KR101431782B1 - 금속 유기물 화학 기상 증착장치 및 이를 위한 온도제어방법 - Google Patents

금속 유기물 화학 기상 증착장치 및 이를 위한 온도제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 금속 유기물 화학 기상 증착장치 및 이를 위한 온도제어방법은 챔버; 상기 챔버 내부에 회전 가능하게 설치되며 적어도 하나 이상의 기판이 안착되는 서셉터; 상기 서셉터를 가열하며 독립적으로 온도가 제어되는 복수개의 히터; 상기 서셉터 상부에 위치하여 상기 서셉터 측으로 3족과 5족 가스를 분사하는 가스 분사부; 상기 서셉터 상부에 위치하며 상기 각각의 히터에 의하여 가열되는 가열영역의 온도를 측정하는 복수개의 온도 감지센서; 상기 가열영역에 요구되는 온도 셋팅값을 보유하고, 상기 각각의 온도 감지센서에서 감지한 상기 감지 온도값과 상기 가열영역에 요구되는 셋팅값을 비교하여 상기 가열영역의 온도를 제어하는 제어부를 구비하는 것으로, 본 발명에 따른 금속 유기물 화학 기상 증착장치 및 이를 위한 온도제어방법은 상온 ∼ 섭씨 1200도까지 온도가 변화하면서 공정을 수행하는 금속 유기물 화학 기상 증착장치에서 에피텍셜 공정마다 필요한 온도 조건을 효과적으로 조절하도록 하여 공정 수행중 필요한 온도 램핑이 전체 기판들에 고르게 이루어지도록 하여 증착 균일성의 향상과 공정 효율을 향상시키도록 하는 효과가 있다.

Description

금속 유기물 화학 기상 증착장치 및 이를 위한 온도제어방법{METAL ORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION DEVICE AND TEMPERATURE CONTROL METHOD THEREFOR}
본 발명은 금속 유기물 화학기상 증착장치 및 이를 위한 온도 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 영역으로 분할된 가열영역의 온도를 제어할 수 있도록 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치 및 이를 위한 온도 제어방법에 관한 것이다.
질화물 재료는 발광소자를 제조하기 위한 재료로 가장 잘 알려진 것이다. 질화물 재료를 이용한 발광소자의 적층 구조는 일반적으로 사파이어와 같은 기판 상에 GaN 결정으로 이루어지는 버퍼층과, n형 GaN 결정으로 이루어지는 n형 도핑층과, InGaN 으로 이루어지는 활성층과, p형 GaN으로 형성되는 p형 도핑층이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 그리고 각각의 층은 하나의 금속 유기물 화학기상 증착장치 챔버에서 차례로 적층된다.
그런데 각 층을 성장시키기 위한 온도조건에는 차이가 있고, 이 온도조건을 만족시키기 위하여 각 층을 성장시킬 때마다 온도조건이 효과적으로 조절되어야 한다. 더욱이 다수의 웨이퍼가 서셉터 상에 안착되어 공정이 수행되는 경우에는 서셉터의 전체 영역에서의 온도 균일도가 공정 효율에 상당한 영향을 미친다. 예를 들어n형 도핑층을 형성시키기 위한 온도가 1200℃ 라면 활성층을 형성시키기 위한 온도는 700℃ ∼ 900℃ 이다. 또한 다중 활성층의 경우 700℃ 와 900℃에서 반복적으로 공정 온도가 변하기도 한다.
금속 유기물 화학기상 증착장치에서 온도 제어는 공정의 효과적인 수행과 고품질의 발광소자를 얻기 위하여 가장 중요한 기술이며, 이 온도제어가 효과적으로 이루어짐에 따라 고효율의 발광소자를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명은 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어를 보다 효과적으로 수행하도록 하기 위한 것이다.
본 발명은 금속 유기물 화학기상 증착장치에서 서셉터의 온도가 에피텍셜 공정마다 효과적으로 제어될 수 있도록 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치 및 이를 위한 온도제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 금속 유기물 화학 기상 증착장치 및 이를 위한 온도제어방법은 상온 ∼ 섭씨 1200도까지 온도가 변화하면서 공정을 수행하는 금속 유기물 화학기상 증착장치에서 에피텍셜 공정마다 필요한 온도 조건을 효과적으로 조절하도록 하여 공정 수행중 필요한 온도 램핑이 전체 기판들에 고르게 이루어지도록 하여 증착 균일성의 향상과 공정 효율을 향상시키도록 하는 효과가 있다.
도 1은 금속 유기물 화학기상 증착장치에 대한 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성에 대한 첫 번째 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성을 이용한 첫 번째 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 도 2의 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성을 이용한 두 번째 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 각각의 온도 컨트롤 영역에서 온도 램핑 경향성을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 6은 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성에 대한 두 번째 실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성을 이용한 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
발명의 실시를 위한 최선의 형태
본 발명에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 회전 가능하게 설치되며 적어도 하나 이상의 기판이 안착되는 서셉터; 상기 서셉터를 가열하며 독립적으로 온도가 제어되는 복수개의 히터; 상기 서셉터 상부에 위치하여 상기 서셉터 측으로 3족과 5족 가스를 분사하는 가스 분사부; 상기 서셉터의 일측에 위치하며 상기 각각의 히터에 의하여 가열되는 가열영역의 온도를 측정하는 복수개의 온도 감지센서; 상기 가열영역에 요구되는 온도 셋팅값을 보유하고, 상기 각각의 온도 감지센서에서 감지한 상기 감지 온도값과 상기 가열영역에 요구되는 셋팅값을 비교하여 상기 가열영역의 온도를 제어하는 제어부를 구비한다.
상기 각각의 가열영역은 개별 제어되는 개별 히터를 포함하고, 상기 온도 제어부는 상기 각각의 히터를 제어하는 개별 제어부를 포함하고, 상기 각각의 히터에는 상기 각각의 히터에 독립적으로 전원을 공급하는 개별 전원 공급부가 연결될 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 각각의 가열영역을 제어하는 개별 제어부를 포함하고, 상기 각각의 가열영역중 어느 하나의 상기 가열영역에 대한 온도 셋팅값을 대표 온도 셋팅값으로 보유하고, 상기 대표 온도 셋팅값을 이용하여 상기 각각의 가열영역의 온도를 제어할 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 대표 온도 셋팅값으로 상기 가열영역중에서 선택된 대표 가열영역의 온도를 제어하고, 상기 온도 감지센서중 상기 대표 가열영역의 온도를 감지하는 온도 감지센서에서 감지한 상기 감지 온도값을 이용하여 상기 대표 가열영역을 제외한 나머지 상기 가열영역의 온도를 제어할 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 대표 가열영역에서 감지되는 온도 램핑 경향성(temperature ramping tendency)을 측정하고, 상기 온도 램핑 경향성을 상기 대표 가열영역을 제외한 나머지 상기 가열영역이 상기 대표 가열영역의 온도 램핑 경향성을 따르도록 제어할 수 있다.
상기 온도 램핑 경향성은 상기 대표 가열영역의 온도 램핑 속도일 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 각각의 가열영역에 요구되는 개별 온도 셋팅값을 보유하고, 상기 개별 온도 셋팅값을 이용하여 상기 각각의 가열영역의 온도를 제어할 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 각각의 가열영역에서 감지되는 온도 램핑 경향성(temperature ramping tendency)을 측정하고, 상기 각각의 가열영역이 상기 온도 램핑 경향성을 맞추도록 제어할 수 있다.
상기 온도 램핑 경향성은 상기 각각의 가열영역의 온도 램핑 속도일 수 있다.
상기 온도 램핑 경향성은 상기 각각의 가열영역의 상기 온도 셋팅값에 대한 온도편차일 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 서셉터가 소정 횟수 회전하는 동안에 감지된 온도의 평균값을 구하고, 상기 평균값과 상기 온도 셋팅값을 비교하여 상기 각각의 가열영역의 온도를 제어할 수 있다.
상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 서셉터에 대한 온도일 수 있다.
상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 기판에 대한 온도일 수 있다.
상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 서셉터와 상기 기판에 대한 온도일 수 있다.
본 발명에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치를 위한 온도 제어방법은 금속 유기물 화학기상 증장장치에서 복수개의 가열영역의 온도를 제어하기 위한 방법에 있어서, 상기 각각의 가열영역의 온도를 온도 감지센서로 감지하고, 상기 가열영역에 요구되는 온도 셋팅값을 보유한 온도제어부에서 상기 온도 감지센서에서 감지한 온도값과 상기 온도 셋팅값을 비교하여 상기 가열영역을 상기 온도 셋팅값으로 제어한다.
상기 각각의 가열영역은 개별 제어되는 개별 히터를 포함하고, 상기 온도 제어부는 상기 각각의 히터를 제어하는 개별 제어부를 포함하고, 상기 각각의 히터에는 상기 각각의 히터에 독립적으로 전원을 공급하는 개별 전원 공급부가 연결될 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 각각의 가열영역을 제어하는 개별 제어부를 포함하고, 상기 각각의 가열영역중 어느 하나의 상기 가열영역에 대한 온도 셋팅값을 대표 온도 셋팅값으로 보유하고, 상기 대표 온도 셋팅값을 이용하여 상기 각각의 가열영역의 온도를 제어할 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 대표 온도 셋팅값으로 상기 가열영역중에서 선택된 대표 가열영역의 온도를 제어하고, 상기 온도 감지센서중 상기 대표 가열영역의 온도를 감지하는 온도 감지센서에서 감지한 상기 감지 온도값을 이용하여 상기 대표 가열영역을 제외한 나머지 상기 가열영역의 온도를 제어할 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 대표 가열영역에서 감지되는 온도 램핑 경향성을 측정하고, 상기 온도 램핑 경향성을 상기 대표 가열영역을 제외한 나머지 상기 가열영역이 상기 대표 가열영역의 온도 램핑 경향성을 따르도록 제어할 수 있다.
상기 온도 램핑 경향성은 상기 대표 가열영역의 단위시간당 온도 램핑 속도일 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 각각의 가열영역에 요구되는 개별 온도 셋팅값을 보유하고, 상기 개별 온도 셋팅값을 이용하여 상기 각각의 가열영역의 온도를 제어할 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 각각의 가열영역에서 감지되는 온도 램핑 경향성을 측정하고, 상기 각각의 가열영역이 상기 온도 램핑 경향성을 맞추도록 제어할 수 있다.
상기 온도 램핑 경향성은 상기 각각의 가열영역의 온도 램핑 속도일 수 있다.
상기 온도 램핑 경향성은 상기 각각의 가열영역의 상기 온도 셋팅값에 대한 온도편차일 수 있다.
상기 온도 제어부는 상기 서셉터가 소정 횟수 회전하는 동안에 감지된 온도의 평균값을 구하고, 상기 평균값과 상기 온도 셋팅값을 비교하여 상기 각각의 가열영역의 온도를 제어할 수 있다.
상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 서셉터에 대한 온도일 수 있다.
상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 기판에 대한 온도일 수 있다.
상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 서셉터와 상기 기판에 대한 온도일 수 있다.
발명의 실시를 위한 형태
이하에서는 본 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치와 이를 위한 온도제어방법 대하여 설명한다.
도 1은 금속 유기물 화학기상 증착장치에 대한 제 1실시예를 도시한 도면이
도 1에 도시된 바와 같이 금속 유기물 화학기상 증착장치는 반응챔버(100)와 반응챔버(100) 내부에 상부에서 공정가스를 하측으로 분사하는 가스 분사부(101)를 구비한다. 가스 분사부(101)는 3족과 5족 가스를 분사하는 샤워헤드 또는 노즐 등으로 실시할 수 있다. 그리고 가스 분사부에는 후술하는 온도 감지센서들이 온도를 감지할 수 있도록 하부로 개구된 다수개의 뷰포인트(101a)(view point)가 형성된다.
그리고 가스 분사부(101) 하부에는 적어도 한 장 이상의 사파이어 기판(103)과 같은 기판(103)이 안착되는 서셉터(102)가 설치된다. 도 1에서 기판(103)은 적어도 하나 이상의 기판(103)이 안착되어 상기 서셉터(102) 상에서 이탈하여 외부로 반출될 수 있는 위성 서셉터(satellite susceptor)일 수 있다.
이 위성 서셉터는 서셉터(102)의 회전에 의하여 서셉터(102)의 회전축(104)에 대하여 공전하고, 또한 자체 회전으로 자전할 수 있는 공전과 자전이 가능하게 구성될 수 있다. 이를 위하여 서셉터(102)의 하부에는 모터(105)가 설치되고, 모터(105)의 회전축(104)에 서셉터(102)의 중심이 결합된다. 그리고 위성 서셉터의 자전을 위하여 도면에 도시되지 않았지만, 공기압 또는 기계적 동작으로 위성 서셉터가 자전할 수 있도록 구성될 수 있다.
그리고 서셉터(102)의 하부에는 서셉터(102)를 고온 가열하기 위한 복수개의 히터(200)(201)(202)(203)가 설치된다. 히터는 텅스텐 히터, 세라믹 히터 또는 RF 히터 등이 이용될 수 있다. 히터는 제 1히터(200), 제 2히터(201), 제 3히터(202) 그리고 제 4히터(203)를 포함한다. 제 1히터(200)는 서셉터(102)에서 가장 안쪽인 중심부분 인근을 가열한다.
본 실시예에서 제 1히터(200)가 가열하는 영역을 제 1가열영역이라고 한다. 그리고 계속해서 제 2히터(201), 제 3히터(202), 제 4히터(203)는 제 1히터(200) 외측으로 차례로 위치하고, 이들 히터에 해당하는 영역이 차례로 제 2가열영역, 제 3가열영역 그리고 제 4가열영역으로 구분된다. 그리고 제 1히터(200)에 의하여 가열되는 제 1가열영역의 온도를 감지하는 제 1온도 감지센서(240)와 제 2가열영역의 온도를 감지하는 제 2온도 감지센서(241)와 제 3가열영역의 온도를 감지하는 제 3온도 감지센서(242)와 제 4가열영역의 온도를 감지하는 제 4온도 감지센서(243)를 구비한다. 이 각각의 감지센서(240)(241)(242)(243)가 감지하는 각각의 가열영역은 서셉터(102) 위치가 될 수 있고, 또는 기판(103) 즉 웨이퍼의 온도가 될 수 있으며, 또는 서셉터(102)가 회전하는 동안 얻어지는 기판(103)과 웨이퍼의 온도를 함께 감지하는 온도가 될 수 있다.
한편, 다른 실시예로 각각의 온도 감지센서는 서셉터(102)의 하부에 위치할 수 있고, 이때의 온도 감지센서는 서모커플(Thermo couple) 또는 파이로미터(pyrometer)로 실시할 수 있으며, 파이로미터를 이용하는 경우 RF 히터와 같은 히터의 하부측에 뷰포인트를 형성할 수 있다.
도 2는 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성에 대한 첫 번째 실시예를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성은 각각의 히터에 개별 파워소스와 개별 제어부가 연결된다. 먼저 제 1히터(200)에는 제 1히터(200)로 전력을 공급하기 위한 제 1파워소스(210)가 연결되고, 제 1파워소스(210)는 제 1파워소스(210)를 제어하는 제 1개별 제어부(220)가 구비된다. 또한 제 2히터(201)에는 제 2히터(201)로 전력을 공급하기 위한 제 2파워소스(211)가 연결되고, 제 2파워소스(211)는 제 2파워소스(211)를 제어하는 제 2개별 제어부(221)가 구비된다. 또한 제 3히터(202)에는 제 3히터(202)로 전력을 공급하기 위한 제 3파워소스(212)가 연결되고, 제 3파워소스(212)는 제 3파워소스(212)를 제어하는 제 3개별 제어부(222)가 구비된다. 또한 제 4히터(203)에는 제 4히터(203)로 전력을 공급하기 위한 제 4파워소스(213)가 연결되고, 제 4파워소스(213)는 제 4파워소스(213)를 제어하는 제 4개별 제어부(223)가 구비된다.
그리고 제 1, 2, 3, 4개별 제어부(220)(221)(222)(223)를 제어하기 위한 메인 제어부(230)가 함께 구비된다. 그리고 각각의 개별 제어부(220)(221)(222)(223)는 서셉터(102)가 1회전 이상 소정 횟수 회전하는 동안에 감지된 온도의 평균값을 구하고, 이 평균값을 감지 온도값으로 인식하도록 할 수 있다. 즉 각각의 가열영역에 대한 온도 제어를 온도 평균값과 온도 셋팅값을 비교함으로써 수행할 수 있다.
도 3은 도 2의 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성을 이용한 첫 번째 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 제 1, 2, 3, 4 개별 제어부(220)(221)(222)(223)에는 동일한 1단계 온도 셋팅값을 지정할 수 있다(S10). 이 온도 셋팅값은 각각의 영역에서 목표로 하는 램핑 온도일 수 있다. 램핑 온도가 동일한 온도 셋팅값(또는 셋팅 포인트)으로 셋팅하는 것은 서셉터(102) 전체의 온도를 동일하게 유지시킴으로써 금속 유기물의 증착이 모든 기판(103)에 균일하게 이루어질 수 있도록 하기 위한 것이다.
예를 들어 LED 발광소자를 제조하기 위한 에피텍셜 공정에서 기판(103) 상에 최초 수소 분위기에서 기판(103)을 열처리 세정하기 위한 온도인 섭씨 1,200도를 목표 온도로 할 때 이 목표 온도를 온도감지센서에서 감지하는 온도값이 온도 셋팅값이 될 수 있다.
그리고 각각의 개별 제어부(220)(221)(222)(223)에 1단계 온도 셋팅값이 동일하게 지정되면 제 1, 2, 3, 4 개별 제어부(220)(221)(222)(223)는 제 1, 2, 3, 4 파워소스(210)(211)(212)(213)에 동일한 온도 셋팅값을 인가한다. 이에 따라 제 1, 2, 3, 4히터(200)(201)(202)(203)는 히팅을 시작하여 동일한 온도 셋팅값으로 서셉터(102)를 가열한다(S11). 이때 서셉터(102)는 소정 회전속도로 회전한다.
한편, 서셉터(102)에 대한 온도는 제 1, 2, 3, 4온도 감지센서(240)(241)(242)(243)에서 각각의 해당 영역의 온도를 감지하여 각각의 개별 제어부(220)(221)(222)(223)에 감지된 온도값을 전달한다(S12). 그리고 감지된 온도가 1단계 온도 셋팅값에 도달하면 각각의 히터(200)(201)(202)(203)는 미리 설정된 1단계 온도 셋팅값의 오차 범위 이내에서 해당 온도를 유지한다. 오차 범위는 대략 셋팅 온도의 3％ 이내일 수 있다.
그리고 1단계 온도 셋팅값으로 온도를 램핑하는 동안 제 1온도감지센서(240)(241)(242)(243)는 제 1가열영역의 온도 램핑 경향성(온도의 상승 경향성 또는 온도의 하강 경향성)을 분석하여 판단한다(S13). 온도 램핑 경향성은 온도 램핑 시간 대비 온도값 즉 온도 상승속도 또는 온도 하강속도일 수 있다.
이 온도 램핑 경향성은 에피텍셜 공정에서 웨이퍼 대한 증착 균일도 및 증착 품질과 관련이 있다. 만약 영역들마다 온도 램핑 경향성이 다를 경우 증착 품질이 떨어져 고품질의 에피텍셜 공정 결과를 얻기가 어렵다. 따라서 각 영역마다의 온도 램핑 경향성을 동일하게 또는 최대한 유사하게 유지시키면 에피텍셜 품질의 향상을 기대할 수 있다. 온도 램핑 경향성에 대한 제어는 도 5의 설명에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
이와 같은 온도 램핑 경향성을 제 1, 2, 3, 4 가열영역이 동일하게 또는 매우 유사하게 맞추면서 온도 램핑을 진행하고(S14), 계속해서 제 1, 2, 3, 4 가열영역의 온도가 온도 셋팅값에 도달하면 원하는 에피텍셜 공정이 수행된다(S15).
그리고 해당 공정이 완료되었는가를 판단하고(S16), 만약 다음 공정이 계속적으로 필요하다고 메인 제어부(230)에서 판단하면 1단계 온도 셋팅값과 다른 값으로 온도 셋팅값을 입력한다(S17). 예를 들어 2단계 온도 셋팅값(1+n 단계, n은 자연수)으로 온도 셋팅값을 제 1, 2, 3, 4 개별 제어부(220)(221)(222)(223)에 메인 제어부(230)에서 제공하고, 이에 따라 제 1, 2, 3, 4 개별 제어부(220)(221)(222)(223)에서는 각각의 파워 소스(210)(211)(212)(213)를 거쳐서 각각의 히터(200)(201)(202)(203)에 다음 단계의 온도 셋팅값으로 온도 램핑이 이루어지도록 진행한다. 이때에도 마찬가지로 온도 램핑 경향성은 유지되도록 한다.
그리고 다수의 서로 다른 온도 셋팅값에 대한 온도의 설정은 하나의 반응챔버(100)에서 다수의 서로 다른 조건의 에피텍셜 공정을 수행하기 위한 경우에 적용될 수 있다. 그러나 하나의 반응챔버(100)에서는 하나의 단일 에피텍셜 공정을 수행할 수 도 있으므로 해당 반응챔버(100)의 공정 운용 조건에 따라 다양하게 변형 적용될 수 있다.
한편, 다른 실시예로 각각의 히터(200)(201)(202)(203)에 서로 다른 고유 온도 셋팅값이 입력되어 온도 램핑을 수행할 수 있다. 이러한 경우는 대면적의 서셉터(102)에 다량의 기판(103)이 안착되는 경우에 너무 넓은 영역이 동일한 온도 셋팅값으로 온도를 제어하기가 곤란한 경우에 수행되거나 또는 공정의 목표가 에피텍셜의 균일성을 위해서 영역마다 다른 온도 램핑값을 가지는 경우 오히려 공정 효율이 좋아지는 경우 그리고 또 다른 예로는 서셉터(102) 상의 위치마다 다른 공정이 요구되는 경우 등과 같이 보다 능동적인 온도 램핑 제어가 요구되는 경우에 수행될 수 있다.
이에 대한 실시예를 위한 방법이 도 4에 도시되어 있다. 도 4는 도 2의 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성을 이용한 두 번째 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 메인 제어부(230)는 제 1, 2, 3, 4개별 제어부(220)(221)(222)(223) 각각에 고유 온도 셋팅값을 지정한다(S20). 이 고유 온도 셋팅값은 각각의 영역에서 독립적으로 목표로 하는 램핑 온도일 수 있다.
그리고 각각의 개별 제어부(220)(221)(222)(223)에 고유 온도 셋팅값이 지정되면 제 1, 2, 3, 4개별 제어부(220)(221)(222)(223)는 제 1, 2, 3, 4 파워소스(210)(211)(212)(213) 각각에 고유한 온도 셋팅값을 인가한다. 이에 따라 제 1, 2, 3, 4 히터(200)(201)(202)(203)는 히팅을 시작하여 각각이 고유 온도 셋팅값으로 서셉터(102)를 가열한다(S21). 이때 서셉터(102)는 소정 회전속도로 회전한다.
그리고 제 1, 2, 3, 4온도 감지센서(240)(241)(242)(243)는 각각의 해당 영역의 온도를 감지하여 각각의 개별 제어부(220)(221)(222)(223)로 전달한다(S22). 그리고 감지된 온도가 고유 온도 셋팅값에 도달하면 각각의 히터(200)(201)(202)(203)는 미리 설정된 고유 온도 셋팅값의 오차 범위 이내에서 해당 온도를 유지한다. 오차 범위는 대략 셋팅 온도의 3％ 이내일 수 있다.
계속해서 고유 온도 셋팅값으로 온도를 램핑하는 동안 제 1온도 감지센서(240)는 제 1가열영역의 온도 램핑 경향성(온도의 상승 경향성 또는 온도의 하강 경향성)을 판단한다. 온도 램핑 경향성의 특성은 이미 언급한 첫 번째 방법의 실시예와 동일하다.
이와 같이 온도 램핑 경향성을 제 1, 2, 3, 4가열영역이 동일하게 또는 매우 유사하게 맞추어지는 상태에서 제 1, 2, 3, 4가열영역의 온도가 각각에 지정된 고유 온도 셋팅값에 도달하면 원하는 에피텍셜 공정이 수행된다(S24, S25).
그리고 해당 공정이 완료되었는가를 판단하고(S26), 만약 다음 공정이 계속적으로 필요하다고 메인 제어부(230)에서 판단하면 첫 번째 고유 온도 셋팅값과 다른 두 번째 새로운 고유 온도 셋팅값으로 온도 셋팅값을 입력한다(S27). 이에 따라 제 1, 2, 3, 4개별 제어부(220)(221)(222)(223)에서는 각각의 파워 소스를 거쳐서 각각의 히터(200)(201)(202)(203)에 다음 단계의 고유 온도 셋팅값으로 온도 램핑이 이루어지도록 진행하고, 이때에도 마찬가지로 온도 램핑 경향성은 유지되도록 한다.
한편, 도 5는 각각의 온도 컨트롤 영역에서 온도 램핑 경향성을 예시적으로 도시한 그래프이다. 도 5에에서 LED 발광소자의 에피텍셜 공정을 예로 하여 온도 램핑 경향성을 각각의 히터 또는 영역에서 유지하는 공정에 대하여 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이 에피텍셜 공정을 진행하기 위하여 사파이어와 같은 다수의 기판(103)이 반응챔버(100) 내부의 서셉터(102) 상에 안착된다. 그리고 반응챔버(100) 내부는 외부와 차단되고, 공정 시작을 위한 준비를 한다. 이 공정 시작을 위한 준비 시간 중에 각각의 제 1, 2, 3, 4온도 감지센서(240)(241)(242)(243)는 해당 영역의 온도를 측정하고, 이 측정 결과를 각각의 개별 제어부(220)(221)(222)(223)에 전달한다.
공정이 시작되면 필요한 공정 순서에 따라 진행이 이루어진다. 최초 공정은 열처리에 따라 기판(103)을 세정하는 세정 공정이다. 세정 공정을 위하여 온도 셋팅값은 설정된 온도인 섭씨 1000도 ∼ 1200도의 온도 셋팅값으로 셋팅되고, 반응챔버(100) 내부는 수소 분위기가 된다.
따라서 동일한 온도 셋팅값으로 셋팅한 경우에는 메인 제어부(230)는 각각의 제 1, 2, 3, 4개별 제어부(220)(221)(222)(223)에 동일한 온도 셋팅값을 전달하고, 만약 이전에 각 영역마다 공정 균일도에 대한 다른 온도 셋팅값이 있는 경우에는 각 개별 제어부(220)(221)(222)(223)에 고유한 온도 셋팅값을 전달한다. 어떤 경우든 열처리 공정에서 요구되는 온도는 오차 범위 이내에서 섭씨 1,000도 ∼ 1,200도가 된다.
이와 같은 온도 셋팅값으로 셋팅이 이루어지면 각각의 히터는 온도 셋팅값으로 온도 램핑을 수행한다. 본 열처리 공정에서 온도 램핑조건은 온도 셋팅값까지 온도를 승온하는 것이다. 이때 제 1가열영역에서의 온도 램핑 경향성, 즉 승온 속도를 측정한다. 즉 소요시간에 대한 온도로써 승온 속도를 측정하고, 이후 각각의 다른 영역인 제 2, 3, 4 영역에서의 승온속도를 비교한다. 이때 제 1가열영역과 승온속도가 다른 영역이 발견된다면 이 다른 영역들의 승온 속도는 각각의 히터(200)(201)(202)(203)를 제어하는 각각의 개별 제어부(220)(221)(222)(223)에서 이를 통제 제어하여 승온속도가 각각의 영역에서 최대한 균일하게 진행되도록 제어한다.
그리고 이후 오차 범위 이내에서 제 1, 2, 3, 4 영역의 온도가 온도 셋팅값에 도달하면 이후 해당 온도 셋팅값의 온도에서 10분 ∼ 20분 동안 기판(103)을 가열하여 열처리한다. 이 열처리 공정은 기판(103)상의 산화막과 같은 이물질 층을 제거하기 위한 세정 공정이다. 그리고 이때 반응챔버(100) 내부는 수소 가스 분위기가 된다.
이후 열처리 공정이 끝나면 GaN 버퍼층을 증착하는 공정이 수행된다. 이 GaN 버퍼층을 증착하는 공정은 섭씨 450도 ∼ 600도에서 대략 100nm 내외의 두께의 GaN 층을 증착하는 공정이다. 따라서 이를 위해서는 열처리 공정을 위하여 승온된 각 영역의 온도를 섭씨 450도 ∼ 600도까지 감온 시켜야 한다. 즉 이때의 온도가 제 2온도 셋팅값이 된다.
따라서 이 제 2온도 셋팅값이 메인 제어부(230)에서 각각의 제 1, 2, 3, 4개별 제어부(220)(221)(222)(223)에 전달되면 각각의 개별 제어부(220)(221)(222)(223)는 제 1, 2, 3, 4 히터(200)(201)(202)(203)에 제 2온도 셋팅값으로 온도를 감온시키도록 명령하고, 이 감온 상태를 각각의 제 1, 2, 3, 4 온도 감지센서(240)(241)(242)(243)들이 감지하여 계속적으로 각각 제 1, 2, 3, 4 개별 제어부(220)(221)(222)(223)에 전달한다. 그리고 메인 제어부(230)는 제 1개별 제어부(220)로부터 수신받는 온도 램핑 경향성을 파악하여 이 경향성으로 제 2, 3, 4히터(201)(202)(203)의 동작이 제어되도록 하여 제 1, 2, 3, 4 영역의 감온이 동일한 온도 램핑 경향성을 가지도록 한다.
이후 버퍼층이 대략 100nm 내외의 두께로 성장되면 다음으로 언도핑 GaN 층(undoped GaN)을 증착한다. 언도프드 GaN 층은 섭씨 1000도 ∼ 1100도에서 60분 정도의 시간 동안 이루어진다.
이를 위하여 다시 승온이 이루어진다. 그리고 승온은 전술한 바와 같이 각 영역마다 온도 램핑 경향성이 동일하게 유지되도록 하면서 공정을 진행한다. 그리고 계속해서 활성층과 p-GaN 층을 각각 증착하는 공정을 온도 램핑을 계속해서 진행하면서 수행하고, 이때마다 각 영역의 온도 램핑 경향성은 동일하게 유지되도록 한다. 이와 같이 각 층마다의 온도 램핑 경향성이 동일하게 유지되면 에피텍셜 공정으로 증착된 층들의 결정성장 품질이 전체 서셉터(102)의 기판(103)마다 매우 균일하고, 양호하게 증착되는 효과를 얻게 된다.
그리고 온도 램핑 경향성은 승온 속도 또는 감온 속도인 온도 램핑 속도 또는 온도 셋팅값에 대한 온도 편차가 될 수 있다. 이러한 온도 램핑 속도와 온도 편차를 동일하게 또는 유사하게 제어하면 보다 고효율의 에피텍셜 공정을 수행할 수 있다.
한편, 본 실시예의 금속 유기물 화학기상 증착장치에서 온도제어 구성은 다르게 변형 실시될 수 있다. 도 6은 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성에 대한 두 번째 실시예를 도시한 도면이고, 도 7은 도 6의 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성을 이용한 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이 두 번째 실시예에서 온도제어 구성은 도 6에 도시된 바와 같이 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성 제 1히터(200)에는 제 1히터(200)로 전력을 공급하기 위한 제 1파워소스(210)가 연결되고, 제 1파워소스(210)는 제 1파워소스(210)를 제어하는 제 1개별 제어부(220)가 구비된다. 또한 제 2히터(201)에는 제 2히터(201)로 전력을 공급하기 위한 제 2파워소스(211)가 연결되고, 제 2파워소스(211)는 제 2파워소스(211)를 제어하는 제 2개별 제어부(221)가 구비된다. 또한 제 3히터(202)에는 제 3히터(202)로 전력을 공급하기 위한 제 3파워소스(212)가 연결되고, 제 3파워소스(212)는 제 3파워소스(212)를 제어하는 제 3개별 제어부(222)가 구비된다. 또한 제 4히터(203)에는 제 4히터(203)로 전력을 공급하기 위한 제 4파워소스(213)가 연결되고, 제 4파워소스(213)는 제 4파워소스(213)를 제어하는 제 4개별 제어부(223)가 구비된다. 그리고 제 1개별 제어부(220)를 제어하기 위한 메인 제어부(230)가 구비된다.
그리고 상술한 첫 번째 실시예와 달리 메인 제어부(230)는 제 1개별 제어부(220)와 연결되어 제 1개별 제어부(220)에만 온도 셋팅값을 제공한다. 즉 이 제 1개별 제어부(220)에 대표 온도 셋팅값을 제공하고, 나머지 다른 개별 제어부(221)(222)(223)에는 별도의 온도 셋팅값을 제공하지 않는다. 그리고 각각의 개별 제어부(220)(221)(222)(223)는 서셉터(102)가 1회전 이상 소정 횟수 회전하는 동안에 감지된 온도의 평균값을 구하고, 이 평균값을 감지 온도값으로 인식하도록 할 수 있다. 한편, 이때의 온도 평균값과 특정위치의 감지된 온도값을 함께 이용하여 온도 제어를 수행할 수 있다.
그리고 각각의 온도 감지센서(240)(241)(242)(243)가 감지하는 온도는 서셉터(102)의 온도가 될 수 있고, 또는 기판(103) 즉 웨이퍼의 온도가 될 수 있으며, 또는 서셉터(102)가 회전하는 동안 얻어지는 기판(103)과 웨이퍼의 온도를 함께 감지하는 온도가 될 수 있다.
도 7은 도 6의 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치의 온도제어 구성을 이용한 첫 번째 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 제 1개별 제어부(220)에는 1단계 온도 셋팅값인 대표 온도 셋팅값이 지정될 수 있다(S30). 이 대표 온도 셋팅값은 각각의 영역에서 목표로 하는 램핑 온도일 수 있다. 제 1개별 제어부(220)에 1단계 대표 온도 셋팅값이 지정되고, 이후 제 1온도 감지센서(240)(241)(242)(243)가 제 1가열영역의 온도를 감지하게 되면 이 감지된 온도값은 제 1개별 제어부(220)에 전달된다(S31).
즉 이 제 1가열영역이 대표 가열영역이 된다. 그리고 제 1개별 제어부(220)는 제 1가열영역의 온도를 제 2, 3, 4 개별 제어부(221)(222)(223)에 전달하고, 이에 따라 제 2, 3, 4 개별 제어부(221)(222)(223)는 제 1가열영역의 감지된 온도를 전달받아 히팅을 시작한다(S32). 이때 서셉터(102)는 소정 회전속도로 회전한다.
그리고 온도 셋팅값으로 온도를 램핑하는 동안 제 1온도 감지센서(240)는 제 1가열영역의 온도 램핑 경향성(온도의 상승 경향성 또는 온도의 하강 경향성)을 분석하여 판단한다(S33). 그리고 각각의 온도 경향성이 맞추어지도록 제 2, 3, 4 히터(201)(202)(203)를 제어한다(S34).
이와 같이 온도 램핑 경향성을 제 1, 2, 3, 4가열영역이 동일하게 또는 매우 유사하게 맞추어지는 상태에서 제 1, 2, 3, 4가열영역의 온도가 원하는 에피텍셜 공정이 수행된다(S35).
그리고 1단계 대표 온도 셋팅값으로 온도가 램핑되었다고 제 1개별 제어부(220)가 판단하면 제 1개별 제어부(220)는 램핑된 온도를 유지하도록 제 1히터(200)를 제어하는데, 이때 제 2, 3, 4 개별 제어부(221)(222)(223)는 실시간으로 제 1온도감지센서(240)(241)(242)(243)에 감지되어 제 1개별 제어부(220)에 보고된 온도값으로 계속해서 각각의 히터(200)(201)(202)(203)의 제어를 수행하므로 제 1가열영역의 온도와 동일 또는 유사하게 오차범위 이내에서 나머지 각각의 가열영역의 온도를 컨트롤한다(S33)(S34). 그리고 다음 공정의 진행여부를 판단하고(S37), 다음 공정이 진행되어야 한다고 판단되면 제 1히터(200)에 1+n(n은 자연수) 단계 온도 셋팅값으로 히팅일 시작함으로써 공정이 계속해서 진행된다(S38).
한편, 두 번째 실시예에서 제 1가열영역의 온도를 제 2, 3, 4히터(201)(202)(203)가 추종하도록 제어되기 때문에 제 1, 2, 3, 4히터(220)(221)(222)(223)의 온도 램핑 경향성은 별도의 제어없이 자동적으로 동일하게 또는 유사하게 시간차를 두고 유지될 수 있다. 그리고 다음 공정을 수행하는 경우에도 계속해서 제 1히터(200)의 램핑 조건을 제 2, 3, 4히터(201)(202)(203)가 따르게 되므로 온도 램핑 경향성 및 온도 균일성은 확보할 수 있다.
그리고 이때 제 1개별 제어부(220)에서 제 2, 3, 4 개별 제어부(221)(222)(223)에 제공되는 제 1가열영역의 온도값은 가능하다면 짧은 시간 간격으로 지속적으로 제공함으로써 온도 균일도 및 온도 램핑 경향성을 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.

Claims (28)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부에 회전 가능하게 설치되며 적어도 하나 이상의 기판이 안착되는 서셉터;
    상기 서셉터에 설치되어 상기 서셉터를 가열하며 독립적으로 온도가 제어되는 복수개의 히터;
    상기 서셉터 상부에 위치하여 상기 서셉터 측으로 3족과 5족 가스를 분사하는 가스 분사부;
    상기 복수개의 히터에 의해 가열되는 상기 서셉터의 각각의 가열 영역의 온도를 측정하는 복수개의 온도 감지센서; 그리고,
    상기 가열영역에 요구되는 온도 셋팅값을 보유하고, 상기 각각의 온도 감지센서에서 감지한 상기 감지 온도값과 상기 가열영역에 요구되는 셋팅값을 비교하여 상기 가열영역의 온도를 제어하는 온도 제어부를 구비하고,
    상기 온도 제어부는 상기 각각의 가열영역을 제어하는 개별 제어부를 포함하고, 상기 각각의 가열영역중 어느 하나의 상기 가열영역에 대한 온도 셋팅값을 대표 온도 셋팅값으로 보유하고, 상기 대표 온도 셋팅값을 이용하여 상기 각각의 가열영역의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치.
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  4. 제 1항에 있어서, 상기 온도 제어부는 상기 대표 온도 셋팅값으로 상기 가열영역중에서 선택된 대표 가열영역의 온도를 제어하고, 상기 온도 감지센서중 상기 대표 가열영역의 온도를 감지하는 온도 감지센서에서 감지한 상기 감지 온도값을 이용하여 상기 대표 가열영역을 제외한 나머지 상기 가열영역의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 온도 제어부는 상기 대표 가열영역에서 감지되는 온도 램핑 경향성(temperature ramping tendency)을 측정하고, 상기 온도 램핑 경향성을 상기 대표 가열영역을 제외한 나머지 상기 가열영역이 상기 대표 가열영역의 온도 램핑 경향성을 따르도록 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 온도 램핑 경향성은 상기 대표 가열영역의 온도 램핑 속도인 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치.
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  11. 제 1항에 있어서, 상기 온도 제어부는 상기 서셉터가 소정 횟수 회전하는 동안에 감지된 온도의 평균값을 구하고, 상기 평균값과 상기 온도 셋팅값을 비교하여 상기 각각의 가열영역의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 서셉터에 대한 온도인 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 기판에 대한 온도인 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  14. 제 11항에 있어서, 상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 서셉터와 상기 기판에 대한 온도인 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  15. 금속 유기물 화학기상 증착장치에서 서셉터의 복수개의 가열영역의 온도를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 서셉터의 상기 각각의 가열영역의 온도를 온도 감지센서로 감지하고, 상기 가열영역에 요구되는 온도 셋팅값을 보유한 온도제어부에서 상기 온도 감지센서에서 감지한 온도값과 상기 온도 셋팅값을 비교하여 상기 가열영역을 상기 온도 셋팅값으로 제어하고,
    상기 온도 제어부는 상기 각각의 가열영역을 제어하는 개별 제어부를 포함하고, 상기 각각의 가열영역중 어느 하나의 상기 가열영역에 대한 온도 셋팅값을 대표 온도 셋팅값으로 보유하고, 상기 대표 온도 셋팅값을 이용하여 상기 각각의 가열영역의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치를 위한 온도 제어방법.
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  18. 제 15항에 있어서, 상기 온도 제어부는 상기 대표 온도 셋팅값으로 상기 가열영역중에서 선택된 대표 가열영역의 온도를 제어하고, 상기 온도 감지센서중 상기 대표 가열영역의 온도를 감지하는 온도 감지센서에서 감지한 상기 감지 온도값을 이용하여 상기 대표 가열영역을 제외한 나머지 상기 가열영역의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치를 위한 온도 제어방법.
  19. 제 15항에 있어서, 상기 온도 제어부는 상기 대표 가열영역에서 감지되는 온도 램핑 경향성을 측정하고, 상기 온도 램핑 경향성을 상기 대표 가열영역을 제외한 나머지 상기 가열영역이 상기 대표 가열영역의 온도 램핑 경향성을 따르도록 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치를 위한 온도 제어방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 램핑 경향성은 상기 대표 가열영역의 단위시간당 온도 변화 기울기인 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치를 위한 온도 제어방법.
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  25. 제 15항에 있어서, 상기 온도 제어부는 상기 서셉터가 소정 횟수 회전하는 동안에 감지된 온도의 평균값을 구하고, 상기 평균값과 상기 온도 셋팅값을 비교하여 상기 각각의 가열영역의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치를 위한 온도 제어방법.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 서셉터에 대한 온도인 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치를 위한 온도 제어방법.
  27. 제 25항에 있어서, 상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 기판에 대한 온도인 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치를 위한 온도 제어방법.
  28. 제 25항에 있어서, 상기 온도 감지센서에서 감지하여 얻는 상기 가열영역의 온도는 상기 서셉터와 상기 기판에 대한 온도인 것을 특징으로 하는 금속 유기물 화학기상 증착장치를 위한 온도 제어방법.
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