KR101358551B1 - 유전체 표면의 이온빔 처리 방법 및 이 방법을 구현하는장치 - Google Patents

유전체 표면의 이온빔 처리 방법 및 이 방법을 구현하는장치 Download PDF

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Abstract

유전체 표면을 처리하는 방법 및 이를 구현하는 장치는, 표면의 클리닝, 활성화, 수정, 지원, 주입 및 에칭을 위해 그리고 막 코팅을 적용하기 전에 유전체 표면상에서의 전하의 중성화를 위해 이온 흐름으로 표면의 진공 처리 분야에 관한 것이다.
본 발명이 제안한 방법은, 유사한 목적으로 알려져 있는 방법들과, 터널형 필드를 이용한 플라즈마 캐소드 방전에 의해 전자 흐름이 형성된다는 점에서 다르다.
게다가, 터널형 자계의 자속의 일부는 처리될 캐소드 표면 및 유전체 표면을 동시에 교차하고 캐소드는 흑연 및/또는 보론으로 형성된다.
여기서, 작업 가스 조성에는 10 내지 100% 함유량의 산소가 포함된다.
본 발명이 제안한 방법을 구현하는 장치는, 유사한 목적으로 알려져 있는 장치들과, 흑연 및/또는 보론으로 제조된 캐소드를 구비한 캐소드 방전 장치가 전자 소스로서 사용되고 자기 시스템이 캐소드 표면상에 터널형 자속을 생성하도록 캐소드 표면 바로 밑에 캐소드 표면과 접촉한 상태로 장착된다는 점에서 상이하다.
게다가, 캐소드 방전 장치는, 처리될 표면상에서의 이온 흐름 활동의 영역 및 이 표면과 자속의 교차 영역이 상호 중첩 영역을 형성하는 방식으로 이온 소스의 출력 애퍼처 및 유전체 표면에 대하여 상대적으로 위치한다.
이온 빔 처리, 유전체 표면, 캐소드 방전 장치, 자기 시스템

Description

유전체 표면의 이온빔 처리 방법 및 이 방법을 구현하는 장치{METHOD OF ION BEAM TREATMENT OF DIELECTRIC SURFACE AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THIS METHOD}
도 1은 청구 방법의 동작을 설명하는 장치를 개략적으로 도시하되, 1은 처리될 표면, 2는 이온 소스, 3은 캐소드 방전 장치의 캐소드(4) 및 자기 시스템(5)으로 이루어지는 전자 소스, 6은 자기 시스템(5)에 의해 생성된 터널형 자속을 가리킨다.
도 2는 유전체 표면의 이온 빔 처리 방법을 구현하기 위한 장치의 개략적인 도면으로서, 1은 처리될 유전체 표면, 2는 이온 소스, 3은 캐소드 방전 장치의 캐소드(4)와 자기 시스템(5)으로 구성된 전자 소스, 6은 터널형 자속을 가리킨다.
도 3은 처리될 유전체 표면(1), 이온 소스(2), 전자 방전 장치의 캐소드(4)와 터널형 자속(6)을 형성하는 자기 시스템(5)을 포함하는 전자 소스(3)의 상호 배치의 다양한 레이아웃을 도시한다.
도 4는 전자 소스(3)가 자신을 둘러싸는 이온 소스(2) 내에 위치하고, 처리될 유전체 표면에 대하여 비스듬하게 위치하는 소스 애퍼처, 및 자기 시스템(5)을 갖는 캐소드(4)의 표면이 유전체 표면에 대하여 평행하게 배치된 레이아웃을 도시한다.
도 5는 이온 소스(2)가 자신을 둘러싸는 전자 소스(3) 내에 위치하고, 이온 소스(2)의 애퍼처가 처리될 유전체 표면(1)에 대하여 비스듬하게 배치되며 전자 소스(3)의 자기 시스템(5)을 갖는 캐소드(4)의 표면이 처리될 유전체 표면(1)에 평행한 레이아웃을 도시한다.
도 6은 캐소드 방전 장치의 캐소드(4)와 터널형 자속(6)을 형성하는 자기 시스템(5)으로 이루어지는 전자 소스(3) 내에서 전자 소스 아래에 접촉된 상태로 이온 소스(2)가 위치하는 레이아웃을 도시하는 도면이다.
도 7은 유전체의 외부 원통형 표면(1)이 이온 소스(2)와 전자 소스(3)에 의해 둘러싸이고, 이온 소스(2)의 애퍼처 및 전자 소스(3)를 구성하는 자기 시스템(5)과 캐소드(4)의 표면이 처리될 유전체 표면(1)에 대하여 평행한 레이아웃을 도시한다.
도 8은 유전체의 외부 원통형 표면(1)도 이온 소스(2)와 전자 소스(3)에 의해 둘러싸이되, 이온 소스(2)의 애퍼처가 처리될 유전체 표면(1)에 대하여 비스듬하게 위치하고 자기 시스템(5)을 갖는 캐소드(4)의 표면이 처리될 유전체 표면(1)에 평행한 레이아웃을 도시한다.
도 9는 유전체의 내부 원통형 표면이 처리되는 레이아웃을 도시한다.
도 10은 유전체의 내부 원통형 표면(1)도 이 유전체 내에 위치한 이온 소스(2) 및 전자 소스(3)에 의해 처리되지만, 이온 소스(2)의 애퍼처가 처리될 유전체 표면(1)에 비스듬하게 배치되고 자기 시스템(5)을 갖는 캐소드 방전 장치의 캐소드(4)의 표면은 처리될 유전체 표면(1)에 평행한 레이아웃을 도시한다.
1. 1988년 3월 15일 공개된 미국 특허번호 4731540
2. 1992년 8월 4일 공개된 미국 특허번호 5136171
3. 2004년 4월 20일 공개된 미국 특허번호 6724160
4. 2001년 11월 6일 공개된 미국 특허번호 6313428
5. 1996년 11월 19일 공개된 미국 특허번호 5576538
6. 2002년 9월 24일 공개된 미국 특허번호 6454910
본 발명은 표면의 클리닝, 활성화, 수정, 지원, 주입, 및 에칭을 목적으로 이온 흐름에 의한 그 표면의 진공 처리 분야에 관한 것이다. 막 코팅을 적용하기 전에 유전체 표면상의 전하를 중성화하고자 하며 디스플레이 및 아키텍쳐를 위해 유리 상에 박막 코팅을 제조할 때 이용될 수 있다.
전하들을 중성화하는 이온 흐름에 의해 물질 표면을 처리하는 것으로 알려져 있는 장치들이 존재한다. 이러한 장치들에는, 이온 소스, 전자 소스, 및 처리될 기판 표면이 있다. 이들 모두는 백열 캐소드를 전자 소스로서 이용하는 것을 특징으로 한다.
이러한 해결책의 큰 단점은 캐소드의 서비스 수명이 짧다는 것이다.
게다가, 이러한 해결책에서 이용되는 캐소드는 강렬한 열 방사 소스이며, 이것은 처리될 표면에 영향을 끼치며 이 표면을 가열시킨다. 가열될 때, 캐소드 물 질이 증발되어 처리될 표면에 오염물이 발생된다(참조 문헌 [1], [2], [3]).
또한, 아크 방전이 전하들을 중성화하는 데 사용되는 전자 소스로서 기능을 하는 이온 플럭스로 기판들을 처리하는 알려져 있는 방법 및 장치가 존재한다(참조 문헌 [4]).
그러나, 이러한 공학적 해결책에는 다음과 같은 단점들이 있다.
- 소모되는 에너지와 비교할 때 전자 소스의 동작의 저 효율
- 백열 소자를 이용함으로 인한 짧은 서비스 수명
- 장치의 설계 복잡성 및 대형 표면들의 처리에 대한 응용의 어려움
- 비선형 형상을 갖는 표면의 처리 복잡성(참조 문헌 [4])
또한, 이온 빔에 의해 처리될 표면상에 발생한 전하의 처리 및 중성화용으로 알려져 있는 방법 및 장치가 존재하며, SHF 방전 장치를 전자 소스로서 이용한다.
그러나, 상기 공학적 해결책에는 일련의 단점들이 불가피하게 존재하는데, 즉, 높은 가격, 설계 복잡성, 저 효율, 작은 영역들의 처리만 적용가능, 저 밀도 이온 플럭스에 의한 동작용으로 설계(참조 문헌 [5])가 그러하다.
발명으로서 청구된 이 방법을 구현하기 위한 방법 및 장치의 가장 유사한 점은, 전자관과 동시에 동작하는 이온 소스에 의해 기판 표면이 처리되는 대상이다. 이 특허의 핵심은 전자관 방출이 전자 소스라는 것이며, 이것은 이온 소스의 동작 및 기판의 표면상에 형성된 전위 조절 모두를 위해 필요하다([6]).
그러나, 이 해결책은 다수의 제약 사항들에 의해 영향을 받는다.
첫 번째로, 이것은 코팅 처리 공정을 지원하기 위한 것일 뿐이며, 즉, 장치 는 기판 표면의 클리닝 또는 에칭이 효율적으로 수행되는 것을 허용하지 않으며, 그 이유는 처리될 표면이 캐소드 스퍼터링 생성물에 의해 심각하게 오염되기 때문이다.
두 번째로, 기판상의 전하들을 중성화하는 공정은 최적이 아니며 캐소드 방전에 대하여 높은 전력을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 기구 제조 산업계에서 사용되는 소형부터 선형 및 곡선형 형상을 갖는 표면들뿐만 아니라 아키텍쳐 구조를 구축할 때 사용되는 매우 큰 대형에 이르기까지 매우 상이한 치수 타입들 및 형상들의 유전체 표면들의 이온 빔 처리를 보장할 뿐만 아니라 상술한 단점들 모두를 제거하는 것이다.
본 발명의 목적은 방향성 이온 흐름 및 방향성 전자 흐름의 형성을 포함하는 유전체 표면의 이온 빔 처리 방법에 있어서, 이러한 흐름들 및 유전체 표면상에서 발생하는 양 전하의 중성화에 의해 처리되는 유전체 표면상의 작용에 의해 달성되는 바, 여기서 전자 흐름은 터널형 자계를 이용한 플라즈마 캐소드 방전에 의해 형성되고, 게다가, 터널형 자계의 자속의 일부는 처리될 유전체 표면과 캐소드 표면을 동시에 가로지르며 이 캐소드가 흑연 및/또는 보론으로 형성된다는 사실에 의해 달성된다.
제안한 방법에서, 처리될 유전체 표면과 캐소드 표면을 동시에 가로지르는 터널형 자계의 일부는 전체 자속의 적어도 20%이고, 처리될 표면상에서의 이온 흐 름의 작용 영역 및 터널형 자계의 일부와 이 표면과의 교차 영역은 서로 중첩된다.
게다가, 캐소드 표면상의 터널형 자계의 평행 성분의 세기는 20 내지 100mT의 범위에서 조절되고, 캐소드 조성물은 낮은 전자 일함수를 갖는 물질, 즉, Cs, Ba, La 열의 0.1 내지 5.0%로 도핑된다.
방향성 이온 흐름은 동작 가스의 이온들을 제어할 수 있는 발생기에 의해 형성된다. 닫힌 전자 드리프트를 갖는 가속기를 상기 발생기로서 이용하고 동작 가스 조성물은 함유량이 10 내지 100%인 산소를 포함한다.
또한, 청구 방법을 구현하기 위한 장치는 상술한 방법의 달성을 목표로 한다.
발명으로서 청구한 이온 빔 처리 방법은 다음과 같이 구현된다.
유전체는 대전된 입자들, 즉, 이온 및 전자의 방향성 흐름이 처리될 유전체 표면상에서 작용하는 방식으로 진공 챔버 내에 배치된다.
처리를 시작하기 전에, 공기를 진공 챔버로부터 5x10-4 내지 10-3Pa의 압력 한계까지 배출한다. 이후, 산소 또는 산소와 다른 가스들과의 혼합물을 진공 챔버 내에 공급하고, 게다가, 이 혼합물에서의 산소 비율은 10% 내지 100%이다.
5x10-2 내지 10-1Pa의 동작 압력을 얻을 때, 방향성 이온 흐름 및 방향성 전자 흐름이 형성된다.
제1 흐름은 동작 가스의 발생기의 애노드에 양의 전위를 인가함으로써 형성되고 제2 흐름은 캐소드 방전 장치의 캐소드에 음의 전위를 인가함으로써 형성된 다.
여기서, 유전체 표면은 그 표면상에서 발생하는 양의 전하의 중성화를 보장하는 이온 흐름 및 전자 흐름과 동시에 처리된다.
처리 효율을 개선하려면, 캐소드 방전 장치의 캐소드의 근 표면 영역에서 발생하는 터널형 자계를, 자속의 일부가 처리될 유전체 표면과 캐소드 표면을 동시에 가로지르는 방식으로 프로파일한다.
여기서, 캐소드 방전 장치 내에 위치하는 전자들은 자신들의 속도 벡터를 위한 가이드인 자계선들을 따라 이동한다.
계산 및 실험 조사에 의해 예시되었듯이, 전자들을 유전체 표면으로 전달하는 것을 담당하는 전체 자속의 적어도 20%가 처리될 유전체 표면과 캐소드 표면을 동시에 가로지르는 것이 필요하다.
여기서, 처리될 표면상에서의 이온 흐름의 작용 영역 및 이 표면과 터널형 자계의 일부의 교차 영역의 공간적 중첩은 중성화 효과를 더욱 증가시킨다.
플라즈마 캐소드 방전의 자계는 벡터 공간에서 투영될 뿐만 아니라 20 내지 100mT 범위로 캐소드 표면상의 절대값에 의해 투영될 것이다. 이것은 감소된 압력에서 강한 캐소드 방전이 존재하는 조건 및 이온 소스와의 동작 호환성의 조건에서 이루어진다.
여기서, 플라즈마의 고 농도는 상당한 전자 흐름을 제공한다.
본 발명의 방법에 따라 다양한 기술적 시설을 이온 소스로서 이용할 수 있지만, 공학적 및 과학기술적 관점에서 가장 바람직한 것은 닫힌 전자 드리프트를 갖 는 가속기이다.
사용되는 가속기에 의해 평평한 표면 및 곡선형 표면 모두에 대하여 이온 빔 처리를 수행할 수 있음으로 인해 다양한 구성의 이온 빔들을 형성할 수 있다. 게다가, 이 가속기에 의해 넓은 표면을 처리할 수 있는 확장성 선형 이온 빔을 형성할 수 있다.
처리될 유전체 표면의 오염물을 최소화하려면, 동작 가스의 조성물 내에 산소를 유입하는 것이 필요하다.
플라즈마 캐소드 방전을 이용하는 경우, 캐소드 물질이 증발되어 스퍼터링 생성물을 갖는 유전체 표면에 오염물을 야기하게 된다.
그러나, 흑연 또는 보론을 캐소드 물질로서 그리고 산소 또는 산소의 혼합물을 동작 가스로서 이용하는 경우, 캐소드 스퍼터링은 휘발성 화합물(CO, CO2, B2O3, BO2)을 생성하게 되며 이것은 처리될 표면상에 응축되지 않으며 진공 펌프에 의해 챔버로부터 제거된다. 게다가, 이 물질들은 저 스퍼터링 계수를 특징으로 하며, 이에 따라 제안한 해결 방안은 처리될 유전체 표면의 오염물을 제로로 감소시킨다.
유전체 표면상의 중성화 효과는, 캐소드 물질 조성물이 Cs, Ba, La와 같은 낮은 전자 일함수를 갖는 원소들로 도핑되는 경우에 더욱 강화된다.
이 경우, 전자 흐름 세기는 상당히 증가하여 캐소드 방전의 보다 적은 전력으로 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 이러한 실험 소자에 의해 확인된 첨가물의 양(量)의 범위는 0.1 내지 5.0%이다. 이 범위를 초과하는 첨가 농도는 처리될 표 면을 오염시키며 그 이유는 이 물질들이 산소를 갖는 비휘발성 화합물을 형성하기 때문이다.
유전체 표면의 이온 빔 처리의 완료는 이온 흐름과 전자 흐름 및 공정 모드에 의해 처리될 생성물을 처리 영역에 두는 전체 노출 시간에 의해 결정된다.
쓰루타입(Through-type) 장치들에서 처리 공정을 구현할 때, 물품은 이 공정의 완료시 다음 위치로 전달되고 이온 빔에 의해 처리될 다음 물품이 자신의 위치에 배치된다.
공정의 완료시, 진공 챔버는 공기로 채워지고, 압력은 대기압으로 되며 물품들이 리로딩된다.
유전체 표면의 이온 빔 처리 방법의 특정 구현예
도 1은 청구 방법의 동작을 설명하는 장치를 개략적으로 도시하되, 1은 처리될 표면, 2는 이온 소스, 3은 캐소드 방전 장치의 캐소드(4) 및 자기 시스템(5)으로 이루어지는 전자 소스, 6은 자기 시스템(5)에 의해 생성된 터널형 자속을 가리킨다.
전달 홀더 상으로 배치된 처리될 표면(1)을 갖는 물품(예를 들어, 1260 x 940mm의 치수를 갖는 유리판)이 이온 흐름(2)과 전자 흐름(3)을 형성하기 위한 장치들이 각각 처리될 표면(1)의 앞에 배치되는 이온 빔 처리 진공 챔버 내로 공급된다.
공기는 진공 펌프에 의해 진공 챔버로부터 5x10-4Pa 내지 10-3Pa의 한계 압력 으로 배출되고, 이후 70%:30% 비율의 산소-아르곤 혼합물이 진공 챔버 내로 공급된다.
4.2kV의 양 전위가 이온 소스(2)의 애노드에 인가된다.
방전을 점화할 때, 1.4A의 전체 전류를 갖는 리본형 이온 빔이 형성된다. 동시에, 접지에 대하여 상대적으로 음인 550V의 전위가 전자 소스(3)의 캐소드(4)에 인가된다. 이 전위는 5.5A의 플라즈마 방전을 점화한다. 여기서, 자기 시스템(5)은 캐소드 방전 장치의 터널형 자계(6)를 형성한다.
이후, 유리판의 표면은 이온 흐름 및 전자 흐름으로 동시에 처리되는 한편 그 유리판의 표면상에서 발생하는 양의 전하의 중성화를 보장한다.
여기서, 가스 방전 장치들(2, 3)에 대한 판(1)의 상대적 이동 속도는 1.5m/min으로 설정된다.
캐소드 방전 장치의 캐소드(4)상에서 발생하는 터널형 자계를, 자속의 일부(예를 들어, 25%)가 처리될 유리판 표면(1)과 캐소드(4)의 표면을 동시에 가로지르는 방식으로 프로파일한다. 여기서, 캐소드 방전 영역에 존재하는 전자들은 자계선들을 따라 이동하며 이것은 자신들의 속도 벡터를 위한 가이드로서 기능을 한다.
실험으로 확인된 자기 시스템(5)에 의해 형성된 자속(6)의 비율(25%)은 효율적인 중성화의 달성을 향상시키고, 그 이유는 유전체 표면(1)(이 경우, 유리판)으로의 전자들의 전달 및 자속(6)의 상기 일부에 의해 처리될 유리 표면(1)과 캐소드(4)의 표면의 동시 교차를 보장하기 때문이다.
여기서, 처리될 표면(1)상에서의 이온 흐름 작용 영역 및 이 표면과 터널형 자속(6)의 일부의 교차 영역 간의 공간적 중첩은 중성화 효과를 더욱 강화한다.
플라즈마 캐소드 방전의 자계 세기는 벡터 공간에 투영될 뿐만 아니라 캐소드(4)의 표면상의 절대값에 의해서도 투영되며 이러한 특정 예에서는 40mT이다.
고 농도의 플라즈마는 전자 흐름에 최대 10mA/cm2의 전류 밀도를 제공한다. 여기서, 닫힌 전자 드리프트를 갖는 가속기는, 대형 물품의 처리용으로 확장성 선형 이온 빔을 형성할 수 있게 할 뿐만 아니라 평평한 유전체 표면 및 곡선형 표면 모두의 처리용으로 다양한 구성의 이온 빔을 형성할 수 있게 하는 이온 소스(2)로서 사용된다.
유리판(1)의 표면상에 플라즈마 캐소드 방전을 이용할 때 분해 생성물의 응축으로 인해 발생하여 존재하는 오염물을 최소화하려면, 산소를 동작 가스의 조성물 내로 유입한다. 이러한 특별한 경우, 산소 비율은 70%이다.
캐소드(4)를 스퍼터링하는 공정에서, 캐소드(4)로서 사용되는 물질(이 경우, 흑연) 및 동작 가스로서 사용되는 산소는 휘발성 화합물(CO2)을 형성하고, 이것은 처리될 표면상에서 응축되지 않고 진공 펌프에 의해 챔버로부터 제거된다.
게다가, 이 물질(흑연)은 처리될 유리판의 오염물을 실제로 제로로 감소시킨다는 점으로 인해 저 스퍼터링 계수에 의해 특징화된다.
처리될 유리 표면(1)상에서의 중성화 효과는, 캐소드 물질이 Cs와 같은 낮은 일함수를 갖는 원소로 도핑되는 경우 더욱 강화된다.
이 경우, 전자 흐름 밀도는 캐소드 방전의 보다 적은 전력으로 동작할 수 있 도록 2배 내지 3배 증가한다. 여기서, 실험적으로 확인된 이러한 첨가물의 양은 3%이다.
유전체 표면의 이온 빔 처리 공정의 완료는 이온 흐름과 전자 흐름 및 공정 모드에 의해 처리될 생성물을 처리 영역에 두는 전체 노출 시간에 의해 결정되고, 이러한 특정의 경우 2.5분이다.
쓰루타입 장치들에서 처리 공정을 구현할 때, 물품은 공정 완료시 다음 위치로 전달되고 이온 빔에 의해 처리될 다음 물품이 자신의 위치에 배치된다.
이 공정의 완료시, 진공 챔버는 공기로 채워지고, 압력은 대기압으로 되고 물품들은 리로딩된다.
유전체 표면의 이온 빔 처리의 청구 방법은 아래와 같은 사항을 가능하게 한다.
* 기구 제조 산업에서 사용되는 작은 치수로부터 아키텍쳐 구조를 구축할 때 사용되는 매우 큰 치수까지 매우 상이한 치수 타입들 및 형상들을 갖는 유전체 표면들의 이온 빔 처리를 수행한다.
* 선형 및 곡선의 형상을 갖는 유전체 표면들의 처리를 수행한다.
* 소모되는 전력과 비교할 때 이온 흐름과 전자 흐름의 동작의 고 효율을 보장한다.
* 캐소드의 긴 서비스 수명을 보장한다.
* 표면을 클리닝하는 효율을 보장하는 방식으로 이온 흐름 및 전자 흐름의 고 밀도로 동작한다.
* 상기 표면상의 스퍼터링 생성물의 증착으로 인해 표면의 이온 빔 처리 공정에서 발생하는 유전체 표면의 오염물을 실제로 제로로 감소시킨다.
발명으로서 제안한 장치는, 유전체 표면들의 이온 빔 처리의 청구 방법을 구현하기 위한 것으로서 유사한 목적으로 알려져 있는 장치들과 상당히 다르다.
유전체 표면들의 이온 빔 처리 방법을 구현하기 위한 청구 장치의 목적은 유사한 목적의 상술한 장치들의 모든 단점들을 제거하는 데 있다(참조 문헌 [1, 2, 3, 4, 5, 6]).
이 목적은 유전체 표면이 내부에 배치된 진공 챔버, 동작 가스의 이온들의 소스, 전자들의 소스와 처리될 상기 유전체 표면에 대하여 상대적으로 배열되는 자속을 생성하기 위한 자기 시스템을 포함하는 유전체 표면의 이온 처리 장치에 있어서, 흑연 및/또는 보론으로 형성된 캐소드를 구비한 캐소드 방전 장치가 전자 소스로서 사용되고, 상기 자기 시스템이 캐소드 표면상에 터널형 자속을 생성하도록 상기 캐소드 표면 밑에서 캐소드 표면과 접촉하여 장착되며, 게다가, 상기 캐소드 방전 장치는, 처리될 상기 표면상에서의 이온 흐름의 작용 영역 및 이 표면과 상기 자속의 교차 영역이 중첩 영역을 형성하는 방식으로 상기 이온 소스의 출력 애퍼처 및 상기 유전체 표면에 대하여 상대적으로 배치된 사실에 의해 달성된다.
여기서, 상호 중첩 영역은 자기 시스템에 의해 생성된 자속의 적어도 20%를 포함한다. 캐소드 표면상의 터널형 자속의 평행 성분의 세기 범위는 20 내지 100mT이다.
캐소드 방전 장치의 캐소드 물질은 Cs, Ba, La 열의 원소들 및/또는 0.1 내지 5.0% 중량을 갖는 이들의 화합물로 도핑되고 닫힌 전자 드리프트를 갖는 가속기가 동작 가스의 이온들의 소스로서 사용된다.
여기서, 처리될 유전체 표면은 평평하거나 곡선의 형상을 갖는다.
이온 빔 소스의 출력 애퍼처는 처리될 유전체 표면에 대하여 평행하거나 비스듬하게 배치되고 이온 빔 소스의 출력 애퍼처와 처리될 유전체 표면 간의 각도 범위는 0 내지 90°이다.
게다가, 캐소드 표면은 처리될 유전체 표면에 대하여 평행하거나 비스듬하게 배치된다. 여기서, 캐소드 표면과 처리될 유전체 표면 간의 각도 범위는 0 내지 90°이다.
도 2는 유전체 표면의 이온 빔 처리 방법을 구현하기 위한 장치의 개략적인 도로서, 1은 처리될 유전체 표면, 2는 이온 소스, 3은 캐소드 방전 장치의 캐소드(4)와 자기 시스템(5)으로 구성된 전자 소스, 6은 터널형 자속을 가리킨다.
이 방법을 구현하기 위한 장치는 다음과 같이 동작한다.
물품(예를 들어, 630 x 470mm의 치수를 갖는 유리판)은 전달 홀더로 배치되고, 처리될 유전체 표면이 캐소드(4)와 자기 시스템(5)을 포함하는 전자 소스(3) 및 이온 소스(2) 앞에 있는 방식으로 진공 챔버 내에 위치한다. 여기서, 전자 소스(3)의 캐소드(4)는 흑연 및/또는 보론으로 형성된다.
전자 소스(3)의 자기 시스템(5)은 캐소드(4)의 아래에서 캐소드와 접촉한 상태로 장착되고 자신의 표면상에 터널형 자속(6)을 형성한다. 여기서, 캐소드 방전 장치는, 처리될 표면(1)상의 이온 흐름 작용 영역 및 이 표면과 자속(6)의 교차 영 역이 상호 중첩 영역을 형성하는 방식으로 유전체 표면(1) 및 이온 소스(2)의 출력 애퍼처에 대하여 상대적으로 위치한다. 상호 중첩 영역은 자기 시스템(5)에 의해 생성된 터널형 자속(6)의 40%를 포함한다.
캐소드 표면(4)상의 터널형 자속(6)의 평행 성분의 세기 범위는 4 내지 65mT이다. 닫힌 전자 드리프트를 갖는 가속기는 이온 소스(2)로서 사용된다.
이온 빔 처리 공정을 수행하기 위해, 공기를 진공 펌프에 의해 진공 챔버로부터 5x10-4Pa의 잔여 압력으로 배출한다.
산소와 아르곤이 90%:10%의 비율로 된 혼합물을 이온 소스(2)에 공급하고 이 챔버의 동작 압력을 6.0x10-2Pa로 한다. 접지에 대하여 상대적으로 4.0kV인 양의 전위를 이온 소스(2)의 애노드에 인가하고 0.9A인 전체 전류를 갖는 이온 빔을 형성한다.
동시에, 1.8A의 플라즈마 방전을 점화하는, 접지에 대하여 음인 500V의 전위를 전자 소스(3)의 캐소드(4)에 인가한다.
이후, 유리 표면을 이온 흐름과 전자 흐름으로 처리하되, 유전체 표면(1)상의 전하의 중성화 레벨을 처리 영역에 위치한 프로브로 감시한다.
가스 방전 장치에 대한 유리 기판의 상대적 이동 속도는 1.5m/min이고 공정 시간은 40s이다(도 2).
중성화 공정의 완료시, 진공 챔버는 공기로 채워지고, 압력은 대기압으로 되며 물품은 리로딩된다.
도 3은 처리될 유전체 표면(1), 이온 소스(2), 전자 방전 장치의 캐소드(4)와 터널형 자속(6)을 형성하는 자기 시스템(5)을 포함하는 전자 소스(3)의 상호 배치의 다양한 레이아웃을 도시한다.
도 3 내지 도 6은 평평한 유전체 표면들의 처리의 레이아웃을 도시한다.
이에 따라, 도 3은 이온 소스(2)가 자신을 둘러싸는 전자 소스(3) 내에 위치하고 이온 소스(2)의 출력 애퍼처 및 터널형 자속(6)을 형성하는 자기 시스템(5)을 갖는 캐소드(4)의 표면이 처리될 유전체 표면(1)에 대하여 평행하게 배치된 레이아웃을 도시한다.
도 4는 전자 소스(3)가 자신을 둘러싸는 이온 소스(2) 내에 위치하고, 처리될 유전체 표면에 대하여 비스듬하게 위치하는 소스 애퍼처, 및 자기 시스템(5)을 갖는 캐소드(4)의 표면이 유전체 표면에 대하여 평행하게 배치된 레이아웃을 도시한다.
도 5는 이온 소스(2)가 자신을 둘러싸는 전자 소스(3) 내에 위치하고, 이온 소스(2)의 애퍼처가 처리될 유전체 표면(1)에 대하여 비스듬하게 배치되며 전자 소스(3)의 자기 시스템(5)을 갖는 캐소드(4)의 표면이 처리될 유전체 표면(1)에 평행한 레이아웃을 도시한다.
도 6은 캐소드 방전 장치의 캐소드(4)와 터널형 자속(6)을 형성하는 자기 시스템(5)으로 이루어지는 전자 소스(3) 내에서 전자 소스 아래에 접촉된 상태로 이온 소스(2)가 위치하는 레이아웃을 도시한다.
여기서, 이온 소스(2)의 애퍼처는 처리될 유전체 표면(1)에 평행하게 위치하 고 캐소드(4)의 표면과 처리될 유전체 표면 간의 각도는 90°이다.
도 7 내지 도 10은 곡선형 표면을 갖는 유전체들의 처리 방식을 도시한다.
이에 따라, 도 7은 유전체의 외부 원통형 표면(1)이 이온 소스(2)와 전자 소스(3)에 의해 둘러싸이고, 이온 소스(2)의 애퍼처 및 전자 소스(3)를 구성하는 자기 시스템(5)과 캐소드(4)의 표면이 처리될 유전체 표면(1)에 대하여 평행한 레이아웃을 도시한다.
도 8은 유전체의 외부 원통형 표면(1)도 이온 소스(2)와 전자 소스(3)에 의해 둘러싸이되, 이온 소스(2)의 애퍼처가 처리될 유전체 표면(1)에 대하여 비스듬하게 위치하고 자기 시스템(5)을 갖는 캐소드(4)의 표면이 처리될 유전체 표면(1)에 평행한 레이아웃을 도시한다.
도 9는 유전체의 내부 원통형 표면이 처리되는 레이아웃을 도시한다. 여기서, 이온 소스(2) 및 전자 소스(3)는 유전체 내에 위치하며, 게다가, 이온 소스(2)의 애퍼처 및 자기 시스템(5)을 갖는 캐소드(4)의 표면은 처리될 유전체 표면(1)에 평행하다.
도 10은 유전체의 내부 원통형 표면(1)도 이 유전체 내에 위치한 이온 소스(2) 및 전자 소스(3)에 의해 처리되지만, 이온 소스(2)의 애퍼처가 처리될 유전체 표면(1)에 비스듬하게 배치되고 자기 시스템(5)을 갖는 캐소드 방전 장치의 캐소드(4)의 표면은 처리될 유전체 표면(1)에 평행한 레이아웃을 도시한다.
도 3 내지 도 10에 레이아웃이 도시된 장치들의 동작 원리는 도 2에 도시한 예에서 상술한 장치의 동작 원리와 유사하다. 차이점은 레이아웃 치수들 및 이들 을 실제 기술적 방식에 적용하는 효율성에 있다.
공정 장비의 구성 요소인 제안한 장치에 대하여, 디스플레이 생산에 이용될 2322cm2(540 x 430mm) 면적의 유리 기판의 표면의 이온 빔 처리를 수행하였다.
세라믹 ITO-타깃의 전자관 스퍼터링 방법에 의해 투명한 도전성 코팅을 처리하기 전에 유리 표면의 이온 빔 처리를 즉시 수행하였다.
결함없는 막 ITO-코팅을 얻기 위한 필요 조건은 이온 빔 클리닝을 수행할 때 표면상의 전하의 완전한 중성화이다.
그렇지 않다면, 대전된 표면이 반대 부호 플라즈마로부터 마이크로 입자들을 끌어당길 것이다. 0.1㎛ 내지 10㎛ 크기의 이 마이크로 입자들이 ITO 막을 부착할 때의 결함 소스들(펑크, 기공, 마이크로 돌기(microasperities) 등)이다.
상술한 결함들을 제거하거나 최소화하기 위해, 표면 결함성의 후속 분석으로 장치의 동작 모드들의 최적화를 수행하였다.
장치의 특정 응용예들
예 1
유리판의 이온 빔 처리를 수행하기 위해, 공기를 진공 챔버로부터 진공 극저온 펌프를 이용하여 5.5x10-4Pa 잔여 압력으로 배출하였다.
순수 산소를 이온 소스(2) 내로 공급하고(도 2), 이후 챔버에서의 동작 압력은 8.0x10-2Pa에 이른다.
접지에 대하여 상대적으로 양인 4.2kV의 전위를 이온 소스(2)의 애노드에 인 가하고 0.8A인 전체 전류를 갖는 이온 빔을 형성한다.
캐소드 방전 장치의 캐소드(4)와 터널형 자속(6)을 형성하는 자기 시스템(5)으로 이루어지는 전자 소스(3)가 스위칭 오프되면, 프로브 전위는 390V인 양의 값을 갖는다.
접지에 대하여 상대적으로 음인 500V의 전위를 전자 소스(3)의 캐소드(4)에 인가하게 되면, 1000W의 전체 인가 전력에서 2.0A의 플라즈마 방전이 형성된다. 이후, 프로브 전위는 음의 35V로 된다.
가스 방전 장치들(2, 3)에 대한 유리판의 상대적 이동 속도는 1.5m/min이고, 공정 시간은 30s이다.
이후, 유리판을 0.15㎛ 두께의 ITO 막이 부착되어 있는 전자관 위치로 전달한다. 처리된 표면(1)을 갖는 물품을 진공 챔버로부터 제거한 후, 현미경을 이용하여 암 영역에서의 표면(1)상의 결함들의 크기를 분석한다.
이러한 특정의 경우에, 결함들의 최대 크기는 0.2 내지 0.3㎛을 초과하지 않는다(물품 표면상의 전하를 중성화하지 않고 이온 빔만을 이용하여 물품을 처리하는 경우, 결함들의 크기는 5 내지 10㎛에 이르며 결함들의 개수는 제안한 장치를 사용하는 경우보다 5배 많다).
예 2
이온 빔 클리닝 공정을 수행하기 위해, 극저온 진공 펌프를 이용하여 공기를 진공 챔버로부터 5.5x10-4Pa인 잔여 압력으로 배출한다.
순수 산소를 이온 소스(2) 내로 공급하고(도 3), 이후 챔버에서의 동작 압력은 8.0x10-2Pa에 이른다. 이후, 접지에 대하여 상대적으로 양인 4.2kV의 전위를 이온 소스(2)의 애노드에 인가하고 0.8A인 전체 전류를 갖는 이온 빔을 형성한다.
캐소드 방전 장치의 캐소드(4)와 터널형 자속(6)을 형성하는 자기 시스템(5)으로 이루어지는 전자 소스(3)가 스위칭 오프되면, 프로브 전위는 390V인 양의 값을 갖는다.
접지에 대하여 상대적으로 음인 500V의 전위를 전자 소스(3)의 캐소드(4)에 인가하게 되면, 500W의 전체 인가 전력에서 1.0A의 플라즈마 방전이 형성된다. 이후, 프로브 전위는 음의 5V로 된다.
가스 방전 장치들(2, 3)에 대한 유리판의 상대적 이동 속도는 1.5m/min이고, 공정 시간은 30s이다.
이후, 유리판을 0.15㎛ 두께의 ITO 막이 부착되어 있는 전자관 위치로 전달한다. 처리된 표면(1)을 갖는 물품을 진공 챔버로부터 제거한 후, 결함들의 크기 및 존재를 위해 처리된 물품 표면의 분석을 현미경을 이용하여 암 영역에서 수행한다. 이 분석은 결함들의 최대 크기가 0.1 내지 0.2㎛를 초과하지 않음을 보여 주었다.
따라서, 장치 동작의 일반적 분석은, ITO 코팅을 처리할 때 유전체 표면의 추가 처리 공정에서 유전체 표면상의 전하 값의 제어가능성 및 박막 코팅의 결함성의 제거 모두의 관점에서 볼 때 효율적임을 나타낸다.
선택된 소스를 기초로 한 장치의 구축은 기능성 면에서 최적이며 그 이유는 그 방식의 상이한 기하하적 변형들을 구현할 수 있기 때문이다.
발명으로서 제안된 구조에 의해 이러한 타입의 장치들이 대형 부품들을 처리할 수 있게 하는 선형으로 설계될 수 있다는 점이 중요하다.
유전체 표면의 이온 빔 처리 방법 및 이 방법을 구현하기 위한 장치는 고유하면서 다양하다. 이것은 아래와 같은 동작을 가능하게 해준다.
* 기구 제조 산업에서 사용되는 소형으로부터 아키텍쳐 구조를 구축할 때 사용되는 대형에 이르기까지 서로 매우 다른 치수들의 유전체 표면들의 이온 빔 처리를 수행한다.
* 표면의 이온 빔 처리의 고 품질을 보장한다.
* 선형 및 곡선의 형상을 갖는 표면들의 처리를 보장한다.
* 처리될 표면상의 결함들의 발생을 최소화한다.
* 소모되는 전력과 비교할 때 이온 흐름과 전자 흐름의 동작의 고 효율을 보장하면서 표면 처리를 수행한다.
* 긴 서비스 수명을 보장한다.
* 이 방법을 구현하기 위한 장치의 간략성을 보장한다.
* 표면을 클리닝하는 효율을 보장하는 방식으로 이온 흐름 및 전자 흐름의 고 밀도로 동작한다.
* 상기 표면상의 스퍼터링 생성물의 농축으로 인해 표면의 이온 빔 처리 공정에서 발생하는 유전체 표면의 오염물을 실제로 제로로 감소시킨다.
* 처리될 표면들을 클리닝하는 고 품질 및 박막 코팅을 이미 처리된 표면들 상으로 부착하는 고 품질을 보장한다.
청구 방법 및 이를 구현하기 위한 장치는 산업상 이용가능하며 유전체 표면의 진공 처리 분야에서 오늘날의 기술 레벨에 따르며, 생산 조건들에 따라 동화되며 처리될 유전체 표면들의 클리닝 및 전하 중성화 공정을 쉽게 구현한다.
본 발명에 따르면, 기구 제조 산업에서 사용되는 소형으로부터 아키텍쳐 구조를 구축할 때 사용되는 대형에 이르기까지 서로 매우 다른 치수들의 유전체 표면들의 이온 빔 처리를 수행하고, 표면의 이온 빔 처리의 고 품질을 보장하며, 선형 및 곡선의 형상을 갖는 표면들의 처리를 보장하고, 처리될 표면상의 결함들의 발생을 최소화하며, 소모되는 전력과 비교할 때 이온 흐름과 전자 흐름의 동작의 고 효율을 보장하면서 표면 처리를 수행하고, 긴 서비스 수명을 보장하며, 이 방법을 구현하기 위한 장치의 간략성을 보장하고, 표면을 클리닝하는 효율을 보장하는 방식으로 이온 흐름 및 전자 흐름의 고 밀도로 동작하며, 상기 표면상의 스퍼터링 생성물의 농축으로 인해 표면의 이온 빔 처리 공정에서 발생하는 유전체 표면의 오염물을 실제로 제로로 감소시키고, 처리될 표면들을 클리닝하는 고 품질 및 박막 코팅을 이미 처리된 표면들 상으로 부착하는 고 품질을 보장한다.

Claims (19)

  1. 방향성 이온 흐름과 방향성 전자 흐름이 처리될 유전체 표면상에서 작용하도록 그리고 상기 유전체 표면상에 생기는 양 전하를 중성화하도록 상기 방향성 이온 흐름과 방향성 전자 흐름의 형성을 포함하며, 상기 전자 흐름은 터널형 자계를 이용한 플라즈마 캐소드 방전에 의해 형성되고, 상기 터널형 자계의 자속의 일부는 상기 처리될 유전체 표면과 캐소드 표면을 동시에 가로지르고, 상기 캐소드는 흑연과 보론 중 어느 하나, 또는 흑연과 보론으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리될 캐소드 표면과 유전체 표면을 동시에 가로지르는 상기 터널형 자계의 일부는 전체 자속의 적어도 20%인 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 처리될 표면상에서의 이온 흐름의 작용 영역 및 이 표면과 터널형 자계의 일부의 교차 영역이 서로 중첩되는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캐소드 표면상의 터널형 자계의 평행 성분의 세기는 20 내지 100mT의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캐소드 조성물은 낮은 전자 일함수를 갖는 물질인 Cs, Ba, La 열 중 하나의 0.1 내지 5.0%로 도핑되는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 방향성 이온 흐름의 형성은 동작 가스의 이온들을 제어할 수 있는 발생기에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    닫힌 전하 드리프트를 갖는 가속기가 상기 동작 가스의 이온들의 발생기로서 사용되는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 동작 가스의 조성물은 10% 내지 100% 함유량의 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 방법.
  9. 유전체 표면이 내부에 배치된 진공 챔버, 동작 가스의 이온들의 소스, 전자들의 소스와 처리될 상기 유전체 표면에 대하여 상대적으로 배열되는 자속을 생성하기 위한 자기 시스템을 포함하며, 흑연과 보론 중 어느 하나, 또는 흑연과 보론으로 형성된 캐소드를 구비한 캐소드 방전 장치가 전자 소스로서 사용되고, 상기 자기 시스템이 캐소드 표면상에 터널형 자속을 생성하도록 상기 캐소드 표면 아래에서 캐소드 표면과 접촉한 상태로 장착되며, 상기 캐소드 방전 장치는, 처리될 상기 표면상에서의 이온 흐름의 작용 영역 및 이 표면과 상기 자속의 교차 영역이 중첩 영역을 형성하는 방식으로 상기 이온 소스의 출력 애퍼처 및 상기 유전체 표면에 대하여 상대적으로 배치된 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 중첩 영역은 상기 자기 시스템에 의해 생성된 자속의 적어도 20%를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 캐소드 표면상의 터널형 자속의 평행 성분의 세기 범위는 20 내지 100mT인 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 캐소드 물질은 Cs, Ba 및 La 열의 원소들로 도핑되고, 상기 원소들의 화합물은 0.1 내지 5.0% 중량을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    닫힌 전자 드리프트를 갖는 가속기가 상기 동작 가스의 이온들의 소스로서 이용되는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리될 유전체 표면은 평평한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리될 유전체 표면은 곡선 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
  16. 제 9 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 이온 소스의 출력 애퍼처는 상기 처리될 유전체 표면에 대하여 비스듬하게 또는 평행하게 위치하는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 처리될 유전체 표면과 상기 이온 소스의 출력 애퍼처 간의 각도 범위는 0 내지 90°인 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 캐소드 표면은 상기 처리될 유전체 표면에 대하여 비스듬하게 또는 평행하게 위치하는 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 처리될 유전체 표면과 상기 캐소드 표면 간의 각도 범위는 0 내지 90°인 것을 특징으로 하는 유전체 표면의 이온처리 장치.
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