KR20030070432A

KR20030070432A - 갈륨아세나이드 결정성장 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20030070432A
Application number: KR1020020009972A
Authority: KR
Inventors: 오명환; 지봉선
Original assignee: 네오세미테크 주식회사
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2003-08-30

Abstract

본 발명은 발광 소자 및 고주파 신호 처리 반도체 소자의 원재료가 되는 GaAs 결정성장 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 Ga과 As를 연속적으로 충진함으로써, GaAs 결정을 연속 성장시켜 매회 마다 작업후 소제작업과 원료장입을 해야하는 기존방식에 비하여 혁신적인 생산성 제고에 기여할 수 있는 GaAs 결정성장 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래의 LEC 법은 일단 결정성장로에 원재료를 투입하여 화합물을 합성한 후 결정성장을 시키고 나면, 다음 결정성장을 위해서는 뜨겁게 달아오른 결정성장로를 완전히 식힌 다음 분해하여 청소를 완료하고, 다음 공정을 위한 원재료를 투입해야 하므로, 결정성장에 소요되는 시간과 에너지의 소모가 커서 생산성에 한계가 있었다.

본 발명은 GaAs의 LEC 결정성장 공정 진행시 기밀챔버와 결정성장로를 선택적으로 분리하여 결정성장로를 식히지 않은 상태로 원재료를 연속적으로 투입함으로써, GaAs 결정성장 공정을 최대 20회까지 연속 진행시켜 GaAs 결정성장에 소요되는 시간과 비용 면에서 혁신적인 생산성 향상을 기할 수 있는 효과가 있다.

Description

갈륨아세나이드 결정성장 장치 및 방법{Apparatus and Method for Growing GaAs Crystal}

일반적으로, LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법은 GaAs 결정성장에서 주로 적용되는 제조 공정으로, Ga과 As 원재료를 결정성장로 내부의 반응용기(crucible)에 투입하여 불활성 가스 분위기에서 Ga과 As를 합성 및 용융(melting)시킨 다음, 시드(seed)를 반응용기의 GaAs 용융액(melt)의 표면에 접촉시킨후 서서히 응고시키면서 결정을 끌어올리는 방법이다.

As 원소는 강한 휘발성을 갖는 물질로 As 원재료 또는 GaAs 용융액으로부터 As 가스가 휘발되는 경향이 강하므로 이를 막기 위하여 차폐제(encapsulant)를 Ga 및 As와 함께 반응용기에 투입하여 가압함으로써, As가 Ga과 As의 합성공정이나 합성공정후 GaAs 용융액으로부터의 결정 성장 공정 중에 휘발되어 나오지 않도록 한다.

이때, Ga과 As를 합성시킬 때의 결정성장로 내부 압력과 합성 방법의 차이에 따라서 고압 합성 LEC와 저압 합성 LEC로 구분된다.

먼저, 고압 합성 LEC는 Ga과 As를 동시에 결정성장로의 반응용기에 충진한 후, 불활성 가스를 주입하고 60기압 이상의 고압하에서 가열하여 GaAs 고체로 합성을 하는 방법으로, 합성후에는 더욱 가열하여 고체상태에서 액체상태로 녹인후 시드를 용융액 표면에 접촉시켜 시드를 끌어올리면서 결정을 성장시키는 방법이다.

고압 합성 LEC에서는 Ga과 As의 합성이 순간적으로 급격히 진행되므로 휘발성이 강한 As의 손실을 최대한 막기 위하여 차폐제(encapsulant)를 원재료 위에 씌워주고 불활성 가스로 60기압 이상의 고압으로 눌러주는 것이다.

반면, 저압 합성 LEC는 결정성장로의 반응용기에 Ga을 충진하고 불활성 가스를 주입후 가열하여 용융액으로 만든 다음, As 원료가 장착된 As 장입관을 Ga 용융액에 담그면 As 장입관이 가열되면서 As 가스가 휘발되고, 휘발된 As 가스가 Ga 용융액과 반응하여 곧바로 GaAs 용융액으로 합성되는 방법으로, 합성후에는 As 장입관을 GaAs 시드로 교체하고 나서 시드를 용융액 표면에 접촉시킨 후 끌어올리면서 결정을 성장시키는 방법이다.

저압 합성 LEC는 고압 합성 LEC와는 달리 합성되는 과정이 느리게 진행되어 As의 손실이 적으므로 합성공정 동안에 비교적 낮은 압력, 3기압 정도의 압력으로 눌러준다.

전술한 종래의 LEC 법은 고압 합성 LEC법이나 저압 합성 LEC법 모두 합성의 방법과 압력이 다를뿐 일단 원재료를 투입하여 화합물을 합성한 후 결정성장을 시키고 나면, 다음 결정성장을 위해서는 뜨겁게 달아오른 결정성장로를 완전히 식힌 다음 분해하여 청소를 완료하고, 다음 공정을 위한 원재료를 투입해야 하므로, 결정성장에 소요되는 시간과 에너지의 소모가 커서 생산성에 한계가 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, LEC 법에 의한 GaAs 결정성장시 성장된 결정을 결정성장로에서 제거한 후, 결정성장로를 식히지 않은 상태에서 Ga과 As 원재료를 차례로 투입하여 다음 결정성장 공정을 연속 진행시킬 수 있도록 하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 GaAs 결정성장 방법을 설명하기 위한 플로우챠트.

도 2a는 Ga 원료 재충진 준비 상태를 도시한 개략도.

도 2b는 Ga 원료 재충진 상태를 도시한 개략도.

도 2c는 As 원료 재충진 준비 상태를 도시한 개략도.

도 2d는 As 원료 재충진 상태를 도시한 개략도.

도 2e는 GaAs 결정성장 준비 상태를 도시한 개략도.

도 3은 Ga 원료 연속장입 부대물의 개략도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 기밀챔버 11 : 승강로드

12 : 석영봉 13 : Ga 원료

14 : GaAs 시드 15 : 기성장된 GaAs 결정

16 : As 장입관 17 : As 원료

20 : 분리 밸브 30 : 결정성장로

31 : 반응용기 32 : 차폐제

33 : 결정 성장후 잔류하는 GaAs 용융액 34 : Ga 재충진 용융액

35 : GaAs 재충진 용융액 40 : 테프론 몰드

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, Ga과 As 원료를 내부의 불활성 가스 분위기에서 합성 및 용융시키는 결정성장로와; 상기 결정성장로와 연결되어 결정성장로를 식히지 않은 상태에서 연속적으로 Ga이나 As 원료를 장입하게 하는 기밀챔버와; 상기 결정성장로와 기밀챔버 사이에 위치하여 선택적으로 개폐되어 기밀챔버를 결정성장로와 연결 또는 분리시키는 분리 밸브와; 상기 기밀챔버에서 GaAs 시드나 Ga 또는 As 원료가 부착되어, 상기 분리밸브 개방시 기밀챔버와 결정성장로 사이를 이동하면서 GaAs 결정을 성장시키거나 Ga 또는 As 원료를 재충진하는 승강로드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨아세나이드 결정성장 장치를 제공하는데 있다.

여기서, 상기 Ga 원료는, 액체 상태의 Ga 원료가 덩어리 형상으로 냉각되어 상기 승강로드에 부착되는 것을 특징으로 한다.

나아가, 본 발명의 또다른 특징은, GaAs 결정성장 후 결정성장로에 잔류하는 GaAs 용융액에 Ga 원료를 재충진하여 Ga 재충진 용융액을 만드는 과정과; 상기 Ga 재충진 용융액에 As 가스가 휘발되게 하여 GaAs 용융액을 만드는 과정과; 상기 GaAs 용융액 표면에 GaAs 시드를 접촉시켜 GaAs 결정을 성장시키는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨아세나이드 결정성장 방법을 제공하는데 있다.

여기서, 상기 Ga 원료 재충진은, 기밀챔버를 결정성장로와 분리시킨 후, 기밀챔버를 개방시키고 승강로드에 Ga 원료를 부착하는 단계와; 상기 기밀챔버를 불활성 가스 분위기에서 결정성장로와 동일한 가스 분위기 상태로 가압하는 단계와; 상기 기밀챔버를 결정성장로와 연결시킨 후, 상기 승강로드를 결정성장로로 이동시켜 상기 승강로드에 부착된 Ga 원료를 결정성장 후 잔류하는 GaAs 용융액에 녹여 Ga 재충진 용융액을 만드는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 As 원료 재충진은, 상기 승강로드를 기밀챔버로 이동시키는 단계와; 상기 기밀챔버를 결정성장로와 분리시킨 후, 기밀챔버를 개방시키고 승강로드에 As 원료가 장입된 As 장입관을 부착하는 단계와; 상기 기밀챔버를 불활성 가스 분위기에서 결정성장로와 동일한 가스 분위기 상태로 가압하는 단계와; 상기 기밀챔버를 결정성장로와 연결시킨 후, 상기 As 장입관이 부착된 승강로드를 상기 결정성장로로 이동시켜 As 원료가 As 장입관 입구를 통해 Ga 재충진 용융액으로 휘발되게 하여 GaAs 재충진 용융액을 만드는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 GaAs 결정성장은, 상기 As 장입관이 부착된 승강로드를 기밀챔버로 이동시키는 단계와; 상기 기밀챔버를 결정성장로와 분리시킨 후, 기밀챔버를 개방시키고 승강로드에 부착된 As 장입관을 GaAs 시드로 교체하는 단계와; 상기 기밀챔버를 불활성 가스 분위기에서 결정성장로와 동일한 가스 분위기 상태로 가압하는 단계와; 상기 기밀챔버를 결정성장로와 연결시킨 후, 상기 승강로드에 부착된 GaAs 시드를 상기 결정성장로의 GaAs 재충진 용융액 표면에 접촉시켜 GaAs 결정을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GaAs 결정성장 장치 및 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 GaAs 결정성장 장치의 전체적인 구성을 살펴보면, 그 구성은 내부의 반응용기에서 Ga과 As를 불활성 가스 분위기로 합성 및 용융시키는 결정성장로와, 결정성장로의 상부에 위치하여 결정성장로를 식히지 않은 상태에서 연속적으로 Ga이나 As 원료를 투입할 수 있는 기밀챔버(lock chamber), 결정성장로와 기밀챔버를 선택적으로 연결 또는 분리시키는 분리 밸브(isolation valve) 및 GaAs 시드(seed)나 Ga 원료가 장착된 석영봉(quartz stick) 또는 As 원료가 장입된As 장입관(ampoule)을 부착하고, 분리밸브 개방시 기밀챔버와 결정성장로 사이를 이동하면서 GaAs 결정을 성장시키거나 Ga 또는 As 원료를 재충진하는 승강로드(seed lift rod)로 이루어져 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 GaAs 결정성장 장치에서 GaAs 결정성장 방법을 첨부된 도면 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

GaAs 결정을 연속 성장시키기 위해서, 먼저 승강로드에서 기성장된 GaAs 결정을 제거하고, Ga 원료가 장착된 석영봉을 부착하여 Ga 원료 재충진을 준비한 후(스텝 S1), Ga 원료를 재충진한다(스텝 S2).

이 후, 승강로드에서 Ga 원료 재충진에 사용되고 남은 석영봉을 제거하고, As 장입관을 장착하여 As 원료 재충진을 준비한 후(스텝 S3), As 원료를 재충진한다(스텝 S4).

그런다음, 승강로드에서 As 장입관을 제거하고, GaAs 시드를 장착하여 GaAs 결정성장을 준비한 후(스텝 S5), GaAs 결정을 성장시킨다(스텝 S6).

전술한 GaAs의 LEC 연속성장 방법의 각 과정을 첨부된 도면 도 2a 내지 도 3을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

결정성장로에서 GaAs 결정성장이 완료 후, 다음 결정성장을 연속 진행하기 위하여서는 첨부된 도면 도 2a에 도시된 바와 같이 결정성장로(30)에서 기성장된 GaAs 결정(15)을 기밀챔버(10)까지 끌어올린 다음, 분리 밸브(20)로결정성장로(30)와 기밀챔버(10)를 분리시킨 후, 기밀챔버(10)를 개방시키고 승강로드(11)에서 기성장된 GaAs 결정(15)이 붙어있는 시드(14)를 제거하고, Ga 재충진 원료(13)가 장착된 석영봉(12)을 부착한다(스텝 S1).

이때, 분리 밸브(20)로 결정성장로(30)와 기밀챔버(10)를 분리시키는 것은 결정성장후 반응용기(31)에 잔류하는 GaAs 용융액(33)으로부터 As가 휘발되어 나가지 않도록 결정성장로(30)를 불활성 가스로 계속 가압시켜 주기 위한 것으로, 첨부된 도면 도 2c 또는 도 2e와 같이 As를 재충전하기 위하여 석영봉(12)을 As 장입관(16)으로 교체하거나, GaAs 시드(14)를 장착하기 위하여 As 장입관(16)을 GaAs 시드(14)로 교체할 때에도 반드시 분리 밸브(20)로 결정성장로(30)와 기밀챔버(10)를 분리시켜 기밀챔버(10)를 대기상태로 개방시켜도 결정성장로(30)의 불활성 가스 분위기와 가압된 상태를 계속 유지해 주어야 한다.

한편, Ga 원료(13)의 연속장입을 위해서는 첨부된 도면 도 3에 도시된 바와 같이 테프론 재질의 몰드(40)에 액체 Ga을 부은 후에 석영봉(12)을 꽂아 섭씨 0도에서 Ga을 냉각시키면, 석영봉(12)에 Ga이 덩어리로 붙어 있게 되어 Ga 원료(13)가 석영봉(12)을 통해 기밀챔버(10)의 승강로드(11)에 장착되기 쉬운 상태로 만들어 지게 된다.

이때, Ga의 녹는점은 섭씨 29.5도 이므로 Ga을 오븐에서 섭씨 40도로 미리 가열하여 고체에서 액체상태로 만들어 준다.

상기와 같이 Ga 원료(13)의 장입이 끝나면(스텝 S1), Ga 원료(13) 재충진(스텝 S2)이 이루어지는데, 첨부된 도면 도 2b에 도시된 바와 같이 기밀챔버(10)의 상태를 불활성 가스 분위기에서 다시 가압한 후, 기밀챔버(10)와 결정성장로(30)가 동일한 가스 분위기 상태가 되면 분리 밸브(20)를 열고 승강로드(11)를 하강시켜, Ga 원료(13)를 결정 성장후 잔류하는 GaAs 용융액(33)에 녹인다(스텝 S2).

Ga 원료(13)의 재충진이 끝나면(스텝 S2), 다음으로 As 원료 재충진(스텝 S4)을 위하여 첨부된 도면 도 2c에 도시된 바와 같이 Ga 원료(13) 재충진에 사용되고 남은 석영봉(12)을 승강로드(11)를 이용하여 기밀챔버(10)로 올린 다음, 분리 밸브(20)를 닫는다. 그 후, 기밀챔버(10)를 개방시키고 승강로드(11)에서 석영봉(12)을 제거하고 As 원료(17)가 장입되어 있는 As 장입관(16)을 부착시킨다(스텝 S3).

As 장입관(16)의 부착이 끝나면, 첨부된 도면 도 2d에 도시된 바와 같이 기밀챔버(10)와 결정성장로(30)가 동일한 가스 분위기와 압력이 맞춰진 상태에서 분리 밸브(20)를 개방(open)한 후, 승강로드(11)를 하강시켜 As 장입관(16) 입구가 Ga 재충진 용융액(34) 속에 들어가도록 한다.

이때, As 장입관(16)이 가열되면서 As 가스가 휘발되어 As 장입관(16) 입구를 통해 Ga 재충진 용융액(34)과 만나면 GaAs 합성이 일어나게 된다(스텝 S4).

한편, As 장입관(16)은 석영으로 만들어진 장입관에 As 원료(17)가 장입되어 있고, As 원료(17)가 승강로드(11)에 부착될 때 밑으로 유출되지 않도록 댐퍼(damper)(도면에 도시되지 않음)가 As 장입관(16)의 입구를 막고 있으며, GaAs 합성 공정 진행중 As 장입관(16)의 압력이 떨어지지 않도록 체크 밸브(check valve)(도면에 도시되지 않음)가 As 장입관(16) 내부에 설치되어 있다.

여기서, 댐퍼(damper)는 As 원료(17)가 밑으로 유출되지 않게 하는 역할을 함과 동시에, 중앙에는 작은 구멍이 있어서 As 가스가 그 구멍을 통과하여 GaAs 합성 공정이 이루어지도록 되어 있다.

또한, As 장입관(16)의 체크 밸브는, GaAs 합성 공정 진행중에 As 장입관(16) 내부의 As 가스가 급격히 빠져나가게 되면 As 장입관(16)의 압력이 급격히 떨어지게 되고, 결국 반응용기(31)에 있는 Ga 재충진 용융액(34)을 빨아들이게 되므로, 이것을 방지하기 위하여 As 장입관(16) 외부에서 내부로 불활성 가스가 들어와서 As 장입관(16)의 압력이 떨어지는 것을 막아준다.

여기서, As 장입관(16)의 체크 밸브를 통해 불활성 가스가 As 장입관(16) 외부에서 내부로는 들어 올 수는 있어도 As 장입관(16) 내부의 As 가스가 외부로 나갈 수 없도록 되어 있어서 체크 밸브를 통한 As 손실은 없다.

상기 스텝 S4에서 As 장입관(16)의 입구를 Ga 재충진 용융액(34)에 담근 후 GaAs 합성이 완전히 끝나면, 결정성장로(30)의 반응용기(31)에는 다시 GaAs 용융액이 재충진된 상태가 되며, 이 GaAs 재충진 용융액(35)에서 다시 GaAs 결정을 성장시킨다.

GaAs 재충진 용융액(35)에서 다시 GaAs 결정을 성장시키기 위해서는 첨부된 도면 도 2e에 도시된 바와 같이, 승강로드(11)에서 As 장입관(16)을 제거하고 GaAs 시드(14)를 다시 장착한다(스텝 S5).

이때, As 장입관(16)을 장착할때와 마찬가지로 승강로드(11)를 기밀챔버(10)로 올인 후, 분리 밸브(20)를 닫아 결정성장로(30)는 불활성 가스로 가압된 상태가유지되도록 한다. 그 후, 기밀챔버(10)의 압력을 해제하여 개방시키고 승강로드(11)에서 As 장입관(16)을 제거한 다음 GaAs 시드(14)를 부착시킨다.

승강로드(11)에 GaAs 시드(14) 부착이 완료되면(스텝 S5), 다시 기밀챔버(10)를 결정성장로(30)와 동일한 가스 분위기와 압력으로 만들어 준 후, 분리 밸브(20)를 개방하고 승강로드(11)를 통해 GaAs 시드(14)를 GaAs 재충진 용융액(35) 표면 위에 접촉시키고 나서, 서서히 GaAs 시드(14)를 끌어올리면서 결정성장을 실시한다(스텝 S6).

또한, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 GaAs의 LEC 결정성장 공정 진행시 기밀챔버와 결정성장로를 선택적으로 분리하여 결정성장로를 식히지 않은 상태로 원재료를 연속적으로 투입함으로써, GaAs 결정성장 공정을 최대 20회까지 연속 진행시켜 GaAs 결정성장에 소요되는 시간과 비용 면에서 혁신적인 생산성 향상을 기할 수 있는 효과가 있다.

Claims

Ga과 As 원료를 내부의 불활성 가스 분위기에서 합성 및 용융시키는 결정성장로와;

상기 결정성장로와 연결되어 결정성장로를 식히지 않은 상태에서 연속적으로 Ga이나 As 원료를 장입하게 하는 기밀챔버와;

상기 결정성장로와 기밀챔버 사이에 위치하여 선택적으로 개폐되어 기밀챔버를 결정성장로와 연결 또는 분리시키는 분리 밸브와;

상기 기밀챔버에서 GaAs 시드나 Ga 또는 As 원료가 부착되어, 상기 분리밸브 개방시 기밀챔버와 결정성장로 사이를 이동하면서 GaAs 결정을 성장시키거나 Ga 또는 As 원료를 재충진하는 승강로드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨아세나이드 결정성장 장치.
제 1항에 있어서,

상기 Ga 원료는, 액체 상태의 Ga 원료가 덩어리 형상으로 냉각되어 상기 승강로드에 부착되는 것을 특징으로 하는 갈륨아세나이드 결정성장 장치.
GaAs 결정성장 후 결정성장로에 잔류하는 GaAs 용융액에 Ga 원료를 재충진하여 Ga 재충진 용융액을 만드는 과정과;

상기 Ga 재충진 용융액에 As 가스가 휘발되게 하여 GaAs 용융액을 만드는 과정과;

상기 GaAs 용융액 표면에 GaAs 시드를 접촉시켜 GaAs 결정을 성장시키는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨아세나이드 결정성장 방법.
제 3항에 있어서,

상기 Ga 원료 재충진은, 기밀챔버를 결정성장로와 분리시킨 후, 기밀챔버를 개방시키고 승강로드에 Ga 원료를 부착하는 단계와;

상기 기밀챔버를 불활성 가스 분위기에서 결정성장로와 동일한 가스 분위기 상태로 가압하는 단계와;

상기 기밀챔버를 결정성장로와 연결시킨 후, 상기 승강로드를 결정성장로로 이동시켜 상기 승강로드에 부착된 Ga 원료를 결정성장 후 잔류하는 GaAs 용융액에 녹여 Ga 재충진 용융액을 만드는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨아세나이드 결정성장 방법.
제 3항에 있어서,

상기 As 원료 재충진은, 상기 승강로드를 기밀챔버로 이동시키는 단계와;

상기 기밀챔버를 결정성장로와 분리시킨 후, 기밀챔버를 개방시키고 승강로드에 As 원료가 장입된 As 장입관을 부착하는 단계와;

상기 기밀챔버를 불활성 가스 분위기에서 결정성장로와 동일한 가스 분위기 상태로 가압하는 단계와;

상기 기밀챔버를 결정성장로와 연결시킨 후, 상기 As 장입관이 부착된 승강로드를 상기 결정성장로로 이동시켜 As 원료가 As 장입관 입구를 통해 Ga 재충진 용융액으로 휘발되게 하여 GaAs 재충진 용융액을 만드는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨아세나이드 결정성장 방법.
제 3항에 있어서,

상기 GaAs 결정성장은, 상기 As 장입관이 부착된 승강로드를 기밀챔버로 이동시키는 단계와;

상기 기밀챔버를 결정성장로와 분리시킨 후, 기밀챔버를 개방시키고 승강로드에 부착된 As 장입관을 GaAs 시드로 교체하는 단계와;

상기 기밀챔버를 불활성 가스 분위기에서 결정성장로와 동일한 가스 분위기 상태로 가압하는 단계와;

상기 기밀챔버를 결정성장로와 연결시킨 후, 상기 승강로드에 부착된 GaAs 시드를 상기 결정성장로의 GaAs 재충진 용융액 표면에 접촉시켜 GaAs 결정을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨아세나이드 결정성장방법.