KR100389511B1 - 레이저를 이용하여 균일한 특성과 두께를 갖는 대면적박막 증착 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 이용하여 플라즈마를 방사하여 대면적에 걸쳐 박막의 두께가 일정하고, 그 물리적 특성이 균일한 박막을 얻기 위한 증착 장치에 관련된 것이다. 본 발명은 레이저 빔을 이용하여 증착 물질을 플라즈마화 하여 박막을 형성하는 레이저 빔 증착 장치에 있어서, 박막이 증착되는 기판위에 상기 기판의 표면과 평행한 방향으로 마이크로 파를 조사하는 마이크로파 발생 장치와; 상기 기판 표면 위에서 상기 마이크로 파를 정상파형으로 형성하여, 상기 기판 표면 위로 방출되는 상기 플라즈마를 상기 기판 위에 고르게 확산시키는 공명기를 포함하는 대면적 박막 증착 장치를 제공한다.

Description

레이저를 이용하여 균일한 특성과 두께를 갖는 대면적 박막 증착 장치{A Pulsed Laser Deposition Means For Thin Films With Homogeneous Properties And Thickness Over Large Area}

본 발명은 고출력 펄스 레이저를 이용한 박막 증착 방법(혹은, 레이저 증착방법)에 관련된 것으로서 구체적으로 말하면, 유사 다이아몬드(Diamond-like)와 같은 박막을 대면적에 걸쳐 증착하는 장치에 관련된 것이다. 특히, 본 발명은 레이저를 이용하여 플라즈마를 방사하여 대면적에 걸쳐 박막의 두께가 일정하고, 그 물리적 특성이 균일한 박막을 얻기 위한 증착 장치에 관련된 것이다.

전자 공학의 발달로 정보 기술이 발전하게 되었고, 궁극적으로 우리는 정보화 사회를 맞이하게 되었다. 정보화 사회에서는 더욱 정밀한 방법으로 많은 용량의 정보를 더욱 적은 부피안에 집적하는 고밀도의 기술을 필요로하게 되었다. 이러한 고용량, 고밀도의 기술은 고부가가치를 갖는 양질의 박막을 생성하는 기술을 반드시 필요로 하고 있다. 따라서, 전자 공학 기술은 고성능 박막을 생성하는 기반 기술에 의해 그 방향 및 품질이 결정되고 있다고 하여도 과언이 아니다. 본 발명에 관련있는 고출력 펄스 레이저를 이용한 박막 증착법은 이러한 필요에 부응하는 한 가지 방법으로서 기타 다른 박막 증착방법에 의해 합성된 박막보다도 우수한 특성을 갖는 박막을 제공한다.

이와 같은 레이저 증착 장치를 나타내는 도 1을 참조하여 그 원리를 살펴보면 다음과 같다. 레이저 증착법은 레이저 발생기(11)에서 방사되어 렌즈를 포함하는 광학 시스템(13)을 이용하여 집광된 레이저 빔(99)을 진공 챔버(1)에 설치된 타겟 지지대(3)에 고정한 증착하고자 하는 물질로 이루어진 타겟(3a)에 조사함으로써 이루어진다. 상기 타겟(3a)에 레이저 빔(99)이 조사되면, 타겟(3a)과 레이저 빔(99)의 열 및 비열 상호작용에 의해 타겟(3a)을 구성하는 낱개의 원자 이온과 전자로 이루어진 플라즈마(97)가 입사된 레이저 빔(99)의 반사각 방향으로 작은 입체각(Solide Angle)을 갖고 방출된다. 이 방출된 플라즈마(97)는 일정 거리 떨어져 설치된 기판 지지대(5)에 고정된 기판(5a) 위에서 박막으로 증착이 이루어진다. 일반적으로 플라즈마(97)가 방출되는 입체각이 극히 작기때문에 대면적 박막을 얻기 어렵다. 따라서, 레이저 증착법에 의해서 대면적 박막을 얻으려면 플라즈마가 방출되는 입체각이나 타겟의 모양을 변화시켜야 한다.

이러한 종래의 기술을 개선하여 대면적 박막을 합성하기 위한 방법으로, 타겟 부착 방법을 달리하여 플라즈마가 방출되는 방향을 다양하게 변화시키는 기술이 대한민국 특허 등록번호 10-0218690과 10-0192129에서 제안된 바 있다. 그리고, 증착 면적에 걸쳐 고른 두께와 물리적 성질을 갖는 양질의 다이아몬드 박막을 얻기위한 방법으로, 박막이 증착되는 과정에 수소 빔을 공급하는 방법에 대한 기술이 대한민국 특허 등록번호 10-0160581과 출원번호 1997-0006617에서 제안된 바도 있다.

본 발명의 목적은 레이저 증착법으로 대면적 박막을 얻는데 그 목적이 있다. 본 발명의 다른 목적은 레이저 증착법으로 대면적에 걸쳐 두께가 일정하며 그 물리적 특성이 균일한 박막을 얻는 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 기술로 레이저를 사용하여 박막을 증착하는 장치를 나타내는 구조도이다.

도 2는 본 발명에 의하여 고출력 레이저를 사용하여 대면적에 물리적 특성이 균일한 박막을 증착하기 위한 장치를 나타내는 구조도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1, 101 : 진공 챔버 3, 103 : 타겟 지지대

3a, 103a : 타겟(증착 물질) 5, 105 : 기판 지지대

5a, 105a : (박막 증착) 기판 11, 111 : 레이저 발생기

13, 113 : 광학 시스템 97, 197 : 플라즈마

99, 199 : 레이저 빔

107 : 고전압 펄스 전극 115 : 마이크로파 발생장치

117 : 마이크로파 검출기 123 : 타겟 지지대 회전장치

125 : 기판 지지대 회전장치 131 : 마이크로파 도파관

133 : 마이크로파 공명기 135 : 제1 반사거울

137 : 제2 반사거울 139 : 공명기 거리 조절기

149 : 촛점 변경장치 185 : 마이크로파 통과용 창

187 : 검출용 창 189 : 레이저 빔 투과용 창

195 : 마이크로 파

레이저 증착법에 의해 박막을 형성할 때에는 레이저에 의해 생성되는 플라즈마가 방출되는 입체각이 매우 작아서 넓은 면적에 균일한 두께로 증착하는 것이 무척 어렵다. 예를들어, 모래가 담긴 용기를 좌우로 흔들면서 작은 출사구를 통해 모래를 쏟아낼 경우를 가정하자. 이 때, 용기를 좌우로 흔들어주면, 흔들리는 주파수와 그 진자 운동의 진폭에 의해 모래는 촘촘하게 바닥에 뿌려지게 된다. 이러한 원리를 이용하면 좁은 입사각을 갖는 플라즈마를 대면적에 걸쳐 고르게 증착하는 것이 가능하다. 일반적으로 박막은 그 물질을 이루는 원자간 결합에 의해 여러가지 단결정(Single Crystal) 구조나, 그 혼합체 구조를 갖는다. 어떤 물질이 증착법에 의해 박막으로 재 구성될 때, 외부에서 물리적으로 충격이 가해지면 원자간 결합은 진동모드(Vibration Mode)와 회전모드(Rotation Mode) 운동으로 이 충격에 반응한다. 예를들어, 증착되는 기판 근처에 회전모드 주파수의 정수배 주파수를 갖는 전자기파를 기판 표면에 평행하게 지나도록 하면, 이 전자기파의 영향으로 박막 형성에서 발생할 수 있는 Viod는 급격히 줄어들며, 전자기파의 주파수와 대응되는 진동모드를 갖는 결합구조가 잘 생성된다. 따라서, 특정한 결합 구조를 갖는 박막을 얻으려면 그 결합구조의 진동모드와 회전모드에 해당하는 주파수를 갖는 전자기파를 기판에 공급해야 한다.

기판 위에 단순히 전자기파를 통과시키는 것은 효율적이지 못하다. 그 예가 가정에서 사용하는 전자레인지의 경우이다. 전자레인지에서 사용하는 전자기파의 주파수는 물분자의 회전모드에 해당되는 것을 사용한다. 이 전자기파를 물분자의 회전 모드로 효율적으로 변환 시키기 위해 전자레인지 내벽의 크기를 전자기파의 파장의 정수배가 되게함으로써 전자레인지 내에서 전자기파가 정상파가 형성되도록 한다. 상기 전자레인지의 원리를 이용하여 기판위에 전자기파의 정상파가 형성되도록 공명기를 설치하는 것이 바람직하다. 이 때 사용되는 전자기파는 형성하고자하는 박막 결합구조에 대응하는 회전모드 전자기파이어야 바람직하다. 그리고, 공명기의 거울 사이에 떨어진 거리는 이 주파수에 대응되는 파장의 정수배가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.

상기 서술한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 진공 챔버 내부에 설치되고 회전 운동 가능하고, 증착 물질을 설치가능한 타겟 기판과, 상기 진공 챔버 내부에서 상기 타겟 기판에서 일정 거리 떨어져 설치되고, 박막이 형성될 기판을 설치 가능하며, 회전 운동 가능한 기판지지대와, 상기 타겟 기판을 향하여 레이저 빔을 조사할 수 있는 레이저 발생기와, 상기 기판의 표면과 평행한 방향으로 마이크로 파를 방출할 수 있는 마이크로 발생기와, 상기 마이크로파를 상기 기판의 표면 위에서 정상파로 형성하는 공명기를 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 박막 증착 장치를 제공한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 의한 레이저 플라즈마 생성 장치를 나타내는 개략도이다.

진공 챔버(101)를 준비한다. 상기 진공 챔버(101)에는 레이저 빔(199)이 진공챔버(101) 안으로 통과할 수 있는 레이저 빔 투과용 창(윈도우)(189)가 설치되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 레이저 빔 투과용 창(189)과 거의 직교하는 위치에 마이크로파(195)를 진공챔버(101)안에 유입할 수 있는 마이크로파 통과용 창(185)이 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 마이크로파 통과용 창(185)을 통하여 진공 챔버(101)안으로 유입된 마이크로파(195)의 강도를 측정하기 위한 검출용 창(187)이 더 설치되는 것이 바람직하다.

상기 진공챔버(101)의 외부에 레이저 발생기(111)가 레이저 빔 투과용 윈도우(189)의 정면에 설치된다. 즉, 레이저 발생기(111)를 출발한 레이저 빔(199)이 레이저 빔 투과용 윈도우(189)를 통하여 상기 진공 챔버(101) 내부로 유입되어야 한다. 그리고, 레이저 빔(199)이 원하는 곳에 정확하게 촛점을 잡도록하기 위해서 레이저 발생기(111) 앞에 렌즈를 포함하는 광학 시스템(113)을 설치한다.

상기 진공 챔버(101) 내부에 증착하고자 하는 물질을 포함하는 타겟(103a)을 고정할 타겟 지지대(103)를 상기 레이저 빔 투과용 창(189)을 통하여 거의 정면으로 보일 수 있는 위치에 설치한다. 즉, 상기 레이저 발생기(111)에서 출발한 레이저 빔(199)의 연장선 상에 타겟(103a)의 표면이 놓이도록 한다. 타겟(103a)에 레이저 빔(199)이 골고루 조사되도록 하기 위해서 타겟(103a)이 회전 운동을 하는 것이 바람직하다. 그러기 위해서는 상기 타겟 지지대(103)가 타겟 회전 장치(123)에 의해 회전운동될 수 있는 것이 바람직하다. 그리고, 박막이 증착될 기판(105a)을 상기 타겟(103a)과 거의 마주보는 위치에 설치된 기판 지지대(105)에 고정한다. 대면적 박막을 형성하기 위해서는, 상기 기판 지지대(105) 역시 기판 회전 장치(125)에 의해 회전될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 타겟(103a)에서 기판(105a)을 향하여 튀어나가는 플라즈마(197)의 품질을 높이기 위하여 타겟(103a) 가까이에 고전압을 인가 가능한 펄스전극(107)을 설치하는 것이 바람직하다.

상기 마이크로파 통과용 창(185)을 정면으로 보는 위치에 마이크로파 발생장치(115)를 설치한다. 마이크로파 발생장치(115)에서 방사되는 마이크로파(195)는 마이크로파 투과용 창(185)을 통하여 상기 진공 챔버(101) 내에 설치된 기판(105a)의 표면 위에 평행하도록 입사된다. 상기 마이크로파(195)를 상기 진공 챔버(101) 내부로 유도하기 위해서 마이크로파 도파관(131)이 설치되는 것이 바람직하다.

상기 기판((105a)의 윗 부분에 상기 마이크로파 도파관(131)과 연결되는 마이크로파 공명기(133)를 설치한다. 상기 마이크로파 공명기(133)는 양쪽 끝에 각각 제1 반사거울(135) 및 제2 반사거울(137)이 장착된 원통 혹은 다각통 형상을 갖는다. 그리고, 상기 제1 및 제2 반사거울(135, 137) 사이의 거리를 조절할 수 있는 공명기 거리 조절기(139)가 설치되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기마이크로파(195)의 세기를 측정하기 위해 상기 마이크로파 투과용 창(185)과 마주보는 위치에 설치된 검출용 창(187)의 외부에 마이크로파 검출기(117)를 설치한다.

본 발명에 의한 레이저 빔을 이용한 박막 증착 장치의 작동 과정을 살펴보면 다음과 같다. 레이저 발생기(111)에서 레이저 빔(199)이 광학 시스템(113)을 통해 진공 챔버(101) 내부의 타겟 지지대(103)에 고정된 타겟(103a)의 표면으로 집광된다. 상기 광학 시스템(113)은 타겟 지지대(103)에 설치된 타겟(103a)의 새로운 면부에 상기 레이저 빔(199)이 집광될 수 있도록하기 위해 상기 레이저 빔(199)의 촛점부가 타겟(103a)의 중심부에서 바깥 방향으로 선형운동할 수 있도록 촛점의 위치 변경 장치(149)를 포함하는 것이 바람직하다. 예를들어, 타겟(103a)이 원판형을 갖고 있고, 타겟 지지대(103)이 타겟 회전 장치(123)에 의해 중심축을 기준으로 등각속도로 회전 운동을 하며, 레이저 빔(199)이 타겟(103a)의 중심부에서 외주부로 등속 직선 운동을 하도록 하면, 상기 레이저 빔(199)은 상기 타겟(103a)의 표면 위에서 나선궤적을 그리며, 항시 타겟(103a)의 새로운 표면부를 조사하게 된다.

이와 같이 타겟 지지대(103)에 설치된 타겟(103a)에 레이저 빔(199)이 조사되면, 타겟 물질의 플라즈마(197)가 발생하게 되고, 레이저 빔(199)의 입사각에 따른 광학적 반사각의 방향으로 타겟 물질의 플라즈마(197)가 방사된다. 상기 플라즈마(197)가 방사되는 방향에 증착 기판(105a)이 설치되어 있으므로, 상기 증착 기판(105a)에는 타겟 물질을 포함하는 박막이 형성된다. 플라즈마(197)가 방사될 때, 고전압 펄스 전극(107)에 고전압을 걸어주면, 플라즈마(197)의 품질을 향상 시킬 수 있다. 이 때, 플라즈마(197)의 방사 입체각이 매우 좁으므로, 대면적에 증착하도록 하기 위해서는 기판(105a)을 회전시키는 것이 바람직하다. 그러기 위해 상기 기판(105a)를 고정하고 있는 기판지지대(105)를 기판 회전 수단(125)에 의해 회전 시킨다.

회전하는 기판(105a) 위에 기판(105a)의 표면과 평행한 방향으로 마이크로파(195)를 입사 시킨다. 즉, 플라즈마(197)의 방사 방향과 거의 직각 방향으로 마이크로파(195)를 입사 시킨다. 마이크로파(195)는 도파관(131)을 통하여 상기 기판(105a) 표면 위에 설치된 공명기(133)로 입사된다. 상기 마이크로파(195)는 상기 공명기(133)를 구성하고 있는 제1 반사거울(135)의 구경(Aperture)을 통하여 입사되고, 다시 맞은편에 설치된 제2 반사거울(137)에서 반사되어 공명기(133) 내부에서 정상파를 이루도록 하는 것이 바람직하다.

공명기(133) 내에서 마이크로파(195)가 정상파형을 이루도록 하기 위해서는 다음과 같이 수행한다. 합성하고자 하는 박막의 결정구조가 정해지면 그 결정 구조에서 공명을 일으키는 회전모드의 주파수가 결정된다. 상기 공명기(133)의 제1 반사거울(135)과 제2 반사거울(137)을 상기 주파수의 정수배가 되는 거리만큼 떨어뜨려 놓는다. 마이크로파 발생기(115)를 조절하여 결정된 주파수에 해당하는 마이크로파(195)를 만들어 공명기(133)로 보낸다. 그리고, 마이크로파 검출기(117)를 이용하여 공명기(133) 내부에서 전자기파의 세기를 측정한다. 공명기 거리 조절기(139)를 이용하여 제1 반사거울(135)과 제2 반사거울(137)중 어느 하나를 미세하게 이동하여 전자기파의 세기가 최소가 되는 위치에서 고정시킨다.

타겟 지지대(103)에 부착된 증착 타겟 물질(103)에 조사된 레이저 빔(199)에의해 플라즈마(197)가 형성되고, 플라즈마(197)는 기판(105a)으로 방출된다. 방출된 플라즈마(197)는 기판(105a)에 증착되기 직전에 공명기(133)에서 형성된 정상파형의 마이크로파(195)에 의해 균일하게 확산된다. 따라서, 기판(105a) 위에 물리적 성질이 균일한 특성을 갖는 대면적 박막이 형성된다. 기판(105a)이 회전되므로써, 더욱 넓은 면적을 갖으며, 균일한 물리적 특성을 갖는 박막을 얻을 수 있다.

본 발명은 레이저를 이용하여 발생한 타겟 물질을 플라즈마화 시킨 후 박막을 형성하는 증착 방법에 관련된 것이다. 본 발명에 의하면, 정상파형의 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 균일하게 기판위에 확산 시킴으로써 대면적에 걸쳐 균일한 물리적 특성을 갖는 박막을 얻을 수 있다. 또한, 마이크로파의 주파수를 비롯한 각종 특성을 변화 시켜 연구함으로써 박막이 기판 위에서 합성되는 과정을 진단하여 박막 합성 메카니즘을 연구할 수 있는 학문적인 효과를 얻을 수도 있다. 또한, 고품질의 특성을 갖는 박막을 대면적에 걸쳐 얻을 수 있기 때문에 신소재 전자 재료를 저렴한 가격으로 공급할 수 있다.

Claims (4)

1. 레이저 빔을 이용하여 증착 물질을 플라즈마화 하여 박막을 형성하는 레이저 빔 증착 장치에 있어서,

   박막이 증착되는 기판위에 상기 기판의 표면과 평행한 방향으로 마이크로파를 조사하는 마이크로파 발생 장치와;

   상기 기판 표면 위에서 상기 마이크로파를 정상파형으로 형성하여, 상기 기판 표면 위로 방출되는 상기 플라즈마를 상기 기판위에 고르게 확산시키는 공명기를 포함하여 구비하되, 상기 공명기는 제1 반사거울과; 제2 반사거울과; 상기 제1 반사거울 및 상기 제2 반사거울의 거리를 상기 마이크로파의 주파수의 정수배가 되도록 조절할 수 있는 공명기 거리 조절기를 갖는 것을 특징으로 하는 대면적 박막 증착 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 기판은 기판 회전 장치에 의해 일정한 각속도로 등속 회전 운동을 하는 것을 특징으로 하는 대면적 박막 증착 장치.
3. 진공 챔버와;

   상기 진공 챔버 내부에 설치되고 회전 운동 가능하고, 증착 물질을 설치가능한 타겟 기판과;

   상기 진공 챔버 내부에서 상기 타겟 기판에서 일정 거리 떨어져 설치되고, 박막이 형성될 기판을 설치 가능하며, 회전 운동 가능한 기판지지대와;

   상기 타겟 기판을 향하여 레이저 빔을 조사할 수 있는 레이저 발생기와;

   상기 기판의 표면과 평행한 방향으로 마이크로파를 방출할 수 있는 마이크로파 발생기와;

   상기 마이크로파를 상기 기판의 표면 위에서 정상파로 형성하는 공명기를 포함하여 구비하되, 상기 공명기는 제1 반사거울과; 제2 반사거울과; 상기 제1 반사거울 및 상기 제2 반사거울의 거리를 상기 마이크로파의 주파수의 정수배가 되도록 조절할 수 있는 공명기 거리 조절기를 갖는 것을 특징으로 하는 대면적 박막 증착 장치.
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