KR100661912B1 - 박막증착장치 및 그 방법 - Google Patents

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김석환
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Abstract

본 발명은 박막 증착 장치에 관한 것이다. 이 장치는 반응 챔버와, 반응 챔버 내부에 제공되고 그 표면에 금속 박막을 증착하기 위한 기판과, 금속 박막을 구성하는 적어도 하나의 금속물질 타겟을 구비하여 불활성 가스의 스퍼터링에 의해 금속물질을 기판상에 공급하는 스퍼터 장치와, 금속박막을 구성하는 적어도 하나의 금속물질을 증발시켜 기판상으로 분사하는 증발장치를 포함하여 구성된다. 증발장치의 일측에는 증발된 금속물질이 기판을 향하여 진행할 수 있도록 가이드하여 기판 상에서의 증기압을 국부적으로 증가시키는 증발 가이드가 구비된다.
반응챔버, 스퍼터, 증발장치, MgB2

Description

박막증착장치 및 그 방법{APPARATUS FOR THIN FILM DEPOSITION AND METHOD OF THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 박막 증착 장치의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 박막 증착 장치의 증발장치를 확대한 상세도,
도 3은 본 발명에 따른 박막 증착 장치의 증발 가이드의 세부를 도시한 상세도,
도 4는 본 발명의 변형 예에 따른 증발 장치의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 방법으로 형성된 MgB2 박막의 측성을 측정한 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 반응 챔버 20 기판
40 스퍼터링 장치 50 증발 장치
52 하우징 53 가스 주입구
53 가스 유입관 54 가열수단
56 분사출구 57 증발 가이드
본 발명은 박막 증착 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스퍼터링 증착과 진공증발 증착을 동시에 할 수 있는 박막 증착 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
2001년도에 발견된 MgB2 초전도체는 현재까지 많은 연구자들로부터 초미의 관심을 끌고 있다. 이와 같은 MgB2 초전도체는 2원자계의 간단한 구조이기 때문에, 4원자계인 고온초전도체에 비하여 박막의 제조가 매우 쉬울 것으로 기대되어 왔다. 그러나, 상압에서 마그네슘(Mg)의 녹는점이 550oC이고 보론(B)의 녹는점이 2700oC 로 두 물질간의 증기압(Vapour Pressure) 차가 매우 크기 때문에, MgB2 박막의 제조에 어려움이 있다.
이러한 MgB2 초전도 박막을 제조하는 방법은 다음과 같은 2가지 방법이 있다. 첫째 방법은 보론(B) 박막을 증착한 후 높은 마그네슘(Mg) 증기압(Vapour Pressure) 상태에서 후열처리(Post-annealing) 공정을 수행함으로써, 마그네슘(Mg)이 보론(B)층으로 확산(Diffusion)되도록 하여 MgB2 박막을 제조한다. 보론 박막은 물리적 기상 증착방법(Physical Vapour Deposition) 혹은 화학적 기상 증착방법(Chemical Vapour Deposition)으로 증착될 수 있다. 이 방법으로 제조된 박막은 초전도 특성이 우수한 장점이 있지만, 초전도 소자의 응용에 필수적인 다층박막의 제조가 불가능하다는 단점이 있다. 또한, 후열처리 과정에서 MgB2 박막 표면에 데 드층(dead layer)의 형성은 피할 수 없어, MgB2 다층박막을 제조할 수 없는 문제점이 있다.
둘째 방법은 인-시츄(in-situ) 제조방법이다. 이 방법은 마그네슘(Mg)과 보론(B)을 동시에 증착하여 MgB2 박막을 형성한 후, 높은 마그네슘(Mg) 증기압 상태에서 후열처리를 수행하여 최종적인 안정된 상(phase)의 MgB2 박막을 얻는다. MgB2 박막은 물리적 기상 증착방법(PVD) 혹은 화학적 기상 증착방법(CVD)의 단일 증착방법으로 증착될 수 있다. 이 방법은 마그네슘(Mg)의 증기압을 맞추기가 쉽지 않고, 제조된 박막에는 안정된 MgB2 상(Phase)이 충분히 형성되지 못하기 때문에, 초전도 특성이 현저하게 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 스퍼터링과 진공증발을 이용한 증착으로 동시특성이 우수한 박막을 얻을 수 있는 박막 증착 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 박막 증착 장치를 제공한다. 이 장치는 반응챔버와, 반응챔버 내부에 제공되고 그 표면에 금속박막을 증착하기 위한 기판과, 금속박막을 구성하는 적어도 하나의 금속물질 타겟을 구비하여 불활성 가스의 스퍼터링에 의해 금속물질을 기판상에 공급하는 스퍼터 장치와, 금속박막을 구성하는 적어도 하나의 금속물질을 증발시켜 기판상으로 분사하 는 증발장치를 포함하여 구성된다. 증발장치의 일측에 부착되어 증발된 금속물질이 기판을 향하여 진행할 수 있도록 가이드하여, 기판 상에서의 증기압을 국부적으로 증가시키는 증발 가이드를 구비한다. 증발 가이드는 기판측으로 연장된다.
증발 가이드에는 그 내부로 에너지를 공급하기 위한 에너지 공급부가 구비될 수 있다. 에너지 공급부는 증발 가이드의 외측에 감겨진 히터일 수 있다. 또한, 증발 가이드는 기판측으로 연장되는 길이가 조절될 수 있다.
증발장치는 반응챔버의 내부에 설치되는 밀폐형 하우징과, 가스공급관과 연결되어 하우징의 내부에 불활성 가스를 주입하는 가스주입구와, 하우징의 내부에 구비되고 금속물질을 가열하여 증발시키는 가열수단과, 하우징 내부의 불활성 가스 및 증발된 금속물질을 증발 가이드를 통해 기판측으로 분사하는 분사출구를 포함할 수 있다.
이 박막 증착 장치는 반응챔버를 스퍼터 장치가 배치된 스퍼터링 영역과 기판 상에 박막 증착 반응이 일어나는 반응 영역으로 구분하는 분리판을 포함할 수 있다. 증발장치는 반응 영역에 배치될 수 있다. 분리판은 그 양단이 개구된 원추형으로, 반응 영역측의 개구부가 그 반대측보다 더 좁게 구성될 수 있다. 한편, 원추형의 분리판에는 증발장치를 기판 측 방향으로 왕복 이송하도록 가이드 하는 이송부를 구비할 수 있다.
본 발명은 MgB2 박막 증착 방법을 제공한다. 이 방법에 따르면, 스퍼터링 장치와 증발장치를 구비한 반응챔버의 내부로 기판이 제공된다. 스퍼터링 장치로 부터 보론을 스퍼터링하여 기판 상으로 공급하고, 동시에 증발장치로 부터 증발된 마그네슘을 기판 상으로 공급한다. 증발된 마그네슘은 기판 상에서의 증기압이 국부적으로 높게 유지되도록 한다. 기판 상에서의 마그네슘의 증기압은 조절 가능하다. 기판은 금속 테이프로, 테이프 앤 릴 방식으로 제공될 수 있다.
이러한 본 발명은 인-시츄(in-situ) 방법으로 MgB2 박막을 제조한다. 인-시츄 증착을 위해서는, 국부적으로 증착 기판 부근에서의 마그네슘(Mg) 증기압을 높게 하여야 한다. 본 발명에 따르면, 국부적으로 증기압을 증가를 위한 방법으로, 금속 증기를 기판 측으로 가이드하기 위한 증발 가이드 구조를 도입한다. 동시에 보론(B)을 스퍼터링된 플라즈마 상태로 증착기판까지 날려 보내어 인-시츄(in-situ)로 고품질의 MgB2 박막 제조한다. 본 발명에 따른 박막 증착 방법은 복합 동시증착 방법인 ESSD(Evaporation Sputtering Simultaneous Deposition) 방법을 이용한 인-시츄(in-situ) MgB2 박막제조 방법이다.
상술한 본 발명의 양상은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 바람직한 실시예를 통해 당업자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 증착 장치의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 이 장치는 내부에 공정 분위기를 형성하기 위한 반응챔버(10)와, 반응챔버의 내부에 제공되고 그 표면에 금속박막을 증착하기 위한 기판(20)과, 이 기판을 지지하는 기판 홀더(30)과, 금속박막을 구성하는 적어도 하나의 금속물질을 포함하는 타겟을 구비하여 불활성 가스의 스퍼터링에 의해 금속물질을 기판 상에 공급하는 스퍼터 장치(40)와, 금속박막을 구성하는 적어도 하나의 금속물질을 증발시켜 불활성 가스와 함께 기판상으로 분사하는 증발장치(50)로 구성된다.
한편, 반응챔버(10)의 일측으로는 반응챔버 내부를 진공으로 배기하기 위한 배기구(11)가 배치되어 진공펌퍼(미도시)에 연결되며, 배기구(11)는 기판측 혹은 기판의 배면 방향에 설치된다. 한편, 스퍼터링 장치(40) 및 증발장치(50)는 배기구(11)의 반대측에 배치되는 것이 바람직하다. 배기구(11)를 기판측 혹은 기판의 배면 방향으로 설치하는 이유는 반응 챔버 내의 혼합 가스들이 스퍼터링 영역 및 반응 영역 내로 역류하여 스퍼터링 타겟 및 증발챔버의 금속용액에 손상을 주는 것을 방지하기 위한 것이다. 특히, 본 발명에서는 마그네슘이 쉽게 산화될 수 있기 때문에 10-9 Torr 정도 이하로 펌핑하는 것이 바람직하다.
기판(20)은 금속 테이프일 수 있다. 이 금속 테이프는 반응챔버의 일측에 배치된 공급-릴(미도시)과 권취-릴(미도시)에 의하여 테이프 앤 방식으로 제공될 수 있다. 기판(20)의 배면측에는 기판을 지지하는 기판 홀더(30)이 배치되며, 기판 홀더(30) 내부에는 기판(10)에 열을 공급하기 위한 히터(미도시)이 배치될 수 있다.
스퍼터링 장치(40)의 타겟(41)에는 MgB2 박막을 위한 보론(B) 금속을 포함하여 구성될 수 있다. 보론 금속 타겟은 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, MgB2 박막이 아닌 다른 박막을 증착하기 위해서는 다른 금속물질을 포함하여 구성될 수 있음은 자명하다. 한편, 타겟의 일측에는 보론 금속을 스퍼터링하기 위한 불활성 가스를 공급하기 위한 별도의 가스 주입구(미도시)가 배치될 수도 있다.
도 2는 증발장치(50)를 확대한 상세도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 증발장치(50)는 반응챔버(10)의 내부에 복수개 설치될 수 있다. 원주 방향으로 균일하게 배치될 수 있으며, 예를 들면 180°, 120°, 90°, 60° 간격으로 각각 2, 3, 4, 6 배치될 수 있다. 각각의 증발장치(50)는 몸체(51)와, 증발을 위한 금속물질을 함유하는 밀폐형 하우징(52)과, 하우징의 내부에 불활성 가스를 주입하는 가스 주입구(53)와, 하우징의 외부로부터 불활성 가스를 공급받기 위한 가스 유입관(54)과, 밀폐형 하우징의 내부에 투입된 금속물질을 증발시키는 가열수단(55)과, 하우징 내부의 불활성 가스 및 증발된 금속물질을 기판(20)측으로 분사하는 분사출구(56)로 구성된다. 분사출구(56)의 일단에는 증발된 금속의 증기가 높은 증기압 상태에서 기판까지 도달할 수 있도록 가이드하는 증발 가이드(57)가 더 구비된다. 증발 가이드는 기판측을 향하여 연장되도록 구성된다. 분사출구에서 증발 가이드가 제거되면 이를 시료투입구로 사용할 수 있다. 도면의 화살표시는 불활성 가스가 증발장치로 유입되고, 증발된 금속 증기가 증발 가이드를 통하여 분출되는 것을 도시한다.
이와 같이, 증발 가이드(57)는 그 단부에서 금속 증기의 증기압을 국부적으로 높일 수 있다. 그러나, 증발 가이드(57) 내부로 지속적으로 에너지가 공급되지 않으면, 증발된 금속 증기가 증발 가이드를 통과하면서 점점 식혀져 기판 측으로 도달되기 전에 증발 에너지를 모두 소모해버릴 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 밀폐형 하우징 내부로 유입된 외부 불활성 가스 주입구가 마그네슘 액상(520)에 잠기도록 구성됨에 따라, 외부 불활성 가스에 함유되어 있을 산소가 마그네슘 액상(520) 내에서 미리 반응하여 MgO가 되도록 하고, 밀폐형 하우징 내부의 마그네슘 증기 및 불활성 가스 등의 혼합 상태(521)에서는 산소가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 증발 가이드(57)의 세부를 도시한 상세도이다. 도 3을 참조하면, 증발 가이드(57)의 일측에는 그 내부로 에너지를 공급하기 위한 에너지 공급부(571)가 더 배치될 수 있다. 에너지 공급부(571)는 예를 들면, 증발 가이드를 감싸는 히터일 수 있다. 이 에너지 공급부(571)는 기판 측에 도달된 금속 증기의 증기압을 높일 수 있는 또 다른 수단일 수 있다. 한편, 증발 가이드(57)는 밀폐형 하우징의 분사출구에 고정되는 것이 아니라, 기판측으로 연장되는 길이를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다. 길이를 조절하기 위한 방법으로는 예를 들면, 분사출구의 외측과 증발 가이드의 내측에 구비되어 서로 합치되는 나사 홈(661)이 사용될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 반응챔버(10)의 내부에는 반응챔버(10)를 스퍼터 장치(40)가 배치된 스프터링 영역과 기판 상에서의 박막 증착 반응이 일어나는 반응영역으로 구분하는 분리판(12)이 추가로 배치될 수 있다. 증발 장치(50)가 반응 영역에 배치되면, 증발장치로부터의 금속 증기의 증기압에 보다 용이하게 기판측으로 유도될 수 있을 것이다.
분리판(12)은 그 양단이 개구된 원추형으로, 반응 영역 측의 개구부가 그 반대측보다 더 좁게 구성될 수 있다. 개구부의 크기를 좁게 하면 증발장치로부터의 국부적인 증기압을 용이하게 유지할 수 있는 장점이 있지만, 너무 좁게하면 스퍼터링된 금속이 기판으로 도달할 수 없는 단점이 있으므로, 이를 적절히 조절하여야 할 것이다.
한편, 분리판(12)의 일측에는 증발장치(50)를 기판(20) 측 방향으로 왕복 이송하도록 가이드 하는 이송부(미도시)를 구비할 수 있다. 증발 가이드를 별도로 구비하지 않거나 증발 가이드가 분사출구에 고정 설치된 경우, 증발 가이드의 길이를 조절하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 경우 증발장치에 구비된 가스유입관(53)은 길이의 변형이 유연한 벨로우즈형일 수 있다.
도 4를 참조하면, 증발장치(50)의 증발 가이드(57)는 증발장치의 상부면에 고정되고, 증발장치의 상부면은 나사(572) 등으로 자유롭게 부착 및 제거가 가능하게 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 제조방법으로 형성된 MgB2 박막의 초전도 특성을 측정한 결과이다. 10G의 외부 자기장이 인가된 상태에서(Zero Field Cooled; ZFC) 측정된 자기 특성이다. 임계전류가 약 37.5K로 우수한 초전도 특성을 보여주고 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 스퍼터링과 증발 방법을 동시에 사용하여 박막 을 형성할 수 있고, 증발 장치에서 분사된 금속 증기의 증기압을 원하는 대로 조절할 수 있다. 한편, 인-시츄 방법으로 특성이 우수한 MgB2 초전도 박막을 형성할 수 있다.

Claims (13)

  1. 반응챔버;
    상기 반응챔버 내부에 제공되고, 그 표면에 금속박막을 증착하기 위한 기판;
    상기 금속박막을 구성하는 적어도 하나의 금속물질 타겟을 구비하여, 불활성 가스의 스퍼터링에 의해 상기 금속물질을 상기 기판상에 공급하는 스퍼터 장치; 및
    상기 금속박막을 구성하는 적어도 하나의 금속물질을 증발시켜 상기 기판상으로 분사하는 증발장치를 포함하며;
    상기 증발장치의 일측에 부착되어 상기 증발된 금속물질이 상기 기판을 향하여 진행할 수 있도록 가이드하여 상기 기판 상에서의 증기압을 국부적으로 증가시키는 증발 가이드를 구비하고, 상기 증발 가이드는 상기 기판측으로 연장된 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 증발 가이드에는 그 내부로 에너지를 공급하기 위한 에너지 공급부가 구비된 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 에너지 공급부는 상기 증발 가이드의 외측에 감겨진 히터인 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 증발 가이드는 상기 기판측으로 연장되는 연장길이를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 증발장치는 상기 반응챔버의 내부에 설치되는 밀폐형 하우징과, 가스공급관과 연결되어 상기 하우징의 내부에 불활성 가스를 주입하는 가스주입구와; 상기 하우징의 내부에 구비되고, 금속물질을 가열하여 증발시키는 가열수단과; 상기 하우징 내부의 불활성 가스 및 증발된 금속물질을 상기 증발 가이드를 통해 상기 기판측으로 분사하는 분사출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응챔버를 상기 스퍼터 장치가 배치된 스프터링 영역과 상기 기판 상에서의 박막 증착 반응이 일어나는 반응 영역으로 구분하는 분리판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 증발 장치는 상기 반응 영역에 배치된 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 분리판은 그 양단이 개구된 원추형으로, 상기 반응 영역 측의 개구부가 그 반대측보다 더 좁은 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 원추형의 분리판에는 상기 증발장치를 상기 기판 측 방향으로 왕복 이송하도록 가이드 하는 이송부를 구비한 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스퍼터링되는 금속물질은 보론이고, 증발되는 금속물질은 마그네슘인 것을 특징으로 하는 박막증착장치.
  11. 스퍼터링 장치와 증발장치를 구비한 반응챔버의 내부로 기판을 제공하는 단계; 및
    상기 스퍼터링 장치로부터 보론을 스퍼터링하여 상기 기판 상으로 공급하고, 동시에 상기 증발장치로 부터 증발된 마그네슘을 상기 기판 상으로 공급하는 단계를 포함하고;
    상기 증발된 마그네슘은 기판 상에서의 증기압이 국부적으로 높게 유지되도 록 하는 것을 특징으로 하는 MgB2 박막증착방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 기판 상에서의 마그네슘의 증기압은 조절 가능한 것을 특징으로 하는 MgB2 박막증착방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 기판은 금속 테이프로, 테이프 앤 릴 방식으로 제공되는 것을 특징으로 하는 MgB2 박막증착방법.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100772009B1 (ko) 2006-08-24 2007-10-31 한국전기연구원 2원화 복합 동시 박막 증착 장치
KR100933193B1 (ko) * 2007-12-18 2009-12-22 에스엔유 프리시젼 주식회사 박막 제조 장치 및 박막 제조 방법
KR100960852B1 (ko) 2007-09-28 2010-06-07 한국전기연구원 박막 증착 장치
KR20150047820A (ko) 2013-10-25 2015-05-06 한국전기연구원 대면적 초전도시트 제조장치

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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