KR20070107782A - 다중 유입구를 구비하는 화학기상증착 반응기 - Google Patents

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KR20070107782A
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Abstract

본 발명은 화학기상증착 반응기에 관한 것으로서, 상가 반응기는 챔버내에 반응가스의 층류를 촉진시키기 위해 반응기의 챔버와 협동하는 웨이퍼 캐리어 및 고갈을 완화시키도록 유동 제어가능한 구역내에 구성된 복수의 인젝터를 구비하며, 각 구역은 전용 유동 제어기를 선택적으로 구비하며, 따라서 각 구역을 통한 유동은 개별적으로 제어가능한 것을 특징으로 한다.

Description

다중 유입구를 구비하는 화학기상증착 반응기{CHEMICAL VAPOR DEPOSITION REACTOR HAVING MULTIPLE INLETS}
본 특허출원은 2003년 7월 15일에 발명의 명칭 "화학기상증착 반응기"로 출원된 미국특허출원 제10/621,049호의 계속(CIP)특허출원이며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 편입된다.
본 발명은 그룹 Ⅲ-Ⅴ 반도체 에피택시에 사용되는 화학기상증착(CVD) 반응기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 개선된 증착 균일성을 달성하도록 반응물 가스의 층류(laminar flow)를 제공하고 반응물의 바람직하지 않은 고갈을 완화시키도록 구성된 CVD 반응기에 관한 것이다.
그룹 Ⅲ-Ⅴ 화합물의 금속 유기 화학기상증착(MOCVD)은 주기표 그룹 Ⅲ 유기 금속 및 주기표 그룹 Ⅴ 수소화물 사이의 화학반응을 이용하는 박막증착공정이다. 그룹 Ⅲ 유기 금속 및 그룹 Ⅴ 수소화물의 다양한 조합이 가능하다.
이 공정은 발광다이오드(LED)와 같은 반도체 장치의 제조에 통상적으로 사용된다. 이 공정은 화학기상증착(CVD) 반응기에서 실시된다. CVD 반응기 설계는 반도체 제조에 요구되는 고품질 막을 달성하는데 있어 임계 인자(critical factor)이다.
일반적으로, 가스는 고품질 막 증착을 위한 가스 유동 역학(flow dynamics)은 층류를 선호한다. 대류(convective flow)와 반대되는 층류는 높은 성장 효율과 균일성을 달성하기 위해 요구된다. 큰 스케일, 즉 높은 처리량의 층류 성장(laminar growth) 조건을 제공하는 몇몇 반응기 설계가 상업적으로 이용가능하다. 이들 설계는 회전디스크 반응기(RDR), 행성회전 반응기(planetary rotating reactor, PRR) 및 근접-결합 샤워헤드(close-coupled showerhead, CCS)를 포함한다.
그러나, 이러한 종래의 반응기는 특히 고압 및/또는 고온 CVD 공정에 관한 그들의 온전한 효용성을 떨어뜨리는 내재된 결함을 가지고 있다. 상기 종래의 반응기는 일반적으로 저압 및 비교적 저온(예컨대, 30 torr 및 700℃)에서 잘 작동한다. 따라서, 이들 반응기는 일반적으로 GaAs, InP계 화합물을 성장시키는데 적합하다.
그러나, 그룹 Ⅲ 질화물계 화합물(예컨대, GaN, AlN, InN, AlGaN 및 InGaN)을 성장시킬 때, 종래의 반응기를 사용하는 경우 인자(factor)가 중요해지기 시작한다. GaAs 또는 InP계 재료와 달리, 그룹 Ⅲ 질화물은 상당히 높은 압력 및 온도(일반적으로 500 torr 이상 및 1,000℃ 이상)에서 바람직하게 성장된다. 고압 및 고온 조건에서 전술한 반응기 설계를 사용하는 경우, 무거운 열대류가 본질적으로 발생한다. 상기 열대류는 성장공정을 간섭하여 효율 및 수율을 악화시켜 바람직하지 않다.
이 상황은 가스상(gas phase)의 대부분이 암모니아일 때 더 악화된다. 암모 니아는 통상적으로 Ⅲ 질화물 MOCVD 공정에서의 질소 공급원으로서 사용된다. 암모니아는 수소 보다 점성이 매우 높다. GaAs 또는 InP계 MOCVD 성장의 경우에 있어서, 주위 가스가 높은 퍼센트의 암모니아를 함유하는 경우, 주위 공기의 대부분이 수소인 경우 보다 열대류가 더욱 쉽게 발생된다. 열대류는 성장 챔버내의 반응물 가스의 연장된 지속존재에 의해 제어가 어려운 복잡한 화학반응을 일으키기 때문에 고품질의 박막 성장에 불리하다. 이는 성장 효율의 감소 및 낮은 막 균일성이 본질적으로 얻어진다.
종래의 실시에 따르면, 바람직하지 않은 열대류를 억제시키기 위해 큰 가스유속이 일반적으로 이용된다. 그룹 Ⅲ 질화물의 성장에 있어서, 이는 주위 가스 유속을 증가시키는 것에 의해 실시되며, 일반적으로 가스는 수소 또는 질소 중의 하나와 암모니아의 혼합물이다. 따라서, 특히 높은 성장 압력 조건에서 많은 암모니아 소모가 발생한다. 암모니아의 이 많은 소모는 고 비용을 수반한다.
가스상의 화학제품 공급원 사이의 반응은 종래의 GaN 성장용 MOCVD 공정에서 또 다른 중요한 인자이다. 또한, 이 반응은 AlGaN과 InGaN과 같은 다른 그룹 Ⅲ 질화물의 성장에서 발생한다. 가스상 반응은 통상적으로 바람직하지 않다. 그러나, 이 반응이 격렬하고 빠르기 때문에 그룹 Ⅲ 질화물 MOCVD 공정에서는 피할 수 없다.
그룹 Ⅲ 알킬(예컨대, 트리메틸갈륨, 트리메틸인듐, 트리메틸알루미늄)이 암모니아와 마주칠 때, 반응이 거의 즉각적으로 발생하여 바람직하지 않은 첨가 생성물(adduct)의 형성이 얻어진다.
일반적으로, 이들 반응이 모든 공급 가스를 성장 챔버로 도입한 후에 발생하는 경우, 생성된 첨가 생성물은 실제 성장공정에 관여할 것이다. 그러나, 성장 챔버의 가스 도입 전에 또는 도입 가까이에서 반응이 발생하면, 생성된 첨가 생성물은 고체 표면에 접착되는 기회를 가질 것이다. 이 경우가 발생하면, 표면에 접착된 첨가 생성물은 수집 센터(gathering center)로서 작용할 것이며, 그로 인해 더 많은 첨가 생성물이 축적될 것이다. 이 공정은 가스 공급원을 점차적으로 고갈시켜 성장공정에서의 가스 도입 및/또는 방해 사이를 바람직하지 않게 변화시킨다.
Ⅲ-질화물 성장을 위한 효율적인 반응기 설계는 가스상 반응을 피하는 것이 아니라 전술한 바람직하지 않은 상황을 생성시키지 않도록 반응을 제어하는 것이다.
최근, GaN계 블루 및 그린 LED에 대한 요구가 급격하게 증가하고 있기 때문에, 반응기에서의 제품 처리량 요구가 중요해지고 있다. 생산을 증대시기키 위한 종래의 접근은 대형 반응기를 제조하는 것이다. 현재의 상업적으로 이용가능한 반응기에 있어서, 각 조업(run) 동안 생산된 웨이퍼 개수는 일당 조업수를 동일하게 유지하면서 6 웨이퍼에서 20 웨이퍼 이상으로 증가되었다.
그러나, 이 방식으로 반응기가 대형화되는 경우, 몇몇의 새로운 문제가 생긴다. 소형 반응기와 비교하여 대형 반응기내의 열대류가 격렬(또는 더욱 격렬)해지기 때문에, 막 균일성 뿐만 아니라 웨이퍼마다의 균일성이 더 좋아지지 않는다(더 나빠질 수 있다). 또한, 높은 성장 압력에서, 열대류를 억제시키기 위해 매우 높은 가스 유속이 필요하다. 필요한 가스 유량이 많을 경우 가스 인도 시스템에 대 해 변경 및 특정한 연구가 요구된다.
또한, 고온 요구 때문에 대형 반응기의 대형 기계 부품이 내재적으로 높은 열응력하에 위치되어 조기에 파괴되기 쉽다. 거의 모든 반응기 구성에 있어서, 스테인레스강, 흑연 및 석영이 가장 일반적으로 사용되는 재료이다. 사용된 금속의 수소화반응(금속을 취약하게 만듬) 및 고온에서의 암모니아에 의한 흑연 에칭 때문에, 대형 금속 및 흑연 부품은 소형 반응기의 대응 부품 보다 더 빠르게 파괴되는 경향이 있다. 또한, 대형 석영 부품은 높은 열응력 때문에 파괴에 더 민감하게 된다.
대형 반응기와 조합된 다른 문제는 고온 균일성을 유지하는 것이 어렵다는 것이다. 두께와 조성 균일성은 웨이퍼 캐리어 표면의 온도 균일성에 의해 즉시 영향을 받을 수 있다. 대형 반응기에 있어서, 온도 균일성은 복잡한 설계의 다중-존(multi-zone) 가열 구성을 사용하는 것에 의해 달성된다. 히터 조립체의 신뢰도는 전술한 높은 열응력 및 암모니아 침식에 의해 일반적으로 낮다. 공정 불일치 및 고가의 하드웨어 유지관리의 문제는 제품 수율에 상당한 영향을 미치며 제조비용을 증가시킨다.
도 1을 참조하면, GaN 에피택시에 사용하기 위한 종래의 RDR 반응기의 예를 개략적으로 도시한다. 반응 챔버는 이중벽 수냉식의 10" 실린더(11), 모든 반응 또는 공급 가스가 분배되고 챔버(13)내로 인도되는 유동 플랜지(12), 분당 수백의 회전으로 웨이퍼 캐리어(16)를 회전시키는 회전 조립체(14), 소망 처리온도로 웨이퍼(10)를 가열하도록 구성된 스피닝 웨이퍼 캐리어(16) 하부에 위치된 히터 조립 체(17), 챔버(13)로 및 챔버로부터의 웨이퍼 이송을 용이하게 하기 위한 개구부(pass through)(18) 및 챔버(13)의 하측 중앙에 위치된 배기구(19)를 포함한다. 외부 구동 스핀들(21)은 웨이퍼 캐리어(16)를 회전시킨다. 웨이퍼 캐리어(16)는 각각이 웨이퍼(10)를 수용하도록 구성된 복수의 포켓을 포함한다.
히터(17)는 2세트의 가열요소를 포함한다. 내부 세트의 가열요소(41)는 웨이퍼 캐리어(16)의 중앙부를 가열하며, 외부 세트의 가열요소(42)는 웨이퍼 캐리어(16)의 주변부를 가열한다. 히터(17)가 챔버(13)의 내측에 위치하기 때문에 반응가스의 유해한 영향에 노출된다.
스핀들은 웨이퍼 캐리어를 500 내지 1000 rpm으로 회전시킨다.
전술한 바와 같이, 이 설계는 저압 및 저온, 실질적으로 주위 가스가 낮은 점성을 가질 때 잘 작동한다. 그러나, 높은 암모니아 주위 가스의 고압 및 고온에서 GaN을 성장시키는 경우, 열대류가 발생하고 가스 유동이 바람직하지 않은 난류(turbulent)를 일으키기 쉽다.
도 2를 참조하면, 간략화한 가스 스트림라인(stream line)이 이 난류를 나타내기 위해 도시되어 있다. 난류는 챔버의 크기 및/또는 웨이퍼 캐리어와 챔버 상부 사이의 간격 증가와 함께 증가하는 것이 명백하다. 도 1의 설계를 더 많은 처리량을 위해 대형화하는 경우, 챔버(13) 뿐만 아니라 웨이퍼 캐리어(16)는 더 많은 웨이퍼를 지지하고 수용하기 위해 확장된다.
가스 재순환 셀(50)은 주위 가스내에 난류가 있는 경우 형성되는 경향이 있다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 있어서, 이러한 재순환은 반응물 농도 및 온도의 바람직하지 않은 변화가 얻어지기 때문에 바람직하지 않다는 것을 인식할 것이다. 또한, 이러한 재순환은 일반적으로 반응물 가스의 비효과적인 사용에 의해 성장 효율이 감소된다.
또한, 더 많은 가열구역이 대형 반응기에서 요구된다. 물론, 이는 대형 반응기의 구성을 바람직하지 않게 복잡하게 하고 그의 비용을 증가시킨다.
도 3A 및 3B를 참조하면, 7"의 6개 포켓 웨이퍼 캐리어(16a)(도 3A에 도시된 바와 같은 6개 웨이퍼 지지)와 12"의 20개 포켓 웨어퍼 캐리어(16b)(도 3B에 도시된 바와 같은 20개 웨이퍼 지지) 사이의 비교를 쉽게 할 수 있다. 각 포켓(22)은 싱글 2" 원형 웨이퍼를 지지한다. 이 비교로부터, 더 많은 웨이퍼를 수용하기 위한 대형 반응기는 크기, 특히 체적이 크게 증가된다. 이 반응기 크기의 증가는 전술한 열대류 및 추가적인 구조 복잡화의 바람직하지 않은 영향이 발생한다.
그러나, 고갈 영향(depletion effect)은 종래의 수평 반응기에서의 주 결함의 하나로 잘 알려져 있다. 캐리어 가스내의 반응물이 중앙으로부터 회전 디스크의 주변부 쪽으로 진행할 때, 반응물의 상당한 양이 소모된다. 이는 박막이 웨이퍼상에 반경 방향을 따라 더 얇게 증착되기 때문에 바람직하지 않다.
고갈 영향을 감소시키기 위한 종래의 접근 중 하나는 반경 방향을 따른 농도 구배를 감소시키도록 높은 가스 유속을 사용하는 것이다. 이 접근의 결함은 성장 효율을 본질적으로 감소키킨다.
전술한 관점에 있어서, 열대류의 바람직하지 않은 영향에 실질적으로 민감하지 않고 처리량을 증가시키도록 쉽고 경제적으로 대형화할 수 있는 반응기를 제공 하는 것이 바람직하다. 또한, 개선된 상장 효율(웨이퍼의 성장 구역 바로 가까이에 반응물 가스의 혼합물을 제공하여 반응물 가스와 성장 구역의 밀접한 접촉을 보증하는 것에 의해)을 가지는 반응기를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 히터가 챔버의 외측에 위치되어 반응물 가스의 유해한 영향에 노출되지 않는 반응기를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 고갈의 바람직하지 않은 영향을 완화시키는 한편 전체 웨이퍼에 걸쳐 개선된 증착 균일성을 제공하도록 성장 효율을 유지하는 것이 바람직하다.
상기 장치 및 방법은 기능적 설명과 함께 문리적 흐름을 위해서 기술되지만, 35 USC 112 하에서 명백하게 공식화된 것 이외에는 청구범위는 "수단" 또는 "단계"의 구성에 의한 임의의 방식에 한정되지 않으며, 등가의 사법상의 독트린 하에서 청구범위에 의해 제공된 규정의 의미 및 등가의 완전한 기술사상에 따르는 것이며, 청구범위가 35 USC 112 하에서 명백하게 공식화된 경우에 있어서 35 USC 112 하의 완전한 법령 등가에 따른 것이다.
본 발명은 종래 기술과 조합된 전술한 결함을 완화시킨다. 특히, 본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 챔버내에서 반응가스의 층류를 촉진시키기 위해 반응기의 챔버와 협동하는 회전가능한 웨이퍼 캐리어를 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명은 챔버내에서 층류를 촉진시키기 위해 반응기의 챔버에 웨이퍼 캐리어의 주변부에서 시일되는 회전가능한 웨이퍼 캐리어를 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명은 챔버 및 챔버내에 배치된 회전가능한 웨이퍼 캐리어를 포함하며, 상기 웨이퍼 캐리어가 챔버내의 반응가스의 외부로의 유동을 개선시키도록 구성되는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명은 회전가능한 웨이퍼 캐리어 및 반응 챔버를 포함하며, 상기 반응 챔버의 하부는 상기 웨이퍼 캐리어에 의해 실질적으로 형성되는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명은 챔버, 상기 챔버내에 배치된 웨이퍼 캐리어 및 상기 챔버의 외부에 배치된 히터를 포함하며, 상기 히터는 웨이퍼 캐리어를 가열하도록 구성되는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명은 복수의 챔버, 하나 이상의 공동 반응물 가스 공급시스템 및 공동 가스 배기시스템을 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함하다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명은 반응물 가스가 웨이퍼 캐리어 아래로 실질적으로 유동하지 않도록 구성된 웨이퍼 캐리어를 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명은 챔버, 웨이퍼 캐리어, 상기 챔버의 거의 중앙에 위치된 가스 유입구 및 상기 챔버를 통한 층류를 개선하도록 상기 챔버내에서 웨이퍼 캐리어의 상면 위에 전체적으로 형성된 하나 이상의 가스 배출구를 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명은 고갈을 완화시키도록 구성된 복수의 인젝터(injector)를 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다. 특히, 화학기상증착 반응기는 챔버내의 반응가스의 층류가 용이하게 생성되도록 반응기의 챔버와 조합되는 웨이퍼 캐리어 및 고갈을 완화시키도록 구성된 복수의 인젝터를 포함한다.
화학기상증착 반응기는 그의 대략 중앙부에 배치된 유입구를 포함할 수 있다. 인젝터는 그룹 Ⅲ 인젝터를 포함할 수 있다. 유입구는 그룹 Ⅲ 유입구를 포함할 수 있다.
인젝터는 복수의 구역을 형성할 수 있으며, 각 구역은 전용 유동 제어기를 가질 수 있다. 예를 들면, 인젝터는 3개의 구역을 형성할 수 있으며, 각 구역의 인젝터는 전용의 유동 제어기를 갖는다.
각 구역을 통과하는 유동은 개별적으로 제어가능하다. 추가적으로, 각 인젝터를 통과하는 유동은 선택적으로 개별적으로 제어가능하다. 또한, 각 구역을 통과하는 반응물 농도는 개별적으로 제어가능하다. 추가적으로, 각 인젝터를 통과하는 농도는 선택적으로 개별적으로 제어가능하다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 본 발명은 고갈을 완화시키는 방식으로 반응기 챔버내로 반응물 가스를 주입하는 단계를 포함하는 화학기상증착 방법을 포함한다. 특히, 상기 방법은 챔버내에 반응물 가스의 층류를 용이하게 생성시키도록 챔버와 조합되는 반응기 챔버내의 웨이퍼 캐리어를 회전시키는 단계 및 고갈을 완화시키도록 구성된 복수의 인젝터를 통해 챔버내로 반응물 가스를 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
그룹 Ⅴ 반응물, 즉 NH3와 같은 가스는 챔버의 대략 중앙부에 배치된 유입구를 통해 챔버에 첨가될 수 있다. 인젝터를 통해 챔버내로 주입된 가스는 그룹 Ⅲ 반응물을 포함할 수 있다.
제어기의 그룹(구역에 대응하는)을 통해 가스 유동이 제어될 수 있다. 유동은 인젝터가 배치된 복수의 구역 중의 하나에 기초하여 제어될 수 있다.
따라서, 본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 화학기상증착 반응기용의 리드(lid)를 포함하며, 상기 리드는 복수의 인젝터를 포함하거나 또는 포함하도록 구성된다.
본 발명의 전술한 이점 뿐만 아니라 다른 이점은 하기의 상세한 설명과 도면으로부터 더욱 명백할 것이다. 본 발명의 기술사상을 일탈하지 않는 범위내에서 특정한 구조 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해한다.
본 발명 및 본 발명의 다양한 실시예는 청구범위에 규정된 본 발명의 도시된 실시예로써 나타낸 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 더욱 이해될 것이다. 청구범위에 의해 규정된 본 발명은 하기의 실시예 보다 더 광범위하다는 것을 명백하게 이해한다.
도 1은 반응물 가스가 유동 플랜지를 통해 분산된 형태로 도입되는 것을 도시하며, 상기 가스가 웨이퍼 캐리어 아래에 배치된 가스 배출구를 통해 챔버로부터 배기되는 것을 도시하는 종래의 반응기의 개략 측면도,
도 2는 재순환이 챔버의 상부와 웨이퍼 캐리어 사이의 비교적 큰 간격에 의해 용이하게 생성되는 챔버내의 반응가스의 재순환으로 야기된 바람직하지 않은 대류를 도시하는 종래의 반응기의 개략 측면도,
도 3A는 반응기내에 6개의 웨이퍼를 지지하도록 구성되는 웨이퍼 캐리어의 개략 평면도,
도 3B는 반응기내에 20개의 웨이퍼를 지지하도록 구성되는 웨이퍼 캐리어의 개략 평면도,
도 4는 챔버의 상부와 웨이퍼 캐리어 사이에 비교적 작은 간격을 가지며, 본 발명에 따른 웨이퍼 캐리어에 관해 일반적으로 중앙에 배치된 단일의 비교적 작은 가스 유입구를 갖는 반응기의 개략 측면도,
도 5는 웨이퍼 캐리어의 상면 위에 전체적으로 배치되며 층류를 개선하도록 링 확산기와 유체연통하는 복수의 반응가스 배출구를 가지며, 웨이퍼 캐리어와 챔버 사이에 배치된 시일을 가지며, 본 발명에 따른 히터로의 반응물 가스의 영향을 완화시키도록 히터 가스 퍼지와 함께 챔버 외측에 배치된 히터를 갖는 도 4의 반응기의 다른 구성의 개략 측면도,
도 6A는 3개의 포켓 웨이퍼 캐리어, 웨이퍼 캐리어와 챔버 사이의 시일, 확산기 및 반응가스 배출구를 도시하는 도 5의 반응기의 개략 단면평면도,
도 6B는 확산기의 내면 및 외면에 형성된 복수의 구멍을 도시하는 도 5 및 도 6A의 확산기의 개략 측면 사시도,
도 7은 반응가스를 캐리어 가스로 제공하는 개별 알킬 유입구 및 개별 암모니아 유입구를 갖는 도 5의 반응기의 다른 구성의 개략 측단면도,
도 8은 알킬/캐리어 가스 유입구내에 거의 동심적으로 배치된 암모니아 유입구를 갖는 도 5의 반응기의 다른 구성의 개략 측단면도,
도 9는 21개 웨이퍼 용량을 가지며 복수의 반응가스 유입구를 갖는 대형화된 비교적 큰 RDR 반응기의 개략 측면 사시도,
도 10은 공동 반응가스 공급시스템과 공동 반응가스 배기시스템으로 나누어진 3개의 비교적 작은 반응기(각각은 7개 웨이퍼 용량, 전체 용량은 도 9의 비교적 큰 반응기와 동등)를 갖는 반응기 시스템의 개략 측면 사시도,
도 11은 복수의 구역을 형성하도록 형성된 복수의 가스 유입구를 갖는 반응기의 개략 측단면도 및
도 12는 복수의 가스 유입구가 어떻게 복수의 구역을 형성하는지를 도시하는 도 11의 반응기의 리드(lid)의 개략 평면도이다.
본 발명의 기술사상을 일탈하지 않는 범위내에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 다양한 변경 및 변형이 가능하다. 따라서, 예시된 실시예는 단지 예시적 목적을 위한 것으로서 청구범위에 의해 규정된 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들면, 청구범위의 구성요소가 어떤 조합하에서 개시되는 사실에 관계없이, 본 발명은 더 적은, 더 많은 또는 다른 구성요소의 다른 조합을 포함하는 것을 명백하게 이해하여야 한다.
본 발명을 기술하기 위한 이 명세서에서 사용된 용어 및 다양한 실시예는 그들의 통상적으로 규정된 의미 뿐만 아니라 통상적으로 규정된 범위를 넘어 이 명세서의 특별한 규정에 의해 재료 및 작용을 포함하는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 이 명세서의 내용에서 구성요소는 하나 이상의 의미를 포함하는 것으로 이해될 수 있으며, 청구범위에서의 사용은 명세서 및 용어에 의해 지지된 모든 가능한 의미를 포괄하는 것으로 이해하여야 한다.
청구범위의 용어 또는 구성요소의 규정은 글자뜻대로 개시된 구성요소의 조합 뿐만 아니라 실질적으로 동일한 결과가 얻어지도록 실질적으로 동일한 방식으로 실질적으로 동일한 기능을 실행시키기 위한 모든 균등 구조, 재료 또는 작용을 포함한다. 이러한 의미에서, 청구범위의 구성요소 중의 임의의 하나에 대해 2개 또는 그 이상의 구성요소의 동등한 치환 또는 청구범위의 2개 이상의 구성요소에 대해 하나의 구성요소가 치환될 수 있다. 전술한 구성요소가 어떤 조합에서 작용하더라도, 청구범위의 조합으로부터의 하나 또는 그 이상의 구성요소는 하부조합 또는 하부조합의 변형일 수 있는 청구범위의 조합으로부터 기대되는 몇몇 경우일 수 있다는 것이 명백하게 이해된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 지금 알려져 있거나 또는 후에 고안되는 청구된 내용으로부터의 적은 변경도 청구범위의 기술사상과 동등한 것으로 명백하게 기대된다. 따라서, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 지금 또는 후에 알려진 분명한 치환은 규정된 구성요소의 범위에 속한다고 규정된다.
따라서, 청구범위는 특정한 도시 및 전술한 기재, 개념적으로 균등, 명확한 치환 및 본 발명의 실질적인 아이디어를 실질적으로 조합하는 것을 포함한다는 것을 이해하여야 한다.
따라서, 첨부된 도면과 조합하여 개시된 상세한 설명은 본 발명의 바람직한 실시예의 기술이며, 본 발명의 구성 또는 이용의 한가지 형태만을 나타내는 것은 아니다. 상세한 설명은 예시된 실시예와 조합하여 본 발명을 구성하고 작동시키기 위한 기능 및 연속적인 단계를 개시한다. 그러나, 동일 또는 균등한 기능이 본 발명의 기술사상내에 포함되는 다른 실시예에 의해 달성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 챔버내에서 반응가스의 층류를 축진시키기 위해 반응기의 챔버와 협동하는 회전가능한 웨이퍼 캐리어를 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 챔버내에서 층류를 촉진시키기 위해 반응기의 챔버에 웨이퍼 캐리어의 주변부에서 시일되는 회전가능한 웨이퍼 캐리어를 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 챔버 및 챔버내에 배치된 회전가능한 웨이퍼 캐리어를 포함하며, 상기 웨이퍼 캐리어가 챔버내의 반응가스의 외부로의 유동을 개선시키도록 구성되는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 회전가능한 웨이퍼 캐리어 및 반응 챔버를 포함하며, 상기 반응 챔버의 하부는 상기 웨이퍼 캐리어에 의해 실질적으로 형성되는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 챔버, 상기 챔버내에 배치된 웨이퍼 캐리어 및 상기 챔버의 외부에 배치된 히터를 포함하며, 상기 히터는 웨이퍼 캐리어를 가열하도록 구성되는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 복수의 챔버, 하나 이상의 공동 반응물 가스 공급시스템 및 공동 가스 배기시스템을 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 반응물 가스가 웨이퍼 캐리어 아래로 실질적으로 유동하지 않도록 구성된 웨이퍼 캐리어를 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 챔버, 웨이퍼 캐리어, 상기 챔버의 거의 중앙에 위치된 가스 유입구 및 상기 챔버를 통한 층류를 개선하도록 상기 챔버내에서 웨이퍼 캐리어의 상면 위에 전체적으로 형성된 하나 이상의 가스 배출구를 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 챔버, 상기 챔버내에 배치되고 유동 채널을 형성하도록 챔버의 일부(예컨대, 상부)와 조합하는 웨이퍼 캐리어 및 상기 웨이퍼 캐리어를 회전시키기 위한 샤프트를 포함하는 화학기상증착 반응기를 포함한다. 웨이퍼 캐리어와 챔버 상부 사이의 간격은 유동채널을 통한 가스의 층류를 위해 충분히 작다.
바람직하게는, 웨이퍼 캐리어와 챔버의 상부 사이의 간격은 웨이퍼 캐리어의 회전에 의해 발생된 원심력이 채널내의 가스를 외부로 이동시키도록 충분히 작다. 바람직하게는, 웨이퍼 캐리어와 챔버의 일부 사이의 간격은 챔버를 빠져나가기 전에 반응가스내의 반응물의 많은 부분이 웨이퍼 표면을 접촉하도록 충분히 작다. 바람직하게는, 웨이퍼 캐리어와 챔버의 일부 사이의 간격은 챔버를 빠져나가기 전에 반응가스내의 대부분의 반응물이 웨이퍼 표면을 접촉하도록 충분히 작다. 바람직하게는, 웨이퍼 캐리어와 챔버의 일부 사이의 간격은 챔버와 웨이퍼 캐리어 사이의 열대류를 경감시키기에 충분히 작다.
바람직하게는, 웨이퍼 캐리어와 챔버의 일부 사이의 간격은 대략 2 인치 미만이다. 바람직하게는, 웨이퍼 캐리어와 챔버의 상부 사이의 간격은 대략 0.5 인치 내지 대략 1.5 인치 사이이다. 바람직하게는, 웨이퍼 캐리어와 챔버의 상부 사이의 간격은 대략 0.75 인치이다.
바람직하게는, 웨이퍼 캐리어 위에 형성된 가스 유입구는 일반적으로 웨이퍼 캐리어에 대해 중앙에 위치된다.
바람직하게는, 챔버는 실린더에 의해 형성된다. 바람직하게는, 챔버는 챔버의 상부를 형성하는 1개의 거의 평평한 벽을 갖는 실린더에 의해 형성되며, 반응가스 유입구는 챔버 상부의 대략 중앙에 위치된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 챔버가 임의의 다른 소망 기하학 형상으로 선택적으로 형성될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들면, 챔버는 입방체, 박스형상, 구형상 또는 타원형상으로 선택적으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 웨이퍼 캐리어는 그의 축을 중심으로 회전하도록 구성되며, 반응가스 유입구는 웨이퍼 캐리어의 축에 대해 일반적으로 동축으로 배치된다.
바람직하게는, 반응가스 유입구는 챔버 직경의 1/5 미만의 직경을 가진다. 바람직하게는, 반응가스 유입구는 대략 2 인치 미만의 직경을 가진다. 바람직하게는, 반응가스 유입구는 대략 0.25 인치 내지 대략 1.5 인치 사이의 직경을 가진다.
따라서, 반응가스 유입구는 실질적으로 층류 반응가스가 얻어지는 방식으로 반응가스를 웨이퍼 캐리어의 중앙에서 그의 주변부로 유동시킬 수 있는 크기이다. 이 방식에 있어서, 대류가 완화되고 반응 효율이 개선된다.
바람직하게는, 반응가스는 챔버내에 일반적으로 수평으로 유동하도록 강제된다. 바람직하게는, 반응가스는 채널을 통해 일반적으로 수평으로 유동하도록 강제된다. 바람직하게는, 반응가스는 회전 웨이퍼 캐리어에 의해 적어도 부분적으로 외측으로 유동을 일으킨다.
바람직하게는, 하나 이상의 반응가스 배출구는 챔버내에서 웨이퍼 캐리어 위에 형성된다. 바람직하게는, 복수의 반응가스 배출구는 챔버내에서 웨이퍼 캐리어의 상면 위에 전체적으로 형성된다. 반응가스 배출구의 개수를 증가시키는 것은 반응가스의 층류, 특히 웨이퍼 캐리어 주변부에서의 반응가스의 방사상 유동을 (웨이퍼 캐리어 중앙에서 그의 주변부로의 가스 유동에 대한 더욱 직선 경로를 제공하는 것에 의해) 개선한다. 반응가스 배출구를 웨이퍼 캐리어의 상면 위에 전체적으로 형성하는 것은 웨이퍼 캐리어의 가장자리 위에 유동하는 반응가스로부터 생기는 반응가스의 바람직하지 않은 난류를 완화시킨다.
따라서, 하나 이상의 반응가스 배출구는 챔버내에서 웨이퍼 캐리어 위 및 챔버의 상부 아래에 바람직하게 형성된다.
화학기상증착 반응기는 챔버내에 일반적으로 중앙에 형성된 반응가스 유입구 및 챔버내에 형성된 하나 이상의 반응가스 배출구를 바람직하게 포함한다. 반응가스가 반응가스 유입구를 통해 챔버내로 유동하고, 유동 채널을 통해 챔버를 통과하고, 반응가스 배출구를 통해 챔버에서 빠져나가도록 챔버 상부와 웨이퍼 캐리어 사이에 들어가는 유동 채널을 형성하도록 웨이퍼 캐리어가 챔버내에서 가스 배출구 아래에 배치된다.
링 확산기는 웨이퍼 캐리어의 주변부 가까이에 배치되며, 반응가스 유입구로부터 반응가스 배출구로의 층류를 개선하도록 구성된다. 반응가스가 반응가스 유입구를 통해 챔버내로 유동하고, 유동 채널을 통해 챔버를 통과하고, 반응가스 배출구를 통해 챔버에서 빠져나가도록 챔버 상부와 웨이퍼 캐리어 사이에 들어가는 유동 채널을 형성하도록 웨이퍼 캐리어가 챔버내에서 가스 배출구 아래에 배치된다.
바람직하게는, 링 확산기는 내면 및 외면, 상기 내면에 형성된 복수의 개부부 및 상기 외면에 형성된 복수의 개구부를 갖는 실질적으로 중공의 원환(annulus)을 포함한다. 내면의 개구부는 웨이퍼 캐리어 위에 유동하는 반응가스의 균일성을 개선한다.
바람직하게는, 내면의 개구부는 반응가스 유동에 충분한 제한을 가하여, 그 결과 웨이퍼 캐리어 위에 유동하는 반응가스의 균일성을 개선하도록 구성된다.
바람직하게는, 링 확산기는 가열된 암모니아에 의한 열화에 저항을 갖는 재료로 구성된다. 예를 들면, 링 확산기는 SiC 코팅 흑연, SiC, 석영 또는 몰리브덴 으로 형성될 수 있다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 웨이퍼 캐리어와 챔버 사이에 들어가는 링 시일이 배치된다. 링 시일은 반응가스 배출구로부터 빠져나가는 반응가스 이외에 챔버로부터 빠져나가는 반응가스 유동을 완화시키도록 구성된다. 바람직하게는, 링 시일은 흑연, 석영 또는 SiC를 포함한다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 히터 조립체는 챔버 외측에 배치되고 웨이퍼 캐리어 가까이에 배치된다. 히터 조립체는 유도가열기, 복사가열기 또는 임의의 다른 바람직한 형태의 히터일 수 있다. 바람직하게는, 반응가스와 히터의 접촉을 완화시키도록 히터 퍼지 시스템이 구성된다.
전형적으로, 가스 유동 제어기는 가스 유입 포트를 통해 챔버내로 도입된 반응물 가스의 양을 제어하도록 구성된다.
바람직하게는, 웨이퍼 캐리어는 3개 이상의 2 인치 원형 웨이퍼를 지지하도록 구성된다. 그러나, 웨이퍼 캐리어는 임의의 소망 개수의 웨이퍼, 임의의 소망 크기의 웨이퍼 및 임의의 소망 형상의 웨이퍼를 지지하도록 선택적으로 구성될 수 있다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 웨이퍼 캐리어는 원심력에 의해 반응가스의 외측으로의 유동을 용이하게 하도록 구성된다. 따라서, 웨이퍼 캐리어는 회전 웨이퍼 캐리어를 바람직하게 포함한다. 바람직하게는, 웨이퍼 캐리어는 대략 500 rpm 이상으로 회전되도록 구성된다. 웨이퍼 캐리어는 대략 100 rpm 내지 대략 1500 rpm 사이로 회전하도록 구성된다. 바람직하게는, 웨이퍼 캐리어는 대략 800 rpm으로 회전하도록 구성된다.
본 발명의 장치 및 방법은 다양한 형태의 반도체 장치에 형성될 수 있는 웨이퍼를 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 웨이퍼는 LED의 다이(die)를 형성하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 도시하는 도 1 - 도 10에 도시되어 있다. 본 발명은 화학기상증착(CVD) 반응기 및 처리량 증대에 적합한 일체 다중-반응기 시스템에 관한 것이다. 반응기는 대류를 실질적으로 억제시키는 기하학, 표면으로의 첨가 생성물 접착을 피하도록 매우 고속의 가스를 제공하는 가스 주입 계획 및 성장 효율을 개선시키도록 (가스 공급원의 소모를 감소시키는 것에 의해) 제한된 성장 구역을 채용한다.
높은 처리량 구성을 위해, 상기 반응기의 다중 유닛이 일체화될 수 있다. 다중-유닛 구성에서의 각 반응기는 비교적 작은 크기일 수 있으며, 기계적 구성은 간단하고 신뢰할 수 있다. 모든 반응기는 공동 가스 인도, 배기 및 제어 시스템을 공유하며, 비용은 동일한 처리량을 갖는 종래의 대형 반응기와 유사하다.
처리량 증대 개념은 반응기 설계에 관해 독립적이며, 또한 다양한 다른 반응기 설계에 적용될 수 있다. 이론적으로, 얼마나 많은 반응기가 하나의 시스템으로 일체화될 수 있는지에 대한 제한은 없다. 그러나, 실무적 문제로서 일체화된 최대 반응기 개수는 가스 인도 시스템이 어떻게 구성되는가에 의해 실질적으로 제한된다. 반응기 설계와 처리량 증대 개념 양쪽은 또한 다양한 서로다른 재료의 성장에 적용될 수 있으며, 따라서 그룹 Ⅲ-질화물, 모든 다른 그룹 Ⅲ-Ⅴ 화합물, 산화물, 질화물 및 그룹 Ⅴ 에피택시에 제한되지 않는다.
도 4를 참조하면, 반응기(100)는 반응기 실린더(111)의 상부 및 중앙에 위치된 좁은 가스 유입구(112)를 갖는다. 실린더(111)는 도 1에 도시된 반응기와 같이 이중 벽으로 되어 있고 수냉된다. 물의 온도는 챔버(113)의 온도를 제어하도록 변화될 수 있다. 좁은 가스 채널(130)은 가스를 외측으로 향하도록 웨이퍼 캐리어(116)과 반응기(100)의 상부에 의해 형성된다.
웨이퍼 캐리어(116)내에 형성된 포켓은 LED 제조에 사용하기에 적합한 2 인치 웨이퍼와 같은 웨이퍼(110)를 수용하고 지지하도록 구성된다.
회전 웨이퍼 캐리어(116)는 그의 원심력에 의해 외측으로의 가스 유동을 지원한다. 바람직하게는, 회전 웨이퍼 캐리어(116)는 10 내지 1500 rpm으로 회전한다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 인식하는 바와 같이, 웨이퍼 캐리어(116)의 더 높은 회전 속도는 반응가스에 적용되는 더 큰 원심력을 얻는다.
가스를 중앙으로부터 도입하는 것에 의해, 가스는 좁은 채널(130)내에 일반적으로 수평으로 유동하도록 힘을 가하며, 성장 공정은 수평 반응기를 어느 정도 시뮬레이트할 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 수평 반응기의 이점의 하나가 더 높은 성장 효율인 것을 인식할 것이다. 이는 수평 반응기내의 모든 반응물이 매우 좁은 체적으로 제한되기 때문이며, 따라서 반응물과 성장면의 접촉을 더욱 효과적으로 할 수 있다.
바람직하게는, 반응가스 유입구는 챔버 직경의 1/5 미만인 직경 크기 "A"를 갖는다. 바람직하게는, 반응가스 유입구는 대략 2 인치 미만의 직경을 갖는다. 바람직하게는, 반응가스 유입구는 대략 0.25 인치 내지 대략 1.5 인치의 직경을 갖는다.
도 2에 도시된 바와 같은 수직 형태의 반응기에서의 열대류를 억제하기 위한 추가적인 가스 유동의 사용과는 달리, 열대류의 억제는 가스 유동이 소망 방향으로 힘이 가해지도록 좁은 유동 채널(130)을 사용하는 것에 의해 달성된다.
웨이퍼 캐리어(116)의 상면과 챔버(111)의 상부 사이의 간격은 크기 "B"로 설계된다. 바람직하게는, 크기 "B"는 대략 2 인치 미만이다. 바람직하게는, 크기 "B"는 대략 0.5 인치 내지 대략 1.5 인치이다. 바람직하게는, 크기 "B"는 대략 0.75 인치이다.
전술한 바와 같이, 고갈 영향은 수평 반응기의 주 결점 중의 하나이다. 캐리어 가스내의 반응물이 회전 디스크의 중앙에서 주변부 쪽으로 진행할 때, 반응물의 많은 양이 이를 따라 소모되며, 웨이퍼상의 반경 방향을 따라 더 얇은 박막이 증착된다.
본 발명에 따르면, 성장 효율은 비교적 높은 캐리어 회전속도를 사용하여 개선되며, 웨이퍼 캐리어의 회전에 의한 원심력은 더 높은 가스 유속을 사용하지 않고 웨이퍼 위의 가스 속도를 개선한다.
도 5를 참조하면, 상기 웨이퍼 캐리어의 상면 위에 전체적으로 반응가스 배출구를 형성하는 것에 의해 높은 정도의 층류가 생성되어 가스 유동 저항이 감소될 수 있다. 웨이퍼 캐리어(116)의 상면 위에 전체적으로 반응가스 배출구를 형성하는 것에 의해, 반응가스에 대해 반응가스 유입구(112)로부터 반응가스 배출구(119) 로의 더욱 더 직접 경로(direct route)(따라서 적은 뒤틀림)가 제공된다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 반응가스의 경로가 더욱 더 직접이고 뒤틀림이 적으면, 그 유동은 더 적은 난류(즉, 더욱 더 층류)가 된다는 것을 인식할 것이다.
배기가스 유동의 유동 채널(130)을 중개하도록 회전 웨이퍼 캐리어(116) 둘레에 링 시일(132)을 부가하는 것에 의해, 유동 저항이 감소되며 층류가 실질적으로 개선된다. 이는 웨이퍼 캐리어의 가장자리에서의 가스 유동 방향의 변경이 제거되기 때문이다. 시일 링(132)은 석영, 흑연, SiC 또는 반응기 환경에 적합한 다른 내구성 재료로 제조될 수 있다.
배기가스의 균일한 펌프작용(pumping)을 달성하기 위해(따라서 더욱 층류), 링형상 확산기(133)(도 6A 및 도 6B에 상세히 도시됨)가 사용될 수 있다. 링형상 확산기(133)는 반응기의 거의 전체 주변부, 웨이퍼 캐리어(132)의 주변부 부근에서 거의 연속적인 하나의 가스 배출 포트를 형성한다.
히터(117)는 챔버의 외부(반응가스가 균일하게 유동하는 반응기의 일부)에 배치된다. 히터는 웨이퍼 캐리어(116) 아래에 배치된다. 링 시일(132)이 웨이퍼 캐리어(116) 아래의 반응가스 유동을 완화시키기 때문에, 히터는 반응가스에 실질적으로 노출되지 않으며, 따라서 반응가스에 의해 실질적으로 열화되지 않는다.
바람직하게는, 히터 퍼지(heater purge)(146)는 링 시일(132)을 지나 웨이퍼 캐리어 아래의 영역으로 누설되는 어떠한 반응가스도 퍼지하도록 설치된다.
도 6A를 참조하면, 4개의 펌프작용 포트 및 가스 배출구(119)는 확산기(133)와 유체연통한다. 바람직하게는, 모든 가스 배출구(119)는 공동 펌프에 연결된다.
링 시일(132)은 웨이퍼 캐리어(116)와 챔버(111) 사이의 갭을 중개하여, 전술한 바와 같이 반응가스의 층류를 촉진한다.
도 6B를 참조하면, 확산기(133)는 복수의 내부 개구부(136) 및 복수의 외부 개구부(137)를 포함한다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는, 내부 개구부 개수가 많을수록 내부 개구부는 단일의 연속 개구부에 더 근접한다는 것을 이해할 것이다. 물론, 내부 개구부가 단일의 연속 개구부에 근접할수록 챔버를 통한 가스 유동은 더욱 층류가 생성된다.
바람직하게는, 확산기(133)는 적어도 가스 배출 포트(예를 들면, 도 5A에 도시된 4개의 가스 배출 포트(119))와 같이 많은 외부 개구부를 포함한다.
바람직하게는, 확산기(133)는 흑연, SiC 코팅 흑연, 고체 SiC, 석영, 몰리브덴 또는 뜨거운 암모니아에 저항하는 다른 재료로 제조된다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 다양한 재료가 적합할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
확산기(133)의 개구부 크기는 배기가스에 대해 더욱 더 균일한 분배를 달성할 수 있도록 가스 유동에 약간의 제한을 일으키도록 충분히 작게 제조될 수 있다. 그러나, 반응 생성물이 확산기 개구부에 접착 또는 개구부상에 응축될 수 있는 증기 및 고체입자를 함유하기 때문에, 개구부를 막을 수 있는 너무 작은 크기로 개구부가 제조되지 않아야 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 반응가스 주입 구성은 가스상 반응을 개선하도록 변경될 수 있다. 이들 변경된 구성에 따르면, 알킬 및 암모니아는 도 7에 도시된 바와 같이 반응 챔버내로 도입되기 전에 대부분 분리되며, 도 8에 도시된 바와 같 이 반응 챔버로 도입되기 전에 완전하게 분리된다. 양쪽 경우에 있어서, 반응물은 웨이퍼가 위치된 성장 구역에 도달하기 직전에 혼합된다. 가스상 반응은 가스가 성장공정에 유입 전에 단지 매우 짧은 시간내에서 일어난다.
도 7과 특히 관련하여, 알킬 유입구(141)는 암모니아 유입구(142)로부터 분리된다. 알킬 유입구(141)와 암모니아 유입구(142) 양쪽은 챔버(111)로 이들 가스를 도입하기 직전에 캐리어 가스 유입구(112)로 반응가스를 제공한다.
도 8과 특히 관련하여, 알킬 유입구(141)는 도 7에서와 동일하게 캐리어 가스 유입구(112)로 반응가스를 제공한다. 암모니아 유입구(151)는 캐리어 가스 유입구(112)내에 배치된 튜브를 포함한다. 바람직하게는, 암모니아 유입구는 캐리어 가스 유입구(112)내에 거의 동심적으로 배치된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 알킬 유입구(141), 암모니아 유입구(151) 및 캐리어 가스 유입구(112)의 다양한 다른 구성이 또한 적합할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
노즐(161)은 개선된 반응 효율을 제공하도록 웨이퍼 캐리어(116)를 균등하게 가로질러 암모니아를 퍼지게 한다.
도 7 및 도 8 양쪽의 반응가스 유입구 구성은 반응가스가 웨이퍼를 접촉하기 전에 바람직하지 않은 가스상 반응을 완화시킨다.
전술한 바와 같이, 도 5, 7 및 8에 도시된 반응기 구성의 이점은 히터(117)상의 바람직하지 않은 피착이 상당히 감소되는 것이다. 히터 조립체는 복사가열기 또는 무선주파수(RF) 유도가열기 중 하나일 수 있다. 히터 퍼지(146)를 반응기(111)의 하부에 설치하는 것에 의해, 반응가스가 히터 영역으로 도입되는 것이 효과적으로 방지될 수 있다. 따라서, 링 시일(132)을 통과하는 어떠한 반응가스 누설도 히터 영역으로부터 빠르게 퍼지되며, 이에 의해 히터(117)의 열화가 완화된다.
본 발명의 한가지 관점에 따르면, 본 발명은 금속 유기 화학기상증착(MOCVD) 시스템 등의 처리량을 증대시키는 방식을 포함한다. 반응 챔버의 크기를 증가시키는 것에 의해 MOCVD 반응기를 대형화하는 종래의 시도와는 달리, 본 발명은 다수의 작은 반응기 모듈을 일체화하여 동일한 웨이퍼 처리량을 달성할 수 있다.
도 9를 참조하면, 21개의 웨이퍼를 처리하는 반응기(900)가 도시되어 있다. 반응기(900)의 크기가 대형이기 때문에, 균등한 분배를 제공하도록 가스는 일반적으로 다중 포트(901-903)를 통해 도입된다. 가스 유동 제어기(902)는 반응가스의 양과 챔버에 제공된 반응가스의 성분의 양의 제어를 용이하게 한다.
가스 공급 시스템(940)은 포트(901-903)에 반응가스를 제공한다. 가스 배기 시스템(950)은 사용된 반응가스를 반응기(111)로부터 제거한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일체의 3개의 챔버를 갖는 반응기가 도시되어 있다. 각 챔버(951-953)는 비교적 작은 챔버이며, 각각은 예를 들면 7개의 웨이퍼 반응기를 형성한다. 모든 반응기는 동일한 가스 유입 시스템(960) 및 가스 배기 시스템(970)을 공유한다.
도 9의 구성 및 도 10의 구성 양쪽은 21개의 웨이퍼 처리량을 산출한다. 그러나, 도 10에 도시된 본 발명은 도 9에 도시된 반응기와 비교하여 실질적인 이점이 있다. 더 작은 기계 부품은 고온에서 낮은 열응력(thermal stress)을 갖기 때 문에 더 작은 반응기는 더 나은 하드웨어 신뢰도, 실질적으로 더 나은 그룹 Ⅲ 질화물 성장을 갖는다.
또한, 온도 및 유동 역학은 대형 반응기 보다 더 쉽게 유지되기 때문에 더 나은 성장 균일성(growth consistency)이 더 작은 반응기에서 달성된다. 또한, 더 작은 반응기의 구성은 대형 반응기 보다 더 간단하기 때문에 작은 반응기의 유지관리가 더 쉽고 더 적은 시간이 소요된다. 따라서, 일반적으로 작은 반응기는 높은 가동시간 뿐만 아니라 부품 서비스에 적은 횟수 및 적은 비용을 갖는다.
이들 모든 인자는 실제 웨이퍼 수율이 높고 유지비용이 낮기 때문에 작은 반응기에 대한 소유 비용이 매우 낮다. 반응기를 설치하기 위한 비용이 전체 MOCVD 시스템의 단지 약 2-5%이기 때문에, 이 시스템내에 다중 반응기를 부가하는 것은 전체 비용을 현저히 증가시키지 않는다. 본 발명의 이득은 추가적인 반응기의 비용 보다 매우 크다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 회전가능한 웨이퍼 캐리어, 좁은 유동 채널, 상부 리드의 중앙에 위치된 가스 유입구, 웨이퍼 캐리어 위의 가스 배출구, 배기가스의 층류를 용이하게 생성시키고 히터 챔버를 형성하도록 웨이퍼 둘레에 위치된 시일 링을 갖는 화학기상증착 반응 챔버를 포함한다.
성장 공정(피착) 동안, 원심력의 사용을 통해 유동 채널내의 빠른 가스 유동이 용이하도록 웨이퍼 캐리어가 전형적으로 수백 rpm, 예컨대 500 - 1500 rpm으로 회전한다. 질소 또는 수소(캐리어 가스)와 같은 낮은 반응성 가스와 혼합된 반응물은 유동 채널내로 이송되어 뜨거운 기판상에 피착된다.
그러나, 가스가 채널과 기판 부분을 통해 이동할 때 소망하는 반응보다 더 빨리 일부 화학반응이 개시되고, 가스내의 반응물의 가능한 한 대부분이 가스 유입구 가까이에서 소모되다. 원료 가스의 감소량은 가스가 채널을 따라 이동할 때 남겨진다. 이는 고갈 영향으로 알려져 있다. 고갈 영향은 잘 알려져 있으며, 수평 반응기에서 공통적으로 발생하며, 가스는 챔버의 일단으로부터 챔버의 타단으로 수평으로 이동한다.
GaN 성장의 경우에 있어서, 반응물은 트리에틸갈륨(TMG) 및 암모니아(NH3)가 사용될 수 있으며, 이들 양쪽은 수소(H2) 또는 질소(N2) 중 하나에 의해 반송될 수 있다. NH3의 공급은 표면에서의 GaN의 분해를 방지하기 위해 GaN에 대한 전형적인 금속 유기 화학기상증착(MOCVD) 성장공정에서의 TMG 공급 보다 훨씬 더 크다. 이는 그룹 Ⅴ 가스 공급이 그룹 Ⅲ 보다 훨씬 더 큰 MOCVD를 사용하는 Ⅲ-Ⅴ 화합물 및 Ⅲ 질화물 성장의 경우이다. 따라서, 고갈 영향은 주로 그룹 Ⅲ 공급원의 고갈에 의해 성장 균일성에 역효과를 부여한다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 하나 이상의 관점에 따르면, 그룹 Ⅲ 및 그룹 Ⅴ 가스 유입구는 분리된다. 반응기(211)의 상부 또는 리드(214)는 반응기의 거의 중앙에 형성된 NH3 유입구(213)를 갖는다. 복수의 그룹 Ⅲ 인젝터(214)는 복수의 구역(도 12에 상세히 도시됨)을 형성하는 방식으로 리드내에 형성된다.
도 12를 참조하면, 복수의 개별 구역(250)은 그룹 Ⅲ 인젝터(214)의 개별 그룹에 의해 형성된다. 인젝터(214)의 각 그룹은 구역(250) 중의 전용 그룹내에 위 치되어 있다. 주어진 구역(250)의 모든 인젝터(214)는 공통 펌프를 가질 수 있으며, 각 구역에 대한 유동은 다른 구역(250)의 인젝터(214)를 통한 유동에 대해 개별적으로 제어가능하다. 즉, 각 구역내로의 가스 유동량은 임의의 소망 그룹 Ⅲ 가스(공급원) 분배가 탄력적으로 조절될 수 있도록 전용 유동 제어기(dedicated flow controller)에 의해 제어될 수 있다. 동일 가스 또는 다른 가스가 각 그룹 인젝터(214)를 통해 유동될 수 있다. 따라서, 모든 인젝터(214)의 유속은 대략 동일하며, 그룹 Ⅲ 반응물의 농도는 예를 들면 구역에서 구역으로 변화될 수 있다.
3개의 구역(250)과 연속된 3개 그룹의 인젝터(214)가 도 12에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 임의의 소망 개수의 구역(250) 및 임의의 소망 그룹 개수의 인젝터(214)가 설치될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 각 구역(250)은 임의의 소망 개수의 인젝터(214)를 포함할 수 있다. 실제로, 모든 단일 인젝터는 구역을 형성할 수 있고 인젝터를 통해 주입되는 가스 종류 및 주입 유속에 대해 개별적으로 제어될 수 있다. 따라서, 도 11 및 12에 도시되고 본 명세서에 논의된 구역(250)과 인젝터(214)의 구성은 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다.
리드(lid)(212)는 임의의 소망 개수의 인젝터(214)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 리드(212)는 12, 24, 36, 48, 64 또는 그 이상의 인젝터(214)를 포함할 수 있다. 또한, 각 구역은 임의의 소망 개수의 인젝터(214)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 각 구역은 4, 6, 8, 12 또는 그 이상의 인젝터(214)를 포함할 수 있다.
리드(212)의 중앙에 그룹 Ⅴ가스 유입구(213)를 유지시키고 전체 리드(212) 에 걸쳐 제어된 방식으로 그룹 Ⅲ 가스를 분배하는 것에 의해, 그룹 Ⅲ 공급원의 고갈 영향을 제거하면서 그룹 Ⅴ가스에 의해 층류가 형성된다. 전체 웨이퍼 캐리어에 걸쳐서 더욱 나은 증착 균일성이 달성될 수 있다. 웨이퍼 캐리어는 대략 10 rpm 내지 대략 1500 rpm의 속도로 회전될 수 있다. 반응기내의 압력은 대략 760 torr 이하일 수 있다.
전체 리드(212)에 걸쳐 그룹 Ⅲ 가스를 분배시키는 것은 리드내에 구멍(인젝터)을 형성하는 것에 의해 달성될 수 있다. 또한, 그룹 Ⅲ 인젝터의 수냉은 그룹 Ⅲ 공급원의 조기 분해(premature decomposition)를 방지하도록 제공될 수 있다.
본 명세서에 기술되고 도면에 도시된 화학기상증착 방법 및 장치는 본 발명의 바람직한 실시예만을 나타내는 것임을 이해할 것이다. 실제로, 본 발명의 기술사상을 일탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경 및 추가가 가능하다. 예를 들면, 본 발명의 방법 및 장치는 금속 유기 화학기상증착과는 다른 적용을 발견할 수 있다는 것을 인식하여야 한다. 실제로, 본 발명은 반도체 장치의 제조와는 완전히 무관한 적용에 대해 적합할 수 있다.
따라서, 전술한 본 발명 및 다른 변경 및 추가는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 다양한 다른 적용에서 사용하기 위해 본 발명이 실행될 수 있다.

Claims (23)

  1. 화학기상증착 반응기에 있어서,
    상기 반응기내에서 반응가스의 층류를 촉진시키기 위해 상기 반응기의 챔버와 협동하는 웨이퍼 캐리어;
    상기 챔버의 중앙부에 인접배치된 유입구; 및
    고갈을 완화시키도록 구성된 복수의 인젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터는 그룹 Ⅲ 인젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터는 그룹 Ⅲ 인젝터를 포함하며,
    상기 챔버의 중앙부에 인접배치된 그룹 Ⅴ 유입구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터는 복수의 구역을 형성하며,
    각 구역의 인젝터는 전용 유동 제어기를 갖는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인젝터는 3개의 구역을 형성하며,
    각 구역의 인젝터는 전용 유동 제어기를 갖는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각 구역을 통과하는 유동은 개별적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 인젝터를 통과하는 유동은 개별적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    각 구역을 통과하는 반응물 농도는 개별적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 인젝터를 통과하는 반응물 농도는 개별적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    배기는 상기 웨이퍼 캐리어 위에서 실시되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 반응기.
  11. 화학기상증착방법에 있어서,
    반응기의 챔버내에서 웨이퍼 캐리어를 회전시키는 단계;
    상기 챔버의 중앙부에 인접배치된 유입구를 통해 상기 챔버로 가스를 첨가하는 단계; 및
    고갈을 완화시키도록 구성된 복수의 인젝터를 통해 상기 챔버내로 가스 반응물을 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 웨이퍼 캐리어는 챔버내에서 반응가스의 층류를 촉진시키기 위해 상기 챔버와 협동하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 인젝터를 통해 상기 챔버내로 주입된 가스는 그룹 Ⅲ 반응물을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 인젝터를 통해 상기 챔버내로 주입된 가스는 그룹 Ⅲ 반응물을 포함하며, 상기 유입구를 통해 챔버내에 첨가된 가스는 그룹 Ⅴ 반응물을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    인젝터 그룹을 통과하는 가스 유동을 제어하는 단계를 추가로 포함하며,
    상기 유동은 인젝터가 위치하는 복수의 구역 중 하나에 기초하여 제어되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 인젝터는 3개의 구역을 형성하며,
    각 구역의 인젝터는 전용 유동 제어기를 갖는 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    각 구역을 통한 유동은 개별적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 각 인젝터를 통한 유동은 개별적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    각 구역을 통과하는 반응물 농도는 개별적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 각 인젝터를 통과하는 반응물 농도는 개별적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 웨이퍼 캐리어는 약 10 rpm 내지 약 1500 rpm의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  21. 제 11 항에 있어서,
    상기 반응기의 압력은 약 760 torr 이하인 것을 특징으로 하는 화학기상증착방법.
  22. 화학기상증착 반응기용 리드에 있어서,
    상기 리드는 중앙 가스 유입구를 둘러싸는 복수의 인젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 리드.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 리드는 12개 이상의 인젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 리드.
KR1020077021828A 2005-02-23 2006-02-15 다중 유입구를 구비하는 화학기상증착 반응기 KR20070107782A (ko)

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