KR100846148B1 - 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고상 파우더를 이용한 증착박막의 형성방법 및 그 장치를 제공하기 위한 것으로, 증착원료인 고상 파우더를 수송 가스로써 에어로졸화한 후 에어로졸화된 미립자를 모재에 충돌시킴에 있어서 모재가 위치한 공간을 포함하는 영역을 간헐적으로 밀폐시킴으로써 간헐적으로 감압을 증폭시켜 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 가속화하여 충돌시킴으로써 상온에서 양질의 박막을 얻어내는 발명이다.

초음속, 박막

Description

고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법 및 장치{Deposition method using powder material and device thereby}

도 1은 종래의 방법에 따라서 증착부에서 일정하게 감압하면서 수송 가스를 흘릴 때와 본 발명에 따라서 증착부를 포함하는 영역을 간헐적으로 밀폐시킴으로써 간헐적으로 감압을 증폭시키는 방법으로 증착 및 비증착을 반복하는 경우에 따른 증착 챔버 내의 압력변화를 도식화한 비교 그래프이다.

도 2는 550 l.s.m 의 펌핑 속도를 갖는 국산 로타리 펌프를 이용하여 증착부에서 감압하면서, 종래의 방법에 따라서 일정하게 수송 가스를 흘릴 때와 본 발명에 따라서 증착부를 포함하는 영역을 간헐적으로 밀폐시킴으로써 간헐적으로 감압을 증폭시키는 방법으로 증착 및 비증착을 반복하는 경우에 따른 시간에 따른 증착 챔버 내의 압력변화 비교 그래프이다.

도 3은 본 발명 장치의 일 실시예의 개략도이다.

도 4는 본 발명 장치의 다른 일 실시예의 개략도이다.

도 5는 본 발명 장치의 또 다른 일 실시예의 개략도이다.

도 6은 본 발명에 따른 증착방법의 원리를 보여주는 모식도이다.

도 7은 Y₂O₃ 분말을 원료 분말로 하여 본 발명에 따른 방법으로 증착시켜 얻어진 Y₂O₃ 박막의 SEM 사진이다.

도 8은 탄소 나노튜브를 원료 분말로 하여 본 발명에 따른 방법으로 증착시켜 얻어진 Y₂O₃ 박막의 SEM 사진이다.

<도면 주요 부호의 설명>

10, 100, 1000 - 원료 공급부 20, 200, 2000 - 증착부

1, 91, 991 - 원료 분말 2, 92, 992 - 다공성 가로막

3, 93, 993 - 수송 가스 4, 94, 994 - 가스 수송관

5, 95, 995 - 제 1 개폐수단 5', 95', 995' - 제 2 개폐수단

6, 96, 996 - 에어로졸 미립자 7, 97, 997 - 에어로졸 공급관

8, 98, 998 - 노즐 9 - 체결부

11 - 챔버 80 - 송풍수단

90 - 유량조절 수단

15, 915, 1915 - 기판홀더 16, 916, 1916 - 기판

17, 917, 1917 - 기판 이동부 18, 918, 1918 - 가스배출구

본 발명은 종래의 고상 파우더를 이용한 증착박막 제조방법을 한 단계 발전시켜 다양한 박막들을 기판에 상관없이 상온에서 고효율로 얻어낼 수 있는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법과 그 장치에 관한 것이다.

종래 고상 파우더를 이용한 박막 형성방법으로는, 대표적으로 CVD (Chemical vapor deposition)법과 PVD (Physical vapor deposition)법이 있다. 이들 방법은 기판 온도 조절부, 고진공 시스템, 프리커서 조절기 등을 포함하여 고가의 장비가 요구된다.

CVD, PVD와는 대조적으로 비교적 저압 혹은 상압에서 기판을 가열하지 않고, 즉 저가의 상온 상압 박막 제조법이 있다.

1984년 일본의 Kashu 등은 100 nm 정도의 금속, 세라믹 파우더를 에어로졸 챔버에서 수송 가스와 함께 에어로졸로 만들어 증착 챔버로 수송시켜 코팅하는 방법을 개발하였다. 증착시 파티클의 속도는 30 m/s 이다. 즉 에어로졸로 된 원료 파우더는 초속 30 m로 기판에 충돌하여 기판위에 강하게 고정 된다 (S. Kashu et al., Japanese Journal of Applied Physics 23, L910 (1984)).

1990년대 후반에 접어들면서 일본의 Akedo는 에어로졸 증착기술을 더욱더 발전시켜 에어로졸 입자의 속도를 200-500 m/s로 향상시키고 파티클의 종류도 다양화 시키며 산업체가 요구하는 다양한 박막들을 제조하기 시작하여 고상파우더의 에어로졸 증착법을 발전시켰다.

이들 상온 상압 박막 제조법은 가스 증착법 혹은 에어로졸 증착법이라 불리 운다. 증착부에서 감압함에 따라서 에어로졸화된 미립자들이 고속으로 가속화되어 기판에 부딪힐 때 높은 운동에너지가 강한 충돌에너지로 바뀌고 이 충돌 에너지를 이기지 못하고 입자들은 깨지게 된다. 순간적으로 깨진 입자들은 깨끗한 결정면들을 표면에 노출이 되면서 기판에 박히게 되고 연이어 생성되는 파편들과의 결정면 결합과 강한 충돌에너지에 의하여 막의 성장이 일어나게 된다.

따라서 다음 식1과 같이 에어로졸 입자는 질량(M)이 크고 속도(V)가 빠를수록 높은 운동에너지(E)를 가져 충돌시 효율적으로 입자가 깨지고 박막으로 성장될 수 있다.

(식1) E=1/2MV ²

이 때 에어로졸 입자의 속도(V)는 다음 식2에서 나타낸 것과 같이 주변 가스의 이동속도와 양에 크게 연관이 있다. 즉 "얼마나 많은 양의 가스가 얼마나 빠른 속도로 입자를 밀어내는가?"가 입자의 가속 능력에 연관이 된다.

(식2) V ∝ 가스의 속도×가스의 유량

가스의 이동 속도는 또한 다음 식 3에서 보는 것처럼 주변 가스의 초기압력 P와 감압을 위한 진공펌프의 펌핑 속도 Q에 비례한다. 즉, 순간적인 강하고 빠른 속도로 입자를 밀어내고(P), 빠른 펌핑속도(Q)로 이들을 잡아당기면 가장 이상적이고 빠른 입자들을 기상에서 얻어낼 수 있다. 즉 아주 빠른 에어로졸 입자들을 얻어 낼 수 있다.

(식3) V ∝ PQ

그러나 기존의 가스증착법 혹은 에어로졸 증착법에서는 초기압력(P)와 유량을 크게 할 수가 없다. 왜냐하면 진공펌프의 펌핑 용량과 펌핑 속도의 한계 때문이다. 초기압력과 유량을 조금이라도 증가시키면 고가의 대용량 펌프가 필요하다. 일반적인 경우 초기압력을 1기압 정도 혹은 미만으로 하고 가스 유량은 펌프의 용량에 맞게 유지된다.

이에 본 발명에서는 일반 소형 로타리 펌프를 이용하더라도 수송가스의 초기압력을 최대 100 기압 이상까지 높이거나, 또는 진공도를 더 낮춤으로써 궁극적으로는 에어로졸 미립자의 모재에의 충돌속도를 가속화할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 증착부의 진공도를 더 낮춤으로써 에어로졸 미립자의 모재에의 충돌속도를 가속화할 수 있는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 수송 가스의 순간 공급량을 늘려 수송 가스의 초기 압력을 높임으로써 에어로졸 미립자의 모재에의 충돌속도를 가속화할 수 있는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 증착부의 진공도를 더 낮추고 수송 가스의 순간 공급량을 늘려 수송 가스의 초기 압력을 높임으로써 에어로졸 미립자의 모재에의 충돌속도를 가속화할 수 있는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 증착부의 진공도를 더 낮추기 위한 개폐수단을 구비한 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성 장치를 제공하는 데도 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 수송 가스의 순간 공급량을 늘리기 위한 개폐수단을 구비한 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성 장치를 제공하는 데도 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 증착부의 진공도를 더 낮추기 위한 개폐수단과 수송 가스의 순간 공급량을 늘리기 위한 개폐수단을 구비한 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성 장치를 제공하는 데도 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적은,

외부의 수송가스를 1 nm 이상의 크기를 갖는 원료 분말이 위치한 공간으로 공급하여 원료 분말을 에어로졸화하는 단계; 및 감압 하에서, 모재가 위치한 공간에 에어로졸화된 미립자를 분사시켜 모재에 충돌시킴으로써 박막을 형성하는 단계를 포함하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법에 있어서, 상기 모재가 위치한 공간을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라 증폭된 감압을 유도하여 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 증가시켜 고상 파우더를 이용한 증착박막을 형성하는 방법으로부터 달성될 수 있다.

바람직하게는, 모재가 위치한 공간을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라 증폭된 감압을 유도하여 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 증가시키는 것과 병행하여, 원료 분말이 위치한 공간을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라 외부의 수송가스의 공급을 간헐적으로 차단시켜 수송가스 유입량을 순간적으로 증폭시킴으로써 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법으로부터도 달성될 수 있다.

또한 상기와 같은 목적은,

외부의 수송가스를 1 nm 이상의 크기를 갖는 원료 분말이 위치한 공간으로 공급하여 원료 분말을 에어로졸화하는 단계; 및 감압 하에서, 모재가 위치한 공간에 에어로졸화된 미립자를 분사시켜 모재에 충돌시킴으로써 박막을 형성하는 단계를 포함하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법에 있어서, 원료 분말이 위치한 공간을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라 외부의 수송가스의 공급을 간헐적으로 차단시켜 수송가스 유입량을 순간적으로 증폭시킴으로써 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 증가시켜 증착박막을 형성하는 방법으로부터도 달성될 수 있다.

바람직하기는, 밀폐 유지 시간은 100 ns 이상인 것이다.

바람직하기는, 밀폐의 주기는 110 ns 이상인 것이다.

본 발명에 따르면, 모재를 피에조 물질을 이용하여 x, y, z 축으로 이동시키면서 코팅할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 모재의 상면에 마스크를 두고 코팅하여 요철형상을 갖도록 수행할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 모재로서 포토리소그래피에 의한 레지스트 패턴을 갖는 기판을 사용하고 노출된 기판 상에 에어로졸화된 미립자를 코팅한 후 레지스트막을 식각하는 공정을 더 수행할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 간헐적인 밀폐는 외부의 수송가스의 공급을 간헐적으로 차단하는 방법으로 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면, 간헐적인 밀폐는 에어로졸화된 미립자의 분사를 간헐적으로 차단하는 방법으로 수행될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 원료 분말은 속이 비어있는 튜브형 원료, 선형 원료 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 1종 이상의 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 속이 비어있는 튜브형 원료가 탄소 나노튜브 또는 TiO₂ 나노튜브인 것일 수 있다.

이때, 혼합물은 선형 원료를 적어도 1 nM (Nano mol) 이상 포함하는 것일 수 있다.

또한 상기의 목적은,

외부로부터 수송 라인을 통해 수송가스를 공급하여 증착될 원료 분말을 에어로졸화시켜 공급하는 원료공급부, 및 감압수단이 구비되고 증착될 모재가 위치되며 원료공급부로부터 공급 라인을 통해 공급된 에어로졸화된 미립자를 분사시켜 모재에 충돌시킴으로써 박막을 형성하는 증착부를 포함하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성장치에 있어서, 공급 라인에 설치되되, 외부 제어에 따라 작동되어 공급 라인을 간헐적으로 개폐시키면서 에어로졸화된 미립자를 공급하기 위한 개폐수단이 구비된 증착박막 형성장치로부터 달성될 수 있다.

바람직하기는, 수송 라인에 설치되되, 외부 제어에 따라 작동되어 수송 라인 을 간헐적으로 개폐시키면서 수송 가스를 공급하기 위한 개폐수단이 구비된 것일 수 있다.

또한 상기의 목적은,

외부로부터 수송 라인을 통해 수송가스를 공급하여 증착될 원료 분말을 에어로졸화시켜 공급하는 원료공급부, 및 감압수단이 구비되고 증착될 모재가 위치되며 원료공급부로부터 공급 라인을 통해 공급된 에어로졸화된 미립자를 분사시켜 모재에 충돌시킴으로써 박막을 형성하는 증착부를 포함하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성장치에 있어서, 외부 제어에 따라 작동되어 수송 라인을 간헐적으로 개폐시키면서 수송 가스를 공급하기 위한 개폐수단이 구비된 증착박막 형성장치로부터도 달성될 수 있다.

바람직하기는, 개폐 수단은 펄스 방식으로 개폐되는 밸브일 수 있다.

바람직하기는, 원료공급부 내부에 위치하여 에어로졸화를 촉진시키기 위한 적어도 1개 이상의 송풍수단이 구비될 수 있다.

바람직하기는, 원료공급부 내부에 위치하여 에어로졸화된 미세입자만을 거르기 위한 적어도 한 층 이상의 다공성 가로막이 구비될 수 있다.

이와 같은 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 내재된 기술적 사상은 다음에 기초한 것이다.

일반적으로 수송 가스의 공급을 통해 증착 원료인 분말을 에어로졸화하고 에어로졸화한 미립자를 모재에 분사시키기 위해 구비되는 진공 펌프의 용량은 한정되 며 이를 어떤 상수(C)라 하고, 에어로졸의 초기 압력을 P_a, 초기 부피를 V_a, 이들 가스 유량을 △t 만큼 흘렸을 때 증착부 내 압력 P_d와의 관계는 다음 식 4로 나타내어진다.

(식4) P_aV_a△t C ∝ P_d(증착챔버내 압력)

진공펌프는 P_a의 압력으로 도입되는 V_a 부피의 가스를 △t 시간동안 뽑아낸다. 또한 이 때 펌프의 용량 C에 의하여 증착챔버내 압력 P_d이 결정된다. 즉 진공펌프의 용량과 펌핑속도가 클수록 도입된 가스들을 더 많이 더 빨리 뽑아내어 증착 챔버내의 압력을 줄일 수 있다.

종래 사용되온 증착박막 형성방법에서는 △t가 무한대이다. 따라서 진공펌프들은 많고 적음의 차이가 있기는 하지만 지속적으로 부하를 받는다. 따라서 기존의 방법에서는 어쩔 수 없이 진공펌프 능력의 한계성 때문에 P_a 와 V_a 를 크게 하는데 큰 제약을 받는다.

그러나 식 4에서 보는 것처럼 △t를 줄일 수 있다면 P_a와 V_a를 크게 늘릴 수 있다.

이를 구현하기 위하여 본 발명의 제 1 실시예에 따르면 외부의 수송가스를 1 nm 이상의 크기를 갖는 원료 분말이 위치한 공간으로 공급하여 원료 분말을 에어로졸화하는 단계; 및 감압 하에서, 모재가 위치한 공간에 에어로졸화된 미립자를 분사시켜 모재에 충돌시킴으로써 박막을 형성하는 단계를 포함하되, 모재가 위치한 공간을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라 증폭된 감압을 유도하여 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 증가시킨다. 달리 말해 모재가 위치한 공간을 포함하는 영역을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라서 공급되는 에어로졸의 초기 압력을 향상시킨다.

본 발명의 제 2 실시예에 따르면 원료 분말이 위치한 공간을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라 외부의 수송가스의 공급을 간헐적으로 차단시켜 수송가스 유입량을 순간적으로 증폭시킴으로써 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 증가시킨다.

본 발명의 제 3 실시예에 따르면 제 1 실시예의 방법과 제 2 실시예의 방법을 병용할 수 있다.

이들 모든 방법들은 간헐적인 밀폐로 인해 △t를 일정 시간 동안 줄일 수 있게 됨에 따라서 증착챔버 내로 도입되는 가스의 부피와 압력을 보다 증가시킨 것이다.

바람직하기로는 펄스 형태로 고압 및 많은 가스를 보냄으로써(이하에서는 이를 "펄스 가스 공급법"이라고 표현한다.) 종래의 연속적인 가스 증착법(이하에서는 이를 "연속 가스 도입법"이라 한다)보다 효율 좋은 코팅을 할 수 있다.

도 1은 기존의 연속 가스 도입법과 본 발명의 펄스 가스 공급법을 이용하였을 때의 증착 챔버내의 압력변화를 시간에 따라 나타낸 비교도이다. 초기압력과 초기부피를 일정하게 한 경우이다. 연속 가스 공급법은 계속적으로 펌프에 부하를 가져와서 어떤 압력 (P3) 이하로 떨어지지 않는다. 반면, 펄스 가스 도입법에서는 밀 폐되어 가스가 흐르지 않을 때는(△t2) P2 압력을 가지며 개폐되어 가스가 흐를 때 (△t1)는 P1의 압력을 갖는다.

따라서 본 발명의 펄스 가스 공급법에 따르면 증착챔버에 가스가 도입되는 순간은 진공 펌프가 부하가 없는 상태 (P2)에서 최대의 펌핑 효율로써 가스를 잡아 당길 수 있다. 따라서 P1은 P3보다 좋은 펌핑 효율 때문에 압상 압력이 낮다. P4는 펌프의 한계 진공도이다.

도 2는 같은 배기 용량의 로타리 펌프(일반 국산 로타리펌프 550 l.s.m)를 이용하여 도 1을 증명하기 위한 실제 실험한 데이터이다. 기존의 방법에서 사용된 연속 가스 도입과 본 발명의 펄스 형태의 가스를 도입하였을 때 시간에 따른 압력 분포를 나타낸 그래프이다. 단 초기 압력을 1기압으로 하고 기타 조건들을 같이 하였다. 한계 진공도 P4는 2×10^-3 torr 이다.

종래의 연속 가스 도입법에 따르면 로타리펌프의 배기 용량의 한계 때문에 증착 챔버내의 압력이 2×10¹ torr 이하로 떨어지지 않으며 로타리 펌프에 부하가 걸려 좋은 입자 가속이 얻어지지 않아서 좋은 박막이 얻어지지 않았다. 그러나 본 발명에 따른 펄스 가스 도입법의 경우 완전 진공 상태 후 P1이 8×10^-1 torr, P2 가 5×10^-2 torr로 주기적인 압력 변화가 나타난다. 이때 밀폐유지시간(△t2)을 5초로 하고 개방유지시간 (△t1)을 0.1초로 하였다. 비록 작은 용량의 로타리 펌프라 할지라도 △t2 동안의 휴지기 동안 부하가 전혀 없는 정상 상태 (P2)으로 돌아와 그 다음 △t1동안 P1를 유지시켜준다. 따라서 매번 △t1 동안 펌핑 속도는 최대가 되며 에어로졸 입자의 가속을 최대로 만들어 준다.

이런 원리를 이용하여 초기압력을 기존에는 불가능하였던 10기압 및 100기압 이상으로도 올리는 것이 가능해졌다. 초기압력을 더 높이고자 하는 경우 밀폐유지시간을 늘려준다. 즉 개방유지시간(△t1)을 줄여 주는 것이 바람직하다. 예를 들어 초기압력을 10기압 정도로 유지하고자 하면 개방유지시간은 0.01초이면 되나 100 기압 일 때 약 0.001초 정도 개방하는 것이 바람직하다. 밀폐유지시간(△t2)는 로타리 펌프의 배기 능력에 따라 달라지지만 로타리 펌프의 펌핑능력이 정상 상태로 돌아오는 시간이 적당하다. 만일 로타리 펌프의 능력이 크다면 △t1을 줄이지 않고도 초기압력을 크게 해주고 △t2도 줄일 수 있다. △t1이 작을수록 일반적인 펄스밸브보다 초단파 펄스 밸브를 사용하는 것이 좋다.

바람직하기는, 밀폐 유지 시간은 100 ns 이상이며, 밀폐의 주기는 110 ns 이상인 것이다.

식 4의 원리는 로타리 펌프뿐만 아니라 부스터 펌프 (booster pump), 터보 펌프 (turbo molecular pump), 디퓨전 펌프 (Oil diffusion pump) 등의 진공펌프에도 똑 같이 적용이 된다.

밀폐를 유도하는 방법은 외부의 수송가스의 공급을 간헐적으로 차단하거나, 에어로졸화된 미립자의 분사를 간헐적으로 차단하는 방법으로 수행될 수도 있으며,이들 두 방법을 동시 또는 순차적으로 적용할 수도 있다.

본 발명의 펄스 가스 도입법을 적용하여 증착박막을 형성하는 데 사용할 수 있는 원료 분말로는 속이 비어있는 튜브형 원료, 선형 원료 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 1종 이상의 것을 들 수 있는데, 여기서 속이 비어있는 튜브형 원료로는 탄소 나노튜브 또는 TiO₂ 나노튜브를 들 수 있다. 선형 원료와의 혼합물을 사용할 경우 선형 원료를 적어도 1 nM (Nano mol) 이상 포함하는 것이 복합체 박막 물성에서 선형물질 도핑 효과를 볼 수 있는 점에서 바람직할 수 있다.

한편 모재, 즉 기판에의 코팅 효율을 향상시키기 위하여 통상의 방법에 따라서 모재를 피에조 물질을 이용하여 x, y, z 축으로 이동시키면서 코팅할 수 있다.

또한 필요에 따라서 모재의 상면에 마스크를 두고 코팅하여 요철형상을 갖도록 수행할 수 있다.

또한 모재로서 포토리소그래피에 의한 레지스트 패턴을 갖는 기판을 사용하고 노출된 기판 상에 본 발명에 따른 펄스 가스 도입법을 적용하여 에어로졸화된 미립자를 코팅한 다음 통상의 lift-off 방법에 따라 레지스트막을 식각하는 공정을 더 수행할 수도 있다.

이와 같은 방법을 구현할 수 있는 장치의 일예를 도 3 내지 도 5로서 도시하였는바,

도 3에 따른 장치를 살펴보면, 크게는 증착된 분말원료가 수송가스에 의해 에어로졸화되는 원료공급부(10)와 에어로졸 미립자를 공급받아서 고속으로 모재에 충돌시켜 박막을 형성하기 위한 증착부(20)를 포함한다.

원료공급부(1)에는 외부로부터 수송 가스(3)(이때 수송 가스는 단순 수송 가 스 또는 반응성 가스를 포함한다)를 도입하여 공급하기 위한 가스 수송관(4)과 원료 분말(1)을 날려 에어로졸 미립자(6)로 만들고 이를 에어로졸 수송관(7)을 통해 수송하기 위한 챔버(11)를 포함한다.

도 3과 같이 원료공급부(10)와 증착부(20)는 별도의 체결수단(9)을 통해 결속된 구조를 가질 수 있다.

도 3의 장치에 따르면, 원료공급부(10)에는 증착 챔버와의 체결수단(9)이 구비되며, 에어로졸 챔버(11)에는 원료 분말(1)이 정치되어 있고, 챔버 내부의 상부 공간에는 다공질의 가로막(2)이 설치되어 있다. 수송 가스(3)를 챔버(11) 내로 도입함에 있어서 가스 수송관(4)에 별도의 개폐수단(제1개폐수단, 5)을 구비하고, 또한 에어로졸 수송관(7)에도 마찬가지로 별도의 개폐수단(제2개폐수단, 5')을 구비함으로써, 수송가스(3)를 펄스형태(도 1에 도시한 △t1,△t2 조절)로 도입시켜 원료분말의 에어로졸화를 펄스형태로 생성시키거나, 에어로졸 미립자를 펄스형태로 기판(16)에 충돌시킬 수 있다.

즉, 제1개폐수단(5)을 통해 수송가스(3)는 펄스 형태로 가스 수송관(4)을 통하여 에어로졸 챔버(11)로 들어간다. 이때 펄스 형태로 도입된 가스는 원료 분말(1)을 순간적으로 반대편으로 불어 원료 입자들을 에어로졸화시킨다. 이 때 분산이 안 된 덩어리들은 다공성 가로막(2)에 의하여 걸러지고 미세한 에어로졸 원료 입자들만 다공성 가로막(2)을 빠져나가 에어로졸 수송관(7)을 통하여 배출되고 그 끝에 있는 노즐(8) 통하여 최종적으로 증착부(200 내로 가속되어 들어간다. 즉 에어로졸 수송관(7)을 통해 공급된 에어로졸 미립자는 가속되어 기판 홀더(15)에 고 정된 기판(16)에 증착된다. 기판 홀더는 기판 이동부 (17)에 의하여 상하 이동이 가능하게 설치될 수 있다.

이때 에어로졸 수송관(7)에는 제2개폐수단을 둘 수 있으며 제1개폐수단의 작동 없이 제2개폐수단만을 작동시킬 수 있다.

도입된 가스는 가스 배출구(18)에 의해 배기된다.

또한 원료공급부(10) 외부에는 별도의 시료통(도시하지 않음)을 장착하여 원료공급부(10)에 원료가 부족할 때 연속 또는 비연속적으로 시료를 공급할 수도 있다.

통상의 에어로졸 증착법에 있어서 증착부에는 진공 펌프가 구비되며, 본 발명의 도 3 내지 도 5에서는 진공 펌프의 도시가 생략된 것이다.

기판부에는 피에조 물질을 달아서 x,y,z축으로 정밀 미세 이동이 가능하다.

도 4는 본 발명의 또 다른 장치의 실시예를 도시한 것으로, 도 3에 도시한 장치와 마찬가지로 원료공급부(100)와 증착부(200)로 이루어지며, 다만 별도의 체결부를 갖지 않고 에어로졸 수송관(97)을 통해 연결된 구조를 갖는 것이다.

마찬가지로 증착부(200)의 구성은 도 3에 도시된 증착부(20)와 다를 바 없다. 원료공급부(100)가 곧 에어로졸 챔버로서 기능하는 것이다.

원료공급부(100)에는 외부에서 가스 수송관(94)를 통해 수송 가스(93)이 도입된다. 이때 가스 유량은 유량 조절 수단(9)을 통해 이루어진다. 따라서 에어로졸 챔버내의 압력은 항상 같은 값을 유지 한다. 원료공급부(100)에는 원료 분말(91)이 정치되어 있고 이 원료 분말(91)은 장착된 내부의 송풍수단(80)에 의해 기상으로 흩어진다. 이 흩어진 기상 파우더들은 다공성 가로막(92)를 통해 미세 에어로졸 입자(96)만 상층부에 존재한다. 에어로졸 수송관(97)에 구비된 개폐수단(95')을 열지 않으면 어느 정도 시간이 지나면 상층부의 에어로졸 입자(96)의 농도는 일정해진다. 이때 균일한 농도의 에어로졸 입자들은 에어로졸 수송관(97)에 구비된 개폐수단(95')이 개방될 때 압력차에 의하여 에어로졸 수송관(97) 및 노즐(98)을 통하여 증착부(200) 내로 펄스형태로 가속화되어 도입된다. 이 경우도 마찬가지로, 원료공급부(100) 외부에 시료통을 장착하여 원료가 부족할시 연속 혹은 비연속적으로 원료공급부(100) 내로 시료를 공급할 수도 있다.

도 6에는 본 발명 장치의 또 다른 일예를 도시한 것으로, 도 5와 마찬가지로 원료공급부(1000)와 증착부(2000)로 이루어지며 이들은 에어로졸 수송관(997)을 통해 연결된 구조를 갖는다.

원료공급부(1000)에는 원료 분말(991)을 두고 외부에서 수송 가스(993)가 원료공급부(1000)내로 들어간다. 이 때 수송 가스(993)는 가스 수송관(994)에 구비된 제1개폐수단(995)의 개폐에 따라서 바람직하기로는 펄스 형태로 원료공급부(1000)내로 들어간다. 들어간 펄스 형태의 수송 가스는 가스 수송관(993)을 통해 분사되는데, 바람직하기로는 원료 분말(991)을 직접적으로 분사시켜 에어로졸화할 수 있도록 원료 분말(991)이 정치되어 있는 곳까지 닿을 수 있도록 긴 것이 바람직하다. 기상의 원료 파우더들은 다공성 가로막(992)을 통하여 미세한 입자들만 상층부로 이동된 후 압력 차이에 의하여 에어로졸 수송관(997)을 거쳐 노즐(998)을 통해 증착부(2000)내로 펄스 형태로 도입된다. 이때 에어로졸 수송관(997)에는 별도의 개폐수단(제2개폐수단, 995')을 구비할 수 있다. 원료공급부(100)의 압력은 별도의 유량조절 밸브(도시하지 않음)에 의하여 균일하게 유지된다. 또한 에어로졸 챔버 외부에 시료통을 장착하여 에어로졸 챔버내 원료가 부족할시 연속 혹은 비연속적으로 에어로졸 챔버 내부로 시료를 공급할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 펄스 가스 도입법을 형상화한 모식도로서, 에어로졸 수송관 내부 및 노즐를 통하여 배출되는 에어로졸 입자들은 펄스 형태로 움직인다. 노즐부를 통하여 배출될 때는 초음속으로 날아가며 기판에 부딪혀 박막을 형성한다. 이때 초음속 펄스 입자빔 (SSPPB)의 V1, V2, △t1, △t2 관계 또한 나타내었다.

도 7은 크기분포가 매우 불균일한 이트리아 (Y₂O₃) 파우더 (~10 nm - 10 μm)를 이용하여 본 발명에 따른 펄스 가스 도입법에 따라 증착시켜 얻어진 박막의 주사전자현미경 사진으로, 이때 증착되는 기판으로는 포토리소그라피에 의해 레지스트 패턴(레지스트막 두께 500nm)을 갖는 것을 사용하였으며, 여기에 본 발명에 따라서 이트리아 박막을 형성시킨 후 통상의 lift-off 공정을 이용하여 레지스트막을 식각하여 얻어진 박막의 주사전자현미경 사진이다. 일반적인 현상처럼 기판 노출부에는 두꺼운 이트리아 박막이 형성되어 있다. 그러나 레지스트막이 있던 부분(폴리머 마스크) 부분에도 부분적으로 형성된 이트리아 막들을 관찰 할 수 있다. 이것은 이트리아 입자들이 초음속으로 날아와서 고상 폴리머 마스크를 뚫고 실리콘 기판에 충돌하기 때문이다. 이는 일반적인 박막형성법에서는 관찰할 수 없는 본 발명에 따른 펄스 가스 도입법에 있어서의 에어로졸 미립자의 가속화를 분명하게 보여주는 것, 즉 에어로졸 미립자의 충돌속도가 초음속에 이름을 보여주는 것으로, 통상의 고상 파우더를 이용한 박막형성의 경우는 이와 같은 레지스트 패턴된 경우보다는 마스크를 이용하는 것이 통례이므로 그 적용에 있어서 각별한 문제가 있다고 볼 수는 없다.

한편, 도 8에는 도 7과 동일한 기판을 사용하여 박막을 제조하되 다만 원료 분말로 탄소 나노튜브를 사용하여 얻어진 박막의 SEM 사진을 나타내었는바, 탄소 나노튜브의 경우에도 증착이 효율적으로 이루어지며, 이 경우는 레지스트패턴을 뚫지는 않았다. 이는 이트리아 분말과 탄소 나노튜브의 원료적 차이에 기인한 것으로 판단된다.

그 외에, 1-3 nm의 텅스텐 나노분말을 W(CO)₆의 기상열분해를 통하여 만들고 본 발명의 방법에 따라 기판에 증착 시킨 결과 텅스텐 나노입자막이 만들어 졌다.

본 발명에 따른 펄스 가스 도입법은 일반적인 파우더들 즉 금속, 세라믹, 반도체, 절연체 파우더들 모두 성공적으로 적용시킬 수 있다. 또한 속이 비어있는 탄소나노튜브 및 TiO₂ 나노튜브의 경우도 SSPPB원리를 이용하여 증착한 경우 성공적인 막 형성이 이루어졌다. 마지막으로 일반 파우더와 나노튜브형 재료를 혼합하여 SSPPB를 적용한 경우도 이들 원료 복합막이 얻어졌다.

이상에서 상세히 설명한 것과 같이, 본 발명은 고상 파우더를 이용한 기존의 박막 형성방법에서는 제공할 수 없었던 새로운 프로세스를 제공함으로써 기존의 방법을 비약적으로 발전시켰으며 다양한 형태의 금속, 세라믹, 반도체, 절연막을 모재에 상온 상압에서 제공하는 것을 가능하게 하였다. 따라서 본 기술은 산업계에 큰 도움이 될 것으로 기대한다.

Claims (19)

1. (정정) 외부의 수송가스를 1 nm 이상의 크기를 갖는 원료 분말이 위치한 공간으로 공급하여 원료 분말을 에어로졸화하는 단계; 및 감압 하에서, 모재가 위치한 공간에 에어로졸화된 미립자를 분사시켜 모재에 충돌시킴으로써 박막을 형성하는 단계를 포함하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법에 있어서,

   상기 모재가 위치한 공간을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라 증폭된 감압을 유도하여 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
2. (정정) 제 1 항에 있어서, 모재가 위치한 공간을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라 증폭된 감압을 유도하여 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 증가시키는 것과 병행하여, 원료 분말이 위치한 공간을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라 외부의 수송가스의 공급을 간헐적으로 차단시켜 수송가스 유입량을 순간적으로 증폭시킴으로써 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
3. 외부의 수송가스를 1 nm 이상의 크기를 갖는 원료 분말이 위치한 공간으로 공급하여 원료 분말을 에어로졸화하는 단계; 및 감압 하에서, 모재가 위치한 공간에 에어로졸화된 미립자를 분사시켜 모재에 충돌시킴으로써 박막을 형성하는 단계 를 포함하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법에 있어서,

   원료 분말이 위치한 공간을 간헐적으로 밀폐시킴에 따라 외부의 수송가스의 공급을 간헐적으로 차단시켜 수송가스 유입량을 순간적으로 증폭시킴으로써 에어로졸화된 미립자의 충돌속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 밀폐 유지 시간은 100 ns 이상인 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 밀폐의 주기는 110 ns 이상인 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 모재를 피에조 물질을 이용하여 x, y, z 축으로 이동시키면서 코팅하는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 모재의 상면에 마스크를 두고 코팅하여 요철형상을 갖도록 수행하는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 모재로서 포토리소그래피에 의한 레지스트 패턴을 갖는 기판을 사용하고 노출된 기판 상에 에어로졸화된 미립자를 코팅한 후 레지스트막을 식각하는 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
9. 제 1 항에 있어서, 간헐적인 밀폐는 외부의 수송가스의 공급을 간헐적으로 차단하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
10. 제 1 항에 있어서, 간헐적인 밀폐는 에어로졸화된 미립자의 분사를 간헐적으로 차단하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 원료 분말은 속이 비어있는 튜브형 원료, 선형 원료 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 1종 이상의 것임을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
12. 제 11 항에 있어서, 속이 비어있는 튜브형 원료가 탄소 나노튜브 또는 TiO₂ 나노튜브인 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
13. 제 11 항에 있어서, 혼합물은 선형 원료를 적어도 1 nM (Nano mol) 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성방법.
14. 외부로부터 수송 라인을 통해 수송가스를 공급하여 증착될 원료 분말을 에어로졸화시켜 공급하는 원료공급부, 및 감압수단이 구비되고 증착될 모재가 위치되며 원료공급부로부터 공급 라인을 통해 공급된 에어로졸화된 미립자를 분사시켜 모재에 충돌시킴으로써 박막을 형성하는 증착부를 포함하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성장치에 있어서,

    공급 라인에 설치되되, 외부 제어에 따라 작동되어 공급 라인을 간헐적으로 개폐시키면서 에어로졸화된 미립자를 공급하기 위한 개폐수단이 구비되는 것임을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성장치.
15. 제 14 항에 있어서, 수송 라인에 설치되되, 외부 제어에 따라 작동되어 수송 라인을 간헐적으로 개폐시키면서 수송 가스를 공급하기 위한 개폐수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성장치.
16. 외부로부터 수송 라인을 통해 수송가스를 공급하여 증착될 원료 분말을 에어로졸화시켜 공급하는 원료공급부, 및 감압수단이 구비되고 증착될 모재가 위치되며 원료공급부로부터 공급 라인을 통해 공급된 에어로졸화된 미립자를 분사시켜 모재에 충돌시킴으로써 박막을 형성하는 증착부를 포함하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성장치에 있어서,

    외부 제어에 따라 작동되어 수송 라인을 간헐적으로 개폐시키면서 수송 가스를 공급하기 위한 개폐수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성장치.
17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 개폐 수단은 펄스 방식으로 개폐되는 밸브인 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성장치.
18. 제 14 항에 있어서, 원료공급부 내부에 위치하여 에어로졸화를 촉진시키기 위한 적어도 1개 이상의 송풍수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성장치.
19. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 원료공급부 내부에 위치하여 에어로졸화된 미세입자만을 거르기 위한 적어도 한 층 이상의 다공성 가로막이 구비되는 것을 특징으로 하는 고상 파우더를 이용한 증착박막 형성장치.

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