Metalorganic chemical vapour deposition (MOCVD) 유기금속화학기상증착

Metalorganic vapour-phase epitaxy(MOVPE), Organometallic vapour-phase epitaxy (OMVPE), Metalorganic chemical vapour deposition (MOCVD)는 모두 같은 말로, 단결정 또는 다결정 박막을 생산하는 데 사용되는 화학 증착 방법이며, 복잡한 반도체 다층 구조를 만들기 위해 결정층을 성장시키는데 매우 유용한 방법이다.

Molecular Beam Epitaxy(MBE) 혹은 스퍼터(Sputter)와 같은 PVD와 달리 결정의 성장은 물리적 증착이 아닌 화학 반응에 의해 이루어진다. 또한, 진공이 아니라 적당한 압력 (10-760 Torr)의 기체 상태에서 반응이 이루어 진다. LED와 반도체 박막 제조 등에 광범위하게 사용된다.

 

기본반응

MOCVD는 고순도의 전구체 가스는 일반적으로 불활성의 운반 가스와 함께 반응기에 주입시켜 이를 기판 등의 평판에 코팅하는 형태로 박막을 성장시키게 된다. 전구체가 기판(substrate, 반도체 기판 등)에 접근함에 따라 열분해를 거치면서 전구체의 중간 생성물질은 반도체 웨이퍼 표면에 흡착된다. 중간 생성물질은 표면에서 반응하여 반도체 결정을 이루는 에피택셜 층을 형성하게 된다. MOCVD는 III족 및 V족, II족과 VI족, IV족의 조합을 포함하는 다양한 물질의 필름을 성장시킬 수 있다.

 

주요특징

MOCVD의 장점은 반응소스가 모두 기체 상태로 공급되기 때문에 반응 소스의 양을 쉽고 정확하게 제어할 수 있으며, 다층의 박막을 비교적 손쉽게 형성할 수 있다는 것이다. 또한 설비가 비교적 간단하며, 대량생산에 적합한 구조이다. 고품질의 박막 성장과 doping 공정이 “가스유량”과 “기판온도”만으로 제어 가능하다는 장점이 있다. 단점으로 금속 전구체 물질이 화합물의 형태이므로 독성이 있는 물질이 많고, 잔여 불순물이 많이 발생한다는 문제점이 있다.

 

그림. MOCVD모식도 및 사진 등(출처 : www.wikipedia.org 등 변형)

장치

MOCVD에서는 반응기 내 고온에서 반응 가스 혹은 전구체 가스들이 화학적 상호 작용을 일으켜 기판에 물질이 증착되어 박막을 성장시키게 된다.

반응기 및 기판 지지대

MOCVD 반응기는 사용되는 화학 물질과 반응하지 않는 물질(불활성)로 제작되며, 고온을 견뎌야 한다. 일반적으로 반응기 내벽은 스테인리스 스틸 또는 석영으로 제작된다. 또한, 과열을 방지하기 위해 냉각수를 사용하기도 한다. 반응기 내부에는 온도를 제어할 수 있는 기판지지대(Susceptor)가 있다. 서셉터 역시 반응 온도 및 화학바반응에 내성이 있는 재료로 만들어지는데 흑연이 많이 사용된다. 때때로 질화규소(silicon nitride), Tantalum carbide로 많이 코팅된다. 질화물 및 관련 물질을 성장시키기 위해 암모니아(NH3) 가스에 의한 부식을 방지하기 위해 흑연 서바이터에 일반적으로 질화규소 또는 탄탈륨 카바이드의 특수 코팅이 필요합니다. 또한 지지대는 열을 가하는 역할을 하여 기판에서의 반응을 유도하는 역할을 하기도 한다. 이와같은 MOCVD의 경우 반응기 내벽은 기판보다 차갑게 유지되는 경향이 있다. 이와 반대로 챔버 전체를 가열시켜 진행하는 CVD도 존재한다. 이것은 반응 가스들이 기판 표면에 도달하기 전에 반응을 시킬 수 있다.

 

가스 입구 및 스위칭 시스템

가스는 Bubbler 혹은 Nebulizer, atomizer등의 장치를 이용하여 반응기 내부로 불활성의 운반가스를 이용하여 유입된다. 운반되는 전구체의 양은 운반 가스 유량과 버블러 온도 등에 따라 달라질 수 있다.

위와 같은 장치에 증착된 박막의 경우 플라즈마 처리 등을 통해 박막의 비저항 등을 감소시키는 등의 후처리 공정이 진행되는 경우도 상당히 있다.