KR20090019851A - 삼염화 갈륨용 대량 전달 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 가공 장치 및 방법 분야와 관련된 것으로서, 특히, 에피택셜 증착용 기재로서 사용하기 위한, 웨이퍼 등을 위한, 광학 및 전자 구성요소 제작에 적합한 III-V족 화합물 반도체 물질의 지속적인 대량 생산을 위한 장치 및 방법을 제공한다. 바람직한 실시양태에서, 이들 방법 및 장치는 III족-N(질소) 화합물 반도체 웨이퍼, 특히 GaN 웨이퍼를 생산하기 위하여 최적화된다. 특히, 전구체가 반도체 물질의 대량 제조를 촉진하기 위하여 48시간 이상의 시간동안 시간당 적어도 50g의 III족 원소의 질량 흐름으로 전구체가 제공된다. 유리하게는, 가스상 III족 전구체의 질량 흐름은 원하는 양을 전달하도록 조절된다.

Description

삼염화 갈륨용 대량 전달 시스템{HIGH VOLUME DELIVERY SYSTEM FOR GALLIUM TRICHLORIDE}
본 발명은 반도체 공정 장치 및 방법 분야에 관한 것으로서, 특히 에피택셜 증착용 기재 등로서 사용하기 위한, 광학 및 전자 구성요소 제작에 적합한 III-V족 화합물 반도체 웨이퍼의 대량 제작을 위한 장치 및 방법을 제공한다. 바람직한 실시양태에서, 상기 장치 및 방법은 III족-질화물 반도체 웨이퍼의 생산에 관한 것이고, 구체적으로 질화갈륨(GaN)의 생산에 관한 것이다.
III-V족 화합물은 중요하고 널리 사용되는 반도체 물질이다. III족 질화물은 특히 넓고 직접적인 밴드 갭을 가지므로, 광학 구성요소(특히, 단파장 LED 및 레이저) 및 특정 전자 구성요소(특히, 고온/고출력 트랜지스터)의 제작에 유용하다.
III족 질화물은 수십년간 특히 유용한 반도체 특성을 갖는 것으로 알려져 왔다. 그러나, 이들의 상업적 사용은 용이하게 이용가능한 단결정 기재의 결여로 인하여 사실상 저지되었다. 규소 또는 GaAs와 같은 다른 반도체물을 위하여 사용되어온 전통적인 방법, 예컨대, 초크랄스키(Czochralski), 수직 온도구배 감소(vertical gradient freeze), 브리지만(Bridgeman) 또는 부유 대역(float zone) 을 이용하여 III족 질화 화합물의 벌크 단결정 기재를 성장시키는 것은 사실상 불가능하다. 이는 대기압에서 분해를 야기하고 GaN의 용융을 야기하지 않는 Ga-N 결합의 높은 결합 에너지 때문이다. 매우 높은 압력 및 온도(2500℃ 및 4GPa보다 큰 압력)가 용융된 GaN을 얻기 위해 요구된다. 다양한 고압 기법이 연구되어왔지만, 이들은 극도로 복잡하고, 단지 매우 작은 불규칙한 결정을 가져왔다(A. Denis 등, Mat. Sci. Eng. R50(2006) 167).
천연 단결정 기재의 결여는 낮은 결함 밀도 및 바람직한 전기적 및 광학적 특성을 갖는 에피택셜 III족 질화물층 제조에 있어서 어려움을 크게 증가시킨다. 추가적인 어려움은 실제적인 장비에 사용하기 위해 충분한 전도성을 갖는 p형 GaN을 제조할 수 없다는 것이었다. 반도체 등급의 GaN을 제조하기 위한 시도가 적어도 1970년대 초부터 시작되었지만, 두 가지 획기적 발전이 이루어진 1990년대 후반까지 사용가능한 진전은 없었다. 첫번째는 사파이어 상에 III족 질화물층의 허용가능한 성장을 가져오는 저온 GaN 및 AlN 완충층의 사용이었다. 두번째는 허용가능한 p형 전도성을 달성하기 위한 공정의 개발이었다. 이러한 기술적 진보에도 불구하고, III족 질화물층에서의 결함 밀도는 여전히 극도로 높았고(전위에 대하여 1E9-1E11 cm-3), p형 전도성은 다른 반도체물에서만큼 높지 않았다. 이러한 한계에도 불구하고, 이러한 기술적 진보는 LED에 적합한 III족 질화물 에피택셜 필름의 상업적 생산을 가져왔다.(예컨대, Nakamura 등, 제2판, 2000, The Blue Laser Diode, Springer-Verlag, Berlin)
높은 결함 밀도는 비-천연 기재 상에서의 성장의 결과이다. 사파이어는 가장 널리 사용되는 기재이고, 그 다음이 탄화규소이다. III족 질화물 에피택셜층과 기재 사이의 격자 상수, 열팽창 계수 및 결정 구조의 차이가 III족 질화물 필름 또는 기재의 높은 결함 밀도, 스트레스 및 크랙킹을 가져온다. 또한, 사파이어는 매우 높은 저항율을 갖고(전도성이 될 수 없음), 불량한 열 전도성을 갖는다.
SiC 기재는 전도성 및 고도의 저항성 형태 모두로 제조될 수 있지만, 사파이어보다 훨씬 비싸고 보다 작은 직경에서만 사용가능하다(시범물로서 150mm 및 200mm를 갖고, 일반적으로 50mm 직경). 이는 보다 저렴하고 훨씬 큰 직경으로 사용가능한 사파이어, 및 GaAs 및 규소와 같은 다른 반도체물을 위한 천연 기재와 대조적이다(사파이어에서 150mm 직경; GaAs에서 300mm 직경).
사파이어 및 SiC의 사용이 일부 장치 용도에 적합하지만, 이들 기재상에서 성장된 III족 질화물층 관련 높은 결함 밀도가 레이저 다이오드에서 짧은 수명을 야기한다. III족 질화물 레이저 다이오드는 광학적 기록 방법에서 보다 짧은 파장이 훨씬 더 높은 정보 밀도를 허용하기 때문에 특히 중요하다. 보다 낮은 결함 밀도를 갖는 기재가 백열등 및 형광등을 대체하기 위해 필요한 더 높은 휘도의 LED를 가져올 것으로 예상된다. 결국, III족 질화물 물질은 고 주파수, 고 전력 전자 장치에 바람직한 특성을 갖지만, 이들 장치의 상업화는, 부분적으로는 기재의 제한으로 인하여, 아직 이루어지지 못하였다.
높은 결함 밀도는 전자 장치에서 불량한 성능 및 신뢰성 문제를 일으킨다. 사파이어는 낮은 전도성으로 인하여 활성 장치 영역으로부터 열을 제거할 수 있는 능력이 필수적인 고출력 장치에 사용하기에 부적합하다. SiC 기재의 작은 직경 및 고비용은, (레이저 또는 LED에 비하여) 보다 큰 장치 크기가 보다 저렴한 가격, 넓은 영역의 기재를 요구하는 전자 장치 시장에서 상업적으로 사용가능하지 않다.
비-천연 기재 상에서 에피택셜 III족 질화물의 결함 밀도를 더욱 감소시키기 위하여 다수의 방법이 연구되어 왔다. 유감스럽게도, 비용이 목적은 아니지만, 성공적인 방법은 또한 성가시고 비싸며 이상적이지 못하다. 하나의 통상적인 접근법은 에피택셜 측면 과성장(epitaxial lateral overgrowth)이다. 이 기법에서, 기재를 부분적으로 마스킹하고 III족 질화물층을 강제하여 마스크 상에 측면으로 성장시킨다. 마스크 상의 에피택셜 필름은 크게 감소된 전위 밀도를 갖는다. 그러나, 개방된 영역에서 에피택셜 필름은 여전히 마스킹되지 않은 기재 상에서 얻어지는 것과 동일하게 높은 전위 밀도를 갖는다. 또한, 인접한 측면 성장된 영역들이 만나는 경우, 추가적 결함이 발생한다. 전위 밀도를 더욱 감소시키기 위하여, 다중 ELO 단계를 수행할 수 있다. 이것은 매우 값비싸고 시간이 소요되는 공정이며, 결국, 일부 낮은 전위 밀도 영역 및 일부 높은 전위 밀도 영역을 갖는, 균질하지 않은 기재를 생성한다는 것이 명백하다.
결함 밀도를 감소시키기 위한 현재까지 가장 성공적인 접근법은 III족 질화물 물질의 매우 두꺼운 층을 성장시키는 것이다. 전위가 성장 방향과 완벽하게 평행하게 배향되지 않기 때문에, 성장이 진행됨에 따라서, 전위 일부는 서로 마주치고 소멸된다. 이것을 효과적이도록 하려면, 300 내지 1000μm 수준으로 층을 성장시킬 필요가 있다. 이러한 접근법의 잇점은 층이 기재 전체에서 균질하다는 것이 다. 어려움은 성장의 화학작용 및 실제로 이러한 층 두께를 얻을 수 있는 관련 장치를 발견하는 것이다. MOVPE 또는 MBE 기법은 1 내지 약 5μm/시간 미만 수준의 성장 속도를 가지므로, 수 내지 수십 마이크론의 성장을 요구하는 상기한 ELO 기법의 다수에 대해서조차도 너무 느리다. 성공적으로 높은 성장 속도를 얻은 유일한 성장 기법은 수소화물 증기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)이다.
요컨대, III족 질화물 물질의 낮은 전위를 생성하는데 있어서 현재의 기술은 HVPE를 사용하여 매우 두꺼운 층을 생성하는 것이다. 그러나, 현재의 HVPE 공정 및 장치 기술은 높은 성장 속도를 달성할 수 있음에도 다수의 단점을 갖는다. 본 발명은 이제 이러한 단점을 극복하고, 비교적 저렴하고 고품질의 III족 질화물을 제공하여, 새롭고 혁신적인 용도, 예컨대 주거용 및 상업용 조명 시스템에 적용될 수 있게 한다.
발명의 요약
본 발명은 단결정성 III-V족 반도체 물질을 형성하기 위한 가스상 III족 전구체를 제공하는 방법에 관한 것이다. 반도체 물질의 대량 제조를 촉진시키기 위하여, 상기 방법은 상기 전구체를 48시간 이상의 시간 동안 50g 이상의 III족 원소/시간의 질량 흐름으로 전구체를 연속적으로 제공하는 단계를 포함한다. 유리하게는, 본 방법은 반도체 물질을 형성하기 위한 원하는 양을 전달하기 위하여 가스상 III족 전구체의 질량 흐름을 조절하는 단계를 추가로 포함한다.
하나의 바람직한 가스상 III족 전구체는 5kg 이상의 갈륨을 연속적으로 전달하는 질량 흐름으로서 연속적으로 제공되는 갈륨 화합물이다. 특히, 이러한 갈륨 화합물은 삼염화갈륨이고, 이는 고체 삼염화갈륨을 가열함으로써 제공된다. 고체 삼염화갈륨이 가열되어 액체가 되는 경우, 상기 방법은 가열하는 동안 삼염화갈륨의 증발 증가를 촉진하여 100g 갈륨/시간 이상의 가스상 삼염화갈륨의 질량 흐름 속도를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 예컨대, 고체 삼염화갈륨을 110 내지 130℃의 온도로 가열함으로써, 고체 삼염화갈륨은 초기에 대기 온도의 물 수준으로 점성이 낮은 액체 상태를 유도하기에 충분한 온도로 가열된다. 유리하게는, 가열하는 동안 운반 가스가 액체 삼염화갈륨 중으로 버블링되어서 가스상 삼염화갈륨을 발생시킨다. 운반 가스는 수소, 헬륨, 네온, 아르곤 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
대안으로, 가스상 전구체는 III족 할로겐화물일 수 있고, 이 경우, 상기 방법은 할로겐화물을 그의 용융점 이하의 온도이지만 상기 질량 흐름을 달성하는 증기압을 발생시키기에 충분히 높은 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함한다. 할로겐화갈륨에 더하여, 이러한 실시양태는 가스상 염화인듐 또는 염화알루미늄 전구체를 제공하는데 유용하다.
본 발명의 또 다른 실시양태는, 반도체 물질의 대량 제조를 촉진시키기 위하여, 48시간 이상의 시간 동안 50g 이상의 III족 원소/시간의 질량 흐름으로 전구체를 연속적으로 제공하기 위한 충분한 양의 전구체 공급원을 포함하는, 단결정성 III-V족 반도체 물질을 형성하기 위한 가스상 III족 전구체를 제공하는 시스템에 관한 것이다. 이러한 시스템에서, III족 전구체 공급원은 일반적으로 전구체를 담기 위한 용기를 포함한다.
유리하게는, III족 전구체 공급원은 질량 흐름 조절기와 작동가능하게 결합되어 반도체 물질을 형성하기 위해 원하는 양을 전달한다. 일반적으로, III족 전구체 공급원은 추가로 전구체를 가열하고 전구체의 가스 흐름을 발생시키기 위한 가열 설비를 추가로 포함한다. 또한, 상기 용기는 운반 가스 공급원, 및 전구체의 가스 흐름 형성을 촉진하는 방식으로 상기 운반 가스를 상기 용기 내로 도입하는 관련 도관과 작동 가능하게 결합될 수 있다. 가스상 III족 전구체가 갈륨 화합물인 경우, 시스템은 5kg 이상의 갈륨을 연속적으로 전달할 수 있는 질량 흐름으로 전구체를 제공할 수 있다.
반도체 물질의 대량 제조를 위해 원하는 대로, 다양한 크기의 용기가 사용될 수 있다. 일반적으로, 용기는 초기에 10 내지 60kg의 고체 III족 할로겐화물을 담을 수 있고, 가스상 전구체 제공에 충분하게 고체 할로겐화물을 가열하도록 형성되고 그를 위한 치수로 제작된 가열 설비를 갖는다. 용기는 삼염화인듐 또는 삼염화 알루미늄과 같은 고체 할로겐화물 25kg 이상을 담을 수 있고, 가스상 전구체 제공에 충분하게 상기 삼염화물을 가열하도록 형성되고 그를 위한 치수로 제작된 가열 설비를 갖는다. 또한, 가열 설비는 75g 이상의 III족 원소/시간의 질량 흐름 속도를 제공하도록 삼염화물을 가열하기 위하여 형성되고 그를 위한 치수로 제작될 수 있다. 더욱 확장된 제조를 위하여, 하나의 용기가 사용되는 경우보다 장시간 동안 가스상 전구체의 전달을 촉진시키기 위하여 복수의 용기가 일련으로 연결될 수 있다.
바람직한 III족 할로겐화물은 삼염화갈륨이고, 용기 및 가열 설비는 고체 삼염화갈륨을 가열하여 액체로 하도록 형성되고 그를 위한 치수로 제작된다. 이는 고체 삼염화갈륨을 대기 온도의 물 수준으로 점성이 낮은 액체 상태를 유도하기에 충분한 온도로 가열함으로써 달성될 수 있고, 상기 용기는 시간당 100g 이상의 갈륨으로 가스상 삼염화갈륨의 질량 흐름을 제공하기 위하여 가열하는 동안 삼염화갈륨의 증발 증가를 촉진하기 위한 기구를 추가로 포함한다. 고체 삼염화갈륨은 일반적으로 110 내지 130℃의 온도로 가열되며, 증발 증가를 촉진하기 위한 기구는 가스상 삼염화갈륨을 발생시키기 위하여 가열하는 동안 액체 삼염화갈륨 내로 운반 가스를 버블링하기 위한 용기와 결합된, 운반 가스 공급원 및 도관을 포함한다. 운반 가스 공급원은 수소, 헬륨, 네온, 아르곤 또는 이들의 혼합물의 임의의 공급물일 수 있다.
추가의 바람직한 실시양태에서, 본 발명은 III-V족 반도체 물질의 대량 제조를 촉진하고, 대량 제조 공정을 중단할 필요 없이, 48시간 이상 동안 시간당 50g 이상의 III족 원소의 조절가능한 질량 흐름으로 가스상 III족 전구체의 공급원을 포함하는 시스템을 제공한다. 특히, III족 원소의 조절가능한 질량 흐름은 전구체가 제공되는 시간 동안 200mm 기재 상에서 III-V족 반도체 물질의 증착 속도를 100μm/시간 이상과 동등하게 하기에 충분하다.
상기 전구체 공급원은 액체 형태의 III족 전구체를 담기 위한 내식성 내부 표면을 갖는 용기, 용기 내의 액체로 운반 가스를 버블링하기 위한 출구를 갖는 용기 내의 딥 튜브(dip tube), 상기 딥 튜브로 연결되는 밸브-조절되는 용기 입구; 및 전달관으로 연결되는 밸브-조절되는 용기 출구, 운반 가스 및 가스 형태의 III족 전구체를 III족 전구체를 III-V족 반도체 물질로 전환시키기 위한 반응 대역으로 운반하기 위한 전달관을 포함할 수 있다. 이러한 실시양태의 측면들은 운반 가스의 수분을 5ppb 이하로 제거할 수 있는 정제기; 또는 운반 가스 정제기 하부의 운반 가스 필터; 또는 용기를 고체 III족 전구체를 용융시키기에 충분한 온도로 가열하기 위한 용기 가열기 ; 운반 가스 공급원 및 운반 가스를 110℃ 이상의 온도로 가열하기 위한 운반 가스 가열기; 또는 운반 가스 가열기에 근접한 증가된 열 교환 표면을 제공하기 위하여 사인 곡선 모양 굴곡을 갖도록 형성된 운반 가스관; 또는 수소, 헬륨, 네온, 아르곤, 또는 이들의 혼합물로서, 110℃ 내지 130℃의 온도로 가열되는 운반 가스; 또는 운반 가스의 질량 흐름을 조절하기 위한 질량 흐름 조절기; 또는 상기 용기를 위한 절연 외부 부분을 포함하거나; 또는 전달관은 운반 가스 및 III족 전구체를 운반하는 내부관을 갖는 동축 부분 및 가열 매체를 포함하기 위한 환상의 공간을 제공하는 동축 인클로징관(enclosing line)을 추가로 포함한다.
이러한 실시양태의 측면들은 다음을 포함한다: 상기 용기, 또는 상기 전달관, 또는 상기 밸브가 구비된 입구, 상기 밸브가 구비된 출구를 포함하고, 이러한 입구 및 출구에서의 밸브들은 스테인레스 스틸, 하스텔로이(Hastelloy), 모넬(Monel) 또는 이들의 조합물을 포함하고; 상기 밸브 또는 상기 용기의 내부 표면은 폴리테트라플루오로에틸렌 시이트(seats)를 포함하고; 상기 용기, 상기 밸브가 구비된 입구, 상기 밸브가 구비된 출구, 상기 입구의 밸브, 상기 출구의 밸브, 또는 상기 전달관 중 하나 이상은 니켈계 합금, 탄탈, 탄탈계 합금, 탄화규소, 질화붕소, 탄화붕소, 질화알루미늄, 용융 실리카층, 본딩된 무정형 규소층, 및 다른 공지의 내염소성 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 추가로 포함한다.
추가의 바람직한 실시양태에서, 본 발명은 가스상 III족 전구체를 질화갈륨을 합성하기 위한 반응 대역으로 전달하기 위한 공정을 제공하며, 이러한 공정은 수소, 질소, 헬륨, 아르곤 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 운반 가스를 대기압보다 큰 압력으로 제공하는 단계; 상기 운반 가스를 110℃ 이상의 온도로 가열하는 단계; 상기 운반 가스를 액상 III족 전구체의 배쓰로 주입하는 단계; 및 상기 운반 가스 및 임의의 혼입된 III족 전구체를 배쓰로부터 III족 질화물을 합성하기 위한 반응 대역으로 운반하는 단계를 포함한다. 이러한 실시양태의 측면에서, 상기 운반 가스 및 혼입된 III족 전구체는 110℃ 이상의 온도에서 반응 대역으로 전달되거나; 또는 상기 운반 가스는 수분을 5ppb 이하로 제거함으로써 정제되거나; 또는 상기 운반 가스는 분당 5 내지 15L의 유동 속도로 제공되거나; 또는 배쓰의 III족 전구체는 110℃ 내지 130℃의 온도로 가열되거나; 또는 III족 전구체는 삼염화갈륨을 포함한다.
본 발명의 구성 요소의 추가적인 측면 및 상세 사항 및 대안적인 조합은 첨부된 도면 및 하기 발명의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이며, 이들은 또는 본 발명의 범위 내이다.
바람직한 실시양태의 상세한 설명
본 발명은 이제까지 가능하지 않았던, III-V족 화합물 반도체 웨이퍼의 높은 성장 속도 및 대량 제조를 위한 장치 및 방법을 제공한다. 상기 장치는 유지를 위하여 생산을 중단할 필요 없이 수주 또는 수개월에 걸쳐서 지속적인 생산이 가능하게 한다. 상기 장치는 하나 이상의 웨이퍼 (또는 한 뱃치의 웨이퍼)를 1 내지 4시간 마다 제조할 수 있어서 많은 처리량의 생산이 가능하게 한다. 이렇게 제조된 III-V족 화합물 반도체 웨이퍼는 광학 및 전자 구성요소의 제작, 추가적인 에피택셜 증착용 기재, 및 다른 반도체 물질 용도로서 적합하다.
바람직한 실시양태에서, 상기 장치 및 방법은 특히 GaN 질화물 웨이퍼 제조에 관한 것이고, 이후의 기재에서 이러한 실시양태들을 더욱 중점으로 한다. 이러한 중점 사항은 기재를 간결하게 하기 위함일 뿐이고, 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 아니된다. 이러한 바람직한 실시 양태들은 다른 III족 질화물, 예컨대, 질화알루미늄, 질화인듐 및 혼합 알루미늄/갈륨/인듐 질화물의 웨이퍼 제조, 및 III족 인화물 및 아르세나이드 웨이퍼 제조를 위해 용이하게 개조될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 임의의 III-V족 화합물 반도체 웨이퍼 제조는 본 발명의 범위 내이다.
본 발명은 Si의 에피택셜 증착용으로 이미 상업적으로 이용가능한 장치를 변경시킴으로써 구체적인 실시양태를 실현할 수 있기 때문에 특히 비용면에서 효과적일 수 있다. 이로써, 실리콘 기술에서 잘 개발된 대량 제조에 관한 측면들을 유지할 수 있으면서, GaN 에피택시에 특히 중요한 요소들 및 특징들에 촛점이 맞추어질 수 있다. 또한, 본 발명의 장치는 상당한 사용률(duty cycle)을 가지므로, 대량 제조를 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 제한된 필요 중단 시간에서 실제로 증착되지 않고 따라서 반응 챔버 장치로부터 배출되는 Ga의 회수 및 재순환에 의하여 값비싼 Ga의 사용에 있어서 사실상 100%의 효율을 제공한다. 또한, 본 발명의 공정 및 기구들은 Ga 전구체의 경제적인 사용을 포함한다.
본 발명은 공지의 열중량이 낮은 서셉터(susceptor, 기재 홀더) 및 온도 조절된 반응기벽을 갖는 램프 가열의 사용을 포함한다. 램프 가열의 사용으로 열 에너지가 반응기 벽을 가열시키지 않고 주로 서셉터와 커플링될 수 있다. 램프 가열 시스템에는 램프에 매우 빠른 전력 변화를 허용하는 조절 시스템이 구비된다. 상기 램프 가열 시스템과 커플링된 낮은 열중량의 서셉터는 상하 모두로 매우 빠른 온도 변화를 허용한다. 온도 경사율(temperature ramp rate)은 2-10도/초의 범위이고 바람직하게는 4-7도/초 수준이다.
본 발명은 바람직하지 않은 가스상 반응을 최소화하고 벽에서의 증착을 방지하기 위하여 특정 온도로 조절된 반응기 벽을 포함한다. 벽에 증착되지 않음으로써 성장 속도, 스트레스 및 다른 적절한 성장 파라미터의 동위치 모니터링을 간단하게 사용할 수 있다.
본 발명은 III족 전구체를 위한 하나 이상의 외부 공급원을 포함한다. III족 전구체의 흐름은 전자 질량 흐름 조절기에 의하여 직접적으로 조절된다. 외부 III족 공급원의 크기에 실제적 제한은 없다. III족 공급원 용기는 50 내지 100 내지 300kg 범위일 수 있고, 수 개의 공급원 용기가 함께 모여서 중단 시간 없이 용기들 사이의 교체를 허용할 수 있다. GaN의 증착을 위한 Ga 전구체는 GaCl3이다. 이러한 Ga 공급원은, GaCl3가 충분히 낮은 점도 상태인 경우, 통상적인 물리적 수단, 예컨대, 액상 GaCl3로의 운반 가스 버블링이 GaCl3의 충분한 증발율을 제공할 수 있고, GaCl3가 110 내지 130℃의 바람직한 온도에서 이러한 충분히 낮은 점도 상태를 나타낸다는 발견 및 관찰에 기초한 것이다.
본 발명은 GaCl3를 낮은 점도 상태에서 일정한 온도 및 압력으로 유지하기 위한 장치 및 액상 GaCl3로 조절된 양의 가스를 유동시키고 GaCl3 증기를 반응기로 전달하기 위한 장치를 포함한다. 이러한 장치는 (시간당 200 내지 400g의 범위로) GaCl3의 높은 질량 흐름을 유지하여, 하나의 200mm 직경의 기재 또는 서셉터에 맞는 임의의 수의 보다 작은 웨이퍼 상에서 100 내지 400μm/시간의 GaN 증착 속도를 가져올 수 있다. GaCl3 용기로부터의 전달 시스템은 GaCl3의 응축을 방지하기 위하여 특정 온도 프로파일로 유지된다.
본 발명은 또한 증착 대역까지 III족 및 V족 가스를 분리한 상태로 유지하는입구 매니폴드 구조를 포함하고, 또한 증착 대역에서 높은 가스상 균질성을 달성함으로써, 반응 챔버 내로, 그리고 기재를 지지하는 서셉터를 가로질러서 공정 가스의 균일한 흐름을 달성하기 위한 방법을 제공한다. 공정 가스 흐름은 흐름 속도(따라서, 비-격동임) 및 화학적 조성(따라서, 균일한 III족/V족 비율) 모두가 실질적으로 균일하도록 고안된다. 바람직한 실시양태에서, 이것은 반응기 폭에 걸쳐서 가스의 균일한 분포를 제공하고 높은 균일성을 달성하기 위하여 III족 및 V족 가스를 위한 분리된 기본적 입구 포트를 제공함으로써 실현될 수 있다. 바람직한 실시양태에서 상기 매니폴드 및 포트 구조는 유체 역학 원리에 따라서 가스 흐름을 설계함으로써 고안되고 연마된다.
본 발명은 또한 전구체의 반응 효율을 향상시키기 위하여 III족 입구 및 V족 입구의 하나 또는 둘다에 에너지를 가하는 방법을 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 이것은 이합체 형태의 III족 전구체인 Ga2Cl6의 모노머 형태인 GaCl3로의 열분해 방법을 포함할 것이다. 또 다른 바람직한 실시양태에서, 이것은 예컨대, 열분해 또는 플라즈마에 의한 암모니아 전구체의 분해 방법을 포함할 것이다.
본 발명은 또한 완전 자동화 카셋트-대-카셋트 로딩, 별도의 냉각 단계, 로드 락, 비-접촉 웨이퍼 핸들러를 포함하고, 이들 모두가 완전히 컴퓨터 조절되고 전반적인 성장 프로그램과 인터페이스를 이루는, 자동화된 웨이퍼 핸들링 장치를 포함한다.
본 발명은 또한 반응기 입구 및 출구 플랜지의 온도 조절 및 배기 시스템 및 감압 및 고온에서 작동할 수 있도록 특별히 고안된 압력 조절 밸브를 포함한다. 상기 영역에서의 압력 조절은 조기 가스상 반응을 방지하고 다양한 반응 부산물뿐 아니라 GaN의 증착물도 최소화한다. 주요 반응 부산물은 NH4Cl이다. NH4Cl의 응축을 방지하기 위하여, 반응기의 전체 배기 하부스트림의 온도가 조절된다.
본 발명은 또한 밸브 물질 및 반응기의 측면 벽 상의 증착물을 감소시키고 가스 재순환을 감소시키며 반응기에서의 가스의 체류 시간을 감소시키기 위한 가스-퍼징된 게이트 밸브를 포함한다.
본 발명의 추가적인 측면들 및 상세 사항들은 하나의 성장이 진행되는 동안 하나 이상의 웨이퍼를 고정할 수 있는 서셉터 및 두꺼운 성장이 진행되는 동안 서셉터에 기재가 부착되는 것을 방지하도록 고안된 서셉터의 사용을 포함한다.
본 발명은 특정 금속 할로겐화물 화합물이 일정 독특한 화학적 특성을 갖고, 이러한 특성을 고려하여 고안된 장비와 커플링되는 경우, 그러한 조합이 III-V족 화합물 반도체, 특히, 질화갈륨의 두꺼운 층을 이제까지 달성되지 못했던 대량 제조의 특징적인 방식인 많은 처리량, 긴 가동시간 및 저렴한 비용으로 증착시키기 위하여 사용될 수 있다는 발견에 기초한 것이다.
본 발명에서, "대량 제조(또는 HVM)"는 많은 처리량, 높은 전구체 효율 및 높은 장치 이용율을 특징으로 한다. 처리량은 가공될 수 있는 시간당 웨이퍼의 수를 의미한다. 전구체 효율은 시스템으로 투입된 물질의 큰 분획이 생성물로 가고 낭비되지 않음을 의미한다. 물질, 공정 및 구조와 관련된 다수의 변수가 있음에도, HVM 증착 속도는 48 시간 이상의 시간 동안 시간당 대략 50g III족 원소(예: 갈륨) 내지 100 시간 이상의 시간 동안 시간당 100g III족 원소, 내지 1주 이상의 시간 동안 시간당 200g의 III족 원소, 내지 1달 이상의 시간 동안 시간당 300 내지 400g의 III족 원소의 범위이다. 일반적인 공급원 용량은 한 용기에서 5kg 내지 60kg이고, 증가된 HVM에서는, 다수개의 용기가 일련으로 작동될 수 있다. 이것은 실리콘 제조에서 얻어지는 것과 유사한 III-V족 물질 처리량을 제공할 수 있다.
장치 이용률은 주어진 시간, 예컨대 24시간과 비교하여 기재가 반응기에 있는 시간의 비율을 의미한다. HVM에서, 셋-업, 교정, 세정 또는 유지와 대립되는 것으로서의 제품 생산에 대부분의 시간이 소비된다. 이들 측정을 위한 양적 범위는 잘 발달된 실리콘 반도체 공정 기술에서 이용가능하다. III-V족 물질의 HVM을 위한 장치 이용률은 약 75 내지 85%의 수준이고, 이는 실리콘 에피택셜 증착 장치의 그것과 유사하다.
반응기 이용률은 반응기에서 기재상에 물질의 성장이 이루어지는 시간이다. 종래의 HVPE 반응기에서, 이러한 수치는 40 내지 45% 수준이었지만, 본원에 기재된 것과 같은 HVM 반응기에서는 이러한 수치는 65 내지 70% 수준이다.
성장 이용율은 기재가 반응기 내에 제공된 후 반응기에서 성장이 이루어지는 시간을 의미하는, 반응기 내의 "오버헤드 타임"이다. 종래의 HVPE 반응기에서, 이러한 수치는 65 내지 70% 수준이지만, 본원에 기재된 것과 같은 HVM 반응기에서, 이러한 수치는 95 내지 거의 100% 수준, 즉, 실리콘 제조 공정의 그것에 가깝다.
본 발명은 대량 제조를 방해하는 현재의 HVPE 기술의 주요 한계점을 다룬다. 이것은 현재 HVPE의 동위치(in situ) 공급원 생성을 외부 공급원으로 대체하고, 현재 HVPE의 높은 열중량의 뜨거운 벽 반응기를 온도 조절된 벽을 갖는 낮은 열중량의 반응기로 대체함으로써 이루어진다. 외부 공급원의 사용은 전구체를 충전하기 위하여 생산을 중단할 필요성을 제거함으로써 장치 이용률을 크게 증가시킨다. 또한, 전구체의 질량 유입이 전자 질량 흐름 조절기에 의하여 직접적으로 조절됨으로써 성장 공정의 향상된 조절을 가져오고 수율을 향상시킨다. 온도 조절된 벽을 갖는 낮은 열중량 반응기는 성장 및 유지 모두가 이루어지는 동안, 가열 및 냉각에 요구되는 시간을 크게 감소시킨다. 기재를 급속 가열 및 냉각시키는 능력은 또한 현재 HVPE 뜨거운 벽 시스템에서는 실제적으로 가능하지 않은, 다중-온도 공정을 사용할 수 있게 한다. 벽의 온도를 조절할 수 있는 능력은 가스상 반응을 감소시키고 벽의 증착물을 거의 완벽하게 제거한다. 벽의 증착물 제거는 세정 사이의 시간을 크게 증가시켜서 높은 반응기 이용률로 이어진다.
본 발명은 일정한 금속 할로겐화물 화합물이 III-V족 화합물 반도체의 HVPE 증착용 외부 공급원으로서 사용될 수 있고, 본 발명에 상세히 기재된 특정 전달 장치와 결합시, 넓은 영역에서 높은 증착 속도를 달성하고 유지하기에 충분히 높은 질량 유입을 제공할 수 있다는 사실에 기초한 것이다. 특히, 용융시 GaCl3는 통상적인 물리적 수단, 예컨대, 액체 GaCl3 내로 운반 가스의 버블링을 허용하기에 충분히 낮은 점도 상태이고, GaCl3의 충분한 증발속도를 제공할 수 있으며, GaCl3는 약 130℃의 온도에서 이러한 충분히 낮은 점도 상태를 나타낸다. 나아가, 본 발명은 약 400℃ 이하의 온도에서 액체 상태 및 고체 상태의 GaCl3가 실제로 이합체라는 사실에 기초한다. 이합체의 화학식은 (GaCl3)2 또는 Ga2Cl6로 쓰여질 수 있다.
Ga2Cl6에 더하여, 관련 염화갈륨(chlorogallanes)을 또한 Ga 전구체로 사용할 수 있다. 이들 화합물은 Ga2Cl6과 유사하지만 하나 이상의 Cl 원자를 H로 대체한 것이다. 예컨대, 모노-염화갈륨은 2개의 브릿지 Cl 원자가 H 원자로 대체된 것이다. 이하에 나타낸 바와 같이, 말단 Ga-결합된 원자들도 H로 대체될 수 있다(이 화합물에는 시스 및 트랜스체가 있음). 문헌[B.J.Duke et.al., Inorg. Chem. 30(1991), 4225]에 따르면, 이합체의 안정성은 말단 Ga-X 결합의 염소화가 증가할수록 Cl 치환기당 1-2kcal/mol씩 감소하고, 브릿지 H 원자를 위한 각각의 Cl 치환으로 6-8kcal/mol씩 증가한다. 따라서, 치환된 Cl 원자의 수가 감소될수록, 주어진 온도에서 모노머의 분획이 감소할 것이다.
Figure 112008087564259-PCT00001
In- 및 Al- 함유 화합물의 성장이, 이들 공급원이 액체 상태로 쉽게 유지되지 않는다는 한계점이 있지만, 실질적으로 유사한 장치를 사용하여 달성될 수 있다. InCl3는 583℃에서 용융한다. GaCl3에 대해 기술된 본 발명이 583℃보다 높은 온도에서 작동하도록 변경될 수 있지만, 이것은 실제적으로 상당히 어렵다. 대안적 접근법은 용융점 이하이지만 증기압이 허용가능한 증착 속도를 달성하기에 충분한 온도로 InCl3를 가열하는 것이다.
AlCl3는 178℃에서 승화하고 190℃ 및 2.5 기압에서 용융한다. GaCl3에 대해 기술된 본 발명이 대기압보다 높은 압력 및 AlCl3의 용융점보다 높은 온도에서 작동하도록 변경될 수 있다. 추가적으로, 앞서 InCl3에 대해 기술된 대안적인 접근법인 용융점 이하의 온도에서 충분히 높은 증기압을 달성하도록 가열하는 것도 적용될 수 있을 것이다. AlCl3도 저온에서 액체 상태 및 가스 상태에서 모두 이합체((AlCl3)2)를 형성한다.
본 발명의 또 하나의 주요 구성요소는 낮은 열중량의 반응기이다. 온도 조절된 벽을 갖는 낮은 열중량의 반응기는 성장 및 유지가 이루어지는 동안 모두 가열 및 냉각에 요구되는 시간을 크게 감소시킨다. 기재를 급속하게 가열 및 냉각시키는 능력은 또한 현재의 HVPE 뜨거운 벽 시스템에서는 실제로 가능하지 않은, 다중-온도 공정의 사용을 가능하게 한다. 벽 온도를 조절하는 능력은 가스상 반응을 감소시키고 벽의 증착물을 거의 완벽하게 제거한다. 벽의 증착물의 제거는 세정 사이의 시간을 크게 증가시킴으로써 높은 반응기 이용률로 이어진다.
낮은 열중량은 전통적으로 "차가운 벽 시스템"이라고 부르는 것을 사용하여 달성하지만, 본 발명에서 벽의 온도는 특정 온도로 조절된다. 현재의 뜨거운 벽 시스템은 가열로에서 둘러싸임으로써 가열된다. 새로운 시스템에서, 단지 기재 홀더 및 기재만이 가열된다. 램프 가열, 유도 가열 또는 저항 가열을 비롯하여, 이를 달성하기 위한 많은 방법이 있다. 하나의 실시양태에서, 시스템은 석영으로 구축된 반응 챔버 및 흑연으로 구축된 기재 가열기로 이루어진다. 흑연은 석영 반응기의 바깥쪽에 있는 램프에 의해 가열된다. 석영 반응기 벽은 다양한 방법을 사용하여 조절될 수 있다. 대부분의 경우, 벽의 온도 조절 시스템은, 벽의 영역의 냉각 또는 가열 입력 정보를 조절하여 미리 설정된 값으로 온도를 유지하기 위한 피드백 시스템과 조합된, 다양한 위치에서 벽의 온도를 측정하기 위한 하나 이상의 방법으로 이루어진다. 또 하나의 실시양태에서, 냉각을 위하여 반응기 벽의 외면 상에 공기가 불게 하는 팬(fan)에 의하여 벽의 온도가 조절된다. 벽의 온도는 항상 일정하도록 제한되지 않는다; 온도 조절기는 성장 또는 유지 중 어느 하나 동안 향상된 성능을 달성하기 위하여 온도를 변화시키도록 프로그래밍될 수 있다.
하기 기재의 촛점은 기본적으로 질화갈륨(GaN) 웨이퍼 생산을 위한 바람직한 실시양태에 맞춰져 있지만, 기술된 장치 및 방법이 임의의 III-V족 화합물 반도체 웨이퍼를 생산하기 위하여 관련 분야의 통상의 기술자에 의하여 용이하게 개조될 수 있고 이들이 본 발명의 범위 내라는 점이 주지될 것이다. 따라서, 이러한 장치는 본 발명의 범위 내이다. 본원 전반에 걸쳐 사용된 표제는 단지 명쾌함을 위한 것이고 어떠한 제한을 의도하는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 구축 및 작동이 경제적인 GaN 웨이퍼의 대량 제조를 위한 장치를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시양태는 실리콘(Si) 에피택시를 위하여 고안되었고 상업적으로 이용가능한 기존의 VPE 장치를 개조/변경함으로써 경제적으로 실현/구축될 수 있다. 본 발명을 실시하기 위하여, GaN 증착 장치를 위한 모든 구성요소를 고안하고 구축하는 값비싸고 시간이 많이 드는 공정을 처음부터 모두 실행하는 것이 필수적인 것은 아니다. 그 대신, 본 발명에 따른 지속적인, 많은 처리량의 GaN 증착 장치는 기존의 Si 가공 생산으로 입증된 장치에 목적에 맞게 제한된 변경을 가함으로써 보다 빠르고 경제적으로 실현/구축될 수 있다. 그러나, 이러한 변경된 기존 장치와 함께, 본 발명은 또한 신생 구축(de novo construction)을 포함한다.
따라서, 하기 기재는 우선 GaN 생산을 위하여 기존 Si 장치에 편입되기에 일반적으로 바람직한 특징들에 관한 것이다. Si 가공으로부터 보유될 수 있는 특징들은 관련 분야에 잘 알려져 있으므로 상세하게 기재하지 않는다. 상이한 실시양태에서, 기재되는 특징들중 상이한 것들이 구현될 수 있다; 본 발명은 이들 모든 특징들이 구현된 실시양태에 제한되지 않는다. 그러나, 보다 높은 수준의 지속적인, 많은 처리량의 생산을 위하여, 이들 특징 대부분이 유리하고, 이들은 카셋트-대-카셋트 로딩, 로드 락, 및 빠른 로딩 및 언로딩을 허용하고 다른 하나가 냉각되는 동안 하나의 웨이퍼가 가공될 수 있도록 하는, 별도의 냉각 단계를 갖는 완전 자동화된 웨이퍼 핸들링을 포함한다. 로드 락은 바람직하지 않은 반응기의 대기 노출을 제거하여 산소 및 수증기의 도입을 최소화하고 가동 전 퍼지/베이크 시간(purge/bake time)을 크게 감소시킨다. 더욱이, 자동화된 핸들링은 웨이퍼의 수동 핸들링으로 인한 수율 손실 및 웨이퍼 파손을 감소시킨다. 일부 경우에 베르누이 장대(Bernouilli wand)가 웨이퍼를 핸들링하는데 사용되는데, 이는 900℃ 정도의 높은 온도에서 뜨거운 상태의 로딩 및 언로딩을 수행할 수 있게 하고 긴 냉각 시간을 단축시킨다.
본 발명의 바람직한 특징들에 대한 일반적인 실시양태는 일반적 VPE 시스템의 맥락에서 우선 기재된다. 이러한 일반적인 실시양태가 어떻게 상업적으로 이용가능한 특정 Si 에피택시 장치에 통상적으로 적용될 수 있는지 명백해질 것이다. 그 다음, 하기 기재는 ASM 아메리카사(피닉스, AZ)로부터 구입할 수 있는 단일 웨이퍼 에피택셜 반응기인 EPSILON® 시리즈중 하나에 기초한, 본 발명 및 이의 바람직한 특징들의 특정 바람직한 실시양태에 관한 것이다. 그러나, 본 발명이 이러한 특정 바람직한 실시양태로 제한되지 않는다는 점은 분명하다. 또 하나의 예로서, 본 발명은 AMAT(산타 클라라, CA)사의 CENTURA® 시리즈에 용이하게 적용될 수 있다.
(GaN 웨이퍼 제조를 위한) 본 발명의 장치 및 방법의 바람직한 실시양태는 도 1을 참조하여 대체적으로 기재된다. 이어서 특정 바람직한 실시양태를 도 2 내지 5를 참조하여 보다 상세하게 기재한다. 대체로, 본 발명의 장치는 기재 상에 에피택셜 GaN 층의 대량 제조 및 구축 및 작동의 경제성 모두를 위하여 고안되고 크기가 결정된다.
본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 태양에 대한 하기 상세한 설명, 본 발명의 구체적인 실시 태양의 예시적인 실시예들 및 첨부 도면을 참조하여 보다 충분하게 이해할 수 있으며,
도 1은 본 발명의 시스템을 도식적으로 도시하고;
도 2A 내지 C는 바람직한 GaCl3 공급원들을 나타내며;
도 3A 내지 C는 바람직한 반응 챔버를 도시하고;
도 4는 바람직한 전달/반응 챔버 조합을 도식적으로 보여주고;
도 5는 바람직한 입구 매니폴드 구조를 도식적으로 보여주며; 그리고,
도 6은 대안적인 반응 가스 입구 배치를 도식적으로 보여준다.
동일한 참조 번호가 상이한 도면에 나타난 동일한 구조물을 지칭하기 위하여 사용된다.
본 발명의 일반적인 실시양태
편의상, 제한없이, 본 발명은 3개의 기본적 하부 시스템의 측면에서 도 1을 참조하여 대체적으로 기재된다:공정 가스(또는 액체)를 제공하기 위한 하부 시스템 1, 반응 챔버를 포함하는 하부 시스템 3, 및 폐기물 경감을 위한 하부 시스템 5
상기한 바와 같이, HVM은 본원에 기재된 일반적 특징들을 비롯한 시스템의 다양한 물리적 특징들의 조합의 상징이다.
1. GaCl 3 의 외부 공급원
제 1 하부 시스템인 공정 가스 하부 시스템의 구조, 특히 갈륨 화합물 증기 공급원은 본 발명의 중요한 특징이다. 공지된 GaN VPE 공정을 이제 간략히 기재한다. GaN VPE 에피택시는 질소(N) 및 갈륨(Ga) (그리고, 혼합 질화물을 형성하기 위하여 선택적으로 하나 이상의 다른 III족 금속 함유 가스, 및 선택적으로 특정 전기전도성을 제공하기 위한 하나 이상의 도판트)을 함유하는 전구체 가스로부터 가열된 기재 표면 상에 직접적으로 GaN을 합성하는 단계를 포함한다. Ga 함유 가스는 대개 일염화갈륨(GaCl) 또는 삼염화갈륨(GaCl3), 또는 갈륨-유기 화합물, 예컨대, 트리에틸갈륨(TEG) 또는 트리메틸갈륨(TMG)이다. 첫번째 경우, 공정은 HVPE(Halide Vapor Pressure Epitaxy)로 지칭하고, 두번째 경우, 공정은 MOVPE(Metal Organic Vapor Pressure Epitaxy)로 지칭한다.
GaCl의 화학적 특성(단지 고온에서의 안정성)으로 인하여, GaCl 증기는 예컨대, 액체 Ga를 포함한 보트(boat)에 HCl을 통과시킴으로써, 반응 용기중 동위치에서 합성하여야 한다. 반면에, GaCl3는 (수분이 없는) 대기 조건에서 안정한 고체이고, 개당 약 100g 정도인 밀봉된 석영 앰플로 일반적으로 공급된다. TMG 및 TEG는 휘발성 액체이다. N-함유 가스는 대개 암모니아(NH3)이며, 반도체 품질의 NH3는 표준적인 실린더에서 이용가능하다.
대안으로, 예컨대, N 이온 또는 라디칼을 함유하는 플라즈마-활성화된 N2가 N-함유 가스로서 사용될 수 있다. 분자상 N2는 높은 공정 온도에서조차 GaCl3 또는 GaCl과 실질적으로 비반응성이다. 질소 라디칼은 관련 분야에 공지된 방법, 일반적으로, 질소 분자를 분열시키기 위한 에너지를 공급함으로써, 예컨대, 질소관에 RF 공급원을 가하여 전자기적으로 유도된 플라즈마를 발생시킴으로써 제조할 수 있 다. 이러한 방식으로 작동시, 반응기 압력이 대개 감소한다.
공지의 VPE 공정들 중에서, MOCVD 및 GaCl HVPE는 III족 질화물층의 지속적인 대량 제조를 위해 보다 바람직하지 않은 것으로 나타났다. 우선, MOCVD는 달성가능한 증착 속도가 HVPE 공정에 의하여 달성가능한 증착 속도의 5% 미만이기 때문에, 10μm보다 큰 필름의 성장에는 덜 바람직하다. 예컨대, HVPE 증착속도는 100-1000μm/시간 또는 그 이상의 범위일 수 있지만, MOCVD 속도는 일반적으로 10μm/시간 미만이다. 두번째, GaCl HVPE는 HCl과의 반응에 의하여 GaCl을 형성하기 위하여 액체 Ga 공급물이 반응 챔버에 존재하여야 하기 때문에 덜 바람직하다. HCl과의 반응성을 유지하고 대량 제조에 충분한 형태로 이러한 액체 Ga 공급물을 유지하는 것은 어려운 것으로 밝혀졌다.
그러므로, 본 발명의 장치는 기본적으로 대량 제조를 위한 GaCl3 HVPE에 관한 것이다. 선택적으로, 본 발명은 또한 예컨대, 완충층 등의 증착을 위한 MOCVD를 제공할 수 있다. 그러나, 대량 제조를 위한 GaCl3 HVPE의 사용은 충분한 시간 동안 (반응 챔버에서 웨이퍼의 로딩/언로딩을 제외하고) 중단 없이 유지될 수 있는, 충분한 유동 속도를 달성하는 GaCl3 증기 공급원을 필요로 한다. 바람직하게는, 지속적인 평균 증착 속도는 시간당 GaN 100 내지 1000μm 범위로서, 심지어 두꺼운 GaN 층을 위해서조차도 대략 하나의 웨이퍼(또는 다수 웨이퍼의 한 배치)가 1 내지 2 시간 이하의 증착 시간을 필요로 한다. 이러한 바람직한 증착 속도를 달성하기 위하여, 상기 공급원이 대략 250 또는 300g/시간으로 GaCl3 증기의 질량 흐름 을 제공하여야 한다. (200mm 원형, 300μm 두께의 GaN층은 대략 56g의 Ga를 포함하고, GaCl3는 약 40중량%가 Ga이다.) 또한, 이러한 유동 속도는 바람직하게는 충분한 지속 시간 동안 유지될 수 있어서, 공급원의 재충전/공급에 요구되는 생산 중단이 기껏해야 주당 1회, 또는 보다 바람직하게는 적어도 2 내지 4주당 1회로 제한된다. 따라서, 50개의 웨이퍼 (또는 다수 웨이퍼의 뱃치들) 이상 동안, 바람직하게는, 100, 또는 150, 또는 200, 또는 250 내지 300개의 웨이퍼 또는 뱃치 이상 동안 유동 속도가 유지될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 공급원은 종래 기술에는 알려져 있지 않다.
본 발명의 장치는 바람직한 유동 속도 및 지속 시간을 달성하기 위하여 문제점들을 극복한 GaCl3 공급원을 제공한다. 과거에는 GaCl3의 특정 물리적 특성으로 인하여 바람직한 유동 속도를 달성하는 것이 방해받았다. 우선, 대기 조건에서, GaCl3는 고체이고, 증기는 승화에 의해서만 형성될 수 있다. 그러나, GaCl3 승화 속도는 바람직한 질량 흐름 속도로 증기를 제공하기에 부적절한 것으로 측정되었다. 두번째, GaCl3는 약 78℃에서 용융한 다음, 증기가 액체 표면으로부터 증발에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 증발 속도도 바람직한 질량 흐름 속도를 제공하기에 부적절한 것으로 측정되었다. 또한, GaCl3 액체가 비교적 점성으로 알려져 있어서, 증발 속도를 증가시키기 위한 일반적인 물리적 수단, 예컨대, 교반, 버블링 등이 충분하게 증발 속도를 증가시키지 못한다.
필요한 것은 충분하게 낮은 점성을 갖는 액체 GaCl3의 형태이며, 약 120℃에서 시작하여 특히 약 130℃ 또는 그 이상에서, GaCl3가 예컨대, 물과 유사한 점성을 갖는, 이러한 낮은 점성 상태를 나타낸다는 것이 관찰되고 발견되었다. 또한, 이러한 낮은 점성 상태에서, 통상적인 물리적 수단이 바람직한 질량 흐름 속도를 제공하기에 충분하게 GaCl3 증발 속도를 효과적으로 증가시킬 수 있다는 점이 관찰되고 발견되었다.
따라서, 본 발명의 GaCl3 공급원은 약 130℃로 조절된 온도(T1)를 갖는 액체 GaCl3의 저장소를 유지하고 증발 속도를 향상시키기 위한 물리적 수단을 제공한다. 이러한 물리적 수단은 액체의 교반, 액체의 분무, 액체 상으로의 운반 가스의 급속한 유동, 액체를 통과하는 운반 가스의 버블링, 액체의 초음파 분산 등을 포함할 수 있다. 특히, 관련 분야에 공지된 설비에 의하여, 낮은 점성 상태의 액체 GaCl3, 예컨대, 약 130℃에서의 GaCl3를 통과하여 불활성 운반 가스, 예컨대, He, N2, 또는 H2 또는 Ar을 버블링시키면, 바람직한 질량 흐름 속도의 GaCl3를 제공할 수 있음이 발견되었다. 바람직한 형상의 GaCl3 공급원은 저장소 바깥쪽의 가열 요소를 사용하여 보다 양호한 온도 조절을 달성하기 위하여 체적에 비례하여 증가된 총 표면적을 갖는다. 예컨대, 예시되는 GaCl3 공급원은 직경보다 상당히 큰 높이를 갖는 실린더형이다. GaCl3에서, 이것은 48시간 이상 동안 시간당 대략 120g, 내지 100시간 이 상 동안 시간당 250g, 내지 1주 이상 동안 시간당 500g, 내지 1달 이상 동안 시간당 750 내지 1000g일 것이다.
더욱이, 바람직한 유동 속도 및 지속 시간을 제공할 수 있는 GaCl3 공급원은 개별적인 100g 앰플로 제공되는 GaCl3에 의존할 수 없다. 이러한 양은 단지 15 내지 45분간의 중단 없는 증착에 충분할 것이다. 그러므로, 본 발명에 따른 GaCl3 공급원의 추가적 측면은 대용량 GaCl3이다. 본 발명의 높은 처리량 목표를 달성하기 위하여, GaCl3 공급원을 재충전하는데 소비되는 시간은 제한되는 것이 바람직하다. 그러나, GaCl3가 대기중 수분과 쉽게 반응하는 경향에 의하여 재충전은 더욱 복잡해진다. GaCl3 충전, 공급원 및 GaCl3 공급관은 웨이퍼 생산에 앞서 수분 부재 상태이어야 한다. 다양한 실시양태의 처리량 목표에 따라서, 본 발명은 약 25kg 이상, 또는 약 35 kg 이상, 또는 약 50 내지 70kg 이상(상한은 반응 챔버와 근접하여 공급원을 배치하는 잇점을 고려한, 크기 및 중량의 요건에 의하여 결정됨)의 GaCl3를 보유할 수 있는 공급원을 포함한다. 바람직한 실시 양태에서, GaCl3 공급원은 약 50 내지 100kg의 GaCl3, 바람직하게는 약 60 내지 70kg의 GaCl3를 보유할 수 있다. 구축 및 사용의 세부 계획(logistics) 이외에, GaCl3 공급원의 용량에 현실적 상한이 없다는 점이 인식될 것이다. 또한, GaCl3 다중 공급원을 매니폴드를 통하여 셋 업하여, 반응기 중단 시간 없이 하나의 공급원에서 또 하나의 공급원으로 교체할 수 있다. 그 후, 빈 공급원은 반응기가 작동하는 동안 제거되고 새로운 가득찬 공급원으로 교체될 수 있다.
본 발명의 GaCl3 공급원의 추가적 측면은 공급원과 반응 챔버 사이의 공급관의 주의깊은 온도 조절이다. GaCl3 공급관 및 관련 질량 흐름 센서, 조절기 등의온도는, 공급관 등에서 GaCl3 증기의 응축을 방지하기 위하여, 공급원으로부터의 출구 T2로부터 반응 챔버 입구(33) T3까지 점차적으로 증가되는 것이 바람직하다. 그러나, 반응 챔버 입구에서의 온도는, 예컨대, 석영 반응 챔버를 밀봉시키거나, 가스켓(gasket), O-링 등을 위하여 공급관 및 챔버 입구에서 사용되는 밀봉 물질 (및 다른 물질)을 손상시킬 수 있을 정도로 높아서는 안된다. 현재, Cl 노출에 내성이고 반도체 산업에서 통상적인 상업적 용도로 이용가능한 밀봉 물질은 약 160℃보다 높은 온도를 견디지 못한다. 그러므로, 본 발명은 GaCl3 공급관의 온도를 감지한 다음 필요에 따라서 공급관을 가열 또는 냉각(일반적으로, 공급관 온도의 "조절")하여, 바람직하게는 약 130℃인 공급원으로부터, 바람직하게는 약 145 내지 155℃ (또는 O-링 또는 다른 밀봉 물질의 고온 내성 온도보다 안전하게 그 이하인 다른 온도)인 반응 챔버 입구의 최대 온도까지, 공급관 온도가 공급관을 따라서 증가하도록(또는 적어도 감소하지 않도록) 하는 것을 포함한다. 필요한 온도 조절을 보다 잘 실현하기 위하여, 공급원 기구 및 반응 챔버 입구 사이의 공급관의 길이는 짧아야 하고, 약 1피트, 또는 2 피트, 또는 3피트 미만인 것이 바람직하다. GaCl3 공급원 압력은 압력 조절 시스템(17)에 의하여 조절된다.
본 발명에 따른 GaCl3 공급원의 추가적인 측면은 챔버 내로의 GaCl3 유입의 정확한 조절이다. 버블러 실시양태에서, 공급원으로부터 GaCl3 유입은 GaCl3 온도, GaCl3 압력, 및 GaCl3를 통과하여 버블링되는 가스의 흐름에 의존한다. GaCl3의 질량 흐름이 원칙적으로 이들 파라미터 중 임의의 것에 의하여 조절될 수 있지만, 바람직한 실시양태는 조절기(21)에 의하여 운반 가스 흐름을 변화시킴으로써 질량 흐름을 조절하는 것이다. 피조코어(Piezocor) 등과 같은 통상적으로 사용가능한 가스 조성 센서(71)가 반응 챔버로의 실제 GaCl3 질량 유입, 예컨대, 초당 그램수를 추가적으로 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, GaCl3 공급원 압력은 버블러의 출구에 위치한 압력 조절 시스템(17)에 의하여 조절될 수 있다. 압력 조절 시스템, 예컨대, 배압 조정기(back pressure regulator)는 공급원 용기 내 초과 압력의 조절을 가능하게 한다. 버블러의 조절된 온도 및 운반 가스의 유동 속도와 결합하여, 용기 압력의 조절은 전구체 유동 속도 측정의 향상을 촉진시킨다. 선택적으로, 용기는 또한 절연 외부 부분을 포함한다.
GaCl3 공급원, GaCl3 공급관, 및 GaCl3와 접촉하는 입구 매니폴드 구조물에서 사용되는 물질은 내염소성인 것이 바람직하다. 금속 구성요소를 위하여, 하스텔로이와 같은 니켈계 합금, 또는 탄탈 또는 탄탈계 합금이 바람직하다. 금속 구성요 소를 위한 추가적인 내식성은 내식성 보호 코팅을 통해서 제공될 수 있다. 이러한 코팅은 탄화규소, 질화붕소, 탄화붕소, 질화알루미늄을 포함할 수 있고, 바람직한 실시양태에서, 금속 구성요소는 산화성 환경에 대한 내식성을 증가시킨다고 확인된, 용융 실리카층 또는 본딩된 무정형 규소층, 예컨대, Siltek® 및 Silcosteel®(레스텍 코포레이션으로부터 상업적으로 이용가능)로 코팅될 수 있다. 비금속 구성요소를 위하여, 내염소성 중합체 물질 (탄소 또는 실리콘 중합체)이 바람직하다.
바람직한 실시양태에서, 본 발명의 장치는 또한 MOCVD 공정을 수행할 수 있도록 III족 금속 유기 화합물을 위한 공급원을 제공할 수 있다. 예를 들면, MOCVD는 예컨대, 얇은 GaN 또는 AlN 완충층, 얇은 중간층, 혼합 금속 질화물층 등을 증착시키는데 사용될 수 있다. 추가적인 공정 가스가 관련 분야에 공지된 것과 같이 통상적으로 공급될 수 있다.
V족 전구체는 하나 이상의 V족 원자를 포함하는 가스이다. 이러한 가스의 예는 NH3, AsH3 및 PH3를 포함한다. GaN의 성장을 위하여, NH3가 일반적인 성장 온도에서 N이 충분하게 혼입될수 있기 때문에 일반적으로 사용된다. 암모니아 및 다른 N 전구체는 외부 공급원이다. 예컨대, 반도체 등급의 NH3는 다양한 크기의 실린더(19)에서 용이하게 사용가능하고, 운반 가스(72)도 다양한 크기의 용기에서 극저온 액체 또는 가스로서 사용가능하다. 이들 가스의 유입은 질량 흐름 조절기(21) 등에 의하여 통상적으로 조절될 수 있다. 대안의 실시양태에서, 본 발명의 장치는 또한 다른 III족 염화물의 공급원을 제공할 수 있다.
2. 반응기 구조
다음으로, 경제성 증가를 달성하기 위하여, 반응기 하부 시스템은 상업적으로 이용가능한 반응기 시스템의 개조물인 것이 바람직하다. 본 발명에서 개조 및 사용을 위하여 바람직한, 이용가능한 반응기는 있는 그대로 다음에 기재하는 특징들의 대부분 또는 모두를 포함한다. 이들 특징들은 본원에 개시된 변형 및 개선을 갖는 GaN층의 HVM을 위하여 유용함이 확인되었다. 하기 기재는 주로 기존 장치를 개조하는 실시양태에 관한 것이지만, 기재되는 특징들을 포함하도록 목적을 갖고 반응기 및 반응기 시스템이 제작될 수 있다. 본 발명은 기존 장치의 재고안 및 변형과 새로운 장치의 고안 및 제작을 모두 포함한다. 본 발명은 또한 수득되는 장치를 포함한다.
대체로, 바람직한 반응 챔버는 수평적 공정 가스 흐름을 갖고, 수직 방향 치수가 보다 작고 수평 방향 치수가 보다 큰, 대략 박스형 또는 반구형 형상으로 성형된다. 수평적 반응 챔버의 일정 특징은 비생산적 반응기 시간을 제한하고 고품질 GaN 웨이퍼의 HVM을 달성하는데 중요하다.
3. 낮은 열중량 서셉터 및 램프 가열
우선, 새로운 웨이퍼를 도입한후 온도를 급상승(ramping-up)시키는데 소요되는 시간 및 증착을 실행한후 온도를 급하강(ramping-down)시키는데 소요되는 시간은 비생산적이고 제한되거나 최소화되어야 한다. 그러므로, 바람직한 반응기 및 가열 장치는 또한 보다 낮은 열중량(즉, 빨리 열을 흡수할 수 있는 능력)을 갖고, 열중량이 낮을수록 보다 바람직하다. 이러한 바람직한 반응기는 적외선(IR) 가열 램프로 가열되고, IR 투과성 벽을 갖는데, 도 1에서는 석영으로 이루어지고 하부 종방향 IR 램프(27) 및 상부 횡방향 IR 램프(29)에 의해 가열되는 반응기(25)를 도시한다. 석영은 충분하게 IR 투과성이고, 충분하게 Cl 내성이며, 충분하게 내화성이기 때문에, 바람직한 챔버 벽 물질이다.
4. 챔버 벽 및 플랜지에서의 폐쇄 루프 온도 조절
반응 챔버 내부를 세정하는데 소요되는 시간도 생산적이지 않고 제한되거나 최소화되어야 한다. GaN 증착 공정시, 전구체, 생성물, 또는 부산물이 내부 벽에 증착 또는 응축될 수 있다. 이러한 증착 또는 응축은, 대체로 전구체 및 부산물의 응축을 방지하기에는 충분히 높지만 벽 상에 GaN의 형성 및 증착을 방지하기에 충분히 낮은 중간 온도까지 챔버 벽을 냉각시켜서 챔버 벽의 온도를 조절함으로써 상당히 제한하거나 경감시킬 수 있다. GaCl3 HVPE 공정에 사용되는 전구체는 약 70 내지 80℃ 이하에서 응축되고; 주요 부산물인 NH4Cl은 단지 약 140℃ 이하에서 응축되며; GaN은 약 500℃를 초과하는 온도에서 형성 및 증착되기 시작한다. 챔버 벽은 전구체 및 부산물 응축을 상당히 제한하기에 충분히 높은 것으로 밝혀진 200℃, 및 챔버 벽 상에 GaN 증착을 상당히 제한하기에 충분히 낮다고 밝혀진 500℃ 사이인 온도(T5)로 조절되는 것이 바람직하다. 챔버 벽의 바람직한 온도 범위는 250 내지 350℃이다.
바람직한 범위로의 온도 조절은 대체로 챔버 벽의 냉각을 요구한다. 챔버 벽은 IR 투과성이기는 하지만, 고온 서셉터로부터 전달되는 열에 의하여 어느 정도 가열된다. 도 1은 반응 챔버(25)가 완전한 또는 부분적인 측판(shroud, 37) 내부에 수용되고, 냉각 공기가 측판을 통과하여 반응 챔버의 위 및 외부 주위로 향하는, 바람직한 냉각 설비를 도시한다. 벽 온도는 IR 온도 측정법(IR pyrometry)에 의하여 측정할 수 있고, 냉각 공기 흐름을 이에 따라서 조절할 수 있다. 예컨대, 다중-속도 또는 가변 속도 팬(또는 팬들)을 제공하고 챔버 벽 온도에 민감한 센서에 의하여 조절할 수 있다.
5. 로드 락, 카셋트 대 카셋트
웨이퍼 로딩 및 언로딩 시간도 생산적이지 않다. 이러한 시간은 통상적으로 도면 부호 39로 도식적으로 도시된 자동화 장치에 의하여 제한될 수 있다. 관련 분야에 공지된 바와 같이, 이러한 장치는 웨이퍼를 저장하고, 반응 챔버로 로딩하고, 반응 챔버로부터 언로딩할 수 있으며, 대체로 예컨대, 외부 홀더 및 반응 챔버 내의 서셉터 사이에서, 예컨대, 운반 장대를 사용하여 웨이퍼를 운반하는 로봇 팔 등을 포함한다. 웨이퍼 운반 중에, 반응 챔버는 중간 웨이퍼 운반 챔버에 의하여 대기 노출로부터 격리될 수 있다. 예컨대, 운반 챔버와 외부 사이의 조절가능한 도어가 로딩 및 언로딩을 허용할 수 있고, 이어서 대기 노출을 위하여 운반 챔버를 밀봉할 수 있다. 플러싱 및 준비 후, 운반 챔버와 반응기 사이의 추가적인 조절가 능한 도어가 개방되어서 서셉터 상에 웨이퍼를 배치 및 제거할 수 있게 한다. 이러한 시스템은 또한 반응기 내부가 산소, 수분 또는 다른 대기 오염물에 노출되는 것을 방지하고 웨이퍼의 로딩 및 언로딩 이전의 퍼징 시간을 감소시킨다. 오염을 야기하지 않고 뜨거운 웨이퍼를 핸들링할 수 있어서 비생산적인 시간을 감소시키므로, 석영 베르누이 운반 장대를 사용하는 것이 바람직하다.
6. 분리 주입
입구 매니폴드(33)로부터 화살표(31) 방향으로 출구 매니폴드(35)까지의 공정 가스 흐름 조절이 고품질 GaN층을 증착시키기 위하여 중요하다. 이러한 흐름은 공정 가스를 위한 하기 바람직한 특징들을 포함한다. 우선, 갈륨 함유 가스, 예컨대, GaCl3 및 질소 함유 가스, 예컨대, NH3는 바람직하게는 별도의 입구를 통하여 반응 챔버로 들어온다. 이들은 반응 챔버 밖에서 혼합되어서는 안되는데, 이는 이러한 혼합이 이후의 GaN 증착을 간섭하는 바람직하지 않은 반응들, 예컨대, GaCl3 및 NH3 분자의 착체 형성을 초래할 수 있기 때문이다.
그 다음, 별도의 유입후, GaCl3 및 NH3 흐름은 서셉터 상에서 공간 및 시간적으로 가스가 균일한 조성을 갖도록 배열되는 것이 바람직하다. 임의의 특정 시간에서, 바람직하게는 대략 5% 미만으로, 또는 보다 바람직하게는 대략 3% 또는 2% 또는 1% 미만으로 서셉터 (및 지지된 웨이퍼 또는 웨이퍼들) 표면 상에서 III/V 비율을 변경하여야 함이 밝혀졌다. 또한, 서셉터 표면의 모든 부분에 걸쳐서 시간에 따른 III/V 비율이 유사하게 실질적으로 균일하여야 한다. 따라서, GaCl3 및 NH3의 속도 프로파일은, 두 가지 가스 모두 반응 챔버 폭을 가로질러서 측방향으로 퍼져서, 서셉터에 도달시 두 가스 모두 반응 챔버 폭을 가로질러서, 그리고 바람직하게는 적어도 서셉터 직경을 가로질러서 균일한 비-격동 흐름을 가짐을 제공하여야 한다.
결국, 상기 흐름은 하나 이상의 공정 가스가 비정상적으로 높은 농도로 축적될 수 있는, 비정상적으로 낮은 유동 속도의 재순환 대역 또는 영역을 가져서는 안된다. 낮은 가스 흐름, 또는 심지어 가스 정체의 국부화된 영역을 회피하는 것이 가장 좋다.
바람직한 공정 가스 흐름은 새로운 또는 기존의 반응 챔버 입구 매니폴드를 주의깊게 고안 또안 재고안함으로써 달성할 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "입구 매니폴드"는 공정 가스 및 운반 가스를 반응 챔버 내로 유입시키는 구조물로서, 이러한 구조물은 단일체이거나 2 이상의 물리적으로 분리된 유닛을 포함한다.
하기 대체적인 특징을 갖도록 고안 및 제작된 입구 매니폴드는 바람직한 공정 가스 흐름을 달성하는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 대부분의 실시양태에서, 제안된 입구 매니폴드 고안에 의하여 제조된 선택된 반응 챔버 내로의 가스 흐름이 관련 분야에 공지된 유체 역학 설계 소프트웨어 팩키지를 사용하여 설계되는 것이 유리하다. 이로써, 제안된 고안은 실제 제작에 앞서 증가된 균일성을 달성하기 위하여 반복적으로 개선될 수 있다.
우선, 반응 챔버 내로의 공정 가스 유입이 챔버 폭의 일부, 대부분 또는 전부를 가로질러서 분포되는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 예컨대, 가스가 유입될 수 있는 다중 가스 입구 포트 또는 하나 이상의 슬롯이 챔버 폭을 가로질러서 측방향으로 분포될 수 있다. GaCl3 및 NH3 가스가 반응기를 통과하여 서셉터 위의 원하는 반응 위치로 향하도록 보조하기 위하여 질소 또는 수소와 같은 운반 가스를 도입할 수 있다. 또한, 입구 포트 부근에서 가짜 증착을 방지하기 위하여, 실제 입구 포트가 가열된 서셉터로부터 이격되어서, 포트가 대략 400-500℃보다 높은 온도로 가열되지 않게 하는 것이 유리하다. 대안으로, 공정 가스가 입구 포트 부근에서 혼합되지 않도록 입구 포트는 냉각되거나 이격될 수 있다.
다음으로, GaCl3 및 NH3 입구의 특정 형상에 의하여 생성되는 가스 흐름 특성이 향상되거나, 또는 동적으로 "조율(tuned)"될 수 있음이 밝혀졌다. 예컨대, 서셉터 아래에서 유래하거나 이에 충돌하고 1차적인 GaCl3 및 NH3 흐름과 혼합되는 2차 퍼지 가스 흐름을, 반응기 구성요소 상에서의 증착을 방지하거나 조성 및 속도의 균일성을 증가시키기 위하여 GaCl3 및 NH3 흐름을 변경시키는데 사용할 수 있다. 예컨대, GaCl3 및 NH3 흐름이 상이한 입구로부터 반응 챔버로 유입되는 실시양태에서, 의도된 증착 대역 위로 공정 가스를 국한시키고 반응기의 측면 벽을 의도하지 않은 증착으로부터 보호하기 위하여 GaCl3 및 NH3 흐름의 다소 상부스트림에서 반응기 챔버 내로 퍼지 가스 흐름을 제공하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 이러한 목적을 위하여, 챔버 벽 가까이에 측방향으로 다량의 운반가스를 도입하고, 챔버의 대략 중앙에 중심 방향으로 보다 적은 양의 운반가스를 도입하는 것이 유리하다.
또한, 바람직한 입구 매니폴드는 하나 이상의 공정 가스 흐름을 동적으로 조절하여 작동 중 관찰된 비균일성을 개선할 수 있다. 예컨대, 공정 가스를 위한 입구는 2 이상의 스트림으로 구분될 수 있고 개별적인 흐름 조절 밸브가 제공되어서 독립적으로 각 스트림의 흐름을 조절할 수 있다. 바람직한 실시양태에서, GaCl3 입구는 독립적으로 조절가능한 상대적 흐름을 갖는 5개의 스트림으로 배열될 수 있다.
바람직한 입구 매니폴드의 추가적 측면은 온도 조절을 포함한다. 이로써, 입구 매니폴드 온도(T3)는 전구체, 예컨대, GaCl3의 응축을 방지하고 온도-민감성 물질, 예컨대, 가스켓 또는 O-링 물질의 손상을 방지하기 하도록 조절될 수 있다. 논의된 바와 같이, GaCl3 입구 포트는 GaCl3 공급관에서 도달되는 가장 높은 온도보다 낮은 온도이어서는 안되고, 바람직하게는 대략 130℃에서 대략 150℃까지 증가된다. 입구 매니폴드에 사용되기 위해, 특히, 석영 반응 챔버에 매니폴드를 밀봉시키기 위해 이용가능한, 상업적으로 이용가능한 내염소성 밀봉 물질, 예컨대, 가스켓 물질 및 O-링 물질은 대략 160℃를 초과하는 온도에서 변성되기 시작한다. 이용가능하다면, 더 높은 온도에서 사용가능한 실리콘 O-링과 같은 내염소성 밀봉 물질도 사용할 수 있으며, 이 경우, 입구 매니폴드의 온도 상한이 증가될 수 있다.
따라서, 입구 매니폴드 온도(T3)는 대기로부터 온도를 증가시키기 위하여 열 을 공급하거나 뜨거운 반응 챔버 및 더욱 뜨거운 서셉터로부터 전달되는 열을 제거함으로써 대략 155 내지 160℃ 범위를 유지하도록 조절하여야 한다. 바람직한 실시양태에서, 입구 매니폴드는 온도 센서 및 온도 조절 유체를 위한 채널을 포함한다. 예를 들면, 155 내지 160℃의 온도는 온도 조절된 GALDENTM 유체를 순환시킴으로써 달성할 수 있다. 다른 공지의 유체를 다른 온도 범위를 위해 사용할 수 있다. 유체 채널은 바람직하게는 입구 매니폴드의 온도 민감성 부분, 예컨대, GaCl3 입구 포트 및 밀봉 O-링에 근접하여 작동한다. 채널 배열은 관련 분야에 공지된 소프트웨어 팩키지를 사용한 열적 설계를 고려하여 보다 정확하게 선택될 수 있다.
고체 또는 액체 또는 증기 상태에서 GaCl3 분자는 주로 Ga2Cl6 이합체 형태로 존재하는 것으로 알려져 있다. 이러한 형태는 실제로 800℃까지 매우 안정하며, 가스상 라만 스펙트럼에 의하여 입증된 열역학적 계산으로부터, 300℃에서 가스상의 90% 이상이 이합체 분자로 구성되고 700℃에서 이합체 중 99% 이상이 GaCl3 모노머로 분해된다는 사실이 확인되었다.
이합체 분자가 150℃ 또는 그 이하의 온도로 유지된 금속성 주입 포트를 통하여 주입되면, 1000℃보다 높은 온도인 뜨거운 서셉터와 접촉시에만 이합체의 분해가 일어날 것이다. 서셉터 위에서의 가스 속도 또는 가스 체류 시간에 따라서, 분해될 이합체 부분이 웨이퍼 상에 높은 성장 속도를 유지하기에 너무 작을 수 있다. GaN 증착 공정은 모든 염소가 제거되어 흡착된 원자 Ga를 얻을 때까지 GaCl3의 흡착 및 GaClx(x<3)로의 추가 분해를 통하여 진행된다. 그러므로, GaCl3의 모노머 형태로부터 작동시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서는, 서셉터 영역의 상부스트림에 위치한 반응 챔버 아래에서 석영 튜브를 통하여 이합체를 도입한다. 이러한 석영 튜브는 타원형 절편을 갖는 깔대기를 통하여 반응 챔버에 연결된다. 깔대기에 있는 동안 이합체에 에너지가 제공되어 이합체가 모노머로 분해된다. 바람직한 실시양태는 석영 튜브 및 깔대기가 IR 방사의 대량 유입을 수용하는 방식으로 위치되고 형성된 IR 램프로부터의 IR선을 이용하는 것이다. 이러한 실시양태에서, 깔대기 영역은 IR 흡수 물질로 충전되고, IR 흡수 물질을 600℃ 또는 보다 바람직하게는 700℃ 또는 그 이상의 온도로 하도록 방사력이 조절된다. 이합체 형태의 GaCl3가 석영 주입기로 주입되어 뜨거운 깔대기 영역을 통과함에 따라서, 이합체는 모노머로 분해될 것이고, 서셉터의 바로 상부 스트림에서 반응 챔버로 주입될 것이다. 이합체의 재형성을 방지하기 위하여, 바람직하게는, GaCl3를 반응기로 주입하는 지점과 서셉터 사이의 영역이 800℃보다 높은 온도로 유지된다. 바람직한 실시양태는, 깔대기와 서셉터 사이에, 700℃보다 높은 온도, 바람직하게는 800℃보다 높은 온도를 유지하기 위하여 IR 가열 램프로 가열된 SiC 플레이트를 사용하는 것이다.
7. 서셉터 및 다중-웨이퍼 서셉터
서셉터 및 이의 설치대(mounting)는 관련 분야에 일반적으로 공지된 바와 같 은 표준적인 구축물일 수 있다. 예컨대, 이것은 탄화규소 또는 질화규소, 대안으로서, 내화금속 또는 합금으로 코팅된 흑연을 포함할 수 있다. 서셉터는 바람직하게는 회전을 위하여 샤프트 위에 설치된다. GaN 증착시, 서셉터 온도(T4)는 대략 1000 내지 1100℃ (또는 그 이상)일 수 있고, 공지의 온도 조절 회로에 의하여 조절되는 석영 IR 램프에 의하여 유지된다. 서셉터 밑의 사각지대 형성을 피하기 위하여, 서셉터 설치대는 바람직하게는 퍼지 가스 주입을 제공한다. 이러한 주입은 또한 가열된 서셉터의 밑면 및 (직접 또는 간접적으로) 가열될 수 있는 인접한 구성요소 상에서의 원치않는 증착을 제한 또는 최소화할 수 있기 때문에 유리하다. 서셉터는 하나 이상의 기재를 고정하도록 형성될 수 있다.
8. 가열된 배기
반응 챔버 출구 매니폴드(35)는 반응 챔버로부터 배기관(41)을 통하여 폐기물 경감 시스템(5)까지 배기 가스의 자유롭고 막히지 않은 흐름을 제공한다. 배기 시스템은 또한 펌프(42) 및 관련된 압력 조절 시스템(압력 조절 밸브(44), 압력 게이지(46) 및 감압 하에 작동을 허용하기 위한 관련 조절 장치)을 포함할 수 있다. 출구 매니폴드 배기관 및 압력 조절 장치(사용된다면)도 반응 생성물의 응축을 제한하기 위하여 온도 조절되는 것이 유리하다. 배기 가스 및 반응 생성물은 일반적으로 운반 가스; 미반응 공정가스, GaCl3 및 NH3; 및 기본적으로 NH4Cl, NH4GaCl4, HCl, 및 H2인 반응 부산물을 포함한다. 상기한 바와 같이, 대략 130℃보다 높은 온 도가 GaCl3의 응축을 방지하기 위하여 요구된다. NH4Cl은 대략 140℃ 미만에서 분말성 물질로 응축되고, 출구 매니폴드 및 배기 시스템은 이보다 높은 온도로 유지되어야 한다. 한편, 밀봉 물질의 변성을 방지하기 위하여, 출구 매니폴드의 온도는 대략 160℃를 초과해서는 안된다.
따라서, 출구 매니폴드 온도(T6)는 (선택적인 열적 설계를 포함하여) 입구 매니폴드 온도 조절을 위해 사용되는 것과 유사한 온도 조절 수단에 의하여, 대략 155 내지 160℃ 범위로 유지되는 것이 바람직하다. 배기관 최대 온도(T7)는 바람직하게는, 대략 155 내지 160℃ 범위에서 밀봉재를 위한 최대 허용 온도에 의하여 제한된다.
9. 폐기물 관리
다음의 폐기물 경감 하부시스템(5)을 고려할 때, 바람직한 경감 시스템은 반응 챔버로부터 배출되는 폐기 갈륨 화합물의 회수에 의하여 본 발명의 경제적인 작동을 보조할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시양태는 1개월의 지속된 대량 제조시, (대략 50%의 폐기물을 가정할 때) 30kg, 또는 60kg, 또는 그 이상을 배출할 수 있다. 현재의 Ga 가격에서, 이러한 폐기 Ga를 회수하여 이를 GaCl3 전구체로 재순환시키는 것이 경제적이며, 이로써 대략 90 내지 100%의 Ga 효율을 달성한다.
도 1은 또한 갈륨 회수를 제공하고 상업적으로 이용가능한 제품으로부터 용이하게 개조될 수 있는, 폐기물 경감 하부시스템(5)의 바람직한 실시양태를 도식적 으로 도시한다. 반응 챔버(25)로부터 배출되는 스트림은 배기 생성물의 응축을 제한하기 위하여 T7, 예컨대, 편의에 따라서 약 155 내지 160℃ 또는 그 이상의 범위로 온도 조절된 배기관(41)을 통과한 후, 버너 유닛(43)으로 유입된다. 버너 유닛은 예컨대, H2/O2 연소를 포함하는 고온 연소 대역(45)을 통과시킴으로써 배기 가스를 산화시킨다. 산화된 배기 스트림은 이어서 튜브(47)를 통하여 물 스트림(51)에 대하여 역류 방식으로 이동하는 역류 물 세척기 유닛(49)으로 유입된다. 물 스트림이 산화된 배기 스트림으로부터 사실상 모든 수용성 및 입자성 성분을 제거한다. 세척된 배기 가스는 그 다음 시스템(57)으로부터 방출된다.
수용성 및 입자성 물질을 갖는 물 스트림은 분리기(59)로 이동하여, 기본적으로 입자성 갈륨 산화물(예: Ga2O3)인 입자성 성분들(61)이 기본적으로 용해된 NH4Cl 및 HCl인 수용성 성분으로부터 분리된다. 분리는 스크리닝, 여과, 원심분리, 응집(flocculation) 등과 같은 공지 기법에 의하여 이루어질 수 있다. 본 발명의 하나의 실시양태에서, 60kg, 또는 120kg까지, 또는 그 이상의 입자성 Ga2O3가 1개월의 작동 동안 생산될 수 있다. 입자성 갈륨 산화물 갈륨물질을 수집하며, Ga가 공지의 화학적 기법(예컨대, 문헌[Barman, 2003, Gallium Trichloride, SYNLETT 2003, no. 15, p. 2440-2441])에 의하여 예컨대, GaCl3로 유리하게 회수 및 재순환된다. 수용성 성분은 시스템으로부터 통과된다.
본 발명의 바람직한 특정 실시양태
다음으로, 앞서 대체적으로 기재한 본 발명의 바람직한 특정 실시양태를 기재한다. 이러한 실시양태는 ASM 아메리카 사의 단일 웨이퍼 에피택셜 반응기인EPSILON® 시리즈의 변형 및 개조에 기초한 것이다. 따라서, 하기 특징들의 다수가 이러한 특정 바람직한 실시양태에 특이적이다. 그러나, 이들 특징들은 제한적인 것은 아니다. 다른 특정 실시양태가 다른 이용가능한 에피택셜 반응기의 변형 및 개조에 기초할 수 있고, 이들은 본 발명의 범위 내이다.
도 2A 내지 2C는 50 내지 75kg의 GaCl3를 수용할 수 있고, 이를 액체로서 대략 130 내지 150℃까지의 조절된 온도로 유지할 수 있는 저장소(103)를 포함하는 GaCl3 전달 시스템(101), 및 관 내 GaCl3 응축을 제한 또는 방지하면서 반응기 챔버로 조절된 질량 흐름의 GaCl3를 제공하는, 공급관, 밸브 및 조절기를 갖는 공급 어셈블리(105)의 측면들을 도시한다. 저장소는 액체 GaCl3의 증발을 증가시키기 위한 내부 수단을 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 이들은 관련 분야에 공지된 버블러 기구를 포함한다; 대안의 실시양태에서, 이들은 GaCl3 액체의 물리적 교반, 액체의 분무, 액체의 초음파 분산 등을 위한 수단을 포함할 수 있다.
도 2C는 종래의 공정 가스 조절 캐비넷(137)에 인접하여 배치된 캐비넷(135)에서 전달 시스템(101)의 예시적인 배열을 도시한다. GaCl3 공급관의 길이를 제한하기 위하여, 캐비넷(135)은 또한 반응 챔버에 인접하여 배치되는데, 여기서는 캐 비넷(137)에 의하여 감춰져 있다. 공정 가스 조절 캐비넷(137)은 예컨대, 가스 조절 패널(139) 및 추가적인 공정 가스 또는 액체, 예컨대, III족 금속 유기 화합물을 위한 분리 부분(141-147)을 포함한다. 선택적으로, 공급관 (또는 전달관)은 운반 가스 및 III족 전구체를 운반하는 내부관을 갖는 동축부분, 및 인클로징관 내이지만 내부관 밖에 환상의 공간을 제공하는 동축 인클로징관을 포함한다. 환상의 공간은 가열 매체를 포함할 수 있다.
도 2B는 바람직한 공급 어셈블리(105)를 보다 상세하게 도시한다. 밸브(107 및 109)는, 운반 가스를 저장소(103)로, 이어서 저장소의 내부 버블러를 통과한 다음 증발된 GaCl3 증기와 함께 저장소로부터 밖으로 안내하는 관들을 조절한다. 이들은 유지 등을 위하여 저장소를 격리시킬 수 있다. 밸브(110)는 용기 시스템의 출구 및 입구 밸브들 위에서 시스템의 퍼징을 촉진시킨다. 특히, 응축은 피그-테일 요소(111, 112)에서 일어날 가능성이 있기 때문에, 밸브(110)는 이들 영역을 퍼징하기 위하여 유용하다. 버블러의 조절된 온도 및 운반 가스의 유동 속도와 결합하여 용기 압력의 조절은 전구체 유동 속도의 측정 향상을 촉진시킨다. 밸브(110)의 추가는 성장 상태가 아닐 때 완전한 전달 시스템이 비부식성 운반 가스로 퍼징될 수 있게 함으로써, 시스템이 부식성 환경에 노출되는 것을 감소시키고 결과적으로 장치 수명을 향상시킨다. 또한 어셈블리는 공급관을 통과하는 흐름의 다양한 측면들을 조절하기 위한 밸브(111-121)를 포함한다. 이는 또한 GaCl3 용기 상에서 일정한 압력을 유지하기 위하여 압력 조절기 및 변환기(129)를 포함한다. 또한, GaCl3 용기에 정확한 운반 가스 흐름을 제공하기 위하여 질량 흐름 조절기(131)도 제공된다. 이들은 반응 챔버 내로 조절되고 교정된 GaCl3 질량 흐름을 제공하도록 작용한다. 이것은 또한 압력 조정기(125 및 127)를 포함한다. 공급관, 밸브 및 조절기를 포함하는 공급관 어셈블리는 각 구성요소를 둘러싸는 조개껍질 형상의 다중 알루미늄 가열 블록 내에 둘러싸여 있다. 또한 알루미늄 블록은, 저장소의 배출부로부터 반응 챔버의 입구까지 온도가 증가하도록(또는 적어도 감소하지 않도록) 공급관 구성요소의 온도를 조절하는 온도 센서를 포함한다. 바람직하게는, 110℃ 이상의 온도로 입구 가스를 GaCl3 공급원까지 가열하기 위하여 가스 가열기가 제공된다.
선택적으로, 5ppb 이하로 운반 가스의 수분을 제거할 수 있는 정제기가 운반 가스 입구관에 배치되고, 추가로 운반 가스 필터가 운반 가스 정제기의 하부 스트림에 배치된다. 운반 가스는 선택적으로 운반 가스 가열기에 근접하여 증가된 열 교환 표면을 제공하기 위한 사인 곡선 모양의 굴곡, 예컨대, 피크테일(112)을 갖도록 형성될 수 있다.
도 3A 및 3B는 반응 챔버(201)의 바람직한 실시양태의 상면도를 나타낸다. 이러한 반응 챔버는 석영 벽을 갖고, 대체로 폭이 더 크고 높이가 더 작은 연장된 직사각형 박스 구조로 성형된다. 다수의 석영 릿지(ridges, 203)가 챔버 벽을 가로질러 횡방향으로 걸쳐 있고, 특히 챔버가 진공 하에 작동될 때 벽을 지지한다. 반응 챔버는 챔버 벽이 실질적으로 서셉터 온도보다 낮은 온도로 조절될 수 있도록 냉각 공기를 안내하는 측판 내에 둘러싸여 있다. 이러한 측판은 이들 도면에서처럼 반응 챔버를 노출시키기 위하여 개방될 수 있는, 대체로 슈트케이스 형태의 배열을 갖는다. 여기서 보여지는 것은 측판의 보다 긴 측면(205) 및 상부(207)이다. 서셉터(215, 이 도면에서 보여지지 않음)는 반응기 내에 배치된다. 서셉터는 2개어레이의 평행 램프로 배열된 석영 램프에 의하여 가열된다. 상부 램프 어레이(209)는 측판의 상부에서 볼 수 있다; 하부 어레이는 반응 챔버 밑에 감춰져 있다. 입구 매니폴드의 부분들도 볼 수 있다.
도 3C는 강화 립(strengthening ribs, 203)을 생략한, 특정 바람직한 반응 챔버(301)의 종방향 절편을 도시한다. 상면 석영 벽(303), 하면 석영 벽(305) 및 하나의 석영 측면 벽(307)이 여기에 도시된다. 석영 플랜지(313)가 반응 챔버의 입구 말단을 입구 매니폴드 구조물에 밀봉시키고, 석영 플랜지(309)가 반응 챔버의 출구 말단을 출구 매니폴드 구조물에 밀봉시킨다. 포트(315)가 공정 가스, 운반 가스 등을 유입시키고, 포트(311)가 배기 가스를 배출시킨다. 서셉터는 서셉터의 상부 표면이 석영 선반(317)의 상면과 동일 평면에 있도록 대체로 반-고리형 개구부(319)에 배치된다. 이로써, 입구 매니폴드 구조물로부터 유입되는 공정 가스에 실질적으로 매끄러운 표면이 제공되어서, 서셉터 하부에서 격동성이 되거나 우회하지 않고 이들 가스가 서셉터의 상면을 가로질러서 통과할 수 있게 한다. 실린더형 석영 튜브(321)가 서셉터가 회전할 수 있는 서셉터 지지 샤프트를 제공한다. 유리하게는, 공정 가스가 축적될 수 있는 사각지대를 방지하기 위하여, 운반 가스가 서셉터 아래에서 그 체적을 퍼징하도록 이러한 튜브를 통하여 주입될 수 있다. 특 히, 가열된 서셉터 아래에서의 GaCl3 축적은 제한된다.
입구 매니폴드 구조물은 포트(315) 및 슬릿형 포트(329) 모두를 통하여 공정 가스를 제공한다. 가스는 우선 석영 튜브(323)를 통하여 포트(329)에 도달하고; 이러한 튜브는 편평화된 깔대기(325)로 개방되어서 가스가 (반응 챔버에서의 공정 가스의 흐름에) 횡방항으로 퍼지도록 하고; 이러한 깔대기는 선반(317)에 횡방향으로 배열된 슬롯을 통하여 반응 챔버의 베이스로 개방된다.
도 6을 참조하여, 깔대기는 탄화규소 비드(607)로 빽빽히 채워지고, 편평화된 깔대기의 상면에서 탄화규소 삽입부(327)가 깔대기(325)로부터 반응 챔버 내로의 GaCl3의 유입을 위한 슬릿형 포트(329)를 제공한다. 두개의 IR 스팟 램프(601) 및 이들의 반사 광학기가 깔대기의 각 측면에 위치한다. 스팟 램프 전력의 폐쇄 루프 조절이 약 800℃의 온도에서 SiC 비드를 유지할 수 있게 하기 위하여, 열전대(thermocouple, 605)를 포함하는 석영 덮개(603)가 SiC 비드 속에 석영 튜브(323)의 하면을 통과하여 대략 깔대기 높이의 중간까지 삽입된다. 바람직하게는, GaCl3가 포트(329)를 통하여 도입되고 NH3가 포트(315)를 통하여 도입된다. 대안으로, GaCl3는 포트(315)를 통하여 도입되고, NH3가 포트(329)를 통하여 도입될 수 있다. 대안으로, NH3가 이온 또는 라디칼의 발생에 의하여 활성화되도록, 튜브(323)의 하부 부분에서 관련 분야에 공지된 바와 같이 RF 필드가 만들어질 수 있다. 대안으로, NH3의 일부 또는 모두가 유사하게 RF 필드에 의해서 활성화될 것인 N2로 대체될 수 있다. SiC 연장 플레이트(335)는 슬릿 포트(329) 및 서셉터의 모서리 사이에 배치된다. 이러한 SiC 연장 플레이트는 슬릿형 포트(329)와 서셉터 사이에서 가스 상태로 이합체가 재형성되지 않도록 하기 위하여, 주요 가열 램프에 의하여 가열된다. SiC 연장 플레이트의 온도는 700℃, 바람직하게는 800℃보다 높은 온도이어야 한다.
도 4는 반응 챔버 어셈블리(403)에 짝지워진 웨이퍼 운반 챔버(401)를 포함하는 특정 바람직한 반응/운반 챔버 어셈블리를 사선으로 절단해낸 단면을 나타낸다. 도 2 및 3에서 앞서 확인된 구조물들은 동일한 참조 번호로서 본 도면에서도 확인된다. 예시적인 운반 챔버(401)는 시스템의 바깥쪽으로부터 반응 챔버 내로, 그리고 반응 챔버 내에서 다시 바깥쪽으로 기재를 운반하기 위한 로봇 팔, 베르누이 장대, 및 다른 수단들(도시되지 않음)을 수용한다. 다른 고안의 운반 챔버도 본 발명에 사용될 수 있다.
반응 챔버 어셈블리는 측판(405) 내에 설치된 반응 챔버(301)를 포함한다. 하면 벽(407) 및 원격 벽(205)의 부분들이 여기에 도시되어 있다. 측판은 조절된 벽 온도를 유지하기 위하여 반응 챔버 상에서 냉각 공기를 안내하는 기능을 한다. 하면 벽(305), 측면 벽(307), 출구 매니폴드로의 플랜지(309), 선반(317), 서셉터(215), 및 서셉터 지지 및 선택적인 퍼지 가스 흐름을 위한 실린더형 튜브(321)를 비롯하여, 일정한 반응 챔버 구조물은 이미 기재되었다. 서셉터에 측면 안정성을 부여하고 선반(317), SiC 연장 플레이트(335) 및 슬릿형 포트(329)와 동일 평면 상에 있는 라운드형 플레이트(409)의 고리형 개구부(319)에서 서셉터가 회전한다.
이들 구성요소의 평면성은 가스 입구로부터 서셉터까지의 매끄러운 가스 흐름을 확보한다. 출구 매니폴드 구조물은 반응 챔버로부터 지시된 방향으로 배기관(419)까지 배기 가스를 안내하는 플레넘(407)을 포함한다. 반응 챔버 상에서 출구 매니폴드 및 플랜지(309)는 예컨대, 온도 및 염소에 내성인 물질로 제조된 가스켓 또는 O-링(도시되지 않음)으로 함께 밀봉된다.
(본원에서 사용되는) 입구 매니폴드 구조물은 파선으로 표시된 박스(411) 내에 도시되어 있다. 하기한 플레넘(211)은 온도 및 염소에 내성인 물질로 제조된 가스켓 또는 O-링(도시되지 않음) 등으로 반응 챔버의 전면 플랜지에 밀봉된다. 운반 챔버와 반응 챔버 사이의 게이트 밸브(413)는 시계방향으로 (아래쪽으로) 회전하여 두 개의 챔버 사이의 통로를 개방하고, 시계 반대 방향으로 (윗쪽으로) 회전하여 두 개의 챔버 사이의 통로를 폐쇄 및 밀봉한다. 게이트 밸브는 예컨대, 가스켓 또는 O-링에 의하여 페이스 플레이트(415)에 대하여 밀봉될 수 있다. O-링을 위한 바람직한 물질은 다른 O-링을 위해 앞서 언급한 것들과 동일하다. 게이트 밸브는 바람직하게는 하기와 같은 가스 유입을 위한 포트도 제공한다. 하부 가스 입구의 구조는 앞서 기재한 바와 같이, 석영 소통 튜브(323), 편평화된 깔대기(325), 및 슬릿형 포트(329)를 포함한다.
도 5는 특정 바람직한 입구 매니폴드 구조물, 및 반응 챔버 어셈블리에서 이들의 배열을 상세하게 도시한다. 도 2 및 3에서 앞서 확인된 구조물들은 동일한 참조 번호로서 본 도면에서도 확인된다. 우선 주위의 반응 챔버 어셈블리를 고려 할 때, 측판(405) 및 반응 챔버(301)를 포함하는 반응 챔버 어셈블리(403)는 왼쪽에 있고, 운반 챔버 구조물(401)은 오른쪽에 있다. 서셉터(215) 및 서셉터 안정화 플레이트(409)는 반응 챔버 내부에 있다. 반응 챔버의 석영 플랜지(313)는 측판(405)의 연장부(501)에 의하여 플레넘 구조물(211)에 대하여 압박된다. 반응 챔버 플랜지 및 플레넘 구조물은 포트(315)의 양쪽 면에서 절편으로 보여지는 O-링 가스켓(503)에 의하여 밀봉된다.
이제 슬릿형 포트(329)를 통하여 GaCl3 (바람직하게는, 그러나 선택적으로, 그 대신 NH3)를 인도하는 입구 구조를 살펴보면, 이것은 석영 튜브(323), 및 종방향으로 편평화되지만 횡방향으로 연장되어서 반응 챔버의 하면 벽의 상당한 분획을 가로질러서 개방되는 깔대기(325)로 이루어진다. 작은 비드 또는 작은 튜브 또는 임의의 형태의 다공성 IR 흡수 물질이 깔대기(325)에 채워진다. 삽입부(327)는 깔대기의 상부 개구부 내로 맞춰지고, 서셉터와 슬릿형 포트 사이의 공간을 덮는 연장 플레이트(335)를 갖는 서셉터를 향하여 각이 진 슬릿형 포트(329)를 포함한다. 작동에서, GaCl3 (및 선택적인 운반 가스)가 공급 튜브에서 위쪽으로 이동하고, 깔대기에서 횡방향으로 퍼지고, 슬릿에 의하여 반응 챔버 및 서셉터 방향으로 인도된다. 이로써, GaCl3는 반응 챔버의 폭을 가로질러서 실질적으로 균일한 층류(laminar flow)로서 포트(329)로부터 서셉터(215)를 향하여 이동한다.
이제 포트(315)를 통과하여 이어지는 입구 구조물들을 살펴보면, 이러한 구조물은 플레넘 구조물(211), 페이스 플레이트(415), 및 게이트 밸브(413)를 포함한 다. NH3 (바람직하게는, 그러나 선택적으로, 그 대신 GaCl3) 증기가 공급관(517)을 통하여 플레넘 구조물에 도입되고, 다수의 수직 튜브(519)를 통하여 반응 챔버를 향하여 아래쪽으로 통과한다. 그 다음, NH3 증기는 선택적으로, 각 수직 튜브가 일군의 분배 포트로 관으로 연결되어 있는 분배 포트를 통하여 수직 튜브를 빠져나오고, 플레넘의 립(511) 부근을 통과한다. 이로써, NH3 증기는 반응 챔버의 폭을 가로질러서 실질적으로 균일한 층류로 서셉터를 향하여 이동한다. 각 수직 튜브를 통한 흐름은 별도의 밸브 기구(509)에 의하여 조절되는데, 이들 모두는 외부적으로 조절가능하다(213). 플레넘은 또한 온도를 조절하는 온도 조절 유체, 예컨대, GALDENTM 유체를 인도하기 위한 튜브를 포함하여, NH3가 통과하는 플레넘 구조물이 상기 온도 범위 내로 유지되도록 하고 O-링(503)에 인접한 플레넘 구조물이 O-링에 사용된 밀봉 물질을 위한 작동 온도 범위 내로 유지되도록 한다. 주지하다시피, O-링을 위한 바람직한 물질은 다른 O-링을 위해 앞서 언급한 것들과 동일하다. 온도 조절 튜브(505)를 O-링(503)에 인접해서 볼 수 있다. (대응하는 튜브도 포트(315) 밑에서 볼 수 있다.) 일반적인 작동에서, 이러한 튜브는 O-링을 냉각시켜서 이를 작동 온도 범위 내로 유지하도록 기능한다.
게이트 밸브(413)는 유리하게는 반응 챔버와 운반 챔버를 격리하는 기능을 할 뿐아니라, 다수의 가스 입구 포트(515)를 포함한다. 이것은 운반 챔버 및 반응 챔버 사이에서 포트(315)를 통하여 웨이퍼 및 기재의 조절된 출입을 제공하도록 개 폐된다. O-링(507)에 의해 페이스 플레이트(415)에 밀봉된, 폐쇄된 위치가 도시되어 있다. 바람직한 실시양태에서, 가스 입구 포트(515)는 N2와 같은 가스를 퍼징하기 위하여 사용된다. 본 도면에서는 게이트 밸브 (및 반응 챔버)의 모서리 부분 가까이에 더 밀집되어 있고 게이트 밸브 (및 반응 챔버)의 중심 부분에 보다 드문드문 배치되어 있지만, 이들의 크기 및 간격은, 공정 가스가 서셉터를 가로질러서 유동할 때 공정 가스의 조성 및 속도의 균일성을 향상시키고, GaCl3 가스가 서셉터 아래를 흐르지 않도록 하여 이 위치에서 GaN의 바람직하지 않은 증착을 방지하기 위하여 챔버의 측면 벽을 따라서 퍼징 가스의 커튼을 구축하도록 고안된다.
대체로, 고품질 에피택셜층의 증착을 위하여, 입구 매니폴드 및 포트 구조물이 서로 협동하여 실질적으로 층류(따라서 비 격동성임)이고 실질적으로 속도 및 조성이 균일한 공정 가스 흐름을 제공한다. 실질적으로 층류이고 균일한 흐름은 종방향으로 서셉터까지, 횡방향으로 반응 챔버를 가로질러서 (또는 적어도 서셉터의 표면을 가로질러서) 연장되어야 한다. 바람직하게는, 반응 챔버에서의 공정 가스 흐름은 적어도 5%로, 또는 보다 바람직하게는 2% 또는 1%로, 챔버를 가로질러서 속도 및 조성 면에서 균일하다. 조성의 균일성은 III/V족 비율(즉, GaCl3/NH3 비율)의 균일성을 의미한다. 이것은 우선 반응 챔버를 통하여 이미 대략적으로 균일한 흐름을 갖는 공정 가스를 제공하도록 공정 가스 입구 포트를 고안하고; 둘째, 대략적으로 균일한 흐름이 점차적으로 균일해지도록 운반 가스의 선택적 주입을 고안함으로써 달성된다. 서셉터로부터 하부스트림의 흐름 조절은 중요도가 덜하다.
특정 바람직한 실시양태의 가스 흐름 역학의 수치적 설계는 실질적으로 균일한 흐름을 생성하게 하는 바람직한 공정 가스 입구 포트 형상을 결정하였다. 의도되는 지속적인 많은 처리량의 작동을 위해 필요한, 선택된 GaN 증착 조건 및 속도에 따라서, 전체 공정 가스 유동 속도를 위한 가이드라인이 확립되었다. 다음으로, 이러한 전반적인 흐름 가이드라인 내에서, 삽입부(327) 및 슬릿(329)이 반응 챔버 내로의 설계된 GaCl3 흐름이 반응 챔버를 가로질러서 실질적으로 균일하도록 고안되었다. 또한, 의도된 GaCl3 흐름의 설계는 NH3 증기가 립(511) 부근에서 반응 챔버 내로 들어간 후, 이러한 흐름 또한 반응 챔버를 가로질러서 실질적으로 균일해진다는 것을 나타내었다. 또한, 밸브(509)가 작동 중에 일어날 수 있는 비균일성을 개선하기 위하여 조절될 수 있다.
나아가, 수치적 설계에 의하여 권장되는, 2차적 운반 가스 입구가 1차적 공정 가스 흐름의 균일성을 증가시키기 위하여 추가되었다. 예컨대, 특정 바람직한 실시양태에서, 게이트 밸브(413)를 통하여 퍼징 가스를 공급하면, 게이트 밸브(413)의 계면 및 립(511) 사이에서(즉, 페이스 플레이트(415)에 의하여 둘러싸인 영역) 고 농도의 GaCl3 증기 축적을 방지함으로써 개선을 제공할 수 있음이 밝혀졌다. 또한, 반응 챔버의 모서리에서 더 큰 운반 가스 흐름을 제공하고 중심에서 더 작은 퍼징 가스 흐름을 제공하도록 입구를 배열함으로써, 서셉터에서 흐름의 조성 및 속도 균일성을 향상시키고 서셉터 표면 위에서 반응성 가스를 더 잘 유지시킬 수 있음이 밝혀졌다.
실시예
이제, 본 발명에 따라서 III-V족 물질의 HVM을 수행할 때 제공되는 장점 및 예기치 않은 잇점을 설명하기 위하여, 본 발명을 표준적인 또는 종래의 HVPE 시스템과 비교한다.
종래의 HVPE 시스템은 대개 석영으로 제작된 뜨거운 벽 튜브 가열로로 구성된다. 액체 상태의 III족 금속을 담은 보트 상으로 HCl을 유동시킴으로써 III족 전구체가 반응기 중 동위치에서 형성된다. V족 전구체는 외부 저장원, 예컨대, 고압 실린더로부터 공급된다. 종래의 HVPE는 아르세나이드, 인화물 및 질화물 반도체의 성장을 위하여 사용되어 왔다. GaN의 성장을 위하여, III족 공급원은 일반적으로 석영 보트 중의 용융 Ga(이와 함께 HCl이 반응하여 GaCl을 형성함)이고, V족 공급원은 대개 암모니아 가스이다.
보다 상세하게, 석영 튜브는 수직 또는 수평 중 하나로 배향될 수 있다. 주위의 가열로는 대개 2 이상의 온도 대역에 저항성인 유형이다: III족 금속을 그의 용융점보다 높은 온도로 유지하기 위한 하나, 및 기재/웨이퍼를 에피택셜 성장을 위하여 충분히 높은 온도로 유지하기 위한 다른 하나. 액체 III족 금속을 위한 보트, 기재/웨이퍼 홀더, 및 가스 입구를 포함하는 III족 금속 공급원 장치가 석영 가열로 튜브의 한 말단에 배치 및 배열되고, 다른 하나의 말단은 반응 부산물을 배출하는 기능을 한다. 이러한 장치 모두는 (또는 적어도 가열로 튜브로 들어가는 것은) 석영으로 제작되어야 하고; 스테인레스 스틸은 사용될 수 없다. 대부분의 반응기는 대기압에서 한번에 단지 하나의 웨이퍼를 가공한다. 다중 웨이퍼는 균일한 증착을 달성하기 위하여 모든 웨이퍼의 표면들이 직접적으로 가스 흐름과 일치되도록 반응기 내에서 배열되어야 한다.
웨이퍼는 우선 이들을 기재 지지대 상에 위치시킨 다음, 기재 지지대를 석영 가열로 튜브 내의 고온 대역으로 배치함으로써 로딩된다. 지지대를 가열로에서 꺼낸 다음, 지지대로부터 웨이퍼를 내림으로써 웨이퍼를 언로딩한다. 기재 지지대를 배치하는 기구, 예컨대, 밀고 당기는 방식의 막대(push/pull rod)도 완전한 성장 온도에 노출되기 때문에, 석영으로 제작되어야 한다. 지지된 웨이퍼, 기재 홀더, 및 배치 기구는 웨이퍼 및/또는 기재 지지대의 크랙킹과 같은 열손상을 방지하기 위한 세심한 주의를 기울이면서 대개 뜨거운 반응기 튜브 내에 배치된다. 또한, 반응기 튜브 자체도 웨이퍼 로딩 및 언로딩 동안 공기에 노출될 수 있다.
이러한 종래의 HVPE 반응기는 다수의 이유로 본 발명의 HVM 방법 및 시스템으로 가능한 지속적인 대량 제조가 가능하지 않다. 하나의 이유는 본 발명의 반응기가 훨씬 더 낮은 열중량을 가질 수 있기 때문에, 종래의 HVPE 반응기보다 비생산적인 가열 및 냉각 시간이 덜 필요하다는 것이다. 본 발명의 반응기에서, 서셉터(기재/웨이퍼 지지대)만이 가열될 필요가 있고, 이는 급속히 작용하는 IR 램프에 의하여 가열된다. 가열 및 냉각은 따라서 급속할 수 있다. 그러나, 종래의 HVPE 반응기에서는, 저항성 가열로가 수 내지 수십 시간까지의 장시간의 가열 및 (특히) 냉각 시간을 요구할 수 있다. 이와 같은 장시간의 가열 및 냉각 시간 동안, 이러한 시스템은 사용되지 않고, 웨이퍼 생산, 반응기 세척, 시스템 유지 등이 지연되 어야 한다. 더욱이, 열손상 위험에도 불구하고, 추가적인 가열 및 냉각 지연을 피하기 위하여 반응기가 작동 온도 근처에 있을 때, 대개 웨이퍼가 반응기 내에 배치되고 그로부터 제거된다. 이러한 이유로 본 발명에 따른 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템에서보다 더 많은 처리량을 달성할 수 있다.
종래의 HVPE 시스템의 처리량을 제한하는 또 하나의 이유는 이러한 시스템이 본 발명의 반응기보다 훨씬 더 많은 반응기 세척을 필요로 한다는 것이다. 종래의 HVPE 반응기의 모든 내부 구성요소가 외부의 저항성 가열로에 의하여 가열되기 때문에, III-V족 물질은 성장이 일어나야할 기재 상뿐만 아니라, 반응기 내부 전체에서 성장할 수 있다. 이러한 바람직하지 못한 증착물은 반응기로부터 자주 세정되어야 하며, 또는 이들은 웨이퍼를 오염시키는 더스트(dust) 및 플레이크(flake)를 형성할 수 있다. 세정은 시간을 필요로 하고, 그 동안 반응기는 생산적이지 못하다.
또한, III족 전구체가 비효율적으로 사용된다; 대부분이 반응기의 내부에 증착되고, 작은 분획이 원하는 대로 기재 웨이퍼 상에 증착되며, 재사용을 위하여 재순환될 수 있는 반응기 배기에서 거의 또는 전혀 보이지 않는다. V족 전구체도 비효율적으로 사용되고, 과량이 미사용 HCl과 반응하여 반응 대역의 하부 스트림에서 차가운 영역상에 증착될 수 있는 염화물(예컨대, NH4Cl)을 형성할 수 있다. 이러한 염화물 증착물도 반응기로부터 세정되어야 한다.
반면에, 본 발명의 반응기는 온도 조절된 벽을 가지므로, III-V족 물질의 바 람직하지 않은 성장이 거의 또는 전혀 일어나지 않는다. 본 발명의 반응기는 비생산적인 세정 및 유지를 단축시키거나 또는 빈번하게 행할 필요가 없거나, 또는 이들 둘다를 달성할 수 있기 때문에 보다 생산적일 수 있다. 이러한 이유로도, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템보다 더 많은 처리량을 달성할 수 있다.
종래의 HVPE 시스템의 처리량을 제한하는 또 하나의 이유는 이들의 종래의 내부 Ga 공급원이, (Ga 전구체 GaCl3로 재충전되는) 본 발명의 외부 Ga 공급원에 비하여 훨씬 자주 (액체 Ga 또는 다른 III족 금속으로) 재충전되어야 한다는 것이다. 본 발명의 외부 공급원은 대략 200g/시간 이상까지의 최대 지속 속도에서 속도 및 조성면에서 모두 조절될 수 있는 Ga 전구체의 흐름을 나타낸다. 외부 공급원의 용량은 반응기 구조에 의하여 제한되지 않기 때문에, 수일 또는 수주 동안 지속적인 생산에 충분할 수 있다. 예컨대, 외부 공급원은 수십 kg의 Ga, 예컨대, 대략 60kg까지 저장할 수 있고, 본질적으로 제한되지 않은 지속적인 생산을 위하여 다중 공급원이 일련으로 작동될 수 있다.
종래의 HVPE 시스템에서, Ga 공급원은 엄격히 제한된 용량을 갖는다. 공급원이 반응기 내부에 맞아야 하고 반응기 자체보다 더 클 수 없기 때문에, 종래의 공급원의 상한은 5kg 미만의 Ga라고 생각된다. 예컨대, 3kg의 Ga를 위하여, 4cm 깊이의 액체 Ga로 채워진 대략 7x7x20cm의 보트가 필요하다. 이러한 대형 Ga 보트는 선행 기술에 기재된 바 없다. 또한, 반응기 내부의 Ga 공급원 보트에서 액체 Ga 상에 HCl을 통과시킴으로써 Ga 전구체(GaCl)가 동위치 형성되기 때문에, 공급원의 속도 및 조성이 잘 조절될 수 없다. 이러한 반응의 효율은 반응기 구조 및 정확한 공정 조건, 예컨대, 공급원 대역의 온도에 의존하며, 60% 내지 90% 이상까지의 다양한 효율 수치가 보고되었다. 더욱이, Ga 수준이 감소하고 Ga 공급원이 노화할수록, 증착 대역으로의 GaCl 유입은 일정한 공정 조건에서조차도 변화할 수 있다. 이러한 이유로도, 본 발명의 시스템 및 방법이 종래의 HVPE 시스템에 비하여 더 많은 처리량을 달성할 수 있다.
종래의 HVPE 시스템의 처리량을 제한하는 또 하나의 이유는 지금까지 이들의 구축이 표준화되지 않고, 사실 이러한 시스템이 종종 특정 사용자를 위하여 개별적으로 고안되고 제작되었다는 것이다. 표준화 부재는, 예컨대, 느리고 복잡한 유지를 초래한다. 이들이 종종 작업하기 힘든, 복잡하고 취약한 석영 구성요소를 포함할 수 있기 때문에, 이러한 반응기는 해체 및 재조립에 시간이 많이 소요된다. 특히, III족 공급원 대역은 HCl을 위한 별도의 석영 입구, HCl 입구에 인접하여 배치된 석영 보트, (III족 전구체와 분리 상태로 유지되어야 하는) V족 전구체를 위한 별도의 석영 입구, 및 운반 가스를 위한 가능한 추가 석영 입구를 포함하기 때문에, 복잡하게 얽혀 있다. 반면에, 본 발명의 시스템 및 방법은 대부분, 효율적인 작동 및 유지를 위하여 최적화되었고 상업적으로 이용가능한 구성요소를 포함하는, Si 가공을 위하여 공지되어서 평가되고 표준화된 고안들의 개조물이다. 예컨대, 특정 바람직한 실시양태는, 부분적으로 금속으로 제작된 게이트 밸브 및 III족 전구체 플레넘 및 입구 포트를 갖는 III족 공급원 대역을 포함한다. 게이트 밸브는 개폐에 단지 짧은 시간이 요구되고, III족 전구체 플레넘 및 입구 포트는 훨씬 덜 취약하다. 이러한 이유로도, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템에 비하여 더 많은 처리량을 달성할 수 있다.
본 발명의 시스템을 종래의 HVPE 시스템과 차별화시키는 질적 고안 선택은 에피택셜 성장 효율, 반응기 이용률 및 웨이퍼 생산 속도, 및 전구체 이용 효율에있어서 놀라운 양적 잇점을 가져온다. 이러한 놀라온 양적 잇점을, 100mm 직경의 하나의 기재를 처리하도록 고안되고 약 20cm 직경 및 약 200cm 길이의 반응기 튜브를 포함하는 종래의 HVPE 시스템과 본 발명에 따른 대응 시스템을 비교하는 표 1, 2 및 3의 데이터를 이용하여 이하에서 검토한다.
우선 달성가능한 에피택셜 성장 효율을 살펴보면, 표 1의 데이터는 본 발명에 따른 HVM 시스템이 종래의 HVPE 시스템에 비하여 훨씬 더 효율적일 수 있음을 나타낸다.
에피택셜 성장 효율
에피택셜 성장효율 종래의 HVPE HVM
반응기 정보
웨이퍼 직경 cm 15 15
반응기 길이 cm 200
반응기 직경 cm 20
뜨거운 대역의 길이 cm 40
동시에 가공되는 웨이퍼 수 1 1
반응기의 생산 시간
-웨이퍼 로딩/언로딩 시간
인출/투입 속도 cm/분 2
총 인출 및 투입 길이 cm 160 0
총 인출 및 투입 시간 분 80 2
웨이퍼 로딩/언로딩 시간 분 9.5 2
총 로딩/언로딩 시간 분 89.5 3
작동 오버헤드 % 10% 10%
연속적 작동에서 총 로딩/언로딩 시간 분 52.0 2.2
-에피택셜 성장 시간
템플릿의 성장 시간 분 0 0
성장 속도 μm/시간(μm/분) 200(3.3) 200(3.3)
층 두께 μm 300 300
가열 및 냉각 시간 분 0 6
층 성장 시간 분 90 90
작동 오버헤드 % 10% 10%
총 성장 시간 분 99 106
반응기 내에 웨이퍼가 있는 총 시간 분 151.0 107.8
반응기 이용률(R.U.)
R.U.- 성장 시간/반응기 내에 웨이퍼가 있는 시간 % 66% 98%
에피택셜 성장 효율은 실제 에피택셜 성장 시간 및 반응기 로딩/언로딩 시간의 합에 대한 실제 에피택셜 성장 시간의 비율로 제시될 수 있다. 본 발명에 따른 HVM 시스템 및 장치가 종래의 HVPE 시스템보다 유의적으로 더 빨리 로딩/언로딩할 수 있고, 따라서, 더 높은 에피택셜 성장 효율을 달성할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 실제 작동시, 본 발명의 외부 Ga 공급원이 종래의 시스템으로 가능한 것보다 훨씬 더 긴 시간 동안 지속적인 작동을 가능하게 할 것으로 예상된다.
종래의 HVPE 시스템에서, 반응기가 실행과 실행 사이에 증착 온도에 가까이 유지되기 때문에, 열손상을 피하기 위하여 충분히 느린 속도로 반응기에 기재를 투입하거나 그로부터 기재를 꺼내야 한다. 기재 홀더와 반응기 입구 사이의 거리를 약 80cm로 가정하고, 열손상을 피하기 위하여 2cm/분 이하의 인출 속도를 가정하는 경우, 반응기로부터 기재를 꺼내고 또한 기재를 반응기에 넣는데 약 40분이 요구된다. 또한, 일단 기재 및 웨이퍼가 반응기 내에 배치되면, 열적 안정화, 반응기 퍼징, 및 공정 가스의 셋업을 위하여 10분까지 요구될 수 있다.(퍼징에 로드 락을 걸고 가스를 셋업하는데 각각 5분이 요구될 수 있고, 로드 락이 없으면, 셋업은 훨씬 더 길 것이다.) 따라서, 총 로딩/언로딩 시간은 대략 90분, 또는 연속적 생산시 52분이다.(일부 시간들은 2개의 연속적 실행들 사이에 균등하게 분할될 것이다.)
반면에, 본 발명의 HVM 시스템에서, 웨이퍼는 열손상의 위험 없이 보다 낮은 온도에서 급속하게 로딩/언로딩될 수 있고, 따라서 웨이퍼 배치 시간 연장을 없앨 수 있다. 낮은 열중량 및 IR 램프 가열로 인하여, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법에서 사용되는 반응기(특히, 이러한 반응기에서의 서셉터와 웨이퍼)는 더 높은 증착 온도 및 더 낮은 로딩/언로딩 온도 사이를 빠르게 순환할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 HVM 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 반응기에서 가능한 것보다 훨씬 더 짧은 로딩/언로딩 시간을 달성한다.
일단 로딩되고 종래의 HVPE 시스템에서 사용되는 Ga 전구체 공급원이 전구체의 적절한 질량 흐름을 유지할 수 있다고 가정하면, 종래의 시스템과 본 발명의 시스템의 실제 에피택셜 성장 시간은 대략 동일한 정도이다. 그러나, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법에서 사용되는 Ga 전구체 공급원은 종래의 HVPE 시스템에서 사용되는 Ga 전구체에 비하여 유의적인 잇점을 갖는 것으로 예상되므로, 실제 작동시, 본 발명에 따른 시스템 및 방법은 표 1에 제시된 효율들보다 훨씬 더 큰 상대적 에피택셜 성장 효율을 달성할 것이다.
예컨대, 초기 시간 동안 적절한 질량 흐름이 가능하다고 하여도, 종래의 Ga 공급원은 장시간 동안 적절한 질량 흐름을 지속시킬 수 있을 것 같지 않다. 종래의 HVPE 시스템은 액체 형태의 금속 갈륨 상으로 HCl 가스를 통과시킴으로써 반응기 중 동위치에서 Ga 전구체를 발생시킨다. 이러한 공정의 효율은 반응기 구조 및 공정 조건에 크게 의존하기 때문에(예컨대, Ga 온도에 따라서 약 60% 내지 약 90% 이상), Ga 전구체(GaCl)의 실제 질량 흐름도 변화할 것이다. 또한, Ga의 수준이 감소하고 Ga 공급원이 노화함에 따라서, Ga 전구체의 흐름은 일정한 공정 조건(예컨대, 일정한 온도 및 투입 HCl 흐름)에서조차도 변경될 수 있다. 나아가, 종래의 Ga 공급원 (특히, 액체 Ga 보트)는 반응기 내에 있어야 하므로, 이들의 용량은 반응기 구조에 의하여 구속된다. 종래의 HVPE 시스템에서 (선행 기술에 개시되어 있다고 생각되지는 않지만) 합리적으로 가능하다고 생각되는 가장 큰 보트는 대략 3 내지 5kg 이하를 수용할 수 있을 것이며, 대략 7x7x20cm 크기를 갖고 4cm 깊이로 액체 Ga가 충전될 것이다.
반면에, 본 발명에 따른 HVM 시스템 및 방법은, 장시간 동안 지속될 수 있는 (300μm/hr를 초과하는 성장 속도를 뒷받침하기에 충분한) 시간당 Ga 200g 까지 및 그 이상의 속도로, 일정하고 변함없는 Ga 전구체 흐름을 제공할 수 있는, 외부 Ga 공급원을 이용한다. 우선, 이러한 공급원은 에피택셜 성장이 이루어지는 동안조차도 Ga 질량 유입이 측정 및 조절될 수 있는 방식으로 GaCl3 증기를 제공할 수 있다. 둘째, Ga 전구체가 수십 킬로그램의 전구체를 수용하는 저장소로부터 공급되기 때문에, 이러한 외부 Ga 공급원은 지속적이고 중단없는 작동을 가능하게 한다. 추가로, 효율적으로 제한없는 작동을 위하여, 다중 저장소가 일련으로 작동될 수 있다.
요컨대, 상대적 에피택셜 성장 효율은 실제 성장이 일어나는 동안 반응기 내에 웨이퍼가 머무는 시간의 분율에 의하여 정의되는 반응기 이용률(R.U.)에 의하여 요약될 수 있다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법이 약 95% 이상의 R.U.를 달성하는 반면, 종래의 HVPE 시스템은 약 65% 이하의 R.U.를 달성하는 것을 알 수 있다. 그리고, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 실제 작동에서 훨씬 더 큰 상대적 에피택셜 성장 효율을 달성할 것으로 예상된다.
다음으로, 우선 달성가능한 반응기 이용률 및 웨이퍼 생산 속도를 살펴보면, 표 2의 데이터는 본 발명의 HVM 시스템이 종래의 HVPE 시스템에 비하여 더욱 효율적임을 나타낸다.
반응기 이용률 및 달성가능한 웨이퍼 생산 속도
웨이퍼 유지 시간 및 웨이퍼 생산 속도 종래의 HVPE HVM
-동위치 반응기 세정 시간
동위치 세정 사이의 실행 횟수 5 5
반응기 개폐 시간 분 26.6 2
에칭된 총 두께 μm 1500 300
에칭 속도 μm/분 8 8
에칭 시간 분 187.5 18.8
베이킹 시간 분 30 15
동위치 에칭시 Ga 로딩 시간 분 45 0.0
작동 오버헤드 % 18% 15%
총 동위치 세정 시간 분 339.8 41.1
-타위치( ex situ ) 반응기 세정 시간
타위치 세정 사이의 실행 횟수 15 15
업로딩후 반응기 근접 시간 분 13.3 1.0
반응기 냉각 시간 분 180 20
반응기 분해 시간 분 120 120
반응기 재조립 시간 분 180 120
누출 체크 등의 시간 분 45 45
타위치 에칭시 Ga 로딩 시간 분 10 0
반응기 가열 시간 분 75 20
웨이퍼 평가 시간 분 60 60
예방적 유지 분 120 120
작동 오버헤드 % 25% 20%
총 타위치 세정 시간 분 959.2 571.2
반응기 이용률(R.U.) 및 웨이퍼 생산 속도
R.U.- 반응기 내에 웨이퍼가 있는 시간/총 사용 시간 % 59% 76%
R.U.- 성장 시간/총 사용시간 % 39% 75%
실행 횟수(웨이퍼들) 15 15
실행 횟수(웨이퍼들)에 대한 총 사용 시간 분 3734 1996
시간당 웨이퍼 수 0.24 0.45
웨이퍼당 시간 4.15 2.22
24시간당 웨이퍼 수 5.8 10.8
반응기는 세정 및 예방적 유지를 위하여 생산에서 주기적으로 빼내어야 한다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법이 빠르게 세정되고 유지될수 있기 때문에, 이들은 종래의 HVPE 시스템에 비하여 더 높은 반응기 이용률 및 웨이퍼 생산 속도를 달성할 수 있을 것이다.
작동하는 동안, 반응기에서 바람직하지 않은 위치, 예컨대, 반응기 벽 및 다른 내부 반응기 구성요소에 물질이 성장하고, 이러한 물질의 과도한 성장은 예컨대, 웨이퍼 오염과 같은 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 물질을 제거하기 위하여 세정이 요구되며, 세정은 반응기를 해체하지 않고 동위치에서, 또는 반응기를 해체한후 타위치에서 수행될 수 있다. 동위치 세정이 종종 바람직하지 않은 증착물을 HCl로 에칭함으로써 수행된다. 다수의 동위치 에칭 또는 세정 후, 더욱 철저한 타위치 세정이 유리하다.
본 발명의 HVM 시스템은 종래의 HVPE 시스템보다 상당히 적인 동위치 세정 시간을 필요로 한다. 본 발명의 반응기는 보다 낮게 조절된 온도의 벽을 가지므로, 웨이퍼 생산 중 벽 상에 물질이 거의 증착되지 않는다. 반면에, 종래의 HVPE 반응기는 보다 높은 증착온도에서 작동하므로, 웨이퍼 및 기재 위에 성장하는 것과동일한 양의 물질이 반응기 벽 및 내부 반응기 부품 상에 성장한다. 표 2는 1.5mm이하의 원치않는 GaN이 반응기 벽 및 내부 반응기 부품 상에 증착하게 될 수 있음을 가정한 시나리오를 제시한다.
종래의 HVPE 시스템에서, 5번의 실행마다 동위치 세정이 요구되며, 그 동안 1.5mm의 원치않는 GaN (매 실행당 300μm)이 반응기 내부에 성장될 것이다. 반면에, 본 발명에 따른 반응기의 동위치 세정이 5번의 실행마다 수행된다면, 단지 미미한 양의 GaN(예컨대, 종래의 HVPE 시스템에서 성장될 양의 20% 이하)만이 반응기 내부에 성장될 것이다. (사실, 본 발명에 따른 HVM 시스템의 동위치 세정은 단지 매 15번의 실행후로 지연될 수 있었다.) 그러므로, 종래의 HVPE 반응기의 동위치 세정 시간은 본 발명의 HVM 반응기의 동위치 세정 시간 보다 5배 이상 (내지 15배까지) 더 길다.
또한, 본 발명의 HVM 시스템은 종래의 HVPE 시스템보다 상당히 적은 타위치 세정시간을 필요로 한다. 우선 이러한 HVM 시스템은 타위치 세정에 각각 선행 및 후행하여야 하는 냉각/가열 시간이 유의적으로 보다 짧다. 또한, 본 발명에 따른 HVM 시스템 및 방법이 Si 가공을 위하여 이미 공지된, 상업적으로 이용가능한 고안 및 구성요소를 포함하기 때문에, 이들의 해체/세정/재조립 시간이 Si 가공 시스템에 대하여 공지된 보다 짧은 시간에 유사하다. Si 가공 시스템으로부터 편입된 고안 및 구성요소들은 급속히 작용하는 반응기 게이트, 카셋트-대-카셋트 로딩을 구비한 완전 자동화된 웨이퍼 핸들링, 뜨거운 상태의 로딩/언로딩 수행 능력, 별도의 냉각 단계, 동위치 성장 속도 모니터링 및 반응기의 대기 노출을 방지하기 위한 로드 락을 포함한다.
그리고, 앞서 논의된 바와 같이, 종래의 HVPE 시스템에서 사용된 Ga 전구체 공급원, 즉, Ga 보트는 일정한 전구체 흐름을 유지하기 위하여, 또한 이들의 제한된 용량 때문에, 주기적으로 재충전되어야 한다. 세정 동안 수행될 수 있는 이러한 전구체 재충전은 이들 종래의 시스템에서 세정 시간을 추가로 연장시킨다. 반면에, 본 발명에 따른 HVM 시스템 및 방법의 외부 Ga 공급원은 장시간 동안 거의 또는 전혀 중단 없이 작동할 수 있다.
요컨대, 반응기 유지 시간은 추가적인 R.U. 및 웨이퍼 생산 속도에 의하여 요약될 수 있다. 이러한 두번째 R.U.는 웨이퍼가 반응기에 있는 시간 및 세정/유지 시간의 합에 대한 웨이퍼가 반응기에 있는 시간의 비율을 나타낸다. 본 발명에 따른 HVM 시스템 및 방법은 약 75% 이상의 R.U.를 달성하는 반면, 종래의 HVPE 시스템은 약 60% 이하의 R.U.를 달성하는 것을 알 수 있다.
상대적 시스템 효율은 웨이퍼 생산에 필요한 총 시간으로 생산된 웨이퍼의 수를 나누어서 계산될 수 있는, 웨이퍼 생산 속도로 나타낼 수 있다. 웨이퍼 생산 실행, 동위치 세정 및 타위치 세정의 하나의 완전한 사이클이 (표 1 및 2의 가정에 따르면) 15번의 실행을 포함하기 때문에, 이러한 속도는 15를 (로딩/언로딩 시간, 동위치 세정 시간, 타위치 세정 시간, 유지 시간 및 공급원 재충전 시간을 포함하여) 15개 웨이퍼를 생산하기 위한 총 시간으로 나눔으로써 결정된다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법에서 15개의 웨이퍼(15번의 실행)을 제조하기 위해 필요한 총 시간이 종래의 HVPE 시스템에서 요구되는 총시간보다 상당히 짧다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래 기술에 비하여 대략 2배의 처리량 향상을 달성한다. 앞서 논의된 바와 같이, 실제 작동시, 더 큰 처리량 향상이 기대된다.
마지막으로, 상대적 전구체 효율을 살펴보면, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템보다 효율적으로 전구체, 특히 Ga 전구체를 이용한다. 이것을 표 3의 데이터에 의하여 예시한다.
전구체 이용률
전구체 이용률 종래의 HVPE HVM
-암모니아(양 공정 모두)
암모니아 흐름 slpm 14 10
총 암모니아 유동 시간 분 132.0 97.7
90분의 실행 동안 총 암모니아량 몰 82.5 43.6
-HCl(종래의 HVPE)
실행 동안 분당 HCl 몰수 몰/분 0.024
실행에 사용된 HCl 리터 리터 51.2
-갈륨(종래의 HVPE)
투입 V/III족 비율 30
실행 동안 분당 암모니아의 몰수 몰/분 0.6250
암모니아 흐름에 의해 요구되는 분당 Ga 몰수 몰/분 0.0208
GaClx의 GaN으로의 전환 % 95%
실행에 사용되는 분당 Ga의 실제 몰수 몰/분 0.0219
Ga의 추가 몰수 % 10%
실행을 위한 분당 Ga의 몰수 몰/분 0.024
실행을 위한 분당 Ga의 중량 g/분 1.76g Ga/분; 100 g Ga/시간
실행당 Ga의 중량 g 151.4
-갈륨(HVM)
투입 V/III족 비율 30
실행 동안 분당 암모니아의 몰수 몰/분 0.4464
V/III를 맞추기 위한 분당 Ga의 몰수 몰/분 0.0149
GaClx의 GaN으로의 전환 % 95%
V/III를 맞추기 위해 요구되는 분당 GaCl3 이합체의 몰수 몰/분 0.0082
GaCl3 이합체의 추가 몰수 % 10%
실행을 위한 GaCl3 이합체의 총 몰수 몰 0.82
GaCl3 이합체의 원자 중량 g/몰 352.2
실행을 위한 GaCl3 이합체의 총 중량 g 287.4
Ga인 GaCl3 이합체의 퍼센트 % 40%
실행을 위한 Ga의 중량 g 114
실행을 위한 시간당 Ga의 중량 g 75g Ga/시간
Ga 이용률 % 21% 25%
Ga 재순환시 이용률(추정) % 27% 80%
표 3에서 Ga 이용률은, 우선 15cm 웨이퍼를 위해 적합한 종래의 HVPE 시스템이 대략 14slpm(standard liters per minute)의 암모니아를 사용할 것으로 예상할 수 있음을 고려하여 측정된다. V/III의 비율을 30으로 가정하고, Ga 전구체의 95%가 GaN으로 전환된다고 가정하면, 종래의 시스템은 분당 대략 1.8g의 Ga를 사용할 것으로 예상할 수 있다. 따라서, 200μm/시간으로 300μm의 GaN을 성장시키기에 충분한 90분의 실행은 약 151g의 Ga를 필요로 한다. 15cm의 웨이퍼 상에는 300μm의 층으로 약 31g의 Ga가 존재하기 때문에, 종래의 HVPE 반응기의 Ga 효율은 대략 21%(=31/151)이다. 나머지 120g(=151-31)의 대부분은 반응기 내부에 증착되기 때문에, 재순환 및 재사용이 거의 가능하지 않다. 반응기로부터 배출되는 Ga의 재순환 및 재사용으로도, 종래의 HVPE 반응기의 Ga 효율은 대략 25% 미만일 것으로 예상된다.
반면에, HVM 시스템 및 방법은 보다 낮은 암모니아 흐름(예: 10slpm)을 사용하고, 따라서 Ga 흐름 및 15cm 웨이퍼에 요구되는 총 Ga(예: 114gm)도 보다 작을 것으로 예상할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 재순환 및 재사용 없이 27%(=31/114)의 Ga 효율을 달성할 수 있고, 반응기로부터 배출되는 Ga를 재순환 및 재사용하면 아마도 80% 이상까지 Ga 효율을 달성할 수 있을 것이다. 또한, 나머지 83g(=114-31)이 반응기 내부에 거의 증착되지 않기 때문에, 이러한 미사용 Ga의 대부분이 재순환 및 재사용에 이용가능한 반응기 배출물에서 나타난다. 배출 Ga의 재순환 및 재사용으로, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법의 Ga 효율은 80% 이상에 이를 수 있을 것으로 예상된다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시양태는 이들 실시양태가 본원 발명의 몇몇 바람직한 측면들을 예시한 것이므로, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 임의의 동등한 실시양태가 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 사실, 본원에 나타내고 기재된 것들에 더하여, 기재된 요소들의 대안적인 유용한 조합과 같은 본 발명의 다양한 변형물들이 본원 명세서의 기재로부터 관련 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 이러한 변형물들도 첨부된 청구범위의 범위에 속하는 것으로 의도된다. 본원 명세서 전체에서, 표제 및 사용 부호의 설명은 단지 명쾌함 및 편의를 위하여 사용된다.
다수의 참조 문헌이 본원에 인용되며, 이들의 전체 개시 내용은 그 전체로서 모든 목적으로 참조되어 본원에 편입된다. 또한, 앞서 어떻게 특정하였는지와 관계없이, 어떠한 인용 문헌도 본원에 청구된 발명에 앞선 것으로 인정되지 않는다.

Claims (23)

  1. 대량 제조 공정을 중단할 필요 없이, 48시간 이상의 시간 동안 시간당 50g 이상의 III족 원소의 조절가능한 질량 흐름으로 가스상 III족 전구체의 공급원을 포함하는, III 내지 V족 반도체 물질을 형성하기 위한 대량 제조 공정을 촉진하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 III족 원소의 조절가능한 질량 흐름이, 전구체가 제공되는 시간 동안 200mm 기재 상에 적어도 시간당 100μm과 동등한 III 내지 V족 반도체 물질의 증착 속도를 가능하게 하기에 충분한 것인 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    운반 가스의 질량 흐름을 조절하기 위한 질량 흐름 조절기를 추가로 포함하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전구체 공급원이,
    액체 상태의 III족 전구체를 수용하기 위한 내식성 내부 표면을 갖는 용기;
    상기 용기에서 액체를 통과하여 운반 가스를 버블링시키기 위한 출구를 갖 는, 상기 용기 내의 딥 튜브(dip tube);
    상기 딥 튜브로 이어지는, 밸브 조절되는 용기 입구;
    전달관으로 이어지는, 밸브 조절되는 용기 출구; 및
    III족 전구체의 III 내지 V족 반도체 물질로의 전환을 위하여 반응 대역으로 운반 가스 및 가스 형태의 III족 전구체를 운반하기 위한 전달관
    을 추가로 포함하는 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 운반 가스로부터 수분을 5ppb 이하로 제거할 수 있는 정제기를 추가로 포함하는 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 운반 가스 정제기의 하부 스트림에 운반 가스 필터를 추가로 포함하는 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    고체 형태의 III족 전구체를 용융시키기에 충분한 온도로 용기를 가열하기 위한 용기 가열기를 추가로 포함하는 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서,
    운반 가스 공급원, 및 110℃ 이상의 온도로 상기 운반 가스를 가열하기 위한 운반 가스 가열기를 추가로 포함하는 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 운반 가스 가열기에 근접하여 증가된 열 교환 표면을 제공하기 위한 사인 곡선 모양의 굴곡을 갖도록 형성된 운반 가스관을 추가로 포함하고, 상기 운반 가스가 수소, 헬륨, 네온, 아르곤 또는 이들의 혼합물로서, 110℃ 내지 130℃의 온도로 가열되는 시스템.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 용기가 절연 외부 부분을 추가로 포함하는 시스템.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 전달관이 운반 가스 및 III족 전구체를 운반하기 위한 내부관을 갖는 동축 부분, 및 가열 매체를 포함하기 위한 환상의 공간을 제공하는 동축 인클로징관(enclosing line)을 추가로 포함하는 시스템.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 용기가 스테인레스 스틸, 하스텔로이(Hastelloy), 모넬(Monel), 또는 이들의 조합물을 추가로 포함하는 시스템.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상기 전달관이 스테인레스 스틸, 하스텔로이, 모넬, 또는 이들의 조합물을 추가로 포함하는 시스템.
  14. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸브가 구비된 입구, 밸브가 구비된 출구, 및 상기 입구 및 출구의 밸브가 스테인레스 스틸, 하스텔로이, 모넬, 또는 이들의 혼합물을 추가로 포함하는 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 밸브가 폴리테트라플루오로에틸렌 시이트를 추가로 포함하는 시스템
  16. 제 4 항에 있어서,
    상기 용기의 내부 표면이 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는 시스템.
  17. 제 4 항에 있어서,
    상기 용기, 밸브가 구비된 입구, 밸브가 구비된 출구, 입구 밸브, 출구 밸브, 또는 전달관 중 하나 이상이 니켈계 합금, 탄탈, 탄탈계 합금, 탄화규소, 질화붕소, 탄화붕소, 질화알루미늄, 용융 실리카층, 본딩된 무정형 규소층, 및 다른 공 지의 내염소성 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 추가로 포함하는 시스템.
  18. 수소, 질소, 헬륨, 아르곤 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 운반 가스를 대기압보다 높은 압력으로 제공하는 단계;
    상기 운반 가스를 110℃ 이상의 온도로 가열하는 단계;
    상기 운반 가스를 액체 상태의 III족 전구체의 배쓰에 주입하는 단계; 및
    상기 운반 가스 및 임의의 혼입된 III족 전구체를 배쓰로부터 III족 질화물 합성을 위한 반응 대역으로 운반하는 단계를 포함하는,
    가스 형태의 III족 전구체를 질화갈륨 합성을 위한 반응 대역으로 전달하는 공정.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 운반 가스 및 혼입된 III족 전구체가 110℃ 이상의 온도에서 반응 대역으로 전달되는 공정.
  20. 제 18 항에 있어서,
    수분을 5ppb 이하로 제거함으로써 운반 가스를 정제하는 단계를 추가로 포함하는 공정.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 운반 가스가 분당 5 내지 15 리터의 유동 속도로 제공되는 공정.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 배쓰 중의 III족 전구체가 110℃ 내지 130℃ 범위의 온도로 가열되는 공정.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 III족 전구체가 삼염화갈륨을 포함하는 공정.
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