KR101891007B1 - 화학적 기상 증착을 위한 페로플루이드 밀봉부를 갖는 회전 디스크 리액터 - Google Patents

화학적 기상 증착을 위한 페로플루이드 밀봉부를 갖는 회전 디스크 리액터 Download PDF

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로저 피. 프렘젠
알렉산더 아이. 그러리
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3세 로버트 화이트 밀게이트
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Abstract

화학적 기상 증착을 위한 회전 디스크 리액터는, 진공 챔버, 및 모터 샤프트를 진공 챔버 내로 통과시키는, 상측 페로플루이드 밀봉부와 하측 페로플루이드 밀봉부를 포함하는 페로플루이드 피드스루를 포함한다. 모터는, 모터 샤프트에 결합되고, 상측 및 하측 페로플루이드 밀봉부들 사이의 대기 영역에 위치한다. 턴테이블은, 진공 챔버 내에 위치하며, 모터가 턴테이블을 소망 회전 속도에서 회전시키도록 모터 샤프트에 결합된다. 유전 지지부는, 턴테이블이 샤프트에 의해 구동되면 유전 지지부를 회전시키도록 턴테이블에 결합된다. 기판 캐리어는 화학적 기상 증착 처리를 위해 진공 챔버 내에서 유전 지지부 상에 위치한다. 기판 캐리어의 온도를 화학적 기상 증착을 위한 소망 온도로 제어하는 가열기는 기판 캐리어에 근접하여 위치한다.

Description

화학적 기상 증착을 위한 페로플루이드 밀봉부를 갖는 회전 디스크 리액터{ROTATING DISK REACTOR WITH FERROFLUID SEAL FOR CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}
여기서 사용되는 제목 섹션은 유기적 구조를 위한 것일 뿐이며 본 출원에서 설명하는 개시 내용을 어떠한 식으로든 한정하는 것으로 해석해서는 안 된다.
관련 출원 섹션
본 출원은, "Rotating Disk For Chemical Vapor Deposition"이라는 명칭으로 2012년 5월 18일자로 가출원된 미국 가특허출원번호 제61/648,640호, "Rotating Disk Reactor with Ferrofluid Seal for Chemical Vapor Deposition"이라는 명칭으로 2013년 3월 14일자로 가출원된 미국 가특허출원번호 제61/781,858호, 및 "Substrate Carrier For Chemical Vapor Deposition"이라는 명칭으로 2012년 5월 18일자로 가출원된 미국 가특허출원번호 제61/648,646호인 우선권을 주장한다. 미국 가특허출원번호 제61/648,640호, 제61/781,858호, 및 제61/648,646호의 전문은 본 명세서에 참고로 원용된다.
기상 에피택시(VPE)는, 화학적 기상 증착(CVD)의 한 유형으로서, 화학 종들을 함유하는 하나 이상의 가스를 기판의 표면으로 향하게 하여 반응 종들이 반응하여 기판 표면 상에 막을 형성하는 것을 포함한다. 예를 들어, VPE 시스템은 기판 상에 화합물 반도체 재료들을 성장시키는 데 사용될 수 있다.
재료들은, 통상적으로 적어도 하나의 프리커서, 많은 공정들에 있어서 적어도 제1 프리커서 가스와 제2 프리커서 가스를 결정성 기판을 포함하는 공정 챔버 내에 주입함으로써, 성장된다. III-V 반도체 등의 화합물 반도체는, 수소화물 프리커서 가스와 유기금속 프리커서 가스를 사용하여 기판 상에 반도체 재료들의 다양한 층들을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 금속유기 기상 에피택시(MOVPE)는, 필요로 하는 화학 원소들을 함유하는 수소화물과 금속유기물의 표면 반응을 이용하여 화합물 반도체를 성장시키는 데 흔히 사용되는 기상 증착 방법이다. 예를 들어, 인듐 인화물은 트리메틸인듐과 포스핀을 도입함으로써 리액터에서 기판 상에 성장될 수 있다.
당해 기술에서 MOVPE를 대체하는 명칭들은, 유기금속 기상 에피택시(OMVPE), 금속유기 화학적 기상 증착(MOCVD), 및 유기금속 화학적 기상 증착(OMCVD)을 포함한다. 이러한 공정들에서, 가스들은, 사파이어, Si, GaAs, InP, InAs, 또는 GaP 기판 등의 기판의 성장면에서 서로 반응하여 일반식 InXGaYAlZNAAsBPCSbD의 III-V 화합물을 형성하고, 여기서 X+Y+Z는 대략 1이고, A+B+C+D는 대략 1이고, X, Y, Z, A, B, C, D의 각각은 0 내지 1일 수 있다. 다양한 공정들에서, 기판은, 금속, 반도체, 또는 절연 기판일 수 있다. 일부 경우에, 다른 III족 금속들 중 일부 또는 전부 대신에 비스무트를 사용할 수 있다.
III-V 반도체 등의 화합물 반도체는, 또한, 수소화물 또는 할로겐화물 프리커서 가스 공정을 이용하여 기판 상에 반도체 재료들의 다양한 층들을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 하나의 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 공정에 있어서, III족 질화물들(예를 들어, GaN, A1N)은, 고온 가스 금속 염화물들(예를 들어, GaCl 또는 AlCl)을 암모니아 가스(NH3)와 반응시킴으로써 형성된다. 금속 염화물들은 고온 HCl 가스를 고온 III족 금속 위로 통과시킴으로써 생성된다. HVPE의 한 특징은, 일부 최첨단 공정들에 있어서 시간당 최대 100㎛인 매우 높은 성장 속도를 가질 수 있다는 점이다. HVPE의 다른 특징은 비교적 높은 품질의 막을 증착하는 데 사용될 수 있다는 점이며, 그 이유는 막들이 탄소 없는 환경에서 성장되며 고온 HCl 가스가 자정 효과(self-cleaning effect)를 제공하기 때문이다.
이러한 공정들에 있어서, 기판은 반응 챔버 내에서 상승된 온도에서 유지된다. 프리커서 가스들은 통상적으로 불활성 캐리어 가스들과 혼합된 후 반응 챔버 내로 향하게 된다. 통상적으로, 가스들은, 반응 챔버 내에 도입될 때 비교적 낮은 온도에 있다. 가스들이 고온 기판에 도달하면, 가스들의 온도 및 이에 따른 반응을 위한 가스들의 가용 에너지가 증가하게 된다. 에피택셜층은, 기판 표면에서 구성 화학물들의 최종 열분해에 의해 형성된다. 결정들은 기판 표면 상에 물리적 증착 공정들이 아니라 화학 반응에 의해 형성된다. 결국, VPE는 열역학적으로 준안정성의 합금을 위한 바람직한 성장 기술이다. 현재, VPE는, 레이저 다이오드, 태양 전지, 및 발광 다이오드(LED)를 제조하는 데 흔히 사용된다.
화학적 기상 증착을 위한 회전 디스크 리액터는, 진공 챔버, 및 모터 샤프트를 진공 챔버 내로 통과시키는, 상측 페로플루이드 밀봉부와 하측 페로플루이드 밀봉부를 포함하는 페로플루이드 피드스루(ferrofluid feedthrough)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 페로플루이드 피드스루는, 전기적 유틸리티와 배관 유틸리티를 진공 챔버에 제공하도록 중공 도관을 형성한다. 모터는, 모터 샤프트에 기계적으로 또는 자기적으로 결합되고, 상측 페로플루이드 밀봉부와 하측 페로플루이드 밀봉부 사이의 대기 영역에 위치한다. 턴테이블은, 진공 챔버 내에 위치하며, 모터가 턴테이블을 소망 회전 속도에서 회전시키도록 모터 샤프트에 결합된다. 일부 실시예들에서, 턴테이블은 유연한 수단에 의해 모터 샤프트에 결합된다. 또한, 일부 실시예들에서, 모터 샤프트는, 턴테이블의 회전 중심으로부터 영역 오프셋(region offset)에서 턴테이블에 결합된다.
석영 지지부 등의 유전 지지부(dielectric support)는, 턴테이블이 샤프트에 의해 구동되면 유전 지지부를 회전시키도록 턴테이블에 결합된다. 기판 캐리어는 화학적 기상 증착 처리를 위해 진공 챔버 내에서 유전 지지부 상에 위치한다. 다양한 실시예들에서, 기판 캐리어는, 유전 지지부의 상면과 기판 캐리어의 하면 간의 마찰에 의해 유전 지지부 상에 유지될 수 있고, 또는 물리적으로 부착될 수 있다. 기판 캐리어는 단일 기판 또는 다중 기판들을 지지하도록 적응될 수 있다. 일부 실시예들에서, 유전 지지부는, 처리되고 있는 기판들 간에 열적 배리어(thermal barrier) 및 진공 챔버 내의 냉각 영역(cool region)을 확립하는 재료로 형성된다.
기판 캐리어의 온도를 화학적 기상 증착을 위한 소망 온도로 제어하는 가열기는, 기판 캐리어에 근접하여 위치한다. 가열기는 유전 지지부의 내부에 또는 외부에 위치할 수 있다. 가열기는 두 개 이상의 독립적인 가열기 존(zone)을 포함할 수 있다. 가열기는 흑연 가열기일 수 있고, 또는 텅스텐 및/또는 레늄 코일 가열기를 포함할 수 있다.
또한, 화학적 기상 증착을 위한 기판 캐리어는 대략 원형인 본체를 포함한다. 기판 캐리어는 흑연, SiC, 금속, 또는 세라믹 재료 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 기판 캐리어는, 회전하는 지지부의 상부 상에 기판 캐리어를 더욱 단단히 유지하는, 기판 캐리어를 팽창시키는 열 팽창 계수를 갖는 재료로 형성될 수 있다. 기판 캐리어의 중량은, 처리 및 퍼지(purging) 동안, 기판 캐리어가 회전하는 지지부의 상면에 마찰력으로 부착되도록 선택된다.
기판 캐리어의 상면은 기판을 수용하기 위한 오목 영역을 갖는다. 오목 영역은 기판을 지지하기 위한 탭들을 포함할 수 있다. 탭들은 삼각형일 수 있다. 탭들은, 기판 캐리어가 기판에 대하여 팽창할 때 발생하는 힘의 적어도 일부를 흡수하는 재료로 형성될 수 있다. 또한, 탭들은, 기판 캐리어의 온도가 증가함에 따라 기판 상의 기계적 응력을 감소시킬 수 있다.
기판 캐리어의 오목 영역은 국부 영역들에서 소정의 깊이 윤곽(depth contour)으로 기계 가공될 수 있고, 이에 따라 기판 캐리어에 걸쳐 소망하는 열적 특징부(thermal characteristic)를 형성하게 된다. 또한, 기판 캐리어의 오목 영역은 국부 영역들에서 재료의 삽입부들을 포함할 수 있고, 이에 따라 기판 캐리어에 걸쳐 소망하는 열적 특징부를 형성하게 된다. 또한, 기판 캐리어의 오목 영역은 다중 레벨 하면을 포함할 수 있다. 국부 영역에서의 재료의 적어도 하나의 열적 성질은 기판 캐리어를 형성하는 재료의 열적 성질과는 다를 수 있다.
기판 캐리어의 둥근 에지는, 열적 손실을 감소시키고 기판 위로 흐르는 공정 가스들의 균일성을 증가시키는 형상을 갖는다. 기판 캐리어는, 회전하는 지지 구조 상에 위치설정되도록 둥근 에지의 하부에서 대략 평평한 면을 갖는다. 또한, 기판 캐리어는, 회전하는 유전 지지부 상에 위치될 때 기판 캐리어의 요동(wobbling)을 감소시키는, 둥근 에지에 근접하여 위치하는 수직 림(rim)을 갖는다. 수직 림은, 기판 캐리어를 소망 회전 속도에서 회전하는 지지부 상에 고정하기 위한 치수를 갖는다.
바람직한 예시적인 실시예들에 따른 본 교시를, 추가 장점들과 함께, 첨부 도면과 함께 다음에 따르는 상세한 설명에서 더욱 자세히 설명한다. 통상의 기술자는 후술하는 도면이 예시일 뿐이라는 점을 이해할 것이다. 도면은 반드시 일정한 비율로 되지 않으며, 교시의 원리를 예시하도록 일반적으로 강조를 예시하고 있다. 도면에서, 유사한 참조 문자들은 일반적으로 다양한 도면들 전체에 걸쳐 유사한 특징부들과 구조적 요소들을 가리킨다. 도면은 출원인의 교시 범위를 어떠한 식으로든 한정하려는 것이 아니다.
도 1은 본 교시에 따른 CVD 리액터의 일 실시예를 도시하는 단면도.
도 2는 도 1과 함께 설명하는 CVD 리액터의 단면의 상부 코너를 도시하는 확대도.
도 3은 가열기 장착 플랜지와 가열기 지지 구조를 도시하는 전체 페로플루이드 피드스루의 개략도.
도 4a는 모터의 상세를 비롯하여 페로플루이드 피드스루의 상측 부분과 둘러싸는 구성요소들을 도시하는 단면도.
도 4b는 장착 플랜지를 비롯하여 페로플루이드 피드스루의 하측 부분과 둘러싸는 구성요소들을 도시하는 단면도.
도 5는 본 교시에 따른 단일 기판 캐리어를 도시하는 상면도.
도 6은 도 2와 함께 설명한 본 교시에 따른 단일 기판 캐리어를 도시하는 확대 상면도.
도 7은, 회전하는 지지부 상에 위치하는, 도 5와 함께 설명한 본 교시에 따른 단일 기판 캐리어를 도시하는 측면도.
도 8a와 도 8b는, 턴테이블에 의해 회전되고 있는 동안 유전 지지부를 기판 캐리어에 더욱 단단히 부착하는, 핀들로 적응된 유전 지지부와 기판 캐리어를 도시하는 도.
명세서에서 언급되는 "일 실시예" 또는 "한 실시예"는, 실시예와 함께 설명하는 특정한 형상부, 구조, 또는 특징부가 교시의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 명세서의 다양한 부분에서 출현되는 "일 실시예에서"라는 구 모두가 반드시 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다.
본 교시의 방법들에서 사용되는 개별적인 단계들은 교시가 유효하기만 하면 임의의 순서로 및/또는 동시에 수행될 수 있다는 점을 이해하기 바란다. 또한, 본 교시의 장치와 방법은 교시가 유효하기만 하면 설명하는 실시예들의 임의의 개수 또는 전부를 포함할 수 있다는 점을 이해하기 바란다.
이제, 첨부 도면에 도시한 바와 같이 본 교시를 예시적인 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 교시를 다양한 실시예들과 예들로 설명하지만, 본 교시를 이러한 실시예들로 한정하려는 것은 아니다. 반대로, 본 교시는, 통상의 기술자가 인식하듯이, 다양한 대체예, 수정예, 및 균등물을 포함한다. 본 명세서의 교시에 접근하는 통상의 기술자라면, 추가 구현예, 수정예, 실시예, 및 본 명세서에서 설명하는 바와 같이 본 개시 내용의 범위 내에 있는 다른 사용 분야를 인식할 것이다.
본 교시는, MOCVD를 비롯하여 화학적 기상 증착을 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 교시는, 기판들이 회전하는 디스크 상에 위치하는 수직 리액터를 사용하는 화학적 기상 증착을 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 최근에는, LED 및 OLED 시장이 상당히 성장하였다. 또한, 반도체 전력이 상당히 진보하였으며, 이는 그 유틸리티를 증가시켰다. 결국, 이러한 디바이스들을 제조하도록 효율적이고 높은 처리량의 CVD 및 MOCVD 제조 시스템과 방법에 대한 요구가 증가하였다. 기판 캐리어의 회전 속도 등의 유지보수와 작동 파라미터들에 악영향을 끼치지 않고서 증착 균일성을 개선하는 제조 시스템과 방법이 특히 필요하다.
본 교시의 양태들을 단일 기판 CVD 리액터와 함께 설명한다. 그러나, 통상의 기술자라면, 본 교시의 방법과 장치를 다중 기판 리액터에서 구현할 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 본 교시의 CVD 리액터는 임의의 크기의 기판에 대하여 스케일링될 수 있다.
도 1은 본 교시에 따른 CVD 리액터(100)의 일 실시예의 단면도를 도시한다. CVD 리액터(100)는 스테인리스 스틸로 종종 형성되는 진공 챔버(102)를 포함한다. 진공 챔버(102)는 단일 기판의 또는 일괄 기판들의 CVD 처리를 위한 진공 환경을 제공한다. 본 교시에 따라 CVD 리액터로 수행될 수 있는 공정의 일례는, LED 제조를 위해 사파이어 기판 상에 성장되는 GaN계 박막 등의 박막을 CVD에 의해 증착하는 것이다.
턴테이블(104)은 진공 챔버(102)의 냉각 영역(106)에 위치한다. 냉각 영역(106)은, 비교적 낮은 온도의 구성요소들을 둘러쌀 수 있도록 정상 처리 조건 동안 비교적 낮은 온도에서 유지된다. 턴테이블(104)의 하부는 회전이 가능한 베어링 또는 유도 휠 시스템을 포함한다. 회전하는 유전 지지부(108)는 턴테이블(104) 상에 위치한다. 유전 지지부(108)는 다양한 수단에 의해 턴테이블(104)에 기계적으로 또는 자기적으로 결합될 수 있다. 본 교시의 일 실시예에서, 유전 지지부(108)는 도 1에 도시한 바와 같이 턴테이블(104)에 부착되는 중공 유전 실린더 또는 튜브이다. 다양한 다른 실시예들에서, 회전하는 유전 지지부(108)는 다양한 다른 형상으로 형성된다. 본 교시의 일 양태는, 회전하는 유전 지지부(108)의 길이가 알려져 있는 다른 CVD 리액터에서 사용되는 금속 재료 또는 높은 열 전도성 유전 재료로 형성된 유사 구조들보다 상당히 짧을 수 있다는 점이다.
기판 캐리어(110)는 회전하는 유전 지지부(116) 상에 위치한다. 도 5 내지 도 7과 함께 기판 캐리어(100)를 더욱 상세히 설명한다. 기판 캐리어(100)는, 처리를 위해 적어도 하나의 기판을 수용하기 위한 치수의 적어도 하나의 오목 부분을 갖는다. 특정한 일 실시예에서, 기판 캐리어(100)는 단일 기판 캐리어이다. 단일 기판 캐리어는 많은 처리 장점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 단일 기판 캐리어는, 다중 기판 캐리어에 비해 기판에 걸쳐 더욱 큰 온도 균일성을 제공할 수 있다. 또한, 단일 기판 캐리어는 더욱 높은 처리량을 제공하고 반응성 공정 화학물들로부터 중요 부품들을 더욱 보호할 수 있다. 또한, 단일 기판 캐리어는 개선된 가스 효율을 제공할 수 있다. 단일 기판 캐리어는, 원심력이 작기 때문에, 다중 웨이퍼 캐리어보다 적은 접촉점들을 허용할 수 있다. 또한, 단일 기판 캐리어는 일반적으로 소망하는 회전 속도를 달성하는 데 더욱 짧은 기간이 걸린다. 마지막으로, 단일 기판 캐리어는 다중 기판 캐리어보다 저가일 수 있다. 그러나, 본 교시의 다른 실시예들에서, 기판 캐리어(110)는 일괄 처리에 사용되는 다중 기판 캐리어이다.
기판 캐리어(110)는, 회전하는 유전 지지부(108)에 기계적으로 부착될 수 있고, 또는 회전하는 유전 지지부(108)의 상면 상에 자유롭게 위치하여 마찰력에 의해서만 제 위치에서 유지될 수 있다. 본 교시의 CVD 시스템은, 기판 캐리어(110)와 회전하는 유전 지지부(108) 간의 계면에 있어서 열적 분리 또는 열적 절연(thermal breaking)의 다양한 수단을 이용한다. 이러한 열적 절연의 한 수단은, 기판 캐리어(110)의 둥근 에지를 형성하여 기판 캐리어(110)의 에지에서의 열적 손실을 감소시키는 것이다. 열적 절연을 위한 다른 수단은, 기판 캐리어(110)의 하부와 유전 지지부(108) 간의 열 전달을 감소시키는 것이다.
일부 실시예들에서, 진공 챔버(102)의 셔터 또는 게이트는, 기판 캐리어(110)가 진공 챔버(102)의 반응 영역(112) 내로 및 반응 영역의 외부로 전달될 수 있도록 개방된다. 많은 실시예들에서, 기판 캐리어(110)는, 로보틱 아암(robotic arm)이 기판 캐리어를 진공 챔버(102) 내로 및 진공 챔버의 외부로 이송할 수 있게 하는 립(lip) 또는 다른 에지 형상부를 갖는다.
가열기 조립체(114)는 기판 캐리어(110)에 근접하여 위치한다. 본 교시에 따르면, 일부 CVD 리액터에서, 가열기 조립체(114)는 최대 약 1300℃인 공정 온도를 생성한다. 많은 실시예들에서, 가열기 조립체(114)는, 가열기 조립체(114)와 기판 캐리어(110) 간에 강력한 열적 연통이 존재하도록 기판 캐리어(110)에 근접하여 기판 캐리어 아래에서 회전하는 유전 지지부(108)의 내부에 위치한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 가열기 조립체(114)는 회전하는 유전 지지부(108)의 외부에 위치한다. 가열기 조립체(114)는 단일 존 가열기일 수 있고 또는 임의의 개수의 가열기 존들일 수 있다. 예를 들어, 특정한 일 실시예에서, 가열기 조립체(114)는 2-존 가열기 조립체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 열적 방사 쉴드는 가열기 조립체(114)에 근접하여 위치한다. 일부 실시예들에서, 가열기 조립체(114)의 일부 부분들은 유체 냉각된다.
일 실시예에서, 가열기 조립체(114)는, 가열 소자들(115)을 전기적으로 그리고 열적으로 분리하며 기판 캐리어(110)에 인접하여 위치하는 절연체들(116)에 의해 지지되는 가열기 코일들을 포함하는 방사형 가열기이다. 일부 실시예들에서, 가열기 조립체(114)는 흑연 가열기 코일들을 포함한다. 대부분의 알려져 있는 시스템의 가열 코일들은, 일반적으로 흑연으로 제조되지 않으며 대신에 더욱 고가의 재료를 사용한다. 흑연 가열기 소자들은 통상적으로 사용되지 않는데, 그 이유는 암모니아 등의 일부 공통 CVD 공정 가스들이 고온에서 흑연을 공격하고 열화시켜 공정 비균일성과 시스템 유지보수를 증가시키기 때문이다. 대신에, 일부 알려져 있는 시스템들에서는 적어도 하나의 보호 재료 층으로 코팅된 흑연 가열기를 사용한다. 그러나, 이러한 시스템들은 통상적으로 저온 공정으로 한정되는데, 그 이유는, 높은 처리 온도에서, 흑연과 코팅 재료(들) 간의 서로 다른 열 팽창 속도들로 인해 코팅 재료(들)의 크랙킹(cracking)과 플레이킹(flaking)이 발생하고, 이에 따라 오염이 발생할 수 있고 유지보수가 증가할 수 있기 때문이다. 다른 실시예들에서, 가열기 조립체(114)는 텅스텐 및/또는 레늄 가열기 코일들을 포함한다.
구체적인 일 실시예에서, 가열기 조립체(114)는, 가열기 조립체(114)를 기판 캐리어(110) 아래에 그리고 기판 캐리어에 밀접하게 위치시키도록 베이스 판(118) 또는 유사 구조에 의해 지지된다. 가열기 장착 튜브(160)는 가열기 베이스 판(118)을 지지한다. 가열기 베이스 판은 수냉식일 수 있다. 진공 챔버(102)는, 리액터(100)의 진공 챔버(102) 내의 진공을 유지하면서, 전극들(122)이 진공 챔버(102)를 통과하여 가열기 조립체(114)와 접속되어 가열기 조립체에 전력을 공급하도록 전력 피드스루(120)를 포함한다. 도전체들(122)은 몰리브덴 등의 굴절기 재료로 형성된 것 등의 고온 도전체들에 의해 가열 소자들(115)에 접속된다.
CVD 리액터(100)는, 처리되고 있는 기판 또는 기판들에 근접하여 진공 챔버(102) 내에 공정 가스들을 도입하는 가스 매니폴드를 포함한다. 본 교시의 CVD 리액터의 일 양태는, 공정 가스들이 회전하는 유전 지지부(116)의 내부에 흐르지 않는다는 점이다. 기판 캐리어(110)에 근접해 있는 진공 챔버(102) 내의 압력보다 높은 압력에서 가열기 조립체(114) 영역을 질소 등의 불활성 가스로 퍼지함으로써, 공정 가스들이 가열기 조립체(114) 영역에 인입되는 것을 방지할 수 있다. 이 퍼지는, 가열기 조립체(114)와 접하도록 흐르는 공정 가스들의 양을 제한한다. 이는 흑연 가열기들을 비용을 적게 하여 사용할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 회전하는 유전 지지부(108)는 석영으로 형성된다. 석영은 상당히 저가이기 때문에 유전 지지부(108)를 위한 특히 양호한 유전 재료이다. 또한, 석영은 높은 처리 온도에서 사용될 수 있다. 또한, 석영은, 고온 처리 동안 유전 재료의 치수가 상당히 변하지 않도록 매우 낮은 열 팽창 계수를 갖는다. 또한, 석영은 낮은 열 전도성을 갖는데, 겨우 1.3W/(m·K)이어서, 처리되고 있는 기판들과 냉각 영역(106) 간의 열적 배리어로서 기능을 한다. 석영을 사용함으로써, 기판 캐리어(11) 상의 온도 비균일성을 감소 또는 최소화한다. 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 낮은 열 전도성은 일반적으로 10W/(m·K) 미만을 의미하도록 정의된다. 이는, 보론 질화물 등의 재료 처리 시스템들에서 흔히 사용되는 다른 일부 유전 재료들보다 상당히 낮다. 서로 다른 여러 종류의 보론 질화물이 존재하지만, 그 열 전도성 범위는 20 내지 120W/(m·K)일 수 있다.
석영 유전 지지부(108)를 사용함으로써 여러 설계 장점들이 있다. 예를 들어, 석영 유전 지지부(108)는, 금속이나 높은 열 전도성 유전 재료를 사용하는 유사한 CVD 리액터에 비해 매우 짧은 치수로 될 수 있으며, 그 이유는 기판 캐리어(110)를 냉각 영역(106)으로부터 열적으로 분리하는 데 재료가 덜 필요하기 때문이다. 유전 지지부가 더욱 짧음에 따라 제조 및 작동에 비용이 덜 드는 소형 리액터를 얻게 된다. 예를 들어, 낮은 용량의 진공 펌프를 사용할 수 있다. 또한, 기판 캐리어(110)를 소망 작동 온도에서 유지하는 데 전력이 덜 필요하다. 또한, 짧은 지지부는, 기판 캐리어(110)에 있어서 요동을 덜 겪고, 따라서, 공정 균일성을 개선한다.
유전 지지부(114)를 위해 석영을 사용하는 다른 설계 장점은, 석영 유전 지지부(114)의 열 팽창 계수가 기판 캐리어(110)의 열 팽창 계수의 수 배만큼 낮다는 점이다. 일부 시스템들에서, 석영 유전 지지부(114)의 열 팽창 계수는 몰리브덴 또는 흑연 등의 재료로 형성된 기판 캐리어(110)의 열 팽창 계수보다 약 10배 낮다. 따라서, 기판 캐리어(110)가 가열됨에 따라, 기판 캐리어는 석영 유전 지지부(114)보다 훨씬 빠른 속도에서 팽창하게 된다. CTE의 불일치를 설계에 의해 이용하여 온도 상승에 따라 기판 캐리어(110)가 자신을 석영 유전 지지부(114)에 대하여 중심에 맞추게 할 수 있다. 기판 캐리어(110)는 석영 유전 지지부(114)에 대하여 더욱 동심을 갖게 되며, 따라서, 온도 상승에 따라 제 위치에서 더욱 단단히 유지되며, 그 결과 공정 균일성을 개선한다.
유전 지지부(108)를 위해 석영을 사용하는 또 다른 설계 장점은, 가열 조립체(114)가 전체 기판 캐리어(110)에 걸쳐 균일한 처리 온도를 유지하는 것이 훨씬 쉽다는 점이다. 이는, 금속과 높은 열 전도성 유전 지지부들에 비해 캐리어의 에지에서의 열 손실이 훨씬 작기 때문이다. 석영 및 매우 낮은 열 전도성의 다른 재료들은, 유전 지지부(108)가 히트 싱크처럼 기능을 하여 에지에서의 기판 캐리어(110)의 온도를 감소시키는 것을 방지하도록 열적 절연체로서 기능을 한다.
상측 하우징(124)은 모터(126)를 둘러싼다. 모터(126)는 샤프트(128)를 회전시키고, 샤프트는 턴테이블(108) 및 턴테이블(104) 상에 위치하는 기판 캐리어(110)를 회전시킨다. CVD 리액터(100)의 다른 부분들은 고정되어 있다. 모터(126)는 이러한 부품들을 최대 약 1200RPM의 속도에서 회전시킨다. 그러나, 다양한 실시예들에서, 모터(126)는 이러한 부품들을 상당히 높을 수 있는 속도에서 회전시킨다. 예시한 실시예에서, 모터(110)는, 상측 페로플루이드 밀봉부(130)와 하측 페로플루이드 밀봉부(130')를 포함하는 페로플루이드 피드스루를 통해 샤프트(128)에 의해 턴테이블(104)에 기계적으로 결합되고, 이는 도 3, 도 4a, 및 도 4b에서 더 설명한다.
본 교시의 한 특징은, 턴테이블(104)에 대한 샤프트(128)의 연결이 기판 캐리어(110)의 중심으로부터 떨어져 있다는 점이다. 대조적으로, 알려져 있는 많은 CVD 리액터에서는, 본질적으로 샤프트(128) 상에 기판 캐리어(110)를 밸런싱하는 중심 샤프트 설계를 이용한다. 본 교시의 샤프트(128) 설계와 형상은, 모터(126)와 기판 캐리어(110) 간의 더욱 강건한 기계적 연결을 제공하여 최소한의 진동으로 최대 회전 속도를 달성하는 시간을 줄일 수 있다. 결국, 본 교시의 샤프트(128) 설계와 형상은 소망 회전 속도에 대하여 기판 캐리어(110)의 더욱 빠른 램프(ramp)를 제공하며, 그 결과, 처리량이 더욱 높은 더욱 양호한 공정 제어를 얻게 된다. 또한, 본 교시의 샤프트(128) 설계와 형상은 기판이 기판 캐리어(110)의 중심에 위치할 수 있게 한다. 그 결과, 기판 캐리어(110)의 중심에서 중심 샤프트에 의해 야기되는 상당한 온도 변동이 없다.
일 실시예에서, 샤프트(128)는 일부 유전 재료를 함유한다. 예를 들어, 샤프트(128)는, 석영 또는 보론 질화물로 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 유전 재료는 금속에 비해 일부 장점이 있다. 예를 들어, 유전 재료는 일부 처리 조건들 동안 냉각 상태로 유지되며, 따라서, 금속 샤프트에 비해 열 손실을 덜 제공하고, 또한, 냉각 섹션(106)에 있는 모터와 기타 부품들로의 열 전달을 감소시킨다. 예를 들어, 석영으로 형성된 샤프트(128)는 금속 샤프트에 비해 열 손실을 상당히 감소시킨다.
모터 베어링(132)은, 샤프트가 회전함에 따라 샤프트(128)를 유도하도록 모터(126)의 양측 상에서 샤프트(128)에 인접하여 위치한다. 일부 실시예들에서, 모터 베어링(132)은 공기 또는 불활성 가스로 퍼지된다. 또한, 많은 실시예들에서, 모터 베어링(132)은 저 유지보수 작동 상태를 유지하도록 공기 또는 유체로 냉각된다. 예를 들어, 베어링(132)은 수냉식일 수 있다. 일부 실시예들에서, 모터(126)는 정상 처리 조건 동안 50℃ 미만으로 냉각된다.
샤프트(128)는, 턴테이블(104)과 회전하는 유전 지지부(108) 간의 열 팽창의 서로 다른 속도를 가능하게 하는 유연한 수단에 의해 턴테이블(104)에 부착된다. 예를 들어, 회전하는 유전 지지부(108)는, 종래의 비유연성 파스너를 사용하지 않고서, 회전하는 유전 지지부의 하단에서, 회전하는 유전 지지부(108)를 중심에 두고서 턴테이블(104)에 고정하는 캔티드 코일 스프링(canted coil spring; 133) 등의 스프링에 의해 평평한 원형 판에 연결될 수 있다. 이러한 부착 수단은, 유전 지지부(108)를 원형 판과 동심을 갖게 유지하며, 회전하는 유전 지지부(108)에 응력을 가하지 않고 그리고 파열시킬 가능성 없이 서로 다른 열 팽창을 가능하게 한다.
도 2는 도 1에서 설명한 CVD 리액터(100)의 단면도의 상부 코너의 확대도로서, 상측 페로플루이드 밀봉부(130)에 의해 형성된 진공 영역을 도시한다. 확대도는, 턴테이블(104)과 유전 지지부(108)와 함께 진공 챔버(102)의 상부 코너를 도시한다. 중공 도관(134)을 통과하여 가열 소자들(115)과 연결되는 가열기, 베이스 판(118)과 전극들(122)을 포함한 가열기 조립체(114)도 도시되어 있다. 샤프트(128)는 상측 페로플루이드 밀봉부(130)를 통과하여 턴테이블(104)과 연결되는 것으로 도시되어 있다. 이러한 설계에 의하면, 챔버(102) 벽들 내에, 유전 지지부(108)의 내외부에, 그리고 턴테이블(104)의 위와 아래의 갭들에 진공이 존재한다.
도 3은 전체 페로플루이드 피드스루의 개략도로서, 가열기 장착 플랜지(150)와 가열기 지지 구조(152)를 도시한다. 도 1 내지 도 3을 참조해 보면, 페로플루이드 피드스루는, 유전 지지부(108) 내부에 위치하는 가열기 조립체(114)를 위한 유틸리티들을 제공하는 구조들을 둘러싸도록 충분히 넓은 중공 도관(133)을 포함한다. 도시한 실시예에서, 중공 도관(134)은 가열기 조립체(114)를 지지하는 가열기 지지 구조(152)를 둘러싸기 위한 공간을 포함하고, 이러한 가열기 조립체는 회전하는 유전 지지 구조(108)의 내부에 위치한다. 또한, 중공 도관(134)은, 가열기 조립체(114)에 전력을 공급하는 전극들(122)을 위한 공간 및 유체 냉각 라인들을 위한 공간을 포함한다.
가열기 지지 구조(152)의 상단은 가열기 조립체(114)에 부착된다. 가열기 지지 구조(152)의 하단은, CVD 챔버(100)의 하부에 볼트로 연결된 가열기 장착 플랜지(150)에 단단히 부착된다. 가열기 장착 플랜지(150)는 0-링 또는 다른 유형의 진공 밀봉부를 포함한다. 전극들(122)과 유체 냉각 라인들은, CVD 리액터(100)의 외부에 있는 유틸리티들에 연결되는 가열기 장착 플랜지(150)를 통과한다. 가열기 지지 구조(152), 전극들(122), 및 유체 냉각 라인들은 샤프트(128)에 회전할 때 고정되어 있다.
모터(126)를 둘러싸는 상측 하우징(124)은 모터(126)의 고정자(126')와 베어링(132)의 외측 레이스들(races)을 제 위치에 단단히 클램핑한다. 샤프트(128)는 모터의 회전자(126")와 베어링(132)의 내측 레이스들을 제 위치에 단단히 클램핑한다. 상측 및 하측 페로플루이드 진공 밀봉부들(130, 130')은 각 베어링(132)의 위와 아래의 하우징 내에 위치한다. 상측 및 하측 페로플루이드 진공 밀봉부들(130, 130')은 샤프트(128)의 외경과 접하는 진공을 동적으로 밀봉한다. 일부 실시예들에서는, 모터(126)와 베어링(132)에 근접한 영역에서 상측 및 하측 하우징(124, 124')의 벽을 통과하는 홀들이 있어서 이러한 부품들이 주변 환경과 연통할 수 있다. 이러한 구성은, 샤프트(128)가 동적 밀봉부들을 통과하고 처리가 발생하는 배기된 챔버(102) 내에 회전 운동을 제공하는 동안 베어링(132)과 모터(126)가 양호한 기압 환경에서 작동하게 할 수 있다.
도 4a와 도 4b는, 상측 및 하측 페로플루이드 밀봉부들(114, 114')의 더욱 상세한 도로서, 진공 영역들을 더욱 명확하게 예시한다. 적절한 페로플루이드 밀봉부들은 미국 캘리포니아주 산타클라라에 소재하는 FerroTec Corporation이 시판하고 있다. 이러한 페로플루이드 밀봉부들은 본 교시에 따른 CVD 시스템에 적합하다. 특히, 이러한 페로플루이드 밀봉부들은 어떠한 추가 윤활도 필요로 하지 않는다. 또한, 이러한 페로플루이드 밀봉부들은 넓은 범위의 파라미터들에 걸쳐 동작할 수 있으며 1.5X 델타 압력인 최소값을 유지할 수 있다. 페로플루이드 밀봉부의 회전 속도는, 1rmp 미만에서부터 10,000rpm을 초과하는 범위에 이르지만, 고속 동작에서는, 작동 속도를 느리게 램핑하는 것이 중요하다. 속도 범위는 샤프트 직경에 의존한다. 이 회전 속도 변화는 CVD 처리에 적합하다. 페로플루이드 밀봉부의 온도 범위는 0℃ 내지 200℃ 정도이다. 적절한 가열 또는 냉각을 이용하는 페로플루이드 밀봉부의 실제 작동 범위는 -1000℃ 내지 2000℃이며, 이는 본 교시의 CVD 시스템의 범위 내에 있다. 페로플루이드 밀봉부의 작동 수명은 일반적으로 5년 내지 10년 정도이지만, 이러한 페로플루이드 밀봉부들의 수명은 20년이 넘는 것으로 알려져 있다.
도 4a는 모터의 상세를 비롯하여 주변 부품들과 페로플루이드 피드스루의 상측 부분의 단면도를 도시한다. 도 1과 도 4a를 참조해 보면, 상측 페로플루이드 밀봉부(130)는 CVD 리액터(100)의 상부 코너에 근접하여 위치한다. 상측 하우징(124)은 CVD 리액터(100)의 상측 페로플루이드 밀봉부(130)를 둘러싼다. 가열기 베이스 판(118) 및 유전 지지부(108)와 함께 턴테이블(104)이 도시되어 있다. 또한, 도 4a는 가열기 베이스 판(118)에 연결된 가열기 장착 튜브(160)를 도시한다.
이러한 설계에 의하면, 유전 지지부(108)의 외부에서 전극들(122)을 둘러싸는 영역을 포함한 진공 챔버(102) 내에, 유전 지지부(108) 내에, 턴테이블(104) 위의 갭들(162)에, 및 턴테이블(104) 아래의 갭들(162')에 진공이 존재한다. 또한, 샤프트(128)의 전체 내경도 진공 상태로 된다. 또한, 샤프트(128)의 상단도 완전히 진공 상태로 된다. 샤프트(128)의 외경은 샤프트(128)의 상단 근처에서 상측 페로플루이드 밀봉부(130)를 통과한다. 상측 페로플루이드 밀봉부(130) 아래에서, 샤프트(128)의 외경은 상측 베어링(132) 및 모터(126)와 함께 대기압에 있다.
베어링(132)과 모터(126)를 대기에 위치설정하는 것은 성능과 유지 보수에 있어서 많은 장점들이 있다. 한 장점은, 베어링을 대기에 위치설정함으로써 베어링이 더욱 쉽게 냉각될 수 있으며 효율성과 수명을 증가시키도록 윤활 처리될 수 있는 환경을 제공한다는 점이다. 다른 장점은, 시판되는 많은 표준 모터들을 사용할 수 있으며 이러한 모터들을 더욱 쉽게 냉각할 수 있다는 점이다.
도 4a에 도시한 페로플루이드 밀봉부의 도는, 모터(126)와 베어링의 상세도를 도시한다. 회전자(126")는 샤프트(128)와 접하도록 위치한다. 고정자(126')는 회전자(126") 뒤에 위치한다. 본 교시에 따른 CVD 리액터와 함께 많은 유형의 모터를 사용할 수 있다. 모터(126)는 상측 하우징(124)을 제거함으로써 제거될 수 있다. 베어링(132)은 상측 페로플루이드 밀봉부(130) 아래의 대기 영역에서 회전자(126') 위에 위치한다.
도 4b는 페로플루이드 피드스루의 하측 부분 및 장착 플랜지(150)를 포함하는 주변 부품들의 단면도를 도시한다. 페로플루이드 피드스루(130')의 하측 부분의 도는, 전극들(122), 가열기 장착 튜브(160), 샤프트(128), 및 모터(126)의 하부를 비롯하여 도 3a에 대하여 설명한 상측 페로플루이드 피드스루의 도와 동일한 많은 부품들을 도시한다. 베어링(132)은 고정자(126')에 인접하여 위치한다. 또한, 하측 페로플루이드 밀봉부(130')는 베어링(132)에 인접하여 위치한다.
베어링(132)과 모터(126)의 하측 부분 등의 하측 페로플루이드 밀봉부(130') 위의 부품들은 대기압에 있다. 하측 페로플루이드 밀봉부(130') 아래의 영역은 진공 상태에 있다. 또한, 샤프트(128)의 전체 내경도 진공 상태에 있다. 또한, 샤프트(128)와 가열기 장착 튜브(160) 사이의 진공 갭(170)이 존재한다. 또한, 샤프트(128)의 하단이 완전하게 진공 상태에 있다. 샤프트(128)의 하단 근처에서, 샤프트(128)의 외경이 장착 플랜지(150)에 근접하여 하측 페로플루이드 밀봉부(130')를 통과한다.
도 5는 본 교시에 따른 단일 기판 캐리어(500)의 상면도를 도시한다. 단일 기판 캐리어(500)는 흑연, SiC, 금속, 및 세라믹 재료 등의 다양한 유형의 재료로 형성될 수 있다. 본 교시의 일부 조립들에서는, 국부 영역들에서 또는 소정의 윤곽으로 쉽게 기계 가공될 수 있는 재료로 기판 캐리어(500)를 형성하는 것이 바람직하다. 다른 조립들에서는, 국부 영역들에서 추가 재료들을 쉽게 수용할 수 있는 재료로 기판 캐리어(500)를 형성하는 것이 바람직하다. 또 다른 실시예들에서는, 배향이 다르거나 또는 국부 영역들에서 변성된 동일한 재료의 또는 서로 다른 재료들의 삽입부들을 수용할 수 있는 재료로 기관 캐리어(500)를 형성하는 것이 바람직하다.
기판 캐리어(500)는 둥근 에지(502)를 갖는 원형이다. 본 교시에 따른 기판 캐리어는 서로 다른 많은 유형의 둥근 에지를 중 임의의 하나를 가질 수 있고, 이러한 둥근 에지들은 챔퍼(chamfer) 또는 베벨(beveled) 에지들일 수 있다. 많은 실시예들에서, 기판 캐리어(500)의 둥근 에지는 기판 캐리어(500) 전체에 걸쳐 동일하다. 그러나, 일부 조립들에서, 둥근 에지는 공정 가스들의 흐름에 영향을 끼치도록 기판 캐리어(500)의 다양한 영역들에서 다르다.
기판 캐리어(500)는 기판을 수용하기 위한 오목 영역(504)을 갖는다. 오목 영역(504)은 단일 기판을 위해 중심에 위치한다. 오목 영역(504)의 오목 깊이는, 정상 처리 조건 동안 기판을 소망 회전 속도에서 고정하도록 충분히 깊다. 또한, 오목부의 방사상 치수는, 정상 처리 조건 동안 기판의 상당한 요동이 발생하지 않는 치수이다.
기판 캐리어(500)의 두께는 다양한 공정들을 위해 최적화될 수 있다. 기판 캐리어(500)가 얇을수록 일반적으로 열적 응답 시간이 양호해진다. 그러나, 기판 캐리어(500)가 두꺼워질수록 일반적으로 열적 균일성이 양호해진다. 기판 캐리어(500)의 두께는, 특정 공정에 대하여 열적 응답 시간과 열적 균일성 간의 최상의 절충을 위해 최적화될 수 있다.
기판 캐리어(500)의 중량도 중요하다. 기판 캐리어(500)는 정상 처리 조건 동안 유전 지지부 상의 자신의 위치를 유지하도록 충분한 질량을 가져야 한다. 이 요건은 비교적 충족하기 쉬운데, 그 이유는 공정 가스들의 흐름에 의해 기판 캐리어(500)가 유전 지지부(108)의 상부와 접촉하기 때문이다. 또한, 기판 캐리어(500)는 아래로부터 퍼지되고 있는 동안 유전 지지부(108) 상의 자신의 위치를 유지하도록 충분한 질량을 가져야 한다. 이 요건은 충족하기가 더욱 어려운데, 그 이유는 퍼지에 의해 기판 캐리어(500)에 상승력을 가하는 순 양의 압력(net positive pressure)이 유전 지지부의 내외부 간에 생성되기 때문이다.
또한, 더욱 무거운 기판 캐리어(500)는 일반적으로 가열기(114)와 진공 챔버(102) 간의 분리를 개선한다. 이러한 더욱 무거운 기판 캐리어(500)는 기본적으로 높은 열적 질량을 갖고, 그 결과, 열적 안정성이 증가되고 열적 균일성이 증가되지만, 열적 응답 시간이 비교적 느려진다.
도 6은 도 5에 대하여 설명한 본 교시에 따른 단일 기판 캐리어(500)의 확대 상면도를 도시한다. 확대 상면도(600)는 기판을 지지하는 데 사용되는 복수의 탭(602)을 도시한다. 기판은 처리 동안 이러한 탭들(602) 상에 안착된다. 많은 유형의 탭들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 탭들(602)은, 도시한 바와 같이, 기판 캐리어(602)의 에지를 따라 여러 위치에 위치하는 삼각형 탭들(602)일 수 있다. 이는 온도가 소망 처리 온도로 램핑됨에 따라 기판 캐리어(500)가 팽창하지만, 많은 유형의 기판들의 치수는 본질적으로 동일하기 때문이다. 탭들(602)은, 공정들의 전체 동작 온도 범위에 걸쳐 기판을 지지하기 위한 치수를 갖는다.
도 7은 도 5에 대하여 설명한 본 교시에 따른 단일 기판 캐리어(500)의 측면도를 도시한다. 단일 기판 캐리어(500)는 유전 지지부(108) 상에 위치한다. 측면도는, 평평한 하면(506)을 갖는 단일 기판 캐리어(500)의 둥근 에지(502)를 도시하며, 이 하면이 회전하는 유전 지지부(108)의 상부와 접촉한다. 도 4에 도시한 실시예에서, 단일 기판 캐리어(500)는 회전하는 유전 지지부(108) 상의 제 위치에서 마찰력에 의해서만 유지된다. 유전 지지부(108)의 중량과 유전 지지부(108)의 상면의 마찰 계수와 기판 캐리어(500)의 에지(502)의 평평한 하면(506)의 마찰 계수는, 정상 처리 조건 하에서 기판 캐리어(500)가 소망 회전 속도에서 회전하는 동안 그리고 퍼지 중 압력차가 확립되어 있는 동안 미끄러지지 않는 수치이다.
기판 캐리어(500)는, 또한, 회전하는 유전 지지부(108)의 내면과 정렬되는 수직 림(508)을 포함한다. 수직 림(508)은, 정상 처리 조건 동안 기판 캐리어가 소망 회전 속도에서 회전하고 있을 때 기판 캐리어(500)가 요동하지 않도록 위치하는 치수를 갖는다. 유전 지지부(108)의 열 팽창 계수는 기판 캐리어(500)의 열 팽창 계수에 비해 매우 작다. 따라서, 기판 캐리어(500)의 온도가 최대 처리 온도까지 램핑됨에 따라, 기판 캐리어(500)는 팽창하고, 회전하는 유전 지지부(108)의 내벽과 수직 림(508) 간의 갭이 감소되어, 기판 캐리어(500)를 더욱 단단히 유지하고 요동을 감소시킨다.
단일 웨이퍼 기판 캐리어(500)의 측면도는 둥근 에지(502)를 더욱 명확하게 도시한다. 기판 캐리어(500)의 에지(502)를 둥글게 함으로써 많은 특징과 장점이 있다. 기판 캐리어(500)의 둥근 에지(502)는 에지(502)에서의 기판 캐리어(500)의 표면적을 감소시킨다. 표면적이 감소됨에 따라, 에지(502)에서의 열적 질량이 감소되고, 따라서, 기판 캐리어(500)의 에지(502)에서의 열적 손실이 감소된다. 특히, 에지(502)에서 방사성 열 손실이 크게 감소된다.
또한, 기판 캐리어(500)의 둥근 에지(502)에 의해, 에지(502)의 표면 위로의 공정 가스들의 흐름이 더욱 균일해진다. 에지(502)에서의 공정 가스들의 더욱 균일한 흐름은, 처리되고 있는 기판의 표면에 걸쳐 흐르는 공정 가스의 균일성을 개선한다. 또한, 둥근 에지(502)는, 기판 캐리어(502)의 에지를 기판 캐리어(500)의 내측 부분들에 비해 높은 온도로 가열할 필요성을 줄이는데, 그 이유는 둥근 에지(502)가 정상 동작 조건 동안 열을 훨씬 덜 방사하기 때문이다.
또한, 도 4에 도시한 단일 기판 캐리어(500)의 측면도는 기판을 수용하기 위한 오목 영역(504)을 더욱 명확하게 예시한다. 오목 영역(504)의 깊이와 오목 영역(504)의 하면의 편평도는, 처리되고 있는 기판에 걸친 온도 균일성을 결정하는 중요한 변수들이며, 따라서, CVD에 의해 성장된 막들의 두께 균일성을 결정하는 중요한 변수들이다. 더욱 구체적으로, 기판의 성장면에서의 온도는 기판 캐리어(500)의 온도에 의존하고 기판 캐리어(500)와 기판 간의 열 전달에 의존한다.
열 전달은, 전도, 대류, 방사를 통해 또는 열 전달 메커니즘들의 조합을 통해 발생할 수 있다. 열 전달의 전도와 대류 모델들은 CVD 처리에 대해서는 특히 정확하지 않다. 전도 모델은, 통상적으로 기판과 기판 캐리어 간에 50 내지 100㎛ 정도의 비교적 작은 갭들만이 있는 작은 기판에 대하여 가장 정확하다. 하이브리드 전도-대류 모델은, 열 전달이 전도와 대류 모두를 통해 발생하는 점을 취한다. 이 모델은, 기판과 기판 캐리어 간에 300 내지 500㎛ 정도의 큰 갭들이 있을 수 있는 큰 기판에 대하여 더욱 정확하다. 예를 들어, 8인치 기판은 기판과 기판 캐리어 간에 비교적 큰 갭들을 가질 수 있어서, 전도와 대류 모두의 열 전달의 상당량이 발생할 수 있다. 열 전달의 방사 모델은 열 전달치 방사를 통해 발생하는 점을 취한다. 이 모델은 실리콘 기판 등의 불투명한 기판들을 사용하는 일부 공정들에 대하여 정확하다.
기판의 성장면의 온도는, 또한, 재료 처리 시스템에서의 많은 다른 비균일성에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 기판의 성장면의 온도는, 기판 위로의 공정 가스 흐름의 비균일성, 공정 챔버의 벽들 근처에서의 에지 효과, 및 처리 시스템에서의 다른 많은 결함과 비대칭성에 의해 영향을 받는다.
또한, 기판의 형상은 기판의 성장면의 온도에 영향을 끼친다. 특히, 기판은 일반적으로 완벽하게 둥글지 않다. 기판은 통상적으로 배향 플랫(orientation flat)을 포함하며, 또한, 처리 동안 휘어지고 틀어지는 경향이 있다. 기판 휘어짐은, 자유로운 언댐핑 기판(free, undamped substrate)의 중간 표면의 중심점이, 기판의 공칭 직경보다 작은 특정 양의 직경의 원 상에 균등하게 이격된 세 개의 점에 의해 확립되는 중간 표면 기준면으로부터 이탈되는 것이다. 휘어짐처럼, 비틀림은 기준 위치로부터의 자유로운 언댐핑 기판의 중앙 표면의 최대 거리와 최소 거리 간의 차의 측정값이다. 기판의 휘어짐과 비틀림은, 기장의 내부 응력, 증착 온도, 기판 상에 성장되고 있는·구조, 및 공정 챔버 내의 온도 구배 등의 많은 인자들의 함수들이다.
많은 재료 공정들에서는, 업계에서 경쟁력이 있도록 매우 높은 수율을 필요로 한다. 예를 들어, LED와 반도체 레이저 디바이스들이 업계에서 경쟁력이 있도록 이러한 디바이스들의 높은 공정 수율을 달성하는 것이 매우 바람직하다. 특히, 현재는 업계에서 LED와 반도체 레이저 디바이스들을 제조하는 VPE 공정들의 수율을 개선할 필요가 있다. 많은 LED와 반도체 레이저 응용 분야에 있어서, 시간 경과에 따라 안정적인 수 나노미터 내의 정밀한 방출 파장을 달성하는 것이 중요하다. 소정의 좁은 범위를 벗어나는 방출 파장을 갖는 디바이스들은 폐기되거나 할인가로 판매되어, 타겟 공정 수율을 감소시킨다.
이러한 디바이스들의 방출 파장은, 반도체층들 중 적어도 일부의 고체 조성물과 성장 온도에 크게 의존한다. 특히, 소망하는 방출 파장과 광학적 성질을 갖는 다수의 양자 우물 구조를 성장시키려면, 기판의 성장면에서의 온도, 층 두께, 및 조성에 대한 정밀한 제어가 필요하다. 따라서, 성장 온도는 기판의 전체 성장면에 걸쳐 균일한 재료 성질을 달성하여 고 공정 수율을 달성하도록 정밀하게 제어되어야 한다. 온도가 기판에 걸쳐 완벽하게 균일하더라도, 증착 챔버 내에서의 기상 고갈(gas phase depletion) 또는 조성 차로 인해, 방출 파장에 있어서 상당한 변동이 여전히 존재할 수 있다. 따라서, 때로는 기상 및 다른 비균일성을 보상하도록 온도 비균일성을 의도적으로 유도하는 것이 바람직하다. 많은 경우에, 국부적 기상 조성물을 쉽게 조정할 수 없으므로 온도를 제어 변수로서 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 교시의 일 양태는, 본 명세서에서 설명하는 기판 캐리어를 제조하거나 개조하여 기판 캐리어에 의해 지지되고 있는 기판에 걸친 온도 균일성을 수정하는 방법이다. 본 교시의 다양한 실시예들에서, 온도 균일성은 공정 성능을 개선하도록 의도적으로 감소될 수 있고 또는 개선될 수 있다. 따라서, 본 교시의 일부 방법들에서, 기판 캐리어(500)는, 기판이 성장면에서 더욱 균일한 온도를 갖게끔 기판 표면의 곡률에 맞도록 제조 또는 개조된다. 다른 방법들에서, 기판 캐리어는 기판 캐리어에 의해 지지되고 있는 기판에 걸쳐 소정의 온도 프로파일을 제공하도록 제조 또는 개조된다.
많은 경우에, 기판 표면 상의 비균일성을 보상하고 처리 시스템의 다른 비균일성을 보상하도록 기판 캐리어를 제조 또는 개조하는 데 필요한 정보를 얻기 위해, 공정 챔버 내의 국부적 기상 조성물 및/또는 처리되고 있는 기판의 온도를 정확하게 측정 및 제어하는 것이 어렵다. 온도 측정은, 기판들이 광학적으로 투명한 경우에 특히 어렵다. 본 교시에 따라 기판 캐리어를 개조하여 처리 성능을 개선하는 한 방법은, 기판 상에 제조되는 기판 또는 디바이스의 후 성장 측정 또는 분석을 포함한다. 그 결과 측정과 분석으로부터 얻는 데이터를 이용하여, 기판 캐리어를 개조하거나, 또는 처리 시스템의 비균일성으로 인해 온도 및/또는 기상 비균일성 등의 새로운 기판에 연관된 비균일한 공정 파라미터들을 보상하는 명세에 의해 그 새로운 기판 캐리어를 제조한다.
본 교시에 따른 방법에 있어서, 기판 캐리어(500) 상에 위치하는 기판 상에 제조된 디바이스들의 하나 이상의 파라미터들은 기판 캐리어 상의 대응하는 다른 위치들의 함수로서 측정된다. 파라미터들은, 광학 파라미터, 전기 파라미터, 또는 전자 광학 파라미터를 비롯한 임의의 유형의 파라미터일 수 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 예를 들어, 파라미터들은 전기 디바이스 또는 광학 디바이스의 성능 메트릭일 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 측정되는 파라미터는, 발광 다이오드 또는 반도체 레이저 등의 광학 디바이스에 의해 발생되는 광 방출 파장이다. 그 결과 측정과 분석으로 얻는 데이터를 이용하여 기판 캐리어(500)를 개조하거나 또는 소망하는 특징들이 있는 디바이스들을 제조하는 데 사용될 수 있는 새로운 기판 캐리어(500)를 제조한다. 기판 캐리어(500)는, 소정의 영역들에 있는 재료를 제거함으로써, 또는 소정의 영역들에 재료를 추가함으로써, 또는 소정의 다양한 영역들에서의 재료들의 제거와 추가의 조합에 의해, 개조될 수 있다. 추가되는 재료는 기판 캐리어(500)와 동일한 재료일 수 있고, 또는 다른 재료일 수 있다.
일 실시예에서, 본 교시에 따르면, 기판 캐리어(500)는 처리 동안 기판을 지지하기 위한 다중 단차 오목부(multi-step recess)를 갖는다. 본 교시의 일 양태는, 단차 아래에 있는 기판 캐리어(500)의 열 전도성 및/또는 단차 높이의 작은 변화가 기판의 성장면에서의 온도를 변경하고 이에 따라 기판이 더욱 균일한 온도 프로파일을 가질 수 있거나 또는 소정의 바람직한 온도 프로파일을 가질 수 있다는 점이다. 예를 들어, 본 양수인에게 양도되었으며 2009년 12월 2일에 "Method for Improving Performance of a Substrate Carrier"라는 명칭으로 출원된 미국 특허출원번호 제12/629,467호를 참조하기 바란다. 미국 특허출원번호 제12/629,467호의 전문은 본 명세서에 참고로 원용된다.
본 교시의 다른 양태는, 슬롯형 유전 지지부(108)를 사용하여 화학적 기상 증착을 위해 기판 캐리어(110)의 기계적 센터링을 제공할 수 있다는 점이다. 처리 동안 기계적 센터링을 개선하고 편심을 감소시키도록 기판 캐리어(110)와 유전 지지부(108) 간에 기계적 잠금을 제공한다. 편심은, 비균일한 가열과 최종적으로 비균일한 디바이스 처리를 야기하는 중요한 인자이며, 박막 적층 무결성이 결여되게 할 수 있다.
도 8a와 도 8b는, 기판 캐리어와 유전 지지부가 턴테이블에 의해 회전되고 있는 동안 기판 캐리어(190)를 유전 지지부(180)에 더욱 단단히 부착하는 핀들로 적응된 기판 캐리어(190)와 유전 지지부(180)를 도시한다. 도 8a와 도 8b 모두를 참조해 보면, 도 8a는, 본 교시에 따라, 기판 캐리어(190)를 유전 지지부(180)에 기계적으로 고정하기 위한 슬롯들(182)을 포함하는 유전 지지부(180)의 사시도이다. 다양한 실시예들에서, 슬롯들(182)은, 설계시 기계적 센터링을 개선하도록 유전 지지부(180)의 상부로부터 하측으로 다양한 길이로 제공될 수 있다. 기판 캐리어(190)를 유전 지지부(180)에 기계적으로 고정하는 것은 복수의 핀(192)에 의해 달성된다. 특정한 일부 실시예들에서는, 3개 또는 4개의 잠금 핀(192)을 사용한다. 도 8b는 유전 지지부(180)의 상부에 고정되는 핀들(192)을 포함하는 기판 캐리어(190)의 사시도이다.
다른 실시예들에서는, 기판 캐리어(110, 190) 상에 절단부를 포함하는 잠금 메커니즘을 이용할 수 있다. 예를 들어, 유전 지지부(108, 180)로부터 위로 돌출된 포스트와 결합된 기판 캐리어(110, 190) 상의 절단부를 사용할 수 있다. 이러한 메커니즘을 사용하려면, 유전 지지부(108, 180) 및 기판 캐리어(110, 190)가 미리 위치설정되어야 하며, 이는 복잡성과 공정 시간을 더하지만, 슬롯형 유전 지지부만을 이용하는 경우에 비해 속도에 민감하지 않다는 장점이 있다.
균등물
본 출원인의 교시를 다양한 실시예들과 함께 설명하고 있지만, 출원인의 교시를 이러한 실시예들로 한정하려는 것은 아니다. 반대로, 출원인의 교시는, 통상의 기술자가 인식하듯이, 출원인의 교시의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 행해질 수 있는 다양한 대체예, 수정예, 및 균등물을 포함한다.

Claims (30)

  1. 화학적 기상 증착을 위한 단일 기판 캐리어로서,
    a) 본체;
    b) 기판을 수용하기 위한 오목 영역을 갖는 상면;
    c) 열 손실을 감소시키고 상기 기판 위로 흐르는 공정 가스들의 균일성을 증가시키는 형상을 갖는 둥근 에지;
    d) 회전하는 유전 지지부 상부에 위치하도록 상기 둥근 에지의 하부에 있는 평평한 면; 및
    e) 상기 둥근 에지에 근접하여 위치하며, 상기 회전하는 유전 지지부 상에 위치될 때 상기 기판 캐리어의 요동(wobbling)을 감소시키도록 상기 유전 지지부의 내면과 정렬되는, 수직 림(rim)을 포함하는, 단일 기판 캐리어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 본체는 원형인, 단일 기판 캐리어.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판 캐리어는 흑연, SiC, 금속, 및 세라믹 재료 중 적어도 하나로 형성된, 단일 기판 캐리어.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판 캐리어의 오목 영역은 국부 영역들에서 소정의 깊이 윤곽(depth contour)으로 기계 가공되어, 상기 기판 캐리어에 걸쳐 열적 특징부(thermal characteristic)가 형성되는, 단일 기판 캐리어.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판 캐리어의 오목 영역은 국부 영역들에서 재료의 삽입부들을 포함하여, 상기 기판 캐리어에 걸쳐 열적 특징부가 형성되는, 단일 기판 캐리어.
  6. 제5항에 있어서, 상기 국부 영역에서의 재료의 적어도 하나의 열적 성질은 상기 기판 캐리어를 형성하는 재료의 열적 성질과는 다른, 단일 기판 캐리어.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판 캐리어의 오목 영역은 다중 레벨 하면을 포함하는, 단일 기판 캐리어.
  8. 제1항에 있어서, 상기 오목 영역은 상기 기판을 지지하기 위한 탭들을 포함하는, 단일 기판 캐리어.
  9. 제8항에 있어서, 상기 탭들은 삼각형인, 단일 기판 캐리어.
  10. 제8항에 있어서, 상기 탭들은, 상기 기판 캐리어가 상기 기판에 대하여 팽창될 때 발생하는 적어도 일부 힘을 흡수하는 재료로 형성되는, 단일 기판 캐리어.
  11. 제8항에 있어서, 상기 탭들은, 상기 기판 캐리어의 온도가 증가함에 따라 상기 기판 상의 기계적 응력을 감소시키는, 단일 기판 캐리어.
  12. 제1항에 있어서, 상기 둥근 에지는 전체 에지에 걸쳐 균일하게 둥근, 단일 기판 캐리어.
  13. 제1항에 있어서, 상기 둥근 에지는 비균일하게 둥근, 단일 기판 캐리어.
  14. 제1항에 있어서, 상기 기판 캐리어의 중량은, 처리와 퍼지(purging) 동안 상기 기판 캐리어가 유전 지지부의 상면에 마찰력으로 부착되도록 선택되는, 단일 기판 캐리어.
  15. 제1항에 있어서, 상기 수직 림은, 상기 기판 캐리어를 회전 속도에서 유전 지지부 상에 고정하기 위한 치수를 갖는, 단일 기판 캐리어.
  16. 제1항에 있어서, 상기 기판 캐리어는, 상기 회전하는 유전 지지부 상에 상기 기판 캐리어를 더욱 단단히 유지하는, 상기 기판 캐리어를 팽창시키는 열 팽창 계수를 갖는 재료로 형성된, 단일 기판 캐리어.
  17. 화학적 기상 증착을 위한 다중 기판 캐리어로서,
    a) 본체;
    b) 복수의 기판을 수용하기 위한 복수의 오목 영역을 갖는 상면;
    c) 상기 복수의 기판 위로 흐르는 공정 가스들의 균일성을 증가시키고 열 손실을 감소시키는 형상을 갖는 둥근 에지;
    d) 회전하는 유전 지지부 상에 위치하도록 상기 둥근 에지의 하부에 있는 평평한 면;
    e) 상기 둥근 에지에 근접하여 위치하며, 상기 회전하는 유전 지지부 상에 위치될 때 상기 다중 기판 캐리어의 요동을 감소시키도록 상기 유전 지지부의 내면과 정렬되는, 수직 림; 및
    f) 상기 다중 기판 캐리어의 하면 상에 위치하는, 상기 다중 기판 캐리어를 회전시키는 샤프트를 위한 부착부를 포함하는, 다중 기판 캐리어.
  18. 제17항에 있어서, 상기 본체는 원형인, 다중 기판 캐리어.
  19. 제17항에 있어서, 상기 다중 기판 캐리어는 흑연, SiC, 금속, 및 세라믹 재료 중 적어도 하나로 형성된, 다중 기판 캐리어.
  20. 제17항에 있어서, 상기 다중 기판 캐리어의 복수의 오목 영역 중 적어도 두 개는 서로 다른 치수를 갖는, 다중 기판 캐리어.
  21. 제17항에 있어서, 상기 오목 영역들 중 적어도 두 개는 국부 영역들에서 소정의 깊이 윤곽으로 기계 가공되어, 상기 다중 기판 캐리어에 걸쳐 열적 특징부가 형성되는, 다중 기판 캐리어.
  22. 제17항에 있어서, 상기 다중 기판 캐리어의 오목 영역 중 적어도 하나는 국부 영역들에서 재료의 삽입부들을 포함하여, 상기 다중 기판 캐리어의 적어도 일부에 걸쳐 열적 특징부가 형성되는, 다중 기판 캐리어.
  23. 제22항에 있어서, 상기 국부 영역에서의 재료의 적어도 하나의 열적 성질은 상기 다중 기판 캐리어를 형성하는 재료의 열적 성질과는 다른, 다중 기판 캐리어.
  24. 제17항에 있어서, 상기 다중 기판 캐리어의 오목 영역들 중 적어도 하나는 다중 레벨 하면을 포함하는, 다중 기판 캐리어.
  25. 제17항에 있어서, 상기 오목 영역들 중 적어도 하나는 상기 기판을 지지하기 위한 탭들을 포함하는, 다중 기판 캐리어.
  26. 제25항에 있어서, 상기 탭들은 삼각형인, 다중 기판 캐리어.
  27. 제17항에 있어서, 상기 둥근 에지는 전체 에지에 걸쳐 균일하게 둥근, 다중 기판 캐리어.
  28. 제17항에 있어서, 상기 둥근 에지는 비균일하게 둥근, 다중 기판 캐리어.
  29. 제17항에 있어서, 상기 다중 기판 캐리어의 중량은, 처리와 퍼지 동안 상기 다중 기판 캐리어가 회전하는 유전 지지부의 상면에 마찰력으로 부착되도록 선택되는, 다중 기판 캐리어.
  30. 제17항에 있어서, 상기 수직 림은 상기 다중 기판 캐리어를 회전 속도에서 회전하는 유전 지지부 상에 고정하기 위한 치수를 갖는, 다중 기판 캐리어.
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