KR20080033493A - 플라즈마 발생 장치 및 이것을 이용한 성막방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 길이가 긴 플라즈마를 간단하고 저렴하게 발생시킬 수 있으며, 1대의 장치로 복수의 성막법을 실시가능하게 하는 것이 가능하도록 한 것이다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치에는, 그 일부에 개구공을 갖고, 그 내부로 가스가 도입되고 직류 음전압이 인가될 때 내부에 플라즈마가 발생시키는 통형상 전극이 발생장치의 진공 내부에 마련된다.

플라즈마, 성박법, 통형상 전극

Description

플라즈마 발생 장치 및 이것을 이용한 성막방법{PLASMA GENERATOR AND FILM FORMING METHOD EMPLOYING SAME}

본 발명은, 장치의 진공 내부에 배치한 전극에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생 장치 및 이것을 이용한 성막방법에 관한 것이다.

플라즈마는, 반도체, 표시소자, 자기 기록소자, 내마모 소자 등의 제조에 있어서 박막형성에 이용할 수 있다.

상기 성막의 대상이 예컨대, 와이어등의 한 방향으로 긴 기판이고 그 표면에 성막하는 경우, 길이가 긴 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치가 필요하다.

플라즈마를 이용한 성막에는 PVD(Physical Vapor Deposition)나 CVD(Chemical Vapor Deposition)가 있다. 이러한 성막은 개별적인 성막장치가 필요하다.

특허문헌1 : 특허 공개 제2004-216246호 공보

특허문헌2 : 특허 제2980058호 공보

특허문헌3 : 특허 공개 평성 제10-203896호 공보

특허문헌4 : 특허 공개 제2004-190082호 공보

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 길이가 긴 성막 대상에 대해서도 간단하고 저렴하게 성막할 수 있으며 종류가 다른 성막에도 사용하는 것이 가능한 플라즈마 발생 장치 및 이것을 이용한 성막방법을 제공하는 것이다.

(1) 본 발명에 관하는 플라즈마 발생 장치는, 장치의 진공 내부에, 통형상 전극이 배치되어, 상기 통형상 전극 내부에 가스를 도입하고, 상기 통형상 전극에 직류 음전압(Negative Voltage)을 플라즈마 발생전압으로서 인가하는 구성을 갖고 있다.

상기 통형상 전극은, 코일형상, 네트형상(net shape), 장벽형상(barrier shape) 및 바구니형상(basket shape) 중 하나 이상의 형상을 갖는 주벽(周壁)을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 통형상 전극은 양단이 개구되고 그 양단방향쪽으로 일직선으로 연장되어, 그 내부에 판형상 또는 와이어형상의 성막 대상을 배치하는 것이 가능한 형상으로 형성되는 바람직하다.

상기 통형상 전극은 금속으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 통형상 전극은 고체탄소로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 통형상 전극은 원형 단면을 가지는 것이 바람직하다.

상기 통형상 전극은 다각형 단면을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치에 의하면, 통형상 전극을 이용하는 점에서, 성막 대상이 예컨대 판형상이나 와이어형상 등의 길이가 긴 경우, 통형상 전극을 그 성막 대상에 따라 길이가 긴 통형상으로 하여, 그 내부에 성막 대상을 배치하여 성막할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는, 성막 대상의 성막에 길이가 긴 플라즈마가 필요한 경우, 통형상 전극이 긴 길이를 가지도록 연장형 길이가 긴 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 긴 플라즈마를 발생시키기 위해, 통형상 전극의 길이를 연장하는 것만이 필요하다. 그 결과, 긴 플라즈마를 발생시키는 데 소요되는 비용을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 성막 대상이 와이어형상으로 길이가 긴 경우에는, 통형상 전극의 양단을 개구하여, 그 통형상 전극에 성막 대상을 삽입하고, 통형상 전극과 성막 대상을 상대이동함으로써, 플라즈마를 길게 하지 않더라도, 길이가 긴 성막 대상에 저렴하게 성막을 행할 수 있다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치는, 1대(台)로서, 압력의 제어와 가스의 종류의 선택에 의해 PVD, 반응성 PVD, CVD 등의 복수의 성막조작을 행할 수 있다.

상기 통형상 전극은 일단 또는 양단이 개구되어 있거나, 폐쇄되어 있을 수 있다.

상기 성막 대상의 형상은 특별히 한정되지 않는다.

상기 성막 대상의 형상의 예는 판형상, 와이어형상 등을 포함한다.

상기 성막 대상의 단면 형상은 특별히 한정되지 않는다.

상기 성막 대상의 형상의 예는 원형, 반원형, 타원형, 다각형 등을 포함한다.

상기 통형상 전극의 형상은 특별히 한정되지 않는다.

상기 통형상 전극의 주벽을 코일형상이나 네트형상으로 한 경우, 그 나선직경, 나선피치를 조정하여 원하는 밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 발생시의 통형상 전극의 열팽창을 효율적으로 흡수하고, 열팽창에 의한 응력을 완화하여, 통형상 전극의 수명을 늘릴 수 있다.

상기 통형상 전극의 주벽을 장벽형상이나 바구니형상으로 한 경우, 통형상 전극과, 와이어형상이나 판형상의 성막 대상과의 사이에서 플라즈마를 균등하고 고밀도로 발생시킬 수 있다.

(2) 본 발명의 플라즈마 발생 장치를 이용한 성막방법은, 상기(1)에 기재된 플라즈마 발생 장치를 이용하며, 상기 통형상 전극 내부에 성막 대상을 배치하는 제1 단계와, 상기 통형상 전극 내부를 감압제어하는 제2 단계와, 상기 통형상 전극 내부에 가스를 도입하는 제3 단계와, 상기 통형상 전극에 직류 음전압을 인가하는 제4 단계를 구비한다.

바람직하게는, 본 발명의 플라즈마 발생 장치를 이용한 성막방법은, 상기 성막 대상에 성막 속도 제어용의 바이어스 전압을 인가하는 제5 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, 본 발명의 플라즈마 발생 장치를 이용한 성막방법은, 상기 성막 대상에 막질 제어용의 바이어스 전압을 인가하는 제6 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 길이가 긴 플라즈마를 간단하고 저렴하게 발생시킬 수 있다. 동시에 본 발명에 따르면, 1대의 장치로서, 압력의 제어와 가스의 종류의 선택에 의해 복수 종류의 성막조작을 행할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 플라즈마 발생 장치의 일례를 도시한 도면이다.

도 2는 플라즈마 발생 장치의 외관을 도시한 도면이다.

도 3a는 플라즈마 발생 장치에 의한 플라즈마의 발생상태를 도시하는 사진이다.

도 3b는 플라즈마 발생 장치에 의한 플라즈마의 발생상태를 도시하는 사진이다.

도 4는 통형상 전극의 변형예를 도시하는 도면이다.

도 5는 통형상 전극의 다른 변형예를 도시하는 도면이다.

도 6은 통형상 전극의 또 다른 변형예를 도시하는 도면이다.

도 7은 탄소막이 형성된 와이어형상을 갖는 음극의 측면도이다.

도 8은 도 7에서 도시된 와이어형상 음극을 구비하는 전계 방출 램프의 단면도이다.

도 9는 플라즈마 발생 장치의 다른 예를 도시하는 도면이다.

도 10은 플라즈마 발생 장치의 또 다른 예를 도시하는 도면이다.

도 11은 플라즈마 발생 장치에 의한 성막을 도시하는 SEM 사진이다.

도 12은 플라즈마 발생 장치에 의한 성막 구조를 도시하는 단면도이다.

도 13은 도 12에서 도시된 바늘형상을 갖는 탄소막의 단면형상을 도시한 도면이다.

도 14는 플라즈마 발생 장치의 또 다른 예를 도시하는 도면이다.

도 15는 플라즈마 발생 장치의 또 다른 예를 도시하는 도면이다.

도 16은 플라즈마 발생 장치의 또 다른 예를 도시하는 도면이다.

도 17은 플라즈마 발생 장치의 또 다른 예를 도시하는 도면이다.

도 18은 도 17에서 도시된 플라즈마 발생 장치에서의 바이어스 전원의 전압을 횡축에 도전성 와이어 표면으로의 성막 속도를 종축에 도시하는 그래프이다.

도 19는 도 17의 플라즈마 발생 장치에서의 바이어스 전원의 전압을 횡축에 도전성 와이어 표면에서의 막의 품질을 종축에 도시하는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 플라즈마 발새장치 20 : 통형상 전극

22 : 도전성 와이어(성막 대상)

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명한다.

(플라즈마 발생 장치의 일례)

도 1는 플라즈마 발생 장치의 구성을 도시하고, 도 2는 플라즈마 발생 장치의 외관을 도시한다. 플라즈마 발생 장치(10)는 실린더형 진공 챔버(12)를 포함한다. 실린더형 진공 챔버(12)는 도전성 또는 절연성을 갖는다. 이 진공 챔버(12)는 가스 도입부(14)와 가스 배기부(16)를 구비한다. 진공 챔버(12)는 관측창(18)을 갖는다. 가스 도입부(14)에 가스 도입 장치(9)가 접속된다. 이 가스 도입 장 치(9)는 가스 실린더(8)로부터 성막법의 종류에 대응하는 가스를 선택하고, 그 선택된 가스의 압력이나 유량을 조절하여, 가스 도입부(14)로 가스를 도입한다. 가스 실린더(8)도 가스 도입 장치에 포함될 수 있다. 가스 배기부(16)에는 배기 제어 밸브(진공밸브)(11)를 통해 압력 제어 장치(13)가 접속된다. 실린더형 진공 챔버(12) 내부는, 압력 제어 장치(13)에 의해 배기 제어 밸브(11)의 개방도 제어하에서 10 ㎩에서 1OOOO ㎩ 범위의 압력으로 제어할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 플라즈마 발생 장치(10)가 PVD 장치로서 이용되는 경우에서는, 플라즈마 발생용 가스는 예컨대, 아르곤 또는 헬륨 등의 비반응성 가스이다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 플라즈마 발생 장치(10)가 반응성 PVD 장치로서 이용되는 경우에서는, 플라즈마 발생용 가스는 예컨대, 산소 등의 반응성 가스이고, CVD 장치로서 이용되는 경우에서는, 예컨대, 탄소계 가스이다.

진공 챔버(12)의 내부 압력은 1O ㎩ 내지 1OOOO ㎩ 범위에서 적절하게 설정된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 플라즈마 발생 장치(10)가 PVD 장치 또는 반응성 PVD 장치로서 이용되는 경우에 내부 압력은 예컨대, 100 ㎩ 이하로 설정되며, CVD 장치로서 이용되는 경우에 내부 압력은 예컨대, 500 ㎩ 이상으로 설정된다.

진공 챔버(12)의 내부에는 통형상 전극(20)이 배치되어 있다.

통형상 전극(2O)은 코일형상으로 형성되어 있다.

통형상 전극(20)의 내부 공간에는 성막 대상인 도전성 와이어(22)가 배치되 어 있다. 통형상 전극(20)은 한 방향으로 일직선으로 연장된다. 통형상 전극(20)의 내부 공간은 한 방향으로 길게 연장되는 원통형 플라즈마 발생용 공간을 구성하고 있다. 도전성 와이어(22)는 이 내부 공간에 배치되고, 가늘고 길게 연장된 형상을 갖는다.

통형상 전극(20)의 내주면과 도전성 와이어(22)의 외주면은 연장되는 방향으로 미리 결정된 공간이 이격되어 서로 대향하고 있다. 통형상 전극(20)의 일단측은 전압 가변형의 직류 전원(24)의 음극에 접속되고, 그 일단측에 직류 음전압이 인가된다.

이상의 구성을 갖춘 플라즈마 발생 장치(10)에 있어서, 압력 제어 장치(13)로 진공 챔버(12) 내부를 감압하고 가스 도입부(14)로부터 플라즈마 발생용 가스를 도입하여, 직류 전원(24)의 음전압을 통형상 전극(20)에 인가한다. 그 결과로서, 통형상 전극(20)의 내부 공간에 플라즈마(26)가 발생한다.

도 3은, 본 발명의 플라즈마 발생 장치(10)에서, 통형상 전극(20)의 내부 공간에 플라즈마(26)가 발생한 모습을 도시하는 사진이다. 이 사진은 진공 챔버(12)의 관측창(18)을 통해서 진공 챔버(12) 내부를 촬영한 사진이다. 도 3a의 사진에서, 직류 전원(24)의 전압이 700V이고, 도입가스로서 메탄/수소 가스가 선택되고, 압력은 80 ㎩이었다. 도 3b의 사진에서, 직류 전원(24)의 전압 700V이고, 메탄/수소 가스가 선택되고, 압력은 170 ㎩이었다. 통형상 전극(20)의 재료는 SUS이고, 도전성 와이어(22)의 재료는 니켈이다. 사진에는 참조부호가 기재되어 있지 않지만, 진공 챔버(12) 밖에서 그 관측창(18)을 통해서 진공 챔버(12) 내의 통형상 전 극(20), 와이어(22), 및 플라즈마(26)가 명료하게 촬영될 수 있다.

이하에서는, 이 플라즈마 발생 장치(10)를 이용하여 와이어에 성막하는 방법을 설명한다. 통형상 전극(20)의 내부에 도전성 와이어(22)를 배치한다. 와이어(22)의 양단을 교류전원(23)에 접속하여, 와이어(22)를 가열하더라도 좋다. 가스 도입부(14)로부터 수소 가스와 메탄 가스를 도입한다.

진공 챔버(12)의 내부 압력을 감압하고, 직류 전원(24)의 음전위를 통형상 전극(20)에 인가했을 때, 통형상 전극(20)의 내부 공간에 플라즈마(26)가 발생하여, 메탄 가스가 분해된다. 그 결과, 와이어(22)의 표면에 탄소막이 성막된다.

도 3a 및 도 3b의 사진에서는 통형상 전극(20)의 내부 공간에 성막 대상으로 서 도전성 와이어(22)가 배치되어 있다. 이 도전성 와이어(22)의 표면에 탄소막을 성막할 수 있다.

통형상 전극(20)은 도 4에서 도시한 바와 같이 어떠한 개구공도 제공되지 않는 폐쇄된 통형상의 주벽 구조를 갖는 통형상 전극(20)이거나, 도 5에서 도시한 바와 같이 복수의 독립된 개구공을 원주방향으로 갖는 장벽형상으로 된 주벽 구조를 갖는 통형상 전극(20)이라도 좋다. 장벽형상 대신에 네트형상이 채택될 수 있다.

탄소막을 성막한 상기 도전성 와이어(22)는 냉음극 전자원(cold cathode electron source)로 이용될 수 있다. 냉음극 전자원은 전계 방출 램프(FEL : Field Emission Lamp)에 통합될 수 있다. 전계 방출 램프에서는, 냉음극 전자원과 양극 사이의 전계 인가에 의해 냉음극 전자원로부터 전자가 방출된다. 이 방출된 전자는 형광체에 충돌하여 그 형광체를 여기 발광시킨다.

와이어(22)의 표면에 성막된 탄소막의 예는 카본나노튜브, 카본나노월막, 및 바늘형 탄소막을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 도 6에서 도시한 바와 같이 통형상 전극(20)이 휘어지고, 상기 통형상 전극(20)의 휜 형상에 대응하여 도전성 와이어(22)도 휘어서, 휘어진 상태의 도전성 와이어(22)가 이 통형상 전극(20)의 내부에 배치하더라도, 도전성 와이어(22)의 표면에 탄소막을 성막할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 통형상 전극(20)은 대략 2m 정도의 이러한 길이를 갖고, 예컨대, 2m 정도 하는 도전성 와이어(22)가 통형상 전극(20)의 내부에 배치되며, 통형상 전극(20)의 내부 공간에 상기 통형상 전극(20)의 내부 공간의 형상에 따라서 길이가 긴 플라즈마(26)가 발생한다. 그 결과, 도전성 와이어(22)의 표면에 탄소막을 성막할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 플라즈마 발생 장치는, 1대로서, 압력의 제어와 가스 종류의 선택에 의해 PVD, 반응성 PVD, CVD 등의 성막조작을 행할 수 있다. 좀 더 상세하게는, 첫 번째로 본 발명의 플라즈마 발생 장치는, 압력제어수단을 이용하여 1OO ㎩ 이하 정도의 이러한 저압을 형성하도록 압력을 진공 제어하고, 가스도입수단을 이용하여 아르곤 또는 헬륨 등의 비반응성 가스를 도입하며, 전압 인가 수단을 이용하여 통형상 전극에 직류 음전압을 인가한다. 따라서, 통형상 전극 내부에서 상기 가스는 그 내부의 높은 전계에 의해 플라즈마로 전환되고, 그에 의해 가스 분자의 이온이 발생한다. 발생된 이온은 통형상 전극의 음전위에 의해 끌어당겨져 상기 통형상 전극에 충돌함으로써, 상기 통형상 전극으로부터 원자를 두드 려서 방출한다(스퍼터링한다). 이 방출된 원자에 의해 성막 대상의 표면에 막이 형성된다. 즉, 본 발명의 플라즈마 발생 장치는, PVD 장치로서 이용할 수 있다.

두 번째로, 본 발명의 플라즈마 발생 장치는, 압력제어수단을 이용하여 1OO ㎩ 이하 정도의 이러한 저압을 형성하도록 압력을 제어하고, 가스도입수단을 이용하여 산소 등의 반응성 가스를 도입하며, 전압 인가 수단을 이용하여 통형상 전극에 직류 음전압을 인가한다. 따라서, 통형상 전극 내부에 플라즈마가 발생한다. 발생한 플라즈마는 통형상 전극을 구성하는 예컨대, 철과 니켈 등의 재료를 스퍼터링하고, 통형상 전극 내부에 배치한 성막 대상의 표면에 철이나 니켈등의 산화물이 성막된다. 즉, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치를 반응성 PVD 장치로서 이용할 수 있다.

세 번째로, 압력제어수단으로 압력을 고압, 예컨대, 500 ㎩ 이상으로 제어하여, 가스도입수단으로 예컨대, 수소 가스와 메탄 가스와의 혼합가스등을 도입하여, 전압 인가 수단으로 통형상 전극에 직류 음전압을 인가한다. 그렇게 함으로써, 통형상 전극 내부에 플라즈마가 발생한다. 이 발생한 플라즈마에 의해 통형상 전극 내부에 배치한 성막 대상의 표면에 탄소막이 성막된다. 즉, 본 발명의 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 CVD 장치로서 이용할 수 있다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치에 있어서는, 예컨대, 통형상 전극 내부에 예컨대 탄소화합물계의 가스를 도입하여 길이가 긴의 와이어나 기재 등의 성막 대상의 표면에 탄소막을 성막하는 경우, 통형상 전극을 그 성막 대상의 길이에 맞춰 연장하여, 그 통형상 전극 내부에 성막 대상을 배치하는 것만으로도 성막할 수 있다. 그 결과, 성막 비용을 저감할 수 있다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치는, 전계 방출 램프의 냉음극 전자원의 제조에 적용할 수 있다. 이 냉음극 전자원은 도전성 와이어의 표면에 다수의 미세돌기를 갖는 탄소막을 형성한다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치는 탄소계 가스를 도입하여 성막 대상의 표면에 탄소막을 성막하는 직류 플라즈마 CVD 장치로서 이용될 수 있다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치는 에칭용 가스를 도입하여 직류 플라즈마 에칭장치로서 이용될 수 있다. 본 발명의 플라즈마 발생 장치는, 플레이팅용 가스의 도입에 의해, 직류 플라즈마 플레이팅 장치로서 이용될 수 있다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치에서는, 가스 봄베로서 CVD용, 에칭용, 플레이팅용을 각각 갖추는 것에 의해 1대의 플라즈마 발생 장치로 적어도 3가지의 성막용의 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

(플라즈마 발생 장치의 다른 예)

본 발명의 실시형태의 플라즈마 발생 장치(10)는, 통형상 전극(20)을 고체탄소로 형성할 수 있다. 이 경우, 통형상 전극(20)은 그 모든 전극부분을 고체탄소로만 형성할 필요가 없다.

본 발명의 실시형태의 플라즈마 발생 장치(1O)에서는, 도입가스로서 수소 가스를 이용한 경우, 수소 플라즈마가 발생한다. 이 플라즈마 중의 수소 이온은 직류 음전압이 인가되어 있는 고체 탄소원인 통형상 전극(20)에 고속충돌한다. 이 충돌에너지에 의해 통형상 전극(20)으로부터 탄소가 튀어나온다. 이 튀어나온 타 겟 입자인 탄소는 플라즈마 중의 수소 이온과 화학결합(CHx)하여 탄화수소화합물이 되어 통형상 전극(20)의 내부에 배치한 성막 대상, 예컨대 도전성 와이어(22)에 충돌한다. 도전성 와이어(22)와 충돌한 탄화수소화합물로부터 수소가 돌출하여, 도전성 와이어(22)의 표면에 탄소가 증착된다. 이 결과, 도전성 와이어(22)의 표면에 탄소막이 성막된다.

플라즈마 발생 장치(10)에 따르면 가스를 조금도 도입하지 않고, 도전성 와이어(22)의 표면에 탄소막을 성막할 수 있다. 또한, 도입가스를 예컨대, 아르곤 가스로 하여 플라즈마 PVD에 의해 도전성 와이어(22)의 표면에 탄소막을 성막할 수 있다.

도 8에는 도 7에 도시하는 표면에 탄소막(28)이 형성된 와이어(22)를 와이어형상 음극(30)으로서 구비한 전계 방출 램프의 단면구성을 도시한다.

도 8에서 도시한 바와 같이, 이 전계 방출 램프는, 관직경이 2 ㎜ 내지 25 ㎜이고, 관 길이가 6㎝ 내지 2m인 램프관(34) 내부에, 직경이 1㎜ 내지 2㎜ 정도이고 길이가 6 ㎝ 내지 2m 정도인 와이어형상 음극(30)를 포함한다. 이 램프관(34) 내면에는 형광체 부착형 양극(32)이 설치된다. 형광체 부착형 양극(32)은 양극(32a)과 형광체(32b)로 구성되어 있다. 도 8에 도시하는 전계 방출 램프에는, 램프관(34)의 내부에 전자의 충돌에 의해 여기되어 자외광을 발생하는 가스를 봉입하여, 램프관(34)의 내주면에 자외광을 가시광으로 변환하는 광 발광 형광체를 설치하는 타입을 포함할 수 있다.

상기한 바와 별개로, 본 발명의 실시형태에서는, 도시하지는 않았지만, 진공 챔버 내부에 한 쌍의 직사각형의 전극을 서로 대향 배치하여, 한편의 전극 상에 도전성 와이어를 얹어 놓고, 챔버 내부에 수소 가스와 탄소계 가스를 도입하여, 이들 양전극 사이에 직류 음전압을 인가함으로써, 플라즈마를 발생시켜, 도전성 와이어의 표면에 탄소막을 성막할 수 있다.

본 발명의 실시형태에서는, 도 9에 도시한 바와 같이 도전성 와이어(22)를 교류전원(23)에 의해 가열할 수 있다. 통형상 전극(20)을 구성하는 코일의 선직경은 예컨대, 2㎜에서 25 ㎜ 이고, 이 코일의 선사이의 간격(inter-wire space)은 예컨대, 2㎜에서 20 ㎜ 이다.

(플라즈마 발생 장치의 또 다른 예)

도 10에 플라즈마 발생 장치(10)를 또 다른 예를 도시한다. 이 예에서는, 고주파 전원(25)으로부터 통형상 전극(20)의 양단에 고주파 전압이 인가되어 있다. 고주파 전원(25)의 전력 주파수는, 예컨대, 13.56 ㎒, 4 ㎒, 27.12 ㎒, 40.68 ㎒ 등이다. 통형상 전극(20)에는 직류 음전압에 고주파 전압이 중첩된 전압(중첩 전압)이 인가된다. 직류 전원(24)의 양극은 접지되어 있다. 통형상 전극(20)을 구성하는 코일의 선직경과 선사이의 간격은 특별히 한정되지 않는다.

이렇게 구성된 플라즈마 발생 장치(10)에 있어서, 진공 챔버(12) 내를 감압하여 가스 도입부(14)로부터 도입가스로서 메탄 가스와 수소 가스가 도입되고, 통형상 전극(20)에 상기 중첩 전압이 인가되면, 통형상 전극(20)의 내부에 플라즈마(26)가 발생한다. 그후, 이 플라즈마(26)에 의해, 통형상 전극(20) 내부에 배치된 도전성 와이어(22)의 표면에 탄소막이 성막된다.

도 11는, 이하에 진술하는 조건으로 성막한 탄소막의 SEM 사진 1과 사진 2이다. SEM 사진 2는 SEM 사진 1의 확대 사진이다. SEM 사진 1은, 양극과 음극 사이의 인가 전압이 30 ㎸이고, 배율이 1000배이다. SEM 사진 2의 배율은 4300배이다.

도 12는, 상기 SEM 사진에서 도시되는 탄소막의 구조의 개략도이다. 성막조건은, 메탄 가스의 유량이 5 c㎝, 수소 가스의 유량은 300 c㎝, 직류전력이 3000 W, 고주파 전력이 500 W, 도전성 와이어(22)의 온도가 750℃, 진공 챔버(12)의 압력이 2000 ㎩, 바이어스가 －120V, 성막시간은 10분이다.

이 탄소막은, 네트형상 탄소막(F1), 이 네트형상 탄소막(F1)에 의해 둘러싸인 하나 또는 복수의 바늘형 탄소막(F2), 이 바늘형 탄소막(F2)의 막하부에서 막 중간에 이르기까지 바늘형 탄소막(F2)을 따라 연장된 형태로 성막된 벽형상 탄소막(F3)을 갖는다. 여기서, 바늘형 탄소막(F2)은, 그 반경이 임의의 위치로부터 선단으로 향하여 작아지는 형상을 갖는다.

구체적으로는, 바늘형 탄소막(F2)에서는, 파울러 노드하임(Fowler-Nordheim) 식에서의 전계집중계수 β는 임의의 위치에서의 반경과, 그 위치로부터 선단까지의 높이를 각각 h로 하여, h/r의 식으로 나타내어진다. 또한, 바늘형 탄소막(F2)의 반경은 임의의 위치로부터 선단으로 향하여 작아지는 형상을 갖추고 있다.

네트형상 탄소막(F1)는 기판(S) 상에 연속적으로 성막된다. 평면방향에서 본 경우, 막의 전체 형상은 실질적으로 네트형상으로 되어 있다. 이 네트형상 탄소막(F1)의 높이(H)는 실질적으로 10 ㎚ 이하 정도이며, 이 네트형상 탄소막(F1)의 폭(W)은 대략 4 ㎚ 내지 8 ㎚ 정도이다. 이 네트형상 탄소막(F1)에 의해 둘러싸 인 기판(2)상의 영역에서, 바늘형 탄소막(F2)은, 바늘형으로 신장하여 그 선단을 갖고, 이 선단이 전계가 집중되어 전자를 방출하는 전자 방출점이 된다. 바늘형 탄소막(F2)은 네트형상 탄소막(F1)에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 전자 방출점 사이의 간격이 제약되거나 규정된다.

바늘형 탄소막(F2)은, 네트형상 탄소막(F1)의 높이(H)보다도 높은 높이(h), 예컨대, 대략 60 ㎛ 정도로 형성된다. 벽형상 탄소막(F3)의 측면으로부터 본 형상은 대체로 그 폭이 바닥으로 갈수록 넓어지는 형상을 하고 있다. 이 형상은, 예컨대, 원추형상으로 되어 있다. 그렇지만, 기하학적으로 완전한 원추형을 의미하는 것은 아니고, 이 원추형이란 용어는 단지 이해하기 쉽도록 사용된 것이다. 실제로 막의 형상은 가로로 확장된 상태, 나선 상태 등의 각종의 형상으로 되어있다. 어떠한 형상에서도, 벽형상 탄소막(F3)은 넓은 바닥 면적에서 기판(S)과의 우수한 접촉을 형성하므로, 바늘형 탄소막(F2)은 기판(S)에 대하여 기계적으로 견고하게 지지될 수 있고, 기판(S)에 대한 바늘형 탄소막(F2)의 전기적 접촉도 충분하게 확보될 수 있다.

이렇게 구성된 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 탄소막의 경우에는, 바늘형 탄소막(F2)의 종횡비가 카본 나노튜브만큼 크지만, 벽형상 탄소막(F3)의 막형태는 바늘형 탄소막(F2)의 그 막하부로부터 막중간까지 바늘형 탄소막(F2)을 따라 벽형상으로 얽어 감기기는 형태로 성막된다. 이에 따라, 바늘형 탄소막(F2)는 기판(S)에 대하여 기계적으로 견고하게 지지될 수 있으므로, 기판(S)상에서 넘어지기 어렵다. 그 결과, 조명램프의 전자 방출원으로서의 안정성이 향상되고, 바늘형 탄 소막(F2)의 직경이 가늘더라도, 전류를 유입시키기 위한 기판과의 전기적 접촉을 벽형 탄소막(F3)에 의해 달성할 수 있기 때문에, 조명램프의 전자 방출원으로서 필요한 조명램프의 전자 방출 특성을 얻을 수 있다.

또한, 이 탄소막에서는, 바늘형 탄소막(F2)의 선단 주위의 전위면이 급격히 변화됨으로써, 전계가 강하게 집중되는 반면, 네트형상 탄소막(F1)에는 전계집중이 발생하지 않는다. 또한, 바늘형 탄소막(F2)은 네트형상 탄소막(F1)에 의해 상호의 간격을 서로의 전계 집중 작용을 저해하지 않도록 적절한 간격(D), 예컨대, 100 ㎛ 정도 이격하고 있다. 이 바늘형 탄소막(F2)의 집합 정도는, 종래의 카본 나노튜브 같은 밀집상태가 아니기 때문에, 네트형상 탄소막(F1) 마다에서의 바늘형 탄소막(F2)의 전계집중에 대한 바늘형 탄소막(F2)의 집합의 영향은 매우 작다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 탄소막 구조에 있어서는, 바늘형 탄소막(F2)에 전계가 집중되기 쉽다. 그리고, 이 바늘형 탄소막(F2)은 기판(S) 상에 성막된 네트형상 탄소막(F1)에 의해 둘러싸이고 그 배치 간격이 제약된다. 따라서, 바늘형 탄소막(F2) 다수가 밀집되는 문제를 회피할 수 있어, 각각의 바늘형 탄소막(F2)의 전계 집중 성능을 충분히 발휘시킬 수 있다. 그 결과, 우수한 전자 방출 특성을 제공할 수 있다.

이 바늘형 탄소막(F2)은 벽형상 탄소막(F3)에 의해, 기판(S) 상에서의 자세가 매우 안정화하여, 전자를 안정되게 방출할 수 있다. 또한, 복수의 바늘형의 탄소막이 형성하는 성막 방향이 용이하게 정렬될 수 있다. 따라서, 전자가 복수의 바늘형 탄소막(F2) 각각으로부터 기판 전체에 걸쳐 균일하게 방출될 수 있다. 그 결과, 바늘형 탄소막(F2)이 냉음극 전자원으로서 전계 방사형의 조명램프에 이용되면, 램프 내의 형광체를 균일한 휘도로 발광시킬 수 있다. 또한, 바늘형 탄소막(F2)은, 벽형상 탄소막(F3)에 의해, 기판(S)에 대하여 기계적으로 견고하게 지지되기 때문에, 기판(S) 상에서 넘어질 것 같지 않다. 이 결과, 조명램프의 전자 방출원으로서의 안정성이 향상한다. 또한, 바늘형 탄소막(F2)은, 전류를 유입시키기 위한 기판에 대한 전기적 접촉을 벽형상의 탄소막(F3)에 의해 형성할 수 있다.

바늘형 탄소막(F2)은, 그 전계집중계수 β는 임의의 위치에서의 반경을 r, 그 위치로부터 선단까지의 높이를 h로서, h/r의 식으로 나타내어지고, 그 반경이 선단을 향해서 작아지는 바늘 형상을 갖는다. 이리하여, 바늘형 탄소막(F2)은 전계 방사가 포화되기 어려운 그러한 탄소막이 된다.

(플라즈마 발생 장치의 또 다른 예)

도 14에 플라즈마 발생 장치의 또 다른 예를 도시한다. 이 플라즈마 발생 장치는 성막장치에 통합되어 있다. 이 성막장치는, 플라즈마 발생용 가스가 압력/유량조절회로(9)에 의해 가스의 압력과 유량이 조절된 후, 가스 실린더(8)로부터 진공 챔버(12)의 내부로, 그 도입부(14)를 통하여 도입되도록 구성된다.

진공 챔버(12)의 배기부(14)에는 배기 제어 밸브(11)를 통해 압력 제어 장치(13)가 접속되어 있어, 진공 챔버(12)의 내부압력이 조절된다. 진공 챔버(12) 내부는, 압력 제어 장치(13)에 의해 배기 제어 밸브(11)의 개방도 제어하에서 압력 제어된다.

진공 챔버(12) 내부에는, 통형상 전극(20)이 서로의 외주면이 전기적으로 접 촉하는 상태로 병설되어 있다. 이들 통형상 전극(20)은 금속네트(mesh; 메쉬)을 원통 형태로 감아서 구성한 것이다. 통형상 전극(20)의 각 내부에는 성막 대상물의 일례인 도체 와이어(22)가 배치되어 있다.

통형상 전극(20)에는 플라즈마 여기용의 직류전원의 음전위가 인가된다. 직류 전원(24)의 양극은 접지되어 있고, 진공 챔버(12)는 접지되어 있다. 직류 전원(24)은 예컨대, 100V 내지 2000V의 전압 범위에서 가변조정될 수 있다.

이렇게 구성된 성막장치에 있어서, 진공 챔버(12)의 내부 압력을 상기 압력범위에서 감압하고 가스 도입부(14)로부터 가스를 도입하여, 직류 전원(24)의 음전위를 통형상 전극(20)에 인가하면, 각 통형상 전극(20)의 내부에 플라즈마가 발생하여 가스가 분해된다. 이 결과, 도체 와이어(22) 표면에 막이 성막된다.

상기한 바와 같이 본 발명의 플라즈마 발생 장치는, 통형상 전극을 복수개 병설하기 때문에, 플라즈마는 각각의 통형상 전극 내부에서 누설되는 일없이 균등하고 높은 밀도로 차광될 수 있다.

복수의 통형상 전극(20)은, 도 15에서 도시한 바와 같이 서로 분리되어 있더라도, 직류 전원(24)으로부터 동일한 음전압이 통형상 전극(20)에 인가될 때, 각각의 통형상 전극(20) 내부에서 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

도 14에 도시된 복수의 통형상 전극(20)은 각각 독립적으로 서로의 내부는 연통하지 않는 상태로 병설되어 있다. 도 16에서 도시한 바와 같이 복수의 통형상 전극(20)은 서로 내부가 연통한 상태로 병설될 수 있다.

통형상 전극(20)은 단면원형, 단면다각형, 단면타 원형, 또는 그 밖의 단면 형상일 수 있다. 다수의 통형상 전극(20)이 진공 챔버 내에 배치될 수 있다.

이상의 플라즈마 발생 장치에서는, 각 통형상 전극(20) 내부에 각각 예컨대 도전성 와이어(22)를 배치하여, 각 통형상 전극(20) 내에서 플라즈마를 발생시키고, 그 내부에 가스를 도입함으로써 도전성 와이어(22)의 표면 전체에 균등한 막 두께의 고품질 막을 성막시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명은 도전성 와이어(22)를 이용하는 제품의 양산화에 기여할 수 있다.

(플라즈마 발생 장치의 또 다른 예)

도 17는 바이어스 전원(40)이 마련된 플라즈마 발생 장치(10)의 또 다른 예를 도시한다. 이 바이어스 전원(40)의 음극이 성막 대상인 도전성 와이어(22)에 접속되고, 그 양극은 진공 챔버(12)에 접속되어 접지되어 있다.

도 18은 바이어스 전원(40)의 전압을 횡축에 도시하고 도전성 와이어(22)의 표면에의 성막 속도를 종축에 도시한 도면이다. 도 18에 도시한 바와 같이, 바이어스 전원(40)의 전압을 증가시킴에 따라, 도전성 와이어(22) 표면에의 성막 속도를 상승시킬 수 있다.

도 19는 바이어스 전원(40)의 전압을 횡축에 도시하고 도전성 와이어(22)의 표면에 증착된 막의 품질을 종축에 도시한 도면이다. 도 19에 도시한 바와 같이, 바이어스 전원(40)의 전압을 예컨대 100V 내지 200V의 범위에 있도록 조정함으로써, 막의 품질을 개선할 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는, 길이가 긴 성막 대상에 대하여 길이 가 긴 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 압력의 제어와 가스 종류의 선정에 따라 종류가 다른 성막을 행할 수 있다.

Claims (11)

1. 플라즈마 발생 장치의 진공 내부에 통형상 전극이 배치되고, 상기 통형상 전극 내부에 가스를 도입하여, 상기 통형상 전극에 직류 음전압을 플라즈마 발생전압으로서 인가하는 구성을 갖는 플라즈마 발생 장치로서,

   상기 통형상 전극 내부에 성막의 종류에 대응한 가스를 선택하여 선택한 가스를 도입할 수 있는 가스 도입 장치와,

   상기 통형상 전극의 내부 압력을 성막의 종류에 대응하여 제어할 수 있는 압력 제어 장치를 구비하고,

   상기 가스는 상기 가스 도입 장치에 의해 선택되고, 상기 통형상 전극의 내부 압력은 상기 압력 제어 장치에 의해 제어되어,

   상기 플라즈마 발생 장치는, 비반응성 가스의 도입과 저압 제어에 의해 상기 통형상 전극을 구성하는 재료를 스퍼터링함으로써 성막 대상의 표면에 성막하는 PVD 장치로서 이용될 수 있고,

   상기 플라즈마 발생 장치는, 반응성 가스의 도입과 저압 제어에 의해 상기 통형상 전극을 구성하는 재료를 스퍼터링함으로써 성막 대상의 표면에 성막하는 반응성 PVD 장치로서 이용될 수 있으며,

   상기 플라즈마 발생 장치는, 탄소 성막용 가스의 도입과 고압 제어에 의해 성막 대상의 표면에 탄소막을 성막하는 플라즈마 CVD 장치로서 이용될 수 있는 것인 플라즈마 발생 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 통형상 전극은, 코일형상, 네트형상, 장벽형상 및 바구니형상 중 하나 이상의 형상을 갖는 주벽을 구비하는 것인 플라즈마 발생 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 통형상 전극은, 양단이 개구하며 성막 대상에 대응하여 상기 양단방향으로 연장되는 것인 플라즈마 발생 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 통형상 전극에, 직류 음전압과 고주파 전압을 중첩한 전압을 인가하는 것인 플라즈마 발생 장치.
5. 제1항에 있어서, 복수의 통형상 전극은 서로 내부가 연통한 상태로 병설되어 있는 것인 플라즈마 발생 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 통형상 전극 내부에 배치되는 성막 대상에 바이어스 전압을 인가하는 것인 플라즈마 발생 장치.
7. 제1항에 기재된 플라즈마 발생 장치를 이용한 성막 방법으로서,

   상기 통형상 전극 내부에 성막 대상을 배치하는 제1 단계와,

   상기 통형상 전극의 내부 압력을 감압하는 제2 단계와,

   상기 통형상 전극 내부에 가스를 도입하는 제3 단계와,

   상기 통형상 전극에 직류 음전압을 인가하는 제4 단계를 포함하는 것인 플라즈마 발생 장치를 이용한 성막방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 성막 대상에 성막 속도 제어용의 바이어스 전압을 인가하는 제5 단계를 더 포함하는 것인 플라즈마 발생 장치를 이용한 성막방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 성막 대상에 막의 품질 제어용의 바이어스 전압을 인가하는 제6 단계를 더 포함하는 것인 플라즈마 발생 장치를 이용한 성막방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 제4 단계에서는 상기 직류 음전압에 고주파 전압을 중첩하는 것인 플라즈마 발생 장치를 이용한 성막방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 통형상 전극 내부에 성막 대상을 배치하여, 상기 성막 대상을 교류전원에 의해 가열하는 제7 단계를 더 포함하는 것인 플라즈마 발생 장치를 이용한 성막방법.

Images