KR20030034294A

KR20030034294A - 펄스 레이저를 이용한 박막 증착 시스템 제작 기술

Info

Publication number: KR20030034294A
Application number: KR1020010064981A
Authority: KR
Inventors: 홍광준; 유상하; 정준우; 백형원; 문종대; 박창선
Original assignee: 홍광준
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2003-05-09
Also published as: KR100466825B1

Abstract

전자 부품 산업 발전으로 박막 제조를 위한 초박막화(Quantum dot), 단결정 박막화(Single crystal thin film), 완전한 단결정 박막(Perfect single crystal thin film)등의 공정 기술이 요구되고 있다. 이들 특성을 만족하기 위해서 증착 시료의 녹는 온도 (melting point)가 높은 반도체, 산화물 증착 시료 타겟(Target)에 펄스 레이저(Pulsed laser)를 조사하여 고 에너지의 레이저 빛이 증착 시료 타겟에 집속되어 레이저 빛의 열과 광에너지에 의해 dielectric breakdown이 유기되고 대부분의 광양자 에너지는 고체 상태의 시료 타겟 물질에 흡수된다.이 흡수된 광자 에너지는 전자와 격자의 진동자에 의해서 증착 시료 타겟 물질의 온도를 급격히 높여 시료 물질을 기화 시켜, 온도 변화 가능한 기판(Substrate)위에 박막(thin film)이 형성 되도록한 펄스 레이저 박막 증착 시스템 ( pulsed Laser Thin Film Deposition system)을 제작한다.

Description

펄스 레이저를 이용한 박막 증착 시스템 제작 기술 {Fabricating Technology for Thin Film Deposition system using pulsed Laser}

▲ 발명이 속하는 기술 분야

지금까지 박막 증착 방법은 시료 증발원(target)의 에너지 원을 열 저항에 의해 가열, 기화시켜 박막을 성장시킨 진공 증착,분자살 적층( MBE), 기상 적층 (VPE), 액상 적층(LPE) 등과 이온 조사 증착법으로 이루어 졌으나, 본 발명에서는 시료 증발원의 증발 에너지 원을 펄스 레이저를 사용하여 박막을 성장시킨 펄스 레이저 박막 증착 시스템을 개발한다. 레이저 펄스 시스템을 이용한 박막 증착에 대한 구체적 과정은 다음과 같다. 시료 증발원의 녹는 온도가 높은 산화물, 반도체 물질을 성형, 소결하여 만든 증착 시료에 레이저 펄스를 조사하면 증착 시료는 기화 되고, 기화된 물질은 진공도가 10^{- 6}mmHg 인 진공 챔버(Vacuum chaber) 내에서 확산된다.이때 증발원 증착 시료 타겟(target)과 기판이 가까우면 레이저 펄스 에너지에 의해 기화된 시료 덩어리 입자가 기판에 증착되지 않도록 증발원 시료 타겟(target)과 기판의 거리를 10 cm 띄였다. 특히 단결정 박막을 성장시키기 위해서는, 증발원인 시료 타겟(target)과 기판의 거리 사이에서 기화된 물질의 에너지를 잃지 않도록 열 벽 로(Hot Wall Furnace)을 구성하였다. 이때 열 벽 로(Hot Wall Furnace)의 열선은 텅스텐 (φ=0.4 mm)을 사용하였으며, 열 벽 로(Hot Wall Furnace)의 온도는 열전대 (Thermocouple)을 온도 조절기 (Temperature controller) 연결하여 조절 하였다. 또한 온도를 조절할 수 있는 기판(Substrate)을 직류(DC) 모터에 연결하여 2mm∼5mm/hr 회전 가능하게 하여 균일한 단결정 박막을 성장 시키기 위한 기술 개발이다. 이러한 기술은 종래의 진공 고주파 전기로 시스템을 이용하여 시료 증발원의 녹는 온도(Melting point)가 높은 산화 화합물(자성체, 초전도체 물질등), 반도체 화합물의 박막을 성장시켰을때 보다, 펄스 레이저 박막 증착 시스템를 사용하면 실험 장치가 간단하고 타켓으로 부터 방출되는 입자들의 운동에너지가 200-400 eV로 낮아서 비교적 낮은 기판의 온도에서 완전한(perfect)한 결정화가 가능하고,다성분계 화합물 타겟의 화학 양론적 조성을 만족하는 재현성이 높은 양질의 박막을 성장시킬 수 있다.

▲ 그분야의 종래 기술의 문제점

- 종래의 진공 고주파 전기로를 이용하면 시료 증발원의 녹는 온도(Melting point)가 높은 산화 화합물(자성체, 초전도체 물질등), 반도체 화합물의 박막을 성장시킬 수는 있다. 그러나 진공 고주파로를 이용한 박막 증착 장비의 고가, 복잡한 설비 등으로 경제적, 기술적으로 어려움이 있다.

① 펄스 레이저 박막 증착 시스템 제작 기술.

② 레이저빔에 의해서 기화된 고루지 않은 입자들이 기판에 증착되지 않도록 하고, 완전한(Perfect) 단결정 박막을 성장시키기 위한 열 벽 로(Hot Wall Furnace) 제작 기술.

③ 기판의 온도 변화를 가능하게 할 전기로 시스템 기술.

④ 기판를 2 ∼ 5 mm/hr로 회전 시킬 시스템 기술.

이하 본 발명의 하나의 실시 예를 제 1도에 표시하였다. (기존의 실시예는 아직 없음)제 1도의 발명의 실시 예는 ①의 펄스 레이저(Pulsed laser)빔을 ②의 증착 시료 타겟(target)에 조사하였을때, 레이저 광양자의 에너지가 고체 상태의 증착 시료 타겟(target)에 흡수되어, 증착 시료 타겟(target)의 온도를 급격히 높이게 되어 증착 물질을 기화시킨다. 기화된 이 증착 물질은 진공에서 확산되어 ③의 열 벽 로(Hot Wall Furnace)(ℓ=10cm, φ=30mm)의 통해 일정한 입자들이 ④의 온도의 변화와 회전이 가능한 기판 (substrate) 위에 단결정 박막을 증착 시킨다.

① 기존의 박막 증착 장치보다 제 1도와 같이 간단한 펄스 레이저 증착 시스템 설계 및 제작 기술.

② 기판 전방에 구성된 열 벽 로(Hot Wall Furnace)설치, 이 때 기판의 온도를 열 벽 로의 온도보다 물질에 따라100∼150℃낮추는 단결정 박막 형성 기술.

① 펄스 레이저 박막 증착 시스템를 개발한다.(: 실험 장치가 간단)

② 타켓으로 부터 방출되는 증발원 입자들의 운동 에너지가 200-400 eV로 낮아서 낮은 기판의 온도에서 결정화가 되어 완전한(perfect)한 박막 (thin film) 성장이 가능하다.

③ 다성분계 화합물 타겟의 화학 양론적 조성(stochiometric)을 만족하는 박막을 성장한다.

(: 높은 에너지 밀도의 레이저 peak power로 인해 레이저 펄스 폭 만큼의 짧은 시간에 기화되어 증착.)

④ 재현성이 높은 양질의 박막을 성장시킨다.

(도6)

Claims

펄스 레이저를 에너지원으로 증착 시료 타켓에 조사하여 박막을 증착시키는 박막 증착 시스템 제작 기술
증착 기판 전방에 열 벽 로(Hot Wall Furnace) 설치 제작 기술.(: 단결정 박막 증착 요건)
균일한(homogeneous) 시료를 제작하기 위해서 증착 기판을 직류(DC) 모터와 소프 라켓을 이용한 2mm∼5mm/hr로 회전 기술
단결정 박막을 제작하기 위해서 증착 기판 온도를 온도 조절기와 열 벽 로를 이용한 온도 조절 기술