KR0182373B1 - 박막 증착 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고품질 박막을 제작하기 위한 PIBD(Partially Ionized Beam Deposition)용 이온건에 관한 것으로, 본 발명은 금속을 증기상태로 만드는 도가니부와 증기상태의 금속을 이온화시키는 이온화부를 하나의 원통형 챔버 내에 형성하며, 상기 원통형 챔버외측에 이온화 효율을 높이기 위하여 자석을 배치하며, 상기 원통형 챔버의 하부에는 W-Re선으로 된 도가니 가열용 필라멘트와 도가니를 설치하고, 원통형 챔버의 상부에는 필라멘트와 양극을 설치하며, 상기 필라멘트를 용이하게 교체하기 위하여 상하단부에 플랜지를 설치한 구조이다. 또한, 도가니부와 이온화부 사이의 열차폐와 전자기장의 차폐를 위하여 몰리브덴판 또는 탄탈륨판과 같이 고융점 물질의 판을 설치하고, 이온원이 과열되는 것을 방지하기 위하여 수냉관을 도가니 가열부 외측에 설치하며, 상단부 플랜지와 진공 챔버 사이에 접지된 판을 설치함으로써 낮은 전력으로 도가니의 온도를 높일 수 있어 제품의 유지 비용이 절감되는 효과가 있고, 거리에 따른 전류밀도의 변화가 적어 제작된 박막의 성질이 균일하게 됨으로써 박막소자의 신뢰성을 향상시키도록 한 것이다.
Description
제1도는 종래 박막 증착 장치의 일례의 개략적인 구성을 보인 종단면도.
제2a, 제2b도는 본 발명에 의한 박막 증착 장치의 일실시례 및 다른 실시례의 개략적인 구성을 보인 종단면도.
제3도는 본 발명 박막 증착 장치의 전원연결도.
제4a, 제4b, 제4c도는 본 발명에 의한 박막 증착 장치의 전원연결도의 다른 변형예를 보인 도면.
제5도는 본 발명 박막 증착 장치에 의해 도가니 충격 전류변화에 따른 도가니의 온도를 나타낸 그래프.
제6도는 본 발명에 의해 도가니 충격 전류 변화에 따른 증착율의 변화를 나타낸 그래프.
제7도 및 제8도는 본 발명 박막 증착 장치(제2a도)에 의해 이온원의 조건을 변화시키면서 거리에 따른 Cu+이온의 전류밀도를 측정한 그래프.
제9도는 본 발명에 의해 이온원의 자석을 부착하였을 때, 거리에 따른 Cu+이온의 전류밀도를 측정한 그래프.
제10도 및 제11도는 본 발명 박막 증착 장치(제 2a도)에 의해 이온원의 조건을 변화시키면서 거리에 따른 Cu+이온의 전류밀도를 측정한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 열차폐용 원통형 챔버 11a : 이온 인출공
12 : 원통형 챔버 13 : 도가니
14 : 도가니가열용 필라멘트 15 : 도가니가열용 필라멘트 지지대
16 : 양극 17 : 이온화 필라멘트
18 : 이온화 필라멘트 지지대 19, 21 : 상,하부 플랜지
20 : 알루미나 절연체 22 : 열 및 차폐판(Mo 판 또는 Ta 판)
23 : 수냉관 24 : 접지판
본 발명은 고품질 박막을 제작하기 위한 PIBD(Partially Ionized Beam Deposition)용 이온건에 관한 것으로, 특히 낮은 전력으로 도가니의 온도를 높일 수 있어 제품의 유지 비용이 절감되는 효과가 있고, 거리에 따른 전류밀도의 변화가 적어 제작된 박막의 성질이 균일하게 됨으로써 박막소자의 신뢰성을 향상시키도록 하였으며, compact한 구조로 설계 제작하여 부품의 유지 보수가 용이하게 한 박막 증착 장치에 관한 것이다.
최근들어 첨담산업의 급격한 발전에 따라 경박단소화된 신소재의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 경박단소화된 신소재를 만드는 일반적인 방법으로는 진공중에서 금속 이온을 중성상태로 증착하여서 되는 진공 증착법, 이온 플래팅(ion plating)법, 스퍼터링(sputtering)법, CVD법 등이 주로 사용되고 있다.
그러나 상기 진공증착법은 중성상태의 금속이 열에너지만을 가지고 기판에 부착되기 때문에 기판과의 접착력이 약한 단점을 가지고 있으며, 또한 상기 이온 플래팅법은 진공증착에 비해 접착력은 좋으나 박막의 품질이 열화되는 단점이 있다.
그리고 상기 스퍼터링법은 기저(matrix)효과 때문에 박막의 조성비가 변하는 결함이 있으며, 상기 CVD법은 유기화학 물질을 사용하기 때문에 박막이 오염되어 박막의 성질을 열화시켜 소자의 오동작을 유발시키는 등의 문제가 있다.
이와 같은 문제점, 즉 기판과 박막과의 접착력의 열화 및 박막내의 불순물과 박막의 불균질등의 문제를 해소하는 방법 중 가장 각광받고 있는 방법이 금속증기와 금속이온을 진공상태에서 동시에 기판에 조사하여 이온이 갖는 에너지에 의해 기판과 박막과의 접착력을 향상시키고, 박막의 품질을 우수하게 하는 방법으로서 부분 이온빔 증착(PIBD ;Partially Ionized Beam Deposition)법이다.
이때, 상기 PIBD법에서 가장 중요한 부품은 금속이온을 생성, 인출하는 이온원이며, 이러한 이온원은 1) 많은 종류의 금속이온을 증착하기 위해서 이온원의 도가니 온도를 충분히 올려줄 수 있어야 하며, 2) 낮은 전력으로 도가니의 온도를 올려야 하고, 이온화율도 높여야 하며, 3) 장시간 안정된 상태로 이온원이 동작하여야 하고, 절연체에 금속의 증착에 의한 절연파괴나 소스 물질의 고갈에 따른 이온건의 탈착과 고장수리가 용이하여야 하고, 4) 증착된 박막의 신뢰성을 높이기 위해서는 이온빔의 균일성이 높아야 한다.
상기한 바와 같은 이온건이 구비되는 금속박막 제작용 PIBD용 이온건의 일례를 설명하면 제1도에 도시한 바와 같이, 진공챔버(1)의 내부에 금속을 증기상태로 만드는 도가니(2)와, 증기상태의 금속을 이온화시키는 이온화부(3)와, 상기 이온화부(3)에서 이온화된 금속이온을 가속시켜 이온으로 인출하는 가속부(4)의 세 부분으로 구성되어 있다.
미설명 부호 1a 는 진공배기구, 2a는 노즐, 5는 기판 홀더, 6은 필터(grid), 7은 이온화 필라멘트, 8은 양극, 9는 도가니 가열용 필라멘트, 10은 침적물(금속원료물질)을 보인 것이다.
그러나 이와 같은 종래의 이온건이 구비되는 금속박막 제작용 이온건은 상기한 바와 같은 이온건의 성질을 만족시키지 못하여 이온빔의 균일성이 낮고, 장치의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 감안하여 안출된 본 발명에 의한 고풀질 금속박막 제조를 위한 이온건은 제2도에 도시한 바와 같이, 열차폐용 원통형 챔버(11) 내부에 금속을 증기상태로 만드는 도가니(13)를 둘러싸는 필라멘트(14)가 설치되어 구성되는 도가니부와, 증기상태의 금속을 이온화시키는 텅스텐(W)-레늄(Re)선으로 형성된 필라멘트(17)와 양극(16)이 설치되어 구성되는 이온화부를 하나의 원통형 챔버(12)에 설치한 것을 특징으로 한다.
상기 이온화부의 필라멘트(17)가 설치되는 필라멘트 지지대(18)는 상기 원통형 챔버(12)와 조립이 용이하게 결합되는 상부 플랜지(19)에 고정되어 있다.
그리고 상기 상부 플랜지(19)는 상기 원통형 챔버(12)에 알루미나 절연체(20)에 의해 고정되어 있다.
또한, 상기 도가니(13)에 주변이 필라멘트(14)가 설치되는 필라멘트 지지대 (15)는 원통형 챔버(12)의 하부에 결합되는 하부 플랜지(21)에 고정되어 있다.
이와 같이 본 발명에 의한 이온건은 도가니부와 이온화부에 설치되는 필라멘트의 교체가 용이하도록 필라멘트 지지대(15)(18)가 각각 상, 하부 플랜지(19)(20)에 고정되어 있다.
상기 도가니부와 이온화부는 몰리브덴(Mo)판 또는 탄탈륨(Ta)판(22)과 같이 높은 융점의 물질에 의해 구획되어 있어 상호간의 열차폐와 전자기장의 차폐가 효율적으로 이루어지게 되고, 상기 이온원이 과열되는 것을 방지하기 위하여 도가니 가열부의 외측으로 수냉관(23)이 설치되어 있다.
한편, 본 발명 이온건의 가속전극계는 양극(16)으로 고정된 기본 플랜지(19)와 열차폐용 원통형 챔버(11)가 연장형성된 접지판(24)으로 구성되어 있다.
상기 진공 챔버(11)는 이온의 과열에 의해 부품이 손상되는 것을 방지하기 위해 냉각수가 순환되도록 설치되어 있고, 상기 도가니의 온도를 고온계(pyrometer)로 측정하여 조절가능하도록 하기 위하여 소정의 직경을 갖는 온도측정용 구멍(27)이 천공되어 있다.
도면중 미설명 부호 25는 자석, 26은 자석지지대이다.
제3도는 본 발명에서 사용한 전원의 연결도로서, 도가니 필라멘트에서 열전자를 발생시키기 위한 교류전원(Vf1:20V,30A)이 도가니 필라멘트에 연결되어 있고, 상기 도가니 필라멘트에서 나온 전자가 도가니를 충격 가열시키도록 도가니를 필라멘트에 대해 음으로 인가하는 직류전원(A2:1000V,1A)이 연결되어 있다.
제4도의 (a)(b)(c)는 본 발명에 사용한 전원연결도의 변형예로서, 이와 같이 확장하여 사용하는 경우, 이온건 내부의 전원배치를 달리할 수 있어 빔 프로파일(beam profile)이 다른 다양한 형태의 이온빔을 인출할 수 있다.
또한, 도가니에서 나온 증기상태의 금속원자 또는 분자를 열전자의 충격에 의해 이온화할 수 있도록 열전자 발생용 (이온화 필라멘트용) 교류전원 (Vf2;20V,30A)이 이온화 필라멘트에 연결되고, 이온화 필라멘트에서 나온 전자가 에너지를 갖게 하여 증기상태의 금속원자 또는 분자를 이온화시키는 필라멘트와, 애노드 사이에 전위유지용 직류전원(A1:1000V,1A)이 연결되어 있으며, 이온화 효율을 높이기 위해 원통형 챔버(12)의 외측에 A1,Ni,Co 합금으로 만든, 최대 2000 Gauss인 원통형 자석(25)이 2단으로 12개 배치되어 있다.
그리고 이온화된 금속원자 또는 분자를 이온으로 인출, 가속시켜 박막형성시 기판과 박막과의 접착력을 증대시키고, 박막의 질을 향상시키기 위하여 가속 전극과 이온화부의 양극 사이에 전압을 인가하기 위한 직류전원(Va : 6kV,5mA)이 연결되어 있다.
제5도는 도가니 충격전류 변화에 따른 도가니의 온도변화를 측정한 것이고, 제6도는 도가니 충격 전류 변화에 따른 증착율의 변화를 나타낸 그래프로서, 도가니의 온도는 이온으로 만들 수 있는 금속의 종류와 증착율을 결정하는 중요한 요소이므로, 일반적으로 낮은 전력으로 도가니의 온도를 높게 하는 것이 유리하다고 하겠다.
제7도 및 제8도는 자석이 없는 상태에서 이온원의 조건을 변화시키면서 이온원의 출구에서 20cm 떨어진 지점에서 패러데이 컵(Faraday cup)으로 수직방향거리에 따른 Cu+이온의 전류밀도를 측정한 것이고, 제9도는 제7도의 실험조건에서 자석을 삽입하여 측정한 결과이다.
이 결과에서 알 수 있듯이, Cu+이온의 전류밀도는 최대 2.3μA/cm2이고, 직경 5.5cm 거리내에서 전류밀도의 균일성은 최대 95% 이상인 것으로 판명되었으며, 자석 삽입시에는 이온화율이 최대 1.6배 향상된 것을 알 수 있다.
본 발명은 이와 같은 거리에 따른 전류밀도의 변화가 적으며, 제작된 박막의 성질이 균일하게 되어 박막소자의 신뢰성이 향상되도록 한 것이다.
한편, 제10도 및 제11도는 제2도의 (b)와 같이 이온 인출 전류를 증가시킬 목적으로 원통형 챔버(12) 중간에 설치한 열차폐와 전자기장 차폐용 몰리브덴판(22)을 제거하고, 이온화부의 양극(16)의 길이를 증가시켜 이온원내부의 전위변화를 바꾼 후, 이온원의 출구에서 20cm 떨어진 지점에서 패러데이 컵으로 수직방향 거리에 따른 Cu+이온의 전류밀도를 측정한 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 이온 전류 밀도의 균일도(uniformity)는 열화되지만 이온전류밀도는 최대 4.5 μA/cm2으로 제2도의 (a)에서처럼 구조를 바꾸기 전 보다 2배 이상의 이온을 인출할 수 있었다.
Claims (10)
- 열차폐용 원통형 챔버와, 상기 열차폐용 원통형 챔버의 내부에 설치되는 원통형 챔버와; 상기 원통형 챔버 내의 하부측에 설치되는 도가니 및 히터용 필라멘트로 구성되는 도가니부와; 상기 원통형 챔버 내의 상부측에 설치되는 양극 및 이온화용 필라멘트와, 이온화 효율을 향상시키기 위한 자석으로 구성되는 이온화부와; 상기 히터용 필라멘트와 이온화용 필라멘트를 지지하는 상,하부 필라멘트 지지대와; 상기 상, 하부 필라멘트 지지대가 각각 고정되어 상,하부 필라멘트를 착탈가능 하도록 원통형 챔버에 설치하는 상, 하부 플랜지와; 상기 도가니부의 상측으로 열차폐와 전자기 차폐용 원통형 챔버에 연장형성되어 상기 상부 플랜지와 함께 가속전극계를 이루는 접지판으로 구성함을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
- 제1항에 있어서 상기 원통형 챔버와 상부 플랜지 사이에는 알류미나 절연체가 개재된 것을 특징으로 하는 박막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 도가니부와 이온화부는 몰리브덴(Mo)판 또는 탄탈륨(Ta)판과 같이 고융점 물질에 의해 구획되어 있어 상호간의 열차폐와 전자기장의 차폐가 효율적으로 이루어지게 된 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 원통형 챔버와 외주부에는 이온원이 과열되는 것을 방지하기 위하여 도가니 가열부의 외측으로 수냉관이 설치된 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 이온건의 하단부에는 상기 도가니의 온도를 고온계로 측정하기 위한 온도측정용 구멍이 천공된 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 가속전극은 안으로 오무라드는 구조로 형성되어 전기장의 형태를 바꿔줌으로써 이온빔의 균일성을 향상시킴을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 자석은 영구자석과 전자석을 사용할 수 있으며, 자기장의 세기는 최대 2000 Gauss이고, 12개가 적층된 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
- 제1항에 있어서, 필라멘트 지지대는 몰리브텐(Mo) 또는 탄날륨(Ta)과 같은 고융점 물질을 사용하는 박막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 원통형 챔버를 도가니용 또는 이온화용 필라멘트의 전원과 같은 전위로 연결함으로써 전자와 이온에 의하여 원통형 챔버가 차지 업되는 것을 방지하여 원통형 챔버가 일정한 전위를 유지하게 되어 균일한 이온빔을 얻도록 하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
- 제1항에 있어서, 이온화부의 양극의 길이를 도가니 방향으로 길게 형성하여 이온화 효율을 증대시킴으로써 고전류의 이온전류밀도를 얻도록 함을 특징으로 하는 박막 증착장치.
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