KR20110079831A - 기상 에피택시 시스템 - Google Patents

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KR20110079831A
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precursor
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KR1020117010037A
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조슈아 맨검
윌리엄 이. 퀸
에릭 아머르
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비코 프로세스 이큅먼트, 아이엔씨.
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Abstract

기상 에피택시 시스템은 기상 에피택시용 기판을 지지하는 압반(platen) 및 가스 주입기를 포함한다. 가스 주입기는 제 1 전구체 가스를 제 1 영역 내로 주입하며, 제 2 전구체 가스를 제 2 영역 내로 주입한다. 적어도 하나의 전극은 제 1 영역 내에 위치되어 제 1 전구체 가스 분자가 전극에 인접하게 흐르도록 한다. 적어도 하나의 전극은 제 2 전구체 가스의 흐름으로부터 충분히 격리된다. 전원은 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결된다. 전원은 적어도 하나의 전극을 가열하는 전류를 생성하여 적어도 하나의 전극에 인접하여 흐르는 제 1 전구체 가스 분자의 적어도 일부를 열적으로 활성화함으로써, 제 1 전구체 가스 분자를 활성화한다.

Description

기상 에피택시 시스템{VAPOR PHASE EPITAXY SYSTEM}
본 발명은 기상 에피택시 시스템에 관한 것이다.
기상 에피택시(VPE)는 화학적 종(species)을 포함하는 하나 또는 그 이상의 가스를 기판의 표면으로 향하게 하여 반응성 종이 기판의 표면상에서 반응하여 막을 형성하도록 하는 단계를 포함하는 일종의 화학 기상 증착법(CVD)이다. 예를 들면, VPE는 기판상에 화합물 반도체 물질을 성장시키도록 사용될 수 있다. 기판은 통상 디스크 형태의 결정성 물질로서, 이는 통상 "웨이퍼"라고 불린다. 물질은 통상 적어도 제 1 및 제 2 전구체 가스를 결정성 기판을 포함하는 공정 챔버 내로 주입함으로써 성장된다.
III-V족 반도체와 같은 화합물 반도체는, 수소화물 전구체 가스 및 유기 금속 전구체 가스를 사용하여 기판상에 다양한 층의 반도체 물질을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 금속-유기 기상 에피택시(MOVPE)는 기상 증착 방법으로서, 이는 통상 금속-유기물의 표면 반응 및 원하는 화학 원소를 포함하는 금속 수소화물을 사용하여 화합물 반도체를 성장시키도록 사용된다. 예를 들면, 인듐 인화물(indium phosphide)은 트리메틸인듐(trimethylindium) 및 포스핀(phosphine)을 도입함으로서 기판 상의 반응기 내에서 성장될 수 있을 것이다. 본 기술 분야에서 사용되는 MOVPE의 선택적 명칭은 유기 금속 기상 에피택시(OMVPE), 금속-유기 화학 기상 증착법(MOCVD), 및 유기 금속 화학 기상 증착법(OMCVD)을 포함한다. 이들 공정에 있어서, 가스는 사파이어, Si, GaAs, InP, InAs 또는 GaP 기판과 같은 기판의 표면에서 서로 반응하여, 일반식 InxGaYAlzNAAsBPCSbD의 III-V족 화합물을 형성하며, 여기서, X+Y+Z는 대략 1이며, A+B+C+D는 대략 1이며, 및 각각의 X, Y, Z, A, B, C, 및 D는 0과 1 사이일 수 있다. 몇몇 예에 있어서, 비스무트(bismuth)는 기타 III족 금속의 일부 또는 전체 대신 사용될 수 있다.
III-V족 반도체와 같은 화합물 반도체는 또한, 수소화물 또는 할로겐화물 전구체 가스 공정을 사용하여 기판 상에 다양한 층의 반도체 물질을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 하나의 할로겐화물 기상 에피택시(HVPE) 공정에 있어서, III족 질화물(예를 들면, GaN, AlN)은 고온 가스 금속 염화물(예를 들면, GaCl 또는 AlCl)을 암모니아 가스 (NH3)와 반응시킴으로써 형성된다. 금속 염화물은 고온 III족 금속 위로 고온 HCl 가스를 통과시킴으로써 생성된다. 모든 반응은 온도-제어된 석영 로에서 수행된다. HVPE의 하나의 특징은 몇몇 최신 공정에서 시간당 100μm까지의 높은 성장률을 가질 수 있다는 것이다. HVPE의 다른 특징은 막이 카본-없는 환경에서 성장되고 고온 HCl 가스가 자체-청소 효과를 제공하므로 상대적으로 높은 품질의 막을 증착하도록 사용될 수 있다는 것이다.
이들 공정에 있어서, 기판은 반응 챔버 내의 상승된 온도에서 유지된다. 전구체 가스는 불활성 캐리어 가스와 통상적으로 혼합되며 및 반응 챔버 내로 배향된다. 통상적으로, 이들 가스는 반응 챔버 내로 유입 시 상대적으로 낮은 온도에 있게 된다. 가스가 고온 기판에 도달함에 따라, 그 온도, 및 그에 따른 반응의 가용 에너지가 증가한다. 에피택셜 층의 형성은 기판 표면에서 구성 화학 물질의 최종 열분해에 의해 나타난다. 결정은 물리적 증착 공정이 아니라 화학적 반응에 의해 형성된다. 성장은 중간 압력의 기체상(氣體相)에서 나타난다. 결과적으로, VPE는 열역학적으로 준안정의 합금에서 바람직한 성장 기술이다. 현재, VPE는 통상적으로 레이저 다이오드, 태양 전지, 및 LED를 제조하도록 사용된다.
본 발명의 목적은 전극이 촉매 반응을 위해 상대적으로 큰 표면적을 제공하도록 형성될 수 있는 기상 에피택시 시스템을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 a. 기상 에피택시용 기판을 지지하는 압반(platen); b. 제 1 전구체 가스 공급원과 결합하는 제 1 영역 및 제 2 전구체 가스 공급원과 결합하는 제 2 영역을 포함하는 가스 주입기로서, 상기 제 1 전구체 가스를 상기 제 1 영역 내로 주입하고 상기 제 2 전구체 가스를 상기 제 2 영역 내로 주입하는 상기 가스 주입기; c. 제 1 전구체 가스 분자가 상기 적어도 하나의 전극에 인접하여 유동하고 상기 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 실질적으로 격리되게 위치되도록 상기 제 1 영역 내에 위치되는 적어도 하나의 전극; 및 d. 상기 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결되는 출력부를 갖는 전원으로서, 상기 적어도 하나의 전극에 인접하여 흐르는 상기 제 1 전구체 가스 분자의 적어도 일부에서 열적으로 활성화하도록 상기 적어도 하나의 전극을 가열하는 전류를 발생시키는 상기 전원을 포함하는 기상 에피택시 시스템을 제공한다.
본 발명에 따라, 전극이 촉매 반응을 위해 상대적으로 큰 표면적을 제공하도록 형성될 수 있는 기상 에피택시 시스템을 제공할 수 있다.
바람직한 및 예시적인 실시예에 따라, 본 발명의 사상은, 그의 추가의 이점과 함께, 첨부 도면을 참조하여, 이하의 상세한 설명에서 특별하게 설명된다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이하에 설명되는 도면이 예시적 목적으로만 사용된다는 것을 알 수 있을 것이다. 도면은 반드시 축척에 맞게 도시되어야 하는 것은 아니며, 그 대신 본 발명의 사상의 원리를 설명 시 강조 부분이 표시된다. 어쨌든, 도면은 출원인의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1은 화합물 반도체를 형성하도록 사용되는 공지된 기상 에피택시 시스템을 도시한다.
도 2는 제 1 전구체 가스의 흐름 내에 위치되는 적어도 하나의 전극을 포함하며 제 2 전구체 가스의 흐름으로부터 거의 격리되는 본 발명의 사상에 따른 기상 에피택시 시스템을 도시한다.
도 3은 가스 주입기의 사분면 내에 위치되는 제 1 영역 및 사분면을 통해 방사상으로 연장하는 제 2 영역을 포함하는 본 발명의 사상에 따른 디스크-형 가스 주입기의 실시예의 평면도이다.
도 4A는 가스 주입기를 교대로 교차하는 복수의 제 1 및 제 2 영역을 포함하는 본 발명의 사상에 따른 디스크-형 가스 주입기의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도 4B는 전극을 제 2 전구체 가스로부터 격리하는 기계적 또는 화학적 배리어를 도시하는 디스크-형 가스 주입기의 확대도를 도시한다.
도 5는 수평 유동 가스 주입기를 포함하는 본 발명의 사상에 따른 기상 에피택시 시스템의 상부 사시도이다.
도 6은 본 발명의 사상에 따른 기상 에피택시 시스템에서 전구체 가스를 열적으로 활성화시키기 위해 압반(platen)의 표면에 인접하여 위치되는 포일(foil)-형 전극을 도시한다.
명세서에서 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 참조는 실시예와 관련하여 설명되는 특정 특징부, 구조 또는 특성이 본 발명의 사상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 위치에서 “일 실시예에 있어서”라는 구절의 출현이 모두 동일 실시예를 참조하여야 하는 것은 아니다.
본 발명의 방법의 개별 단계는 본 발명의 사상이 작동 가능한 한 어떤 순서로든 및/또는 동시에 수행될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 또한, 본 발명의 장치 및 방법이 본 발명의 사상이 작동 가능한 한 전술한 실시예들의 어떤 숫자 또는 모든 실시예를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.
본 발명은 또한 첨부 도면에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예를 참조로 더욱 상세하게 설명될 것이다. 본 발명이 다양한 실시예 및 실시형태와 관련하여 설명된다 하더라도, 본 발명이 이러한 실시예에 제한되는 것으로 의도되지는 않는다. 반대로, 본 발명은, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할, 다양한 대안, 변형예 및 균등물을 포함한다. 본 명세서의 내용에 접근하는 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 본 명세서에서 설명되는 본 발명의 범주 내에서, 다른 사용 분야뿐만 아니라, 추가의 구현예, 변형예 및 실시예를 알 수 있을 것이다.
본 명세서에 사용되는 용어 “가용 에너지”는 화학적 반응에서 사용되는 반응물 종의 화학 포텐셜(chemical potential)을 지칭한다. 화학적 포텐셜은 시스템의 에너지(입자, 분자, 진동 또는 전자 상태, 반응 평형 등)을 설명하도록 열역학, 물리학, 및 화학에서 통상적으로 사용되는 용어이다. 그러나, 화학적 포텐셜의 보다 구체적인 대체 용어는 Gibbs 자유 에너지 (열역학) 및 Fermi 레벨 (고체 물리학), 등을 포함하는 다양한 학문적 규정으로 사용될 수 있다. 다르게 특정되지 않는 한, 가용 에너지에 대한 참조는 특정된 물질의 화학적 포텐셜을 지칭하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 화합물 반도체를 형성하도록 사용되는 공지된 VPE 시스템(100)을 도시한다. 이러한 시스템(100)은 그 안에 장착되는 스핀들(102)을 갖는 반응 챔버(101)를 포함한다. 스핀들(102)은 회전 구동 메커니즘(106)에 의해 축선(104)을 중심으로 회전 가능하다. 축선(104)은 도 1에 도시된 바와 같은 상류 방향(U) 및 하류 방향(D)으로 연장한다. 많은 시스템에 있어서 디스크-형 기판 캐리어인, 압반(108)은 그와의 회전을 위해 스핀들(102) 상에 장착된다. 통상적으로, 압반(108) 및 스핀들(102)은 대략 100 내지 2,000rpm(revolutions per minute)의 회전율로 회전한다. 압반(108)은 복수의 디스크-형 기판(110)을 유지하도록 적용되어 기판(110)의 표면(112)은 축선(104)과 직교하는 평면에 존재하며 상류 방향(U)으로 대면한다.
저항 가열 요소와 같은 히터(114)는 압반(108)에 인접한 반응 챔버(101) 내에 위치된다. 히터(114)는 기판 캐리어를 원하는 처리 온도까지 가열한다. 유동 입구 요소로서 본 기술 분야에 공지된 가스 주입기(116)는 압반(108) 및 스핀들(102)의 상류에 장착된다. 가스 주입기(116)는 공정 가스 공급원(118, 120, 122)에 연결된다. 가스 주입기(116)는 다양한 공정 가스의 흐름을 반응 챔버(101) 내로 향하게 한다. 유체 냉매 공급부(117)는 유동 주입기(116) 내의 액체 냉각 채널과 결합하여 가스 주입기(116)의 온도를 제어하도록 냉각 유체를 순환시킨다.
작동 시, 공정 가스 공급원(118, 120, 122)으로부터의 공정 가스의 흐름은 "유동 영역(124)"으로서 본 명세서에서 지칭되는 가스 주입기(116) 및 압반(108) 사이의 반응 챔버(101)의 영역에서 압반(108) 및 기판(110)을 향해 대체로 하류로 흐른다. 공지된 시스템에 있어서, 이러한 하향 흐름은 하향 유동 가스의 별개의 흐름 사이의 상당한 혼합을 초래하지 않는다. 유동 영역(124) 내의 층류 유동(laminar flow)이 있도록 시스템(100)을 설계 및 동작시키는 것이 바람직하다. 통상의 작동에 있어서, 압반(108)은 회전 구동부(106)와 함께 축선(104)을 중심으로 빠르게 회전되어 압반(108)의 표면 및 기판(110)의 표면이 빠르게 이동하도록 한다. 압반(108) 및 기판(110)의 빠른 이동은 축선(104)을 중심으로 하는 회전 이동 내로 가스를 혼입시킨다. 결과적으로, 공정 가스는 축선(104)으로부터 방사상으로 멀어지도록 유동하여, 다양한 흐름 내의 공정 가스가 경계층 영역(126)으로 개략적으로 표시되는 경계층 내에서 서로 혼합되도록 한다.
사실상, 유동 영역(124) 내에서 화살표(128)로 표시되는 대체로 하류 가스 유동 및 경계층(126) 내의 빠른 회전 유동 및 혼합 사이에는 점진적 천이가 존재한다. 그럼에도 불구하고, 경계층(126)은 대체로 가스 유동이 기판(110)의 표면과 거의 평행인 영역으로서 간주한다. 몇몇 동작 방법에 있어서, 경계층(126)의 두께는 대략 1cm 정도이며 가스 주입기(116)의 하류 표면으로부터 기판(110)의 표면(112)까지의 거리는 대략 5 내지 8cm이다. 그에 따라, 유동 영역(124)은 가스 주입기(116) 및 압반(108) 사이의 공간의 대부분을 점유한다. 압반(108)의 회전 이동은 가스를 압반(108)의 가장자리 둘레를 바깥 방향으로 펌핑하며, 및 그에 따라 가스가 배기 시스템(130)의 하류를 통과한다. 많은 동작 방법에 있어서, 반응 챔버(101)는 대략 25 내지 1,000Torr로부터 절대 압력 이하에서 유지된다. 많은 공정은 대략 50 내지 760Torr의 절대 압력에서 작동한다.
가스 주입기(116)는 상대적으로 낮은 온도에서 유지되는바, 이는 통상 대체로 60℃ 이하이며, 때때로 더 높은 온도가 사용되기도 한다. 할로겐화물 VPE 시스템에 있어서, III족 할로겐화물은 상승된 온도에서 유지되어 응축을 방지한다. 이러한 상승된 온도는 증착이 발생하는 기판(110)의 온도 미만이다. 상대적으로 낮은 온도는 반응물의 분해를 방해 및/또는 가스 주입기(116) 및 유동 영역(124) 내의 반응물의 원하지 않는 반응의 형성을 방해하도록 선택된다. 또한, 많은 공정에 있어서, 반응 챔버(101)의 벽(101')은 압반(108)으로부터 먼 유동 영역(124) 내의 공정 가스의 모든 반응의 비율을 최소화하도록 대략 25℃까지 냉각된다.
경계층(126) 내 가스의 체류기간이 상대적으로 짧으므로, 기판(110)의 표면에서 경계층(126) 내의 가스 사이의 신속한 반응을 촉진하는 것이 바람직하다. 통상의 VPE 시스템에 있어서, 반응 에너지는 압반(108) 및 기판(110)으로부터의 열에 의해 일차적으로 제공된다. 예를 들면, 몇몇 공정에 있어서, 반응 에너지는 NH3와 같은 V족 수소화물을 분해하여 NH2 및 NH와 같은 반응성 중간물질을 형성하도록 요구되는 에너지이다. 그러나, 압반(108) 및 기판(110)의 온도를 증가시키는 것은 증착된 화합물 반도체의 분해를 증가시키는 경향이 있다. 예를 들면, 압반(108) 및 기판(110)의 온도를 증가시키는 것은 InGaN 및 InN과 같은 인듐-풍부 화합물을 성장시키는 경우 특히 반도체로부터 질소의 손실을 초래할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 있어서, VPE 시스템은 반응률을 증가시키거나 반응 화학적 성질을 변경하도록 추가 에너지를 공정 가스에 추가하도록 사용되는 하나 또는 그 이상의 전기 활성 전극을 포함한다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 공정 챔버(101) 내의 공정 가스에 노출되는 모든 형태의 와이어 및 필라멘트와 같은 모든 형태의 전기 활성 전극이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 많은 실시예에 있어서, 막대한 에너지를 기타 공정 가스에 공급하지 않고도 공정 가스 중 하나에 에너지를 공급하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 많은 III-V족 증착 공정에 있어서, 막대한 에너지를 III족 금속 전구체 가스에 공급하지 않고도, 추가 에너지를, 예를 들면, 암모니아(NH3)일 수 있는, V족 수소화물 전구체 가스에 가하는 것이 바람직하다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 하나 또는 그 이상의 공정 가스에 대한 에너지의 선택적 인가가 많은 방식으로 수행될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 전기 활성 전극은 상승한 온도 하에서 반응할 전구체 가스로부터 물리적으로 격리될 수 있다. 물리적 격리는 가스를 반응기의 각기 다른 영역에서 별개로 유입시키고 본 명세서에 설명되는 배플 및/또는 가스 커튼을 사용함으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 하나의 특징은 기판(110)의 표면 위에 층류 유동을 유지하도록, 기판(110)으로부터 동일 거리이지만, 가스가 별개로 유입될 수 있다는 것이다.
도 2는 제 1 전구체 가스의 유동 내에 위치되며 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 거의 격리되는 적어도 하나의 전극을 포함하는 본 발명에 따른 기상 에피택시 시스템(200)을 도시한다. VPE 시스템(200)은 도 1을 참조하여 설명된 VPE 시스템과 유사하다. VPE 시스템(200)은 공정 가스를 수용하기 위한 공정 챔버(201)를 포함한다. 또한, VPE 시스템(200)은 기상 에피택시를 위해 기판(204)을 지지하는 디스크-형 기판 캐리어인 압반(202)을 포함한다.
VPE 시스템(200)은 물리적 배리어 및/또는 화학적 배리어에 의해 분리되는 다중 영역을 포함하는 가스 주입기(206)를 포함한다. 예를 들면, VPE 시스템(200)은 제 1 전구체 가스 공급원(210)과 결합하는 제 1 영역(208) 및 제 2 전구체 가스 공급원(214)과 결합하는 제 2 영역(212)을 포함할 수 있다. 어떤 형태의 전구체 가스든 본 발명에 따른 VPE 시스템에 사용될 수 있다. 다양한 기타 실시예에 있어서, 가스 주입기(206)는 추가 전구체 및/또는 불활성 가스 공급원(211)과 결합하거나 결합하지 않을 수 있는 물리적 배리어 및/또는 화학적 배리어에 의해 분리되는 추가 영역을 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 각기 다른 전구체 가스를 공정 챔버(201)의 각기 다른 영역 내로 주입하는 많은 가능한 가스 주입기 디자인이 있다. 예를 들면, 도 3을 참조하여 설명되는 일 실시예에 있어서, 가스 주입기(206) 내의 제 1 영역(208)은 디스크의 사분면에 위치되며, 제 2 영역(212)은 사분면을 통해 방사상으로 연장한다. 도 4A를 참조하여 설명되는 다른 실시예에 있어서, 가스 주입기(206) 내의 제 1 및 제 2 영역(208, 212)은 가스 주입기(206)의 적어도 일부를 교대로 교차하는 복수의 제 1 및 제 2 영역을 포함한다. 많은 실용적 실시예에 있어서, 가스 주입기(206)는 가스 주입기(206)의 온도를 제어하는 액체 냉각 채널을 포함한다. 유체 냉매 공급부(216)는 유동 주입기(206) 내의 액체 냉각 채널과 결합하여 가스 주입기(206)의 온도를 제어하도록 냉각 유체를 순환시킨다.
다양한 실시예에 있어서, 가스 주입기(206)는 층류 유동 또는 비-층류 유동으로 기판(204)을 지지하는 압반(202) 위에 제 1 및 제 2 전구체 가스를 유동시키도록 설계된다. 또한, 다양한 실시예에 있어서, 가스 주입기(206)는 기판(204)을 지지하는 압반(202)에 대해 다양한 방향으로 제 1 및 제 2 전구체 가스를 유동시킨다. 예를 들면, 본 발명에 따른 몇몇 VPE 시스템에 있어서, 가스 주입기(206)는 기판(204)을 지지하는 압반(202)의 표면에 대해 직교하는 방향으로 1 및 제 2 전구체 가스 중 적어도 하나를 유동시킨다. 또한, 몇몇 VPE 시스템에 있어서, 가스 주입기(206)는 기판(204)을 지지하는 압반(202)과 평행한 방향으로 제 1 및 제 2 전구체 가스 중 적어도 하나를 유동시킨다. 하나의 특정 VPE 시스템에 있어서, 가스 주입기(206)는 기판(204)을 지지하는 압반(202)과 거의 평행한 방향으로 제 1 및 제 2 전구체 가스 중 하나 및 기판(204)을 지지하는 압반(202)과 거의 직교하는 방향으로 가스 주입기(206)를 통해 제 1 및 제 2 전구체 가스 중 나머지를 유동시킨다.
전극(218, 219)은 제 1 영역(212) 내에 위치되어 제 1 전구체 가스가 전극(218, 219)에 접촉하거나 인접하여 유동하도록 한다. 또한, 전극(218, 219)은 그들이 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 거의 격리되도록 위치된다. 전극(218, 219)은 많은 방식으로 배향될 수 있다. 예를 들면, 전극(218, 219)은 가스 주입기(206) (예를 들면, 전극 218)의 평면으로 배향될 수 있다. 전극(218, 219)은 또한 가스 주입기(206) (예를 들면, 전극 219)의 평면에 직교하게 배향될 수 있다. 또한, 전극(218, 219)은 가스 주입기(206) 및 압반(202) 사이에 어디든 위치될 수 있는바, 압반(202)은 가스 주입기(206)에 인접하는 기판(204)을 지지하며 기판(204)을 지지하는 압반(202)에 인접한다.
다양한 실시예에 있어서, 전극(218, 219)은 어떤 형태의 전극 물질로든 형성될 수 있다. 그러나, 전극(218, 219)은 통상 부식에 저항하는 물질로 이루어져 어떤 오염 물질도 VPE 시스템(200) 내로 유입시키지 않도록 한다. 또한, 다양한 실시예에 있어서, 단 하나의 전극만을 포함할 수도 있는, 어떤 숫자의 전극이든 포함하는 모든 형태의 전극 구성이 사용될 수 있다. 또한, 다양한 실시예에 있어서, 전극(218, 219)은 어떤 형태로든 형성될 수 있다. 예를 들면, VPE 시스템(200)은 각기 다른 두 가지 형태의 전극, 즉, 선형 (직선) 전극(218) 및 비-선형 전극(219), 예를 들면, 제 1 전구체 가스에 노출되는 전극의 표면적을 증가 도는 최대화하는 코일형 전극 또는 기타 구조를 보여준다. 많은 시스템에 있어서, 동일한 형태의 전극이 사용되지만, 몇몇 시스템에 있어서, 둘 또는 그 이상의 각기 다른 형태의 전극이 사용된다.
전극(218, 219)은 전기적으로 활성이다. 도 2에 도시된 실시예에 있어서, 전극(218, 219)은 전원이 인가되지 않은 부유 포텐셜에 있게 된다. 전원(220)의 출력부는 전극(218, 219)에 전기적으로 연결된다. 전원(220)은 전극(218, 219)을 가열하는 전류를 생성하여 전극(218, 219)과 접촉 또는 그와 인접하여 흐르는 제 1 전구체 가스 분자의 적어도 일부를 열적으로 활성화한다.
본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 전극(218, 219)을 격리시키는 많은 방식이 존재하여 이들이 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 충분히 격리되도록 한다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 일 실시예에 있어서, 가스 주입기(206)는 하나 또는 그 이상의 배플(222) 또는 제 1 영역(208)을 제 2 영역(212)으로부터 물리적으로 분리하는 기타 형태의 물리적 구조를 포함하여 전극(218, 219)을 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 격리시킨다. 많은 실시예에 있어서, 하나 또는 그 이상의 배플(222)은 비-열 전도성 물질로 형성되어 공정 챔버(201) 내의 열 프로파일이 배플(222)에 의해 방출되는 열복사로부터 현저하게 변화하지 않도록 한다. 일 실시예에 있어서, 하나 또는 그 이상의 배플(222)은 기판(204)을 지지하는 압반(202)을 가로지르는 제 1 및 제 2 전구체 가스 중 적어도 하나의 층류 유동을 보존하도록 형성된다.
일 실시예에 있어서, 전극(218, 219)은 촉매 물질로 형성된다. 히터는 촉매 물질의 반응률을 증가시키도록 촉매 물질과 열 연통 상태로 위치될 수 있다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 많은 형태의 촉매 물질이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 몇몇 실시예에 있어서, 전극(218, 219)은 레늄, 텅스텐, 니오븀, 탄탈룸, 및 몰리브덴 중 적어도 하나를 포함하는 촉매 물질로 형성된다. 다양한 실시예에 있어서, 전극(218, 219)은 내화 및/또는 천이 금속으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 기상 에피택시 시스템 작동 방법은 기판(204)을 지지하는 압반(202)에 인접한 제 1 영역(208) 내에 기상 에피택시용 제 1 전구체 가스를 분사하는 단계 및 기판을 지지하는 압반(202)에 인접한 제 2 영역(212) 내에 기상 에피택시용 제 2 전구체 가스를 분사하는 단계를 포함한다. 하나의 방법에 있어서, 제 1 및 제 2 전구체 가스는 도 4A를 참조하여 설명된 바와 같은 복수의 각각 교번하는 제 1 및 제 2 영역 내로 주입된다.
어떤 형태의 VPE 전구체 가스든 사용될 수 있다. 예를 들면, 제 1 전구체 가스는 NH3와 같은 수소화물 전구체 가스일 수 있으며, 제 2 전구체 가스는 VPE에 의해 GaN을 성장시키도록 사용되는 트리메틸 갈륨과 같은 유기 금속 전구체 가스일 수 있다. 또한, 제 1 전구체 가스는 NH3와 같은 수소화물 전구체 가스일 수 있으며 제 2 전구체 가스는 VPE에 의해 GaN을 성장시키도록 사용되는 염화 갈륨과 같은 금속 할로겐화물 전구체 가스일 수 있다. 몇몇 방법에 있어서, 세 가지 전구체 가스가 사용된다. 예를 들면, 이들 방법에 있어서, 제 1 전구체 가스는 NH3와 같은 수소화물 전구체 가스일 수 있으며, 제 2 전구체 가스는 트리메틸 갈륨과 같은 유기 금속 전구체 가스일 수 있다. 제 3 전구체 가스는 HCl과 같은 할로겐화물 전구체 가스일 수 있다. 이들 전구체 가스에 있어서, 할로겐화물 전구체 가스 및 유기 금속 전구체 가스는 금속 할로겐화물을 형성하도록 반응한다. 세 가지 전구체 가스를 사용하는 방법에 있어서, 가스 주입기(206)는 제 3 전구체 가스를 주입하기 위한 제 3 영역을 포함할 수 있다. 선택적으로, 제 3 전구체 가스는 제 1 또는 제 2 영역(208, 212) 내에 주입될 수 있다.
제 1 및 제 2 전구체 가스는 기판(204)을 지지하는 압반(202)에 수직 및 평행한 각도를 포함하는 어떤 각도로든 주입될 수 있다. 제 2 전구체 가스용 주입 각도는 제 1 전구체 가스의 주입 각도와 같거나 다를 수 있다. 제 1 전구체 가스 분자는 전극(218, 219)과 접촉하거나 인접하여 유동한다. 그러나, 전극(218, 219)은 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 적어도 부분적으로 격리된다. 전극(218, 219)은 그 후 전기적으로 활성화된다. 몇몇 방법에 있어서, 전극(218, 219)은 물리적 배플(222)과 함께 상기 주입된 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 격리된다. 배플(222)은 도 6을 참조하여 설명되는 바와 같이 기판(204)을 지지하는 압반(202) 위의 층류 유동을 보존하도록 수행될 수 있다.
가스 커튼을 사용하는 방법에 있어서, 불활성 가스는 전극(218, 219)을 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 격리하는 영역 내로 주입된다. 본 명세서에 사용되는 용어 "불활성 가스"는 성장 반응에 거의 참여하지 않는 가스를 지칭한다. 불활성 가스는 전구체 가스와 종종 혼합된다. 이러한 불활성 가스는 본 기술 분야에서는 "캐리어 가스"라고 불린다. 예를 들면, III-V족 반도체 물질을 성장시키는 경우, N2, H2, He 또는 그 혼합물과 같은 가스는 통상적으로 전구체 가스용 캐리어 가스로서 사용된다.
전원(220)은 전극(218, 219)을 통해 흐르는 전류를 생성하여 전극(218, 219)이 충분한 양의 제 2 전구체 가스 분자를 활성화하지 않고도 제 1 전구체 가스 분자를 열적으로 활성화하는 열을 생성하도록 한다. 가열된 전극(218, 219)은 전자의 열이온 방출 및 전자와 반응물 종의 상호 작용을 포함하는 다양한 메커니즘에 의해 에너지를 제 1 전구체 가스 분자에 전달한다. 본 발명에 따른 몇몇 방법에 있어서, 전자는 반응물 종을 이온화시키는 충분한 에너지를 갖지 않는다. 전자가 반응물 종을 이온화시키는 충분한 에너지를 갖지 않는 하나의 예는 NH3을 이온화시키는 것이다. NH3을 이온화하는 방법에 있어서, 전자는 반응물 종과 상호 작용하여 반응물 종을 더 높은 에너지 상태까지 촉진한다.
본 발명에 따른 몇몇 VPE 시스템에 있어서, 전극(218, 219)은 촉매 전극으로서, 이들은 촉매 물질 조건이 바람직한 경우 제 1 전구체 가스의 반응을 촉진할 수 있는 촉매 물질로 형성된다. 촉매 전극은 촉매 반응을 증대하도록 별개의 히터로 가열될 수 있다. 몇몇 방법에 있어서, 이러한 촉매 전극은 그가 기판(204)을 지지하는 압반(202)으로부터 멀어지므로 가스 주입기(206) 표면에 인접한 NH3을 분해하는데 유용하며, 그에 따라, 분해를 위해 충분한 열에너지를 갖지 못한다. 촉매 전극을 사용하여 분해를 위한 활성 에너지를 낮추며, 그에 따라, 상대적으로 낮은 온도를 갖는 공정 챔버(201)의 영역 (즉, 기판에서 먼 가스 주입기(206)에 가까운 영역)에서도 NH3 분해 가능성을 증가시킨다. 촉매 전극은 상기 반응이 진행하도록 하거나, 상기 반응이 발생하려고 하면, 반응의 활성 에너지를 낮춤으로써 반응이 더 빠르게 진행되도록 하거나 반응이 각기 다른 반응 경로를 통해 진행하도록 한다. 본 발명에 따른 하나의 VPE 시스템에 있어서, 촉매 전극은 경계층 영역(126, 도 1)에 인접 위치되어 제 1 전구체 가스가 촉매 전극과 상호 작용한 직후 제 1 전구체 가스가 제 2 전구체 가스와 혼합하도록 한다.
본 발명에 따른 기타 VPE 시스템은 에너지가 인가되지 않는 촉매 전극을 포함한다. 이는 전원에 의해 전력을 받지 않고 촉매 물질 및 주변 열만을 사용하여 촉매 반응을 증대시키는 촉매 전극이다. 본 발명에 따른 다양한 VPE 시스템에 있어서, 촉매 전극은 공정 챔버(201) 내의 어디든 위치될 수 있다. 이들 VPE 시스템 중 몇몇에 있어서, 촉매 전극은 압반(202)에 인접하여 위치된다. 압반(202)에 인접 위치되는 촉매 전극은 압반(202) 단독으로부터의 이차 가열을 통해 유효 촉매 활성에 도달할 수 있다.
열적으로 활성화된 제 1 전구체 가스 분자의 슬라브-형(slab-like) 흐름은 가스 주입기(206) 및 압반(202) 사이의 반응 챔버(201)의 유동 영역(224) 내에서 압반(202) 및 기판(204)을 향해 대체로 하류로 유동한다. 본 발명에 다른 많은 방법에 있어서, 하향 유동은 하향 유동 가스의 별개의 흐름 사이의 상당한 혼합을 초래하지 않는다. 유동 영역(224) 내에 층류 유동이 존재하도록 시스템(200)을 설계 및 작동시키는 것이 바람직한 경우도 있다. 압반(202)은 회전 구동부(106)와 함께 축선(104)을 중심으로 빠르게 회전되어 압반(202)의 표면 및 기판(204)의 표면이 빠르게 이동하도록 한다. 압반(202) 및 기판(204)의 신속한 이동은 가스를 축선(104)을 중심으로 하는 회전 이동에 혼입시킨다. 결과적으로, 공정 가스는 축선(104)으로부터 멀어지게 방사상으로 유동하여, 다양한 흐름 내의 공정 가스가 경계층 영역(126) 내에 개략적으로 표시되는 경계층 내에서 서로 혼합하도록 한다. 경계층 내의 혼합물의 활성화된 제 1 전구체 가스 분자 및 제 2 전구체 가스 분자는 기판(204)의 표면 위를 유동하여, VPE 막을 형성하도록 반응한다.
통상의 VPE 시스템에 있어서, 전구체 가스는 상대적으로 낮은 온도에서 공정 챔버(201) 내로 유입되며, 그에 따라, 낮은 가용 에너지를 갖는바, 이는 통상적으로, 기판(204)의 표면상의 반응물의 빠른 반응을 유도하는데 필요한 에너지 이하이다. VPE의 통상의 방법에 있어서, 입구로부터 경계층 영역(126)을 향해 하류를 통과함에 따라 복사 열전달에 의해 반응물이 어느 정도 가열될 수 있다. 그러나, 대부분의 가열 및 그에 따른 대부분의 반응물의 가용 에너지 증가는 경계층 영역(126) 내에서 발생한다. 이들 통상의 VPE 시스템에 있어서, 거의 모든 가열은 기판(204) 및 압반(202)의 온도에 따라 변화한다.
본 발명에 따른 VPE 시스템에 있어서, 기판, 압반, 및 챔버 벽으로부터의 열전달에 의해 가해지는 에너지가 아닌, 상당량의 에너지는 적어도 하나의 전구체 가스에 공급된다. 에너지가 인가되는 위치는 제어될 수 있다. 예를 들면, 유동 영역(124, 도 1) 및 경계층 영역(126) 사이의 천이부에 가까운 제 1 전구체 가스에 에너지를 인가함으로써, 제 1 전구체 가스의 주어진 부분이 높은 가용 에너지에 도달하는 순간 및 상기 부분이 기판 표면과 만나는 시기 사이의 시간은 최소화될 수 있다. 이러한 제어는 원치 않는 부반응을 최소화하도록 도울 수 있다. 예를 들면, 높은 가용 에너지를 갖는 암모니아는 NH2 및 NH와 같은 종으로 자연스럽게 분해할 수 있으며, 이들 종은, N2를 매우 빠르게 형성하는, 단원자 질소로 분해할 것이다. 질소는 금속 유기물과의 반응용으로는 본질적으로 얻을 수 없는 것이다. 암모니아가 경계층으로 들어가기 직전 또는 들어감에 따라 에너지를 암모니아에 인가함으로써, 기판 표면에서의 여기된 NH3와 금속 유기물과의 반응, 또는 NH2 또는 NH 종과 금속 유기물과의 반응과 같은, 표면에서 반도체를 증착하는 원하는 반응은 증대되는 반면, 원하지 않는 부반응은 억제될 수 있다.
그에 따라, 본 발명의 하나의 특징은, 본 발명에 따른 전극을 사용함으로써, 작업자가 기판(204)의 온도와 독립적인 적어도 하나의 전구체 가스의 가용 에너지를 제어하는 능력을 갖게 된다는 것이다. 그에 따라, 경계층 영역(126, 도 1)의 적어도 하나의 전구체 가스의 가용 에너지는 기판(204) 및 압반(202)의 온도를 증가시키지 않고도 증가할 수 있다. 반대로, 기판(204) 및 압반(202)은 가용 에너지의 수용 가능한 레벨을 유지하면서 더 낮은 온도에서 유지될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 디스크-형 가스 주입기(300)의 일 실시예의 평면도로서, 사분면을 통해 방사상으로 연장하는 가스 주입기(300) 및 제 2 영역(304)의 사분면에 위치되는 제 1 영역(302)을 포함한다. 도 3에 도시된 평면도는 가스 주입기(300)의 전구체 가스 입구를 향해 상류를 도시한다. 디스크-형 가스 주입기(300)는 제 1 및 제 2 영역(302, 304)을 격리시키는 기계적 또는 화학적 배리어(305)를 포함한다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 기계적 또는 화학적 배리어(305)는 제 1 및 제 2 영역(302, 304)을 격리시키도록 불활성 가스를 주입하는 배플 및/또는 가스 커튼과 같은 물리적 구조일 수 있다.
도 3은 명료성을 위해 두 개의 사분면에서 전극(306, 308)을 도시한다. 본 발명에 따른 많은 VPE 시스템에 있어서, 전극(306, 308)은 제 1 영역(302)의 사분면 각각에 위치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 각각의 전극(306, 308)은 절연지지 구조물에 떠 있어서 전극(306, 308)이 전기적으로 부유하고 전원(220, 도 2)에 쉽게 연결되도록 한다. 다양한 실시예에 있어서, 전극은 제 1 전구체 가스에 노출되는 전극(306, 308)의 표면적을 증가시키거나 최대화하는 코일형 전극 또는 기타 구조와 같은 선형 (직선) 전극 또는 비-선형 전극일 수 있다.
많은 시스템에 있어서, 동일 타입의 전극은 제 1 영역(302) 전체에 사용되지만, 몇몇 시스템에 있어서, 둘 또는 그 이상의 각기 다른 타입의 전극은 제 1 영역(302) 내의 각기 다른 위치에서 사용된다. 예를 들면, 제 2 영역(304) (제 1 영역(302)의 에지에서)에 인접한 이러한 타입의 전극은 제 1 영역(302)의 중간에서 이러한 타입의 전극과 다를 수 있다. 각기 다른 전극을 위치시키는 것을 보여주기 위해, 도 3은 제 1 전구체 가스 유동의 평면에 위치되는, 선형 또는 비-선형일 수 있는, 제 1 타입의 전극(306)을 도시한다. 또한, 도 3은 가스 주입기(300)의 평면에 위치되는 제 2 타입의 전극(308)을 도시한다. 도 3은 선형 패턴인 제 2 타입의 전극(308)을 도시한다. 그러나, 제 2 타입의 전극 또한 코일과 같은 비-선형 패턴으로 형성될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.
전극(306, 308)은 제 2 영역(304)으로부터 충분히 멀리 위치되어 제 2 전구체의 화학적 포텐셜이 전극(306, 308)의 근접성을 토대로 변화되지 않도록 한다. 다시 말하면, 전극(306, 308)은 제 2 전구체 가스와 본질적으로 상호 작용하지 않는다. 본 발명의 VPE 시스템의 하나의 특징은 제 1 및 제 2 전구체 가스가 기판(204, 도 2)으로부터 동일한 거리에서 주입될 수 있다는 것이다. 다시 말하면, 제 2 전구체 가스는 활성화를 피하도록 공정 챔버(201) 내의 제 1 전구체 가스 아래로 주입되어야 하는 것은 아니다. 공정 챔버(201)의 동일 레벨에서 제 1 및 제 2 전구체 가스를 주입하는 것은 이러한 주입이 수직 유동 VPE 공정 챔버 내의 큰 면적에 걸쳐 층류 유동을 달성할 수 있으므로 많은 VPE 공정에서 중요하다. 층류 유동은 이것이 균일성을 향상시키기 때문에 많은 VPE 공정에 있어서 바람직하다.
도 3의 가스 주입기(300)를 포함하는 VPE 시스템을 동작시키는 방법은 제 1 전구체 가스 분자가 전극(306, 308)과 접촉하도록 제 1 영역(302)의 사분면 내에 제 1 전구체 가스를 주입하는 단계를 포함한다. 전극(306, 308)은 전원(220, 도 2)에 전력을 인가하여 제 1 전구체 가스 분자를 열적으로 활성화하도록 한다. 예를 들면, 제 1 전구체 가스는 캐리어 가스와의 수소화물 전구체 가스 전구체 가스 혼합물일 수 있다. 제 2 전구체 가스는 전극(306, 308)에 인접한 제 2 영역(304) 내에 주입된다. 예를 들면, 제 2 전구체 가스는 질소와 같은 캐리어 가스와의 유기 금속 혼합물일 수 있다. 공정 조건은 제 2 전구체 가스가 전극에 의해 생성되는 열에 의해 열적으로 활성화되도록 전극(306, 308)에 충분히 가깝게 유동하지 못하도록 선택된다. 활성화된 제 1 전구체 가스 분자 및 제 2 전구체 가스 분자는 기판(204, 도 2)의 표면 위를 흘러서, VPE 막을 형성하도록 반응한다.
도 4A는 가스 주입기(400)를 교대로 가로지르는 복수의 제 1 및 제 2 영역(402, 404)을 포함하는, 본 발명에 따른 디스크-형 가스 주입기(400)의 일 실시예의 단면도를 도시한다. 도 4A에 도시된 평면도는 가스 주입기(400) 내의 전구체 가스 입구를 향해 상류에 제공됨을 보여준다. 복수의 제 1 영역(402)은 캐리어 가스로 수소화물 또는 할로겐화물 전구체 가스를 주입하기 위한 가스 입구를 포함한다. 복수의 제 2 영역(404)은 캐리어 가스로 유기 금속 가스를 주입하기 위한 가스 입구를 포함한다.
본 발명에 따른 많은 VPE 시스템에 있어서, 제 1 영역(402)의 면적은 제 2 영역(404)의 면적보다 크다. 작동 중의 제 1 및 제 2 전구체 가스 및 캐리어 가스의 유량은 제 1 및 제 2 영역(402, 404)의 특정 치수에 대해 조절되어 원하는 체적 및 농도의 전구체 가스가 처리되는 기판(204, 도 2)을 가로질러 유동하도록 한다.
가스 주입기(400)는 복수의 제 1 영역(402)에 위치되는 복수의 전극(406, 408)을 포함한다. 본 발명에 따른 많은 VPE 시스템에 있어서, 복수의 전극(406, 408)은 제 1 영역(402) 내에 위치되거나 제 2 전구체 가스 분자의 전극(406, 408)과의 활성화를 최소화할 수 있는 한 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 멀게 위치된다. 도 4A는 두 가지 각기 다른 배향의 전극(406, 408)을 도시한다. 전극은 명료성을 위해 복수의 제 1 영역(402)의 몇 개의 섹션에만 도시된다. 본 발명에 따른 많은 VPE 시스템에 있어서, 전극(406, 408)은 복수의 제 1 영역(402) 각각에 위치된다. 몇몇 실시예에 있어서, 각각의 전극(406, 408)은 절연 지지 구조에 매달려 전극(406, 408)이 전기적으로 부유 되고 전원(220, 도 2)에 쉽게 연결되도록 한다. 다양한 실시예에 있어서, 전극(406, 408)은 제 1 전구체 가스에 노출되는 전극(406, 408)의 표면적을 증대 또는 최대화하는 코일형 전극 또는 기타 구조와 같은 선형 (직선) 전극 또는 비-선형 전극일 수 있다.
많은 시스템에 있어서, 동일 타입의 전극은 제 1 영역(402) 전체에서 사용되지만, 몇몇 시스템에 있어서, 둘 또는 그 이상의 타입의 전극은 제 1 영역(402)의 각기 다른 위치에 사용된다. 각기 다른 타입의 전극의 위치 설정을 도시하기 위해, 도 4A는 제 1 전구체 가스 유동의 평면에 위치되는 선형 또는 비-선형일 수 있는 제 1 타입의 전극(406)을 도시한다. 또한, 도 4A는 가스 주입기(400)의 평면에 위치되는 제 2 타입의 전극(408)을 도시한다. 도 4A는 또한 코일형일 수 있는 비-선형 전극인 제 2 타입의 전극(408)을 도시한다. 그러나, 제 2 타입의 전극(408)이 선형 전극일 수도 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.
도 4B는 제 2 전구체 가스로부터 전극((406, 도 4A), 408)을 격리시키는 기계적 또는 화학적 배리어(405)를 도시하는 디스크-형 가스 주입기(400)의 확대도이다. 기계적 또는 화학적 배리어(405)는 제 1 영역(402) 내의 전극(406, 408)을 제 2 영역(404) 내를 유동하는 전구체 가스로부터 격리시킨다. 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 배리어(405)는 배플과 같은 물리적 구조일 수 있다. 또한, 배리어(405)는 본 명세서에 설명되는 바와 같은 제 1 및 제 2 영역(402, 404) 사이에 불활성 가스를 주입하는 가스 커튼일 수 있다.
도 4A 및 4B의 가스 주입기(400)를 포함하는 VPE 시스템을 동작시키는 방법은 제 1 전구체 가스 분자가 전극(406, 408)과 접촉하도록 복수의 제 1 영역(402) 내에 제 1 전구체 가스를 주입하는 단계를 포함한다. 전극(406, 408)은 전원(220, 도 2)에 전원을 인가하여 제 1 전구체 가스 분자를 열적으로 활성화하도록 한다. 예를 들면, 제 1 전구체 가스는 그가 전극(406, 408)과 접촉하여 유동하는 경우 열적으로 활성화되는 수소화물 전구체 가스의 캐리어 가스와의 혼합물일 수 있다. 제 2 전구체 가스는 복수의 제 2 영역(404) 내로 주입된다. 예를 들면, 제 2 전구체 가스는 유기 금속의 캐리어 가스와의 혼합물일 수 있다. 공정 조건은 제 2 전구체 가스가 전극(406, 408)에 의해 생성되는 열에 의해 열적으로 활성화되도록 전극(406, 408)에 충분히 가깝게 흐르지 못하도록 한다. 활성화된 제 1 전구체 가스 분자 및 제 2 전구체 가스 분자는 기판(204, 도 2)의 표면 위를 유동하여, VPE 막을 형성하도록 반응한다.
도 5는 수평 유동 가스 주입기(502)를 포함하는 본 발명에 따른 VPE 시스템(500)의 상부 사시도를 도시한다. VPE 시스템(500)은 도 2를 참조하여 설명되는 VPE 시스템(200)과 유사하다. 그러나, VPE 시스템(500)은 압반(510, 즉, 공정 챔버 내로의 수평 유동)의 평면 내에 전구체 가스 및 불활성 가스를 주입하는 원형 가스 주입기(504, 506, 508)를 포함한다.
도 5에 도시된 실시예에 있어서, 제 1 원형 가스 주입기(504)는 제 1 전구체 가스 공급원(512)과 결합한다. 제 2 원형 가스 주입기(506)는 불활성 가스 공급원(514)과 결합한다. 제 3 원형 가스 주입기(508)는 제 2 전구체 가스 공급원(516)과 결합한다. 본 발명에 따른 몇몇 VPE 시스템에 있어서, 제 1 및 제 3 원형 가스 주입기(504, 508)는 또한 캐리어 가스 공급원과 결합한다. 제 1 원형 가스 주입기(504)는 제 1 전구체 가스를 제 1 수평 영역(518) 내에 주입한다. 제 3 원형 가스 주입기(508)는 제 2 전구체 가스를 제 2 수평 영역(520) 내에 주입한다.
원형 전극(522)은 제 1 수평 영역(518)에 위치되어 제 1 전구체 가스 분자가 원형 전극(522)과 접촉하거나 근접하여 유동하도록 한다. 물리적 또는 화학적 배리어는 제 1 및 제 2 수평 영역(518, 520) 사이에 위치되어 원형 전극(522)을 제 2 전구체 가스 분자의 유동으로부터 격리하도록 할 수 있다. 본 발명에 따른 몇몇 시스템에 있어서, 배플은 원형 전극(522) 위에 위치되어 이들이 압반(510) 위로 유동함에 따라 전극(522)에 의해 열적으로 거의 활성화되지 않도록 한다.
본 발명에 따른 몇몇 시스템에 있어서, 가스 커튼은 제 1 및 제 2 수평 영역(518, 520)을 분리시키도록 사용된다. 이들 시스템에 있어서, 제 2 원형 가스 주입기(506)는 불활성 가스를 제 1 및 제 2 수평 영역(518, 520) 사이에, 제 2 전구체 가스 분자가 원형 전극(522)에 의해 거의 활성화되지 않도록 하는 패턴으로, 주입한다.
도 5의 VPE 시스템(500)을 동작시키는 방법은 제 1 전구체 가스를 제 1 원형 가스 주입기(504)로 주입하는 단계 및 제 2 전구체 가스를 제 3 원형 가스 주입기(508)로 주입하는 단계를 포함한다. 불활성 가스는 제 1 및 제 2 수평 영역(518, 520) 사이에 제 2 원형 가스 주입기(506)로 주입되어 제 2 전구체 가스 분자가 원형 전극(522)에 의해 활성화되지 않도록 하는 화학적 배리어를 형성한다. 원형 전극(522)이 전원(220, 도 2)에 의해 전력이 인가되는 경우, 원형 전극(522)은 원형 전극(522)에 접촉하거나 근접하여 유동하는 제 1 원형 가스 주입기(504)에 의해 주입되는 제 1 전구체 가스 분자를 열적으로 활성화한다. 활성화된 제 1 전구체 가스 분자 및 제 2 전구체 가스 분자는 기판(524)의 표면 위를 유동하여, VPE 막을 형성하도록 반응한다.
도 6은 본 발명에 따른 VPE 시스템 내의 전구체 가스를 열적으로 활성화하기 위해 압반(602)의 표면에 인접 위치되는 포일-형 전극(600)을 도시한다. 전극(600)은 압반(602)의 표면 및 처리되는 기판(604)에 인접하여 위치된다. 도 6에 도시된 전극(600)은 기판(604)의 표면을 가로지르는 전구체 가스의 층류 또는 유사 층류 유동을 제공하도록 에어 포일로서 형성된다. 또한, 전극(600)이 촉매 물질로 형성되는 실시예에 있어서, 전극(600)은 촉매 반응을 위해 상대적으로 큰 표면적을 제공하도록 형성될 수 있다.
균등물
본 출원인의 지침이 다양한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 출원인의 지침이 이러한 실시예에 제한되도록 의도되지는 않는다. 반대로, 본 출원인의 지침은 다양한 대안, 변형예 및 균등물을 포괄하며, 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 명료한 바와 같이, 이들은 본 지침의 사상 및 범주를 이탈하지 않고도 실시될 수 있을 것이다.
100: 시스템
101: 챔버
102: 스핀들
106: 회전 구동
116: 가스 주입기
117, 216: 냉매
130: 배기
220: 전원
600: 전극

Claims (37)

  1. 기상 에피택시 시스템에 있어서:
    a. 기상 에피택시용 기판을 지지하는 압반;
    b. 제 1 전구체 가스 공급원과 결합하는 제 1 영역 및 제 2 전구체 가스 공급원과 결합하는 제 2 영역을 포함하는 가스 주입기로서, 상기 제 1 전구체 가스를 상기 제 1 영역내로 주입하고 상기 제 2 전구체 가스를 상기 제 2 영역 내로 주입하는 가스 주입기;
    c. 제 1 전구체 가스 분자가 상기 적어도 하나의 전극에 인접하여 유동하고 상기 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 실질적으로 격리되게 위치되도록 상기 제 1 영역 내에 위치되는 적어도 하나의 전극; 및
    d. 상기 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결되는 출력부를 갖는 전원으로서, 상기 적어도 하나의 전극에 인접하여 흐르는 상기 제 1 전구체 가스 분자의 적어도 일부를 열적으로 활성화하도록 상기 적어도 하나의 전극을 가열하는 전류를 발생시키는 전원을 포함하는 기상 에피택시 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 주입기는 상기 가스 주입기의 온도를 제어하도록 액체 냉각 채널을 포함하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 주입기 내의 상기 제 1 및 제 2 영역은 상기 가스 주입기의 적어도 일부를 교대로 가로지르는 복수의 제 1 및 제 2 영역을 포함하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스 중 적어도 하나는 상기 기판을 지지하는 상기 압반에 직교하는 방향으로 상기 가스 주입기를 통해 유동하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스 중 적어도 하나는 상기 기판을 지지하는 상기 압반에 평행한 방향으로 상기 가스 주입기를 통해 유동하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스 중 하나는 상기 기판을 지지하는 상기 압반에 실질적으로 평행한 방향으로 상기 가스 주입기를 통해 유동하며, 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스 중 나머지는 상기 기판을 지지하는 상기 압반에 실질적으로 직교하는 방향으로 상기 가스 주입기를 통해 유동하는 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 주입기는 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스를 상기 압반 위에서 층류 유동으로 유동시키는 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 주입기는 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스를 상기 압반 위에서 비-층류 유동으로 유동시키는 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 주입기는 상기 제 1 및 제 2 영역을 물리적으로 분리시키는 배플을 더 포함하는 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 배플은 상기 기판을 지지하는 상기 압반을 가로지르는 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스의 층류 유동을 보존하는 형태인 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 배플은 비-열 전도성 물질로 형성되는 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극은 촉매 물질로 형성되는 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 촉매 물질은 텅스텐, 레늄 및 몰리브덴 중 적어도 하나를 포함하는 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 압반에 인접하게 위치되는 촉매 전극을 더 포함하는 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 비-선형 구조로 형성되는 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 상기 가스 주입기의 평면에 배향되는 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 상기 가스 주입기에 직교하는 평면에 배향되는 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 상기 압반에 인접 위치되는 시스템.
  19. 기상 에피택시 방법에 있어서:
    a. 기판을 지지하는 압반에 인접한 제 1 영역 내에 기상 에피택시용 제 1 전구체 가스를 주입하는 단계;
    b. 기판을 지지하는 상기 압반에 인접한 제 2 영역 내에 기상 에피택시용 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계;
    c. 상기 주입된 제 1 전구체 가스의 유동 내에 전극을 위치시키는 단계;
    d. 상기 주입된 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 상기 전극을 격리시키는 단계; 및
    e. 상기 전극으로 상기 제 1 전구체 가스를 활성화시키는 단계를 포함하는 기상 에피택시 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 제 1 전구체 가스를 활성화하는 단계는 제 1 전구체 가스 래디컬을 생성하는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 제 1 전구체 가스를 활성화하는 단계는 상기 전극에 전원을 인가하여 상기 제 1 전구체 가스를 열적으로 활성화시키는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 제 1 전구체 가스를 활성화하는 단계는 상기 제 1 전구체 가스를 촉매 전극 물질로 촉매-활성화시키는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 제 1 전구체 가스를 주입하는 단계는 수소화물 전구체 가스를 주입하는 단계를 포함하며 상기 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계는 유기 금속 전구체 가스를 주입하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 할로겐화물 전구체 가스를 주입하는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 제 19 항에 있어서, 상기 기상 에피택시용 제 1 전구체 가스를 주입하는 단계는 수소화물 전구체 가스를 주입하는 단계를 포함하며 상기 기상 에피택시용 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계는 금속 할로겐화물 전구체 가스를 주입하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제 19 항에 있어서, 상기 기상 에피택시용 제 1 및 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계는 기판을 지지하는 상기 압반에 평행하게 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계를 포함하는 방법.
  27. 제 19 항에 있어서, 상기 기상 에피택시용 제 1 및 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계는 기판을 지지하는 상기 압반에 직교하게 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계를 포함하는 방법.
  28. 제 19 항에 있어서, 상기 기상 에피택시용 제 1 및 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계는 기판을 지지하는 상기 압반에 직교하게 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스 중 하나를 주입하는 단계 및 기판을 지지하는 상기 압반에 평행하게 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스 중 나머지를 주입하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 제 19 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계는 복수의 교호하는 제 1 및 제 2 영역에 상기 제 1 및 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계를 포함하되, 상기 제 1 전구체 가스는 상기 복수의 교호하는 제 1 및 제 2 영역 중 상기 제 1 영역 내에 주입되며 제 2 전구체 가스는 상기 제 2 영역 내에 주입되는 방법.
  30. 제 19 항에 있어서, 상기 전극을 상기 주입된 제 2 전구체 가스의 유동으로부터 격리하는 단계는 상기 전극을 배플링하는 단계를 포함하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 배플링 단계는 기판을 지지하는 상기 압반 위의 층류 유동을 보존하는 방법.
  32. 기상 에피택시 시스템에 있어서:
    a. 기판을 지지하는 압반에 인접하는 제 1 영역 내에 기상 에피택시용 제 1 전구체 가스를 주입하는 수단;
    b. 기판을 지지하는 상기 압반에 인접하는 제 2 영역 내에 기상 에피택시용 제 2 전구체 가스를 주입하는 수단;
    c. 상기 주입된 제 1 전구체 가스의 유동 내에 위치되는 전극;
    d. 상기 전극을 상기 주입된 제 2 전구체 가스로부터 격리하는 수단; 및
    e. 상기 제 1 전구체 가스를 상기 전극으로 활성화하는 수단을 포함하는 기상 에피택시 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 전구체 가스를 상기 전극으로 활성화하는 상기 수단은 상기 전극에 전원을 인가하는 것을 포함하는 시스템.
  34. 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 전구체 가스를 상기 전극으로 활성화하는 상기 수단은 상기 전극으로 촉매 반응을 형성하는 것을 포함하는 시스템.
  35. 제 32 항에 있어서, 상기 전극을 상기 주입된 제 2 전구체 가스의 흐름으로부터 격리시키는 상기 수단은 상기 전극을 배플링하는 것을 포함하는 시스템.
  36. 기상 에피택시 방법에 있어서:
    a. 기판을 지지하는 압반에 인접하는 제 1 영역 내에 기상 에피택시용 H2 및 N2를 포함하는 제 1 전구체 가스를 주입하는 단계;
    b. 기판을 지지하는 상기 압반에 인접하는 제 2 영역 내에 기상 에피택시용 제 2 전구체 가스를 주입하는 단계;
    c. 상기 주입된 제 1 전구체 가스의 흐름 내에 촉매 전극을 위치시키는 단계;
    d. 상기 전극을 상기 주입된 제 2 전구체 가스로부터 격리시키는 단계; 및
    e. 상기 촉매 전극에 전원을 인가하여 상기 제 1 전구체 가스를 활성화시켜 NH2 및 NH 중 적어도 하나를 생성하는 단계를 포함하는 기상 에피택시 방법.
  37. 제 36 항에 있어서, 기판을 지지하는 상기 압반과 열 연통하는, 전원이 인가되지 않은, 제 2 촉매 전극을 위치시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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