KR20170004519A - 나노구조 형성장치 - Google Patents

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Abstract

스퍼터링 방식 또는 증발 방식을 사용하고 나노구조 형성용 소스와 박막 형성용 소스를 교대로 또는 동시에 적용하여 기판상에 원하는 크기의 나노 입자를 형성하면서 접착력을 강화할 수 있는 나노구조 형성장치에 관한 것으로, 기판이 마련된 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내에 마련되고 상기 기판을 유지하는 기판 홀더, 상기 프로세스 챔버 내에 마련된 하나 이상의 나노구조 형성용 소스 및 상기 프로세스 챔버 내에 마련된 박막 형성용 소스를 포함하는 구성을 마련하여, 나노구조의 접착력을 향상시킬 수 있다.

Description

나노구조 형성장치{Nano-structure forming apparatus}
본 발명은 스퍼터링 방식을 이용한 나노구조 형성장치에 관한 것으로, 특히 스퍼터링 방식 또는 증발 방식을 사용하고 나노구조 형성용 소스와 박막 형성용 소스를 교대로 또는 동시에 적용하여 기판상에 원하는 크기의 나노 입자를 형성하면서 접착력을 강화할 수 있는 나노구조 형성장치에 관한 것이다.
일반적으로 산업의 다양한 분야에 널리 이용되고 있는 건식 증착 기술은 증착 원리에 따라 고상(solid stste)의 소스를 사용하는 물리적 기상 증착 방식의 PVD(Physical Vapor Deposition)와 기상(gas state)의 소스를 사용하는 화학적 기상증착방식의 CVD(Chemical Vapor Deposition)로 나누어진다.
또한, 이러한 원료 소스를 기판(피코팅재)에 코팅시키는 장비의 형태에 따라 증발(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 음극 아크(cathodic arc), 이온빔 적용 증착(ion beam assisted deposition; IBAD), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition; PLD), 열화학 기상증착(thermal CVD), 플라즈마 화학기상증착(plasma enhanced CVD; PECVD) 등으로 구분되며, 이러한 장비가 단독 또는 복합 방식으로 사용되기도 한다.
플라즈마 화학기상증착(PECVD) 방식의 경우에는 빠른 증착 속도와 피코팅재에 대한 적은 섀도우(shadow) 영역의 장점이 있지만, 코팅 소스 공급에 대한 한계와 이온화도의 한계로 인하여 DLC(Diamond Like Carbon), TiN, TiCN와 같은 특정 코팅재질을 사용한 증착에만 상용화되고 있고, 더욱이 낮은 이온화에너지에 의해 증착된 박막의 물성이 상대적으로 떨어지는 단점이 있다.
음극 아크(Cathodic arc) 방식의 경우에는 고이온화율과 높은 생산성에 대한 장점을 가지고 있지만, 액적(droplet) 형성으로 인해 표면 조도가 저하되는 현상과 다양한 물질 증발에 대한 한계를 가지는 단점이 있다.
스퍼터링 기술은 이온화된 원자를 전기장에 의해 가속시켜 타깃에 충돌시키면, 이 충돌에 의해 타깃을 구성하는 원자들이 튀어나오게 되며, 튀어 나온 원자들이 기판의 표면에 증착되는 기술이다. 이와 같은 스퍼터링은 챔버(chamber)에 공급되는 가스와 캐소드(cathode, 타깃)에서 발생하는 전자 사이의 충돌로부터 시작되며, 그 과정을 보면 진공 챔버 내에 Ar과 같은 불활성 기체를 넣고 캐소드에 (-)전압을 가하면 캐소드로부터 방출된 전자들이 Ar 기체원자와 충돌하여 Ar을 이온화시킨다.
즉, Ar + e―(primary) = Ar+ + e―(primary) + e―(secondary)
Ar이 여기(excite)하면서 전자를 방출하면 에너지가 방출되고, 이때 글로우 방전(glow discharge)이 발생하여 이온과 전자가 공존하는 플라즈마(plasma) 내의 Ar+ 이온은 큰 전위차에 의해 캐소드(타깃)로 가속되어 타깃의 표면과 충돌하면 중성의 타깃 원자들이 튀어나와 기판에 박막을 형성한다.
상술한 바와 같은 스퍼터링 기술은 금속, 합금, 화합물, 절연체 등 다양한 재료의 성막이 가능하며, 여러 가지 다른 재료에서도 성막 속도가 안정되고 비슷하게 된다. 또 박막의 접착력이 좋고 대면적화에 유리하고 균일한 성막이 가능하며 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 장점이 있다.
이와 같은 스퍼터링 기술로서는 DC 스퍼터링 장치, 고주파(RF) 스퍼터링 장치, 건에 마그네트론이 마련된 마그네트론 스퍼터링 장치, 밀착력을 극대화하기 위해 이온빔 보조 스퍼터링 장치, 2개의 건을 사용한 듀얼건 스퍼터링 장치 등이 알려졌다.
그러나 종래의 일반적인 스퍼터링 공정 조건하에서 형성되는 대다수의 금속막은 3차원 핵자 형성, 성장 그리고 섬(island)의 연결로 이루어지는 volmer-weber 형태를 따르는 박막형태로 형성된다. 기판에 나노구조 형성을 위해서는 스퍼터링 공정 중 발생하는 플라즈마 내부의 금속 및 불활성 기체 이온이 높은 운동에너지를 가진 상태로 기판까지 도달하는 것을 억제해야 한다는 문제가 있었다. 하지만, 나노구조 형성을 위하여 스퍼터링 공정상에서 증착 물질의 에너지를 감소시키기 위하여 공정 압력 및 거리를 증가시키면 증착 속도가 급격히 감소되는 단점이 있다.
이와 같은 스퍼터링 장치에 관한 기술의 일 예가 하기 특허 문헌 등에 개시되어 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 배치되는 기판, 상기 진공 챔버 내에 배치되며, 상기 기판 표면으로 증착하고자 하는 제1 물질을 공급하는 제1 마그네트론 스퍼터링 소스, 상기 진공 챔버 내에 배치되며, 상기 기판 표면으로 증착하고자 하는 제2 물질을 공급하며, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스와 함께 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스를 이루는 제2 마그네트론 스퍼터링 소스, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스에 의해 기판에 공급되는 제1 물질의 공급 위치와 상기 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 의해 기판에 공급되는 제2 물질의 공급 위치 사이의 위치에서 상기 기판 위로 이온빔을 공급하도록 상기 챔버 내에 배치되어, 상기 기판 표면에 증착되는 박막의 표면 특성을 제어하는 이온빔 소스, 상기 제1 마그네트론 스퍼터링 소스 및 제2 마그네트론 스퍼터링 소스에 서로 극성이 교번되는 펄스 전원을 공급하는 바이폴라 전원부 및 상기 이온빔 소스에 상기 바이폴라 전원부에 의해 공급되는 펄스 전원과 동일한 주기의 펄스 전원을 공급하는 이온빔 전원을 포함하는 박막 형성 장치에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 2에는 증착 대상물인 기판의 증착 공간을 형성하며, 상기 증착 공간에 상기 기판이 로딩되는 기판 로딩부가 구비되는 공정 챔버, 상기 공정 챔버에서 상기 기판 로딩부의 일측에 구비되며, 상기 기판에 이온빔을 조사하여 상기 기판에 다이아몬드상 탄소(DLC, Diamond Like Carbon) 박막을 형성하는 이온빔 소스 유닛, 상기 공정 챔버에서 상기 기판 로딩부를 기준으로 상기 이온빔 소스 유닛과 대칭되게 배치되어 상기 이온빔 소스 유닛을 이용하여 상기 기판에 상기 다이아몬드상 탄소 박막을 형성하기 전에 상기 기판 상에 중간층을 형성하는 스퍼터링 유닛을 포함하며, 상기 이온빔 소스 유닛은 유입되는 가스의 흐름을 통해 이온화를 시키는 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)를 포함하며, 상기 기판의 증착될 면이 상기 스퍼터링 유닛 또는 상기 이온빔 소스 유닛을 향하도록 상기 기판 로딩부는 상기 공정 챔버에 회전 가능하게 결합되는 기판 증착 장치에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 3에는 챔버, 타깃을 스퍼터링하여 나노 입자를 방출할 수 있는 원주형 마그네트론 스퍼터링 시스템, 상기 챔버 내를 진공 상태로 유지하기 위한 진공 펌핑 시스템, 상기 챔버 내에 아르곤 가스를 주입하는 아르곤 가스 주입장치, 유체가 저장되는 유체 저장조, 표면에 유체막이 형성되도록 회전하는 드럼, 상기 유체 및 스퍼터링 시스템을 냉각시키는 냉각 시스템 및 아르곤 가스의 공급 유량, 전압, 전압, 스퍼터링 타깃과 드럼과의 거리 및 분산제(oleic acid) 함유량을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 타깃으로부터 스퍼터링된 나노 입자는 드럼의 유체막에 침착되는 나노 유체 제조 장치에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 4에는 구리 기판을 진공 챔버에 장착하여 아르곤-산소 혼합 가스를 이온화시켜 아르곤-산소 플라즈마 상태로 구리 기판에 충돌시켜 구리 산화물 나노 입자와 나노 막대를 제조하는 스퍼터링 장치, 상기의 장치의 아르곤-산소 혼합 가스의 유량 및 압력을 제어하는 장치 및 구리 기판의 온도, 위치, 아르곤-산소 혼합 가스와의 각도를 제어하는 장치 및 구리 기판의 가열, 온도 유지, 냉각하는 열선 및 액체 질소 공급 장치를 포함하는 구리 산화물 나노 입자와 나노 막대를 제조하는 장치에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 5에는 기판상에 재료의 항균 층을 증착하는 방법으로서, 항균 물질의 하전 나노 입자의 클라우드를 생성하고, 정전기적으로 기판을 향해 나노 입자를 가속하는 단계를 포함하는 항균 표면 코팅에 대해 개시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0480357호(2005.03.23 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1309984호(2013.09.11 등록) 대한민국 공개특허공보 제2005-0047175호(2005.05.20 공개) 대한민국 공개특허공보 제2007-0096400호(2007.10.02 공개) 국제특허 공개공보 WO 2007/034167호(2007.03.29 공개)
그러나 상기 특허문헌 1 및 특허문헌 2의 경우 증착하고자 하는 물질이 충분한 에너지를 가지고 기판에 도달하여 치밀한 막을 형성하기 때문에 나노구조 형성이 어려운 단점이 있다.
또한, 상기의 특허문헌 3 및 특허문헌 4의 나노구조의 형성장치는 그 구조가 복잡하고 증착 속도 및 증착 효율이 낮고, 대면적화하기 어려운 단점이 있어 양산제품에 적용하기 어려운 단점이 있다.
또 상기 특허문헌 5에 개시된 기술에서는 압력차를 주기 위한 별도의 진공 펌핑 시스템을 장착해야 하므로 상대적으로 제조 비용이 증가하게 되고, 차압을 위한 펌핑 라인을 통해서도 증착 물질의 손실이 있어 상대적으로 타깃 사용 효율이 떨어지는 단점이 있었다.
또한, 종래의 나노구조 형성 장치 및 스퍼터링 장치에 의해서는 도 1에 도시된 바와 같이, 나노구조 형태로 증착이 되므로, 나노 입자 간 접착력이 약한 단점으로 인하여, 예를 들어 공구 및 의료기 자재의 코팅시 박리가 발생하여 그 응용에 한계가 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 나노구조 형성용 소스와 박막 형성용 소스를 교대로 또는 동시에 적용하여 나노구조의 접착력을 향상시킬 수 있는 나노구조 형성장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가스 흐름 스퍼터링(gas flow sputtering) 공정기술을 도입하여 스퍼터링 공정 압력을 높이고, 증착 속도를 높이며 원하는 크기로 나노 입자를 형성할 수 있는 나노구조 형성용 나노구조 형성장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노구조 형성장치 내에서 발생하는 증착 물질의 증착 손실을 방지할 수 있는 나노구조 형성용 나노구조 형성장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 나노구조 형성장치는 적어도 하나의 기판에 나노 입자의 구조를 형성하기 위한 나노구조 형성장치로서, 상기 기판이 마련된 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버 내에 마련되고 상기 기판을 유지하는 기판 홀더, 상기 프로세스 챔버 내에 마련된 하나 이상의 나노구조 형성용 소스 및 상기 프로세스 챔버 내에 마련된 박막 형성용 소스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서, 상기 기판 홀더는 상기 프로세스 챔버의 하부에 마련된 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서, 상기 기판 홀더는 상기 프로세스 챔버의 상부에 마련된 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서, 상기 나노구조 형성용 소스는 하나 이상이 마련되는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서, 상기 나노구조 형성용 소스와 박막 형성용 소스는 상기 기판을 향해 동시에 작동하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서, 상기 나노구조 형성용 소스와 박막 형성용 소스는 상기 기판을 향해 교대로 작동하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서, 상기 기판은 상기 기판 홀더에 결합된 모터에 의해 상승, 하강 또는 회전 가능한 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서, 상기 프로세스 챔버 내에 마련되고 상기 기판에 형성된 나노입자 및 박막의 두께를 감지하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서, 상기 나노구조 형성용 소스는 나노구조 형성용 소스 내의 압력을 제어하는 압력 제어 유닛을 포함하고, 상기 프로세스 챔버의 압력과 상기 나노구조 형성용 소스의 압력은 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서, 상기 나노구조 형성용 소스는 호퍼 형상으로 이루어지고, 상기 압력 제어 유닛은 하나 이상의 압력 제어 링 부재 및 상기 하나 이상의 압력 제어 링 부재 내의 압력을 각각 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 하나 이상의 압력 제어 링 내의 압력을 가변하기 위해 각각의 압력 제어 링 내로 공급되는 가스의 량 또는 배기되는 가스의 량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에 의하면, 상기 박막 형성용 소스와 나노구조 형성용 소스를 교대로 또는 동시에 작동시켜 기판에 증착되는 나노구조의 접착력을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에 의하면, 기존 장비에 나노구조 형성용 소스만 추가하여 장착해서 사용할 수 있으므로, 기존 장비와 호환성 즉, 기존 공정 장비에서 사용하고 있는 공정압력 대역(스퍼터 수~수십 mTorr, 증발장치(Evaporator) 10-4 Torr 이하, 일반적으로 10-6 Torr)은 그대로 유지한 상태로 나노구조 형성용 소스만 추가하여 접착력이 우수한 나노구조물을 형성할 수 있다는 효과도 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에 의하면, 나노구조 형성용 소스 내부에서 생성되는 증착 물질이 상대적으로 높은 비율로 나노구조 형성용 소스로 유입되므로 타깃 사용 효율을 개선할 수 있다는 효과도 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에 의하면, 하나 이상의 압력 제어 링 부재별로 각기 다른 압력으로 제어하여 보다 균일하고 정밀한 공정을 가능하고, 압력 제어 링의 입구 및 출구의 사이즈 조절이 용이하므로, 사이즈 조절을 위한 비용을 절감할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 종래의 나노구조 형성용 스퍼터링 장치에 의해 기판에 증착된 나노 구조의 SEM 사진,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노구조 형성장치의 모식도,
도 3은 도 2에 도시된 나노구조 형성용 소스의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에 의해 기판에 증착된 나노구조물의 단면도,
도 5는 도 3에 도시된 압력 제어 유닛의 구성을 나타내는 도면,
도 6은 도 5에 도시된 압력 제어 링의 형상의 일 예를 나타내는 단면도
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 나노구조 형성장치의 모식도.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
본 발명에 사용되는 용어 '기판'은 통상의 반도체 기판과 같은 기판(substrate)을 포함할 뿐만 아니라, 기판 홀더에 장착되어 타깃에 의한 나노 입자가 코팅되는 공구, 의료기기, 자재 등을 포함하는 용어로 정의한다.
이하, 본 발명의 구체적인 구성에 대해 도 2 및 도 3에 따라 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노구조 형성장치의 모식도이고, 도 3은 도 2에 도시된 나노구조 형성용 소스의 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 나노구조 형성장치에 의해 기판에 증착된 나노구조물의 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노구조 형성장치는 적어도 하나의 기판에 나노 입자의 구조를 형성하기 위한 나노구조 형성장치로서, 상기 기판(120)이 마련된 프로세스 챔버(100), 상기 프로세스 챔버 내에 마련된 하나 이상의 나노구조 형성용 소스(200), 상기 프로세스 챔버(100) 내에 마련된 박막 형성용 소스(300)를 포함한다. 상기 나노구조 형성용 소스(200)와 박막 형성용 소스(300)는 대면적 증착을 위해 평판형 또는 원통형을 적용할 수 있다.
상기 프로세스 챔버(100)는 통상의 스퍼터링 챔버와 같이 가열, 냉각, 상하 이동 및 회전 가능한 기판 홀더(110), 기판 홀더(110) 상에 장착되는 기판(120), 상기 프로세스 챔버(100) 내로 Ar, He, N2 등의 불활성 및 반응성 가스를 공급하는 가스 공급구(130) 및 가스 배출구(140)를 구비한다.
상기 프로세스 챔버(100) 내에 마련되어 상기 기판(120)을 유지하는 기판 홀더(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 프로세스 챔버(100)의 하부 중앙 부분에 마련된다. 상기 기판 홀더(110)는 상기 기판 홀더(110)에 결합된 모터에 의해 기판(120)을 상승, 하강 또는 회전 가능하게 장착된다. 즉, 기판(120)은 기판 홀더(110)에 장착된 상태에서 상승, 하강 또는 회전 가능하며, 기판(120)에 증착되는 입자가 균일하게 되도록 기판 홀더(110) 내에서 기판(120) 자체만 회전하도록 마련될 수 있다.
가스 배출구(140)와 연결되어 프로세스 챔버(100)의 진공 형성 및 유지를 위한 진공 펌핑 장치 및 압력제어를 위한 밸브류와 같은 통상의 나노구조 형성장치에서 사용되는 세부구성은 생략하였다.
이와 같은 프로세스 챔버(100) 내에는 상기 나노구조 형성용 소스(200)가 마련되고, 상기 나노구조 형성용 소스(200) 내에는 도 3에 도시된 바와 같이 타깃(230)이 마련된다. 도 2에서는 설명의 편의상 하나의 나노구조 형성용 소스(200)를 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 기판에 증착될 나노 입자의 종류 등에 따라 2 이상이 나노구조 형성용 소스(200)가 마련될 수 있다.
상기 타깃(230)은 기판(120)상에 증착될 나노 입자에 대응하는 금속재, 부도체 등을 사용할 수 있으며, 특별히 어느 하나의 금속에 한정되는 것은 아니다.
상기 나노구조 형성용 소스(200)의 상부에는 스퍼터링을 실행하기 위한 스퍼터 건이 장착되고, 상기 나노구조 형성용 소스(200)에 연속하여 마련되고 챔버의 기능을 구비한 압력 제어 유닛(400)이 마련된다.
즉, 본 발명에 따른 나노구조 금속 박막을 형성하기 위해서 프로세스 챔버(100) 내에 나노구조 형성용 소스(200) 및 압력 제어 유닛(400)을 마련하여 물질의 에너지(Kinetic energy) 제어를 실행한다.
도 2에서 나노구조 형성용 소스(200)의 압력 P1와 프로세스 챔버(100)의 압력 P2은 서로 상이하고, 이 P1, P2의 압력차에 의한 가스 흐름(gas flow)을 통하여 나노구조 형성용 소스(200)에서 생성되는 나노구조 증착 물질이 프로세스 챔버(100)로 빠르게 이송되어 증착 속도를 개선할 수 있다. 상기 프로세스 챔버(100)의 압력은 수백 mTorr 이하로 마련되며, 상기 나노구조 형성용 소스(200)의 압력은 50 mTorr 내지 수 Torr로 마련되는 것이 바람직하다.
상기 스퍼터 건은 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어 자석과 Cu 플레이트로 이루어진 마그네트론 소스부(210), 실링용 링으로 이루어진 실드(shield)부(220), 대략 원형으로 이루어지고 상기 실드부(220)에 장착된 타깃(230), 상기 마그네트론 소스부(210)를 작동시키는 작동부(240)를 구비하고, 상기 작동부(240)에는 전원선(241), 냉각수 공급 라인(242) 및 냉각수 배출 라인(243)이 체결된다.
상기 스퍼터 건은 통상의 나노구조 형성장치에 적용되는 스퍼터 건을 용이하게 적용할 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 프로세스 챔버(100)의 하부 중앙 부분에 마련된 기판(120)에는 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 나노구조 형성용 소스(200) 내부의 스퍼터링 공정 조건, 압력 제어 유닛(400)의 제어 조건, 프로세스 챔버(100) 내부의 압력조건 및 기판 홀더(110)의 위치에 따라 나노구조의 형상 및 크기가 제어된 나노 입자와 박막 형성용 소스(300)에 의해 생성된 입자가 증착된다.
상기 나노구조 형성용 소스(200)는 도 3에 도시된 바와 같이 프로세스 챔버(100)를 향해 경사진 호퍼 형상으로 이루어지고, 이 나노구조 형성용 소스(200)의 출구부는 원형으로 이루어지지만, 이에 한정되는 것은 아니고 용도에 따라 사각 형상으로 적용할 수도 있다.
이와 같이 나노구조 형성용 소스(200)를 호퍼 형상으로 마련하는 것에 의해, 나노구조 형성용 소스(200) 내에서 발생하는 증착 물질의 손실을 방지하면서, 프로세스 챔버(100)로 증착 물질을 용이하게 이송할 수 있다.
또한, 상기 나노구조 형성용 소스(200)에는 챔버 내의 압력을 제어하기 위해 소스용 불활성 및 반응성 가스 공급부(250)와 소스용 냉각수 공급 및 배출부(260)가 마련된다.
즉, 본 발명에서는 프로세스 챔버(100)에 마련된 가스 공급구(130) 및 가스 배출구(140)와 별도로 소스용 불활성 및 반응성 가스 공급부(250)를 마련하고, 스퍼터 건에 마련된 냉각수 공급 라인(242) 및 냉각수 배출 라인(243)과 별도로 소스용 냉각수 공급 및 배출부(620)를 마련하여 나노구조 형성용 소스(200) 내의 압력을 제어하는 것에 의해 프로세스 챔버(100)의 압력 P2와 나노구조 형성용 소스(200)의 압력 P1을 서로 상이하게 제어할 수 있다.
이와 같은 압력 제어는 기판(120)에 증착될 나노 입자의 크기, 타깃(230)의 종류 등에 따라 미리 설정된 조건으로 질량유량계(MFC : Mass Flow Controller) 등을 구비한 제어부에 의해 실행된다.
스퍼터 건은 도 3에 도시된 바와 같이 나노구조 형성용 소스(200)의 상부에 장착되며, 상기 스터터 건에는 캐소드로서 마그네트론 소스(210)에 DC, RF, 펄스 DC, MF 전원을 인가하는 전원 공급부, 냉각수 공급부, 타깃(230)을 상하로 이동 가능한 모터를 구비한 작동부(240)가 마련된다.
상기 프로세스 챔버(100) 내에 마련된 박막 형성용 소스(300)는 건(310)에 마그네트론이 마련된 마그네트론 스퍼터링 장치로서, 상기 건에는 캐소드로서 마그네트론에 DC, RF, 펄스 DC, MF 전원을 인가하는 전원 공급부, 냉각수 공급부, 타깃(320)을 상하로 이동 가능한 모터를 구비한 작동부가 마련된다. 상기 박막 형성용 소스(300)는 통상의 스퍼터링 장치를 적용하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서는 상기 나노구조 형성용 소스(200)와 박막 형성용 소스(300)가 상기 기판(120)을 향해 동시에 작동하는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 나노구조 형성용 소스(200)와 박막 형성용 소스(300)가 동시에 작동하는 것에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 나노구조 형성용 소스(200)에 의해 생성된 나노 입자(121)와 박막 형성용 소스(300)에 의해 생성된 박막 입자가 혼용으로 기판(120)에 증착되어 나노 입자의 접착력을 증가시킬 수 있다.
또 상기 설명에서는 상기 나노구조 형성용 소스(200)와 박막 형성용 소스(300)가 동시에 작동하는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 나노구조 형성용 소스(200)와 박막 형성용 소스(300)가 상기 기판(120)을 향해 교대로 작동하는 구조를 채용할 수도 있다. 이와 같은 구조를 채용하는 것에 의해 나노 입자의 접착력을 증가시킬 수 있다.
상기 압력 제어 유닛(400)은 도 3에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 압력 제어 링 부재(410), 상기 하나 이상의 압력 제어 링 부재(410) 내의 압력을 각각 제어하는 제어부(420) 및 상기 제어부(420)와 상기 하나 이상의 압력 제어 링 부재(410)에 각각 연결된 다수의 연결관(430)을 포함한다.
상기 하나 이상의 압력 제어 링 부재(410)는 상기 나노구조 형성용 소스(200)의 출구부에 대응해서 연속하여 마련되며, 도 3에서는 2개의 압력 제어 링 부재(410)를 나타내었지만, 증착될 나노 입자의 크기에 대응하여 1개 또는 3개 이상 마련할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구조 형성장치에서는 상기 나노구조 형성용 소스(200)와 상기 하나 이상의 압력 제어 링 부재(410) 내의 각각의 압력은 서로 상이하게 구성된다.
이 압력 제어 링 부재(410)와 제어부(420)의 구성에 대해서는 도 5에 따라 설명한다.
도 5는 도 3에 도시된 압력 제어 유닛의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 압력 제어 링 부재(410)는 압력 제어 링(411), 압력 제어 링(411)의 대략 중앙 부분에 마련되고, 연결관(430)을 통해 공급되는 불활성 및 반응성 가스의 공급 또는 배기에 의해 압력 제어 링(411) 내부의 압력을 가변으로 하기 위한 오리피스(412)가 마련된다. 상기 압력 제어 링(411)에는 하나 이상의 압력 제어 링을 용이하게 결합할 수 있도록 압력 제어 링(411)의 상부에 돌기부(413)가 마련되고 압력 제어 링(411)의 하부에 돌기부(413)가 삽입되는 체결 홈(414)이 마련된다.
따라서, 상기 돌기부(413)를 체결 홈(414)에 끼워 맞춤하는 것에 의해 기판(120)에 증착될 나노 입자의 크기에 대응하여 압력 제어 링 부재(410)를 다단으로 형성할 수 있다. 또 이를 위해 상기 나노구조 형성용 소스(200)의 호퍼 형상의 하단부에 상기 돌기부(413)에 대응하는 체결 홈을 마련하는 것이 바람직하다.
상기 제어부(420)는 상기 하나 이상의 압력 제어 링 부재(410) 내의 각각의 압력을 가변으로 제어하기 위해 각각의 연결관(430)을 통해 오리피스(412)로 공급되는 가스의 량 또는 배기되는 가스의 량을 조절하는 질량 유량계, 밸브계 등을 구비한다.
한편, 상기 압력 제어 링 부재(410)로 공급되는 불활성 및 반응성 가스는 프로세스 챔버(100) 및 나노구조 형성용 소스(200)에 공급되는 Ar, He와 같은 불활성 기체를 사용하지만, 기판에 증착될 나노 입자의 종류에 따라 프로세스 챔버(100) 및 나노구조 형성용 소스(200)에 공급되는 불활성 및 반응성 가스와 상이한 가스를 공급할 수도 있다.
다음에 본 발명에 적용되는 압력 제어 링(411)의 구조에 대해 도 6에 따라 설명한다.
도 6은 도 5에 도시된 압력 제어 링의 형상의 일 예를 나타내는 단면도이다.
본 발명에 따른 압력 제어 링(411)의 내부는 통상의 링과 같이 입구와 출구의 내경이 동일한 형상으로 할 수 있지만, 압력 제어 링(411)의 내부의 압력이 상이하도록 입구에서 출구로 갈수록 좁아지는 형상(도 6의 (a)), 입구에서 출구로 갈수록 넓어지는 형상(도 6의 (b)), 중앙 부분이 오목하게 이루어진 형상(도 6의 (c), (e)) 또는 중앙 부분이 돌출된 형상(도 6의 (d), (f)) 중의 어느 하나로 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이 압력 제어 링(411)을 마련하고, 이 압력 제어 링(411)의 내부의 압력을 제어하는 것에 의해 가스의 흐름을 제어하여 증착 속도를 제어하고, 기판상에 원하는 크기의 나노 입자를 증착할 수 있다.
다음에 본 발명에 따른 나노구조 형성장치의 다른 예를 도 7에 따라 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 나노구조 형성장치의 모식도로서, 도 2에 도시된 구성과 동일 부분에는 동일 부호를 부여하고, 그 반복적인 설명은 생략한다.
도 7에 도시된 본 발명의 다른 실시 예는 도 2에 도시된 실시 예와는 달리 상기 기판 홀더(110)가 상기 프로세스 챔버(110)의 상부에 마련된 것이다.
상기 기판 홀더(110)에는 다수개의 기판(120)이 장착되고, 상기 기판 홀더(120)는 상기 기판 홀더(110)에 결합된 모터에 의해 기판(120)을 상승, 하강 또는 회전 가능하게 장착된다. 즉, 다수개의 기판(120)은 기판 홀더(110)에 장착된 상태에서 상승, 하강 또는 회전 가능하며, 기판(120)에 증착되는 입자가 균일하게 되도록 기판 홀더(110) 내에서 다수개의 기판(120)의 각각이 회전하도록 마련될 수 있다.
상술한 바와 같이 기판 홀더(110)가 상기 프로세스 챔버(110)의 상부에 마련되므로, 나노구조 형성용 소스(200)의 출구부는 기판 홀더(110)를 향하도록 마련된다.
도 7에 도시된 실시 예에서 박막 형성용 소스(300)는 캐소드로서 타깃이 마련된 보트(330)에 DC 전원을 인가하는 전원 공급부를 포함한다. 상기 박막 형성용 소스(300)는 통상의 증발(Evaporator) 장치를 적용하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 상기 프로세스 챔버(100) 내에 센서(160)가 마련되고, 이 센서(160)에 의해 상기 기판(120)에 증착되는 나노입자 및 박막의 두께를 감지하는 구조이다. 도 7에서는 하나의 센서를 마련한 구조를 예시적으로 나타내었지만, 이에 한정되는 것은 아니고 프로세스 챔버(110) 내에 다수개의 센서(160)가 마련될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 실시 예에서도 도 2에 도시된 실시 예와 마찬가지로, 나노구조 형성용 소스(200)와 박막 형성용 소스(300)는 대면적 증착을 위해 평판형 또는 원통형을 적용할 수 있고, 하나의 나노구조 형성용 소스(200)를 도시하였지만, 기판(120)에 증착될 나노 입자의 종류, 기판(120)의 크기 등에 따라 2 이상이 나노구조 형성용 소스(200)가 마련될 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 나노구조 형성용 나노구조 형성장치를 사용하는 것에 의해 기판에 증착되는 나노구조의 접착력을 향상시킬 수 있다.
100 : 프로세스 챔버
200 : 나노구조 형성용 소스
300 : 박막 형성용 소스
400 : 압력 제어 유닛

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 기판에 나노 입자의 구조를 형성하기 위한 나노구조 형성장치로서,
    상기 기판이 마련된 프로세스 챔버,
    상기 프로세스 챔버 내에 마련되고 상기 기판을 유지하는 기판 홀더,
    상기 프로세스 챔버 내에 마련된 하나 이상의 나노구조 형성용 소스 및
    상기 프로세스 챔버 내에 마련된 박막 형성용 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 형성장치.
  2. 제1항에서,
    상기 기판 홀더는 상기 프로세스 챔버의 하부에 마련된 것을 특징으로 하는 나노구조 형성장치.
  3. 제1항에서,
    상기 기판 홀더는 상기 프로세스 챔버의 상부에 마련된 것을 특징으로 하는 나노구조 형성장치.
  4. 제2항 또는 제3항에서,
    상기 나노구조 형성용 소스는 하나 이상이 마련되는 것을 특징으로 하는 나노구조 형성장치.
  5. 제4항에서,
    상기 나노구조 형성용 소스와 박막 형성용 소스는 상기 기판을 향해 동시에 작동하는 것을 특징으로 하는 나노구조 형성장치.
  6. 제4항에서,
    상기 나노구조 형성용 소스와 박막 형성용 소스는 상기 기판을 향해 교대로 작동하는 것을 특징으로 하는 나노구조 형성장치.
  7. 제4항에서,
    상기 기판은 상기 기판 홀더에 결합된 모터에 의해 상승, 하강 또는 회전 가능한 것을 특징으로 하는 나노구조 형성장치.
  8. 제3항에서,
    상기 프로세스 챔버 내에 마련되고 상기 기판에 형성된 나노입자 및 박막의 두께를 감지하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 형성장치.
  9. 제1항에서,
    상기 나노구조 형성용 소스는 나노구조 형성용 소스 내의 압력을 제어하는 압력 제어 유닛을 포함하고,
    상기 프로세스 챔버의 압력과 상기 나노구조 형성용 소스의 압력은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 나노구조 형성장치.
  10. 제9항에서,
    상기 나노구조 형성용 소스는 호퍼 형상으로 이루어지고,
    상기 압력 제어 유닛은 하나 이상의 압력 제어 링 부재 및 상기 하나 이상의 압력 제어 링 부재 내의 압력을 각각 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 하나 이상의 압력 제어 링 내의 압력을 가변하기 위해 각각의 압력 제어 링 내로 공급되는 가스의 량 또는 배기되는 가스의 량을 제어하는 것을 특징으로 하는 나노구조 형성장치.
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