KR102179974B1 - 질화물 코팅막 형성 장치 및 방법 - Google Patents

질화물 코팅막 형성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 질화물 코팅막 형성 장치는 반응관; 반응관 내에 배치되어, 금속 원료가 장착되는 적어도 하나의 원료부; 원료부에 할로겐화 반응가스를 공급하는 할로겐화 반응가스 공급관; 및 반응관 내에 배치되어, 적어도 하나의 대상물이 장착되는 대상물 장착부; 대상물 장착부에 질화 반응 가스를 공급하는 질화 반응가스 공급관; 및 반응 관을 가열하는 가열부로 이루어지고, 가열부는 900-1120℃의 온도 범위로 가열하는 질화물 코팅막 형성 장치.

Description

질화물 코팅막 형성 장치 및 방법 {Apparatus and method for forming a nitride coating layer}
본 발명은 질화물 코팅막과 그 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 수소기상성장(HVPE) 방법을 사용하여 개선된 속도로 비정질의 질화물 코팅막을 제조할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
집적 반도체 소자 및 LCD, PDP 등 디스플레이 제조 공정장비에 있어서 다양한 박막 증착 장비 및 식각 장비들이 사용되고 있다. 박막 증착 장비의 세정이나 식각 장비는 F 또는 Cl 원소를 함유하고 있는 식각 가스를 사용하기 때문에 내부 부품 등을 보호하기 위하여 내마모성 및 내식성이 우수한 세라믹 물질을 표면에 입히는 세라믹 코팅을 실시한다.
이러한 세라믹 코팅은 플라즈마 용사법이 주로 사용된다. 플라즈마 용사 코팅은 플라즈마 건 내부에 배치된 양극과 음극 사이에 Ar 등의 가스를 주입하고 고전압을 인가하여 500 ~ 1500℃의 고온 플라즈마 화염을 발생시키고, 이 플라즈마 화염에 코팅하고자 하는 물질의 분말을 투입하여 분말 입자의 일부 또는 전부를 용융시켜 모재 표면에 고속으로 분사함으로써 코팅막을 얻게 되는 원리를 이용하는 것이다.
그러나 이러한 플라즈마 용사 코팅의 경우, 코팅 장비가 고가이고, 관리해야 할 공정 인자가 많을 뿐 아니라, 대기압의 분위기에서의 공정으로 주변 공기가 플라즈마 화염에 혼입되어 결과적으로 기공도가 높고 부착율이 약해진다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 단점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 HVPE 방법에 의해 제조되는 질화물 코팅막 형성 장치와 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 간단하고 저비용의 방법으로 반도체 증착 장비나 식각 장비에서 사용할 수 있는 질화물 코팅막 형성 장치와 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 코팅막 형성 속도를 높여서, 형성되는 질화물 코팅막의 두께를 조절할 수 있는 양질의 후막의 질화물 코팅막 형성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존에 이용하지 않던 금속 염화물 가스인 AlCl의 을 사용하여 높은 형성 속도를 얻을 수 있는 질화물 코팅막 형성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 복수 개의 피처리 대상물의 일면 또는 양면에 동시에 코팅막을 형성할 수 있는 질화물 코팅막 형성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적 및 기타 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 일 특징에 따른 질화물 코팅막 형성 장치는 반응관; 반응관 내에 배치되어, 금속 원료가 장착되는 적어도 하나의 원료부; 원료부에 할로겐화 반응가스를 공급하는 할로겐화 반응가스 공급관; 및 반응관 내에 배치되어, 적어도 하나의 피처리 대상물이 장착되는 대상물 장착부; 대상물 장착부에 질화 반응 가스를 공급하는 질화 반응가스 공급관; 및 기 반응관을 가열하는 가열부로 이루어지고, 가열부는 900-1120℃의 온도 범위로 가열하여 질화물 코팅막을 형성한다.
이때, 원료는 고체 상태의 알루미늄 및/또는 갈륨으로 이루어지고, 질화물 코팅막은 질화알루미늄 또는 질화갈륨인 질화물가 된다.
또한, 원료부가 복수 개인 경우, 각각의 원료부는 상하 방향으로 적층되어 배치되거나 수평 방향으로 배치될 수 있다. 반응관이 수평형이 경우, 복수 개의 원료부가 상하 방향으로 적층되는 것이 바람직하고, 반응관이 수직형인 경우, 복수 개의 원료부가 수평 방향으로 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 질화물 코팅막 형성 장치 및 방법에 따르면 판 형상의 대상물의 일측 표면에 코팅막을 형성할 수 있고, 양측 표면에 동시에 코팅막을 형성할 수 있으며, 대상물을 복수개 배치하여 동시에 코팅막을 형성할 수도 있다. 이때, 복수개의 대상물은 상하 방향으로 적층되거나 수평 방향으로 이격되어 대상물 장착부에 장착될 수 있다.
본 발명의 질화물 코팅막 형성 장치는 원료부와 대상물 장착부 사이에 배치되는 가스 균일화부를 포함할 수 있고, 가스 균일화부는 적어도 하나의 타공판으로 이루어진다.
바람직하게, 원료부 및 대상물 장착부는 흑연으로 이루어진다.
본 발명의 다른 특징에 따르는 질화물 코팅막 형성 방법은 반응관 일측에 금속 원료를 배치하는 단계; 금속 원료와 근접하게 대상물을 배치하는 단계; 금속 원료와 대상물을 900-1120℃ 범위의 온도로 가열하는 단계; 금속 원료에 할로겐화 반응가스를 공급하는 단계; 대상물에 질화 반응 가스를 공급하는 단계; 금속 원료와 할로겐화 반응가스가 반응하여 금속 염화물 가스를 생성하는 단계; 및 생성된 금속 염화물 가스와 질화 반응 가스가 반응하여 대상물 상에 질화물 코팅막이 형성하는 단계로 이루어진다.
이때, 금속 원료와 할로겐화 반응가스가 반응하여 금속 염화물 가스를 생성하는 단계에서 생성된 금속 염화물 가스는 AlCl이고, 대상물에 형성된 코팅막의 두께는 코팅 형성 시간에 비례하며, 금속 원료와 대상물을 가열하는 단계는 안정화 온도를 1050℃가 바람직하다.
본 발명의 질화물 코팅막 형성 장치 및 방법에 따르면, HVPE 방법을 사용하여 질화물 코팅막 형성할 수 있어서, 코팅막 형성 속도를 향상하고 후막의 코팅막을 형성할 수 있다. 본 발명의 질화물 코팅막 형성 장치 및 방법에 따르면 질화물 코팅막이 높은 속도로 코팅되기 때문에, 용이하게 후막의 질화물 코팅막을 형성시킬 수 있고, 질화물 코팅막층의 두께도 조절하기 쉽다.
또한, 본 발명은 기존의 HVPE 방법에서도 이용하지 않던 금속 염화물 가스인 AlCl을 사용하여 높은 코팅막 형성 속도를 얻을 수 있으며, 피처리 대상물에 견고한 코팅막을 형성할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 기존의 플라즈마 용사 코팅에 의한 방법에 비하여 간단하고 저비용으로 질화물 코팅막을 형성할 수 있다는 장점도 있다.
이에 더하여, 본 발명은 복수 개의 피처리 대상물의 일면 또는 양면에 동시에 코팅막을 형성할 수 있으므로 더욱 유용하다. 즉, 본 발명의 질화물 코팅막 형성 장치 및 방법에 따르면 판 형상의 대상물의 일측 표면에 코팅막을 형성할 수 있고, 양측 표면에 동시에 코팅막을 형성할 수 있으며, 대상물을 복수개 배치하여 동시에 코팅막을 형성할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물 코팅막 형성 장치를 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 실시예의 반응 보트의 일 예시를 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 질화물 코팅막 형성 장치를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 질화물 코팅막 형성 장치를 도시한 도면이며,
도 5는 알루미늄과 갈륨에 할로겐화 반응 가스가 접촉할 때 발생하는 금속 염화물 기체의 온도에 따른 분압 그래프이고,
도 6은 석영 웨이퍼의 표면에 형성된 AlN 코팅막을 촬영한 사진이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면에서 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소를 가리킨다.
도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 질화물 코팅막 형성 장치가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 질화물 코팅막 형성 장치는 HVPE 방식에 의하여 질화물 코팅막을 형성시키는 장치이다. 도 1을 참조하면, 질화물 코팅막 형성 장치는 크게 반응관(100)과, 반응관(100) 내에 배치된 반응 보트(200), 반응 보트(200)에 각종 반응가스를 공급하는 가스 공급부(300) 및 반응관(100) 내부를 가열시키는 가열부(400)를 구비한다.
반응 보트(200)는 크게 원료부(210)와 대상물 장착부(220)로 이루어지며, 원료부(210)에는 고체인 알루미늄 금속 및/또는 갈륨 금속이 배치되고, 대상물 장착부(220)에는 하나 또는 그 이상의 피처리 대상물(240)이 장착될 수 있다. 본 실시예에서는 원료부(210)와 대상물 장착부(220)가 일체로 형성된 반응 보트(200)가 개시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니고, 원료부(210)와 대상물 장착부(220)가 각각 형성되어 근접 배치될 수 있다.
피처리 대상물(240)은 반도체 증착 공정 및 식각 공정에서 사용되는 각종 트레이나 포커스 링에 사용되는 기판일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 또한, 피처리 대상물의 재질 역시 석영 또는 세라믹이 될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
피처리 대상물(240)은 대상물 장착부(220)의 바닥에서 소정 높이(H)로 이격되어 지지되며, 이는 피처리 대상물(240)의 양면에 동시에 코팅막을 형성하기 위한 것이다.
도 2에는 반응 보트의 예시가 도시되어 있다. 반응 보트(200)는 대략 상부가 개방된 직육면체 형상으로서, 그 내부는 원료부(210)와 대상물 장착부(220)가 계단형 측벽(206)에 의하여 나뉘며, 반응 가스들이 대상물 장착부(220)에서 정체되어 반응을 지속하기 위하여 대상물 장착부(220)의 바닥이 원료부(210)의 바닥보다 더 낮게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 경우 피처리 대상물(240)의 양면에 코팅막을 형성하기도 더 용이하다.
다시 도 1을 참조하여, 가스 공급부(300)는 질소와 같은 분위기 가스를 공급하는 분위기 가스 공급부(310)와, 암모니아(NH3)와 같은 질화 반응 가스를 공급하는 질화 반응 가스 공급부(320), 및 염화수소(HCl)와 같은 할로겐화 반응가스를 공급하는 할로겐화 반응 가스 공급부(330)를 구비하고, 각각의 가스 공급부는 공급관(311, 321, 331)을 통해 반응관(100)에 가스를 공급한다. 도 1에서는 도시의 편의를 위하여 각 공급관들이 서로 위 아래에 배치된 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것이 아니며, 반응관의 소형화를 위하여 각 공급관들이 지면과 수직한 평면에 배치(예를 들어 도 2에서의 공급관(321,331)과 같이 배치) 될 수 있다.
분위기 가스 공급부(310)는 반응 보트(200)의 원료부(210)의 대상물 장착부(220)에 각각에 분위기 가스 공급관(311)을 통하여 분위기 가스, 예를 들어 질소 를 공급함으로써, 반응관(100)과 반응 보트(200) 내부를 질소 분위기로 만들어 줄 뿐 아니라, 금속 원료와 할로겐화 반응가스에 의하여 발생된 금속 염화물 가스를 대상물 장착부(400)로 이동시키며 반응 보트(200) 내의 가스 유동을 안정적으로 유지시킬 수 있다.
할로겐화 반응 가스 공급부(330)에 연결된 할로겐화 반응 가스 공급관(331)은 원료부(210)에 장착된 금속 원료에 할로겐화 반응가스를 직접 분출할 수 있기 때문에 금속 염화물을 생성하는 것을 촉진시킨다.
질화 반응 가스 공급부(320)에 연결된 질화 반응가스 공급관(321)은 대상물 장착부(220)에 질화 반응가스를 공급한다. 따라서, 질화 반응가스 공급관(321)의 출구는 대상물 장착부(220) 근방에 배치되는 것이 바람직하다.
가열부(400)는 반응관(100) 전체, 반응 보트(200)의 원료부(210) 및 대상물 장착부(220) 모두를 900-1120℃의 온도 범위로 가열할 수 있으며, 바람직하게는 1050℃로 가열한다. 가열부(400)는 RF 가열기 또는 퍼니스 가열기를 사용할 수 있다. RF 가열기를 사용하면 온도 증가 시간 및 온도 냉각 시간이 3~5배 이상 줄일 수 있어 코팅 시간 및 생산성이 좋아지며, 특히 반응 보트(200)를 흑연으로 하는 경우에 유용하다. 도시되지는 않았으나, 필요에 따라서 반응 보트(200)에는 덮개부가 형성되어 반응 가스들이 반응하기 쉬운 환경을 만들 수 있으며, 이러한 덮개부에는 가스 공급관을 삽입하기 개구가 형성될 수도 있다. 반응 보트(200) 및 덮개부는 바람직하게 흑연으로 이루어진다.
이러한 본 발명에 따른 질화물 코팅막 형성 장치를 사용하여 질화물 코팅막을 형성시키는 방법을 설명한다.
먼저, 원료부(210)에 고체 상태의 금속 원료를 배치하고, 대상물 장착부(220)에 하나 이상의 대상물을 장착한다. 금속 원료는 고체 상태의 알루미늄, 및/또는 고체 상태의 갈륨이다.
구체적으로, AlN 코팅막을 형성하는 경우 금속 원료는 고체 상태의 알루미늄 또는 고체 상태의 알루미늄과 소량의 갈륨을 혼합한 원료를 사용한다. 고체 상태의 알루미늄과 소량의 갈륨을 혼합한 원료를 사용하는 경우, 알루미늄/갈륨의 질량비가 1~70이다. AlN 코팅막을 형성할 때, 소량의 갈륨을 혼합하여 사용하면, 갈륨에 의한 GaN이 AlN 코팅막의 핵으로서 기능을 하여 더욱 원활하게 AlN 코팅막을 형성할 수 있다.
GaN 코팅막을 형성하는 경우 금속 원료는 고체 상태의 갈륨을 사용하고, AlGaN 코팅막을 형성하는 경우 금속 원료는 고체 상태의 갈륨와 알루미늄을 혼합하여 사용한다.
다음으로, 가열기(400)를 가동하여 반응 보트(200) 전체를 900-1120℃ 범위 내의 소정의 반응 온도로 가열한다. 이 때, 반응 보트(200)의 온도를 올리기 전부터 분위기 가스인 질소를 공급하고, 대상물 장착부(220)에 할로겐 질화 반응 가스인 암모니아를 일정량 흘려준다. 다음으로 반응 보트(200)의 온도가 안정화되면 원료부(210)에 할로겐화 반응 가스인 염화수소를 흘려 금속 염화물 가스를 형성한다.
이를 좀 더 상세히 살펴보면, 금속 원료인 Al 또는 Ga와 염화수소가 접촉하여 반응하면 금속 염화물 전구체인 AlCln 또는 GaCl을 생성한다.
도 5는 각각 Al과 Ga를 금속 원료로 사용할 때, 반응과 공급에 의한 금속-염화물 기체와 HCl, H2, N2 기체의 평형 분압(equilibrium partial pressure)을 온도에 따라 나타낸 그래프이다.
(출처: Dhanaraj, G., Byraoppa, K., & Prasad, V., 2010. Springer Handbook of Crystal Growth. 1st Ed. Springer:Berlin.
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도 5에서 알 수 있는 바와 같이, Al을 금속 원료로 사용할 경우, 금속 염화물 전구체는 AlCl, AlCl2, AlCl3, (AlCl3)2으로서, 500℃부터 790℃까지 AlCl3의 분압이 높고, 790℃ 이상부터는 AlCl의 분압이 다른 기체에 비해 절대적으로 높다. 따라서, 본 발명에서는 반응관(100)의 온도를 900-1120℃, 바람직하게는 1050℃가 되도록 가열하기 때문에, AlCl의 분압이 가장 크게 되어 이를 AlN 형성을 위한 전구체로 이용하게 된다.
따라서, 원료부(210)에서는 금속 원료(230)와 할로겐화 반응 가스에 의하여 금속 염화물 가스가 생성되어 대상물 장착부(230)로 이송되고, 이러한 금속 염화물 가스는 질화 반응 가스 공급관(321)에 의하여 공급되는 암모니아(NH3)와 반응하여 대상물(240) 표면에서 질화물 코팅막을 형성하게 된다. 대상물 장착부(230)의 온도가 대략 1120℃ 이상이면 질화물 반도체 결정이 형성되나 900~1120℃ 의 온도 범위는 비정질의 질화물 코팅막이 형성된다.
본 발명에서는 AlN 코팅막을 형성하기 위하여, 금속 염화물 전구체인 AlCl을 이용하고 비정질의 코팅막을 형성하는 온도로서 900~1120℃ 의 온도 범위를 사용하기 때문에, 가열기(400)가 원료부(210)과 대상물 장착부(220) 모두를 동일한 온도로 가열할 수 있다. 종래의 HVPE 방법에서는 일반적으로 가열기가 원료부와 장착부의 온도를 별도로 제어하기 위하여 2개의 가열기를 별도로 제어하는 등 장치 전체가 복잡하였다.
반응 후의 가스들은 반응관(100) 외부로 배출되고, 목표로 하는 두께의 코팅막이 형성되면 반응 가스들의 공급을 중단하고, 가열기(400)를 정지한다. 이러한 코팅막 형성 시간은 2~5 시간 정도로 할 수 있고, 형성 시간에 따른 코팅막의 두께는 선형적으로 비례한다.
도 6은 석영 웨이퍼의 표면에 형성된 AlN 코팅막을 촬영한 사진이다. 다음의 표 1은 AlN과 GaN의 물리적 특성을 나타낸 표로서, 질화물 질화물 반도체는 기계적, 열적, 화학적 안정성을 가지는 물질로, 높은 녹는점과 높은 강도 (결합력=280~350 N/㎜2)를 가져 안정하다.
Material AlN GaN
Crystal structure wurtzite (HCP) wurtzite (HCP)
Lattice constant a=3.111 Å
c=4.979 Å		 a=3.185 Å
c=5.185 Å
Molar mass 40.99 g/mol 83.73 g/mol
Density 3.26 g/㎝3 6.15 g/㎝3
Melting point 2200 ℃ 2500 ℃
Band gap 6.2 eV, Direct 3.42 eV, Direct
Thermal
conductivity		 285 W/m·K 130 W/m·K
Coefficient of
thermal expansion		 Δa/a=4.2×10-6 /K
Δc/c=5.3×10-6 /K		 Δa/a=5.59×10-6 /K
Δc/c=3.17×10-6 /K
Dielectric constant 9.0 (static)
4.77 (high frequency)		 8.9 (static)
5.35 (high frequency)
Diffusion coefficient 3.3 cm2/s (electron)
0.3 cm2/s (hole)		 25 cm2/s (electron)
5 cm2/s (hole)
Critical electric field 3.50×106 V/㎝ 16.6×106 V/㎝
Electron mobility 300 ㎝2/V·s 990~2000 ㎝2/V·s
따라서 AlN 혹은 GaN는 높은 전기 절연성과 높은 열전도도를 비롯하여 다양한 특성들이 매우 우수하여 좋은 코팅 재료로서 효과가 있고, HVPE 방법으로 코팅막을 형성함으로써 형성 속도가 빨라 두께의 조절이 용이할 뿐 아니라 밀착력이 우수하게 된다.
다음으로 도 3을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예를 설명한다. 제2 실시예의 장치는 제1 실시예와 동일하나, 복수 개의 피처리 대상물(240)에 동시에 코팅막을 형성하기 위한 실시예이다. 복수의 피처리 대상물(240)은 수직한 방향으로 각각 소정의 간격으로 이격되어 배치된다. 예시를 위하여 피처리 대상물(240)은 3개로 도시하였으나 이에 한정되지 않으며 그 수는 필요에 따라서 적절하게 선택할 수 있다.
피처리 대상물(230)의 양면에 코팅막을 형성하기 위하여, 원료부(210) 역시 복수 개가 수직한 방향으로 배치되며, 바람직하게는 각각의 대상물(240) 사이로 금속 염화물 가스를 배출할 수 있는 위치에 형성된다.
할로겐화 반응가스 공급관(331)과 질화 반응가스 공급관(321)은 각각의 원료부(210)과 대상물(240)에 반응 가스가 균일하게 공급되도록 각각의 부분에 반응 가스를 공급한다. 도 3에서 가스 공급부 및 가열부는 도시를 생략하였다.
제1 실시예와 마찬가지로 복수의 원료부(210)에 고체 상태의 금속 원료를 배치하고, 대상물 장착부(220)에 복수의 대상물(240)을 장착한다. 다음으로, 가열기(도시되지 않음)를 가동하여 반응 보트(200) 전체를 900-1120℃ 범위 내의 소정의 반응 온도로 가열한다. 이 때, 반응 보트(200)의 온도를 올리기 전부터 분위기 가스인 질소를 공급하고, 대상물 장착부(220)에 할로겐 질화 반응 가스인 암모니아를 일정량 흘려준다. 다음으로 반응 보트(200)의 온도가 안정화되면 원료부(210)에 할로겐화 반응 가스인 염화수소를 흘려 금속 염화물 가스를 형성한다. 금속 염화물 가스는 각각의 기판(240)의 위와 아래로 균일하게 흘러들어가고 질화 반응 가스 공급관(321)로부터의 암모니아와 반응하여 기판의 표면에 질화물 코팅막을 형성하게 된다.
제2 실시예에 따르면 동시에 복수 개의 대상물에 코팅막을 형성할 수 있기 때문에 유용하다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예를 설명한다. 제1 실시예 또는 제2 실시예가 원통형의 반응관이 수평 방향으로 배치되는 수평형이었다면, 제3 실시예는 반응관은 수직한 방향으로 배치되는 수직형이다. 제3 실시예의 수직형 반응관(100)도 복수 개의 피처리 대상물(240)에 동시에 코팅막을 형성하기 위한 실시예이다. 복수의 피처리 대상물(240)은 반응관(100)의 하부에 수직한 방향으로 장착되어 각각 소정의 수평 간격을 두고 이격되어 배치된다. 예시를 위하여 피처리 대상물(240)은 5개로 도시하였으나 이에 한정되지 않으며 그 수는 필요에 따라서 적절하게 선택할 수 있다.
이때, 원료부(210)는 하나 또는 그 이상의 원료부가 배치될 수 있으며, 도 4에서는 2개의 원료부가 반응관(100)의 상부에 수평 방향으로 이격되어 배치된다.
할로겐화 반응가스 공급관(331)은 각각의 원료부(210)에 할로겐화 반응 가스가 공급되도록 한다.
원료부(210)과 대상물 장착부(220) 사이에는 가스 균일화부(600)가 형성된다. 가스 균일화부(600)는 제1 타공판(610), 제1 타공판(610)과 소정 간격 이격되어 설치되는 제2 타공판(620)으로 이루어져, 제1 타공판(610)과 제2 타공판(620) 사이에 소정의 공간을 형성하게 되며, 기판 장착부(220) 쪽으로 금속 염화물 가스와 질화 반응 가스가 균일하게 배출되도록 하는 것이다. 각각의 타공판은 미세한 구멍이 균일하게 형성되어 있으며, 바람직하게는 흑연으로 형성된다.
질화 반응 가스 공급관(321)은 가스 균일화부(600)의 제1 타공판(610)과 제2 타공판(620) 사이의 공간에 질화 반응 가스를 공급하고, 질화 반응 가스는 제2 타공판(620)을 통해 기판 장착부(220) 쪽으로 균일하게 분사 배출된다.
도 4에서 가스 공급부와 가열부는 도시를 생략하였다.
제1 또는 제2 실시예와 마찬가지로 복수의 원료부(210)에 고체 상태의 금속 원료를 배치하고, 대상물 장착부(220)에 복수의 대상물(240)을 장착한다. 다음으로, 가열기(도시되지 않음)를 가동하여 반응관(100) 전체를 900-1120℃ 범위 내의 소정의 반응 온도로 가열한다.
이 때, 반응관(100)의 온도를 올리기 전부터 분위기 가스인 질소를 공급하고, 대상물 장착부(220)에 할로겐 질화 반응 가스인 암모니아를 일정량 공급한다. 질화 반응 가스는 가스 균일화부(600)의 제1 타공판(610)과 제2 타공판(620) 사이의 공간에 공급되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 제2 타공판(610) 전에 공급되어, 제1 타공판(610)과 제2 타공판(620)을 모두 통과하여 기판(240)쪽으로 균일하게 분사되도록 할 수도 있다.
다음으로 반응관(100)의 온도가 안정화되면 원료부(210)에 할로겐화 반응 가스인 염화수소를 흘려 금속 염화물 가스를 형성한다. 금속 염화물 가스는 가스 균일화부(600)의 제1 타공판(610)을 통해 1차로 균일하게 가스 균일화부(600)의 공간으로 공급되고 다시 제2 타공판(620)을 통해 2차로 균일하게 기판(240) 쪽으로 공급된다.
따라서, 제2 타공(620)을 통과하는 금속 염화물 가스와 암모니아가 균일하게 기판(240) 쪽으로 분사되면서 반응하여 각각의 기판(240)의 표면 상에 동시에 질화물 코팅막을 형성하게 된다.
제3 실시예에 따르면 동시에 복수 개의 대상물에 코팅막을 형성할 수 있기 때문에 유용하고, 가스 균일화부(600)에 의하여 분출되는 가스들을 균일하게 분사할 수 있기 때문에 동시에 형성되는 코팅막이 더욱 균일하게 형성될 수 있다.
본 발명의 질화물 코팅막 형성 장치 및 방법에 따르면, HVPE 방법을 사용하여 질화물 코팅막 형성할 수 있어서, 코팅막 형성 속도를 향상하고 후막의 코팅막을 형성할 수 있다. 본 발명의 질화물 코팅막 형성 장치 및 방법에 따르면 질화물 코팅막이 높은 속도로 코팅되기 때문에, 용이하게 후막의 질화물 코팅막을 형성시킬 수 있고, 질화물 코팅막층의 두께도 조절하기 쉽다.
또한, 본 발명은 기존의 HVPE 방법에서도 이용하지 않던 금속 염화물 가스인 AlCl을 사용하여 높은 형성 속도를 얻을 수 있으며, 피처리 대상물에 견고한 코팅막을 형성할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 기존의 플라즈마 용사 코팅에 의한 방법에 비하여 간단하고 저비용으로 질화물 코팅막을 형성할 수 있다는 장점도 있다.
이에 더하여, 본 발명은 복수 개의 피처리 대상물의 일면 또는 양면에 동시에 코팅막을 형성할 수 있으므로 더욱 유용하다.
이상에서 본원 발명의 기술적 특징을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본원 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위 내에서도 여러 가지 변형 및 수정을 가할 수 있음은 명백하다. 예를 들어, 수직형 반응관을 사용하는 제3 실시예의 가스 균일화부는 제1 또는 제2 실시예의 수평형 반응관에도 사용할 수 있다.
100: 반응관
200: 반응 보트
210: 원료부 220: 대상물 장착부
206: 격벽
230: 금속 원료 240: 피처리 대상물
300: 반응 가스 공급부
310: 분위기 가스 공급부 311: 분위기 가스 공급관
320: 질화 반응 가스 공급부 321: 질화 반응 가스 공급관
330: 할로겐화 반응 가스 공급부 331: 할로겐화 가스 공급관
400: 가열부
600: 가스 균일화부
610: 제1 타공판 620: 제2 타공판

Claims (21)

  1. 피처리 대상물의 표면에 비정질의 질화물 코팅막을 형성하는 장치로서,
    반응관;
    상기 반응관 내에 배치되어, 갈륨 또는 알루미늄을 포함하는 금속 원료가 장착되는 적어도 하나의 원료부;
    상기 원료부에 할로겐화 반응가스를 공급하는 할로겐화 반응가스 공급관; 및
    상기 반응관 내에 배치되어, 적어도 하나의 피처리 대상물이 장착되는 대상물 장착부;
    상기 대상물 장착부에 질화 반응 가스를 공급하는 질화 반응가스 공급관; 및
    상기 반응관 전체를 동일한 온도로 가열하는 가열부
    를 포함하고,
    상기 동일한 온도는 900-1120℃의 온도 범위 내이고,
    상기 원료부에 알루미늄이 장착되는 경우, 상기 할로겐화 반응 가스 공급관에 의하여 공급되는 할로겐화 반응가스와 상기 원료부의 금속 원료가 반응하여 생성되는 금속 염화물 가스 AlCln 중 AlCl의 분압이 가장 높은 상태에서 상기 피처리 대상물의 표면이 비정질의 질화물 코팅막을 형성하는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비정질의 질화물 코팅막은 질화알루미늄 또는 질화갈륨인
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 원료는 고체 상태의 알루미늄 또는 갈륨을 포함하는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원료부가 복수 개인 경우,
    상기 각각의 원료부는 상하 방향으로 적층되어 배치되는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 원료부가 복수 개인 경우,
    상기 각각의 원료부는 수평 방향으로 배치되는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 반응관이 수평형인
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 반응관이 수직형인
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 복수 개의 원료부 각각에 할로겐화 반응가스를 공급하는 할로겐화 반응가스 공급관이 배치되는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 대상물 장착부에 장착된 대상물이 판의 형상을 가지고,
    상기 판의 일측 표면과 타측 표면 모두에 코팅이 형성되는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 대상물 장착부는 대상물을 소정의 높이에서 지지하는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 원료부와 대상물 장착부 사이에 배치되는 가스 균일화부
    를 더 포함하는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가스 균일화부는 적어도 하나의 타공판을 포함하는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 원료부 및 대상물 장착부는 흑연으로 이루어지는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 장치.
  14. 피처리 대상물의 표면에 비정질의 질화물 코팅막을 형성하는 방법으로서,
    반응관 일측에, 갈륨 또는 알루미늄을 포함하는 금속 원료를 배치하는 단계;
    상기 금속 원료와 근접하게 대상물을 배치하는 단계;
    상기 금속 원료와 대상물을 동일한 온도로 가열하는 단계;
    상기 금속 원료에 할로겐화 반응가스를 공급하는 단계;
    상기 대상물에 질화 반응 가스를 공급하는 단계;
    상기 금속 원료와 할로겐화 반응가스가 반응하여 금속 염화물 가스를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 금속 염화물 가스와 질화 반응 가스가 반응하여 상기 대상물 상에 비정질의 질화물 코팅막이 형성하는 단계
    를 포함하고
    상기 동일한 온도는 900-1120℃의 온도 범위 내의 온도이고,
    금속 원료에 알루미늄이 포함되는 경우, 상기 금속 염화물 가스를 생성하는 단계에서, 생성된 금속 염화물 가스 AlCln 중 AlCl의 분압이 가장 높은
    비정질의 질화물 코팅막 형성 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 비정질의 질화물 코팅막은 질화알루미늄 또는 질화 갈륨인
    비정질의 질화물 코팅막 형성 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 금속 원료는 고체 상태의 알루미늄을 포함하는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 방법.
  17. 제14항 또는 제16항에 있어서,
    상기 금속 원료는 고체 상태의 갈륨을 포함하는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 금속 원료의 알루미늄/갈륨의 질량비가 1~70인
    비정질의 질화물 코팅막 형성 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 금속 원료와 할로겐화 반응가스가 반응하여 금속 염화물 가스를 생성하는 단계에서 생성된 금속 염화물 가스는 AlCl인
    비정질의 질화물 코팅막 형성 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 대상물에 형성된 코팅막의 두께는 코팅 형성 시간에 비례하는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 금속 원료와 대상물을 가열하는 단계는 안정화 온도를 1050℃로 하는
    비정질의 질화물 코팅막 형성 방법.
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