KR20040088650A - 박막 합성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 화학 증착 장치를 이용하여 모재에 박막을 합성하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 및 단일 스크린을 이용하여 플라즈마의 밀도를 높이고 균일한 온도제어 및 조절을 통해 대면적 제품에도 균일한 비정질의 탄소계 박막을 합성할 수 있는 박막 합성 장치에 관한 것이다.
본 발명은 모재 표면에 박막을 합성하는 장치에 있어서, 상기 모재가 설치되며, 진공도 유지를 위한 진공용기; 상기 진공용기와 연결되며, 진공용기 내에 탄소화합물과 수소를 진공용기 내로 공급하는 공급부; 상기 모재가 안치되고 상기 진공용기 내에 설치되며, 중공음극방전을 통해 상기 탄소화합물과 수소기체를 이온화시켜 플라즈마를 발생시키는 스크린; 상기 스크린과 모재에 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 진공용기와 연결되며, 진공용기 내의 가스를 배출하는 배출수단; 상기 진공용기와 연결되며, 플라즈마 상태를 진단하는 진단부; 상기 전원공급부와 진단부를 제어하는 제어부;로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

박막 합성 장치{A apparatus for synthesis of thin films}
본 발명은 플라즈마 화학 증착 장치를 이용하여 모재에 박막을 합성하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 및 단일 스크린을 이용하여 플라즈마의 밀도를 높이고 균일한 온도제어 및 조절을 통해 대면적 제품에도 균일한 비정질의 탄소계 박막을 합성할 수 있는 박막 합성 장치에 관한 것이다.
플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)은 반응가스를 진공상태의 챔버에 주입하고, 전장을 형성하여 플라즈마를 유도하는 장치로 구성되는데 전장에 의해 높은 에너지를 얻은 전자가 중성 상태의 가스분자와 충돌하여 가스분자를 분해하고, 이 분해된 가스원자가 기판에 부착되는 반응을 이용하여 박막을 증착하는 공정이다.
종래의 화학 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)이 열에너지를 반응에 필요한 에너지원으로 이용하고 있는 반면에 플라즈마 화학 기상 증착법은 플라즈마를 이용함으로써 그 만큼 열에너지를 줄일수 있는 장점이 있기 때문에 박막을 증착하는 공정에 널리 적용되고 있다.
본 발명에서 상기의 플라즈마 화학 기상 증착법으로 증착하고자 하는 비정질의 탄소계(Diamond-Like Carbon 이하, DLC라 한다) 박막은 다이아몬드나 흑연과는 달리 플라즈마 중의 탄소이온이나 활성화된 탄화수소 분자를 전기적으로 가속하여 높은 운동에너지로 기판(모재)에 충돌시킴으로써 코팅이 이루어지는 물질이다.
또한, DLC 박막은 뛰어난 경도와 내마모성, 전기 절연성 그리고 높은 광투과성과 굴절률을 가지고 있을 뿐만 아니라 표면의 화학적 안정성이 매우 뛰어나크로 부식에 강하고, 다른 금속과의 내응착성도 우수한 장점을 가지고 있다.
상기와 같은 DLC 박막의 장점 때문에 여러 산업 분야에서 DLC 박막을 증착하려는 시도가 진행되어 오고 있고 있으나, 모재의 열변형을 막기 위한 저온공정에 따른 모재에 증착된 박막의 박질 저하와 밀착력이 나오지 않는 단점을 극복하지 못하고 있다.
모재의 열변형을 막기 위한 저온공정의 결과에 따른, 모재에 증착된 박막의 박질저하 방지와 밀착력 향상을 위한 종래 기술로는 이온주입기술과, 할로우 캐소드 효과를 이용한 기술과, 스크린에 의한 DLC를 코팅하는 기술 등이 있으나 하기와 같은 문제를 극복하지 못하였다.
이온주입(Ion Implantation) 기술은 전기장을 이용하여 주입하고자 하는 이온들을 높은 운동에너지를 갖도록 가속시켜서 고체 상태인 재료의 표면에 충돌시켜 모재와 DLC 박막과의 밀착력 향상을 도모하고 있지만, 고전압을 사용하기 때문에 비용적으로 불리한 면이 있으며, 이온빔의 충돌로 인해 발생되는 X선 등의 방사선을 처리해야 하는 문제를 안고 있다.
마이크로파를 이용하여 할로우 캐소드 효과로 DLC를 합성하는 방법은 판형 모재에만 적용이 가능하고 전극간의 거리에 따른 영향을 받는 단점이 있다.
스크린에 의한 DLC를 코팅하는 방법은 판형 스크린 전극과 서셉터(Suscepter)를 두고 두 전극에 같은 전압을 인가하여 DLC를 코팅하는 방법이나, 직선적인 공정(Line-of-sight process)에 한하여 적용됨으로써, 대면적의 모재에 적용이 용이하지 않는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위해 창안된 것으로서, 원통형 스크린에 의한 중공음극방전 효과를 통해 DLC를 합성함에 따라 대면적에도 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있는 박막 합성 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 실시예 1에 따른 다중 스크린을 이용한 박막 합성 장치의 구성도.
도 2는 실시예 1에 적용된 다중 스크린의 중공음극방전에 의한 탄소화합물과 수소기체의 활성화 및 이온화 모식도.
도 3은 실시예 2에 따른 단일 스크린을 이용한 박막 합성 장치의 구성도.
도 4는 실시예 2에 적용된 단일 스크린의 중공음극방전에 의한 탄소화합물과 수소기체의 활성화 및 이온화 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1: 탄소화합물 공급부 2: 반응가스 공급부
3: 진공용기 4: 다중 스크린
4a: 오리피스 홀 5: 모재
6: 진공펌프 7a: 스크린 전원공급부
7b: 서셉터 전원공급부 8: 진단부
9: 제어부 10: 단일 스크린
10a: 오리피스 홀 11: 서셉터
12: 쉬스
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 모재 표면에 박막을 합성하는 장치에 있어서, 상기 모재가 설치되며, 진공도 유지를 위한 진공용기; 상기 진공용기와 연결되며, 진공용기 내에 탄소화합물과 수소를 진공용기 내로 공급하는 공급부; 상기 모재가 안치되고 상기 진공용기 내에 설치되며, 중공음극방전을 통해 상기 탄소화합물과 수소기체를 이온화시켜 플라즈마를 발생시키는 스크린; 상기 스크린과 모재에 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 진공용기와 연결되며, 진공용기 내의 가스를 배출하는 배출수단; 상기 진공용기와 연결되며, 플라즈마 상태를 진단하는 진단부; 상기 전원공급부와 진단부를 제어하는 제어부;로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 합성 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 모재가 설치되며, 진공도 유지를 위한 진공용기; 상기 진공용기와 연결되며, 진공용기 내에 탄소화합물과 수소를 진공용기 내로 공급하는 공급부; 상기 모재를 내장하고 상기 진공용기 내에 설치되며, 중공음극방전을 통해 상기 탄소화합물과 수소기체를 이온화시켜 플라즈마를 발생시키는 스크린; 상기 스크린 하부에 장치되어, 상기 모재에 바이어스를 인가하기 위한 서셉터; 상기 진공용기와 연결되며, 진공용기 내의 가스를 배출하는 배출수단; 상기 스크린과 서셉터에 전원을 공급하기 위한 전원공급부; 상기 진공용기와 연결되며, 플라즈마 상태를 진단하기 위한 진단부; 상기 전원공급부와 진단부를 제어하기 위한 제어부;로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 합성 장치를 제공한다.
상기 스크린은 원통형이며, 상기 스크린에는 중공음극방전을 발생시킬수 있는 다수의 오리피스 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 배출수단은 진공펌프인 것을 특징으로 한다.
상기 스크린은 다수의 모재를 안치할 수 있는 다중 스크린으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 스크린과 모재에는 상기 전원공급부에 의해 동일한 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 전원공급부는 상기 서셉터와 스크린에 각기 다른 전압을 공급할 수 있도록 스크린 전극부와 서셉터 전극부로 구분되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목적은 DLC 코팅을 위한 플라즈마 화학 증착 장치를 이용하여 박막처리 대상 모재(제품)와 밀착력이 우수한 고경도의 DLC를 합성할 수 있고, 대면적의 모재에도 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있는 박막 합성 장치를 구성함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위해 본 발명에 따른 박막 합성 장치는 크게 진공도 유지를 위한 진공용기, 진공용기 내로 가스를 공급하는 가스 공급부, 중공음극방전 효과로 플라즈마를 발생시키는 스크린, 전원공급부, 배출수단, 진단부, 제어부로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 박막 합성 장치의 박막 합성 방법을 언급하면 하기와 같다.
가스공급부를 통해 진공용기로 공급된 탄소화합물(C2H2,CH4)과 수소기체(H2) 및 아르곤 가스는 스크린의 고밀도 플라즈마에 의해 분해가 이루어지고, 스크린과 서셉터간의 전압을 동전위나 위상을 달리한 서셉터 바이어스 효과로 인해 높은 서텝서에 안치된 모재에 DLC 코팅이 이루어지게 된다.
또한, 스크린을 단일 스크린이 아닌 다중 스크린으로 구성하여, 상기 다중 스크린 상부에 모재를 장착하고 스크린에 전압을 인가하는 DLC 코팅 방법을 본 발명은 예시한다.
이하, 실시예 1 및 실시예 2를 통하여 본 발명은 보다 구체화하여 설명하고자 한다.
하기 실시예 1 및 실시예 2에서 예시하는 내용은 본 발명의 내용을 예시하는 것일뿐 본 발명의 특허청구범위가 하기의 실시예에 국한되는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다.
실시예 1은 본 발명에 따른 박막 합성 장치를 구성함에 있어서, 다중 스크린을 이용하여 스크린 위에 모재를 장착하고, 상기 스크린에 전압을 인가하여 DLC 박막을 코팅하는 플라즈마 화학 증착 장치를 이용한 박막 합성 장치를 예시한다.
실시예 2는 본 발명에 따른 박막 합성 장치를 구성함에 있어서, 단일 스크린과 서셉터를 설치하고, 상기 서셉터에 모재를 장착하여 스크린과 서셉터 두 전극에 전압을 달리 인가하여 코팅하는 플라즈마 화학 증착 장치를 이용한 박막 합성 장치를 예시한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 실시예 1 및 실시예 2를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 실시예 1에 따른 다중 스크린을 이용한 박막 합성 장치의 구성도, 도 2는 실시예 1에 적용된 다중 스크린의 중공음극방전에 의한 탄소화합물과 수소기체의 활성화 및 이온화 모식도이고, 도 3은 실시예 2에 따른 단일 스크린을 이용한 박막 합성 장치의 구성도이며, 도 4는 실시예 2에 적용된 단일 스크린의 중공음극방전에 의한 탄소화합물과 수소기체의 활성화 및 이온화 모식도이다.
[실시예 1]
다중 스크린을 적용한 박막 합성 장치
도 1 및 도 2를 참조하여 실시예 1을 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 진공용기(3)에는 탄소화합물 및 반응가스를 공급할 수 있는 가스 공급부(1, 2)가 연결되어 있고, 상기 진공용기(3) 내의 가스를 배출하고 진공용기(3) 내의 압력을 부압으로 유지하기 위한 배출수단, 바람직하게는 진공펌프(6)가 연결된다.
또한, 상기 진공용기(3) 내에는 다수의 오리피스 홀(4a)이 형성된 원통형의 다중 스크린(4)과 상기 다중 스크린(4)의 상부에는 모재(5)가 장착되어 있는 구조이다.
또, 상기 진공용기(3)의 일측에는 진공용기(3) 내의 플라즈마를 진단할 수 있는 진단부(8)와 상기 스크린(4)과 모재(5)에 전원을 공급하기 위한 스크린 전원공급부(7a)가 연결되어 있고, 상기 진단부(8)와 스크린 전원공급부(7a)를 제어하기 위한 제어부(9)가 구성되어 있다.
이하, 본 실시예 1과 같이 구성된 박막 합성 장치의 박막 형성 방법을 설명하면 하기와 같다.
진공용기(3) 내에 스크린(4)을 다중으로 설치하여 스크린(4) 위에 모재를 장착하여 스크린(4) 및 모재(5)에 스크린 전원공급부(7a)로 부터 같은 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키고 다중 스크린(4)의 중공음극방전(Hollow Cathode Discharge)을 통해 탄소화합물(C2H2, CH4)과 반응성 기체(Ar, H2)의 분해를 유도한다. 즉, 가스공급부(1, 2)로 부터 인입된 탄소화합물과 수소기체는 스크린(4)의 고밀도 플라즈마에 의해 분해가 이루어지는 것이다.
상기와 같이 분해된 이온화 입자들은 모재(5) 주위에는 인가된 고전압 펄스로 인하여 플라즈마 쉬스(12, Plasma Sheath)가 형성되며 플라즈마 중의 양이온들은 쉬스(12) 경계에 수직하는 방향으로 소재 표면에 입사하게 됨으로써, 모재(5)에 DLC 코팅이 이루어지게 된다.
상기 스크린(4)에는 다수의 오리피스 홀(4a)이 구성되어 있기 때문에 방전시에 탄소화합물과 반응성 기체의 분해를 촉진할 수 있는 특징이 있다.
또한, 상기 오리피스 홀(4a)은 다중 스크린(4)의 방전영역에서 탄소화합물 라디칼(Radical)의 밀도(Density)를 높이고 모재(5)로의 흡착율을 증가시킨다. 그리고, 스크린(4) 방전내의 이온화된 입자를 모재의 쉬스(12)로 끌어들임으로서 증착율 향상시키는 역할을 한다.
상기와 같은 다수의 오리피스 홀(4a)이 형성된 원통형의 다중 스크린(4)은 모재(5)의 온도를 균일하게 유지할 수 있는 가장 큰 장점이 있다.
참고로, 상기와 같이 플라즈마가 형성되는 메카니즘은 글로우 방전(Glow Discharge) 플라즈마를 이용하는 방법으로서, 반응가스와 불활성가스를 함께 도입하여 고전압이 인가된 모재(5) 표면에서 발생되는 2차 전자의 운동에너지를 이온화원으로 이용하는 것이다.
[실시예 2]
단일 스크린을 적용한 박막 합성 장치
도 3 및 도 4를 참조하여 본 실시예 2를 설명한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 진공용기(3)에는 탄소화합물 및 반응가스를 공급할 수 있는 가스 공급부(1, 2)가 연결되어 있고, 상기 진공용기(3) 내의 가스를 배출하고 진공용기(3) 내의 압력을 부압으로 유지하기 위한 배출수단, 바람직하게는 진공펌프(6)가 연결된다.
또한, 상기 진공용기(3) 내에는 다수의 오리피스 홀(4a)이 형성된 원통형의 단일 스크린(10)과 상기 단일 스크린(10)의 내부에는 모재(5)가 내장되어 있는 구조이다.
상기 스크린(10)의 하부에는 서셉터(11, Suscepter)가 구성되어 있어서, 상기 서셉터(11)에 바이어스를 인가할 수 있도록 되어 있다.
또, 상기 진공용기(3)의 일측에는 진공용기(3) 내의 플라즈마를 진단할 수 있는 진단부(8)와, 상기 서셉터(11)에 바이어스를 인가하기 위한 서셉터 전원공급부(7b)와, 스크린(10)에 전원을 공급하기 위한 스크린 전원공급부(7a)가 연결되어 있고, 상기 진단부(8)와 전원공급부(7a, 7b)를 제어하기 위한 제어부(9)가 구성되어 있다.
이하, 본 실시예 2와 같이 구성된 박막 합성 장치의 박막 형성 방법을 설명하면 하기와 같다.
진공용기(3) 내에 단일 스크린(10)과 서셉터(11)를 설치하여 스크린(10)의 중공음극방전으로 가스공급부(1, 2)로 부터 공급된 탄소화합물 및 수소기체의 라디칼(Radical) 및 이온을 형성시키고 서셉터(11)에 바이어스(Bias)를 인가하여 이온화된 입자를 모재(5) 쪽으로 끌어당김으로써 모재(5) 표면에 박막을 형성시키게 된다.
상기 모재(5) 주위에는 인가된 고전압 펄스로 인하여 플라즈마 쉬스(12, Plasma Sheath)가 형성되며 플라즈마 중의 양이온들은 쉬스(12) 경계에 수직하는 방향으로 소재 표면에 입사하게 됨으로써, 모재(5)에 DLC 코팅이 이루어지게 되는 것이다.
상기 스크린(10)에는 다수의 오리피스 홀(10a)이 구성되어 있기 때문에 방전시에 탄소화합물과 반응성 기체의 분해를 촉진할 수 있는 특징이 있다.
또한, 상기 오리피스 홀(10a)은 단일 스크린(10)의 방전영역에서 탄소화합물 라디칼(Radical)의 밀도(Density)를 높이고 모재(5)로의 흡착율을 증가시킨다. 그리고, 스크린(10) 방전내의 이온화된 입자를 모재의 쉬스(12)로 끌어들임으로서 증착율 향상시키는 역할을 한다.
상기와 같은 다수의 오리피스 홀(10a)이 형성된 원통형의 단일 스크린(10)은 모재(5)의 온도를 균일하게 유지할 수 있고, 라디칼의 밀도 향상으로 모재(5) 표면의 흡착율을 증가시킬수 있다.
참고로, 본 실시예 2에서는 스크린(10) 전극과 서셉터(11) 전극의 전원을 달리하여 두 전극간의 전압주기(위상)를 조절함으로써 보다 최적화된 증착 조건을 유도할 수 있다.
그리고, 상기 두 전극간의 전압 인가시간을 동시간 또는 다른 시간의 함수로 조절함으로써 스크린(10)에서 발생되는 라디칼 및 이온화 입자를 모재(5) 표면의 흡착율을 증대시킬 뿐만 아니라, 서셉터(11) 전극에 전압을 인가하여 이온화된 입자를 접속하여 증착율과 밀착력을 향상할 수 있다.
참고로, 상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제시된 본 발명에 따른 가스공급부(1, 2)와 배출수단, 바람직하게는 진공펌프(6)는 상기 진공용기(3)와 결합됨에 있어서 얼마든지 위치 변경이 가능함은 당업자에게 있어 자명할 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 박막처리를 함에 있어 보조열원이 필요없고 높은 증착율을 얻을수 있을 뿐만 아니라, 방사선 차폐 및 장비운용 비용을 줄일수 있어 경제적인 효과를 얻을수 있다.

Claims (7)

  1. 모재 표면에 박막을 합성하는 장치에 있어서,
    상기 모재가 설치되며, 진공도 유지를 위한 진공용기;
    상기 진공용기와 연결되며, 진공용기 내에 탄소화합물과 수소를 진공용기 내로 공급하는 공급부;
    상기 모재가 안치되고 상기 진공용기 내에 설치되며, 중공음극방전을 통해 상기 탄소화합물과 수소기체를 이온화시켜 플라즈마를 발생시키는 스크린;
    상기 스크린과 모재에 전원을 공급하는 전원공급부;
    상기 진공용기와 연결되며, 진공용기 내의 가스를 배출하는 배출수단;
    상기 진공용기와 연결되며, 플라즈마 상태를 진단하는 진단부;
    상기 전원공급부와 진단부를 제어하는 제어부;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 합성 장치.
  2. 모재 표면에 박막을 합성하는 장치에 있어서,
    상기 모재가 설치되며, 진공도 유지를 위한 진공용기;
    상기 진공용기와 연결되며, 진공용기 내에 탄소화합물과 수소를 진공용기 내로 공급하는 공급부;
    상기 모재를 내장하고 상기 진공용기 내에 설치되며, 중공음극방전을 통해 상기 탄소화합물과 수소기체를 이온화시켜 플라즈마를 발생시키는 스크린;
    상기 스크린 하부에 장치되어, 상기 모재에 바이어스를 인가하기 위한 서셉터;
    상기 진공용기와 연결되며, 진공용기 내의 가스를 배출하는 배출수단;
    상기 스크린과 서셉터에 전원을 공급하기 위한 전원공급부;
    상기 진공용기와 연결되며, 플라즈마 상태를 진단하기 위한 진단부;
    상기 전원공급부와 진단부를 제어하기 위한 제어부;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 합성 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스크린은 원통형이며, 상기 스크린에는 중공음극방전을 발생시킬수 있는 다수의 오리피스 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 합성 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 배출수단은 진공펌프인 것을 특징으로 하는 박막 합성 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크린은 다수의 모재를 안치할 수 있는 다중 스크린으로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 합성 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 스크린과 모재에는 상기 전원공급부에 의해 동일한 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 박막 합성 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 전원공급부는 상기 서셉터와 스크린에 각기 다른 전압을 공급할 수 있도록 스크린 전극부와 서셉터 전극부로 구분되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 합성 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101234353B1 (ko) * 2010-09-14 2013-02-15 배진범 다공성 음극스크린을 구비한 물리 증착 장치 및 이를 이용한 표면처리방법
KR20180046548A (ko) 2016-10-28 2018-05-09 고려대학교 산학협력단 나노 다이아몬드를 계면 층으로 적용한 다이아몬드상 탄소막의 제조방법 및 이에 의해 제조된 다이아몬드상 탄소막
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