KR20230139097A - 링형 전극을 구비하는 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치 - Google Patents

링형 전극을 구비하는 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치 Download PDF

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Abstract

마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치가 개시된다. 상기 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치는 내부에 캐비티를 형성하는 유전체창; 상기 캐비티 내에 위치하는 다이아몬드가 성막되는 웨이퍼; 상기 캐비티 내 상기 웨이퍼 위에 플라즈마를 형성하도록 상기 내부 캐비티로 마이크로웨이브를 공급하는 마이크로웨이브 인가 수단; 상기 웨이퍼 주위를 둘러싸는 링형 전극; 및 상기 링형 전극으로 전원을 인가하는 전원인가수단을 포함한다.

Description

링형 전극을 구비하는 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치{DIAMOND FILM FORMING APPARATUS USING MICROWAVE PLASMA CHEMICAL VAPOR DEPOSITION HAVING A RING SHAPED ELECTRODE}
본 발명은 다이아몬드 성막 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 다이아몬드 성막 장치에 관한 것이다.
최근 화학증착법에 의한 다이아몬드 박막 형성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 다이아몬드는 넓은 밴드 갭(band gap), 높은 파괴 전장, 높은 열전도도, radiation hardness 등을 가지고 있어1), 절삭공구의 코팅, 우주선창, 고출력 전자제품의 heat sink등 사용영역이 점차 늘어나고 있다.
다이아몬드 박막을 성장시키기 위한 기술로는, DC plasma 또는 RF plasma를 이용한 화학증착법, 열 필라멘트 화학증착법(HFCVD), 마이크로웨이브 플라즈마 화학증착법(MPCVD) 및 전자자기공명 플라즈마 화학증착법(ECR CVD) 등이 있다.
이 중에서 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 MPCVD 방법은 보다 낮은 증착 온도에서 양질의 다이아몬드 박막을 형성할 뿐만 아니라, 다른 CVD 장비와 비교하여, 제조 방법이 간단하고 반응기 안에서 전극이 없어 그로 인한 오염문제가 없어, 다이아몬드 박막 제조에 많이 응용되고 있다.
마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 다이아몬드막 제조방법으로서 한국등록특허 10-0725670호, "리쏘그라피용 다이아몬드막의 제조방법"에 대한 기술이 있다. 이 특허는 가스도입관과 가스배출관이 구비된 챔버, 상기 챔버 내에 배치된 기판대, 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키도록 마이크로파 전원을 도입하는 도파관을 포함하는 마이크로파 CVD장치가 개시되어 있다.
이 특허와 같이 종래 대부분의 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 다이아몬드 성막 장치는 챔버 내에서 형성되는 플라즈마가 웨이퍼 위에서 형성되기는 하지만 플라즈마의 형성 범위가 웨이퍼의 크기를 벗어나 챔버의 내부 면적에 과도하게 넓게 분포할 우려가 있고, 이러한 문제로 인해 플라즈마는 웨이퍼 위로 집중되기 어려워서 웨이퍼 상에 다이아몬드 성막이 균일하게 이루어지기 어려운 문제가 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 웨이퍼의 표면 전체에 다이아몬드 성막이 고르게 이루어지고, 웨이퍼의 표면 상에 균일하게 평탄화되는 다이아몬드 성막이 이루어질 수 있도록 한 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치는 내부에 캐비티를 형성하는 유전체창; 상기 캐비티 내에 위치하는 다이아몬드가 성막되는 웨이퍼; 상기 캐비티 내 상기 웨이퍼 위에 플라즈마를 형성하도록 상기 내부 캐비티로 마이크로웨이브를 공급하는 마이크로웨이브 인가 수단; 상기 웨이퍼 주위를 둘러싸는 링형 전극; 및 상기 링형 전극으로 전원을 인가하는 전원인가수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마는 상기 링형 전극 측으로 횡방향 확장되고, 확장된 플라즈마는 상기 웨이퍼 위로 집중되어 상기 웨이퍼 상에 균일하게 다이아몬드 성막될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 링형 전극에 인가되는 전압은, DC 전원을 인가할 수 있고, AC 전원인 경우, 100MHz 내지 1000MHz 사이의 RF 전원일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 링형 전극의 상면은 상기 웨이퍼와 인접된 측으로부터 멀어지는 측으로 점차 높아지도록 경사지게 구성될 수 있다. 이러한 링형 전극의 상면은 상기 플라즈마를 상기 웨이퍼 위로 가두어서 상기 웨이퍼 위로 집중시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼와 상기 링형 전극 사이는 절연될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 캐비티 내에 위치하는 웨이퍼 홀더를 포함하고, 상기 웨이퍼는 상기 웨이퍼 홀더 위에 위치할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 캐비티 내로 다이아몬드 CVD 성막을 위한 가스를 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치에 따르면, RF 전원 인가를 통해 플라즈마가 웨이퍼 위로 집중되게 제어하여 웨이퍼의 둘레 및 링형 전극 방향의 횡방향으로의 플라즈마의 확장 및 고른 분포가 이루어지므로 웨이퍼의 표면 전체에 다이아몬드 성막이 고르게 이루어지고, 웨이퍼의 표면 상에 균일하게 평탄화되는 다이아몬드 성막이 이루어질 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 링형 전극을 확대 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치의 유전체창 내에 플라즈마가 형성된 모습을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 링형 전극을 확대 도시하는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치의 유전체창 내에 플라즈마가 형성된 모습을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치는 유전체창(100), 웨이퍼 홀더(200), 웨이퍼(300), 마이크로웨이브 인가 수단(400), 링형 전극(500) 및 전원인가수단(600)을 포함할 수 있다.
상기 유전체창(100)은 내부에 캐비티(100a)를 형성한다. 예를 들어, 상기 유전체창(100)은 돔형으로 구비될 수 있고, 이러한 경우, 원통형 측면부(101), 상기 측면부(101) 위에 원형으로 형성되는 천장면(103) 및 상기 측면부(101)의 상측으로부터 연장되어 상기 천장면(103)을 상기 측면부(101)에 연결하는 아치부(102)를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 유전체창(100)은 내부 공간을 갖는 기둥형 지지구조물(800)의 상단에 지지될 수 있고, 상기 지지구조물(800)의 상단과 상기 유전체창(100)의 하부 사이는 실링되고, 상기 유전체창(100)의 캐비티(100a)와 상기 기둥형 지지구조물(800)의 내부 공간은 진공이 유지될 수 있다.
상기 웨이퍼 홀더(200)는 상기 캐비티(100a) 내에 위치한다. 예를 들어, 상기 웨이퍼 홀더(200)는 원형의 평면 형상을 갖도록 구비될 수 있고, 그 직경에는 특별한 제한은 없다.
상기 웨이퍼(300)는 상기 캐비티(100a) 내에 위치한다. 예를 들어, 상기 웨이퍼(300)는 상기 웨이퍼 홀더(200) 위에 위치할 수 있다.
상기 마이크로웨이브 인가 수단(400)은 상기 캐비티(100a) 내 상기 웨이퍼(300) 위로 플라즈마를 형성하도록 상기 캐비티(100a) 내로 마이크로웨이브를 공급한다. 예를 들어, 상기 마이크로웨이브 인가 수단(400)은 마그네트론 및 도파관(410)을 통해 공급될 수 있고, 이러한 경우, 상기 유전체창(100)의 일부가 상기 도파관(410)에 관통될 수 있다.
상기 링형 전극(500)은 상기 웨이퍼(300) 주위를 둘러싸도록 배치된다. 예를 들어, 상기 링형 전극(500)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 축방향을 따라 절단한 단면 형상이 'ㄴ'자 형상으로 구비되어, 고리 형상의 바닥부(510) 및 상기 바닥부(510)의 가장자리에 연결되는 고리 형상의 측면부(520)를 포함하고, 상기 바닥부(510) 및 상기 측면부(520)의 내측에 상기 웨이퍼 홀더(200)를 수용할 수 있는 웨이퍼 홀더 수용부(530)를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 상기 웨이퍼 홀더 수용부(530) 내에 상기 웨이퍼 홀더(200)가 수용되고, 상기 측면부(520)는 상기 웨이퍼 홀더(200) 위에 위치하는 웨이퍼(300)를 둘러쌀 수 있다. 이때, 상기 웨이퍼(300)와 상기 링형 전극(500) 사이는 절연될 수 있다.
상기 전원인가수단(600)은 상기 링형 전극(500)으로 전원을 인가한다. 일 예로, 상기 전원인가수단(600)은 전원 발생 장치(610) 및 전원 라인(620)을 포함할 수 있다. 상기 전원 발생 장치(610)는 RF 전원 발생 장치일 수 있고, 상기 전원 라인(620)은 중공의 원기둥 타입으로 구비될 수 있고, 원기둥 형상의 상단은 상기 링형 전극(500)에 연결될 수 있다.
일 실시예로, 상기 전원인가수단(600)을 통해 상기 링형 전극(500)에 인가되는 전압은, DC 전원을 인가할 수 있고, AC 전원인 경우, 100MHz 내지 1000MHz 사이의 RF 전원일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치는 가스 공급부(700)를 포함할 수 있다.
상기 가스 공급부(700)는 상기 유전체창(100)의 캐비티(100a) 내로 다이아몬드 CVD 성막을 위한 가스를 공급할 수 있다. 상기 가스는 플라즈마에 의해 활성화되어 탄소원자를 생성할 수 있는 가스 성분을 포함한다. 예를 들어, 상기 가스 공급부(700)는 상기 지지구조물(800)의 일측에 구비되어 상기 캐비티(100a) 내로 가스를 공급할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치의 상기 링형 전극(500)의 상면은 상기 웨이퍼(300)와 인접된 측으로부터 멀어지는 측으로 점차 높아지도록 경사지게 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 링형 전극(500)의 상기 측면부(101)의 상단부는 상기 웨이퍼(300)와 인접된 측으로부터 멀어지는 측으로 점차 높아지게 경사질 수 있다. 이에 따라, 상기 링형 전극(500)의 상면은 최종 높이는 상기 웨이퍼(300)보다 높게 된다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치를 이용하여 웨이퍼 상에 다이아몬드가 성막되는 과정을 설명한다.
먼저, 가스 공급부(700)를 통해 상기 유전체창(100)의 캐비티(100a) 내로 가스를 공급하고, 상기 마이크로웨이브 인가 수단(400)을 통해 상기 유전체창(100)의 상기 캐비티(100a) 내로 마이크로웨이브를 인가하며, 상기 전원인가수단(600)을 통해 상기 링형 전극(500)에 RF 전압을 인가한다.
상기 유전체창(100)의 캐비티(100a) 내로 공급된 가스는 상기 유전체창(100)의 캐비티(100a) 내로 인가된 마이크로웨이브에 의해 이온화되어 도 3과 같이 상기 웨이퍼(300) 위로 플라즈마가 형성된다.
이때, 상기 링형 전극(500)의 둘레 방향으로 RF 전원이 인가되고, 상기 링형 전극(500)은 웨이퍼(300)의 가장자리를 둘러싸고 있으므로 상기 웨이퍼(300)의 가장자리가 RF 전원으로 둘러싸인다. 따라서, 상기 웨이퍼(300)의 가장자리에는 전기 에너지가 부여된다.
이러한 상태에서 상기 웨이퍼(300) 위로 형성되는 플라즈마는 상기 링형 전극(500)에 인가되어 상기 웨이퍼(300) 가장자리를 둘러싸는 RF 전원에 의해 상기 웨이퍼(300)의 가장자리 방향으로 확장되어 상기 웨이퍼(300)의 둘레 방향으로 플라즈마가 고르게 형성될 수 있다.
이러한 플라즈마의 웨이퍼(300)의 둘레 방향으로의 고른 분포는 웨이퍼(300) 위로 탄소원자가 고르게 분포 및 웨이퍼(300) 표면에 고르게 성막되는 것을 달성할 수 있다.
한편, 상기 플라즈마가 상기 웨이퍼(300) 위로 형성될 때 상기 링형 전극(500)의 상면은 상기 웨이퍼(300)보다 높게 형성되므로 상기 웨이퍼(300) 위로 형성되는 플라즈마는 상기 링형 전극(500)의 내측에 가두어지는 효과가 발생되며, 이러한 플라즈마의 가둠 효과에 의해 상기 탄소원자는 상기 웨이퍼(300)에 더욱 집중될 수 있고, 이에 따라 상기 탄소원자가 상기 웨이퍼(300) 상에 고르게 분포하여 균일하게 평탄화되는 다이아몬드 성막이 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치에 따르면, RF 전원 인가를 통해 플라즈마가 웨이퍼(300) 위로 집중되게 제어하여 웨이퍼(300)의 둘레 및 링형 전극(500) 방향의 횡방향으로의 플라즈마의 확장 및 고른 분포가 이루어지므로 웨이퍼(300)의 표면 전체에 다이아몬드 성막이 고르게 이루어지고, 웨이퍼(300)의 표면 상에 균일하게 평탄화되는 다이아몬드 성막이 이루어질 수 있는 이점이 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 내부에 캐비티를 형성하는 유전체창;
    상기 캐비티 내에 위치하는 다이아몬드가 성막되는 웨이퍼;
    상기 캐비티 내 상기 웨이퍼 위에 플라즈마를 형성하도록 상기 내부 캐비티로 마이크로웨이브를 공급하는 마이크로웨이브 인가 수단;
    상기 웨이퍼 주위를 둘러싸는 링형 전극; 및
    상기 링형 전극으로 전원을 인가하는 전원인가수단을 포함하는,
    마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마는 상기 링형 전극 측으로 횡방향 확장되고, 확장된 플라즈마는 상기 웨이퍼 위로 집중되어 상기 웨이퍼 상에 균일하게 다이아몬드 성막되는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 링형 전극에 인가되는 전압은 DC 전원 또는 AC 전원이고,
    AC 전원인 경우 100MHz ~ 1000MHz 사이의 RF 전원인,
    마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 링형 전극의 상면은 상기 웨이퍼와 인접된 측으로부터 멀어지는 측으로 점차 높아지도록 경사지게 구성됨을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼와 상기 링형 전극 사이는 절연되어 있음을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티 내에 위치하는 웨이퍼 홀더를 포함하고,
    상기 웨이퍼는 상기 웨이퍼 홀더 위에 위치하는,
    마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티 내로 다이아몬드 CVD 성막을 위한 가스를 공급하는 가스 공급부를 포함하는,
    마이크로웨이브 다이아몬드 성막 장치.
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