KR20050012791A - 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법 - Google Patents
기상 성장 장치 및 기상 성장 방법Info
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Abstract
밀폐 가능한 반응로와, 상기 반응로 내에 설치되고 소정의 위치에 웨이퍼를 배치하기 위한 웨이퍼 수용체와, 웨이퍼를 향해서 원료가스를 공급하기 위한 가스공급 수단과, 상기 웨이퍼를 가열하기 위한 가열 수단을 최소한 포함하며, 상기 반응로 내에 있어 상기 가열 수단에 의해 상기 웨이퍼 수용체를 통하여 웨이퍼를 가열하면서, 고온 상태로 원료가스를 공급함으로써, 상기 웨이퍼 표면에 성장막을 형성하는 기상 성장 장치에 있어서, 상기 웨이퍼 수용체를, 상기 웨이퍼를 수용하기 위한 공간부가 형성된 열류 제어부와, 상기 열류 제어부에 접합되어 상기 공간부에 수용된 웨이퍼에 열을 전도하기 위한 열류 전도부로 구성하고, 상기 열류 제어와 상기 열류 전도부와의 접촉 열저항을 1.0×10-6m2K/W 이상 5.0×10-3m2K/W 이하로 하는 동시에, 상기 열류 제어부를 상기 열류 전도부 상에 배치되는 웨이퍼의 열 전도율의 0.5배 이상 5배 이하의 열 전도율을 가지는 재질로 형성하도록 하였다.
Description
현재, 기상 성장법은 산업계의 여러 가지 분야에서 이용되고 있다. 기상 성장에 있어서 웨이퍼 상에 성장한 박막의 막 두께, 조성 및 도핑농도의 면내 전역의 고균일화는 말할 필요도 없는 필수항목이다. 그리고, 면내 전역의 균일화의 실현 수단으로서, 웨이퍼 가열의 균열화(均熱化)는 가장 중요한 요소기술로 되어 있다.
도 1은, 일반적인 기상 성장 장치의 구성예를 나타내는 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 기상 성장 장치(100)는, 반응로(1)와, 웨이퍼(2)를 배치하는 웨이퍼 홀더(3)와, 웨이퍼 홀더(3)를 탑재하는 서셉터(susceptor)(4)와, 서셉터(4)의 하측에 설치된 가열히터(5)와, 웨이퍼 홀더(3) 및 서셉터(4)를 회전 가능하게 지지하는 회전기구(6)와, 원료가스나 캐리어가스를 공급하는 가스도입관(7)과, 미반응 가스를 배기하는 가스배기관(8) 등으로 구성된다.
도 9는 웨이퍼 홀더(3)의 상세한 구성을 나타내는 확대도이며, (a)는 평면도이고, (b)는 A-A 선에 따른 단면도이다. 웨이퍼 홀더(3)는, 그 편면에 웨이퍼(2)를 배치하기 위한 원형의 포켓구멍(3a)이 동일 원주상에 복수 개(도 2에서는 6개)형성되고, 반대면에서 서셉터(4)와 접촉하도록 구성되어 있다. 여기에서, 웨이퍼 홀더(3)는 단일 또는 복수의 부재로 구성될 수 있지만, 통상은, 도 9에 나타낸 바와 같이 단일의 부재로 구성된다.
또, 서셉터(4)는 가열히터(5)로부터의 열을 균일하게 전달하기 위해서 열 전도율이 높은 재질(예를 들면, 몰리브덴 등)로 구성된다. 또, 웨이퍼 홀더(3)에도 열 전도율이 높은 그래파이트나 몰리브덴 등이 이용되는 것이 일반적이다.
전술한 구성을 가진 기상 성장 장치에서는, 가열히터(5)로 서셉터(4)의 하측으로부터 가열함으로써 서셉터(4), 웨이퍼 홀더(3)를 통하여 웨이퍼(2)에 열을 전하여, 웨이퍼(2)를 소정의 온도까지 상승시킨다. 또, 서셉터(4)를 회전기구(6)에 의해 소정의 회전수로 회전시킴으로써, 가스도입관(7)으로부터 도입된 원료가스나 캐리어가스를 웨이퍼(2) 표면에 균등하게 공급하면서 박막의 기상 성장을 행한다.
그러나, 본 발명자들의 실험에 의해, 전술한 바와 같은 기상 성장 장치(100)에서는, 웨이퍼(2)의 표면 온도가 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도보다 낮아지기 때문에, 웨이퍼(2)의 에지부분은 웨이퍼 홀더(3)의 온도의 영향을 받아 웨이퍼(2)의 중앙부분보다도 온도가 높아져 버리는 것이 밝혀졌다. 즉, 종래의 기상 성장 장치(100)에서는 웨이퍼(2)의 면내 온도 분포가 균일하게 되기 않기 때문에, 웨이퍼(2)의 면내 전역에서 균일성이 우수한 박막을 기상 성장시키는 것은 곤란하다는 것이명확하게 되었다.
본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 웨이퍼의 면내 전역에서 양호한 균일성을 가지는 박막을 기상 성장시킬 수 있는 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 웨이퍼를 가열하면서 고온 상태로 원료가스를 공급함으로써 웨이퍼 표면에 화합물 반도체 등의 박막을 기상 성장시키기 위한 기상 성장 장치 및 기상 성장 방법에 관한 것으로, 특히, 웨이퍼를 배치하기 위한 웨이퍼 수용체의 재질의 특성에 관한 것이다.
도 1은, 본 실시예의 기상 성장 장치의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는, 열류 제어부 및 열류 전도부로 이루어지는 웨이퍼 홀더(3)의 상세한 구성을 나타내는 확대도이며, (a)는 평면도이고, (b)는 A-A 선에 따른 단면도이다.
도 3은, 열류 제어부 및 열류 전도부로 이루어지는 웨이퍼 홀더(3)를 이용한경우의 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)에서의 열저항 개념도이다.
도 4는, 실시예에 관한 기상 성장 장치(100)의 웨이퍼(2) 및 웨이퍼 홀더(3)근방의 개략 해석 모델도이다.
도 5는, 실시예로서 열류 제어부 및 열류 전도부로 구성된 웨이퍼 홀더를 이용한 경우의 웨이퍼 및 웨이퍼 홀더 내부의 온도 분포를 나타낸 해석 결과이다.
도 6은, 비교예로서 그래파이트제의 웨이퍼 홀더를 이용한 경우의 웨이퍼 및 웨이퍼 홀더의 온도 분포를 나타낸 해석 결과이다.
도 7은, 실시예에서의 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도 분포를 나타낸 해석 결과이다.
도 8은, 비교예에서의 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도 분포를 나타낸 해석 결과이다.
도 9는, 종래의 웨이퍼 홀더(3)의 상세한 구성을 나타내는 확대도이며, (a)는 평면도이고, (b)는 A-A 선에 따른 단면도이다.
도 10은, 종래의 기상 성장 장치에서의 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)에서의 열저항 개념도이다.
본 발명은, 밀폐 가능한 반응로와, 상기 반응로 내에 설치되고 소정의 위치에 웨이퍼를 배치하기 위한 웨이퍼 수용체와, 상기 웨이퍼를 향해서 원료가스를 공급하기 위한 가스공급 수단과, 상기 웨이퍼를 가열하기 위한 가열 수단을 최소한 포함하며, 상기 반응로 내에서 상기 가열 수단에 의해 상기 웨이퍼 수용체를 통하여 웨이퍼를 가열하면서, 고온 상태로 원료가스를 공급함으로써, 상기 웨이퍼 표면에 성장막을 형성하는 기상 성장 장치에 있어서, 상기 웨이퍼 수용체는, 상기 웨이퍼를 수용하기 위한 공간부가 형성된 열류 제어부와, 상기 열류 제어부에 접합되어, 상기 공간부에 수용된 웨이퍼에 열을 전도하기 위한 열류 전도부로 구성되며, 상기 열류 제어부와 상기 열류 전도부가 근접하는 평면 및 곡면 사이에는 균일한 열저항 Rg가 존재하도록 한 것이다.
이와 같이 웨이퍼 수용체를 구성함으로써, 상기 열류 전도부로부터 상기 웨이퍼 표면을 향하는 열 전달 경로의 열저항 R1와 상기 열류 전도부로부터 상기 열류 제어부 표면을 향하는 열 전달 경로의 열저항 R2의 비 R2/R1를 용이하게 조정할 수 있다. 또, 상기 열저항비 R2/R1는, 0.8 이상 1.2 이하로 하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 웨이퍼 수용체의 이면(열류 전도부의 이면)으로부터 웨이퍼 및 웨이퍼 수용체의 표면(열류 제어부의 표면)으로 열이 전달될 때에, 각각의 열 전달 경로에서의 열저항이 대략 동일하게 되기 때문에, 동일한 열 전도가 행해져, 웨이퍼 및 웨이퍼 수용체의 표면의 도달 온도를 동일하게 할 수 있다. 따라서, 웨이퍼 표면과 웨이퍼 수용체의 표면 온도에 차이가 생기는 것에 의해 웨이퍼 에지부의 표면 온도가 웨이퍼 중앙부의 표면 온도보다도 상승하는 것을 회피할 수 있고, 웨이퍼의 면 내부 온도분포를 균일하게 유지할 수 있다. 그 결과, 웨이퍼의 면내 전역에서 양호한 균일성을 가지는 박막을 기상 성장시킬 수 있다.
또, 상기 열저항 Rg은 1.0×10-6m2K/W 이상 5.0×10-3m2K/W 이하로 한다. 또는, 상기 열류 제어부와 상기 열류 전도부의 간극 거리는, O.00lmm에서 1mm의 범위에서 동일하게 한다. 이에 따라, 상기 열저항 Rg은, 상기 열류 전도부와 웨이퍼의 접촉 열저항과 대략 동일하게 되기 때문에, 열저항 R2의 비 R2/R1의 조정이 용이하게 된다.
또, 상기 열류 제어부를 상기 열류 전도부 상에 배치되는 웨이퍼의 열 전도율의 0.5배 이상 20배 이하의 열 전도율을 가지는 재질로 형성하는 것이 바람직하다. 특별히 한정하지 않지만, 열류 제어부는, 박막성장이나 리액터 내의 분위기를 오염시키지 않은 특성을 가지는 재료라면, 어떠한 재료로 열류 제어부(31)를 제작하여도 좋다.
또, 열류 전도부를, 웨이퍼에 비교하여 열 전도율이 높은 재질, 예를 들면,50W/mK 이상 450W/mK 이하의 열 전도율을 가지는 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기 열류 제어부를, 무정형 카본, 질화알루미늄, 그래파이트, 실리콘, 탄화 규소, 몰리브덴, 파이로리테크 보론 니트리드, 알루미나의 어느 하나로 형성하고, 상기 열류 전도부를, 몰리브덴, 그래파이트, 금, 은 중 어느 하나로 형성하면 된다.
또, 전술한 바와 같은 기상 성장 장치를 이용하여, 상기 반응로 내에 있어 상기 가열 수단에 의해 상기 웨이퍼 수용체를 통하여 웨이퍼를 가열하면서, 고온 상태로 원료가스를 공급함으로써, 상기 웨이퍼 표면에 박막을 형성하는 기상 성장 방법에 있어서, 박막을 기상 성장시킬 때의 상기 웨이퍼 수용체 표면과 상기 웨이퍼 표면과의 온도차를 2℃ 이내에 제어하면서 기상 성장하도록 하였다. 이에 따라, 웨이퍼의 면내부 온도도 분포가 균일하게 되기 때문에, 웨이퍼의 면내 전역에서 양호한 균일성을 가지는 박막을 기상 성장시킬 수 있다.
이하에, 본 발명의 완성에 도달하는 경위에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명자들은, 웨이퍼(2)의 표면 온도가 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도보다 낮아지는 원인에 대해, 웨이퍼(2) 및 웨이퍼 홀더(3) 내부에서의 열 전달경로의 차이에 착안하였다. 즉, 일반적으로 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)의 재질은 다르고, 동일한 열 전달이 행하여지지 않기 때문에, 각각의 표면의 도달 온도에 차이가 생기는 것으로 생각하였다.
도 10은, 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)에서의 열저항 개념도이다. 도 10에있어서, Tup는 웨이퍼 홀더(3)의 이면온도이고, Tsurf는 웨이퍼(2) 또는 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도이고, Tdown은 웨이퍼(2) 및 웨이퍼 홀더(3) 표면에서 소정의 거리만큼 떨어진 위치에 상정한 면(이하, 가상 경계면이라고 함)에서의 온도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(2)의 표면에는 웨이퍼 홀더(3) 이면으로부터 웨이퍼 홀더(3) 및 웨이퍼(2)를 통과하여 가상 경계면에 도달하는 열 전달경로(1)에 따라서 열 전달이 행해지며, 웨이퍼 홀더(3)의 표면에는 웨이퍼 홀더(3) 이면으로부터 웨이퍼 홀더(3)을 통과하여 가상 경계면에 도달하는 열 전달경로(2)에 따라서 열 전달이 행해진다. 이와 같이, 웨이퍼(2)의 표면과 웨이퍼 홀더(3)의 표면에서는 각각 열 전달경로가 다른 것을 알 수 있다.
즉, 도 10에 나타내는 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)에서의 열저항 개념도로부터, 열 전달경로(1)에서의 열저항 R1은, 웨이퍼 홀더(3) 부분의 열저항 R1c와, 웨이퍼 홀더(3)와 웨이퍼(2)와의 접촉열저항 R1g과, 웨이퍼(2) 부분의 열저항 R1w를 합한 저항이 되고, 열 전달경로(2)에서의 열저항 R2는 웨이퍼 홀더(3) 부분의 열저항 R2c로 된다.
또, 열저항 R는 하기 식(1)에 의해 부여된다.
R[m2K/W]: 열저항
L[m]: 열류방향의 소재의 두께
k[W/m·K]: 열 전도율
이로부터, 열저항 R1, R2는 하기 식과 같이 나타낼 수 있다.
(단, k1c= k2c)
여기에서, 웨이퍼(2)(InP, GaAs 등)의 열 전도율 k1w는 웨이퍼 홀더(3)(그래파이트, 몰리브덴 등)의 열 전도율 k2c에 비해 현저하게 작은 것으로부터 Lw/k1w> Lw/k2c가 되고, 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)의 접촉면에서는 접촉열저항 R1g이 생기기 때문에, 명확히 R1보다도 R2의 쪽이 작아진다.
또, 열 전달은, 열 전달경로에서의 열류속(熱流束)에 지배된다. 일반적으로, 열류속이란 단위면적(단위: m2)을 흐르는 에너지(열류)량이며, 하기 식(5)로 부여된다.
q[W/m2]: 열류속
Rtotal[m2K/W]: 총괄 열저항
Tup[K]: 상류측 온도
Tdown[K]: 하류측 온도
또, 도 10에 있어서 열 전달경로(1, 2)에서의 총괄 열저항 R1total, R2total은 하기 식으로 나타내어진다.
(단, R1a=R2a)
상기 식(4), (6), (7)로부터 R1total>R2total이 된다. 따라서, 열 전달경로(1)에서의 열류속 q1은 열 전달경로(2)에서의 열류속 q2보다 작아진다.
또, 열류속 q1, q2은, 웨이퍼(2)의 표면 온도 T1surf, 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도 T2surf를 이용하여 하기 식과 같이 나타낼 수 있다.
상기 식(8), (9), (10)으로부터, 웨이퍼(2)의 표면 온도 T1surf가 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도 T2surf보다도 낮아지는 것이 도출된다.
T2surf> T1surfㆍㆍㆍ (11)
이와 같이, 종래의 기상 성장 장치에서는, 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)의 열 전도율이 크게 다르기 때문에, 전술한 바와 같이 표면 온도 T1surf, T2surf에 차이가 생기는 것을 알았다.
따라서, 본 발명자들은, 웨이퍼(2)의 표면 온도 T1surf와 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도 T2surf의 차이를 작게 하는 방법에 대해 검토하여, 상기 식(5)∼(10)으로부터, 각각의 열 전달경로에서의 열저항 R1와 R2를 동등하게 하면 좋은 것을 알았다(즉, 열저항비 R2/R1를 1에 근접시킨다).
그리고, 본 발명자들은, 웨이퍼 홀더(3)를 열류 제어부(31)와 열류 전도부(32)의 2개의 부재로 구성하는 방법을 안출하였다.
이 경우, 열저항 개념도는 도 3과 같이 되어, 열저항 R1및 열저항 R2는 하기 식으로 나타내어진다.
(단, k1c=k2c)
즉, 웨이퍼(2)와 열류 전도부(32)와의 접촉열저항 R1g과 열류 제어부(31)와 열류 전도부와의 접촉열저항 R2g의 값을 가까이 하는 동시에, 웨이퍼(2) 부분의 열 전도율 k1w와 열류 제어부(31) 부분의 열 전도율 k2p의 값을 가까이 함으로써, 열저항 R1와 R2의 값을 근접시킬 수 있다.
본 발명은, 상기 지견을 바탕으로 완성되는 것에 달한 것이며, 기상 성장 장치에 있어서, 웨이퍼 홀더(3)를, 웨이퍼(2)를 수용하기 위한 중공부가 형성된 열류 제어부와, 상기 열류 제어부 및 웨이퍼를 배치하기 위한 열류 전도부로 구성하고,상기 열류 제어부와 상기 열류 전도부가 근접하는 평면 및 곡면 사이에 균일한 열저항 R2g가 존재하도록 하고, 열저항비 R2/R1가 O.8 이상 1.2 이하로 한 것이다.
또, 상기 열저항 Rg을 1.0×10-6m2K/W 이상 5.O×10-3m2K/W 이하로 하거나, 상기 열류 제어부와 상기 열류 전도부와의 간극거리를 O.001mm에서 1mm의 범위에서 동일하게 함으로써, 접촉열저항 R1g과 R2g이 대략 동일하게 되도록 한 것이다. 또, 열류 제어부를, 상기 열류 전도부상에 배치되는 웨이퍼의 열 전도율의 0.5배 이상 20배 이하의 열 전도율을 가지는 재질로 형성하도록 하여, 웨이퍼(2) 부분의 열 전도율 k1w와 열류 제어부(31) 부분의 열 전도율 k2p의 값이 가까이 되도록 한 것이다.
또, 상기 식(12), (13)에 있어서 Lw또는 Lc의 값을 크게 하는 것에 의해도 열저항비 R2/R1를 1에 근접시킬 수 있지만, 온도제어, 장치의 유효공간, 비용상의 문제로부터 실현은 곤란하기 때문에, 구체적인 방책으로서, 열류 제어부(31)의 재질을 웨이퍼(2)의 열 전도율과 가까운 열 전도율을 가지는 재질로 하였다.
이하, 본 발명에 따른 기상 성장 장치(MOCVD 장치)의 실시예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은, 본 실시예의 기상 성장 장치의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다. 도 2는, 본 실시예에 관한 웨이퍼 홀더(3)의 상세한 구성을 나타내는 확대도이며, (a)는 평면도, (b)는 A-A 선에 따른 단면도이다.
종래 기술에서는 그래파이트 등의 열 전도율이 높은 재질로 형성되어 있던 웨이퍼수용체로서의 웨이퍼 홀더(3)를, 본 실시예에서는 그래파이트 등의 열 전도율이 높은 재질로 이루어지는 열류 전도부(32)와 웨이퍼의 열 전도율과 비교적 가까운 열 전도율을 가지는 무정형 카본(이하, α-카본이라 함)으로 이루어지는 열류 제어부(31)로 구성하고 있는 점이 상이하다.
도 1에 도시한 바와 같이, 기상 성장 장치(100)는, 반응로(1)와, 웨이퍼(2)를 배치하는 웨이퍼 홀더(3)와, 웨이퍼 홀더(3)를 탑재하는 서셉터(4)와, 서셉터(4)의 하측에 설치된 가열히터(5)와, 웨이퍼 홀더(3) 및 서셉터(4)를 회전 가능하게 지지하는 회전기구(6)와, 원료가스나 캐리어가스를 공급하는 가스도입관(7)과, 미반응 가스를 배기하는 가스배기관(8) 등으로 구성된다.
이 기상 성장 장치(100)의 각 벽체는 예를 들면 스테인리스강으로 구성된다. 또, 가스도입관(7)은 상측 벽체 중앙부에 설치되어, 예를 들면, 트리메틸인듐(TMI), 트리메틸알루미늄(TMAI), 트리메틸갈륨(TMG) 등의 제13(3B)족 원료가스와, 아르신(AsH3), 포스핀(PH3) 등의 제15(5B)족 원료가스와, 캐리어가스로서의 수소(H2) 등의 불활성가스를 반응로 내에 도입한다.
웨이퍼 홀더(3)는, 원반형으로 성형된 그래파이트제의 열류 전도부(32) 상에α-카본제의 열류 제어부가 일체로 형성된 하나의 부재로 되어, 서셉터(4) 상에 탑재된다. 또, 열류 제어부(31)에는, 웨이퍼(2)를 수용하기 위한 원형의 포켓구멍(3a)이 동일 원주상에 복수개(도 3에서는 6개)형성되어 있다. 서셉터(4)는, 가열히터(5)로부터의 열을 균등하게 전달하기 위해서 열 전도율이 높은 재질(예를 들면, 몰리브덴 등)로 구성되고, 회전기구(6)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 또, 서셉터(4)의 하측에는 웨이퍼(2)를 가열하기 위한 가열히터(5)가 동심원상으로 설치되어 있다.
종래의 기상 성장 장치에 있어서, 웨이퍼 홀더(3)에는 전체가 열 전도율이 높은 그래파이트나 몰리브덴 등의 동일 재료로 형성되는 것이 일반적이였지만, 본 실시예에서는 그래파이트제의 열류 전도부(32)와 α-카본제의 열류 제어부(31)로 구성되어 있다.
구체적으로는, 열류 제어부(3l)로서, 열 전도율이 10W/m·K의α-카본을 이용함으로써, 웨이퍼 홀더(3)에 배치되는 웨이퍼(2)의 열 전도율과 열류 제어부(31)의 열 전도율이 가까이 되도록 하였다. InP 웨이퍼의 열도전율은 14.3W/m·K 이므로α-카본의 열 전도율은 그의 약 0.7배가 된다.
또, 열류 제어부(31)와 열류 전도부(32)의 간극은 0.0lmm∼lmm의 범위에서 동일하게 하고, 접촉 저항이 1.0×10-6m2K/W 이상 1.0×10-1m2K/W 이하가 되도록 하였다.
이러한 구성으로 함으로써, 가열히터(5)로부터 서셉터(4) 및 웨이퍼 홀더(3)를 통하여 웨이퍼(2) 및 웨이퍼 홀더(3)의 표면을 향하는 열 전달 경로에서의 열저항은 동일하게 되기 때문에, 웨이퍼(2) 표면과 웨이퍼 홀더(3) 표면은 대략 동일온도에 도달한다. 따라서, 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도의 차이에 의해서 웨이퍼 에지부가 웨이퍼 중앙부보다도 온도가 높아지는 것을 회피할 수 있기 때문에, 웨이퍼(2)의 면내부 온도도 분포가 균일하게 되기 쉽다.
또, 열류 전도부(32)의 재질은 그래파이트에 한정되지 않고, 예를 들면, 몰리브덴, 금, 은 등으로 형성하도록 할 수도 있다. 또, 상기 열류 제어부는, α-카본 외에 질화알루미늄, 그래파이트, 실리콘, 탄화 규소, 몰리브덴, 파이로리테크 보론 니트리드(pyrolitec boron nitride), 알루미나 등으로 형성하도록 할 수도 있다.
가스배기관(8)은, 반응로(1)의 바닥면에 설치된다. 가스도입관(7)을 통하여 도입구로부터 반응로(1) 내에 도입된 원료가스는, 반응로의 상류측에서 분해되어 하류측으로 흘러 웨이퍼(2) 상에 박막을 형성하고, 미반응의 원료가스는 캐리어가스와 함께 배기구를 통하여 가스배기관(8)으로부터 외부로 배출된다.
또, 도면에는 나타내지 않지만, 예를 들면 회전기구(6)의 외주 및 반응로의 하측 벽면 외벽에는 수냉재킷이 설치되고, 이들 수냉재킷 및 가열히터(5)로 반응로(1) 내의 온도를 제어하도록 되어 있다.
상술한 구성을 한 기상 성장 장치(100)에서는, 가열히터(5)에 의해 서셉터(4)의 하측으로부터 가열함으로써 서셉터(4), 웨이퍼 홀더(3)를 통하여 웨이퍼(2)에 열이 전달되어, 웨이퍼(2)를 소정의 온도까지 상승시킨다. 또, 서셉터(4)를 회전기구(6)에 의해 소정의 회전수로 회전시킴으로써, 가스도입관(7)으로부터 도입된 원료가스나 캐리어가스를 웨이퍼(2) 표면에 균등하게 공급하여 박막을 기상 성장시킨다. 이 때, 웨이퍼(2) 표면과 웨이퍼 홀더(3)(열류 제어부(31)) 표면의 온도는 대략 동일해지기 때문에, 웨이퍼(2)의 면내부 온도 분포는 균일하게 되어, 균일성이 우수한 박막을 기상 성장시킬 수 있다.
이하에, 본실시예의 기상 성장 장치를 이용하여 열 전도에 관한 시뮬레이션을 행한 결과를 나타내고, 본 발명의 특징인 점을 명확히 한다. 또, 종래의 기상 성장 장치를 이용하여 동일한 시뮬레이션을 행하여 비교예로 하였다.
시뮬레이션은, 상술한 기상 성장 장치(100)에 있어서, 웨이퍼(2) 및 그 근방을 모델화하여, 유한체적법에 의한 3차원 열 전도 해석에 의해 행하였다. 또, 실시예에서는 그래파이트제의 열류 전도부(31)와 α-카본제의 열류 제어부(31)로 구성되는 웨이퍼 홀더(3)로 하여, 비교예에서는 그래파이트제의 웨이퍼 홀더(3)로 하였다.
도 4는, 기상 성장 장치(100)의 웨이퍼(2) 및 웨이퍼 홀더(3)(웨이퍼의 외주로부터 10mm)의 개략 해석모델 도면이다. 도 4에 있어서, 웨이퍼 홀더(3)의 바닥면으로부터 웨이퍼(2)까지의 거리는 6.4mm로 하였다. 또, 웨이퍼(2)는 두께 0.5mm, 내경 50mm(2인치)의 InP 웨이퍼로 하고, 반응로(1) 내는 수소분위기로 하였다. 또, 해석시의 메쉬수는 약 600만 메쉬로 하였다.
또, 웨이퍼(2)와 열류 전도부(32) 사이의 접촉열저항(R1g) 및 열류 제어부(31)와 열류 전도부(32) 사이의 접촉저항(R2g)을 각각 2.0 X 10-4m2K/W로 하였다. 또, 접촉열저항 R1g은 접촉하는 부재 사이의 평면도, 표면거칠기, 물질의 열 확산계수에 의해서 영향을 받고, 접촉면 사이의 거리를 작게 조정함으로써, 보다 작게 할 수 있다.
또한, 해석 조건으로서, 웨이퍼(2)의 상방 35mm에 위치하는 수소가스 경계면에 45℃, 웨이퍼 홀더(3) 경계면(이면)에 650℃의 경계조건을 부여하였다.
또, 수소는 낮은 프란틀(prandtl)수 때문에 열 확산이 점성 확산보다도 우수하고, 또한 층류 영역의 비교적 낮은 레이놀즈수 영역에서는 이류(advection)의 영향을 무시하고 생각할 수 있기 때문에, 본 모델의 열 전도 해석에서는 근사적으로 고체로서 취급하였다.
또, 본 해석에서는 하기 표 1에 나타내는 물성치를 이용하였다.
표 1
도 5는 실시예로서 열류 제어부와 열류 전도부로 구성된 웨이퍼 홀더(3)를 이용한 경우의 웨이퍼(2) 및 웨이퍼 홀더(3) 내부의 온도 분포를 나타낸 해석 결과이며, 도 6은 비교예로서 그래파이트제의 웨이퍼 홀더(3)를 이용한 경우의 웨이퍼(2) 및 웨이퍼 홀더(3) 내부의 온도 분포를 나타낸 해석 결과다. 또한, 도 5, 도 6에서는, 해석 결과를 명확하게 하기 위하여 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)의 경계부분을 확대하고 있다.
또, 도 7은 실시예에서의 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도 분포를 나타낸 해석 결과이며, 도 8은 비교예에서의 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도 분포를 나타낸 해석 결과이다. 또, 도 7, 도 8에서는, 웨이퍼 중심을 0으로하여 직경방향의 위치에서의 표면 온도를 나타내고 있다.
실시예에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이 웨이퍼(2)와 열류 전도부(31)에서의 온도구배가 동일하며, 웨이퍼(2)에 있어서 평행하고 또한 균일한 등온선 분포로 되어 있다. 한편, 비교예에서는, 도 13에 나타낸 바와 같이 웨이퍼(2)와 웨이퍼 홀더(3) 상부에서의 온도구배가 현저하게 다르고, 웨이퍼(2)에 있어서 중앙부로부터 에지부로 향하여 온도가 높아지고 있다. 이러한 점에서, 본 실시예쪽이 열 전달 경로가 다르더라도 동일하도록 열 전도가 행해지고 있는 것을 알 수 있다.
또, 실시예에서는 열저항비 R2/R1가 1.06이였던 점에 대하여, 비교예에서는 열저항비 R2/R1는 0.24였다.
또, 실시예에서는, 도 7에 나타낸 바와 같이 웨이퍼 표면 온도와 웨이퍼 홀더(열류 제어부) 표면온도가 함께 약 634.0℃로 동일한 데 반하여, 비교예에서는 도 8에 나타낸 바와 같이 웨이퍼 표면 온도가 약 636.0℃, 웨이퍼 홀더 표면온도가 약 638.0℃이며 그 차이가 약 2.0℃이였다. 즉, 웨이퍼(2)의 에지부(22∼25mm)의 표면온도와 중앙부(0 부근)의 표면온도와의 차이는, 본실시예 쪽이 작고, 웨이퍼(2)의 면내부 온도 분포가 균일하게 개선되어 있은 것을 알 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본실시예에서는 웨이퍼(2) 에지부의 표면 온도가 웨이퍼 홀더(3)의 표면 온도로부터 받는 영향은 거의 없어지기 때문에, 웨이퍼(2)의 면내부 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있었다. 그 결과, 웨이퍼(2)의 면내 전역에서 양호한 균일성을 가지는 박막을 기상 성장시킬 수 있었다.
본 실시예에 의하면, 기상 성장 장치(100)에 있어서, 웨이퍼 수용부를, 웨이퍼를 수용하기 위한 공간부가 형성된 열류 제어부와, 상기 열류 제어부에 접합되어 상기 공간부에 수용된 웨이퍼에 열을 전도하기 위한 열류 전도부로 구성하고, 상기 열류 제어와 상기 열류 전도부와의 접촉 열저항을 1.0×10-6m2K/W 이상 5.0×10-3m2K/W 이하로 하는 동시에, 상기 열류 제어부를 상기 열류 전도부 상에 배치되는 웨이퍼의 열 전도율의 0.5배 이상, 20배 이하의 열 전도율을 가지는 재질로 형성하도록 하였기 때문에, 웨이퍼 수용부의 이면(열류 전도부의 이면)으로부터 웨이퍼 및 웨이퍼 수용부의 표면(열류 제어부의 이면)으로 열이 전달될 때에, 각각의 열 전달 경로에서의 열저항이 대략 동일하게 된다.
즉, 동일한 열류속(heat flux)에 따라서 열 전도가 행하여지기 때문에, 웨이퍼 및 웨이퍼 수용부의 표면의 도달 온도를 동일하게 할 수 있다. 따라서, 웨이퍼 에지부의 표면 온도가 웨이퍼 홀더의 표면 온도로부터 받는 영향은 적어지기 때문에, 웨이퍼의 면내부 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있고, 그 결과, 웨이퍼의 면내 전역에서 양호한 균일성을 가지는 박막을 기상 성장시킬 수 있다고 하는 효과가 있다.
이상의 설명에서는 주로 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 그 배경이 된 종형 고속회전식(vertical high-speed-rotating-type)의 기상 성장 장치에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 그것에 한정되는 것이 아니고, 기상 성장 장치 일반, 예를 들면, 페이스 다운 방식(face-down system), 횡형 방식(lateral type), 자공전 방식(autorotation/revolution system)의 기상 성장 장치에도 이용할 수 있다.
또, InP 웨이퍼를 이용한 경우에 한정되지 않고, Si, GaAs, GaN, 사파이어, 유리, 세라믹웨이퍼 등에 박막을 성장시키는 경우에도 유효하다. 이 경우, 이용하는 웨이퍼에 따라서 웨이퍼 홀더(3)(또는 열류 제어부(31))의 재질을 변경하도록 할 수도 있다.
Claims (8)
- 밀폐 가능한 반응로와, 상기 반응로 내에 설치되고 소정의 위치에 웨이퍼를 배치하기 위한 웨이퍼 수용체와, 상기 웨이퍼를 향해서 원료가스를 공급하기 위한 가스공급 수단과, 상기 웨이퍼를 가열하기 위한 가열 수단을 최소한 포함하며,상기 반응로 내에서 상기 가열 수단에 의해 상기 웨이퍼 수용체를 통하여 웨이퍼를 가열하면서, 고온 상태로 원료가스를 공급함으로써, 상기 웨이퍼 표면에 성장막을 형성하는 기상 성장 장치에 있어서,상기 웨이퍼 수용체는, 상기 웨이퍼를 수용하기 위한 공간부가 형성된 열류 제어부와, 상기 열류 제어부에 접합되어, 상기 공간부에 수용된 웨이퍼에 열을 전도하기 위한 열류 전도부로 구성되며,상기 열류 제어부와 상기 열류 전도부가 근접하는 평면 및 곡면 사이에는 균일한 열저항 Rg가 존재하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
- 제1항에 있어서,상기 열류 전도부 이면으로부터 상기 웨이퍼 표면을 향하는 열 전달 경로의 열저항 R1와 상기 열류 전도부 이면으로부터 상기 열류 제어부 표면을 향하는 열 전달 경로의 열저항 R2의 비 R2/R1가 0.8 이상 1.2 이하인 것을 특징으로 하는 기상성장 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 열저항 Rg는 1.0×10-6m2K/W 이상 5.0×10-3m2K/W 이하인 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 열류 제어부와 상기 열류 전도부의 극간 거리는, 0.00lmm에서 1mm의 범위에서 동일한 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 열류 제어부는, 상기 열류 전도부 상에 배치되는 웨이퍼의 열 전도율의 0.5배 이상 20배 이하의 열 전도율을 가지는 재질로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 열류 전도부는, 50W/mK 이상 450W/mK 이하의 열 전도율을 가지는 재질로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 열류 제어부는, 무정형 카본, 질화알루미늄, 그래파이트, 실리콘, 탄화 규소, 몰리브덴, 파이로리테크 보론 니트리드, 알루미나 중 어느 하나로 형성되고,상기 열류 전도부는, 몰리브덴, 그래파이트, 금, 은 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 기상 성장 장치.
- 밀폐 가능한 반응로와, 상기 반응로 내에 설치되어 소정의 위치에 웨이퍼를 배치하기 위한 웨이퍼 수용체와, 웨이퍼로 향해서 원료가스를 공급하기 위한 가스공급 수단과, 상기 웨이퍼를 가열하기 위한 가열 수단을 포함하는 기상 성장 장치를 이용하여,상기 반응로 내에서 상기 가열 수단에 의해 상기 웨이퍼 수용체를 통하여 웨이퍼를 가열하면서, 고온 상태로 원료가스를 공급함으로써, 상기 웨이퍼 표면에 박막을 형성하는 기상 성장 방법에 있어서,박막을 기상 성장시킬 때의 상기 웨이퍼 수용체 표면과 상기 웨이퍼 표면의 온도차를 2℃ 이내로 하는 것을 특징으로 하는 기상 성장 방법.
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