KR100230958B1 - 고방향성 다이아몬드막 cvd 장치 및 막형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘기판 표면상에 고밀도의 플라즈마를 발생시켜 각 다이아몬드막 결정립들이 기판과 동일한 방향성을 갖도록 다이아몬드막을 형성하는 고방향성 다이아몬드막 CVD장치 및 막형성 방법에 관한 것이다. 종래의 다이아몬드막 CVD장치가 갖는 기판지지대의 구조를 변형하여, 기판 전체가 플라즈마에 장입된 상태에서 기판 바로 위에 고밀도 플라즈마를 발생시키면 실리콘기판과 헤테로에피택시 관계를 갖는 핵의 생성밀도를 증가시킬 수 있음에 착안하여, CVD장치의 반응관을 설계하고 막형성 방법을 고안하였다. 이로써, 기판의 걸정방향과 헤테로에피택시관계를 갖고 단결정에 가까운 다이아몬드막이 형성될 수 있다.
Description
본 발명은 실리콘기판 상에 다이아몬드막을 형성하는 CVD장치 및 막형성 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 실리콘기판 표면상에 고밀도의 플라즈마를 발생시켜 각 다이아몬드막 결정립들이 기판과 동일한 방향성을 갖도록 다이아몬드막을 형성하는 고방향성 다이아몬드막 CVD장치 및 막형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 다이아몬드 박막이 전자부품용 소재로 사용되기 위해서는 단결정에 가까운 결정학적 구조를 가져야 한다. 현재 쓰이고 있는 방향성 다이아몬드막 제조방법의 하나로 지앙(Xiang) 등이 제안한 것이 있는데, 이는 기판에 음극전위를 인가하는 전처리 단계 후에 기판에 CVD 증착하여 다이아몬드 결정을 핵을 생성시킨 후 기판에 인가한 음극전위를 제거하여 통상의 다이아몬드막 CVD 조건에서 막성장시키는 방법이다. 또한, 스토너(Stoner) 등은 음극전위에 의한 핵생성 단계 전에 탄화처리하여 실리콘기판 상에 계면층을 형성하고 음극전위를 인가하여 다이아몬드를 핵생성시킨 후 이 생성핵을 단일방향 성장조건하에서 성장시켜 방향성 다이아몬드막을 제조하는 방법(In-Situ three step process)을 제안했다.
그러나, 인가된 음극전위에 의해 형성된 핵의 90% 이상은 기판과 헤테로에피택시(heteroepitaxy) 관계가 없는 무질서한 방향성을 갖는다. 이를 극복하기 위해, 헤테로에피택시 관계를 갖는 핵(보통 10% 정도가 존재한다)의 성장속도가, 무질서한 방향성을 갖는 핵의 성장속도보다 빠르게 증착조건을 유지하여 다이아몬드막의 표면이 높은 방향성을 갖도록 성장시킬 필요가 있었다. 따라서, 상기의 방법으로 헤테로에피택시 다이아몬드막을 얻기 위해서는 상당한 두께(5㎛ 이상)의 막을 증착해야 하는 단점이 있었다.
또한, 헤테로에피택시 관계와 유사한 방향으로 위치한 핵들의 성장속도도 헤테로에피택시 관계가 있는 핵들의 성장속도와 큰 차이가 없기 때문에, 이러한 입자들로 이루어진 박막의 결정립들은 완벽한 헤테로에피택시를 이루지 못하고 서로 방위각(azimuth)이 일치하지 않고 기울기(tilt)가 존재해 단결정과는 큰 차이가 있는 결정구조를 갖게 되는 단점이 있었다. 실제로, 상기 방법에 의해 다이아몬드막을 형성하면 50% 이하의 결정립만이 방향성을 갖는다.
한편, 스토너(Stoner) 등은 기판 근처에 강한 플라즈마가 형성될수록, 또 음극전위전류가 클수록 짧은 시간에 더 높은 핵생성 밀도를 얻을 수 있다고 보고하였고[참조 : B. R. Stoner, et al., J. Mater Res., 7 : 257(1992)], 시게사토(Shigesato) 등은 기판에 음극전위를 인가하면 기판 근처의 플라즈마 속의 원자상 수소의 양과 전자의 온도가 증가하며 이와 같은 플라즈마의 변화가 다이아몬드 핵생성 밀도 증가에 중요한 역할을 할 것이라고 추론하 바 있다[참조 : Y. Shigesato, et al., Appl. Phys. Letter, 63 : 314(1993)].
그러나, 종래의 다이아몬드막 CVD장치에 있어서는, 기판을 플라즈마의 외부에 두거나 플라즈마에 기판의 표면을 접촉시키는 방식이었고, 비록 플라즈마 내부로 삽입한다 하더라도 기판 표면보다 두 배 이상 큰 기판지지대를 사용하여 기판과 기판지지대가 동시에 플라즈마 내로 삽입되기 때문에, 결과적으로 기판의 표면만 플라즈마에 접촉되었다.
이에, 본 발명자들은 종래의 CVD 다이아몬드막 CVD장치가 갖고 있는 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 다이아몬드막을 증착할 기판을 지지하는 기판지지대의 구조를 변형하여, 기판 전체가 플라즈마에 장입된 상태에서 기판 바로 위에 고밀도 플라즈마를 발생시키면 실리콘기판과 헤테로에피택시 관계를 갖는 핵의 생성밀도를 증가시킬 수 있음에 착안하여, CVD장치의 반응관을 설계하고 막형성 방법을 고안하였다. 이로써, 기판의 결정방향과 헤테로에피택시관계를 갖고 단결정에 가까운 다이아몬드막이 형성될 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 주된 목적은 개량된 기판지지대를 이용, 플라즈마에 기판을 장입한 상태에서 기판 표면에 고밀도 플라즈마를 발생시킴으로써 헤테로에피택시 관계를 갖는 다이아몬드 핵의 분율(分率)을 높여서 단결정에 가까운 고방향성 다이아몬드막을 형성하는 고방향성 다이아몬드막 CVD장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 CVD장치를 이용하여 고방향성 다이아몬드막을 형성하는 고방향성 다이아몬드막 형성방법을 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 고방향성 다이아몬드막 CVD장치를 나타내는 개략도.
제2도는 본 발명에 따른 CVD장치로 형성된 다이아몬드막의 주사전자현미경 사진.
제3a도는 본 발명에 따른 CVD장치로 형성된 다이아몬드막의 결정립과 실리콘기판과의 방향관계를 나타내는 주사전자현미경 사진.
제3b도는 본 발명에 따른 CVD장치로 형성된 다이아몬드막의 결정립과 실리콘기판과의 방향관계를 개념적으로 나타내는 그림.
제4a도는 본 발명에 따른 고방향성 다이아몬드막 CVD장치에 의해 기판상에 발생된 플라즈마의 실제 사진.
제4b도는 본 발명에 따른 고방향성 다이아몬드막 CVD장치에 의해 기판상에 발생된 플라즈마를 개략적으로 나타내는 모식도.
제5도는 플라즈마 내의 CH/Hα 및 C2/Hα와 음극전위와의 관계를 나타내는 분광분석 도표이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 기판 12 : 기판지지대
13 : 흑연블럭 14 : 원반형 고밀도 플라즈마
15 : 전극 16 : 석영돔
17 : 음극전위 공급장치 18 : 공간 플라즈마
본 발명에 따른 고방향성 다이아몬드막 CVD장치는 일반적인 벨자(bell-jar)형 마이크로파 플라즈마 CVD장치의 기판지지대에 흑연블럭을 설치하여 원반 형태의 고밀도 플라즈마를 발생시키는 것을 그 기본 개념으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다이아몬드막 CVD장치의 구성과 작용을 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 고방향성 다이아몬드막 CVD장치를 나타내는 개략도이다. 위에서 설명한 것과 같이, 제1도에 나타낸 장치는 벨자형 2.45GHz 마이크로파 플라즈마 CVD장치 중의 반응관 부분을 나타낸 것이다.
그 구성을 보면, 본 발명에 따른 다이아몬드막 CVD장치는, 다이아몬드막을 형성할 기판(11)이 탑재되는 기판지지대(12); 기판지지대(12) 상에 장착되어 원반형 고밀도 플라즈마를 발생시키는, 기판(11)과 유사한 크기와 형상의 흑연블럭(13); 흑연블럭(13)에 탑재되는 기판(11)에 음극전위를 공급하기 위해 흑연블럭(13)에 연결된 음극전위 공급장치(17); 흑연블럭(13)으로부터 일정 거리 떨어진 상부에 설치되어 상기 음극전위 공급장치(17)의 접지측과 연결되어 폐회로를 구성하는 전극(15); 및, 상기 기판지지대(12), 흑연블럭(13) 및 전극(15)을 밀폐시키는 석영돔(16)으로 구성된다.
상기 전극(15)으로는, 직경 1/8인치 짜리 스테인리스관의 외주에 1㎜ 직경의 칸탈(kanthal)선이 감긴 형태의 봉을 나선형으로 감아 이용하는데, 양단은 접지시킨다.
상기 석영돔(16)은 부도전성 반응관을 이루는데, 그 안에는 고순도(99.999%) 수소기체와, 메탄이 10% 혼합된 수소기체가 혼합되어 충진된다. 이 혼합가스의 비율을 조절하여 후술하는 탄화처리 공정에서 메탄의 분율이 2%가 되도록 한다. 석영돔(16) 내의 온도는 기판지지대(12)에 내장된 열선(미도시)에 의해 조절된다.
이하에서는, 위와 같이 구성된 고방향성 다이아몬드막 CVD장치의 작용을 다이아몬드막 형성 공정과 함께 설명한다.
소정 결정방향(예컨대 (100)방향)의 실리콘기판(11)을 기판지지대(12) 위에 장착한 흑연블럭(13) 위에 탑재하고, 진공펌프로써 반응관내를 5×10-3Torr 이하의 진공으로 만든다. 그런 다음 기판(11) 위로 수소가스를 흘려주면서 기판지지대(12)에 내장된 열선을 가열하여 기판(11)의 온도를 다이아몬드막 형성온도까지 올린다.
기판(11)의 온도가 정해진 온도로 되면, 수소만으로 플라즈마를 형성하여 기판(11) 표면을 에칭 세척한 후(에칭세척 공정), 2%의 메탄을 함유한 수소가스를 흘려 반응을 진행한다(탄화처리 공정). 일정 시간 탄화처리를 한 후 반응조건을 음극전위 처리조건으로 설정하여 기판(11)에 음극전위를 인가하며 반응을 진행한다(음극전위처리 공정). 음극전위처리 공정이 끝난 후, 반응조건을 다시 성장조건으로 재설정하여 반응을 진행한다(막성장 공정).
상기 각 공정 중에는, 기판(11)과 전극(15) 사이에 플라즈마(18)가 발생되어 기판에의 다이아몬드막 증착을 돕는데, 제1도를 보면, 특히 기판 표면 위에 원반형의 고밀도 플라즈마(14)가 형성되어 있음을 알 수 있다. 이 원반형 플라즈마(14)에 의해 기판(11) 표면에서의 다이아몬드막 핵생성 밀도가 증가되는 것이다.
상기 각 공정에 필요한 공정조건은 아래 표 1과 같다.
제2도는 상기 표 1의 공정조건과 같이, (100)방향의 실리콘기판을 수소 플라즈마에서 10분간 에칭 세척 처리하고, 메탄농도 2%의 플라즈마 내에서 압력 15 Torr로 60분간 탄화처리한 후, 기판에 -250V의 전압을 가하여 10분간 음극전위처리하고, 메탄농도 0.8%의 플라즈마 내에서 압력 30 Torr로 5시간 성장한 다이아몬드막의 표면을 주사전자현미경(scanning electron microscope : SEM)으로 찍은 사진이다. 이 사진은 크기가 1㎛ 미만의 결정립들이 거의 완벽하게 정렬되어 있는 고방향성 다이아몬드막을 보이는 사진이다.
제3a도는 상기 방법으로 형성된 다이아몬드막의 결정립과 실리콘기판과의 방향관계를 나타내는 주사전자현미경 사진이고, 제3b도는 이 다이아몬드막의 결정립과 실리콘기판과의 방향관계를 개념적으로 나타내는 그림이다. 제3a도에는 다이아몬드막의 결정립과 실리콘기판의 방향관계를 나타내기 위해 결정학적으로 (100)방향을 갖는 홈을 에칭했다. 제3a도를 보면, 이 에칭홈과 다이아몬드막 결정립의 변이 약 45°의 각도로 배치되어 있음을 알 수 있다.
한편, 제2도와 제3a도에 나타낸 사진은 기판의 수직 방향에서 찍은 것이기 때문에 결정립의 보이는 면은 기판과 평행하다. 따라서, 제3b도에 나타낸 것과 같이 다이아몬드막 결정립들의 모서리는 실리콘기판의 [110]방향과 일치하는 결정학적 방향관계를 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 CVD장치로 형성된 다이아몬드막은 Si[110]/다이아몬드막[110]관계와 Si(110)/다이아몬드막(110) 관계를 갖는 헤테로에피택시 다이아몬드막임이 명백하다.
제4a도는 음극전위처리시에 기판표면 부근의 플라즈마를 반응관의 창을 통하여 관찰한 사진이고, 제4b도는 그 모식도이다. 기판지지대 위에 흑연블럭을 놓지 않고 음극전위를 가하면 실리콘기판은 단순히 구형 플라즈마와 접촉된다. 그러나, 흑연블럭(13)을 설치하고 기판(11)에 음극전위를 인가하면 기판(11) 표면 바로 위(1-2㎜)에 원반 형태의 밝은 고밀도 플라즈마(14)가 형성된다. 실제로, 제2도와 제3도에 나타낸 고방향성 다이아몬드막은 기판표면 위에 이와 같은 원반 형태의 고밀도 플라즈마가 형성된 경우에만 형성되었기 때문에, 이와 같은 플라즈마의 변화가 실리콘기판 위에 헤테로에피택시 방향관계를 갖는 다이아몬드막의 핵생성 밀도를 높임을 알 수 있었다.
제5도는 분광기를 이용하여 이 플라즈마를 분석한 것으로서 원방형의 고밀도 플라즈마 내에 존재하는 활성종의 상대적인 양을 측정한 것이다. 원자상 수소와 관계되는 656.3㎜에서 관찰되는 Hα 피크(peak)값과 다이아몬드막 형성과 관계되는 431.4㎜에서 관찰되는 CH 피크값과의 비(CH/Hα) 및 Hα 피크값과 473.7㎜에서 관찰되는 C2피크값과의 비(C2/Hα)는 기판(11)에 인가하는 음극전위값이 증가됨에 따라 선형으로 변화하여 -200V 이하의 전위가 인가되면 일정한 값으로 수렴한다. 이로써, 원반형 고밀도 플라즈마는 CH/Hα 및 C2/Hα 값이 일정한 값으로 유지되는 영역에서 형성됨을 알 수 있었다.
상기 결과에 의하면, 기판(11)과 기판지지대(12) 사이에 흑연블럭(13)을 설치하여 CH/Hα 및 C2/Hα 값이 일정한 원반형 고밀도 플라즈마를 (100)방향의 실리콘기판 상에 형성시키면 기판과 헤테로에피택시 관계를 갖는 다이아몬드막의 핵생성 밀도를 매우 높여 고방향성 다이아몬드막을 제작할 수 있다.
Claims (5)
- 플라즈마 내에서 기판 표면에 다이아몬드막을 증착하는 CVD장치에 있어서, 다이아몬드막을 증착할 기판이 탑재되는 기판지지수단; 상기 기판지지수단 상에 장착되는, 기판과 유사한 크기와 형상의 흑연부재; 상기 흑연부재에 탑재된 기판에 음극전위를 공급하기 위해 상기 흑연부재에 연결된 음극전위 공급수단; 상기 흑연부재로부터 일정 거리 떨어진 상부에 설치되는 전극; 및, 상기 기판지지수단, 흑연부재 및 전극을 밀폐시키는 밀폐수단으로 구성된 고방향성 다이아몬드막 CVD장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전극은 평면 나선형으로 설치되어 그 양단이 접지되는 것을 특징으로 하는 고방향성 다이아몬드막 CVD장치.
- 제1항에 있어서, 상기 밀폐수단은 부도전성 재질로 된 것을 특징으로 하는 고방향성 다이아몬드막 CVD장치.
- 수소 플라즈마를 형성하여 기판 표면을 에칭 세척하는 공정; 메탄을 함유한 수소가스를 흘려 반응을 진행하는 탄화처리 공정; 일정 시간 탄화처리를 한 후 기판에 음극전위를 인가하여 반응을 진행하는 음극전위처리 공정; 및 다이아몬드막을 성장하는 공정으로 구성된 다이아몬드막 형성방법에 있어서, 상기 탄화처리 공정, 음극전위처리 공정, 막성장 공정 중에 상기 기판으로부터 소정 거리 떨어진 곳에 고밀도 플라즈마를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고방향성 다이아몬드막 형성방법.
- 제4항에 있어서, 상기 고밀도 플라즈마 형성공정에서 형성되는 고밀도 플라즈마는 상기 기판과 유사한 크기와 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고방향성 다이아몬드막 형성방법.
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