KR100838384B1 - 초고주파 방전 플라즈마 내의 기체 상으로부터 다이아몬드필름을 고속으로 증착하는 방법 및 상기 방법을 수행하기위한 플라즈마 반응기 - Google Patents

초고주파 방전 플라즈마 내의 기체 상으로부터 다이아몬드필름을 고속으로 증착하는 방법 및 상기 방법을 수행하기위한 플라즈마 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고주파 방전 플라즈마에 의하여 가스 화합물을 분해함으로써 탄소 증착하는 것에 관한 것이며, 예를 들면, 자이로트론과 같이 초고주파 출력원의 출력창을 생산하는 데 사용되는 다결정 다이아몬드 필름(박판)을 생한하는 데 사용될 수 있다. 상기 발명은 100mm 이상의 직경을 갖는 지지체 상에서 (3×10-5이하의 손실 탄젠트 각도 를 갖는) 높은 품질의 다이아몬드 필름을 고속으로 증착할 수 있게 된다. 이를 위하여, 초고주파 방전이 반응 챔버 내에 배열되고 적어도 수소와 탄화 수소를 함유한 가스 혼합물 내에서 시작된다. 그 후에, 일반적으로 사용되는 2.45GHz의 주파수보다 몇배 높은, 예컨대 30 GHz의, 주파수 f를 갖는 초고주파 방사선에 의하여, 상기 가스 혼합물은 안정된 비평형 플라즈마를 생산하는 것에 의하여 활성화된다. 플라즈마를 배치하기 위하여, 정상파가 운반체 근처에 형성되고, 플라즈마층은 그 파복에 형성되고, 이와 같은 방식으로 그 크기는 조절 가능해진다.
플라즈마, 마이크로파, 다이아몬드 필름

Description

초고주파 방전 플라즈마 내의 기체 상으로부터 다이아몬드 필름을 고속으로 증착하는 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 플라즈마 반응기 {HIGH-VELOCITY METHOD FOR DEPOSITING DIAMOND FILMS FROM A GASEOUS PHASE IN SHF DISCHARGE PLASMA AND A PLASMA REACTOR FOR CARRYING OUT SAID METHOD}
본 발명은 마이크로파 방전 플라즈마를 이용한 기체 상태 합성물의 분해에 의한 탄소 증착 기술 분야에 관한 것이며, 예컨대, 융합 장치(fusion setup)에서의 추가적인 플라즈마 가열에 필요한, 고출력원인 마이크로파 방사선, 특히 자이로트론(gyrotron)의 출력 창(window)을 제조하는 데 사용되는 다결정질의 다이아몬드 필름(박판)을 얻는 데 적용될 수 있는 것이다.
다이아몬드 필름은 소위 CVD(화학 기상 증착법, Chemical Vapor Deposition)에 의하여 기체 상(phase)으로부터 증착된다. 상기 방법은, 필요한 화학적으로 활성화된 입자, 즉 수소 원자와 탄소-함유 라디칼을 생산하기 위하여, 아주 많은 경우에 수소와 탄화 수소를 함유한 가스 혼합물을 어떠한 수단에 의하여 활성화시키는 것에 기초한 것이다. 상기 라디칼들을 기판에 증착시킴으로써, 일련의 표면 작용의 결과로서 다결정질의 다이아몬드 필름이 형성된다. 이 때, 다이아몬드 필름은 상기 기판 표면 근처의 원자 수소의 밀도가 비평형 상태인 경우에 한하여 효율적으로 성장할 수 있다 (스피신 비.브이., 보우로프 엘.엘., 더자귄 비.브이.의 "결정 성장에 관한 저널", 1981년 볼륨 82 제219면 내지 제226면).
가스 매개를 활성화시키는 몇가지 방법, 즉, 직류 전류 방전, 고주파 마이크로파 또는 아크 방전에 의하여 생성된 핫-필라멘트(hot-filament)나 가스 방전 플라즈마를 이용한 방법들이 공지되어 있다. 상업적으로 사용되는 CVD 반응기는 마이크로파 방전에 의하여 생성된 플라즈마를 이용한다. 이들은 MPACVD(마이크로파 플라즈마에 의한 화학 기상 증착법, Microwave Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition) 반응기라고 불린다. 상기 상업적인 응용 형태는 마이크로파 방전이 높은 밀도로 여기된 전하 입자를 생성한다는 사실과 관계된 것이다. 이들 전하 입자들은 전극으로부터 자유롭기 때문에, 1㎛/h 이상의 속도로 양질의 다이아몬드 필름('화이트 다이아몬드')을 성장시키는 것이 가능하다.
예를 들면, 마이크로파 방전 플라즈마 내의 가스 상으로부터 다이아몬드 필름을 증착시키는 방법이 있다. 이는, 적어도 수소와 탄화 수소를 함유한 가스 혼합물 내에서의 마이크로파 방전의 점화에 기초한 것이다. 이 때, 점화시키는 데 사용되는 마이크로파 방사선의 주파수가 2.45GHz이고, 가스 혼합물의 압력은 50Torr 내지 200Torr로 유지된다. 상기 가스 혼합물은 마이크로파 방전 플라즈마에 의하여 활성화된다. (예를 들면 메틸 GH3, 아세틸렌 C2H2 및 수소 원자 H와 같이) 생성된 화학적으로 활성화된 입자(라디칼)에 제공되는 확산 전달을 통하여, 입자들은 결정화(핵화, nucleation)의 중심을 생성하기 위하여 플라즈마 공간으로부터 특별히 준비된 기판으로 이동된다. 기판의 온도(Ts)는 700℃에서 1100℃의 범위 내에서 유지되고, 기판 표면을 지나는 탄소-함유 라디칼의 개입에 의한 표면 작용에 따라 다이아몬드 필름이 성장한다(피.케이. 바흐만의 "산업용 다이아몬드와 다이아몬드 필름에 관한 핸드북" 에드. 엠. 프리라스, 지.포포비치, 엘.케이,비겔로우, 미국 뉴욕소재의 마셜 데커사 출판, 1998년, 제821면 내지 제850면). 상기 다이아몬드 필름 증착 방법의 단점은 적어도 10 W/cm·K의 열전도 계수를 갖는 양질의 다이아몬드 필름을 성장시키는 증착 속도가 1-2㎛/h로 매우 낮다는 점이다.
국제특허분류코드 C23C16/50, B05D3/06로 1996년에 특허가 허여된 미국 특허 공보 제5,518,759호에 개시된, 마이크로파 방전 플라즈마 내의 가스상으로부터 다이아몬드 필름을 고속으로 증착하는 방법에 의하여, 동일한 품질을 갖는 다이아몬드 필름이 보다 높은 성장률(3-9㎛/h)로 형성된다. 상기 프로토타입 방법은, 50Torr 내지 200Torr의 압력을 가지며 적어도 수소와 탄화수소를 함유하고 반응 챔버를 채우는 가스 혼합물 내에서 마이크로파 방전이 점화되는 것에 기초한 것이다. 상기 가스 혼합물은 주파수가 2.45GHz인 마이크로파 방전 플라즈마에 의하여 활성화되어 기판에 증착되는 수소 원자와 탄소-함유 라디칼들을 생성하며, 표면 작용의 결과로서 다결정질 필름을 형성한다. 상기 가스 혼합물은, 탄소-함유 라디칼들이 발생되는 열적 평형 메커니즘이 비평형 전자 메커니즘에 대하여 우세한 조건에서 활성화된다. 이와 같은 조건은 플라즈마 내의 상대적으로 높은 라디칼 C2 (분자 탄소) 밀도에 의하여 특징지워지며, 증착되는 필름의 단위 면적당 플라즈마 반응기로 주입되는 마이크로파 출력을 5kW/cm2에 이르기까지 증가시키는 수단에 의하여 구현된다.
이와 같은 다이아몬드 필름을 증착하는 프로토타입 방법의 단점은 넓은 면적의 필름을 증착하기 위하여 3MW까지 이르는 높은 출력을 발생시키는 마이크로파 발생기를 사용해야 한다는 것이다.
마이크로파 방전 플라즈마 내의 기체 상으로부터 다이아몬드 필름을 증착하는 공지된 장치로서 2.45GHz나 915MHz의 주파수에서 여기되는 원통형 공진기(resonator)에 기초한 공진형 플라즈마 반응기가 있다.
국제특허분류코드 H01J7/24로 1994년에 특허가 허여된 미국 특허 공보 제5,531,103호에 개시된 장치가 그 대표적인 예이다. 이 장치는 기판과 기판 홀더를 구비한 반응 챔버와, 석영 돔으로 형성된 반응 챔버를 수용하는 원통형 공진기와, TM01n 모드에서 마이크로파 출력을 공진기에 주입하는 결합 요소를 구비한 전송 동축 도파관(waveguide line)과, 상기 원통형 공진기의 슬라이딩 쇼트(short)를 이동시키고 상기 공진기를 공진하도록 조정하는 조정 기구로 구성된다. 상기 반응 챔버 내의 압력은 50Torr 내지 200Torr 사이의 영역에서 유지되고, 플라즈마는 기판 위에서 상기 기판을 따라 그 직경이 마이크로파의 파장의 절반을 초과하지 않는 반구 형상으로 발생된다.
상기 장치의 단점은 반응 챔버 내의 플라즈마가 작은 직경으로 형성됨에 따라, 주파수가 2.45GHz인 마이크로파 방사선(파장은 12.2cm)이 사용되는 경우에, 균일하게 증착되는 다이아몬드 필름의 직경에 제한이 생긴다는 점이다.
국제특허분류코드 C23C16/00으로 1999년에 특허가 허여된 미국 특허 공보 제5,954,882호에 개시된 장치에서는, 2.45GHz의 주파수에서 다소 넓은 면적에 다이아몬드 필름이 균일하게 증착된다. 상기 장치는 기판과 기판 홀더를 구비한 반응 챔버와, 타원형 공진기로 구성된다. 여기서, 석영 돔으로 형성된 반응 챔버는 타원의 초점 위치 중 어느 하나에 위치한다. 상기 공진기는 마이크로파 출력을 공진기를 통하여 타원의 다른 초점에 주입하는 결합 요소를 구비한 전송 동축 도파관을 구비한다. 반응 챔버 내의 가스 혼합물 압력은 50Torr 내지 200Torr로 유지된다. 타원형 공진기의 치수들이 파장의 길이에 비하여 매우 중요하고 공진기 내부에서 마이크로파의 전파 조건은 거의 준광학적(quasi-optical)이므로, 공진기의 초점 영역에서의 전기장의 분포는 넓어진다. 그 결과, 반응 챔버 내의 기판 위에 생성된 플라즈마는 70-80mm의 직경을 가진 균일한 다이아몬드 필름의 증착을 가능하게 한다.
프로토타입으로 선택되고, 국제특허분류코드 C23C16/26, C23C16/50, H01Q19/00으로 1992년에 특허가 허여된 유럽 특허 공보 제0520832B1호에 개시되었으며, 마이크로파들을 반응 챔버에 주입하기 위하여 2.45GHz의 주파수를 갖는, 마이크로파의 준광학적 전파 조건을 이용하는 장치에 있어서, 증착된 필름의 면적은 거의 동일하다.
상기 장치는, 마이크로파 방사선을 주입하기 위한 창을 구비한 돔으로 형성된 반응 챔버와, 2.45GHz의 주파수에서 작동하는 마이크로파 발생기와, 방사 호른(horn)과 반사기로 구성된 전송 라인과, 상기 창을 통하여 반응 챔버로 주입되는 수렴 파동 광선(converging wave beam)을 형성하는 금속 거울 또는 유전체 렌즈로 구성된다. 기판 홀더와 함께 기판은 반응 챔버 내에 위치되고, 가스 혼합물의 필요한 압력은 가스 유입 및 유출 시스템에 의하여 유지된다. 마이크로파 방전은 기판 위의 광선의 초점 영역에서 점화된다. 본 프로토타입 플라즈마 반응기에서, 가스 혼합물의 압력이 40Torr로 고정되는 경우에 안정된 플라즈마가 얻어진다.
상기 프로토타입 장치는 기판 위에 플라즈마를 생성하기 위하여 수렴 파동 광선을 이용한다는 문제점을 갖는다. 수렴된 파동 광선에 있어서 장(場)이 최대 강도를 갖는 영역에서 최초로 점화되는 마이크로파 방전의 경계는, 이온화 전선(ionization front)으로서 마이크로파 방사선의 반대방향으로 전파된다는 것이 알려져 있다(유.피. 레이저의 "레이저 스파크와 방전 전파", 모스코바, 나우카, 1974년). 이와 같은 방전에 관한 역학 관계를 통하여, 기판에서 떨어져 있는 에너지 방출 영역이 제거된다는 것을 알 수 있다. 상기 프로토타입 반응기에 있어서, 오로지 협소한 가스 압력 범위와 광선의 입사 마이크로파 출력 범위에서만, 플라즈마가 기판 위에서 머물러 유지되는 것이 가능하다. 그 결과, 기판 근처의 플라즈마에 특정한 높은 에너지가 기여할 수 있도록 하는 것이 불가능하다. 다시 말하면, 높은 밀도의 활성화된 라디칼을 얻는 것이 불가능하다. 따라서, 다이아몬드 필름을 빠른 속도로 성장시키는 것이 불가능하다(프로토타입의 경우, 성장율이 1㎛/h이다).
본 발명은 마이크로파 방전 플라즈마 내의 기체 상으로부터 다이아몬드 필름을 고속으로 증착하는 방법과 상기 방법을 구현하는 장치(플라즈마 반응기)에 관한 것이며, 이를 통하여 직경이 100mm 이상인 기판 위에 (탄젠트 손실을 나타내는 델타(δ)는 3×10-5이하이고, 열전도율이 10 내지 20 W/cm·K 인) 양질의 다이아몬드 필름을 생산할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 방법의 구성을 통하여 다음과 같은 기술적 결과를 얻을 수 있다. 즉, 프로토타입 방법뿐만 아니라 본 발명에 따른 마이크로파 방전 플라즈마 내의 기체 상으로부터 다이아몬드 필름을 고속으로 증착하는 방법은, 반응 챔버를 채우고 있으며 적어도 수소와 탄화 수소를 포함하는 가스 혼합물 내에서 마이크로파 방전을 점화시키고, 마이크로파 방전 플라즈마에 의하여 가스 혼합물을 활성화시켜서 수소 원자와 탄소-함유 라디칼을 생성함으로써 수소 원자와 탄소-함유 라디칼이 기판 위에 증착되고 표면 작용의 결과로서 다이아몬드 필름을 형성하는 것을 포함한다.
본 발명은, 적어도 1kW의 출력을 가지면서 종래에 사용되던 주파수인 2.45 GHz보다는 높은 주파수(f)를 갖는 마이크로파 방사선을 이용하여 반응 챔버 내에 안정된 비평형 플라즈마를 생성하는 대가로 플라즈마 내의 전자 밀도(Ne)를 증가시킴으로써 가스 혼합물이 활성화된다는 점과, 플라즈마를 기판의 근처에 배치하기 위하여 정상파(standing wave)가 형성되고 그 정상파의 파복(波腹, antinodes)에서 플라즈마층이 그 치수가 조절가능하게 발생되고 유지된다는 점에서 신규성이 있다.
30GHz의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 이용하여 전자 밀도를 증가시킴에 의해 가스 혼합물을 활성화시키고, 정상파를 형성하는 수렴 파동 광선의 횡단면의 형상과 크기를 조절함에 의해 정상 마이크로파(standing microwave)의 파복에서의 플라즈마층의 치수를 조절하는 것이 유리하다.
제1 실시예에 있어서, 정상파를 형성하기 위하여 쌍으로 교차되는 4개 또는 그 이상의 수렴 파동 광선을 이용하는 것이 유리하다.
제2 실시예에 있어서, 정상파를 형성하기 위하여 2개의 교차 수렴 파동 광선을 이용하는 것이 유리하다.
제3 실시예에 있어서, 정상파를 형성하기 위하여 서로 반대 방향을 향하는 2개의 수렴 파동 광선을 이용하는 것이 유리하다.
제4 실시예에 있어서, 정상파를 형성하기 위하여 기판 위에 입사된 수렴 파동 광선과 기판으로부터 반사된 파동 광선을 이용하는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 장치의 기술적 결과는 이하에 의해 달성된다. 즉, 프로토타입 반응기뿐만 아니라 마이크로파 방전 플라즈마 내의 기체 상으로부터 다이아몬드 필름을 고속으로 증착하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 반응기는, 마이크로파 발생기와, 준광학적 전기역학 시스템과 끝단이 연결된 전송 라인과, 기판 홀더와 기판 홀더 위에 고정된 기판을 내부에 구비한 반응 챔버와, 선택된 가스 혼합물을 유입시키는 시스템과 유출시키는 시스템을 포함한다.
본 발명에 따른 장치는, 기판 근처의 미리 정해진 영역에 정상 마이크로파가 형성될 수 있도록 준광학적 전기역학 시스템이 형성되고 설치된다는 점과, 전송 라인이 주름진(corrugated) 내면을 구비한 특대형 원형 도파관(oversized circular waveguide)으로 형성된다는 점과, 적어도 하나의 가우스 광선을 준광학적 전기역학 시스템에 전송하기 위하여 전송 라인에 거울 시스템이 보충된다는 점에서 신규성이 있다.
플라즈마 반응기를 구성하는 제1 실시예에 있어서, 준광학적 전기역학 시스템은, 플라즈마 형성 영역에 대해 다른 측에 위치되고 마이크로파 방사선을 쌍으로 교차하는 4개의 파동 광선으로서 보낼 수 있도록 설치된 4개의 거울로 형성되는 것이 유리하고, 준광학적 전기역학 시스템을 반응 챔버 내에 설치하는 것이 유리하고, 하나의 파동 광선을 4개의 파동 광선으로 분할하고 특대형 원형 도파관의 출력에 설치되어야 하는 분할기를 전송 라인에 보충하는 것이 유리하다.
제2 실시예에 있어서, 준광학적 전기역학 시스템은, 플라즈마 형성 영역에 대해 다른 측에 위치되고 기판 표면에 대하여 낮은 각도로 파동 광선을 보낼 수 있도록 설치된 2개의 거울로 형성되는 것이 유리하고, 하나의 파동 광선을 4개의 파동 광선으로 분할하고 특대형 원형 도파관의 출력에 설치되어야 하는 분할기를 전송 라인에 보충하는 것이 유리하다.
제3 실시예에 있어서, 준광학적 전기역학 시스템은, 플라즈마 형성 영역에 대하여 다른 측에 위치되고 서로 반대 방향으로 파동 광선을 보낼 수 있도록 설치된 2개의 거울로 형성되는 것이 유리하고, 상기 거울들 중 하나의 거울은 그 자신과 평행하게 ±λ/4의 거리만큼 전후방향으로 이동할 수 있도록 설치되는 것이 유리하고, 여기서, λ는 마이크로파 방사선의 파장이며, 하나의 파동 광선을 2개의 파동 광선으로 분할하고 특대형 원형 도파관의 출력에 설치되어야 하는 분할기를 전송 라인에 보충하는 것이 필요하다.
플라즈마 반응기를 구성하는 제4 실시예에 있어서, 마이크로파 방사선을 주입하기 위한 유전체 창(dielectric window)을 반응 챔버의 하부에 설치하는 것이 가능하며, 기판을 챔버의 상부에 상기 창과 반대로 설치하는 것이 유리하며, 이 경우, 준광학적 전기역학 시스템은, 마이크로파 방사선을 기판 표면에 수직인 상방으로 보낼 수 있도록 반응 챔버보다 낮은 외부에 설치된 하나의 거울로 형성되는 것이 필요하다.
플라즈마 반응기를 구성하는 제5 실시예에 있어서, 준광학적 전기역학 시스템은, 기판 표면에 수직인 입사각이나 수직보다는 낮은 각도로 마이크로파 방사선을 보낼 수 있도록 설치된 하나의 거울로 형성될 수 있고, 냉각된 얇은 금속 튜브나 막대들의 격자(grating)로 형성되며 기판으로부터 λ/2 이상의 거리를 두고 기판과 평행하게 설치된 전파투과성 냉각벽(radioparent cooled wall)을 반응 챔버 내에 추가할 수 있다.
플라즈마 반응기를 구성하는 제6 실시예에 있어서, 준광학적 전기역학 시스템은, 거울과, 상기 거울과 광학적으로 연결되고 λ/2의 배수만큼의 거리에 배치된 평면-평행(plane-parallel) 거울들을 구비한 준광학적 공진기로 형성되는 것이 유리하고, 이 경우, 상기 공진기 거울들 중 하나의 거울은 기판 홀더 위의 기판이며 다른 하나의 거울은 얇은 금속 튜브나 막대들의 주기적인 격자로 형성될 수 있고, 상기 격자의 주기는 λ보다 작다.
플라즈마 반응기를 구성하는 제7 실시예에 있어서, 가스 혼합물을 반응 챔버 내의 플라즈마 형성 영역으로 유입시키는 시스템은, 중앙부에 주입 이송 튜브를 구비하며 조절 가능한 거리를 두고 기판 홀더 위에 설치된 오목한 금속 스크린으로 형성될 수 있고, 기판 홀더의 상부를 수냉시키는 시스템이 위치된 가스 혼합물 유출 공간을 구비한 기판 홀더의 한 세트의 구멍(aperture)으로 형성될 수 있다.
플라즈마 반응기를 구성하는 제8 실시예에 있어서, 선택된 가스 혼합물의 유입시스템을 냉각된 얇은 금속 튜브 격자와 결합시키는 것이 유리하며, 가스 혼합물 유출 시스템은 기판 홀더의 상부를 수냉시키는 시스템이 위치된 가스 혼합물 유출 공간을 구비한 기판 홀더의 한 세트의 구멍으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법과 장치에 있어서의 기술적 결과, 상세하게는, 필름의 고품질을 유지하면서 마이크로파 방전 플라즈마 내의 가스 상으로부터의 다이아몬드 필름의 증착률을 증가시키는 것은, 저자들에 의하여 발견된 바와 같이, 마이크로파의 주파수가 증가되는 경우에 전자 밀도(Ne)도 역시 증가되고, 이로 인해 가스 혼합물의 활성율, 다시 말하면 원자 수소 및 다른 화학적으로 활성된 라디칼들의 생성율이 증가되며, 그에 따라, 다이아몬드 필름 증착률이 증가될 수 있다는 사실에 의해 달성될 수 있다. 이 경우에, 마이크로파의 주파수를 증가시키는 것과 준광학적 접근법을 사용하는 것에 의해 기판 위의 균일한 플라즈마의 치수를 조절할 수 있게 되고, 따라서, 넓은 면적에 대하여 증착 필름의 균일성이 제공될 수 있다.
마이크로파의 높은 주파수가 MPACVD 반응기 내의 다이아몬드 필름 증착률에 미치는 영향에 관하여 다음과 같이 설명할 수 있다.
MPACVD 반응기에 있어서, 다이아몬드 필름 성장률은 기판 근처에서의 탄소-함유 라디칼 및 수소 원자의 밀도값에 의하여 결정된다(굿윈 디.지., 버틀러 제이.이. 저의 "산업용 다이아몬드와 다이아몬드 필름에 관한 핸드북", 에드. 엠. 프리라스, 지.포포비치, 엘.케이,비겔로우, 미국 뉴욕소재의 마셜 데커사 출판, 1998년, 제527면 내지 제581면). 현존하는 대다수의 MPACVD 반응기에서, 3000K 내지 3500K의 높은 가스 온도(Tg)에서도, 수소 분자 분리를 위한 주 채널은 전자 충돌 분리이다(만켈레비치 유.에이., 라키모프 에이.티., 수에튼 엔, 브이.의 "플라즈마 물리학 저널", 1995년, 볼륨 21 제10호, 제921면 내지 927면). 따라서, 수소 분자의 분리 정도는 플라즈마 내의 전자 밀도(Ne)의 값에 따라 달라진다. 공진형 반응기 내에서 마이크로파장(microwave field)에 의해 유지되는 플라즈마의 전자 밀도(Ne)의 값은, 전자기장의 비선형 효과가 조금씩 나타나기 시작할 징조가 보이는 시점에 이르기까지 커진다. 따라서, 반응기 내의 기판 위의 플라즈마의 특징적 크기는 표피층(skin-layer)의 깊이(δ)와 거의 동일하다. MPACVD 반응기에서 전통적으로 사용되는 파라미터(플라즈마 내에서 흡수되는 특정 출력에 따른 3000K 내지 3500K의 가스 온도(Tg) 및 50Torr 내지 200Torr의 최초 가스 압력)의 경우에, 기판 근처의 가스 밀도는 연속 마이크로파 방전을 유지하기 위한 파쉔 곡선(Pashen curve)의 최소값에 해당하며(비카레프 에이.엘. 등의 "플라즈마 물리학 저널", 1987년, 볼름 13 제9호, 제648면 내지 제652면), 이때 전자 충돌률(ν)은 장(field)의 각주파수(circular frequency, ω) 크기의 위수(位數, order)를 갖는다. 이와 같은 조건하에서, 표피층의 깊이는 다음의 근사식과 같다.
Figure 112005016962171-pct00001
여기서, Nco = mω2/4πe2은 임계 밀도이고, ω=2πf는 장의 각주파수이고, ν는 중성 입자를 갖는 전자의 충돌률이고, m과 e는 각각 전자의 질량과 전하를 나타낸 것이다. 표피층의 깊이(δ)가 δ0로 고정되면, (예컨대, 공진형 반응기의 경우에는 1cm의 위수를 갖는다), δ에 관한 상기의 상관식으로부터 플라즈마 내의 전자 밀도(Ne)의 값이 마이크로파 방사선의 주파수에 비례한다는 것을 얻을 수 있다.
Figure 112005016962171-pct00002
따라서, 전자 밀도값(Ne)과 그에 따른 MPACVD 반응기의 비평형 플라즈마 내의 분자 수소의 분리 정도는 마이크로파 방사선의 주파수의 증가에 따라 증가한다.
균질성을 유지하면서 넓은 면적으로 다이아몬드 필름을 증착하는 본 발명에 따른 추가적인 기술적 결과는, 쌍으로 교차하는 4개의 간섭성 광선(coherent beam)과 같이 쌍으로 교차하는 파동 광선이 형성되는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기에 의하여 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 구현하는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 블럭 선도의 도식적 형상을 도시한 것이다.
도 2는 4개의 파동 광선의 교차 영역 내에서 기판 근처의 플라즈마층을 형성하는 준광학적 전기역학 시스템을 구비한 본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 형상을 도시한 것이다.
도 3은 2개의 교차하는 파동 광선 내에서 기판 근처의 플라즈마층을 형성하는 준광학적 전기역학 시스템을 구비한 플라즈마 반응기의 블럭 선도의 형상을 도시한 것이다.
도 4는 2개의 서로 반대 방향의 파동 광선 내에서 기판 근처의 플라즈마층을 형성하는 준광학적 전기역학 시스템의 블럭 선도의 형상을 도시한 것이다.
도 5는 반사된 파동 광선 내에서 기판 근처의 플라즈마층을 형성하는 준광학적 전기역학 시스템의 블럭 선도의 형상을 도시한 것이다.
도 6은 마이크로파 투과성의 주기적인 격자를 갖는 준광학적 전기역학 시스템의 블럭 선도의 형상을 도시한 것이다.
도 7은 냉각 시스템과 청구항 제8항, 제9항 및 제10항에 기재된 플라즈마 반응기를 위한 가스 유입 및 유출 시스템을 구비한 기판 홀더를 도시한 것이다.
도 8은 청구항 제12항 및 제13항에 기재된 플라즈마 반응기를 위한 가스 유입 및 유출 시스템을 구비한 기판 홀더를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 반응기는, 다이아몬드 필름(3) 증착을 위해 내부에 설치된 기판(2)을 구비한 반응 챔버(1)를 포함한다. 기판(2)은 기판 홀더(4) 위에 위치된다. 마이크로파 방사선은, 준광학적 전기역학 시스템(7)에서 끝나는 전송 라인(6)과 연결된 마이크로파 발생기(5)에 의하여 생성된다. 준광학적 전기역학 시스템(7)은 기판(2) 근처의 플라즈마 형성 영역(8)에 정상 마이크로파가 생성될 수 있도록 수 개의 금속 거울로 구성된다. 반응 챔버(1) 내의 작동 가스 혼합물의 필요로 하는 압력과 속도가 유지되도록, 반응 챔버(1)는 가스 혼합물 유입 시스템(9)과 가스 유출 시스템(10)을 구비한다. 반응 챔버는 프로토타입 장치에서와 같이 투과성(transparent) 석영 튜브일 수 있다. 방사원(5)으로서 자이로트론(gyrotron)이 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 플라즈마 반응기를 구성하는 제1 실시예에 있어서, 전송 라인(6)은 파동 광선 분할기(divider)(15)가 장착된 원형 횡단면을 가진 특대형 도파관(14)으로 구성되며, 분할기(15)는 한 세트의 평면 거울(11)과 광학적으로 연결되고, 상기 거울들 각각은 차례로 4개의 거울(12)로 구성된 한 세트의 거울 중 한 개의 오목한 금속 거울(12)과 광학적으로 연결된다. 준광학적 전기역학 시스템(7)은 4개의 오목한 금속 거울(13)로 구성된다. 전달 라인(6)의 도파관(14)의 내면은 주름져 있다. 도파관(14)의 일 단부는 마이크로파 발생기(5)에 광학적으로 연결되고, 도파관(14)의 타 단부는 파장 광선을 4개의 광선으로 나누는 분할기(15)와 연결된다. 분할기(15)는 특대형 정사각형 도파관으로 제작되고, 그 작동 원리는 전자기파의 전파 중의 상 증가(image multiplication) 효과에 기초한다(지.지. 데니소프와 에스. 브이. 쿠지코프 저의 "플라즈마의 강력 마이크로파에서", 에드. 에이. 지. 미트박, 엔. 노브고로드: 아이에이피 2000년, 볼륨 2, 제960면 내지 제966면). 거울들(11, 12, 13)은 (도 2에 도시된 바와 같이) 반응 챔버(1) 내에 놓일 수 있고, (도 1에 도시된 바와 같이) 반응 챔버(1) 외부에 놓일 수도 있다. 마이크로파 발생기(5)의 출력은 (도 1에 도시된 바와 같이) 원형 도파관(14)에 광학적으로 직접 연결될 수 있고, 추가 거울(16)에 의하여 광학적으로 연결될 수도 있다. 준광학적 전기역학 시스템(7)을 형성하는 거울들(13)은, 마이크로파 방사선(17)을 쌍으로 교차하는 4개의 파동 광선으로서 기판(2) 근처의 플라즈마 형성 영역(8)에 보내는 것이 가능하도록 설정된다 (도 2의 도면 A 참조).
적어도 수소와 탄화수소를 함유한 가스 혼합물을 반응 챔버(1)로 유입시키는 시스템(9)과 작동 혼합물 압력을 필요한 압력으로 유지시키는 가스 유출 시스템(10)은, 예를 들면 도 7에 도시된 바와 같이, 다른 방법으로 제작될 수 있다. 유입 시스템(9)은, 중앙부에 피드-인(feed-in) 파이프(19)를 구비한 오목한 금속 스크린(18)으로 제작된다. 가스 유출 시스템(10)은 기판(2) 홀더(4)의 한 세트의 구멍(20)으로 형성되며, 이 경우 홀더(4)는 기판(2)과 접촉하는 홀더(4) 부분을 냉각시키는 수냉 시스템(21)이 위치된 유출 가스 혼합물을 위한 공간을 구비한다.
도 3에 도시된 플라즈마 반응기를 구성하는 제2의 실시예에 있어서, 전술한 경우와 마찬가지로, 전송 라인(6)은 파동 광선 분할기(15)가 장착된 원형 도파관(14)으로 구성되며, 분할기(15)는 2개의 평면 금속 거울들(11)과 광학적으로 연결되며, 상기 거울들 각각은 차례로 2개의 거울로 구성된 한 세트의 거울 중 하나의 오목한 금속 거울(12)과 광학적으로 연결된다. 준광학적 전기역학 시스템(7)은 2개의 오목한 금속 거울(13)로 구성된다. 이 경우, 도파관(14)의 내면은 주름져 있다. 본 플라즈마 반응기 구성 실시예에 있어서, 파동 광선을 2개의 광선으로 분할하는 분할기(15)는 특대형 직사각형 도파관으로 제작되고, 그 작동 원리는 전자기파의 전파 중의 상 증가(image multiplication) 효과에 기초한다. 거울들(11, 12, 13)은 (도 2에 도시된 바와 같이) 반응 챔버(1) 내에 놓여질 수 있고, (도 1에 도시된 바와 같이) 반응 챔버(1) 외부에 놓여질 수도 있다. 준광학적 전기역학 시스템(7)을 형성하는 두 개의 거울(13)은 방사선을 2개의 교차 파동 광선으로서 기판(2) 근처의 플라즈마 형성 영역(8)에 보내는 것이 가능하도록 설정된다(도 3의 도면 A 참조). 반응 챔버(1)로의 가스 유입 시스템(9)과 가스 유출 시스템(10)은 도 7에 도시된 바와 같이 이전 실시예에서와 동일한 방법으로 제작된다.
도 4에 도시된 플라즈마 반응기를 구성하는 제3의 실시예에 있어서, 전술한 경우와 마찬가지로, 전송 라인(6)은 파동 광선 분할기(15)가 장착된 원형 도파관(14)으로 구성되며, 분할기(15)는 2개의 평면 금속 거울(11)과 광학적으로 연결되며, 상기 거울들 각각은 차례로 2개의 거울로 구성된 한 세트의 거울 중 한 개의 오목한 금속 거울(12)과 광학적으로 연결된다. 준광학적 전기역학 시스템(7)은 2개의 오목한 금속 거울(13)로 구성되며, 상기 거울(13)은 방사선(17)을 2개의 반대 방향의 파동 광선으로서 기판(2) 근처의 플라즈마 형성 영역(8)에 보내는 것이 가능하도록 설정된다(도 4의 도면 A 참조). 기판(2) 위로의 다이아몬드 필름 증착의 균일성을 제공하기 위하여, 거울(13)들 중 하나의 거울은 그 자신과 평행하게 ±λ/4의 거리만큼 전후방향으로 이동할 수 있도록 설정되며, 여기서, λ는 마이크로파 방사선의 파장이다. 상기 거울들(11, 12, 13)은, 전술한 실시예에서와 같이, 반응 챔버(1) 내에 놓일 수 있고, 반응 챔버(1) 외부에 놓일 수도 있다.
도 5에 도시된 플라즈마 반응기를 구성하는 제4 실시예에 있어서, 반응 챔버(1)는 수직으로 세워져 위치하고, 그 하부에는 마이크로파 방사선(17)을 주입하기 위한 유전체 창(22)이 장착되며, 이 경우, 홀더(4) 위의 기판(2)은 반응 챔버(1)의 상부에 설치된다. 이 경우에, 준광학적 전기역학 시스템(7)은, 반응 챔버(1)의 아래쪽 바깥에 위치되고 마이크로파 방사선(17)을 기판(2) 표면에 수직인 상방으로 보내는 것이 가능하도록 설정된 하나의 거울(13)로 형성된다. 이 경우에, 가스 혼합물을 반응 챔버(1) 내로 유입시키는 시스템(9)은 수 개의 튜브들(23)로 형성된다. 작동 혼합물 압력을 필요로 하는 압력으로 유지시키기 위하여 튜브(24)는 가스 유출 시스템(10)으로 사용된다. 전술한 실시예에서와 마찬가지로, 기판(2)의 온도 상태는 수냉 시스템(21)에 의하여 유지된다.
도 6에 도시된 플라즈마 반응기를 구성하는 제5 실시예에 있어서, 전송 라인(6)은 특대형 원형 도파관(14)으로 구성되고, 도파관(6)의 출력은 오목한 금속 거울(12)에 의하여 준광학적 전기역학 시스템(7)에 광학적으로 연결되며, 이 경우 준광학적 전기역학 시스템(7)은, 마이크로파 광선(17)을 기판(2) 표면에 수직한 입사 방향이나 낮은 입사각으로 기판(2) 표면으로 보낼 수 있도록 설정된 하나의 오목한 금속 거울(13)로 형성된다. 이 경우에, 얇은 냉각 금속 튜브나 막대(26)로 형성된 주기적 격자(25)로 제작된 전파투과성 냉각 벽이 반응 챔버(1) 내로 도입되고 기판(2)에 평행하게 기판(2)으로부터 λ/2만큼 떨어진 거리에 설치된다. 이 경우, 가스 혼합물 유입 시스템과 유출 시스템이 도 8에 도시되어 있다. 유입 시스템(9)은 주기적 격자(25)로 형성된 냉각 중공 튜브(26)로 구성된다. 반응 챔버(1) 내의 필요한 압력을 50Torr 내지 300Torr 사이로 유지하기 위하여, 가스 유출 시스템(10)은 기판(2)의 홀더(4) 내의 한 세트의 구멍(20)으로 형성된다. 기판(2)의 온도 상태는 수냉 시스템(21)에 의하여 유지된다.
도 6에 또한 도시된 플라즈마 반응기를 구성하는 제6 실시예에 있어서, 전송 라인(6)과 준광학적 전기역학 시스템(7)은 종전의 실시예와 동일하게 형성된다. 반응 챔버(1) 내로 도입되고 본 실시예에 있어서 기판(2)으로부터 λ/2의 배수의 거리만큼 떨어진 위치에 놓인 격자(25)는, 기판(2)과 함께, 마이크로파 발생기(5)의 방사선의 주파수와 동조(resonance)하는 평면-평행 거울들을 구비한 준광학적 공진기를 형성한다.
가스 혼합물 유입 시스템(9)과 유출 시스템(10)은, 본 설계 버전에 있어서 도 8에 도시된 바와 같이 전술한 실시예와 동일하게 구성된다.
본 발명에 따른 방법 및 장치(플라즈마 반응기)의 구체적 구현 예에 있어서, 드저진스키(Dzerzhinsky) 유리 회사(러시아의 거스-크루스탄니에 소재함)에서 생산된 석영 튜브가 반응 챔버(1)로 사용되었다. 마이크로파 발생기(5)는 30GHz의 주파수와 10kW까지의 출력을 갖는 마이크로파 방사선을 발생시키는, 자이콤사(GYCOM Ltd., 러시아의 노브고로드 나즈니에 소재함)에서 제조된 자이로트론이 사용되었다. 주름진 내면을 구비한 원형 특대형 도파관(14)은 러시아 노브고로드 니즈니에 소재한 아이에이피 알에이에스에서 제조된 파동 광선 분할기(15)를 구비한다. 제안된 방법을 구현하는 데 사용된 준광학적 공진기를 구비한 플라즈마 반응기는 도 6에 도시되어 있다.
본 발명에 따른 마이크로파 방전 플라즈마 내의 기체 상으로부터 다이아몬드 필름을 고속으로 증착시키는 방법은 다음에 의하여 구현된다(도 1 참조).
종래에 사용되던 2.45GHz의 주파수보다 훨씬 높은 주파수(예컨대, 30GHz)에서, 마이크로파 발생기(5)에 의하여 생성되고 가우스 분포 형태로 분포된 횡방향 강도 분포를 가진 선형으로 편광된 마이크로파 방사선(17)은, 전송 라인(6)의 입력으로 전송된다. 마이크로파 방사선(17)은 전송 라인(6)의 출력으로부터 준광학적 전기역학 시스템(7)으로 전송되고, 준광학적 전기역학 시스템(7)에 의하여 적어도 수소와 탄화 수소를 함유한 반응 챔버(1)로 전송된다. 준광학적 전기역학 시스템(7)은 선택된 영역(8)에 정상 마이크로파를 형성하는 데 사용된다. 상기 정상파의 파복(antinode)에서, 플라즈마층이 생성되고 유지된다. 다시 말하면, 안정된 비평형 플라즈마가 얻어진다. 종래에 사용되던 2.45GHz보다 훨씬 높은 주파수를 갖는 마이크로파 방사선을 사용함으로써, 영역(8)에서 생성되는 플라즈마는 보다 높은 전자 밀도를 가지며 보다 높은 탄소-함유 라디칼의 밀도와 원자 수소 밀도를 갖게 되어, 2.45GHz의 주파수를 갖는 방사선을 사용하는 프로토타입 방법에 비하여 보다 높은 다이아몬드 필름 성장률을 얻을 수 있게 한다. 또한, 보다 높은 주파수(f)를 적용함으로써, 준광학적 방법을 사용할 수 있게 되며, 기판(2) 위에서의 균일한 플라즈마의 치수들을 조절할 수 있게 된다. 이는 바꾸어 말하면, 증착된 막의 균일성을 제공할 수 있게 된다는 것이며, 과제의 해결책을 제시하는 것이다.
청구항 제3항에 따른 방법을 구현할 수 있도록 하는 도 2에 도시된 플라즈마 반응기의 작동 원리는 다음과 같다.
가우스 분포 형태로 분포된 횡방향 강도 분포를 가지며 30GHz의 주파수를 갖는 선형으로 편광된 마이크로파 방사선(17)은, 마이크로파 발생기(5)로부터 주름진 내면을 구비한 특대형 원형 도파관(14)의 입력까지 거울(16)에 의하여 보내진다. 도파관(14)을 이와 같이 형성함으로써, 도파관(14) 출력 방사선(17)의 횡방향 강도 분포는 가우스 분포와 근접하게 유지된다. 가우스 광선은 파동 광선 분할기(15)의 입력으로 들어가며, 특대형 사각 도파관에서 전자기파의 전파 중 상 증가 효과에 의하여, 낮은 강도를 갖는 4개의 동일한 가우스 광선으로 분할된다. 각 방사선(17)은 전송 라인(6)의 거울(11, 12) 세트에 의하여 준광학적 전기역학 시스템(7)으로 보내어진다. 준광학적 전기역학 시스템(7)의 4개의 오목 거울들(13)은, 도 2의 도면 A에 도시된 바와 같이, 4개의 광선들이 쌍으로 교차하는 영역(8)으로 4개의 수렴 광선(17)을 보낸다. 그리고, 상기 교차 영역에 정상파가 형성된다.
도면의 평면과 수직인 평면 내에서 각 거울(13) 쌍의 대칭축에 대하여 서로 방향이 반대인 각 쌍의 거울(13)의 변위 때문에(도 2의 도면 A 참조), 기판(2) 위에 정상파가 형성되는 본 실시예에서의 영역(8)은 다른 공지 방법에 비하여 (100mm 이상의) 넓은 면적을 갖는다. 정상파의 파복에서 전기장 크기는, 머물러있는(stationary) 플라즈마를 유지하는 데 필요한 임계장(threshold field)과 동일하거나 그 이상이 되며, 따라서, 정상파가 형성되는 영역(8)에서 마이크로파 방전이 점화되어 플라즈마층이 생성되고 그 위치에 배치된다. 교차하는 파동 광선(17)의 횡단면의 형상과 크기를 변경함으로써 플라즈마층의 형상과 치수를 조절할 수 있다. 청구항 제8항에 따른 플라즈마 반응기 구성은, 마이크로파 방사선을 보다 균일하게 플라즈마에 공급하고 보다 넓은 면적의 증착된 다이아몬드 필름을 제공한다.
도 3에 도시된 플라즈마 반응기와 청구항 제4항에 기재된 구현 방법의 작동 원리는 다음과 같다.
가우스 분포에 대응하는 횡방향 강도 분포를 가지며 30GHz의 주파수를 갖는 선형으로 편광된 마이크로파 방사선(17)은 거울(16)과 특대형 원형 도파관(14)에 의하여 마이크로파 발생기(5)로부터 분할기(15)의 입력으로 보내어진다. 이 경우에, 분할기(15)는 특대형 직사각형 도파관으로 형성된다. 특대형 직사각형 도파관(15) 내에서 전자기 방사선 전파 중의 상 증가 효과에 의하여, 가우스 광선(17)은 낮은 강도를 갖는 2개의 동일한 가우스 광선으로 분할된다. 이들 각각의 방사선(17)은 거울 세트(11, 12)에 의하여 준광학적 전기역학 시스템(7)에 보내어진다. 준광학적 전기역학 시스템(7)의 오목 거울(13)들은 2개의 광선(17)을 수렴 광선으로, 이 경우 반사 거울로 작용하는 기판 표면에 대해 소정의 각도로, 기판(2)으로 보낸다. 본 경우에 있어서, 입사 광선과 기판으로부터 반사된 광선은 기판(2) 위의 영역(8)에서 교차한다. 그리고, 이들이 교차하는 위치에서 정상파가 기판(2) 표면에 수직한 방향으로 형성된다. 정상파의 파복에는, 기판(2) 표면과 평행한 하나 또는 수 개의 플라즈마층이 형성되어 유지되는 보다 강한 장(field)의 영역이 형성된다. 입사되는 파동 광선(17)의 횡단면의 형상과 크기를 변경하고 기판(2) 위로의 광선(17)의 입사각을 변경함으로써, 기판(2)을 따라 형성된 플라즈마층의 치수를 조절할 수 있다. 기판(2)을 따라 형성된 플라즈마를 보다 균일하게 구현하기 위하여, 제2 거울(13)은 전술한 두 개의 수렴 광선(17)들 중 두 번째 광선을 반사된 광선과 반대 방향으로 기판(2)으로 보내는 데 사용된다. 이로 인해, 도 3에 도시된 청구항 제9항에 따른 플라즈마 반응기는 기판(2) 위에 다이아몬드 필름을 보다 균일하게 증착할 수 있게 한다.
도 4에 도시된 플라즈마 반응기와 청구항 제5항에 기재된 구현 방법의 작동 원리는 다음과 같다.
가우스 분포에 대응하는 횡방향 강도 분포를 가지며 30GHz의 주파수를 갖는 선형으로 편광된 마이크로파 방사선(17)은 거울(16)과 특대형 원형 도파관(14)에 의하여 마이크로파 발생기(5)로부터 분할기(15)의 입력으로 보내어진다. 이 경우에, 분할기(15)는 특대형 직사각형의 도파관으로 형성된다. 특대형 직사각형 도파관(15) 내에서의 전자기 방사선 전파 중의 상 증가 효과에 의하여, 가우스 광선(17)은 낮은 강도를 갖는 2개의 동일한 가우스 광선으로 분할된다. 이들 각각의 방사선(17)은 거울 세트(11, 12)에 의하여 준광학적 전기역학 시스템(7)으로 보내어진다. 준광학적 전기역학 시스템(7)의 2개의 거울(13)들은 2개의 광선(17)을 기판(2) 위의 영역(8)에 서로 반대 방향이 되도록 보낸다. 이는, 광선(17)의 축을 따라서 영역(8)에 정상파를 형성한다. 정상파의 파복에는, 기판(2) 표면에 수직으로 형성된 수 개의 플라즈마층이 배치되어 유지되는 보다 강한 장(field) 영역이 형성된다. 기판(2)을 따라 형성된 플라즈마를 보다 균일하게 구현하기 위하여, 정상파의 파복은, 거울(13)들 중 하나의 거울이 그 자신과 평행하게 ±λ/4의 거리만큼 기계적으로 이동하는 것에 의하여, 기판(2)을 따라서 연속적으로 이동한다. 도 4에 도시된 청구항 제10항에 따른 플라즈마 반응기도, 이전의 플라즈마 반응기와 유사하게, 기판(2) 위에 균일한 다이아몬드 필름(3)을 증착할 수 있다.
도 5에 도시된 플라즈마 반응기와 청구항 제6항에 기재된 구현 방법의 작동 원리는 다음과 같다.
가우스 분포에 대응하는 횡방향의 강도 분포를 가지며 30GHz의 주파수를 갖는 선형으로 편광된 마이크로파 방사선(17)은, 거울(16)과 특대형 원형 도파관(14)과 거울(12)에 의하여, 마이크로파 발생기(5)로부터, 이 경우 반응 챔버(1)의 외부에 설치된 하나의 오목한 금속 거울(13)로 형성된 준광학적 전기역학 시스템(7)의 입력으로 보내어진다. 거울(13)은 수렴 파동 광선(13)을 유전체창(22)을 통해, 이 경우 반사 거울로서 작용하며 반대 방향의 광선(17)을 생성하는 기판(2)에 수직하게 위로 보내며, 그 결과, 정상파는 기판(2) 표면에 수직한 방향으로 형성된다. 정상파의 파복에는, 기판(2) 표면과 평행한 하나 또는 수 개의 플라즈마층이 배치되어 유지되는 보다 강한 장(field)의 영역이 형성된다. 입사되는 파동 광선(17)의 횡단면의 크기를 변경함으로써, 기판(2)을 따라 형성된 플라즈마층의 치수를 조절할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 파동 광선(17)이 아래로부터 기판(2)에 보내지므로, 플라즈마는 기판의 아래에 나타난다. 이 경우에, 발생되어 기판(2)을 향해 상방으로 흐르는 대류 가스는, 플라즈마층을 기판의 근처에 배치하는 데 추가로 기여한다. 도 5에 도시된 청구항 제11항에 따른 플라즈마 반응기는 가장 작은 크기를 가지며 제조하기가 쉽고 기판(2) 근처에 플라즈마를 배치할 수 있는 추가적인 가능성을 제공한다.
도 6에 도시된 플라즈마 반응기와 청구항 제6항에 기재된 구현 방법의 작동 원리는 다음과 같다.
냉각된 얇은 금속 막대나 튜브(26)로 형성되고 기판(2)에 평행하게 설치된 주기적인 격자(25)는 상기 격자와 기판(2) 사이의 거리와 막대(파이프, 26)의 축에 대한 전기장 강도 벡터의 방향에 따라 2가지 기능을 수행할 수 있다. 즉, 기판(2)까지의 거리가 임의적이고 전기장 강도 벡터의 방향이 막대(튜브, 26)의 축에 수직인 경우에는, 격자(25)는 전파투과성 냉각 벽으로서 기능을 하며, 반면에, 기판(2)까지의 거리가 λ/2의 배수이고 막대(튜브, 26)의 축에 대한 전기장 강도 벡터의 방향이 적절한 경우에는, 격자(25)는 부분적으로 투과성 있는 준광학적 공진기의 거울로서 기능을 한다.
격자(25)가 전파투과성 냉각벽으로서 사용되는 경우에는, 도 6에 도시된 플라즈마 반응기는 다음과 같이 작동한다.
가우스 분포에 대응하는 횡방향 강도 분포를 가지며 30GHz의 주파수를 갖는 선형으로 편광된 마이크로파 방사선(17)은, 거울(16)과 특대형 도파관(14)과 거울(12)에 의하여, 마이크로파 발생기(5)로부터 준광학적 전기역학 시스템(7)의 거울(13)로 보내진다. 여기서, 준광학적 전기역학 시스템(7)은 수렴된 가우스 광선(17)을 격자(25)와 기판(2)으로 이들 표면에 수직인 방향이나 수직보다 낮은 각도를 이루면서 보낸다. 가우스 파동 광선(17) 내의 전기장 강도 벡터가 막대나 파이프(26)의 축에 수직인 방향인 경우에, 격자(25)는 마이크로파 방사선에 대한 투과성을 가지게 된다. 본 경우에는, 파동 광선(17)은 기판(2) 표면으로부터 반사된다. 그 결과, 정상파는 기판(2)의 표면에 수직인 방향으로 생성된다. 정상파의 파복에는, 기판(2)의 표면과 평행한 하나 또는 수 개의 플라즈마층이 배치되어 유지되는 보다 강한 장(field)의 영역이 형성된다. 마이크로파 방사선에 대하여 투과성을 가진 냉각된 격자(25)로 에너지 열이 방사됨으로써 상기 플라즈마의 배치가 추가적으로 유도된다. 입사되는 파동 광선(17)의 횡단면의 크기를 변경함으로써, 기판(2)을 따라 형성된 플라즈마층의 치수를 조절할 수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 청구항 제12항에 대응하는 플라즈마 반응기는 기판(2) 근처에 플라즈마를 배치할 수 있는 추가적인 가능성을 제공한다.
격자(25)가 준광학적 공진기의 거울들 중 하나의 거울로 사용되는 경우에, 도 6의 플라즈마 반응기는 다음과 같이 작용한다.
이전의 실시예와 마찬가지로, 가우스 분포에 대응하는 횡방향 강도 분포를 가지며 30GHz의 주파수(f)를 갖는 선형으로 편광된 마이크로파 방사선(17)은, 거울(16)과 특대형 도파관(14)과 거울(12)에 의하여, 마이크로파 발생기(5)로부터 준광학적 전기역학 시스템(7)의 거울(13)로 보내진다. 여기서, 준광학적 전기역학 시스템(7)은 수렴된 가우스 광선(17)을 격자(25)와 기판(2) 표면에 수직인 방향이나 수직보다 낮은 각도를 이루면서 격자(25)로 보낸다. 격자(25)를 부분적으로 반사되는 준광학적 공진기의 제2의 거울로 변환시키기 위하여, 가우스 광선(17) 내의 전기장 강도의 방향과 막대(튜브, 26)의 축 사이의 각도가 이전의 실시예에 비하여 변경된다. 게다가, 격자(25)를 준광학적 공진기의 거울로 사용하는 경우에는 격자(25)와 기판(2) 사이의 거리가 λ/2와 동일한 값으로 선택되므로, 격자(25)와 기판(2)에 의해 형성되는 준광학적 공진기는 마이크로파 발생기(5)의 방사선 주파수에서 공진한다. 공진하는 경우에, 정상파의 전기장의 진폭은 증폭되고, 이는 상기와 같은 공진기의 기판(2) 근처에 플라즈마층을 배치하는 데 추가적으로 기여한다. 상기 플라즈마의 배치는, 이전 경우와 마찬가지로, 격자(25)의 금속 튜브(막대)를 냉각시킴으로써 또한 유도된다. 준광학적 공진기의 Q-인자는, 가우스 광선 내의 전기장의 벡터와 튜브나 막대(26)의 축 사이의 각도를 변경시키는 것에 의하여 가우스 방사선(17)과 연결된 공진기의 계수를 변경함으로써 조절된다. 이전의 실시예와 마찬가지로 입사 파동 광선(17)의 횡단면 크기를 변경함으로써, 기판(2)을 따라 형성되는 플라즈마층의 치수를 조절할 수 있다. 도 6에 도시된 청구항 제14항에 따른 플라즈마 반응기는 플라즈마층의 배치를 조절하는 가능성을 제공하도록 구성된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예를 제조하는 경우에 있어서, 가스 유입 시스템(9)은 주기적 격자(25)와 결합되며, 가스 혼합물은 주기적 격자(25)의 중공 튜브(26) 내의 구멍을 통하여 유입된다.
표 1은, 비교를 위하여, 마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착용 반응기의 수치 모델링(에이.엠. 고르바쵸프 등 저, 다이아몬드와 관련된 재료들 10, 2001년, 제342면 내지 제346면)으로부터 알려진 수치 모델에 의하여, 2.45GHz와 30GHz의 주파수에서 작동하는 플라즈마 반응기의 설계 버전에 있어서 원자 수소의 밀도를 (수치 모델링에 따라) 계산한 결과를 나열한 것이다.
2.45GHz 주파수에 대해서는 미국 특허 공보 제5,331,103호에 국제특허분류코드 H01J7/24로 1994년에 특허가 허여된 플라즈마 반응기를 선택하였고, 30GHz 주파수에 대해서는 도 6에 도시된 플라즈마 반응기를 선택하였다. 도 6에 도시된 플라즈마 반응기는 플라즈마가 하나의 플라즈마층으로 유지되는 준광학적 공진기를 구비한다. 수소 H2와 메탄 CH4를 함유한 반응 챔버 내의 가스 혼합물의 압력은 100Torr였다. 기판의 온도는 900℃였다. 플라즈마는 동일한 입사 출력으로 유지되었다.
주파수 2.45 GHz 30 GHz
전자 밀도 (Ne) ~ 5 ·1011 cm-3 ~ 5 ·1012 cm-3
원자 수소의 최대 밀도[H]max ~ 2 ·1016 cm-3 ~ 5 ·1017 cm-3
기판 표면 근처의 원자 수소의 밀도 [H]sur ~ 6 ·1014 cm-3 ~ 5 ·1016 cm-3
표 1에 나타난 바와 같이, 기판 표면 근처의 원자 수소의 밀도는 2.45GHz 주파수에서의 반응기의 경우보다 30GHz 주파수에서의 반응기의 경우가 하나의 위수 크기 만큼 더 크다. 또한, 예전의 연구들(산업계의 다이아몬드와 다이아몬드 필름, 굿윈 디.지, 버틀러 제이. 이., 에드, 엠. 프레라스, 지. 포포비치, 엘.케이. 비겔로우, 뉴욕: 마르셀 데커사, 미국, 1998, 제527면 내지 제581면)은, 상기 원자 수소 밀도의 증가로 인해 다이아몬드 필름의 성장율도 또한 하나의 위수 크기만큼 증가한다는 것을 보여주고 있다.
미국 특허 공보 제5,311,103호에 국제특허분류코드 H01J7/24로 1994년에 특허가 허여된 플라즈마 반응기에서는, 양질의 다이아몬드 필름의 성장률이 1~2㎛/h이었으나, 본 발명에 따른 반응기의 양질의 다이아몬드 필름의 성장률은 10~20㎛/h이다.
본 발명에 따른 다이아몬드 필름을 증착하는 방법과 이를 구현하는 플라즈마 반응기는 커다란 면적으로 양질의 다이아몬드 필름들의 증착(생산)율을 증가시키는 것에 기초한 것이다. 이는 다양한 과학 기술에 사용될 수 있다. 특히, 융합 장치에서 추가적인 플라즈마 가열에 필요한 고출력 마이크로파원, 자이로트론의 출력창을 제조하는 데 사용된다. 본 발명에 따른 방법과 장치(플라즈마 반응기)는 러시아 산업계에 의하여 생산된 제품들을 채용한 것이다. 현재, 플라즈마 반응기의 2개의 수정안, 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 쌍으로 교차하는 4개의 파동 광선을 구비한 플라즈마 반응기와, 도 6에 도시된 바와 같은 준광학적 반응기를 구비한 플라즈마 반응기에 대하여, 시험중에 있다. 본 발명에 따른 플라즈마 반응기는 작은-시리즈 생산(small-series production)을 위한 준비가 되어있다.

Claims (15)

  1. 적어도 수소와 탄화 수소를 포함하고 반응 챔버 내에 놓여진 가스 혼합물에 마이크로파 방전이 형성되고, 상기 마이크로파 방전에 의하여 가스 혼합물이 활성화되어 수소 원자들과 탄소-함유 라디칼들을 형성하고, 상기 수소 원자들과 탄소-함유 라디칼들이 기판 위에 증착되어 표면 작용의 결과로서 다결정질의 다이아몬드 필름을 형성하는, 마이크로파 방전 플라즈마 내의 가스상(gaseous phase)으로부터 기판 위에 다이아몬드 필름을 증착하는 방법으로서,
    상기 플라즈마 내의 전자 밀도(Ne)를 증가시키기 위하여 1kW 이상의 출력과 2.45GHz를 초과하는 주파수를 갖는 마이크로파에 의하여 안정된 비평형 플라즈마를 형성함으로써 상기 반응 챔버 내에서 상기 가스 혼합물이 활성화되고,
    상기 플라즈마를 배치하기 위하여 상기 기판 위에 파복들을 가진 정상 마이크로파가 형성되고,
    상기 기판 위에 다이아몬드 필름을 증착하기 위하여 상기 기판 위의 플라즈마층이 상기 파복들에서 발생되어 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 혼합물은 30 GHz의 주파수를 갖는 전자기 방사선을 이용하여 전자 밀도(Ne)를 증가시키는 것에 의하여 활성화되며,
    상기 정상 마이크로파의 파복에서의 층의 치수는 상기 정상파를 형성하는 교차에 의해 수렴된 파동 광선의 횡단면의 형상과 크기를 변경함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    쌍으로 교차함에 의하여 수렴되는 4개 이상의 파동 광선이 상기 정상파를 형성하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    수렴하고 교차하는 2개의 파동 광선이 상기 정상파를 형성하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    반대 방향으로 수렴되는 2개의 파동 광선이 상기 정상파를 형성하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    기판으로 입사되는 파동 광선과 기판으로부터 반사되는 파동 광선이 정상파를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 마이크로파 발생기와, 끝단이 준광학적 전기역학 시스템에 이르는 전송 라인과, 내부에 위치된 기판 홀더 위에 기판을 구비한 반응 챔버와, 선택된 가스 혼합물을 유입 및 유출시키는 시스템을 구비한, 마이크로파 방전 플라즈마 내의 기체 상으로부터 다이아몬드 필름을 증착하는 반응기 시스템으로서,
    상기 기판 위의 영역에 정상 마이크로파를 형성하도록 적용된 준광학적 전기역학 시스템을 포함하고,
    상기 전송 라인은 주름진 내면을 갖는 특대형 원형 도파관이고, 적어도 하나의 가우스 마이크로파 광선을 상기 준광학적 전기역학 시스템과 상기 플라즈마 내로 전송하도록 거울 시스템이 상기 전송 라인에 보충된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 준광학적 전기역학 시스템은, 플라즈마 형성 영역에 대하여 다른 측부에 위치되고 상기 마이크로파 방사선을 4개의 교차 파동 광선으로 보내기 위한 4개의 거울을 구비하여,
    교차는 쌍으로 이루어지며,
    상기 준광학적 전기역학 시스템은 전송 라인의 일부와 함께 상기 반응 챔버 내에 설치되고,
    하나의 파동 광선을 4개의 파동 광선으로 분할하고 상기 특대형 원형 도파관의 출력에 설치된 분할기가 상기 전송 라인에 보충된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 준광학적 전기역학 시스템은, 플라즈마 형성 영역에 대하여 다른 측부에 놓이고 상기 마이크로파 방사선 중 2개의 광선을 상기 기판의 표면으로 작은 각도로 보내도록 위치가 정해진 2개의 거울로 구성되고,
    하나의 파동 광선을 2개의 파동 광선으로 분할하고 상기 특대형 원형 도파관의 출력에 설치된 분할기가 상기 전송 라인에 보충된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 준광학적 전기역학 시스템은, 플라즈마 형성 영역에 대하여 다른 측부에 놓이고 서로 반대 방향으로 파동 광선을 보내도록 위치가 정해진 2개의 거울로 구성되고,
    상기 2개의 거울들 중 하나의 거울은 그 자신과 평행하게 ±λ/4의 거리만큼 전후방향으로 이동할 수 있도록 설치되며, 상기 λ는 마이크로파 방사선의 파장이고,
    하나의 파동 광선을 2개의 파동 광선으로 분할하고 상기 특대형 원형 도파관의 출력에 설치된 분할기가 상기 전송 라인에 보충된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 바닥부분에는 마이크로파 방사선을 주입하기 위해 유전체 창이 형성되고, 상기 기판은 상기 창의 반대편인 챔버의 상부에 설치되며,
    상기 준광학적 전기역학 시스템은, 마이크로파 광선을 기판 표면에 수직인 상방으로 보내는 것이 가능하도록 상기 반응 챔버보다 낮은 바깥에 설치된 하나의 거울로 형성된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 준광학적 전기역학 시스템은, 상기 기판의 표면에 수직인 입사각이나 수직보다 낮은 각도로 마이크로파 방사선을 보낼 수 있도록 설치된 하나의 거울로 형성되고,
    냉각된 금속 튜브나 막대들의 격자로 형성되며 상기 기판으로부터 λ/2보다 긴 거리를 두고 상기 기판 표면에 평행하게 설치된 냉각된 전파투과성 벽이 상기 반응 챔버 내에 설치된 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 준광학적 전기역학 시스템은 거울과, λ/2의 배수만큼의 거리를 두고 평면-평행 거울들을 구비한 준광학적 공진기로 형성되고, 상기 공진기는 상기 준광학적 전기역학 시스템에 연결되며,
    상기 공진기 거울들은 기판 홀더 위의 기판의 표면이고, 다른 거울은 금속 튜브나 막대들의 주기적 격자를 포함하며, 상기 격자의 주기는 λ보다 작은 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  14. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내의 플라즈마 형성 영역으로 가스를 유입시키는 시스템은 그 중앙부에 주입 이송 튜브를 구비한 오목한 금속 스크린으로 형성되고,
    상기 스크린은 조절 가능한 거리를 두고 기판 홀더 위에 설치되며,
    가스를 유출시키는 시스템은 가스 혼합물의 유출 공간을 구비한 기판 홀더의 한 세트의 구멍으로 형성되고, 상기 공간에는 기판 홀더의 상부를 수냉시키는 시스템이 위치한 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    가스 혼합물을 유입시키는 시스템은 냉각된 금속 튜브들인 상기 격자와 결합되고,
    가스 혼합물을 유출시키는 시스템은 기판 홀더의 한 세트의 구멍으로 형성되며,
    상기 기판 홀더는 가스 혼합물을 유출시키기 위한 부분과, 상기 기판 홀더의 상부를 수냉시키는 부분을 구비한 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
KR1020057005553A 2002-09-30 2003-09-18 초고주파 방전 플라즈마 내의 기체 상으로부터 다이아몬드필름을 고속으로 증착하는 방법 및 상기 방법을 수행하기위한 플라즈마 반응기 KR100838384B1 (ko)

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