KR20040069525A - 질화물 기판 제조 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 기판 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 챔버의 일측면에 원주 방향으로 주입구를 형성하고, 형성한 주입구를 통해 N₂가스와 같이 질화물 생성 가스와 반응하지 않는 분출 가스를 주입하여 챔버의 내벽에 원주 방항으로 커튼 플로우(curtain flow)를 형성하도록 함으로써, 챔버의 내벽에 질화갈륨과 같은 부산물이 증착되는 것을 방지하여 챔버에 발생되는 크랙을 줄이고, 나아가 기판 위로 떨어지는 부산물을 최소한으로 줄여 양질의 질화물 기판을 얻을 수 있도록 한다.

Description

질화물 기판 제조 장치 및 그 방법{Apparatus and Method for manufacturing Nitride chemical substrate}

본 발명은 챔버의 일측면에 원주 방향으로 형성된 주입구를 통해 질화물 생성 가스와 반응하지 않는 분출 가스를 주입하여 챔버의 내벽에 원주 방항으로 커튼 플로우(curtain flow)를 형성하도록 함으로써, 챔버의 내벽에 질화갈륨과 같은 부산물이 증착되는 것을 방지하여 챔버에 발생되는 크랙을 줄이고, 나아가 기판 위로 떨어지는 부산물을 최소한으로 줄여 양질의 질화물 기판을 얻을 수 있도록 하는 질화물 기판 제조 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

최근, 고 효율의 단파장 광소자에 대한 수요가 늘어남에 따라 이러한 용도에 적합한 것으로 알려져 있는 질화물 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데,특히, 청자색 계열의 단파장 광소자 이외에 포스퍼(Phosphor)를 첨가하여 백색광을 만들 수 있게 되면서, 이 분야에 대한 관심이 날로 증대되어지고 있다.

한편, 이러한 질화물 계열의 레이저 다이오드와 같은 발광 소자에서는 기판으로 사파이어를 주로 사용하였으나, 질화물과 사파이어는 격자 상수 및 열 팽창 계수의 차이로 인해, 사파이어 기판에 질화물층을 형성하면, 고 밀도의 결정성 결함이 발생하는 문제점이 있었다.

이를 해소하기 위하여 프리 스탠딩(Free standing)된 질화물 기판으로 발광 소자를 제조하려는 시도가 이루어지고 있는데, 이러한 프리 스탠딩 기판 제조 방법은, 사파이어 기판 위에 두꺼운 질화물층을 성장시킨 후, 기계적인 래핑(Mechanical lapping)공정을 수행하거나, 사파이어 기판에 레이저를 조사하여, 질화물층과 사파이어 기판의 계면 부분을 녹이는 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여, 사파이어 기판을 질화물층으로부터 분리한다.

도 1은 이러한 프리 스탠딩된 질화물 특히, 질화갈륨 기판을 제조하기 위한 장치의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이, 챔버(10)의 일측에 제 1 가스 공급관(11)과 제 2 가스 공급관(12)이 각기 장착되고, 상기 챔버(10)의 타측에 가스 배출관(16)이 장착되어 있다.

그리고, 상기 챔버(10)의 외부에서 N₂생성 가스가 상기 제 1 가스 공급관(11)을 통하여 챔버(10) 내부로 공급되고, 염화수소와 같은 반응 가스는 상기 제 2 가스 공급관(12)을 통하여 챔버(10) 내부로 공급되는데, 상기 제 2 가스 공급관(12)의 내부에는 갈륨이 수용되어 있는 보트(17)가 설치되어 있다.

그래서, 염화수소와 같은 반응 가스가 상기 제 2 가스 공급관(12)을 통해 흐를 때, 보트(17)에 수용된 갈륨과 반응하여 염화갈륨(GaCl)가스를 생성하고, 생성된 염화갈륨(GaCl)가스는 챔버(10)내부로 토출된다.

또한, 상기 챔버(10)의 내부에는 사파이어 기판(15)이 올려져 있는 서셉터(14)가 설치되어 있다.

그래서, 상기 제 1 가스 공급관(11)에서 토출된 N₂생성 가스와 상기 제 2 가스 공급관(12)에서 토출된 염화갈륨(GaCl) 가스가 반응하여 상기 사파이어 기판(15)의 상부에는 질화갈륨층이 성장되어, 질화갈륨 기판이 제조되는 것이다.

하지만, 이러한 질화물 기판 제조 장치는, 사파이어 기판뿐만 아니라, 챔버의 내벽에도 많은 양의 질화물층, 예컨대 질화갈륨층이 증착되고 성장되어, 챔버의 내벽 자체에 크랙을 발생시켜 챔버를 손상시키거나, 또한 많은 양의 부산물들이 사파이어 기판 위로 떨어져 양질의 질화물 기판을 얻을 수 없게 만드는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위하여 개발된 것으로, 챔버의 내벽에 질화갈륨과 같은 부산물이 증착되는 것을 방지하여 챔버에 발생되는 크랙을 줄이고, 나아가 기판 위로 떨어지는 부산물을 최소한으로 줄여 양질의 질화물 기판을 얻을 수 있도록 하는 질화물 기판 제조 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은 챔버의 일측면에 원주 방향으로 주입구를 형성하고, 형성한 주입구를 통해 질화물 생성 가스와 반응하지 않는 분출 가스를 주입하여 챔버의 내벽에 원주 방항으로 커튼 플로우(curtain flow)를 형성하도록 한다.

도 1은 일반적인 질화물 기판 제조 장치를 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 질화물 기판 제조 장치를 도시한 도면이고,

도 3은 도 2의 장치를 이용해 챔버의 내벽에 커튼 플로우(curtain flow)가 형성되어 부산물이 증착되는 것을 방지하는 양태에 대해 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21 : 전기로 22 : 챔버

23 : 주입관 24 : 갈륨보트

25 : 반응관 26 : 서셉터

27 : 주입구

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 질화물 기판 제조 장치(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 외주면에 전기로(21)가 장착되어 고온으로 가열되는 챔버(22)와, 상기 챔버(22)의 일측에 장착되어 N₂생성 가스를 주입하는 주입관(23)과, 상기 챔버(22)의 일측에 상기 주입관(23)으로부터 일정 거리 이격되어 장착되며, 내부에 갈륨 보트(24)를 수용하여 외부로부터 주입된 반응 가스와 상기 갈륨 보트(24)에 수용된 갈륨 분자가 결합되어 생성된 반응물을 토출하는 반응관(25)과, 상기 챔버(22)의 내측면에 안착되어, 상기 주입관(23)을 통해 주입된 N₂생성 가스와 상기 반응관(25)에서 토출된 반응물의 화학 반응을 통해 생성된 질화물이 증착되어 성장되도록 기판을 지지하는 서셉터(26)로 이루어지되, 상기 챔버(22)의 일측면에 원주 방향으로 주입구(27)가형성되어 이루어져 있다.

이렇게 이루어지는, 본 발명의 질화물 기판 장치(20)에서, 상기 챔버(22)는 그 외주면이 전기로(21)에 의해 둘러싸여 상기 전기로(21)에서 공급하는 열을 전달받아 가열된다.

그리고, 상기 챔버(22)의 일측에 장착되어 있는 주입관(23)으로는 N₂생성 가스 예컨대, NH₃가 주입되며, 상기 반응관(25)은 상기 주입관(23)과 일정 거리 이격되며 평행하게 챔버(22)의 일측에 장착되어 염화 수소(HCl)와 같은 반응 가스를 외부로부터 주입받는다.

또한, 상기 반응관(25)은 그 내부에 갈륨 보트(24)가 수용되어 있어, 외부로부터 주입된 반응 가스와 상기 갈륨 보트(24)에 수용된 갈륨 분말의 화학 반응을 통해 생성된 반응물을 상기 챔버(22)의 내부로 토출한다.

그리고, 상기 서셉터(26)는 챔버(22)의 내측면에 안착되어, 상기 주입관(23)을 통해 챔버(22)의 내부로 주입된 N₂생성 가스와 상기 반응관(34)에서 상기 챔버(22)의 내부로 토출한 반응물이 결합되어 형성된 질화물이 증착되고 성장되는 사파이어나 실리콘 카바이드와 같은 기판을 지지한다.

마지막으로, 상기 챔버(22)의 일측면에 원주 방향으로 미세한 주입구(27)가 형성되어 있어, 외부로부터 주입된 분출 가스를 상기 챔버로 토출하는데, 즉, 상기 주입구(27)를 통해 N₂가스와 같이 질화물 생성 가스와 반응하지 않는 분출 가스를 외부로부터 주입받게 되면, 상기 챔버(22)의 내벽을 따라 커튼 플로우(curtainflow)가 형성되어, 챔버(22)의 내벽에 질화갈륨과 같은 부산물이 증착되는 것을 방지하여 챔버(22)에 발생되는 크랙을 줄이고, 나아가 기판 위로 떨어지는 부산물을 최소한으로 줄일 수 있게 된다.

또한, 상기 주입구(27)는 상기 챔버(22)의 개구부를 둘러싸는 외주면에 원주 방향으로 복수개 형성하고, 상기 복수개의 주입구(27)마다 도시하지 않은 노즐을 연결하여, 연결한 노즐을 이용해 주입구(27)로 분출 가스를 주입하는 것이 바람직한데, 상기 분출 가스는 N₂가스를 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로는, 도 2에 도시된 본 발명의 장치를 이용해 또 다른 본 발명인 질화물 기판 제조 방법을 설명한다.

먼저, 본 발명의 질화물 기판 제조 방법은, 전기로(21)에서 가열된 열을 이용해 상기 챔버(22)의 온도를 질화물층 성장 온도, 예컨대 약 800℃ ~ 1000℃ 정도로 조절하고 유지한다.

이러한 상태에서, 상기 반응관(25)으로 반응 가스를 주입하여 상기 보트(24)의 내부에 수용되어 있는 갈륨 분말과 화학 반응시키도록 한다.

이 때, 상기 반응 가스는 염화수소(HCl)를 사용하고, 상기 갈륨 분말은 질화갈륨 분말이나 메탈 갈륨 또는 이들의 혼합된 분말 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 반응관(25)을 통해 주입된 반응 가스와 상기 보트(24)에 수용되어 있는 갈륨 분말의 화학 반응에 따라 특정 반응물이 형성되는데, 예를 들면, 상기 반응 가스가 염화수소(HCl)이고, 상기 갈륨 분말이 메탈 갈륨(Ga)일 경우에 염화수소 분자와 갈륨분자가 결합되어 염화갈륨(GaCl)이 형성되는데 그 화학 반응식은 다음과 같다.

2Ga + 2HCL-> 2GaCl + H_{2 ↑}

한편, 상기 보트(24)내에서 형성된 반응물은 챔버(22)내부로 토출된다.

다음, 상기 챔버(22)의 일측에 연결된 주입관(23)을 통해 N₂생성 가스를 주입하게 되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 챔버(22)내에서는 N₂생성 가스와 상기 반응관(25)에서 토출된 반응물이 결합하여 질화물(40)이 형성되고, 형성된 질화물은 상기 서셉터(26)에 의해 지지되는 사파이어 재질의 기판(26)의 전면에 증착되어 성장된다.

이 때, 상기 N₂생성 가스는 암모니아(NH₃) 가스를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 질화물 형성에 대한 화학 반응식의 일예는 다음과 같다.

GaCl + NH₃-> GaN + HCL + H_{2 ↑}

다음, 상기 질화물 성장시와 동시에 또는 질화물 성장 전에, 상기 챔버(22)의 개구부를 둘러싸는 외주면에 원주 방향으로 형성된 미세한 주입구(27)를 통해, 미량의 분출 가스를 주입하는데, 상기 미량의 분출 가스는 1sccm/per hole ~ 100sccm/per hole 정도로 주입하며, 상기 분출 가스는 챔버에서의 질화물 생성 가스와 반응하지 않는 가스로서 예컨대, N₂가스를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 주입구(27)를 통해 N₂가스와 같이 질화물 생성 가스와 반응하지 않는 분출 가스를 외부로부터 주입받게 되면, 상기 챔버(22)의 내벽을 따라 커튼 플로우(curtain flow)가 형성되어, 챔버(22)의 내벽에 질화갈륨과 같은 부산물이 증착되는 것을 방지하여 챔버(22)에 발생되는 크랙을 줄이고, 나아가 기판 위로 떨어지는 부산물을 최소한으로 줄일 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 질화물 기판 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 챔버의 개구부를 둘러싸는 외주면에 원주 방향으로 형성된 주입구를 형성하고, 형성한 주입구를 통해 질화물 생성 가스와 반응하지 않는 분출 가스를 주입하여 챔버의 내벽에 원주 방항으로 커튼 플로우(curtain flow)를 형성하도록 함으로써, 챔버의 내벽에 질화갈륨과 같은 부산물이 증착되는 것을 방지하여 챔버에 발생되는 크랙을 줄이고, 나아가 기판 위로 떨어지는 부산물을 최소한으로 줄여 양질의 질화물 기판을 얻을 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (6)

1. 외주면에 전기로가 장착되어 고온으로 가열되는 챔버;

   상기 챔버의 일측에 장착되어 N₂생성 가스를 주입하는 주입관;

   상기 챔버의 일측에 상기 주입관으로부터 일정 거리 이격되어 장착되고, 내부에 갈륨 보트를 수용하여 외부로부터 주입된 반응 가스와 상기 갈륨 보트의 갈륨 분자가 결합된 반응물을 토출하는 반응관;

   상기 챔버의 내측면에 안착되어 상기 주입관을 통해 주입된 N₂생성 가스와 상기 반응관에서 토출된 반응물이 결합된 질화물이 성장되는 기판을 지지하는 서셉터로 이루어지되;

   상기 챔버의 일측면에 원주 방향으로 주입구가 형성되는 것을 특징으로 하는, 질화물 기판 제조 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 주입구는 복수개이고,

   상기 복수개의 주입구 각각에는 분출 가스를 주입하는 노즐이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 질화물 기판 제조 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 분출 가스는;

   N₂가스인 것을 특징으로 하는, 질화물 기판 제조 장치.
4. 챔버에 내장되어 있는 보트에 갈륨 분말을 수납하고 상기 챔버 내측에 설치된 서셉터에 기판을 고정시키는 제 1 단계;

   상기 챔버에 열을 가하여 상기 챔버의 온도를 질화물 생성 온도(T℃)로 조절하고, 상기 갈륨 분말이 수납된 보트로 반응 가스를 주입하는 제 2 단계;

   상기 챔버의 내부로 N₂생성 가스를 주입하고, 상기 제 2 단계의 반응 가스와 상기 갈륨 분말의 화학 반응으로 생성된 반응물과 상기 주입한 N₂생성 가스의 결합을 통해 상기 기판 상부에 질화물을 성장시키는 제 3 단계로 이루어지되,

   상기 제 2 단계와 동시에 또는 상기 제 2 단계와 상기 제 3 단계 사이에,

   상기 챔버의 일측면에 원주 방향으로 형성된 주입구를 통해 분출 가스를 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 질화물 기판 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 갈륨 분말은 ;

   질화갈륨 분말이나 메탈 갈륨 또는 이들의 혼합된 분말 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 질화물 기판 제조 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 반응 가스와 N₂생성 가스는;

   각기 염화수소(HCL)와 암모니아(NH₃)이고,

   상기 질화물 생성 온도(T℃)는;

   800℃ ~ 1000℃ 정도이며,

   상기 분출 가스는;

   N₂가스인 것을 특징으로 하는, 질화물 기판 제조 방법.