KR0138863B1 - 금속유기물 화학증착에 의한 막의 모니터링 장치 - Google Patents

Abstract

상이한 파장을 갖는 두개의 레이저빔을 성장 중인 막에 동시에 투사하고, 성장중의 막으로부터 반사된 두개의 반사빔들 각각의 간섭패턴주기를 분석하여 막의 두께와 조성을 모니터링한다.

막으로 부터 반사되는 두개의 반사광을 각각 검출하기 위한 광검출기로서, 단파장용 레이저빔의 검출에 적합한 실리콘검출기와 장파장용 레이저빔의 검출에 적합한 저매늄검출기를 이용하여, 동시에 서로 상이한 파장용 두 반사광을 감지하여 실시간으로 막의 두께 및 조성을 측정한다.

Description

금속유기물 화학 증착에 의한 막의 모니터링 장치(APPARATUS FOR MONITORING THE FILM BY MOCVD)

제1도는 본 발명에 따른 막 모니터링 장치의 구성도.

제2도는 샘플에서 반사된 레이저빔의 간섭패턴을 나타낸 도표.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 챔버2 : 샘플

3 : 컴퓨터10, 20 : 레이저빔 발생기

30 : 빔분할기40, 50 : 필터

60∼90 : 광검출기

본 발명은, MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition)에 의해 결정박막을 성장시킬 때, 어떤 요인들에 의해 발생할 수 있는 막의 두께와 조성의 변화를 막 성장공정에서 실시간(real-time)적으로 감지하고 이를 그 공정수행도중에(in-situ) 조정할 수있도록 하는 막의 모니터링 장치에 관한 것이다.

MOCVD에 의해 성장되는 막을 실시간적으로(그 성장공정의 수행중에) 모니터링하는 방법으로는 타원평광법(ellipsometry), 레이저 반사법(laser reflectometry)이 사용되고 있다.

1980년에 F. Hotter. J.Hallais과 F.Simomdet는 기존의 복잡한 타원평광법보다 매우 단순한 구조 및 해석에 의해서 시뮬레이션을 통하지 않고도 실시간적으로 막의 두께 및 조성을 측정할 수 있는 기술을 개시한 바 있다(In-situ monitoring by ellipsometry of metalorganic epitaxy of GaAlAs-GaAs superlattice, 51(3), 1599.).

또, 1991년에, N.C.Frateschi, S.G.Hummel과 P.D.Dapkus는 레이저 빔을 샘플(sample)에 투사하여 반사된 빔의 간섭 패턴주기의 변화를 이용하는 레이저 반사법에 의한 막의 모니터링 기술을 개시한 바 있다(In-situ laser reflectometry applied to the growth of Al_xGa_1-xAs Braff reflectors by metalorganic chemical vapor deposition, Electronic Letter, 27, 155.).

그러나 이 기술에 의하면, 박막이 정상적으로 성장되는 경우에는 박막의 두께를 측정할 수는 있으나, 그것의 조성이 변화되는 경우에는 그 조성의 변화를 모니터링할 수 없어서 막의 성장 중에 일어나는 반사된 레이저 빔의 간섭 패턴 주기의 변화가 막의 성장속도에 의한 것인지 또는 그것의 조성변화에 의한 것인 지가 확인되지 않는다.

본 발명의 목적은 MOCVD에 의한 결정박막의 성장시 그 막의 두께 및 조성변화를 정확하게 모니터링하여 성장도중에 가장 적합한 성장조건을 찾을 수 있도록 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 소정의 제1파장을 갖는 제1레이저빔을 발생하는 제1레이져빔발생수단과; 상기 소정의 제1파장과 상이한 소정의 제2파장을 갖는 제2레이저빔을 발생하는 제2레이저빔발생수단과; 상기 제1레이저빔을 소정의 비율로 분할하는 빔분할수단과; 상기 제1레이저빔발생수단으로 부터의 상기 제1레이저빔을 통과시키고 그리고 상기 제2레이저빔발생수단로 부터의 상기 제2레이저빔을 반사시키되, 상기 제1 및 제2레이저빔들이 MOVCD장치의 챔버내에 위치한 샘플의 표면으로 각각 입사되게 하는 제1필터수단과; 상기 샘플의 상기 표면으로부터 반사되는 상기 제1레이저빔의 반사광을 통과시키고 상기 샘플의 상기 표면으로부터 반사되는 상기 제2레이저빔의 반사광을 반사시키는 제2필터수단; 상기 제2필터수단으로 부터의 상기 제1레이저빔의 상기 반사광을 검출하여 그에 대응되는 전기신호를 출력하는 제1광검출수단과; 상기 제2필터수단으로 부터의 상기 제2레이저빔의 상기 반사광을 검출하여 그에 대응되는 전기신호를 출력하는 제2광검출수단과; 상기 제1 및 제2 각 광검출수단들로 부터의 상기 전기신호들을 받아들여 비교분석하는 연산수단으로 구성된다.

이제부터는 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 대해 상세히 설명하겠다.

MOCVD 성장장치에 놓여진 샘플의 박막에 두개의 다른 파장의 레이저빔들을 박막 표면의 수직방향에 대해 소정의 각도로 각각 입사시킬 때 반막표면의 나오는 빔들의 간섭 패턴들의 주기를 분석하면 박막의 성장속도를 알 수 있다.

구체적으로, 성장되는 박막의 두께가 증가할수록 반사된 빔들의 강도(즉, 빔의 반사율)는 간섭에 의해 변화된다. 이와같이 반사율이 변화되는 각 빔의 간섭패턴들의 주기는 일정한 두께를 의미하는 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 장치의 구성을 나타낸 것이다. 도면에서, 참조번호 1은 샘플(2)이 들어 있는 MOCVD 장치의 챔버(chamber)를 나타내고, 3은 컴퓨터를 나타낸다.

참조번호 10 및 20는 소정 파장의 레이저빔을 각각 발생하는 제1 레이저빔발생기 및 제2레이저빔발생기를 각각 나태내고, 30은 제1레이저빔발생기(10)로부터의 레이저빔을 소정의 비율로 분할하는 빔 분할기(beam splitter), 40 및 50은 제1필터 및 제2필터를 각각 나타낸다.

참조번호 60 내지 90은 제1내지 제4광검출기들을 각각 나타낸다.

바람직한 실시예

제1레이저빔발생기(10)는 0.6328㎛의 파장을 갖는 He-Ne 레이저빔발생기로 구성된다.

제2레이저빔발생기(20)는 1.5304㎛의 파장을 갖는 반도체 레이저 다이오드로 구성된다.

제1 및 제2필터들(40, 50) 각각은 파장 1.5304㎛의 광을 반사하고 나머지 파장의 광들을 통과시키는 필터로 구성된다.

제1 및 제2광검출기들(60, 70) 각각은 제1레이저빔발생기(10)로부터의 단파장의 광을 감지하는 것이 가능한 실리콘검출기(Si detechor)로 구성된다.

제3 및 제4광검출기들(80, 90) 각각은 제2레이저빔발생기(20)로부터의 장파장의 광을 감지하는 것이 가능한 저매늄검출기(Ge detector)로 구성된다.

본 예에서는, 챔버(1) 내에서 GaAs기판 위에 GaAs 박막을 형성하고 그 위에 AlAs 박막을 성장시킨다.

제1도를 참조하여, 제1 및 제2레이저빔발생기들(10, 20)로부터의 두 레이저빔들 각각은 샘플(2)의 표면의 수직방향에 대해 71˚의 각도로 입사된다.

샘플(2)의 표면으로부터 각각 반사되어 나오는, 서로 상이한 파장들을 갖는 두개의 빔들(제1레이저빔발생기로 부터의 빔과 제2레이저빔발생기로부터의 빔) 각각은 제2필터(50)에 의해 정확하게 제2광검출기(70) 및 제4광검출기(90)로 각각 제공된다.

따라서, 제2광검출기(70)는 제1레이저빔발생기(10)로부터의 광을 감지할 수 있으며, 제4광검출기(90)는 제2레이저빔발생기(20)로 부터의 광을 감지할 수 있게 된다.

각 광검출기들로부터의 심호들은 컴퓨터로 입력되어서 비교분석된다.

제2도는 AlAs 박막을 GaAs 기판에 성장하면서 두께가 커짐에 따라 일어나는 간섭효과를 제2광검출기(70)와 제4광검출기(90)를 통해 동시에 감지하여 성장시간에 따른 반사율을 기록한 도표이다. 제2도에서, 두 신호들 중 아래쪽에 도시된, 상대적으로 간섭패턴들의 주기가 작은 신활 제2광검출기(70)에 의해 감지된 제1레이저빔발생기(10)로부터의 0.6328㎛ 레이저빔의 반사신호이고, 그 위쪽에 도시된, 상대적으로 간섭패턴들의 주기가 큰 신호는 제4광검출기(90)에 의해 감지된 제2레이저빔발생기(20)로 부터의 1.5304㎛의 레이저빔의 반사신호이다.

반복적으로 나타나는 간섭패턴들의 주기가 점차 작아지면 막의 성장속도가 증가한 것이고, 반대로 커지면 성장속도는 감소한 것이다.

이때, 각파장에 대한 간섭패턴들의 주기 T₁과 T₂그리고 성장속도 G는 다음의 식(1)과 같은 관계를 가진다.

[수학식 1]

(1)

식(1)에서, n₁, n₂은 성장된 박막재료의 조성에 따라 민감하게 변화하며, 두 레이저빔의 파장 λ₁, λ₂에 따른 매질의 유효굴절율이다. 따라서, 광의 파장에 따른 매질의 유효굴절율의 값을 정확히 계산할 수 있으면 박막의 조성을 알아낼 수 있다.

이 경우에, λ₁과 λ₂는 각각 0.6328과 1.5304㎛이다.

[수학식 2]

n₁(λ₁)=f(n₂, λ₂)(2)

위의 식(2)는 n₁과 n₂가 함수관계를 가짐을 나타낸다.

성장속도에 어떤 요인들에 의해서 성장조건이 바뀌면 성장속도나 조성이 변화하게 되어 간섭패턴의 주기 T₁, T₂각각 T₁+δT₁, T₂+T₂δ의 변화를 일으킨다.

이때, 성장두께의 변화만 발생하는 경우에는 n₁과 n₂의 변화는 없으므로, 식(1)에 의해서, 변화율 δT₁과 δT₂사이에는 선형적인 관계가 성립된다.

그런데, 조성이 변화가 있는 경우에는 n₁과 n₂가 변화가게 되므로 변화율 δT₁과 δT₂사이에는 선형적인 관계가 성립되지 않는다.

따라서, 두개의 파장에 대한 간섭패턴주기의 변화율을 관찰함으로써 앞의 두 식(1), (2)를 통해 두께와 조성의 변화를 감지할 수 있다. 또한, 식(1)에 의해서, n₁값을 알고 있으면, 파장 λ₂에서 매질의 유효굴절율을 쉽게 알 수 있다.

이를 기본으로 상온에서의 파장 λ₂에 대한 매질의 굴절율을 구할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명은 다른 실시간 모니터링(in-situ monitoring) 방법보다 비교적 단순한 구조와 해석방법을 가지며 박막의 성장도중에 실시간(real-time)적으로 박막의 두께와 조성을 확인할 수 있다.

이로써 원하는 구조의 성장 전 단계에서 버퍼성장을 통해 다층박막구조의 성장속도와 조성을 조절하여 필요한 성장조건을 찾을 수 있고, 성장과정에서 일어나는 조성과 두께의 변화를 감지할 수 있다.

또한, 파장 λ₁에서 유효굴절율을 알고 있으면 파장 λ₂에서 매질의 유효굴절율을 쉽게 알 수 있고, 이를 기본으로 상온에서의 파장 λ₂에 대한 매질의 굴절율을 구할 수 있다.

Claims (4)

1. 소정의 제1파장을 갖는 제1레이저빔을 발생하는 제1레이저빔발생수단과;

   상기 소정의 제1파장과 상이한 소정의 제2파장을 갖는 제2레이저빔을 발생하는 제2레이저빔발생수단과;

   상기 제1레이저빔을 소정의 비율로 분할하는 빔분할수단과;

   상기 제1레이저빔발생수단으로 부터의 상기 제1레이저빔을 통과시키고 그리고 상기 제2레이저빔발생수단로부터의 상기 제2레이저빔을 반사시키되, 상기 제1및 제2레이저빔들이 챔버내에 위치한 샘플의 표면으로 각각 입사되게 하는 제1필터수단과;

   상기 샘플의 상기 표면으로 부터 반사되는 상기 제1레이저빔의 반사광을 통과시키고 상기 샘플의 상기 표면으로 부터 반사되는 상기 제2레이저빔의 반사광을 반사시키는 제2필터수단;

   상기 제2필터수단으로부터의 상기 제1레이저빔의 상기 반사광을 검출하여 그에 대응되는 전기신호를 출력하는 제1광검출수단과;

   상기 제2필터수단으로부터의 상기 제2레이저빔의 상기 반사광을 검출하여 그에 대응되는 전기신호를 출력하는 제2광검출수단과;

   상기 제1 및 제2 각 광검출수단들로 부터의 상기 전기신호들을 받아들여 비교분석하는 연산수단을 포함하는 금속유물 화학 증착에 의한 막의 모니터링 장치.
2. 제1항에 있어서

   상기 제1및 제2레이저빔은 챔버내에 위치한 상기 샘플의 상기 표면의 수직방향에 대해 71˚의 각도로 입사되는 금속유기물 화학증착에 의한 막의 모니터링 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1레이저발생수단은 0.6328㎛의 파장을 갖는 He-Ne 레이저발생기이고,

   제2레이저발생수단은 1.5304㎛의 파장을 갖는 반도체 레이저 다이오드인 금속유기물 화학증착에 의한 막의 모니터링 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1광검출수단은 실리콘검출기이고,

   상기 제2광검출수단은 저매늄검출기인 금속유기물 화학증착에 의한 막의 모니터링 장치.