KR920007338B1 - 듀얼 분자선 셀을 구비한 mbe 장치 및 양면 에피택셜층 형성방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

듀얼 분자선 셀을 구비한 MBE 장치 및 양면 에피택셜층 형성방법
제1도는 종래 GaAs/Si을 성장시키기 위한 MBE 장치의 개략도.
제2도는 본 발명에 의한 GaAs/Si을 성장시키기 위한 MBE 장치의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 기판홀더
3 : PBN 도가니 혹은 제1분자선 셀 4 : PBN 도가니 혹은 제 2분자선 셀
5 : 제1셔터 6 : 제2셔터
7 : 분자선
본 발명은 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy : 이하 MBE라 칭힘)장치 및 에피택셜층 형성방법에 관한 것으로, 특히 듀얼(dual) 분자선 셀을 구비한 MBE 장치 및 이 MBE 장치를 이용한 양면 에피택셜층 형성방법에 관한 것이다.
현대사회가 정보통신 사회로 급속히 발전해감에 따라 초고속 컴퓨터, 초고주파 및 광통신에 관한 필요성이 더욱 증대되고 있는데, 기존 실리콘을 이용한 소자로는 이러한 특성을 만족시키는데 한계가 있기 때문에 보다 물질특성이 우수한 화합물반도체에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이러한 화합물반도체의 종류가운데 갈륨 아세나이드(GaAs)는 실리콘(Si)에 비해 고전자 이동도, 고전자속도, 고저항률 기판, 직접천이 밴드 등의 특성을 갖고 있기 때문에 널리 사용되며, 이러한 성질을 이용한 소자는 Si에 비해 우수한 동작속도와 작은 전력 소비특성을 갖고 있어 군사용이나 우주통신에 유용한 장점을 갖고있다. 또한, 초창기 개별소자 위주의 응용에서부터 점점 접적화 되어가고 있으며, 디지탈 IC(DIC)의 경우 Si의 발전과정과 유사한 과정으로 고집적화가 진행되고 있다. 이와같은 GaAs 집적회로의 개발을 위한 여러 연구들중 특히 Si공정과 다른 MBE를 이용한 결정성장 기술을 살펴본다..
에피택셜층을 성장시키기 위하여 가장 많은 기능을 지닌 MBE는, 초고진공 상태(10-11Torr)에서 분자선을 발생 분출시켜서 기판에 균일하게 흡착시킴으로써 원자 단위의 정교한 결정막을 성장시키는 방법이다.
제1도는 종래 GaAs/Si을 성장시키기 위한 MBE 장치의 개략도를 나타낸 것으로서, 10-11Torr치의 초고진공도를 얻기위한 반응장치내에, Al, Gs, As 등의 도펀트를 넣은 PBN 도가니(제1분자선 셀 : 3)를 설치하고, 그 온도를 정확하게, 제어하여 각 원소의 중기압에 비례하는 분자선 강도를 얻는다. 이때 분자선(7)의 단속(斷續)은 상기 제1분자선 셀(3) 전면에 설치된 제1셔터(shutter)(5)의 개폐에 의해 행해진다. 예컨대 종래 Si기판(1)위에 GaAs층을 성장시킴에 있어, 첨가불순물과 더불어 Ga, As등의 성분(원소)을 각각 격리된 상기 PBN(Pyrolytic Boron Nitride) 도가니(3)에서 가열한다. 이때 각 PBN 도가니(3)의 온도는 원하는 증발속도를 주도록 정밀조정된다. Si기판(1)에 상기 각 성분들의 선(beam)이 진공속으로 사출되어 기판표면 위로 행하게 함으로써 GaAs층의 결정성장을 얻는다. 이 성장공정 중에 기판은 기판홀더(2)를 이용하여 일정한 온도를 유지한다.
상술한 종래GaAs/Si 성장기술에서, 두물질의 격자구조와 격자상수 a가 정합(matching)되기만 하면 높은 품질의 층을 성장시킬 수 있다. 그러나 상기 Si은 다이아몬드 격자구조와 5.43Å의 격자상수를 갖고, GaAs는 섬아연광(zinc blende) 격자구조와 5.65Å의 격자상수를 갖기 때문에 상기 두물질간의 격자부정합이 일어나고, 이로써 에피택셜층 성장에 결함을 주게되는 문제점이 있었다.
따라서 상기 결함을 줄이는 방법으로, 기판의 성장 방향을 바꾸거나 특별한 화학 약품에 의한 처리방법, 기판에 스트레스(stres)를 주는 방법, 패턴닝된 기판상에 결정을 성장시키는 방법등 여러가지 연구가 진행되었다. 그러나 상기 방법들은 기판과 동일한 에피택셜층 예컨대 GaAs/GaAs에 비해 열등한 특성과 많은 결함들을 가지고 있다. 이러한 결함들은 근본적으로 두물질(GaAs/Si)간의 물리적 값들의 차이에서 비롯되므로 종래 방법과는 다른 획기적인 해결책이 필요한다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 듀열 분자선 셀을 구비한 MBE 장치를 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 기판의 양쪽에 이 기판과 다른 물질의 에피택셜층을 동일한 조건하에서 동시에 동일두께로 성장시킬 수 있는 에피택셜층 형성방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 MBE 장치는, 에피택셜층을 성장시키기 위한 기판과, 상기 기판을 지지하기 위한 기판홀더와, 상기 기판의 일측면에 대향되게 설치되어 상기 기판의 일측면에 성장시키고자 하는 물질을 분자선 형태로 사출하기 위한 제1분자선 셀과, 상기 제1분자선 셀의 전면에 설치되어 상기 제1분자선 셀로 부터 사출되는 분자선의 단속을 제어하기 위한 제1셔터를 초고진공상태의 반응장치내에 구비한 분자선 에피택시 장치에 있어서, 상기 기판을 중심으로 상기 제1분자선 셀과 대칭되게 설치되어 상기 기판의 타측면에 성장시키고자 하는 물질을 분자선 형태로 사출하기 위한 제2분자선 셀과, 이 제2분자선 셀의 전면에 설치되어 상기 제2분자선 셀로 부터 사출되는 분자선의 단속을 제어하기 위한 제2셔터를 구비함을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 에피택셜층을 성장시키기 위한 기판과, 이 기판에 일정한 온도를 유지시키기 위한 기판홀더와, 분자선을 발생시키기 위한 제1분자선 셀과, 상기 분자선의 단속(斷續)을 제어하기 위한 셔터를 구비하여 초고진공 상태에서 에피택셜층을 성장시키는 방법에 있어서, 상기 제1분자선 셀과 동일한 제2분자선 셀을 구비하여 상기 기판의 양쪽에 이 기판과 다른 물질의 에피택셜층을 성장시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
제2도는 본 발명에 의한 GaAs/Si을 성장시키기 위한 MBE 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 먼저, 본 발명에 의한 MBE 장치는, 10-11Torr치의 초고진공도를 얻기위한 반응장치 내에, 도핀트들을 넣은 PBN도가니를, 기판을 사이에 두고, 대칭적으로 설치하여 제1분자선 셀(3) 및 제2분자선(4)이라 한다. 그리고 이 제1 및 제2분자선 셀(3), (4)의 전면에 분자선(7)의 단속(斷續)을 위한 제1셔터(5) 및 제2셔터(6)를 설치하여 에피택셜층을 형성한다. 예컨대 Si기판(1)위에 GaAs층을 성장시킴에 있어, 첨가 불순물과 더불어Ga, As 등의 성분을 각각 격리된 상기 제1 및 제2분자선 셀(3), (4)에서 가열하고, 이 분자선 셀들(3), (4)로부터 상기 각 성분들의 분자선(7)이 진공속으로 사출되어 상기 기판(1)의 양쪽 표면 위로 행하게 함으로써GaAs의 에피택셜층을 성장시킨다. 이때 상기 제1 및 제2분자선 셀(3), (4)은 MBE 조정수단에 의해 온도, 분자선 및 셔터의 개폐등을 동시에 할 수 있도록 되어 있으며, 이 성장공정중에 기판홀더(2)는 기판(1)에 일정한 온도를 유지시킨다 여기서, 본 발명에 의한 MBE 장치는 기판을 수직방향으로 홀딩하는 경우의 양면 에피택셜층 형성방법을 설명하였으나, 상기 기판을 수평방향으로 홀딩하는 경우에도 동일한 양면 에피택셜층을 성장시킬 수 있다.
이와같이 본 발명에 의한 GaAs의 에피택셜충 형성방법은 Si기판 양면에 동일한 조건으로 동시에 동일한 두께의 GaAs층을 성장시킴으로써, 격자상수나 열팽창계수의 차이에서 야기되는 여러가지 문제점을 해결한 결정의 성장을 넓은 영역에 걸쳐 성장시킬 수 있다. 또한 이 성장방법은 Si기판에 특별한 준비없이 바로GaAs층을 성장시킬 수 있으므로 양산개념에서의 원가절감 및 수율 향상에도 기여할 수 있다.
또한 본 발명에 의한 에피택셜층 형성방법은 GaAs/InP, 금속-MBE, Si-MBE, 유전체-MBE, 초전도-MBE 등에도 활용될 수 있으며, 아울러 고집적의 3차원 소자 혹은 광소자와 전자소자를 한 칩에 집적한 새로운 세대의 OEIC(Opto Electronic IC) 제작에 응용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 에피택셜층을 성장시키기 위한 기판과, 상기 기판을 지지하기 위한 기판홀더와, 상기 기판의 일측면에 대향되게 설치되어, 상기 기판의 일측면에 성장시키고자 하는 물질을 분자선 형태로 사출하기 위한 제1분자선 셀과, 상기 제1분자선 셀의 전면에 설치되어, 상기 제1분자선 셀로 부터 사출되는 분자선의 단속을 제어하기 위한 제1셔터를 초고진공상태의 반응장치내에 구비한 분자선 에피택시 장치에 있어서, 상기 기판을 중심으로 상기 제1분자선 셀과 대칭되게 실치되어, 상기 기판의 타측면에 성장시키고자 하는 물질을 분자선 형태로 사출하기 위한 제2분자선 셀과, 이 제2분자선 셀의 전면에 설치되어, 상기 제2분자선 셀로 부터 사출되는 분자선의 단속을 제어하기 위한 제2셔터, 를 구비함을 특징으로 하는 분자선 에피택시 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2분자선 셀은 동일조건하에서 동일물질을 분자화하는 것을 특징으로 하는 분자선 에피택시 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2셔터는 동시 개폐되는 것을 특징으로 하는 분자선 에피택시 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판을 수직방향으로 홀딩하는 것을 특징으로 하는 분자선 에피택시 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판을 수평방향으로 홀딩하는 것을 특징으로 하는 분자선 에피택시 장치.
  6. 에피택셜층을 성장시키기 위한 기판과, 상기 기판에 일정한 온도를 유지시키기 위한 기판홀더와, 분자선을 발생시키기 위한 제1분자선 셀과, 상기 분자선의 단속(斷續)을 제어하기 위한 셔터를 구비하여 초고진공 상태에서 에피택셜층을 성장시키는 에피택셜층 형성방법에 있어서, 상기 제1분자선 셀과 동일한 제2분자선 셀을 구비하여 상기 기판의 양쪽에 이 기판과 다른 물질의 에피택셜층 성장시킴을 특징으로 하는 에피택셜층 형성방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기판과 다른 물질의 에피택셜층은 동일한 조건하에서 동시에 동일두께로 성장됨을 특징으로 하는 에피택셜층 형성방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 기판은 Si이고, 상기 에피택셜층은 GaAs으로 하는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 형성방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 기판은 InP이고, 상기 에피택셜층은 GaAs으로 하는 것을 특징으로 하는 에피택셜층 형성방법.
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