KR20180014456A

KR20180014456A - 회전형 수직형 hvpe 시스템의 리액터 장치

Info

Publication number: KR20180014456A
Application number: KR1020160097728A
Authority: KR
Inventors: 한경섭
Original assignee: 주식회사 에피룩스
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2016-08-01
Publication date: 2018-02-09
Also published as: KR101921082B1

Abstract

본 발명은 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치에 관한 것으로, 기존의 수펑형 타입의 리액터 구조가 아닌 회전형 수직형 타입의 리액터 구조로서 5um ~ 450um 이상의 고품질의 에피 박막을 일정한 두께로 미세 Gas(HCL,NH3,N2)조절이 가능한 회전형 리액터 공법으로 HCL과 NH3의 층류(Laminar flow)를 형성시킴으로서, GaN 에피박막의 일정률(uniformity)을 향상시키고 고른 두께의 증가로 전위밀도와 결정성을 개선시켜 내부 양자 효율을 증가시키므로, 본 발명으로 증착된 에피 박막을 이용하여, 전력반도체, 태양광, rf 소자, 레이져 다이오드, 적외선 센서 등에 응용시 제품의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있다.

Description

회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치{Apparatus for reactor of a rotation and vertical type HVPE system}

본 발명은 수소화학 증착장비인 HVPE 시스템으로 질화갈륨 나이트라이드(GaN)에 피박막을 5um ~ 수 mm이상의 벌크(bulk) GaN와 도핑(Dopping) 처리된 GaN 박막 고품질의 일정한(uniformity) 두께로 증착 할 수 있는 회전 형, 수직 형 타입의 HVPE 리액터(Reactor) 설계 및 제조방법에 관한 것으로, 특히 기존의 수펑형 타입의 리액터 구조가 아닌 회전형 수직형 타입의 리액터 구조로서 5um ~ 450um 이상의 고품질의 에피 박막을 일정한 두께로 미세 Gas(HCL,NH3,N2)조절이 가능한 회전형 리액터 공법으로, HCL과 NH3의 층류(Laminar flow)를 형성시킴으로서, GaN 에피박막의 일정률(uniformity)을 향상시키고, 고른 두께의 증가로 전위밀도와 결정성을 개선시켜 내부 양자 효율을 증가시키도록 한 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치에 관한 것이다.

종래의 수평형 수소화학 증착장비인 HVPE 시스템은 장비 자체가 갖는 한계인 R&D 수준의 장비로 양산성에 크게 미흡하다. 그 이유는 수평형 타입의 근본적인 문제는 수평적 gas 흐름과 미세 gas조절의 어려움으로 HCL과 NH3의 층류(Laminar flow) 형성이 잘 이루어지지 않아, GaN 에피 증착이 잘되지 않아 효율이 떨어지는 GaN(에피막)이 형성되고, 마이크로 슬립과 크랙이 발생하여 기판이 깨지는 현상이 발생한다(도 1 참조).

또한, 수평형은 리액터 구경과 구조의 한계로 인해, 리액터의 구경이 6인치의 경우 10장 미만의 증착이 가능하지만, 그나마도 HCL과 NH3의 층류가 좋지 않아 기판의 일정률(uniformity)이 프론트(front)쪽과 리어(rear)쪽의 불균일로 양질의 품질을 기대할수 없는 문제점 있었다.

이러한 구조적 문제점으로 인해 수평형은 GaN 에피 증착의 두께 형성에 있어 불 균일을(리액터 아폭과 뒤쪽의 기판의 두께 불균일) 야기 시키며, 두께 증가에 따른 고품질의 에피증착이 어려움을 야기시킨다.

최근 10여년간 이어져온 연구에도 불구하고, 수평형 타입의 HVPE 시스템으로서는 양질의 GaN 에피 증착을 어렵게 하였고, GaN 에피 기판의 우수성에도 불구하고 상업용 양산장비의 출현은 실현되지 않았다.

수평형은 층류 형성이 매우 어렵고, 리액터의 대구경화가 어려워 많은 양의 기판을 양산할 수 있는 구조로서 부적합하다.

따라서, 이런 복잡하고 까다로운 종래기술의 문제점을 해결 하기 위해서는 HCL과 NH3의 층류 형성이 용이하고 미세 gas조절이 가능한 회전형, 수직형 타입의 리액터가 장착된 상업용 HVPE 시스템의 설계 및 제조가 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-0893360호(2009년 04월 07일)

본 발명은 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존의 수펑형 타입의 리액터 구조가 아닌 회전형 수직형 타입의 리액터 구조로서 5um ~ 450um 이상의 고품질의 에피 박막을 일정한 두께로 미세 Gas(HCL,NH3,N2)조절이 가능한 회전형 리액터 공법으로 HCL과 NH3의 층류(Laminar flow)를 형성시킴으로서, GaN 에피박막의 일정률(uniformity)을 향상시키고 고른 두께의 증가로 전위밀도와 결정성을 개선시켜 내부 양자 효율을 증가시키므로, 본 발명으로 증착된 에피 박막을 이용하여, 전력반도체, 태양광, rf 소자, 레이져 다이오드, 적외선 센서 등에 응용시 제품의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있는 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 소오스 존을 포함하는 히터부; 리액터 존을 포함하며 상기 히터부 아래 형성된 메인 챔버부; 상기 메인 챔버부 하단에 형성되어 와퍼를 로딩하는 와퍼 홀더를 포함하며, 상기 히터부의 소오스 존에서는 GaCl이 형성되는 공간으로서 온도는 섭씨 800 ~950도의 온도 유지 구간으로, 1차 2차 3차 Ga 보트가 한 그룹으로 Ga 보트(boat)가 층층별 계단형태로 설계되었으며, 1차 GaCl, 2차 GaCl, 3차 GaCl Gas을 생성시키는 구조로 되어 상기 소오스 존 내에 3개 그룹으로 설계된 것을 특징으로 하는 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치를 제공한다.

상기 메인 챔버부는 GaN 가 형성되는 공간으로써, process 온도가 1000도에서 1200도의 온도 유지구간에서 2인치 기판인 사파이어기판 또는 SI-C기판, Silicon기판, AlN 기판 등을 25장, 6인치 5장을 로딩할수 있는 라운드 형태의 ceceptor 구조인 것이 바람직하다.

상기 와퍼 홀더부는 로테이션 모터를 포함하며, 로테이션 회전을 결정하는 부분으로 회전속도는 분당 0회전부터 100회전까지 회전할 수 있는 구조로 설계된 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치에 의하면, 기존의 수펑형 타입의 리액터 구조가 아닌 회전형 수직형 타입의 리액터 구조로서 5um ~ 450um 이상의 고품질의 에피 박막을 일정한 두께로 미세 Gas(HCL,NH3,N2)조절이 가능한 회전형 리액터 공법으로, HCL과 NH3의 층류(Laminar flow)를 형성시킴으로서, GaN 에피박막의 일정률(uniformity)을 향상시키고, 고른 두께의 증가로 전위밀도와 결정성을 개선시켜 내부 양자 효율을 증가시키므로, 본 발명으로 증착된 에피 박막을 이용하여, 전력반도체, 태양광, rf 소자, 레이져 다이오드, 적외선 센서 등에 응용시 제품의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 회전형 수직형 타입의 hvpe 시스템은 소오스 존(source zone)의 온도는 800~900도의 리엑터내에 1~27개의 HCL을 미세 조정할 수 있는 정밀한 mfc을 이용해 2sccm에서 550sccm까지 정교하게 미세 조정할 수 있는 mfc와, NH3와 n2,h2가스 조절을 통해 프로세스 존(process zone)의 온도는 1000도에서 1150도에서의 적절한 회전을 통해 층류(Laminar flow) 형성을 최적화 시켜 GaN 증착 두께를 5um ~ 수 mm 벌크 GaN와 도핑 처리된 ~10-19~21/cm2 이상의 고품질의 에피 박막을 일정률(UNIFORMITY)한 두께로 미세 Gas(HCL,NH3,N2)조절이 가능한 회전형 리액터 공법으로, HCL과 NH3의 층류를 형성시킴으로서, GaN 에피박막의 일정률을 향상시키고, 400um의 GaN박막에서는 전위밀도는 Crack Free, No bowing (5x10 ^5~6) 을 성장시키며, 결정성을 개선시켜 내부 양자 효율을 증가시키므로, 이 방법으로 증착된 에피 박막을 이용하여, 전력반도체, 태양광, rf 소자, 레이져 다이오드, 적외선 센서 등에 응용시 제품의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있음은 물론이고, 회전형, 수직형 타입의 hvpe 리액터로서 국내는 물론 수입 대체 효과와 수출에 기여하는 바가 클 것으로 예상된다.

도 1은 종래 수평형 HVPE 시스템의 리액터 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치를 나타낸 구조도로서, 히터부를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 히터부를 상세히 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 히터부를 더욱 상세히 나타낸 평단면도,
도 5는 본 발명의 메인 챔버부를 상세히 나타낸 일부 절개 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치를 나타낸 구조도,
도 7은 본 발명에 따른 와퍼 홀더부를 나타낸 사시도이다.

본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 그중 특정 실시예를 상세한 설명과 도면의 예시를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 주지 관용 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치를 나타낸 구조도로서, 히터부를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명의 히터부를 상세히 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 히터부를 더욱 상세히 나타낸 평단면도이다. 도 5는 본 발명의 메인 챔버부를 상세히 나타낸 일부 절개 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치를 나타낸 구조도이고, 도 7은 본 발명에 따른 와퍼 홀더부를 나타낸 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치는 히터부(100), 메인 챔버부(200), 와퍼 홀더부(300) 및 로테이션 모터(400)를 포함한다.

상기 히터부(100)는 1차 Ga 보트(110), 2차 Ga 보트(120), 3차 Ga 보트(130)를 포함하고, 히터부(100)에는 소오스 존(210)이 형성되고, 메인 챔버부(200)에는 리액터 존(220)이 형성된다.

본 발명은 종래의 hvpe 시스템 장비가 갖고 있는 r&d 수준의 장비로 상업성이 크게 떨어지는 수평형 타입의 장비대신, 회전형 수직형 타입의 리액터형 hvpe 시스템으로서, 상기와 같이 크게 히터부(100), 메인 챔버부(200), 와퍼 홀더부(300)로 구성되어 있다.

히터부(100)의 소오스 존(210)에서는 GaCl이 형성되는 공간으로서 온도는 섭씨 800 ~950도의 온도 유지 구간으로, 1차 2차 3차 Ga 보트(110, 120, 130)가 한 그룹으로 Ga 보트(boat)가 층층별 계단형태로 설계되었으며, 1차 GaCl, 2차 GaCl, 3차 GaCl Gas을 생성시키는 구조로 되어 있고 소오스 존(210) 내에 3개 그룹으로 설계되었으며, back hcl 구조가 포함되어 있다.

상기 히터부(100)의 소오스 존(source zone)(210)은 Ga과 Hcl 을 구성하는 3개의 구룹과 nh3와n2, sih4 튜브(tube) 라인(140)을 갖는 구조로 함께 설계되어 있다.

메인 챔버부(200)는 GaN 가 형성되는 공간으로써, process 온도가 1000도에서 1200도의 온도 유지구간에서 2인치 기판인 사파이어기판 또는 SI-C기판, Silicon기판, AlN 기판 등을 25장, 6인치 5장을 로딩할수 있는 라운드 형태의 ceceptor 구조이다.

와퍼 홀더부(300)는 로테이션 회전을 결정하는 부분으로 회전속도는 분당 0회전부터 100회전까지 회전할 수 있는 구조로 설계되었다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 기존의 수펑형 타입의 리액터 구조가 아닌 회전형 수직형 타입의 리액터 구조로서 5um ~ 450um 이상의 고품질의 에피 박막을 일정한 두께로 미세 Gas(HCL,NH3,N2)조절이 가능한 회전형 리액터 공법으로, HCL과 NH3의 층류(Laminar flow)를 형성시킴으로서, GaN 에피박막의 일정률(uniformity)을 향상시키고, 고른 두께의 증가로 전위밀도와 결정성을 개선시켜 내부 양자 효율을 증가시키므로, 본 발명으로 증착된 에피 박막을 이용하여, 전력반도체, 태양광, rf 소자, 레이져 다이오드, 적외선 센서 등에 응용시 제품의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있다.

본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것으로, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 본 발명의 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.

100 : 히터부 110 : 1차 Ga 보트
120 : 2차 Ga 보트 130 : 3차 Ga 보트
140 : 튜브 라인 200 : 메인 챔버부
210 : 소오스 존 220 : 리액터 존
300 : 와퍼 홀더부 400 : 로테이션 모터

Claims

소오스 존을 포함하는 히터부;
리액터 존을 포함하며 상기 히터부 아래 형성된 메인 챔버부;
상기 메인 챔버부 하단에 형성되어 와퍼를 로딩하는 와퍼 홀더를 포함하며,
상기 히터부의 소오스 존에서는 GaCl이 형성되는 공간으로서 온도는 섭씨 800 ~950도의 온도 유지 구간으로, 1차 2차 3차 Ga 보트가 한 그룹으로 Ga 보트(boat)가 층층별 계단형태로 설계되었으며, 1차 GaCl, 2차 GaCl, 3차 GaCl Gas을 생성시키는 구조로 되어 상기 소오스 존 내에 3개 그룹으로 설계된 것을 특징으로 하는 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치.
제 1항에 있어서,
상기 메인 챔버부는
GaN 가 형성되는 공간으로써, process 온도가 1000도에서 1200도의 온도 유지구간에서 2인치 기판인 사파이어기판 또는 SI-C기판, Silicon기판, AlN 기판 등을 25장, 6인치 5장을 로딩할수 있는 라운드 형태의 ceceptor 구조인 것을 특징으로 하는 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치.
제 1항에 있어서,
상기 와퍼 홀더부는
로테이션 모터를 포함하며, 로테이션 회전을 결정하는 부분으로 회전속도는 분당 0회전부터 100회전까지 회전할 수 있는 구조로 설계된 것으로 특징으로 하는 회전형 수직형 HVPE 시스템의 리액터 장치.