KR101322799B1 - 전자빔 증착 장치 및 이를 이용한 증착 방법 - Google Patents

전자빔 증착 장치 및 이를 이용한 증착 방법 Download PDF

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Abstract

하나의 챔버 내에서 기판의 가열과 박막 증착이 동시에 이루어짐으로써, 생산성을 향상시킨 전자빔 증착 장치 및 이를 이용한 증착 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 전자빔 증착 장치는 챔버; 상기 챔버의 상부에 장착되며, 전자빔을 방출하는 전자총; 상기 챔버의 하부에 장착되는 소스; 상기 전자총과 소스 사이에 배치되는 기판; 상기 기판의 후면에 장착되며, 기판을 가열하는 히터; 및 상기 기판과 히터의 사이에 장착되며, 상기 히터로부터 발생하는 전자기파를 차폐하는 차폐 쉴드 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자빔 증착 장치 및 이를 이용한 증착 방법{DEPOSITION APPARATUS AND DEPOSITION METHOD USING ELECTRON BEAM}
본 발명은 전자빔 증착 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자빔을 이용하여 세라믹 및 고융점 금속을 기판에 효과적으로 증착할 수 있는 전자빔 증착 장치 및 이를 이용한 증착 방법에 관한 것이다.
일반적으로 기상증착 장치는 반도체 기판과 같은 피증착물에 기체상태의 입자를 피막 형태로 형성시키는 장치로서, 그 증착 방식에 따라 물리기상증착(physical vapor deposition) 방식과 화학기상증착(chemical vapor deposition) 방식으로 구분된다.
물리기상증착 방식 중 하나인 전자빔 증착법은 고진공을 유지하는 진공 챔버 내부에 금속 또는 세라믹 소재의 박막을 증착시킬 기판을 장착하고, 이 기판에 증착하고자 하는 대상물로 형성된 소스로부터 대상물을 증발시켜서 기판에 증착 시키는 방법으로 수행된다.
이때, 효과적인 증착을 위해서는 기판을 가열하는 공정이 필요한데, 종래는 기판을 가열하는 공정과 증착하는 공정이 별개의 챔버 또는 동일 챔버에서 시차적으로 행해짐으로써 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한, 기판을 가열하는 히터의 종류에 따라 이로부터 발생되는 전자기파로 인해 전자빔의 회절 또는 산란이 발생됨으로써 소스의 증발이 불균일하게 됨에 따라 증착이 원활히 이루어지지 않았다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-0188979호(1999.01.14. 등록)가 있으며, 상기 문헌에는 전자빔 장치 및 그 구동 방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 기판을 가열하는 히터와 소스를 증발시키는 전자빔을 하나의 챔버 내에 동시에 구비하여 증착과 가열을 동시에 수행함으로써, 보다 효율적으로 소스를 기판에 증착할 수 있는 전자빔 증착 장치 및 이를 이용한 증착 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 증착 장치는 챔버; 상기 챔버의 상부에 장착되며, 전자빔을 방출하는 전자총; 상기 챔버의 하부에 장착되는 소스; 상기 전자총과 소스 사이에 배치되는 기판; 상기 기판의 후면에 장착되며, 기판을 가열하는 히터; 및 상기 기판과 히터의 사이에 장착되며, 상기 히터로부터 발생하는 전자파를 차폐하는 차폐 쉴드 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자빔 증착 장치는 챔버; 상기 챔버의 하부에 장착되며, 전자빔을 방출하는 전자총; 상기 챔버의 하부에 장착되며, 상기 전자총과 이격되도록 장착되는 소스; 상기 소스 상부에 배치되는 기판; 상기 기판의 후면에 장착되며, 기판을 가열하는 히터; 및 상기 기판과 히터의 사이에 장착되며, 상기 히터로부터 발생하는 전자파를 차폐하는 차폐 쉴드 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 증착 방법은 (a) 상기 챔버 내에 기판을 제공하는 단계; (b) 상기 기판을 상기 기판의 후면에 장착된 히터를 통해 가열하는 단계; 및 (c) 상기 기판의 외주면에 상기 기판의 하부에 장착된 소스가 증발되어 피막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 증착 장치는 하나의 챔버 내에서 기판의 가열과 박막 증착이 동시에 이루어짐으로써, 생산성을 향상시킨 전자빔 증착 장치 및 이를 이용한 증착 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자빔 증착 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판, 히터 및 차폐제의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판, 히터 및 차폐제의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자빔 증착 장치를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자빔 증착 장치를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 증착 장치의 히터를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 증착 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자빔 증착 장치 및 이를 이용한 증착 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자빔 증착 장치를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판, 히터 및 차폐제의 구성을 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판, 히터 및 차폐제의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전자빔 증착 장치(100)는 기판(10), 챔버(110), 전자총(120), 소스(130), 히터(150) 및 차폐 쉴드 부재(140)를 포함한다.
기판(10)은 도 2 및 도 3과 같이 원형 형상 또는 사각 형상으로 배치되는 것이 바람직하다. 기판(10)의 일단을 척(20)에 삽입 고정한 후, 척(20)이 회전함에 따라 기판(10) 표면 전체에 박막이 고르게 증착된다.
챔버(110)는 본 발명에 따른 전자빔을 이용한 증착 공정이 이루어질 수 있는 내부 공간을 제공한다. 또한, 챔버(110)의 내부를 진공상태로 유지하거나, 아르곤, 산소 등의 가스가 공급될 수 있다.
챔버(110)는 개폐가 가능한 구조로 기폐구(미도시)를 포함할 수 있다. 도 1에서는, 단면상으로 볼 때, 챔버(110)가 사각형인 것을 도시하였으나, 이는 일 예에 불과하며, 다양한 형태로 설계 변경될 수 있다. 또한, 챔버(110)의 내부에는 증착 공정이 완료된 후, 기판을 냉각시킬 수 있는 냉각부(미도시)가 더 장착될 수 있다.
전자총(120)은 챔버(110)의 상부에 장착되어 전자빔을 조사하며, 챔버(110)의 상부면에 전자빔이 조사되는 부분에 홀이 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 전자총(120)은 상부에 다수개 장착될 수 있으며, 전자총(120)으로부터 방출된 전자빔은 60 ~ 90°의 각도로 챔버(110) 하부에 장착되어 있는 소스(130)에 조사될 수 있다.
전자총(120)으로부터 조사된 전자빔이 챔버(110)의 하부에 장착된 소스(130)의 표면에 충돌하면서 에너지를 전달한다. 따라서, 이러한 에너지로 인해 열이 발생하면서 소스(130)를 구성하는 금속, 세라믹 등의 소재가 증발되어 기판(10)의 표면에 증착된다.
소스(130)는 세라믹 또는 고융점 금속으로 형성될 수 있다. 고융점 금속으로는 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 등 전이금속류 및 희토류금속(La계) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 소스(130)는 챔버(110)의 하부에 위치하며, 전자총(120)과 대응하는 위치에 장착되는 것이 바람직하다. 따라서, 전자총(120)으로부터 60 ~ 90° 각도로 조사되는 전자빔에 의해 소스(130)가 효과적으로 증착된다. 즉, 전자총(120)에서 방출되는 전자빔에 의해 소스(130)가 증발하여 기판(10)에 증착된다.
히터(150)는 기판(10)의 후면과 이격되도록 장착될 수 있다. 히터(150)를 이용하여 증착 공정이 실시되기 전, 기판(10)을 800℃ 이상으로 가열시키는 것이 바람직하다. 따라서, 전자빔에 의해 증발되는 소스 물질이 기판(10)에 효과적으로 증착된다. 이때, 기판(10)의 온도가 800℃ 미만으로 가열될 경우, 기판(10)이 충분히 가열되지 않아 박막 증착이 제대로 이루어지지 않을 우려가 있다. 따라서, 기판(10)을 고온으로 유지하기 위해서는 히터(150)에 인가되는 전력은 매우 높아야 하며, 이때 사용되는 히터를 AC기반으로 사용하는 경우 전력인가수준에 따라 일정량의 전자기파가 발생될 수 있다.
이때, 히터(150)는 전자기파의 자체적 상쇄를 위해 꼬임 구조로 형성될 수도 있다.
차폐 쉴드 부재(140)는 히터(150)와 기판(10)의 사이에 장착되며, 전자기파를 원천적으로 차단할 수 있도록 벌크형 또는 밀폐형 구조로 설계하는 것이 바람직하다. 또한, 차폐 쉴드 부재(140)는 히터(150)에서 발생되는 전자기파를 차단함으로써, 전자빔이 챔버(110)의 상부에서 소스(130)로 조사될 때, 전자기파에 의한 회절 또는 산란 현상을 방지하여 증착 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 차폐 쉴드 부재(140)는 전자기파를 차단할 수 있는 순철 계열 혹은 자기특성이 제어된 니켈 및 철등의 합금소재인 퍼말로이(Permalloy) 계열의 금속 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
차폐 쉴드 부재(140)와 히터(150)는 도 2와 같이 원형으로 형성된 기판(10)에 대응할 수 있도록 각진 형태로 장착되어 기판(10)을 보다 효율적으로 가열할 수 있다. 반면에, 도 3과 같이 기판(10)이 사각형태일 경우는 차폐 쉴드 부재(140)와 히터(150)도 사각형태로 기판(10)과 대응되게 설계될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자빔 증착 장치를 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자빔 증착 장치(200)는 기판(10), 챔버(110), 전자총(120), 소스(130), 가열부(30), 히터(150) 및 차폐 쉴드 부재(140)를 포함한다.
도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자빔 증착 장치(200)는 가열부(30)를 제외하고는 제1 실시예에 따른 증착 장치(100)와 실질적으로 동일한 바, 중복된 설명은 제외하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
가열부(30)는 챔버(110)의 상부에 형성되며, 전자총(120)과 일정간격 이격되어 형성된다. 가열부(30)는 히터(150)와 함께 기판(10)을 가열함으로써, 기판(10) 가열 시간을 단축할 수 있다. 따라서, 박막 증착 공정이 이루어지는 시간을 단축시킴으로써, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자빔 증착 장치를 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자빔 증착 장치(300)는 기판(10), 챔버(310), 전자총(120), 소스(130) 및 히터(150)를 포함한다.
도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자빔 증착 장치(300)는 챔버(310), 히터(150) 및 전자총(120)의 위치 및 구조를 제외하고는 제1 실시예에 따른 증착 장치(100)와 실질적으로 동일한 바, 중복된 설명은 제외하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
챔버(310) 바닥면의 양단에 전자총(120)이 각각 장착될 수 있다. 두 개의 전자총(120) 사이에는 소스(130)가 전자총(120)과 일정간격 이격되도록 장착된다. 챔버(310)의 형태는 전자총(120)과 소스(130)가 형성된 챔버(310)의 하부 구조가 기판(10)이 위치하는 상부 구조보다 더 크게 설계되는 것이 바람직하다.
또한, 전자총(120)으로부터 방출되는 전자빔은 270° 각도로 소스(130)에 조사되며, 이에 따라 전자빔에 의해 소스(130)가 증발되면서 상부에 형성된 기판의 표면에 증착된다.
따라서, 챔버(310)의 하부에서 전자빔이 바로 소스(130)에 조사되도록 설계할 경우, 히터(150)와 전자총(120) 간의 이격 거리가 증가하도록 설치하는 것이 가능해진다. 이때, 본 발명의 제3 실시예에서는 히터(150)와 전자빔이 조사되는 전자총(120) 간의 이격 거리가 커지는데 기인하여 전자기파의 영향이 적어지므로 차폐쉴드(도 1의 140)를 설치하지 않아도 무방하다. 이때, 히터(150)는 챔버(310)의 상부에 장착되어 기판(10)을 가열할 수 있으나, 히터(150)의 장착 위치는 반드시 이에 제한될 필요는 없다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 전자빔 증착 장치는 하나의 챔버 내에서 기판의 가열 및 증착이 모두 이루어짐으로써, 생산성을 증대시킬 수 있다. 또한, 챔버의 하부에서 전자빔이 바로 소스에 조사되도록 설계할 경우, 히터와 전자총 간의 이격 거리가 증가하도록 설치하는 것이 가능해지므로, 차폐부재를 설치하는 것 없이도 히터로부터 발생하는 전자파에 의해 전자빔이 휘어지는 현상을 방지하여, 박막 증착의 효율성을 높일 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 증착 장치의 히터를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 증착 장치의 히터(150)는 꼬임 구조로 형성되어 발생되는 전자기파를 자체적으로 상쇄하는 효과가 있다.
히터(150)는 꼬임부(1)와 비꼬임부(2)를 포함한다. 일 예로, 꼬임부(1)는 히터(150)의 중앙 부분에 배치될 수 있다. 그리고, 비꼬임부(2)는 꼬임부(1)와 연결되어, 히터(150)의 양측 가장자리에 각각 배치될 수 있다.
특히, 꼬임부(1)는 히터(150) 전체 길이의 50 ~ 80%를 갖는 것이 바람직하다. 꼬임부(1)의 길이가 히터(150)의 전체 길이의 50% 미만일 경우에는 전자파의 자체적 상쇄효과를 보기 힘들다. 반대로, 꼬임부(1)가 히터(150) 전체 길이의 80%를 초과할 경우에는 꼬임부(1)로부터 방출되는 열이 비꼬임부에 장착되는 전력 인가부로 전이되어 히터의 내구성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 히터(150) 전체 길이에 대한 꼬임부(1)의 길이 비율을 한정함으로써, 히터(150)를 구성하는 꼬임부(1)와 비꼬임부(2)의 비율이 8:2 내지 5:5로 형성되는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 증착 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자빔 증착 방법은 기판 제공 단계(S110), 기판 가열 단계(S120) 및 피막 형성 단계(S130)를 포함한다.
기판 제공 단계(S110)에서는 챔버 내에 장착된 회전 가능한 척에 기판을 원형 또는 사각형상으로 고정시키고 챔버의 개폐구를 닫은 후, 챔버 내부를 진공 상태 또는 아르곤 가스 분위기를 제공한다.
이때, 챔버 내에 전자총과 대응하는 위치에 세라믹 또는 고융점 금속으로 형성된 소스를 상부에 장착된 전자총과 대응하는 위치에 장착시키는 것이 바람직하다.
기판 가열 단계(S120)에서는 기판의 후면에 장착된 히터를 통해 기판을 800℃ 이상으로 가열한다. 이때, 기판과 히터 사이에 차폐 쉴드 부재를 장착하여 히터로부터 발생하는 전자기파를 차단하는 것이 바람직하다. 여기서, 챔버의 상부에 가열부를 더 장착할 경우, 기판을 보다 빠르게 가열할 수 있게 된다.
피막 형성 단계(S130)에서는 가열된 기판의 표면에 피막을 형성한다. 이때, 기판은 일단에 고정된 척에 의해 회전하여 표면에 피막이 균일하게 증착될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
전자총에서 방출된 전자빔이 소스의 표면에 충돌하면서 에너지를 전달한다. 이러한 에너지로 인해 열이 발생하면서 소스를 구성하는 세라믹 등의 무기물 또는 고융점 금속이 증발되어 기판의 표면에 피막이 증착된다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
1 : 꼬임부 2 : 비꼬임부
10 : 기판 20 : 척
30 : 가열부
100, 200, 300 : 전자빔 증착 장치 110, 310 : 챔버
120 : 전자총 130 : 소스
140 : 차폐 쉴드 부재 150 : 히터
S110 : 기판 제공 단계
S120 : 기판 가열 단계
S130 : 피막 형성 단계

Claims (18)

  1. 챔버;
    상기 챔버의 상부에 장착되며, 전자빔을 방출하는 전자총;
    상기 챔버의 하부에 장착되는 소스;
    상기 전자총과 소스 사이에 배치되는 기판;
    상기 기판의 후면에 장착되며, 기판을 가열하는 히터; 및
    상기 기판과 히터의 사이에 장착되며, 상기 히터로부터 발생하는 전자기파를 차폐하는 차폐 쉴드 부재;를 포함하며,
    상기 히터는 꼬임 구조로 형성되는 꼬임부와, 상기 꼬임부와 연결되는 비꼬임부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는
    내부가 진공 상태 또는 아르곤, 산소 및 질소 가스 중 선택된 하나의 가스 또는 혼합가스의 분위기로 유지되는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자총은
    소스에 대응하여 60 ~ 90° 각도로 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소스는
    세라믹 또는 고융점 금속인 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은
    챔버의 일측에 장착되는 척에 일단이 고정되어 회전 및 전진과 후진하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기판은
    상기 척에 원형으로 감긴 형태 또는 사각 형태로 고정되는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소스는
    상기 전자총과 대응하는 위치에 장착되는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 히터는
    상기 기판을 800℃ 이상으로 가열하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 히터는
    꼬임부와 비꼬임부가 8 : 2 ~ 5 : 5로 설계되는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 차폐 쉴드 부재는
    순철계 금속 및 퍼말로이(Permalloy) 계열 금속 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 증착 장치는
    상기 챔버의 상부에 전자총과 이격되도록 장착되는 가열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  13. 챔버;
    상기 챔버의 하부에 장착되며, 전자빔을 방출하는 전자총;
    상기 챔버의 하부에 장착되며, 상기 전자총과 이격되도록 장착되는 소스;
    상기 소스 상부에 배치되는 기판; 및
    상기 챔버의 상부에 장착되며, 기판을 가열하는 히터;를 포함하며,
    상기 히터는 꼬임 구조로 형성되는 꼬임부와, 상기 꼬임부와 연결되는 비꼬임부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 챔버는
    상기 전자총 및 소스가 장착된 하부구조가 기판이 장착된 상부 구조보다 큰 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 전자총은
    270° 각도로 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 장치.
  16. 제1항 또는 제13항에 기재된 전자빔 증착 장치를 이용한 증착 방법에 있어서,
    (a) 상기 챔버 내에 기판을 제공하는 단계;
    (b) 상기 기판을 상기 기판의 후면에 장착된 히터를 통해 가열하는 단계; 및
    (c) 상기 기판의 외주면에 상기 기판의 하부에 장착된 소스가 증발되어 피막을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 히터는 꼬임 구조로 형성되는 꼬임부와, 상기 꼬임부와 연결되는 비꼬임부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 기판의 하부에 세라믹 또는 고융점 금속으로 이루어진 소스를 장착하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 기판을 800℃ 이상으로 가열하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착 방법.
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