KR930010338B1 - 얇은막 형성장치 - Google Patents

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KR930010338B1
KR930010338B1 KR1019910010082A KR910010082A KR930010338B1 KR 930010338 B1 KR930010338 B1 KR 930010338B1 KR 1019910010082 A KR1019910010082 A KR 1019910010082A KR 910010082 A KR910010082 A KR 910010082A KR 930010338 B1 KR930010338 B1 KR 930010338B1
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히로모또 이또
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미쓰비시 뎅끼 가부시끼가이샤
시기 모리야
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    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/221—Ion beam deposition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

내용 없음.

Description

얇은막 형성장치
제1도는 제1의 발명의 한 실시예의 한 얇은막 형성장치를 표시하는 측면단면도.
제2도는 제2의 발명의 한 실시예의 한 얇은막 형성장치를 표시하는 측면단면도.
제3도는 종래의 얇은막 형성장치를 표시하는 측면단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 진공조 3 : 도가니
6 : 가열용 필라메트 7 : 열차페판
9 : 증기발생원 13 : 이온화수단
15a : 가속전극 15b : 어스전극
16 : 기판
30 : 인출전극(도면중 동일부호는 동일 또는 상당부분을 표시한다.)
이 발명은 얇은막 형성장치, 특히 클라스타이온빔증착법(ICB법)에 의하여 고품위의 얇은막을 증착형성하는 얇은막 형성장치에 관한 것이다.
제3도는 예를들면 특공소 54-9592호 공보에 표시된 종래의 얇은막 형성장치의 구성을 표시하는 개략도이고, 얇은막 형성장치는 소정의 진공도를 유지하는 진공조(1)를 가지고 있고 진공조(1)에는 진공상태를 배기하는 진공배기계(2)가 접속되어 있다.
그리고 진공조(1)내에는 증착물질의 증기를 분출하여 증착물질의 크라스터를 발생시키는 도가니(3)가 설치되어 있고 도가니(3)의 상부에는 노즐(4)이 설치되어 있다.
또한 도가니(3)내에는 증착물질(5)이 충진되어 있고, 도가니(3)에는 가열용의 필라멘트(6)가 부설되어 있다.
또 필라멘트(6)의 외측에는 가열용 필라멘트(6)로 부터의 열을 차단하는 열차페판(7)이 배치되어 있고 도가니(3), 가열용 필라멘트(6) 및 열차페판(7)에 의하여 증기발생원(9)이 구성되어 있다.
또한 (8)로 표시하는 것은 도가니(3)의 상방에 설치된 노즐(4)로부터 증착물질을 분출시켜서 형성한 크라스터(괴상원자집단)이다.
그리고 도가니(3)의 상방에는 전자빔을 방출하는 이온화 필라멘트(10)가 배치되어 있고, 이온화 필라멘트(10)의 내측에는 이온화 필라멘트(10)로부터 전자를 인출하여 가속하는 전자빔 인출전극(11)이 배치되어 있다.
또한 이온화 필라멘트(10)의 외측에는 이온화 필라멘트(10)의 열을 차단하는 열차단판(12)이 배치되어 있고, 이온화 필라멘트(10), 전자빔 인출전극(11) 및 열차단판(12)에 의하여 이온화수단(13)이 구성되어 있다.
또 이온화수단(13)의 상방에는 이온화수단(13)에 의하여 이온화된 이온화 크라스터(14)를 전계에서 가속하여 운동에너지를 부여하는 가속수단을 구성하는 가속전극(15a)과 어스전극(15b)이 배치되어 있고, 가속전극(15a)과 어스전극(15b)의 상방에는 표면에 얇은막이 형성되는 기판(16)이 배치되어 있다.
그리고 상기 가열용 필라멘트(6)에는 제1교류전원(17)이 접속되어 있고, 또한 도가니(3)의 전위를 가열용 필라멘트(6)에 대하여 양(正)의 전원으로 바이어스 하는 제1직류전원(18)이 접속되어 있다.
그리고 상기 이온화 필라멘트(10)에는 제2교류전원(19)이 접속되어 있고, 또한 전자빔 인출전극(11)에 대하여 음(負)의 전원으로 바이어스하는 제2직류전원(20)이 접속되어 있다. 또 도가니(3), 전자빔 인출전극(11) 및 가속전극(15a)에는 어스전극(15b)에 대하여 양의 전원으로 바이어스하는 제3직류전원(21)이 접속되어 있고, 제1교류전원(17), 제1직류전원(18), 제2교류전원(19) 및 제2직류전원(20)은 전원장치(22)에 수납되어 있다.
다음에 동작에 관하여 설명한다.
먼저, 진공조(1)를 진공배기계(2)에 의하여 10-6Torr정도의 진공도로 될때까지 배기한다.
그리고 가열용 필라멘트(6)로부터 방출되는 전자를 제1직류전원(18)에서 인가되는 전계에 의하여 인출하고 이 인출된 전자를 도가니(3)에 충돌시켜 도가니(3)내의 증기압이 수 Torr로 될때까지 가열한다.
이 가열에 의하여 도가니(3)내의 증착물질(5)은 증발하고 노즐(4)로부터 진공조(1)중에 분사된다.
이 증착물질(5)의 증기는 노즐(4)을 통과할 즈음 단열팽창에 의하여 가속냉각되어 응축하고 크라스터(8)라고 불려지는 괴상 원자집단이 형성된다.
그리고 제2직류전원(20)은 전자빔 인출전극(11)에 대하여 제2교류전원(19)으로 가열된 이온화 필라멘트(10)를 음의 전원으로 바이어스하고 이온화 필라멘트(10)로부터 방출된 열전자를 전자빔 인출전극(11)내부로 인출한다.
그리고 크라스터(8)는 이온화 필라멘트(10)로부터 방출되는 전자빔에 의하여 일부가 이온화되는 것에 의하여 이온화 크라스터(14)로 된다.
다시금 제3직류전원(21)은 어스전위에 있는 어스전극(15b)에 대하여 도가니(3), 전자빔 인출전극(11) 및 가속전극(15a)을 양의 전원으로 바이어스하고 가속전극(15a)과 어스전극(15b)과의 사이에 형성되는 전계렌즈에 의하여 이온화 크라스터(14)는 이온화되어 있지 않은 중성의 크라스터(8)와 공히 가속제어되고 기판(16)표면에 충돌하여 얇은막이 형성된다.
종래의 얇은막 형성장치는 이상과 같이 구성되어 있으므로 이온화 크라스터(14)를 개재시켜서 그 운동에너지를 제어하는 것에 의하여 형성되는 얇은막의 성질을 콘트롤하고 있기 때문에 균질의 얇은막을 형성하기 위해서는 기판(16)표면에 충돌하는 이온화 크라스터(14)를 구성하는 원자의 운동에너지의 난조를 적게할 필요가 있는 것과 아울러 제3직류전원(21)에 의하여 인가되는 가속전압을 변화시켜서 기판(16)상에 충돌하는 이온화 크라스터(14)의 양을 일정하게 할 필요가 있다.
그런데 크라스터의 사이즈에 불균형이 있으면 기판(16)표면에 충돌하는 원자의 운동에너지도 불균형을 갖는다.
예를들면 제3직류전원(21)에 6000V의 전압을 인가하여 이온화 크라스터(14)를 가속하면 2개의 원자에 의하여 형성된 이온화 크라스터(14)의 원자는 300V의 에너지를 갖고 기판(16)에 충돌하고, 3개, 4개 및 5개의 원자에 의하여 형성된 이온화 크라스터(14)의 원자는 각각 200V, 150V 및 120V의 에너지를 갖고 기판(16)에 충돌한다.
또한 원자가 이온화된 경우에는 600V의 운동에너지로 가속된다. 이와같이 기판(16)에 입사하는 크라스터를 구성하는 원자의 운동에너지가 틀리면 균질의 얇은막이 형성될 수 없다는 과제가 있었다.
또 작은 이온화 크라스터 및 원자가 이온화되어 기판(16)에 충돌하면 충돌시의 운동에너지가 크기 때문에 기판이 손상을 받는다는 과제가 있었다.
한편 가속전압이 변화하면 인출되는 이온화 크라스터의 양도변화하고 그 이온양은 Child-Langmuir의 법칙에 의하여 가속전압의 1.5곱에 비례한다.
따라서 가속전압에 의하여 얇은막의 성질을 콘트롤하고자 특히 가속전압을 작게 하면 기판에 도달하는 이온화 크라스터양이 대단히 작게 되고 이온화 크라스터의 특성을 살린 고품질의 얇은막이 형성될 수 없다는 과제가 있었다.
또 가속전압이 0에 가까이 가면 이온화 필라멘트(10)로부터 틔어 나오는 전자가 기판(16)에 입사하게 되고 이것에 의하여 기판이 손상된다는 과제가 있었다.
이 발명은 상기와 같은 과제를 해소하기 위하여 이루어진 것이며 구성원자 1개당의 운동에너지가 큰 작은 사이즈의 이온화 크라스터를 제거하는 것과 아울러 기판에 충돌하는 이온화 크라스터를 구성하는 원자의 운동에너지의 불균형을 작게 하고 그 운동에너지를 콘트롤하여 기판에의 손상이 없도록 하며 또한 가속전압을 변화하여도 일정한 이온화 크라스터를 기판에 조사하는 것이 가능하도록 하여 고품질 또는 균질의 얇은막을 형성할 수 있는 얇은막 형성장치를 얻는 것을 목적으로 하고 있다.
이 발명에 관한 얇은막 형성장치는 소정의 진공도로 유지된 진공조와 이 진공조내에 배치된 기판과, 이 기판에 대향하여 설치되고 또한 이 기판을 향하여 증착물질의 증기를 분출하여 증착물질의 크라스터를 발생시키는 도가니, 이 도가니를 가열하는 가열용 필라멘트 및 가열용 필라멘트로부터의 열을 차단하는 열차단판으로 구성되는 증기발생원과 이 증기발생원과 상기 크라스터의 일부를 이온화하는 이온화수단과, 이 이온화수단에 의하여 이온화된 크라스터 및 이온화되어 있지 않은 증착물질의 크라스터 또는 증기를 상기 기판에 향하여 운동에너지를 부여하여 충돌시키기 위한 가속수단과 이온화수단으로 이온화된 크라스터중 작은 사이즈의 크라스터만을 제거하는 필터를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
또 상기 가속수단을 양에 바이어스된 가속전극과 이 가속전극에 대하여 음의 전원으로 바이어스된 인출전극과 접지된 어스전극과에 의하여 구성하여도 좋다.
이 발명에 있어서의 얇은막 형성장치는 진공조를 소정의 진공도로 유지하고 이 진공조내에 기판을 배치하고 이 기판에 대향하여 설치된 가열용 필라멘트에 의하여 가열된 도가니로부터 기판으로 향하여 증착물질의 증기를 분출하여 증착물질의 크라스터를 발생하고 가열용 필라멘트로부터의 열을 열차단판에 의하여 차단하고 이온화수단에 의하여 크라스터의 일부를 이온화하고 이 이온화수단에 의하여 이온화된 크라스터 및 이온화되어 있지 않은 증착물질의 크라스터 또는 증기를 가속수단과 기판으로 향하여 운동에너지를 부여하여 충돌시켜 이때 이온화수단으로 이온화된 크라스터중 작은 사이즈의 크라스터를 필터에 의하여 제거한다.
[실시예]
아래 이 발명의 한 실시예를 도면에 의거하여 설명한다.
제1도 및 제2도에서 보인 각 실시예에 따른 얇은막 형성장치는 소정의 진공도로 유지하는 진공조(1)를 가지고 있고, 진공조(1)에는 진공조(1)를 진공상태로 배기하는 진공배기계(2)가 접속되어 있다.
그리고 진공조(1)내에는 증착물질의 증기를 분출하여 증착물질의 크라스터를 발생시키는 도가니(3)가 배치되어 있고, 도가니(3)의 상부에는 노즐(4)이 설치되어 있다.
다시금 도가니(3)내에는 증착물질(5)이 충진되어 있고, 도가니(3)에는 가열용 필라멘트(6)가 부설되어 있다. 또 필라멘트(6)의 외측에는 가열용 필라멘트(6)로부터의 열을 차단하는 열차단판(7)이 배치되어 있고 도가니(3) 가열용 필라멘트(6) 및 열차단판(7)에 의하여 증기발생원(9)이 구성되어 있다.
또한 (8)에서 표시하는 것은 도가니(3)의 상방에 설치된 노즐(4)로부터 증착물질을 분출시켜서 형성한 크라스터[괴상원자집단]이다.
그리고 도가니(3)의 상방에는 전자빔을 방출하는 이온화 필라멘트(10)가 배치되어 있고, 이온화 필라멘트(10)의 내측에는 이온화 필라멘트(10)로부터 전자를 인출하여 가속하는 전자빔 인출전극(11)이 배치되어 있다.
다시금 이온화 필라멘트(10)의 외측에는 이온화 필라멘트(10)의 열을 차단하는 열차단판(12)이 배치되어 있고, 이온화 필라멘트(10), 전자빔 인출전극(11) 및 열차단판(12)에 의하여 이온화수단(13)이 구성되어 있다.
또 이온화수단(13)의 상방에는 작은 사이즈의 크라스터를 떼어내는 대항전극(31)으로 이루어지는 필터(30)가 배설되어 있고 대항전극(31)에는 고주파전압을 인가하는 고주파전원(23)이 접속되어 있다.
다시금 필터(30)의 상방에는 이온화수단(13)에 의하여 이온화된 이온화 크라스터(14)를 전계에서 가속하여 운동에너지를 부여하는 가속수단을 구성하는 가속전극(15a)과 어스전극(15b)이 배치되어 있고 가속전극(15a)과 어스전극(15b)의 상방에는 표면에 얇은막이 형성되는 기판(16)이 배치되어 있다.
그리고 상기 가열용 필라멘트(6)에는 제1교류전원(17)이 접속되어 있고, 또한 도가니(3)의 전위를 가열용 필라멘트(6)에 대하여 양의 전원으로 바이어스 하는 제1직류전원(18)이 접속되어 있다.
다시금 상기 이온화 필라멘트(10)에는 제2교류전류(19)이 접속되어 있고 또한 전자빔 인출전극(11)에 대하여 음의 전원으로 바이어스하는 제2직류전원(20)이 접속되어 있다. 또 도가니(3) 전자빔 인출전극(11) 및 가속전극(15a)에는 어스전극(15b)에 대하여 양에 바이어스하는 제3직류전원(21)이 접속되어 있고 제1교류전원(17), 제1직류전원(18), 제2교류전원(19), 제2직류전원(20) 및 고주파전원(23)은 전원장치(22)에 수납되어 있다.
이어서 본 실시예의 작용에 관하여 설명한다.
진공조(1)를 진공배기계(2)에 의하여 10-6Torr정도의 진공도로 될때까지 배기한다. 그리고 가열용 필라멘트(6)로부터 방출되는 전자를 제1직류전원(18)에서 인가되는 전계에 의하여 인출하고 이 인출된 전자를 도가니(3)에 충돌시켜 도가니(3)내의 증기압이 수 Torr로 될때까지 가열한다.
이 가열에 의하여 도가니(3)내의 증착물질(5)은 증발하고 노즐(4)로부터 진공조(1)안으로 분사된다.
이 증착물질(5)의 증기는 노즐(4)을 통과할 즈음 단열 팽창에 의하여 가속냉각되어 응축하고 크라스터(8)라고 불려지는 괴상원자집단이 형성된다.
그리고 제2직류전원(20)은 전자빔 인출전극(11)에 대하여 제2교류전원(19)으로 가열된 이온화 필라멘트(10)를 음의 전원으로 바이어스하고 이온화 필라멘트(10)로부터 방출된 열전자를 전자빔 인출전극(11)내부로 인출한다.
그리고 크라스터(8)는 이온화 필라멘트(10)로부터 방출되는 전자빔에 의하여 일부가 이온화되는 것에 의하여 이온화 크라스터(14)로 된다.
다시금 이온화수단(13)의 상부에 설치되어 있는 대항전극(31)에 고주파전압이 인가되면 이온화 크라스터(14)는 대항전극(31)에 의하여 편향을 받는다.
이 편향량은 크라스터를 구성하는 원자의 개수가 작을수록 크게 편향되기 때문에 고주파전원(23)에 의하여 인가되는 고주파전압을 크게 하여 가면 1개의 원자 이온 및 작은 이온화 크라스터(14)는 대항전극(31)에 충돌하여 떼내어지게 된다.
이와같은 작은 사이즈의 이온화된 크라스터의 제거방법은 고주파전원(23)에 의해 대항전극(31)에 고주파전압을 인가하면 여기를 통과하는 이온화된 크라스터는 전극의 방향 즉 크라스터의 본출방향에 수직한 방향으로 진동하면서 나아간다.
이때의 진동진폭은 크라스터의 사이즈에 반비례하므로 사이즈가 작은 크라스터는 진폭이 크고 사이즈가 큰 크라스터는 진폭이 작다.
따라서 상기 대항전극(31)에 적정한계치의 전압을 인가하면 진폭이 큰 작은 사이즈의 크라스터는 대항전극(31)에 충돌하여 소멸되어 제거되고 비교적 사이즈가 커서 진폭이 작은 크라스터만이 대항전극(31) 사이를 통과하게 된다.
따라서 고주파전압의 한계치(threshold)를 조절하는 것으로 소정사이즈 이하의 이온화 크라스터(14)를 대항전극(31)에 충돌시켜서 떼어내는 것이 가능하다.
예를들면 원자 10개 이하로 구성되는 이온화 크라스터(14)를 떼어낸 상태에서 가속전압 600V를 인가하여 막형성을 행하면 기판(16)에 입사하는 이온화 크라스터(14)를 구성하는 원자의 운동에너지는 60V 이하로 되고 한편 인가하는 전압의 한계치를 크게 하여 원자 60개 이하로 구성되는 이온화 크라스터(14)를 떼어낸 상태로 막형성을 행하면 원자의 운동에너지는 10V 이하로 된다.
그리고 제3직류전원(21)은 어스전위에 있는 어스전극(15b)에 대하여 도가니(3) 전자빔 인출전극(11) 및 가속전극(15a)을 양에 바이어스하고 가속전극(15a)과 어스전극(15b)과의 사이에 형성되는 전계렌즈에 의하여 이온화 크라스터(14)는 이온화 되어 있지 않은 중성의 크라스터(8)와 공히 가속제어되고 기판(16)표면에 충돌하여 얇은막이 형성된다.
또한 대항전극(31)에 인가하는 고주파전압은 이온화 크라스터(14)를 편향시킬 수 있으면 어떠한 형태라도 좋고 예를들면 펄스상태로 있어도 좋고 정상적인 전압을 인가하여도 좋다.
또 상술한 실시예에 있어서는 가속수단을 가속전극(15a)과 어스전극(15b)에 의하여 구성하였으나 이것에 한하지 않고 제2도에 표시하는 바와같이 상기 가속수단을 양의 전원으로 바이어스된 가속전극(15a)과 이 가속전극(15a)에 대하여 음의 전원으로 바이어스된 전자빔 인출전극(11)과 접지된 어스전극(15b)에 의하여 구성하여도 좋다.
또한 (24)는 인출전극(30a)을 가속전극(15a)에 대하여 음의 전원으로 바이어스하는 제4직류전원이다.
이와같이 하였을 경우 이온화수단(13)상부에 설치된 가속전극(15a)과 인출전극(30a)과의 사이에 제4직류전원(24)에 의하여 전압을 인가하면 이온화 크라스터(14)는 이 전압에 의하여 가속되고 기판(16)에 향하여 인출된다. 이때 인출전극(30a)은 어스전극(15b)에 대하여 음에 바이어스되어 있으므로 인출된 이온화 크라스터(14)는 이 사이에서 감속되고 결국 제3직류전원(21)에서 인가되는 가속전극(15a)과 어스전극(15b)과의 사이의 전위차(가속전압)와 똑같은 운동에너지로 기판에 입사하게 된다.
따라서 가속전극(15a)과 어스전극(15b)과의 사이의 전압을 일정하게 하면 가속전압을 변화시켜도 인출되는 이온화 크라스터의 양의 소정 필요레벨 이상이 확보될 수 있으므로 작은 가속전압의 경우에서도 이온화 크라스터의 특성을 살린 얇은막의 형성이 가능하게 된다.
예를 들면 가속전압을 500V로 하고자 할때에는 인출전극을 -2500V로 하면 좋고, 또 가속전압을 50V로 하고자 할때에는 인출전극을 -2950V로 하면 좋다. 또한 어스전극 0V이다.
그리고 인출전극(30a)은 접지되어 있는 기판(16)에 대하여 항상 음에 바이어스 되어 있으므로 이온화 필라멘트(10)로부터 틔어나오는 전자가 기판(16)에 입사하는 것을 억제하는 효과도 있다.
이상 설명한 바와같이 이 발명에 의하면 작은 사이즈의 이온화 크라스터를 필터에 제거되도록 구성하였으므로 기판에 충돌하는 크라스터를 구성하는 원자의 운동에너지의 불균형을 작게 하면 고품위의 얇은막을 형성할 수 있고, 또 크라스터를 형성하는 원자의 운동에너지를 변화시키는 것에 의하여 얇은막의 특성을 억제하는 것이 가능하다.
다시금 가속수단을 양에 바이어스된 가속전극과 이 가속전극에 대하여 음에 바이어스된 인출전극과 접지된 어스전극과에 의하여 구성하였으므로 작은 가속전압으로도 필요한 레벨의 이온화 크라스터를 조사하여 얇은막을 형성할 수 있고 전자가 기판에 입사하는 것을 억제하여 기판에 손상을 주는 것을 방지할 수 있다.

Claims (2)

  1. 소정의 진공도로 유지된 진공조(1)와, 이 진공조내에 배치된 기판(6)과, 이 기판에 대향하여 설치되고 또한 이 기판에 향하여 증착물질의 증기를 분출하여 증착물질의 크라스터를 발생시키는 도가니(3)와, 이 도가니를 가열하는 가열용 필라멘트(6) 및 가열용 필라멘트로부터의 열을 차단하는 열차단판(7)으로 구성되는 증기발생원(9)과 이 증기발생원(9)과 상기 크라스터의 일부를 이온화하는 이온화수단(13)과 이 이온화수단에 의하여 이온화된 크라스터 및 이온화되어 있지 않은 증착물질의 크라스터 또는 증기를 상기 기판에 향하여 운동에너지를 부여하여 충돌시키기 위한 가속수단을 구비한 얇은막 형성장치에 있어서, 상기 이온화수단(13)으로 이온화된 크라스터중 작은 사이즈의 크라스터만을 제거하는 필터(30)를 구비한 것을 특징으로 하는 얇은막 형성장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가속수단은 양의 전원으로 바이어스된 가속전극(15a)과, 이 가속전극(15a)에 대하여 음의 전원으로 바이어스된 인출전극(11)과, 접지된 어스전극(15b)과에 의하여 구성된 것을 특징으로 하는 얇은막 형성장치.
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