KR20050054385A - 박막성장 장비용 히터장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체, 강유전체, 초전도체 등의 박막 증착 시스템에서 공정챔버내 환경이 산소 및 각종 부식 가스 분위기 뿐만 아니라 스퍼터링 실험과 같은 플라즈마 분위기에서도 기생 플라즈마에 의한 순간 파손없이 안정적으로 사용 가능하도록 하는 박막성장 장비용 히터장치에 관한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은 전열선이 배면에 설치되고 열전도판이 형성된 히터블록과 상기 히터블록을 공정챔버의 내부에 고정시키는 다수의 결합부재로 이루어진 박막성장 장비용 히터장치에 있어서, 상기 히터블록의 배면과 측면이 삽입되는 히터블록케이스가 설치되고 상기 히터블록케이스와 히터블록 배면 사이에 세라믹판이 개재되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

따라서 고온산화물 박막증착등에 필요한 높은 온도의 획득이 용이하고, 각종 부식가스분위기에 대한 내부식성이 강하며, 기형 플라즈마 발생까지 방지할 수 있고, 전열선의 파손시에 간단히 유지보수가 가능한 저전력형의 효율적인 히터장치를 제공하는 효과가 있다.

Description

박막성장 장비용 히터장치{Substrate-heating device for thin film deposition}

본 발명은 박막성장 장비용 히터장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체, 강유전체, 초전도체 등의 박막 증착 시스템에서 공정챔버내 환경이 산소 및 각종 부식 가스 분위기 뿐만 아니라 스퍼터링 실험과 같은 플라즈마 분위기에서도 기생 플라즈마에 의한 순간 파손 없이 안정적으로 사용 가능한 박막성장 장비용 히터장치에 관한 것이다.

일반적으로 기판(substrate)에 박막을 증착시키는 방법으로 진공증착법 ·화학기상증착(chemical vapor deposition : CVD)법 ·이온빔 충격법 ·스퍼터링법 (Sputtering) · 펄스 레이저 증착법등이 있다.

이 때 불순물 없이 균일한 박막을 성장시키기 위하여 박막성장은 약10^-5torr의 고진공에서 시작하여 수백 mtorr의 반응가스 혹은 증착 촉진가스(예:산화물 박막증착의 경우 산소)분위기 속에서 증착이 이루어지며, 진공 챔버내에는 타겟(target)과 기판 및 히터장치가 설치되어 고에너지를 타겟에 입사시켜 타겟원자를 활성화시키고 이들이 증착되는 기판은 박막이 증착되기 용이하도록 히터장치에 의하여 가열된다.

이때 진공펌프와 진공챔버를 이용하여 진공분위기를 만든다. 진공펌프로는 기름의 증발 등 오염물질이 발생하지 않는 스퍼터이온펌프 ·터보분자펌프 ·크라이오펌프 등을 많이 사용한다. 진공용 구조물재료로는 스테인리스강(鋼) 계통을 많이 사용한다.

도 1은 펄스 레이저 증착법의 공정장치를 예시하고 있다.

진공챔버(2) 외부로부터 수정창(quartz window)을 투과하여 레이저 빔(7)을 타겟(3)의 표면에 입사시키면 레이저 빔(7)이 입사된 부위의 물질을 용융시키켜 원자 분사형태인 레이저 플룸(laser plume)(8)을 발생시키고, 이렇게 증기화된 원자들은 박막증착이 쉽도록 히터장치(1)에 의하여 가열된 기판으로 날아가 증착되어 타겟(3)재료와 동일한 조성을 지닌 일정한 두께의 박막이 기판에 형성된다.

CCD카메라(5)로 진공챔버(2)내의 증착상태를 감시하고 컴퓨터(6)를 이용한 정확한 공정제어를 하게 된다.

또한 스퍼터링 방법은 진공챔버내의 2개의 전극에 전원을 가하고 아르곤(Ar)가스 등을 주입하면 아르곤 양이온과 전자가 공존하는 플라즈마 상태로 변하게 되며, 플라즈마 상태로 된 아르곤 양이온들이 음으로 대전된 타겟에 빠른 속도로 끌려가 타겟 표면과 충돌하여 타겟 표면의 원자들을 방출시키게 되고, 이때 방출된 원자가 양극에 있는 기판에 증착되는 것이다.

여기에 필요한 기판을 가열하는 히터장치로는 특허등록 제342395호에 개시된 바와 같이 고온의 아르곤가스를 이용한 가열방식, 실용신안등록 제156798호에 개시된 바와 같이 적외선 램프와 열전도판을 이용한 간접가열방식, 특허등록 제171378호에 개시된 바와 같은 회전 전열기 방식등이 있지만, 히터장치의 구조가 복잡하고 균일한 가열이 용이하지 않으며 산소 등 부식가스 분위기나 플라즈마 방식의 스퍼터링 장비에서 쉽게 열선이 파손되는 문제점이 있었다.

즉, 최근에는 반도체 고집적화 추세에 따라 필연적으로 박막의 두께도 얇아지고 있는데, 몇 개의 원자층으로 이루어진 얇은 박막을 가지고 TFT트랜지스터 효과를 얻는 것은 매우 어려운 일로서 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법을 강유전물질이나 금속산화물 박막에서 찾으려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

이 경우 산화물 박막성장은 산소분위기 또는 각종의 부식가스분위기가 고온에서 유지되어야 하는 조건으로 인하여 히터장치의 열선등이 쉽게 산화되고, 고온초전도체(높은 임계온도를 얻기위해 주로 산화물 초전도체를 기반으로 함) 및 강유전체 박막들의 경우에도 750℃이상의 고온에서 증착이 수행됨으로 인하여 열선의 산화현상이 심하게 발생하여 파손되는 문제점이 있는 것이다.

한편, 펄스 레이저 증착법과 같이 비 플라즈마 식의 증착인 경우는 히터 장치가 고온 및 산소 분위기에 대한 대응특성이 우수하면 되지만, 스퍼터링과 같은 플라즈마 실험을 할 경우는 공정챔버 내에 존재하는 작은 공간 또는 구조상 문제로 인해 기형 플라즈마가 발생하게 되어, 열선이 순간적으로 파괴가 되는 경우가 빈번하며 수리도 곤란하게 되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 발명된 것으로, 고온의 산소분위기나 각종 부식가스분위기에 강하고 아울러 플라즈마분위기의 증착장비에서는 기형 플라즈마 발생까지 방지할 수 있으며, 열선의 파손 시에 간단히 유지보수가 가능한 저전력형의 효율적인 박막성장 장비용 히터장치를 제공함에 그 목적이 있다.

이하에서는 본 발명의 구성 및 작용을 예시 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

본 발명의 박막성장 장비용 히터장치는,

박막성장 시킬 기판을 가열하는 열을 발생시키는 전열선(120)이 배면에 설치되고, 상기 전열선(120)에서 발생한 열을 기판에 전달하는 열전도판(103)이 전면에형성된 히터블록(100)과, 그리고 상기 히터블록(100)을 공정챔버의 내부에 고정시키는 다수의 결합부재로 이루어진 박막성장 장비용 히터장치에 있어서,

상기 히터블록(100)의 배면과 측면에서의 기형플라즈마 생성을 방지하고 복사열 손실을 저감하도록 상기 히터블록(100)의 배면과 측면이 삽입되는 히터블록케이스(150)가 설치되고,

상기 히터블록케이스(150)와 히터블록(100) 배면 사이에 세라믹판(140)이 개재되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명의 히터장치의 전체 개략도 이고, 도 3은 히터장치의 구조를 설명하는 조립설명도이다.

히터블록(100)의 하면에는 박막성장을 위한 기판과 접촉하여 박막성장에 필요한 온도로 기판을 가열하는 열전도판(103)이 형성되어 있고, 히터블록(100)의 배면에는 전열선(120)을 삽입 장착할 수 있는 전열선장착부(104)가 형성되어 있다.

이때 전열선(120)은 전열선장착부(104)에 밀착하여 접촉 고정되므로 전열선(120)에서 발생한 열은 히터블록(100)을 통하여 상기 열전도판(103)으로 열전도에 의하여 효율적으로 열전달된다.

또한, 히터블록(100)의 배면에는 나사봉체결구멍(101)이 형성되어 나사봉(200)의 하단이 체결되고, 상기 나사봉(200)의 상단은 세라믹체결구(300)의 하단에 형성된 나사구멍(302)에 체결되어 히터블록(100)은 상기 나사봉(200)과 세라믹체결구(300)에 의하여 히터블록케이스(150)에 고정된다.

상기 히터블록(100)은 열전도도가 우수하며 가공성이 우수하고 고온에서의 열변형이 없어야 하므로 특수 내열강이 사용되었다.

그리고, 상기 나사봉(200)의 끝단이 나사봉체결구멍(101)의 바닥에 닿을 때까지 체결되지 않는 경우에는 공기의 누설공간이 나사봉체결구멍(101)에 남게 되어 고진공 분위기를 조성하는데 방해가 되므로, 상기 나사봉체결구멍(101)의 하단 측면으로 배기구멍(102)을 천공하여 고진공분위기가 효과적으로 조성되도록 한다.

상기 전열선(120)은 니크롬선 등의 재질로 이루어져 있고, 그 외부 피복은 니켈 합금으로 되어 있다.

일반적으로 전열선(120)은 1000℃ 이하의 온도에서는 니크롬선 ·철크롬선을, 1400℃ 이상에서는 규화몰리브덴을 사용하고, 노(爐)를 진공으로 해서 그 속에 텅스텐선을 넣은 방식에서는 3000℃ 정도의 가열을 할 수 있다.

그러나 텅스텐과 몰리브덴은 강도와 내산화성이 너무 약하여 잘 부서지고 산소분위기에서의 적용이 곤란한 문제점이 있다.

반면에 니크롬선은 고온가열 후에도 강도가 크고, 황화성(黃化性)가스를 제외하고는 각종 부식 가스에 잘 침식되지 않기 때문에 내산화성 내열성 내가스성 가공성이 우수한 장점이 있다.

그러나, 고진공 상태에서는 외부로 배출되는 열의 양이 적어서 전열선(120)에 전원이 공급되면 히터 장치 내부에 열이 계속 차폐 되어 에너지 보존 되므로, 히터 장치 내부가 계속해서 온도가 올라가게 되며 결국은 히터 장치가 내부 열축적에 의해 파손된다.

따라서 본 발명에서는 정확한 온도 조절을 위하여 열전도판(103)의 중심부에 온도센서(110)를 설치하여 전원의 공급을 제어함으로써, 고온을 용이하게 획득할 수 있고, 히터장치의 열축적으로 인한 파손을 방지할 수 있게 되고, 박막성장시 정확한 온도정보를 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 금속성의 재질로 된 열전도성이 좋은 전열선덮개판(130)을 전열선(120)의 상부에 밀착하도록 설치하기 위하여 고정너트(210)를 세라믹판(140)의 고정너트 안착구멍(141)에 위치하는 정도의 높이에서 나사봉(200)의 중간부에 체결하여 전열선덮개판(130)을 죄임으로서, 고정너트(210)와 나사봉(200) 및 전열선덮개판(130)등의 결합부재에 의하여 전열선(120)의 하부와 측부는 전열선장착부 (104)에 밀착되고 상부는 전열선덮개판(130)에 밀착되어 기계적 체결되도록 한다.

상술한 결합부재에 의하여 상기 열전도판(103)으로의 열전달 성능이 향상되고, 전열선(120)의 파손시 유지보수가 용이한 특장점을 가진다.

한편, 상기 전열선덮개판(130)에는 전열선(120)의 끝단이 통과되는 전열선삽입구멍(131)이 천공되어 있는데, 이는 전열선(120)의 끝단을 통과시켜 전열선덮개판(130) 상측에 설치되어 있는 전원공급단자대(400)에 전열선(120)의 끝단을 체결하여 전열선(120)에 통전시키기 위함이다.

여기서 전열선삽입구멍(131)의 가장자리에는 45°모따기를 하여 전열선(120) 고정시에 전열선(120)의 표피가 전열선삽입구멍(131)의 가장자리에 의하여 파손되는 것을 방지한다.

상기 히터블록(100)의 상측으로는 히터블록케이스(150)가 설치되는데, 나사봉(200)이 세라믹체결구(300)의 하단에 형성된 나사구멍(302)에 체결되면 세라믹체결구(300)의 하단이 히터블록케이스(150)와 접촉하여 히터블록케이스(150)를 내리눌러서 히터블록(100)과 히터블록케이스(150)가 결합 고정된다.

따라서, 상기 히터블록(100)과 전열선덮개판(130)등 열전도성이 향상된 구조물과, 니크롬선 등의 전열선 재질, 열 누설을 방지하는 히터블록케이스(150), 온도센서(110)의 장착 등으로 인하여 산소등 각종부식가스분위기에서의 산화물박막성장이나 고온초전도체 및 강유전체 박막성장 등이 가능하도록 박막성장 온도를 약 1000℃까지 안정적으로 높일 수 있는 장점이 있다.

한편, 플라즈마는 그를 이루는 각 개체가 전기(電氣)를 띠고 있어서 중성 기체와는 성격이 판이하게 다르다. 전기전도도가 크고 금속 전도체와 같이 전류가 표면에만 국한되어 흐르며, 내부에는 거의 흐르지 않는다. 밖에서 전기장과 자기장을 가하면 전하로서 힘을 직접 받아서 집단운동을 하는 경향을 보인다. 따라서 자기력선의 변화에 따라 플라즈마는 공간의 일정장소에 분포하게 되는 힘을 받는다.

만일 스퍼터링과 같은 플라즈마분위기의 박막성장장비에서 원하지 않는 공간이 형성되고 자기장이 유도되면, 박막성장공정과 무관한 공간, 일례로 전열선(120)과 히터블록(100)등에 형성된 공간에 기형플라즈마가 발생하여 전열선(120) 등을 파손시킬 문제점이 있다.

이를 방지하기 위하여 상기 히터블록케이스(150)가 설치된 것이고, 기형플라즈마 발생 공간을 최소화시키기 위하여 히터블록케이스(150)의 내면과 상기 히터블록(100)의 배면 및 측면은 가장 근접하도록 결합한다.

또한 상기 히터블록케이스(150)는 전열선(120)과 히터블록(100)에서 발생한 열이 외부로 복사 등에 의하여 누설되는 것을 차단하는 열누설 차단 기능도 가진다.

이러한 기능을 보다 더 증대시기 위하여 상기 히터블록케이스(150)의 내면과 히터블록(100) 배면 사이에 고온용 세라믹판(140)을 개재시켜, 기형플라즈마 발생을 억제하여 전열선(120)의 파손을 방지하고 복사나 전도 등에 의한 히터블록(100) 외부로의 열누설을 차단한다.

이때 동일한 기술사상으로 또 다른 여러 가지의 실시예가 가능하다.

예를 들면, 상기 히터블록케이스(150) 전체가 고온용 세라믹 재질로 되어 히터블록(100)에 밀착하여 결합되는 구조 등이 가능하다.

상기 히터블록(100)은 열전도성이 좋은 특수내열강 및 니켈합금을 사용하고, 기타 고진공 장비용 결합부품 재료는 스텐레스강을 사용하며, 전기 및 열 누설차단은 고온용 세라믹 재료가 사용된다.

이하에서는 전열선(120)의 끝단과 전원공급단자대(400)의 결합방법에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막성장 장비용 히터장치에 전원공급단자대(400)를 설치하는 부분조립도로서 상기 히터블록케이스(150)의 상측에서 전원공급단자대(400)를 바라본 것이고, (b)는 상기 전원공급단자대(400)의 측면도이다.

일반적으로 납땜은 사용하는 납의 녹는점이 450 ℃보다 높은지 낮은지를 구별하여, 이것보다 고온에서 녹는 납을 사용하는 것을 경(硬)납땜 또는 브레이징(brazing)이라 하고, 이보다 녹는점이 낮은 납을 사용하는 것을 연(軟)납땜 또는 납땜이라 한다.

본 발명에서 상기 전열선(120)의 끝단은 전원공급단자대(400)의 전열선연결부(402)에 금속성의 와셔(430)와 체결부재(420)를 이용하여 기계적으로 체결된다. 상기 와셔(430)는 접촉면적이 최대로 되게 하고 통전성이 좋은 재질을 사용하여 전열선(120)의 접촉저항을 줄인다.

이러한 기계적 체결은 브레이징에 의한 연결보다 전열선(120)의 접촉저항이 감소되고 전열선(120)의 유지보수가 용이하며, 브레이징납의 녹는점보다 높은 온도(약 1000℃)에서도 안정적인 체결이 가능하므로 고온의 획득이 용이한 장점이 있다.

도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 전원공급단자대(400)의 상측에는 세라믹체결구(300)의 상단에 형성된 나사구멍(301)과 체결부재에 의한 결합이 가능하도록 세라믹체결구(300) 고정구멍(401) 한 쌍이 천공되어 있다.

즉, 히터블록(100)에 4개의 나사봉체결구멍(101)을 천공하고 4개의 나사봉(200)을 개재시켜 결합하며, 상기 전원공급단자대(400)는 2개가 설치되어 그 각각에는 전원의 양단을 연결시키며, 각 전원공급단자대(400)에는 한 쌍의 세라믹체결구(300) 고정구멍(401)이 형성되어 2개의 세라믹체결구(300)에 의하여 히터블록케이스(150)의 상단에 결합된다.

세라믹체결구(300)를 개재시켜 전원공급단자대(400)와 히터블록케이스(150) 및 나사봉(200)과 히터블록(100)을 결합시키는 이유는 전기절연과 아울러 열누설 차단을 위한 것이다.

또한 상기 전원공급단자대(400)의 측면에는 전원공급선이 연결되는 전원공급단자(403)가 형성되고, 상기 전원공급단자(403)에 전원공급선을 연결하도록 전원공급소켓(410)이 설치되어 있으며, 상기 전원공급소켓(410)은 체결부재(411,412)에 의하여 전원공급단자(403)에 결합된다.

이러한 기계적 체결부재에 의해 전원공급선을 결합시킴으로서, 브레이징에 의한 결합보다 고온획득에 유리하고 유지보수가 용이해진다.

이하에서는 상기 히터블록(100)과 히터블록케이스(150)를 진공챔버에 고정시키는 결합구조에 대하여 설명한다.

상기 히터블록케이스(150)의 상측에는 4개의 지지봉(500)이 설치되고 각 지지봉(500)의 하단에는 히터블록케이스 고정구멍(502,142)을 형성하여 히터블록케이스(150)의 내면 방향에서 결합부재로 체결한다.

상기 지지봉(500)의 상단은 지지봉고정대(600)에 결합부재(501,602)로 결합되고, 상기 지지봉고정대(600)의 양측면은 브라켓(610)에 의하여 챔버고정대(700)에 결합부재(612,701)로 결합된다.

상기 챔버고정대(700)는 진공챔버에 결합부재(711)로 결합되며, 따라서 상기 히터블록(100)과 히터블록케이스(150)가 진공챔버에 고정되게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 박막성장 장비용 히터장치는 종래의 히터장치가 갖는 문제점을 해결하여, 고온산화물 박막증착등에 필요한 온도의 획득이 용이하고, 산소분위기나 각종 부식가스분위기에 대한 내부식성이 강하며, 플라즈마분위기의 증착장비에서는 기형 플라즈마 발생까지 방지할 수 있고, 기계적 체결부재에 의해 전열선을 결합시킴으로써 브레이징에 의한 결합보다 고온획득에 유리하고 전열선의 파손시에 간단히 유지보수가 가능한 결합구조를 취하며 저전력형인 효율적인 히터장치를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 박막성장장비의 일례로 펄스 레이저 증착장비의 구조설명도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막성장 장비용 히터장치의 구조도

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막성장 장비용 히터장치의 구조를 설명하기 위한 조립설명도

도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막성장 장비용 히터장치에 전원공급단자대를 설치하는 부분조립도이고, (b)는 상기 전원공급단자대의 측면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 -- 히터장치 2 -- 진공챔버

3 -- 타겟 100 -- 히터블록

110 -- 온도센서 120 -- 전열선

130 -- 전열선덮개판 140 -- 세라믹판

150 -- 히터블록케이스 200 -- 나사봉

300 -- 세라믹체결구 400 -- 전원공급단자대

500 -- 지지봉 600 -- 지지봉고정대

610 -- 브라켓 700 -- 챔버고정대

Claims (5)

1. 박막성장 시킬 기판을 가열하는 열을 발생시키는 전열선(120)이 배면에 설치되고, 상기 전열선(120)에서 발생한 열을 기판에 전달하는 열전도판(103)이 전면에형성된 히터블록(100);

   그리고 상기 히터블록(100)을 공정챔버의 내부에 고정시키는 다수의 결합부재로 이루어진 박막성장 장비용 히터장치에 있어서,

   상기 히터블록(100)의 배면과 측면에서 기형플라즈마 생성을 방지하고 복사열 손실을 저감하도록 상기 히터블록(100)의 배면과 측면이 삽입되는 히터블록케이스(150)가 설치되고,

   상기 히터블록케이스(150)와 히터블록(100) 배면 사이에 세라믹판(140)이 개재되어 이루어진 것을 특징으로 하는 박막성장 장비용 히터장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 히터블록케이스(150) 상부에 세라믹체결구(300)를 개재시켜 전원공급단자대(400)가 설치되고, 상기 전열선(120)의 끝단이 상기 전원공급단자대(400)에 체결부재로 결합되어 통전되는 것을 특징으로 하는 박막성장 장비용 히터장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 전열선(120)의 상부에 밀착되는 전열선덮개판(130)이 설치된 것을 특징으로 하는 박막성장 장비용 히터장치.
4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도판(103)의 중심부에 온도센서(110)가 설치된 것을 특징으로 하는 박막성장 장비용 히터장치.
5. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 히터블록(100)의 배면에 나사봉체결구멍(101)이 형성되고, 고진공작업이 용이하도록 상기 나사봉체결구멍(101)의 끝단에 배기구멍(102)이 천공된 것을 특징으로 하는 박막성장 장비용 히터장치.