에피택시

Epitaxy
"Epitaxis"는 여기서 리디렉션된다. Epistaxis와안 된다 혼동해서는.
결정화
Process-of-Crystallization-200px.png
기초
크리스털 · 결정구조 · 핵
개념
결정화 · 수정성장
재분배 · 씨 크리스털
프로토크리스탈린 · 싱글 크리스털
방법 및 기술
불스
브리지그만-스톡바거법
반 아르켈-데 보어 공정
초크랄스키법
에피택시 · 플럭스법
분별 결정
분수 동결
열 합성
키로풀로스법
레이저 가열 받침대 성장
마이크로 풀다운
수정 성장 과정에서 프로세스 형상화
스컬 도가니
베르누일법
구역 용해

에피택시(Epitaxy)는 결정체 종자층에 대해 하나 이상의 잘 정의된 방향으로 새로운 결정층이 형성되는 결정 성장 또는 물질적 퇴적 유형을 말한다. 퇴적된 결정막을 상피막 또는 상피막이라고 한다. 종자층에 대한 상피층의 상대적 방향은 각 물질의 결정 격자 방향 측면에서 정의된다. 대부분의 상피성장의 경우, 새로운 층은 대개 결정성이며 오버레이의 각 결정 영역은 기질 결정 구조에 비례하여 잘 정의된 방향을 가져야 한다. 곡물 대 곡물 상피가 세밀한 필름에서 관찰되었지만 에피택시는 단결정 구조를 포함할 수 있다.[1][2] 대부분의 기술 용도의 경우 기질 결정과 관련하여 한 가지 잘 정의된 방향으로 오버레이 결정의 성장인 단일 영역 에피택시가 선호된다. 에피택시 또한 초박막 구조를 키우면서 중요한 역할을 할 수 있다.[3]

에피택시라는 용어는 '위'를 뜻하는 그리스 뿌리에피(i (ί)와 '질서 있는 태도'를 뜻하는 택시( taxis (ξι)에서 유래했다.

상피성장의 주요 상업적 적용 분야 중 하나는 반도체 필름이 반도체 기질 웨이퍼에 특유하게 재배되는 반도체 산업이다.[4] 기판 웨이퍼 위에서 평면 필름의 상피 성장성의 경우, 기판의 [001] 지수에 맞춰 필름의 [001] 밀러 지수처럼 기판 웨이퍼의 결정 격자와 관련된 특정 방향을 갖는다. 가장 간단한 경우, 상피층은 기질과 동일한 정확한 반도체 화합물의 연속이 될 수 있다; 이것을 호모피탁시라고 한다. 그렇지 않으면 상피층은 다른 화합물로 구성될 것이다. 이를 이단층이라고 한다.

종류들

호모이피탁시(Homoepitaxy)는 한 가지 재료로만 행해지는 일종의 상피로, 같은 재료의 기질이나 필름에 결정막을 배양한다. 이 기술은 기질보다 더 순수한 필름을 배양하고 도핑 레벨이 다른 층을 가공하는 데 종종 사용된다. 학술 문헌에서 호모피탁시는 흔히 "호모메피"로 약칭된다.

호모토포탁시(Homotopotaxy)는 박막 성장이 2차원적 성장에 국한되지 않는다는 점을 제외하면 호모피탁시와 유사한 과정이다. 여기 기질이 박막 소재다.

헤테로페탁시(Hereetoepitaxy)는 서로 다른 물질로 수행되는 일종의 상피다. 헤테로피택시에서는 결정막이 다른 물질의 결정 기질이나 필름 위에서 자란다. 이 기술은 종종 결정체를 얻을 수 없는 물질의 결정막을 배양하고 다른 물질의 통합된 결정 층을 형성하는데 사용된다. 사파이어에 실리콘, 사파이어에 질화 갈륨(GaN), 갈륨 비소(GaAs)나 다이아몬드나 이리듐(Iridium)에 알루미늄 갈륨 인듐인산화알가인피드(AlGaInP),[5] 질화 육각 보론(hBN)에 그래핀이 대표적이다.[6]

이질화증은 기질과는 다른 구성 및/또는 결정 구조의 필름이 자라날 때 발생한다. 이 경우 필름의 변형량은 격자 불일치 Ⅱ에 의해 결정된다.

서 f 와 는 필름과 기질의 격자 상수다. 필름과 기판은 유사한 격자 스페이스를 가질 수 있지만 열팽창 계수도 매우 다르다. 만약 필름이 높은 온도에서 자란다면, 그것은 실온까지 냉각할 때 큰 변종을 경험할 수 있다. epit< 은(는) 상피 획득에 필요하다. 만약 }이가) 그것보다 크면 필름은 각 층과 함께 임계 두께까지 쌓이는 부피계 변형을 경험한다. 두께가 증가하면 구조물의 품질을 손상시키는 산란 중심이 될 수 있는 탈구 형성에 의해 필름의 탄성 스트레인이 완화된다. 헤테로페탁시는 탈변형으로 인한 추가 에너지 덕분에 이른바 밴드갭 시스템을 만드는 데 흔히 사용된다. 마이크로 전자 애플리케이션의 잠재력이 큰 매우 인기 있는 시스템은 Si-Ge의 시스템이다.[7]

헤테로토포탁시(Hereetotopotaxy)는 박막 성장이 2차원 성장에 국한되지 않는다는 점을 제외하면 이단극시와 유사한 과정이다. 기질은 박막 소재와 구조적으로만 유사하다.

펜데오-에피택시(Pendeo-epitaxy)는 이단막 필름이 수직과 횡방향으로 동시에 성장하는 과정이다. 2D 결정 헤테로 구조에서 질산염[8][9] 육각형 붕소에 내장된 그래핀 나노리본은 펜데오-에피탁시(pendeo-epitaxy)의 예를 보여준다.

곡물 대 곡물 상피술은 다곡질 상피술과 종자층 사이의 상피 성장을 포함한다.[1][2] 이는 일반적으로 시드 레이어가 평면 외 질감만 가질 뿐 평면 내 질감이 없을 때 발생할 수 있다. 이 경우 종자층은 평면 내 질감이 다른 곡물로 구성된다. 그런 다음 상피 중첩은 격자 일치로 인해 시드 레이어의 각 입자를 따라 특정 질감을 생성한다. 이런 종류의 상피성 성장은 단결정 영화를 포함하지 않는다.

에피택시는 양극성 접합 트랜지스터(BJT)와 현대적인 보완금속-산화물-반도체(CMOS)의 실리콘 기반 제조 공정에 사용되지만 갈륨화 등 복합 반도체에 특히 중요하다. 제조 문제에는 증착의 저항성과 두께의 양과 균일성, 표면과 챔버 대기의 청결성과 순도, 전형적으로 훨씬 더 고도로 도판된 기질 웨이퍼의 새로운 층으로의 도판트 확산 방지, 성장 과정의 불완전성, 보호 등이 포함된다.e 제조 및 취급 시 표면.

적용들

에피택시는 나노기술과 반도체 제조에 사용된다. 실제로 에피택스는 많은 반도체 소재에 있어서 유일하게 고품질 크리스털 성장을 위한 저렴한 방법이다. 표면 과학에서, 에피택스는 단일 결정 표면에 흡착된 유기 분자의 단층 및 다층 필름을 만들고 연구하는데 사용된다. 흡착된 분자는 단일 결정 표면의 원자적으로 평평한 테라스에 정렬된 구조를 형성하며 현미경 스캐닝을 통해 직접 관찰할 수 있다.[10] 대조적으로, 표면 결함과 그 기하학은 유기 분자의[11] 흡착에 상당한 영향을 미친다.

방법들

상피 실리콘은 보통 화학적 증기 증착의 변형인 증기 위상 에피택시(VPE)를 사용하여 재배된다. 분자빔과 액상 상피(MBE, LPE)도 주로 복합 반도체에 사용된다. 고체상 상피술은 주로 수정 손상 치료에 사용된다.

증기상

실리콘은 약 1200~1250°C에서 수소와 테트라클로라이드를 도핑하여 가장 일반적으로 침전된다.[12]

SiCl4(g) + 2H2(g) £ Si(s) + 4HCL(g)

여기서 (g)와 (s)는 각각 기체와 고체 단계를 나타낸다. 이 반응은 되돌릴 수 있으며, 성장률은 두 개의 원천 가스의 비율에 따라 크게 좌우된다. 분당 2마이크로미터 이상의 성장률은 다결정실리콘을 생성하며, 염화수소 부산물이 너무 많이 존재할 경우 마이너스 성장률(에칭)이 발생할 수 있다.(사실 염화수소는 웨이퍼를 에칭하기 위해 의도적으로 첨가할 수도 있다) 추가 식각 반응은 증착 반응과 경쟁한다.

SiCl4(g) + Si(s) £ 2SiCl2(g)

실리콘 VPE는 실레인, 디클로로실레인, 트리클로실레인 소스 기체도 사용할 수 있다. 예를 들어, 실레인 반응은 다음과 같은 방법으로 650 °C에서 발생한다.

SiH4 → Si + 2H2

이 반응은 실수로 웨이퍼를 에칭하지 않으며 실리콘 테트라클로로이드의 증착보다 낮은 온도에서 발생한다. 그러나 엄격하게 통제되지 않는 한 다결정질 필름을 형성하게 되며, 원자로로 유출되는 산화종이 이산화규소 등 원치 않는 화합물로 상피층을 오염시킬 수 있게 된다.

VPE는 때때로 하이드라이드 VPE와 금속 유기농 VPE와 같은 소스 가스의 화학 물질에 의해 분류된다.

액상

액상 에피택시(LPE)는 고체 기판에 녹아 반도체 결정층을 키우는 방식이다. 이는 침전된 반도체의 용해점보다 훨씬 낮은 온도에서 발생한다. 반도체는 다른 재료의 용해로 녹아 있다. 해산과 증착의 평형에 가까운 조건에서는 반도체 결정의 기판 침적이 비교적 빠르고 균일하다. 가장 많이 사용되는 기질은 인듐인산화물(InP)이다. 유리나 세라믹과 같은 다른 기판은 특별한 용도에 적용할 수 있다. 핵화를 촉진하고 성장층의 장력을 피하기 위해 기질과 성장층의 열팽창 계수는 유사해야 한다.

원심 액상 에피택시는 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소의 얇은 층을 만들기 위해 상업적으로 사용된다.[13][14] 원심분리기 형성막 증식은 원심분리기를 이용해 얇은 층의 물질을 형성하는 과정이다. 이 과정은 박막 태양 전지와[15][16] 원적외선 광검출기를 위한 실리콘을 만드는 데 사용되었다.[17] 온도 및 원심분리기 회전율은 층 성장을 제어하는 데 사용된다.[14] 원심 LPE는 용액이 일정한 온도로 유지되는 동안 도판 농도 구배를 생성할 수 있다.[18]

고체상

고체상 상피(SPE)는 물질의 무정형과 결정상 사이의 전환이다. 보통 무정형의 물질 필름을 결정 기질에 투하한 후 가열하여 필름을 결정화함으로써 생산된다. 단결정 기질은 결정 성장을 위한 템플릿의 역할을 한다. 이온 이식 시 비정화된 실리콘 층을 재분배하거나 치유하는 데 사용되는 어닐링 단계도 고체상 상피성의 일종으로 간주된다. 이 프로세스 동안 증가하는 결정-아모르퍼스층 인터페이스에서의 불순물 분리 및 재분배는 금속과 실리콘에 낮은 용해도 도파트를 통합하는 데 사용된다.[19]

분자빔 상피

주요 기사: 분자빔 상피

분자 빔 에피택시(MBE)에서는 소스 물질을 가열하여 증발된 입자 빔을 생성한다. 이 입자들은 매우 높은 진공(10Pa−8; 사실상 자유 공간)을 통해 기질로 이동하며, 거기서 응축된다. MBE는 다른 형태의 상피보다 처리량이 낮다. 이 기법은 주기율 그룹 III, IV, V 반도체 결정체를 배양하는 데 널리 사용된다.[20][21]

도핑

상피층은 아르신, 인광, 디보레인 등 원기가스에 불순물을 첨가해 증착 시 도핑할 수 있다. 기체 단계의 불순물 농도는 침전된 필름의 농도를 결정한다. 화학적 증기 증착(CVD)과 마찬가지로 불순물이 증착률을 변화시킨다. 또한 CVD가 수행되는 고온으로 인해 도펜트가 웨이퍼의 다른 레이어("out-diffusion")에서 성장하는 레이어로 확산될 수 있다. 또한 표면의 증발이나 습식 에칭에 의해 해방된 소스 가스의 도펜트는 상피층("자동 도핑")으로 확산될 수 있다. 그러나 기저층의 도판트 프로파일은 크게 바뀌지는 않는다.

광물

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거의 6 cm 길이의 헤마이트에 루타일 상피액. 브라질 바이아

광물학에서 에피택스는 두 광물의 특정 결정 방향이 일직선으로 정렬되도록 질서 있게 한 광물의 다른 광물의 과대성장을 말한다. 이것은 과성장 격자와 기질 격자의 일부 평면이 원자 사이에 유사한 간격을 가질 때 발생한다.[22]

두 광물의 결정체가 잘 형성되어 결정 축의 방향이 명확하면 육안 검사만으로 상피 관계를 추론할 수 있다.[22]

때로는 많은 분리된 결정체들이 하나의 기질에 과대성장을 형성하고, 그 다음엔 모든 과대성장 결정체들이 비슷한 방향을 가질 것이다. 그러나 그 반대가 반드시 사실인 것은 아니다. 만약 과성장 결정이 비슷한 방향을 가지고 있다면 아마도 상피적 관계가 있을 것이지만 확실하지는 않다.[22]

일부 저자들은[23] 같은 광물종 2세대의 과대성장도 묘약으로 봐야 한다고 보고 있는데, 이는 같은 소재의 반도체 기질에 도핑 수준이 다른 필름의 묘약 성장을 유도하는 반도체 과학자들에게 흔히 쓰이는 용어다. 그러나 자연적으로 생산된 광물의 경우 국제광물학협회(IMA)의 정의에 따르면 두 광물은 서로 다른 종이다.[24]

인공눈을 은 요오드화물을 이용해 인공눈을 만드는 것도 인공눈을 만드는 것으로, 육각형 은과 얼음의 세포 치수가 비슷하기 때문에 가능하다.[23]

이소모르픽 광물

구조가 같은 광물(이형광물)은 상피 관계를 가질 수 있다. 예를 들어 마이크로클라인 KAlSiO에서
3
8 NaAlSiO를
3
8 빼는 것이 있다. Both these minerals are triclinic, with space group 1, and with similar unit cell parameters, a = 8.16 Å, b = 12.87 Å, c = 7.11 Å, α = 93.45°, β = 116.4°, γ = 90.28° for albite and a = 8.5784 Å, b = 12.96 Å, c = 7.2112 Å, α = 90.3°, β = 116.05°, γ = 89° for microcline.

다형광물

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브라질 북동부 바이아 주 노보 호라이즌테에서 온 헤마이트 위의 루틸레
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자석 뒤에 혈흔이 있는 유사체, 계단식 상피면. 아르헨티나의 라 리오자

구성은 같지만 구조가 다른 광물(폴리모픽 광물)도 상피 관계를 가질 수 있다. 피라이트와 마카사이트, FeS2, 스팔레라이트와 우르츠사이트, 둘 다 ZnS가 대표적이다.[22]

헤마이트에 루틸레

구조적으로 또는 구성적으로 관련이 없는 일부 광물 쌍도 상피성을 나타낼 수 있다. 일반적인 예는 헤마이트 FeO에23 대한 루틸레 TiO이다2.[22][25] 루타일은 4각형이고 헤마이트가 삼각형이지만 루타일(축에 수직)의 (100) 면과 헤마이트(c축에 수직)의 (001) 면에 있는 원자 사이에 유사한 간격의 방향이 있다. 상피에서 이러한 방향은 서로 일렬로 정렬하는 경향이 있어 발정 과성장의 축이 혈정체의 c축과 평행하고 발정 c축은 발정체의 한 축과 평행하게 된다.[22]

자석 위에 있는 헤마이트

또 다른 예로는 자석 FeFeO의2+
3+
2
4 헤마타이트 FeO가3+
2
3 있다. 자석 구조는 ABC-ABC 순서에 따라 쌓인 촘촘한 산소 음이온을 기반으로 한다. 이 패킹에서 밀접하게 포장된 층은 (111)과 평행하다. (입방체의 모서리를 대칭적으로 "차단"하는 평면) 헤마타이트 구조는 AB-AB 순서에 따라 촘촘히 쌓인 산소 음이온을 기반으로 하여 육각 대칭의 결정체가 된다.[26]

만약 양이온들이 정말로 밀접하게 포장된 산소 음이온 구조에 적합할 정도로 충분히 작다면, 가장 가까운 이웃의 산소 부위들 사이의 간격은 두 종 모두에서 동일할 것이다. 그러나 산소 이온의 반경은 1.36 å에[27] 불과하며 Fe cations는 약간의 변화를 일으킬 정도로 크다. Fe radi는 충전(2+ 또는 3+) 및 조정 번호(4 또는 8)에 따라 0.49 49 ~ 0.92 å까지 다양하다.[28] 그럼에도 불구하고 O 스페이싱은 두 광물에서 유사하므로 헤마이트(111)가 자석(111)과 평행하게 자석(111) 면에 쉽게 자석이 자석(111)을 형성할 수 있다.[26]

참고 항목

참조

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참고 문헌 목록

외부 링크