KR100745619B1 - 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템 - Google Patents

플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템 Download PDF

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고락길
김호섭
송규정
하동우
박찬
정준기
오상수
하홍수
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 박막 증착을 위한 레이저 증착 시스템에 관한 것으로서, 레이저 증착 시스템에 있어서, 진공챔버 측면에 형성되어 플룸(plume)의 형상을 실시간으로 촬영하는 촬영부와; 상기 촬영부에서 촬영된 플룸(plume)의 영상을 실시간으로 모니터링하여 화면에 표출하는 디스플레이부와; 상기 디스플레이부에 나타난 플룸의 영상을 기 입력된 표준 플룸 형상과 비교하여 증착조건의 적합여부를 판단하는 중앙제어부; 그리고 증착조건 이상 시 증착조건보정신호를 외부에 표출하여 증착조건의 보정이 실행되도록 하는 출력부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 플룸의 형상을 실시간으로 관찰하여 증착조건을 보정하고, 실험오차를 최소화하여 최적의 플룸 형상을 제공할 수 있으므로 실험의 재현성을 높이고 고품위의 박막을 증착시키는 이점이 있다.
레이저 증착 플룸 증착조건 보정 실시간

Description

플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템{plume shape controllable pulsed laser deposition system }
도 1 - 본 발명에 따른 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템의 주요부에 대한 모식도.
도 2 - 본 발명에 따른 플름 형상 제어 레이저 증착 시스템의 촬영부에 의해 촬영된 플룸 영상의 모니터링 화면을 나타낸 도((a)측면에서 촬영한 영상, (b)상측에서 촬영한 영상).
<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>
1 : 진공챔버 2 : 기판
3 : 타겟 4 : 플룸
10 : 레이저 20 : 조리개
30 : 미러 40 : 렌즈
100 : 촬영부 200 : 디스플레이부
300 : 중앙제어부 400 : 출력부
500 : 셔터
본 발명은 박막 증착을 위한 레이저 증착 시스템에 관한 것으로서, 레이저 증착법에 의해 박막 제조 시 다양한 증착 변수에 의해 달라 질 수 있는 박막의 질적 차이를 최소화시키고, 실험의 재현성을 높일 수 있도록 플룸(plume)의 형상을 최적 증착 조건으로 유지할 수 있도록 제어하면서 증착하기 위한 플룸 형상 제어 펄스레이저 증착 시스템에 관한 것이다.
근래에는 전자, 전기장치의 소형화, 고집적화로 인해 각 장치에 사용되는 소자 또한 소형화, 고집적화되고 있다. 상기 소자들에 대한 소형화, 고집적화를 실현하기 위한 것으로 초전도체, 반도체 등의 산화물 박막 소자가 널리 사용되며, 이러한 박막은 얇으면서도 넓고, 고르게 성형시키는 것이 무엇보다도 중요하다.
이러한 초전도체, 반도체 또는 산화물 박막을 성형하기 위해서 스파터링증착법 또는 펄스레이저 증착법 등이 널리 연구되어 오고 있는데, 소정 기판 상부에 초전도박막을 증착하거나, 소정 기판 상부에 전극을 증착시키고 그 상부에 유전체 박막을 증착시킨 후 상부에 전극을 증착시키는 과정에 의해 소자가 완성되게 된다.
여기에서는 주로 초전도 박막을 증착시키기 위한 펄스레이저 증착 장치에 대해 살펴보고자 한다.
일반적으로 펄스레이저 증착 장치는 진공챔버 내에 기판과 대향되는 위치에 타겟(초전도 세라믹 타겟)을 위치시킨 후, 챔버 외부에 형성된 렌즈나 미러 등에 의해 초점거리와 각도가 조절된 펄스레이저 광선을 타겟에 집광하여 조사하면 고온의 타겟은 원자기체를 발생시키게 되고, 이러한 원자기체는 타겟으로부터 소정 형 상의 플룸(plume)을 이루면서 상기 기판에 도달하게 되며, 기판에 도달한 원자들은 기판 표면에서 화학반응과 기판 원자와의 반응에 의해, 최소 결합에너지 상태를 유지하는 타겟 재료와 동일한 조성의 소정 두께의 박막이 형성되는 장치를 말한다.
이러한 펄스레이저 증착 장치는 일반적으로 멀티 타겟 구동이 가능하여 진공상태를 유지한 채로 챔버 내에서 여러 종류의 박막을 제조할 수 있으므로, 원하는 조성비를 가지며, 불순물이나 흠이 없는 고품질의 박막을 성장시킬 수 있도록 한 장점이 있다.
종래의 이러한 펄스레이저 증착장치의 박막 증착변수로는 기판의 온도, 증착가스 종류, 가스분압, 레이저의 에너지, 타겟과 기판 사이의 거리 등이 있고, 이러한 증착 변수 들은 매 실험마다 조금씩 달라질 수 있어, 실험의 재현성에 영향을 미치게 되므로 동일한 증착조건을 유지하는 것이 중요하다.
상기 증착변수가 많은 부분 반영되어 레이저 플룸(plume)의 형상으로써 모양 또는 색상으로 나타난다. 상기 플룸의 모양 또는 색상이 매 실험시마다 동일하다면, 이는 일반적으로 동일한 증착조건에서 실험이 수행되어질 확률이 매우 높으므로, 레이저 증착 장치에 있어서, 플룸의 형상을 동일하게 유지하는 것은 상당히 중요하다고 할 수 있다.
또한 증착 장비와 연결된 진공 장비들로부터 오는 진동은 광학 레일 위에 있는 레이저 광학 장치들인 미러(mirror)와 렌즈(lens)의 각도 및 높이, 위치를 미세하게 변화시켜 빔 이미징(beam imaging)의 오차를 유발시키게 되며, 이에 따른 상기 플룸은 처음 증착시와는 다른 형상으로 변화되게 된다.
상기와 같은 문제점들을 위해 실험자는 정기적인 보정이 필요하며, 이러한 증착변수들은 실험자의 경험에 상당히 의존하게 되어 각 실험자에 의한 실험의 재현성이 상당히 떨어지게 된다. 특히, 진공 상태에서 증착이 이루어지므로 여러가지 요인에 의한 최적 증착조건으로 부터의 오차를 증착이 이루어지는 동안 보정하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 촬영부를 통해 레이저 플룸을 실시간으로 관찰하여 디스플레이부에 의해 모니터링하고, 중앙제어부 및 출력부를 통해 플룸의 형상을 제어하는 증착조건보정신호를 출력하는 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템의 제공을 그 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위해 본 발명은, 레이저 증착 시스템에 있어서, 진공챔버 측면에 형성되어 플룸(plume)의 형상을 실시간으로 촬영하는 촬영부와; 상기 촬영부에서 촬영된 플룸(plume)의 영상을 실시간으로 모니터링하여 화면에 표출하는 디스플레이부와; 상기 디스플레이부에 나타난 플룸의 영상을 기 입력된 표준 플룸 형상과 비교하여 증착조건의 적합여부를 판단하는 중앙제어부; 그리고 증착조건 이상 시 증착조건보정신호를 외부에 표출하여 증착조건의 보정이 실행되도록 하는 출력부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템을 기술적 요지로 한다.
또한 상기 촬영부는, CCD카메라로 형성되는 것이 바람직하며, 또한 상기 촬 영부는, 플룸을 중심으로 90도를 이루도록 두개가 형성되는 것이 바람직하다.
여기에서 상기 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템은, 상기 진공챔버 내의 상기 촬영부 전측에 셔터(shutter)가 더 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 중앙제어부는, 플룸의 모양과 색채의 비교에 의한 증착조건의 적합여부를 판단하는 것이 바람직하다.
또한 상기 출력부는, 레이저의 출력, 조리개의 크기 조절 및 위치, 미러의 각도 및 위치, 가스분압, 렌즈의 초점거리, 타겟과 기판사이의 거리, 기판 온도 중에서 하나 이상의 증착조건보정신호가 표출되는 것이 바람직하다.
여기에서 상기 출력부는, 증착조건의 보정에 대한 임계치 도달을 알리는 경고신호가 더 출력되는 것이 바람직하다.
이에 따라 플룸의 형상을 실시간으로 관찰하여 증착조건을 보정하고, 실험오차를 최소화하여 최적의 플룸 형상을 제공할 수 있으므로 실험의 재현성을 높이고 고품위의 박막을 증착시키는 이점이 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템의 주요부에 대한 모식도이고, 도 2 본 발명에 따른 플름 형상 제어 레이저 증착 시스템의 촬영부에 의해 촬영된 플룸 영상의 모니터링 화면을 나타낸 도((a)측면에서 촬영한 영상, (b)상측에서 촬영한 영상)이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템은 플 룸(4)의 형상을 실시간으로 촬영하는 촬영부(100)와, 상기 실시간으로 촬영된 플룸(4)의 영상을 모니터링하여 화면에 표출하는 디스플레이부(200)와, 상기 디스플레이부(200)에 나타난 플룸의 형상에 따라 증착조건의 적합여부를 판단하는 중앙제어부(300), 그리고 이에 따라 증착조건보정신호를 표출하는 출력부(400)로 크게 구성된다.
먼저 상기 촬영부(100)는 상기 진공챔버(1) 측면에 형성되고, 플룸(4)을 다른 방향에서 관찰하기 위해 적어도 두개 이상이 소정의 각도로 형성되며, 바람직하게는 플룸(4) 측면의 형상을 관찰하고, 상측의 형상을 관찰할 수 있도록 90도 각도를 이루도록 형성된다.
또한 상기 촬영부(100)는 CCD카메라로 형성되어 소형으로 간단히 설치할 수 있으며, 상기 CCD카메라에 의해 측정된 아날로그 영상신호는 영상캡쳐보드에 의해 디지탈영상신호로 변환되어 후술할 디스플레이부(200) 상의 모니터에 나타나게 된다.
또한 상기 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템은, 상기 진공챔버(1) 내의 상기 촬영부(100) 전측에 셔터(shutter)가 더 형성되는 것이 바람직하며, 이는 상기 촬영부(100)를 사용하지 않는 경우에는 증착과정 동안 상기 촬영부(100) 전면이 오염되는 것을 방지하기 위한 것이다.
그리고 상기 디스플레이부(200)는 상기 촬영부(100)에서 촬영된 플룸(plume)의 영상을 실시간으로 모니터링하여 화면에 표출하는 부분이며, 상기 CCD카메라에 연결된 비디오, 컴퓨터 상의 모니터 등이 이에 해당된다.
그리고 상기 중앙제어부(300)는 상기 디스플레이부(200)에서 나타난 플룸(plume)(4)의 영상을 실시간으로 모니터링하여 증착조건의 적합여부를 판단하게 된다. 즉 상기 중앙제어부(300)로 각 타겟 및 증착조건에 따른 표준 플룸(4)의 형상을 미리 입력하고, 증착하는 동안 상기 표준 플룸과 상기 디스플레이부(200)에서 실시간으로 나타난 플룸의 영상에 있어서 모양과 색채를 비교하여 현재의 증착조건이 적합한지를 판단하게 된다.
그리고 상기 출력부(400)는 상기 디스플레이부(200)에서 나타나는 플룸의 영상이 미리 입력된 표준 플룸의 영상에 일치하지 않으면, 이는 최적의 증착조건이 아닌 것으로 판단하여 증착조건보정신호를 외부에 표출하며, 이에 의해 증착조건의 보정이 실행되게 된다.
즉, 플룸(4)의 영상을 모니터링하여 표준 플룸(4)의 형상이 나타나지 않는 경우에는 레이저(10) 및 조리개(aperture)(20), 미러(mirror)(30), 렌즈(lens)(40), 가스공급구, 기판(2), 타겟(3) 중에서 하나 이상을 선택하여 증착조건을 보정하도록 증착조건보정신호가 출력되는 것이다.
상기 출력부(400)에서 출력되는 증착조건보정신호는 가령 레이저(10)의 출력을 높이고 낮춘다거나, 조리개(20)의 구경을 넓히고 좁히거나, 미러(30)와 렌즈(40)의 각도와 위치를 변경시키거나, 또는 상기 촬영부(100)의 온/오프나 각도, 위치를 변경시키기 위한 전기적 신호를 의미한다.
상기 레이저(10), 조리개(20), 미러(30), 렌즈(40) 등은 진동 방지용 광학테이블 상측에 안치되는 것으로, 레이저(10)를 소정 위치에 안치하고, 상기 레이 저(10) 전측에 조리개(aperture)(20)를 위치시켜 레이저 빔의 균질성(uniformity)을 높이고, 그 전측에는 다수개의 미러(30)에 의해 레이저 빔의 경로를 바꾸거나 거리를 조정하고, 그 전측에는 렌즈(40)가 위치되어 레이저 빔을 포커싱하여 초점을 변경할 수 있게 된다.
상기의 모든 구성요소들은 상기 출력부(400)와 전기적으로 연결되어 컴퓨터의 모니터 상에 나타나는 플룸(4)의 형상에 따라 각도 및 위치 등의 제어가 가능하여 표준 플룸(4)의 형상을 가지도록 증착조건의 보정이 가능한 것이다. 또한 이러한 구성요소 외에도 증착조건에 영향을 미치는 기판(2)의 온도, 증착가스 종류, 가스분압, 타겟(3)과 기판(2) 사이의 거리 등이 있으므로 이러한 증착 변수 또한 상기 증착조건보정신호에 의해 제어할 수 있다.
이를 상세히 살펴보면, 상기 레이저(10)의 출력제어판과 상기 출력부(400)를 인터페이스하여 레이저의 출력을 조절하도록 한다.
그리고 상기 조리개(20)는 모터에 의해 X-Y축으로 구경의 조절이 가능하며, 상기 조리개(20)는 모터에 의해 움직이는 병진스테이지(X-Y axis motorized moving translation stages) 상에 설치되어, 상기 모터와 상기 출력부(400)를 인터페이스하여 상기 출력부(400)(200)에서 출력된 증착조건보정신호에 따라 상기 레이저(10)로부터의 거리와 정렬정도를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 구경을 조절할 수 있게 된다.
그리고 상기 미러(30)는 모터에 의해 움직이는 병진스테이지(motorized moving translation stages) 상에 설치되며, 레이저 빔의 경로를 바꾸는 제1미 러(31)와, 이에 의해 반사된 레이저 빔을 한번, 두번, 세번 반사시키는 제2미러(32), 제3미러(33), 그리고 제4미러(34)로 형성되어 상기 병진스테이지 상에서 각각 병진운동할 수 있도록 형성된다. 따라서 상기 모터와 상기 출력부(400)를 인터페이스하여 상기 출력부(400)에서 출력된 증착조건보정신호에 따라 상기 미러(30)의 각도와 위치를 조절할 수 있게 된다.
또한 상기 제1미러(31)와 상기 제2미러(32)는 평행하게 형성되고, 제2미러(32)와 제3미러(33)는 서로 90도 각도를 이루고, 상기 제4미러(34)는 상기 제1미러(31)와 90도 각도를 이루면서 제3미러(33)와는 평행하게 형성되며, 이는 레이저 빔의 경로를 실험실의 조건에 따라 실험자가 원하는 경로상으로 진행이 가능하도록 하기 위한 최소한의 미러의 갯수에 해당되게 된다. 상기 제2미러(32)와 제3미러(33)의 병진운동에 의해 조리개(20)와 렌즈(40) 사이의 레이저 빔 경로 거리를 조절할 수 있으며, 상기 제4미러(34)는 모터에 의해 움직이는 카인매틱 마운트(motorized kinematic mount)와 연결되어 3차원적으로 각도의 조절이 가능하게 된다.
그리고 상기 렌즈(40)는 모터에 의해 움직이는 병진스테이지(motorized moving translation stages) 상에 설치되어, 상기 모터와 상기 출력부(400)를 인터페이스하여 상기 출력부(400)에서 출력된 증착조건보정신호에 따라 레이저 빔의 초점을 조절하고 타겟(3)에 조사되는 레이저 빔의 위치를 보정할 수 있게 된다.
또한 상기 출력부(400)에서 증착조건보정신호의 임계치 도달을 알리는 경고신호가 출력되는 것이 바람직하며, 이는 상기 촬영부(100)에서 촬영된 플룸(4)의 영상이 증착조건보정신호에 의해 레이저 증착 장치의 각 구성요소에 대한 보정을 할 수 없을 정도에 도달하게 되었을 때, 이를 실험자에게 알리는 것으로 영상신호 또는 음성신호로 출력되게 한다.
이하에서는 상기 CCD카메라로 촬영된 플룸(4)의 영상을 상기 디스플레이부(200)에서 실시간으로 모니터링하면서, 상기 중앙제어부(300)에서 기 입력된 표준 플룸의 형상과 비교하여 상기 출력부(400) 상으로 어떠한 증착조건보정신호를 출력하는지 살펴보고자 한다.
상기 촬영된 플룸(4)의 영상을 통해 확인할 수 있는 플룸 변화의 인자로는 ①플룸의 폭과 길이에 해당하는 플룸의 크기와, ②플룸 내부의 강도를 알 수 있는 영상에 대한 플룸의 단면 그래프(profile), ③플룸의 모양, ④타겟(2) 위에서의 플룸의 위치 등이 있다.
상기 인자들은 상기 중앙제어부(300)와 상기 출력부(400)의 증착조건보정신호와 아래 표와 같이 조절 가능한 관계를 갖는다.
증착조건보정신호 조절 가능한 플룸 인자
레이저 출력 조절 신호 ㆍ플룸의 크기 조절 ㆍ플룸의 단층 그래프 조절
가스 분압 조절 신호 ㆍ플룸의 크기 조절 ㆍ플룸의 모양 조절
조리개 크기 조절 신호 ㆍ플룸의 크기 조절 ㆍ플룸의 모양 조절
조래개 위치 조절 신호 ㆍ플룸의 크기 조절 ㆍ플룸의 단층 그래프 조절
미러의 위치 조절 신호 ㆍ플룸의 크기 조절 ㆍ플룸의 위치 조절
미러의 각도 조절 신호 ㆍ플룸의 위치 조절
렌즈의 위치 조절 신호 ㆍ플룸의 크기 조절 ㆍ플룸의 단층 그래프 조절
레이저 윈도우 교체 신호 ㆍ플룸의 크기 조절
상기의 표에서 나타난 바를 고려하여 실험자는 표준 플룸(4) 형상을 재현하기 위해 미리 입력된 표준 플룸(4) 형상에서 플룸(4)의 형상이 변경되었을 때는, 실험자는 상기 증착조건보정신호를 자신의 실험 경험과 실험 환경, 진공챔버(1) 상태, 증착 장비들의 성능에 따라 가장 적절한 증착조건보정신호를 선택하여 순차적으로 수행할 수 있도록 순서를 정할 수 있으며, 증착조건보정신호에 의해 보정된 플룸 형상에 대한 수용여부는 다시 상기 중앙제어부(300)에서 판단하여 다음 증착조건보정신호의 수행이 이루어지게 된다.
상기 구성에 의한 본 발명은 플룸의 형상을 실시간으로 관찰하여 증착조건을 보정하고, 실험오차를 최소화하여 최적의 플룸 형상을 제공할 수 있으므로 실험의 재현성을 높이고 고품위의 박막을 증착시키는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 레이저 증착 시스템에 있어서,
    진공챔버 측면에 형성되어 플룸(plume)의 형상을 실시간으로 촬영하는 촬영부와;
    상기 촬영부에서 촬영된 플룸(plume)의 영상을 실시간으로 모니터링하여 화면에 표출하는 디스플레이부와;
    상기 디스플레이부에 나타난 플룸의 영상을 기 입력된 표준 플룸 형상과 비교하여 증착조건의 적합여부를 판단하는 중앙제어부; 그리고
    증착조건 이상 시 증착조건보정신호를 외부에 표출하여 증착조건의 보정이 실행되도록 하는 출력부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 촬영부는,
    CCD카메라로 형성되는 것을 특징으로 하는 플름 형상 제어 레이저 증착 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 촬영부는,
    플룸을 중심으로 90도를 이루도록 두개가 형성되는 것을 특징으로 하는 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템은,
    상기 진공챔버 내의 상기 촬영부 전측에 셔터(shutter)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항의 어느 한 항에 있어서, 상기 중앙제어부는,
    플룸의 모양과 색채의 비교에 의한 증착조건의 적합여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 출력부는,
    레이저의 출력, 조리개의 크기 조절 및 위치, 미러의 각도 및 위치, 가스분압, 렌즈의 초점거리, 타겟과 기판사이의 거리, 기판 온도 중에서 하나 이상의 증착조건보정신호가 표출되는 것을 특징으로 하는 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 출력부는,
    증착조건의 보정에 대한 임계치 도달을 알리는 경고신호가 더 출력되는 것을 특징으로 하는 플룸 형상 제어 레이저 증착 시스템.
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