KR0153568B1 - 펄스레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치 및 방법이 개시되어 있다. 본 발명의 대면적 박막 제조 장치는 진공조; 상기 진공조 내의 일측부에 설치된 회전 가능한 타겟 홀더; 상기 타겟 홀더에 부착된 타겟; 상기 진공조 내로 반응가스를 주입하기 위한 반응가스 주입부; 고에너지의 레이저빔을 상기 타겟에 전달하여 이온, 원자, 분자 및 전자의 혼합체인 플럼을 형성시키기 위해 진공조 외부에 설치된 펄스 레이저; 상기 레이저빔을 통과시켜 타겟 표면 상에 조사하기 위한 광학계; 상기 진공조의 하단부에 설치되어 회전 및 전후좌우로 동시에 구동되는 스테이지; 상기 스테이지 상에 착탈 가능하게 설치되어 상기 스테이지와 연동하는 기판; 그리고 상기 기판의 상반부에 격리 설치되어 개구의 조절이 가능한 셔터로 구성된다. 형성된 플럼은 셔터의 특정 부문만의 개방에 의해 상기 플럼의 일부분만이 선택적으로 상기 셔터를 통과하여 상기 기판에 성장하고, 이때 기판은 회전 및 전후좌우 방향으로 구동되어 기판 상에 성장된 플럼은 급속히 응고되어 균질한 박막을 형성할 수 있다.

Description

펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치 및 방법
본 발명은 펄스 레이저를 이용한 대면적의 박막을 증착하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펄스 레이저를 이용하여 전자 방출 특성 및 기계적 특성이 균일한 넓은 면적의 다이아몬드상 박막 에미터의 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 다이아몬드상 탄소 박막은 낮은 전계하에서도 높은 전자 방출 특성을 나타내므로 전계 방출형 표시소자용 에미터 재료로 사용하기에 적합하다. 이러한 다이아몬드상 탄소 박막을 얻기 위한 종래의 방법으로는 필라멘트의 열에너지 또는 마이크로파 플라즈마를 이용하는 방법, 고주파(Radio-Frequency: RF)를 이용한 플라즈마(Plasma) 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition Method: CVD법), 고주파를 이용한 스퍼터링 방법(RF Sputtering Method), 펄스 레이저 증착법 등이 있다. 그러나, 필라멘트의 열에너지나 마이크로파 플라즈마를 이용하여 양질의 다이아몬드상 탄소 박막을 얻기 위해서는 기판의 온도를 수백℃ 내지 1000℃ 정도로 유지되는 것이 필수적으로 요구된다.
따라서, 사용하는 기판 재료의 융점이 상기 기판 온도 범위 보다 낮은 유리와 같은 재료의 경우에는 이러한 필라멘트의 열에너지나 마이크로파 플라즈마 방법은 사용이 불가능하다. 또한, 필라멘트의 열에너지나 마이크로파 플라즈마 방법은 사용이 불가능하다. 또한, 필라멘트의 열에너지나 마이크로파 플라즈마 방법은 고온 공정이므로 대규모 양산시에 공정시간 및 에너지 효율면에서 많은 문제점이 있다.
한편 RF 플라즈마 CVD법에 의해 상온에서 비정질상의 다이아몬드상의 탄소 박막을 제조하는 것이 가능하지만, 상기 방법에 의해 제조된 박막은 높은 잔류응력으로 인하여 사용하는 기판에 따라서는 기판과 박막간에 박리가 일어나기 쉬운 문제점이 있다.
또한, RF 스퍼터링 방법에 의해서도 상온에서 다이아몬드상의 탄소 박막의 제조가 가능하지만 이 방법에 의해 제조된 박막은 RF 플라즈마 CVD 방법과 비교할 때 양질의 다이아몬드상 탄소 박막을 얻기가 어려운 문제점이 있다.
펄스 레이저 증착법의 제조법은 상술한 종래의 다이아몬드상 탄소 박막 제조 방법에 비해 제조 방법이 간단하고 다이아몬드 결합 성분 비율이 높은 양질의 다이아몬드상 탄소 박막을 제조하는 것이 가능하다.
그러나 펄스 레이저 증착법은 전술한 다이아몬드상 탄소 박막 제조 방법에 비하여 대면적의 다이아몬드상 탄소 박막을 제조하기 어려운 문제점이 있다. 즉, 고에너지의 레이저가 타겟에 조사되어 형성되는 플럼(plume)은 이온, 원자 및 분자, 그리고 전자의 혼합체로서 타겟면에 수직한 방향으로 소면적에만 형성된다.
따라서, 상기 플럼이 형성되는 소면적을 벗어남에 따라 타겟면에 형성된 다이아몬드상 박막의 두께는 심한 차이를 나타내게 되고, 특히 다성분의 합금 타겟을 사용하는 경우에는 심한 두께 차이 이외에도 형성된 다이아몬드 상의 조성 비율이 플럼 형성 위치에 따라 크게 차이가 나는 문제점이 있다.
따라서, 상술한 종래의 방법으로는 기판을 고정시키거나 단순히 회전만 시키면서 다이아몬드상 탄소 박막을 제조하는 경우에는 막의 두께, 막의 조성 비율, 그리고 전기적 및 기계적 특성 등이 균질한 박막을 1인치 정도 이상으로 제조하는 것은 거의 불가능한 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 제1의 목적은 펄스 레이저와 셔터(Shutter)를 이용하여 기판의 전체 면적에 걸쳐서 두께가 균일하고, 박막의 형성 위치에 따른 조성 비율이나 전기적 및 기계적 특성이 균질한 대면적의 다이아몬드상 탄소 박막을 제조하는 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명의 제2의 목적은 상기한 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치를 이용하여 대면적 박막을 제조하는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
제1도는 본 발명의 펄스 레이저를 이용한 대면적의 다이아몬드상 탄소 박막 증착을 위한 펄스 레이저 증착 장치의 개략적인 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 펄스 레이저 2 : 광학계
3 : 타겟(Target) 4 : 타겟 홀더
5 : 플럼(Plume) 6 : 셔터(Shutter)
7 : 반응가스 주입부 8 : 기판
9 : X-Y 스테이지 10 : 회전판
11 : 진공펌프 12 : 진공조
13 : 스테이지
상기한 본 발명의 제1의 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은 진공조;
상기 진공조 내의 일측부에 설치된 회전 가능한 타겟 홀더;
상기 타겟 홀더에 부착된 타겟;
상기 진공조 내로 반응가스를 주입하기 위한 반응가스 주입부;
고에너지의 레이저빔을 상기 타겟에 전달하여 이온, 원자, 분자 및 전자의 혼합체인 플럼을 형성시키기 위해 진공조 외부에 설치된 펄스 레이저;
상기 레이저빔을 통과시켜 타겟 표면 상에 조사하기 위한 광학계;
상기 진공조의 하단부에 설치되어 회전 및 전후좌우로 동시에 구동되는 스테이지;
상기 스테이지 상에 착탈 가능하게 설치되어 상기 스테이지와 연동하는 기판; 그리고
상기 기판의 상반부에 격리 설치되어 개구의 조절이 가능한 셔터를 포함하는 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치를 제공한다.
또한 본 발명의 제2의 목적을 실현하기 위하여,
(i) 진공조의 하단부에 설치되어 회전 및 전후좌우로 동시에 구동되는 스테이지에 기판을 착탈 가능하게 장착하는 단계;
(ii) 반응가스 주입구를 통해 상기 진공조 내로 반응가스를 주입하는 단계;
(iii) 셔터의 개구를 조절하는 단계;
(iv) 상기 진공조 외부에 설치되어 레이저빔을 방사하는 펄스 레이저를 이용하여 상기 진공조 내의 일측부에 설치된 회전 가능한 타겟 홀더에 부착된 타겟의 표면 상에 레이저빔을 조사하여서 이온, 원자, 분자 및 전자의 혼합체인 플럼을 생성하는 단계; 그리고
(v) 상기 스테이지를 회전 및 전후좌우로 구동시키므로써 단계 (iv)에서 발생된 플럼을 상기 기판 상에 균일한 박막을 넓은 면적에 걸쳐 형성하는 단계를 포함하는 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 방법을 제공한다.
상기한 본 발명의 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막 제조 장치 및 방법에 의하면, 고에너지의 레이저 빔이 타겟에 조사되어 발생된 플럼이 기판 상에 성장될 때 기판을 회전시키고, 동시에 전후좌우로 구동시키므로써 도포되는 박막층을 균질하게 할 수 있고, 또한 균일한 다이아몬드상 박막을 성장시키기 위해 셔터를 구성하여 레이저 플럼의 크기를 일정하게 유지할 수 있기 때문에 박막층을 균질한 상태로 성장시킬 수 있다.
또한 상기한 본 발명의 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막 제조 장치 및 방법에 의해 제조된 다이아몬드상 탄소 박막을 전계 방출형 표시소자(Field Emission Display: FED)용 에미터의 제조에 이용하므로써 대면적의 전계 방출형 표시소자용 에미터를 제조할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
제1도는 본 발명의 펄스 레이저를 이용한 대면적의 다이아몬드상 탄소 박막 증착을 위한 펄스 레이저 증착 장치의 개략적인 구성도이다.
제1도을 참조하여, 진공조(12) 내부에는 회전 가능한 타겟 홀더(4)가 설치되어 있으며, 상기 타겟 홀더(4)의 표명에는 플럼(5)을 형성하기 위한 타겟(3)이 부착되어 있다.
상기 진공조(12)의 일측부에는 다이아몬드상 탄소 박막에 불순물을 첨가시키기 위한 반응가스 주입부(7)가 설치되어 있다.
또한, 상기 진공조(12) 내의 하단부에는 회전 및 전후좌우 구동을 하는 스테이지(13)가 설치되어 있다. 보다 상세히는 회전 가능한 회전판(10)이 설치되어 있으며, 상기 회전판(10) 상에는 전후, 좌우 운동이 가능한 X-Y 스테이지(9)가 고정되어 있다.
또한 상기 X-Y 스테이지(9) 상에는 상기 플럼(5)을 냉각시켜 박막을 형성하기 위한 기판(8)이 위치되어 있고, 기판(8) 표면 상반부에는 셔터(6)가 설치되어 개구 면적이 조절되게 되어있다. 이때 셔터의 역할은 넓은 면적에 걸쳐서 박막을 균질하게 증착시키는데에 그 목적이 있는 것으로서 타겟에 부딪친 레이저빔은 플럼(Plume)으로 변환되어 기판을 향해 이동하나, 상기 플럼과 기판과의 최단거리인 수직부분에는 그 성장되는 층의 두께가 두껍게 형성되고, 수직부분에서 주변부분으로 이동할수록 형성되는 층의 두께가 얇게 되므로 이를 방지하기 위해 셔터의 창을 미리 조절하여 성장되는 박막층의 두께를 조절할 수 있다.
먼저, 가스 주입부(7)의 밸브를 열어 불순물 첨가를 위해 진공조(12) 내로 반응가스를 주입시킨다.
본 발명에 사용되는 반응가스 중의 하나로 수소가 사용될 수 있다. 본 발명에 사용되는 타겟은 흑연 타겟이나 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄(Ti)등의 천이금속과 탄소의 합금으로 이루어진 천이금속 함유 탄소 타겟 등이 사용될 수 있다.
단순히 흑연 타겟을 사용하는 경우에 비해 천이금속 함유 탄소 타겟을 사용하면 천이금속이 함유된 다이아몬드상 탄소 박막을 얻을 수 있고, 상기 박막은 천이금속 함량의 조절에 의해 전자 방출 특성이나 전기 저항의 조절이 훨씬 용이하고, 또한 기판과의 접착력이 향상되는 장점이 있다.
또한 펄스 레이저(1) 및 광학계(2)는 진공조(12)의 외부에 설치되어 있으며, 펄스 레이저(1)는 레이저빔을 발생시킨다. 상기 펄스 레이저(1)에서 발생한 레이저 빔은 광학계(2)를 통과하여 진공조(12) 내의 타겟(3) 표면 상에 조사된다.
상기 타겟(3) 표면 상에 전달된 레이저 빔은 고에너지 밀도를 갖는 빔으로서 타겟 표면과의 충돌에 의한 에너지의 교환이 이루어진다. 그 결과 타겟(3) 표면으로부터 여러 종류의 이온, 원자, 분자 및 전자 등이 방출되고, 따라서 진공조(12) 내에 이들의 혼합체인 플럼(5)이 형성된다.
상기 방법으로 형성된 플럼(5)은 진공조(12) 내에서 기판(8)쪽을 향하여 이동하고, 상기 기판(8)에 충돌한 후 기판(8) 상의 전면적에 걸쳐서 증착된다. 이때, 기판(8) 표면의 상반부에 설치된 셔터(6)의 특정 부분만을 개방하면 매우 균질한 플럼의 일부분만이 선택적으로 셔터를 통과하게 된다.
이러한 방법으로 통과한 플럼은 회전 운동을 하는 회전판에 부착된 전후, 좌우 운동을 하는 X-Y 스테이지(9)에 고정된 기판(8) 상에 대면적에 걸쳐서 연속적으로 성장된다. 성장된 플럼은 급속히 응고되어, 기판(8) 상에 연속적인 대면적의 박막이 형성된다.
상기한 방법으로 형성된 박막은, 상기 기판이 전후, 좌우 및 회전 운동을 하기 때문에 기판의 전체 면적에 그 두께가 균일하게 형성된다. 또한, 상기 셔터의 제한된 개방부를 통과한 플럼은 셔터를 사용하지 않는 경우에 비해 훨씬 더 균질한 상태를 나타낸다.
레이저 플럼의 위치와 크기는 항상 일정하게 고정되어 있고 박막 성장중에 기판이 회전판과 X-Y 스테이지에 의해 회전과 함께 전후좌우로 움직이면 원하는 크기의 대면적에 균일한 박막을 성장시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 스테이지(13)는 X-Y 스테이지(9) 위에 회전판(10)을 부착한 X-Y 스테이지(9)와 회전판(10)의 구성으로 대치될 수 있다. 이 경우에 있어서도, 본 발명이 달성하고자 하는 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 펄스 레이저를 이용하여 제조된 다이아몬드상 탄소 박막은 그 전체 면적에 걸쳐서 박막의 두께 및 박막의 형성 위치에 따른 조성 비율이 균질하게 분포되고, 또한 전기적 및 기계적 특성도 균질성을 유지할 수 있다.
이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 펄스 레이저를 이용하여 제조된 다이아몬드상 탄소 박막은, 회전 구동되는 회전판과 전후좌우 구동되는 X-Y 스테이지의 작동에 의해 기판이 회전 운동 및 전후좌우 운동을 하기 때문에 기판의 전체 면적에 대해서 박막의 두께 및 박막의 형성 위치에 따른 조성 비율이 균질하게 분포되고, 또한 전기적 및 기계적 특성도 균질성을 실현할 수 있다.
또한, 균일한 다이아몬드상 박막을 성장시키기 위해 셔터를 구성하므로써 기판 상에 위치한 셔터 구멍으로 레이저 플럼의 크기를 일정하게 유지할 수 있기 때문에 셔터를 사용하지 않는 경우에 비해 훨씬 더 균질한 상태를 나타낸다.
또한 상기한 본 발명에 의해 제조된 다이아몬드상 탄소 박막을 전계 방출형 표시소자용 에미터의 제조에 이용함으로써 대면적의 전계 방출형 표시소자용 에미터를 제공할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 진공조(12); 상기 진공조(12) 내의 일측부에 설치된 회전 가능한 타겟 홀더(4); 상기 타겟 홀더(4)에 부착된 타겟(3); 상기 진공조(12) 내로 반응가스를 주입하기 위한 반응가스 주입부(7); 고에너지의 레이저빔을 상기 타겟(3)에 전달하여 이온, 원자, 분자 및 전자의 혼합체인 플럼(5)을 형성시키기 위해 진공조(12) 외부에 설치된 펄스 레이저(1); 상기 레이저빔을 통과시켜 타겟(3) 표면 상에 조사하기 위한 광학계(2); 상기 진공조(12)의 하단부에 설치되어 회전 및 전후좌우로 동시에 구동되는 스테이지(13); 상기 스테이지(13) 상에 착탈 가능하게 설치되어 상기 스테이지(13)와 연동하는 기판(8); 그리고 상기 기판(8)의 상반부에 격리 설치되어 개구의 조절이 가능한 셔터(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스테이지(13)는 상기 진공조(12)의 일측부에 설치되어 회전 운동이 가능한 회전판(10); 그리고 상기 회전판(10) 상에 설치되어 전후 및 좌우 운동이 가능한 X-Y 스테이지(9)를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 타겟은 흑연 타겟이고, 상기 박막은 다이아몬드상 탄소 박막인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반응가스는 수소이고, 상기 박막은 수소 함유 다이아몬드상 탄소 박막인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 타겟은 탄소와 천이금속의 합금 타게트이고, 상기 박막은 천이금속 함유 다이아몬드상 탄소 박막인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반응가스는 수소이고, 상기 박막은 수소 및 천이금속 함유 다이아몬드상 탄소 박막인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 장치.
  7. (i) 진공조(12)의 하단부에 설치되어 회전 및 전후좌우로 동시에 구동되는 스테이지(13)에 기판(8)을 착탈 가능하게 장착하는 단계; (ii) 반응가스 주입부(7)를 통해 상기 진공조(12)내로 반응가스를 주입하는 단계; (iii) 셔터(6)의 개구를 조절하는 단계; (iv) 상기 진공조(12) 외부에 설치되어 레이저빔을 방사하는 펄스 레이저(1)를 이용하여 상기 진공조(12) 내의 일측부에 설치된 회전 가능한 타겟 홀더(4)에 부착된 타겟(3)의 표면 상에 레이저빔을 조사하여서 이온, 원자, 분자 및 전자의 혼합체인 플럼(5)을 생성하는 단계; 그리고 (v) 상기 스테이지(13)를 회전 및 전후좌우로 구동시키므로써 단계 (iv)에서 발생된 플럼을 상기 기판(8) 상에 균일한 박막을 넓은 면적에 걸쳐 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 대면적 박막의 제조 방법.
  8. 전계 방출형 표시소자용 필드 에미터가 상기 제1항 내지 제6항의 제조 장치에 의해 제조된 상기 균질 박막으로 구성되어 상기 전계 방출형 표시소자용 필드 에미터의 면적이 대면적인 것을 특징으로 하는 대면적 전계 방출형 표시소자용 필드 에미터.
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KR100393184B1 (ko) * 1996-10-31 2004-01-24 삼성전기주식회사 펄스파레이저증착법을이용한고온초전도박막제조장치및그방법

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