KR102109305B1 - 탄소 층을 도포하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

탄소 층을 도포하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기상 증착에 의해 기판(2, 2a)에 탄소 층, 특히 다이아몬드 층을 도포하기 위한 장치(1) 및 방법에 관한 것으로, 상기 장치는 증착 챔버(3)를 포함하고, 상기 증착 챔버 내로 공정 가스, 특히 분자 수소 및/또는 분자 수소와 탄소-함유 가스, 예를 들어 메탄의 혼합물이 공급될 수 있고, 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)을 가열하기 위해 제공된 가열 장치(8), 증착 챔버(3) 내로 유동 채널(7b)로부터 공급되는 배출 개구(16), 유동 채널(7b)을 둘러싸는 벽(7a) 및 공정 가스를 위한 유동 채널(7b)이 중공 몸체의 형태로 제공된다.

Description

탄소 층을 도포하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 청구항 제13항의 전제부에 따른 방법에 관한 것이다.
문헌 제DE 689 09 491 T2호는 화학 기상 증착에 의해 다이아몬드 층을 도포하기 위한 장치를 개시하며, 상기 장치는 마주보는 단부가 플레이트에 의해 밀폐되는 원통형 반응 챔버를 갖는다. 4개의 몰리브덴 로드는 반응 챔버의 내부 내로 상부 플레이트를 통하여 연장되고 하부 플레이트로부터 떨어져 자유 단부가 배열된다. 개방 석영 튜브는 2개의 로드 주위에 위치하고 실린더에서 축방향으로 배열된다. 상부 플레이트의 가스 유입 개구는 튜브에 연결되는 반면, 추가 가스 유입 개구는 튜브가 점유하지 않는 실린더의 체적에 연결된다. 가열 코일(필라멘트) 형태의 전기 저항 히터가 각각 2개의 몰리브덴 로드 사이에 배치되고 다이아몬드 증착에 필요한 온도로 열 여기에 의해 다양한 공정 가스를 제공한다. 로드는 별도의 제어 장치를 통해 전원에 연결된다. 드라이브샤프트는 베이스 플레이트를 통해 돌출되고 턴테이블에 연결된다. 코팅될 기판은 턴테이블 상에 배열된다. 턴테이블을 회전시킴으로써, 기판은 2개의 가스 유입 개구 중 하나의 아래에 교대로 배치되고, 한편으로는 탄소 함유 가스와 접촉하게 되고, 그에 의해 다이아몬드 층이 증착되고, 한편으로는 탄소가 없는 가스와 접촉하여, 비-다이아몬드 유사 탄소 증착이 제거된다. 이 "핫 필라멘트(hot-filament)" 방법은 마이크로웨이브 지지 방법에 추가로 형성된다.
문헌 제JP H05890 A호는 수소를 가열하기 위해 챔버에 부착된 가열가능 모세관을 이용하는 CVD(화학 기상 증착) 플랜트를 기재한다. 모세관은 일 단부에서 개방되어 가열 중에 압력이 형성되지 않는다. 따라서, 충격 여기가 없다.
문헌 제US 5479874 A호는 또한 공정 가스가 가열 와이어에 의해 최종 작동 온도를 갖기 전에 프리-히터에 의해 공정 가스를 사전가열하는 CVD 플랜트를 개시한다. 이 종래 기술에서, 충격 여기가 없다.
다이아몬드 증착을 위한 핫 필라멘트 방법으로 알려진 것의 단점은 가열 코일을 이용한 공정 가스의 열 여기의 여기 속도가 다소 낮고, 개별 가스 유형의 여기에 국부적인 제어된 영향을 가할 수 없는 것이다. 또한, 기판 상에 다이아몬드의 증착은 종종 필라멘트로부터 수 밀리미터에서 수 센티미터의 거리에서만 보장될 수 있다. 낮은 활성 성장 종으로 인해 성장률은 상대적으로 낮다. 전체적으로, 공지된 방법은 시간 소모적이며 비용이 많이들 뿐만 아니라 제어하기가 곤란할 수 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 개별 단점을 극복 또는 해결하는 데 있다. 본 발명은 공정 가스, 특히 수소의 여기 속도가 향상되고 기판 상에서 탄소 층의 균일한 증착이 가능하며, 코팅 공정의 향상된 제어가 복잡한 형태의 기판과 넓은 코팅 영역에 대해 가능하도록 하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
이 목적은 제1항의 특징을 갖는 장치, 제11항에 따른 가스 유입 및 가스 활성 요소의 사용 및 제12항의 특징을 갖는 방법에 의해 구현된다. 선호되는 실시예가 종속항에 기재된다. 본 발명에 따라서, 가스 유입 및 가스 활성 요소는 공정 가스용 유동 채널, 유동 채널을 둘러싸는 벽, 및 유동 채널로부터 증착 챔버로 이어지는 출구 개구 및 가스 유입 및 가스 활성 요소의 벽을 가열하기 위한 가열 장치를 갖는 중공 몸체의 형태로 제공된다. 가열 장치는 충격 여기 및 열 여기에 의해 가스 유입 및 가스 활성 요소의 유동 채널 내에서 유동하는 공정 가스를 여기하도록 설계된다. 가열 장치는 충격 여기 및 열 여기에 의해 가스 유입 및 가스 활성 요소의 유동 채널 내에서 유동하는 공정 가스를 여기시키도록 구성된다.
선호되는 응용에서 다이아몬드 층은 기판, 예를 들어 경질 금속 도구, 규소 웨이퍼, 티타늄 임플란트, 보석, 센서/CMOS 부품 등에 증착된다. 이 실시예에서, 증착은 탄소 함유 가스, 특히 메탄뿐만 아니라 에틸렌, 아세틸렌 등을 여기시킴으로써 수행된다. 탄소 원자는 여기의 결과로 여기되어 특수 제작된 기판 상에서 다이아몬드 성장(sp3-하이브리드화 탄소)로 이어지는 화학 라디칼(를 들어, 메틸 라디칼)을 형성할 수 있다. 다이아몬드 외에도, 그래파이트(sp2-하이브리드화된 탄소) 또는 폴리머(sp-하이브리드화된 탄소)와 같은 다른 탄소 개질도 또한 형성될 수 있다. 바람직하지 못한 탄소 변형을 방지 또는 제거하기 위해, 바람직하지 못한 종의 에칭에 원자 수소가 필요하다. 이를 구현하기 위해, 본 실시예의 분자 수소 가스는 가스 유입 및 가스 활성 요소에 의해 해리되어, 유출된 여기 원자 수소가 그래파이트, 폴리머 등의 바람직하지 못한 탄소 변형을 "제거하고" 따라서 순수한 다이아몬드 구조의 형성을 촉진한다. 또한, 원자 수소는 재조합에 의해 코팅되는 부품을 가열하고, 따라서 중요한 에너지 캐리어이다. 또한, 추가 화학적 및 촉매 적 공정은 원자 수소와 탄소 함유 가스의 충돌에 의해 수행한다. 따라서 여기의 효율이 증가된다. 따라서 수소의 최대 여기 속도는 특히 중요하다. 다이아몬드 증착은 바람직하게는 음압, 특정 실시예에서 mbar 범위에서 증착 챔버 내에서 수행된다. 공정 가스는 바람직하게는 메탄 및 수소이다. 수소 및 탄소 함유 공정 가스는 바람직하게는 증착 챔버 내로 개별적으로 유입된다. 이에 따라, 기판 상에 다이아몬드 층의 후속 증착을 달성하기 위해 공정 가스가 활성화된다. 대안적으로, 공정 가스는 가스 유입 및 가스 활성 요소를 통해, 특히 메탄과 수소의 혼합물의 형태로 함께 증착 챔버 내로 유입될 수 있다.
기판의 표면 상에 다이아몬드 층의 형성을 촉진시키기 위해, 이 반응은 바람직하게는 감압 하에 수행된다. 종래 기술의 열 필라멘트 방법에서, 공정 가스는 가열된 와이어를 통한 열 여기에 의해서만 여기된다. 그 결과, 예를 들어 단지 20%의 원자 수소의 여기 속도가 달성될 수 있다는 단점이 있다. 이는 특히 핫 필라멘트 방법에서의 여기가 열적으로만 수행되고 가열 와이어의 바로 근처에서 수행된다는 것과 연관되어 있다. 대조적으로, 본 발명에 따른 장치에서, 가스 유입 및 가스 활성 요소의 벽은 전체 길이에 걸쳐 바람직하게 가열된다. 이 목적을 위해, 가스 유입 및 가스 활성 요소의 벽은 가열 장치에 연결되어 가스 유입 및 가스 활성 요소의 벽이 직접 가열되도록 한다. 따라서, 공정 가스는 바람직하게는 열적으로뿐만 아니라 열 여기와 충격 여기의 조합에 의해 여기될 수 있다. 따라서 80% 초과의 원자 수소의 여기 속도가 달성될 수 있다. 이는 고순도의 다이아몬드 층의 성장을 촉진시키고 높은 성장 속도로 고에너지 효율의 증착을 허용한다. 또한, 종래 기술에 비해 다이아몬드 층의 보다 높은 성장 속도가 본 방법에 의해 달성된다.
특정 선호되는 실시예에 따라서, 가스 유입 및 가스 활성 요소의 (종방향 측면) 단부에서 터미네이션 몸체는 유동 채널을 밀폐하기 위해 부착된다. 터미네이션 몸체는 가스 유입 및 가스 활성 요소의 가열가능 벽과 함께 하나 이상의 부분 내에 형성될 수 있다. 가스 유입 및 가스 활성 요소는 바람직하게는 입구 개구 및 출구 개구(들)를 제외하고 밀폐되도록 형성되고, 상기 입구 개구를 통하여 공정 가스, 특히 수소가 가스 유입 및 가스 활성 요소의 유동 채널 내로 안내된다. 터미네이션 몸체에 따라, 가스 유입 및 가스 활성 요소 내에서 부분 압력이 상승될 수 있고 이에 따라 충격 여기가 열 여기에 추가로 제공될 수 있다. 추가로, 활성화된 입자의 평균 자유 경로 길이가 수 센티미터로 상승될 수 있고, 이에 따라 기판으로부터의 거리가 증가될 수 있고 이에 따라 더욱 균일한 탄소 층이 야기된다. 바람직하게, 가스 유입 및 가스 활성 요소는 원형 단면을 갖는 0.1 mm 내지 15 mm의 내경을 포함한다. 압력은 이에 따라 상당히 감소되고 벽과의 충격 여기가 증가된다. 이 개시의 목적으로, "상부", "하부" 등과 같은 위치 및 방향 사양은 다이아몬드 층이 기판 상에 증착될 때 장치의 예정된 작동 상태와 관련된다.
선호되는 실시예에서, 가열 장치는 가스 유입 요소의 벽을 2000 ℃ 초과, 특히 2200 ℃ 초과, 바람직하게는 2400 ℃ 초과로 가열하도록 설계된다. 따라서, 공정 가스, 특히 수소 가스가 증착 공정을 위해 활성화되도록 공정 가스가 요구되는 여기 온도에 이르게 된다.
그래파이트 및 다른 바람직하지 않은 탄소 변형물의 효율적인 에칭을 위해, 가스 입구 및 가스 활성 요소의 도움으로 얻어질 수 있는 다량의 원자 수소가 바람직한 응용에서 유리하다. 또한, 결정 크기는 비교적 많은 양의 원자 수소(특히 2차 핵생성을 증가시킴)에 의해 낮게 유지될 수 있고, 나노 미터 범위의 고급 순수 다이아몬드 결정이 증착될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 가열 장치는 가스 입구 및 가스 활성 요소의 저항 가열을 위해 가스 유입 및 가스 활성 요소의 벽에 연결된 파워 서플라이를 포함한다. 이 실시예에서 가열 공정은 신속하고 정확하게 제어될 수 있다. 또한 이 변형은 단순한 설계이고 경제적이다. 저항 가열은 종래 기술에서 오랫동안 공지된 바와 같이, 전류가 가스 유입 및 가스 활성 요소의 벽을 통해 안내되는 파워 서플라이를 포함한다. 여기서, 전류의 전기 에너지는 열 에너지로 변환된다. 이러한 종류의 저항 가열은 증착 챔버의 외측에 배열될 수 있다. 저항 가열은 또한 케이블 연결부 및 선택적으로 진공 피드스루(feedthrough)에 의해 증착 챔버로부터 일정 거리에 배치될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 가스 입구 및 가스 활성 요소는 증착 챔버에서 실질적으로 수평으로 배열된다. 이러한 배열의 결과로서, 가스 입구와 가스 활성 요소 및 코팅될 기판 사이의 균일한 거리가 보장될 수 있다. 따라서, 기판의 전체 표면에 걸쳐 균일한 두께를 포함하는 다이아몬드 층의 증착이 선호된다. 이 방식으로, 고품질 층이 얻어질 수 있다.
특히, 기판 표면을 따라 가능한 가장 균일한 층 두께를 갖는 균일한 다이아몬드 층을 더욱 촉진시키고, 따라서 다이아몬드 층의 품질을 추가로 증가시키기 위해, 공정 가스가 기판의 방향으로 가스 유입 및 가스 활성 요소로부터 배출되는 하나 이상의 배출 개구는 기판을 향하는 가스 유입 및 가스 활성 요소의 하측 상에 배열된다. 이 실시예에서, 가스 입구 및 가스 활성 요소로부터 배출된 후에 활성화된 공정 가스, 특히 원자 수소는 기판 방향으로 직접 유동한다.
바람직한 실시예에 따르면, 정확하게 하나의 출구 개구의 영역과 가스 유입 및 가스 활성 요소의 단면 영역 사이의 비율은 1:5 내지 1:20, 특히 1:10이다. 충격 여기는 가스 입구 및 가스 활성 요소의 작은 단면 및 가스 입구 및 가스 활성 요소 내의 분압의 관련 증가에 의해 더욱 강화되며, 이에 의해 공정 가스의 여기 속도, 특히 수소의 여기 속도 및 다이아몬드 층의 품질이 차례로 증가된다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 가스 입구 및 가스 활성 요소는 복수의 배출구 개구를 포함한다. 따라서, 여기된 공정 가스(원자 수소)는 기판 방향으로 균일한 공간 분포로 유동하여, 기판 표면 상에 원하는 sp3-하이브리드화된 탄소의 균일한 증착이 달성될 수 있다. 따라서 균질하고 순수한 다이아몬드 층의 형성이 촉진된다. 이러한 출구 개구는 코팅에 대해보다 큰 부피 범위를 포함하도록 서로 일정 각도로 교대로 배열될 수 있다. 또한, 복수의 작은 면적 출구 개구가 존재하는 경우, 가스 입구 및 가스 활성 요소 및 기판 사이에 공정 가스가 더욱 균질하게 분배될 수 있다. 출구 개구의 최적의 기하학적 형상 및 배열은 유동 계산에 의해 결정될 수 있다. 다이아몬드 층의 보다 균일한 두께 및 고도로 제어된 균일성이 달성될 수 있다.
추가 선호되는 실시예에 따라서, 가스 유입 및 가스 활성 요소는 단면이 실질적으로 원형 또는 직사각형이다. 이는 공정 가스의 충격 여기의 추가 증가를 야기한다.
상이한 크기 및 형태의 기판을 코팅할 수 있도록, 바람직하게는 가열 장치에 의해 가열될 수 있는 복수의 가스 유입 및 가스 활성 요소가 제공된다. 복수의 가스 유입 및 가스 활성 요소는 기판 상에 다이아몬드 층의 균일한 증착이 보장되는 방식으로 증착 챔버에 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 가스 유입 및 가스 활성화 요소는 서로 평행하게 그리고 기판으로부터 동일한 수직 거리에 배치될 수 있다. 이는 특히 큰 수평 영역을 갖는 기판, 예를 들어 복수의 규도 웨이퍼가 코팅되는 경우에 선호된다. 바람직하게, 예를 들어 규소 웨이퍼와 같은 전체 영역의 균일한 코팅이 유리하게 이루어질 수 있다. 가스 유입 및 가스 활성 요소의 배향은 바람직하게는 기판의 형태에 적합할 수 있다. 다양한 가스 유입 및 가스 활성 요소는 별도의 가스 공급부에 연결될 수 있으며, 이에 따라 개별적인 가스 유입 및 가스 활성 요소의 각각을 통해 상이한 공정 가스가 증착 챔버 내로 전달될 수 있다. 가열 장치는 가스 유입 및 가스 활성 요소가 서로 독립적으로 또는 하나 이상의 그룹으로 함께 가열될 수 있는 방식으로 구현될 수 있다. 가스 유입 및 가스 활성 요소의 형태 및 배치는 임의적일 수 있고 바람직하게는 코팅되는 구성요소의 형태를 향한다.
추가의 선호되는 실시예에 따르면, 추가 공정 가스, 특히 탄소 함유 가스, 바람직하게는 메탄을 증착 챔버 내로 유입시키기 위한 추가의 가스 유입 요소가 제공된다. 따라서, 공정 가스들, 특히 탄소 함유 가스 및 수소는 서로 공간적으로 분리된 상태로 상이한 시간에 증착 챔버 속으로 유입될 수 있다. 특히, 온도, 증착 챔버로의 유입 속도 및 다양한 공정 가스의 시간 순서 또는 그의 농도는 탄소 함유 공정 가스 및 수소 가스 각각에 대해 개별적으로 및 국부적으로 조절될 수 있다. 따라서, 이들 파라미터는 상이한 요건을 갖는 코팅 공정에 대해 최적화될 수 있다. 상기 요건은 예를 들어 다이아몬드 층의 두께, 그 순도, 코팅 공정의 지속 시간, 기판의 형태 및 재료, 입자 크기 등일 수 있다.
추가 선호되는 실시예에 따라서, 가스 유입 및 가스 활성 요소의 벽은 금속, 바람직하게는 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 또는 세라믹 재료, 또는 그래파이트, 열분해 탄소 또는 이의 복합 재료, 또는 바람직하게는 섬유 강화 탄소, 특히 열분해탄소로부터 형성된 코팅으로 구성된다. 물론, 본 발명은 상기 재료에 제한되지 않는다. 이들 재료는 높은 융점을 특징으로 하는데, 이는 특히 여기에 필요한 2000 ℃ 초과의 고온을 견딜 수 있기 위해 필요하다. 이러한 공정-안정성 및 치수 안정성 및 내열성 재료의 사용으로 인해, 가스 유입 및 가스 활성 요소는 공정 가스의 여기 및 출구 개구를 통한 기판으로의 여기된 공정 가스의 분배를 신뢰성 있게 보장할 수 있다.
고순도의 다이아몬드 층의 균일한 증착을 위해, 증착 공정 전에 및 증착 공정 동안 증착 챔버를 배기시키는 것이 바람직하다. 이 목적을 위해, 바람직하게는 진공 펌프가 장치 외부에 배치되어 증착 공정에 필요한 증착 챔버에서 음압을 발생시킨다. 코팅될 기판은 바람직하게는 가스 유입 및 가스 활성 요소 아래에 배치되는 기판 홀더 상의 증착 챔버의 내부에 배치될 수 있다. 추가 실시예에서, 가스 유입 및 가스 활성 요소는 코팅될 중공 기판의 내부에 배치될 수 있다. 기판 홀더는 기판의 요건에 따라 냉각 장치에 연결될 수 있다. 이는 다이아몬드 증착을 위한 기판 재료가 예를 들어 500 ℃ 미만의 온도를 필요로 하는 경우에 유리하다.
관련 방법에서, 가스 유입 및 가스 활성 요소의 벽은 가스 유입 및 가스 활성 요소의 유동 채널 내에서 유동하는 공정 가스가 충격 여기 및 열 여기에 의해 여기되도록 가열된다. 이 목적을 위해, 가스 유입 및 가스 활성 요소의 벽은 2000 ℃ 초과, 특히 2200 ℃ 초과의 온도로 가열될 수 있다. 상기 방법에서, 질소, 산소 등과 같은 추가의 공정 가스가 다이아몬드 성장의 가속을 위해 사용될 수 있다. 또한, 반도체를 얻기 위해, 다이아몬드 층은 붕소, 인, 질소 또는 황 등의 요소로 도핑될 수 있다. 이러한 첨가제는 가스, 고체 또는 액체 상태의 증착 챔버로 유입될 수 있다.
본 발명은 바람직한 예시적인 실시예를 참조하여 더 상세히 설명될 것이나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1은 가열가능 가스 유입 및 가스 활성 요소를 통하여 공정 가스가 증착 챔버 내로 공급되고 화학 기상 증착에 의해 다이아몬드 층을 기판에 도포하기 위한 본 발명에 따른 장치의 부분적인 단면도.
도 2는 도 1에 따른 장치의 가스 유입 및 가스 활성 요소의 도면.
도 3은 도 1에 따른 장치의 가스 유입 및 가스 활성 요소의 추가 실시예의 도면.
도 1은 기판(2, 2a)에 다이아몬드 층을 도포하기 위한 장치(1)에 관한 것이다. 대안으로 다양한 탄소 층, 예를 들어 그래핀(graphene)이 장치(1)에 의해 기판(2, 2a)에 도포될 수 있다. 도시된 실시예에서, 탄소 층은 기판(2)의 외부 측면 상에 및 기판(2a) 내에 증착된다. 장치(1)는 기판(2, 2a)을 수용하기 위한 증착 챔버(3)를 포함한다. 가스 및 동력 공급 요소(4)가 또한 제공된다. 가스 및 파워 공급 요소(4)는 공정 가스, 여기서 분자 수소를 공급하기 위해 스테인리스 스틸로 제조된 내부 요소(5a) 및 전류를 공급하기 위하 전기 전도성 재료, 예를 들어 구리로 제조된 외부 요소(5b)를 포함한다. 가스 공급 개구(5)는 내부 요소(5a)의 상부 측면 상에 형성되고 공급 가스는 증착 챔버(3)의 내부 내로 가스 공급 개구를 통하여 유도된다.
또한 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 및 파워 공급 요소(4)는 도시된 조립체 내에 수평으로 배열된 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)에 클램프 및 나사 연결부(6)를 통하여 증착 챔버(3) 내에서 연결되어 공정 가스가 가스 및 파워 공급 요소(4)를 통하여 가스 유입 및 가스 활성 요소(7) 내로 전달될 수 있다. 또한, (단지 도식적으로) 도시된 가열 장치(8)가 제공되며, 이 가열 장치에 의해 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)이 작동 중에 가열된다. 도시된 실시예에서, 가열 장치(8)는 정류기를 갖는 단지 도식적으로 도시된 파워 서플라이(8a)를 포함하고, 상기 파워 서플라이에 의해 전류가 가스 및 파워 공급 요소(4)의 외부 요소(5b)를 통하여 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)에 유도될 수 있다. 전류는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 재료의 저항을 고려하여 열로 변환되어 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)가 가열된다. 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)은 바람직하게는 2000　°C 초과의 온도로 가열된다. 열 여기 이외에, 공정 가스의 충격 여기가 또한 달성될 수 있다. 이 목적을 위해, 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)은 바람직하게는 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 세라믹 재료, 그래파이트, 열분해 탄소와 같은 고융점 금속 또는 그로부터 형성된 복합 재료, 또는 바람직하게는 섬유 강화 탄소로부터 선택된 재료로 제조되고 이에 제한되지 않는다. 예를 들어 세라믹 재료로 제조된 전기 절연체(9)는 또한 가스 및 파워 공급 요소(4)의 외부 요소(5b)와 증착 챔버(3)의 하우징 사이에 제공된다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 추가 공정 가스, 특히 탄소 함유 공정 가스, 바람직하게는 메탄이 증착 챔버(3) 내로 유입될 수 있고 도시된 실시예에서 수직인 추가 가스 유입 요소(10)가 증착 챔버(3)의 상부 측면 상에 배열된다. 탄소 함유 공정 가스는 필요한 탄소 라디칼(예를 들어, 메틸 라디칼)이 생성되도록 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)에 걸쳐 유동함으로써 열적으로 여기된다. 대안으로, 탄소 함유 공정 가스는 또한 소정의 혼합 비율로 수소와 함께 가열된 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)를 통하여 공급될 수 있고 이에 따라 활성화될 수 있다. 추가 공정 가스, 예를 들어, 질소, 산소, 아르곤 등이 추가 가스 유입 요소(도시되지 않음)를 통하여 공급될 수 있다. 붕소, 인, 질소, 황 등과 같은 요소로 다이아몬드 층을 도핑하는 것도 종래 기술과 유사하게 이 공정에서 가능하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기판 홀더(13)는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7) 아래 및 증착 챔버(3) 내에 배열되고 기판(2, 2a)은 기판 홀더(13) 상에 배열된다. 기판 홀더(13)는 냉각 요소(14)(단지 도식적으로 도시됨)를 통하여 냉각될 수 있다.
도 2는 원형 단면 영역을 갖는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 실시예를 도시한다. 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)는 각각의 마주보는 단부 영역 상에 하나 이상의 유입 개구(15)를 포함하고, 이 유입 개구를 통하여 공정 가스, 특히 수소가 가스 유입 및 가스 활성 요소의 유동 채널(7b) 내로 유도된다. 추가로, 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 종방향으로 서로 이격된 복수의 배출 개구(16)를 포함하고, 상기 배출 개구를 통하여 활성화된 원자 수소(atomic hydrogen)가 기판(2 또는 2a)의 방향으로 전달된다. 기판(2, 2a)의 방향으로 공정 가스의 유동 방향은 화살표(17)로 도 2에 도시된다. 추가로, 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 단부에서 유동 채널(7b)을 밀폐하기 위한 터미네이션 몸체(18)가 도 2에 도식적으로 도시된다.
증착 챔버 내의 압력에 대한 가스 유입 및 가스 활성 요소 내의 분압의 비율은 열적 활성화에 추가하여 충격 여기를 달성하기에 충분히 높다. 따라서 최대 9 %의 훨씬 높은 여기 속도가 달성된다. 또한, 활성화된 입자의 평균 자유 경로 길이는 수 센티미터까지 증가하며, 이로써 기판으로부터의 거리가 증가될 수 있고, 결과적으로 보다 균일한 다이아몬드 층이 생성된다.
도 3은 직사각형 단면 영역을 갖는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 대안의 실시예를 도시한다. 유입 개구(15)는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 상부 측면 상에 제공되고, 이를 통해 공정 가스, 특히 수소(또는 복수의 공정 가스)가 가스 및 파워 공급 요소(4)로부터 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)로 전달된다. 출구 개구(16)는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 하측 상에 배열되고 이 개구를 통하여 공정 가스는 기판(2, 2a)의 방향으로 유도된다.

Claims (20)

  1. 화학 기상 증착에 의해 기판(2, 2a)에 탄소 층을 도포하기 위한 장치(1)로서, 상기 장치는 증착 챔버(3)를 포함하고, 공정 가스가 상기 증착 챔버 속으로 공급될 수 있는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치에 있어서,
    중공 몸체의 형태를 가진 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)가 상기 공정 가스를 위한 유동 채널(7b), 상기 유동 채널(7b)을 둘러싸는 벽(7a) 및 상기 유동 채널(7b)로부터 상기 증착 챔버(3) 속으로 공정가스를 공급하는 배출 개구(16)를 포함하고,
    상기 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)을 가열하기 위한 가열 장치(8)가 제공되며,
    상기 유동 채널(7b)을 밀폐하기 위하여 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 단부에 터미네이션 몸체(18)가 부착되고,
    추가 탄소 함유 공정 가스는 상기 공정 가스와 서로 공간적으로 분리된 상태로 증착 챔버 속에 유입되도록 상기 증착 챔버(3) 속으로 추가 탄소 함유 공정 가스를 유입시키기 위한 추가 가스 입구 요소(10)가 제공되며,
    상기 추가 가스 유입 요소(10)에 의해 유입된 추가 탄소 함유 공정 가스가 상기 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)에 걸쳐 유동하도록 추가 가스 유입 요소(10)가 배열되는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열 장치(8)는 2000 °C 초과의 온도로 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)을 가열하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 장치(8)는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 저항 가열을 위해 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)에 연결된 파워 서플라이(8a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)는 증착 챔버(3) 내에서 수평으로 배열되는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서, 하나 이상의 배출 개구(16)는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 하측에 배열되고, 상기 하측은 기판(2, 2a)을 향하는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)는 복수의 배출 개구(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서, 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)는 원형 또는 직사각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서, 가열 장치(8)에 의해 가열될 수 있는 복수의 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)가 제공되는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서, 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)은 금속 또는 세라믹 재료 또는 그래파이트, 또는 열분해 탄소 또는 그로부터 형성된 복합 재료, 또는 섬유 강화 탄소로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  10. 화학 기상 증착에 의해 기판(2, 2a)에 탄소 층을 도포하기 위한 방법으로서, 공정 가스가 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)를 통하여 증착 챔버(3) 내로 유입되는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 방법에 있어서,
    상기 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)은 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 유동 채널(7b) 내에서 유동하는 공정 가스가 충격 여기 및 열 여기에 의해 여기되도록 가열되며,
    상기 유동 채널(7b)을 밀폐하기 위하여 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 단부에 터미네이션 몸체(18)가 부착되고,
    추가 탄소 함유 공정 가스가 추가 가스 유입 요소(10)를 통하여 증착 챔버(3) 속으로 유입되며, 추가 탄소 함유 공정 가스는 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)에 걸쳐 유동함으로써 열적으로 여기되고,
    상기 추가 탄소 함유 공정 가스는 상기 공정 가스와 서로 공간적으로 분리된 상태로 증착 챔버 속에 유입되는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)은 2000 °C 초과의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 탄소 층은 다이아몬드 층인 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 공정 가스는 분자 수소 및/또는 분자 수소와 탄소 함유 가스의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 탄소 함유 가스는 메탄이고, 상기 추가 탄소 함유 공정 가스가 메탄인 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  15. 제2항에 있어서, 상기 가열 장치(8)는 2200 °C 초과의 온도로 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)을 가열하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  16. 제9항에 있어서, 상기 금속은 탄탈륨 또는 몰리브덴 또는 텅스텐 또는 레늄을 포함하고, 상기 섬유 강화 탄소는 열분해 탄소로부터 형성된 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 장치.
  17. 제10항에 있어서, 상기 탄소 층은 다이아몬드 층인 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 방법.
  18. 제10항에 있어서, 상기 공정 가스는 수소인 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 방법.
  19. 제10항에 있어서, 상기 추가 탄소 함유 공정 가스는 메탄인 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 방법.
  20. 제11항에 있어서, 상기 가스 유입 및 가스 활성 요소(7)의 벽(7a)은 2200°C 초과의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 기판에 탄소 층을 도포하기 위한 방법.
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