KR20110082279A - 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착장치 및 증착방법 - Google Patents

다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착장치 및 증착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착장치는 구비하는 것으로, 본 발명에 따른 금속 유기물 화학기상 증착장치는 복수개의 반응챔버에서 질화물 층을 증착하고, 각 반응챔버에서 이송되는 기판상의 에피텍셜층의 안정성이 유지한 상태로 이송이 가능하도록 버퍼 챔버에서 온도 및 가스 분위기를 조절할 수 있도록 함으로써 질화물층을 분리하여 공정을 수행하는 효율이 향상되도록 하는 효과가 있다.

Description

다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착장치 및 증착방법{Apparatus and method for Metal Organic Chemical Vapor Deposition having multi chamber}
본 발명은 금속 유기물 화학기상 증착장치 및 증착방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부의 온도 제어와 가스 분위기의 제어가 가능하도록 한 다중 챔버로 구성된 구비하는 금속 유기물 화학기상증착장치 및 증착방법에 관한 것이다.
질화물 재료는 발광소자를 제조하기 위한 재료로 가장 잘 알려진 것이다. 질화물 재료를 이용한 발광소자의 적층 구조는 일반적으로 사파이어와 같은 기판 상에 GaN 결정으로 이루어지는 버퍼층과, n형 GaN 결정으로 이루어지는 n형 도핑층과, InGaN 으로 이루어지는 활성층과, p형 GaN으로 형성되는 p형 도핑층이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 그리고 각각의 층은 하나의 금속 유기물 화학기상 증착장치 챔버에서 차례로 적층 된다.
그런데 이와 같은 질화물 발광소자를 제조하는 공정은 모든 증착공정이 하나의 챔버에서 연속적으로 이루어지는데, 이때 소요되는 시간은 대략 4시간에서 10시간 정도의 장시간이다. 또한 첫 번째 공정이 완료된 후에는 챔버 내부를 세정하고, 다시 공정을 수행하는데, 이때의 세정은 주로 작업자의 수작업으로 이루어진다. 이와 같이 종래의 금속 유기물 화학기상 증착장치는 공정효율이 매우 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 금속 유기물 화학기상 증착공정의 효율을 향상시킬 수 있도록 다수의 챔버와 연결되어 온도제어 및 가스 분위기의 제어가 이루어지도록 한 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착장치 및 증착방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치는 암모니아, 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium) 가스 중 하나 이상을 선택적으로 공급하여 웨이퍼에 증착공정을 실시하는 제 1 반응챔버; 상기 제 1 반응 챔버와 연결되어 상기 제 1 반응챔버에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼에 암모니아, 실란(Silane) 가스 중 하나 이상을 선택적으로 공급하여 증착공정을 실시하는 적어도 하나 이상의 제 2 반응챔버; 상기 제 2 반응챔버와 연결되어 상기 제 2 반응챔버에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼에 암모니아, 트리메틸인듐(TMI, Trimethyl Indium), 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium)가스 중 하나 이상을 선택적으로 공급하여 증착공정을 실시하는 제 3 반응챔버; 상기 제 3 반응챔버와 연결되어 상기 제 3 반응챔버에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼에 암모니아, 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium), 비스클로로펜타-다이에닐마그네슘(Cp2Mg)가스 중 하나 이상을 선택적으로 공급하여 증착공정을 실시하는 제 4 반응챔버; 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버의 사이에 구비되어 상기 웨이퍼를 이송하기 위한 이송로봇을 구비하는 반송챔버를 포함한다.
상기 제 1 반응챔버는 열처리 세정, 버퍼층 증착, 언도핑 GaN층 증착공정이 실시되고, 상기 제 2 반응챔버는 n형 도핑층 증착공정이 실시되며, 제 3 반응챔버는 활성층 증착공정이 실시되고, 상기 제 4 반응챔버는 p형 도핑층 증착공정이 실시된다.
상기 제 1 내지 제 4 반응챔버의 사이에서 상기 웨이퍼가 이송될 경우 상호 연결된 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버 내부의 가스 분위기는 동일한 가스 분위기를 유지하고, 상기 반송챔버에는 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버의 사이에서 상기 웨이퍼를 이송할 경우 상기 웨이퍼의 온도를 조절하기 위한 램핑(lamping)장치를 포함한다.
상기 반송챔버의 상기 이송로봇은 상기 웨이퍼만을 상기 반응챔버들 사이로 이송시키거나, 상기 웨이퍼가 안착되는 서셉터를 상기 반응챔버들 사이로 이송시킨다.
상기 제 1 내지 제 4 반응챔버에는 상기 웨이퍼의 증착 두께 또는 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버 내부의 온도를 측정하기 위한 파이로미터(Pyrometer)와 같은 형태의 측정부를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착방법은 암모니아, 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium) 가스 중 하나 이상이 선택적으로 공급되는 제 1 반응챔버에서 웨이퍼에 증착공정을 실시하는 제 1 증착단계; 상기 제 1 증착단계에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼를 이송로봇이 구비된 반송챔버로 이송하는 반송단계; 상기 반송챔버 내에 위치한 상기 웨이퍼를 이송하여 상기 웨이퍼에 암모니아, 실란(Silane) 가스 중 하나 이상이 선택적으로 공급되는 제 2 반응챔버에서 증착공정을 실시하는 제 2 증착단계; 상기 제 2 증착단계에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼에 암모니아, 트리메틸인듐(TMI, Trimethyl Indium), 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium)가스 중 하나 이상이 선택적으로 공급되는 제 3 반응챔버에서 증착공정을 실시하는 제 3 증착단계; 상기 제 3 증착단계에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼에 암모니아, 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium), 비스클로로펜타-다이에닐마그네슘(Cp2Mg)가스 중 하나 이상이 선택적으로 공급되는 제 4 반응챔버에서 증착공정을 실시하는 제 4 증착단계를 포함한다.
상기 제 1 증착단계 내지 제 4 증착단계 각각의 증착 공정 중 또는 증착공정 이후에는 상기 제 1 반응챔버 내지 상기 제 4 반응챔버 내부의 온도 측정 또는 상기 제 1 반응챔버 내지 상기 제 4 반응챔버 내부에 위치한 상기 웨이퍼의 증착두께를 측정하는 측정단계를 포함한다.
상기 제 2 증착단계에서 상기 제 3 증착단계, 상기 제 3 증착단계에서 상기 제 4 증착단계의 사이에는 상기 웨이퍼를 이송하는 반송단계를 포함하고, 상기 반송단계에는 상기 반송챔버 내부에 위치한 상기 웨이퍼의 온도를 조절하도록 램핑(lamping)장치를 통한 램핑단계를 포함한다.
상기 제 1 증착단계에는 열처리 세정, 버퍼층 증착, 언도핑 GaN층 증착공정이 실시되고, 상기 제 2 증착단계에서는 n형 도핑층 증착공정이 실시되며, 제 3 증착단계에서는 활성층 증착공정이 실시되고, 상기 제 4 증착단계에서는 p형 도핑층 증착공정이 실시된다.
상기 제 1 내지 제 4 반응챔버의 사이에서 상기 웨이퍼가 이송될 경우 상호 연결된 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버 내부의 가스 분위기는 동일한 가스 분위기를 유지하고, 상기 반송챔버의 상기 이송로봇은 상기 웨이퍼만을 상기 반응챔버들 사이로 이송시키며, 상기 반송챔버의 상기 이송로봇은 상기 웨이퍼가 안착되는 서셉터를 상기 반응챔버들 사이로 이송시킨다.
상기 제 1 증착단계 내지 제 4 증착단계 각각의 증착 공정 중 또는 증착공정 이후에는 다음 단계의 공정이 준비된 상기 제 2 내지 제 4 반응챔버로 상기 웨이퍼를 먼저 이송한다.
본 발명에 따른 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치 및 증착방법은 복수개의 반응챔버에서 질화물 층을 증착하고, 각 반응챔버에서 이송되는 기판상의 에피텍셜층의 안정성이 유지된 상태로 이송이 가능함으로써 질화물층을 분리하여 공정효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치에 대한 제 1실시예를 도시한 배치 평면도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치의 반응챔버와 반송챔버의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치에 대한 제 2 실시예를 도시한 배치 평면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착방법의 흐름도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치에 대한 실시예를 설명한다. 도 1은 금속 유기물 화학기상 증착장치에 대한 실시예를 도시한 평면도이다. 도 2 내지 도 4는 금속 유기물 화학기상 증착장치를 구성하는 반응챔버(100)(200)(300)(400) 및 반송챔버(800)를 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치는 증착공정이 이루어지는 제 1 반응챔버(100), 제 2 반응챔버(200), 제 3 반응챔버(300), 제 4 반응챔버와 제 1 내지 제 4 반응챔버(100(200)(300)(400)의 사이에서 웨이퍼(W)(W′)를 이송하기 위한 반송챔버(800)로 이루어진다.
각각의 반응챔버(100(200)(300)(400)에는 내부에 위치하여 증착공정이 진행되는 웨이퍼(W)(W′)에 증착용 공정가스를 공급하기 위한 가스 공급부(600)가 연결되어, 각각의 반응챔버(100(200)(300)(400)에 해당 증착층 형성을 위한 공정가스를 공급한다. 가스 공급부(600)는 본 실시예에서 설명하는 바와 같이, 하나를 사용하여 각각의 반응챔버(100(200)(300)(400)로 공급하는 형태 이외에, 각각의 반응챔버(100)(200)(300)(400)에 개별적인 가스 공급부(600)가 연결되는 형태로도 사용할 수 있다.
가스 공급부(600)는 3족 가스공급장치(620)를 구비하고 있어 이에 해당하는 트리메틸갈륨(TMG: Trimethyl gallium)과 트리메틸인듐(TMI:Trimethyl- indium)을 공급한다. 그리고 5족 가스공급장치(630)를 구비하고 있어, 이에 해당하는 암모니아(NH3)를 공급하고, n형 도핑 가스공급장치(610)는 SiH4, GeH4, Si2H6 중의 어느 하나를 공급할 수 있다. 그리고 p형 도핑 가스공급장치(660)는 Cp2Mg(isoyclopentadienyl-magnesium)를 공급할 수 있다.
그리고 각각의 반응챔버(100)(200)(300)(400)에는 내부에서 증착이 진행되는 웨이퍼(W)(W′)의 표면온도 또는 증착 두께를 측정하기 위한 측정부(130)가 설치된다. 측정부(130)에 의해 웨이퍼(W)(W′)의 증착 상태를 파악하여 해당 반응챔버(100)(200)(300)(400)의 공정조건을 최적의 상태로 유지한다. 즉, 공정가스의 공급을 조절하고, 이에 따라 반응챔버(100)(200)(300)(400) 내부의 온도 및 웨이퍼(W)(W′)의 증착 두께를 모니터링 하며, 모니터링을 통해 서셉터(110) 또는 위성 서셉터(170)의 회전 속도를 제어하여 균일한 증착이 진행되게 한다.
또한, 각각의 반응챔버(100)(200)(300)(400)에는 웨이퍼(W)(W′)가 얹히는 서셉터(110)를 구비하고 있다. 서셉터(110)에는 웨이퍼(W)(W′)가 직접 얹히는 방법 이외에 본 실시예에서와 같이 웨이퍼(W)(W′)가 얹힌 분리 가능한 위성 서셉터(170) 형태로도 실시할 수 있다.
서셉터(110)는 회전하는 형태 또는 회전하지 않는 형태로 실시할 수 있으며, 회전하는 형태로 사용할 경우 구동부(140)를 구비한다.
반응챔버(100)(200)(300)(400)에는 서셉터(110) 또는 위성 서셉터(170) 상에 안착된 웨이퍼(W)(W′)를 가열하기 위한 히터(120a)(120b)(120c)(120d)가 설치된다. 히터(120a)(120b)(120c)(120d)는 2개 이상으로 분리되어 개별적인 온도조절이 가능한 형태로 실시할 수 있으며, 본 실시 예에서와 같이 4개로 분리되어 개별적인 온도조절이 가능한 형태로 실시할 수 있다. 또한, 하나의 형태로 제작하여 일률적인 온도 제어가 가능한 형태로도 실시할 수 있다. 히터(120a)(120b)(120c)(120d)는 텅스텐 히터 또는 유도가열방식인 RF 히터를 사용할 수 있다.
반응챔버(100)(200)(300)(400)의 상부에는 각각의 반응챔버(100)(200)(300)(400)로 공정가스를 분사하기 위한 가스 분사부(150)가 설치된다. 가스 분사부(150)는 도시된 바와 같이 샤워헤드(152, shower head) 형태 또는 노즐(154, nozzle)형태로 사용할 수 있으며, 각각의 반응챔버(100)(200)(300)(400)에 선택적으로 설치하여 사용할 수 있다. 샤워헤드(152) 형태의 가스 분사부(150)를 사용할 경우 내부에 공급된 공정가스는 펌프(미도시)에 의해 배출되며, 노즐(154)형태의 가스 분사부(150)를 사용할 경우 공정가스는 챔버 내부에 위치한 배출부(156)를 통해 배출된다.
웨이퍼(W)(W′)는 외부에 위치한 이송로봇(미도시)에 의해 제 1 반응챔버(100) 내부에 반입(IN)된다. 제 1 반응챔버(100)에서는 열처리 세정, 버퍼층 증착, Undoped GaN층 증착공정이 순차적으로 진행된다. 이러한 세정공정과 증착공정을 실시하기 위해 제 1 반응챔버(100)에는 가스 공급부(600)부로부터 수소(H2, 650), 암모니아(NH3, 630), 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium, 620) 가스가 선택적으로 하나 이상 공급되어 각각의 공정이 진행된다.
이러한 수소(H2 650), 암모니아(NH3, 630), 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium, 620) 가스를 선택적으로 제 1 반응챔버(100)로 공급하기 위해 가스 공급부(600)와 제 1 반응챔버(100)의 가스 공급라인에는 제 1 가스 분배기(101)가 구비된다.
제 1 반응챔버(100)에서 열처리 세정, 버퍼층 증착, 언도핑 GaN층 증착공정이 완료되면, 웨이퍼(W)(W′)는 제 1 반응챔버(100)와 연결되어 있는 반송챔버(800)로 이송된다. 공정의 완료와 함께 제 1 반응챔버(100)와 반송챔버(800)의 사이에 구비된 게이트 밸브(211)가 개방(Open)되고, 반송챔버(800)의 이송로봇(810)이 작동하여 제 1 반응챔버(100)에 위치한 웨이퍼(W)(W′)를 반송챔버(800) 내로 이송시킨다. 이송로봇(810)은 웨이퍼(W)(W′)를 이송하거나, 웨이퍼(W)(W′)가 얹힌 위성 서셉터(170)를 이송할 수 있다.
이때, 제 1 반응챔버(100)와 반송챔버(800)의 내부 분위기는 동일한 상태가 되게 한다. 제 1 반응챔버(100)와 반송챔버(800)의 분위기를 동일한 상태가 되게 하는 것은, 증착공정이 완료된 웨이퍼(W)(W′)의 증착층에 변화가 이루어지지 않도록 증착층의 상태를 유지하기 위한 것이다. 그리고 반송챔버(800)에는 램핑(lamping)장치(820)가 구비되어 반송챔버(800)의 내부온도를 제 1 반응챔버(100) 내부의 온도와 동일한 상태가 되도록 조절하여 열 충격에 의한 미세한 크랙(crack) 등이 웨이퍼(W)(W′)에서 발생하는 것을 방지한다.
램핑(lamping)장치(820)는 또한, 반송챔버(800)에서 제 2 반응챔버(200)로 이송하기 전에 제 2 반응챔버(200)에서 실시되는 공정의 온도와 동일한 온도가 되도록 반송챔버(800) 내부의 온도를 조절하는 기능을 한다. 이 경우 제 1 반응챔버(100)와 반송챔버(800)의 사이에 설치된 게이트 밸브(211)는 닫힌(Close) 상태가 된다.
반송챔버(800)에서 램핑장치(820)에 의해 온도가 조절되어 제 2 반응챔버(200)의 공정온도와 동일한 온도가 되면, 반송챔버(800)와 제 2 반응챔버(200)의 사이에 설치된 게이트 밸브(212)는 개방(Open)되고, 이송로봇(810)은 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)를 제 2 반응챔버(200) 내부로 이송한다. 이 경우 반송챔버(800)와 제 2 반응챔버(200) 내부의 분위기는 동일한 상태로 유지한다.
웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)를 2 반응챔버(200) 내부에 위치시킨 후 이송로봇(810)이 반송챔버(800)에 위치하면, 반송챔버(800)와 2 반응챔버(200)의 사이에 위치한 게이트 밸브(212)는 닫히고, 제 2 반응챔버(200)에는 공정가스가 공급되어 증착공정이 진행된다. 제 2 반응챔버(200)에는 암모니아(NH3, 630)와 실란(Silane, SiH4 ,610) 가스 중 하나 이상이 선택적 공급되어, n형 도핑층 형성을 위한 공정이 실시된다.
제 2 반응챔버(200)와 가스 공급부(600) 사이의 가스공급 라인에는 암모니아(NH3, 630)와 실란(Silane, SiH4 ,610)가스 하나 이상을 제 2 반응챔버(200)로 선택적으로 공급하기 위한 제 2 가스 분배기(201)가 설치된다.
제 2 반응챔버(200)에서 공정이 완료되면, 제 2 반응챔버(200)와 반송챔버(800)의 사이에 구비된 게이트 밸브(213)가 개방(Open)되고, 반송챔버(800)의 이송로봇(810)이 작동하여 제 2 반응챔버(100)에 위치한 웨이퍼(W)(W′)를 반송챔버(800) 내로 이송시킨다.
이때, 제 2 반응챔버(100)와 반송챔버(800)의 내부 분위기는 동일한 상태가 되고, 온도 또한 램핑장치(820)에 의해 동일한 온도로 유지되며, 이러한 상태에서 게이트 밸브(213)는 닫히게 된다.
반송챔버(800)에서 램핑장치(820)에 의해 온도가 조절되어 제 3 반응챔버(300)의 공정온도와 동일한 온도가 되면, 반송챔버(800)와 제 3 반응챔버(300)의 사이에 설치된 게이트 밸브(214)는 개방(Open)되고, 이송로봇(810)은 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)를 제 3 반응챔버(300) 내부로 이송한다. 제 2 반응챔버(200)에 연결된 제 3 반응챔버(300)는 복수개가 배치되어 각각의 제 3 반응챔버(300)에 웨이퍼(W)(W′)가 공급된다. 제 2 반응챔버(200)에서 제 3 반응챔버(300)로 웨이퍼(W)(W′)를 이송할 경우, 각각의 제 3 반응챔버(300)들의 공정 진행상태를 파악하여, 공정이 완료된 제 3 반응챔버(300)에 웨이퍼(W)(W′)를 먼저 공급하고, 공정이 완료되는 순서대로 다음 제 3 공정챔버(300)에 공급한다.
웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)가 제 3 반응챔버(300) 내부에 위치하면 반송챔버(800)와 제 3 반응챔버(300)의 사이에 위치한 게이트 밸브(214)는 닫히고, 제 3 반응챔버(300)에는 공정가스가 공급된다. 제 3 반응챔버(300)에는 활성층 증착 공정이 실시되며, 이를 위해 암모니아(NH3, 630), 트리메틸인듐(TMI, Trimethyl Indium, 620), 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium, 620)가스 중 하나 이상이 선택적으로 공급된다. 암모니아(NH3, 630), 트리메틸인듐(TMI, Trimethyl Indium, 620), 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium, 620)가스 공급은 제 3 반응챔버(300)와 가스 공급부(600)의 사이에 설치된 제 3 가스 분배기(301)를 통해 공급된다.
제 3 반응챔버(300)에서 증착공정이 완료되면, 제 3 반응챔버(300)와 반송챔버(800) 사이에 설치된 게이트 밸브(215)는 개방되어 웨이퍼(W)(W′)가 반송챔버(800)에 위치한 후 닫힌다. 반송챔버(800)에서 램핑장치(820)에 의해 온도가 조절되어 제 4 반응챔버(400)의 공정온도와 동일한 온도가 되면, 반송챔버(800)와 제 4 반응챔버(400)의 사이에 설치된 게이트 밸브(216)는 개방(Open)되고, 이송로봇(810)은 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)를 제 4 반응챔버(400) 내부로 이송한다. 제 3 반응챔버(300)에 연결된 제 4 반응챔버(400)는 복수개가 배치되어 각각의 제 4 반응챔버(400)에 웨이퍼(W)(W′)가 공급된다. 제 3 반응챔버(300)에서 제 4 반응챔버(400)로 웨이퍼(W)(W′)를 이송할 경우, 각각의 제 4 반응챔버(400)들의 공정 진행상태를 파악하고, 공정이 완료된 제 4 반응챔버(400)에 웨이퍼(W)(W′)를 먼저 공급하고, 공정이 완료되는 순서대로 다음 제 4 공정챔버(400)에 공급한다.
웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)가 제 4 반응챔버(400) 내부에 위치하면 반송챔버(800)와 제 4 반응챔버(400)의 사이에 위치한 게이트 밸브(216)는 닫히고, 제 4 반응챔버(400)에는 공정가스가 공급된다. 제 4 반응챔버(300)에서는 p형 도핑층 증착공정이 실시되며, 이를 위해 암모니아(NH3, 630), 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium, 620), 비스클로로펜타-다이에닐마그네슘(Cp2Mg, 660)가스 중 하나 이상이 선택적으로 공급된다.
암모니아(NH3, 630), 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium, 620), 비스클로로펜타-다이에닐마그네슘(Cp2Mg, 660)가스 공급은 제 4 반응챔버(400)와 가스 공급부(600) 사이에 설치된 제 4 가스 분배기(401)를 통해 공급된다.
제 4 반응챔버(300)에서 p형 도핑층 증착공정이 완료되면, 반송챔버(800), 로드락 챔버(미도시) 또는 별도의 이송로봇(미도시)을 통해 웨이퍼(W)(W′)를 외부로 반출(OUT)하여 공정을 완료한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치를 도시한 것으로, 제 2 반응챔버(200)를 복수개로 배치하여, 제 3 반응챔버(300) 및 제 4 반응챔버(400)에 증착공정을 실시하는 형태를 나타낸 것이다. 이 경우 제 1 반응챔버(100)에서 증착공정이 완료되면, 각각의 제 2 반응챔버(200)들의 공정 진행 상태를 파악하고, 공정이 완료된 제 2 반응챔버(200)에 웨이퍼(W)(W′)를 먼저 공급하고, 공정이 완료되는 순서대로 다음 제 2 공정챔버(200)에 공급한다. 이후의 증착 공정에서도 제 3 반응챔버(300) 및 제 4 반응챔버(400)의 공정 상태를 파악 한 후 동일한 방법으로 공정이 먼저 완료된 곳에 웨이퍼(W)(W′)를 공급하여 공정을 실시한다.
이하에서는 도 6 및 도 7을 통해, 본 실시예에 따른 금속 유기물 화학기상 증착방법을 설명한다.
에피텍셜 공정을 진행하기 위하여 사파이어와 같은 웨이퍼(W)(W′)가 이송로봇(미도시) 등에 의해 제 1 반응챔버(100) 내부로 반입되어 제 1 증착단계(S100)가 실시된다.
이 경우 제 1 반응챔버(100) 내부온도는 외부와 순간적으로 연통됨으로써 순간적으로 온도가 떨어질 수 있다. 따라서 외부의 이송로봇 등이 위치한 챔버 내부를 제 1 반응챔버(100)의 내부 온도와 동일한 상태가 되도록 유지한 후 웨이퍼(W)(W′)를 제 1 반응챔버(100) 내부로 반입한다.
제 1반응챔버(100)에서는 열처리 세정, 버퍼층 증착, 언도핑 GaN층 증착공정이 실시되며, 열처리 세정을 위해 제 1 반응챔버(100) 내부는 섭씨 1000도 ~ 1200도의 온도로 승온된다.
이때, 제 1반응챔버(100) 내부는 수소(H2 650) 가스 분위기가 되고, 10분 ~ 20분 동안 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)를 가열하여 열처리한다. 이 열처리 공정은 웨이퍼(W)(W′)상의 산화막과 같은 이물질 층을 제거하기 위한 세정 공정이다.
계속해서 제 1반응챔버(100)에서 설정된 시간 동안 열처리가 이루어지면 수소 가스 분위기 상태에서 제 1반응챔버(100) 내부로 암모니아(NH3, 630), 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium, 620) 가스가 투입되어 대략 30분 내외의 시간동안 GaN 버퍼층을 성장시키는 공정이 진행된다. 그리고 버퍼층을 형성하는 동안 웨이퍼(W)(W′)의 온도는 섭씨 450도 ~ 600도로 감온된 상태 일 수 있다. 이때의 버퍼층은 대략 20nm 내외의 두께일 수 있다.
그리고 버퍼층의 성장이 완료되면 다음으로 제 1 반응챔버(100) 내부를 가열시켜 웨이퍼(W)(W′)의 온도가 섭시 1000도 ~ 1100도, 보다 구체적인 조건으로는 섭씨 1030도 ~ 1080도가 되도록 한다. 이에 따라 버퍼층 상에는 언도핑 GaN 층이 성장한다. 이 언도핑 GaN 층은 60분 내외의 시간 동안 3um 정도가 될 수 있다. 이와 같이 사파이어와 같은 웨이퍼(W)(W′) 상에 버퍼층과 언도핑 GaN 층의 성장시키는 공정은 사파이어 웨이퍼(W)(W′) 상에서의 GaN 박막의 전기적, 결정학적 성장 효율을 향상시키는 기능을 한다. 상기와 같이 열처리 세정, 버퍼층 증착, 언도핑 GaN층 증착공정이 완료됨에 따라 제 1 반응챔버(100) 내에서 제 1 증착단계(S100)가 완료된다. 제 1 반응챔버(100)에서는 열처리 세정, 버퍼층 증착, 언도핑 GaN층 증착공정이 진행되기 때문에 파이로미터(130)를 통한 측정단계(S110)가 3번 실시될 수 있다.
측정단계(S110)를 포함한 공정이 제 1 반응챔버(100)에서 완료되면, 제 1 반응챔버(100)와 반송챔버(800)의 사이에 위치한 게이트 밸브(211)가 개방(Open)되는데, 이 경우 반송챔버(800) 내부의 온도는 램핑장치(820)에 의해 제 1 반응챔버(100)의 내부 온도와 동일한 상태가 되며, 이후 게이트 밸브(211)가 닫힌다.
그리고 반송챔버(800) 내부의 온도가 제 2 반응챔버(200)의 온도와 동일한 상태가 되도록 조절된 상태에서 반송챔버(800)와 제 2 반응챔버(200)의 사이에 위치한 게이트 밸브(212)가 개방된다.
본 실시예에서 제 1 반응챔버(100) 내지 제 4 반응챔버(400)에서 증착 공정이 완료되면 반송챔버(800)에 의해 반송단계(S150)를 실시하기 전에, 도 7에 도시된 바와 같이 각각의 반응챔버(100)(200)(300)(400)에서는 측정단계(S110)가 실시되고, 반송챔버(800)에서는 램핑단계(S120)가 실시된다. 측정단계(S110)는 해당 반응챔버(100)(200)(300)(400)에서의 증착 상태를 모니터링 하기 위한 것으로, 파이로미터(pyrometer, 130)등을 통해 반응챔버(100)(200)(300)(400) 내부의 온도 또는 웨이퍼(W)(W′)에 형성된 증착두께를 측정하여 증착공정의 종료시점을 판단하게 된다. 이를 통해 해당 공정을 완료한 후 증착이 완료된 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)를 다음 반응챔버(200)(300)(400)로 이송시키고, 새로운 웨이퍼를 내부로 반입하여 공정을 실시하게 된다. 또한, 측정부(130)를 통해 뒤에서 실시되는 반응챔버(200)(300)(400)의 종료시점을 판단하여 공정이 먼저 완료된 반응챔버(200)(300)(400)에 웨이퍼(W)(W′)를 공급하여 공정을 실시하게 된다.
램핑단계(S120)는 제 1 반응챔버 내지 제 4 반응챔버(400)의 사이에 위치한 반송챔버(800)에서 이전 반응챔버(100)(200)(300)의 내부 온도와 다음 증착공정이 진행될 반응챔버(200)(300)(400)의 온도를 동일한 상태로 조절하기 위한 것이다.
즉, 이전 반응챔버(100)(200)(300)에서 웨이퍼(W)(W′)를 반송 챔버(800)로 이송할 경우 이전 반응챔버(100)(200)(300)의 내부온도와 동일한 온도 상태로 유지하고, 다음 공정이 실시될 반응챔버(200)(300)(400)로 웨이퍼(W)(W′)를 이송할 경우 다음 반응챔버(200)(300)(400)의 내부 온도와 동일한 온도 상태를 유지하여 열 충격에 의한 웨이퍼(W)(W′) 및 증착층의 변형 및 손상을 방지하기 위한 것이다.
다음으로 n형 도핑층을 언도핑 GaN층 상에 성장시키기 위한 제 2 증착단계(S200)가 진행된다. 이를 위해, 이송로봇(810)에 의해 제 2 반응챔버(200) 내부로 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)를 이송하며, 이송이 완료되면 게이트 밸브(212)는 닫힌다.
제 2 반응챔버(200) 내부의 온도는 섭씨 1000도 ~ 1100도를 유지시키고, 공정가스로는 수소 분위기 하에서 트리메틸갈륨과 암모니아 그리고 도핑 가스인 SiH4 또는 Si2H6를 투입한다. 이에 따라 Si 도핑된 n형 도핑층이 형성되는데, 이 n형 도핑층은 대략 60분의 성장시간동안 3um 정도의 두께로 성장한다.
제 2 반응챔버(200) 내부의 증착을 측정(S110)한 후 공정이 완료되면, 제 2 반응챔버(800)의 사이에 위치한 게이트 밸브(213)는 개방된다. 이때, 반송챔버(800)는 제 2 반응챔버(200)의 내부 온도와 동일한 온도가 되도록 조절된 상태이다. 제 3 증착단계(S300)는 여러 개의 제 3 반응챔버(300) 중 측정부(130)를 통해 공정이 먼저 완료된 제 3 반응챔버(300)에 웨이퍼(W)(W′)를 공급하여 실시되는 것이다.
이후, 게이트 밸브(213)는 닫히고, 반송챔버(800) 내부의 온도는 제 3 반응챔버(300)의 온도와 동일한 상태가 되도록 조절된 상태에서 제 3 반응챔버(300)와이 사이에 설치된 게이트 밸브(214)가 개방된다. 제 3 반응챔버(300)에 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)를 위치시킨 후 게이트 밸브(214)는 닫히고 제 3 반응챔버(300)에서 제 3 증착단계(S300)가 진행된다.
제 3 반응챔버(300)에서의 제 3 증착단계(S300)는 n형 도핑층 상에 활성층을 성장시키는 공정이다. 이 활성층은 단일 양자 우물(single quantum well: SQW)구조 또는 복수개의 양자 우물층을 갖는 다중양자우물(muti quantum well: MQW)구조일 수 있다.
활성층의 성장은 제 3반응챔버(300) 내부를 질소 분위기로 치환시킨 후 80분 내외의 시간 동안 웨이퍼(W)(W′)의 온도를 섭씨 700 ~ 900도의 온도에서 가변 조절하면서 100nm 정도의 두께로 형성한다. 다중 양자우물구조를 형성하는 경우 인듐의 함량이 다른 서로 다른 양자 장벽층과 양자 우물층을 교번하여 형성한다. 그리고 이를 위하여 본 실시예와 같이 반복되는 온도 변화로 성장을 제어할 수 있다.
측정부(130)를 통해 모니터링 한 결과 제 3 반응챔버(300)에서 활성층의 성장이 완료되면, 제 4 반응챔버(400) 들에 설치된 각각의 측정부(130)를 통해 복수개의 제 4 반응챔버(400) 내부의 공정 상태를 파악하게 된다. 이러한 상태에서 먼저 공정이 완료된 제 4 반응챔버(400) 측으로 웨이퍼(W)(W′)를 이송하게 된다. 이를 위해 제 3반응챔버(300)와 반송챔버(800) 사이의 게이트 밸브(215)는 열린다. 그리고 반송챔버(800)의 이송로봇(810)은 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)를 수취하여 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(1700)를 반송챔버(800) 내부로 회수한다. 그리고 제 3 반응챔버(300)와 반송챔버(800) 사이의 게이트 밸브(215)가 닫히고, 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)는 이송로봇(810)에 의하여 공정이 먼저 완료된 제 4 반응챔버(400)의 게이트 밸브(216) 측으로 이동한다.
그리고 반송챔버(800)와 제 4 반응챔버(400) 사이의 게이트 밸브(216)가 열리면 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)는 이송로봇(110)에 의하여 제 4 반응챔버(400) 내부로 반입되어 위치하고, 이송로봇(110)은 반송챔버(800)로 복귀한다. 그리고 반송챔버(800)와 제 4 반응챔버(400) 사이의 게이트 밸브(216)는 닫힌다. 이때 제 4 반응챔버(400) 내부는 수소 가스 분위기를 유지한다.
이후 제 4 반응챔버(400)에 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)가 위치하면 제 4 반응챔버(400) 내부의 수소 가스 분위기가 유지된 상태에서 p형 도핑층을 형성하는 제 4 증착단계(S400)가 실시된다. 이를 위하여 제 4 반응챔버(400) 내부는 가열되어 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)의 온도가 섭씨 900도 ~ 950도가 되도록 된다. 그리고 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)의 온도가 설정된 온도가 되면 공정가스가 공급된다. p형 도핑층을 형성하기 위한 공정가스는 암모니아, 트리메틸갈륨, Cp2Mg가 사용된다. 대략 제 4 반응챔버(400)에서 15분 내외의 시간동안 공정가스가 공급되면 200nm 두께의 p형 도핑층이 형성된다.
한편, p형 도핑층의 형성이 완료되면 제 4 반응챔버(400) 내부 또는 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)의 온도를 섭씨 600 ~ 700도로 감온할 수 있다. 그리고 필요에 따라 제 4 반응챔버(400)를 질소분위기로 치환하여 소정시간동안 어닐링하여 p형 도펀트를 도핑한 p형 도핑층을 더욱 저저항화 할 수 있다.
이렇게 제 4 반응챔버(400)에 공정이 완료된 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)는 외부로 반출되며, 다른 제 4 반응챔버(400)에서 증착공정이 완료된 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)는 순차적으로 외부로 반출된다.
상기와 같이 제 1 반응챔버(100)에서 증착공정을 시작하여, 이후의 증착공정이 먼저 완료된 반응챔버(200)(300)(400)로 웨이퍼(W)(W′) 또는 위성 서셉터(170)를 공급하여 연속적으로 증착공정을 실시하게 된다.

Claims (17)

  1. 암모니아, 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium) 가스 중 하나 이상을 선택적으로 공급하여 웨이퍼에 증착공정을 실시하는 적어도 하나 이상의 제 1 반응챔버;
    상기 제 1 반응 챔버와 연결되어 상기 제 1 반응챔버에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼에 암모니아, 실란(Silane) 가스 중 하나 이상을 선택적으로 공급하여 증착공정을 실시하는 적어도 하나 이상의 제 2 반응챔버;
    상기 제 2 반응챔버와 연결되어 상기 제 2 반응챔버에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼에 암모니아, 트리메틸갈륨(TMI, Trimethylgallium), 트리메틸인듐(TMI, Trimethyl Indium)가스 중 하나 이상을 선택적으로 공급하여 증착공정을 실시하는 적어도 하나 이상의 제 3 반응챔버;
    상기 제 3 반응챔버와 연결되어 상기 제 3 반응챔버에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼에 암모니아, 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium), 비스클로로펜타-다이에닐마그네슘(Cp2Mg)가스 중 하나 이상을 선택적으로 공급하여 증착공정을 실시하는 적어도 하나 이상의 제 4 반응챔버;
    상기 제 1 내지 제 4 반응챔버의 사이에 구비되어 상기 웨이퍼를 이송하기 위한 이송로봇을 구비하는 반송챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 반응챔버는 열처리 세정, 버퍼층 증착, 언도핑 GaN층 증착공정이 실시되고, 상기 제 2 반응챔버는 n형 도핑층 증착공정이 실시되며, 제 3 반응챔버는 활성층 증착공정이 실시되고, 상기 제 4 반응챔버는 p형 도핑층 증착공정이 실시되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버의 사이에서 상기 웨이퍼가 이송될 경우 상호 연결된 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버 내부의 가스 분위기는 동일한 가스 분위기를 유지하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반송챔버에는 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버의 사이에서 상기 웨이퍼를 이송할 경우 상기 웨이퍼의 온도를 조절하기 위한 램핑(lamping)장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 반송챔버의 상기 이송로봇은 상기 웨이퍼만을 상기 반응챔버들 사이로 이송시키는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반송챔버의 상기 이송로봇은 상기 웨이퍼가 안착되는 서셉터를 상기 반응챔버들 사이로 이송시키는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버에는 상기 웨이퍼의 증착 두께 또는 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버 내부의 온도를 측정하기 위한 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 측정부는 파이로미터(Pyrometer)인 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상 증착장치.
  9. 암모니아, 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium) 가스 중 하나 이상이 선택적으로 공급되는 제 1 반응챔버에서 웨이퍼에 증착공정을 실시하는 제 1 증착단계;
    상기 제 1 증착단계에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼를 이송로봇이 구비된 반송챔버로 이송하는 반송단계;
    상기 반송챔버 내에 위치한 상기 웨이퍼를 이송하여 상기 웨이퍼에 암모니아, 실란(Silane) 가스 중 하나 이상이 선택적으로 공급되는 제 2 반응챔버에서 증착공정을 실시하는 제 2 증착단계;
    상기 제 2 증착단계에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼에 암모니아, 트리메틸갈륨(TMI, Trimethylgallium), 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium)가스 중 하나 이상이 선택적으로 공급되는 제 3 반응챔버에서 증착공정을 실시하는 제 3 증착단계;
    상기 제 3 증착단계에서 증착공정이 완료된 상기 웨이퍼에 암모니아, 트리메틸갈륨(TMG, Trimethyl gallium), 비스클로로펜타-다이에닐마그네슘(Cp2Mg)가스 중 하나 이상이 선택적으로 공급되는 제 4 반응챔버에서 증착공정을 실시하는 제 4 증착단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 증착단계 내지 제 4 증착단계 각각의 증착 공정 중 또는 증착공정 이후에는 상기 제 1 반응챔버 내지 상기 제 4 반응챔버 내부의 온도 측정 또는 상기 제 1 반응챔버 내지 상기 제 4 반응챔버 내부에 위치한 상기 웨이퍼의 증착두께를 측정하는 측정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 증착단계에서 상기 제 3 증착단계, 상기 제 3 증착단계에서 상기 제 4 증착단계의 사이에는 상기 웨이퍼를 이송하는 반송단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착방법.
  12. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 반송단계에는 상기 반송챔버 내부에 위치한 상기 웨이퍼의 온도를 조절하도록 램핑(lamping)장치를 통한 램핑단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 증착단계에는 열처리 세정, 버퍼층 증착, 언도핑 GaN층 증착공정이 실시되고, 상기 제 2 증착단계에서는 n형 도핑층 증착공정이 실시되며, 제 3 증착단계에서는 활성층 증착공정이 실시되고, 상기 제 4 증착단계에서는 p형 도핑층 증착공정이 실시되는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버의 사이에서 상기 웨이퍼가 이송될 경우 상호 연결된 상기 제 1 내지 제 4 반응챔버 내부의 가스 분위기는 동일한 가스 분위기를 유지하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착방법.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 반송챔버의 상기 이송로봇은 상기 웨이퍼만을 상기 반응챔버들 사이로 이송시키는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착방법.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 반송챔버의 상기 이송로봇은 상기 웨이퍼가 안착되는 서셉터를 상기 반응챔버들 사이로 이송시키는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착방법.
  17. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 증착단계 내지 제 4 증착단계 각각의 증착 공정 중 또는 증착공정 이후에는 다음 단계의 공정이 준비된 상기 제 2 내지 제 4 반응챔버로 상기 웨이퍼를 먼저 이송하는 것을 특징으로 하는 다중 챔버로 구성된 금속 유기물 화학기상증착방법.
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