KR101563817B1 - 막 제조 장치, 및 이를 이용한 막의 제조 방법 - Google Patents

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KR101563817B1 KR1020140126498A KR20140126498A KR101563817B1 KR 101563817 B1 KR101563817 B1 KR 101563817B1 KR 1020140126498 A KR1020140126498 A KR 1020140126498A KR 20140126498 A KR20140126498 A KR 20140126498A KR 101563817 B1 KR101563817 B1 KR 101563817B1
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이성국
심광보
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

막 제조 장치가 제공된다. 상기 막 제조 장치는, 리액터 내에 배치되고, 제1 소스가 수용되는 용기(container), 상기 용기 내에 상기 제1 소스를 공급하는 제1 소스 공급부, 및 상기 용기 내에, 상기 제1 소스와 반응하는 제2 소스를 공급하는 제2 소스 공급부를 포함하되, 상기 용기는, 바닥면, 상기 바닥면에서 위로 연장되는 측면, 및 상기 측면에 제공되는 복수의 개구부(opening)를 포함할 수 있다.

Description

막 제조 장치, 및 이를 이용한 막의 제조 방법{Apparatus for fabricating a layer, and method of fabricating a layer using the same}
본 발명은 막 제조 장치 및 이를 이용한 막의 제조 방법에 관련된 것이다.
반도체 메모리 소자, 발광 다이오드, 시스템 반도체 소자, 전력 반도체 소자 등 반도체 기술의 발전에 따라, 소자의 신뢰성, 수명 등을 향상시키기 위해, 우수한 특성을 갖는 막의 제조 장치 및 방법이 연구되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 10-2012-0071695(출원번호 10-2010-0133341, 출원인 삼성엘이디 주식회사)에는, 기판을 수용하기 위한 포켓이 형성된 상면을 가지고 광 투광성 물질로 형성된 서셉터 본체부, 및 광흡성 물질로 형성된 광흡수부를 포함하는 화학기상 증착용 서셉터를 이용하여 기판에 휨 현상이 발생되더라도, 기판을 균일하게 가열할 수 있는 방법이 개시되어 있다.
다른 예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 10-2002-0056194(출원번호 10-2000-0085507, 출원인 하이닉스 반도체)에는, 자외선 램프를 기존의 싱글 웨이퍼 타입의 저압 화학 기상 증착 장치에서 가열기(heater)인 할로겐 램프 어셈블리(halogen lamp assembly)에 연결하여, 공정 열 부하를 감소시키고, 높은 성장 속도를 갖는 단결정 실리콘 제조 장치가 개시되어 있다.
대한민국 특허 공개 공보 10-2012-0071695 대한민국 특허 공개 공보 10-2002-0056194
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고신뢰성의 막 제조 장치, 및 이를 이용한 막 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 공정 시간 및 제조 비용이 감소된 막 제조 장치, 및 이를 이용한 막 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 수율이 향상된 막 제조 장치, 및 이를 이용한 막 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전위 밀도가 감소된 막 제조 장치, 및 이를 이용한 막 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고품질의 벌크(bulk) 형태의 단결정 질화갈륨 막의 제조 장치, 및 이를 이용한 질화갈륨 막의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위해, 본 발명은 막 제조 장치를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 막 제조 장치는, 리액터 내에 배치되고, 제1 소스가 수용되는 용기(container), 상기 용기 내에 상기 제1 소스를 공급하는 제1 소스 공급부, 및 상기 용기 내에, 상기 제1 소스와 반응하는 제2 소스를 공급하는 제2 소스 공급부를 포함하되, 상기 용기는, 바닥면, 상기 바닥면에서 위로 연장되는 측면, 및 상기 측면에 제공되는 복수의 개구부(opening)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스와 상기 제2 소스가 반응하여, 상기 용기 내에 반응 가스가 생성되고, 상기 반응 가스는 상기 복수의 개구부를 통하여 상기 용기 외부로 방출되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 막 제조 장치는, 상기 리액터 내에 배치되고, 제3 소스를 공급하는 제3 소스 공급부, 및 상기 리액터 내에 배치되고, 상기 방출된 반응 가스 및 상기 제3 소스를 제공받아 막이 형성되는 베이스 기판을 지지하는 지지부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스는 갈륨(Ga)을 포함하고, 상기 제2 소스는 염소(Cl)를 포함하고, 사기 제3 소스는 질소(N)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 막 제조 장치는, 상기 용기가 위치한 상기 리액터의 일부분을 둘러싸고, 열을 공급하는 제1 히팅부, 및 상기 지지부가 위치한 상기 리액터의 일부분을 둘러싸고, 열을 공급하는 제2 히팅부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 히팅부가 상기 제1 히팅부보다, 높은 온도의 열을 공급하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스 공급부는, 상기 제1 소스가 보관되는 제1 소스 탱크, 상기 제1 소스 탱크에서 상기 용기 내부로 연장되어, 상기 제1 소스의 공급 경로를 제공하는 제1 소스 공급 라인, 및 상기 제1 소스 공급 라인에 제공되고, 상기 제1 소스의 공급량을 조절하는 밸브부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스 공급부는, 상기 제1 소스 탱크에 보관된 상기 제1 소스에 열을 공급하는 제1 소스 히팅부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 개구부는, 상기 측면의 상단에 인접하게 제공되는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제들을 해결하기 위해, 본 발명은 막 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 막 제조 방법은, 리액터 내의 지지부 상에 베이스 기판을 준비하는 단계, 상기 베이스 기판의 상부면을 질화 처리하는 단계, 및 상기 베이스 기판의 상기 상부면 상에 갈륨(Ga)을 포함하는 반응 가스, 및 질소를 포함하는 소스를 제공하여, 질화갈륨막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 바닥면, 상기 바닥면에서 위로 연장하는 측면, 및 상기 측면에 제공되는 복수의 개구부를 포함하는 용기가 상기 리액터 내에 제공되고, 상기 용기 내에 갈륨이 수용되고, 상기 반응 가스는, 상기 용기 내에서 생성되어, 상기 복수의 개구부를 통하여, 상기 용기 내에서 상기 베이스 기판의 상기 상부면으로 제공되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 막 제조 방법은, 상기 용기 내에 갈륨을 연속적으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 갈륨은 0.057~0.058g/min 공급되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 용기 내에 제1 소스가 수용되고, 상기 용기 내에 제2 소스가 유입될 수 있다. 상기 제1 소스 및 상기 제2 소스가 반응되어 상기 용기 내에 반응 가스가 생성될 수 있다. 상기 반응 가스는, 상기 용기의 측벽에 제공된 복수의 개구부를 통하여 방출되어, 베이스 기판 상에 원활하게 제공될 수 있다.
또한, 상기 반응 가스의 생성에 의해 상기 제1 소스가 감소되는 양에 따라서, 상기 용기 내에 상기 제1 소스가 연속적으로 공급될 수 있다. 이로 인해, 상기 반응 가스의 생성량 및 공급량의 변화가 최소화될 수 있다.
이에 따라, 공정 시간 및 제조 비용이 감소되고, 제조 수율이 향상되고, 두꺼운 벌크(bulk) 형태의 단결정 막을 상기 베이스 기판 상에 제조할 수 있는, 막 제조 장치가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 막 제조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 막 제조 장치에 포함된 용기를 설명하기 위한 확대 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 막 제조 장치를 이용한 막 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 질화갈륨 막의 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 질화갈륨 막의 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 막 제조 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 막 제조 장치에 포함된 용기를 설명하기 위한 확대 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 막 제조 장치는, 리액터(100, reactor), 상기 리액터(100) 내의 용기(105, container), 제1 소스 공급부(110), 제2 소스 공급부(120), 제3 소스 공급부(130), 캐리어 가스 공급부(140), 제1 히팅부(151), 제2 히팅부(152), 지지부(160), 및 배출구(170)를 포함할 수 있다.
상기 용기(105)는 상기 리액터(100) 내에 배치되되, 바닥면(105a), 상기 바닥면(105a)에서 위로 연장되는 측면(105b), 및 상기 측면(105b)에 제공된 복수의 개구부(105c, opening)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 개구부(105c)는 상기 측면(105b)의 상단에 인접하게 배치될 수 있다.
상기 용기(105)는, 제1 소스(S1)를 수용할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스(S1)는 갈륨(Ga) 융액일 수 있다. 상기 제1 소스(S1)는, 상기 용기(105)의 상기 복수의 개구부(105c)에 의해 상기 용기(105) 외부로 유출되지 않을 정도로, 상기 용기(105) 내에 수용될 수 있다.
도 1 및 도 2에서 상기 용기(105)의 상기 복수의 개구부(105c)가 원형인 것으로, 설명되었으나, 상기 복수의 개구부(105c)의 형태는 이에 제한되지 아니하고, 타원형, 다각형, 그루브(groove) 등 다양한 형태로 제공될 수 있다.
상기 제1 소스 공급부(110)는 상기 용기(105) 내에 상기 제1 소스(S1)를 공급할 수 있다. 상기 제1 소스 공급부(110),는 상기 용기(105) 내에 상기 제1 소스(S1)가 일정 수준을 유지하도록, 상기 제1 소스(S1)를 연속적으로 제공할 수 있다. 상기 제1 소스 공급부(110)는, 상기 제1 소스(S1)가 상기 용기(105)의 상기 복수의 개구부(105c)에 의해 상기 용기(105) 외부로 유출되지 않을 정도로, 상기 제1 소스(S1)를 상기 용기(105)로 공급할 수 있다.
상기 제1 소스 공급부(110)는, 상기 제1 소스(S1)가 보관되는 제1 소스 탱크(112), 상기 제1 소스 탱크(112)에서 상기 용기(105) 내부로 연장되어 상기 제1 소스(S1)의 공급 경로를 제공하는 제1 소스 공급 라인(114), 및 상기 제1 소스 공급 라인(114)에 제공되고 상기 제1 소스(S1)의 공급량을 조절하는 밸브부(116)를 포함할 수 있다.
상기 제1 소스 공급부(110)는, 상기 제1 소스 탱크(112)에 보관된 상기 제1 소스(S1)에 열을 공급하는 제1 소스 히팅부(118)를 더 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스 히팅부(118)에서 제공되는 열에 의해, 상기 제1 소스(S1)는 액체 상태로 상기 제1 소스 탱크(112)에 보관될 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 소스 공급부(110)는 안정적으로, 상기 제1 소스(S1)를 상기 용기(105) 내로 공급할 수 있다.
상기 제2 소스 공급부(120)는, 상기 용기(105) 내에 제2 소스(S2)를 공급할 수 있다. 상기 제2 소스(S1)는, 상기 용기(105)에 수용된 상기 제1 소스(S1)와 반응하여, 반응 가스(RG)를 생성할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이, 상기 제1 소스(S1)가 갈륨(Ga)을 포함하는 경우, 상기 제2 소스(S2)는 염소(Cl)를 포함하고, 상기 반응 가스(RG)는 갈륨(Ga) 및 염소(Cl)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 소스(S2)는 HCl 가스를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 소스(S1) 및 상기 제2 소스(S2)는 아래 <화학식 1>과 같이 반응하여, GaCl 반응 가스를 생성할 수 있다.
<화학식 1>
Ga + HCl -> GaCl + 1/2H2
상기 용기(105) 내에서 생성된 상기 반응 가스(RG)는, 상기 용기(105)의 상기 복수의 개구부(105c)를 통하여, 효율적으로, 상기 용기(105) 외부로 방출될 수 있다.
상기 제2 소스 공급부(120)는, 캐리어 가스(carrier gas, 예를 들어, 질소 가스 등)를 상기 제2 소스(S2)와 함께 상기 용기(105) 내로 공급할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 소스(S2)가 효율적으로 상기 용기(105)로 공급될 수 있다.
상기 제3 소스 공급부(130)는, 상기 리액터(100) 내에 배치되고, 제3 소스(S3)를 공급할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제3 소스(S3) 질소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 소스(S3)는 NH3 가스일 수 있다.
상기 캐리어 가스 공급부(140)는, 상기 리액터(100) 내에 배치되고, 캐리어 가스(CG)를 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 캐리어 가스(CG)는 질소 가스일 수 있다.
상기 지지부(160)는, 베이스 기판(200)을 지지하는 지지판(162), 및 상기 지지판(162)과 연결된 지지 로드(164)를 포함할 수 있다. 상기 지지판(162)은 상기 지지 로드(164)를 회전축으로, 회전될 수 있다.
상기 캐리어 가스(CG)에 의해, 상기 복수의 개구부(105c)를 통하여 상기 용기(105) 외부로 방출된 상기 반응 가스(RG), 및 상기 제3 소스 공급부(130)를 통하여 공급된 사이 제3 소스(S3)가, 상기 베이스 기판(200) 상에 제공될 수 있다. 이로 인해, 상기 반응 가스(RG) 및 상기 제3 소스(S3)이 반응에 의해, 상기 베이스 기판(200) 상에 막(210)이 형성될 수 있다.
예를 들어, 상술된 바와 같이, 상기 반응 가스(RG)가 GaCl이고, 상기 제3 소스(S3)가 NH3 가스인 경우, 상기 베이스 기판(200) 상에, 아래의 <화학식 2>에 따라, 질화 갈륨막이 형성될 수 있다.
<화학식 2>
GaCl + NH3 -> GaN + HCl + H2
상기 제1 히팅부(151) 및 상기 제2 히팅부(152)는 상기 리액터(100)를 둘러쌀 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 히팅부(151)는 상기 용기(105)가 위치한 상기 리액터(100)의 일부분을 둘러싸고, 상기 제2 히팅부(152)는 상기 지지부(160)가 위치한 상기 리액터(100)의 일부분을 둘러쌀 수 있다.
상기 제1 히팅부(151) 및 상기 제2 히팅부(152)는 각각 서로 다른 온도의 열을 상기 리액터(100) 내로 공급할 수 있다. 상기 제1 히팅부(151)는, 상기 용기(105) 내에서 상기 제1 소스(S1) 및 상기 제2 소스(S2)가 효율적으로 반응시켜 상기 반윽 가스(RG)를 용이하게 생성하기 위한, 열을 공급할 수 있다. 상기 제2 히팅부(152)는, 상기 반응 가스(RG) 및 상기 제3 소스(S2)에 의해 상기 베이스 기판(200) 상에 상기 막(210)을 용이하게 생성하기 위한, 열을 공급할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 히팅부(152)가 상기 제1 히팅부(151)보다 높은 온도의 열을 공급할 수 있다.
상기 반응 가스(RG) 및 상기 제3 소스(S3)가 반응되고 남은 잔여 가스, 및 기타 다른 가스들이, 상기 배출구(170)를 통하여, 상기 리액터(100) 외부로 방출될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 용기(105) 내에서, 상기 제1 소스(S1) 및 상기 제2 소스(S2)가 반응되어, 상기 반응 가스(RG)가 생성될 수 있다. 상기 반응 가스(RG)는 상기 용기(105)의 상기 측벽(105b)에 제공된 상기 복수의 개구부(105c)를 통하여, 상기 용기(105) 외부로 효율적으로 방출될 수 있다. 이로 인해, 상기 베이스 기판(200) 상으로, 상기 반응 가스(RG)의 공급이 원활해질 수 있다.
또한, 상기 용기(105) 내에 상기 제1 소스(S1)가 상기 제1 소스 공급부(110)에 의해 연속적으로 공급되어, 상기 반응 가스(RG)의 생성량이 실질적으로(substantially) 일정하게 유지될 수 있다. 이로 인해, 상기 베이스 기판(200) 상으로 공급되는 상기 반응 가스(RG)의 양의 변화가 최소화될 수 있다.
만약, 상기 용기(105)의 상기 측벽(10b)에 상기 복수의 개구부(105c)가 제공되지 않는 경우, 상기 반응 가스(RG)가 원활하게 상기 용기(105) 외부로 방출되지 않을 수 있다. 또한, 상기 제1 소스 공급부(110)가 생략되어 상기 용기(105) 내로 상기 제1 소스(S1)가 추가적으로 공급되지 않는 경우, 반응이 진행됨에 따라 상기 용기(105) 내에 수용된 상기 제1 소스(S1)의 양이 감소되어, 상기 반응 가스(RG)의 생성량이 감소될 수 있다.
이와 같이, 상기 반응 가스(RG)가 상기 용기(105) 외부로 원활하게 방출되지 않거나, 및/또는, 상기 반응 가스(RG)의 생성량이 감소되는 경우, 상기 막(210)의 성장 속도가 감소되고, 상기 반응 가스(RG, 예를 들어, GaCl)의 양이 상기 제3 소스(S3, 예를 들어, NH3)의 양과 비교하여 상대적으로 감소되어 상기 반응 가스(RG)와 상기 제3 소스(S3)의 반응에 의해 생성되는 상기 막(210) 내에 결함이 증가되고, 미반응되어 잔존된 다량의 상기 제2 소스(S2, 예를 들어, HCl)에 의해 상기 막(210, 예를 들어, GaN)이 에칭되어 상기 막(210)의 품질이 저하되고, 상기 막(210)을 단결정 상태로 두껍게 제조하는데 한계가 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 용기(105)는 상기 반응 가스(RG)가 원활하게 상기 용기(105)로 방출하기 위한 상기 복수의 개구부(105c)를 구비하고, 상기 제1 소스 공급부(110)에 의해 상기 용기(105)로 상기 제1 소스(S1)가 연속적으로 공급될 수 있다. 이로 인해, 공정 시간 및 제조 비용이 감소되고, 제조 수율이 향상되고, 두꺼운 벌크(bulk) 형태의 단결정 막을 제조할 수 있는, 막 제조 장치가 제공될 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예에 따른 막 제조 장치를 이용한 막 제조 방법이 설명된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 막 제조 장치를 이용한 막 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 리액터(100) 내의 지지부(160) 상에 베이스 기판(200)이 준비된다(S110). 일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 기판(200)은, 사파이어 기판일 수 있다. 이와는 달리, 다른 실시 예에 따르면, 상기 베이스 기판(200)은, 반도체 기판, 화합물 반도체 기판, 유리 기판, 금속 기판, 또는 플라스틱 기판 중에서 어느 하나일 수 있다. 상기 베이스 기판(200)은 플렉시블(flexible)할 수 있다.
상기 베이스 기판(200)의 상부면이 질화 처리될 수 있다(S120). 도 1을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 제3 소스(S3)가 질소를 포함하고, 상기 캐리어 가스(CG)가 질소 가스인 경우, 상기 베이스 기판(200)의 상기 상부면은, 상기 제3 소스 공급부(130), 및 상기 캐리어 가스 공급부(140)에서 제공되는 상기 제3 소스(S3) 및 상기 캐리어 가스(CG)에 의해 질화 처리될 수 있다.
상기 베이스 기판(200)의 상기 상부면이 질화 처리된 후, 상기 베이스 기판(200)의 상부면 상에 반응 가스(RG) 및 상기 제3 소스(S3)가 제공되어, 막(210)이 형성될 수 있다(S130). 도 1을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 반응 가스(RG)가 갈륨을 포함하고, 상기 제3 소스(S3)가 질소를 포함하는 경우, 상기 막(210)은 질화갈륨 막일 수 있다.
상기 반응 가스(RG) 및 상기 제3 소스(S3)의 반응에 의해, 상기 베이스 막(200)의 상기 상부면 상에 상기 막(210)이 형성되기 전, 상기 베이스 기판(200)의 상기 상부면이 질화 처리되어, 상기 막(210)의 품질이 향상될 수 있다.
상기 반응 가스(RG)는, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 용기(105) 내에서 생성되어, 상기 용기(105)의 상기 복수의 개구부(105c)를 통하여 상기 베이스 기판(200)의 상기 상부면으로 제공될 수 있다.
상기 용기(105)에 수용된 상기 제1 소스(S1) 및 상기 제2 소스 공급부(120)에서 제공되는 상기 제2 소스(S2)의 반응에 의해, 상기 반응 가스(RG)가 생성됨에 따라, 상기 용기(105)에 수용된 상기 제1 소스(S1)의 양이 감소될 수 있다. 상기 제1 용기(105)에 수용된 상기 제1 소스(S1)의 양이 감소됨에 따라서, 도 1을 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 제1 소스 공급부(110)는 상기 제1 소스(S1)를 상기 용기(105)로 연속적으로 공급할 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 막 제조 장치를 이용하여 제조된 막의 특성 평가 결과가 설명된다.
비교 예에 따른 질화갈륨 막의 제조
베이스 기판으로 사파이어 기판을 준비하고, 제1 소스로 갈륨(Ga), 제2 소스로 HCl, 제3 소스로 암모니아 가스, 및 캐리어 가스로 질소 가스를 준비하였다. 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예로, 갈륨의 추가적인 공급 없이, 질화갈륨 막을 제조하였다.
구체적으로, 쿼츠 용기에 갈륨(Ga)을 일정량 채운 후 제1 히팅부를 이용하여 쿼츠 용기가 위치한 소스 영역은 800℃로 가열하고, 제2 히팅부를 이용하여 사파이어 기판이 위치한 성장영역의 온도는 1030℃로 가열하였다. 1030℃?에서 10분간 질소 가스로 사파이어 기판의 상부면을 전처리한 후, 질소 가스와 함께 암모니아 가스 2500sccm를 흘려 사파이어 기판의 상부면에 대해서 질화 처리를 수행하였다.
질화 처리 후에 쿼츠 용기에 HCl 가스를 흘려 GaCl 가스를 생성시키고, 암모니아 가스와 생성된 GaCl 가스를 사파이어 기판 상에서 반응시켜 질화갈륨 막을 성장시켰다.
성장 시 암모니아 가스와 GaCl 가스 비를 적절히 조절함과 동시에 캐리어 가스인 질소 가스도 동시에 제공하였다. 제공된 가스 량은 성장속도가 50㎛/hr ~ 150㎛/hr사이가 되도록 조절하여 0.3mm, 및 1.0mm 두께의 질화갈륨 막을 제조하였다.
실시 예에 따른 질화갈륨 막의 제조
상술된 비교 예에 따른 질화갈륨 막 제조 공정과 동일한 공정 조건에서, 질화갈륨 성장 시 줄어드는 갈륨(Ga)의 양을 측정하였다. 구체적으로, 성장 전후 쿼츠 용기에 수용된 갈륨(Ga)의 양을 측정하여 성장에 소모된 갈륨(Ga)의 양을 측정하였다. 이후, 소모된 갈륨(Ga)의 양을 성장소요시간으로 나누어 분당 성장에 사용된 갈륨(Ga) 양을 아래 <표 1>과 같이 측정하였다.
소모된 Ga 양(g) 성장소요시간(hrs) 분당 사용된 Ga 양(g/min.)
146 43 0.057
142 41 0.058
140 40 0.058
40~43시간 동안 질화갈륨이 성장되는 경우 소모된 갈륨(Ga)의 양은 140~146g이었고, 분당 성장에 사용된 갈륨(Ga) 양은 평균 0.058g이었다. 이는 질화갈륨 성장 시 일정한 쿼츠 용기 내에 갈륨(Ga) 수위를 일정하게 유지하기 위해서는 분당 0.058g의 갈륨(Ga)을 추가적으로, 그리고 연속적으로 공급해야 할 필요가 있음을 알 수 있다.
쿼츠 용기 내에 갈륨(Ga)의 수위를 일정하게 유지하기 위해, 10분당 0.58g의 갈륨(Ga)을 쿼츠 용기로 공급하면서, 상술된 비교 예에 따른 질화갈륨 막 제조 공정과 동일한 공정 조건에서, 본 발명의 실시 예에 따른 질화갈륨 단결정 막을 1mm두께로 제조하였다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따라 제조된 질화갈륨 막의 사진이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 질화갈륨 막의 사진이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 비교 예에 따라 제조된 두께 0.3 mm 질화갈륨 단결정 표면은 깨끗하지만, 두께 1.0mm 질화갈륨 단결정은 표면에 여러 결함이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 질화갈륨의 성장이 진행됨에 따라, 갈륨(Ga)의 양이 감소되고, 이에 따라, 반응 가스인 GaCl 가스 양이 감소되어, III/V 비가 달라져 질화갈륨 막의 품질이 열화된 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 갈륨(Ga)의 추가적인 공급으로 반응 가스인 GaCl의 양을 조절하지 않는 경우, 고품질의 벌크 형태의 질화갈륨 단결정 막의 제조가 용이하지 않음을 알 수 있다.
반면, 본 발명의 실시 예에 따라 두께 1mm로 성장된 질화갈륨 단결정 표면이 깨끗하고 품질이 우수한 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라, 갈륨(Ga)의 양을 일정하게 조절하여, 사파이어 기판으로 반응 가스(GaCl)를 원활하고 일정하게 공급하는 것이, 질화갈륨 막의 품질을 향상시키는 효율적인 방법임을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 리액터
105: 용기
105a: 바닥면
105b: 측면
105c: 복수의 개구부
110: 제1 소스 공급부
112: 제1 소스 탱크
114: 제1 소스 공급 라인
116: 밸브부
118: 제1 소스 히팅부
120: 제2 소스 공급부
130: 제3 소스 고읍부
140: 캐리어 가스 공급부
151: 제1 히팅부
152: 제2 히팅부
160: 지지부
200: 베이스 기판
210: 막
S1, S2, S3: 제1 내지 제3 소스
RG: 반응 가스
CG; 캐리어 가스

Claims (13)

  1. 리액터 내에 배치되고, 제1 소스가 수용되는 용기(container);
    상기 용기 내에 상기 제1 소스를 공급하는 제1 소스 공급부; 및
    상기 용기 내에, 상기 제1 소스와 반응하는 제2 소스를 공급하는 제2 소스 공급부를 포함하며,
    상기 용기는, 바닥면, 상기 바닥면에서 위로 연장되는 측면, 및 상기 측면에 제공되는 복수의 개구부(opening)를 포함하되
    상기 복수의 개구부는, 상기 측면의 상단에 인접하게 제공되는 것을 포함하는 막 제조 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 리액터 내에 배치되어 상기 제1 소스 및 상기 제2 소스를 제공받아 막이 형성되는 베이스 기판을 지지하도록 이루어진 지지부;
    상기 용기가 위치한 상기 리액터의 일부분을 둘러싸고, 열을 공급하는 제1 히팅부; 및
    상기 지지부가 위치한 상기 리액터의 일부분을 둘러싸고, 열을 공급하는 제2 히팅부를 더 포함하는 막 제조 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 히팅부가 상기 제1 히팅부보다, 높은 온도의 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 막 제조 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 소스 공급부는, 상기 제1 소스를 보관하는 제1 소스 탱크 및 상기 제1 소스 탱크에 보관된 제1 소스에 열을 공급하는 제1 소스 히팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 제조 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 소스 공급부는 상기 제1 소스 탱크에서 상기 용기 내부로 연장되어, 상기 제1 소스의 공급 경로를 제공하는 제1 소스 공급 라인을 더 포함하는 막 제조 장치.
  6. 리액터 내에 배치되고, 제1 소스가 수용되는 용기(container);
    상기 용기 내에 상기 제1 소스를 공급하는 제1 소스 공급부; 및
    상기 용기 내에, 상기 제1 소스와 반응하는 제2 소스를 공급하는 제2 소스 공급부를 포함하며,
    상기 리액터 내에 배치되어 상기 제1 소스 및 상기 제2 소스를 제공받아 막이 형성되는 베이스 기판을 지지하도록 이루어진 지지부;
    상기 용기가 위치한 상기 리액터의 일부분을 둘러싸고, 열을 공급하는 제1 히팅부; 및
    상기 지지부가 위치한 상기 리액터의 일부분을 둘러싸고, 열을 공급하는 제2 히팅부를 더 포함하는 막 제조 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 히팅부가 상기 제1 히팅부보다, 높은 온도의 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 막 제조 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 소스 공급부는, 상기 제1 소스를 보관하는 제1 소스 탱크 및 상기 제1 소스 탱크에 보관된 제1 소스에 열을 공급하는 제1 소스 히팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 제조 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 소스 공급부는 상기 제1 소스 탱크에서 상기 용기 내부로 연장되어, 상기 제1 소스의 공급 경로를 제공하는 제1 소스 공급 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막 제조 장치.
  10. 리액터 내에 배치되고, 제1 소스가 수용되는 용기(container);
    상기 용기 내에 상기 제1 소스를 공급하는 제1 소스 공급부; 및
    상기 용기 내에, 상기 제1 소스와 반응하는 제2 소스를 공급하는 제2 소스 공급부를 포함하며,
    상기 제1 소스 공급부는, 상기 제1 소스를 보관하는 제1 소스 탱크 및 상기 제1 소스 탱크에 보관된 제1 소스에 열을 공급하는 제1 소스 히팅부를 포함하는 막 제조 장치.
  11. 제10 항에 있어서
    상기 제1 소스 공급부는 상기 제1 소스 탱크에서 상기 용기 내부로 연장되어, 상기 제1 소스의 공급 경로를 제공하는 제1 소스 공급 라인을 더 포함하는 막 제조 장치.
  12. 리액터 내의 지지부 상에 베이스 기판을 준비하는 단계;
    상기 베이스 기판의 상부면을 질화 처리하는 단계; 및
    상기 베이스 기판의 상기 상부면 상에 갈륨(Ga)을 포함하는 반응 가스, 및 질소를 포함하는 소스를 제공하여, 질화갈륨막을 형성하는 단계를 포함하되,
    바닥면, 상기 바닥면에서 위로 연장하는 측면, 및 상기 측면에 제공되되, 상기 측면의 상단에 인접하게 제공되는 복수의 개구부를 포함하는 용기가 상기 리액터 내에 제공되어, 상기 반응 가스가 상기 복수의 개구부를 통하여, 상기 베이스 기판의 상기 상부면으로 제공되는 것을 특징으로 하는 막의 제조 방법.

  13. 삭제
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