KR20140076342A - 화학 기상 증착 장치용 서셉터 및 이를 구비한 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

화학 기상 증착 장치용 서셉터 및 이를 구비한 화학 기상 증착 장치 Download PDF

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Abstract

화학 기상 증착 장치용 서셉터 및 이를 구비하는 화학 기상 증착 장치가 개시된다. 상기 화학 기상 증착 장치용 서셉터는 기판이 안착되는 일면이 개방되어 내부 수용공간을 가지는 몸체; 상기 내부 수용공간의 둘레를 따라 일정한 단차를 가지고 형성되어 상기 기판을 지지하는 단턱부 및 상기 내부 수용공간에 충전되는 열전도 물질을 포함한다.

Description

화학 기상 증착 장치용 서셉터 및 이를 구비한 화학 기상 증착 장치{SUSCEPTOR FOR CHEMICAL VAPOR DEPOSITION DEVICE AND APPARATUS FOR CHEMICAL VAPOR DEPOSITION HAVING THE SAME}
본 발명은 화학 기상 증착 장치용 서셉터 및 이를 구비한 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 및 질화물 발광소자를 제조하는데 이용되는 화학 기상 증착 장치에서 기판을 지지하여 히터에서 제공되는 열을 기판으로 전달하기 위한 화학 기상 증착 장치용 서셉터 및 이를 구비한 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
반도체, 및 질화물 발광소자를 제조하는데 이용되는 유기 금속 화학 기상증착 장치(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)는 화학 반응을 이용하여 웨이퍼에 금속 산화막을 형성하는 박막 형성 장치로서, 진공으로 이루어진 챔버(Chamber) 내에서 가열된 기판에 증기압이 높은 금속의 유기 화합물 증기를 보내어 그 금속의 막을 기판에 성장시키도록 한다.
MOCVD 장비에서 웨이퍼에 박막을 형성할 때, 웨이퍼는 서셉터(Susceptor)에 수용된 상태로 RF 코일에서 생성된 열에 의해 가열된다. RF 코일에서 생성된 열이 서셉터에 수용된 웨이퍼에 가해질 때, 기판의 테두리는 서셉터와 접촉한 상태로 가열되므로 웨이퍼의 테두리가 중심부에 비해 더 가열되어 웨이퍼의 온도 균일도가 틀어지게 되며, 이에 따라 기판의 도핑 균일도가 저하되는 문제가 생길 수 있다.
한국공개특허 제2012-0051968호에서는 기판의 하부와 소정거리 이격되어 배치되는 캐비티를 포함하는 서셉터를 개시하고 있다. 그러나 이와 같이 캐비티가 형성된 서셉터의 경우 기판의 가장자리만이 서셉터와 직접 접촉하게 되고, 가열시 기판의 가장자리와 중앙부분의 온도 차이가 크게 나타난다. 이러한 기판의 가장자리와 중앙부분의 온도 차이는 결과적으로 도핑 균일도를 크게 저하하게 되며, 도핑 균일도 저하 현상은 고온에서 더 크게 나타나는 경향을 보인다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 별다른 공정 없이 기판과 서셉터가 접촉하지 않고 이격되는 공간에 열전도도가 높은 탄소나노튜브, 그래핀 등의 열전도 물질을 충전하여 기판 전면이 균일하게 가열되도록 하여 도핑 균일도를 향상시킬 수 있는 화학 기상 증착 장치용 서셉터 및 이를 구비한 화학 기상 증착 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면 기판이 안착 되는 일면이 개방되어 내부 수용공간을 가지는 몸체; 상기 내부 수용공간의 둘레를 따라 일정한 단차를 가지고 형성되어 상기 기판을 지지하는 단턱부 및 상기 내부 수용공간에 충전되는 열전도 물질을 포함하는 화학 기상 증착 장치용 서셉터를 제공한다.
상기 열전도 물질은 탄소나노튜브 및 그래핀 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 열전도 물질은 상기 기판과 전면 접촉하도록 상기 내부 수용공간에 충전될 수 있다.
상기 내부 수용공간은 곡률을 가지는 오목한 형상으로 형성될 수 있다.
상기 몸체의 외주면을 따라 형성되어 상기 기판의 이탈을 방지하는 격벽을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 단턱부의 폭은 1.1mm 내지 1.5mm일 수 있다.
상기 열전도 물질은 상기 단턱부 높이와 동일하거나 또는 상기 단턱부 높이보다 높게 충전될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면 가스공급부를 구비한 챔버; 상기 가스공급부로부터 반응가스를 공급받아 상부면에 에피택셜층이 증착되는 기판 및 상기 기판이 안착되는 일면이 개방되어 내부 수용공간을 가지는 몸체, 상기 내부 수용공간의 둘레를 따라 일정한 단차를 가지고 형성되어 상기 기판을 지지하는 단턱부 및 상기 내부 수용공간에 충전되는 열전도 물질을 구비하는 서셉터를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.
상기 열전도 물질은 탄소나노튜브 및 그래핀 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명인 화학 기상 증착 장치용 서셉터 및 이를 구비한 화학 기상 증착 장치는 별다른 공정없이 기판과 서셉터가 접촉하지 않고 이격되는 공간에 열전도도가 높은 탄소나노튜브 또는 그래핀 등의 열전도 물질을 충전하여 기판 전면이 균일하게 가열되도록 하여 도핑 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 서셉터의 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 서셉터의 평면도 및
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 서셉터의 단면도 및
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 서셉터를 이용한 화학 기상 증착 장치의 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 서셉터의 단면도, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 서셉터의 평면도이다. 도 2는 도 1에서 기판을 제외한 서셉터를 위에서 바라본 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 다른 화학 기상 증착 장치용 서셉터(100)는 기판(G)이 안착되는 일면이 개방되며 곡률을 가지는 오목 형상의 내부 수용공간이 형성되는 몸체(10), 내부 수용공간의 둘레를 따라 일정한 단차를 가지고 형성되어 기판(G)을 지지하는 단턱부(20), 내부 수용공간에 충전되는 열전도 물질(30), 몸체(10)의 외주면을 따라 형성되어 기판(G)의 이탈을 방지하는 격벽(40)을 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 몸체(10)는 챔버 내부에 회전가능하게 배치되어 증착 대상물인 기판(G)이 올려지고, 히터(미도시)에서 제공되는 열을 기판(G) 쪽으로 전달하는 기판(G) 지지 구조물이다.
몸체(10)는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있으며, 알루미늄과 탄소나노튜브의 혼합소재로 이루어 질 수 있다.
기판(G)이 안착되는 몸체(10)의 일면은 기판(G)이 안착되는 방향으로 개방되어 있으며, 개방된 면에는 내부 수용공간이 마련된다. 내부 수용공간은 예를 들면, 곡률을 가지는 오목 형상으로 형성될 수 있다.
단턱부(20)는 성장시킬 기판(G)의 양 가장자리를 지지하도록 내부 수용공간의 둘레를 따라 일정한 단차를 가지고 형성될 수 있다. 단턱부(20)의 일부 또는 전체는 기판(G)의 외측 테두리와 직접 접촉하도록 형성되며, 몸체(10)가 가열되면 그 열을 기판(G)으로 전달할 수 있다. 단턱부(20)의 폭은 1.1mm 내지 1.5mm로써 기판(G)과의 접촉을 최소화하도록 한다.
몸체(10)의 내부 수용공간에는 열전도 물질(30)이 충전된다. 열전도 물질(30)은 열전도도가 약 3,500W/mk이상의 물질이 사용될 수 있으며, 예를 들면 탄소나노튜브 및 그래핀 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 탄소나노튜브 또는 그래핀은 분말이나 반죽 또는 고형물 형태로 제공되어 내부 수용공간에 충전될 수 있다.
열전도 물질(30)은 단턱부(20)와 동일하거나 또는 단턱부(20) 높이보다 높게 충전되도록 하여, 내부 수용공간 전체에 걸쳐 충전됨으로써 단턱부(20)에 안착되는 기판(G)과 직접 접촉할 수 있도록 한다.
열전도 물질(30)은 내부 수용공간의 하부면이 발열체 등에 의하여 가열되는 경우, 발생되는 열을 기판(G)의 전면에 전달하게 된다. 따라서, 단턱부(20)를 통하여 서셉터(100)와 직접 접촉하는 기판(G)의 가장자리뿐만이 아니라 기판(G)의 전면이 균일하게 가열될 수 있다. 기판(G) 전면이 균일하게 가열되면 기판(G)의 도핑균일도를 크게 향상시킬 수 있으며, 열전도 물질(30)의 열전도 효율과, 기판(G)과 열전도 물질(30)간의 접촉 면적 등에 따라 크게는 도핑 균일도를 약 5%이하로 향상시킬 수 있다.
격벽(40)은 몸체(10)의 외주면을 따라 형성되어 기판(G)의 이탈을 방지한다. 격벽(40)은 기판(G)과 이격되게 형성됨으로써 기판(G)의 열이 전달되지 않도록 한다. 격벽(40)의 높이는 기판(G)의 두께와 동일하거나 또는 기판(G)의 두께보다 높게 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 서셉터(100)의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 서셉터(200)는 기판(G)이 안착되는 일면이 개방되며 평면 형상의 내부 수용공간이 형성되는 몸체(210), 내부 수용공간의 둘레를 따라 일정한 단차를 가지고 형성되어 기판(G)을 지지하는 단턱부(220), 내부 수용공간에 충전되는 열전도 물질(230), 몸체(210)의 외주면을 따라 형성되어 기판(G)의 이탈을 방지하는 격벽(240)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 서셉터는 내부 수용공간이 평면 형상으로 형성되어 있다는 점을 제외하고는 도1및 도2에서 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 화학 기상 증착 장치용 서셉터를 이용한 화학 기상 증착 장치의 단면도이다.
먼저, 서셉터(300)는 증착 대상물인 기판(G)이 올려지고 챔버(400) 내부에 회전가능하게 배치되어 히터에서 제공되는 열을 기판(G) 쪽으로 전달하는 기판 지지 구조물이다. 본 발명에 따른 서셉터는 기판(G)이 안착되는 일면이 개방되며 곡률을 가지는 오목 형상의 내부 수용공간이 형성되는 몸체(310), 내부 수용공간의 둘레를 따라 일정한 단차를 가지고 형성되어 기판(G)을 지지하는 단턱부(320), 내부 수용공간에 충전되는 열전도 물질(330), 몸체(310)의 외주면을 따라 형성되어 기판(G)의 이탈을 방지하는 격벽(340)을 포함하여 구성될 수 있다.
몸체(310)는 챔버 내부에 회전가능하게 배치되어 증착 대상물인 기판(G)이 올려지고, 히터(미도시)에서 제공되는 열을 기판(G) 쪽으로 전달하는 기판(G) 지지 구조물이다.
몸체(310)는 알루미늄 소재로 이루어질 수 있으며, 알루미늄과 탄소나노튜브의 혼합소재로 이루어 질 수 있다.
기판(G)이 안착되는 몸체(310)의 일면은 기판(G)이 안착되는 방향으로 개방되어 있으며, 개방된 면에는 내부 수용공간이 마련된다. 내부 수용공간은 예를 들면, 곡률을 가지는 오목 형상으로 형성될 수 있다.
단턱부(320)는 성장시킬 기판(G)의 양 가장자리를 지지하도록 내부 수용공간의 둘레를 따라 일정한 단차를 가지고 형성될 수 있다. 단턱부(320)의 일부 또는 전체는 기판(G)의 외측 테두리와 직접 접촉하도록 형성되며, 몸체(310)가 가열되면 그 열을 기판(G)으로 전달할 수 있다. 단턱부(320)의 폭은 1.1mm 내지 1.5mm로써 기판(G)과의 접촉을 최소화하도록 한다.
몸체(310)의 내부 수용공간에는 열전도 물질(330)이 충전된다. 열전도 물질(330)은 열전도도가 약 3,500W/mk이상의 물질이 사용될 수 있으며, 예를 들면 탄소나노튜브 또는 그래핀일 수 있다. 탄소나노튜브 또는 그래핀은 분말이나 반죽 또는 고형물 형태로 제공되어 내부 수용공간에 충전될 수 있다.
열전도 물질(330)은 단턱부(320)와 동일하거나 또는 단턱부(320) 높이보다 높게 충전되도록 하여, 내부 수용공간 전체에 걸쳐 충전됨으로써 단턱부(320)에 안착되는 기판(G)과 직접 접촉할 수 있도록 한다.
격벽(340)은 몸체(310)의 외주면을 따라 형성되어 기판(G)의 이탈을 방지한다. 격벽(340)은 기판(G)과 이격되게 형성됨으로써 기판(G)의 열이 전달되지 않도록 한다. 격벽(340)의 높이는 기판(G)의 두께와 동일하거나 또는 기판(G)의 두께보다 높게 형성되게 한다.
챔버(400)는 가스공급부(410)를 통해 내부로 유입된 반응가스와 증착 대상물인 기판(G)간의 화학적 기상 반응이 이루어져 에피택셜층이 기판(G)의 상부면에 증착 및 성장되도록 소정 크기의 내부 공간을 제공한다.
챔버(400)는 내마모성 및 내부식성이 우수한 메탈 재질로 이루어지며, 내부면에는 고온 분위기를 견딜 수 있도록 단열재(미도시)가 구비될 수 있다.
또한, 기판(G)이 장착되는 서셉터(300) 및 히터를 내부에 구비하며, 기판(G)과의 화학적 기상 반응이 종료된 폐가스를 외부로 배출하기 위한 배기구(420)를 구비할 수 있다.
가스공급부(410)는 챔버(400)의 상부측에 구비되어 하부측에서 회전하는 서셉터(300) 위로 반응가스를 수직 분사하는 샤워헤드 형 구조로 구비될 수 있다.
서셉터(300)는 한번의 증착 주기 동안 복수개의 기판(G)이 동시에 증착을 수행할 수 있도록 구비될 수 있다.
히터는 기판(G)이 탑재되는 서셉터(300)의 하부측 근방에 배치되어 기판(G)을 가열하기 위한 열을 서셉터(300)에 제공한다.
챔버(400)는 서셉터(300)의 외부면이나 가열수단에 근접하도록 배치되어 챔버(400)의 내부 온도를 측정하고, 측정된 온도를 이용하여 가열 온도를 조절할 수 있는 온도 센서(미도시)를 추가로 구비할 수 있다.
서셉터(300)를 화학 기상 증착 장치에 채용하여 기판(G)의 표면에 질화갈륨(Gallium: GaN), 질화알루미늄(AIN), 질화인듐(InN) 또는 이러한 혼정의 에피텍셜층을 성장시켜 증착하고자 하는 경우, 먼저 증착 작업대상물인 기판(G)을 서셉터(300)에 올려 배치한다.
서셉터 하부의 회전체(430)는 구동 모터의 회전 구동력에 의해서 일방향으로 회전 구동되고, 회전체(430)가 배치되는 챔버의 내부공간에는 트리메탈갈륨(TMGa), 트리에틸갈륨(TEGa), 트리메틸인듐(TMIn) 및 트리메틸알루미늄(TMAl)와 같은 3족 가스인 소스가스와 더불어 암모니아와 같은 캐리어 가스를 공급한다.
히터를 사용하여 높은 온도의 열을 제공하면 회전체(430)와 함께 일방향으로 회전하는 증착 대상물인 기판(G)의 표면에는 캐리어 가스와 소스 가스가 혼합된 반응가스가 고르게 접촉하여 질화물이 성장된 박막이 성장하고 미반응한 잔류 가스나 분산물은 배기구(420)를 통하여 배출되는데, 배기구(420)의 위치는 도 4의 실시예와는 다르게 챔버의 하부에 배치될 수도 있다.
이 때, 기판(G)이 가열되면 온도 상승시 모서리 부분의 온도가 먼저 증가되고, 온도 하강시 모서리 부분의 온도가 먼저 감소되는 현상이 나타나는데 이를 모서리 효과(Edge effect)라 한다. 이러한 모서리 효과(Edge effect)와 몸체(310) 및 단턱부(320)로부터의 열전달에 의해 기판(G)의 가장자리부분의 온도가 더 높아지게 되어, 기판(G)상의 온도분포가 불균일하게 될 수 있다.
이를 방지하도록 열전도 물질(330)은 내부 수용공간의 하부면이 발열체 등에 의하여 가열되는 경우 발생되는 열을 기판(G)의 전면에 전달하게 되고, 단턱부(320)를 통하여 서셉터(300)와 직접 접촉하는 기판(G)의 가장자리뿐만이 아니라 기판(G)의 전면이 균일하게 가열될 수 있도록 한다. 기판(G) 전면이 균일하게 가열되면 기판(G)의 도핑균일도를 크게 향상시킬 수 있으며, 열전도 물질(330)의 열전도 효율과, 기판(G)과 열전도 물질(330)간의 접촉 면적 등에 따라 크게는 도핑 균일도를 약 5%이하로 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200, 300: 서셉터
10, 210, 310: 몸체
20, 220, 320: 단턱부
30, 230, 330: 열전도 물질
40, 240, 340: 격벽
400: 챔버
410: 가스공급부

Claims (9)

  1. 기판이 안착되는 일면이 개방되어 내부 수용공간을 가지는 몸체;
    상기 내부 수용공간의 둘레를 따라 일정한 단차를 가지고 형성되어 상기 기판을 지지하는 단턱부 및
    상기 내부 수용공간에 충전되는 열전도 물질을 포함하는 화학 기상 증착 장치용 서셉터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 물질은 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(Graphene) 중 적어도 어느 하나인 화학 기상 증착 장치용 서셉터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 물질은 상기 기판과 전면 접촉하도록 상기 내부 수용공간에 충전되는 화학 기상 증착 장치용 서셉터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부 수용공간은 곡률을 가지는 오목한 형상으로 형성되는 화학 기상 증착 장치용 서셉터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 몸체의 외주면을 따라 형성되어 상기 기판의 이탈을 방지하는 격벽을 더 포함하는 화학 기상 증착 장치용 서셉터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단턱부의 폭은 1.1mm 내지 1.5mm인 화학 기상 증착 장치용 서셉터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 물질은 상기 단턱부 높이와 동일하거나 또는 상기 단턱부 높이보다 높게 충전되는 화학 기상 증착 장치용 서셉터.
  8. 가스공급부를 구비한 챔버;
    상기 가스공급부로부터 반응가스를 공급받아 상부면에 에피택셜층이 증착되는 기판 및
    상기 기판이 안착되는 일면이 개방되어 내부 수용공간을 가지는 몸체, 상기 내부 수용공간의 둘레를 따라 일정한 단차를 가지고 형성되어 상기 기판을 지지하는 단턱부 및 상기 내부 수용공간에 충전되는 열전도 물질을 구비하는 서셉터를 포함하는 화학 기상 증착 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열전도 물질은 탄소나노튜브 및 그래핀 중 적어도 어느 하나인 화학 기상 증착 장치용 서셉터.
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