WO2022231181A1 - 유기금속화학기상증착장치 - Google Patents

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WO2022231181A1
WO2022231181A1 PCT/KR2022/005452 KR2022005452W WO2022231181A1 WO 2022231181 A1 WO2022231181 A1 WO 2022231181A1 KR 2022005452 W KR2022005452 W KR 2022005452W WO 2022231181 A1 WO2022231181 A1 WO 2022231181A1
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gas
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vapor deposition
process gas
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김병조
조광일
최성철
장종진
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주식회사 테스
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/458—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for supporting substrates in the reaction chamber
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    • C23C16/4583—Rigid and flat substrates, e.g. plates or discs the substrate being supported substantially horizontally
    • C23C16/4586—Elements in the interior of the support, e.g. electrodes, heating or cooling devices
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    • C23C16/06—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material
    • C23C16/18—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material from metallo-organic compounds

Definitions

  • the present invention relates to an organometallic chemical vapor deposition apparatus, and more particularly, to an organometallic chemical vapor deposition apparatus capable of uniformly supplying a process gas to the center of a substrate support while suppressing parasitic reactions of the process gas as much as possible.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • a group 3 alkyl organic metal raw material gas
  • a mixed gas of a group 5 reaction gas and a high-purity carrier gas into the reaction chamber to thermally decompose it on a heated substrate.
  • This is a device for growing compound semiconductor crystals.
  • a substrate is mounted on a susceptor and a gas is injected from the side while rotating to grow a semiconductor crystal on the substrate.
  • TrimethylAluminum is used as a source gas and NH 3 may be used as a reaction gas.
  • TMA and NH 3 have strong properties to be stabilized by binding to each other, it is necessary to prevent parasitic reactions by minimizing the bonding time by maintaining the fastest flow rate and low pressure as much as possible when supplied to the substrate.
  • the source gas and the reaction gas may not be smoothly supplied to the center of the substrate support unit due to a parasitic reaction. Accordingly, the growth rate of the thin film of the substrate in the central portion of the substrate support may be slowed, and the thickness variation may increase when the thin film is deposited on the substrate.
  • an object of the present invention is to provide an organometallic chemical vapor deposition apparatus capable of uniformly supplying a process gas to the center of a substrate support part while suppressing a parasitic reaction of the process gas as much as possible.
  • An object of the present invention as described above is a chamber in which a substrate is accommodated, a heater block provided inside the chamber to be heated by seating the substrate, and a space between the heater block provided on the inside of the chamber and on the heater block.
  • a barrier lead for providing a processing space in which the substrate is processed, and a gas supply unit for supplying a process gas toward the substrate from a side of the processing space, wherein at least a portion of the lower surface of the barrier lead has a height of the processing space
  • a variable slope is formed, the starting point of the slope is located upstream of the front end of the heater block in the flow direction of the process gas, and the end point of the slope is located at the center of the heater block. It is achieved by a metal chemical vapor deposition apparatus.
  • the end point of the inclined portion may be located in the range of approximately 45% to 55% of the diameter of the heater block toward the downstream from the front end of the heater block in the flow direction of the process gas.
  • the inclination of the inclined portion may have an angle of 1.1° to 1.5°.
  • the flow rate of the process gas can be increased to significantly suppress the parasitic reaction of the process gas.
  • the process gas is supplied so that the gap between the barrier lead and the heater block is reduced up to the center of the heater block, and the growth rate of the thin film is maintained by maintaining the gap between the barrier lead and the heater block from the center of the heater block to the substrate. It is possible to significantly reduce the thickness variation of the deposited thin film.
  • FIG. 1 is a side view of an organometallic chemical vapor deposition apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partial side view showing a barrier lead
  • FIG. 3 is a partial side cross-sectional view showing a processing space between the barrier lead and the heater block;
  • FIG. 4 is a partial plan view of the heater block in FIG. 3;
  • FIG. 5 is a graph showing the thickness of a thin film according to barrier leads of various embodiments and a substrate when rotating a substrate seated on a heater block.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an organometallic chemical vapor deposition apparatus 1000 according to an embodiment of the present invention.
  • the organometallic chemical vapor deposition apparatus 1000 includes a chamber 10 , a substrate support unit 20 , and a gas supply unit 30 .
  • the chamber 10 may include an outer chamber 15 and an inner chamber 40 that provides a processing space 46 for processing the substrate W inside the outer chamber 15 .
  • the outer chamber 15 includes a chamber lid 11 covering an upper portion, an outer wall portion 12 fastened to the chamber lid 11 and covering a side portion of the chamber, and a bottom flange portion forming a lower bottom surface of the chamber ( 13) can be provided.
  • the chamber lid 11 may be detachably fastened to the outer wall portion 12 through fastening means such as bolts, and a cooling passage 11a may be formed in the chamber lid 11 .
  • a cooling medium such as cooling water or a cooling gas flows through the cooling passage 11a to cool the chamber 10 heated by high-temperature heat generated in the deposition process in the chamber 10 .
  • the chamber lid 11 has a sensor tube 52 functioning as an optical measurement path of the optical sensor 51 for optically measuring the thin film deposited on the substrate W in the inner chamber 40 .
  • the sensor tube 52 may be disposed through the chamber lid 11 and the inner chamber 40 .
  • a purge gas may be introduced into the sensor tube 52 to prevent the reaction gas from being discharged from the inner chamber 40 to the sensor tube 52 .
  • the outer wall portion 12 is fastened to the chamber lid 11 and is configured to cover a side portion of the inner chamber 40 .
  • An exhaust hole 14 is formed in the outer wall portion 12, and the exhaust hole 14 is connected to a gas exhaust line (not shown), and the reaction gas remaining in the processing space 46 after completion of the deposition process. is configured to be discharged to the outside of the chamber 10 through the exhaust hole 14 and the gas exhaust line (not shown).
  • the bottom flange portion 13 is provided in the lower portion of the outer chamber (15).
  • a cooling passage 13a may be formed in the bottom flange portion 13 .
  • the cooling passage 13a is configured to flow a cooling medium such as cooling water or a cooling gas, and is configured to cool the chamber 10 heated by the high-temperature heat generated in the deposition process in the inner chamber 40 .
  • a substrate support part 20 on which the substrate W is seated is disposed inside the inner chamber 40 .
  • the substrate support 20 is provided with a heating coil 24 for heating the substrate (W).
  • the substrate support unit 20 includes a heater block 21 on which the substrate W is seated and heated, a shaft 22 supporting and rotating the heater block 21 , and a sealing unit 23 . and a heating coil 24 for heating the substrate W by induction heating the heater block 21 .
  • the heating coil 24 may be configured to heat from the side of the heater block 21 .
  • a barrier lead 44 is provided on the substrate support 20 or the heater block 21 .
  • the barrier lead 44 is preferably made of a ceramic material having high heat resistance due to a high temperature environment inside the inner chamber 40 .
  • boron nitride (BN) may be used, and further ceramic, SiC and SiC-coated graphite materials may be used.
  • a space between the barrier lead 44 and the heater block 21 corresponds to the processing space 46 .
  • the above-described gas supply unit 30 may supply a process gas toward the substrate W in the processing space 46 .
  • a gas that does not participate in the reaction in the process gas is discharged to the outside of the chamber 10 through the exhaust hole 14 and the gas exhaust line (not shown).
  • the gas supply unit 30 supplies the process gas and the purge gas toward the substrate W disposed in the processing space 46 .
  • the gas supply unit 30 may supply a process gas or a purge gas toward the substrate W from the side of the processing space 46 .
  • the process gas or the purge gas is supplied by the gas supply unit 30 , it is necessary to uniformly supply the process gas or the purge gas toward the substrate W.
  • the gas supply unit 30 is connected to a gas supply unit (not shown) that provides the process gas and the purge gas, and is connected to the gas supply unit so that the process gas is uniformly supplied to the processing space 46 .
  • a gas guide plate 300 (refer to FIG. 3) that guides and is detachably connected may be provided.
  • the gas guide plate 300 may be composed of one or a plurality, and guide the process gas and the like to be uniformly supplied to the processing space 46 .
  • the organometallic chemical vapor deposition apparatus 1000 a mixed gas of a group 3 alkyl (organometal raw material gas) and a group 5 reaction gas and a high-purity carrier gas is supplied into the reaction chamber and thermally decomposed on a heated substrate.
  • a mixed gas of a group 3 alkyl (organometal raw material gas) and a group 5 reaction gas and a high-purity carrier gas is supplied into the reaction chamber and thermally decomposed on a heated substrate.
  • compound semiconductor crystals are grown.
  • TrimethylAluminum is used as a source gas and NH 3 may be used as a reaction gas.
  • TMA and NH 3 have strong properties to be stabilized by binding to each other, it is necessary to prevent parasitic reactions by minimizing the bonding time by maintaining the fastest flow rate and low pressure as much as possible when supplied to the substrate.
  • the process gas when the process gas is supplied from the side surface of the substrate W by the gas supply unit 30 as in the present embodiment, the source gas and the reaction gas in the section after the center of the heater block 21 due to a parasitic reaction density can be significantly reduced. Accordingly, the growth rate of the thin film of the substrate W may be slowed in the central portion of the heater block 21 , and when the thin film is deposited on the substrate W, the thickness deviation may increase.
  • the distance between the barrier lead 44 and the heater block 21 is adjusted to increase the flow rate of the process gas.
  • FIG 2 is a partial side view showing the barrier lead 44 .
  • an inclined portion 45A for changing the height of the processing space 46 may be formed on at least a portion of a lower surface of the barrier lead 44 .
  • the inclined portion 45A may be first formed on the upstream side along the flow direction of the process gas, and the flat portion 45B may be formed downstream of the inclined portion 45A.
  • the starting point S of the inclined portion 45A may be located upstream of the front end edge 22 (refer to FIG. 3 ) of the heater block 21 in the flow direction of the process gas.
  • the height of the processing space 46 is lowered by the configuration of the inclined portion 45A, and thus the gas supply unit described above.
  • the flow rate of the process gas supplied in step 30 is increased, thereby maximally suppressing the parasitic reaction of the process gas, and it is possible to supply the process gas to the center of the heater block 21 .
  • the growth rate of the thin film of the substrate W may vary depending on the position of the end point E of the inclined portion 45A.
  • the present inventor conducted an experiment to confirm the difference in the growth rate of the thin film according to the position of the end point E of the inclined portion 45A.
  • FIG. 3 is a partial side cross-sectional view showing the processing space 46 between the barrier lead 44 and the heater block 21 .
  • a plurality of substrates W1 and W2 may be seated and disposed on the upper surface of the heater block 21 around the central portion.
  • the above-described gas guide plate 300 may be configured in plurality.
  • the first gas guide plate 310 at the top, and the second gas guide plate 314 and the third gas guide plate 316 sequentially downward toward the bottom may be provided with three gas guide plates.
  • the number of such gas guide plates is merely an example and may be appropriately modified.
  • the gas guide plate 300 is inclined downward at a predetermined angle and is disposed to extend toward the processing space 46 .
  • the inclined angle of at least one of the plurality of gas guide plates 300 may be different from that of the other gas guide plates 300 .
  • the inclination angle of the first gas guide plate 310 located at the top of the plurality of gas guide plates 300 is relatively the largest, and the third gas guide plate located at the bottom among the plurality of gas guide plates 300 ( 316) may be relatively small.
  • the angle of the gas guide plate 300 may be appropriately modified according to the arrangement and size of the processing space 46 .
  • the length of at least one of the plurality of gas guide plates 300 may be different from the length of the other gas guide plates 300 .
  • the length of the first gas guide plate 310 located at the top of the plurality of gas guide plates 300 is the shortest, and the second gas guide plate 314 and the second gas guide plate 314 located below the first gas guide plate 310 are the shortest.
  • the length of the gas guide plate 316 may be relatively longer. That is, the front ends of the second gas guide plate 314 and the third gas guide plate 316 are extended longer than the first gas guide plate 310 to provide a space between the barrier lead 44 and the heater block 21 . can be inserted into
  • the front end of the first gas guide plate 310 may be connected to the barrier lead 44 .
  • a fixing groove is formed in the barrier lead 44 , and the front end of the first gas guide plate 310 is inserted and fixed into the fixing groove portion to maintain the inclined angle of the first gas guide plate 310 . have.
  • the present inventors change the positions of the end points E1, E2, E3, and E4 of the inclined portion 45A while changing the positions of the thin films deposited on the substrate W1.
  • the following (Table 1) is a table showing the thickness change and thickness deviation of the thin film according to the position change of the end points E1, E2, E3, E4 of the inclined portion 45A
  • FIG. 5 is the thickness of the thin film on the substrate W1. It is a graph showing the thickness change.
  • Example 1 Located in the range of approximately -5% to 5% of the diameter of the heater block 3.5 to 4.5 5.14 0.55
  • Example 2 Located in the range of approximately 20% to 30% of the diameter of the heater block 1.5 to 3.5 3.23 0.35
  • Example 3 Located in the range of approximately 45% to 55% of the diameter of the heater block 1.1 to 1.5 2.14 0.21
  • Example 4 Located in the range of approximately 70% to 80% of the diameter of the heater block 0.8 to 1.1 2.96 0.43
  • the thickness deviation corresponds to the thickness excluding the minimum thickness from the maximum thickness of the thin film
  • the thickness uniformity corresponds to a value obtained by dividing the thickness standard deviation of the thin film by the thickness. The lower the thickness deviation and thickness uniformity, the better the thin film is.
  • the graph of FIG. 5 shows a case in which the film forming process is performed while rotating the heater block 21 in the plan view of FIG. 4 when the end point of the inclined portion is changed as shown in (Table 1). , for example, shows the thickness profile of the thin film deposited around the diameter of the first substrate W1.
  • area A of the substrate W1 corresponds to an area located on the edge side of the heater block 21
  • area B corresponds to an area located in the center of the heater block 21 .
  • Table 1 the position of the end point is located downstream from the front end edge 22 of the heater block 21 in the flow direction of the process gas.
  • Table 1 The position of each endpoint E1 in Examples 1 to 4 according to the above (Table 1) is shown in FIG. 3 .
  • the end point E1 is approximately the diameter of the heater block 21 from the front end edge 22 of the heater block 21 to the downstream in the flow direction of the process gas - It is located in the range of 5% to 5%.
  • the '-' mark means that the end point E1 of the inclined portion 45A is located upstream from the front end edge 22 of the heater block 21 .
  • the end point E1 approximately corresponds to the position of the front end edge 22 of the heater block 21 on a plane.
  • the inclination angle ⁇ of the inclination portion 45A corresponds to approximately 3.5° to 4.5°, indicating that the inclination angle ⁇ is larger than that of the other exemplary embodiments. This is because the inclination angle ⁇ of the first embodiment is relatively large because the length of the inclined portion 45A is shorter than that of the other embodiments.
  • Example 1 in the case of Example 1, it can be seen that the thin film becomes thicker from the front end of the substrate W1 toward the center of the substrate W1. However, it can be seen that the thickness of the thin film is significantly reduced as it passes through the central portion of the substrate W1 , so that the process gas is not smoothly supplied to the central portion (B region) of the heater block 21 . In the case of Example 1, it can be seen that the thickness uniformity is 5.14%, and the thickness deviation corresponds to 0.55 ⁇ m, which is relatively large.
  • the end point E2 is approximately 20% of the diameter of the heater block 21 from the front end edge 22 of the heater block 21 to the downstream in the flow direction of the process gas. located in the 30% range. That is, the end point E2 approximately corresponds to the position of the midpoint between the front end edge 22 of the heater block 21 and the central portion of the heater block 21 on a plane.
  • the inclination angle ⁇ of the inclined portion 45A corresponds to approximately 1.5° to 3.5°.
  • Example 2 it can be seen that the thickness of the thin film is maintained to some extent even in the central portion of the substrate W1. However, even in the case of Example 2, it can be seen that the thickness of the thin film becomes significantly thinner as it approaches the center of region B, that is, the heater block 21, so that the process gas is not smoothly supplied to the center of the heater block 21. . In the case of Example 2, it can be seen that the thickness uniformity is 3.23%, and the thickness deviation is 0.35 ⁇ m, which is smaller than that of Example 1, but larger than Example 3, which will be described later.
  • the end point E3 is located in the range of approximately 45% to 55% of the diameter of the heater block 21 in the flow direction of the process gas. That is, the end point E3 substantially corresponds to the central portion of the heater block 21 on a plane.
  • the inclination angle ⁇ of the inclined portion 45A corresponds to approximately 1.1° to 1.5°.
  • the thickness of the thin film is maintained from the front end of the substrate W1 through the central portion of the substrate W1 to area B, that is, even in the area close to the center of the heater block 21 . That is, in the case of the third embodiment, it can be seen that the process gas is relatively smoothly supplied to the central portion of the heater block 21 .
  • the thickness uniformity was 2.14%
  • the thickness deviation was 0.21 ⁇ m, indicating that the thickness uniformity and the thickness deviation were relatively low compared to the other examples.
  • the end point E4 is located in the range of approximately 70% to 80% of the diameter of the heater block 21 . That is, the end point E4 is located approximately through the center of the heater block 21 on a plane.
  • the inclination angle ⁇ of the inclined portion 45A is approximately 0.8° to 1.1°, which is the smallest compared to other embodiments. This is because the inclination angle ⁇ of the fourth embodiment is relatively small because the length of the inclined portion 45A is longer than that of the other embodiments.
  • the thickness of the thin film is maintained in region B, that is, in the area close to the center of the heater block 21, but the thickness of the thin film in region A of the substrate W1 is relatively thin.
  • the thickness uniformity is 2.96%, and the thickness deviation corresponds to 0.43 ⁇ m.
  • the end point E3 of the inclined portion 45A is the heater block 21 as in Example 3 ), it can be seen that it is preferably located in the center of the
  • the end point E3 of the inclined portion 45A is approximately the diameter of the heater block 21 from the front end edge 22 of the heater block 21 to the downstream in the flow direction of the process gas. It can be seen that it is located in the range of 45% to 55%. In this case, the inclination angle ⁇ of the inclined portion 45A corresponds to approximately 1.1° to 1.5°.
  • the section after the end point E4 of the inclined portion 45A is preferably configured in a planar shape parallel to the upper surface of the substrate seated on the heater block 21 .

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Abstract

본 발명은 유기금속화학기상증착장치에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 공정가스의 기생반응을 최대한 억제하면서 공정가스를 기판지지부의 중앙부까지 균일하게 공급할 수 있는 유기금속화학기상증착장치에 대한 것이다.

Description

유기금속화학기상증착장치
본 발명은 유기금속화학기상증착장치에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 공정가스의 기생반응을 최대한 억제하면서 공정가스를 기판지지부의 중앙부까지 균일하게 공급할 수 있는 유기금속화학기상증착장치에 대한 것이다.
유기금속화학기상증착(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치는 3족알킬(유기금속원료가스) 및 5족 반응가스와 고순도 캐리어 가스와의 혼합가스를 반응실내에 공급하여 가열된 기판 위에서 열 분해하여 화합물 반도체 결정을 성장시키는 장치이다. 이러한 유기금속화학기상증착장치는 서셉터에 기판을 장착하여 회전시키면서 측면으로부터 가스를 주입하여 기판 상부에 반도체 결정을 성장시킨다.
예를 들어, 기판 상에 알루미늄 나이트라이드(AlN : Aluminium nitride) 막을 성장시키는 경우 원료가스로 TMA(TrimethylAluminum)을 사용하며 반응가스로 NH3를 사용할 수 있다.
그런데, TMA와 NH3는 서로 결합하여 안정화되려는 특성이 강하므로 기판을 향해 공급하는 경우에 최대한 빠른 유속과 낮은 압력을 유지하여 결합할 시간을 최소화하여 기생반응을 방지하는 것이 필요하다.
즉, 가스공급부에 의해 기판의 측면에서 공정가스가 공급되는 경우에 기생반응에 의해 원료가스와 반응가스가 기판지지부의 중앙부까지 원활하게 공급되지 않을 수 있다. 이에 의해 기판지지부의 중앙부에서 기판의 박막의 성장속도가 늦어질 수 있으며, 기판에 박막이 증착되는 경우에 두께 편차가 커질 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 공정가스의 기생반응을 최대한 억제하면서 공정가스를 기판지지부의 중앙부까지 균일하게 공급할 수 있는 유기금속화학기상증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 기판이 수용되는 챔버, 상기 챔버의 내부에 구비되어 상기 기판이 안착되어 가열되는 히터블록, 상기 챔버의 내측에 상기 히터블록의 상부에 구비되어 상기 히터블록과의 사이에 상기 기판이 처리되는 처리공간을 제공하는 배리어리드 및 상기 처리공간의 측면에서 상기 기판을 향해 공정가스를 공급하는 가스공급부를 구비하고, 상기 배리어리드의 하면의 적어도 일부에는 상기 처리공간의 높이를 변화시키는 경사부가 형성되며, 상기 경사부의 시작점은 상기 공정가스의 흐름방향에서 상기 히터블록의 전단부에지의 상류에 위치하며, 상기 경사부의 종료점은 상기 히터블록의 중앙부에 위치하는 것을 특징으로 하는 유기금속화학기상증착장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 경사부의 종료점은 상기 공정가스의 흐름방향에서 상기 히터블록의 전단부에지에서 하류를 향해 상기 히터블록의 직경의 대략 45% 내지 55%의 범위에 위치할 수 있다.
또한, 상기 경사부의 경사는 1.1°내지 1.5°의 각도를 가질 수 있다.
전술한 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 처리공간의 높이 또는 배리어리드와 히터블록 사이의 갭을 줄임으로써 공정가스의 유속을 빠르게 하여 공정가스의 기생반응을 현저하게 억제할 수 있다.
이에 의해, 히터블록의 중앙부까지는 배리어리드와 히터블록 사이의 갭이 줄어들도록 하여 공정가스를 공급하고 히터블록의 중앙부부터는 배리어리드와 히터블록 사이의 갭을 유지함으로써 박막의 성장속도를 유지하여 기판에 증착되는 박막의 두께 편차를 현저하게 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기금속화학기상증착장치의 측면도,
도 2는 배리어리드를 도시한 일부 측면도,
도 3은 배리어리드와 히터블록 사이의 처리공간을 도시한 일부 측단면도,
도 4는 도 3에서 히터블록의 일부 평면도,
도 5는 히터블록에 안착된 기판을 회전시키는 경우에 다양한 실시예의 배리어리드에 따른 박막의 두께를 도시한 그래프와 기판을 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 유기금속화학기상증착장치에 대해서 상세하게 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기금속화학기상증착장치(1000)의 구조를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 유기금속화학기상증착장치(1000)는 챔버(10)와, 기판지지부(20)와, 가스공급부(30)를 구비한다.
상기 챔버(10)는 외부챔버(15)와 상기 외부챔버(15)의 내측에서 상기 기판(W)을 처리하는 처리공간(46)을 제공하는 내부챔버(40)를 구비할 수 있다.
상기 외부챔버(15)는 상부를 덮는 챔버리드(11)와, 상기 챔버리드(11)에 체결되며 챔버의 측부를 덮는 외부벽부(12)와, 챔버의 하부 바닥면을 형성하는 바닥플랜지부(13)를 구비할 수 있다.
상기 챔버리드(11)는 상기 외부벽부(12)에 볼트 등의 체결수단을 통해 분리 가능하게 체결될 수 있으며, 상기 챔버리드(11)에는 냉각유로(11a)를 형성할 수 있다. 상기 냉각유로(11a)에는 냉각수 또는 냉각가스 등 냉각매체가 유동되도록 구성되어, 상기 챔버(10) 내의 증착공정에서 발생하는 고온의 열에 의해 가열된 상기 챔버(10)를 냉각시키도록 구성된다.
또한, 상기 챔버리드(11)에는 상기 내부챔버(40)내에서 상기 기판(W)상에 증착되는 박막을 광학적으로 측정하기 위한 광학센서(51)의 광측정 통로로서 기능하는 센서튜브(52)가 설치될 수 있다. 상기 센서튜브(52)는 상기 챔버리드(11) 및 내부챔버(40)를 관통하여 배치될 수 있다. 여기서, 상기 센서튜브(52)에는 퍼지가스를 도입하여 상기 내부챔버(40)로부터 반응가스가 상기 센서튜브(52)로 배출되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다.
상기 외부벽부(12)는 상기 챔버리드(11)에 체결되며, 상기 내부챔버(40)의 측부를 덮도록 구성된다. 상기 외부벽부(12)에는 배기홀(14)이 형성되며, 상기 배기홀(14)은 가스배기라인(미도시)에 연결되어, 증착공정의 완료후에 상기 처리공간(46)에 잔류하는 반응가스를 상기 배기홀(14)과 상기 가스배기라인(미도시)을 통해 상기 챔버(10)의 외부로 배출하도록 구성된다.
한편, 상기 외부챔버(15)의 하부에는 바닥플랜지부(13)가 마련된다. 상기 바닥플랜지부(13)에는 냉각유로(13a)를 형성할 수 있다. 상기 냉각유로(13a)에는 냉각수 또는 냉각가스 등 냉각매체가 유동되도록 구성되어, 상기 내부챔버(40) 내의 증착공정에서 발생하는 고온의 열에 의해 가열된 상기 챔버(10)를 냉각시키도록 구성된다.
또한, 상기 내부챔버(40) 내부에는 기판(W)이 안착되는 기판지지부(20)가 배치된다. 상기 기판지지부(20)는 상기 기판(W)을 가열하는 가열코일(24)이 구비된다. 예를 들어, 상기 기판지지부(20)는 상기 기판(W)이 안착되고 가열되는 히터블록(21)과, 상기 히터블록(21)을 지지하며 회전시키는 샤프트(22)와, 씰링부(23)와, 상기 히터블록(21)을 유도가열하여 상기 기판(W)을 가열하는 가열코일(24)을 포함한다. 이 경우, 상기 가열코일(24)은 상기 히터블록(21)의 측면에서 가열하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 기판지지부(20) 또는 히터블록(21)의 상부에는 배리어리드(44)가 구비된다. 상기 배리어리드(44)의 재질은 내부챔버(40) 내부의 고온의 환경으로 인해 내열성이 높은 세라믹 재질이 유리하다. 예를 들어, 보론나이트라이드(BN)을 사용할 수 있으며, 나아가 세라믹, SiC 및 SiC 코팅된 그래파이트(graphite) 재질을 사용할 수도 있다.
상기 배리어리드(44)와 상기 히터블록(21) 사이의 공간이 처리공간(46)에 해당한다. 전술한 가스공급부(30)는 상기 처리공간(46)의 상기 기판(W)을 향해 공정가스를 공급할 수 있다. 상기 공정가스 중에 반응에 참여하지 않은 가스는 전술한 배기홀(14)과 상기 가스배기라인(미도시)을 통해 상기 챔버(10)의 외부로 배출된다.
한편, 상기 가스공급부(30)는 상기 처리공간(46)에 배치된 기판(W)을 향해 공정가스 및 퍼지가스를 공급하게 된다. 예를 들어, 상기 가스공급부(30)는 상기 처리공간(46)의 측면에서 상기 기판(W)을 향해 공정가스 또는 퍼지가스를 공급할 수 있다. 상기 가스공급부(30)에 의해 상기 공정가스 또는 퍼지가스를 공급하는 경우에 상기 기판(W)을 향해 균일하게 공급하는 것이 필요하다.
이를 위하여, 상기 가스공급부(30)는 상기 공정가스 및 퍼지가스를 제공하는 가스제공부(미도시)와, 상기 가스제공부와 연결되어 상기 공정가스가 상기 처리공간(46)으로 균일하게 공급되도록 가이드하며 착탈 가능하게 연결되는 가스안내판(300)(도 3 참조)을 구비할 수 있다. 상기 가스안내판(300)은 한 개, 또는 복수개로 구성될 수 있으며, 공정가스 등이 상기 처리공간(46)으로 균일하게 공급되도록 가이드하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 유기금속화학기상증착장치(1000)에서는 3족알킬(유기금속원료가스) 및 5족 반응가스와 고순도 캐리어 가스와의 혼합가스를 반응실내에 공급하여 가열된 기판 위에서 열 분해하여 화합물 반도체 결정을 성장시키게 된다.
예를 들어, 기판 상에 알루미늄 나이트라이드(AlN : Aluminium nitride) 막을 성장시키는 경우 원료가스로 TMA(TrimethylAluminum)을 사용하며 반응가스로 NH3를 사용할 수 있다.
그런데, TMA와 NH3는 서로 결합하여 안정화되려는 특성이 강하므로 기판을 향해 공급하는 경우에 최대한 빠른 유속과 낮은 압력을 유지하여 결합할 시간을 최소화하여 기생반응을 방지하는 것이 필요하다.
즉, 본 실시예와 같이 상기 가스공급부(30)에 의해 상기 기판(W)의 측면에서 공정가스가 공급되는 경우에 기생반응에 의해 히터블록(21)의 중앙부 이후의 구간에서는 원료가스와 반응가스의 밀도가 현저히 감소할 수 있다. 이에 의해 히터블록(21)의 중앙부에서 기판(W)의 박막의 성장속도가 늦어질 수 있으며, 기판(W)에 박막이 증착되는 경우에 두께 편차가 커질 수 있다.
본 발명에서는 전술한 문제점을 해결하기 위하여 상기 배리어리드(44)와 상기 히터블록(21) 사이의 거리를 조절하여 공정가스의 유속을 증가시켜 해결하고자 한다.
도 2는 상기 배리어리드(44)를 도시한 일부측면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 배리어리드(44)의 하면의 적어도 일부에는 상기 처리공간(46)의 높이를 변화시키는 경사부(45A)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 공정가스의 흐름방향을 따라 상기 경사부(45A)가 상류측에 먼저 형성되고, 상기 경사부(45A)의 하류에 평면부(45B)가 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 경사부(45A)의 시작점(S)은 상기 공정가스의 흐름방향에서 상기 히터블록(21)의 전단부에지(22)(도 3 참조)의 상류에 위치할 수 있다.
전술한 구성과 같이 상기 배리어리드(44)의 하면에 경사부(45A)를 형성하게 되면, 상기 경사부(45A)의 구성에 의해 상기 처리공간(46)의 높이가 낮아지게 되어 전술한 가스공급부(30)에서 공급되는 공정가스의 유속이 증가하여 공정가스의 기생반응을 최대한 억제하면서 상기 히터블록(21)의 중앙부까지 공정가스를 공급할 수 있게 된다.
한편, 전술한 바와 같이 경사부(45A)를 형성하는 경우에 상기 경사부(45A)의 종료점(E)의 위치에 따라 상기 기판(W)의 박막의 성장속도가 달라질 수 있다. 본 발명자는 상기 경사부(45A)의 종료점(E)의 위치에 따른 박막의 성장속도의 차이를 확인하기 위하여 실험을 수행하였다.
도 3은 상기 배리어리드(44)와 히터블록(21) 사이의 처리공간(46)을 도시한 일부 측단면도이다. 도 3에서는 상기 히터블록(21)의 상면에 중앙부를 중심으로 복수개의 기판(W1, W2)이 안착되어 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 전술한 가스안내판(300)은 복수개로 구성될 수 있다. 예를 들어, 최상부의 제1 가스안내판(310)과, 하부를 향해 순차적으로 제2 가스안내판(314) 및 제3 가스안내판(316)을 구비하여 3개의 가스안내판을 구비할 수 있다. 이러한 가스안내판의 개수는 일예를 들어 설명한 것에 불과하여 적절하게 변형될 수 있다.
한편, 상기 가스안내판(300)은 하부를 향해 미리 정해진 각도로 경사져서 상기 처리공간(46)을 향해 연장되어 배치된다. 이 경우, 상기 복수개의 가스안내판(300) 중에 적어도 하나의 기울어진 각도는 다른 가스안내판(300)의 기울어진 각도와 상이할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수개의 가스안내판(300) 중에 최상부에 위치한 제1 가스안내판(310)의 기울어진 각도가 상대적으로 제일 크고, 상기 복수개의 가스안내판(300) 중에 최하부에 위치한 제3 가스안내판(316)의 기울어진 각도가 상대적으로 제일 작을 수 있다. 다만, 이러한 가스안내판(300)의 각도는 상기 처리공간(46)의 배치 및 크기 등에 따라 적절하게 변형될 수 있다.
한편, 상기 복수개의 가스안내판(300) 중에 적어도 하나의 길이는 다른 가스안내판(300)의 길이와 상이할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수개의 가스안내판(300) 중에 최상부에 위치한 제1 가스안내판(310)의 길이가 제일 짧고, 상기 제1 가스안내판(310)의 하부에 위치한 제2 가스안내판(314) 및 제3 가스안내판(316)의 길이가 상대적으로 더 길 수 있다. 즉, 상기 제2 가스안내판(314) 및 제3 가스안내판(316)의 전단부는 상기 제1 가스안내판(310)에 비해 더 길게 연장되어 상기 배리어리드(44)와 히터블록(21) 사이의 공간으로 삽입될 수 있다.
이때, 상기 제1 가스안내판(310)의 전단부는 상기 배리어리드(44)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 배리어리드(44)에 고정홈부가 형성되고, 상기 제1 가스안내판(310)의 전단부가 상기 고정홈부에 삽입 고정되어 상기 제1 가스안내판(310)의 기울어진 각도를 유지할 수 있다.
전술한 구성을 가지는 유기금속화학기상증착장치(1000)에서 본 발명자는 상기 경사부(45A)의 종료점(E1, E2, E3, E4)의 위치를 변화시켜 가며 기판(W1) 상에 증착되는 박막의 두께를 측정하였다. 아래 (표 1)은 경사부(45A)의 종료점(E1, E2, E3, E4)의 위치 변화에 따른 박막의 두께 변화 및 두께 편차를 도시한 표이며, 도 5는 기판(W1) 상에서 박막의 두께 변화를 도시한 그래프이다.
종료점 위치 경사부 각도(θ)
(°)		 박막 두께 균일도 (%) 박막 두께 편차 (㎛)
실시예1 히터블록의 직경의 대략 -5% 내지 5%의 범위에 위치 3.5 ~ 4.5 5.14 0.55
실시예 2 히터블록의 직경의 대략 20% 내지 30%의 범위에 위치 1.5 ~ 3.5 3.23 0.35
실시예 3 히터블록의 직경의 대략 45% 내지 55%의 범위에 위치 1.1 ~ 1.5 2.14 0.21
실시예 4 히터블록의 직경의 대략 70% 내지 80%의 범위에 위치 0.8 ~ 1.1 2.96 0.43
상기 (표 1)에서 두께 편차는 박막의 최대 두께에서 최소 두께를 제외한 두께에 해당하며, 두께 균일도는 박막의 두께 표준편차를 두께로 나눈 값에 해당한다. 두께 편차와 두께 균일도는 낮은 값을 나타낼수록 박막이 우수한 것을 의미한다. 또한, 도 5의 그래프는 상기 (표 1)과 같이 경사부의 종료점을 변화시키는 경우에 도 4의 평면도에서 상기 히터블록(21)을 회전시키면서 성막 공정을 수행하는 경우에 어느 하나의 기판(W1), 예를 들어 제1 기판(W1)의 직경을 중심으로 증착되는 박막의 두께 프로파일을 도시한다. 도 4에서 상기 기판(W1)의 A 영역은 히터블록(21)의 에지측에 위치한 영역이며, B 영역은 상기 히터블록(21)의 중앙부에 위치한 영역에 해당한다.
상기 (표 1)에서 종료점의 위치는 상기 공정가스의 흐름방향에서 상기 히터블록(21)의 전단부에지(22)에서 하류를 향해 위치하게 된다. 전술한 (표 1)에 따른 실시예1 내지 실시에4의 각 종료점(E1)의 위치는 도 3에 도시된다.
예를 들어, 실시예1의 경우 상기 종료점(E1)은 상기 공정가스의 흐름방향에서 상기 히터블록(21)의 전단부에지(22)에서 하류를 향해 상기 히터블록(21)의 직경의 대략 -5% 내지 5%의 범위에 위치하게 된다. 여기서 '-'표시는 상기 경사부(45A)의 종료점(E1)이 상기 히터블록(21)의 전단부에지(22)보다 상류에 위치한 것을 의미한다. 실시예1의 경우 상기 종료점(E1)은 평면상에서 대략 상기 히터블록(21)의 전단부에지(22)의 위치에 대략 대응한다.
이 경우, 상기 경사부(45A)의 경사 각도(θ)는 대략 3.5°내지 4.5°에 해당하여 다른 실시예에 비해 상기 경사 각도(θ)가 큰 것을 알 수 있다. 이는 실시예1의 경사부(45A)의 길이가 다른 실시예에 비해 짧기 때문에 경사 각도(θ)가 상대적으로 커지기 때문이다.
한편, 전술한 (표 1)을 참조하면, 실시예1의 경우 상기 기판(W1)의 전단부에서 기판(W1)의 중앙부를 향할수록 박막이 두꺼워지는 것을 알 수 있다. 하지만, 상기 기판(W1)의 중앙부를 지나면서 박막의 두께가 현저히 얇아져서 공정가스가 상기 히터블록(21)의 중앙부(B영역)까지 원활하게 공급되지 않는 것을 알 수 있다. 실시예1의 경우, 두께 균일도가 5.14%이며, 두께 편차는 0.55㎛에 해당하여 상대적으로 큰 것을 알 수 있다.
한편, 실시예2의 경우 상기 종료점(E2)은 상기 공정가스의 흐름방향에서 상기 히터블록(21)의 전단부에지(22)에서 하류를 향해 상기 히터블록(21)의 직경의 대략 20% 내지 30%의 범위에 위치하게 된다. 즉, 상기 종료점(E2)은 평면상에서 대략 상기 히터블록(21)의 전단부에지(22)와 상기 히터블록(21)의 중앙부의 중간지점의 위치에 대응한다.
실시예2의 경우 상기 경사부(45A)의 경사 각도(θ)는 대략 1.5°내지 3.5°에 해당한다.
실시예2의 경우 상기 기판(W1)의 중앙부에서도 박막의 두께가 어느정도 유지되는 것을 알 수 있다. 하지만, 실시예2의 경우에서도 B 영역, 즉 히터블록(21)의 중앙부에 가까울수록 박막의 두께가 현저히 얇아져서 공정가스가 상기 히터블록(21)의 중앙부까지 원활하게 공급되지 않는 것을 알 수 있다. 실시예2의 경우, 두께 균일도가 3.23%이며, 두께 편차는 0.35㎛에 해당하여 전술한 실시예1보다 작지만 후술하는 실시예3보다는 큰 것을 알 수 있다.
한편, 실시예3의 경우 상기 종료점(E3)은 상기 공정가스의 흐름방향에서 상기 히터블록(21)의 직경의 대략 45% 내지 55%의 범위에 위치하게 된다. 즉, 상기 종료점(E3)은 평면상에서 대략 상기 히터블록(21)의 중앙부에 대응한다.
실시예3의 경우 상기 경사부(45A)의 경사 각도(θ)는 대략 1.1°내지 1.5°에 해당한다.
한편, 실시예3의 경우 상기 기판(W1)의 전단부에서 기판(W1)의 중앙부를 거쳐 B 영역, 즉 히터블록(21)의 중앙부에 가까운 영영에서도 박막의 두께를 유지하는 것을 알 수 있다. 즉, 실시예3의 경우 상기 히터블록(21)의 중앙부까지 비교적 공정가스가 원활하게 공급되는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예3의 경우 두께 균일도가 2.14%이며, 두께 편차는 0.21㎛에 해당하여 다른 실시예에 비해 상대적으로 두께 균일도 및 두께 편차가 낮은 것을 알 수 있다.
한편, 실시예4의 경우 상기 종료점(E4)은 상기 히터블록(21)의 직경의 대략 70% 내지 80%의 범위에 위치한다. 즉, 상기 종료점(E4)은 평면상에서 대략 상기 히터블록(21)의 중앙부를 지나서 위치하게 된다.
실시예4의 경우 상기 경사부(45A)의 경사 각도(θ)는 대략 0.8°내지 1.1°에 해당하여 다른 실시예에 비해 제일 작음을 알 수 있다. 이는 실시예4의 경사부(45A)의 길이가 다른 실시예에 비해 길기 때문에 경사 각도(θ)가 상대적으로 작아지기 때문이다.
실시예4의 경우 B 영역, 즉 히터블록(21)의 중앙부에 가까운 영영에서는 박막의 두께를 유지하지만, 기판(W1)의 A영역에서의 박막의 두께가 상대적으로 제일 얇은 것을 알 수 있다. 실시예4의 경우, 두께 균일도가 2.96%이며, 두께 편차는 0.43㎛에 해당하는 것을 알 수 있다.
결국, 전술한 (표 1)의 두께 균일도와 두께 편차의 결과와, 도 5의 박막 프로파일 그래프를 살펴볼 때, 상기 경사부(45A)의 종료점(E3)은 실시예3과 같이 상기 히터블록(21)의 중앙부에 위치하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 경사부(45A)의 종료점(E3)은 상기 공정가스의 흐름방향에서 상기 히터블록(21)의 전단부에지(22)에서 하류를 향해 상기 히터블록(21)의 직경의 대략 45% 내지 55%의 범위에 위치함을 알 수 있다. 이 경우, 상기 경사부(45A)의 경사 각도(θ)는 대략 1.1°내지 1.5°에 해당한다.
또한, 전술한 실험에서 알 수 있는 바와 같이 실시예 4처럼 경사부(45A)의 종료점(E4)이 히터블록(21)의 중앙부보다 하류 쪽에 위치하는 경우에 박막 균일도가 증가하는 점을 봤을 때, 경사부(45A)의 종료점(E4) 이후의 구간은 히터블록(21)에 안착된 기판의 상면과 평행한 평면형태로 구성되는 것이 바람직하다
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

Claims (3)

  1. 기판이 수용되는 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되어 상기 기판이 안착되어 가열되는 히터블록;
    상기 챔버의 내측에 상기 히터블록의 상부에 구비되어 상기 히터블록과의 사이에 상기 기판이 처리되는 처리공간을 제공하는 배리어리드; 및
    상기 처리공간의 측면에서 상기 기판을 향해 공정가스를 공급하는 가스공급부;를 구비하고,
    상기 배리어리드의 하면의 적어도 일부에는 상기 처리공간의 높이를 변화시키는 경사부가 형성되며, 상기 경사부의 시작점은 상기 공정가스의 흐름방향에서 상기 히터블록의 전단부에지의 상류에 위치하며, 상기 경사부의 종료점은 상기 히터블록의 중앙부에 위치하는 것을 특징으로 하는 유기금속화학기상증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경사부의 종료점은
    상기 공정가스의 흐름방향에서 상기 히터블록의 전단부에지에서 하류를 향해 상기 히터블록의 직경의 대략 45% 내지 55%의 범위에 위치하는 것을 특징으로 하는 유기금속화학기상증착장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 경사부의 경사는 1.1°내지 1.5°의 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 유기금속화학기상증착장치.
PCT/KR2022/005452 2021-04-29 2022-04-15 유기금속화학기상증착장치 WO2022231181A1 (ko)

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KR1020210056104A KR102564228B1 (ko) 2021-04-29 2021-04-29 유기금속화학기상증착장치
KR10-2021-0056104 2021-04-29

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