KR20170008917A - 대면적 vo2 산화물 반도체 박막성장형 pid 제어 스퍼터링 시스템 - Google Patents

대면적 vo2 산화물 반도체 박막성장형 pid 제어 스퍼터링 시스템 Download PDF

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Abstract

일반적으로 VO2 및 산화물 반도체 스퍼터는 산화물 박막을 성장하기 위해 플라즈마 발생을 위한 스퍼터링 건과 박막 성장을 위한 온도를 올릴 수 있는 히터, 진공챔버, 가스 공급 장치, 진공펌프로 크게 구성된다. 본 발명은 대면적 VO2 산화물 반도체 박막성장형 PID 제어 스퍼터링 시스템에 관한 것으로서, PID 제어형 스퍼터링 건과 PID 박막의 온도를 유지할 수 있는 구조와 정밀 가스 공급 라인을 구성함으로써, 산화물 VO2 박막의 품질을 높이고, 재현성과 대면적 박막을 만들 수 있는 VO2 박막 성장 시스템 발명에 관한 것이다.

Description

대면적 VO2 산화물 반도체 박막성장형 PID 제어 스퍼터링 시스템, {An adaptive PID controlled sputtering system for the large area VO2 and oxide semiconductor thin film growth}
본 발명은 대면적 VO2 산화물 반도체 박막성장형 PID 제어 스퍼터링 시스템[Adaptive PID controlled sputtering system, APS 이하 칭함]에 관한 것으로서, PID 제어형 스퍼터링 건과 PID 제어형 박막의 온도를 유지할 수 있는 구조로 구성함으로써, 산화물 VO2 박막의 품질을 높이고, 재현성과 대면적 박막을 만들 수 있는 VO2 박막 성장 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 VO2 및 산화물 반도체 스퍼터는 대면적 및 양산형 산화물 박막을 성장하기 위해 플라즈마 발생을 위한 스퍼터링 건과 박막 성장을 위한 온도를 올릴 수 있는 히터, 진공챔버, 가스공급 장치, 진공펌프로 크게 구성되며, 상기 스퍼터링 건은 외부에서 전기적 신호를 인가하면 플라즈마를 생성되며, 이 플라즈마를 이용해서 원하는 조성 물질 합성 및 박막을 만들어 낼 수 있는 것이다.
일반적으로 상기 VO2 산화물 반도체 스퍼터의 플라즈마 발생은 첫째, DC 또는 RF 전원을 이용해서 플라즈마를 만들 수 있는 발생 장치로 구성되어 있으며, 이 플라즈마 장치는 일반적으로 자석과 전기장을 이용하여 가할 수 있는 구조이다. 둘째, VO2 박막 성장을 위한 기판(substrate) 온도를 올릴 수 있는 히터 부분, 셋째, 진공을 만들기 위한 고 진공챔버, 넷째, 분위기 조절을 위한 가스 공급 장치 부위로 나누어져 구성 되어 진다.
종래의 VO2 산화물 반도체 스퍼터 구성을 살펴보면 다음과 같다. 도 1은 종래 기술에 대한 VO2 산화물 반도체 스퍼터이며, 구성은 플라즈마 발생 장치와 박막 성장 히터, 챔버, 가스 공급라인의 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 VO2 산화물 반도체 스퍼터는 스퍼터링 건(101), 진공(102), 히터(103), 가스 공급장치(106), 기판(104)로 구성된다.
상기 종래 기술에 따른 VO2 산화물 반도체 스퍼터의 각 구성 요소의 역할 및 동작을 살펴보면 다음과 같다.
상기 스퍼터 건(101)은 전기적 신호를 이용해서 원하는 물질의 플라즈마를 만들어 내는 역할을 하며, 상기 스퍼터링 건은 고정 자석을 이용한 자기장 및 전기장을 만들 수 있는 구조물과 전자기적으로 분리할 수 있는 부도체부, 온도를 낮출 수 있는 냉각라인으로 구성된다.
상기 히터는 박막성장을 위해 기판의 온도를 올릴 수 있는 역할을 한다.
이상 살펴본 바를 보면, 종래의 VO2 산화물 반도체 스퍼터는 플라즈마 발생을 만들어 내는 스퍼터 건과 온도를 올려 원하는 물질을 합성할 수 있는 히터 부위, 반응을 위한 외부 가스 인가 장치를 복합적으로 운영하는 구조로서, 종래 플라즈마 발생 스퍼터링 건(101)과 금속형히터(104) 부위와 가스 공급 장치(106)는 각각 독립적으로 동작하게 끔 구성되어 있다.
상기 종래 박막 성장 방식은 내부 환경을 원하는 조건으로 확보한 후, 플라즈마를 이용해서 물질 합성하는 방법이므로, VO2 산화물 반도체와 같은 성장조건이 매우 민감한 소재인 경우 종래 스퍼터 공정은 재현성을 높이기 힘든 상황이다.
상기 종래 방식을 통해 성장을 할 경우는 각 구조체가 각각 독립적인 동작함으로서, VO2 산화물 반도체 제작 시 여러 가지 문제점을 발생시키고 있다. 첫째, 기판과 히터와 접합이 완벽하지 않으며, VO2박막이 합성이 되지 않는 점, 둘째, 성장 조건이 주변 환경에 변화에 따른 재현성 낮은 박막 성장 조건, 셋째, 박막성장 결과가 알갱이(GRAIN)이 많이 생성되어, 높은 전류 밀도를 얻기 곤란한 점, 넷째, 임계전이 저항 변화 특성이 재현성 낮은 점을 들 수 있다.
결과적으로 상기 종래의 VO2 산화물 반도체 스퍼터는 박막 성장에 있어서, 재현성 및 양산성에 제한적인 기능을 가지고 있음을 의미한다.
본 발명은 상기 종래와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, VO2 산화물 반도체 박막 성장형 PID 제어 스퍼터링 시스템를 구성하였다. 상기 스퍼터링 시스템 구조 중 PID 스퍼터링 건, PID 박막 성장 히터, 및 초미세 유량 가스 공급라인, 박막 기판을 기본 구성하였다.
도 2는 APS 시스템 체계 구성도이다.
상기 부품의 개폐 및 온도 조절을 위한 디지털 드라이브 회로를 구성하여, 종래의 스퍼터링 건에 플라즈마 전력을 온도 변화에 따라 냉각수 조절을 자동 PID 피드백 동작을 함으로써, 박막 성장 시 주변 민감한 환경을 안정화함으로써, 재현성 있는 박막 성장을 할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 APS를 이용한 박막 성장의 재현성을 높이기 위한 세라믹 히터와 접촉면과 열 흐름의 원할성을 위해 적층형 구조의 히터 및 초미세 절대 가스량 조절 라인으로 구성하였다.
본 발명에 따른 VO2 산화물 반도체 박막성장형 PID 제어 스퍼터링 시스템를 구성하였다. 상기 스퍼터링 시스템 구조는 PID제어형 스퍼터링 건(201), PID제어형 박막 성장 히터(203), 및 초미세 유량 가스 공급라인(206), 박막 기판(204)을 기본 구성하였다. 종래의 VO2 산화물 반도체 박막성장 스퍼터의 핵심 문제점인 재현성 및 스퍼터링 성장 품질을 높이는 것을 해결 하는데 있다.
또한 종래의 스퍼터 시스템에 비해, 상기 APS의 스퍼터링 건은 종래의 스퍼터링 건에서 온도 측정을 위한 온도 센서 장착(208) 및 상기 스퍼터 건의 가열 방지를 위한 냉각수 흐름 제어 센서(207)를 스퍼터링 건에 앞 단에 각각 구성시키고, 반면에 후단에는 냉각수 흐름 제어를 위해 밸브(209)를 구성하였고,
상기 부품의 개폐 및 온도 조절을 위한 디지털 드라이브 회로(210)를 구성하여, 종래의 스퍼터링 건에 플라즈마 전력 및 온도 변화에 따라 냉각수 조절을 자동 PID 피드백 동작을 함으로써, 박막 성장시 주변 민감한 환경을 안정화함으로써, 재현성 있는 박막 성장을 할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 APS를 이용하여 박막 성장의 재현성을 높이기 위한 세라믹 히터와 접촉면과 열 흐름의 원할성을 위해 적층형 구조의 히터 및 초미세 절대 가스량 조절 라인으로 구성하였다.
본 발명에 따른 상기 APS 구성은 다음과 같은 효과가 있다. PID 피드백 구조로 구성함으로써, VO2박막 품질이 고품질화 성장 조건과 종래 방식에 비해 성장 조건이 매우 안정화 된 점이다. 또한 종래에는 동일 조건 하에서도, 입자형 구조와 밀도가 높은 박막 질이 불규칙하게 제작되는 반면에 매우 재현성 높은 구조의 박막 질을 확보할 수 있다. 이 결과에 의해 VO2박막의 전류밀도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 전이 온도 변화폭도 일정하게 할 수 있는 효과를 확보 할 수 있다.
또한 본 발명의 효과는 기존 PVD(PHYSICAL VAPOR DEPOSITION)에서 사용하고 있는 장치들에도 개별 PID 센서 형태로 설계 함으로써 기반 장치의 안정성 및 재현성을 확보를 위한 목적으로 활용될 것이라 기대된다.
도 1은 종래 기술에 따른 VO2 산화물 반도체 스퍼터의 구성도
도 2는 VO2 산화물 반도체 박막성장형 PID 제어 스퍼터링 시스템 의 구성도
도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 PID 제어형 스퍼터링 건의 구성도
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 PID 제어형 세라믹 히터의 구성도
도 5는 대면적 VO2 산화물 반도체 박막성장형 PID 제어 스퍼터 건 구성도
도 6는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막의 SEM 이미지
도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 VO2 박막의 온도 전이 특성
도 8는 본 발명의 일 실시 예에 따른 VO2 박막의 XRD 특성
도면을 참조하여 본 발명의 일 실기 예에 따른 VO2 산화물 반도체 박막성장형 PID 제어 스퍼터링 시스템을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 VO2 산화물 반도체 박막성장형 PID 제어 스퍼터링 시스템의 구성도 이고 도 3과 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른
스퍼터 건과 히터 구성도이다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 VO2 산화물 반도체 박막성장형 PID 제어 스퍼터링 시스템을 살펴보면, 도 3에 도시한 바와 같이 기본적으로 플라즈마 발생을 위한 전자기적 구성와 전기적으로 차단하기 위한 부도체 부위로 나누어진다.
상기 스퍼터링 건의 전자기적 구성부는 영구자석 구성은 가운데가 N극이고 외부는 S극으로 구성하였고(301), 자속의 밀집을 위해서 상자석체를 결합하는 구조로 구성되어 있고, 외부는 0V 즉 접지로 연결되어 있는 구조에서, 영구자석의 탈자를 방지하기 위한 냉각수 흐름 경로를 구성(303)하였다.
종래의 스퍼터 건의 구성은 자석부 및 냉각 라인 그리고 전기선으로만 구성되어 있다. 본 발명의 스퍼터 건은 상기 구성에서 추가적으로 온도 센서(305)와 유량 측정 센서(306)를 장착한 것이 특징이고, 냉각수 흐름 측정 및 온도를 감지함으로써 실제 스퍼터 건의 내부 온도를 일정하게 PID 피드백 제어하는 구조로 구성 되어 있다.
상기 PID 제어형 스퍼터 건은 유량이 1리터/분 이하에서도 동작을 해야 하므로 정밀한 센서의 유량계인 MEMS 홀센서를 사용함으로써 회전당 신호가 PWM[PULSE WIDTH MODULATION]방식으로 출력되게 구성 하였다.
도 4에 도시한 바와 같이 기본적으로 박막의 온도를 올리기 위해 표면은 SiC, SiO2,SiN, Al2O3 등과 같은 고온용 세라믹(401)으로 구성되어 있으며, 히터 소재는 세라믹 또는 니크롬선을 사용한다(402). 종래 구조에 기판을 세라믹 위에 올려 놓게 되면, 열전달이 정확하게 안되어서, 최적의 박막 조건을 확보하기 곤란하다. 상기 히터 부는 세라믹 판을 기저로 하고, 기판 위에 기판의 크기에 맞는 덮개를 만들어서 일정한 무게로 표면에 접촉함으로서, 기판에 열전달이 일정하게 할 뿐만 아니라, 접촉 면적이 열변형에 의해 접촉 불량이 발생하는 것을 최소화 하는 구조(403)로 구성되어 있다. 그리고 정확한 온도 측정을 위해 기판에 최대한 근접한 위치에 온도 센서를 장착하여 APS 이용한 생산품의 재현성을 높이는 구조(404)이다.
상기 PID 드라이버는 상기 스퍼터링 건의 신호를 아날로그-디지털 신호로 변환해서 컴퓨터 등으로 디지털 디스플레이 하는 역할을 한다.
도 5에 도시한 바와 같이 대면적 스퍼터 건을 구성한 것이다. 기본적으로 플라즈마 발생 스퍼터 건은 상기의 스퍼터 건과 동일한 구조를 가지고 있으며, 차이점은 각 위치 별로 온도 센서와 디지털 유량계를 배치함(501)(502)(503)으로써 전면적에 플라즈마 발생건의 조건을 일정하게 하는 구조이며, 만약, 냉각수의 흐름의 이상 또는 전자기적 전력의 변화로 인해 플라즈마 이상 증후를 직접 확인을 할수 있어서, 재현성 있는 스퍼터 건을 구현할 수 있도록 구성하였다.
여기서 제어 장치를 최종 단에 구성함에 따라 종래의 스퍼터링 건보다 시스템 안전 관리가 용이하게 구성할 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이 APS를 이용한 SEM 이미지를 구성한 것이다. 도 6에는 종래의 방식으로 박막 성장을 하였을 경우, 도 6(a)와 같이 입자형 구성이 발생한다. 물론 최적의 조건을 확보를 한 후에, 입자형 구조가 아닌 도 6(b)와 같은 박막 층을 확보 가능하지만, 재현성이 낮아서, 동일 조건에서 제작 시에도 불규칙하게 입자형 구성이 되어 양질의 박막 확보가 곤란하다. 본 APS로 성장한 경우, 도 6(b)와 같은 결과물이 잘생성되어진다. 또한 생산 재현성 확보가 용이할 뿐만아니라, 시스템 주변 환경(온도, 습도 등)에 의한 변화를 최소화를 할 수 있고, 시스템 관리가 용이한 구조로 되어 진다.
도 7에 도시한 바와 같이 APS를 이용해서 만들어진 이단자 소자의 I-V 특성을 구성한 것이다. 전압에 따른 전류 천이가 전형적인 특성을 보였으며, 전이 특성도 4.5급[10 OHM ~ 1MOHM]까지 변화 특성에 대한 재현성을 높일 수 있는 것이 특징이다.
도 8에 도시한 바와 같이 APS를 이용해서 만들어진 VO2 박막의 XRD 패턴을 측정한 결과이다. 예측한 바와 같이 박막이 한 방향으로만 성장한 것을 잘 나타내고 있다.
PID : PROPORTIONAL, INTEGRAl, DERIVATIVE FEEDBACK
스퍼터 건 : 전하를 이용해서 타깃과 같은 물질에 가속을 하여 플라즈마 발생장치
MEMS : MICROELCTROMECHANICAL SYSTEMS
VO2 : VANADIUM DIOXIDE

Claims (4)

  1. 대면적 VO2 산화물 반도체 박막성장형 스퍼터링 시스템 구성을 위해 PID 제어형 스퍼터 건과 PID 온도 제어형 세라믹 히터, 정밀 면 처리를 통한 최적화 된 열전달형 기판 구조 및 0.1SCCM 급 정밀 가스 공급 라인 구조로 구성된 것이다. 상기 구성은 대면적 VO2 산화물 반도체 박막성장형 재현성 및 특성 고품질화 할 수 있는 박막 및 물질 제작 시스템 이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상기 PID 제어형 스퍼터 건은 온도 센서 및 냉각 흐름 제어 회로로 구성하여, 플라즈마 안정도를 최적화 할 수 있는 구조로서, 대면적 VO2 산화물 반도체 박막성장형 재현성 및 특성의 고품질화를 할 수 있는 구조이다.
  3. 제 1항에 있어서
    상기 PID 온도 제어형 세라믹 히터, 초정밀 면 처리를 통한 최적화 된 열전달형 기판 구조에서, 기판의 온도 분포 편차가 최소화 하는 구조를 특징으로 하고 있다. 뿐만 아니라, 기판아래로 부터 열전달이 됨으로써, VO2 박막의 성장 시 산소 분압을 조절할 수 있는 구조이다.
  4. 제 1항에 있어서
    상기 플라즈마 발생 스퍼터건은 대면적 형태로 구성을 용이하게 함으로써 플라즈마 발생 시 발생하는 열 분포를 균일하게 함으로써 박막 성장 조건을 최적화 하는 구조로 하고 있다.
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