KR20110129685A - 화학 기상 증착 장치 및 방법 - Google Patents

화학 기상 증착 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기상 증착 장치의 반응챔버 상부에 플라즈마 발생 장치를 구비하여 공정 반응 가스를 라디칼로 분해하여 샤워 헤드를 통해 반응챔버 내부로 공급하도록 하는 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.본 발명은, 제1반응가스와 제2반응가스의 반응에 의에 화학 기상 증착이 이루어지며, 기판이 수용되는 반응챔버와, 상기 제2반응가스가 플라즈마발생부에 의하여 플라즈마 상태로 되는 플라즈마챔버와, 상기 반응챔버의 상부에 위치하도록 구비되어, 상기 제1반응가스와 상기 플라즈마챔버로부터 유입되는 상기 제2반응가스를 서로 접촉시키지 않고 상기 반응챔버로 배출하는 샤워헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.

Description

화학 기상 증착 장치 및 방법{Device and method of chemical vapor deposition}
본 발명은 화학 기상 증착 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 화학 기상 증착 장치의 반응챔버 상부에 플라즈마 발생 장치를 구비하여 공정 반응 가스를 라디칼로 분해하여 샤워 헤드를 통해 반응챔버 내부로 공급하도록 하는 화학 기상 증착 장치 및 그것을 이용하는 화학 기상 증착 방법에 관한 것이다.
반도체 공정에 있어서 원하는 재료를 기판 상에 증착시키는 박막 증착 공정은 크게 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition : PVD) 공법과 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition : CVD) 공법으로 구분된다. 여기서 CVD 공법은 공정 가스를 반응챔버로 공급하여 열이나 플라즈마를 이용하여 공정 가스를 화학적으로 반응시켜 기판에 증착시키는 공법이다. 한편, 유기금속 화학 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공법은 전구체(precursor)로 유기 금속 화합물을 사용하여 유기 금속 화합물을 캐리어 가스로 반응챔버로 공급한 후 가열된 기판 표면에 유기 금속 화합물 박막을 성장시키는 공법이다.
도 1은 종래의 일반적인 화학 기상 증착 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 CVD 장치는 증착 공정이 수행되는 내부가 밀폐된 반응챔버(100)와, 반응 가스를 반응챔버(100)의 반응 공간으로 공급하는 샤워헤드(200)와, 기판(W)이 안착된 기판 홀더(300)를 포함한다.
샤워헤드(200)는 반응가스 주입부(120)로부터 주입된 반응 가스를 반응챔버(100)의 반응 공간으로 공급하는 다수의 반응가스 공급홀(220)을 구비한다. 경우에 따라서는 샤워헤드(200)에 반응가스 공급홀(220) 대신 다공성 물질로 채워지기도 한다. 기판 홀더(300)에는 기판(W)이 안착되는데, 면적인 큰 단일 기판 또는 복수의 기판(W)이 기판 홀더(300)에 안착된다. 지지 로드(320)는 기판 홀더(300)의 중앙 하부에 구비되어 기판 홀더(300)를 지지한다. 반응챔버(100)의 하부 또는 측부에는 가스 배출부(140)가 구비되어 반응챔버(100) 내의 반응 가스를 외부로 배출한다.
한편, CVD 시스템 중 특히 MOCVD 시스템은 발광 다이오드를 생성하는데 많이 사용된다. MOCVD 시스템에 있어서, 제 1 반응가스로 트리메틸갈륨(trimethylgallium : TMG)이나 트리에틸갈륨(triethylgallium : TEG)과 같은 MO-전구체를 사용하고 제 2 반응가스로 NH3를 사용하여 제 1 반응가스와 제 2 반응가스를 반응챔버로 공급하면, 이들 반응 가스는 분해되거나 상호 반응하여 반응 또는 분해 산물이 반응챔버 내에 구비되는 기판의 표면에 증착되어 층을 형성하게 된다.
그런데 위와 같은 반응에서 TMG나 TEG는 상대적으로 낮은 온도에서 Ga으로 쉽게 분해되는 반면, NH3가 분해되기 위해서는 보통 1000 ℃ 가까운 높은 공정 온도가 필요하였으며, 높은 공정 온도에도 불구하고 NH3가 잘 분해되지 않아 TMG나 TEG의 공급량에 비하여 NH3는 많은 양을 공급해주어야만 하였다.
따라서 종래의 경우 높은 공정 온도로 인하여 장치의 운용 비용이 많이 들 뿐만 아니라, TMG나 TEG에 비해 상대적으로 NH3를 과다하게 공급해주어야 하기 때문에 원료비 또한 많이 들어가는 문제가 있었다.
뿐만 아니라 반응챔버 내의 높은 공정 온도로 인하여 기판 및 기타 부자재가 열에 의해 손상되는 문제까지 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 화학 기상 증착 장치의 반응챔버 상부에 플라즈마 발생 장치를 구비하여 공정 가스를 라디칼로 분해하여 샤워 헤드를 통해 반응챔버 내부로 공급하도록 하는 화학 기상 증착 장치를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 화학 기상 증착 장치의 반응챔버 상부의 플라즈마 발생 장치를 이용하여 반응 가스를 플라즈마 처리하고, 이를 샤워 헤드를 통해 반응챔버로 공급하여 반응챔버 내에서 기판 상부에 증착이 이루어지도록 하는 화학 기상 증착 방법을 제공함을 목적으로 한다.
이를 통하여 본 발명은 공정 온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 반응 가스의 공급량도 줄일 수 있는 화학 기상 증착 장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 기판이 수용되며, 제1반응가스와 제2반응가스의 반응에 의에 상기 기판에 화학 기상 증착이 이루어지는 반응챔버; 상기 제2반응가스가 플라즈마발생부에 의하여 플라즈마 상태로 되는 플라즈마챔버; 및 상기 반응챔버의 상부에 위치하도록 구비되어, 상기 제1반응가스와 상기 플라즈마챔버로부터 유입되는 상기 제2반응가스를 서로 접촉시키지 않고 상기 반응챔버로 배출하는 샤워헤드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.
이때, 상기 샤워헤드는, 상기 제1반응가스가 유입되는 제1반응가스챔버; 상기 제1반응가스챔버와 상기 반응챔버가 연통되어 상기 제1반응가스가 유동하는 복수의 제1반응가스유로; 및 상기 플라즈마발생부와 상기 반응챔버가 연통되어 상기 제2반응가스가 유동하는 복수의 제2반응가스유로;를 포함한다.
또한 바람직하게는, 상기 샤워헤드는 상기 플라즈마발생부와 상기 반응챔버 사이에 구비되고, 상기 제1반응가스챔버는 상기 플라즈마발생부와 상기 반응챔버 사이에 구비되며, 상기 제2반응가스유로는 제1반응가스챔버를 관통하며, 더욱 바람직하게는, 상기 제1반응가스유로와 상기 제2반응가스유로가 관통하는 냉각챔버를 더 포함하며, 상기 제2반응가스유로의 지름과 길이와의 비는 10 이상으로 형성된다.
한편, 제1반응가스는, 트리메틸갈륨(TMG) 또는 트리에틸갈륨(TEG) 이거나 다른 임의의 유기 금속 화합물일 수 있고, 상기 제2반응가스는, 질소(N2), 암모니아(NH3) 또는 다른 임의의 수화물일 수 있다.
나아가, 상기 플라즈마발생부는, 마이크로웨이브 발생기; 상기 마이크로웨이브 발생기에서 발생된 마이크로웨이브를 상기 플라즈마챔버로 조사하는 마이크로웨이브 유도판; 및 상기 마이크로웨이브 발생기로부터 발생되는 마이크로웨이브를 상기 마이크로웨이브 유도판으로 전달하는 파이프형의 복수의 도파관(waveguide);을 포함하며, 상기 복수의 도파관은 판 형상의 마이크로웨이브 유도판에 서로 평행하게 이격되어 배치된다.
이때, 상기 마이크로웨이브 유도판은 쿼츠 또는 파이렉스로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 다른 실시예로서, 상기 플라즈마발생부는, RF(라디오주파수) 전원; 및 상기 RF 전원으로부터 전원을 인가 받아 전기장 및 자기장을 발생시켜 상기 전기장 및 자기장을 상기 플라즈마챔버로 유도하는 RF 코일;을 포함할 수 있다.
한편 본 발명은, 제1반응가스가 제1반응가스챔버로 유입되는 단계; 제2반응가스가 플라즈마챔버로 유입되어 플라즈마발생부에 의해 플라즈마 상태로 되는 단계; 및 상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스가 서로 접촉하지 않고 각각 샤워헤드를 통해 반응챔버의 상부로 유입되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 방법을 제공한다.
이때, 상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스 각각은 유로가 서로 간섭되지 않는 구조로 상기 샤워헤드에 형성되는 제1반응가스유로 및 제2반응가스유로를 통해 반응챔버로 유입될 수 있으며, 상기 제2반응가스유로의 지름과 길이와의 비는 10 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2반응가스는, 마이크로웨이브 발생기가 마이크로웨이브를 발생시키는 단계; 복수의 도파관(waveguide)이 상기 마이크로웨이브 발생기로부터 발생되는 마이크로웨이브를 마이크로웨이브 유도판으로 전달하는 단계; 및 상기 마이크로웨이브 유도판이 상기 도파관으로부터 전달받은 마이크로웨이브를 상기 플라즈마챔버 측으로 조사하는 단계;를 거쳐 플라즈마 상태로 되며, 상기 복수의 도파관은 판 형상의 상기 마이크로웨이브 유도판에 서로 평행하게 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, NH3와 같은 수화물로 이루어지는 반응가스가 플라즈마 상태가 되도록 전처리 되어 반응챔버로 공급됨으로써 종래에 비해 공정 온도를 현저히 낮출 수 있어 장치의 운용 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라, 기판 및 기타 부자재의 열에 의한 손상을 방지할 수 있는 효과도 있다.
또한 본 발명에 의하면, 반응가스가 플라즈마 상태로 되어 반응챔버로 공급됨으로써 종래에 비해 적은 양으로도 공정 수행이 가능하여 원료비가 절감되는 효과가 있다.
나아가 본 발명에 의하면, 플라즈마 상태로 된 반응가스로부터 생성된 전자와 이온상의 라디칼이 샤워헤드를 통과하면서 중화됨으로써, 전자에 의해 기판 및 증착층이 손상되는 것이 방지되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 일반적인 화학 기상 증착 장치를 설명하기 위한 개략도이다.도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 단면도이다.도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 샤워헤드의 부분확대도이다.도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 플라즈마발생부의 평면도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 단면도이다.도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 플라즈마발생부의 평면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 샤워헤드의 부분확대도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치의 플라즈마발생부의 평면도이다.
본 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치는, 반응 가스 간의 반응이 수행되고 반응에 따른 증착 공정이 이루어지는 반응챔버(10)와, 반응 가스를 반응챔버(10)의 반응 공간으로 공급하는 샤워헤드(20)와, 샤워헤드(20)의 상부에 구비되어 플라즈마 상태가 되는 반응가스를 저장하는 플라즈마챔버(30)와, 플라즈마챔버(30)의 상부에 구비되어 플라즈마챔버(30) 내의 반응가스를 플라즈마 상태로 만드는 플라즈마발생부(40)를 포함하여 구성된다.
반응챔버(10)는 내부에 기판(W)이 수용되며, 제1반응가스와 제2반응가스의 반응으로 인해 생성된 물질이 기판(W) 상에 화학 기상 증착되는 반응 공간이다. 기판(W)은 기판 홀더(14) 상에 장착되는데, 기판 홀더(14)에는 적어도 하나의 기판(W)이 장착되며, 복수의 기판(W)이 장착되는 경우 복수의 기판(W)들이 기판 홀더(14)의 중심축을 기준으로 대칭되거나 균등하게 배치되도록 함이 바람직하다. 기판 홀더(14)의 하부에는 기판 홀더(14)를 지지하는 지지 로드(16)가 구비된다. 지지 로드(16)는 별도의 기판홀더 구동모터(미도시)에 의해 회전되도록 구성되는 것도 가능하다. 또한 기판 홀더(14)의 하부에는 기판 홀더(14)를 공정 온도로 가열하는 가열 히터(미도시)가 구비된다. 반응챔버(10)의 하부에는 가스 배출부(12)가 구비되고, 이를 통해 반응챔버(10) 내의 반응 가스가 반응챔버(10) 외부로 배출된다.
한편, 본 실시예의 경우 제1반응가스 트리메틸갈륨(trimethylgallium : TMG)과, 플라즈마챔버(30)에서 플라즈마 상태로 된 제2반응가스(60) NH3가 샤워헤드(20)를 통하여 반응챔버(10)로 유입 후 반응하여 기판(W) 상에 증착되도록 구성된다.
본 실시예에서는 제1반응가스로서 TMG가 이용되나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 TEG(trimethylgallium), TMI(trimethylindium), TMAL(trimethylaluminum), DEZn(diethylzinc) 등이 이용될 수 있으며, 또한 다른 금속알킬 물질, 즉 다른 유기 금속 화합물이 사용될 수도 있다.
또한 본 실시예의 경우 제2반응가스로서 NH3가 이용되나, N2, PH3, AsH3 또는 UDMH(Unsymmetrical Dimethyl Hydrazine)와 같은 다른 임의의 수화물이 채택될 수도 있다.
샤워헤드(20)는 플라즈마챔버(30)와 반응챔버(10) 사이에 구비되어 제1반응가스와 제2반응가스가 서로 접촉되지 않는 상태를 유지하며 각 반응가스를 반응챔버(10)로 공급한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 샤워헤드(20)의 상단에는 제1반응가스챔버(23)가 형성되고, 제1반응가스챔버(23)의 일측에는 하나 이상의 제1반응가스유입부(25)가 형성된다. 또한, 제1반응가스챔버(23)와 반응챔버(10)를 연통시키는 제1반응가스유로(21) 및 플라즈마챔버(30)와 반응챔버(10)를 연통시키는 제2반응가스유로(22)가 서로 이격하여 복수 형성된다. 즉, 복수의 제1반응가스유로(21)에 의하여 제1반응가스챔버(23)와 반응챔버(10)가 연결되며, 제2반응가스유로(22)에 의하여 플라즈마챔버(30)와 반응챔버(10)가 연결되는데, 이때 제2반응가스유로(22)는 제1반응가스챔버(23)를 관통하기는 하지만 연통되지 않고 직접 반응챔버(10)로 연결된다. 이때 제1반응가스유로(21)와 제2반응가스유로(22)는 서로 간섭되지 않게 설치된다.
또한, 제1반응가스챔버(23)의 하부에는 냉각챔버(24)가 형성되어 제1반응가스유로(21)와 제2반응가스유로(22)가 관통하도록 구성된다. 제1반응가스유로(21) 및 제2반응가스유로(22)가 냉각챔버(24)를 관통하지만 냉각챔버(24)와 연통되지는 않기 때문에 제1반응가스(50)와 제2반응가스(60)는 냉각챔버(24) 내를 유동하는 냉각물질(70)과는 접촉하지 않는다.
제1반응가스유입부(25)를 통해 제1반응가스챔버(23) 내로 유입된 제1반응가스(50)는 제1반응가스유로(21)를 통해 유동하여 반응챔버(10) 내로 유입되고, 제2반응가스유입부(32)를 통해 플라즈마챔버(30)로 유입되어 플라즈마 상태로 된 제2반응가스(60)는 제2반응가스유로(22)를 통해 유동하여 반응챔버(10) 내로 유입된다. 이때 제1반응가스유로(21)와 제2반응가스유로(22)는 서로 간섭되지 않도록 설치되기 때문에 제1반응가스(50)와 제2반응가스(60)는 반응챔버(10) 내로 유입되기 전에는 서로 접촉하지 않는다.
냉각챔버(24)의 일측에는 하나 이상의 냉각물질유입부(26)가 형성되고, 타측에는 하나 이상의 냉각물질유출부(27)가 형성되어, 이를 통해 물이나 오일 등의 냉각물질이 냉각챔버로 유입되어 유동하면서 제1반응가스유로(21)와 제2반응가스유로(22)를 냉각한 후 배출된다.
플라즈마챔버(30)에는 일측에 하나 이상의 제2반응가스유입부(32)가 마련되고, 이를 통해 유입된 제2반응가스(50)가 플라즈마챔버(30) 내부로 유입된다. 플라즈마챔버(30) 내부로 유입된 제2반응가스(50)는 샤워헤드(20)를 통해 반응챔버(10)로 이동하기 전에 플라즈마발생부(40)에 의해 플라즈마 상태로 되어 이온상으로 존재하게 된다.
플라즈마발생부(40)는 제2반응가스(60)로부터 라디칼을 생성하기 위하여 플라즈마챔버(30) 내의 제2반응가스(60)를 플라즈마 상태로 만든다. 도 4를 참조하면, 플라즈마발생부(40)는 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발생기(42)와, 마이크로웨이브 발생기(42)에서 발생된 마이크로웨이브를 플라즈마챔버(30) 측으로 조사하는 마이크로웨이브 유도판(44)과, 마이크로웨이브 발생기(42)로부터 발생되는 마이크로웨이브를 마이크로웨이브 유도판(44)으로 전달하는 복수의 도파관(waveguide, 46)으로 구성된다. 플라즈마발생부(40)에 의하여 플라즈마챔버(30)에 마이크로웨이브가 인가되면 플라즈마챔버(30) 내의 제2반응가스(60)가 플라즈마 상태가 되어 이온상의 라디칼 및 자유전자가 생성된다.
마이크로웨이브 발생기(42)는 제2반응가스(60)를 플라즈마 상태로 만드는 에너지원인 마이크로웨이브를 발생하는 장치로서, 마이크로웨이브를 발생시켜 복수의 도파관(46) 각각으로 방출한다.
도파관(46)은 파이프 형상으로 형성되어 복수로 구비되는데, 각각의 도파관(46)은 마이크로웨이브 발생기(42)와 연결되어 마이크로웨이브 발생기(42)로부터 발진되는 마이크로웨이브를 마이크로웨이브 유도판(44)으로 전달하도록 구성된다.
마이크로웨이브 유도판(44)은 쿼츠(Quartz, 석영) 플레이트 혹은 파이렉스(Pyrex) 플레이트가 바람직하며, 이들은 플라즈마발생부(40)로부터 발진된 마이크로웨이브를 유도하여 마이크로웨이브가 플라즈마챔버 측으로 균일하게 조사될 수 있도록 안내한다. 이를 위해 본 실시예의 경우, 마이크로웨이브 유도판(44)은 사각형의 판 형상으로 형성되며, 도파관(46)은 마이크로웨이브 유도판(44) 내부에 서로 평행하게 이격되어 배치된다.
본 실시예와는 달리 도파관(46)의 구조는 스파이럴 형상으로 형성될 수도 있며, 이 경우 도파관(46)을 수용하는 마이크로웨이브 유도판(44)의 형상 또한 이에 대응되어 변경된다.
한편 플라즈마를 생성시키기 위한 수단은 마이크로웨이브가 아닌 MF, HF, RF, VHF, UHF와 같은 다른 주파수를 이용할 수도 있다. 도 5에는 본 발명의 다른 실시예로서 RF를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 화학 기상 증착 장치의 구성이 도시되며, 도 6에는 RF를 이용하는 플라즈마발생부가 도시된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 플라즈마 발생부는 RF 발생기(86)와 RF 매칭기(88)를 포함하여 구성될 수 있는 RF 전원과, RF 전원에 연결되는 RF 코일(82)로 구성되며, RF 코일(82)은 세라믹 플레이트(84) 상에 놓여서 플라즈마챔버(30)와 절연되도록 구성된다.
RF 코일(82)은 플라즈마챔버(30)의 상부에 인접하게 설치되어 RF 전원으로부터 RF 전력을 인가받아 전기장 및 축전 자기장을 발생시킨다. RF 코일(82)에서 발생되는 전기장 및 축전 자기장은 플라즈마챔버(30)로 유도되어 플라즈마챔버(30) 내의 제2반응가스(60)를 여기(exciting)시켜 플라즈마 상태로 만든다.
본 실시예의 경우 RF 코일(82)은 나선형으로 형성되어 세라믹 플레이트(84) 상에 놓인다. 세라믹 플레이트(84)는 RF 코일(82)과 플라즈마챔버(30)를 서로 절연시키는 역할을 한다. 따라서 본 실시예에서는 절연부재로서 세라믹 플레이트(84)가 이용되었으나, 다른 실시예에서는 쿼츠 플레이트(Quartz)가 이용될 수도 있으며, 또한 RF 코일(82)과 플라즈마챔버(30)를 서로 절연시킬 수 있는 다른 부재가 이용될 수도 있다.
본 발명의 가장 큰 특징은 반응가스가 플라즈마 상태로 전처리된 후 샤워헤드(20)를 거쳐 반응챔버(10)의 상부로 공급되어 다른 반응가스와 반응되도록 함으로써 낮은 공정온도 하에서도 증착이 쉽게 일어날 수 있게 한다는 점에 있다. 그런데 반응가스가 플라즈마 상태로 되는 경우 이온화되어 양전하를 띄는 라디칼뿐만 아니라 음전하를 띄는 자유전자가 발생되는데, 전자가 반응챔버(10)로 직접 유입되는 경우 기판 및 증착층에 충돌함으로써 전자의 전하(charge)에 의해 기판과 증착층이 손상될 수 있다. 그러나 본 발명의 경우 반응가스가 플라즈마 상태로 변할 때 생성되는 전자들이 샤워헤드(20)의 제2반응가스유로(22)를 통과하며서 양전하를 띄는 N+ 라디칼과 충돌하여 흡수됨으로써 반응챔버(10)로 유입되는 전자의 양이 현저히 감소되는 효과가 있다.
다시 말해, 반응챔버(10)로 공급되는 NH3는 플라즈마챔버(30) 내에서 플라즈마 상태로 되어 이온상의 라디칼과 전자로 분해되는데, NH3로부터 생성된 전자가 샤워헤드를 통과하면서 이온상의 질소 라디칼 N+과 충돌하여 흡수됨에 따라 중성 라디칼 [N]이 생성되고, 결과적으로 반응챔버(10) 내부로 공급되는 전자의 수가 현저히 감소한다.
이와 같은 동작이 일어나기 위한 구성을 살펴보면, 1 mTorr 하에서 전자가 원통을 통과할 때 양전하를 띄는 라디칼과 1회 충돌하기 위한 원통형 유로의 지름과 길이와의 비는 약 5이다. 이 비율은 압력에 반비례하는데, 통상적인 MOCVD 공정은 약 10Torr(=104 mTorr) 하에서 이루어진다. 따라서 통상적인 MOCVD 공정 하에서 전자와 양전하를 띄는 라디칼이 1회 충돌하기 위한 원통형 유로의 길이비는 5×10-4이다. 본 실시예의 경우 제2반응가스유로(22)의 지름(D) 및 길이(L)는 각각 600um와 6mm로 형성된다. 따라서 제2반응가스유로(22)의 지름 대 길이비는 10이다. 따라서 본 실시예의 경우 전자가 제2반응가스유로(22)를 통과하면서 양전하를 띄는 라디칼과 10/(5×10-4)=2×104회의 충돌을 할 것으로 예상할 수 있다.
본 발명을 이용하여 위와 같은 환경 하에서 실험한 결과, 플라즈마챔버(30) 내의 제2반응가스(60)의 플라즈마 상태에서 [N] 라디칼의 농도는 1010/cm3이었는데, 반응챔버(10) 내의 [N] 라디칼의 농도는 1012~14/cm3로 나타났다. 즉, 제2반응가스(60)가 플라즈마챔버(30) 내에서 플라즈마 상태로 변화되어 [N] 라디칼이 1010/cm3의 농도로 생성되었다가, 샤워헤드(20)의 제2반응가스유로(22)를 통과하면서 자유전자가 N+ 라디칼과 충돌하여 이에 흡수되면서 이온의 중성자화가 일어남으로써 플라즈마챔버(30) 내의 [N] 라디칼의 농도와 반응챔버(10) 내의 [N] 라디칼의 농도에 차이가 생긴다. 이와 같이 플라즈마챔버(30)와 반응챔버(10) 간의 [N] 라디칼의 농도 차이 만큼의 전자가 샤워헤드(20)를 통과하면서 N+ 라디칼에 흡수됨으로써 반응챔버(10)로 유입되는 전자의 농도가 그만큼 낮아져서 기판(W) 및 증착층이 전자에 의해 손상되는 것이 방지된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 화학 기상 증착 장치, 특히 유기 금속 화학 기상 증착 장치(MOCVD 장치)에 있어서 고온에서 분해되는 반응 가스를 플라즈마로 사전 처리하여 반응챔버 내로 균일하게 공급하도록 함으로써 화학 기상 증착 공정을 효과적으로 수행하도록 하여 산업상 이용가능성이 매우 높다.
10 : 반응챔버 12 : 가스 배출부14 : 기판 홀더 16 : 지지 로드20 : 샤워헤드 21 : 제1반응가스유로22 : 제2반응가스유로 23 : 제1반응가스챔버24 : 냉각챔버 25 : 제1반응가스유입부26 : 냉각물질유입부 27 : 냉각물질유출부30 : 플라즈마챔버 32 : 제2반응가스유입부40 : 플라즈마발생부 42 : 마이크로웨이브 발생기44 : 마이크로웨이브 유도판 46 : 도파관50 : 제1반응가스 흐름 60 : 제2반응가스 흐름70 : 냉각물질 흐름 82 : RF 코일84 : 세라믹 플레이트 86 : RF 발생기88 : RF 매칭기 D : 제2반응가스유로의 지름 L : 제2반응가스유로의 길이 W : 기판

Claims (12)

  1. 기판이 수용되며, 제1반응가스와 제2반응가스의 반응에 의해 상기 기판에 화학 기상 증착이 이루어지는 반응챔버;상기 제2반응가스가 플라즈마발생부에 의하여 플라즈마 상태로 되는 플라즈마챔버; 및상기 반응챔버의 상부에 위치하도록 구비되어, 상기 제1반응가스와 상기 플라즈마챔버로부터 유입되는 상기 제2반응가스를 서로 접촉시키지 않고 상기 반응챔버로 배출하는 샤워헤드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,상기 샤워헤드는,상기 제1반응가스가 유입되는 제1반응가스챔버;상기 제1반응가스챔버와 상기 반응챔버를 연통시키며, 상기 제1반응가스가 유동하는 복수의 제1반응가스유로; 및상기 플라즈마발생부와 상기 반응챔버를 연통시키며, 상기 제2반응가스가 유동하는 복수의 제2반응가스유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  3. 제2항에 있어서,상기 제1반응가스챔버는 상기 플라즈마발생부와 상기 반응챔버 사이에 구비되며,상기 제2반응가스유로는 제1반응가스챔버를 관통하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  4. 제3항에 있어서,상기 샤워헤드는,상기 제1반응가스유로와 상기 제2반응가스유로가 관통하는 냉각챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제1반응가스는, 트리메틸갈륨(TMG), 트리에틸갈륨(TEG) 또는 다른 임의의 유기 금속 화합물로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2반응가스는, 질소(N2), 암모니아(NH3) 또는 다른 임의의 수화물로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  7. 제1항에 있어서,상기 플라즈마발생부는,마이크로웨이브 발생기;상기 마이크로웨이브 발생기에서 발생된 마이크로웨이브를 상기 플라즈마챔버로 조사하는 마이크로웨이브 유도판; 및상기 마이크로웨이브 발생기로부터 발생되는 마이크로웨이브를 상기 마이크로웨이브 유도판으로 전달하는 파이프형의 복수의 도파관(waveguide);을 포함하며,상기 복수의 도파관은 판 형상의 상기 마이크로웨이브 유도판에 서로 평행하게 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  8. 제7항에 있어서,상기 마이크로웨이브 유도판은 쿼츠 또는 파이렉스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  9. 제1항에 있어서,상기 플라즈마발생부는,RF(라디오주파수) 전원; 및상기 RF 전원으로부터 전원을 인가 받아 전기장 및 자기장을 발생시켜 상기 전기장 및 자기장을 상기 플라즈마챔버로 유도하는 RF 코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  10. 제1반응가스가 제1반응가스챔버로 유입되는 단계;제2반응가스가 플라즈마챔버로 유입되어 플라즈마발생부에 의해 플라즈마 상태로 되는 단계; 및상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스가 서로 접촉하지 않고 각각 샤워헤드를 통해 반응챔버의 상부로 유입되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 방법.
  11. 제10항에 있어서,상기 제1반응가스 및 상기 제2반응가스 각각은 유로가 서로 간섭되지 않는 구조로 상기 샤워헤드에 형성되는 제1반응가스유로 및 제2반응가스유로를 통해 반응챔버로 유입되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 방법.
  12. 제10항에 있어서,상기 제2반응가스는,마이크로웨이브 발생기가 마이크로웨이브를 발생시키는 단계;복수의 도파관(waveguide)이 상기 마이크로웨이브 발생기로부터 발생되는 마이크로웨이브를 마이크로웨이브 유도판으로 전달하는 단계; 및상기 마이크로웨이브 유도판이 상기 도파관으로부터 전달받은 마이크로웨이브를 상기 플라즈마챔버 측으로 조사하는 단계;를 거쳐 플라즈마 상태로 되며,상기 복수의 도파관은 판 형상의 상기 마이크로웨이브 유도판에 서로 평행하게 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 방법.
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