KR20150111085A

KR20150111085A - 서셉터

Info

Publication number: KR20150111085A
Application number: KR1020140034506A
Authority: KR
Inventors: 김익찬; 황민영
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-10-05
Also published as: KR102203022B1

Abstract

실시예는 웨이퍼가 삽입되어 배치될 수 있는 그루브를 가지는 몸체; 및 상기 그루브의 가장 자리에 배치되어 상기 웨이퍼의 에지 영역을 지지하는 복수 개의 스페이서를 포함하고, 상기 스페이서는 상기 몸체와 접촉하는 면적이 상기 웨이퍼와 접촉하는 면적보다 넓은 서셉터를 제공한다.

Description

서셉터{SUSCEPTOR}

실시예는 서셉터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보다 상세하게는 화학 기상 증착 장치 등에서 기판 상에 GaN 등 반도체 구조물을 증착할 때 사용되는 서셉터에 관한 것이다.

반도체 장치는 기판 위에 반도체 재료의 에피택셜 성장에 의해 형성된다. 기판은 통상적으로 디스크 형태의 결정 재료이며, 흔히 "웨이퍼"라고 한다. 3-5족 반도체와 같은 화합물 반도체로 형성된 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 화학 기상 증착 장치 등을 사용하여 화합물 반도체의 층을 연속으로 성장시켜 형성된다.

발광다이오드나 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)와 같은 발광 소자는 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 포함하고, 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다. 따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.

이러한 3-5족 질화물 반도체를 이용한 발광소자를 구성하는 질화물 반도체 단결정은 실리콘 기판 또는 사파이어 기판 등의 위에 성장되며, 이러한 반도체 단결정을 성장시키기 위하여 일반적으로 가스 상태인 다수의 소스를 기판 상에 증착시키는 기상 증착 공정을 이용한다. 반도체 발광소자의 발광 성능이나 신뢰성은 이를 구성하는 반도체층의 품질(결정성 등)에 큰 영향을 받으며, 이 경우, 반도체층의 품질은 반도체 박막을 성장시키는 데에 사용되는 기상 증착 장치의 구조, 내부 환경, 사용 조건 등에 의하여 좌우될 수 있다.

도 1은 종래의 서셉터와 기판을 나타낸 도면이고, 도 2는 기판에서 성장되는 반도체 구조물을 나타낸 도면이다.

서셉터(10)에 형성된 그루브(groove) 내에서 반도체 구조물(20)이 성장되는데, 반도체 구조물(20)은 기판 상에 GaN 등의 질화물 반도체가 증착된다. 이때, 기판으로 실리콘이나 사파이어 등이 사용되는데, 성장 온도가 높아질수록 이종 물질 사이의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient) 및 격자 상수의 차이(lattice constant mismatch)로 인하여 기판을 포함한 반도체 구조물 전체의 휨이 발행할 수 있다.

도시된 바와 같이 그루브 내의 바닥면(15)은 플랫(flat)하나 반도체 구조물(20)이 도 2와 같이 윗 방향으로 볼록(convex)한 형상으로 휘게 되면, 반도체 구조물(20)의 가장 자리가 그루브 내의 바닥면(15)과 접촉하게 된다.

그루브 내에 반도체 구조물(20)을 배치하고 하부에서 열을 가하는데, 반도체 구조물(20)이 휘게 되면 반도체 구조물(20)의 각 영역에서 온도 분포가 달라질 수 있다. 이러한 열 분포의 차이는 반도체 구조물(20) 위에 증착되는 GaN을 포함하는 반도체 화합물의 온도 분포의 불균일을 초래할 수 있다.

공정 챔버 내의 온도가 증가하면 반도체 구조물(20)은 복사열을 받게 되는데, 도 1에서 'A'로 표시된 영역은 서셉터(20)의 바닥면(15)과 반도체 구조물(20)이 접촉하여 반도체 구조물에 전도를 통하여 열이 전달되므로, 반도체 구조물(20)이나 기판의 가장 자리에 전달되는 열이 상대적으로 많을 수 있다.

상술한 바와 같이 반도체 구조물(20)이 휘어 성장하면 질화물 반도체층 내에서 도펀트나 기타 원소의 분포가 불균일할 수 있으며, 휘어진 반도체 구조물(20) 내에서 크랙(crack) 등의 결함이 발생할 수도 있다.

실시예는 서셉터 상에서 성장되는 반도체 구조물의 휨을 방지하고자 한다.

실시예는 기판이 삽입되어 배치될 수 있는 그루브를 가지는 몸체; 및 상기 그루브의 가장 자리에 배치되어 상기 기판의 에지 영역을 지지하는 복수 개의 스페이서를 포함하고, 상기 스페이서는 상기 몸체와 접촉하는 면적이 상기 기판과 접촉하는 면적보다 넓은 서셉터를 제공한다.

스페이서와 대응되는 영역에서 상기 몸체에 홈이 형성되고, 상기 스페이서의 하부에는 상기 홈에 대응되는 돌출부가 형성될 수 있다.

스페이서와 대응되는 영역에서 상기 몸체에 돌출부가 형성되고, 상기 스페이서의 하부에는 상기 돌출부에 대응하는 홈이 형성될 수 있다.

스페이서는 상기 기판의 에지 영역의 바닥면과 측면을 지지할 수 있다.

스페이서는 상기 몸체와 동일한 재료로 이루어질 수 있다.

스페이서의 둘레에 보호층이 형성될 수 있다.

보호층은, SiC, TaC, HfN 및 TaN 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

스페이서는 복수 개의 층으로 이루어질 수 있다.

스페이서는 제1 층과 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층은 상기 제2 층 방향의 표면에 제1 요철을 가지고, 상기 제2 층은 상기 제1 층 방향에 상기 제1 요철과 역상인 제2 요철을 가질 수 있다.

기판의 지름이 4인치이고, 상기 스페이서의 폭은 0.5 밀리미터 내지 5 미리미터일 수 있다.

복수 개의 스페이서가 서로 이격되어 배치될 수 있다.

복수 개의 스페이서는 원주를 이룰 수 있다.

스페이서와 상기 웨이퍼 및 상기 몸체의 그루브가 내부에 폐곡면을 이룰 수 있다.

실시예에 따른 서셉터는 기판의 가장 자리를 스페이서가 컨택하여, 서셉터의 몸체로부터 직접 열이 기판에 전달되지 않아 기판의 가장 자리의 온도가 높은 온도 불균형이 개선될 수 있다.

도 1은 종래의 서셉터와 기판을 나타낸 도면이고,
도 2는 기판에서 성장되는 반도체 구조물을 나타낸 도면이고,
도 3은 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치를 나타낸 도면이고,
도 4a는 도 3의 서셉터 내의 하나의 그루브의 단면도이고,
도 4b는 도 3의 서셉터 내의 하나의 그루브의 평면도이고,
도 5a 내지 도 5d는 도 4a의 'B' 영역의 실시예들의 단면도이고,
도 6a 내지 도 6d는 스페이서의 일실시예의 단면도이다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 3은 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치를 나타낸 도면이다.

화학 기상 증착 장치(Chemical vapor deposition) 반응기(100)는 공정 챔버(110)와 가스 공급 라인(120)과 샤워 헤드(130)와 회전 축(140) 및 배기 라인(150)를 포함하고, 공정 챔버(110)의 내부에 반도체 구조물(20)이 안착된 서셉터(200)가 배치된다.

공정 챔버(110)는 적어도 하나의 가스 공급 라인(120)으로 통해 원료 물질 등 각종 가스를 공급받고, 반도체 구조물의 성장 후에 배기 라인(150)을 통하여 반응 부산물을 배출할 수 있다.

샤워 헤드(130)는 상기 공정 챔버(110)의 상단에 형성되어, 공저 챔버(110)의 하단에 형성된 서셉터(200) 또는 반도체 구조물(20)의 표면에 가스를 분사시켜 준다. 이때의 온도 제어는 내부 히터에 의해 제어될 수 있다.

서셉터(200)는 회전 축(140)에 결합되어 회전하게 되며, 내부의 히터로부터 발생된 일부 열을 반도체 구조물(20)로 전달할 수 있다.

서셉터(200)는 화학 기상 증착 장치 외에 기판 상에 질화물 반도체 등을 증착시키는 다른 장치에서도 사용될 수 있다.

서셉터(200)는 그라파이트(graphite)나 금속 또는 SiC 등으로 이루어진 서셉터 몸체(210)에 적어도 하나의 후술하는 그루브가 배치될 수 있으며, 각각의 포켓의 내부에는 기판이 삽입되어 화학 기상 증착 공정 등을 진행할 수 있다.

도 4a는 도 3의 서셉터 내의 하나의 그루브의 단면도이고, 도 4b는 도 3의 서셉터 내의 하나의 그루브의 평면도이다.

서셉터를 이루는 몸체(210)에는 그루브(220)가 형성되는데, 몸체(210)의 표면 중 일부 영역의 높이가 낮게 형성되어 기판이 삽입될 수 있는 그루브를 이룰 수 있으며, 그루브(220)의 바닥면(210)은 도시된 바와 같이 플랫(flat)하지 않고 볼록하거나 오목할 수도 있다.

그루브(215)의 둘레는 원형을 이룰 수 있고, 그루브(215)의 외곽에는 도 4a에 도시된 바와 같이 단차 구조가 형성될 수 있다. 상술한 단차 구조 중 기판(20)의 에지 영역과 마주보는 영역을 지지부(240)로 하고, 지지부(240)보다 외곽에 배치된 영역을 상부면(250)이라 할 수 있다.

지지부(240)는 그루브(220)의 가장 자리에 배치되어 기판(20)의 에지 영역을 지지하는데, 지지부(240)는 기판(20)과 직접 컨택하지 않고, 지지부(240) 상에 스페이서(230)가 배치되어 기판(20)의 에지 영역과 직접 컨택하며 기판(20)을 지지하고 있다.

도 4a에 도시된 바와 같이 스페이서(230)와 기판(2) 및 그루브(220)의 바닥면(215)이 내부에 밀폐된 폐곡면을 이룰 수 있다.

스페이서(230)는 몸체(210)와 동일한 물질, 예를 들면 SiC로 이루어질 수 있으며, 후술하는 바와 같이 스페이서(230)의 둘레에는 보호층이 형성될 수 있다. 스페이서(230)가 기판(20)과 몸체(210)의 사이에 배치되어, 서셉터의 몸체(210)로부터 기판(20)으로 열이 직접 전달되지 않고 스페이서(230)를 통하여 전달되어 기판(20)의 가장 자리의 온도가 상대적으로 높아지는 열의 불균일한 분포를 방지할 수 있다. 즉, 스페이서(230)가 몸체(210)와 기판(210)의 사이의 인터페이스에서 컨택 저항 물질로 작용할 수 있다.

도 4b에 도시된 바와 같이 스페이서(230)는 복수 개로 이루어질 수 있으며, 각각의 스페이서(230)들은 소정 거리(d) 만큼 서로 이격되어 배치될 수 있다. 스페이서(230)들이 소정 거리(d) 만큼 이격되어 배치되어서, 반도체층의 성장 공정에서 서셉터의 몸체(210)를 통하여 스페이서(230)에 열이 전달되어 스페이서(230)가 팽창하더라도, 인접한 스페이서(230)들끼리 접촉하여 배열이 어긋나지 않을 수 있다.

그리고, 복수 개의 스페이서(230)들은 원주를 이루는 형상으로 배치되어, 원형의 단면을 가지는 기판(20)의 가장자리를 지지할 수 있으며, 복수 개의 스페이서(230)들은 최초에 링(ring) 형상의 하나의 스페이서가 제조된 후 분리되어 사용될 수 있다.

스페이서(230)의 폭(w)은 기판(20)의 크기에 따라 다를 수 있는데, 예를 들어 기판(20)의 지름이 4인치(inch)일 때 스페이서(230)의 폭(w)은 0.5 밀리미터 내지 5 밀리미터일 수 있다. 스페이서(230)의 폭이 너무 좁으면 기판(20)의 가장 자리를 지지하기에 충분하지 않을 수 있고, 스페이서(230)의 폭이 너무 넓으면 기판(20)의 에지 영역 외의 영역에까지 열이 전달되거나 스페이서(230)에 의하여 가려지는 기판(20)의 면적이 증가하여 몸체(210)의 그루브(220)의 바닥면(215)으로부터 복사열이 기판(20)에 고루 전달되지 않을 수도 있다.

도 5a 내지 도 5d는 도 4a의 'B' 영역의 실시예들의 단면도이다.

도 5a에 도시된 실시예에서, 스페이서(230)의 단면은 사다리꼴 형상이며, 기판(20)과 접촉하는 상부면의 폭보다 몸체(210)의 지지부(240)와 접촉하는 하부면의 폭이 더 넓다.

이러한 구조는 스페이어(230)가 몸체(210)와 접촉하는 면적이 기판(20)과 접촉하는 면적보다 더 크게 배치되어, 서셉터(210)의 몸체로부터 기판(20)의 가장 자리에 전도(conduction) 방식으로 열이 전달되는 면적을 줄일 수 있다.

도 5b에 도시된 실시예에서, 스페이서(230)와 대응되는 영역에서 몸체(210)에 홈(240a)이 형성되는데, 보다 상세하게는 지지부(240) 상에 홈(240a)이 형성될 수 있다. 그리고, 스페이서(230)의 하부에는 홈(240a)에 대응하여 돌출부(230a)가 형성될 수 있다.

도 5c에 도시된 실시예에서, 스페이서(230)와 대응되는 영역에서 몸체(210)에 돌출부(240b)가 형성되는데, 보다 상세하게는 지지부(240) 상에 돌출부(240b)가 형성될 수 있다. 그리고, 스페이서(230)의 하부에는 돌출부(240b)에 대응하여 홈(230b)이 형성될 수 있다.

도 5b와 도 5c에 도시된 구조에서는 스페이서(230)와 몸체(210)에 형성된 돌출부와 홈이 서로 맞물리어 스페이서를 몸체(210)의 지지부(240) 상에 고정할 수 있다.

도 5a 내지 도 5c에 도시된 실시예들에서 스페이서(230)는 기판(20)의 바닥면만을 지지하나, 도 5d에 도시된 실시예에서 스페이서(230)는 기판(20)의 바닥면과 측면을 함께 지지하도록 구비된다. 이러한 스페이서(230)의 형상은, 스페이서(230)의 높이가 일정하지 않고 도시되지는 않았으나 몸체의 상부면 방향에서 스페이서(230)의 높이가 높게 형성되어 이루어질 수 있다.

도 5d에 도시된 실시예에서 스페이서(230)가 기판(20)의 바닥면과 측면에 함께 접촉하며 지지하여, 기판(20)을 안정적으로 지지할 수 있다.

도 6a 내지 도 6d는 스페이서의 일실시예의 단면도이다.

도 6a에 도시된 실시예에서, 스페이서(230)의 둘레에 보호층(235)이 구비되어 있다. 보호층(235)은 SiC, TaC, HfN 및 TaN 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 스페이서(230)의 단면은 도 5a에 도시된 바와 같이 사다리꼴 형상이나, 사각형 형상일 수도 있다.

도시되지는 않았으나, 보호층(235)의 표면에는 미세한 러프니스(roughness)가 형성될 수 있는데, 보호층(235)이 코팅의 방법으로 형성되어 표면에 러프니스가 형성될 수 있다. 보호층(235)은 스페이서(230)를 이루는 SiC 등의 재료가 고온의 환경에서 승화되는 것을 방지할 수 있다.

도 6b에 도시된 실시예에서, 스페이서(230)는 복수 개의 층으로 이루어지고 는데, 하부에 배치되어 서셉터의 몸체 내지 지지부와 컨택하는 층을 제1 층(231)이라 하고, 상부에 배치되어 기판(20)과 컨택하는 층을 제2 층(232)이라 할 수 있다.

제1 층(231)과 제2 층(232)는 서로 접촉하고 있으며, 제1 층(231)과 제2 층(232)이 결합된 스페이서(230)의 둘레에는 보호층(230)이 구비되고 있다.

도 6c와 도 6d에 도시된 실시예에서, 스페이서(230) 내의 제1 층(231)과 제2 층(232)은 요철 구조에 의하여 결합되어, 제1 층(231)과 제2 층(232)이 견고하게 결합될 수 있다.

도 6c에 도시된 실시예에서 제1 층(231)에는 제2 층(232) 방향의 표면에 돌출된 형상의 제1 요철(231a)이 형성되고, 제2 층(232)에는 제1 요철(231a)과 역상인 함몰된 형상의 제2 요철(232a)이 형성되어, 제1 층(231)과 제2 층(232)이 서로 맞물리고 있다.

도 6d에 도시된 실시예에서 제1 층(231)에는 제2 층(232) 방향의 표면에 제1 요철(231a, 231b)이 형성되고, 제2 층(232)에는 제1 요철(231a)과 역상인 제2 요철(232a, 231b)이 형성되어, 제1 층(231)과 제2 층(232)이 서로 맞물리고 있다.

상술한 실시예들에 따른 서셉터는 기판의 가장 자리를 스페이서가 컨택하여, 서셉터의 몸체로부터 직접 열이 기판에 전달되지 않아 기판의 가장 자리의 온도가 높은 온도 불균형이 개선될 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100, 200: 서셉터 20: 기판
100: 반응기 110: 공정 챔버
120: 가스 공급 라인 130: 샤워 헤드
140: 회전 축 150: 배기 라인
210: 몸체 215: 바닥면
220: 그루부 230: 스페이서
235: 보호층 240: 지지부
250: 상부면

Claims

기판이 삽입되어 배치될 수 있는 그루브를 가지는 몸체; 및
상기 그루브의 가장 자리에 배치되어 상기 기판의 에지 영역을 지지하는 복수 개의 스페이서를 포함하고,
상기 스페이서는 상기 몸체와 접촉하는 면적이 상기 기판이 접촉하는 면적보다 넓은 서셉터.
제1 항에 있어서,
상기 스페이서와 대응되는 영역에서 상기 몸체에 홈이 형성되고, 상기 스페이서의 하부에는 상기 홈에 대응되는 돌출부가 형성된 서셉터.
제1 항에 있어서,
상기 스페이서와 대응되는 영역에서 상기 몸체에 돌출부가 형성되고, 상기 스페이서의 하부에는 상기 돌출부에 대응하는 홈이 형성된 서셉터.
제1 항에 있어서,
상기 스페이서는 상기 기판의 에지 영역의 바닥면과 측면을 지지하는 서셉터.
제1 항에 있어서,
상기 스페이서는 상기 몸체와 동일한 재료로 이루어지는 서셉터.
제1 항 또는 제5 항에 있어서,
상기 스페이서의 둘레에 형성된 보호층을 더 포함하는 서셉터.
제6 항에 있어서,
상기 보호층은, SiC, TaC, HfN 및 TaN 중 어느 하나로 이루어지는 서셉터.
제1 항에 있어서,
상기 스페이서는 복수 개의 층으로 이루어지는 서셉터.
제1 항 또는 제8 항에 있어서,
상기 스페이서는 제1 층과 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층은 상기 제2 층 방향의 표면에 제1 요철을 가지고, 상기 제2 층은 상기 제1 층 방향에 상기 제1 요철과 역상인 제2 요철을 가지는 서셉터.
제1 항에 있어서,
상기 기판의 지름이 4인치이고, 상기 스페이서의 폭은 0.5 밀리미터 내지 5 미리미터인 서셉터.
제1 항에 있어서,
상기 복수 개의 스페이서가 서로 이격되어 배치된 서셉터.
제1 항 또는 제11 항에 있어서,
상기 복수 개의 스페이서는 원주를 이루는 서셉터.
제1 항에 있어서,
상기 스페이서와 상기 웨이퍼 및 상기 몸체의 그루브가 내부에 폐곡면을 이루는 서셉터.