KR20100048480A

KR20100048480A - 질화갈륨 기판제조장치

Info

Publication number: KR20100048480A
Application number: KR1020080107660A
Authority: KR
Inventors: 김두수; 이동건; 김용진; 이호준; 김지훈
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-11
Also published as: KR100980642B1

Abstract

본 발명은 질화갈륨의 성장속도를 증가시키며 나아가 질화갈륨 기판의 품질을 향상시키는 질화갈륨 기판제조장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 질화갈륨 기판제조장치는 챔버와, 챔버의 내부에 설치되며, 기판이 안착되는 기판 지지대와, 중공의 형상으로 형성되어 챔버의 내부와 연통되며, 외부로부터 공급되는 NH₃ 가스가 기판 지지대에 안착된 기판의 상방으로 분사되도록 상기 챔버에 결합되는 제1가스공급관과, 중공의 형상으로 형성되며, 제1가스공급관의 상방에 배치되며, 외부로부터 공급되는 HCl 가스와 내부에 배치된 갈륨(Ga)이 반응하여 생성되는 GaCl 가스가 기판 지지대에 안착된 기판의 상방으로 분사되되 GaCl 가스가 분사되는 방향이 기판 상면의 법선 방향과 90도 보다 큰 각을 형성하도록 상기 챔버에 결합되는 제2가스공급관을 포함한다.

질화갈륨, NH3, GaCl

Description

질화갈륨 기판제조장치{Device for manufacturing GaN substrate}

본 발명은 질화갈륨 기판제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판의 표면에 질화갈륨을 균일하게 성장시킬 수 있는 질화갈륨 기판제조장치에 관한 것이다.

기상에피텍시(HVPE;Hydride Vapor Phase Epitaxy)방법은 질화갈륨(GaN)을 기판상에 성장시키는 방법으로서 널리 사용되고 있다. 도 1에는 이러한 기상에피텍시방법을 이용하여 질화갈륨을 성장시키는데 사용되는 질화갈륨 기판제조장치의 일례가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 질화갈륨 기판제조장치(200)는 NH₃가스 및 HCl 가스가 각각 공급되는 가스공급관(230,240)과, 각 가스공급관이 일측면에 삽입되며 배기구(211)가 형성되어 있는 챔버(210)와, 챔버(21)의 내부에 배치되며 기판(s)이 지지되는 기판지지대(220)를 포함한다. 가스공급관(240)에는 갈륨(271)이 담겨진 보트(270)가 설치되어 있어서, HCl 가스는 승화된 갈륨과 반응하여 GaCl 가스가 생성되며, 생성된 GaCl 가스는 챔버(210)의 내부로 배출된다. 따라서, 가스공급 관(230,240)으로부터 배출되는 NH₃ 가스 및 GaCl 가스는 반응하여 기판상에 질화갈륨층으로 성장되게 되어 질화갈륨 기판이 제조된다.

그런데, NH₃는 분자량이 작아서 상승하려는 성질이 있고 GaCl는 분자량이 커서 하강하려는 성질이 있으므로, 도 1과 같이 GaCl이 배출되는 가스공급관(240)이 하방에 배치되게 되면, NH₃가스는 상승하게 되고 GaCl는 하강하게 되어 NH₃가스 및 GaCl 가스 간의 반응이 쉽게 일어나지 않게 되며, 나아가 하강하는 GaCl는 기판상에 떨어져서 고온에 노출되어 있는 기판이 에칭되게 되는 문제점이 있었다. 즉, 종래의 기판 제조장치에 있어서는, NH₃가스 및 GaCl 가스 간의 반응이 적게 발생되며 기판이 손상이 발생되는 문제점이 있었다.

한편, 상술한 문제점을 해결하기 위해서 챔버(110) 내부에 캐리어 가스로서 N₂ 또는 H₂를 공급함으로써 가스 흐름에 변화를 유발하여 NH₃가스 및 GaCl 가스 간의 반응을 촉진하려는 시도가 있었다. 그러나, 이러한 방법으로도 가스 반응 효율이 떨어지는 문제를 해결하기 어려웠으며, GaCl가스가 분사되는 가스공급관(240)에 GaN 결정이 흡착되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 NH₃가스 및 GaCl 가스 간의 반응효율이 향상되도록 구조가 개선되어 질화갈륨의 성장속도를 증가시키며 나아가 질화갈륨 기판의 품질을 향상시키는 질화갈륨 기판제조장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 질화갈륨 기판제조장치는 챔버와, 상기 챔버의 내부에 설치되며, 기판이 안착되는 기판 지지대와, 중공의 형상으로 형성되어 상기 챔버의 내부와 연통되며, 외부로부터 공급되는 NH₃ 가스가 상기 기판 지지대에 안착된 기판의 상방으로 분사되도록 상기 챔버에 결합되는 제1가스공급관과, 중공의 형상으로 형성되며, 상기 제1가스공급관의 상방에 배치되며, 외부로부터 공급되는 HCl 가스와 내부에 배치된 갈륨(Ga)이 반응하여 생성되는 GaCl 가스가 상기 기판 지지대에 안착된 기판의 상방으로 분사되되 상기 GaCl 가스가 분사되는 방향이 상기 기판 상면의 법선 방향과 90도 보다 큰 각을 형성하도록 상기 챔버에 결합되는 제2가스공급관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, NH₃가스 및 GaCl 가스 간의 반응효율이 향상되어 질화갈륨 층의 성장속도가 빨라짐과 동시에 기판 상에 균일한게 질화갈륨 을 증착할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 기판제조장치의 개략적인 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 제1가스공급관 및 제2가스공급관의 사시도이며, 도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선의 개략적인 단면도이며, 도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선의 개략적인 단면도이며, 도 6은 도 3에 도시된 제2가스공급관을 화살표(b) 방향으로 바라본 개략적인 도면이다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예의 질화갈륨 기판제조장치(100)는 챔버(10)와, 기판 지지대(20)와, 제1가스공급관(30)과, 제2가스공급관(60)을 구비한다.

챔버(10)의 내부는 외부와 밀폐되게 형성된다. 챔버(10)에는 가스가 배기되는 배기구(11)가 형성되어 있다.

기판 지지대(20)는 챔버(10)의 내부에 설치된다. 기판 지지대(20)에는 기판(s)이 지지된다. 기판 지지대(20)는 별도의 구동수단에 의해 기판(s)을 로딩 및 언로딩시에 움직이도록 구성된다.

제1가스공급관(30)은 외부로부터 NH₃ 가스를 공급받아 챔버(10)의 내부로 배출하기 위한 것이다. 제1가스공급관(30)은 중공형상으로 이루어지며, 챔버(10)의 일측면에 결합된다. 제1가스공급관(30)의 내부는 챔버(10)의 내부와 연통되며, 특히 제1가스공급관(30)의 단부는 기판 지지대(20)에 배치되는 기판(s)의 상방에 배 치된다. 제1가스공급관(30)은 본체부(31)와, 연장부(32)를 포함한다.

본체부(31)는 전체적으로 반원 형상으로 이루어지며, 특히 본체부(31)는 본체부(31)의 폭이 하방으로 갈수록 감소하도록 형성되어 있다. 본체부(31)는 기판 지지대(20)와 수평방향으로 일정 거리 이격되게 배치된다. 본체부(31)의 하부에는 NH₃ 가스가 유입되는 유입구(311)가 형성되어 있다. 그리고, 유입된 NH₃ 가스는 상방으로 유동하여 후술하는 연장부(32)로 공급된다.

연장부(32)는 본체부(31)의 상부로부터 기판쪽으로 연장 형성된다. 본체부(31)로부터 유입된 NH₃ 가스는 연장부(32)의 단부를 통해 기판의 상방으로 배출된다. 연장부(32)의 폭은 후술하는 제2가스공급관(40)의 분사부의 폭 보다 더 넓게 형성되어 있다.

그리고, 제1가스공급관(30)에는 유로형성부재(40)와 가이드부재(50)가 설치되어 있다. 유로형성부재(40)는 NH₃ 가스의 유동 속도를 증가시키며 나아가 NH₃ 가스의 와류를 방지하기 위한 것으로서, 제1가스공급관의 본체부(31) 내부에 한 쌍이 설치된다. 유로형성부재(40)는 상하방향으로 이격되게 배치되며, 모두 유입구(311)의 상방에 배치된다. 하나의 유로형성부재(40)는 본체부(31)의 일측 내측벽에 접촉하며, 다른 하나의 유로형성부재(40)는 본체부(31)의 일측 내측벽과 마주하는 본체의 타측 내측벽에 접촉한다. 이와 같이 유로경로형성부재(40)가 설치되게 되면, 도 2에 화살표(a)으로 도시되어 있는 바와 같이 NH₃ 가스의 유동경로가 인위적으로 형성된다.

가이드부재(50)는 NH₃ 가스가 기판쪽으로 배출되도록 NH₃ 가스의 배출을 가이드하기 위한 것으로서, 제1가스공급관(30)의 연장부(32)의 내부에 한 쌍 설치된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 가이드부재(50)는 NH₃ 가스의 배출방향에 대해 경사지게 배치되어, NH₃ 가스가 배출되는 폭은 NH₃ 가스의 배출방향으로 갈수록 점진적으로 감소하도록 형성되게 된다.

제2가스공급관(60)은 외부로부터 공급되는 HCl 가스와 내부에 배치된 갈륨(Ga)이 반응하여 생성되는 GaCl 가스를 기판의 상방으로 분사하되, GaCl 가스의 분사방향과 기판의 법선 방향이 90도 보다 큰 각을 형성하도록 분사하기 위한 것이다. 제2가스공급관(60)은 연결부(61)와, 본체부(62)와, 분사부(63)를 포함한다.

연결부(61)는 관 형상으로 형성되며, 챔버(10)의 일측면에 결합된다. 연결부(61)는 한 쌍 구비되어 서로 평행하게 배치된다. 각 연결부의 내부에는 갈륨(611)이 담겨지는 보트(612)가 설치되어 있다. 각 연결부(61)에는 외부로부터 HCl 가스가 공급되며, 이 HCl 가스와 갈륨(611)이 반응하여 GaCl 가스가 생성된다.

본체부(62)는 중공의 직육면체 형상으로 형성되며, 제1가스공급관(30)의 상방에 배치된다. 본체부(62)에는 한 쌍의 유입공(621)이 형성되어 있다. 각 유입공(621)에는 연결부(61)가 연결되며, 유입공(621)을 통해 본체부(62)의 내부로 GaCl 가스가 유입된다. 그리고 본체부의 내부에는 유동경로형성유닛이 설치되어 있다.

유동경로형성유닛은 유입공(621)으로 유입된 후 분사부(63)쪽으로 유동하는 GaCl 가스를 가이드하기 위한 것으로, 제1유동경로형성부재(71)와 제2유동경로형성부재(72)를 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1유동경로형성부재(71)는 한 쌍 구비된다. 각 제1유동경로형성부재(71)는 유입공(621)으로부터 분사부쪽, 즉 우측으로 이격되게 배치된다. 한 쌍의 제1유동경로형성부재(71)는 상하 방향으로 서로 이격되게 배치되며, 각 제1유동경로형성부재(71)의 일단부는 본체부의 내측벽에 접촉된다. 제2유동경로형성부재(72)는 세로 방향으로 길게 형성되며, 한 쌍의 유입공을 연결한 직선(L1)과 한 쌍의 제1유동경로형성부재를 연결한 직선(L2) 사이에 배치된다. 또한, 각 유입공(621)으로 유입되는 GaCl 가스의 흐름이 제2유동경로형성부재(72)에 의해 차단되지 않도록, 제2유동경로형성부재(72)는 한 쌍의 유입공(621) 사이에 배치된다. 상기한 바와 같이 유동경로형성유닛이 설치되면, 도 5에 화살표(c)으로 도시된 바와 같이 각 유입공(621)으로 유입된 GaCl 가스가 제1유동경로형성부재(71)를 따라 가이드되어 본체부의 중앙부로 모였다가, 다시 분사부쪽으로 고르게 확산되면서 유동하게 되며, 그 결과 분사부(63) 전체에서 고르게 GaCl 가스가 분사되게 된다.

분사부(63)는 본체부(62)의 내부로 유입된 GaCl 가스가 분사되는 곳이다. 분사부(63)는 본체부(62)의 우측 단부에서부터 연장 형성된다. 분사부는 중공의 형상으로 형성되며, 그 내주면(631)은 도 2에 도시된 바와 같이 수평면에 대해 하방향으로 경사지게 형성된다. 본 실시예의 경우, 분사부의 내주면(631)은 수평면에 대해 약 25도 정도 경사지게 배치된다. 분사부(63)의 단부에는 도 6에 도시된 바와 같이 복수개의 분사공(632)이 형성되어 있으며, 이 분사공을 통해 GaCl 가스 가 분사된다. 이때, 분사공(632)의 크기 및 개수는 기판(s)의 크기에 따라 변경 가능하다. 도 2에 도시된 바와 같이 GaCl 가스는 기판(s)을 향하여 수평면에 경사진 방향으로 분사되며, GaCl 가스의 분사방향(L3)과 기판의 법선(L4) 방향 사이의 각(θ)은 90도 보다 큰 115도로 형성된다.

한편, 제1가스공급관의 단부 즉 연장부(32)의 단부와, 제2가스공급관의 단부 즉 분사부(63)의 단부의 위치에 따라 질화갈륨의 성장 형태가 변화한다. 본 실시예의 경우, 기판의 중심을 지나는 직선(L4)과 분사부(63)의 단부 사이의 거리가, 상기 직선(L4)과 연장부(32)의 단부 사이의 거리보다 길게 배치된다. 즉, 분사부의 단부가 제1가스공급관의 단부보다 좌측에 배치되며, 이와 같이 배치되면 제1가스공급관(30)에서 분사되는 NH₃ 가스와 제2가스공급관(60)에서 분사되는 GaCl 가스가 서로 섞이는 과정에서 발생할 수 있는 와류 현상이 현저하게 줄어들게 되어 질화갈륨 층이 균일하게 형성되게 된다.

상술한 바와 같이 구성된 질화갈륨 기판제조장치(100)에 있어서는, NH₃ 가스를 배출하는 제1가스공급관(30)이 GaCl 가스를 공급하는 제2가스공급관(60)의 하방에 배치되도록 구성되어 있으므로, 종래와 달리 NH₃ 가스 및 GaCl 가스가 활발히 반응하여 질화갈륨의 성장률를 향상시킬 수 있게 된다.

그리고, 본 실시예에서는 제1가스공급관(30)의 내부에 유로형성부재(40)가 설치되어 있어서, NH₃ 가스의 유동경로가 인위적으로 형성되게 된다. 따라서, NH₃ 가스의 유동속도를 증가시킬 수 있으며, 나아가 NH₃ 가스의 와류 현상을 억제할 수 있게 된다. 아울러, NH₃ 가스가 제1가스공급관(30)의 내부에 설치된 가이드부재(50)로 인하여 보다 효과적으로 기판쪽으로 배출되게 되므로, NH₃ 가스 및 GaCl 가스를 보다 활발히 반응시킬 수 있게 된다.

또한, 제2가스공급관의 본체부(62) 내부에 유동경로형성유닛이 설치되어 있으므로 분사부 전체에서 고르게 GaCl 가스를 분사할 수 있으며, 제2가스공급관에서 분사되는 GaCl 가스에 의한 와류 현상을 줄일 수 있다. 따라서 기판 상에 질화갈륨 층이 균일하게 형성된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 종래 질화갈륨 기판제조장치의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 기판제조장치의 개략적인 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 제1가스공급관 및 제2가스공급관의 사시도이다.

도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선의 개략적인 단면도이다.

도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선의 개략적인 단면도이다.

도 6은 도 3에 도시된 제2가스공급관을 화살표(b) 방향으로 바라본 개략적인 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...질화갈륨 기판제조장치 10...챔버

20...기판 지지대 30...제1가스공급관

40...유로형성부재 50...가이드부재

60...제2가스공급관 71...제1유동경로형성부재

72...제2유동경로형성부재

Claims

챔버;

상기 챔버의 내부에 설치되며, 기판이 안착되는 기판 지지대;

중공의 형상으로 형성되어 상기 챔버의 내부와 연통되며, 외부로부터 공급되는 NH₃ 가스가 상기 기판 지지대에 안착된 기판의 상방으로 분사되도록 상기 챔버에 결합되는 제1가스공급관; 및

중공의 형상으로 형성되며, 상기 제1가스공급관의 상방에 배치되며, 외부로부터 공급되는 HCl 가스와 내부에 배치된 갈륨(Ga)이 반응하여 생성되는 GaCl 가스가 상기 기판 지지대에 안착된 기판의 상방으로 분사되되 상기 GaCl 가스가 분사되는 방향이 상기 기판 상면의 법선 방향과 90도 보다 큰 각을 형성하도록 상기 챔버에 결합되는 제2가스공급관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판제조장치.
제1항에 있어서,

상기 제2가스공급관은,

중공의 형상으로 형성되며, 내부로 상기 GaCl 가스가 유입되는 본체부와,

중공의 형상으로 상기 본체부의 단부로부터 연장 형성되며, 상기 기판의 상방에 배치되며, 그 내주면이 상기 본체부측으로부터 타측으로 갈수록 수평면에 대 하여 하방향으로 경사지도록 형성되며, 상기 GaCl 가스가 분사되는 분사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판제조장치.
제2항에 있어서,

상기 본체부에는 상기 본체부의 내부로 상기 GaCl 가스가 유입되는 유입공이 형성되어 있으며,

상기 본체부 내부에 배치되어 상기 유입공으로부터 상기 분사부 쪽으로 유동하는 상기 GaCl 가스를 가이드하는 유동경로형성유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판제조장치.
제3항에 있어서,

상기 유입공은 한 쌍 구비되며 서로 이격되게 배치되며,

상기 유동경로형성유닛은,

상기 각 유입공으로부터 상기 분사부 쪽으로 이격되게 배치되며, 각각의 일단부는 상기 본체부의 내측벽에 접촉되는 한 쌍의 제1유동경로형성부재와,

상기 한 쌍의 유입공을 연결한 직선과 상기 한 쌍의 제1유동경로형성부재를 연결한 직선 사이에 배치되는 제2유동경로형성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판제조장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1가스공급관의 단부와 상기 기판의 중심을 지나며 상기 기판에 수직인 직선 사이의 거리는, 상기 제2가스공급관의 단부와 상기 기판의 중심을 지나며 상기 기판에 수직인 직선 사이의 거리 보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판제조장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1가스공급관은,

상기 기판 지지대와 수평방향으로 일정 거리 이격되게 배치되며 상기 NH₃ 가스가 유입되어 내부에서 상방으로 유동하는 베이스부와,

상기 베이스부의 상부로부터 상기 기판쪽으로 연장 형성되며, 상기 NH₃ 가스가 상기 기판의 상방으로 배출되며, 상기 GaCl 가스가 분사되는 상기 제2가스공급관의 단부 보다 더 큰 폭을 가지도록 형성되는 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판제조장치.
제6항에 있어서,

상기 제1가스공급관의 베이스부의 내부에 상하방향으로 이격되게 배치되며, 각각의 일단부는 상기 베이스부의 내측벽에 접촉하며, 각각 상기 NH₃ 가스가 유입되는 유입구의 상방에 배치되는 복수의 유로형성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판제조장치.