KR900008156B1 - 화학물 박막형성장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

화학물 박막형성장치
제1도는 이 발명의 한 실시예를 표시하는 개략 구성도.
제2도는 종래의 화합물 박막형성장치를 표시하는 개략구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 진공조 3 : 도가니
5 : 증착물질 6 : 가열용필라멘트
7 : 클러스터 8, 12 : 열차폐판
9 : 증기발생원 10 : 제1전자비임방출수단
11 : 제1전자비임인출전극 13 : 이온화수단
14 : 클러스터이온 15 : 제1가속전극
16 : 기판 17 : 증착박막
28 : 내부조 28a : 개구부
20 : 가스분사노즐 30 : 제2전자비임방출수단
31 : 제2전자비임인출전극 32 : 전기차폐판
33 : 제2가속전극 34 : 가스이온원
39 : 액시마레이저장치 40 : 액시마레이저광
41 : 집광렌즈 42 : 창
그리고 각 도면중 동일부호는 동일 또는 상당부분을 표시한다.
이 발명은 화합물 박막형성장치 특히 클러스터이온 비임증착법(ICB법)에 액시마레이저(exima laser)장치를 적용하여 화합물박막을 증착형성하는 화합물 박막형성장치에 관한 것이다.
종래부터 TiN, Al2O3, SiC등의 화합물박막이 스패터링(spattering)CVD 등의 방법으로 각종부품표면에 피복되고 있다.
그러나, 이와같은 방법으로 부품표면에 피복된 화합물박막은 경도가 불충분하며 부착력이 약하고 또 화함물박막의 형성속도가 느리다는 결점이 있었다. 그래서 반응성가스 분위기에서 ICB법에 의하여 증착물질의 증기를 분출시켜서 화합물박막을 형성하는 R-ICB법이 시행되고 있다.
제3도는 procedings of the interational ion engineering wngress(ISIAT'83 & IPAT'83)에 개재되어 있는 R-ICB 장치를 표준적으로 표시한 개략 구성도이다.
도면에서 진공조(1)내에는 진공배기계(2)에 의하여 소정의 진공도로 보지되어 있으며 이 진공조(1)내의 하방에는 밀폐형의 도가니(3)가 설치되어 있다. 이 도가니(3)의 상부에는 적어도 하나의 노즐(4)이 설치되어 도가니(3)내에는 증착물질(5)이 충전되어 있다. 도가니(3)는 가열용필라멘트(6)에 의하여, 가열되며, 가열에 의하여 증착물질(5)의 증기를 노즐(4)에서 분출하여 클러스터(피상원자집단)(7)을 형성한다. 이때 가열용필라멘트(6)의 열은 열차폐판(8)에 의하여 차단된다.
그리고 도가니(3), 가열용필라멘트(6) 및 열차폐판(8)에 의하여 증기발생원(9)이 구성된다. 도가니(3)의 노즐(4)의 상방에는 노즐(14)에서 분사되는 증착물질(5)의 증기분출로를 감듯이 제1전자비임방출수단(10)예를 들면 이온화필라멘트가 환상(環狀)으로 배치되어 있다.
또 그 내측에는 제1전자비임인출전극(11)이 동심형의 환상으로 배치되고 제1전자비임방출수단(10)과 제1전자비임인출전극(11)간에 고전압을 가하므로서 제1전자비임방출수단(10)에서 전자비임이 방출된다. 방출된 전자비임은 제1전자비임인출전극(11)에 의하여 인출되어 가속된다. 그리고 제1전자비임방출수단(10)의 열은 열차폐판(12)에 의하여 차단된다. 제1전자비임방출수단(10) 제1전자비임인출전극(11) 및 열차폐판(12)에 의하여 클러스터(7)의 이온화수단(13)이 구성된다.
클러스터(7)는 이온화수단(13)에 의하여 정전화로 이온화되어서 클러스터이온(14)이 되고 이 클러스터이온(14)은 제1전자비임인출전극(11)과 기판(16)간에 제1전자비임인출전극(11)에 근접배치된 제1가속전극(15)에 의한 전계에서 가속되어 운동에너지가 부여된다. 도가니(3)의 노즐(4)상방에서 환상의 제1전자비임인출전극(11)에는 일단이 가스통(18)에 접속된 파이프(20)의 타단에서 산소, 질소, 탄화수소 등을 포함하는 반응성 가스가 도입된다.
이 반응성가스는 상술한 바와같이 이온화수단(13)에 의하여 생선된 클러스터이온(14)과 함께 제1가속전극(15)에 의하여 가속되어서 기판(16)에 도달하고 화학반응에 의하여 기판(16)의 표면에 증착박막(17)을 형성한다. 반응성가스는 가스통(18)에서진공조(1)내로 도입될때 유량조절밸브(19)에 의하여 그 유량이 조정된다. 그리고 가스통(18), 유량조절밸브(19) 및 파이프(20)에 의하여 반응성가스도입계(21)가 구성된다.
가열용필라멘트(6)는 제1교류전원(22)에 의하여 가열되고 제1전자비임방출수단(10)은 제2교류전원(23)에 의하여 가열된다. 또 도가니(3)의 전위는 제1직류전원(24)에 의하여 정으로 바이어스되고 제1전자비임 방출수단(10)은 제2직류전원(25)에 의하여 부의 전위에 바이어스되며 또한 제1전자비임인출전극(11) 및 도가니(3)는 제3직류전원(26)에 의하여 어스전위에 있는 가속전극(15)에 대하여 정의전위에 바이어스되어 있다.
그리고 제1교류전원(22), 제2교류전원(23), 제1직류전원(24), 제2직류전원(25) 및 제3직류전원(26)에 의하여 제1전원장치(27)가 구성된다.
종래의 화합물 박막형성장치는 상술한 바와같이 구성되며 진고조(1)를 1×10-6mmHg정도의 진공도가 될 때까지 진공배기계(2)에 의하여 배기한다.
가열용필라멘트(6)에서 방출된 전자를 제1직류전원(24)에서 인가되는 전계에 의하여 가속되고 이 가속된 전자를 도가니(3)에 충돌시켜 도가니(3)내의 증기압이 수 mmHg가 되는 온도까지 가열한다. 이 가열에 의하여 도가니(3)내의 증착물질(5)은 증발하고 노즐(4)에서 진공조(1)내로 분사된다.
이 증착물질(5)의 증기는 노즐(4)을 통과할때 도가니(3)와 진공조(1)의 압력차에 의한 단열팽창에 의하여 과냉각 상태가 되며 100개 내지 1000개 정도의 원자가 결합하여 클러스터(7)로 일컫는 괴상원자집단이 된다. 이 클러스터(7)는 제1전자비임방출수단(10)에서 방출된 전자비임에 의하여 일부가 이온화되므로서 클러스터이온(14)이 된다. 이 클러스터이온(14)은 이온화되어있지 않는 중성의 클러스터(7)과 함께 제3직류전원(26)에 의하여 제1가속전극(15)과 제1전자비임인출전국(11)간에 형성되는 전계에 의하여 가속제어되어 기판(16)표면에 충돌한다.
한편 기판(16)부근에는 반응성가스도입계(21)에서 도입된 반응성가스가 존재한다. 기판(16)부근에서 증착물질(5)의 클러스터(7) 및 클러스터이온(14)와 반응성가스의 반응이 진행하여 화합물박막이 기판(16)면에 증착하여 증착박막(17)이 형성된다. 그리고 각 직류전원이 기능은 다음과 같다.
제1직류전원(24)은 가열용필라멘트(6)에 대하여 도가니(3)의 전위를 바이어스하고 가열용필라멘트(6)에서 방출된 열전자를 도가니(3)에 충돌시킨다.
제2직류전원(25)은 제1전자비임인출전국(11)에 대하여 제2교류전원(23)으로 가열된 제1전자비임방출수단(10)을 부의전위로 바이어스하고 제1전자비임방출수단(10)에서 방출된 열전자를 제1전자비임인출전극(11)내부에 인출한다.
제3직류전원(26)은 어스전위에 있는 제1가속전극(15)에 대하여 제1전자비임인출전극(11) 및 도가니(3)를 정의전위에 바이어스한다.
상술한 바와같은 화합물 박막형성장치에서는 진공조(1)내의 반응성가스는 분자상태이며 활성도가 낮고 이 반응성가스의 일부가 이온화수단(13)에 의하여 여기(勵起), 해리(解離) 또는 활성화 되었다하여도 그 수명이 짧은것은 기판(16)부근에서 활성도가 낮은 상태로 되돌아가기 때문에 기판(16)표면부근의 반응성가스는 전체로서 반응도가 낮으며 반응성가스의 대부분은 클러스터이온(14)과 화학반응이 생기는 일이없이 배기되고 박막형성에 관계하는 반응성가스는 대단히 적다는 문제점이 있었다.
이 발명은 이와같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 기판의 표면에 능률적으로 인정된 양질의 화합물박막을 증착할 수가 있는 화합물 박막장치를 얻는 것을 목적으로한다.
이 발명에 관한 화합물 박막형성장치는 진공조내에 증착물 질의 증기 발생원과는 독립하여 반응성가스를 기판에 향하여 조사하는 내부조를 설치하고, 이 내부조내에 전자비임인출전극 및 전자비임방출수단을 배치하여 반응성가스를 활성화 시키는 동시에 기판근방의 반응성가스를 더욱 활성화시키기 위하여 액시마레이저광을 이 반응성가스에 조사하는 수단을 설치한 것이다.
이 발명에서는 액시마레이저광을 기판근방의 반응성가스에 조사하므로서 반응성가스를 여기, 해리 혹은 이온화시킨 상태로 바로 증착물질의 클러스터 및 증기와 높은 효율로서 화학반응시킬수 있으며, 이결과 고증착속도로 효율적이고 안정된 양질의 증착박막을 형성할 수 있다.
다음이 이 발명의 실시예를 도면에 의하여 설명한다.
제1도는 이 발명의 한 실시예를 모식적으로 표시하는 개략 구성도이며 (1)-(20)은 상술한 종래의 화합물 박막형성장치의 것과 동일하며 마찬가지로 동작한다.
도면에서 증기발생원(9) 및 이온화수단(13)은 기판(16)에 대하여 하방으로 경사지게 배치되고 전원장치(27)의 도시는 생략되고 있다. 진공조(1)내에는 상술한 종래장치와 같은 증기발생원(9)과 이 증기발생원(9)에서 독립하여 별개로 형성된 반응성 가스공급수단이 설치되어 있다.
이하 반응성 가스공급수단의 구성에 관하여 설명한다.
먼저 진공조(1)에는 내부조(28)가 설치되고 있으며 이 내부조(28)내의 하부에는 파이프(20)의 선단에 접속된 반응성가스의 가스분사노즐(29)이 배치되어 있다. 이 가스분사노즐(29)의 상부에는 그곳에서부터 분사되는 반응성가스의 분사통로를 포위하듯이 전자비임을 방출하는 제2전자비임방출수단 예를들면 필라멘트(3)가 설치되어 있다. 이 제2전자비임방출수단(30)과 가스분사놀즐(29)간에는 제2전자비임방출수단(30)에서 방출된 전자비임을 인출하는 그리드(grid)형의 제2전자비임인출전극(31)이 설치되어 있다. 전계차폐판(32)은 이들 제2전자비임방출수단(30) 및 제2전자비임인출전극(31)을 둘러싸며 가스분사노즐(29)에서 분사된 반응성가스의 통로가 되는 부분에 설치되어 있다.
내부조(28)의 상부에 설치된 개구부(28a)에는 전계차폐판(32)내에서 형성된 반응성가스이온을 가속하는 제2가속전극(33)이 설치되어 있다.
제2전자비임방출수단(30), 제2전자비임인출전극(31), 제2가속전극(33) 및 내부조(28)에 의하여 가스이온원(34)이 구성된다. 가스이온원(34)의 전원은 다음과 같이 설치되어 있다.
즉 제3교류전원(35)는 제2전자비임방출수단(30)을 가열하고 제4직류전원(36)은 제2전자비임인출전극(31)을 제2전자비임방출수단(30)에 대하여 정의전위에 바이어스한다. 제5직류전원(37)은 제2가속전극(33)을 제2전자비임방출수단(30) 및 제2비임인출전극(31)에 대하여 부의전위에 바이어스한다.
이들 제3교류전원(35), 제4직류전원(36) 및 제5직류전원(37)에 의하여 제2전원장치(30)가 구성된다.
진공조(1)의 외부에는 액시마레이저광을 발생시키기 위한 액시마레이저장치(39)가 설치되어 있다. 이 액시마레이저장치(39)에서 조사되는 액시마레이저광(40)은 집광렌즈(41)에 의하여 수렴된후 진공조(1)의 벽면에 설치된 창(42)을 투과하여 기판(16)근방에 조사된다.
상술한 바와같이 구성된 화합물 박막형성장치에 있어서 진공배기계(2)에 의하여 고진공으로 유진된 진공조(1)내에는 가스통(18)과 진공조(1)간에 설치되어 있는 유량조정밸브(19)를 조정하므로서 반응성가스를 가스분사노즐(29)에서 도입하여 진공조(1)내의 가스압을 10-5~10-3mmHg정도가 되도록 조정한다. 이때 내부조(28)는 그 상부의 개구부(28a)를 통하여 진공조(1)의 내부와 연통하고 있으므로 내부조(28)내의 가스압은 진공조(1)보다도 높게 유지된다.
한편 제3교류전원(34)에 의하여 200℃정도에 가열된 제2전자비임방출수단(30)에서 가스분사노즐(29)의 하류에 설치되어 있는 제2전자비임인출전극(31)에 전자비임이 방출되도록 제4직류전원(36)에 의하여 제2전자비임방출수단(30)과 제2전자비임인출전극(31)간에 바이어스전압을 인가하고 1A-5A정도의 전자를 방출시킨다.
동시에 집광렌즈(41) 및 창(42)을 통하여 액사마레이저장치(40)을 기판(16)근방에 조사시키므로서 기판(16)의 표면가까이의 반응성가스를 여기, 해리 및 일부 이온화하여 대단히 활성화된 상태가 되게한다. 그리고 액시마레이저광(40)에 의한 여기 등은 반응성가스 및 클러스터(7)공히 가능하지만 클러스터(7)의 여기등에는 큰 에너지를 필요로하므로 반응성가스의 여기등이 주로 일어난다.
이어서 도가니(3)내의 증기압이 수 mmHg가 되는 온도까지 가열용필라멘트(6)로 도가니를 가열하면은 증착물진(5)은 증발하여 노즐(4)에서 분사된다. 이 분사하는 증착물질(5)의 증기 혹은 클러스터(7)는 제1전자비임방출수단(10)에서 방출된 전자에 의하여 일부 이온화되어서 클러스터이온(14)이 되고 제1가속전극(15)으로 형성되는 전계에 의하여 가속을 받으므로 이온화되어있지 않은 증착물질(5)의 증기 혹은 클러스터(7)과 함께 기판(16)에 충돌된다.
한편 기판(16) 및 그 근방에는 액시마레이저광(40) 및 가스이온원(34)에 의하여 여기, 해리 그리고 일부 이온화된 반응성가스가 존재하고 증착물질(5)의 증기 혹은 클러스터(7)과 충돌하여 반응이 진행되고 화합물의 증착박막(17)이 기판(16)에 형성된다.
또 제1가속전극(15) 및 제1전자비임인출수단(11)간 또한 제2가속전극(33) 및 제2전자비임인출전극(31)간에 제3직류전원(26) 및 제5직류전원(37)에 의하여 각각 0-수 kv정도의 전압을 인가하면은 상술한 클러스터이온(14) 및 이온화된 반응성가스가 가속되어서 기판(16)에 도달한다.
따라서 이때의 가속전압을 제1가속전극(15)과 제2가속전극(33)으로서 각각 독립적으로 변화시키므로 기판(16)에 분사되는 반응성가스이온과 더불어 증착물질(5)의 증기 혹은 클러스터(7)의 운동에너지를 독립적으로 제어할 수 있다.
이에 따라 기판(16)상에 형성되는 화합물박막의 결정성(단결정, 다결정, 비결정 등)이나 부착력 등의 막질(膜質)을 제어할 수가 있다.
이 발명은 이상 설명한 바와같이 진공조내에 설치되어 증착물질의 증기를 기판을 향하여 분출시키기 위한 증기발생원과, 이 증기발생원과는 별도로 진공조내에 설치되고 반응성가스를 기판에 향하여 분사하기 위한 내부조를 설치하고 이 내부조의 내부에 전자비임인출전극 및 전자비임방출수단 등을 배치하여 반응성가스를 활성화시키며 더우기 기판근방의 반응성가스를 보다 활성회시키는 액시마레이저광을 조사하기 위한 액시마레이저광 주사수단을 구비하였으므로 가속전극에 인가하는 전위를 증기발생원과 내부조로서 각각 독립적으로 제어하여 기판상에 형성되는 증착박막으 결정성이나 부착력 등의 막질을 제어할 수가 있는 동시에 기판표면 가까이의 반응성가스를 액시마레이저광에 의하여 활성화하므로서 반응성가스와 증착물빌의 증기 혹은 클러스터의 화학반응을 극히 활성도 높은 상태로 진행시킬 수 있어 효율적이고도 안정된 양질의 증착박막을 고증착속도로 형성할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 소정의 진공도로 보지된 진공조와, 이 진공조내에 배치된 기판과, 이 기판에 향하여 증착물질의 증기를 분출하며 상기 증착물질의 클러스터를 발생시키기 위한 증기발생원과, 이 증기발생원과 상기 기판간에 배치되고 상기 클러스터의 적어도 일부를 이온화하기 위한 이온화수단과, 이 이온화수단과 상기 기판간에 배치되어 상기 이온화수단에 의하여 이온화된 클러스터, 이온화되어 있지 않은 증착물질의 클러스터 및 증기를 상기 기판을 향하여 충돌시키기 위한 가속전극과, 상기 진공조내에 설치된 내부조와 이 내부조의 내측에 설치되어 반응성가스를 분사하기 위한 가스분사노즐과, 이 가스분사노즐의 반응성가스 분사방향에 설치되어 전자비임을 인출하기 위한 전자비임인출전극과, 이 전자비임인출전극의 반응성가스 분사방향에 설치되어 전자비임을 방출하기 위한 전자비임방출수단과, 상기 내부조내에서 상기 전자비임인출전극 및 상기 전자비임방출수단의 외측에 설치되어 이들 저자비임인출전극 및 전자비임방출수단을 전위적으로 차폐하기 위한 전개차폐판과, 이 전계차폐판과 상기 기판간에 설치되어 상기 전자비임인출전극 그리고 상기 전자비임방출수단을 정(正)의 전위에 바이어스하며 상기 반응성가스를 가속하기 위한 가속전극과, 상기 기판근방을 향하여 액시마레이저(exima laser)광을 조사하기 위한 액시마레이저광 조수사단을 구비한 것을 특징으로 하는 화합물 박막형성장치.
  2. 제1항에 있어서, 액시마레이저광 조사수단은 진공조의 외부에 설치되어 액시마레이저광을 발생시키기위한 액시마레이장치와, 이 액시마레이저장치에서 조사된 액시마레이저광을 수렴하기 위한 집광렌즈와, 상기 진공조의 벽면에 설치되어 상기 집광렌즈에 의하여 수렴된 액시마레이저광을 투과시키기 위한 창으로 구성된 것을 특징으로 하는 화합물 박막형성장치.
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