KR20120073782A - 질화갈륨계 엘이디 박막성장을 위한 화학기상증착장치 - Google Patents

질화갈륨계 엘이디 박막성장을 위한 화학기상증착장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화갈륨계 엘이디 박막성장을 위한 화학기상증착장치에 사용되는 노즐유닛에 관한 것으로, 본 발명의 노즐유닛은 외부로부터 유기금속화합물인 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸갈륨(TMGa),디메틸갈륨클로라이드(DMGaCl), 디에틸갈륨클로라이드(DEGaCl), 트리클로라이드(GaCl3) 등의 금속원을 수소가스로 기포화된 원료가스를 공급받아 기판으로 분사하는 분사 노즐관; 상기 분사 노즐관을 둘러싸도록 설치되고, 상기 분사 노즐관을 둘러싸고 있는 공간이 진공상태인 진공 노즐관; 및 상기 진공 노즐관을 감싸도록 설치되고, 상기 분사 노즐관을 둘러싸고 있는 공간에 쿨링가스가 흐르는 그리고 쿨링가스를 분사하는 적어도 하나의 분사홀을 갖는 쿨링 노즐관을 포함한다.

Description

질화갈륨계 엘이디 박막성장을 위한 화학기상증착장치{CVD FOR THE GROWTH OF GaN-BASED LED}
본 발명은 화학기상증착장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 질화갈륨계 엘이디박막성장을 위한 화학기상증착장치에 관한 것이다.
최근 다양한 산업분야에서 반도체 소자의 미세화와 고효율, 고출력 LED 개발등의 요구가 점차 많아짐에 따라서 품질이나 성능의 저하 없이 대량으로 생산할 수 있는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD) 장비가 요구되고 있는 실정이다.
특히, CVD 장비에서 증착하는 박막중에 질화물(GaN) 박막증착 공정의 경우에는 유기금속원료인 트리메틸갈륨(TMGa)이라는 갈륨(Ga)에 메틸(methyl)기를 붙인 물질을 운반기체(N2 또는 H2)에 실어보내고, 한 쪽에서는 암모니아(NH3)를 불어넣어서 기판의 표면에서 트리메틸갈륨(TMGa)의 갈륨(Ga)과 암모니아(NH3)의 질소(N)이 반응하여 질화물(GaN)박막을 만들어내며, 이러한 화학반응을 일으키려면 대개 1000도를 상회하는 고온이 요구된다. 그런데, 질화물(GaN) 박막을 증착하는데 사용되는 유기금속원료인 트리메틸갈륨(TMGa)의 경우 400-700도의 온도에서 열분해가 발생되기 때문에 트리메틸갈륨(TMGa)이 기판으로 분사되기 전에 노즐 내에서 활발히 열분해가 발생되어 노즐을 막아버리는 문제가 발생되고 있다.
본 발명의 목적은 질화물 박막 증착에 사용되는 유기금속화합물이 노즐 내에서 열분해되는 것을 최소화할 수 있는 질화갈륨계 엘이디박막성장을 위한 화학기상증착장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의
본 발명의 실시예에 따르면,
기본적으로 열은 대류, 전도, 복사의 세가지 방식으로 전달되는데, 전도와 대류는 열이 통과할 수 있는 중간매질을 필요로 하기 때문에 순수한 진공에서 중간매질이 제거되면 열 전달 효율이 급격히 떨어지게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 원료가스는 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸갈륨(TMGa),디메틸갈륨클로라이드(DMGaCl), 디에틸갈륨클로라이드(DEGaCl), 트리클로라이드(GaCl3),트리메틸알루미늄(TMAI), 트리메틸인듐(TMIn), 디에틸아연(DEZn), 바이스사이크로펜타디에닐마그네슘(Cp2Mg), NH3, SiH4 등의 금속원을 수소가스로 기포화하는 것이다.
이와 같은 본 발명은 질화물 박막 증착에 사용되는 유기금속화합물이 기판에 도달하기 전에 노즐 내에서 열분해되는 것을 예방함으로써 기판에 형성되는 박막의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 복수개의 스테이지를 갖는 서셉터들이 보우트에 적재됨으로써, 한번 공정을 진행할 때 많은 수량의 기판들을 처리할 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래에 비하여 생산성을 크게 향상시킬 수 있어 생산 물량을 고객이 요구하는 납기에 보다 손쉽게 맞출 수 있다.
또한, 본 발명은 단위시간 당 처리량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨계 엘이디박막성장을 위한 화학기상증착장치의 개략적인 구성을 보여주는 측단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1노즐유닛의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨계 엘이디박막성장을 위한 화학기상증착장치의 개략적인 구성을 보여주는 평면도이다.
도 4는 도 3의 요부확대도이다.
도 5 내지 도 7은 발명의 실시예에 따른 질화갈륨계 엘이디박막성장을 위한 화학기상증착장치에서 제1노즐유닛의 다른 예를 보여주는 도면들이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면 도 1 내지 도 5를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다. 상기 도면들에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호가 병기되어 있다.
본 발명의 기본적인 특징은 질화물(GaN) 박막증착 공정에 사용되는 유기금속화합물이 노즐의 온도 상승으로 노즐 내부에서 열분해되는 것을 최소화할 수 있는 노즐 유닛을 갖는데 그 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨계 엘이디박막성장을 위한 화학기상증착장치의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 제1노즐유닛의 사시도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨계 엘이디박막성장을 위한 화학기상증착장치의 개략적인 구성을 보여주는 평면도이다. 도 4는 도3의 요부확대도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 화학기상증착장치(10)는 LED 제조를 위한 기판(w)들이 적재되는 보우트(200), 이 보우트(200)가 수용되는 내측튜브(102)와 외측튜브(104)를 갖는 공정 튜브(100), 공정튜브(100)를 둘러싸고 있는 히터 어셈블리(110), 보우트(200)를 지지하고 공정 튜브(100)의 플랜지(120)에 결합되는 시일 캡(220) 그리고 공정튜브(100)로 기판 표면에 박막 증착에 기여하는 가스들을 공급하는 제1노즐 유닛(300)과 제2노즐유닛(400)을 포함한다.
-공정 튜브-
공정 튜브(100)는 돔 형상의 원통관 형상으로 이루어지는 외측튜브(104)와, 외측 튜브(104) 내측에 설치되는 내측튜브(102)를 갖는다. 내측 튜브(102)는 기판(S)이 적재된 보우트(200)가 로딩되어 기판들 상에 질화물(GaN) 박막증착 공정이 진행되는 내부 공간을 제공한다. 공정 튜브(100)는 높은 온도에서 견딜 수 있는 재질, 예컨대 석영으로 제작될 수 있다. 공정튜브(100)의 플랜지(120) 일측에는 내부를 감압시키기 위해 내부 공기를 강제 흡입하여 배기하기 위한 배기 포트(122)가 마련되어 있고, 그 배기구(122) 반대편에는 해당되는 내측 튜브(102)의 내부 공간에는 유기금속화합물이 혼합된 원료가스와, 원료가스의 유기금속화합물과 반응하는 반응가스를 공급하기 위한 제1,2노즐 유닛(300,400)이 설치되어 있다. 배기 포트(122)는 공정시 공정 튜브(100) 내 공기를 외부로 배출시키기 위해 제공된다. 배기 포트(122)는 배기라인(미도시됨)과 연결되며, 배기 포트(122)를 통해 공정 튜브(100)로 공급되는 공정 가스의 배기 및 내부 감압이 이루어진다.
-보우트-
보우트(200)는 50장(또는 그 이상)의 지지플레이트(210)들이 삽입되는 슬롯들을 구비한다. 지지플레이트(210)에는 적어도 하나 이상의 기판(S)들이 놓여진다. 본 실시예에서는 4개의 기판이 놓여지는 지지플레이트(210)가 도시되어 있다. 보우트(200)는 시일캡(220) 상에 장착되며, 시일 캡(220)은 엘리베이터 장치인 구동부(230)에 의해 공정 튜브(100) 안으로 로딩되거나 또는 공정 튜브(100) 밖으로 언로딩된다.
-지지플레이트-
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 지지플레이트(210)는 보우트(200) 내에서 기판들을 지지하기 위한 것으로, 원판 형상의 플레이트로 이루어지며, 상면에는 동일 평면상에 4개의 스테이지가 제공된다. 스테이지 각각에는 기판(S)이 놓여지게 되며, 스테이지는 기판의 로딩/언로딩 작업을 위해 중앙에 넓은 개구(미도시됨)가 형성될 수 있다. 도시하지 않았지만, 기판의 로딩/언로딩은 별도의 장치에서 이루어지게 된다. 지지플레이트(210)에 설치되는 스테이지의 개수는 2개, 3개 또는 5개 등으로 변경될 수 있다.
도시하지 않았지만, 지지플레이트(210)는 공정 튜브(100)와 시일캡(220) 등이 위치하는 공정챔버(미도시됨)와 인접한 로드락 챔버에서 대기하게 되며, 기판수납용기(일명 카세트)에 수납되어 있는 기판들은 기판반송장치(미도시됨)에 의해 로드락 챔버에서 대기하는 지지플레이트(210)의 스테이지들에 놓여지게 된다. 기판들이 놓여진 스테이지들을 갖는 지지플레이트(210)는 기판 반송 장치와 동일한 반송장치에 의해 운반되어 공정 튜브(100) 아래에서 대기하는 보우트(200)에 적재된다. 공정 처리가 완료된 기판들은 스테이지들에 놓여진 상태에서 지지플레이트(210) 반송에 의해 로드락 챔버로 옮겨지며, 보우트(200)에는 로드락 챔버에서 대기하는 또 다른 지지플레이트(210)들이 적재된다. 이처럼, 본 발명에서는 반송장치의 1회 반송에 의해 4장의 기판이 놓여진 지지플레이트(210)가 보우트에 적재됨으로써 기존의 종형 기판처리 설비에서 기판 한 장씩 반송하는 것에 비해 시간을 단축할 수 있다.
- 시일 캡-
시일 캡(220)은 엘리베이터 장치인 구동부(230)에 의해 공정 튜브(100)의 개구부를 개폐할 수 있도록 이동된다. 시일 캡(220)의 상승 동작에 의해 시일 캡(220)에 놓여지는 보우트(200)가 공정 튜브(100) 안으로 로딩되며, 시일 캡(220)의 하강 동작에 의해 시일 캡(220)에 놓여진 보우트(200)가 공정 튜브(100) 밖으로 언로딩된다. 보우트(200)가 공정 튜브(100)에 로딩되면, 시일캡(220)은 공정 튜브(100)의 플랜지(120)와 결합된다.
한편, 공정 튜브(100)의 플랜지(130)와 시일 캡(220)이 접촉하는 부분에는 실링(sealing)을 위한 오-링(O-ring)과 같은 밀폐부재가 제공되어 공정가스가 공정 튜브(100)와 시일 캡(220) 사이에서 새어나가지 않도록 한다.
-제1노즐 유닛, 제2노즐 유닛-
제1,2노즐유닛(300,400)은 질화물(GaN) 박막 형성을 위한 유기금속화합물이 혼합된 원료가스와, 원료가스의 유기금속화합물과 반응하는 반응가스를 보우트(200)에 적재된 기판들로 분사한다.
제1노즐유닛(300)은 외부의 원료가스 공급부(302)를 통해 원료가스를 제공받는다. 여기서, 원료가스는 유기금속화합물인 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸갈륨(TMGa),디메틸갈륨클로라이드(DMGaCl), 디에틸갈륨클로라이드(DEGaCl), 트리클로라이드(GaCl3) 등의 금속원을 수소가스(캐리어 가스)로 기포화한 것을 포함할 수 있다.
제1노즐유닛(300)은 이중관 구조로 이루어진다. 제1노즐유닛(300)은 외부로부터 원료가스를 공급받는 그리고 일면에 가스분사홀(312)들이 형성된 분사노즐관(310)과, 분사노즐관(310)을 감싸도록 설치되는 쿨링노즐관(320)을 포함한다. 분사노즐관(310)은 가스분사홀(312)들을 갖으며, 가스분사홀(312)들은 보우트(200)에 놓여진 지지플레이트(210)들 사이 사이로 가스를 분사할 수 있도록 형성됨으로써, 기판 상의 반응성을 향상시키고 가스의 사용량을 최적화하여 불필요한 가스의 소모량을 줄일 수 있다. 가스분사홀(312)들은 분사노즐관(310)에서 쿨링노즐관(320)으로 연장되는 연결포트(314)들 상에 형성된다.
쿨링노즐관(320)은 유기금속화합물이 분사노즐관(310) 내에서 열분해되는 것을 방지하기 위해 분사노즐관(310)을 둘러싸고 있는 환형의 공간에 쿨링가스가 흐른다. 쿨링노즐관(320)은 이너 튜브(102)의 내측벽면에 용접 등의 방식으로 고정 설치될 수 있다.
쿨링노즐관(320)의 하단은 공정 튜브 밖으로 연장되며, 외부의 쿨링가스 공급부(304)를 통해 H2 가스 또는 N2 가스를 제공받는다. 이렇게 쿨링가스 공급부(304)로부터 제공받은 쿨링가스는 분사노즐관(310)과 쿨링노즐관(320) 사이의 공간을 통과하면서 분사노즐관으로 제공되는 열기를 차단하고, 쿨링노즐관(320)에 형성된 배기홀(322)을 통해 이너 튜브(102)의 내부 공간으로 플로우하여 내부 가스의 쿨링 목적으로 사용한다.
상술한 구성을 갖는 제1노즐 유닛(300)은 히터 어셈블리(110)로부터 제공되는 복사열로 인한 공정 튜브(100) 내부의 온도가 고온이 되더라도 분사노즐관(310)을 감싸고 있는 쿨링노즐관(320)에 흐르는 쿨링가스가 열을 차단하여 분사노즐관(310)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 이처럼, 제1노즐 유닛(300)은 분사노즐관(310)의 온도 상승을 억제하여 분사노즐관(310)을 통해 분사되는 유기금속화합물이 기판에 도달하기 전 분사노즐관(310) 내부에서 열분해되는 것을 예방함으로써 기판에 형성되는 질화막 품질을 향상시키고 원료가스의 사용량을 감소시켜 원가 절감 등의 효과를 볼 수 있다.
제2노즐유닛(400)은 외부의 반응가스 공급부(402)를 통해 원료가스의 유기금속화합물과 반응하는 반응가스(암모니아 가스)를 제공받는다, 제2노즐유닛(400)은 일면(보우트와 마주하는 면)에는 가스분사홀(412)들이 형성되어 있다.
본 발명에 의하면 유기금속화합물이 혼합된 원료가스를 공급하는 분사노즐관(310)이 고온에 직접적으로 노출되지 않음으로써, 분사노즐관(310)의 내부 온도 상승을 억제할 수 있고 이로 인해 유기금속화합물의 열분해를 최소화할 수 있다.
상기 질화갈륨계 박막 성장을 진행하기 위한 공정 온도 및 반응 압력은 각각 850~1200도 및 1~300torr이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨계 엘이디박막성장을 위한 화학기상증착장치에서 제1노즐유닛의 다른 실시예를 보여주는 도면들이다.
도 5 내지 도 7에 도시된 제1노즐유닛(300')은 3중관 형태를 갖는다. 제1노즐 유닛(300')은 질화물(GaN) 박막 형성을 위한 유기금속화합물이 혼합된 원료가스를 보우트(200)에 적재된 기판들로 분사하는 분사노즐관(310)과, 분사노즐관(310)을 둘러싸도록 설치되고, 분사 노즐관(310)을 둘러싸고 있는 공간이 진공상태인 진공 노즐관(330) 그리고 진공 노즐관(330)을 감싸도록 설치되고, 진공 노즐관(330)을 둘러싸고 있는 공간에 쿨링가스가 흐르는 그리고 쿨링가스를 분사하는 적어도 하나의 분사홀(322)을 갖는 쿨링 노즐관(320)을 포함한다.
이처럼, 제1노즐유닛(300')은 분사노즐관(310)과 쿨링노즐관(320) 사이에 진공노즐관(330)을 설치함으로써, 진공노즐관(330)에 의해 제공되는 진공공간(332)이 열의 전도와 대류에 의한 열전달 효율을 급격히 떨어뜨림으로써, 분사노즐관(310)의 온도 상승을 최소화할 수 있다. 진공노즐관(330)에는 진공펌프(306)가 연결될 수도 있고, 다른 방법으로는 진공 노즐관 내부를 진공상태로 완전 밀봉처리하는 방식으로 제작할 수도 있다. 기본적으로 열은 대류, 전도, 복사의 세가지 방식으로 전달되는데, 전도와 대류는 열이 통과할 수 있는 중간매질을 필요로 하기 때문에 순수한 진공에서 중간매질이 제거되면 열 전달 효율이 급격히 떨어지는 원리를 이용한 것이다.
한편, 분사노즐관(310)은 가스분사홀(312)들을 갖으며, 가스분사홀(312)들은 분사노즐관(310)에서 진공노즐관(330) 그리고 쿨링노즐관(320)을 관통해서 형성된 연결포트(314)들 상에 형성된다.
쿨링노즐관(320)은 유기금속화합물이 분사노즐관(310) 내에서 열분해되는 것을 방지하기 위해 진공노즐관(330)을 둘러싸고 있는 공간에 쿨링가스가 흐른다.
이상에서, 본 발명에 따른 종형 기판처리 설비의 구성 및 작용을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.
100 : 공정 튜브
200 : 보우트
300 : 제1노즐유닛
400 : 제2노즐유닛

Claims (7)

  1. 질화갈륨계 엘이디 박막성장을 위한 화학기상증착장치에 있어서:
    복수의 기판들이 수납되는 보우트가 수용되는 공정튜브;
    상기 공정튜브를 둘러싸도록 설치되는 히터 어셈블리;
    상기 공정 튜브의 내측에 수직하게 설치되고, 질화갈륨계 박막을 형성하기 위한 유기금속화합물이 혼합된 원료가스를 공급하는 제1노즐유닛을 포함하되;
    상기 제1노즐유닛은
    외부로부터 원료가스를 공급받는 그리고 일면에 가스분사홀들이 형성된 분사 노즐관; 및
    상기 분사 노즐관을 감싸도록 설치되고, 상기 유기금속화합물이 상기 분사 노즐관 내에서 열분해되는 것을 방지하기 위해 상기 분사 노즐관을 둘러싸고 있는 환형의 공간에 쿨링가스가 흐르는 그리고 쿨링가스를 분사하는 적어도 하나의 분사홀을 갖는 쿨링 노즐관을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 엘이디 박막성장을 위한 화학기상증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1노즐유닛은
    상기 분사 노즐관과 상기 쿨링 노즐관 사이에 설치되고, 상기 분사 노즐관을 둘러싸는 내부가 진공상태를 유지하는 외부로부터의 열전달을 차단하기 위한 진공 노즐관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 엘이디 박막성장을 위한 화학기상증착장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공정 튜브의 내측에 수직하게 설치되고, 상기 제1노즐유닛을 통해 공급되는 상기 원료가스의 유기금속화합물과 반응하는 반응가스를 공급하는 제2노즐유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 엘이디 박막성장을 위한 화학기상증착장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 원료가스는 유기금속화합물인 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸갈륨(TMGa),디메틸갈륨클로라이드(DMGaCl), 디에틸갈륨클로라이드(DEGaCl), 트리클로라이드(GaCl3) 등의 금속원을 수소가스로 기포화한 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 엘이디 박막성장을 위한 화학기상증착장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 쿨링가스는 H2 가스 및 N2 가스이고,
    상기 반응가스는 암모니아 가스인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 엘이디 박막성장을 위한 화학기상증착장치.
  6. 질화갈륨계 엘이디박막 제조를 위한 노즐유닛에 있어서:
    외부로부터 유기금속화합물인 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리메틸갈륨(TMGa),디메틸갈륨클로라이드(DMGaCl), 디에틸갈륨클로라이드(DEGaCl), 트리클로라이드(GaCl3) 등의 금속원을 수소가스로 기포화된 원료가스를 공급받아 기판으로 분사하는 분사 노즐관;
    상기 분사 노즐관을 둘러싸도록 설치되고, 상기 분사 노즐관을 둘러싸고 있는 공간이 진공상태인 진공 노즐관; 및
    상기 진공 노즐관을 감싸도록 설치되고, 상기 분사 노즐관을 둘러싸고 있는 공간에 쿨링가스가 흐르는 그리고 쿨링가스를 분사하는 적어도 하나의 분사홀을 갖는 쿨링 노즐관을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 엘이디박막 제조를 위한 노즐유닛.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 쿨링가스는 H2 가스 및 N2 가스인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 엘이디박막 제조를 위한 노즐유닛.
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