WO2019050246A1 - 진공챔버를 포함하는 펄스 레이저 증착 설비 - Google Patents

진공챔버를 포함하는 펄스 레이저 증착 설비 Download PDF

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이대희
강용우
문봉곤
박영식
박원기
방승철
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한국 천문 연구원
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    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment

Definitions

  • the present invention relates to a pulsed laser deposition system and a deposition method using the same, more specifically, to a method of forming a thin film on a semiconductor substrate by uniformly forming a thin film on the semiconductor substrate, And a deposition method using the same.
  • a pulsed laser deposition method in which a thin film of a constant thickness is formed on a semiconductor substrate by using atomic vapor of a target material generated by irradiating a pulse laser to a certain target material Pulsed Laser Deposition (PLD) or laser ablation is one of the most widely used physical thin film fabrication techniques in recent years.
  • PLD Pulsed Laser Deposition
  • the pulsed laser deposition apparatus used in the above-described pulse laser deposition method comprises a laser generator for generating a laser in a wavelength range of 100 to 400 nm as an energy source, a target drive for driving a target material, And a target heater and a heater unit are installed inside a vacuum chamber.
  • the thin film growth using the pulsed laser deposition apparatus is performed in a reaction gas atmosphere of several hundreds of mTorr.
  • a reaction gas atmosphere of several hundreds of mTorr.
  • oxygen is used as a reaction gas.
  • argon do do.
  • a high energy laser beam having a wavelength in the ultraviolet region is used as an energy source. After the laser beam is generated in the laser generator, is condensed on the surface of the target material inside the vacuum chamber through a quartz window.
  • the light collecting area of the surface of the target material is on the order of a few mm 2.
  • High laser energy accumulated in such a narrow area ablates the target material to generate atomic vapor laser plume ,
  • the vaporized atoms will fly over the substrate at high speeds of several kilometers per hour.
  • the atoms reaching the substrate form an atomic layer having the same composition as the target material that maintains the minimum bonding energy state due to the reaction between the self-chemical reaction and the constituent atoms of the substrate on the substrate surface.
  • a thin film having a uniform thickness can be grown on the substrate.
  • a driving device for moving each target material to the focus of the laser is required.
  • the driving device when the target material is not moved, the driving device is not required.
  • a plurality of laser generating devices must be provided corresponding to the target material, a large installation cost is required.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a multilayer thin film, And to provide a laser deposition equipment which does not need to have a plurality of laser generating devices.
  • the present invention relates to a method and apparatus for depositing a thin film by moving a deposition target or moving a deposition target in a state in which a substrate and a deposition target are mounted on a plurality of carousels rotating independently of each other in a vacuum chamber, Layered thin film can be formed without the need to install a device and the thickness of the deposited thin film is uniformly formed to improve the productivity of the thin film deposition process.
  • a pulse laser deposition apparatus including: a base plate having a first view port; A vacuum chamber provided at an upper portion of the base plate to maintain a sealed state from the outside and having a second viewport facing the first viewport at an upper end thereof; At least one flange formed on one side of the vacuum chamber and communicating with the inside of the vacuum chamber; A laser generator installed outside the vacuum chamber and generating a laser beam passing through the first viewport and irradiating the inside of the vacuum chamber; A carousel assembly mounted within the vacuum chamber, the carousel assembly being mounted with a substrate and a deposition target deposited on the substrate; And a controller for measuring the degree of vacuum in the vacuum chamber and controlling the operation of the laser generator and the carousel assembly.
  • the first and second viewports may be formed in a flange shape having an opening formed therein, and a window made of fused silica or sapphire may be mounted on the opening.
  • the laser generated from the laser generator through the window-mounted first viewport may be irradiated with a carousel assembly installed inside the vacuum chamber.
  • the base plate includes: an electrical input for supplying power for operation of the carousel assembly; And a vacuum pump connection for degassing the interior of the vacuum chamber.
  • the carousel assembly includes: a rotating shaft having a drive unit; A first carousel disposed at a top end of the rotation shaft and having a plurality of placement holes through which the deposition target can be disposed; A second carousel provided at a lower end of the first carousel, the second carousel being installed at an end of a rotation shaft and having a plurality of mounting holes to which the substrate is mounted; And a third carousel provided at the lowermost end of the rotary shaft and formed with a through hole at a position facing the first viewport and having a lens for irradiating a focused laser beam onto the deposition target,
  • the carousel and the second carousel are coupled to the drive unit so as to rotate about the rotation axis, and can perform rotational motion independent of each other.
  • the drive unit includes: a step motor including a pinion gear for applying a driving force for rotation; And a rotatable wheel in which a rack structure meshing with the pinion gear is formed on the inner side.
  • thermometer or interferometer may be installed below the first viewport of the base plate.
  • the present invention also provides a pulsed laser deposition method using a pulsed laser deposition apparatus
  • the method may further include heating the substrate to a predetermined temperature using a thermocouple.
  • the thickness of the thin film deposited using the interferometer may be measured, and the measured thickness may be transmitted to the controller.
  • the quantum efficiency of the deposited thin film is measured by using any one of the integrated measurement method of quantum efficiency, the spectral characteristic measurement method of the photoelectric cathode, or the quantum efficiency map (QE map) measurement method of the surface of the photoelectric electrode Step < / RTI >
  • the pulsed laser deposition apparatus performs deposition of a thin film in a state where a substrate and a target material are mounted on a plurality of carousels rotating independently of each other in a vacuum chamber, A multilayer thin film is formed without providing a laser generator, and the thin film is deposited with a uniform thickness to improve the productivity of the thin film deposition process.
  • FIG. 1 is a perspective view of a pulse laser deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a bottom view of the pulse laser deposition apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a part of a vacuum chamber of the pulse laser deposition apparatus of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a side cross-sectional view of the pulse laser deposition apparatus of FIG.
  • FIG. 5 is a perspective view of the pulse laser deposition apparatus of FIG.
  • FIG. 6 is a perspective view of a carousel assembly installed inside the pulsed laser deposition apparatus of FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view of the drive unit.
  • FIG. 8 is a perspective view of a pulse laser deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view of the substrate holder.
  • FIG. 10 is a graph comparing quantum efficiency values according to the number of times of laser cleaning after the deposition process.
  • FIG. 11 is a flowchart of a pulsed laser deposition process using a pulsed laser deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a pulse laser deposition apparatus according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a bottom view of the pulse laser deposition apparatus of FIG. 1
  • 4 is a side cross-sectional view of the pulsed laser deposition apparatus of FIG. 1
  • FIG. 5 is a perspective view of the pulsed laser deposition apparatus of FIG. 1
  • FIG. 6 is a perspective view of a carousel assembly installed inside the pulsed laser deposition apparatus of FIG. 5
  • FIG. 7 is a perspective view of a drive unit.
  • FIG. 10 is a schematic view of the substrate holder according to the number of times of laser cleaning after the deposition process
  • Figure 11 is shown a flow diagram of one using a pulsed laser deposition apparatus according to an embodiment of the pulsed laser deposition process of the present invention.
  • a pulse laser deposition apparatus 300 includes a base plate 100, a vacuum chamber 150, a flange 170, a laser generator 180 ) And a carousel assembly (200).
  • the pulsed laser deposition apparatus 300 will be described with reference to the vacuum chamber 150 by dividing the outside and inside thereof.
  • the base plate 100 having the vacuum chamber 150 installed thereon has a plate-like structure. More specifically, referring to FIGS. 3 and 4 together, The first viewport 110, the electric input unit 120 and the vacuum pump connection unit 130 are formed on the first viewport 110. The first viewport 110, the electric input unit 120, and the vacuum pump connection unit 130 are connected to a vacuum And is located inside the chamber 150.
  • the electricity input unit 120 supplies electricity to operate the carousel assembly 200 installed inside the vacuum chamber 150.
  • the vacuum pump connection unit 130 is connected to the vacuum chamber 150 after the deposition process is completed, Degassing process is performed to make the inside of the vacuum state.
  • the vacuum chamber 150 is installed on the upper surface of the base plate 100.
  • the vacuum chamber 150 is formed in a cylindrical shape with an upper portion closed and an open lower portion, and an extension portion 151 may be formed at a lower end of the vacuum chamber 150.
  • the extension part 151 is bolted to the coupling hole 151a provided at one side in a state of being closely attached to the upper surface of the base plate 100 so that the vacuum chamber 150 is hermetically sealed from the outside maintain.
  • a second viewport 160 may be formed on the upper end of the vacuum chamber 150 and a flange 170 may be provided on a side surface of the vacuum chamber 150.
  • the flange 170 is connected to the inside of the vacuum chamber 150 and an opening 171 provided at one side of the flange 170 outside the vacuum chamber 150 is connected to the vacuum chamber 150 As shown in Fig.
  • This flange 170 is used as a connecting member for connection of a gas input valve (not shown), a pressure gauge (not shown), and an effector (not shown).
  • the first viewport 110 and the second viewport 160 may be formed to face each other within the vacuum chamber 150.
  • the carousel assembly 200 is installed inside the vacuum chamber 150.
  • the carousel assembly 200 may include a rotating shaft 201, a drive unit 202, a first carousel 210, a second carousel 220, and a third carousel 230.
  • the rotary shaft 201 is formed in a cylindrical shape and installed in the center of the inside of the vacuum chamber 150.
  • the drive unit 202 is installed on one side of the rotary shaft 201, A driving force for rotating the second carousel 220 is applied.
  • the first carousel 210 is a circular conveyor installed at the uppermost end of the rotary shaft 201, and is rotated around the rotary shaft 201 as a reference axis, and a plurality of placement holes 211 And the deposition target 10 may be disposed in the placement hole 211.
  • the first carousel 210 is a circular conveyor installed at the uppermost end of the rotary shaft 201, and is rotated around the rotary shaft 201 as a reference axis, and a plurality of placement holes 211
  • the deposition target 10 may be disposed in the placement hole 211.
  • the second carousel 220 is a circular conveyor installed at the lower end of the first kerosene 210 installed at the end of the rotation axis 201 and rotates about the rotation axis 201 as a reference axis,
  • the mounting holes 221 are formed in the second carousel 220 so that the board 20 can be mounted on the mounting hole 221.
  • the first carousel 210 and the second carousel 220 can be rotated by the drive unit 202 provided on the rotary shaft 201 with the rotary shaft 201 as a reference axis.
  • the drive unit 202 includes a step motor 203 including a pinion gear 203a and a rack structure 204a meshing with the pinion gear 203a. And a rotary gear 204 which is rotatable.
  • the step motor 203 is installed at one side of the rotary shaft 201.
  • the pinion gear 203a rotates by the driving force applied by the step motor 203 and the rotary gear 204 is rotated by a rack structure (204a) engages with the pinion gear (203a) to perform rotational motion.
  • the drive unit 202 is disposed at the lower ends of the first carousel 210 and the second carousel 220.
  • the rotary gear 204 is connected to the first carousel 210 and the second carousel 220, So that the first carousel 210 and the second carousel 220 can be rotated.
  • the third carousel 230 is installed at the lowermost end of the rotary shaft 201 and may be formed in a disc shape.
  • a through hole 231 is formed in a portion of the third carousel 230 facing the second viewport 160.
  • FIG. 8 illustrates a process of depositing a thin film on a substrate using the pulsed laser deposition apparatus according to the present invention.
  • a lens 232 is installed at one side of the third carousel 230, and the lens 232 is positioned at a predetermined height by a support 233.
  • the lens 232 reflects the laser X irradiated through the second viewport 160 and condenses the laser X on the deposition target 10 disposed in the first carousel 210 to form a high energy
  • the laser plume Z which is an atomic vapor generated in this process, reaches the substrate 20 mounted on the second carousel 220 and is deposited thereon.
  • the substrate 20 is wrapped around the outer periphery by the substrate holder 222 (see FIG. 9) so that the thin film is deposited on the substrate 20 so that the substrate 20 can be kept in a fixed state And is mounted to the second carousel 220 in the excited state.
  • the temperature of the substrate plays a very important role in the quality and uniformity of the application range to the quantum efficiency (QE) of the photoelectric cathode.
  • the temperature of the substrate 20 should be maintained at 40 to 100 DEG C in order to perform the deposition process, it is necessary to heat the substrate 20 to a predetermined temperature at the beginning of the process.
  • thermovisor 280 is positioned below the first viewport 110.
  • the thermovisor 280 passes through the first viewport 110 to heat the substrate to a predetermined temperature (40 to 100 < 0 > C).
  • the optimum temperature for performing the deposition process may vary depending on the material to be deposited, the material of the substrate, and the laser output power.
  • QE quantum efficiency
  • the interferometer is a device that divides the light from the same light source into two or more beams to make a difference in the path of the beam, and then observes the interference phenomenon that occurs when the light meets again.
  • the interferometer compares the length or distance of the measured wavelength
  • the thickness of the thin film can be measured in real time.
  • an interferometer 380 is positioned below the first viewport 110, and the thickness of a thin film deposited on the substrate 20 through interference of light generated from the interferometer 380 is measured in real time .
  • the interferometer 380 transmits the thickness of the measured thin film to a controller (not shown) so that the controller can determine the optimal laser mode or time necessary to reach the thickness of the thin film to be measured, Can be determined in real time.
  • the thin film is formed on the substrate to have a uniform thickness through the interferometer performing the above function.
  • the surface of the thin film is kept in a smooth state and the quantum efficiency (QE) is increased by laser cleaning the surface of the thin film deposited with the reduced laser power.
  • QE quantum efficiency
  • This laser cleaning process can increase the quantum efficiency (QE) of the deposited thin film by 1.5 to 10 times, which can be seen in FIG.
  • the quantum efficiency when the laser cleaning is performed once is 2.1 x 10 -5
  • the quantum efficiency when the laser cleaning is performed twice is 2.7 x 10 -7
  • the quantum efficiency when the laser cleaning is performed three times is 3.3 x 10 -4
  • the quantum efficiency increases up to 15 times even if the intensity of the laser to be irradiated (Laser Energy, ⁇ J) is the same.
  • the difference in the quantum efficiency is about 8 times as much as the amount of deposited photoelectrode (Collected Charge, pCoulomb) based on the case where the laser intensity is 0.1 ⁇ J.
  • the quantum efficiency can be measured by an integrated QE measuring method of quantum efficiency, a spectral characteristic measurement method of a photoelectric cathode, or a quantum efficiency map (QE map) measurement method of the surface of a photoelectric cathode .
  • a thin film is deposited in a state in which a substrate and a target material are mounted on a plurality of carousels rotating independently of each other in a vacuum chamber, Since the multilayer thin film can be formed without deposition and the thin film can be deposited with a uniform thickness to improve the productivity of the thin film deposition process, it can be more effectively used in the field of pulsed laser deposition equipment.

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Abstract

본 발명은 제 1 뷰포트(view port)가 형성되는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 상부에 설치되어 외부로부터 밀폐된 상태를 유지하고, 상단에는 상기 제 1 뷰포트와 마주보도록 제 2 뷰포트가 형성되는 진공챔버(vacuum chamber); 상기 진공챔버의 일측에 설치되어 진공챔버의 내부와 연통되는 구조로 형성되는 적어도 하나 이상의 플랜지(flange); 상기 진공챔버의 외부에 설치되어 상기 제 1 뷰포트를 통과하여 진공챔버의 내부로 조사되는 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치; 및 상기 진공챔버의 내부에 설치되며, 기판 및 상기 기판에 증착되는 증착 타겟이 장착되는 캐로셀 어셈블리(carousel assembly)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

진공챔버를 포함하는 펄스 레이저 증착 설비
본 발명은 펄스 레이저 증착 설비 및 이를 이용한 증착 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 반도체 기판 상에 증착되는 박막의 두께를 균일하게 형성할 수 있고, 박막의 증착에 소요되는 시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 펄스 레이저 증착 설비 및 이를 이용한 증착 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 단결정 및 비정질 기판 상에 박막을 성장시키는 박막 증착법 중에서, 일정한 타겟재료에 펄스 레이저를 조사함으로써 발생된 타겟재료의 원자증기를 이용하여 반도체 기판 상에 일정한 두께의 박막을 형성하는 펄스 레이저 증착법(PLD: Pulse Laser Deposition) 또는 레이저 어블레이션(Laser ablation)은 최근에 보편적으로 널리 사용되는 물리적인 방식에 의한 박막 제조기술의 하나이다.
전술한 펄스 레이저 증착법에 사용되는 펄스 레이저 증착장치는 에너지원으로 100 ~ 400 nm 파장 영역의 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치와, 타겟재료를 구동시키는 타겟 구동장치와, 기판의 부착, 고정 및 열처리를 위한 전열기 장치로 구성되며, 이러한 구성들 중에서, 타겟 구동장치와 전열기 장치는 진공챔버(vacuum chamber)의 내부에 설치된다.
이 때, 상기 펄스 레이저 증착장치를 사용한 박막 성장은 수백 mTorr의 반응가스 분위기 중에서 이루어지는데, 산화물 재료의 경우에는 반응가스로 산소를 사용하며, 금속 및 고분자 재료의 경우에는 반응가스로서 아르곤 등을 사용한다.
펄스 레이저 증착법에 따라, 타겟 재료를 기판 상에 증착시키기 위해서는 자외선 영역의 파장을 지닌 고에너지의 레이저빔이 에너지원으로 사용되는데, 이러한 레이저빔은 레이저 발생장치에서 발생된 후, 집광렌즈 및 수정창(quartz window)을 통하여 진공챔버 내부의 타겟재료 표면에 집광된다.
이 때, 타겟재료 표면의 집광면적은 수 mm2 정도로, 이와 같이 협소한 면적에 집적된 높은 레이저 에너지는 타겟재료를 어블레이션 시켜, 원자 분사 형태의 원자증기인 레이저 플룸(laser plume)을 발생시키며, 증기화된 원자들은 시속 수 km의 빠른 속력으로 기판 상으로 비행하게 된다.
이와 같이, 기판에 도달한 원자들은 기판 표면에서 자체 화학 반응과 기판 구성원자와의 반응에 의해, 최소 결합에너지 상태를 유지하는 타겟재료와 동일한 조성을 갖는 원자층(Atomic layer)을 형성하게 되며, 이 때, 기판을 일정시간 동안 레이저 풀룸에 노출시키면, 기판 상에 일정한 두께의 박막을 성장시킬 수 있게 된다.
그러나, 종래의 펄스 레이저 증착장치를 이용한 기판의 증착 시, 복수의 타겟재료를 사용한 다층 박막을 형성할 경우, 각각의 타겟재료에 대해 순차적으로 레이저를 조사하여 증착함으로 인해 기판 상에 박막의 증착이 오래 걸리는 문제점이 있다.
더욱이, 복수의 타겟재료를 다층 박막으로 형성할 경우, 종래에는 하나의 레이저 장치를 통한 타겟재료의 레이저 조사를 위해서는, 상기 레이저의 초점에 각각의 타겟재료를 이동시키기 위한 구동장치를 필요로 한다.
반면에, 상기 타겟재료를 이동시키지 않을 경우에는, 상기 구동장치는 필요로 하지 않게 되지만, 상기 타겟재료에 대응되게 복수의 레이저 발생장치를 구비해야 함으로 인해 설비 설치비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 복수의 증착타겟(타겟재료)이 다층 박막으로 형성시, 레이저의 초점에 대응하여 증착 타겟을 이동시키거나, 증착 타겟에 대응하여 복수의 레이저 발생장치를 구비할 필요없는 레이저 증착 설비를 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명은 진공챔버 내부에서, 상호 독립적으로 회전 운동하는 복수 개의 캐로셀에 기판 및 증착 타겟이 각각 장착된 상태에서 박막의 증착 공정을 수행함으로써, 증착 타겟을 이동시키거나 별도의 레이저 발생장치를 설치할 필요 없이도 다층 박막을 형성할 수 있고, 증착된 박막의 두께를 균일하게 형성하여 박막 증착 공정의 생산성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 펄스 레이저 증착장치는, 제 1 뷰포트(view port)가 형성되는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 상부에 설치되어 외부로부터 밀폐된 상태를 유지하고, 상단에는 상기 제 1 뷰포트와 마주보도록 제 2 뷰포트가 형성되는 진공챔버(vacuum chamber); 상기 진공챔버의 일측에 설치되어 진공챔버의 내부와 연통되는 구조로 형성되는 적어도 하나 이상의 플랜지(flange); 상기 진공챔버의 외부에 설치되어 상기 제 1 뷰포트를 통과하여 진공챔버의 내부로 조사되는 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치; 상기 진공챔버의 내부에 설치되며, 기판 및 상기 기판에 증착되는 증착 타겟이 장착되는 캐로셀 어셈블리(carousel assembly); 및 상기 진공챔버 내부의 진공도를 측정하고, 상기 레이저 발생장치 및 캐로셀 어셈블리의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2 뷰포트는 개구부가 형성된 플랜지 형상으로 이루어지고, 상기 개구부에는 용융 실리카(fused silica) 또는 사파이어(sapphire)로 이루어지는 창(window)이 장착될 수 있다.
상기 창이 장착된 제 1 뷰포트를 통해 레이저 발생장치로부터 발생된 레이저는 진공챔버의 내부에 설치되어 있는 캐로셀 어셈블리로 조사될 수 있다.
상기 베이스 플레이트는, 상기 캐로셀 어셈블리의 작동을 위한 전력을 공급하는 전기 입력부(electrical input); 및 상기 진공챔버의 내부를 디가싱(degassing)하기 위한 진공펌프 연결부(vacuum pump connection)를 포함하는 구조일 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 캐로셀 어셈블리는, 드라이브 유닛을 구비하는 회전축; 상기 회전축의 최상단에 설치되고, 증착 타겟이 배치될 수 있는 복수 개의 배치공들이 형성되는 제 1 캐로셀; 상기 제 1 캐로셀의 하부 측에 위치한 회전축의 중단에 설치되고, 기판이 장착되는 복수 개의 장착공들이 형성되는 제 2 캐로셀; 상기 회전축의 최하단에 설치되고, 상기 제 1 뷰포트와 마주보는 위치에 관통공이 형성되며, 일부분에는 조사된 레이저를 상기 증착 타겟에 집광 조사시키는 렌즈가 설치되는 제 3 캐로셀을 포함하고, 상기 제 1 캐로셀 및 제 2 캐로셀은 드라이브 유닛에 결합되어 회전축을 중심으로 하여 회전하되, 상호 간에 독립적인 회전 운동을 수행할 수 있다.
상기 드라이브 유닛은, 회전을 위한 구동력을 인가할 수 있도록 피니언 기어를 포함하는 스텝 모터(step motor); 상기 피니언 기어에 맞물리는 래크(rack) 구조가 내측에 형성되는 회전 매개 바퀴를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 베이스 플레이트의 제 1 뷰포트의 하측에는 써모바이저 또는 간섭계가 설치될 수 있다.
본 발명은, 또한, 펄스 레이저 증착장치를 이용하는 펄스 레이저 증착 방법으로서,
(a) 캐로셀 어셈블리의 제 1 캐로셀 및 제 2 캐로셀에 각각 기판 및 증착 타겟을 장착하는 단계; (b) 컨트롤러를 이용하여 진공챔버 내부의 진공도를 측정하고, 그 내부를 진공 상태로 설정하는 단계; (c) 상기 컨트롤러는 레이저 발생장치 및 캐로셀 어셈블리의 작동을 제어하여 레이저 발생장치로부터 조사된 레이저를 이용하여 제 2 캐로셀에 장착된 증착 타겟을 어블레이션 시켜 박막을 기판에 증착시키는 단계; (d) 증착이 완료된 박막의 표면을 상기 레이저를 이용하여 세정시키는 단계를 포함한다.
상기 단계(b) 이후에, 써모바이저를 이용하여 상기 기판을 일정 온도로 가열시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 단계(c)를 수행하는 과정에서, 간섭계를 이용하여 증착되는 박막의 두께를 측정하고, 측정된 두께를 상기 컨트롤러에 송신할 수 있다.
상기 단계(d) 이후에, 양자 효율의 통합 측정법, 광전 음극의 스펙트럼 특성 측정법, 또는 광전 음극의 표면의 양자 효율 맵(QE map) 측정법 중 어느 하나를 이용하여 증착된 박막의 양자 효율을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 펄스 레이저 증착장치는, 진공챔버 내부에서, 상호 독립적으로 회전 운동하는 복수 개의 캐로셀에 기판 및 타겟 재료가 각각 장착된 상태에서 박막의 증착 공정을 수행함으로써, 타겟 재료의 이동이나 별도의 레이저 발생장치의 설치 없이도 다층 박막을 형성하고, 박막을 균일한 두께로 증착하여 박막 증착 공정의 생산성을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 펄스 레이저 증착장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 펄스 레이저 증착장치의 저면도이다.
도 3은 도 1의 펄스 레이저 증착장치의 진공챔버의 일부가 절개된 사시도이다.
도 4는 도 1의 펄스 레이저 증착장치의 측단면도이다.
도 5는 도 1의 펄스 레이저 증착장치의 투시도이다.
도 6은 도 5의 펄스 레이저 증착장치의 내부에 설치된 캐로셀 어셈블리의 사시도이다.
도 7은 드라이브 유닛의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 펄스 레이저 증착장치의 사시도이다.
도 9는 기판 홀더의 사시도이다.
도 10은 증착 공정 이후의 레이저 세정의 실시 횟수에 따른 양자 효율값을 비교한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 펄스 레이저 증착장치를 이용하여 펄스 레이저 증착 과정의 순서도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 증착 타겟
20: 기판
50: 진공챔버
100: 베이스 플레이트
170: 플랜지
180: 레이저 발생장치
200: 캐로셀 어셈블리
210: 제 1 캐로셀
220: 제 2 캐로셀
230: 제 3 캐로셀
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.　 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.　 또한, 각각의 개시된 실시예의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.　 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.　도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 펄스 레이저 증착장치의 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 펄스 레이저 증착장치의 저면도가 도시되어 있으며, 도 3에는 도 1의 펄스 레이저 증착장치의 진공챔버의 일부가 절개된 사시도가 도시되어 있으며, 도 4에는 도 1의 펄스 레이저 증착장치의 측단면도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 1의 펄스 레이저 증착장치의 투시도가 도시되어 있으며, 도 6에는 도 5의 펄스 레이저 증착장치의 내부에 설치된 캐로셀 어셈블리의 사시도가 도시되어 있으며, 도 7에는 드라이브 유닛의 사시도가 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명에 따른 펄스 레이저 증착장치를 이용한 박막의 증착과정이 도시되어 있고, 도 9에는 기판 홀더의 사시도가 도시되어 있으며, 도 10에는 증착 공정 이후의 레이저 세정의 실시 횟수에 따른 양자 효율값을 비교한 그래프가 도시되어 있으며, 도 11에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 펄스 레이저 증착장치를 이용하여 펄스 레이저 증착 과정의 순서도가 도시되어 있다.
도 1 내지 도 8을 함께 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 펄스 레이저 증착장치(300)는, 베이스 플레이트(100), 진공챔버(150), 플랜지(170), 레이저 발생장치(180) 및 캐로셀 어셈블리(200)를 포함하는 구성으로 이루어져 있다.
상기의 펄스 레이저 증착장치(300)는 진공챔버(150)를 기준으로 외부와 내부를 나누어 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 진공챔버(150)가 상부에 설치되는 상기 베이스 플레이트(100)는 판상형 구조로 이루어지며, 보다 구체적으로 도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 베이스 플레이트(100)에는 제 1 뷰포트(110), 전기 입력부(120), 진공펌프 연결부(130)가 형성되어 있고, 상기 제 1 뷰포트(110), 전기 입력부(120), 진공펌프 연결부(130)는 진공챔버(150)의 내측에 위치하고 있다.
상기 전기 입력부(120)는 진공챔버(150) 내부에 설치되는 캐로셀 어셈블리(200)를 작동시키기 위한 전기를 공급하고, 상기 진공펌프 연결부(130)는 증착 공정이 완료된 이후에 진공챔버(150) 내부를 진공 상태로 만들기 위한 디가싱(degassing) 공정을 수행한다.
상기 진공챔버(150)는 상기 베이스 플레이트(100)의 상부에 설치된다.
구체적으로, 상기 진공챔버(150)는 상부가 닫혀있고, 하부가 열려있는 실린더 형상으로 형성되어 있고, 상기 진공챔버(150)의 하단에는 연장부(151)가 형성될 수 있다.
상기 연장부(151)는 상기 베이스 플레이트(100)의 상면에 밀착된 상태에서 일측에 마련된 결합공(151a)에 볼트가 체결되어 설치되고, 이에 따라 진공챔버(150)는 외부로부터 밀폐된 상태가 유지된다.
상기 진공챔버(150)의 상단에는 제 2 뷰포트(160)가 형성되어 있고, 진공챔버(150)의 측면에는 플랜지(170)가 설치되는 구조일 수 있다.
상기 플랜지(170)는 진공챔버(150)의 내부에 연통되는 구조로 결합되고, 상기 진공챔버(150)의 외부에서 상기 플랜지(170)의 일측에 마련되는 개구부(171)는 상기 진공챔버(150)의 내부에 연통될 수 있다.
이러한 플랜지(170)는 가스 입력 밸브(도시하지 않음), 압력 측정기(도시하지 않음) 및 이펙터(도시하지 않음)의 연결을 위한 연결부재로 사용된다.
도 3 및 도 4를 참조하여 진공챔버(150)의 내부를 살펴보면, 제 1 뷰포트(110)와 제 2 뷰포트(160)는 서로 마주보도록 형성될 수 있다.
도 5 및 도 6을 함께 참조하면, 캐로셀 어셈블리(200)는 진공챔버(150)의 내부에 설치되어 있다.
상기 캐로셀 어셈블리(200)는 회전축(201), 드라이브 유닛(202), 제 1 캐로셀(210), 제 2 캐로셀(220) 및 제 3 캐로셀(230)을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 회전축(201)은 원기둥 형상으로 형성되어 진공챔버(150)의 내부의 중앙에 설치되고, 상기 드라이브 유닛(202)은 상기 회전축(201)의 일측에 설치되어 상기 제 1 캐로셀(210) 및 제 2 캐로셀(220)을 회전시키는 구동력을 인가한다.
도 8을 함께 참조하면, 상기 제 1 캐로셀(210)은 회전축(201)의 최상단에 설치되는 원형 컨베이어로서, 상기 회전축(201)을 기준 축으로 하여 회전하고, 복수 개의 배치공(211)들이 상기 제 1 캐로셀(210)에 형성되어 있어 증착 타겟(10)은 상기 배치공(211)에 배치될 수 있다.
상기 제 2 캐로셀(220)은 회전축(201)의 중단에 설치되어 상기 제 1 케로셀(210)의 하부에 위치하는 원형 컨베이어로서, 상기 회전축(201)을 기준 축으로 하여 회전하고, 복수 개의 장착공(221)들이 상기 제 2 캐로셀(220)이 형성되어 있어 기판(20)은 상기 장착공(221)에 장착될 수 있다.
상기 제 1 캐로셀(210) 및 제 2 캐로셀(220)은 회전축(201)에 구비된 드라이브 유닛(202)에 의해 상기 회전축(201)을 기준 축으로 하여 회전 운동할 수 있다.
이와 관련하여 도 7을 함께 참조하면, 상기 드라이브 유닛(202)은 피니언 기어(203a)를 포함하는 스텝 모터(203)와, 상기 피니언 기어(203a)에 맞물리는 래크 구조(204a)가 내측에 형성되는 회전 기어(204)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 스텝 모터(203)는 회전축(201)의 일측에 설치되고, 상기 스텝 모터(203)에서 인가된 구동력에 의해 피니언 기어(203a)는 회전하며, 상기 회전 기어(204)는 내측에 형성된 래크 구조(204a)가 상기 피니언 기어(203a)에 맞물려 회전 운동을 수행한다.
이러한 드라이브 유닛(202)은 제 1 캐로셀(210) 및 제 2 캐로셀(220)의 하단에 각각 위치하고 있으며, 회전 기어(204)는 제 1 캐로셀(210) 및 제 2 캐로셀(220)의 하단에 결합되어 상기 제 1 캐로셀(210) 및 제 2 캐로셀(220)의 회전 운동을 가능하게 한다.
한편, 상기 제 3 캐로셀(230)은 회전축(201)의 최하단에 설치되며, 원판 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제 3 캐로셀(230)에서 제 2 뷰포트(160)와 마주보는 부위에는 관통공(231)이 형성된다.
도 8에는 본 발명에 따른 펄스 레이저 증착장치를 이용하여 기판에 박막을 증착하는 과정이 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 제 3 캐로셀(230)의 일측에는 렌즈(232)가 설치되며, 상기 렌즈(232)는 지지대(233)에 의해 소정의 높이에 위치한다.
상기 렌즈(232)는, 제 2 뷰포트(160)를 통과하여 조사된 레이저(X)를 반사시켜 제 1 캐로셀(210)에 배치된 증착 타겟(10)에 집광(Y)시켜 집적된 높은 에너지에 의해 증착 타겟(10)을 어블레이션 시키고, 이 과정에서 발생하는 원자 증기인 레이저 플룸(Z)은 제 2 캐로셀(220)에 장착된 기판(20)에 도달하여 증착된다.
이 때, 박막이 기판(20)에 증착되는 과정에서, 기판(20)이 고정 상태를 유지할 수 있도록, 상기 기판(20)은 기판 홀더(222)(도 9를 참조)에 의해 외주변이 감싸여진 상태에서 제 2 캐로셀(220)에 장착된다.
한편, 펄스 레이저 증착 공정시, 기판의 온도는 광전 음극의 양자 효율(QE: Quantum Efficiency)에 대한 적용범위를 만드는 품질 및 균일성에 매우 중요한 역할을 한다.
이에 따라, 증착 공정을 수행하기 위해 기판(20)의 온도가 40 내지 100 ℃로 유지되어야 하므로, 공정의 시작 단계에서 기판(20)을 일정 온도로 가열하는 것이 필요하다.
이와 관련하여, 도 8을 참조하면, 제 1 뷰포트(110)의 하측에는 써모바이저(thermovisor, 280)가 위치하고, 상기 써모바이저(280)는 상기 제 1 뷰포트(110)를 통과하여 기판을 일정 온도(40 내지 100 ℃)로 가열시킨다.
다만, 증착 공정을 수행하기 위한 최적 온도는 증착되는 재료, 기판의 재료 및 레이저 출력에 따라 달라질 수 있다.
또한, 양자 효율(QE)은 증착되는 박막의 두께에 민감하므로 증착 공정 중에는 간섭계에 의해 증착되는 박막의 두께를 측정하는 것이 필요하다.
간섭계(interferometer)란, 동일한 광원에서 나오는 빛을 두 갈래 이상으로 나누어 진행경로에 차이가 생기도록 한 후 빛이 다시 만났을 때 일어나는 간섭현상을 관찰하는 장치로, 측정된 파장의 길이 또는 거리를 비교하여 박막의 두께를 실시간으로 측정할 수 있다.
이와 관련하여 도 8을 참조하면, 제 1 뷰포트(110)의 하측에는 간섭계(380)가 위치하고, 상기 간섭계(380)로부터 발생한 빛의 간섭현상을 통해 기판(20)에 증착되는 박막의 두께를 실시간으로 측정할 수 있다.
또한, 상기 간섭계(380)는 측정된 박막의 두께를 컨트롤러(도시하지 않음)에 송신해줌으로써, 상기 컨트롤러는 측정되는 박막의 두께에 도달하는데 필요한 최적의 레이저 모드(laser mode) 또는 시간(time)을 실시간으로 결정할 수 있다.
따라서, 위와 같은 기능을 수행하는 간섭계를 통해 기판 위에는 박막이 균일한 두께로 형성된다.
증착 공정이 완료된 이후에는, 감소된 레이저 출력으로 증착된 박막의 표면을 레이저 세정함으로써, 박막의 표면은 매끄러운 상태로 유지되고, 양자 효율(QE)은 증가하게 된다.
이러한 레이저 세정(laser cleaning) 과정은, 증착된 박막의 양자 효율(QE)을 1.5 내지 10 배까지 증가시킬 수 있으며, 이는 도 10에서 확인할 수 있다.
구체적으로, 레이저 세정을 1회 실시한 경우의 양자 효율은 2.1 x 10-5, 2회 실시한 경우의 양자 효율은 2.7 x 10-7이나, 3회 실시한 경우의 양자 효율은 3.3 x 10-4 으로, 조사되는 레이저의 세기(Laser Energy, μJ)가 동일하더라도 양자 효율은 최대 15 배까지 증가함을 확인할 수 있다.
이러한 양자 효율의 차이는, 레이저의 세기가 0.1 μJ인 경우를 기준으로, 증착되는 광전 음극 량(Collected Charge, pCoulomb)은 약 8배의 차이가 발생함을 확인할 수 있다.
전술한 공정을 수행한 이후에는, 양자 효율의 통합 측정법(integral QE measuring), 광전 음극의 스펙트럼 특성 측정법, 또는 광전 음극의 표면의 양자 효율 맵(QE map) 측정법을 통해 양자 효율을 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 진공챔버 내부에서, 상호 독립적으로 회전 운동하는 복수 개의 캐로셀에 기판 및 타겟 재료가 각각 장착된 상태에서 박막의 증착 공정을 수행함으로써, 타겟 재료의 이동이나 별도의 레이저 발생장치의 설치 없이도 다층 박막을 형성하고, 박막을 균일한 두께로 증착하여 박막 증착 공정의 생산성을 향상시킬 수 있으므로 펄스 레이저 증착 설비 분야에 보다 효과적으로 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 제 1 뷰포트(view port)가 형성되는 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트의 상부에 설치되어 외부로부터 밀폐된 상태를 유지하고, 상단에는 상기 제 1 뷰포트와 마주보도록 제 2 뷰포트가 형성되는 진공챔버(vacuum chamber);
    상기 진공챔버의 일측에 설치되어 진공챔버의 내부와 연통되는 구조로 형성되는 적어도 하나 이상의 플랜지(flange);
    상기 진공챔버의 외부에 설치되어 상기 제 1 뷰포트를 통과하여 진공챔버의 내부로 조사되는 레이저를 발생시키는 레이저 발생장치;
    상기 진공챔버의 내부에 설치되며, 기판 및 상기 기판에 증착되는 증착 타겟이 장착되는 캐로셀 어셈블리(carousel assembly); 및
    상기 진공챔버 내부의 진공도를 측정하고, 상기 레이저 발생장치 및 캐로셀 어셈블리의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 증착장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 뷰포트는 개구부가 형성된 플랜지 형상으로 이루어지고, 상기 개구부에는 용융 실리카(fused silica) 또는 사파이어(sapphire)로 이루어지는 창(window)이 장착되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 증착장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트는,
    상기 캐로셀 어셈블리의 작동을 위한 전력을 공급하는 전기 입력부(electrical input); 및 상기 진공챔버의 내부를 디가싱(degassing)하기 위한 진공펌프 연결부(vacuum pump connection);를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 증착 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 캐로셀 어셈블리는,
    드라이브 유닛을 구비하는 회전축;
    상기 회전축의 최상단에 설치되고, 증착 타겟이 배치될 수 있는 복수 개의 배치공들이 형성되는 제 1 캐로셀;
    상기 회전축의 중단에 설치되고, 기판이 장착되는 복수 개의 장착공들이 형성되는 제 2 캐로셀;
    상기 회전축의 최하단에 설치되고, 상기 제 1 뷰포트와 마주보는 위치에 관통공이 형성되며, 일측에는 조사된 레이저를 반사하여 상기 증착 타겟에 집광시키는 렌즈가 설치되는 제 3 캐로셀;을 포함하고,
    상기 제 1 캐로셀 및 제 2 캐로셀은 드라이브 유닛에 결합되어 회전축을 중심으로 하여 회전하되, 상호 간에 독립적인 회전 운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 증착장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 드라이브 유닛은,
    회전을 위한 구동력을 인가할 수 있도록 피니언 기어를 포함하는 스텝 모터(step motor);
    상기 피니언 기어에 맞물리는 래크(rack) 구조가 내측에 형성되는 회전 기어;를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 증착장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트의 제 1 뷰포트의 하측에는
    써모바이저 또는 간섭계가 설치되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 증착장치.
  7. 펄스 레이저 증착장치를 이용하는 펄스 레이저 증착 방법으로서,
    (a) 캐로셀 어셈블리의 제 1 캐로셀 및 제 2 캐로셀에 각각 기판 및 증착 타겟을 장착하는 단계;
    (b) 컨트롤러를 이용하여 진공챔버 내부의 진공도를 측정하고, 그 내부를 진공 상태로 설정하는 단계;
    (c) 상기 컨트롤러는 레이저 발생장치 및 캐로셀 어셈블리의 작동을 제어하여 레이저 발생장치로부터 조사된 레이저를 이용하여 제 2 캐로셀에 장착된 증착 타겟을 어블레이션 시켜 박막을 기판에 증착시키는 단계;
    (d) 증착이 완료된 박막의 표면을 상기 레이저를 이용하여 세정시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 증착 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 단계(b) 이후에, 써모바이저를 이용하여 상기 기판을 일정 온도로 가열시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 증착 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 단계(c)를 수행하는 과정에서, 간섭계를 이용하여 증착되는 박막의 두께를 측정하고, 측정된 두께를 상기 컨트롤러에 송신하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 증착 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 단계(d) 이후에, 양자 효율의 통합 측정법, 광전 음극의 스펙트럼 특성 측정법, 또는 광전 음극의 표면의 양자 효율 맵(QE map) 측정법 중 어느 하나를 이용하여 증착된 박막의 양자 효율을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 증착 방법.
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