WO2018190519A1 - 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로서, 웨이퍼에 박막을 형성하는 반응실을 갖는 반응용기를 포함하고, 상기 반응용기는 적어도 2개의 부재가 서로 탈착 가능하게 결합되어 형성됨에 따라 유지 및 관리 비용을 절감할 수 있다. 또한, 반응기의 챔버 내부에 반응실이 하나로 형성되고, 하나의 반응실을 갖는 반응기가 복수로 형성됨에 따라, 생산성을 향상시키면서 박막의 품질 저하를 방지할 수 있다. 또한, 각 반응실이 서로 독립적으로 작동됨에 따라, 생산성을 향상시키면서 유연한 생산이 이루어질 수 있다.

Description

화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치
본 발명은, 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 금속 전구체(metal precursor)를 이용하여 웨이퍼(wafer)에 금속 및 금속화합물을 증착 또는 단결정 성장할 수 있도록 한 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 박막을 증착하는 방법으로는 물리적인 충돌을 이용하는 물리 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)과 화학반응을 이용하는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD)으로 나누어진다.
PVD는 스퍼터링(sputtering) 등이 있고, CVD는 열을 이용한 열 화학 기상 증착법(thermal CVD)과 플라즈마를 이용한 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced CVD, PECVD) 등이 있다.
한편, 질화갈륨(GaN) 단결정을 대표로 하는 질화물 단결정 소재는 종래 실리콘 (Si) 중심의 전자소자 반도체와는 달리 광학적 반도체 소자로 각광받아 오면서 LEDs(Light Emitting Diodes) 산업의 중심 소재가 되어왔다. 이에 전 세계 유수 LED 업체와 연구소에서는 고품질의 질화물 단결정을 성장하기 위한 전용 장비와 공정 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 LED 제조를 위한 질화물 단결정 성장 장치로는 유기금속 전구체를 원료로 CVD 방법을 이용한 유기금속 화학 기상 증착장치(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)가 사용되고 있다.
한편, 통상의 LEDs 제작에 사용되는 질화물 단결정 보다 더욱 뛰어난 고품질의 질화물 단결정 소재는 청색 LDs (Laser Diodes) 소자나 차세대 전력 반도체 소자를 제작하는데 응용성이 높은 것으로 알려져 있다. 이렇게 고품질의 질화물 단결정을 성장하기 위해서는 별도의 장치인 HVPE (Halide Vapor Phase Epitaxy) 장치가 유리한 것으로 알려져 있다.
MOCVD나 HVPE 모두 질화물 단결정을 성장하기 위한 장치이지만 다음과 같은 뚜렷한 구조적 차이를 갖는다.
즉, MOCVD의 경우, 질화물 단결정을 성장하기 위해, 고온의 반응기 내로 금속 원료인 상용화된 유기금속 전구체(Metal-Organic precursor)를 투입하며, 질화 원료로 NH3 기체를 투입한다. 반응기에 고온이 필요하지만, 사용되는 원료기체 중 금속에 강한 부식성을 갖는 기체가 없으므로, 주로, 원통형 금속 chamber 를 중심으로 바닥면에 Heater를 장착하고 나머지 다른 면은 차갑게 냉각시키는 이른바 Cold-Wall Heating 방식을 적용한다. 이로써, Chamber 상부면이나 측면을 Open 하여 기판 출입을 가능하게 한다. 그리고, 금속 Chamber로 기밀성 유지가 용이하므로, 공정시 내부 압력의 변화가 자유롭다.
HVPE의 경우, 질화물 단결정을 성장하기 위해, 금속 원료로는 별도로 준비된 고온의 Puremetal에 강한 부식성 기체인 HCl을 흘려주어 XCl 반응물을 생성한 후 이를 고온의 반응기에 투입하여 전구체로 사용한다. 동시에 질화 원료로 NH3 기체를 반응기에 투입하여 사용하지만 고온의 HCl이 반응기에 동시 공급되므로 반응기 소재로 금속을 사용할 수는 없다. 왜냐하면 금속과 고온의 HCl이 반응하여 부식됨과 동시에 불순물이 생성되기 때문이다. 따라서 이 경우, 반응기는 기밀성이 유지되는 세라믹(바람직하게는 석영관) 으로 제작된다. 즉, 해당 반응기는 원료기체가 들어오는 입구와 배출되는 출구를 갖는 단품의 기다란 세라믹 관으로 제작되는 것이 일반적이며, 질화물 단결정이 성장되는 영역은 고온으로 가열되어야 하므로, 입구와 출구를 제외한 관 벽(Wall)을 퍼니스(Furnace) 로 가열하는 이른바 Hot-Wall heating 방식을 적용한다. 따라서, 기판출입은 오직 세라믹 관의 입구나 출구 (바람직하게는 출구)를 이용해야 하며, 반응기 자체가 세라믹 소재이므로 큰 범위의 압력 변화를 줄 수 없어, 주로 상압 범위의 압력하에서만 공정이 이루어진다.
한편, MOCVD나 HVPE 장비 모두 질화물 단결정 성장이 가능하지만, 단결정소재를 대량생산하기 위한 산업현장에서는 각각 다음과 같은 한계가 존재한다.
즉, MOCVD의 경우, 주로 미국과 독일 업체에 의해 양산화 장비가 공급되고 있으나, 장비당 생산량(Capa.)을 늘리기 위한 경쟁이 치열하며, 이를 위해 주로 종래 반응기를 단순히 크게 확장하는 방식으로 개발되고 있다. 이에 따라, 장비 자체의 가격과 그 유지비용이 매우 크게 증가하고 있으며, 이제는 단순한 반응기의 확장도 물리적 한계와 효율적 한계에 근접한 상황이다. 이에, 장비당 질화물 단결정 소재 생산량을 증가시키기 위해서는 종래와 다른 방식의 반응기 개발이 필요하다.
그리고, MOCVD 대비 더욱 고품질의 질화물 단결정 성장이 가능하다고 알려진 HVPE는 과거 몇몇 업체에서 양산형 장비를 공개한 적은 있지만, 실제로 산업 현장에서 사용되는 경우는 거의 없고, 오히려 연구소 수준에서 자체적으로 장비를 제작하여 소량의 질화물 단결정만을 시험 제작하는 수준에 머물러 있다. 가장 큰 이유는, 해당 반응기가 기다란 세라믹 관 형태이므로 대량 생산에 대해 이미 구조적 한계를 내포하고 있기 때문이다. 관의 직경을 크게 해서 다량의 기판을 장착할 수 있다 하더라도, 이들간의 불균일도가 최소 3% 이하 수준이어야 의미가 있으므로, 이를 극복하기 위해서는 상당한 공학적 장치가 요구될 것이다. 또한 Hot-Wall Heating 방식의 경우 공정 완료 후 반응기가 냉각되기 위해서는 장시간이 소요되므로 이 또한 극복하기가 매우 어려운 상황이다.
이러한 제반 문제를 극복하기 위해 새로운 형태의 화학 기상 증착 장치가 대한민국 등록특허공보 10-1670494호에 개시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 10-1670494호를 참조하면, 종래의 화학 기상 증착 장치는, 생산성을 증대시키기 위해 한 번의 공정으로 복수의 웨이퍼에 박막을 증착시키도록 형성된다.
구체적으로, 종래의 화학 기상 증착 장치는, 챔버(1) 및 그 챔버(1)의 내부에 수용되는 반응기를 포함한다.
상기 챔버(1)는 그 챔버(1)의 내부에 후술할 반응실(S)을 복수로 구비하도록 형성된다. 즉, 각 반응실(S) 마다 상기 반응기가 구비된다.
상기 반응기는, 웨이퍼에 박막을 형성하는 반응실(S)을 갖는 반응용기(미도시), 상기 웨이퍼를 회전시키는 웨이퍼 회전장치(3), 상기 박막의 원료가 되는 원료가스를 상기 반응실(S)로 공급하는 반응반응가스분사노즐 및 상기 반응실(S)을 가열하는 히터를 포함한다.
그러나, 이러한 종래의 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치에 있어서는, 반응용기가 일체로 형성되어, 그 반응용기의 일부가 손상 또는 노화되면 그 반응용기 전체를 교체해야 함에 따라, 유지 및 관리 비용이 대폭 증가되는 문제점이 있었다.
또한, 챔버 내에 반응실이 복수로 형성됨에 따라, 반응실 간 간섭현상에 의해 각 반응실에서 형성되는 박막의 품질이 고르지 못한 문제점이 있었다.
또한, 복수의 반응실이 동시에 작동됨에 따라, 유연한 생산이 불가한 문제점이 있었다. 즉, 일부 반응실만 개폐할 수 없음에 따라, 형성 시간에 상이한 제품을 동시에 생산할 수 없고, 일부 반응실에 문제가 발생될 경우 모든 반응실을 중단해야 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은, 유지 및 관리 비용을 절감할 수 있는 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 생산성을 향상시키되 박막의 품질 저하를 방지할 수 있는 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 생산성을 향상시키되 유연한 생산이 가능한 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 목적 달성을 위해, 웨이퍼에 박막을 형성하는 반응실을 갖는 반응용기를 포함하고, 상기 반응용기는 적어도 2개의 부재가 서로 탈착 가능하게 결합되어 형성되는 화학 기상 증착용 반응기를 제공한다.
상기 반응용기는, 상기 반응실의 측부를 감싸는 측벽; 상기 반응실의 상부를 복개하는 상벽; 및 상기 반응실의 하부를 복개하는 기저벽;을 포함하고, 상기 상벽과 상기 기저벽은 상기 측벽에 탈착 가능하게 형성될 수 있다.
상기 측벽은, 상기 박막의 원료가 되는 원료가스로부터 반응가스를 생성하여 상기 반응실로 분사하는 반응가스분사노즐이 형성되는 제1 측벽; 상기 제1 측벽에 대향되고, 상기 박막 형성 과정에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기노즐이 형성되는 제2 측벽; 상기 제1 측벽의 일단부로부터 상기 제2 측벽의 일단부까지 연장되는 제3 측벽; 및 상기 제3 측벽에 대향되고, 상기 제1 측벽의 타단부로부터 상기 제2 측벽의 타단부까지 연장되는 제4 측벽;을 포함하고, 상기 제3 측벽과 상기 제4 측벽은 각각 상기 제1 측벽과 상기 제2 측벽에 탈착 가능하게 형성될 수 있다.
상기 상벽은 상기 반응실에 대향되는 제2 상벽 및 상기 제2 상벽을 기준으로 상기 반응실의 반대측에 구비되는 제1 상벽을 포함하고, 상기 기저벽은 상기 반응실에 대향되는 제2 기저벽 및 상기 제2 기저벽을 기준으로 상기 반응실의 반대측에 구비되는 제1 기저벽을 포함하고, 상기 제1 상벽, 상기 제1 기저벽, 상기 제3 측벽 및 상기 제4 측벽은 각각 내부에 단열재가 구비되는 세라믹 재질의 벽으로 형성되고, 상기 제2 상벽 및 상기 제2 기지벽은 각각 세라믹 재질의 벽으로 형성될 수 있다.
상기 제3 측벽과 상기 제4 측벽 중 어느 하나는 상기 웨이퍼를 회전시키는 웨이퍼 회전장치와 함께 상기 반응실에 반입 및 반출 가능하게 형성될 수 있다.
상기 기저벽은 상기 반응실에 대향되는 제2 기저벽을 포함하고, 상기 제3 측벽과 상기 제4 측벽 중 어느 하나는 상기 제2 기저벽과 체결되고, 상기 제2 기저벽의 상부에는 상기 웨이퍼 회전장치가 안착되며, 상기 제3 측벽과 상기 제4 측벽 중 어느 하나가 상기 제1 측벽 및 상기 제2 측벽으로부터 탈거될 때, 상기 제2 기저벽 및 상기 웨이퍼 회전장치가 상기 제3 측벽과 상기 제4 측벽 중 어느 하나와 함께 상기 반응실로부터 인출되게 형성될 수 있다.
상기 웨이퍼를 회전시키는 웨이퍼 회전장치; 상기 박막의 원료가 되는 원료가스로부터 반응가스를 생성하여 상기 반응실로 분사하는 반응가스분사노즐; 상기 반응실을 가열하는 히터; 상기 박막을 형성하는 과정에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기노즐; 및 상기 반응용기, 상기 웨이퍼 회전장치, 상기 반응가스분사노즐, 상기 히터 및 상기 배기노즐을 수용하는 수용공간을 갖는 챔버;를 더 포함할 수 있다.
상기 챔버의 수용공간에는 상기 반응용기, 상기 웨이퍼 회전장치, 상기 반응가스분사노즐, 상기 히터 및 상기 배기노즐이 각각 하나씩 구비되어, 상기 챔버의 내부에 상기 반응실이 하나로 형성될 수 있다.
상기 반응용기는 상기 반응실의 가스가 상기 챔버의 수용공간으로 누설 가능하게 형성되고, 상기 챔버는 상기 수용공간의 가스가 상기 챔버의 외부로 누설되는 것을 방지하게 형성될 수 있다.
상기 반응실로부터 누설된 가스에 의해 상기 챔버가 부식되는 것을 방지하는 챔버 부식 방지수단을 더 포함할 수 있다.
상기 챔버 부식 방지수단은, 불활성 가스를 상기 수용공간에 공급하는 불활성가스공급관; 상기 챔버를 냉각하는 냉각유로; 및 상기 히터에서 발생되는 열이 상기 챔버로 전달되는 것을 방지하는 단열재;를 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명은, 상기 반응기; 상기 박막의 원료가 되는 원료가스를 상기 반응기에 공급하는 원료가스공급기; 상기 챔버의 부식을 방지하는 불활성가스를 상기 반응기에 공급하는 불활성가스공급기; 상기 웨이퍼를 회전시키는 작동가스를 상기 반응기에 공급하는 작동가스공급기; 상기 박막을 형성하는 과정에서 발생된 배기가스를 상기 반응기으로부터 배출하는 배기기; 및 상기 반응기의 히터에 전원을 공급하는 전원공급기;를 포함하고, 상기 반응기는 복수로 형성되고, 각 반응기는 상기 원료가스공급기, 상기 불활성가스공급기, 상기 작동가스공급기, 상기 배기기 및 상기 전원공급기에 선택적으로 연결 및 차단되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.
본 발명에 의한 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치는, 웨이퍼에 박막을 형성하는 반응실을 갖는 반응용기를 포함하고, 상기 반응용기는 적어도 2개의 부재가 서로 탈착 가능하게 결합되어 형성됨에 따라, 상기 반응용기의 파손 또는 노화된 부재만을 교체함으로써, 유지 및 관리 비용을 절감할 수 있다.
또한, 반응기의 챔버 내부에 반응실이 하나로 형성되고, 하나의 반응실을 갖는 반응기가 복수로 형성됨에 따라, 생산성을 향상시키면서 박막의 품질 저하를 방지할 수 있다.
또한, 각 반응실이 서로 독립적으로 작동됨에 따라, 생산성을 향상시키면서 유연한 생산이 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 도시한 계통도,
도 2는 도 1의 반응기를 도시한 사시도,
도 3은 도 2의 배면을 도시한 사시도,
도 4는 도 2의 A-A선 단면도,
도 5는 도 2의 반응기에서 챔버를 탈거한 모습을 도시한 사시도,
도 6은 도 5의 배면을 도시한 사시도,
도 7은 도 5에서 제1 상벽을 탈거한 모습을 도시한 사시도,
도 8은 도 7에서 제2 상벽을 탈거한 모습을 도시한 사시도,
도 9는 도 7에서 웨이퍼 회전장치가 측벽과 함께 탈거되는 모습을 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명에 의한 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 도시한 계통도이고, 도 2는 도 1의 반응기를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 배면을 도시한 사시도이고, 도 4는 도 2의 A-A선 단면도이고, 도 5는 도 2의 반응기에서 챔버를 탈거한 모습을 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 배면을 도시한 사시도이고, 도 7은 도 5에서 제1 상벽을 탈거한 모습을 도시한 사시도이고, 도 8은 도 7에서 제2 상벽을 탈거한 모습을 도시한 사시도이며, 도 9는 도 7에서 웨이퍼 회전장치가 측벽과 함께 탈거되는 모습을 도시한 사시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치는, 웨이퍼에 박막을 형성하는 반응기(100), 상기 박막의 원료가 되는 원료가스를 상기 반응기(100)에 공급하는 원료가스공급기(200), 부식을 방지하는 불활성가스를 상기 반응기(100)에 공급하는 불활성가스공급기(300), 상기 웨이퍼를 회전시키는 작동가스를 상기 반응기(100)에 공급하는 작동가스공급기(400), 상기 박막을 형성하는 과정에서 발생된 배기가스를 상기 반응기(100)으로부터 배출하는 배기기(500) 및 상기 반응기(100)의 후술할 히터(140)에 전원을 공급하는 전원공급기(600)를 포함할 수 있다.
상기 반응기(100)는, 상기 박막이 형성되는 반응실(S1)을 갖는 반응용기(110), 상기 작동가스공급기(400)로부터 공급되는 상기 작동가스로 상기 웨이퍼를 회전시키는 웨이퍼 회전장치(120), 상기 원료가스공급기(200)로부터 공급되는 상기 원료가스로부터 반응가스를 생성하여 상기 반응실(S1)로 분사하는 반응가스분사노즐(130), 상기 전원공급기(600)로부터 공급되는 전원으로 상기 반응실(S1)을 가열하는 히터(140), 상기 박막을 형성하는 과정에서 발생된 배기가스를 상기 배기기(500)로 안내하는 배기노즐(150) 및 상기 반응용기(110), 상기 웨이퍼 회전장치(120), 상기 반응가스분사노즐(130), 상기 히터(140) 및 상기 배기노즐(150)을 수용하는 수용공간(S2)을 갖는 챔버(160)를 포함할 수 있다.
상기 반응용기(110)는 상기 반응실(S1)의 측부를 감싸는 측벽(115, 116, 117, 118), 상기 반응실(S1)의 상부를 복개하는 상벽(111, 112) 및 상기 반응실(S1)의 하부를 복개하는 기저벽(113, 114)을 포함할 수 있다.
상기 측벽(115, 116, 117, 118)은, 상기 반응가스분사노즐(130)이 형성되는 제1 측벽(115), 상기 제1 측벽(115)에 대향되고 상기 배기노즐(150)이 형성되는 제2 측벽(116), 상기 제1 측벽(115)의 일단부로부터 상기 제2 측벽(116)의 일단부까지 연장되는 제3 측벽(117) 및 상기 제1 측벽(115)의 타단부로부터 상기 제2 측벽(116)의 타단부까지 연장되어 상기 제3 측벽(117)에 대향되는 제4 측벽(118)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 반응용기(110)는 예를 들어 석영, SiC 등과 같은 세라믹 소재로 형성되는데, 그 반응용기(110)의 일부가 손상 또는 노화될 경우 그 손상 또는 노화된 부위만 교체 가능하도록, 적어도 2개의 부재가 서로 탈착 가능하게 결합되어 형성될 수 있다. 이때, 탈착 가능하게 결합된다는 것은 예를 들어 접촉, 끼움, 홈과 구멍 맞춤 등으로 조립된다는 것을 의미하는 것으로서, 예를 들어 접착 또는 용접과 같은 고형화가 이루어지지 않는 것을 의미한다.
구체적으로, 상기 반응용기(110)는 상대적으로 노화가 급속히 진행되는 상기 상벽(111, 112)과 상기 기저벽(113, 114)이 각각 상대적으로 노화가 완만히 진행되는 상기 측벽(115, 116, 117, 118)에 탈착 가능하게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 측벽(115, 116, 117, 118) 역시 2개 이상의 부재로 구획되고, 그 부재들이 서로 탈착 가능하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 제3 측벽(117)은 상기 제1 측벽(115)의 일단부와 상기 제2 측벽(116)의 일단부에 탈착 가능하고, 상기 제4 측벽(118)은 상기 제1 측벽(115)의 타단부와 상기 제2 측벽(116)의 타단부에 탈착 가능하게 형성될 수 있다.
한편, 상기 상벽(111, 112)은 후술할 바와 같이 단열재(I)를 수용할 수 있는데, 단열재(I)를 수용하는 상벽(111)이 교체될 경우 교체 비용이 상당하므로 상벽의 교체 비용을 절감하도록, 후술할 단열재(I)를 수용하며 상기 챔버(160)의 내벽면을 복개하는 제1 상벽(111) 및 후술할 단열재(I)를 수용하지 않으며 상기 제1 상벽(111)과 상기 반응실(S1) 사이에 개재되는 제2 상벽(112)을 포함할 수 있다. 즉, 단열재(I)가 포함되지 않는 상기 제2 상벽(112)에 증착 물질이 쌓이게 하고, 그 제2 상벽(112)만 교체함으로써 상벽의 교체 비용을 절감할 수 있다.
이와 마찬가지로, 상기 기저벽(113, 114)은 후술할 단열재(I)를 수용할 수 있는데, 단열재(I)를 수용하는 기저벽(113)이 교체될 경우 교체 비용이 상당하므로 기저벽의 교체 비용을 절감하도록, 후술할 단열재(I)를 수용하며 상기 챔버(160)의 내벽면을 복개하는 제1 기저벽(113) 및 후술할 단열재(I)를 수용하지 않으며 상기 제1 기저벽(113)과 상기 반응실(S1) 사이에 개재되는 제2 기저벽(114)을 포함할 수 있다. 즉, 단열재(I)가 포함되지 않는 상기 제2 기저벽(114)에 증착 물질이 쌓이게 하고, 그 제2 기저벽(114)만 교체함으로써 기저벽의 교체 비용을 절감할 수 있다.
여기서, 상기 측벽(115, 116, 117, 118)도 상기 상벽(111, 112) 및 상기 기저벽(113, 114)과 마찬가지로 단열재(I)를 포함하는 벽과 단열재(I)를 포함하지 않는 벽을 갖도록 형성될 수 있으나, 구조 단순화 및 원가 절감을 위해 본 실시예와 같이 상대적으로 노화가 완만히 진행되는 상기 측벽(115, 116, 117, 118)은 단열재(I)를 포함하는 벽만 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 예를 들어, 상기 제3 측벽(117)과 상기 제4 측벽(118)은 각각 석영 등 세라믹 벽재의 내부에 단열재(I)가 구비되도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 제3 측벽(117)과 상기 제4 측벽(118) 중 어느 하나는 상기 웨이퍼의 용이한 삽입 및 인출을 위해 상기 웨이퍼 회전장치(120)와 함께 상기 반응실(S1)에 반입 및 반출 가능하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 제3 측벽(117)과 상기 제4 측벽(118) 중 어느 하나는 상기 제2 기저벽(114)과 체결되고, 상기 제2 기저벽(114)의 상부에는 상기 웨이퍼 회전장치(120)가 안착되며, 상기 제3 측벽(117)과 상기 제4 측벽(118) 중 어느 하나가 상기 제1 측벽(115) 및 상기 제2 측벽(116)으로부터 탈거될 때, 상기 제2 기저벽(114) 및 상기 웨이퍼 회전장치(120)가 상기 제3 측벽(117)과 상기 제4 측벽(118) 중 어느 하나와 함께 상기 반응실(S1)로부터 인출되게 형성될 수 있다.
상기 웨이퍼 회전장치(120)는, 베이스(base), 상기 베이스의 상부에 회전 가능하게 설치되는 서셉터(124)(susceptor)(124) 및 상기 서셉터(124)의 상부에 회전 가능하게 설치되고 상기 웨이퍼가 안착되는 새틀라이트(126)(satellite)(126)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 웨이퍼 회전장치(120)는 상기 작동가스공급기(400)로부터 공급되는 작동가스로 상기 서셉터(124)를 상기 베이스로부터 부양 및 회전시키고, 상기 새틀라이트(126)를 상기 서셉터(124)로부터 부양 및 회전시키도록 형성될 수 있다.
여기서, 상기 웨이퍼 회전장치(120)는 상기 서셉터(124)의 회전에 의해 상기 서셉터(124)의 회전 중심을 기준으로 상기 웨이퍼를 공전시키고, 상기 새틀라이트(126)의 회전에 의해 상기 새틀라이트(126)의 회전 중심을 기준으로 상기 웨이퍼를 자전시키도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 새틀라이트(126)는 복수로 구비되고, 복수의 상기 새틀라이트(126)는 상기 서셉터(124)의 회전 방향을 따라 등간격으로 이격 배치될 수 있다.
상기 반응가스분사노즐(130)은 그 내부에 구비되는 반응체와 상기 원료가스공급기(200)로부터 공급받는 원료가스를 반응시켜 상기 반응가스를 생성한 후 상기 반응실(S1)로 분사하도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 반응가스분사노즐(130)은 상기 반응가스를 균일하게 분사하도록 다층의 내부구조와 복수의 분사 홀을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 반응가스분사노즐(130)은 화학 기상 증착 장치의 종류에 따라 다소 상이하게 형성될 수 있다. 즉, MOCVD의 경우, 상기 반응가스분사노즐(130)은 금속 재질로 형성되고, 별도의 냉각유로(174)를 통해 냉각되게 형성될 수 있다. 반면, HVPE의 경우, 상기 반응가스분사노즐(130)은 세라믹 소재(바람직하게는 석영)로 형성되고, 반응기(100) 분리를 하지 않고도 금속원료 PureMetal을 주입 가능하게 형성되며, 상기 히터(140)의 후술할 소스 구역(source zone)(Z2)에 의해 가열되게 형성될 수 있다.
상기 히터(140)는 상기 제1 기저벽(113)과 상기 제2 기저벽(114) 사이에 개재되고 전원을 공급받아 발열되는 열선(144) 및 상기 열선(144)을 감싸는 내화벽(146)을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 히터(140)는, HVPE의 경우, 단결정 성장이 이루어지는 상기 반응실(S1)을 가열하는 성장 구역(growth zone)(Z1) 및 상기 반응가스를 생성하기 위해 상기 반응가스분사노즐(130)을 가열하는 소스 구역(source zone)(Z2)을 포함할 수 있다.
상기 배기노즐(150)은 상기 반응실(S1)에 상기 반응가스가 원활히 공급되도록 상기 반응실(S1)로부터 상기 배기가스를 흡입하여 상기 배기기(500)로 안내하도록 형성될 수 있다. 여기서, 상기 배기가스는 상기 웨이퍼를 작동시킨 후 상기 반응실(S1)로 토출되는 작동가스 및 후술할 바와 같이 상기 챔버(160)의 부식을 방지하기 위해 상기 수용공간(S2)으로 분사된 불활성가스 중 상기 반응실(S1)로 유입되는 불활성가스이다.
그리고, 상기 배기노즐(150)은 상기 배기가스를 균일하게 흡입하도록 다층의 내부구조와 복수의 흡입 홀을 포함할 수 있다.
상기 챔버(160)는, 반응실(S1) 간 간섭에 의한 박막 품질 저하를 방지하도록, 그 챔버(160)의 수용공간(S2)에 상기 반응실(S1)이 하나만 구비되게 형성될 수 있다. 즉, 상기 수용공간(S2)에는 상기 반응용기(110), 상기 웨이퍼 회전장치(120), 상기 반응가스분사노즐(130), 상기 히터(140) 및 상기 배기노즐(150)이 각각 하나씩 형성될 수 있다.
그리고, 상기 챔버(160)는, 원료가스가 상기 원료가스공급기(200)로부터 상기 반응가스분사노즐(130)로 공급 가능하고, 작동가스가 상기 작동가스공급기(400)로부터 상기 웨이퍼 회전장치(120)로 공급 가능하고, 전원이 상기 전원공급기(600)로부터 상기 히터(140)로 공급 가능하고, 불활성가스가 상기 불활성가스공급기(300)로부터 상기 챔버(160)의 수용공간(S2)으로 공급 가능하고, 배기가스가 상기 배기노즐(150)로부터 상기 배기기(500)로 배출 가능하며, 상기 웨이퍼의 반입 및 반출이 가능하게 그 챔버(160)의 일측이 개폐 가능하게 형성되되, 상기 수용공간(S2)의 가스(원료가스, 작동가스, 불활성가스 및 배기가스 중 적어도 하나)가 그 수용공간(S2)으로부터 상기 챔버(160)의 외부로 누설되는 것을 방지하도록 형성될 수 있다.
여기서, 상기 반응용기(110)는 전술한 바와 같이 단순 조립에 의해 형성되므로 상기 반응실(S1)의 가스(원료가스, 작동가스, 불활성가스 및 배기가스 중 적어도 하나)가 상기 반응용기(110)의 틈새를 통해 상기 챔버(160)의 수용공간(S2)으로 누설될 수 있다. 하지만, 상기 챔버(160)가 상기 수용공간(S2)을 밀폐시킴으로써, 상기 반응실(S1)로부터 누설된 가스가 상기 챔버(160)의 외부로 누설되는 것이 방지되고, 이에 따라 안전 사고가 방지되며, 품질이 더욱 향상될 수 있다. 구체적으로, 박막을 형성하는 과정에 수소가 추가로 투입될 경우, 박막 품질을 더욱 향상될 수 있다. 그러나, 본 실시예와 같이 유지 및 보수 비용 절감 등을 위해 상기 반응용기(110)가 분해 및 조립 가능하게 형성되는 상태에서 수소가 상기 반응실(S1)에 투입되면 상기 반응용기(110)의 틈새를 통해 수소가 상기 반응실(S1)로부터 누설되고, 누설된 수소가 그대로 외부에 노출될 경우에는 폭발의 위험성이 있다. 이를 고려하여, 상기 반응용기(110)를 밀봉되게 형성하려면 본 실시예와 달리 상기 반응용기(110)가 일체로 형성되어야 하고, 이 경우 종래와 같은 유지 및 보수 비용 증가의 문제점이 발생된다. 또한, 수소를 추가 투입하지 않을 경우에는 품질 향상을 기대할 수 없다. 하지만, 본 실시예의 경우, 상기 반응용기(110)를 분해 및 조립 가능하게 형성하여 유지 및 보수 비용 절감을 이루는 동시에, 상기 챔버(160)로 상기 반응용기(110)로부터 누설되는 가스가 외부로 노출되는 것을 방지하여 수소 투입을 가능하게 함으로써 안전사고 방지 및 품질 향상까지 도모할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 상기 반응실(S1)의 가스가 상기 수용공간(S2)으로 누설 가능하고, 이에 따라 상기 챔버(160)가 누설된 가스에 의해 부식될 수 있다. 이를 고려하여, 본 실시예의 경우, 상기 반응실(S1)로부터 누설된 가스에 의해 상기 챔버(160)가 부식되는 것을 방지하는 챔버 부식 방지수단(170)을 포함할 수 있다.
상기 챔버 부식 방지수단(170)은, 상기 불활성가스공급기(300)로부터 공급받는 불활성 가스를 상기 수용공간(S2)에 공급하는 불활성가스공급관(172), 상기 챔버(160)의 벽부를 냉각하는 냉각유로(174) 및 상기 히터(140)에서 발생되는 열이 상기 챔버(160)의 벽부로 전달되는 것을 방지하는 단열재(I)를 포함할 수 있다.
상기 불활성가스공급관(172)은 상기 반응실(S1)로부터 누설된 가스가 상기 챔버(160)에 접촉되는 것을 방지하도록 불활성 가스를 상기 챔버(160)와 상기 반응용기(110) 사이로 분사하도록 형성될 수 있다.
상기 냉각유로(174)는 상기 챔버(160)의 벽부 내부를 냉각수가 관류하도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 반응실(S1)로부터 누설된 가스는 사전에 결정된 온도보다 낮은 온도에서는 상기 챔버(160)와 접촉되더라도 상기 챔버(160)를 부식시키지 않는데, 본 실시예의 경우 상기 냉각유로(174)가 상기 챔버(160)를 사전에 결정된 온도보다 낮은 온도로 냉각시킴으로써, 상기 반응실(S1)로부터 누설된 가스와 접촉되더라도 상기 챔버(160)가 부식되지 않도록 할 수 있다.
한편, 상기 냉각유로(174)는 생산성을 향상시킬 수도 있다. 즉, 상기 웨이퍼에 박막이 형성된 이후 그 웨이퍼를 반출하기 위해서는 상기 반응기(100)가 충분히 냉각되어야 하는데, 상기 냉각유로(174)가 상기 반응기(100)의 냉각 속도를 향상시킴으로써, 박막 형성이 완료된 웨이퍼를 반출하고 박막을 형성하기 위한 웨이퍼를 반입하는데 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.
상기 단열재(I)는 상기 냉각유로(174)와 유사한 원리로 상기 챔버(160)의 부식을 방지하는 구성요소이다. 즉, 상기 단열재(I)는 상기 히터(140)에 의해 발생되는 열이 상기 챔버(160)에 전달되는 것을 방지하여, 상기 챔버(160)의 온도 상승을 억제함으로써, 상기 반응실(S1)로부터 누설된 가스와 접촉되더라도 상기 챔버(160)가 부식되지 않도록 할 수 있다.
이러한 상기 단열재(I)는, 상기 챔버(160)의 온도 상승 억제뿐만 아니라 반응용기의 고온 히팅 효율 향상을 위해, 상기 제1 상벽(111)의 내부, 상기 제1 기저벽(113)의 내부, 상기 제3 측벽(117)의 내부 및 상기 제4 측벽(118)의 내부에 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 반응기(100)는, 전술한 바와 같이 반응실(S1) 간 간섭에 따른 품질 저하를 방지하기 위해 상기 챔버(160)의 내부에 상기 반응실(S1)이 하나로 형성되나, 이에 따라 생산성이 저하될 수 있다. 이를 고려하여, 본 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치는 품질 향상을 유지하면서 생산성을 향상시키기 위해 상기 반응기(100)를 복수로 구비하고, 각 반응기(100)가 상기 원료가스공급기(200), 상기 불활성가스공급기(300), 상기 작동가스공급기(400), 상기 배기기(500) 및 상기 전원공급기(600)에 선택적으로 연결(활성화) 및 차단(비활성화)되게 형성될 수 있다. 즉, 상기 반응기(100)는 제1 반응기(100) 내지 제n 반응기(100)를 포함하고, 상기 제1 반응기(100) 내지 제n 반응기(100) 모두가 활성화되거나, 상기 제1 반응기(100) 내지 제n 반응기(100) 모두 비활성화되거나, 상기 제1 반응기(100) 내지 제n 반응기(100) 중 일부는 활성화되고 나머지는 비활성화되게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 반응기(100)는 공간 활용도를 향상시키기 위해, 상기 반응실(S1)의 높이(웨이퍼로부터 제2 상벽(112)까지 거리)가 50mm 이하로 형성되고, 상기 챔버(160)의 전체 두께(챔버(160) 외측 바닥면으로부터 천장면까지 거리)가 200mm 이하로 형성되며, 복수의 상기 반응기(100)가 예들 들어 상하방향으로 적층될 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 화학 기상 증착용 반응기(100) 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치의 작용효과에 대해 설명한다.
즉, 본 실시예에 따른 화학 기상 증착용 반응기(100) 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치는, 상기 히터(140)로 상기 반응실(S1)을 가열하고, 상기 반응가스분사노즐(130)로 상기 반응실(S1)로 상기 반응가스를 분사하며, 상기 웨이퍼 회전장치(120)로 상기 웨이퍼를 회전시켜, 상기 웨이퍼의 상면에 박막을 증착(성장)시킬 수 있다.
여기서, 상기 챔버(160) 내부에 상기 반응실(S1)이 하나로 형성됨에 따라, 반응실(S1) 간 간섭현상에 의한 박막 품질 저하가 방지될 수 있다.
그리고, 하나의 상기 반응실(S1)을 갖는 상기 반응기(100)가 복수로 형성됨에 따라, 박막 품질 저하를 방지하면서 생산성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 각 반응기(100)는 선택적으로 활성화 및 비활성화 가능함에 따라, 복수의 상기 반응기(100)는 서로 독립적으로 작동될 수 있다. 즉, 복수의 상기 반응기(100) 중 일부가 박막을 형성하고 있는 중에 다른 반응기(100)의 작동을 중지하고 개방할 수 있다. 이에 따라, 복수의 상기 반응기(100) 중 문제가 발생된 반응기(100)를 점검 및 보수하는 동안, 다른 반응기(100)에서 박막을 계속 생산할 수 있어, 유지 및 보수 시 생산량이 저하되는 것을 최소화할 수 있다. 그리고, 소요 시간이 상이한 제품, 크기가 상이한 제품 등을 동시에 생산할 수 있어, 대량 생산 및 유연 생산을 도모할 수 있다.
그리고, 상기 반응용기(110)는 적어도 2개의 부재가 서로 탈착 가능하게 결합되어 형성됨에 따라, 상기 반응용기(110)의 파손 또는 노화된 부재만을 교체함으로써, 유지 및 관리 비용을 절감할 수 있다.
그리고, 상기 반응용기(110)의 측벽(115, 116, 117, 118) 중 일부가 탈착될 때 상기 웨이퍼 회전장치(120)가 반입 및 반출 가능하게 형성됨에 따라, 상기 웨이퍼의 반입 및 반출이 용이해지고, 자동화 장치 적용이 가능해져, 생산성이 더욱 향상될 수 있다.
그리고, 상기 반응용기(110)가 분해 및 조립 가능하게 형성됨에 따라 상기 반응실(S1)로부터 가스가 누설되나, 상기 챔버(160)가 상기 반응실(S1)로부터 누설된 가스의 외부 노출을 방지함에 따라, 안전사고가 방지되고, 수소 투입 가능화에 따라 생산성이 더욱 향상될 수 있다.
그리고, 상기 불활성가스공급관(172), 상기 냉각유로(174) 및 상기 단열재(I)가 구비됨에 따라, 상기 반응실(S1)로부터 누설된 가스에 의해 상기 챔버(160)가 부식되는 것이 방지될 수 있다.
본 발명은, 유지 및 관리 비용을 절감할 수 있는 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.
또한, 생산성을 향상시키되 박막의 품질 저하를 방지할 수 있는 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.
또한, 생산성을 향상시키되 유연한 생산이 가능한 화학 기상 증착용 반응기 및 이를 포함하는 화학 기상 증착 장치를 제공한다.

Claims (12)

  1. 웨이퍼에 박막을 형성하는 반응실(S1)을 갖는 반응용기(110)를 포함하고,
    상기 반응용기(110)는 적어도 2개의 부재가 서로 탈착 가능하게 결합되어 형성되는 화학 기상 증착용 반응기(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응용기(110)는,
    상기 반응실(S1)의 측부를 감싸는 측벽(115, 116, 117, 118);
    상기 반응실(S1)의 상부를 복개하는 상벽(111, 112); 및
    상기 반응실(S1)의 하부를 복개하는 기저벽(113, 114);을 포함하고,
    상기 상벽(111, 112)과 상기 기저벽(113, 114)은 상기 측벽(115, 116, 117, 118)에 탈착 가능하게 형성되는 화학 기상 증착용 반응기(100).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측벽(115, 116, 117, 118)은,
    상기 박막의 원료가 되는 원료가스로부터 반응가스를 생성하여 상기 반응실(S1)로 분사하는 반응가스분사노즐(130)이 형성되는 제1 측벽(115);
    상기 제1 측벽(115)에 대향되고, 상기 박막 형성 과정에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기노즐(150)이 형성되는 제2 측벽(116);
    상기 제1 측벽(115)의 일단부로부터 상기 제2 측벽(116)의 일단부까지 연장되는 제3 측벽(117); 및
    상기 제3 측벽(117)에 대향되고, 상기 제1 측벽(115)의 타단부로부터 상기 제2 측벽(116)의 타단부까지 연장되는 제4 측벽(118);을 포함하고,
    상기 제3 측벽(117)과 상기 제4 측벽(118)은 각각 상기 제1 측벽(115)과 상기 제2 측벽(116)에 탈착 가능하게 형성되는 화학 기상 증착용 반응기(100).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상벽(111, 112)은 상기 반응실(S1)에 대향되는 제2 상벽(112) 및 상기 제2 상벽(112)을 기준으로 상기 반응실(S1)의 반대측에 구비되는 제1 상벽(111)을 포함하고,
    상기 기저벽(113, 114)은 상기 반응실(S1)에 대향되는 제2 기저벽(114) 및 상기 제2 기저벽(114)을 기준으로 상기 반응실(S1)의 반대측에 구비되는 제1 기저벽(113)을 포함하고,
    상기 제1 상벽(111), 상기 제1 기저벽(113), 상기 제3 측벽(117) 및 상기 제4 측벽(118)은 각각 내부에 단열재(I)가 구비되는 세라믹 재질의 벽으로 형성되고,
    상기 제2 상벽(112) 및 상기 제2 기지벽은 각각 세라믹 재질의 벽으로 형성되는 증착용 반응기(100)
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제3 측벽(117)과 상기 제4 측벽(118) 중 어느 하나는 상기 웨이퍼를 회전시키는 웨이퍼 회전장치(120)와 함께 상기 반응실(S1)에 반입 및 반출 가능하게 형성되는 화학 기상 증착용 반응기(100).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기저벽(113, 114)은 상기 반응실(S1)에 대향되는 제2 기저벽(114)을 포함하고,
    상기 제3 측벽(117)과 상기 제4 측벽(118) 중 어느 하나는 상기 제2 기저벽(114)과 체결되고,
    상기 제2 기저벽(114)의 상부에는 상기 웨이퍼 회전장치(120)가 안착되며,
    상기 제3 측벽(117)과 상기 제4 측벽(118) 중 어느 하나가 상기 제1 측벽(115) 및 상기 제2 측벽(116)으로부터 탈거될 때, 상기 제2 기저벽(114) 및 상기 웨이퍼 회전장치(120)가 상기 제3 측벽(117)과 상기 제4 측벽(118) 중 어느 하나와 함께 상기 반응실(S1)로부터 반출되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착용 반응기(100).
  7. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼를 회전시키는 웨이퍼 회전장치(120);
    상기 박막의 원료가 되는 원료가스로부터 반응가스를 생성하여 상기 반응실(S1)로 분사하는 반응가스분사노즐(130);
    상기 반응실(S1)을 가열하는 히터(140);
    상기 박막을 형성하는 과정에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기노즐(150); 및
    상기 반응용기(110), 상기 웨이퍼 회전장치(120), 상기 반응가스분사노즐(130), 상기 히터(140) 및 상기 배기노즐(150)을 수용하는 수용공간(S2)을 갖는 챔버(160);를 더 포함하는 화학 기상 증착용 반응기(100).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 챔버(160)의 수용공간(S2)에는 상기 반응용기(110), 상기 웨이퍼 회전장치(120), 상기 반응가스분사노즐(130), 상기 히터(140) 및 상기 배기노즐(150)이 각각 하나씩 구비되어, 상기 챔버(160)의 내부에 상기 반응실(S1)이 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착용 반응기(100).
  9. 제7항에 있어서,
    상기 반응용기(110)는 상기 반응실(S1)의 가스가 상기 챔버(160)의 수용공간(S2)으로 누설 가능하게 형성되고,
    상기 챔버(160)는 상기 수용공간(S2)의 가스가 상기 챔버(160)의 외부로 누설되는 것을 방지하게 형성되는 화학 기상 증착용 반응기(100).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반응실(S1)로부터 누설된 가스에 의해 상기 챔버(160)가 부식되는 것을 방지하는 챔버 부식 방지수단(170)을 더 포함하는 화학 기상 증착용 반응기(100).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 챔버 부식 방지수단(170)은,
    불활성 가스를 상기 수용공간(S2)에 공급하는 불활성가스공급관(172);
    상기 챔버(160)를 냉각하는 냉각유로(174); 및
    상기 히터(140)에서 발생되는 열이 상기 챔버(160)로 전달되는 것을 방지하는 단열재(I);를 포함하는 화학 기상 증착용 반응기(100).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 반응기(100);
    상기 박막의 원료가 되는 원료가스를 상기 반응기(100)에 공급하는 원료가스공급기(200);
    상기 챔버(160)의 부식을 방지하는 불활성가스를 상기 반응기(100)에 공급하는 불활성가스공급기(300);
    상기 웨이퍼를 회전시키는 작동가스를 상기 반응기(100)에 공급하는 작동가스공급기(400);
    상기 박막을 형성하는 과정에서 발생된 배기가스를 상기 반응기(100)으로부터 배출하는 배기기(500); 및
    상기 반응기(100)의 히터(140)에 전원을 공급하는 전원공급기(600);를 포함하고,
    상기 반응기(100)는 복수로 형성되고,
    각 반응기(100)는 상기 원료가스공급기(200), 상기 불활성가스공급기(300), 상기 작동가스공급기(400), 상기 배기기(500) 및 상기 전원공급기(600)에 선택적으로 연결 및 차단되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
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