KR20130098663A - 박막 제조 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 제조 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 박막 제조 장치는 내부공간이 형성되는 챔버와; 상기 챔버 내에 구비되며, 기판을 장착하기 위한 적어도 하나의 서셉터; 및 상기 챔버의 적어도 일면에 상기 서셉터와 평행하게 배치되고, 상기 서셉터를 가열하는 적어도 하나의 열원 유닛;을 포함하며, 상기 서셉터는 상기 기판과 상기 열원 유닛의 사이에 배치되며, 방사광을 이용한 열원으로 서셉터를 가열한 후 가열된 서셉터를 통해 기판을 가열함으로써 그래핀 박막을 형성할 수 있다.
Description
본 발명은 박막 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방사광을 이용한 열원으로 서셉터를 가열한 후 가열된 서셉터를 통해 기판을 간접적으로 가열함으로써 그래핀 박막을 형성할 수 있는 박막 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
그래핀(graphene)은 탄소원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질이다. 그리고 3차원으로 쌓이면 흑연, 1차원으로 말리면 탄소나노튜브, 공 모양이 되면 0차원 구조인 풀러렌(fullerene)을 이루는 물질로서 다양한 저차원 나노 현상을 연구하는데 중요한 모델이 되어 왔다. 그리고 그래핀은 구조적, 화학적으로도 매우 안정할 뿐 아니라 매우 뛰어난 전도체로서, 실리콘에 비해 대략 100배 가량 빠르게 전자를 이동시킬 수 있으며, 구리에 비해 대략 100배 가량 더 많은 전자를 흐르게 할 수 있는 것으로 예측되었다.
그래핀은 상대적으로 가벼운 원소인 탄소만으로 이루어져 1차원 혹은 2차원 나노패턴을 가공하기가 매우 용이하다는 장점이 있다. 특히 이러한 장점을 활용하면 반도체-도체 성질을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 탄소가 가지는 화학결함의 다양성을 이용해 센서, 메모리 등과 같은 광범위한 기능성 소자의 제작이 가능해 진다.
다만, 상기에서 언급한 바와 같이 그래핀은 뛰어난 전기적/기계적/화학적 장점을 지니고 있음에도 불구하고, 아직까지도 실제 상용에 적용할 수 있는 현실적인 대량합성법이 소개되지 못하고 있다. 종래에는 주로 흑연을 기계적으로 분쇄하여 용액 상에 분산시킨 후 자기조립 현상을 이용해 박막으로 제조하는 방법이 알려져 있을 뿐, 이 경우 저 비용의 장점이 있으나 수많은 그래핀 조각들이 서로 겹치면서 연결된 구조로 이루어져 전기적, 기계적 성질은 기대에 미치지 못하였다. 또한, 최근 소개된 화학증기증착법에 의한 대면적 그래핀 합성 기술이 소개되면서 금속에 버금가는 전도성을 지닌 그래핀 박막을 제조하는 것이 가능하다고 알려진 바 있으나, 이 역시 고 비용이 요구되며, 상대적으로 높은 공정 온도가 요구되는 문제가 있었다.
한편, 기판 등의 열처리를 위한 하나의 방식으로서 급속열처리(rapid thermal processing: RTP)가 소개되어 있다. 급속열처리는 텅스텐 램프 등의 열원에서 나오는 방사광(放射光)을 기판에 조사하여 기판을 급속 가열 및 냉각시키는 방법으로서, 퍼니스(furnace)를 이용한 기존의 기판 열처리 방식에 비해, 신속하게 기판을 설정된 온도까지 가열시키거나 냉각시켜 줄 수 있다. 그리고 공정에 필요한 압력 조건이나 온도 대역의 조절 제어가 용이한 장점이 있다. 따라서 이와 같은 급속열처리를 응용하여 그래핀 박막을 저 비용으로도 현실적으로 대량 생성해 낼 수 있는 장치 및 방법에 대한 개발을 통해 종래의 그래핀 합성 기술에 대한 문제점을 해결하고자 한다.
본 발명은 그래핀을 박막 형태로 제조할 수 있는 박막 제조 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 그래핀 박막의 상용화를 위하여 급속열처리 방식으로 그래핀을 대량 생산해 낼 수 있는 박막 제조 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 장치는, 내부공간이 형성되는 챔버와; 상기 챔버 내에 구비되며, 기판을 장착하기 위한 적어도 하나의 서셉터; 및 상기 챔버의 적어도 일면에 상기 서셉터와 평행하게 배치되고, 상기 서셉터를 가열하는 적어도 하나의 열원 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 챔버는 일측에 공정가스를 주입하기 위한 가스주입구와, 상기 가스주입구에 대향하는 타측에 상기 챔버 내의 가스를 배출하기 위한 가스배출구를 포함할 수도 있다.
상기 챔버의 내벽에는 라이너가 형성될 수도 있고, 상기 라이너는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 서셉터에는 적어도 하나의 온도 측정부가 구비될 수도 있다.
상기 서셉터는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 열원 유닛은 방사광을 방출하는 열원과 상기 열원을 둘러싸고 상기 방사광을 투과시키는 윈도우를 포함하며, 상기 열원의 표면 일부에는 반사막이 형성될 수도 있다. 상기 반사막은 세라믹, 니켈(Ni) 및 니켈(Ni)/금(Au) 합금 중 적어도 어느 하나로 형성될 수도 있으며, 상기 반사막은 상기 열원의 중심에서 20 내지 300° 범위의 표면에 형성되는 것이 좋다.
상기 열원은 텅스텐 할로겐 램프, 카본 램프 및 루비 램프 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 열원은 선형으로 형성되고, 복수 개가 일정한 간격으로 나란하게 배치되거나 격자형태로 배치되거나, 상기 열원은 벌브 형태로 형성되고, 복수 개가 서로 일정한 간격으로 배치되거나 방사상으로 배치될 수도 있다.
상기 챔버의 내벽에는 상기 열원 유닛을 고정하기 위한 복수 개의 고정홈이 형성될 수도 있으며, 상기 고정홈에는 상기 열원 유닛으로부터 방출되는 방사광을 상기 서셉터 측으로 반사시키는 반사막이 형성될 수도 있다.
상기 챔버에는 상기 서셉터의 상부면 및 하부면 중 적어도 어느 한 면에 냉각 가스를 공급하기 위한 냉각라인이 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 방법은, 챔버 내부에 구비되는 서셉터에 기판을 장착하는 과정과; 상기 챔버 내 분위기 및 기판 온도를 제어하는 과정과; 상기 챔버 내부에 공정 가스를 공급하면서 상기 기판 상에 박막을 증착하는 과정;을 포함하며, 상기 챔버의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한 쪽에는 방사광을 방출하는 열원 유닛이 구비되어, 상기 서셉터가 상기 열원 유닛으로부터 방출되는 방사광에 의해 가열되고, 상기 기판은 상기 가열된 서셉터에 의해 간접적으로 가열되는 것을 특징으로 한다.
상기 챔버 내부에 냉각 가스를 공급하여 상기 열원 유닛, 서셉터 및 기판을 냉각시키는 과정을 더 포함할 수도 있다.
이때, 상기 냉각 가스는 상기 서셉터의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한 쪽 방향으로 공급될 수도 있으며, 상기 냉각 가스는 질소(N) 가스, 아르곤(Ar) 가스 및 헬륨 가스 중 적어도 어느 한 가지가 사용될 수 있다.
상기 공정가스는 탄소를 함유하는 가스이고, 상기 박막은 그래핀 박막일 수도 있다. 상기 공정가스는 CH4, C2H6, C2H2 및 C6H6 중 적어도 어느 한 가지가 사용될 수도 있다.
이때, 상기 박막이 증착되는 과정에서 상기 서셉터는 800 내지 1050℃의 온도로 제어되고, 상기 챔버 내부의 압력은 0.01 내지 50torr로 제어될 수도 있다.
상기 기판은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 한 가지가 사용될 수도 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 박막 제조 장치 및 그 제조 방법에 의하면, 급속열처리(rapid thermal processing: RTP) 방식을 응용하여 공정 챔버 내에 수용된 기판을 가열하여 그래핀을 대량 생산해 낼 수 있다. 이로써, 전기적, 기계적, 화학적으로 많은 장점을 지니고 있는 그래핀의 상용화를 도모할 수 있다.
특히, 공정 챔버와, 방사광을 조사하는 열원을 구비하고, 열원의 가열 작용에 의해 서셉터를 1차적으로 가열한 다음, 가열된 서셉터의 열전달(즉, 복사 또는 전도)에 의해 2차적으로 기판이 균일하게 가열됨에 따라 그래핀 박막을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 장치의 단면도.
도 2 및 도 3은 도 1의 변형 예를 보여주는 단면도.
도 4는 열원 유닛의 일 실시 예를 보여주는 도면.
도 5는 열원 유닛의 다른 실시 예를 보여주는 도면.
도 6은 열원 유닛을 구성하는 열원의 배치 형태를 보여주는 개념도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 방법으로 그래핀을 제조할 때 기판이 가열되는 원리를 설명하기 위한 개념도.
도 2 및 도 3은 도 1의 변형 예를 보여주는 단면도.
도 4는 열원 유닛의 일 실시 예를 보여주는 도면.
도 5는 열원 유닛의 다른 실시 예를 보여주는 도면.
도 6은 열원 유닛을 구성하는 열원의 배치 형태를 보여주는 개념도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 방법으로 그래핀을 제조할 때 기판이 가열되는 원리를 설명하기 위한 개념도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 장치의 단면도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 변형 예를 보여주는 단면도이다. 또한, 도 4는 열원 유닛의 일 실시 예를 보여주는 도면이고, 도 5는 열원 유닛의 다른 실시 예를 보여주는 도면이며, 도 6은 열원 유닛을 구성하는 열원의 배치 형태를 보여주는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 장치는, 기판(S)이 처리되는 내부공간을 제공하는 챔버(100)와, 챔버(100) 내부에 서로 이격되어 구비되며, 그 사이에 기판(S)이 장착되는 서셉터(110) 및 챔버(100)의 상부 및 하부에 서셉터(110)와 평행하게 배치되고 서셉터(100)를 가열하기 위한 방사광을 방출하는 적어도 하나의 열원 유닛(120)을 포함한다. 본 실시 예에서는 열원 유닛(120)이 챔버(100)의 상부 및 하부에 배치된 예에 대해서 설명하지만, 열원 유닛(120)은 도 2에 도시된 바와 같이 챔버(100)의 상부에만 구비될 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 챔버(100)의 하부에만 구비될 수도 있다. 열원 유닛(120)이 구비되는 위치에 따라 챔버(100)의 형태와 열원 유닛(120)의 연결 형태 및 서셉터(110)의 개수에 차이가 있을 수 있으나, 각 실시 예에 대한 구성 및 작용 효과는 동일하다. 따라서 이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해서 설명한다.
챔버(100)는 내부에 기판(S)을 수용하여 가열해주기 위한 공간, 즉 진공의 가열공간이 마련된 구성으로서, 대략적인 형상은 도시된 바와 같이 중공의 박스 형상 또는 블록 형상으로 이루어질 수 있다. 그리고 챔버(100)는 하나의 몸체로 일체 제작될 수도 있으나, 여러 부품이 연결 또는 결합된 조립 몸체를 지닐 수도 있는데, 이 경우 각 부품 간의 연결 부위에는 밀폐(sealing) 수단(미도시)이 부가적으로 구비될 수 있다. 이에 따라 기판(S)의 가열 또는 냉각 시 장치 내에 투입되는 에너지를 절감해 줄 수 있다.
도 1에 도시된 챔버(100)는 상부가 개방된 중공의 몸체(102)와, 몸체(102) 상부에 결합되는 리드(101)(lid)를 포함한다. 여기에서 리드(101)는 히터 블록으로 사용되며, 열원 유닛(120)을 장착하기 위한 고정홈(107)이 형성된다. 또한, 몸체(102) 하부에도 열원 유닛(120)을 장착하기 위한 고정홈(107)이 형성된다. 고정홈(107)은 열원 유닛(120)으로부터 방출되는 방사광이 서셉터(110) 측으로 집광되어 조사될 수 있도록 아치(arch)형으로 형성되는 것이 좋다. 또한, 고정홈(107)은 열원 유닛(120)보다 크게 형성하여 고정홈(107)의 표면과 열원 유닛(120)의 표면이 이격되어 형성될 수 있도록 함으로써 방사광이 효과적으로 집광될 수 있도록 하는 것이 좋다.
그리고 리드(101)와 몸체(102) 하부에는 열원 유닛(120) 및 서셉터(110)를 냉각시키기 위한 냉각 가스가 공급되는 냉각 라인(103)이 형성될 수도 있다. 냉각 라인(103)은 리드(101) 및 몸체(102) 하부의 내부에서 열원 유닛(120) 사이마다 분기되어 냉각 가스를 챔버(100) 내에 구비되는 서셉터(110)에 균일하게 분사하도록 형성될 수도 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 열원 유닛(120)이 상부와 하부 중 어느 한쪽에만 형성되는 경우, 냉각 라인(103)은 열원 유닛(120)이 구비되는 쪽에만 형성될 수도 있으나, 필요에 따라서는 냉각 라인(103)을 리드(101)와 몸체(102) 하부에 동시에 형성함으로써 냉각 효율을 향상시킬 수도 있다.
또한, 챔버(100)의 몸체(102) 양측벽에는 기판(S)의 반입 및 반출을 위한 게이트(미도시)가 형성될 수 있다. 본 실시 예에서는 챔버(100)의 양측벽에 게이트를 형성한 것으로 설명하고 있지만, 챔버(100)의 일측벽에만 게이트를 형성하고 이를 기판(S)의 반입 및 반출에 공통으로 사용할 수도 있다.
챔버(100)의 외부에는 챔버(100)의 내부공간으로 공정가스를 공급하는 가스공급부(미도시)가 구비되고, 챔버(100)의 일측면에는 가스공급부로부터 공급되는 공정가스를 챔버(100) 내부로 주입하기 위한 가스주입구(104)가 형성되며 가스주입구(104)와 대향하는 챔버(100)의 타측면에는 챔버(100) 내부의 가스를 배출하기 위한 가스배출구(105)가 형성된다.
가스배출구(105)를 통해 챔버(100) 내부의 가스를 보다 효과적으로 배출시키기 위해서는 가스배출구(105)와 연결되는 배기라인(미도시) 상에 펌프(미도시)를 장착할 수도 있다. 이와 같은 구성을 통해 챔버(100) 내부에 진공 형성과 같은 압력 제어도 수행할 수 있다.
챔버(100)의 내벽에는 라이너(미도시)가 형성될 수도 있다. 라이너는 챔버(100) 내부에서 공정 가스가 도달할 수 있는 모든 곳에 형성되어 공정 중 발생하는 오염물을 흡착시킨다. 이와 같이 라이너를 챔버(100) 내벽에 적용함으로써 장비 전체를 세정하지 않고 라이너만 교체하여 장비의 유지 보수 주기를 연장할 수 있다. 이때, 라이너는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
서셉터(110)는 챔버(100) 내부에 열원 유닛(102)의 배열 방향과 평행하게 설치된다. 서셉터(110)는 기판(S)을 지지하는 동시에, 기판(S)이 열원 유닛(120)에서 조사되는 방사광이 직접적으로 노출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 본 실시 예에서는 그래핀을 증착하기 위한 기판으로서 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W) 등의 금속 박판을 이용하는데, 종래의 급속열처리장치에서와 같이 방사광을 기판(S)에 직접 조사하게 되면 방사광이 기판(S)에 의해 반사되어 기판(S)을 공정 온도까지 가열하는데 많은 시간과 전력이 소모되는 문제점이 있다. 따라서 방사광을 흡수하고 열전도도가 우수한 재질로 형성되는 서셉터(110)에 기판(S)을 장착한 후 공정을 수행함으로써 기판(S)이 방사광에 의해 가열된 서셉터(110)에 의해 간접적으로 가열되도록 하였다. 이와 같은 서셉터(110)는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 열원 유닛(120)이 챔버(100)의 하부와 상부 중 어느 한쪽에만 형성되는 경우에는 도 1에서와 같이 한 쌍의 서셉터(110)를 사용하여도 무방하지만, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 기판(S)과 열원 유닛(120) 사이에 서셉터(110)가 배치될 수 있도록 하는 것이 중요하다.
한편, 도 1에서와 같이 한 쌍의 서셉터(110)를 사용하는 경우 그래핀을 증착하는 동안 기판(S)을 일정한 온도로 유지하여 그래핀의 증착을 용이하게 할 수도 있다. 또한, 한 쌍의 서셉터(110) 각각에 기판(S)을 장착할 수도 있다.
상기 서셉터(110)에는 서셉터(110)의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부(미도시)가 형성될 수 있다. 온도 측정부는 한 쌍의 서셉터(110) 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있으며, 플레이트 형상의 서셉터(110) 상에 일정한 간격마다 형성될 수도 있고, 중심부와 각 가장자리부에 형성될 수도 있으며, 그 형성 위치는 이에 한정되지 않는다.
열원 유닛(120)은 챔버(100)에 형성된 고정홈(107)에 설치되어 챔버(100) 내부에 설치된 서셉터(110)를 가열한다. 열원 유닛(120)은 방사광을 발생시키는 열원(122)과, 열원(122)을 감싸 보호하고 열원(122)에서 발생되는 방사광을 외부로 투과시키는 윈도우(124)를 포함한다. 열원(122)은 텅스텐 할로겐 램프, 카본 램프 및 루비 램프 중 적어도 어느 한 가지가 사용될 수 있으며, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같은 선형의 열원(122)이 사용될 수도 있고, 도 5에 도시된 바와 같은 벌브(bulb) 형태의 열원(122a)이 사용될 수 있다.
선형의 열원(122)을 사용하는 경우, 도 6의 (a)에 도시된 것처럼 복수 개의 열원 유닛(120)을 일정한 간격으로 나란하게 배열하여 사용할 수도 있고, 도 6의 (b)에 도시된 것처럼 복수 개의 열원 유닛(120)을 격자 형태로 배열하여 사용할 수도 있다. 이 경우, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 열원 유닛(120)과 리드(101)의 연결부위에는 오링 등의 밀폐부재(130)를 삽입하여 챔버(100) 내부를 밀폐시킴으로써 공정 중 챔버(100) 내의 공정가스가 외부로 유출되는 것을 방지하는 것이 좋다. 또한, 열원 유닛(120)을 고정홈(107)에 장착한 이후 열원 유닛(120)이 챔버(100) 내부공간에 노출되는 것을 방지하기 위하여 열원 유닛(120) 전면에 투과창(미도시)을 설치할 수도 있다. 이와 같은 구성을 통해 박막을 증착하는 과정에서 열원 유닛(120)에 박막 물질이 증착되는 것을 억제하여 열원 유닛(120)의 수명을 연장시킬 수 있다.
열원(122)의 표면 일부에는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 반사막(126)이 형성될 수도 있다. 선형 열원(122)의 경우 방사광이 방사상으로 방출되는데, 가열 대상인 서셉터(110)는 열원(122)과 마주보도록 배치되기 때문에 열원(122)으로부터 방출되는 방사광의 진행 방향을 제어하여 서셉터(110)의 가열 효율을 높일 필요가 있다. 따라서 열원(122)의 표면 일부에 방사광을 서셉터(110) 측으로 반사시키기 위한 반사막(126)을 형성할 수 있다. 반사막(126)은 열원(122)의 중심부로부터 20° 내지 300°범위의 외주면에 형성되는 것이 좋다. 반사막(126)이 제시된 범위보다 넓은 범위에 형성되는 경우 방사광이 투과되는 영역이 매우 좁아져 서셉터(110)를 균일하게 가열하기 어렵고, 제시된 범위보다 좁은 범위에 형성되는 경우에는 반사막(126)을 통해 방사광의 반사되는 정도가 감소하여 서셉터(110)를 효과적으로 가열하기 어려운 문제가 있다. 이와 같은 반사막(126)은 반사율이 우수한 재질로 형성될 수 있으며, 세라믹이나 Ni 또는 Ni/Au 합금 등의 금속재질로 형성될 수 있다.
한편, 반사막은 열원 유닛(120)이 설치되는 고정홈(107)의 표면에 형성될 수도 있다. 고정홈(107)은 열원(122)에서 방출되는 방사광을 집광할 수 있도록 아치형으로 형성되기 때문에 고정홈(107)의 표면에 반사막을 형성하면 방사광이 고정홈(107)의 표면에서 반사되어 서셉터(110) 측으로 조사될 수 있다. 이를 통해 방사광의 집광 효율을 더욱 향상시킬 수 있어 보다 적은 전력을 이용해서 서셉터(110)를 효과적으로 가열할 수 있게 된다.
벌브 형태의 열원(122a)을 사용하는 경우에는 도 6의 (c)와 같이 복수 개의 열원 유닛(120a)을 서로 인접하도록 배열하거나 방사형으로 배열하여 사용할 수도 있다. 이때, 리드(101)에 형성된 고정홈(107)에는 도 5에 도시된 바와 같이 실린더 형태의 윈도우(124a)를 삽입하여 열원(122a)이 챔버(100) 내부공간에 직접 노출되는 것을 방지할 수도 있다.
이와 같은 구성을 갖는 박막 제조 장치를 이용하여 기판 상에 그래핀을 증착하는 방법에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 박막 제조 방법으로 그래핀을 제조할 때 기판이 가열되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 챔버(100) 내부에 설치된 한 쌍의 서셉터(110) 사이에 기판(S)을 장착한다. 기판(S)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 한 가지가 사용될 수 있다.
다음, 챔버(100) 내의 가스를 배출시켜 챔버(100)의 내부 압력을 진공 상태로 만든다. 이때, 챔버(100)의 내부 압력은 0.01 내지 50torr 범위로 제어될 수 있다.
이어서 열원 유닛(120)을 작동시켜 서셉터(110)를 가열하면서 가스주입구(104)를 통해 공정가스를 공급하여 기판(S) 상에 그래핀을 증착한다. 이때, 서셉터(110)는 800 내지 1050℃ 정도까지 가열될 수 있으며, 공정가스로는 CH4, C2H6, C2H2, C6H6 등과 같이 탄소를 함유하는 가스가 사용될 수 있다. 기판(S) 상에 그래핀이 증착되는 동안 가스주입구(104)를 통해 공정가스가 공급되는 동시에 미반응 가스 및 잔류물 등이 가스배출구(105)를 통해 배출된다.
도 7을 참조하면, 그래핀이 기판(S) 상에 증착되는 과정에서 열원(122)으로부터 조사된 방사광은 윈도우(124)를 투과한 후, 서셉터(110)로 조사된다. 이에 서셉터(110)는 열원(122)으로부터 조사되는 방사광에 의해 미리 설정된 온도까지 가열되고, 서셉터(110) 상에 장착된 기판(S)은 가열된 서셉터(110)에 의해 간접적으로 가열된다. 이때, 기판(S)은 가열된 서셉터(110)의 열전달(즉, 복사 또는 전도)에 의해 균일하게 가열되기 때문에 고온에 의해 직접 가열됨으로써 발생할 수 있는 기판(S)의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 한 쌍의 서셉터(110)가 단열구조를 형성하고 있기 때문에 그래핀이 증착되는 동안 기판(S)의 온도를 일정하게 유지할 수 있으므로 그래핀 박막을 균일하게 증착할 수 있다.
이후, 기판(S) 상에 원하는 두께의 그래핀 박막이 증착되면 열원 유닛(120)의 작동을 정지시키고, 열원 유닛(120) 및 기판(S)을 냉각시킨다. 이때, 챔버(100) 내부에는 냉각 라인(103)을 통해 질소(N), 아르곤(Ar) 및 헬륨(He) 중 적어도 어느 한 가지의 냉각 가스가 공급될 수 있다. 냉각 가스는 챔버(100)의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한 쪽 방향을 통해 챔버(100) 내부로 공급되어 서셉터(110)에 분사된다. 서셉터(110)가 냉각됨에 따라 서셉터(110) 사이에 장착된 기판(S)도 함께 냉각된다. 이와 같이 서셉터(110)의 냉각을 이용하여 기판(S)을 냉각시킴으로써 기판(S) 및 기판(S) 상에 증착된 그래핀 박막의 변형이나 특성 저하를 억제할 수 있다.
이렇게 기판(S) 상에 그래핀 박막을 증착한 다음, 그래핀 박막을 기판(S)으로부터 분리하여 원하는 형태의 도전성 소자를 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 급속 열처리(rapid thermal processing: RTP) 방식을 응용하여 공정 챔버 내에 수용된 기판을 가열하여 그래핀을 대량 생성해 낼 수 있다. 이로써, 전기적, 기계적, 화학적으로 많은 장점을 지니고 있는 그래핀의 상용화를 도모할 수 있다.
특히, 공정 챔버와, 방사광을 조사하는 열원을 구비하고, 열원의 가열 작용에 의해 1차적으로 서셉터를 가열한 다음, 가열된 서셉터의 열전달(즉, 복사 또는 전도)에 의해 2차적으로 기판이 가열됨에 따라 그래핀 박막을 용이하게 증착할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
S: 기판
100 : 챔버 101 : 리드
102 : 몸체 103 : 냉각 라인
104 : 가스주입구 105 : 가스배출구
107 : 고정홈 110 : 서셉터
120 : 열원 유닛 122 : 열원
124 : 윈도우 126 : 반사막
130 : 밀폐부재
100 : 챔버 101 : 리드
102 : 몸체 103 : 냉각 라인
104 : 가스주입구 105 : 가스배출구
107 : 고정홈 110 : 서셉터
120 : 열원 유닛 122 : 열원
124 : 윈도우 126 : 반사막
130 : 밀폐부재
Claims (24)
- 내부공간이 형성되는 챔버와;
상기 챔버 내에 구비되며, 기판을 장착하기 위한 적어도 하나의 서셉터; 및
상기 챔버의 적어도 일면에 상기 서셉터와 평행하게 배치되고, 상기 서셉터를 가열하는 적어도 하나의 열원 유닛;
을 포함하는 박막 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 챔버는
일측에 공정가스를 주입하기 위한 가스주입구와,
상기 가스주입구에 대향하는 타측에 상기 챔버 내의 가스를 배출하기 위한 가스배출구를 포함하는 박막 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 챔버의 내벽에는 라이너가 형성되는 박막 제조 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 라이너는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성되는 박막 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 서셉터에는 적어도 하나의 온도 측정부가 구비되는 박막 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 서셉터는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성되는 박막 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 열원 유닛은 방사광을 방출하는 열원과 상기 열원을 둘러싸고 상기 방사광을 투과시키는 윈도우를 포함하며,
상기 열원의 표면 일부에는 반사막이 형성되는 박막 제조 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 반사막은 세라믹, 니켈(Ni) 및 니켈(Ni)/금(Au) 합금 중 적어도 어느 하나로 형성되는 박막 제조 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 반사막은 상기 열원의 중심에서 20 내지 300° 범위의 표면에 형성되는 박막 제조 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 열원은 텅스텐 할로겐 램프, 카본 램프 및 루비 램프 중 적어도 어느 하나인 박막 제조 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 열원은 선형으로 형성되고,
복수 개가 일정한 간격으로 나란하게 배치되거나 격자형태로 배치되는 박막 제조 장치. - 청구항 7에 있어서,
상기 열원은 벌브 형태로 형성되고,
복수 개가 서로 일정한 간격으로 배치되거나 방사상으로 배치되는 박막 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 챔버의 내벽에는 상기 열원 유닛을 고정하기 위한 복수 개의 고정홈이 형성되는 박막 제조 장치. - 청구항 13에 있어서,
상기 고정홈에는 상기 열원 유닛으로부터 방출되는 방사광을 상기 서셉터 측으로 반사시키는 반사막이 형성되는 박막 제조 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 챔버에는 상기 서셉터의 상부면 및 하부면 중 적어도 어느 한 면에 냉각 가스를 공급하기 위한 냉각라인이 형성되는 박막 제조 장치. - 박막 제조 방법에 관한 것으로서,
챔버 내부에 구비되는 서셉터에 기판을 장착하는 과정과;
상기 챔버 내 분위기 및 기판 온도를 제어하는 과정과;
상기 챔버 내부에 공정 가스를 공급하면서 상기 기판 상에 박막을 증착하는 과정;을 포함하며,
상기 챔버의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한 쪽에는 방사광을 방출하는 열원 유닛이 구비되어, 상기 서셉터가 상기 열원 유닛으로부터 방출되는 방사광에 의해 가열되고, 상기 기판은 상기 가열된 서셉터에 의해 간접적으로 가열되는 박막 제조 방법. - 청구항 16에 있어서,
상기 챔버 내부에 냉각 가스를 공급하여 상기 열원 유닛, 서셉터 및 기판을 냉각시키는 과정을 더 포함하는 박막 제조 방법. - 청구항 17에 있어서,
상기 냉각 가스는 상기 서셉터의 상부 및 하부 중 적어도 어느 한 쪽 방향으로 공급되는 박막 제조 방법. - 청구항 17에 있어서,
상기 냉각 가스는 질소(N) 가스, 아르곤(Ar) 가스 및 헬륨 가스 중 적어도 어느 한 가지가 사용되는 박막 제조 방법. - 청구항 16에 있어서,
상기 공정가스는 탄소를 함유하는 가스이고,
상기 박막은 그래핀 박막인 박막 제조 방법. - 청구항 20에 있어서,
상기 공정가스는 CH4, C2H6, C2H2 및 C6H6 중 적어도 어느 한 가지가 사용되는 박막 제조 방법. - 청구항 21에 있어서,
상기 박막이 증착되는 과정에서 상기 서셉터는 800 내지 1050℃의 온도로 제어되는 박막 제조 방법. - 청구항 22에 있어서,
상기 박막이 증착되는 과정에서 상기 챔버 내부의 압력은 0.01 내지 50torr로 제어되는 박막 제조 방법. - 청구항 16에 있어서,
상기 기판은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 한 가지가 사용되는 박막 제조 방법.
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| KR1020120020364A KR20130098663A (ko) | 2012-02-28 | 2012-02-28 | 박막 제조 장치 및 그 제조 방법 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020120020364A KR20130098663A (ko) | 2012-02-28 | 2012-02-28 | 박막 제조 장치 및 그 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20130098663A (ko) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014077507A1 (ko) * | 2012-11-19 | 2014-05-22 | 삼성테크윈 주식회사 | 그래핀 합성장치 |
| KR101472484B1 (ko) * | 2014-07-07 | 2014-12-15 | (주)앤피에스 | 기판 처리 장치 |
| KR101593493B1 (ko) * | 2014-10-28 | 2016-02-18 | 주식회사 아이에스티이 | 대면적 유리기판 열처리 장치 |
| KR20180060551A (ko) * | 2016-11-29 | 2018-06-07 | (주) 세츠 | 대면적 그래핀 성장 장치 |
| US10914007B2 (en) | 2017-04-13 | 2021-02-09 | Nps Corporation | Method and apparatus for substrate processing |
| WO2022051071A1 (en) * | 2020-09-03 | 2022-03-10 | Applied Materials, Inc. | Epi chamber with full wafer laser heating |
-
2012
- 2012-02-28 KR KR1020120020364A patent/KR20130098663A/ko active Search and Examination
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|---|---|---|---|---|
| WO2014077507A1 (ko) * | 2012-11-19 | 2014-05-22 | 삼성테크윈 주식회사 | 그래핀 합성장치 |
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