KR101477784B1 - 금속 소스 공급 장치 및 이를 포함하는 증착막 형성 장치 - Google Patents

금속 소스 공급 장치 및 이를 포함하는 증착막 형성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스공급장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 액체 금속포함 물질을 수용하는 용기, 상기 용기로부터 배출된 상기 액체 금속포함 물질이 이송되는 유로, 상기 유로 상에서 이송되는 상기 액체 금속포함 물질의 유량을 조절하는 유량 조절 수단, 및 상기 유량 조절 수단에 의해 유량 조절된 상기 액체 금속포함 물질을 분무시키는 분무 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 소스 공급 장치를 제공한다.

Description

금속 소스 공급 장치 및 이를 포함하는 증착막 형성 장치{Metal Source Supplying Unit And Deposition Film Forming Apparatus Having the same}
본 발명은 금속 소스 공급 장치 및 이를 포함하는 증착막 형성 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유량 조절 수단에 의해 유량 조절된 액체 금속포함 물질을 분무시키는 분무 수단을 포함하는 금속 소스 공급 장치 및 이를 포함하는 증착막 형성 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자로서, 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 널리 이용되어 왔다. 특히, 백열등, 형광등 등의 재래식 조명과 달리 전기 에너지를 빛 에너지로 전환하는 효율이 높아 최고 90%까지 에너지를 절감할 수 있다는 사실이 알려지면서, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 소자로서 널리 각광받고 있다.
이러한 LED 소자의 제조공정은 크게 에피 공정, 칩 공정, 패키지 공정으로 분류될 수 있다. 에피 공정은 기판 상에 화합물 반도체를 에피택셜 성장(epitaxial growth)시키는 공정을 말하고, 칩 공정은 에피택셜 성장된 기판의 각 부분에 전극을 형성하여 에피 칩을 제조하는 공정을 말하며, 패키지 공정은 이렇게 제조된 에피 칩에 리드(Lead)를 연결하고 빛이 최대한 외부로 방출되도록 패키징하는 공정을 말한다.
이러한 공정 중에서도 에피 공정은 LED 소자의 발광 효율을 결정하는 가장 핵심적인 공정이라 할 수 있다. 이는 기판 상에 화합물 반도체가 에피택셜 성장되지 않는 경우, 결정 내부에 결함이 발생하고 이러한 결함은 비발광 센터(nonradiative center)로 작용하여, LED 소자의 발광 효율을 저하시키기 때문이다.
이러한 에피 공정, 즉 기판 상에 에피택셜층을 형성시키는 공정에는 LPE(Liquid Phase Epitaxy), VPE(Vapor Phase Epitaxy), MBE(Molecular Beam Epitaxy), CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법 등이 사용되고 있는데, 이 중에서도 특히 유기금속 화학기상 증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 또는 하이드라이드 기상 에피택시법(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)이 주로 사용되고 있다.
특히, HVPE법에서 에피택셜층으로서 GaN 증착막을 형성하기 위해서, 금속 소스로 GaCl 가스 또는 GaCl3가 주로 사용되고, 질소 소스로는 NH3가 사용된다. 금속 소스로 GaCl 가스가 사용되는 경우와 GaCl3가 사용되는 경우에 따라 GaN이 생성되는 화학반응을 나타내면 다음과 같다.
[화학식 1]
GaCl + NH3 → GaN + HCl +H2
[화학식 2]
GaCl3 + NH3 → GaN + 3HCl
이러한 공정을 위해서는 금속 소스인 GaCl 또는 GaCl3를 공급하기 위한 금속 소스 공급 장치가 사용되는데, 금속 소스의 공급이 원활하게 이루어지도록 하는 것이 필수적이다.
도 1은 종래의 금속 소스 공급 장치를 나타내는 도면이다.
도 1에 의하면, 종래의 금속 소스 공급 장치는 HCl과 같은 할로겐 함유 가스가 흐르는 유입관(10), Ga와 같은 금속 소스(30)를 담기 위한 용기(20), 유입관(10)으로부터 유입된 할로겐 함유 가스의 진행 방향을 금속 소스(30)에 향하도록 하기 위한 플로우 변경부(40), 할로겐 함유 가스와 금속 소스(30)가 반응하여 생성된 금속 할로겐 가스(예를 들어, GaCl)가 챔버(미도시함)로 공급되도록 하기 위한 배출관(50)으로 구성된다. 챔버 내에는 배치식으로 복수의 기판이 위치할 수 있다. 그러나, 종래의 금속 소스 공급 장치에서는 할로겐 함유 가스와 금속 소스(30) 간의 반응을 정량적으로 제어할 수 없기 때문에, 챔버 내에 공급되는 반응 가스인 금속 할로겐 가스가 필요한 양만큼 공급되도록 하는 것에 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 금속 할로겐 가스와 같은 반응 가스의 공급량 제어가 가능한 금속 소스 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 액체 금속포함 물질을 수용하는 용기, 상기 용기로부터 배출된 상기 액체 금속포함 물질이 이송되는 유로, 상기 유로 상에서 이송되는 상기 액체 금속포함 물질의 유량을 조절하는 유량 조절 수단, 및 상기 유량 조절 수단에 의해 유량 조절된 상기 액체 금속포함 물질을 분무시키는 분무 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 소스 공급 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 내부에 액체 금속포함 물질을 수용하는 용기, 상기 용기로부터 배출된 상기 액체 금속포함 물질이 이송되는 유로, 상기 유로 상에서 이송되는 상기 액체 금속포함 물질의 유량을 조절하는 유량 조절 수단, 및 상기 유량 조절 수단에 의해 유량 조절된 상기 액체 금속포함 물질을 미스트상으로 분무시키는 분무 수단을 포함하는 금속 소스 공급 장치, 증착막이 형성되는 공간을 제공하는 챔버, 및 상기 챔버 내에 상기 분무 수단으로부터 분무된 상기 미스트상 금속포함 물질을 공급하는 가스 공급부를 포함하는 증착막 형성 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 금속 할로겐 가스와 같은 반응 가스의 공급량 제어가 가능한 금속 소스 공급 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 금속원소를 분무할 경우에, 금속원소를 미스트상으로 분무하여 할로겐 포함 가스와 반응시키기 때문에 금속원소와 할로겐 포함 가스 간의 반응성을 실질적으로 100% 수준까지 높일 수 있어서, 금속원소와 할로겐 포함 가스 간의 반응에 의해 생성되는 금속화합물의 양에 대한 제어 신뢰도를 높일 수 있는 금속 소스 공급 장치가 제공된다.
도 1은 종래의 금속 소스 공급 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 소스 공급 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증착막 형성 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현 될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일 또는 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 "금속포함 물질"은 금속원소 및 금속화합물을 포괄하는 용어로 사용된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 소스 공급 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 소스 공급 장치(1)는 내부에 액체 금속포함 물질(200)을 수용하는 용기(100)를 포함하여 구성될 수 있다. 액체 금속포함 물질(200)은 예를 들어, Ga와 같은 금속원소일 수도 있고 GaCl3와 같은 금속화합물일 수 있으며, 본 발명의 목적을 위해서 용기(100) 내에서는 액체 상태를 유지할 필요가 있다. 다만, Ga와 같은 금속원소의 경우에는 챔버(도 3의 800)에 공급되기 전에 할로겐 포함 가스(예를 들어, HCl 가스)와 반응하여 금속화합물(예를 들어, GaCl)의 형태로 변경되는 과정이 추가로 필요할 수 있다. 액체 상태를 유지하기 위하여, 용기(100) 내부의 온도는 금속원소 또는 금속 화합물의 녹는점과 끓는점 사이를 유지할 수 있다. 예를 들어, GaCl3의 경우, 용기(100)의 내부는 약 78 ℃ 이상 201 ℃ 이하의 온도를 유지할 수 있다. 또한, 용기(100) 내부의 액체 금속포함 물질(200)을 용기(100) 외부로 배출하기 위하여, 용기(100) 내부에 소정의 압력을 가하는 가압 수단(110)을 포함할 수 있다. 가압 수단(110)은 소정의 압력을 갖는 가스를 용기(100) 내부에 공급함으로써 용기(100) 내부로부터 액체 금속포함 물질(200)이 배출되도록 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 소스 공급 장치(1)는 용기(100)로부터 배출된 액체 금속포함 물질이 이송되도록 하는 유로(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 유로(120)에는, 유로(120) 상에서 이동하는 액체 금속포함 물질의 유량에 따라 과도한 양의 액체 금속포함 물질이 유량 조절 수단(320)으로 진입하지 않도록 개폐 가능한 제1 밸브(310)가 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 소스 공급 장치(1)는 유로(120) 상에서 이송되는 액체 금속포함 물질의 유량을 조절하는 유량 조절 수단(320)을 포함하여 구성될 수 있다. 유량 조절 수단(320)은 공지의 액체 유량계(LFM; Liquid Flow Meter) 등을 사용할 수 있다. 따라서, 유량 조절 수단(320)에 대한 상세할 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 유량 조절 수단(320)에 의해 유량 조절된 액체 금속포함 물질이 다시 유로(120)를 통해 이송될 수 있다. 유량 조절 수단(320)과 후술할 분무 수단(420) 사이의 유로(120)에는 필요에 따라 개폐 가능한 제2 밸브(330)가 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 소스 공급 장치(1)는 유로(120)에 의해 이송된 액체 금속포함 물질을 분무하여 미스트(mist)상(狀) 금속포함 물질로 변경하기 위한 분무 수단(420)을 포함하여 구성될 수 있다. 분무 수단(420)은 분무 방식에 따라서, 액체 금속포함 물질에 압력을 가하여 분사하는 방식, 액체 금속포함 물질에 원심력을 가하여 분사하는 방식, 고속 분류 가스의 흐름에 의해 액체 금속포함 물질이 분사되는 방식 등을 채용할 수 있다. 분무 수단(420)에 의해 액체 금속포함 물질이 미스트상으로 분사되기 때문에, 분무 수단(420)으로 진입하는 액체 금속포함 물질의 유량이 제어될 경우 분무 수단(420)에 의해 분사되는 미스트상 금속포함 물질의 양도 제어할 수 있게 된다. 또한, 유로(120)과 분무 수단(420)의 사이에는 압전 밸브(Piezo Valve; 410)가 형성되어, 유로(120)로부터 분무 수단(420)으로 진입하는 액체 금속포함 물질의 유량을 2차 제어하도록 할 수 있다.
또한, 분무 수단(420) 내부에서 분무된 미스트상 금속포함 물질은 분무 수단(420)과 연통하는 캐리어 가스 유입관(500)으로부터 유입된 캐리어 가스의 흐름에 따라 캐리어 가스 배출관(600)으로 캐리어 가스와 함께 배출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증착막 형성 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증착막 형성 장치는, 앞서 도 2에 도시된 금속 소스 공급 장치(1)를 포함하여 구성될 수 있다.
금속 소스 공급 장치(1)의 캐리어 가스 배출관(600)을 따라 캐리어 가스와 함께 이송되는 분무된 미스트상 금속포함 물질은 가스 공급부(700)에 의해 챔버(800) 내부에 공급되어 챔버(800) 내부에 배치되는 기판(미도시함) 상에 증착막을 형성하는 역할을 할 수 있다.
금속 소스 공급 장치(1)에서 분무된 미스트상 금속포함 물질이 금속원소(예를 들어, Ga)일 경우와 금속화합물(예를 들어, GaCl3)일 경우 간에는 챔버(800) 내부에 공급되는 과정에 차이가 있으므로, 이를 설명한다.
첫째로, 미스트상 금속포함 물질이 금속원소일 경우에는, 가스 공급부(700)로부터 챔버(800) 내부로 공급되기 전에 별도의 할로겐 포함 가스 공급부(미도시함)에 의해 공급되는 할로겐 포함 가스(예를 들어, HCl)와 반응하여 금속화합물(예를 들어, GaCl)의 형태로 변경되고, 금속화합물의 상태에서 가스 공급부(700)로부터 챔버(800) 내부에 공급될 수 있다.
둘째로, 미스트상 금속포함 물질이 금속화합물(예를 들어, GaCl3)일 경우에는, 미스트상 금속포함 물질이 그대로 가스 공급부(700)를 통해 챔버(800) 내부에 공급될 수 있다.
GaCl 또는 GaCl3의 형태로 공급된 금속화합물은 챔버(800) 내부에서 질소 소스(예를 들어, NH3)와 반응하여 금속질화물(예를 들어, GaN)을 생성하게 되고, 생성된 금속질화물이 기판 상에 증착되어 증착막을 형성할 수 있다. 금속질화물을 생성하는 반응식은 앞서 설명한 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 소스 공급 장치(1)에 의하면, 액체 금속의 표면 상에 할로겐 포함 가스를 접촉시켜서 금속 할로겐 가스를 생성하는 종래의 금속 소스 공급 장치와는 달리, 유량 조절 수단(320)에 의해 유량 제어가 가능한 액체 금속포함 물질을 분무 장치를 통해 미스트상으로 분사하기 때문에 챔버(800) 내부에 공급되는 금속포함 물질의 양을 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 챔버(800) 내부의 조건 및 상태(예를 들어, 매엽식 챔버인지 배치식 챔버인지)에 따라 기판에 증착막이 최적의 상태로 증착되도록 금속포함 물질의 양을 제어하여 챔버(800) 내부에 제공할 수 있다.
또한, 금속포함 물질이 금속원소인 경우에는, 금속포함 물질을 할로겐 포함 가스와 반응시켜서 금속화합물을 생성하게 되는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 소스 공급 장치(1)에 의하면, 금속원소인 금속포함 물질을 미스트상으로 분무하여 할로겐 포함 가스와 반응시키기 때문에 금속원소와 할로겐 포함 가스 간의 반응성을 실질적으로 100% 수준까지 높일 수 있다. 따라서, 금속원소와 할로겐 포함 가스 간의 반응에 의해 생성되는 금속화합물의 양에 대한 제어 신뢰도를 높일 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 내부에 액체 상태의 금속포함 물질을 수용하는 용기, 상기 용기로부터 배출된 상기 액체 상태의 금속포함 물질이 이송되는 유로, 상기 유로 상에서 이송되는 상기 액체 상태의 금속포함 물질의 유량을 조절하는 유량 조절 수단, 및 상기 유량 조절 수단에 의해 유량 조절된 상기 액체 상태의 금속포함 물질을 미스트상으로 분무시키는 분무 수단을 포함하는 금속 소스 공급 장치,
    증착막이 형성되는 공간을 제공하는 챔버,
    상기 챔버 내에 상기 분무 수단으로부터 분무된 상기 미스트상 금속포함 물질과 할로겐 포함 가스를 공급하는 가스 공급부, 및
    상기 미스트상 금속포함 물질과 반응하기 위한 상기 할로겐 포함 가스를 공급하는 할로겐 가스 공급부
    를 포함하는 증착막 형성 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 용기 내부에 압력을 가하여 상기 액체 상태의 금속포함 물질이 배출되도록 하기 위한 가압 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증착막 형성 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 유로 상에서 이송된 상기 액체 상태의 금속포함 물질을 상기 분무 수단으로 전달하기 위한 압전 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증착막 형성 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 유량 조절 수단은 액체 유량계(Liquid Flow Meter)인 것을 특징으로 하는 증착막 형성 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 액체 상태의 금속포함 물질은 금속원소인 것을 특징으로 하는 증착막 형성 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속원소는 갈륨(Ga)인 것을 특징으로 하는 증착막 형성 장치.
  15. 삭제
  16. 제9항에 있어서,
    상기 액체 상태의 금속포함 물질은 금속화합물인 것을 특징으로 하는 증착막 형성 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 금속화합물은 삼염화갈륨(GaCl3)인 것을 특징으로 하는 증착막 형성 장치.
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