KR102570336B1 - 질화갈륨 기판의 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화갈륨 기판을 제조하는 장치에 있어서: 내부 공간에 보트(11)를 갖추면서 히터블록(15)에 수용되는 공정튜브(10); 상기 공정튜브(10)의 공간에 유도블록(21)을 구비하고, 기판에 질화갈륨 증착을 유발하는 리액터(20); 상기 공정튜브(10)에 암모니아공급부(31), 염화수소공급부(32), 질소공급부(33)와 더불어 기판의 물성 개선을 위한 부가공급부를 연결하여 구성되는 가스공급수단(30); 및 상기 리액터(20)에 기판 지지용 서셉터(41)를 가동로드(46)와 동일하게 수평 상태로 지지하는 반등유도수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 양산 현장에서 기판에 질화갈륨 단결정을 성장시키는 과정에서 기판의 물성 개선을 유도하기 위한 공정의 유연성을 확보하므로 다양한 분야에 적용하기 위한 양산 기술의 향상을 도모하는 효과가 있다.

Description

질화갈륨 기판의 제조 장치 {APPARATUS FOR MANUFACTURING A GALLIUM NITRIDE SUBSTRATE}
본 발명은 질화갈륨 기판의 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 양산 현장에서 질화갈륨 기판의 물성을 개선하기 위한 질화갈륨 기판의 제조 장치에 관한 것이다.
질화갈륨(GaN)은 경량이면서 발열이 적은 성능에 대비하여 고가로 인해 인공위성, 방산 등에 한정되었으나, 양산 기술의 발전과 더불어 TV, 모니터 등에서 댜양한 색체 표현이 가능한 광소자 물질로 사용된다. 향후 5G 통신용 전력증폭기를 비롯하여 인공지능(AI), 자율주행자동차, 스마트그리드 등에서 많은 데이터 처리에 따른 전력소모ㆍ발열 축소의 측면에서 활용성이 증대되고 있다. 다만 이는 원하는 물성을 구현하기 위한 양산 공정 기술을 전제로 한다.
질화갈륨 기판 제조와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제0447414호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0840767호(선행문헌 2) 등을 참조할 수 있다.
선행문헌 1은 운반 기체와 암모니아 기체를 공급하는 기체 공급부; 기체 공급부의 암모니아 기체에서 질소를 열분해시키는 크랙커와, 열분해된 질소와 내부의 금속 갈륨에서 승화된 갈륨 가스를 반응시켜 기판 상에 질화갈륨 결정을 성장시키는 성장셀을 구비하는 반응부;를 포함한다. 이에, 구조가 간단하고, 비용이 저렴하며, 제조 공정이 간단한 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 가스를 공급하는 가스 케비넷; 갈륨(Ga)을 연속적으로 보트에 공급하는 갈륨 공급장치; 리액터 튜브 외주면에 온도 조절이 가능한 히터 블록이 형성된 반응로; 및 파우더제거장치와 기판이 부착된 서셉터지지대를 회전시키는 무빙장치;를 포함한다. 이에, 기판 회전으로 균일한 100~400㎛ 두께의 고품질 질화갈륨(GaN) 기판을 제조하는 효과를 기대한다.
그러나, 상기한 선행문헌은 질화갈륨 기판의 물성 개선을 위한 공정의 유연성이 부족하여 양산 기술 발전에 한계성을 드러낸다.
한국 등록특허공보 제0447414호 “질화갈륨 결정기판 제조방법 및 화학 기상 증착 반응기” (공개일자 : 2003.07.04.) 한국 등록특허공보 제0840767호 “질화갈륨 반도체기판 제조장치 및 그 제조방법” (공개일자 : 2008.06.23.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 양산 현장에서 기판에 질화갈륨 단결정을 성장시키는 과정에서 기판의 물성 개선을 유도하기 위한 공정의 유연성을 확보할 수 있는 질화갈륨 기판의 제조 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 질화갈륨 기판을 제조하는 장치에 있어서: 내부 공간에 보트를 갖추면서 히터블록에 수용되는 공정튜브; 상기 공정튜브의 공간에 유도블록을 구비하고, 기판에 질화갈륨 증착을 유발하는 리액터; 상기 공정튜브에 암모니아공급부, 염화수소공급부, 질소공급부와 더불어 기판의 물성 개선을 위한 부가공급부를 연결하여 구성되는 가스공급수단; 및 상기 리액터에 기판 지지용 서셉터를 가동로드와 동일하게 수평 상태로 지지하는 반등유도수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 가스공급수단은 부가공급부로서 유량제어밸브를 갖춘 수소공급부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 반등유도수단은 서셉터 및 그에 연결되는 가동로드에 질소가스 공급을 위한 가동가스관을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 서셉터는 적어도 부분적으로 가동부를 개재하여 기판을 회전 가능하게 지지하고, 가동부는 가동가스관을 통한 질소가스로 회전을 유발하는 블레이드를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 가스공급수단과 상기 반등유도수단은 설정된 알고리즘을 탑재한 제어기에 연결되어 기판의 물성 변동을 유발하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 양산 현장에서 기판에 질화갈륨 단결정을 성장시키는 과정에서 기판의 물성 개선을 유도하기 위한 공정의 유연성을 확보하므로 다양한 분야에 적용하기 위한 양산 기술의 향상을 도모하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 주요부를 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 변형예를 나타내는 모식도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 질화갈륨 기판을 제조하는 장치에 관하여 제안한다. 질화갈륨(GaN)의 화학적 증착을 유발하는 장치를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면 공정튜브(10)가 내부 공간에 보트(11)를 갖추면서 히터블록(15)에 수용되는 구조이다.
도 1을 참조하면, 공정튜브(10)와 더불어 보트(11), 도어(12), 배기구(13), 히터블록(15) 등이 나타난다. 보트(11)는 공정튜브(10)의 내부에 수용되고 외부에서 공급되는 갈륨을 저장한다. 도어(12)는 공정튜브(10)의 하류측에 개폐 가능하게 설치된다. 배기구(13)는 도어(12)에 인접하여 폐기 공정 가스를 배출하도록 설치된다. 히터블록(15)은 공정튜브(10)를 대부분 감싸도록 설치되고, 영역에 따라 차등적으로 온도 조절이 가능하게 구성된다.
또한, 본 발명에 따르면 기판에 질화갈륨 증착을 유발하는 리액터(20)가 상기 공정튜브(10)의 공간에 유도블록(21)을 구비하는 구조를 이루고 있다.
도 1에서, 공정튜브(10)의 리액터(20)에 유도블록(21)이 설치된 상태를 나타낸다. 유도블록(21)은 축열성이 양호한 세라믹을 기반으로 하여 플라즈마에 견디는 내열성이 우수한 석영(quartz), SiC 코팅된 흑연(graphite), 테플론(Teflon) 중에서 선택되는 소재로 외피를 형성한다. 대략 벤츄리 형태로 형성되는 유도블록(21)은 후술하는 서셉터(41)가 지지되는 부분으로서 와류 발생과 온도 편차를 축소하여 안정적인 층류 유동을 유도한다.
또한, 본 발명에 따르면 가스공급수단(30)이 상기 공정튜브(10)에 암모니아공급부(31), 염화수소공급부(32), 질소공급부(33)와 더불어 기판의 물성 개선을 위한 부가공급부를 연결하여 구성되는 구조를 이루고 있다.
도 1에 가스공급수단(30)을 구성하는 암모니아공급부(31), 염화수소공급부(32), 질소공급부(33)가 나타난다. 보트(11)에 갈륨을 공급하는 갈륨공급부(25)의 배관(노즐)은 대략 공정튜브(10)의 중앙으로 유도된다. 공정 가스를 공급하는 암모니아공급부(31), 염화수소공급부(32), 질소공급부(33)의 배관은 갈륨공급부(25)의 배관 주변으로 배치된다. 부가공급부는 질화갈륨 단결정을 성장시키는 과정에서 기판의 물성 개선을 유도한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 가스공급수단(30)은 부가공급부로서 유량제어밸브(37)를 갖춘 수소공급부(35)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1에서 가스공급수단(30)의 부가공급부인 수소공급부(35)가 유량제어밸브(37)와 함께 나타난다. 수소공급부(35)는 기판의 연성을 증대하여 부드러운 상태로 개질한다. 수소공급부(35)는 암모니아공급부(31), 염화수소공급부(32), 질소공급부(33)와 인접한 메인유로 외에 유도블록(21) 상으로 유도되는 보조유로(도시 생략)를 더 구비할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따르면 반등유도수단(40)이 상기 리액터(20)에 기판 지지용 서셉터(41)를 가동로드(46)와 동일하게 수평 상태로 지지하는 구조이다.
도 1처럼 반등유도수단(40)의 서셉터(41)는 유도블록(21)에 수평 상태로 배치되어 그 상면에서 기판(S)을 수평 상태로 지지한다. 기판(S)이 수평 상태로 지지되면 수직 상태에 비하여 많은 수량으로 증착하기 유리하다. 도 2는 서셉터(41)에 3개의 기판을 로딩하는 상태를 예시한다. 가동로드(46)는 선단에서 서셉터(41)에 연결되고 후단에서 도어(12)에 슬라이딩 가능하게 지지된다. 서셉터(41)의 출입이 원활하도록 가이드레일(23)을 설치한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 반등유도수단(40)은 서셉터(41) 및 그에 연결되는 가동로드(46)에 질소가스 공급을 위한 가동가스관(48)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 서셉터(41)의 일측에 연결되는 가동로드(46)에 가동가스관(48)이 형성된 상태를 나타낸다. 가동가스관(48)은 가동로드(46)의 내부를 통과하여 서셉터(41)의 통공부(42)까지 연통된다. 가동가스관(48)과 통공부(42)를 통하여 질소가스가 공급되면 서셉터(41) 상의 기판은 다소 부상된 상태로 증착될 수 있다. 증착 전후에 기판을 안정적으로 로딩/언로딩하는 공정은 물론 증착이 완료된 후에 질소가스로 퍼징하는 공정에도 활용성이 기대된다.
본 발명의 변형예로서, 상기 서셉터(41)는 적어도 부분적으로 가동부(43)를 개재하여 기판(S)을 회전 가능하게 지지하고, 가동부(43)는 가동가스관(48)을 통한 질소가스로 회전을 유발하는 블레이드(44)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면, 서셉터(41)의 변형예로서 가동부(43), 블레이드(44) 등이 나타난다. 가동부(43)의 측면에는 유동하는 질소가스에 의해 회전력을 발생하는 블레이드(44)가 형성된다. 가동로드(46)의 가동가스관(48)을 통하여 질소가스가 공급되면 가동부(43)가 약간 부상된 상태에서 회전되므로 다수의 기판에 대한 증착효율을 높일 수 있다. 서셉터(41)는 기판을 지지하는 가동부(43)의 이탈을 방지하는 안내부재를 구비할 수 있다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 가스공급수단(30)과 상기 반등유도수단(40)은 설정된 알고리즘을 탑재한 제어기(50)에 연결되어 기판의 물성 변동을 유발하는 것을 특징으로 한다.
제어기(50)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 마이컴 회로로 구성한다. 제어기(50)의 출력인터페이스에는 히터블록(15), 가스공급수단(30)의 유량제어밸브(37), 가동가스관(48)의 밸브 등이 연결된다. 제어기(50)는 기판에 대략 400㎛ 범위의 두께로 갈륨을 증착하며, 이 과정에서 수소공급부(35)의 수소가스 제어를 통하여 원하는 물성으로 조절한다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 공정튜브 11: 보트
15: 히터블록 20: 리액터
21: 유도블록 23: 가이드레일
25: 갈륨공급부 30: 가스공급수단
31: 암모니아공급부 32: 염화수소공급부
33: 질소공급부 35: 수소공급부
37: 유량제어밸브 40: 반응유도수단
41: 서셉터 42: 통공부
43: 가동부 44: 블레이드
46: 가동로드 48: 가동가스관
50: 제어기

Claims (5)

  1. 질화갈륨 기판을 제조하는 장치에 있어서:
    내부 공간에 보트(11)를 갖추면서 히터블록(15)에 수용되는 공정튜브(10);
    상기 공정튜브(10)의 공간에 유도블록(21)을 구비하고, 기판에 질화갈륨 증착을 유발하는 리액터(20);
    상기 공정튜브(10)에 암모니아공급부(31), 염화수소공급부(32), 질소공급부(33)와 더불어 기판의 물성 개선을 위한 부가공급부를 연결하여 구성되는 가스공급수단(30); 및
    상기 리액터(20)에 복수의 기판을 로딩하도록 기판 지지용 서셉터(41)를 가동로드(46)와 동일하게 수평 상태로 지지하는 반등유도수단(40);을 포함하되,
    상기 가스공급수단(30)은 부가공급부로서 유량제어밸브(37)를 갖춘 수소공급부(35)를 구비하고,
    상기 반등유도수단(40)은 서셉터(41) 및 그에 연결되는 가동로드(46)에 질소가스 공급을 위한 가동가스관(48)을 구비하며,
    상기 서셉터(41)는 적어도 부분적으로 가동부(43)를 개재하여 기판(S)을 회전 가능하게 지지하고, 가동부(43)는 가동가스관(48)을 통한 질소가스로 회전을 유발하는 블레이드(44)를 구비하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스공급수단(30)과 상기 반등유도수단(40)은 설정된 알고리즘을 탑재한 제어기(50)에 연결되어 기판의 물성 변동을 유발하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 장치.
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