KR102085337B1 - 플라즈마 화학 기상 증착 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마의 밀도를 높이고 플라즈마 생성 존을 효과적으로 위치시키기 위하여 전극과 자기장 발생 장치의 구조를 변경시킨 플라즈마 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로, 한 쌍의 전극이 서로 마주보며 이격되게 배치되며 타원형으로 이루어지고 내부에는 냉각 수로를 포함하는 전극부와, 상기 전극을 감싸되 상기 챔버의 중앙부 쪽으로는 개방되도록 하며 자기 션트로 이루어지고 상기 자기 션트 내부에는 복수개의 자석이 배치되는 한 쌍의 자기장 발생부와, 상기 한 쌍의 전극 사이에 반응가스를 공급하는 가스 공급부 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 전구체를 공급하는 전구체 공급부를 포함하되, 상기 복수개의 자석은 인접한 자석끼리 서로 다른 극성으로 이어지도록 배치되고, 상기 자기 션트는 종단부의 평면 중 일부분이 돌출된 돌출부가 형성되고 서로 마주보는 상기 종단부의 일측 모서리는 맞은편 방향으로 각각 연장되고, 상기 한 쌍의 자기장 발생부 사이에 자기장이 형성됨과 동시에 상기 자기장 발생부로 감싸인 내부 공간에도 자기장이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 제공한다.

Description

플라즈마 화학 기상 증착 장치 {PLASMA CVD APPARATUS}

본 발명은 플라즈마 화학 기상 증착 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마의 밀도를 높이고 플라즈마 생성 존을 효과적으로 위치시키기 위하여 전극과 자기장 발생 장치의 구조를 변경시킨 플라즈마 화학 기상 증착 장치에 관한 것이다.

일반적으로 화학 기상 증착법은 원하는 물질을 포함하고 있는 기체 상태의 원료가스가 반응기 안으로 주입되면 열이나 플라즈마 등으로부터 에너지를 받게 되어 분해되는데, 이때 원하는 물질이 기판 위에 도달하여 막을 형성하는 기술을 말한다.

즉, 반응기에 주입된 기체들이 가열된 기판 위에서 화학반응을 통해 박막을 형성하는 공정을 말하는 것으로서, 주로 반도체 등의 집적회로 제조공정에서 사용된다.

이 중, 플라즈마 화학 기상 증착 방법은 진공을 이루는 챔버 내부에 주입된 기체 상태의 원료가스에 전원장치를 이용해 강한 전압으로 초고주파를 인가함으로써 플라즈마 상태로 만들고, 다시 자기장 발생 장치를 이용해 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 핵으로 분리해 이온 상태를 유지한 후에 그 일부가 물리적 또는 화학적 반응을 하여 기판 위에 박막을 형성하는 방법을 말한다.

이러한 플라즈마 화학 기상 증착 방법은 고온의 열에너지가 필요한 일반적인 화학 기상 증착 방법과는 달리 플라즈마를 이용하여 화학 반응을 촉진하기 때문에 상대적으로 낮은 온도에서 박막 제조 공정을 수행할 수 있어 열에 의한 기판의 손상 및 기타 문제 등을 해결할 수 있다. 때문에 현재는 반도체 소자를 비롯하여 유기발광소자, 액정표시소자 등의 절연막, 금속막, 유기막 등의 박막 형성 공정에 널리 이용되고 있다.

한편, 플라즈마 화학 기상 증착 방법을 통해 박막의 증착 효율을 높이기 위해서는 장치의 진공 챔버 내에서 전구체의 이온화율을 높여 생성되는 플라즈마의 밀도를 높여야 하고, 다음으로 플라즈마 상태의 반응가스들과의 결합율, 즉, 물질의 반응성을 높여야 하며, 전구체로 인한 전극의 오염을 막아 플라즈마 발생이 원활히 일어날 수 있도록 해 주어야 한다.

그런데, 기존의 플라즈마 화학 기상 증착 장치에서는 전극의 후면에 자기장 발생장치가 위치하여 플라즈마 존이 전극의 표면에 생성되게 되고 이로써 플라즈마 발생 위치와 전구체 실제 반응 위치가 다르게 된다. 때문에 정작 증착이 일어나는 부위에서는 플라즈마 밀도가 떨어지게 되므로 이온 일부만이 반응에 참여하게 되어 증착 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

관련 선행기술로는 한국공개특허 10-2011-0118622호(공개일: 2011. 10. 31)가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 전극에 의해 발생하는 플라즈마 상태의 이온을 자기장 발생장치를 이용해 집중시킴과 동시에 플라즈마 존의 형태 및 위치를 제어하여 실제 증착이 일어나는 위치에 플라즈마의 밀도를 높일 수 있게 하고 전구체의 유입으로 인한 전극의 오염을 막아 증착 효율을 높일 수 있는 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 진공 챔버 내에서 피코팅물의 표면에 막을 증착하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치는, 한 쌍의 전극이 서로 마주보며 이격되게 배치되며 타원형으로 이루어지고 내부에는 냉각 수로를 포함하는 전극부와, 상기 전극을 감싸되 상기 챔버의 중앙부 쪽으로는 개방되도록 하며 자기 션트로 이루어지고 상기 자기 션트 내부에는 복수개의 자석이 배치되는 한 쌍의 자기 장 발생부와, 상기 한 쌍의 전극 사이에 반응가스를 공급하는 가스 공급부 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 전구체를 공급하는 전구체 공급부를 포함하되, 상기 복수개의 자석은 인접한 자석끼리 서로 다른 극성으로 이어지도록 배치되고, 상기 자기 션트는 종단부의 평면 중 일부분이 돌출된 돌출부가 형성되고 서로 마주보는 상기 종단부의 일측 모서리는 맞은편 방향으로 각각 연장되고, 상기 한 쌍의 자기장 발생부 사이에 자기장이 형성됨과 동시에 상기 자기장 발생부로 감싸인 내부 공간에도 자기장이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

구체적으로, 상기 자기장 발생부는, 서로 마주 보는 자기 션트 종단부가 서로 다른 극성으로 대향하도록 상기 자기 션트 내부에 자석이 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

구체적으로, 상기 자기 션트는, 서로 마주 보는 자기 션트 종단부 사이에 전자의 회전운동을 높이는 자기장이 형성되도록 서로 마주 보는 자기 션트 종단부 사이가 일정간격 서로 이격되는 것을 특징으로 할 수 있다.

구체적으로, 상기 자기 션트는, 중심부에서 연장되고 일정 높이의 판자 형태로 형성된 오염물 방지부를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 자기장 발생부는, 상기 자기 션트의 종단부와 상기 오염물 방지부는 서로 다른 극성으로 대향하도록 상기 자기 션트 내부에 자석이 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

구체적으로, 상기 자기 션트의 종단부와 상기 오염물 방지부의 종단부 사이에는 자기장이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

구체적으로, 상기 오염물 유입 방지부는, 양이온에 의해 상기 전극이 스퍼터링 되는 것을 방지할 수 있도록 상기 전극으로부터 일정간격 이격되되 그 간격은 15mm 내지 40mm인 것을 특징으로 할 수 있다.

구체적으로, 상기 한 쌍의 전극은, 방사형 형태로 증착 작업을 수행하기 위해서 상부가 양쪽으로 벌어진 것을 특징으로 할 수 있다.

구체적으로, 상기 전구체 공급부는, 한 쌍의 자기장 발생부 사이에 위치하되 상기 챔버의 하측에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

구체적으로, 상기 가스 공급부는, 상기 챔버의 양측면에 다수개가 위치하되 상기 챔버의 중간 높이에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 자기장 발생장치를 이용하여 플라즈마 존을 전극의 면과 일정각도를 유지하게 하고 실제 증착 반응이 일어나는 위치에 플라즈마 이온들을 집중시킴으로써 플라즈마 밀도가 상승하여 증착 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 전극과 일정거리 이격된 위치에 오염물 유입장지 장치를 설치하여 전구체가 전극 쪽으로 끌려가지 않도록 함으로써 전극의 오염을 막아 증착 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명은 종래의 장치보다 증착 효율이 더 높기 때문에 사용되는 전구체 및 반응가스의 양을 절약할 수 있어 보다 효율적인 장치의 운용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 화학 기상 증착 장치의 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 화학 기상 증착 장치에서 발생되는 자기장을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 플라즈마 화학 기장 증착 장치에서 형성되는 플라즈마 존을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 플라즈마 화학 기상 증착 장치에서 반응가스와 전구체의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 플라즈마 화학 기상 증착 장치에서 양이온과 전자의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 플라즈마 화학 기상 증착 장치의 또 다른 일실시예에서 반응가스와 전구체의 흐름를 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 나타낸 개념도이다.
도 8은 도 7에 도시된 플라즈마 화학 기장 증착 장치에서 발생되는 자기장을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7에 도시된 플라즈마 화학 기장 증착 장치에서 형성되는 플라즈마 존을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 7에 도시된 플라즈마 화학 기상 증착 장치에서 반응가스와 전구체의 흐름을 나타낸 개념도이다.
도 11은 도 7에 도시된 플라즈마 화학 기상 증착 장치의 또 다른 일실시예에서 반응가스와 전구체의 흐름를 나타낸 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 화학 기상 장치의 개념도로서, 플라즈마 화학 기상 장치(100)는, 한 쌍의 전극(111, 113)이 서로 마주보며 이격되게 배치되는 전극부(110)와, 전극(111, 113)을 감싸되 챔버(10)의 중심 방향은 개방되어 배치되는 한 쌍의 자기장 발생부(120)와, 한 쌍의 전극(111, 113) 사이에 반응가스를 공급하는 가스 공급부(130) 및 한 쌍의 전극(111, 113) 사이에 전구체를 공급하는 전구체 공급부(140)를 포함한다.

전극부(110)는, 타원형을 이루고 있어 폐루프를 형성하는 제1 전극(111)과 제2 전극(113)을 포함하며, 챔버(10) 내부의 양쪽 측면에 설치되어 서로 마주 보며 배치되고, 내부에는 발열을 막기 위한 냉각수로(117)를 포함한다.

또한, 아래에서 설명할 자기장 발생유닛(120)과 전극부(110) 사이에는 전극부(110)의 전극을 보호하기 위한 절연체(115)가 장착된다.

전극부(110)의 단면이 도 1에 도시되어 있는데, 제1 전극(111)은 챔버(10) 내부에서 좌측 상하에 도시되어 있고, 제2 전극(113)은 챔버(10) 내부에서 우측 상하에 도시되어 있다.

전극부(110)는 전원부(160)로부터 교류, 직류, 초고주파, 전자빔 등과 같은 다양한 전원을 인가 받아 챔버(10) 내부의 기체를 플라즈마 상태로 만드는 역할을 한다.

그 일례로 챔버(10) 내부를 약 10^-3 토르(torr) 정도로 고진공 배기를 하고 공정가스를 인입한다. 그리고 전극부(110)의 전극에 교류 전원을 인가하면 제1 전극(111)과 제2 전극(113) 사이에는 양극과 음극이 교번하여 반응가스는 양이온과 1차 전자로 분리되어 플라즈마 상태가 된다. 여기서 플라즈마 상태로 된 반응가스는, 제1, 2 전극(111, 113)에 인가된 교류 전원에 의하여 양극과 음극이 제1, 2 전극(111, 113)에서 교번함에 따라 양이온과 전자는 두 전극 사이를 왕복 이동하게 된다(도 5 참조).

자기장 발생부(120)는, 전극부(110)를 감싸되 챔버(10)의 중심 방향은 개방되어 배치되며, 자석(121)과 자기 션트(123)를 포함한다.

도 1을 참조하면, 자기장 발생부(120)는 타원형을 이루는 제1 전극(111)의 좌측면 전체와 제1 전극(111)의 상부와 하부를 완전히 감싸고, 제1 전극(111)의 우측면은 제1 전극(111)과 맞닿는 부위만을 감싸도록 하여 우측면의 중심 부분은 개방되도록 한다. 제2 전극(113)에서도 마친가지로 방향만을 달리하여 동일한 방식으로 자기장 발생부(120)는 제2 전극(113)을 감싸게 된다.

자기장 발생부(120)의 외형은 자기 션트(123)로 이루어지고 자기 션트(123)의 내부에는 다수개의 자석(121)이 함몰되어 배치된다.

자기 션트(123)는 자기 분로자를 말하는 것으로 주요 자로의 분기로 또는 분기를 위해 만든 자성체를 이른다. 이러한 자기 션트(123)의 자성체는 적당한 양의 자속을 측로 시키는 역할을 한다.

즉, 자기 션트(123)의 어느 일부분에 형성되는 자극은 각각 가장 인접한 자석(121)에서 자속이 전달되어 그 자석(121)과 동일한 극성을 가지게 된다.

일례로서, 도 1에 도시되어 있는 것처럼, 제1 전극(111)을 감싸는 자기 션트(123)의 상부와 하부, 그리고 제1 전극(111)의 우측면 상하에 각각에는 자석(121)이 다수개가 배치되어 있는데, 자기 션트(123)의 우측으로부터 자기 션트(123) 상부로 이어지는 부위에는 인접한 자극끼리 서로 다른 극성으로 이어진, 즉 S-N, S-N 과 같이 배치된 자석(121)이 내부에 배치되어 있다. 자기 션트(123)의 하부 또한 마찬가지 형태로 내부에 자석(121)배치되어 있다. 이와 같이 자석(121)이 배치됨으로써 자기 션트(123)의 좌측면의 중심부(124)에는 오염물 유입 방지부(150)의 양쪽으로 N극이 형성되게 된다.

또한, 제2 전극(113)을 감싸는 자기 션트(123)의 상부와 하부 및 제2 전극(113)의 좌측면 상하에 각각에 자석(121)이 다수개가 배치되어 있는데, 자기 션트(123)의 좌측면으로부터 자기 션트(123)의 상부로 이어지는 부위에는 인접한 자극끼리 서로 다른 극성으로 이어진, 즉 N-S, N-S 와 같이 자석(121)이 배치되어 있다. 자기 션트(123)의 하부 또한 마찬가지로 형태로 내부에 자석(121)이 배치되어 있다. 이와 같이 자석(121)이 배치됨으로써 자기 션트(123)의 우측면의 중심부(124)에는 S극이 형성된다.

또한, 자기 션트(123)의 종단부(125), 즉, 제1 전극(111)의 우측면 상하와 제2 전극(113)의 좌측면 상하에 위치한 자기 션트(123)의 끝부분은 평평하게 형성되고 끝부분의 모서리는 양측으로 뾰족하게 연장된다.

위와 같이 제1 전극(111)과 제2 전극(112)을 감싸는 자기 션트(123)에 자석(121)을 배치함으로써 한 쌍의 자기장 발생부(120)의 종단부(125)의 모서리끼리는 서로 다른 극성으로 대향되게 되고 그 사이에는 자기장이 형성 되는 것을 알 수 있다(도 2 참조).

이때 한 쌍의 자기장 발생부(120) 사이에 형성되는 자기장은 전체적으로 보아 도넛 형태가 되며 그 단면을 보면 자기장은 상하로 나누어져 보이게 된다.

또한, 각각의 자기장 발생부(120)의 중심부(124)와 종단부(125)의 또 다른 모서리 사이에도 서로 다른 극성끼리 대향되는데, 그 일례로서 내부에 배치된 자석(121)과 그 자석(121)으로부터 자속을 분기시키는 자기 션트(123)에 의해 제1 전극(111)을 감싸는 자기 션트(123)의 종단부(125) 상하는 S극이 되고 자기 션트(123)의 좌측의 중심부(124)는 N극이 되어 그 사이에는 상하로 자기장이 형성되게 된다(도 2 참조).

그리고 마찬가지로 내부에 배치된 자석(121)과 그 자석(121)으로부터 자속을 분기시키는 자기 션트(123)에 의해 제2 전극(113)을 감싸는 자기 션트(123)의 종단부(125) 상하는 N극이 되고 자기 션트(123)의 우측 중심부(124)는 S극이 되어 그 사이에는 상하로 자기장이 형성되게 된다(도 2 참조).

이 때 하나의 자기장 발생부(120)의 종단부(125)와 중심부(124) 사이에 형성되는 자기장은 전체적으로 보아 도넛 형태이고 그 단면은 비스듬하게 보이게 되는데, 도 2에'A도'로 표시하였다.

가스 공급부(130)는, 타원형의 제1,2 전극부(111, 113)의 사이에 위치하여 챔버(10)에 반응가스를 공급하게 되는데, 챔버(10)의 양측면에 다수개가 설치된다(도면 미도시).

플라즈마 화학 기상 증착 방법에 있어서 반응 가스는 가스 공급부(130)에서 분출되어 한 쌍으로 배치된 제1,2 전극부(111,113) 사이를 지나치게 되고 이윽고 강한 전압으로 야기된 고주파에 의해 플라즈마 상태가 된다.

이러한 가스 공급부(130)는 챔버(10)의 하부에 배치된 전구체 공급부(140)로부터 소정 거리 이격된 위치에 형성된다.

챔버(10) 내부에 전구체를 공급하는 전구체 공급부(140)는, 챔버(10) 내부의 공간 중 하부에 배치되되 분출구가 챔버(10)의 중심부 까지 연장되어 제1,2 전극부(111, 113) 사이에 위치한다.

전구체는 어떤 물질대사나 반응에서 특정 물질이 되기 전 단계의 물질, 또는 최종적으로 얻을 수 있는 물질이 되기 전의 물질을 말하는데, 화학 기상 증착에 있어서는 기판과 같은 피코팅물에 박막 형성을 하기 전의 물질을 지칭한다.

전구체도 전극부(110)의 고주파에 의해 이온화되어 플라즈마 상태가 된다. 그런 후에 플라즈마 상태의 반응가스 일부와 물리적 또는 화학적 반응을 통해 결합되어 기판과 같은 피코팅물에 증착된다.

즉, 전구체는, 챔버(10)의 하부에 위치한 전구체 공급부(140)에서부터 분출되어 제1,2 전극(111, 113) 사이를 거치면서 이온화되어 플라즈마 상태가 되고, 그 때 주위에 있던 플라즈마 상태의 반응가스 중 일부와 반응하여 챔버(10)의 중앙에 위치한 반응존(180)에서 기판과 같은 피코팅물을 증착하게 된다.

또한, 전구체 공급부(140)는 챔버(10)의 하측에 위치하여 전구체를 반응가스와 함께 챔버(10)의 상부로 상승시키게 되어 전구체나 반응가스가 챔버(10)의 양측에 위치한 전극부(110)로 유입되는 것을 방지할 수 있다(도 4 참조).

본 발명의 플라즈마 화학 기상 장치(100)는 한 쌍의 자기장 발생부(120)의 각 중심부에는 일정 높이의 판자 형태로 배치된 오염물 유입 방지부(150)를 더 포함할 수 있다.

오염물 유입 방지부(150)는 챔버(10)를 기준으로 좌우측에 위치한 자기 션트(123)의 중심부(124)에 위치하여 제1, 2 전극(111, 113)의 길이와 비슷하거나 더 길게 연장된다. 즉, 도1를 참조하면 오염물 유입 방지부(150)의 전체 형상은 제1, 2 전극(111, 113)의 위치보다 각각 약간 더 연장되게 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.

본 발명에서는 플라즈마 밀도가 높은 각 플라즈마 존(170)을 화학 기상 증착이 일어나는 반응존(180)과 일치시켜 증착 효율을 높이는데 특징이 있는 바, 이와 같이 플라즈마 존(170)과 반응존(180)을 일치시키게 되면 증착 효율은 높아지나 반응존(180) 주변의 전극부(110)를 오염시키게 되는 문제점이 있다(도 3, 도 4 참조).

때문에 전극부(110)의 각각의 전극에 원치 않은 코팅이 일어나면 전구체 및 반응가스의 플라즈마 발생을 저하시키게 되므로 이를 방지하여야 한다.

이를 방지하기 위해서는 전구체가 전극부(110)가 위치한 방향으로 접근하지 못하게 하는 구조가 필요하다. 동시에 전구체와 반응을 필요로 하는 반응 가스의 흐름을 최대한 이용하여 전구체의 역류 현상을 방지할 수 있도록 할 필요가 있다.

때문에 오염물 유입 방지부(150)가 전극부(1110)로부터 약 15mm 내지 40mm 이격되도록 하고 그 형태에 있어서는 자기 션트(123)의 중심부(124)로부터 챔버(10)의 중심 방향으로 연장되도록 형성된 것이다.

구체적으로 오염물 유입 방지부(150)가 전극부(110)로부터 이격된 거리는 플라즈마 상태의 양이온이 음극인 전극을 가격하는 현상, 즉, 양이온인 충분한 가속에너지를 가질 수 없도록 하여 전극에 스퍼터링 되는 현상을 없앨 수 있는 거리가 된다.

다시 말하면, 챔버(10)의 하부에 위치한 전구체 공급부(140)로부터 분출되는 전구체는 오염물 유입 방지부(150)에 의하여 이동에 방해를 받게 되고, 일단 방해를 받아 이동 속도가 늦춰진 전구체는 전극부(110)에 의해 양이온과 전자로 용이하게 해리될 수 있음과 동시에 오염물 유입 방지부(150)로부터 전극부(110)까지 다시 이동을 시작하더라도 전극부(110)에 도달할 때에는 스퍼터링에 필요한 충분한 가속 에너지를 가질 수 없게 된다.

본 발명의 플라즈마 화학 기상 장치(100)는 챔버(10)의 외부로부터 전극부(110)로 연결되는 전원부(160)를 포함할 수 있다.

전원부(160)는, 챔버(10)의 외부에 위치하고 전극부(110)에 전원을 인가하여 챔버(10) 내부의 기체를 플라즈마 상태로 만들기 위한 에너지원을 공급한다. 기체를 플라즈마 상태로 만들기 위해서는 직류, 교류, 초고주파, 전자빔 등을 가하는데, 전원부(160)는 직류, 교류, 초고주파, 또는 전자빔 등을 전극부(110)에 인가하게 된다.

본 발명의 일실시예에서는 상대적으로 운영이 쉽고 운용비용이 저렴한 교류전원을 사용하는데 커패시턴스의 크기에 따라 20~100kHz의 주파수를 사용하는데, 전원부(160)와 연결되고 챔버(10)의 양 쪽에 위치한 한 쌍의 전극부(110), 즉 제1,2 전극(111, 113)에 교류 전원을 인가하여 한 쌍의 전극부(110) 사이에 전기장을 형성시키고 초고주파를 발생시킨다.

이 때, 반응가스 및 전구체는 이러한 에너지를 받아 플라즈마 상태로 분리되게 되고, 분리된 기체의 양이온과 전자는 제1,2 전극(111, 113) 사이를 교대로 왕복하게 되어 다시 원래의 기체분자로 환원되는 것을 방지하여 플라즈마의 밀도를 높이는 역할도 하게 된다. 즉, 전원부(160)가 전극부(110)에 교류 전원을 인가함으로써 챔버(10) 내부의 플라즈마의 밀도를 더 높일 수 있게 되고 그에 따라 박막의 증착효율도 높일 수 있게 된다(도 5 참조).

본 발명의 플라즈마 화학 기상 장치(100)는 그 내부에서 화학 기상 증착이 일어나도록 하는 챔버(10)를 포함할 수 있다.

화학 기상 증착 방법이라 함은 진공 펌프를 이용해 챔버(10) 내부를 고진공 상태로 만든 후 화학 증착 반응 기체들을 주입하여 화학 반응에 의해 생성된 고체 생성물을 기판에 증착 시키는 방법이며, 특히, 플라즈마 화학 기상 증착 방법은 챔버(10) 내부에서 플라즈마의 생성과 증착이 동시에 일어나게 된다.

또한, 진공 펌프는 챔버(10) 내부를 진공 상태로 만드는 역할 뿐만 아니라, 챔버(10) 내부에 반응이 끝난 후에도 잔존하는 반응가스 및 전구체의 부산물들을 배출구를 통해 외부로 배출시키는 역할도 하게 된다.

본 발명의 플라즈마 화학 기상 장치(100)에서는 자기장의 위치를 반응존(180)과 일치시켜 증착 공정시 플라즈마의 밀도를 극대화할 수 있어, 기존의 화학 기상 증착 장비에서의 진공도를 보다 낮게 유지하여도 충분한 증착 효율을 달성할 수 있게 된다.

도 3은 이상과 같이 구성된 플라즈마 화학 기상 장치에 전원이 인가되어 플라즈마 존(170)이 형성된 것을 나타낸 도면이고, 도 4는 전구체와 반응가스의 흐름을 나타낸 도면이다.

챔버(10) 내부에 전극부(110)에 의해 형성된 자기장은 플라즈마 상태로 된 반응 가스 중 분리된 전자에 플레밍의 왼손 법칙에 따라 자기장과 수직한 방향으로 힘을 가하게 되고 힘이 가해진 전자는 자기장을 따라 회전 운동을 하게 된다.

전자가 회전 운동을 하게 됨으로써 반응 가스가 전자와 양이온으로 분리되는 것을 가속화 시키고 그 결과 자기장 영역 내의 플라즈마 밀도가 높아지게 된다.

즉, 상술한 자기장의 영역을 따라 플라즈마 존(170)이 형성되는데, 제1 플라즈마 존(171)은 제1, 2 전극(111, 113)을 감싸는 자기 션트(123)의 종단부(125) 상하와 자기 션트(123)의 중심부(124) 사이에 형성되는 자기장을 따라 전극부(110)의 각각의 제1, 2 전극면(112, 114)과 일정한 각도(도 1에 'A도'로 표시)인 0 ~ 45도를 유지하며 도넛 형태로 형성되어 단면에서 보아 비스듬하게 보이게 된다.

제2 플라즈마 존(173)은 한 쌍의 자기장 발생부(120)의 종단부 사이에 형성되는 자기장을 따라 도넛 형태로 형성되어 단면에서 보아 상하로 평행하게 보이게 된다.

이렇게 단면에서 보아 제1 플라즈마 존(171)이 각각의 전극면과 일정한 각도(A도)를 유지하며 형성되고 제2 플라즈마 존(173)이 챔버(10) 중앙에 상하로 평행하게 형성됨으로써 챔버(10)의 중앙에 위치한 반응존(180) 주위를 감쌀 수 있게 된다.

또한 플라즈마 존(170)이 전극부(110)와의 각도가 0도가 되어 전극부(110)의 측면에 구성될 경우에는 플라즈마가 반응존(180)에 보다 멀리 위치하게 되는데, 제1 플라즈마 존(171)이 제1 전극면(112)과 일정각도(A도)인 0~45도를 유지하게 되면 이는 제1 전극(111)과 제2 전극(113)과 일정각도인 90도로 전자와 양이온의 이동을 용이하게 만든다.

이에 반해 기존의 플라즈마 화학 증착 장치의 경우에는 전극의 바로 앞에 플라즈마가 발생하는 구조로서 실제 화학 기상 증착이 일어나는 부분과 플라즈마 존 간의 간격이 50~100mm 정도 떨어져 있어 증착에 기여하는 이온의 밀도가 상대적으로 낮지만, 본 발명에서는 제1,2 플라즈마 존(171, 173)과 반응존(180)을 최대한 근접시킴으로써 피코팅물에서의 증착을 위한 화학반응을 높여 증착 효율을 높일 수 있다.

다시 말하면, 본 발명에서는 전자와 양이온으로 해리되어 반응성이 커진 전구체들이 모인 영역, 즉 높은 밀도의 플라즈마 영역이 반응존(180)과 거의 일치함으로써 전구체와 반응가스의 피코팅물에서의 결합이 극대화되므로 낮은 전기장 에너지 하에서도 높은 증착률에 의한 고품질의 박막 제조를 가능하게 한다.

도 6은 도 1에 도시된 플라즈마 화학 기상 증착 장치(100)에서 챔버(10)의 상부에 위치한 제1,2 전극(111, 113)의 사이 중 상부가 벌어진 본 발명의 또 다른 일실시예를 타낸 것으로 반응가스와 전구체의 흐름을 함께 나타낸 개념도이다.

이것은 피코팅체의 형상에 따라 방사형의 코팅 형상이 필요한 경우 전구체와 반응가스의 흐름이 방사형으로 퍼져 나갈 수 있도록 하기 위하여 제1,2 전극(111, 113)의 사이 중에서 상부에 해당하는 출구 방향의 간격을 벌려 놓은 것이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 플라즈마 화학 기상 장치(200)의 개념도로서, 자기장 발생부(220)의 종단부(225) 형상을 달리 한 것이다. 자기 션트(223)의 상하 양 종단부(225)는 일부분이 연장된 돌출부(226)를 포함하도록 하였고, 종단부(225)의 양 모서리는 한 방향으로 연장되도록 하는데, 즉 제1 전극(211)을 감싸는 자기 션트(223)의 종단부(225) 양 모서리 중 제2 전극(213) 방향에 위치한 모서리가 연장되고, 제2 전극(213)을 감싸는 자기 션트(223)의 종단부(225) 양 모서리 중 제1 전극(223) 방향에 위치한 모서리가 연장된다.

그리고, 한 쌍의 자기 션트(223)의 중심부는 일정 높이의 판자 형태로 연장된 오염물 유입 방지부(250)를 포함하는데, 단면으로 보아 판자 형태가 되고 자기 션트(223)의 중심부(224)로부터 연장된 오염물 유입 방지부(250)의 끝 부분은 자기 션트(223)의 상하 종단부(225)의 돌출부(226)에 근접하게 된다.

때문에, 상술한 것처럼 자기 션트(223)의 내부에 위치한 자석(221)과 자기 션트(223)에 의해 유도된 자속에 의해 자기 션트(223)의 상하 종단부(225)의 돌출부(226)와 오염물 유입 방지부(250)의 판자 형태로 연장된 끝 부분이 서로 다른 극성으로 대향되게 되고, 그 사이에는 자기장이 형성된다(도 8 참조).

또한, 자기 션트(223)에는 중심부(224)에서 판자 형태로 연장된 오염물 유입 방지부(150)가 포함된다. 앞의 실시예와 다른 점은 앞의 실시예는 오염물 유입 방지부(150)가 자기 션트(123)에서 연장된 것이 아닌 별도의 구성물인 반면 이번 실시예에서는 오염물 유입 방지부(250)가 자기 션트(223)에서 연장된 구성이라는 점이다.

즉, 이번 실시예에서 오염물 유입 방지부(250)는 자기 션트(223)가 연장되어 앞의 실시예에서의 오염물 유입 방지부(150)와 동일한 형상을 가지게 됨으로써 전구체가 전극부(210)로 유입되어 전극부(210)의 전극이 오염되는 것을 막는 역할을 하게 된다. 구체적인 사항은 상술한 바와 같으므로 생략하기로 한다(도 10 참조).

마찬가지로, 각 자기 션트(223) 내부에 위치한 자석(221)과 자기 션트(223)에 유도된 자속에 의하여 한 쌍의 자기 션트(223)의 종단부(225)의 모서리끼리도 서로 다른 극성으로 대향되게 되어 한 쌍의 자기 션트(223) 사이에는 도넛 형태의 자기장이 형성되게 된다. 그 단면을 보면 한 쌍의 자기 션트(223) 사이의 상하에 타원형의 자기장이 평형하게 형성되는 것을 볼 수 있다(도 8 참조).

도 9는 위와 같이 구성된 플라즈마 화학 기상 장치(200)에 전원이 인가되어 플라즈마 존이 형성된 것을 나타낸 도면으로서, 앞의 실시예에서 설명한 바와 같이, 자기장의 영역을 따라 플라즈마 존(270)이 형성된다.

즉, 자기 션트(223)의 상하 종단부(225)의 돌출부(226)와 자기 션트(223)의 중심부(224)에서부터 판자 형태로 연장된 오염물 유입 방지부(250)의 끝 부분 사이에 형성된 자기장을 따라 제1 플라즈마 존(271)이 형성되고, 한 쌍의 자기 션트(123)의 종단부(225) 사이에 형성되는 자기장을 따라 제2 플라즈마 존(273)이 형성된다.

이와 같이 형성된 각각의 플라즈마 존(270)에서는 상술한 바와 같이 전자가 자기장을 따라 회전 운동을 하게 되어 반응 가스가 전자와 양이온으로 분리되는 것을 가속화 시키고 그 결과 자기장 영역 내의 플라즈마 밀도를 높여 증착 효율을 향상시키게 된다.

도 11은 도 7에 도시된 플라즈마 화학 기상 증착 장치(200)에서 챔버(20)의 상부에 위치한 제1,2 전극(211, 213)의 사이 중 상부가 벌어진 본 발명의 또 다른 일실시예를 타낸 것으로 반응가스와 전구체의 흐름을 함께 나타낸 개념도로서 그 기능과 역할은 앞의 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이상과 같이 본 플라즈마 화학 기상 증착 장치(100, 200)는 자기장 발생부(120, 220)를 전극부(110, 220)의 감싸며 뒤편에 적절히 배치하여 반응존(180, 280)를 감싸는 자기장을 형성함으로써 각각의 자기장을 따라 플라즈마 존(170, 270)을 형성시켜 실제 증착 반응이 일어나는 반응존(180, 280)과 플라즈마 존(170, 270)을 최대한 일치시켜 플라즈마 화학 기상 증착 장치(100, 200)의 증착 효율을 키게 되는 효과가 있다.

또한, 반응존(180, 280)을 감싸는 자기장은 플라즈마 상태의 기체 중에서 전자를 무한히 회전 운동 및 호핑 운동을 시켜 반응 가스의 이온화율을 높임으로써 플라즈마 밀도를 높여 플라즈마 화학 기상 증착 장치(100, 200)의 증착 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 반응존(180, 280)을 감싸는 자기장에 의하여 플라즈마 상태의 기체가 피코팅물 주변에 골고루 배치되도록 함으로써 플라즈마의 밀도를 균일하게 유지하여 박막을 균일하게 형성할 수 있는 효과가 있다. 즉, 높은 증착 효율을 가지면서도 동시에 피코팅물에 증착되는 박막을 더욱 균일하게 하여 제품의 품질을 높이게 되는 효과가 있다.

또한, 전극부(110, 210)의 전극과 일정거리 이격된 위치에 오염물 유입 방지부(150, 250)를 형성함으로써 증착 공정시 높아진 플라즈마 밀도로 인하여 전극부(110, 210)의 전극이 오염을 막아 플라즈마 화학 기상 증착 장치(100, 200)의 증착 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 기존의 화학 기상 증착 장비와 비교하여 같은 본 발명의 플라즈마 화학 기상 증착 장치(100, 200)는 더 높은 증착 효율을 가지므로 챔버(10, 20)를 기존의 화학 기상 증착 장비와 달리 낮은 진공도에서도 증착 공정을 수행할 수 있고 진공 펌프의 부담을 낮출 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 이와 같이 플라즈마 밀도를 높여 기존의 플라즈마 기상 증착 장비와 비교하여 같은 조건하에서도 더 높은 증착 효율을 가질 수 있게 됨으로써 화학 기상 증착 공정에 필요한 전구체 및 반응 가스의 양을 절약할 수 있어 보다 경제적이고 효율적인 장치의 운용이 가능한 효과가 있다.

상기와 같은 본 발명의 화학 기상 증착 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

20: 챔버
210: 전극부 211: 제1 전극
212: 제1 전극면 213: 제2 전극
214: 제2 전극면 215: 전극 절연체
217: 냉각수로 220: 자기장 발생부
221: 자석 223: 자기 션트
230: 가스 공급부 240: 전구체 공급부
250: 오염물 유입 방지부 260: 전원부
270: 플라즈마 존 271: 제1 플라즈마 존
273: 제2 플라즈마 존

Claims (10)

1. 진공 챔버 내에서 피코팅물의 표면에 막을 증착하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치에 있어서,
   한 쌍의 전극이 서로 마주보며 이격되게 배치되며 타원형으로 이루어지고 내부에는 냉각 수로를 포함하는 전극부;
   상기 전극을 감싸되 상기 챔버의 중앙부 쪽으로는 개방되도록 하며 자기 션트로 이루어지고 상기 자기 션트 내부에는 복수개의 자석이 배치되는 한 쌍의 자기장 발생부;
   상기 한 쌍의 전극 사이에 반응가스를 공급하는 가스 공급부; 및
   상기 한 쌍의 전극 사이에 전구체를 공급하는 전구체 공급부;를 포함하되,
   상기 복수개의 자석은 인접한 자석끼리 서로 다른 극성으로 이어지도록 배치되고,
   상기 자기 션트는 종단부의 평면 중 일부분이 돌출된 돌출부가 형성되고 서로 마주보는 상기 종단부의 일측 모서리는 맞은편 방향으로 각각 연장되고,
   상기 한 쌍의 자기장 발생부 사이에 자기장이 형성됨과 동시에 상기 자기장 발생부로 감싸인 내부 공간에도 자기장이 형성되며,
   상기 자기 션트는,
   중심부에서 연장되고 일정 높이의 판자 형태로 형성된 오염물 유입 방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 자기장 발생부는, 서로 마주 보는 자기 션트 종단부가 서로 다른 극성으로 대향하도록 상기 자기 션트 내부에 자석이 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 자기 션트는, 서로 마주 보는 자기 션트 종단부 사이에 전자의 회전운동을 높이는 자기장이 형성되도록 서로 마주 보는 자기 션트 종단부 사이가 일정간격 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 자기 션트의 종단부와 상기 오염물 유입 방지부는 서로 다른 극성으로 대향하도록 상기 자기 션트 내부에 자석이 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 자기 션트의 종단부와 상기 오염물 유입 방지부의 종단부 사이에는 자기장이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 오염물 유입 방지부는, 양이온에 의해 상기 전극이 스퍼터링 되는 것을 방지할 수 있도록 전극으로부터 일정간격 이격되되 그 간격은 15mm 내지 40mm인 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 한 쌍의 전극은, 방사형 형태로 증착 작업을 수행하기 위해서 상부가 양쪽으로 벌어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 전구체 공급부는, 한 쌍의 자기장 발생부 사이에 위치하되 상기 챔버의 하측에 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 공급부는, 상기 챔버의 양측면에 다수개가 위치하되 상기 챔버의 중간 높이에 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학 기상 증착 장치.

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