KR101185923B1 - 분자선 에피택시 장치용 기판 홀더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화합물 반도체의 성장 기능을 갖는 분자선 에피택시 장치의 기판 홀더에 관한 것으로, 상하로 개구된 관 형상을 이루고, 내면에는 에피택시의 대상 기판(D)을 수평하게 안착하기 위해 둘레를 따라 턱(11)이 형성되며, 턱(11)의 상면에는 기판(D)을 턱(11)으로부터 이격시키기 위한 다수의 지지돌기(12)가 임의 간격으로 돌출 형성되면서, 순수 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금으로 제작되는 것이다.

Description

분자선 에피택시 장치용 기판 홀더{Substrate holder for molecular beam epitaxy}

본 발명은 화합물 반도체의 성장 기능을 갖는 분자선 에피택시 장치의 기판 홀더에 관한 것이다.

화합물 반도체 재료는 우수한 재료적 특성으로 인하여 종래 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 고주파 및 전력 반도체로 각광받고 있고, 그 결과 질화물 반도체 관련 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 그러나 질화물 반도체 개발을 위한 기판 부재로 인해 주로 이종 기판 위에 물질을 성장시켰다. 참고로, 질화물 반도체의 성장을 위하여 사파이어, 탄화규소 및 실리콘 등이 이용되고 있고, 기존 실리콘 반도체의 성능을 개선하기 위하여 실리콘 위에 게르마늄과 같은 에피층을 재성장하는 경우도 있다.

에피택시 장치로 금속유기 화학기상증착(MOCVD), 분자선 에피택시(MBE) 및 하이브리드 기상 에피택시(HVPE) 등이 있으며, 이 중 분자선 에피택시 장치는 우수한 박막특성, 저온 성장 및 실시간 공정 모니터링의 장점을 가지고 있어 에피택시하는데 널리 이용되고 있다. 분자선 에피택시의 원리는 고진공 및 고온 환경에서 메탈 플럭스 및 플라즈마를 이용하여 기판 위에 양질의 물질을 성장하는 것이다.

분자선 에피택시 장치의 핵심부품 중 하나인 기판 홀더는 성장시킬 기판을 고정시키는 역할을 한다. 기판 홀더는 분자선 에피택시 장치내 챔버간 기판을 이동하는 경우나 물질을 성장시킬 때 사용된다. 물질 성장시 고진공 챔버내 히터에 기판 홀더가 연결되며, 에피택시의 균일도를 높이기 위하여 기판 홀더는 회전된다.

기판 홀더의 재질은 순도 99.9 % 이상의 몰리브덴이나 몰리브덴 합금으로 이루어져 있어 몰리블록이라고도 불린다. 몰리브덴은 녹는점이 2623 ^oC로 분자선 에피택시 장치의 공정 온도(650 ～ 900 ^oC)에서 변형이 없다. 대기 중 몰리브덴은 760 ^oC 이상에서 산화되지만 분자선 에피택시 장치의 고진공 환경은 몰리브덴 사용에 적합하다. 몰리브덴의 열평창 계수는 철의 1/2 수준이며, 열전도도는 철의 2배로 높다. 몰리브덴은 망간과 같은 불순물이 적으며, 일정 기간의 사용 후 왕수(질산과 염산 수용액) 세정 과정을 통해 재사용이 가능하다. 이와 같은 몰리브덴의 우수한 재료특성으로 인하여 몰리브덴은 분자선 에피택시 장치의 기판 홀더로 이용된다.

도 1은 종래 홀더의 모습을 일부 절단해 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면을 정면으로 도시한 단면도이고, 도 3은 종래 홀더에 의해 에피택시 처리된 기판 모습을 도시한 도면인 바, 이를 참조해 설명한다.

도 1에서 도시한 바와 같이 종래 홀더(10)는 기판(D)의 안착을 위한 턱(11)이 하부에 형성되고, 기판(D)의 삽탈 및 통기를 위해 상하로 개구된 관 형상을 이룬다. 따라서, 기판(D)은 홀더(10)의 상부를 통해 삽입돼 턱(11)에 안착되고, 이렇게 안착된 기판(D)의 앞면으로 소스가 공급돼 결합하면서 에피택시가 진행된다. 한편, 홀더(10)에 삽입된 기판(D)은 회전과정에서 홀더(10)에 의해 고정되므로 이탈이 방지된다.

계속해서, 고품위 에피택시를 위하여 분자선 에피택시 장치는 고진공 환경에서 히터를 이용해 고온을 발생시키고, 이렇게 발생한 열이 홀더(10)에 고정된 기판(D)으로 복사되어 기판(D)을 가열한다. 그러나 종래 홀더(10)의 턱(11)에 안착된 기판(D)의 가장자리는 그 전체가 상기 턱(11)에 닿게 되면서 홀더(10)가 받는 열을 직접적으로 전달받게 된다. 즉, 기판(D)은 홀더(10)와 닿는 부분과 닿지 않는 부분이 복사열에 의한 가열 정도에 차이를 보이면서, 상기 가장자리와 물질을 성장하기 위한 내부 원형 영역과의 열평창 계수의 차이를 일으키게 된다. 결국, 700 ^oC 이상의 고온에서 실리콘 기판(D)을 이용한 물질 성장시 기판(D)의 바깥부터 중앙으로 60 ^o나 120 ^o 방향으로 크랙(C)이 발생한다. 그런데, 도 3에 도시한 바와 같은 크랙(C)이 있는 기판(D) 위에 제작된 반도체 소자는 정상적인 스위칭 동작을 수행할 수 없으므로, 크랙(C)이 발생하지 않은 유용부(U) 만을 취해 활용할 수밖에 없었다.

결국, 전술한 형태로 기판(D)을 고정 지지하는 종래 홀더(10)는 낮은 수율과 에피택시의 신뢰성 저하라는 문제를 초래했다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위해 발명된 것으로, 에피택시 과정에서 기판의 공정 온도 및 열평창 계수의 불균일성을 개선시켜서 고온 가열시 기판 내 크랙 발생 가능성을 최소화하고, 이를 통해 성장된 물질의 재료적 특성을 향상시킬 수 있는 분자선 에피택시 장치용 기판 홀더의 제공을 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

상하로 개구된 관 형상을 이루고, 내면에는 에피택시의 대상 기판을 수평하게 안착하기 위해 둘레를 따라 턱이 형성되며, 턱의 상면에는 기판을 턱으로부터 이격시키기 위한 다수의 지지돌기가 임의 간격으로 돌출 형성되면서, 순수 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금으로 제작되는 분자선 에피택시 장치용 기판 홀더이다.

상기의 본 발명은, 홀더와 기판 간의 접촉 면을 최소화시키고 기판 가열을 위한 복사열이 홀더에 안착된 기판 전체에 효율적으로 전달될 수 있도록 해서, 에피택시된 기판의 크랙발생이 최소화되고, 이를 통해 유효한 기판에 대한 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 홀더의 모습을 일부 절단해 도시한 사시도이고,
도 2는 도 1의 단면을 정면으로 도시한 단면도이고,
도 3은 종래 홀더에 의해 에피택시 처리된 기판 모습을 도시한 도면이고,
도 4는 분자선 에피택시 장치의 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 5는 성장챔버 내 성장 스테이지의 구성 일부를 도시한 사시도이고,
도 6은 홀더가 히터척에 안착되는 모습을 도시한 단면도이고,
도 7은 본 발명에 따른 홀더에 기판이 안착되는 모습을 일부 절단해 도시한 사시도이고,
도 8은 도 7의 단면을 정면으로 도시한 단면도이고,
도 9는 본 발명에 따른 홀더의 다양한 실시예를 도시한 평면도이고,
도 10은 본 발명에 따른 홀더의 다른 실시모습을 도시한 단면도이다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거해 상세히 설명한다.

도 4는 분자선 에피택시 장치의 모습을 개략적으로 도시한 도면인 바, 이를 참조해 설명한다.

분자선 에피탁시 장치는 로드락 챔버(100), 버퍼 챔버(200), 성장챔버(300) 및 트랜스퍼 라드(400)로 구성된다.

로드락 챔버(100)는 도어(120)를 통해 기판(D)의 출입이 이루어지는 곳으로, 기판입출 스테이지(130)의 기계적 동작을 통해 기판(D)이 로드락 챔버(100) 내부에 안정적으로 인입출되도록 한다. 기판입출 스테이지(130)의 동작과 이를 위한 상세 구조는 공지,공용의 기술이므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.

참고로, 도어(120)를 통해 인입된 기판(D)은 기판입출 스테이지(130)의 동작으로 승하강하면서, 수평으로 이동하는 트랜스퍼 라드(400)에 안착되거나 분리될 것이다.

로드락 챔버(100)에 구성되는 터보펌프(110)는 로드락 챔버(100) 내부를 진공상태로 만들기 위한 것으로, 도어(120)를 통한 기판(D)의 인입출로 해제되는 로드락 챔버(100) 내 진공상태를 회복시키는데 활용된다.

도 4(a)에 도시한 바와 같이, 도어(120)를 통해 로드락 챔버(100)에 인입된 기판(D)은 트랜스퍼 라드(400)의 수용부(410)에 안착된다. 여기서, 수용부(410)에는 본 발명에 따른 홀더(10')가 안착되고, 상기 기판(D)은 기판입출 스테이지(130)의 안내를 통해 홀더(10')에 정확히 안착될 것이다. 수용부(410)는 홀더(10')의 이탈방지를 위해 돌기(411)가 형성될 수 있다.

도 4(b)에 도시한 바와 같이, 홀더(10')에 기판(D)이 안착되면, 트랜스퍼 라드(400)는 버퍼챔버(200)를 향해 수평이동하면서 제1게이트밸브(A)를 경유해 버퍼챔버(200)로 삽입된다.

버퍼챔버(200)는 성장챔버(300)의 고진공도를 유지하기 위해서 성장챔버(300)와 로드락 챔버(100) 사이에 배치된다. 이를 좀 더 상세히 설명하면, 성장챔버(300)는 안정된 에피택시 처리를 위해 고진공도를 항시 유지해야 하는데, 앞서 언급한 바와 같이 기판(D)의 인입출시 진공도에 변화가 발생하므로, 버퍼챔버(200)가 로드락 챔버(100)와 성장챔버(300) 사이에 위치하면서 이를 완충한다.

또한, 버퍼챔버(200)는 에피택시 진행 전 열처리 공정을 위한 히터 스테이지(210)가 설치된다. 즉, 로드락 챔버(100)로부터 전달된 기판(D)을 대상으로 에피택시를 진행하기 전 예열을 진행하는 것이다.

한편, 버퍼챔버(200)는 내부의 진공도를 유지하기 위한 이온펌프(220)가 포함될 수 있다. 주지된 바와 같이, 이온펌프(220)는 기체의 분자를 이온화하여 배출하는 진공 펌프의 일종으로, 이온화한 기체 분자를 용기 중에 장치해 놓은 전극에 모으면 용기 중의 기체 분자 수가 감소해 기체의 압력이 저하되는 원리를 이용한 것이다.

버퍼챔버(200)를 경유한 홀더(10') 내 기판(D)은 도 4(c)에 도시한 바와 같이 제2게이트밸브(B)를 통해 성장챔버(300)로 삽입된다.

성장챔버(300)는 기판(D)을 대상으로 에피택시가 진행되는 곳으로, 고진공도가 유지되어야 함은 물론 소스의 안정된 공급이 보장되어야 한다. 이를 위해 성장챔버(300)는 성장스테이지(310)가 구성되고, 에피택시 재료인 소스의 공급을 위한 소스포트(320)가 구성되며, 이온펌프(330) 또는 크라이오펌프(340; cryo-pump) 중 선택된 하나 이상이 구성된다.

참고로, 크라이오펌프(340)는 일정 구역 내 분자들을 움직이지 못하게 하여 진공을 만드는 것으로서, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

도 5는 성장챔버 내 성장 스테이지의 구성 일부를 도시한 사시도이고, 도 6은 홀더가 히터척에 안착되는 모습을 도시한 단면도인 바, 이를 참조해 설명한다.

성장챔버(300)의 성장스테이지(310)는 홀더(10')에 고정된 기판(D)에 일정한 열을 가하면서 안정된 회전으로 에피택시의 균일한 진행이 이루어질 수 있도록 하는 것으로, 이를 위해 회전모터(311)와 히터(316)를 포함한다.

트랜스퍼 라드(400)에 의해 성장챔버(300)로 이송된 홀더(10')는 'ㄷ' 또는 'U' 형상의 히터척(315)에 의해 교체 안착된다. 히터척(315)의 양단 간격은 도 6에 도시한 바와 같이 트랜스퍼 라드(400)를 통과할 만큼 충분하므로, 트랜스퍼 라드(400)에 안착된 홀더(10')는 히터척(315)의 상하 이동으로 트랜스퍼 라드(400)로부터 분리되거나 안착될 수 있다. 한편, 홀더(10')가 히터척(315)의 정 위치에 안착될 수 있도록, 히터척(315)의 내측면에는 그루브(315a)가 형성되고, 그루브(315a)에 의해 안내된 홀더(10')가 히터척(315)에 안정적으로 고정되도록 홀더(10')를 지지하는 안착턱(315b)이 형성된다.

계속해서, 성장스테이지(310)의 회전모터(311)는 히터척(315)을 회전시키고, 그 동력 전달을 위해 회전모터(311)의 회전축(312)과 히터척(315)은 다수의 로드(313)를 매개로 연결된다. 한편, 회전축(312)은 트랜스퍼 라드(400)로부터 홀더(10')를 분리하거나 안착시키기 위해 승하강되도록 설치된다.

성장스테이지(310)는 홀더(10') 내 기판(D)을 가열하기 위한 히터(316)가 포함된다. 이때, 히터(316)가 가하는 복사열이 히터척(315)에 안착된 홀더(10')의 기판(D)에 효과적으로 전달될 수 있도록, 상기 히터(316)는 홀더(10')의 둘레를 감싸면서 수용할 수 있는 원통 형태를 이루는 것이 바람직하다. 따라서, 회전축(312)의 승하강으로 히터척(315)이 승하강하면서, 홀더(10')가 박스 형태의 히터(316) 내부로 삽입되거나 이탈할 수 있도록 한다.

참고로, 연결관(314)은 히터(316)의 구동을 위한 전원라인 또는 제어라인 등이 설치되는 것으로, 회전축(312)에 내설되어서 회전축(312)의 상하 이동 및 회전 시 간섭을 주지 않도록 해야할 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 홀더에 기판이 안착되는 모습을 일부 절단해 도시한 사시도이고, 도 8은 도 7의 단면을 정면으로 도시한 단면도이고, 도 9는 본 발명에 따른 홀더의 다양한 실시예를 도시한 평면도인 바, 이를 참조해 설명한다.

본 발명에 따른 홀더(10')는 기판(D)이 안착되는 턱(11) 상면에 다수의 지지돌기(12)가 형성된다. 즉, 기판(D)이 홀더(10')의 턱(11)에 안착되면, 상기 지지돌기(12)에 의해 지지되는 가장자리를 제외한 기판(D)의 일부분이 턱(11)으로부터 이격되고, 이를 통해 히터(316)가 가하는 복사열이 홀더(10')를 관통해 원활히 이동할 수 있는 것이다.

이를 통해 히터(316)의 복사열은 기판(D) 전체를 균일하게 가열할 수 있고, 이를 통해 기판(D)과 홀더(10')의 공정 온도 및 열평창 계수의 차이로 인한 크랙(C)의 발생을 최소화할 수 있다. 또한, 에피택시 진행 중 기판(D) 내 온도 분포가 균일해짐에 따라 상기 소스의 일종인 메탈 플럭스와 플라즈마 여기원소의 결합반응이 기판(D) 내에서 균일해지므로, 성장된 물질의 재료적 균일성이 개선된다.

참고로, 도 9에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 홀더(10a, 10b)의 지지돌기(12)는 그 개수가 다양할 수 있는데, 평판 형상의 기판(D)이 안정하게 지지될 수 있도록 상기 지지돌기(12)는 적어도 3개 이상인 것이 바람직하고, 기판(D)과 접하는 지지돌기(12)의 평면적은 지지돌기(12)의 개수 및 기판(D)의 하중에 따라 다양하게 조정될 수 있을 것이다.

한편, 본 발명에 따른 홀더(10')의 제조는 순수 몰리브덴이나 몰리브덴 합금을 절삭가공하여 만들 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 홀더(10')의 실시예 두께는 2.8 mm 전후가 적정하고, 기판(D)이 삽입되는 깊이는 기판(D)이 회전시에도 이탈되지 않도록 0.8 mm 전후면 적정하며, 기판(D)과 홀더(10') 사이의 횡방향 간격은 0.7 mm 전후면 적정하다. 기판(D) 앞면에서부터 홀더(10') 최하단까지의 간격은 0.5 mm가 적정한데, 이보다 두꺼워지게 되면 물질 성장시 낮은 입사각으로 인해 RHEED(reflection high energy electrion diffraction)에 의한 실시간 관찰이 어려울 수 있다. 지지돌기(12)의 두께는 0.3 mm가 적정하다. 따라서, 지지돌기(12)가 형성되지 않은 구간의 턱(11) 두께는 0.2 mm가 될 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 홀더의 다른 실시모습을 도시한 단면도인 바, 이를 참조해 설명한다.

본 발명에 따른 홀더(10")는 내면 상부에 계단 형태의 그루브(13)가 형성될 수 있다. 그루브(13)는 기판(D)의 이탈을 방지하는 펜스 역할의 둘레부에서 일부를 절삭해 형성되므로, 홀더(10") 전체의 중량을 낮출 수 있고, 단면도에서 보이는 바와 같이 노즐 형태를 이루게 되므로, 히터(316)의 복사열이 효과적으로 수집되어 홀더(10") 내에 수용된 기판(D)에 집중시킬 수 있다.

그루브(13)의 개수는 그 필요에 따라 다양하게 조정될 수 있음은 물론이다.

Claims (2)

1. 상하로 개구된 관 형상을 이루고, 내면에는 에피택시의 대상 기판(D)을 수평하게 안착하기 위해 둘레를 따라 턱(11)이 형성되며, 턱(11)의 상면에는 기판(D)을 턱(11)으로부터 이격시키기 위한 다수의 지지돌기(12)가 임의 간격으로 돌출 형성되면서, 순수 몰리브덴 또는 몰리브덴 합금으로 제작되되, 상기 내면 상부는 그루브(13)가 절삭 형성되어 계단 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 분자선 에피택시 장치용 기판 홀더.
2. 삭제

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