KR102366951B1 - 플라즈마 증착 장치 - Google Patents

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최철헌
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Abstract

본 발명은 플라즈마 증착 장치에 관한 것으로, 상압 분위기 하에서 플라즈마에 의해 활성화된 반응 가스를 기판에 분사하는 제1 및 제2 노즐 영역과 제1 및 제2 노즐 영역 사이에 배치되어 소스 가스를 기판에 분사하는 제3 노즐 영역을 포함하는 노즐 모듈, 일정 압력으로 제1 및 제2 노즐 영역에 반응 가스를 공급하고, 제3 노즐 영역에 소스 가스를 공급하는 공정 가스 공급 탱크, 및 노즐 모듈을 일정 방향으로 이동시키는 노즐 이동 모듈을 포함한다.

Description

플라즈마 증착 장치{PLASMA DEPOSITION APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 증착 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상압 분위기 하에서 유기 금속이 포함된 타겟 박막을 금속 기판 상에 증착할 수 있는 플라즈마 증착 장치에 관한 것이다.
일반적으로 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)를 구성하는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)는 기계적, 전기적, 열적 특성이 우수한 금속을 이용한다. 예를 들어, 바이폴라 플레이트를 스테인리스 강(STEEL USE STAINLESS; SUS)이나 티타늄 등과 같은 금속 플레이트로 형성할 경우 접촉 저항을 줄이고, 내부식성을 높이기 위해 금속 플레이트는 일반적으로 적어도 하나의 전도성 박막으로 코팅될 수 있다.
코팅 물질은 그라파이트 카본(graphite carbon), 카본 블랙(carbon black) 등의 카본 기반의 물질과 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등의 금속을 기반으로 하는 물질로 분류될 수 있다. 여기에서, 카본 기반의 재료는 흑연, g-C3N4, 그라핀, CNT, 전도성 고분자, DLC(Diamond-Like Carbon) 등을 포함할 수 있고, 금속 기반의 재료는 귀금속, 금속 질화물, 금속 탄화물 등을 포함할 수 있다.
그런데, 상기와 같은 코팅 물질을 전기 도금이나 스프레이 코팅과 같은 습식 방식으로 코팅하는 방법은 대량 양산 시 두께를 균일하게 코팅하기 어렵고, 금속 재료를 적용하기 어려운 한계가 있다. 또한, 물리 기상 증착법(PVD; Physical Vapor Deposition)이나 화학 기상 증착법(CVD; Chemical Vaper Deposition)과 같은 진공을 이용한 건식 방식의 경우 금속 플레이트와 코팅 물질(질화막, 탄화막) 간의 열팽창 계수 차이로 인한 크랙이 유발되거나, 금속 플레이트와 카본 테이프(carbon tape) 사이의 환원 전위 차이로 인해 갈바닉 부식(galvanic corrosion)이 유발되는 등 공정 제어가 어려운 한계가 있다.
본 발명의 일 실시예는 상압 분위기 하에서 유기 금속이 포함된 타겟 박막을 금속 기판 상에 증착할 수 있는 플라즈마 증착 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 플라즈마 증착 장치는 상압 분위기 하에서 플라즈마에 의해 활성화된 반응 가스를 기판에 분사하는 제1 및 제2 노즐 영역과 상기 제1 및 제2 노즐 영역 사이에 배치되어 소스 가스를 상기 기판에 분사하는 제3 노즐 영역을 포함하는 노즐 모듈; 일정 압력으로 상기 제1 및 제2 노즐 영역에 상기 반응 가스를 공급하고, 상기 제3 노즐 영역에 상기 소스 가스를 공급하는 공정 가스 공급 탱크; 및 상기 노즐 모듈을 일정 방향으로 이동시키는 노즐 이동 모듈을 포함한다.
여기에서, 상기 플라즈마에 의해 활성화된 반응 가스는 타겟 박막층의 음이온을 형성하고, 상기 소스 가스는 상기 타겟 박막층의 금속 전구체이다.
여기에서, 상기 타겟 박막층은 유기 금속 전구체를 포함한다.
여기에서, 상기 노즐 모듈은 접지 전극으로 동작하고, 상기 제1 내지 제3 노즐 영역을 포함하는 하우징; 상기 제1 내지 제3 노즐 영역 상에 각각 배치되고, 복수의 홀을 갖는 제1 내지 제3 샤워 플레이트; 상기 하우징의 일측 내벽면과 일정 간격 이격되어 배치되고, 전원을 공급받아 상기 제1 노즐 영역에 상기 플라즈마를 발생시키는 제1 고전압 전극; 및 상기 하우징의 타측 내벽면과 일정 간격 이격되어 배치되고, 상기 전원을 공급받아 상기 제2 노즐 영역에 플라즈마를 발생시키는 제2 고전압 전극을 포함한다.
여기에서, 상기 제1 내지 제3 샤워 플레이트는 세라믹으로 형성된다.
여기에서, 상기 제1 및 제2 고전압 전극은 서로 평행하게 배치된다.
여기에서, 상기 노즐 모듈은 상기 제1 고전압 전극의 전극면 중 상기 하우징의 일측 내벽면에 대면하는 전극면을 제외한 나머지 전극면 상에 형성된 제1 플라즈마 차폐 부재; 및 상기 제2 고전압 전극의 전극면 중 상기 하우징의 타측 내벽면에 대면하는 전극면을 제외한 나머지 전극면 상에 형성된 제2 플라즈마 차폐 부재를 포함한다.
여기에서, 상기 제1 및 제2 플라즈마 차폐 부재는 세라믹으로 형성된다.
여기에서, 상기 기판은 금속 기판을 포함한다.
여기에서, 상기 공정 가스 공급 탱크는 상기 상압보다 높은 압력으로 상기 반응 가스 및 소스 가스를 공급한다.
여기에서, 상기 노즐 이동 모듈은 상기 노즐 모듈을 왕복 이동시켜 상기 기판의 전체 면적을 스캐닝한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 장치는 상압 분위기 하에서 유기 금속이 포함된 타겟 박막을 금속 기판 상에 증착할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 시스템을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 노즐 모듈을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 장치를 이용하여 생성된 라디칼의 결합 에너지를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 시스템(1)은 플라즈마 증착 장치(100) 및 기판(200)을 포함할 수 있다. 플라즈마 증착 장치(100)는 상압 분위기 하에서 기판(200) 상에 타겟 박막을 증착 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기판(200)은 금속 기판으로서, 예를 들어 스테인리스 강(SUS)을 포함할 수 있다.
플라즈마 증착 장치(100)는 노즐 모듈(110), 전원 공급원(120), 공정 가스 공급 탱크(130), 노즐 이동 모듈(140), 기판 이동 모듈(150), 캐리어 가스 공급 탱크(160) 및 배기 모듈(170)을 포함할 수 있다. 노즐 모듈(110)은 복수의 노즐이 결합된 멀티 노즐(multi-nozzle)로 동작하며, 적어도 2개의 플라즈마 노즐과 소스 노즐이 결합된 구조로 형성될 수 있다. 여기에서, 소스 노즐은 2개의 플라즈마 노즐 사이에 배치될 수 있다.
구체적으로, 노즐 모듈(110)은 적어도 3개의 노즐 영역으로 구분되고, 3개의 노즐 영역 중 중앙의 노즐 영역에서 소스 가스를 분사하고, 나머지 노즐 영역에서 플라즈마에 의해 활성화된 반응 가스를 분사할 수 있다. 여기에서, 소스 가스는 타겟 박막에 대응하는 유기 금속이 포함된 전구체(precursor)이고, 반응 가스는 플라즈마와 반응하여 타겟 박막의 음이온 라디칼(radical)을 생성할 수 있는 가스일 수 있다. 예를 들어, 타겟 박막이 TiCN인 경우 소스 가스는 Ti 전구체이고, 반응 가스는 톨루엔(toluene) 및 질소(N2)일 수 있다. 여기에서, 톨루엔은 액상의 탄화수소 화합물로서, 액상의 톨루엔은 기화되어 반응 가스로 공급될 수 있다.
노즐 모듈(110)은 노즐 이동 모듈(140)에 의해 일정 방향으로 이동하면서 기판(200) 상에 타겟 박막을 증착할 수 있다. 노즐 모듈(110)의 이동에 의해 중앙의 노즐 영역에서 분사된 유기 금속 전구체와 음이온 라디칼이 결합하여 타겟 박막이 형성될 수 있다.
노즐 모듈(110)은 상압 분위기 하에서 타겟 박막을 증착하고, 공정 가스의 공급 압력을 이용하여 중앙의 노즐 영역을 제외한 나머지 노즐 영역에서 플라즈마 커튼을 형성할 수 있다. 유기 금속 전구체의 경우 플라즈마에 의해 활성화되면 파우더 형태로 변형되어 증착될 수 없는 상태가 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 모듈(110)은 소스 가스가 플라즈마에 노출되는 것을 방지하기 위해 중앙의 노즐 영역으로의 플라즈마 흐름을 차단하고, 중앙의 노즐 영역의 양 옆으로 플라즈마 커튼을 형성한다.
여기에서, 플라즈마 커튼을 형성하기 위해 노즐 모듈(110)은 공정 가스 공급 탱크(130)로부터 공정 가스를 상압보다 높은 압력으로 공급받을 수 있다. 공정 가스의 공급 압력과 상압 간의 차이에 의해 분사 속도는 증가될 수 있다. 높은 분사 속도에 의해 플라즈마 커튼이 형성되고, 플라즈마 커튼에 의해 플라즈마가 중앙의 노즐 영역으로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 노즐 모듈(110)은 소스 가스를 반응 가스보다 높은 압력으로 공급받아 중앙의 노즐 영역의 분사 속도를 나머지 노즐 영역보다 증가시킬 수 있다. 이 경우 소스 가스는 나머지 노즐 영역으로 확산되지 않고, 중앙의 노즐 영역 내에서만 분사될 수 있다. 이로 인해, 소스 가스가 플라즈마에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
전원 공급원(120)은 노즐 모듈(110)에 전원을 공급할 수 있다. 여기에서, 전원은 교류(AC) 전압 또는 고주파(RF) 전압일 수 있다. 예를 들어, 전원 공급원(120)은 노즐 모듈(10)에 40kHz의 전압을 공급할 수 있다.
공정 가스 공급 탱크(130)는 상압보다 높은 압력으로 노즐 모듈(110)에 공정 가스를 공급할 수 있다. 예를 들어, 공정 가스 공급 탱크(130)는 10기압의 압력으로 노즐 모듈(110)에 공정 가스를 공급할 수 있다. 또한, 공정 가스 공급 탱크(130)는 노즐 모듈(110)에 반응 가스보다 더 높은 압력으로 소스 가스를 공급할 수 있다.
노즐 이동 모듈(140)은 노즐 모듈(110)을 일정 방향으로 이동시킬 수 있다. 노즐 이동 모듈(140)은 기판(200)의 제1 방향으로 노즐 모듈(110)을 왕복 이동시킬 수 있다.
기판 이동 모듈(150)은 기판(200)을 일정 방향으로 이동시킬 수 있다. 기판 이동 모듈(140)은 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 기판(200)을 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 기판(200)이 상하 방향으로 이동할 때, 노즐 모듈(110)은 좌우 방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 노즐 모듈(110)은 기판(200)의 전체 영역을 스캐닝(scanning)할 수 있다.
캐리어 가스 공급 탱크(160)는 박막 증착 공정을 진행하기 위한 공정 하우징(미도시)에 결합되고, 공정 하우징 내부에 캐리어 가스를 공급하여 플라즈마 분위기를 형성한다. 여기에서, 캐리어 가스는 아르곤(Ar) 등의 불활성 기체 또는 질소(N2) 가스일 수 있다.
배기 모듈(170)은 공정 하우징에 결합되고, 공정 하우징 내부의 가스를 외부로 배기시킬 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 노즐 모듈을 도시한 도면이고, 도 2는 평면도이고, 도 3은 도 2의 A-A' 절단면을 따라 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 노즐 모듈(110)은 하우징(111), 제1 고전압 전극(113a), 제2 고전압 전극(113b), 제1 플라즈마 차폐 부재(115a), 제2 플라즈마 차폐 부재(115b), 제1 샤워 플레이트(117a), 제2 샤워 플레이트(117b), 제3 샤워 플레이트(117c), 제1 격벽(119a) 및 제2 격벽(119b)를 포함할 수 있다.
여기에서, 하우징(111)은 전도성을 갖고, 사각형 형상으로 형성될 수 있다. 하우징(111)은 접지되어 그 자체가 접지 전극으로 동작될 수 있다. 하우징(111)의 내부 영역은 제1 내지 제3 노즐 영역(NA1, NA2, NA3)으로 구분될 수 있다. 즉, 하우징(111)은 내부에 제1 플라즈마 노즐(PN1), 제2 플라즈마 노즐(PN2) 및 소스 노즐(SN)이 결합된 구조로 형성될 수 있다. 여기에서, 제1 내지 제3 노즐 영역(NA1, NA2, NA3)은 제1 및 제2 격벽(119a, 119b)에 의해 구분될 수 있다.
제1 고전압 전극(113a)은 하우징(111)의 내부에 배치되고, 하우징(111)의 일측 내벽면으로부터 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 제1 고전압 전극(113a)은 전원 공급원(120)에 전기적으로 연결되고, 전원 공급원(120)으로부터 전원이 공급되면 제1 노즐 영역(NA1) 내에 플라즈마를 발생시킨다. 여기에서, 제1 고전압 전극(113a)은 제2 고전압 전극(113b)와 평행하게 배치될 수 있다.
제2 고전압 전극(113b)은 하우징(111)의 내부에 배치되고, 하우징(111)의 타측 내벽면으로부터 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 제2 고전압 전극(113b)은 전원 공급원(120)에 전기적으로 연결되고, 전원 공급원(120)으로부터 전원이 공급되면 제2 노즐 영역(NA2) 내에 플라즈마를 발생시킨다.
제1 플라즈마 차폐 부재(115a)는 제1 고전압 전극(113a)의 전극면 중 하우징(111)의 일측 내벽면에 대면하는 전극면을 제외한 나머지 전극면 상에 형성될 수 있다. 제1 플라즈마 차폐 부재(115a)는 플라즈마의 흐름을 제1 노즐 영역(NA1) 내로 제한한다. 여기에서, 제1 플라즈마 차폐 부재(115a)는 세라믹으로 형성될 수 있다.
제2 플라즈마 차폐 부재(115b)는 제2 고전압 전극(113b)의 전극면 중 하우징(111)의 타측 내벽면에 대면하는 전극면을 제외한 나머지 전극면 상에 형성될 수 있다. 제2 플라즈마 차폐 부재(115b)는 플라즈마의 흐름을 제2 노즐 영역(NA2) 내로 제한한다. 여기에서, 제2 플라즈마 차폐 부재(115b)는 세라믹으로 형성될 수 있다.
제1 샤워 플레이트(117a)는 제1 노즐 영역(NA1) 상에 형성되고, 반응 가스(RG)를 제1 노즐 영역(NA1) 내에 분사한다. 여기에서, 제1 샤워 플레이트(117a)는 가스를 배출하기 위한 복수의 홀(118a)을 포함한다. 제1 샤워 플레이트(117a)는 세라믹으로 형성될 수 있다.
제2 샤워 플레이트(117b)는 제2 노즐 영역(NA2) 상에 형성되고, 반응 가스(RG)를 제2 노즐 영역(NA2) 내에 분사한다. 여기에서, 제2 샤워 플레이트(117b)는 가스를 배출하기 위한 복수의 홀(118b)을 포함한다. 제2 샤워 플레이트(117b)는 세라믹으로 형성될 수 있다.
제3 샤워 플레이트(117c)는 제3 노즐 영역(NA3) 상에 형성되고, 소스 가스(SG)를 제3 노즐 영역(NA3) 내에 분사한다. 여기에서, 제3 샤워 플레이트(117c)는 가스를 배출하기 위한 복수의 홀(118c)을 포함한다. 제3 샤워 플레이트(117c)는 세라믹으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 홀(118c)이 제1 및 제2 샤워 플레이트(117a, 117b) 각각에 형성된 홀(118a, 118b)과 동일한 크기로 형성되는 경우를 예를 들어 설명하나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 홀(118c)이 홀(118a, 118b) 보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 이 경우 제3 샤워 플레이트(117c)를 통해 분사되는 소스 가스(SG)의 분사 속도가 제1 및 제2 샤워 플레이트(117a, 117b)를 통해 분사되고, 플라즈마 여기된 반응 가스(RG)의 분사 속도 보다 높아 제3 노즐 영역(NA3)에서 제1 및 제2 노즐 영역(NA1, NA2)으로 흐르는 소스 가스(SG)의 흐름을 차단할 수 있다. 따라서, 소스 가스(SG)가 플라즈마에 노출되어 파우더 형태로 변형되는 것을 방지할 수 있다.
제1 격벽(119a)은 제1 및 제2 샤워 플레이트(117a, 117b) 사이에 배치되고, 제1 노즐 영역(NA1)과 제3 노즐 영역(NA3)을 구분한다. 여기에서, 제1 격벽(119a)은 세라믹으로 형성될 수 있다.
제2 격벽(119b)은 제2 및 제3 샤워 플레이트(117b, 117c) 사이에 배치되고, 제2 노즐 영역(NA2)과 제3 노즐 영역(NA3)을 구분한다. 여기에서, 제2 격벽(119b)은 세라믹으로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 먼저 공정 하우징(2) 내에 플라즈마 증착 장치(100) 및 기판(200)을 위치시킨다. 그 다음, 캐리어 가스 공급 탱크(160)를 통해 공정 하우징(2) 내에 캐리어 가스를 공급한다. 예를 들어, 캐리어 가스로 질소(N2)를 공급할 수 있다. 이에 따라, 공정 하우징(2)은 플라즈마 분위기로 형성된다. 이때, 공정 하우징(2) 내의 내부 압력은 1기압(760 Torr)으로 설정될 수 있다.
그 다음, 공정 가스 공급 탱크(130)를 통해 노즐 모듈(110)에 반응 가스(RG) 및 소스 가스(SG)가 공급된다. 타겟 박막층이 질탄화티타늄(TiCN)층인 경우 반응 가스(RG)는 탄화 수소, 예를 들어 톨루엔(toluene)과 질소(N2)일 수 있다. 그리고, 소스 가스(SG)는 티타늄(Ti) 전구체일 수 있다.
반응 가스(RG)는 제1 및 제2 샤워 플레이트(117a, 117b)를 통해 제1 및 제2 노즐 영역(NA1, NA2)에 분사되고, 소스 가스(SG)는 제3 샤워 플레이트(117c)를 통해 제3 노즐 영역(NA3)에 분사된다. 이때, 공정 가스 공급 탱크(130)는 반응 가스(RG) 및 소스 가스(SG)를 상압 보다 높은 압력, 예를 들어 10기압으로 공급하기 때문에 압력 차이가 발생한다. 압력 차이로 인해 반응 가스(RG) 및 소스 가스(SG)는 제1 내지 제3 샤워 플레이트(117a, 117b, 117c) 각각의 홀(118a, 118b, 118c)을 통과하면서 높은 분사 속도로 분사될 수 있다.
이때, 전원 공급원(120)을 통해 노즐 모듈(110)에 전원이 공급되고, 제1 및 제2 노즐 영역(NA1, NA2) 내에 플라즈마가 발생한다. 여기에서, 플라즈마의 흐름은 제1 및 제2 차폐 부재(115a, 115b)에 의해 제1 및 제2 노즐 영역(NA1, NA2) 내로 제한되고, 반응 가스(RG)의 높은 분사 속도에 의해 플라즈마 커튼을 형성한다. 이때, 톨루엔은 플라즈마에 의해 이온화되어 수소와 탄소로 분해되고, 분해된 탄소는 이온화된 질소와 결합하여 C≡N 결합을 형성한다. 즉, 제1 및 제2 노즐 영역(NA1, NA2)을 통해 CN 라디칼이 분사된다.
이때, 노즐 모듈(110)은 기판(200)을 따라 일 방향으로 이동하므로 제1 및 제2 노즐 영역(NA1, NA2)을 통해 분사된 CN 라디칼은 제3 노즐 영역(NA3)을 통해 분사된 Ti 전구체와 결합되어 TiCN을 형성할 수 있다. 이러한 방식으로 기판(200) 상에 TiCN층이 증착되면 배기 모듈(170)을 통해 잔존 가스를 배기시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 타겟 박막층이 복수의 층으로 적층된 구조일 경우 상기와 같은 증착 공정을 연속적으로 진행하여 적층 구조를 형성할 수 있다. 즉, 인시츄(in-situ) 방식으로 복수의 층을 연속적으로 적층할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 장치를 이용하여 생성된 라디칼의 결합 에너지를 나타내는 그래프이다.
도 5에서, 플라즈마에 의해 이온화된 탄소는 탄소와 탄소 결합(Peak A), 탄소와 질소의 직접 결합(Peak C), 질소와 결합된 탄소와 탄소의 결합(Peak B)을 형성하는 것을 볼 수 있다. 즉, 플라즈마에 의해 CN 라디칼이 형성되는 것을 볼 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 증착 장치(100)는 상압 분위기 하에서 플라즈마를 이용하여 CN 라디칼을 형성하고, 플라즈마 커튼을 형성하여 Ti 전구체가 플라즈마에 노출되지 않도록 한 상태에서 CN 라디칼과 결합시킴으로써 기판(200) 상에 TiCN층을 증착할 수 있다.
또한, 멀티 노즐을 통해 금속 재료의 변경이 가능하고, CN 라디칼의 생성 비율을 조절할 수 있으므로 기판(200)과의 열팽창 계수 차이로 인한 크랙 등을 방지할 수 있다. 그리고, 노즐 형식의 상압 공정으로 구현 가능하므로 고가의 진공 증착 시스템이 불필요하여 공정 비용을 감소시킬 수 있다.
1: 플라즈마 증착 시스템
100: 플라즈마 증착 장치
200: 기판

Claims (12)

  1. 상압 분위기 하에서 플라즈마에 의해 활성화된 반응 가스를 기판에 분사하는 제1 및 제2 노즐 영역과 상기 제1 및 제2 노즐 영역 사이에 배치되어 소스 가스를 상기 기판에 분사하는 제3 노즐 영역을 포함하는 노즐 모듈;
    일정 압력으로 상기 제1 및 제2 노즐 영역에 상기 반응 가스를 공급하고, 상기 제3 노즐 영역에 상기 소스 가스를 공급하는 공정 가스 공급 탱크; 및
    상기 노즐 모듈을 일정 방향으로 이동시키는 노즐 이동 모듈을 포함하고,
    상기 기판과 상기 노즐 모듈은,
    서로에 대해 상대적으로 움직이고,
    상기 노즐 모듈은,
    접지 전극으로 동작하고, 제1 내지 제3 노즐 영역을 포함하는 하우징;
    상기 제1 내지 제3 노즐 영역 상에 각각 배치되고, 복수의 홀을 갖는 제1 내지 제3 샤워 플레이트;
    상기 하우징의 일측 내벽면과 일정 간격 이격되어 배치되고, 전원을 공급받아 제1 노즐 영역에 상기 플라즈마를 발생시키는 제1 고전압 전극;
    상기 하우징의 타측 내벽면과 일정 간격 이격되어 배치되고, 상기 전원을 공급받아 제2 노즐 영역에 플라즈마를 발생시키는 제2 고전압 전극;
    상기 제1 고전압 전극의 전극면 중 상기 하우징의 일측 내벽면에 대면하는 전극면을 제외한 나머지 전극면 상에 형성된 제1 플라즈마 차폐 부재; 및
    상기 제2 고전압 전극의 전극면 중 상기 하우징의 타측 내벽면에 대면하는 전극면을 제외한 나머지 전극면 상에 형성된 제2 플라즈마 차폐 부재를 포함하고,
    상기 공정 가스 공급 탱크는,
    상기 반응가스 및 상기 소스가스를 상기 상압보다 더 높은 압력으로 상기 노즐 모듈에 공급하고,
    제1 및 제2 샤워 플레이트, 그리고 제1 및 제2 플라즈마 차폐 플레이트는,
    상기 반응가스 및 상기 소스가스의 상기 상압보다 더 높은 압력을 바탕으로 상기 제1 및 제2 노즐 영역에서 상기 제3 노즐 영역의 양 측부에 플라즈마 커튼을 형성하는 플라즈마 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마에 의해 활성화된 반응 가스는
    타겟 박막층의 음이온을 형성하는 플라즈마 증착 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 소스 가스는
    상기 타겟 박막층의 금속 전구체인 플라즈마 증착 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 타겟 박막층은
    유기 금속 전구체를 포함하는 플라즈마 증착 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 샤워 플레이트는
    세라믹으로 형성되는 플라즈마 증착 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 고전압 전극은
    서로 평행하게 배치되는 플라즈마 증착 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 플라즈마 차폐 부재는
    세라믹으로 형성되는 플라즈마 증착 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기판은
    금속 기판을 포함하는 플라즈마 증착 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 공정 가스 공급 탱크는
    상기 상압보다 높은 압력으로 상기 반응 가스 및 소스 가스를 공급하는 플라즈마 증착 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 노즐 이동 모듈은
    상기 노즐 모듈을 왕복 이동시켜 상기 기판의 전체 면적을 스캐닝하는 플라즈마 증착 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20170125258A (ko) * 2016-05-04 2017-11-14 성균관대학교산학협력단 유연성 박막 증착 방법, 및 이를 위한 증착 장치
KR20210009391A (ko) * 2013-07-25 2021-01-26 삼성디스플레이 주식회사 기상 증착 장치

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