KR20070072859A - 에피텍셜 반응기 냉각방법 및 그에 의해 냉각되는 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학기상증착을 위한 반응기의 반응 쳄버(2)의 벽들을 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 실질적으로 균일한 온도분포의 반응 쳄버(2)를 얻도록 반응 쳄버(1)의 벽의 적어도 하나의 선결된 존을 액체로 선택적으로 냉각시켜 인접한 존들과 비교하여 다른 열 유동을 갖는 것을 막는다. 양호한 일실시예에서, 선택적으로 냉각된 존은 서셉터(5) 위의 존이며, 두 개의 립(8, 9)에 의해 경계가 정해진다. 또한, 본 발명은 냉각방법을 수행하기 위한 반응기와 반응 쳄버(2)를 포함한다.

반응기, 쳄버, 선택, 냉각, 물, 에어

Description

에피텍셜 반응기 냉각방법 및 그에 의해 냉각되는 반응기{Epitaxial reactor cooling method and reactor cooled thereby}

본 발명은 화학기상증착(chemical vapour deposition; CVD) 프로세스에 의한 기판제조시 사용되는 에피텍셜 반응기(epitaxial reactor)의 쳄버를 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 에피텍셜 반응기는, 반도체 구성부품의 제조를 위한 마이크로전자 산업에 특별히 사용되며, 이 때문에 내부에는 기판(일반적으로 웨이퍼로도 알려져있음)이 서셉터(susceptor)에 의해 지지된 채 에피텍셜 성장을 일으키는 반응쳄버를 포함한다.

반응기로는 반응가스의 방향과 관련하여 규정된 두 가지 형태의 반응기, 즉 수평 반응기와 수직 반응기가 있다.

본 발명의 방법은 위의 두 형태의 반응기 모두에 관한 것이나, 아래의 설명에서는 반응 쳄버가 일측에서 타측으로의 가스의 유동(flow)에 의해 수평으로 횡단되는 대략적인 평행육면체 형태를 갖는 석영 벨(quartz bell)인 수평한 반응기에 대해 주로 언급될 것이다.

수평 반응기에서, 서셉터는 반응 쳄버 내에서 회전하는 디스크를 포함하며, 디스크의 상부표면에는 기판들이 각각의 상응 형태의 시트들내에 배치된다. 이러한 서셉터 디스크는 통상 고온에 견딜 수 있는 그래파이트 또는 다른 도전성 물질로 이루어지므로, 램프와 함께 복사 또는 전자기 유도를 이용하여 가열될 수 있다.

CVD 프로세스는 고온(1,000℃)에서 발생하는 화학반응의 결과로 이루어지므로, 반응 쳄버의 벽들, 일반적으로 석영을 냉각시키는 것은 공지의 기술로 되어있다.

냉각은 에어(air) 또는 물(water)로 이루어질 수 있으나, 벽 온도가 설정된 레벨 아래로 하강할 경우 위험할 수 있기 때문에 과도하게 이루어지지 않아야한다.

위와 같은 위험은 주로 온도가 덜 높은 쳄버의 영역들에서 발생되며, 냉각유체가 물인 경우 석영 벨과의 열교환이 에어보다 더 활발하게 이루어지기 때문에 더욱 두드러지게 나타난다.

그러므로, 본 발명의 기조가 되는 기술적 과제는 상술한 부정적 결과를 야기할 수 있는 온도의 과도한 하강을 방지하는 식으로 에피텍셜 반응기를 냉각시키는 데 있다.

이러한 과제는 반응 쳄버를 선택적으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 방법, 즉 쳄버의 다른 존들(zone)과 다른 열 플럭스들(flux)을 갖는 것을 막음으로써 쳄버의 온도분포를 실질적으로 균일하게 유지하는 방법에 의해 해결되며; 이것은 프로세스를 더 양호하게 제어할 수 있게 하고, 일정 수준의 온도가 어떤 예측지 못한 상황의 결과로 허용 범위 아래로 떨어지는 것을 방지할 수 있게 한다.

양호한 일 실시예에 따르면, 본 발명의 방법이 수평 반응기에서 실행될 경우, 반응 쳄버는 서셉터 디스크 위의 존에 분사된 물(또는 다른 적당한 액체)에 의해 냉각된다.

또한, 본 발명은 상술한 방법에 따라 냉각되는 에피텍셜 반응기, 및 적절히 제조된 반응 쳄버를 포함한다.

본 발명의 다른 특징은 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 비한정예의 다음 설명으로부터 더 명백하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 냉각된 에피텍셜 반응기의 개략적인 사시도;

도 2는 도 1의 반응기의 반응 쳄버의 평면도;

도 3은 도 2의 반응 쳄버의 측면도; 및

도 4는 위의 반응 쳄버내 냉각 플럭스들의 개략적인 설명도이다.

도면에서, 부호(1)는 마이크로전자 산업에서 반도체의 제조를 위해 대표적으로 사용되는 것과 같은 물질의 CVD를 위한 에피텍셜 반응기를 일반적으로 표시한다.

반응기(1)는 수평 유동(flow) 형태로 구성되며, 실질적으로 평행육면체 형태를 갖는 반응 쳄버(2)를 포함한다. 반응 쳄버(2)는 속도가 도 3의 화살표로 표시되는 반응 쳄버내의 가스 유동을 위해 대향한 두 면상에 입구개구(3)과 출구개구(4) 를 구비한다.

반응 쳄버(2)는, 석영으로 형성되고 가스 출구 측으로 미소하게 테이퍼져있지만, 서셉터 디스크(5)(도 1에서 점선으로만 도시됨) 위쪽 존(zone)에서는 박층의 골드 페인트(gold paint)로 코팅되어 프로세스시 복사되는 열을 반사하도록 구성하는 것이 바람직하다.

서셉터(5)위에 위치된 반응 쳄버(2)의 존은 쳄버의 일측에서 타측으로 연장된 두 개의 원호형 립(rib)(8, 9)에 의해 경계가 정해진다. 더우기, 반응 쳄버는 서셉터 위치를 모니터하기 위한 광학수단을 사용하기 위해, 공지의 방사상 윈도우(10)를 구비한다.

반응 쳄버(2)의 하부는, 서셉터(5)를 회전시키기 위한 샤프트가 관통 연장되는 보통의 중공 스템(11)을 구비한다. 상기 샤프트는 도면에 도시되지 않았다.

도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 입구 및 출구개구(3, 4)와 관련하여, 각각의 스크린(screen)(13, 14)이 배치된다. 스크린들(13, 14)은, 금속 박판 또는 다른 적당한 재료로 형성되어, 립들(8, 9) 외측에 위치한 반응 쳄버(2)의 존들 주위에 뻗어있는 덮개들이다.

스크린의 용도는 살수장치(15, 16)를 사용하여 공급된 냉각 물가, 서셉터로부터 가장 멀리 떨어져 있어 낮은 온도를 가지는 반응 쳄버의 존들 내부로 낙하하는 것을 방지하는 데 있다. 이 때문에, 스크린들(13, 14)은 입구 및 출구개구(3, 4)와 결합된 플랜지들(17, 18)에 고정되며, 립들(8,9)과 같은 방법으로 형성된 자 유 가장자리들을 구비한다. 스크린들과 반응 쳄버(2)의 석영 사이의 거리는 대략 10mm인 것이 바람직하다.

본 발명의 양호한 일실시예에서, 스크린(13)위에는, 역시 반응 쳄버(2)의 중앙 존위로 물를 분사하기 위한 추가 노즐들(24, 25)을 지지하는 판(23)이 위치한다.

위에서 제공된 설명은 본 발명의 방법에 따라 반응 쳄버(1)가 어떻게 냉각되는지를 이해할 수 있게 한다.

살수장치(15, 16)은 도 1의 화살표로 표시한 바와 같이 각각의 스크린(13, 14)위로 물을 공급한다. 공급된 물은 상술한 스크린들의 곡선형 가장자리를 따라 폭포수 형태로 유동하여, 립들(8, 9) 사이에서 서셉터 위에 있는 반응 쳄버의 존내에서 반응쳄버(2)상으로 떨어진다.

실제로, 립들은, 물이 개구들(3,4) 쪽으로 역류하는 것을 방지함으로써 그것이 두 개의 립(8,9) 사이에서 반응 쳄버(2)의 자유 가장자리를 따라 측방향으로 낙하하여 하부에 위치한 도면에 도시하지 않은 탱크로 수집되도록 하는 방벽들을 형성한다.

제3의 물의 유동은 노즐들(24, 25)에 의해 반응 쳄버(2)의 중앙부을 향해 일정한 속도도 분사된다. 중앙부는 서셉터로부터 가장 큰 열 플럭스를 받기 때문에 가장 중요한 존이다. 이동하는 물은 보다 양호하게 석영과 열교환될 수 있으며, 이에 따라 상기 존에 도포된 반사 페인트를 박리시키는 유해한 비등현상들을 예방할 수 있다.

이와 같이 제공된 선택적인 냉각은, 반응 쳄버의 최대 냉각존들(즉, 서셉터(5)로부터 가장 머리 떨어진 존들)은 물로 살수되지 않지만 중앙 존들은 끊임없이 물이 분사되어 아래의 서셉터에 의해 복사되는 열을 제거하기 때문에, 반응 쳄버(2)의 석영내에 실질적으로 균일한 온도분포를 유지할 수 있게 한다.

특히, 강제 대류에 의해 물이 뿌려진 부분으로부터는 높은 열플럭스 또는 파워(단위 시간당 열량)가 제거되는 반면, 건조 존들로부터는 제거되는 열플럭스가 더 적고 열교환이 자연 에어 대류 및 복사에 의해 일어나는 것으로 이해될 수 있다.

그러나, 건조 존들은, 더 많이 냉각되거나 또는 더 효율적으로 프로세스를 제어하기 위해, 도 4에서 개략적으로 표시한 바와 같이 반응 쳄버(2)의 상부벽과 스크린들(13, 14) 사이로 에어를 순환시키는 강제 통풍에 의해 릭킹(licking)될 수있다는 것에 주목해야한다. 이 경우, 건조 존들은 강제 대류에 의해 냉각된다.

본 발명의 방법을 사용하여 얻어진 균일한 온도 분포는, 앞에서 서술한 손상 결과(가스물질들의 폴리머화 및 그에 후속하는 가스물질들의 쳄버벽상의 응결 또는 증착)를 나타낼 수 있는 온도의 과도한 강하를 방지하기 위해, 반응 쳄버(2)의 조건들을 더 쉽고 효율적으로 제어하도록 할 수 있다.

또한, 반응 쳄버를 선택적으로 냉각시키는 본 발명의 원리는 다른 에피텍셜 반응기들(수평 및 수직반응기 모두)에 사용하기에 적합하도록 위에서 설명한 실시예와 다르게 수행될 수도 있음은 물론이다.

예를들면, 반응 쳄버(2)의 상부 존이 상술한 바와 같이 물로 냉각된다는 사 실은, 반응 쳄버의 하부부분이 동일원리를 이용하여 냉각되는 것을 제한하지 않는다.

이 경우, 중공 스템(11) 주위에서 서셉터(5) 아래에 위치한 쳄버의 존을 향해 아래에서부터 물을 분사하기 위한 수단을 제공하는 것이 필요할 것이다.

또한, 예를 들어 본 출원인과 동일 출원인의 유럽특허 제730679호에 기재된 시스템과 같은 공지의 냉각시스템이 반응 쳄버 아래에 선택적으로 설치될 수 있음을 이해해야 한다.

이점에 대하여, 강조되어야 할 것은 본 발명의 선택적인 냉각은 반사 골드 코팅을 서셉터 복사가 가장 큰 존에만 적용하는 것을 가능하게 한다는 점이다. 앞의 예에서, 이 존은 두 개의 립(8, 9) 사이에서 물이 뿌려지는 존이다.

이것은 두 가지의 장점을 갖는다. 첫째로, 전체 반응 쳄버(2)를 코팅하지 않고 그 일부분만을 코팅한다면, 페인팅이 간단해지고 페인팅 비용이 더 절감된다. 둘째로, 더 큰 복사열을 받는 존들이 물로 냉각되기 때문에, 물 측의 석영의 온도는 상대적으로 차갑다.

반대로, 물이 없는 곳에는 더 적은 복사가 일어남에도 불구하고 반응 쳄버(2)의 외부측에서의 온도가 더 높다. 이것은 골드(또는 다른 금속들)가 석영(대략

1/K) 보다 더 큰 열팽창계수를 가지기 때문에 골드 코팅이 페인팅에 의해 도포되느냐 또는 다른 방법(예를들면 PVD)에 의해 증착되느냐에 관계없이 골드코팅이 분리되도록 한다.

물이 없는 이들 존에서, 복사에 의한 손실은 반사면으로써 작용하는 스크린(13, 14)을 사용하는 것에 의해 감소될 수 있다. 이 경우, 스크린(13, 14)은 금속재로 형성되거나, 및/또는 선택적으로 골드 또는 다른 고 반사재로 코팅될 수 있다.

마지막으로, 본 발명의 반응 쳄버의 선택적인 냉각은, 수직 에피텍셜 반응기들에도 서셉터의 절두 각뿔 형태로 인한 가능한 수정들 및 반응 쳄버의 벨 형태의 가능한 수정과 함께 적용될 수 있다는 데 주목해야 한다.

그렇지만, 이러한 실시예들 및 다른 실시예들은 첨부된 특허청구범위의 범위내에 포함된다.

본 발명은 CVD 프로세스에 의한 기판제조시 사용되는 에피텍셜 반응기에 적용될 수 있다.

Claims (17)

1. 화학기상증착을 위한 반응기(1)의 반응 쳄버(2)를 냉각시키는 방법에 있어서,

   상기 반응챔버의 일부 존(zone)이 인접한 존들과 비교하여 다른 열 플럭스(heat flux)를 갖는 것을 막아 상기 반응 쳄버(2)가 실질적으로 균일한 온도분포를 갖도록, 상기 반응 쳄버(2) 벽의 적어도 하나의 미리 결정된 존을 액체로 선택적으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 반응기의 반응 쳄버 냉각방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 선택적으로 냉각된 존은 상기 액체가 상기 적어도 하나의 선택적으로 냉각된 존에서 상기 인접한 존들로 이동하는 것을 방지하도록 인접한 존들로부터 분리된 반응기의 반응 쳄버 냉각방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반응 쳄버(2)는 서셉터(5)를 내장하며, 상기 적어도 하나의 선택적으로 냉각된 존은 실질적으로 서셉터(5)의 전방 일정한 위치에 위치된 반응기의 반응 쳄버 냉각방법.
4. 전술한 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 존을 선택적으로 냉각시키기 위해 사용되는 상기 액체는 물 또는 다른 액체이며, 상기 인접한 존들은 에어 또는 다른 가스를 사용하여 냉각시키는 반응기의 반응쳄버 냉각방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 에어 또는 다른 가스는 강제 통풍을 이용하여 공급되는 반응기의 반응쳄버 냉각방법.
6. 반응 쳄버(2), 상기 반응 쳄버내에 배치된 서셉터(5), 및 상기 반응 쳄버(2)의 적어도 하나의 선결된 존에 냉각유체를 선택적으로 살수하기 위한 수단(15, 16, 24, 25)을 포함하는 전술한 항들에 따른 방법을 수행하기 위한 반응기.
7. 제6항에 있어서, 상기 액체가 상기 선택적으로 냉각된 존에 인접한 존들로 릭킹(licking)되는 것을 방지하기 위해 상기 반응 쳄버(2)에 고정된 스크린(13, 14)을 포함하는 반응기.
8. 제7항에 있어서, 상기 반응 쳄버(2)는, 상기 선택적으로 냉각된 존이 그에 인접한 존들과 경계를 짓도록 하기에 적당한 립(8.9)을 상기 반응쳄버의 표면에 포함하는 반응기.
9. 전술한 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 액체는 물 또는 다른 액체인 반응기.
10. 전술한 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 서셉터(5)는 디스크 서셉터이며, 상기 반응 쳄버(2)는 실질적으로 수평방향으로의 반응가스의 유동을 위해 대향면들의 각각에 입구개구(3)과 출구개구(4)를 구비한 실질적인 평행육면체 형태를 가지며, 상기 반응 쳄버(2)에 고정된 스크린(13, 14)은 상기 서셉터 위의 존을 개방시키면서 상기 대향면들에서부터 연장된 반응기.
11. 제10항에 있어서, 상기 냉각 액체는 상기 스크린(13, 14) 위로 살수되어, 상기 스크린에서부터 상기 서셉터(5) 위에 위치한 상기 반응 쳄버(2)의 상기 존 위로 유동하는 반응기.
12. 제11항에 있어서, 상기 서셉터(5) 위의 상기 반응쳄버(2)의 상기 존은 실질적인 아치형 립들(8,9)에 의해 경계가 정해지며, 측면들에서 개방되어 상기 냉각 액체가 측방향으로 흘러나가도록 된 반응기.
13. 제12항에 있어서, 상기 냉각 액체를 상기 서셉터(5) 위의 상기 반응 쳄버(2)의 상기 존에 관해 중앙으로 분사하기에 적당한 노즐들(24, 25)을 포함하는 반응기.
14. 전술한 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 쳄버의 상기 선택적으로 냉각된 존은 반사층으로 코팅된 반응기.
15. 전술한 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 쳄버(2)에 고정된 스크린(13, 14)은 금속재로 형성되거나, 반사재로 코팅된 반응기.
16. 실질적인 평행육면체 형태를 가지며; 선택적으로 냉각된 존의 경계를 짓도록 일측에서 타측으로 연장된 한 쌍의 실질적인 아치형의 립들(8,9)을 그 상부표면에 포함하는 제6항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 따른 반응기의 반응 쳄버.
17. 제16항에 있어서, 상기 립들(8,9)에 의해 경계를 짓는 상기 존은 반사층으로 코팅된 반응기의 반응 쳄버.

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