KR20100015212A

KR20100015212A - 화학 기상 증착 장치

Info

Publication number: KR20100015212A
Application number: KR1020080076156A
Authority: KR
Inventors: 김창성; 장성환; 홍종파; 권용일
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2010-02-12
Also published as: KR101018180B1

Abstract

본 발명은 반응챔버로 분사되는 반응가스의 분사각도를 가변적으로 조절할 수 있도록 하여 나선형의 와류를 이루는 유동장을 형성함으로써 혼합길이를 최소화하고, 이를 통해 유효증착반경을 증가시켜 혼합된 반응가스가 기판 표면의 전체 영역에 걸쳐 균일한 밀도를 가지며 증착을 이루도록 하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.

Description

화학 기상 증착 장치{Apparatus for Chemical Vapor Deposition}

본 발명은 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 반응챔버로 분사되는 반응가스의 분사구조를 개선한 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.

최근 다양한 산업분야에서 반도체 소자의 미세화와 고효율, 고출력 LED 개발등의 요구가 점차 많아짐에 따라서 품질이나 성능의 저하 없이 대량으로 생산할 수 있는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 장비가 요구되고 있는 실정이다.

일반적으로 화학 기상 증착은 반응 챔버 내로 공급된 반응가스가 가열된 웨이퍼의 상부표면에서 화학반응을 일으켜 박막을 성장시키는 것이다.

이러한 박막 성장법은 액상 성장법에 비해서 성장시킨 결정의 품질이 뛰어나지만, 결정의 성장 속도가 상대적으로 느린 단점이 있다. 이것을 극복하기 위해 한 번의 성장 싸이클에서 여러 장의 기판상에 동시에 성장을 실행하는 방법이 널리 채택되고 있다.

화학 기상 증착 공법을 통해 균일한 두께의 박막을 얻기 위해서는 챔버 내에 유입되는 반응가스를 기판상의 각 부분으로 두루 균일하게 분사시켜 주어야 한다.

이때, 기판 표면의 전체 영역으로 반응가스가 연속적으로 균일하게 분사되도록 하는 것이 필요한데, 복수개의 기판을 동시에 성막(成膜)할 수 있는 유성형(planetary) 타입의 CVD 장치에서는 반응가스가 서로 혼합되는 길이(mixing length)의 증가로 인해 균일한 유동분포를 이루는 유효증착반경이 감소하게 되는 문제가 발생한다.

이는 혼합된 반응가스가 기판 표면의 전체 영역에 걸쳐 균일한 밀도를 가지며 증착을 이루는 것을 방해하는 문제를 유발시킨다.

따라서, 기판상에 균일하지 못한 두께의 박막을 형성하여 제품불량이 발생하는 문제가 있게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치는, 서셉터가 구비되는 반응챔버; 상기 반응챔버의 측단부 둘레에 구비되며, 외부의 반응가스가 유입되는 적어도 하나의 주입구를 구비하여 상기 주입구를 통해 유입된 반응가스를 저장하는 적어도 하나의 리저버; 및 상기 리저버로부터 상기 반응챔버로 분사되는 상기 반응가스의 분사각도를 조절하여 상기 반응챔버 내에서의 반응가스의 유동흐름 방향을 제어하는 가스 분사부;를 포함하는 한다.

또한, 상기 가스 분사부는, 상기 반응챔버로 반응가스가 분사되는 분사유로를 형성하며, 상기 분사유로가 가지는 소정 각도의 받음각을 조절하는 복수개의 가변 베인을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가변 베인을 회전구동시켜 받음각의 각도를 조절하도록 하는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분사노즐은 분사되는 반응가스의 유동흐름 방향과 상기 서셉터의 회전방향이 서로 반대가 되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주입구는 유입된 반응가스가 상기 가스 분사부를 통해 비스듬히 분사되는 방향으로 상기 리저버 내의 유로를 따라 확산되도록 상기 소정의 각도만큼 비스듬히 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리저버는 제1가스를 저장하는 제1리저버와, 제2가스를 저장하는 제2리저버의 복수개로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리저버는 복수개로 구비되는 각 주입구 사이에 위치하여 상기 각 주입구를 통해 유입되어 상기 리저버 내의 유로를 따라 확산되는 반응가스의 유속이 감소하지 않고 분사되도록 안내하는 안내부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안내부는 상기 주입구로부터 멀어질수록 상기 리저버 내의 유로의 폭이 점차 좁아지도록 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안내부는 상기 리저버가 복수개의 서브 리저버로 각각 구분하여 분리된 구조를 가지도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치는 가스 분사부에 구비되는 가변 베인을 통해 반응챔버로 분사되는 반응가스가 와류를 형성함으로써 기판의 전영역에 걸쳐 균일한 유동흐름을 확보하여 균일한 품질의 성장층을 얻을 수 있다.

그리고, 가변 베인이 회전구동하는 구조를 가지도록 함으로써 받음각을 조절 하여 반응가스의 종류, 반응챔버의 크기변화에 따라서 분사되는 반응가스의 유동특성을 제어하는 것이 가능하다.

또한, 와류를 이루는 유동장의 흐름이 서셉터의 회전방향과 반대가 되도록 함으로써 반응가스의 소모량을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 구체적인 사항을 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 화학 기상 증착 장치에서 리저버가 복수개로 구비된 상태를 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 화학 기상 증착 장치를 나타내는 평면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 화학 기상 증착 장치(100)는 반응챔버(110), 리저버(120), 가스 분사부(130)를 포함하여 이루어지며, 하나 또는 다수의 기판(W)상에 화학 기상 증착을 이루되 상기 반응챔버(110)의 주변부로부터 중심부로 가스가 흐르면서 증착이 이루어지는 것이다.

상기 반응챔버(110)는 중공형의 공간을 가지는 수직 원통형의 구조로 내마모성 및 내부식성이 우수한 메탈재질로 이루어지며, 적어도 하나의 기판이 장착되는 서셉터(50) 및 가열수단(60)을 내부에 구비한다.

그리고, 상기 서셉터(50)의 중심부에는 배기부(140)을 구비하여 증착공정 후 폐가스를 배기시키도록 하고, 상부덮개의 내부에는 냉각수관(C)을 구비하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 리저버(120)는 상기 반응 챔버(110)의 측단부 둘레를 따라 구비되는 유성형(planetary)의 구조를 이룬다.

상기 리저버(120)는 적어도 하나의 주입구(122)를 구비하여 외부의 반응가스(G)가 상기 리저버(120) 내의 유로(121)로 유입되도록 하며, 상기 주입구(122)를 통해 유입되는 반응가스를 저장한다.

도 3에서와 같이, 상기 주입구(122)는 유입된 반응가스(G)가 상기 가스 분사부를 통해 비스듬히 분사되는 방향으로 상기 리저버 내의 유로를 따라 확산되도록 소정의 각도만큼 비스듬히 구비되는 것이 바람직하다.

상기 반응가스는 AlGaInN, 원료가스(source gas)로 NH₃, MO 등을 포함하고, 캐리어가스(carrier gas)로 N₂, H₂ 등을 포함하며, 상기 MO는 NH₃, TMGa, TMAI, Cp₂Mg, SiH₄, TMIn 등을 포함한다.

도 1에서와 같이 상기 리저버(120)가 하나인 단일의 리저버(120)로 구비되는 경우에는 상기 리저버(120)를 따라 원료가스 및 캐리어가스가 혼합된 상태로 저장되어 분사되거나 원료가스만을 분사하게 된다.

또한, 도 2에서와 같이 상기 리저버(120)는 제1리저버(120a) 및 제2리저버(120b)의 이중구조로 이루어지는 것도 가능하다.

이 경우 상기 제1리저버(120a)는 외부로부터 도입되는 제1가스를 저장하고, 상기 제2리저버(120b)는 상기 제1리저버(120a)의 아래에 배치되어 외부로부터 도입되는 제2가스를 저장한다.

상기와 같이 리저버(120)가 상하 이중으로 나누어져 구비되는 경우에는 원료가스와 캐리어가스를 구분하여 각각의 리저버(120a,120b)로 공급하고, 가스가 혼합되지 않은 상태로 상기 반응챔버(110) 내부로 분사되도록 한다.

즉, 서셉터(50)에 가까운 제2리저버(120b)에는 원료가스를 공급하여 저장하고, 서셉터(50)에서 먼 제1리저버(120a)에는 캐리어가스를 저장하여 각 가스가 분리된 상태로 분사되도록 하며, 이 경우 원료가스가 낭비되지 않아 보다 효율적으로 증착공정을 수행하는 것이 가능하며, 아울러 원료가스의 사용량을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

한편, 상기 가스 분사부(130)는 상기 리저버(120)로부터 상기 반응챔버(110)로 분사되는 반응가스(G)의 분사각도를 조절하여 상기 반응챔버(110) 내에서의 반응가스의 유동흐름 방향을 제어하도록 상기 리저버(120)의 내주면측을 따라 구비된다.

도 3에서와 같이, 상기 가스 분사부(130)는 상기 반응챔버(110)로 반응가스가(G) 분사되는 분사유로(137)를 형성하며, 상기 분사유로(137)가 가지는 소정 각도의 받음각(angle of attack)(θ)을 조절하는 복수개의 가변 베인(131)을 포함하여 이루어진다.

상기 분사유로(137)는 종래와 같이 중심부를 향하는 구조가 아니라 상기 반 응챔버(110)의 중심부로부터 소정 각도만큼의 받음각을 가지며 비스듬히 구비되는 구조를 가진다.

그리고, 상기 복수개의 가변 베인(131)은 상기 복수개의 분사유로(137)를 형성하며, 상기 분사유로(137)의 받음각(θ)을 조절한다.

상기 가변 베인(131)은 사각형의 플레이트 부재로 회전축(132)을 통해 회전하는 구조이며, 상기 가변 베인(131)의 상하부측에 구비되는 지지대(136)에 상기 회전축(132)이 상하로 끼움결합하여 회전하게 된다.

따라서, 각 가변 베인(131) 사이에 형성되는 공간(틈)이 상기 분사유로(137)를 형성하게 되며, 상기 가변 베인(131)을 소정 각도만큼 회전시켜 상기 반응챔버(110)의 중심부에 대한 기울기를 조절함으로써 상기 분사유로(137)가 가지는 받음각(θ)을 조절하게 되는 것이다.

이러한 받음각(θ)의 조절은 상기 가변 베인(131)을 소정의 각도만큼 회전구동시키는 구동부를 통해 이루어진다.

도 4를 참조하여 상기 구동부의 구조 및 구동방식을 설명한다.

도 4는 도 1 및 도 2에 도시된 화학 기상 증착 장치의 구동부가 가변 베인을 회전구동시키는 방식을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도 1 및 도 4에서와 같이, 상기 구동부는 모터(미도시) 등에 의해 발생한 구동력을 각 가변 베인(131)으로 전달하는 동력전달부(134)와, 상기 동력전달부(134)와 결합하여 전달되는 동력을 통해 상기 가변 베인(131)을 회전구동시키는 결합부(133)로 이루어진다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 동력전달부(134)는 한쌍의 와이어를 포함하며, 상기 결합부(133)는 상기 회전축(132)의 하단부에 구비되어 회전하는 회전부재를 포함한다.

따라서, 상기 회전부재의 양끝단과 각각 결합하는 상기 와이어가 서로 반대방향으로 이동하는 경우, 즉 일끝단부에 결합하는 와이어가 좌측방향으로 이동하고 타단부에 결합하는 와이어가 우측방향으로 이동하게 되면 상기 회전부재가 회전하여 상기 가변 베인(131)을 회전시키게 되는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 모터 등을 통해 구동력을 발생시키는 것으로 설명하고 있으나 이에 한정하는 것은 아니며, 작업자가 직접 수작업을 통해 상기 구동부를 구동시키는 것 또한 가능하다.

이와 같이 상기 리저버(120)의 내주면을 따라서 구비되는 상기 가스 분사부(130)는 복수개의 분사유로(137) 및 가변 베인(131)으로 이루어지며, 상기 가변 베인(131)이 소정 각도만큼 회전구동되는 구조를 가짐으로써 상기 분사유로(137)의 받음각(θ)을 조절하여 분사되는 반응가스의 유동특성을 제어할 수 있도록 한다.

여기서, 상기 반응챔버(110)로 향하는 상기 각 분사유로(137)의 방향은 모두 일정한 방향을 가지도록 하며, 특히 분사되는 반응가스(G)의 유동흐름 방향과 상기 서셉터(50)의 회전방향이 서로 반대가 되도록 한다.

따라서, 상기 분사유로(137)를 통해 상기 반응챔버(110)로 분사되는 반응가스(G)는 상기 분사유로(137)의 받음각(θ)만큼 비스듬히 분사되어 상기 반응챔 버(110)내에서 나선형의 와류(vortex)를 이루는 유동장을 형성한다.

그리고, 이러한 유동장은 상기 서셉터(50)의 회전방향과 반대방향의 유동흐름을 가져 분사되는 반응가스(G)의 유속을 증가시킴으로써 반응가스의 혼합시간을 단축함은 물론 반응가스의 소모량을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

아울러, 상기 구동부를 통해 상기 가변 베인(131)을 회전구동시켜 상기 분사유로(137)의 받음각을 조절할 수 있어 유입되는 반응가스의 종류 또는 상기 반응챔버(110)의 크기변화 등에 따라서 분사되는 반응가스의 유동특성을 제어하는 것이 가능하다.

한편, 상기 반응챔버(110)의 외부에는 상기 가변 베인(131)에 의해 분사유(137)로가 이루는 받음각(θ)이 얼마인지를 표시하는 각도표시부(미도시)를 구비하여 상기 가변 베인(131)을 통한 각도 조절이 보다 용이하도록 하는 것이 바람직하다.

도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치에 관하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치를 나타내는 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 화학 기상 증착 장치의 구동부가 가변 베인을 회전구동시키는 방식을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 실시예에 있어서도 화학 기상 증착 장치를 구성하는 구성은 상기 도 1 내지 도 4에 도시된 실시예의 경우와 실질적으로 동일하다.

다만, 구동부의 구체적인 구성에 있어서는 도 5 및 도 6에 도시된 실시예가 도 1 내지 도 4에 도시된 실시예의 경우와 다르기 때문에 이하에서는 앞서 설명한 실시예와 중복되는 부분에 관한 설명은 생략하고 구동부에 관한 구성과 동작을 위주로 설명한다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치(100')의 구동부는 모터(135) 등에 의해 발생한 구동력을 각 가변 베인(131)으로 전달하는 동력전달부와, 상기 동력전달부와 결합하여 전달되는 동력을 통해 상기 가변 베인을 회전구동시키는 결합부로 이루어진다.

그리고, 상기 동력전달부는 모터(135)에 의해 회전하는 구동기어(134')와 치합하는 제1나사산(133'b)을 외주면에 구비하고, 내주면에는 제2나사산(133'a)을 구비하는 궤도기어(133')를 포함하며, 상기 결합부는 상기 회전축(132)의 하단부에 구비되어 상기 제2나사산(133'a)과 치합하는 회전기어(132a)를 포함한다.

따라서, 상기 구동기어(134')와 치합하는 상기 제1나사산(133'b)에 의해 상기 궤도기어(133')가 회전을 하면 상기 제2나사산(133'a)과 치합하는 상기 회전기어(132a)가 회전을 하여 상기 가변 베인(131)을 회전시키게 되는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 구동부가 상기 가스 분사부(130)의 좌우 양측에 구비되는 것으로 도시하고 있으나 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 가스 분사부(130)의 어느 일측에 구비되는 것 또한 가능하다.

한편, 도 7에서와 같이 상기 리저버(120)는 복수개로 구비되는 각 주입 구(122) 사이에 위치하도록 유로(121) 경로상을 따라 적어도 하나의 안내부(150)를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 안내부(150)는 상기 주입구(122)로부터 거리가 멀어질수록 상기 리저버(120) 내의 유로(121)의 폭이 점차 좁아지는 구조를 가지도록 구비된다.

따라서, 상기 각 주입구(122)를 통해 유입되어 상기 리저버(120) 내의 유로(121)를 따라 확산되는 반응가스(G)를 안내하여 상기 주입구(122)로부터 멀어지더라도 상기 반응가스의 유속이 감소하지 않고 상기 반응챔버로 분사되도록 한다.

또한, 상기 안내부(150)는 상기 리저버(120)를 복수개의 서브 리저버(120a,120b,120c)로 각각 구분하여 분리된 구조를 가지도록 한다.

따라서, 각 서브 리저버(120a,120b,120c)로 원료가스와 캐리어가스를 구분하여 유입시킴으로써 원료가스의 소모량을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.

상기 안내부(150)는 도면에서와 같이 직선을 이루며 상기 주입구가 향하는 방향을 따라 구비되는 것에 한정하지 않고, 완만한 곡면을 이루며 구비되는 것 또한 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치를 나타내는 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 화학 기상 증착 장치에서 리저버가 복수개로 구비된 상태를 나타내는 단면도이다.

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 화학 기상 증착 장치를 나타내는 평면도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치를 나타내는 단면도이다.

도 6은 도 5에 도시된 화학 기상 증착 장치의 구동부가 가변 베인을 회전구동시키는 방식을 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도 7은 도 1 및 도 5에 도시된 화학 기상 증착 장치에서 리저버 내에 안내부를 더 구비한 상태를 나타내는 평면도이다.

Claims

서셉터가 구비되는 반응챔버;

상기 반응챔버의 측단부 둘레에 구비되며, 외부의 반응가스가 유입되는 적어도 하나의 주입구를 구비하여 상기 주입구를 통해 유입된 반응가스를 저장하는 적어도 하나의 리저버; 및

상기 리저버로부터 상기 반응챔버로 분사되는 상기 반응가스의 분사각도를 조절하여 상기 반응챔버 내에서의 반응가스의 유동흐름 방향을 제어하는 가스 분사부;

를 포함하는 화학 기상 증착 장치.
제1항에 있어서, 상기 가스 분사부는,

상기 반응챔버로 반응가스가 분사되는 분사유로를 형성하며, 상기 분사유로가 가지는 소정 각도의 받음각을 조절하는 복수개의 가변 베인을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
제2항에 있어서,

상기 가변 베인을 회전구동시켜 받음각의 각도를 조절하도록 하는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
제2항에 있어서,

상기 분사노즐은 분사되는 반응가스의 유동흐름 방향과 상기 서셉터의 회전방향이 서로 반대가 되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 주입구는 유입된 반응가스가 상기 가스 분사부를 통해 비스듬히 분사되는 방향으로 상기 리저버 내의 유로를 따라 확산되도록 상기 소정의 각도만큼 비스듬히 구비되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 리저버는 제1가스를 저장하는 제1리저버와, 제2가스를 저장하는 제2리저버의 복수개로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
제1항에 있어서,

상기 리저버는 복수개로 구비되는 각 주입구 사이에 위치하여 상기 각 주입구를 통해 유입되어 상기 리저버 내의 유로를 따라 확산되는 반응가스의 유속이 감소하지 않고 분사되도록 안내하는 안내부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
제7항에 있어서,

상기 안내부는 상기 주입구로부터 멀어질수록 상기 리저버 내의 유로의 폭이 점차 좁아지도록 구비되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
제7항에 있어서,

상기 안내부는 상기 리저버가 복수개의 서브 리저버로 각각 구분하여 분리된 구조를 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.