KR101469454B1 - 화학 기상 증착 반응기의 기판 표면 온도에 대한 온도 제어를 위한 장치 - Google Patents

화학 기상 증착 반응기의 기판 표면 온도에 대한 온도 제어를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전가능하게 구동되는 서셉터(1) 상에 동적 가스 쿠션(3)으로 지지되는 다수의 회전 테이블을 갖는 화학 기상 증착 반응기에 관계되며, 여기서 각각의 가스 쿠션(3)은 개별적으로 제어된 가스 흐름 및 각각의 가스 흐름에 의해 형성되며, 온도 측정 장치(4)에 의해 측정된 표면 온도에 의존하여 개별적인 작동기(5)에 의해 가변될 수 있다. 본 발명은 서셉터(1)를 지지하고 서셉터(1)와 함께 회전하는 캐리어(6)를 더 포함한다. 캐리어(6)의 단부에 있는 공용 가스 공급 라인(7)은 본 발명의 열쇠이며 캐리어(6) 상에 배치되는 작동기(5)에 가스 흐름을 형성하는 가스를 제공한다.

Description

화학 기상 증착 반응기의 기판 표면 온도에 대한 온도 제어를 위한 장치{DEVICE FOR THE TEMPERATURE CONTROL OF THE SURFACE TEMPERATURES OF SUBSTRATES IN A CVD REACTOR}
본 발명은 회전 구동되는 서셉터(susceptor) 상의 동적 가스 쿠션 상에 지지되는 다중 회전 테이블을 갖는 화학 기상 증착 반응기(CVD reactor)에 관한 것으로, 각각의 가스 쿠션은 개별적인 제어 가스 흐름에 의해 형성되고 각각의 가스 흐름은 온도 측정 장치에 의해 측정된 표면 온도에 따라 개별적인 제어 요소에 의해 가변된다.
DE 100 56 029 A1 및 EP 1 335 997 B1은 이러한 종류의 화학 기상 증착 반응기를 기술한다. 거기에 기술된 장치는 실질적으로 원형 디스크 형태로 서셉터를 구비하며, 서셉터는 수평면에 위치하는 그 표면에 다중 리세스를 구비하며, 리세스 각각은 하나 이상의 기판이 위치될 수 있는 회전 테이블이 있고, 그 기판은 층, 특히 프로세스 챔버에서, 반도체 층으로 코팅될 수 있고, 층-형성 재료는 가스 입구 요소(gas inlet element)를 통해 가스 형태로 프로세스 챔버 내로 유입된다. 회전 테이블은 개별적인 가스 쿠션으로 지탱되며 가스는 회전 테이블이 회전하는 방법으로 회전 테이블의 밑면과 리세스의 바닥 사이의 중간 공간 내로 유입된다. 아래로부터 서셉터를 가열하는 히터가 서셉터 아래에 있다. 개별적인 회전 테이블은 그것에 의하여 마찬가지로 열전도 및 열복사에 의해 가열된다. 회전 테이블의 표면 온도 또는 회전 테이블 상에 놓인 기판의 표면 온도는 온도 측정 요소에 의해 모니터링된다. 표면 온도는 각각의 가스 쿠션을 형성하는 가스 흐름을 증가시키거나 감소시키는 것에 의해 가스 쿠션의 높이를 가변시켜 개별적으로 가변될 수 있다. 결과적으로, 회전 테이블과 리세스 바닥 사이의 갭을 통한 열 전달은 변화된다.
EP 1 335 997 B1에 의해 기술된 방법은 가스 쿠션의 높이의 가변에 의한 온도 제어에 관한 것이다. 가스 흐름은 가스 메스 흐름 제어 장치(gas mass flow control devices)에 의해 세팅된다.
DE 10 2006 018 514 A1는 프로세스 챔버에서 기판의 표면 온도를 제어하는 장치를 기술한다. 여기서, 가변되는 것은 가스 쿠션의 높이가 아니라, 가스 혼합물로 구성된 가스의 조성물이다. 가스 중 하나가 높은 열 전도성을 갖는다. 다른 가스는 더 낮은 열 전도성을 갖는다.
DE 103 23 085 A1은 반응기 하우징에 회전 가능하게 배치되는 캐리어가 각각의 기판을 수용하기 위한 다중 서셉터를 지지하는 CVD 코팅 장치(CVD coating device)를 개시한다.
DE 101 33 914 A1은 상이한 부분에서 상이하게 회전 구동되는 플로어를 구비하는 프로세스 챔버를 개시한다. 공용 가스 공급 라인(common gas supply line)은 서셉터의 가스 채널 시스템 내로 개방(open out)된다. 거기서 분배가 일어나, 가스 경막(gas film)에 의해 운반되어 기판 홀더가 있는 다수의 베어링 챔버(bearing chamber)를 만들어낸다.
DE 100 43 600 A1은 캐리어가 캐리어 회전 중심 주위에 위성처럼 배치되고 기판 홀더가 각각에 놓이는 다수의 수용챔버를 지지하는, 반응기 하우징에 회전가능하게 배치된 캐리어를 구비하는 코팅 장치를 개시한다.
EP 0 242 898 B1은 기판이 코팅되는 동안 회전하는 화학 기상 증착 반응기의 서셉터를 기술한다.
서두에서 언급된 일반적인 장치의 경우에, 가스 메스 흐름 제어 장치에 의해 형성된 제어요소가 고정된 가스 혼합 시스템과 결합되기 때문에 외부로부터 반응기 하우징 내로의 개별적인 공급 라인은 각각의 회전 테이블에 대해 요구된다. 서셉터가 또한 회전 테이블에 추가하여 그 축선에 대해 회전되어야 하는 일반적인 장치의 경우에서 의도된다면, 반응기 외측에 놓인 다수의 고정 공급 라인이 서셉터와 함께 회전하는 공급 라인에 개별적으로 대응해야만 하기 때문에, 복잡한 가스 공급 라인이 요구된다.
본 발명의 목적은 이러한 이용에 대해 유익하게 일반적인 장치를 개선하는 것이다.
목적은 청구항에 의해 명시된 본 발명에 의해 달성되며, 청구항 제 2항 내지 제 12항은 청구항 1에서 명시된 화학 기상 증착 반응기의 유익한 개선예이다. 특히 바람직하게 제 2 항 내지 제 12항 각각은 목적을 달성하기 위해 개별적인 해결책이며 어떤 다른 청구항과 조합될 수 있다.
무엇보다도 먼저, 제어 요소가 서셉터와 함께 회전되는 것이 제공된다. 이러한 목적을 위해, 제어 요소는 서셉터를 지지하는 캐리어와 결합된다. 본 발명의 개선점에서, 공용 가스 공급 라인이 캐리어 내로 개방되는 것이 제공된다. 이러한 경우에 캐리어는 서셉터와 함께 회전되는 부분 및 반응기 하우징에 대해 고정된 부분을 갖는다. 공용 가스 공급 라인은 고정된 부분과 결합된다. 공용 가스 공급 라인은 가스 분배 볼륨(gas distribution volume) 내로 개방될 수 있고, 가스 분배 볼륨으로부터 개별적인 공급 라인은 각각의 제어 요소에 분기한다. 그리고나서 각각의 제어 요소로부터, 각각 개별적인 가스 흐름에 의해 형성된 개별적인 가스 쿠션 상에 놓이는 회전 테이블이 각각의 경우에 배치되는 리세스 내로 가스 흐름을 수송하는 공급 라인이 각각 연장된다. 제어 요소는 바람직하게는 밸브이다. 밸브가 서셉터와 함께 회전하기 때문에, 서셉터의 특별한 작동이 요구된다. 이것은 텔리메트릭하게(telemetrically) 또는 슬라이딩 접촉에 의해 발생할 수 있다. 제어 요소 전력이 요구되면, 이것은 유도성으로(inductively) 또는 마찬가지로 슬라이딩 접촉에 의해 발생할 수 있다. 밸브는 바람직하게는 전력 없이 그 위치를 지속시킨다. 압력 제어기는 공급 라인에 배치되어 공용 가스 공급라인의 가스 압력을 일정하게 유지시킬 수 있다. 방법은 특히 실질적으로 서셉터의 중심 주위의 링 형태로 배치되는, 수많은 회전 테이블 또는 기판의 표면 온도가 순차적으로 개별적으로 각각의 링에 관련된 단일 온도 측정 요소에 의해 측정된다는 사실에 의해 구별된다. 대응하는 방법으로, 관련 가스 쿠션까지 가스 흐름은 대응하여 순차적으로 가변된다. 따라서 가스 쿠션 높이의 가변은 순차적으로 특정의 명확한 간격에서 발생하며, 제어 또는 조절하는 이벤트 사이의 시간은 상대적으로 느린 온도 변화에 대해서 짧다. 캐리어는 반응기 하우징 내부에 배치되는 부분 및 반응기 하우징 외측에 배치되는 부분을 구비할 수 있다. 밸브는 바람직하게는 반응기 하우징 외측에 배치되는 캐리어의 부분, 정확히 말하면 회전 구동되는 부분과 결합된다. 캐리어는 또한 회전되게 고정된 부분을 구비할 수 있다. 이러한 부분은 공용 가스 공급라인을 갖는다. 양호한 개선점에서, 제어 요소는 캐리어의 회전 축선 주위에 별 형태로 그룹으로 이루어져 제공된다. 대응하는 방법으로, 공급 라인은 또한 중심 주위에 별의 형태로, 균일한 각도 분포로 배치된다. 캐리어는 서셉터가 놓이는 단부 에지 상에 중공 샤프트(hollow shaft)를 포함할 수 있다. 공용 가스 공급 라인을 갖는 코어는 이러한 중공 샤프트 내에 끼워질 수 있다. 가스 분배 볼륨은 환형 챔버(annular chamber)에 의해 형성될 수 있고, 환형 챔버의 벽은 코어에 의해 그리고 공급 라인에 의해 모두 형성된다. 환형 챔버는 중공 샤프트와 코어 사이의 베어링 갭에 위치될 수 있다. 중공 샤프트를 장착하기 위해, 반응기 하우징에 고정되게 연결되는 베어링 하우징이 제공된다. 따라서 중공 샤프트는 코어와 베이링 하우징 사이에서 회전한다. 반응기의 외측과 내측 사이의 가스 타이트니스(gas tightness)가 중공 샤프트 장착 지역에서 보증되도록 하기 위해 대응하는 베어링 및 밀봉 요소(sealing elements)가 제공된다.
본 발명의 예시적 실시예는 첨부된 도면을 기초로 아래에 설명된다.
도 1은 도 3의 I-I선에 따른 횡단면으로, 본 발명을 설명하는데 본질적인 화학 기상 증착 반응기의 부분도이고,
도 2는 도 3의 II-II선에 따른 단면도이고,
도 3은 도 1의 III-III선에 따른 단면도이고,
도 4는 화살표 IV에 따른 서셉터의 평면도이고,
도 5는 구동 모터와 함께, 베어링 하우징으로 밀봉된 하부 캐리어의 사시도이고,
도 6은 가스 흐름의 개략도이다.
화학 기상 증착 반응기는 도 1에 도시된 하단 벽(11), 외측에 대해 가스- 타이트 및 압력 타이트(pressure-tight) 방식으로 반응기 하우징 내부가 캡슐화된 반응기 하우징을 갖는다. 반응기 하우징(11) 내부에, 가스 유입 요소(24, gas inlet element)가 있고, 이는 수평면으로 배치되며 이를 통해 프로세스 가스(process gas)가 가스 유입 요소(24) 아래에 배치되는 프로세스 챔버(25, process chamber) 내로 유입될 수 있는 가스 유출 개부(미도시, gas outlet openings)를 갖는다. 프로세스 챔버(25)의 플로어는 서셉터(1)의 표면에 의해 형성된다. 서셉터(1)는 그래파이트(graphite)로 구성되며 윤곽선 Z 축선에 대해 회전할 수 있다.
도 4 및 도 1에 나타난 바와 같이, 서셉터(1)는 원형 디스크의 형태로 그래파이트 요소에 의해 형성되며 서셉터(1)의 대응하는 리세스에 놓인, 다중 회전 테이블(2)을 지탱한다. 개별적인 공급 라인(26)은 각각의 리세스 바닥으로 개방되고, 각각의 공급 라인을 통해 개별적인 가스 흐름은 회전 테이블(2) 밑면과 리세스 바닥 사이의 갭 내로 유입될 수 있다. 이러한 가스 흐름은 가스 쿠션을 형성하고, 그 위에서 회전 테이블(2)은 바닥으로부터의 공간에 지탱된다. 가스 흐름은 회전이 각각의 회전 테이블(2)에 가해지는 방식으로 리세스 내로 유입된다.
가스 유입 요소(24)의 개구(32) 위에 온도 센서(4), 예를 들면 고온계(pyrometer)가 있다. 온도 센서(4)는 회전 중심 Z으로부터 대응하는 반경 거리에 회전 테이블(2) 위에 바로 위치하여, 회전 테이블(2)의 표면 온도 또는 회전 테이블(2)에 놓이는 하나 이상의 기판의 온도가 온도 센서(4)에 의해 측정될 수 있다. 표면 온도는 가스 쿠션(3)의 높이를 가변시키는 것에 의해 가변될 수 있다.
서셉터(1) 아래에 히터(27)가 있고, 이는 복사식 히터 또는 고주파 히터(RF heater)일 수 있다. 이러한 히터로, 먼저 서셉터(1)의 아래면이 가열된다. 열은 실질적으로 열 전도에 의해 가스 쿠션에 전달되어, 마찬가지로 열전도 또는 열복사로 가스 쿠션(3)에 의해 형성된 갭을 통해 회전 테이블(2)에 전달된다. 열 전달은 가스 쿠션(3)의 높이에 의해 영향을 받을 수 있다.
가스 쿠션(3)의 높이는 각각의 공급 라인(26)을 통해 흐르는 가스 흐름(gas flow)의 양에 의해 결정된다. 이러한 가스 흐름은 밸브(5)에 의해 세팅된다. 밸브(5)의 세팅은 온도 센서(4)에 의해 측정된 온도에 따라 영향을 받는다. 밸브(5)는 전력이 없어도 그 위치를 지속하는 밸브인 것이 바람직하다. 이것은 슬라이딩 접촉(미도시) 또는 텔리메트릭하게 무선에 의해 그 위치를 지속시킬 수 있다. 관련된 회전 테이블(2)의 표면 온도가 온도 센서(4)에 의해 측정되고 온도 변화가 요구될 때마다 밸브(5)는 조정된다.
서셉터(1)는 캐리어(6) 상에 위치한다. 캐리어(6)는 중공 샤프트(31)를 구 비하고, 그 단부 에지에 서셉터(1)가 놓인다. 중심 Z 주위를 균일한 원형 분포로 배치되어 질소 또는 수소일 수 있는 가스 쿠션(3)을 형성하는 캐리어 가스를 호송하는 가스 공급 라인(12)은 중공 샤프트(31) 내부에서 뻗어있다.
중공 샤프트(31)는 반응기 하우징(11)에 고정되게 연결되는 베어링 하우징(20)에 장착된다. 이러한 목적을 위해, 베어링 하우징(20)은 베어링 캐비티(bearing cavity)를 구비하고, 그 내에 시일(28, seal)이 2 개의 회전 베어링(29, 30) 사이에 배치된다.
베어링 하우징(20)의 밑면으로부터 뻗어나온 것은 구동 휠(21)과 함께 또한 다수의 밸브(5)를 가지는 중공 샤프트(31)의 일부이다. 밸브(5)는 중심 Z 주위에 균일한 원형 분포, 즉 별의 형태로 배치된다. 가스 분배 볼륨(8)으로부터 밸브(5)에 가스를 호송하는 개별적인 공급 라인(9)은 중공 샤프트(31)에 배치되고, 축선 방향으로 연장되는 가스 라인(12)에 평행하다.
중공 샤프트(31) 내부에 코어(13)가 있고, 이는 반응기 하우징(11)에 회전가능하게 고정되는 방식으로 연결되고 구동 모터(23)를 지지하며, 구동 모터는 구동되는 휠(21)이 구동 벨트(미도시)에 의해 구비하여 회전될 수 있는 구동 휠(22)을 갖는다. 이에 의해 지지되는 중공 샤프트(31) 및 밸브(5)는 그리고 나서 회전 축선 Z 주위로 회전하고 이와 함께 서셉터(1)를 가져서, 서셉터(1)는 하우징에 고정되는 가스 유입 요소(24)에 대해 회전할 수 있다.
코어(13)의 외벽의 일 부분(14)은 가스 분배 볼륨(8)을 형성하는 링의 형태로 코어를 둘러싸서 챔버의 내벽을 형성된다. 환형 챔버(8)의 외측을 향하는 벽(15)은 중공 샤프트(31)의 내벽에 의해 형성된다. 가스 분배 볼륨(8)의 2개의 환형 상단 및 하단 벽은 각각 밀봉 요소(16, 17, sealing elements)에 의해 각각 형성되고, 밀봉 요소는 베어링(18) 위에 그리고 베어링(19) 아래에 각각 배치된다.
코어(13)는 코어(13)의 단부 면 상에 가스 라인에 연결을 갖는 공용 가스 공급라인(7)을 가진다. 공급 라인(7)은 초기에 중심 축선 Z에 평행하게 뻗어있다. 공급 라인(7)의 반경 연장(radial continuation)은 가스 분배 볼륨(8) 내로 개방되고, 이에 의하여 챔버 내벽(14)의 개구를 형성한다. 외측 챔버 벽(15)에서, 개별 공급 라인(9)의 개구가 안쪽 챔버 벽(14)에 대향하게 놓이며, 이를 통해 챔버(8) 내로의 가스 흐름이 밸브(5)에 안내된다. 공급 라인(9)은 초기에 반경 방향으로 뻗어있고 이어서 중심 축선 Z에 평행하게 뻗어 있다.
도 6은 공용 가스 공급 라인(7)의 압력이 압력 제어기(10)에 의해 일정하게 유지되는 것을 나타낸다. 옵션으로 유량계 FM이 공용 가스 공급 라인(7)에 추가적으로 제공된다. 언급된 질소 및 수소와 별도로, 희가스(noble gas) 또는 소정의 다른 이용가능한 가스가 또한 가스 쿠션(3)을 발생시키는 가스로서 이용될 수 있다.
서셉터(1)와 함께 회전하는 밸브(5)에는 전력이 영구적으로 제공될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 슬라이딩 접촉(미도시) 방식에 의해 예를 들면, 코어(13)와 중공 샤프트(31) 사이 또는 하우징(20)과 중공 샤프트(31)사이에 전류 공급(current supply)이 제공될 수 있다. 그러나, 밸브(5)에는 또한 에너지가 유도성으로(inductively) 공급될 수 있다. 추가적으로, 밸브에는 또한 주기적으로만 전기적 에너지가 공급될 수 있다.
개시된 모든 특징은 본 발명에게 (자체로) 적절하다. 관련/수반 선행 문서(선행 특허 출원의 복사본)의 개시 내용물은 본 출원의 청구항에서 이러한 문서의 특징을 통하는 목적을 포함하여 또한 출원의 개시에서 전체로 참조된다.

Claims (12)

  1. 회전가능하게 구동되는 서셉터(1) 상의 동적 가스 쿠션(3) 상에 지지되는 다수의 회전 테이블(2) 및 상기 서셉터(1)를 지지하고 상기 서셉터(1)와 함께 회전하는 캐리어(6)를 구비한 화학 기상 증착 반응기로서, 각각의 가스 쿠션(3)이 개별적으로 제어되는 가스 흐름에 의해 형성되고 각각의 가스 흐름이 온도 측정 장치(4)에 의해 측정된 표면 온도에 따라 개별 제어 요소(5)에 의해 가변되는 화학 기상 증착 반응기에 있어서,
    상기 캐리어(6) 내로 공용 가스 공급 라인(7)이 개방되고, 상기 공용 가스 공급 라인(7)을 통해 상기 캐리어(6) 상에 배치된 상기 제어 요소(5)에 상기 가스 흐름을 형성하는 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공용 가스 공급 라인(7)은 가스 분배 볼륨(8) 내로 개방되며, 상기 가스 분배 볼륨으로부터 개별적인 공급 라인(9)이 각각의 제어 요소(5)로 분기되는 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 요소는 외측으로부터 텔리메트릭하게(telemetrically) 또는 슬라이딩 접촉에 의해 작동될 수 있는 밸브(5)인 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 밸브(5)는 전력없이 그 위치를 지속시키는 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공용 가스 공급 라인(7)과 관련된 압력 제어기(10)가 상기 공용 가스 공급 라인(7)의 가스 압력을 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    관련된 가스 쿠션(3)으로의 가스 흐름을 가변시키기 위해 순차적으로 상응하게 상기 서셉터(1)의 회전 중심(Z) 주위에 링의 형태로 배치되는 다수의 회전 테이블(2)의 표면 온도가 순차적으로 측정되는 방식으로 온도 측정 요소(4)가 배치된 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캐리어(6)는 반응기 하우징(11)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐리어(6)는, 상기 밸브(5)를 지지하며 반응기 하우징(11)의 외측에 배치되는 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 개별적인 공급 라인(9, 12) 및 상기 제어 요소(5)가 상기 캐리어(6)의 회전 축선(Z)에 대해 별의 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캐리어(6)는, 반응기 하우징에 고정되고 상기 공용 가스 공급 라인(7)을 제공하는 코어(13)을 수용하는, 중공 샤프트(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 중공 샤프트(31)는, 상기 반응기 하우징(11)에 고정되게 연결되는 베어링 하우징(20)의 베어링 캐비티에 회전가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 코어(13)와 상기 중공 샤프트(31) 사이에 배치되는 환형 챔버의 형태로 가스 분배 볼륨(8)이 제공되는 것을 특징으로 하는
    화학 기상 증착 반응기.
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