KR102165760B1 - Hvpe반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예로서, 수소화물 기상 증착 반응기(Hydride Vapour phase Epitaxy Reacor)를 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예를 이용하면 대구경의 Freestanding GaN기판을 얻을 수 있으며, 한번에 여러 개의 GaN기판을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 GaN기판을 얻는 과정 중 하우징이 오염되지 않는 HVPE반응기를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 수소화물 기상 증착 반응기를 이용하여 Freestanding GaN기판을 얻을 수 있는 제조방법을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 반응기에 관한 것이다. 상세하게는 수소화물 기상 증착 (Hydride Vapour Phase Epitaxy) 반응기에 관한 것으로서, 대구경의 GaN막을 여러 장 얻기 위한 반응기에 관한 것이다.
질화 갈륨(GaN), 질화 알루미늄(AlN) 또는 이들의 고용체는 넓은 에너지 밴드갭, 높은 열전도율, 높은 항복전압, 우수한 내열성 및 내화학성과 같은 고유한 물리적 특성으로 인해 광전자 및 전자 소자의 중요한 재료이다. 특히 GaN기반 LED는 수명이 길고, 효율이 높기 때문에 일반적으로 사파이어(Al2O3) 또는 GaAs 기판과 같은 이종기판에 성장하게 된다. 이 경우 GaN와 이종 기판사이에 격자상수 차이에 의해 GaN박막은 전위밀도(Dislocation Density)가 높고, 경계면에서 내부반사로 인해 효율이 낮아지게 되고 제조원가가 증가한다.
LED의 품질을 높이기 위해 기판으로 Freestanding GaN막을 기판으로 사용할 수 있다. 다만 현재 이종 기판 위에서 성장할 경우 Laser Liftoff 방법으로 이종 기판을 제거해야하므로 별도의 공정이 필요하고 기판이 제거된 Freestanding GaN막의 경우 GaN면과 N면의 품질차이로 휨(Bowing)이 생기게 되고, 대구경의 GaN기판을 얻을수 없게 된다.
또한 크기가 큰 Si기판을 사용하여 GaN막을 성장시키는 경우 Ga과 Si의 반응에 의한 Meltback효과가 생기고, 상온으로 냉각시 GaN막에 존재하는 인장응력에 의해 크랙이 발생한다.
본 발명의 일 실시예는 Freestanding GaN막을 제조할 때 휨이 생기지 않고 Meltback 효과가 일어나지 않는 HVPE반응기를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 한번에 여러 장의 GaN기판을 얻기 위한 HVPE반응기를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 대구경의 GaN기판을 얻기위한 HVPE반응기를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 사용 후 하우징에 불순물이 쌓이지 않는 HVPE반응기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 하우징, 하우징 내에 배치되고, 전구체 소스를 통해 전구체를 생성하는 소스영역, 하우징 내에 배치되고, 전구체를 통해 막을 성장시키는 성장영역, 성장영역을 가열하는 성장영역가열부 및 하우징 내에 배치되고, 상기 전구체 소스 및 상기 전구체를 포함하는 가스가 통과할 수 있는 석영관을 포함하고, 성장영역가열부는 RF(Radiofrequency)가열기를 포함하고, RF가열기를 통해 성장영역에서 1000℃~1100℃의 온도범위에서 Si기판에 GaN막을 성장시키고, RF가열기를 통해 Si기판을 에칭할 때 상기 온도범위에서 Si기판이 에칭될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 석영관의 단면 형상은 사각형일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 석영관은 성장영역에서 단면적이 소스영역보다 클 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 하우징을 300℃~400℃의 범위로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 하우징이 제1 IR(Infrared Ray)가열기로 300℃~400℃의 범위를 유지될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 소스영역에 갈륨 자동 공급장치를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 소스영역과 성장영역 사이에 배치된 연결부를 포함하고, 연결부는 도핑을 위한 실란(SiH4) 또는 디클로로실란(SiH2Cl2)를 포함하는 가스를 통과시킬 수 있는 도펀트 공급 튜브, 캐리어가스 및 NH3가스 중 적어도 하나를 통과시킬 수 있는 제1 튜브, 캐리어가스 및 상기 소스영역에서 생성된 GaCl가스 중 적어도 하나를 통과시킬 수 있는 제2 튜브 및 캐리어가스와 상기 소스영역에서 생성된 AlCl가스 중 적어도 하나를 통과시킬 수 있는 제3 튜브를 포함하고, 제 2튜브 및 제3 튜브를 가열하는 튜브가열부를 포함하고, 튜브가열부는 제2 IR가열부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 도펀트 공급 튜브, 제1 튜브, 제2 튜브 및 제3 튜브와 성장영역에 배치된 서셉터를 수용하는 서셉터플레이트와의 간격이 일정하게 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 제1 튜브의 하단에 제2 튜브가 배치되고, 제2 튜브의 하단에 제3 튜브가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 제1 튜브의 성장영역에 연결된 부분이 상기 소스영역에 연결된 부분보다 4도~6도 기울어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 캐리어가스는 N2, H2 및 N2와 H2의 혼합가스 중 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 성장영역은 서셉터 및 서셉터를 수용하는 서셉터플레이트를 포함하고, 회전축이 서셉터플레이트에 연결되고, 회전축이 모터에 의해 회전하고, 서셉터플레이트에 홈이 배치되어 회전축 내부에 캐리어가스가 유입되어 홈으로 배출되며 Si기판을 회전시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 서셉터는 적어도 2개 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 회전축에 씰이 배치되어 상기 하우징 내부로 외부 공기가 유입되지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기는 하우징이 성장영역에서 개폐가 가능하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기에서의 GaN막 제조방법에 있어서, Si 기판을 성장영역에 배치된 서셉터에 위치시키고, 석영관에 N2가스를 유입시켜 석영관 내 존재하는 산소를 제거하고, 소스영역의 온도를 500℃~1100℃의 범위 내로 가열하고, 성장영역의 온도를 RF가열기를 통해 1000℃~1100℃의 범위로 가열하고, 하우징을 300℃~400℃로 가열하고, 성장영역에 캐리어가스, 소스영역에서 형성된 전구체 AlCl와 NH3가스를 유입시키고, 서셉터에 배치된 Si기판에 AlN 버퍼층을 형성하고, 소스영역에서 전구체 GaCl를 생성하고, 성장영역에서 전구체 GaCl과 NH3가스의 반응으로 GaN막을 성장시키고, GaN막의 성장이 끝나면 성장영역에 캐리어가스만 유입시키고, 성장영역에 배치된 회전축에 캐리어가스와 HCl가스를 유입시켜 1000℃~1100℃의 범위에서 Si기판을 에칭하고, 상온으로 냉각시켜 GaN막을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기에서의 GaN막 제조방법에 있어서, GaN막의 성장속도는 50~300㎛/h일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기에서의 GaN막 제조방법에 있어서, 서셉터는 적어도 2개 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기에서의 GaN막 제조방법에 있어서, 서셉터를 수용하는 서셉터플레이트를 포함하고, 서셉터플레이트는 모터에 의해 회전하고, 서셉터는 서셉터플레이트에 배치된 홈을 통해 캐리어가스가 유출되며 회전할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기에서의 GaN막 제조방법에 있어서, GaN막의 성장이 끝나면 홈을 통해 캐리어가스와 HCl가스가 유출되며 Si기판을 에칭할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 대구경의 GaN기판을 얻을 수 있으며, 한번에 여러 장의 GaN기판을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 RF가열기를 이용하여 국부적으로 성장영역의 온도를 빠르게 올릴 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 석영관의 단면 형상을 사각형으로 하여 반응할 때 사용되는 가스의 유량을 적게할 수 있어 경제성이 뛰어나다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 하우징의 온도를 300℃~400℃로 유지하여 하우징에 불순물이 쌓이지 않게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 서셉터에 흐르는 가스가 층류를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 Si기판이 회전할 수 있고, 적층이 끝나면 Si기판이 성장온도에서 에칭될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기의 영역을 구분한 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기의 소스영역 내부를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기의 성장영역의 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기의 성장영역의 서셉터와 연결부의 평면도
도 5는 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기의 연결부의 단면도
도 6은 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기를 이용해 생성된 GaN막의 X- Ray Rocking Curve를 나타낸 그래프
도 2는 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기의 소스영역 내부를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기의 성장영역의 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기의 성장영역의 서셉터와 연결부의 평면도
도 5는 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기의 연결부의 단면도
도 6은 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기를 이용해 생성된 GaN막의 X- Ray Rocking Curve를 나타낸 그래프
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서,"포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
또한, "일측", "타측", "상부", "하부" 등과 같은 방향성 용어는 개시된 도면들의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성 요소는 다양한 배향으로 위치 설정될 수 있으므로, 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되는 것이지 이를 제한하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기(10)의 영역을 구분한 도면이다. 도 1을 참조하면, HVPE반응기(10)는 하우징(100), 소스영역(300), 성장영역(400) 및 배기영역(500)을 포함할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 하우징(100)은 도 1에 직육면체 모양으로 도시되어 있지만, 하우징(100)의 형상은 이에 제한되지 않는다. 하우징(100)은 스테인리스 재질로 형성될 수 있으며, 스테인리스 재질로 형성될 경우 내부식성, 내산화성이 뛰어날 수 있다.
또한 하우징(100)은 덮개(110)를 포함할 수 있다. 덮개(110)는 성장이 끝난 GaN기판을 회수할 때 및 다시 Si기판을 장착할 때 사용될 수 있다. HVPE반응기(10) 전체를 분해할 필요없이 간단히 덮개(110)를 열고 닫음으로써, 손쉽게 회수 및 교체작업이 가능하도록 할 수 있다.
하우징(100)은 GaN기판을 생성하는 동안 300℃~400℃로 유지될 수 있다. 하기에서 기술되는 질화물 막 성장 후 발생되는 NH4Cl이 하우징(100) 내에 증착되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 하우징(100)을 300℃~400℃로 유지시키는 가열기로 제1 IR(Infrared Ray)가열기가 사용될 수 있다. 제1 IR가열기는 램프의 형식으로 하우징(100) 내에 적절히 배치될 수 있다.
하우징(100)의 내부에는 석영관(200)이 존재할 수 있다. 석영관(200)은 내열성이 뛰어나며, 내산화성도 우수하다. 따라서 산이 사용되고 고온에서 이루어질 수 있는 GaN막 성장은 석영관(200) 내에서 이루어질 수 있다. 하나의 석영관(200)은 소스영역(300), 성장영역(400), 배기영역(500)을 통과할 수 있으며 각 영역을 통과하는 가스들의 통로가 될 수 있다.
석영관(200)은 실제 반응하는 기체들이 이동하는 통로의 역할을 하며, 단면적은 하우징(100)보다 작아질 수 있다. 석영관(200)의 단면적이 작을수록 반응에 소비되는 기체의 유량을 줄여 경제성을 확보할 수 있다. 같은 이유로 석영관(200)은 단면 형상이 사각형일 수 있다. 또한 GaN막이 얻어지는 성장영역(400)에서의 석영관(200)은 소스영역(300) 및 배기영역(500)을 감싸고 있는 부분보다 단면적을 크게 만들어 더욱 경제적으로 GaN막을 성장시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기(10)의 소스영역(300) 내부를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 소스영역(300)은 갈륨(Ga)보트(310), 자동 갈륨 공급장치(311), 제1 가스투입부(312), 알루미늄(Al)보트(320), 제2 가스투입부(322)를 포함할 수 있음을 알 수 있다.
갈륨(Ga)보트(310)는 전구체 소스인 Ga이 수용될 수 있는 용기이고, 반응이 진행됨에 따라 많은 Ga이 소모될 수 있으므로, 소모되는 양만큼의 Ga을 자동으로 투입해 주는 자동 갈륨 공급장치(311)가 배치될 수있다.
제1 가스투입부(312)는 갈륨(Ga)보트(310)로 캐리어가스 및 HCl가스를 투입하는 역할을 할 수 있다. HCl가스와 Ga이 반응하게 되면 하기의 [화학식 1]과 같은 반응을 하여 전구체 GaCl을 생성한다. 원래 GaCl3가 되어야 안정하나 고온에서는 GaCl이 안정한 상일 수 있기 때문이다.
[화학식 1]
Ga+ HCl → GaCl+1/2 H2
알루미늄(Al)보트(320)는 버퍼층을 형성하기 위한 Al이 수용될 수 있는 용기이다. 갈륨(Ga)보트(310)와는 다르게 자동공급장치가 구비되어 있지 않을 수 있다. 그 이유는 Al의 경우 버퍼층을 형성하기 위한 용도로 쓰이므로 많은 양의 Al이 소모되지 않아 굳이 배치시킬 이유가 존재하지 않을 수 있다.
제2 가스투입부(322)는 알루미늄(Al)보트(320)로 캐리어가스 및 HCl가스를 투입하는 역할을 할 수 있다. HCl가스와 Al이 반응하게 되면 하기의 [화학식 2]과 같은 반응을 하여 전구체 AlCl을 생성한다.
[화학식 2]
Al+ HCl → AlCl+1/2 H2
상기 [화학식 1] 및 상기 [화학식 2]에서 나타난 전구체 GaCl 및 전구체 AlCl은 가열된 소스영역(300)에서 생성될 수 있다. 소스영역(300)을 가열하기 위해서 소스영역가열부(330)가 존재하며, 소스영역가열부(330)를 이용해 500℃이상, 바람직하게는 500℃~1100℃의 범위로 가열할 수 있다. 소스영역가열부(330)는 저항가열기를 포함할 수 있다.
캐리어 가스로는 N2, H2 및 N2 와 H2 중 하나로 선택될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기(10)의 성장영역(400)의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 성장영역(400)은 서셉터(411), 서셉터(411)를 수용하는 서섭터플레이트(412) 및 성장영역가열부(413)가 석영관(200) 내부에 배치될 수 있다. 또한 성장영역(400) 내 배치된 서셉터플레이트(412)가 회전축(600)에 연결될 수 있다.
서셉터(411)는 반도체 제조공정 중 사용되는 기판 처리용 부재일 수 있다. 서셉터(411)는 Si를 에칭 시키는데 사용되는 HCl로부터 부식에 견디는 재료로서 탄화규소 피복흑연이 사용될 수 있다. 서셉터(411)는 하나일 필요는 없으며, 사용자의 선택에 따라 여러 개일 수 있다. 도 4에서는 7개의 서셉터가 배치된 것으로 표현했지만, 이에 제한되는 것은 아니고 반응기의 크기, 제조수량 및 사용자의 선택 등에 의해 서셉터플레이트(412)에 배치되는 서셉터(411)의 수는 자유롭게 조정될 수 있다.
서셉터플레이트(412)는 서셉터(411)가 수용될 수 있는 구조로 형성될 수 있으며, 탄화규소가 증착된 흑연을 재료로 하여 형성될 수 있다. 서셉터플레이트(412)는 회전축과 연결될 수 있다. 서셉터플레이트(412)에는 홈이 배치될 수 있다.
홈은 나선형으로 형성될 수 있다. 나선형으로 형성될 경우, 회전축(600) 내로 유입된 가스를 통해 서셉터(411)를 회전 시키는 역할을 할 수 있다. 서셉터(411)의 회전을 통해 서셉터(411)에 배치된 Si기판 위에 AlN막 또는 GaN막을 균일하게 적층시킬 수 있다.
회전축(600)은 서셉터플레이트(412)와 연결되고, 서셉터플레이트(412)를 지지하는 역할을 하며, 캐리어가스 및 HCl가스 중 적어도 하나의 가스를 통과시키는 역할을 할 수 있다. 회전축(600)은 모터가 연결될 수 있으며, 모터로 인해 서셉터플레이트(412)가 회전하도록 할 수 있다. 이로써, 서셉터플레이트(412)는 모터로 인해 회전하고, 서셉터(411)는 나선형의 홈에서 배출되는 가스로 인해 회전할 수 있다.
또한 회전축(600)에는 씰(420)이 배치될 수 있다. 씰(420)은 하우징(100)으로 외부공기가 들어오지 못하게 차단하는 역할을 담당할 수 있다. 씰(420)은 자성을 지닌 재질로 형성될 수 있다.
성장영역가열부(413)는 성장영역(400)을 가열하는 역할을 할 수 있다. 또한 성장영역(400)을 가열할 때 서셉터플레이트(412)를 국부적으로 가열할 수 있도록 서셉터플레이트(412)의 하부에 배치될 수 있다. 온도는 GaN막의 성장온도범위로 볼 수 있는 1000℃~1100℃, 바람직하게는 약 1000℃가 될 수 있다. GaN는 850℃이상에서는 Ga과 N2로 분해되지만 1000℃~1100℃에서는 분해되는 속도보다 형성되는 속도가 더 빠르게 되어 GaN막의 적층이 가능하게 될 수 있다. 성장영역가열부(413)는 RF가열기를 포함할 수 있다. RF가열기는 승온 및 냉각속도가 빨라 단시간에 원하는 온도범위에 도달하도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기(10)의 성장영역의 서셉터(411)와 연결부(350)의 평면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기(10)의 연결부(350)의 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 연결부(350)는 도펀트 공급 튜브(352), 제1 튜브(353), 제2 튜브(354) 및 제3 튜브(355)를 포함할 수 있다.
도펀트 공급 튜브(352)는 도핑을 위한 SiH4, SiH2Cl2를 포함하는 가스가 통과하는 튜브일 수 있다. 도핑이란 결정의 물성을 변화시키기 위해 소량의 불순물을 첨가하는 공정을 말한다.
제1 튜브(353)는 캐리어가스 및 NH3가스 중 적어도 하나를 통과시킬 수 있는 튜브일 수 있다. 제2 튜브(354)는 캐리어가스 및 소스영역(300)에서 생성된 GaCl가스 중 적어도 하나를 통과시킬 수 있는 튜브를 지칭할 수 있다. 제3 튜브(355)는 소스영역(300)에서 생성된 AlCl가스 중 적어도 하나를 통과시킬 수 있는 튜브일 수 있다.
연결부(350)가 서셉터플레이트(412)에 가스를 보내주는 부분의 끝단과 서셉터플레이트(412)와의 거리는 일정한 간격을 유지하도록 배치될 수 있다. 이는 복수개의 서셉터(411)가 배치된 서셉터플레이트(412)에서 GaN막을 생성할 때 각각의 서셉터(411)에 균일하게 적층되도록 하는 역할을 할 수 있다. 간격을 일정하게 유지할 수 있도록 제1 튜브(353), 제2 튜브(354) 및 제3 튜브(355)는 곡선모양을 가질 수 있다.
또한, 제1 튜브(353), 제2 튜브(354) 및 제3 튜브(355)는 도 5에서 도시된 것과 같이 종단면을 볼 때 위에서부터 제1 튜브(353)가 배치되고, 그 하단에 제2 튜브(354)가 배치되고, 그 하단에 제3 튜브(355)가 배치될 수 있다.
또한, 제1 튜브(353)를 통과할 수 있는 NH3가스는 가볍기 때문에 끝단을 4~6도, 바람직하게는 약 5도의 기울기를 가지게 하여 NH3가스가 서셉터(411) 및 서셉터플레이트(412)에 부딪힐 수 있도록 구성될 수 있다. 이는 NH3가스가 다른 가스에 비해 가볍기 때문이다. 이 때 다른 가스들은 층류(Laminar flow)를 형성하면서 흐를 수 있다.
제2 튜브(354)를 통과하는 전구체 GaCl 및 제3 튜브를 통과하는 전구체 AlCl는 소스영역(300)에서 성장영역(400)으로 전달 중 석출될 수 있는 문제가 있을 수 있다. 따라서 도 2에서 도시된 바와 같이 연결부(350)에 포함된 제2 튜브(354) 및 제3 튜브(355)를 가열하는 튜브가열부(351)가 존재할 수 있다. 튜브가열부(351)는 제2 IR가열기를 포함할 수 있으며, 제2 IR가열기는 램프의 형태로 배치될 수 있다. 튜브가열부(351)는 소스영역(300)과 성장영역(400) 사이를 500℃ 이상으로 유지시킬 수 있다.
이하 HVPE반응기(10)의 작동원리에 대해서 설명한다.
HVPE반응기(10)를 이용하면, 소스영역(300)에 배치된 갈륨(Ga)보트(310) 및 알루미늄(Al)보트(320)에 캐리어가스 및 HCl을 흘려 상기 [화학식 1] 및 [화학식 2]에서 서술된 반응을 통해 전구체 GaCl 및 AlCl을 생성할 수 있다. AlCl은 Si기판에 Meltback효과를 방지하기 위한 버퍼층인 AlN막을 형성하는 역할을 할 수 있고, GaCl은 GaN막을 형성하는 역할을 할 수 있다.
성장영역(400)에는 하나 또는 복수개의 서셉터(411) 및 서셉터(411)가 배치된 서셉터플레이트(412)가 배치되고, 서셉터(411)에는 Si기판이 배치될 수 있다. 서셉터(411)에 배치된 Si기판 위에 하기의 [화학식 3]의 반응을 통해 AlN막을 형성할 수 있다.
[화학식 3]
AlCl(g) + NH3(g) → AlN(s) +HCl(g)+H2(g)
버퍼층의 형성이 끝나면, 서셉터(411)에 배치된 Si기판 위에 하기의 [화학식 4]의 반응을 통해 GaN막을 형성할 수 있다.
[화학식 4]
GaCl(g) + NH3(g) → GaN(s) +HCl(g)+H2(g)
GaN막이 형성되는 동안 서셉터(411)는 서셉터플레이트(412)에 배치된 홈에서 나오는 캐리어가스로 인해 회전할 수 있다. 캐리어가스는 회전축(600) 내로 들어가서 홈을 따라 유출될 수 있으며, 홈의 모양은 나선형일 수 있다. 또한, 회전축(600)은 모터와 연결되어 회전할 수 있다. 즉, 서셉터(411)는 자전을, 서셉터플레이트(412)는 공전을 할 수 있다.
GaN막의 형성의 끝나면 Si기판을 에칭시킬 수 있다. 에칭은 회전축(600)내로 캐리어가스와 HCl가스가 유입되고, 서셉터플레이트(412)에 배치된 홈을 통해 HCl가스 배출되며 Si기판을 에칭할 수 있다.
에칭이 끝나면, 덮개(110)를 통해 손쉽게 GaN기판을 회수할 수 있고 다시 Si기판을 장착할 수 있다. 상기와 같은 원리로 HVPE반응기(10)를 사용할 수 있다.
이하 GaN막의 제조방법에 대해서 설명한다.
Si 기판을 성장영역(400)에 배치된 서셉터(411)에 위치시키고, HVPE반응기(10)로 캐리어가스를 흘려 갈륨(Ga)보트(310), 알루미늄(Al)보트 및 석영관(200)에 존재하는 산소를 제거할 수 있다. 그리고 소스영역(300)의 온도를 약 500℃이상으로 승온시키고, 성장영역(400)의 온도를 1000℃이상으로 가열시킨다. 이 때 소스영역(300)은 저항가열기로, 성장영역(400)은 RF가열기를 사용하여 승온시킬 수 있다. 이 때 하우징(100)은 300℃~400℃의 온도범위로 가열될 수 있고, 하우징(100)을 가열할 때 제1 IR가열기를 사용할 수 있다. 또한, 튜브가열부(351)를 통해 제2 튜브(354) 및 제3 튜브(355)를 500℃이상으로 할 수 있으며, 튜브가열부(351)로 제2 IR가열기를 사용할 수 있다.
성장영역(400)에 NH3가스를 흘리고, 알루미늄(Al)보트에 제2 가스투입부(322)를 통해 캐리어가스와 HCl가스를 유입시킬 수 있다. 유입된 HCl가스로부터 전구체 AlCl이 생성될 수 있으며, 제3 튜브(355)를 통해 전구체 AlCl을 성장영역(400)에 유입시키면 서셉터(411)위에 장착된 Si기판에 AlN막을 형성할 수 있으며, AlN막의 두께는 약 1.5㎛로 할 수 있다. AlN막의 형성을 마치면 제2 가스투입부(322)에는 캐리어가스만 흐르게 할 수 있다.
AlN막이 형성되면, 갈륨(Ga)보트(310)에 캐리어가스와 HCl을 유입시킬 수 있다. HCl가스가 유입되면 갈륨(Ga)보트(310)에서 전구체 GaCl을 생성할 수 있으며, 제2 튜브(354)를 통해 성장영역(400)으로 이동될 수 있다. 성장영역(400)으로 이동함에 따라 서셉터(411)위에 장착된 Si기판에 GaN막을 형성할 수 있다. 이 때 성장속도는 가스의 유량 등을 조절해 쉽게 제어할 수 있으며, 바람직하게는 50~200㎛/h로 결정될 수 있다. GaN막의 형성이 끝나면 제1 가스투입부(312)에 캐리어가스만 흐르게 할 수 있다. 또한, 제1 튜브(353)에 흐르는 NH3가스의 흐름도 중단시킬 수 있다.
GaN/Si 기판을 상온까지 냉각하면 GaN층에 인장응력이 생겨 크랙이 발생할 수 있다. 따라서 1000℃~1100℃의 범위에서 Si기판을 제거할 수 있다. Si기판의 제거를 위해 회전축(600)에 캐리어가스 및 HCl가스를 유입시켜 Si기판을 제거할 수 있다. 이후 모든 영역의 온도를 상온까지 냉각한 후 Freestanding GaN기판을 회수할 수 있다. GaN막을 형성하는 동안 배기영역(500)을 제1 IR가열기를 사용하여 300℃이상의 온도로 가열할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예인 HVPE반응기(10)를 이용해 생성된 GaN막의 X-Ray Rocking Curve를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면 HVPE반응기를 이용하여 성장된 Freestanding GaN막의 특성을 파악할 수 있다. 도 6의 그래프에서 알 수 있는 반치폭(FWHM: Full Width at Half Maximum)은 65arcsec이다. 이 때 폭을 각도로 표기할 수 있고, 매우 작으므로 arcsec단위를 주로 쓸 수 있다. 반치폭이 작을수록 결정성이 더 좋다는 것을 의미할 수 있다.
또한, 2인치의 GaN기판은 약 5㎛의 휨을 보여 매우 우수한 품질을 나타낸다. 상기 방법에 따라 8인치의 대구경 GaN기판을 성장시킬경우 약 20㎛이하의 휨을 보일 것으로 추정된다.
따라서 본 발명의 일 실시예가 제시하는 HVPE반응기(10)를 이용하면 대구경의 Freestanding GaN기판을 형성할 수 있고, 복수 개의 기판을 형성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 하우징
110: 덮개
200: 석영관
300: 소스영역
310: 갈륨(Ga)보트
311: 자동 갈륨 공급장치
312: 제1 가스투입부
320: 알루미늄(Al)보트
322: 제2 가스투입부
330: 소스영역가열부
350: 연결부
351: 튜브가열부
352: 도펀트 공급 튜브
353: 제1 튜브
354: 제2 튜브
355: 제3 튜브
400: 성장영역
411: 서셉터
412: 서셉터플레이트
413: 성장영역가열부
420: 씰
500: 배기영역
600: 회전축
110: 덮개
200: 석영관
300: 소스영역
310: 갈륨(Ga)보트
311: 자동 갈륨 공급장치
312: 제1 가스투입부
320: 알루미늄(Al)보트
322: 제2 가스투입부
330: 소스영역가열부
350: 연결부
351: 튜브가열부
352: 도펀트 공급 튜브
353: 제1 튜브
354: 제2 튜브
355: 제3 튜브
400: 성장영역
411: 서셉터
412: 서셉터플레이트
413: 성장영역가열부
420: 씰
500: 배기영역
600: 회전축
Claims (20)
- 하우징;
상기 하우징 내에 배치되고, 전구체 소스를 통해 전구체를 생성하는 소스영역;
상기 하우징 내에 배치되고, 상기 전구체를 통해 막을 성장시키는 성장영역;
상기 성장영역을 가열하는 성장영역가열부; 및
상기 하우징 내에 배치되고, 상기 전구체 소스 및 상기 전구체를 포함하는 가스가 통과할 수 있는 석영관;을 포함하고,
상기 성장영역가열부는 RF(Radiofrequency)가열기를 포함하고,
상기 RF가열기를 통해 상기 성장영역에서 1000℃~1100℃의 온도범위에서 Si기판에 GaN막을 성장시키고, 상기 GaN막의 성장이 완료되면 상기 RF가열기를 통해 상기 온도범위에서 상기 Si기판이 에칭되며,
상기 석영관은 상기 성장영역에서 단면적이 상기 소스영역보다 큰, HVPE반응기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 석영관의 단면 형상은 사각형인, HVPE반응기.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 하우징을 300℃~400℃의 범위로 유지시키는, HVPE반응기.
- 청구항 4에 있어서,
상기 하우징은 제1 IR(Infrared Ray)가열기로 300℃~400℃의 범위를 유지되는, HVPE반응기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 소스영역에 자동 갈륨 공급장치를 포함하는, HVPE반응기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 소스영역과 상기 성장영역 사이에 배치된 연결부를 포함하고,
상기 연결부는 도핑을 위한 실란(SiH4) 또는 디클로로실란(SiH2Cl2)을 포함하는 가스를 통과시킬 수 있는 도펀트 공급 튜브, 캐리어가스 및 NH3가스 중 적어도 하나를 통과시킬 수 있는 제1 튜브, 캐리어가스 및 상기 소스영역에서 생성된 GaCl가스 중 적어도 하나를 통과시킬 수 있는 제2 튜브 및 캐리어가스와 상기 소스영역에서 생성된 AlCl가스 중 적어도 하나를 통과시킬 수 있는 제3 튜브를 포함하고,
상기 제 2튜브 및 제3 튜브를 가열하는 튜브가열부를 포함하고,
상기 튜브가열부는 제2 IR가열기를 포함하는, HVPE반응기.
- 청구항 7에 있어서,
상기 도펀트 공급 튜브, 상기 제1 튜브, 상기 제2 튜브 및 상기 제3 튜브와 상기 성장영역에 배치된 서셉터를 수용하는 서셉터플레이트와의 간격이 일정하게 배치된, HVPE반응기.
- 청구항 7에 있어서,
상기 제1 튜브의 하단에 상기 제2 튜브가 배치되고,
상기 제2 튜브의 하단에 상기 제3 튜브가 배치된, HVPE반응기.
- 청구항 7에 있어서,
상기 제1 튜브의 상기 성장영역에 연결된 부분이 상기 소스영역에 연결된 부분보다 4도~6도 기울어진, HVPE반응기.
- 청구항 7에 있어서,
상기 캐리어가스는 N2, H2 및 N2와 H2의 혼합가스 중 하나인, HVPE반응기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 성장영역은 서셉터 및 상기 서셉터를 수용하는 서셉터플레이트를 포함하고, 회전축이 상기 서셉터플레이트에 연결되고,
상기 회전축이 모터에 의해 회전하고, 상기 서셉터플레이트에 홈이 배치되어 상기 회전축 내부에 캐리어가스가 유입되어 상기 홈으로 배출되며 상기 Si기판을 회전시키는, HVPE반응기.
- 청구항 12에 있어서,
상기 서셉터는 적어도 2개 이상인, HVPE반응기.
- 청구항 12에 있어서,
상기 회전축에 씰이 배치되어 상기 하우징 내부로 외부 공기가 유입되지 않는, HVPE반응기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 하우징이 상기 성장영역에서 개폐가 가능하도록 형성된, HVPE반응기.
- 청구항 1의 HVPE반응기에서의 GaN막 제조방법에 있어서,
상기 Si 기판을 상기 성장영역에 배치된 서셉터에 위치시키고,
상기 석영관에 N2가스를 유입시켜 상기 석영관 내 존재하는 산소를 제거하고,
상기 소스영역의 온도를 500℃~1100℃의 범위 내로 가열하고,
상기 성장영역의 온도를 상기 RF가열기를 통해 1000℃~1100℃의 온도 범위로 가열하고,
상기 하우징을 300℃~400℃로 가열하고,
상기 성장영역에 캐리어가스와 NH3가스를 유입시키고,
상기 서셉터에 배치된 상기 Si기판에 버퍼층을 형성하고
상기 소스영역에서 전구체 GaCl를 생성하고,
상기 성장영역에서 상기 전구체 GaCl과 상기 NH3가스의 반응으로 GaN막을 성장시키고,
상기 GaN막의 성장이 끝나면 상기 성장영역에 캐리어가스만 유입시키고,
상기 성장영역에 배치된 회전축에 캐리어가스와 HCl가스를 유입시켜 1000℃~1100℃의 온도 범위에서 상기 Si기판을 에칭하고,
상온으로 냉각시키는, GaN막 제조방법
- 청구항 16에 있어서,
상기 GaN막의 성장속도는 50~300㎛/h인, GaN막 제조방법
- 청구항 16에 있어서,
상기 서셉터는 적어도 2개 이상인, GaN막 제조방법
- 청구항 16에 있어서,
상기 서셉터를 수용하는 서셉터플레이트를 포함하고,
상기 서셉터플레이트는 모터에 의해 회전하고,
상기 서셉터는 상기 서셉터플레이트에 배치된 홈을 통해 캐리어가스가 유출되며 회전하는, GaN막 제조방법
- 청구항 19에 있어서,
GaN막의 성장이 끝나면 상기 홈을 통해 캐리어가스와 HCl가스가 유출되며 상기 Si기판을 에칭하는, GaN막 제조방법
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