epitaxy 에피택시 4 - VPE 공정 과정 (Vapor phase epitaxy)

들어가는 글

앞선 포스팅에서 에피택셜 박막을 형성하는 세 가지 방식인 VPE, MBE, LPE에 관해 살펴봤다. 이번 포스팅에서는 특히 그중 가장 대표적인 방식인 VPE, Vapor phase epitaxy의 공정 과정과 챔버 유형 등에 관해 더 자세히 살펴보도록 하겠다. 그전에 VPE의 기본 개념이 포함된 바로 앞 포스팅을 읽고 오시길 추천한다.

Vapor phase epitaxy (VPE) 공정 진행 과정

VPE의 구체적인 공정 과정을 살펴보면 다음과 같다. 우선 챔버 내 불필요한 gas를 제거하고 수소를 공급하기 위해 수소 purge를 진행한다. 그 다음 챔버를 특정 온도까지 가열한다. 기판 표면의 오염과 결함을 제거하기 위해 HCl을 공급해서 기판 표면을 etch 한다. 이때의 화학반응식을 적어보면 다음과 같다. SiCl4 + 2H2 <-> Si + 4HCl. 이후 반응이 끝났을 것으로 예상되는 시간이 되면 챔버의 온도를 낮춘다. 그다음 실제 에피택셜 박막으로 형성하고자 하는 source 물질과 dopant를 투입하여 본 공정을 진행한다. 공정이 완료되면 power를 차단하고 질소를 투입한다. 이때 질소가 사용되는 이유는 화학반응을 추가로 일으키는 수소를 밖으로 빼내어 원하는 만큼만 화학반응을 일으키기 위해서이다.

Vapor phase epitaxy (VPE) 챔버 유형

VPE 챔버 유형. (c) cylindrical reactor가 하단에서 설명한 radiant barrel 챔버와 대응된다.

챔버의 온도를 높이는 방식에 따라 VPE 공정에서 사용하는 챔버의 유형을 세가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는 radiant barrel 챔버이다. 전도 혹은 대류를 거치지 않고 열을 복사 방식으로 바로 전달한다. 특정 부분이나 특정 기판만 선택적으로 가열할 수 있기 때문에 결정 결함을 줄일 수 있다. 두 번째는 수직 방향으로 높은 모양인 vertical furnace이다. 수직 방향으로 높기 때문에 많은 기판을 넣어서 공정을 진행할 수 있다. 세 번째는 수평 방향으로 긴 모양인 horizontal furnace이다. 이 유형의 챔버를 사용하려면 source 물질을 기판에 고르게 전달하기 위해 기판을 비스듬히 세워서 공정을 진행해야 한다.

이미지 출처 https://www.ques10.com/p/32332/write-a-short-note-on-vapor-phase-epitaxy/