KR101311268B1 - 다원계 화합물 증착용 샤워헤드 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 다원계 화합물 증착용 샤워헤드(200)는, 일면에 가상의 육각형 단위격자(210)가 규칙적으로 반복 배치되되, 제1반응기체 분사공(21)과 제2반응기체 분사공(22)은 육각형 단위격자(210)의 꼭지점에 번갈아 위치하도록 형성되고, 제3반응기체 분사공(23)은 육각형 단위격자(210)의 중심에 위치하도록 형성되며, 제4반응기체 분사공(24)은 육각형 단위격자(210)의 중심에서 육각형 단위격자(210)의 꼭지점에 방사상 선을 그어 만들어지는 가상의 삼각형(220) 내에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 특정 성분 기체의 분사공을 다른 성분 기체의 분사공에 비하여 밀도 높게 배치할 수 있기 때문에 특정 반응기체를 다른 반응기체에 비하여 더 균일하게 분사할 수 있게 된다.

Description

다원계 화합물 증착용 샤워헤드{Showerhead for depositing multi-component compound thin films}
본 발명은 다원계 화합물 증착용 샤워헤드에 관한 것으로서, 특히 특정 성분 기체의 분사공이 다른 성분 기체의 분사공에 비하여 밀도가 더 높게 배치되도록 함으로써 다원계 화합물의 증착 균일성을 더욱 도모할 수 있도록 한 다원계 화합물 증착용 샤워헤드에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화가 진행되면서 보다 정밀하게 반도체 소자의 제조공정 조건 및 환경을 조절할 필요성이 커지고 있다. 특히 기판의 대구경화가 계속되면서 복수개의 기판들에 대한 공정 균일성 확보와 함께 기판 내에서의 공정 균일성 확보가 생산수율에 매우 중요한 인자로 작용하고 있다. 이에 따라 화학기상증착(chemical vapor deposition)이나 에칭(etching) 등에서 공정기체(process gas)를 대면적에 균일하게 공급하기 위한 샤워헤드(showerhead)의 중요성이 날로 더해 가고 있다.
한편, 재료가 가지고 있는 성질을 잘 이용하여 이상적인 소자를 만들 수 있다는 장점으로 인해 다원계 화합물이 많이 제안되고 있다. 이는 격자상수를 일정하게 유지하면서도 조성이 다른 막을 순차적으로 증착하여 나선형 전위결함이 적고 누설도 적은 고효율의 소자를 만들 수 있기 때문이다. 예컨대 AlGaInN 과 같은 4성분계 화합물을 기반으로 하는 UV LED 및 태양전지 등의 경우 그 변환 효율이 3성분계 화합물을 기반으로 하는 경우에 비해서 훨씬 높은 것으로 알려져 있다.
그러나 4성분계의 다원계 화합물은 조성제어 및 공정 균일성 확보가 쉽지 않으며 이를 실현하기 위한 장비 자체도 매우 복잡하고 고가이다. 그럼에도 불구하고 고효율과 친환경이 강조되는 세계적인 추세 하에서 이러한 한계를 극복하여 균일하고 우수한 품질의 4원계 화합물 막을 만들어야 할 필요성은 더욱 커지고 있다.
도 1은 종래의 샤워헤드(100)를 설명하기 위한 도면으로서, 대한민국 등록특허 제923453호(2009.1.19 등록)에 개시되어 있는 것을 예로 든 것이며, 샤워헤드(100)의 밑면 쪽에서 바라본 반응기체 분사공(11, 12, 13)과 퍼지기체 분사공(15)의 배열상태를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 반응기체 분사공(11, 12, 13)을 통해서는 3종류의 반응기체 A, B, C 가 독립적으로 분사되며, 퍼지기체 분사공(15)을 통해서는 퍼지기체 E가 분사된다. 퍼지기체 E는 샤워헤드(100)에서 분사된 반응기체 A, B, C가 샤워헤드(100) 쪽으로 역확산되지 못하도록 하여 샤워헤드(100)의 바닥에 반응기체 및 부산물에 의한 증착이 원하지 않게 이루어지는 것을 방지하는 역할을 한다.
여기서, 반응기체라 함은 화학반응을 통해서 공정에 참여하는 기체를 말하며 제1반응기체 분사공(11)에서는 반응기체 A가 분사되고, 제2반응기체 분사공(12)에서는 반응기체 B가 분사되며, 제3반응기체 분사공(13)에서는 반응기체 C가 분사된다. 그리고 퍼지기체라 함은 공정기체의 흐름이나 유량을 제어하고 샤워헤드(100)의 오염을 방지하는 등 화학반응에는 직접 참여하지 않지만 공정에 간접적으로 관여하는 기체를 말한다.
상술한 종래의 샤워헤드(100)는 3성분계 화합물을 증착하기 위한 것으로서, 제1반응기체 분사공(11), 제2반응기체 분사공(12), 및 제3반응기체 분사공(13)의 크기가 모두 같으며 이들이 규칙적으로 반복 배열되어 반응기체 A, B, C가 기판 내에 균일하게 분사되도록 하는 특징을 가진다.
그러나 반응기체 D가 더 추가되어 4종류의 반응기체가 독립적으로 분사되어야 하는 경우에는 반응기체 A, B, C, D의 분사공의 배열이 달라져야 하는데 이러한 4성분의 반응기체 공급에 대해서는 상술한 종래의 등록특허 제923453호에 개시 내지 암시가 없다.
또한 4개의 반응기체 중 어느 하나 예컨대 반응기체 D가 특별히 더 균일성이 담보되어야 하는 경우에는 반응기체 D의 분사공의 밀도를 더욱 높게 할 필요가 있는데, 이러한 개념에 대해서도 개시된 바 없다. 반응기체 D가 A, B, C에 비하여 더 균일성이 담보되어야 하는 경우로는 예컨대 반응기체 D가 다른 반응기체에 비하여 박막 특성에 더 민감한 인자로 작용하기 때문에 다른 반응기체에 비하여 더 균일하게 공급되어야 할 필요성이 있거나, 반응기체 D가 다른 반응기체에 비하여 다량 또는 소량으로 분사되어 다른 반응기체와 분사 세기 측면에서 심하게 차이가 나는 경우 등을 들 수 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 특정 성분 기체의 분사공이 다른 성분 기체의 분사공에 비하여 밀도가 더 높게 배치되도록 함으로써 다원계 화합물이 더욱 균일하게 증착될 수 있도록 하는 다원계 화합물 증착용 샤워헤드를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 다원계 화합물 증착용 샤워헤드는, 일면에 가상의 육각형 단위격자가 규칙적으로 반복 배치되되, 제1반응기체 분사공과 제2반응기체 분사공은 상기 육각형 단위격자의 꼭지점에 번갈아 위치하도록 형성되고, 제3반응기체 분사공은 상기 육각형 단위격자의 중심에 위치하도록 형성되며, 상기 육각형 단위격자의 중심에서 상기 육각형 단위격자의 꼭지점에 방사상 선을 그어 만들어지는 6개의 가상 삼각형 중에서 적어도 어느 하나의 내부에 제4반응기체 분사공이 형성되고, 상기 6개의 가상 삼각형 중 상기 제4반응기체 분사공이 형성되지 않은 나머지 가상 삼각형 중 적어도 어느 하나의 내부에 퍼지기체 분사공이 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제4반응기체 분사공은 상기 6개의 가상 삼각형 중에서 서로 마주보는 2개의 삼각형의 내부에 각각 하나씩 형성되거나, 또는 상기 6개의 가상 삼각형 중에서 하나씩 건너뛰면서 위치하는 3개의 삼각형의 내부에 각각 하나씩 형성될 수 있다.
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상기 제1반응기체 분사공, 제2반응기체 분사공, 및 제3반응기체 분사공은 동일한 크기를 가지고, 상기 제4반응기체 분사공은 상기 제1반응기체 분사공보다 작은 크기를 가지는 것이 바람직하다.
상기 육각형 단위격자는 정육각형 형상을 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 특정 성분 기체의 분사공을 다른 성분 기체의 분사공에 비하여 밀도 높게 배치할 수 있기 때문에 특정 반응기체를 다른 반응기체에 비하여 더 균일하게 분사할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 샤워헤드(100)를 설명하기 위한 도면;
도 2는 본 발명에 따른 샤워헤드(200)를 설명하기 위한 도면;
도 3 및 도 4는 도 2의 육각형 단위격자(210)를 설명하기 위한 도면들이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
도 2는 본 발명에 따른 샤워헤드(200)를 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 샤워헤드(200)는 밑면에 가상의 육각형 단위격자(210)가 반복 배치된다. 육각형 단위격자(210)는 정육각형 형상을 하는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 4는 도 2의 육각형 단위격자(210)를 설명하기 위한 도면들이다. 여기서, 도 3은 하나의 육각형 단위격자(210)내에 제1반응기체 분사공(21), 제2반응기체 분사공(22), 및 제3반응기체 분사공(23)이 각각 1개씩 배치되고, 제4반응기체 분사공(24)은 2개가 배치되는 경우를 나타낸 것이고, 도 4는 제4반응기체 분사공(24)이 3개가 배치되는 경우를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1반응기체 분사공(21)과 제2반응기체 분사공(22)은 육각형 단위격자(210)의 꼭지점에 번갈아 위치하도록 형성되며, 제3반응기체 분사공(23)은 육각형 단위격자(210)의 중심에 위치하도록 형성된다. 그러면 제1반응기체 분사공(21), 제2반응기체 분사공(22), 제3반응기체 분사공(23)은 하나의 육각형 단위격자(210) 내에 1개씩 배치되는 결과가 된다.
그리고 제4반응기체 분사공(24)은 육각형 단위격자(210)의 중심에서 육각형 단위격자(210)의 꼭지점에 방사상 선을 그어 만들어지는 가상의 삼각형(220) 내에 위치하도록 형성된다. 가상 삼각형(220) 6개 모두에 제4반응기체 분사공(24)이 형성될 수도 있지만 도 3 및 도 4에서와 같이 그 일부에만 형성되고 나머지 가상 삼각형(220) 내에는 퍼지기체 분사공(25)이 형성될 수도 있다.
본 발명에 따르면 제4반응기체 분사공(24)을 다른 분사공(21, 22, 23)에 비하여 밀도 높게 형성시킬 수 있게 된다. 이는 반응기체 D가 다른 반응기체 A, B, C에 비하여 특별히 더 균일하게 분사되어야 하는 경우에 바람직하다.
예컨대 반응기체 D의 시간당 공급 몰(mole)수가 다른 반응기체 A, B, C에 비하여 훨씬 커야만 되는 경우가 있을 수 있다. LED 제조에서 AlGaInN과 같은 질화물 화합물 반도체 막을 증착한다고 할 때에 V족인 질소를 포함하는 반응기체인 NH3를 다른 III족의 원소(Al, Ga, In)를 포함하는 반응기체에 비해 그 공급 몰 수에 있어서 수백배 내지 수천배를 더 흘려야 하는 경우가 바로 이러한 경우에 해당될 수 있다.
이 때 NH3 기체를 분사하는 분사공의 밀도를 다른 III족 원소를 포함하는 반응기체를 분사하는 분사공의 밀도(단위 면적당 갯수)보다 높게 하여 반응기체 NH3가 다른 반응기체에 비하여 더 조밀하게 분사되도록 하는 것이 AlGaInN 막의 균일도 향상을 위해서 바람직하다.
11, 21: 제1반응기체 분사공
12, 22: 제2반응기체 분사공
13, 23: 제3반응기체 분사공
15: 퍼지기체
24: 제4반응기체 분사공
100, 200: 샤워헤드
210: 육각형 단위격자
220: 삼각형

Claims (5)

  1. 일면에 가상의 육각형 단위격자가 규칙적으로 반복 배치되되, 제1반응기체 분사공과 제2반응기체 분사공은 상기 육각형 단위격자의 꼭지점에 번갈아 위치하도록 형성되고, 제3반응기체 분사공은 상기 육각형 단위격자의 중심에 위치하도록 형성되며, 상기 육각형 단위격자의 중심에서 상기 육각형 단위격자의 꼭지점에 방사상 선을 그어 만들어지는 6개의 가상 삼각형 중에서 적어도 어느 하나의 내부에 제4반응기체 분사공이 형성되고, 상기 6개의 가상 삼각형 중 상기 제4반응기체 분사공이 형성되지 않은 나머지 가상 삼각형 중 적어도 어느 하나의 내부에 퍼지기체 분사공이 형성되는 것을 특징으로 하는 다원계 화합물 증착용 샤워헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제4반응기체 분사공이 상기 6개의 가상 삼각형 중에서 서로 마주보는 2개의 삼각형의 내부에 각각 하나씩 형성되는 것을 특징으로 하는 다원계 화합물 증착용 샤워헤드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제4반응기체 분사공이 상기 6개의 가상 삼각형 중에서 하나씩 건너뛰면서 위치하는 3개의 삼각형의 내부에 각각 하나씩 형성되는 것을 특징으로 하는 다원계 화합물 증착용 샤워헤드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1반응기체 분사공, 제2반응기체 분사공, 및 제3반응기체 분사공이 동일한 크기를 가지고, 상기 제4반응기체 분사공은 상기 제1반응기체 분사공보다 작은 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 다원계 화합물 증착용 샤워헤드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 육각형 단위격자는 정육각형 형상을 하는 것을 특징으로 하는 다원계 화합물 증착용 샤워헤드.
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