KR101589255B1 - 박막 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

박막 증착 장치는 챔버와, 서셉터와, 소스 가스 공급부, 및 추가 가스 공급부를 포함한다. 챔버는 증착 공정이 행해지는 내부 공간을 갖는다. 서셉터는 챔버 내에 회전 가능하게 설치되며, 상면에 회전중심 둘레를 따라 복수의 기판들을 지지한다. 소스 가스 공급부는 서셉터의 상부 중앙으로 제1,2 소스 가스를 서로 분리한 상태로 도입한 후 도입된 제1,2 소스 가스를 상하로 배열된 분사구들을 통해 서셉터 주변을 향해 각각 분사하여, 서셉터 상의 기판들에 공급한다. 추가 가스 공급부는 챔버 내의 상측에서 서셉터 상면으로 추가 가스를 공급한다.

Description

박막 증착 장치{Thin film deposition apparatus}
본 발명은 반도체 등의 제조에 있어 기판 상에 박막을 증착하기 위해 사용되는 박막 증착 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체에서 사용하는 박막 제조 방법으로는 CVD(Chemical Vapor Deposition)법, PVD(Physical Vapor Deposition)법이 있다. CVD법은 기체상태의 혼합물을 가열된 기판 표면에서 화학 반응시켜 생성물을 기판 표면에 증착시키는 기술이다. CVD법은 전구체(precursor)로 사용되는 물질의 종류, 공정 중의 압력, 반응에 필요한 에너지 전달 방식 등에 의해, APCVD(Atmospheric CVD), LPCVD(Low Pressure CVD), PECVD(Plasma Enhanced CVD), MOCVD(Metal Organic CVD)법 등으로 구분된다.
최근에는 발광다이오드용 질화물 반도체가 각광을 받고 있는데, 발광다이오드용 질화물 반도체의 단결정 성장을 위해 MOCVD법이 많이 사용되고 있다. MOCVD법은 액체 상태의 원료인 유기금속 화합물을 기체 상태로 기화시킨 다음, 기화된 소스 가스를 증착 대상인 기판으로 공급해서 고온의 기판에 접촉시킴으로써, 기판 상에 금속 박막을 증착시키는 방법이다.
이러한 MOCVD법의 경우, 소스 가스를 기판으로 공급하기 위한 방식으로 인젝션(injection) 방식이 많이 채용되고 있다. 인젝션 방식은 챔버의 중앙에 설치된 인젝터를 통해 소스 가스를 서셉터의 상부 중앙으로 도입한 후, 도입된 소스 가스를 수평 방향으로 서셉터 주변을 향해 분사하여 서셉터 상의 기판들에 공급하는 방식이다.
그런데, 전술한 인젝션 방식에 의하면, 증착 공정시 챔버의 내부 공간이 고온 환경이기 때문에, 분사된 소스 가스는 상승 기류를 형성하면서 챔버의 천장(ceiling)에 접촉하게 된다. 천장은 챔버의 탑 리드(top lid)를 보호하기 위해 마련된 것이다.
증착 공정 중 소스 가스가 천장에 접촉됨에 따라, 천장에는 불필요한 박막이 증착될 수 있다. 불필요한 박막은 증착 공정이 수회 진행되면 떨어져나가 기판에 영향을 미치는 문제를 발생시키게 된다. 이러한 문제를 예방하기 위해서는 작업자가 천장을 자주 교체해 주어야 하므로, PM(Preventive Maintenance; 사전 예방정비) 주기가 짧게 된다. 따라서, 작업자에게 불편함을 주게 된다. 게다가, 소스 가스 중 일부가 천장에 불필요한 박막을 증착하는데 사용되기 때문에, 기판에 대한 소스 가스의 공급 효율을 저하시키는 문제도 있다.
본 발명의 과제는 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탑 리드 쪽에 불필요한 박막 증착을 방지하여 PM 주기를 늘릴 수 있을 뿐 아니라 소스 가스의 공급 효율을 증대시킬 수 있는 박막 증착 장치를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막 증착 장치는, 증착 공정이 행해지는 내부 공간을 갖는 챔버; 상기 챔버 내에 회전 가능하게 설치되며, 상면에 회전중심 둘레를 따라 복수의 기판들을 지지하는 서셉터; 상기 서셉터의 상부 중앙으로 제1,2 소스 가스를 서로 분리한 상태로 도입한 후 도입된 제1,2 소스 가스를 상하로 배열된 분사구들을 통해 상기 서셉터 주변을 향해 각각 분사하여, 상기 서셉터 상의 기판들에 공급하는 소스 가스 공급부; 및 상기 챔버 내의 상측에서 상기 서셉터 상면으로 추가 가스를 공급하는 추가 가스 공급부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 서셉터 상부에서 소스 가스들을 수평 방향으로 공급하는 한편 챔버 내의 상측에서 추가 가스를 수직 방향으로 공급함으로써, 소스 가스가 챔버의 천장에 접촉되는 것을 차단할 수 있다. 이에 따라, 챔버의 천장에 불필요한 박막이 증착되는 것이 방지될 수 있다. 따라서, 작업자는 천장을 자주 교체해 줄 필요가 없게 되므로, PM 주기를 늘릴 수 있다. 또한, 챔버의 천장에 불필요한 박막이 증착되는 것이 방지됨으로 인해, 소스 가스의 불필요한 소모를 없애어 소스 가스의 공급 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 장치에 대한 측단면도.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 증착 장치에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 박막 증착 장치(100)는 기판(10) 상에 박막을 증착하는 장치로서, 챔버(110)와, 서셉터(120)와, 소스 가스 공급부(130), 및 추가 가스 공급부(140)를 포함한다. 여기서, 기판(10)은 웨이퍼 또는 글라스 기판일 수 있다.
챔버(110)는 증착 공정이 행해지는 내부 공간을 갖는다. 챔버(110)는 상부가 개구된 챔버 본체(111)와, 챔버 본체(111)의 상부 개구를 덮는 탑 리드(112), 및 탑 리드(112)의 하면을 보호하기 위해 석영 등으로 이루어진 천장(113)을 포함할 수 있다.
탑 리드(112)는 증착 공정시 하강 동작하여 챔버 본체(111)의 상부 개구를 폐쇄하고, 기판(10)의 로딩 또는 언로딩시 승강 동작하여 챔버 본체(111)의 상부 개구를 개방시킬 수 있다.
서셉터(120)는 상면에 중심 둘레를 따라 복수의 기판(10)들을 지지한다. 이는 대량 생산을 위해 보다 많은 기판(10)들에 대해 한꺼번에 박막 증착하기 위함이다. 서셉터(120)의 중심 주위에 복수의 기판 안착부(121)들이 균일하게 분포되어 형성될 수 있다. 기판 안착부(121)들에 기판(10)들이 각각 안착되어 지지될 수 있다. 다른 예로, 도시하고 있지 않지만, 서셉터(120)의 중심 주위에 복수의 기판 기판 홀더들이 균일하게 분포되어 설치될 수 있다. 각각의 기판 홀더는 상면에 복수의 기판들을 각각 수용해서 지지한다.
서셉터(120)는 챔버(110) 내에 회전구동기구(미도시)에 의해 회전 가능하게 설치된다. 예컨대, 서셉터(120)는 서셉터 지지대(122)에 의해 지지되며, 서셉터 지지대(122)가 회전구동기구에 의해 회전함에 따라 회전할 수 있다. 만일, 서셉터(120) 상에 기판 홀더들이 마련된 경우라면 기판 홀더들도 각각 가스 쿠션 등에 의해 회전 가능하게 설치된다. 이는 증착 공정 중 서셉터(120)의 상부 중앙으로부터 분사되는 소스 가스가 서셉터(120) 상의 모든 기판(10)들에 고르게 공급되도록 하기 위해서이다. 서셉터(120)는 증착 공정 중 히터(미도시)에 의해 가열되어 상면에 지지된 기판(10)들이 가열될 수 있게 한다.
소스 가스 공급부(130)는 서셉터(120)의 상부 중앙으로 제1,2 소스 가스를 서로 분리한 상태로 도입한 후 도입된 제1,2 소스 가스를 상하로 배열된 분사구들(131a)(131b)을 통해 서셉터(120) 주변을 향해 각각 분사한다. 이에 따라, 제1,2 소스 가스가 서셉터(120) 상의 기판(10)들에 공급될 수 있다.
소스 가스 공급부(130)는 제1,2 소스 가스를 서셉터(120)의 상면에 나란한 수평 방향으로 분사하도록 구성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 소스 가스 공급부(130)는 서셉터(120) 상의 기판(10)들에 제1,2 소스 가스를 원활히 공급할 수 있는 범주에서 하측으로 경사진 방향으로 분사하는 등 다양하게 구성될 수 있다.
그리고, 소스 가스 공급부(130)는 제1,2 소스 가스를 서로 분리된 상태로 각각 공급하기 위한 공급 라인들(132a)(132b)을 포함할 수 있다. 공급 라인들(132a)(132b)은 탑 리드(112)를 관통하여 서셉터(120)의 상부 중앙으로 연장되고, 연장된 단부들에 형성된 분사구들(131a)(131b)이 상하로 배열되도록 굽어진 구조로 이루어질 수 있다.
추가 가스 공급부(140)는 챔버(110) 내의 상측에서 서셉터(120) 상면으로 추가 가스를 공급한다. 이는 챔버(110)의 천장(113)에 불필요한 박막이 증착되는 것을 방지하기 위함이다.
상술하면, 소스 가스 공급부(130)로부터 분사된 제1,2 소스 가스는 확산되면서 서로 혼합되며, 혼합된 소스 가스는 서셉터(120)의 주변을 향해 흘러가게 된다. 챔버(110)의 내부 공간은 고온 환경이기 때문에, 혼합된 소스 가스는 서셉터(120)의 주변을 향해 흘러가는 중에 상승 기류를 형성하면서 챔버(110) 내의 상측면으로 상승하려고 한다.
이때, 추가 가스 공급부(140)로부터는 추가 가스가 서셉터(120) 상면으로 분사되어 챔버(110) 내의 상측면과 혼합된 가스 사이에 가스층을 형성하고 있으므로, 혼합된 소스 가스는 가스층에 의해 챔버(110) 내의 상측면으로 상승하지 못하고 서셉터(120) 상면을 따라 나란하게 흐르도록 유도된다.
따라서, 혼합된 소스 가스는 챔버(110)의 천장(113)에 접촉되지 않게 되므로, 천장(113)에 불필요한 박막이 증착되는 것이 방지될 수 있는 것이다. 그에 따라, 작업자는 천장(113)을 자주 교체해 줄 필요가 없게 되므로, PM 주기를 늘릴 수 있다. 또한, 천장(113)에 불필요한 박막이 증착되는 것이 방지됨으로 인해, 소스 가스의 불필요한 소모를 없애어 소스 가스의 공급 효율을 증대시킬 수 있다.
추가 가스 공급부(140)는 추가 가스를 서셉터(120)의 상면에 수직한 방향으로 분사하도록 구성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 추가 가스 공급부(140)는 전술한 기능을 수행할 수 있는 범주에서 경사진 방향으로 분사하도록 구성되는 등 다양하게 구성될 수 있다.
한편, 증착 공정이 Ⅲ-Ⅴ족 MOCVD법에 의해 행해지는 경우, 제1 소스 가스는 Ⅲ족 원소를 함유한 소스 가스이며, 제2 소스 가스는 Ⅴ족 원소를 함유한 소스 가스일 수 있다. 제1 소스 가스는 Ⅲ족 원소를 포함하는 유기 금속으로서, TMG(Trimethylgallium) 또는 TEG(Triethylgallium) 또는 TMI(Trimethylindium) 등일 수 있다. 그리고, 제2 소스 가스는 Ⅴ족 원소를 포함하는 수소화물로서, NH3 또는 PH3 또는 AsH3 등일 수 있다. 제1,2 소스 가스에는 캐리어 가스가 각각 포함될 수도 있다.
추가 가스는 Ⅴ족 원소를 함유한 가스, 수소 가스, 비활성 가스 중 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. Ⅴ족 원소를 함유한 가스의 예로는 NH3 또는 PH3 또는 AsH3 등과 같은 Ⅴ족 원소를 포함하는 수소화물일 수 있다. 비활성 가스의 예로는 질소(N2) 가스 또는 헬륨(He) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스 등일 수 있다.
소스 가스 공급부(130)에서, Ⅴ족 원소를 함유한 소스 가스를 분사하는 분사구와 Ⅲ족 원소를 함유한 소스 가스를 분사하는 분사구 중, 서셉터(120) 측에 가장 인접한 분사구는 Ⅴ족 원소를 함유한 소스 가스를 분사하는 분사구일 수 있다. 물론, 서셉터(120) 측에 가장 인접한 분사구는 Ⅲ족 원소를 함유한 소스 가스를 분사하는 분사구인 것도 가능하다.
추가 가스 공급부(140)는 탑 리드(112)의 하측에 소스 가스 공급부(130)의 적어도 일부를 둘러싸도록 설치되며, 서셉터(120) 상면으로, 예컨대 서셉터(120)의 상면에 수직한 방향으로 추가 가스를 분사하는 가스 분사구(141)가 다수 형성된 구성으로 이루어질 수 있다. 그리고, 추가 가스 공급부(140)의 가스 분사 영역은 탑 리드(112)의 하측에서 소스 가스 공급부(130)의 분사구들(131a)(131b)에 인접한 위치로부터 탑 리드(112)의 주변 쪽으로 일정 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 예를 들어, 추가 가스 공급부(140)의 가스 분사 영역은 소스 가스 공급부(130)의 분사구들(131a)(131b)에 인접한 위치로부터 기판(10)들에 대해 증착 공정이 행해지는 공정 영역 내의 위치까지 형성될 수 있다.
다른 예로, 추가 가스 공급부(140)의 가스 분사 영역은 소스 가스 공급부(130)의 분사구들(131a)(131b)에 인접한 위치로부터 공정 영역보다 안쪽 위치까지 형성되는 것도 가능하다. 또 다른 예로, 추가 가스 공급부(140)의 가스 분사 영역은 소스 가스 공급부(130)의 분사구들(131a)(131b)에 인접한 위치로부터 공정 영역보다 안쪽 위치까지 형성되는 것도 가능하다. 즉, 추가 가스 공급부(140)의 가스 분사 영역은 챔버(110)의 천장(113)에 불필요한 박막이 증착되는 것을 방지할 수 있는 범주에서 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 도시하고 있지는 않지만, 박막 증착 장치(100)는 소스 가스 공급부(130)의 분사구들(131a)(131b) 사이, 또는 소스 가스 공급부(130)의 상측 분사구(131a)의 위쪽 또는 소스 가스 공급부(130)의 하측 분사구(131b)의 아래쪽에서 비활성가스를 공급하기 위한 비활성가스 공급부를 더 포함할 수 있다. 비활성가스 공급부로부터 공급된 비활성가스는 소스 가스 공급부(130)로부터 분사된 제1,2 소스 가스 간에 분사구 인접영역에서의 반응을 방지하는 역할을 하거나, 제1,2 소스 가스의 캐리어로서 역할을 할 수 있다. 여기서, 비활성가스는 질소 가스나 헬륨 가스나 아르곤 가스일 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110..챔버 112..탑 리드
113..천장 120..서셉터
130..소스 가스 공급부 140..추가 가스 공급부

Claims (7)

  1. 증착 공정이 행해지는 내부 공간을 갖는 챔버;
    상기 챔버 내에 회전 가능하게 설치되며, 상면에 회전중심 둘레를 따라 복수의 기판들을 지지하는 서셉터;
    상기 서셉터의 상부 중앙으로 제1,2 소스 가스를 서로 분리한 상태로 도입한 후 도입된 제1,2 소스 가스를 상하로 배열된 분사구들을 통해 상기 서셉터 주변을 향해 각각 분사하여, 상기 서셉터 상의 기판들에 공급하는 소스 가스 공급부; 및
    상기 챔버 내의 상측에서 상기 서셉터 상면으로 추가 가스를 공급하는 추가 가스 공급부;를 포함하며,
    상기 챔버는 상부가 개구된 챔버 본체와 상기 챔버 본체의 상부 개구를 덮는 탑 리드를 포함하며,
    상기 추가 가스 공급부는 상기 탑 리드의 하측에 상기 소스 가스 공급부의 적어도 일부를 둘러싸도록 설치되며, 상기 챔버 내의 상측에서 상기 서셉터 상면으로 추가 가스를 분사하는 가스 분사구가 다수 형성된 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 추가 가스는 Ⅴ족 원소를 함유한 가스, 수소 가스, 비활성 가스 중 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 소스 가스는 Ⅲ족 원소를 함유한 소스 가스이며,
    상기 제2 소스 가스는 Ⅴ족 원소를 함유한 소스 가스인 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 Ⅴ족 원소를 함유한 소스 가스를 분사하는 분사구와 상기 Ⅲ족 원소를 함유한 소스 가스를 분사하는 분사구 중 상기 서셉터 측에 가장 인접한 분사구는 상기 Ⅴ족 원소를 함유한 소스 가스를 분사하는 분사구인 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 추가 가스 공급부의 가스 분사 영역은,
    상기 탑 리드의 하측에서 상기 소스 가스 공급부의 분사구에 인접한 위치로부터 상기 탑 리드의 주변 쪽으로 형성되되, 기판들에 대해 증착 공정이 행해지는 공정 영역보다 안쪽 위치까지, 또는 공정 영역 내의 위치까지, 또는 공정 영역보다 바깥쪽 위치까지 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소스 가스 공급부의 분사구들 사이, 또는 상기 소스 가스 공급부의 상측 분사구의 위쪽 또는 상기 소스 가스 공급부의 하측 분사구의 아래쪽에서 비활성가스를 공급하기 위한 비활성가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
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