KR0153567B1 - 다이아몬드상 박막 제조 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

펄스 레이저 및 이온건을 이용한 다이아몬드상 박막 제조 장치 및 방법이 개시된다. 타겟 홀더는 진공조 내의 일측부에 회전 가능하도록 설치되고, 타겟은 상기 타겟 홀더에 부착되고, 펄스 레이저는 상기 진공조의 외부에 설치되어서 고 에너지의 레이저 빔을 상기 타겟에 조사하여 플룸을 형성하고, 광학계는 상기 레이저로부터의 레이저 빔을 통과시켜 타겟 표면 상에 포커싱하고, 기판 홀더는 상기 진공조의 상기 타겟 홀더와 대향하는 일측부에 설치되고, 기판은 상기 기판 홀더상에 부착되고, 이온건은 상기 진공조 내에 설치되어 상기 기판상에 조사하기 위한 이온을 발생시키고, 이온 형성용 가스 주입부는 상기 이온건에 연결되어 이온화 가스를 공급한다. 이와 같은 다이아몬드상 박막 제조 장치에 의하면, 다이아몬드상 박막내에 다이아몬드 결정을 갖는 성분의 함량이 다결정 다이아몬드 박막에 근접하는 다이아몬드상 박막을 상온에서 제조할 수 있다. 따라서, 다이아몬드상 박막의 전자 방출 특성 및 기계적 특성을 개선할 수 있다.

Description

다이아몬드상 박막 제조 장치 및 그 제조 방법

본 발명은 다이아몬드상 박막의 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 이온빔과 펄스레이저를 이용하여 다이아몬드상 박막내의 다이아몬드 결정을 갖는 성분의 함량을 증대시키기 위한 다이아몬드상 박막 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

다이아몬드상 탄소 박막은 낮은 전계하에서도 높은 전자 방출 특성을 나타내어 전계 방출형 표시 소자용 에미터 재료로 사용하기에 적합하다. 이러한 다이아몬드상 탄소 박막을 얻기 위한 종래의 방법으로는 크게 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition)법과 물리기상증착(Physical Vapor Deposition)법이 있다. 화학기상증착법에서는 탄소를 함유한 메탄이나 에탄등의 가스를 사용하거나 이들 가스와 수소 가스 및 아르곤 가스 등의 혼합가스를 사용하기도 하며, 증착 에너지원으로 주로 열필라멘트(Hot Filament), 마이크로파 플라즈마 및 RF(Radio Frequency) 플라즈마를 사용한다. 또한, 물리기상증착법에는 스퍼터링법과 레이저를 이용한 레이저 어블레이션(Laser Ablation)방법 등이 있다. 고주파(RF)나 직류(DC) 스퍼터링법은 흑연을 타겟으로 사용하며 방전공간 내에 형성된 이온이 타겟의 흑연 원자들과 충돌하여 기상 상태의 탄소 원자를 형성하고, 이들이 응고되어 박막을 형성한다. 수소를 함유한 반응가스를 첨가하는 경우에는 반응가스가 분해되어 다이아몬드상 탄소 박막에 혼입되고 수소 함유 다이아몬드상 박막이 형성된다. 이때, 수소 첨가의 효과는 흑연 결합에 대한 다이아몬드 결합 성분비를 증가시키고 다이아몬드상을 안정화시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 레이저 어블레이션 방법에서는 펄스레이저의 높은 에너지를 사용하여 타겟을 기화시켜 박막을 형성하게 된다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래 방법들은 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 열필라멘트 화학중착법이나 마이크로파 플라즈마화학중착법은 박막 형성시 기판의 온도를 수 100-1000℃ 정도로 유지해야 하기 때문에 사용하는 기판재료가 유리와 같은 경우에는 사용이 불가능하고, 또한 고온 공정으로 인해 대규모 양산시 공정시간 및 에너지 효율이 저하된다.

한편, RF 플라즈마 CVD법에 의해 제조된 박막은 높은 잔류응력으로 인하여 사용하는 기판에 따라서는 기판과 박막간에 박리가 일어나기 쉽다. 또한, RF 스퍼터링 방법에 의해 제조된 박막은 RF 플라즈마 CVD 방법과 비교할 때 양질의 다이아몬드상 탄소 박막을 얻기가 어렵다.

또한, 펄스 레이저 증착법은 진공 패키징시 고온 공정에서의 흑연화로 인해 고온 안정성에 떨어지고, 기판과의 접착력이 충분하지 못하며, 전기적 특성 및 기계적 특성을 제어하기 위한 불순물의 농도 조절이 어렵기 때문에 전계방출형 표시소자의 제조에 응용하는 데에는 많은 난점이 있다.

한편, 다이아몬드상 탄소(혹은 인조 합성된 다이아몬드)는 천연 다이아몬드와는 달리, 탄소 원자들 간의 결합 상태에 따라 흑연 결합과 다이아몬드 결합을 하고, 흑연결합에 대한 다이아몬드 결합 비율이 증가함에 따라 천연 다이아몬드에 근접하는 전기적, 기계적 특성을 나타낸다. 따라서, 이러한 흑연 결합에 대한 다이아몬드 결합 비율은 합성된 다이아몬드의 품질을 비교, 평가하는 중요한 척도가 된다. 일반적으로 상온에서 합성된 다이아몬드상 탄소 박막에서는 다이아몬드 결정을 갖는 성분의 함량에 50% 내외로 낮다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 펄스 레이저와 이온건을 함께 이용하여 상온에서도 천연 다이아몬드 박막에 근접하는 다이아몬드 결정 성분의 함량비를 갖는 다이아몬드상 박막을 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 다이아몬드상 박막의 전기적 특성을 제어하기 위한 각종 불순물을 용이하게 주입하기 위한 다이아몬드상 박막을 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 다이아몬드상 박막과 기판과의 접착력을 향상시키기 위한 다이아몬드상 박막을 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

제1도는 본발명의 바람직한 실시예에 따른 이온건 및 펄스레이저를 이용하여 다이아몬드상 박막을 제조하기 위한 제조 장치의 구성을 보여주기 위한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 펄스레이저 2 : 광학계

3 : 타겟 4 : 타겟 홀더

5 : 플룸(plume) 6 : 이온건(ion gun)

7 : 이온빔 8 : 이온빔 형성용 가스 주입부

9 : 기판 10 : 기판홀더

11 : 진공펌프 12 : 진공조

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 다이아몬드상 박막 제조 장치는, 진공조; 상기 진공조내의 일측면에 설치된 회전 가능한 타겟 홀더; 상기 타겟 홀더에 부착된 타겟; 상기 진공조의 외부에 설치되고, 고 에너지의 레이저 빔을 상기 타겟에 조사하여 이온, 원자, 분자, 및 전자의 혼합체인 플룸을 형성시키기 위한 펄스 레이저; 상기 펄스 레이저로부터의 레이저 빔을 통과시켜서 상기 타겟의 표면 상에 포커싱하기 위한 광학계; 상기 진공조 내의 상기 타겟 홀더가 설치된 일측면과 대향되는 다른측면에 설치된 기판 홀더; 상기 기판 홀더에 부착된 기판; 상기 진공조 내에 설치되고 상기 기판의 표면상으로 이온을 발생시키기 위한 이온건; 상기 이온건에 연결되고, 상기 이온건에 이온화 가스를 공급하기 위한 이온빔 형성용 가스 주입부를 포함한다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 다이아몬드상 박막 제조 방법은, (i) 진공조내의 상단부에 설치되고, 회전 및 전후좌우로 구동되는 타겟 홀더에 타겟을 장착하는 단계; (ii) 상기 진공조내의 하단부에 설치되고, 회전 및 전후좌우로 구동되는 기판 홀더에 기판을 장착하는 단계; (iii) 상기 진공조의 외부에 설치되고, 레이저 빔을 방사하는 펄스 레이저를 이용하여 상기 타겟의 표면상에 레이저 빔을 조사하여서 이온, 원자, 분자, 및 전자의 혼합체인 플룸을 형성하는 단계; 그리고 (iv) 상기 진공조내에 설치되고, 이온빔을 방사하는 이온건을 이용하여서 단계 (iii)에서 형성된 플룸이 상기 기판에 충돌하여 응고될 때, 상기 기판의 표면상에 이온빔을 조사하는 단계를 포함한다.

이와 같은 다이아몬드상 박막 제조 장치 및 방법에 의하면, 상온에서도 다이아몬드상 결정을 갖는 성분의 함량비가 다결정 다이아몬드 박막에 근접할 정도로 높은 고품위 다이아몬드상 박막을 제조할 수 있을뿐만 아니라, 다이아몬드상 박막의 전기적 특성을 제어하기 위한 각종 불순물을 용이하게 주입할 수 있고, 또한, 다이아몬드상 박막과 기판과의 접착력을 증대시킬수 있다.

이하, 본발명의 기술적 구성을 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

제1도에는 본발명의 실시예에 따른 이온건과 펄스레이저를 동시에 이용한 다이아몬드상 박막을 제조하기 위한 증착 장치가 도시되어 있다.

제1도를 참조하면, 진공조(12) 내의 서로 마주하는 대향 측벽에는 타겟 홀더(4)와 기판 홀더(10)가 각각 설치되어 있다. 상기 타겟 홀더(4) 및 기판 홀더(10)는 각각 회전 운동 또는 전후좌우 직선 운동이 가능하고, 각각에는 타겟(3)과 기판(9)이 부착된다.

본발명의 실시예에 있어서, 상기 타겟(3)은 바람직하게는 흑연 타겟이 사용되고, Cr, Mo, W, 또는 Ti 등과 같은 천이금속과 탄소의 합금 타겟도 사용 가능하다.

이와 같은 천이금속은 다이아몬드상 탄소 박막에 흡입되어 박막의 잔류 응력을 감소시키므로써 기판(9)상에 형성되는 다이아몬드상 박막과 기판(9)과의 접착력을 향상시킨다.

상기 진공조(12)의 또 다른 대향 측벽 중 일측벽의 외부에는 고 에너지 밀도의 펄스 레이저 빔을 발생시키는 펄스 레이저(1)가 설치되어 있다. 상기 펄스 레이저(1)로부터 출력되는 레이저 빔은 상기 타겟(3)에 조사되어서 이온, 원자, 분자, 및 전자의 혼합체인 플룸을 형성시킨다.

한편, 상기 진공조(12)의 또 다른 대향 측벽 중 다른 측벽에는 이온건(6)이 설치되고, 상기 진공조(12)의 외부에는 상기 이온건(6)에 연결되도록 설치되어서 상기 이온건(6)으로 이온빔 형성용 가스를 공급하기 위한 이온빔 형성용 가스주입부(8)가 설치된다. 이때, 상기 이온건(6)은 이온빔을 형성하는 부분(도시되지 않음)과 형성된 이온빔을 방출시켜 가속하는 부분(도시되지 않음)으로 구성되어 있다.

이때, 상기 이온빔 형성용 가스주입부(8)로부터 상기 이온건(6)으로 공급되는 가스는 불활성 가스, 불활성 가스와 불순물이 혼합된 혼합 가스, 그리고 수소를 포함하는 혼합 가스 중 어느 하나가 공급된다.

그리고, 상기 펄스 레이저(1)와 상기 진공조(12)와의 사이에는 상기 펄스 레이저(1)로부터의 레이저 빔을 상기 타겟(3)에 포커싱(focusing)하기 위한 광학계(2)가 설치되어 있다. 따라서, 상기 펄스레이저(1)로부터 출력된 레이저 빔은 상기 광학계(2)를 통과하여 타겟(3)상에 포커싱된다.

먼저, 상기 펄스 레이저(1)로부터 방사되어 상기 타겟(3)상에 포커싱된 레이저 빔은 타겟(3)의 원자와 충돌하여 플룸(5)을 형성하고, 형성된 플룸(5)은 빠른 속도로 상기 진공조(12)의 내부 공간으로 확산된다. 그리고, 상기 진공조(12)내로 확산되는 플룸(5)중 일부가 상기 기판 홀더(10)상에 로딩된 기판(9)에 충돌하면서 응고된다.

한편, 플룸(5)이 상기 기판(9)상에서 응고되면서 다이아몬드상 박막이 성막되는 동안, 상기 이온건(6)으로부터 상기 기판(9)상에 성막중인 다이아몬드상 박막의 탄소 원자에 고 에너지를 전달하여 탄소 원자의 흑연결합을 억제하고 다이아몬드 결합을 촉진시키기 위한 이온빔(7)이 방사되고, 방사된 이온빔(7)내의 이온들은 상기 기판(9)을 향하여 가속되어 상기 기판(9)에 조사된다.

따라서, 이온 충돌에 의해 보다 높은 에너지를 갖게 된 성막중인 박막 내의 탄소 원자는 다이아몬드 결합을 하기 위한 충분한 에너지를 공급받게 되어서 흑연 결합이 억제되고 다이아몬드 결합이 촉진되면, 고품위의 다이아몬드 박막을 형성한다.

그리고, 상기 이온건(6)으로부터 방사되는 이온빔은 그 에너지의 크기 조절이 가능하다. 본 발명에 사용되는 이온으로는 단순히 이온 충돌 효과만을 위하는 경우에는 He, Ne, Ar, Kr, Xe 등의 불활성 가스(inert gas)가 사용된다.

이와 같은, 불활성 가스들은 탄소와 화학 반응을 일으키지 않기 때문에 다이아몬드상 결합이 파괴되는 것을 방지한다. 따라서, 이경우에 이온건(6)에서 나오는 이온빔은 화학적으로 탄소와 반응하지 않는 불활성의 이온빔이다.

또한, 상기 박막에 불순물을 주입하는 경우에는, 이온건(6)은 그 내부에 불활성 가스와 불순물을 함유한 가스를 적절한 비율로 혼합하기 위한 혼합 장치를 포함하여 일정 비율로 혼합된 혼합 가스의 이온빔을 발생한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 불순물을 함유한 가스는 수소 또는 질소 등을 포함하는 혼합 가스이다. 이온건(6)을 통하여 방사되는 각 이온들의 에너지와 이온의 양은 전기적, 기계적인 장치를 이용하여 용이하게 조절하는 것이 가능하다.

이온건(6)으로부터 방사된 혼합 가스의 이온들은 성장중인 상기 박막에 충돌하여 상술한 이온 충돌 효과는 물론 불순물 주입 효과를 동시에 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 이온 충돌에 의한 에너지 교환에 의해 고에너지를 갖게 된 탄소 원자들은 기판(9)쪽으로 침투하여 기판(9)과 상기 박막 사이에 원자 혼합층을 형성하게 되어 상기 기판(9)과 기판(9) 표면에 형성된 박막 사이에 견고한 접착을 유지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 펄스 레이저와 이온건을 동시에 사용하는 본발명에 따르면, 상온에서도 흑연 결합에 대한 다이아몬드 결합 비율이 70% 내지 90% 정도로 매우 높아 천연 다이아몬드에 접근하는 고품질의 다결정 다이아몬드상 박막을 제조할 수 있다. 또한, 본발명에 의하여 제조되는 다이아몬드상의 박막은 그 전기적 특성을 제어하기 위한 수소 또는 질소 등의 각종 불순물의 도핑이 용이하고, 이온 충격 효과에 의한 기판 내부로 침투된 원자 혼합층에 의해 이온 기판과 박막 사이에 견고한 접착력이 형성되는 등 다이아몬드상 박막의 기계적인 특성이 현저히 개선된다.

이상, 본발명의 기술 내용을 상세히 기술하였다. 그러나, 본발명은 상술한 본발명의 범위를 벗어남이 없이 본발명 기술 분야의 당업자에 의해 여러가지 변형 및 변경이 가해질 수 있다. 따라서, 본발명은 상기 기술한 실시예 또는 도면에만 제한되지 않으며, 그 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (6)

1. 진공조(12); 상기 진공조(12) 내의 일측면에 설치된 회전 가능한 타겟 홀더(4); 상기 타겟 홀더에 부착된 타겟(3); 상기 진공조(12)의 외부에 설치되고, 고에너지의 레이저 빔을 상기 타겟(3)에 조사하여 이온, 원자, 분자, 및 전자의 혼합체인 플룸(5)을 형성시키기 위한 펄스 레이저(1); 상기 펄스 레이저(1)로부터의 레이저 빔을 통과시켜서 상기 타겟(3)의 표면상에 포커싱하기 위한 광학계(2); 상기 진공조(12) 내의 상기 타겟 홀더(4)가 설치된 일측면과 대향되는 다른측면에 설치된 기판 홀더(10); 상기 기판 홀더(10)에 부착된 기판(9); 상기 진공조(12) 내에 설치되고 상기 기판(9)의 표면상으로 이온을 발생시키기 위한 이온건(6); 그리고 상기 이온건에 연결되고, 상기 이온건(6)에 이온화 가스를 공급하기 위한 이온빔 형성용 가스 주입부(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 박막 제조 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 이온빔 형성용 이온화 가스는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 박막 제조 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 이온빔 형성용 가스 주입부는 상기 불활성 가스와 불순물을 함께 주입하여서 상기 이온건으로부터 불순물이 혼합된 혼합 가스 이온 빔이 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 박막 제조 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 혼합 가스는 수소가 함유된 홍합 가스인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 박막 제조 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 혼합 가스는 질소가 함유된 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 박막 제조 장치.
6. (i) 진공조(12)내의 상단부에 설치되고, 회전 및 전후좌우로 구동되는 타겟 홀더(4)에 타겟(3)을 장착하는 단계; (ii) 상기 진공조(12)내의 하단부에 설치되고, 회전 및 전후좌우로 구동되는 기판 홀더(10)에 기판을 장착하는 단계; (iii) 상기 진공조(12)의 외부에 설치되고, 레이저 빔(2)을 방사하는 펄스 레이저(1)를 이용하여 상기 타겟(3)의 표면상에 레이저 빔을 조사하여서 이온, 원자, 분자, 및 전자의 혼합체인 플룸(5)을 형성하는 단계; 그리고 (iv) 상기 진공조(12)내에 설치되고, 이온빔을 방사하는 이온건(6)을 이용하여서 단계 (iii)에서 형성된 플룸(5)이 상기 기판에 충돌하여 응고될 때, 상기 기판(9)의 표면상에 이온빔(7)을 조사하는 단계를 포함하는 다이아몬드상 박막 제조 방법.