KR101353334B1 - 갈륨 질화물 증착에서의 반응 가스 감소 - Google Patents
갈륨 질화물 증착에서의 반응 가스 감소 Download PDFInfo
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Abstract
광학 및 전자 부품의 제조에 적합한 3A-5A족 화합물 반도체 물질의 지속적인 대량생산, 에피택셜 증착을 위한 기판의 사용, 또는 웨이퍼를 위한 방법이 개시된다. 본 발명에 따르는 장치 및 방법은 3A-5A족 (질소) 화합물 반도체 웨이퍼를 생산하고 특히 GaN 웨이퍼를 생산하는데 최적화된다. 본 발명에 따르는 방법은, 반응 챔버 안에서 하나의 반응물로 사용되는 일정 양의 기상(gaseous) 3A족 선구체(precursor)를 또 다른 반응물로 사용되는 일정 양의 기상 5A족 성분과 반응시켜 반도체 물질을 형성하는 단계; 미반응된 3A족 선구체, 미반응된 5A족 성분, 및 반응 부산물을 포함하는 배기 가스(exhaust gas)를 제거하는 단계; 및 상기 배기 가스의 응축의 감소시키고 상기 반도체 물질의 제조를 향상시키기에 충분한 온도까지 상기 배기 가스를 가열하는 단계;를 포함한다. 상기 배기가스는 응축을 충분히 회피하도록 가열되어 상기 반도체 물질의 지속적인 대량생산을 용이하게 한다.
에피택셜 증착(epitaxial deposition), 단결정 3A-5A족 반도체 물질, 대량생산
Description
본 발명은 반도체 처리 장비 및 방법 분야에 관한 것으로, 특히 광학 및 전자 부품의 제조에 적합하고 에피택셜 증착(epitaxial deposition) 등을 위한 기판으로 사용되는 3A-5A족 화합물 반도체 웨이퍼(Group 3A-5A compound semiconductor wafer)의 대량생산(high volume manufacturing)을 위한 장비 및 방법을 제공하는 것이다. 바람직한 실시 예로서, 이런 장비 및 방법은 3A족 질화 반도체 웨이퍼(Group 3A-nitride semiconductor wafer)를 생산하는 것에 관련되고, 특히 갈륨 질화물(GaN) 웨이퍼를 생산하는 것에 관련된다.
3A-5A족 화합물은 중요하고 널리 쓰이는 반도체 물질이다. 3A족 질화물은 특히 넓고 직접적인 밴드갭(band gap)을 가지고 있어서, 광학부품(특히, 단파장 LED와 레이저)과 전자부품(특히, 고온/고전력 트랜지스터)를 제조하는데 유용하다.
3A족 질화물은 수십 년 동안 특별한 장점을 지닌 반도체 성질을 가지고 있는 것으로 알려져 왔다. 그러나, 즉시 이용가능한 단결정 기판이 부족하다는 것에 의해 이들의 상업적인 사용의 실질적인 제약이 있어 왔다. 실리콘 또는 GaAs와 같은 다른 반도체를 위하여 사용되어진 쵸크랄스키(Czochralski) 방법, 수직경사응고(vertical gradient freeze) 방법, 브리지만(Bridgeman) 방법 또는 플로트죤(float zone) 방법과 같은 통상적인 방법을 사용하여 3A족 질화물 화합물의 단결정 기판을 크게 성장시키는 것이 실질적으로 불가능하다. 그 이유는 Ga-N 결합의 높은 결합 에너지로 인해 분해가 되고, 상압(atmospheric pressure)에서 GaN이 녹지않기 때문이다. GaN가 녹기 위해서는 매우 높은 압력과 온도(4GPa을 초과하는 압력과 2500℃의 온도)가 요구된다. 다양한 고압 처리 기법들이 연구되었지만, 이런 기법들은 극히 복잡하였고 매우 적은 불균일 결정만이 생산될 수 있었다. (A. Denis et al, Mat. Sci. Eng. R50 (2006) 167. 참조).
순수한 단결정 기판의 부족함은, 낮은 결함 밀도(defect density)와 요구되는 전기적 및 광학적 특성을 가지는 에피택셜 3A족 질화물 레이어(epitaxial Group 3A-nitride layer)를 만드는 것이 매우 어렵게 만든다. 또 다른 어려움은 실제 장치에 사용되기 위한 충분한 도전율(conductivity)을 갖는 p-type GaN을 만들 수 없다는 것이다. 비록 반도체급 GaN을 생산하려는 시도가 최소한 1970년대 초반에 시작되었지만, 두 가지의 타개책이 개발된 1990년도 후반까지 큰 발전이 없었다. 첫 번째 타개책은 저온의 GaN과 AlN 버퍼 레이어를 사용하는 것으로, 이는 사파이어 위에서 3A족 질화물 레이어의 성장이 어느 정도 가능하게 만들었다. 두 번째 타개책은 용인될 수 있는 정도의 p-type 도전율을 달성할 수 있는 공정의 개발이었다. 이러한 기술적 발전에도 불구하고, 3A족 질화물 레이어에서의 결함 밀도는 매우 높고 (1E9 - 1E11 cm-3 정도의 디스로케이션(dislocation)을 보임 ), p-type 도전율은 다른 반도체만큼 크지 않다. 이런 한계점에도 불구하고, LEDs에 적합한 3A족 질화물 에피택셜 필름의 상업적인 생산이 이루어졌다 (예컨대, Nakamura et al, 2nd ed. 2000, The Blue Laser Diode, Springer-Verlag, Berllin 참조).
높은 결함 밀도는 논-내티브 기판(non-native substrate)에서 성장하기에 발생하는 결과이다. 사파이어는 가장 널리 사용되는 기판으로, 실리콘 카바이드(silicon carbide)가 그 뒤를 잇고 있다. 3A족 질화물 에피택셜 레이어와 기판 사이의 격자상수(lattice constant), 열팽창계수, 결정구조의 차이는 높은 결함 밀도, 3A족 질화물 필름 또는 기판의 스트레스 및 크랙킹(cracking)을 야기한다. 더욱이, 사파이어는 매우 높은 저항율(resistivity)을 갖고(도전성을 가질 수 없음) 열전도율이 매우 나쁘다.
SiC 기판은 도전성 및 높은 저항성을 갖는 양쪽 모두의 형태로 생산될 수 있으나, 사파이어보다 상당히 비싸고 단지 작은 직경으로만 이용될 수밖에 없다 (전형적으로 50mm의 직경이 가능하고 150mm 및 200mm의 직경이 가능함이 입증되었음). 이는 GaAs 및 실리콘과 같은 다른 반도체를 위한 내티브 기판(native substrate) 및 사파이어와는 대비되는 점이다. 후자의 경우에는 낮은 비용과 큰 직경(사파이어에 대해서는 150mm; GaAs에 대해서는 300mm)을 가지고 이용될 수 있다.
사파이어 및 SiC의 사용이 일부 장치에 대해서는 적합할 수도 있지만, 이런 기판에서 성장하는 3A족 질화물 레이어와 관련된 높은 결함 밀도는 레이저 다이오드에서 짧은 수명을 야기한다. 3A족 질화물 레이저 다이오드는 특히 중요한데, 이는 그들의 짧은 파장으로 인해 광 기록 방법(optical recording method)에서 매우 높은 정보 밀도(information density)가 가능해지기 때문이다. 낮은 결함 밀도를 갖는 기판은 백열등과 형광등을 대체하는데 요구되는 높은 휘도를 가진 LEDs를 만들 수 있을 것으로 기대된다. 마지막으로, 3A족 질화물 물질은 고주파수, 고전력 전자 장치에 요구되는 성질을 가지고 있으나, 부분적으로는 기판의 한계 때문에 이런 장치의 상업화는 아직 이루어지지 않았다. 높은 결함 밀도는 전자 장치에 있어서 낮은 성능 문제와 신뢰성 문제를 일으킨다. 사파이어의 낮은 도전율은 전자 장치의 활성화 영역에서 열을 제거할 수 있는 것이 극히 중요한 고전력 장치에 사용되는데 적합하지 않게 만든다. SiC 기판은 작은 직경과 높은 비용으로 인해 커다란 전자 장치의 크기(레이저 또는 LEDs와 비교하여)가 낮은 비용 및 큰 기판 면적을 요구하고 있는 전자 장치 시장에서 상업적으로 이용되기 어렵다.
논-내티브 기판 위의 에피택셜 3A족 질화물에 있는 결함 밀도를 더욱 줄이기 위하여 많은 방법이 연구되어 왔다. 그러나 성공한 방법들은 매우 복잡하고 비싸며, 설사 비용이 문제가 아니더라도 이상적이지 못하다. 한가지 공통적인 접근 방법은 에피택셜 측방향 과도성장(epitaxial lateral overgrowth; ELO)의 형식을 이용하는 것이다. 이런 기법에서는, 기판이 부분적으로 마스크되고 3A족 질화물 레이어가 상기 마스크 위의 측방향으로 성장하도록 만든다. 상기 마스크 위의 에피택셜 필름은 상당히 감소된 디스로케이션 밀도(dislocation density)를 갖는다. 그러나, 개방된 영역에 있는 에피택셜 필름은 마스크되지 않은 기판에서 얻어지는 것과 동일한 정도의 높은 디스로케이션 밀도를 여전히 갖는다. 또한, 측방향으로 과도성장하는 인접한 영역이 만나는 위치에서는 더 많은 결함이 생성된다. 이런 디스로케이션 밀도를 더욱 감소시키기 위하여, 다수의 ELO 단계가 수행될 수 있다. 이는 매우 비싸고 시간이 많이 소모되는 작업임이 명백하고, 결과적으로 일부 영역은 낮은 디스로케이션 밀도를 갖고 일부 영역은 높은 디스로케이션 밀도를 갖는 균일하지 못한 기판을 생성하게 된다.
현재까지 결함 밀도를 줄일 수 있는 가장 성공적인 접근 방법은 매우 두꺼운 레이어로 3A족 질화물 물질을 성장시키는 것이다. 디스로케이션이 성장 방향과 완전히 평행하게 배향되지 않기 때문에, 성장이 진행하면서 디스로케이션의 일부가 만나서 서로 소멸시킨다. 이 때문에 효과적인 방법이 되기 위해서는 300에서 1000㎛ 정도로 레이어를 성장시키는 것이 필요하다. 이런 접근 방법의 장점은 레이어가 기판 전역에 걸쳐서 균일하다는 것이다. 이런 접근 방법의 난점은 실용적으로 이런 레이어 두께를 달성할 수 있는 성장 화학반응과 이와 관련된 장비를 찾는 것이다. MOVPE 또는 MBE 기법은 단위 시간당 1에서 약 5㎛ 정도보다 낮은 정도의 성장율을 갖기 때문에 매우 느리고, 앞서서 설명한 많은 ELO 기법도 수 미크론 내지 10 미크론의 성장이 요구된다. 성공적으로 높은 성장율을 달성한 유일한 성장 기법은 하이드라이드 기상 에피택시 성장법(hydride vapor phase epitaxy; HVPE)이다.
요약하자면, 적은 디스로케이션을 갖는 3A족 질화물 물질을 생산하는 현재 수준의 기술은, 매우 두꺼운 레이어를 만드는 HVPE를 사용하는 것이다. 그러나 높은 성장율을 달성할 수 있는 현재의 HVPE 공정 및 장비의 기술은 많은 단점을 갖는다. 본 발명은 이제 이러한 단점들을 극복하고 상대적으로 저비용, 고품질의 3A족 질화물을 제공하여, 새롭고 혁신적인 용도(예컨대, 주거용 및 상업용 조명 시스템과 같은 분야)로 사용되게 만든다.
본 발명은 단결정 3A-5A족 반도체 물질의 에피택셜 증착을 위한 방법에 관한 것이다. 이런 방법은, 반응 챔버 안에서, 하나의 반응물로 사용되는 일정 양의 기상(gaseous) 3A족 선구체(precursor)를 또 다른 반응물로 사용되는 일정 양의 기상 5A족 성분과 반응시켜 반도체 물질을 형성하는 단계; 미반응된 3A족 선구체, 미반응된 5A족 성분, 및 반응 부산물을 포함하는 배기 가스(exhaust gas)를 제거하는 단계; 및 상기 배기 가스의 응축의 감소시키고 상기 반도체 물질의 제조를 향상시키기에 충분한 온도까지 상기 배기 가스를 가열하는 단계;를 포함한다. 바람직하게, 상기 배기가스는 응축을 충분히 회피하도록 가열되어 상기 반도체 물질의 지속적인 대량생산을 용이하게 한다. 상기 기상 3A족 선구체는 단위 시간당 50g의 3A족 원소의 질량유량으로 적어도 48시간 동안 연속적으로 제공될 수 있다.
일반적으로, 상기 배기 가스는 상기 반응 챔버에서 펌핑되어 제거된다. 본 발명에 따르는 방법은, 상기 배기 가스를 열분해하여 고형 3A족 산화물을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 상기 3A족 선구체의 재활용 및 형성을 위하여 상기 고형 3A족 산화물을 재생되도록 만들 수 있다. 또한, 본 발명에 따르는 방법은, 상기 열분해된 배기 가스를 상기 3A족 산화물의 재생을 촉진하는 용액과 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다.
바람직한 상기 기상 5A족 성분은 질소를 포함하는 성분이어서 단결정 3A족 질화물이 제공된다. 또한, 바람직한 상기 기상 3A족 선구체는 갈륨 화합물이어서 단결정 갈륨 5A족 반도체 물질이 제공된다. 이런 반응물들이 결합될 때, 단결정 감률 질화물 반도체 물질이 제공된다.
본 발명에 따르는 방법은, 상기 3A족 선구체나 반응 부산물이 증착되는 것을 감소 내지 방지하여 메인터넌스(maintenance)가 요구되는 시점 전까지 긴 작동 시간을 제공하도록 상기 반응 챔버를 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 반응 챔버 주위 바깥에서 공기를 순환시킴으로서 상기 반응 챔버가 냉각된다.
또한, 본 발명은, 하나의 반응물로 사용되는 3A족 선구체의 소스(source); 또 다른 반응물로 사용되는 5A족 성분의 소스(source); 반응을 위하여 상기 반응물들을 수용하여, 배기 가스를 생성하면서 반도체 물질을 형성시키는 반응 챔버; 및 상기 배기 가스의 응축의 감소시키고 상기 반도체 물질의 제조를 향상시키기에 충분한 온도까지 상기 배기 가스를 가열하는 가열 장치;를 포함하는 단결정 3A-5A족 반도체 물질의 에피택셜 증착을 위한 시스템에 관련된다. 일반적으로 상기 반응 챔버는, 미반응된 3A족 선구체, 미반응된 5A족 성분, 및 반응 부산물을 포함하는 상기 배기 가스를 상기 반응 챔버에서 제거하기 위한 출구 및 배기 도관을 포함한다. 또한, 상기 가열 장치는, 상기 출구 및 배기 도관을 상기 배기 가스의 응축을 방지하게 충분한 온도까지 가열하도록 배치된다. 또한, 본 발명에 따르는 시스템은, 상기 배기 가스를 상기 반응 챔버에서 제거하는 제거 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 제거 장치는 전형적으로 상기 배기 도관과 연관되어 작동되는 펌프를 포함한다.
또한, 본 발명에 따르는 시스템은, 상기 반응 챔버의 온도를 제어하기 위한 외부 장치를 포함할 수 있다. 상기 반응 챔버는 전형적으로 일 이상의 벽을 포함하기 때문에, 상기 외부 장치는 일반적으로 일 이상의 팬(fan)과 연관되어 작동하는 구역을 포함하여, 공기를 상기 구역에서 순환시켜 상기 반응 챔버의 상기 벽을 온도를 떨어뜨려 상기 3A족 선구체 또는 반응 부산물의 상기 벽에 증착되는 것을 감소 내지 방지하고 메인터넌스가 요구되는 시점 전까지 긴 작동 시간을 제공한다.
본 발명에 따르는 시스템은, 상기 배기 가스를 열분해하여 고형 3A족 산화물을 형성하는 열분해 챔버를 더 포함할 수 있다. 상기 고형 3A족 산화물의 재생을 촉진하기 위하여, 본 발명에 따르는 시스템은, 상기 열분해된 배기 가스를 용액에 접촉시키기 위한 스크러버(scrubber)를 더 포함할 수 있다. 또한, 추가적인 3A족 선구체의 재활용 및 형성을 위하여 상기 고형 3A족 산화물을 회수하는 필터가 제공될 수 있다.
전형적으로 상기 반응 챔버는, 상기 단결정 반도체 물질이 증착되는 일 이상의 기판을 유지하는 회전가능한 지지부를 더 포함한다. 또한, 상기 반응 챔버는 상기 반응물을 제어된 방식으로 상기 반응 챔버로 도입시키는 입구(entry aperture)를 포함하여 상기 단결정 반도체 물질이 상기 기판에 형성되고 증착되는 것을 촉진할 수 있다. 상기 반응 챔버는 일반적으로 석영으로 만들어진다.
본 발명의 다른 측면과 상세한 내용과 구성요소의 다양한 조합은 첨부된 도면 및 이어지는 상세한 설명으로부터 명확해 질 것이며, 이런 것 역시 본 발명의 범위 내에 있다.
본 발명은 아래의 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명, 본 발명의 특정한 실시예에 대한 예들 및 다음과 같이 첨부된 도면을 참조하면 더욱 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 개략적인 시스템을 나타내는 도면;
도 2A-C는 바람직한 GaCl3 소스를 나타내는 도면;
도 3A-C는 바람직한 반응 챔버를 나타내는 도면;
도 4는 바람직한 이송/반응 챔버 조합을 개략적으로 나타낸 도면;
도 5는 바람직한 입구 매니폴드 구조를 개략적으로 나타낸 도면; 그리고
도 6은 다른 반응가스 입구 배열을 개략적으로 나타낸 도면이다.
동일한 참조부호는 다른 도면에서 동일한 구조를 나타내기 위해 사용된다.
본 발명은 지금까지 불가능하였던 3A-5A족 화합물 반도체 웨이퍼의 고 성장율과 대량생산을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 이런 장치는 수주 또는 수개월 이상 메인터넌스를 위해 생산을 멈출 필요가 없는 연속 생산이 가능하다. 장치는 매시간 내지 4시간 마다 적어도 한 개의 웨이퍼 (또는 한 개의 웨이퍼 배치)가 생산될 수 있는 고 산출 생산이 가능하다. 이와 같이 생산된 3A-5A족 화합물 반도체 웨이퍼는 광학과 전자 부품의 제조, 에피택셜 증착을 위한 기판, 다른 반도체 재료의 응용을 위해 적합할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 이런 장치와 방법은 특별히 GaN 질화 웨이퍼를 생산하는 것에 관련된다. 그러한 실시예들이 다음의 설명의 대부분의 초점이 된다. 이러한 초점은 간결함을 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 바람직한 실시예들은 다른 3A족 질화물들 예를 들면, 알루미늄 질화물, 인디움 질화물, 혼합 알루미늄/갈륨/인디움 질화물의 웨이퍼를 생산하는데 및 3A족 인화물(phosphode)과 비화물(arsenide)의 웨이퍼를 생산하는데 쉽게 적용할 수 있다. 따라서, 반도체 웨이퍼들 또는 3A-5A족 화합물 반도체 중 어느 하나의 웨이퍼를 생산하는 것은 본 발명의 범위 내에 속한다.
본 발명의 특별한 실시예는 Si 에피테셜 증착을 위해 상업적으로 사용될 수 있는 장비를 수정하여 실현할 수 있으므로 특별한 가격적 효과가 있을 수 있다. 그리고, 실리콘 기술에서 잘 발전된 대량생산에 관한 측면이 유지되는 동안, GaN 에피택시에 특히 중요한 원소들과 특징들에 초점이 있다. 또한, 본 발명의 장치는 상당한 듀티 사이클(duty cycle)을 갖도록 설계되어 있으므로, 대량생산이 가능하다. 또한, 본 발명은 제한된 비가동시간(downtime)을 가지며, 실제로 증착되지 않고 반응 챔버 장치로부터 배출되는 Ga을 회복시키고 재활용함으로써 값비싼 Ga의 사용에서 실질적으로 100%의 효율을 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 공정과 장치는 Ga 선구체(Ga precursor)의 경제적 사용을 포함한다.
본 발명은 공지의 저 열용량 서셉터(low thermal mass susceptor)(기판 홀더 (substrate holder))와 온도제어된 반응기 벽을 갖는 램프 가열의 사용을 포함한다. 램프 가열의 사용은 열 에너지가 주로 서셉터에 연결되고 반응기 벽을 가열하지 않도록 한다. 램프 가열 시스템은 램프들이 매우 빠르게 동력이 변화하도록 하는 제어 시스템을 구비한다. 램프 가열 시스템과 결합된 저 열용량 서셉터는 매우 빠르게 상승하거나 하강하는 온도 변화를 허용한다. 온도 경사속도는 2-10 도/초의 범위 내에, 바람직하게는 대략 4-7 도/초의 범위 내에 있다.
본 발명은 원하지 않는 기상(gas phase) 반응을 최소화하고 벽에 증착이 발생하는 것을 방지하는 특정 온도로 제어되는 반응벽을 포함한다. 벽에 증착이 발생하지 않으면, 성장률, 스트레스, 다른 적절한 성장 파라미터를 위한 내부 모니터링의 간단한 사용이 가능하다.
본 발명은 3A족 선구체를 위한 하나 이상의 외부 소스(source)를 포함한다. 3A족 선구체의 흐름은 전자 질량 유량 제어기로 직접적으로 제어된다. 외부 3A족 소스의 크기는 실질적으로 한계가 없다. 3A족 소스 컨테이너는 50 내지 100 내지 300 kg의 범위 내에 있을 수 있으며, 몇 개의 소스 컨테이너는 서로 연결되어 정지 시간없이 컨테이너 사이에서 스위칭이 가능하다. GaN의 증착을 위해서 Ga 선구체는 GaCl3이다. 이 Ga 소스는 다음과 같은 관찰과 발견들에 근거를 두고 있다. 즉, GaCl3는 충분히 낮은 점도 상태에 있을 때, 일상적인 물리적 수단들, 예를 들면, GaCl3 액체 속을 캐리어 가스(carrier gas)가 거품으로 통과하도록 하는 것과 같은 방법으로 GaCl3의 충분한 증발율을 제공할 수 있으며, GaCl3는 110 내지 130℃의 온도 범위에서 충분하게 낮은 점도 상태라고 가정된다.
본 발명은 GaCl3를 낮은 점도 상태에서 일정한 온도과 압력으로 유지하기 위한 장비와 GaCl3 액체를 통해 제어된 양의 가스를 흐르게 하고 반응기까지 GaCl3의 증기를 운반하는 장비들을 포함한다. 이 장비는 지름 200mm 기판 또는 서셉터 위에 장착된 복수 개의 작은 웨이퍼들에 100 내지 400 ㎛/hour 범위의 GaN 증착율을 얻을 수 있는 GaCl3의 고 질량 흐름(200-400g/hour의 범위)을 유지할 수 있다. GaCl3 컨테이너로부터 연결된 운반 시스템은 GaCl3의 응축을 방지하기 위해 특정한 온도 프로파일로 유지된다.
본 발명은 또한, 3A족과 5A족 가스들이 증착 지역(deposition zone)까지 분리된 상태를 유지하도록 하는 입구 매니폴드 구조(inlet manifold structure)를 포함하고, 또한 증착 지역에 균일성이 높은 기상 동질체를 얻을 수 있고 그래서 반응 챔버 내로 기판들을 지지하는 서셉터를 가로지르는 일정한 공정 가스의 흐름을 얻을 수 있는 방법을 제공한다. 공정가스 흐름은 유속(그러므로 비 난류)과 화학 조성(그러므로 일정한 3A족/5A족 비율) 둘 다 실질적으로 일정하도록 설계된다. 바람직한 실시에에서, 반응기 폭을 가로질러 균일한 가스 분포를 제공하고 높은 균일성을 달성하기 위한 3A족 가스와 5A족 가스를 위한 별도의 제1의 입구 포트를 제공함으로써 실현될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 매니폴드 구조와 포트 구조는 유체역학의 원리에 따라 가스 흐름을 모델링함으로써 설계되고 개량된다.
본 발명은 또한, 이 선구체들의 반응 효율을 향상시키기 위해 3A족 또는 5A족 입구 중의 어느 하나, 또는 둘 다에 에너지를 더하는 방법을 포함한다. 바람직한 실시 예에서, 이것은 이량체 형태(dimer form)의 3A족 선구체 Ga3Cl6를 단량체(monomer) GaCl3으로 열분해하는 방법을 포함한다. 다른 바람직한 실시 예에서, 이것은 예를 들면, 열분해 또는 플라즈마에 의해 암모니아 선구체를 분해하는 방법을 포함한다.
본 발명은 또한, 완전 자동 카세트 투 카세트 로딩(fully automatic cassette-to-cassette), 별도의 냉각 스테이지, 로드 락(load lock), 비접촉 웨이퍼 핸들러를 포함하는 자동화된 웨이퍼 핸들링 장치를 포함한다. 이들 모두는 완전히 컴퓨터로 제어되고, 전체 성장 프로그램과 연결되어 있다.
본 발명은 또한, 반응기 입구와 출구 플랜지와 배기 시스템의 온도 제어와 감압된 압력과 높은 온도에서 작동할 수 있는 특별히 설계된 압력 규제 밸브를 포함한다. 이 영역에서 온도 제어는 너무 이른 기상 반응을 방지하고, 여러 반응 부산물 뿐만 아니라 GaN의 증착을 최소화한다. 주요한 반응 부산물은 NH4Cl이다. 반응기의 전체 배기 하류의 온도는 NH4Cl의 응축을 방지하도록 제어된다.
또한, 본 발명은 가스 퍼지 게이트 밸브(gas-purged gate valve)를 포함하여, 밸브 재료와 반응기 측벽으로의 증착을 감소시키고 가스 재순환(recirculation)과 반응기 내에서의 가스의 잔류시간을 줄인다.
본 발명의 추가적인 측면은 하나의 성장 기간 동안 한 개 이상의 웨이퍼를 잡을 수 있는 서셉터와 두꺼운 성장 동안 서셉터에 기판이 부착되는 것을 방지하도록 설계된 서셉터의 사용을 포함한다.
본 발명은 특정한 금속 할로겐 화합물(metal halide compound)이 어떤 특정한 화학적 성질을 갖는다는 것과, 이러한 성질들의 관점에서 설계된 장치와 결합될 때 그 화합물은 지금까지 달성할 수 없었던 고 처리량, 고 가동시간, 및 대량생산의 특징인 저가격으로 3A-5A족 화합물 반도체, 특히 갈륨 질화물의 두꺼운 레이어를 증착하는데 사용될 수 있다는 발견에 근거를 두고 있다.
본 발명에서, "대량생산"(High Volume Manufacturing)(또는 HVM)이란 용어는 고 처리량(throughput), 고 선구체 효율(precursor efficiency)과 고 장비 이용률(equipment utilization)로 특징지어진다. 처리량은 처리될 수 있는 시간당 웨이퍼의 개수를 의미한다. 선구체 효율은 시스템으로 입력된 재료의 많은 부분이 생산에 사용되고 낭비되지 않는 것을 의미한다. 재료, 공정, 구조와 관련된 매우 많은 변수가 있지만, HVM 증착율은 적어도 48시간 동안 시간당 3A족 원소(갈륨과 같은) 약 50g부터 적어도 100시간 동안 시간당 3A족 원소 100g까지, 적어도 일주일의 기간동안 시간당 3A족 원소 200g까지, 적어도 한달의 기간동안 시간당 3A족 원소 300g 내지 400g까지 범위 내에 있다. 전형적인 소스 용량은 한 개의 용기(vessel)에서 5Kg에서 60Kg의 범위 내에 있을 수 있으며, 증가된 HVM을 위해 복수 개의 용기가 연속하여 동작될 수 있다.
장비 이용률은 주어진 기간, 예를 들면, 24시간과 비교하여 기판이 반응기 속에 있는 시간의 비를 의미한다. HVM에서는, 대부분의 시간은 셋업, 캘리브레이션, 청소 또는 메인터넌스(maintenance)가 아닌 생산물을 생산하는데 사용된다. 이러한 수단에 대한 양적인 범위는 성숙한 실리콘 반도체 처리 기술에 사용할 수 있다. 3A-5A족 재료의 HVM을 위한 장비 이용률은 실리콘 에피택셜 증착장비의 이용률과 유사하게 약 75 내지 85%의 범위 내에 있다.
반응기 이용률(reactor utilization)은 반응기안의 기판 위에서 재료의 성장이 일어나는 동안의 시간의 기간이다. 종래 기술에 의한 HVPE 반응기에서는, 이값은 대략 40 내지 50%이다. 반면에, 여기에서 기술된 것과 같은 HVM 반응기에서는 이값은 대략 65-70%이다.
성장 이용율(growth untilization)은 기판이 공급된 후 반응기에서 성장이 일어나는 시간을 의미하는 반응기에서 전체적인 시간이다. 종래 기술에 의한 HVPE 반응기에서, 이값은 대략 65-70%이다. 반면에 여기에서 기술된 것과 같은 HVM 반응기에서는 이값은 대략 95에서 100%가까이, 즉 실리콘 제조 공정의 이값에 근접한다.
본 발명은 대량생산을 방해하는 현재의 HVPE 기술의 주요 한계를 다루고 있다. 이는 현재의 HVPE의 소스 발생을 외부 소스로 교체하고, 현재의 HVPE 고 열용량과 고온 벽의 반응기를, 온도제어된 벽을 구비한 저 열용량 반응기로 교체함으로써 이루어진다. 외부 소스의 사용은 선구체를 충전하기 위해 생산을 멈출 필요를 제거하여, 장비 이용률을 크게 향상시킨다. 또한, 선구체의 질량 흐름은 전자 질량 흐름 제어기에 의해 직접적으로 제어되어, 성장공정의 제어를 향상시키고 수율을 향상시킨다. 온도 제어된 벽을 갖는 저 열용량 반응기는 성장과 메인터넌스 기간 동안 가열과 냉각을 위해 요구되는 시간을 크게 감소시킨다. 기판을 급속하게 가열하고 냉각시키는 능력은 현재의 HVPE 뜨거운 벽 시스템에서는 실질적으로 불가능한 여러 개의 온도공정의 사용을 가능하게 한다. 벽 온도를 제어하는 능력은 기상 반응을 감소시켜, 벽 증착을 거의 완전히 제거시킨다. 벽 증착의 제거는 클리닝 사이 의 시간을 많이 증가시켜 높은 반응기 이용률에 도달하게 한다.
본 발명은 어떤 금속 할로겐 화합물은 3A-5A족 화합물 반도체의 HVPE증착을 위한 외부 소스로 사용될 수 있으며, 본 발명에서 상세하게 설명하는 특정한 배달장비와 연계하면 넓은 면적에 고 증착율을 얻을 수 있고 유지할 수 있는 충분히 고 질량 플럭스를 제공할 수 있다는 사실에 근거를 두고 있다. 특히, 녹았을 때, GaCl3는 충분히 낮은 점도 상태에 있어 일상적인 물리적 수단들, 예를 들면, GaCl3 액체 속을 캐리어 가스를 갖는 거품이 통과하도록 할 수 있으며, GaCl3의 충분한 증발율을 제공할 수 있으며, GaCl3는 약 130℃의 온도 범위에서 충분하게 낮은 점도 상태라고 가정된다. 또한, 본 발명은 약 400℃ 이하의 온도에서 액상과 기상으로 있는 GaCl3가 실제로 이량체(dimer)라는 사실에 근거를 두고 있다. 이분차체의 화학식은 (GaCl3)2 또는 Ga2Cl6로 표시될 수 있다.
Ga2Cl6 에 추가하여, 관련된 클로로 갈렌(chlorogallanes)은 Ga 선구체로서 사용될 수 있다. 이 화합물은 Ga2Cl6 와 유사하나 한 개 이상의 Cl 원자를 대치하는 H를 갖고 있다. 예를 들면, 모노 클로로갈렌은 H원자에 의해 대치된 2개의 브리지 Cl 원자를 갖고 있다. 아래에 도시된 것처럼, 끝단의 Ga 연결 원자들은 H에 의해 대치될 수 있다. (이러한 화합물은 시스형과 트랜스형이 있다.) B.J.Duke, Inorg. Chem. 30 (1991) 4225에 따르면, 이량체의 안정성은 종단 Ga-x결합의 염소화를 증가시킴에 따라 Cl 치환 당 1-2kcal/mol까지 감소되고, 브리징 H원자에 대한 Cl치환 에 의해 6-8kcal/mol까지 증가한다. 치환된 Cl원자의 개수가 감소함에 따라, 주어진 온도에서 단량체(monomer)의 분해는 감소될 것이다.
In과 Al함유 화합물의 성장은 실질적으로 유사한 장비를 사용하여 달성할 수 있다. 다만, 이러한 소스들은 액체상태로 쉽게 유지할 수 없다는 한계가 있다. InCl3는 583℃에서 녹는다. GaCl3에 대해 기술한 본 발명이 583℃이상에서 동작하도록 수정될 수 있으나, 이것은 실제적으로 매우 어렵다. 다른 접근 방법은 InCl3를 용융점 이하이나, 증기압이 수용할 수 있는 증착율을 얻을 수 있을 정도로 충분한 온도까지 가열하는 것이다.
AlCl3는 178℃에서 승화하고, 190℃, 2.5atm에서 녹는다. GaCl3에 대해 기술한 본 발명은 대기압보다 높은 압력과 AlCl3의 용융점보다 높은 온도에서 동작하도록 수정될 수 있다. 추가적으로, 위에서 InCl3에 대해 설명한 별도의 접근방법, 즉 충분한 고 증기압을 얻을 수 있을 정도의 용융점 이하 온도로 가열하는 방법도 적용 가능하다. AlCl3 또한 저온의 액체상과 기체상에서 이량체 (AlCl3)2를 형성한다.
본 발명의 또 다른 주요 구성부품은 저 열용량 반응기(low thermal mass reactor)이다. 온도제어된 벽을 갖는 저 열용량 반응기는 성장과 메인티넌스 동안 가열과 냉각에 필요한 시간을 크게 감소시킨다. 기판을 급속하게 가열하고 냉각하는 능력은 현재의 HVPE 뜨거운 벽 시스템에서는 실질적으로 불가능한 여러 개의 온도공정의 사용을 가능하게 한다. 벽 온도를 제어하는 능력은 가스상 반응을 감소시켜, 벽 증착을 거의 완전히 제거시킨다. 벽 증착의 제거는 클리닝 사이의 시간을 크게 늘려 높은 반응기 이용률에 도달하게 한다.
저 열용량은 전통적으로 찬 벽 시스템(cold wall system)이라 불리 우는 것을 사용하여 달성되나, 본 발명에서는 벽 온도는 특정 온도로 제어된다. 현재의 뜨거운 벽 시스템은 노 속에 넣음으로써 가열된다. 새로운 시스템에서는, 기판 홀더와 기판만이 가열된다. 이것을 달성할 수 있는 방법은 램프 가열, 인덕션 가열(induction heating), 저항 가열을 포함하여 많은 방법이 있다. 일 실시예로서, 시스템은 석영(quartz)으로 이루어진 반응기 챔버와 그라파이트(graphite)로 이루어진 기판 히터로 구성될 수 있다. 그라파이트는 석영 반응기의 외부에 있는 램프에 의해 가열된다. 석영 반응기 벽은 다양한 방법을 사용하여 제어할 수 있다. 대부분의 경우에, 벽 온도 제어시스템은 여러 지역에서 벽 온도를 측정하는 하나 이 상의 방법과 이에 연결된 온도를 미리 정해진 값으로 유지하기 위해 벽 지역을 냉각하거나 가열하도록 조절하는 피드백 시스템으로 구성된다. 다른 실시예로서, 벽 온도는 냉각을 위해 반응기 벽의 외부로 공기를 부는 팬에 의해 제어될 수 있다. 벽 온도는 항상 일정할 것으로 제한되지는 않는다. 온도 제어기는 성장 또는 메인티넌스 동안 성능을 향상시킬 수 있으면 온도를 변화시키도록 프로그램될 수 있다.
아래의 설명의 초점은 주로 질화갈륨 웨이퍼를 생산하기 위한 바람직한 실시예들에 관한 것이나, 설명된 장치와 방법은 당업자에 의해 다른 3A-5A족 화합물 반도체의 웨이퍼를 생산하는데 쉽게 변형될 수 있으며, 이는 본 발명의 권리범위에 속한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 장비는 본 발명의 범위내에 속한다. 전체에 걸쳐 발명의 명확성을 위해 표제를 사용하였다. 그러나 이것이 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 제작과 동작에서 경제적인 GaN 웨이퍼의 대량생산 위한 장비를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 실리콘(Si) 에피택시(epitaxy)를 위해 설계되었으며, 상업적으로 이용할 수 있는 현재의 VPE 장비를 개조/수정하여 경제적으로 실현할 수 있다. 본 발명을 실현하기 위해, GaN 증착 장비를 위한 모든 구성요소를 설계하고 제작하기 위한 비용과 시간을 소모하는 과정을 수행할 필요가 없다. 대신에, 본 발명에 의한 지속적인 고 처리량 GaN 증착장비는 존재하는 Si 처리 생산이 입증된 장비에 목적되고 제한된 수정을 함으로써 신속하고 경제적으로 실현/제작될 수 있다. 그러나, 이와 같이 수정된 현존하는 장비와 함께, 본 발명은 처음부터 제작하는 것도 포함한다.
따라서, 아래의 설명은 먼저 GaN 생산을 위해 현존하는 Si 장비에 통합하여야하는 바람직한 특징들에 관한 것이다. Si 처리에서 유지될 수 있는 특징들은 공지기술이므로 상세하게 설명하지 않는다. 다른 실시예에서, 설명된 특징들과 다른 특징들이 이행될 수 있다. 본 발명은 이러한 특징들을 모두 이행하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 그러나, 보다 높은 수준의 지속되고 고 처리량 생산을 위해서는 이 특징들의 대부분 또는 전부가 유리하며, 이들은 카세트 투 카세트 로딩, 로드 락, 및 빠른 로딩과 언로딩을 할 수 있고, 다른 웨이퍼가 냉각되는 동안에 웨이퍼를 처리할 수 있는 별도의 냉각 스테이지를 포함하는 완전 자동화된 웨이퍼 핸들링을 포함한다. 로드 락(load lock)은 반응기의 바람직하지 않은 대기 노출을 제거하여 산소와 수증기가 인입되는 것을 최소화하고, 가동 전에 제거/건조 시간(purge/bake time)을 크게 감소시킨다. 더욱, 자동화된 핸들링은 웨이퍼의 수동 핸들링에 기인하는 수율의 손실과 웨이퍼 파손을 감소시킨다. 어떤 경우에는, 900℃의 온도에서 뜨거운 로딩과 언로딩을 할 수 있는 베르누이 완드(Bernoulli wand)가 웨이퍼를 핸들링하여 긴 냉각시간을 절약하기 위해 사용된다.
본 발명의 바람직한 특징들의 일반적인 실시 예들은 먼저 일반적인 VPE 시스템의 배경 속에서 기술된다. 이러한 일반적인 실시예들이 특별히 상업적으로 이용 가능한 Si 에피택시 장비에 어떻게 개조될 수 있는가는 명백하게 될 것이다. 아래의 설명은 ASM America. Inc. (Phoenix AZ)로부터 이용 가능한 싱글 웨이퍼 에피택셜 반응기의 EPSILON® 시리즈의 하나에 근거를 둔 본 발명과 그것의 바람직한 특징들의 특별히 바람직한 실시예에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 특별히 바람직한 실시예에 한정되지 않는다는 것은 명백하다. 다른 예로서, 본 발명은 AMAT (Santa Clara, CA)의 CENTURA® 시리즈에 쉽게 적용될 수 있다.
(GaN 웨이퍼를 생산하기 위한) 본 발명의 장치와 방법의 바람직한 실시 예들은 도 1을 참조하여 일반적으로 설명된다. 특히 바람직한 실시예들은 도 2-5를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 일반적으로, 본 발명의 장치는 기판 위에 에피택셜 GaN 층의 대량생산 경제적인 제작과 동작을 위해 설계되고 만들어진다.
본 발명의 일반적인
실시예
제한 없이 편리함을 위해, 본 발명은 3개의 기본적인 서브시스템과 관련하여 도 1을 참조하여 설명된다. 3개의 서브시스템은 공정 가스(또는 액체)를 제공하기 위한 서브시스템(1), 반응 챔버를 포함하는 서브시스템(3), 및 폐기물 감소를 위한 서브시스템(5)을 포함한다.
위에서 말한 바와 같이, HVM은 여기서 설명하는 일반적인 특징들을 포함하는 시스템의 여러 물리적 특징들을 조합의 속성이다.
1
GaCl
3
의 외부 소스
제1서브시스템, 즉 공정 가스 서브시스템, 특히 갈륨 합성 증기 소스의 구조는 본 발명의 중요한 특징이다. 공지의 GaN VPE 공정을 간략하게 설명한다. GaN VPE 에피택시는 질소(N)와 갈륨(Ga)을 포함하는 선구체 가스 (그리고, 선택적으로, 혼합된 질화물을 형성하기 위해 하나 또는 그 이상의 다른 3A족 금속을 함유하는 가스들과 선택적으로, 특정한 전기 도전율를 주기 위한 한 개 또는 그 이상의 도펀트(dopant))로부터 가열된 기판의 표면에 직접 GaN 을 합성하는 것을 포함한다. Ga 함유 가스는 일반적으로 일염화갈륨(GaCl), 삼염화갈륨(GaCl3), 예를 들면, 트리에틸갈륨(TEG) 또는 트리메틸갈륨(TMG)와 같은 갈륨 유기화합물을 포함한다. 제1케이스로, 공정은 HVPE(Halide Vapor Pressure Epitaxy)와 관련되고, 제2케이스로 공정은 MOVPE(Metal Organic Vapor Pressure Epitaxy)와 관련된다.
염화갈륨(GaCl)의 화학적 성질(고온에서만 안정)은 GaCl 증기는 반응용기 속에서 합성될 것이 요구된다. 예를 들면, 액체 Ga를 함유하는 보트(boat) 위로 HCl이 지나가게 함으로써, 합성할 것이 요구된다. 대조적으로, GaCl3는 대기 조건(습기가 없는)에서 안정적인 고체이며, 일반적으로 약 100g을 포함하는 실드된 석영 앰플로 공급된다. TMG와 TEG는 휘발성의 액체이다. N 함유 가스는 통상 암모니아(NH3 )이고, 반도체 특성의 NH3는 표준 실린더에서 이용될 수 있다.
다른 예로, 플라즈마 활성화 질소(plasma-activated N2), 예를 들면, N 이온(ion) 또는 라디칼(radical)을 포함하는 질소는 질소함유 가스로 사용될 수 있다. 또한, 질소 분자(N2)는 높은 공정온도에서도 GaCl3 또는 GaCl과 실질적으로 반응하지 않는다. 질화 라디칼은 종래의 기술로 준비될 수 있다. 일반적으로, 에너지를 가해 질소 분자를 쪼개는 방법, 예를 들면, 질소 라인에 RF 소스를 추가하여 전 자기적으로 유도되는 플라즈마를 생성함으로써 질화 라디칼을 준비할 수 있다. 이 모드에서 동작하면, 반응기 내의 압력은 보통 감소한다.
공지의 VPE 공정중에 MOCVD와 GaCl HVPE는 3A족 질화 레이어의 지속적인 대량생산을 위해서는 거의 바람직하지 않다는 것이 알려져 있다. 첫째로, MOCVD는 10㎛ 이상의 막 성장을 위해서는 바람직하지 않다. 왜냐하면, 얻을 수 있는 증착율이 HVPE 공정에 의해 얻을 수 있는 증착율의 5% 이하이기 때문이다. 예를 들면, HVPE 증착율은 시간당 100-1000㎛ 범위 또는 그 이상일 수 있다. 반면에 MOCVD 증착율은 전형적으로 10㎛/hour 이하이다. 둘째로, GaCl HVPE는 HCl과 반응하여 GaCl을 형성하기 위해 반응 챔버 내로 액체 Ga가 공급될 것을 요구하기 때문에 이 공정은 바람직하지 않다. HCl과 반응을 유지할 수 있으며, 대량생산에 충분한 형태로 액체 Ga의 공급을 유지하는 것은 어렵다는 것이 알려져 있다.
그러므로, 본 발명의 장치는 주로 대량생산을 위한 GaCl3 HVPE로 향해 있다. 선택적으로, 그것은 버퍼 레이어의 증착 등을 위해 MOCVD에 제공될 수도 있다. 그러나, 대량생산를 위한 GaCl3 HVPE의 사용은 충분한 기간 동안 간섭없이(반응 챔버 내에서 웨이퍼의 로딩/언로딩은 제외) 유지될 수 있는 충분한 유속을 달성할 수 있는 GaCl3 증기 소스를 요구한다. 바람직하게는, 시간당 GaN의 평균적인 지속적인 증착율은 100-1000㎛/hour의 범위 내에 있다. 따라서, 대략 한 개의 웨이퍼 (또는 한 묶음의 복수 개 웨이퍼)는 심지어 두꺼운 GaN 층을 위해서도 1시간 또는 2시간의 증착 시간을 필요로 하지 않는다. 이러한 바람직한 증착율을 달성하기 위해서는 소 스가 약 250 또는 300g/hour로 GaCl3 증기의 질량 흐름을 제공할 것을 요구한다(200mm 원형으로 300㎛ 두께 레이어의 GaN은 약 56g Ga을 포함하고, 반면에 GaCl3는 무게로 약 Ga 40% 이다). 또한 이러한 유량(flow rate)은 바람직하게는 충분한 시간동안 유지될 수 있다. 따라서, 소스를 충전하거나 서비스하기 위해 필요한 생산 중단은 많아야 주당 한번, 바람직하게는 적어도 매 2주 내지는 매 4주마다 한 번으로 제한되는 것이다. 따라서, 유량은 적어도 50개의 웨이퍼 (또는 복수 개 웨이퍼의 묶음들) 동안, 바람직하게는 적어도 100, 150, 200, 또는 250 내지 300개 웨이퍼들 또는 묶음들 동안 유지될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 소스는 종래 기술에 알려져 있지 않다.
본 발명의 장치는 바람직한 유량과 기간을 달성하기 위해 문제들을 극복하는 GaCl3 소스를 제공한다. 바람직한 유량을 달성하는 것이 GaCl3의 어떤 물리적 특성에 의해 과거에는 방해되었다. 첫째, 대기 조건에서, GaCl3는 고체이고, 증기는 승화에 의해서만 형성될 수 있다. 그러나, GaCl3 승화율이 바람직한 질량 흐름 속도에서 증기를 제공하는 것은 부적절하다는 것은 결정되어 있다. 둘째로, GaCl3는 약 78℃에서 녹고, 증기는 액체 표면에서 기화함으로써 형성될 수 있다. 그러나, 기화 속도도 바람직한 질량 흐름 속도를 제공하기 위해서는 또한 부적절하다는 것이 결정되어 있다. 또한, 기화 속도를 증가시키기 위한 전형적인 물리적 수단, 예를 들면 교반, 거품 내기 등과 같은 것은 기화 속도를 충분하게 올리지 못한다. 왜냐하 면, GaCl3 액체가 비교적 점성이 있다고 알려져 있기 때문이다.
필요한 것은 충분히 낮은 점도의 액체 GaCl3 형태이며, 약 120℃에서 시작하여, 특히 약 130℃ 또는 그 이상에서, GaCl3는 물과 유사한 점도를 갖는 저점도 상태로 가정할 수 있다는 것이 관측되고 발견되었다. 또한, 이와 같은 저점도 상태에서는 일반적인 물리적 수단이 바람직한 질량 흐름 속도를 제공할 수 있을 정도로 충분하게 GaCl3 기화 속도를 효과적으로 올리도록 할 수 있다는 것이 관찰되고 발견되었다.
따라서, 본 발명의 GaCl3 소스는 약 130℃로 제어된 온도 T1를 갖는 액체 GaCl3의 저장통이고, 기화속도를 향상시키기 위한 물리적 수단을 제공한다. 이와 같은 물리적 수단은 액체를 교반하기, 액체를 분사하기, 캐리어 가스가 액체 위로 빠르게 흐르도록 하기, 캐리어 가스를 거품화시켜 액체를 통과하도록 하기, 초음파로 액체를 분산시키기 등과 같은 방법을 포함할 수 있다. 종래 기술에 의해 헬륨, 질소, 수소 또는 아르곤과 같은 불활성 캐리어 가스를 기체화시켜 저 점도 상태의 액체 GaCl3 , 예를 들면, 약 130℃의 GaCl3를 통과하도록 하는 것이 바람직한 GaCl3의 질량 흐름 속도를 제공할 수 있다는 것이 발견되었다. GaCl3 소스의 바람직한 구성은 저장통의 외부에서 가열부품을 사용하여 적절한 온도 제어를 할 수 있도록 하기 위해 그 부피에 비례하여 증가하는 총 표면적을 갖는다. 예를 들면, 도시된 GaCl3 소스는 지름보다 상당히 큰 높이를 갖는 원통형이다. GaCl3 용으로는, 이것은 적어도 48시간 동안 시간당 약 120g이고, 적어도 100시간 동안 시간당 250g까지이고, 적어도 일주일 동안 시간당 500g까지이고, 적어도 한 달 동안은 시간당 750g에서 1000g까지의 질량유량을 제공할 수 있다.
또한, 바람직한 유량과 지속기간이 가능한 GaCl3 소스는 개별적인 100g 앰플들에 의해 공급되는 GaCl3에 의존할 수 없다. 그러한 양은 단지 15분 내지 45분간의 연속된 증착을 위해서만 충분할 뿐이다. 그러므로, 본 발명의 GaCl3 소스의 다른 측면은 큰 GaCl3 용량이다. 본 발명의 고 처리량 목표를 달성하기 위해서는 GaCl3 소스를 충전하기 위해 소비되는 시간은 제한하는 것이 바람직하다. 그러나, 대기중의 습기와 쉽게 반응하려는 GaCl3의 경향 때문에 충전은 더욱 복잡해진다. GaCl3 충전, 소스, 및 GaCl3 공급 라인은 웨이퍼 생산전에 습기가 제거되어야 한다. 여러 가지 실시 예의 처리량 목표에 따르면, 본 발명은 적어도 약 25kg의 GaCl3, 적어도 약 35kg, 또는 적어도 약 50 내지 70kg의 GaCl3을 수용할 수 있는 소스를 포함한다(소스를 반응 챔버에 가깝게 위치시키는 이점을 갖기 위해 크기와 무게에 대해 요구되는 사항에 의해 결정되는 상한값을 갖는다). 바람직한 일 실시 예에서, GaCl3 소스는 약 50kg과 100kg 사이의 GaCl3, 바람직하게는 약 60과 70kg 사이의 GaCl3를 수용 한다. GaCl3 소스는 그 제작과 사용의 구체적인 세부 계획 이외에는 GaCl3 소스의 용량에 대한 상한값은 존재하지 않을 수 있다. 또한, 복수 개의 GaCl3 소스는 매니폴드(manifold)를 통해 설치되어 반응기의 정지시간 없이 한 개의 소스에서 다른 소스로 스위칭될 수 있다. 그리고, 반응기가 동작하는 동안 빈 소스는 제거되고 새로운 가득찬 소스로 교체될 수 있다.
본 발명에 의한 GaCl3 소스의 다른 측면은 소스와 반응 챔버 사이의 공급라인의 주의 깊은 온도 제어이다. GaCl3 공급라인, 관련된 질량 흐름 센서, 제어부 등의 온도는 GaCl3 증기가 공급라인 등에 응축되는 것을 방지하기 위해 소스 출구의 T2에서 반응 챔버 입구(33)의 T3까지 점차적으로 증가하는 것이 바람직하다. 그러나, 반응 챔버 입구에서 온도는 너무 높지 않아야 한다. 그러지 않으면 공급라인과 챔버 입구에, 예를 들면, 석영 반응 챔버를 실링하기 위해, 사용되는 가스켓, O-링 등과 같은 실링재료(그리고 다른 재료들)를 손상시킬 것이다. 현재, Cl 노출에 내성이 있으며, 반도체 산업에서 상업적으로 사용할 수 있는 실링 재료는 일반적으로 약 160℃ 이상의 온도에서 견딜 수 없다. 그러므로, 본 발명은 GaCl3 공급 라인의 온도를 센싱하여 필요에 따라 공급라인을 가열하거나 냉각하는 것(일반적으로 공급라인 온도를 제어하는 것)을 포함한다. 따라서, 공급라인의 온도는 바람직한 온도가 약 130℃인 소스로부터 공급라인을 따라 증가하여(또는 적어도 감소하지 않도록 하여) 반응 챔버 입구에서 최대로 된다. 반응 챔버 입구의 온도는 약 145 내지 155 ℃(또는, O-링 또는 다른 실링재료가 견딜 수 있는 최고 온도 이하로 안전한 다른 온도)인 것이 바람직하다, 필요한 온도제어를 실현하기 위해, 소스 장치와 반응 챔버 입구 사이의 공급 라인의 길이는 짧아야만 한다. 바람직하게는 약 1ft, 2ft, 또는 3ft 이하로 하는 것이다.GaCl3 소스의 압력은 압력 제어 시스템(17)에 의해 제어된다.
본 발명의 GaCl3 소스의 다른 측면은 챔버로 들어가는 GaCl3 플럭스의 정밀한 제어이다. 버블러(bubbler) 실시 예에서, 소스로부터의 GaCl3 플럭스는 GaCl3의 온도, GaCl3 위의 압력, 및 GaCl3를 기포로 통과하는 가스 흐름에 의존한다. GaCl3의 질량 플럭스는 원리적으로 이러한 파라미터 중의 어느 하나에 의해 제어될 수 있으나, 바람직한 실시예는 컨트롤러(21)에 의해 캐리어 가스의 흐름을 변화시킴으로써 질량 플럭스를 제어한다. 피에조커(Piezocor)와 같은 일반적으로 사용할 수 있는 가스 조성 센서(71; gas composition sensor)는 반응 챔버로 들어가는 실제 GaCl3 질량 플럭스의 추가적인 제어, 예를 들면 초당 그램으로 제어를 하기를 위해 사용될 수 있다. 또한, GaCl3 소스 위의 압력은 버블러의 출구에 위치한 압력 제어 시스템(17)에 의해 제어될 수 있다. 압력 제어 시스템, 예를 들면 배압 레귤레이터(back pressure regulator)는 소스 용기에서 상부 압력을 제어할 수 있도록 한다. 버블러의 온도제어와 캐리어 가스의 흐름 속도와 연계하여 용기 압력을 제어하는 것은 선구체 유량의 향상된 측정을 용이하게 한다. 선택적으로, 용기는 절연된 외측 부분을 포함한다.
GaCl3 소스, GaCl3 공급 라인, 및 GaCl3와 접촉하는 입구 매니폴드 구조에 사용된 재료는 염소 내성이 있는 것이 바람직하다. 금속 부품으로는 Hastelloy와 같은 니켈 합금, 탄탈륨, 또는 탄탈륨 합금이 바람직하다. 금속 부품에 대한 내부식성은 내부식성 보호코팅에 의해 제공될 수 있다. 이와 같은 코팅은 실리콘 카바이드, 질화 보론, 보론 카바이드, 질화 알루미늄을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예로 금속 부품은 용융 실리카층 또는 결합된 비정실 실리콘층으로 코팅될 수 있다. 예를 들면, SILTEK과 SILCOSTEEL(Restek Corporation에서 상업적으로 이용 가능)이 산화환경에 대해 증가된 내부식성을 제공할 수 있다고 증명되고 있다. 비금속 부품에 대해서는 내염소 폴리메릭 재료(카본 또는 실리콘 폴리머)가 바람직하다.
이상에 비추어, 양호한 양의 GaC13를 저장할 수 있는 양호한 GaC13 소스는 적당한 일 실시예에서 소스가 서술된 시간의 기간 동안 필요한 양을 운반하도록 중단 없이 저장 GaC13를 전달한다는 점에서 이하에서 "연속적으로" 작동하는 것으로 언급된다. 하지만, 특정 실시예에서는 간혈적인 반응실 메인터넌스, 예를들면, 청소 등이 필요하도록 반응실(또는 현재 시스템의 다른 구성요소)을 구성하거나 특정 세부 공정을 수행할 수 있는 것으로 이해해야 한다. 이에 반하여, GaC13 소스는 3A- 5A족 제품의 대량생산을 쉽게 하도록 연속된 방식으로 필요량의 선구체를 제공하도록 구성 및 설계된다. 그러므로, 소스는 가동 정지되거나 고체 선구체의 보충을 위해 중지될 필요없이 필요량을 제공할 수 있다.
이것은 한 개의 저장통에 충분히 많은 양의 고체 선구체를 제공하거나 서로 매니폴드로 연결된 복수 개의 저장통을 제공함으로써 달성될 수 있다. 물론, 당업자는 다음을 이해할 수 있다. 매니폴드 시스템에서 한 개 또는 그 이상의 저장통이 고체 선구체 재료로 보충되고 있는 동안 한 개의 저장통은 기상 선구체를 공급하도록 동작될 수 있고, 이것이 반응기에 어떠한 영향도 미치지 않기 때문에 연속적인 시스템을 유지한다. 그러한 실시 예들에서, 재충전, 개방, 청소, 보충 또는 소스가 기능하지 못하는 다른 공정 없이 소스가 저장된 GaCl3를 배달할 수 있다는 점에서, GaCl3 소스는 연속적으로 동작하는 것으로 인정된다. 즉, 소스는 스스로는 질화 갈륨(GaN)의 증착을 중단시킬 필요가 없다.
또한, 설명한 바와 같이, 바람직한 GaCl3 소스는 한 개의 저장통에 GaCl3를 담을 수 있다. 또한, 바람직한 소스는 매니폴드로 연결된 출구를 갖고 있는 복수 개의 저장통(예를 들면 2, 5, 10개 등)을 포함하여, GaCl3 증기가 복수 개의 저장통으로부터 직렬로 또는 병렬로 공급될 수 있다. 아래에서, 2개의 실시 예는 한 개의 소스로서 인정된다. 바람직한 실시 예에서, 본 발명의 장치는 3A족 금속 유기 화합물(Group 3A metal organic compound)을 위한 소스를 제공할 수 있으므로, MOCVD 공정이 실행될 수 있다. 예를 들면, MOCVD는 얇은 GaN, AlN 버퍼 레이어, 얇은 중간 레이어, 혼합 금속 질화물 레이어 등을 증착하기 위해 사용될 수 있다. 추가적인 공정 가스는 공지된 기술에 의해 공급될 수 있다.
5A족 선구체는 한 개 이상의 5A족 원자를 포함하는 가스이다. 이와 같은 가스는 NH3, AsH3, PH3를 포함한다. GaN의 성장을 위해, NH3가 일반적인 성장온도에서 충분한 N 혼합물을 제공할 수 있기 때문에 NH3가 전형적으로 사용된다. 암모니아 또는 다른 N 선구체는 외부 소스이다. 예를 들면, 반도체급 NH3는 쉽게 다양한 크기의 실린더(19)에 사용할 수 있으며, 캐리어 가스(72)는 다양한 크기의 용기에 극저온의 액체로써 또는 가스로서 이용할 수 있다. 이러한 가스들의 플럭스는 일반적으로 질량 유량 컨트롤러(21; mass flow controller) 등에 의해 제어될 수 있다. 다른 실시 예로서, 본 발명의 장치는 다른 3A족 염화물의 소스를 제공할 수 있다.
2. 반응기 구조
다음으로, 증가된 경제성을 얻기 위해, 반응기 서브시스템은 상업적으로 이용할 수 있는 반응기 시스템을 개조하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용과 개조를 위해 적절한 이용할 수 있는 반응기는 아래에 기술하는 특징들의 대부분 또는 전부를 포함한다. 이러한 특징들은 여기에서 설명한 변경과 향상을 가지고 GaN의 HVM에 유용하다는 것이 결정되었다. 아래 설명이 주로 기존이 장치를 개조하는 실시 예에 관한 것이지만, 반응기와 반응기 시스템은 기술된 특징들을 포함하도록 만들어질 수 있다. 본 발명은 기존의 장비를 재설계하고 개조하는 것과 새로운 장비를 설계하고 만드는 것 둘 다 포함한다. 본 발명은 또한 결과물 장비를 포함한다.
일반적으로, 바람직한 반응 챔버(reaction chamber)는 수평 공정가스 흐름(horizontal process-gas flow)을 가지며, 대략적으로 박스 형상 또는 수직 치수 가 작고 수평 치수가 큰 반구 형상으로 형성된다. 수평 반응 챔버의 일부 특징들은 비생산적인 반응기 시간을 제한하고, 질 좋은 GaN 웨이퍼의 HVM을 성취하는데 중요하다.
3. 저 열용량
서셉터(low thermal mass susceptor)와
램프 가열
먼저, 새로운 웨이퍼를 인입한 후 온도를 올리는데 소비되는 시간과 증착 공정 후에 온도를 낮추기 위해 소비되는 시간은 생산적이 아니므로, 제한되거나 최소화되어야 한다. 그러므로, 바람직한 반응기와 가열 장비는 낮은 열용량(즉, 열을 빨리 흡수하는 능력)을 가지며, 열용량이 낮으면 낮을수록 더 바람직하다. 그런 바람직한 반응기는 적외선(IR) 가열램프로 가열되고, IR 투과벽들을 구비한다. 도 1은 석영으로 만들어지고 하부 세로 IR 램프(27)와 상부 투명 IR 램프(29)에 의해 가열되는 반응기(25)를 예시한다. 석영은 충분한 IR 투과성, 충분한 Cl 저항성, 및 충분한 내화성을 가지기 때문에 양호한 반응실 벽 재료이다.
4.
챔버
벽과 플랜지의
폐루프
온도제어
반응 챔버 내부를 청소하기 위해 소비되는 시간은 또한 비생산적이므로 제한되거나 최소화되어야 한다. GaN 증착 공정 동안, 선구체, 생산물 또는 부산물이 내부 벽에 증착 또는 응축될 수 있다. 이와 같은 증착 또는 응축은 챔버 벽의 온도를 제어하여, 선구체나 부산물의 응축을 방지할 수 있을 정도로 충분히 높으나 GaN이 챔버 벽에 형성 또는 증착되는 것을 방지할 수 있을 정도로 충분히 낮은 중간 온도 로 챔버 벽을 냉각시킴으로써 상당하게 제한되거나 감소될 수 있다. GaCl3 HVPE 공정에서 사용되는 선구체는 약 70 내지 80℃ 이하의 온도에서 응축된다. 주요한 부산물인 NH4Cl은 약 140℃ 이하에서 응축되고, GaN은 약 500℃를 초과하는 온도에서 형성되고 증착되기 시작한다. 챔버 벽은 선구체와 부산물 응축을 현저하게 제한할 수 있을 정도로 충분히 높은 온도로 알려진 200℃와 GaN이 챔버 벽에 증착되는 것을 현저하게 제한할 수 있을 정도로 충분히 낮은 온도로 알려진 500℃ 사이에 있는 온도 T5로 제어된다. 챔버 벽을 위한 바람직한 온도 범위는 250 내지 350℃이다.
바람직한 범위로의 온도 제어는 일반적으로 챔버 벽을 냉각시킬 것을 요구한다. 적외선을 투과하지만, 그럼에도 불구하고 챔버 벽은 고온 서셉터로부터 전도되는 열에 의해 어느 정도까지 가열된다. 도 1은 반응 챔버(25)가 덮개(37)에 의해 전체 또는 부분적으로 둘러싸여 있으며, 냉각 공기가 덮개를 관통하며 반응 챔버의 외부를 감싸면서 지나가도록 되어 있는 바람직한 냉각 배열을 도시하고 있다. 벽 온도는 적외선 고온계(pyrometer)로 측정될 수 있고, 냉각 공기의 흐름이 그에 따라 조절될 수 있다. 예를 들면, 다속도 또는 가변속도 팬(또는 팬들)이 설치되어, 챔버 벽 온도에 민감한 센서에 의해 제어될 수 있다.
5. 로드 락(
load
lock
), 카세트 투 카세트(
cassette
to
cassette
)
웨이퍼 로딩 언로딩 시간 또한 비생산적이다. 이 시간은 참조부호 39로 개략적으로 표시된 자동 장치에 의해 일반적으로 제한된다. 알려진 바와 같이, 이 장 치는 웨이퍼를 저장하고, 웨이퍼를 반응 챔버에 로딩하고 반응 챔버로부터 웨이퍼를 언로딩할 수 있으며, 일반적으로, 이송 완드(transfer wands)를 이용하여 외부 홀더와 반응 챔버 내의 서셉터 사이에서 웨이퍼를 이동시키는 로봇 팔과 같은 것을 포함한다. 웨이퍼를 이송하는 동안, 반응 챔버는 중간 웨이퍼 이송 챔버에 의해 대기에 노출되지 않을 수 있다. 예를 들면, 이송 챔버와 외부 사이의 제어 가능한 도어는 로딩과 언로딩을 가능하게 하고, 그 후, 이송 챔버가 대기에 노출되지 않도록 실링할 수 있다. 이송 챔버의 플러싱(flushing)과 준비를 한 후 이송 챔버와 반응기 사이의 제어 가능한 도어를 개방하여 서셉터 위에 웨이퍼를 놓거나 제거하도록 할 수 있다. 이와 같은 시스템은 반응기 내부가 산소, 습기, 또는 다른 대기중 오염 물질에 노출되는 것을 방지하여, 웨이퍼의 로딩과 언로딩 전의 퍼징 회수(purging time)를 감소시킨다. 석영 베르누이 이송 완드를 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이것은 오염을 발생시키지 않고 뜨거운 웨이퍼를 핸들링할 수 있도록 하므로 비생산적인 시간이 감소되기 때문이다.
6. 분리 주입(
separate
injection
)
입구 매니폴드로(33)부터 화살표 31의 방향으로 출구 매니폴드(35)까지 공정 가스 흐름 제어는 고품질의 GaN 레이어를 증착하기 위해 중요하다. 이 흐름은 공정 가스를 위한 다음과 같은 바람직한 특성을 포함한다. 먼저, GaCl3과 같이 갈륨을 포함하는 가스와 NH3와 같이 질소를 포함하는 가스는 별도의 입구를 통해 반응 챔버로 주입되는 것이 바람직하다. 이 둘은 반응 챔버 밖에서 혼합되어서는 안 된다. 왜냐하면, 이러한 혼합은 원하지 않는 반응, 예를 들면, GaCl3와 NH3 분자 복합체(complexes)를 형성하는 반응을 야기하여 후속하는 GaN 증착을 방해할 수 있기 때문이다.
다음으로, 분리되어 주입된 후, GaCl3와 NH3 흐름은 가스가 서셉터 위에서 공간적 및 시간적으로 균일한 구성을 갖도록 배열하는 것이 바람직하다. 3A족/5A족 비는 서셉터의 면(웨이퍼 또는 웨이퍼들을 지지하는) 위에서 특정 시간에 약 5% 이하로 변화하는 것이 바람직하며, 약 3%, 2% 또는 1% 이하로 변화하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 3A족/5A족 비는 서셉터 면의 전 부분에 걸쳐 시간적으로 유사하게 실질적으로 균일하여야 한다. 따라서, GaCl3와 NH3 속도 프로파일은 2개의 가스가 반응 챔버의 폭을 옆으로 전역에 걸쳐 퍼지도록 함으로써, 2개의 가스가 서셉터에 도달하였을 때, 반응 챔버의 폭의 전역에 걸쳐 균일한, 바람직하게 적어도 서셉터의 지름의 전역에 걸쳐 균일한 비 난류 흐름을 형성하도록 하여야 한다.
마지막으로, 상기 흐름은 공정 가스 중의 하나 이상이 이례적으로 고농도로 축적될 수 있는 재순환 영역 또는 이례적으로 낮은 유량 영역을 갖지 않도록 하여야 한다. 저속의 가스 흐름이 있거나 또는 가스가 고인 국부적인 지역은 피하는 것이 최선이다.
바람직한 공정 가스 흐름은 새로운 반응 챔버의 입구 매니폴드의 주의 깊은 설계나 기존의 반응 챔버의 입구 매니폴드의 주의 깊은 재설계에 의해 얻을 수 있 다. 여기서 사용한 용어 "입구 매니폴드(inlet manifold)"는 공정 가스와 캐리어 가스가 반응 챔버로 인입될 수 있도록 하는 구조를 말하며, 이 구조는 단일 구조 또는 2개 이상의 물리적으로 분리된 유닛을 포함할 수 있다.
아래와 같이 일반적인 특징을 갖도록 설계되고 제작된 입구 매니폴드는 바람직한 공정 가스 흐름을 얻을 수 있다는 것이 알려져 있다. 그러나, 대부분의 실시 예에서, 공지의 유체역학 모델링 소프트웨어 패키지를 이용하여 모델링된 제안된 입구 매니폴드 설계에 의해 생산된 선택된 반응 챔버로 가스 흐름이 들어가도록 하는 것이 유리하다. 이에 의해 제안된 설계는 실제로 제작하기 전에 균일성을 증가시킬 수 있도록 반복하여 개선될 수 있다.
먼저, 반응 챔버로 들어오는 공정 가스 입구는 챔버 폭 일부, 대부분 또는 전역에 걸처 분포되는 것이 유리하다는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 가스가 들어올 수 있는 복수 개의 가스 입구 포트 또는 한 개 이상의 슬롯은 옆으로 챔버 폭 전역에 걸쳐 분포될 수 있다. 질소 또는 수소와 같은 캐리어 가스는 GaCl3과 NH3 가스들이 반응기를 통과하여 서셉터 위의 원하는 반응 위치로 향하도록 하는 것을 돕기 위해 도입될 수 있다. 또한, 입구 포트 근처에 가짜 증착(spurious deposition)이 형성되는 것을 방지하기 위해, 실제 입구 포트는 가열된 서셉터에 대해 이격되도록 하여 약 400-500℃ 이상으로 가열되지 않도록 하는 것이 유리하다. 다른 예로서, 입구 포트를 냉각하거나 이격시켜서 공정 가스들이 그 주변에서 혼합되지 않도록 할 수 있다.
다음으로, GaCl3와 NH3 입구의 특별한 구성에 의해 형성된 가스 흐름 특성은 개선될 수 있거나 또는 동력학적으로 조절될 수 있다. 서셉터 아래에서부터 서셉터에 충돌하거나 서셉터 아래에서 발생하여 일차 GaCl3와 NH3 유동과 홉합되는 이차 퍼지가스 유동은 일차 GaCl3와 NH3 유동을 변경하여 혼합 및 속도의 균일성을 증가시키거나 반응기 구성요소 상의 증착을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, GaCl3과 NH3 흐름이 다른 입구를 통해 반응 챔버로 들어오는 실시 예에서, 공정 가스를 의도하는 증착 존(deposition zone) 위에 가두고, 반응기 측벽 들에 의도하지 않는 증착이 생기는 것을 차단하기 위해, 퍼지 가스 흐름이 GaCl3와 NH3 흐름의 다소 상류 쪽으로 반응 챔버로 들어가도록 하는 것이 유리하다. 이러한 목적을 위해, 챔버 벽 근처에 옆으로 더 많은 양의 캐리어 가스가 들어오도록 하고, 챔버의 중앙 부근에는 더 작은 양의 캐리어 가스가 들어오도록 하는 것이 유리하다.
또한, 바람직한 입구 매니폴드는 공정 가스 흐름들 중의 적어도 한 개에 대해 동적인 조절을 제공하여, 동작 동안 관측되는 비균일성이 개선될 수 있도록 한다. 예를 들면, 한 개의 공정 가스를 위한 입구가 2개 이상의 분류(stream)로 분기될 수 있고, 개별적인 흐름 조절 밸브들이 각 분류의 흐름을 독립적으로 조절할 수 있도록 제공될 수 있다. 바람직한 실시예에서, GaCl3 입구는 독립적으로 제어가능한 상대적 흐름을 갖는 5개의 분류를 갖도록 배열된다.
바람직한 입구 매니폴드의 또 다른 측면은 온도 제어를 포함한다. 이에 의해 입구 매니폴드 온도 T3는 GaCl3과 같은 선구체가 응축되는 것을 방지하고, 가스켓 또는 O-링 재료와 같은 온도 민감 재료가 손상되는 것을 방지하도록 제어될 수 있다. 상술한 바와 같이, GaCl3 입구 포트의 온도는 GaCl3 공급 라인에서 도달하는 최고온도, 바람직하게는 약 130℃로부터 150℃까지 증가하는 최고온도보다 낮지 않아야 한다. 입구 매니폴드에, 특히 매니폴드를 석영 반응 챔버에 실링하기 위해 사용할 수 있는, 가스켓 재료와 O-링 재료와 같은 상업적으로 이용할 수 있는 내염소성 실링 재료는 약 160℃를 초과한 온도에서 상태가 악화되기 시작한다. 만일 이용 가능하다면, 좀더 높은 온도에서 사용할 수 있는 실리콘 O-링과 같은 내염소성 실링 재료가 사용될 수 있으며, 이 경우 입구 매니폴드 상한 온도 한계는 상승될 수 있다.
따라서, 열을 가하여 대기 온도를 상승시키거나 트거운 반응 챔버와 매우 뜨거운 서셉터로부터 전달된 열을 제거함으로써, 임구 매니폴드의 온도는 약 155 내지 160℃의 범위로 유지되도록 제어되어야 한다. 바람직한 실시예에서, 입구 매니폴드는 온도 센서와 온도 제어 유체용 채널을 포함한다. 예를 들면, 155 내지 170℃의 온도는 온도 제어된 GALDENTM 유체를 순환시킴으로써 얻을 수 있다. 다른 온도 범위를 위해서는 다른 공지의 유체가 사용될 수 있다. 유체 채널은 입구 매니폴드의 온도에 민감한 부분, 예를 들면 GaCl3 입구 포트와 O-링에 근접하여 설치하는 것이 바람직하다. 채널의 배열은 공지의 소프트웨어 패키지를 사용하여 열 모델링의 관점에서 정밀하게 선택될 수 있다.
GaCl3 분자는 고체, 액체, 기체 상태인지에 관계없이 주로 Ga2Cl6의 이량체 형태로 존재하는 것이 알려져 있다. 이 형태는 800℃까지는 실제로 매우 안정적이다. 가스상 라만 분광법에 의해 보강된 열동력학 계산에 의하면, 300℃에서 가스상의 90%이상이 이량체(dimer) 분자로 구성되어 있고, 700℃에서는 이량체의 99% 이상이 단량체(monomer) GaCl3로 분해된다.
이량체 분자가 150℃나 그 이하의 온도로 유지되는 금속 인젝션 포트를 통해 토출될 때, 이량체의 분해는 온도가 1000℃ 이상인 뜨거운 서셉터와 접촉하는 경우에만 발생한다. 서셉터 위의 가스의 속도 또는 그 잔류시간에 따라서는, 분해되는 이량체의 비율이 너무 작아 웨이퍼 위해 고 성장률을 유지할 수 없게 될 수도 있다. GaN 증착 공정은 GaCl3의 흡착과 모든 염소가 제거되어 흡착된 Ga 원자를 얻을 때까지 GaCl3이 x < 3 인 GaClx로 되도록 더욱 더 분해되는 과정을 통해 진행된다. 그러므로 단량체 형태의 GaCl3에서부터 작동하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예는 서셉터 영역의 상류에 위치한 반응기 챔버 아래에 있는 석영 튜브를 통해 이량체를 도입한다. 이 석영 튜브는 타원형 단면을 갖는 깔대기(funnel)를 통해 반응기 챔버와 연결된다. 깔대기에 있는 이량체에 에너지가 제공되어 이량체가 단량체로 분해된다. 바람직한 실시예는, 석영 튜브와 깔대기가 적외선 방사의 고 플럭스를 받을 수 있도록 위치하며 그러한 형상으로 형성된 적외선 램프에서 발생되는 적외선 방사를 사용한다. 본 실시예에서, 깔대기 지역은 적외선 흡수 재료와 적외선 흡수 재료가 600℃의 온도 또는 더욱 바람직하게는 700℃ 또는 그 이상의 온도가 되도록 조절된 방사 파워로 채워져 있다. 이량체 형태의 GaCl3이 석영 인젝터로 주입되어 뜨거운 깔대기 지역을 통과할 때, 이량체는 단량체로 분해되어 서셉터 바로 상류의 반응 챔버로 주입될 것이다. 이량체가 다시 형성되는 것을 방지하기 위해 반응기로 주입되는 GaCl3의 주입점과 서셉터 사이의 영역은 800℃ 이상의 온도로 유지되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예는 깔대기와 서셉터 사이에 적외선 가열 램프에 의해 700℃ 이상 바람직하게는 800℃ 이상의 온도를 유지하도록 가열되는 SiC 판을 사용하는 것이다.
7.
서셉터와
멀티 웨이퍼
서셉터
서셉터와 그 마운팅은 당해 분야에서 널리 알려진 것과 같은 표준 구조일 수 있다. 예를 들면, 실리콘 카바이드 또는 질화 실리콘으로 코팅된 그라파이트(graphite), 또는 내화성 금속 또는 합금을 포함할 수 있다. 서셉터는 축에 회전하도록 설치되는 것이 바람직하다. GaN 증착 동안, 서셉터 온도 T4는 약 1000 내지 1100℃ (또는 더 고온)일 수 있으며, 공지의 온도 제어 회로에 의해 제어되는 석영 적외선 램프에 의해 유지된다. 서셉터 아래에 사각지대(dead zone)가 형성되는 것을 피하기 위해 서셉터 마운팅은 퍼지 가스를 주입할 수 있도록 준비하는 것이 바람직하다. 이러한 주입은 가열된 서셉터와 (직접적 또는 간접적으로) 가열될 수 있는 주변의 부품들의 아래 부분에 생기는 원하지 않는 증착을 제한하거나 최소화할 수 있기 때문에 유리하다. 서셉터는 한 개 이상의 기판을 잡도록 구성될 수 있다.
8. 가열된 배기가스
반응 챔버 출구 매니폴드(35)는 반응 챔버로부터 배기 라인(41)을 통해 폐기물 감소 시스템(5)으로 배기 가스가 자유롭게 방해받지 않고 흐르도록 준비된다. 배기 시스템은 펌프(44)와 관련된 압력 조절 시스템 (압력 제어 밸브(44), 압력 게이지(46), 및 감압 상태에서 동작하도록 하는 관련 제어장치)를 포함할 수 있다. 출구 매니폴드 배기 라인과 압력 조절 장치(만일 사용한다면)는 반응 생성물의 응축을 제한하도록 온도가 제한되는 것이 유리하다. 배기가스와 반응 생성물은 전형적으로 캐리어 가스, 반응하지 않은 공정 가스인 GaCl3와 NH3, 주로 NH4Cl, NH4GaCl4, HCl, H2인 반응 부산물을 포함한다. 상기에서 설명한 바와 같이, GaCl3의 웅축을 방지하기 위해서는 약 130℃ 이상의 온도가 요구된다. NH4Cl은 약 140℃ 이하에서 분말 재료에 응축되므로, 출구 매니폴드와 배기 시스템은 이 온도 이상으로 유지되어야 한다. 한편, 실링재료의 훼손을 방지하기 위해 출구 매니폴드 온도는 약 160℃를 초과하면 안된다.
따라서, 출구 매니폴드 온도 T6는 입구 매니폴드 온도 제어에 사용된 것과 유사한 온도 제어 수단(선택적인 열 모델링 포함)에 의해 약 155 내지 160℃의 범위에서 유지되는 것이 바람직하다. 배기 라인 최고온도 T7는 실링을 위해 허용되는 최고온도에 의해 바람직하게는 약 155 내지 160℃의 범위로 제한된다.
9. 폐기물 관리
다음으로 폐기물 감소 시스템(5)을 고려하면, 바람직한 폐기물 시스템은 반응 챔버에서 배출된 폐 갈륨 화합물의 재생함으로써 본 발명의 경제적 작용을 도울 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 한 달의 지속적인 대량생산 동안 30kg, 60kg, 또는 그 이상을 배출한다(약 50%의 폐기를 가정함). 현재의 Ga 가격으로, 이 폐갈륨을 재생하여 GaCl3 선구체로 재활용하는 것이 경제적이다. 이에 의해 효율적으로 약 90 내지 100%의 Ga 효율을 달성할 수 있다.
도 1은 갈륨 재생을 할 수 있고 상업적으로 이용 가능한 제품에서 쉽게 개조될 수 있는 폐기물 감소 시스템(5)의 바람직한 실시 예를 개략적으로 도시하고 있다. 반응 챔버(25)에서 배출된 분류는 배기 산물의 응축을 제한하기 위해 T7, 예를 들면 약 155 내지 170℃ 또는 그 이상의 범위로 온도 제어된 배기 라인(4)을 통과하여 버너 유닛(43; burner unit)으로 인입된다. 버너 유닛은 배기가스가 H2/O2 연소를 포함하는 고온의 연소 존(45)을 통과하게 함으로써 배기가스를 산화시킨다. 그러면, 산화된 배기분류는 튜브(47)를 통과하여 역류 물 스크러버 유닛(49; countercurrent water scrubber unit)으로 인입되어, 물 흐름(51)에 대해 반대방향으로 이동한다. 물 흐름은 산화된 배기 분류로부터 모든 수용성이며 미립자인 구성요소들을 실질적으로 제거한다. 그후, 제거된 배기 가스는 시스템(57)에서 배출된다.
수용성이며 미립자상의 재료를 포함하는 물 흐름은 분리기(59; separator)를통과한다. 분리기에서 주로 산화갈륨(예, Ga2O3)인 미립자 성분은 주로 용해된 NH4Cl과 HCl인 수용성 성분에서 분리된다. 분리는 스크리닝, 필터링, 원심분리, 응집 등과 같은 공지의 기술을 이용하여 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 한 달의 운전동안 60kg 이상 또는 120kg 이상의 미립자 Ga2O3를 생산할 수 있다. 미립자 산화갈륨갈레이트(gallium oxides gallates)는 수거되고, Ga은 공지의 화학 기술에 의해 재생되어 GaCl3으로 재활용된다. 예로서, Barman, 2003, Gallium Trichloride, SYNLETT 2003, no. 15, p. 2440-2441을 참조할 것. 수용성 성분은 시스템을 통과한다.
본 발명의 바람직한 특정 실시 예
다음에 서술된 것은 위에서 일반적으로 서술되었던 본 발명의 바람직한 특정 실시 예이다. 이 실시예는 에이에스엠 아메리카 아엔시(ASM America, Inc.)의 EPSILON® 시리즈인 단일 웨이퍼 에피텍셜 반응기의 수정과 개조를 기반으로 하고 있다. 그러므로, 다음의 많은 특징은 상기 양호한 특정 실시 예에 특정된다. 그러나, 이들 특징은 제한되지 않는다. 다른 특정 실시예들은 다른 입수가능한 에피택셜 반응기들의 수정과 개조를 기반으로 할 수 있고, 본 발명의 범위 내에 있다.
도 2A 내지 도 2C는 50 내지 75kg의 GaCl3를 저장하고 대략 130 내지 150℃ 까지의 온도로 제어된 액체로 유지할 수 있는 리저버(103; reservoir), 및 라인 내부에서의 GaCl3의 응결을 제한하거나 방지하면서 제어된 GaCl3의 질량유량을 반응 챔버에 제공하는 공급라인들, 밸브들 및 컨트롤들을 구비한 공급조립체(105)를 포함하는 GaCl3 운반 시스템(101; delivery system)의 양상을 예시한다. 리저버는 액체 GaCl3의 증발을 강화시키기 위한 내부 수단을 포함한다. 양호한 실시 예에서 이들은 당해 기술분야에 공지된 바와 같이 버블러 장치(bubbler apparatus)를 포함하고, 선택적인 실시 예에서 이들은 GaCl3 액체의 물리적인 교반, 액체의 살포, 액체의 초음파 분산 등을 위한 수단을 포함할 수 있다. 선택적으로, 공급라인(또는 운반라인)은 캐리어 가스와 3A족 선구체를 운반하는 내부라인, 및 내부라인 외부에서 내부에 환형공간을 제공하는 밀폐 동축라인을 구비하는 동축부분을 포함한다. 환형 공간은 가열매체를 포함할 수 있다.
도 2C는 종래의 공정가스 제어 캐비넷(137; process gas control cabinet)에 인접하게 위치된 캐비넷(135) 내에 있는 운반 시스템(101)의 예시적인 배치를 예시한다. GaCl3 공급라인의 길이를 제한하기 위해, 캐비넷(135) 역시 반응실에 인접하게 위치하며, 여기에서는 캐비넷(137)에 가려져있다. 공정가스 제어 캐비넷(137)은, 예를 들면, 3A족 유기금속 화합물과 같은 추가 공정가스 또는 액체를 위한 가스 제어패널(139)과 분리된 부분들(141- 147)을 포함한다.
도 2B는 양호한 공급조립체(105)를 더 상세히 예시한다. 밸브(107, 109)는 라인을 제어하여, 캐리어 가스를 리저버(103) 내부로 유도하고 리저버 내에 있는 내부 버블러를 통해 유도한 다음 증발된 GaCl3 증기와 함께 리저버 밖으로 유도한다. 밸브들은 메인터넌스 등을 위해 리저버를 격리시킬 수 있다. 밸브(110)는 컨테이너 시스템의 출구 및 입구 밸브들 위에서 시스템의 퍼징(Purging)을 용이하게 한다. 특히, 피그테일 엘레멘트(111,112; pig-tail element)에는 응결이 발생할 가능성이 있기 때문에, 이들 영역을 퍼지하기 위해서는 밸브(110)가 유용하다. 버블러의 제어온도 및 캐리어 가스의 유량과 함께 컨테이너 압력 제어는 선구체 유량의 측정 개선을 용이하게 한다. 밸브(110)의 추가는 전체 운반 시스템이 성장 모드에 있지 않을 때 비부식성 캐리어 기체로 퍼지되도록 하는 것을 허용하며, 이에 의해 부식성 환경에 대한 시스템의 노출을 감소시켜 설비수명을 증가시킨다. 또, 조립체는 공급라인들을 통해 여러가지 양상의 유동을 제어하기 위한 밸브들(111-121)을 포함한다. 또, 조립체는 GaC13 콘테이너의 전체에 일정압력을 유지하는 압력 컨트롤러와 변환기(129; transducer)를 포함한다. 또, GaC13 콘테이너에 대한 캐리어 가스의 정밀한 유동을 제공하기 위해 질량유량 컨트롤러(131)가 제공된다. 이들은 반응 챔버 내부로 GaC13의 통제되고 보정된 질량유량을 제공하도록 작용한다. 또한, 조립체는 압력 레귤레이터(125, 127)를 포함한다. 공급라인들, 밸브들, 및 컨트롤러들을 포함하는 공급라인 조립체는 각각의 구성요소를 밀폐하도록 다수 개의 알루미늄 가열 블록들 내에 대합조개(clamshell) 형태로 둘러싸여 있다. 또한, 알루미늄 블록들은 리저버의 출력에서부터 반응실의 입구까지 온도가 증가(또는 적어도 감소하 지 않음)하도록 공급라인 구성부품 온도를 제어하는 온도 센서들을 내장한다. GaC13의 입구 가스를 바람직하게는 적어도 110℃의 온도까지 가열하기 위해 가스 히터가 제공된다.
선택적으로, 캐리어 가스 입구라인에는 캐리어 가스로부터 습기를 단지 5 ppb(parts per billion) 아래로 제거할 수 있는 정화기가 배치되고, 또 정화기 하류에는 가스 여과기가 배치된다. 캐리어 가스는 선택적으로 캐리어 가스히터 가까이에 향상된 열교환면을 제공하기 위한 사인곡선 벤드(sinusoidal bend)들, 예를 들면, 피그테일(112)과 함께 구성될 수 있다.
도 3A와 도 3B는 반응 챔버(201)의 양호한 일 실시 예의 평면도를 예시한다. 이 반응실은 석영 벽들을 구비하고, 일반적으로 더 큰 폭과 더 적은 높이를 갖는 긴 장방형 박스 구조로 형성된다. 복수 개의 석영 리지(203; ridge)들은 반응 챔버 벽들을 가로질러 가로로 연결하여, 특히 반응 챔버가 진공하에 가동될 때 벽들을 지지한다. 반응 실은 냉각 공기를 안내하여 반응식 벽들이 실질적으로 서셉터 보다 낮은 온도로 제어될 수 있도록 하는 덮개(Shroud) 내에 둘러싸여 있다. 이 덮개는 일반적으로 이들 도면에 있는 바와 같이 반응 챔버를 노출시키기 위해 열릴 수 있는 여행가방 형태의 배열을 갖는다. 도면에 보이는 것은 덮개의 긴 측면(205)과 상단(207)이다. 서셉터(215)(이들 도면에는 보이지 않음)는 반응기 내부에 위치한다. 서셉터는 두 열의 평행 램프들로 배열된 석영 램프들에 의해 가열된다. 상부 램프 열(209)는 덮개의 상단에서 볼 수 있게 예시되고, 하부 열은 반응 챔버 아래에 숨 겨져 있다. 입구 다기관의 부분들은 볼 수 있게 예시된다.
도 3C는 강화용 리브(203; rib)들을 생략한 양호한 특정 반응 챔버(301)의 종단면을 예시한다. 여기에 예시된 것은 상단 석영 벽(303), 바닥 석영 벽(305), 및 한 개의 석영 측벽(307)이다. 석영 플랜지(313)는 반응실의 입구 단부를 입구 다기관 구조에 밀봉하고, 석영 플랜지(309)는 반응실의 출구 단부를 출구 다기관 구조에 밀봉한다. 포트(315)는 공정 가스, 캐리어 가스 등의 주입을 위해 제공되고, 포트(311)는 배출 가스의 배출을 위해 제공된다. 서셉터는 일반적으로 상단면이 석영 선반(317)의 상단과 동일 평면에 있도록 반원형 개구(319)에 배치된다. 이에 따라, 입구 다기관 구조에서부터 주입되는 공정가스가 서셉터 아래에서 난류로 되거나 흐름을 전환하지 않고 서셉터의 상단을 가로로 통과할 수 있는 실질적으로 매끄러운 표면이 제공된다. 원통형 석영 튜브(321)는 서셉터가 회전할 수 있는 서셉터 지지축을 위해 제공된다. 공정가스가 축적될 수 있는 데드 존(dead zone)을 방지하기 위해, 캐리어 가스는 상기 튜브를 통해 주입되어 서셉터 아래의 체적을 이롭게 퍼지할 있다. 특히, 가열된 서셉터 아래의 GaCl3의 성장이 제한된다.
입구 다기관 구조는 포트(315)와 슬릿형 포트(329) 모두를 통해 공정가스를 제공한다. 가스는 먼저 석영 튜브(323)를 통해 포트(329)에 도달한다. 튜브는 가스를 가로(반응실내의 공정가스 유동에 대해 가로방향)로 퍼지도록 하는 평평한 깔때기(325) 내부와 연결되고, 깔때기는 선반(317)에 있는 가로 배열 슬롯을 통해 반응 실의 베이스 내부로 연결된다.
도 6에 참조하면, 깔때기는 탄화 실리콘 비드(607)(Beads)로 조밀하게 채워지고, 평평하게 된 깔때기의 상단에 있는 탄화 실리콘 인서트(327)는 깔때기(325)에서부터 반응실 내부로 GaCl3을 주입하기 위한 슬릿형 포트(329)를 제공한다. 두 개의 IR 스폿 램프(601; IR spot lamp) 및 그 광학 반사체는 깔때기의 각 측면에 위치한다. 열전대(605; thermocouple)를 포함하는 석영 시쓰(603)(Sheath)는 스폿 램프의 폐회로 제어를 가능하게 하여 SiC 비드를 약 800℃의 온도로 유지하기 위해 석영 튜브(323)의 바닥을 통해 SiC 비드의 중간에 있는 깔때기 높이의 대략 중앙까지 삽입된다. GaCl3는 포트(329)를 통해 주입되고, NH3는 포트(315)를 통해 주입되는 것이 바람직하다. 선택적으로, GaCl3는 포트(315)를 통해 주입될 수 있고, NH3는 포트(329)를 통해 주입될 수 있다. 선택적으로, RF 필드는 NH3가 이온 또는 래디컬의 생성에 의해 활성화될 수 있도록 당해 기술분야에 공지된 바와 같이 튜브(323)의 하부에 생성될 수 있다. 선택적으로, NH3의 일부 또는 전부는 RF 피일드에 의해 유사하게 활성화될 N2로 의해 대체될 수 있다. SiC 연장판(335)은 슬릿 포트(329; slit port)와 서셉터의 가장자리 사이에 배치된다. 이 SiC 연장판은 이량체가 슬릿포트(329)와 서셉터 사이에 있는 기상에서 다시 형성되지 않도록 하는 것을 보장하기 위해 메인 가열 램프들에 의해 가열된다. SiC 연장 판의 온도는 700℃ 이상, 바람직하게는 800℃ 이상이어야 한다.
도 4는 반응 챔버 조립체(403)에 집합 결합된 웨이퍼 전달 챔버(401; transfer chamber)을 포함하는 양호한 특정 반응/전달 챔버 조립체의 대각선 절개도를 예시한다. 이 도면에서 도 2와 도 3에 예시한 구조는 동일한 참조 부호로 표시된다. 예시적인 전달 챔버(401)은 기판들을 시스템 외부에서부터 반응 챔버 내부로 전달함과 함께 반응 챔버에서 다시 시스템 외부로 전달하기 위한 로봇 암, 베르누이 완드, 및 다른 수단(도시하지 않음)을 수용한다. 다른 설계의 전달실들이 본 발명에 사용될 수 있다.
반응 챔버 조립체는 덮개(405) 내부에 탑재된 반응 챔버(301)을 포함한다. 여기에 예시된 것은 덮개의 바닥 벽(407)과 먼 벽(205)의 부분들이다. 덮개는 제어된 벽 온도를 유지하기 위해 반응 챔버 전체에 냉각 공기를 전달하도록 하는 역할을 한다. 특정 반응실 구조는 이미 위에서 바닥 벽(305), 측벽(307), 출구 다기관의 플랜지(309), 선반(317), 서셉터(215), 및 세셉터 지지와 선택적인 퍼지가스 유동을 위한 원통형 튜브(321)를 포함하는 것으로 서술했다. 서셉터는, 서셉터에 대해 측방향 안정성을 제공하고 선반(317), SiC 연장판(335) 및 슬릭 형상의 포트(329)와 동일평면에 있는 라운드된 판(409)의 원형 개구(319) 내에서 회전한다. 이들 복수 개의 구성부품들은 가스입구에서 서셉터 까지 원활한 가스유동을 보장한다. 출구 매니폴드 구조는 배기가스를 반응 챔버에서 지시된 방향으로 유도하여 배기 라인(419) 내부로 유도하는 플레넘(407)(Plenum)을 포함한다. 반응실 상의 출구 다기관과 플랜지(309)는 내온도성 및 내염소성 재료로 만들어진, 예를 들면, 가스킷 또는 O-링(도시하지 않음)으로 밀봉된다.
입구 매니폴드 구조(이 용어는 여기에 사용됨)는 점선 박스(411) 내에 예시 된다. 아래에 서술한 플레넘(211)은 내온도성 및 내염소성 재료로 만들어진 가스킷 또는 O-링(도시하지 않음)으로 반응실의 전방 플랜지에 밀봉된다. 전달 챔버와 반응 챔버 사이에 있는 게이트 밸브(413)는 두 실 사이의 통로를 개방하기 위해서는 시계방향(아래쪽으로)으로 회전하고, 두 실 사이의 통로를 밀폐하여 밀봉하기 위해서는 시계반대방향(위쪽으로)으로 회전한다. 게이트 밸브는 예를 들면 가스킷 또는 O-링에 의해 면판(415)에 대해 밀봉될 수 있다. O-링을 위한 양호한 재료는 다른 O-링을 위해 위에서 설명한 것과 동일하다. 게이트 밸브는 아래에 서술한 바와 같이 가스주입을 위한 포트를 제공하는 것이 바람직하다. 앞에서 서술한 바와 같이 더 낮은 가스 입구의 구조는 연통 석영 튜브(323), 평평하게 된 깔때기(325), 및 슬릿형 포트(329)를 포함한다.
도 5는 반응 챔버 조립체에 있는 양호한 특정 입구 매니폴드 구조와 그 배치를 상세히 예시한다. 이 도면에서 도 2와 도 3에 예시한 구조는 동일한 참조 부호로 표시된다. 먼저, 주위의 반응실 조립체를 참조하면, 덮개(405)와 반응 챔버(301)를 포함하는 반응 챔버 조립체(403)는 좌측에 있는 반면, 전달 챔버 구조(401)는 우측에 있다. 서셉터(215)와 서셉터 안정판(409)은 반응 챔버 내부에 위치한다. 반응실의 석영 플랜지(313)는 덮개(405)의 연장부(501)에 의해 플레넘 구조(211)에 대해 대항하여 지지된다. 반응 챔버 플랜지와 플레넘 구조는 포트(315)의 양측상에서 단면으로 볼 수 있게 예시된 O-링(503)에 의해 밀봉된다.
GaCl3(대신, 선택적이지만 바람하게는 NH3)를 위한 슬릿형 포트(329)를 통해 안내하는 입구 구조를 참조하면, 그것은 세로로 평평하게 되었지만 가로로 연장되어 반응 챔버의 바닥 벽의 상당한 부분에 걸쳐 개방된 깔때기(325), 및 석영 튜브(323)으로 구성되어 있다. 작은 비드(bead), 작은 튜브(tube) 등의 어떤 형태의 다공성 IR 흡수성 재료는 깔때기(325)에 채워져 있다. 인서트(327)는 깔때기의 상부 개구 내에 끼워지고, 서셉터와 슬릿형 포트(329) 사이의 공간을 커버하는 연장판(335)와 함께 서셉터를 향해 일정각도를 갖는 슬릿형 포트(329)를 포함한다. 가동 시, GaCl3(및 선택적인 캐리어 가스)는 공급튜브에서 위쪽으로 이동하고, 깔때기에서 가로로 흩어지고, 슬릿에 의해 서셉터를 향해 반응 챔버 내부로 향한다. 이에 의해, GaCl3는 포트(329)에서부터 서셉터(215)를 향해 반응 챔버의 폭을 가로지르는 실질적으로 균일한 층류 유동으로 이동한다.
포트(315)를 통해 안내되는 입구 구조들을 참조하면, 이들 구조는 플레넘 구조(211), 면판(415), 및 게이트 밸브(413)를 포함한다. NH3(대신, 선택적이지만 바람하게는 GaCl3) 증기는 공급라인(517)을 통해 프레넘 구조 내부로 주입되고, 다수 개의 수직 튜브들(519)을 통해 반응 챔버를 향해 아래쪽으로 이동한다. 이어서, NH3 증기는 수직 튜브들로부터 배출되거나 선택적으로 각각의 수직튜브가 한 그룹의 분배포트들과 정렬된 분배포트들을 통해 수직 튜브들로부터 배출된 다음, 플레넘의 립(511; lip) 주위를 지나간다. 이에 의해, NH3 증기는 서셉터를 향해 반응 챔버의 폭을 가로지르는 실질적으로 균일한 층류 유동으로 이동한다. 각각의 수직튜브를 통한 유동은 외부(213)에서 조절가능한 별도의 밸브 기구(509)에 의해 제어된다. 또한, 플레넘은 NH3를 통과시키는 플레넘 구조가 상술한 온도범위들 내에 유지되도록 함과 함께 O-링(503)에 인접한 플레넘 구조가 O-링에 사용된 밀봉재료를 위한 가동범위 내에 유지되도록 제어된 온도를 갖는 온도제어 유체, 예를들면, GALDEN™을 주입하기 위한 튜브들을 포함한다. 위에서 언급한 바와 같이, O-링을 위한 양호한 재료는 다른 O-링을 위해 위에서 언급된 것과 동일하다. 온도제어 튜브(505)는 O-링(503) 근처에 볼 수 있게 도시되어 있다 (대응 튜브 또한 포트(315) 아래에 도시되어 있음). 일반적인 가동시, 이 튜브는 O-링이 가동범위 내로 유지되도록 O-링을 냉각시키는 역할을 한다.
게이트 밸브(413)는 반응 및 전달 챔버를 격리시키는 역할을 할 뿐만 아니라 다수 개의 가스 입구포트(515)를 포함하는 것이 유리하다. 그것은 전달 챔버와 반응 챔버 사이에서 웨이퍼와 기판들을 포트(315)를 통해 제어할 수 있게 출입시키기 위해 개방되고 밀폐된다. 그것은 O-링(507)에 의해 면판(415)에 밀봉된 밀폐위치로 예시되어 있다. 양호한 실시예들에서는, 가스 입구포트들(515)이 퍼지가스, 예를 들면, N2를 주입하기 위해 사용된다. 게이트 밸브(및 반응실)의 가장자리 부분 근처에서는 더 조밀하고 게이트 밸브(및 반응 챔버)의 중앙 부분에서는 더 드문드문한 가스 입구포트들의 크기와 간격은 공정가스들이 서셉터를 가로질러 유동할 때 공정가스들의 속도 및 조성의 균일성을 개선함과 함께, 반응 챔버의 측벽들을 따라 퍼지가스 커튼을 형성시켜 GaCl3가 서셉터 아래로 유동하는 것을 방지하여 그 위치에 서 GaN의 바람직하지 않는 증착을 피하도록 설계된다.
일반적으로, 입구 매니폴드과 포트 구조들은 고품질 에피택셜층의 증착을 위해, 실질적으로 층류(결과적으로, 비난류)이고 속도와 조성에서 실질적으로 균일한 공정가스 유동을 제공하도록 협력한다. 실질적인 층류의 균일 유동은 서셉터 위 및 서셉터 까지는 세로로 연장되고, 반응실을 가로질러서는(또는, 적어도 서셉터의 표면에 걸쳐서는) 가로로 연장되어야 한다. 반응실 내의 공정가스 유동은 속도와 조성에서 반응실을 횡단하여 적어도 5%, 또는 바람직하게는 2% 또는 1% 까지 균일한 것이 바람직하다. 조성 균일성은 3A족/5A족 비율(즉, GaCl3/NH3 비율)의 균일성을 의미한다. 이것은 첫째로, 반응 챔버를 통한 공정가스 유동이 대략적으로 균일하게 되도록 공정가스 입구 포트들을 설계하는 것, 둘째로, 설계된 대략적인 균일 유동이 더욱더 균일하게 되도록 캐리어 가스의 선택적인 주입을 설계하는 것에 의해 달성된다. 서셉터에서부터 하류의 유동제어는 덜 중요하다.
양호한 특정 실시 예의 가스 유체역학의 수치해석 모델링은 실질적으로 균일유동이 발생하는 양호한 공정가스 입구 포트 구성을 결정하였다. 전체 공정가스 유량의 가이드라인은 계획된 연속 고 처리량 가동을 위해 필요한 GaN 증착 조건 및 비율에 따라 정해진다. 다음으로, 이들 전반적인 유동 가이드라인 내에서, 인서트(327)와 슬릿(329)은 모델링된 반응실내의 GaCl3 유동이 반응 챔버 전역에서 실질적으로 균일하게 되도록 설계되었다. 또한, 계획된 GaCl3 유동의 모델링은 NH3 증기가 립(511; lip) 주위에서 반응실로 나온 후 그 유동이 반응실 전역에서 실질적으 로 균일하게 된다는 것을 나타내었다. 추가로, 밸브들(509)은 가동시 발생할 수 있는 비 균일성을 개선하도록 제어될 수 있다.
또한, 이차 캐리어 가스 입구들은 수치해석 모델링에 의해 가이드되어, 일차 공정가스 유동의 균일성을 증가하기 위해 추가되었다. 예를 들면, 양호한 특정 실시 예에서, 게이트 밸브(413)를 통한 퍼지가스의 공급은 게이트 밸브(413)의 면과 립(511)(즉, 면판(415)에 의해 둘러싸인 영역들) 사이의 GaCl3 증기의 고 농도의 축적을 방지하는 것에 의해 개선점을 제공하는 것으로 판명되었다. 또, 반응실의 가장자리에서는 많은 캐리어 가스유동을 제공하고 중앙에서는 적은 퍼지가스 유동을 제공하도록 입구들을 배열한 것을 서셉터에서의 유동의 속도와 조성의 균일성을 개선하고 서셉터의 표면 위에 반응가스를 더 양호하게 유지하는 것으로 판명되었다.
예
이하, 본 발명은 3A-5A족 재료의 HVM을 본 발명에 따라 실행할 때 제공되는 잇점과 예기치 못한 이득을 예시하기 위해 표준 또는 종래의 HVPE 시스템과 비교된다. 이러한 비교를 설명하기 전에 서론으로 먼저 종래의 HVPE 시스템의 관련 부분이 간단히 서술된다.
종래의 HVPE 시스템은 보통 석영으로 제조된 고온 벽 튜브형 노(Furnace)로 구성된다. 3A족 선구체는 3A족 금속을 액상으로 유지하는 보트 위에 HCl을 유동시키는 것에 의해 반응기 내에서 인시튜(In-situ)로 형성된다. 5A족 선구체는 외부 저장부, 예를 들면, 고압 실린더로부터 공급된다. 종래의 HVPE는 비화물, 인화물 및 질화물 반도체의 성장을 위해 사용되었다. GaN의 성장의 경우, 3A족 소스는 일반적으로 석영 보트에 있는 융해 Ga(HCl이 GaCl를 형성하도록 반응하는 것)이고, 5A족 소스는 보통 암모니아 가스이다.
더 자세히 설명하면, 석영 튜브는 수직 또는 수평으로 배향될 수 있다. 주위의 노는 적어도 두 개의 온도 존, 즉 3A족 금속을 그 융해점 이상의 온도로 유지하기 위한 온도 존과 기판/웨이퍼를 에피택셜 성장을 위해 충분한 고온으로 유지하기 위한 온도 존을 가지는 저항형(Resistive type)으로 구성된다. 액체 3A족 금속을 위한 보트, 기판/웨이퍼 홀더, 및 가스 입구들을 포함하는 3A족 금속 소스 설비는 석영 노 튜브(Quartz furnace tube)의 일단부에 놓여져 배열된다. 석영 노 튜브의 타 단부는 반응 부산물을 배출시키기 위해 제공된다. 이러한 모든 설비(또는 적어도 노 튜브에 들어가는 설비)은 석영으로 제조되어야 하고, 스테인레스 스틸은 이용될 수 없다. 반응기들은 대부분 대기압에서 한 번에 한 개의 웨이퍼만 가공한다. 다수 개의 웨이퍼들은 균일한 증착을 얻기 위해 모든 웨이퍼들의 표면이 가스 유동에 나란히 정렬하도록 배열되어야 한다.
웨이퍼들은 먼저 기판 서포트 상에 그것들을 놓은 다음 석연 노 튜브가 있는 고온 존 내부로 기판 서포트를 위치시키는 것에 의해 로딩된다. 웨이퍼들은 서포트를 노로부터 제거한 다음 웨이퍼를 서포트로부터 들어올리는 것에 의해 언로딩된다. 기판 서포트를 위치선정하기 위한 기구, 예를들면, 푸시/풀 로드는 최고 성장온도에 노출되기 때문에 역시 석영으로 제조되어야한다. 지지된 웨이퍼들, 기판 서 포트, 및 위치선정 기구는 웨이퍼들 및/또는 기판 서포트의 열적 손상, 예를들면, 크랙킹을 방지하기 위해 주의하여 고온의 반응기 튜브 내에 위치되어야 한다. 또한, 반응기 튜브 자체는 웨이퍼 로딩과 언로딩시 공기에 노출될 수 있다.
그러한 종래의 HVPE 반응기들은 여러 가지 이유 때문에, 본 발명의 HVM 방법 및 시스템과 함께 가능한 연속된 대량생산을 할 수 없다. 한 가지 이유는 본 발명의 반응기들은 상당히 더 낮은 열용량(thermal mass)을 가질 수 있기 때문에 종래의 HVPE 반응기들 보다 적은 비생산적인 가열 및 냉각 시간을 요구한다는 것이다. 본 발명의 반응기에서는 단지 서셉터(기판/웨이퍼 서포트)만의 가열을 필요로 하고, 그것은 IR 램프들을 급속하게 작동하는 것에 의해 가열된다. 하지만, 종래의 HVPE 반응기들에서는 저항로가 몇 시간에서 몇십 시간까지의 긴 가열과 (특히) 냉각 시간을 요구할 수 있다. 그러한 긴 가열과 냉각 시간 동안, 시스템은 사용되지 않으며, 이에 따라 웨이퍼 생산, 반응기 청소, 시스템 메인터넌스 등은 지연되어야 한다. 더우기, 열 손상의 위험에도 불구하고, 웨이퍼들은 또 다른 가열 및 냉각 지연을 피하기 위해 보통 반응기가 가동온도 근처에 있을 때 반응기에 투입되거나 반응기로부터 제거된다. 이러한 이유들 때문에, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템 보다 더 높은 처리량을 얻을 수 있다.
종래의 HVPE 시스템의 처리량을 제한하는 또 다른 이유는 종래의 시스템이 본 발명의 반응기들 보다 상당히 더 많은 반응기 청소를 요구한다는 것이다. 종래의 HVPE 반응기의 모든 내부부품이 외부 저항로에 의해 가열되기 때문에, 3A-5A족 재료는 필요로 하는 기판뿐 아니라 반응기의 내부 전체에 성장할 수 있다. 그러한 바람직하지 않는 증착은 반응기로부터 자주 제거되어야 하며, 그렇지 않으면 웨이퍼를 오염시키는 조각과 먼지를 형성할 수 있다. 청소는 반응기가 생산적이지 않는 시간을 요구한다.
또한, 3A족 선구체는 비효율적으로 사용된다. 즉, 반응기의 내부에 대부분 증착되고, 필요로 하는 기판 웨이퍼에는 소량 증착되고, 재사용을 위해 재생될 수 있는 반응기 배출부에는 약간 또는 거의 나타나지 않는다. 5A족 선구체 역시 비효율적으로 사용된다. 초과량은 반응 존(reaction zone)의 하류의 냉각영역에 증착될 수 있는 염화물(예를들면, NH4Cl)을 형성하도록 사용되지 않는 HCl과 반응할 수 있다. 그러한 염화물 증착은 반응기로부터 제거되어야 한다.
이에 반하여, 본 발명의 반응기는 온도제어형 벽을 구비하여 3A-5A족 재료의 바람직하지 않는 성장을 거의 발생시키지 않도록 한다. 본 발명의 반응기는 비생산적인 청소 또는 메인터넌스 시간을 더 단축시키거나 자주 필요로 하지 않을 수 있기 때문에 더 생산적일 수 있다. 이러한 이유들 때문에, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템 보다 더 높은 처리량을 얻을 수 있다.
종래의 HVPE 시스템의 처리량을 제한하는 또 다른 이유는 그들의 종래의 내부 Ga소스들이 본 발명의 외부 Ga소스들(Ga 선구체 GaCl3로 재충전)보다 더 자주 재충전(액체 Ga 또는 다른 3A족 금속으로 재충전)을 필요로 한다는 것이다. 본 발명의 외부 소스는 대략 200gm/hr 또는 그 이상 까지의 최대 지속율로 유량과 조성 모두를 제어할 수 있는 Ga 선구체의 유동을 운반한다. 외부 소스의 용량은 반응기의 구조에 의해 제한되지 않기 때문에, 연속 생산을 몇 일 또는 몇 주 동안 충분히 지속할 수 있다. 예를 들면, 외부 소스는 몇 십 킬로그램, 예를들면, 대략 60kg의 Ga를 저장할 수 있고, 실질적으로 무제한인 연속생산을 위해 복수 개의 소스가 직렬로 운영될 수 있다.
종래의 HVPE 시스템에서는 Ga소스가 엄격히 제한된 용량을 갖는다. 소스는 반응기 내부에 고정되어야 하고 반응기 보다 더 크게 형성될 수 없기 때문에, 종래 소스의 상한은 5 kg의 Ga 이하인 것으로 보여진다. 예를들면, 3 kg의 Ga의 경우, 4 cm 깊이의 액체 Ga로 채워진 대략 7 x 7 x 20 cm의 보트가 요구된다. 이와 같이 큰 Ga보트는 종래기술에서 지금까지 개시되어 있지 않다. 또한, 소스의 유량과 조성은 Ga 선구체(GaCl)가 HCl을 반응기 내부 있는 Ga소스 보트 내의 액체 Ga 위로 통과시키는 것에 의해 인시튜로 형성되기 때문에 잘 제어될 수 없다. 이러한 반응의 효율은 반응기 구조와 정확한 공정조건, 예를 들면, 소스 영역(source zone) 내의 온도에 좌우되며, 60%에서 90% 이상까지의 여러가지 효율 값이 보고되었다. 또한, Ga의 레벨이 감소되고 Ga 소스가 노후됨에 따라, 일정한 공정조건에서도 증착 영역(deposition zone)의 GaCl 플럭스가 변화할 수 있다. 이러한 이유들 때문에, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템 보다 더 높은 처리량을 얻을 수 있다.
종래의 HVPE 시스템들의 처리량을 제한하는 또 다른 이유는 지금까지 그 구성이 표준화되어 있지 않다는 것이다. 실제로, 그러한 시스템은 특정 사용자를 위해 수시로 개별적으로 설계 제조된다. 규격화의 부족은 예를 들면 느리고 복잡한 메인터넌스 문제를 야기한다. 시스템들이 작업하기 어렵고 복잡하고 약한 석영 부품을 빈번하게 포함하기 때문에, 반응기들을 해체하고 재조립하기 위해 많은 시간이 소비된다. 특히, 3A족 소스 존은 HCl를 위한 분리된 석영 입구, HCl 입구에 인접하게 위치된 석영 보트, 5A족 선구체(3A족 선구체로부터 분리되어 유지되어야 함)를 위한 분리된 석영 입구, 및 캐리어 가스를 위해 추가 가능한 석영 입구를 포함하기 때문에 복잡하다. 이에 반하여, 본 발명의 시스템 및 방법은, 대부분, 효율적인 가동과 메인터넌스를 위해 최적화되고 상업적으로 입수가능한 부품을 포함하는 Si 가공을 위해 공지된 시험 및 표준화된 설계의 적용과 관련된다. 예를 들면, 양호한 특정 실시 예는 부분적으로 금속으로 제조된 입구 포트들과 게이트 밸브 및 3A족 선구체 플레넘을 구비하는 3A족 소스 영역을 포함한다. 게이트 밸브는 짧은 개폐시간만을 필요로 하고, 3A족 선구체 플레넘과 입구 포트들은 상당히 강하다. 이러한 이유 때문에, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템 보다 더 많은 처리량을 얻을 수 있다.
종래의 HVPE 시스템으로부터 본 발명의 시스템을 구별하게 하는 질적인 설계 선택사항들은 에피택셜 성장효율, 반응기 이용률과 웨이퍼 생산율, 및 선구체 활용효율에서 놀라운 양적인 이득을 이끌어 낸다. 이들 양적인 이득은 한 개의 100mm 직경 기판을 처리하도록 설계되고 약 20cm 직경과 약 200cm 길이를 갖는 반도체 튜브를 포함하는 종래의 HVPE 시스템을 본 발명의 대응 시스템과 비교하는 표 1, 2, 및 3의 데이터를 사용하여 아래에서 검토된다.
먼저, 달성할 수 있는 에피택셜 성장효율 고려하면, 표 1의 데이터는 본 발 명의 HVM 시스템이 종래의 HVPE 시스템 보다 상당히 효율적이다는 것을 증명한다.
표 1 -
에피텍셜
성장 효율들
에피텍셜
성장 효율들 종래의
HVPE
HVM
반응기
정보
웨이퍼 직경 cm 15 15
반응기 길이 cm 200
반응기 직경 cm 20
고온영역 길이 cm 40 1
동시에 처리되는 웨이퍼 수 1 1
반응기 생산 시간
- 웨이퍼 로드/
언로드
시간
풀(Pull)/푸시(Push) 비율 cm/min 2
총 풀 및 푸시 길이 cm 160 0
총 풀 및 푸시 시간 min 80 2
웨이퍼 로드/언로드 시간 min 9.5 2
총 로드/언로드 시간 min 89.5 3
가동 오버헤드 % 10% 10%
일정 가동시 총 로드/언로드 시간 min 52.0 2.2
-
에피택셜
성장 시간
템플렛을 성장하는 시간 min 0 0
성장율 um/hr(um/min) 200(3.3) 200(3.3)
레이어 두께 um 300 300
가열하고 냉각하는 시간 min 0 6
층을 성장하는 시간 min 90 90
가동 오버헤드 % 10% 10%
총 성장 시간 min 99 106
총 웨이퍼-인-반응기 시간 min 151.0 107.8
반응기 이용률(Reactor utilization)(R.U.)
R.U.-성장시간/웨이퍼-인-반응기 시간 % 66% 98%
에피택셜 성장효율은 실제 에피택셜 성장시간과 웨이퍼 로드/언로드시간의 합에 대한 실제 에피텍셜 성장시간의 비율으로 나타낼 수 있다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 시스템 보다 현저하게 빨리 로드/언로드되고 더 높은 에피텍셜 성장효율을 얻을 수 있다는 것이 증명될 수 있었다. 또한, 실제 가동시, 본 발명의 외부 Ga소스는 종래의 시스템보다 상당히 장기간 동안 연속가동을 허용 할 것이라는 것이 예상된다.
종래의 HVPE 시스템에서는 반응기가 가동들(Runs) 사이에 거의 증착온도로 유지되기 때문에, 기판들은 열손상을 피하기 위해 천천히 반응기로부터 풀되거나 반응기 내부로 푸시되어야 한다. 반응기 입구에서부터 기판 홀더 까지의 거리가 대략 80cm이고 열손상을 피하는 풀비율이 2 cm/min이라고 가정하면, 기판을 반응기로부터 풀하고 또 기판을 반응기 내부로 푸시하는 데 대략 40 분이 요구된다. 또한, 일단 기판과 웨이퍼가 반응기 내부에 위치되면, 열안정화, 반응기 퍼지, 및 공정가스의 세트업을 위해 10분까지 더 요구될 수 있다(로드 락과 함께 반응기 퍼지와 세트업을 할 경우 각각 5분을 필요로 할 수 있고, 로드 락 없이 세트업을 할 경우 더 오래 걸릴 수 있음). 그러므로, 연속생산(약간의 시간이 두 개의 연속 가동들 사이에 동등하게 공유될 경우)시 총 로드/언로드 시간은 약 90분 또는 52분이다.
이에 반하여, 본 발명의 HVM 시스템에서는 웨이퍼들이 열손상의 위험 없이 저온에서 급속하게 로드/언로드될 수 있으며, 이에 따라 웨이퍼 위치선정 시간이 연장되는 것이 방지된다. 저 열용량과 IR 램프 가열 때문에, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법에 사용된 반응기들(및, 특히 그러한 반응기들의 서셉터와 웨이퍼)은 높은 증착온도와 낮은 로드/언로드 온도 사이로 급속하게 순환될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 종래의 HVPE 반응기들에서 가능한 것보다 상당히 더 짧은 로드/언로드 시간을 가진다.
일단 로드되고 종래의 HVPE 시스템에 사용된 Ga 선구체 소스가 적당한 질량유량을 유지할 수 있는 것으로 가정하면, 본 발명의 시스템과 종래의 시스템의 실 제 에피택셜 성장 시간은 대략적으로 동일하다. 하지만, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법에 사용된 Ga 선구체 소스는 종래의 HVPE 시스템에 사용된 Ga 선구체 소스 보다 상당한 잇점을 가지므로, 실제 가동시 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 표 1에 나타낸 효율보다 비교적 더 큰 에피택셜 성장 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
예를 들면, 종래의 Ga소스는 초기기간 동안에는 적당한 질량유량을 얻을 수 있더라도 연장된 기간 동안에는 적당한 질량유량을 유지할 수 있을 확률이 낮다. 종래의 HVPE 시스템들은 액체 형태의 금속 갈륨 위에 HCl 가스를 통과시키는 것에 의해 반응기에 Ga 선구체를 인시튜로 생성한다. 이러한 공정의 효율은 반응기의 구조와 공정조건에 따라 크게 좌우되기 때문에(예를들면, Ga 온도에 따라 대략 60%에서 대략 90% 이상까지), Ga 선구체(GaCl)의 실제 질량유량 역시 변화할 것이다. 또한, Ga의 레벨이 감소되고 Ga 소스가 노후됨에 따라, Ga 선구체의 플럭스는 일정한 공정조건(예를들면, 일정한 온도 및 입력 HCl 플럭스)에서도 변화할 수 있다. 또한, 종래의 Ga 소스들(특히 액체 Ga 보트)은 반응기 내부에 있어야 하므로, 그들의 용량은 반응기 구조에 의해 제한된다. 종래의 HVPE 시스템에서 무리 없이 가능할 것으로 보여지는 최대 보트(종래기술에서 공지된 것으로 개시되어 있는 것으로 생각하지 않음)는 겨우 대략 3 내지 5 kg을 저장할 수 있고, 대략 7 x 7 x 20 cm 크기로 액체 Ga를 4 cm 깊이로 채울 수 있을 것이다.
이에 반해, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 연장된 장기간 동안 지탱할 수 있는 일정하고 변하지 않은 Ga 선구체 유동을 200gm Ga/hr 및 그 이상(300um/hr를 초과하는 성장율을 지원하기에 충분한 범위)까지 제공할 수 있는 외부 Ga 소스를 사용한다. 첫째로, 이 소스는 Ga 질량 플럭스가 에피택셜 성장시에도 측정되고 제어될 수 있도록 하는 방식으로 GaCl3 증기를 제공할 수 있다. 둘째로, 이 외부 Ga 소스는 Ga 선구체가 수십 kg의 선구체를 저장하는 리저버로부터 공급되기 때문에, 연속되고 중단없는 가동을 가능하게 한다. 게다가, 무제한 가동을 효과적으로 수행하기 위해, 다수 개의 리저버가 직렬로 운영될 수 있다.
요약하면, 관련 에피택셜 성장효율은, 실제 성장이 일어나는 동안 웨이퍼가 반응기 내에 있는 시간의 비율로 정의된 반응기 이용률(Reactoe utilization; R.U.)로 요약될 수 있다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 대략 95% 이상의 R.U.를 달성할 수 있는 반면, 종래의 HVPE 시스템은 단지 대략 65%의 R.U.를 달성할 수 있는 것으로 판명되었다. 그리고, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 실제 가동시 비교적 더 큰 관련 에피택셜 성장효율을 얻을 것으로 예상된다.
다음으로, 먼저 달성가능한 반응기 이용를 및 웨이퍼 생산율을 고려하면, 표 2의 데이터는 본 발명의 HVM 시스템이 종래의 HVPE 시스템 보다 더 효율적이다는 것을 증명한다.
표 2 - 반응기 이용률과 달성가능한 웨이퍼 생산율
반응기
메인터넌스
시간과 웨이퍼 생산율 종래의
HVPE
HVM
-
인시튜
반응기 청소시간
인시튜 청소 사이의 가동 수(Runs) 5 5
반응기를 개방/밀폐하는 시간 min 26.6 2
총 식각될 두께 um 1500 300
식각율 um/min 8 8
식각시간 min 187.5 18.8
베이크 시간 min 30 15
인시튜 식각과 함께 Ga를 로드하는 시간 min 45 0.0
가동 오버헤드 % 18% 15%
총 인시튜 청소시간 min 339.8 41.1
-
엑스시튜
(ex-situ) 반응기 청소시간
에스시튜 청소 사이의 가동 수(Runs) 15 15
언로드후 반응기를 밀폐하는 시간 min 13.3 1.0
반응기를 냉각하는 시간 min 180 20
반응기를 이격시키는 시간 min 120 120
반응기를 다시 넣은 시간 min 180 120
누설첵크 등의 시간 min 45 45
엑스시튜 식각과 함께 Ga를 로드하는 시간 min 10 0
반응기를 가열하는 시간 min 75 20
웨이퍼 시험 시간 min 60 60
예방 메인터넌스 min 120 120
가동 오버헤드 % 25% 20%
총 엑스시튜 청소시간 min 959.9 571.2
반응기 이용률(R.U.)과 웨이퍼 생산율
R.U.(웨이퍼-인-반응기 시간/총 사용시간) % 59% 76%
R.U.(성장시간/총 사용시간) % 39% 75%
가동 수(Runs)(웨이퍼들) 15 15
가동 수(웨이퍼들)에 대한 총 사용시간 min 3734 1996
웨이퍼 수/시간 0.24 0.45
시간/웨이퍼 4.15 2.22
웨이퍼 수/24 시간 5.8 10.8
반응기들은 주기적으로 청소와 예방 메인터넌스를 위해 생산을 중지해야 한다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 빠르게 청소 및 메인터넌스 될 수 있기 때문에, 종래의 HVPE 시스템 보다 더 높은 반응기 이용률과 웨이퍼 생산율을 얻을 수 있다.
가동시, 재료는 반응기의 바람직하지 않는 지점, 예를들면, 반응기 벽들과 다른 내부 반응기 부품들 상에 성장하며, 이들 재료의 과도 성장은 예를 들면 웨이 퍼 오염과 같은 문제들을 일으킬 수 있다. 이러한 바람직하지않는 재료를 제거하기 위해 청소가 필요하고, 청소는 반응기를 해체하지 않는 상태인 인시튜(in-situ) 또는 반응기를 해체한 후인 엑스시튜(ex-situ)의 어느 쪽에서든 실행될 수 있다. 인시튜 청소는 HCl로 바람직하지않는 증착을 식각하는 것에 의해 수시로 실행된다. 다수의 인시튜 식각 또는 청소 후, 더 철저한 엑스시튜 청소를 하는 것이 좋다.
본 발명의 HVM 시스템은 종래의 HVPE 시스템 보다 상당히 더 적은 인시튜 청소시간을 요구한다. 본 발명의 반응기들은 낮게 제어된 온도를 가지는 벽들을 구비하므로, 웨이퍼생산시 재료가 벽들 상에 거의 증착되지 않는다. 이에 반하여, 종래의 HVPE 반응기들은 더 높은 증착 온도로 가동되므로, 웨이퍼들과 기판들 상에 성장하는 양과 동일한 양의 재료가 반응기 벽들 및 내부 반응기 부품들 상에 성장한다. 표 2는 단지 1.5mm의 계획되지 않은 GaN이 반응기 벽들과 내부 반응기 부품들 상에 증착되도록 허용할 수 있는 것을 가정하는 시나리오를 나타낸다.
종래의 HVPE 시스템의 경우, 인시튜 청소는 반응기 내부에 1.5mm의 계획되지 않은 GaN(가동 당 300um)이 성장하는 5 번의 가동(Runs) 마다 요구된다. 이에 반해, 본 발명의 반응기들의 인시튜 청소가 역시 5 번의 가동 마다 수행된다면, 단지 미소량의 GaN (예를들면, 종래의 HVPE 시스템에서 성장하는 양의 20% 이하)만 반응기 내부에 성장할 것이다. (실제로, 본 발명의 HVM 시스템의 인시튜 청소는 단지 15 번의 가동 마다 수행하는 것으로 무리 없이 연기될 수 있었다.) 그러므로, 종래의 HVPE 반응기들의 인시튜 청소시간은 본 발명의 HVM 반응기들의 인시튜 청소시간 보다 적어도 5 배(및 15 배 까지) 더 많다.
또한, 본 발명의 HVM 시스템은 종래의 HVPE 시스템 보다 상당히 더 적은 엑스시튜 청소시간을 요구한다. 첫째로, 이들 HVM 시스템들은 각각 엑스시튜 청소에 선행 및 후속되어야 하는 냉각/가열 시간들이 현저하게 더 짧다. 더구나, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법이 Si 처리를 위해 이미 공지된 상업적으로 입수가능한 설계와 부품들을 포함하고 있기 때문에, 그들의 해체/청소/재조립 시간은 Si 공정처리 시스템에 대해 공지된 시간과 유사하게 짧다. Si 처리 시스템에서부터 통합된 설계와 부품들은 급속-작용 반응기 게이트들, 카세트-투-카세트 로딩부를 갖는 완전 자동 웨이퍼 핸들링부, 고온 로드/언로드 수행 능력, 분리된 냉각 스테이지들, 인시튜 성장율 모니터링부, 및 반응기의 대기 노출을 방지하는 로드 락들을 포함한다.
그리고, 위에서 이미 설명한 바와 같이, 종래의 HVPE 시스템에서 사용된 Ga 선구체 소스, 즉, Ga 보트는 한정된 용량 때문에 일정한 선구체 유동을 유지하기 위해 주기적으로 재충전되어야 한다. 이러한 선구체 재충전은 청소 도중 수행되기 때문에 종래의 시스템들의 청소시간을 연장한다. 이에 반하여, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법의 외부 Ga 소스들은 장시간의 연장된 기간 동안 거의 중지 없이 가동될 수 있다.
요약하면, 반응기 메인터넌스 시간은 또 다른 R.U.와 웨이퍼 생산율로 집약될 수 있다. 이러한 제2 R.U.는 웨이퍼가 반응기에 있는 시간과 청소/메인터넌스 시간의 합에 대한 웨이퍼가 반응기에 있는 시간의 비율로 표현된다. 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 대략 75% 이상의 R.U.를 달성하는 반면, 종래의 HVPE 시스템은 단지 약 60%의 R.U.를 달성하는 것임을 알 수 있었다.
관련 시스템 효율은 생산된 웨이퍼의 수를 웨이퍼들을 생산하는데 필요한 총 시간으로 나누는 것에 의해 구할 수 있는 웨이퍼 생산율로 표현될 수 있다. 웨이퍼 생산 가동들(Runs), 인시튜 청소들, 및 엑스시튜 청소들의 하나의 전체 사이클은 15번의 가동(표 1,2의 가정에 따름)을 포함하기 때문에, 효율은 15를 15 개의 웨이퍼를 생산하기 위한 총 시간(로드/언로드 시간, 인시튜 청소시간, 엑스시튜 청소시간, 메인터넌스시간, 및 소스 재충전시간을 포함)으로 나누는 것에 의해 결정된다. 15 개의 웨이퍼들(가동들)을 생산하는데 요구된 본 발명의 HVM 시스템 및 방법의 총 시간은 종래의 HVPE 시스템에 의해 요구된 총 시간 보다 상당히 더 적음을 알 수 있었다. 그러므로, 본 발명의 시스템 및 방법은 종래 기술에 대해 대략 2 배의 처리량 개선을 달성한다. 위에서 설명된 바와 같이, 실제 가동시 더 많은 처리량 개선이 예상된다.
마지막으로, 선구체 비교 효율을 고려하면, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 선구체들, 특히 Ga 선구체들을 종래의 HVPE 시스템들 보다 더 효율적으로 이용한다. 이것은 표 3의 데이터에 의해 증명된다.
표 3 - 선구체
이용율
선구체
이용율
종래의
HVPE
HVM
- 암모니아 (두 공정 모두)
암모니아 유동 slpm 14 10
총 암모니아 유동 시간 min 132.0 97.7
90분 가동(Run) 동안 총 암모니아 mole 82.5 43.6
-
HCl
(종래의
HVPE
)
가동(Run) 동안 HCl 몰/분 mole/min 0.024
가동시 사용된 HCl 리터 liter 51.2
-. 갈륨
(종래의
HVPE
)
입력 5A족/3A족 비율 30
가동 동안 암모니아 몰/분 mole/min 0.6250
암모니아 유동에 의해 요구된 Ga 몰/분 mole/min 0.0208
GaN으로의 GaClx의 변환율 % 95%
가동시 사용된 Ga의 실제 몰/분 mole/min 0.0219
추가 Ga의 몰 % 10%
가동 동안 Ga 몰/분 mole/min 0.024
가동 동안 Ga 무게/분 gm/min 1.76 gm Ga/min;
100 gm Ga/hr
가동 당 Ga 무게 gm 151.4
- 갈륨 (
HVM
)
입력 5A족/3A족 비율 30
가동 동안 암모니아 몰/분 mole/min 0.4464
5A족/3A족를 만족하는 Ga 몰/분 mole/min 0.0149
GaN으로의 GaClx의 변환율 % 95%
5A족/3A족를 만족하는 데 요구된 GaCl3 mole/min 0.0082
이량체 몰/분
추가 GaCI3 이량체의 몰 % 10%
가동 동안 총 GaCl3 이량체 몰 mole 0.82
GaCl3 이량체 원자 무게 gm/mole 352.2
가동 동안 총 GaCl3 이량체 무게 gm 287.4
Ga인 GaCl3의 퍼센트 % 40%
가동 동안 Ga 무게 gm 114
가동 동안 Ga 무게/시간 gm 75 gm Ga/hr
Ga 이용율 % 21% 25%
Ga 재생(est.)을 합한 이용율 % 27% 80%
표 3에서, Ga 이용율은 먼저 15cm 웨이퍼에 적당한 종래의 HVPE 시스템이 대략 14 slpm(standard liters per minute)의 암모니아를 사용하도록 예상되는 것을 고려하여 결정된다. 5A족/3A족 비율이 30이고 GaN으로의 Ga 선구체 변환율이 95%인 것으로 가정하면, 종래의 시스템은 대략 1.8 gm/min의 Ga를 사용하는 것으로 예상할 수 있다. 그러므로, 300um의 GaN을 200um/hr로 성장하기에 충분한 90분의 가동은 약 151gm의 Ga를 요구한다. 15cm 웨이퍼 상의 300um 층에는 약 31gm의 Ga가 있기 때문에, 종래의 HVPE 반응기의 Ga 효율은 대략 21%이다 (= 31/151). 남아 있는 120gm(= 151-31)의 대부분이 반응기의 내측에 증착되기 때문에, 재생 및 재사용을 위해 이용할 수 있는 양은 매우 적다. 반응기로부터 배출된 Ga를 재생 및 재사용하더라도, 종래의 HVPE 반응기의 Ga 효율은 단지 대략 25%인 것으로 예상된다.
이에 반하여, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 더 낮은 암모니아 유동(예를들면, 10 slpm)을 사용하는 것으로 예상될 수 있고, 그러므로, 15cm 웨이퍼를 위해 더 낮은 Ga 유동 및 총 Ga(예를들면, 114 gm)가 요구된다. 그러므로, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법은 재생 및 재사용없이 27%의 Ga 효율(= 31/114)을 달성하고, 반응기로부터 배출된 Ga의 재생 및 재사용과 함께 아마 80% 이상까지 Ga 효율을 달성할 수 있다. 게다가, 남아 있는 83gm(= 114-31) 중의 약간이 반응기의 내부에 증착되기 때문에, 사용되지 않는 Ga의 대부분은 재생 및 재사용에 이용가능하도록 리액로부터 배출된다. 배출 Ga의 재생 및 재사용과 함께, 본 발명의 HVM 시스템 및 방법의 Ga 효율은 80% 이상까지 도달할 수 있는 것으로 예상된다.
위에서 서술한 본 발명의 양호한 실시예들은 본 발명의 여러가지 양호한 양 상들을 예시하는 것이기 때문에, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 다른 어떤 동등한 실시예들도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 실제로, 당해 기술분야의 숙련자들은 여기에 서술되고 예시된 것들에 추가하여 서술된 부품들의 유용한 선택적인 조합과 같은 다양한 수정을 통해 본 발명을 변경할 수 있다는 것은 명백할 것이다. 그러한 수정들 역시 첨부된 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 제목과 설명은 명세서에서(출원서 전체에서) 편의성과 명확성을 위해서만 사용된다.
본 명세서에 개시되는 다수의 참고문헌 등은 완전히 각종 목적을 위한 참고로 인용된다. 또한, 인용된 참고문헌 등의 어느 것도 위에서 어떻게 설명되었는지에 관계없이 명세서에서 청구하고 있는 발명 주제에 대한 종래기술로서 인정하지 않는다.
Claims (24)
- 반응 챔버 안에서, 하나의 반응물로 사용되는 일정 양의 기상(gaseous) 3A족 선구체(precursor)를 또 다른 반응물로 사용되는 일정 양의 기상 5A족 성분과 반응시켜 반도체 물질을 형성하는 단계;미반응된 3A족 선구체, 미반응된 5A족 성분, 및 반응 부산물을 포함하는 배기 가스(exhaust gas)를 제거하는 단계; 및상기 배기 가스의 응축의 감소시키고 상기 반도체 물질의 제조를 향상시키기에 충분한 온도까지 상기 배기 가스를 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 3A-5A족 반도체 물질의 에피택셜 증착을 위한 방법.
- 제1항에 있어서,상기 배기 가스는 응축을 충분히 회피하도록 가열되어 상기 반도체 물질의 지속적인 대량생산을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서,상기 기상 3A족 선구체는 단위 시간당 50g의 3A족 원소의 질량유량으로 적어도 48시간 동안 연속적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 배기 가스는 상기 반응 챔버에서 펌핑되어 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 배기 가스를 열분해하여 고형 3A족 산화물을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서,상기 3A족 선구체의 재활용 및 형성을 위하여 상기 고형 3A족 산화물을 재생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제6항에 있어서,상기 열분해된 배기 가스를 상기 3A족 산화물의 재생을 촉진하는 용액과 접촉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기상 5A족 성분은 질소를 포함하는 성분이어서 단결정 3A족 질화물이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제8항에 있어서,상기 질소를 포함하는 성분은, 암모니아 또는 질소 이온 또는 질소 가스의 플라즈마 활성화에 의해 생성되는 래디컬과 같이 질소를 포함하는 가스인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제8항에 있어서,상기 기상 3A족 선구체는 갈륨 화합물이어서 단결정 갈륨 질화물 반도체 물질이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기상 3A족 선구체는 갈륨 화합물이어서 단결정 갈륨 5A족 반도체 물질이 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서,상기 3A족 선구체나 반응 부산물이 증착되는 것을 감소 내지 방지하여 메인터넌스가 요구되는 시점 전까지 긴 작동 시간을 제공하도록 상기 반응 챔버를 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서,상기 반응 챔버 주위 바깥에서 공기를 순환시킴으로서 상기 반응 챔버가 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 하나의 반응물로 사용되는 3A족 선구체 소스(source);또 다른 반응물로 사용되는 5A족 성분 소스(source);반응을 위하여 상기 반응물들을 수용하여, 배기 가스를 생성하면서 반도체 물질을 형성시키는 반응 챔버; 및상기 배기 가스의 응축의 감소시키고 상기 반도체 물질의 제조를 향상시키기에 충분한 온도까지 상기 배기 가스를 가열하는 가열 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 3A-5A족 반도체 물질의 에피택셜 증착을 위한 시스템.
- 제14항에 있어서,상기 반응 챔버는, 미반응된 3A족 선구체, 미반응된 5A족 성분, 및 반응 부산물을 포함하는 상기 배기 가스를 상기 반응 챔버에서 제거하기 위한 출구 및 배기 도관을 포함하고,상기 가열 장치는, 상기 출구 및 배기 도관을 상기 배기 가스의 응축을 방지하게 충분한 온도까지 가열하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제15항에 있어서,상기 배기 가스를 상기 반응 챔버에서 제거하는 제거 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제16항에 있어서,상기 제거 장치는 상기 배기 도관과 연관되어 작동되는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제14항에 있어서,상기 반응 챔버의 온도를 제어하기 위한 외부 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제18항에 있어서,상기 반응 챔버는 일 이상의 벽을 포함하고,상기 외부 장치는 일 이상의 팬(fan)과 연관되어 작동하는 구역을 포함하여, 공기를 상기 구역에서 순환시켜 상기 반응 챔버의 상기 벽을 온도를 떨어뜨려 상기 3A족 선구체 또는 반응 부산물의 상기 벽에 증착되는 것을 감소 내지 방지하고 메인터넌스가 요구되는 시점 전까지 긴 작동 시간을 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제14항에 있어서,상기 배기 가스를 열분해하여 고형 3A족 산화물을 형성하는 열분해 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제20항에 있어서,상기 고형 3A족 산화물의 재생을 촉진하는 용액에 상기 열분해된 배기 가스를 접촉시키기 위한 스크러버(scrubber)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제21항에 있어서,추가적인 3A족 선구체의 재활용 및 형성을 위하여 상기 고형 3A족 산화물을 회수하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제14항에 있어서,상기 단결정 반도체 물질이 증착되는 일 이상의 기판을 유지하는 회전가능한 지지부를 더 포함하고, 상기 반응 챔버는 상기 반응물을 제어된 방식으로 상기 반응 챔버로 도입시키는 입구(entry aperture)를 포함하여 상기 단결정 반도체 물질이 상기 기판에 형성되고 증착되는 것을 촉진하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제14항에 있어서,상기 반응 챔버는 석영으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
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