KR20120055146A - 수직형 수소화물 기상 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치 - Google Patents

수직형 수소화물 기상 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직형 수소화물 기상 증착 반응기(HVPE - Reactor)의 반응 금속원 공급장치에 관한 것으로, 반응기의 가열로(160) 내에 반응관(180)이 존재하고, 그 반응관(180) 내에 금속원 용기(170)가 구비되어 있고, 금속원 용기(170) 상단부에 금속원 공급관(230)으로 연결된 별도의 금속원 공급부(200)가 외부에 존재하여 상기 금속원 용기(170) 내에 위치한 염화수소(HCl) 공급관(150)을 통해 공급된 염화수소(HCl)와 금속원(120)이 반응하여 GaCl을 형성하고 그에 따른 금속원이 소모되고, 소모된 양만큼 외부의 금속원 공급부(200)에서 금속원을 보충하여 금속원 용기(170) 내의 금속원(120)의 양을 일정하게 유지하도록 하여 염화수소(HCl)와 금속원의 동일한 반응 효율을 얻도록 하고, 장시간 동일한 공정 조건 유지, 동일한 성장률 및 공정 재현성을 확보할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

수직형 수소화물 기상 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치 {Reaction metal supply units of vertical hydride vapor phase epitaxy reactor}
본 발명은 수직형 수소화물 기상 증착 반응기(HVPE - Reactor)의 반응 금속원 공급장치에 관한 것으로 상세하게는 금속원 용기(170) 내 반응 가스(HCl)와 반응하여 소모되는 금속원(120)을 별도의 금속원 공급부(200)에 있는 금속원(120)을 금속원 공급관(230)을 통해 금속원 용기(170)에 보충하여 공정 진행 중 반응가스(HCl)와 금속원(120)의 반응 비율 및 효율을 일정하게 유지하도록 하여 공정 진행 시간 및 공정간 재현성을 확보할 수 있도록 한 수소화물 기상 증착기(HVPE - Reactor)의 반응 금속원 공급장치에 관한 것이다.
청색 및 UV 계열 발광 소자 등의 기판 재료로 사용되는 GaN 기판 제조에 관한 다양한 방법이 제안되어 있다. 그 중 성장 속도가 100/1hour 이상으로 매우 빠른 수소화물 기상 증착법(HVPE)을 이용하여 사파이어 기판이나 탄화규소(SiC) 등과 같은 모기판 위에 GaN 후막을 성장시킨 후 모기판을 제거하여 GaN 기판을 제조하고 있다.
본 발명과 관련된 종래 기술에 따른 수직형 수소화물 기상 증착 반응기(HVPE-Reactor)의 반응 금속원 공급장치는 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이 가열로(160) 안의 반응로(180) 내에 위치한 금속원 용기(170)에 금속원(120)이 위치하고 그 위로 염화수소(HCl) 가스 공급관(150)을 통해 반응가스(HCl)가 금속원 용기(170)에 공급되어 금속원(120)의 표면, 즉 금속원 용기(170)에 담긴 금속원 표면과 반응하여 GaCl을 형성한 후 석영관을 통해 서셉터(110) 위에 놓여져 있는 기판(100)의 위까지 공급된 후 Ga과 Cl로 다시 분해하여 Ga을 공급하게 된다. 또한, 기판(100) 위까지 질소(N) 소스 공급은 암모니아(NH3) 가스 공급관(130)에서 공급되는 암모니아(NH3) 가스가 기판(100) 위까지 공급되어 GaCl에서 공급되는 Ga과 반응하여 기판 위에 GaN층이 성장되게 된다. 전체 가스 흐름을 위해 별도의 운반가스 공급관(140)이 반응관(180) 내에 위치되어 있다.
상기한 바와 같은 기존의 방식으로 Ga과 같은 금속원(120)과 반응가스(HCl)가 반응하여 GaCl을 형성하여 공급하게 되면서 Ga이 소모되게 된다. 이때, 금속원 용기(170)에 일정량의 금속원(120)은 장시간 사용될 경우 반응하는 금속원(120)의 양이 감소하게 되어 금속원(120)과 반응가스(HCl)의 반응이 충분히 이루어지지 않아 효율이 떨어지거나 반응 비율이 달라져 성장 시간에 따른 성장률 및 성장 재현성이 저하되고, 연속 성장이 불가능하게 되어 두꺼운 GaN층 성장에 문제점을 초래하게 된다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결하기 위해 별도의 반응 금속원 공급 장치를 제공하여 반응가스(HCl)와 반응하는 금속원의 양을 항상 일정하게 유지 또는 조절하여 성장 시간에 관계없이 동일한 성장률, 성장 효율, 성장 재현성 확보할 수 있도록 하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 수소화물 기상 증착 반응기(HVPE - Reactor)에 반응 금속원을 공급하는 장치로 수직형 수소화물 기상 증착 반응기(HVPE - Reactor)에 금속원 용기 상부에 금속원 공급관을 통하여 외부로부터 금속원을 추가할 수 있으며 금속원 공급 밸브를 통하여 그 양을 조절할 수 있는 수소화물 기상 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치를 제공한다.
본 발명은 반응가스(HCl)와 반응하는 금속원의 양을 일정하게 유지하거나 사용자가 원하는 양으로 유지하여 공정 진행 시간에 관계없이 동일한 공정 조건을 유지하여 반응가스(HCl)와 반응 금속원의 반응 효율을 일정하게 유지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 종래의 수직형 수소화물 기상증착반응기의 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 수직형 수소화물 기상증착반응기의 금속원 공급장치를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 금속원 공급부에 가열로 및 에칭 및 세정을 위한 고순도 질소 또는 HCl 공급관 및 배기관을 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 따른 금속원 공급부 또는 공급관에 열선을 설치한 단면도이다.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 설명에 있어서 도 1에 도시된 종래기술과 동일한 구성 요소에 대하여는 편의상 동일부호를 사용하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 수직형 수소화물 기상 증착기(HVPE)의 반응 금속원 공급장치를 도시한 것으로, 반응관(180) 안에 금속원 용기(170)가 위치하고, 상기 금속원 용기(170) 상부에 별도의 금속원 공급관(230)으로 연결된 외부 금속원 공급부(200)가 위치한다.
또, 본 실시 예에서 상기 금속원 공급관(230)을 통해 금속원 공급부(200)의 금속원을 금속원 용기(170)에 공급 시 정밀한 공급을 위해 금속원 공급 밸브(220)로 조절하여 공급할 수 있도록 되어 있다.
본 실시 예에 의한 공급장치는 별도의 금속원 공급부(200)가 외부에 존재하여 공정 중 또는 공정 전에 금속원을 추가하여 수소화물 기상 증착기(HVPE) 반응관(180) 내에 위치한 금속원 용기(170)의 금속원 양을 조절할 수 있다.
이에 의하여 반응가스(HCl)와 반응되는 금속원 양은 항상 일정하게 유지되면서 동일한 반응 효율로 공정을 진행할 수 있다.
또한, 본 발명에서 외부에 위치한 금속원 공급부(200), 금속원 공급관(230) 및 금속원 공급밸브(220)는 HCl가스를 사용하기 때문에 석영 재료로 만들어지며, 상기 외부 금속원 공급부(200)에는 금속원의 양을 확인할 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같은 눈금 또는 무게를 표시할 수 있도록 되어 있다.
또한, 외부에 위치한 금속원 공급부(200)에서 반응관(180) 안에 위치한 금속원 용기(170)로 연결된 금속원 공급관(230)과 금속원 공급밸브(220)에서 금속원이 낮은 온도로 인해 고체화되어 금속원이 추가되는 과정에서 문제가 발생되지 않도록 외부 금속원 공급부(200)에는 도 3에 도시된 바와 같이 금속원 공급부 가열로(210)를 설치하고, 금속원 공급관(230)의 외측에는 열선(320)(예; Ga는 50℃ 이상유지)을 설치하여 공정 중 또는 공정 전에 금속원 추가 시에 고체화되지 않도록 되어 있다.
또한, 외부 금속원 공급부(200)의 금속원을 내부 금속원으로 공급 시 미세 공급이 가능하도록 하기 위한 금속원 공급밸브(220)는 석영을 원뿔형태로 제작하여 공급량 및 공급상태를 정밀하게 제어할 수 있도록 한다.
도 3에 도시된 바와 같이 외부 금속원 공급부(200)의 금속원을 녹이기 위해 가열로(210)를 사용하게 되면 높은 온도에서 녹는 금속원 사용이 가능한 장점이 있다. 외부 금속원 공급부(200)에는 청결을 유지할 수 있도록 금속원의 표면을 에칭하여 세정할 수 있는 염화수소(HCl) 공급관(300)과 염화수소(HCl) 배기관(310)을 구비하여 필요시 고순도 금속원을 에칭할 수 있도록 하고, 에칭이 끝나면 고순도 질소로 내부를 유지하도록 구비되어 있다. 또한, 외부 금속원 공급부(200)의 금속원은 금속원 주입구(240)를 통해 주입되도록 되어 있으며, 염화수소의 누출 또는 외부 산소의 유입이 되지 않도록 밀봉할 수 있도록 되어 있다.
도 4에 도시된 실시 예에서는 금속원의 녹는 온도가 낮은 경우 (예; Ga의 녹는 온도 : ~ 30℃) 금속원 공급부(200)에 가열로를 사용하지 않고 열선(320)을 사용하여 가열한 경우를 나타낸 것이다.
100 : 기판(사파이어) 110 : 서셉터
120 : 금속원(예 : Ga 금속) 130 : 암모니아(NH3) 가스 공급관
140 : 운반가스 공급관 150 : 염화수소(HCl) 가스 공급관
160 : 가열로 170 : 금속원 용기
180 : 반응관 200 : 외부 금속원 공급부
210 : 가열로 220 : 금속원 공급 밸브
230 : 금속원 공급관(예 : 석영관)
240 : 금속원 주입구 300 : 염화수소(HCl) 공급관
310 : 염화수소(HCl) 배기관 320 : 열선

Claims (6)

  1. 반응관(180) 내에 금속원 용기(170)가 위치하고 상기 금속원 용기(170) 내로 반응가스(HCl)가 공급되어 금속원과 반응하도록 구성된 수소화물 기상 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치에 있어서;
    상기 반응관(180) 내에 위치한 금속원 용기(170) 상부에 금속원 공급관(230)으로 연결된 별도의 외부 금속원 공급부(200)가 부착되어 외부에서 금속원을 공급함으로써 상기 금속원 용기(170)의 금속원의 양을 일정하게 유지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 수직형 수소화물 기상 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 금속원 공급부(200)에는 금속원이 고체화되는 것을 방지하기 위한 가열로(210) 또는 열선(320)이 설치된 것을 특징으로 하는 수직형 수소화물 기상 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 금속원 공급부(200)에는 금속원의 양과 위치를 확인할 수 있도록 눈금 또는 무게가 표기된 것을 특징으로 하는 수직형 수소화물 기상 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속원 공급관(230)에는 금속원 공급 밸브(220)가 설치된 것을 특징으로 하는 수직형 수소화물 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 금속원 공급부(200)에는 고순도 질소 또는 염화가스 공급을 위해 염화수소(HCl) 공급관(300)과 염화수소(HCl) 배기관(310)이 설치된 것을 특징으로 하는 수직형 수소화물 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속원 공급관(230)에는 금속원이 고체화되는 것을 방지하기 위해 열선(320)이 설치된 것을 특징으로 하는 수직형 수소화물 기상 증착 반응기의 반응 금속원 공급장치.
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