KR20090007595A - Ｖｐｅ 반응기의 소스 용기 - Google Patents

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발터 프랑켄
요하네스 카펠러
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아익스트론 아게
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Abstract

본 발명은 액체 또는 고체 출발 물질 (1)을 함유하며 최상부 개구를 구비하는 용기 (2); 출발 물질을 함유하는 공정 가스 (5)를 생성시키기 위해 출발 물질 (1)과 반응하는 반응성 가스 (4)에 대한 공급관 (3)을 포함하는, VPE 증착 장치의 소스 설비에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 소스 반응을 임시적으로 안정화시키는 것이다. 이를 위해, 덮개 (6)가 출발 물질 (1) 위에 직접 올려지고, 덮개와 출발 물질 (1)의 표면 (7) 사이에 공간 (8)이 형성되는데, 상기 공간을 통해 반응성 가스 (4)가 유동하고 공급관 (3)이 그 내부로 형성되어 있다.

Description

ＶＰＥ 반응기의 소스 용기 {SOURCE CONTAINER OF A VPE REACTOR}
본 발명은, 액체 또는 고체 출발 물질을 함유하며 최상부 개구를 갖는 용기; 출발 물질을 함유하는 공정 가스를 생성시키기 위해 출발 물질과 반응하는 반응 가스용 공급관 (3); 및 출발 물질 위에 직접 올려지는 덮개를 포함하는, VPE 증착 장치의 소스 설비에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 공정 가스의 흐름 방향에서 상류에 배열된 소스 구역, 및 공정 챔버를 포함하는 VPE 증착 장치에 관한 것인데, 상기 소스 구역에는 반응 가스용 공급관, 및 액체 또는 고체 출발 물질을 함유하며 최상부 개구를 구비한 용기가 존재한다.
일반적인 유형의 장치는 DE 3801147 A1호에 공지되어 있다. 거기에는, 분말 필 (powder fill)이 다공성 벽 상에 놓여 있다. 다공성 플레이트가 분말 필 상에 놓여있다. 최상부에 놓여있는 다공성 플레이트는 스프링에 의해 분말 필 위로 눌려져서, 표면은 항상 하부 벽에 대해 평행이다.
유사 장치가 US 5,603,169호에 기재되어 있다. 여기에는, 가스 투과가능한 압축 플레이트가 필의 표면 상에 놓인다. 이것은 수평화시키는 방식으로 중력에 의해 표면 상으로 압축된다.
DE 10247921 A1호는 하이브리드 VPE 반응기를 기재하고 있다. 거기에 기재된 반응기는 하우징을 구비한다. 상기 하우징에는, 반도체 물질로 코팅되는 하나 이상의 기판을 수용하는 서셉터 (susceptor)를 구비한 공정 챔버가 존재한다. 상기 반도체 물질은 다성분 물질이며, 특히 주 III족 및 V족 성분을 갖는다. 주 III족 원소, 예를 들어 Ga, In, Al이 염화물의 형태로 공정 챔버 내로 도입된다. V족 성분은 수소화물로 공정 챔버 내로 도입된다. 특히, NH3, AsH3 또는 PH3이 공정 챔버 내로 도입된다. 염화물은 소스 구역 내에서 생성된다. 이 소스 구역은 가열된다. HCl이 소스 구역 내로 도입된다. 이 HCl은 액체 또는 고체 금속 성분의 표면 위를 통과하여, 염화물이 열역학적 평형 조건 하에서 가능한한 멀리서 형성되도록 제조된다. III족 성분을 소스 용기로부터 멀리 이동시키면, 이에 의해 소스 용기 내에 함유된 출발 물질의 표면이 경사지게 된다. 이는 소스 전환 효율에서의 변화를 초래한다. 특히, 흐름이 수직으로 통과하는 소스 구역에서 회피될 수 없는 작은 표면의 경우에, 이러한 일정치 않은 소스 전환은 불리하다.
본 발명의 과제는 소스 반응이 시간 경과에 따라 안정화되는 수단을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항에서 특정된 본 발명에 의해 달성된다.
각각의 청구항은 상기 과제를 달성하기 위한 독립적인 해결 방법을 나타내며, 임의의 다른 청구항과 조합될 수 있다.
먼저, 최상부가 개방되어 있으며 덮개로 덮여지는 용기가 제공된다. 상기 덮개는 출발 물질 위에 올려지도록 되어 있다. 반응성 가스가 유동할 수 있는 공간은 출발 물질의 표면과 덮개 사이에서 형성되도록 되어 있다. 상기 반응성 가스는 출발 물질의 표면과 나란히 상기 공간을 통해 유동한다. 공급관이 상기 공간 내로 개방되어 있다. 결과적으로, 공급관으로부터 빠져나오는 가스는 먼저 상기 공간을 통해 유동하여, 그 결과 표면 위로 유동한다. 출발 물질이 액체인 경우, 가스는 상기 공간을 통해 수평 방향으로 유동한다. 덮개가 출발 물질 위에 직접 올려진다는 것은, 덮개 하면과 출발 물질의 표면 사이의 공간이 시간 경과에 따라 일정하게 유지되며, 소스 내에서의 액체 또는 고체 표면의 높이와 무관함을 의미한다. 소스가 정상적으로 소모됨에도 불구하고, 반응성 가스가 유동할 수 있는 공간은 단지 미미한 정도로만 변화하는데, 그 이유는 상기 덮개가 소스 물질의 표면 높이와 함께 낮아지기 때문이다. 그 결과, 소스 전환이 안정화된다. 출발 물질이 액체인 경우에, 덮개는 출발 물질 위를 부유한다. 덮개로부터 돌출되고 소스 물질 상에서 지지되는 캐리어, 특히 플로우트 (floats)는 이를 통해 유동하는 공간이 형성될 수 있게 한다. 상기 캐리어/플로우트는 국소 돌출부에 의해 형성될 수 있다. 이들은 특히 중공 챔버를 하향으로 돌출시킴으로써 형성된다. 반응성 가스가 덮개 아래에서 도입되는 공급관은 바람직하게는 용기의 중심에 위치한다. 상기 용기는 회전 대칭성을 지닐 수 있다. 이후, 흐름은 상기 공간을 방사상 방향으로 통과한다. 덮개는 원형 디스크의 형태를 취할 수 있다. 덮개의 둘레는 용기 벽으로부터 이격되어 있을 수 있다. 흐름이 통과하는 공간 내에서, 덮개 아래에서 형성된 공정 가스는 이러한 공간 둠에 의해 형성된 간격 또는 틈을 통해 멀리 유동할 수 있다. 덮개의 돔은 바람직하게는 공급관의 출구 위에 놓인다. 이로써, 덮개가, 심지어 소스 물질이 이의 최하부 수준에 있을 경우에도 공급관의 출구 위에 놓이지 않게 된다. 용기 및 덮개는 출발 물질 또는 반응성 가스 또는 공정 가스와 반응하지 않는 재료로 제조된다. 예를 들어, 용기 및 덮개는, 소스가 갈륨 또는 인듐을 함유하는 경우에 석영으로 구성될 수 있다. 소스가 알루미늄을 수용하도록 의도되는 경우에는 소스 및 덮개를 흑연으로 제조하는 것이 적합하다. 이후, 흑연 표면은 바람직하게는 적합한 물질로 코팅된다. 사파이어, 보론 니트라이트 또는 다른 불활성 물질이 또한 사용될 수 있다. 상기 기술된 소스 설비를 수용하는 증착 장치는 바람직하게는, 이를 통해 흐름이 수직 방향으로 통과하는 소스 구역을 갖는다. 상기 소스 구역은 수직 방향으로 연장되며, 특히 튜브 부분을 형성하는 벽을 구비할 수 있다. 상기 벽의 외부는 내열성이 있어서, 소스 온도가 조절될 수 있다. 소스 구역의 아래에는 공정 챔버가 있다. 이것은 수평 방향으로 연장된다. 소스 구역 중에서 형성된 공정 가스는 위로부터 아래로 공정 챔버 내로 도입되며, 공정 챔버를 통해 방사상 방향으로 유동하여, 공정 가스가 중심 주위로 모여진 기판 위로 수평 방향으로 통과하게 된다. 수소화물은 또한 공정 챔버의 중심에서 도입된다. 그러나, 상기 기술된 공정 설비는, 흐름이 수직으로 통과하는 소스 구역에서 뿐만 아니라 흐름이 수평으로 통과하는 소스 구역에서도 배열될 수 있다.
본 발명의 예시적인 구체예를 하기 개요의 첨부되는 도면을 토대로 이하에서 설명한다:
도 1은 도 2에서의 I-I선을 따른 소스 구역을 통한 단면을 나타내는 확대된 도면이다.
도 2는 도 1에서의 부분 선 II-II을 따른 소스 구역을 통한 횡 단면도이다.
도 3은 덮개가 끼워진 소스 용기의 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 소스 설비를 갖는 VPE 증착 장치를 통한 횡 단면도이다.
도 5는 제 2의 예시적 구체예의 도 1에 따른 도면이다.
도 6은 제 2의 예시적 구체예의 도 2에 따른 도면이다.
도 7은 제 3의 예시적 구체예의 도 1에 따른 도면이다.
도 8은 제 3의 예시적 구체예의 도 2에 따른 도면이다.
도 9는 제 4의 예시적 구체예의 도 1에 따른 도면이다.
도 10은 제 4의 예시적 구체예의 도 2에 따른 도면이다.
도 4에 도시된 VPE 반응기는, 공정 챔버 (21)가 수평 방향으로 연장되기 때문에 수평 반응기이다. 실질적으로 원형의 공정 챔버 (21)의 바닥은 서셉터 (23)를 형성한다. 상기 바닥은 전열기 (resistance heater) (25)에 의해 아래로부터 가열된다. 다른 유형의 가열 방식이 또한 가능하다; 특히, RF 가열이 이용될 수 있다. 원형 디스크의 형태를 취하고 있는 바닥 (23) 위에는, 다수의 기판 (22)이 위치한다. 상기 기판 (22)은 서셉터 (23)의 중심 주위로 원형 배열로 배치된다.
서셉터 (23) 위에는 공정 챔버의 천장 (24)이 위치한다. 이것은 바닥 (23)과 나란히 배열되며, 중심에 개구를 지니고 있다. 상기 개구는, 기판 (22)이 위치하는 서셉터 (23)의 구역 밖에 놓인다. 이러한 공정 챔버의 천장 (24)에서의 원형 개구 위에 소스 구역이 있다. 상기 소스 구역은 수직 방향으로 연장되는 튜브를 포함한다. 이 튜브는 소스 구역의 벽 (15)을 형성한다. 튜브는 말단에서 폐쇄되는데, 그 내부로, 불활성 가스가 소스 구역 내로 도입되는 정화용 가스 관 (18)이 개방되어 있다. 소스 구역의 벽 (15)은 소스 히터 (16)로 둘러싸여 있다. 상기 히터 또한 바람직하게는 전열기이다.
소스 구역의 상부 영역에는 용기 (2)가 위치한다. 용기 말단에는 공급관 (3)이 형성되어 있는데, 이를 통해 HCl이 반응성 가스 (4)로 도입된다. 용기 (2) 바로 아래에는 공급관 (20)이 위치하며, 이를 사용하여 수소화물이 공정 가스 (19)로서 소스 구역의 하부 영역 내로 도입된다.
용기 (2)는 주 제 III족 금속, 갈륨, 알루미늄 또는 인듐을 함유한다. 상기 용기 (2)는 덮개 (6)를 갖는다. 덮개 (6)는 용기 (2) 내에 위치하는 출발 물질 (1)의 표면 (7)으로부터 이격되어 있다. 공급관 (3)은 용기 (2)의 바닥 (17)을 통해 아래로부터 돌출되어, HCl이 아래로부터 덮개 (6)의 돔 (13) 내로 위로 유동한다. 공급관 (3)의 출구 (14)로부터 빠져나오는 HCl은 표면 (7)에서 금속과 반응하여 공정 가스 (5)를 형성하는데, 이 공정 가스 (5)는 염화 갈륨, 염화 인듐 또는 염화 알루미늄일 수 있다.
소스 중에서 형성되는 염화물 (5) 및 내부 공급되는 수소화물 (19)은 용기 (2)의 외부 벽 (11)과 공정 챔버 벽 (15) 사이에서 위에서 아래로 유동한 다음, 위에서 공정 챔버 (21) 내로 유동하고, 거기서 방사상 방향으로 분기되어 기판 (22) 위를 수평 방향으로 유동한다. 이 때, III족 또는 V족 성분은 단결정 층으로서 기판에 증착된다.
특히 도 1 내지 3으로부터 이해될 수 있듯이, 소스는 석영, 흑연 또는 사파이어로 구성되는 얕은 용기 (2)를 지닌다. 상기 용기 (2)는 수평 방향으로 연장되며 원형 디스크의 형태를 취하는 바닥 (17)을 지닌다. 공급관 (3)의 수직으로 연장되는 부분은 바닥 (17)의 중심을 통해 돌출된다. 공급관 (3)은 출구 (14)를 구비한다. 상기 출구 (14)는 대략 환형 용기 벽 (11)의 둘레와 동일한 높이에 있다. 용기 (2) 내에 배치되는 상기 언급된 금속 중 하나의 용융물 (1)이 결과적으로 환형 표면 (7)을 형성한다.
용기 벽 (11) 내에는 덮개 (6)가 존재한다. 덮개 (6)는 원형의 외부 윤곽을 지니며, 덮개 (6)의 직경은 용기 벽 (11)의 내부 직경보다 약간 더 작다. 이 점으로부터, 덮개의 둘레 (10)는 용기 벽 (11)에 대해 간격 또는 틈 (12)을 남기는 결과가 초래된다. 덮개 (6) 아래에서 형성된 공정 가스 (5)는 이 간격 또는 틈 (12)을 통해 용기 밖으로 유동할 수 있다.
덮개 (6)는 용융물 (1) 위를 부유한다. 공급관 출구 (14)로부터 빠져나오는 반응성 가스 (4)가 덮개 (6) 아래를 따라 유동할 수 있게 하기 위해, 덮개 (6)는 하향으로 돌출되는 플로우트 (9)를 지닌다. 이 플로우트 (9)는 원통형의 중공체 (hollow bodies)에 의해 형성된다. 중공체는 최상부가 개방되어 있다. 이들 플로 우트 (9)는 용융물 (1)의 표면 (7) 아래로 부분적으로 침지되어 있다. 이격된 플로우트 (9) (이것은 예시적 구체예에서 전부 4개 존재한다) 사이에는, 반응성 가스 (4)가 유동할 수 있고 도입된 HCl이 금속과 조합되어 금속 염화물을 형성하는 구역이 위치한다. 덮개 (6)가 용융물 (1)의 표면 (7) 위를 부유한다는 것은, 덮개 (6)의 하면과 용융물 (7)의 표면 사이의 공간이 용융물 (1)의 액체 수준과는 독립적임을 의미한다. 용융물 (1)의 부피가 감소됨에 따라, 덮개 (6)는 하강한다.
덮개 (6)의 중심에는 상향으로 돌출되는 돔 (13)이 포트 형태로 존재하는데, 상기 돔 (13)은 공급관 출구 (14) 위에 놓이면서 이 주위에 공간을 남긴다. 돔 (13)의 높이는, 덮개 (6)가, 공급관 출구 (14)가 돔 (13)의 덮개 표면에 의해 폐쇄되지 않고 용융물 (1)의 최소 부피로 하강될 수 있도록 선택된다.
예시적인 구체예의 경우에, 흐름은 덮개 (6) 아래를 방사상 방향으로 통과한다. 흐름이 덮개 (6)를 통해 선형으로 통과하는 구성이 또한 고안될 수 있다. 이를 위해, 덮개 (6)의 둘레가 용융물 (1) 내로 침지되어, 관통-흐름 (through-flow)의 방향이 결정된다. 흐름이 선형으로 통과할 수 있는 그러한 용기는 수평 소스 설비를 위해 사용될 수 있다. 이후 반응성 가스의 내부로의 공급은 용기의 둘레에서 일어난다. 상기 용기의 덮개가 바람직하게는 이 주위로 배열되는 둘레 부분을 지녀서 용융물 내로 하향으로 돌출되고 단지 외부흐름 측 상에서만 개방되어, U자형의 단면을 갖는 덮개 아래에서 형성된 공정 가스가 멀리 유동할 수 있게 된다. 이러한 방법에 있어서도, 덮개는 용융물 위를 부유한다. 그러나, 덮개에는, 공정 가스가 유출될 수 있는 개구가 형성될 수 있다.
용융물 (1)의 표면 아래로 침지된 중공체에 의해 형성되는 플로우트 (9)가 덮개 (6)로부터 하향으로 돌출되는 경우에, 실질적으로 평면이며 수평으로 연장되는 덮개의 하면이 용융물의 표면 (7)과 평행하며 이 표면 (7)으로부터 이격되어 있는 것이 또한 본 발명에서의 이점이다. 이로써, 흐름이 통과할 수 있고 흐름이 소스의 공간과는 무관하게 일정하게 유지되는 반응 공간 (8)이 형성되게 된다.
소스 물질이 소스 온도에서 고체인 경우에, 도면에서 참고 번호 (9)로 명명된 플로우트는 단지 지지체를 형성한다. 이 경우, 고체 (solid body)의 표면 상에 지지되는 예를 들어, 돌출부 또는 핀 형태의 캐리어가 덮개의 하면으로부터 돌출되면 충분하다.
덮개 (6)의 하면과 용융물의 표면 또는 소스 물질의 표면 사이의 공간 (s)이 소스 물질이 완전히 소모되는 동안 변화되지 않는 것이 중요한 것으로 여겨진다.
도 1 내지 3에서 도시된 예시적 구체예에서, 유입 (4)은 돔 (13)의 측벽과 공급관 (3)의 상부 사이의 틈을 통해 일어난다. 가스 배출은 틈 (12)을 통해 일어난다.
도 5 및 6에 도시된 예시적 구체예에서는, 덮개의 둘레 (10)와 용기 벽 (11) 사이의 틈 (12)이 최소화된다. 이 틈은 단지 몇 십분의 일 밀리미터 (a few tenths of a millimeter)(0.1 내지 0.5 mm)이다. 유출은 덮개의 둘레 (10) 영역에 배치된 유출 개구 (26)를 통해 일어난다. 도 6으로부터 알 수 있듯이, 이들 개구 (26)는, 이들이 덮개 (6)의 전체 둘레에 걸쳐 균일하게 분포되도록 배치된다. 용기 (2)의 중심에 대한 덮개 (6)의 배치는 단지 매우 작은 틈 (12)에 의해 결정된 다.
도 7 및 8에 도시된 제 3의 예시적 구체예는 덮개 (6)의 중심 맞춤 (centering)에 대한 대안을 보여준다. 돔 (13)은 하부 영역에서 내측으로 향하는 칼라 (collar)를 갖는다. 이 칼라는 유입 개구 (27)를 갖는데, 이 개구 (27)를 통해 공급관 (3)을 빠져나오는 가스가 덮개 (6) 아래의 영역으로 유동할 수 있다. 상기 칼라는 대략 덮개 디스크의 높이에 놓인다. 여기서도 마찬가지로 칼라의 내부 둘레와 공급관 (3)의 상부 사이의 공간이 몇 십분의 일 밀리미터이다. 여기서, 덮개 (6)의 외부 둘레 (10)에는 압입부 (indentation)(28)가 형성되어 있다. 상기 덮개는 결과적으로 기어휠 (geerwhell) 방식으로 형성된다. 이들 사이에서 압입부 (28)를 형성하는 돌출부는, 용기 벽 (11)으로부터 몇 십분의 일 밀리미터 거리만큼 멀리 놓여 있는 둥근 팁을 구비한다. 압입부의 베이스 또한 둥글다.
도 9 및 10에 도시된 예시적인 구체예에서, 유출은 간격 또는 틈 (12)을 통해 일어난다. 덮개 (6)의 중심 맞춤은 이 경우에는 돔 (13) 아래의 칼라에 의해 이루어진다. 그러나 도시되지 않은 추가의 하나의 예시적 구체예에서, 가스의 유출은 또한 도 5 및 6의 예시적 구체예에 도시된 바와 같이 개구 (26)를 통해 일어날 수도 있다.
개시된 모든 특징은 (이들 자체적으로) 본 발명에 관한 것이다. 관련된/동반되는 우선권 서류 (선행하는 출원의 사본)의 개시 내용은 또한, 본 출원의 청구항에 이들 서류의 특징을 통합시키기 위함을 포함하여, 그 출원의 전체 개시 내용이 본원에 통합된다.

Claims (12)

  1. VPE 증착 장치의 소스 설비 (source arrangement)로서,
    액체 또는 고체 출발 물질 (1)을 함유하며 최상부 개구를 구비한 용기 (2);
    출발 물질을 함유하는 공정 가스 (5)를 생성시키기 위해 출발 물질 (1)과 반응하는 반응성 가스 (4)에 대한 공급관 (3); 및
    출발 물질 (1) 위에 직접 올려지는 덮개 (6)를 포함하며,
    덮개 (6)가, 상기 덮개 자체와 출발 물질 (1)의 표면 (7) 사이에, 반응성 가스 (4)가 표면 (7)에 대해 나란하게 유동할 수 있고 그 내부로 공급관 (3)이 개방되어 있는 공간 (8)을 형성함을 특징으로 하는 소스 설비.
  2. 제 1항에 있어서, 덮개 (6)가 출발 물질 (1) 상에 부유됨 (float)을 특징으로 하는 소스 설비.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 캐리어, 특히 플로우트 (floats)(9)가 덮개 (6)로부터 아래로 돌출됨을 특징으로 하는 소스 설비.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 중심 공급관 (3)이 덮개 (6)로 덮어 씌워지며 (overlaid), 흐름이 공간 (8)을 방사상 방향으로 통과함을 특징으로 하는 소스 설비.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 덮개 (6)의 둘레 (10)가 용기 벽 (11)으로부터 이격되어 있고, 간격 또는 틈 (12)을 통해 유동하는 공정 가스 (5)가 형성됨을 특징으로 하는 소스 설비.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 공급관 출구 (14)가 아래로부터 덮개 (6)의 중심 돔 (13) 내로 돌출됨을 특징으로 하는 소스 설비.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 용기 (2) 및 덮개 (6)가 석영, 흑연, 보론 니트라이트 또는 사파이어로 구성됨을 특징으로 하는 소스 설비.
  8. 공정 가스의 흐름 방향에서 상류에 배열된 소스 구역, 및 공정 챔버 (21)를 포함하는 VPE 증착 장치로서,
    소스 구역에는 반응성 가스 (4)를 위한 공급관 (3), 및 액체 또는 고체 출발 물질 (1)을 함유하며 최상부 개구를 지니는 용기 (2)가 존재하고,
    덮개 (6)가 출발 물질 (1) 위에 직접 올려지며, 상기 덮개 자체와 표면 (7) 사이에, 반응성 가스가 유동할 수 있는 공간 (8)을 형성함을 특징으로 하는 VPE 증착 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 소스 구역에서 흐름이 수직으로 통과할 수 있음을 특징으 로 하는 VPE 증착 장치.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 소스 구역이 공정 챔버 위에 수직으로 배치됨을 특징으로 하는 VPE 증착 장치.
  11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 소스 구역이 소스 구역 히터 (16)를 지니며, 공정 챔버 (21)가 공정 챔버 히터 (25)를 지님을 특징으로 하는 VPE 증착 장치.
  12. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 공정 챔버 (21)가 실질적으로 회전 대칭이며, 소스 구역은 공정 챔버 (21)의 중심과 결합되어 있고 (associated), 공정 챔버 (21)에 의해 수용되는 기판 (22)이 공정 챔버 (21)의 중심 주위로 배치됨을 특징으로 하는 VPE 증착 장치.
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