KR20200079167A - 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치 - Google Patents

갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치 Download PDF

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KR20200079167A
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이명현
권용진
김경호
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한국세라믹기술원
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Abstract

본 발명은 갈륨(Ga) 수용액을 초음파 진동을 이용하여 미스트(mist)를 생성하고, 생성된 미스트를 석영관 내측으로 공급할 때 유입구에 연결되는 가이드튜브를 통해 미스트를 기판의 중앙부로 집중되게 안내함으로써 기판에 갈륨 옥사이드(Ga2O3)를 균일하게 성장시킬 수 있도록 한 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치는, 갈륨(Ga) 수용액에 초음파 진동을 가하여 미스트(mist)를 생성하는 미스트 생성 및 공급부; 상기 미스트 생성 및 공급부에서 생성된 미스트가 유입되는 유입구가 일측에 형성되고, 반대편 일측에 미스트가 배출되는 배출구가 형성되어 있는 공급관; 상기 공급관의 내측에 설치되어 미스트에 의해 α-phase 갈륨 옥사이드(α-Ga2O3) 박막이 증착되는 기판; 및, 상기 공급관의 유입구에 연결되며, 상기 유입구에서 기판 쪽으로 연장되어 기판으로 미스트를 유도하는 가이드튜브;를 포함할 수 있다.

Description

갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치{Mist Chemical Vapor Deposition Instrument for Forming Gallium Oxide Film}
본 발명은 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 갈륨(Ga) 수용액을 초음파 진동을 이용하여 미스트(mist)를 생성하고, 생성된 미스트를 석영관 내측으로 공급하여 성장면(기판)에 갈륨 옥사이드(Ga2O3)를 균일하게 성장시킬 수 있도록 한 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치에 관한 것이다.
고전력, 고주파 특성을 갖는 반도체 소자를 구현하기 위해서는 높은 항복 전압과 동시에 높은 전자이동도를 갖는 반도체 소재가 필요한데, 이러한 점에서 SiC, GaN, Ga2O3 등이 유리하다. 전력 반도체(power semiconductor) 소재 기반 반도체 소자는 소형화, 고전압, 고속 스위칭의 결과로 고효율, 저손실을 실현할 수 있는 차세대 전력 소자로 다양한 고성능 전력 기기에 활발히 응용되고 있다.
SiC 전력 반도체 소재는 약 900 V 이상의 인버터, HEV·EV의 모터 구동 등에 사용되며, 실리콘 전력 반도체의 공정 과정이 유사하여 일부 주요 공정 및 장비의 추가로 제조가 가능하여 실리콘을 대체할 만한 소재로 각광을 받고 있다. 하지만, 단결정 성장이 어렵고 생산 단가가 비싸고 에피층 증착 시 많은 결함이 발생한다는 문제를 안고 있다. GaN 전력 반도체 소재는 SiC와 비교하여 상대적으로 낮은 전력의 인버터, 전력 변환 소자로 이용되며 고속 스위칭 소자로 활용된다. 일반적으로, 전력 반도체 소자는 상시불통(normally off) 동작을 해야 하는 특성이 있다. GaN의 경우 SiC보다 고속 스위칭 특성은 우수하나, normally off 동작이 어려워 고전력용 스위칭 소자로 사용하기에 치명적인 단점과 단결정 성장이 어렵다는 점이 문제로 남아 있다.
갈륨 옥사이드는 SiC와 GaN에 비해 더 넓은 에너지 밴드갭을 가지는 소재로서 융액 성장을 통한 단결정 기판 제작이 가능하여 최근 활발하게 연구 개발이 진행되고 있다.
갈륨 옥사이드(Ga2O3)는 4.5 ~ 5.3 eV의 넓은 에너지 밴드갭을 갖기 때문에 고내압, 저손실 전력 반도체용 소재로 유용하고 SiC, GaN보다 3배 더 큰 8 MV/㎝의 breakdown field를 갖는 산화물 반도체로서 전력 반도체 시장에서 주목받고 있는 소재이다. 갈륨 옥사이드(Ga2O3)는 총 5개의 결정 구조(α, β, γ, δ, ε 형)로 구성될 수 있다. 그 중 β-phase의 갈륨 옥사이드(β-Ga2O3)는 단사정계 구조를 가지며 열역학적으로 가장 안정한 상으로서 단결정 호모 에피텍셜 성장에 유리하다고 보고되었다. 그리고 α-phase의 갈륨 옥사이드(α-Ga2O3)는 밴드갭이 5.3 eV로 가장 커서 전력반도체로서 유리한 특성을 가지고 있다.
α-Ga2O3를 성장시키기 위해서 분자빔 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MPE), 수소화물 기상 에피택시 (Halide Vapor Phase Epitaxy), 미스트 화학기상증착법(Mist Chemical Vapor Deposition: Mist-CVD)이 활용되고 있다.
이 중 미스트 화학기상증착법(Mist-CVD)은 무진공 상태로 진행되며 성장용액을 분무화(mist)시켜서 성장시키는 방법으로, 저가형 시스템 구축이 가능하지만, 박막의 균일도를 확보하기 어려운 문제가 있다.
도 1은 종래의 Mist-CVD의 공급관(석영관)(1) 내부에 α-Ga2O3를 성장시키기 위한 미스트를 공급할 때 발생하는 유체(미스트 + 캐리어 가스) 흐름의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 공급관(1)의 유입구(2)를 통해 유입된 미스트가 온도차에 의해 아래로 깔려서 흘러가게 되고, 서셉터(4) 상에 놓여진 기판(5)의 아래에서 위로 흘러가다가 유출구(3) 쪽으로 진행하게 된다.
이와 같이 종래에는 유입구(2)를 통해 유입되는 미스트가 기판(5)의 아래쪽에 집중되어 기판(5) 위에 성장되는 박막의 균일도가 낮아지는 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허 제10-1708283호(2017.02.14. 등록) 대한민국 공개특허 제10-2018-0080295호(2018.07.11. 등록) 대한민국 공개특허 제10-2015-0019623호(2015.02.25. 공개)
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 미스트 화학기상증착법(Mist-CVD)으로 기판 상에 미스트를 공급하여 α-phase 갈륨 옥사이드(α-Ga2O3) 박막을 균일하게 성장시킬 수 있는 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치는, 갈륨(Ga) 수용액에 초음파 진동을 가하여 미스트(mist)를 생성하는 미스트 생성 및 공급부; 상기 미스트 생성 및 공급부에서 생성된 미스트가 유입되는 유입구가 일측에 형성되고, 반대편 일측에 미스트가 배출되는 배출구가 형성되어 있는 공급관; 상기 공급관의 내측에 설치되어 미스트에 의해 α-phase 갈륨 옥사이드(α-Ga2O3) 박막이 증착되는 기판; 및, 상기 공급관의 유입구에 연결되며, 상기 유입구에서 기판 쪽으로 연장되어 기판으로 미스트를 유도하는 가이드튜브;를 포함할 수 있다.
본 발명의 한 형태에 따르면, 상기 가이드튜브는 공급관의 길이 방향을 따라 일자형으로 연장된 원통관 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 상기 가이드튜브는 출구부가 위치한 끝단부가 지면(地面)에 대해 수평한 축에 대해 일측으로 일정한 각도로 절곡되게 형성될 수 있다.
이 때, 상기 가이드튜브는 끝단부가 지면(地面)에 대해 수평한 축에 대해 하측으로 45°~ 90°로 절곡되게 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 공급관의 유입구를 통해 유입된 미스트가 가이드튜브에 의해 기판 쪽으로 안내되어 기판 면의 중앙부로 집중된다. 따라서 기판의 면 전체에 걸쳐 미스트가 균일하게 공급되므로 기판에 성장되는 α-Ga2O3 박막의 균일도를 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술로서, 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치의 공급관 내에서 발생하는 미스트 흐름의 시뮬레이션 결과를 나타낸 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시한 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치의 주요 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치의 공급관 내에서 발생하는 미스트 흐름의 시뮬레이션 결과를 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가이드튜브가 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치에 적용된 예를 나타낸 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시한 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치의 주요 구성을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치의 가이드튜브의 또 다른 실시예를 나타낸 요부 단면도이다.
도 8 및 도 9는 각각 도 6 및 도 7에 도시한 가이드튜브를 적용한 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치의 공급관 내에서 발생하는 미스트 흐름의 시뮬레이션 결과를 나타낸 이미지이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치를 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치를 나타낸 것으로, 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치는, 갈륨(Ga) 수용액에 초음파 진동을 가하여 미스트(mist)를 생성하는 미스트 생성 및 공급부와, 상기 미스트 생성 및 공급부에서 생성된 미스트가 유입되는 유입구(101)와 미스트가 배출되는 유출구(102)가 형성되어 있는 공급관(100), 상기 공급관(100)의 내측에 설치되는 기판 홀더인 서셉터(110)(susceptor), 상기 서셉터(110) 상에 설치되어 미스트에 의해 α-phase 갈륨 옥사이드(α-Ga2O3) 박막이 증착되는 기판(120), 및 상기 공급관(100)의 유입구(101)에 연결되어 유입구(101)를 통해 유입되는 미스트를 기판(120)으로 유도하는 가이드튜브(130)를 포함한다.
상기 미스트 생성 및 공급부는 캐리어 가스(N2 또는 O2)를 공급하는 캐리어가스 탱크(11), 캐리어가스 탱크(11)로부터 송출되는 캐리어 가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(12), 상기 캐리어가스 탱크(11)로부터 송출되는 캐리어 가스를 공급받으며 갈륨(Ga) 수용액이 수용되는 미스트발생챔버(13), 상기 미스트발생챔버(13)가 잠겨지는 물이 수용되는 물저장용기(15), 상기 물저장용기(15)의 저면에 설치되어 초음파 진동을 발생시키는 초음파발생기(16)를 포함한다. 상기 미스트발생챔버(13)는 미스트공급라인(14)을 통해 상기 공급관(100)의 유입구(101)에 연결되어 미스트를 공급한다.
따라서, 상기 초음파발생기(16)가 작동하여 물에 초음파 진동이 발생하면, 초음파 진동이 미스트발생챔버(13)로 전파되어 미스트발생챔버(13) 내의 갈륨 수용액이 초음파 진동에 의해 무화되어 미스트(mist)가 발생하게 되고, 미스트는 캐리어 가스와 함께 미스트발생챔버(13)의 배출구를 통해 배출된 후 미스트공급라인(14)에 의해 공급관(100)으로 송출된다.
상기 공급관(100)은 대략 100㎜의 내경을 갖는 중공의 석영관(quartz tube)로 되어 가열로(furnace)(20) 내에 설치되며, 공급관(100)의 외측에는 히터(21)가 설치된다. 그리고 공급관(100)의 유출구(102)는 배기펌프(31)와 연결되며, 유출구(102)와 배기펌프(31)를 연결하는 배기라인(32)에는 배기량조절밸브(33)가 설치된다.
상기 서셉터(110)는 공급관(100)의 내부에 설치되며, 석영(quartz)으로 이루어진다. 상기 서셉터(110)의 면 중 유입구(101)를 향한 면에 기판(120)이 놓여지며, 이 기판(120)이 놓여지는 면은 지면(地面)에 대해 일정한 각도(예를 들어 45°)로 경사지게 형성된다.
상기 기판(120)은 서셉터(110) 상에 지지되며, 기판(120)으로서 사파이어 기판을 이용할 수 있다.
한편 상기 유입구(101)에는 기다란 일자형 원통관 형태의 가이드튜브(130)가 연결되어 미스트발생챔버(13)로부터 송출되는 미스트를 기판(120) 쪽으로 유도한다. 상기 가이드튜브(130)는 유입구(101)로부터 기판(120)을 향해 길이 방향으로 수평하게 연장되어, 유입구(101)를 통해 유입되는 미스트가 공급관(100)의 바닥으로 흐르지 않고 기판(120)의 면을 향해 흐르도록 미스트를 안내함으로써 기판(120) 면 전체에 걸쳐 균일하게 α-Ga2O3 박막이 성장되도록 한다.
도 4는 상기 가이드튜브(130)가 설치되어 있는 공급관(100) 내측으로 미스트를 공급하였을 때 발생하는 유체(미스트+캐리어 가스) 흐름의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 공급관(100)의 유입구(101)를 통해 유입된 미스트는 가이드튜브(130)에 의해 기판(120) 쪽으로 안내된 후 가이드튜브(130) 말단의 출구부에서 배출되면서 기판(120)의 중앙 면으로 집중된다. 기판(120)을 통과한 미스트는 공급관(100)의 유출구(102)를 통해 배출된다.
이와 같이 공급관(100) 내로 공급되는 미스트가 가이드튜브(130)에 의해 기판(120) 쪽으로 안내되므로 기판(120)의 면 전체에 걸쳐 미스트가 균일하게 공급되고, 기판(120)에 성장되는 α-Ga2O3 박막의 균일도를 대폭 향상시킬 수 있게 된다.
전술한 실시예에서 가이드튜브(130)는 직경이 일정한 일자형의 원통관 형태를 갖지만, 도 5 및 도 6에 다른 실시예로 나타낸 것과 같이 출구 부분이 일측으로 소정의 각도로 절곡된 관 형태를 가질 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 가이드튜브(130)는 유입구(101)로부터 기판(120)을 향해 수평하게 연장되다가 끝단부가 지면(地面)에 대해 수평한 축에 대해 하측으로 일정한 각도(θ)로 절곡되면서 경사지게 형성되어 유입구(101)를 통해 유입되는 미스트가 공급관(100)의 바닥으로 흐르지 않고 기판(120)의 면을 향해 흐르도록 함으로써 기판(120) 면 전체에 걸쳐 균일하게 α-Ga2O3 박막이 성장되도록 한다.
상기 가이드튜브(130)의 끝단부가 하측으로 절곡된 각도(θ)는 대략 45°~ 90°일 수 있는데, 예를 들어 도 6에 도시한 것과 같이 가이드튜브(130)의 끝단부가 하측으로 절곡된 각도(θ)가 대략 45°일 수 있다. 또는 도 7에 또 다른 실시예로 나타낸 것과 같이 가이드튜브(130)의 끝단부가 하측으로 절곡된 각도(θ)가 대략 90°일 수 있다.
도 8 및 도 9는 상기 가이드튜브(130)가 설치되어 있는 공급관(100) 내측으로 미스트를 공급하였을 때 발생하는 유체(미스트+캐리어 가스) 흐름의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 도 5는 가이드튜브(130)의 끝단부가 하측으로 절곡된 각도(θ)가 45°인 경우이고, 도 6은 가이드튜브(130)의 끝단부가 하측으로 절곡된 각도(θ)가 90°인 경우를 나타낸다. 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 공급관(100)의 유입구(101)를 통해 유입된 미스트는 가이드튜브(130)에 의해 기판(120) 쪽으로 안내된 후 가이드튜브(130) 말단의 출구부에서 배출되면서 기판(120)의 중앙 면으로 집중된다. 기판(120)을 통과한 미스트는 공급관(100)의 유출구(102)를 통해 배출된다.
이와 같이 공급관(100) 내로 공급되는 미스트가 가이드튜브(130)에 의해 기판(120) 쪽으로 안내되며, 가이드튜브(130)의 절곡된 끝단부를 통해 토출되어 기판(120)의 면 전체에 걸쳐 미스트가 균일하게 공급되고, 기판(120)에 성장되는 α-Ga2O3 박막의 균일도를 대폭 향상시킬 수 있게 된다.
또한 전술한 실시예들의 가이드튜브(130)는 내경이 모두 일정한 관 형태를 갖지만, 이와 다르게 출구 부분에서 내경이 확장되거나, 그 반대로 줄어드는 형태를 가질 수도 있다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
11 : 캐리어가스 탱크 12 : 유량조절밸브
13 : 미스트발생챔버 14 : 미스트공급라인
15 : 물저장용기 16 : 초음파발생기
20 : 가열로(furnace) 21 : 히터
31 : 배기펌프 32 : 배기라인
33 : 배기량조절밸브 100 : 공급관
101 : 유입관 102 : 유출관
110 : 서셉터 120 : 기판
130 : 가이드튜브

Claims (4)

  1. 갈륨(Ga) 수용액에 초음파 진동을 가하여 미스트(mist)를 생성하는 미스트 생성 및 공급부;
    상기 미스트 생성 및 공급부에서 생성된 미스트가 유입되는 유입구가 일측에 형성되고, 반대편 일측에 미스트가 배출되는 배출구가 형성되어 있는 공급관;
    상기 공급관의 내측에 설치되어 미스트에 의해 α-phase 갈륨 옥사이드(α-Ga2O3) 박막이 증착되는 기판; 및,
    상기 공급관의 유입구에 연결되며, 상기 유입구에서 기판 쪽으로 연장되어 기판으로 미스트를 유도하는 가이드튜브;
    를 포함하는 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가이드튜브는 공급관의 길이 방향을 따라 일자형으로 연장된 원통관 형태를 갖는 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가이드튜브는 출구부가 위치한 끝단부가 지면(地面)에 대해 수평한 축에 대해 일측으로 일정한 각도로 절곡되게 형성된 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가이드튜브는 끝단부가 지면(地面)에 대해 수평한 축에 대해 하측으로 45°~ 90°로 절곡되게 형성된 갈륨옥사이드 박막 성장용 미스트 화학기상증착(Mist-CVD) 장치.
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