KR20220087971A - 다이아몬드 합성용 마이크로파 플라즈마 cvd 장치 - Google Patents

다이아몬드 합성용 마이크로파 플라즈마 cvd 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부에 기판이 놓여진 반응챔버로 탄화 수소와 수소를 포함하는 복수의 반응가스를 공급함과 동시에, 또한 상기 반응챔버로 마이크로파를 도입하여 상기 복수의 반응가스를 여기해 플라즈마를 발생시켜, 상기 기판상에 다이아몬드 합성하는 마이크로파 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 상기 복수의 반응가스를 공급하기 위한 가스 공급 라인과 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 형성하기 위한 마이크로파 발진기가 복수의 반응가스 별로 분리 제공되는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 플라즈마 CVD 장치에 대해 개시한다. 상기 CVD 장치는 합성에 관여하는 반응종의 파워 및 비율을 독립적으로 제어함으로써, 다이아몬드의 고품질 및 고속성장을 비롯해 다이아몬드의 성장목적, 용도 및 개별수요에 따라 요구되는 다양한 공정조건에 관한 선택 자유도가 우수해질 수 있다.

Description

다이아몬드 합성용 마이크로파 플라즈마 CVD 장치{MICROWAVE PLASMA CVD APPARATUS FOR DIAMOND SYNTHESIS}
본 발명은 마이크로파 플라즈마 CVD에 의한 다이아몬드를 합성하는 것에 관련되며, 특히 다이아몬드를 결함이 없으면서도 대면적, 고속으로 성장시킬 수 있는 마이크로파 플라즈마 CVD 장치, 및 이를 이용한 다이아몬드 합성 방법에 관계된다.
다이아몬드의 전기적, 열적, 기계적, 광학적 물성값은 물질 중 최고 수준이며, 특히 파워 반도체 재료로서의 성능 지수가, Si, SiC 및 GaN 보다도 우수한 것으로 알려져 있다. 또한 다이아몬드는 광학적 특성, 열적 특성 및 기계적 특성도 우수하므로, 파워 반도체를 포함한 전자공학 분야를 포함하여, 기계공구 및 보석 등의 다양한 분야에서의 응용이 기대되고 있다.
종래 다이아몬드를 합성하는 방법으로서, 열필라멘트(HT; Hot Wire), 직류(DC) 및 마이크로파(MW; Microwave) 등을 이용하여 플라즈마 처리하는 CVD(Chemical Vapor Deposition:화학기상증착) 법이 알려져 있다. 이 중에서 마이크로파 플라즈마 CVD 장치는 여기원인 마이크로파를 이용해 챔버 내로 도입되는 원료 가스를 플라즈마로 발생시킴으로써 이온, 래디칼 등의 반응종이 기판상에서 다이아몬드로 합성되도록 유도하는 장치로서, (a) 다른 방법보다도 플라즈마가 장시간 안정적으로 석출한 다이아몬드의 결정성이 좋은 것, (b) 플라즈마화할 수 있는 혼합 가스 압력의 범위가 넓은 것, (c) 방전을 일으키기 위한 전극이 반응실 내에 없기 때문에, 기판 표면의 오염이 적은 것, (d) 대면적 기판상에도 다이아몬드 합성이 가능한 등의 잇점이 알려져 있다.
이러한 마이크로파 플라즈마 CVD 장치의 경우, 다이아몬드 합성을 위해 메탄 등의 탄화 수소 가스와 수소 가스의 혼합 가스가 플라즈마 및 반응종 생성을 위한 원료 가스로서 공급되고, 통상적으로는 혼합 가스 중 탄화 수소의 비율이 작을수록, 즉 희석 비율이 클수록 합성 다이아몬드의 품질이 우수하고 대개 5% 이하의 작은 영역에서 다이아몬드가 CVD로 합성된다고 알려져 있다(EP 2 656 370 B1). 이 경우 메탄 가스가 탄소 소스로 주로 사용되나, 다른 종류의 탄소 함유 가스를 원료 가스로 사용하는 경우도 많이 있다. 그 어떠한 경우에 있어서든, 다이아몬드 성장이 가능한 CVD 공정에서는 원자상 수소(atomic hydrogen)이 생성되어 다이아몬드 형성 표면반응에 참여해야 한다.
특히 혼합 가스 중 수소 가스는 다이아몬드 성장 과정에서 다음과 같은 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다. 즉, 수소는 플라즈마로 활성화됨으로써 원자상 수소로 전환되고, 이러한 원자상 수소가 기판으로 확산하여 C-H 화학종이 제위치를 찾아 가도록 돕고, 또한 흑연 등 다이아몬드가 아닌 제2차상을 선택적으로 에칭 제검함으로써 성장하는 다이아몬드 내에 결함이 포함되지 않도록 하는 역할을 한다.
한편 다이아몬드 합성을 위한 종래 일반적인 마이크로파 플라즈마 CVD 장치의 경우, 수소 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 단일의 공급 라인을 통해 반응챔버 내로 도입하면서, 단일의 마이크로파 발진기(파워 서플라이)에 의해 생성된 마이크로파를 이용해 해당 혼합 가스를 챔버 내 배치된 기판 상부 공간 중 동일 위치에서 일거에 플라즈마로 전환하여 C-H와 원자상 H 반응종(reactant species)를 생성하고 이러한 반응종들이 기판 상면으로 확산함으로써 다이아몬드 성장이 유도되고 있다.
그러나 이러한 종래 마이크로파 플라즈마 CVD 장치는 단일의 마이크로파 발진기를 이용해 하나의 혼합 가스를 동일 위치에서 일거에 플라즈마로 전환시키는 단순한 방식을 채택하기 때문에 반응에 관여하는 반응종별 가스 비율은 플라즈마 형성 온도 및 압력 조건과 혼합 가스의 유량에 따라 획일적으로 결정되고 각각이 독립적으로 제어될 수는 없음은 물론 기타 독립 제어될 수 있는 공정 변수가 극히 제한적이다. 이에 따라 다이아몬드의 고품질 및 고속성장을 비롯해 다이아몬드의 성장목적, 용도 및 개별수요에 따라 요구되는 다양한 공정조건에 관한 선택 자유도가 현저히 떨어지는 문제가 있다.
예컨대, 다이아몬드에 대한 고품질 고속성장과 관련하여, 기본적으로 고속성장을 위해서는 고농도의 탄화 수소 가스를 사용해야 하고 고품질을 위해서는 결함을 유발하는 흑연 등의 제2차상을 에칭 제거하는 원자상 수소 농도가 증가해야 한다. 그러나 에칭 속도의 증가는 고속성장을 저해하기 때문에 고품질과 고속성장을 동시에 만족시키기 위해서는 C-H와 원자상 수소 농도를 공정시간 단위에서 독립적으로 제어될 수 있어야 한다. 그럼에도 불구하고 종래 장치의 경우, 탄화 수소 가스와 원자상 수소 농도 각각이 독립적으로 제어할 수 없기 때문에 고품질 고속의 성장을 동시에 만족시키기가 현실적으로 어려운 문제가 있다.
또한 성장하는 다아몬드 결정에서 일방향 잔류 응력이 임계치에 도달시 결함(defect)의 원인이 되기 때문에, 어느 특정 방향의 잔류 응력을 갖는 성장층에 대해 반대 방향의 잔류 응력을 갖는 성장층을 형성하여 인위적으로 해소할 필요가 있다. 이러한 잔류 응력의 방향성은 다아이몬드 성막시 탄소 농도에 관계되기 때문에 고품질 다이아몬드을 형성하기 위해서는 공정시간 단위로 탄소 농도에 대한 선택적이고 독립적인 제어가 필요하지만, 종래 마이크로파 플라즈마 CVD 장치는 이를 구현하지 못하는 한계가 있다.
또한 수소로 희석된 탄화 수소 가스의 혼합 가스로부터 플라즈마로 활성화되는 반응종의 상대적인 비율을 조절할 수 있으면 다이아몬드의 성장목적, 용도 및 개별 수요에 맞춰 공정조건을 보다 정밀하게 제어할 수 있지만, 종래 마이크로파 플라즈마 CVD 장치는 독립 제어될 수 있는 공정 변수가 없거나 극히 제한적인 한계가 있다.
EP 2 656 370 B1
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 반영한 것으로, 그 목적은 다이아몬드 합성에 관련된 반응종의 파워 및 비율을 독립적으로 제어하여 고품질 및 고속성장에 유리한 마이크로파 플라즈마 CVD 장치 및 이를 이용한 다이아몬드 합성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자는 상기 해결과제와 관련된 마이크로파 플라즈마 CVD 장치 및 이를 이용한 다이아몬드 합성 방법을 연구 및 개발하는 과정에서, 가스 공급 라인 및 마이크로파 발진기가 복수의 반응가스 별로 분리 제공되되 복수의 반응가스 각각에 대한 플라즈마가 서로 다른 위치에 생성되도록 배치하는 경우, 다이아몬드 형성에 관련된 반응종의 파워 및 비율을 독립적으로 제어함과 동시에 조절할 수 있는 공정 변수를 가능한 한 많이 확보함으로써 고품질 및 고속성장에 유리한 마이크로파 플라즈마 CVD 장치를 구현할 수 있음을 지견하여 본 발명에 도달하게 되었다. 상기한 해결과제에 관한 인식 및 지견에 기초한 본 발명의 요지는 청구범위에 기재된 것과 동일한 아래의 내용이다.
(1) 내부에 기판이 놓여진 반응챔버로 탄화 수소와 수소를 포함하는 복수의 반응가스를 공급함과 동시에, 또한 상기 반응챔버로 마이크로파를 도입하여 상기 복수의 반응가스를 여기해 플라즈마를 발생시켜, 상기 기판상에 다이아몬드 합성하는 마이크로파 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 상기 복수의 반응가스를 공급하기 위한 가스 공급 라인과 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 형성하기 위한 복수의 마이크로파 발진기가 복수의 반응가스 별로 분리 제공되는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
(2) 상기 가스 공급 라인을 통한 각각의 반응가스 유량은 공정 시간 단위에서 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
(3) 상기 복수의 마이크로파 발진기 각각은 도파관; 및 상기 도파관에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너;를 포함한 세트로 제공되는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
(4) 상기 도파관과 가스 공급 라인은 복수의 반응가스 각각에 대한 플라즈마가 상기 챔버 내 기판 상부 공간에서 서로 다른 위치에 생성되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 상기 (3)의 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
(5) 상기 가스 공급 라인을 통해 독립적으로 공급되는 복수의 반응가스 군은 순수 수소 가스; 및 수소와 탄화 수소 가스의 혼합 가스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
(6) 상기 순수 수소 가스에 대한 공급은 공정시간 단위에서 미리 설정된 상하한 유량값으로 교대로 수행되고, 상기 수소와 탄화 수소 가스의 혼합 가스의 공급은 상기 순수 수소 가스가 하한 유량값으로 공급되는 동안에만 이루어지되 미리 설정된 상하한 유량값으로 교대로 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
(7) 상기 복수의 반응가스 군에는 PH3, BH3 또는 B2H6으로부터 선택되는 도펀트 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
본 발명의 마이크로파 플라즈마 CVD 장치 및 방법에 따르면, 가스 공급 라인 및 마이크로파 발진기가 복수의 반응가스 별로 분리 제공되되 복수의 반응가스 각각에 대한 플라즈마가 서로 다른 위치에 생성되도록 배치하는 구성에 의해, 다이아몬드 형성에 관련된 반응종의 파워 및 비율을 독립적으로 제어하는 것이 가능하고 조절할 수 있는 공정 변수를 가능한 한 많이 확보할 수 있고, 이에 따라 다이아몬드의 고품질 및 고속성장을 비롯해 다이아몬드의 성장목적, 용도 및 개별수요에 따라 요구되는 다양한 공정조건에 관한 선택 자유도가 나아질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 CVD 장치의 종단면 구조도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 CVD 장치의 횡단면 구조도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 공정시간 단위에서 독립적으로 제어된 복수의 반응가스 각각에 대한 유량을 나타낸 그래프.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마 CVD 장치(10)(이하, 'CVD 장치(10)'로 함)의 종단면 구조도를 나타내고, 도 2는 상기 CVD 장치(10)의 횡단면 구조도를 각각 나타낸다.
상기 CVD 장치(10)는 기본적으로 다이아몬드 합성을 위한 장치(10)로서, 대략 통형의 반응챔버(100);와 반응챔버(100) 내에 마이크로파 플라즈마(40A, 40B)를 형성하기 위한 마이크로파 발진기(200A, 200B);를 포함하며, 특히 본 발명에서는 상기 복수의 반응가스를 공급하기 위한 가스 공급 라인(100A, 110B)과 상기 반응챔버(100) 내에 플라즈마(40A, 40B)를 형성하기 위한 마이크로파 발진기(200A, 200B)가 복수의 반응가스 별로 분리 제공되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라 각각의 반응가스에 대한 플라즈마(40A, 40B)도 별도로 형성되기 때문에, 플라즈마(40A, 40B)로 활성화되는 반응종들의 상대적인 비율을 포함한 다양한 공정 변수들을 독립적으로 제어할 수 있게 된다.
이러한 CVD 장치(10)는 개략적으로 내부에 기판(50)이 놓여진 반응챔버(100)로 탄화 수소와 수소를 포함하는 복수의 반응가스를 공급함과 동시에, 또한 상기 반응챔버(100)로 마이크로파를 도입하여 상기 복수의 반응가스를 여기해 플라즈마(40A, 40B)를 발생시켜, 상기 기판(50)상에 다이아몬드 합성하는 방식으로 동작한다.
본 발명에서 상기 복수의 반응가스의 성분에는 다이아몬드 합성을 위해 탄화 수소와 수소가 포함되며, 실시예의 경우 이러한 반응가스 성분을 공급하는 구체적인 방법으로서 순수 수소 가스와; 수소와 탄화 수소 가스의 혼합 가스;로 반응가스 군을 분리하여 공급하는 것을 예정한다. 이 경우, 탄화 수소로는 메탄이 주로 이용될 수 있으나 제한적이지 않고, 혼합 가스 중 탄화 수소의 농도는, 예를 들어, 5%로 희석되어 제공될 수 있다.
상기 챔버(100) 내에는 다이아몬드가 성장될 기판(50)을 수평으로 지지하기 위한 서셉터(120)가 구비되며, 서셉터(120)는 도면에 도시되지 않은 외부 전동기구에 의해 회전될 수 있다. 챔버(100) 바닥부에는 배기구(130)가 구비되며, 배기구(130)에는 진공 펌프를 포함하는 외부 배기 장치가 접속되어 있다.
상기 챔버(100) 상부에는 마이크로파 도입창(140)이 구비되고, 챔버(100) 상방 쪽으로부터 다이아몬드 합성에 관여하는 복수의 반응가스 군을 위한 가스 공급 라인(100A, 110B)이 반응가스 군별로 별도 구비된다. 즉 실시예서는 2개의 가스 공급 라인(100A, 110B)이 구비되며, 하나는 순수 수소 가스에 대한 가스 공급 라인(100A)으로, 다른 하나는 탄화 수소와 수소의 혼합 가스에 대한 가스 공급 라인(110B)으로 각각 제공된다. 이 경우, 가스 공급 라인(100A, 110B)을 통한 각각의 반응가스 유량은 공정 시간 단위에서 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 한다. 한편 상기 가스 공급라인(100A, 100B)은 후술하는 발진기(200A, 200B)의 도파관(210)과 서로 독립적긴 라인 내지 공간이다. 예컨대, 가스 공급라인(100A, 100B)은 반응챔버(100) 어디든 피드스루(feed through)를 설치하여 연결하고, 도파관(210)은 반응챔버(100) 상부 덮개에 설치된 마이크로파 도입창(140)을 통해서 마이크로 파를 반응 챔버(100) 안으로 도입하는 구조로 될 수 있다.
상기 챔버(100) 상부에는 반응챔버(100) 내에 마이크로파 플라즈마(40A, 40B)를 형성하는 데 사용되는 여기원으로서 마이크로파 발진기(200A, 200B)가 구비되며, 이러한 마이크로파 발진기(200A, 200B)는 복수의 가스 공급 라인(100A, 110B)을 통해 공급되는 반응가스 군별로 별도 구비된다. 즉 실시예에서는 2개의 마이크로파 발진기(200A, 200B)가 구비되며, 하나는 순수 수소 가스에 대한 마이크로파 발진기(200A)로, 다른 하나는 탄화 수소와 수소의 혼합 가스에 대한 마이크로파 발진기(200B)로 각각 제공된다. 이 경우, 각각의 마이크로파 발진기(200A, 200B)에서의 출력도 독립적으로 제어될 수 있으며, 이에 따라 각각의 플라즈마(40A, 40B)에 대한 파워, 온도, 압력도 개별적으로 제어될 수 있다.
상기 복수의 마이크로파 발진기(200A, 200B) 각각은 도파관(210) 및 튜너(220)를 포함하는 세트 형태로 제공된다. 각각의 도파관(210)은 도 2에 도시된 바와 같이 대략적으로 반응챔버(100)의 상부 중앙 부위를 가로지르는 형태로 설치될 수 있으며, 도파관(210)을 통해 전달된 각각의 마이크로파는 각각의 안테나(230)에 의해 유도되어 쿼츠 재질의 마이크로파 도입창(140)을 통해 챔버(100) 내 공간으로 도입된다. 마이크로파가 마이크로파 도입창(140)을 통해 챔버(100) 내로 유입하는 과정에서 마이크로파를 흡수 또는 간섭할 수 있는 구조물이 없도록 하는 것이 바람직하다. 각각의 안테나(230)는 각각의 반응가스가 가스 공급 라인(100A, 110B)을 통해 챔버(100) 내로 유입되는 곳에 설치된다. 튜너(220)는 도파관(210)에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 역할을 한다.
이 경우, 본 발명에서는 도입된 마이크로파에 의해 각각의 반응가스에 대해 플라즈마(40A, 40B)가 형성되는 위치는 서로 다른 것을 특징으로 하며, 이를 위해 상기 도파관(210)과 가스 공급 라인(100A, 110B)에 대한 배치는 복수의 반응가스 각각에 대한 플라즈마(40A, 40B)가 상기 챔버(100) 내 기판(50) 상부 공간에서 서로 다른 위치에 생성되도록 설계된다.
구체적으로 볼 형태의 플라즈마(40A, 40B)가 생성될 위치에 가스 공급 라인(100A, 110B)을 정렬시키되, 각 플라즈마(40A, 40B)로 활성화된 원자상 수소와 탄화 수소 화학종들이 기상에서 서로 반응하기 전에 서셉터(120) 쪽으로 확산해 다이아몬드 성장에 기여하도록 가스 공급 라인(100A, 110B)과 볼 형태의 플라즈마(40A, 40B)가 형성되는 위치를 조절할 수 있다. 한편 도 1 및 도 2에서 이러한 볼 형태의 플라즈마(40A, 40B)는 이해를 위해 단순화해 도식적으로 표시되어 있으며, 다만 실제의 경우 이러한 볼 형태의 플라즈마(40A, 40B) 경계가 명확히 구분되는 것을 나타내는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 공정시간 단위에서 독립적으로 제어된 복수의 반응가스 각각에 대한 유량을 나타낸 그래프이다. 도 3의 실시예에 따른 공정시간 단위에서의 반응가스에 대한 유량 제어는, 상술한 본 발명에 따른 CVD 장치(10)를 이용해 성막 공정에서 적용될 수 있는 공정변수를 제어하는 다양한 형태 중 일예일 뿐이며, 특히 합성 다이아몬드 내 존재하는 잔류응력의 방향성 및 그에 따른 결함을 제거하는 것과 관련된다. 구체적으로 CVD 장치(10)를 이용해 다이아몬드 합성시 다이아몬드 박막 내의 잔류응력에 의해 결함이 생성되는 것을 방지하는 것이 필요하다. 이는 특히 전자 소자용 또는 광학용 다이아몬드의 응용을 제한하는 인자로 작용해 왔던 다이아몬드 내 결정 결함을 줄이는 것과 관련되며, 이에 따라 다이아몬드의 응용 범위가 확장될 가능성이 있다.
도 3의 실시예에서, 개별적인 가스 공급 라인(100A, 110B)을 통해 챔버(100) 내로 유입되는 각 반응가스 군에 대한 독립적인 유량 제어의 내용을 요약하면 (a) 순수 수소 가스에 대한 공급은 공정시간 단위에서 미리 설정된 유량값으로 교대로 수행되고(도 3의 (a)), (b) 수소와 탄화 수소 가스의 혼합 가스의 공급은 상기 순수 수소 가스가 하한 유량값으로 공급되는 동안에만 이루어지되 미리 설정된 유량값으로 교대로 수행되는 것(도 3의 (b))을 특징으로 한다. 이러한 공정시간 단위에서 반응가스 각각에 대한 유량 제어를 성막 및 그 표면에서의 처리 관점에서 살펴본다.
먼저 도 3의 (b)를 참조할 때, 우선 과량의 수소 플라즈마를 이용해 성장하는 기판(50)의 표면에서의 핵생성을 용이하게 하는 처리를 하고 도 3의 (b)에 따른 탄화 수소 및 수소의 혼합가스에 대한 유량 제어를 통해 압축 응력과 인장 응력이 번갈아 유발시키는 사이클릭 다이아몬드 성장을 반복한다. 즉, C-H의 농도를 미리 설정된 하한 유량값으로 낮게 하여 느리게 성장시킨 다이아몬드 박막 내에는 압축 응력이 발생하고, 반대로 C-H의 농도를 미리 설정된 상한 유량값으로 높게 하여 빠르게 성장시킨 다이아몬드 박막 내에는 인장 응력이 생기게 되는데, 이러한 성막 공정을 번갈아 수행함으로써 다이아몬드 내에 잔류응력의 방향성이 서로 상쇄되면, 다이아몬드가 두껍게 성장하더라도 박막 내지 벌크에는 잔류응력으로 인한 결함이 발생할 가능성이 최소화되어 고품질을 유지할 수 있다.
이러한 C-H 농도에 대한 사이클릭 공정에 있어서, 도 3의 (a)에 따른 순수 수소 가스에 대한 유량 제어를 통해 C-H가 사이클릭 공정으로 공급되는 공정시간 사이의 중간 스텝에서 H의 농도를 미리 설정된 상한 유량값으로 높게 하면 원자상 수소에 의한 에칭 효과가 증가될 수 있다. 이 경우 다이아몬드의 성장 속도와 흑연 등 제2차상의 에칭 속도 간의 균형이 이루어지는 곳에서 다이아몬드의 전체적인 성장 속도가 결정된다. 한편 이러한 반응가스의 유량을 공정시간 단위에서 정확하게 조절하기 위해서는 가스가 교체되는 각 스텝과 스텝 사이에 가스 공급 라인(100A, 110B)을 퍼징 내지 펌핑해 줄 필요가 있지만, 플라즈마는 유지되어야 하기 때문에 H의 농도를 미리 설정된 유량값으로 어느 정도 유지하면서 가스를 넣어 주거나 끊어 주거나 하는 밸브나 MFC(mass flow controller)의 작동을 도 3과 같이 해주기 위해서는 가스 공급 라인(100A, 110B)에 대해서 펌핑 라인을 구성할 수도 있다.
한편 도 3의 실시예에 따른 공정은 다이아몬드 성장 중에 각 반응가스를 스위칭해 주면서 수행되어야 하기 때문에, 현 스텝에서 사용된 공정용 반응가스가 다음 스텝에서는 제거됨으로써 스텝 단위로 수행되는 각 공정이 악영향을 받지 않도록 하여야 한다. 이를 위해 각 공정용 반응가스가 흐르는 가스 공급 라인(100A, 110B)에 대해서는 효과적인 잔류 가스의 퍼징 내지 펌핑 아웃이 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 CVD 장치(10)의 경우, 혼합가스를 사용하거나 순수 가스를 사용하거나 상관없이, 수소와 탄소 소스 가스를 분리해 각각 독립적으로 공정 조건 설정이 가능하게 하기 위해서는, 가스 공급 라인(100A, 110B)을 분리하는 것과 함께 분리된 가스 공급 라인(100A, 110B)으로부터 공정용 가스를 각각 독립적인 플라즈마(40A, 40B)로 활성화시켜 주는 것이 중요하다. 이렇게 함으로써, 동일 반응챔버(100) 내 동일 서셉터(120)를 공유함으로써 정해지는 압력 상태에서, 플라즈마(40A, 40B) 파워와 가스의 유량을 독립적으로 설정 및 제어하는 것이 가능하다. 즉 다이아몬드에 탄소 성분을 공급하여 다이아몬드를 성장시키는 탄화 수소 가스들과 다이아몬드 표면에서 흑연 등의 제 2차상을 에칭하는 원자상 수소가 활성화가 독립적으로 일어나게 되고, 이에 따라 결정 결함이 적은 고품질의 다이아몬드를 고속으로 성장하는 것이 가능해진다.
이상과 같이 본 발명의 마이크로파 플라즈마 CVD 장치(10) 및 방법에 따르면, 가스 공급 라인(100A, 110B) 및 마이크로파 발진기(200A, 200B)가 복수의 반응가스 별로 분리 제공되되 복수의 반응가스 각각에 대한 플라즈마(40A, 40B)가 서로 다른 위치에 생성되도록 배치하는 구성에 의해, 다이아몬드 형성에 관련된 반응종의 파워 및 비율을 독립적으로 제어하는 것이 가능하고 또한 조절할 수 있는 공정 변수를 가능한 한 많이 확보할 수 있고, 이에 따라 다이아몬드의 고품질 및 고속성장을 비롯해 다이아몬드의 성장목적, 용도 및 개별수요에 따라 요구되는 다양한 공정조건에 관한 선택 자유도가 나아질 수 있다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다.
상술한 실시예서 반응가스의 군이 순수 수소 가스와; 탄화 수소 및 수소의 혼합 가스 2개로 예시되어 있지만, 이러한 반응가스 군은 다이아몬드에 대해 다른 수요의 물성을 구현하기 위해 필요에 따라 추가될 수 있다. 예컨대, 합성되는 다이아몬드 측에 도펀트 주입이 필요한 경우 PH3, BH3 또는 B2H6 등으로부터 선택되는 도펀트 가스를 추가되는 반응가스 군으로 할 수 있다. 이 경우, 추가되는 도펀트 가스 군에 대해서는 별도의 가스 공급 라인(도면 미도시)과 마이크로파 발진기(도면 미도시)가 제공될 수 있음은 물론이다.
또한 가스의 유량에 따라 달라질 수 있는 플라즈마를 안정하게 유지시키기 위해서, 플라즈마가 형성되어야 할 위치에서 수소 플라즈마 등을 형성 유지하게 하는 DC 플라즈마 등의 다른 플라즈마 형성 장치(도면 미도시)를 추가 설치하는 것도 가능하다.
따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
10: 마이크로파 플라즈마 CVD 장치
100: 반응챔버
110A, 110B: 가스 공급 라인
120: 서셉터
130: 배기구
140: 마이크로파 도입창
200A, 200B: 마이크로파 발진기
210: 도파관
220: 튜너
230: 안테나
40A, 40B: 플라즈마
50: 기판

Claims (7)

  1. 내부에 기판이 놓여진 반응챔버로 탄화 수소와 수소를 포함하는 복수의 반응가스를 공급함과 동시에, 또한 상기 반응챔버로 마이크로파를 도입하여 상기 복수의 반응가스를 여기해 플라즈마를 발생시켜, 상기 기판상에 다이아몬드 합성하는 마이크로파 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 상기 복수의 반응가스를 공급하기 위한 가스 공급 라인과 상기 반응챔버 내에 플라즈마를 형성하기 위한 복수의 마이크로파 발진기가 복수의 반응가스 별로 분리 제공되는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급 라인을 통한 각각의 반응가스 유량은 공정 시간 단위에서 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 마이크로파 발진기 각각은 도파관; 및 상기 도파관에 있어서의 임피던스 조정을 실행하는 튜너;를 포함한 세트로 제공되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 도파관과 가스 공급 라인은 복수의 반응가스 각각에 대한 플라즈마가 상기 챔버 내 기판 상부 공간에서 서로 다른 위치에 생성되도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 공급 라인을 통해 독립적으로 공급되는 복수의 반응가스 군은 순수 수소 가스; 및 수소와 탄화 수소 가스의 혼합 가스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 순수 수소 가스에 대한 공급은 공정시간 단위에서 미리 설정된 상하한 유량값으로 교대로 수행되고, 상기 수소와 탄화 수소 가스의 혼합 가스의 공급은 상기 순수 수소 가스가 하한 유량값으로 공급되는 동안에만 이루어지되 미리 설정된 상하한 유량값으로 교대로 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 복수의 반응가스 군에는 PH3, BH3 또는 B2H6으로부터 선택되는 도펀트 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 CVD 장치.
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