KR20020059353A - 질화 알루미늄 성장용 에피택셜 성장법 및 이를 위한 성장챔버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질소 및 알루미늄 증기의 혼합물로부터 단결정의 질화 알루미늄을 성장시키기 위한 에피택셜 성장법에 관한 것으로, 이 방법은 기판(4)과 알루미늄 소스(5)를 성장 챔버(3) 내부에서 서로 대향하게 배치하는 단계와, 상기 기판을 단결정 질화 알루미늄의 성장을 보장하는 온도로 가열하는 단계와, 그 온도를 유지하는 단계를 포함한다. 성장 챔버(3) 내측에서 질소 및 알루미늄 증기의 압력은 유지되고, 상기 압력은 소스 물질(5)의 증발에 의하여 형성된 알루미늄 증기 및 질소의 화학량론적 혼합물에 의하여 폐쇄된 공간 내에 발생되는 압력과 동일한 하부 임계치를 기껏해야 400 밀리바 초과한다. 본 발명은 성장 챔버(3)에도 관한 것으로, 상기 챔버 내면의 소스 및 알루미늄 증기와 접촉하는 물질은 탄탈 내의 탄탈 카바이드의 고용체이다.

Description

질화 알루미늄 성장용 에피택셜 성장법 및 이를 위한 성장 챔버{EPITAXIAL GROWING METHOD FOR GROWING ALUMINUM NITRIDE AND GROWING CHAMBER THEREFOR}

알루미늄의 유기금속 화합물과 암모니아의 화학 반응의 결과로서 기판 상에 형성되는 질화 알루미늄의 증착을 기초로 하는 질화 알루미늄 단결정의 성장법은 해당 분야에 공지되어 있다. 이러한 기술 군의 한 가지 장점은 단결정이 비교적 저온, 즉 약 1000 ℃에서 성장된다는 것이지만, 성장 속도가 너무 느려서 산업적인 규모로 대량의 결정을 성장시킬 수는 없다.

탄화규소와 같은 이성분 화합물의 단결정 성장을 위하여 채용되었지만, Al-N 단결정의 성장에 적용될 수 있을 정도로 충분히 진보되지는 않은 다른 군의 방법은 소스 물질로서 작용하는 다결정 질화 알루미늄의 증발에 의해 얻어지는 알루미늄 증기 및 질소를 기판에 재결합하는 것을 기초로 하는 승화 기술을 포함한다. 질화 알루미늄의 잘 알려진 특징은, 이론적으로만 알려져 있는 그것의 융해점이 성분으로 분해 시의 온도보다 상당히 높다는 사실이다. 그러므로, 소스 물질을 기판으로 운반하는 데에는 질소 및 알루미늄 증기를 형성하는 것을 포함하며, 뒤이어 이들은 기판에서 재결합된다. 단결정 성장에 한 가지 필요한 조건은 기판과 보다 고온의 소스 물질 사이의 온도차이다. 소스를 가열하는 데에는 전도성 물질로 제조된 벽을 갖추고 있는 극초단파 소스의 도가니형 유도 가열기 또는 통상의 저항 전기 가열기가 사용된다.

승화 기술을 이용하여 대형 및 대량의 질화 알루미늄 단결정을 성장시킬 때에 해결해야할 주요 문제는, 약 2000 ℃의 온도에서도 성장 속도가 작다는 것과, 그러한 온도에서 알루미늄 증기에 의해 도가니 소재에 발생되는 높은 부식 작용이다. 이 목적을 위하여, 텅스텐, 그래파이트 및 SiC 코팅된 그래파이트와 같은 소재가 사용되는 것으로 알려져 있다.

제안된 발명에 가장 근접한 것은 1997년의 소재 연구 학회(Materials Research Society)의 토론회 회보 449권에서 발카스 씨 엠(Balkas, C. M) 등의 논문 "승화에 의한 대량의 AlN 및 GaN 단결정의 성장(Growth of bulk AlN and GaN single crystal by sublimation)"에 기재된 승화 기술이다. 이 논문은 저항 가열기를 갖춘 그래파이트 챔버 내에서 AlN 단결정을 성장시키는 실험을 설명하고 있다. 기판은 소스 표면과 동축으로 그 소스 표면으로부터 1 내지 40 ㎜의 범위만큼 거리를 두고 배치되었다. 실험은 도가니 물질로서 순수 그래파이트의 부적합성을 설명하였다. 사실, 도가니는 알루미늄 카바이드(Al₄C₃) 형성을 초래하는 알루미늄 증기와 그래파이트의 반응의 결과로 파괴되었다. 결정은 SiC 코팅된 그래파이트도가니를 이용하여 성장되었는데, 이 도가니는 2000 ℃ 근처의 온도에서 단일의 공정을 10 내지 15시간 동안 오래 수행할 수 있게 하였다. 이 기간은 코팅을 통한 알루미늄의 확산 및 이것의 그래파이트와의 반응의 결과로 SiC 코팅을 파괴하기에 충분히 길었다. 일정한 증발 속도를 제공하도록, 소스 물질로서 작용했던 다결정 질화 알루미늄의 분말 콤팩트 및 탄화규소가 기판의 씨 결정(seed crystal)으로서 사용되었다. 성장 공정은 1950 내지 2250 ℃에 이르는 온도에서 500 토르(약 670 밀리바)의 고정 압력으로 챔버에 질소를 불어 넣어 진행되었다.

외부에서 공급되는 질소의 이러한 압력으로 인하여, 소스 질화 알루미늄의 증발로부터 발생되는 조성과 비교하여 매우 과잉량의 기상 질소가 발생된다. 2250 ℃의 온도에서의 실험 중에 발생된 질화 알루미늄의 증기 압력은 계산에 의하여 200 밀리바만큼 낮은 것으로 표시된다.

전술한 논문에서는 질화 알루미늄이 "온화한 온도에서 극도로 높은 평형 질소 증기 압력(an extremely high equilibrium nitrogen vapor pressure at moderate temperatures)"을 특징으로 하는 것으로 설명되어 있다.

증발되어 복수의 원소로 분해되는 이성분 화합물의 한 원소에 관련한 "높은" 평형 증기 압력에 대하여 말하면, 열 평형 상태에 있는 폐쇄 시스템 내의 상기 화합물의 원소들의 평형 부분 증기 압력 사이의 비교를 의미하는 것임은 당업자에게 명백하다. 질화 알루미늄과 관련하여 위에 인용한 설명은 질화 알루미늄 증기 내의 질소 원자의 농도가 알루미늄 원자의 농도를 훨씬 초과하는 것을 의미한다. 이것은, 알루미늄 원자가 기상으로부터 액상으로 변경되어 질소와의 재결합이 방지되도록 폐쇄 시스템 내의 평형 증기 압력이 설정되는 경우에만 가능하다. 이들 실험에서 발생된 높은 바탕(background) 질소 압력은, 단결정이 성장함에 따라 성장 표면과 챔버 벽 모두에 액상 알루미늄(방울)이 형성되는 위험을 회피하여 알루미늄의 손실 및 결정 구조 내에 있을 수 있는 결함을 방지하고자 하는 분명한 요구에 의한 것이다.

그러나, N-Al 증기 혼합물 내에 상당한 과잉의 질소가 있는 경우에, 소스 물질을 기판으로 운반하는 느린 확산 기구가 작동하는데, 운반 속도가 단결정 성장 속도를 제한한다.

전술한 실험에서, 2250 ℃의 온도에서의 성장 공정은 도가니 코팅의 SiC가 급속하게 증발됨으로써 방해된다. 1950 내지 2050 ℃의 온도 범위 내에서 시간당 30 내지 50 mkm의 속도로 15시간의 성장 사이클이 진행되었다. 소스 온도가 2150 ℃이고, 기판과 소스의 간격이 4㎜이고, 기판 온도가 소스 온도보다 70 ℃이상 낮은 수준으로 유지된 상태에서, 짧은 성장 기간 동안 시간당 0.5 ㎜의 추정 성장 속도를 얻었다.

기판과 소스 사이에 상당한 온도 차이를 유지해야 하는 필요성은 간격이 작은 경우에 특정한 기술적 문제이며, 이는 정교한 설계와 불합리하게 높은 전력 소비에 의해 해결될 수 있는데, 이는 소스로부터의 열 복사에 의해 가열되는 기판을 강제 냉각하기 위하여 특정한 방법을 취해야 하기 때문이다. 게다가, 증가된 작동 소스의 온도와 그에 관련된 기판의 온도가 질화 알루미늄 단결정의 성장 속도를 증가시키기는 하지만, 보다 많은 에너지 소비는 별개로 하더라도, 그러한 상승된 온도하에서 작동하는 장치의 부품들의 수명이 급격히 짧아진다.

본 발명은 전자 산업용 단결정 반도체 물질의 제조에 관한 것으로, 구체적으로 말하면 고온에서 작동될 수 있는 반도체 소자용 절연 기판 및 탄성 표면파 소자(SAW-based device)의 제조에 적합한 물질로서 매우 유망한 질화 알루미늄의 기상 에피택셜 성장에 관한 것이다.

도 1은 질화 알루미늄 단결정 성장 장치를 개략적으로 도시하고 있고,

도 2는 폐쇄된 용적 내의 화학량론적인 N-Al 증기 혼합물의 압력을 2개의 상이한 알루미늄 소스 물질에 대하여 온도의 함수로서 표시하고 있고,

도 3은 질화 알루미늄이 Al 소스 물질로서 사용되는 때에 3개의 상이한 온도에 대하여 N-Al 증기 혼합물의 압력과 질화 알루미늄 단결정 성장 속도 사이의 관계를 보여주는 곡선의 군을 나타내고 있다.

본 발명의 목적은, 소스의 작업 온도, 기판과 소스 사이의 간격 및 온도 구배와 같은 공정 파라리터에 대한 완만한 요구하에서 높은 단결정 성장 속도를 달성할 수 있게 하는 동시에, 궁극적으로 성장 방법의 산업상 이용 가능성을 보장하도록 사용 시에 장치의 부품을 교체할 필요 없이 대량의 단결정을 반복적으로 성장시킬 수 있는 단결정의 질화 알루미늄 성장 방법 및 성장 장치를 제공하는 것이다.

이 목적은 질소 및 알루미늄 증기의 혼합물로부터 질화 알루미늄 단결정을 성장시키는 에피택셜 성장법에 의하여 달성되는데, 이 방법은 기판과 알루미늄 소스를 서로 대향하게 성장 챔버 내에 배치하는 단계와, 소스 및 기판의 온도를 상승시켜 유지하는 단계와, 상기 혼합물 내의 알루미늄 증기를 형성하고 기판 상에서 질화 알루미늄 단결정을 성장시키는 단계를 포함하며, 본 발명에 따르면 성장 챔버 내의 질소 및 알루미늄 증기의 혼합물의 압력은 소스의 온도에 이르기까지 가열되는 질화 알루미늄의 증발에 의하여 형성되는 알루미늄 증기 및 질소의 혼합물에 의하여, 사전에 배기된 폐쇄 용적 내에 발생되는 압력과 동일한 하한치로부터 400 밀리바의 범위 내에서 유지된다.

본 발명에 따르면, 질화 알루미늄 단결정의 성장은 400 밀리바 내의 약간 과도한 압력(minor excessive pressure)으로, 즉 조성에 있어서 질소 원자가 알루미늄 원자에 비하여 약간 과잉인 상태로 수행된다. 혼합물 내의 알루미늄 증기의 형성은 알루미늄 소스를 가열함으로써 제공된다.

혼합물 내에 상당한 과잉의 질소가 있으면, 단결정 성장 속도는 소스로부터 기재로의 알루미늄 원자의 확산 전달 속도에 의하여 제한된다. 정량적인 조성이 질소 및 알루미늄 원자의 농도의 화학량론적 비율에 근접하는 값으로, 질화 알루미늄의 경우에는 그들의 동일한 농도에 상응하는 값으로 혼합물 내의 질소 과잉이 감소되면, 질화 알루미늄의 단결정 성장 속도는 몇배 이상으로 증가된다.

성장 속도의 증가는 알루미늄 원자 전달 기구에서의 정성적인 변경으로부터 야기된다. 질소 및 알루미늄 원자 농도의 화학량론 비율이 접근함에 따라, 보다 차가운 기판을 향한 소스 증기의 구성 원자의 직접적인 이동인 대류 전달 과정은 확산 전달 기구보다 우세하기 시작하며, N-Al 증기 혼합물의 경우에, 대류 전달 현상은 명백해지며, 소스 재료가 기판으로 전달되는 속도의 현저한 증가를 동반한다는 것을 알았다. 이로 인하여, 주로 전달 속도에 의해 제한되는 보다 높은 단결정 성장 속도가 야기된다.

성장 작업 온도에서, 질소는 N₂분자로서 기상으로 존재하며, 화학량론적 혼합물 내의 질소 및 알루미늄 증기의 부분 압력비는 1 내지 2이다. 결과적으로, 특정 압력 범위의 하한은 폐쇄 공간 내에서의 소스 재료의 증발로부터 발생되는 알루미늄 증기의 부분 압력의 1.5배이다.

챔버 내의 N-Al 증기 혼합물의 압력은 혼합물 내의 질소 및 알루미늄 원자의 화학량론적 비율에 상응하게 특정 범위의 하한에 근사하게 유지되는 것이 바람직하며, 여기서 질화 알루미늄의 단결정 성장 속도는 최대이다.

본 발명의 한 실시예는, 질화 알루미늄이 Al 소스 물질로서 이용되고, 성장챔버가 가열 전에 배출 및 밀봉되고, 질화 알루미늄 단결정이 소스 물질의 증발에 의해 챔버 내에 발생되는 N-Al 증기 혼합물의 특정 압력 범위의 보다 낮은 값에서 성장되도록 하는 것이다.

증발과, 뒤이은 소스 질화 알루미늄 증기의 재결합은 액상 알루미늄의 형성을 방지하는 것을 알았다. 소스 질화 알루미늄이 밀봉식으로 폐쇄된 챔버 내에서 증발됨에 따라, 화학량론적인 N-Al 증기 혼합물이 생성되는데, 즉 단결정 성장 공정은 특정 압력 범위의 보다 낮은 값과 동일한 혼합물 압력으로 진행되며, 이는 최대의 성장 속도를 제공하는 대류 전달 기구를 포함한다.

다른 실시예에서, 본 발명의 목적은 Al 소스 물질로서 질화 알루미늄을 이용하고, 질소 분위기의 외부와 연통하게 성장 챔버를 배치함으로써 달성되며, 질소의 압력은 성장 챔버 내측의 특정 압력 범위 내에서 유지된다.

질화 알루미늄이 밀봉되지 않은 성장 챔버 내에서 소스 물질로서 사용되는 경우에, 상기 외부에 질소의 특정 바탕 압력을 제공함으로써 성장 챔버 내측에서 혼합물의 특정한 정량적인 조성을 유지하면, 단결정 성장 속도는 밀봉된 성장 챔버의 사용을 통하여 달성되는 값과 근사하게 될 수 있다. 이 경우에, 반복되는 성장 사이클과 관련하여, 성장 챔버를 밀봉하지 않고도 수행할 수 있는 보다 저렴하고 보다 실용적인 실시예가 이용된다.

추가의 실시예는, 금속 알루미늄이 Al 소스 물질로서 이용되며, 주위와 연통하는 성장 챔버가 성장 챔버 내측의 특정 압력 범위 내에서 유지되는 질소 압력을 갖는 질소 분위기에 배치되는 것이다. 이 경우에, 질소는 성장 챔버의 외부로부터혼합물로 도입된다.

금속 알루미늄을 함유하는 소스는 2400 ℃ 이하의 온도 범위 내에서 소스 재료로서 질화 알루미늄을 함유하는 소스보다 큰 단결정 성장 속도를 제공한다. 알루미늄 소스의 온도를 2000 내지 2500 ℃의 범위 내에서 유지하는 것이 바람직하다. 높은 성장 속도는 2000 ℃ 이상의 온도에서 본 발명의 방법에 의하여 제공되지만, 2500 ℃ 이상의 온도에서 성장 공정을 수행하는 것은 다소 어렵다.

또한, 본 발명의 목적은, 알루미늄 소스와 기판을 둘러싸고, 기판 상에서 질화 알루미늄 단결정의 성장을 제공하는 데 필요한 소스 및 기판의 온도를 상승시켜 유지하게 되어 있으며, N-Al 증기 혼합물로부터 질화 알루미늄 단결정을 성장시키는 에피택셜 성장용 성장 챔버에 있어서, 소스 및 알루미늄 증기에 접촉하는 성장 챔버 표면의 물질을 탄탈 내의 탄탈 카바이드의 고용체로 함으로써 달성된다.

탄소 합금의 탄탈(Ta)이 알루미늄 용융물과 적어도 2500 ℃에 이르는 온도의 용융물의 증기에 반발하는 저항성이 있는 물질이라는 것을 알았다. 성장 챔버의 내면용으로 채용된 이러한 물질은 금속 알루미늄이 소스로서 작용하더라도 챔버의 반복된 사용을 허용한다.

질화 알루미늄 단결정은 도 1에 도시된 장치를 이용하여 성장한다. 이 장치는 석영과 같은 물질로 이루어진 케이스(1)를 포함하며, 이 케이스는 두 단부벽에 의하여 폐쇄된 실린더로 형성된 성장 챔버(3)가 장착되는 공동(2)을 갖추고 있다. 성장 챔버(3)의 단부벽 중 하나에 기판(4)이 배치되며, 이는 제거 가능한 커버의 수형(tom)을 취할 수 있다. 단결정의 질화 알루미늄 또는 질화 알루미늄과 유사한 결정 구조를 갖는 탄화규소가 기판(4)의 물질로서 작용한다. 기판(4)의 반대측에서 성장 챔버(3) 내에 Al 소스(5)가 배치된다. 유도 가열기(6)는 전도성 그래파이트로 구성되는 원통형의 유도 전류 수용기(7)와 극초단파 코일의 개별적으로 전압이 가해지는 섹션(8, 9)을 포함한다.

수용기(7)는, 예컨대 재료로서 다공질의 그래파이트를 이용하는 단열재(10)에 의하여 둘러싸인다. 이러한 구조의 성장 챔버는 가열기의 섹션(9)에 의하여 Al 소스(5)가 적어도 2500 ℃의 온도로 가열될 수 있게 한다. 개별적인 섹션(8)에 의하여 기판(4)을 가열함으로써, 소스(5)와 기판(4) 사이에 특정한 양의 온도 구배가 제공될 수 있다.

성장 용기의 기계적 구조는 성장될 것으로 기대하는 단결정의 크기에 의존한다. 보다 두꺼운, 즉 수십 ㎜에 이르는 두께의 단결정을 성장시키기 위하여, 유도 가열기는 성장 챔버를 따라 변위되게 제조될 수 있어서, 단결정의 성장 표면이 위치를 변경함에 따라 결과적인 온도장이 이동되어 일정한 성장 상태를 유지할 수 있다. 유도 가열기는, 성장 챔버의 구조가 소스(5)와 기판(4) 사이에 원하는 온도 구배를 제공하는 경우에 개별적인 섹션(8, 9)을 포함하지 않을 수도 있다. 유도 가열기 대신에 저항 가열기가 사용될 수도 있으며, 그 작동 요소는 알루미늄 소스의 영역을 에워싼다.

단결정의 성장 속도를 증가시키기 위하여, 소스(5)와 기판(4) 사이의 온도 구배는 수십 도에서 유지되고, 소스(5)와 기판(4)의 간격은 가능한한 작게 설정되는 것이 바람직하다. 이들은 2개의 상충적인 요구 조건인데, 그 이유는 소스와 기판 사이의 거리가 작으면, 소스(5)로부터 기판(4)으로의 복사열 때문에 실질적인 온도 구배를 제공하기가 어렵기 때문이다. 이러한 상충 조건은 기판을 냉각하는 데에 특별한 방법을 취하는 경우에 해소될 수 있지만, 이 방법은 비생산적인 에너지 손실을 야기한다. 이러한 방법을 취하는 대신에, 절충안으로서 소스와 기판의 간격을 바람직하게는 3 내지 10 ㎜ 내에서 선택하고 온도 구배를 10 내지 30 ℃ 내에서 선택하는 것이 가능하다.

성장 챔버(3)의 벽은 탄탈로 제조되며, 벽의 내면은 탄소로 합금화된다. 탄소 합금화는 다음과 같이 수행된다. 성장 챔버(3)를 그래파이트 분말로 충전하고, 2200 내지 2500 ℃에 이르는 온도로 천천히 가열한다. 온도를 1 내지 3시간 동안 일정한 비율로 증가시키고, 뒤이어 성장 챔버(3)를 1 내지 3시간의 다른 주기 동안 최대 온도에 머무르게 한다. 이러한 처리의 결과, 성장 챔버 벽의 내면의 물질은 표면으로부터의 깊이가 가변적인 탄탈 내의 탄탈 카바이드의 고용체가 된다. 결과적인 내화 물질은 적어도 2500 ℃에 이르는 온도에서 알루미늄과 반응하지 않으며, 이로 인하여 그러한 성장 챔버 내에서 그것의 부품을 교체 또는 보수할 필요 없이 반복된 질화 알루미늄 단결정 성장 사이클을 수행할 수 있다는 것을 알았다. 전술한 방식으로 처리된 성장 챔버(3)의 내벽은 본질적으로 알루미늄을 흡수하지 않고, Al 소스 물질로서 금속 알루미늄을 사용을 허용한다는 것이 중요하다.

밀봉된 성장 챔버 내에서 질화 알루미늄이 증기 성장되는 단결정의 실시예에서, 공정은 다음과 같이 진행된다. 가열 전에, 공동(2)으로부터 분위기 가스를 제거하도록, 성장 챔버(3)가 개방된 상태에서 순수 질소를 송풍시킨다. 뒤이어, 질소를 공동(2)으로부터 배출시키고, 성장 챔버(3)를 소위 진공 용접에 의하여 밀봉한다. 성장 챔버(3)를 공동(2) 내측에 배치하기 전에 성장 챔버를 비우고 밀봉할 수도 있다. 성장 챔버(3)를 비우는 것은 잔류의 질소 압력값이 화학량론적 혼합물의 압력으로부터의 특정 편차 범위에 비해 낮은 값에 도달할 때까지 수행된다. 실용적으로는, 수 밀리바의 잔류 질소 압력이 매우 만족스럽다.

이에 뒤이어, 다결정 질화 알루미늄 분말로부터 프레스 성형되는 조개탄(briquette) 형태의 소스(5)와 기판(4)을 결정이 더욱 성장하는 작업 온도에 이르기까지 가열기(6)에 의하여 가열한다. 질화 알루미늄의 성장에 가장 적합한 작업 온도는 2000 내지 2500 ℃의 범위 내에 있다.

소스(5)가 가열됨에 따라, 비워진 후에 남겨진 질소에 의해 가해지는 성장 챔버(3) 내의 초기 압력은 소스(5) 물질의 증발과 함께 증가한다. 소스 질화 알루미늄은 화학량론적 법칙 하에 증발되는데, 즉 질화 알루미늄 분자가 열적으로 분해되어 양 원소가 기상으로 변경된다. 액상 알루미늄은 형성되지 않는다. 초기의 소량의 초기 질소는 별도로 하고, 성장 챔버(3) 내의 질소 및 알루미늄 원자의 농도는 동일한데, 즉 단위 용적당 N 및 Al의 원자 수가 동일하게 존재한다.

그에 따라, 밀봉된 성장 챔버 내에서 성장하는 질화 알루미늄의 단결정은 본 발명의 청구범위에 의해 정해지는 N-Al 증기 혼합물의 압력 범위의 낮은 값에서 수행되며, 이는 혼합물 내의 N 및 Al 원자 농도의 화학량론적 비율에 상응한다.

N-Al 증기 혼합물의 화학량론적 조성에서, 소스(5)로부터 기판(4)으로의 대류 물질 전달이 발생하는데, 이는 알루미늄 원자와 질소 분자가 소스(5)로부터 기판(4)으로 직접적으로 이동하는 것을 나타내므로, 확산 전달보다 훨씬 고속이다.

확산 전달의 경우에, 단결정의 성장 속도는 소스(5)로부터 기판(4)으로의 물질 전달의 속도에 의하여 제한되며, 성장 속도를 증가시키기 위해 작을 필요가 있는 그들 사이의 간격에 반비례한다. N 및 Al 원자 농도의 정확한 화학량론적 비율 상태하에서 발생하는 순수 대류 전달의 경우에, 성장 속도가 높아질수록, 소스 물질의 증발 속도에 의해 결정되는 화학량론적 혼합물의 압력은 더욱 증가한다. 증발 속도는 본질적으로 소스(5)와 기판(4)의 간격과는 독립적이다. 결과적으로, 적어도 기판(4)의 측방향 치수를 넘지 않는 범위 내에서 소스와 기판 간격의 어떠한 변동도 성장 속도에 영향을 끼치지 않는다. 이로 인하여, 소스(5)와 기판(4) 사이의 온도차가 큰 상태로 작업할 수 있으며, 이러한 온도차의 증가는 소스 물질(5)의 증발 속도를 보다 고속으로 되게 하고, 결과적으로 단결정의 성장 속도를 더욱 증가시킨다.

밀봉식으로 폐쇄된 성장 챔버(3)에서, 소스 자신의 질화 알루미늄 증기는 N 및 Al 원자 농도의 화학량론적 비율을 갖는 혼합물을 형성한다. 이 경우에, 혼합물 내의 과잉 질소의 존재를 제외하고는 동일한 조건에서 달성되는 것과 비교해서, 최대의 단결정 성장 속도가 제공된다.

수치 기법에 의하여 얻어지며, 소스 온도의 함수인, 밀봉된 성장 챔버(3) 내의 질화 알루미늄의 증기 압력은 도 2에 곡선 A로 표시되어 있다. 예컨대, 곡선 A에 따르면, 약 100 mabr의 예상 증기 압력은 2200 ℃의 온도에 상응한다.

질화 알루미늄 단결정을 성장시키는 연속적인 사이클을 수행하기에 보다 적합한 방법은 밀봉되지 않은 성장 챔버(3)를 갖추어 성장된 단결정을 용이하게 빼낼 수 있는 실시예이다.

Al 소스(5)로서 다결정의 질화 알루미늄이 사용되는 경우에, 단결정은 후술하는 바와 같이 성장한다.

가열 전에, 소스(5), 기판(4) 및 성장 챔버(3)는 선행 실시예와 동일한 방식으로 준비된다.

단결정이 밀봉되지 않은 성장 챔버(3)에서 성장하는 경우, 성장 챔버로부터 소스 증기가 누설되는 것을 방지한다. 이 목적을 달성하기 위하여, 조인트 내의 갭 또는 특별하게 마련된 덕트(도시 생략)를 통하여 성장 챔버(3)와 연통하는 공동(2)에는, 폐쇄된 용적 내에서 소스(5)의 질화 알루미늄 증기에 의해 가해지는 압력 이하가 아닌 평형을 이룬 질소 압력이 발생된다. 질소 압력은 성장 챔버(3)로부터 멀리 있는 공동(2)의 냉각 섹션에서 그 측정치를 취함으로써 표시된다. 1내지 2000 밀리바에 이르며 본 방법에 연관되는 압력은 열전지식, 멤브레인식 계기 등과 같은 상이한 원리를 기초로 하는 다양한 종류의 계기로 측정되는데, 예컨대 레이볼드 인피콘(LEYBOLD INFICON Inc)에서 시판하는 멤브레인식의 화합물 압력 및 진공 게이지인 MEMTRANOVAC DM-12를 포함한다.

공동(2) 내의 질소 압력을 선택하는 것은 소스(5)와 기판(4) 사이의 온도 구배와 소스(5)의 작업 온도가 보통인 상태로 질화 알루미늄 단결정의 성장 속도를 높이는 중요 인자다. 최대의 성장 속도를 제공하기 위하여, 정상 상태의 작업 온도 조건하의 공동(2) 내의 질소 압력은 밀봉된 성장 용기(3)와 같은 폐쇄된 용적 내의 질화 알루미늄 증기에 의해 발생된 압력과 동일해야 하며, 질소와 알루미늄 원자 농도의 화학량론적 비율을 갖는다.

소스(5)의 특정 작업 온도에서 최대의 단결정 성장 속도에 상응하는 공동(2) 내의 압력은 도 2의 곡선 A로부터 판독할 수 있는데, 이 도면은 온도(섭씨)의 함수로서의 압력(밀리바)을 보여주고 있다. 곡선 A는, 소스(5) 물질로서 질화 알루미늄을 선택한 때에 소스 물질의 증발로부터 발생되는 알루미늄 증기와 질소의 화학량론적 혼합물에 의하여 폐쇄된 용적 내에 발생되는 압력의 예상치를 표시한다.

가열 전에, 공동(2) 내에, 결과적으로 공동과 연통하는 성장 챔버(3) 내에 (예컨대, 수 mbar 정도의) 질소의 최소 초기 압력이 설정된다. 소스(5)가 가열됨에 따라, 공동(2) 내의 질소 압력은 소스 증기의 압력에 있어서의 예상된 상승에 따라 상승되며, 현재의 압력 증분은 도 2의 곡선 A로부터 계산된다. 가열 중의 각각의 특정 순간에, 공동(2) 내의 압력은 공동(2) 내에서 조정되는 초기 압력의 값만큼성장 챔버(3) 내의 추정 질화 알루미늄 증기 압력을 초과한다. 보통의 성장 작업 조건에 이르는 전술한 절차는, 알루미늄 증기가 성장 챔버(3)의 내부 공동을 넘어 가는 일이 발생하는 경우에 그 단계에서 알루미늄 증기의 손실을 방지하고, 장치의 보호되지 않은 부재와 있을 수 있는 접촉을 방지하기에 최적이다. 이는, 예컨대 통상의 작업 조건에 상응하는 질소 압력이 가열의 개시 전에 공동(2) 내에 발생되는 경우인데, 이 경우에 질소는 가열 전에 공동(2)으로부터 성장 챔버(3)로 공급된다. 가열 공정 중에, 질화 알루미늄 증기의 형성 결과로서, 성장 챔버(3) 내의 압력은 외부 압력을 초과하게 되고, N-Al 증기 혼합물의 일부는 챔버로부터 공동(2)으로 이동된다. 이 경우, 성장 챔버(3) 내측에서 유지되는 과잉 질소는 단결정 성장을 느리게 한다.

도 3은 3개의 상이한 온도에 상응하는 곡선의 군을 나타내며, 성장 챔버(3) 내의 N-Al 증기 혼합물의 전체 압력과 동일한, 공동(2) 내의 질소 압력(mbar)의 함수인 단결정 성장 속도(㎜/hr)를 보여주고 있다. 곡선은, 질화 알루미늄으로 제조된 소스(5)와 기판(4) 사이의 온도 구배가 70 ℃이고, 소스와 기판 사이의 간격이 4 ㎜인 것에 상응한다. 이들 곡선으로부터, 단결정 성장 속도의 실질적인 감소를 야기하지 않는 질소 및 알루미늄 원자 농도의 화학량론적 비율로부터의 편차 범위를 알 수 있으며, 특히 공동(2) 내의 초기 질소 압력의 값을 선택할 수 있다.

제1의 성장 사이클 중에, 특정 성장 챔버(3) 내에서, 소스(5)가 가열됨에 따라 공동(2) 내의 질소 압력의 증가 속도는 도 2의 곡선 A로부터 추정되는 것보다 클 수 있으며, 이에 따른 성장 속도의 감소로 혼합물 내에 많은 과잉 질소가 있는통상의 성장 조건에 도달하게 한다. 압력의 증가 속도와, 그에 따른 공동(2) 내의 질소 압력의 최종값에는, 시험 성장 결과에 따라서, 계산과 온도 측정시의 오차를 보정하는 교정 방법이 수행될 수 있다.

뒤이어, 금속 알루미늄을 소스 물질로서 이용하여, 질화 알루미늄 단결정은 선행의 실시예와 유사하게 공동(2)과 연통하는 성장 챔버(3) 내에서 성장한다. 이 실시예의 특유의 특징은 소스 물질에 질소가 없다는 것이다. 성장 챔버(3) 내의 N-Al 증기 혼합물의 형성은 공동(2)으로부터의 질소 공급에 의하여 가능하게 된다.

소스(5)가 가열됨에 따라 공동(2) 내의 질소 압력의 변경은 도 2의 곡선 B에 예시된 관계를 따른다. 곡선 B는 소스 물질의 증발로부터 발생되는 알루미늄 증기와 질소의 화학량론적 혼합물에 의하여 폐쇄된 용적 내에 가해지는 압력을 나타내며, 이 경우 금속 알루미늄이 소스 물질(5)로서 선택된다.

금속 알루미늄에 상응하는 곡선 B는, 소스(5)의 보통 온도에서, 질화 알루미늄에 상응하는 곡선 A보다 성장 챔버(3) 내의 질소 및 알루미늄 증기의 화학량론적 혼합물의 전체 압력이 높은 것을 보여주고 있다. 질화 알루미늄 단결정의 성장 속도가 화학량론적인 N-Al 증기 혼합물의 압력 증가에 따라 상승하므로, 소스(5) 물질로서 금속 알루미늄을 이용하면, 소스(5)의 작업 온도 범위의 낮은 부분, 즉 2400 ℃ 이하에서 보다 높은 성장 속도를 제공하며, 이것은 실용적인 목적을 위하여 바람직한 범위이다. 소스 물질로서 금속 알루미늄을 이용하면, 공동(2) 내에 일정한 압력을 유지하는 데 필요한 질소의 소비에 의하여 성장 중에 단결정의 성장 속도를 측정할 수 있다. 이로 인하여, 결정이 성장할 때에 적절한 공정 파라미터를 바로 선택할 수 있다.

제안된 발명은 전술한 실시예로 절대 한정되지 않으며, 본 발명의 범위 내에서 구체화되고 청구범위에 의해 정해지는 방법의 변형예가 당업자에게 명백하다.

Claims (7)

1. 질소 및 알루미늄 증기의 혼합물로부터 질화 알루미늄 단결정을 성장시키는 에피택셜 성장법으로서, 기판(4)과 알루미늄 소스(5)를 서로 대향하게 성장 챔버(3) 내에 배치하는 단계와, 소스(5) 및 기판(4)의 작업 온도를 상승시켜 유지하는 단계와, 상기 혼합물 내의 알루미늄 증기의 형성과 기판(4) 상의 질화 알루미늄 단결정의 성장을 각각 제공하는 단계를 포함하는 에피택셜 성장법에 있어서,

   성장 챔버(3) 내의 질소 및 알루미늄 증기의 혼합물의 압력은 소스의 온도에 이르기까지 가열된 질화 알루미늄의 증발에 의하여 형성된 알루미늄 증기 및 질소의 혼합물에 의하여, 사전에 배기된 폐쇄 용적 내에 발생되는 압력과 동일한 하한치로부터 400 밀리바의 범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장법.
2. 제1항에 있어서, 성장 챔버(3) 내의 질소 및 알루미늄 증기의 혼합물의 압력은 특정 범위의 하한치에 근접하게 유지되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장법.
3. 제1항에 있어서, 질화 알루미늄이 알루미늄의 소스(5) 물질로서 이용되고, 성장 챔버(3)는 가열 전에 배기되고 밀봉되며, 질화 알루미늄 단결정은 소스 물질의 증발의 결과로서 성장 챔버(3) 내에 발생된 알루미늄 증기 및 질소의 혼합물의 특정 압력 범위의 하한치에서 성장하는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장법.
4. 제1항에 있어서, 질화 알루미늄이 알루미늄의 소스(5) 물질로서 이용되고, 주위와 연통하는 성장 챔버(3)는 압력이 특정 압력 범위 내에서 유지되는 질소의 분위기에 배치되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장법.
5. 제1항에 있어서, 금속 알루미늄이 알루미늄의 소스(5) 물질로서 작용하고, 주위와 연통하는 성장 챔버(3)는 압력이 특정 압력 범위 내에서 유지되는 질소의 분위기에 배치되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장법.
6. 제1항에 있어서, 알루미늄 소스의 온도는 2000 내지 2500 ℃의 범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 에피택셜 성장법.
7. 알루미늄 소스(5)와 기판(4)을 둘러싸고, 기판(4) 상에 질화 알루미늄 단결정을 성장시키도록 소스(5) 및 기판(4)의 온도를 상승시켜 유지하게 되어 있으며, 질소 및 알루미늄 증기의 혼합물로부터 단결정 질화 알루미늄을 성장시키기 위한 성장 챔버(3)에 있어서,

   소스 및 알루미늄 증기와 접촉하는 성장 챔버 표면의 물질은 탄탈 내의 탄탈 카바이드의 고용체인 것을 특징으로 하는 성장 챔버.