Boron 화학증착에서 즌착기수 및 증팍층 결정특성에 관한 연구

Abstract

IV-3. B-H-Cl계에서 존재할 수 있는 각 화합물의 평형농도는, 입력조성과의 massbalance를 유지하면서 자유에너지의 합이 최소가 되는 조건에서 구할 수 있다. $BCl_3$와 $H_2$를 입력물질로 하여, 온도와 압력 및 $BCl_3$와 $H_2$의 분압을 변화시키면서, B-H-Cl계의 평형조성을 조사하여 다음과 같은 결론을 추론하였다. 1. Boron의 화학증착에서, 증착반응의 Thermodynamic Yield는 1100K와 1,800K 사이의 온도범위에서 최대값을 보이며, $BCl_3$ 입력분율과 System 압력이 감소할수록, $H_2$ 분압이 증가될수록 증가한다. 2. $BCl,\; BCl_2,\; BCl_3,\; B_2Cl_4,\; HBCl_2,\; BH,\; BH_2,\; BH_3,\; H_2BCl$ 및 $B(V)$등의 다양한 Boron화합물이 존재할 수 있으며, Boron 화학증착반응의 열역학적 수율이 높은 조건에서, 비교적 다량으로 존재할 수 있는 B-containing chemicalspecies는 $<B>$와 $BCl_3$ 및 $HBCl_2$ 등이다. 이상과 같은 결론으로 부터, 본 연구에서는, 1,400K의 온도와 400Torr의 System압력, $BCl_3$ 입력분율이 0.01인 조건을 기준으로 하여 실험조건을 선택 하였다. V-5. 1. CVD반응관 내에서 반응기체 혼합물의 유속, 온도 및 조성은 ContinuityEquation과 운동량 전달방정식, 에너지방정식, mass conservation Equation및 기체방정식을 통하여 구할 수 있다. 그 결과로부터 증착반응이 기상에서의 물질전달에 의해 지배되는 조건에서 증착속도와 분포를 구하였다. 2. 반응관내의 substrate에서의 증착속도 분포는 반응기체의 가열효과와 Depletion효과에 의해 결정된다. 이론적으로 계산된 증착속도 분포에 의하면 본 증착조건에서는 반응기체 가열효과보다는 Depletion효과에 의해 증착속도 분포가 결정되어 축방향으로 진행됨에 따라 증착속도는 감소한다. substrate 온도의 불균일 때문에 약간의 오차가 관찰되어지나 실험적으로 얻어진 증착속도 분포는 이론적으로 계산된 증착속도 분포와 전체적으로 유사한 경향을 보인다. 3. 전달현상의 해석을 통하여 얻어지는 이론적인 증착속도는 $BCl_3$ 분압이 증가함에 따라 ($BCl_3$ 분율 0.1미만에서), $H_2$ 분압이 감소함에 따라 증가한다. 1400K의 증착온도에서 실험적으로 관찰된 증착속도는 이론으로부터 계산된 증착속도와 거의 동일한 경향을 보이고 있다. 그러나 반응속도가 낮은 1100K 인 조건에서는 이론적으로 계산된 증착속도와 실험적으로 얻은 증착속도가 큰 차이를 보이며, 이는 증착반응의 지배기구가 mass aransfer 에서 homogeneous reaction 혹은 chemical kimetics로 옮아가는 것에 기인하는 것으로 사료된다. VI-8. $BCl_3$와 $H_2$ 혼합기체를 이용하여 graphite substrate 위에 Boron을 화학증착시킬 때, 반응변수의 효과를 관찰함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. Boron 화학증착반응은 정상상태에서 이루어지며, 초기 핵생성 과정중에서는 $\beta-$tetragonal 을 다량 함유하며, 증착층이 계속 성장함에 따라 안정상인 $\beta-$rhombohedral이 나타난다. 2. 1300K 이하의 온도 구간에서 Boron 화학증착은 열활성화 반응인 증착 표면에서의 화학반응에 의하여 지배되며, 이때 반응 기체의 유량에 따라 $18.2 \pm 1.2Kcal/mol$의 활성화 에너지를 갖는다. 1250K 이하의 온도 구간에서 Boron 증착층은 비정질 조직을 보이며, 온도가 증가함에 따라 결정성이 나타난다. 증착된 Boron 결정은 주로 (104) 우선 방향을 갖는 $\beta-$rhombohedral 구조를 나타내나, 증착온도가 감소함에 따라 우선방향성이 감소 되고, $\beta-$tetragonal 구조를 포함하게 된다. 3. 반응 기체 유량 $3\ell/\min