KR101390425B1 - 화학기상증착 챔버용 온도제어 퍼지 게이트 밸브 - Google Patents
화학기상증착 챔버용 온도제어 퍼지 게이트 밸브 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 3족-N(질소) 화합물 반도체 웨이퍼 및 특히 GaN 웨이퍼를 제조하기에 최적화된 방법들 및 장치에 관한 것이다. 특히, 상기 방법은 화학기상증착(CVD) 반응기 내에서 고립 밸브 픽스처(isolation valve fixture) 상에 원하지 않는 물질이 형성됨을 실질적으로 방지한다. 특히, 본 발명은 반응챔버 내에서 하나의 반응물로서 가스 상태의 일정량의 3족 선구체를 다른 반응물로서 가스 상태의 일정량의 5족 성분과 반응시킴으로써, 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위해 사용되는 고립 밸브 상에서의 GaCl3의 증착/응축 및 부산물들에 의한 반응을 제한하기 위한 장치 및 방법들을 제공한다.
게이트 밸브, CVD, 대량 생산, HVM, 반응챔버, 3족, 5족, 선구체
Description
본 발명은 화학기상증착 반응기 내에서 격리 밸브 픽스처(isolation valve fixture)에 원하지 않는 물질이 형성되는 것을 실질적으로 방지하는 방법을 포함한다. 바람직한 실시예로서, 본 발명은 격리 밸브에 염화갈륨과 반응 부산물의 증착/응축을 제한하는 장치와 방법을 제공한다.
3-5족 화합물은 광학부품(특히, 단파장 LED와 레이저)과 전자부품(특히, 고온/고파워트랜지스터)를 제조하는데 유용한 중요한 반도체 재료이다. 그러나, 이 3-5족의 상업적 사용은 이 물질의 대량의 단결정 기판을 직접 성장시키는 것이 실제적으로 불가능하기 때문에 제한된다. 그러므로 이 재료의 대부분은 헤테로에픽테셜 CVD 공정에 의해 제조되기 때문에, 3-5족 화합물의 저결함밀도, 단결정층을 성장시키기 위한 실제적인 에피테셜기판의 부족에 의해 제한된다.
3족 질소화합물의 경우에, 복수 개의 헤테로에피테셜로 성장한 재료를 향상시키기 위해 종래 접근방법 상태는 매우 두꺼운 층들을 성장시킨다. 두꺼운 층의 아래 부분은 초과 결합밀도를 갖고 있을 지라도, 그럼에도 불구하고 위 부분은 적절한 결함밀도를 포함한다. 그러나, 두꺼운 층의 성장은 현재 하이드라이드 기상 에픽테시만으로 얻을 수 있는 성장률을 요구한다. HVPE 공정은 CVD 반응기에서 수행되고, 부식성 염소화함물을 포함하는 선구체 가스를 사용하고, 상당히 높은 내부 온도에서 기판을 가지고 수행되어 선구체 가스들 사이에서 원하는 반응을 일으킨다.
그러나, 모든 내부 반응기 화합물이 고 반응/증착 온도에 유지될 필요는 없으며, 그렇게 하는 것이 바람직한 것은 아니다. 예를 들면, CVD 반응기 챔버의 벽은 반응기 벽에 타겟 재료의 원하지 않는 증착이 일어나는 것을 제한하기 위해 낮은 온도로 유지될 수 있다. 또한 반응기 내의 어떤 부품들, 예를 들면, 오링, 실, 가스켓 등은 낮은 온도로 유지되어야만 한다. 왜냐하면, 이것들은 흔히 고온에 의해 손상될 수 있는 중합체 재료로 만들어지기 때문이다.
한편, 내부부품을 너무 낮은 온도로 유지하는 것은 바람직하지 않다. 예를 들면, 선구체 가스 또는 반응 생성물은 낮은 온도에서는 내부 부품들에 응축될 수 있다. 낮은 온도에서 내부 부품들은 반응기 내에 존재하는 가스들 사이에 복합 형식과 같은 원하지 않는 상호반응을 일으킬 수 있다. 그러한 효과는 내부부품들을 손상시킬 수 있고, 성장하는 반도체 웨이퍼에 오염을 일으킬 수 있다.
어떤 부품은 반응기 챔버 내부에 노출되고 온도 민감 재료, 예를 들면 중합체 실을 포함할 수 있다. 그래서 그러한 부품들은 낮은 온도와 높은 온도와 같이 서로 충돌하는 요건을 필요로 할 수 있다. 많은 상업용 CVD 반응기에 존재하는 그러한 부품들(충돌하는 온도요건을 가진)의 예는 게이트 밸브(또는 하중 록, 트랜스퍼 도어 등)이다. 그러한 자동 트랜스퍼 수단은 보통 자동 게이트 밸브를 포함한 다. 게이트 밸브는 열렸을 때 웨이퍼 이송과 자동화된 웨이퍼 트랜스퍼 장치를 수용하고, 닫혔을 경우 챔버 내부를 외부로부터 실링한다.
닫혔을 경우, 게이트 밸브 전면의 적어도 일부는 반응 챔버 내부로 노출되고, 노출된 표면의 온도는 충분히 높아 상기에서 설명한 바람직하지 않은 응축/반응이 제한된다. 또한, 게이트 밸브가 닫혔을 대, 게이트 밸브의 전면은 반응기의 외면과 함께 실을 형성하여야 한다. 그래서 이 주변의 온도는 충분히 낮아서 가스켓(gasket), 오링(O-ring) 등과 같은 실링재료에 열적 손상을 일으키지 않아야 한다. 바람직하게는 실링재료에 대한 열적 손상은 충분히 낮아서 게이트 벨브가 수선 없이 수천번 개폐될 수 있다.
GaN의 HVPE 성장과 같은 특별한 경우에, 게이트 밸브 (또는 아이솔레이션 밸브) 조립체는 GaCl3, NH3, HCl, N2, H2, Ar를 포함하는 처리가스와 NH4Cl을 포함하는 반응 생성물과 반응 부산물에 노출될 수 있다. 물론, 더 문제가 되는 것은 선구체 가스 GaCl3와 반응 생성물 NH4Cl이다. GaCl3은 부식성이 있고, 약 80℃이하에서 표면에 응축될 수 있다. NH4Cl은 150℃이하인 반응챔버 내부의 어떤 표면에도 응축될 수 있다. 더욱이, 단지 제한된 수의 실링부재만이 부식성 있는 염소함유 가스에 충분히 저항할 수 있으며, 이들도 일반적으로 약 150-160℃를 초과하는 온도에서는 견딜 수 없다.
종래 기술은 부식성 재료로부터 반응기 구성요소를 보호하고 차가운 반응기 구성요소 위에 응축이 생기는 것을 방지할 수 있는 방법을 기재하고 있다. 예를 들면, US 6,071,375는 내부 구성요소를 오목하게 파진 프리 챔버에 배열하여 반응기 내에서 내부 구성요소를 보호하는 방법을 가르치고 있다. 프리 챔버는 반응기에 대해 개방되어 있으나 프리 챔버로 분사되는 불활성 정화 가스흐름에 의해 처리 가스에 대해 상대적으로 자유롭다. 그러나, 이와 같이 프리 챔버를 포함하는 배열은 일반적으로 엄격한 크기 제한을 갖는 고 체적 제조장비에 대해서는 장애가 된다. 또한, US 6,086,673은 두 개의 지역의 뜨거운 벽 반응기를 가르치고 있다. 선구체 제조 지역에서 온도는 대략 850℃이고, 성장지역에서 온도는 대략 1050℃이다. 그러나 뜨거운 벽 반응기는 뜨거운 벽에 질화 증착이 빈번한 챔버 청소를 필요로 하기 때문에 고 체적 제조과정에는 부적절하다. 또한, 자동 게이트 밸브를 실링하는 문제는 여기에서 기술하지 않았다. US 5,156,521은 종래 기술에 의한 게이트 밸브를 도시하고 있다.
종래 기술은 반도체 재료의 고 체적 제조, 특히 3족 질화 및 GaN 재료의 대량 생산(high volume manufacture)에 사용되기 적합한 CVD 챔버를 위한 실링방법과 게이트 밸브를 누락하고 있다.
본 발명은, 한 개의 반응물로서 많은 양의 가스상의 3족 선구체를 다른 반응물인 많은 양의 가스상의 5족 성분과 반도체 재료를 제조하기에 충분한 조건 하에서 반응기 챔버 내에서 반응시키고, 한 개 이상의 퍼지 가스 분류를 주입하여 상기 반응물 중의 적어도 한 개가 소정 위치로 향하는 것을 돕는 동안 상기 반응물들을 인입시켜 그들이 반응 챔버 내의 소정 위치에서 반응하도록 함으로써, 단결정 3-5족 반도체 재료를 형성하기 위한 방법에 관한 것이다. 가스상의 3족 선구체는 적어도 48시간 동안 적어도 50g 3족 성분/시간의 질량 흐름으로 연속적으로 제공된다.
상기 3족 선구체와 5족 성분은 반응 챔버 내의 소정 위치에서 한 개 이상의 기판 근처 및 위에서 반응하여 그 위에 단결정 반도체 재료를 증착하도록 하는 제어된 방법으로 상기 반응 챔버로 인입된다. 상기 반응 챔버는 일반적으로 수평의 직사각형 챔버로 형성되며, 방법은 상기 반응물들이 상기 기판 근처 및 위에 소정 위치에 도달할 때까지 반응하지 않도록 상기 반응물들을 챔버의 다른 부분을 통해 인입시키는 단계를 더 포함한다.
더 특별하게, 상기 반응 챔버는 바닥, 천장, 한 쌍의 측벽, 개방 입구(open inlet), 및 개방 출구(open outlet)를 포함할 수 있으며, 상기 방법은 상기 다른 반응물이 상기 소정 위치로 향하도록 하여 상기 기판 위에 단결정 재료를 효과적으로 증착하도록 한 개 이상의 퍼지 가스 분류와 함께 입구를 통해 다른 반응물을 인입시키는 동안, 한 개의 반응물을 상기 챔버의 바닥을 통해 인입시키는 단계를 더 포함한다. 한 개의 반응물이 챔버의 바닥에 형성된 슬롯을 통해 인입될 때, 다른 반응물은 상기 입구에 또는 근처로 인입될 수 있다. 퍼지 가스 분류가 통과하여 챔버로 들어가며, 다른 반응물이 상기 소정 위치로 향하도록 하는 반응 챔버 입구에 게이트 밸브가 마련된다. 상기 챔버의 바닥을 통해 인입되는 반응물은 가스 상의 3족 선구체인 것이 바람직하며, 입구를 통해 인입되는 다른 반응물은 5족 성분인 것이 바람직하다. 복수 개의 퍼지 가스 분류는 상기 3족 선구체가 소정 위치로 향하도록 하는 것을 돕기 위해 제공된다.
상기 반응 챔버는 일반적으로 석영으로 만들어 지며, 게이트 밸브는 금속으로 만들어진다. 그래서 상기 방법은 게이트 밸브와 반응기 사이에 오-링(O-ring)을 제공하는 단계와 작업 중에 상기 오-링이 열화되는 것을 피하기 위해 상기 게이트 밸브를 냉각하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 반응물은 반응 챔버에서 수평의 층류로서 제공되는 것이 바람직하며, 복수 개의 가스 분류는 게이트 밸브의 별도의 구멍들을 통해 인입된다. 이를 위해, 상기 구멍들은 게이트 밸브의 면의 중앙부에 있는 구멍들 사이의 간격이 상기 면의 다른 부분에 있는 구멍들 사이의 간격보다 큰 공간적 관계로 상기 게이트 밸브의 면에 제공되는 것이 유리하다.
가스상의 5족 성분이 질소 함유 성분일 때, 그것은 가스상 3족 선구체보다 실질적으로 많은 양이 제공되므로 단결정 3족 질소화물이 제공된다. 상기 3족 선구체는 갈륨, 알루미늄 또는 인듐일 수 있고, 질소 함유 성분은 암모니아와 같은 질소 함유 가스, 또는 질소 가스의 플라즈마 여기에 의해 생성된 질소 이온 또는 라디칼이다.
본 발명은 또한 단결정 3-5족 반도체 재료를 제조하기 위한 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 한 개의 반응물로 사용되는 3족 선구체의 소스, 다른 반응물로 사용되는 5족 성분의 소스, 단결정 3족-5족 반도체 재료를 형성하기에 충분한 조건 하에서 서로 반응하도록 상기 3족 선구체와 5족 성분을 수용하는 반응 챔버와, 상기 반응물들을 상기 반응 챔버로 인입시켜 그들이 반응 챔버 내의 소정 위치에서 만나서 반응하도록 하고, 상기 반응물들 중 적어도 한 개가 상기 소정 위치로 향하는 것을 돕도록 하기 위해 한 개 이상의 퍼지 가스 분류를 상기 반응 챔버 속으로 주입하기 위한 구멍들을 포함한다.
상기 반응 챔버는 일반적으로 수평의 직사각형 챔버로 형성되며, 반응물들을 도입하는 구멍들은 반응물들이 기판의 근처와 바로 위에 소정의 위치에서 만날 때까지 반응을 피하도록 하기 위해 상기 챔버의 다른 부분에 위치한다. 또한, 상기에서 말한 바와 같이, 상기 반응 챔버는 바닥, 천장, 한 쌍의 측벽, 개방 입구(open inlet), 개방 출구(open outlet)를 포함하며, 한 개의 반응물 인입 구멍은 반응물을 상기 반응 챔버로 인입하도록 상기 바닥에 형성된 수평 슬롯을 포함한다. 상기 슬롯은 상기 반응물을 인입시켜 다른 반응물과의 반응을 위해 상기 소정의 위치로 향하도록 하는 형상과 치수로 형성된다.
상기 시스템은 한 개 이상의 기판을 고정하기 위한 회전 지지부를 포함하며, 그 위에는 단결정 반도체 재료가 증착된다. 기판 위에 단결정 반도체 재료가 증착되고 형성되는 것을 용이하게 하기 위해 반응물 인입 구멍에 관련된 형상, 치수, 및 위치로 형성된 기판과 지지부와 함께 제어된 방법으로 상기 구멍은 상기 반응물들이 반응 챔버로 인입되도록 한다. 다른 반응물을 위한 입구 구멍은 주입 노즐을 포함하고, 적어도 한 개의 다른 구멍은, 기판에 단결정 재료를 효과적으로 형성하도록 하기 위해 상기 다른 반응물이 상기 소정의 위치로 향하도록 하는 상기 한 개 이상의 퍼지 가스 분류가 상기 반응 챔버로 인입되도록 하는 통로를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 입구와 관련된 게이트 밸브는 기판에 단결정 재료를 효과적으로 형성하도록 하기 위해 상기 다른 반응물이 상기 소정의 위치로 향하도록 하는 방법으로 상기 퍼지 가스 분류를 인입되도록 하기 위해 마련된다. 상기 챔버의 바닥을 통해 인입되는 반응물은 가스상의 3족 선구체인 것이 바람직하며, 입구를 통해 인입되는 다른 반응물은 5족 성분인 것이 바람직하다. 게이트 밸브는 상기 3족 선구체가 소정 위치로 향하도록 하는 것을 돕기 위해 퍼지 가스 분류를 반응기 챔버로 인입되도록 하는 복수 개의 구멍을 포함한다.
상기 시스템은 전형적으로 반응물이 수평 층류로 반응 챔버로 들어가도록 하고, 복수 개의 퍼지 가스 분류는 게이트 밸브의 별도 구멍들을 통해 인입된다. 이 것은 게이트 밸브의 면의 중앙부에 있는 구멍들 사이의 간격이 상기 면의 다른 부분에 있는 구멍들 사이의 간격보다 큰 공간적 관계로 구멍들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 상기 반응 챔버가 석영으로 만들어지고 게이트 밸브가 금속으로 만들어졌을 때, 게이트 밸브와 반응기 사이에 위치한 오-링(O-ring)은 실링 연결을 제공하기 위해 포함될 수 있다. 또한, 상기 게이트 밸브는 작업 중에 상기 오-링이 열화되는 것을 피하기 위해 퍼지 가스 분류에 의해 상기 게이트 밸브가 냉각될 수 있다.
본 발명은, 한 개의 반응물로서 많은 양의 가스상의 3족 선구체를 다른 반응물인 많은 양의 가스상의 5족 성분과 반도체 재료를 제조하기에 충분한 조건 하에서 반응기 챔버 내에서 반응시키는 단계, 여기서, 상기 반응물들은 상기 반응 챔버로 인입되어 그들이 반응 챔버 내의 소정 위치에서 한 개 이상의 기판 근처 또는 위에서 반응하여 그 위에 반도체 재료를 증착하며, 상기 반응물 중의 적어도 한 개가 소정 위치로 향하는 것을 돕기 위해 한 개 이상의 퍼지 가스 분류를 주입하는 단계를 포함한다. 특히 이 방법은 적어도 48시간 동안 적어도 50g 3족 성분/시간의 질량 흐름으로 가스상의 3족 선구체를 연속적으로 제공한다.
더 특별하게, 본 발명은 반응 챔버의 입구 포트를 실링하도록 닫힐 수 있으며, 상기 입구 포트를 통해 상기 반응 챔버 내부와 외부 사이에서 재료를 이송할 수 있도록 열릴 수 있는 게이트 밸브의 복수 개의 구멍을 통해 퍼지 가스 분류를 주입한다. 닫혔을 때 상기 게이트 밸브와 반응 챔버 사이의 실 근처의 상기 게이트 밸브의 부분은 작업 중에 상기 실의 열적 열화를 피할 수 있도록 충분히 냉각될 수 있다. 예를 들면, 게이트 밸브와 전도성 있게 연결된 통로를 통해 냉각 유노출 통과시킴으로써 냉각시킨다. 추가적으로, 닫혔을 때 상기 반응 챔버의 내부로 노출된 상기 게이트 밸브의 부분은 상기 반응기 내에서 상기 가스들의 응축 및/또는 원하지 않는 반응을 피할 수 있도록 충분하게 가열될 수 있으나, 닫혔을 때의 상기 게이트 밸브와 반응 챔버 사이에 있는 실의 열적 열화를 피할 수 있을 정도로 가열이 제한된다. 상기 게이트 밸브는 상기 게이트 밸브 내부의 한 개 이상의 통로를 통해 가열된 유체를 통과시킴으로써 가열될 수 있다. 대표적인 온도는 3족 선구체의 응축 온도와 3족-5족 반응 생성물의 승화 온도 중의 하나 또는 그 둘보다 더 높다.
또한, 본 발명은 CVD 반응 챔버에서 유용한 게이트 밸브 조립체와 관련된다. 상기 게이트 밸브 조립체는 상기 반응 챔버로 들어오는 재료 이송 포트를 실링하도록 닫힐 수 있고, 이 이송 포트를 통해 재료를 이송할 수 있도록 열릴 수 있으며, 반응 챔버 동작 중에 상기 게이트 밸브의 온도를 선택된 온도 범위로 유지하는 온도 제어부를 포함한다.
더 특별하게, 상기 온도 제어부는, 상기 반응기 내에서 상기 가스들의 응축 및/또는 원하지 않는 반응을 피할 수 있도록 닫혔을 때 상기 반응 챔버의 내부로 노출된 상기 게이트 밸브 부분을 충분하게 가열하기 위해, 상기 게이트 밸브의 외부에 있는 복사 가열 요소 또는 가열된 유체를 위한 상기 게이트 밸브 내의 통로와 같은 한 개 이상의 가열요소를 포함할 수 있다. 상기 게이트 밸브 조립체가 닫힌 상기 게이트 밸브와 상기 반응 챔버 사이에 실을 포함한 경우, 상기 온도 제어부는 작업 중에 상기 실의 열적 열화를 피하기 위해 상기 실 근처의 상기 게이트 밸브의 부분을 충분히 냉각할 수 있는, 상기 게이트 밸브에 전도성 있게 연결되며 냉각된 유체를 흐르게 하는 한 개 이상의 통로와 같은 한 개 이상의 냉각 요소를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 게이트 밸브는 작업 중에 상기 반응 챔버로 가스 분류를 주입하도록 구성된 복수 개의 구멍을 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 복수 개의 구멍은 중앙부에 있는 구멍들 사이의 간격이 다른 부분에 있는 구멍들 사이의 간격보다 큰 공간적 관계에 있거나, 상기 구멍들 사이의 간격이 실질적으로 균일한 간격을 갖는 공간적 관계에 있을 수 있다.
또한, 본 발명은 단결정 3-5족 반도체 재료 제조용 시스템과 관련된다. 본 발명의 시스템은 한 개의 반응물로 사용되는 3족 선구체의 소스, 다른 반응물로 사용되는 5족 성분의 소스, 및 상기 3족 선구체와 5족 요소가 3족-5족 반도체 재료를 형성하기에 충분한 조건 하에서 서로 반응하도록 수용하는 반응 챔버를 포함한다. 상기 반응 챔버는, 상기 반응물들을 상기 반응 챔버로 인입시켜 그들이 반응 챔버 내의 소정 위치에서 한 개 이상의 기판 근처 또는 위에서 만나서 반응하여 그 위에 반도체 재료를 증착하도록 하는 구멍들과, 한 개 이상의 퍼지 가스 분류를 주입하기 위한 구멍들, 및 반도체 재료들이 상기 반응기의 내부와 외부 사이에서 이송될 수 있도록 하는 로딩 포트를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 시스템은, 상기 게이트 밸브와 반응기 사이의 실을 가지고 상기 로딩 포트를 실링하는 게이트 밸브 조립체를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 반응기 내에서 상기 가스들의 응축 및/또는 원하지 않는 반응과 상기 실의 열적 열화를 피할 수 있도록 상기 게이트 밸브의 온도를 제어하는 온도 제어부를 포함하는 것이 좋다.
상기 시스템의 게이트 밸브는 상기 반응 챔버 내로 퍼지 가스 분류를 주입하는 복수 개의 구멍이 마련되며, 상기 퍼지 가스 분류는 적어도 부분적으로 한 개의 반응물이 상기 소정 위치로 향하도록 하는 방법으로 주입되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 온도 제어부는, 상기 반응기 내에서 상기 가스들의 응축 및/또는 원하지 않는 반응을 피할 수 있도록 닫혔을 때 상기 반응 챔버 내부로 노출된 상기 게이트 밸브의 부분을 충분하게 가열하는 한 개 이상의 가열요소를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 온도 제어부는 작업 중에 상기 실의 열적 열화를 피하기 위해 상기 실 근처의 상기 게이트 밸브의 부분을 충분히 냉각하기 위한 한 개 이상의 냉각 요소와, 상기 게이트 밸브의 온도를 센싱하고 상기 온도 제어부에 피드백을 제공하기 위한 한 개 이상의 요소를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 반응 챔버는 상기 반응물은 수평 층류처럼 상기 반응 챔버로 인입되도록 구성된다. 상기 반응 챔버는 선택적으로 바닥, 천장, 한 쌍의 측벽, 개방 입구, 개방 출구를 포함하도록 구성되며, 한 개의 반응물 인입 구멍은 상기 반응물을 상기 반응 챔버로 인입하도록 상기 바닥에 형성된 수평 슬롯이며, 상기 슬롯은 상기 반응물을 인입시키고, 다른 반응물과의 반응을 위해 상기 소정 위치로 상기 반응물이 향하도록 하는 형상과 치수로 형성된다.
본 발명의 구성요소의 다른 측면들과 상세한 설명 및 다른 조합들은 첨부된 도면과 아래의 상세한 설명에 의해 명백해질 것이며, 이들은 모두 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명은 아래의 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명, 본 발명의 특정한 실시예에 대한 예들 및 다음과 같이 첨부된 도면을 참조하면 더욱 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 개략적인 시스템을 나타내는 도면;
도 2A-C는 바람직한 GaCl3 소스를 나타내는 도면;
도 3A-C는 바람직한 반응 챔버를 나타내는 도면;
도 4는 바람직한 이송/반응 챔버 조합을 개략적으로 나타낸 도면;
도 5는 바람직한 입구 매니폴드 구조를 개략적으로 나타낸 도면;
도 6은 다른 반응가스 입구 배열을 개략적으로 나타낸 도면;
도 7A-B는 바람직한 실시예에 의한 가스 밸브를 나타낸 도면;
도 8A-C는 더욱 바람직한 실시예에 의한 가스 밸브를 나타낸 도면이다.
동일한 참조기호는 다른 도면에서 동일한 구조를 나타내기 위해 사용된다.
본 발명은 지금까지 불가능하였던 3-5족 화합물 반도체 웨이퍼(Group Ⅲ-Ⅴ compound semiconductor wafers)의 고 성장 속도(high growht rate)와 대량생산(high volume manufacturing)을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 장치는 수주 또는 수개월 이상 메인티넌스를 위해 생산을 멈출 필요가 없는 연속 생산이 가능하다. 장치는 매시간 내지 4시간 마다 적어도 한 개의 웨이퍼 (또는 한 개의 웨이퍼 배치(a batch of wafers))가 생산될 수 있는 고 처리량 생산(high throughput production)이 가능하다. 이와 같이 생산된 3-5족 화합물 반도체 웨이퍼는 광학과 전자 부품의 제조, 에피택셜 증착(epitaxial deposition)을 위한 기판, 다른 반도체 재료의 응용을 위해 적합할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 장치와 방법은 특별히 GaN 질화 웨이퍼(nitride wafers)를 생산하는 것에 관련된다. 그러한 실시예들이 다음의 설명의 대부분의 초점이 된다. 이러한 초점은 간결함을 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 바람직한 실시예들은 다른 3족 질화물들 예를 들면, 알루미늄 질화물(aluminum nitride), 인디움 질화물(indium nitride), 혼합 알루미늄/갈륨/인디움 질화물의 웨이퍼를 생산하는데 및 3족 인화물(phosphides)과 비화물(arsenides)의 웨이퍼를 생산하는데 쉽게 적용할 수 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼들 또는 3-5족 화합물 반도체 중 어느 하나의 웨이퍼를 생산하는 것은 본 발명의 범위 내에 속한다.
본 발명의 특별한 실시예는 Si 에피택셜 증착을 위해 상업적으로 사용될 수 있는 장비를 수정하여 실현할 수 있으므로 특별한 가격적 효과가 있을 수 있다. 그 리고, 실리콘 기술에서 잘 발전된 대량생산에 관한 측면이 유지되는 동안, GaN 에피택시(epitaxy)에 특히 중요한 요소들과 특징들에 초점이 있다. 또한, 본 발명의 장치는 현저한 듀티 사이클(duty cycle)을 갖도록 설계되어 있으므로, 대량생산이 가능하다. 또한, 본 발명은 제한된 비가동시간(douwntime)을 가지며, 실제로 증착되지 않고 반응 챔버 장치로부터 배출되는 Ga을 재생(recover)시키고 재활용(recycle)함으로써 값비싼 Ga의 사용에서 실질적으로 100%의 효율을 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 공정과 장치는 Ga 선구체(precursors)의 경제적 사용을 포함한다.
본 발명은 온도제어된 반응기 벽과 함께 공지의 낮은 열 질량 서셉터(low thermal mass susceptor)(기판 홀더 (substrate holder))와 램프 가열(lamp heating)의 사용을 포함한다. 램프 가열의 사용은 열 에너지가 주로 서셉터에 연결되고 반응기 벽을 가열하지 않도록 한다. 램프 가열 시스템은 매우 빠르게 램프의 동력을 변화시킬 수 있는 제어 시스템을 구비한다. 램프 가열 시스템과 결합된 낮은 열 질량 서셉터는 매우 빠르게 상승하거나 하강하는 온도 변화를 허용한다. 온도 경사속도(temperature ramp rates)는 2-10 도/초의 범위 내, 바람직하게는 대략 4-7 도/초의 범위 내에 있다.
본 발명은 원하지 않는 가스 상 반응을 최소화하고 벽에 증착이 발생하는 것을 방지하는 특정 온도로 제어되는 반응벽을 포함한다. 벽에 증착이 발생하지 않으면, 성장 속도(growth rate), 스트레스(stress), 다른 적절한 성장 파라미터를 위한 인-시츄 모니터링(in-situ monitoring)의 간단한 사용이 가능하다.
본 발명은 3족 선구체를 위한 하나 이상의 외부 소스(external sources)를 포함한다. 3족 선구체의 흐름(flow)은 전자 질량 유량 제어기(electronic mass flow controller)로 직접적으로 제어된다. 외부 3족 소스의 크기는 실질적으로 한계가 없다. 3족 소스 컨테이너는 50 내지 100 내지 300 kg의 범위 내에 있을 수 있으며, 몇 개의 소스 컨테이너는 서로 연결되어 정지 시간 없이 컨테이너 사이에서 스위칭이 가능하다. GaN의 증착을 위해서 Ga 선구체는 GaCl3이다. 이 Ga 소스(source)는 다음과 같은 관찰과 발견들에 근거를 두고 있다. 즉, GaCl3는 충분히 낮은 점도(viscosity) 상태에 있을 때, 일상적인 물리적 수단들, 예를 들면, 액체 GaCl3 속을 캐리어 가스(carrier cas)가 거품으로 통과하도록 하는 것과 같은 방법으로 GaCl3의 충분한 증발 속도(evaporation rate)를 제공할 수 있으며, GaCl3는 100 내지 130℃의 온도 범위에서 충분하게 낮은 점도 상태라고 가정된다.
본 발명은 GaCl3를 낮은 점도 상태에서 일정한 온도와 압력으로 유지하기 위한 장비와 액체 GaCl3를 통해 제어된 양의 가스를 흐르게 하고 반응기까지 GaCl3 증기(vapor)를 운반하는 장비들을 포함한다. 이 장비는 지름 200mm 기판(substrates) 또는 서셉터 위에 장착된 복수 개의 작은 웨이퍼들에 100 내지 400 ㎛/hour 범위의 GaN 증착 속도(deposition rates)를 얻을 수 있는 GaCl3의 고 질량 흐름(high mass flow)(200-400g/hour의 범위)을 유지할 수 있다. GaCl3 컨테이너로부터 연결된 배달 시스템(delivery system)은 GaCl3의 응축(condensation)을 방지하기 위해 특정한 온도 프로파일(profile)로 유지된다.
본 발명은 또한, 3족과 5족 가스들이 증착 영역(deposition zone)까지 분리된 상태를 유지하도록 하는 입구 매니폴드 구조(inlet manfold structure)를 포함하고, 또한 증착 영역에 고 가스상 동질체(high gas phase homogeneity)를 얻을 수 있고 그래서 반응 챔버(reaction chamber) 내로 기판들을 지지하는 서셉터를 가로지르는 일정한 공정 가스(process gas)의 흐름을 얻을 수 있는 방법을 제공한다. 공정 가스 흐름(process gas flow)은 유속(flow velocity)(그러므로 비 난류(non-turbulent))과 화학 조성(chemical composition)(그러므로 일정한 3족/5족 비(Ⅲ/Ⅴ ratio) 둘 다 실질적으로 일정하도록 설계된다. 바람직한 실시예에서, 반응기 폭 전체에 걸쳐 균일한 가스 분포를 제공하고 높은 균일성(uniformity)을 달성하기 위한 3족 가스와 5족 가스를 위한 별도의 제1의 입구 포트(inlet ports)를 제공함으로써 실현될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 매니폴드와 포트 구조는 유체 동력학(fluid dynamics)의 원리에 따라 가스 흐름을 모델링함으로서 설계되고 정의된다.
본 발명은 또한, 이 선구체들의 반응 효율(reaction efficiency)을 향상시키기 위해 3족 또는 5족 입구 중의 어느 하나, 또는 둘 다에 에너지를 더하는 방법을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 이것은 이량체 형태(dimer form)의 3족 선구체 Ga2Cl6를 단위체(monomer) GaCl3으로 열 분해하는 방법을 포함한다. 다른 바람직한 실시예에서, 이것은 예를 들면, 열 분해(thermal decomposition) 또는 플라즈마(plasma)에 의해 암모니아 선구체를 분해하는 방법을 포함한다.
본 발명은 또한, 완전 자동 카세트 투 카세트 로딩(cassette-to-cassette loading), 별도의 냉각 스테이지(cooling stage), 하중 락(load locks), 비 접촉 웨이퍼 핸들러(non-contact wafer handlers)를 포함하는 자동화된 웨이퍼 핸들링 장치를 포함한다. 이들 모두는 완전히 컴퓨터로 제어되고, 전체 성장 프로그램과 연결되어 있다.
본 발명은 또한, 반응기 입구 및 출구 플랜지와 배기 시스템(exhaust system)의 온도 제어와 감압된 압력과 높은 온도에서 작동할 수 있는 특별히 설계된 압력 규제 밸브(pressure regulating valve)를 포함한다. 이 영역에서 온도 제어는 조기 성숙 가스상 반응을 방지하고, 여러가지 반응 부산물뿐만 아니라 GaN의 증착(deposit)을 최소화한다. 주요한 반응 부산물은 NH4Cl이다. 반응기의 전체 배기 하류의 온도는 NH4Cl의 응축을 방지하도록 제어된다.
본 발명은 또한, 열렸을 때 반응기 챔버 내부와 외부 사이에서의 웨이퍼 이송을 가능하게 하고, 닫혔을 때, 반응기 챔버 내부를 외부로부터 실링하는 게이트 밸브(gate valve)를 포함한다. 이 게이트 밸브는 바람직한 실시예로 밸브 재료와 반응기의 측벽에 증착을 제어하고 감소시키고, 가스 재순환을 감소시키고, 반응기 내에서 가스의 잔류시간(residence time)을 줄이기 위해 불활성 가스(inert gases)가 들어 오도록하는데 사용되는 복수 개의 입구 포트를 포함한다. 바람직하게는, 적어도 게이트 밸브의 실링 면은 온도가 제어된다.
본 발명의 추가적인 측면은 한 번의 성장 작업(growth rum) 동안 한 개 이상의 웨이퍼를 잡을 수 있는 서셉터와 두꺼운 성장 작업 동안 서셉터에 기판이 부착되는 것을 방지하도록 설계된 서셉터의 사용을 포함한다.
본 발명은 특정한 금속 할로겐 화합물(metal halide compounds)이 어떤 특정한 화학적 성질을 갖는다는 것과, 이러한 성질들의 관점에서 설계된 장치와 결합될 때 그 화합물은 지금까지 달성 할 수 없었던 고 처리량(throughput), 고 가동시간, 및 대량생산의 특징인 저가격으로 3-5족 화합물 반도체, 특히 질화 갈륨(gallium nitride)의 두꺼운 충을 증착하는데 사용될 수 있다는 발견에 근거를 두고 있다.
본 발명에서, "대량생산"(High Volume Manufacturing)(또는 HVM)은 고 처리량, 고 선구체 효율과 고 장비 사용(equipment untilization)으로 특징지어진다. 처리량은 처리될 수 있는 시간당 웨이퍼의 개수를 의미한다. 선구체 효율은 시스템으로 입력된 재료의 많은 부분이 생산에 사용되고 낭비되지 않는 것을 의미한다. 재료, 공정, 구조와 관련된 매우 많은 변수가 있지만, HVM 증착 속도는 적어도 48시간 동안 시간당 3족 원소(갈륨과 같은) 약 50g부터 적어도 100시간 동안 시간당 3족 원소 100g까지, 적어도 일주일의 기간동안 시간당 3족 원소 200g까지, 적어도 한달의 기간동안 시간당 3족 원소 300g 내지 400g까지 범위 내에 있다. 전형적인 소스 용량은 한 개의 용기(vessel)에서 5Kg에서 60Kg의 범위 내에 있을 수 있으며, 증가된 HVM을 위해 복수 개의 용기가 연속하여 동작될 수 있다. 이것은 실리콘 제조에서 얻을 수 있는 것과 유사한 3-5족 재료 처리량을 제공할 수 있다.
장비 사용은 주어진 기간, 예를 들면, 24시간과 비교하여 기판이 반응기 속에 있는 시간의 비를 의미한다. HVM에서는, 대부분의 시간은 셋업(set-up), 캘리브레이션(calibration), 청소 또는 메인티넌스에 반대되는 생산물을 생산하는데 사용된다. 이러한 수단에 대한 양적인 범위는 성숙한 실리콘 반도체 처리 기술에 사용할 수 있다. 3-5족 재료의 HVM을 위한 장비 사용율은 실리콘 에피셜 증착장비의 사용율과 유사하게 약 75 내지 85%의 범위 내에 있다.
반응기 사용(reactor utilization)은 반응기에서 기판 위에서 재료의 성장이 일어나는 동안의 시간의 기간이다. 종래 기술에 의한 HVPE 반응기에서는, 이값은 대략 40 내지 50%이다. 반면에, 여기에서 기술된 것과 같은 HVM 반응기에서는 이값은 대략 65-70%이다.
성장 사용(growth untilization)은 기판이 공급된 후 반응기에서 성장이 일어나는 시간을 의미하는 반응기에서 오버헤드 시간(overhead time)이다. 종래 기술에 의한 HVPE 반응기에서, 이값은 대략 65-70%이다. 반면에 여기에서 기술된 것과 같은 HVM 반응기에서는 이값은 대략 95에서 100%가까이, 즉 실리콘 제조 공정의 이값에 근접한다.
본 발명은 대량생산을 방해하는 현재의 HVPE 기술의 주요 한계를 다루고 있다. 이는 현재의 HVPE의 인-시츄 소스 발생(in-situ source generation)을 외부 소스로 교체하고, 현재의 HVPE 고 열 질량 뜨거운 벽 반응기(high thermal mass hot wall reactor)를 온도제어된 벽을 구비한 저 열 질량 반응기(low thermal mass reactor)로 교체함으로써 이루어진다. 외부 소스의 사용은 선구체를 충전하기 위해 생산을 멈출 필요를 제거하여, 장비 사용을 크게 향상시킨다. 또한, 선구체의 질량 v플럭스(mass flux)은 전자 질량 흐름 제어기에 의해 직접적으로 제어되어, 성장 공정의 제어를 향상시키고 수율을 향상시킨다. 온도 제어된 벽을 갖는 저 열 질량 반응기는 성장과 메인티넌스 동안 가열과 냉각을 위해 요구되는 시간을 크게 감소시킨다. 기판을 급속하게 가열하고 냉각시키는 능력은 현재의 HVPE 뜨거운 벽 시스템에서는 실질적으로 불가능한 여러 개의 온도공정의 사용을 가능하게 한다. 벽 온도를 제어하는 능력은 가스상 반응을 감소시켜, 벽 증착을 거의 완전히 제거시킨다. 벽 증착의 제거는 클리닝 사이의 시간을 많이 증가시켜 고 반응기 사용에 도달하게 한다.
본 발명은 어떤 금속 할로겐 화합물은 3-5족 화합물 반도체의 HVPE증착을 위한 외부 소스로 사용될 수 있으며, 본 발명에서 상세하게 설명하는 특정한 배달 장비와 연계하면 넓은 면적에 고 증착 속도를 얻을 수 있고 유지할 수 있는 충분히 고 질량 플럭스를 제공할 수 있다는 사실에 근거를 두고 있다. 특히, 녹았을 때, GaCl3는 충분히 낮은 점도 상태에 있어 일상적인 물리적 수단들, 예를 들면, GaCl3 액체 속을 캐리어 가스를 갖는 거품이 통과하도록 할 수 있으며, GaCl3의 충분한 증발 속도를 제공할 수 있으며, GaCl3는 약 130℃의 온도 범위에서 충분하게 낮은 점도 상태라고 가정된다. 또한, 본 발명은 약 400℃ 이하의 온도에서 액체상과 가스상으로 있는 GaCl3가 실제로 이량체(dimer)라는 사실에 근거를 두고 있다. 이량체의 화학식은 (GaCl3)2 또는 Ga2Cl6로 표시될 수 있다. Ga2Cl6 에 추가하여, 관련된 클로로 갈렌(chlorogallanes)은 Ga 선구체로서 사용될 수 있다. 이 화합물은 Ga2Cl6 와 유사하나 한 개 이상의 Cl 원자를 대치하는 H를 갖고 있다. 예를 들면, 모노클로로갈렌은 H원자에 의해 대치된 2개의 브리지 Cl 원자를 갖고 있다. 아래에 도시된 것처럼, 끝단의 Ga 연결 원자들은 H에 의해 대치될 수 있다. (이러한 화합물은 시스형과 트랜스형이 있다.) B.J.Duke, Inorg. Chem. 30(1991) 4225에 따르면, 이량체의 안정성은 종단 Ga-x결합의 염소화를 증가시킴에 따라 Cl 치환 당 1-2kcal/mol까지 감소되고, 브리징 H원자에 대한 Cl치환에 의해 6-8kcal/mol까지 증가한다. 치환된 Cl원자의 개수가 감소함에따라, 주어진 온도에서 모노모(monomer)의 분해는 감소될 것이다.
In과 Al함유 화합물의 성장은 실질적으로 유사한 장비를 사용하여 달성할 수 있다. 다만, 이러한 소스들은 액체 상태로 쉽게 유지할 수 없다는 한계가 있다. InCl3는 583℃에서 녹는다. GaCl3에 대해 기술한 본 발명이 583℃이상에서 동작하도록 수정될 수 있으나, 이것은 실제적으로 매우 어렵다. 다른 접근 방법은 InCl3를 용융점 이하이나, 증기압이 수용할 수 있는 증착 속도를 얻을 수 있을 정도로 충분한 온도까지 가열하는 것이다.
AlCl3는 178℃에서 승화하고, 190℃, 2.5atm에서 녹는다. GaCl3에 대해 기술한 본 발명은 대기압보다 높은 압력과 AlCl3의 용융점보다 높은 온도에서 동작하도록 수정될 수 있다. 추가적으로, 위에서 InCl3에 대해 설명한 별도의 접근방법, 즉 충분한 고 증기압을 얻을 수 있을 정도의 용융점 이하 온도로 가열하는 방법도 적용 가능하다. AlCl3 또한 저온의 액체상과 기체상에서 이량체 (AlCl3)2를 형성한다.
본 발명의 또 다른 주요 구성부품은 저 열 질량 반응기이다. 온도제어된 벽을 갖는 저 열 질량 반응기는 성장과 메인티넌스 동안 가열과 냉각에 필요한 시간을 크게 감소시킨다. 기판을 급속하게 가열하고 냉각하는 능력은 현재의 HVPE 뜨거운 벽 시스템에서는 실질적으로 불가능한 여러 개의 온도공정의 사용을 가능하게 한다. 벽 온도를 제어하는 능력은 가스상 반응을 감소시켜, 벽 증착을 거의 완전히 제거시킨다. 벽 증착의 제거는 클리닝 사이의 시간을 크게 늘려 고 반응기 사용에 도달하게 한다.
저열 질량은 전통적으로 찬 벽 시스템(cold wall system)이라 불리 우는 것 을 사용하여 달성되나, 본 발명에서는 벽 온도는 특정 온도로 제어된다. 현재의 뜨거운 벽 시스템은 노 속에 넣음으로써 가열된다. 새로운 시스템에서, 기판 홀더와 기판만이 가열된다. 이것을 달성할 수 있는 방법은 램프 가열, 인덕션 가열, 저항 가열을 포함하여 많은 방법이 있다. 일 실시예로서, 시스템은 석영(quartz)으로 이루어진 반응기 챔버와 그라파이트(graphite)로 이루어진 기판 히터로 구성될 수 있다. 그라파이트는 석영 반응기의 외부에 있는 램프에 의해 가열된다. 석영 반응기 벽은 다양한 방법을 사용하여 제어할 수 있다. 대부분의 경우에, 벽 온도 제어시스템은 여러 지역에서 벽 온도를 측정하는 하나 이상의 방법과 이에 연결된 온도를 미리 정해진 값으로 유지하기 위해 벽 지역을 냉각하거나 가열하도록 조절하는 피드백 시스템으로 구성된다. 다른 실시예로서, 벽 온도는 냉각을 위해 반응기 벽의 외부로 공기를 부는 팬에 의해 제어될 수 있다. 벽 온도는 항상 일정할 것으로 제한되지는 않는다. 온도 제어기는 성장 또는 메인티넌스 동안 성능을 향상시킬 수 있으면 온도를 변화시키도록 프로그램될 수 있다.
아래의 설명의 초점은 주로 질화갈륨 웨이퍼를 생산하기 위한 바람직한 실시예들에 관한 것이나, 설명된 장치와 방법은 당업자에 의해 다른 3-5족 화합물 반도체의 웨이퍼를 생산하는데 쉽게 변형될 수 있으며, 이는 본 발명의 권리범위에 속한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 장비는 본 발명의 범위 내에 속한다. 전체에 걸쳐 발명의 명확성을 위해 표제를 사용하였다. 그러나 이것이 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 제작과 동작에서 경제적인 GaN 웨이퍼의 대량생산을 위한 장비를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 실리콘(Si) 에피택시(epitaxy)를 위해 설계되었으며, 상업적으로 이용할 수 있는 현재의 VPE 장비를 개조/수정하여 경제적으로 실현할 수 있다. 본 발명을 실현하기 위해, GaN 증착 장비를 위한 모든 구성요소를 설계하고 제작하기 위한 비용과 시간을 소모하는 과정을 수행할 필요가 없다. 대신에, 본 발명에 의한 지속적인 고 처리량 GaN 증착 장비는 존재하는 Si 처리 생산이 입증된 장비에 목적되고 제한된 수정을 함으로써 신속하고 경제적으로 실현/제작될 수 있다. 그러나, 이와 같이 수정된 현존하는 장비와 함께, 본 발명은 처음부터 제작하는 것도 포함한다.
따라서, 아래의 설명은 먼저 GaN 생산을 위해 현존하는 Si 장비에 통합하여야하는 바람직한 특징들에 관한 것이다. Si 처리에서 유지될 수 있는 특징들은 공지기술이므로 상세하게 설명하지 않는다. 다른 실시예에서, 설명된 특징들과 다른 특징들이 이행될 수 있다. 본 발명은 이러한 특징들을 모두 이행하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 그러나, 보다 높은 수준의 지속되고 고 처리량 생산을 위해서는 이 특징들의 대부분 또는 전부가 유리하며, 이들은 카세트 투 카세트 로딩, 하중 락, 및 빠른 로딩과 언로딩을 할 수 있고, 다른 웨이퍼가 냉각되는 동안에 웨이퍼를 처리할 수 있는 별도의 냉각 스테이지를 포함하는 완전 자동화된 웨이퍼 핸들링을 포함한다. 하중 락은 반응기의 바람직하지 않은 대기 노출을 제거하여 산소와 수증기가 인입되는 것을 최소화하고, 가동 전에 제거/건조 시간을 크게 감소시킨다. 더욱, 자동화된 핸들링은 웨이퍼의 수동 핸들링에 기인하는 수율의 손실과 웨이퍼 파손을 감소시킨다. 어떤 경우에는, 900℃의 온도에서 뜨거운 로딩과 언로딩 을 할 수 있는 베르누이 완드(Bernoulli wand)가 웨이퍼를 핸들링하여 긴 냉각시간을 절약하기 위해 사용된다.
본 발명의 바람직한 특징들의 일반적인 실시예들은 먼저 일반적인 VPE 시스템의 배경 속에서 기술된다. 이러한 일반적인 실시예들이 특별히 상업적으로 이용 가능한 Si 에피택시 장비에 어떻게 개조될 수 있는가는 명백하게 될 것이다. 아래의 설명은 ASM America. Inc. (Phoenix AZ)로부터 이용 가능한 싱글 웨이퍼 에피택셜 반응기의 EPSILON® 시리즈의 하나에 근거를 둔 본 발명과 그것의 바람직한 특징들의 특별히 바람직한 실시예에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 특별히 바람직한 실시예에 한정되지 않는다는 것은 명백하다. 다른 예로서, 본 발명은 AMAT (Santa Clara, CA)의 CENTURA® 시리즈에 쉽게 적용될 수 있다.
(GaN 웨이퍼를 생산하기 위한) 본 발명의 장치와 방법의 바람직한 실시예들은 도 1을 참조하여 일반적으로 설명된다. 특히 바람직한 실시예들은 도 2-5를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 일반적으로, 본 발명의 장치는 기판 위에 에피택셜 GaN 층의 대량생산과 경제적인 제작과 작업을 위해 설계되고 만들어진다.
본 발명의 일반적인 실시예
제한 없이 편리함을 위해, 본 발명은 3개의 기본적인 서브시스템과 관련하여 도 1을 참조하여 설명된다. 3개의 서브시스템은 공정 가스(또는 액체)를 제공하기 위한 서브시스템(1), 반응 챔버를 포함하는 서브시스템(3) , 및 폐기물(waste) 제거를 위한 서브시스템(5)을 포함한다.
위에서 말한 바와 같이, HVM은 여기서 설명하는 일반적인 특징들을 포함하는 시스템의 여러 물리적 특징들을 조합의 속성이다.
1 GaCl3의 외부 소스
제1서브시스템, 즉 공정 가스 서브시스템, 특히 갈륨 복합 증기 소스의 구조는 본 발명의 중요한 특징이다. 공지의 GaN VPE 공정을 간략하게 설명한다. GaN VPE 에피택시는 질소(N)와 갈륨(Ga)을 포함하는 선구체 가스 (그리고, 선택적으로, 혼합된 질화물을 형성하기 위해 하나 또는 그 이상의 다른 3족 금속을 함유하는 가스들과 선택적으로, 특정한 전기 전도도를 주기 위한 한 개 또는 그 이상의 도펀트)로부터 가열된 기판의 표면에 직접 GaN 을 합성하는 것을 포함한다. Ga 함유 가스는 일반적으로 일염화갈륨(gallium monochloride)(GaCl), 삼염화갈륨(gallium trichloride)(GaCl3), 예를 들면, 트리에틸갈륨(tri-ethyl gallium)(TEG) 또는 트리메틸갈륨(tri-methyl gallium)(TMG)와 같은 갈륨 유기화합물을 포함한다. 제1케이스로, 공정은 HVPE(Halide Vapor Pressure Epitaxy)와 관련되고, 제2케이스로 공정은 MOVPE(Metal Organic Vapor Pressure Epitaxy)와 관련된다.
염화갈륨(GaCl)의 화학적 성질(고온에서만 안정)은 GaCl 증기는 반응용기 속에서 합성될 것이 요구된다. 예를 들면, 액체 Ga를 함유하는 보트 위로 HCl이 지나가게 함으로써, 합성할 것이 요구된다. 대조적으로, GaCl3는 대기 조건(습기가 없는)에서 안정적인 고체이며, 일반적으로 약 100g을 포함하는 실드된 석영 앰플로 공급된다. TMG와 TEG는 휘발성의 액체이다. N 함유 가스는 통상 암모니아(NH3)이고, 반도체 특성의 NH3는 표준 실린더에서 이용될 수 있다.
다른 예로, 플라즈마 활성화 질소(plasma-activated N2), 예를 들면, N 이온(ions) 또는 라디칼(radicals)을 포함하는 질소는 질소함유 가스로 사용될 수 있다. 또한, 질소는 높은 공정온도에서도 GaCl3 또는 GaCl과 실질적으로 반응하지 않는다. 질화 라디칼은 종래의 기술로 준비될 수 있다. 일반적으로, 에너지를 가해 질소 분자를 쪼개는 방법, 예를 들면, 질소 라인에 RF 소스(RF source)를 추가하여 전자기적으로 유도되는 플라즈마를 생성함으로써 질화 라디칼을 준비할 수 있다. 이 모드에서 동작하면, 반응기 내의 압력은 보통 감소한다.
공지의 VPE 공정중에 MOCVD와 GaCl HVPE는 3족 질화 층의 지속적인 대량생산을 위해서는 거의 바람직하지 않다는 것이 알려져 있다. 첫째로, MOCVD는 10㎛ 이상의 막 성장을 위해서는 바람직하지 않다. 왜냐하면, 얻을 수 있는 증착 속도가 HVPE 공정에 의해 얻을 수 있는 증착 속도의 5% 이하이기 때문이다. 예를 들면, HVPE 증착속도는 시간당 100-1000㎛ 범위 또는 그 이상일 수 있다. 반면에 MOCVD 증착속도는 전형적으로 10㎛/hour 이하이다. 둘째로, GaCl HVPE는 HCl과 반응하여 GaCl을 형성하기 위해 반응 챔버 내로 액체 Ga이 공급될 것을 요구하기 때문에 이 공정은 바람직하지 않다. HCl과 반응을 유지할 수 있으며, 대량생산에 충분한 형태로 액체 Ga의 공급을 유지하는 것은 어렵다는 것이 알려져 있다.
그러므로, 본 발명의 장치는 주로 대량생산을 위한 GaCl3 HVPE로 향해 있다. 선택적으로, 그것은 버퍼층의 증착 등을 위해 MOCVD에 제공될 수도 있다. 그러나, 대량생산을 위한 GaCl3 HVPE의 사용은 충분한 기간 동안 멈춤없이(반응 챔버 내에서 웨이퍼의 로딩/언로딩은 제외) 유지될 수 있는 충분한 유속을 달성할 수 있는 Cl 증기 소스를 요구한다. 바람직하게는, 시간당 GaN의 평균적인 지속적인 증착 속도는 100-1000㎛/hour의 범위 내에 있다. 따라서, 대략 한 개의 웨이퍼 (또는 한 묶음의 복수 개 웨이퍼)는 심지어 두꺼운 GaN 층을 위해서도 1시간 또는 2시간의 증착 시간을 필요로 하지 않는다. 이러한 바람직한 증착속도를 달성하기 위해서는 소스가 약 250 또는 300g/hour로 GaCl3 증기의 질량 흐름을 제공할 것을 요구한다(200mm 원형으로 300㎛ 두께 층의 GaN은 약 56g Ga을 포함하고, 반면에 GaCl3는 무게로 약 Ga 40% 이다). 또한 이러한 유속(flow rate)은 바람직하게는 충분한 시간 동안 유지될 수 있다. 따라서, 소스를 충전하거나 서비스하기 위해 필요한 생산 중단은 많아야 주당 한번, 바람직하게는 적어도 매 2주 내지는 매 4주마다 한 번으로 제한되는 것이다. 따라서, 유속은 적어도 50개의 웨이퍼 (또는 복수 개 웨이퍼의 묵음들) 동안, 바람직하게는 적어도 100, 150, 200, 또는 250 내지 300개 웨이퍼들 또는 묶음들 동안 유지될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 소스는 종래 기술에 알려져 있지 않다.
본 발명의 장치는 바람직한 유속과 기간을 달성하기 위해 문제들을 극복하는 GaCl3 소스를 제공한다. 바람직한 유속을 달성하는 것이 GaCl의 어떤 물리적 특성에 의해 과거에는 방해되었다. 첫째, 대기 조건에서, GaCl는 고체이고, 증기는 승화에 의해서만 형성될 수 있다. 그러나, GaCl3 승화속도(sublimation rates)가 바람직한 질량 흐름 속도에서 증기를 제공하는 것은 부적절하다는 것은 결정되어 있다. 둘째로, GaCl3는 약 78℃에서 녹고, 증기는 액체 표면에서 기화함으로써 형성될 수 있다. 그러나, 기화 속도도 바람직한 질량 흐름 속도를 제공하기 위해서는 또한 부적절하다는 것이 결정되어 있다. 또한, 기화 속도를 증가시키기 위한 전형적인 물리적 수단, 예를 들면 교반, 거품 내기 등과 같은 것은 기화 속도를 충분하게 올리지 못한다. 왜냐하면, GaCl3 액체가 비교적 점성이 있다고 알려져 있기 때문이다. 필요한 것은 충분히 낮은 점도의 액체 GaCl3 형태이며, 약 120℃에서 시작하여, 특히 약 130℃ 또는 그 이상에서, GaCl3는 물과 유사한 점도를 갖는 저점도 상태로 가정할 수 있다는 것이 관측되고 발견되었다. 또한, 이와 같은 저점도 상태에서는 일반적인 물리적 수단이 바람직한 질량 흐름 속도를 제공할 수 있을 정도로 충분하게 GaCl 기화 속도를 효과적으로 올리도록 할 수 있다는 것이 관찰되고 발견되었다.
따라서, 본 발명의 GaCl3 소스는 약 130℃로 제어된 온도T1를 갖는 액체 GaCl3의 저장통(reservoir)이고, 기화 속도를 향상시키기 위한 물리적 수단을 제공한다. 이와 같은 물리적 수단은 액체를 교반하기, 액체를 분사하기, 캐리어 가스가 액체 위로 빠르게 흐르도록 하기, 캐리어 가스를 거품화시켜 액체를 통과하도록 하기, 초음파로 액체를 분산시키기 등과 같은 방법을 포함할 수 있다. 종래 기술에 의해 헬륨, 질소, 수소 또는 아르곤과 같은 불활성 캐리어 가스를 기체화시켜 저 점도 상태의 액체 GaCl3, 예를 들면, 약 130℃의 GaCl3를 통과하도록 하는 것이 바람직한 GaCl3의 질량 흐름 속도를 제공할 수 있다는 것이 발견되었다. GaCl3 소스의 바람직한 구성은 저장통의 외부에서 가열부품을 사용하여 적절한 온도 제어를 할 수 있도록 하기 위해 그 부피에 비례하여 증가하는 총 표면적을 갖는다. 예를 들면, 도시된 GaCl3 소스는 지름보다 상당히 큰 높이를 갖는 원통형이다. GaCl3 용으로는, 이것은 적어도 48시간 동안 시간당 약 120g이고, 적어도 100시간 동안 시간당 250g까지이고, 적어도 일주일 동안 시간당 500g까지이고, 적어도 한 달 동안은 시간당 750g에서 1000g까지의 고속이다.
또한, 바람직한 흐름 속도와 기간을 낼 수 있는 GaCl 소스는 개별적인 100g 앰플들에 의해 공급되는 GaCl3에 의존할 수 없다. 그러한 양은 단지 15분 내지 45분간의 연속된 증착을 위해서만 충분할 뿐이다. 그러므로, 본 발명의 GaCl3 소스의 다른 측면은 큰 GaCl3 용량이다. 본 발명의 고 처리량 목표를 달성하기 위해서는 GaCl3 소스를 충전하기 위해 소비되는 시간은 제한하는 것이 바람직하다. 그러나, 대기중의 습기와 쉽게 반응하려는 GaCl3의 경향 때문에 충전은 더욱 복잡해진다. GaCl3 충전, 소스, 및 GaCl3 공급 라인은 웨이퍼 생산 전에 습기가 제거되어야 한다. 여러 가지 실시예의 처리량 목표에 따르면, 본 발명은 적어도 약 25kg의 GaCl3, 적어도 약 35kg, 또는 적어도 약 50 내지 70kg의 GaCl3을 수용할 수 있는 소스를 포 함한다(소스를 반응 챔버에 가깝게 위치시키는 이점을 갖기 위해 크기와 무게에 대해 요구되는 사항에 의해 결정되는 상한값을 갖는다). 바람직한 일 실시예에서, GaCl3 소스는 약 50kg과 100kg 사이의 GaCl3, 바람직하게는 약 60과 70kg 사이의 GaCl3를 수용한다. GaCl3 소스는 그 제작과 사용의 구체적인 세부 계획 이외에는 GaCl3 소스의 용량에 대한 상한 값은 존재하지 않을 수 있다. 또한, 복수 개의 GaCl3 소스는 매니폴드(manifold)를 통해 설치되어 반응기의 정지시간 없이 한 개의 소스에서 다른 소스로 스위칭될 수 있다. 그리고, 반응기가 동작하는 동안 빈 소스는 제거되고 새로운 가득찬 소스로 교체될 수 있다.
본 발명에 의한 GaCl3 소스의 다른 측면은 소스와 반응 챔버 사이의 공급라인의 주의 깊은 온도 제어이다. GaCl3 공급라인, 관련된 질량 흐름 센서, 제어부 등의 온도는 GaCl3 증기가 공급라인 등에 응축되는 것을 방지하기 위해 소스 출구의 T2에서 반응 챔버 입구의 T3까지 점차적으로 증가하는 것이 바람직하다. 그러나, 반응 챔버 입구에서 온도는 너무 높지 않아야 한다. 그러지 않으면 공급라인과 챔버 입구에, 예를 들면, 석영 반응 챔버를 실링하기 위해, 사용되는 가스켓, 오링 등과 같은 실링재료(그리고 다른 재료들)를 손상시킬 것이다. 현재, Cl 노출에 내성이 있으며, 반도체 산업에서 상업적으로 사용할 수 있는 실링 재료는 일반적으로 약 160℃ 이상의 온도에서 견딜 수 없다. 그러므로, 본 발명은 GaCl3 공급 라인의 온도를 센싱하여 필요에 따라 공급라인을 가열하거나 냉각하는 것(일반적으로 공급 라인 온도를 제어하는 것)을 포함한다. 따라서, 공급라인의 온도는 바람직한 온도가 약 130℃인 소스로부터 공급라인을 따라 증가하여(또는 적어도 감소하지 않도록 하여) 반응 챔버 입구에서 최대로 된다. 반응 챔버 입구의 온도는 약 145 내지 155℃(또는, 오링 또는 다른 실링재료가 견딜 수 있는 최고 온도 이하로 안전한 다른 온도)인 것이 바람직하다, 필요한 온도제어를 실현하기 위해, 소스 장치와 반응 챔버 입구 사이의 공급 라인의 길이는 짧아야만 한다. 바람직하게는 약 1ft, 2ft, 또는 3ft 이하로 하는 것이다.GaCl3 소스의 압력은 압력 제어 시스템에 의해 제어된다.
본 발명의 GaCl3 소스의 다른 측면은 챔버로 들어가는 GaCl3 플럭스의 정밀한 제어이다. 버블러(bubbler) 실시예에서, 소스로부터의 GaCl3 플럭스는 GaCl3의 온도, GaCl3 위의 압력, 및 GaCl3를 기포로 통과하는 가스 흐름에 의존한다. GaCl3의 질량 플럭스는 원리적으로 이러한 파라미터 중의 어느 하나에 의해 제어될 수 있으나, 바람직한 실시예는 컨트롤러에 의해 캐리어 가스의 흐름을 변화시킴으로써 질량 플럭스를 제어한다. 피에조커(Piezocor)와 같은 일반적으로 사용할 수 있는 가스 조성 센서는 반응 챔버로 들어가는 실제 GaCl3 질량 플럭스의 추가적인 제어, 예를 들면 초당 그램으로 제어를 하기를 위해 사용될 수 있다. 또한, GaCl3 소스 위의 압력은 버블러의 출구에 위치한 압력 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다. 압력 제어 시스템, 예를 들면 백압 레귤레이터(back pressure regulator)는 소스 용기에 서 상부 압력을 제어할 수 있도록 한다. 버블러의 온도제어와 캐리어 가스의 흐름 속도와 연계하여 용기 압력을 제어하는 것은 선구체 흐름 속도의 향상된 측정을 용이하게 한다. 선택적으로, 용기는 절연된 외측 부분을 포함한다.
GaCl3 소스, GaCl3 공급 라인, 및 GaCl3와 접촉하는 입구 매니폴드 구조에 사용된 재료는 염소 내성(chlorine resistant)이 있는 것이 바람직하다. 금속 부품으로는 Hastelloy와 같은 니켈 합금, 탄탈륨, 또는 탄탈륨 합금이 바람직하다. 금속 부품에 대한 내부식성은 내부식성 보호코팅에 의해 제공될 수 있다. 이와 같은 코팅은 실리콘 카바이드, 질화 보론, 보론 카바이드, 질화 알루미늄을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예로 금속 부품은 용융 실리카층 또는 결합된 비정실 실리콘층으로 코팅될 수 있다. 예를 들면, SILTEK과 SILCOSTEEL(Restek Corporation에서 상업적으로 이용 가능)이 산화환경에 대해 증가된 내부식성을 제공할 수 있다고 실물로 선전되어 왔다. 비금속 부품에 대해서는 내염소 폴리메릭 재료(카본 또는 실리콘 폴리머)가 바람직하다.
상기와 같은 관점에서, 적절한 양의 GaCl3을 수용할 수 있는 바람직한 GaCl3 소스는 "연속적으로" 작동하는 것이다. 즉, 적절한 일 실시예에서, 소스는 열거된 시간 동안 저장된 GaCl3를 바람직한 양으로 중단없이 배달할 수 있다. 그러나, 특별한 실시예에서, 반응 챔버(또는 본 시스템의 다른 부품)는 그렇게 구성되거나 될 수 있으며, 또는 어떤 공정이 수행된다. 따라서, 청소 등과 같은 챔버 메인티넌스가 간헐적으로 필요하다. 대조적으로, GaCl3 소스는 연속적인 방법으로 바람직한 양 의 선구체를 공급하여 3-5족 생산물의 대량생산을 용이하게 할 수 있도록 구성되고 특정 치수로 만들어진다. 그래서 소스는 중단 없이 일정 양을 제공할 수 있다. 다시 말해, 고체 선구체의 보충을 위한 불연속 없이 제공할 수 있다.
이것은 한 개의 저장통에 충분히 많은 양의 고체 선구체를 제공하거나 서로 매니폴드로 연결된 복수 개의 저장통을 제공함으로써 달성될 수 있다. 물론, 당업자는 다음을 이해할 수 있다. 매니폴드 시스템에서 한 개 또는 그 이상의 저장통이 고체 선구체 재료로 보충되고 있는 동안 한 개의 저장통은 가스 선구체를 공급하도록 동작될 수 있고, 이것이 반응기에 어떠한 영향도 미치지 않기 때문에 연속적인 시스템을 유지한다. 그러한 실시예들에서, 재충전, 개방, 청소, 보충 또는 소스가 기능하지 못하는 다른 공정 없이 소스가 저장된 GaCl3를 배달할 수 있다는 점에서, GaCl3 소스는 연속적으로 동작하는 것으로 인정된다. 즉, 소스는 스스로는 질화 갈륨(GaN)의 증착을 중단시킬 필요가 없다.
또한, 설명한 바와 같이, 바람직한 GaCl3 소스는 한 개의 저장통에 GaCl3를 담을 수 있다. 또한, 바람직한 소스는 매니폴드로 연결된 출구를 갖고 있는 복수 개의 저장통(예를 들면 2, 5, 10개 등)을 포함하여, GaCl3 증기가 복수 개의 저장통으로부터 직렬로 또는 병렬로 공급될 수 있다. 아래에서, 2개의 실시예는 한 개의 소스로서 인정된다. 바람직한 실시예에서, 본 발명의 장치는 3족 금속 유지 화합물을 위한 소스를 제공할 수 있으므로, MOCVD 공정이 실행될 수 있다. 예를 들면, MOCVD는 얇은 GaN, AlN 버퍼층, 얇은 중간층, 혼합 금속 질화물층 등을 증착하기 위해 사용될 수 있다. 추가적인 공정 가스는 공지된 기술에 의해 공급될 수 있다.
5족 선구체는 한 개 이상의 5족 원자를 포함하는 가스이다. 이와 같은 가스는 NH3, AsH3, PH3를 포함한다. GaN의 성장을 위해, NH3가 일반적인 성장온도에서 충분한 N 혼합물을 제공할 수 있기 때문에 NH3가 전형적으로 사용된다. 암모니아 또는 다른 N 선구체는 외부 소스이다. 예를 들면, 반도체 등급 NH3는 쉽게 다양한 크기의 실린더에 사용할 수 있으며, 캐리어 가스는 다양한 크기의 용기에 극저온의 액체로써 또는 가스로서 이용할 수 있다. 이러한 가스들의 플럭스는 일반적으로 질량 흐름 컨트롤러 등에 의해 제어될 수 있다. 다른 실시예로서, 본 발명의 장치는 다른 3족 염화물의 소스를 제공할 수 있다.
2. 반응기 구조(reactor geometry)
다음으로, 증가된 경제성을 얻기 위해, 반응기 서브시스템은 상업적으로 이용할 수 있는 반응기 시스템을 개조하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용과 개조를 위해 적절한 이용할 수 있는 반응기는 아래에 기술하는 특징들의 대부분 또는 전부를 포함한다. 이러한 특징들은 여기에서 설명한 변경과 향상을 가지고 GaN의 HVM에 유용하다는 것이 결정되어 있다. 아래 설명이 주로 기존이 장치를 개조하는 실시예에 관한 것이지만, 반응기와 반응기 시스템은 기술된 특징들을 포함하도록 만들어질 수 있다. 본 발명은 기존의 장비를 재설계하고 개조하는 것과 새로운 장비를 설계하고 만드는 것 둘 다 포함한다. 본 발명은 또한 결과물 장비를 포함한다.
일반적으로, 바람직한 반응 챔버는 수평 처리 가스 흐름을 갖지며, 대략적인 박스 형상 또는 수직 치수가 작고 수평 치수가 큰 반구 형상으로 형성된다. 수평 반응 챔버의 일부 특징들은 비생산적인 반응기 시간을 제한하고, 질 좋은 GaN 웨이퍼의 HVM을 성취하는데 중요하다.
3. 저 열 질량 서셉터와 램프 가열
먼저, 새로운 웨이퍼를 인입한 후 온도를 올리는데 소비되는 시간과 증착 공정 후에 온도를 낮추기 위해 소비되는 시간은 생산적이 아니므로, 제한되거나 최소화되어야 한다. 그러므로, 바람직한 반응기와 가열 장비는 낮은 열 질량(즉, 열을 빨리 흠수하는 능력)을 가지며, 열 질량이 낮으면 낮을수록 더 바람직하다. 바람직한 반응기는 적외선(IR) 가열 램프로 가열되고, 적외선 투명 벽을 포함한다. 도 1은 석영으로 만들어지며, 하측의 길이방향의 적외선(IR) 램프(27)와 상측의 가로방향의 적외선 램프(29)에 의해 가열되는 반응기(25)를 도시한다. 석영은 충분하게 적외선을 투과시키고, 충분한 Cl 내성이 있고, 충분한 내화성이 있으므로 바람직한 챔버 벽 재료이다.
4. 챔버 벽과 플랜지의 폐루프 온도제어
반응 챔버 내부를 청소하기 위해 소비되는 시간은 또한 비생산적이므로 제한되거나 최소화되어야 한다. GaN 증착 공정 동안, 선구체, 생산물 또는 부산물이 내부 벽에 증착 또는 응축될 수 있다. 이와 같은 증착 또는 응축은 챔버 벽의 온도를 제어하여, 선구체나 부산물의 응축을 방지할 수 있을 정도로 충분히 높으나 GaN이 챔버 벽에 형성 또는 증착되는 것을 방지할 수 있을 정도로 충분히 낮은 중간 온도로 챔버 벽을 냉각시킴으로써 상당하게 제한되거나 감소될 수 있다. GaCl3HVPE 공정에서 사용되는 선구체는 약 70 내지 80℃ 이하의 온도에서 응축된다. 주요한 부산물인 NH4Cl은 약 140℃ 이하에서 응축되고, GaN은 약 500℃를 초과하는 온도에서 형성되고 증착되기 시작한다. 챔버 벽은 선구체와 부산물 응축을 현저하게 제한할 수 있을 정도로 충분히 높은 온도로 알려진 200℃와 GaN이 챔버 벽에 증착되는 것을 현저하게 제한할 수 있을 정도로 충분히 낮은 온도로 알려진 500℃ 사이에 있는 온도 T5로 제어된다. 챔버 벽을 위한 바람직한 온도 범위는 250 내지 350℃이다.
바람직한 범위로의 온도 제어는 일반적으로 챔버 벽을 냉각시킬 것을 요구한다. 적외선을 투과하지만, 그럼에도 불구하고 챔버 벽은 고온 서셉터로부터 전도되는 열에 의해 어느 정도까지 가열된다. 도 1은 반응 챔버(25)가 덮개(37)에 의해 전체 또는 부분적으로 둘러싸여 있으며, 냉각 공기가 덮개를 관통하며 반응 챔버의 외부를 감싸면서 지나가도록 되어 있는 바람직한 냉각 배열을 도시하고 있다. 벽 온도는 적외선 고온계로 측정될 수 있고, 냉각 공기의 흐름이 그에 따라 조절될 수 있다. 예를 들면, 다속도 또는 가변속도 팬(또는 팬들)이 설치되어, 챔버 벽 온도에 민감한 센서에 의해 제어될 수 있다.
5. 하중 락, 카세트 투 카세트
웨이퍼 로딩 언로딩 시간 또한 비생산적이다. 이 시간은 참조부호 39로 개략 적으로 표시된 자동 장치에 의해 일반적으로 제한된다. 알려진 바와 같이, 이 장치는 웨이퍼를 저장하고, 웨이퍼를 반응 챔버에 로딩하고 반응 챔버로부터 웨이퍼를 언로딩할 수 있으며, 일반적으로, 이송 완드(transfer wands)를 이용하여 외부 홀더와 반응 챔버 내의 서셉터 사이에서 웨이퍼를 이동시키는 로봇 팔과 같은 것을 포함한다. 웨이퍼를 이송하는 동안, 반응 챔버는 중간 웨이퍼 이송 챔버에 의해 대기에 노출되지 않을 수 있다. 예를 들면, 이송 챔버와 외부 사이의 제어 가능한 도어는 로딩과 언로딩을 가능하게 하고, 그 후, 이송 챔버가 대기에 노출되지 않도록 실링할 수 있다. 이송 챔버의 플러싱(flushing)과 준비를 한 후 이송 챔버와 반응기 사이의 제어 가능한 도어를 개방하여 서셉터 위에 웨이퍼를 놓거나 제거하도록 할 수 있다. 이와 같은 시스템은 반응기 내부가 산소, 습기, 또는 다른 대기중 오염 물질에 노출되는 것을 방지하여, 웨이퍼의 로딩과 언로딩 전의 퍼징 시간(purging times)을 감소시킨다. 석영 베르누이 이송 완드를 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이것은 오염을 발생시키지 않고 뜨거운 웨이퍼를 핸들링할 수 있도록 하므로 비생산적인 시간이 감소되기 때문이다.
6. 별도의 주입(separate injection)
입구 매니폴드(33)로부터 화살표 31의 방향으로 출구 매니폴드(35)까지 공정 가스 흐름 제어는 고품질의 GaN 층을 증착하기 위해 중요하다. 이 흐름은 공정 가스를 위한 다음과 같은 바람직한 특성을 포함한다. 먼저, GaCl3과 같은 가스를 포함 하는 갈륨과 NH3와 같이 가스를 포함하는 질소는 별도의 입구를 통해 반응 챔버로 인입되는 것이 바람직하다. 이 둘은 반응 챔버 밖에서 혼합되어서는 안 된다. 왜냐하면, 이러한 혼합은 원하지 않는 반응, 예를 들면, GaCl3와 NH3 분자 복합체(complexes)를 형성하는 반응을 야기하여 후속하는 GaN 증착을 방해할 수 있기 때문이다.
다음으로, 별도로 인입된 후, GaCl3와 NH3 흐름은 가스가 서셉터 위에서 공간적 및 시간적으로 균일한 구성을 갖도록 배열하는 것이 바람직하다. 3족/5족 비는 서셉터의 면(웨이퍼 또는 웨이퍼들을 지지하는) 위에서 특정 시간에 약 5% 이하로 변화하는 것이 바람직하며, 약 3%, 2% 또는 1% 이하로 변화하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 3족/5족 비는 서셉터 면의 전 부분에 걸쳐 시간적으로 유사하게 실질적으로 균일하여야 한다. 따라서, GaCl3와 NH3 속도 프로파일은 2개의 가스가 반응 챔버의 폭을 옆으로 전역에 걸쳐 퍼지도록 함으로써, 2개의 가스가 서셉터에 도달하였을 때, 반응 챔버의 폭의 전역에 걸쳐 균일한, 바람직하게 적어도 서셉터의 지름의 전역에 걸쳐 균일한 비 난류 흐름을 형성하도록 하여야 한다.
마지막으로, 상기 흐름은 공정 가스 중의 하나 이상이 이례적으로 고농도로 축적될 수 있는 이례적으로 낮은 흐름 속도의 재순환 존 또는 영역을 갖지 않도록 하여야 한다. 저속의 가스 흐름이 있거나 또는 가스가 고인 국부적인 지역은 피하는 것이 최선이다.
바람직한 공정 가스 흐름은 새로운 반응 챔버의 입구 매니폴드의 주의 깊은 설계나 기존의 반응 챔버의 입구 매니폴드의 주의 깊은 재설계에 의해 얻을 수 있다. 여기서 사용한 용어 "입구 매니폴드(inlet manifold)"는 공정 가스와 캐리어 가스가 반응 챔버로 인입될 수 있도록 하는 구조를 말하며, 이 구조는 단일 구조 또는 2개 이상의 물리적으로 분리된 유닛을 포함할 수 있다.
아래와 같은 일반적인 특징을 갖도록 설계되고 제작된 입구 매니폴드는 바람직한 공정 가스 흐름을 얻을 수 있다는 것이 알려져 있다. 그러나, 대부분의 실시예에서, 공지의 유체 동력학 모델링 소프트웨어 패키지를 이용하여 모델링된 제안된 입구 매니폴드 설계에 의해 생산된 선택된 반응 챔버로 가스 흐름이 들어가도록 하는 것이 유리하다. 이에 의해 제안된 설계는 실제로 제작하기 전에 균일성을 중가시킬 수 있도록 반복하여 개선될 수 있다.
먼저, 반응 챔버로 들어오는 공정 가스 입구는 챔버 폭 일부, 대부분 또는 전역에 걸처 분포되는 것이 유리하다는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 가스가 들어올 수 있는 복수 개의 가스 입구 포트 또는 한 개 이상의 슬롯은 옆으로 챔버 폭 전역에 걸쳐 분포될 수 있다. 질소 또는 수소와 같은 캐리어 가스는 GaCl3과 NH3 가스들이 반응기를 통과하여 서셉터 위의 원하는 반응 위치로 향하도록 하는 것을 돕기 위해 도입될 수 있다. 또한, 입구 포트 근처에 가짜 증착이 형성되는 것을 방지하기 위해, 실제 입구 포트는 가열된 서셉터에 대해 이격되도록 하여 약 400-500℃ 이상으로 가열되지 않도록 하는 것이 유리하다. 다른 예로서, 입구 포트를 냉각하거나 이격시켜서 공정 가스들이 그 주변에서 혼합되지 않도록 할 수 있다.
다음으로, GaCl3와 NH3 입구의 특별한 구성에 의해 형성된 가스 흐름 특성은 개선될 수 있거나 또는 동력학적으로 조절될 수 있다. 서셉터의 아래에서 기원하며 제1의 GaCl3와 NH3 흐름에 영향을 미치고 혼합되는 제2 퍼지 가스 흐름은 조성과 속도의 균일성을 증가시키기 위해 또는 반응기 구성부품에 증착되는 것을 방지하기 위해 이 흐름들을 변경하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, GaCl3과 NH3 흐름이 다른 입구를 통해 반응 챔버로 들어오는 실시예에서, 공정 가스를 의도하는 증착 영역 위에 가두고, 반응기 측벽 들에 의도하지 않는 증착이 생기는 것을 차단하기 위해, 퍼지 가스 흐름이 GaCl3와 NH3 흐름의 다소 상류 쪽으로 반응 챔버로 들어가도록 하는 것이 유리하다. 이러한 목적을 위해, 챔버 벽 근처에 옆으로 더 많은 양의 캐리어 가스가 들어오도록 하고, 챔버의 중앙 부근에는 더 작은 양의 캐리어 가스가 들어오도록 하는 것이 유리하다.
또한, 바람직한 입구 매니폴드는 공정 가스 흐름들 중의 적어도 한 개에 대해 동적인 조절을 제공하여, 동작 동안 관측되는 비균일성이 개선될 수 있도록 한다. 예를 들면, 한 개의 공정 가스를 위한 입구가 2개 이상의 분류(stream)로 분기될 수 있고, 개별적인 흐름 조절 밸브들이 각 분류의 흐름을 독립적으로 조절할 수 있도록 제공될 수 있다. 바람직한 실시예에서, GaCl3 입구는 독립적으로 제어가능한 상대적 흐름을 갖는 5개의 분류를 갖도록 배열된다.
바람직한 입구 매니폴드의 또 다른 측면은 온도 제어를 포함한다. 이에 의해 입구 매니폴드 온도 T3는 GaCl3과 같은 선구체가 응축되는 것을 방지하고, 가스켓 또는 오링 재료와 같은 온도 민감 재료가 손상되는 것을 방지하도록 제어될 수 있다. 상술한 바와 같이, GaCl3 입구 포트의 온도는 GaCl3 공급 라인에서 도달하는 최고온도, 바람직하게는 약 110℃로부터 150℃까지 증가하는 최고온도보다 낮지 않아야 한다. 입구 매니폴드에, 특히 매니폴드를 석영 반응 챔버에 실링하기 위해 사용할 수 있는, 가스켓 재료와 오링 재료와 같은 상업적으로 이용할 수 있는 내염소성 실링 재료는 약 160℃를 초과한 온도에서 상태가 열화되기 시작한다. 만일 이용 가능하다면, 좀더 높은 온도에서 사용할 수 있는 실리콘 오링과 같은 내염소성 실링 재료가 사용될 수 있으며, 이 경우 입구 매니폴드 상한 온도 한계는 상승될 수 있다.
따라서, 열을 가하여 대기 온도를 상승시키거나 뜨거운 반응 챔버와 매우 뜨거운 서셉터로부터 전달된 열을 제거함으로써, 입구 매니폴드의 온도는 약 155 내지 170℃의 범위로 유지되도록 제어되어야 한다. 바람직한 실시예에서, 입구 매니폴드는 온도 센서와 온도 제어 유체용 채널을 포함한다. 예를 들면, 155 내지 170℃의 온도는 온도 제어된 GALDEN 유체를 순환시킴으로써 얻을 수 있다. 다른 온도 범위를 위해서는 다른 공지의 유체가 사용될 수 있다. 유체 채널은 입구 매니폴드의 온도에 민감한 부분, 예를 들면 GaCl3 입구 포트와 오링에 근접하여 설치하는 것이 바람직하다. 채널의 배열은 공지의 소프트웨어 패키지를 사용하여 열 모델링의 관점에서 정밀하게 선택될 수 있다.
GaCl3 분자는 고체, 액체, 기체 상태인지에 관계없이 주로 Ga2Cl6의 이량체 형태로 존재하는 것이 알려져 있다. 이 형태는 800℃까지는 실제로 매우 안정적이다. 가스상 라만 분광법에 의해 보강된 열동력학 계산에 의하면, 300℃에서 가스상의 90%이상이 이량체 분자로 구성되어 있고, 700℃에서는 이량체의 99% 이상이 단량체 GaCl3로 분해된다.
이량체 분자가 150℃나 그 이하의 온도로 유지되는 금속 인젝션 포트를 통해 토출될 때, 이량체의 분해는 온도가 1000℃ 이상인 뜨거운 서셉터와 접촉하는 경우에만 발생한다. 서셉터 위의 가스의 속도 또는 그 잔류시간에 따라서는, 분해되는 이량체의 비율이 너무 작아 웨이퍼 위해 고 성장률을 유지할 수 없게 될 수도 있다. GaN 증착 공정은 GaCl3의 흡착과 모든 염소가 제거되어 흡착된 Ga 원자를 얻을 때까지 GaCl3이 x < 3 인 GaClx로 되도록 더욱 더 분해되는 과정을 통해 진행된다. 그러므로 단량체 형태의 GaCl3에서부터 작동하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예는 서셉터 영역의 상류에 위치한 반응기 챔버 아래에 있는 석영 튜브를 통해 이량체를 도입한다. 이 석영 튜브는 타원형 단면을 갖는 깔대(funnel)기를 통해 반응기 챔버와 연뎔된다. 깔대기에 있는 이량체에 에너지가 제공되어 이량체가 단량체로 분해된다. 바람직한 실시예는, 석영 튜브와 깔대기가 적외선 방사의 고 플럭스를 받을 수 있도록 위치하며 그러한 형상으로 형성된 적외선 램프에서 발생되는 적외선 방사를 사용한다. 본 실시예에서, 깔대기 지역은 적외선 흡수 재료와 적외선 흡수 재료가 600℃의 온도 또는 더욱 바람직하게는 700℃ 또는 그 이상의 온도가 되도록 조절된 방사 파워(radiation power)로 채워져 있다. 이량체 형태의 GaCl3이 석영 인젝터로 주입되어 뜨거운 깔대기 지역을 통과할 때, 이량체는 단량체로 분해되어 서셉터 바로 상류의 반응 챔버로 주입될 것이다. 이량체가 다시 형성되는 것을 방지하기 위해 반응기로 주입되는 GaCl3의 주입점과 서셉터 사이의 영역은 800℃ 이상의 온도로 유지되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예는 깔대기와 서셉터 사이에 적외선 가열 램프에 의해 700℃ 이상 바람직하게는 800℃ 이상의 온도를 유지하도록 가열되는 SiC 판을 사용하는 것이다.
7. 서셉터와 멀티 웨이퍼 서셉터
서셉터와 그 마운팅은 당해 분야에서 널리 알려진 것과 같은 표준 구조일 수 있다. 예를 들면, 실리콘 카바이드 또는 질화 실리콘으로 코팅된 그라파이트(graphite), 또는 내화성 금속 또는 합금을 포함할 수 있다. 서셉터는 축에 회전하도록 설치되는 것이 바람직하다. GaN 증착 동안, 서셉터 온도 T4는 약 1000 내지 1100℃ (또는 더 고온)일 수 있으며, 공지의 온도 제어 회로에 의해 제어되는 석영 적외선 램프에 의해 유지된다. 서셉터 아래에 사각지대(dead zone)가 형성되는 것을 피하기 위해 서셉터 마운팅은 퍼지 가스를 주입할 수 있도록 준비하는 것이 바람직하다. 이러한 주입은 가열된 서셉터와 (직접적 또는 간접적으로) 가열될 수 있는 주변의 부품들의 아래 부분에 생기는 원하지 않는 증착을 제한하거나 최소화할 수 있기 때문에 유리하다. 서셉터는 한 개 이상의 기판을 잡도록 구성될 수 있다.
8. 가열된 배기가스(heated exhaust)
반응 챔버 출구 매니폴드(35)는 반응 챔버로부터 배기 라인을 통해 폐기물 감소 시스템(5)으로 배기 가스가 자유롭게 방해받지 않고 흐르도록 준비된다. 배기 시스템은 펌프(42)와 관련된 압력 조절 시스템 (압력 제어 밸브(44), 압력 게이지(46), 및 감압 상태에서 동작하도록 하는 관련 제어장치)를 포함할 수 있다. 출구 매니폴드 배기 라인과 압력 조절 장치(만일 사용한다면)는 반응 생성물의 응축을 제한하도록 온도가 제한되는 것이 유리하다. 배기가스와 반응 생성물은 전형적으로 캐리어 가스, 반응하지 않은 공정 가스인 GaCl3와 NH3, 주로 NH4Cl, NH4GaCl4, HCl, H2인 반응 부산물을 포함한다. 상기에서 설명한 바와 같이, GaCl3의 웅축을 방지하기 위해서는 약 130℃ 이상의 온도가 요구된다. NH4Cl은 약 140℃ 이하에서 분말 재료에 응축되므로, 출구 매니폴드와 배기 시스템은 이 온도 이상으로 유지되어야 한다. 한편, 실링재료의 훼손을 방지하기 위해 출구 매니폴드 온도는 약 170℃를 초과하면 안된다.
따라서, 출구 매니폴드 온도 T6는 입구 매니폴드 온도 제어에 사용된 것과 유사한 온도 제어 수단(선택적인 열 모델링 포함)에 의해 약 155 내지 170℃의 범위에서 유지되는 것이 바람직하다. 배기 라인 최고온도 T7는 실을 위해 허용되는 최고온도에 의해 바람직하게는 약 155 내지 170℃의 범위로 제한된다.
9. 폐기물 관리
다음으로 폐기물 감소 시스템(5)을 고려하면, 바람직한 폐기물 시스템은 반응 챔버에서 배출된 폐 갈륨 화합물의 재생함으로써 본 발명의 경제적 작용을 도울 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 한 달의 지속적인 대량생산동안 30kg, 60kg, 또는 그 이상을 배출한다(약 50%의 폐기를 가정함). 현재의 Ga 가격으로, 이 폐갈륨을 재생하여 GaCl3 선구체로 재활용하는 것이 경제적이다. 이에 의해 효율적으로 약 90 내지 100%의 Ga 효율을 달성할 수 있다.
도 1은 갈륨 재생을 할 수 있고 상업적으로 이용 가능한 제품에서 쉽게 개조될 수 있는 폐기물 감소 시스템의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 반응 챔버(25)에서 배출된 분류는 배기 산물의 응축을 제한하기 위해 T7, 예를 들면 약 155 내지 170℃ 또는 그 이상의 범위로 온도 제어된 배기 라인(41)을 통과하여 버너 유닛(43)으로 인입된다. 버너 유닛은 배기가스가 H2/O2 연소를 포함하는 고온의 연소 존(45)을 통과하게 함으로써 배기가스를 산화시킨다. 그러면, 산화된 배기분류는 튜브(47)를 통과하여 역류 물 스크러버 유닛(countercurrent water scrubber unit)으로 인입되어, 물 흐름(51)에 대해 반대방향으로 이동한다. 물 흐름은 산화된 배기 분류로부터 모든 수용성이며 미립자인 구성요소들을 실질적으로 제거한다. 그후, 제거된 배기 가스는 시스템(57)에서 배출된다.
수용성이며 미립자상의 재료를 포함하는 물 흐름은 분리기(separator)(59)를 통과한다. 분리기에서 주로 산화갈륨(예, Ga2O3)인 미립자 성분은 주로 용해된 NH4Cl과 HCl인 수용성 성분에서 분리된다. 분리는 스크리닝, 필터링, 원심분리, 응집 등과 같은 공지의 기술을 이용하여 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 한 달의 운전동안 60kg 이상 또는 120kg 이상의 미립자 Ga2O3를 생산할 수 있다. 미립자 산화갈륨갈레이트(gallium oxides gallates)는 수거되고, Ga은 공지의 화학 기술에 의해 재생되어 GaCl3으로 재활용된다. 예로서, Barman, 2003, Gallium Trichloride, SYNLETT 2003, no. 15, p. 2440-2441을 참조할 것. 수용성 성분은 시스템을 통과한다.
10. 게이트 밸브(gate valve)
게이트 밸브는 반응 챔버 내부를 외부로부터 실링한다. 상기 외부는 자주 이송 챔버의 내부이다. 게이트 밸브와 반응 챔버 로딩 포트는 게이트 밸브가 열렸을 때 자동화된 웨이퍼 이송 장치가 반응 챔버와 이송 챔버 사이에서 자유롭게 웨이퍼를 이송할 수 있는 크기와 구조로 형성하는 것이 바람직하다. 게이트 밸브가 닫히면, 반응기 챔버의 마주보는 면과 함께 게이트 밸브가 반응기 챔버의 내부를 실링한다. 다음에서, 본 발명의 게이트 밸브는 도 7a-b와 도 8a-c를 참조하여 더욱 상세하게 설명할 것이다. 본 발명의 반응기 시스템 내의 본 발명의 게이트 밸브의 배열은 도 4와 도 6을 참조하여 그 다음 부분에서 설명한다.
본 발명의 게이트 밸브는 한 개 이상의 가스 포트와 한 개 이상의 온도 제어 기구를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 게이트 밸브, 또는 반응기 조립체의 마주 보는 면 또는 그 둘 다는 반응기 챔버 내부와 외부 사이를 실제로 완전히 실링할 수 있도록 배치된 실링 재료를 포함한다.
가스 포트에 관해, 한 개 이상의 가스 포트는 한 개의 종 이상의 선택된 가스를 실링된 반응기 챔버로 인입시키도록 준비되고 배열되는 것이 바람직하다. 즉, 가스 포트는 반응기 내부로 노출된 게이트 밸브의 면(동등한 의미로, 노출면)의 전체에 걸쳐 배치된다. 상기 배열은 가스 포트들을 노출면 전체에 걸쳐 균일하게 또는 비균일하게 놓는 폐턴을 포함할 수 있다. 예를 들면, 비균일 배열에서, 포트는 노출면의 중심을 향해 집중되도록 배열되거나, 노출면의 일 측면 또는 양 측면 쪽으로 집중하도록 배열되거나, 또 다른 비균일 배열로 배치될 수 있다. 포트의 패턴은 사각 격자, 직사각형 격자, 육각형 격자, 단열, 복수 열 등을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 포트는 게이트 밸브의 노출면 전체에 걸쳐 연장되는 한 개 이상의 평행 열(동등한 의미로, 사각 또는 직사각형 패턴)로 배치된다. 포트는 노출면 전체에 걸쳐 균일하게 분포되거나, 노출면의 측면에 집중될 수 있다. 반응기 챔버 내벽에 생기는 원하지 않는 증착을 감소시키고, 반응기 챔버 내에서의 가스 재순환을 감소시키고, 반응기 챔버 내에서 선구체와 생성물 가스의 잔류시간을 줄이기 위해 가스(바람직하게는 한 개 이상의 비교적 불활성인 가스)가 포트를 통해 인입될 수 있다. 또한, 포트를 통해 인입된 가스는 반응기 챔버 내에서 게이트 밸브의 노출면과 공정가스의 접촉을 제한(그리고 보호)하도록 활동할 수 있다(즉, 가스가 노출면의 차폐물(shield)로서 활동한다).
온도 제어 기구와 관련하여, 게이트 밸브의 온도 제어는 다음과 같은 이유로 본 발명의 이점이다. 첫 번째로, 반응기 챔버로 노출된 게이트 밸브의 부분은 충분히 높은 온도로 유지되고 있으므로, 반응기 내부의 가스는 노출면에 응축하지 않고, 원하지 않는 반응과 복합물 생성이 노출면과 접촉에 의해 반응기 내에 가스들에 유도되지 않는다. 두 번째로, 반응기의 입구 조립체의 대응하는 부분과 마주하며 실을 형성하는 게이트 밸브의 부분(동등한 의미로, 게이트 밸브의 실링부와 반응기 조립체의 실링부)은 충분히 낮은 온도로 유지되어 오링, 실, 가스켓 등과 같은 유닛의 보조 부품들에 대한 열적 손상을 제한하거나 방지하는 것이 바람직하다. 또한, 노출면의 온도는 증착/반응 온도 이하로 유지되어야 한다. 그러나, 이것은 사실상 항상 그러한 경우이다.
고온과 저온의 경계는 반응기 챔버 내에서 수행되는 특별한 공정에 따른다. GaN의 HVPE 성장의 경우에, 의미있는 온도 경계는 다음을 포함한다. 즉, 액체상으로 변하는 ＝80℃ 또는 그 이하인 반응 선구체 GaCl3의 응축온도와, 고체상으로 변하는 ＝140 ~ 150℃ 또는 그 이하인 반응 생성물 NH4Cl의 응축온도와, ＝150 ~ 170℃ 또는 그 이하인 현재 이용가능하며, 내염소성이 있는 실링 재료의 안전 작동 온도를 포함한다. 여기서, "＝"는 약 또는 대략이라는 일반적인 의미로 사용되는 일반적인 수학기호이다.
바람직한 가스 밸브 조립체(예를 들면, 게이트 밸브와 온도 제어 기구의 조합체)는 게이트 밸브의 노출면의 온도를 상승시킬 수 있는 기구와 실링부의 온도를 낮출 수 있는 기구를 포함한다. 그러나, 다른 실시예는 단지 온도 상승 기구 또는 온도 하강 기구만을 포함하거나 아니면 둘 다 포함하지 않을 수 있다. 또 다른 실시예는 상기 타입 중의 어느 하나의 타입의 기구를 복수 개 포함할 수 있다. 또한, 온도 제어 기구는 게이트 밸브와 통합되거나, 반응기의 실링부에 통합(또는 매우 근접하여)되거나, 게이트 밸브 또는 반응기와 관련된 곳을 제외한 외부에 설치되거나, 또는 이러한 배열들을 조합하여 설치될 수 있다. 이하여서, 바람직하나 이에 한정되는 것은 아닌 온도 제어 기구에 대해 설명한다. 그러나, 본 발명은 설명한 것 이외의 다른 온도기구를 포함할 수 있다.
게이트 밸브의 노출면은 게이트 밸브 몸체로부터의 열전도에 의해 가열될 수 있다. 게이트 밸브 몸체는 저항 가열, 유도 가열, 복사 가열, 고온 가스/액체 가열 등(그러나 이에 한정되지 않는다)을 포함하는 당해 기술분야의 당업자에게 알려진 많은 온도제어장치에 의해 차례로 가열될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 게이트 밸브의 몸체(그리고 또한 노출된 면)는 필라멘트 램프나 고체상태장치나 이들의 조합체를 포함하는 복사 가열 요소(예를 들면, 적외선 요소)에 의해 가열되고 제어될 수 있다. 반응기 챔버 내의 고온과 부식성 환경 때문에 복사 가열 요소는 반응기 챔버 외부(예를 들면, 이송 챔버에)에 설치되는 것이 바람직하다. 복사 적외선 가열 요소는 유닛에 직접적으로 열을 가하도록 게이트 밸브에 매우 가까이에 있는 이송챔버에 배열될 수 있다. 따라서, 노출면은 응축을 방지할 수 있을 정도로 충분한 고온이 된다.
다른 바람직한 실시예에서, 게이트 밸브 조립체의 노출면의 온도는 게이트 밸브 몸체를 통해 가열된 유체(예로서, 고온 가스)를 순환시킴으로써 상승되고 제 어될 수 있다. 가열된 가스는 게이트 밸브의 몸체 속의 통로로 흘러들어가고, 그 통로를 지나서, 재사용 또는 제거를 위해 배출되도록 배열될 수 있다. 또한, 통로 속의 가열된 가스는 게이트 밸브의 노출면에 있는 복수 개의 포트의 일부 또는 전부를 통과하도록 향해질 수 있다. 바람직하게, 내부 가스 통로는 노출면 근처에 배열되어 있어서, 픽스처의 몸체를 통해 순환하는 가열된 가스는 상기 유닛으로 열을 나누어 주어 노출면의 온도를 원하는 수준으로 상승시켜 원하지 않는 반응기 증착이 쌓이는 것을 방지한다.
게이트 밸브의 실링부는 차가운 가스와 차가운 액체를 포함하는 순환하는 냉각 유체에 의해 직접 또는 간접적으로 냉각될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 냉각 유체는 반응기의 실링부 내에 있으며, 실링재료 또는 게이트 밸브의 실링부에 인접한 통로로 순환할 수 있다. 다른 실시예로서, 냉각 유체는 게이트 밸브 몸체 속에서 게이트 밸브의 실링부에 근접한 통로로 순환할 수 있다. 또 다른 바람직한 실시예로서, 냉각 가스는 게이트 밸브 내부의 통로로 순환할 수 있다. 다른 예로서, 냉각 가스 흐름은 이송 챔버에서 포트로부터 게이트 밸브의 몸체로 향할 수 있다. 게이트 밸브의 실링부는 이송 챔버에 노출된 몸체로부터의 열전도에 의해 냉각된다. 예를 들면, 대기 가스(ambient gas)가 이송 챔버로부터 제거되고, 냉각된 후, 이송 챔버로 다시 인입되어 게이트 밸브를 향하도록 할 수 있다.
여러 실시예에서, 게이트 밸브 조립체는 노출면의 온도를 상승시키기 위한 한 개 이상의 온도 제어 장치만을, 또는 실링 면의 온도를 낮추기 위한 한 개 이상의 온도 제어 장치만을, 또는 한 개 이상의 상기의 두 가지 타입의 온도 제어 장치 를 포함할 수 있다. 유리한 조합은 노출면의 온도를 상승시키기 위한 온도 제어 장치와 실링면의 온도를 낮추기 위한 온도 제어장치를 포함하는 것이다. 예를 들면, 노출면의 온도는 게이트 밸브 몸체(게이트 밸브 포트에서 반응기 속으로)의 통로를 통해 고온 가스를 순환시킴으로써 상승될 수 있고, 실링면의 온도는 저온 유체를 순환시킴으로써 낮출 수 있다(예를 들면, 반응기 또는 게이트 밸브의 실링부). 다른 예의 조합은 게이트 밸브 몸체의 통로를 통해 가열된 가스를 순환시키는 것을 포함하며, 가열된 가스의 온도를 제어하여 노출면의 온도는 충분히 고온이 되게 하지만, 실링부의 온도는 열손상 경계 이상으로 상승되지 않도록 한다.
게이트 밸브 조립체는 피드백(feedback)을 제공하는 한 개 이상의 서모커플(thermocouple)을 포함하는 것이 바람직하다. 이에 의해 가열 및/또는 냉각 기구는 게이트 밸브의 노출면의 온도를 충분히 고온으로 유지하고 실링부의 온도를 충분히 저온으로 유지하도록 조절될 수 있다. 서모커플은 게이트 밸브 조립체 내부와 주위에, 이송 챔버 내부에, 또한 반응기 챔버 내부에 설치될 수 있다.
도 7A는 전형적인 CVD 시스템 내부에 있는 본 발명에 의한 게이트 밸브의 배치 예를 개략적으로 나타낸다. 본 도면은 반응기 챔버(713)에 인접한 이송 챔버(703)와, 이송 챔버(703)와 반응기 챔버(713)의 경계를 이루는 반응기 챔버의 후면판 조립체(725), 및 2개의 챔버 사이에 재료 이송이 가능하도록 하는 로딩 포트를 나타내고 있다. 가스, 때때로 선구체 가스는 챔버들 사이의 로딩 포트로 개방된 것으로 도시된 반응기 관통 포트(715)로 인입될 수 있다. 도 5와 도 6을 참조하여 설명하였던 것과 같이, 반응기 챔버는 때때로 석영 벽을 포함하며, 차가운 벽 상태 로 작동된다.
챔버들 사이의 로딩 포트는 게이트 밸브(702)에 의해 실링된다. 게이트 밸브는 여기서 닫힌 위치로 도시되어 있으며, 그것의 열린 위치는 점선의 윤곽(705)으로 표시되어 있다. 통로(719), 이송 개구부는 게이트 밸브가 열렸을 때의 위치(719')를 가정하며, 이 위치에서 반응기 로딩 포트와 정렬되어 재료가 아무런 방해 없이 이 이송 개구부를 통과하고 이어서 로딩 포트를 통과하여 이송될 수 있다. 그러므로, 게이트 밸브는 챔버 사이의 재료 이송을 방해하지 않는다. 게이트 밸브를 열고 닫기 위해 여러 기구가 적용될 수 있다. 여기에는 피벗(pivot)(711)에 대해 게이트 밸브를 회전시키는 일반적인 기구(704)가 도시되어 있다.
도시되어 있는 것처럼, 게이트 밸브는 내부 통로와 가스가 반응기 챔버로 들어갈 수 있는 복수 개의 포트(707)를 구비하는 것이 바람직하다.
게이트 밸브의 실링부와 반응기 챔버의 실링부가 접촉하여 형성된 실링은 가스켓, 오링 등처럼 형성되고 마주하는 실링부 사이에 배치된 실링부재에 의해 완전해지고 증대된다. 이러한 실링부재는 일반적으로 실 712-1 과 712-2로 도시되어 있다. GaN의 HVPE 제조의 경우에는 실링재료는 염소 화합물과 ＝150 ~ 170℃에 이르는 경계온도(또한, 만일 실링부재가 이용가능하면 더 고온)에 내성이 있는 것이 바람직하다.
도 7b는 게이트 밸브(702)의 단면을 나타낸다. 게이트 밸브 피벗 샤프트는 개구(711)를 통해 연장될 수 있다. 이송 개구(709)는 설명한 바와 같이 재료 이송을 위해 준비된다. 게이트 밸브는 게이트 밸브 면의 복수 개의 포트로 이어지는 내 부 플레넘 같은 가스 통로(internal plenum-like passageway)(707)를 포함한다. 오목부(recesses)(717-1,717-2)들은 게이트 밸브의 노출면을 둘러싸는 오-링을 유지하기 위한 것이다. 또한, 오-링은 면판 조립체(725)에 의해 지지될 수 있다.
도 7a는 몇 개의 게이트 밸브 온도 제어 기구를 도시하고 있다. 게이트 밸브와 게이트 밸브의 노출면은 대표적인 가열 램프(701), 예를 들면 적외선 가열 램프에 의해 가열될 수 있다. 게이트 밸브의 뒷부분에 흡수성의 코팅을 할 수 있다. 다른 예로서, 2개 이상의 가열 램프가 사용될 수 있으며, 이들은 게이트 밸브의 둘레에 다른 위치에 또는 여러 위치에 놓일 수 있다. 게이트 밸브의 노출면은 밸브 몸체의 내부의 가스 통로(707)를 통과하는 뜨거운 가스에 의해 가열될 수 있다. 가열된 가스의 일부 또는 전부가 노출면의 포트(707)를 통과하여 반응기 챔버로 들어가는 것이 바람직하다.
실링재료들(717-1,717-2)은 게이트 밸브(702)의 실링부와 반응기 면판 조립체(725)의 실링부 사이에 배치된다. 이 재료들은 냉각 유체가 게이트 밸브의 내부나 면판 조립체의 내부 중 어느 하나(또는 양쪽의 내부)를 순환하도록 함으로써 냉각될 수 있다. 여기서, 냉각 유체 통로(721-1.721-2)는 실링재료(717-1,717-2)에 인접하여 면판 조립체에 도시되어 있다. 이 냉각 기구(cooling mechanisms)는 실링재료 근처의 게이트 밸브와 면판의 영역을 주로 냉각하는 것이 바람직하다. 만일 실링재료가 예상되는 온도에 대해 내구성이 있다면 냉각 기구는 생략하는 것이 바람직하다. 또는 절대 필요하지 않을 것이다.
완벽함을 위해, 반응기 챔버(713)와 면판 조립체(725) 사이에 실이 도시되어 있으며, 이는 실링부재(719-1,719-2)에 의해 완전해지고 증대된다. 필요하다면 후자의 실링재료는 통로(723-1,723-2)에 냉각 유체를 순환시킴으로써 고 반응기 온도로부터 보호될 수 있다.
써모커플(미도시)은 게이트 밸브에 그리고 주위에 반응기 조립체의 인접부분에 배치될 수 있으며, 가열장치 및/또는 냉각장치가 조절될 수 있도록 피드백을 제공한다. 이러한 온도 피드백은 노출면의 온도를 반영하여 이 온도가 충분히 고온으로 유지될 수 있도록 하며, 실링재료의 온도를 반영하여 이 온도가 충분히 저온으로 유지될 수 있도록 한다.
본 발명은 노출면에 가스를 배출하기 위한 복수 개의 배출 포트와, 가스, 특히 가열된 가스를 받아들이기 위한 한 개 이상의 입구 포트, 및 입구 포트와 배출 포트를 연결하는 내부 통로를 구비한 게이트 밸브의 실시예를 포함한다. 도 8a 내지 도 8c는 각각 포트의 개수와 배열이 서로 다른 3개의 게이트 밸브 실시예를 나타낸다. 본 발명은 도시된 3개의 실시예로 한정되지 않으며, 본 발명은 다양한 개수와 배열의 포트를 포함할 수 있다. 도시된 3개의 게이트 밸브가 공통적으로 포함하는 구성요소는 피봇 구멍과 샤프트(828), 이송 개구부(821-1,825-2,825-3), 오-링 실(829-1,829-2,829-3)이다.
먼저 배출 포트(821-1)를 고려하면, 도 8a는 한 줄의 배출 포트를 갖는 게이트 밸브를 도시하고 있고, 한 줄의 배출 포트는 게이트 밸브의 노출면의 양 측면 쪽으로는 배출 포트의 개수가 상대적으로 많고, 노출면의 중앙부에는 배출 포트의 개수가 상대적으로 적도록 배치되어 있다. 도 8b는 일정하게 직사각형으로 배열된 복수 개의 배출 포트를 도시하고 있으며, 복수 개의 배출 포트는 3개의 평행한 줄로 정렬되어 있고, 노출면 전체에 걸쳐 일정한 개수로 존재한다. 도 8c는 도 8b의 변형된 배열로서, 도 8b에서 입구 포트가 있던 노출면의 양 측면 끝 부분에 여분의 배출 포트가 배열되어 있다.
입구 포트를 고려하면, 만일 가스가 반응기 챔버의 면판 조립체의 통로로부터 게이트 밸브의 통로로 들어와 순환될 수 있다면 게이트 밸브 구조는 단순화된다. 게이트 밸브가 닫혔을 때, 면판 조립체의 한 개 이상의 통로의 개구부는 게이트 밸브의 한 개 이상의 대응되는 개구부와 일 직선을 이룰 수 있다. 이들 통로 사이의 접합부는 오링 등에 의해 실링될 수 있다. 도 8a와 도 8c는 게이트 밸브의 실링부의 양 측면 끝단에 오-링(821-1,821-3)의 외측에 배치된 2개의 이러한 포트(827-1,827-3)를 갖는 게이트 밸브를 나타낸다. 오링의 외부에 있기 때문에, 이 통로 실들 사이에서 누설된 가스는 이송 챔버로 누설된다. 도 8b는 게이트 밸브의 실링부의 양 측면 끝단에 오-링(821-2)의 내측에 배치된 2개의 이러한 포트(827-2)를 갖는 게이트 밸브를 나타낸다. 오링의 내부에 있기 때문에, 이 통로 실들 사이에서 누설된 가스는 반응기 챔버로 누설된다.
본 발명의 바람직한 특정 실시예
상기에서 일반적으로 설명한 본 발명의 특정한 바람직한 실시예에 대해 아래에서 설명한다. 본 실시예는 ASM America, Inc.에서 생산한 싱글 웨이퍼 에피택셜 반응기인 EPSILON® 시리즈를 수정 및 개조하는 것에 기초를 두고 있다. 따라서, 아래 특징 중의 많은 것은 본 바람직한 특정 실시예에 특유한 것이다. 그러나, 이러한 특징이 한정하는 것은 아니다. 다른 특별한 실시예는 다른 이용 가능한 에피택셜 반응기를 수정하고 개조한 것을 기초로 할 수 있으며, 이는 본 발명의 권리범위에 속한다.
도 2a 내지 도 2c는 50 내지 75kg의 GaCl3를 수용할 수 있으며 약 130 내지 150℃의 제어된 온도에서 액체 상태로 이를 유지할 수 있는 저장통과, 공급 라인, 밸브, 및 제어부(105)를 구비한 공급 조립체를 포함하는 GaCl3 배달 시스템(delivery system)을 나타낸다. 공급 조립체는 라인 내에 GaCl3이 응축하는 것을 제한하거나 방지하는 동안 반응기 챔버로 GaCl3의 제어된 질량 흐름을 제공한다. 저장통은 액체 GaCl3의 기화를 높이기 위한 내부 수단을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 이것은 본 기술 분야에서 알려진 기포 장치(bubbler apparatus)를 포함한다. 다른 실시예로, 이 수단은 액체 GaCl3이 물리적 교반을 위한 수단, 액체를 분무하기 위한 수단, 액체의 초음파 분산 수단 등을 포함할 수 있다. 선택적으로, 공급 라인 (또는 분배 라인)은 캐리어 가스와 3족 선구체를 운반하는 내부 라인을 구비한 동축부(coaxial portion)와 내부 라인의 외측에 둘러싼 라인의 내부에 환상 공간을 형성하는 둘러싼 동축 라인(enclosing coaxial line)을 포함한다. 환상 공간은 가열 매체를 포함할 수 있다.
도 2c는 종래 기술에 이한 공정 가스 제어 캐비넷(137)에 인접하여 위치한 캐비넷(135)에 설치된 배달 시스템(101)의 일 예를 도시하고 있다. GaCl3 공급 라인의 길이를 제한하기 위해 캐비넷(135)은 반응기 챔버에 가까이 위치한다. 여기서 반응기 챔버는 캐비넷(137)에 가려있다. 공정 가스 제어 캐비넷(137)은, 예를 들면, 가스 제어 판넬(139)과 3족 금속 유기 합성물과 같은 추가적인 공정 가스 또는 액체를 위한 별도의 부분들(141-147)을 포함할 수 있다.
도 2b는 바람직한 공급 조립체(105)를 더 상세하게 도시하고 있다. 밸브(107,109)는 캐리어 가스가 저장통(103)으로 인입되도록 안내하고, 저장통 내의 내부 기포장치를 통과하여, 기화된 GaCl3 증기와 함께 저장통에서 배출되도록 안내하는 라인들을 제어한다. 이들은 메인티넌스 등을 위해 저장통으로부터 격리될 수 있다. 밸브(110)는 저장 시스템의 출구 밸브와 입구 밸브의 상측에서 시스템의 퍼징(purging)을 용이하게 한다. 특히, 피그 테일(pig-tail) 구성요소(110,112)에서 응축이 발생할 수 있기 때문에, 밸브(110)는 이러한 부분을 깨끗하게 하기 위해 유용하다. 기포장치(bubbler)의 제어된 온도와 캐리어 가스의 흐름 속도와 연계하여 컨테이너 압력을 제어하면 선구체 흐름 속도의 결정을 향상시키는 것이 용이하다. 밸브(110)를 추가함으로써 성장 모드가 아닐 때, 비부식성 캐리어 가스가 전체 분배 시스템을 깨끗하게 하도록 할 수 있으므로, 시스템이 부식성 환경에 노출되는 것을 줄일 수 있으며, 결과적으로 장비 수명을 향상시킨다. 또한, 조립체는 공급라인을 통과하는 흐름의 여러 측면을 제어하기 위한 밸브(111-121)를 포함한다. 조립체는 또한 GaCl3 컨테이너 위에 압력을 일정하게 유지하기 위한 압력 조절 기(pressure controller)와 변환기(transducer)(129)를 포함한다. 또한, GaCl3 컨테이너로의 캐리어 가스의 흐름을 정밀하게 조절할 수 있는 질량 흐름 조절기(mass flow controller)(131)가 마련된다. 이러한 것들은 반응기 챔버로 인입되는 GaCl3의 질량 흐름을 제어하고 적절하게 조절할 수 있도록 한다. 그것은 압력 조절기(pressure regulator)(125,127)를 포함한다. 공급 라인, 밸브, 컨트롤러를 포함하는 공급 라인 조립체는 각 구성부품을 둘러싸는 조개껍질 형상으로 된 복수 개의 알루미늄 가열 블록에 둘러싸여 있다. 알루미늄 블록은 공급 라인 구성 부품 온도를 제어하는 온도 센서를 포함하고 있어서, 저장통의 출구에서부터 반응 챔버의 입구까지 온도를 상승시킨다(또는 적어도 온도가 낮아지지 않게 한다). 가스 히터는 GaCl3 소스로 가는 입구 가스를 바람직하게 적어도 110℃의 온도까지 가열하기 위해 마련된다.
선택적으로, 5 ppb(parts per billion) 이하의 수분을 갖도록 캐리어 가스로부터 수분을 제거할 수 있는 정화장치가 캐리어 가스 입구 라인에 설치된다. 또한, 캐리어 가스 필터가 캐리어 가스 정화장치의 하류에 설치된다. 캐리어 가스 히터에 인접한 열교환 표면을 증가시키기 위해 캐리어 가스는 사인 곡선 형상의 굴곡부(sinusoidal bends), 예를 들면, 돼지 꼬리(pigtail)(112)를 갖도록 구성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 반응 챔버(201)의 바람직한 실시예의 평면도를 나타낸다. 이 반응 챔버는 석영 벽을 가지며, 일반적으로 넓은 폭과 낮은 높이를 가진 긴 직 사각형 박스 구조로 형성되어 있다. 다수의 석영 리지(ridge)(203)가 챔버 벽을 횡으로 가로질러 놓여 있어서, 특히 챔버가 진공 하에서 동작할 때 벽을 지지한다. 반응 챔버는 챔버 벽이 서셉터의 온도 보다 실질적으로 낮은 온도로 제어될 수 있도록 하기 위해 냉각 공기를 유도하는 덮개에 둘러싸여 있다. 이 덮개는 일반적으로 도면에 도시된 바와 같이 열었을 때 반응기 챔버가 노출될 수 있도록 여행 가방(suitcase) 형태로 되어 있다. 여기서는 덮개의 긴 변(205)과 상부(207)가 보인다. 서셉터(215)(이 도면에서는 보이지 않음)는 반응기 내에 위치한다. 서셉터는 2개의 어레이(array)로 배치된 석영 램프에 의해 가열되며, 2개의 어레이는 평행한 여러 개의 램프로 구성된다. 상부 램프 어레이(209)는 덮개 상부에 보이고, 하부 어레이는 반응 챔버 아래에 가려져 있다. 입구 매니폴드의 일부가 보인다.
도 3c는 특히 바람직한 반응 챔버의 길이방향 단면을 나타낸다. 그러나, 보강 리브(strengthening ribs)(203)는 생략되어 있다. 상부 석영 벽(303), 바닥 석영 벽(305), 및 한 개의 석영 측벽(307)이 여기에 도시되어 있다. 석영 플랜지(313)는 반응 챔버의 입구 단을 입구 매니폴드 구조에 대해 실링하고, 석영 플랜지(309)는 반응 챔버의 출구 단을 출구 매니폴드 구조에 대해 실링한다. 포트(315)는 공정 가스, 캐리어 가스 등의 입구로서 준비되고, 포트(311)는 배출 가스의 출구로 준비된다. 서셉터는 일반적으로 반원형 개구부(319)에 위치하며, 그 상면은 석영 선반(317)의 상부와 동일 평면을 이룬다. 이에 의해 실질적으로 부드러운 표면이 입구 매니폴드 구조로부터 인입된 가스를 처리하도록 존재하여, 이 가스들이 난류로 되거나 서셉터 아래로 방향이 바뀌지 않고, 서셉터의 상부를 가로질러 통과 할 수 있다. 원통형 석영 튜브(321)는 서셉터가 회전할 수 있는 서셉터 지지축으로 마련된다. 유리하게, 공정 가스가 쌓이는 사각 지역이 생기는 것을 방지할 수 있도록 서셉터 아래를 깨끗하게 하기 위해서 캐리어 가스가 이 튜브를 통해 주입될 수 있다. 특히, 가열된 서셉터 아래에 GaCl3이 쌓이는 것이 제한된다.
입구 매니폴드 구조는 공정 가스가 포트(315)와 슬릿 형상의 포트(329)를 통과하도록 한다. 가스는 먼저 석영 튜브(323)를 통해 포트(329)에 도달한다. 이 튜브는 가스가 가로방향으로 (반응 챔버로의 가스 흐름을 가로지르는) 퍼지도록 하는 평평한 깔때기(flattened funnel)(325)로 열러 있다. 이 깔대기는 선반(shelf)(317)에 가로방향으로 배열된 슬롯을 통해 반응 챔버의 베이스로 열려 있다.
도 6을 참조하면, 깔대기는 실리콘 카바이드 구슬(607)이 빽빽하게 채워져 있으며, 평형한 깔대기의 상부에 있는 실리콘 카바이드 인서트(327)는 GaCl3이 깔대기(325)로부터 반응 챔버로 들어가도록 하는 슬릿 형상의 포트(329)를 구비한다. 2개의 적외선 스포트 램프(601)와 이들의 반사 광학계는 깔대기의 각 측면에 위치한다. SiC 구슬을 약 500℃의 온도로 유지하기 위해 스포트 램프의 파워를 폐루프 제어할 수 있도록 하기 위해 써모커플(605)을 포함하는 석영 시스(quartz sheath)(603)는 석영 튜브(323)의 바닥면을 통해 깔대기 높이의 대략 중간까지 SiC 구슬의 중앙으로 삽입된다. 바람직하게는 GaCl3는 포트 329를 통해 인입되고, NH3는 포트 315를 통해 인입된다. 다른 실시예로서, GaCl3은 포트 315를 통해 인입되고, NH3는 포트 329를 통해 인입될 수 있다. 공지된 기술처럼, 튜브(323)의 하부에 RF 장이 생성될 수 있다. 그러면, 생성된 이온과 라디칼에 의해 NH3가 여기될 수 있다. 또 다른 예로서, NH3는 RF 장에 의해 유사하게 여기되는 N2로 교체될 수 있다. SiC 확장 플레이트(325)는 슬릿 포트(329)와 서셉터의 가장자리 사이에 설치된다. 이 SiC 확장 플레이트는 메인 가열 램프에 의해 가열되어 이량체가 슬릿 형상 포트(329)와 서셉터의 가장자리 사이에서 가스 상으로 재형성되지 않도록 한다. SiC 확장 플레이트의 온도는 700℃ 이상, 바람직하게는 800℃ 이상이어야 한다.
도 4는 반응 챔버 조립체(403)와 결합된 웨이퍼 이송 챔버(401)를 포함하는 특별히 바람직한 반응/이송 챔버 조립체의 절단 사시도를 나타낸다. 앞의 도 2 및 도 3에서 도시되었던 구조는 이 도면에서 동일한 참조기호를 사용하여 나타낸다. 대표적인 이송 챔버(401)는 기판을 시스템 외부에서 반응 챔버로 이송하고 반응 챔버로부터 외부로 다시 이송하기 위하여, 로봇 팔, 베르누이 완드, 및 다른 수단(도시하지 않음)을 둘러싸고 있다. 다르게 설계된 이송 챔버가 본 발명에 사용될 수 있다.
반응 챔버 조립체는 덮개(405) 내에 설치된 반응 챔버(301)를 포함한다. 여기에는 덮개의 바닥 벽(607)과 먼 벽(205)의 일부분이 도시되어 있다. 덮개는 냉각 공기를 반응 챔버 위로 유도하여 제어된 벽 온도를 유지하도록 한다. 상기에서 설명한 일부 반응 챔버 구조는 바닥 벽(305), 측 벽(307), 출구 매니폴드 쪽 플랜지(309), 선반(317), 서셉터(215), 및 서셉터를 지지하고 선택적으로 퍼지 가스를 흐르게 하는 원통형 튜브(321)를 포함한다. 서셉터는 원형 플레이트의 원형 개구부(319)에서 회전하며, 원형 플레이트(409)는 서셉터에 측방향 안정성을 주며, 선반(317), SiC 확장 플레이트(335), 및 슬릿 형태 포트(329)와 동일 평면을 이룬다. 복수 개의 이러한 구성요소들은 가스가 가스 입구로부터 서셉터로 부드럽게 흘러 가도록 한다. 출구 매니폴드는 반응 챔버로부터 표시된 방향으로 배기가스를 유도하여 배출 라인(419)으로 인입되도록 하는 플레넘(plenum)(407)을 포함한다. 출구 매니폴드와 반응 챔버에 붙은 플랜지(309)는 내온도성과 내염소성을 갖는 재질로 만들어진 가스켓 또는 오링(도시되지 않음)에 의해 서로 실링되어 있다.
입구 매니폴드 구조(이 용어가 여기에서 사용될 때)는 점선 박스(411)로 표시되어 있다. 아래에서 설명하는 플레넘(211)은 내온도성과 내염소성을 갖는 재질로 만들어진 가스켓, 오링 등(도 4에는 도시되지 않았고, 도 5에는 오링(503))으로 반응 챔버의 전방 플랜지에 실링되어 있다. 이송 챔버와 반응 챔버 사이의 게이트 밸브(413)는 시계방향(아래쪽)으로 회전하면 두개의 챔버 사이에 통로를 개방하고, 반 시계방향(위쪽)으로 회전하면 두 개의 챔버 사이의 통로를 닫고 실링한다. 게이트 밸브는 가스켓 또는 오링과 같은 수단에 의해 면판(face plate)(415)에 대해 실링될 수 있다. 게이트 밸브는 또한 아래에서 설명하는 바와 같이 가스 입구로서 포트를 구비하는 것이 바람직하다. 이 게이트 밸브는 상기에서 설명한 본 발명의 게이트 밸브의 일 실시예이다. 앞에서 설명한 바와 같이 하부 가스 입구의 구조는 연통하는 석영 튜브(323), 평평한 깔대기(325), 및 슬릿 형상 포트(329)를 포함한다.
도 5는 반응 챔버 조립체의 특히 바람직한 입구 매니폴드 구조와 그 배열을 상세하게 도시하고 있다. 앞의 도 2 및 도 3에서 도시되었던 구조는 이 도면에서 동일한 참조부호를 사용하여 나타낸다. 먼저 주변의 반응 챔버 조립체를 고려하면, 덮개(405)와 반응 챔버(301)를 포함하는 반응 챔버 조립체(403)는 왼쪽에 있고, 반면에 이송 챔버 구조(401)는 오른쪽에 있다. 서셉터(215)와 서셉터 안정화 플레이트(409)는 반응 챔버 내측에 있다. 반응 챔버의 석영 플랜지(313)는 덮개(405)의 연장부(501)에 의해 플레넘 구조(211)에 대해 눌려지고 있다. 반응 챔버 플랜지와 플레넘 구조는 포트(315)의 양측면의 단면에서 볼 수 있는 오링 가스켓(503)으로 실링되어 있다.
이제 GaCl3(바람직하게, 그러나 선택적으로, NH3 대신으로)를 위한 슬릿 형상 포트(329)를 통해 인도되는 입구 구조를 고려한다. 그것은 석영 튜브(323)와 깔대기(325)로 구성되며, 깔대기는 길이 방향으로 평평하나 가로 방향으로 연장되어 있어 반응 챔버의 바닥 벽의 중요한 부분을 전체적으로 가로 질러 개방된다. 작은 구슬, 작은 튜브, 또는 다공성의 적외선 흡수 재료가 깔대기(325)를 채운다. 인서트(327)는 깔대기의 상부 개구에 끼워져 있고, 서셉터와 슬릿 형상 포트(329) 사이의 공간을 덮는 연장 플레이트(335)를 가지며 서셉터를 향해 경사진 슬릿 형상 포트를 포함한다. 작동 중에, GaCl3 (그리고 선택적인 캐리어 가스)는 공급 튜브 속에서 상측으로 이동하여, 깔대기 내부에서 가로방향으로 퍼지며, 슬릿에 의해 반응 챔버 안으로 서셉터를 향하게 된다. 이에 의해 GaCl3는 반응 챔버의 폭 전역에 걸쳐 실질적으로 균일한 층류(laminar flow)로 포트(329)로부터 서셉터(215)를 향해 이 동한다.
이제 포트(315)를 통해 인도되는 입구 구조를 고려하면, 이 구조는 플레넘 구조(211), 면판(415), 게이트 밸브(413)를 포함한다. NH3 (바람직하게, 그러나 선택적으로, GaCl3 대신에) 증기는 공급 라인(517)을 통해 플레넘 구조로 인입되며, 반응 챔버를 향해 아래쪽으로 많은 수직 튜브들(519)을 통과한다. 이어서, NH3 증기는 수직 튜브를 나와서, 또는 선택적으로 각 수직 튜브가 할당된 일 군의 분산 포트 중의 분산 포트를 통과하여, 플레넘의 입술(lip)(511) 둘레를 지나간다. 이에 의해 NH3 증기는 반응 챔버의 폭 전역에 걸쳐 실질적으로 균일한 층류(laminar flow)로 서셉터를 향해 이동한다. 각 수직 튜브를 통과하는 흐름은 외부에서 조절(213)할 수 있는 별도의 밸브 기구(509)에 의해 제어된다. 또한 플레넘은 온도 조절 유체, 예를 들면 조절된 온도를 갖는 GALDENTM 유체를 유도하기 위한 튜브를 포함한다. 따라서, NH3가 통과하는 플레넘 구조는 상술한 온도 범위 내에서 유지되고, 오링(503)에 인접한 플레넘 구조는 오링에 사용된 실링 재료를 위한 동작 범위 내에서 유지된다. 오링을 위해 바람직한 재료는 다른 오링들에 대해 위에서 설명한 재료와 동일하다. 온도 제어 튜브(505)(대응되는 튜브는 또한 포트(315) 아래에서 볼 수 있다)는 오링(503)에 인접한 곳에서 볼 수 있다. 전형적인 동작에서, 이 튜브는 오링을 냉각하기 위해 사용되므로, 오링은 동작 범위 내에서 유지된다.
유리하게 게이트 밸브(413)는 상기에서 설명한 본 발명의 게이트 밸브의 일 실시예이다. 이 게이트 밸브는 반응 챔버와 이송 챔버를 격리하는 역할을 할 뿐만 아니라 많은 가스 입구 포트(315)를 포함한다. 게이트 밸브는 포트(315)를 통하여 이송 챔버와 반응 챔버 사이에서 웨이퍼와 기판을 위한 접근을 제어하기 위해 개폐된다. 게이트 밸브가 닫힌 위치로 도시되어 있으며, 이 위치에서 게이트 밸브는 오링(507)에 의해 면판(415)에 대해 실링되어 있다. 바람직한 실시예에서, 가스 입구 포트(515)는 퍼지 가스, 예를 들면 N2를 주입하는데 사용된다. 공정 가스가 서셉터를 가로질러 흐르고, GaCl3가 서셉터 아래로 흐르는 것을 방지하여 이 위치에 원하지 않는 GaN 증착이 형성되는 것을 피하기 위하여 챔버의 측벽을 따라 퍼지 가스 커텐을 형성할 때, 가스 입구 포트의 크기와 간격은 공정 가스의 조성과 속도에서 균일성을 향상시키도록 설계된다. 여기서, 가스 입구 포트들은 게이트 밸브(그리고 반응 챔버)의 가장자리 부근에서는 밀집되어 있고, 게이트 밸브(그리고 반응 챔버)의 중앙부에서는 더 떨어져 있다.
게이트 밸브(413)의 노출면의 온도는 가열된 퍼지 가스를 공급함으로써 상승될 수 있다. 예를 들면, 가열된 N2는 게이트 밸브(413) 내부의 통로에서 순환될 수 있으며, 그리고 이 게이트 밸브의 노출면에서 포트(515)를 통해 나올 수 있다. 게이트 밸브(413)와 반응 챔버(415)의 실링부의 온도는 통로(505)에서 순환하는 냉각 유체에 의해 낮추어 질 수 있다. 비록 이 냉각 유체가 첫번째로 반응기와 플레넘 사이의 오링(503)을 냉각시키지만, 전도에 의해 게이트 밸브(413)와 부재(415) 사이의 오-링(507)을 두번째로 냉각시킬 수 있다. 선택적으로, 필요한 경우, 추가적 인 오-링(507)의 냉각은 부재(415)에 있는 냉각 유체를 위한 추가적인 통로에 의해 제공될 수 있다. 바람직하게는, 써모커플(도시하지 않음)이 게이트 밸브 위와 둘레에 설치될 수 있으므로, 가열 및 냉각 기구가 제어될 수 있다.
일반적으로, 고품질 에피택셜층을 증착하기 위해, 입구 매니폴드와 포트 구조는 서로 함께 작용하여 실질적으로 층상(그래서 난류가 아닌)이고, 실질적으로 속도와 조성에 균일성이 있는 공정 가스 흐름을 제공한다. 실질적으로 층상이며 균일한 흐름은 길이방향으로는 서셉터까지 및 넘어서까지 연장되고, 가로방향으로는 반응 챔버 전역에 걸쳐(또는 적어도 서셉터의 표면 전역에 걸쳐) 연장된다. 바람직하게는 반응 챔버에서 공정 가스 흐름은 그 챔버를 가로질러 속도와 조성에서 적어도 5%까지 또는 더욱 바람직하게는 2% 또는 1%까지 균일하다. 조성의 균일성은 3족/5족 비(즉 GaCl3/NH3 비의 균일성을 의미한다. 이는 첫째로 반응 챔버를 통해 대략 균일한 공정 가스의 흐름을 제공하도록 공정 가스 입구 포트를 설계하고, 두번째로, 캐리어 가스를 선택적으로 주입하도록 하여 대략적으로 균일한 흐름이 점점 더 균일해지도록 설계한다. 서셉터에서 하류의 흐름 제어는 덜 중요하다.
특별히 바람직한 실시예의 가스 흐름 동력학의 수치적 모델링은 바람직한 공정 가스 입구 포트 구성을 결정하여 실질적으로 균일한 흐름이 얻어진다. 전체 공정 가스 흐름 속도를 위한 가이드 라인은 의도한 지속적인 고 처리량 작동을 위해 필요한 선택된 GaN 증착 조건과 속도에 따라 결정된다. 다음으로, 이 전체적인 흐름 가이드 라인 내에서, 인서트(327)와 슬릿(329)은 반응 챔버로 들어가는 모델링 된 GaCl3 흐름이 반응 챔버 전역에 걸쳐 실질적으로 균일하도록 설계된다. 또한, GaCl3 흐름의 의도된 모델링은 NH3 증기가 입술(511) 주위에서 나와 반응 챔버로 들어간 후, 이 흐름 또한 반응 챔버 전역에 걸쳐 실질적으로 균일하게 된다는 것을 표시한다. 게다가, 밸브(509)는 운전 중에 발생하는 비균일성을 개량하도록 제어될 수 있다.
게다가, 수치해석 모델링에 의하면, 제2 캐리어 가스 입구가 제1 공정 갓 흐름의 균일성을 향상시키기 위해 추가될 수 있다. 예를 들면, 특히 바람직한 실시예에 있어서, 게이트 밸브(413)를 통해 퍼지 가스(purge gas)를 공급하는 것은 게이트 밸브(413) 면과 입술(511) 사이(즉 면판(415)에 의해 둘러싸인 영역)에 고 농도의 GaCl3 증기가 축적되는 것을 방지함으로써 향상시킨다. 또한, 반응 챔버의 가장자리에서 더 많은 캐리어 가스 흐름을 제공하고, 중심에서는 적은 퍼지 가스 흐름을 제공하도록 입구를 배열하는 것이 서셉터에서 흐름의 조성과 속도의 균일성을 향상시키며, 서셉터의 표면 위에서 반응 가스가 더 잘 유지되도록 한다.
예(Example)
이하에서 본 발명에 따라 3-5족 재료의 HVM을 실행하였을 때 얻을 수 있는 이점과 예상하지 못한 이익들을 보여주기 위해 본 발명을 표준 또는 종래 기술에 의한 HVPE 시스템과 비교한다. 이런 비교를 시작하기 전에 소개의 방법으로서, 종래 기술에 의한 HVPE 시스템이 관련된 부분에서 먼저 간략하게 기술된다.
종래 기술에 의한 HVPE 시스템은 보통 석영으로 제조된 뜨거운 벽 튜브로(hot-wall tube furnace)로 구성된다. 3족 선구체는 액체 형태의 3족 금속을 수용하는 보트 위로 HCl을 흐르게 함으로써 반응기 내에서 형성된다. 5족 선구체는 외부 저장소, 예를 들면 고압 실린더로부터 공급된다. 종래 기술에 의한 HVPE는 비화물(arsenide), 인화물(phosphide), 및 질화 반도체를 성장시기키 위해 사용된다. GaN의 성장을 위해, 3족 소스는 전형적으로 석영 보트에 있는 용해된 Ga이고(HCl과 반응하여 GaCl을 형성), 5족 소스는 보통 암모니아 가스이다.
더욱 상세하게, 석영 튜브는 수직 또는 수평 방향으로 향하도록 할 수 있다. 주변의 노는 보통 적어도 2개의 온도 영역을 갖는 저항 타입이다. 한 영역은 3족 금속을 용융점 이상의 온도로 유지하기 위한 것이고, 다른 영역은 기판/웨이퍼를 에피택셜 성장을 위해 충분히 높은 온도로 유지하는 것이다. 액체 3족 금속을 위한 보트, 기판/웨이퍼 홀더, 및 가스 입구를 포함하는 3족 금속 소스 장치는 석영 노 튜브의 일단에 설치되고, 다른 단은 반응 부산물을 배출하기 위해 사용된다. 이 장비 모두(적어도 노 튜브로 들어오는 것)는 석영으로 만들어야 하며, 스테인레스 스틸은 사용될 수 없다. 대부분의 반응기는 대기압력에서 한 번에 단지 한 개의 웨이퍼만을 처리한다. 복수 개의 웨이퍼는 반응기 내에 배열되어 있고, 균일한 증착을 얻을 수 있도록 모든 웨이퍼의 표면은 직접 가스 흐름 속에 있어야 한다.
웨이퍼는, 먼저 웨이퍼를 기판 지지대에 올려놓고 이어서 기판 지지대를 석영 노 튜브 속의 고온 지역에 위치시킴으로써 로딩된다. 지지대를 노에서 제거하고 이어서 웨이퍼를 지지대에서 들어올림으로써 웨이퍼를 언로딩한다. 기판 지지대를 위치시키기 위한 기구, 예를 들면 푸시/풀 로드(push/pull rod)는 완전 성장 온도에 노출되기 때문에 석영으로 만들어야 한다. 지지된 웨이퍼, 기판 지지대, 및 위치결정 기구는 열적 손상, 예를 들면 웨이퍼 및/또는 기판지지대가 균열되는 것을 방지하기 위해 대단히 조심스럽게 뜨거운 반응기 튜브 속에 위치되어야 한다. 또한, 반응기 튜브 자체는 웨이퍼 로딩 및 언로딩 중에 공기에 노출될 수 있다.
이와 같은 종래 기술에 의한 HVPE 반응기는 많은 이유 때문에 본 발명의 HVM 방법과 시스템으로 할 수 있는 지속적인 대량생산. 한 가지 이유는 본 발명이 반응기는 상당히 적은 열 질량을 갖을 수 있기 때문에 종래 기술에 의한 HVPE 반응기보다 무익한 가열 및 냉각시간을 덜 요구한다. 본 발명의 반응기에서는 단지 서셉터(기판/웨이퍼 지지대)만이 가열될 필요가 있고, 이것은 빠르게 작동하는 적외선 램프(IR lamp)에 의해 가열된다. 그래서, 가열과 냉각이 빠를 수 있다. 그러나, 종래 기술에 의한 HVPE 반응기에서는 저항노는 수 시간에서 수십 시간에 이르는 장기간의 가열시간 및 (특히) 냉각시간을 요구할 수 있다 이와 같은 가열 및 냉각 시간동안, 이 시스템은 놀고 있다. 그래서 웨이퍼 생산, 반응기 청소, 시스템 메인티넌스 등이 지연되어야 한다. 더욱이 추가적인 가열 및 냉각 지연을 피하기 위해 열손상의 위험에도 불구하고, 반응기가 작동 온도 근처에 있을 때, 웨이퍼를 반응기 속에 넣거나 반응기로부터 빼낸다. 이러한 이유들 때문에, 본 발명의 시스템과 방법은 종래 기술에 의한 HVPE 시스템 보다 높은 처리량을 달성할 수 있다.
종래 기술에 의한 HVPE 시스템의 처리량을 제한하는 다른 이유는 종래 시스템은 본 발명의 반응기보다 상당히 많은 반응기 청소를 요구하는 것이다. 종래 기 술에 의한 HVPE 반응기의 내부 구성부품 모두는 외부 저항노(resistive furnace)에 의해 가열되기 때문에, 3-5족 재료가 원하는 기판 위에서만이 아니라 반응기 내부의 전 지역에서 성장할 수 있다. 이러한 원하지 않는 증착물은 자주 반응기에서 제거되어야만 한다. 그러지 않으면, 이들은 웨이퍼를 오염시키는 먼지와 파편(flake)을 형성할 수 있다. 청소는 반응기가 생산할 수 없는 시간을 필요로 한다.
또한, 3족 선구체는 사용하는데 비효율적이다. 대부분은 반응기 내부에 증착되고, 적은 부분이 원하는 것처럼 기판 웨이퍼 위에 증착되며, 재활용되어야 하는 반응기 배출물에는 거의 또는 전혀 나타나지 않는다. 5족 선구체 또한, 비효율적으로 사용된다. 초과분은 사용되지 않은 HCl과 반응하여 염화물(예를 둘면, NH4Cl)을 형성할 수 있으며, 염화물은 반응 영역의 하류의 차가운 지역에 증착될 수 있다. 이러한 염화성 증착물도 반응기로부터 제거되어야 한다.
대조적으로, 본 발명의 반응기는 온도 제어되는 벽을 갖고 있어서, 원하지 않는 3-5족 재료의 성장이 거의 또는 전혀 발생하지 않는다. 본 발명의 반응기는 비생산적인 청소와 메인티넌스의 기간이 짧거나 또는 이를 자주 요구하지 않거나 또는 그 둘 다이기 때문에 더욱 생산적이다. 이러한 이유들 때문에, 본 발명에 의한 시스템과 방법은 종래 기술에 의한 HVPE 시스템이 할 수 있는 처리량보다 많은 처리량을 달성할 수 있다.
종래 기술에 의한 HVPE 시스템의 처리량을 제한하는 다른 이유는 종래 기술의 내부 Ga 소스(액체 Ga 또는 다른 3족 금속)가 본 발명에 의한 외부 Ga 소스(Ga 선구체 GaCl3로 충전됨)보다 상당히 자주 충전을 요구하는 것이다. 본 발명의 외부 소스는 약 200 gm/hr 또는 그 이상까지 최대의 지속적인 속도로 속도와 조성이 제어될 수 있는 Ga 선구체의 흐름을 제공한다. 외부 소스의 용량은 반응기 크기에 의해 제한되지 않으므로, 수일 또는 수주의 계속적인 생산을 충분히 할 수 있다. 예를 들면, 한 개의 외부 소스는 수십 킬로그램의 Ga, 예를 들면, 약 60kg의 Ga을 저장할 수 있고, 본질적으로 끝없이 지속되는 생산을 위해 복수 개의 소스가 직렬로 작동할 수 있다.
종래 기술에 의한 HVPE 시스템에서, Ga 소스는 엄격히 제한된 용량을 갖고 있다. 소스는 반응기 내부에 들어갈 수 있어야 하고, 반응기 자체보다 클 수가 없기 때문에, 종래 기술의 소스의 상측 한계는 5kg의 Ga보다 적다고 믿어진다. 예를 들면, Ga 3kg을 위해서는, 4cm 깊이로 액체 Ga으로 채워지는 약 7x7x20 cm의 보트가 필요하다. 이와 같이 큰 Ga 보트가 개시된 것은 지금까지 종래 기술에서 발견하지 못하였다. 게다가 소스의 속도와 조성이 잘 제어될 수 없었다. 왜냐하면 Ga 선구체(GaCl)은 반응기 내부에서 Ga 소스 보트에 있는 액체 Ga 위로 HCl을 통과시킴으로써 그 안에서 형성되기 때문이다. 이 반응의 효율은 반응기 형상과 정확한 공정 조건들, 예를 들면 소스 영역에서의 온도에 의존하며, 60%에서 90% 이상까지의 여러 효율 값이 보고되고 있다. 더욱이 Ga 양이 감소하고, Ga 소스가 오래되면 증착 지역으로 가는 GaCl 플럭스가 일정한 공정 조건에 의해서도 변할 수 있다. 이러한 이유들 때문에, 본 발명의 시스템과 방법은 종래 기술에 의한 HVPE 시스템이 할 수 있는 처리량보다 많은 처리량을 달성할 수 있다.
종래 기술에 의한 HVPE 시스템의 처리량을 제한하는 다른 이유는 지금까지 그 구조가 표준화되지 않았으며, 사실 특정한 사용자를 위해 개별적으로 설계되고 제작되었기 때문이다. 표준화가 되어 있지 않았기 때문에 메인티넌스가 늦어지고 복잡해 질 수 있다. 종래 시스템은 작업하기 어려운 복잡하고 깨지기 쉬운 석영 부품들을 포함하고 있기 때문에, 이러한 반응기를 분해하고 재조립하는 것은 시간이 소모된다. 특히, 3족 소스 영역은 HCl용 별도의 석영 입구, HCl 입구 근처에 위치한 석영 보트, 5족 선구체용 별도의 석영 입구(3족 선구체와 분리되어 유지되어야만 한다), 및 캐리어 가스용 추가 가능한 석영 입구를 포함하기 때문에 복잡하다. 대조적으로, 본 발명에 의한 시스템과 방법은, 효율적인 작동과 메인티넌스를 위해 최적화되었으며, 상업적으로 이용 가능한 구성부품을 포함하는, Si 처리용으로 알려진 시험되고 표준화된 설계를 큰 범위로 개조한 것이다. 예를 들면, 특히 바람직한 실시예는 부분적으로 금속으로 제조된 게이트 밸브와 3족 선구체 플레넘과 입구 포트를 갖는 3족 소스 지역을 을 포함한다. 게이트 밸브는 개폐를 위한 짧은 시간만을 필요로 하며, 3족 선구체 플레넘과 입구 포트는 거의 부서지기 쉽지 않다. 이러한 이유들 때문에, 본 발명의 시스템과 방법은 종래 기술에 의한 HVPE 시스템이 할 수 있는 처리량보다 많은 처리량을 달성할 수 있다.
본 발명의 시스템을 종래 기술에 의한 HVPE 시스템과 구별되게 하는 질적인 설계의 선택은 에피택셜 성장, 반응기 이용률, 웨이퍼 생산 속도, 및 선구체 이용 효율에 있어 놀랄만한 양적 이익으로 연결된다. 이러한 놀랄만한 양적인 이익은, 본 발명의 대응되는 시스템으로 한 개의 지름 100mm 기판을 핸들링하도록 설계되 고, 지름 약 20cm, 길이 약 200cm 인 반응기 튜브를 포함하는 종래 기술에 의한 HVPE 시스템과 비교한, 표 1, 표 2, 및 표 3의 데이터를 사용하여 아래에서 검토한다.
먼저 달성할 수 있는 에피텍셜 성장 효율을 고려하면, 표 1의 데이터는 본 발명에 의한 HVM 시스템이 종래 기술에 의한 HVPE 시스템보다 훨씬 효율이 좋은 것을 보여준다.
표 1-에피택셜 성장 효율
에피택셜 성장 효율 종래기술 HVPE HVM
반응기 정보
웨이퍼 지름 cm 15 15
반응기 길이 cm 200
반응지 지름 cm 20
뜨거운 영역 길이 cm 40
#동시에 처리되는 웨이퍼 1 1
반응기 생산 시간
- 웨이퍼 로딩/언로딩 시간
풀/푸시 속도 cm/min 2
총 풀 앤 푸시 길이 cm 160 0
총 풀 앤 푸시 시간 min 80 2
웨이퍼 로딩/언로딩 시간 min 9.5 2
총 로딩/언로딩 시간 min 89.5 3
작업 오버헤드(operation overhead) % 10% 10%
연속 작업에서 총 로딩/언로딩 시간 min 52.0 2.2
- 에피택셜 성장 시간
템플레이트 성장 시간 min 0 0
성장 속도 um/hr(um/min) 200(3.3) 200(3.3)
층 두께 um 300 300
가열 및 냉각 시간 min 0 6
층 성장 시간 min 90 90
작업 오버헤드 % 10% 10%
총 성장시간 min 99 106
웨이퍼가 반응기에 있는 총 시간 min 151.0 107.8
반응기 이용(Reactor Utilization)
R.U. % 66% 98%
-성장시간/웨이퍼가 반응기에 있는 시간
에피택셜 성장 효율은 실제 에피택셜 성장 시간과 반응기 로딩/언로딩 시간의 합계에 대한 실제 에피택셜 성장 시간의 비로 나타낼 수 있다. 본 발명의 HVM 시스템과 방법은 종래 기술에 의한 HVPE 시스템이 할 수 있는 것보다 훨씬 빠르게 로딩/언로딩 할 수 있고, 따라서, 높은 에피택셜 성장 효율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 실제 작업에서, 본 발명의 외부 Ga 소스는 종래의 시스템보다 훨씬 긴 기간 동안 지속적인 작업을 수행할 수 있도록 할 수 있다.
종래 기술에 의한 HVPE에서, 작업 사이에 반응기가 증착 온도와 가까운 온도로 유지되기 때문에, 기판은 열 손상을 피할 수 있을 정도로 충분히 느린 속도로 반응기로부터 꺼내거나 반응기에 넣어야 한다. 반응기 입구에서 기판 홀더의 거리를 약 80cm이고, 열 손상을 피하기 위한 당김 속도는 2cm/min이라고 가정하면, 반응기로부터 기판을 꺼내고 반응기에 기판을 밀어넣기 위해서는 약 40분이 필요하다. 게다가 기판과 웨이퍼가 반응기에 위치하면, 열적 안정, 반응기 퍼지, 및 공정 가스 준비를 위해 10분 정도가 필요할 수 있다(하중 록이 있으면 퍼지와 가스 준비는 각각 5분이 필요하고, 하중 록이 없으면 준비는 더 길어질 수 있다). 그리하여, 총 로딩/언로딩 시간은 약 90분 또는 연속 생산에서 52분이다(때때로 2개의 연속 작업 사이에서 동등하게 공유될 수 있다).
대조적으로, 본 발명의 HVM 시스템에서, 웨이퍼는 열 손상의 위험이 없는 낮은 온도에서 빠르게 로딩/언로딩할 수 있으므로, 연장된 웨이퍼 위치 결정시간을 없앨 수 있다. 낮은 열 질량과 적외선 램프 가열 때문에, 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법에 사용되는 반응기는 고온의 증착 온도와 저온의 로딩/언로딩 온도 사이 에서 빠르게 순환할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법은 종래 기술에 의한 HVPE 반응기보다 훨씬 짧은 로딩/언로딩 시간을 달성할 수 있다.
종래 기술에 의한 HVPE 시스템에 사용되는 Ga 선구체 소스가 적절한 선구체 질량 흐름을 유지할 수 있다고 가정하면, 종래 시스템과 본 발명의 시스템의 실제 에피택셜 성장 시간은 대략 동일한 크기이다. 그러나, 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법에 사용되는 Ga 선구체 소스가 종래 기술에 의한 HVPE 시스템에 사용되는 Ga 선구체 소스에 대해 현저한 이점을 갖고 있으므로, 실제 작업시에 본 발명에 의한 시스템과 방법은 표 1에 기재된 효율보다 훨씬 큰 에피택셜 성장 효율을 얻을 것이 기대된다.
예를 들면, 종래의 Ga 소스는 초기 기간 동안은 적절한 질량 흐름이 가능할지라도, 연장된 기간 동안 적절한 질량 흐름을 유지할 수 없을 것 같다. 종래 기술에 의한 HVPE 시스템은 액체 형상의 금속 갈륨 위로 HCl 가스를 통과시킴으로써 반응기 속에서 Ga 선구체를 생성한다. 이러한 공정의 효율은 반응기 형상과 공정 조건에 크게 의존하기 때문에(예를 들면, Ga 온도에 따라 약 60%에서 90% 이상으로), Ga 선구체의 실제 질량 흐름은 변화할 것이다. 게다가 종래의 Ga 소스(특히 액체 Ga 보트)는 반응기 내에 있어야 하므로 그 용량은 반응기 형상에 의해 제한된다. 종래 기술에 의한 HVPE 시스템에서 이론적으로 가능하다고 믿을 수 있는 가장 큰 보트는 약 3 내지 5kg를 담을 수 있고, 약 7x7x20 cm의 크기이며, 4cm 깊이로 액체 Ga으로 채워질 수 있다.
대조적으로, 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법은 확장된 기간 동안 지속될 수 있으며, Ga 200gm/hr 또는 그 이상의 속도(300um/hr 이상의 성장 속도를 지지하기에 충분한)로 일정하고 변하지 않는 Ga 선구체의 흐름을 제공할 수 있는 외부 Ga 소스를 채용한다. 첫째로, 이 소스는 에피택셜 성장 동안에도 Ga 질량 플럭스가 측정되고 제어될 수 있는 방법으로 GaCl3 증기를 제공할 수 있다. 둘째로, 이 외부 Ga 소스는 Ga 선구체가 수십 킬로그램의 선구체를 저장하고 있는 저장통으로부터 공급되기 때문에 지속적이며 끊어지지 않는 작업을 할 수 있다. 추가적으로, 효과적인 무제한의 작업을 위해 복수 개의 저장통이 연속하여 동작될 수 있다.
요약하면, 상대 에피택셜 성장 효율은 웨이퍼가 반응기 속에 있는 시간 동안에 대한 실제 성장이 일어나는 시간의 부분으로 정의되는 반응기 이용(reactor utilization, R.U.)에 의해 요약될 수 있다. 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법은 약 95% 이상의 R.U.를 얻고, 반면에 종래 기술에 의한 HVPE 시스템은 약 65% 이하의 R.U.를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 실제 작업시에 본 발명에 의한 시스템과 방법은 훨씬 큰 상대 에피택셜 성장 효율을 얻을 것이 기대된다.
다음으로 얻을 수 있는 반응기 이용과 웨이퍼 생산 속도를 고려하면, 표 2의 데이터는 본 발명에 의한 HVM 시스템이 종래 기술에 의한 HVPE 시스템보다 더 효과적일 수 있다는 것을 보여준다.
표 2- 반응기 이용과 얻을 수 있는 웨이퍼 생산 속도
반응기 메인티넌스 시간과 종래기술 HVPE HVM
웨이퍼 생산 속도
- 인 시츄 반응기 청소 시간
# 인 시추 청소 사이의 작업 5 5
반응기 개폐 시간 min 26.6 2
총 에칭 두께 um 1500 300
에칭 속도 um/min 8 8
에칭 시간 min 187.5 18.8
굽는 시간 min 30 15
인 시츄 에치와 Ga 로딩 시간 min 45 0.0
작업 오버헤드 % 18% 15%
총 인 시츄 청소 시간 min 339.8 41.1
-액스 시츄 반응기 청소 시간
# 액스 시츄 청소 사이의 작업 15 15
언로딩 후 반응기 닫는 시간 min 13.3 1.0
반응기 냉각 시간 min 180 20
반응기 분리 시간 min 120 120
반응기 합체 시간 min 180 120
누설 체크 및 기타 시간 min 45 45
액스 시츄 에치와 Ga 로딩 시간 min 10 0
반응기 가열 시간 min 75 20
웨이퍼 테스트 시간 min 60 60
예방 메인티넌스 min 120 120
작업 오버헤드 % 25% 20%
총 액스 시츄 청소 시간 min 959.2 571.2
반응기 이용(R.U.)과
웨이퍼 생산 속도
R.U.-반응기속웨이퍼시간/총사용시간 % 59% 76%
R.U.-성장시간/총사용시간 % 39% 75%
# 작업(웨이퍼) 15 15
# 작업(웨이퍼)을 위한 총 사용시간 min 3734 1996
# 웨이퍼/시간 0.24 0.45
# 시간/웨이퍼 4.15 2.22
# 웨이퍼/24시간 5.6 10.8
반응기는 청소와 예방적인 메인티넌스를 위해 주기적으로 생산을 중단시켜야 한다. 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법은 빠르게 청소와 메인티넌스를 할 수 있기 때문에 종래 기술에 의한 HVPE 시스템보다 높은 반응기 이용과 웨이퍼 생산 속도를 얻들 수 있다.
작업 중에, 재료는 반응기 내에 원하지 않는 장소, 예를 들면 반응기 벽과 다른 반응기 내부 부품에서 성장하며, 이 재료의 초과 성장은 문제, 예를 들면 웨이퍼 오염을 일으킬 수 있다. 청소는 이러한 이런 원하지 않는 재료를 제거하기 위해 요구되며, 인-시츄, 즉 반응기를 분해하지 않은 상태, 또는 액스-시츄, 즉 반응기를 분해한 상태 중의 어느 한 상태에서 수행될 수 있다. 인-시츄 청소는 HCl로 원하지 않는 증착물을 에칭하여 자주 수행된다. 많은 인-시츄 에칭 또는 청소 후에 좀 더 철저한 액스-시츄 청소를 수행하는 것이 유리하다.
본 발명에 의한 HVM 시스템은 종래 기술에 의한 HVPE 시스템보다 훨씬 적은 인-시츄 청소를 요구한다. 본 발명의 반응기는 낮은 온도로 제어된 벽을 갖고 있으므로, 웨이퍼 생산 중에 매우 적은 재료만이 증착된다. 대조적으로, 종래 기술에 의한 HVPE 반응기는 고온의 증착 온도에서 작업하므로, 웨이퍼와 기판 위에 성장하는 것과 동일한 양의 재료가 반응기 벽과 내부 반응기 부품에서 성장한다. 표 2는 1.5mm 이하의 원하지 않는 GaN이 반응기 벽과 내부 반응기 부품에 증착되는 것을 허용하는 것을 가정한 시나리오를 나타낸다.
종래 기술에 의한 HVPE 시스템에서는, 1.5mm의 원하지 않는 GaN(한 번의 작업당 300um)가 반응기 내부에서 성장하는 동안인 매 5번의 작업마다 인-시츄 청소가 요구된다. 대조적으로, 만일 본 발명의 반응기에 대한 인-시츄 청소를 매 5번 작업마다 수행한다면, 단지 정상적인 양(예를 들면, 종래 기술에 의한 HVPE 시스템에서 성장할 양의 20% 이하)의 GaN 만이 반응기 내부에서 자랄 것이다. (사실, 본 발명에 의한 HVM 시스템의 인-시츄 청소는 합리적으로 매 15번의 작업 마다로 연기 될 수 있다.) 그러므로, 종래 기술에 의한 HVPE 반응기의 인-시츄 청소 시간은 본 발명에 의한 HVM 반응기의 인-시츄 청소 시간보다 적어도 5배(그리고 15배까지) 길다.
또한, 본 발명에 의한 HVM 시스템은 종래 기술에 의한 HVPE 시스템보다 상당히 적은 액스-시츄 청소를 요구한다. 먼저, 이 HVM 시스템은 액스-시츄 청소의 전과 후에 각각 수행되어야 하는 냉각/가열 시간이 현저하게 짧다. 또한, 분해/청소/재조립 시간은 Si 공정시스템용으로 알려진 짧은 시간과 유사하다. 왜냐하면 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법은 Si 공정용으로 이미 알려진 상업적으로 이용할 수 있는 설계와 부품들을 포함하고 있기 때문이다. Si 공정 시스템으로부터 받아들인 설계와 부품은 신속 작동 반응기 게이트, 카세트 투 카세트 로딩(cassette to cassette loading)을 구비한 완전 자동화된 웨이퍼 핸들링, 뜨거운 로딩/언로딩을 할 수 있는 능력, 별도의 냉각 스테이지, 인-시츄 성장 속도 모니터링, 및 반응기가 대기에 노출되는 것을 방지하는 하중 록(load locks)을 포함한다.
이미 설명한 바와 같이, 종래 기술에 의한 HVPE 시스템에 사용된 Ga 선구체 소스, 즉 Ga 보트는 일정한 선구체 흐름을 유지하기 위해서와 그 한정된 용량때문에 주기적으로 충전되어야만 한다. 청소 중에 수행될 수 있는 이러한 선구체 충전은 종래 시스템의 청소 시간을 더 늘리게 된다. 대조적으로, 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법의 외부 Ga 소스는 연장된 기간 동안 중단이 거의 없이 또는 전혀 없이 동작할 수 있다.
요약적으로, 반응기 메인티넌스 시간은 또 하나의 R.U.와 웨이퍼 생산 속도 로 요약될 수 있다. 이 제2 R.U.는 웨이퍼가 반응기 속에 있는 시간과 청소/메인티넌스 시간의 합계에 대한 웨이퍼가 반응기 속에 있는 시간의 비를 나타낸다. 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법은 약 75% 이상의 R.U.를 얻고, 반면에 종래 기술에 의한 HVPE 시스템은 약 60% 이하의 R.U.를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
상대적인 시스템 효율은 웨이퍼 생산 속도로 나타낼 수 있으며, 이는 생산된 웨이퍼 개수를 이 웨이퍼를 생산하기 위해 요구된 총 시간으로 나누면 유도될 수 있다. 웨이퍼 생산 작업, 인-시츄 청소, 및 액스-시츄 청소으로 된 완전한 사이클이 15번 작업(표 1 및 2의 가정에 따라)을 포함하기 때문에, 이 속도는 15개 웨이퍼를 생산하기 위한 총 시간(로딩/언로딩 시간, 인-시츄 청소 시간, 액스-시츄 청소 시간, 메인티넌스 시간, 및 소스 충전 시간을 포함한다)으로 15를 나누면 얻어진다. 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법이 15개의 웨이퍼(작업)를 생산하기 위해 요구하는 총 시간이 종래 기술에 의한 HVPE 시스템에 의해 요구되는 총시간보다 상당히 짧다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 본 발명에 의한 시스템과 방법은 종래 기술에 대해 약 2배의 처리량 향상을 얻을 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 실제 작업 중에 더 큰 처리량 향상이 기대된다.
마지막으로, 다른 것과 비교한 선구체 효율을 고려하면, 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법은 선구체 특히 Ga 선구체를 종래 기술에 의한 HVPE 시스펨보다 더 효율적으로 사용한다. 이것은 표 3에 데이터로 예시되어 있다.
표 3- 선구체 이용
선구체 이용 종래기술 HVPE HVM
- 암모니아 (양 공정)
암모니아 흐름 slpm 14 10
총 암모니아 흐름 시간 min 132.0 97.7
90분 작업 중 총 암모니아 mole 82,5 43.6
- HCl (종래 기술 HVPE)
작업 중 HCl 몰/분 mole/min 0.024
작업에 사용된 HCl 리터 liter 51.2
- 갈륨 (종래 기술 HVPE)
입력 5/3족 비 30
작업 중 암모니아의 몰/분 mole/min 0.6250
암모니아 흐름이 요구하는 Ga 몰/분 mole/min 0.0208
CaClx의 GaN으로 변환 % 95%
작업에 사용된 Ga의 실제 몰/분 mole/min 0.0219
추가된 Ga 몰 % 10%
작업 중 Ga 몰/분 mole/min 0.024
작업 중 Ga 중량/분 gm/min 1.76 gm Ga/min
100 gm Ga/hr
작업 당 Ga 중량 gm 151.4
- 갈륨 (HVM)
입력 5/3족 비 30
작업 중 암모니아의 몰/분 mole/min 0.4464
5/3 만족하는 Ga 몰/분 mole/min 0.0149
CaClx의 GaN으로 변환 % 95%
5/3 만족 위해 요구되는
GaCl3 이량체 몰/분 mole/min 0.0082
추가된 GaCl3 이량체 몰 % 10%
작업 중 GaCl3 이량체의 총 몰 mole 0.82
GaCl3 이량체의 원자량 gm/mole 352.2
작업 당 GaCl3 이량체의 총 중량 gm 287.4
Ga이 있는 GaCl3 이량체의 퍼센트 % 40%
작업 중 Ga 중량 gm 114
작업 중 Ga 중량/시간 gm 75gm Ga/hr
Ga 이용 % 21% 25%
갈륨 재활용 이용(est.) % 27% 80%
표 3에서 갈륨 이용은 15cm 웨이퍼용으로 적절한 종래 기술에 의한 HVPE 시스템은 약 14 slpm(standard liters per minute)의 암모니아를 사용할 것을 예상하여 결정되었다. 30의 5족/3족 비와 95%의 Ga 선구체의 GaN으로의 변환을 가정하면, 종래 기술의 시스템은 약 1.8 gm/min의 Ga 사용을 기대할 수 있다. 그러므로, 200um/hr로 300um의 GaN을 성장시키기에 충분한 90분 작업은 약 151gm의 Ga을 요구한다. 15cm 웨이퍼 위의 300um 층에 약 31gr의 Ga이 있으므로, 종래 기술에 의한 HVPE 반응기의 Ga 효율은 약 21%(= 31/151)이다. 나머지 120gr (=151-31)의 대부분은 반응기 내부에 증착되기 때문에, 재활용과 재사용할 수 있는 것이 거의 없다. 반응기로부터 배출되는 Ga의 재활용과 재사용을 고려하여도, 종래 기술에 의한 HVPE 반응기의 Ga 효율은 약 25% 이하이다.
대조적으로, 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법은 저속의 암모니아 흐름(예를 들면 10 slpm)을 사용할 것으로 예상할 수 있으므로, 15 cm 웨이퍼를 위해 저속의 Ga 흐름과 적은 량의 총 Ga가 요구된다(예를 들면, 114 gm). 그러므로, 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법은 재활용과 재사용을 고려하지 않으면 약 27%(= 31/114)의 Ga 효율을 얻을 수 있으며, 반응기에서 배출되는 Ga의 재활용과 재사용을 고려하면 아마 80% 이상의 Ga 효율을 얻을 수 있다. 추가적으로, 나머지 83gm (=114-31)의 조금이 반응기 내부에 증착되고 사용되지 않은 Ga의 대부분은 재활용 과 재사용이 가능한 반응기 배출가스에 포함된다. 배출된 Ga의 재활용과 재사용으로 본 발명에 의한 HVM 시스템과 방법의 Ga 효율은 80% 이상이 될 수 있다는 것이 기대된다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예들은 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다. 왜냐하면 이 실시예들은 본 발명의 몇 개의 바람직한 측면을 예시한 것이기 때문이다. 어떠한 균등한 실시예는 본 발명의 권리번위에 속한다. 정말로, 설명된 구성요소들의 또 다른 유용한 조합과 같은 여기에서 설명되고 보여준 것에 추가하는 본 발명의 여러가지 수정은 본 기재로부터 당업자에게 명백할 것이다. 그러한 수정은 아래의 청구범위의 범위에 속할 것이다. 아래와 본 출원의 전체에서, 표제와 범례는 단지 명확성과 편리성을 위해 사용된 것이다.
참조부호는 본 발명을 명확하게 하기 위하여 참조로서 인용되었다. 게다가, 상기에서 어떻게 특정되었는지에 관계없이, 인용된 참조부호는 여기에서 청구된 본 발명에 대한 종래 기술을 인정하는 것은 아니다.
Claims (23)
- 반도체 재료를 제조하기에 충분한 조건 하에 반응 챔버 내에서 하나의 반응물인 가스상의 3족 선구체를 다른 반응물인 가스상의 5족 성분과 반응시키는 단계;상기 반응물들을 인입시켜 그들이 반응 챔버 내의 소정 위치에서 한 개 이상의 기판 근처 또는 위에서 반응하여 그 위에 반도체 재료를 증착하도록 하는 단계; 및한 개 이상의 퍼지 가스 분류를 주입하여 상기 반응물 중의 적어도 한 개가 상기 소정 위치로 향하는 것을 돕는 단계;를 포함하며,상기 가스상의 3족 선구체는 적어도 48시간 내지 한달 동안 적어도 50g 내지 400g의 3족 성분/시간의 질량 흐름으로 연속적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 형성방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 퍼지 가스 분류를 게이트 밸브의 복수 개의 구멍을 통해 주입하는 단계를 더 포함하며,상기 게이트 밸브는 반응 챔버의 입구 포트를 실링하도록 닫힐 수 있으며, 상기 입구 포트를 통해 상기 반응 챔버 내부와 외부 사이에서 재료를 이송할 수 있도록 열릴 수 있는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 형성방법.
- 제 3 항에 있어서,닫혔을 때 상기 게이트 밸브와 반응 챔버 사이의 실이 작업 중에 열 손상을 받지 않도록 상기 실 근처의 상기 게이트 밸브의 부분의 온도를 충분히 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 형성방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 게이트 밸브와 전도성 있게 연결된 통로를 통해 열교환 유체를 통과시켜 상기 게이트 밸브의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 형성방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 반응 챔버 내에서 상기 가스들의 응축 및/또는 원하지 않는 반응을 피할 수 있도록 닫혔을 때 상기 반응 챔버에 노출된 상기 게이트 밸브의 부분을 충분하게 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 형성방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 게이트 밸브는 상기 게이트 밸브 내의 한 개 이상의 통로를 통해 가열된 유체를 통과시킴으로써 가열되는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 형성방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 게이트 밸브는 충분하게 가열되어서 상기 노출된 부분의 온도가 3족 선구체의 응축 온도와 3족-5족 반응 생성물의 승화 온도 중의 하나 또는 그 둘보다 높은 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 형성방법.
- CVD 반응 챔버의 재료 이송 포트의 가역적인 실링을 위해 사용되도록 구성된 게이트 밸브 조립체에 있어서,상기 이송 포트를 실링하도록 닫힐 수 있으며, 입구 포트를 통해 재료를 이송하도록 열릴 수 있는 게이트 밸브; 및반응 챔버 동작 중에 상기 게이트 밸브의 온도를 선택된 온도 범위로 유지하는 온도 제어부;를 포함하며,상기 게이트 밸브는,상기 게이트 밸브가 열렸을 때 상기 재료를 이송하기 위한 이송 개구; 및상기 반응 챔버 내로 퍼지 가스 분류를 주입하는 복수 개의 구멍;을 포함하며,상기 반응 챔버 내에서 하나의 반응물인 가스상의 3족 선구체는 다른 반응물인 가스상의 5족 성분과 반응하며, 상기 가스상의 3족 선구체는 적어도 48시간 내지 한달 동안 적어도 50g 내지 400g의 3족 성분/시간의 질량 흐름으로 연속적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 게이트 밸브 조립체.
- 제 9 항에 있어서,상기 온도 제어부는,상기 반응 챔버 내에서 상기 가스들의 응축 및/또는 원하지 않는 반응을 피할 수 있도록 닫혔을 때 상기 반응 챔버에 노출된 상기 게이트 밸브의 부분을 충분하게 가열하는 한 개 이상의 가열요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 밸브 조립체.
- 제 10 항에 있어서,상기 가열요소는 상기 게이트 밸브의 외부에 있는 한 개 이상의 복사 가열 요소와 가열된 유체를 위한 상기 게이트 밸브 내의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 밸브 조립체.
- 제 11 항에 있어서,닫힌 상기 게이트 밸브와 상기 반응 챔버 사이의 실을 더 포함하며,상기 온도 제어부는 작업 중에 상기 실이 열 손상을 받지 않도록 상기 실 근처의 상기 게이트 밸브의 부분을 충분히 냉각하기 위한 한 개 이상의 냉각 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 밸브 조립체.
- 제 12 항에 있어서,상기 냉각 요소는 상기 게이트 밸브에 전도성 있게 연결되며 냉각된 유체를 흐르게 하는 한 개 이상의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 게이트 밸브 조립체.
- 삭제
- 제 9 항에 있어서,상기 복수 개의 구멍은 중앙부에 있는 구멍들 사이의 간격이 다른 부분에 있는 구멍들 사이의 간격보다 큰 공간적 관계에 있는 것을 특징으로 하는 게이트 밸브 조립체.
- 제 9 항에 있어서,상기 복수 개의 구멍은 상기 구멍들 사이의 간격이 실질적으로 균일한 간격을 갖도록 배치된 것을 특징으로 하는 게이트 밸브 조립체.
- 한 개의 반응물로 사용되는 3족 선구체의 소스;다른 반응물로 사용되는 5족 성분의 소스;상기 3족 선구체와 5족 요소가 3족-5족 반도체 재료를 형성하기에 충분한 조건 하에서 서로 반응하도록 수용하는 반응 챔버; 상기 반응 챔버는,상기 반응물들을 상기 반응 챔버로 인입시켜 그들이 반응 챔버 내의 소정 위치에서 한 개 이상의 기판 근처 또는 위에서 만나서 반응하여 그 위에 반도체 재료를 증착하도록 하는 구멍들;한 개 이상의 가스 분류를 주입하는 구멍들; 및반도체 재료들이 상기 반응 챔버의 내부와 외부 사이에서 이송될 수 있도록 하는 로딩 포트;를 포함하며,상기 로딩 포트를 실링하는 게이트 밸브 조립체, 상기 게이트 밸브 조립체는, 게이트 밸브와 반응 챔버 사이의 실과 상기 반응 챔버 내에서 상기 가스들의 응축 및/또는 원하지 않는 반응과 상기 실의 열 손상을 피할 수 있도록 상기 게이트 밸브의 온도를 제어하는 온도 제어부;를 포함하며,상기 게이트 밸브는,상기 반도체 재료들을 상기 반응 챔버의 내부 및 외부로 이송하기 위해 상기 로딩 포트와 정렬될 수 있는 이송 개구; 및상기 반응 챔버 내로 퍼지 가스 분류를 주입하는 복수 개의 구멍;을 포함하며,상기 3족 선구체는 적어도 48시간 내지 한달 동안 적어도 50g 내지 400g의 3족 성분/시간의 질량 흐름으로 연속적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 제조용 시스템.
- 제 17 항에 있어서,상기 퍼지 가스 분류는 적어도 부분적으로 한 개의 반응물이 상기 소정 위치로 향하도록 하는 방법으로 주입되는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 제조용 시스템.
- 제 17 항에 있어서,상기 온도 제어부는,상기 반응 챔버 내에서 상기 가스들의 응축 및/또는 원하지 않는 반응을 피할 수 있도록 닫혔을 때 상기 반응 챔버 내부로 노출된 상기 게이트 밸브의 부분을 충분하게 가열하는 한 개 이상의 가열요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 제조용 시스템.
- 제 17 항에 있어서,닫힌 상기 게이트 밸브와 상기 반응 챔버 사이의 실을 더 포함하며,상기 온도 제어부는 작업 중에 상기 실이 열 손상을 받지 않도록 상기 실 근처의 상기 게이트 밸브의 부분을 충분히 냉각하기 위한 한 개 이상의 냉각 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 제조용 시스템.
- 제 17 항에 있어서,상기 온도 제어부는,상기 게이트 밸브의 온도를 센싱하고 상기 온도 제어부에 피드백을 제공하기 위한 한 개 이상의 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 제조용 시스템.
- 제 17 항에 있어서,상기 반응물은 수평 층류처럼 상기 반응 챔버로 인입되는 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 제조용 시스템.
- 제 17 항에 있어서,상기 반응 챔버는 바닥, 천장, 한 쌍의 측벽, 개방 입구, 개방 출구, 및 한 개의 반응물 인입 구멍을 포함하며,반응물을 상기 반응 챔버로 인입하도록 상기 바닥에 형성된 수평 슬롯을 포함하며, 상기 슬롯은 상기 반응물이 인임되어 다른 반응물과 반응하도록 상기 소정의 위치로 상기 반응물이 향하도록 하는 형상과 치수로 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 3-5족 반도체 재료 제조용 시스템.
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