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KR101205436B1 - 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

화학 기상 증착 장치 Download PDF

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KR101205436B1
KR101205436B1 KR1020110000537A KR20110000537A KR101205436B1 KR 101205436 B1 KR101205436 B1 KR 101205436B1 KR 1020110000537 A KR1020110000537 A KR 1020110000537A KR 20110000537 A KR20110000537 A KR 20110000537A KR 101205436 B1 KR101205436 B1 KR 101205436B1
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process gas
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wafer holder
vapor deposition
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김기성
김범준
류현석
김성태
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치는,
내부공간을 갖는 내부 챔버 및 상기 내부 챔버를 덮어 기밀을 유지하는 외부 챔버를 포함하는 반응 챔버; 상기 내부 챔버 내에 배치되며, 복수개의 웨이퍼가 적재되는 웨이퍼 홀더; 및 상기 각 웨이퍼의 표면에 반도체 에피 박막을 성장시키도록 상기 반응 챔버 내부로 제1공정가스를 공급하는 내부유로를 갖는 내부관, 상기 내부관을 감싸며 제2공정가스를 공급하는 외부유로를 갖는 외부관, 및 상기 내부관과 외부관 사이에서 상기 내부관의 온도 상승을 방지하도록 냉매를 공급하는 냉각유로를 갖는 냉각관을 포함하는 가스 공급부;를 포함할 수 있다.

Description

화학 기상 증착 장치{Chemical Vapor Deposition Apparatus}
본 발명은 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.
발광다이오드(LED)는 휴대폰 키패드, LCD 뿐만 아니라 TV용 백라이트 유닛(BLU) 및 조명용 기기에 이르기까지 폭발적으로 수요가 증가되고 있다. 이러한 추세에 대응하기 위해 발광소자에 응용할 수 있는 질화물 또는 산화물 반도체(예를 들어, GaN, ZnO)를 에피 박막으로 성장하는데 사용되는 사파이어 웨이퍼를 4인치에서 6인치로 전환하는 등의 대구경 사파이어 웨이퍼의 도입과 대량 생산을 위해 많은 매수의 웨이퍼를 일괄하여 성장시킬 수 있는 배치(batch) 타입의 유기금속화학증착(MOCVD) 기술이 연구되고 있다.
이를 적용하기 위한 방법으로 고온 벽 반응기(hot-wall reactor) 방식이 연구되고 있으나, MO 소스가 저온(대략 500℃ 이하)에서 분해되는 특성으로 인해 고결정성을 얻기 위한 고온증착의 어려움이 있다.
본 발명의 목적 중 하나는 고온 벽 반응기를 사용하여 웨이퍼 상에 박막을 성장시키는데 있어서 MO 소스가 조기 분해됨으로 인해 노즐이 막히는 것과, 웨이퍼간 박막의 성장 균일도를 불량하게 만들 수 있는 요소를 개선하여 제품의 품질이 우수하고 신뢰성이 향상될 수 있는 화학 기상 증착 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치는,
내부공간을 갖는 내부 챔버 및 상기 내부 챔버를 덮어 기밀을 유지하는 외부 챔버를 포함하는 반응 챔버; 상기 내부 챔버 내에 배치되며, 복수개의 웨이퍼가 적재되는 웨이퍼 홀더; 및 상기 각 웨이퍼의 표면에 반도체 에피 박막을 성장시키도록 상기 반응 챔버 내부로 제1공정가스를 공급하는 내부유로를 갖는 내부관, 상기 내부관을 감싸며 제2공정가스를 공급하는 외부유로를 갖는 외부관, 및 상기 내부관과 외부관 사이에서 상기 내부관의 온도 상승을 방지하도록 냉매를 공급하는 냉각유로를 갖는 냉각관을 포함하는 가스 공급부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 공급부는 상기 내부관과 상기 냉각관이 상기 외부관의 내측면에 서로 중첩되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 내부관은 상기 냉각관 및 상기 외부관과의 중첩된 면에 상기 냉각관 및 상기 외부관을 관통하여 상기 내부유로와 연결되며, 상기 내부유로 내의 상기 제1공정가스를 상기 반응 챔버 내부로 분사하는 분사관을 구비할 수 있다.
또한, 상기 분사관은 복수개가 상기 내부관이 상기 냉각관 및 상기 외부관과 중첩되는 면을 따라서 상기 웨이퍼의 적재간격에 대응하여 배열될 수 있다.
또한, 상기 외부관은 상기 외부유로와 연결되어 상기 외부유로 내의 상기 제2공정가스를 상기 반응 챔버 내부로 분사하는 분사노즐을 구비하며, 상기 분사노즐은 상기 분사관과 인접한 측면에 배열될 수 있다.
또한, 상기 가스 공급부는 복수개가 상기 웨이퍼 홀더의 둘레를 따라서 서로 이격되어 배치되며, 각각의 가스 공급부는 상기 웨이퍼 홀더의 수직방향으로 구획된 각 영역의 높이에 대응하여 서로 다른 높이를 가질 수 있다.
또한, 상기 가스 공급부는, 상기 웨이퍼 홀더의 하부 영역으로 상기 공정가스를 공급하는 제1 공급부, 상기 웨이퍼 홀더의 중앙부 영역으로 상기 공정가스를 공급하는 제2 공급부, 및 상기 웨이퍼 홀더의 상부 영역으로 상기 공정가스를 공급하는 제3 공급부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 공급부 각각은 상기 공정가스의 공급량을 제어하는 유량계와 개별적으로 연결되어 서로 독립적으로 상기 공정가스의 공급량을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 공정가스가 흐르는 내부관을 냉매가 흐르는 냉각관으로 감싸 상기 내부관을 흐르는 상기 공정가스가 웨이퍼로 분사되기 전에 먼저 열분해되는 것을 방지함으로써 상기 내부관이 막혀 고장을 일으키는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 적재된 웨이퍼 전체에 걸쳐 형성되는 에피 박막의 성장 균일도를 유지함으로써 제품의 품질 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 화학 기상 증착 장치에서 가스 공급부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 가스 공급부를 개략적으로 나타내는 수평 단면도이다.
도 4는 도 1의 화학 기상 증착 장치에서 웨이퍼 홀더의 수직방향 영역별 가스 공급부가 배치되는 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 수직 단면도이다.
도 6은 도 4의 수평 단면도이다.
본 발명의 일실시형태에 따른 화학 기상 증착 장치에 관한 사항을 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 도면 상에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 참조부호를 사용할 것이다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 화학 기상 증착 장치에서 가스 공급부를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2의 가스 공급부를 개략적으로 나타내는 수평 단면도이다. 도 4는 도 1의 화학 기상 증착 장치에서 웨이퍼 홀더의 수직방향 영역별 가스 공급부가 배치되는 구조를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4의 수직 단면도이며, 도 6은 도 4의 수평 단면도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기상 증착 장치(1)는 반응 챔버(10), 웨이퍼 홀더(20), 가스 공급부(30)를 포함하고, 상기 웨이퍼 홀더(20)와 연결되어 상기 웨이퍼 홀더(20)를 회전시키는 회전 구동부(40)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 반응 챔버(10)의 둘레를 따라 구비되어 상기 반응 챔버(10) 내부를 가열하는 가열 수단(50)을 더 포함할 수 있다. 이를 통해 상기 반응 챔버(10)는 높은 온도 균일성을 유지할 수 있다.
상기 반응 챔버(10)는 소정 크기의 내부공간을 가지며 상부 및 하부가 개방된 원통형 구조의 내부 챔버(11) 및 상기 내부 챔버(11)를 덮어 기밀을 유지하도록 하부가 개방된 외부 챔버(12)의 2중 구조로 구성된다. 그리고, 상기 내부 챔버(11)의 하부에는 베이스 플레이트(13)가 개폐가능하도록 구비된다. 상기 내부 챔버(11)와 외부 챔버(12) 그리고 베이스 플레이트(13)는 석영(quartz) 또는 탄화규소(SiC)로 이루어질 수 있다.
상기 웨이퍼 홀더(20)에는 박막 성장을 위한 복수개의 웨이퍼(w)가 소정 간격으로 적재되어 구비되며, 웨이퍼(w)가 적재된 상기 웨이퍼 홀더(20)는 상기 베이스 플레이트(13)의 개폐를 통해 상기 내부 챔버(11) 내에 배치되거나 외부로 배출될 수 있다. 상기 웨이퍼 홀더(20)는 고온 및 고압 분위기의 반응 챔버(10) 내에서 열변형되지 않도록 석영 등의 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
이와 같이, 웨이퍼 홀더(20)를 통해 수백매의 웨이퍼(w)를 소정 간격으로 적재함으로써 종래와 같이 서셉터 상에 웨이퍼(w)를 수매만 장착하여 성장시키는 것에 비해 대량생산이 가능하다는 장점을 갖는다.
상기 웨이퍼 홀더(20)는 단열판에 의해 보호되는 회전 구동부(40)와 연결되어 상기 회전 구동부(40)에서 가해지는 회전력에 의해 상기 내부 챔버(11) 내에서 소정 속도로 회전할 수 있다. 따라서, 에피 박막이 웨이퍼(w)의 표면 전체에 걸쳐 보다 균일하게 성장할 수 있도록 한다.
상기 가스 공급부(30)는 상기 각 웨이퍼(w)의 표면에 반도체 에피 박막을 성장시키도록 상기 반응 챔버(10) 내부로 외부로부터 공정가스를 공급한다. 구체적으로, 상기 가스 공급부(30)는 상기 내부 챔버(11)와 웨이퍼 홀더(20) 사이에서 상기 웨이퍼의 적재방향을 따라서 수직하게 연장되어 구비된다. 그리고, 도면에서와 같이 상기 가스 공급부(30)는 제1공정가스(G1)를 공급하는 내부유로(311)를 갖는 내부관(31), 상기 내부관(31)을 감싸며 제2공정가스(G2)를 공급하는 외부유로(331)를 갖는 외부관(33), 및 상기 내부관(31)과 외부관(33) 사이에서 상기 내부관(31)의 온도 상승을 방지하도록 냉매(C)를 공급하는 냉각유로(321)를 갖는 냉각관(32)을 포함하는 3중관 구조로 이루어질 수 있다.
상기 공정가스(G)는 제1공정가스(G1)와 제2공정가스(G2)로 구분될 수 있으며, 상기 제1공정가스(G1)로는 MO 소스를 포함하고, 상기 제2공정가스(G2)로는 NH3, H2 등을 포함할 수 있다.
상기 가스 공급부(30)는 도 2 및 도 3에서와 같이 상기 내부관(31)과 상기 냉각관(32)이 상기 외부관(33)의 내측면에 서로 중첩되어 결합되도록 배치되는 구조를 갖는다. 이를 통해 상기 내부관(31)과 상기 냉각관(32)이 상기 외부관(33) 내에서 서로 안정적으로 고정될 수 있도록 한다.
상기 내부관(31)은 상기 냉각관(32) 및 상기 외부관(33)과의 중첩된 면에 상기 냉각관(32) 및 상기 외부관(33)을 관통하여 상기 내부유로(311)와 연결되며, 상기 내부유로(311) 내의 상기 제1공정가스(G1)를 상기 반응 챔버(10) 내부로 분사하는 분사관(31-1)을 구비한다. 그리고, 상기 분사관(31-1)은 복수개가 상기 내부관(31)이 상기 냉각관(32) 및 상기 외부관(33)과 중첩되는 면을 따라서 상기 웨이퍼(W)의 적재간격에 대응하여 배열된다.
한편, 상기 외부관(33)은 상기 외부유로(331)와 연결되어 상기 외부유로(331) 내의 상기 제2공정가스(G2)를 상기 반응 챔버(10) 내부로 분사하는 분사노즐(33-1)을 구비하며, 상기 분사노즐(33-1)은 상기 분사관(31-1)과 인접한 측면에 배열된다. 즉, 상기 분사관(31-1)을 기준으로 양측면에 구비되거나 어느 일측면에 구비될 수 있으며, 상기 분사관(31-1)과 마찬가지로 상기 웨이퍼(W)의 적재간격에 대응하여 배열될 수 있다.
상기 분사관(31-1)과 상기 분사노즐(33-1)은 상기 가스 공급부(30)의 길이방향을 따라 각 웨이퍼(W)의 위치와 대응하는 위치에 구비된다. 따라서, 상기 분사관(31-1)과 상기 분사노즐(33-1)은 상기 적재된 웨이퍼(W)의 각 측면과 마주하도록 상기 웨이퍼(W)의 적재간격에 대응하여 배열되거나, 상기 적재된 웨이퍼(W)들 사이에 위치하도록 배열될 수 있다. 이러한 구조를 통해 상기 분사관(31-1)과 상기 분사노즐(33-1)은 각각 상기 웨이퍼(W)의 표면으로 상기 제1공정가스(G1)와 제2공정가스(G2)를 분사하여 웨이퍼(W)의 상면에만, 또는 웨이퍼(W)의 상면과 하면으로 상기 제1공정가스(G1)와 제2공정가스(G2)를 분사하여 각 웨이퍼(W)의 상면과 하면에 에피 박막을 동시에 증착시킬 수 있다.
한편, 각 웨이퍼(W) 상에서 성장되는 에피 박막의 균일도 향상을 위해 상기 가스 공급부(30)는 복수개가 상기 웨이퍼 홀더(20)의 둘레를 따라서 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치된다. 그리고, 각각의 가스 공급부(30)는 상기 웨이퍼 홀더(20)의 상기 웨이퍼(W)가 적재된 방향인 수직방향으로 구획된 각 영역의 높이에 대응하여 서로 다른 높이를 가질 수 있다.
구체적으로, 도면에서와 같이 상기 웨이퍼 홀더(20)가 하부 영역(W1), 중앙부 영역(W2) 및 상부 영역(W3)의 3개의 영역으로 구획되는 경우에 있어서, 상기 가스 공급부(30)는 상기 웨이퍼 홀더(20)의 하부 영역(W1)으로 상기 공정가스(G)를 공급하는 제1 공급부(30a), 상기 웨이퍼 홀더(20)의 중앙부 영역(W2)으로 상기 공정가스를 공급하는 제2 공급부(30b), 및 상기 웨이퍼 홀더(20)의 상부 영역(W3)으로 상기 공정가스(G)를 공급하는 제3 공급부(30c)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 공급부(30a)는 상기 하부 영역(W1)의 높이에 대응하는 높이로 형성되고, 상기 제2 공급부(30b)는 상기 중앙부 영역(W2)의 높이에 대응하는 높이로 형성되며, 상기 제3 공급부(30c)는 상기 상부 영역(W3)의 높이에 대응하는 높이로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 가스 공급부(30) 각각은 상기 공정가스(G)의 공급량을 제어하는 유량계(60)와 개별적으로 연결되어 서로 독립적으로 상기 공정가스(G)의 공급량을 조절한다. 즉, 상기 제1 공급부(30a)와 제2 공급부(30b) 및 제3 공급부(30c)에 각각 연결된 유량계(60)를 통해 각 가스 공급부(30a,30b,30c)로 공급되는 공정가스(G)의 공급량을 개별적으로 조절하게 된다.
따라서, 상기 웨이퍼 홀더(20)의 각 영역에 대응하여 배치되는 각 가스 공급부(30a,30b,30c)는 각 가스 공급부별로 구비되는 유량계(60)를 통해 각 영역 별로 공정가스(G)의 공급량을 적절하게 조절할 수 있어 상기 웨이퍼 홀더(20)의 수직방향 영역에 대한 온도 구배 등을 설정할 필요없이 간단하게 각 영역(W1,W2,W3)에서의 박막의 균일도에 차이가 발생하는 것을 방지하는 것이 가능하다.
한편, 상기 제1 공급부(30a)와 상기 제2 공급부(30b) 및 상기 제3 공급부(30c)는 도 6에서와 같이 각각 상기 웨이퍼 홀더(20)의 둘레를 따라서 서로 일정한 간격만큼 이격되어 상기 공정가스(G)를 분사하는 것이 박막의 균일도 향상을 위해 바람직하다.
1... 화학 기상 증착 장치 10... 반응 챔버
11... 내부 챔버 12... 외부 챔버
20... 웨이퍼 홀더 30... 가스 공급부
40... 회전 구동부 50... 가열 수단
60... 유량계

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 내부공간을 갖는 내부 챔버 및 상기 내부 챔버를 덮어 기밀을 유지하는 외부 챔버를 포함하는 반응 챔버;
    상기 내부 챔버 내에 배치되며, 복수개의 웨이퍼가 적재되는 웨이퍼 홀더; 및
    상기 반응 챔버 내에 배치되며, 상기 각 웨이퍼를 향하여 가스를 분사하도록 상기 반응 챔버 내부로 제1공정가스를 공급하는 내부유로를 갖는 내부관, 상기 내부관을 감싸며 제2공정가스를 공급하는 외부유로를 갖는 외부관, 및 상기 내부관과 외부관 사이에서 상기 내부관의 온도 상승을 방지하도록 냉매를 공급하는 냉각유로를 갖는 냉각관을 포함하는 가스 공급부;
    를 포함하고,
    상기 가스 공급부는 상기 내부관과 상기 냉각관이 상기 외부관의 내측면에 서로 중첩되도록 배치되며,
    상기 내부관은 상기 냉각관 및 상기 외부관과의 중첩된 면에 상기 냉각관 및 상기 외부관을 관통하여 상기 내부유로와 연결되며, 상기 내부유로 내의 상기 제1공정가스를 상기 반응 챔버 내부로 분사하는 분사관을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분사관은 복수개가 상기 내부관이 상기 냉각관 및 상기 외부관과 중첩되는 면을 따라서 상기 웨이퍼의 적재간격에 대응하여 배열되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 외부관은 상기 외부유로와 연결되어 상기 외부유로 내의 상기 제2공정가스를 상기 반응 챔버 내부로 분사하는 분사노즐을 구비하며, 상기 분사노즐은 상기 분사관과 인접한 측면에 배열되는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 가스 공급부는 복수개가 상기 웨이퍼 홀더의 둘레를 따라서 서로 이격되어 배치되며, 각각의 가스 공급부는 상기 웨이퍼 홀더의 수직방향으로 구획된 각 영역의 높이에 대응하여 서로 다른 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스 공급부는, 상기 웨이퍼 홀더의 하부 영역으로 상기 공정가스를 공급하는 제1 공급부, 상기 웨이퍼 홀더의 중앙부 영역으로 상기 공정가스를 공급하는 제2 공급부, 및 상기 웨이퍼 홀더의 상부 영역으로 상기 공정가스를 공급하는 제3 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 가스 공급부 각각은 상기 공정가스의 공급량을 제어하는 유량계와 개별적으로 연결되어 서로 독립적으로 상기 공정가스의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치.
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