KR100479639B1 - 다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 다층 박막 증착 방법 - Google Patents

다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 다층 박막 증착 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고경도 및 다기능을 가지는 나노 스케일(nano-scale)의 다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 다층 박막 증착 방법에 관한 것이다.
본 발명은 플라즈마 화학 기상 증착법 및 화학 기상 증착 장비를 이용하여 다층 박막을 제조하기 위한 시스템에 있어서, 플라즈마 화학 증착 방식 및 화학 기상 증착 방식으로 적어도 2개 이상의 성분으로 다층 박막 형성이 가능한 챔버와; 다층 박막 중 각각 어느 한 층을 구성하는 성분을 포함하는 반응 물질을 공급해 주는 적어도 2개의 소스 공급부와; 상기 각 소스 공급부에 그 중간이 연결되고, 각각의 일단은 상기 챔버에 연결되고, 각각의 타단은 유량 조절을 위한 우회관에 연결되는 적어도 2개의 경로와; 상기 우회관에 연결되는 진공 펌프와; 상기 각 소스 공급부 연결 부위를 중심으로 상기 각 경로의 양쪽에 설치되어 개폐되는 적어도 4개의 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노스케일 다층 필름 제조를 위한 플라즈마 화학 기상 증착 장비 및 화학 기상 증착 장비의 자동 밸브 조절 시스템을 제공한다.

Description

다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 다층 박막 증착 방법{Chemical Vapor Deposition System for Depositing Multilayer Film And Method for Depositing Multilayer Film Using The Same}
본 발명은 다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 다층 박막 증착 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 화학 증착법 및 화학 기상 증착법을 이용하여 나노 스케일(nano-scale)의 초고경도 및 다기능을 가지는 다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 다층 박막 증착 방법에 관한 것이다.
진공 기술의 발달에 힘입어 다양한 진공 피막의 제조 및 상업화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 본 발명에서 다루고자하는 초격자(혹은 인공격자) 박막 또한 그 중의 하나이다.
초격자 박막은 이종 물질간의 계면 물성을 탐구하는 기초 연구 모델로써 각 층의 두께를 나노스케일(nano scale; nm) 정도까지 얇게 한 다층막에 대해 붙여진 용어이다.
막의 두께 방향으로 이종 물질을 자연에 존재하는 결정의 격자 간격에 거의 가까운 스케일(scale)로 조절하면 인공적인 1차원 격자로 보여진다는 의미이다.
이상적인 초격자의 모델도를 도 1에 나타내었다. 마이크론(㎛) 레벨의 층을 적층한 다층 박막에서 물질 A, B는 각각 고유 특성을 갖고 있지만, 기대되는 전체 다층막은 두 물질의 평균값 또는 A, B의 좋은 점만을 취한 복합재료로써 기능을 가진다.
이에 비해 나노 스케일로 적층되는 초격자 박막의 경우에 있어서, 물질 A, B는 반드시 본래의 성질을 나타내지는 않으며, 전체로서 새로운 특성을 나타낸다. 즉, 본래의 물질 A, B와는 전혀 다른 새로운 재료의 특성을 가진다는 것이다.
초격자 박막이 이와 같이 새로운 특성을 나타내는 원인에 대한 연구는 아직까지 명확히 규명되어 있지는 않으나, 주로 이종 물질사이의 격자 왜곡 효과, 계면 효과, 층상 구조 효과, 인공적인 주기의 효과 등에 의한 것으로 보고되고 있다.
초격자 박막을 경질 피막(hard coating)에 적용할 경우, 서로 다른 두 개의 금속 및 세라믹(탄화물, 질화물 등)층을 반복하여 증착하는데, 각 층(layer) 내에서의 전위의 이동 및 층간 계면(interface)을 가로질러 이동하는 전위의 이동이 억제되어 50GPa 이상의 높은 경도를 얻을 수 있다.
이 때, 전위의 이동을 효과적으로 억제하기 위해서는 각 층의 두께를 수 나노미터(∼nm)정도로 조절할 수 있어야 한다.
위에서 언급한 초격자 박막의 특성을 얻기 위해서는 각 층의 두께를 nm 정도로 조절하는 것 이외에 계면에서 이종 물질의 확산 등에 의한 농도 구배 등이 발생하지 않아야 하는데, 이러한 한계 때문에 지금까지 초격자 박막은 주로 기판의 회전이 가능하게 설계된 스퍼터링 장치를 이용하거나, 두 개의 독립된 증발원을 사용하는 증발법(Evaporation) 등을 이용하여 제작하였다.
스퍼터링법의 경우 두 개의 서로 다른 타겟(target)을 마주보게 설치하고, 스퍼터링을 시키면서 기판을 일정한 속도로 회전시키게 되면 기판이 각 타겟의 정면에 왔을 때, 해당 재료가 주로 증착되는 성질을 이용하며, 각 층의 두께는 기판의 회전속도 및 타겟에 인가하는 바이어스(bias)의 세기 조절로부터 제어가 가능한 것으로 알려져 있다.
증발법은 두 개의 증발원 앞에 설치된 셔터(shutter)의 개폐를 통해 이종 물질의 증발을 주기적으로 조절하여 이루어진다.
이상과 같은 스퍼터링 및 증발법을 이용하면 비교적 간단한 방법에 의해 초격자 박막의 제조가 가능하고, 각 층의 두께 또한 쉽게 조절이 가능하다는 장점이 있으나, 물리증착법(physical vapor deposition)의 한계 때문에 복잡한 형상의 기판에 대한 박막의 증착은 거의 불가능하다는 단점을 갖는다.
화학기상 증착법(CVD) 및 플라즈마 화학 증착법(PECVD)에서는 반응 물질을 가스 형태로 공급하여 증착하는 방법인데, 이 점에 착안하여 가스의 유량 조절 장치(mass flow meter, MFC) 제어를 통한 다층 박막 제조에 대한 연구가 시도되었다.
예를 들어 TiN과 TiCN의 다층 박막을 얻고자 할 때, CH4 가스의 공급을 유량조절 장치(mass flow meter, MFC)의 On/Off 시간 제어를 통해 조절하는 것이다. 그러나 이 경우 유량 조절 장치를 통한 가스 유량의 안정화에 1분 정도의 시간이 필요한 관계로 수십 nm이하로 각 층의 두께를 조절하는 것은 불가능하며, 더욱이 액상 및 고상의 반응 물질을 기체 형태로 공급하기 위해 기화기(bubbler or evaporator)를 사용할 경우에는 유량의 안정화에 훨씬 많은 시간을 필요로 하기 때문에 유량 조절 장치를 통한 각 층의 두께 제어는 훨씬 어려워진다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 플라즈마 화학 증착법 및 화학 증착법을 이용하여 성공적으로 초격자 박막을 제조하기 위하여 소스의 공급을 신속하고 정확하게 제어할 수 있으며, 플라즈마 화학 증착법 및 화학 증착법을 이용하여 초격자 박막을 제조할 경우 스퍼터링 및 증발법 등의 물리증착법(physical vapor deposition)이 갖고 있는 기판 형태의 제약을 해소할 수 있는 다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치 및 이를 이용한 다층 박막 증착 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 화학 기상 증착 방식으로 적어도 2종류의 다층 박막 형성이 가능한 챔버와; 상기 챔버에 연결되는 제 1진공펌프와; 다층 박막 중 각각 어느 한 층을 구성하는 성분을 포함하는 소스를 공급해 주는 적어도 2개의 소스 공급부와; 상기 각 소스 공급부에 그 중간이 연결되고, 각각의 일단은 상기 챔버에 연결되며, 각각의 타단은 일정한 유량의 유지를 위한 배출단으로 이용되는 적어도 2개의 경로와; 상기 각 경로의 타단이 연결되는 제 2진공펌프와; 상기 각 소스 공급부 연결 부위를 중심으로 상기 각 경로의 양쪽에 설치되어 개폐되는 적어도 4개의 밸브와; 상기 적어도 2개의 소스 공급부를 통하여 공급되는 소스 중에서 상기 챔버에 유입된 소스와 반응하여 기판에 증착되는 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와; 상기 제 1진공펌프를 이용하여 상기 챔버 내의 압력을 미리 설정된 압력으로 유지한 후에, 상기 밸브 중 각 경로의 제 2진공펌프 쪽에 연결된 각 밸브를 개방하여 각 소스 공급부에서 공급되는 각 소스의 유량을 일정하게 유지하고, 상기 반응 가스 공급부의 반응 가스를 상기 챔버에 공급하면서, 선택된 어느 하나의 소스 공급부에 연결된 경로의 챔버 측에 연결된 밸브를 개방함과 동시에 제 2진공펌프 측에 연결된 밸브를 폐쇄함으로써 선택된 소스를 미리 설정된 시간 동안 상기 챔버에 공급하여 해당 소스와 상기 반응 가스의 반응에 의한 증착이 이루어지게 한 후에, 해당 경로의 챔버 쪽의 밸브를 폐쇄함과 동시에 제 2진공펌프 쪽의 밸브를 개방하여 소스 공급부의 배출 유량을 일정하게 유지하고, 상기 제 1진공펌프를 이용하여 챔버 내의 잔류 소스를 제거한 후에, 미리 설정된 순서에 따른 다른 하나의 소스 공급부에 연결된 경로의 밸브를 상기와 같이 제어하여 다른 하나의 소스와 상기 반응 가스의 반응에 의한 증착이 이루어지도록 하는 과정을 반복하여 나노 스케일의 다층 필름을 형성하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치를 제공한다.상기 챔버에 설치되어 플라즈마를 형성하는 플라즈마 발생 수단을 더 포함하여 구성되며, 상기 챔버는 상기 각 경로의 일단에 각각 연결되어 상기 적어도 2개의 소스 공급부에서 공급되는 각 소스를 균일하게 분사시켜 주는 가스분사기를 더 포함하여 구성된다.
그리고, 본 발명은 (a) 화학 기상 증착이 가능한 챔버에 연결된 제 1진공펌프를 이용하여 챔버 내의 가스를 배기하는 단계; (b) 다층 박막 중 각각 어느 한 층을 구성하는 성분을 포함하는 소스를 공급해 주는 적어도 2개의 소스 공급부로부터 배출되는 각 소스를 제 2진공펌프를 이용하여 배기하여 각 소스의 유량을 안정화하는 단계; (c) 상기 각 소스와 반응하는 반응 가스를 챔버에 공급하는 단계; (d) 상기 소스 공급부 중에서 선택된 어느 하나의 소스의 공급 방향을 제 2진공펌프에서 상기 챔버로 전환하여 챔버 내에서 상기 소스와 상기 반응 가스의 반응에 의한 증착이 이루어지는 단계; (e) 상기 (d) 단계에서 공급되던 상기 소스의 공급 방향을 상기 챔버에서 제 2진공펌프쪽으로 전환하는 단계; (f) 상기 제 1진공펌프를 이용하여 챔버 내의 잔류 가스를 제거하는 단계; (g) 상기 소스 공급부 중에서 선택된 다른 하나의 소스의 공급 방향을 제 2진공펌프에서 챔버쪽으로 전환하여 상기 다른 하나의 소스와 상기 반응 가스의 반응에 의한 증착이 이루어지는 단계; (h) 상기 (g) 단계에서 공급되던 상기 다른 하나의 소스의 공급 방향을 상기 챔버에서 제 2진공펌프쪽으로 전환하는 단계; (i) 상기 제 1진공펌프를 이용하여 챔버 내의 잔류 가스를 제거하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치를 이용한 다층 박막의 증착 방법을 제공한다.
상기 (c) 단계는 상기 반응 가스를 플라즈마화시키는 단계를 더 포함하여 이루어지고, 상기 (d) 단계 내지 (i) 단계를 다수회 반복하여 기판에 적어도 2종류의 박막을 다층으로 증착하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 적어도 2개의 소스 공급부에서 공급되는 소스는 각각 H2 및 Ar 가스에 의하여 기화되어 공급되는 TiCl4 및 AlCl3, 상기 반응 가스는 NH3을 이용하여 상기 기판에 TiN 및 AlN 박막을 다층으로 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 소스의 공급을 원활하고 신속하게 제어함으로써 본 발명에서는 플라즈마 화학 증착법 및 화학 증착법을 이용하여 나노 스케일의 다층 박막을 용이하고 신속하면서 정밀하게 제조할 수 있다.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
첨부한 도면, 도 2는 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 구성을 설명하기 위한 구성도, 도 3은 본 발명에 따라 제조된 TiN/AlN 초격자 박막의 투과 전자 현미경 사진, 도 4는 본 발명에 따라 제조된 TiN/AlN 초격자 박막의 경도 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 사용된 자동 밸브조절 시스템은 그림 2와 같다. 일반적인 플라즈마 화학 증착 장치의 반응기 즉, 챔버(chamber; 10)를 그대로 사용하였으며, 공급되는 반응 가스들 즉, 제 1소스(31), 제 2소스(32)가 밸브 시스템(20)을 통하여 챔버(10)에 공급되도록 설계되어 있다.
상기 밸브 시스템(20)에는 공압 밸브로 이루어진 제 1∼4 밸브(27∼30)가 사용되었으며, 상기 제 1∼4밸브(27)는 자동 제어를 위하여 전기적으로 on/off가 가능한 솔레노이드(solenoid) 밸브와 연결되어 있다.
상기 밸브 시스템(20)은 챔버(10)에 연결되는 제 1연결관(21)과, 반응 가스의 우회(by-pass)를 위하여 제 2펌프(33)에 연결되어 우회관 역할을 하는 제 2연결관(24), 상기 제 1연결관(21)과 제 2연결관(24)에 각각 병렬로 연결되는 제 1경로(22) 및 제 2경로(23), 상기 제 1경로(22) 및 제 2경로(23)의 중간에 연결되어 각각 제 1소스(31) 및 제 2소스(32)로부터 소스를 공급받아 전달해 주는 제 1소스 공급관(25) 및 제 2소스 공급관(26), 상기 제 1소스 공급관(25) 및 제 2소스 공급관(26)을 중심으로 상기 제 1경로(22) 및 제 2경로(23)에 각각 설치되는 제 1∼4밸브(27∼30)로 구성된다.
여기서, 상기 우회관 즉, 제 2연결관(24)는 다층 박막의 제조 중에 가스 유량을 일정하게 유지하기 위해 필수적으로 요구되며, 그 끝은 펌프의 흡입구에서 예상되는 가스의 역류(back stream)를 예방하기 위하여 챔버(10)에 사용되는 제 1펌프(12)와 독립되어 작동하는 제 2펌프(33)에 연결되어 있다.
상기 챔버(10)는 지름 30cm, 높이 24cm의 원통형 304 스테인레스 강으로 제작되었으며, 상기 챔버(10)의 상부에는 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생부(17)가 설치되어 있으며, 상기 플라즈마 발생부(17)는 평면축전지형(planar capacitive type) 전극이 내장되어 있고, RF 발생부(45)로부터 정합부(40)를 통해 공급되는 전원을 인가받아 동작한다.
상기 챔버(10)의 하부에 설치되는 테이블(13)에는 시편(16)이 설치되며, 상기 시편(16)은 저항선으로 이루어져 전원부(15)에 의하여 공급되는 전원에 의하여 열을 발생하는 가열부(14)에 의하여 설정된 공정 온도로 가열된다.
플라즈마 발생부(17)를 제외한 상기 챔버(10)와 테이블(14) 등은 전기적으로 접지 처리되어 있다.
그리고, 상기 챔버(10) 내의 압력은 열전대 게이지(thermocouple gauge)에 의하여 측정된다.
본 발명에 의한 시스템으로 제조된 초격자 박막은 TiN과 AlN이 각가 nm 단위의 두께로 반복적으로 증착되었다. 이 때 TiN의 증착을 위한 반응 기체는 TiCl4, H2, NH3를 사용하였으며, AlN의 증착을 위해 AlCl3, NH3를 반응 기체로 사용하였다.
각각의 열역학적 반응 과정을 반응식 1, 2에 나타내었으며, 구체적인 공정 조건은 표 1에 나타내었다.
2TiCl4(g) + 2NH3(g) + H2(g) = 2TiN(S) + 8HCl(g)
AlCl3(g) + NH3(g) = AlN(s) + 3HCl(g)
TiCl4와 AlCl3는 상온에서 각각 액상과 고상으로 존재하기 때문에 기화기(evaporator) 내에서 운반 기체와의 거품반응(bubbling)에 의해 상기 챔버(10)로 유입되도록 하였으며, 운반 기체(carrier gas)로는 각각 Ar과 H2를 이용하였다. 또한, AlN를 증착할 때에 플라즈마의 활성화를 돕기 위해 추가로 Ar을 공급하였다.
각 기체의 유량은 기체 유량 조절기(mass flow meter, MFC)를 이용하여 일정하게 유지되었으며, 상기 챔버(10)로 거품반응에 의해 유입되는 반응기체의 유량은 다음과 같은 원리에 의해 조절되었다.
기화기 내로 유입되는 운반기체의 유량(Qcar)과 거품반응에 의해 반응로 내부로 유입되는 반응기체의 유량(Qrxn), 운반기체의 압력(Pcar) 및 반응기체의 증기압(Prxn) 사이에는 일반적으로 수학식 1 및 수학식 2와 같은 관계식이 성립한다.
이때, PT는 기화기에 부착된 압력 게이지를 이용하여 확인할 수 있는데, 만일 기화기의 압력이 일정하게 유지된다면, 반응로 내로 유입되는 반응기체의 유량은 기화기 내로 유입되는 운반기체의 유량 및 반응기체의 증기압에 따른 함수라고 할 수 있다. TiCl4와 AlCl3의 압력과 온도의 단위를 각각 mmHg와 절대온도 K로 하였을 때 각각의 증기압(P)은 수학식 3 및 수학식 4와 같이 표시된다.
따라서, TiCl4 및 AlCl3의 증기압은 온도만의 함수이고, 이에 따라 반응기체의 유량은 각각의 기화기의 온도 및 운반기체의 유량을 제어함으로써 조절할 수 있다.
한편, NH3가 TiCl4 또는 AlCl3 기체와 낮은 온도에서 반응하여 TiCl 4·nNH3, AlCl3·nNH3, 또는 NH4Cl과 같은 고체 화합물을 형성하여 유입 가스관을 막기 때문에, 이를 방지하기 위하여 상기 챔버(10)에 설치된 플라즈마 발생부(17)에 형성된 전극판에 형성된 여러개의 작은 구멍(18)을 통하여 균일하게 분포되어 유입되도록 하였으며, 가스 유입의 제어를 위하여, NH3와 같은 제 3소스(34)와 챔버(10) 사이에는 제 3소스 공급관(35)으로 연결되고, 상기 제 3소스 공급관(35)은 솔레노이드 밸브로 이루어진 제 5밸브(36)에 의하여 개폐된다.
상기 플라즈마 발생부(17)는 원형의 판 형태로 이루어지며, 상기 제 1소스(31) 및 제 2소스(32)로부터 챔버에 공급되는 반응 가스 즉, TiCl4 및 AlCl3 기체는
상기 플라즈마 발생부(17)와 시편(16)에 설치되는 원형 가스분사기(ring type gas distributor; 19)를 이용하여 균일하게 유입되도록 하였다.
이상을 종합하여 본 발명에서 사용된 소스 1 및 소스 2를 도 2에 맞춰 정리하면 다음과 같다.
소스 1 : TiCl4, Ar, H2
소스 2 : AlCl3, Ar, H2
TiN/AlN 초격자 박막의 공정 조건
TiN AlN
반응 가스및 유량 TiCl4 : 1.4sccm AlCl3 : 1.9sccm
H2 : 100sccm H2 : 100sccm
Ar : 40sccm Ar : 40sccm
NH3 : 20sccm
공정 온도 530℃
RF 파워 50W
증착막의 총두께 2∼3㎛
상기 제 1펌프(12) 및 제 2펌프(33)는 기계식 회전 펌프(mechanical rotary pump)로 구성되며, 상기 RF 발생부(45)는 주파수 13.56 MHz의 라디오 주파수 발생기(radio frequency generator)로 구성되고, 상기 정합부(40)는 콘덴서형의 임피던스 조절상자(matching box)를 사용하였다.
본 발명에서 제조된 TiN/AlN 다층 박막은 다음과 같은 일련의 순서를 따라 제조되었다.
순서 1. 기화기를 통해 공급되는 소스인 TiCl4 와 AlCl3 및 그 외 반응 기체인 Ar, H2를 제 2연결관(24)에 연결된 제 2펌프(33)를 통해 일정시간 배기 하면서 유량을 안정화시킨다.
순서 2. 모든 반응 기체의 유량이 안정화되면, 반응 가스인 NH3를 플라즈마 발생부(17)인 윗 전극판의 작은 구멍을 통해 챔버(10) 안으로 유입하여 플라즈마를 형성시킨다.
순서 3. 플라즈마가 안정화되면, TiN의 증착을 위하여 제 1밸브(27)를 열고 제 3밸브(29)는 닫아서 TiN 증착을 위한 반응 물질 즉, TiCl4, H2, NH3 을 모두 챔버(10)로 유입시킨다. 이 때, 제 4밸브(30)를 개방시켜서 AlN 증착을 위한 반응 물질 즉, AlCl3, NH3가 제 2펌프(33)에 의하여 배기되도록 하여, 그 유량 변화를 없게 한다.
순서 4. TiN의 증착이 끝나면 제 1밸브(27)를 닫고 제 3밸브(29)를 열어 TiCl4의 유량을 일정하게 유지시키면서 제 1펌프(12)를 이용하여 챔버(10) 안에 남아있는 TiCl4 등의 반응 물질이 완전히 배기되기를 기다린다(이 과정은 곧바로 AlN 증착을 위한 반응 기체를 유입할 경우에 예상되는 TiN과 AlN 계면에서의 Ti 농도 구배 등을 미연에 예방하여 깨끗한 계면을 얻기 위해 필요하며, 본 발명에서는 약 10초 정도를 소요하였다.).
순서 5. 이제 제 2밸브(28)를 열고 제 4밸브(30)를 닫아, AlN 증착을 위한 반응 기체들이 챔버(10) 안으로 유입되게 한다. 이 때, 마찬가지로 제 3밸브(29)는 열어서 TiCl4 등의 유량이 일정하게 유지되도록 한다.
순서 6. 순서 4의 과정을 되풀이하여, 챔버(10) 내에 남아 있는 AlCl3 등의 잔류 기체를 제거한다.
위 각 순서에 대한 각 밸브의 개폐(on/off) 상태를 도표화하여 표 2에 나타내었다.
공정 순서에 따른 각 밸브의 개폐(on/off) 상태
순서 챔버 상태 밸브 개폐(on/off) 상태
제 1밸브 제 2밸브 제 3밸브 제 4밸브 제 5밸브
순서 1 반응가스의유량 안정 off off on on off
순서 2 플라즈마 형성 off off on on on
순서 3 TiN 증착 on off off on on
순서 4 경계면 휴지기 off off on on on
순서 5 AlN 증착 off on on off on
순서 6 경계면 휴지기 off off on on on
이상의 순서 3∼순서 6의 과정을 반복적으로 수행하여 TiN/AlN 초격자 박막을 효과적으로 성장시킬 수 있었다. 이 때, 각 층의 두께는 예비 실험을 통해 얻어진 TiN과 AlN 단층 박막의 성장 속도로부터 각 증착시간(순서 4와 순서 6)을 변화시켜 제어하였으며, 경질 박막으로의 응용에 필요한 2∼3㎛ 두께의 초격자 박막을 성장시키기 위해 순서 3∼순서 6을 300∼500회 정도 반복하여 공정을 진행하였다.
각 밸브의 개폐 제어는 컴퓨터 프로그램을 통해 제 1∼4밸브(27∼30)에 연결된 솔레노이드 밸브에 전기적 신호를 공급함으로써 자동적으로 제어되도록 하였다.
상기와 같은 공정으로 제조된 TiN/AlN 초격자 박막의 투과전자 현미경(transmission electron microscogy) 사진(도 3 참조)을 살펴보면, 전자 현미경으로 관찰된 시편은 두 층의 반복주기(bilayer period)가 약 5nm에 걸쳐 나타났다.
도 3에서 밝게 보이는 부분이 TiN 층을 나타내며, 어둡게 보이는 부분이 AlN 층을 나타낸다. 이 때, 반복주기(bilayer period)란 TiN과 AlN 한 층의 두께를 합한 것을 의미한다.
도 3에서 보는 바와 같이 본 발명으로 제조된 초격자 박막의 두께가 수 nm 이내로 효과적으로 제어되었음을 확인할 수 있었다.
그리고, 본 발명에 따라 제조된 TiN/AlN 다층 박막의 경도 변화를 살펴보면, 도 4에서 보는 바와 같이 다층 박막은 그 반복 주기가 약 5nm일 때, 5000(HK0.01) 이상의 최대 경도를 나타내었다. 기존의 플라즈마 화학 증착법으로 제조되는 TiN 및 AlN 단층박막의 경도가 각각 2500(HK0.01)과 1200(HK0.01) 정도임을 감안할 때, 본 발명에 따라 제조된 TiN/AlN 다층 박막은 초격자 박막의 특성을 나타낸다고 보여진다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 반응 기체의 유량 변화 없이 플라즈마 화학 증착법을 통해 초격자 박막의 특성을 나타내는 나노스케일의 다층 박막을 성공적으로 제조할 수 있었다. 그리고, 본 발명은 스퍼터링 등의 물리증착법(PVD)의 단점을 극복할 수 있으며, 초격자 박막의 새로운 제조 방법을 제공하였다는 점에서 매우 획기적인 발명이다.
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.
도 1은 이상적인 초격자 박막 구조를 설명하기 위한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 화학 기상 증착 장치의 구성을 설명하기 위한 구성도.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 TiN/AlN 초격자 박막의 투과 전자 현미경 사진.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 TiN/AlN 초격자 박막의 경도 변화를 나타낸 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
10 : 챔버 11 : 배기관
12 : 제 1펌프 13 : 테이블
14 : 가열부 15 : 전원부
16 : 시편 17 : 플라즈마 발생부
20 : 밸브 시스템 21 : 제 1연결관
22 : 제 1경로 23 : 제 2경로
24 : 제 2연결관 25 : 제 1소스 공급관
26 : 제 2소스 공급관 27∼30 : 제 1∼4밸브
40 : 정합부 45 : RF 발생부

Claims (7)

  1. 화학 기상 증착 방식으로 적어도 2종류의 다층 박막 형성이 가능한 챔버와;
    상기 챔버에 연결되는 제 1진공펌프와;
    다층 박막 중 각각 어느 한 층을 구성하는 성분을 포함하는 소스를 공급해 주는 적어도 2개의 소스 공급부와;
    상기 각 소스 공급부에 그 중간이 연결되고, 각각의 일단은 상기 챔버에 연결되며, 각각의 타단은 일정한 유량의 유지를 위한 배출단으로 이용되는 적어도 2개의 경로와;
    상기 각 경로의 타단이 연결되는 제 2진공펌프와;
    상기 각 소스 공급부 연결 부위를 중심으로 상기 각 경로의 양쪽에 설치되어 개폐되는 적어도 4개의 밸브와;
    상기 적어도 2개의 소스 공급부를 통하여 공급되는 소스 중에서 상기 챔버에 유입된 소스와 반응하여 기판에 증착되는 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와;
    상기 제 1진공펌프를 이용하여 상기 챔버 내의 압력을 미리 설정된 압력으로 유지한 후에, 상기 밸브 중 각 경로의 제 2진공펌프 쪽에 연결된 각 밸브를 개방하여 각 소스 공급부에서 공급되는 각 소스의 유량을 일정하게 유지하고, 상기 반응 가스 공급부의 반응 가스를 상기 챔버에 공급하면서, 선택된 어느 하나의 소스 공급부에 연결된 경로의 챔버 측에 연결된 밸브를 개방함과 동시에 제 2진공펌프 측에 연결된 밸브를 폐쇄함으로써 선택된 소스를 미리 설정된 시간 동안 상기 챔버에 공급하여 해당 소스와 상기 반응 가스의 반응에 의한 증착이 이루어지게 한 후에, 해당 경로의 챔버 쪽의 밸브를 폐쇄함과 동시에 제 2진공펌프 쪽의 밸브를 개방하여 소스 공급부의 배출 유량을 일정하게 유지하고, 상기 제 1진공펌프를 이용하여 챔버 내의 잔류 소스를 제거한 후에, 미리 설정된 순서에 따른 다른 하나의 소스 공급부에 연결된 경로의 밸브를 상기와 같이 제어하여 다른 하나의 소스와 상기 반응 가스의 반응에 의한 증착이 이루어지도록 하는 과정을 반복하여 나노 스케일의 다층 필름을 형성하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 챔버에 설치되어 플라즈마를 형성하는 플라즈마 발생 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치.
  3. (a) 화학 기상 증착이 가능한 챔버에 연결된 제 1진공펌프를 이용하여 챔버 내의 가스를 배기하는 단계;
    (b) 다층 박막 중 각각 어느 한 층을 구성하는 성분을 포함하는 소스를 공급해 주는 적어도 2개의 소스 공급부로부터 배출되는 각 소스를 제 2진공펌프를 이용하여 배기하여 각 소스의 유량을 안정화하는 단계;
    (c) 상기 각 소스와 반응하는 반응 가스를 챔버에 공급하는 단계;
    (d) 상기 소스 공급부 중에서 선택된 어느 하나의 소스의 공급 방향을 제 2진공펌프에서 상기 챔버로 전환하여 챔버 내에서 상기 소스와 상기 반응 가스의 반응에 의한 증착이 이루어지는 단계;
    (e) 상기 (d) 단계에서 공급되던 상기 소스의 공급 방향을 상기 챔버에서 제 2진공펌프쪽으로 전환하는 단계;
    (f) 상기 제 1진공펌프를 이용하여 챔버 내의 잔류 가스를 제거하는 단계;
    (g) 상기 소스 공급부 중에서 선택된 다른 하나의 소스의 공급 방향을 제 2진공펌프에서 챔버쪽으로 전환하여 상기 다른 하나의 소스와 상기 반응 가스의 반응에 의한 증착이 이루어지는 단계;
    (h) 상기 (g) 단계에서 공급되던 상기 다른 하나의 소스의 공급 방향을 상기 챔버에서 제 2진공펌프쪽으로 전환하는 단계;
    (i) 상기 제 1진공펌프를 이용하여 챔버 내의 잔류 가스를 제거하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치를 이용한 다층 박막의 증착 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 반응 가스를 플라즈마화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치를 이용한 다층 박막의 증착 방법.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 (d) 단계 내지 (i) 단계를 다수회 반복하여 기판에 적어도 2종류의 박막을 다층으로 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치를 이용한 다층 박막의 증착 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 적어도 2개의 소스 공급부에서 공급되는 소스는 각각 H2 및 Ar 가스에 의하여 기화되어 공급되는 TiCl4 및 AlCl3이고, 상기 반응 가스는 NH3이며, 상기 기판에 형성되는 각 박막은 TiN 및 AlN인 것을 특징으로 하는 화학 기상 증착 장치를 이용한 다층 박막의 증착 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 챔버는 상기 각 경로의 일단에 각각 연결되어 상기 적어도 2개의 소스 공급부에서 공급되는 각 소스를 균일하게 분사시켜 주는 가스분사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 박막의 제조를 위한 화학 기상 증착 장치.
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