KR20130059713A - 유기금속화학증착 반응기 - Google Patents
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Abstract
대형화가 가능하고, 또한 기판에 고른 막질을 형성할 수 있는 유기금속화학증착 반응기가 개시된다. 이러한 유기금속화학증착 반응기는 반응기 몸체, 리드 어셈블리, 서셉터, 가스 분배기 푸쉬 부재 및 가열 부재를 포함한다. 상기 반응기 몸체는 바닥벽과 측벽을 포함한다. 상기 리드 어셈블리는 상기 반응기 몸체의 측벽과 체결되어 상기 반응기 몸체의 상부를 커버한다. 상기 서셉터는 상기 반응기 몸체 내에 배치되고, 피처리 기판을 지지하며, 중앙부에 중심홀이 형성된다. 상기 가스 분배기는 상기 서셉터의 상기 중심홀을 관통하며, 회전하면서 상기 기판에 가스를 분사한다. 상기 푸쉬 부재는 상기 리드 어셈블리 하부에 배치되어 상기 가스 분배기에서 분사된 가스를 상기 서셉터 방향으로 푸쉬한다. 상기 가열 부재는 상기 서셉터를 히팅한다.
Description
본 발명은 화학증착 반응기에 관한 것으로, 보다 상세히 유기금속화학증착 반응기에 관한 것이다.
다양한 산업분야에서 고효율의 발광다이오드(LED)가 점차 사용됨에 따라서, 품질이나 성능의 저하 없이 대량으로 생산할 수 있는 장비가 요구되고 있다. 이러한 발광 다이오드의 제조에 유기금속증착 반응기가 널리 사용된다.
유기금속증착(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 반응기는 3족알킬(유기금속원료가스) 및 5족 원료가스를 고순도 캐리어 가스와의 혼합가스를 반응실내에 공급하여 가열된 기판 위에서 열 분해하여 화합물 반도체 결정을 성장시키는 장치이다.
이러한 유기금속증착 반응기는 서셉터에 기판을 장착하여 상부로부터 가스를 주입하여 기판 상부에 반도체 결정을 성장시킨다.
미국 공개특허 2006/0021574에 의한 유기금속증착 반응기는 기판 상에 고른 가스 분사를 위하여 샤워헤드 타입의 유기금속증착 반응기가 개발되었다. 이러한 샤워헤드 타입의 유기금속증착 반응기는 균일한 가스의 분배가 가능하여 비교적 고른 막질을 형성할 수 있다. 그러나, 이러한 샤워헤드 타입의 반응기는 구조가 복잡하고 가공이 난해하며 이로 인한 제품 가격이 향상될 뿐만 아니라 열에 대한 팽창을 방지하기 위해 사용하는 냉각수의 누수 위험이 존재하고 공정후 샤워헤드 표면에 증착이 심하여 매번 공정수행 때마다 공정조건과 결과의 변화가 심하다. 이는 대형화가 되는 시점에 위의 모든 문제가 더 심각해 질 수 있다.
대한민국 등록특허 722592호에 의한 유기금속증착 반응기는 가스 주입을 위하여, 노즐이 챔버 중앙에 위치한다. 이러한 노즐 타입의 반응기는 앞선 샤워헤드 타입의 유기금속증착 반응기에 비해 제조비용을 절감할 수 있으며, 공정수행 때마다 공정조건과 결과의 변화가 덜하다. 그러나, 가스의 흐름으로 인하여, 좁은 가스 유입구에서 넓은 에지(Edge)에 형성된 배기구까지 점진적인 두께감소가 발생하며, 이는 주입구에서의 가까운 곳에서 농도가 높은 가스의 반응이 먼저 발생함과, 에지로 가면서 범위가 넓어진다는 이중적인 단점이 발생한다. 즉, 가스주입노즐에서부터 거리가 멀수록 성장효율(growth efficiency)이 떨어진다. 더욱이, 배기되는 챔버 외벽에 반응가스들의 많은 소모가 발생되고 차가운 벽(Cold wall)인 챔버 외벽은 공정에 악영향을 발생시킨다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 공개특허 10-2009-0116807호는 도 1에서 도시된 바와 같이, 서셉터(130) 상에서 기판(S)을 기판 회전방향(SR)을 따라 회전시킴으로써, 기판(S) 위에서 성장되는 막을 어느정도 균일화 할 수 있었다. 그럼에도 만족할 만한 균일도를 달성하지 못하여, 이에 대한 추가적인 연구가 계속 진행되고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 대형화가 가능하고, 또한 기판에 고른 막질을 형성할 수 있는 유기금속증착 반응기를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 유기금속화학증착 반응기는 반응기 몸체, 리드 어셈블리, 서셉터, 가스 분배기 및 푸쉬 부재를 포함한다. 상기 반응기 몸체는 바닥벽과 측벽을 포함한다. 상기 리드 어셈블리는 상기 반응기 몸체의 측벽과 체결되어 상기 반응기 몸체의 상부를 커버한다. 상기 서셉터는 상기 반응기 몸체 내에 배치되고, 피처리 기판을 지지하며, 중앙부에 중심홀이 형성된다. 상기 가스 분배기는 상기 서셉터의 상기 중심홀을 관통하며, 회전하면서 상기 기판에 가스를 분사한다. 상기 푸쉬 부재는 상기 리드 어셈블리 하부에 배치되어 상기 가스 분배기에서 분사된 가스를 상기 서셉터 방향으로 푸쉬한다.
예컨대, 상기 가스 분배기는, 상부에 방사상으로 형성된 다수의 가스 분사홀을 포함하는 원통형상을 갖도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 가스 분배기는, 상기 원통형상의 측면에 형성된 가스 유입구 및 상기 가스 유입구로부터 상기 가스 분배기의 길이방향을 따라서 연장된 가스 유로를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 가스 분배기는, 상기 가스 유로를 통해서 배출된 가스를 저장하는 가스 저장 공간을 더 포함하여, 상기 가스 저장공간에 저장된 가스가 다수의 상기 분사홀을 통해 고르게 분사할 수 있다.
또한, 상기 가스 분배기는, 상부에 부착되어 원통형의 상기 가스 분배기보다 더 큰 지름을 갖는 디스크를 더 포함하여 상기 가스 분사홀을 통해 분사된 가스를 피처리 기판으로 유도할 수 있다.
예컨대, 상기 가스 분배기는, 하부 몸체 및 상부 몸체를 포함하는 가스 분배기 몸체 및 분배 헤드를 포함할 수 있다. 상기 상부 몸체는 상기 하부 몸체에 회전가능하게 결합된다. 상기 분배 헤드는 상기 상부 몸체 상단에서 가스를 분사한다. 이때, 상기 원통형의 상부 몸체에는, 상기 원통형의 상기 상부 몸체의 측면에 형성된 가스 유입구에서 시작하여 상기 상부 몸체의 중심방향으로 연장되고, 다시 상기 상부 몸체의 길이 방향을 따라서 연장되어 상기 상부 몸체의 상단의 가스 배출구에 이르는, 적어도 하나의 가스 유로가 형성될 수 있다.
한편, 다수의 상기 가스 유로의 가스 유입구는, 상기 상부 몸체의 하단으로부터 서로 상이한 높이에 형성되고, 상기 가스 유로들은 원통형의 상기 상부 몸체의 중심으로부터 동일한 각도로 이격될 수 있다.
이때, 원통형의 상기 상부 몸체는, 측면을 따라서 형성된 그루브를 포함하고, 상기 가스 유입구는 상기 그루브 내에 형성될 수 있다.
한편, 상기 분배 헤드는, 상기 원통형의 상부 몸체의 지름보다 작은 지름을 갖는 원기둥 형상을 갖는 지지부, 및 상기 지지부의 상단에 배치되고 상기 지지부의 지름보다 큰 지름을 갖는 디스크를 포함할 수 있고, 상기 지지부는 상기 상부 몸체의 상기 가스 배출구로부터 상기 상부 몸체의 길이 방향으로 연장된 가스 유로를 포함할 수 있다.
이때, 상기 분배 헤드는, 상기 지지부의 지름보다 크도록 상기 디스크로부터 연장되어, 상기 지지부와의 사이에 가스저장공간을 정의하며, 다수의 가스 분사홀이 형성된 커버부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 상부 몸체는, 상기 상부 몸체의 길이 방향을 따라서 상기 상부 몸체의 중앙에 형성된 중앙 통공을 구비하고, 상기 중앙 통공에는 중앙 통공의 길이 방향을 배치된 냉매 파이프가 배치되며, 상기 하부몸체는 상기 냉매 파이프와 연결되는 냉각수 입구 및 상기 중앙 통공과 연결되는 냉각수 출구를 포함할 수 있다.
한편, 상기 푸쉬 부재는, 상기 서셉터를 커버하도록 상기 서셉터 상부에 배치되는 푸쉬 디스크, 및 상기 푸쉬 디스크의 중앙에 배치되고, 상기 분배 헤드를 향하도록 오목하게 형성된 탑 커버를 포함할 수 있다.
또한, 상기 푸쉬 디스크는 상기 서셉터를 향해서 오목하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 유기금속화학증착 반응기는, 상기 푸쉬 부재를 승강시켜, 상기 서셉터와의 이격거리를 조절하는 승강 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 유기금속화학증착 반응기는, 회전하는 가스 분배기를 이용하여 가스를 공급함으로써 보다 기판에 균일한 막질을 형성할 수 있다. 또한, 종래 리드 어셈블리와 서셉터 사이의 반응공간에 상기 푸쉬 부재를 배치함으로써, 상기 반응공간을 상기 푸쉬 부재와 상기 서셉터 사이의 공간으로 축소하고, 상기 푸쉬 부재를 통해서 가스를 상기 서셉터 방향으로 유도함으로써 소모되는 가스의 양을 감소시킬 수 있다.
또한, 가스 분배기 내의 다수의 가스 유로를 원통형의 상기 상부 몸체의 중심으로부터 동일한 각도로 이격시킴으로써, 각 회전 관성(rotational inertia)을 최소화하여 상기 가스 분배기의 회전을 보다 부드럽게 할 수 있다.
또한, 상기 분배 헤드는, 상기 지지부의 지름보다 크도록 상기 디스크로부터 연장되어, 상기 지지부와의 사이에 가스저장공간을 정의하며, 다수의 가스 분사홀이 형성된 커버부를 포함함으로써 가스가 우선적으로 가스저장공간 내에 채워진 후, 반응공간으로 배출함으로써 각 방사상의 방향으로 균일한 가스를 분출할 수 있다.
또한, 가스 분배기 내에 냉매가 흘러갈 수 있는 공간을 형성하여 가스 분배기가 받는 열적 충격을 최소화함으로써 가스 분배기의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 상기 푸쉬 부재는, 상기 서셉터를 커버하도록 상기 서셉터 상부에 배치되는 푸쉬 디스크, 및 상기 푸쉬 디스크의 중앙에 배치되고, 상기 분배 헤드를 향하도록 오목하게 형성된 탑 커버를 구비함으로써 상기 푸쉬 디스크를 상기 분배 헤드 아래에 위치할 수 있도록 함으로써 상기 반응 공간의 부피를 더욱 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 푸쉬 디스크는 상기 서셉터를 향해서 오목하게 형성하여, 서셉터의 중앙에서 외부 방향으로 반응공간의 부피를 감소시킬 수 있다. 따라서, 중앙부로부터 공정이 진행되어 희박해지는 가스의 밀도를 상쇄시킬 수 있으며, 결과적으로 기판에 균일한 막질을 형성할 수 있다.
또한, 상기 유기금속화학증착 반응기는, 상기 푸쉬 부재를 승강시켜, 상기 서셉터와의 이격거리를 조절하는 승강 부재를 더 포함하여 상기 반응 공간의 부피를 조절할 수 있다.
도 1은 종래 유기금속화학증착 반응기의 서셉터를 도시하는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 컨셉을 설명하기 위하여 서셉터를 도시하는 평면도이다.
도 3은 도 2에서 도시된 컨셉를 실현하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 유기금속화학증착 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 3에서 도시된 A부분의 확대도이다.
도 5는 도 3에서 도시된 가스 분배기의 부분절개 사시도이다.
도 6은 도 5에서 도시된 분배 헤드를 상세히 도시한 부분절개 사시도이다.
도 7은 다른 각도에서 바라본 분배 헤드의 부분절개 사시도이다.
도 8은 도 6의 A-A'을 절단한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 유기금속화학증착 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 10은 도 2에서 도시된 컨셉을 실현하기 위한 일 비교예를 도시하는 개념도이다.
도 11은 도 2에서 도시된 컨셉을 실현하기 위한 다른 비교예를 도시하는 개념도이다.
도 12는 도 2에서 도시된 컨셉을 실현하기 위한 또 다른 비교예로서 도 3에서 도시된 실시예의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 컨셉을 설명하기 위하여 서셉터를 도시하는 평면도이다.
도 3은 도 2에서 도시된 컨셉를 실현하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 유기금속화학증착 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 3에서 도시된 A부분의 확대도이다.
도 5는 도 3에서 도시된 가스 분배기의 부분절개 사시도이다.
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도 8은 도 6의 A-A'을 절단한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 유기금속화학증착 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 10은 도 2에서 도시된 컨셉을 실현하기 위한 일 비교예를 도시하는 개념도이다.
도 11은 도 2에서 도시된 컨셉을 실현하기 위한 다른 비교예를 도시하는 개념도이다.
도 12는 도 2에서 도시된 컨셉을 실현하기 위한 또 다른 비교예로서 도 3에서 도시된 실시예의 개념도이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 하기의 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구현될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 보다 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 기술적 사상과 특징이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다. 도면들에 있어서, 각 장치 또는 막(층) 및 영역들의 두께는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 과장되게 도시되었으며, 또한 각 장치는 본 명세서에서 설명되지 아니한 다양한 부가 장치들을 구비할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 컨셉을 설명하기 위하여 서셉터를 도시하는 평면도이다.
도 10은 도 2에서 도시된 컨셉을 실현하기 위한 일 비교예를 도시하는 개념도이고, 도 11은 도 2에서 도시된 컨셉을 실현하기 위한 다른 비교예를 도시하는 개념도이며, 도 12는 도 2에서 도시된 컨셉을 실현하기 위한 또 다른 비교예로서 도 3에서 도시된 실시예의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 컨셉으로서, 본 발명에 의한 유기금속화학증착 반응기에서는 서셉터(130) 상부에 배치된 기판(S)을 기판회전 방향(SR)을 따라 회전시키는 동시에 또한 도 1에서와 같이 중심에서 방사선 방향으로 외부로 흐르던 가스의 흐름 방향(GD)을 변경하여 스파이어럴(spiral) 방향으로 회전하도록 변경한다. 이와 같이, 가스의 흐름 방향(GD)을 변경하면 상기 기판(S)에 보다 균일한 박막을 형성할 수 있다.
즉, 도 1에서 도시된 바와 같이, 방사선상의 가스 흐름 방향(GD)을 따라서 가스가 흐르는 경우, 기판(S)에 가스가 처음 접촉하는 부분(A)의 반경(r1) 및 마지막에 접촉하는 부분(B)의 반경(r2)의 차이가 도 2에 비해서 상대적으로 크다. 즉, 도 2에서와 같이 스파이어럴 방향으로 가스의 흐름 방향(GD)을 변경하면, 각 기판(S)에 가스가 처음 접촉하는 부분(A)의 반경(r1) 및 마지막에 접촉하는 부분(B)의 반경(r2)의 차이가 도 1에 비해 상대적으로 작게 된다. 따라서, 이와 같이 기체의 흐름방향을 변경하면, 보다 균일한 박막을 형성할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 반경이 증가하면 동일 반경내의 원주(또는 원주 주위의 미소면적)이 증가하게 되므로 기체가 커버해야 되는 면적이 증가하게 된다. 따라서, 처음 접촉하는 부분(A)에서 공정이 시작되어 마지막에 접촉하는 부분(B)에서 공정이 끝나게 되는데, 처음 접촉하는 부분(A)와 마지막에 접촉하는 부분(B)의 반경차이가 커지게 되면 마지막에 접촉하는 부분(B)에서 기체의 밀도가 희박해지게 되어 균일한 박막을 형성하기 어렵게 된다. 따라서, 도 2에서 도시된 바와 같이 기체의 흐름 방향(GD)를 스파이어럴 방향으로 변경하는 경우, 기판(S)에 가스가 처음 접촉하는 부분(A)의 반경(r1) 및 마지막에 접촉하는 부분(B)의 반경(r2)의 차이가 감소하게 되어 보다 균일한 박막을 형성할 수 있게 된다.
그런데, 기체의 흐름 방향(GD)을 도 2에서 도시된 바와 같이, 스파이어럴 방향으로 하는 경우, 도 10, 도 11 및 도 12에서 도시된 바와 같이 3가지 실시예가 존재할 수 있다.
도 10, 도 11 및 도 12를 참조하면, 서셉터(S)를 회전시키는 경우(도 10 참조), 서셉터(S)가 지름이 커서 상대적으로 회전관성(rotational inertia)가 커서 이를 회전시키기 위해서는 도 11 및 도 12에 도시된 예에 비해서 상대적으로 큰 힘이 필요하고, 따라서 많은 에너지를 필요로 한다.
에너지를 감소시키기 위해 노즐(N)을 회전시키는 경우(도 11 및 도 12)에는 이러한 에너지 소모를 감소시킬 수 있다. 그런데, 이러한 노즐(N)은 상부에 형성할 수도 있고(도 11 참조), 서셉터를 관통하여 하부에 형성할 수도 있다(도 12 참조).
노즐(N)을 하부에 형성하는 경우, 서셉터(130)와 리드 어셈블리(120) 사이의 공간에 푸쉬 디스크(160)를 구비하여, 가스가 흐르는 공간의 부피를 감소시킴으로써 가스의 소모량을 감소시킬 수 있으며, 또한 가스를 기판(S) 방향으로 푸쉬함으로써 가스를 기판(S) 쪽으로 흐르게 하는데 보다 유리하다.
그러나, 노즐(N)을 상부에 형성하는 경우, 서셉터(130)와 리드 어셈블리(120) 사이의 공간 전체에 가스를 흐르게 하므로 가스 소모량이 증가하게 되며, 노즐(N)에 푸쉬 디스크를 부착하는 경우, 푸쉬 디스크가 회전하여야 하므로 회전관성이 증가하여 도 10과 같이 에너지 소모가 증가된다.
따라서, 본 발명에서는 도 12와 같은 컨셉을 채택하고, 이를 구체화한 유기금속화학증착 반응기를 제공한다.
도 3은 도 2에서 도시된 컨셉를 실현하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 유기금속화학증착 반응기의 개략적인 단면도이고, 도 4는 도 3에서 도시된 A부분의 확대도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 유기금속화학증착 반응기(100)는 반응기 몸체(110), 리드 어셈블리(120), 서셉터(130), 가스 분배기(140) 및 푸쉬 부재(200)를 포함한다. 추가적으로, 상기 유기금속화학증착 반응기(100)는 가열 부재(150)를 더 포함할 수 있다.
상기 반응기 몸체(110)는 바닥벽(112)과 측벽(111)을 포함한다. 예컨대, 상기 반응기 몸체(110)는 원통형의 실린더 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 바닥벽(112)은 원형의 디스크 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 측벽(111)은 실린더의 측면의 형상으로 형성될 수 있다. 상기 바닥벽(112) 및 측벽(111)에는 각각 상기 반응기 몸체(110)를 냉각하기 위한 냉매 유로(112a, 111a)가 형성될 수 있다.
또한 상기 바닥벽(112)의 단부에는 배기구(131)가 형성되어, 상기 배기구(131)를 통해 반응되지 않고 남은 가스들을 배출시킨다.
상기 리드 어셈블리(120)는 상기 반응기 몸체(110)의 측벽(111)과 체결되어 상기 반응기 몸체(110)의 상부를 커버한다. 예컨대, 상기 반응기 몸체(110)가 원통형의 실린더 형상으로 형성되는 경우, 상기 리드 어셈블리(120)는 원판의 디스크 형상을 형성될 수 있다. 상기 리드 어셈블리(120)는, 상기 리드 어셈블리(120)의 냉각을 위해서 냉매 유로(121)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 반응기 몸체(110)의 측벽(111) 상부 및 상기 리드 어셈블리(120)의 단부는 홈이 형성되고, 상기 홈에 오링(122)이 배치되어 상기 반응기 몸체(110)를 실링할 수 있다.
상기 푸쉬 부재(200)는 상기 리드 어셈블리(120) 하부에 배치되어 상기 가스 분배기(140)에서 분사된 가스를 상기 서셉터(130) 방향으로 푸쉬한다.
예컨대, 상기 푸쉬 부재(200)는, 예컨대 탑 커버(170)와 푸쉬 디스크(160)를 포함할 수 있다. 상기 푸쉬 부재(200)는 상기 서셉터(130)와 상기 리드 어셈블리(120) 사이에 형성되던 종래의 반응공간을 상기 서셉터(130)와 상기 푸쉬 부재(200)로 제한함으로써 반응 공간의 부피를 감소시켜, 소모되는 가스의 양을 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 탑 커버(170)는 상기 가스 분배기(140)의 상부를 향해 오목하게 형성될 수 있다. 이러한 탑 커버(170)는 푸쉬 디스크(160)의 중앙에 배치된다. 상기 푸쉬 디스크(160)는 원형의 디스크 형상으로, 상기 서셉터(130) 상부를 커버한다. 이와 같이, 탑 커버(170)가 오목한 형상으로 형성되는 경우, 상기 푸쉬 디스크(160)를 상기 가스 분배기(140)의 상단부보다 아래에 배치시킬 수 있어 상기 반응 공간의 부피를 보다 감소시킬 수 있다. 예컨대, 상기 푸쉬 디스크(160)는 용융 석영 또는 질화붕소를 이용하여 형성될 수 있다. 상기 탑 커버(170)와 상기 푸쉬 디스크(160)는 일체로 형성될 수도 있고, 가공을 용이하게 하기 위해서 별개로 형성되어 결합될 수도 있다.
한편, 상기 유기금속화학증착 반응기(100)는 상기 푸쉬 부재(200)를 승하강시키기 위한 승강 유닛(180)을 더 포함할 수 있다. 상기 승강 유닛(180)은 상기 푸쉬 부재(200)를 승하강시키기 위한 구동력을 제공하는 승강유닛 구동모터(181)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 상기 유기금속화학증착 반응기(100)가 승강 유닛(180)을 포함하는 경우, 상기 서셉터(130)와의 이격거리를 조절하여 상기 반응 공간의 부피를 조절할 수 있다.
상기 서셉터(130)는 상기 반응기 몸체(110) 내에 배치되고, 피처리 기판(S)을 지지한다. 상기 서셉터(130)는 예컨대 원판형상으로, 둘레를 따라서 다수의 피처리 기판(S)이 배치될 수 있다. 또한 상기 서셉터(130)는 중앙부에 관통홀이 형성되어, 이러한 관통홀을 관통해서 상기 가스 분배기(140)가 배치된다.
또한, 도시되지는 않았으나, 상기 서셉터(130)는 상기 기판(S)을 기판 회전방향(SR)을 따라서 일정 속도로 자전하도록 구성된다. 이러한 구조는 종래 기술에 언급한 바와 같이, 당업자에 널리 알려져 있어 자세한 구조는 생략한다.
상기 서셉터(130)는 서셉터 지지대(132)에 의해 지지된다. 즉, 상기 서셉터 지지대(132)의 상단부는 상기 서셉터(130)의 하면에 접하고, 상기 서셉터 지지대(132)의 하단부는 상기 반응기 몸체(110)의 상기 바닥벽(112)에 접하여 상기 서셉터(130)를 지지한다. 상기 서셉터 지지대(132)는 파이프 형상으로서, 내부를 통해서 상기 가스 분배기(140)가 관통한다.
한편, 상기 유기금속화학증착 반응기(100)는 가스분배기 커버부재(210)를 더 포함할 수 있다. 이러한 가스분배기 커버부재(210)는 파이프 형상으로, 그 내부를 상기 가스 분배기(140)가 관통한다. 즉, 상기 가스분배기 커버부재(210)는 상기 가스 분배기(140)의 외면의 일부를 커버한다.
한편, 상기 가스분배기 커버부재(210)와 상기 가스 분배기(140)는 페로 실(ferro seal, 190)에 의해 회전가능하도록 결합된다. 따라서, 상기 가스 분배기(140)는 가스분배기 회전방향(R)을 따라서 회전가능하도록 구성될 수 있다.
상기 가열 부재(150)는 상기 서셉터(130)를 히팅한다. 예컨대, 상기 가열 부재(150)는 상기 서셉터(130)의 하부에 배치되어 상기 서셉터(130)를 가열할 수 있다. 예컨대, 상기 가열 부재(150)는 RF 코일로 형성될 수 있다.
상기 가스 분배기(140)는 상기 서셉터의 상기 중심홀을 관통하며, 상기 가스분배기 회전방향(R)을 따라 회전하면서 상기 기판(S)에 가스를 분사한다.
상기 가스 분배기(140)는, 상부에 방사상으로 형성된 다수의 가스 분사홀(h)을 포함하는 원통형상을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 가스 분배기(140)는, 상기 원통형상의 측면에 형성된 가스 유입구 및 상기 가스 유입구로부터 상기 가스 분배기의 길이방향을 따라서 연장된 가스 유로(GP)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 가스 분배기(140)는, 상기 가스 유로(GP)를 통해서 배출된 가스를 저장하는 가스 저장 공간(GR)을 더 포함하여, 상기 가스 저장공간(GR)에 저장된 가스가 다수의 상기 분사홀(h)을 통해 고르게 분사할 수 있다. 또한, 상기 가스 분배기(140)는, 상부에 부착되어 원통형의 상기 가스 분배기(140)보다 더 큰 지름을 갖는 디스크(D)를 더 포함하여 상기 가스 분사홀(h)을 통해 분사된 가스를 피처리 기판(S)으로 유도할 수 있다.
따라서, 도 2를 참조로 설명한 바와 같이, 회전하는 가스 분배기를 이용하여 가스를 공급함으로써 보다 기판에 균일한 막질을 형성할 수 있다. 이러한 가스 분배기(140)의 상세한 구조는 도 5 내지 도 8을 참조로 보다 상세히 설명한다.
도 5는 도 3에서 도시된 가스 분배기의 부분절개 사시도이고, 도 6은 도 5에서 도시된 분배 헤드를 상세히 도시한 부분절개 사시도이며, 도 7은 다른 각도에서 바라본 분배 헤드의 부분절개 사시도이고, 도 8은 도 6의 A-A'을 절단한 단면도이다.
도 3, 도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 가스 분배기(140)는, 하부 몸체(141b) 및 상부 몸체(141a)를 포함하는 가스 분배기 몸체(141) 및 분배 헤드(143)를 포함할 수 있다.
상기 가스 분배기 몸체(141)의 상기 상부 몸체(141a)는 상기 하부 몸체(141b)에 회전가능하게 결합된다. 예컨대, 상기 상부 몸체(141a)는 원통형의 형상을 갖는다. 이와 같이 상부 몸체(141a)를 원통형으로 형성함으로써, 페로 실(190)에 의해 회전하면서 상기 가스 분배기 커버부재(210)에 결합될 수 있다.
원통형의 상기 상부 몸체(141a)에는, 상기 원통형의 상기 상부 몸체(141a)에는 적어도 하나의 가스 유로(GP)가 형성된다. 상기 푸쉬 부재(200)와 상기 서셉터(130) 사이에 형성되는 반응 공간 내에 혼합 가스를 주입하는 경우, 하나의 가스 유로(GP)만을 형성하면 되지만, 여러 가스를 분리하여 주입할 필요가 있는 경우, 다수의 가스 유로(GP)를 형성한다. 본 실시에에서는 예컨대 제1 가스 유로(GP1), 제2 가스 유로(GP2) 및 제3 가스 유로(GP3)를 형성하여 3개의 가스 유로(GP)를 형성한다. 예컨대, 상기 제1 가스 유로(GP1)를 통해서, 5족 원료가스가 흐르게 될 수 있으며, 상기 제2 가스 유로(GP2)를 통해서, 3족 알킬(유기금속원료가스) 가스가 흐르게 될 수 있으며, 상기 제3 가스 유로(GP2)를 통해서 수소와 같은 캐리어 가스가 흐르게 될 수 있다.
각각의 상기 가스 유로들(GP1, GP2, GP3)은 원통형의 상기 상부 몸체(141a)의 측면에 형성된 가스 유입구(GPI)에서 시작하여 상기 상부 몸체(141a)의 중심방향으로 연장되고, 다시 상기 상부 몸체(141a)의 길이 방향을 따라서 연장되어 상기 상부 몸체(141a)의 상단의 가스 배출구(GPO)에 이르도록 형성될 수 있다.
한편, 다수의 상기 가스 유로들(GP1, GP2, GP3)의 가스 유입구(GPI)는, 상기 상부 몸체(141a)의 하단으로부터 서로 상이한 높이에 형성되고, 상기 가스 유로들(GP)은, 도 8에서 도시된 바와 같이, 원통형의 상기 상부 몸체(141a)의 중심으로부터 동일한 각도로 이격될 수 있다. 예컨대, 세 개의 가스 유로들(GP1, GP2, GP3)이 형성되는 경우, 상기 가스 유로들(GP1, GP2, GP3)은 상기 상부 몸체(141a)의 중앙에서 각각 120도 위의 위치에 형성될 수 있다. 예컨데, 두 개의 가스 유로 들이 형성되는 경우, 상기 두 개의 가스 유로들은 서로 180도의 위치에 형성될 수 있다.
이와 같이, 가스 분배기(140) 내의 다수의 가스 유로(GP)를 원통형의 상기 상부 몸체(141a)의 중심으로부터 동일한 각도로 이격시키는 경우, 각 회전 관성(rotational inertia)을 최소화하여 상기 가스 분배기의 회전을 보다 부드럽게 할 수 있다. 즉, 상기 가스 유로들(GP)을 가스 분배기(140)의 일측에 몰아서 형성하는 경우, 상기 일측과 상기 일측에 반대쪽의 타측에 질량이 다르게 되어, 상기 가스 분배기(140)의 상기 상부 몸체(141a)가 부드럽게 회전할 수 없게 된다. 또한, 가스 분배기(140) 내의 다수의 가스 유로(GP)를 원통형의 상기 상부 몸체(141a)의 중심으로부터 동일한 각도로 이격시키는 경우, 일측에 몰아서 형성하는 것에 비해 공간적인 여유를 가질 수 있게 되어,상기 상부 몸체(141a)의 지름을 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 가스 유로들(GP1, GP2, GP3)은 상기 상부 몸체(141a)의 중심으로부터 동일한 거리에 형성될 수도 있고, 도 8에서 도시된 바와 같이 상이한 거리에 형성될 수도 있다. 상기 가스 유로들(GP1, GP2, GP3)은 상기 상부 몸체(141a)의 중심으로부터 동일한 거리에 형성되는 경우, 상기 상부 몸체(141a)의 회전 관성이 완벽하게 동일하게 되어 회전이 보다 원활하지만, 각 가스 유로들(GP1, GP2, GP3)을 명확하게 구분하기 위해서 상기 상부 몸체(141a)의 중심으로부터 상이한 거리에 형성할 수도 있다.
한편, 원통형의 상기 상부 몸체(141a)는, 측면을 따라서 형성된 그루브(1411, 1412, 1413)를 포함하고, 상기 가스 유입구(GPI)는 상기 그루브(1411, 1412, 1413) 내에 형성될 수 있다.
이러한 그루브들(1411, 1412, 1413)은 상기 가스분배기 커버부재(210)의 내측면과의 사이에 가스 저장공간(GR)을 형성하여, 상기 가스 분배기(140)이 회전하는 경우에도 상기 가스 저장공간(GR) 내의 가스가 상기 가스 유입구(GPI)로 유입될 수 있다.
상기 분배 헤드(143)는 상기 상부 몸체(141a) 상단에서 가스를 분사한다. 예컨대, 상기 분배 헤드는 다수의 분배 헤드 유닛으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 상부 몸체(141a)가 3개의 가스 유로들GP1, GP2, GP3)을 포함하는 경우, 3개의 분배 헤드 유닛들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 분배 헤드 유닛들은 지지부 및 디스크를 포함할 수 있으며, 바람직하게 커버부를 더 포함할 수 있다.
예컨대 제1 분배 헤드 유닛은 제1 디스크(1421), 제1 지지부(1422) 및 제1 커버부(1423)를 포함하며, 제2 분배 헤드 유닛은 제2 디스크(1431), 제2 지지부(1432) 및 제2 커버부(1433)를 포함하며, 제3 분배 헤드 유닛은 제3 디스크(1441), 제3 지지부(1442) 및 제3 커버부(1443)를 포함한다.
상기 각 지지부들(1422, 1432, 1442)은 원통형의 상기 원통형의 상부 몸체(141a)의 지름보다 작은 지름을 갖는 원기둥 형상을 갖는다. 또한, 상기 각 디스크들(1421, 1431, 1441)은 상기 각각의 지지부들(1422, 1432, 1442)의 상단에 배치되고 상기 지지부들(1422, 1432, 1442)의 지름보다 큰 지름을 갖는다.
상기 지지부들(1422, 1432, 1442)은 상기 상부 몸체의 상기 가스 배출구들(GPO)로부터 상기 상부 몸체(141a)의 길이 방향으로 연장된 가스 유로를 포함할 수 있다.
한편, 상기 커버부들(1423, 1433, 1443)은 상기 지지부의 지름보다 크도록 상기 디스크로부터 연장되어, 상기 지지부와의 사이에 가스 저장공간(GR)을 정의하며, 다수의 가스 분사홀(h)을 포함한다. 상기 지지부들(1422, 1432, 1442)의 가스 유로들은 상기 가스 저장공간(GR)에 가스를 공급하고, 가스 저장공간에 채워진 가스들은 상기 가스 분사홀(h)을 통해서 반응 공간으로 분사된다. 따라서, 가스가 우선적으로 가스 저장 공간(GR) 내에 채워진 후, 반응공간으로 배출함으로써 각 방사상의 방향으로 균일한 가스를 분출할 수 있다.
한편, 상기 상부 몸체(141a)는, 상기 상부 몸체(141a)의 길이 방향을 따라서 상기 상부 몸체(141a)의 중앙에 형성된 중앙 통공(CH)을 구비하고, 상기 중앙 통공에는 중앙 통공(CH)의 길이 방향을 배치된 냉매 파이프(146)가 배치되며, 상기 하부 몸체(141b)는 상기 냉매 파이프(146)와 연결되는 냉각수 입구(142a) 및 상기 중앙 통공(CH)과 연결되는 냉각수 출구(142b)를 포함할 수 있다.
따라서, 냉각수 입구(142a)를 통해서 주입된 냉각수는 상기 냉매 파이프(146)의 하부에서 상부로 흐르게 되고, 냉매 파이프(146)의 상부에서 배출된 냉각수는 도 3의 냉각수 흐름 방향(CF)을 따라서 중앙 통공(CH)에 유입되고, 중앙 통공(CH)의 하부를 거쳐 상기 냉각수 출구(142b)를 통해서 배출된다.
그러므로, 가스 분배기(140)가 받는 열적 충격을 최소화함으로써 가스 분배기(140)의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 유기금속화학증착 반응기의 개략적인 단면도이다. 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 유기금속화학증착 반응기는 도 3 내지 도 8에서 도시된 유기금속화학증착 반응기와 푸쉬 부재를 제외하면 동일하다. 따라서, 동일한 설명은 생략하고, 푸쉬 부재에 대해서 상세히 설명한다.
도 9를 참조하면, 상기 푸쉬 부재(200)는 예컨대 탑 커버(170)와 푸쉬 디스크(160)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 푸쉬 디스크(160)는 하부를 향해서 오목하게 형성된다. 이와 같이, 상기 푸쉬 디스크(160)를 상기 서셉터(도 1의 130)를 향해서 오목하게 형성하여, 서셉터(도 1의 130)의 중앙에서 외부 방향으로 반응공간의 부피를 감소시킬 수 있다. 따라서, 중앙부로부터 공정이 진행되어 희박해지는 가스의 밀도를 상쇄시킬 수 있으며, 결과적으로 기판(도 1의 S)에 균일한 막질을 형성할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 유기금속화학증착 반응기 110: 반응기 몸체
111: 측벽 111a: 냉매 유로
112: 바닥벽 112a: 냉매 유로
120: 리드 어셈블리 121: 냉매 유로
122: 오링 130: 서셉터
131: 배기구 132: 서셉터 지지대
140: 가스 분배기 141: 가스 분배기 몸체
141a: 상부 몸체 141b: 하부 몸체
142a: 냉각수 입구 142b: 냉각수 출구
143: 분배 헤드 211: 분배기 구동모터
146: 냉매 파이프 1421: 제1 디스크
1422: 제1 지지부 1423: 제1 커버부
1431: 제2 디스크 1432: 제2 지지부
1433: 제2 커버부 1441: 제3 디스크
1442: 제3 지지부 1443: 제3 커버부
150: 가열 부재 160: 푸쉬 디스크
170: 탑 커버 180: 승강 유닛
181: 승강 유닛 구동모터 190: 페로 실(ferro seal)
200: 푸쉬 부재 210: 가스분배기 커버부재
S: 피처리기판 GD: 가스의 흐름 방향
GP: 가스 유로 GP1: 제1 가스 유로
GP2: 제2 가스 유로 GP3: 제3 가스 유로
GPI: 가스 유입구 GPO: 가스 배출구
R: 가스분배기 회전방향 SR: 기판 회전방향
CF: 냉각수 흐름 방향 GR : 가스 저장 공간
111: 측벽 111a: 냉매 유로
112: 바닥벽 112a: 냉매 유로
120: 리드 어셈블리 121: 냉매 유로
122: 오링 130: 서셉터
131: 배기구 132: 서셉터 지지대
140: 가스 분배기 141: 가스 분배기 몸체
141a: 상부 몸체 141b: 하부 몸체
142a: 냉각수 입구 142b: 냉각수 출구
143: 분배 헤드 211: 분배기 구동모터
146: 냉매 파이프 1421: 제1 디스크
1422: 제1 지지부 1423: 제1 커버부
1431: 제2 디스크 1432: 제2 지지부
1433: 제2 커버부 1441: 제3 디스크
1442: 제3 지지부 1443: 제3 커버부
150: 가열 부재 160: 푸쉬 디스크
170: 탑 커버 180: 승강 유닛
181: 승강 유닛 구동모터 190: 페로 실(ferro seal)
200: 푸쉬 부재 210: 가스분배기 커버부재
S: 피처리기판 GD: 가스의 흐름 방향
GP: 가스 유로 GP1: 제1 가스 유로
GP2: 제2 가스 유로 GP3: 제3 가스 유로
GPI: 가스 유입구 GPO: 가스 배출구
R: 가스분배기 회전방향 SR: 기판 회전방향
CF: 냉각수 흐름 방향 GR : 가스 저장 공간
Claims (14)
- 바닥벽과 측벽을 포함하는 반응기 몸체;
상기 반응기 몸체의 측벽과 체결되어 상기 반응기 몸체의 상부를 커버하는 리드 어셈블리;
상기 반응기 몸체 내에 배치되고, 피처리 기판을 지지하며, 중앙부에 중심홀이 형성된 서셉터;
상기 서셉터의 상기 중심홀을 관통하며, 회전하면서 상기 기판에 가스를 분사하는 가스 분배기; 및
상기 리드 어셈블리 하부에 배치되어 상기 가스 분배기에서 분사된 가스를 상기 서셉터 방향으로 푸쉬하는 푸쉬 부재를 포함하는 유기금속화학증착 반응기. - 제1항에 있어서, 상기 가스 분배기는,
상부에 방사상으로 형성된 다수의 가스 분사홀을 포함하는 원통형상을 갖는 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기. - 제2항에 있어서, 상기 가스 분배기는,
상기 원통형상의 측면에 형성된 가스 유입구; 및
상기 가스 유입구로부터 상기 가스 분배기의 길이방향을 따라서 연장된 가스 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기. - 제3항에 있어서, 상기 가스 분배기는,
상기 가스 유로를 통해서 배출된 가스를 저장하는 가스 저장 공간을 더 포함하고, 상기 가스 저장공간에 저장된 가스가 다수의 상기 분사홀을 통해 고르게 분사되는 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기. - 제2항에 있어서, 상기 가스 분배기는,
상부에 부착되어 원통형의 상기 가스 분배기보다 더 큰 지름을 갖는 디스크를 더 포함하여 상기 가스 분사홀을 통해 분사된 가스를 피처리 기판으로 유도하는 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기. - 제1항에 있어서, 상기 가스 분배기는,
하부 몸체 및 상기 하부 몸체에 회전가능하게 결합된 원통형의 상부 몸체를 포함하는 가스 분배기 몸체; 및
상기 상부 몸체 상단에서 가스를 분사하기 위한 분배 헤드를 포함하고,
상기 원통형의 상부 몸체에는, 상기 원통형의 상기 상부 몸체의 측면에 형성된 가스 유입구에서 시작하여 상기 상부 몸체의 중심방향으로 연장되고, 다시 상기 상부 몸체의 길이 방향을 따라서 연장되어 상기 상부 몸체의 상단의 가스 배출구에 이르는, 적어도 하나의 가스 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기. - 제6항에 있어서, 다수의 상기 가스 유로의 가스 유입구는,
상기 상부 몸체의 하단으로부터 서로 상이한 높이에 형성되고,
상기 가스 유로들은 원통형의 상기 상부 몸체의 중심으로부터 동일한 각도로 이격된 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기. - 제7항에 있어서, 원통형의 상기 상부 몸체는, 측면을 따라서 형성된 그루브를 포함하고, 상기 가스 유입구는 상기 그루브 내에 형성된 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기.
- 제7항에 있어서, 상기 분배 헤드는,
상기 원통형의 상부 몸체의 지름보다 작은 지름을 갖는 원기둥 형상을 갖는 지지부; 및
상기 지지부의 상단에 배치되고 상기 지지부의 지름보다 큰 지름을 갖는 디스크를 포함하고,
상기 지지부는 상기 상부 몸체의 상기 가스 배출구로부터 연장된 가스 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기. - 제9항에 있어서, 상기 분배 헤드는,
상기 지지부의 지름보다 크도록 상기 디스크로부터 연장되어, 상기 지지부와의 사이에 가스저장공간을 정의하며, 다수의 가스 분사홀이 형성된 커버부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기. - 제6항에 있어서,
상기 상부 몸체는, 상기 상부 몸체의 길이 방향을 따라서 상기 상부 몸체의 중앙에 형성된 중앙 통공을 구비하고, 상기 중앙 통공에는 중앙 통공의 길이 방향을 배치된 냉매 파이프가 배치되며,
상기 하부몸체는 상기 냉매 파이프와 연결되는 냉각수 입구 및 상기 중앙 통공과 연결되는 냉각수 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기. - 제6항에 있어서, 상기 푸쉬 부재는,
상기 서셉터를 커버하도록 상기 서셉터 상부에 배치되는 푸쉬 디스크; 및
상기 푸쉬 디스크의 중앙에 배치되고, 상기 분배 헤드를 향하도록 오목하게 형성된 탑 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기. - 제12항에 있어서, 상기 푸쉬 디스크는상기 서셉터를 향해서 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 푸쉬 부재를 승강시켜, 상기 서셉터와의 이격거리를 조절하는 승강 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기금속화학증착 반응기.
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110125835A KR101319823B1 (ko) | 2011-11-29 | 2011-11-29 | 유기금속화학증착 반응기 |
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