KR100466825B1 - Fabricating Technology for Thin Film Deposition system using pulsed Laser - Google Patents

Abstract

본 발명은 증착 시료 타겟으로부터 기화된 시료 물질이 열에너지를 간직한 상태로 기판에 증착되도록 열벽로를 설치함으로써 완전한 단결정 박막을 성장시킬 수 있도록 하는 박막 증착 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a thin film deposition apparatus capable of growing a complete single crystal thin film by installing a heat path such that a sample material vaporized from a deposited sample target is deposited on a substrate while retaining thermal energy.

이러한 목적은, 내부가 진공 상태로 유지되며 그 상부면에는 수정 유리창이 구비된 챔버의 내부에 증착 시료 타겟이 장착되고,For this purpose, the deposition sample target is mounted inside the chamber, the inside of which is maintained in a vacuum state and the upper surface of which is provided with a crystal glass window,

외부에 설치된 펄스 레이저가 상기 수정 유리창을 통해 증착 시료 타겟에 펄스 레이저를 조사하여 시료를 증발시키게 되어 그 증발된 시료가 진공 중에 확산되어 기판 상에 단결정 박막을 성장시키도록 구성되며,An external pulse laser is irradiated with a pulsed laser to the deposition sample target through the crystal glass window to evaporate the sample so that the vaporized sample is diffused in a vacuum to grow a single crystal thin film on the substrate,

원통형의 구조를 가지고 그 외측에 열선이 권취된 열 벽로의 내부에 상기 기판이 장착되며, 상기 열 벽로는 증착 시료 타겟의 전방에서 근접하여 설치됨으로써 상기 증착 시료 타겟으로부터 기화된 입자가 기판쪽으로 이동시 열에너지를 유지하도록 하며,The substrate is mounted inside a thermal wall having a cylindrical structure and wound with a heating wire on the outside thereof, and the thermal wall is installed in front of the deposition sample target so that the vaporized particles from the deposition sample target move toward the substrate. To maintain

상기 기판의 온도를 열 벽로의 온도보다 낮추기 위한 온도 조절 수단 및 상기 기판 상에 균일한 단결정 박막을 형성하기 위하여 기판을 회전시키는 회전 수단으로 구성됨으로써 달성된다.Temperature control means for lowering the temperature of the substrate below the temperature of the thermal wall and rotation means for rotating the substrate to form a uniform single crystal thin film on the substrate.

Description

펄스 레이저를 이용한 박막 증착 장치{Fabricating Technology for Thin Film Deposition system using pulsed Laser}Fabrication Technology for Thin Film Deposition system using pulsed Laser}

본 발명은 박막 증착 장치에 관한 것으로, 특히 시료 증발원의 증발 에너지원을 펄스 레이저를 사용하여 박막을 성장시도록 한 펄스 레이저를 이용한 박막 증착 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film deposition apparatus, and more particularly, to a thin film deposition apparatus using a pulse laser to grow a thin film using a pulse laser as the evaporation energy source of a sample evaporation source.

전자 부품 산업의 발전으로 박막 제조를 위한 초박막화(Quantum dot), 단결정 박막화(Single crystal thin film), 완전한 단결정 박막(Perfect single crystal thin film) 등의 박막 공정 기술이 요구되고 있다.With the development of the electronic component industry, thin film processing technologies such as quantum dots, single crystal thin films, and perfect single crystal thin films for thin film manufacturing are required.

종래의 박막 증착 방법은 시료 증발원(target)의 에너지 원을 열 저항에 의해 가열, 기화시켜 박막을 성장시키는 진공 증착, 분자살 적층(MBE), 기상 적층(VPE), 액상 적층(LPE) 등과 같은 이온 조사 증착법으로 이루어진다.이러한 시료 증발원에 열을 가하기 위하여 진공 고주파 전기로를 이용하게 되는데, 시료 증발원의 녹는 온도(Melting point)가 높은 산화 화합물(자성체, 초전도체 물질 등), 반도체 화합물의 박막을 성장시킬 수 있으나. 이러한 박막 증착 장비는 고가이며, 그 구조가 복잡하여 경제적으로나 기술적으로 결코 이롭지 못한 문제점이 있다.Conventional thin film deposition methods include vacuum deposition, molecular weight deposition (MBE), vapor phase deposition (VPE), liquid phase deposition (LPE), etc., in which a thin film is grown by heating and vaporizing an energy source of a sample evaporation target with heat resistance. In order to apply heat to the sample evaporation source, a vacuum high frequency electric furnace is used to grow a thin film of an oxidizing compound (magnetic material, superconductor material, etc.) having a high melting point (magnetic material, superconductor material, etc.) of the sample evaporation source. But can. Such thin film deposition equipment is expensive, and its structure is complicated, so there is a problem that it is economically and technically never advantageous.

또한, 시료 증발원으로부터 기판으로 기화된 증착 시료가 이동시에 열 에너지를 상실하게 되므로 완전한 단결정 박막을 성장시키지 못하는 경우가 발생한다.In addition, since the deposited sample vaporized from the sample evaporation source to the substrate loses heat energy when moving, a complete single crystal thin film may not be grown.

따라서 본 발명은 이러한 점을 감안한 것으로, 본 발명은 증착 시료 타겟으로부터 기화된 시료 물질이 열에너지를 간직한 상태로 기판에 증착되도록 열벽로를 설치함으로써 완전한 단결정 박막을 성장시킬 수 있도록 하는 박막 증착 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and the present invention provides a thin film deposition apparatus capable of growing a complete single crystal thin film by installing a heat path such that a vaporized sample material from a deposition sample target is deposited on a substrate while retaining thermal energy. Its purpose is to.

도 1 은 본 발명에 의한 박막 증착 장치를 나타낸 도.도 2 는 도 1 의 시료 증착 타겟의 상세도.도 3 은 도 1 의 열 벽로의 상세도.도 4 는 본 발명에 의해 증착된 박막의 이중 결정 X선 요동 곡선을 나타낸 도.도 5 는 본 발명에 의해 증착된 단결정 박막의 성장 상태를 보인 사진.도 6 은 종래와 본 발명에 의하여 증착된 박막의 특성을 비교한 도.〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉1 : 펄스 레이저 2 : 타켓3 : 열벽로 4 : 기판1 is a view showing a thin film deposition apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a detailed view of the sample deposition target of FIG. 1. FIG. 3 is a detailed view of the thermal wall of FIG. 1. FIG. 4 is a view of a thin film deposited by the present invention. Fig. 5 is a photograph showing a growth state of a single crystal thin film deposited according to the present invention. Fig. 6 is a view comparing the characteristics of a thin film deposited according to the prior art and the present invention. Explanation of symbols for main parts> 1: Pulse laser 2: Target 3: Heat wall 4: Board

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 펄스 레이저를 이용한 박막 증착 장치는,내부가 진공 상태로 유지되며 그 상부면에는 수정 유리창이 구비된 챔버의 내부에 증착 시료 타겟이 장착되고,외부에 설치된 펄스 레이저가 상기 수정 유리창을 통해 증착 시료 타겟에 펄스 레이저를 조사하여 시료를 증발시키게 되어 그 증발된 시료가 진공 중에 확산되어 기판 상에 단결정 박막을 성장시키도록 구성되며,원통형의 구조를 가지고 그 외측에 열선이 권취된 열 벽로의 내부에 상기 기판이 장착되며, 상기 열 벽로는 증착 시료 타겟의 전방에서 근접하여 설치됨으로써 상기 증착 시료 타겟으로부터 기화된 입자가 기판쪽으로 이동시 열에너지를 유지하도록 하며,상기 기판의 온도를 열 벽로의 온도보다 낮추기 위한 온도 조절 수단 및 상기 기판 상에 균일한 단결정 박막을 형성하기 위하여 기판을 회전시키는 회전 수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.Thin film deposition apparatus using a pulse laser according to the present invention for achieving this object, the inside is maintained in a vacuum state, the upper surface of the deposition sample target is mounted on the inside of the chamber provided with a crystal glass window, the pulse installed outside The laser is irradiated with a pulsed laser on the deposition sample target through the crystal glass window to evaporate the sample so that the vaporized sample is diffused in a vacuum to grow a single crystal thin film on the substrate, having a cylindrical structure on the outside The substrate is mounted inside a thermal wall in which a heating wire is wound, and the thermal wall is installed in front of the deposition sample target to maintain thermal energy when the vaporized particles move from the deposition sample target toward the substrate. Temperature control means for lowering the temperature below the temperature of the thermal wall and It is characterized by consisting of a rotating means for rotating the substrate to form a single-crystal thin film.

이와 같이 구성되는 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.도 1 은 본 발명에 의한 박막 증착 장치를 나타낸 도로서, 스테인레스 스틸로 형성된 챔버의 내부에 증착 시료 타겟(2)이 지지 구조물에 의하여 고정 설치되고, 챔버의 측면에는 챔버 내부를 진공 상태로 만들기 위한 진공 시스템이 구비되며, 상기 진공 시스템은 챔버 내부를 10-6 mmHg의 진공도를 갖도록 한다.상기 증착 시료 타겟(2)은 도 2 에 도시한 바와 같이 가로 30 mm, 세로 50 nm, 두께 30 mm 정도의 플레이트의 중심부에 직경 10 mm 정도로 형성된 요홈에 장착된다.한편, 챔버의 상부에는 수정으로 된 수정 유리창이 구비되고, 그 외측에 펄스 레이저(1)가 구비되는데, 상기 펄스 레이저(1)는 355 nm 또는 1064 nm의 파장과 3.0 J/cm²의 에너지 밀도를 가지며, 펄스 형태의 레이저 빔을 상기 수정 유리창을 통해 증착 시료 타겟(2)에 조사하게 된다.이때, 펄스 레이저(1)의 전단에는 레이저 빔 회전 시스템이 구비되어 증착 시료 타겟(2)에 골고루 레이저 빔이 조사되도록 하며, 증착 시료 타겟(2)에 레이저 빔의 입사각은 45 도를 유지함이 바람직하다.상기 증착 시료 타겟(2)은 녹는 온도가 높은 산화물, 반도체 물질을 성형 소결하여 만들게 되며, 상기 증착 시료 타겟(2)에 조사된 레이저는 그 레이저 광량자의 에너지가 고체 상태의 증착 시료 타겟(2)에 흡수되고, 그 에너지에 의하여 증착 시료 타겟(2)의 온도가 급격히 상승됨으로써 기화된다.즉, 고 에너지의 레이저 빔이 증착 시료 타겟(2)에 집속되어 레이저 빔의 빛과 열에 의해 절연 붕괴(dielectric breakdown)가 유기되고, 대부분의 광량자 에너지는 증착 시료 타겟(2)에 흡수되며, 이 흡수된 광자 에너지는 전자와 격자의 진동자에 의하여 증착 시료 타겟(2)의 온도를 급격히 높힘으로써 기화시키게 된다.이 기화된 증착 물질은 진공 상태의 챔버 내에서 확산되며, 열 벽로(3)를 통하여 기판(4)쪽으로 이동하여 기판(4)의 상부에 단결정 박막을 증착시키게 된다. 이때, 증발원인 증착 시료 타겟(2)과 기판(4)의 거리가 가까우면 기회된 증착 시료 덩어리 입자가 기판에 증착될 수 있으므로 증착 시료 타겟(2)과 기판(4)의 거리를 10 cm정도 이격시켜서 설치한다.그런데, 일반적으로 기화된 증착 시료가 확산 이동하면서 그 고유의 열에너지를 상실함으로 인해 기판에 올바르게 증착하지 못하는 경우가 빈번하여 양질의 박막을 형성하지 못하게 된다.따라서, 증착 시료가 확산 이동시 그 열에너지를 유지할 수 있도록 열벽로(3)를 구비하게 된다.상기 열 벽로(Hot Wall Furnace)(3)는 도 3에 도시한 바와 같이 길이 150 mm, 직경 30 mm 정도의 원통체로 구성되며, 그 외측에는 구경 4 mm 정도의 텅스텐 열선이 권취되어 있다.이때, 상기 기판(4)은 가로 세로 각 10 mm 정도의 크기를 가지며, 열 벽로(3)의 내부에서 후방 3/1 지점에 설치됨이 바람직하다.따라서, 열 벽로(3)의 내부로 확산 이동되는 증착 시료는 열에너지를 유지한 상태에서 기판(4)의 상부에 증착되는 것이다.상기 기판(4)은 기판 지지 구조물에 장착되어 모터와 소프 라켓에 의하여 2-5 mm/hr의 속도로 회전함으로써 균일하게 시료가 증착됨으로써 균일한 단결정 박막이 성장되는데, 이때, 상기 기판(4)의 온도를 열 벽로(3)의 온도보다 100-150℃ 정도 낮추기 위하여 온도 조절기가 상기 기판 지지 구조물을 냉각시키게 되며, 아울러 그 온도 조절기는 상기 열 벽로(3)에 연결되어 가열하게 된다.즉, 증착 시료 타겟(2)으로부터 방출되는 증착 시료 입자들의 운동 에너지가 200-400 eV로 낮으므로, 기판(4)의 온도를 낮게 함으로써 낮은 온도에서 결정화가 이루어져 완전한 박막 성장이 가능하게 되는 것이다.도 4 는 종래의 분자살 적층(MBE)과 본 발명에 의하여 각각 증착된 CuGaSe2 박막의 이중 X선 요동 곡선을 나타낸 도로서, 반치폭이 종래의 분자살 적층(MBE)의 경우인 276 arc sec 보다 본 발명에 의한 경우가 121 arc sec로 2.3배 정도 좁게 나타남으로써 결정성에 있어서 우수함으로 보여준다.도 5 는 단결정 박막 조사를 행한 것으로, 종래의 분자살 적층(MBE)의 경우에는 다결정으로 성장되었으나, 본 발명에 의한 경우에는 단결정으로 성장되었음을 보여준다.도 6 은 종래의 분자살 적층(MBE)과 본 발명에 의한 경우에 대한 특성을 보여주는 것으로서, 합성 성분비, 전기적 특성, 광학적 특성, 결정성 조사. 단결정 박막 조사 항목에서 모두 우수한 결과를 보여준다.The present invention configured as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a view showing a thin film deposition apparatus according to the present invention, in which a deposition sample target 2 is formed inside a chamber formed of stainless steel. It is fixedly installed by a side, the side of the chamber is provided with a vacuum system for vacuuming the interior of the chamber, the vacuum system to have a vacuum degree of 10-6 mmHg inside the chamber. The deposition sample target 2 is shown in FIG. As shown in Fig. 10, a 30 mm long, 50 nm long, 30 mm thick plate is mounted in a groove formed about 10 mm in diameter. On the other hand, the upper part of the chamber is provided with a quartz crystal glass window, A pulse laser 1 is provided, which has a wavelength of 355 nm or 1064 nm and an energy density of 3.0 J / cm ² , and modifies the laser beam in the form of a pulse. The deposition sample target 2 is irradiated through the glass window. At this time, a laser beam rotating system is provided at the front end of the pulse laser 1 to uniformly irradiate the deposition sample target 2 with the laser beam. 2, the incident angle of the laser beam is preferably maintained at 45 degrees. The deposition sample target 2 is formed by molding and sintering an oxide and a semiconductor material having a high melting temperature, and the laser irradiated onto the deposition sample target 2. The energy of the laser photon is absorbed by the deposition sample target 2 in the solid state, and the energy is vaporized by rapidly raising the temperature of the deposition sample target 2. The laser beam of high energy is vaporized by the deposition sample target. Focused on (2), the dielectric breakdown is induced by the light and heat of the laser beam, and most of the photon energy is absorbed by the deposition sample target (2), and the absorbed photon energy The vaporization of the vapor deposition sample target 2 is caused by vaporization of electrons and lattice oscillators. The vaporized deposition material diffuses in a vacuum chamber and is directed to the substrate 4 through the thermal wall 3. By moving, a single crystal thin film is deposited on the substrate 4. At this time, when the distance between the deposition sample target 2 and the substrate 4, which is the evaporation source, is close, the opportunity deposition sample agglomerate particles may be deposited on the substrate, so that the distance between the deposition sample target 2 and the substrate 4 is about 10 cm. However, in general, vaporized deposited samples are diffused and moved, and their inherent thermal energy is lost, so that they cannot be deposited correctly on the substrate, and thus a thin film of good quality cannot be formed. The heat wall (3) is provided to maintain the heat energy during the movement. The hot wall furnace (Hot Wall Furnace) (3) is composed of a cylindrical body of about 150 mm in length, 30 mm in diameter, On the outside thereof, a tungsten hot wire having a diameter of about 4 mm is wound. At this time, the substrate 4 has a size of about 10 mm in width and length, and is installed at the rear 3/1 point inside the thermal wall 3. bar Thus, the deposition sample diffused and moved into the thermal wall 3 is deposited on top of the substrate 4 while maintaining the thermal energy. The substrate 4 is mounted on the substrate support structure and mounted on the motor and soap. The sample is uniformly deposited by rotating at a rate of 2-5 mm / hr by the racket, thereby growing a uniform single crystal thin film, wherein the temperature of the substrate 4 is 100-150 ° C. above the temperature of the thermal wall 3. In order to reduce the degree, a thermostat cools the substrate support structure, and the thermostat is connected to the heat path 3 to heat it, that is, the kinetic energy of the deposited sample particles emitted from the deposited sample target 2. Since 200 is low at 200-400 eV, crystallization takes place at a low temperature by lowering the temperature of the substrate 4 to enable complete thin film growth. Double X-ray fluctuation curves of CuGaSe2 thin films deposited by light, respectively, whose half width is 2.3 times narrower by 121 arc sec than 276 arc sec, which is the case of conventional molecular weight stacking (MBE). Fig. 5 shows a single crystal thin film irradiation, which was grown to polycrystal in the case of the conventional molecular weight stack (MBE), but was grown to single crystal in the present invention. It shows the characteristics of the conventional molecular weight stack (MBE) and the case according to the present invention, the synthesis component ratio, electrical properties, optical properties, crystallinity investigation. All of the single-crystal thin film irradiation items show excellent results.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 열벽로에 의해 증착 시료 타겟으로부터 기화된 시료 물질이 열에너지를 간직한 상태로 기판에 증착됨으로써 완전한 단결정 박막을 성장시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has an effect of growing a complete single crystal thin film by depositing a sample material vaporized from a deposition sample target by a thermal wall onto a substrate while retaining thermal energy.

Claims (4)

내부가 진공 상태로 유지되며 그 상부면에는 수정 유리창이 구비된 챔버의 내부에 증착 시료 타겟이 장착되고,The inside of the chamber is kept in a vacuum state, and the upper surface thereof is equipped with a deposition sample target inside the chamber provided with a crystal glass window, 외부에 설치된 펄스 레이저가 상기 수정 유리창을 통해 증착 시료 타겟에 펄스 레이저를 조사하여 시료를 증발시키게 되며, 그 증발된 시료가 진공 중에 확산되도록 함으로써 기판 상에 단결정 박막을 성장시키도록 구성되며,The externally mounted pulse laser irradiates the deposited sample target with a pulsed laser through the crystal glass window to evaporate the sample, and allows the evaporated sample to diffuse in a vacuum to grow a single crystal thin film on the substrate. 원통형의 구조를 가지고 그 외측에 열선이 권취된 열 벽로의 내부에 상기 기판이 장착되며, 상기 열 벽로는 증착 시료 타겟의 전방에 근접하여 설치됨으로써 상기 증착 시료 타겟으로부터 기화된 입자가 기판쪽으로 이동시 열에너지를 유지하도록하며,The substrate is mounted inside a thermal wall having a cylindrical structure and wound with a heating wire on the outside thereof, and the thermal wall is installed close to the front of the deposition sample target, so that the heat evaporated from the deposition sample target toward the substrate is transferred. To maintain 상기 기판의 온도를 열 벽로의 온도보다 낮추기 위한 온도 조절 수단, 및 상기 기판 상에 균일한 단결정 박막을 형성하기 위하여 기판을 회전시키는 회전 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 펄스 레이저를 이용한 박막 증착 장치.Thin film deposition apparatus using a pulse laser, characterized in that the temperature control means for lowering the temperature of the substrate than the temperature of the thermal wall, and the rotating means for rotating the substrate to form a uniform single crystal thin film on the substrate. 삭제delete 삭제delete 삭제delete