KR100262824B1 - 질화탄소 박막 형성장치 및 그 방법 - Google Patents

질화탄소 박막 형성장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 체임버(chamber)와, 배기부와, 탄소이온(C-) 공급부와, 질소이온(N+) 공급부로 구성되고, 일정 진공압으로 유지된 체임버의 내부에 장착된 흑연 타킷에 세슘이온 빔을 조사하여 탄소이온 빔을 방출시키는 제1과정과, 상기 제1과정에서 방출된 탄소이온 빔을 가속시키면서 상기 체임버 내부에 장착된 기판 측으로 유도하는 제2과정과, 상기 제2과정에서 유도된 탄소이온 빔과 반응하여 상기 기판에 질화탄소 박막을 형성시키는 질소이온 빔을 상기 기판 측으로 공급하는 제3과정을 거쳐 질화탄소(CNx) 박막을 형성시키는 질화탄소 박막 형성장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 높은 에너지를 가진 탄소이온 빔과 질소이온 빔을 반응시켜 질화탄소 박막을 형성시키기 때문에 경도(hardness), 모듈러스(modulus : 단위 격자의 변형에 드는 힘) 및 기판과의 결합력이 강한 질화탄소 박막을 단시간 내에 기판에 증착시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

질화탄소 박막 형성장치 및 그 방법
제1도는 종래 기술에 의한 PECVD(Physical Enhanced Chemical Vapor Deposition) 시스템의 간략화된 구성을 나타내는 블록도.
제2도는 종래 기술에 의한 스퍼터링(sputtering) 시스템의 간략화된 구성을 나타내는 블록도.
제3도는 본 발명에 의한 질화탄소 박막 형성장치의 구성도.
제4도는 제3도에 도시된 세슘이온 건 소스(Cs+gun source)의 구성을 나타내는 도면.
제5도는 본 발명에 따른 질화탄소 박막의 적용예에 관한 것으로서, (a)도는 사출 성형을 위한 금형에서의 적용, (b)도는 자기 헤드에서의 적용, (c)도는 액정 디스플레이용 편광판에서의 적용을 나타내는 도면임.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 기판 22 : 체임버
23 : 배기부 24 : 질소이온 공급부
30 : 탄소이온 공급부 31 : 세슘이온 건 소스
31a : 세슘-모데나이트 31b : 텅스텐 피막
32 : 흑연 타깃 33 : 제어 전극
40 : 금형 43 : 자기 헤드
46 : 액정 디스플레이용 편광판 42, 45, 47 : 질화탄소 박막
본 발명은 질화탄소(CNx) 박막 형성장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 결도(hardness), 모듈러스(modulus : 단위 격자의 변형에 드는 힘) 및 기판과의 결합력이 강한 질화탄소 박막을 단시간 내에 상기 기판에 증착시킬 수 있는 질화탄소 박막 형성장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래에는 질화탄소 박막을 형성시키기 위하여 기존의 PECVD(Physical Enhanced Chemical Vapor Deposition) 시스템이나 스퍼터링(sputtering) 시스템이 이용되며, 각 시스템의 구성 및 작동방법은 다음과 같다.
종래의 PECVD 시스템은 제1도에 도시된 바와 같이 질화탄소 박막이 증착될 기판(1)이 내부의 소정 위치에 장착된 체임버(chamber, 2)와, 상기 체임버(2) 내부가 일정 진공압으로 유지되도록 상기 체임버(2) 내부의 기체를 배출하는 배기부(3)와, 상기 체임버(2) 내부로 메탄(CH4)가스를 공급하는 메탄가스 공급부(4)와, 상기 체임버(2) 내부로 질소(N2)가스를 공급하는 질소가스 공급부(5)와, 상기 기판(2)에 일정 전력을 공급하는 전력 공급부(6)로 구성된다.
또한, 상기 배기부(3)는 체임버(2) 내부의 진공압이 10-3Torr가 될 때까지 상기 체임버(2) 내부의 기체를 배출하는 기계 펌프(3a)와, 상기 체임버(2) 내부의 진공압이 10-6∼10-7Torr가 될 때까지 상기 체임버(2) 내부의 기체를 배출하는 터보 몰레큘러 펌프(turbo molecular pump, 3b)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 PECVD 시스템을 이용한 질화탄소 박막 형성방법은 다음과 같다.
먼저 배기부(3)를 작동시켜 체임버(2) 내부의 진공압을 10-6Torr로 만든 후 메탄가스 공급부(4)와 질소가스 공급부(5)를 각각 작동시켜 상기 체임버(2) 내부로 메탄가스와 질소가스를 공급하면서 반응압력을 1∼100mTorr 범위 내로 조절한다.
그 후, 전력 공급부(6)를 작동시켜 기판(1)에 500∼1000W의 전력을 공급하면 메탄가스와 질소가스는 플라스마 상태가 되고, 그 때 발생되는 메탄가스와 질소가스의 활성이온, 라디칼(radical) 등이 시드(sheath)전압에 의해 기판(1) 측으로 가속되며, 그 중 반응성이 큰 탄소이온(C+)과 질소이온(N+)이 기판(1)의 표면에서 반응하는 동시에 화학적 흡착(chemisorbtion) 등이 이루어져 상기 기판(1)에 비정질의 질화탄소 박막이 증착된다.
한편, 종래의 스퍼터링 시스템은 제2도에 도시된 바와 같이 질화탄소 박막이 증착될 기판(11)이 내부의 소정 위치에 장착된 체임버(12)와, 상기 체임버(12) 내부가 일정 진공압으로 유지되도록 상기 체임버(12) 내부의 기체를 배출하는 배기부(13)와, 상기 체임버(12) 내부로 아르곤(Ar)가스를 공급하는 아르곤가스 공급부(14)와, 상기 체임버(12) 내부로 질소(N2)가스를 공급하는 질소가스 공급부(15)와, 상기 기판(11)과 일정 거리(약 40∼80mm)를 두고 대면하도록 상기 체임버(12) 내부에 장착된 순도 99.99% 이상의 흑연 타깃(graphite target, 16)과, 상기 흑연 타깃(16)에 일정 전력을 공급하는 전력 공급부(17)로 구성된다.
또한, 상기 배기부(13)는 체임버(12) 내부의 진공압이 10-3Torr가 될 때까지 상기 체임버(12) 내부의 기체를 배출하는 기계 펌프(13a)와, 상기 체임버(12) 내부의 진공압이 10-6∼10-7Torr가 될 때까지 상기 체임버(12) 내부의 기체를 배출하는 크라이오 펌프(cryo pump, 13b)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 스퍼터링 시스템을 이용한 질화탄소 박막 형성방법은 다음과 같다.
먼저 배기부(13)를 작동시켜 체임버(12) 내부의 진공압을 10-7∼10-8Torr로 만든 후 아르곤가스 공급부(14)와 질소가스 공급부(15)를 각각 작동시켜 상기 체임버(12) 내부로 아르곤가스와 질소가스를 공급하면서 반응압력을 5∼20mTorr 범위 내로 조절한다.
그 후, 전력 공급부(17)를 작동시켜 흑연 타깃(16)이 장착되어 있는 캐소드(cathode)에 일정 전력을 공급하면 아르곤가스와 질소가스는 플라스마 상태가 되고, 그 때 발생되는 활성 아르곤이온(Ar+)이 시드 전압에 의해 흑연 타깃(16) 측으로 가속되어 상기 흑연 타깃(16)에 충돌하면 운동량과 가속 에너지를 가진 탄소이온(C-)이 방출되며, 상기 탄소이온이 활성 질소이온(N+)과 기판(11)의 표면에서 반응하여 상기 기판(11)에 질화탄소 박막이 증착된다.
또한, 상기에서 질화탄소 박막의 증착속도 및 기판과의 결합력을 향상시키기 위하여 기판(11)에 바이어스 전압을 공급하기도 하며, 합성 조건에 따라서는 박막 매트릭스 내에 소량의 결정성 C3N4(β-C3N4, 수십 A단위의 결정립으로서 박막 내의 경도 및 모듈러스에 영향을 미침)상이 형성되기도 한다.
그러나, 종래의 PECVD 시스템과 스퍼터링 시스템은 체임버 내부로 공급되는 각종 가스를 낮은 에너지를 가지는 활성이온으로 만들어 진화탄소 박막을 형성시키기 때문에 기판에 증착된 질화탄소 박막이 30∼40%의 질소만 함유하여 박막 내의 β-C3N4상이 거의 형성되지 않고, 박막의 경도 및 모듈러스에 영향을 미치는 C≡N 트리플 본드(triple bond)도 상기 박막 내에 소량만 포함되어 상기 질화탄소 박막이 쉽게 박리되고, 열에 약하며, 기판과의 결합력도 약한 문제점이 있었다.
또한, 종래의 PECVD 시스템과 스퍼터링 시스템은 각종 가스로부터 발생된 활성이온들이 모두 낮은 에너지를 가지고 결합하기 때문에 증착속도(약 1μm/h)가 매우 느려 질화탄소 박막의 형성에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 PECVD 시스템은 탄화수소 가스(예를 들어 메탄가스)를 탄소원으로 사용하기 때문에 기판에 증착된 질화탄소 박막 내의 수소 함유를 피할 수 없고, 종래의 스퍼터링 시스템도 체임버 내부에 포함된 불순물의 활성이온화로 인해 질화탄소 박막 내의 수소 함유를 피할 수 없어 중합체(polymer)성의 증가로 인한 질화탄소 박막의 열화가 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 높은 에너지를 가진 세슘이온(Cs+) 빔을 흑연 타깃에 충돌시켜 높은 에너지를 가진 탄소이온(C-) 빔을 발생시킨 후 상기 탄소이온 빔을 기판 측으로 유도하고, 그와 동시에 질소이온(N+) 빔을 상기 기판 측으로 공급하여 질화탄소 박막을 형성시킴으로써 경도, 모듈러스 및 기판과의 결합력이 크게 강화된 질화탄소 박막을 단시간 내에 상기 기판에 증착시킬 수 있는 질화탄소 박막 형성장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 질화탄소 박막 형성장치는 질화탄소(CNx) 박막이 증착될 기판이 내부에 장착된 체임버(chamber)와, 상기 체임버 내부가 일정 진공압으로 유지되도록 상기 체임버 내부의기체를 배출하는 배기부와, 상기 체임버의 내부에 장착되어 상기 질화탄소 박막의 형성에 필요한 탄소이온(C-) 빔을 발생시킨 후 상기 기판 측으로 유도하는 탄소이온 공급부와, 상기 탄소이온 빔과 반응하여 상기 기판에 질화탄소 박막을 형성시키는 질소이온(N+) 빔을 상기 기판 측으로 공급하는 질소이온 공급부로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 질화탄소 박막 형성방법은 일정 진공압으로 유지된 체임버의 내부에 장착된 흑연 타깃에 세슘이온 빔을 조사하여 탄소이온 빔을 방출시키는 제1과정과, 상기 제1과정에서 방출된 탄소이온 빔을 가속시키면서 상기 체임버 내부에 장착된 기판 측으로 유도하는 제2과정과, 상기 제2과정에서 유도된 탄소이온 빔과 반응하여 상기 기판에 질화탄소 박막을 형성시키는 질소이온 빔을 상기 기판 측으로 공급하는 제3과정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 의한 질화탄소 박막 형성장치 및 그 방법의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 질화탄소 박막 형성장치는 제3도에 도시된 바와 같이 질화탄소(CNx) 박막이 증착될 기판(21)이 내부의 소정 위치에 장착된 체임버(22)와, 상기 체임버(22) 내부가 일정 진공압으로 유지되도록 상기 체임버(22) 내부의 기체를 배출하는 배기부(23)와, 상기 체임버(22)의 내부 소정 위치에 장착되어 상기 질화탄소 박막의 형성에 필요한 탄소이온(C-) 빔을 발생시킨 후 상기 기판(21) 측으로 유도하는 탄소이온 공급부(30)와, 상기 탄소이온 빔과 반응하여 상기 기판(21)에 질화탄소 박막을 형성시키는 질소이온(N+) 빔을 상기 기판(21) 측으로 공급하는 질소이온 공급부(24)로 구성된다.
상기 탄소이온 공급부(30)는 세슘이온(Cs+) 빔을 방출하는 세슘이온 건 소스(Cs+gun source, 31)와, 상기 세슘이온 건 소스(31)에서 방출되는 세슘이온 빔과 충돌하여 탄소이온 빔을 방출하는 순도 99.99% 이상의 흑연 타깃(32)과, 상기 세슘이온 빔과 탄소이온 빔을 각각 가속시키면서 상기 흑연 타깃(32)과 기판(21) 측으로 각각 유도하는 제어전극(33)으로 구성된다.
또한, 상기 세슘이온 건 소스(31)는 제4도에 도시된 바와 같이 고상 전해질인 세슘-모데나이트(cesium-mordenite, 31a)와, 상기 세슘-모데나이트(31a)로부터 확산 이동된 세슘을 이온화하여 세슘이온 빔을 방출하는 다공질의 텅스텐 피막(31b)과, 상기 세슘-모데나이트(31a) 및 텅스텐 피막(31b)에 일정 전압을 공급하는 전원(31c)으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 질화탄소 박막 형성장치를 이용한 질화탄소 박막 형성방법은 다음과 같다.
먼저 배기부(23)를 작동시켜 체임버(22) 내부의 진공압을 10-6Torr로 만든 후 탄소이온 공급부(30)와 질소이온 공급부(24)를 각각 작동시킨다.
상기에서 탄소이온 공급부(30)가 작동되면 세슘이온 건 소스(31)의 세슘-모데나이트(31a)와 텅스텐 피막(31b)에 일정 전압이 공급되어 전장이 발생하고, 그 전장에 의해 세슘-모데나이트(31a)로부터 텅스텐 피막(31b)을 통과하면서 이온화되어 높은 에너지를 가진 세슘이온 빔(전류 밀도가 약 100mA/㎠)이 방출된다.
그 후, 제어 전극(33)은 세슘이온 건 소스(31)에서 방출되는 세슘이온 빔을 가속시키면서 흑연 타깃(32) 측으로 유도하고, 상기 세슘이온 빔이 흑연 타깃(32)의표면에 충돌하면 상기 흑연 타깃(32)은 높은 에너지를 가진 탄소이온 빔을 방출한다.(제1과정)
상기 제1과정 후 제어 전극(33)은 흑연 타깃(32)에서 방출되는 탄소이온 빔을 가속시키면서 기판(21) 측으로 유도한다.(제2과정)
한편, 상기에서 질소이온 공급부(24)가 작동되면 탄소이온 빔과 반응하여 기판(21)에 질화탄소 박막을 형성시키는 질소이온 빔이 발생되어 기판(21) 측으로 공급된다.(제3과정)
그 후, 상기 제2과정에서 유도된 높은 에너지를 가지는 탄소이온 빔과 제3과정에서 공급된 질소이온 빔이 기판(21)의 표면에서 반응하여 기판(21)에 질화탄소 박막이 증착된다.
상기에서 기판(21)에 증착된 질화탄소 박막은 수십-수백 eV의 에너지를 가지는 탄소이온 빔과 질소이온 빔이 반응하여 형성되기 때문에 박막 내의 질소 함유량이 최대 57%까지 되어 박막 내에 β-C3N4상이 다량 형성되고, 아울러 C≡N 트리플 본드도 박막 내에 많이 포함되어 경도, 모듈러스 및 기판(21)과의 결합력이 종래보다 휠씬 강해진다.
즉, 상기 질화탄소 박막은 7∼15GPa의 높은 경도와, 70∼150GPa의 높은 모듈러스와, 100A 이하의 표면조도와, 0.1 이하의 마찰계수를 가지고 최대 900℃의 열에도 견딜 수 있어 기존의 DLC(Diamond Like Carbon), 티타늄나이트라이드(TiN) 및 크롬옥사이드(Cr2O3) 박막 대신 특정 가공물의 내마모성 및 내열성 보호막으로 적용 가능하다.
또한, 상기 질화탄소 박막은 높은 에너지를 가지는 탄소이온 빔이 질소이온 빔과 반응하여 기판에 증착되기 때문에 그 증착속도(최대 100μm/h)가 종래에 비해 휠신 빠르고, 체임버(22) 내부의 불순물이 활성이온화되지 않기 때문에 박막 내에 수소를 함유하지 않는다.
다음으로 본 발명에 따른 질화탄소 박막의 적용예를 설명한다.
먼저 제5(a)에 도시된 바와 같이 사출 성형을 위한 금형(40) 중 사출 성형물(41)과의 접촉면(40a) 및 금형(40)간의 접촉면(40b)에 본 발명에 따른 질화탄소 박막(42) 즉, 상기와 같은 경도, 모듈러스 표면조도 및 열적 특성을 가지는 질화탄소 박막(42)를 증착시키면 기존의 메탈이나 합금 박막(내력 강도가 2GPa 이하)보다 내마모성 및 내열성이 향상되어 사출 성형조건(약 400∼700℃의 사출온도 및 수십 Kg의 인가 하중)에 잘 견디며, 그로 인해 상기 금형(40)의 수명이 연장되고, 사출 성형물(41)의 품질이 향상된다.
또한, 제5(b)도에 도시된 바와 같이 자기 헤드(43)중 자기 테이프(44)와의 접동면(43a)에 본 발명에 따른 질화탄소 박막(45) 즉, 상기와 같은 경도, 모듈러스, 표면조도 및 열적 특성 뿐만 아니라 우수한 불활성(inertness) 및 0.2GPA 미만의 낮은 내부 응력을 가지는 질화탄소 박막(45)을 증착시키면 수분에 치명적이고 큰 내부 응력(약 10GPa)을 가져 쉽게 박리되는 DLC 박막보다 내마모성이 향상되어 자기 테이프(44)와의 마찰에 잘 견디며, 그로 인해 자기 헤드(43)의 수명이 연장되고, 이물질 발생의 방지로 인한 화면의 선명화가 구현된다.
한편, 제5(c)도에 도시된 바와 같이 액정 디스플레이용 편광판(46)의 최외각면(46a)에 본 발명에 따른 질화탄소 박막(47) 즉, 상기와 같은 경도, 모듈러스, 표면조도, 열적 특성, 불활성 및 내부 응력 뿐만 아니라 약 3.2eV의 옵티컬 밴드 갭(optical band gap)을 가지는 질화탄소 박막(47)을 증착시키면 약 2.0eV의 옵티컬 밴드 갭을 가지는 기존의 DLC 박막보다 가시광선 영역에서 더 우수한 투과율(약 95%)을 가지며, 그로 인해 액정 디스플레이 화면의 선명화가 구현되고, 아울러 상기 편광판(46)의 수명이 연장된다.
이와 같이 본 발명에 의한 질화탄소 박막 형성장치 및 그 방법은 높은 에너지를 가지 탄소이온 빔과 질소이온 빔을 반응시켜 질화탄소 박막을 형성시키기 때문에 경도, 모듈러스 및 기판과의 결합력이 강한 질화탄소 박막을 단시간 내에 기판에 증착시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 질화탄소(CNx) 박막이 증착될 기판이 내부에 장착된 체임버(chamber)와, 상기 체임버 내부가 일정 진공압으로 유지되도록 상기 체임버 내부의 기체를 배출하는 배기부와, 상기 체임버의 내부에 장착되어 상기 질화탄소 박막의 형성에 필요한 탄소이온(C-) 빔을 발생시킨 후 상기 기판 측으로 유도하는 탄소이온 공급부와, 상기 탄소이온 빔과 반응하여 상기 기판에 질화탄소 박막을 형성시키는 질소이온(N+) 빔을 상기 기판 측으로 공급하는 질소이온 공급부로 구성된 것을 특징으로 하는 질화탄소 박막 형성장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소이온 공급부는 세슘이온(Cs+) 빔을 방출하는 세슘이온건 소스(Cs+gun source)와, 상기 세슘이온 건 소스에서 방출되는 세슘이온 빔과 충돌하여 탄소이온 빔을 방출하는 흑연 타깃(graphite target)과, 상기 세슘이온 빔과 탄소이온 빔을 각각 가속시키면서 상기 흑연 타깃과 기판 측으로 각각 유도하는 제어 전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 질화탄소 박막 형성장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 세슘이온 건 소스는 고상 전해질인 세슘-모데나이트(cesium-mordenite)와, 상기 세슘-모데나이트로부터 확산 이동된 세슘을 이온화하여 세슘이온 빔을 방출하는 다공질의 텅스텐 피막과, 상기 세슘-모데나이트 및 텅스텐 피막에 일정 전압을 공급하는 전원으로 구성된 것을 특징으로 하는 질화탄소 박막 형성장치.
  4. 일정 진공압으로 유지된 체임버의 내부에 장착된 흑연 타깃에 세슘이온 빔을 조사하여 탄소이온 빔을 방출시키는 제1과정과, 상기 제1과정에서 방출된 탄소이온 빔을 가속시키면서 상기 체임버 내부에 장착된 기판 측으로 유도하는 제2과정과, 상기 제2과정에서 유도된 탄소이온 빔과 반응하여 상기 기판에 질화탄소 박막을 형성시키는 질소이온 빔을 상기 기판 측으로 공급하는 제3과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화탄소 박막 형성방법.
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KR1019960009737A KR100262824B1 (ko) 1996-04-01 1996-04-01 질화탄소 박막 형성장치 및 그 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100487880B1 (ko) * 2002-07-19 2005-05-06 플라스미온 코포레이션 탄소 박막 제조 장치 및 방법

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