KR20240097607A - 부식방지 구조를 포함하는 탄화규소 화학기상 증착장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄화규소 화학기상 증착장치에 관한 것으로, 피처리물의 처리 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버의 처리 공간에 열에너지를 제공하는 가열부; 상기 챔버에 공정 가스를 공급하는 가스 라인; 상기 가스 라인과 연결되고, 상기 챔버 내측면에 배치된 복수개의 분사 노즐; 및 상기 챔버 내주면을 따라 형성된 단열부;를 포함하고, 상기 챔버 및 단열부 사이의 이격 공간에 기체를 순환시킬 수 있다.
Description
본 발명은 반응 과정에서 발생하는 부식성 가스를 효과적으로 제거하는 탄화규소 화학기상 증착장치에 관한 것이다.
탄화규소(SiC)는 내열성, 내식성, 내산화성, 내열충격성 등이 우수하기 때문에 고온반도체, 고온구조재료, 반도체용부재 등으로의 응용에 유망한 재료이다.
소결탄화규소의 경우 제조시 일반적으로 2000℃ 이상의 고온이 필요하고, 소결 첨가제와 기공을 포함하고 있으므로 순도가 낮은 단점이 있다.
반면, 화학 증착에 의해 제조된 탄화규소(chemically vapor deposited SiC, CVD-SiC)는 실리콘(Si) 및 탄소(C)를 포함하는 기체를 이용하여 소결 과정을 거치지 않고 약 1200 내지 1500℃의 상대적으로 낮은 온도에서 기체를 이용하여 직접 탄화규소 고체를 형성하므로 치밀하고 순도가 높은 장점이 있다.
탄화규소 에피택셜 성장에 적용되는 화학기상 증착 시스템은 기본적으로 Si와 C를 포함하는 소스를 가열된 단결정 기판이 있는 반응기로 주입하여 기판 표면에서의 화학적 반응으로 에피택셜 층이 성장하는 방식으로 이루어진다.
일반적으로, 화학기상 증착법을 통해 탄화규소를 증착하는 경우 메틸트리클로로실란(MTS)이 전구체로 사용되며, 전구체에서 염소 성분을 제거하기 위해 수소 가스를 공정 가스로 함께 투입하게 되면 부산물로 부식성 가스인 염산(HCl) 가스가 발생하게 되어 금속 재질로 이루어진 챔버의 부식을 유발할 수 있다.
따라서, 화학기상 증착 시스템에서 에피택셜 층을 형성시킬 때 발생하는 부식성 가스를 신속하게 제거할 필요가 있으며, 이를 통해 장비의 내구성을 개선하고 장비의 수명을 증진시킬 수 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 반응 과정에서 발생하는 부식성 가스에 의한 챔버의 부식을 방지할 수 있는 화학기상 증착장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 피처리물의 처리 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버의 처리 공간에 열에너지를 제공하는 가열부; 상기 챔버에 공정 가스를 공급하는 가스 라인; 상기 가스 라인과 연결되고, 상기 챔버 내측면에 배치된 복수개의 분사 노즐; 및 상기 챔버 내주면을 따라 형성된 단열부;를 포함하고, 상기 챔버 및 단열부 사이의 이격 공간에 기체를 순환시키는, 탄화규소 화학기상 증착장치가 제공된다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄화규소 화학기상 증착장치는 상기 챔버 및 단열부 사이의 이격 공간에 기체를 공급하는 기체 주입부;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 기체 주입부는 상기 챔버의 상부 또는 하부에 위치하고, 상기 기체 주입부와 대향하는 챔버 영역에 배기부가 구비될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 기체 주입부에서 공급된 기체는 상기 이격 공간을 따라 흐르고, 상기 배기부를 통해 배출될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 기체 주입부는 상기 챔버 및 단열부 사이의 이격 공간에 수소(H2) 가스를 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분사 노즐 중 일부의 활성(active) 노즐이 공정 가스를 공급하고, 상기 활성 노즐의 가스 공급 압력이 미리 정해진 범위를 벗어나면, 비활성(inactive) 노즐을 통해 공정 가스를 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 비활성 노즐을 통해 공정 가스를 공급할 때, 상기 활성(active) 노즐의 공정 가스 공급을 일정 시간 동안 유지할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 분사 노즐은, 복수개의 군으로 그룹화(grouping)된 것이고, 상기 그룹화된 분사 노즐 중 하나의 군씩 순차로 활성화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 증착장치는 과정에서 발생하는 부식성 가스와 챔버의 접촉 시간을 최소화하여, 챔버의 수명을 현저히 개선할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄화규소 화학기상 증착장치의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 챔버 내측면을 평면으로 도시한 것으로, 16개의 분사 노즐을 4개의 군으로 그룹화한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 챔버 내측면을 평면으로 도시한 것으로, 16개의 분사 노즐을 4개의 군으로 그룹화한 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.
본 발명의 일 측면은 피처리물의 처리 공간을 제공하는 챔버(110); 상기 챔버(110)의 처리 공간에 열에너지를 제공하는 가열부(120); 상기 챔버(110)에 공정 가스를 공급하는 가스 라인(150); 상기 가스 라인(150)과 연결되고, 상기 챔버(110) 내측면에 배치된 복수개의 분사 노즐(160); 및 상기 챔버(110) 내주면을 따라 형성된 단열부(130);를 포함하고, 상기 챔버(110) 및 단열부(130) 사이의 이격 공간에 기체를 순환시키는 탄화규소 화학기상 증착장치(100)를 제공한다.
상기 탄화규소 화학기상 증착장치(100)는 피처리물에 화학적 기상증착법을 이용하여 적어도 부분적으로 탄화규소층을 증착할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 증착장치(100)는 챔버(110); 가열부(120); 가스 라인(150); 가스 라인(150)과 연결된 복수개의 분사노즐; 및 챔버(110) 내주면을 따라 형성된 단열부(130);를 포함할 수 있고, 상기 챔버(110)와 부식성 가스의 접촉을 최소화하면서 공정을 진행할 수 있으므로, 챔버(110)의 수명이 현저히 증진될 수 있다.
챔버(110)
상기 챔버(110)는 상기 피처리물의 처리 공간을 제공할 수 있다.
상기 챔버(110)는 피처리물에 대한 처리(processing) 공간을 제공할 수 있으며, 상기 피처리물을 적재하는 지지대를 수용할 수 있다.
예컨대, 상기 챔버(110)는 원통 형태로 형성될 수 있으며, 외부와 독립된 공간을 형성하여 공정 가스, 열에너지 등이 외부로 유출되지 않고, 내부 반응 조건을 일정하게 유지시킬 수 있다.
상기 피처리물의 처리 공정은 상압(Atmosphere Pressure; AP)에서 수행될 수 있고, 상기 피처리물 표면에 탄화규소층을 생성할 수 있다. 상기 상압(AP)은 대기압과 완전히 동일한 것만을 의미하는 것은 아니며, 대기압보다 약간 낮을 수도 있고, 고진공(vacuum)이 아니면 족하다.
상기 지지대의 형태나 크기 등은 특별히 제한되지 않으며, 다수의 피처리물을 적재할 수 있도록 다단으로 이루어지거나, 다수의 수용 공간을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 챔버(110)는 금속 재질로 이루어질 수 있고, 상기 피처리물은 탄화규소(SiC)로 이루어질 수 있다.
상기 챔버(110)는 외부환경으로부터 상기 처리 공간을 격리 및 보호할 수 있도록 소정의 강도(strength)를 가질 수 있고, 이에 따라 금속 재질로 이루어질 수 있다.
상기 피처리물은 탄화규소 단결정 기판이나 화학적 기상증착(CVD) 방식으로 제작된 순도 99.99% 이상의 고순도 탄화규소 제품일 수도 있고, 표면이 손상된 탄화규소 제품을 재생(recycling)하기 목적으로 탄화규소층을 형성할 수도 있다.
가열부(120)
상기 가열부(120)는 상기 챔버(110)의 처리 공간에 열에너지를 제공할 수 있다.
상기 가열부(120)는 챔버(110)의 처리 공간에 열에너지를 공급할 수 있으며, 상기 챔버(110)의 측벽을 따라 제공되어 피처리물의 상기 처리 공간에 열을 공급하여 챔버(110) 내의 온도를 상승 및 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 가열부(120)는 화학기상 증착 반응을 위해 상기 피처리물을 가열시킬 때 필요한 열을 제공하여 열처리 공정이 필요한 챔버(110)의 처리 공간 내의 온도를 제어할 수 있다
상기 가열부(120)는 상기 챔버(110)에 적정한 수준의 열에너지를 공급하고 안정적으로 유지시킬 수 있으며 형태나 방식 등이 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 상기 가열부(120)는 챔버(110) 내주면을 따라 형성된 단열부(130) 내측에 배치된 그라파이트 히터로 이루어질 수 있다.
상기 그라파이트 히터는 그라파이트를 포함하는 재료로 이루어질 수 있고, 단열부(130)의 내측에 배치될 수 있으며, 선형(또는 라인 형상)의 막대(또는 봉) 형태로 제공될 수 있으나, 형상이나 크기가 제한되는 것은 아니다.
예컨대, 상기 그라파이트 히터는 고정바를 통해 챔버(110) 및/또는 단열부(130)에 고정 설치될 수 있으며, 상기 그라파이트 히터는 탄소(C)로만 이루어져 처리 공정에 영향을 주지 않고, 탄소(C)를 포함하는 증착 부산물 등의 이물질이 부착된 후 탈리되는 것을 방지할 수 있다.
단열부(130), 기체 주입부(140) 및 배기부(170)
상기 탄화규소 화학기상 증착장치(100)는 보온 처리된 챔버(110)의 처리 공간 내부를 진공으로 만들어 1200 내지 1400℃로 가온하고, 그라파이트 모재를 내장하여 고온을 유지하면서 공정 가스를 공급하게 되므로, 챔버(110) 내부의 열에너지 유출을 차단하기 위한 단열부(130)를 포함할 수 있다.
상기 단열부(130)는 내면에 그라파이트 단열재를 포함하여 챔버(110)의 처리 공간의 열을 보존하고, 내부 처리 공간이 확보되도록 상기 챔버(110) 내주면을 따라 형성될 수 있다.
상기 단열부(130)는 상기 챔버(110) 내주면을 따라 일정 간격 이격되어 형성될 수 있고, 상기 단열부(130) 내부에 넓은 공간이 확보되는 것이 바람직할 수 있으나, 소정의 처리 공간이 형성될 수 있으면 단열부(130)의 형태나 크기, 두께가 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 상기 단열부(130)는 90 내지 100%의 그라파이트 소재로 된 소정 규격의 내화 블록으로 적층 조립되어 밀폐 공간을 제공할 수 있고, 5 내지 20mm의 두께 및 5 내지 20%의 미세 기공율을 구비하는 통기성 소재로 이루어질 수 있다.
상기 단열부(130)는 외부의 챔버(110)로 열이 직접 전달되는 것을 차단하여 챔버(110)를 보호할 수 있으면 특별히 제한되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 단열부(130)는 상기 챔버(110) 내부에 원통 형상으로 형성될 수 있으며, 분사 노즐(160)이 챔버(110) 및 단열부(130) 내부를 관통하여 소정의 위치에 배치될 수 있고, 상기 단열부(130) 내부에 가열부(120)가 배치되어 열에너지를 공급할 수 있다.
이 때, 화학기상 증착법을 통해 탄화규소를 증착하는 경우 메틸트리클로로실란(MTS)이 주로 전구체로 사용된다.
상기 메틸트리클로로실란 전구체에서 염소 성분을 제거하기 위해 수소(H2) 가스를 공정 가스로 함께 투입하게 되면 부산물로 부식성 가스인 염산(HCl) 가스가 발생하게 되며, 상기 염산 가스는 챔버(110)를 부식시켜 장비의 유지 및 보수에 많은 어려움을 야기할 수 있다.
따라서, 본 발명의 화학기상 증착장치(100)는 상기 챔버(110) 및 단열부(130) 사이의 이격 공간에 기체를 순환시키는 기체 주입부(140);를 더 포함할 수 있고, 상기 기체 주입부(140)는 상기 단열부(130) 및 챔버(110) 사이의 이격 공간에 기체를 순화시켜 챔버(110)와 염산 가스의 접촉을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 상기 기체 주입부(140)는 기체를 주입하는 노즐이나 홀(hole) 형태로 구현될 수 있고, 챔버(110) 내부로 기체를 공급하여 상기 단열부(130) 및 챔버(110) 사이의 이격 공간에 기체의 흐름을 야기할 수 있다.
예컨대, 상기 기체 주입부(140)가 챔버(110)의 일 영역에 설치되고, 이와 대향하는 위치에 배기부(170)가 구비되어 상기 기체 주입부(140)부터 상기 배기부(170)까지 지속적인 기체의 흐름이 유발될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 기체 주입부(140)는 상기 챔버(110) 상부에 위치하고, 상기 기체 주입부(140)와 대향하는 챔버(110) 영역, 즉, 하부에 배기부(170)가 구비되어, 상부에서 하부로 단열부(130) 및 챔버(110) 사이의 이격 공간을 따라 기체의 흐름이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 기체 주입부(140)에서 공급된 기체는 상기 이격 공간을 따라 흐르고, 상기 배기부(170)를 통해 챔버(110) 외부로 배출될 수 있으며, 증착 반응에서 발생한 염산 가스가 상기 단열부(130)의 기공을 통해 단열부(130) 외부로 배출되는 경우라도 상기 기체 흐름에 따라 배기부(170)를 통해 신속하게 배출될 수 있다.
상기 기체 주입부(140)는 기체 흐름을 유발할 수 있으면 기체의 종류, 형태, 방식은 특별히 제한되지 않지만, 상기 챔버(110) 및 단열부(130) 사이의 이격 공간에 반응 공정에 영향을 미치지 않고 필수적으로 함께 투입되어야 하는 수소(H2) 가스를 공급할 수 있다.
상기 공급된 수소 가스는 상기 챔버(110) 및 단열부(130) 사이에 기체의 흐름을 나타낼 수 있고, 소정의 수소 가스는 상기 단열부(130)의 미세 기공을 통해 처리 공간 내부로 투입되어 증착 반응에서 활용될 수 있다.
상기 탄화규소 화학기상 증착장치(100)는 챔버(110) 내의 잔존 가스를 외부로 배출시키는 배기부(170);를 더 포함할 수 있다.
상기 배기부(170)는 챔버(110) 내의 기체(예컨대, 잔존 가스, 잔류 가스, 잉여 가스 등)를 외부로 배출시킬 수 있으며, 증착 공정에서 생성된 공정 잔류물을 챔버(110)의 외부로 배출시킬 수 있으며, 상기 기체 주입부(140)에 의해 단열부(130) 외측을 따라 발생한 기체의 흐름은 상기 배기부(170)를 경유하여 챔버(110) 외부로 배출될 수 있다.
또한, 상기 배기부(170)는 내부 공기를 외부로 배출시켜 챔버(110)의 내부에 진공을 형성하는 진공펌프(vacuum pump)를 포함할 수 있고, 챔버(110) 내 기체를 외부로 배기시켜 챔버(110) 내부를 진공화할 수 있다.
가스 라인(150)
상기 가스 라인(150)은 상기 챔버(110)에 공정 가스를 공급할 수 있다.
상기 가스 라인(150)은 유체를 수송하는 관 형태로 챔버(110) 외측을 따라 제공될 수 있고, 상기 챔버(110) 내부로 공급되는 공정 가스를 이송할 수 있다.
상기 가스 라인(150)은 가스 공급원(미도시)과 연결되어 공정 가스를 공급받을 수 있고, 상기 공정 가스를 상기 분사 노즐(160)로 공급할 수 있다.
상기 가스 라인(150)은 챔버(110)의 외측 둘레를 따라 제공되어 동일 높이에 복수의 분사 노즐(160)이 배치될 수 있고, 다각도에서 상기 피처리물을 향해 상기 공정 가스를 공급할 수 있다.
상기 공정 가스는 피처리물의 처리 공정 중 고온 열처리 공정 및 증착 공정 등에 필요한 가스일 수 있다.
상기 공정 가스는 고온 열처리 공정에서는 환원성 가스일 수 있고, 증착 공정에서는 에피택셜 층을 형성하기 위한 수소와 메틸트리클로로실란(MTS)을 포함하는 반응 가스일 수 있다.
분사 노즐(160)
상기 복수개의 분사 노즐(160)은 상기 가스 라인(150)과 연결되고, 상기 챔버(110) 내측면에 배치될 수 있다.
상기 분사 노즐(160)은 가스 라인(150)으로부터 챔버(110)의 내측으로 연장되어 배치될 수 있고, 상기 챔버(110) 내에 상기 공정 가스를 분사할 수 있다.
상기 가스 라인(150)은 챔버(110) 내부에 제공되어 분사 노즐(160)이 챔버(110)의 내측에 제공될 수도 있고, 상기 가스 라인(150)은 챔버(110)의 외부에 제공되고 분사 노즐(160)의 적어도 일부가 챔버(110)의 측벽과 단열부(130)를 관통하여 분사 노즐(160)의 분사구가 챔버(110) 내에 제공될 수도 있다.
따라서, 상기 분사 노즐(160)은 가스 라인(150)을 통해 이송된 공정 가스를 챔버(110) 내에 공급할 수 있고, 상기 처리 공간에 상기 공정 가스를 분사할 수 있다.
이 때, 본 발명의 증착장치(100)는 상기 분사 노즐(160) 중 일부의 활성(active) 노즐이 공정 가스를 공급하고, 상기 활성 노즐의 가스 공급 압력이 미리 정해진 범위를 벗어나면, 비활성(inactive) 노즐을 통해 공정 가스를 공급할 수 있다.
상기 “활성(active) 노즐”은 복수개의 노즐 중에서 공정 가스를 공급하고 있는 작동 중인 노즐을 의미할 수 있고, 상기 “비활성(inactive) 노즐”은 복수개의 노즐 중에서 작동하지 않고, 가스 공급을 이미 마쳤거나, 가스 공급이 예정된 노즐을 의미할 수 있다.
장시간의 반응 과정에서 상기 분사 노즐(160)의 분사구에 탄화규소가 증착되는 등의 문제로 가스 공급 압력이 변하거나 또는 분사구가 막히는 경우가 발생할 수 있는데, 종래에는 분사 노즐(160)이 막히면, 막히지 않은 분사 노즐(160)을 이용하여 처리 공정을 지속하였다.
그러나, 종래와 같이 분사 노즐(160)의 가스 공급 압력이 크게 변하는 상황이 발생하면 공정 가스 공급량 또는 내부에 공급되는 유체의 흐름이 변화하여 탄화규소 증착층의 균일도가 저하될 수 있다.
반면, 본 발명의 증착장치(100)는 상기 분사 노즐(160) 중 일부의 활성(active) 노즐의 가스 공급 압력을 지속적으로 측정하고, 공급 압력에 큰 변화가 감지되면 일부의 비활성(inactive) 노즐을 통해 공정 가스를 공급하여 가스 공급량의 변화를 최소화할 수 있다.
상기 복수개의 분사 노즐(160)은 챔버(110) 내측면에 소정의 간격으로 이격 배치될 수 있고, 예컨대, 내측면에 10 내지 30개의 분사 노즐(160)이 분산되어 배치될 수 있으나, 챔버(110)의 부피나 피처리 공간의 특성, 피처리물의 투입량 등을 고려하여 배치 형태나 배치 개수 등을 달리할 수 있다.
이 때, 상기 복수개의 분사 노즐(160)은 복수개의 군으로 그룹화(grouping)될 수 있다.
예컨대, 복수개 배치된 상기 분사 노즐(160)을 3 내지 10개의 군으로 나누어 그룹화한 후 군별로 나누어 제어할 수 있고, 상기 그룹화된 분사 노즐(160)은 균일하게 공정 가스를 공급할 수 있도록 챔버(110) 내에 분산하여 동일한 형태로 배치할 수 있다.
상기 복수개의 분사 노즐(160)의 배치 방법은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 상기 분사 노즐(160)이 군별로 작동할 때, 균일하게 공정 가스를 분사할 수 있도록 동일 개수 및 동일 배치 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 그룹화된 분사 노즐(160)은 챔버(110) 내측면을 따라 동일 각도로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 공정 가스는 각 단마다 위치한 복수개의 분사 노즐(160) 중 위에서 바라보았을 때 그 위치가 상이하도록 선택된 각 단의 분사 노즐(160)을 통해 분사될 수 있다.
예컨대, 각 단마다 복수개의 분사 노즐(160) 중 하나의 위치를 선택하고 선택된 분사 노즐(160)을 기준으로 그 밑단의 복수개의 분사 노즐(160) 중 윗단의 선택된 분사 노즐(160)과 다른 위치의 분사 노즐(160)을 선택할 수 있다.
상기와 같이 각 단마다 그룹별 분사 노즐(160)의 위치를 서로 다르게 선택할 수 있으며, 바람직하게는 가장 상단의 복수개의 분사 노즐(160) 중 하나의 분사 노즐(160)의 위치를 기준으로 시계 방향이나 반시계 방향으로 나선형 방향을 따라 각 단의 분사 노즐(160)이 선택될 수 있다.
각 단마다 서로 다른 위치의 분사 노즐(160)을 선택하면, 각 단마다 서로 다른 위치의 분사 노즐(160)을 통해 상기 공정 가스가 분사되어 상기 챔버(110) 내 상기 처리 공간에 상기 공정 가스가 고르게 분사될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 그룹화된 분사 노즐(160) 중 하나의 군이 활성 노즐이고, 나머지의 군이 비활성 노즐일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 챔버(110) 내측면을 평면으로 도시한 것으로, 16개의 분사 노즐(160)을 4개의 군으로 그룹화한 것이다
상기 활성(active) 노즐은 복수개의 노즐 중에서 공정 가스를 공급하고 있는 작동 중인 노즐로서, 복수개 배치된 상기 분사 노즐(160)을 군별로 나누어 제어할 때, 각 군별로 활성 노즐 및 비활성 노즐을 설정할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 복수개의 분사 노즐(160)을 4개의 군으로 나누어 그룹화한 후 군별로 나누어 제어하는 경우, 미리 설정된 1군(활성 노즐)이 작동될 때, 2 내지 4군(비활성 노즐)은 작동되지 않는 상태로 증착 반응이 진행될 수 있다.
한편, 상기 그룹화된 분사 노즐(160) 중 하나의 군씩 순차로 활성화될 수 있다.
상기 미리 설정된 1군의 노즐이 작동할 때, 2군 내지 4군의 노즐은 작동되지 않는 상태로 있지만, 반응 과정에서 1군의 노즐의 공급 압력이 감소하여 미리 정해진 범위를 벗어나는 것으로 인식되면, 1군의 노즐은 작동을 중단하고, 2군의 노즐이 공정 가스를 공급할 수 있으며, 3군 및 4군의 노즐은 미작동 상태로 유지될 수 있다.
일 실시예에서, 순차로 상기 비활성 노즐을 통해 공정 가스를 공급할 때, 상기 활성 노즐의 공정 가스 공급을 일정 시간 동안 유지할 수 있다.
본 발명의 증착장치(100)는 상기 분사 노즐(160) 중 활성 노즐의 가스 공급 압력을 지속적으로 측정하고, 공급 압력이 감소하면 비활성 노즐을 통해 공정 가스를 공급하여 가스 공급량의 변화를 최소화하고 있는데, 상기 활성 노즐의 분사를 중단시킨 후 불연속적으로 비활성 노즐을 작동시키면 일시적으로 가스 공급량이 크게 변화할 수 있다.
따라서, 상기 활성 노즐 및 비활성 노즐의 교체 시점의 일시적인 가스 공급량의 변화를 방지하기 위해, 상기 활성 노즐은 공정 가스 공급을 완전히 차단하지 않고 유지한 상태에서 상기 비활성 노즐을 작동시키고, 유체 흐름이 안정되면 상기 활성 노즐을 차단할 수 있다.
상기 활성 노즐이 공정 가스를 공급하는 상태에서 상기 비활성 노즐을 작동시키고, 순차로 활성 노즐의 작동을 중단시키는 과정을 통해 상기 챔버(110) 내 유체의 흐름이나 가스 공급량의 일시적인 변화를 최소화할 수 있다.
특히, 상기 비활성 노즐 및 활성 노즐의 가스 공급 압력의 합(合)은 일정하게 유지될 수 있다.
상기 활성 노즐이 공정 가스를 공급하는 상태에서 상기 비활성 노즐을 동시에 작동시키게 되면, 상기 챔버(110) 내에 다량의 공정 가스가 공급되므로, 상기 활성 노즐의 가스 공급량을 서서히 감소시키면서 상기 비활성 노즐의 가스 공급량을 서서히 증가시킬 수 있다.
상기 활성 노즐의 가스 공급량을 감소시킨 만큼, 상기 비활성 노즐의 가스 공급량을 증가시키면 상기 챔버(110) 내로 투입되는 공정 가스의 총 공급량은 일정하게 유지될 수 있으며, 증착 반응 과정에서 공정 가스 공급량의 변화는 최소화될 수 있다.
증착 공정을 장시간 수행하면서, 활성 노즐 및 비활성 노즐의 교체 과정이 여러 차례 수반되는 경우라면 가스 공급 압력의 변화가 반복될 수 있으므로, 상기 비활성 노즐 및 활성 노즐의 가스 공급 압력의 합(合)을 일정하게 유지시킴으로써 반응 과정에서 가스 공급량의 변화를 최소화할 수 있다.
상기 탄화규소 화학기상 증착장치(100)는 상기 분사 노즐(160)을 통해 공급되는 가스의 공급량 또는 공급 압력을 측정하기 위한 유량 센서 또는 압력 센서를 포함할 수 있고, 상기 분사 노즐(160)의 가스 공급 압력을 적절하게 측정할 수 있는 수단이라면 특별히 제한되지 않고 적용될 수 있다.
증착방법
본 발명의 증착장치(100)를 이용한 탄화규소 증착방법은 피처리물을 지지대에 적재하여 챔버(110) 내에 도입하는 단계; 환원성 분위기에서 피처리물을 고온 열처리하는 단계; 및 상기 고온 열처리된 피처리물에 화학적 기상증착법을 이용하여 적어도 부분적으로 탄화규소층을 증착하는 단계;를 포함할 수 있다.
먼저, 탄화규소로 이루어진 피처리물을 지지대에 적재하여 상기 챔버(110) 내에 도입할 수 있다.
상기 피처리물은 탄화규소 단결정 기판이나 화학적 기상증착(CVD) 방식으로 제작된 순도 99.99% 이상의 고순도 탄화규소 제품일 수도 있다.
상기 탄화규소 제품은 강도, 경도 등의 물리적 특성과 열전도도, 열팽창계수 등 열적 특성이 우수하여 반도체 제조공정에서 내화학성, 내식성, 내열특성이 요구되는 제조공정 설비에 많이 적용되고 있다.
상기 탄화규소 제품이 식각 공정 등을 통해 표면이 식각되면, 손상된 탄화규소 제품은 다시 사용되지 못하고 전량 폐기를 하여야 했으나, 상기 증착 고정을 통해 표면이 손상된 피처리물에 탄화규소를 코팅시켜 재생시킬 수도 있다.
상기 손상된 탄화규소 제품은 반도체 공정 중 플라즈마 처리장치에 의한 식각 공정 등을 통해 표면에 산화막이 생기거나 표면이 약 1 내지 10 mm 정도 식각되어 표면 거칠기가 좋지 못한 탄화규소 제품 또는 식각 등에 의한 부산물이 포함된 탄화규소 제품일 수 있다.
상기 피처리물은 높은 순도로 이루어진 탄화규소 제품이면 족하며, 증착 공정의 목적을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다.
이후, 환원성 분위기에서 상기 피처리물을 고온 열처리할 수 있다.
환원성 가스를 챔버(110) 내에 주입하여 환원성 분위기를 만들고 챔버(110) 내부를 가열하여 피처리물의 온도를 상승시킬 수 있다.
고온의 환경에서 환원성 가스는 피처리물의 표면에 형성된 산화막(예컨대, SiO2) 등과 반응하여 산화막을 환원시켜 제거할 수 있다. 이때, 산화막이 환원된 실리콘 또는 피처리물 내부에 존재하는 실리콘과 탄소 등은 고온의 환경에서 상호 확산할 수 있다.
산화막이 환원된 실리콘 또는 피처리물 내에 있는 실리콘과 탄소가 상호 확산함으로써 표면이 재정렬될 수 있고, β-탄화규소 결정상의 면으로 우선 배향될 수 있으며, 피처리물 내에 존재하던 α-탄화규소 결정상이 상대적으로 미세한 입자로 이루어진 β-탄화규소 결정상으로 상변화될 수 있다.
또한, 재정렬에 의해 피처리물 표면의 거칠기가 완화되어 평탄화될 수 있고, 고온의 환경에서 부산물들이 제거가 될 수 있으며, 고온으로 열을 가하는 도중에 유기물 등이 제거될 수 있다.
상기 고온 열처리하는 단계는 1,300 내지 1,600℃의 온도에서 수행될 수 있고, 상기 환원성 분위기는 수소(H2)를 포함하는 열처리 가스를 챔버(110) 내로 주입하여 형성될 수 있다.
상기 피처리물 표면에 있는 산화막(예컨대, SiO2 등)은 고온의 환경에서 환원성 가스인 수소 가스 등과 반응하여 산화막이 환원될 수 있고, 산화막이 환원된 실리콘 또는 손상된 탄화규소 제품에 존재하는 실리콘 및 탄소 등이 재정렬됨으로써, β-탄화규소 결정상의 면이 거의 존재하지 않던 손상된 탄화규소 제품에 비해서 β-탄화규소 결정상의 면이 상대적으로 우선 배향될 수 있다.
또한, 상기 피처리물 표면 결함이 제거되고 거칠기가 개선될 수 있으며, 상기 피처리물의 품질에 좋지 않은 영향을 끼치는 α-탄화규소 결정상(Hexagonal structure)이 상대적으로 미세한 입자로 이루어져서 탄화규소의 강도가 향상된 β-탄화규소 결정상으로 변환될 수 있다.
즉, 상기 탄화규소는 가열 온도를 1,300 내지 1,600℃로 하는 경우에 안정상인 β-탄화규소 결정상을 가질 수 있고, α-탄화규소 결정상은 1,300 내지 1600℃ 온도에서 안정하지 못하므로, 안정한 β-탄화규소 결정상으로 변화될 수 있다.
반면, 챔버(110) 내 온도가 1,300℃ 미만이면, 충분한 에너지가 공급되지 않아서 고온에서 환원되는 산화막의 환원반응이 잘 일어나지 않고, 실리콘 및 탄소의 상호확산이 원활하게 되지 않아 탄화규소 표면의 평탄도 및 α-탄화규소 결정상 등이 여전히 표면에 남아 있을 수 있다.
챔버(110) 내 온도가 1,600℃ 초과이면, 높은 온도에 의해 탄화규소층도 열분해 또는 열충격 등의 영향을 받아 품질이 저하될 수 있다.
한편, 챔버(110) 내에 환원성 분위기인 수소(H2) 가스 등을 주입하여, 챔버(110) 내 압력을 저진공 상태 또는 대기압 상태인 50 내지 760 토르(Torr)의 범위로 형성할 수 있다.
상대적으로 높은 압력을 형성하여 많은 양의 환원성 기체가 존재할 수 있고, 그로 인해 피처리물 표면의 산화막과 반응이 용이해질 수 있다.
상기 고온 열처리하는 단계를 1회 이상 수행할 수도 있으며, 상기 고온 열처리하는 단계 및 상기 탄화규소층을 증착하는 단계의 압력이 비슷하여 연속적으로 상기 고온 열처리하는 단계와 상기 탄화규소층을 증착하는 단계를 진행할 수도 있다.
또한, 상기 챔버(110)를 진공상태인 10 토르(Torr) 이하로 만들기 위해 펌핑 작업을 진행하고 열을 가하여 온도를 원하는 조건 별로 상승시킬 수도 있다.
환원성 분위기를 조성하기 위해 수소(H2) 가스를 단계별로 주입할 수 있으며, 챔버(110) 내 압력을 50 내지 760 토르(Torr)로 설정하고, 그 상태를 일정 시간 유지한 후 각각의 조건별 유지 시간만큼 챔버(110) 내의 기체를 펌핑 작업을 통해 외부로 배출하여 기체에 섞여 있던 불순물 등을 제거할 수 있다.
상기 고온 열처리된 피처리물에 화학적 기상증착법을 이용하여 적어도 부분적으로 탄화규소층을 증착할 수 있다.
상기 화학적 기상증착법(CVD)이란, 가스 혼합물의 화학적 반응을 통해서 기판 등의 표면 위에 고체 박막을 증착하는 공정이다. 상기 화학적 기상증착법은 상부에서 하부로 향하는 등방성 증착 방식이다.
상기 고온 열처리된 피처리물은 산화막 등이 제거되고 표면의 거칠기가 개선될 수 있으며, β-탄화규소 결정상의 면이 상대적으로 우선 배향될 수 있다.
상기 β-탄화규소 결정상의 면은 탄화규소층 증착 과정에서 초반 증착 과정에서는 최초로 증착되는 성질이 있지만, 증착 속도가 상대적으로 느리고 증착 과정이 진행될수록 증착이 잘 되지 않는 반면, β-탄화규소 결정상의 면은 초기에 핵생성 등이 잘 되지 않지만, 시간이 지남에 따라 핵생성이 이루어지면 증착 속도가 상대적으로 증가하여 많은 양의 탄화규소층을 증착할 때 유리한 성질을 가지고 있다.
상기 고온 열처리된 피처리물은 상대적으로 β-탄화규소 결정상의 면으로 많은 면이 상대적으로 우선 배향되어, 우선 배향된 β-탄화규소 결정상의 면을 따라 탄화규소층이 우선 성장할 수 있다.
따라서, 화학적 기상증착법을 통해 탄화규소층을 증착할 때 많은 양의 탄화규소층이 β-탄화규소 결정상의 면의 방향을 따라 빠르게 우선 성장이 될 수 있다.
또한, 증착속도가 빠른 β-탄화규소 결정상의 면의 특성이 더해져 더욱 빠른 속도로 탄화규소층을 증착할 수 있다.
상기 고온 열처리하는 단계 및 상기 탄화규소층을 증착하는 단계는 인시튜(in-situ)로 연속하여 진행될 수 있다.
이때, 상기 탄화규소층을 증착하는 단계는 1,350 내지 1,550℃의 온도에서 30 내지 100 ㎛/h의 증착속도로 진행될 수 있다.
상기 고온 열처리하는 단계의 압력은 환원성 가스인 수소 기체가 주입되어 50 내지 760 토르(Torr)이고, 온도는 약 1,300 내지 1,600℃일 수 있으며, 상기 탄화규소층을 증착하는 단계는 1,350 내지 1,550℃ 온도에서 수소(H2)가 주입되어 압력이 상압에서 진행될 수 있다.
상기 탄화규소층을 증착하는 단계의 조건 및 상기 고온 열처리하는 단계의 조건이 유사할 수 있다.
유사한 조건을 통해 고온 열처리하는 단계를 거친 피처리물을 상기 처리 공간에 대한 미세한 조정을 통해 상기 탄화규소층을 증착하는 단계의 조건에 맞게 수정한 후 인시튜(in-situ)로 연속해서 화학적 기상증착법으로 상기 탄화규소층을 증착하는 과정을 수행할 수 있다.
이 때, 상기 고온 열처리하는 단계의 온도보다는 낮은 온도에서 상기 탄화규소층을 증착하는 단계를 진행할 수 있다.
상기 일련의 단계를 연속적으로 진행함으로써 피처리물 표면에 안정적이고 품질이 좋은 탄화규소층을 증착시킬 수 있으며, 챔버(110) 온도를 승온시키고 수소 가스를 주입해야 하는 공정 시간이 현저히 단축될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예컨대, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 탄화규소 화학기상 증착장치
110: 챔버
120: 가열부
130: 단열부
140: 기체 주입부
150: 가스 라인
160: 분사 노즐
170: 배기부
110: 챔버
120: 가열부
130: 단열부
140: 기체 주입부
150: 가스 라인
160: 분사 노즐
170: 배기부
Claims (8)
- 피처리물의 처리 공간을 제공하는 챔버;
상기 챔버의 처리 공간에 열에너지를 제공하는 가열부;
상기 챔버에 공정 가스를 공급하는 가스 라인;
상기 가스 라인과 연결되고, 상기 챔버 내측면에 배치된 복수개의 분사 노즐; 및
상기 챔버 내주면을 따라 형성된 단열부;를 포함하고,
상기 챔버 및 단열부 사이의 이격 공간에 기체를 순환시키는, 탄화규소 화학기상 증착장치. - 제1항에 있어서,
상기 챔버 및 단열부 사이의 이격 공간에 기체를 공급하는 기체 주입부;를 더 포함하는, 탄화규소 화학기상 증착장치. - 제1항에 있어서,
상기 기체 주입부는 상기 챔버의 상부 또는 하부에 위치하고,
상기 기체 주입부와 대향하는 챔버 영역에 배기부가 구비된, 탄화규소 화학기상 증착장치. - 제3항에 있어서,
상기 기체 주입부에서 공급된 기체는 상기 이격 공간을 따라 흐르고, 상기 배기부를 통해 배출되는, 탄화규소 화학기상 증착장치. - 제1항에 있어서,
상기 기체 주입부는 상기 챔버 및 단열부 사이의 이격 공간에 수소(H2) 가스를 공급하는, 탄화규소 화학기상 증착장치. - 제1항에 있어서,
상기 분사 노즐 중 일부의 활성(active) 노즐이 공정 가스를 공급하고,
상기 활성 노즐의 가스 공급 압력이 미리 정해진 범위를 벗어나면, 비활성(inactive) 노즐을 통해 공정 가스를 공급하는, 탄화규소 화학기상 증착장치. - 제6항에 있어서,
상기 비활성 노즐을 통해 공정 가스를 공급할 때,
상기 활성(active) 노즐의 공정 가스 공급을 일정 시간 동안 유지하는, 탄화규소 화학기상 증착장치. - 제1항에 있어서,
상기 복수개의 분사 노즐은,
복수개의 군으로 그룹화(grouping)된 것이고,
상기 그룹화된 분사 노즐 중 하나의 군씩 순차로 활성화되는, 탄화규소 화학기상 증착장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220179843A KR20240097607A (ko) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | 부식방지 구조를 포함하는 탄화규소 화학기상 증착장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220179843A KR20240097607A (ko) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | 부식방지 구조를 포함하는 탄화규소 화학기상 증착장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240097607A true KR20240097607A (ko) | 2024-06-27 |
Family
ID=91713595
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220179843A KR20240097607A (ko) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | 부식방지 구조를 포함하는 탄화규소 화학기상 증착장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240097607A (ko) |
-
2022
- 2022-12-20 KR KR1020220179843A patent/KR20240097607A/ko unknown
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