KR101791245B1 - 위치적으로 상이하게 열 소산 부재에 커플링된 실링 패널을 갖는 ｍｏｃｖｄ 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 기판(5)상에 하나 이상의 층, 특히 결정층을 증착하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 프로세스 챔버(1)의 바닥을 형성하고, 상기 하나 이상의 기판(5)을 수용하기 위한 서셉터(2)를 갖고, 프로세스 챔버(1)의 실링을 형성하는 실링 패널(3)을 가지며, 열 공급으로 인해 프로세스 챔버에서 층형성 성분으로 분해되는 프로세스 가스와 캐리어 가스를 도입하기 위한 가스 유입 부재(4)를 갖고, 상기 서셉터(2) 아래에 복수의 가열 구역(H1 내지 H8)이 서로 이웃하여 위치되며, 상기 프로세스 챔버(1)를 대면하고 있는 서셉터 표면과 상기 프로세스 챔버(1) 내부에 위치된 가스를 가열하기 위해 상기 가열 구역에 의해 특히 상이한 열 출력(
Figure 112015021959297-pct00025
,
Figure 112015021959297-pct00026
)이 서셉터(2)에 도입되고, 상기 서셉터(2)로부터 상기 실링 패널(3)로 전달되는 열을 소산시키기 위해 상기 실링 패널(3) 위에 상기 실링 패널(3)에 열적으로 커플링된 열 소산 부재(8)가 제공된다. 증착 프로세스의 효율과 결정 품질을 향상시키기 위해, 상기 실링 패널(3)과 상기 열 소산 부재(8) 간의 열전도 커플링이 위치적으로 상이하고, 높은 열전도성을 가진 열전도 커플링 구역(Z1 내지 Z8)이 높은 열 출력(
Figure 112015021959297-pct00027
,
Figure 112015021959297-pct00028
)을 가진 가열 구역(H1 내지 H8)에 위치적으로 대응한다.

Description

위치적으로 상이하게 열 소산 부재에 커플링된 실링 패널을 갖는 ＭＯＣＶＤ 반응기{MOCVD REACTOR HAVING A CEILING PANEL COUPLED LOCALLY DIFFERENTLY TO A HEAT DISSIPATION MEMBER}
본 발명은 하나 이상의 기판상에 하나 이상의 층, 특히 결정층을 증착하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 프로세스 챔버의 플로어를 형성하고 상기 하나 이상의 기판을 수용하기 위한 서셉터를 갖고, 프로세스 챔버의 실링(ceiling)을 형성하는 커버 플레이트를 가지며, 열 입력의 결과로서 프로세스 챔버에서 층형성 성분으로 분해되는 프로세스 가스와 캐리어 가스를 도입하기 위한 가스 유입 부재를 갖고, 상기 서셉터 아래에 다수의 가열 구역이 서로 이웃하여 위치되며, 상기 프로세스 챔버를 대면하고 있는 서셉터 표면과 상기 프로세스 챔버 내부에 위치된 가스를 가열하기 위해 상기 가열 구역에 의해 열 출력이 서셉터에 도입되고, 상기 서셉터로부터 상기 커버 플레이트로 전달되는 열을 소산시키기 위해 상기 커버 플레이트 위에 상기 커버 플레이트에 열적으로 커플링된 열 소산 부재가 제공된다.
또한, 본 발명은 코팅 프로세스를 실시하기 위한 상기 장치의 용도에 관한 것이다.
미국 특허번호 제4,961,399A호는 회전 대칭의 프로세스 챔버의 센터를 중심으로 서셉터에 위치된 다수의 기판상에 3 내지 5족 성분 층을 적층하기 위한 장치를 개시하고 있다. 가스 유입 부재가 하나 이상의 수소화물, 예를 들어, NH3, AsH3, 또는 PH3를 도입하기 위해 프로세스 챔버의 센터에 위치된다. 유기금속성분, 예를 들어, TMGa, TMIn, 또는 TMAl이 상기 가스 유입 부재를 통해 프로세스 챔버로 또한 도입된다. 캐리어 가스, 예를 들어, 수소 또는 질소가 또한 이들 프로세스 가스와 함께 프로세스 챔버로 도입된다. 상기 서셉터는 아래로부터 가열된다. 이는 열복사 또는 고주파 커플링에 의해 구현된다.
서셉터의 수직 하방의 이러한 히터의 배열과 관련하여, 독일 특허번호 제102 47 921A1호를 참조한다. 상기 프로세스 챔버는 수평 방향으로 연장되며, 커버 플레이트에 의해 상한이 규정된다. 미국 특허번호 제4,961,399호는 석영으로 제조된 커버 플레이트를 개시하고 있으며, 이는 수평 갭에 의해 반응기 커버로부터 이격되어 있다. 독일 특허번호 제100 43 599A1호는 중실 플레이트 아래로 연장하는 복수의 링 형상의 부재로 구성된 커버 플레이트를 개시하고 있다.
독일 특허번호 제10 2004 009 130A1호는 중앙 가스 유입 부재를 중심으로 대칭적으로 위치된 프로세스 챔버를 가진 MOCVD 반응기를 개시하고 있으며, 상기 가스 유입 부재는 서로 수직 상방에 위치된 가스 입구 구역을 형성한다. 3족 성분이 중간 구역을 통해 프로세스 챔버로 도입되고, 5족 성분으로서 수소화물이 2개의 외측 가스 입구 구역을 통해 프로세스 챔버로 도입된다.
프로세스 챔버 내부의 수평 온도 프로파일은 그 중에서도 히터의 위치적(local) 열출력, 즉 위치적 열전달율의 함수이다. 상기 히터는 프로세스 챔버에서 프로세스 가스의 유동 방향으로 수평으로 서로 이웃하여 위치된 여러 가열 구역으로 분할된다. 회전 대칭의 프로세스 챔버에 있어서, 상기 가열 구역은 센터를 중심으로 나선형으로 배열된다. 각 가열 구역은 고유의 개별 열출력을 가지며, 이에 따라 단위 시간당 상이한 에너지량이 서셉터의 상이한 위치에 도입된다. 프로세스 챔버를 대면하고 있는 서셉터의 표면으로부터 프로세스 챔버의 실링, 즉 커버 플레이트로의 열전달 또는 열복사를 통해, 에너지 소산이 상방향으로 발생한다. 상기 커버 플레이트의 배후에 위치된 고체 플레이트, 즉 반응기 벽체가 열 소산 부재로서 사용된다.
MOCVD 프로세스를 이용하여 3족 내지 5족 성분 층을 증착할 때, 다양한 프로세스 가스 사이에 바람직하지 않은 균질 기상(homogeneous gaseous phase) 반응이 발생한다. 2개의 프로세스 가스, 예를 들어, NH3와 TMGa가 함께 혼합될 때, NH3 존재하에 TMGa의 분해 과정에서 NH3를 갖는 부산물이 형성되며, 이를 부가물 형성(adduct formation)이라 칭한다. 이 부가물 형성은 유기금속의 최종/최고 부분 분해 온도까지 발생할 수 있다. 예를 들어, TMGa는 100℃에서 먼저 DMGa로 분해된 다음, 약 500℃에서 MMGa를 거친 분해 후에만 Ga로 분해된다. 이 부분 분해 과정에서 얻어지는 중간 생성물이 수소화물과 반응한다. 생성된 화학 물질들은 기상으로 응집하여 클러스터를 형성할 수 있으며, 이를 핵형성(nucleation)이라 칭한다. 이러한 두가지 현상이 이론적으로 알려져 있으나, MOCVD 과정에서 명확한 기하학적 구조에서 이 화학 물질들의 정확한 시퀀스와 관계는 알려지지 않았다. 상기 기상의 기생 거동이 결정 성장의 품질, 성장률의 한계 및 매우 고가인 전구체의 변환 효율에 책임이 있는 것으로 여겨진다. 또한, 열영동(thermophoresis)이 생성된 입자들을 프로세스 챔버를 형성하는 커버 플레이트 측으로 온도 구배의 반대 방향으로 운반하며, 그 결과, 상기 입자들이 하방으로 쉽게 떨어져 수율을 크게 저하시키고 결정의 품질을 손상시킨다.
그러나, 증착된 층들의 결정 품질을 향상시키기 위해서, 성장면에서 유효 5족 과잉을 개선하도록, 프로세스가 600 mbar 및 그보다 높은 전체 압력에서 실시되어야 한다.
따라서, 반응물간의 자유 경로 길이를 결정하는 프로세스 압력과, 반응 가능성을 결정하는 프로세스 챔버에서의 가스 혼합물의 전파 시간과, 반응의 존재도(abundance)를 결정하는 반응물의 농도 간의 중요한 관계를 조사하고, 프로세스 챔버에서 등온분포를 분석하기 위해 내부 연구가 실시되었다.
한가지 중요한 발견은, 프로세스 챔버를 형성하는 커버 플레이트의 온도가 500℃보다 높게 설정되면, 기생 손실량이 현저히 감소될 수 있다는 것이다. 방사상 온도 분포가 매우 균질하다는 것이 특히 중요하다. 현재까지의 디자인에서 나타나는 구배는 커버 플레이트의 높은 온도에서의 긍정적인 결과를 저해한다. 다른 중요한 발견은, 프로세스 챔버를 형성하는 커버 플레이트를 덮고 있는 기생물의 특성이 유리된 분말(loose powder)에서 강한 박막으로 변한다는 것이다.
프로세스 챔버를 형성하는 커버 플레이트를 이용하여 유리한 특성을 보장하기 위해, 조절가능한 균질한 온도 분포가 열 제어에 포함되어야 한다.
독일 특허번호 제10 043 599A1호는 또한 프로세스 챔버 실링의 가열도 가능한 추가적인 히터를 개시하고 있다. 이러한 히터가 제공되고 커버 플레이트가 서셉터로부터의 열전달에 의해서만 가열된다면, 커버 플레이트에서의 위치적 온도는 서로 현저히 상이하게 된다. 이러한 온도 구배는 커버 플레이트에 기계적 부하를 유발하게 되고, 소정 횟수의 가열 싸이클 후 커버 플레이트가 파괴될 위험이 있다. 또한, 높은 온도 구배는 커버 플레이트의 변형을 유발할 수도 있다. 직경이 600㎜이거나 그보다 큰 프로세스 챔버에 있어서, 높은 전체 압력값이 최대 1000 mbar인 프로세스 챔버에 있어서, 이러한 변형은 층성장에 악영향을 준다.
기판상에서의 성장은 기판 온도, 즉 기판 바로 아래에서의 기상 온도에서 발생하며, 기판에서는 성장이 동적으로 제한된다. 상기 온도는, 확산 프로세스에서 경계층을 통과하여 기판에 도달하는 모든 반응물이 단결정을 형성하면서 기판 표면에서 자신들이 가장 선호하는 열역학적 위치를 찾기에 충분한 시간을 갖도록 선택된다. 따라서, 성장 온도는 증착 프로세스가 확산에 의해 제어되는 온도보다 높다.
따라서, 본 발명의 목적은 일반적인 종류의 장치가 그 내부에서 실행되는 증착 프로세스의 효율과 결정 품질을 향상시키도록 개선될 수 있는 수단을 제공하는 것이다.
상기 목적은 특허청구범위에 개시된 발명에 의해 실현되며, 종속항은 그들이 인용하는 청구항의 유리한 개선뿐만 아니라 상기 목적의 독립적인 실현을 나타낸다.
상기 커버 플레이트와 상기 열 소산 부재 간의 열전달 커플링이 위치적으로(locally) 상이하다는 것이 먼저 근본적으로 규정되어 있다. 따라서, 높은 열전달능력을 가진 영역이, 서셉터에 높은 열출력이 커플링되는 가열 구역을 갖춘 위치에 대하여 연관될 수 있다. 그 결과, 커버 플레이트는 서셉터에 의해 공급된 열에 의해서만 가열된다. 단위 시간당 많은 열량이 커버 플레이트에 전달되는 위치에서, 높은 열 전도율로 인해, 단위 시간당 많은 열량이 또한 전달되어 사라진다(transported away). 단위 시간당 커버 플레이트로 전달되는 열량이 적은 위치에서, 그에 상응하는 작은 열량이 전달되어 사라진다. 그 결과, 커버 플레이트의 상이한 위치에서의 온도차, 즉 수평 온도 구배는 종래 기술에서 보다 더 작다. 바람직하게, 열전달 커플링 구역은 커버 플레이트와 열 소산 부재 사이의 수평 갭에 의해 형성된다. 이들 열전달 구역이 위치적으로 상이한 열전달능력을 갖도록 하기 위하여, 갭 높이는 위치적으로 상이한 값을 갖는다. 각 열전달 커플링 구역의 갭 높이는 특정 열전달 커플링 구역과 연관된 가열 구역의 열출력의 함수이다. 상호 연관된 열전달 커플링 구역과 가열 구역은 하나 바로 위에 다른 하나가 수직으로 위치된다. 가열 구역이 센터를 중심으로 환형으로 배열되면, 열전달 커플링 구역도 센터를 중심으로 환형으로 배열된다. 일반적으로, 가스 유입 부재에 인접한 가열 구역은 기판 아래의 영역에 위치된 가열 구역보다 더 낮은 열출력을 공급한다. 그러나, 낮은 열출력으로 작동하는 가스 유입 구역과 연관된 것은 상기 가열 구역 뿐만이 아니다. 상기 가스 유입 부재로부터 원격지에 위치되고 가스 유출 부재에 인접한 가열 구역도 낮은 열출력으로 작동한다. 따라서, 커버 플레이트와 열 소산 부재 사이의 수평 갭의 갭 높이는 가스 유입 구역의 영역과 가스 유출 구역의 영역에서, 그들 사이에 위치되고 기판이 위치되는 성장 구역의 영역에서보다 더 크다. 수평 갭을 규정하는 열 소산 부재의 하면은 단차식 또는 휘어진 윤곽선으로 연장하는 단면을 가질 수 있다. 여기서, 수평 갭의 갭 높이는 프로세스 가스의 유동 방향으로 연속적으로 또는 단차식으로 변화한다. 수평 갭의 하부 갭 벽체는 평탄하게 연장될 수 있는 커버 플레이트의 상부로 향하는 면에 의해 형성된다. 바람직하게, 본 발명에 따른 장치는 실질적으로 회전 대칭인 디자인을 갖고, 대칭축은 가스 유입 부재의 센터를 통해 수직하게 연장하며, 독일 특허번호 제10 2004 009 130A1호에 따른 구조를 가질 수 있다. 상기 가스 유입 부재의 하단면은 서셉터의 중앙 리세스에 놓일 수 있으며, 따라서, 서셉터 표면 바로 위에 위치된 유입 구역으로부터 흐르는 프로세스 가스가 문제없이 프로세스 챔버내로 흐를 수 있다. 바람직하게, 이 프로세스 가스는 수소화물, 예를 들어 NH3이며, 캐리어 가스와 함께 상기 위치로 도입된다. 이 유입 구역 위에, TMAl일 수 있는 유기금속성분을 도입하기 위한 다른 유입 구역이 위치된다. 수소화물이 다시 한번 이를 통해 프로세스 챔버로 도입되는 제 3 유입 구역이 커버 플레이트 바로 아래에 위치된다. 상기 유입 구역들은 공급 라인들에 연결된다. 수소화물 공급 라인은 가스 공급 시스템의 관련 가스 계량기에 연결된다. 마찬가지로, MO 공급 라인이 가스 공급 시스템의 계량기에 연결된다. 모든 공급 라인들은 캐리어 가스로 개별적으로 퍼지가능하며 즉, 캐리어 가스 공급 라인에 연결된다. 바람직하게, 캐리어 가스도 수평 갭을 통해 흐른다. 상기 캐리어 가스는 수소, 질소 또는 불활성 가스 또는 이들 가스의 혼합물일 수 있다. 상기 수평 갭 내에서의 열전달능력은 이들 가스의 혼합물을 이용하여 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 커버 플레이트 내에서의 최대 온도와 최저 온도간의 차이가 100℃ 미만, 바람직하게는 심지어 50℃ 미만의 범위로 제한될 수 있다. 상기 커버 플레이트는 단일편 디자인으로 흑연 또는 석영으로 제조될 수 있다. 원형 대칭의 프로세스 챔버에 있어서, 상기 커버 플레이트는 원형 디스크 형상을 갖는다. 본 발명의 개선책으로서, 상기 커버 플레이트는 유동 방향으로 증가하는 재료 두께를 가질 수 있다. 여기서, 상기 갭을 대면하고 있는 커버 플레이트의 측벽은 평면 내에서 연장한다. 상기 프로세스 챔버를 대면하고 있는 커버 플레이트의 벽체는 프로세스 챔버를 대면하고 있는 서셉터의 벽체에 대해 단면이 소정 각도를 이루며 연장하며, 이에 따라 프로세스 챔버의 높이는 유동 방향으로 감소한다.
또한, 본 발명은 증착 프로세스에서의 상술한 장치의 용도에 관한 것이다. 증착 프로세스에서, 다양한 프로세스 가스가 유입 구역을 통해 프로세스 챔버로 유도된다. 유기금속성분, 예를 들어, TMGa, TMIn, 또는 TMAl이, 캐리어 가스와 함께 수직 방향으로 센터에 위치된 유입 구역을 통해 프로세스 챔버로 도입된다. 캐리어 가스와 함께 수소화물이 상부 및 하부 유입 구역을 통해 프로세스 챔버로 도입된다. 상기 수소화물은 NH3, AsH3, 또는 PH3일 수 있다. 상기 수소화물의 유동과 MO의 유동은 개별적으로 조절될 수 있다. 또한, 후자(MO)는 수평 갭을 통한 퍼지 가스 유동을 위해 공급된다. 기판은, 바람직하게 서셉터상에 회전가능하게 배치된 기판 홀더에 위치된다. 서셉터의 센터를 중심으로 다수의 기판 홀더가 환형으로 배열될 수도 있으며, 각 기판 홀더는 가스 쿠션 상에서 개별적으로 부유하며 상기 가스 쿠션을 생성하는 가스 유동에 의해 회전 구동된다. 또한, 상기 서셉터는 프로세스 챔버의 대칭 센터를 중심으로 회전 구동될 수 있다. 서셉터 아래에 위치된 히터들은 저항 히터 또는 RF 히터로 형성될 수 있다. 상기 히터들은 유동 방향으로 수평으로 인접한 가열 구역을 형성한다. 회전 대칭 배열에서, 가열 구역들은 서로를 환형으로 둘러싼다. 상기 가열 구역들은 프로세스 챔버의 센터를 나선형으로 둘러쌀 수도 있다. 본 발명에 따르면, 상기 가열 구역들에는, 그들의 열출력이 수직 상방에 위치된 열전달 커플링 구역의 열 소산 특성에 부합하여, 2개의 임의의 위치에서 측정된 커버 플레이트에서의 최대 온도차가 100℃ 또는 50℃가 되도록, 에너지가 공급된다.
기판상에서의 성장은 프로세스 가스가 이미 기상으로 분해된 온도에서 발생하며 즉, 특히 Ga 또는 N을 함유한 분해생성물이 확산 구역을 통해 기판 표면으로 확산된다. 상기 성장은 확산에 의해 제한되지 않는다. 즉, 성장 온도는 성장률이 동적으로 제한되는 온도인 확산 제어 온도 범위보다 높다. 이 온도는 사용된 수소화물뿐만 아니라 사용된 유기금속의 함수이다.
상기 기판 온도는 700℃ 내지 1150℃의 범위일 수 있다. 수평 갭을 통과하는 적당한 퍼지 가스를 선택함으로써, 프로세스 챔버의 실링 온도가 500℃ 내지 800℃의 범위가 되도록 열 소산이 조절될 수 있다.
상기 커버 플레이트의 온도는 서셉터의 온도보다 더 낮다. 서두에 언급한 바와 같이, 유기금속성분은 단차식 프로세스에서 금속 원자로 분해된다. 따라서, 예를 들어 TMGa는 분해생성물 DMGa 및 MMGa를 거쳐 Ga로 분해된다. 분해는 약 100℃에서 시작된다. 시작 물질은 약 500℃의 온도에서 완전히 분해된다. 이들 두 온도 사이에서, 분해생성물, 예를 들어 DMGa와 MMGa는 기상이다. 따라서, 피해야하는 부가물 형성, 그에 후속한 핵형성 및 클러스터링이 이 온도 범위에서 발생할 수 있다. 이 온도 범위는 사용된 유기금속의 함수이다. 상기 부가물 형성 온도보다 높도록, 즉 중간 분해생성물이 기상으로 존재하지 않는 온도에 있도록 실링 온도가 선택된다. 그러나, 커버 플레이트의 표면 온도는 하한뿐만 아니라 상한도 제한된다. 커버 플레이트의 온도는 확산에 의해 결정 성장이 제한되는 온도 범위 이내여야 한다. 따라서, 그 온도는 확산 한계와 동등한 온도 범위 이내이고, 따라서, 동적으로 제한된 온도 범위 이내인 서셉터 온도 미만이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 예시적 실시예를 설명한다.
도 1은 축(19)을 중심으로 회전 대칭인 제 1 예시적 실시예의 프로세스 챔버의 우측 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제 2 예시적 실시예의 단면도이며,
도 3은 본 발명의 제 3 예시적 실시예의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제 4 예시적 실시예의 단면도이며,
도 5는 본 발명의 제 5 예시적 실시예의 단면도이다.
본 발명과 관련된 유형의 MOCVD 반응기의 기본 디자인은 특히 이에 대해 참조되는 서두에 언급한 종래 기술로부터 알려져 있다.
예시적 실시예의 MOCVD 반응기는 서셉터(2)를 갖고, 상기 서셉터는 원형 디스크 형상을 가진 흑연 또는 석영 플레이트로 제조되어 회전축(19)을 중심으로 회전 구동될 수 있다. 상기 회전축(19)은 전체 반응기의 대칭축이다. 가스 유입 부재(4)가 반응기의 대칭축(19)에서 연장된다. 상기 가스 유입 부재(4)의 하단면이 서셉터(2)의 리세스(18)에 놓임으로써, 리세스 바로 위에 위치된 유입 구역(12)이 플로어 부근의 서셉터(2) 영역으로 개방된다. 이 유입 구역(12) 위에는 유입구역을 통해 수소화물, 예를 들어, NH3, AsH3, 또는 PH3가 프로세스 챔버(1)로 도입되도록 하는 제 2 유입 구역(11)이 위치되며, 이를 통하여 유기금속성분, 예를 들어 TMGa, TMIn, 또는 TMAl이 프로세스 챔버(1)로 도입될 수 있다. 상술한 수소화물 중 하나가 마찬가지로 프로세스 챔버(1)로 도입될 수 있도록 하는 제 3 유입 구역(10)이 커버 플레이트(3)에 바로 이웃하여 위치되고, 상기 커버 플레이트는 프로세스 챔버(1)의 상한을 규정한다.
따라서, 상기 프로세스 챔버(1)는 가스 유입 부재(4)를 중심으로 수평 방향에서 환형으로 연장하며, 수평으로 연장하는 서셉터(2)와 상기 서셉터로부터 소정 거리에 위치되어 역시 수평 방향으로 연장하는 커버 플레이트(3) 사이에서 연장한다.
상기 커버 플레이트(3) 위에는 열 소산 부재(8)가 위치된다. 이는 액냉식 중실형 몸체(liquid-cooled solid body)일 수 있다. 상기 중실형 몸체는 적당한 장착물을 통해 도시되지 않은 반응기 벽체에 고정되며, 그 내부에 액체 냉각제가 흐르는 채널을 갖는다.
석영 또는 스틸로 제조되는 상기 열 소산 부재(8)는, 예를 들면 볼록하게 휘어진 바닥면(8')을 갖는다. 이 바닥면(8')은 평탄하게 연장된 커버 플레이트(3)의 상부 벽체(3')로부터 이격하여 위치되며, 이에 따라 수평 갭(9)을 형성한다.
상기 가스 유입 부재(4)에 바로 이웃하여 위치된 가스 유입 구역을 형성하는 영역에서, 상기 수평 갭(9)은 가스 유입 부재(4)로부터 멀어질수록 연속적으로 감소하는 갭 높이(S1,S2)를 갖는다. 따라서, 상기 가스 유입 구역과 연관된 2개의 열전달 커플링 구역(Z1,Z2)은 상이한 열전달 특성을 갖는다. 큰 갭 높이(S1)로 인하여, 제 1 구역(Z1)은 상기 갭 높이(S1)보다 작은 갭 높이(S2)를 가진 이웃하여 위치된 열전달 커플링 구역(Z2)보다 낮은 열전달능력을 갖는다.
가열 구역(H1 내지 H8)은 각 열전달 커플링 구역(Z1 내지 Z8) 아래에 각각 위치되며, 상기 가스 유입 부재(4)를 중심으로 환형으로 각각 연장된다. 상기 가열 구역(H1 내지 H8)은 저항 히터 또는 RF 가열 코일로 형성된다. 상기 가열 구역(H1 내지 H8)은 서로 상이한 열출력(
Figure 112011080463625-pct00001
내지
Figure 112011080463625-pct00002
)을 발생시킨다. 가열 구역(H1,H2)에 의해 각각 발생된 열출력(
Figure 112011080463625-pct00003
,
Figure 112011080463625-pct00004
)은 중간 가열 구역(H3, H4, H5 및 H6)에 의해 각각 발생된 열출력(
Figure 112011080463625-pct00005
,
Figure 112011080463625-pct00006
,
Figure 112011080463625-pct00007
및
Figure 112011080463625-pct00008
)보다 작다. 이 가열 구역들은 회전축(19)을 중심으로 환형으로 배열된 기판(5)들 바로 아래에 위치되며, 상기 기판(5)들은 각각 회전 구동되는 기판 홀더(6) 상에 안착되어 있다. 상기 기판 홀더(6)의 회전 구동이 가스 흐름을 통해 구현됨에 따라, 상기 기판 홀더(6)는 가스 쿠션상에 지지된다.
상기 열전달 커플링 구역(Z3 내지 Z6)은 이들 성장 구역과 각각 연관된 가열 구역(H3 내지 H6)의 수직 상방에 배치된다. 상기 열전달 커플링 구역(Z3 내지 Z6)과 각각 연관된 갭 높이(S3, S4, S5 및 S6)는 열전달 커플링 구역(Z1,Z2)의 갭 높이보다 작고, 방사상 최외측의 2개의 열전달 커플링 구역(Z7,Z8)의 각 갭 높이(S7,S8)보다 작다.
프로세스 챔버(1)의 가스 유출 구역에 위치된 가열 구역(H7,H8)은 각각 방사상 최외측의 열전달 커플링 구역(Z7,Z8)과 연관된다. 상기 가스 유출 구역은 유동 방향으로 기판(5)의 먼 쪽에 위치된다. 각 가열 구역(H7,H8)에 의해 서셉터에 커플링된 열출력(
Figure 112011080463625-pct00009
,
Figure 112011080463625-pct00010
)은 각 중간 가열 구역(H3 내지 H6)에 의해 서셉터(2)에 커플링된 열출력(
Figure 112011080463625-pct00011
내지
Figure 112011080463625-pct00012
)보다 작다. 상기 가스 유출 구역은 환형 가스 유출 부재(17)에 의해 둘러싸인다.
예시적 실시예에서, 각 가열 구역(H1 내지 H8)은 거의 등간격으로 이격되어 있다. 이는 열전달 커플링 구역(Z1 내지 Z8)에도 마찬가지로 적용되며, 열전달 커플링 구역은 방사상 범위에서 실질적으로 동일한 폭을 갖는다. 각 가열 구역(H1 내지 H8)과 개별적으로 연관되는 열전달 커플링 구역(Z1 내지 Z8)이 존재하고, 각 열전달 커플링 구역(Z1 내지 Z8)의 갭 높이(S1 내지 S8)가 각 가열 구역(H1 내지 H8)의 열출력(
Figure 112011080463625-pct00013
내지
Figure 112011080463625-pct00014
)에 적합화되는 것이 중요하다. 이러한 적합화는 커버 플레이트(3)에서의 측방향 온도 구배가 최소화되고, 특히 최대 온도차가 약 100℃, 바람직하게는, 즉 약 50℃ 미만이 되는 방식으로 실현된다.
기본적으로, 상기 가스 유입 구역과 가스 유출 구역 내에서, 기판(5)이 배치된 성장 구역에서 보다 단위 시간당 더 작은 열량이 서셉터에 도입된다. 그러나, 상기 가스 유입 구역에 커플링된 열출력이 가스 유출 구역에 커플링된 열출력 보다 더 클 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 예시적 실시예에서, 열 소산 부재(8)의 벽체(8')는 환상면을 따라 연장한다. 따라서, 상기 수평 갭(9)의 상한을 규정하는 벽체(8')는 볼록하게 휘어진다. 상기 수평 갭(9)의 최소 갭 높이는 그 방사상 중간 영역에 있다. 상기 수평 갭(9)은 당해 수평 갭(9)의 2개의 방사상 단부에 최대 갭 높이를 갖는다. 따라서, 열전달 커플링 구역은 중간 영역에서 가장 큰 열전달능력을 갖고, 방사상 에지에서 가장 낮은 열전달능력을 갖는다.
도 2에 도시된 제 2 예시적 실시예는, 단지 프로세스 챔버(1)의 거의 중간으로부터 하류 영역에서의 수평 갭(9)의 경로로 인하여 제 1 예시적 실시예와 상이하다. 이 위치에서, 벽체(8')의 곡률은 제 1 예시적 실시예 보다 다소 더 평탄하며, 따라서, 수평 갭(9)의 갭 높이가 유동 방향에서 덜 증가하게 된다. 다른 중요한 차이는 환형 커버 플레이트(3)의 형상이다. 여기서도 마찬가지로, 상기 커버 플레이트(3)는 단일편 디자인이며, 단일의 환형 석영 또는 흑연 플레이트로 제조될 수 있다. 도 1에 도시된 제 1 예시적 실시예에서, 커버 플레이트(3)의 2개의 넓은 면은 서로에 대해 평행하고 상기 서셉터(2)의 상면에 대해 평행하게 연장되는 반면, 프로세스 챔버(1)를 대면하고 있는 커버 플레이트(3)의 벽체(3")는 단면으로 도시된 바와 같이 수평 갭(9)을 규정하는 벽체(3')에 대해 소정 각도를 이루며 연장된다. 그 결과, 프로세스 챔버(1)의 수직 높이는 유동 방향으로 감소한다.
도 3에 도시된 예시적 실시예는 수평 갭(9)을 대면하고 있는 열 소산 부재(8)의 넓은 면(8')의 경로로 인하여 도 1에 도시된 제 1 예시적 실시예와 상이하다. 이 넓은 면에는 중심선(19)을 중심으로 환형으로 연장하는 단차가 제공되며, 단차는 커버 플레이트(3)의 넓은 면(3')으로부터 서로 다른 거리(S1 내지 S8)에 위치되어 있다.
도 4에 도시된 예시적 실시예에서, 열 소산 부재(8)는 다수의 환형으로 조합된 부재들로 구성된다. 그러나, 열 소산 부재는 단일편 디자인을 가질 수도 있다. 이 예시적 실시예에서, 열 소산 부재(8)는 액체 냉매에 의해 직접 냉각되지 않는 대신, 예를 들어, 반응기 벽체(20) 아래에 나사 결합됨으로써, 열전달 방식으로 반응기 벽체에 연결된다. 상기 반응기 벽체(20)는 당해 반응기 벽체를 냉각시키기 위해 액체 냉매가 통과하여 유동하는 냉각 채널(21)을 갖는다. 상기 반응기 벽체는 예를 들어 알루미늄 또는 스테인리스 스틸로 제조된다. 복수의 서브 영역(8.1 내지 8.5)으로 구성될 수 있는 열 소산 부재(8)는 예를 들어 알루미늄, 흑연 또는 유사하게 우수한 열전도성을 가진 재료로 제조된다. 이 예시적 실시예에서, 상기 커버 플레이트(3)는 마찬가지로 흑연으로 제조되는 것이 바람직하지만, 석영으로 제조될 수도 있다. 상기 커버 플레이트(3)는 바람직하게 SiC 또는 TaC로 코팅된다. NH3 및 TMGa를 사용하는 프로세스에 있어서 즉, GaN의 증착에 있어서, 커버 플레이트의 온도는 450℃ 내지 800℃이다. GaAs 또는 InP를 증착하기 위해, AsH3 및 PH3를 사용하는 프로세스에 있어서, 커버 플레이트의 온도 범위는 150℃ 내지 550℃이다.
모든 경우에 있어서, 커버 플레이트(3)의 표면 온도는 부가물(adduct) 형성 온도보다 높도록 선택된다. 부가물 형성 온도는 유기금속성분이 완전히 분해되는 온도; 핵형성 프로세스로 인해 클러스터링이 유발될 수 있도록 기상의 수소화물과 반응할 수 있는 중간 생성물이 기상으로 실제로 존재하지 않는 온도에 의해 규정된다. 그러나, 커버 플레이트의 표면 온도의 상한도 제한된다. 이 온도는 기판에서의 성장이 동적으로 제한되는 범위 내에 속하지 않아야 한다. 그 대신, 상기 온도는 기판의 존재시, 즉 확산 경계면을 통한 반응물의 대량 이동의 결과로서, 성장이 확산 제한되는 범위 내에 있어야 한다.
도 5에 도시된 예시적 실시예는 도 4에 도시된 예시적 실시예와 실질적으로 대응한다. 여기서도 마찬가지로, 반응기는 알루미늄으로 제조된 하우징을 갖고, 이 하우징은 하우징 실링(ceiling)(20)과 그에 평행한 하우징 플로어(20')를 갖는다. 상기 하우징 실링(20)과 하우징 플로어(20') 사이에 관형 하우징 벽체(20")가 위치된다. 다수의 냉각 채널(21)이 하우징 실링에 배치되며, 이를 통하여 예를 들어 냉각수인 냉각 매체가 흐른다. 이러한 냉각 채널(21',20")은 또한 하우징 플로어(20')와 하우징 벽체(20") 각각에 배치된다.
나선형 코일로 형성되어 총 8개의 권선을 가진 히터(7)가 하우징 플로어(21') 위로 소정 거리로 연장된다. 각각의 개별적인 권선은 디자인에 기초하거나 또한 저항에 의해 결정된 개별적인 전력 출력을 가진 가열 구역(H1 내지 H8)을 형성한다. 히터가 저항 히터라면, 전력 출력은 본질적으로 열복사로서 제공된다. 히터가 RF 코일이라면, 교류 전자기장이 발생되며, 이는 히터(7) 위에 위치된 서셉터(1) 내에 와전류(eddy currents)를 생성한다.
RF 방사선장이 불균질함으로써, 서셉터(1) 내에 상이한 레벨의 전력이 커플링되는 구역이 생성된다. 특히 프로세스 챔버의 센터를 중심으로 회전 대칭으로 배치된 이 구역들이 상이한 정도로 가열됨으로써, 서셉터(1)는 방사 방향으로 불균질한 온도 프로파일을 갖는다.
특히, 가스 유입 부재 바로 주위에서 연장하는 제 1 가스 유입 구역에서, 서셉터는 그에 인접한 성장 구역에서보다 더 낮은 표면 온도를 갖도록 제공된다. 성장 구역에 인접한 방사상의 최외측 구역에서, 서셉터는 다시 한번 더 낮은 표면 온도를 갖는다.
전술한 바와 같이, 커버 플레이트(3)와, 상기 커버 플레이트(3)와 열 소산 부재(8) 사이에 위치한 갭(9)을 통해 열 소산이 발생한다.
상기 열 소산 부재(8)는 전체적으로 4개의 링 부재(8.1, 8.2, 8.3, 8.4)로 구성되며, 이들은 동일한 폭을 갖지만 상이한 단면 프로파일을 가짐에 따라, 갭(9)의 높이는 프로세스 챔버의 중심으로부터 방사상 거리에 따라 변화한다(over varies). 상기 열 소산 부재(8)의 방사상 최내측 링(8.1)은 가장 큰 경사를 갖고, 가장 작은 재료 두께를 갖는다. 이 위치에서 갭 폭이 가장 크다. 갭 폭은 제 2 열 소산 링(8.2)의 영역으로 멀어질수록 쐐기형태로 감소한다. 제 2 열 소산 링의 거의 중심으로부터, 성장 영역과 연관되는 갭(9)의 높이가 일정한 영역은 제 3 열 소산 링(8.3)을 지나 제 4 열 소산 링(8.4)의 거의 중간까지 연장한다. 상기 제 4 열 소산 링(8.4)은 방사상으로 융기한 넓은 면(8')을 갖고, 이에 따라 갭(9)은 반경이 증가할수록 증가하는 갭 높이를 갖는다. 상기 열 소산 부재(8)는 가스 유출 링(17)의 영역에 존재하지 않는다. 상기 갭은 이 위치에서 최대 높이를 갖고, 반응기 실링(20)의 내면과 커버 플레이트(3) 사이로 연장한다.
이 예시적 실시예에서, 갭(9)의 방사상 단면 윤곽은 볼록한 곡률을 갖고, 이에 따라, 커버 플레이트(3")의 하부면에서의 표면 온도가 방사 방향으로 단지 약간 증가하며, 즉 가스 입구(4) 영역에서 약 500℃로부터 가스 출구(17) 영역에서 약 600℃로 실제로 선형적으로 증가한다.
한편, 서셉터의 표면에서, 온도는 가스 입구 영역에서의 약 500℃로부터 성장 구역 시점에서의 약 1000℃까지 증가하고, 이 시점부터 약 1000℃로 성장 영역에 걸쳐서 일정하게 유지된다.
개시된 모든 특징들은 그 자체로서 본 발명에 속한다. 연관된/첨부된 우선권 문헌(선출원의 사본)에 개시된 사항도 본 출원 명세서에 자세히 포함되어 있으며, 이들 문헌의 특징을 본 출원의 특허청구범위에 통합하기 위한 목적으로 포함되어 있다.
1: 프로세스 챔버
2: 서셉터
3: 커버 플레이트
4: 가스 유입 부재
5: 기판
6: 기판 홀더
7: 히터
8: 열 소산 부재
9: 수평 갭
10, 11, 12: 입구 구역
13: 수소화물 공급 라인
14: 가스 유입 부재
15: 수소화물 공급 라인
16: 퍼지 가스 유입구
17: 가스 유출 부재
18: 리세스
19: 센터/회전축/대칭축
20: 반응기 벽체
21: 냉각 채널
H: 히터
Z1 내지 Z8: 열전달 커플링 구역
S1 내지 S8: 갭 높이
H1 내지 H8: 가열 구역

Claims (14)

  1. 하나 이상의 기판(5) 상에 하나 이상의 층을 증착하기 위한 장치로서,
    프로세스 챔버(1)의 플로어(floor)를 형성하고, 상기 하나 이상의 기판(5)을 수용하기 위한 서셉터(2)를 갖고,
    프로세스 챔버(1)의 실링(ceiling)을 형성하는 커버 플레이트(3)를 가지며,
    열 입력의 결과로서 프로세스 챔버에서 층형성 성분들로 분해되는 프로세스 가스와 캐리어 가스를 도입하기 위한 가스 유입 부재(4)를 갖고,
    상기 서셉터(2) 아래에 복수의 가열 구역들(H1-H8)이 서로 이웃하여 위치되며, 상기 프로세스 챔버(1)를 대면하는 서셉터 표면과 상기 프로세스 챔버(1) 내부에 위치된 가스를 가열하기 위해 상기 가열 구역에 의해 상이한 열 출력들(
    Figure 112017069422308-pct00042
    -
    Figure 112017069422308-pct00043
    )이 서셉터(2)에 도입되고, 상기 서셉터(2)로부터 상기 커버 플레이트(3)로 전달된 열을 소산시키기 위해 상기 커버 플레이트(3) 위에 상기 커버 플레이트(3)에 열적으로 커플링된 열 소산 부재(8)가 제공되고,
    상기 커버 플레이트(3)와 상기 열 소산 부재(8) 사이의 열전달 커플링은 상이한 위치들에서 상이하고, 열전달능력(heat-conveying capability)을 갖는 열전달 커플링 구역들(Z1-Z8)은 열 출력(
    Figure 112017069422308-pct00044
    -
    Figure 112017069422308-pct00045
    )의 가열 구역들(H1-H8)에 위치적으로 대응하고,
    상이한 위치들에서 상이한 갭 높이들(S1-S8)을 갖는 열 소산 부재(8)와 커버 플레이트(3) 사이의 수평 갭(9)에 의해 열전달 커플링 구역들(Z1-Z8)이 형성되는, 증착 장치에 있어서,
    열 소산 부재(8)는 열전달 방식으로 반응기 벽체에 연결되고, 반응기 벽체(20)는 반응기를 냉각시키기 위해 액체 냉매가 통과하여 유동하는 냉각 채널들(21)을 갖고, 반응기 벽체(20)와 열 소산 부재는 알루미늄, 스테인리스 스틸, 흑연 또는 상응하는 열전도성을 갖는 재료로 제조되고,
    상기 수평 갭(9)은 퍼지 가스(purge gas) 입구(16)와 이웃하여, 퍼지 가스가 상기 수평 갭(9)을 통하여 흐를 수 있도록 함으로써, 상기 수평 갭(9) 내에서의 열전달 능력이 상기 수평 갭(9)을 통하여 흐르는 퍼지 가스를 이용하여 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 유입 부재(4)에 인접한 가스 유입 구역의 영역에서의 갭 높이들(S1,S2)과 상기 가스 유입 부재(4)로부터 원격지에 위치된 가스 유출 구역의 영역에서의 갭 높이들(S7,S8)은, 상기 하나 이상의 기판(5)이 배치되며 상기 가스 유입 구역과 상기 가스 유출 구역 사이에 위치된 성장 구역의 갭 높이들(S3-S6)보다 더 큰 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각 열전달 커플링 구역(Z1-Z8)의 갭 높이들(S1-S8)은 열전달 커플링 구역(Z1-Z8) 수직 하방에 위치된 각 가열 구역(H1-H8)의 열 출력(
    Figure 112016058566269-pct00046
    -
    Figure 112016058566269-pct00047
    )의 함수인 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트(3)를 대면하고 상기 수평 갭(9)을 규정하는 상기 열 소산 부재(8)의 표면은 단차식 또는 곡선식의, 매끄러운 벽면으로(smooth-walled) 진행하는 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버는 중심 대칭 디자인이고, 상기 가스 유입 부재(4)는 대칭 중심에 위치되며, 상기 대칭 중심을 중심으로 원형 커버 플레이트(3)와 원형 열 소산 부재(8)가 배치된 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 유입 부재(4)는 하나 이상의 수소화물 공급 라인(13,15)과 MO 공급 라인(14)에 연결되며, 상기 하나 이상의 수소화물 공급 라인(13,15)은 그들과 연관된 입구 구역(10,12)으로 개방되고, 상기 MO 공급 라인(14)은 그들과 연관된 입구 구역(11)으로 개방되며, 상기 MO 입구 구역(11)은 수소화물을 위한 입구 구역(10,12)에 양측면에서 수직으로 인접한 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트(3)는 흑연 또는 석영으로 제조되며, 단일편(one piece)으로 제조된 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버(1)의 수직 높이는 가스 유출 부재(17)의 방향으로 가스 유입 부재(14)로부터 배출되는 프로세스 가스의 유동 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    프로세스 챔버(1)의 중심(19)을 환형으로 둘러싸는 복수의 가열 구역들(H1-H8)에 의해 히터(7)가 형성되는 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    프로세스 가스를 상기 가스 유입 부재(4)로 도입하고 상기 프로세스 챔버(1) 내의 상기 프로세스 가스를 층형성 성분들로 열분해함으로써, 상기 장치에서 하나 이상의 기판 상에서 층성장이 발생하며, 상기 가열 구역들(H1-H8)의 열 출력들(
    Figure 112016058566269-pct00040
    -
    Figure 112016058566269-pct00041
    )은 2개의 임의의 위치에서 측정된 커버 플레이트에서의 최대 온도차가 100℃가 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트(3)의 전체 표면에 걸친 온도는 사용된 프로세스 가스의 부가물 형성 온도보다 높고, 기판 상의 결정 성장이 동적으로 제한되는 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는
    증착 장치.
  13. 하나 이상의 기판(5) 상에 하나 이상의 층을 증착하기 위한 방법으로서,
    프로세스 챔버(1)의 플로어를 형성하고, 상기 하나 이상의 기판(5)을 수용하기 위한 서셉터(2)를 제공하는 단계;
    프로세스 챔버(1)의 실링을 형성하는 커버 플레이트(3)를 제공하는 단계;
    열 입력의 결과로서 프로세스 챔버에서 층형성 성분들로 분해되는 프로세스 가스와 캐리어 가스를 도입하기 위한 가스 유입 부재(4)를 제공하는 단계;를 포함하고,
    상기 서셉터(2) 아래에 복수의 가열 구역들(H1-H8)이 서로 이웃하여 위치되며, 상기 프로세스 챔버(1)를 대면하는 서셉터 표면과 상기 프로세스 챔버(1) 내부에 위치된 가스를 가열하기 위해 상기 가열 구역에 의해 상이한 열 출력들(
    Figure 112017069422308-pct00048
    -
    Figure 112017069422308-pct00049
    )이 서셉터(2)에 도입되고, 상기 서셉터(2)로부터 상기 커버 플레이트(3)로 전달된 열을 소산시키기 위해 상기 커버 플레이트(3) 위에 상기 커버 플레이트(3)에 열적으로 커플링된 열 소산 부재(8)가 제공되고,
    상이한 위치들에서 상이한 갭 높이들(S1-S8)을 갖는 열 소산 부재(8)와 커버 플레이트(3) 사이의 수평 갭(9)에 의해 열전달 커플링 구역들(Z1-Z8)이 형성되는, 증착 방법에 있어서,
    열 소산 부재(8)는 열전달 방식으로 반응기 벽체에 연결되고, 반응기 벽체(20)는 반응기를 냉각시키기 위해 액체 냉매가 통과하여 유동하는 냉각 채널들(21)을 갖고, 반응기 벽체(20)와 열 소산 부재는 알루미늄, 스테인리스 스틸, 흑연 또는 상응하는 열전도성을 갖는 재료로 제조되고,
    상기 커버 플레이트(3)는 상기 프로세스 챔버(1)를 대면하고 있는 전체 표면이 프로세스 가스의 부가물 형성 온도보다 높지만, 기판 상의 결정 성장이 동적으로 제한되는 온도보다는 낮은 온도를 갖고,
    상기 수평 갭(9)은 퍼지 가스(purge gas) 입구(16)와 이웃하여 상기 퍼지 가스 입구(16)를 통하여 퍼지 가스가 상기 수평 갭(9)을 통하여 흐름으로써, 상기 수평 갭(9) 내에서의 열전달 능력이 상기 수평 갭(9)을 통하여 흐르는 퍼지 가스를 이용하여 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는
    증착 방법.



  14. 삭제
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