KR102207607B1 - 다음극 직류전원 플라즈마 cvd 다이아몬드 성장 장치 - Google Patents

다음극 직류전원 플라즈마 cvd 다이아몬드 성장 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류전원 플라즈마 화학증착법을 이용하여 다이아몬드를 막상으로 합성할 수 있는 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치에 관한 것으로서, 플라즈마를 발생시켜 기판에 다이아몬드를 성장 시킬 수 있는 내부 공간이 형성되는 플라즈마 챔버와, 상기 기판을 지지할 수 있도록 상기 플라즈마 챔버의 상기 내부 공간에 설치되고, 일측이 접지되어 있는 양극부 및 상기 양극부와 대향되도록 상기 플라즈마 챔버의 상부에 설치되고, 서로 독립된 직류전원 공급장치와 연결되는 복수개의 음극 장치 조합으로 형성되며, 상기 음극 장치 조합 각각의 음극 간 이격 거리 조절이 가능한 음극부를 포함할 수 있다.

Description

다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치{DC power plasma CVD diamond growth apparatus}
본 발명은 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 직류전원 플라즈마 화학증착법을 이용하여 다이아몬드를 막상으로 합성할 수 있는 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치에 관한 것이다.
1980년대에 제안된 기상화학증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)법은 다이아몬드를 대면적에서 막상으로 합성할 수 있는 공정으로서, 원료 가스(주로 메탄)가 열이나 플라즈마 에너지에 의해 래디컬(Radical)로 분해되어 적정온도(600℃ ~ 1,200℃)로 유지되는 실리콘, 몰리브데늄 등 이종의 기판 상에 막형태로 증착될 수 있으며, 다이아몬드는 기판 상에서 다결정 입자로 핵생성하고 집합조직을 이뤄 주상정의 다이아몬드막(Polycrystalline film)으로 자랄 수 있다.
일반적으로, 이러한 CVD법에서는 원료 가스를 활성화시키는 에너지원의 종류에 따라 합성법이 세분화될 수 있다. 현재까지 상용에 사용되는 합성법은 마이크로웨이브 플라즈마(MW PACVD, Micro-wave plasma CVD)법과 핫필라멘트(HF CVD, Hot filament CVD)법이 있다. MW PACVD법은 투명한 고결정성 다이아몬드를 합성할 수 있고, 합성 면적은 직경 6인치에 이를 수 있다. HF CVD법은 결정성이 낮아 주로 공구용으로 사용되는데, 통상 공구 모재 상에 수 ㎛ 두께의 다이아몬드를 증착하는 직접 코팅에 사용되며 합성면적은 ㎡ 규모가 가능할 수 있다. 또한, 직접 코팅과는 달리 기판에 다이아몬드를 후막(두께 100㎛ ~ 2mm)으로 증착 후 분리하는 자유막 형태로도 제조될 수 있다. 이 두 방법의 경우 직경 4인치 정도 이상의 대면적에서는 성장속도가 1㎛/h로 낮아, 100㎛ 이상의 후막합성에는 어려움이 있었다.
한편, 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 합성법의 경우 20㎛/h의 고속 합성이 가능하지만, 합성 중에 플라즈마와 접촉되는 음극에 흑연성 증착물이 발생하여 플라즈마가 불안정하고, 이러한 이유로 대면적화에 어려움이 있었다. 이에 따라, 본 발명자 등은 2000℃ 이상으로 유지되는 여러 개의 작은 음극을 사용하는 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 합성법을 개발하였다. (미국특허 등록번호 5,647,964)
그러나, 이러한 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 합성법에서 각 음극은 독립된 직류전원 공급장치를 가지는데, 이를 위한 종래의 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치에서는 장치가 제작되면 각 음극 간의 이격 거리 조절이 불가능하여, 다음극을 채용하는 장치의 특성상 플라즈마의 균일성이 합성 조건 변화에 따라 함께 변화하여 균일한 다이아몬드 웨이퍼 합성이 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 합성법에서 합성 조건 변화에 따라 각 음극 간의 이격 거리 조절을 용이하게 하여, 플라즈마의 균일성을 향상시킴으로서 두께 분포가 균일한 다이아몬드 웨이퍼를 제조할 수 있는 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치가 제공된다. 상기 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치는, 플라즈마를 발생시켜 기판에 다이아몬드를 성장 시킬 수 있는 내부 공간이 형성되는 플라즈마 챔버; 상기 기판을 지지할 수 있도록 상기 플라즈마 챔버의 상기 내부 공간에 설치되고, 일측이 접지되어 있는 양극부; 및 상기 양극부와 대향되도록 상기 플라즈마 챔버의 상부에 설치되고, 서로 독립된 직류전원 공급장치와 연결되는 복수개의 음극 장치 조합으로 형성되며, 상기 음극 장치 조합 각각의 음극 간 이격 거리 조절이 가능한 음극부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극 장치는, 상기 플라즈마 챔버의 상부에 설치되고, 원기둥 형상으로 형성되어 상기 직류전원 공급장치와 연결되는 음극 본체; 상기 음극 본체와 동일한 지름의 원기둥 형상으로 형성되어 상기 음극 본체의 단부에 나사 결합되는 음극 홀더; 상기 음극 홀더 보다 작은 지름의 봉 형상으로 형성되어 상기 음극 홀더의 단부에 나사 결합되는 음극 현수봉; 및 상기 음극 현수봉 보다 큰 지름의 원기둥 형상으로 형성되어 상기 음극 현수봉의 단부에 나사 결합되는 상기 음극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극 홀더는, 상기 음극 현수봉의 결합 위치를 조절할 수 있도록, 상기 음극 현수봉이 나사 결합되는 나사홀부가 복수개 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극 홀더는, 중심부에 형성되는 하나의 중심 나사홀부를 중심으로 복수개의 상기 나사홀부가 5mm 이내 반경의 방사상으로 등각 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극 홀더는, 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나의 고융점 금속으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극은, 5mm 내지 10mm의 지름을 가지는 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극 현수봉은, 2mm 내지 4mm의 지름과 10mm 내지 20mm의 길이를 가지는 봉 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극 및 상기 음극 현수봉은, 탄탈륨(Ta)으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극부는, 상기 음극 장치의 조합 각각의 상기 음극 간 상기 이격 거리가 35mm 내지 50mm로 형성되고, 각각의 상기 음극 간 상기 이격 거리는 동일하게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극 장치의 조합은, 중심부에 형성되는 하나의 중심 음극 장치를 중심으로 복수개의 상기 음극 장치가 방사상으로 등각 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극 장치의 조합은, 7개의 상기 음극 장치로 형성되고, 중심부에 형성되는 하나의 상기 중심 음극 장치를 중심으로 6개의 상기 음극 장치가 방사상으로 60도 간격으로 등각 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 음극 장치의 조합은, 각각의 상기 음극 장치의 중심 간 간격이 43mm 내지 47mm 간격으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 내부 공간의 플라즈마 반응 압력을 조절할 수 있도록, 상기 플라즈마 챔버의 일측에 설치되는 진공 펌프; 및 상기 내부 공간으로 원료 가스를 주입할 수 있도록, 상기 플라즈마 챔버의 타측에 연결되는 가스 유입부;를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 합성법에서 합성 조건 변화에 따라 각 음극 간의 이격 거리 조절을 용이하게 하여, 플라즈마의 균일성을 향상시킴으로서 두께 분포가 균일한 다이아몬드 웨이퍼를 제조할 수 있는 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치의 복수개의 음극 장치 조합의 배열을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치의 음극 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 음극 장치의 음극 홀더를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 3의 음극 장치의 음극 간 이격 거리를 조절한 모습을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)의 복수개의 음극 장치 조합(30)의 배열을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 그리고, 도 3은 도 1의 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)의 음극 장치(32)를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 3의 음극 장치(32)의 음극 홀더(32b)를 개략적으로 나타내는 단면도이며, 도 5 및 도 6은 도 3의 음극 장치(32)의 음극(N) 간 이격 거리(D)를 조절한 모습을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)는, 플라즈마 챔버(10)와, 양극부(20)와, 음극부(30)와, 진공 펌프(40)와, 가스 유입부(50) 및 직류전원 공급장치(60)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 챔버(10)는, 플라즈마(P)를 발생시켜 기판(S)에 다이아몬드를 성장 시킬 수 있는 내부 공간(A)이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 플라즈마 챔버(10)는, 내부에 원형 또는 사각 형상으로 형성되는 내부 공간(A)이 형성되고, 내부 공간(A) 내에 설치된 양극부(20) 및 음극부(30)를 이용하여 플라즈마(P)를 발생시켜, 디스크 형상의 몰리브데늄(Mo)으로 형성된 기판(S)에 다이아몬드막을 성장시키는 공정이 진행될 수 있다.
또한, 플라즈마 챔버(10)는, 내부 공간(A)의 진공 분위기를 형성하고, 진공도를 조절하여 내부 공간(A)의 플라즈마 반응 압력을 조절할 수 있도록, 일측에 진공 펌프(40)가 설치되고, 내부 공간(A)으로 수소와 탄화수소 및 산소가 혼합된 원료 가스가 주입될 수 있도록 타측에 원료 가스 공급원과 연결되는 관 형상의 가스 유입부(50)가 설치될 수 있다. 더불어, 도시되지 않았지만 플라즈마 챔버(10)의 일측면에는 기판(S)을 내부 공간(A)으로 로딩 또는 언로딩할 수 있는 게이트가 형성될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 양극부(20)는, 기판(S)을 지지할 수 있도록 플라즈마 챔버(10)의 내부 공간(A)에 설치되고, 상면에 안착된 기판(S)에 다이아몬드막이 균일한 두께로 성장할 수 있도록 플라즈마 챔버(10)의 중심축을 기준으로 회전 가능하게 설치될 수 있다.
이와 같이, 기판 지지대의 역할을 하는 양극부(20)는, 가스 유입부(50)를 통해서 내부 공간(A)을 공급되는 원료 가스를 플라즈마화 하기 위한 하부 전극으로의 기능을 할 수 있도록 일측이 접지되어 있으며, 음극부(30)의 복사열에 의해 기판(S)이 과열되는 것을 방지할 수 있도록 구리(Cu)로 형성되어 그 내부에는 냉각수가 흐르는 냉각유로가 형성될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 음극부(30)는, 양극부(20)와 대향되도록 플라즈마 챔버(10)의 상부에 설치되고, 서로 독립된 직류전원 공급장치(60)와 연결되는 복수개의 음극 장치 조합으로 형성될 수 있다. 이때, 음극부(30)는 플라즈마 챔버(10)의 상면에 형성된 탑 플레이트(11)에 설치되어, 음극부(30)의 유지 보수나 챔버(10) 내부의 유지 보수 시 탑 플레이트(11)의 분해만으로 용이하게 유지 보수를 실시할 수 있다.
더욱 구체적으로, 진공 펌프(40)에 의해 진공 상태로 유지되는 플라즈마 챔버(10) 내부 공간(A)의 하부와 상부에 양극부(20)와 음극부(30)가 대향되게 일정 거리 이격되어 설치되고, 플라즈마 챔버(10)의 일측에는 상기 원료 가스의 유입을 위한 가스 유입부(50)와 타측에는 플라즈마 반응 압력 조절을 위한 진공 펌프(40)가 설치될 수 있다.
음극부(30)의 상기 음극 장치 조합은, 서로 독립된 직류전원 공급장치(60)와 각각 연결될 수 있으며, 이는 상기 음극 장치 조합이 동일한 직류전원 공급장치에 연결될 경우 각 음극 장치의 음극(N)과 양극부(20) 사이에 전기저항에 차이가 발생하면 각 음극 장치 중 하나의 음극(N)으로만 전류가 흐르게 되는 현상을 방지하기 위해서일 수 있다.
예컨대, 음극부(30)의 각 음극 장치 중 일부의 음극(N)으로만 전류가 흐르게 되면 플라즈마(P)는 전류가 흐르는 음극(N)과 양극부(20) 사이에만 형성되어 플라즈마(P)의 크기가 줄어들고 그 형상이 일측으로만 치우치게 형성되어 기판(S)에 균일한 다이아몬드막의 합성이 불가능해질 수 있다.
이에 따라, 음극부(30)의 각 음극 장치가 서로 독립된 직류전원 공급장치(60)와 각각 연결되어, 각 음극 장치의 음극(N)과 양극부(20) 사이에 균일한 전류가 흐를 수 있도록, 전류 밀도를 각각 조절하여 플라즈마(P)가 대면적에 걸쳐서 균일하게 발생하도록 유도할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 합성법에서 합성 조건 변화에 따라 플라즈마(P)의 균일성을 유지할 수 있도록, 음극부(30)의 상기 음극 장치 조합 각각의 음극(N) 간 이격 거리(D)를 조절할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 음극부(30)의 상기 음극 장치 조합은, 중심부에 형성되는 하나의 중심 음극 장치(31)를 중심으로 복수개의 음극 장치(32)가 방사상으로 일정 각도(θ)로 등각 배치될 수 있다. 예컨대, 음극부(30)는, 7개의 음극 장치 조합으로 형성되고, 중심부에 형성되는 하나의 중심 음극 장치(31)를 중심으로 6개의 음극 장치(32)가 방사상으로 60도 간격으로 등각 배치될 수 있다.
이때, 중심 음극 장치(31)와 각각의 음극 장치(32)는, 중심 간의 간격(d1)이 43mm 내지 47mm 간격으로 형성되고, 각 중심 간의 간격(d1)이 동일하게 형성되는 것이 균일한 플라즈마(P) 발생을 위해 바람직할 수 있다. 이와 같은, 음극부(30)의 상기 음극 장치 조합의 음극 장치의 개수나 배열 형태 등과 같은 구성은, 반드시 이에 국한되지 않고 다이아몬드막의 합성 면적이나 합성 조건에 따라 다양하게 조절이 가능할 수 있다.
각 음극 장치(32)의 구조에 대해 상세히 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 음극 장치(32)는, 플라즈마 챔버(10)의 상부의 탑 플레이트(11)에 설치되고, 원기둥 형상으로 형성되어 직류전원 공급장치(60)와 연결되는 음극 본체(32a)와, 음극 본체(32a)와 동일한 지름의 원기둥 형상으로 형성되어 음극 본체(32a)의 단부에 나사 결합되는 음극 홀더(32b)와, 음극 홀더(32b) 보다 작은 지름의 봉 형상으로 형성되어 음극 홀더(32b)의 단부에 나사 결합되는 음극 현수봉(32c) 및 음극 현수봉(32c) 보다 큰 지름의 원기둥 형상으로 형성되어 음극 현수봉(32c)의 단부에 나사 결합되는 상기 음극(N)으로 구성될 수 있다.
예컨대, 음극(N)은, 음극 본체(32a)의 하단부에 형성된 음극 현수봉(32c)에 의해 플라즈마 챔버(10)의 내부 공간(A) 내에서 현수(懸垂)된 상태를 유지할 수 있다. 또한, 음극 본체(32a)는, 접지되어 양극을 가지는 플라즈마 챔버(10) 몸체 또는 양극부(20)와의 아크 발생을 방지할 수 있도록 외면에 금속제 차폐막이 형성되거나 질화붕소 등의 절연세라믹스로 피복될 수 있으며, 내부에는 냉각수가 흐르는 냉각 유로가 형성되어 내부에서 냉각수의 순환이 이루어지도록 구성될 수 있다.
음극 본체(32a)와 음극(N) 사이에 형성되어 이를 연결하는 음극 현수봉(32a)은, 음극 본체(32a)나 음극(N) 보다 작은 지름의 봉 형상으로 형성되어, 플라즈마(P) 발생 시 고온 상태의 음극(N)으로부터 냉각수에 의해 냉각된 음극 본체(32a)로 열이 전도되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 예컨대, 음극(N)은, 5mm 내지 10mm의 지름을 가지는 원기둥 형상으로 형성되고, 음극 현수봉(32c)은, 2mm 내지 4mm의 지름과 10mm 내지 20mm의 길이를 가지는 봉 형상으로 형성될 수 있다.
이때, 음극(N) 및 음극 현수봉(32c)은, 플라즈마(P) 발생 시 2000℃ 이상의 고온에서도 변형이 발생하지 않도록, 탄화텅스텐, 탄화탄탈륨, 탄화티타늄 등의 고융점탄화물이나, 텅스텐, 탄탈륨 등의 고융점금속 재질로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 음극 현수봉(32c)은, 음극 홀더(32b)를 통해서 음극 본체(32a)의 하단부에 결합될 수 있으며, 음극 홀더(32b)에는 음극 현수봉(32c)이 나사 결합되는 나사홀부(H)가 복수개 형성되어, 음극 현수봉(32c)의 결합 위치를 다양하게 조절할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나의 고융점 금속으로 형성되는 음극 홀더(32b)의 하면에는, 중심부에 형성되는 하나의 중심 나사홀부(CH)를 중심으로 복수개의 나사홀부(H)가 5mm 이내 반경의 방사상으로 등각 배치될 수 있다. 따라서, 음극 홀더(32b)는, 각각의 나사홀부(H) 중심 간의 간격(d2)이 5mm 이내의 간격으로 형성될 수 있다.
이에 따라, 각 음극 장치(32)의 음극 홀더(32b) 마다 음극 현수봉(32c)이 결합되는 나사홀부(H)의 위치를 동일하게 또는 다르게 설정하여, 각 음극 장치(32) 간의 음극(N)의 이격 거리(D)를 합성 조건 변화에 따라 적절하게 조절할 수 있다.
예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 음극부(30)의 상기 음극 장치 조합의 중심 음극 장치(31)와 그 주변의 음극 장치(32)의 각 음극 현수봉(32c)을 음극 홀더(32b)의 중심부의 나사홀부(H)에 체결하여 각 음극(N) 간의 이격 거리(D)가 제 1 이격 거리(D1)를 가지도록 배치할 수 있다.
다른 예로, 다이아몬드막의 합성 조건 등이 변화되어 균일한 플라즈마(P) 발생을 위해서 각 음극(N) 간의 이격 거리(D) 조절이 필요할 경우에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 중심 음극 장치(31) 주변의 음극 장치(32)의 각 음극 현수봉(32c)을 음극 홀더(32b)의 편심된 위치에 있는 나사홀부(H)에 체결하여 각 음극(N) 간의 이격 거리(D)를 제 1 이격 거리(D1)와 다른 제 2 이격 거리(D2)로 조절할 수 있다. 이때, 각 음극(N) 간의 이격 거리(D)는 35mm 내지 50mm가 바람직할 수 있으며, 각각의 음극(N) 간 이격 거리(D)는 동일하게 형성될 수 있다.
이와 같은, 음극(N) 간 이격 거리(D)를 조절하는 공정은, 음극부(30)가 설치된 탑 플레이트(11)를 플라즈마 챔버(10)로부터 분리하여 간단하게 실시될 수 있으며, 상술한 실시 예에서는 각 음극(N) 간 이격 거리(D)를 동일하게 조절하는 것으로 설명하였지만, 반드시 이에 국한되지 않고 다이아몬드막의 합성 조건에 따라 각 음극(N) 간 이격 거리(D)를 서로 다르게 설정할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)는, 직류전원 공급장치(60)를 통해 플라즈마 챔버(10)의 내부 공간(A)에 설치된 음극부(30)와 양극부(20)에 전류를 가하고, 가스 유입부(50)를 통해서 내부 공간(A)으로 상기 원료 가스를 유입시킨 후, 음극부(30)와 양극부(20) 사이의 공간에서 플라즈마(P)를 형성시킴으로써, 상기 원료 가스를 분해하여 기판(S)의 표면에 다이아몬드막의 합성이 이루어지도록 할 수 있다.
이때, 대면적의 다이아몬드막을 합성하기 위하여 음극부(30)의 음극(N)의 면적을 증가 시킬 경우, 음극(N)에서 온도구배가 발생하여 플라즈마(P)가 일측으로 기울어지는 현상이 발생하고 음극(N)에 탄소 증착이 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명의 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)는, 음극부(30)가 독립된 직류전원 공급장치(60)로부터 전류를 인가 받는 복수 개의 음극 장치 조합으로 형성되어 복수 개의 음극(N)을 형성함으로써, 대면적의 다이아몬드막 합성 시에도 각 음극(N)의 온도구배 발생 없이 플라즈마(P)를 대면적에 걸쳐서 균일하게 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)는, 각기 독립된 직류전원과 연결된 다음극 구조로서, 직류전원 플라즈마 화학증착법에 의해 수십㎛/h의 높은 속도로 다이아몬드의 고속 대면적 합성이 가능할 수 있다.
또한, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 합성법에서 합성 조건이 변화할 경우, 필요에 따라 각 음극(N) 간의 이격 거리(D) 조절을 자유롭게 하여, 다음극의 배열 및 구조를 최적화할 수 있다. 이에 따라, 어떠한 합성 조건에서도 대면적에 걸쳐 발생하는 플라즈마(P)의 균일성을 용이하게 유지할 수 있으므로, 직경 4인치 이상의 대면적의 합성면적에서 두께 분포가 10% 이내로 균일한 두께 1mm 내외의 자유막 다이아몬드 웨이퍼를 효과적으로 제조할 수 있다. 이러한 본 발명의 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)로 제조된 상기 다이아몬드 웨이퍼는, 예를 들면, HEMT용 `GaN on diamond` 등에서 열발산체로 사용될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)는, 다이아몬드의 합성 시, 단음극 사용 시와 동일한 정도의 수십㎛/h의 높은 속도를 얻을 수 있으며, 다이아몬드막의 합성 면적은 음극(N)의 개수를 증가시키고 각 음극(N)의 배열 및 이격 거리(D) 조절을 최적화함으로써 필요에 따라 용이하게 증가시킬 수 있다. 이와 같은, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)는, 다이아몬드의 중요 응용분야인 고열전도성 기판재의 합성이나 적외선 투과창등의 다이아몬드 후막합성에 유용하게 이용될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)를 이용한 구체적인 합성방법과 효과는 다음 실험예를 통하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
[실험예 1]
본 발명의 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치(100)의 플라즈마 챔버(10) 내부 공간(A)에 설치된 양극부(20) 위에 직경 4인치 몰리브데늄 디스크(기판)를 장입한 후, 가스유량 200sccm, 조성 12%CH4-H2, 압력 100Torr, 증착온도 1,200℃, 파워 14kW 조건에서 기판(S)을 회전하며 100시간 동안 다이아몬드 합성 실험을 행하였다. 합성 종료 후, 기판(S)에서 분리된 다이아몬드 웨이퍼의 두께는 위치에 따라 980㎛ ~ 1,050㎛(성장속도 9.8㎛/h ~ 10.5㎛/h)이었다. 즉, 두께 분포는 10% 이내였다.
[실험예 2]
실험예 1에 나타낸 동일조건으로 하고, 압력을 150Torr로 올렸을 경우, 성장 속도는 11㎛/h ~ 14㎛/h로 높아졌으나, 두께 분포는 약 15%로 불균일해졌다. 이에, 주변 음극 6개 중 하나씩 건너뛰며 3개의 음극을 중심쪽으로 5mm 이동한 후, 동일조건에서 90시간 다이아몬드 합성 실험을 행하였다. 이 경우, 합성 종료 후, 기판(S)에서 분리된 다이아몬드 웨이퍼의 두께는 위치에 따라 970㎛ ~ 1,050㎛(성장속도 10.8㎛/h ~ 11.7㎛/h)이었다. 즉, 음극 위치 및 배열의 최적화에 따라 두께 분포는 15%에서 10% 이내로 개선된 것으로 나타났다.
[실험예 3]
실험예 1에 나타낸 동일조건으로 하고, 메탄조성을 15%로 높여 70시간 다이아몬드 합성 실험을 행하였다. 합성 종료 후, 기판(S)에서 분리된 다이아몬드 웨이퍼의 두께는 위치에 따라 950㎛ ~ 1,025㎛(성장속도 13.6㎛/h ~ 14.6㎛/h)의 두께분포를 보였다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 플라즈마 챔버
20: 양극부
30: 음극부
40: 진공 펌프
50: 가스 유입부
60: 직류전원 공급장치
N: 음극
S: 기판
P: 플라즈마
A: 내부 공간
H: 나사홀부
100: 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치

Claims (13)

  1. 직류전원 플라즈마를 발생시켜 기판에 다이아몬드를 성장 시킬 수 있는 내부 공간이 형성되는 플라즈마 챔버;
    상기 기판을 지지할 수 있도록 상기 플라즈마 챔버의 상기 내부 공간에 설치되고, 일측이 접지되어 있는 양극부; 및
    상기 양극부와 대향되도록 상기 플라즈마 챔버의 상부에 설치되고, 서로 독립된 직류전원 공급장치와 연결되는 복수개의 음극 장치의 조합으로 형성되며, 상기 음극 장치 조합 각각의 음극 간 이격 거리 조절이 가능한 음극부;를 포함하고,
    상기 음극 장치는,
    상기 플라즈마 챔버의 상부에 설치되고, 원기둥 형상으로 형성되어 상기 직류전원 공급장치와 연결되는 음극 본체;
    상기 음극 본체와 동일한 지름의 원기둥 형상으로 형성되어 상기 음극 본체의 단부에 나사 결합되는 음극 홀더;
    상기 음극 홀더 보다 작은 지름의 봉 형상으로 형성되어 상기 음극 홀더의 단부에 나사 결합되는 음극 현수봉; 및
    상기 음극 현수봉 보다 큰 지름의 원기둥 형상으로 형성되어 상기 음극 현수봉의 단부에 나사 결합되는 상기 음극;을 포함하고,
    상기 음극 홀더는,
    상기 음극 현수봉의 결합 위치를 조절할 수 있도록, 상기 음극 현수봉이 나사 결합되는 나사홀부가 복수개 형성되는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 홀더는,
    중심부에 형성되는 하나의 중심 나사홀부를 중심으로 복수개의 상기 나사홀부가 5mm 이내 반경의 방사상으로 등각 배치되는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 홀더는,
    텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나의 고융점 금속으로 형성되는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극은,
    5mm 내지 10mm의 지름을 가지는 원기둥 형상으로 형성되는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 현수봉은,
    2mm 내지 4mm의 지름과 10mm 내지 20mm의 길이를 가지는 봉 형상으로 형성되는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 및 상기 음극 현수봉은, 탄탈륨(Ta)으로 형성되는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극부는,
    상기 음극 장치의 조합 각각의 상기 음극 간 상기 이격 거리가 35mm 내지 50mm로 형성되고, 각각의 상기 음극 간 상기 이격 거리는 동일하게 형성되는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극 장치의 조합은,
    중심부에 형성되는 하나의 중심 음극 장치를 중심으로 복수개의 상기 음극 장치가 방사상으로 등각 배치되는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 음극 장치의 조합은,
    7개의 상기 음극 장치로 형성되고, 중심부에 형성되는 하나의 상기 중심 음극 장치를 중심으로 6개의 상기 음극 장치가 방사상으로 60도 간격으로 등각 배치되는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 음극 장치의 조합은,
    각각의 상기 음극 장치의 중심 간 간격이 43mm 내지 47mm 간격으로 형성되는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 공간의 플라즈마 반응 압력을 조절할 수 있도록, 상기 플라즈마 챔버의 일측에 설치되는 진공 펌프; 및
    상기 내부 공간으로 원료 가스를 주입할 수 있도록, 상기 플라즈마 챔버의 타측에 연결되는 가스 유입부;
    를 더 포함하는, 다음극 직류전원 플라즈마 CVD 다이아몬드 성장 장치.
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