KR20000019414A - 카운터 플로우 방법에 의한 박막성장방법과 선행이온화방법 및 이를 수행하는 서스셉터가 설치된mocvd반응로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카운터 플로우 방법에 의한 박막성장방법 및 MOCVD 반응로와 선행이온화방법 및 카운터 플로우용 서스셉터에 관한 것으로, 특히 카운터 플로우(counter-flow) 방법에 의한 박막성장용 MOCVD (metal-organic chemical vapour deposition, 유기금속화학증착법) 반응로와 카운터 플로우용 서스셉터(susceptor)를 사용한 반도체 및 기타 여러 가지 용도의 박막 성장 방법 및 장치에 관한 분야이다.
본 발명은 유기금속화학증착법에 의해 박막을 성장시키는 반응로에 있어서,
외부반응로와 내부반응로의 이중구조로 구성하여, 이 외부반응로와 내부반응로 사이에 시라우딩(shrouding flow) 플로우를 흐르게 하고,
상기 내부반응로 내에는 일정각으로 경사진 면 위에는 기판이 장착되고 하부로는 카운터 플로우의 가스 통로가 내제되어 있는 서스셉터(susceptor)를 장착하여 서스셉터(susceptor)의 뒷면에서 가스통로를 통하여 프론트 플로우에 대하여 역으로 카운터 플로우를 유입시키고, 서스셉터(susceptor)의 전반부에서는 서스셉터(susceptor)를 향하여 수평으로 흐르는 프론트 플로우가 플로우되도록 구성된다.

Description

카운터 플로우 방법에 의한 박막성장방법 및 엠오씨브이디 반응로와 선행이온화방법 및 카운터 플로우용 서스셉터
본 발명은 카운터 플로우 방법에 의한 박막성장방법 및 MOCVD 반응로와 선행이온화방법 및 카운터 플로우용 서스셉터에 관한 것으로, 특히 카운터 플로우(counter-flow) 방법에 의한 박막성장용 MOCVD (metal-organic chemical vapour deposition, 유기금속화학증착법) 반응로와 카운터 플로우용 서스셉터(susceptor)를 사용한 반도체 및 기타 여러 가지 용도의 박막 성장 방법 및 장치에 관한 분야이다.
전 세계적으로 반도체 및 기타 용도의 고품위 박막 성장을 위하여 여러 가지 형태의 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition, 유기금속화학증착법)반응로(reactor)에 대한 개발이 활발하다.
그 중에서도 대표적인 것을 소개하면 다음과 같다.
가장 앞선 기술로써 인정받는 것은 도 2에 도시된 일본의 수지 나까무라(Shuji Nakamura)(소속:니찌아 캐미컬)가 개발한 투 플로우(Two-flow) 방법에 의한 MOCVD 반응로로서, 그 구성은 도시된 바와 같이 서브 플로우(sub flow)는 기판의 윗 부분으로부터 수직으로 유동하면서 기판 위에서의 열대류 현상을 억제시키는 역할을 하고 메인 플로우(main flow)는 기판의 측면으로부터 수평으로 유동하면서 박막 성장에 요하는 소스(source)나 가스(gas)를 공급하도록 구성된다.
이러한 수지 나까무라의 투 플로우(Two-flow) 방법에 의해 성장된 박막 역시 매우 고품위의 특성을 나타낸다.
하지만 상기와 같은 방법은 다음과 같은 단점을 가지고 있다.
첫째, 서로 90°각을 유지하면서 메인 플로우와 서브 플로우가 흐르기 때문에 기판위에서 가스 흐름의 층류 안정성이 결여되고 결국은 성장되는 박막의 균일도가 저하된다는 문제점이 있다.
둘째, 메인 플로우를 제어하고 열대류 현상을 억제하기 위한 서브 플로우의 유량이 너무 커서 유지비 및 생산 단가가 높다는 단점이 있다.
셋째, 수지 나까무라의 투 플로우(Two-flow) 방법에 의한 반응로는 수직형 금속반응로 형식으로 제작해야 하기 때문에 제작 단가가 매우 높다는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은
첫째, 모든 가스 및 소스들이 혼합 후 기판 전에서의 층류 안정성을 향상시킴으로써 박막의 성장균일도 향상시키고,
둘째, 좀 더 적은량의 가스 소요 및 이에 따른 생산 단가를 저하시키며,
셋째, 고품위의 박막 성장이 가능하면서도 저렴한 가격의 반응로를 제작하고,
넷째, 박막성장시 사용되는 소스 및 가스들의 선행반응(prereaction) 억제에 의한 고품위 박막성장이 가능하게 하고
다섯째, 고온에서의 박막 성장시, 사용되는 소스 및 가스들의 열대류 현상 억제에 의한 고품위 박막성장이 가능하게 하며,
여섯째, 사용되는 가스의 선행이온화(precracking) 효과를 도입하므로써 박막 성장시 기판에 충분한 가스 이온들이 공급되게 하여 다른 어떠한 방법에 의한 것보다도 고품위 박막 성장이 가능하도록 하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 유기금속화학증착법에 의한 박막의 성장방법에 있어서,
내부와 외부 반응로 사이를 흐르는 시라우딩(shrouding flow) 플로우를 이용하여 가스 및 소스들이 내부 반응로내에서 안정된 층류(laminar flow)가 되도록 하고,
내부 반응로에 위치하는 일정각으로 경사진 면 위에는 기판이 장착되고 하부로는 카운터 플로우의 가스 통로가 내제되어 있는 서스셉터(susceptor)의 뒷면에서 가스통로를 통하여 프론트 플로우에 대하여 역으로 카운터 플로우를 유입시키고, 서스셉터(susceptor)의 전반부에서는 서스셉터(susceptor)를 향하여 수평으로 흐르는 프론트 플로우가 플로우되도록 하되, 프론트 플로우의 전체적인 유량은 카운터 플로우의 유량에 비하여 크게 함으로써 전체적으로는 안정된 층류(laminar flow)가 되도록 하여 서로 선행반응을 일으키는 가스 및 소스들을 각각 프론트 플로우와 카운터 플로우로 분리하여 유동시킴으로써 기판이 장착되는 서스셉터(susceptor) 직전에서 이들이 만나고 혼합하게 하여 선행반응(prereaction)에 요하는 경과시간을 최대로 줄여 선행반응을 방지하여 박막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 카운터 플로우 방법에 의한 박막성장방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 유기금속화학증착법에 의해 박막을 성장시키는 반응로에 있어서,
외부반응로와 내부반응로의 이중구조로 구성하여, 이 외부반응로와 내부반응로 사이에 시라우딩(shrouding flow) 플로우를 흐르게 하고,
상기 내부반응로 내에는 일정각으로 경사진 면 위에는 기판이 장착되고 하부로는 카운터 플로우의 가스 통로가 내제되어 있는 서스셉터(susceptor)를 장착하여 서스셉터(susceptor)의 뒷면에서 가스통로를 통하여 프론트 플로우에 대하여 역으로 카운터 플로우를 유입시키고, 서스셉터(susceptor)의 전반부에서는 서스셉터(susceptor)를 향하여 수평으로 흐르는 프론트 플로우가 플로우되도록 구성한 것을 특징으로 하는 카운터 플로우 방법에 의한 MOCVD 반응로를 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 기판에 가스 이온을 공급하는 방법에 있어서,
기판 가열을 위하여 고온으로 가열된 고온의 서스셉터 하부 내부의 가스통로를 통하여 가스를 카운터 플로우 하게 함으로써 가스의 이온화를 촉진시켜 박막이 성장되는 기판에 충분한 가스 이온들이 공급되도록 한 방법을 특징으로 하는 카운터 플로우 방법에 의한 선행이온화방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 박막을 지지하는 서스셉터에 있어서,
카운터 플로우 가스의 안정화 역할을 하는 가스 인젝터 부분과 이와 연속되는 일정각으로 경사진 면 위에 기판이 장착되는 그라파이트 서스셉터(graphite susceptor) 부분과 이 두 부분의 하부 내부에 형성된 가스 통로로 구성하되, 이 가스통로는 인젝터 부분에서는 넓다가 그라파이트 서스셉터 부분에서는 좁아지도록 형성시켜 카운터 플로우를 플로우 시키고 카운터 플로우되는 가스의 이온화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는 카운터 플로우용 서스셉터를 제공함으로써 달성된다.
도 1 은 본 발명 카운터 플로우 방법에 의한 박막성장용 MOCVD 반응로의 전체적인 측면도이고,
도 2 는 종래 수지 나까무라(Shuji Nakamura)의 투 플로우(two flow) 방법에 의한 MOCVD 반응로의 개략도이며,
도 3 은 본 발명 카운터 플로우용 서스셉터(susceptor)의 측면도이고,
도 4 는 본 발명 카운터 플로우 서스셉터(susceptor)의 평면도이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 전체적인 측면도로서 카운터 플로우를 위한 서스셉터(susceptor)를 나타낸다.
본 발명의 반응로는 이중으로 되어 있으며 외부의 반응로를 외부반응로, 내부의 반응로를 내부반응로라고 한다.
내부와 외부 반응로 사이를 흐르는 플로우(flow)는 시라우딩(shrouding flow) 플로우하고 하며 가스 및 소스들이 내부 반응로내에서 안정된 층류(laminar flow)가 되도록 기여한다.
내부 반응로내에는 서스셉터(susceptor)가 위치하는데 서스셉터(susceptor) 위에는 기판이 장착되고 하부로는 카운터 플로우의 통로가 내제되어 있다.
카운터 플로우는 이 서스셉터(susceptor) 뒷면에서 내부를 통하여 프론트 플로우에 대하여 역으로 유입된다.
서스셉터(susceptor)의 전반부에서는 서스셉터(susceptor)를 향하여 수평으로 흐르는 프론트 플로우가 존재한다.
프론트 플로우의 전체적인 유량은 카운터 플로우의 유량에 비하여 크게 함으로써 전체적으로는 안정된 층류(laminar flow)가 되도록 발명하였다.
박막성장을 위한 기판은 전체적인 가스 흐름 방향에 대하여 일정한 각을 유지하고 있다.
본 발명 서스셉터는 카운터 플로우를 위하여 개발된 것으로써 일정각으로 경사진 면 위에 기판이 장착되도록 되어 있으며 하부의 내부에는 카운터 플로우와 카운터 플로우 되는 가스의 이온화를 촉진시키는 선행이온화(precracking) 효과를 위하여 가스 통로가 만들어져 있다.
일반적으로 화합물 박막 성장에 있어서는, 사용되는 소스나 가스가 성장을 위해 혼합된 후 일정 이상의 경과시간이 지나면 기판에 도달하기 전에 서로 반응(예를들어 MO-소스와 암모니아 가스)을 하여 부산물(by-product)를 만들게 되어 기판 위에서 원하는 박막이 성장되지 않거나 성장된다 하여도 저품위 또는 불균일한 조성의 박막이 성장되는 경우가 빈번한데, 이러한 현상을 선행반응(prereaction)이라고 하며 이 반응을 방지하기 위한 여러 종류의 MOCVD 반응로가 제시되어 졌다.
즉, 도 1에 나타난 바와 같이 본 발명의 카운터 플로우 방법에 의한 박막성장용 MOCVD 반응로에서는 서로 선행반응을 일으키는 가스 및 소스들을 각각 프론트 플로우와 카운터 플로우로 분리하여 유동시키고 기판이 장착되는 서스셉터(susceptor) 직전에서 이들이 만나고 혼합하게 하여 선행반응(prereaction)에 요하는 경과시간을 최대로 줄임으로써 선행반응을 방지하도록 되어 있다.
아울러 본 발명에서는 소스나 가스들이 서로 카운터로 만나서 혼합되므로 만나는 지점에서부터 박막이 성장되는 기판까지의 거리가 극히 가까우며 이에 따라 경과시간이 매우 작아도 충분한 혼합이 이루어지게 된다.
아울러 카운터 플로우는 고온에서 박막 성장시 문제시되는 소스나 가스들의 열 대류(convection) 영향을 제거시킴으로써 소스 결핍현상 억제에 의한 고품위 박막 성장이 가능하다.
즉 대류 영향이 큰 가스나 소스들을 카운터 플로우로 플로우(flow)시키고 대류 영향이 적은 가스나 소스들을 캐리어 가스(carrier gas)와 함께 프론트 플로우에 주입하여 플로우하게 함으로써 카운터 플로우로 흐르는 가스들을 강하게 제어하고 억제시킴으로써 열대류 영향을 게거할 수 있다.
도 3 은 카운터 플로우를 위해 개발한 서스셉터(susceptor)의 자세한 측면도이고, 도 4 는 서스셉터(susceptor)의 평면도로서, 도시된 바와 같이 카운터 플로우용 서스셉터(susceptor)는 카운터 플로우 가스의 안정화 역할을 하는 가스 인젝터 부분과 이와 연속되는 일정각으로 경사진 면 위에 기판이 장착되는 그라파이트 서스셉터(graphite susceptor) 부분과 이 두 부분의 하부 내부에 형성된 카운터 플로우를 플로우시키고 카운터 플로우되는 가스의 이온화를 촉진시키는 가스 통로로 구성하되 이 가스통로는 인젝터 부분에서는 넓다가 그라파이트 서스셉터 부분에서는 좁아지도록 형성된다.
일반적으로 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition, 유기금속화학증착법)에 의한 박막의 성장시 서스셉터(susceptor)는 기판 가열을 위하여 고온으로 가열되는데, 본 발명에서는 이 고온의 서스셉터(susceptor) 하부의 내부를 통하여 가스를 카운터로 플로우 하게 함으로써 가스의 이온화를 촉진시키는 선행이온화(precracking) 효과를 얻을 수 있다.
본 발명 카운터 플로우의 선행이온화(precracking) 효과에 의하여 박막이 성장되는 기판에 충분한 가스 이온들이 공급됨으로써 다른 어떠한 방법에 의한 것보다도 고품위 박막의 성장이 가능하다.
상기와 같은 본 발명 카운터 플로우 방법의 반응로에 의하여 성장된 질화물반도체의 특성은 다음과 같다.
1) Undoped GaN/Sapphire (0001) 에피층(두께:1.2 ㎛)의 특성
. 결정성 : DCXRD의 반치폭, 350 arcsec
. 잔류전자농도(carrier concentration) : 1x1017/cm3,
그러므로 본 발명으로서 반도체 산업분야에 실용화시킬 수 있는데 그 장점은 다음과 같다.
첫째, 모든 가스 및 소스들이 혼합 후 기판 전에서의 층류 안정성을 향상시킴으로써 박막의 성장균일도가 향상되었다는 장점과,
둘째, 좀 더 적은량의 가스 소요 및 이에 따른 생산 단가가 저하되었다는 장점과,
셋째, 고품위의 박막 성장이 가능하면서도 저렴한 가격의 반응로를 제작할 수 있다는 장점과,
넷째, 박막성장시 사용되는 소스 및 가스들의 선행반응(prereaction) 억제에 의한 고품위 박막성장이 가능하게 되었다는 장점과,
다섯째, 고온에서의 박막 성장시, 사용되는 소스 및 가스들의 열대류 현상 억제에 의한 고품위 박막성장이 가능하게 되었다는 장점과,
여섯째, 사용되는 가스의 선행이온화(precracking) 효과를 도입하므로써 박막 성장시 기판에 충분한 가스 이온들이 공급되게 하여 다른 어떠한 방법에 의한 것보다도 고품위 박막 성장이 가능하게 되었다는 등등의 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 유기금속화학증착법에 의한 박막의 성장방법에 있어서,
    내부와 외부 반응로 사이를 흐르는 시라우딩(shrouding flow) 플로우를 이용하여 가스 및 소스들이 내부 반응로내에서 안정된 층류(laminar flow)가 되도록 하고,
    내부 반응로에 위치하는 일정각으로 경사진 면 위에는 기판이 장착되고 하부로는 카운터 플로우의 가스 통로가 내제되어 있는 서스셉터(susceptor)의 뒷면에서 가스통로를 통하여 프론트 플로우에 대하여 역으로 카운터 플로우를 유입시키고, 서스셉터(susceptor)의 전반부에서는 서스셉터(susceptor)를 향하여 수평으로 흐르는 프론트 플로우가 플로우되도록 하되, 프론트 플로우의 전체적인 유량은 카운터 플로우의 유량에 비하여 크게 함으로써 전체적으로는 안정된 층류(laminar flow)가 되도록 하여 서로 선행반응을 일으키는 가스 및 소스들을 각각 프론트 플로우와 카운터 플로우로 분리하여 유동시킴으로써 기판이 장착되는 서스셉터(susceptor) 직전에서 이들이 만나고 혼합하게 하여 선행반응(prereaction)에 요하는 경과시간을 최대로 줄여 선행반응을 방지하여 박막을 성장시키는 것을 특징으로 하는 카운터 플로우 방법에 의한 박막성장방법.
  2. 유기금속화학증착법에 의해 박막을 성장시키는 반응로에 있어서,
    외부반응로와 내부반응로의 이중구조로 구성하여, 이 외부반응로와 내부반응로 사이에 시라우딩(shrouding flow) 플로우를 흐르게 하고,
    상기 내부반응로 내에는 일정각으로 경사진 면 위에는 기판이 장착되고 하부로는 카운터 플로우의 가스 통로가 내제되어 있는 서스셉터(susceptor)를 장착하여 서스셉터(susceptor)의 뒷면에서 가스통로를 통하여 프론트 플로우에 대하여 역으로 카운터 플로우를 유입시키고, 서스셉터(susceptor)의 전반부에서는 서스셉터(susceptor)를 향하여 수평으로 흐르는 프론트 플로우가 플로우되도록 구성한 것을 특징으로 하는 카운터 플로우 방법에 의한 MOCVD 반응로.
  3. 기판에 가스 이온을 공급하는 방법에 있어서,
    기판 가열을 위하여 고온으로 가열된 고온의 서스셉터 하부 내부의 가스통로를 통하여 가스를 카운터 플로우 하게 함으로써 가스의 이온화를 촉진시켜 박막이 성장되는 기판에 충분한 가스 이온들이 공급되도록 한 방법을 특징으로 하는 카운터 플로우 방법에 의한 선행이온화방법.
  4. 박막을 지지하는 서스셉터에 있어서,
    카운터 플로우 가스의 안정화 역할을 하는 가스 인젝터 부분과 이와 연속되는 일정각으로 경사진 면 위에 기판이 장착되는 그라파이트 서스셉터(graphite susceptor) 부분과 이 두 부분의 하부 내부에 형성된 가스 통로로 구성하되, 이 가스통로는 인젝터 부분에서는 넓다가 그라파이트 서스셉터 부분에서는 좁아지도록 형성시켜 카운터 플로우를 플로우 시키고 카운터 플로우되는 가스의 이온화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는 카운터 플로우용 서스셉터.
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