KR20100126569A - 화학 증착 반응기의 가스 분배 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

반응기 내에서 화학 증착법을 통해 폴리실리콘 또는 다른 물질을 제조하기 위한 시스템 및 방법이 제공되며, 실리콘 스탠드파이프를 사용하여 가스가 분배된다. 실리콘 스탠드파이프는 노즐 커플러를 사용하여 반응 시스템에 부착될 수 있으므로 선구-물질 가스들이 반응 챔버의 다양한 부분에 주입될 수 있다. 결과적으로, 가스 유동이 반응 챔버 전체에 걸쳐 향상될 수 있고, 폴리실리콘의 수유을 향상시키고, 폴리실리콘의 품질이 향상되며 에너지 소비가 절감된다.

Description

화학 증착 반응기의 가스 분배 시스템 및 방법{Systems and methods for distributing gas in a chemical vapor deposition reactor}
본 출원은 2008년 3월 26일자로 출원된 미국 가출원 제61/039,758호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 반응기의 화학 증착법에 의해 폴리실리콘과 같은 물질을 생산하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 실리콘 스탠드파이프(standpipe)를 사용하여 화학 증착 반응기의 유동 패턴을 향상시키기 위한 기체 유동 시스템 및 방법에 관한 것이다.
화학 증착법(CVD)은 기체 상태로부터 고체 물질을 증착시키는 것과 관련된 반응 챔버에서 대체적으로 발생되는 반응들을 말한다. CVD는 예를 들어, 폴리실리콘, 이산화 규소, 질화 규소와 같은 고순도, 고성능 고체 물질을 생산하는데 사용될 수 있다. 반도체 및 광전기성 산업에 있어서, CVD는 박막 필름 및 벌크 반도체 물질을 생산하는데 종종 사용된다. 예를 들어, 가열된 표면들은 하나 또는 그 이상의 기체들에 노출될 수 있다. 다른 기체들이 반응 챔버 속으로 전달될 때, 그들은 가열된 표면들과 접촉하게 된다. 이것이 발생 되면, 가스들의 반응 또는 분해(decomposition)가 일어나서 필요한 물질을 생성하기 위해 기재 표면에 증착되는 고형물을 형성한다. 이러한 공정에서 중요한 것은 이러한 반응들이 생성될 수율 및 제품의 품질에 영향을 미치는 가스 유동 패턴이다.
폴리실리콘 화학 증착 공정들에 있어서, 예를 들어, 다결정(polycrystalline) 각각의 반응들에 따라 실리콘은 실린(SiH4), 디클로로실란(SiH2Cl2), 트리클로로실란(SiHCl3), 테트라클로로실란(SiCl4)로부터 증착될 수 있다. 이러한 반응들은 순수 실리콘-함유 공급 원료, 또는 실리콘 함유 공급 원료와 다른 기체들의 혼합물 중 어느 하나와 함께 진공 또는 감압 CVD 반응기에서 일반적으로 수행된다. 반응들을 위해 필요한 온도는 수백 내지 천도(℃) 이상의 범위이다. 또한, CVD 챔버에 포스핀(phosphine), 아르신(arsine) 또는 다이보레인(diborane)과 같은 기체들이 첨가되면, 폴리실리콘은 도핑(doping)과 함께 직접적으로 성장될 수도 있다.
따라서, 가스 유동 패턴은 폴리실리콘 및 다른 물질들의 성장에 중대할 뿐만 아니라, 전체 CVD 반응기 시스템의 수율, 품질, 에너지 소비에 영향을 미친다.
본 발명은 화착 증착 반응기의 가스 분배 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히, CVD 반응기의 가스 유동을 개선하기 위한 것이다. 또한, 본 발명은 CVD 반응기의 스탠드파이프에 증착된 실리콘이 부가적인 폴리실리콘 제품으로서 사용될 수 있는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 반응기 시스템 및 방법에 있어서, 특히, CVD 반응기 시스템 및 방법에 있어서, 스탠드파이프가 사용된다. 스탠드파이프는 여러 가지 반응물들을 반응 챔버에 주입하는데 사용될 수 있다. 스탠드파이프는 바람직하게 실리콘 또는 다른 물질들로부터 제조된다. 이러한 물질들은 금속, 그래파이트, 실리콘 카바이드, 및 다른 적절한 물질들을 제한 없이 포함한다. 스탠드파이프의 길이는 그 적용예에 근거하여 대략 1 내지 2 센티미터로부터 대략 수 미터까지의 범위일 수 있다. 파이프의 직경은 그 적용예에 근거하여 대략 1 내지 2 밀리미터부터 수십 센티미터의 범위일 수 있다. 벽의 두께는 바람직하게 대략 0.1 내지 대략 5.0 밀리미터이다.
본 발명의 반응기 시스템은 반응 챔버 내부에 고정된 적어도 베이스 플레이트 및 베이스 플레이트에 작동 가능하게 연결된 테두리를 구비한다. 하나 또는 그 이상의 필라멘트들은 화학 증착 사이클 동안 여러 가지의 반응 가스들이 증착되는 챔버 내부에 있는 베이스 플레이트에 부착된다. 필라멘트는 실리콘 필라멘트 또는 생성되는 다른 필요한 고체일 수 있. 적어도 하나의 가스 입구 및 가스 출구는 반응 챔버에 연결되어 반응 챔버를 통한 가스의 유동을 허용한다. 챔버의 내부를 관찰하기 위한 윈도우 부분 또는 관찰 포트가 제공될 수 있다. 전류 공급원은 바람직하게 CVD 반응 사이클 동안 필라멘트를 직접적으로 가열하는 전류를 공급하기 위해 베이스 플레이트에 있는 전기 피드쓰루(feedthrough)를 통하여 필라멘트의 끝단들에 연결된다. 화학 증착 시스템의 온도를 낮추기 위한 냉각 시스템이 제공되며, 적어도 하나의 유체 입구 및 적어도 하나의 유체 출구를 가진다.
본 발명에 따른 스탠드파이프는 바람직하게 반응 챔버에 가스 유동을 주입하기 위해 적어도 하나의 가스 입구에 연결된다. 스탠드파이프는 바람직하게 노즐 커플러(coupler)와 파이프 본체를 구비한다. 파이프 본체의 길이와 직경은 필요한 가스 유동율에 근거하여 선택될 수 있다. 노즐 커플러는 파이프 본체를 적어도 하나의 가스 입구에 밀봉하기 위한 가스켓과 같은 밀봉 장치를 더 포함할 수 있다. 스탠드파이프는 바람직하게 챔버 내부에서 공정 가스 유동을 분배하기 위한 적어도 하나의 주입 튜브를 가진다. 적어도 하나의 주입 튜브의 치수는 필요한 유동율에 근거한다. 주입 튜브 물질은 실리콘 또는 다른 물질로 제조될 수 있다.
본 발명의 이러 저러한 장점들은 첨부된 도면들을 고려하여 바람직한 실시예들의 이어지는 설명에 의해 더 잘 이해될 수 있다.
따라서, 본 발명은 CVD 반응 챔버들 내부에서의 반응 효율을 향상시키고, 고체 증착물을 증대하고 품질을 향상하고 전체 작동 비용을 감소시킨다.
본 발명이 속하는 분야의 당업자는 본 발명의 방법 및 장치의 제조 및 사용 방법을 부적절한 실험에 의하지 않고서도 잘 이해할 수 있으며, 그 바람직한 실시예들은 이어지는 도면들에서 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 반응 챔버 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 반응 시스템의 내부 사시도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 스탠드파이프의 확대 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 스탠드파이프의 파이프 본체에 부착된 노즐 커플러의 상세도이다.
도 3c는 도 3b에 도시된 노즐 커플러의 가스켓의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 반응 챔버 시스템이 다수의 스탠드파이프들에 합체된 부분 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 아래의 첨부된 도면들을 참조하여 설명되고, 동일한 참조부호들은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은 반응기의 가스 분배 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 화학 증착(CVD) 반응기의 가스 유동을 개선하기 위한 것이다. 특히, 본 발명은 스탠드파이프를 사용하는 CVD 반응기의 가스 분배 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 이점 및 장점은 고체 증착물(예, 폴리실리콘)의 수율 향상, 에너지 소비의 저감, 전체 작동 비용의 감소를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 본 발명의 개시는 예시적인 폴리실리콘 CVD 반응기 시스템에 대한 것이지만, 본 발명의 시스템 및 방법은 가스 분배 향상 및 가스 유동 패턴이 향상된 그 어떤 다른 CVD 반응기 시스템 또는 다른 반응기 시스템에 일반적으로 적용될 수 있다.
예시적 적용에 있어서, 트리클로로실란 가스는 반응기 내부의 봉 또는 실리콘 튜브 필라멘트에서 반응하여 얇은 봉 또는 필라멘트 위에 폴리실리콘 증착물을 형성한다. 본 발명은 트리클로로실란의 반응과 관련된 폴리실리콘 증착을 사용하는 CVD 반응기들에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 본 발명에 따른 큰 표면 영역 구조를 가진 얇은 봉 또는 필라멘트 및 유사한 전기 저항 속성들을 사용하는 실란, 다이클로로실란, 실리콘 테트라클로라이드, 또는 다른 파생물 또는 가스들의 조합에 관련된 반등들을 위해 사용될 수 있다. 다양한 형태 및 구성의 필라멘트들은 예를 들어, 인용에 의해 본 명세서에 합체되는, 미국 특허 출원 공개 US2007/0251455에 개시된 그런 것들을 사용할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 얇은 봉 또는 필라멘트 위에 폴리실리콘이 증착되는 화학 증착(CVD) 반응기가 도시된다. 반응기 시스템(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(30), 가스 입구 노즐(24) 또는 공정 플랜지, 가스 출구 노즐(22) 또는 배출 플랜지, 및 반응 챔버(12) 내부의 하나 또는 그 이상의 필라멘트들(28)을 직접적으로 가열하는 전류를 제공하기 위한 전기 피드쓰루 또는 컨덕터들(20)을 구비하는 반응 챔버(12)를 포함한다. 유체 입구 노즐(18)과 유체 출구 노즐(14)은 반응 챔버(10)에 유체를 공급하기 위한 냉각 시스템에 연결된다. 또한, 관찰 포트(16) 또는 조망 유리는 바람직하게 반응 챔버(12)의 내부의 시각적 검사를 허용하고, 반응 챔버(12) 내부의 온도를 측정하는데 선택적으로 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반응기 시스템(10)은 폴리실리콘의 벌크 생산을 위해 구성된다. 시스템은 예를 들어, 단일 플레이트 또는 다수의 대향되는 플레이트들일 수 있고, 바람직하게 필라멘트 서포트들로 구성될 수 있는 베이스 플레이트(30), 및 증착 챔버를 형성하기 위해 베이스 플레이트(30)에 부착될 수 있는 테두리를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, '테두리'는 CVD 공정이 일어나는 반응 챔버(12)의 내부를 의미한다.
하나 또는 그 이상의 실리콘 필라멘트(28)는 바람직하게 필라멘트 서포트(미도시) 위의 반응 챔버(12) 내부에서 증착되고, 전류 공급원은 필라멘트를 직접 가열하는 전류를 공급하기 위해 베이스 플레이트(30)에 있는 전기 피드쓰루(20)를 통해 필라멘트(28)의 양 끝단에 연결될 수 있다. 또한, 베이스 플레이트(30)에는 실리콘-함유 가스 공급원에 연결될 수 있는 적어도 하나의 가스 입구 노즐(24)이 제공되고, 예를 들어, 베이스 플레이트(30)에는 가스 출구(22)가 제공되어 반응 챔버(12)로부터 가스를 방출할 수 있다.
도 2를 참조하면, 예시적인 스탠드파이프(42) 구조가 도시되며, 파이프 본체(44)는 바람직하게 반응 챔버(12)(도 3a 참조)에서 일어나는 CVD 반응과 관련하여 반응 챔버(12) 속으로 다양한 가스들을 주입하기 위한 적어도 하나의 가스 입구 노즐(24)에 작동 가능하게 연결된다. 단일의 주입 튜브(42)가 도 2에 도시되지만, 하나 또는 그 이상의 스탠드파이프들이 반응 챔버에 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 단일 스탠드파이프는 스탠드파이프들(42)에 의해 대체될 수 있다. 각각의 스탠드파이프 또는 주입 튜브(42)의 치수는, 필요한 가스 유동 디자인에 근거하여 그 길이가 1-2cm부터 수 미터까지이고, 그 직경은 1-2mm부터 수십 센티미터이다.
하나 또는 그 이상의 스탠드파이프들(42)은 바람직하게 필요한 유동 패턴에 따라 반응 챔버(12)의 다양한 부품들에 하나 또는 그 이상의 가스들을 주입하는데 사용된다. 스탠드파이프(들)(42)은 예를 들어, 파이프 본체(44)를 반응 챔버(12)의 입구 노즐 커플러(25)에 스크류 결합(도 3a 내지 도 3c 참조)에 의하는 것과 같이 그 어떤 알려진 설치 메커니즘에 의해 반응기에 부착될 수 있다. 가스 유동 패턴은 폴리실리콘의 성장, 수율, 품질, 에너지 소비에 중대할 수 있기 때문에, 본 발명은 폴리실리콘 제조 공정 및 실리콘 또는 실리콘 조성물 증착과 관련된 그 어떤 다른 공정들에 적용될 수 있다. 특히, 그것은 파이프 또는 다른 모양의 부품들에 부식, 오염, 증착이 발생될 수 있는 공정에 적용될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 스탠드파이프(42)의 다양한 구성들은 바람직하게 실리콘 파이프로 제조된다. 실리콘은 부식, 오염, 용융 및 파이프 본체(44) 내부에서의 원하지 않은 실리콘 증착을 야기할 수 있는 스테인리스 스틸 또는 다른 물질들과 같은 비-실리콘 물질들에 대한 대안으로서 사용된다. 파이프 본체(44)의 일단에서, 파이프 본체(44)가 제조되는 물질은 기계가공될 수 있는 물질들과 융합된다. 이러한 물질들은 금속, 그래파이트, 실리콘 카바이드, 및 다른 어떤 적절한 물질을 포함한다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 타단에서, 파이프 본체(44)는 바람직하게 적절한 직경을 가진 노즐 커플러(25)에 부착된다. 노즐 커플러(25)는 바람직하게 가스 입구 노즐(24)과 스탠드파이프 가스 공급원 사이에 기밀 씰링을 제공하기 위한 가스켓(26)이 형성된다. 파이프 본체(44)의 길이는 그 적용에 따라 대략 수 센티미터부터 대략 수 미터의 범위이다. 파이프 본체(44)의 직경은 가스 유동율에 따라 대략 수 밀리미터부터 수십 센티미터의 범위이다. 파이프 본체(44)의 두께는 바람직하게 대략 수 밀리미터 내외 정도이다. 파이프 본체(44)는 바람직하게 실리콘으로 제조된다.
반응기에서 물질을 증착하기 위한 방법은, 반응 챔버 내부에 고정된 적어도 베이스 플레이트, 및 베이스 플레이트에 작동 가능하게 연결된 테두리를 구비하는 반응 챔버를 제공하는 단계; 베이스 플레이트에 적어도 하나의 필라멘트를 부착하는 단계; 필라멘트에 전류를 공급하기 위해 반응 챔버에 전류 공급원을 연결하는 단계; 반응 챔버를 통해 가스를 유동시키기 위해 반응 챔버에 가스 공급원을 연결하는 단계; 반응 챔버 내부에서 가스 유동을 분배하기 위해 가스 공급원에 스탠드파이프를 연결하는 단계; 및 반응 챔버의 적어도 하나의 필라멘트 위에 물질을 증착시키기 위해 반응기를 작동시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 스탠드파이프의 추가적인 혜택은 그것은 재사용 또는 리사이클될 수 있다는 것이다. 가스 주입 공정 동안, 실리콘은 파이프 본체(44) 위에 증착된다. 실리콘이 싸이게 되면, 실리콘은 파이프 베이스로부터 제거되어 실리콘 제품으로 사용될 수 있다.
본 발명이 비록 바람직한 실시예들에 대해서만 설명되었지만, 당업자는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 정신 또는 범위를 일탈하지 않는 한 다양한 변화 또는 변경이 가능함을 이해할 것이다.
모든 특허, 공개 특허 출원 및 다른 인용문헌의 전체 내용은 인용에 의해 그들 전체 내용이 본 명세서에 명백히 합체된다.
10...반응 시스템 12...챔버
14...유체 출구 노즐 16...관찰 포트
18...유체 입구 노즐 20...전기 피드쓰루(feedtrhrough)
22...가스 출구 노즐 24...가스 입구 노즐
25...노즐 커플러 28...필라멘트
30...베이스 플레이트 42...스탠드파이프
44...파이프 본체

Claims (23)

  1. 내부에 고정된 적어도 베이스 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트에 작동 가능하게 연결된 테두리를 구비하는 반응 챔버;
    상기 베이스 플레이트에 부착된 적어도 하나의 필라멘트;
    상기 적어도 하나의 필라멘트에 전류를 공급하기 위한 전류 공급원;
    상기 반응 챔버를 통해 가스가 유동하도록 상기 반응 챔버에 작동 가능하게 연결된 가스 공급원; 및
    상기 반응 챔버 속으로 가스 유동을 주입하기 위해 상기 가스 공급원에 작동 가능하게 연결된 스탠드파이프(standpipe)를 구비하는 것을 특징으로 하는 반응기(reactor) 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류는 상기 베이스 플레이트에 있는 전기 피드쓰루(feedthrough)를 통해 상기 필라멘트에 직접적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 상기 반응 챔버의 배부를 관찰할 수 있는 관찰 포트(viewing port)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스탠드파이프는 실리콘으로 제조된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응 챔버에 수납된 적어도 하나의 스탠드파이프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스탠드파이프는 상기 반응 챔버에 폴리실리콘 증착물을 수납하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스탠드파이프는 노즐 커플러(coupler) 및 파이프 본체를 더 구비하고, 상기 노즐 커플러는 상기 가스 공급원과 연결된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파이프 본체의 직경은 적어도 필요한 가스 유동율에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 노즐 커플러는 상기 스탠드파이프를 상기 가스 공급원에 밀봉하기 위한 가스켓을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 시스템은 화학 증착 반응기 시스템인 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 시스템에 작동 가능하게 연결된 적어도 유체 입구와 유체 출구를 가진 냉각 시스템을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  12. 반응기에서 물질을 증착하기 위한 방법에 있어서,
    반응 챔버 내부에 고정된 적어도 베이스 플레이트, 및 베이스 플레이트에 작동 가능하게 연결된 테두리를 구비하는, 반응 챔버를 제공하는 단계;
    상기 베이스 플레이트에 적어도 하나의 필라멘트를 부착하는 단계;
    상기 필라멘트에 전류를 공급하기 위해 상기 반응 챔버에 전류 공급원을 연결하는 단계;
    상기 반응 챔버를 통해 가스를 유동시키기 위해 상기 반응 챔버에 가스 공급원을 연결하는 단계;
    상기 반응 챔버 내부에서 가스 유동을 분배시키기 위해 상기 가스 공급원에 스탠드파이프를 연결하는 단계; 및
    상기 반응 챔버의 상기 적어도 하나의 필라멘트 위에 상기 물질을 증착시키기 위해 반응기를 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 증착 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 필라멘트 위에 증착되는 상기 물질은 폴리실리콘인 것을 특징으로 하는 물질 증착 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 필라멘트는 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 증착 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 반응기는 화학 증착 반응기인 것을 특징으로 하는 물질 증착 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트에 있는 전기 피드쓰루를 통해 상기 필라멘트에 상기 전류를 직접 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물질 증착 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 상기 반응 챔버의 내부를 관찰하기 위한 관찰 포트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 물질 증착 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 스탠드파이프는 실리콘으로 제조되는 것을 특징으로 하는 물질 증착 방법.
  19. 반응 챔버에 있어서:
    상기 반응 챔버 내부에 고정된 적어도 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트 부착된 적어도 하나의 필라멘트를 구비하고, 상기 반응 챔버는 전류 공급원에 작동 가능하게 연결되고 상기 적어도 하나의 필라멘트 위에 물질의 증착을 허용하는 가스 공급원을 구비하고;
    상기 반응 챔버 내부에서 가스 유동을 분배하기 위해 상기 가스 공급원에 작동 가능하게 부착된 스탠드파이프를 구비하는 것을 특징으로 하는 반응 챔버.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전류 공급원에 의해 상기 필라멘트에 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 반응 챔버.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전류는 상기 베이스 플레이트에 있는 전기 피드쓰루를 통해 상기 필라멘트에 직접 공급되는 것을 특징으로 하는 반응 챔버.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 반응 챔버를 통해 가스 유동을 허용하기 위해 상기 반응 챔버에 작동 가능하게 연결된 적어도 가스 입구 및 가스 출구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반응 챔버.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 내부를 관찰하기 위한 관찰 포트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 반응 챔버.
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