6-2. Physical Epitaxy Techniques : Vapor, MBE, PLD, Sputter (DC, Magnetron, RF)

본 글은 고려대학교 화공생명공학과 하정숙 교수님의 강의록을 참고하였으므로,
이를 상업적으로 이용하면 안되며, 글을 가져가실 때는 꼭 출처와 댓글을 남겨주시기 바랍니다.

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1. Introduction (Epitaxy)

• mechanism : 증착시키는 물질들을 어떻게 만들어내느냐에 따라 다르다.
• 속도 : MBE가 증착시키는 속도가 굉장히 빠르다.
• 물질 : 증착되는 물질은 Physical 에서는 Atom, Ion, PLD는 plasma 때문에 cluster도 있다. chemical에서는 아무래도 chemical reaction이 일어나기 때문에, chemisorption이 되기 전 단계인 precursor 단계에서 atom으로 분해되는 과정에서의 입자들이 증착될 것이다.
• Throwing Power : 주어진 위치에 얼마나 잘 증착이 되느냐, 즉 기판과의 symmetry를 깨지 않으면 증착하려면, 기판 위에 얇게 코팅되어야한다. 이 때 chemical reaction은 molecule level에서 활동하기 때문에 Complex한 부분도 증착이 가능하다.

2. Physical Epitaxy Techniques

1. Liquid Phase Epitaxy (LPE) : pass 거의 안 쓴다. (구데기..)
2. Vapor Phase Epitaxy (VPE)
3. Molecular Beam Epitaxy (MBE)

2-1) Vapor Phase Epitaxy

기체를 이용해서 substrate 위에 Epitaxy 하는 것

 

• Carrier Gas ($H_2$) : molecule들이 무겁기 때문에 밀어주는 역할을 한다.
• 과정 :
  1. 분자들이 Diffusion or Bulk Flow 된다.
  2. Gas Phase 에서 반응이 일어날 수도 있다.
  3. surface와 Chemisorption이 될 수도 있다.
  4. Surface에서 Diffusion이 될 수도 있다.
  5. Surface Reactions, Nucleation이 될 수도 있다.
  6. Desorption or Growth

2-2) Molecular Beam Epitaxy

분자의 빔을 쏘아서 substrate 위에 Epitaxy 하는 것, 사실 이 부분이 제일 많이 다룬다.

여기서는 과연 분자를 어떻게 떼어서 substrate에 붙일 것인가? 가 포인트다.

MBE

2-3) Fundamental of film deposition

(A) Gas Kinetics

1. gas molecule 간에 상호작용이 없다. : 이상기체임을 얘기한다.
2. Mean Free Path Length : $\lambda = 1/(\sqrt{2}\pi Nd^2)$, d는 분자의 지름, N = gas 농도 = $p/k_BT$, p가 낮을수록 Mean Free length가 길어진다. 따라서 surface에 오염이 덜 된다. 또한 sticking surface는 점점 줄어들면서 (?) monolayer의 atom 갯수도 현저히 줄어들면서 더 얇은 박막이 형성된다.
3. UHV : surface의 오염을 방지.

(B) Film Growth Modes

• Terrace는 넓은 부분, Step, Adatom, Kink에서는 Terrace 보다 Dangling Bond가 더 많아 reactive하다. 따라서 Step이나 Kink 에서부터 Growth가 시작된다.
• High Temp : Diffusion이 잘 되서 active한 step, kink로 간다.
• Low Temp : Diffusion이 덜 되서 Terrace를 지나가다가 island를 형성한다.
  • 이 부분을 응용해서 일부터 terrace 부분을 작게해서 step으로 만든다면 훨씬 reactive한 surface를 만들 수 있다.

위 처럼 surface를 일부러 step을 주어서, Dangling bond를 생성하고, reactive 해지기 때문에 낮은 온도에서도 more active하게 만들 수 있다.

Homo-Epitaxy

• step-propagation : High-Temp이나 작은 증착 속도에 의존된다. 한꺼번에 많이 보내면 뭉치기 때문에 이를 조절하면 step-propagation을 할 수 있다.
• 2D island growth : 움푹 파인 부분에 들어가기 전에 이미 growth 되어서 못 내려가고 adatoms를 형성
• multilayer growth

Hetero-Epitaxy

• FM (Frank-vanderMerve) : layer-layer growth : perfect wetting, good lattice match, A-B > A-A
• VW (Volmer-Weber): islands : force가 약해서 서로 따로 자란다. A-B < A-A
• SK (Stranski-Krastanov) : layer + islands, 증착되면서 thickness가 점점 커짐에 따라 critical thickness 근처로 가고, critical thickness를 넘게 된다면, 그제서야 island 모양을 가진다.
• 즉, 여기서 FM일 때는 critical thickness에서의 분율이 0인 상황, VM일 때는 분율이 1인 상황이라고 봐도 무방하다.

(C) Physical Deposition Methods

Thermal Evaporation : Molecular Beam Epitaxy (MBE)

• UHV를 적용한 thermal evaporation techinque
• RHEED : in-situ 하게 관찰 가능.
• 조건 : Molecular Beam, UHV에서 step growth를 하기 위한 적절한 T를 가진 Crystalline Surface 두 가지를 가져야한다.

전자빔 나와있는 그림

• 특징 :
  • low growth rate : Shutter 로 조절
  • Shutter가 존재, Deposition 하고 싶은 Beam을 선택적으로 사용이 가능하다. 갑자기 중단이 가능하고 갑자기 growth 시킬 수 있다. → sharp interface (가변적인)를 가진 2중 구조를 성장시킬 수 있는 발판 제공 (shutter의 역할)
  • Smooth Growth Surface
  • in-situ monitoring
  • 기판에 T를 높여준다.
• 구조 :
  • Source
    • Knudsen Cell : PID 로 온도를 조절하여 전자들의 Flow rate를 조절한다. (Epitaxy 하는 용도)
      • PID Controller : 온도 조절
    • Electron Beam Evaporator : Filament로 가열한 후 전자 beam을 형성 (RHEED 용도)
  • Process Enviroment
    • UHV Chamber
  • in-situ : RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) : 일부러 튕기게 쏜다. Layer가 성장하면 할 수록 표면이 더러워져 specular beam의 intensity가 낮아진다. 그대로 통과하는 점을 specular beam이라 한다.

 

Specular Spot을 보면, 그래프의 위상이 처음에는 엄청 높았다가 계속 줄어든다.
그 이유는 알다시피, 처음 intensity가 높은 구간은 monolayer가 막 생긴 구간이고, layer가 생기기 전까지는 산란이 많이 되어 intensity가 또 떨어진다.
하지만 monolayer 위에 또 다른 layer가 덮어진다면 다시 intensity는 올라가지만, monolayer보다는 intensity가 크지는 않다.

 

표면온도와 Molecular Beam의 Flow rate를 조절하기 위해 안에 온도를 조절하면 intensity의 Maximum들의 차이를 줄여준다. 이는 보다 얇은 layer를 만드는 방법이다.

Plasma Evaporation : Pulsed Laser Deposition (PLD)

• 구조 :

 

• 과정 :
  1. pulse laser로 target을 쏴서 에너지를 계속 주입.
  2. 열이 오르면서 target이 melting이 되고 plasma plume을 형성
  3. evaporation 되면서 substrate에 증착된다.
• 장점 : 어떠한 target도 증착이 가능하다.
• 특징 :
  • 균일하게 성장시키기 위해 기판이 돌아간다.
  • Plasma는 중성자, ion, molecule을 다 포함한다
  • 시간이 지날수록 증착이 많이 된다.

PLD로 시간이 지날수록 증착이 많이 된 것을 볼 수 있다.

 

Sputter

Sputter는 물리적 충격을 가해서 Epitaxy 시키는 방법이다. 장점은 모든 target을 epitaxy 시킬 수 있다.

DC Sputtering (DC : 직류)

• 과정
  1. Anode, +극 에 substrate, Cathode, -극에 Target
  2. 전극 사이의 거리를 가깝게하고 전압을 걸어준다.
  3. Vacuumm Chamber는 inert한 Gas, Ar로 채운다.
  4. 전압을 걸어주면 전자가 Ar을 plasma 상태로 만들고, Ar 이 Ar+ 로 바뀌면서 음극인 Cathode에 붙는다. 그러면서 Target을 쳐서 기판으로 올린다.
• 특징
  • metal만 가능하다.
  • 부도체는 불가능.

• sputter yield : 1개의 ion으로 몇 개의 atom을 쳐서 보낼 수 있는지.

Magnetron Sputtering

• magenetic field를 이용해서 (Ar) ionization 속도를 높인다
• 따라서 deposition 속도를 높일 수 있다.
• 장점 : 이온화될 확률을 높인다.
• 단점 : 박막의 질이 떨어진다. 울퉁불퉁 할 수 있다.

RF Sputtering (RF : 교류)

 

특징

• 직류가 아닌, 교류를 사용한다. (Radio Frequency)
• 부도체도 sputter 가능.

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참고자료

 

https://blog.naver.com/nnfcblog/60213407392

PVD(Physical Vapor Deposition) (3/3)