KR20170095463A - 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법 및 이종 기상 증착장치 - Google Patents

박막제조를 위한 이종 기상 증착방법 및 이종 기상 증착장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이종 기상 증착방법 및 이종 기상 증착장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스퍼터링(sputtering) 및, 크누센셀(Knudsen cell)을 이용한 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy)를 동시에 이용하여 박막을 제조하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 플라즈마를 이용한 스퍼터링 기술과, 크누센셀을 이용한 분자선 에피택시 기술을 이종 접합함으로써, 몰분율 또는 질량비로 조절되는 스퍼터링의 성분조절능력을 도핑레벨(입방센티미터상 원자수)로 떨어뜨릴 수 있게 한다.

Description

박막제조를 위한 이종 기상 증착방법 및 이종 기상 증착장치{HYBRID PHYSICAL-VAPOR EPITAXY METHOD AND APPARATUS FOR FABRICATION OF THIN FILMS}
본 발명은 이종 기상 증착방법 및 이종 기상 증착장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용한 스퍼터링(sputtering) 및, 크누센셀(Knudsen cell)을 이용한 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE)를 동시에 이용하여 박막을 제조하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
플라즈마를 이용한 스퍼터링(sputtering)은 보편적인 박막제조기술 중 하나로서 제작된 박막의 특성과 제조시스템의 양산성과 편이성이 확보되어 있는 기술이다. 그러나, 스퍼터링은 제작하고자 하는 재료의 원소와 성분이 타겟에 의해 결정되고, 타겟을 스퍼터링 과정에서 구성 조성의 스토이키오미트리(stoichiometry), 즉, 화학조성비율이 변화되는 문제가 있다.
한편, 분자선 에피택시는 크누센셀(Knudsen cell, K-cell)을 이용하여 재료의 구성원소를 개별적으로 제어함으로 성분조절과 표면처리가 용이하여 신소재 및 고품질 박막재료를 개발하는데 있어 우수성이 입증되어 있는 기술이다. 그러나, 각각의 소스를 개별제어함에 따라 장비운용의 편이성과 양산성이 떨어지게 되어 기업이 분자선 에피택시를 양산에 활용하기는 매우 어려운 문제점이 있다.
US 10-2010-0209728 A1
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 플라즈마를 이용한 스퍼터링 기술과, 크누센셀을 이용한 분자선 에피택시 기술을 이종 접합함으로써, 스퍼터링에 의해 형성되는 박막 성분을 미세하게 조정할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치는, 기 설정된 값 이하의 공기 압력을 갖도록 구성된 진공 챔버(chamber); 상기 진공 챔버 내부에 설치되며, 표면에 박막을 형성시키기 위한 기판; 상기 기판을 지지하는 서스셉터(susceptor); 상기 기판에 증착할 박막의 조성재료(이하 '타겟 물질'이라 한다)를 포함하고, 음극으로 대전되어 상기 진공 챔버 내부의 플라즈마 이온의 충돌을 받아 상기 타겟 물질을 상기 기판으로 방출시키는 음극타겟; 및 상기 기판에 형성되는 박막의 성분 조정을 위하여, 상기 기판 위에 박막으로 형성될 특정 성분의 분자선을 발생시키는 분자선 발생 셀을 포함한다.
상기 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치는, 상기 진공 챔버의 상기 음극타겟의 클리닝 작업을 위해 레이저를 조사(irradiate)하는 레이저 출력장치를 더 포함할 수 있다.
상기 클리닝 작업에는, 상기 음극타겟 표면상에 노출되는 금속성 물질 또는 미세 돌출부를 제거하는 작업이 포함될 수 있다.
상기 분자선 발생 셀은, 플라즈마를 이용하여 상기 타겟 물질에 의하여 기판 위에 박막이 형성되기 전에, 상기 기판으로 분자선을 사전 조사(preexposure)함으로써, 상기 기판의 표면처리를 수행하거나 또는 상기 형성되는 박막에 상기 타겟 물질 이외의 불순물을 첨가하는 기능을 더 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치가 이종 기상 증착작업을 수행하는 방법은, (a) 플라즈마 이온화시킬 기체를 진공 챔버 내부에 주입하는 단계; (b) 음극타겟에 마이너스(-) 전압을 가하여 상기 기체를 플라즈마 이온화시키는 단계; (c) 상기 플라즈마 이온의 상기 음극타겟으로의 충돌에 의해 상기 음극타겟으로부터 타겟 물질이 방출되어 양극의 기판 위에 증착되는 단계; (d) 상기 기판에 형성되는 박막의 성분 조정을 위하여, 분자선 발생 셀이 상기 기판 위에 박막으로 형성될 특정 성분의 분자선을 발생시키는 단계를 포함한다.
상기 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법은, 기 설정된 클리닝 조건이 충족된 경우, 상기 음극타겟의 클리닝 작업을 위해 상기 음극 타겟으로 레이저를 조사(irradiate)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 클리닝 조건은, 클리닝 시간 주기가 경과됨을 감지하는 것, 상기 음극타겟 상의 불순물 생성을 감지하는 것, 또는 상기 음극타겟 상에 미세 돌출부가 발생되는 것을 감지하는 것 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 불순물에는, 음극타겟 상에 노출된 금속성 물질을 포함하고, 상기 클리닝 작업에는, 상기 음극타겟 상에 노출되는 금속성 물질을 제거하는 작업을 포함할 수 있다.
상기 미세 돌출부에는, 음극타겟 상에 노출된 마이크로 홀과 아일런드, 핏, 크랙과 같은 구조적 결함을 포함하고, 상기 클리닝 작업에는, 상기 음극타겟 상에 발생된 미세 돌출부 등의 구조적 결함을 제거하는 작업을 포함할 수 있다.
상기 단계(b) 이전에, 상기 분자선 발생 셀이, 상기 타겟 물질에 의하여 기판 위에 박막이 형성되기 전에, 상기 기판의 표면처리를 위해 상기 기판으로 분자선을 사전 조사(preexposure)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계(d) 이후, (e) 상기 기판 상에 형성된 박막의 조성의 조정이 필요한 경우, 분자선 발생 셀이 상기 기판 위 박막의 성분 조정을 위한 특정 성분의 분자선을 발생시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 플라즈마를 이용한 스퍼터링 기술과, 크누센셀을 이용한 분자선 에피택시 기술을 이종 접합함으로써, 몰분율 또는 질량비로 조절되는 스퍼터링의 성분조절능력을 도핑레벨(입방센티미터상 원자수)로 떨어뜨릴 수 있게 하는 효과가 있다.
또한 타겟 스퍼터링 시 스퍼터일드의 차로 인해 제작되는 박막의 스토이키오미트리(stoichiometry)가 변화하는 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한 스퍼터링 시스템에서 크누센셀을 이용한 사전조사(preexposure)를 통해 기판의 표면 처리 및 조작이 가능할 뿐 아니라, 고출력레이저를 이용하여 타켓을 어블레이징 해줌으로 타겟의 순도유지 및 수명연장이 가능하게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치(100)의 일 실시예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치(100)의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법의 일 실시예로서의 순서도.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사선전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치(100)의 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치(200)의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 1은 진공챔버(110)의 상부에 기판(140)이 설치되고, 서스셉터(susceptor, 141))는 기판을 지지한다. 하부에 음극타겟(120)과 분자선 발생 셀(130)이 장착되며, 상부 측면에 레이저 출력장치(150)가 장착된 이종 기상 증착장치(100)이며, 도 2는 진공챔버(110)의 측면에 기판(240)이 설치되고, 반대측면에 음극타겟(220)과 분자선 발생 셀(230)이 장착되며, 하부 측면에 레이저 출력장치(250)가 장착된 이종 기상 증착장치(100)이다.
본 발명은 스퍼터링(sputtering)을 위해, 진공챔버(110,210)에서 플라즈마로 이온화된 아르곤 등의 가스를 가속하여 음극타겟(120,220)에 충돌시키고, 음극타겟(120,220)의 원자를 분출시켜 웨이퍼나 유리 등으로 이루어진 기판(140,240)상에 박막(thin film)을 만들게 된다. 즉, 본 발명에서는, 타겟(120,220)을 음극(cathode)으로 하고 기판(140,240)을 양극(anode)으로 한다. 먼저 진공챔버(110,210) 내부를 진공에 가깝게 만든 후에 낮은 압력의 기체, 일 실시예로서, Ar(아르곤) 등을 챔버(110,210) 내로 흘려준다. 그런 다음 음극타겟(120,220)에 '-'전압을 가하면 증착할 대상물질인 타겟이 장착된 음극(120,220)과 웨이퍼나 유리 등으로 이루어진 기판인 양극(140,240) 사이에 전기장이 형성되고 이 전기장에 노출된 Ar 가스가 Ar+로 이온화되면서 기판(140,240)과 음극타겟(120,220) 간에 플라즈마가 발생하게 된다. 음극타겟(120,220)에 장착되어 있는 타겟 물질의 표면은 기판(140,240)보다 음전위로 유지되므로, Ar+(아르곤이온)은 음극타겟(120,220) 표면으로 가속 후 충돌되고, 음극타겟(120,220) 상의 소스원자와 분자들은 음극타겟(120,220) 표면에서 방출되어 기판(140,240)으로 날아가 증착(deposition)이 된다. 이렇게 기판 위에 붙은 물질이 성장하게 되어 얇은 막, 즉 박막(thin film)을 형성한다.
이러한 과정에서, 제작하려는 박막의 원소와 성분이 타겟(120,220)에 의해 결정되게 되는데, 이와 같은 스퍼터링 과정에서 박막의 화학조성비율, 즉 스토이키오미트리(stoichiometry)가 예상치 못하게 변화되는 문제가 발생할 수 있게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 스퍼터링과 함께, 본 발명에서는 분자선 발생 셀(130,230)로서 크누센셀(Knudsen cell, K-cell)을 이용하여 박막 제조를 위한 재료의 구성원소를 정밀하게 개별적으로 제어하는 방법을 채택하였다.
본 발명의 분자선 에피택시 방법은 기판의 에피층 성장에 있어서, 조성 변화 등에 유연성을 갖게 해 준다. 진공챔버(110,210)에 고정된 기판(140,240)에 원자 또는 분자선을 충돌시켜 기판(140,240) 위의 에피층을 성장시키게 된다. 이때 분자선 소스는, 분리된 원통형 크누센셀(Knudsen cell, K-cell) 등으로 이루어지는 분자선 발생 셀(130,230) 안에 포함된 재료를 가열하여 형성되며, 각 셀에서 셔터를 구비하여 증착을 조정할 수 있도록 구성된다. 이와 같은 셔터에 의한 조정을 통해, 기판(140,240)에 성장되는 박막의 조성 변화를 다양하고 미세하게 제어해줄 수 있다. 분자선을 고진공에서 이용하므로 고순도의 결정을 얻을 수 있으며 정밀한 제어가 가능하다. 또한 이와 같은 분자선 발생 셀(130,230)은, 플라즈마를 이용하여 상기 타겟 물질에 의하여 기판 위에 박막이 형성되기 전에, 상기 기판으로 분자선을 사전 조사(preexposure)함으로써, 상기 기판의 표면처리를 수행하거나 또는 상기 형성되는 박막에 상기 타겟 물질 이외의 불순물을 첨가하는 기능과 같이, 기판의 표면 조정 기능 또는 기판에 형성되는 박막의 성분 조정 기능을 더 구비할 수도 있다. 여기서의 '불순물'이란 박막의 성분 조정을 위해 첨가(도핑)하는 물질로서, 이하에서 기술하는 "음극타겟(120,220) 상의 이와 같은 금속성 물질 등의 불순물"과는 다른 개념이다.
또한 본 발명의 이종 기상 증착장치(100,200)는, 타겟의 클리닝에 사용하는 레이저 출력장치(150,250)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화물이나 질화물 타겟의 경우 주로 소결법으로 제작되는데, 조성의 불균일도로 인해 스퍼터링 도중에 타겟 표면에 금속성 물질이 노출되는 경우가 발생하고, 이것은 플라즈마의 불안전성을 유발시켜 결국은 스퍼터링에 의해 제조되는 박막의 품질을 떨어뜨리게 된다. 본 발명의 레이저 출력장치(150,250)는 음극타겟(120,220)에 고출력의 레이저를 조사(irradiate)함으로써, 이와 같은 음극타겟(120,220) 상의 이와 같은 금속성 물질 등의 불순물 제거 또는 음극타겟(120,220) 상의 미세 돌출부의 등의 구조적 결함을 제거하는 작업을 포함하는 음극타겟(120,220)의 클리닝 작업을 수행할 수 있다.
도 3은 도 1 또는 도 2의 이종 기상 증착장치(100,200)가, 본 발명에 따른 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법을 수행하는 경우의 일 실시예로서의 순서도이다. 그러한 이종 기상 증착장치(100,200)가 수행하는 증착방법에 대하여는 도 1 및 도 2를 참조하여 이미 상세하게 전술한 바 있으므로, 도 3의 순서도를 참조하여서는 그와 같은 증착방법을 간략히 정리해 보기로 한다.
먼저, 이종 기상 증착장치(100,200)는, 플라즈마 이온화시킬 기체를 진공 챔버 내부에 주입한다(S302). 전술한 바와 같이 이러한 기체는 Ar 등일 수 있다. 이후, 이종 기상 증착장치(100,200)는, 음극타겟(120,220)에 마이너스(-) 전압을 가함으로써 그 기체를 플라즈마 이온화시키게 된다(S303). 이온화되어 플라즈마 상태가 된 이온은 양이온으로서, 전기장에 의해 음극타겟(120,220)에 충돌하고, 이로부터 음극타겟(120,220)으로부터 타겟 물질이 방출되어 양극의 기판(140,240) 위에 증착되게 된다(S304). 이와 같이 기판(140,240)에 증착되어 박막으로 형성되는 주된 물질은 음극타겟(120,220)으로부터 방출된 타겟 물질이 된다. 그러나 이와 함께 박막 조성의 미세한 조정 역시 필요한데, 이를 위하여 분자선 발생 셀(130,230)이 상기 기판(140,240) 위에 박막으로 형성될 특정 성분의 분자선을 발생시키게 된다(S305).
한편, 기 설정된 클리닝 조건이 충족된 경우, 상기 음극타겟(120,220)의 클리닝 작업을 위해 상기 음극 타겟으로 레이저 출력장치(150,250)가, 레이저를 조사(irradiate)할 수 있다(S306). 예를 들어 클리닝 조건이라 함은, 클리닝 시간 주기가 경과됨을 감지한 것일 수 있다. 또는 전술한 바와 같이 산화물이나 질화물 타겟의 경우 주로 소결법으로 제작되는데, 조성의 불균일도로 인해 스퍼터링 도중에 타겟 표면에 금속성 물질이 노출되는 경우가 발생하고, 이것은 플라즈마의 불안전성을 유발시켜 결국은 스퍼터링에 의해 제조되는 박막의 품질을 떨어뜨리게 되므로, 음극타겟 상에 노출된 금속성 물질과 같은, 상기 음극타겟 상의 불순물 생성을 감지하여 레이저 클리닝을 실시하여 그와 같은 금속성 물질 등의 불순물을 제거할 수 있다. 또는 상기 클리닝 조건은, 상기 음극타겟(120,220) 상에 미세 돌출부가 발생되는 것을 감지하는 것일 수도 있다. 이에 따라 상기 클리닝 작업에는, 상기 음극타겟 상에 노출되는 금속성 물질을 제거하는 작업 및 상기 음극타겟 상에 발생된 미세 돌출부를 제거하는 작업 중 하나 이상을 포함하게 된다.
한편, 스퍼터링 방법으로 음극타겟(120,220)의 플라즈마를 이용하여 타겟 물질에 의하여 기판(140,240) 위에 박막이 형성되기 전에, 상기 기판의 표면처리를 위해 분자선 발생 셀(130,230)이, 상기 기판으로 분자선을 사전 조사(preexposure)함으로써, 상기 기판의 표면처리를 통한 기판의 표면조정을 수행하거나 또는 상기 형성되는 박막에 상기 타겟 물질 이외의 불순물을 첨가하는 단계(S301)를 거칠 수도 있다.
또한 전술한 방법으로 기판(140,240) 위에 1차 형성된 형성된 박막의 조성을 검사하여, 그 조정이 필요한 경우, 분자선 발생 셀(130,230)이 기판(140,240) 위 박막의 세밀한 성분 조정을 위하여 특정 성분의 분자선을 발생시키는 단계(S307)를 더 포함할 수도 있다.
100,200: 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치
110,210: 진공 챔버(chamber)
120,220: 음극타겟
130,230: 분자선 발생 셀
140,240: 기판
141,241: 서스셉터(susceptor)
150,250: 레이저 출력장치
160,260: 광학계
170,270: 뷰포트

Claims (11)

  1. 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치로서,
    기 설정된 값 이하의 공기 압력을 갖도록 구성된 진공 챔버(chamber);
    상기 진공 챔버 내부에 설치되며, 표면에 박막을 형성시키기 위한 기판;
    상기 기판을 지지하는 서스셉터(susceptor);
    상기 기판에 증착할 박막의 조성재료(이하 '타겟 물질'이라 한다)를 포함하고, 음극으로 대전되어 상기 진공 챔버 내부의 플라즈마 이온의 충돌을 받아 상기 타겟 물질을 상기 기판으로 방출시키는 음극타겟; 및
    상기 기판에 형성되는 박막의 성분 조정을 위하여, 상기 기판 위에 박막으로 형성될 특정 성분의 분자선을 발생시키는 분자선 발생 셀
    을 포함하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 진공 챔버의 상기 음극타겟의 클리닝 작업을 위해 레이저를 조사(irradiate)하는 레이저 출력장치
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 클리닝 작업에는,
    상기 음극타겟 표면상에 노출되는 금속성 물질 또는 미세 돌출부를 제거하는 작업
    이 포함되는 것을 특징으로 하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 분자선 발생 셀은,
    플라즈마를 이용하여 상기 타겟 물질에 의하여 기판 위에 박막이 형성되기 전에, 상기 기판으로 분자선을 사전 조사(preexposure)함으로써, 상기 기판의 표면처리를 수행하거나 또는 상기 형성되는 박막에 상기 타겟 물질 이외의 불순물을 첨가하는 기능
    을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치.
  5. 청구항 1의 박막제조를 위한 이종 기상 증착장치가, 이종 기상 증착작업을 수행하는 방법으로서,
    (a) 플라즈마 이온화시킬 기체를 진공 챔버 내부에 주입하는 단계;
    (b) 음극타겟에 마이너스(-) 전압을 가하여 상기 기체를 플라즈마 이온화시키는 단계;
    (c) 상기 플라즈마 이온의 상기 음극타겟으로의 충돌에 의해 상기 음극타겟으로부터 타겟 물질이 방출되어 양극의 기판 위에 증착되는 단계;
    (d) 상기 기판에 형성되는 박막의 성분 조정을 위하여, 분자선 발생 셀이 상기 기판 위에 박막으로 형성될 특정 성분의 분자선을 발생시키는 단계
    를 포함하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    기 설정된 클리닝 조건이 충족된 경우, 상기 음극타겟의 클리닝 작업을 위해 상기 음극 타겟으로 레이저를 조사(irradiate)하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 클리닝 조건은,
    클리닝 시간 주기가 경과됨을 감지하는 것, 상기 음극타겟 상의 불순물 생성을 감지하는 것, 또는 상기 음극타겟 상에 미세 돌출부가 발생되는 것을 감지하는 것 중 하나 이상을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 불순물에는,
    음극타겟 상에 노출된 금속성 물질을 포함하고,
    상기 클리닝 작업에는,
    상기 음극타겟 상에 노출되는 금속성 물질을 제거하는 작업을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 미세 돌출부에는,
    음극타겟 상에 노출된 마이크로 홀과 아일런드, 핏, 크랙과 같은 구조적 결함을 포함하고,
    상기 클리닝 작업에는,
    상기 음극타겟 상에 발생된 미세 돌출부 등의 구조적 결함을 제거하는 작업 을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 단계(b) 이전에,
    상기 분자선 발생 셀이, 상기 타겟 물질에 의하여 기판 위에 박막이 형성되기 전에, 상기 기판의 표면처리를 통한 기판의 표면조정을 위해 상기 기판으로 분자선을 사전 조사(preexposure)하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 단계(d) 이후,
    (e) 상기 기판 상에 형성된 박막의 조성의 조정이 필요한 경우, 분자선 발생 셀이 상기 기판 위 박막의 성분 조정을 위한 특정 성분의 분자선을 발생시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막제조를 위한 이종 기상 증착방법.
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