KR100302457B1 - 다이아몬드 막 증착방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이아몬드 막 증착방법에 관한 것으로, 열 필라멘트 상부전극을 사용하지 않고, 별도의 자기장을 인가하지 않으며, 안정저항을 사용하지 않고도 직경이 100mm 이상인 기판 상에 균일한 대직경 플라즈마가 형성되게 하고, 장시간 안정되게 유지되게 함으로써, 최대직경 4인치 이상, 최대 두께 수백 μm 이상의 다이아몬드 후막을 평면 혹은 곡면 기판, 그리고 Si 웨이퍼 상에 증착시킬 수 있다.

Description

다이아몬드 막 증착방법{DIAMOND FILM DEPOSITION METHOD}

본 발명은 다이아몬드 막 증착방법에 관한 것으로, 특히 최대 직경 4인치 이상의 대면적 기판상에 최대두께 수백 μm 이상의 다이아몬드 후막(thick film)을 증착하도록 하는데 적합한 다이아몬드 막 증착방법에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 다이아몬드 막의 증착방법 중의 하나인 dc pacvd 방법은 장치의 구조가 간단하고, 증착속도가 핫 필라멘트(hot filament)나 마이크로 웨이브 CVD 등의 방법에 비하여 빠른 장점 때문에 주목받고 있는 기술이다.

이 방법은 진공조 내에 서로 평행하게 마주보는 한 쌍의 판상의 전극을 설치하고, 이 두 전극사이에 직류전압을 인가하여 전극간의 공간에 플라즈마를 발생시키고, 이 플라즈마를 이용하여 반응조 내에 도입된 반응가스를 분해함으로써 하부전극상에 놓인 기판에 다이아몬드 막을 증착하는 방법이다. 전극은 원판(disk) 형의 것이 주로 사용되며, 반응가스는 수소와 탄화수소의 혼합가스가 사용된다. 그러나, 이 기술은 최근까지 아크(arc) 발생으로 인한 플라즈마의 소실이나 불안정화 때문에 장시간 증착이 힘들다는 것과, 한 개의 전극으로는 균일한 증착이 이루어지는 증착면적을 약 1인치 이상으로 키우기 힘들다는 것이 결정적 단점으로서, 기존의 기술에서는 직경 4인치 이상 두께 수백 μm 이상의 다이아몬드 후막을 합성하지 못했다. 이것은 종래의 기술로서는 4인치 이상의 대면적 기판 상에 한 개의 음극을사용해서는 대면적의 플라즈마를 형성하기 어려우며, 형성했다 하더라도 이것을 장시간 안정하게 유지하기 어렵기 때문으로 판단된다.

이 dc pacvd 방법에서는 음극의 온도 및 기판의 온도가 중요한 증착변수로 작용한다. 그런데 이 음극 및 기판의 온도를 증착도중에 큰폭으로 변화시킬 수 있게 하는 것은 매우 중요하다. 본 발명의 설명에서 나중에 자세히 설명하겠지만 음극 및 기판은 어떤 온도 구간을 벗어나지 않도록 유지해야 한다. 음극은 플라즈마로부터 이온의 충돌에 의하여, 기판은 전자의 충돌에 의하여 가열되는데, 주어진 음극과 홀더의 구조에서 음극 및 기판의 온도는 공정조건에 따라 여러가지로 변화된다. 종래의 기술에서 음극 및 기판의 온도를 변화시키기 위하여 일반적으로 사용되는 방법은 음극 및 기판을 수냉되는 홀더에 장착하고 홀더와 음극 혹은 기판간의 사이에 스페이서(spacer)를 삽입하여 열전달을 조절하는 방법이다. 그러나 공정 도중에 방전전압, 전류 등의 공정조건이 주어진 상태에서 음극 및 기판의 온도를 챔버 바깥쪽으로 부터의 조작에 의하여 변화시킬 수 있다면 공정을 중단하고 스페이서등을 바꿔끼울 필요가 없기 때문에 매우 편리할 것이다. 그러나 종래의 dc pacvd 기술에서는 증착도중에 음극 및 기판의 온도를 변화시키는 방법은 아직 보고되지 않았다.

종래의 dc pacvd 기술에서 두께 수백 μm 이상의 두꺼운 다이아몬드 후막이 증작된다고 보고된 경우는 증착면적이 1cm²내외로 작은 경우 뿐이다. 또, 종래의 기술에서 직경 4인치 가량의 대면적 증착이 가능하다고 보고된 경우는 두께 수백 μm 이상의 두꺼운 다이아몬드 후막이 아닌 것은 물론이고, 연속된 막 조차 아닌,다이아몬드 입자들만이 형성된 경우일뿐 아니라 자기장을 인가하여 프라즈마를 회전하는 방법을 사용한 것이다. 종래의 기술에서 대면적화 및 후막증착을 달성한 보고도 있으나, 이 방법은 열 필라멘트(hot filament) 방법을 사용하고, 여러개의 필라멘트를 상부전극으로 사용하는 방법이다. 이 방법은 한쌍의 서로 마주보는 판상(plate shape)의 전극을 사용하는 것은 아니며, 이 방법은 열 필라멘트법이 가지는 근본적인 단점인 필라멘트의 유지보수가 어렵다는 문제를 그대로 가지고 있다.

종래의 기술에서는 대부분 안정저항(ballast resistance)을 사용한다. 이 안정저항은 회로에 직렬연결하여 플라즈마를 안정화하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 이 안정저항은 플라즈마의 부하 값과 유사한 저항 값을 가지는데, 회로에 직렬로 연결되어 있으므로 불필요하게 파워를 낭비하는 단점이 있다. 공급파워의 수십 %가 이 안정저항에서 소모되어 파워 효율이 크게 손상 당하게 된다. 이와 같은 손실에도 불구하고 안정저항이 사용되는 것은 기존 기술에서는 파워 서플라이만으로는 dc pacvd의 플라즈마를 장시간 안정하게 유지하기 힘들기 때문인 것으로 판단된다.

종래의 dc pacvd 기술에서는 모두 평평한 평면 형태의 기판을 사용한 결과들 만이 보도되고 있다. 반면, 다이아몬드는 Radom, Diaphragm 등과 같이 구면(spherical surface) 상의 증착을 요하는 분야도 있으며, 튜브 내외면, 봉의 외면과 같은 원통형 곡면상의 증착도 필요하다. 한쌍의 전극을 사용하는 종래의 dc pacvd 기술에서는 이러한 곡면상의 다이아몬드 증착 결과는 아직 보고되지 못하고있다.

종래의 dc pacvd 기술에서는 몰리브덴이나 텅스텐과 같은 고 융점 금속의 두꺼운 판재가 기판으로 널리 사용되고 있다. 반면, 일반 반도체에 쓰이는 실리콘 기판을 사용할 수 있으면 SOD(Silicon On Diamond), SAW(Surface Acoustic Wave) device와 같은 분야에의 응용이 가능해 질 것이다. 그러나 지금까지 최대 직경 4인치 이상의 대면적 실리콘 기판에 다이아몬드 막을 dc pacvd 방법으로 합성한 예는 보고되지 않고 있다. 이것은 실리콘 기판의 열전도도가 작고 두께가 얇으며 무게가 가벼워서 기판 홀다와의 열접촉이 긴밀하지 못하므로 합성 도중에 균일한 온도 유지가 불가능하기 때문으로 판단된다.

본 발명의 목적은 한쌍의 전극을 사용하는 dc pacvd 방법에 의한 다이아몬드 막 증착에 있어서, 열 필라멘트 음극을 사용하지 않고, 별도의 자기장을 인가하지 않으며, 안정저항을 사용하지 않고도 직경이 100mm 이상인 기판 상에 균일한 대직경 플라즈마가 형성되게 하고, 장시간 안정되게 유지되게 함으로써, 최대직경 4인치 이상, 최대 두께 수백 μm 이상의 다이아몬드 후막을 평면 혹은 곡면 기판, 그리고 Si 웨이퍼 상에 증착되도록 하는데 적합한 다이아몬드 막 증착방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다이아몬드 막 증착장치의 구성을 개략적으로 보인 종단면도.

도 2는 도 1의 홀더를 상세히 보인 단면도.

도 3은 도 1의 하부전극을 상세히 보인 평면도 및 단면도.

도 4는 상부전극을 2000℃ 이상으로 유지할 경우의 플라즈마 형태를 보인 상태도.

도 5a와 5b는 본 발명에 따른 증착방법으로 구면 기판 상에 증착을 실시하는 상태를 보인 단면도.

도 6a와 6b는 본 발명에 따른 증착방법으로 원통형 기판 상에 증착을 실시하는 상태를 보인 단면도.

도 7은 상부전극의 온도가 낮은 경우에 상부전극에 고상탄소입자가 형성된 상태를 보인 사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 챔버 2 : 가스주입구

3 : 가스배기구 4 : 상부전극

5 : 하부전극 6 : 에스 엠 피 에스

7 : 냉각수라인 8 : 홀더

9 : 플라즈마 10 : 기판

22 : 버큠홀 23 : 버큠흠

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 진공챔버 내측에 설치된 음극의 상면에 기판을 위치시키고 공정가스를 주입하면서 음극과 양극에 직류 및 직류 펄스 전압을 SMPS로 인가하여 음극과 양극 사이에 플라즈마를 발생시키는 단계와, 음극의 온도를 2000℃ 이하로 유지시켜서 직경 4인치 이상의 기판 상에 대직경 플라즈마를 일정시간 동안 균일하게 형성시킴으로서 기판 상에 일정 두께의 다이아몬드 증착막이 형성되도록 하는 단계의 순서로 진행하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 증착방법이 제공된다.

이하, 상기와 같은 본 발명 다이아몬드 막 증착방법을 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 다이아몬드 막 증착장치의 구성을 개략적으로 보인 종단면도이고, 도 2는 도 1의 홀더를 상세히 보인 단면도이며, 도 3는 도 1의 하부전극을 상세히 보인 평면도 및 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명 다이아몬드 막 증착장치는 공정챔버(1)의 일측 상부에 챔버(1)의 내측으로 공정가스를 주입하기 위한 가스주입구(2)가 형성되어 있고, 타측 하부에는 챔버(1)의 내부에서 공정을 진행하고난 후의 배기가스를 배출하기 위한 가스배기구(3)가 형성되어 있고, 공정 챔버(1)의 내측에는 직경 100mm 이상 크기의 음극(4)과 양극(5)이 일정간격을 두고 상,하측에 각각 설치되어 있으며, 상기 음극(4)과 양극(5)은 SMPS(Switch-Mode Power Supply)(6)에 연결되어 직류전압을 인가할 수 있도록 되어 있으며, 상기 음극(4)의 상측에는 음극(4)을 챔버(1)에 고정함과 아울러 냉각하기 위한 냉각수라인(7)이 형성되어 있는 홀더(8)가 고정설치되어 있다.

상기와 같은 구조를 기초로 본 발명의 장치는 여러가지 특징적인 구조를 가지고 있으며, 이와 같은 특징적인 구조와 작용을 설명하면 다음과 같다.

첫번째로, 본 발명에 따른 증착장치의 홀더(8)는 공정을 중단하지 않고, 공급된 파워를 중단하지 않으면서도 음극(4)의 온도를 콘트롤할 뿐만 아니라, 음극(4)의 온도를 균일하게 유지하는 것이 가능하다.

도 2에 도시된 바와 같이 음극(4)이 홀더(8)에 설치된 구조를 보면, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐등의 재질로된 원판형 음극(4)의 상면 중앙에는 중앙 고정봉(11)이 고정되어 있고, 가장자리에는 일정간격을 두고 수개의 에지 고정봉(12)들이 고정되어 있다.

상기와 같이 음극(4)에 고정된 중앙 고정봉(11)과 에지 고정봉(12)들은 음극(4)과 홀더(8) 사이에 스페이서(13)가 개재된 상태로 홀더(8)의 중앙과 가장자리에 형성된 관통공(8a)(8b)에 각각 삽입되어 있고, 그와 같이 삽입된 중앙 고정봉(11)의 상단부에 형성된 나사부(11a)에는 핸들(14)이 베어링(15)이 받쳐진 상태로 나사결합되어 있으며, 에지 고정봉(12)들의 상단부에 형성된 나사부(12a)에는 스프링 와샤(16)가 받쳐진 상태로 너트(17)가 나사결합되어 있다.

상기 홀더(8)는 구리재질로 제작하는 것이 바람직하며, 상단부 일측에는 냉각수를 유입시키기 위한 냉각수 유입구(18)가 형성되어 있고, 타측에는 냉각수를 유출시키기 위한 냉각수 유출구(19)가 형성되어 있다.

상기와 같이 음극(4)의 가장자리를 고정하기 위한 에지 고정봉(12)을 설치한 것은 중앙 고정봉(11)에 의해서만 음극(4)을 고정하는 경우에는 음극(4)이 고온에서 장기간 노출시에 자체의 무게 때문에 음극(4)의 가장자리 부분이 하측으로 수백 μm 가량 처지게 되기 때문이다. 그와 같이 음극(4)의 가장자리 부분이 처지게 되면 냉각수라인(7)으로 흐르는 냉각수에 의하여 냉각되는 홀더(8)와 접촉이 이루어지지 못하게 되고, 그 부분의 온도가 중앙부의 온도에 비하여 수백도 이상 상승하게 되므로 음극(4)의 온도가 전체적으로 불균일하게 되므로, 다이아몬드 막 증착에 결정적으로 악영향을 주게 된다.

상기 음극(4)과 홀더(8) 사이에 개재되는 스페이서(13)는 몰리브덴, 구리, 스테인레스와 같은 재질의 0.1mm 내지 0.2mm 정도의 얇은 판을 한장 또는 여러장 겹쳐서 구성되며, 이와 같은 얇은 판(13a)(13a')들의 두께와 갯수를 변화시켜서 홀더(8)와 음극(4) 사이의 열전달을 조절하여 음극(4)의 온도를 1차적으로 조절한다.

상기 스페이서(13)를 이루는 얇은 판(13a)(13a')들의 표면은 거칠게 연삭처리를 하거나 일정한 패턴으로 압입(indentation)처리를 해주는 것이 좋다.

플라즈마(9)를 점화하여 합성조건에 도달한 후 핸들(14)를 회전시켜서 중앙 고정봉(11)에 고정되어 있는 음극(4)의 중앙부를 상측으로 당겨주면 음극(4), 스페이서(13), 홀더(8) 간의 접촉정도에 따라 열접촉이 변화하여, 플라즈마의 발생파워를 변화시키지 않고도 음극(4)의 온도를 조절할 수 있다. 예를 들어 플라즈마에 공급파워가 30∼60 kw 일 때, 상기와 같은 방법으로 변화시킬 수 있는 음극의 변화 폭은 약 200∼300℃ 가량되며, 이와 같은 온도의 변화 폭은 스페이서(13)를 이루는 얇은 판(13a)의 재질 및 갯수와, 플라즈마에 공급된 파워 또는 음극(4)의 재질 및 두께 등의 조건에 따라 달라질 수 있다.

도면에는 도시하지 않았으나, 상기와 같은 음극(4)의 냉각구조는 양극(5)에도 동일하게 적용하여, 공정진행시 양극(5)의 상면에 얹혀지는 기판(10)의 냉각온도를 변화시킬 수 있다.

두번째로, 본 발명은 음극(4)의 온도를 2000℃ 이하, 선호적(preferably)으로는 800∼1400℃로 유지한다는 것이다.

상기와 같은 점은 실험결과 공정 진행시 음극(4)의 온도를 2000℃ 이상으로 유지하면 직경이 1인치 이상인 음극(4)의 균일한 가열이 불가능하고 플라즈마의 균일한 형성도 불가능하였다.

즉, 직경이 1인치 이상인 음극(4) 온도를 2000℃ 이상으로 가열되었을 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마(9')가 음극(4)의 일부에 축소되어 형성되고, 그 직경이 음극(4)과 기판(10)에 비하여 훨씬 작은 형태를 취하게 되며, 음극(4)과 기판(10)의 가열도 플라즈마(9')의 접촉한 부분만 집중적으로 이루어져서 균일한 온도유지가 불가능하였으며, 따라서 4인치 이상의 기판(10) 상에 균일한 대면적 증착을 실시하는 것이 불가능함을 확인 할 수 있었다.

또한, 음극(4)의 온도를 1400℃∼2000℃로 가열하는 경우에는 음극(4) 표면의 탄화가 심하게 일어나는데, 이와 같이 탄화가 일어난다는 것은 플라즈마 가스 중의 탄소 성분이 음극재료의 표면에 확산 침투하여 음극재료와 결합하여 탄화물 상을 형성하는 현상을 지칭하는 것이다. 탄화층이 형성되는 탄화과정은 부피팽창을 동반하므로 탄화층이 일정두께 이상이 되면 음극(4) 표면으로 부터 부분적으로 들떠 일어나고 떨어져 나옴에 따라 음극(4)의 표면상태가 거칠어지고 불균일하게 된다. 이러한 악화된 음극(4) 표면상태는 플라즈마 발생시 아크(arc) 발생의 요인으로 작용할 뿐만아니라, 안정한 플라즈마 발생을 위해서 지저분한 탄화층을 기계연삭(grinding)공정을 거쳐 제거하는 공정이 추가되어야 하므로 바람직하지 못하다.

그러나, 음극(4)의 온도를 800∼1400℃로 유지하면 4인치 이상의 대면적 기판(10) 상에 대면적 플라즈마를 형성하는 것이 가능하며, 4인치 이상의 음극(4)을 균일하게 가열되게 된다.

예를 들어, 직경 140mm의 몰리브덴 원판형 음극(4)에 직경 100mm의 몰리브덴 원판형 기판(10)을 마주보게 배치하고 전극간의 간격을 40mm로 유지한 다음, 두 전극 사이에 약 1000V, 50A의 파워를 공급하는 상태에서 가스압을 140torr로 유지한다. 그리고, 기판(1)의 온도가 1150℃, 음극(4)의 온도가 1100℃가 되도록 유지하면 음극(4)과 기판(1) 사이에 균일한 대직경의 플라즈마(9)가 형성되며 음극(4)의 가열도 균일하게 이루어진다.

한편, 음극(4)의 온도가 800℃이하로 내려가는 경우에는 음극(4)의 표면에 미세한 고상탄소입자(solid carbon granule)들 및 그것들의 합체(coalescence)된고상탄소층(layer)의 형성이 가속된다.

한예로, 음극(4)의 온도가 950℃인 경우에 3.5% CH₄-H₂내지 4.5% CH₄-H₂의 가스조성에서 약 8일 내지 16일 동안 유지하여도 고상탄소입자들이 형성되지 않는다. 그러나 3.5% CH₄-H₂의 가스조성에서 음극(4)의 온도가 750℃∼800℃인 경우에 약 20시간 만 경과하여도 음극(4)의 표면 전체에 고상탄소입자들이 형성된다. 도 7에서 보인 사진은 이와 같이 발생되는 고상탄소입자들이 발생된 예를 보인 것으로, 확대배율은 약 5배 가량이고, 사진에서 하얗게 보이는 점들이 입자(granule)들이다. 이 사진에서는 입자들의 밀도가 높지 않으나 시간이 지남에 따라 각 입자들의 수 밀도가 증가하고 각 입자들의 크기도 증가하여 결국은 각각의 입자들이 서로 만나서 합체되어 층(layer)이 형성된다.

세번째로, 본 발명은 전극간의 파워공급을 SMPS(Switch-Mode Power Supply, 혹은 Switched-Mode Power Supply)로 행한다는 것이다.

SMPS를 채용하는 자체만은 일반적으로 많이 알려진 기술로서, FET(Field Effect Transistor)나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)들의 스위칭(switching) 소자를 사용하여 고주파(high frequency) 혹은 고속 스위칭(switching)이 가능하다는 것을 특징으로 하는 파워 서플라이로서, 플라즈마 증착기술 분야에서는 디시 스퍼터링 증착(dc sputter deposition)에 주로 사용되어 왔다. SMPS는 이와 같이 고속의 스위칭 동작이 가능하기 때문에 스퍼터 증착 공정에서 스퍼터 타겟(sputter target)에서 발생하는 아크를 방지하는 기능이 뛰어난것으로 보고 되었다.

이러한 아크 방지 기능을 가진 SMPS를 dc pacvd 방법에 의한 다이아몬드 증착 시스템의 파워 서플라이로 이용할 수 있으면 매우 바람직할 것이다. 그러나 이러한 SMPS 기술은 아직까지 다이몬드 증착용 dc pacvd 장치에 응용된 예는 알려지지 않았으며, 이것은 스퍼터 증착공정과 본 발명의 dc pacvd공정과는 여러가지로 다른 점이 있기 때문인 것으로 판단된다.

즉, 우선적으로 플라즈마의 주된 구성요소가 다르다. 본 발명의 dc pacvd공정에서는 수소가 그 주된 구성요소이며 여기에 수%의 탄화수소가 첨가된다. 반면에, 스퍼터 증착공정의 플라즈마에서는 아르곤 등의 불활성가스가 주된 구성원소이다.

다음으로, 기판에 증착되는 물질을 공급하는 방법이 서로 크게 다르다. 본 발명의 dc pacvd공정 에서는 기판에 증착되는 다이아몬드의 원료물질은 전적으로 가스 상태로 공급되며 이것이 플라즈마에 의하여 분해되어 그 분해 생성물이 기판에 증착된다. 그 원료물질은 일반적으로 수소와 탄화수소가스의 혼합물이다. 반면에, 스퍼터 증착공정에서는 상부전극에 부착된 고체 상태인 타겟이 원료물질의 공급원으로 사용되는데 불활성가스 플라즈마 중의 양이온이 타겟과 충돌하여 타겟 구성원자를 떼어내어 기판에 증착되게 한다.

또한, 음극에서 아크가 발생하는 이유도 서로 다르다. 본 발명의 dc pacvd공정에서는 음극에 그을음(soot)이 형성되는 것이 아크 발생의 주된 요인으로 알려져 있다. 반면에, 스퍼터 증착공정의 경우에는 음극에 형성되는 부도체 물질이 아크 발생의 주된 원인인 것으로 알려져 있다.

그밖의 공정조건에서는 본 발명의 dc pacvd공정에서는 가스압이 100 torr 내외의 높은 압력이 요구되며, 전류는 수십 암페어 이상이 요구된다. 반면에, 스퍼터 증착공정에서는 가스압이 밀리 torr 수준으로 낮고, 전류도 수 암페어 이하로 작은 조건이다.

이와 같은 두 공정간의 다양하며 근본적인 차이에도 불구하고, 본 발명자들의 연구결과 이러한 SMPS장치를 다이아몬드 증착용 dc pacvd 장치의 파워 서플라이로 사용하여 아크를 방지할 수 있음이 확인되었다. 연구에 의하면 SMPS장치 중 직경 4인치 이상의 대면적 다이아몬드 증착에 응용될 수 있는 것은 출력전압이 최대 1000V 내외이고, 전류도 수십 암페어 이상인 고출력의 파워 서플라이가 필요함이 확인 되었는데, 그와 같은 점은 실험에 의하여 기판의 직경이 4인치인 경우에 방전전류가 수 암페어 수준으로 낮으면 다이아몬드가 증착되지 않거나, 증착이 되더라도 그 속도가 너무 늦어서 부적합함이 확인되었기 때문이다.

또한, 출력전압이 1000V 이상이어야 하는 것은 출력전류 값을 수십 암페어 이상의 높은 값으로 유지하기 위해서이다. FET를 사용한 SMPS는 출력전류가 수 암페어 수준으로 제한된다. 따라서 IGBT를 사용한 SMPS가 본 발명의 목적에 적합하다. IGBT를 이용한 SMPS는 출력전압을 1000V 이상으로 할 수 있고, 출력전류도 수십 암페어 이상으로 할 수 있다.

이와 같은 IGBT를 이용한 SMPS로 본 발명의 합성장치의 두 전극간에 전압을 가할 때, 그 파형은 직류 펄스 형태나 일반적인 직류형태 모두 장기간 안정한 플라즈마 유지가 가능함이 확인되었다. 펄스 형태는 펄스의 온 타임(on time)과 오프 타임(off time) 비를 조절하여 동일한 파워에서도 직류에 비하여 인가 전압을 높일 수 있는 장점이 있다.

만약에, SMPS가 아닌 기존의 SCR 소자를 사용하는 형태의 파워 서플라이를 사용하는 경우에는 플라즈마의 저항 값과 동일한 수준의 저항값을 갖는 안정저항(ballast resistance)을 사용하지 않는 한, 음극과 양극 사이에서의 아크 발생 때문에 장시간 동안 안정한 플라즈마의 유지가 불가능하였다. 전술한 바와 같이 안정저항에서의 파워 소모는 총 투입 파워의 수십% 가량으로 매우 크다는 것이 결정정 단점이다. 반면, 실험결과에 의하면 SMPS를 사용하면 안정저항을 전혀 사용하지 않고도 장시간 안정한 플라즈마의 유지가 가능하고, 이를 이용하여 4인치 이상의 대면적 기판에 다이아몬드 막 증착이 가능하였다.

한예로, 4인치 몰리브덴 기판과 직경 140mm의 몰리브덴 음극 사이에 SMPS를 사용하여 820V, 35A의 파워를 공급하고, 수소-메탄가스를 사용하며, 가스압을 130-140 torr로 유지시키는 경우에 음극과 기판 사이에 균일한 플라즈마가 형성되고, 음극의 온도를 약 950℃, 기판 온도를 약 1150-1250℃로 유지하면 4인치 기판 표면에 두께 약 1.2mm의 다이아몬드 후막이 증착된다. 또한 동일한 조건에서 메탄 함량을 4.5%로 하여 약 200시간 유지하면 두께 약 0.9mm의 다이아몬드 막이 형성된다.네번째로, 본 발명은 곡면형태의 전극을 사용하여 곡면기판 상에 다이아몬드 막을 증착할 수 있다는 것이다.

이제까지 알려진 dc pacvd방법들은 모두 평평한 평면 기판 상에 다이아몬드를 증착하는 기술들 뿐이었다. 그러나 본 발명을 위한 실험과정에서 본 발명과 간은 조건하에서 곡면형태의 기판에 대향하는 음극의 면을 곡면의 각 지점과 음극의 각 지점이 일정거리가 유지되도록 음극의 형태를 취해주면, 음극과 기판간의 공간에 균일한 플라즈마가 형성되어 곡면 기판상에 균일한 다이아몬드 막이 형성됨을 확인할 수 있었다. 도 5a,5b,6a,6b는 곡면기판을 사용할 경우 전극의 형태 및 플라즈마의 형태를 보인 것으로, 플라즈마(P)는 육안으로 볼때는 기판과 접촉하고 음극과는 일정한 거리를 유지하고 분리된 형태로 관찰된다. 도면 5a와 5b는 볼록하거나 오목한 기판을 보인 것이고, 도 6a와 6b는 튜브의 내면 혹은 외면 또는 봉의 외면에 증착하는 경우를 예로 보인 것이다. 구면기판의 경우에 도 4a와 같이 음극은 오목한 구면형태로 하고, 기판은 볼록한 구면형태로 하거나, 도 4b와 같이 기판은 오목한 구면, 음은 볼록한 구면으로 할 수도 있다. 이 경우에 음극과 기판의 단면이 이루는 원호는 동심원상에 오는 것이 좋다.

예를 들어, 도 4a와 같이 구성하는데 있어서 두께 30mm, 직경 70mm의 몰리브덴 원판의 윗면을 곡률반경 45mm의 볼록한 구면으로 가공한 것을 기판으로 하고, 음극은 두께 30mm, 직경 120mm의 몰리브덴 원판의 중심부를 곡률반경 70mm 오목한 구면으로 가공한 것으로 하며, 그 기판과 음극을 중심축이 일치하게 마주보도록 위치시킨 상태에서, 음극의 오목한 구면의 중심점과 기판의 볼록한 구면의 중심점간의 거리를 약 26mm 정도 떨어지게 한다. 가스압은 약 100 torr에서 수소와 3% 내지 5%의 메탄을 혼합공급하고, 음극과 기판 사이에 800-900V, 25-35A의 파워를 공급하면 음극과 기판 사이에 균일한 플라즈마가 형성되며 일정시간 유지한 후에는 기판의 표면에 균일한 다이아몬드 막이 증착된다

이와 같은 구면형태의 음극이나 기판을 사용할 경우에는 음극의 온도 및 기판의 온도를 균일하게 하기 위하여 홀더의 형태를 적당히 변경하는 것이 좋다. 예를 들어 도 5a와 같이 음극의 가운데가 오목한 구면인 경우 홀더는 음극의 두께가 더 두꺼운 테두리 부분의 냉각이 가운데 부분에 비하여 더 활발히 이루어질 수 있도록 하는 구조를 가지는 것이 좋다. 예를 들어 음극 스페이서의 아래면, 즉 음극판의 윗면과 접촉하는 부위에 홈(groove)들을 형성하되 그 홈간의 간격을 중앙부가 더 크게 하여 음극 뒷면 중앙부가 테두리부에 비하여 접촉면적이 더 작도록 하는 방법등을 사용하면 된다.

튜브의 내면을 코팅하는 경우는 도 6a와 같이 코팅하고자 하는 튜브의 중심축 위치에 봉이나 튜브 형태의 음극을 그 중심축이 일치하도록 위치시키면 된다. 튜브의 외면을 코팅하는 경우는 도 6b와 같이 코팅하고자 하는 튜브나 봉의 외면에 그것보다 큰 직경을 가진 튜브 형태의 음극을 역시 중심축이 상호 일치하도록 설치하면 된다. 이와 같은 전극구조를 사용하여 전극간에 전압을 인가하면 음극과 기판간에 실린더 형태의 플라즈마가 형성되어 기판상에 다이아몬드 막이 증착되게 된다. 이때 음극과 기판은 적당한 수냉홀더를 사용하여 냉각하여 그 온도를 위에서 언급한 온도구간을 유지하도록 하는 것이 좋다.

다섯 번째로, 본 발명의 특징은 실리콘 웨이퍼와 같이 무게가 가볍고 얇으면서 취약할뿐만 아니라, 열전도도가 낮는 기판 상에 dc pacvd 방법으로 균일한 직경 4인치 이상의 다이아몬드 막의 증착이 가능하다는 것이다.

실험에 의하면, 실리콘 기판을 단순히 양극의 상면에 놓아 중력에 의하여 안착되는 방식은 실리콘 기판의 온도를 균일하게 유지하는 것을 불가능하였다. 가령 몰리브덴이나 텅스텐 기판 등은 비중이 크고 두께도 수 밀리 이상의 두꺼운 것을 사용하게 되므로 그 자체의 무게에 의하여 양극과의 접촉이 긴밀하게 유지되며 열 전도도가 실리콘 기판에 비해 크므로 온도가 균일하게 유지되었다. 그러나, 반도체 제조용 실리콘 기판은 비중이 작고 두께도 수 mm 이내로 얇으므로 그 자체의 무게 만으로는 양극과의 긴밀한 접촉이 이루어지지 않는다. 또 열도율도 작으므로 플라즈마와 접촉하면 불균일한 가열이 심화되게 되고, 두께가 얇고 융점이 낮아서 다이아몬드 막이 증착됨에 따라 다이아몬드 막의 내부응력 때문에 기판이 아래로 볼록하게 휘게 된다. 따라서 양극과의 접촉이 불균일해져서 심한 온도 불균일성이 발생한다. 휘는 정도는 다이아몬드 막의 두께에 비례하여 커진다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 과정에서 진공척 방식의 양극을 사용하면 실리콘 기판과 양극과의 열적접촉을 긴밀하게 하여 합성 도중의 기판의 온도를 균일하게 유지할 수 있을뿐 아니라, 기판을 양극의 상면에 균일하고 강하게 진공흡착하여 증착중에 기판이 휘거나 들뜸이 발생되는 것을 방지하게 되어, 안정한 대면적 증착을 실리콘 기판 상에 dc pacvd 방법으로 실현할 수 있음이 확인 되었다.

도 3은 하부전극의 구조를 보인 일예로서, 도시된 바와 같이, 양극(5)의 몸체(21) 상면에 일정간격으로 다수개의 버큠홀(vacuum hole)(22)이 형성되어 있고, 그 버큠홀(22)들에 연결되도록 몸체(21)의 상면에는 방사형과 크기가 다른 원형의버큠홈(vacuum groove)(23) 들이 형성되어 있다.

즉, 점선으로 표시된 것과 같이 공정진행시 실리콘 기판(24)을 몸체(21)의 상면에 얹어 놓는 상태에서 버큠홀(22)을 통하여 버큠을 작동시키면, 실리콘 기판(24)이 몸체(21)의 상면에 균일한 힘으로 흡착고정되게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 다이아몬드 막 증착방법에 의하면 열 필라멘트 음극을 사용하지 않고, 별도의 자기장을 인가하지 않으며, 안정저항을 사용하지 않고도 직경이 100mm 이상인 기판 상에 균일한 대직경 플라즈마가 형성되게 하고, 장시간 안정되게 유지되게 함으로써, 최대직경 4인치 이상, 최대 두께 수백 μm 이상의 다이아몬드 후막을 평면 혹은 곡면 기판, 그리고 Si 웨이퍼 상에 증착시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 진공챔버 내에 설치된 직경 100mm 이상인 음극과 양극에 직류 및 직류 펄스 전압을 SMPS로 인가함과 아울러 공정가스를 공급하여 음극과 양극 사이에 플라즈마를 발생시키는 단계와, 음극의 온도를 2000℃ 이하로 유지시킴과 동시에 가스압을 일정하게 유지시켜서 직경 4인치 이상의 기판 상에 대직경 플라즈마를 일정시간 동안 균일하게 형성시킴으로서 기판 상에 일정 두께의 다이아몬드 막을 증착하는 단계의 순서로 진행하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 증착방법.
2. 제 4항에 있어서, 상기 음극의 온도는 800℃-1400℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 증착방법.
3. 제 4항에 있어서, 상기 공정가스는 탄화수소 가스 및 수소의 혼합가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 막 증착 방법.