ㆍ표면처리 기술사 제135회 1교시
7. 건식박막 진공증착 공정의 일종으로 기판(Substrate)원자의 결정학적 배열이 일정한연관성을 갖도록 박막의 원자를 성장시키는 증착 방법을 설명하시오.
1. 에피택셜 성장(Epitaxial Growth)의 정의
에피택셜 성장은 건식 박막 진공 증착 공정의 한 방식으로, 기판(substrate)의 결정 구조에 맞추어 박막이 동일하거나 유사한 결정 방향을 따라 성장하도록 하는 증착 방법이다. 이 과정에서는 증착되는 원자가 무질서하게 쌓이는 것이 아니라, 기판의 결정학적 배열에 영향을 받아 정렬된 결정 구조를 가지게 된다.
2. 에피택셜 성장의 원리
2-1) 격자 일치(Lattice Matching)
-기판과 박막 물질의 결정 구조 및 격자 상수가 유사해야 한다.
-호모에피택시(Homoepitaxy) :
기판과 동일한 물질을 증착 한다. (예: 실리콘 웨이퍼 위에 실리콘 박막)
-헤테로에피택시(Heteroepitaxy) :
기판과 다른 물질이지만 유사한 격자 구조를 갖는 경우 사용 된다.(예: GaAs 기판 위에 AlGaAs 증착)
격자 상수 차이가 크면 misfit dislocation이 발생하여 결함이 증가 한다.
3. 성장 메커니즘
-표면 확산: 기판에 도달한 원자(adatom)가 에너지적으로 안정한 위치로 이동하며 층상 성장 한다.
-핵 생성 및 성장: 임계 크기 이상의 클러스터(cluster)가 형성된 후, 연속적인 섬 연결을 통해 박막이 완성된다.
-대표적 공정: 분자선 에피택시(MBE, Molecular Beam Epitaxy)
-MBE는 고진공 환경에서 원자 빔을 기판에 직접 조사하여 원자 단위의 제어가 가능한 건식 증착법이다.
4. 특징
-기판 온도는 박막 물질의 용융점보다 훨씬 낮다.(나노미터 규모에서 용융점 감소 현상 활용)
-진공도: 10⁻¹⁰~10⁻¹¹ Torr 수준으로 불순물 혼입을 최소화 한다.
-성장 모드 : 주로 Frank-Vander Merwe 모드(층상 성장)를 따르며, 단결정 박막을 형성 한다.
5. 다른 관련 공정
-화학기상증착(CVD): 기체 상태의 반응물이 화학반응을 통해 고체 박막을 형성 한다.
-액상 에피택시(LPE): 액체상의 박막 물질을 기판 위에 응고시키지만, 건식 공정에는 해당되지 않는다.
-기상 에피택시(Vapor Phase Epitaxy, VPE)
-기체 상태의 반응물로부터 증착이 이루어짐
-분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE)
-초고진공 상태에서 원자 또는 분자 빔을 기판 위에 증착
-금속 유기 화합물 화학 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)
6. 결함 방지 조건
-박막과 기판의 열팽창 계수 일치
-증착 속도와 기판 온도의 최적화를 통한 표면 확산 촉진.
-이러한 원리를 바탕으로 MBE는 반도체, 광전자 소자 등 고성능 단결정 박막 제조에 널리 활용 된다.
