KR102407368B1 - 성막 장치 - Google Patents

Abstract

[과제]성막에 기여하지 않는 원료 입자의 막 중의 혼입을 억제할 수 있는 성막 장치를 제공한다. [해결 수단]본 발명의 한 형태와 관련되는 성막 장치는, 생성실, 성막실, 반송관, 타겟, 스테이지, 및 마스크 부재를 구비한다. 상기 타겟은, 상기 성막실에 배치되어 상기 노즐로부터 분사된 상기 에어로졸의 조사를 받는 조사면을 가지고, 상기 조사면과의 충돌에 의해 상기 원료 입자를 플라스마로 대전시킨다. 상기 스테이지는, 대전된 상기 원료 입자의 방전에 의해서 생성되는 상기 원료 입자의 미세 입자가 퇴적하는 기재를 지지하는 지지면을 가진다. 상기 마스크 부재는, 상기 성막실에 배치되어 상기 조사면에 충돌한 상기 원료 입자 중 상기 조사면에서 정반사된 원료 입자의 상기 스테이지로의 도달을 저지한다.

Description

성막 장치{DEPOSITION APPARATUS}

본 발명은, 에어로졸화 가스 디포지션법을 이용한 성막 장치에 관한 것이다.

세라믹스 등의 서브 마이크론 사이즈 정도의 입자를 상온에서 노즐로부터 분사시켜, 대향하는 기재에 퇴적시키는 에어로졸화 가스 디포지션(AGD)이 알려져 있다. 이 성막 방법은, 얇아서 전기 절연성이 우수한 절연막을 고속으로 성막할 수 있는 세라믹스의 상온 성막 방법으로서 환경·에너지 분야, 내열재료 분야, 전자·디바이스 분야 등에서 연구 개발이 진행되고 있다.

AGD 성막법은, 원료분말을 가스 반송해, 노즐로부터 기판 상에 분사·퇴적시키는 방법이다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 이 때, 원료분말을 기판에 직접 분사시키면, 형성된 막 내에 큰 입자나 분말이 혼입 혹은 포함되는 경우가 있다. 막 내에 포함된 큰 입자의 주위에는 공극이 생길 확률이 높아지기 때문에, 결과적으로 리크 전류의 증대로 연결되어 절연성을 저해한다.

그런데, 형성된 막 내에의 큰 입자의 혼입을 막는 방법으로서, 예를 들면 특허문헌 2에 기재된 성막 방법이 제안되고 있다. 이 성막 방법은, 전기 절연성의 원료 입자를 수용한 밀폐 용기에 가스를 도입해 원료 입자의 에어로졸을 생성하고, 밀폐 용기에 접속된 반송관을 통하여 밀폐 용기보다도 저압의 성막실에 에어로졸을 반송하고, 반송관의 선단에 장착된 노즐로부터 성막실에 설치된 타겟을 향하여 에어로졸을 분사하고, 원료 입자를 타겟에 충돌시킴으로써 원료 입자를 플러스로 대전시키고, 대전한 원료 입자의 방전에 의해서 원료 입자의 미세 입자를 생성하고, 생성된 미세 입자를 성막실에 설치된 기재 상에 퇴적시킨다.

특허문헌 1:일본 특허공개 2014-9368호 공보 특허문헌 2:일본 특허공개 2016-27185호 공보

특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 주로, 대전한 원료 입자의 방전에 의해서 생성된 미세 입자가 성막에 기여한다. 그러나, 타겟에 충돌한 원료 입자 중에는 성막에 기여하지 않는 입자도 다수 존재해, 이들의 미립자가 막 중에 혼입해 막질을 저하시키는 경우가 있다. 특히, 성막 영역이 넓은 대면적의 기판에의 성막시에 이러한 문제가 보다 현저하게 발생할 수 있다.

이상과 같은 사정을 감안해서, 본 발명의 목적은, 성막에 기여하지 않는 원료 입자의 막 중의 혼입을 억제할 수 있는 성막 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 한 형태와 관련되는 성막 장치는, 생성실, 성막실, 반송관, 타겟, 스테이지, 및 마스크 부재를 구비한다.

상기 생성실은, 원료 입자의 에어로졸을 생성할 수 있도록 구성된다.

상기 성막실은, 상기 생성실보다도 저압으로 유지될 수 있도록 구성된다.

상기 반송관은, 상기 생성실과 상기 성막실의 사이를 접속하여, 선단부에 상기 에어로졸을 분사하는 노즐을 가진다.

상기 타겟은, 상기 성막실에 배치되어 상기 노즐로부터 분사된 상기 에어로졸의 조사를 받는 조사면을 가지고, 상기 조사면과의 충돌에 의해 상기 원료 입자를 플라스마로 대전시킨다.

상기 스테이지는, 대전된 상기 원료 입자의 방전에 의해서 생성되는 상기 원료 입자의 미세 입자가 퇴적하는 기재를 지지하는 지지면을 가진다.

상기 마스크 부재는, 상기 성막실에 배치되어 상기 조사면에 충돌한 상기 원료 입자 중 상기 조사면에서 정반사된 원료 입자의 상기 스테이지로의 도달을 저지한다.

본 발명에 따르면, 성막에 기여하지 않는 원료 입자의 막 중의 혼입을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태와 관련되는 성막 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 상기 성막 장치의 동작을 설명하는 개략도이다.
도 3은 상기 성막 장치에서의 노즐, 타겟, 마스크 부재 및 스테이지와의 위치 관계를 나타내는 측면도이다.
도 4는 (a)는 상기 마스크 부재 없음으로 성막한 알루미나막의 표면 사진, (b)는 상기 마스크 부재 있음으로 성막한 알루미나막의 표면 사진이다.
도 5는 (a)는 상기 마스크 부재 없음으로 성막한 알루미나막의 실체 현미경상, (b)는 상기 마스크 부재 있음으로 성막한 알루미나막의 실체 현미경상이다.
도 6은 각종 조건으로 제작한 알루미나막의 막 두께로 규격화한 I-V 특성이다.
도 7은 (A)은 캐리어 가스로서 질소를 사용하여 성막한 알루미나막의 I-V 특성, (B)는 캐리어 가스로서 아르곤을 사용하여 성막한 알루미나막의 I-V 특성이다.
도 8은 상기 마스크 부재의 일 구성예를 나타내는 측면도이다.
도 9는 상기 마스크 부재의 다른 구성예를 나타내는 측면도이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태를 설명한다.

［성막 장치］

도 1은, 본 발명의 일 실시형태와 관련되는 성막 장치(1)의 개략 구성도, 도 2는, 성막 장치(1)의 동작을 설명하는 개략도이다. 본 실시형태의 성막 장치(1)는, 에어로졸화 가스 디포지션(AGD) 장치를 구성한다. 도면 중, X축, Y축 및 Z축 방향은 서로 직교하는 3 축 방향을 나타내고, Z축 방향은 연직 방향을 나타내고 있다(이하의 각 도면에서도 마찬가지임).

도 1에 나타낸 바와 같이, 성막 장치(1)는, 원료 입자(P)의 에어로졸을 생성하는 생성실(2), 성막 처리되는 기재(S)를 수용하는 성막실(3), 및 생성실(2)로부터 성막실(3)에 상기 에어로졸을 반송하는 반송관(6)을 구비한다.

생성실(2)과 성막실(3)은 각각 독립적으로 형성되어 있고 각 실의 내부 공간은 반송관(6)의 내부를 통하여 서로 연통되어 있다. 성막 장치(1)는, 생성실(2) 및 성막실(3)에 각각 접속된 배기계(4)를 가지고, 각 실을 각각 소정의 감압 분위기에 배기 및 유지할 수 있게 구성되어 있다. 생성실(2)은, 생성실(2)에 접속된 가스 공급계(5)를 더 가지고 있어 생성실(2)에 캐리어 가스를 공급할 수 있게 구성되어 있다.

생성실(2)은, 에어로졸 원료인 원료 입자(P)를 수용해, 그 내부에서 에어로졸이 생성된다. 생성실(2)은, 예를 들면, 접지 전위에 접속된 밀폐 용기로 구성되고, 또한, 원료 입자(P)를 출입하기 위한 도시하지 않는 덮개부를 가진다. 밀폐 용기는, 스텐레스강 등의 금속제이지만, 유리제이어도 좋다. 성막 장치(1)는, 원료 입자(P)를 교반하기 위해서 생성실(2)을 진동시키는 진동 기구, 혹은 원료 입자(P)를 탈기(수분 등의 제거)시키기 위한 가열 기구를 더 구비해도 좋다.

원료 입자(P)는, 생성실(2)에서 에어로졸화되어 성막실(3)에서 기재(S) 상에 성막된다. 원료 입자(P)는, 성막할 재료의 미립자로 구성되어 본 실시형태에서는, 원료 입자(P)로서 알루미나 (산화 알류미늄) 미립자가 이용된다.

또한 이외에도, 원료 입자(P)로서 산화 지르코늄, 질화 알루미늄, 티탄산바륨 등의 다른 전기 절연성 세라믹 미립자를 적용할 수 있다. 또한, 원료 입자(P)는, 도전체의 표면에 절연막이 형성된 구조이어도 좋다. 원료 입자(P)의 입자경은, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하의 것이 이용된다.

성막실(3)은, 예를 들면, 스텐레스강 제품의 밀폐 용기로 구성된다. 성막실(3)의 내부에는 기재(S)를 지지하는 지지면(71)을 가지는 스테이지(7)가 이동할 수 있게 배치되어 있고, 성막실(3)의 외부에는 스테이지(7)를 이동시키기 위한 스테이지 구동 기구(8)가 설치되어 있다. 스테이지 구동 기구(8)는, 스테이지(7)를 성막실(3) 내에서 기재(S)의 성막면에 평행한 방향으로 소정 속도로 왕복 이동시킬 수 있게 구성된다. 본 실시형태에서, 스테이지 구동 기구(8)는, 스테이지(7)를 X축 방향에 따라서 직선적으로 이동시킬 수 있게 구성된다.

기재(S)는, 유리, 금속, 세라믹스, 실리콘 기판 등으로 구성된다. AGD법은 상온에서 성막할 수 있고, 또한, 화학적 프로세스를 거치지 않는 물리적 성막법이기 때문에, 폭넓은 재료를 기재로서 선택할 수 있다. 또한, 기재(S)는 평면적인 것에 한정되지 않고, 입체적인 것이어도 좋다.

성막실(3) 및 스테이지(7)는, 접지 전위에 접속되어 있다. 스테이지(7)는, 성막 전에 기재(S)를 탈기시키기 위한 가열 기구를 가지고 있어도 좋다. 또한, 성막실(3)에는, 내부의 압력을 지시하는 진공계가 설치되어도 좋다. 성막실(3)은, 생성실(2)보다도 저압으로 유지된다.

배기계(4)는, 생성실(2) 및 성막실(3)을 진공 배기한다. 배기계(4)는, 진공 배관(9), 제1 밸브(10), 제2 밸브(11), 및 진공 펌프(12)를 가진다. 진공 배관(9)은, 진공 펌프(12), 생성실(2) 및 성막실(3)을 서로 접속하는 분기 배관으로 구성된다. 제1 밸브(10)는, 진공 배관(9)의 분기점과 생성실(2)의 사이에 배치되고, 제2 밸브(11)는, 진공 배관(9)의 분기점과 성막실(3)의 사이에 배치된다. 진공 펌프(12)의 구성은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 메카니컬 부스터 펌프와 로터리 펌프를 포함하는 다단 펌프 유닛으로 구성된다.

가스 공급계(5)는, 생성실(2)에, 생성실(2)의 압력을 규정하고, 또한, 에어로졸(A)(도 2 참조)를 형성하기 위한 캐리어 가스를 공급한다. 캐리어 가스에는, 예를 들면, N₂, Ar, He, O₂, N₂와 O₂의 혼합 가스, 건조공기 (에어) 등이 이용된다. 가스 공급계(5)는, 가스 배관(13a, 13b), 가스원(14), 가스 배관(13a, 13b) 각각에 배치된 제3 밸브(15), 가스 배관(13a, 13b) 각각에 배치된 가스 유량계(16), 및 가스 분출체(17)를 가진다.

가스원(14)은, 예를 들면 가스 봄베이고, 캐리어 가스를 공급한다. 가스원(14)은, 가스 배관(13a)을 통하여 가스 분출체(17)에 접속되어 있다. 가스 배관(13b)은, 가스 배관(13)으로부터 분기되어 형성되고, 그 선단은, 생성실(2)의 내부에 배치되어 있다. 가스 배관(13a)을 통하여 생성실(2)로 공급되는 캐리어 가스는, 주로, 원료 입자(P)를 들어올리는 데에 이용되고, 가스 배관(13b)을 통하여 생성실(2)로 공급되는 캐리어 가스는, 주로, 생성실(2)의 가스 압력 제어에 이용된다.

가스 분출체(17)는, 생성실(2) 내에 배치되어 가스 배관(13)으로부터 공급된 캐리어 가스를 균일하게 분출시킨다. 가스 분출체(17)는, 예를 들면, 가스 분출구멍이 다수 설치된 중공체로 할 수 있고, 생성실(2)의 저부 등, 원료 입자(P)에 피복되는 위치에 배치된다. 이로 인해, 캐리어 가스에 의해서 원료 입자(P)를 효율적으로 들어올려 에어로졸화 시킬 수 있게 된다. 가스 유량계(16)는, 가스 배관(13a, 13b) 안을 유통하는 캐리어 가스의 유량을 지시한다. 제3 밸브(15)는, 가스 배관(13a, 13b) 안을 유통하는 캐리어 가스의 유량을 조절하거나, 혹은 차단할 수 있게 구성되어 있다.

반송관(6)은, 생성실(2)과 성막실(3)의 내압차를 이용하여, 생성실(2) 내에서 형성된 에어로졸을 성막실(3) 내에 반송한다. 반송관(6)의 일단은, 생성실(2)에 접속된다. 반송관(6) 타단(선단부)은 성막실(3)에 배치되어 에어로졸을 분사하는 노즐(18)을 가진다. 반송관(6) 및 노즐(18)은, 접지 전위에 접속된다.

노즐(18)은, 예를 들면 스텐레스강 등의 금속재료로 구성된다. 에어로졸이 통과하는 노즐(18)의 통로 내면은, 초경 재료로 피복되어도 좋고, 이로 인해 에어로졸을 구성하는 미립자와의 충돌에 의한 마모를 억제해, 내구성을 높일 수 있다. 상기 초경 재료로는, 질화 티탄(TiN), 탄화 티탄(TiC), 탄화 텅스텐(WC), 다이아몬드 라이크 카본(DLC) 등을 들 수 있다.

반송관(6)의 내면은, 도전체로 형성되어 있다. 전형적으로는, 반송관(6)은 스텐레스관 등의 직선적인 금속관이 이용된다. 테플론(폴리테트라플루오로에틸렌) 제의 반송관을 사용해도 좋다. 반송관(6)의 길이, 내경은 적절히 설정할 수 있고, 예를 들면 길이는 300 mm ~ 2000 mm, 내경은 4.5 mm ~ 24 mm이다.

노즐(18)의 개구 형상은, 원형이어도 좋고 슬롯상이어도 좋다. 본 실시형태에서는, 노즐(18)의 개구 형상은 슬롯상이고, 그 길이가 폭의 10배 이상 1000배 이하의 크기를 가진다. 개구의 길이와 폭의 비가 10배 미만의 경우, 노즐 내부에서 입자를 효과적으로 대전시키는 것이 곤란하다. 또한 개구의 길이와 폭의 비가 1000배를 초과하면, 입자의 대전 효율은 높일 수 있지만, 미립자의 분사량이 제한되어 성막 레이트의 저하가 현저하게 된다. 노즐 개구부의 길이와 폭의 비는, 바람직하게는, 20배 이상 1000배 이하, 더 바람직하게는, 30배 이상 400배 이하이다.

성막 장치(1)는, 그랜드 전위에 접속된 타겟(19)을 더 구비한다. 타겟(19)은, 성막실(3)에 배치되어 노즐(18)로부터 분사된 에어로졸과의 충돌에 의해, 원료 입자(P)를 대전시킬 수 있게 구성된다. 즉 본 실시형태의 성막 장치(1)는, 노즐(18)로부터 분사된 원료 입자(P)의 에어로졸 A＇(도 2 참조)를 타겟(19)에 충돌시킴으로써 상기 원료 입자(P)의 대전을 조장시키고, 그 대전한 원료 입자(P)의 비래(飛來)에 의해 생기는 방전에 의해 나노 사이즈의 미세 입자(나노 입자)를 생성해, 생성된 나노 입자를, 기재(S) 상에 퇴적시키도록 구성된다.

원료 입자(P)의 대전은, 성막실(3) 내의 가스 성분의 발광 즉 플라스마를 생성시키고, 또한 그 플라스마 중에서 원료 입자(P)의 표면을 스퍼터 함으로써 나노 입자를 생성시킨다. 생성된 나노 입자의 상당수는 전하를 띠고 있어 접지 전위에 접속된 기재(S)에 끌어당겨져 충돌하는 동시에, 기재(S) 표면과의 정전 흡착 작용을 수반해 기재(S) 상에 퇴적한다(도 2의 화살표(A1) 참조). 이로 인해 치밀하고, 또한 밀착성이 높은 미립자막이 기재 상에 형성된다.

타겟(19)은, 전형적으로는 평판으로 구성되지만, 이에 한정되지 않고, 블록, 기둥체, 구체 등의 벌크체로 구성되어도 좋다. 타겟(19)은, 에어로졸 A＇의 조사를 받는 조사면(190)을 가진다. 조사면(190)은 평면에 한정되지 않고, 곡면 형상이어도 좋고, 요철면이어도 좋다.

타겟(19)을 구성하는 재료로는, 전형적으로는, 원료 입자(P)보다도 마이너스로 대전되기 쉬운 재료가 이용된다. 구체적으로는, 원료 입자(P)가 알루미나 입자의 경우, 이것보다도 대전 열(列)이 음측에 위치하는 재료가 적합하고, 이러한 재료로는, 스텐레스강이나 구리 및 그 합금, 알루미늄 및 그 합금, 흑연 등의 도전재료, 실리콘 등의 반도체 재료 등의 어느 1 종, 혹은 이들 2 종 이상의 혼합물을 들 수 있다. 또한, 이러한 재료를 상기 벌크체의 표면에 접합한 적층체를, 타겟(19)으로서 구성해도 좋다.

타겟(19)은, 노즐(18)로부터 분사되는 에어로졸 A＇가 소정의 입사각(조사면(190)의 법선 방향과 에어로졸의 입사 방향이 이루는 각도)에서 입사하도록, 노즐(18)에 대해서 소정의 각도 경사해서 배치된다. 상기 입사각은, 예를 들면, 15° 이상 80° 이하로 된다. 이로 인해, 원료 입자(P)를 효과적으로 대전시킬 수 있다. 또한, 원료 입자가 알루미나 입자인 경우, 상기 입사각은, 예를 들면, 30°초과 70°미만으로 되고 보다 바람직하게는, 45° 이상 65° 이하로 설정된다. 이로 인해, 원료 입자(P)의 대전 효율이 높아지는 동시에, 유도되는 플라스마 중에서 원료 입자(P)의 표면을 스퍼터하고 효율적으로 나노 레벨로 미세화한 활성종을 생성하여, 절연 내압이 우수한 알루미나막을 형성할 수 있다. 타겟(19)은, 상기 입사각이 가변이 되도록, 성막실(3)에서, 회동할 수 있게 설치되어도 좋다.

노즐(18)의 선단부와 타겟(19)의 조사면(190)의 거리는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 5 mm 이상 50 mm 이하로 된다. 상기 거리가 5 mm 미만의 경우, 타겟(19)에서 플러스로 대전한 입자와 노즐(18)(선단부 외면은 의사적으로 마이너스로 대전한다) 사이에서의 상호작용의 영향이 커져, 대전 입자의 기판(S)에의 비행이 방해될 우려가 있다. 한편, 상기 거리가 50 mm를 초과하면, 노즐(18)로부터 분사되는 원료분말의 속도의 감쇠가 생겨 타겟(19)에의 효율적인 충돌, 그리고 대전을 저하시킬 우려가 있다. 또한, 노즐(18)로부터 분사되는 에어로졸 A＇의 확산이 커지기 때문에, 타겟(19)의 대형화를 초래할 우려가 있다. 타겟(19)은, 상기 거리가 가변되도록, 성막실(3)에서, 에어로졸 A＇의 분사 방향으로 이동할 수 있게 설치되어도 좋다.

스테이지(7)(기재 S)는, 타겟(19)의 조사면(190)을 통과하고, 또한, 조사면(190)과 평행한 축선(191) 상에 배치된다. 즉, 스테이지(7)는, 노즐(18)로부터 분사되는 원료 입자의 에어로졸 A＇가 타겟의 조사면(190)에 정반사할 방향의 연장선 상이 아닌 위치에 배치된다. 이로 인해, 조사면(190)과의 충돌에 의해 분쇄한 비교적 대입경의 원료 입자나, 노즐(18)로부터 분사되는 원료 입자(P)에 의한 스퍼터 작용으로 조사면(190)으로부터 튀어나오는 타겟(19)의 구성 재료(도 2의 화살표(A2) 참조) 등이, 기재(S)에 도달하는 것이 억제된다. 그 결과, 대입경의 원료 입자나 타겟(19)의 구성 재료가 막 중에 혼재하지 않는, 미세 입경의 원료 입자로 구성된 치밀한 막을 형성할 수 있게 된다.

타겟(19)의 조사면(190)은, 스테이지(7)(기재 S)의 표면의 법선 방향에 대해서, 소정의 각도로 경사해서 배치된다. 원료 입자가 알루미나 입자인 경우, 상기 소정의 각도는, 예를 들면, 10° 이상 70° 이하로 설정되고, 보다 바람직하게는, 15° 이상 40° 이하로 설정된다. 스테이지(7)(기재 S)에 대한 조사면(190)의 각도는, 타겟(19)에 대한 에어로졸의 입사각과 동일한 각도로 설정되어도 좋고, 상기 입사각과는 다른 각도로 설정되어도 좋다.

스테이지(7)와 타겟(19)의 거리(조사면(190)에서의 에어로졸 A＇의 충돌점과 스테이지(7) 표면의 사이의 Z 축 방향에 따른 거리)는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 5 mm 이상으로 된다. 상기 거리가 5 mm 미만의 경우, 기재(S)의 표면에 생성되는 플라스마 중의 이온에 의해서 타겟(19)이 스퍼터되어 막 중에 타겟(19)의 구성 재료가 혼입할 우려가 있다. 상기 거리는, 바람직하게는, 10 mm 이상으로 설정된다.

성막 장치(1)는, 마스크 부재(20)를 더 구비한다. 마스크 부재(20)는, 타겟(19)의 조사면(190)에 충돌한 원료 입자 가운데, 조사면(190)에서, 정반사된 원료 입자(도 2의 화살표(A2) 참조)가 스테이지(7) 상의 기판(S)에 도달하는 것을 저지하기 위한 것이다. 마스크 부재(20)의 상세한 것에 대하여는 후술한다.

［성막 방법］

계속해서, 도 2를 참조해 본 실시형태의 성막 방법에 대해 설명한다. 도 2는, 성막 장치(1)의 동작을 설명하는 개략도이다.

우선, 생성실(2) 내에 소정량의 원료 입자(P)(알루미나 분말)를 수용한다. 원료 입자(P)는, 사전에 가열에 의한 탈기·탈수 처리가 실시되어도 좋다. 혹은 생성실(2)을 가열함으로써, 원료 입자(P)의 탈기·탈수 처리가 실시되어도 좋다. 원료 입자(P)를 탈기·탈수함으로써, 원료 입자(P)의 응집이 방지되는 동시에, 건조를 촉진해 원료 입자(P)의 대전량을 증가시킬 수 있다.

이어서, 배기계(4)에 의해 생성실(2) 및 성막실(3)을 소정의 감압 분위기에 배기한다. 진공 펌프(12)의 운전을 개시해, 제1 밸브(10) 및 제2 밸브(11)를 개방한다. 생성실(2)이 충분히 감압하면, 제1 밸브(10)를 닫고 성막실(3)을 계속 배기한다. 생성실(2)은, 반송관(6)의 내부를 통하여 성막실(3)과 함께 배기된다. 이로 인해 성막실(3)은, 생성실(2)보다도 낮은 압력으로 유지된다.

이어서, 가스 공급계(5)에 의해 생성실(2)에 캐리어 가스를 도입한다. 가스 배관(13a, 13b) 각각의 제3 밸브(15)를 개방해, 캐리어 가스를 가스 분출체(17)로부터 생성실(2) 내로 분출시킨다. 생성실(2) 내에 도입된 캐리어 가스에 의해, 생성실(2) 내의 압력은 상승한다. 또한, 가스 분출체(17)로부터 분출된 캐리어 가스에 의해, 도 2에 나타낸 바와 같이 원료 입자(P)를 들어올려 생성실(2) 내에 부유하고, 캐리어 가스 중에 원료 입자(P)가 분산한 에어로졸(도 2에 A로 나타낸다)가 형성된다. 생성된 에어로졸(A)은, 생성실(2)과 성막실(3)의 압력차에 의해, 반송관(6)에 유입하고, 노즐(18)로부터 분사된다. 제3 밸브(15)의 개도를 조절함으로써, 생성실(2)과 성막실(3)의 압력차 및 에어로졸(A)의 형성 상태가 제어된다.

생성실(2)과 성막실(3)의 차압은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 10 kPa 이상 180 kPa 이하로 된다.

반송관(6)에 유입한 에어로졸(도 2에 A＇로 나타낸다)은, 생성실(2)과 성막실(3)의 압력차 및 노즐(18)의 개구경에 의해서 규정되는 유속을 가지고 분출된다. 타겟(19)의 조사면(190)은, 노즐(18)로부터 분사된 원료 입자(P)의 에어로졸(A＇)의 조사를 받는다.

생성실에서 플러스로 대전되어 비래하는 원료 입자(P)에 더해, 조사면(190)과의 충돌 혹은 마찰에 의해 플러스로 대전한 원료 입자(P)는, 조사면(190) 혹은 그 주위의 가스 분자의 사이에 방전해, 캐리어 가스의 플라스마를 생성시킨다. 원료 입자(P)는, 그 표면이 플라스마에 의해 스퍼터 됨으로써 미세화되고, 이로 인해 예를 들면 5 nm 이상 25 nm 이하의 나노 사이즈의 미세 입자가 생성된다. 생성된 미세 입자의 상당수는 전하를 띠고 있어 접지 전위에 접속된 기재(S)를 향해 도 2의 화살표(A1)로 나타내는 축선에 따라서, 그랜드 전위에 접속된 스테이지(7) 상의 기재(S)에 정전적으로 끌어당겨진다. 이들 미세 입자는, 기재(S)를 향해 도달하기까지 성장 혹은 응집하는 경우가 있어도 좋다. 기재(S)의 표면에 도달한 미세 입자는, 기재(S)의 표면에 충돌해, 기재(S)와의 정전 흡착력도 가해져 기재(S)의 표면에 밀착한다. 이로 인해 치밀하고, 또한 밀착성이 우수한 미립자막(알루미나막)이 형성된다.

또한 대전한 원료 입자(P)의 미세 입자가 기재(S)에 도달하면, 기재(S)의 표면에서, 발광을 수반하는 방전 현상이 생기는 경우가 있다. 이 경우에도 플라스마 중에서의 스퍼터 작용으로 미세 입자가 더 분해되어 그 입자가 기재 상에 퇴적한다. 이로 인해, 막의 치밀성 및 밀착성의 추가의 향상을 도모할 수 있게 된다.

한편, 타겟(19)의 조사면(190)에서, 정반사된 원료 입자나, 원료 입자로 스퍼터된 조사면(190)의 구성물질은, 도 2의 화살표(A2)로 나타내는 경로에서 비래 한다. 마스크 부재(20)는, 타겟(19)의 조사면(190)에서 정반사된 원료 입자나 타겟(19)으로부터의 스퍼터 입자가 스테이지(7) 상의 기재(S)로 향하는 것을 저지한다. 이로 인해, 조대한 원료 입자나 타겟(19)의 구성 재료가 기재(S) 상의 피막 중에 혼입하는 것이 방지된다.

스테이지(7)는, 스테이지 구동 기구(8)에 의해, 기재(S)의 면내방향에 따라서 소정 속도로 왕복 이동된다. 이로 인해, 기재(S) 표면의 소망으로 하는 영역에 피막을 형성할 수 있게 된다. 본 실시형태에서는, 스테이지(7)는, X축 방향 즉 가스의 흐름 방향으로 평행하게 왕복 이동되기 때문에, 스테이지(7)의 이동거리와 노즐(18)의 슬릿폭에 의해 정해지는 면적의 알루미나막이 기재(S) 상에 성막된다. 막 두께는, 스테이지(7)의 스캔 횟수에 따라 조정할 수 있다. 또한 타겟(19)으로부터 멀어짐에 따라서 막 두께가 작아지는 두께 분포가 얻어지는 경향이 있기 때문에, 박막 성막 후에는, 성막 외주 영역에 막 두께차에 기인하는 광의 간섭 무늬가 확인되는 경우가 있다.

［마스크 부재의 상세］

여기서, 본 실시형태의 성막 장치(1)에서, 성막에 기여하는 원료 입자의 행동에 대해 더 상세하게 설명한다.

우선, 세라믹스의 원료 입자가 생성실(2)의 금속제 밀폐 용기와 컨택트하고, 밀폐 용기로부터 멀어질 때에 전하의 분리로, 원료 입자가 플러스로 대전한다. 이 대전은, 사이즈가 큰 원료 입자(정도)만큼, 총량으로서 많아진다. 또한 가스 반송 과정에서 반송관(6)이나 노즐(18) 입구 협부에서의 컨택트에 의해, 원료 입자의 대전량이 늘어나지만, 원료 입자의 대전은, 주로 생성실(2) 내에서 일어난다고 생각된다.

대전 입자가 노즐(18)로부터 분사되어 타겟(19)의 조사면(190)에 가까워지면, 접지되고 있는 타겟(19)으로부터 전자가 대전 입자를 향해 튀어나온다. 이 전자의 튀어나옴이, 근방에 있는 가스를 플라스마화한다. 그 플라스마의 유지에는 플러스 입자의 비래와 전자의 공급이 필수이다. 그 전자의 공급원으로서 역할도 접지 어스된 도전성 타겟판이 담당하고 있다. 플라스마의 양이온은, 플라스마 중을 비행하는 중성이라고 생각되는 입자의 표층을 스퍼터 한다. 자기 발생적으로 할 수 있는 플라스마 중을 원료 입자가 비행하는 시간은 짧다고 생각되기때문에, 원료 입자가 플라스마에 접하는 확률·빈도가 높을수록, 원료 입자가 스퍼터 되는 빈도가 높아지기 때문에, 생성되는 활성종이 증가해 성막 레이트가 오른다. 활성종을 만들어 내는 비행 중의 입자 사이즈는 작고, 비표면적이 크고, 그리고, 분산되어 있는 것이 바람직하다.

그 후, 스퍼터된 원료분말의 활성종(원자, 분자, 그리고 합체를 반복한 미세 나노 입자)만이, 스테이지(7) 상의 기재(S)에 치밀하게 퇴적해, 높은 절연성능의 막이 형성된다.

여기서, 성막에 기여하는 원료 입자는, 대전하는 원료 입자, 플라스마를 야기하는 원료 입자, 플라스마 중에서 스퍼터 되는 원료 입자이다. 반대로, 플라스마를 다 통과한 원료 입자는, 성막에 기여하지 않는다. 그 비율은, 99% 정도이다. 따라서, 치밀한 막을 형성하는데 있어서는, 이 성막에 기여하지 않는 입자를 성막면(기재 S)에 도달시키지 않게 할 필요가 있다.

그런데, 본 실시형태의 성막 장치(1)는, 타겟(19)의 조사면(190)에 충돌한 원료 입자 가운데, 조사면(190)에서, 정반사된 원료 입자(도 2의 화살표(A2) 참조)가 스테이지(7) 상의 기판(S)에 도달하는 것을 저지하는 마스크 부재(20)를 구비한다. 마스크 부재(20)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 스테이지(7)의 지지면(71)과 평행하게 배치된 판상의 부재이고, 본 실시형태에서는 스텐레스강 등의 금속판으로 형성된다. 이것 대신에, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드 등의 수지로 표면이 피복된 금속판 등에서 마스크 부재(20)가 형성되어도 좋다.

마스크 부재(20)는, 타겟(19)의 조사면(190)으로부터 화살표(A1)(도 2 참조)로 나타내는 방향으로 통과하는 미세 입자의 기재(S)를 향하는 진로를 막지 않도록, 스테이지(7) 상의 기판(S)와는 대향하지 않는 위치에 배치된다. 이로 인해, 타겟(19)의 조사면(190)에서 정반사하는 성막에 기여하지 않는 원료 입자의 막 내에의 혼입을 방지할 수 있기 때문에, 소망으로 하는 막질(본 실시형태에서는 절연 특성)을 가지는 알루미나막을 안정에 형성할 수 있다. 기재(S)가 크고, 성막 면적이 큰 경우에서는, 마스크 부재(20)는, 일부 대향하는 부분도 있지만, 미세 입자가 기재(S)로 향하는 진로를 막지 않도록 하는 것이 필수이다.

이하, 본 발명자에 의한 실험예에 대해 설명한다.

도 3은, 본 실험예에서의 노즐(18), 타겟(19), 마스크 부재(20) 및 스테이지(7)와의 위치 관계를 나타내는 측면도이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 스테이지(7)의 법선 방향(지지면(71)에 수직인 방향)(N)과 노즐(18)로부터의 원료 입자(에어로졸)의 분사 방향이 이루는 각도 α(이하, 노즐 각도 α라고도 한다)를 60°로 하였다. 또한, 타겟(19)의 조사면(190)과 스테이지(7)의 지지면(71)에 평행한 수평선(L)의 사이의 경사각 β(이하, 타겟 각도 β라고도 한다)을 105° 또는 120°로 하였다. 또한, 타겟(19)의 조사면(190)과 노즐(18)로부터 분사되는 원료 입자와의 충돌 위치(C)와 스테이지(7)의 지지면(71)의 사이의 거리 G를 45 mm로 하였다. 타겟(19)에는, 폭 30 mm, 길이 80 mm, 두께 2 mm의 스텐레스 강판을 이용하여 그 길이 방향이 도 3에서 종이면 수직 방향이 되도록 타겟(19)을 배치하였다.

또한 도 3에 나타낸 바와 같이, 타겟(19)와 스테이지(7)의 타겟(19) 측의 한 변부의 사이에 스텐레스강 제품의 마스크 부재(20)를 스테이지(7)의 지지면(71)과 평행하게 배치하였다. 타겟(19)의 조사면(190) 상에서의 원료 입자의 충돌점(C)을 중심으로 하는 수평선(L)으로부터 마스크 부재(20)의 스테이지(7) 측의 단부(21)까지의 각도 γ(이하, 에지 각도 γ라고도 한다)를 99°, 90° 또는 81°로 하였다.

그리고, 평균 입경이 0.4㎛의 알루미나 미립자와 평균 입경이 3㎛의 알루미나 미립자를 3 대 1의 중량비로 혼합한 80 g/1 배치의 분말을 원료 입자(P)로서 이용하여, 기재(S) 상에 40 mm×30 mm의 알루미나막을 형성하였다. 생성실(2)의 압력을 약 50 kPa, 성막실(3)의 압력을 약 900 Pa로 하였다. 생성실(2)에서의 들어올림용의 캐리어 가스에는 질소 또는 헬륨을 이용하고 그 유량은 헬륨의 경우 60 L/min(환산치), 질소의 경우 20 L/min로 하였다. 노즐(18)의 개구 형상은, 폭 0.3 mm, 길이 30 mm의 슬릿 형상으로 하였다. 기재(S)는, 표면을 버프 연마한 50 mm×50 mm의 알루미늄판으로 하였다.

(마스크 부재 설치의 효과)

타겟 각도 β를 120°, 마스크 부재(20) 없음/있음의 조건으로 성막한 알루미나막의 표면을 관찰하였다. 도 4(a)는 마스크 부재(20) 없음으로 성막한 알루미나막의 표면 사진, 도 4(b)는 마스크 부재(20) 있음(에지 각도 γ는 99°)으로 성막한 알루미나막의 표면 사진이다. 성막은 흑색을 나타내고 있다.

마스크 부재(20) 없음의 조건에서는, 스캔 거리 20 mm의 성막(성막 시간 8분 )에서, 성막 개시 부근(도면 중 우측의 파선으로 나타내는 타원 영역)에서 막박리(Peel-off)가 관찰되었다. 이것은, 노즐(18)로부터 분출해, 타겟(19)의 조사면(190)에서 정반사한 A2 방향(도 3 참조)의 원료분말이 기여하고 있는 것으로 생각된다.

한편, 마스크 부재(20) 있음의 조건에서는, 스캔 거리 40 mm의 성막(성막 시간 16분)의 성막에서도 막박리는 일어나지 않고, 타겟(19)의 조사면(190)에서 정반사한 원료분말의 기재(S)에의 혼입을 저지하는 마스크 부재(20)의 설치가 유효하다는 것이 확인되었다. 또한 성막된 알루미나막의 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석했는데, 타겟(19)의 구성재인 스텐레스강의 구성 원소는 검출되지 않았던 점에서, 타겟(19)으로부터의 오염은 없다고 판단하였다.

도 5(a)는 마스크 부재(20) 없음으로 성막한 알루미나막의 실체 현미경상, 도 5(b)는 마스크 부재(20) 있음(에지 각도 γ는 81°)으로 성막한 알루미나막의 실체 현미경상이다. 여기에서는, 캐리어 가스로서 질소를 이용하였다. 막 두께 측정에는, 마이크로 미터 및 실체 현미경을 사용하였다.

마스크 부재(20) 없음으로 성막한 알루미나막(막 두께 13㎛)의 표면의 요철은 0.2㎛ 이하이었지만, 그 표면의 일부에는 10㎛에서 20㎛의 크기의 응집 입자의 부착이 다수 인정되었다(도 5(a) 참조).

한편, 마스크 부재(20) 있음으로 성막한 알루미나막(막 두께 19㎛)에는 큰 부착물은 없었던 점에서, 마스크 부재(20)의 설치가 치밀막을 형성하는데 유효하다는 것이 확인되었다.

(마스크 부재의 에지 각도의 효과)

이어서, 타겟 각도 β를 105°로 고정해, 마스크 부재(20)의 에지 각도 γ를 바꾸어 알루미나막을 제작하였다. 캐리어 가스로서 헬륨 가스를 사용해, 제작한 각 알루미나막의 막 두께로 규격화한 I-V 특성을 도 6(A), (B), (C)에 나타낸다.

I-V 특성 평가에는, ADC 사 제 디지털 초고저항/미소 전류계 「5450」을 이용하였다. 상부 전극은, 직경 2 mm의 구멍이 나 있는 펀칭 메탈을 마스크로서 알루미나막 상에 두께 200 nm의 알루미늄막을 스퍼터법으로 형성하였다. 각 알루미나막에 대해서 십자의 위치의 5점(1은 막 중심, 2 및 3은 노즐(18)로부터의 분사 방향에 대해서 막 중심으로부터 각각 내방으로 6 mm, 앞으로 6 mm의 위치, 그리고, 4 및 5는 노즐의 분사 방향에 대해서 막 중심으로부터 각각 오른쪽으로 5 mm, 왼쪽으로 5 mm의 위치)의 전극과 기재(S) 간에 순차 전압을 10 V씩 1 kV까지 인가해, 리크 전류치를 측정하였다.

도 6(A)은, 마스크 부재(20)의 에지 각도 γ를 99°로 설정해 성막한 알루미나막의 I-V 특성이다. 막 두께는 16㎛이었다. DC 1kV 인가시의 리크 전류는, 3.2×10^-10A이고, 얇은 막 두께에서도 높은 절연성능을 나타냈다.

도 6(B)은, 마스크 부재(20)의 에지 각도 γ를 90°로 설정해 성막한 알루미나막의 I-V 특성이다. 막 두께는 34㎛이었다. DC 1kV 인가시의 리크 전류는, 1.8×10^-10A이고, 높은 절연성능을 나타냈다.

도 6(C)은, 마스크 부재(20)의 에지 각도 γ를 81°로 설정해 성막한 알루미나막의 I-V 특성이다. 막 두께는 53㎛이었다. DC 1kV 인가시의 리크 전류는, 1.5×10^-7A이고, 두꺼운 막에도 불구하고, 절연 저하를 볼 수 있었다.

이들 점에서, 성막되는 알루미나막의 절연 특성은 마스크 부재(20)의 에지 각도 γ가 크게 영향을 주는 것이 확인되었다.

(사용 가스종의 영향)

캐리어 가스로서 사용되는 가스종의 영향을 보기 위해서, 헬륨 가스로 두꺼운 막이 얻어진 타겟 각도 β가 105°, 마스크 부재(20)의 에지 각도 γ가 81°의 조건에서, 헬륨 가스 대신에 질소 및 아르곤 가스를 사용하여 알루미나막을 제작하였다. 도 7(A)은, 질소를 사용하여 성막한 알루미나막의 I-V 특성이고, 도 7(B)은 아르곤을 사용하여 성막한 알루미나막의 I-V 특성이다. 이러한 I-V 특성은, 각각 알루미나막의 막 두께로 규격화하였다.

도 7(A)에 나타낸 바와 같이, 질소 가스를 사용한 알루미나막에서는, 성막 속도가 헬륨 가스에 비해 대략 1/3이고, 막 두께 19㎛이었다. 그 I-V 특성은, 절연 파괴는 생기지 않지만, DC 1kV 인가시에 1.0×10^-6A의 리크 전류치를 나타내고, 절연성능의 저하를 볼 수 있었다.

한편, 도 7(B)에 나타낸 바와 같이, 아르곤 가스를 사용한 알루미나막에서는, 더욱 성막 속도가 저하해, 12㎛의 막 두께이었다. 그 I-V 특성은, 절연 파괴는 생기지 않지만, DC 1kV 인가시에 1.0×10^-5A의 리크 전류치를 나타냈다.

이상의 실험 결과로부터, 마스크 부재(20)의 설치에 의해, 성막된 알루미나막의 절연성능의 향상과 절연 특성의 안정화를 도모할 수 있었다. 마스크 부재(20)의 에지 각도 γ가 90°로부터 개구도를 펼친 81°에서는, 1000배의 리크 전류치의 증대를 볼 수 있었다. 알루미나 입자가 치밀하게 결합한 막의 형성에는, 마스크 부재(20)의 삽입 위치의 최적지가 있는 것이라고 추측되었다. 마스크 부재(20)를 구비한 성막 장치(1)로 제작한 알루미나막이 안정되어 벌크체의 절연 파괴 전계 강도를 초과하는 특성을 가지는 것을 나타냈다.

(마스크 부재의 구성예)

상술한 바와 같이, 마스크 부재(20)는, 금속제의 판재로 구성되지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 8에 나타내는 마스크 부재(20)는, 그 스테이지(7) 측의 일단부(21)와는 반대측의 단부(22)에 노즐(18) 측을 향하여 접힌 굴곡부(220)를 가져도 좋다. 이 경우, 굴곡부(220)는, 타겟(19)의 조사면(190)에서, 화살표(A2) 방향으로 정반사된 원료 입자를 소정 방향으로 이끄는 접힘부로서 기능한다. 도시의 예에서는, 조사면(190)에서 정반사된 원료 입자를 마스크 부재(20)로부터 노즐(18) 측으로 향하는 비행 경로(화살표(A3) 참조)를 형성한다. 이로 인해, 마스크 부재(20)에 도달한 입자를 스테이지(7)와는 반대측으로 이끌 수 있다. 굴곡부(220)의 접힘 각도는, 전형적으로는 90°이지만, 이에 한정되지 않고, 임의의 각도로 형성되어도 좋다.

또한, 도 9에 나타낸 바와 같이, 마스크 부재(20)는, 굴곡부(220)에 더해 또는 이것 대신에, 스테이지(7) 측의 일단부(21)에 타겟(19) 측을 향하여 접힌 굴곡부(210)를 더 가져도 좋다. 이 경우, 굴곡부(210)는, 타겟(19)의 조사면(190)으로부터 기재(S)를 향해 화살표(A1) 방향으로 비행하는 원료 입자의 미세분말의 진로를 막지 않는 각도(예를 들면 120° 이상)로 접히는 것이 바람직하다. 이로 인해, 마스크 부재(20)에 도달한 입자 사이즈의 비교적 큰 원료분말이 기재(S) 측으로 향하는 것을 저지할 수 있기 때문에, 기재(S) 상의 막 내에 상기 원료분말의 혼입을 효과적으로 저지할 수 있다.

1:성막 장치
2:생성실
3:성막실
6:반송관
7:스테이지
18:노즐
19:타겟
20:마스크 부재

Claims (4)

1. 원료 입자의 에어로졸을 생성할 수 있도록 구성된 생성실,
   상기 생성실보다도 저압으로 유지될 수 있도록 구성된 성막실,
   상기 생성실과 상기 성막실의 사이를 접속하여, 선단부에 상기 에어로졸을 분사하는 노즐을 가지는 반송관,
   상기 성막실에 배치되어 상기 노즐로부터 분사된 상기 에어로졸의 조사를 받는 조사면을 가지고, 상기 조사면과의 충돌에 의해 상기 원료 입자를 플라스마로 대전시키는 타겟,
   대전된 상기 원료 입자의 방전에 의해서 생성되는 상기 원료 입자의 미세 입자가 퇴적하는 기재를 지지하는 지지면을 가지는 스테이지, 및
   상기 성막실에 배치되어 상기 조사면에 충돌한 상기 원료 입자 중 상기 조사면에서 정반사된 원료 입자의 상기 스테이지로의 도달을 저지하는 마스크 부재,
   를 구비하고,
   상기 마스크 부재는, 상기 조사면에서 정반사된 원료 입자를 소정 방향으로 이끄는 접힘부를 가지는 성막 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스테이지는, 상기 조사면에서 정반사된 상기 원료 입자가 도달하지 않는 위치로서, 상기 조사면을 통과하고, 또한, 상기 조사면과 평행한 축선 상에 배치되는, 성막 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 마스크 부재는, 상기 지지면과 평행한 판상의 부재인, 성막 장치.
4. 삭제

Images