KR100856545B1 - Method and apparatus for fabricating thin film by using nano particle beam - Google Patents

Method and apparatus for fabricating thin film by using nano particle beam Download PDF

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Abstract

A method and an apparatus for fabricating a thin film by using a nano-particle beam are provided to form easily the thin film having a complicated ratio of components by eliminating an additional chemical reaction. Nano-particles are formed by using nano-powders(106) as components of a thin film. The nano-particles are electrified. The electrified nano-particles are changed into the accelerated nano-particle beams by applying electric field to the electrified nano-particles. The accelerated nano-particle beams become components of a thin film by causing collision between the accelerated nano-particle beams and a substrate(136). The process for electrifying the nano-particles includes a process for generating plasma in a mixing state of the nano-powders and an inert gas.

Description

나노입자빔을 이용한 박막증착 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR FABRICATING THIN FILM BY USING NANO PARTICLE BEAM}Thin film deposition method and apparatus using nanoparticle beam {METHOD AND APPARATUS FOR FABRICATING THIN FILM BY USING NANO PARTICLE BEAM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노입자빔을 이용한 박막증착 장치의 개략적 구성을 단면상태로 나타낸 도면이다.1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a thin film deposition apparatus using a nanoparticle beam according to an embodiment of the present invention.

* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100: 박막증착 장치100: thin film deposition apparatus

102: 진동기102: vibrator

104: 진동용기104: vibrating container

106: 나노가루106: nanopowder

108: Ar 가스 용기108: Ar gas container

110: 제1 공급관110: first supply pipe

112: 튜브112: tube

114: 나노가루 도입 유리관114: glass nanotube introduced

116: 플라즈마 챔버116: plasma chamber

118: 제2 공급관118: second supply pipe

119: 인덕션 플라즈마 발생기(induction plasma generator)119: induction plasma generator

120: 음극판120: negative electrode plate

122: 제1 구리 원반 링122: first copper disk ring

124: 제2 구리 원반 링124: second copper disk ring

126: 제1 그리드126: first grid

128: 제2 그리드128: second grid

130: 바깥 하우징130: outer housing

132: 펌프132: pump

134: 메인 챔버134: main chamber

136: 기판136: substrate

본 발명은 박막증착 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 나노입자빔을 이용함으로써 입자가 큰 경우에 비하여 성분비 조절, 화학반응 조절 및 단일 상(phase) 형성 및 양호한 텍스쳐(texture) 형성이 매우 용이한 박막증착 방법 및 장치에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thin film deposition method and apparatus, and in particular, by using nanoparticle beams, a thin film is very easy to control the composition ratio, chemical reaction control, single phase formation and good texture formation compared to large particles. A deposition method and apparatus are disclosed.

복합산화물, 복합 화합물(compound), 그리고 복합유기화합물을 박막으로 제작하는 것은 다양한 실용적 목적을 위하여 필요하다. 이러한 복합물질이 박막의 (1) 매트릭스(matrix)를 구성할 수도 있고 (2) 중요하지 않은(minor) 구성요소를 이루는 불순물(impurity) 입자로서 첨가될 수도 있다. 이러한 경우에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Fabrication of composite oxides, compounds, and complex organic compounds in thin films is necessary for a variety of practical purposes. Such a composite material may be added as (1) a matrix of the thin film or (2) impurity particles constituting a minor component. This case will be described in detail below.

(1) 박막의 매트릭스를 구성할 경우(1) When constructing a thin film matrix

이러한 박막들은 원소들의 성분비와 구조가 복잡하다. 따라서 박막형태로 제작하는 것이 어려운 경우가 많다. 예를 들어 YBCO같은 고온초전도체, MgB2(이붕소 마그네슘)같은 초전도체, PZT같은 강유전체, (FeMn)TiO3와 같은 강자성체, (YBi)FeO3와 같은 광학물질, 기타 각종 복합유기화합물의 경우, 그 가루(powder)는 저렴하게 상용화되어 있지만, 우수한 특성을 갖는 박막을 제작하는 것은 어렵다. 그 이유는 크게 두 가지로서, 박막을 구성하고 있는 원소의 증기압의 차이가 너무 클 때, 혹은 구성하고 있는 원소들의 반응조건의 차이가 너무 클 때이다. 예를 들어 YBCO는 Cu의 반응을 위한 산소분압이 다른 원소에 비하여 매우 크다. MgB2는 Mg의 증기압이 B에 비하여 매우 크다. PZT는 Pb의 증기압이 매우 크다. (FeMn)TiO3는 Mn의 증기압이 매우 크다. (YBi)FeO3는 Bi의 증기압이 매우 크다. 이러한 이유로 인하여 원소들의 성분비를 맞추기가 어렵고 또한 원하는 화학적 상(phase)을 형성하기가 어렵다. These thin films are complex in composition and ratio of elements. Therefore, it is often difficult to produce a thin film form. For example, high-temperature superconductors such as YBCO, superconductors such as MgB2 (magnesium diborate), ferroelectrics such as PZT, ferromagnetic materials such as (FeMn) TiO3, optical materials such as (YBi) FeO3, and other complex organic compounds, ) Is commercially available at low cost, but it is difficult to produce a thin film having excellent properties. There are two main reasons for this, when the difference in vapor pressure of the elements constituting the thin film is too large, or when the difference in the reaction conditions of the elements is too large. For example, YBCO has a larger oxygen partial pressure for the reaction of Cu than other elements. MgB2 has a very high vapor pressure of Mg compared to B. PZT has a very high vapor pressure of Pb. (FeMn) TiO3 has a very high vapor pressure of Mn. (YBi) FeO3 has a very high vapor pressure of Bi. For this reason it is difficult to match the component ratios of the elements and to form the desired chemical phase.

(2) 박막의 중요하지 않은(minor) 구성요소를 이루는 경우(2) forming minor components of a thin film

이 경우는 대표적으로 초전도박막 내에서의 피닝센터(pinning center)를 위한 결함들(defects), 자성박막에서의 자구이동 제어를 위한 피닝센터(pinning center), 강유전체에서의 도메인(domain) 이동 조절, 이온전도박막의 이온채널을 위한 계면형성, 기타 여러 가지 박막의 기능향상을 위하여 불순물 입자들(impurity particles)이 첨가될 필요가 있다. 이 경우 상(phase) 및 물성이 잘 정의된 나노크기의 입자를 첨가해야 되는 경우가 많다. This typically includes defects for pinning centers in superconducting thin films, pinning centers for magnetic migration control in magnetic thin films, domain shift control in ferroelectrics, Impurity particles need to be added to form an interface for the ion channel of the ion conductive thin film and to improve the function of various thin films. In this case, it is often necessary to add nano-sized particles with well-defined phase and physical properties.

위에서 언급한 복합산화물, 복합 화합물(compound), 그리고 복합유기화합물을 박막으로 제작함에 있어서, 이미 알려진 다양한 방법들을 사용할 수 있는데, 이 방법들은 다음과 같은 단점을 갖는다.In manufacturing the above-mentioned complex oxide, compound, and complex organic compound into a thin film, various known methods can be used, and these methods have the following disadvantages.

스퍼터링(sputtering)을 이용할 경우, 생산속도가 느리다. 또한, 펄스(pulsed) 레이저 방식은 장비가 고가품이고 넓은 면적의 박막제작이 어렵다. 코이베퍼레이션(coevaporation)이나 이빔(e-beam)을 사용하는 경우에는, 성분비 조절이 어렵다. 졸-겔(sol-gel) 방식은 박막 품질이 제한적이다. 플라즈마 용사(plasma spray)는 빔의 입자가 너무 커서 박막이 품질이 나쁘다. 나노 클러스터 등의 클러스터 빔(Cluster beam) 방식은 클러스터(cluster) 형성이 될 수 있는 물질이 극히 제한적이다. 따라서 이러한 물질들의 박막을 쉽게 대량으로 고품질로 제작할 수 있는 방식이 필요하다. 그런데 많은 경우 고품질의 가루(powder)는 화학적 방식으로 저렴하게 제작되는 데 그중에서도 나노 가루(nano powder) 상태로 저렴하게 구입할 수 있다. 나노 입자는 그 크기가 작으므로 그것을 빔으로 하여 증착할 때, 기판 온도가 충분히 높으면 입자가 큰 경우에 비하여 훨씬 치밀(dense)하고 쉽게 텍스쳐(texture)를 재구성하므로 성분비 조절, 화학반응 조절, 및 단일 상(phase) 형성 및 양호한 텍스쳐(texture) 형성이 매우 용이하다. 특히 나노 크기의 불순물(impurity) 입자를 첨가물이 필요한 경우는 나노입자들을 직접 주입하면 되므로 이러한 기술이 매우 적합하다. 따라서, 나노 가루를 이용하여 고품위의 박막을 쉽게 제조하는 기술이 절실히 요구된다.When sputtering is used, the production speed is slow. In addition, the pulsed laser system is expensive and difficult to manufacture a large area thin film. When using coevaporation or an e-beam, it is difficult to adjust the component ratio. The sol-gel method has limited thin film quality. Plasma spray is of poor quality due to the large particles of the beam. In a cluster beam method such as a nanocluster, a material capable of forming a cluster is extremely limited. Therefore, there is a need for a method that can easily produce a large amount of these thin films of high quality. In many cases, however, high quality powders are manufactured inexpensively in a chemical manner, and among them, nano powders can be purchased inexpensively. When nanoparticles are small in size and deposited as a beam, when the substrate temperature is high enough, the density of particles, chemical reaction control, and singlet are reduced because the substrate temperature is sufficiently dense and easily reconstructs the texture compared to large particles. Phase formation and good texture formation are very easy. In particular, when nano-sized impurity particles require additives, the nanoparticles can be directly injected, so this technique is very suitable. Therefore, there is an urgent need for a technique for easily manufacturing high quality thin films using nanopowders.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는, 입자의 크기를 충분히 작게 함으로써 입자가 큰 경우에 비하여 성분비 조절, 화학반응 조절 및 단일 상(phase) 형성 및 양호한 텍스쳐(texture) 형성이 매우 용이한 박막증착 방법 및 장치를 제공하는 것이다.The technical problem of the present invention for solving the above problems is that by making the particle size small enough, it is very easy to control the composition ratio, chemical reaction control and single phase formation and good texture formation compared to the case of large particles One method and apparatus for thin film deposition are provided.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 박막증착 방법은:The thin film deposition method of the present invention for achieving the above technical problem is:

박막의 구성요소를 이루는 나노가루를 나노입자로 만들어 대전시키는 단계와;Charging the nanopowder constituting the thin film to nanoparticles;

상기 대전된 나노입자에 전기장을 가하여 가속된 나노입자빔으로 바꾸는 단계와;Applying an electric field to the charged nanoparticles to convert the accelerated nanoparticle beams;

상기 가속된 나노입자빔을 기판에 충돌시켜 박막의 구성요소가 되게 하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.Impinging the accelerated nanoparticle beam on the substrate to form a component of the thin film.

여기서, 상기 나노가루를 나노입자로 만들어 대전시키는 단계가, 상기 나노가루를 비활성기체와 혼합한 상태에서 플라즈마를 발생시키는 단계인 것이 바람직하다.Here, the step of making the nanopowders into nanoparticles to charge is preferably a step of generating a plasma in a state in which the nanopowders are mixed with an inert gas.

그리고, 상기 비활성기체는 Ar기체, He기체, Ne기체 및 Xe기체로 구성된 군 으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.In addition, the inert gas is preferably any one selected from the group consisting of Ar gas, He gas, Ne gas and Xe gas.

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상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 박막증착 장치는:The thin film deposition apparatus of the present invention for achieving the above technical problem:

박막의 구성요소를 이루는 나노가루를 비활성 기체와 혼합하여 공급하기 위한 나노가루 공급부와;A nanopowder supply unit for supplying a mixture of nanopowder constituting the thin film with an inert gas;

상기 나노가루를 비활성 기체와 혼합물을 공급받고, 상기 비활성 기체의 플라즈마를 발생시킴으로써 상기 나노가루를 대전된 나노입자로 만드는 플라즈마 챔버와;A plasma chamber supplied with a mixture of the inert gas and the inert gas, and generating a plasma of the inert gas to make the nanopowder into charged nanoparticles;

상기 플라즈마 챔버에 비활성 기체를 별도로 공급하기 위한 비활성 기체 공급관과;An inert gas supply pipe for separately supplying an inert gas to the plasma chamber;

상기 대전된 나노입자에 전기장을 가하여 가속된 나노 입자빔으로 만들어 주도록 상기 플라즈마 챔버에 설치된 음극판과 양극 그리드와;An anode plate and an anode grid installed in the plasma chamber to apply an electric field to the charged nanoparticles to form an accelerated nanoparticle beam;

상기 나노 입자빔을 충돌시켜 박막의 구성요소를 이루도록 하는 기판이 위치하는 메인 챔버를 구비하는 것을 특징으로 한다.And a main chamber in which a substrate is positioned to impinge the nanoparticle beam to form a thin film component.

여기서, 상기 나노가루 공급부와 상기 플라즈마 챔버 사이에 상기 나노가루를 더 작은 크기의 입자로 만들기 위해, 상기 나노가루를 비활성 기체와 혼합물이 거치는 나노가루 도입 유리관과, 상기 나노가루 도입 유리관 내에 인덕션 플라즈마를 발생시키기 위한 인덕션 플라즈마 발생기를 더 구비하는 것이 바람직하다.Here, in order to make the nanopowder into a smaller sized particle between the nanopowder supply unit and the plasma chamber, a nanopowder introduction glass tube through which the nanopowder is mixed with an inert gas, and an induction plasma in the nanopowder introduction glass tube It is preferable to further provide an induction plasma generator for generating.

또한, 상기 플라즈마 챔버를 더 큰 용기로 둘러쌈으로써 이중 용기 구조를 이루며, 상기 더 큰 용기에 차동 펌핑을 행하기 위한 펌프를 더 구비하는 것이 바람직하다.It is also desirable to enclose the plasma chamber in a larger vessel to achieve a double vessel structure and further include a pump for differential pumping the larger vessel.

한편, 상기 양극 그리드는 상기 음극판에서 먼 것과 가까운 것의 2개로 구성되되, 상기 음극판에 가까운 것보다 상기 음극판에서 먼 것에 더 높은 전압이 인가되는 것이 바람직하다.On the other hand, the positive electrode grid is composed of two of those far from the negative electrode plate, it is preferable that a higher voltage is applied to the farther from the negative electrode plate than close to the negative electrode plate.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 방법과 장치에 대해 함께 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a method and apparatus of a preferred embodiment of the present invention will be described together.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노입자빔을 이용한 박막증착 장치(100)의 개략적 구성을 단면상태로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 진동기(102)에 의해 진동하는 진동용기(104)에 나노가루(106)가 담겨 있고 진동기(102) 및 진동용기(104) 전체가 Ar 가스 용기(108) 안에 들어 있다. 본 실시예에서는 나노가루(106)과 혼합되는 비활성기체로서 Ar 가스를 선택하였으나, 그 외에도 비활성기체에 해당하는 He기체, Ne기체 또는 Xe기체를 사용할 수도 있다.1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a thin film deposition apparatus 100 using a nanoparticle beam according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the nanopowder 106 is contained in a vibrating container 104 vibrating by the vibrator 102, and the vibrator 102 and the entire vibrating container 104 are contained in the Ar gas container 108. In the present embodiment, Ar gas is selected as the inert gas to be mixed with the nanopowder 106. In addition, He gas, Ne gas, or Xe gas corresponding to the inert gas may be used.

나노가루(106)의 구입은 알드리치(Aldrich)사 등에서 CeO2, BZO 등의 박막의 구성요소가 되는 다양한 크기(10㎚∼100㎚)의 나노가루를 저렴하게 판매하고 있으므로 이를 통하여 하면 된다. 이러한 나노가루는 용액에 섞여있는 것이 아니고 마른(dry) 가루이어야 한다. 나노가루(106)는 비록 마른 상태라고는 하지만, 공기 중에서 수분을 흡수하여 서로 뭉쳐서 미크론 사이즈의 입자를 형성하고 있는 것이 통상적이다. 따라서, 이를 더 작은 크기의 입자로 만들어주는 것이 바람직하다. 캐리 어 가스(carrier gas)에 해당하는 Ar 가스는 제1 공급관(110)을 통해 Ar 가스 용기(108) 내로 공급되는데, 100 미크론 정도 크기의 입구를 갖는 튜브(112)로 Ar 가스가 유입될 때 나노가루(104)도 같이 튜브(112)로 빨려 들어간다. Ar 가스와 나노가루의 혼합물은 튜브(112)에 빨려들어간 후, 나노가루 도입 유리관(114)을 거쳐 플라즈마 챔버(116) 내부로 들어간다. 한편, 플라즈마 챔버(116)에 별도의 Ar 가스를 직접 공급하는 제2 공급관(118)이 제1 공급관(110)과 병렬로 마련되어 있어 플라즈마 챔버(116)로 들어가는 Ar 가스의 유입량과 나노가루의 유입량을 독립적으로 조절할 수 있다. 튜브(112)로 들어가는 나노가루는 사실상 공기 중에서 수분을 흡수하여 뭉친 미크론 크기의 덩어리들이므로 나노가루 도입 유리관(114) 둘레에 감겨진 코일 형상으로 인덕션 플라즈마 발생기(induction plasma generator; 119)를 설치하여 나노가루들을 Ar 가스의 플라즈마와 수없이 충돌시키면 나노가루는 더 작은 크기의 나노 입자로 분해된다. 도시한 바와 같이 나노가루 도입 유리관(114)의 길이는 매우 길고 평균 자유행로(mean free path)가 0.01㎜ 정도이므로 충돌 횟수는 극히 많게 된다. 본 실시예의 장치에서 도입한 이러한 나노입자 분해방법은 나노가루를 나노입자로 분해할 수 있는 다양한 방법들 중의 하나이다.The purchase of the nanopowder 106 may be performed through Aldrich, Inc., because nanoparticles of various sizes (10 nm to 100 nm), which are components of thin films such as CeO 2 and BZO, are inexpensively sold. These nanopowders are not mixed in solution but must be dry powder. Although the nanopowder 106 is dry, it is common to absorb the moisture in the air to agglomerate with each other to form micron-sized particles. Therefore, it is desirable to make it into particles of smaller size. Ar gas corresponding to the carrier gas is supplied into the Ar gas container 108 through the first supply pipe 110, and when Ar gas is introduced into the tube 112 having an inlet of about 100 microns in size. Nanopowder 104 is also sucked into tube 112. The mixture of Ar gas and nanopowder is sucked into the tube 112 and then enters the plasma chamber 116 via the nanopowder introduction glass tube 114. On the other hand, the second supply pipe 118 for directly supplying a separate Ar gas to the plasma chamber 116 is provided in parallel with the first supply pipe 110, the inflow amount of the Ar gas and the inflow amount of the nano powder entering the plasma chamber 116 Can be adjusted independently. The nano powder entering the tube 112 is actually a micron-sized agglomerate that absorbs moisture in the air, so that an induction plasma generator 119 is installed in a coil shape wound around the nano powder introduction glass tube 114. When nanoparticles collide with the plasma of Ar gas numerous times, the nanopowder breaks down into smaller nanoparticles. As shown, since the length of the nano-powder introduction glass tube 114 is very long and the mean free path is about 0.01 mm, the number of collisions is extremely large. This nanoparticle decomposition method introduced in the device of this embodiment is one of various methods that can decompose nanopowders into nanoparticles.

나노가루 도입 유리관(114)을 거친 Ar 가스와 나노입자, 그리고 제2 공급관(118)을 거친 Ar 가스는 모두 플라즈마 챔버(116) 내부로 들어가는데, 들어간 물질들의 거동은 더스트 플라즈마(dust plasma)라는 연구분야로서 이미 많은 연구가 이루어져 있다. 플라즈마 챔버(116) 내에는 직경이 약 8cm 인 구리 원반이 음극판(cathode; 120)으로서 아래에 있고, 각각 외경이 11㎝, 내경이 6㎝인 제1 구리 원반 링(122)이 양극으로서 위에 있는데, 플라즈마 챔버(116)는 고 전체적으로 중간 전위를 갖는다. 우선, 플라즈마 챔버(116)의 내부는 약 50mTorr로 Ar 가스로 이루어져 있고 방전 전압은 약 300V 까지 가한다. 방전 전류는 1mA 정도이다. 이 경우 전자온도는 약 2eV 이고, 플라즈마 밀도는 3x109cm- 3정도가 된다. 이와 같은 상태에서 플라즈마 챔버(116)에 나노가루가 주입된다. 처음에는 수 미크론으로 뭉쳐진 입자들이 주입되지만 Ar 기체의 플라즈마 내에서 충돌이 일어나고 곧 나노입자들로 분리되어 부유물로 존재하는 것으로 알려져 있다. 나노입자들은 끊임없이 Ar 양이온과 전자와 충돌하지만 항상 전자가 빠르게 끌려오므로 나노입자들은 대부분 전자와 충돌 흡수하여 음전기로 대전되는 것으로 알려져 있다. 전하량은 대략 입자크기에 비례하는데, 실험치에서 외삽(extrapolation)하면 10㎚ 크기의 입자가 약 ~10e 정도의 정전기를 갖게 된다. 나노입자의 전하량은 전자온도에 대략 비례하여 커지며 플라즈마밀도(혹은 음극 전압)와는 큰 상관이 없다. 플라즈마는 DC 플라즈마 혹은 rf 플라즈마로 전원이 공급된다. 이러한 나노입자들은 플라즈마 내에 존재하는 전기장과 이온 및 기체의 흐름 온도 구배 등에 의하여 힘을 받아서, 이들 힘이 균형을 이루는 플라즈마와 시스(sheath) 사이에서 공간적으로 국지화되어 트랩된다. 음극판(120)에서의 시스에서 대부분의 전위가 걸리고 Ar 양이온은 시스에서 가속되어 음극판(120)에 충돌하므로 스퍼터링(sputtering)이 일어난다. 시스에서 플라즈마 전위가 급격히 변하는 영역인데 힘의 균형이 음전하로 대전된 나노입자들을 작은 영역으로 집속하여 트랩한다. 입자들끼리도 충돌하지만 이온, 전자, 나노 입자들은 국지적으로 중성을 유지한다. 그러나 트랩 영역에서의 입자밀도 분포는 전기장과 이온 및 기체의 흐름 온도 구배에 따라 변한다. 음극판(120) 근방의 시스에 트랩된 입자들의 경우, 크기가 큰 입자들이 음극판(120)에 1∼2㎝ 정도 가까이 위치하고, 크기가 작은 입자들은 음극판(120)으로부터 수 ㎝ 멀리 있다. 나노입자의 경우는 두 극판(120 및 122) 사이에 비교적 넓게 분포 한다. 이곳은 전위가 없으므로 음전하 나노입자들은 넓게 부유한다. 양극은 약한 시스가 형성되어 Ar 양이온이 약하게 충돌한다. 이온의 드랙 포스(drag force)에 의하여 음전하 나노입자들도 양극에 충돌하여 일부 정전기 힘으로 양극의 면에 붙어 있다. 이런 가루들을 그러나 계속 충돌하므로 다시 분리될 것으로 생각된다. 그러한 이온 드랙 포스(drag force)의 영향이 없으면 나노입자들이 양극의 시스 근방에 약하게 트랩된다. 따라서 음극판(120)과 양극 사이를 수 ㎝ 이하로 하면 양극에서도 나노입자들의 밀도가 크게 할 수 있다. 극판 사이의 전압을 작게 하면 나노입자들의 분포를 넓게 할 수 있다. 또한 이러한 정전기를 가진 나노입자들은 트랩된 영역에서 그 밀도분포가 가청(audio) 주파수 정도로 진동한다. Ar gas and nanoparticles through the nanopowder introduction glass tube 114 and the Ar gas through the second feed tube 118 all enter the plasma chamber 116, and the behavior of the entered materials is a dust plasma. As a field, much research has already been made. Within the plasma chamber 116 is a copper disk about 8 cm in diameter below the cathode 120 and a first copper disk ring 122 with an outer diameter of 11 cm and an inner diameter of 6 cm above the anode, respectively. The plasma chamber 116 has a high overall potential. First, the interior of the plasma chamber 116 is made of Ar gas at about 50 mTorr and the discharge voltage is applied up to about 300V. The discharge current is about 1 mA. In this case, the electron temperature is about 2eV, the plasma density was 3x10 9 cm - is a three-degree. In this state, nanopowder is injected into the plasma chamber 116. Initially, agglomerated particles of several microns are injected, but collisions occur in the plasma of Ar gas, which is known to be separated into nanoparticles and remain suspended. Nanoparticles constantly collide with Ar cations and electrons, but electrons are always attracted quickly, so most of the nanoparticles are known to collide with the electrons to be charged negatively. The amount of charge is approximately proportional to the particle size. When extrapolated from the experimental value, the particles having a size of 10 nm have static electricity of about ˜10e. The charge amount of the nanoparticles is largely proportional to the electron temperature and has little correlation with the plasma density (or cathode voltage). The plasma is powered by DC plasma or rf plasma. These nanoparticles are energized by electric fields and flow temperature gradients of ions and gases present in the plasma, and are spatially localized and trapped between the plasma and the sheath where these forces are balanced. Sputtering occurs because most of the potential is taken from the sheath in the negative electrode plate 120 and the Ar cations are accelerated in the sheath and impinge on the negative electrode plate 120. In the sheath, the plasma potential changes rapidly, and the force balance traps negatively charged nanoparticles in a small area. The particles collide with each other, but ions, electrons, and nanoparticles remain neutral locally. However, the particle density distribution in the trap region varies with the electric field and the flow temperature gradients of ions and gases. In the case of particles trapped in the sheath near the negative electrode plate 120, the large particles are located about 1 to 2 cm near the negative electrode plate 120, and the small particles are several cm away from the negative electrode plate 120. Nanoparticles are relatively broadly distributed between the two electrode plates 120 and 122. There are no dislocations, so the negatively charged nanoparticles are widely suspended. The anode has a weak sheath and thus weakly collides with the Ar cation. Due to the drag force of ions, negatively charged nanoparticles also collide with the anode and are attached to the surface of the anode by some electrostatic force. These powders, however, continue to collide and are likely to separate again. Without the effect of such ion drag forces, nanoparticles are weakly trapped near the sheath of the anode. Therefore, when the distance between the negative electrode plate 120 and the positive electrode is several cm or less, the density of the nanoparticles may be increased in the positive electrode. Reducing the voltage between the pole plates can widen the distribution of nanoparticles. In addition, these electrostatic nanoparticles vibrate at the audio frequency of their density distribution in the trapped region.

한편, 플라즈마 챔버(116) 출구 쪽으로 양극에 해당하는 제1 구리 원반 링(122) 가운데의 개구부(hole)가 일치하게 제1 구리 원반 링(122)과 동일한 형상의 제2 구리 원반 링(124)이 배치되어 있고, 제1 그리드(grid; 126) 및 제2 그리드(128)로 이루어진 이중 그리드가, 제1 그리드(126)는 제1 구리 원반 링(122)에, 제2 그리드(128)는 제2 구리 원반 링(124)에 각각 연결되어 있다. 제1 그리드(126) 및 제2 그리드(128) 사이의 간격을 1㎜ 정도로 하면 Ar의 평균 자유행로 이내이다. 두 개의 그리드들(126 및 128) 사이에 전압이 가해지므로 전위가 형성된다. 드리프트(Drift) 혹은 이온 드랙(ion drag) 힘으로 그리드 사이에 들어온 음전하로 대전되어 있는 나노입자만 가속되어 튀어 방출된다. 수십 V의 상대적인 양의 전압을 가진 제2 그리드(128)를 설치하여 시스 내에서 전기장을 형성하여 나노입자들을 가속 시켜서 분사한다. 구체적인 수치의 예를 들자면, 음극판(120)에 -300V, 양극에 해당하는 제1 구리 원반 링(122)에 연결된 제1 그리드(126)에 -100V가 각각 인가되게 하고, 제2 구리 원반 링(124)에 연결된 제2 그리드(128)를 그라운드(ground)에 연결하여 0V가 되게 하면, 제1 그리드(126)가 제2 그리드(128)에 상대적으로 음극 전압이 된다 (즉, 플라즈마 박스를 이룬다). 양전하를 띠는 양전하 Ar 이온은 그리드 사이에서 차단된다. 그러나 이온화 되지 않은 Ar 가스는 방출된다. 따라서, 바깥 하우징(130)을 이용한 이중 용기 구조를 사용하고, 바깥 하우징(130)에 연결된 펌프(132)를 통한 차동 펌핑(differential pumping)을 하여서 증착 공정이 이루어질 메인 챔버(main chamber; 134)로 Ar 가스가 들어가는 양을 충분히 줄인다. 어느 정도의 나노 입자 빔 플럭스(nano-particle beam flux)가 형성 되는지, 또 빔 플럭스(beam flux)가 각도에 대하여 어떤 분포를 이루는지는 그리드의 전압과 모양에 의존한다. 균일도를 얻기 위하여 적당한 곡률을 갖는 그리드 망을 설치해야 한다. 또한, 입자크기 및 밀도의 분포는 그리드 망의 메쉬(mesh)의 크기와 모양에 의존한다.Meanwhile, the second copper disk ring 124 having the same shape as the first copper disk ring 122 so that the opening in the center of the first copper disk ring 122 corresponding to the anode toward the outlet of the plasma chamber 116 coincides. Is arranged, the dual grid consisting of a first grid 126 and a second grid 128, the first grid 126 in the first copper disc ring 122, the second grid 128 in the Respectively connected to the second copper disc rings 124. If the distance between the first grid 126 and the second grid 128 is about 1 mm, it is within an average free path of Ar. A voltage is applied between the two grids 126 and 128 so that a potential is formed. Only nanoparticles charged with negative charges between the grids by drift or ion drag forces are accelerated and released. By installing a second grid 128 having a relative positive voltage of several tens of volts to form an electric field in the sheath to accelerate and spray the nanoparticles. As an example of specific values, -300V is applied to the negative electrode plate 120, -100V is applied to the first grid 126 connected to the first copper disc ring 122 corresponding to the positive electrode, and the second copper disc ring ( When the second grid 128 connected to 124 is connected to ground to be 0V, the first grid 126 becomes a cathode voltage relative to the second grid 128 (ie, forms a plasma box). ). Positively charged positively charged Ar ions are blocked between the grids. However, unionized Ar gas is released. Therefore, the dual chamber structure using the outer housing 130 is used, and differential pumping through the pump 132 connected to the outer housing 130 is performed to the main chamber 134 in which the deposition process is to be performed. Reduce the amount of Ar gas entering. How much nano-particle beam flux is formed and how the beam flux is distributed with respect to the angle depends on the voltage and shape of the grid. Grid nets with adequate curvature must be installed to achieve uniformity. The distribution of particle size and density also depends on the size and shape of the mesh of the grid network.

한편, 나노입자의 질량이 107∼108 AMU 이고 10e로 대전되어 있고, 100V로 가속되면 방출속도는

Figure 112007041350565-pat00001
에서 약 100m/sec이다. 이것은 상온에서 공기 분자속도보다 5배 정도 느린 것이다. 운동량은
Figure 112007041350565-pat00002
인데 질량이 극히 크다. 따라서 박막 표면에서의 충돌 임팩트(impact)는 대단히 크므로 나노입자가 충돌하는 곳은 큰 손상(damage)을 받을 것으로 생각된다. 그러나 박막의 온도가 700도 이상이라면 다시 결정(crystal)이 형성될 것이다. 나노입자는 일반적으로 단단한 결정 덩어리 이므로 박막표면에서 화학적 반응이 발생하지 않는다면 나노입자는 박막 표면에 박히게 된다. 그러나 화학반응이 발생하면 어떤 상(phase) 및 해당하는 결정을 형성할 것이다. 나노입자가 튕겨나갈 수도 있는데 이것은 박막표면과 나노입자 사이의 상호작용에 의한 부착력에 따라 다를 것이다. 나노입자는 질량이 크므로 박막 표면에서의 마이그레이션(migration)은 작을 것으로 생각된다. 따라서, 대전된 후 가속된 나노입자가 메인 챔버(134)에 놓인 기판(136)에 충돌하게 되면, 기판 상에 그 나노입자가 박막의 매트릭스를 구성하거나, 박막의 중요하지 않은(minor) 구성요소를 이루는 방식으로 박막의 형성에 관여하게 된다.On the other hand, if the mass of the nanoparticles is 10 7-10 8 AMU and is charged at 10 e, and accelerated to 100 V, the emission rate is
Figure 112007041350565-pat00001
At about 100 m / sec. This is about five times slower than air molecular velocity at room temperature. Momentum
Figure 112007041350565-pat00002
Although the mass is extremely large. Therefore, the impact impact on the surface of the thin film is very large, so it is thought that the place where the nanoparticles collide is subject to great damage. However, if the temperature of the thin film is more than 700 degrees, crystals will form again. Nanoparticles are generally solid crystal masses, so if no chemical reaction occurs on the surface of the film, the nanoparticles will get stuck in the film surface. However, if a chemical reaction occurs, it will form certain phases and corresponding crystals. Nanoparticles may bounce off, depending on the adhesion between the thin film surface and the nanoparticles. Since the nanoparticles are large in mass, the migration on the thin film surface is thought to be small. Thus, when charged and accelerated nanoparticles impinge upon the substrate 136 placed in the main chamber 134, the nanoparticles on the substrate constitute a thin film matrix, or minor components of the thin film. It is involved in the formation of the thin film in a manner to achieve.

본 발명에 따르면, 성분비 조절이 매우 쉽고, 화학반응이 따로 필요 없으므로 복잡한 성분비를 갖는 박막을 쉽게 제작할 수 있는 방법 및 장치가 제공된다.According to the present invention, it is very easy to adjust the component ratio, there is provided a method and apparatus that can easily produce a thin film having a complex component ratio because no chemical reaction is required.

Claims (8)

박막의 구성요소를 이루는 나노가루를 나노입자로 만들어 대전시키는 단계와;Charging the nanopowder constituting the thin film to nanoparticles; 상기 대전된 나노입자에 전기장을 가하여 가속된 나노입자빔으로 바꾸는 단계와;Applying an electric field to the charged nanoparticles to convert the accelerated nanoparticle beams; 상기 가속된 나노입자빔을 기판에 충돌시켜 박막의 구성요소가 되게 하는 단계;Impinging the accelerated nanoparticle beam onto a substrate to become a component of a thin film; 를 구비하는 박막 증착방법.Thin film deposition method comprising a. 제1항에 있어서, 상기 나노가루를 나노입자로 만들어 대전시키는 단계가, 상기 나노가루를 비활성기체와 혼합한 상태에서 플라즈마를 발생시키는 단계인 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.The thin film deposition method of claim 1, wherein the charging of the nanopowder by making the nanoparticle into a nanoparticle is performed by generating a plasma in a state in which the nanopowder is mixed with an inert gas. 제2항에 있어서, 상기 비활성기체가 Ar기체, He기체, Ne기체 및 Xe기체로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 증착방법.The method of claim 2, wherein the inert gas is any one selected from the group consisting of Ar gas, He gas, Ne gas, and Xe gas. 삭제delete 박막의 구성요소를 이루는 나노가루를 비활성 기체와 혼합하여 공급하기 위한 나노가루 공급부와;A nanopowder supply unit for supplying a mixture of nanopowder constituting the thin film with an inert gas; 상기 나노가루를 비활성 기체와 혼합물을 공급받고, 상기 비활성 기체의 플라즈마를 발생시킴으로써 상기 나노가루를 대전된 나노입자로 만드는 플라즈마 챔버와;A plasma chamber supplied with a mixture of the inert gas and the inert gas, and generating a plasma of the inert gas to make the nanopowder into charged nanoparticles; 상기 플라즈마 챔버에 비활성 기체를 별도로 공급하기 위한 비활성 기체 공급관과;An inert gas supply pipe for separately supplying an inert gas to the plasma chamber; 상기 대전된 나노입자에 전기장을 가하여 가속된 나노 입자빔으로 만들어 주도록 상기 플라즈마 챔버에 설치된 음극판과 양극 그리드와;An anode plate and an anode grid installed in the plasma chamber to apply an electric field to the charged nanoparticles to form an accelerated nanoparticle beam; 상기 나노 입자빔을 충돌시켜 박막의 구성요소를 이루도록 하는 기판이 위치하는 메인 챔버;A main chamber in which a substrate is positioned to impinge the nanoparticle beam to form a thin film component; 를 구비하는 박막증착 장치.Thin film deposition apparatus having a. 제5항에 있어서, 상기 나노가루 공급부와 상기 플라즈마 챔버 사이에 상기 나노가루를 더 작은 크기의 입자로 만들기 위해, 상기 나노가루를 비활성 기체와 혼합물이 거치는 나노가루 도입 유리관과, 상기 나노가루 도입 유리관 내에 인덕션 플라즈마를 발생시키기 위한 인덕션 플라즈마 발생기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 박막증착 장치.The nanopowder introduction glass tube according to claim 5, wherein the nanopowder is passed through a mixture of an inert gas and the nanopowder introduction tube to make the nanopowder into smaller particles between the nanopowder supply unit and the plasma chamber. And an induction plasma generator for generating an induction plasma therein. 제5항에 있어서, 상기 플라즈마 챔버를 더 큰 용기로 둘러쌈으로써 이중 용기 구조를 이루며, 상기 더 큰 용기에 차동 펌핑을 행하기 위한 펌프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 박막증착 장치.6. The thin film deposition apparatus according to claim 5, wherein the plasma chamber is surrounded by a larger vessel to form a double vessel structure, and further comprising a pump for differential pumping the larger vessel. 제5항에 있어서, 상기 양극 그리드가 상기 음극판에서 먼 것과 가까운 것의 2개로 구성되되, 상기 음극판에 가까운 것보다 상기 음극판에서 먼 것에 더 높은 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 박막증착 장치.6. The thin film deposition apparatus according to claim 5, wherein the anode grid is composed of two, ones far from the cathode plate, and a higher voltage is applied to the ones farther from the cathode plate than to the anode plate.
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