KR20030071098A - 질화갈륨 기판의 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화갈륨 기판의 제조 장치에 관한 것으로, 고온으로 가열되는 챔버와; 상기 챔버의 일측을 관통하여 챔버 내부로 HCl을 공급하는 제 1 공급관과; 상기 챔버의 일측을 관통하여 챔버 내부로 NH3를 공급하는 제 2 공급관과; 상기 제 1 공급관과 제 2 공급관에 각각 연결된 노즐들과; 상기 제 1 공급관의 내부에 안착되어 Ga 분말을 담고있는 보트와; 상기 제 1 공급관에 연결된 노즐의 끝단 하부의 챔버 내측면에 형성되어 질화갈륨층이 성장되는 사파이어 기판을 지지하는 지지부와; 상기 챔버의 타측을 관통하여 챔버 내부의 가스를 배출하는 배출관으로 구성하되, 상기 제 1 공급관에 연결된 노즐에는 사파이어 기판의 상부에서 HCl을 배출하는 복수의 가스 배출홀들이 구비되어 있으며, 상기 복수의 가스 배출홀들은 각각 직경을 다르게 구성된다.
따라서, HCl을 공급하기 위한 노즐에 형성된 가스 배출홀들의 직경을 공급되는 가스량과 속도 및 공급관과의 거리에 따라, 다르게 형성함으로서, 사파이어 기판에 질화갈륨층의 성장을 균일하게 할 수 있는 효과가 발생한다.
Description
본 발명은 질화갈륨 기판의 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 HCl을 공급하기 위한 노즐에 형성된 가스 배출홀들의 직경을 공급되는 가스량과 속도 및 공급관과의 거리에 따라, 다르게 형성함으로서, 사파이어 기판에 질화갈륨층의 성장을 균일하게 할 수 있는 질화갈륨 기판의 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로 질화계열의 반도체 화합물은 광전자 소자를 제조하는 재료로 이용되고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용한 청색 및 녹색 발광 소자는 대규모 총천연색 평판 표시장치, 신호등, 실내 조명과 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 적용되어 활용되고 있다.
이러한 질화갈륨은 청색 및 녹색 발광 소자뿐만 아니라 고 전력 및 고온 소자에도 적용할 수 있는 물질이다.
상기 질화갈륨은 동일한 육방정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘 카바이드(SiC) 기판 등의 이종기판에서 금속 유기 화학 증착(MOCVD, Metal Organic Chemical Vapor Deposition)이나 분자 빔 에피텍시(MBE, Molecular Beam Epitaxy)공정을 수행하여 기판성장이 가능하고, 이 공정으로 소자들이 제조되어 지고 있다.
현재, 사파이어 기판이 주로 사용되고 있지만, 질화갈륨과의 격자상수 및 열팽창계수 차이가 있어 상당히 높은 결정 결함 밀도를 가지고 있고, 이에 따라 표면 가공 공정을 추가적으로 실시하여야 하는 부담이 있었다.
이런 문제를 원천적으로 해결하기 위해서는 단결정 질화갈륨을 기판으로 사용하여 소자를 제조하여야 한다.
통상, 질화갈륨 기판은 하이드라이드 기상 박막성장(Hydride Vapor Phase Epitaxy)방법(이하 'HVPE'라 칭함.)으로 제조되고 있다.
도 1은 종래의 HVPE 장치의 단면도로서, 고온으로 가열되는 챔버(10)와; 상기 챔버(10)의 일측을 관통하여 챔버(10) 내부로 HCl을 공급하는 제 1 공급관(11)과; 상기 챔버(10)의 일측을 관통하여 챔버(10) 내부로 NH3를 공급하는 제 2 공급관(13)과; 상기 제 1 공급관(11)과 제 2 공급관(13)에 각각 연결된 노즐들(12,14)과; 상기 제 1 공급관(11)의 내부에 안착되어 Ga 분말을 담고있는 보트(16)와; 상기 챔버(10) 내측면에 형성되며, 상기 제 1 공급관(11)에 연결된 노즐(12)의 끝단에서 토출되는 HCl의 공급으로 질화갈륨층이 성장되는 사파이어(Al2O3)기판(20)을 지지하는 지지부(15)와; 상기 챔버(10)의 타측을 관통하여 챔버(10) 내부의 가스를 배출하는 배출관(21)으로 구성되어 있다.
이렇게 구성된 HVPE 장치에서는 제 1 공급관(11)에서 공급되는 HCl과 Ga분자가 결합되어 GaCl이 형성되어, 노즐(12)을 통하여 토출되고, 제 2 공급관(13)의 노즐(14)에서 토출된 NH3와 GaCl이 사파이어기판(20)의 상부에서 만나게 되어, 사파이어 기판(20)의 상부에서는 GaN이 성장되게 된다.
이러한 HVPE 장치에서의 노즐들(12,14)의 끝단은 사파이어 기판(20)과의 거리가 수 ㎝이상이 되기 때문에 가스 소비량이 많아지고, GaN 박막의 성장속도를 향상시키기가 어렵다.
도 2는 노즐에 가스 배출 홀이 형성된 종래의 HVPE 장치의 단면도로서, GaCl이 챔버(10) 기판의 공급되는 노즐(12)에 복수의 가스 배출홀(18)들을 형성하여, 이 가스 배출홀(18)에서 사파이어 기판(20)의 상부로 GaCl이 공급되도록 하여, 도 1에 기술된 HVPE 장치보다도, 훨씬 적은 양의 가스를 공급하여도 원하는 정도의 GaN 박막 성장 속도를 얻을 수 있다.
그러나, 이런 가스 배출홀(18)들은 동일한 직경을 갖는 가스 배출홀(Hole)이기에, 각 가스 배출홀에서 토출되는 가스의 양과 속도가 다르기 때문에 사파이어 기판상에 성장되는 GaN 박막의 균일성을 확보하기가 어렵다.
도 3은 도 2의 제 1 공급관의 노즐들에 위치된 가스 배출홀들의 거리에 따라 가스 배출홀들에서 유출되는 가스량에 대한 관계를 도시한 도면으로서, 기존에는 노즐(12)에 형성된 가스 배출홀들(a,b,c,d,e)의 직경이 동일하여서, 공급되는 가스량이 대단히 많고, 가스 흐름 속도가 빠른 경우, 가스가 공급되는 장소와 가장 가까운 가스 배출홀(a)에서 배출되는 가스량은 가장적다. 그리고, 가스량이 대단히 적고, 가스 흐름 소도가 느린 경우, 가스가 공급되는 장소와 가장 먼 가스배출홀(e)에서 배출되는 가스량은 가장 많게 된다.
이와 반대로, 공급되는 가스량이 대단히 많고, 가스 흐름 속도가 빠른 경우, 가스홀의 위치에 따른 가스량의 변화는 점점 작아진다.
따라서,가스량을 증가시키고, 속도를 빠르게 하면 유량을 균일하게 조절할 수 있지만, 유속이나 유량에 따른 성장조건이 크게 다르기 때문에 이 방법을 가지고 유량의 균일화를 달성할 수는 없는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, HCl을 공급하기 위한 노즐에 형성된 가스 배출홀들의 직경을 공급되는 가스량과 속도 및 공급관과의 거리에 따라, 다르게 형성함으로서, 사파이어 기판에 질화갈륨층의 성장을 균일하게 할 수 있는 질화갈륨 기판의 제조 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 고온으로 가열되는 챔버와;
상기 챔버의 일측을 관통하여 챔버 내부로 HCl을 공급하는 제 1 공급관과;
상기 챔버의 일측을 관통하여 챔버 내부로 NH3를 공급하는 제 2 공급관과;
상기 제 1 공급관과 제 2 공급관에 각각 연결된 노즐들과;
상기 제 1 공급관의 내부에 안착되어 Ga 분말을 담고있는 보트와;
상기 제 1 공급관에 연결된 노즐의 끝단 하부의 챔버 내측면에 형성되어 질화갈륨층이 성장되는 사파이어 기판을 지지하는 지지부와;
상기 챔버의 타측을 관통하여 챔버 내부의 가스를 배출하는 배출관으로 구성하되,
상기 제 1 공급관에 연결된 노즐에는 사파이어 기판의 상부에서 HCl을 배출하는 복수의 가스 배출홀들이 구비되어 있으며, 상기 복수의 가스 배출홀들은 각각 직경이 다른 것을 특징으로 하는 질화갈륨 박막의 제조 장치가 제공된다.
도 1은 종래의 HVPE 장치의 단면도이다.
도 2는 노즐에 가스 배출홀이 형성된 종래의 HVPE 장치의 단면도이다.
도 3은 도 2의 제 1 공급관의 노즐들에 위치된 가스 배출홀들의 거리에 따라 가스 배출홀들에서 유출되는 가스량에 대한 관계를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 HCl 공급량이 적고, 가스 흐름 속도가 느린 경우 거리에 따라 가스 배출홀들에서 유출되는 HCl 가스량에 대한 관계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 HCl 공급량이 많고, 가스 흐름 속도가 빠른 경우 거리에 따라 가스 배출홀들에서 유출되는 HCl 가스량에 대한 관계를 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 챔버 11 : 제 1 공급관
12,14 : 노즐 13 : 제 2 공급관
15 : 지지부 16 : 보트
18,a,b,c,d,e : 가스배출홀 20 : 사파이어 기판
21 : 배출관
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 노즐(12)에 형성된 가스 배출홀들(a,b,c,d,e)의 직경이 다르게 형성하여, 사파이어 기판에 공급되는 HCl가스량을 동일하게 하는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명에 따라 HCl 공급량이 적고, 가스 흐름 속도가 느린 경우 거리에 따라 가스 배출홀들에서 유출되는 HCl 가스량에 대한 관계를 도시한 도면으로서, 가스공급관에서 노즐(12)로 공급되는 가스량이 대단히 적고, 가스 흐름 속도가 느린 경우, 가스공급관과 가장 가까운 가스 배출홀(a)은 직경을 가장 크게 하고, 가스공급관 가장 먼 가스 배출홀(e)의 직경은 가장 작게 한다.
그러므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 노즐(12)에 형성된 가스배출홀들(a,b,c,d,e)의 직경은 a〈 b〈 c〈 d〈 e로 형성하여, 각 가스 배출홀들(a,b,c,d,e)에서 배출되는 가스량을 동일하게 할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 HCl 공급량이 많고, 가스 흐름 속도가 빠른 경우 거리에 따라 가스 배출홀들에서 유출되는 HCl 가스량에 대한 관계를 도시한 도면으로서, 노즐(12)에 형성된 가스 배출홀들(a,b,c,d,e)의 직경은 a 〉 b 〉 c 〉 d 〉 e로 형성하되, 가스량이 적고 속도가 느린 경우와 비교하여 직경이 줄어드는 정도를 훨씬 작게 하여야 한다.
그러므로, 본 발명은 HVPE 장치에서, HCl을 공급하기 위한 노즐에 형성된 가스 배출홀들의 직경을 노즐에 HCl을 공급하는 가스 공급관과의 거리에 따라, 점점 작게 형성하여, 사파이어 기판에 질화갈륨층의 성장을 균일하게 할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 HCl을 공급하기 위한 노즐에 형성된 가스 배출홀들의 직경을 공급되는 가스량과 속도 및 공급관과의 거리에 따라, 다르게 형성함으로서, 사파이어 기판에 질화갈륨층의 성장을 균일하게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (2)
- 고온으로 가열되는 챔버와;상기 챔버의 일측을 관통하여 챔버 내부로 HCl을 공급하는 제 1 공급관과;상기 챔버의 일측을 관통하여 챔버 내부로 NH3를 공급하는 제 2 공급관과;상기 제 1 공급관과 제 2 공급관에 각각 연결된 노즐들과;상기 제 1 공급관의 내부에 안착되어 Ga 분말을 담고있는 보트와;상기 제 1 공급관에 연결된 노즐의 끝단 하부의 챔버 내측면에 형성되어 질화갈륨층이 성장되는 사파이어 기판을 지지하는 지지부와;상기 챔버의 타측을 관통하여 챔버 내부의 가스를 배출하는 배출관으로 구성하되,상기 제 1 공급관에 연결된 노즐에는 사파이어 기판의 상부에서 HCl을 배출하는 복수의 가스 배출홀들이 구비되어 있으며, 상기 복수의 가스 배출홀들은 각각 직경이 다른 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 가스 배출홀들의 직경은,상기 제 1 공급관과 거리가 가까워짐에 따라 점점 커지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판의 제조 장치.
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