운반 도관으로의 열전달을 향상시키기 위해, 상기 외부 하우징 내에 배치되되 나선형의 상기 가스-운반 도관의 외측에 배치되는 수동 소자를 더 포함하며,
    상기 외부 하우징은, 가스 입구 포트 및 가스 출구 포트를 더 포함하고, 또한 가스들이 상기 입구 포트로부터 상기 출구 포트로 내부 하우징을 통해 흐를 수 있는 구성 및 크기로 만들어지는 가스 인젝터.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 선택된 가스-운반 도관의 단면 크기는 최상 영역으로부터 상기 가스-운반 도관이 CVD 챔버 내로 개방되는 베이스 영역을 향해 더 커지는 가스 인젝터.
  9. 제8항에 있어서,
    가스-운반 도관 내에서 흐르는 가스들은 상기 CVD 챔버 내에서의 III족 질화물 반도체의 성장을 위한 III족 금속 전구체를 포함하고,
    상기 선택된 가스-운반 도관은, 제1 가스 입구 포트를 갖는 정상(apex), 및 상기 CVD 챔버 안으로 개방되는 제1 출구를 갖는 베이스(base)를 포함하는, 가스 인젝터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가스 인젝터는,
    상기 선택된 가스-운반 도관을 가로지르지 않으며, 제2 가스 입구 포트를 가지며, 일정한 단면 크기를 가지며, 또한 상기 선택된 가스-운반 도관의 상기 출구 옆에서 CVD 챔버 안으로 개방되는 하나 이상의 제2 출구들을 갖는, 적어도 하나의 제2 가스-운반 도관을 더 포함하며,
    상기 가스 인젝터는,
    가열되는 CVD 챔버를 더 포함하며,
    상기 선택된 가스-운반 도관 및 상기 제2 가스-운반 도관은 상기 CVD 챔버 내부에 배열되는, 가스 인젝터.
  11. CVD 챔버 내로 가스들을 주입하기 위한 방법에 있어서,
    하나 이상의 가스-운반 도관들을 따라 가스 입구 포트로부터 하나 이상의 가스 출구 포트들로 가스들을 이송하는 단계; 및
    상기 가스들이 하나 이상의 가스-운반 도관들을 통해 이송될 때 상기 하나 이상의 가스-운반 도관들을 가열하는 단계;를 포함하는, CVD 챔버 내로 가스들을 주입하기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    적어도 하나의 선택된 가스-운반 도관은, 다른 가스-운반 도관들의 단면 크기들 및 가스 유동 시간들과 비교하여, 보다 큰 단면 크기 및 보다 큰 가스 유동 시간을 지닌 가스 유동 경로를 제공하며,
    상기 선택된 가스-운반 도관 내에서 유동하는 가스들은 상기 챔버 내에서 III족 질화물 반도체의 성장을 위해 질소 전구체를 포함하는, CVD 챔버 내로 가스들을 주입하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 다른 가스-운반 도관들 중 적어도 하나의 가스-운반 도관은 최상부로부터 상기 적어도 하나의 가스-운반 도관이 상기 챔버 안으로 개방되는 베이스부를 향해 더 커지는 단면 크기를 가지며, 그 안에서 유동하는 가스들은 상기 챔버 내에서의 III족 질화물 반도체의 성장을 위한 III족 금속 전구체를 포함하는, CVD 챔버 내로 가스들을 주입하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 챔버는 성장 표면을 지닌 서셉터를 그 내부에 포함하며, III족 금속 및 질소 전구체 가스들은 가열되고 또한 상기 서셉터의 성장 표면 상에서의 III족 질화물 반도체의 성장을 위해 상기 서셉터의 성장 표면을 향해 이동하는, CVD 챔버 내로 가스들을 주입하기 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 가스들은 원치 않는 전구체 화합물의 형성을 감소시키면서 상기 서셉터의 성장 표면 상에서의 III족 질화물 반도체의 성장을 촉진하기 위해 930℃보다 더 높은 온도에서 반응하는, CVD 챔버 내로 가스들을 주입하기 위한 방법.
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