KR900001982B1 - 신속한 액상 에피택시 결정 성장방법 - Google Patents

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Description

신속한 액상 에피택시 결정 성장방법

제1도는 GaAs 함유하는 갈리움 용액의 포화곡선을 보이는 도면.

제2도는 기판과 용액간의 성장계면에 인접한 용질농도의 변화를 보이는 도면.

제3도는 층성장속도와 용액유동속도 사이의 관계를 보이는 도면.

제4도는 포화온도 이하로 용액의 과냉각의 함수로서 핵성형속도의 변화를 도시하는 도면.

제5도는 층성장용 장치의 단면을 보이는 개략도.

제6a도는 층성장용의 또다른 장치를 보이는 투시도.

제6b도는 제6도 6A-6A를 따라 절단한 부분의 단면도.

제6c도는 제6b도의 6B-6B선의 단면도.

제6d도는 제6b도의 6C-6C선의 단면도.

본 발명은 협소한 챈넬내에 설치된 기판(Substrate)를 횡단하여 유선형으로 유동하는 액체로부터, 액상에피택시(Liquid Phase Epitaxy)(이하 LPE라 칭함) 결정을 신속하게 성장시키는 것에 관한 것이다. 이러한 방법은, 예컨대, 전자회로나 태양전지의 제조에 사용되는 반도체의 결정성 에피택시층을 성장시킴에 사용될 수 있다.

용액을 사용해서 성장시킨 에피택시층의 결정의 질은 어떤 경우에는, 증기상 에피택시나 분자빔(molecular beam)에피택시와 같은 다른 기술로 제조된 것에 비하여 탁월하다. 뿐만아니라 LPE장치는 비교적 간단하다. 그러함에도 불구하고, 이와같은 LPE법은 생산성이 낮기 때문에 별로 사용되지 못해왔다. 따라서 LPE법에 있어서, 고성장속도가 최대관심사 였으나, 이렇게 고속성장을 시키게 되면 구조적인 과냉각에의한 결정의 품질저하 또는 용액내의 자유 대류(對流) 경향에 기인하여 표면평활도의 상실이 뒤따르게 된다. 고속성장은, 사용되는 장치의 생산성 있다는 이유에서 뿐만아니라, 이와같은 고속도 성장조건하에서는 복잡한 용액들의 성분들의 분배계수가 1에 접근하기 때문에 균질한 조성의 층을 생장시킬 수 있기 때문에, 매우 큰관심의 대상이된다.

본 발명의 목적은 용액으로부터, 에피택시층을 신속하게 생장시키기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또다른 목적은 용액을 사용해서 균질한 조성을 갖는 에피택시층을 신속히 생장시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 원리 및 이에 사용된 장치를 간단히 설명해보면, 협소한 챈넬을 통해서 유선형으로 흐르는 용액내에 기판을 집어넣는다. 챈넬로 들어오는 용액의 온도는 T₁이며 이는 포화온도 T_S보다 높다. 기판의 온도 T₂를, 유동하는 용액과 접촉하는 기판의 표면의 반대쪽 표면을 지나 흐르는 냉각제로 T_S이하로 유지시킨다. 이러한 조건하에서 기판과 접촉하는 용액은 과포화되고 기판위에 층의 생장이 계속된다.

본 발명의 목적을 위하여, 상술한 협소한 챈넬은 폭이 넓은 단면적을 갖도록하여 기판과 이 기판에 직교되는 협소한 간격을 수용토록 하였으며, 이러한 협소한 크기의 간격은 유동통로서의 기판 전방의 챈넬길이와 결합하여 기판 주위에서 이동되는 용액내에 유선형의 흐름을 야기시킨다.

한가지 특정의 예를 들어보면, 일변이 1㎝인 정방형 표면을 가진 750℃의 GaAs기판을 GaAs를 함유하는 갈리움 용액의 흐름에 노출시킨다. 용액은 800℃의 온도 및 포화온도 780℃의 온도로 챈넬로 들어온다. 챈넬은 1.2 ㎝×1㎜의 구형 단면을 가졌으며, 기판 전방으로 2.5㎝의 길이를 갖는다. 기판위의 GaAs는 매분당 약 10마이크로 ㎝의 속도로 성장한다.

본 발명의 기타의 목적, 이익등은 다음 기재된 본 발명의 설명으로부터 명백할 것이다.

제1도에는, 갈리움 용액내의 갈리움 아세나이드의 포화곡선을 도시한다. 여기에 도시한 용액 온도 상승에 따른 용질의 증가는 이러한 포화곡선의 전형적인 것이다.

제1도의 예를보면, 사실상 과포화의 조건 아래에서, 용액의 적은 용량이 필요한 용질을 공급하여 기판 1㎠상에 얇은 에피택시층을 성장시킬수 있음을 보인다.

제2도에는 결정질 기판과 용액 사이의 성장계면에 인접한 대역에서 용질 농도의 변화가 도시되어 있다. 제2도에는 용질의 농도가, 이 용액의 용적에 상응하는 특징을 갖는 어떤값에 도달할때까지 계면으로부터의 거리에 따라 증가함을 도시하고 있다.

용질의 농도가 증가함에 따라서, 포화온도의 값도 역시 증가한다. 만일에 성장 계면에서의 온도구배가 충분히 크면, 계면에서 멀리 떨어진 곳에서는 핵생성이 않될 것이다. 즉, 구조적인 과냉각은 회피할 수 있을 것이다.

제3도에는, 용액 유동속도의 함수로서의 층성장속도의 변화가 도시되어 있다. 용액 유동속도에 따른 층성장속도의 증가는 어떤 한계값에 도달할때까지 계속이된다. 이러한 한계값은 열전달상의 한계 또는 계면 운동과정에 의하여 정하여진다.

제4도에는, 포화온도이하로의 용액의 과냉각의 함수로써 핵생성속도의 전형적인 변화를 보이는 곡선인바, 점성이 큰 용액의 경우, 극대로부터의 강하가 크게 된다. 금속성용액, 예컨대, 주석(Tin) 또는 갈리움 용액은 전형적으로 낮은 점성을 갖는바, 따라서 이러한 금속용액의 경우 극대로부터 강하가 완만하게 된다.

제1도의 설명에서 이미 언급한 바와같이, 사실상 과포화의 조건하에서, 적은 부피의 용액은 용질이 기판 1㎠위에 얇은 에피택시층을 형성함에 필요한 용질을 공급할 수 있다.

고로 기판을 횡단해서 흐르는 사실상 과포화된 용액에 대하여 균일한 온도조건이 기판을 횡단해서 존재하는 동안은, 즉, 자유대류의 흐름이 억제되는 동안은, 용질농도가 근소히 변화하더라도 그 자체만으로는 층의 성장의 속도에 중요한 변화를 야기시키지는 못할 것이다. 만일 기판을 횡단해서 흐르는 유선형의 흐름이 있는 경우에는, 그러한 자유대류의 흐름(free convective current)는 억제될 것이다.

용액이 기판을 횡단해서 유선형으로 흐르는 경우에는, 용액의 수력학적 정지(靜止)층 기판표면에 인접해서 존재하게 될 것이며, 또 용액과 기판사이에서 사실상 열교환이 진행되고 있다면, 뚜렷한 온도강하가 상기 정지층에 생기게 될 것이다. 제2도에 보인 바와같이, 상기한 수력학적 정지층과 용질확산 경계층간에는 일정한 관계가 존재한다. 용액의 유동속도가 증가하면, 수력학적층 및 용질확산층의 두께가 감소한다. 또, 전자를 가로질러서 관찰할때 온도 강하가 생기면, 후자에도 온도구배가 초래된다. 유동속도가 충분하면, 구조적인 과냉이 회피가능하며 또 층성장의 신속화를 위한 여건이 창출된다.

기판을 횡단하는 용액의 유동은 또한, 용액내의 조건의 변화때문에, 용액자체내에서 핵생성할 수도 있는 어떠한 물질로 기판 대역에서 제거시키는 잇점을 갖게한다.

챈넬내에 유선형의 흐름을 이룩하기 위해서는, 챈넬벽에 가해진 마찰열이 용액내부로 전파되도록 하여야한다. 이와같은 유선형 유동은 기판을 횡단해서 유동하는 용액을 통해서 완전히 전파되도록 함이 긴요한 것은 아니나, 기판으로의 용질 확산 경계층과 열전달에 영향을 미치는 용액이 기판위에서 유선형으로 흐르도록 함은 대단히 바람직하다. 기판 전방의 챈넬의 길이는 충분히 길게하여 챈넬의 벽에 의하여 가해진 마찰력이 유동하는 용액내에 충분히 전파되어 필요한 유선형의 유동을 일으킬 수 있도록 하여야 한다. 만일에 협소한 챈넬이 사용되는 경우에는, 즉, 챈넬의 단면의 폭의 크기가 기판을 수용할 수 있을만큼 넓고, 또 기판 주위와 이를 횡단하는 용액의 흐름의 대부분이 유선형의 흐름이 되도록 보장할만큼 충분히 낮은 값을 갖는 크기가 작은 단면을 갖도록 한다면, 이러한 마찰력이 침투해야할 깊이를 최소화 할 수 있다. 일반적으로 말해서, 용액유동에 대한 레이놀드 번호의 값 및 소요의 챈넬크기는 격류의 개시에 필요한 경우보다 훨씬 적으며, 따라서 유익하다. 왜냐하면, 격류는 성장된 층의 품질을 저하시키기 때문이다.

제5도에는 에픽택샬층의 성장에 사용되는 기구를 개략적으로 도시하였다. 랭크(21)로부터 가스(19)가 웰(#)(13)내의 용액(25)상방으로 공간(23)으로 들어온다. 수소는 흔히 이러한 목적에 사용키에 만족스러운 가스이며, 고순도의 것을 구할 수 있다.

챈넬(15)을 통하여 이동후, 용액(11)이 웰(29)로 들어오고 용액(27)과 합류되면서 공간(31)내에 가스압력을 증가시키는 경향이 있다. 공간(31)내의 가스압력은, 공간(31)을 떠나는 가스가 밸브(33)을 통하여 장치로부터 배기되면서, 감소된다.

어느정도 사용된후, 생산능력을 유지하기 위하여, 챈넬(15)내에 용액(11)의 유동방향을 역으로 함이 바람직하다. 이를 수행하기 위하여, 밸브(33) 및 (41)이 제2의 위치에 설치되며, 공간(31)은 밸브(33) 및 공간(23)을 통하여 공간(31)에 연결되었으며, 공간(23)은 밸브(41)을 경유하여, 장치(9)로부터 배기된다.

기판(17)은 스라이다(35)에 의하여 지지되며, 제5도 평면에 수직방향으로 이동한다. 기판(17)은 스라이다(35)의 도관(39)를 순환하는 유체(37)에 의하여 냉각된다. 수소 가스가 흔히 유체(27)로 사용하기에 만족한 재료이다. 기판(17)의 온도 T₂는 챈넬(15)로 들어오는 용액의 포화온도 T_S보다 훨씬 아래로 냉각된다. 바람직하기로는, 용액(25)와 (27)의 온도 T₁은 T_S보다 충분히 크기때문에 웰(#)(13) 및 (29)내에서의 용액의 원하지않는 핵생성을 피할 수 있다.

챈넬(15)은 기판을 횡단하여 유선형 유동을 발생시키기에 충분하도록 기판전방으로 길이가 긴 폭이 좁은 챈넬이다.

폭이 좁은 챈넬의 경우, 상술한 길이는 챈넬단면중 크기가 적은 부분의 보통 10 내지 50배의 길이를 갖도록 한다. 금속용액의 경우 챈넬은 흔히 흑연으로 제조하나, 기타 대부분의 용액에 대하여는 산화알루미니움 및 석영이 적당하다.

용액(25) 및 (27)의 온도가 포화온도이상이면, 용액(25) 및 (27)은, 층의 성장이 시작되기전에, 유체(37)을 사용하여 냉각함이 없이 유동용액(11)에 기판(17)을 노출시킴으로서 기판(17)을 용융시킴에 사용할 수도 있다. 이와 같은 초기 재용융(initial meltback), 표면오염 또는 손상된 재료를 제거함에 의하여 제품의 품질을 양호하게 하는 경향이 있다.

기판위에 소망되는 두께를 가진층이 성장되면 스라이다를 사용해서 기판이 용액과 접촉되지 않도록 제거한다. 동시에 기판을 이 장치로 닦아내어 부착된 용액이 있으면 이를 제거하고 층성장을 종료시킨다.

장치(9)는 그 자체내의 열원으로 가열할 수 있으며, 또 노내에 넣고 가열할 수도 있다. 제5도에 도시는 하지 않았으나, 어떠한 재래식 열원 또는 노(爐)도 사용할 수 있다.

제5도에는 뱃치(batch)작업이 기술되어 있으나, 만일에 기판의 모사익(mosaic)을 사용하거나 또는 시이트형 재료를 기판으로 사용할때는 연속작업도 가능하다.

제6a, 6b, 6c 및 6d도에 도시된 장치(45)는 그의 작동에 필요한 열을 공급하기 위하여 노내의 관내에 놓을 수 있다. 노의 관은 상술한 도면에 도시하지는 않았으나, 어떤 종류의 재래식 관이나 노도 사용할 수 있다.

제6b도에, 웰(65) 및 (67)은 벽(63)에 의하여 분리된다. 가스가 웰(65)로 들어가면, 가스압력이 증가되어서 챈넬(47)로 흘러들어가서 입고(49)를 경유하여 유입되어 웰(67)내에서 용액과 합류한다. 가스는 가스입구(57)을 경유 웰(65)로 들어가며 가스는 출구(59)를 경유(67)로 배기된다. 챈넬(47)를 흐르는 용액은 기판(51)을 가로질러 흘러내려간다.

챈넬(47)은 입구(49)와 출구 단부(69)사이에 단부(斷部)를 가지며, 출구(53)와 입구단부(71)의 사이에 단부를 가지는바, 여기서 기판(51)은 챈넬(47)을 흐르는 용액과는 접촉되지 않는다. 제5도에 관해서 설명한 바와같이, 챈넬(47)내의 흐름은 생산능력을 유지하기 위하여 가역성을 갖는다.

스라이다(55)가 제6b도에서 우측으로부터 좌측으로 전진함에따라, 기판(51)은 전진하여 챈넬(47)을 통하여 흐르는 용액과 접촉하며, 스라이다(55)가 재차 전진할 때 이러한 접촉으로부터 제거되고 상술한 장치로 닦아낸다. 기판(51)은 스라이다 입구(61)에 있는 스라이다(55)로 들어와서 스라이다 출구(77)을 경유 스라이다(55)을 떠나는 유체(55)로 냉각된다.

제6b도 및 제6c도에는 홈(73)이 도시되어 있다. 이 홈(73)은 챈넬(47)은 출구단부(69)와 입구단부(51)간을 제외하고는, 챈넬(47)의 하부와 맞물려 있으며, 유체(75)는 스라이다(55)의 도관(56)을 통하여 흐른다. 기판(51)의 주위에서 도관(56)은 유체(75)에의한 기판의 열전도 및 냉각을 최대로 하기 위해서 유체(75)와 기판(51)간의 큰 접촉 면적을 제공 하도록 노출된다.

제6a도에는, 장치(45)의 투시도가 도시되어 있는바, 스라이다(55) 및 장치(45)의 잔류부의 나머지 부분의 기하학적 관계가 제6b도, 제6c도, 제6d도에 도시되어 있다. 전체적인 모양은 원통형인바, 이와같은 모양을 가지고 있으므로 관형의 노의 내부에 있는 관내에 집어 넣을 수 있다.

장치(45)의 스라이다(55)는 장치(45)의 원통형부의 축의 방향을 따라서 움직이므로, 장치(45)는 노내의 관에 놓인 상태에서 작동될 수 있다. 따라서, 여러개의 관을 가진 노를 사용하면, 1개이상의 장치(45)를 사용할 수 있게 되어, 생산목적에 유용하다. 이와같은 노는 도시는 하지 않았으나, 어떠한 재래식 관형의 노나, 또는 단관식 노도 이런 목적으로 사용할 수 있다.

비록 위에서는 본 발명의 특정예를 들어 설명을 하였으나, 이와같은 본 발명의 요지에서 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 변형이나 또는 기타 다른 장치를 사용할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (2)

1. 용액탱크(65,67)와 통하는 입구(49)와 출구(53)를 지니며 기판을 두는 위치에서는 폭이 깊이보다 더 큰 제1챈넬(47)쪽으로 기판(51)의 표면을 위치시키고, 용액의 적어도 일부분이 용액탱크로부터 입구(49)를 거쳐서 그 용액이 기판 표면의 영역에서 유선형으로 흐르게 하는 형상의 제1챈넬로 들어가게 하여 기판 표면을 가로질러 챈넬로 통과하여 출구를 거쳐 용액탱크로 들어가도록 하며, 상기 제1챈넬로 들어가는 용액의 포화온도에 관련한 기판의 온도를 낮추도록 기판과 열교환하는 관계의 제2챈넬(56)로 냉각 유체(75)를 흐르게 하며, 상기 용액이 제1챈넬을 통과하는 중에 기판의 표면에서 물질의 에피택시 층이 성장하게 하는 것으로 구성된, 기판의 표면에 액상 에피택시층을 성장시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 용액의 적어도 일부분은 용액에 대한 가스압력에 의해 제1챈넬로 들어가서 기판 표면을 가로질러 통과하여 배출되게 하는 방법.

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