KR100361620B1 - 진공아크방전장치,진공아크방전용플라즈마도관,플라즈마빔발생장치및아크방전제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구형(rectangular) 진공 아크 플라즈마 소스 및 그에 관련된 장치를 개시하고 있다. 본 발명의 관련 장치는 구형의 플라즈마 도관(duct)(34)에 장착된 구형의 평판형 캐소드(cathode)(32)의 진공 아크 증착에 의해서 기판(44)을 향하는 음극 물질(30)의 이온 증기(ionized vapor)을 포함하고 있는 플라즈마 스트림(plasma stream)을 발생 및 유도한다. 구형 도관(34)은, 아크에 의해서도 역시 발생되는 캐소드 물질(30)의 용융 방울을 가로채고 있는 동안, 그 플라즈마를 캐소드(31)로부터 기판 영역(44)으로 도통하게 한다. 자석(46, 48, 40)은 음극 표면(33)에서의 아크의 움직임을 제어함과 동시에, 도관(34)을 통해 플라즈마를 유도하는 자계를 발생시킨다. 여과식 음극 아크의 이점들(완전히 이온화된 증기 스트림, 용융 방울의 튐 제거)은 구형 소스의 이점들(소스로부터의 균일한 증착, 선형적인 움직임을 이용한 기판상에서의 균일한 증착)과 조합을 이룬다. 구형 소스는 길이면에서 무한하게 연장될 수 있으므로, 크가가 크고 길이가 긴 기판에도 코팅이나 이온주입을 수행할 수 있다.

Description

진공 아크 방전 장치, 진공 아크 방전용 플라즈마 도관, 플라즈마 빔 발생장치 및 아크 방전 제어 방법{apparatus for a vaccum arc discharge, plasma duct for a vaccum arc discharge, apparatus for generating a beam of plasma and method for controlling an arc discharge}

최근 수년간, 진공 아크 증발은 코팅될 기판 상의 금속, 합금 및 금속 화합물 코팅 증착에 상업적으로 널리 사용되어왔다. 진공 아크 방전은 이온 주입, 빔 가속기 및 로켓 추진과 같은 응용 분야에서 이온 소스로 사용되어왔다.

기판을 코팅하고 기판 상에 주입(implanting)하기 위한 진공 아크 증발 프로세스는 증착될 물질로 이루어진 음극 타겟과 코팅되어야 할 기판을 포함한다. 이 타겟은 통상 0.001 mbar 이하의 압력으로 배출되는 진공 챔버내에서 고전류, 저전압의 아크 플라즈마 방전에 의해 증발된다. 코팅되거나 주입되는 기판은 일반적으로 타겟의 증발성 표면에 대면하는 진공 챔버내에 통상 10-100 cm의 거리를 두고 위치된다. 통상적인 아크 전류는 15 내지 50 볼트 사이의 전압에서 25 내지 1000 암페어의 범위이다.

아크 플라즈마 방전은 아크에 의한 타겟 물질의 증발 및 이온화에 의해 생성되는 플라즈마를 통해 음극과 양극 사이에 전류를 생성한다. 음극(음의 전극)은 이 프로세스 동안 적어도 부분적으로 소비되는 전기 절연 소스 구조이다. 음극의 소비가능한 부분은 "타겟"으로 명명되며 음극 몸체로 명명되는 냉각된 소비불가능한 소자에 고정되는 교체가능한 소자로 제조되는 부분이다. 양극(양의 전극)은 진공 챔버 내의 전기 절연성 구조일 수 있거나 그 자체가 진공 챔버일 수 있으며 상기 프로세스중에 소비되지 않는다.

아크는 일반적으로 기계적 접촉, 고전압 스파크 또는 레이저 조사에 의해 음극 타겟의 증발가능한 표면상에서 점화된다. 그 결과 발생하는 아크 플라즈마 방전은 음극 타겟 표면 상의 하나 또는 그 이상의 이동 아크 스폿에 현저하게 국한되지만, 양극의 대부분의 영역 상부에 분배된다. 10⁶-10⁸amperes/㎠로 측정되는 음극의 아크 스폿에서의 매우 높은 전류 밀도는 음극 소스 물질의 국부적 가열, 증발 및이온화로 귀결된다.

각각의 아크 스폿은 음극 타겟 표면에 거의 수직 방향으로 플라즈마 제트(jet)를 방출하여, 음극과 양극 사이의 범위로 연장되는 발광 연기를 형성한다. 코팅되거나 주입되는 기판은 음극과 양극 사이에 또는 그에 인접하여 위치된다. 음극 물질의 증기는 통상적으로 인가되는 전압에 의해 기판 표면을 향해 더욱 가속되고, 기판의 표면 상에 응축되거나 기판의 표면에 묻히게 된다. 반응 가스는 증발 프로세스동안 진공 챔버내로 제공될 수 있고, 타겟 물질, 반응 가스 및/또는 기판 물질을 포함하는 물질 화합물의 형성으로 귀결된다.

약 70-100 암페어의 아크 전류 이하에서는, 타겟 물질에 따라서, 단일 아크 스폿 만이 음극 소스 물질의 표면 상에 존재한다. 더 높은 아크 전류에서, 다수의 아크 스폿들이 타겟 표면 상에 동시에 존재할 수 있으며 이러한 아크 스폿들 각각은 총 아크 전류의 균일한 분할분을 전달한다. 인가되는 자기장이 없을 때 아크 스폿은 타겟 표면 주위에서 임의적으로 이동하는 경향이 있으며, 타겟 표면 상에 미세한 분화구 형상의 자국을 남긴다.

외부에서 인가된 자기장은 아크 제트의 자기장선과 제트 모두에 수직 방향으로 힘을 가하고, 아크의 작은 범위의 이동이 준-임의적(semi-random)이라고 하더라도 아크 스폿의 큰 범위의 평균 이동성에는 큰 영향력을 가질 수 있다. 자기장내의 아크 스폿의 이동 방향은, 음극으로부터 방출되는 전자 전류를 고려하면, 암페어 법칙에 의하여 예상되는 벡터 JxB 방향과 반대이거나 "역행"한다. 이러한 현상은 아크 제트 내의 복잡한 동적 효과에 기인한 것이며 폭넓게 보고되고 논의되어 왔다.

아크 스폿에서 타겟 물질의 증발로 인한 바람직하지 않은 측면 효과는 용융된 타겟 물질의 작은 방울이 생성된다는 것이며, 이러한 방울들은 증기 제트의 팽창으로 인한 반발력에 의해 타겟으로부터 배출된다. 이러한 방울들은 통상적으로 거대 입자(macro-particles)라고 하며 직경의 범위는 0.1 미크론에서 수십 미크론이다. 이 거대 입자는 코팅될 기판상에 도달할 때 코팅 내에 묻히게 되어, 바람직하지 않게도 기판 표면을 울퉁불퉁하게 하거나, 기판에 달라붙은 후에 떨어져서 코팅에 패인 자국을 남길 수 있다.

기판 상의 코팅안에 묻히는 거대 입자의 양을 감소시키기 위한 여러가지 방법들이 제안되어 왔다. 이러한 방법들은, (1) 소정 형태의 자기장을 사용하여 아크를 제어하고 가속시킴으로써, 거대입자의 생성을 감소시키는 첫번째 범주와, (2) 용융 방울들을 차단하는 것이 아니라, 음극 출력의 이온화된 부분을 기판으로 전송하기 위하여 음극 소스와 기판 사이에 여과 장치를 사용하는 두번째 범주의 2가지 범주로 구분된다.

첫번째 범주의 자화 방법은 일반적으로 여과 방법보다 간단하지만 거대입자의 생성을 완전히 차단하지는 못한다. 두번째 범주의 여과 방법은 거대입자를 제거하는 데에 있어 일반적으로 자화 방법보다 더 효율적이지만, 복잡한 장치를 필요로 하고 소스 출력을 크게 감소시킨다.

여과법은 음극으로부터 방출된 거대 입자가 기판에 직접 충돌하지 않도록, 음극 타겟 표면의 시계(line of sight)로부터 벗어나게 기판을 배치함으로써 제기능을 발휘한다. 음극과 기판의 사이에는, 플라즈마를 기판으로 전송하기 위해, 굴곡된 여과 도관이 삽입된다.

기판에 도달하도록 하기 위해서, 음극 소스로부터 방출된 하전 플라즈마(charged plasma)는 여과 도관안에서 45 내지 180도의 각도로 전자기적으로 편향되어 여과 도관안의 굴곡부(bend)를 통과하고 기판상에 충돌한다. 하전되지 않은 거대 입자는 자기장에 의해 편향되지 않고 여과 도관의 벽을 때리는 진로로 진행하므로, 이론적으로 그 거대 입자는 기판에 도달하지 않는다. 그러나, 실제로는, 거대 입자가 여과 벽(filter walls)을 맞고 튀거나 미세 입자가 플라즈마안으로 편승하는 경우에는 거대 입자의 일부가 여과기를 관통하여 기판에 도달하게 될수 있다.

종래 기술의 여과식 음극 아크는 원형 또는 원통형의 음극과 여과기의 기하학적 구조에 기초하고 있었고, 따라서 통상적으로 가능한 응용 분야는 소형의 기판과 특정 모양에 한정되었다.

아크 증발 기술 분야에서 행해지는 초기적인 연구의 예들에 대해서는 몇몇 미국 특허에 설명되어 있다. 이들 특허에는 미국 특허 제484,582호(발명자 : 에디슨(Edison), 기판위에 코팅을 증착시키기 위해 진공 아크 증발을 사용하는 것을 설명), 미국 특허 제2,972,695호(발명자 : 로우(Wroe), 자기적으로 안정화된 진공 아크 증발 장치를 설명), 미국 특허 제3,625,848호 및 제3,836,451호(발명자 : 스네이퍼(Snaper), 소정의 전극 구조를 갖는 아크 증발 장치와, 증발률 증가와 기판으로의 이온 유도를 위해 자기장을 사용하는 것을 설명), 그리고 미국 특허제3,783,231호 및 제3,793,179호(발명자 : 샤블레프(Sablev)의 다수, 전극 및 차폐수단의 특정 구조와, 아크 스폿이 음극 소스 물질의 바람직한 증발 표면을 벗어날 때마다 활성화되는 자기장의 사용을 설명)가 있다.

음극의 원형 또는 레이스트랙(racetrack) 경로안에 속박되어 있는 음극 아크의 예들에 대해서는 미국 특허 제4,724,058호(발명자 : 모리슨(Morrison), 미국 특허 제4,673,477호(발명자 : 라말링감(Ramalingam)외 다수) 및 미국 특허 제4,849,088호(발명자 : 벨트로프(Veltrop)의 다수)에 설명되어 있다. 전술한 각 참증 자료들은 폐쇄 루프 터널 형태의 아치형 자기장을 이용한 아크 증발 장치에 대해서 설명하고 있다. 여기에서, 이 장치는 아크 스폿을 음극 표면의 고정 또는 가변의 한 위치에서 폐쇄 루프 레이스트랙 궤도에 속박시킨다. 자기장에 의한 아크의 속박과 가속은 아크 방전에 의한 거대 입자의 발생을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 자기장을 생성시키는데 필요한 수단은 평판형 마그네트론 스퍼터링 기술에서 잘 알려져 있다. 예컨대, 라말링감외 및 벨트로프외에 의해서 개시되어 있는 바와 같이, 기구적으로, 또는 모리슨에 의해서 개시된 바와 같이 다수의 전자석의 사용에 의해서 아크의 전자기장 발생 수단을 이동시키는 것도 공지되어 있다.

연장된 원통형 음극의 예들로서는 미국 특허 제4,609,564호 및 제4,859,489호(발명자: 핑카소프(Pinkhasov))와, 미국 특허 제5,037,522호(발명자: 베르가손(Vergason)), 그리고 미국 특허 제5,269,898호(발명자 : 웰티(Welty))가 있다. 이들 특허는 모두 원통형이나 막대형으로 연장된 음극의 사용에 대해서 설명하고 있고, 또한 아크 전류의 움직임을 음극의 길이 방향으로 향하게 하기 위해 아크 전류의 자체 자기장(self-magnetic field)을 이용한다. 웰티는 축방향의 자기장 성분을 부가시켜서 아크의 움직임을 가속 및 제어하면 거대 입자의 발생을 감소시킬 수 있다는 것을 개시하고 있다.

미국 특허 제4,492,845호(발명자 : 클르주코(Kljuchko)외)에서는 고리형 음극을 이용한 아크 증발 장치에 대해서 설명하고 있고, 그 장치에 있어서 증발성 음극 표면(evaporable cathode surface)이 그의 외벽을 이루고 있어, 음극보다 큰 직경과 음극 보다 긴 길이를 가진 원통형 양극에 면한다. 코팅되어야 할 기판은 고리형 음극의 내부에 배치되어, 증발성 표면에 대면하지 않으며, 양극에서 자기장에 의해서 반사되어 돌아오는 이온화 물질에 의해서 코팅된다. 양극으로부터의 반사를 향상시키기 위한 동축 자기장에 대해서도 설명되어 있다. 음극 표면으로부터 축출되는 거대 입자는 양극에 의해서 전기적으로 반사되지 않는다(그러나, 거대 입자는 기계적으로 튀겨나갈 수 있다). 그 결과, 코팅안으로의 거대 입자 혼입이 감소된다.

기판상의 코팅안으로 혼입된 거대 입자의 수를 줄이기 위한 노력들의 예는 악세노프(Aksenov/Axenov), 팔라벨라(Falabella) 및 잰더스(Sanders)에 의해서 수행된 연구에 나타나 있다. 이들 예에서는, 음극 소스와 기판 사이에 소정 형태의 여과 장치를 이용하여 음극 출력의 하전된 이온화 부분을 전송하고 하전되지 않은 거대 입자를 차단함으로써 기판위의 코팅안으로 혼입되는 거대 입자의 수를 줄이고 있다.

악세노프 등에 의한 공개 자료(논문명 : "곡선형 플라즈마 광학 시스템에서의 플라즈마 스트림 전송 방법(Transport of plasma streams in a curvilinear plasma-potics system)", 게재 잡지 : 소비에트 저널 오브 플라즈마 피직스(Soviet Journal of Plasma Physics)의 1978년 4(4)호)에서는 90도 굴곡부(90 degree bend)를 포함하고 있는 원통형 플라즈마 도관의 사용에 대해서 설명하고 있고, 이 도관은 도관을 통해서 솔레노이드 자기장을 생성하기 위한 전자석 코일과, 도관의 한쪽 끝에 원형 아크 증발 음극을 갖고 다른쪽 끝에 기판을 갖는다. 음극에 의해서 방출된 플라즈마는 현재의 자기장 및 전기장에 의해서 도관의 벽으로부터 반사되고, 자기장을 따라서 도관을 통해 기판으로 전송되며, 하전되지 않은 거대 입자는 자기장 또는 정전기장에 의해서 반사되지 않고 도관의 벽에 의해서 가로채인다.

미국 특허 제5,279,723호(발명자 : 팔라벨라(Falabella) 외 다수)에서는 악세노프 여과기의 원형과 기본적으로 유사한 장치에 대해서 설명하고 있고, 이 장치는 45도 굴곡부, 원형 또는 원뿔형의 음극 및 양극을 갖는 원통형 도관을 이용하고, 거대 입자 전달을 감소시키는 내부 격벽(internal baffles)과 음극의 모양을 포함하는 다양한 구성 요소들의 개량형들을 포함하고 있다.

미국 특허 제4,452,686호(발명자 : 악세노프 외 다수)에서는 직선의 원통형 여과 도관에 대해서 설명하고 있고, 이 도관은, 굴곡부가 없고, 도관의 한쪽 끝에 배치된 원형 음극, 도관을 통해서 솔레노이드 자기장을 발생시키는 전자석 코일, 그리고 도관의 중심에 배치되어 음극에서 기판으로의 직접 시계 증착(direct line of sight deposition)을 차단하는 부가 전극을 갖는다. 음극에 의해서 방출된 플라즈마는 도관의 벽과 중심의 전극에서 자기장 및 전기장에 의해 편향되고, 도관을통한 자기장을 따라서 또한 중심 전극 둘레를 따라서 전달된다. 하전되지 않은 거대 입자는 자기장 또는 전기장에 의해서 편향되지 않으며, 중심 전극에 의해서 가로채인다.

미국 특허 제5,282,944호(발명자 : 잰더스 외 다수)에서는 미국 특허 제4,452,686호(발명자 : 악세노프)의 장치와 다소 유사한 장치에 대해서 설명하고 있으며, 이 장치는 직선의 원통형 여과 도관과 중앙의 차폐 장치(central shield)를 이용하여 음극으로부터 좁은 각도로 방출되는 거대 입자가 직접 기판으로 도달하지 않게 한다. 전자석 코일은 도관의 벽 근처에 거의 솔레노이드형인 도관내 자기장을 발생시킨다. 이 경우, 음극의 증발성 표면은, 음극으로부터 방출되는 플라즈마가 여과 도관의 외벽에 방사형으로 유도되어 도관의 벽에서 자기장과 전기장에 의해서 약 90도의 각도로 편향되며 자기장을 따라 기판 배치 장소인 도관 종단부로 전달되도록, 여과 도관과 동축으로 향해진 짧은 실린더의 외부 표면이다. 내부 전극은 기판 배치 장소인 도관 종단부에 대향하는 원형 여과 도관의 종단부에서 플라즈마 편향을 증가시키도록 노출된다.

종래 기술의 어떤 참증 자료에서도, 사각형의 증발성 표면을 가짐과 함께 자기장 극성 반전을 이용하여 음극 표면에서의 아크의 움직임을 제어하는 음극에 대해서는 공개하지 않고 있을 뿐만 아니라, 사각형의 단면을 갖는 여과 도관을 공개하고 있지도 않다. 따라서, 전술된 연구에도 불구하고, 아직도 여과식 음극 아크의 개선에 대한 필요성이 있다. 양호하게는, 여과식 음극 아크는 사각형의 증착 소스(rectangular deposition source)를 포함해도 된다.

사각형의 증착 소스는 대형 기판을 코팅하는 것, 시트 물질(sheet material)을 말아서 코팅하는 것, 선형 콘베이어 또는 회전식 원형 콘베이어 위에서 연속적으로 이동하는 소형 기판들을 코팅하는 것에 유리하다. 1970년대에 이르러, 사각형의 평판형 마그네트론 스퍼터링 음극의 발전으로 인해, 기판을 이러한 구조로 코팅하는 스퍼터링이 폭넓게 상용화되었다(예컨대, 웰티에 의한 미국 특허 제4,865,701호 및 미국 특허 제4,892,633호의 "마그네트론 스퍼터링 음극"을 참조).

여과식 음극 아크 소스의 장점은, 증발 및 스퍼터링과 같은 비 아크 기반의 증착법(non-arc-based deposition methods)과 달리, 소스로부터 방출되는 음극 물질의 증기 스트림이 완전히 이온화된다는 것에 있다. 사각형 소스로부터 완전히 이온화된 증기 스트림은 코팅 또는 주입시에 있어서 기판에 도착하는 원자들의 에너지를 보다 더 잘 제어할 수 있게 하고, 시스템안의 반응성 가스 또는 직접적으로 기판과의 화합물을 형성함에 있어서 증기의 반응성을 증가시킬 수도 있다.

본 발명은, 길이가 긴 또는 대형의 기판을 코팅 또는 주입하도록 하기 위해서 여과식 음극 아크의 이점(증기 스트림의 완전 이온화, 방울의 튐 제거)과 사각형 소스의 이점(소스로부터의 증발의 균일함 및 선형 움직임을 이용한 기판상의 증착의 균일함)을 실현한다. 그러므로 본 발명의 목적은 종래 기술에 의해서 달성될 수 없는 일을 달성하기 위해서 사각형 진공 아크 음극에 여과식 음극 아크를 제공하는데 있다.

[발명이 이루고자하는 기술적 과제]

본 발명은 기판위에 코팅을 형성하거나 주입을 수행하기 위해서 사각형 영역에 플라즈마 빔을 발생 및 유도하는 수단을 제공한다. 사각형의 음극은 사각형 단면의 각이진 도관에 장착되고, 그 도관은 플라즈마를 속박하며 아크에 의해서도 발생되는 음극 물질의 용융 방울을 가로채는 동안 그것을 기판 영역으로 편향시킨다. 음극이 장착되어 있는 플라즈마 도관의 영역을 본 명세서에서는 도관의 입구 아암(entrance arm of the duct)이라고 칭하며, 반면에 기판은 도관의 출구 아암(exit arm of the duct)에 인접하게 장착된다.

자기장은 도관내에서 생성되어 도관을 통해서 플라즈마를 유도하고 동시에 아크가 사각형 음극의 길이 방향으로 아래로 이동하게 한다. 아크가 음극의 종단부에 도달할 때 감지기는 일부 자기장의 극성이 반전되는 신호를 발생시켜, 아크가 방향을 반전시켜서 음극의 반대 종단부를 향해 이동하게 한다. 자기장의 극성은 아크가 음극의 어느 한 종단부에 도달할 때마다 전환(switched)되고, 따라서 아크를 사각형 음극의 길이 방향으로 정방향 및 역방향으로 주사(scanning)한다.

자기장의 극성(방향)은 반복적으로 반전되지만, 자기장의 형태와 도관에 대한 그의 배향은 실질적으로 동일하게 우선적으로 유지되며, 플라즈마는 어떠한 극성으로도 도관을 통해서 전송된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 음극에 인접한 자기장의 선들이 수렴하는 영역은 플라즈마를 도관의 출구를 향해서 반사시키는 자기 거울을 형성한다.

아크가 음극 타겟의 길이 방향으로 움직이는 것은 타겟 표면의 평면에 평행하고 사각형 타겟의 장축에 수직한 타겟 표면에 인접한 자기장 성분 때문이다. 이러한 배향의 자속 성분에 있어서는 두가지의 극성(방향)이 있을 수 있다. 자기장이한 개의 극성을 갖는 경우, 아크는 전술한 바와 같이 역행하는 Jx B 벡터에 의해서 주어지는 방향으로 음극의 길이를 따라서 이동한다. 자기장이 반대의 극성을 갖는 경우, 아크는 반대 방향으로 음극의 길이를 따라서 이동한다.

음극의 종단부들에 배치되어 있는 감지기들로부터 오는 신호에 기초하여 자기장의 극성을 반전시킴으로써, 타겟 표면에 대한 자속 선들(flux lines)의 배향을 유지하고 있는 동안, 음극 길이 방향으로의 아크의 이동 방향은 주기적으로 반전될 수 있고, 따라서 아크는 비교적 직선을 따라서 사각형 음극의 길이 방향으로 정방향 및 역방향으로 주사되게 된다.

증발성의 타겟 표면에 인접해 있으면서 아크를 타겟의 길이 방향으로 이동하게 하는 가열성 자기장(reversible magnetic field)은 도관의 외부 또는 음극 몸체의 내부에 배치되어 있는 전자석 코일을 이용하여 발생된다. 종래 기술에 있어서는, 사각형 음극을 흘러서 통과하는 아크 전류의 자체 자기장을 이용하여 가역성 자기강을 발생시키는 것이 알려져 있다. 예컨대, 아크 전류를 사각형 음극의 두 종단부에 모두 동시에 연결시키는 것, 그리고 음극의 종단부들에 배치되어 있는 감지기로부터의 신호에 기초하여 음극의 각 종단부로 흐르는 전체 전류의 일부를 변화시키는 것은, 웰티의 미국 특허 제5,269,898호에서 설명되어 있는 바와 같이, 아크를 음극의 길이 방향으로 이동하게 하는데 필요한 배향으로 자기장 성분을 발생시킨다.

대다수의 아크 전류가 사각형 음극 내부로 흐르는 방향은 감지기의 신호에 따라 반전되므로, 타겟 표면에 평행한 자기장 성분의 극성(방향)도 또한 반전되고,따라서 타겟의 길이 방향으로의 아크 주행 방향이 반전된다. 마찬가지로, 미국 특허 제5,269,898호에서도 설명된 바와 같이, 아크 주사(arc scanning)를 유발시키는 자기장 성분은 음극의 길이 방향을 따라서 제어 전류를 통과시키고 그 방향을 감지기의 신호에 따라 반전시킴으로써, 혹은 베가손의 미국 특허 제5,037,522호에서 설명된 바와 같이 아크 전류 입력을 음극의 한쪽 종단부에서 다른쪽 종단부로 전환함으로써 발생될 수도 있다. 그러나, 종래 기술에서는, 음극 자체를 흘러가는 전류와 무관하게 자기 수단(magnetic means)을 이용하여 가역성 자기장을 발생시키는 것에 대해서는 전혀 제시가 없었다.

주로, 플라즈마가 도관을 통해서 전송되는 것은 벽의 평면에 평행하고 도관의 축에 평행한 도관벽에 인접해 있는 자기장 성분 때문이다. 플라즈마의 전자들이 자기장을 통해서 도관벽으로 확산됨으로 인해, 양으로 하전된 이온들을 반사시키는 도관벽에 수직인 전기장 성분이 생성되고, 따라서 그 전자들은 도관 방향과 도관안의 굴곡부 주위에서 주행을 계속할 수 있게 된다. 하전되지 않은 거대 입자는 반사되지 않고, 따라서 도관벽에 의해서, 혹은 도관벽에 수직하고 짧은 거리 연장되도록 장착되어 거대 입자가 도관벽에서 튀어나가는 것을 감소시키는 격벽에 의해서 가로채인다. 도관의 내부 및 도관벽에 인접해 있는 자기장 성분의 극성은 양호하게는, 도관 전체를 통한 자기장 형태가 극성 반전에도 불구하고 동일함을 유지하도록, 아크 주사를 유발시키는 타겟 표면 부근 자계 성분의 극성과 동시에 우선적으로 전환된다. 그러나, 본 발명의 범위안에는, 전자석 또는 영구 자석을 이용하여 도관의 나머지 부분에서 정적(비반전) 자기장을 유지하고 있는 동안 타겟 표면의영역에서만 자기장의 극성을 반전시키는 것도 있다. 이 후자의 경우에 있어서, 자기장의 망 형태의 변화는 도관을 통한 플라즈마 전송시 타겟 표면 근처의 자기장 반전의 함수로서 주기적인 변화를 유발시킬 수 있다.

플라즈마 제트는 주로 음극으로부터 증발성 표면의 수직 방향으로 방출되기 때문에, 도관안에 있는 굴곡부의 외경의 영역에서 가장 강하게 도관벽에 충돌하는 경향이 있다. 도관을 통한 플라즈마의 전송을 증가시키 위해서는, 이 영역에 자기장의 세기를 높히는 것이 바람직하다. 부가적인 요인은 원자량과 용융점이 다른 음극 타겟 물질이 상이한 속도와 운동 에너지를 갖는 타겟으로부터 방출된다는 것이다. 그러므로, 특히 도관안의 굴곡부의 영역에서 자기장의 세기를 변화시켜서 다양한 물질에 대해 전송을 최적화시키는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 양호한 실시예에서, 도관안의 굴곡부의 외경 근처에는 타겟의 증발성 표면에 대향하여 독립된 전자석 코일이 설치되고, 그 전자석 코일에서 양호하게는 전류가 도관안의 자기장의 부분들을 발생시키는 다른 코일들의 전류와 무관하게 변화될 수 있다.

도관을 둘러싸는 한 개 이상의 전자석 코일이 배치되어 도관을 통해서 솔레노이드 자기장을 생성하는 원통형 플라즈마 도관에 관한 종래 기술에서(또는 종래 기술의 아암이 사각형 도관으로 연장될 수도 있는 직선적인 방법에서), 코일(들)을 구성하는 회선들은 반드시 외경에서보다도 도관안의 굴곡부의 내경에서 더 밀집되어야 함에 유의한다. 이 결과, 도관 내부의 자기장은 회선들이 더 밀집되어 있는 도관의 내경을 향한 자기장 세기는 더 커지고, 아크 플라즈마 제트가 충돌하는 도관의 외경을 향한 자기장 세기는 더 작아지게 된다. 그러므로, 종래 기술은 굴곡부의 외경에서 도관 내부의 자기장·세기는 내경에서의 자기장 세기보다 크거나 그와 같도록 강화되어 도관을 통한 플라즈마 전송을 증가시킬 수 있다는 점에서 본 발명의 특징과는 다르다.

종래 기술에서 그리고 전술된 본 발명의 특징들에서 도관벽으로부터 양이온(positively charged ions)을 반사하며 도관벽에 수직인 전기장은 여과기 도관벽에 실질적으로 평행한 자기장을 통해서 횡으로 플라즈마 전자가 확산됨으로써 생성된다. 또한, 제 2 의 방법, 즉 거의 수직 방향으로 벽에 접근함으로써 자속선들이 이 수렴하는 영역을 벽 근처에 생성함으로써 이온을 도관벽으로부터 반사시켜, 자기 거울로 명명되는 영역을 생성할 수도 있다. 벽으로 접근하는 플라즈마 전자는 자속선 수렴 영역(region of converging flux lines)으로 진입함으로써 반사 또는 지연되어, 전자 밀도의 기울기를 생성시켜서 마찬가지로 플라즈마 이온을 반사시키는 전기장을 얻게 된다. 통상적으로, 자기 거울은 실험실 수준의 장치와 기타 플라즈마 장치에서 플라즈마의 속박을 위해서 사용된다.

자기 거울 장(magnetic mirror field)의 활용은 여과식 진공 아크 플라즈마 소스 기술 분야에서는 처음으로 본 발명에서 공개되고 있다. 거울 장에 의해서 제공되는 기능의 필요성은 예컨대 잰더스 등의 미국 특허 제 5,282,944 호에서 설명된 종래 기술에 개시되어 있다. 이 특허에 있어서, 도 2 및 도 3에서 도면 부호 21로 명명된 다수의 절연 링은 자기장이 도관벽을 통과하는 영역에서 도관벽에 대한 플라즈마 손실을 방지하는데 필수적인 것으로 지적되어 있다. 본 발명의 양호한 실시예의 입구 아암에 자기 거울 장 영역을 포함시키는 것은, 아크가 타겟의 길이 아래로 이동되게 하는 (타겟의 표면에 평행하고 그의 장축에 수직인) 자기장 성분을 동시에 공급하는 동안, 도관의 출구 아암으로 향하게 양호한 방향의 플라즈마 흐름을 생성시킨다. 자기 거울 장의 극성 반전과 타겟 표면에 평행한 장 성분(field component)의 반전은 타겟 표면에서의 아크 주행 방향이 거울 장의 형태 또는 기능의 변화없이 반전되게 한다.

플라즈마 도관 출구 아암에서의 솔레노이드 자기장 영역, 도관안의 굴곡부의 외경 근처에 있는 "완충" 장 영역("bumper" field region), 그리고 음극에 인접한 도관의 입구 아암에서의 자기 거울 장 영역을 제공하는, 독립적으로 변화할 수 있는 자기장 소스들의 조합과 중첩은 매우 다양한 타겟 물질들에 대해서 도관을 통한 플라즈마 전송을 최적화하기에 충분한 조절 능력을 제공한다. 그러나, 본 발명의 실시예에 이 요소들이 모두 있어야 하는 것은 아니며, 특히 단일의 타겟 물질에 대해서 최적화되는 소스의 경우에 있어서 상기 요소들이 독립적으로 변화될 필요가 없는 것으로 이해해야 한다. 예컨대, 타겟 표면의 근처에서 자기장 영역의 극성 반전에 사용되는 방법에 따라서, 도관 전체를 둘러싸고 있는 단일의 솔레노이드 전자석으로도 충분할 수 있다.

본 발명은 사각형의 음극과 플라즈마 도관, 음극 상에서의 아크 움직임 제어 방법, 그리고 플라즈마 도관에서의 자기장의 형태 및 제어에 있어서 종래 기술과 상이하다.

특히, 공개된 자기장 형태 및 제어 방법은 원하는 한 제조될 수 있는 사각형의 출력 개구를 갖는 작고(compact) 효율적인 플라즈마 소스를 구축할 수 있고, 따라서 여과식 음극 아크의 이점과 사각형의 증착 소스의 이점의 조합을 제공한다. 음극 표면에서의 아크 제어에 대한 자기장 반전 기술(field reversal technique)에 의해서, 음극의 폭은 종래 기술의 레이스 트랙형 자기장을 이용하여 만들어질 수 있는 것보다 훨씬 작게 만들어질 수 있게 된다.

그러므로, 플라즈마 도관은 훨씬 더 좁고 짧게 만들어질 수 있고, 그 결과, 특히 복수개의 플라즈마 소스를 포함하고 있는 시스템에서 규모가 큰 종래 기술의 여과기보다 더 쉽게 하나의 진공 시스템안으로 집적될 수 있는 소형 설계가 이루어진다. 또한 폭이 좁은 음극과 주사되는 아크는 평판형 레이스 트랙형 음극에서 이루어질 수 있는 것보다 길이 방향으로의 보다 더 균일한 타겟 침식과 보다 높은 타겟 물질 활용도를 가능하게 한다.

본 발명의 이점들에 의해서 소스의 길이가 무한히 연장될 수 있게 되고, 따라서 여과된 아크 증착 또는 주입의 이점을 사각형 또는 연장된 증기 소스를 필요로 하는 애플리케이션들에 제공한다.

본 발명은 진공 아크 증발에 관한 것으로, 특히, 사각형 플라즈마 도관에 설치된 사각 평판형 음극의 여과식 음극 아크 증발에 관한 것이다. 사각형 소스는 길이 방향으로 무한하게 연장될 수 있으므로, 본 발명은 길이가 길거나 크기가 큰 기판 상에 코팅하거나 이온 주입하는 것에 특별한 효용성을 갖는다.

본 발명은 용융된 소스 물질의 작은 방울에 의한 기판의 오염을 최소화하여 대형 기판 상의 균일한 코팅 또는 주입을 성취하기 위하여 사각형 소스의 이점(선형 이동을 사용한 소스로부터의 균일한 증발과 기판 상의 균일한 증착)과 결합하여 여과식 음극 아크의 이점(완전히 이온화된 증기 흐름, 흩어진 방울들의 제거)을 실현한다.

도 1은 원형 음극과 원통형 플라즈마 도관을 이용한 종래 기술의 여과식 진공 아크를 설명하기 위한 개략도이다.

도 2는 본 발명의 여과식 아크 플라즈마 소스를 설명하기 위한 개략도이다.

도 3은 본 발명의 도관 조립체와 자석을 설명하기 위한 사시도이다.

도 4는 본 발명의 도관 조립체의 종방향 입단면도이다.

도 5는 본 발명의 도관 조립체의 측방향 입단면도이다.

도 6은 본 발명의 도관 조립체 및 자석과 관련하여 본 발명의 자기장의 선들과 자기장 거울을 도시하는 종방향 단면도이다.

[발명의 구성]

본 발명은 기판 상에 코팅을 형성하거나 또는 이온 주입을 수행하기 위해 플라즈마 빔을 사각형의 영역으로 발생 및 유도하는 방법을 제공하고 있다.

도 1은 음극 아크 방전에 의해서 발생되는 이온 자속으로부터 거대 입자를 분리할 수 있는 여과기(22)와 결합된 종래 기술의 음극(20)을 도시하고 있다. 음극(20)은 원추형이며, 원형의 면과 테이퍼된 측면을 갖는다. 여과기(22)는 종으로 두 개의 솔레노이드를 포함하고 있으며, 서로 45도의 각도로 배치되어, 이온과 전자가 흘러가기 위한 경로를 제공하고 있는 동안 음극상의 아크 스폿에서 기판(24)으로의 시계(line of sight)가 코팅되지 않게 하며, 그것은 거대 입자를 포획하기 위한 일련의 격벽(baffles)을 포함하고 있다.

도 2의 개략도를 참조하면, 음극 몸체(31)에 음극 타겟(30)을 포함하고 있는 본 발명의 양호한 일 실시예가 도시되어 있다. 타겟(30)은 실질적으로 사각형의 증발성 표면(33)을 갖는다. 양호한 실시예에서, 음극(30)은 탄소이지만, 기타 적당한 증발성 물질로 구성될 수도 있다. 음극 몸체(31)는 고정기(holder)(32)에 장착되고 플라즈마 도관(34)의 입구 아암(36)에 배정된다. 음극(30)은 아크 전원(28)의 음의 출력에 연결되고, 플라즈마 도관(34)(양극으로서의 기능도 함)은 아크 전원의 양의 출력에 연결된다. 음극(30)과 양극(34) 사이에 아크 방전을 점화시키기 위해서, 아크 스트라이커(35)가 설치된다. 또한, 음극(30)과 증발성 표면(33)은 절연기(86)에의해서 둘러쌓일 수도 있다(도 4 참조). 계속해서 도 4를 참조하면, 내부 전극(82)이 플라즈마 도관(34)안에 감지기(84)로서 장착되는 것을 알 수 있다.

플라즈마 도관(34)은 음극(30)과 유사한 사각형 단면 면적을 갖는다. 플라즈마 도관은 그 플라즈마 도관의 중심선축에 하나의 굴곡부를 포함하고 있다. 여기에 도시된 실시예에서, 균등한 내경의 굴곡 점(37)은 도관의 벽들 중 한 벽에 도시되어 있고 양각이 90도이다. 그러나, 본 발명의 실시상으로는 약 15도 내지 120도의 범위의 내경 각도가 적합하다. 균등한 외경의 굴곡부는 통상 참고 번호 39로 표시된다. 플라즈마 도관(34)은 내경의 굴곡점(37)의 각각의 측면에 입구 아암(36)과 출구 아암(38)을 갖는다. 음극(30)은 그 음극의 증발성 표면(33)이 플라즈마 도관에 대면하도록 입구 아암의 종단부의 근처 또는 그곳에서 격리 고정기(isolated holder)(32)에 장착된다. 출구 아암(38)의 종단부 또는 그 부근에는 코팅되어야 할 하나 이상의 기판(44)이 놓여진다.

전자석 세트가 플라즈마 도관(34)에 배치된다. 자석(46)은 코일 전원(52)에 연결되고 플라즈마 도관의 입구 아암(36) 근처에 배치된다. 자석(48)은 코일 전원(52)에 연결되고 플라즈마 도관(34) 안에 있는 굴곡부의 외경(39) 근처에 배치된다. 자석(50)은 코일 전원(52)에 연결된 솔레노이드이며, 플라즈마 도관의 출구 아암(38)의 일부를 감싸고 있다. 도 3의 사시도는 플라즈마 도관(34)과 관련된 자석들(46, 48 및 50)을 도시하고 있고, 여기에서 자석(46)은 입구 아암(38)의 근처에 있고, 자석(48)은 굴곡부의 외경(39) 근처에 있으며, 자석(50)은 출구 아암(28)둘레에 코일형태로 감겨있다.

도 4를 참조하면, 자석(46)이 자기적으로 투과가능한 물질의 중심극(central pole)(72)을 감싸는 코일(70)을 포함하고 있고, 여기에서 종단 플레이트(74)는 중심극의 각 종단부에 부착된다. 마찬가지로, 자석(48)은 자기적으로 투과가능한 물질의 중심극(central pole)(78)을 감싸는 코일(76)을 포함하고 있고, 여기에서 종단 플레이트(80)는 중심극의 각 종단부에 부착된다. 도시된 실시예에서는, 원하는 방식으로 자기장을 형성하기 위해서, 자석(48)의 종단 플레이트(80)는 자기적으로 투과가능한 물질로 이루어져 있고, 자석(46)의 종단 플레이트(74)는 비투과성 물질로 이루어져 있다.

도 2를 다시 참조하면, 도관(54)은 물을 음극(30)으로 공급한다. 또한, 양호하게는 플라즈마 도관(34)과 내부 전극(82)에는 냉각수가 공급될 수도 있지만, 이러한 냉각에 대해 규정을 두는 것은 아니다. 기판(44)에는 바이어스 전압이 인가되고, 기판은 증착동안 종래와 같이 회전 및/또는 변환된다. 양호한 실시예에서 플라즈마 도관(34)과 기판(44)은 챔버(도시되지 않음)안에 포함되어 있고, 진공이 형성된다. 본 발명의 다른 양호한 실시예에서, 플라즈마 도관(34)과 그 도관의 음극 고정기(32)는 진공 상태에 있고, 반면에 도관의 외부는 대기 압력하에 있다.

도 4 및 5의 횡단면도에는 종래에 사용된 동일할 참조 번호가 부여되고, 본 발명의 시스템의 일부 부가적인 세부사항은 하기 설명에 의해 이해될 수 있을 것이다. 플라즈마 도관(34)내의 굴곡부는 음극(30)과 기판(44) 사이의 시계를 막기 위해 사용되는 것으로 볼 수 있다(도 4 및 5에는 도시되지 않았지만, 이 굴곡부는 도관의 출구 아암(38)의 단부에 또는 그 부근에 위치되는 것으로 이해될 수 있다).

도 4를 참조하면, 플라즈마 도관(34)안에는 전기 절연된 내부 전극(82)이 배치되어 있는 것으로 보인다. 이 전극(82)은 양극에 대해 전기적으로 플로팅(floating)되어 있거나, 혹은 양극에 대해 정으로 바이어스되어 있다. 도 5를 참조하면, 한쌍의 감지기(54)는 음극(30)의 증발성 표면의 각 종단부에 근접하게 배치되고, 여기에서 54A는 좌측 종단부에 인접하고 54B는 우측 종단부에 인접한다.

자석(46,48 및 50)은 도 6을 참조하면 더 잘 이해될 수 있는 자속선들로 표현된 자기장을 발생한다. 자속선(60)은 출구 아암(38)안의 플라즈마 도관(34)의 축에 거의 평행한 방향으로 배열된다. 자석 자속선(62)은 음극 근처에 있는 입구 아암(36) 영역안의 음극(30)의 증발성 표면(33)에 거의 평행한 방향으로 배열된다(도 6에 도시되어 있지는 않지만, 도 2, 도 4 및 도 5를 참조하면 이해될 것임). 자속선들은 입구 아암(36)안의 영역(64)에서 수렴하여 음극(30)의 증발성 표면(33)에 인접하게 자기 거울을 형성한다(도 6에 도시되어 있지는 않지만, 도 2, 도 4 및 도 5를 참조하면 이해될 것임)

도 6에 도시된 자속선(60)의 표현은 상업적으로 사용가능한 유한 소자 자기 분석 프로그램에 의해서 발생되었다. 도시된 특정한 경우에서, 자석(50및 46)은 600 amp-turns를 가지며, 자석(48)은 200 amp-turns를 갖는다. 이 경우, 도관의 출구 아암(38) 중앙의 자기장 세기(field strength)는 약 50 가우스이다. 이 경우에는 도관안에 있는 굴곡부의 외경(39)에서의 자속 밀도(자기장 세기)는 그 굴곡부의 내경(37)에서의 자속 밀도와 거의 같다. 자석(48)의 코일(39) 권선수 또는 그를 통과하여 흐르는 전류를 조정(암페어턴스(amp-turns)를 조정)함으로써, 굴곡부의 외경(39)에서의 자속 밀도는 도관 안의 다른 지역에서의 자속 밀도와 무관하게 조정될 수 있다.

감지기(5A 및 5B)(도 5 참조)는 아크 스폿을 감지하고 그 아크 스폿이 음극(30)의 좌측 종단부 또는 우측 종단부의 어느 것에 접근할 때마다 소정의 신호를 발생시킬 수 있다. 예컨대, 감지기(54)는 플라즈마 도관(34)안으로 연장된 전기적으로 분리된 배선들로 구성되어 있고, 여기에서 이 배선들은 1000옴의 저항을 통해서 양극에 연결되며, 따라서 아크가 그 배선에 접근할때 마다 전기 전압을 제공한다. 대안적으로, 감지기(54)는 아크 제트로부터의 광방출을 검출하는 광반응 다이오드, 혹은 아크의 자기장을 감지하는 자기장 검출기를 구비할 수 있다. 코일 전원(52)(도 2 참조)은 자석을 지나는 전류 흐름의 방향을 반전시킬 수 있는 스위치(53)를 가지며, 자기장 반전을 작동시키도록 종래의 제어수단(도시되지 않음)에 의해서 감지기(54)에 연결된다. 자기장 반전은 모든 자석에서 동시에 발생할 수 있고, 자속선의 형태 또는 플라즈마 도관에 대한 자속선의 배열을 실질적으로 변경시키지 않고서도 자속선의 방향을 반전시키다. 대안적으로, 자석(46)과 자석(48)중 단 한개 만이 또는 그 둘 모두가 반전될 수 있다.

본 발명의 시스템의 바람직한 구성(독립적으로 도시되지 않음)에서, 자석은 하나 이상의 코일 전원(53)에 의해서 독립적으로 전원을 공급받는다. 하나 이상의 코일 전원의 사용은 플라즈마 도관(34)의 여러 부분들에서 독립적으로 자기장 세기를 조정하기 위해서 자석의 전류를 다른 자석과 독립적으로 변화되게 할 수 있다.동시에, 각각의 코일 전원에는, 그 전원들이 감지기(54)로부터의 소정의 신호에 의한 동작시 전류의 방향을 동시에 모두 반전시키도록, 각각 제어 시스템이 제공된다.

전술한 설명으로부터, 본 발명의 시스템은 다음과 같이 동작하는 것을 쉽게 이해할 수 있다.

아크 스타터(35)는 음극(30)과, 양극으로서의 역할을 하는 플라즈마 도관(34) 사이에서 아크 방전을 점화시킨다. 아크 방전은 음극의 증발성 표면에서의 아크 스폿에서 시작하여, 음극 물질의 이온화된 증기(ionized vapor)를 포함하는 플라즈마를 발생시킨다.

플라즈마 도관(34)은 아크 방전에 의해서 발생된 플라즈마를 음극으로부터 코팅 및/또는 주입(implant)되어야 할 기판(44)으로 유도하고, 그 기판(44)은 도관의 출구 아암(38) 또는 그 부근에 배치된다. 플라즈마 도관(34)은 음극(30)과 유사한 사각 단면형의 면적을 가지며, 중심선축에서 약 15 내지 180도의 각도를 갖는 굴곡부를 갖는다(설명된 실시예에서, 굴곡부의 내경(37)은 90도이다). 여기에서 입구 아암(36)과 출구 아암(38)은 그 굴곡부에 의해서 그들 서로의 시계로부터 분리되어 있다. 음극(30)은 입구 아암(36)의 종단부에 또는 그 부근에 배치되어 있으며, 그의 증발성 표면은 플라즈마 도관에 면해 있으며, 기판(44)은 출구 아암(38) 또는 그 부근에 배치되어 있다.

자석(46,48,50)은 플라즈마 도관(34)의 내부와 음극(30)의 증발성 표면위에서 소정의 자기장을 발생시키고, 그것은 자속선으로 표현된다. 자속선은 출구아암(38)만의 플라즈마 도관(34)축에 실질적으로 평행한 방향으로 배열된다. 자속선은 음극 또는 그 부근에서 입구 아암(36)의 영역안에 있는 음극(30)의 증발성 표면에 실질적으로 평행하게 배열된다. 또한, 자속선은 플라즈마 도관(34)의 입구 아암(36)내의 영역으로 수렴하여, 사각형 음극에 인접하고 그와 평행한 자기 미러를 형성한다. 자속선은 플라즈마 도관안의 굴곡부를 통해서 이온 증기를 유도하고, 음극(30)의 증발성 표면(33) 길이를 따라서 통상의 선형적인 움직임으로 아크 스폿을 강제한다. 자기 거울은 플라즈마 도관(34)의 출구 아암(38)을 향해서 플라즈마를 반사시키는 방향으로 배열된다.

감지기(5)는 아크 스폿을 감지하고, 아크 스폿이 상기 증발성 표면의 어느 한쪽의 종단부에 접근할 때마다 소정의 신호를 발생시킨다. 그 감지기로부터의 신호는 코일 전원(52)에서의 전류를 반전시키는 제어 시스템을 동작시키고, 따라서 자속선의 형태 또는 플라즈마 도관(34)에 대한 그 자속선의 배열을 실질적으로 변화시키지 않고서도 자속선의 방향을 반전시킨다. 따라서, 아크 스폿은 사각형 음극(30)의 표면에 선형적인 방향으로 주사할 뿐만 아니라, 통상적으로 종단에서 종단으로의 경로로 정방향 및 역방향으로 주사하도록 강제된다.

플라즈마 도관(34)의 내벽에는 격벽(52)이 나열된다. 거대 입자는 도관안의 굴곡부에 의해서 여과되고, 격벽은 거대 입자를 포획하는 역할을 한다.

본 발명의 시스템은 소스와 유사한 사각 단면의 면적을 갖는 상대적으로 소형의 도관과 길고 좁은 사각형 소스를 포함하고 있다. 따라서, 소형의 도관이 생성된다. 예컨대, 길이가 약 30센티미터이고 너비가 약 2.5센티미터이거나 길이와 너비의 비가 약 12 대 1인 음극 타겟을 이용해서 좋은 결과를 얻었다. 본 발명의 사각형 음극은 무한히 확장될 수 있기 때문에, 보다 더 높은 비(ratio)가 얻어질 수 있음도 예견된다.

따라서, 본 발명은, 기판상의 코팅 형성 또는 이온 주입 수행을 위해서, 사각형의 영역위에 플라즈마 빔을 발생 및 유도하는 방법을 제공한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 이점은, (a)사각형의 음극 소스 물질, (b)사각형 단면과 플라즈마 도관, (c)자기장의 극성을 반전시킴으로써 아크가 사각형 소스의 길이에 걸쳐서 통상 선형의 정방향 및 역방향으로 주사(scan)하게 하는 음극상의 아크 움직임 제어, 그리고 d) 플라즈마 도관안의 자기장의 형태와 제어에 의해서 실현된다.

특히, 본 발명의 사각 소스에서 아크의 자기장 형태 및 제어는 원한다면 제조될 수 있는 사각형의 출력 개구를 갖는 소형의 효율적인 플라즈마 소스를 구축할 수 있고 따라서 여과식 음극 아크의 이점과 사각형 증착 소스의 이점의 조합을 제공하게 된다. 아크 제어에 관한 자기장 반전(field reversal) 기술에 의해서, 음극 소스의 폭은 종래 기술의 레이스 트랙형 자기장을 이용하여 가능한 것 보다도 더 작게 만들어 질 수 있게 된다.

그러므로, 플라즈마 여과 도관은 더 좁고 더 짧게 만들어질 수 있고, 그 결과 규모가 큰 종래의 여과기보다 쉽게 하나의 진공 시스템안으로 집적되는 소형의 설계가 이루어지게 된다. 또한, 좁은 음극과 좁은 선형 주사 아크는 그의 길이를 따라서 타겟의 더욱 균일한 침식이 가능하고, 그 결과, 소스 물질의 활용성은 평판형 레이스 트랙형의 음극에서 할 수 있는 것보다 더욱 높아진다.

[발명의 효과]

본 발명의 장점은 소스를 길이면에서 무한히 확장될 수 있게 하며, 따라서 여과식 아크 증착 또는 주입의 이점을 사각형 또는 확장된 증기 소스를 필요로 하는 응용 분야에 제공할 수 있다.

Claims (30)

1. 진공 아크 방전용 장치에 있어서,

   (a) 적어도 일부가 증발될 물질로 이루어지며, 사각형상의 증발성 표면을 갖는 음극과,

   (b) 상기 증발성 표면의 길이 방향을 따라 한쌍의 대향 단부 각각에 또는 그 부근에 동작가능하게 연결되어 아크 스폿이 상기 대향 단부 중 하나에 접근하는 것을 감지하고 상기 아크 스폿이 상기 대향 단부 중 하나에 접근할 때 신호를 발생시키는 감지 수단과,

   (c) 상기 증발성 표면 상부에 자기장-상기 자기장은 자속선으로 표현되고 상기 자속선은 상기 증발성 표면에 대해 평행하고 그의 길이 방향에 대해 수직인 우세한 성분을 가짐-을 형성하고, 상기 음극을 통해 흐르는 전류와는 독립적인 자기장 형성 수단, 및

   (d) 상기 우세한 성분의 형태 또는 상기 증발성 표면에 대한 그의 배향을 변경시키지 않고 상기 감지 수단으로부터의 상기 신호에 응답하여 상기 자속선의 방향을 반전시키기 위한 자기장 반전 수단을 포함하는 진공 아크 방전 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 사각 형상의 상기 증발성 표면의 길이는 상기 표면의 제 1 에지에 대해 평행하고, 상기 증발성 표면은 상기 제 1 에지에 대해 직각인 상기 표면의 제 2 에지에 대해 평행한 폭을 가지며, 상기 길이는 상기 폭의 적어도 2배의 크기인 진공 아크 방전 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 길이는 상기 폭의 적어도 5배의 크기인 진공아크 방전 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 길이는 상기 폭의 적어도 10배의 크기인 진공 아크 방전 장치.
5. 진공 아크 방전용 플라즈마 도관에 있어서,

   (a) 장착되도록 채택된 사각형상의 음극과 적어도 동일한 비율의 크기인 폭 및 길이를 갖는 사각형 단면의 입구 아암과,

   (b) 사각형 단면의 출구 아암과,

   (c) 내경 및 외경을 갖는 상기 입구 아암과 상기 출구 아암 사이의 굴곡부, 및

   (d) 상기 내경 근처의 소정의 자속 밀도보다 크거나 동일한 상기 외경 근처의 자속 밀도[자기장 세기(field strength)]를 갖는 자기장을 상기 도관내에 발생시키기 위해 상기 플라즈마 도관과 관련해서 배치되는 자기장 형성 수단을 포함하고,

   상기 플라즈마 도관은 상기 입구 아암으로부터 상기 출구 아암을 통과하는 중심선의 축을 갖고, 상기 자기장은 자속선(magnetic flux lines)으로 표현되고,상기 자속선의 일부는 상기 출구 아암내에서 상기 플라즈마 도관의 축에 대해 평행한 방향으로 배향되는

   진공 아크 방전용 플라즈마 도관.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 자기장 형성 수단은 상기 도관내에 자기장을 발생시키기 위한 수단을 더 포함하고, 상기 자기장은 자속선으로 표현되고, 상기 자기장은 상기 자속선이 수렴하여 자기 미러를 형성하는 영역을 포함하고, 상기 자기 미러는 상기 자기 미러가 발생되는 상기 도관의 영역내에 상기 도관의 벽체 수직인 방향으로 배향되는, 진공 아크 방전용 플라즈마 도관.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 굴곡부는 10-120도의 범위 내에 있는 진공 아크 방전용 플라즈마 도관.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 굴곡부는 10-90도의 범위 내에 있는 진공 아크 방전용 플라즈마 도관.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 도관의 내측 상에 위치된 한 세트의 격벽(baffle)을 더 포함하는 진공 아크 방전용 플라즈마 도관.
10. 제 5 항에 있어서, 상기 입구 아암의 사각형 단면은 소정의 길이와 폭을 갖고 상기 길이는 상기 폭의 적어도 2배의 크기인 진공 아크 방전용 플라즈마 도관.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 길이는 상기 폭의 적어도 5배의 크기인 진공 아크 방전용 플라즈마 도관.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 길이는 상기 폭의 적어도 10배의 크기인 진공 아크 방전용 플라즈마 도관.
13. 적어도 일부가 증발될 물질로 이루어진 음극과 양극 사이의 아크 방전-상기 아크 방전은 소정의 길이와 폭을 가진 상기 음극의 증발성 표면 상의 아크 스폿에서 발생함-을 제어하는 방법에 있어서,

    (a) 상기 증발성 표면의 상부에 자기장-상기 자기장은 자속선으로 표현되고, 상기 자기장을 형성하는 수단은 상기 음극을 통해 흐르는 전류와는 독립적이고, 상기 자속선은 상기 증발성 표면에 대해 평행하고 그의 길이 방향에 대해 수직인 우세한 성분을 가짐-을 형성하는 단계와,

    (b) 상기 아크 스폿이 상기 음극의 상기 증발성 표면의 길이 방향의 일 단부에 접근하는 것을 검출하는 단계, 및

    (c) 상기 검출 단계에 의해 검출된 상기 아크 스폿이 상기 음극의 상기 증발성 표면의 일 단부에 접근할 때마다, 상기 우세한 성분의 형태 또는 상기 증발성 표면에 대한 배향을 변경시키지 않고 상기 자속선의 방향을 반전시키는 단계

    를 포함하는 아크 방전 제어 방법.
14. 음극 물질의 이온화된 증기-상기 음극 물질을 증발시키기 위해 진공 아크 방전이 사용됨-를 포함하는 플라즈마 빔을 발생하기 위한 장치에 있어서,

    (a) 사각형상의 증발성 표면을 갖는 음극과,

    (b) 양극과,

    (c) 상기 음극과 양극에 동작가능하게 접속된 아크 전원과,

    (d) 상기 음극의 이온화된 증기를 포함하는 플라즈마의 적어도 일부를 코팅되거나 주입될 타겟이 위치되는 기판 영역으로 이송하는 플라즈마 도관-상기 플라즈마는 상기 음극으로부터 아크 방전에 의해 발생되고, 상기 플라즈마 도관은 상기 음극과 적어도 동일한 비율의 크기인 사각형 단면 형상의 폭과 길이를 갖고, 상기 플라즈마 도관은 그의 중심선을 따른 축에 굴곡부를 포함하고, 상기 플라즈마 도관에 입구 아암과 출구 아암이 형성되고, 상기 음극은 상기 플라즈마 도관에 대면하고 있는 증발성 표면을 구비한 상기 입구-아암의 단부에 또는 단부 근처에 위치되고 상기 기판 영역은 상기 출구 아암의 단부에 또는 단부 근처에 위치됨-와,

    (e) 상기 플라즈마 도관 내와 상기 음극의 증발성 표면 상부에 자기장을 형성하기 위해 상기 플라즈마 도관과 전자기적으로 소통하는 자기장 형성 수단-상기 자기장은 자속선으로 표현되고, 상기 자속선의 적어도 제 1 부분은 상기 출구 아암내에서 상기 도관의 축에 평행한 방향으로 배향되고, 상기 자속선의 적어도 제 2 부분은 상기 음극에서 또는 그 근처에서 상기 입구 아암의 구역 내에서 상기 음극의 증발성 표면에 평행하게 배향된 우세한 성분을 가짐-과,

    (f) 아크 스폿을 감지하기 위한 감지 수단-상기 감지 수단은 상기 음극의 사각형 증발성 표면의 단부 각각에 인접하여 위치되고, 상기 감지 수단은 상기 아크 스폿이 상기 증발성 표면의 각 단부에 접근할 때마다 신호를 발생시킴-과,

    (g) 상기 감지 수단으로부터의 상기 신호에 응답하여 상기 자속선의 제 2 부분의 형상 또는 상기 플라즈마 도관에 대한 배향을 변경시키지 않고 상기 자속선의 적어도 제 2 부분의 방향을 반전시키는 자기장 반전 수단

    을 포함하는 플라즈마 빔 발생 장치.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 굴곡부는 내경과 외경을 가지며, 상기 자기장 형성 수단은 상기 내경 부근의 자속 밀도보다 크거나 동일한 상기 외경 부근의 자속 밀도(자기장 세기)를 갖는 자기장을 상기 도관내에 형성하는 수단을 더 포함하는 플라즈마 빔 발생 장치.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 굴곡부는 10-120도의 범위내에 있는 플라즈마 빔 발생 장치.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 굴곡부는 45-90도의 범위내에 있는 플라즈마 빔 발생 장치.
18. 제 14 항에 있어서, 상기 자속선의 형상 또는 상기 플라즈마 도관에 대한 배향을 변경시키지 않고 상기 자속선의 제 1 부분의 방향을 반전시키기 위한 자기장 반전 수단을 더 포함하는 플라즈마 빔 발생 장치.
19. 제 14 항에 있어서,

    (a) 상기 자기장 형성 수단은 적어도 하나의 전자기 코일을 포함하고,

    (b) 상기 자기장 반전 수단은, 상기 전자석 코일을 통해 전류가 어느 한 방향으로 흐르도록 하고 상기 감지 수단으로부터의 신호에 따라서 상기 전자석 코일을 통한 전류 흐름의 방향을 반전시키도록 하는 적어도 하나의 전자석 전원을 포함하는 플라즈마 빔 발생 장치.
20. 제 19 항에 있어서,

    (a) 상기 자기장 형성 수단은 적어도 2개의 전자석 코일을 더 포함하고,

    (b) 상기 자기장 반전 수단은 상기 적어도 2개의 전자석 코일을 통해 전류가 어느 한 방향으로 통과하도록 하고 상기 감지 수단으로부터의 신호에 따라서 상기 전자식 코일을 통한 전류 흐름의 방향을 동시에 반전시키도록 하는 적어도 2개의 전자석 전원을 더 포함하고,

    (c) 상기 적어도 2개의 전자석 전원은 상기 플라즈마 도관의 다른 부분들에서 자기장 세기를 독립적으로 조정하기 위하여 상기 전자석 코일내의 전류를 독립적으로 변경하기 위한 전류 변경 수단을 갖는

    플라즈마 빔 발생 장치.
21. 제 14 항에 있어서, 상기 자기장 형성 수단에 의해 발생된 상기 자기장은, 상기 자속선이 수렴하는 상기 플라즈마 도관의 상기 입구 아암내의 영역을 포함하여, 상기 사각형 음극에 인접하고 평행한 자기 미러-상기 자기 미러는 상기 플라즈마 도관의 상기 출구 아암을 향해 플라즈마를 반사시키는 방향으로 배향됨-를 형성하는 플라즈마 빔 발생 장치.
22. 제 14 항에 있어서, 상기 양극 수단은 상기 플라즈마 도관을 포함하는 플라즈마 빔 발생 장치.
23. 제 14 항에 있어서, 상기 양극 수단은 상기 플라즈마 도관에 전기 접속되는 플라즈마 빔 발생 장치.
24. 제 14 항에 있어서, 상기 플라즈마 도관 내측에 설치되고 상기 양극에 대해 전기적으로 플로팅하는 적어도 하나의 전기 절연 전극을 더 포함하는 플라즈마 빔 발생 장치.
25. 제 14 항에 있어서, 상기 플라즈마 도관의 내측에 설치되며 상기 양극에 대해 정으로 바이어스되는 적어도 하나의 전기 절연 전극을 더 포함하는 플라즈마 빔발생 장치.
26. 제 14 항에 있어서, 상기 양극은 전기 절연 전극을 포함하는 플라즈마 빔 발생 장치.
27. 제 14 항에 있어서, 상기 플라즈마 도관의 내측벽의 적어도 일부에는 격벽이 나열되는 플라즈마 빔 발생 장치.
28. 제 27 항에 있어서, 상기 격벽은 서로 평행하면서 상기 플라즈마 도관의 상기 내측 벽에 대해 수직으로 설치되고 상기 플라즈마 도관으로 부분적으로 연장하는 다수의 벽을 포함하는 플라즈마 빔 발생 장치.
29. 제 14 항에 있어서, 상기 플라즈마 도관은 상기 양극에 대해 전기적으로 플로팅하는 플라즈마 빔 발생 장치.
30. 제 14 항에 있어서, 상기 플라즈마 도관은 상기 양극에 대해 전기적으로 정으로 바이어스되는 플라즈마 빔 발생 장치.