KR20030018074A - 가동 셔터를 구비한 반응기 - Google Patents

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KR20030018074A
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cylindrical
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거레리알렉산더
엘만스코트
모이켕
보구슬라프스키바딤
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엠코어 코포레이션
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Abstract

에피택셜층 성장용 반응기(120)는 웨이퍼 운반체(196)를 넣고 꺼내기 위한 통과용 개구(144)가 마련된 반응 챔버(122)를 포함한다. 상기 반응기는 또한 상기 통과용 개구(144)를 선택적으로 폐쇄하기 위해 상기 반응 챔버(122) 내부에 위치하는 원통형 셔터(148)를 포함한다. 이 원통형 셔터(148)는 상기 통과용 개구(144)를 폐쇄하기 위한 제1 위치와 상기 통과용 개구(144)를 개방하기 위한 제2 위치 사이에서 이동할 수 있다. 상기 원통형 셔터(148)는 냉각 유체를 수용하도록 구성된 내부 공동(150)과, 그 내부 공동(150) 안으로 냉각 유체를 도입하기 위한 배관(152)을 포함한다. 상기 배관(152)은 상기 셔터(148)에 영구 고정되어 그와 동시에 움직인다. 상기 원통형 셔터(148)는 웨이퍼 운반체(196)의 외주부를 거의 둘러싸서, 반응 가스의 온도 및 유동장 특성이 불균일해지는 것을 최소화한다.

Description

가동 셔터를 구비한 반응기 {REACTOR HAVING A MOVABLE SHUTTER}
반도체 칩과 같은 미세 전자 소자는, 반도체 웨이퍼를 화학적 기상 증착(CVD) 반응기의 반응 챔버 내에 배치한 후, 그 웨이퍼에 에피택셜층을 성장시킴으로써 종종 제조된다. 에피택셜층은 기체 형태의 반응성 화학물질을 양과 속도를 제어하면서 웨이퍼 위로 흘려서 성장시키는 것이 보통이다. 그리고 나서, 웨이퍼를 절단하여 개별적인 반도체 칩을 얻는다.
반응성 화학물질은 버블러(bubbler)로 알려져 있는 장치 내에 배치되어 운반 가스와 혼합됨으로써 반응 챔버로 이송되는 것이 일반적이다. 버블러는 운반 가스 중의 반응성 화학물질의 농도를 조정하기 위한 조절식 제어부를 포함할 수 있다. 운반 가스는 버블러를 통과하면서 반응성 화학물질의 분자를 포획한다. 그 후, 반응 가스는 질량 흐름 제어기와 유동 플랜지를 경유하여 CVD 반응기 내로 도입된다.
현재, 다양하게 설계된 광범위한 CVD 반응기가 존재한다. 그러한 CVD 반응기에는, 웨이퍼 운반체가 반응기 내에 회전 가능하게 장착되어 있고 반응 가스가웨이퍼 운반체의 상방으로부터 도입되는 수평형 반응기와, 반응 가스가 웨이퍼 운반체를 가로질러 통과하는 유성 회전식 수평형 반응기와, 배럴 반응기와, 반응기 내에서 회전하는 기재 표면에 반응 가스가 하향 분사되는 수직형 디스크 반응기가 있다. 전술한 CVD 반응기는 다양한 조합의 반도체, 박막 장치 그리고 레이저 및 LED와 같은 다층 구조를 포함한 웨이퍼에 여러 어레이의 에피택셜층을 성장시키는 데에 성공적으로 사용되어 왔다.
도 1에는, 서셉터(14)에 장착된 웨이퍼 운반체(12) 상에 웨이퍼(10)가 장착되어 있는 전형적인 종래 기술에 따른 반응기가 도시되어 있다. 서셉터(14)는 웨이퍼 운반체 회전용의 회전 가능한 지지 스핀들(16)에 장착되어 있다. 서셉터(14)와 웨이퍼 운반체(12) 및 웨이퍼(10)는 반응기(18) 내부에 위치하는 것이 보통이다. 서셉터(14)와 웨이퍼 운반체(12) 및 그 웨이퍼 운반체 상에 장착된 웨이퍼(10)를 가열하기 위한 가열용 조립체(20)가 서셉터(14) 하부에 위치한다. 에피택셜층의 증착 중에, 증착 구역에서의 온도 균일성을 향상시키는 동시에 증착 구역 위로 흐르는 반응 가스의 흐름의 균일성을 개선하기 위해 웨이퍼 운반체(12)가 회전한다.
도 2를 참조하면, 웨이퍼 운반체(12)가 회전할 때 웨이퍼를 제자리에 고정시키기 위하여 웨이퍼 운반체(12)의 상부면에 복수 개의 원통형 포켓(22)이 마련되어 있는 것이 전형적이다. 웨이퍼 운반체는 또한 그 웨이퍼 운반체를 들어올려 반응 챔버 내외로 운반하는 데 사용되는 환형 플랜지(24)를 포함하는 것이 보통이다. 증착 공정 중에, 웨이퍼 운반체를 회전 가능한 서셉터(14)에 동심 상태로 위치시키고, 서셉터(14)의 상부면과 웨이퍼 운반체(12)의 하측부 사이에 간극(28)을 형성하기 위하여, 웨이퍼 운반체의 바닥면이 환형 벽(26)을 포함할 수 있다. 간극(28)이 존재하기 때문에 웨이퍼 운반체(12)와 서셉터(14)가 직접 접촉하여 웨이퍼 운반체가 국소적으로 가열될 우려가 사라지며, 따라서 서셉터(14)로부터 웨이퍼 운반체(12)로 더 균일하게 열이 전달된다.
전술한 바와 같이, 반응 가스가 반응 챔버 내로 도입될 때의 조건 또는 파라미터는 웨이퍼 상에서 성장하는 에피택셜층의 품질에 큰 영향을 준다. 그러한 파라미터로는 재료의 점성, 밀도, 증기압, 반응 가스의 흐름 경로, 화학적 활성 및/또는 온도가 있다. 에피택셜층 품질의 최적화를 위해서는 전술한 파라미터들을 자주 수정하고 그 수정의 효과를 연구한다. 연구 개발 작업 도중 자주 변경되는 파라미터의 하나는 반응 가스의 흐름 경로이다. 예를 들면, 유동 노즐의 구체적인 설계나, 유동 노즐(들)과 웨이퍼 운반체 간의 거리를 수정한다.
반응기의 설계자들은 각 웨이퍼의 표면에 걸쳐서 온도와 유동장을 균일하게 유지하기 위해 노력한다. 균일한 온도 유지 능력은 반복 가능해야 하고, 정확해야 하며, 공정 상태와 무관해야 한다. 균일한 온도 기준으로부터 불과 몇 ℃만 벗어나도 그 웨이퍼로부터 제작되는 장치의 품질 및 특성에 심각한 결함이 생길 수 있다. 또한, 유동장의 균일성에 생기는 교란은 성장하는 에피택셜층에 결함이 생기게 할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 에피택셜층의 두께가 웨이퍼 면의 횡단 방향을 따라 변할 수 있다.
반응 챔버 내부의 온도와 흐름 상태를 제어하기 위한 많은 노력이 있었다.예컨대, 파크 등의 미국 특허 제6,039,811호에는 냉각 자켓이 부착된 게이트 밸브를 포함하는 에피택셜층 성장용 반응기가 개시되어 있다. 그 반응기에는 냉각 자켓이 5개 있다. 제1 냉각 자켓은 제1 측벽에 위치하고, 제2 냉각 자켓은 제2 측벽에 위치하며, 제3 냉각 자켓은 상부 벽에 위치하고, 제4 냉각 자켓은 하부 벽에 위치하며, 제5 냉각 자켓은 게이트 밸브에 위치한다. 상기 반응기는, 로봇 암이 웨이퍼를 카세트 챔버로부터 반응 챔버로 운반하는 웨이퍼 운반 챔버를 포함한다. 상기 반응기는 제작 공정이 완료된 후 웨이퍼를 냉각하기 위한 웨이퍼 냉각 챔버도 역시 포함한다. 제1 측벽에 형성된 게이트 밸브가 웨이퍼 운반 챔버를 반응 챔버로부터 분리시키며, 가스 분사 개구가 반응기의 상부 벽을 관통해 있다. 물 또는 물과 에틸렌 글리콜의 혼합물과 같은 냉각제가 냉각 자켓 내부에서 사용된다.
화이트 등의 미국 특허 제6,086,362호에는 기재를 챔버 내외로 운반하기 위한 개구가 마련되어 있는 화학적 증착 챔버가 개시되어 있다. 이 화학적 증착 챔버의 챔버 본체는 그것에 부착된 저항 요소에 의해 가열된다. 챔버 본체에는 리드(lid)도 역시 부착되어 있다. 챔버 본체의 측벽에는 개구가 형성되어, 기재를 챔버 내외로 운반하기 위한 통로를 제공한다. 상기 챔버는 그 내부로 반응 가스를 공급하기 위한 가스 공급관도 역시 구비한다. 챔버가 가열됨에 따라, 챔버의 외부 벽과 열적 연통 상태에 있는 냉각수관이 챔버 벽의 온도를 바람직한 범위 내에서 유지하여, 웨이퍼 상에서 성장하는 에피택셜층의 균일성에 악영향을 줄 수 있는 요인인 챔버 벽의 과열을 방지한다.
마예다 등의 미국 특허 제5,497,727호 및 제5,942,038호에는, 상부 용기 및하부 용기 둘레로 밀봉 플랜지가 대향하며 연장되는 증착 챔버용 냉각 요소가 개시되어 있다. 밀봉 플랜지에는 냉각용 조립체가 장착되어 있으며, 물과 같은 냉매가 그 냉각용 조립체를 통과하여, 밀봉 플랜지와 접촉하고 있는 탄성 밀봉 부재의 일부의 작동 온도를 하강시킴으로써 탄성 밀봉 부재의 사용 수명을 연장시킨다.
브라이언 등의 미국 특허 제4,747,368호에는 매니폴드가 냉각관으로 둘러싸여 있는 화학적 기상 증착 챔버가 개시되어 있다. 이 증착 챔버는, 그 챔버 내에서 지지되며 예정된 반응 온도로 가열되는 웨이퍼 기재를 수용하도록 구성되어 있다. 상기 증착 챔버 내부에 위치하는 매니폴드에는, 웨이퍼 기재 상에서 일어나는 에피택셜층의 성장을 최적화할 목적으로 웨이퍼 기재 상부에 반응 가스를 균일하게 분배하기 위한 복수 개의 개구가 내부에 형성되어 있다. 상기 증착 챔버는 기재를 반응기에 넣고 꺼내기 위한 도어와, 그 도어와 챔버 사이가 기밀 상태로 밀봉될 수 있게 하는 밀봉 링을 포함한다. 냉각관이 매니폴드를 둘러싸서 매니폴드를 에피택셜층 성장에 최적화된 온도로 유지한다. 냉각관은 매니폴드 내부에서 반응 가스가 조기에 반응하는 것도 방지한다.
전술한 개선점에도 불구하고, 반응기 내부의 열 및 유동장의 균일성에 생기는 교란이 최소화됨으로써 정밀하고 반복 가능하며 균일한 에피택셜층이 웨이퍼에 형성되는 CVD 반응기에 대한 요구는 남아 있다.
본 발명은 기재에 에피택셜층을 성장시키기 위한 반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반응기 내부의 열적 교란 및 유동장의 교란이 최소화되도록 설계된 화학적 기상 증착(CVD) 반응기에 관한 것이다.
도 1은 웨이퍼 운반체와 서셉터 및 회전 가능한 스핀들을 포함하는 종래 기술에 따른 반응기의 횡단면도이고,
도 2는 도 1의 웨이퍼 운반체와 서셉터 및 회전 가능한 스핀들의 확대도이며,
도 3a는 본 발명의 일부 바람직한 실시 형태에 따른 반응기의 셔터가 폐쇄 위치에 있는 상태를 도시한 횡단면도이고,
도 3b는 도 3a의 반응기의 셔터가 개방 위치에 있는 상태를 도시한 횡단면도이며,
도 4는 도 3a의 반응기를 IV-IV 횡단선을 따라 취한 평면도이다.
본 발명의 몇 가지 바람직한 실시 형태에 따르면, 반도체 웨이퍼를 위한 에피택셜층 성장용 반응기는 스테인레스강으로 제조된 기밀 상태의 반응 챔버와 같은반응 챔버를 포함한다. 상기 반응기는 웨이퍼 및/또는 웨이퍼 운반체를 반응 챔버에 넣고 꺼내기 위한 통과용 개구를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반응기는 상기 통과용 개구를 선택적으로 폐쇄하기 위한 원통형 셔터가 반응 챔버 내에 위치하는 것이 바람직하다. 그 원통형 셔터는 상기 통과용 개구를 폐쇄하는 제1 위치와 상기 통과용 개구를 개방하는 제2 위치 사이에서 이동할 수 있는 것이 바람직하다. 상기 원통형 셔터는 물과 같은 냉각 유체를 수용하도록 구성된 내부 공동을 포함하는 것이 바람직하다. 비록 본 발명이 어떤 특정 작동 이론에 한정되는 것은 아니지만, 웨이퍼 운반체를 거의 둘러싸는 원통형 셔터를 사용함으로써 유동장의 교란이 최소화되고, 따라서 에피택셜층의 성장이 균일해지게 된다고 생각된다. 또한, 셔터의 내부 공동에 냉각 유체를 공급하면, 웨이퍼 운반체에 걸쳐서 생기는 열적 불연속성이 최소화된다. 몇몇 바람직한 실시 형태에 따르면, 냉각 유체는 물, 오일 및 비등점이 대략 100℃ 이상인 임의의 기타 액체로 이루어진 군에서 선택된 유체이다.
반응기는 셔터의 내부 공동에 냉각 유체를 공급하기 위해 그 내부 공동과 유체 연통하는 배관을 포함할 수 있다. 그 배관은, 냉각 유체를 셔터 내로 도입하기 위한 적어도 하나의 유입관과, 냉각 유체를 셔터로부터 제거하기 위한 적어도 하나의 유출관을 포함할 수 있다. 이들 유입관과 유출관은 반응기의 작동 중에 셔터를 통해 냉각 유체를 순환시키는 것이 바람직하다. 일부 바람직한 실시 형태의 경우, 상기 배관은 냉각 유체를 셔터의 내부 공동 내로 도입하기 위한 2개 이상의 유입관과, 냉각 유체를 셔터의 내부 공동으로부터 제거하기 위한 2개 이상의 유출관을 포함한다. 상기 배관은 셔터와 연결되어 셔터가 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동할 때 셔터와 함께 동시에 움직이는 것이 바람직하다.
상기 반응기는 또한 반응 가스를 반응 챔버 내부로 도입하기 위한 분사 플랜지가 반응 챔버에 부착되어 있는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 "반응 가스"라 함은 반응 챔버 내부의 지배적인 상태로 존재하는 임의의 가스 및 증기를 의미하는 것으로, 고온 및 저압 상태에서 반응 챔버 내부로 도입되는 가스를 포함할 수 있다. 반응 가스는 불활성 가스와 같은 그 밖의 가스와 혼합하여 희석시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 CVD 반응기는, 1998년 9월 2일에 출원되어 공동으로 양도된 미국 특허 출원 제09/146,224호(이 특허 출원의 내용을 본 명세서에 참고로 인용함)에 개시된 바와 같은, 반응 가스를 챔버 내부 구역으로 도입하기 위한 하나 이상의 반응 가스 분사기를 포함할 수 있다. 각 가스 분사기는 반응 가스를 챔버 외부 구역으로부터 챔버 벽의 개구를 통해 챔버 내부 영역으로 이동시키기 위한 하나 이상의 통로를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 CVD 반응기는 반응 챔버의 내부 영역에 웨이퍼 운반체가 장착될 수 있다. 이 웨이퍼 운반체는 하나 이상의 웨이퍼를 수용하기 위한 성장 구역이 있는 제1 표면을 포함하는 것이 바람직하다. 이 웨이퍼 운반체의 제1 표면은 개별적인 웨이퍼를 수용하기 위한 만입부 또는 포켓을 구비할 수 있다. 기재 운반체는, 반응 가스가 챔버의 내부 영역으로 도입되어 웨이퍼 위로 이동할 때 하나 이상의 웨이퍼가 회전하도록 챔버의 내부 영역에서 회전할 수 있게 장착되는 것이 바람직하다. 어떤 실시 형태에서는, 기재 운반체가 거의 수평인 평면에서 회전하도록 장착된다. 다른 실시 형태에서는, 기재 운반체가 거의 수직인 평면에서 회전한다. 또 다른 실시 형태에서는, 수평인 평면과 수직인 평면 사이에 위치하는 임의의 평면 내에서 기재 운반체가 회전할 수 있다.
또한, 상기 반응기는 반응 챔버 내부에 고정된 웨이퍼 및/또는 웨이퍼 운반체를 가열하기 위해 반응 챔버와 연통하는 하나 이상의 가열 요소를 포함할 수 있다. 이 가열 요소는 웨이퍼의 상단면에 걸쳐서 온도 분포가 일정해지도록 하는 것이 바람직하다. 몇몇 바람직한 실시 형태의 경우, 가열 요소(들)는 반응 챔버 내부에 마련되어 있다. 또한, 반응 챔버의 내부에는 가열 요소로부터의 열을 웨이퍼 및/또는 웨이퍼 운반체로 지향시키기 위한 하나 이상의 히트 실드(heat shield)가 상기 하나 이상의 가열 요소와 인접하여 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시 형태에 있어서, 웨이퍼 및/또는 웨이퍼 운반체에 에피택셜층을 성장시키기 위한 반응기는 웨이퍼 운반체를 반응 챔버에 넣고 꺼내기 위한 통과용 개구가 있는 반응 챔버와, 상기 통과용 개구를 선택적으로 폐쇄하기 위해 반응 챔버 내부에 위치하는 원통형 셔터를 포함한다. 이 원통형 셔터는 상기 통과용 개구를 폐쇄하기 위한 제1 위치와 상기 통과용 개구를 개방하기 위한 제2 위치 사이에서 이동할 수 있는 것이 바람직하다. 상기 원통형 셔터는 대체로 중공 형태인 것이 바람직하고, 또한 냉각 유체를 수용하도록 구성된 내부 공동을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반응기는 원통형 셔터의 내부 공동에 냉각 유체를 공급하기 위해 그 내부 공동과 유체 연통하는 배관과, 상단부가 반응 챔버 내부에 위치하는 회전 가능한 스핀들을 포함하며, 적어도 하나의 웨이퍼 운반체가 상기 스핀들의 상단부에 부착될 수 있는 것이 바람직하다. 웨이퍼 운반체가 스핀들 위에 부착되었을 때, 원통형 셔터가 웨이퍼 운반체의 외주부를 둘러싸는 것이 바람직하다. 웨이퍼 운반체의 일부만이 아닌 전체를 둘러쌈으로써 유동장 및 온도가 불연속적으로 되는 것을 피하게 된다.
몇몇 바람직한 실시 형태에서는, 냉각 유체용 배관의 상단부는 셔터에 연결되고 하단부는 반응 챔버 외부에 위치하여 냉각 유체의 저장용기와 연통한다. 반응기는 가동판에 배관이 연결되어 있어서, 셔터가 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 때 이들 가동판과 배관이 함께 동시에 움직인다. 가동판과 배관 및 셔터를 통과용 개구를 개방하기 위한 제1 위치와 통과용 개구를 폐쇄하기 위한 제2 위치 사이에서 이동시키기 위한 구동 요소가 가동판에 연결된다. 상기 배관은 반응기의 기판 내의 개구를 관통하여 활주하는 것이 바람직하다. 반응기는 배관의 길이 방향 축선과 대체로 평행한 축선 방향을 따라 가동판이 이동하도록 안내하기 위해 가동판과 접촉하는 안내 요소도 역시 포함할 수 있다.
이하, 전술한 실시 형태와 그 밖의 바람직한 실시 형태들을 더욱 상세히 설명한다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 한 가지 바람직한 실시 형태에 따른, 화학적 기상 증착 (CVD) 반응기와 같은 반응기(120)는 진공 등급의 스테인레스강으로 제조되는 것이 바람직하다. 이 반응기는 상단부(126)와 하단부(128)가 서로 떨어져 있는 원통형 벽(124)을 구비한 반응 챔버(122)를 포함하는 것이 바람직하다. 반응기(120)는 분사 플랜지(130)가 원통형 벽(124)의 상단부(126) 위에 부착되는 것이 바람직하다. 분사 플랜지(130)는 에피택셜층 성장용 반응 가스와 같은 반응제를 반응 챔버의 내부 영역(132)으로 도입하는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 실시 형태에서는, 분사 플랜지(130)가 반응제를 반응 챔버(122) 내부로 도입하기 위해 샤워헤드(showerhead) 타입의 수냉식 분사기를 포함한다. 분사 플랜지를 바람직한 온도 범위 내로 유지하기 위해 분사 플랜지(130)의 하측부(138)와 원통형 벽(124) 사이에 수냉식 요소(136)가 위치할 수 있다.
분사 플랜지(130)는 바람직하게는 디스크 형상이고 외주부가 원통형 벽(124)의 상단부에서 원형 개구의 형상과 대체로 일치하여, 분사 플랜지(130)가 반응 챔버(122)에 부착되었을 때 분사 플랜지(130)와 반응 챔버가 기밀 상태로 밀봉된다.상기 CVD 반응기는 원통형 벽(124)과 분사 플랜지(130) 사이를 기밀 상태로 밀봉하기 위한 밀봉 요소(125)를 포함하는 것이 바람직하다. 분사 플랜지는 그 외주부 부근에 복수 개의 보어(도시되지 않음)도 역시 포함하여, 분사 플랜지를 챔버에 고정하기 위해 볼트나 나사와 같은 패스너가 그 보어를 관통해 위치할 수 있다. 일단 분사 플랜지가 원통형 벽 위에 고정되고 그 사이가 기밀 상태로 밀봉되고 나면, 분사 플랜지는 챔버에 영구적으로 고정되어 있을 수 있다. 다른 바람직한 실시 형태에서는 반응기 내부에 접근할 수 있도록 분사 플랜지가 분리 가능하게 구성될 수 있다.
반응기(120)는 또한 반응 챔버(122)의 내측부 또는 내부 영역(132)으로부터 배출 가스를 제거하기 위한 배출 도관(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 몇몇 바람직한 실시 형태에서는, 배출 도관이 반응 챔버(122)의 바닥부로부터 연장될 수 있다. 또한, 반응기(120)는 원통형 벽(124)의 하단부(128) 위에 고정되는 기판(142)을 포함하는 것이 바람직하다. 기판(142)은 원통형 벽(124)의 하단부에 부착되는 것이 바람직하다. 이와 같이 기판(142)은 고정 상태에 있다. 고정식 기판(142)에는 균일한 에피택셜층 성장에 최적인 온도로 기판을 유지하기 위한 냉각 유체를 수용하는 공동이 마련될 수 있다.
반응 챔버(122)는 이 반응 챔버(122)의 내부 영역(132)에 웨이퍼 운반체를 넣고 꺼내기 위한 통과용 개구(144)가 원통형 벽(124)을 통해 연장되는 것이 바람직하다. 도 3a 및 도 4를 참조하면, 통과용 개구(144)는 반응 챔버(122)에 웨이퍼 운반체를 넣고 꺼내기 위한 로딩 장치와 게이트 밸브(도시되지 않음)를 통해 연결될 수 있는 플랜지(146)를 포함하는 것이 바람직하다. 원통형 벽(124)은 자신과 열적으로 연통하는 냉각 자켓(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이 냉각 자켓은 원통형 벽(124)의 온도를 균일한 에피택셜층 형성에 최적인 바람직한 온도 범위 내로 유지하는 역할을 하는 냉각제를 내부에 수용하는 것이 바람직하다.
본 명세서에 기재되어 있는 CVD 반응기의 바람직한 실시 형태들은 광범위한 에피택셜층을 웨이퍼 위에 성장시키기 위해 사용될 수 있다. 그러한 에피택셜층으로는 GaAs, GaP, GaAs1-xPx, Ga1-yAlyAs, Ga1-yInyAs, AlAs, InAs, InP, InGaP, InSb, GaN, InGaN 등과 같은 III-V족 화합물 반도체가 있다. 그러나, 본 명세서에 개시된 CVD 반응기는 다른 화합물의 제조에도 사용될 수 있다. 그러한 화합물로는 ZnSe, CdTe, HgCdTe, CdZnTe, CdSeTe 등과 같은 II-VI족 화합물과, SiC, 다이아몬드, SiGe와 같은 IV-IV족 화합물과, YBCO, BaTiO, MgO2, ZrO, SiO2, ZnO, ZnSiO와 같은 산화물과, Al, Cu, W와 같은 금속이 있다. 나아가, 결과적으로 생기는 재료는 고휘도 발광 다이오드(LED), 레이저, 태양 전지, 광전음극, HEMT 및 MESFET를 포함한 광범위한 전자적 용도 및 광전자적 용도를 갖게 된다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 반응기는 가동식 원통형 셔터(148)를 포함한다. 이 원통형 셔터(148)는 통과용 개구(144)를 선택적으로 폐쇄하기 위해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동할 수 있는 것이 바람직하다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 통과용 개구(144)는 에피택셜층 증착 공정 중에 대체로 원통형인 셔터(148)에 의해 거의 폐쇄된다. 원통형 셔터(148)에 내부 공동(150)이 마련되는 것이 바람직하며,반응기(120)는 상기 내부 공동(150)과 유체 연통하는 배관(152)을 포함한다. 냉각 유체가 상기 배관을 통해 내부 공동(150)으로 유입되어 셔터(148)의 온도를 원하는 범위 내로 유지한다. 그 결과, 셔터(148)에 원하는 냉각 온도를 유지하기 위해 냉각 유체가 내부 공동(150) 안에서 계속 재순환할 수 있다. 각 배관(152)은 셔터(148)의 바닥 벽(156)에 고정되는 상단부(154)를 포함하는 것이 바람직하다. 특정의 바람직한 실시 형태에서는, 셔터(148)의 바닥 벽(156)이 배관(152)의 상단부(154)를 수용하기 위한 개구(도시되지 않음)를 포함한다. 배관(152)의 상단부(154)는 바닥 벽(156)의 개구(도시되지 않음)에 영구 고정되는 것이 바람직하다. 또한, 배관(152)은 수조(도시되지 않음)와 같은 냉각 유체 공급원과 유체 연통하는 하단부(158)도 역시 포함하는 것이 바람직하다. 상단부(154)와 하단부(158) 사이의 배관(152)의 중간부(160)는 고정식 기판(142)의 개구(162)를 통해 연장된다. 기판(142)은 냉각 유체 수용을 위한 기판 공동(164)을 포함할 수 있다. 배관(152)의 중간부(160)는 고정식 기판(142)의 개구(162)를 통해 자유롭게 활주하는 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이, 배관(152)의 길이 방향 축선과 대체로 평행한, A-A로 표시된 축선 방향으로 셔터(148)를 이동시키기 위해서 배관이 기판(142)에 대해 자유롭게 활주하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 반응기(120)는 기판(142)의 하측부(168)에 부착된 이격판(166)을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 반응기(120)는 기판(142) 하부에 가동판(170)을 포함할 수 있다. 이 가동판(170)은 A-A 축선을 따라 분사 플랜지(18)를 향해, 그리고 분사 플랜지(18)로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다. 가동판(170)은 상부면(174)과 하부면(176) 및 이들 사이에서 연장되는 개구를 구비하는 것이 바람직하다. 냉각 유체 공급용 배관(152)은 가동판의 개구(172)를 통해 연장되는 것이 바람직하나, 배관(152)은 가동판(170)에 고정되어 있다. 그 결과, 배관(152)과 가동판(170)은 동시에 함께 이동한다. 반응기(120)는 또한 가동판(17)의 하측부(176)에 암(180)이 연결된 구동 요소(178)를 구비한다. 구동 요소(178)가 작동되면 가동판을 A-A로 표시된 축선과 대체로 평행한 방향으로 기판(142)을 향해, 그리고 기판(142)에서 멀어지는 방향으로 이동시킨다. 가요성 벨로우즈 구조(182)가 기판(142)의 하측부(168)와 기밀 밀봉을 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 벨로우즈(182)는 가동판(170)과 배관(152)이 기판(142)에 대해 이동할 수 있게 한다.
반응기(120)는 가동판(170)의 안내 개구(186)를 통해 연장되는 선형 이동 안내부(184)를 포함한다. 이 선형 이동 안내부(184)는 가동판(170)이 A-A 축선과 대체로 평행한 방향으로 기판(142)을 향해, 그리고 기판(142)에서 멀어지는 방향으로 이동하도록 안내한다. 반응기(120)는 구동 요소(178)의 기저 부재(179) 위에 장착된 기판(188)도 역시 포함한다.
반응기(120)는 상단부(190)가 반응 챔버(122)의 내부 영역(132)에 위치하고 하단부(192)가 반응 챔버(122)의 외부에 위치하는 스핀들(189)도 역시 포함한다. 몇몇 바람직한 실시 형태의 경우, 스핀들(189)에는 냉각 유체를 수용하도록 구성된 내부 공동이 마련되어 있다. 스핀들(189)의 상단부(190)는 그곳에 웨이퍼 운반체(196)를 고정할 수 있도록 크기와 형상이 정해져 있다. 웨이퍼 운반체(196)는 에피택셜층 성장에 사용되는 하나 이상의 반도체 웨이퍼를 고정시키도록 구성될 수 있다. 반응기(120)는 웨이퍼 운반체 및/또는 웨이퍼 운반체에 고정된 반도체 웨이퍼의 상부면에 걸쳐서 온도 분포가 균일해지도록 하기 위한 방사 가열 요소(198)도 역시 포함한다. 반응기(120)는 이 방사 가열 요소로부터의 열을 웨이퍼 운반체 및 그 위에 저장된 웨이퍼로 지향시키는 히트 실드(200)도 역시 포함할 수 있다. 도 3a에 도시된 특정 실시 형태의 경우, 방사 가열 요소(198)와 히트 실드(200)는 서로에 대해 대체로 평행한 방향으로 연장된다. 또한, 반응 챔버(122)는 제1 히트 실드(200)와 직교하는 방향으로 연장되는 제2 히트 실드(202)를 포함할 수 있다. 이 제2 히트 실드(202)는 원통형일 수 있으며 웨이퍼 운반체(196)의 외주부를 둘러쌀 수 있다. 반응기(120)는 기판(142)에 고정된 회전식 공급 장치(204)를 포함한다. 이 회전식 공급 장치(204)는 전기 모터(도시되지 않음)를 사용하여 작동되는 자성 유체형(ferrofluidic type) 공급 장치일 수 있다. 회전식 공급 장치는 반응 챔버(122)의 내부 영역(132) 안에 진공을 유지하기 위해 기판(142)과의 계면에서 기밀 상태로 밀봉되는 것이 바람직하다.
셔터(148)는 통과용 개구(144)를 폐쇄하기 위한 제1 위치(도 3a)와 통과용 개구(144)를 개방하기 위한 제2 위치(도 3b) 사이에서 이동할 수 있어서, 하나 이상의 웨이퍼 운반체(196)를 반응 챔버(122)의 내부 영역(132)에 넣고 (또는) 꺼낼 수 있게 해 준다. 웨이퍼 운반체가 스핀들(189) 위에 배치된 후, 셔터(148)는 그 셔터의 상단부가 수냉 요소(136)의 하측부와 맞닿을 때까지 제2 개방 위치에서 제1 폐쇄 위치로 이동해서, 통과용 개구(144)를 폐쇄할 수 있다. 일단 셔터(148)가 폐쇄되고 나면, 반응제(도시되지 않음)가 분사 플랜지(130)의 배플 판(134)을 통해 도입된다.
비록 본 발명이 어떠한 특정 작동 이론에 한정되는 것은 아니지만, 셔터(148)의 내부 공동(150)으로 냉각 유체를 도입함으로써, 에피택셜층이 성장하는 웨이퍼 표면에 걸쳐서 열적 불연속성을 최소화하기 위해 셔터(148)의 온도를 원하는 온도 수준으로 제어하는 것이 더욱 응답성이 우수한 방식으로 이루어진다고 생각된다. 당업자라면 알겠지만, 웨이퍼 표면에 걸쳐서 온도가 불연속적이면 결함 있는 에피택셜층이 형성될 수 있다. 예컨대, 온도가 불연속적이면 반응 가스가 너무 일찍, 또는 너무 늦게 반응하거나 상이한 속도로 반응하여, 애피택셜층의 특성이나 에피택셜층의 특정 영역을 변화시킬 수 있다. 또한, 냉각된 셔터(148)는 웨이퍼 운반체(196)의 상부면에 걸쳐서 유동장이 균일하도록 하는 것이 바람직하다.
몇몇 바람직한 실시 형태에서 원통형 셔터를 사용하는 것도 역시 열적 불연속성 및 유동장의 불연속성을 최소화시키는데, 왜냐하면 무엇보다도 셔터가 웨이퍼 운반체의 외주부를 완전히 둘러싸며, 이는 웨이퍼 운반체의 주변 연부의 일부에만 접하고 있는 셔터의 경우에 바람직하기 때문이다.
균일한 온도 및 유동장으로 인해 웨이퍼에 균일한 에피택셜층이 형성된다. 증착 작업이 종료되면, 구동 요소(178)가 가동 배관(152) 및 셔터(148)를 통해 전달하는 힘으로 셔터(148)가 하향 이동한다. 일단 셔터(148)가 도 3b에 도시된 제2 개방 위치로 이동하고 나면, 통과용 개구(144)를 통해 웨이퍼 운반체(196)를 반응기(120)에서 꺼내고 다른 웨이퍼 운반체를 스핀들(189) 위에 고정할 수 있다.
청구범위에 의해 한정되는 본 발명에서 벗어나는 일이 없이, 다양한 변형이 가능하고 전술한 특징들을 다양하게 조합할 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 전술한 바람직한 실시 형태들에 대한 설명은 단지 본 발명의 일부 측면들을 예시하기 위한 것일뿐 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.
본 발명은 반도체 산업에 이용될 수 있다.

Claims (32)

  1. 웨이퍼 운반체를 넣고 꺼내기 위한 통과용 개구가 마련된 반응 챔버와,
    상기 통과용 개구를 선택적으로 폐쇄하기 위해 상기 반응 챔버 내부에 위치하는 원통형 셔터를 포함하며, 이 원통형 셔터는 상기 통과용 개구를 폐쇄하기 위한 제1 위치와 상기 통과용 개구를 개방하기 위한 제2 위치 사이에서 이동할 수 있고, 상기 원통형 셔터는 또한 냉각 유체를 수용하도록 구성된 내부 공동을 포함하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 원통형 셔터의 내부 공동에 냉각 유체를 공급하기 위해 그 내부 공동과 연결되는 배관을 더 포함하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 배관은 상기 내부 공동에 상기 냉각 유체를 도입하기 위한 적어도 하나의 유입관과, 상기 내부 공동에서 상기 냉각 유체를 제거하기 위한 적어도 하나의 유출관을 포함하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 배관은 상기 내부 공동에 상기 냉각 유체를 도입하기 위한 2개 이상의 유입관과, 상기 내부 공동에서 상기 냉각 유체를 제거하기 위한 2개 이상의 유출관을 포함하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 배관은 상기 원통형 셔터의 제1 위치와 제2 위치 사이에서 상기 원통형 셔터와 동시에 함께 이동하기 위해 상기 원통형 셔터와 연결되는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  6. 제1항에 있어서, 스테인레스강으로 이루어진 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반응 챔버 내부로 반응제를 도입하기 위해 상기 반응 챔버에 고정되는 분사 플랜지를 더 포함하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반응 챔버 내부에 고정된 웨이퍼 운반체를 가열하기 위해 상기 반응 챔버와 연통하는 하나 이상의 가열 요소를 더 포함하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가열 요소는 상기 반응 챔버 내부에 마련되고, 상기 가열 요소로부터의 열을 상기 반응 챔버 내부에 고정된 웨이퍼 운반체로 지향시키기 위한 하나 이상의 히트 실드가 상기 하나 이상의 가열 요소와 인접하여 위치하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  10. 웨이퍼 운반체를 넣고 꺼내기 위한 통과용 개구가 마련된 반응 챔버와,
    상기 통과용 개구를 선택적으로 폐쇄하기 위해 상기 반응 챔버 내부에 위치하는 원통형 셔터를 포함하며, 이 원통형 셔터는 상기 통과용 개구를 폐쇄하기 위한 제1 위치와 상기 통과용 개구를 개방하기 위한 제2 위치 사이에서 이동할 수 있는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 원통형 셔터는 대체로 중공 형태이며, 냉각 유체를 수용하도록 구성된 내부 공동을 포함하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 내부 공동에 상기 냉각 유체를 공급하기 위해 상기 내부 공동과 유체 연통하는 배관을 더 포함하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  13. 제10항에 있어서, 상단부가 상기 반응 챔버 내부에 위치하는 회전 가능한 스핀들을 더 포함하며, 상기 웨이퍼 운반체 중 적어도 하나가 상기 스핀들의 상단부에 고정될 수 있는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 웨이퍼 운반체 중 적어도 하나는 외주부를 갖고, 상기 웨이퍼 운반체 중 적어도 하나가 상기 스핀들에 고정되었을 때 상기 원통형 셔터가 상기 웨이퍼 운반체 중 적어도 하나의 외주부를 둘러싸는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  15. 제12항에 있어서, 상기 반응 챔버 내부로 반응제를 도입하기 위한 분사 플랜지와 기판을 포함하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 기판에는 상기 배관용의 개구가 마련되어 있고, 상기 배관은 그 배관용 개구를 통해 연장되는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  17. 제11항에 있어서, 상기 배관은 상단부가 상기 원통형 셔터와 연결되는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 배관의 하단부는 상기 반응 챔버 외부에 위치하여 상기 냉각 유체의 저장용기와 유체 연통하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  19. 제18항에 있어서, 상기 냉각 유체는 물, 오일 및 비등점이 대략 100℃ 이상인 액체로 이루어진 군에서 선택되는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  20. 제18항에 있어서, 상기 배관의 하단부는 가동판에 연결되는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 가동판은 상기 통과용 개구를 개방하기 위한 제1 위치와 상기 통과용 개구를 폐쇄하기 위한 제2 위치 사이에서 상기 원통형 셔터를 이동시키도록 구성된 구동기에 연결되는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  22. 제21항에 있어서, 상기 배관은 상기 제1 위치와 제2 위치 사이에서 상기 원통형 셔터와 함께 동시에 이동하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  23. 제21항에 있어서, 상기 가동판이 상기 원통형 셔터의 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동하는 것을 안내하기 위해 상기 가동판과 연통하는 안내부를 더 포함하는 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  24. 제10항에 있어서, 상기 반응 챔버는 대체로 원통형인 것인 에피택셜층 성장용 반응기.
  25. 반응기용 셔터 조립체로서,
    냉각 유체를 수용하도록 구성된 내부 공동이 마련되어 있고, 상기 반응기의 통과용 개구를 선택적으로 폐쇄하기 위한 셔터와,
    상기 내부 공동에 상기 냉각 유체를 공급하기 위해 상기 셔터와 연결된 배관과,
    상기 배관과 셔터를 이동시키기 위해 상기 배관과 연결된 구동기를 포함하며, 상기 셔터는 거의 폐쇄된 제1 위치와 거의 개방된 제2 위치 사이에서 이동할 수 있는 것인 반응기용 셔터 조립체.
  26. 제25항에 있어서, 상기 배관의 상단부는 상기 셔터에 고정되어 있고, 하단부는 상기 냉각 유체의 공급원과 유체 연통하는 것인 반응기용 셔터 조립체.
  27. 제25항에 있어서, 상기 셔터와 구동기 사이에 가동판을 더 포함하며, 상기 배관이 상기 가동판에 영구 고정되는 것인 반응기용 셔터 조립체.
  28. 제27항에 있어서, 상기 배관은 상기 가동판의 개구를 통해 연장되는 것인 반응기용 셔터 조립체.
  29. 제28항에 있어서, 상기 배관의 일부를 둘러싸는 가요성 벨로우즈를 더 포함하는 것인 반응기용 셔터 조립체.
  30. 제25항에 있어서, 상기 셔터는 원통형인 것인 반응기용 셔터 조립체.
  31. 제30항에 있어서, 상기 원통형 셔터는 웨이퍼 운반체의 외주부를 거의 둘러싸는 것인 반응기용 셔터 조립체.
  32. 제25항에 있어서, 상기 냉각 유체는 가스, 물, 오일 및 비등점이 100℃ 이상인 액체로 이루어진 군에서 선택되는 것인 반응기용 셔터 조립체.
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