KR20120050707A - 서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

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Abstract

서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치가 개시된다. 개시된 서셉터 는 상면에는 피증착체가 수용되도록 복수의 포켓이 오목하게 형성되며, 그 내부에 복수의 포켓에 유동가스를 공급하도록 서셉터 유로가 형성되며, 복수의 포켓 각각의 바닥에는 서셉터 유로로부터 공급되는 유동가스를 서셉터 외부로 배출시키는 유동가스 배기구와 서셉터 유로로부터 공급되는 유동가스의 흐름을 유동가스 배기구로 가이드하는 배기 가이드 그루브가 마련되며, 배기 가이드 그루브의 깊이는 0.05mm 내지 1mm의 깊이로 형성된다.

Description

서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치{Susceptor and chemical vapor deposition apparatus comprising the same}
본 개시는 서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 장치는 화학 반응을 이용하여 피증착체(일반적으로 반도체 웨이퍼 등의 기판을 포함한다)에 박막을 형성하는 장치로서, 진공으로 이루어 챔버 내에서 가열된 기판에 증기압이 높은 반응가스를 보내어 그 반응가스의 막을 기판에 성장시키도록 하는 장치이다.
최근에는 반도체 소자의 미세화와 고효율, 고출력 LED(light emitting diode) 개발 등으로, 금속 유기 화학적 기상 증착 방법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)와 같은 CVD가 각광 받고 있으며, 한번에 다수의 피증착체에 증착을 일으키도록 챔버(chamber)와 서셉터(susceptor) 크기가 커짐에 따라 다수의 피증착체에 박막을 균일하게 성장시키도록 하는 것이 핵심 기술이 되고 있다. 이때, 피증착체는 새털라이트(satellite) 디스크 위에 놓이며, 새털라이트 디스크들은 서셉터 상의 마련된 다수의 포켓(pocket)에 각각 수용된다. 피증착체에 대한 박막의 균일한 성장을 위해서는 서셉터 자체가 회전할 뿐만 아니라 피증착체가 놓이는 새털라이트 디스크도 회전하도록 구성된다.
서셉터의 구조를 개선하여 내구성을 향상시킨 서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 화학 기상 증착 장치용 서셉터는, 상면에 피증착체가 수용되도록 오목하게 형성된 복수의 포켓; 복수의 포켓에 유동가스를 공급하도록 서셉터의 내부에 형성된 서셉터 유로; 복수의 포켓 각각의 바닥면에 마련되어, 상기 서셉터 유로로부터 공급되는 유동가스를 서셉터 외부로 배출하는 유동가스 배기구; 및 상기 복수의 포켓 각각의 바닥면에 마련되어, 상기 서셉터 유로로부터 공급되는 유동가스의 흐름을 유동가스 배기구로 가이드하는 배기 가이드 그루브;를 포함하며, 배기 가이드 그루브의 깊이는 0.05mm 내지 1mm의 깊이로 형성된다. 나아가, 배기 가이드 그루브의 깊이는 바람직하게는 0.5mm 내지 1mm의 깊이로 형성될 수 있다. 이때, 배기 가이드 그루브의 깊이는 ±0.05mm의 허용공차를 가질 수 있다.
배기 가이드 그루브의 바닥면과 측벽 사이의 경계부는 라운드 형상의 횡단면을 가질 수 있다. 가령, 배기 가이드 그루브의 깊이가 대략 1mm인 경우, 배기 가이드 그루브 경계부의 라운드 형상은 곡률반경이 대략 0.4mm 내지 0.6mm일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르는 화학 기상 증착 장치는,
서셉터;
서셉터에 피증착체를 회전시키는 유동가스를 주입하면서 서셉터를 지지하는 지지부;
피증착체에 증착되는 증착물질을 포함하는 반응가스를 주입하는 반응가스 주입부; 및
서셉터, 지지부, 및 반응가스 주입부를 수용하는 챔버;를 포함하며,
서셉터는 상면에 피증착체가 수용되도록 오목하게 형성된 복수의 포켓; 복수의 포켓에 유동가스를 공급하도록 서셉터의 내부에 형성된 서셉터 유로; 복수의 포켓 각각의 바닥면에 마련되어, 서셉터 유로로부터 공급되는 유동가스를 서셉터 외부로 배출하는 유동가스 배기구; 및 복수의 포켓 각각의 바닥면에 마련되어, 서셉터 유로로부터 공급되는 유동가스의 흐름을 유동가스 배기구로 가이드하는 배기 가이드 그루브;를 포함하며, 배기 가이드 그루브의 깊이는 0.05mm 내지 1mm의 깊이로 형성된다.
개시된 실시예들에 따른 서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치는 배기 가이드 그루브의 깊이를 제한함으로써, 서셉터의 가스 유로의 그루브에 인접한 영역에서 발생될 수 있는 변색(discolor)이나 파손의 문제를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 화학 기상 증착 장치의 서셉터를 개략적으로 도시한 단면 사시도이다.
도 3은 도 2의 서셉터의 평면도이다.
도 4는 도 3에서 A-A'선을 따라 본 단면도이다.
도 5는 도 4에서 C 영역의 확대도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
100…화학 기상 증착 장치 110…서셉터
111…포켓 112…중앙 핀
113…서셉터 유로 114…부유 가이드 그루브
115…배기 가이드 그루브 116…유동가스 배기구
120…새털라이트 디스크 130…지지 디스크
140…상부 결합판 150…지지 튜브
175…히터 180…반응가스 주입부
190…챔버 195…가스 배출부
G1…유동가스 G2…반응가스
G3…배기가스
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치(100)를 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 2는 도 1의 화학 기상 증착 장치(100)의 서셉터(110)를 개략적으로 도시한 단면 사시도이고, 도 3은 서셉터(110)의 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 화학 기상 증착 장치(100)는 서셉터(110), 서셉터(110)를 유동가스(G1)를 주입하면서 지지하는 지지부(130, 140, 150), 서셉터(110)를 가열하는 히터(175), 반응가스(G2)를 공급하는 반응가스 주입부(180), 서셉터(110)와 반응가스 주입부(180)의 노즐(185)을 수용하는 챔버(190), 챔버(190) 내의 유동가스(G1) 및 반응가스(G2)를 배출시키는 가스 배출부(195)를 포함한다.
서셉터(110)는 중공(110a)가 마련된 디스크 형상을 가진다. 서셉터(110)의 상면에는 복수의 포켓(111)이 마련된다. 복수의 포켓(111)은, 도 3에 도시되듯이, 서셉터(110)의 중심을 기준으로 원주상에 등간격으로 배열될 수 있다. 도 3은 포켓(111)이 8개 마련된 경우를 도시하고 있으나, 이는 단순한 예일 뿐이고, 포켓(111)의 개수는 서셉터(100)의 사이즈 및 포켓(111)의 사이즈에 따라 달라질 수 있다. 경우에 따라서 복수의 포켓(111)은 복수의 열로 배열될 수도 있다. 포켓(111) 각각은 서셉터(110)의 상면에서 소정 깊이로 오목하게 들어간 홈부(recess)이다. 이러한 포켓(111)에는 원판형의 새털라이트 디스크(120)가 수용된다. 포켓(111)의 중심부에는 새털라이트 디스크(120)가 회전시 이탈되지 않도록 기준이 되는 돌출부(112)가 마련될 수 있다.
서셉터(110)의 내부에는 복수의 포켓(111)에 유동가스(G1)를 공급하는 서셉터 유로(113)가 형성된다. 서셉터 유로(113)의 유입구(113a)는 서셉터(110)의 중공(110a) 쪽에 마련된다. 한편 서셉터 유로(113)의 유출구(113b)는 포켓(111)의 바닥에 마련된다. 포켓(111)이 복수개 있으므로, 서셉터 유로(113)는 포켓(111)의 개수에 대응되게 마련될 수 있다. 도 3에서 점선은 이러한 서셉터 유로(113) 중 어느 하나를 예시적으로 도시한 것이다. 도 3에 도시되듯이, 하나의 서셉터 유로(113)가 복수의 유출구(113b)로 분기되어 있을 수도 있다. 서셉터 유로(113)의 유입구(113a)는 서셉터(110)의 중공(110a) 쪽에 마련되므로, 서셉터 유로(113)는 유입구(113a)에서 포켓(111)의 하부까지 직선으로 길게 연장되며, 포켓(111)의 하부에서 포켓(111)상의 유출구(113b)쪽으로 꺽이게 된다.
포켓(111)의 바닥에는 유동가스(G2)를 공급하는 유출구(113b)와 연결되는 부유 가이드 그루브(114)가 마련된다. 부유 가이드 그루브(114)는 나선형 형상으로 내측에서 외측으로 형성된다. 포켓(111)에 새털라이트 디스크(120)가 안착하게 되면, 부유 가이드 그루브(114)가 유출구(113b)에서 방출된 유동가스(G1)의 통로가 될 것이다. 이에 따라 포켓(111)에 안착된 새털라이트 디스크(120)는 유동가스(G1)에 의한 쿠션 작용으로 새털라이트 디스크(120)의 회전시 새털라이트 디스크(120)와 포켓(111)의 바닥과의 마찰력은 무시될 수 있을 정도로 작아질 수 있다. 또한, 유출구(113b)에서 방출된 유동가스(G1)는 부유 가이드 그루브(114)를 따라 나선형으로 휘어지면서 포켓(111)의 내측에서 외측으로 흐르므로, 새털라이트 디스크(120)는 유동가스(G1)에 의해 회전될 수 있다.
포켓(111)의 가장자리에는 서셉터(110)의 외부로 배기할 수 있는 유동가스 배기구(116)와, 포켓(111)의 내측에서 외측으로 흐르는 유동가스(G1)을 유동가스 배기구(116)로 가이드하는 배기 가이드 그루브(115)가 환형으로 마련된다. 유동가스 배기구(116)는 배기 가이드 그루브(115)의 일측에서 서셉터(110)의 배면으로 뚫려 있을 수 있다.
한편, 서셉터(110)의 재질은 새털라이트 디스크(120) 상에 놓이는 피증착체를 가열하는 방식에 따라 달라질 수 있다. 유도 가열(induction heating) 방식인 경우, 서셉터(110)는 유도 가열에 의해 가열될 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들어, 서셉터(110)는 그라파이트로 형성될 수 있다. 서셉터(110)의 내구성을 강화시키기 위하여 서셉터(110)에 경도강화 코팅이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 서셉터(110)는 그라파이터에 실리콘 카바이드(SiC)가 코팅되어 형성될 수 있다.
도 4는 도 3에서 A-A'선을 따라 본 서셉터(110)의 단면도이며, 도 5는 도 4에서 C 영역의 확대도이다. 도 4를 참조하면, 서셉터 유로(113)를 기준으로, 포켓(111)의 바닥면까지의 두께(T2)는 서셉터(110)의 최상면까지의 두께(T1) 보다 얇다. 또한, 서셉터 유로(113)는 도 3의 점선으로 도시되듯이, 서셉터(110)의 내측 중공(110a)으로부터 외측으로 향해 뚫려있으므로, 배기 가이드 그루브(115)와 겹쳐지는 영역(B)이 발생된다. 이러한 겹쳐지는 영역(B)은 도 5에 도시되듯이 배기 가이드 그루브(115)의 깊이(D)에 의해 서셉터 유로(113)로부터 배기 가이드 그루브(115) 바닥면까지의 두께가 더욱 얇아지게 될 것이다.
서셉터(110)는 자신이 가열됨으로써 피증착체의 가열을 하게 되므로, 유동가스(G1)가 지나가는 서셉터 유로(113)는 열충격에 취약하다. 발명자는 배기 가이드 그루브(115)의 일부가 변색(discolor)되고, 나아가 파손되는 현상을 발견하였으며, 이러한 배기 가이드 그루브(115)의 변색이나 파손의 문제는, 서셉터 유로(113)와 배기 가이드 그루브(115)가 겹쳐지는 부근(B)이 열충격에 더욱 취약함에 따라 발생되는 것임을 발견하였다. 이에 본 실시예는 배기 가이드 그루브(115)의 깊이(D)를 0.05mm 내지 1mm의 깊이로 한정함으로써, 이러한 파손의 위험을 경감시키고자 한다. 배기 가이드 그루브(115)의 깊이(D)는 유동가스(G1)의 흐름을 유동가스 배기구(116)로 충분히 가이드할 수 있도록, 0.5mm 내지 1mm의 깊이인 것이 더욱 바람직하다. 이때, 배기 가이드 그루브(116)의 깊이(D)는 ±0.05mm의 허용공차를 가질 수 있다. 여기서, 배기 가이드 그루브(115)의 깊이(D)는 포켓(111)의 바닥면에서 배기 가이드 그루브(115)의 바닥면까지의 거리를 의미한다.
종래의 서셉터에서 지나치게 깊었던 배기 가이드 그루브를 상기와 같이 배기 가이드 그루브(115)의 깊이(D)로 제한함으로써, 서셉터 유로(113)와 배기 가이드 그루브(115)가 겹쳐지는 부근(B)이 지나치게 얇아지는 것을 방지하고, 이에 따라 열충격에 의한 파손을 방지함으로써, 서셉터(110)의 수명을 대폭 증가시킬 수 있다.
나아가, 유동가스(G1)의 흐름에 의한 저항등을 최소화하기 위해 배기 가이드 그루브(115)의 바닥면과 측벽 사이의 경계부는 라운드 형상의 횡단면을 갖도록 라운드 가공될 수 있다. 가령, 배기 가이드 그루브(115)가 대략 1mm의 깊이(D)로 형성되는 경우, 배기 가이드 그루브(115)의 바닥면과 측벽 사이의 경계부는 대략 0.4mm 내지 0.6mm의 곡률 반경으로 곡률반경(R1)으로 가공될 수 있을 것이다.
또한, 배기 가이드 그루브(115)의 측벽과 포켓(111)의 바닥면 사이의 경계부 역시 라운드 형상의 횡단면을 갖도록 라운드 가공될 수 있다. 가령, 배기 가이드 그루브(115)가 대략 1mm의 깊이(D)로 형성되는 경우, 배기 가이드 그루브(115)의 측벽과 포켓(111)의 바닥면 사이의 경계부 역시 0.4mm 내지 0.6mm의 곡률 반경으로 곡률반경(R2)으로 가공될 수 있을 것이다.
서셉터(110)를 지지하는 지지부는 서셉터(110)의 하부에 위치하는 지지 디스크(130)와, 서셉터(110)의 상부에 위치하는 상부 결합판(140)과, 지지 디스크(130)에 결합되어 회전축이 되는 지지 튜브(150)를 포함할 수 있다. 상부 결합판(140)과 지지 디스크(130)는 공지의 체결수단에 의해 체결될 수 있으며, 그 사이에 끼이는 서셉터(110)는 지지 디스크(130)에 대해 고정되게 된다. 지지 디스크(130)는 지지 튜브(150)에 결합되며, 지지 튜브(150)는 유동가스 주입부(160)에 연결된다.
한편, 지지 디스크(130)에는 유동가스(G1)의 통로가 되는 지지 디스크 유로(135)가 마련된다. 지지 디스크 유로(135)는 지지 튜브(150)의 지지 튜브 유로(155)에 연결되며, 지지 디스크 유로(135)의 유출구(135a)는 지지 디스크(130)의 외주면에 마련된다. 지지 디스크(130)의 일부가 서셉터(110)의 중공(110a)으로 삽입되면, 지지 디스크 유로(135)의 유출구(135a)는 서셉터 유로(113)의 유입구(113a)와 마주하게 된다. 도 2는 디스크 유로(135)의 유출구(135a)와 서셉터 유로(113)의 유입구(113a)가 일대일 대응되는 것으로 도시되고 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 다른 예로, 서셉터 유로(113)의 유입구(113a)들 중에서 인접한 유입구(113a)들끼리 서로 연결되어, 하나의 디스크 유로(135)의 유출구(135a)에 연결될 수도 있다. 지지 디스크(130)의 재질은 제한되지 않는다. 예를 들어, 지지 디스크(130)은 금속제로 형성될 수 있다. 지지 튜브(150)는 중공축(hollow shaft)나 봉재(rod)일 수 있다. 지지 튜브(150)에는 지지 튜브 유로(155)가 마련되어, 유동가스 주입부(160)의 주입부 유로(165)와 지지 튜브(150)의 지지 튜브 유로(155)를 연결한다.
본 실시예는 서셉터 유로(113)의 유입구(113a)가 서셉터(110)의 중공(110a) 쪽에 마련되므로, 지지 디스크 유로(135)에서 서셉터 유로(113)로의 연결부위에서 유동가스(G1)가 서셉터(110)의 평판면에 평행한 수평 방향으로 흐르고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 서셉터 유로(113)의 유입구(113a)가 서셉터(110)의 배면에 마련되어, 유동가스(G1)가 지지 디스크 유로(135)에서 서셉터 유로(113)로의 연결부위에서 수직으로 꺽일 수도 있다.
유동가스 주입부(160)는 유동가스 공급라인(169)과 연결되어 유동가스(G1)를 지지 튜브(150)의 지지 튜브 유로(155)에 주입하며, 또한 구동 모터(170)의 회전력을 지지 튜브(150)로 전달한다. 이때 챔버(190) 내의 기밀성을 유지하기 위하여, 유동가스 주입부(160)의 회전 부위와 챔버(190) 사이의 틈에는 자성유체씰(Ferro Fluid Seal)이 사용될 수 있다.
한편 유동가스(G1)로는 질소 등이 이용될 수 있으며, 유동가스 공급라인(169)에 공급되는 유동가스(G1)의 유량을 조절하여 새털라이트 디스크(120)의 회전을 능동적으로 제어할 수 있다. 나아가, 복수의 포켓(111)에 대하여, 각각 내지 몇 묶음씩으로 공급되는 유동가스(G1)의 유량을 조절하여 포켓(111)별로 새털라이트 디스크(120)의 회전을 제어할 수도 있다.
히터(175)는 서셉터(110)를 소정의 온도로 가열한다. 히터(175)는 서셉터(110)를 수백°C 내지 1000°C 이상으로 가열할 수 있다. 일 예로, GaN계 성장층을 형성하는 경우, 700~1300°C 정도로 가열할 수 있다. 히터(175)는 고주파 전류가 인가되는 코일일 수 있으며, 이 경우 서셉터(110)는 유도 가열 방식으로 가열될 수 있다. 다른 예로, 히터(175)는 저항 발열하는 도선일 수 있다.
반응가스 주입부(180)는 피증착체에 증착시키고자 하는 소스 가스(source gas)와 캐리어 가스(carrier gas)를 포함하는 반응가스(G2)를 공급하는 장치이다. 반응가스 주입부(180)의 노즐(185)은 챔버(190)에 노출되어, 노즐(185)의 노즐공(185a)을 통해 반응가스(G2)를 방출한다.
새털라이트 디스크(120)에는 웨이퍼와 같은 피증착체가 놓인다. 피증착체가 움직이지 않도록 새털라이트 디스크(120)의 외곽에는 림(미도시)이 마련되어 있을 수 있다.
고온으로 가열된 서셉터(110)에 의해 피증착체는 고온을 유지하며, 피증착체의 상부면은 반응가스(G2)와 맞닿아 화학적 증착 반응을 하게 된다. 이와 같은 화학적 증착 반응에 의하여, 웨이퍼와 같은 피증착체에는 GaN계 화합물과 같은 소정의 물질이 결정성장된다.
챔버(190)는 서셉터(110)와 반응가스 주입부(180)의 노즐(185)을 수용하는 것으로, 증착 공정시 밀폐되며, 피증착체를 교환하기 위하여 열릴 수 있다.
가스 배출부(195)는 챔버(190) 내의 유동가스(G1) 및 반응가스(G2)를 배출시킨다.
전술한 본 발명인 서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 상면에 피증착체가 수용되도록 오목하게 형성된 복수의 포켓;
    상기 복수의 포켓에 유동 가스를 공급하도록 상기 서셉터의 내부에 형성된 서셉터 유로;
    상기 복수의 포켓 각각의 바닥면에 마련되어, 상기 서셉터 유로로부터 공급되는 유동 가스를 서셉터 외부로 배출하는 유동가스 배기구; 및
    상기 복수의 포켓 각각의 바닥면에 마련되어, 상기 서셉터 유로로부터 공급되는 유동 가스의 흐름을 상기 배기구로 가이드하는 배기 가이드 그루브;를 포함하며,
    상기 배기 가이드 그루브의 깊이는 0.05mm 내지 1mm의 깊이로 형성되는 화학 기상 증착 장치용 서셉터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배기 가이드 그루브의 깊이는 0.5mm 내지 1mm의 깊이로 형성되는 서셉터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 배기 가이드 그루브의 깊이는 ±0.05mm의 허용공차를 갖는 서셉터.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 배기 가이드 그루브의 상기 바닥면과 측벽 사이의 경계부는 라운드 형상의 횡단면을 갖는 서셉터.
  5. 제1 항 내지 제4 항에 기재된 서셉터;
    상기 서셉터에 피증착체를 회전시키는 유동 가스를 주입하면서 상기 서셉터를 지지하는 지지부;
    상기 피증착체에 증착되는 증착물질을 포함하는 반응 가스를 주입하는 반응 가스 주입부; 및
    상기 서셉터, 상기 지지부, 및 상기 반응 가스 주입부를 수용하는 챔버;를 포함하는 화학 기상 증착 장치.
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