기상 에피택시(VPE)
LPE법의 특징인 저온, 고순도 결정성장의 이점은 기상(vapor phase)으로부터의 결정화를 통해서도 가능하다.
결정층은 반도체 재료의 화학증기(chemical vapor) 또는 반도체 재료를 함유하는 기체 혼합물로부터도 기판 위에 성장시킬 수 있는데 이러한 기술을 기상 에피택시라 한다.
VPE법은 전자 소자나 광전자 소자의 제조에 있어 반도체 박막 결정을 형성시키는 매우 중요한 공정기술이다.
특히 GaAs를 포함하는 일부 화합물 반도체는 다른 방법보다는 VPE법을 사용하여 보다 순수하고 결정구조가 완전하게 성장시킬 수 있다.
VPE법은 또한 실제 소자의 제작에 있어 그 유용성이 매우 큰데, 예를 들어 VPE법은 원하는 불순물(dopant) 농도를 갖는 에피층을 연속적으로 여러 층 성장시킬 수 있어 비교적 간단하게 서로 다른 불순물 농도를 갖는 다중 기능층(functional layer)들을 기판 위에 형성시킬 수 있고, 따라서 확산에 의해 이러한 층들을 구성하는 경우에 발생하는 불순물간의 상호 침투현상을 최소화 할 수 있는 것이다.
VPE법은 기체 혼합물을 원료로 사용하는 경우, 그 생성물이 단결정이라는 점 말고는 CVD법과 동일하다고 할 수 있다.
따라서 앞 절에서 살펴 본 CVD 반응기구들이 VPE법에서도 그대로 적용되며 반응기의 모델링과 해석도 같은 방법론으로 행해진다.
VPE법은 또한 CVD법의 경우와 마찬가지로 그 사용 기체와 반응 온도의 특성에 따라 가역 할라이드 환원반응 계와 비가역 열분해반응 계로 구분되는데
우선 가역 할라이드 환원반응 계를 사용한 Si 박막 결정 성장을 한 예로 들어보면, 4염화 실리콘(silicon tetrachloride)의 증기를 수소기체와 반응시켜 단결정 Si와 무수(anhydrous) HCl을 생성시키는 방법이 있다.
즉, 이와 같은 반응이 가열된 결정의 표면 위에서 진행되면 이 반응에 의하여 방출된 Si 원자가 에피층으로서 침착될 수 있는 것이다.
HCl은 이 반응 온도에서는 기체상태로 머물러 있게 되어 결정성장을 방해하지 않는다.
한편 화합물 반도체(예: GaAs) 에피택시에 있어서의 가역 할라이드 환원반응 계는 그 V족 원료로 염소화합물(예: AsCl3)이 사용되는 경우와 수소화합물
(예: AsH3)이 사용되는 경우로 구분되는데, 그 V족 원료의 종류에 따라 각각을 chloride VPE(CVPE)와 hydride VPE(HVPE)라고 한다.
VPE 공정은 원료 공급실, 반응기, 기판 공급실 및 폐가스 처리장치 등으로 구성되어 있는 반응장치에서 진행된다.
가역 할라이드 환원반응 계를 사용하는 실리콘 VPE 공정의 경우, 수소기체는 SiCl4가 증발되어 있는 가열 용기(bubbler)를 통과하면서 SiCl4+H2의 혼합 기체로 바뀌며, 이어서 이 혼합기체는 원하는 불순물(dopant)을 포함하고 있는 다른 기체들과 섞여 반응기 내의 기판 결정 위로 도입된다.
이때 Si 웨이퍼는 흑연으로 만들어진 받침그릇(susceptor) 위에 설치되며, 반응기(주로 석영) 외벽은 저항 가열기에 의해 전기적으로 가열된다.
이것이 전형적인 고온 벽 VPE 공정으로서 동시에 여러 장의 Si 웨이퍼 위에 정밀하게 불순물 농도가 조절된 에피층을 성장시키는데 있어 채택되고 있는 기술이다. VPE법에 사용되는 반응기의 구조도 CVD 반응기와 매우 유사하여 Fig. 6에 있는 여러 가지 반응기 형태들을 가질 수 있는데 단, Fig. 6(e)와 같은 형태의 반응기는 잘 사용되지 않는다.
식에 나타난 SiCl4의 수소 환원반응의 온도는 약 1250 oC이다.
그러나 이런 고온 반응은 앞 절에서도 설명하였듯이 불필요한 불순물 확산을 일으켜 소자 성능에 영향을 미칠 수도 있다.
따라서 비교적 저온 공정이 필요하게 되고 이에는 비가역 열분해반응 계가 적합하다.
예를 들어 아래의 실란(silane; SiH4) 열분해(pyrolysis)반응은 약 1000 oC에서 일어난다.
즉, SiH4(g) → Si(s) + 2H2(g) 이 반응계는 앞 절에서 살펴본 몇 가지 이점을 가지고 있으며, 이에는 낮은 반응 온도로 인해 기판에서 성장 중인 에피층으로의 불순물 이동이 비교적 적다는 사실도 포함된다.
단, 결정성장 속도는 일반적으로 가역 할라이드 환원반응 계에 비해 떨어진다.
비가역 열분해반응 계 중 주로 화합물 반도체의 결정성장에 사용되는 반응계는
유기금속 화합물을 전구체로 사용하는 반응계인데, 이러한 반응계를 사용하는 증착기술을 유기금속 VPE(metal-organic 또는 organometallic VPE; MOVPE 또는 OMVPE)법이라고 한다.
예를 들어 3메틸 갈륨(trimethyl gallium)과 AsH3이 반응하여 GaAs와 CH4를 만드는 반응계가 그것이다.
(CH3)3Ga(g) + AsH3(g) → GaAs(s) + 3CH4(g) 이 반응은 약 700 oC에서 일어나며 양질의 GaAs 에피층을 성장시킬 수 있다.
여러 가지 다른 화합물 반도체들도 OMVPE법으로 성장시킬 수 있는데, 예를 들어 3메틸 알루미늄(trimethyl aluminum)을 위 반응의 혼합 기체에 첨가하면 AlGaAs를 성장시킬 수 있다.
이와 같은 성장법은 태양전지(solar cell)와 레이저 다이오드(LD)를 비롯한 여러 가지 전자 광학 소자들을 만드는데 많이 쓰이고 있다.
또한 OMVPE법은 혼합 기체를 공정 중에 매우 손쉽게 바꿀 수 있어(기체 교환장치를 사용하여) 다중 박막층을 성장시키는데도 유용한 기술이다.
OMVPE 공정은 주로 저온 벽 반응기에서 진행되는데, 그 이유는 OMVPE 전구체들이 비교적 낮은 온도에서 열분해 하므로 고온 벽 반응기를 사용하는 경우 과도한 균일 기상반응으로 인해 기상에서 고체 입자들을 형성할 수 있고, 고체 입자의 기상에서의 생성이 박막결정의 2차원적 성장을 방해하여 결정의 질을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.
저온 벽 반응기는 이러한 균일 기상반응을 억제하는데 있어 매우 효과적이다.
단, 저온 벽 반응기의 내부에는 반응기 내부의 온도차에 의해 극심한 온도 구배가 형성되며, 이러한 온도 구배에 의해 자연대류(natural convection)와 강제대류(forced convection)가 혼재하는 복잡한 유체흐름이 존재할 수 있다.
CVD 공정과 마찬가지로 VPE 공정에서도 반응기 내부의 유체유동이 성장되는 결정의 특성에 지대한 영향을 미칠 수 있으므로 이러한 유체유동은 적절히 조절되어야 한다.
(출처) 네이버 블로그 [출처] 기상 에피택시(VPE)|작성자 제이벡 Jvac