KR100985145B1

KR100985145B1 - 박막 증착 장치

Info

Publication number: KR100985145B1
Application number: KR1020080039132A
Authority: KR
Inventors: 김정식; 김상유; 빅토르 차이레프; 올렉산드르 텔레긴
Original assignee: 주식회사 서흥플라즈마
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2010-10-05
Also published as: KR20090113416A

Abstract

본 발명은 박막 증착 장치에 관한 것으로, 박막 증착을 위한 시료를 유입 및 반출하도록 슬릿이 외벽 측면에 형성되어 있고 가스주입구와 냉각관 입구가 외벽 하부에 형성된 밀폐형 구조의 챔버와; 상기 챔버의 상부에 위치한 영구자석과; 상기 영구자석의 하부에 위치하며 내부에 냉각관을 구비한 냉각판과; 상기 냉각판의 하부에 구성되고 상기 시료와는 일정 거리만큼 이격되도록 상기 냉각판과 상기 시료 사이에 설치되며 상대자기투과율이 대략 1 정도인 금속 구조물과; 상기 영구자석에서 발생하는 자기장에 의해서 구속되는 플라즈마의 전류밀도에 따라 상기 금속 구조물과 일정 거리를 두고 상기 챔버 내부에 설치되며 윗면이 없는 정육면체 모양의 강자성 물질로 된 내부 음극과; 상기 챔버의 냉각관 입구를 통해 내부 음극의 측면 및 하부와 접촉되도록 구성되며 상기 내부 음극에서 발생하는 열을 냉각함과 동시에 고주파 전력신호나 직류 음(-) 전압을 인가하는 냉각관과; 상기 냉각관과 상기 챔버 사이를 절연시키는 절연물질; 및 상기 챔버의 가스주입구에 설치된 가스주입부를 통해 유입된 가스를 복수 개의 노즐 구멍을 통해 상기 내부 음극의 내부로 분출하는 가스관;을 포함함으로써, 증착 속도를 향상시킬 수 있고, 플라즈마화학기상증착(PECVD)과 스퍼터 증착의 동시 구현이 가능하며, 다른 플라즈마 방전 시스템들과의 격리를 통한 고순도의 다층 박막 형성이 가능하다.

자기 거울(Magnetic Mirror), 스퍼터(Sputter), 플라즈마 화학 기상증착(Plasma enhanced chemistry vapor deposition), 자기 가둠(magnetic confinement), 강자성(Ferromagnetic)

Description

박막 증착 장치{Thin film deposition device}

본 발명은 박막 증착 장치에 관한 것으로, 특히 증착 속도를 향상시킬 수 있고, 플라즈마화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)과 스퍼터 증착(Sputtering Deposition)의 동시 구현이 가능하며, 다른 플라즈마 방전 시스템들과의 격리를 통한 고순도의 다층 박막 형성이 가능한 박막 증착 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 플라즈마(Plasma)를 이용한 공정은 자동차, 항공, 생의학, 마이크로 전자 소자 제조 등과 같은 다양한 분야에 양산과 제조에서 점차 적용되고 있다. 현재 마이크로 전자 소자 제조에서는 습식공정에서 건식 공정으로 바꾸고 있으며, 박막 증착 분야에서도 기존 화학기상증착법(CVD)보다 더 낮은 온도에서 증착이 가능한 플라즈마화학기상증착법(PECVD)이 적용되고 있다.

상기 플라즈마화학기상증착법(PECVD)에서는 여러 산업에서 요구되는 기능성 박막증착을 위한 연구와 높은 박막 증착율을 통한 생산성 향상이 주된 연구 과제이 다.

공정 챔버내 고진공(10∼6Torr)을 만들기 위해 확산펌프(diffusion pump)와 터보분자펌프(turbo molecule pump)가 사용되고 있다. 상기 확산펌프는 챔버 내의 공기 및 가스입자들이 펌프 내 고온의 진공 유입자 쪽으로 확산되는 원리로 공정 챔버내 고진공을 구현하고, 상기 터보분자펌프는 펌프 내 블레이드가 고속 회전하면서 고진공을 구현한다. 상기 확산펌프는 상기 터보분자펌프에 비해 가격이 저렴하나 플라즈마화학기상증착 장비의 고진공을 만들기 위해 사용될 경우 플라즈마화학 반응을 통해 발생하는 특정 분자들에 의한 진공오일의 오염이 발생하여 효율이 떨어지는 단점이 있다.

한국공개특허 2004-0078329에서는 디스플레이 패널용 플라스틱 필름 및 그 제조방법에 관한 것으로 플라스틱 투명 필름에 헥사메틸디실록산(HMDSO)과 산소를 플라즈마화학기상증착법을 통해 탄화수소 결합을 가진 규소산화물을 가스확산방지막 기능을 위해 코팅하는 방법을 기술하고 있다. 이 발명을 확산펌프를 구비한 챔버에서 시도를 한다면 헥사메틸디실록산(HMDSO)에서 분리된 탄화수소와 규소계 무기질이 확산챔버의 진공오일 오염을 초래한다. 또한 상기 발명의 연장선으로 탄화수소 결합을 가진 규소산화물 성막 위에 다른 물질을 코팅하기 위한 플라즈마 장치(예를 들어 고주파 혹은 직류 전원의 마그네트론)가 동일 챔버 내에 설치될 경우, 헥사메틸디실록산(HMDSO)로부터의 탄화수소계 분자들과 규소계 무기질의 플라즈마가 다른 플라즈마 소스에 의해 발생되는 플라즈마에 유입이 되어 박막의 순도를 떨어뜨리는 것은 자명하다.

박막 증착에 널리 사용되는 마그네트론은 전극(캐소드)에서 발생되는 전자들을 마그네트론 내의 자기장에 의해 가두어지고, 수평 방향 드리프트(EXB drift) 운동의 연속적인 반응을 통해 발생된 고밀도의 플라즈마가 금속 혹은 세라믹의 타겟과 충돌하여 타겟으로부터 분리된 금속 혹은 세라믹이 기판(substrates)에 증착하는 목적을 가진다. 그러나 마그네트론을 이용하여 플라즈마화학기상증착을 한 경우, 타겟의 오염을 통한 아크의 발생 등으로 기판의 모재의 표면이 손상되고, 낮은 이온화와 수평방향으로의 이온입자들의 확산에 의한 챔버 벽면과 기계장비에 증착에 의한 손실 그리고 진공게이지와 잔여가스분석기(residual gas analyzer)의 필라멘트들에 증착되는 이물질들에 의한 오동작 가능성의 단점을 가지고 있다. 특히, 대부분의 잔여가스분석기는 플라즈마화학기상증착용으로 제작되어 지지 않았기에 잔여가스분석기 제조사들은 플라즈마화학기상증착을 구현하는 챔버 내에 잔여가스분석기의 사용을 권장하지 않는다.

국제특허(WO 02/086932 A1)에서는 플라즈마화학기상증착용(PECVD) 저진공 분위기에서 코팅부 위에 자기거울 효과에 의한 고밀도 플라즈마를 발생하게 하는 플라즈마의 원리를 기술하고 있다. 이는 영구자석과 강자성(ferromagnetic)의 물성을 가진 금속들과의 조합을 통한 자기 거울 효과를 가진 자기장 분포를 발생시켜, 자기 거울 효과에 의해 가두어진 넓은 면적의 전극에서 발생한 일이차(first, secondary electrons) 전자들과 자기장 내 높은 이온온도(ion temperature)를 가진 이온(이온들은 자기장의 영향을 적게 받음)들이 고효율의 중성가스 이온화에 기여를 하게 하여 플라즈마의 밀도를 높임으로 최종적으로는 기판(substrates)에 박막 증착속도를 높이기 위함이다. 그러나 한 공정 챔버에서 플라즈마화학기상증착 공정과 마그네트론에 의한 스퍼터 공정을 동시에 구현할 수 없고, 플라즈마의 밀도는 자기 거울 효과에 의해 가두어진 전자들에 의한 이온화에 제한되어 높은 생산성을 위한 실제 증착 시료 근처의 더 높은 플라즈마 밀도를 얻기 위한 방법이 요구된다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 플라즈마화학기상증착과 스퍼터 증착을 동시에 구현할 수 있는 박막 증착 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 자기 거울과 자기 가둠 효과로 플라즈마의 밀도를 향상시켜 증착 속도를 향상시킬 수 있는 박막 증착 장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 챔버 내 다른 플라즈마 증착 장비들과 격리를 통해 고순도의 다층 박막 형성이 가능한 박막 증착 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 박막 증착 장치는, 박막 증착을 위한 시료를 유입 및 반출하도록 슬릿이 외벽 측면에 형성되어 있고 가스주입구와 냉각관 입구가 외벽 하부에 형성된 밀폐형 구조의 챔버와; 상기 챔버의 상부에 위치한 영구자석과; 상기 영구자석의 하부에 위치하며 내부에 냉각관을 구비한 냉각판과; 상기 냉각판의 하부에 구성되고 상기 시료와는 일정 거리만큼 이격되도록 상기 냉각판과 상기 시료 사이에 설치되며 상대자기투과율이 대략 1 정도인 금속 구조물과; 상기 영구자석에서 발생하는 자기장에 의해서 구속되는 플라즈마의 전류밀도에 따라 상기 금속 구조물과 일정 거리를 두고 상기 챔버 내부에 설치되며 강자성 물질로 된 내부 음극과; 상기 챔버의 냉각관 입구를 통해 내부 음극의 측면 및 하부 와 접촉되도록 구성되며 상기 내부 음극에서 발생하는 열을 냉각함과 동시에 고주파 전력신호나 직류 음(-) 전압을 인가하는 냉각관과; 상기 냉각관과 상기 챔버 사이를 절연시키는 절연물질; 및 상기 챔버의 가스주입구에 설치된 가스주입부를 통해 유입된 가스를 복수 개의 노즐 구멍을 통해 상기 내부 음극의 내부로 분출하는 가스관;을 포함하며, 상기 영구자석과 상기 내부 음극의 배치에 의한 자기 거울 효과에 의한 고효율의 플라즈마 화학기상증착 및 스퍼터 증착을 동시에 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 박막 증착 장치는 상기 내부 음극의 상단에 금속 또는 세라믹 타겟을 구비하여, 상기 플라즈마 화학기상증착에 의해 형성된 박막에 스퍼터 증착을 동시에 구현할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 박막 증착 장치에 직류(DC) 전원을 인가하는 경우 상기 냉각판은 양극(+), 상기 내부 음극은 음극(-)을 인가하고, 상기 박막 증착 장치에 고주파(RF) 전원을 인가하는 경우 상기 냉각판은 그라운드 전압(접지전압), 상기 내부 음극은 음극(-)을 인가하는 것을 특징으로 한다.

상기 영구자석에서 발생하는 자기장의 세기는 0.02 내지 0.3 테슬라(Tesla)인 것을 특징으로 한다.

상기 내부 음극의 면적과 재질, 그리고 상기 내부 음극과 상기 금속 구조물과의 거리에 따라 발생되는 자기 거울에서 전자의 임계 탈출 각도(critical escape cone angle)는 10도에서 30도 사이인 것을 특징으로 한다.

상기 영구자석은 중심 부분에 복수 개의 N극이 구성되고, 상기 중심 부분과 일정 거리만큼 이격된 가장자리 부분에 복수 개의 S극이 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 영구자석은 중심 부분에 복수 개의 S극이 구성되고, 상기 중심 부분과 일정 거리만큼 이격된 가장자리 부분에 복수 개의 N극이 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 강자성 물질로 된 내부 음극은 상대자기투과율 값이 500에서 5000 사이인 것을 특징으로 한다.

상기 절연물질은 엠씨 나일론(Mc Nylon), 테프론, 마일러를 포함한 절연물질 중 어느 하나를 사용한 것을 특징으로 한다.

상기 냉각판의 재질은 구리인 것을 특징으로 한다.

상기 냉각판과 상기 내부 음극에 구비된 냉각관의 재질은 구리를 포함한 도전체 물질을 사용하고 물의 순환에 의해 냉각 작용을 하는 것을 특징으로 한다.

상기 가스관의 재질은 스테인레스 스틸로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 금속 구조물의 재질은 상대자기투과율이 대략 1 정도의 값을 가지는 알루미늄, 파라듐, 은을 포함한 금속물질 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 금속 구조물의 재질은 알루미늄 계열의 합금인 것을 특징으로 한다.

상기 시료는 필름, 유리, 금속을 포함하며, 상기 슬릿은 상기 시료의 두께와 폭보다 크게 형성하되 모서리가 둥근 직사각형으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 슬릿의 두께는 3mm 내지 10mm인 것을 특징으로 한다.

상기 챔버의 재질은 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 한다.

상기 내부 음극은 내부에 공간부가 형성되어 있고 윗면이 없는 정육면체 모양을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 자기 거울과 자기 가둠 효과로 증착 속도를 향상시킬 수 있고, 플라즈마화학기상증착과 스퍼터 증착을 동시에 구현할 수 있으며, 챔버 내 다른 플라즈마 증착 장비들과 격리를 통해 고순도의 다층 박막 형성이 가능한 효과가 있다.

또한, 확산펌프 내 진공오일의 오염을 방지할 수 있고, 플라즈마 화학 증착 공정에서의 진공게이지와 잔여가스분석기를 안정적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 박막 증착 장치의 사시도로서, 도 1은 우상에서 바라본 박막 증착 장치의 사시도이고, 도 2는 좌하에서 바라본 박막 증착 장치의 사시도이다.

상기 박막 증착 장치의 외부 구조물(이하, '챔버'라고 한다)(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 내지 제 6 외벽(101 내지 106)으로 된 육면체의 구 조로 되어있고, 재질은 스테인레스 스틸(SUS 304)로 제작된다.

상기 챔버(100)의 좌측 및 우측인 제 2 및 제 4 외벽(102, 104)에는 박막 증착을 위한 슬릿(slit; 108, 109)이 필름이나 유리 혹은 금속의 두께와 폭보다 조금 여유있게 모서리가 둥근 직사각형으로 좌우로 뚫려 있다. 이때, 상기 슬릿의 두께는 3mm 내지 10mm인 것이 바람직하다.

상기 챔버(100)의 하측인 제 3 외벽(103)에는 가스관(도 7 참조)의 가스주입부(122)를 연결하는 1개의 가스주입구(110)와 냉각관(도 3의 120)을 삽입하기 위한 원형으로 된 4개의 냉각관 입구(111)가 구성되어 있다. 그리고, 상기 챔버(100)의 정면인 제 5 외벽(105)에는 냉각관(도 3의 116)을 삽입하기 위한 원형으로 된 2개의 냉각관 입구(107)가 구성되어 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 박막 증착 장치의 내부 구조 및 자기장 분포를 나타낸 단면도이다.

상기 박막 증착 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 박막 증착을 위한 시료(113)를 유입 및 반출하도록 슬릿(도 1 및 도 2의 108, 109)이 외벽 측면에 형성되어 있고 가스주입구와 냉각관 입구가 외벽 하부에 형성된 밀폐형 구조의 챔버(100)와, 상기 챔버(100)의 상부에 위치한 영구자석(114,115)과, 상기 영구자석(114,115)의 하부에 위치하며 내부에 냉각관(116)을 구비한 냉각판(118)과, 상기 냉각판(118)의 하부에 구성되고 상기 시료(113)와는 일정 거리만큼 이격되도록 상기 냉각판(118)과 상기 시료(113) 사이에 설치되며 상대자기투과율이 대략 1 정도인 금속 구조물(117)과, 상기 영구자석(114,115)에서 발생하는 자기장에 의해서 구 속되는 플라즈마의 전류밀도에 따라 상기 금속 구조물(117)과 일정 거리를 두고 상기 챔버(100) 내부에 설치되며 윗면이 없는 정육면체 모양의 강자성 물질로 된 내부 음극(112)과, 상기 챔버(100)의 냉각관 입구(111)를 통해 상기 내부 음극(112)의 측면 및 하부와 접촉되도록 구성되며 상기 내부 음극(112)에서 발생하는 열을 냉각함과 동시에 고주파 전력신호나 직류 음(-) 전압을 인가하는 냉각관(120)과, 상기 냉각관(120)과 상기 챔버(100) 사이를 절연시키는 절연물질(121)과, 상기 챔버(100)의 가스주입구(110)에 설치된 가스주입부(도 7의 122)를 통해 유입된 가스를 복수 개의 노즐 구멍(도 7의 124)을 통해 상기 내부 음극(112)의 내부로 분출하는 가스관(도 7 참조)을 포함한다.

먼저, 상기 냉각판(118) 상부에 위치한 상기 영구자석(114,115)은 도 5와 같이, 중심 부분에 복수 개의 N극(114)이 구성되고, 상기 중심 부분과 일정 거리만큼 이격된 가장자리 부분에 복수 개의 S극(115)이 구성된다. 또는, 상기 영구자석(114,115)은 도 6과 같이, 중심 부분에 복수 개의 S극(114)이 구성되고, 상기 중심 부분과 일정 거리만큼 이격된 가장자리 부분에 복수 개의 N극(115)이 구성된다. 이때, 상기 영구자석(114,115)에서 발생하는 자기장의 세기는 0.02 내지 0.3 테슬라(Tesla)인 것이 바람직하다.

상기 냉각판(118)은 도 4에 도시된 바와 같이, 내부에 'U'자 형상의 냉각관(116)이 형성되어 있으며, 상기 냉각관(116)을 통해 냉각수를 유입 및 배출하여 상기 냉각판(118)에서 발생하는 열을 냉각하는 역할을 한다. 이를 위해, 상기 냉각관(116)은 상기 냉각판(118)에 최대한의 접촉면적을 가지면서 용접된다. 상기 냉각 관(116)은 열 전도성이 뛰어나고 전기 저항이 작은 구리(Cu)와 같은 물질을 사용하는 것이 적당하다. 상기 냉각판(118)의 면적은 상기 챔버(100)의 내부 면적과 거의 동일하게 제작된다.

상기 금속 구조물(117)은 상기 냉각판(118)의 하부에 구성되고 상기 시료(113)와는 일정 거리만큼 이격되도록 상기 냉각판(118)과 상기 시료(113) 사이에 설치된다. 상기 금속 구조물(117)은 상대자기투과율이 대략 1 정도의 값을 가지는 알루미늄, 파라듐, 은, 베릴륨, 염화니켈, 황화망간을 포함한 금속물질 중에서 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속 구조물(117)은 알루미늄 계열의 합금을 사용할 수도 있다.

상기 내부 음극(112)는 상대자기투과율 값이 500에서 5000 사이의 값을 가지는 강자성체(Ferromagnetic) 물질로 제작되며, 윗면이 없는 정육면체 모양으로 되어 있다. 상기 내부 음극(112)의 측면 및 저면에는 상기 내부 음극(112)에서 발생하는 열을 최대한 제거하기 위해 상기 냉각관(120)이 용접되어 있다. 상기 냉각관(120)은 냉각과 전력 전달의 기능이 있다. 이때, 상기 냉각관(120)에 공급되는 전력은 고주파 전력 신호나 직류 음전압(-)이 인가될 수 있으며, 상기 챔버(100)와는 절연물질(121)에 의해 전기적으로 절연되어 있다.

상기 냉각관(120)은 구리(Cu)와 같이 열전도가 좋은 물질로 제작되고 상기 챔버(100)와 전기적으로 절연되도록 엠씨 나일론(MC Nylon)이나 테플론 같은 물질로 제작된 절연물질을 상기 냉각관(120) 주변을 감싸도록 설치되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 냉각관(120)이 기계적으로 지지가 필요한 경우에는 엠씨 나일론으 로 제작되는 것이 바람직하다.

상기 내부 음극(112)의 내부로 가스를 분출하도록 상기 챔버(100)의 하부에 설치되는 가스관은 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 챔버(100)의 가스주입구(110)에 설치되는 가스주입부(122)와, 상기 가스주입부(122)를 통해 유입된 가스를 상기 내부 음극(112)의 내부로 분출하도록 복수 개의 노즐 구멍(124)이 형성된 노즐부(123)를 포함하여 구성한다. 이때, 상기 가스관의 재질은 스테인레스 스틸(SUS-304)을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 구성을 갖는 박막 증착 장치의 자기장 분포는 도 3에 도시한 바와 같이, 일반적으로 알려진 마그네트론의 자기장 분포와 동일하다. 이는 증착되는 부위에 높은 플라즈마 밀도를 얻기 위함이다. 상기 냉각판(118)과 상기 시료(118) 사이에는 알루미늄과 같이 상대자기투과율이 1에 가까운 금속 구조물(117)이 위치한다. 그리고, 상기 챔버(100)의 양 옆에는 상기 시료(113)의 텐션을 조정하기 위한 구조물(119)이 설치된다. 상기 구조물(119)의 내부에는 용도에 따라 필름의 응력(tension)을 조정하기 위한 롤이 기하학적으로 설치될 수 있다.

상기 박막 증착 장치 내부의 음극(cathode)의 넓은 면적은 상대적으로 큰 값의 이온 온도(ion temperature)를 가지는 플라즈마를 발생시켜 저 진공에서 고 이온화에 기여한다. 또한, 자기장의 세기는 0.02에서 0.3 테슬라(Tesla)가 적당하며, 상기 내부 음극(112)의 면적과 재질 그리고 상기 내부 음극(112)과 상기 금속 구조물(117)과의 거리에 따라 발생되는 자기 거울에서 전자의 임계 탈출 각도(critical escape cone angle)는 10도에서 30도 사이가 적당하다.

저 진공에서 높은 이온온도의 이온들과 자기 거울(magnetic mirror)에 의해 가두어진(trap) 전자들에 의한 고 이온화에 의한 높은 성막 속도를 얻을 수 있다.

상기 내부 음극(112)의 꼭대기부분은 상대적으로 강한 자기장이 분포하고 자기거울로부터 탈출한 플라즈마가 전기장과 자기장 효과에 의해 모여져서 높은 플라즈마 밀도를 가진다. 이곳에서 음극 물질의 스퍼터가 이루어진다.

즉, 상기 내부 음극(112)의 꼭대기와 양극을 갖는 상기 금속 구조물(117) 사이의 거리가 충분히 멀면 플라즈마 화학기상증착법에 의한 고순도의 박막을 얻을 수가 있다. 이때, 상기 내부 음극(112)의 상단(음극 꼭대기)에 금속이나 세라믹 구조물을 설치하여 그 끝과 양극의 거리가 충분히 가까우면 플라즈마 화학기상증착법에 의한 고순도 박막에 금속이나 세라믹 물질이 스퍼터 과정을 통해 도핑되는 특수한 박막을 얻을 수 있다.

여기서, 상기 내부 음극(112)의 꼭대기와 코팅되는 시료(113), 예를 들어 폴리머 계열 필름이나 유리, 금속과의 거리는 적당히 떨어져 있는 것이 바람직하다. 너무 가까울 경우 음극 끝 부분과 양극 사이에 강한 전계(Electric field)가 인가되어 폴리머 등의 표면 손상을 야기할 수 있다.

따라서, 상기 내부 음극(112)의 꼭대기와 양극을 갖는 상기 금속 구조물(117) 사이의 거리는 자기장에 의해서 구속되는 플라즈마의 전류밀도의 크기에 따라 플라즈마 화학기상증착 및 스퍼터 증착에 의한 고순도의 박막을 얻을 수 있도록 결정한다.

상기 외부 구조물(챔버; 100)과 내부의 자기 거울 효과는 플라즈마를 사용하 여 박막을 증착하는 박막 증착 장치 내에 플라즈마가 한정되도록 한다. 이는 웹코터장비(web coater device) 내에서의 여러 개의 마그네트론 스퍼터링 공정과 플라즈마 화학기상증착 공정의 동시 구현을 가능하게 한다.

예를 들면, 헥사메틸디실록산(HMDSO)와 산소, 아르곤이 상기 가스관의 노즐구멍(124)을 통해 방출되고, 상기 내부 음극(112)에 고주파가 인가되고 상기 냉각판(118)은 접지로 연결되고, 상기 내부 음극(112)의 끝 부분에 알루미늄을 부착하면, 헥사메틸디실록산(HMDSO)으로부터 탄화수소계규소산화물이 상기 시료(113)에 증착되고 동시에 알루미늄이 스퍼터를 통해 상기 시료(113)에 증착되어 금속이나 세라믹이 도핑(dopping)된 높은 전도성을 가진 탄화수소계 규소산화물질을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 박막 증착 장치에서는 상기 내부 음극(112)의 상단에 금속 또는 세라믹 타겟을 구비하여, 상기 플라즈마 화학기상증착에 의해 형성된 박막에 스퍼터를 통한 물질 도핑 효과를 동시에 구현할 수 있다.

이때, 상기 박막 증착 장치에 직류(DC) 전원을 인가하는 경우 상기 냉각판(118)은 양극(+), 상기 내부 음극(112)은 음극(-)을 인가하고, 고주파(RF) 전원을 인가하는 경우 상기 냉각판(118)은 그라운드 전압(접지전압), 상기 내부 음극(112)은 음극(-)을 인가한다.

본 발명은 플라즈마 화학기상증착과 스퍼터 증착 등을 사용하여 필름이나, 유리 혹은 금속과 같은 시료에 박막을 증착하는 박막 증착 장치 등에 이용할 수 있다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시 예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 특허청구범위에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함되는 것으로 보아야 할 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 박막 증착 장치의 사시도로서,

도 1은 우상에서 바라본 박막 증착 장치의 사시도이고,

도 2는 좌하에서 바라본 박막 증착 장치의 사시도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의한 박막 증착 장치의 내부 구조 및 자기장 분포를 나타낸 단면도

도 4는 본 발명의 박막 증착 장치에 사용된 양극(접지) 냉각구조물의 평면도

도 5 및 도 6은 본 발명의 박막 증착 장치에 사용된 영구자석의 배치도

도 7은 본 발명의 박막 증착 장치에 사용된 가스관의 구성도

[ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ]

100 : 챔버 101 : 제 1 외벽

102 : 제 2 외벽 103 : 제 3 외벽

104 : 제 4 외벽 105 : 제 5 외벽

106 : 제 6 외벽 107 : 냉각관 입구

108 : 좌부 슬릿(slit) 109 : 우부 슬릿(slit)

110 : 가스주입부 111 : 냉각관(전극)입구

112 : 내부음극 113 : 시료(필름, 금속, 유리)

114 : 영구자석 N극(또는 S극) 115 : 영구자석 S극(또는 N극)

116 : 냉각관 117 : 금속 구조물

118 : 냉각판 119 : 구조물

120 : 냉각관 121 : 절연물질

122 : 가스주입부 123 : 노즐부

124 : 노즐구멍 125 : 금속 또는 세라믹 타겟

Claims

박막 증착 장치에 있어서,

박막 증착을 위한 시료를 유입 및 반출하도록 슬릿이 외벽 측면에 형성되어 있고 가스주입구와 냉각관 입구가 외벽 하부에 형성된 밀폐형 구조의 챔버와;

상기 챔버의 상부에 위치한 영구자석과;

상기 영구자석의 하부에 위치하며 내부에 냉각관을 구비한 냉각판과;

상기 냉각판의 하부에 구성되고 상기 시료와는 일정 거리만큼 이격되도록 상기 냉각판과 상기 시료 사이에 설치되는 금속 구조물과;

상기 영구자석에서 발생하는 자기장에 의해서 구속되는 플라즈마의 전류밀도에 따라 상기 금속 구조물과 일정 거리를 두고 상기 챔버 내부에 설치되며 강자성 물질로 된 내부 음극과;

상기 챔버의 냉각관 입구를 통해 내부 음극의 측면 및 하부와 접촉되도록 구성되며 상기 내부 음극에서 발생하는 열을 냉각함과 동시에 고주파 전력신호나 직류 음(-) 전압을 인가하는 냉각관과;

상기 내부 음극에 구비된 냉각관과 상기 챔버 사이를 절연시키는 절연물질; 및

상기 챔버의 가스주입구에 설치된 가스주입부를 통해 유입된 가스를 복수 개의 노즐 구멍을 통해 상기 내부 음극의 내부로 분출하는 가스관;을 포함하며,

상기 영구자석과 상기 내부 음극의 배치에 의한 자기 거울 효과와 플라즈마 화학기상증착 및 스퍼터 증착을 동시에 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 박막 증착 장치는:

상기 내부 음극의 상단에 금속 또는 세라믹 타겟을 구비하여, 상기 플라즈마 화학기상증착에 의해 형성된 박막에 스퍼터 증착을 동시에 구현할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 박막 증착 장치에 직류(DC) 전원을 인가하는 경우 상기 냉각판은 양극(+), 상기 내부 음극은 음극(-)을 인가하고,

상기 박막 증착 장치에 고주파(RF) 전원을 인가하는 경우 상기 냉각판은 그라운드 전압(접지전압), 상기 내부 음극은 음극(-)을 인가하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 영구자석에서 발생하는 자기장의 세기는 0.02 내지 0.3 테슬라(Tesla) 인 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 내부 음극의 면적과 재질, 그리고 상기 내부 음극과 상기 금속 구조물과의 거리에 따라 발생되는 자기 거울에서 전자의 임계 탈출 각도(critical escape cone angle)는 10도에서 30도 사이인 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 영구자석은:

중심 부분에 복수 개의 N극이 구성되고, 상기 중심 부분과 일정 거리만큼 이격된 가장자리 부분에 복수 개의 S극이 구성된 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 영구자석은:

중심 부분에 복수 개의 S극이 구성되고, 상기 중심 부분과 일정 거리만큼 이격된 가장자리 부분에 복수 개의 N극이 구성된 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 강자성 물질로 된 내부 음극은:

상대자기투과율 값이 500에서 5000 사이인 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 절연물질은:

엠씨 나일론(Mc Nylon), 테프론 및 마일러 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각판의 재질은 구리인 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 냉각판과 상기 내부 음극에 구비된 냉각관의 재질은 구리를 포함한 도전체 물질을 사용하고 물의 순환에 의해 냉각 작용을 하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가스관의 재질은 스테인레스 스틸로 구성된 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 금속 구조물의 재질은:

알루미늄, 파라듐, 은, 베릴륨, 염화니켈 및 황화망간 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 금속 구조물의 재질은:

알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 시료는 필름, 유리 및 금속 중 어느 하나를 포함하며,

상기 슬릿은 상기 시료의 두께와 폭보다 크게 형성하되 모서리가 둥근 직사각형으로 형성된 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 슬릿의 두께는 3mm 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 챔버의 재질은 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 내부 음극은:

내부에 공간부가 형성되어 있고 윗면이 없는 정육면체 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.