KR101874020B1 - 복수 개의 공정 챔버들에서 복수 개의 반도체 층들을 동시에 증착하는 장치 및 방법 - Google Patents

복수 개의 공정 챔버들에서 복수 개의 반도체 층들을 동시에 증착하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 다수의 기판(5)들 상에 하나 이상의 층, 특히 반도체 층을 증착하는 증착 방법에 관한 것으로, 코팅 장치(1)에서, 특히 유사하게 구성된 복수 개의 공정 챔버(2)들에는 공통의 가스 공급 장치(11)에 의해 공정 가스들이 공급되고, 상기 가스들은, 각각의 경우에, 가스 유입 부재(3)에 의해 공정 챔버(2) 내로 유입되고, 상기 챔버에서, 하나 또는 그 보다 많은 코팅될 기판(5)들이 서셉터(4) 상에 위치되며, 공정 챔버 천장(8)과 공정 챔버 바닥(9) 사이의 공간에 의해 규정되는 공정 챔버 높이(H)는 가변적이며 층의 성장 속도에 영향을 미친다.
모든 기판들에서 실질적으로 동일해지도록 이렇게 증착되는 층들의 층 두께들을 위한 조치들을 제공하기 위해서, 상기 층 두께는 상기 각각의 공정 챔버(2)에 있는 하나 이상의 기판(5) 상에서 층 성장 중에 연속적으로 또는 특히 짧은 간격으로 측정되는 것이 제안된다. 상기 공정 챔버 높이(H)는, 동일한 층 두께를 갖는 층들이 공정 챔버들에서 증착되도록 제어기(12) 및 조절 부재(6)에 의해 변경된다. 본 발명은 또한, 하나 이상의 층, 특히 반도체 층을 증착하는 장치에 관한 것이다.

Description

복수 개의 공정 챔버들에서 복수 개의 반도체 층들을 동시에 증착하는 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR SIMULTANEOUSLY PRECIPITATING A PLURALITY OF SEMICONDUCTOR LAYERS IN A PLURALITY OF PROCESS CHAMBERS}
본 발명은, 다수의 기판들 상에 하나 이상의 층, 특히 반도체 층을 증착하는 증착 방법에 관한 것으로, 코팅 장치에서, 특히 유사하게 구성된 복수 개의 공정 챔버들에는 공통의 가스 공급 장치에 의해 공정 가스들이 공급되고, 가스들은, 각각의 경우에, 가스 유입 부재에 의해 공정 챔버 내로 유입되고, 챔버에서, 하나 또는 그 보다 많은 코팅될 기판들이 서셉터 상에 위치되며, 공정 챔버 천장과 공정 챔버 바닥 사이의 공간에 의해 규정되는 공정 챔버 높이는 가변적이며 층의 성장 속도에 영향을 미친다.
본 발명은, 또한, 다수의 기판들 상에 하나 이상의 층, 특히 반도체 층을 증착하는 장치에 관한 것으로, 다수의 실질적으로 유사한 구성의 공정 챔버들을 갖는 반응기 하우징을 포함하며, 각각의 공정 챔버는 공정 챔버 내로 공정 가스들을 유입하는 가스 유입 부재 및 하나 이상의 기판을 수용하는 서셉터를 가지며, 공정 챔버 천장과 공정 챔버 바닥 사이의 공간에 의해 규정되는 공정 챔버 높이는 조정 부재에 의해 조절가능하며, 공정 가스를 공정 챔버들에 공급하는 공통의 가스 공급 장치를 포함한다.
DE 10 2005 056 323 A1호는 복수 개의 공정 챔버들이 위치되는 반응기 하우징을 갖는 장치를 개시한다. 이 장치는, 또한, 상이한 캐리어(carrier) 가스들과 공정 가스들을 이송하는 가스 공급 유닛을 갖는다. 공정 가스들은 가스 유입 부재들을 경유하여 별개의 공정 챔버들 내로 각각 계량되는 방식으로 유입된다. 로딩(loading) 및 언로딩(unloading)의 목적들을 위해, 서셉터들은 이 경우에 하강가능하며, 이에 의해 공정 챔버의 높이가 증가된다. MOCVD 공정이 이 공정 챔버들에서 수행된다.
DE 102 17 806 A1호는 전술한 공정 챔버에서와 동일한 방식으로 샤워헤드형 공정 가스 유입 부재를 통해 공정 가스들이 공정 챔버 내로 유입되는, MOCVD 공정을 실행하기 위한 장치를 개시한다. 이 공정 챔버의 높이는, 그 챔버에 증착되는 층들의 성장 파라미터들에 영향을 미치기 위해서 제어될 수 있다. 이는 서셉터들 및 그곳에 상하로 고정되는 가열 장치를 움직이게 할 수 있는 조절 부재들에 의해 이루어진다.
DE 10 2004 007 984 A1호는 판정된 층 파라미터들이 층 성장 중에 광학적으로 판정될 수 있는 CVD-반응기를 개시한다. 이를 위해, 센서들이 가스 유입 부재의 후방 벽에 일렬로(in a row) 배열되고, 기판으로부터 센서까지의 광학 경로가 가스 유입 부재의 가스 유출 개구를 통해 통과한다.
범용의 장치에서, 동일한 성장 공정들이 복수 개의 공정 챔버들에서 동기적으로(in synchronism) 실행될 수 있다.
본 발명의 목적은, 이러한 방식으로 증착되는 층들의 층 두께가 모든 기판들 상에서 실질적으로 동일해지는 조치(measure)들을 제공하는 것이다.
이러한 유형의 다중 공정 챔버 반응기의 공정 챔버들이, 상이한 층 성장을 유발할 수 있는 점진적인 차이들을 나타내므로, 층 성장을 보정하기(correct) 위해서 각각의 공정 챔버를 위해서 별개의 조치들이 취해져야만 한다. 성장 속도가 공정 가스들의 성분 및 조성뿐만 아니라, 공정 챔버의 높이에 의존하는 것이 실험들을 통해 알려져 있다. 따라서, 전술한 문제점에 대한 본 발명에 따른 해법은, 각각의 공정 챔버에서 하나 이상의 기판 상에서 층 성장 동안 층 두께가 연속적으로 또는 특히 짧은 간격들로 측정되는 것으로 구성된다. 제어기 및 조절 부재에 의해, 공정 챔버 높이가 성장 중에 변경된다. 이러한 변경은 공정 챔버들에서 동일한 두께를 갖는 층들을, 증착하기 위한 목적에 따라 실행된다. 성장 속도는 공정 챔버 높이가 증가함에 따라 감소한다. 예컨대, 증착 공정중, 하나의 공정 챔버에서 증착되는 층이 다른 공정 챔버들에서 증착되는 층들보다 순간적으로 더 두꺼운 것으로, 하나의 공정 챔버의 층 두께 측정 장치에 의해 판정된다면, 이에 따라, 공정 챔버의 높이를 조절할 수 있는 조절 부재가 성장 공정중에 적절한 조절 밸브에 의한 제어기에 의해서 작용될 수 있으므로써, 예컨대, 공정 챔버 높이가 증가되도록 서셉터가 일정량만큼 하강될 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 제어기가 또한, 공정 챔버 높이를 감소시키기 위해서 다른 공정 챔버들의 조절 부재들에 명령을 부여할 수 있으므로써, 이들의 성장 속도가 증가한다. 현재의 공정 챔버 높이에 기초하여 하나 또는 다른 대안의 선택이 이루어진다. 이는, 규정된 최소값 보다 낮아서는 안되며 규정된 최대값을 초과해서도 안된다.
본 발명의 바람직한 정교화(elaboration)에 있어서, 층 두께는, 공정 챔버에서의 상이한 위치들, 그리고 특히 실질적으로 회전 대칭인 공정 챔버의 중심으로부터 반경방향으로 상이한 거리들에서 판정된다. 이는, DE 10 2004 007 974 A1호에서 공지된 바와 같은 광학 측정 장치, 즉 광다이오드 어레이에 의해 바람직하게 실행되는데, 이 장치는, 광학 경로가 각각의 경우에 가스 유입 부재의 하부측 상에서 가스 유출 개구를 통해 통과하도록 가스 유입 부재의 챔버의 후방 벽에 배치된다. 그러나, 층 두께 측정 장치는 또한 반응기 하우징 외부에 위치될 수 있다. 측정 장치는, 광섬유를 경유하여 공정 챔버에 연결될 수 있다. 또한, 층 두께를 판정하기 위해 광(light)이 튜브를 통해 센서 표면 상에 충돌하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 장치는, 각각의 별개의 공정 챔버에 공정 가스를 공급하는 가스 공급 배열체를 특징으로 한다. 별개의 계량 유닛들이 제공될 수 있으며, 이들의 각각은 가스 유입 부재에 공정 가스를 공급한다. 가스 유입 부재는 하부측에 배치된 가스 유출 개구들을 갖는 샤워헤드형 본체일 수 있으며, 이를 통해, 바람직하게는 유기금속 III-성분 및 V-수화물인 공정 가스가 공정 챔버 내로 유입된다. 공정 챔버의 천장(ceiling)이 가스 유입 부재의 하부측에 의해 형성되는 한편, 공정 챔버의 바닥(floor)이 서셉터의 상부측에 의해 형성된다. 코팅될 하나 또는 그 보다 많은 기판들이 서셉터 상에 놓여진다. 실질적으로 원형인 공정 챔버 둘레에, 가스 유출 라인을 통해 압력 조절기에 연결되는 가스 유출 링이 연장한다. 공정 챔버들 전부는 공통의 진공 펌프에 연결된다. 그래파이트로 구성된 서셉터의 아래에, 서셉트를 공정 온도로 가열하기 위해서 히터가 존재한다. 서셉터의 높이, 그리고 이에 따라 공정 챔버의 높이가 조절 부재에 의해 조절될 수 있다. 전술된 층 두께 측정 장치는 가스 유입 부재의 후면에 위치되며, 이 장치는 가스 유출 개구를 통해 공정 중에 층 두께를 광학적으로 측정한다. 그러나, 층 두께 측정 장치는, 또한 반응기 하우징 외부에 제공될 수 있다. 이후, 이 장치는 광 섬유에 의해 공정 챔버에 연결될 수 있다. 그러나, 튜브에 의해서 공정 챔버로의 광학 연결이 또한 실행 가능하다. 또한, 튜브는 불활성 가스에 의해 퍼지(purge)될 수 있다. 제어기가 제공된다. 이는, 층 두께 측정 장치로부터 입력 측정 값들을 얻는다. 제어기는, 층들이 동일한 층 두께를 갖게 증착이 실행되도록 공정 챔버 높이를 변경시키기 위해서, 현재 측정된 층 두께들을 서로 비교하여 설정된 값들을 조절 부재에 공급한다.
본 발명의 예시적 실시예는 첨부 도면들을 참조하여 하기에 설명될 것이다.
도 1은 도 2의 섹션 라인 I-I을 따라 개략적으로 예시한 다중 공정 챔버 반응기의 횡단면도를 도시한다.
도 2는 도 1의 섹션 라인 II-II을 따라 취한 단면도를 도시한다.
도 3은 다른 예시적 실시예의 도 1에 따른 예시를 도시한다.
도 4는 상이한 전체 압력들에 대해 공정 챔버 높이(H)상에서의 성장 속도의 측정된 의존도를 도시한다.
총 4 개의 공정 챔버(2.1, 2.2, 2.3 및 2.4)들이, 스테인리스강으로 구성된 반응기 하우징(1)에 형성된다. 4 개의 공정 챔버(2.1, 2.2, 2.3 및 2.4)들 각각에는, 가스 피드 라인(13)을 경유하여 공정 가스들이 별개로 공급된다. 도면들의 각각의 공정 챔버들에 대해서는 단지 하나의 라인(13)이 도시되어 있다. 또한, 복수 개의 피드 라인(13)들이 존재할 수 있지만, 이들 라인들은 공통의 가스 공급 장치(11)에 모두 연결된다. 가스 공급 장치(11)는, 공정 가스들을 별개로 계량하기 위해서, 밸브들 및 질량 유동 측정 장치들을 갖는다.
반응기(1)의 총 4 개의 공정 챔버들 각각에서, 샤워 헤드 형태를 갖는 입구 부재(3)가 존재한다. 입구 부재는, 광학 센서(17)와 층 두께 측정 장치(10)가 장착되는 후방 플레이트, 및 후방 플레이트로부터 이격되며 다수의 가스 유출 개구(18)들이 존재하는 전방 플레이트를 갖는다. 광학 센서(17)들의 광 경로는 몇몇 가스 유출(18)들을 통해 통과한다. 공정 가스는 가스 유입 부재(3)의 백 플레이트와 프론트 플레이트 사이에서 챔버 내로 진입되며, 공정 가스는 가스 유입 개구(18)를 통해 공정 챔버(2) 내로 유입한다.
서셉터(susceptor)(4)는, 가스 유입 부재(3)의 하부측에 의해 형성된 공정 챔버 천장(8) 아래에 위치되며, 서셉터의 상부측은 공정 챔버 천장(8)에 평행하게 연장하는 공정 챔버 바닥(9)을 형성한다. 코팅되는 기판(5)이 서셉터(4) 상에 놓인다. 그러나, 또한, 동시에 코팅되는 복수 개의 기판들이 서셉터의 상부면 상에 놓일 수 있다. 또한, 서셉터(4)는 중심축에 대해 회전 구동될 수 있다.
서셉터를 공정 온도까지 가열하기 위해서, 히터(16)가 서셉터 아래에 위치된다.
히터(16)와 서셉터(4)를 지지하는 캐리어(7)가 제공된다. 캐리어(7)가 조절 부재(6)의 높이에 따라서 이동할 수 있으므로, 이에 의해 서셉터(4)가 도 1에서 실선으로 도시된 위치로부터 점선으로 도시된 위치까지 히터(16)와 함께 상승될 수 있다. 이는, 공정 챔버 천장(8)과 처리 챔버 바닥(9) 사이의 거리에 해당하는 공정 챔버의 높이(H)가 감소되는 결과를 갖는다.
공정 챔버(2)의 측벽은, 가스 배출 라인을 통해 압력 조절기(pressure regulator)(19)에 연결되는 가스 유출 링(21)에 의해 형성된다. 압력 조절기(19)는 스로틀 밸브일 수 있다. 공정 챔버(2)들의 스로틀 밸브 모두는 공통의 진공 펌프(20)에 연결된다.
전자 제어기(electronic controller)(12)가 제공된다. 이는 데이터 라인(14)을 통해 각각의 층 두께 측정 장치(10)로부터 입력값(input value)을 수신하며, 이 입력값은 순간적으로 측정된 층 두께에 해당한다. 측정 장치(10)가 다수의 광학 센서(17)들을 갖는다면, 제어기(12)는 해당하는 다수의 데이터를 수신한다. 이후, 제어기(12)는 각각의 공정 챔버에 대한 평균 층 두께를 판정한다.
제어기(12)는 층 두께들을 서로 비교하여, 편차(deviation)들을 검출한다. 제어기(12)가, 하나의 공정 챔버에서의 평균 층 두께가 다른 공정 챔버들에서 보다 더 작은 것으로 판정하거나, 평균 층 두께가 다른 공정 챔버들에서 보다 공정 챔버들 중 하나에서 더 큰 것으로 판정한다면, 이는 하나 또는 그 보다 많은 프로세스 챔버들에서 히터(16)와 함께 서셉터(4)가 상승 또는 하강되게 구성되는 적절한 조치(measure)들을 취한다. 이에 관한 설정 값들은 데이터 라인(15)들을 통해 각각의 높이 조절 부재(6)로 전달된다.
캐리어 가스 및 V-수소화물로서 수소와 함께 III-유기금속 성분이 가스 유입 부재(3)를 통해 저압 영역에 유입되는 전형적인 MOCVD 공정에서, III-V 층의 성장 속도는, 공정 챔버 높이(H)가 증가할 때 감소한다. 서셉터(4)의 상방 또는 하방 변위에 의해, 성장 속도가 이에 의해 변경될 수 있다. 이는, 증착이 공정 챔버(2.1 내지 2.4)들 각각에서 실질적으로 동일한 층 두께로 발생하도록 전체적으로 실행된다. 별개의 공정 챔버(2.1 내지 2.4)들에서, 실질적으로 동일한 평균 성장 속도를 특징으로 하는 성장 공정들이 이루어지도록 제어가 실행된다. 공정 챔버(2.1 내지 2.4)들에서 현재의 성장 속도들이 증착 공정 중에 서로 벗어난다면, 공정 챔버 높이들이 변경된다. 이렇게 하여, 층 두께 차이를 균등화시키기 위해서 과보상이 의도적으로 이루어질 수 있다.
도 1에 도시된 예시적 실시예와 다르게, 도 3에 도시된 예시적 실시예에서의 광학 센서(17)는 반응기 하우징(1) 외부에 배치된다. 여기에 도시된 예시적 실시예에서, 광학 센서(17)는 반응기 하우징 천장 상에 놓여져 가스 유입 부재(3)를 통해 돌출하는 튜브에 의해 연결된다. 층 두께 측정 장치(10)는 기판에 가시선 링크(line-of-sight link)를 갖는 센서면을 포함한다. 각각의 공정 챔버(2.1, 2.2)에 대해 도 3에는 단지 하나의 층 두께 측정 장치(10)가 도시되어 있다. 여기서, 또한, 기판 상의 상이한 위치들에서의 성장 속도를 측정하기 위해서, 다수의 층 두께 측정 장치들이 제공될 수 있다.
도시되지 않은 추가의 버전에서는, 광학 센서(17)와 공정 챔버 사이에 광학 링크를 만들기 위해서, 튜브 대신에 광섬유가 제공된다.
도시되지 않은 추가의 버전에서는, 단지 하나의 광학 윈도우가 반응기 벽에 제공되며, 반응기 벽의 후방에 광학 센서(17)가 위치된다.
본 발명에 따른 방법과 본 발명에 따른 장치를 사용하면, GaN, AlGaN, InGaN, GaAs, InP, AlGaAs, InGaAs 등의 층들이 증착될 수 있다. GaN이 TMGa 및 NH3 을 사용하여 증착되는 증착 공정의 경우에, 성장 속도(r)의 의존도는 공정 챔버 높이에 의해 판정된다. 도 4는 이 점에서 6.6 kPa, 26.6 kPa 및 40 kPa의 전체 압력에 관하여 측정된 값들을 부여한다. 높은 전체 압력들에 대한 성장 속도(㎛/h)는, 낮은 성장 속도에서 보다 공정 챔버 높이(H)(mm)에 대한 의존도가 더 큰 것을 알 수 있다.
개시된 모든 특징들은, (그 자체로) 본 발명에 관한 것이다. 연관된/첨부의 우선권들의 명세서 내용(선출원의 카피)은, 또한 이들 우선권들의 특징을 본 출원의 청구범위들에 통합하기 위해서 본 출원 명세서에 전체가 포함된다. 이들의 선택적인 후순위 형태의 하위 청구항들은, 특히 이들 청구항들에 기초한 분할 출원들을 실행하기 위해서, 종래 기술의 독립적인 창의적 개선(refinement)을 특징으로 한다.
1 : 반응기 하우징, 코팅 장치
2 : 공정 챔버
3 : 가스 유입 부재
4 : 서셉터
5 : 기판
6 : (높이) 조절 부재
7 : 캐리어
8 : 공정 챔버 천장
9 : 공정 챔버 바닥
10 : 층 두께 측정 장치
11 : 가스 공급 장치
12 : 제어기
13 : (가스) 피드 라인
14 : 입력 라인
15 : 데이터 라인
16 : 히터
17 : 광학 센서
18 : (가스 유출) 개구
19 : 압력 조절기, 압력 조절 장치
20 : 진공 펌프
21 : 가스 유출 링

Claims (8)

  1. 다수의 기판(5)들 상에 하나 이상의 층을 증착하는 증착 방법으로서,
    코팅 장치(1)에서 복수 개의 공정 챔버(2)들에는 공통의 가스 공급 장치(11)에 의해 공정 가스들이 공급되고, 상기 가스들은, 각각의 경우에, 가스 유입 부재(3)에 의해 공정 챔버(2) 내로 유입되고, 상기 챔버에서, 하나 또는 그 보다 많은 코팅될 기판(5)들이 서셉터(4) 상에 위치되며, 공정 챔버 천장(8)과 공정 챔버 바닥(9) 사이의 공간에 의해 규정되는 공정 챔버 높이(H)는 가변적이며 층의 성장 속도에 영향을 미치는, 증착 방법에 있어서,
    상기 층 두께는 상기 각각의 공정 챔버(2)에 있는 하나 이상의 기판(5) 상에서 층 성장중에 연속적으로 또는 간격을 두고 측정되며,
    상기 공정 챔버 높이(H)는, 동일한 층 두께를 갖는 층들이 공정 챔버들에서 증착되도록 제어기(12) 및 조절 부재(6)에 의해 층의 성장 중에 변경되는 것을 특징으로 하는,
    증착 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 층 두께의 측정은 광학 센서 배열체(17)에 의해 실행되며, 상기 광학 센서 배열체는 챔버를 형성하는 가스 유입 부재(3)의 후방 벽상에 배치되며, 광학 경로는, 각각의 경우에, 공정 챔버 천장(8)을 형성하는 가스 유입 부재(3)의 개구부(18)를 통해 통과하는 것을 특징으로 하는,
    증착 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    공통의 비움(evacuation) 장치(20) 및 압력 조절 장치(19)는, 각각의 경우에,하나의 공정 챔버(2)에 별개로 관련된 것을 특징으로 하는,
    증착 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    MOCVD 공정이 공정 챔버(2)들에서 실행되는 것을 특징으로 하는,
    증착 방법.
  5. 다수의 기판(5)들 상에 하나 이상의 층을 증착하는 증착 장치로서,
    다수의 공정 챔버(2)들을 갖는 반응기 하우징(1)을 포함하며, 상기 각각의 공정 챔버(2)는 공정 챔버(2) 내로 공정 가스들을 유입하는 가스 유입 부재(3) 및 하나 이상의 기판(5)을 수용하는 서셉터(4)를 가지며, 공정 챔버 천장(8)과 공정 챔버 바닥(9) 사이의 공간에 의해 규정되는 공정 챔버 높이(H)는 조정 부재(6)에 의해 조절가능하며, 공정 가스를 공정 챔버(2)들에 공급하는 공통의 가스 공급 장치(11)를 포함하는, 증착 장치에 있어서,
    각각의 공정 챔버(2)는 층 두께 측정 장치(10)를 가지며, 상기 층 두께 측정 장치에 의해, 층 성장 중에, 하나 이상의 기판 상의 층의 층 두께를 연속적으로 또는 간격을 두고 검출할 수 있으며, 제어기(12)가 공급되며, 제어기로의 입력 값들은 층 두께 측정 장치(10)들에 의해 검출된 층 두께들이며, 제어기의 출력값들은 조절 부재(6)들에 대한 설정 값들이고,
    층의 성장 중에 상기 공정 챔버 높이(H)의 변경에 의해, 동일한 층 두께를 갖는 층들이 공정 챔버들에서 증착되도록, 상기 제어기(12)가 구성되는 것을 특징으로 하는,
    증착 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    히터(16)가 상기 서셉터(4) 아래에 배치되고, 상기 히터는, 상기 서셉터(4)와 함께 높이에 관해 이동가능한 것을 특징으로 하는,
    증착 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기(12)에 의해 상기 조절 부재(6)들로 전달된 설정값들은, 상기 층 두께 측정 장치(17)에 의해 측정된 층 두께에 의존하는 것을 특징으로 하는,
    증착 장치.
  8. 삭제
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