KR20150125884A - 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛에 관한 것으로, 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스에서 다수의 웨이퍼 상에 질화갈륨(GaN) 막을 형성하는 공정에 있어서, 상기 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스 중심에 설치되며 상기 질화갈륨막을 형성하기 위한 공정가스로서 트리메칠갈륨(TMGA) 가스를 공급하는 제1튜브; 상기 제1튜브 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 제1튜브를 냉각시키기 위한 냉각 가스가 퍼니스 하부에서 인입되어 상부측 개구로 흘러가도록 된 제2튜브; 및 상기 제2튜브 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 제2튜브로부터 흘러나오는 냉각 가스를 수집하고 다시 하부쪽으로 상기 냉각 가스를 흘러가도록 하여 퍼니스 외부로 배출하도록 유도하는 제3튜브; 상기 제3튜브 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 퍼니스로부터 고온의 열을 차단하는 제4튜브를 포함하며, 상기 제1튜브로부터 연장되어 방사상으로 설치되는 공정가스 분사노즐은 상기 제2튜브, 상기 제3튜브를 거치면서 관통하여 설치되어 상기 제4튜브의 측면에서 퍼니스에 배치된 웨이퍼상에 상기 공정가스를 분출하도록 된 것이다.

Description

유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛{Nozzle Unit of MOCVD Apparatus}
본 발명은 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LED 반도체를 생산하기 위한 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스에서 다수의 웨이퍼에 트리메칠갈륨 공정시 일정 온도를 유지하면서 상기 트리메칠갈륨이 공급될 때 균일하고 원활하게 웨이퍼에 성막 공정이 이루어질 수 있도록 트리메칠 갈륨을 공급할 때 퍼니스 내의 고온의 온도를 단열함과 동시에 균일한 온도로서 공정 반응을 진행할 수 있도록 냉각가스에 의한 냉각을 함께 처리하도록 한 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛에 관한 것이다.
최근 다양한 산업분야에서 반도체 소자의 미세화와 고효율, 고출력 LED 개발등의 요구가 점차 많아짐에 따라서 품질이나 성능의 저하 없이 대량으로 생산할 수 있는 유기금속 화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 장치가 요구되고 있는 실정이다.
일반적인 MOCVD 장치는 소정 크기의 내부공간을 갖는 반응 챔버와, 그 내부공간에 설치되어 증착 대상물인 웨이퍼를 탑재하는 서셉터와, 상기 서셉터와 인접하도록 구비되어 소정의 열을 가하는 가열수단 등을 포함하며, 상기 챔버의 내부로 반응가스를 공급하는 가스유입구가 마련된다.
일반적으로 반도체 장치의 제조 과정에서, 저압 화학 기상 증착 공정 및 확산 공정은 통상적으로 종형의 퍼니스 내에서 이루어진다. 구체적으로, 퍼니스형 반도체 설비는 히터 블록이 구비되고 히터 블록 내부에 석영으로 이루어지는 아우트 튜브 및 이너 튜브로 구성된다. 또한, 이너 튜브 내에는 웨이퍼들을 적재하기 위한 보트가 구비되며, 상기 보트에 적재된 다수매의 웨이퍼는 한꺼번에 공정 공간, 즉 공정 챔버에 투입되어 증착 또는 확산 공정이 수행된다.
도 1은 종래의 퍼니스형 반도체 설비의 개략적인 구성을 보여주는 측단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 퍼니스형 반도체 설비(1)는 공정 튜브(100), 웨이퍼가 적재된 보우트(200a, 200c)들, 히터 어셈블리(300), 노즐 유닛(400)을 포함한다.
공정 튜브(100)는 하단부 일측에 공정 튜브(100) 내부를 감압시키기 위해 내부 공기를 강제 흡입하여 배기하기 위한 배기 포트(120)가 마련된다.
보우트(200a, 200c)들 각각은 25장 내지 150장의 웨이퍼들이 삽입되는 슬롯(202)들이 형성된 지지기둥(204)들을 포함하고, 보우트(200a, 200c)는 시일캡(210) 상에 장착된다.
시일캡(210)은 엘리베이터 장치인 구동부(230)에 의해 공정 튜브(100) 안으로 로딩되거나 또는 공정 튜브(100)밖으로 언로딩된다. 보우트가 공정 튜브(100)에 로딩되면, 시일캡(210)은 공정 튜브(100)의 플랜지(130)와 결합된다. 한편, 공정 튜브(100)의 플랜지(130)와 시일 캡(210)이 접촉하는 부분에는 실링(sealing)을 위한 오-링(O-ring)과 같은 밀폐부재가 제공되어 공정가스가 공정 튜브(100)와 시일 캡(210)사이에서 새어나가지 않도록 한다.
보우트(200a,200c) 각각은 회전가능하게 시일캡(210)상에 설치되며, 회전부재(290)가 설치되어 공정 진행시 보우트를 회전시킨다.
노즐 유닛(400)은 공정 튜브(100) 내부의 중앙부에 수직하게 위치되어 공정가스를 분사하게 되고, 공정 튜브(100) 하부로 흘러내려 배기포트(120)를 통해 배기된다.
노즐 유닛(400)에는 공정가스를 공급하는 공급라인(490)들 및 냉각부재(480)로 냉각매체를 공급하고 회수하는 라인(486,488)이 연결된다.
이때, 퍼니스에서 내에서 수행되는 공정이 유기금속 화학증착(MOCVD, metal organic chemical vapor deposition)이고, 웨이퍼 상에 질화갈륨(GaN) 막을 형성하는 경우, 공정가스는 트리메틸갈륨(Trimethylgallium)과 암모니아(ammonia) 중 어느 하나가 될 수 있는데, 특히 TMGA(Trimethylgallium, 트리메칠갈륨) 공정은 TMGA 특성상 500℃ 이하에서 분해가 일어나서 공정이 진행되기 때문에 챔버 내부 온도가 1100℃ 이상인 고온의 퍼니스 내부에서는 진행을 하기가 어려운 문제점이 있다.
따라서, TMGA 공정이 균일하고 일정한 온도인 500℃ 이하를 유지하면서 진행되도록 하기 위해서는 공정가스를 공급하는 동시에 퍼니스의 높은 온도를 단열하면서 냉각을 유지하도록 하여야 할 필요가 있는 것이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 그의 목적은 LED 반도체를 생산하기 위한 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스에서 다수의 웨이퍼에 트리메칠갈륨 공정시 일정 온도를 유지하면서 상기 트리메칠갈륨이 공급될 때 균일하고 원활하게 웨이퍼에 성막 공정이 이루어질 수 있도록 트리메칠 갈륨을 공급할 때 퍼니스 내의 고온의 온도를 단열함과 동시에 균일한 온도로서 공정 반응을 진행할 수 있도록 냉각가스에 의한 냉각을 함께 처리하도록 하는 것으로서, 퍼니스의 고온에 대한 단열튜브와 공정에 필요한 소스가스의 공급튜브 및 상기 공급튜브를 일정한 온도로 냉각 유지하기 위해서 상기 공급튜브 주위를 냉각시켜 유지하는 냉각가스의 인입튜브 및 배출튜브가 유기적이고 일체로 결합 구성된 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛은, 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스에서 다수의 웨이퍼 상에 질화갈륨(GaN) 막을 형성하는 공정에 있어서, 상기 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스 중심에 설치되며 상기 질화갈륨막을 형성하기 위한 공정가스로서 트리메칠갈륨(TMGA) 가스를 공급하는 제1튜브; 상기 제1튜브 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 제1튜브를 냉각시키기 위한 냉각 가스가 퍼니스 하부에서 인입되어 상부측 개구로 흘러가도록 된 제2튜브; 및 상기 제2튜브 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 제2튜브로부터 흘러나오는 냉각 가스를 수집하고 다시 하부쪽으로 상기 냉각 가스를 흘러가도록 하여 퍼니스 외부로 배출하도록 유도하는 제3튜브; 및 상기 제3튜브 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 퍼니스로부터 고온의 열을 차단하는 제4튜브를 포함하며, 상기 제1튜브로부터 연장되어 방사상으로 설치되는 공정가스 분사노즐은 상기 제2튜브, 상기 제3튜브를 거치면서 관통하여 설치되어 상기 제4튜브의 측면에서 퍼니스에 배치된 웨이퍼상에 상기 공정가스를 분출하도록 된 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛에 있어서, 상기 제4튜브의 내부는 단열처리된 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛에 있어서, 상기 제4튜브의 외부는 불투명처리되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛에 있어서, 상기 제1튜브로부터 연장되어 설치되는 공정가스 분사노즐들은 상기 제1튜브의 길이 방향으로서 120도 각도로 방사상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛에 있어서, 상기 제1튜브에서 공급되는 상기 질화갈륨막을 형성하기 위한 공정가스로서 트리메칠갈륨(TMGA) 가스는 500℃ 이하의 온도로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명은 LED 반도체를 생산하기 위한 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스에서 다수의 웨이퍼에 트리메칠갈륨 공정시 일정 온도를 유지하면서 상기 트리메칠갈륨이 공급될 때 균일하고 원활하게 웨이퍼에 성막 공정이 이루어질 수 있도록 한다.
또한, 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스에서 트리메칠 갈륨을 공급할 때 퍼니스 내의 고온의 온도를 단열함과 동시에 균일한 온도로서 공정 반응을 진행할 수 있도록 냉각가스에 의한 냉각을 함께 처리할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 퍼니스형 반도체 설비의 개략적인 구성을 보여주는 측단면도이다.
도2는 본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛의 단면도이다.
도3은 도2에 도시된 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛을 A-A' 방향에서 절단한 단면도이다.
도4는 본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛에서 공정가스와 냉각제의 유동 상태도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도2는 본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛의 단면도이다.
도3은 도2에 도시된 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛을 A-A' 방향에서 절단한 단면도이다.
도4는 본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛에서 공정가스와 냉각제의 유동 상태도이다.
도2, 도3을 참조하면, 본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛(400)은 수직형 퍼니스(1) 구조에서 반도체 화학기상 증착 공정이 수행되는 공정 튜브(100) 내부의 중앙부에 수직하게 위치된다.
본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛(400)은 도1에 도시된 바와 같은 수직형 퍼니스(1)의 가운데에 위치한 공정가스를 공급하기 위한 노즐 유닛으로부터 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스에서 다수의 웨이퍼 상에 질화갈륨(GaN) 막을 형성하는 공정을 진행하기 위한 공정가스가 공급된다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유기금속 화학기상 증착장치의 상기 노즐 유닛(400)은 4중 튜브 구성으로 제1튜브(410), 제2튜브(420), 제3튜브(430), 제4튜브(440)를 포함하며, 상기 튜브의 재질은 석영으로 이루어질 수 있다.
이처럼 4중구성은 제4튜브(440) 내의 공정가스인 트리메칠갈륨(TMGA) 가스의 온도를 유지하는 동시에 질화갈륨(GaN) 막을 형성하는 공정 튜브 내의 공정 온도 손실을 막아주는 이중 기능의 노즐 유닛을 구현할 수 있는 것이다.
상기 제1튜브(410)는 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스에서 다수의 웨이퍼 상에 질화갈륨(GaN) 막을 형성하는 공정에 있어서, 상기 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스 중심에 설치되며 상기 질화갈륨막을 형성하기 위한 공정가스로서 트리메칠갈륨(TMGA) 가스를 공급하게 된다.
상기 노즐 유닛(400)은 박막 형성을 위한 공정가스를 복수의 기판들 표면으로 분사하는 공정가스 분사노즐(412)들을 포함한다.
상기 공정가스 분사노즐(412)들은 상기 제1튜브(410)로부터 연장되어 설치되어 길이방향으로 웨이퍼가 적재된 높이만큼 설치되어 있다.
또한, 도3에 도시된 바와 같이 도2의 A-A' 방향에서 절단된 절단면 구조에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 공정가스 분사노즐(412)들은 상기 제1튜브의 길이 방향으로서 120도 각도로 방사상으로 설치되는 것이다.
상기 공정가스 분사노즐(412)들은 각각의 보우트에 적재되어 있는 기판들로 공정가스를 분사하게 된다.
이때, 상기 공정가스 분사노즐(412)들의 분사구들은 보우트에 놓여진 기판들 각각에 수평한 방향으로 공정가스를 분사할 수 있도록 위치되는 것이 바람직하다.
상기 공정가스 분사노즐(412)들의 분사구들들을 통해 분사되는 공정가스는 보우트에 적재되어 있는 기판들 전면에 고르게 유동되고, 공정 튜브(100) 하부로 흘러내려 배기포트를 통해 배기된다.
그리고, TMGA(Trimethylgallium, 트리메칠갈륨) 공정은 TMGA 특성상 500도 이하에서 분해가 일어나서 공정이 진행되기 때문에 상기 제1튜브(410) 내로 공급되는 공정가스는 500℃ 이하로 유지되어야 한다.
이를 위해서, 쿨링 노즐의 기능을 수행하기 위한 제2노즐(420)과 제3노즐(430)이 필요하게 되고, 이때의 제2노즐(420), 제3노즐(430)은 도2에서 도시된 바와 같이 이중관 구조로 되어있다.
도2, 도4를 참조하면, 상기 제2튜브(420)는 상기 제1튜브(410) 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 제1튜브(410)를 냉각시키기 위한 냉각 가스가 퍼니스 하부에서 인입되어 상부측 개구로 흘러가도록 하는 것이다.
또한, 상기 제3튜브(430)는 상기 제2튜브(420) 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 제2튜브(420)로부터 흘러나오는 냉각 가스를 수집하고 다시 하부쪽으로 상기 냉각 가스를 흘러가도록 하여 퍼니스 외부로 배출하도록 유도하는 것이다.
즉, 제2튜브(420)는 쿨링 가스 인포트(COOLING GAS IN PORT, 422)에 연결되어 냉각가스를 노즐 유닛에 도입하도록 구성되고, 제3튜브(430)는 쿨링 가스 아웃포트(COOLING GAS OUT PORT, 432)에 연결되어 쿨링 가스의 배출 통로로 구성되어, 이중 구조로서 냉각을 2차례 수행하도록 한다.
즉, 제2튜브(420), 제3튜브(430)는 쿨링 가스 플로우의 통로를 형성한다.
여기에서, 본 발명의 노즐 유닛(400)은 안쪽의 제2튜브(420)에서 외곽의 제3튜브(430) 쪽으로 쿨링 가스가 흘러들어가도록 하는 구성으로서, 먼저 내부의 제1튜브(410) 주위를 흐르면서 1차 냉각하고 나서 다시 제3튜브(430)로 유턴되어 공정 튜브(100)에서 발생하는 열을 상기 제1튜브(410)로 전달되지 못하게 차단함에 의하여 2차 냉각기능을 하게 된다.
한편, 최외각의 제4튜브(440)는 그 내부를 단열처리하고, 그 외부는 불투명 처리되어 있다.
최외각의 제4튜브(440)는 튜브 표면을 불투명 처리함으로써 공정튜브(100)에서 발생될 수 있는 1차 광원을 노즐 유닛(400)에 차단시키게 함과 동시에 내부에 단열재 구성으로 인하여 공정튜브(100)에서 발생되는 1100℃ 이상의 고온의 열을 노즐유닛(400)의 내부에서 공정가스를 공급하여 흐르고 있는 제1튜브(410)에 대하여 2차적으로 열차단을 하도록 하는 것이다.
한편, 도3에 도시된 제1튜브(410) 공정 가스인 트리메칠갈륨(TMGA) 가스를 공급하는 소스가스 노즐 구성으로 내부에서 외부로 분사 노즐(412)이 120°각도로 3개의 공정가스 분사노즐(412)로 구성되고, 웨이퍼 기판 생산량에 따라 상기 제1튜브(410)의 상하(길이방향)으로 구비되는 것이다.
또한, 상기 제1튜브로부터 연장되어 방사상으로 설치되는 공정가스 분사노즐(412)은 상기 제2튜브(420), 상기 제3튜브(430)를 거치면서 관통하여 설치되어 상기 제4튜브(440)의 측면에서 퍼니스에 배치된 웨이퍼상에 상기 공정가스를 분출하도록 되어있다.
이로써, LED 반도체를 생산하기 위한 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스에서 다수의 웨이퍼에 트리메칠갈륨 공정시 일정 온도를 유지하면서 상기 트리메칠갈륨이 공급될 때 균일하고 원활하게 웨이퍼에 성막 공정이 이루어질 수 있도록 트리메칠 갈륨을 공급할 때 퍼니스 내의 고온의 온도를 단열함과 동시에 균일한 온도로서 공정 반응을 진행할 수 있도록 냉각가스에 의한 냉각을 함께 처리하도록 할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1 : 퍼니스 100 : 공정튜브
400 : 노즐 유닛 410 : 제1튜브
412 : 분사노즐 420 : 제2튜브
430 : 제3튜브 440 : 제4튜브

Claims (5)

  1. 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스에서 다수의 웨이퍼 상에 질화갈륨(GaN) 막을 형성하는 공정에 있어서,
    상기 유기금속 화학기상 증착장치의 퍼니스 중심에 설치되며 상기 질화갈륨막을 형성하기 위한 공정가스로서 트리메칠갈륨(TMGA) 가스를 공급하는 제1튜브;
    상기 제1튜브 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 제1튜브를 냉각시키기 위한 냉각 가스가 퍼니스 하부에서 인입되어 상부측 개구로 흘러가도록 된 제2튜브;
    상기 제2튜브 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 제2튜브로부터 흘러나오는 냉각 가스를 수집하고 다시 하부쪽으로 상기 냉각 가스를 흘러가도록 하여 퍼니스 외부로 배출하도록 유도하는 제3튜브; 및
    상기 제3튜브 외곽 둘레를 감싸면서 설치되며, 상기 퍼니스로부터 고온의 열을 차단하는 제4튜브를 포함하며,
    상기 제1튜브로부터 연장되어 방사상으로 설치되는 공정가스 분사노즐은 상기 제2튜브, 상기 제3튜브를 거치면서 관통하여 설치되어 상기 제4튜브의 측면에서 퍼니스에 배치된 웨이퍼상에 상기 공정가스를 분출하도록 된 것을 특징으로 하는 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4튜브의 내부는 단열처리된 것을 특징으로 하는 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4튜브의 외부는 불투명처리되어 있는 것을 특징으로 하는 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1튜브로부터 연장되어 설치되는 공정가스 분사노즐들은 상기 제1튜브의 길이 방향으로서 120도 각도로 방사상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1튜브에서 공급되는 상기 질화갈륨막을 형성하기 위한 공정가스로서 트리메칠갈륨(TMGA) 가스는 500℃ 이하의 온도로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 유기금속 화학기상 증착장치의 노즐 유닛.
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