KR102205613B1 - 서셉터 및 이를 포함하는 mocvd 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코팅층에 의해 지지면 상에서의 온도 편차를 감소시킨 서셉터 및 이를 포함하는 MOCVD 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터는, 기판과 접촉되면서 상기 기판을 지지하는 지지면 및 상기 지지면과 연결되는 측면을 가지고, 유도 코일에 의해 유도 가열됨으로써 상기 기판을 지지하면서 가열하도록 구성될 수 있다. 상기 서셉터는, 상기 유도 코일에 반응하여 유도 가열이 가능한 재질로 이루어지는 모재; 및 상기 모재의 일부 또는 전부의 표면에 코팅되어 상기 지지면의 일부 또는 전부를 형성하고, 상기 모재의 자기적 성질과 상이한 자기적 성질을 가지는 코팅층; 을 포함할 수 있다.
본 발명의 서셉터 및 이를 포함하는 MOCVD 장치에 따르면, 기판을 지지하는 지지면 상에서의 온도 불균일성을 감소시킴으로써, 기판 상에서의 보다 균일한 특성을 갖는 박막 성장이 가능하며, MOCVD 공정에 의해 성장된 기판을 사용하여 소자 제작 시 높은 수율을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 MOCVD 장치에 따르면, 정확한 지지면 상의 온도를 측정할 수 있다.

Description

서셉터 및 이를 포함하는 MOCVD 장치{SUSCEPTOR AND MOCVD APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 서셉터 및 이를 포함하는 MOCVD 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 코팅층에 의해 지지면 상에서의 온도 편차를 감소시키고, 정확한 지지면 상의 온도를 측정할 수 있는 서셉터 및 이를 포함하는 MOCVD 장치에 관한 것이다.
화학 기상 증착(CVD; Chemical Vapor Deposition)이란 피복하는 기판 상에 원료가스를 흘리고, 외부 에너지를 부여함으로써 원료가스를 분해하여 기상 화학 반응으로 박막을 형성하는 기술을 말한다.
화학 반응이 제대로 일어나기 위해서는 여러가지 공정 조건 및 환경이 정밀하게 제어되어야 하며, 원료 기체가 자발적으로 화학 반응을 일으키도록 활성화시키기 위한 에너지를 공급해 주어야 한다.
화학 기상 증착은 수~수백 mTorr의 낮은 압력을 이용하는 LPCVD(Low Pressure CVD), 플라즈마를 이용하여 원료 기체를 활성화하는 PECVD(Plasma-Enhanced CVD), 금속 원소에 유기물 반응기가 결합된 형태의 기체 분자를 원료로 사용하는 MOCVD(Metal-Organic CVD)등으로 구분될 수 있다.
여기서, MOCVD 장치는 III족 알킬(유기금속 원료가스)및 V족 원료가스를 고순도의 캐리어 가스와 혼합하여 반응실 내로 공급하여 가열된 기판 위에서 열분해하여 화합물 반도체 결정을 성장시키는 장치를 말한다.
도 1은 일반적인 MOCVD 장치의 반응기의 구성을 도시한 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일반적인 MOCVD 장치의 반응기(10)는 반응가스가 유입되어 반응하고 유출되는 반응챔버(1)와, 기판(W)이 반응챔버(1)에 노출되도록 기판(W)을 지지하는 서셉터(2, susceptor)와, 이 서셉터(2)에 열을 가하는 가열수단(3)을 포함하여 구성된다.
반응가스가 기판(W)상에서 반응하기 위해서는 기판(W)이 고온으로 가열되는 것이 필요하기 때문에, 서셉터(2)는 열저항 방식 또는 유도가열 방식의 가열수단(3)에 의해 가열되고, 이에 따라 기판(W)이 가열될 수 있다.
여기서, 텅스텐, 레늄 등의 금속 재질의 열선을 사용하는 저항가열식 히터가 가열수단(3)으로 채용될 수 있으나, 1200℃ 가 넘는 초고온 영역의 공정 조건에서는 수명이 짧은 문제가 있으며, 열선의 배치에 따라 온도 불균일성 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라, 초고온이 필요한 대용량 대면적의 제조 공정에서는 적합하지 못하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 유도가열 방식의 가열수단이 채용되고 있으며, 1200 ℃ 가 넘는 초고온 장비에서 주된 가열 수단으로 채용되고 있다. 유도가열 방식의 가열수단을 사용함으로써 기판을 지지하는 지지면 상에서의 온도 편차를 기존의 저항가열식 히터에 비해 감소시킬 수는 있었지만, 기판의 지지면 상에서의 온도 불균일성은 여전히 존재한다.
기판에 증착되는 박막의 증착율 및 결정성은 기판(W)의 온도에 의해 크게 영향을 받으며, 특히 기판(W)이 안착되는 서셉터(2)의 지지면의 온도 균일성은 기판 상의 박막 균일도를 좌우하는 가장 큰 요인이다.
또한, 이는 곧 소자의 수율을 좌우하게 되고, 최근 소자 공정의 디자인 룰(design rule)이 감소함에 따라 온도 균일도에 대한 소자 업체의 요구는 점차 상승하고 있는 추세이므로, 우수한 온도 균일도를 가지는 유도 가열식 서셉터의 개발은 업계의 당면 과제라 할 수 있다.
한편, 자외선을 방출하는 발광다이오드 및 레이저 다이오드를 제조하기 위해서는 질화알루미늄(AlN) 기반 물질이 일반적으로 사용된다. 알루미늄의 전구체(precursor)로 사용되는 TMAl과 N의 전구체로 사용되는 NH3의 기생반응을 억제하기 위해서는 NH3의 유량을 최소화하는 것이 필요하며 고품질의 질화알루미늄을 성장시키기 위해서는 NH3의 낮은 크래킹(Cracking) 효율로 인해 1400℃ 이상의 고온에서 성장시키는 것이 필요하다. 이러한 온도를 구현하기 위하여는 일반적으로 열저항방식 히터를 서셉터 주변에 배치하거나 유도가열방식을 통해 그래파이트 소재 자체를 발열시키는 방법이 사용된다.
그러나 1400℃ 이상의 고온영역에서는 앞서 언급한 열저항 방식 히터의 내구성 문제로 인해 RF 유도가열 방식이 주로 사용된다.
이러한 RF 유도가열 방식으로는 서셉터 하부에 유도 코일을 배치하는 팬케이크(pancake) 방식과 서셉터 측면을 감싸도록 유도 코일을 배치하는 캐스케이드(cascade) 방식이 있다. 팬케이크 방식에서는 주로 원판형의 서셉터를 사용하는 것이 일반적이며 캐스케이드 방식에서는 주로 원통형의 서셉터를 사용하는 것이 일반적이다.
열 효율 측면에서는 캐스케이드 방식의 유도 코일에 원통형의 서셉터를 사용하는 것이 유리하다.
그러나 캐스케이드 방식의 유도 코일 사용 시 서셉터 내부의 유도 전류의 불균형으로 인해 100mm 이상의 직경을 갖는 원통형 서셉터를 사용할 경우 서셉터 상면의 중심부가 외곽부 대비 온도가 현저히 낮은 문제점이 있다.
즉, 유도전류의 불균형은 서셉터 상면의 온도 불균일성을 야기하며 이는 서셉터 지지면에 놓이는 기판의 온도 불균일성으로 확대되어 특성 균일도 저하 및 수율 저하가 발생하며 이로 인해 제조원가가 높아지는 문제가 있다.
(특허문헌 1)
한국 등록특허 제10-0676404호(반도체 기판의 온도 승강 제어 방법과 그 장치)
본 발명은 상기와 같은 당면 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 코팅층에 의해 지지면 상에서의 온도 편차를 감소시키고, 정확한 지지면 상의 온도를 측정할 수 있는 서셉터 및 이를 포함하는 MOCVD 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터는, 기판과 접촉되면서 상기 기판을 지지하는 지지면 및 상기 지지면과 연결되는 측면을 가지고, 유도 코일에 의해 유도 가열됨으로써 상기 기판을 지지하면서 가열하도록 구성될 수 있다. 상기 서셉터는, 상기 유도 코일에 반응하여 유도 가열이 가능한 재질로 이루어지는 모재; 및 상기 모재의 일부 또는 전부의 표면에 코팅되어 상기 지지면의 일부 또는 전부를 형성하고, 상기 모재의 자기적 성질과 상이한 자기적 성질을 가지는 코팅층; 을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 유도 코일은 상기 측면을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 모재는 반자성 및 상자성 중 어느 하나의 자기적 성질을 가지고, 상기 코팅층은 상기 모재의 자기적 성질과 상이한 자기적 성질을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 모재는 그래파이트로 이루어지고, 상기 코팅층은 탄탈럼 카바이드를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 탄탈럼 카바이드는 TaCx 이고, x는 0.9보다 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 코팅층은 제1 코팅층이며, 실리콘 카바이드(Silicon Carbide)로 이루어지는 제2 코팅층을 더 포함하며, 상기 제1 코팅층은 상기 모재의 일부를 덮도록 형성되고, 적어도 상기 제1 코팅층이 코팅되지 않은 상기 모재의 표면을 상기 제2 코팅층이 덮도록 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 코팅층은 상기 지지면의 외곽 부분에 위치되고, 상기 제2 코팅층은 상기 지지면의 중심 부분에 위치될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 서셉터는, 기판과 접촉되면서 상기 기판을 지지하는 지지면 및 상기 지지면과 연결되는 측면을 가지고, 상기 측면을 둘러싸도록 배치된 유도 코일에 의해 유도 가열됨으로써 상기 기판을 지지하면서 가열하도록 구성될 수 있다. 상기 서셉터는, 상기 유도 코일에 반응하여 유도 가열이 가능한 재질로 이루어지는 모재; 및 상기 모재의 적어도 일부 상에 코팅되어 형성되고, 탄탈럼 카바이드를 포함하는 코팅층; 을 포함하고, 상기 지지면의 일부 또는 전부가 상기 코팅층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 지지면의 폭은 100mm 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 높이에 대한 상기 지지면의 폭의 비율은 5이하일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 MOCVD 장치는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 기판이 노출되도록 상기 기판과 접촉되면서 상기 기판을 지지하는 지지면 및 상기 지지면과 연결되는 측면을 가지는 서셉터; 및 상기 서셉터를 유도 가열 하도록 상기 측면을 둘러싸도록 배치되는 유도 코일; 을 포함하고, 상기 서셉터는 상술한 서셉터일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, MOCVD 장치는, 상기 서셉터의 지지면을 포함하는 상면의 온도를 측정하는 온도측정모듈; 및 상기 서셉터의 하면의 방사율을 측정하는 방사율측정모듈; 을 더 포함한다. 상기 온도측정모듈 및 상기 방사율측정모듈에 의해 얻어진 데이터를 근거로 상기 지지면 상의 온도를 산출하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 온도측정모듈은 렌즈를 통해 빛을 수광하며, 상기 방사율측정모듈은 광 파이프(light pipe)를 이용하여 빛을 수광한다.
본 발명의 서셉터 및 이를 포함하는 MOCVD 장치에 따르면, 기판을 지지하는 지지면 상에서의 온도 불균일성을 감소시킴으로써, 기판 상에서의 보다 균일한 특성을 갖는 박막 성장이 가능하며, MOCVD 공정에 의해 성장된 기판을 사용하여 소자 제작 시 높은 수율을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 MOCVD 장치에 따르면, 정확한 지지면 상의 온도를 측정할 수 있다.
도 1은 일반적인 MOCVD 장치의 반응기의 구성을 도시한 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터가 MOCVD 장치의 반응기에 장착된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 서셉터를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 코팅층이 형성되지 않은 상태에서 유도가열된 모재의 자기흐름의 시뮬레이션 데이터이다.
도 5는 코팅층이 형성되지 않은 상태에서 유도가열된 모재의 온도 분포 시뮬레이션 데이터이다.
도 6은 실제로 측정한, 코팅층이 실리콘 카바이드로 형성된 서셉터의 지지면에서의 온도 분포 데이터이다.
도 7은 실제로 측정한, 코팅층이 탄탈럼 카바이드로 형성된 서셉터의 지지면에서의 온도 분포 데이터이다.
도 8은 코팅층이 실리콘 카바이드로 형성된 서셉터를 이용하여 성장한 UV C 다중양자우물구조 웨이퍼의 피크파장의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 코팅층이 탄탈럼 카바이드로 형성된 서셉터를 이용하여 성장한 UV C 다중양자우물구조 웨이퍼의 피크파장의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 서셉터의 개략적인 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 서셉터의 개략적인 단면도이다.
도 12는 제1 코팅층과 제2 코팅층의 예시적인 평면 배치를 나타낸 개략적인 평면도이다.
도 13은 본 발명의 서셉터의 온도를 측정하는 구성들이 포함된 MOCVD 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 14는 SiC 코팅된 서셉터와 TaC 코팅된 서셉터의 열전대에 의한 측정 온도 대비 방사율을 고정한 조건에서의 렌즈 수광 방식 파이로미터에 의한 측정 온도의 그래프를 도시한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다. 아울러, 제1 코팅 후 제2 코팅을 행한다 기재하였더라도, 그 반대의 순서로 코팅을 행하는 것도 본 발명의 기술적 사상 내에 포함되는 것은 물론이다.
본 명세서에서 도면부호를 사용함에 있어, 도면이 상이한 경우라도 동일한 구성을 도시하고 있는 경우에는 가급적 동일한 도면부호를 사용한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 서셉터의 실시예에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터가 MOCVD 장치의 반응기에 장착된 상태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
먼저 도 2를 참조로 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터(120)가 MOCVD 장치의 반응기(100)에 배치되는 방식 및 가열되는 방식에 대해서 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, MOCVD 장치의 반응기(100)는, 반응 챔버(110)와, 서셉터(120)와, 유도 코일(130)을 포함한다.
반응 챔버(110)는 기판의 표면에 반응될 가스가 유입되는 유입부(111)와, 반응(결정 성장)이 완료되어 남은 잔류 가스가 유출되는 유출부(112)를 포함하고, 유입부(111)와 유출부(112)사이에 반응 공간(S)이 형성된다.
본 실시예에서 반응 챔버(110)의 유입부(111)와 유출부(112)의 방향과 배치는 예시적인 것이며, 반응 가스의 흐름이 상하 또는 그 이외의 방향으로 이루어지도록 반응 챔버(110)가 구성되어도 무방하다.
서셉터(120)는 반응 챔버(110)의 반응 공간(S)에 기판(W)이 노출되도록 기판(W)과 접촉되면서 기판(W)을 지지하는 지지면(121) 및 이 지지면(121)과 연결되는 측면(122)을 가지도록 구성된다. 다시 말해, 서셉터(120)는 대략적으로 원통형의 형상을 가진다고 할 수 있다.
한편, 서셉터(120)의 내부에는 온도 측정을 위한 열전대가 삽입되기 위한 구멍(123)이 형성될 수도 있다.
서셉터(120)는 유도 가열이 가능한 재질로 이루어진다. 서셉터(120)는 모재와 코팅층으로 이루어질 수 있는데, 구체적인 구성은 도 3을 참조하여 후술한다.
유도 코일(130)은 서셉터(120)를 유도 가열하기 위해 서셉터(120)의 측면(122)을 둘러싸도록 배치된다. 유도 코일(130)에는 수 ~ 수십 kHz의 주파수를 가지는 전류가 인가될 수 있도록 구성되며, 이로 인해 유도 코일(130)내부에 위치하는 서셉터(120)가 유도 가열될 수 있다.
유도 코일(130)과 서셉터(120)사이에는 가열된 서셉터(120)의 열을 차단하는 열차단막(141)이 설치될 수 있다. 또한, 가열된 기판(W)에 의한 복사열을 차단하는 열차폐막(142)이 반응 챔버(110) 내에 설치될 수 있다.
도 3은 도 2의 서셉터를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하여, 서셉터(120)의 구성을 보다 구체적으로 설명한다. 도 3을 참조하면, 서셉터(120)는 모재(124)와 코팅층(125)을 포함하여 구성된다. 참고로, 코팅층(125)은 그 두께가 얇지만, 설명의 편의를 위해서 원래의 두께보다 상대적으로 두껍게 도시하였다.
모재(124)는 유도 코일(130)에 의하여 유도 가열이 가능한 재질로 이루어진다. 한편 일반적으로 강자성체는 녹는점이 낮으므로, 서셉터(120)의 모재(124)는 초고온 발열을 위해 반자성 및 상자성 중 어느 하나의 자기적 성질을 가지는 것이 바람직하다.
모재(124)가 반자성체로 이루어지는 경우, 모재(124)의 재질로는 탄소(그래파이트), 구리, 금, 은 등이 적용될 수 있으며, 가열 온도 범위에 따라 재질을 선정해야 한다. MOCVD 장치용 서셉터(120)에는 높은 가열 온도를 고려하여 녹는점이 높은 그래파이트(graphite)를 모재(124)의 재질로 선정하는 것이 바람직하다.
모재(124)가 상자성체로 이루어지는 경우, 모재(124)의 재질로는 알루미늄, 백금, 팔라듐, 스테인리스강 등이 적용될 수 있으며, 가열 온도 범위에 따라 재질을 선정해야 한다.
코팅층(125)은 모재(124)의 적어도 일부를 덮으며, 모재(124)가 반응 가스와 반응하는 것을 방지한다. 코팅층(125)은 모재(124)의 자기적 성질과 다른 성질을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 모재(124)가 반자성체인 경우, 코팅층(125)은 상자성체로 이루어지고, 반대로 모재(124)가 상자성체인 경우, 코팅층(125)은 반자성체로 이루어질 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 9를 참조하여 코팅층(125)의 재질을 달리할 경우 지지면(121)상에서의 온도 균일성의 변화에 대해 살펴본다.
도 4는 코팅층이 형성되지 않은 상태에서 유도가열된 모재의 자기흐름의 시뮬레이션 데이터이며, 도 5는 코팅층이 형성되지 않은 상태에서 유도가열된 모재의 온도 분포 시뮬레이션 데이터이다. 또한, 도 6은 실제로 측정한, 코팅층이 실리콘 카바이드로 형성된 서셉터의 지지면에서의 온도 분포 데이터이며, 도 7은 실제로 측정한, 코팅층이 탄탈럼 카바이드로 형성된 서셉터의 지지면에서의 온도 분포 데이터이다. 또한, 도 8은 코팅층이 실리콘 카바이드로 형성된 서셉터를 이용하여 성장한 UV C 다중양자우물구조 웨이퍼의 피크파장의 특성을 나타낸 그래프이며, 도 9는 코팅층이 탄탈럼 카바이드로 형성된 서셉터를 이용하여 성장한 UV C 다중양자우물구조 웨이퍼의 피크파장의 특성을 나타낸 그래프이다.
먼저 도 4 및 도 5를 참조하면, 도 2와 같이 유도 코일(130)이 그래파이트로만 이루어진 모재(124)의 측면(122)을 둘러싸도록 감긴 상태에서 모재(124)를 유도가열 할 경우, 측면(122)부분에 자기 흐름이 밀도가 높게 형성되고, 내부로 갈수록 자기 흐름의 밀도가 감소하는 것을 알 수 있다. 이를 일종의 표피현상이라고 부르기도 한다.
이에 따라, 도 5와 같이, 모재(124)의 측면(122)부근에서 높은 온도의 유도가열이 나타나게 되고, 중심 부분으로 갈수록 감소하는 온도 분포가 얻어진다. 결국, 지지면(121)에서는 외곽 부분에서 높은 온도가 얻어지고 중심 부분에서는 상대적으로 낮은 온도가 얻어질 것이다.
이와 같은 시뮬레이션 결과는 원통형의 서셉터를 그 측면을 둘러싸는 유도 코일(130)에 의해 유도 가열할 경우, 지지면(121)에서 온도 편차가 크게 나타나게 되는 것을 보여준다. 지지면(121)에서의 큰 온도 편차는 앞서 언급했듯, 기판(W)상에서의 불균일한 결정 성장을 초래하게 되어, 생산성에 악영향을 끼치게 된다. 이러한 결과에 따라, 업계에서는 100mm 이상의 직경을 가지는 서셉터의 경우 캐스케이드 형태의 유도 코일을 사용하여 유도 가열하는 방식이 부적합하다고 알려져 있다.
하지만, 본 특허의 발명자들은 코팅층(125)의 재질에 따라 지지면(121)에서의 온도 분포가 달라짐을 실험을 통해 입증하였다. 도 6 및 도 7은 실험을 통해 실측한 결과를 보여준다.
도 6은 코팅층(125)을 실리콘 카바이드(SiC)로 형성한 서셉터를 10~20 kHz의 주파수로 유도 가열하여 지지면(121)상에서의 온도를 측정한 데이터를 보여준다.
도 6을 참조하면, 도 5의 시뮬레이션 데이터와 경향이 일치하게, 지지면(121)외곽에서의 온도가 높게 형성되고 중심부에서의 온도가 낮게 형성되는 경향을 가진다. 전체 38mm 거리 영역 (d) 에서 온도 편차는 18℃ 인 것으로 측정되었다.
한편, 도 7은 코팅층(125)을 탄탈럼 카바이드(TaC)로 형성한 서셉터를 10~20 kHz의 주파수로 유도 가열하여 지지면(121)상에서의 온도를 측정한 데이터를 보여준다. 즉, 다른 조건을 같이한 채, 코팅층(125)의 재질만을 변경하였다.
도 7을 참조하면, 도 6과는 달리, 오히려 지지면(121)의 외곽에서의 온도가 중심부에서의 온도보다 낮은 것으로 측정되었다. 이에 따라 온도 편차도 38mm 거리 영역 (d) 에서 5℃ 로 도 6의 결과에 대비하여 상대적으로 낮게 측정되었다.
즉, 코팅층(125)을 탄탈럼 카바이드로 형성할 때의 온도 편차가, 실리콘 카바이드로 형성할 때의 온도 편차보다 작게 측정되었다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 실리콘 카바이드가 코팅된 서셉터와 탄탈럼 카바이드가 코팅된 서셉터를 사용하여 AlxGa1-xN/AlyGa1-yN (0<x<1, 0<y<1) 다중양자우물 구조를 성장한 웨이퍼의 포토루미네선스 측정한 피크파장의 분포 결과를 통해, 탄탈럼 카바이드가 코팅된 서셉터의 차별성을 다시 한번 확인할 수 있다.
도 8을 참조하면, 코팅층(125)을 실리콘 카바이드(SiC)로 형성한 서셉터에서, 지지면(121)의 중심부에 비해 외곽부의 웨이퍼 영역의 피크 파장이 더 짧음을 확인할 수 있다. 이는 약 1200℃ 의 고온 영역에서 온도가 높을수록 알루미늄의 혼입속도가 갈륨의 혼입속도보다 빠르기 때문에 나타나는 현상으로서, 중심부에 비해 외곽부의 알루미늄 조성이 높게 되고, 이는 밴드갭 증가로 나타나 결국 발광 피크파장이 짧게 나타나게 된다. 즉, 이는 지지면(121)표면의 온도 불균일성을 그대로 반영한 결과로 판단할 수 있다.
반면 도 9를 참조하면, 코팅층(125)을 탄탈럼 카바이드(TaC)로 형성한 서셉터에서, 지지면(121)의 외곽부에 대비하여 중심부에 놓인 웨이퍼 영역의 피크 파장이 더 짧음을 확인할 수 있다. 이러한 포토루미네선스 측정에 의해서도 코팅층의 재질에 따른 서셉터 상면의 온도 구배 변화 현상이 확인될 수 있다.
이러한 지지면(121)에서의 온도 균일성 향상은 1)모재(124)와 코팅층(125)의 자기적인 특성의 차이, 2)코팅층(125)의 재질에 따른 방사율의 차이에서 기인한 것으로 추측할 수 있다.
먼저, 코팅층(125)의 자기적 특성이 모재(124)와 동일한 경우 코팅층(125)의 내부에 발생하는 자기 흐름의 경향도 모재(124)와 유사할 것으로 예상되고, 이에 따라 열분포도 유사할 것으로 예상된다. 즉, 모재(124)의 재질이 반자성 물질인 그래파이트인 경우, 같은 반자성 물질인 실리콘 카바이드로 형성된 코팅층(125)은 모재(124)만으로 형성되는 온도 분포에 큰 영향을 미치지 못할 것으로 예상되며, 도 5의 시뮬레이션된 온도 분포의 경향이 도 6에서 실제로 관찰된 것으로 보여진다.
반면, 탄탈럼 카바이드는 탄탈럼과 탄소의 2성분 화합물(binary chemical compounds)로서 실험식으로 TaCx 로 나타내어 진다. 여기서, 보통 x는 0.4 내지 1의 값을 가지는데, 탄탈럼 카바이드는 x값에 따라 자기적 성질이 달라진다. 즉, x가 0.9 이하인 경우에는 TaCx 는 반자성을 띠며, x가 0.9 초과인 경우에는 상자성을 띤다고 알려져 있다.
여기서, TaCx 의 x가 0.9 이하라면 모재인 그래파이트와 동일하게 탄탈럼 카바이드가 반자성의 자기적 성질을 가지기 때문에, 코팅층(125)이 실리콘 카바이드로 형성된 것과 동일하게 온도 편차에 큰 영향을 끼치지 못할 것이라 추측된다.
다만, x가 0.9 초과여서, TaCx 가 상자성인 경우, 반자성인 모재(124)에서의 자기 흐름과 상쇄되는 방향의 자기 흐름이 코팅층(125)내부에서 형성됨으로써 모재(124)의 표면에서의 자기 흐름의 형성을 방해할 것이라 생각된다. 즉, 모재(124)의 표면으로부터의 발열은 탄탈럼 카바이드 코팅층에 의해 상쇄되고, 내부로부터의 발열이 내부적으로 전도되어 지지면(121)을 가열함으로써 보다 균일한 지지면(121)에서의 온도 분포를 얻을 수 있을 것이라 생각된다.
또한, 탄탈럼 카바이드의 방사율이 실리콘 카바이드의 방사율에 비해 약 1/3 수준으로 상당히 낮으므로, 모재(124)에서 발생되는 열을 탄탈럼 카바이드로 이루어지는 코팅층(125)의 경우 지지면(121) 측으로 쉽게 열전도를 시키지 않게 되고, 이에 따라 지지면(121)에서의 보다 균일한 온도 분포를 얻을 수 있다고 생각된다.
즉, 모재(124)가 반자성체인 그래파이트로 이루어지는 경우, 상자성체인 탄탈럼 카바이드(TaCx, 여기서 x는 0.9 초과)로 코팅층(125)이 형성되는 것이 모재(124)표면에서의 자기 흐름의 상쇄 작용 및 코팅층(125)의 작은 방사율에 의해 지지면(121)상에서의 온도 불균일성을 감소시킬 수 있는 것이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 서셉터의 개략적인 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예의 서셉터(120')는 서로 다른 코팅층들(125, 126)이 중첩하여 형성된다. 여기서 모재(124)는 그래파이트로 이루어진 것을 예시하며, 제1 코팅층(125)은 탄탈럼 카바이드로 이루어지고, 제2 코팅층(126)은 실리콘 카바이드로 이루어지는 것을 예시한다.
제1 코팅층(125)은 모재(124)의 일부를 덮도록 형성된다. 특히, 제1 코팅층(125)은 모재(124)가 상대적으로 온도가 높은 지지면(121)의 외곽 부분과 모재(124)사이에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 제1 코팅층(125)의 배치로 인해, 상대적으로 고온인 외곽 부분의 열이 중심 부분으로 분산될 수 있다.
제2 코팅층(126)은 제1 코팅층(125)이 덮이지 않은 부분에 배치된다. 즉, 제2 코팅층(126)은 적어도 지지면(121)의 중심 부분과 모재(124)사이에 위치된다. 한편, 제2 코팅층(126)은 제1 코팅층(125)을 덮도록 본 실시예에서 예시하였으나, 제1 코팅층(125)이 직접 지지면(121)을 형성하도록 외부에 노출되어도 무방하다.
도 3과 같이 코팅층(125)이 모재(124)의 전부를 덮도록 구성할 수도 있으나, 도 10과 같이 온도가 상대적으로 높은 부분만을 일부 덮도록 구성할 수도 있다. 도 10과 같이 구성할 경우, 측면 부분에서 발생되는 열이 방사율이 낮은 제1 코팅층(125)보다 방사율이 높은 제2 코팅층(126)으로 흐름이 촉진되어, 열이 더욱 원활히 분산될 수 있다. 이에 따라, 지지면(121)에서의 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 서셉터의 개략적인 단면도이다.
본 실시예의 서셉터(120'')는 도 10의 서셉터(120')와 달리, 제1 코팅층(125)이 외부에 드러나도록 그 일부만을 제2 코팅층(126)이 덮는 것을 예시하고 있다.
이와 같이 제2 코팅층(126)은 제1 코팅층(125)의 전부를 덮지 않아, 제1 코팅층 (125)이 그대로 외부에 드러나도 된다.
이러한 코팅층들의 배치는 모재(124) 자체의 형상, 유도 가열의 조건, 모재(124)의 재질 등에 따라 실험적으로 적절히 선정될 수 있을 것이다.
도 12는 제1 코팅층과 제2 코팅층의 예시적인 평면 배치를 나타낸 개략적인 평면도이다.
도 12를 참조하면, 제1 코팅층(125)과 제2 코팅층(126)은 다양한 평면 배치를 이루도록 지지면(121)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 도 12의 (a)와 같이, 제1 코팅층(125)과 제2 코팅층(126)이 동심원을 그리며 순차적으로 배치될 수 있고, 도 12의 (b)와 같이, 제1 코팅층(125)과 제2 코팅층(126)이 나선형으로 휘감기도록 형성될 수도 있다.
한편, 도 12의 (a)와 같이, 코팅층들(125, 126)이 형성되면, 복수의 제1 코팅층(125)들 및 복수의 제2 코팅층들(126)이 각각 불연속적이기 때문에, 복수회 코팅을 실시해야 할 수도 있으나, 도 12의 (b)와 같이 제1 코팅층(125) 및 제2 코팅층(126) 각각은 연속적이기 때문에 각각 한번씩의 코팅만으로 지지면(121)을 형성할 수 있다.
이렇듯, 제1 코팅층(125) 및 제2 코팅층(126)의 평면 배치는 다양하게 형성될 수 있다.
한편, 도 3을 참조하여 설명한 서셉터(120)에서는 모재(124)와 코팅층(125)의 자기적 성질이 서로 다른 것을 전제로 설명하였으나, 서로 동일하다 하더라도 코팅층(125)이 탄탈럼 카바이드로 형성되는 경우, 탄탈럼 카바이드의 낮은 방사율 때문에 지지면(121)상에서의 온도 편차를 줄일 수 있다.
즉, 모재(124)의 자기적 성질에 관계없이 원통형 서셉터의 지지면(121)의 일부 또는 전부가 탄탈럼 카바이드를 포함하는 코팅층(125)으로 형성된다 하더라도 코팅층(125)의 낮은 방사율 때문에 측면(122)부분의 열 집중이 지지면(121)의 중심 부분으로 분산될 수 있고, 이와 함께 넓은 영역에 의한 복사열 방출을 억제하여 온도 균일도를 개선할 수 있다.
이러한 효과는 측면(122)을 둘러싸도록 배치된 유도 코일에 의해 가열되는 원통형 서셉터에서 특별히 나타나는 것이다. 즉, 지지면(121)의 폭의 길이보다 높이가 상대적으로 큰 서셉터에 상술한 코팅층의 구성이 적용되는 것이 바람직하다. 더욱 상세하게는 높이에 대한 지지면(121)의 폭의 비가 5 이하인 것이 바람직하다.
한편, 지지면(121)의 폭은 생산성을 고려하여 100mm 이상인 것이 바람직하며, 높이에 대한 지지면(121)의 폭의 비를 유지하기 위해서는 서셉터의 높이도 50mm 이상인 것이 바람직하다.
도 13은 본 발명의 서셉터의 온도를 측정하는 구성들이 포함된 MOCVD 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 MOCVD 장치(100')는, 상술한 TaC 코팅을 포함하는 서셉터(120)를 포함한다. 서셉터(120)의 구성은 상술한 바와 같으므로, 자세한 설명은 생략한다. 서셉터(120)로서는 상술한 서셉터(120', 120'')의 구성도 적용될 수 있음은 물론이다.
서셉터(120)의 측면(122)부분에 유도코일(130)이 배치되어, 서셉터(120)을 가열한다. 이때, 웨이퍼가 위치하는 서셉터(120)의 상면의 온도를 측정하기 위해 비접촉식 온도측정모듈(150)이 서셉터(120)의 상측에 배치된다. 온도측정모듈(150) 로는 렌즈 수광 방식의 파이로미터(pyrometer)가 채용될 수 있다. 온도측정모듈(150)로서의 파이로미터는 광학계에서 서셉터(120)가 방사하는 방사에너지를 렌즈를 활용하여 비접촉식으로 수집한다.
한편, 온도측정모듈(150)에서 측정된 방사에너지를 이용하여 실제 서셉터(120) 상면에서의 온도를 산출하기 위해서는 방사율(emissivity, ε)을 특정하는 것이 필요하며, 정확한 방사율을 측정하기 위해서 본 MOCVD 장치(100')는 방사율측정모듈(160)을 더 포함한다.
방사율측정모듈(160)로서 광파이프(light pipe)를 활용한 파이로미터가 채용될 수 있다. 방사율측정모듈(160)은 일반적으로 온도측정모듈(150)에 의해 방사 에너지가 측정되는 근방에 배치되는 것이 바람직하다고 알려져 있으나, 서셉터(120)의 상부는 공정가스의 분해에 의한 코팅의 영향으로 광파이프가 오염되기 쉬워, 서셉터(120)의 상부에 설치되기 곤란하다. 이에 본 실시예에서, 방사율측정모듈(160)은 서셉터(120)의 하면의 방사율을 측정하도록, 서셉터(120)의 하면에 대면하도록 배치된다.
이렇게 방사율측정모듈(160)이 온도측정모듈(150)의 근방에 위치하지 않더라도, 정확한 온도를 산출해낼 수 있다는 근거에 대해 보다 구체적으로 후술한다.
도 14는 SiC 코팅된 서셉터와 TaC 코팅된 서셉터의 열전대에 의한 측정 온도 대비 방사율을 고정한 조건에서의 렌즈 수광 방식 파이로미터에 의한 측정 온도의 그래프를 도시한다.
도 14를 참조하면, SiC 코팅된 일반적인 서셉터는 열전대에 의한 측정온도(x축)가 증가함에 따라 렌즈 수광 방식 파이로미터에 의한 측정온도(y축)가 일정하게 증가됨에 따라 직선의 그래프 형태를 띄게 된다. 이에 따라 SiC 코팅된 서셉터는 온도의 변화에 따라 방사율이 거의 변화하지 않는 것으로 이해된다.
이와 달리, TaC 코팅된 서셉터는 열전대에 의한 측정온도가 증가함에 따라 렌즈 수광 방식 파이로미터에 의한 측정온도가 증가율이 감소되면서 증가한다. 즉, TaC 코팅된 서셉터는 온도에 따라 방사율의 변화가 비교적 크다는 것을 알 수 있다.
또한, 아래의 표 1 에서와 같이, TaC는 온도에 따라 방사율의 변동이 크다는 점이 기존의 참고문헌에 의해서도 확인된다.
Figure 112018091369821-pat00001
이렇듯, TaC 코팅에 의한 서셉터는 코팅 제조 방법, 두께 등에 따라 방사율의 변동이 크다는 것을 알 수 있다.
따라서, 상술한 본 발명의 실시예들의 서셉터들(120, 120', 120'')은 렌즈 수광 방식 파이로미터와 같은 온도측정모듈(150)에 의해서만 서셉터(120) 상면에서의 온도를 측정하는 것만으로는 신뢰할만한 온도를 측정할 수는 없고, 실시간으로 광파이프를 활용한 파이로미터와 같은 방사율측정모듈(160)에 의해 방사율을 측정하여, 광-온도 변환 계산식에 반영함으로써, 정확한 온도를 얻을 수 있다.
한편, 실시간으로 서셉터들(120, 120', 120'')의 방사율을 측정할 수는 없다 할지라도, 미리 온도 별 방사율을 방사율측정모듈(160)에 의해 측정하고, 온도에 따른 방사율 테이블을 미리 작성하여, 광-온도 변환 계산식에 방사율을 반영할 수도 있다.
또한, 기존의 팬케이크 방식의 경우, 하면에서 서셉터를 가열함으로써, 서셉터의 지지면을 포함하는 상면과 하면의 온도 차이가 크게 존재하지만, 본 발명의 서셉터(120, 120', 120'')의 경우 캐스케이드 방식을 채용함에 따라, 서셉터(120, 120', 120'')의 상면과 하면이 동시에 발열하므로 서셉터(120, 120', 120'')의 상면과 하면의 온도가 유사하다. 따라서 상면에서 측정하기가 곤란한 서셉터 (120, 120', 120'') 상면의 방사율을 서셉터 (120, 120', 120'') 하면을 측정하여 적용하는 것이 가능한 장점이 있다.
또한, 도 5에서와 같이, 측면에서 유도가열함으로써, 서셉터(120, 120', 120'')는 상면과 하면이 대응되는 온도를 가지는 것이 시뮬레이션에 의해서 증명된다. 즉, 하면에서 측정된 온도는 대응되는 상면에서 측정된 온도와 거의 유사하다고 볼 수 있기 때문에, 하면에서의 방사율 측정값을 상면에서의 온도 보정을 위해 사용할 수 있다.
한편, 보다 정확한 측정을 위해서는 상면과 하면의 조건을 동일하게 맞추는 것이 바람직하다. 예를 들어, 방사율은 표면 거칠기에 의해 영향을 받기 때문에 상면과 하면에서의 표면 거칠기를 거의 동일하게 맞추는 것이 필요하다. 이외에도 방사율에 영향을 미치는 요소들을 상면과 하면에서 동일하게 맞춤으로써 보다 정확한 온도를 측정할 수 있다. 또한, 도 3에서는 서셉터(120)의 하면에 코팅층 (125)이 형성되지 않은 것으로 예시하였으나, 방사율측정모듈(160)이 사용되는 경우에는 하면에도 코팅층(125)이 지지면(121)과 동일 조건으로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 도 10 및 도 11의 서셉터(120', 120'')에도 마찬가지이다.
따라서, 렌즈 수광 방식 파이로미터와 같은 온도측정모듈(150) 및 광파이프 수광 방식의 방사율측정모듈(160)에서 얻어진 데이터로 서셉터(120) 상면에서의 정확한 온도를 실시간으로 구할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110…반응 챔버
111…유입부
112…유출부
120, 120', 120''…서셉터
121…지지면
122…측면
123…구멍
124…모재
125…(제1)코팅층
126…제2 코팅층
130…유도 코일
150…온도측정모듈
160…방사율측정모듈
100…MOCVD 장치의 반응기

Claims (13)

  1. 기판과 접촉되면서 상기 기판을 지지하는 지지면 및 상기 지지면과 연결되는 측면을 가지고, 유도 코일에 의해 유도 가열됨으로써 상기 기판을 지지하면서 가열하도록 구성되는 서셉터에 있어서,
    상기 유도 코일에 반응하여 유도 가열이 가능한 재질로 이루어지는 모재; 및
    상기 모재의 일부 또는 전부의 표면에 코팅되어 상기 지지면의 일부 또는 전부를 형성하고, 상기 모재의 자기적 성질과 상이한 자기적 성질을 가지는 코팅층; 을 포함하고,
    상기 모재는 반자성 및 상자성 중 어느 하나의 자기적 성질을 가지고,
    상기 코팅층은 다른 하나의 자기적 성질을 가지며,
    상기 코팅층은 탄탈럼 카바이드를 포함하고,
    상기 탄탈럼 카바이드는 TaCx이고, 상기 모재가 반자성인 경우 x가 0.9를 초과하고, 상기 모재가 상자성인 경우 x가 0.9이하인, 서셉터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유도 코일은 상기 측면을 둘러싸도록 배치되는, 서셉터.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 모재는 그래파이트로 이루어지는, 서셉터.
  5. 삭제
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 코팅층은 제1 코팅층이며,
    실리콘 카바이드(Silicon Carbide)로 이루어지는 제2 코팅층을 더 포함하며,
    상기 제1 코팅층은 상기 모재의 일부를 덮도록 형성되고,
    적어도 상기 제1 코팅층이 코팅되지 않은 상기 모재의 표면을 상기 제2 코팅층이 덮도록 형성되는, 서셉터.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 코팅층은 상기 지지면의 외곽 부분에 위치되고,
    상기 제2 코팅층은 상기 지지면의 중심 부분에 위치되는, 서셉터.
  8. 기판과 접촉되면서 상기 기판을 지지하는 지지면 및 상기 지지면과 연결되는 측면을 가지고, 상기 측면을 둘러싸도록 배치된 유도 코일에 의해 유도 가열됨으로써 상기 기판을 지지하면서 가열하도록 구성되는 서셉터에 있어서,
    상기 유도 코일에 반응하여 유도 가열이 가능한 재질로 이루어지는 모재; 및
    상기 모재의 적어도 일부 상에 코팅되어 형성되고, 탄탈럼 카바이드를 포함하는 코팅층; 을 포함하고,
    상기 지지면의 일부 또는 전부가 상기 코팅층으로 형성되고,
    상기 탄탈럼 카바이드는 TaCx이고, 상기 모재가 반자성인 경우 x가 0.9를 초과하고, 상기 모재가 상자성인 경우 x가 0.9이하인, 서셉터.
  9. 제1 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 지지면의 폭은 100mm 이상인, 서셉터.
  10. 제1 항 또는 제8 항에 있어서,
    높이에 대한 상기 지지면의 폭의 비율은 5이하인, 서셉터.
  11. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버에 기판이 노출되도록 상기 기판과 접촉되면서 상기 기판을 지지하는 지지면 및 상기 지지면과 연결되는 측면을 가지는 서셉터; 및
    상기 서셉터를 유도 가열 하도록 상기 측면을 둘러싸도록 배치되는 유도 코일; 을 포함하고,
    상기 서셉터는 상기 제1 항 및 상기 제8 항 중 어느 하나의 서셉터인, MOCVD 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 서셉터의 지지면을 포함하는 상면의 온도를 측정하는 온도측정모듈; 및
    상기 서셉터의 하면의 방사율을 측정하는 방사율측정모듈; 을 더 포함하고,
    상기 온도측정모듈 및 상기 방사율측정모듈에 의해 얻어진 데이터를 근거로 상기 지지면 상의 온도를 산출하도록 구성되는, MOCVD 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 온도측정모듈은 렌즈를 통해 빛을 수광하며, 상기 방사율측정모듈은 광 파이프(light pipe)를 통해 빛을 수광하는, MOCVD 장치.
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