KR100275783B1 - 박막제조용진공장비의회전식기판가열장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 제조용 진공 장비의 기판 가열 장치에 관한 것으로, 가열기와의 간섭을 일으키지 않고 기판이 부착되는 기판 부착용 회전판을 회전시키는 것에 의하여 회전과 가열을 동시에 수행함으로써 온도의 분포가 균일하게 됨과 아울러 산소가 존재하는 분위기에서도 고온 가열이 가능하므로 양질의 균일한 대면적 박막을 제조할 수 있으며, 가열기를 관통하는 회전축에 기판 부착용 회전판을 고정나사에 의하여 탈부착 가능하게 설치하였으므로 기판을 진공챔버내에서 탈부착하지 않고 기판 부착용 회전판을 분리하여 진공 챔버의 외부에서 기판을 탈부착하는 것에 의해 기판의 탈부착을 간편, 용이하게 수행할 수 있게 되고, 진공 챔버에 고정되는 가열기에 관통 지지되는 회전축에 기판 부착용 회전판을 고정한 것으로서 기판을 수평 상태뿐만 아니라 수직 상태로도 설치하여 사용할 수 있게 되는 것이다.

Description

박막 제조용 진공 장비의 회전식 기판 가열 장치{ROTATABLE SUBSTRATE HEATER IN VACUUM SYSTEM FOR THIN FILM DEPOSITION}
본 발명은 박막 제조용 진공 장비의 기판 가열 장치에 관한 것으로, 특히 박막을 제조하는 진공 장비에서 조성과 미세 구조가 균일한 대형 박막을 제작할 수 있도록 한 박막 제조용 진공 장비의 회전식 기판 가열 장치에 관한 것이다.
전기적인 성질을 이용한 소자 제조 과정에서 박막 제조 공정은 매우 중요하다.
예를 들면 박막 제조 방법으로는 스퍼터링(sputtering) 증착, 레이저 증착(laser deposition), 화학 기체 증착(chemical vapor deposition) 등이 있으며, 박막의 종류로는 반도체, 고온 초전도체, 유전체 등 소자 제작을 위한 박막의 종류는 무한하다.
박막이 기판에 증착되는 특성은 기판의 재료와 기판의 결정 방향성 및 기판의 온도와 진공 챔버(vacuum chamber)의 기체 종류와 기체 분압 등의 영향을 받는다. 특히 증착되는 박막은 기판의 온도에 따라서 결정성, 비결정성, 기판과의 배향성, 화학 조성 및 증착 속도가 결정되며 이러한 요소들이 제작하고자 하는 박막의 물리적, 전기적 특성을 결정하게 된다.
따라서 기판의 온도를 조절하여 최적의 박막이 증착되는 온도를 찾게 되고, 이들 박막을 제조하는 진공 장비는 대부분 진공 챔버(vacuum chamber) 내부에 기판을 가열하는 가열판이 있으며 이 가열판에 기판을 부착하여 기판 위에 박막을 증착하게 된다.
한편, 마이크로파 소자 제작과 같이 대면적(large area)의 박막을 요구하는 분야가 발달되어감에 따라 조성, 미세 구조, 전기적 특성 등이 넓은 면적에 걸쳐서 균일한 박막이 필요하게 되었다.
기판을 회전시키지 않을 경우 박막이 국소적으로 불균일하게 증착되는 것을 피할 수 없으므로 회전에 의하여 평균적으로 균일하게 증착한다.
기계적으로 기판을 회전시키는 방법은 단순하지만 회전과 동시에 가열하는 것은 단순하지 않다. 이는 가열기의 전원을 공급하는 전선 때문에 가열판을 함께 회전시키는 것이 불가능하기 때문이다.
뿐만 아니라 고온 초전도체와 같이 800℃정도의 고온과 산소가 존재하는 분위기에서 박막을 제조해야 하는 경우에는 특별한 가열 기술이 필요하다.
따라서 대면적 박막을 미세구조가 균일하게 제작하기 위해서는 기판 가열과 함께 기판을 회전시키는 방법이 필수적이므로 박막 증착용 장치의 회전식 기판 가열 장치가 요구되어 왔다.
종래 기판 가열 장치로서 800℃정도의 고온과 산소가 존재하는 분위기에서 박막을 증착하기 위해 시판되고 있는 US Thin Film Products, INC. 제품은 기판 회전이 불가능하여 균일한 박막을 증착하기 어려운 것이었다. 또한 이 경우 발열체가 가열판체에 매몰된 상태로 설치되는 것이기 때문에 가열판체내에 발열체와 함께 충전되는 고체 절연 물질에 의한 단열 효과로 인하여 열효율이 저하되는 문제점이 있었다.
한편, 기판 회전과 고온 가열이 가능한 방법으로는 할로겐 램프를 사용하여 기판 상부에서 가열하는 것이 보편적이나 램프를 원판 형태로 제작할 수 없으므로 넓은 면적에서 온도 분포가 균일하지 못하다는 단점이 있다.
기판 회전과 고온 가열이 가능한 방법의 다른 방법으로는 기판의 상부와 하부에서 동시에 가열하는 방법이 있으나 이 방법은 가열기로부터 박막이 오염될 수도 있고 기판을 수직으로 세워야만 하는 것이어서 공정상 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 단점 및 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 기판의 회전이 가능하며 산소가 존재하는 분위기에서 고온 가열이 가능하고 온도 분포가 균일하게 되어 양질의 균일한 대면적 박막을 제조할 수 있도록 한 박막 제조용 진공장비의 회전식 기판 가열 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기판의 탈부착을 간편, 용이하게 할 수 있도록 하려는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기판이 수평으로 부착되거나 수직으로 부착되는 경우에도 기판을 회전 및 가열할 수 있도록 하려는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 박막 제조용 진공 장비의 회전식 기판 가열 장치의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 조립상태 사시도.
도 3은 본 발명의 조립상태 단면도.
**도면의주요부분에대한부호의설명**
10 : 가열기 11 : 가열기 본체
12 : 가열기 수납공간 13 : 축받이부
14 : 축공 15 : 전기절연 및 단열부재
16 : 발열체 지지홈 16a : 격벽
17 : 발열체 18a : 축관통공
20 : 기판 부착용 회전판 21 : 나사관통공
30 : 회전축 31 : 나사체결공
32 : 고정나사
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 수납공간을 가지며 그 중심에 상기 회전축이 관통되는 축공이 형성된 가열기 본체와, 상기 가열기 본체의 수납공간에 수납되며 상면이 개방된 다수개의 발열체 지지홈이 형성되고 중심에 축관통공이 형성된 전기절연 및 단열부재와, 상기 발열체 지지홈에 삽입 지지되는 발열체를 가지는 가열기와; 상기 회전축의 상단에 고정되어 가열기의 발열면상에서 회전하는 기판 부착용 회전판;으로 구성됨을 특징으로 하는 박막 제조용 진공장비의 회전식 기판 가열 장치가 제공된다.
이하, 본 발명에 의한 박막 제조용 진공 장비의 회전식 가열 장치를 첨부도면에 도시한 실시례에 따라서 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 박막 제조용 진공 장비의 회전식 기판 가열 장치의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 조립상태 사시도이며, 도 3은 본 발명에 의한 가열기의 단면도로서, 이에 도시한 바와 같이, 진공 챔버에 고정설치되는 가열기(10)와, 가열기(10)의 상면에서 가열기(10)와 독립적으로 회전되는 기판 부착용 회전판(20)으로 구성된다.
상기 가열기(10)는 수납공간(12)을 가지는 가열기 본체(11)와, 상기 가열기 본체(11)의 수납공간(12)에 수납되며 상면이 개방된 다수개(도면에서는 3개)의 발열체 지지홈(16)이 형성된 전기절연 및 단열부재(15)와, 상기 발열체 지지홈(16)에 삽입 지지되는 발열체(17)로 구성된다.
상기 가열기 본체(11)의 수납공간(12)은 바닥면(12a)과 이 바닥면(12a)의 가장자리에 형성된 주벽부(12a)에 의하여 원통형으로 형성된다. 상기 바닥면(12a)의 밑면 중심에는 축받이부(13)가 하방으로 연장형성되며, 상기 바닥면(12a)의 중심과 축받이부(13)의 중심에는 축공(14)이 형성되어 있다.
상기 전기절연 및 단열부재(15)는 산화물 내화재료로 제작된다.
상기 전기절연 및 단열부재(15)의 발열체 지지홈(16)은 외주벽(15a)과 다수개(도면에서는 2개)의 격벽(16a)에 의하여 한정되며, 중심부에는 축관통공(18a)을 가지는 보스부(18)가 형성되어 있다.
상기 발열체 지지홈(16)은 그 깊이가 발열체(17)의 각 턴(turn)의 직경보다 깊게 형성되어 그 상면에 상기 기판 부착용 회전판(20)을 설치하였을 때 발열체(17)와 상기 기판 부착용 회전판(20)이 접촉되지 않고 그 사이에 전기절연 및 열 전달 공간(S)이 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 전기절연 및 열 전달 공간(S)는 발열체(17)와 기판 부착용 회전판(20)간의 전기적인 절연을 달성함과 아울러 발열체(17)와 기판 부착용 회전판(20)간의 직접적인 열전도에 의한 기판 부착용 회전판(20)의 국부적인 과열을 방지하기 위한 것이다. 상기 전기절연 및 열 전달 공간(S)의 높이는 전기절연과 열 전달을 만족시킬 수 있는 정도이면 충분하며, 약 2∼3mm정도로 하는 것이 바람직하다.
또한 상기 전기절연 및 단열부재(15)의 외주벽(15a)은 상기 발열체 지지홈(16)을 한정하는 격벽(16a)보다 높게 형성하여 그 상단 내면에 상기 회전체(20)가 삽입되는 상태로 결합되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 발열체(17)는 산화를 방지하기 위하여 백금 또는 백금이 첨가된 합금을 사용할 수도 있으나 고온의 공기 분위기에서도 우수한 내산화성을 가지면서도 경제적인 칸탈선(Kanthal wire)을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 박막 제조용 진공 챔버의 경우 박막 제조시의 산소 분압이 공기의 산소 분압인 0.2기압보다 훨씬 낮으므로 발열체(30)로서 칸탈선을 사용하더라도 산화에 의한 발열체의 퇴화는 문제되지 않는다.
상기 가열기(10)에는 열전대(도시되지 않음)을 설치하여 발열체(17)에 의한 온도를 제어하도록 되어 있다. 상기 열전대로서는 800℃ 부근에서 신뢰도가 높은 케이 타입(K-type)을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 반드시 이로서 국한되는 것은 아니며, 전기절연 및 단열부재(15)를 제작하는 구성 물질이나 방법및 박막을 제조하는 온도 영역에 따라서 선택할 수 있다.
상기 발열체(17)에 연결되는 전원공급선(도시되지 않음)은 제작자 또는 사용자의 필요에 따라 통상적인 방법으로 인출하면 된다. 이 때 상기 가열기(10)는 회전하는 것이 아니므로 전원공급선의 인출에 아무런 어려움이 없게 된다.
상기 기판 부착용 회전판(20)은 그 중심에 나사관통공(21)이 형성되고 상기 회전축(30)은 그 상단에 나사체결공(31)이 형성되어 상기 회전축(30)을 상기 축받이부(13)와 바닥면(12a)의 축공(14) 및 전기절연 및 단열부재(15)의 축관통공(18a)을 밑에서 위로 관통하여 상기 기판 부착용 회전판(30)의 저면에 밀착시킨 상태에서 상기 나사관통공(21)을 관통하는 고정나사(32)를 나사체결공(31)에 체결하는 것에 의하여 기판 부착용 회전판(20)과 회전축(30)이 일체로 회전되도록 구성된다.
상기 기판 부착용 회전판(20)은 가열기(10)의 열을 기판에 효율적으로 전달할 수 있는 열전도도와 800℃ 정도의 고온에서도 산소 분위기에서 산화되지 않는 내식성을 가짐과 아울러 기판을 탈착하는 과정에서 또는 오염 물질을 제거하는 과정에서도 변형되지 않는 기계적 강도를 가지며 또한 경제성이 있는 재질, 예컨대 스테인레스 스틸(stainless steel)로 형성하는 것이 바람직하다.
또한 기판 부착용 회전판(20)은 제작하고자 하는 박막의 특성에 따라 기판 부착용 회전판(20)으로부터의 오염 등의 문제를 배제하기 위하여 적절한 재질을 선택할 수도 있다.
본 발명자는 상기 기판 부착용 회전판(20)의 크기는 직경 3인치, 두께 2밀리미터정도로 제작하여 실험하였으나 반드시 이로서 국한되는 것은 아니다.
상기 회전축(30)은 도시하지는 않았으나 통상적인 회전구동수단, 예컨대 진공 챔버내에 설치된 구동모터에 의하여 회전되는 구동기어와 상기 회전축(30)에 고정되어 상기 구동기어에 맞물리는 종동기어 등으로 구성되는 회전구동수단에 의하여 회전시킬 수 있는 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 박막 제조용 진공 장비의 회전식 기판 가열 장치의 작용을 설명한다.
본 발명에 의한 회전식 기판 가열 장치를 스퍼터링용 진공 챔버에 장착하고, 기판 부착용 회전판(20)에 박막 제조용 기판을 부착하였다.
기판 부착용 회전판(20)에 박막 제조용 기판을 부착함에 있어서는 진공 챔버 내에서의 작업이 번거로우므로 고정나사(32)를 해체하여 상기 기판 부착용 회전판(20)을 회전축(30)으로부터 분리한 상태에서 진공 챔버 외부에서 기판 부착용 회전판(20)상에 박막 제조용 기판을 부착하고, 다시 고정나사(32)를 기판 부착용 회전판(20)의 나사관통공(21)을 통하여 회전축(30)의 나사공(31)에 체결하는 것에 의하여 기판의 부착을 간편하게 수행할 수 있다.
이 상태에서 진공 챔버 내부의 압력을 강하시킴과 아울러 가열기(10)의 발열체(17)에 전원을 공급하고, 회전구동수단에 의하여 회전축(30)과 기판 부착용 회전판(20) 및 기판 부착용 회전판(20)에 부착된 기판을 회전키면서 박막을 증착시키는 것이다.
이 때 상기 기판 부착용 회전판(20)은 가열기(10)의 바닥면(12a) 밑면에 형성된 축받이부(13)에 형성된 축공(14) 및 전기절연 및 단열부재(15)의 중심에 형성된 축관통공(18a)에 삽입되어 가열기(10) 및 전기절연 및 단열부재(15)와는 독립적으로 회전되는 회전축(30)의 상단에 고정되어 있으므로 기판 부착용 회전판(20)이 회전함에 있어서 다른 요소, 예컨대 가열기(10)의 발열체(17)에 연결되는 전원공급선 등과 간섭을 일으키는 일이 없이 그 회전이 원활하게 이루어지게 된다.
승온 실험 결과, 진공 챔버 내부의 압력을 200 미리토르(mtorr)로 하였을 때 가열기(10)의 온도를 900℃까지 승온시킬 수 있었으며, 이 때 회전구동수단에 의하여 회전되는 기판 부착용 회전판(20)상에 부착된 기판 표면의 실제 온도를 가열기(10)의 온도보다 낮은 800℃로 유지할 수 있었다.
이 때, 가열된 상태에서 기판 부착용 회전판(20)은 회전구동수단에 의하여 15rpm정도로 하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.
상술한 승온 및 회전 능력 실험에 이어 고온초전도 박막을 증착하였다.
Y-Ba-Cu-O계 고온초전도체를 대각선으로 1인치 크기의 LaAlO3기판에 증착하였다. 기판의 온도는 720℃, 회전 속도는 15rpm이었다.
제조된 박막의 조성을 분석한 결과 조성이 균일한 우수한 박막임을 확인할 수 있었다.
박막의 조성 분포를 전자 탐침 미세분석(Electron Probe Microanalysis, EPMA)을 이용하여 분석한 결과 전체 면적에 걸쳐서 Y, Ba, Cu의 각각 조성이 표준편차 0.6이내의 균일한 분포를 보였다.
한편, 박막의 제조가 완료되고 기판 부착용 회전판(20)으로부터 기판을 탈거하는 경우에도 고정나사(32)를 해체하여 기판 부착용 회전판(20)을 회전축(30)으로부터 분리한 다음 진공 챔버의 외부에서 기판을 탈거하는 것에 의하여 기판의 탈거 작업을 용이하게 수행할 수 있게 되는 것이다.
또한 도시례에서는 회전축(30)을 수직으로 설치하고 가열기(10) 및 기판 부착용 회전판(20)을 수평으로 설치하였으나, 반대로 회전축(30)을 수평으로 설치하고 가열기(10) 및 기판 부착용 회전판(20)을 수직으로 설치할 수도 있는 것이다.
이와 같이 기판 부착용 회전판(20)을 수직으로 설치할 경우에는 진공흡착수단이나 정전흡착수단을 구비한다.
또한 도시례에서는 고정나사(32)의 머리부가 기판 부착용 회전판(20)보다 돌출되어 있는 것으로 도시되어 있는 바, 이는 하나의 예시적인 것일 뿐 반드시 이로서 국한되는 것이 아니다.
즉, 회전판의 상면에 돌출된 나사를 수용할 수 있는 구멍을 가지는 원판을 덧붙임으로써 나사에 의한 방해를 받지 않고 기판을 부착할 수도 있으며, 회전판의 두께를 나사돌출높이만큼 더 두껍게 하여 나사가 돌출되지 않도록 할 수 있는 것이다. 그 밖에도 각종 분야에서 널리 사용되고 있는 접시머리나사를 사용할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 가열기와의 간섭을 일으키지 않고 기판이 부착되는 기판 부착용 회전판을 회전시키는 것에 의하여 회전과 가열을 동시에 수행함으로써 온도의 분포가 균일하게 됨과 아울러 산소가 존재하는 분위기에서도 고온 가열이 가능하므로 양질의 균일한 대면적 박막을 제조할 수 있게 되는 것이다.
또한 본 발명에 의하면 가열기를 관통하는 회전축에 기판 부착용 회전판을 고정나사에 의하여 탈부착 가능하게 설치하였으므로 기판을 진공챔버내에서 탈부착하지 않고 기판 부착용 회전판을 분리하여 진공 챔버의 외부에서 기판을 탈부착하는 것에 의해 기판의 탈부착을 간편, 용이하게 수행할 수 있게 되는 것이다.
또 본 발명에서는 진공 챔버에 고정되는 가열기에 관통 지지되는 회전축에 기판 부착용 회전판을 고정한 것으로서 기판을 수평 상태뿐만 아니라 수직 상태로도 설치하여 사용할 수 있게 되는 효과가 있는 것이다.

Claims (6)

  1. 수납공간을 가지며 그 중심에 상기 회전축이 관통되는 축공이 형성된 가열기 본체와, 상기 가열기 본체의 수납공간에 수납되며 상면이 개방된 다수개의 발열체 지지홈이 형성되고 중심에 축관통공이 형성된 전기절연 및 단열부재와, 상기 발열체 지지홈에 삽입 지지되는 발열체를 가지는 가열기와; 상기 회전축의 상단에 고정되어 가열기의 발열면상에서 회전하는 기판 부착용 회전판;으로 구성됨을 특징으로 하는 박막 제조용 진공장비의 회전식 기판 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열기 본체의 수납공간은 바닥면과 주벽에 의하여 원통형으로 형성되며, 상기 축공은 상기 바닥면과 이 바닥면의 밑면에서 하방으로 연장되는 축받이부에 천공됨을 특징으로 하는 박막 제조용 진공장비의 회전식 기판 가열 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기절연 및 단열부재의 발열체 지지홈은 외주벽과 다수개의 격벽에 의하여 한정되며, 상기 축관통공은 중심에 형성된 보스부에 형성된 것을 특징으로 하는 박막 제조용 진공장비의 회전식 기판 가열 장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 발열체 지지홈은 그 깊이가 발열체의 각 턴의 직경보다 깊게 형성되어 그 상면에 설치되는 기판 부착용 회전판과 발열체 사이에 전기절연 및 열 전달 공간(S)이 형성됨을 특징으로 하는 박막 제조용 진공장비의 회전식 기판 가열 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 전기절연 및 단열부재의 외주벽은 그 높이를 상기 발열체 지지홈을 한정하는 격벽의 높이보다 높게 형성되어 그 상단 내면에 상기 회전체가 삽입되는 상태로 결합됨을 특징으로 하는 박막 제조용 진공장비의 회전식 기판 가열 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판 부착용 회전판의 중심에는 나사관통공이 형성되고, 상기 회전축의 상단에는 나사체결공이 형성되어 상기 나사관통공을 통해 나사체결공에 고정나사를 체결하는 것에 의하여 회전판과 회전축이 탈착 가능하게 결합됨을 특징으로 하는 박막 제조용 진공장비의 회전식 기판 가열 장치.
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