KR100375335B1 - 다이아몬드막의 제조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기상합성법에 의한 다이아몬드막 합성법에서, 중요 변수중의 하나인 기판온도를 분말을 사용하여 정확하고, 일정하게 유지함으로써 파괴없는 다이아몬드웨이퍼 합성을 가능하게 하는 방법에 관한 것이다.

다이아몬드막이 합성되는 기판 아래에 유동성이 있는 분말층을 만들어, 이 층을 기판과 기판홀더 사이의 열전달 매체로 사용하였다. 이 구조에서 기판에서 기판홀더로의 열전달은 분말층을 통하여 이루어지기 때문에, 사용하는 분말의 종류, 분말의 모양, 크기 및 크기분포, 분말 층의 높이를 변화를 통해 열전달을 제어할 수 있어 기판온도를 정확히 조절할 수 있다.

Description

다이아몬드막의 제조방법 및 장치{A Method for Depositing Diamond Films Without Fracture by a Control of Substrate Temperatures Using Powders}

본 발명은 다이아몬드막의 제조방법 및 장치에 관한 것으로 보다 구체적으로는, 기상합성법에 의하여 다이아몬드의 막을 합성할 때 기판의 온도를 정확히 제어하여 합성 중에 기판온도의 상승을 막고, 기판 수평면상의 온도구배를 최소화함으로써 파괴가 없는 다이아몬드막의 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

종래의 기상합성법에 의한 다이아몬드막의 합성은 도 1에 나타낸 바와 같다. 다이아몬드막(1)은, 진공용기(2) 내에서 형성된 플라즈마(3)에 의해 탄화가스로부터 분해된 래디컬(radical)이 기판으로 이동하는 과정에 의해 기판(4) 위에 막의 형태로 증착하므로써 형성된다. 사용되는 기판의 크기는, 직경이 수 - 20 cm, 두께가 0.05 - 1 cm 정도이며, 기판의 재질은 텅스텐, 몰리브데늄 또는 실리콘이 사용된다. 열 또는 플라즈마에 의해 가열되는 기판상면의 온도는 700 ℃∼1000 ℃로 유지되기 때문에 기판이 놓여지는 기판홀더(5)는 수냉되며 그 재질은 주로 열전도도가 양호한 구리로 제작된다.

기상합성법에 의한 다이아몬드막의 합성에서 기판온도(증착온도)는, 막의 결정도 뿐만 아니라 막의 파괴를 야기할 수 있는 응력의 형성과도 밀접한 관계가 있는 매우 중요한 변수이기 때문에 정확하게 제어되어야 한다.

이러한 기판온도 제어에서 크게 두 가지의 문제점이 있다. 하나는 특정의 온도로의 온도조절이 어려운 것인데, 이는 기판의 가열이 독립적으로 이루어지는 것이 아니라 플라즈마 자체의 에너지로 유지되기 때문이다. 이 경우 기판온도는 투입전력(다이아몬드막의 합성에 필요한 전력임) 또는 기판홀더를 흐르는 물의 유량을 조절하거나, 일정 두께의 원판을 끼워 넣는 등의 방법(기판온도가 낮을 경우)을 사용하여 조절된다. 그러나 이들 방법은, 각각, 합성조건(투입전력)의 변화를 초래할 수 있으며, 기판온도 제어 효과가 작고, 정교하지 못하다.

또 하나의 문제점은 합성 중 기판온도가 상승하거나 기판 수평면에서 온도구배가 형성되는 것인데, 이는 합성 중에 막을 파괴시키는 심각한 문제를 초래한다. 이의 원인은 합성 중 기판의 휨에 의하여 발생한다. 이 휨의 원인은 두 가지로 요약되는데, 하나는 기판 상하면의 온도차에 의한 열팽창계수의 차이에 의한 것이고, 다른 하나는 합성 중 막에 인가되는 응력 때문이다. 전자를 좀더 상세히 설명하자면, 기판은 기판상면에 있는 열 또는 플라즈마의 에너지에 의해 가열되고 이 열은 기판하면에 위치한 수냉되는 기판홀더로 빠져나가기 때문에, 기판온도는 상면에서 하면으로 갈수록 낮아진다(도 2a 및 도2b). 따라서, 기판상면의 열팽창 정도가 하면보다 크게되기 때문에 기판은 위로 볼록하게 휘게 되어 기판과 기판홀더 사이에 공간(8)이 형성된다(도 3a). 이러한 현상은 기판이 가열되기 시작하는 다이아몬드막의 합성초기, 즉 막이 형성되지 않은 단계에 일어날 수 있다.

이에 반해, 합성 중 막에 인가되는 응력에 의한 기판의 휨은 다이아몬드가 기판상에서 핵생성하고 성장하여 막이 형성된 이후단계에 일어난다. 다이아몬드막에서 응력은, 다이아몬드가 이종의 기판에서 합성되고 성장하면서 격자결함을 함유하며 집합조직을 형성하기 때문에 발생된다. 이 응력은 일반적으로 인장응력으로 알려져 있는데, 이러한 응력에 의하여 기판은 아래로 볼록하게 휜다(도 4b). 물론, 다이아몬드 막에 인가된 응력이 압축응력일 경우는 반대로 된다. 또한 만일 다이아몬드 막에 인가된 응력이 위치에 따라 불균일할 경우 기판의 휨은 불규칙할 것이다. 이와 같이, 기판이 휠 경우, 기판하면의 일부만이 평탄한 기판홀더와 접촉할 것이고, 이에 따라 기판으로부터 기판홀더로의 열전달이 부분적으로 이루어져 기판온도는 상승되고, 또한 기판의 위치에 따라 온도구배가 생길 수 있다. 예를 들어, 기판이 위로 볼록하게 휠 경우, 기판의 가장자리 부분만이 기판홀더와 접촉하게되어 기판의 가운데 부분의 온도가 기판의 가장자리 부분보다 높게 유지될 것이며(도 3b), 이와 반대로 기판이 아래로 볼록하게 휠 경우는 기판의 가운데 부분만이 기판홀더와 접촉하게되어 기판의 가장자리 부분의 온도가 기판 가운데 부분에 비해 높을 수 있다.

또한 상기한 바와 같은 두 경우 모두에 있어서는 기판온도도 상승될 것이다. 이러한 기판의 수평면상에서의 온도구배 및 기판온도의 상승은 합성 중 다이아몬드막에 인가되는 응력을 증가시켜 다이아몬드막을 파괴시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 기상합성법에 의한 다이아몬드막의 합성에서, 기판의 온도를 정확히 제어함으로써 합성 중에 기판온도의 상승을 막고, 기판 수평면상의 온도구배를 최소화함으로써 파괴가 없는 다이아몬드막의 제조방법 및 장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 일반적인 기상합성에 의한 다이아몬드막의 합성방법을 설명하기 위하여 나타낸 것이다.

도 2a 및 도 2b는 도1에 나타낸 기판 높이에 따른 온도구배를 나타낸 것이다.

도 3a 및 도 3b는 기판의 온도구배에 의한 기판상면의 열팽창 정도에 따라 기판이 위로 볼록하게 휘는 것을 나타낸 것이다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 기판상에서 일정 두께로 성장된 다이아몬드막에 의해 발생하는 인장응력에 의한 기판의 휨을 나타낸 것이다.

도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따라, 기판과 기판홀더 사이에 일정 두께의 분말층을 충진시킨 구조를 나타낸 것이다.

도 6a, 도 6b 및 도 6c는 도 5와 같은 조건에서 다이아몬드막을 형성할 경우 기판의 위치에 따른 온도구배의 변화를 설명하기 위한 모식도이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 기상합성법에의한 다이아몬드막의 제조방법에 있어서, 다이아몬드막이 증착되는 기판과 이 기판이 놓여지는 기판홀더 사이에 유동성이 있는 분말층을 형성하여 상기 분말층을 기판과 기판홀더 사이의 열전달 매체로 이용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조방법이 제공된다.

또한 본 발명에 의하면, 다이아몬드막이 증착되는 기판, 상기 기판을 지지하는 기판홀더 및 이들을 수용하며 플라즈마 발생장치와 연결된 진공용기를 포함하는 기상합성법에 의한 다이아몬드막의 제조장치에 있어서, 상기 제조장치는, 상기 기판과 기판홀더와의 사이에 형성된 분말층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조장치가 제공된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 구성을 도5에 나타내었다. 다이아몬드막(1)이 합성될 기판(4)과 기판홀더(5) 사이에 일정 두께의 분말층(9)을 충진시켰다. 분말이 유동하여 외부로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 기판(4)과 기판홀더(5)와의 접촉부의 외측에는 분말층(9)의 외부이탈을 방지하기 위하여, 예를 들면 링(10)과 같은 이탈방지부재를 형성하는 것이 좋다.

이와 같은 본 발명의 구성에 따라 합성 중 700 ℃∼1000 ℃의 고온으로 유지되는 기판의 열은 분말층(9)을 통하여 수냉되는 기판홀더(5)로 전달된다.

이러한 구조에서 합성 중에 어떠한 이유에 의해 기판이 휘어져 변형될 경우, 이 변형에 따라 분말이 유동하여, 도6a 및 도6b에 나타낸 바와 같이, 기판의 전체면이 분말층(9)과 접촉할 수 있다. 따라서 휜 기판의 열이 휘기 전과 같이 균일하게 기판홀더(5)로 전달되어, 기판온도의 상승 또는 기판위치에 따른 온도구배가 발생하는 것을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용되는 분말층은 분말의 종류(열전도도 차이), 분말의모양, 크기 및 크기분포, 분말층의 높이를 변화시켜 적절하게 선택할 수 있으며 특히 직경이 1㎜이하인 것을 사용하는 것이 열전달의 제어측면에서 효율적이다. 분말의 재질로서는 금속재 또는 세라믹제 분말등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따라 다이아몬드막의 합성을 행할 경우, 기판에서 기판홀더로의 열전달은 분말층을 통하여 이루어지기 때문에, 사용하는 분말의 종류(열전도도 차이), 분말의 모양, 크기 및 크기분포, 분말 층의 높이를 변화를 통해 열전달을 제어할 수 있어 기판의 온도변화를 최소로 할 수 있다.

또한, 합성 중에 기판이 휠 경우, 이 휨에 따라 분말층의 유동에 의하여 기판과 기판홀더와의 접촉을 계속 유지하게 함으로써, 다이아몬드막의 합성 중에 기판온도 변화를 최소화할 수 있었다. 기판을 직경 4", 두께 10㎜의 것으로 사용할 경우 기판의 온도 상승을 10도 이하로 유지할 수 있었으며, 기판 위치에 따른 온도편차도 5도 이하로 줄일 수 있었다. 이 경우 직경 4인지, 두께 2㎜의 후막 다이아몬드웨이퍼를 파괴 없이 합성할 수 있었다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (10)

1. 기상합성법에 의한 다이아몬드막의 제조방법에 있어서, 다이아몬드막이 증착되는 기판과 이 기판이 놓여지는 기판홀더 사이에 유동성이 있는 분말층을 형성하여 이 분말층을 기판과 기판홀더 사이의 열전달 매체로 이용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 분말층은 금속 또는 세라믹분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조방법.
3. 제 1 또는 2항에 있어서, 상기 분말층을 구성하는 분말의 직경은 1㎜ 이하의 분말입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 기판과 기판홀더와의 접촉부의 외측에는 분말층의 외부이탈을 방지하기 위한 이탈방지부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 이탈방지부재는 링인 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조방법.
6. 다이아몬드막이 증착되는 기판, 상기 기판을 지지하는 기판홀더 및 이들을 수용하며 플라즈마 발생장치와 연결된 진공용기를 포함하는 기상합성법에 의한 다이아몬드막의 제조장치에 있어서,

   상기 제조장치는, 상기 기판과 기판홀더와의 사이에 형성된 분말층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조장치.
7. 청구항 7(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제 6항에 있어서, 상기 분말층은 금속 또는 세라믹분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조장치.
8. 청구항 8(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제 6항에 있어서, 상기 분말층을 구성하는 분말의 직경은 1㎜ 이하의 분말입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조장치.
9. 청구항 9(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제 6항에 있어서, 상기 기판과 기판홀더와의 접촉 가장자리에는 상기 분말층의 외부이탈을 방지하기 위한 이탈방지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조장치.
10. 청구항 10(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제 9항에 있어서, 상기 이탈방지부재는 링인 것을 특징으로 하는 다이아몬드막의 제조장치.