KR950003432B1 - 안정성을 향상시킨 물질 성장장치 - Google Patents
안정성을 향상시킨 물질 성장장치 Download PDFInfo
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 금속제 반응실을 사용하는 종래의 MOCVD장치를 나타내는 도면.
제 2 도는 본 발명에 의한 MOCVD장치의 제 1 실시예를 나타내는 도면.
제 3 도는 제 2 도의 장치에 의해 성취된 화합물 반도체층 성장을 나타내는 도면.
제 4 도는 본 발명에 의한 MOCVD장치의 제 2 실시예를 나타내는 도면.
제 5 도는 제 4 도의 장치에 의해 성취된 화합물 반도체층의 성장을 나타내는 도면.
본 발명은 물질층성장용 장치에 관한 것으로 특히 기판상에 화합물 반도체 물질을 에피택셜 성장하는 MOCVD장치의 개선에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 V족 원소의 원료로서 아르신(arsine)을 사용하는 통형 반응용기를 갖는 MOCVD장치에 관한 것이다.
통형 MOCVD장치들은 일반적으로 석영유리로 된 반응용기를 사용한다. 석영유리는 온도를 1000℃ 이상으로 가열하더라도 안정되게 오염물을 거의 생성하지 않지만 석영유리는 깨지기 쉬우므로 반응용기의 사이즈를 300㎜ø이상 크게할 경우 특히 취급하기 어려운 경향이 있다. 이러한 기계적인 안정성때문에, 큰사이즈의 반응용기를 갖는 최근의 MOCVD장치들은 반응용기용으로 스테인레스강을 사용하는 경향이 있다. 스테인레스강은 CVD공정들에서 사용되는 고온에서 원하지 않는 오염가스를 발생시키기 때문에, 그러한 MOCVD장치는 일반적으로 냉각장치를 사용하여 반응용기가 오염가스를 방출하지 않는 온도로 유지시켜 준다. 그러한 냉각은 방출되는 오염가스를 최소화시키는 관점에서 필요하다.
제 1 도는 스테인레스강제 반응용기(1)를 사용하는 MOCVD장치의 전형적인 예를 나타낸다.
제 1 도를 참조하면, 반응용기(1)내에는 반도체 웨이퍼(10)를 지지하는 카본제 서셉터(carbon susceptor)(2)가 있는데 이는 석영지지봉(3)위에 지지되어 상하이동 가능하므로 점선으로 보인 바와같이 위치(3')로 이동 가능하다. 반응용기(1)아래에는 서셉터(2)상에 유지된 웨이퍼들(10)을 수용하는 공간을 갖는 기부부재(11)가 마련되어 있어 지지봉(3)을 낮춤으로써 웨이퍼들을 위치(3')으로 낮출 수 있다. 지지봉(3)은 플랜지부재(3a)를 갖고 있어 실선으로 보인 위치로 이동될때 기부부재(11)의 상부와 접촉되어 반응용기(1)를 밀봉시킬 수 있다. 봉(3)을 상승 및 하강시키는 메카니즘은 도면을 간략히하기 위해 도시하지 않았다.
반응용기(1)는 그대로 아르신과 같은 원료가스를 도입하는 원료가스 입구(4)와 반응결과로서 용기(1)내에 생성된 생성가스를 배기하는 출구(5)를 갖고 있다. 반응용기(1)의 내벽 온도를 낮게 유지시키기 위해 입구(6)로 도입되어 출구(7)로 배기되는 냉매를 순환시키는 냉각장치(8)가 내벽에 설치되어 있음을 알 수 있다. 그러한 냉각을 하지 않으면, 스테인레스강제 반응용기(1)는 가열시 불순물 원소를 방출하므로 장치에 의해 성장된 결정체가 오염되게 된다.
기부부재(11)의 내실은 서셉터(2)에 또는 그로부터 웨이퍼(10)를 착탈하기 위해 사용된다. 이러한 공정중, 기부부재(11)내로 입구(111)를 통해 질소가스(N2)를 도입하여 출구(113)를 통해 N2가스를 배기하여 기부부재(11)의 내실을 청소했다. 이러한 목적을 위해, 출구(113)에는 송풍기(13)가 접속되어 있다. 기부부재(11)의 내실로 부터 배기된 가스는 처리실(14)로 송출되어 유독성을 중화한다. 기부부재(11)의 내실의 세정공정을 탐지하기 위해 포트(112)에 센서(12)가 접속된다. 센서(12)는 일본 옥시켄컴패니 리미티드의 모델 HD29가 좋으며 기부부재(11)의 내실내의 아르신의 농도를 감출하기 위해 사용된다. 아르신이 더 이상 검출되지 않으면, 기부부재(11)의 내실을 개방하고 웨이퍼(10)를 교체한다.
금속제 반응실(1)을 갖고 종래의 MOCVD장치에서는 실험후 웨이퍼(10)의 교체가 가능할때까지 상당한 시간이 걸린다. 특히 200㎜ø의 반응실을 갖는 장치의 경우 지지봉(3)을 위치(3')로 낮춘후 기부부재(11)의 내실을 개방했을때 20~50ppb의 아르신이 검출되었으며, 반응용기(1)내에 공기를 도입했을 때도 비슷한 량의 아르신이 검출되었다. 그와같은 아르신의 검출로부터 웨이퍼 교체를 위해 장치를 개방하는 것은 상당한 시간동안 금지되야 하며 또한 그때문에 MOCVD장치의 운전효율이 불가피하게 감소됨을 알 수 있다. 이러한 문제점은 그 장치를 제조라인에 사용할 경우 특히 심각하다. 비록 아르신 발생원인을 완전히 밝혀냈지만 이러한 바람직하지 못한 현상은 반응실의 냉각된 내벽에 침착된 회백색 또는 갈색물질 때문인 것으로 생각되었다. 그 물질은 갈리움과 아세닉 화합물이다. 그러나, 정확한 성분 또는 결정구조는 아직 밝혀지지 않았다.
따라서 본 발명의 목적은 전술한 문제점들이 제거된 신규하고도 유용한 성장장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 웨이퍼 교환시에 유해한 아르신 가스의 방출이 없는 화합물 반도체 물질들을 성장시키는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 서셉터가 지지봉상에 유지되어 금속제 반응용기내에 수용되어 있고, 상기 금속제 반응용기가 그의 내벽을 냉각시키는 냉각장치를 구비하고 있고 또한, 상기 반응실의 내벽을 따라 지지봉과 서셉터를 둘러싸도록 석영유리 또는 피로리틱 보론 니트라이드와 같은 내회재로 된 차폐기가 구비된 상기 서셉터상에 유지된 웨이퍼상에 화합물 반도체 물질을 성장하는 장치를 제공하는데 있다. 본 발명에 의하면, 금속제 반응용기의 냉각된 내벽상에 아르신을 방출하는 유해물질의 성장이 상술한 차폐기에 의해 제거된다. 특히, 유해물질의 성장은 반응실의 냉각된 내벽상에서는 생기지 않지만 반응실의 내벽 온도보다 온도가 높은 차폐기 상에서 생긴다. 그에 의해, 그 유해물질은 안정된 갈리움 아세나이드의 결정체를 형성하거나 또는 그의 변형을 형성하므로 더이상 유해한 아르신이 방출되지 않는다. 본 발명에서는 반응실의 냉각된 내벽상에 직접 성장되는 것을 방지함으로써 장치의 조업에 불리한 문제점을 제거했다.
본 발명의 기타 목적들과 장점들은 첨부도면을 참조하는 다음 설명으로부터 명백히 알 수 있다.
제 2 도는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 성장장치를 나타낸 도면으로서, 여기서 제 1 도에서와 동일부분에는 동일번호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제 2 도에서, 금속제 반응용기(1)의 반응실(1a)의 내벽을 따라 슬리브(sleeve)(9)가 구비되어 있고, 통상적으로, 반응용기(1)용으로 스테인레스강을 사용하고, 반응용기(1)는 약 200㎜ 내경과 약 300㎜의 높이를 갖는다. 서셉터(2)는 카본으로 제조되는 한편 지지봉(3)은 석영유리간으로 제조된다.
제 2 도의 장치에서, 웨이퍼(10)를 포함하여 서셉터(2)와 지지봉(3)의 대부분을 둘러싸도록 약 2㎜의 두께로 실(1a)의 내벽을 따라 석영유리의 슬리브(9)가 구비되어 있음을 알 수 있다. 슬리브(9)는 특히 냉각장치(8)와 조합하여 반응용기(1)용으로 석영유리가 사용될때 또는 슬리브(9)용으로 고절연재가 사용될때 반응실(1a)의 내벽과 접촉상태로 구비될 수도 있다. 그러나, 반응가스 슬리브(9)와 내벽간의 공간으로 들어가는 것을 방지하도록 내벽으로부터 슬리브(9)를 미소거리 분리시키는 것이 더 좋다. 통상적으로, 슬리브(9)는 반응실(1a)의 내벽으로부터 1~2㎜거리 분리된다.
조작에 있어, 제 2 도에 보인 바와같이 반응실(1a)내부의 서셉터(2)상에 웨이퍼를 올려놓고, 반응실(1a)을 배기출구(5)을 통해 약 50torr의 압력으로 진공시킨 후, 실압력을 유지하면서 반응실내의 적외선 램프(도시안됨)를 작동시켜 서셉터(2)에 대해 가열공정을 행한다.
통상 실험에서, 웨이퍼(1)의 온도를 650℃로 유지하면서 입구(4)로부터 트리메틸 갈리움과 아르신을 도입한다. 그에 의해 웨이퍼(10)위에 GaAs결정이 성장된다. 1시간 성장후, 원료가스의 공급을 중단하고 질소와 같은 불활성 가스로 교체한다. 그다음, 서셉터(2)를 제 1 도에 보인 지지부재(11)의 내실로 지지봉(3)과 함께 낮추고 그 내실을 질소로 세척한다.
반응용기(1)의 직경이 200㎜인 장치에서 행한 실험에서는 웨이퍼들(10)의 교체시 아르신이 전혀 검출되지 않았다. 그 모델 HD29센서(12)는 약 2ppb의 검출한계를 갖고 있음이 주목된다. 한편, 직경이 600㎜인 장치에서는 아르신농도가 검출한계 이하로 감소될때까지 약 5분정도 걸린다. 종래의 슬리브(9)를 사용하지 않는 장치에서는 약 30분이상의 시간이 소요된다는 것이 주목된다. 슬리브(9)용으로 피로리틱 보론 니트라이드와 카본등의 기타 내화물질을 사용할때 동일한 효과가 관측되었다. 일반적으로, 슬리브(9)용으로 피로리틱 보론 니트라이드(PBN), 카본 또는 심지어 몰리브데늄등의 어떠한 화학적 물질이라도 사용할 수 있다.
제 3 도는 제 2 도의 장치에서 행한 실험의 결과를 나타낸다. 제 2 도의 장치에서, 웨이퍼(10)의 축상위치에 따라 성장속도가 다름을 밝혀졌다. 여기서 반응실(1a)의 상부에 있는 웨이퍼(10)를 "U"로 나타내고, 반응실의 중앙부에 있는 웨이퍼(10)를 "M"으로 나타내고, 반응실의 하부에 있는 웨이퍼(10)를 "B"로 나타낸다.
제 3 도에서, 수직축은 성장속도를 나타내며 수평축은 반응실(1a)내의 웨이퍼(10)의 수직위치를 나타낸다. 가스는 반응실(1a)의 상부에서 입구(4)를 통해 도입되어 하부의 출구(5)로 배기되는 식으로 위에서 아래로 흐른다.
제 3 도에서 "C"로 나타낸 라인은 반응실내의 웨이퍼의 수직위치에 따라 거의 변동하지 않음이 주목된다. 이 라인은 장치에 슬리브(9)가 구비되지 않은 경우에 상응한다. 그러므로 이 경우에, 반응실(1a)내의 성장속도는 웨이퍼(10)의 모든 수직위치에서 균일하게 된다. 슬리브(9)가 석영유리관을 갖고 있으면 성장속도가 라인(A)으로 보인 바와같이 반응실(1)의 상부, 중간부 및 하부에서 약간 다르다. 또한 슬리브(9)를 PBN으로 만들면 성장속도가 제 3 도에서 라인(B)으로 보인 바와같이 변동한다. 라인들(A~C)을 요약하면, 반응실(1a)의 하부에서 성장속도가 증가하는 경향이 있음을 알 수 있다.
제 4 도는 제 2 도의 성장장치의 개선을 나타낸다. 제 4 도에서, 전술한 것과 동일부분에는 동일번호를 부여하고 최대한 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 반응용기(1)의 직경이 그의 하부에서 약간 증가됐다. 예를들어 반응용기(1)의 하부직경은 상부직경보다 30㎜ 더 큰 약 230㎜로 할 수도 있다. 이와같은 구성으로 하면, 반응실(1a)내의 가스흐름이 약간 변동하므로 제 4 도에 보인 바와 같이 슬리브가 있을때 모든 수직위치들에 걸쳐 성장속도는 균일하게 된다.
제 5 도를 참조하면 석영유리 슬리브(9)를 사용한 경우의 라인(A)가 슬리브가 없는 라인(C)에 비해 균일한 성장속도를 나타냄을 알 수 있다. 제 3 도의 도면과 마찬가지로 라인(B)은 슬리브(9)로서 PBN을 사용한 경우를 나타낸다. 이 경우에서 조차 성장속도의 균일성이 뚜렷하게 개선된다.
또한 본 발명은 전술한 실시예들에 국한되지 않고 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 범위내에서 여러 수정변경이 가능하다.
Claims (5)
- 수직방향으로 연장되어 내외면을 가지며, 상기 내면은 하부와 폐쇄상부를 갖고 반응실(1a)을 형성하는 금속으로 된 반응용기(1)와, 상기 반응용기 내면을 그 반응용기를 구성하는 금속이 견딜 수 있는 저온으로 유지되도록 상기 반응용기상에 구비된 냉각장치(8)와, 아르신 반응가스를 도입하기 위해 상기 반응용기(1)상에 구비된 입구(4)와, 상기 반응실내에 형성된 생성가스를 배기시키기 위해 상기 반응용기상에 구비된 출구(5)와, 상기 반응실을 밀봉시키도록 반응실의 하부에 구비되어 있고, 또한 물질을 성장시킬 웨이퍼(10)을 유지하도록 채용된 서셉터(2)를 지지하도록 상기 반응실내에 수직으로 연장되는 봉부재(3)를 갖는 지지메카니즘을 포함하는 물질을 성장시키는 장치에 있어서, 상기 반응실의 내면이 물질에 의해 침착되지 않도록 상기 내면을 따라 상기 반응ㅅㄹ내에 슬리브부재(9)를 더 포함하며, 상기 슬리브부재(9)는 석영유리, 피로리틱 보론 니트라이드 및 카본으로 구성된 구넹서 선택된 비휘발성 고체물질로 되며, 상기 고체물질은 상기 물질성장시에 사용되는 온도에서 특히 상기 반응가스에 대해 또한 상기 생성가스에 대해 화학적으로 불활성인 것이 특징인 안정성을 향상시킨 물질 성장장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반응용기(1)를 구성하는 상기 금속은 스테인레스강인 것이 특징인 안전성을 향상시킨 물질 성장장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 슬리브부재(9)는 상기 반응실(1a)내의 봉부재(3)를 둘러싸도록 구비된 것이 특징인 안전성을 향상시킨 물질 성장장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반응용기(1)를 지지하도록 상기 반응실(1a)의 하부에 연속하는 공간을 내부에 갖는 기부부재(11)를 더 포함하며,상기 지지 메카니즘은 상기 반응실을 밀봉시키는 제 1 위치와 상기 봉부재가 상기 공간내에 수용되는 제 2 하부위치간에서 이동가능하도록 구비되며, 상기 기부부재는 상기 공간 세척용 불활성가스를 상기 공간내부로 도입하는 입구(111)와 상기 불활성가스를 배기하는 출구(113)를 갖는 것이 특징인 안전성을 향상시킨 물질 성장장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반응용기(1)는 상기 반응실(1a)에 상응하여 수직으로 연장되는 원통부를 포함하며, 상기 원통부는 상부에 비해 하부가 직경이 큰것이 특징인 안전성을 향상시킨 물질 성장장치.
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