WO2018038495A1 - 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치 - Google Patents

나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치 Download PDF

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WO2018038495A1
WO2018038495A1 PCT/KR2017/009120 KR2017009120W WO2018038495A1 WO 2018038495 A1 WO2018038495 A1 WO 2018038495A1 KR 2017009120 W KR2017009120 W KR 2017009120W WO 2018038495 A1 WO2018038495 A1 WO 2018038495A1
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WO
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nozzle
process chamber
sputtering apparatus
cluster source
source
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PCT/KR2017/009120
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English (en)
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Inventor
윤성호
최병운
Original Assignee
(주)광림정공
윤성호
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Publication date
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • 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
    • C23C14/34—Sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks

Definitions

  • the present invention relates to a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film, and more particularly, to a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film which can be formed on a substrate by controlling a nanoporous structure having a desired size and desired porosity.
  • porous materials applied to gas sensors, dye-sensitized solar cells, water purifiers, lithium secondary batteries, semiconductor solar cells, actuators, and energy harvesters which are widely used in various fields of the industry, have pores. Substance. Such porous materials can be used in applications such as gas diffusion layers (GDLs) or seawater desalination filters, or applications in which gas must move between pores, filters of oil-water separators, or ultra-hydro / hydrophilic materials. It is a material that has received much attention in recent years because it needs to be applied to applications such as super-hydrophobic / hydrophilic surface to selectively enter and exit the liquid desired by the user between the pores.
  • the characteristics that can influence the product's efficiency can also depend on the pore size and the nanoscale. Levels are known to be more efficient than levels at microscale.
  • nanostructured porous structures uses dry deposition techniques, and physical vapor deposition (PVD) and gas state (PVD) methods of physical vapor deposition using solid state sources according to the deposition principle. It is divided into chemical vapor deposition (CVD) using a chemical vapor deposition method using a source.
  • PVD physical vapor deposition
  • PVD gas state
  • evaporation, sputtering, cathodic arc, ion beam assisted deposition (IBAD), pulsed laser depending on the type of equipment for coating such a raw material source on a substrate (coated material) It is classified into pulsed laser deposition (PLD), thermal CVD, plasma enhanced CVD (PECVD), and the like, and these devices may be used alone or in combination.
  • PLD pulsed laser deposition
  • thermal CVD thermal CVD
  • PECVD plasma enhanced CVD
  • Plasma chemical vapor deposition has the advantages of high deposition rate and low shadow area for the coating material, but due to the limitation of coating source supply and the limit of ionization, DLC (Diamond Like Carbon), TiN, TiCN It is commercialized only to deposit using a specific coating material, such as, furthermore has the disadvantage that the physical properties of the thin film deposited by the low ionization energy is relatively low.
  • Cathodic arc method has advantages of high ionization rate and high productivity, but has a disadvantage of deterioration of surface roughness due to droplet formation and limitation of evaporation of various materials.
  • Sputtering is a technique in which ionized atoms are accelerated by an electric field and collided with a target, which causes the atoms constituting the target to protrude, and the protruding atoms are deposited on the surface of the substrate.
  • This sputtering starts with the collision between the gas supplied to the chamber and the electrons generated in the cathode, and the process shows that an inert gas such as Ar is introduced into the vacuum chamber and the negative voltage is applied to the cathode.
  • an inert gas such as Ar
  • the sputtering technology enables the deposition of various materials such as metals, alloys, compounds, and insulators, and the deposition rate is stable and similar in various other materials.
  • the adhesive force of the thin film is good, it is advantageous for large area, uniform film formation is possible, and there is an advantage of excellent step coverage.
  • Patent Literature 1 includes the steps of preparing a polymer microspheres template, plasma treatment to form a nanostructure polymer microspheres connected to each other by sharing the nanobridges, the nanostructured polymer Depositing an oxide thin film on the microsphere network and removing the nanostructured microsphere network, wherein the plasma treatment is selected from the group consisting of oxygen, argon, nitrogen, hydrogen, SF 6 and Cl 2
  • a method of manufacturing a nanostructured oxide thin film which is performed by using at least one kind of oxide film, which is formed by room temperature sputtering, electron beam deposition, or thermal vapor deposition, and the method includes a gas sensor, a dye-sensitized solar cell, a water purifier, and a lithium secondary.
  • Group consisting of battery, semiconductor solar cell, actuator and energy harvester Using nanostructured oxide thin film is selected from is disclosed for the product.
  • Patent Literature 2 provides a preparation step for preparing a substrate, and manufacturing a nanoporous material in which nanoclusters are connected to each other using plasma deposition having a deposition pressure of 300 mTorr or more and less than 500 mTorr on the substrate.
  • a method of manufacturing a nanoporous material comprising a manufacturing step, the nanoporous material includes pores on the surface and the inside of the material, the nanoporous material has a diameter of the pores included in the material of 10 to 70nm, A nanoporous technology having a diameter of 10 to 50 nm of nanoclusters included in the material is disclosed.
  • Patent Document 3 includes a magnetron sputtering source for generating a vapor mounted on a linearly switchable substrate, the inert gas is supplied to the chamber at a point behind the magnetron, and extracted at the outlet opening just before the magnetron In this case, the gas flows through the chamber, establishes the flow of steam, and during transmission to the outlet opening, the vapor condenses to form a cloud of nanoparticles, and the beam coming out of the condensation zone defined by the chamber produces a large pressure differential.
  • Application and supersonic expansion the expanded beam impinges on a second opening allowing the center of the beam to pass through so that no background gas and small nanoparticles pass through, and the background gas is collected by a pumping port for recycling or disposal.
  • particles can acquire kinetic energy by electrostatically accelerating through a vacuum to a substrate or object As disclosed, for the deposition of antimicrobial layers for the use of nanoparticle films.
  • the conventional sputtering apparatus for forming a nanostructure has a disadvantage in that its structure is complicated, its deposition rate and deposition efficiency are low, and its large area is difficult to be applied.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-1210494 (2012.12.04 registration)
  • Patent Document 2 Republic of Korea Patent Publication No. 10-1408136 (registered June 10, 2014)
  • Patent Document 3 British Patent Publication No. 2430202 (announced on March 21, 2007)
  • An object of the present invention is to solve the problems as described above, to increase the sputtering process pressure, to increase the deposition rate and to facilitate the formation of the nanoporous structure film for forming a nanoporous structure film is deposited To provide.
  • Another object of the present invention is to provide a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film, which can form a nanoporous structure to a desired size by introducing a gas flow sputtering process technology.
  • Still another object of the present invention is to provide a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film, which can be easily applied by changing and mounting the structure of a nozzle to various types of process chambers.
  • a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film is a sputtering apparatus for forming a structure of a nanoporous (nanoporous) deposited on a substrate, the process chamber provided with the substrate, provided in the process chamber And a nozzle provided between the cluster source and the cluster source and the process chamber and having at least one opening, wherein the pressure in the process chamber and the pressure in the cluster source are different.
  • a separate vacuum pumping system is not required for the sputtering source for forming a nanostructure, so that the cost can be reduced when the system is configured. Lose.
  • the sputtering apparatus for forming the nanoporous structure film according to the present invention since the deposition material generated inside the sputtering source for forming the nanostructure is introduced into the cluster source at a relatively high rate through the nozzle, the target use efficiency can be improved. There is also an effect.
  • the nozzle is provided in correspondence with the substrate treatment provided in the process chamber, the size and density of the nanoporous particles can be easily controlled, and equipment replacement can be easily performed. The effect of reducing the cost for this is also obtained.
  • the sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film according to the present invention, it is possible to control the porosity of the film to be deposited through the nanoporous structure film forming apparatus and the process, so that the substrate for surface enhancement Raman scattering, Pt catalyst for fuel cells, various sensor materials The effect that it can utilize etc. is acquired.
  • the sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film according to the present invention since the sputtering process base, there is also an effect that there is no restriction of the material to be deposited, such as metal and oxide.
  • FIG. 1 is a schematic view for explaining the concept of a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film according to the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film according to the present invention
  • 3 to 7 are diagrams showing an example of the configuration of the nozzle shown in FIG.
  • FIGS. 8 and 9 are SEM images of the nanoporous structure deposited on the substrate by a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view for explaining the concept of a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film according to the present invention.
  • the sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film according to the present invention applies a structure in which a cluster source 200 is provided in a process chamber 100.
  • a sputter gun 300 for sputtering is mounted on the cluster source 200, and a nozzle 400 may be separated from the cluster source 200 between the cluster source 200 and the process chamber 100. Is fitted.
  • the nozzle 400 has at least one opening 410.
  • the nozzle 400 applied to the present invention is provided to control the flow of gas supplied from the cluster source 200 to the process chamber 100.
  • a baffle 500 is provided at a circumferential portion of the nozzle 400 to obstruct a gas flow discharged from the cluster source 200.
  • the baffle 500 provided in the nozzle 400 is provided around the whole of the nozzle 400 in a substantially circular shape.
  • the cluster source 200 and the nozzle 400 are provided in the process chamber 100 to control the energy of the material.
  • the pressure P1 of the cluster source 200 and the pressure P2 of the process chamber 100 are different from each other, and are generated in the cluster source 200 through a gas flow due to the pressure difference between the P1 and P2.
  • the deposition material of the nanoporous may be quickly transferred to the process chamber 100 to improve the deposition rate.
  • the pressure of the process chamber 100 is provided at several hundred mTorr or less, and the pressure of the cluster source 200 is provided at 50 mTorr to several Torr.
  • the sputter gun 300 is, for example, a magnetron source portion 310 made of a magnet and a Cu plate, a shield portion 320 made of a sealing ring, made of a substantially circular shape, and mounted on the shield portion 320.
  • Target 330, the operation unit 340 for operating the magnetron source unit 310, the operation unit 340 is a power line 341, the cooling water supply line 342 and the cooling water discharge line 343 ) Is fastened.
  • the sputter gun 300 may easily apply a sputter gun applied to a conventional sputtering apparatus, a detailed description thereof will be omitted.
  • the process chamber 100 is provided with a chuck 110, a substrate 120 is mounted on the chuck 110, and a baffle 500 having a gas exhaust port 510 is also mounted around the chuck 110.
  • the substrate 120 includes a sputtering process condition inside the cluster source 200, a size and number of openings 410 of the nozzle 400, and an inside of the process chamber 100.
  • the nanoparticles having the shape and size of the nanoporous are controlled.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film according to the present invention.
  • the sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film according to the present invention is a sputtering apparatus for forming a nanoporous structure deposited on the substrate 120, and the process chamber 100 having the substrate 120 is provided. And a cluster source 200 provided in the process chamber 100, a nozzle 400 provided below the cluster source 200, and a baffle 500 provided around the nozzle 400.
  • the pressure of 100 and the pressure of the cluster source 200 are provided differently.
  • the pressure inside is controlled by the amount of gas injected into the cluster source 200 without any additional device.
  • the process chamber 100 is a heating, cooling, vertical movement and rotatable chuck 10, a substrate 120 mounted on the chuck 110, Ar, He, N 2, etc., as in a conventional sputtering chamber. It may be provided with a gas supply port and a gas outlet for supplying the inert and reactive gas of.
  • a vacuum pumping apparatus for forming and maintaining a vacuum of the process chamber 100 and valves for pressure control, connected to the gas outlet, are omitted.
  • the process chamber 100 is continuously provided in the cluster source 200, and a target 330 is provided in the cluster source 200.
  • the target 330 may use a metal material, a non-conductor, etc. corresponding to the nanoparticles to be deposited on the substrate 120, and is not particularly limited to any one metal.
  • the cluster source 200 may be formed in a hopper shape inclined toward the process chamber 100, and the nozzle 400 detachably mounted to the cluster source 200 may be circular, but is not limited thereto. Depending on the application, it may be applied in a rectangular shape.
  • the cluster source 200 may be provided with an inert and reactive gas supply unit for the source and a cooling water supply and discharge unit for the source to control the pressure in the source.
  • the inert and reactive gas supply unit for the source is provided separately from the gas supply port and the gas outlet provided in the process chamber 100, and the cooling water supply line 342 and the cooling water discharge line 343 provided in the sputter gun 300 are provided.
  • the pressure in the cluster source 200 by providing a cooling water supply and discharge unit for the source separately from)
  • the pressure P2 of the process chamber 100 and the pressure P1 of the cluster source 200 can be controlled differently from each other.
  • the pressure control of the cluster source 200 is performed by the amount of gas supplied into the source, but the present invention is not limited thereto, and the size of the nanoporous particles to be deposited on the substrate 120 and the type of the target 330 are described. And the like may be executed by a control unit having a mass flow controller (MFC) or the like under preset conditions.
  • MFC mass flow controller
  • the sputter gun 300 is mounted on the cluster source 200 as shown in FIG. 2, and the sputter gun 300 applies DC, RF, pulsed DC, and MF power to the magnetron source 310 as a cathode.
  • An operating unit 340 having a power supply unit, a cooling water supply unit, and a motor capable of moving the target 330 up and down is provided.
  • the nozzle 400 is detachably mounted to maintain a differential pressure between the cluster source 200 and the outside (process chamber), as shown in FIG. 2, and a plurality of openings for improving the deposition area in the substrate 120. (Five openings are shown in Fig. 2).
  • the distance between the target 330 and the nozzle 400 provided by the cathode is maintained at 30 to 100 mm, preferably 50 mm, thereby minimizing clustering due to condensation at the cluster source 200. Particles are sprayed out of the nozzle 400 to form a nanoporous structure film on the substrate 120.
  • the size and porosity of the nanoparticles can be controlled by process variables such as the type and ratio of injected gas, the pressure inside the source, and the pressure inside the process chamber 100.
  • the opening area 410 provided in the nozzle 400 is adjusted to maintain the pressure difference between the inside and the outside of the cluster source 200 (process chamber), and the position and shape of the nozzle 400 may be controlled by a substrate ( It may be configured in various ways in consideration of the size, quantity, shape and the revolution / rotation of the 120).
  • 3 to 7 are views showing various configuration examples of the nozzle.
  • each substrate 120 is shared to form a nanoporous structure in a structure in which rotation and revolution are performed.
  • the structure in which the opening 410 of is provided is shown.
  • FIG. 4 illustrates a structure in which one substrate 120 is provided in the process chamber 100 and a plurality of openings 410 having the same size are provided in a structure for executing rotation.
  • two substrates 120 are provided in the process chamber 100, and a plurality of openings 410 of the same size are arranged in one side of the center portion of the nozzle in a structure in which an idle operation is performed.
  • the structure provided by this is shown.
  • two substrates 120 are provided in the process chamber 100 and a plurality of openings 410 having different inner diameters from each other in the center portion of the nozzle are provided in the structure for executing revolution.
  • the structure provided in a line at the side is shown. This is to improve uniformity by adjusting the size and quantity of the opening 410 of the nozzle since the deposition rate of the edge of the substrate 120 is reduced than the center when the substrate 120 revolves.
  • a plurality of openings 410 of the same size are arranged in a line along the center portion of the nozzle in a structure in which one substrate 120 is provided in a quadrangular shape and transported in the process chamber 100.
  • the prepared structure is shown.
  • the flow rate of the gas can be controlled to control the deposition rate, and nanoporous particles having a desired size can be deposited on the substrate 120.
  • FIGS. 8 and 9 are SEM images of the nanoporous structure deposited on the substrate 120 by the sputtering apparatus for forming a nanoporous structure film according to the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view (a) and a plan view (b) of nanoporous particles deposited on the substrate 120 with the pressure of the process chamber 100 set to 10 mTorr
  • FIG. 9 is a pressure of the process chamber 100.
  • the sputtering apparatus for forming the nanoporous structure film according to the present invention By using the sputtering apparatus for forming the nanoporous structure film according to the present invention, it is possible to easily control the size and density of the nanoporous particles, it is possible to reduce the cost in the system configuration.

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Abstract

본 발명은 원하는 크기 및 원하는 기공률의 나노포러스(nanoporous) 구조 를 제어하여 형성할 수 있는 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 기판에 증착되는 나노포러스의 구조를 형성하기 위한 스퍼터링 장치로서, 상기 기판이 마련된 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버에 마련된 클러스터 소스 및 상기 클러스터 소스와 프로세스 챔버 사이에 마련되고 적어도 하나의 개구를 구비한 노즐을 포함하고, 상기 프로세스 챔버의 내의 압력과 상기 클러스터 소스의 내의 압력은 상이한 구성을 마련하여, 나노포러스 입자의 크기 및 밀도를 용이하게 제어할 수 있고, 시스템 구성 시 비용을 절감할 수 있다.

Description

나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치
본 발명은 나노포러스(nanoporous) 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 특히 원하는 크기 및 원하는 기공률의 나노포러스 구조를 제어하여 기판상에 형성할 수 있는 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 산업의 다양한 분야에 널리 이용되고 있는 가스 센서, 염료감응 태양전지, 수질정화기, 리튬 이차전지, 반도체태양전지, 액츄에이터 및 에너지 하베스터 등에 적용되는 다공성 물질(porous material)은 기공(pore)을 가지고 있는 물질이다. 이와 같은 다공성 물질은 예를 들어 GDL(Gas Diffusion Layer)이나 해수담수화 필터(desalination filter)와 같이 기공 사이로 기체가 이동해야 하는 응용 제품이나 유수분리필터(filter of oil-water separator)나 초소수/친수표면(super-hydrophobic/hydrophilic surface)와 같이 기공 사이로 사용자가 원하는 액체를 선택적으로 출입시켜야 하는 응용 제품들에 적용이 필요하여 최근 많은 관심을 받고 있는 물질이다. 이러한 기체나 액체의 이동은 나노 또는 마이크로 수준에서 일어나므로, 예를 들어 물과 기름을 분리하는 능력이나 접촉각과 같은 제품의 효율을 좌우할 수 있는 특징이, 기공이 크기에 따라서 좌우되기도 하며, 나노 스케일 수준일 때가 마이크로 스케일 수준일 때보다 효율이 높은 것으로 알려져있다.
이와 같은 나노 구조의 다공성 구조의 제조는 건식 증착 기술을 사용하며, 그 증착 원리에 따라 고상(solid state)의 소스를 사용하는 물리적 기상 증착 방식의 PVD(Physical Vapor Deposition)와 기상(gas state)의 소스를 사용하는 화학적 기상증착방식의 CVD(Chemical Vapor Deposition)로 나누어진다.
또한, 이러한 원료 소스를 기판(피코팅재)에 코팅시키는 장비의 형태에 따라 증발(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 음극 아크(cathodic arc), 이온빔 적용 증착(ion beam assisted deposition; IBAD), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition; PLD), 열화학 기상증착(thermal CVD), 플라즈마 화학기상증착(plasma enhanced CVD; PECVD) 등으로 구분되며, 이러한 장비가 단독 또는 복합 방식으로 사용되기도 한다.
플라즈마 화학기상증착(PECVD) 방식은 빠른 증착 속도와 피코팅재에 대한 적은 섀도(shadow) 영역의 장점이 있지만, 코팅 소스 공급에 대한 한계와 이온화도의 한계로 인하여 DLC(Diamond Like Carbon), TiN, TiCN와 같은 특정 코팅재질을 사용한 증착에만 상용화되고 있고, 더욱이 낮은 이온화에너지에 의해 증착된 박막의 물성이 상대적으로 떨어지는 단점이 있다.
음극 아크(Cathodic arc) 방식은 고이온화율과 높은 생산성에 대한 장점을 가지고 있지만, 액적(droplet) 형성으로 인해 표면 조도가 저하되는 현상과 다양한 물질 증발에 대한 한계를 가지는 단점이 있다.
스퍼터링(Sputtering) 기술은 이온화된 원자를 전기장에 의해 가속시켜 타깃에 충돌시키면, 이 충돌에 의해 타깃을 구성하는 원자들이 튀어나오게 되며, 튀어나온 원자들이 기판의 표면에 증착되는 기술이다. 이와 같은 스퍼터링은 챔버(chamber)에 공급되는 가스와 캐소드(cathode, 타깃)에서 발생하는 전자 사이의 충돌로부터 시작되며, 그 과정을 보면 진공 챔버 내에 Ar과 같은 불활성 기체를 넣고 캐소드에 (-)전압을 가하면 캐소드로부터 방출된 전자들이 Ar 기체원자와 충돌하여 Ar을 이온화시킨다.
즉, Ar + e―(primary) = Ar+ + e―(primary) + e―(secondary)
Ar이 여기(excite)하면서 전자를 방출하면 에너지가 방출되고, 이때 글로우 방전(glow discharge)이 발생하여 이온과 전자가 공존하는 플라즈마(plasma) 내의 Ar+ 이온은 큰 전위차에 의해 캐소드(타깃)로 가속되어 타깃의 표면과 충돌하면 중성의 타깃 원자들이 튀어나와 기판에 박막을 형성한다.
상술한 바와 같은 스퍼터링 기술은 금속, 합금, 화합물, 절연체 등 다양한 재료의 성막이 가능하며, 여러 가지 다른 재료에서도 성막 속도가 안정되고 비슷하게 된다. 또한, 박막의 접착력이 좋고 대면적화에 유리하고 균일한 성막이 가능하며 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 장점이 있다.
상술한 바와 같은 다공성 물질을 형성하기 위한 기술의 일 예가 하기 특허 문헌 등에 개시되어 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 고분자 미세 구형체 템플릿을 준비하는 단계, 플라즈마 처리를 하여 미세 구형체들이 나노브릿지를 공유하여 서로 연결된 나노구조 고분자 미세 구형체 네트워크를 형성하는 단계, 상기 나노구조 고분자 미세 구형체 네트워크상에 산화물 박막을 증착하는 단계 및 상기 나노구조 미세 구형체 네트워크를 제거하는 단계를 포함하고, 플라즈마 처리가 산소, 아르곤, 질소, 수소, SF6 및 Cl2로 구성되는 군으로부터 선택되는 일종 이상을 이용하여 수행되며, 산화물 박막이 상온 스퍼터링, 전자선 증착법 또는 열 증착법을 통해 형성되는 나노구조 산화물 박막 제조방법으로서, 이 제조방법에 의해 가스 센서, 염료감응 태양전지, 수질정화기, 리튬 이차전지, 반도체태양전지, 액츄에이터 및 에너지 하베스터로 구성되는 군으로부터 선택되는 나노구조 산화물 박막을 이용한 제품에 대해 개시되어 있다.
또, 하기 특허문헌 2에는 기재를 준비하는 준비단계, 상기 기재에 증착압력을 300 mTorr 이상, 500 mTorr 미만으로 하는 플라즈마 증착을 이용하여 나노클러스터들이 서로 연결되어 네트워크를 형성한 나노 다공성 물질을 제조하는 제조단계를 포함하는 나노 다공성 물질의 제조방법으로서, 나노 다공성 물질은, 상기 물질의 표면 및 내부에 기공을 포함하며, 나노 다공성 물질은 상기 물질의 내부에 포함되는 기공의 지름이 10 내지 70nm이고, 상기 물질에 포함되는 나노클러스터들의 직경이 10 내지 50nm인 나노 다공성 기술에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 3에는 챔버가 선형으로 전환 가능한 기판상에 장착되는 증기를 생성하는 마그네트론 스퍼터링 소스를 포함하고, 불활성 가스는 마그네트론 뒤의 지점에서 챔버로 공급하고, 마그네트론의 바로 앞 출구 개구에서 추출되며, 챔버를 통해 가스 유동을 생성하고, 증기의 이동을 확립하며, 출구 개구로의 전송 중에, 증기는 나노 입자 구름을 형성하도록 응축되고, 챔버에 의해 정의된 응축 영역에서 나오는 빔은 큰 압력차를 적용하며 초음속 확장으로 되고, 확장된 빔은 통과하는 빔의 중앙부를 허용하는 제2 개구에 충돌하여 배경 가스와 작은 나노 입자는 통과하지 않게 되며, 배경 가스는 재순환 또는 폐기하기 위한 펌핑 포트에 의해 수집되고, 입자는 기판 또는 객체로 진공을 통해 정전 가속함으로써 운동 에너지를 획득할 수 있는 구성으로서, 나노 입자 필름의 사용을 위해 항균 층의 증착에 대해 개시되어 있다.
그러나 종래의 나노구조 형성용 스퍼터링 장치는 그 구조가 복잡하고 증착 속도 및 증착 효율이 낮고, 대면적화하기 어려운 단점이 있어 양산제품에 적용하기 어려운 단점이 있다.
또 상술한 종래 기술에 의한 나노포러스 구조에서는 미리 설정된 조건에 의한 형상만을 제조할 수 있을 뿐, 동일 스퍼터링 장치에서 다양한 나노포러스 구조를 형성할 수 없다는 문제도 있었다.
또한, 상기 특허문헌 3에 개시된 기술에서는 압력차를 주기 위한 별도의 진공 펌핑 시스템을 장착해야 하므로 상대적으로 제조 비용이 증가하게 되고, 차압을 위한 펌핑 라인을 통해서도 증착 물질의 손실이 있어 상대적으로 타깃 사용 효율이 떨어지는 단점이 있었다.
[선행기술문헌]
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본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 스퍼터링 공정 압력을 높이고, 증착 속도를 높이며 증착되는 나노포러스 구조 막 형성을 용이하게 제어할 수 있는 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가스 흐름 스퍼터링(gas flow sputtering) 공정기술을 도입하여 원하는 크기로 나노포러스 구조를 형성할 수 있는 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다양한 종류의 프로세스 챔버의 구조에 대해 노즐의 구조를 변경 장착하여 용이하게 적용할 수 있는 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치는 기판에 증착되는 나노포러스(nanoporous)의 구조를 형성하기 위한 스퍼터링 장치로서, 상기 기판이 마련된 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버에 마련된 클러스터 소스 및 상기 클러스터 소스와 프로세스 챔버 사이에 마련되고 적어도 하나의 개구를 구비한 노즐을 포함하고, 상기 프로세스 챔버의 내의 압력과 상기 클러스터 소스의 내의 압력은 상이한 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에 의하면, 나노구조 형성용 스퍼터링 소스를 위한 별도의 진공 펌핑 시스템이 필요하지 않아 시스템으로 구성시 비용을 절감할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에 의하면, 나노구조 형성용 스퍼터링 소스 내부에서 생성되는 증착 물질이 노즐을 통해 상대적으로 높은 비율로 클러스터 소스로 유입되므로 타깃 사용 효율을 개선할 수 있다는 효과도 얻어진다.
또 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에 의하면, 프로세스 챔버에 마련된 기판 처리에 대응하여 노즐을 마련하여 사용하므로, 나노포러스 입자의 크기 및 밀도를 용이하게 제어할 수 있고, 장비 교체를 위한 비용을 절감할 수 있다는 효과도 얻어진다.
또 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에 의하면, 나노포러스 구조 막 형성 장치 및 공정을 통하여 증착하고자 하는 막의 기공률 제어가 가능하여 표면증강 라만산란용 기판, 연료전지용 Pt 촉매, 다양한 센서 소재 등에 활용할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에 의하면, 스퍼터링 공정 베이스이므로 금속, 산화물 등 증착하고자 하는 소재의 제약이 없다는 효과도 얻어진다.
도 1은 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치의 개념을 설명하기 위한 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치의 모식도,
도 3 내지 도 7은 도 2에 도시된 노즐의 구성의 일 예를 나타내는 도면.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에 의해 기판에 증착된 나노포러스 구조물의 SEM 사진.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 스퍼터링 구조의 개요에 대해 도 1에 따라 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치의 개념을 설명하기 위한 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노포러스(nanoporous) 구조 막 형성용 스퍼터링 장치는 프로세스 챔버(100) 내에 클러스터 소스(200)가 마련된 구조를 적용한다.
상기 클러스터 소스(200)의 상부에는 스퍼터링을 실행하기 위한 스퍼터 건(300)이 장착되고, 상기 클러스터 소스(200)와 프로세스 챔버(100) 사이에는 노즐(400)이 클러스터 소스(200)에 분리 가능하게 장착된다. 상기 노즐(400)은 적어도 하나의 개구(410)를 구비한다. 본 발명에 적용되는 노즐(400)은 클러스터 소스(200)에서 프로세스 챔버(100)로 공급되는 가스의 흐름을 제어하기 위해 마련된다. 또 상기 노즐(400)의 둘레 부분에는 상기 클러스터 소스(200)로부터 배출되는 가스 흐름을 방해하는 배플(baffle, 500)이 마련된다. 노즐(400)에 마련된 배플(500)은 대략 원형으로 노즐(400)의 전체 둘레에 마련된다.
즉, 본 발명에 따른 나노포러스의 구조를 형성하기 위해서 프로세스 챔버(100) 내에 클러스터 소스(200) 및 노즐(400)을 마련하여 물질의 에너지(Kinetic energy) 제어를 실행한다.
도 1에서 클러스터 소스(200)의 압력 P1와 프로세스 챔버(100)의 압력 P2은 서로 상이하고, 이 P1, P2의 압력차에 의한 가스 흐름(gas flow)을 통하여 클러스터 소스(200)에서 생성되는 나노포러스의 증착 물질이 프로세스 챔버(100)로 빠르게 이송되어 증착 속도를 개선할 수 있다. 상기 프로세스 챔버(100)의 압력은 수백 mTorr 이하로 마련되며, 상기 클러스터 소스(200)의 압력은 50 mTorr 내지 수 Torr로 마련된다.
상기 스퍼터 건(300)은 예를 들어 자석과 Cu 플레이트로 이루어진 마그네트론 소스부(310), 실링용 링으로 이루어진 실드(shield)부(320), 대략 원형으로 이루어지고 상기 실드부(320)에 장착된 타깃(330), 상기 마그네트론 소스부(310)를 작동시키는 작동부(340)를 구비하고, 상기 작동부(340)에는 전원선(341), 냉각수 공급 라인(342) 및 냉각수 배출 라인(343)이 체결된다.
상기 스퍼터 건(300)은 통상의 스퍼터링 장치에 적용되는 스퍼터 건을 용이하게 적용할 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 상기 프로세스 챔버(100)에는 척(110)이 마련되고 이 척(110) 상에 기판(120)이 장착되고, 척의 둘레에도 가스 배기구(510)가 형성된 배플(500)이 장착된다. 상기 기판(120)에는 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 클러스터 소스(200) 내부의 스퍼터링 공정 조건, 노즐(400)의 개구(410)의 크기 및 개수, 프로세스 챔버(100) 내부의 압력조건 및 척(110)의 위치에 따라 나노포러스의 형상 및 크기가 제어된 나노 입자가 증착된다.
이하, 본 발명의 구체적인 구성에 대해 도 2에 따라 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치의 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치는 기판(120)에 증착되는 나노포러스 구조를 형성하기 위한 스퍼터링 장치로서, 기판(120)이 마련된 프로세스 챔버(100), 상기 프로세스 챔버(100)에 마련된 클러스터 소스(200) 및 상기 클러스터 소스(200)의 하부에 마련된 노즐(400), 상기 노즐(400)의 둘레에 마련된 배플(500)을 포함하고, 상기 프로세스 챔버(100)의 압력과 상기 클러스터 소스(200)의 압력은 상이하게 마련된다.
즉 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에서는 별도의 부수적인 기구 없이 상기 클러스터 소스(200)에 주입되는 가스량에 의해서 내부의 압력을 제어한다.
상기 프로세스 챔버(100)는 통상의 스퍼터링 챔버와 같이 가열, 냉각, 상하 이동 및 회전 가능한 척(10), 척(110) 상에 장착되는 기판(120), 상기 챔버 내로 Ar, He, N2 등의 불활성 및 반응성 가스를 공급하는 가스 공급구 및 가스 배출구를 구비할 수 있다. 가스 배출구와 연결되어 프로세스 챔버(100)의 진공 형성 및 유지를 위한 진공 펌핑 장치 및 압력제어를 위한 밸브류와 같은 통상의 스퍼터링 장치에서 사용되는 세부구성은 생략하였다.
이와 같은 프로세스 챔버(100)는 상기 클러스터 소스(200)에 연속하여 마련되고, 상기 클러스터 소스(200) 내에는 타깃(330)이 마련된다. 상기 타깃(330)은 기판(120)상에 증착될 나노 입자에 대응하는 금속재, 부도체 등을 사용할 수 있으며, 특별히 어느 하나의 금속에 한정되는 것은 아니다.
상기 클러스터 소스(200)는 프로세스 챔버(100)를 향해 경사진 호퍼 형상으로 이루어질 수 있고, 이 클러스터 소스(200)에 분리 가능하게 장착된 노즐(400)은 원형으로 이루어지지만, 이에 한정되는 것은 아니고 용도에 따라 사각 형상으로 적용할 수도 있다.
또, 상기 클러스터 소스(200)에는 소스 내의 압력을 제어하기 위해 소스용 불활성 및 반응성 가스 공급부와 소스용 냉각수 공급 및 배출부를 마련할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 프로세스 챔버(100)에 마련된 가스 공급구 및 가스 배출구와 별도로 소스용 불활성 및 반응성 가스 공급부를 마련하고, 스퍼터 건(300)에 마련된 냉각수 공급 라인(342) 및 냉각수 배출 라인(343)과 별도로 소스용 냉각수 공급 및 배출부를 마련하여 클러스터 소스(200) 내의 압력을 제어하는 것에 의해 프로세스 챔버(100)의 압력 P2와 클러스터 소스(200)의 압력 P1을 서로 상이하게 제어할 수 있다.
상기 설명에서는 클러스터 소스(200)의 압력 제어를 소스 내에 공급되는 가스량에 의해 실행하는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 기판(120)에 증착될 나노포러스 입자의 크기, 타깃(330)의 종류 등에 따라 미리 설정된 조건으로 질량유량계(MFC: Mass Flow Controller) 등을 구비한 제어부에 의해 실행될 수 있다.
스퍼터 건(300)은 도 2에 도시된 바와 같이 클러스터 소스(200)의 상부에 장착되며, 상기 스퍼터 건(300)에는 캐소드로서 마그네트론 소스(310)에 DC, RF, 펄스 DC, MF 전원을 인가하는 전원 공급부, 냉각수 공급부, 타깃(330)을 상하로 이동 가능한 모터를 구비한 작동부(340)가 마련된다.
노즐(400)은 도 2에 도시된 바와 같이 클러스터 소스(200) 내부와 외부(프로세스 챔버)와의 차압을 유지하기 위하여 분리 가능하게 장착되며, 기판(120)에서의 증착 면적 개선을 위해 다수의 개구(도 2에서는 5개의 개구를 나타냄)가 마련된다.
또 캐소드로 마련된 타깃(330)과 노즐(400) 사이의 간격은 30~100㎜, 바람직하게는 50㎜로 유지하는 것에 의해 클러스터 소스(200)에서 응결(condensation)에 의한 클러스터 화를 최소화하여 나노 입자를 노즐(400) 밖으로 분사하여 기판(120)상에 나노포러스 구조의 막을 형성하게 한다.
따라서, 본 발명에 따른 스퍼터링 장치에서는 주입되는 가스의 종류 및 비율, 소스 내부의 압력, 프로세스 챔버(100) 내부의 압력 등 공정변수에 의해 나노입자의 크기 및 기공률(porosity)이 제어 가능하게 된다.
또 이를 위해 노즐(400)에 마련된 개구(410)가 클러스터 소스(200) 내부와 외부(프로세스 챔버)의 압력차가 유지될 수 있도록 개구 면적이 조절되며, 노즐(400)의 위치 및 형상은 기판(120)의 크기, 수량, 형상 및 공전/자전을 고려하여 다양하게 구성될 수 있다.
상기 노즐(400)의 다양한 구성에 대해서는 도 3 내지 도 7에 따라 설명한다.
도 3은 내지 도 7은 노즐의 다양한 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 노즐(400)에서는 프로세스 챔버(100) 내에 기판(120)이 4개 마련되고 자전과 공전을 실행되는 구조에서 각각의 기판(120)을 공용으로 나노포러스 구조의 막을 형성하도록 하나의 개구(410)가 마련된 구조를 나타낸다.
도 4에 도시된 노즐(400)에서는 프로세스 챔버(100) 내에 기판(120)이 한 개 마련되고 자전을 실행하는 구조에서 동일 크기의 다수의 개구(410)가 마련된 구조를 나타낸다.
도 5에 도시된 노즐(400)에서는 프로세스 챔버(100) 내에 기판(120)이 2개 마련되고 공전을 실행하는 구조에서 동일 크기의 다수의 개구(410)가 노즐의 중심 부분의 일 측에 일렬로 마련된 구조를 나타낸다.
도 6에 도시된 노즐(400)에서는 프로세스 챔버(100) 내에 기판(120)이 2개 마련되고 공전을 실행하는 구조에서 각각의 내경이 서로 상이한 다수의 개구(410)가 노즐의 중심 부분의 일 측에 일렬로 마련된 구조를 나타낸다. 이는 기판(120)이 공전하게 되면 가장자리는 증착률이 중심부보다 감소하게 되므로 노즐의 개구(410)의 크기 및 수량을 조절하여 균일도를 개선하기 위함이다.
도 7에 도시된 노즐(400)에서는 프로세스 챔버(100) 내에 기판(120)이 사각형상으로 한 개 마련되고 이송되는 구조에서 동일 크기의 다수의 개구(410)가 노즐의 중심 부분을 따라 일렬로 마련된 구조를 나타낸다.
상술한 바와 같이 노즐(400)의 구성을 다양화하는 것에 의해, 가스량의 흐름을 제어하여 증착 속도를 제어하고, 기판(120)상에 원하는 크기의 나노포러스 입자를 증착할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에 의해 기판(120)에 증착된 나노포러스 구조물의 SEM 사진이다.
도 8은 프로세스 챔버(100)의 압력을 10 mTorr로 설정한 상태에서 기판(120)에 증착된 나노포러스 입자들의 단면도(a) 및 평면도(b)이고, 도 9는 프로세스 챔버(100)의 압력을 50 mTorr로 설정한 상태에서 기판(120)에 증착된 나노포러스 입자들의 단면도(a) 및 평면도(b)이다.
도 8 및 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치에서는 스퍼터링 공정 시 압력을 조절하는 것에 의해 나노포러스 입자의 크기 및 밀도를 용이하게 제어할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 나노포러스 구조 막 형성용 스퍼터링 장치를 사용하는 것에 의해 나노포러스 입자의 크기 및 밀도를 용이하게 제어할 수 있고, 시스템 구성시 비용을 절감할 수 있다.

Claims (9)

  1. 기판에 증착되는 나노포러스(nanoporous)의 구조를 형성하기 위한 스퍼터링 장치로서,
    상기 기판이 마련된 프로세스 챔버,
    상기 프로세스 챔버에 마련된 클러스터 소스 및
    상기 클러스터 소스와 프로세스 챔버 사이에 마련되고 적어도 하나의 개구를 구비한 노즐을 포함하고,
    상기 프로세스 챔버의 내의 압력과 상기 클러스터 소스의 내의 압력은 상이한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 프로세스 챔버는 상기 클러스터 소스에 연속하여 마련되고,
    상기 클러스터 소스 내에 타깃이 마련되고, 프로세스 챔버에 기판이 마련되며,
    상기 노즐은 상기 클러스터 소스에 분리 가능하게 장착된 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 노즐의 둘레 부분에는 상기 클러스터 소스로부터 배출되는 가스 흐름을 방해하는 배플(baffle)이 마련되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 클러스터 소스에 마련된 타깃과 상기 노즐 사이의 간격은 30~100㎜로 유지되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 노즐의 개구의 위치 및 형상은 기판의 크기, 수량, 형상 및 자전과 공전에 대응하여 마련되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 노즐에는 다수의 개구가 마련되고, 상기 다수의 개구는 노즐의 중심 부분을 따라 일렬로 마련된 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  7. 제5항에서,
    상기 노즐에는 다수의 개구가 마련되고, 상기 다수의 개구의 각각의 내경은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  8. 제5항에서,
    상기 클러스터 소스의 내부 압력은 주입되는 가스량에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  9. 제1항에서,
    상기 클러스터 소스에는 상기 클러스터 소스 내의 압력을 제어하기 위해 소스용 불활성 및 반응성 가스 공급부와 소스용 냉각수 공급 및 배출부가 마련된 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
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