KR101602517B1

KR101602517B1 - Ｐｅｃｖｄ를 이용한 박막 코팅을 증착하기 위한 플라즈마 소스 및 방법

Info

Publication number: KR101602517B1
Application number: KR1020117005282A
Authority: KR
Inventors: 피터 마슈비츠
Original assignee: 에이지씨 플랫 글래스 노스 아메리카, 인코퍼레이티드; 아사히 가라스 가부시키가이샤; 에이쥐씨 글래스 유럽
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2016-03-10
Also published as: JP2019083200A; JP6246765B2; BRPI0916880A2; PH12015500539B1; TW201012308A; US8652586B2; US20150002021A1; US20140220361A1; EP2316252B1; TWI641292B; KR20110042104A; US9478401B2; CN102172104B; PH12015500539A1; PH12015500540A1; CN104498898A; CN105177526B; TW201644327A; PH12015500542B1; JP2017214651A

Abstract

본 발명은 박막 코팅 기술에 사용되는 새로운 플라즈마 소스 및 그것을 사용하는 방법을 제공한다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 각각 플라즈마 강화 화학 기상 증착에 사용되는 리니어 그리고 2차원 플라즈마를 생성하는 신규의 리니어 그리고 2차원 플라즈마 소스를 제공한다. 또한, 본 발명은 박막 코팅을 만드는 방법을 제공하고, 이러한 방법의 코팅 효율을 향상시키는 방법을 제공한다.

Description

ＰＥＣＶＤ를 이용한 박막 코팅을 증착하기 위한 플라즈마 소스 및 방법{PLASMA SOURCE AND METHODS FOR DEPOSITING THIN FILM COATINGS USING PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}

관련 출원 상호 참조

본 출원은 2008년 8월 4일 출원된 미국 가출원 61/137,839호의 이익을 주장하며, 본 출원 내에 전체가 참조로써 포함된다.

본 발명은 일반적으로 박막의 증착 및 표면의 화학적 변화를 위한 플라즈마 소스에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(CVD)용 리니어 플라즈마 소스에 관한 것이다.

여기서 언급되는 모든 미국 특허 및 특허 출원은 전체가 참조로써 포함된다. 상충이 있는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 조절할 것이다.

박막의 증착은 다양한 기술, 화학적 증착, 물리적 증착, 및 둘의 결합을 포함하는 가장 일반적인 기술에 의해 달성될 수 있다. 화학적 증착에 관하여, 공지의 기술은 플레이팅(plating), 화학 용액 증착(chemical solution deposition)(CSD), 및 화학 증기 증착(chemical vapor deposition)(CVD)이다. 플레이팅 및 CSD는 일반적으로 용액 화학 전구체를 이용하는 반면에, CVD는 일반적으로 가스 화학 전구체를 이용한다. 이러한 기술은 대기 압력 또는 진공 상태하에서 행해질 수 있다. 물리적 증착에 관하여, 공지의 기술은 열 증발, 스퍼터링(sputtering), 펄스형 레이저 증착, 및 캐소드 아크 증착(cathodic arc deposition)이다. 이러한 물리적 증착 기술은 바람직한 박막 재료를 증착하기 위하여 일반적으로 진공 상태를 이용한다. 화학적 증착에 관하여, 가장 일반적인 기술은 CVD이고, 반면에, 물리적 증착에 관하여, 가장 일반적인 기술은 스퍼터링이다.

CVD는 일반적으로 전구체 가스가 기질 표면에 고착 또는 부착할 수 있는 조건을 만들기 위하여 포함되어야 하는 에너지원을 필요로 한다. 그렇지 않으면, 표면에 대한 고착이 발생하지 않는다. 예를 들면, 열분해(pyrolytic) CVD 프로세스에서 박막 코팅이 편평한 유리 기질 상에 되기 위해서는 유리 기질이 가열되는 것이 전형적이다. 가열된 유리 기질은 CVD 에너지원으로 작용하여, 전구체 가스가 가열된 유리 기질과 접촉할 때, 전구체 가스는 고온의 유리 표면에 부착한다. 또한, 가열된 표면은 전구체 가스가 화학적으로 반응하여 최후 박막 코팅 구성을 형성하도록 하는데 필요한 에너지를 제공한다.

또한, 플라즈마가 플라즈마 강화(plasma enhanced) CVD, 또는 PECVD로 알려진 CVD 타입 프로세스의 에너지원으로 작용할 수 있다. 플라즈마는 부분적으로 이온화된 가스 및 자유 전자로 구성되고, 각각의 구성은 다소 독립적으로 이동 능력을 가진다. 이러한 독립적 움직임은 플라즈마가 전기적으로 전도성을 가지게 하고, 따라서, 전자기장에 반응할 수 있다. 이러한 전기 전도성은 PECVD 프로세스에 종래의 화학적 물리적 증착 기술에 대비 다양한 장점을 제공한다.

PECVD 프로세스에서, 증착 재료는 전형적으로 전구체 가스로부터 도출된다. 이러한 전구체 가스의 예는 통상의 기술자에게 주지한 것이다. 예를 들면, 실리콘계 박막이 증착되게 되면, 일반적인 전구체 가스는 실란(silane), SiH₄이다. SiH₄가 플라즈마 소스가 될 때, 플라즈마는 표면과 반응하여 고체층으로써 부착하는 지점까지 실란 분자의 에너지 준위를 높이도록 작용할 수 있다. 더욱 상세하게는, SiH₄은 이온화되어, 전자는 높은 에너지 준위로 이동한다. 이것은 이후의 수소 원자 벗기기에 의해 달성된다. 이온화된 분자는 이용가능한 개방된 반응 부위를 가지고, 산소와 같은 반응성 가스가 존재하면, SiO₂의 박막을 용이하게 형성할 수 있다. 이온화된 분자가 반응성 기체에 존재하지 않으면, 실리콘의 박막이 형성될 수 있다. 전구체 가스 화학적 성질은 다수의 원소에 존재하고, 따라서, PECVD에 의해 증착될 수 있는 원소 및 재료의 이용가능성이 크다. 제한 없이, PECVD에 의해 증착될 수 있는 박막의 형태는 투명 전도성 산화물 박막 코팅, 태양 제어 및 광학 박막 코팅, 및 반도체 박막 코팅이다. PECVD에 의해 증착될 수 있는 박막 코팅의 다른 형태는 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것이다.

따라서, 표면 근처에 플라즈마를 생성시키는 것은 일반적인 산업 특히, 코팅 산업에서 관행이다. 다양한 장치가 플라즈마를 생성하고 형성하기 위해 개발되어왔다. 가장 잘 알려진 장치는 원통 형상의 플라즈마 플룸(plume)을 생성하는 것이고, 이것은 코팅과 표면 처리를 위해 다양하고 유용하게 적용할 수 있다. 그러나, 리니어 플라즈마가 잠재적으로 더 유용하게 적용할 수 있다. 리니어 플라즈마는 넓은 기질 표면 영역 위에 작업하도록 만들어질 수 있고, 넓은 영역의 유리 코팅, 웨브 코팅 및 여러 부분 배치(batch) 코팅에 유용하다.

대부분 플라즈마 소스는 매우 짧고 단지 작은 영역만 코팅할 수 있기 때문에, 지금까지 가장 잘 알려진 PECVD 장치는 작은 스케일(즉, 1m^2 미만) 증착용이다. 따라서, 넓은 영역 코팅에 적용된 PECVD는 시행하기 어려웠다. 그러나, 넓은 영역 표면 코팅용으로 설계된 PECVD 장치가 있다. 이것은 제한 없이, 마그네트론(magnetron) 소스, 애노드 레이어(anode layer) 이온 소스, 및 매독스(Madocks) 소스를 포함한다.

그러나, 전술한 넓은 영역 표면 코팅용 PECVD 장치를 사용하는데 관련된 문제점이 있다. 예를 들면, 마그네트론 소스는 전형적으로 150mm 너비 300mm 깊이로 상당히 부피가 큰 경향이 있고, 마그넷을 필요로 한다. 또한, PECVD로 사용될 때, 마그네트론 소스의 표면은 증착되는 재료로 코팅되는 경향이 있어, 따라서, 마그네트론이 절연되어 아킹(arcing) 및 다른 문제점을 야기한다. 게다가, 스퍼터된 재료는 증착되는 재료를 오염시킨다. 예를 들면, 애노드 이온 층 소스는 부피가 큰 경향이 있고, 마그넷을 필요로 한다는 점에서 그리고 코팅될 때에 마그네트론 소스와 같은 유사한 문제점이 있다. 게다가, 애노드 이온 층 소스는 PECVD 재료를 낮은 속도 0.1μm/sec로 증착하는 경향이 있다. 예를 들면, 매독스 소스는 부피가 크고 마그넷을 필요로 하는 문제점이 있고, 뿐만 아니라 코팅 효율이 약 15%이다. 게다가, 전술한 3가지 소스 모두는 균일한 플라즈마를 생성시키기 위해서 폐쇄 회로 전자 드리프트(closed circuit electron drift)(예를 들면, 홀 효과(Hall effect))에 의존한다.

폐쇄 회로 전자 드리프트 또는 홀 효과에 의존하지 않고 균일한 플라즈마를 생서하는 것이 가능하다. 이것을 하기 위한 일반적인 접근 방법은 서로에 대해 실질적으로 평행한 2개의 전자 방출면을 가지는 것이고, 전자 방출면은 교류 전원을 통하여 바이폴라(bipolar) 및 위상 차 방식으로 서로 연결된다. 전압 차가 양 전자 방출면에 인가되면, 플라즈마가 생성될 수 있다. 2개의 전자 방출면 사이의 극성은 어떤 사전에 정해진 진동수에서 양에서 음으로 바뀌어지고, 플라즈마는 균일하게 퍼진다.

평행한 전자 방출면을 기초로 한 플라즈마 소스가 개발되어 왔다. 이러한 소스의 하나는 미국 특허 제6,444,945호에 기술된 바와 같은 중공 캐소드(hollow cathode) 소스이다. 더욱 상세하게는, 미국 특허 제6,444,945호에 기술된 플라즈마 소스는 도 1에 도시된 바와 같이, 바이폴라 교류 전원 공급에 연결된 2개의 중공 캐소드 형상으로 만들어진 구조를 포함한다. 플라즈마 소스는 제1 및 제 2 중공 캐소드 구조(1, 2)를 포함한다. 2개의 중공 캐소드 구조(1, 2)는 와이어(6)에 의해 플라즈마(3) 형성을 구동시키기 위해 교류 전류를 발생시키는 교류 전원(5)에 전기적으로 연결된다. 중공 캐소드 구조의 하나는 음 전압인 반면에, 다른 중공 캐소드 구조는 양 전압으로 되어, 중공 캐소드 구조 사이의 전압 차를 생성하여 구조 사이에 전류가 흐르도록 하고, 그것에 의하여 전기 회로를 완성시킨다. 선택적으로, 마그넷(4)이 중공 캐소드 구조(1, 2) 사이의 플라즈마 전류를 강화시키기 위하여 각 중공 캐소드의 개구부에 근접하여 배치될 수 있다. 그러나, 미국 특허 제6,444,945호는 어떠한 PECVD 프로세스를 위한 기재된 중공 캐소드의 사용 또는 넓은 영역 표면 코팅을 위한 기재된 중공 캐소드의 사용을 다루지 않는다.

따라서, 균일하고 안정되고 상당한 길이, 즉, 0.5m 길이 이상의 플라즈마를 생성시킬 수 있는 플라즈마 소스 또는 PECVD 소스에 관한 넓은 영역 코팅 기술의 필요성이 여전히 남아 있다. 또한, 컴팩트하고 높은 코팅 효율로 증착할 수 있는 PECVD 소스에 관한 기술의 필요성이 여전히 남아 있다. 추가로, 전체 작동 비용이 감소되도록 작동 중에 에너지를 덜 소비하는 PECVD 소스 및 프로세스에 관한 기술의 필요성이 여전히 남아 있다.

따라서, 전술한 종래의 플라즈마 소스의 문제점을 해결하고, 넓은 영역 코팅이 가능하고, 컴팩트하고 높은 코팅 효율로 증착할 수 있으며, 작동 중에 에너지를 덜 소비하는 플라즈마 소스 및 코팅 형성 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 양상에서, 안정되고 균일하고 긴 플라즈마가 제공된다.

본 발명의 일 양상에서, 안정되고 균일하고 긴 플라즈마를 형성할 수 있는 플라즈마 소스가 제공된다.

본 발명의 일 양상에서, 리니어 플라즈마 소스로서 작용하는 한 쌍의 전자 방출면이 제공된다.

본 발명의 일 양상에서, 2차원 플라즈마 소스로서 작용하는 일련의 전자 방출면이 제공된다.

본 발명의 다른 양상에서, 안정되고 균일하고 긴 플라즈마를 형성하는 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 양상에서, 안정되고 균일하고 긴 2차원 플라즈마를 형성하는 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 양상에서, 전구체 가스용 에너지 소스로 작용하는 플라즈마가 제공된다.

본 발명의 다른 양상에서, 전구체 가스를 플라즈마 소스로 전달하는 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양상에서, 안정되고 균일하고 긴 플라즈마를 사용하여 넓은 영역 코팅을 형성하는 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양상에서, 마그넷의 도움으로 생성된 고밀도 플라즈마가 제공된다.

본 발명의 또 다른 양상에서, 고밀도 플라즈마 소스를 구부리는 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양상에서, PECVD 프로세스에 의해 증착되는 코팅의 코팅 효율을 증가시키는 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양상에서, 2차 전자 흐름에 전도성 있는 PECVD 장치가 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시예의 원리에 따르면, 교류 전원을 통하여 서로 연결되는 적어도 2개의 전자 방출면을 제공하고, 교류 전원은 2개의 전자 방출면에 변화하거나 교류의 바이폴라 전압을 공급함으로써, 이러한 그리고 다른 양상이 달성된다. 더욱 상세하게는, 적어도 2개의 전자 방출면은 서로 교류 전원을 통하여 연결되고, 교류 전원은 2개의 전자 방출면에 바이폴라 전압차를 인가하도록 한다. 바이폴라 전력 공급은 최초에 제1 전자 방출면에 음 전압을 구동하여 플라즈마 형성을 가능하게 하고, 반면에 제2 전자 방출면은 전압 인가 회로의 양극으로서 역할하기 위하여 양 전압으로 구동된다. 그리고 나서, 제1 전자 방출면을 양 전압으로 구동시켜 음극과 양극의 역할이 뒤바뀐다. 전자 방출면의 하나가 음 전압으로 구동되면, 대응하는 캐비티 내에서 방전이 형성된다. 그리고 나서, 다른 음극은 양극을 형성하고, 전자가 플라즈마를 탈출해 양극 측으로 이동하게 하고, 이것에 의하여 전기 회로를 완성시킨다.

본 발명에 따른 전자 방출면의 배치는 2개의 일반적인 모드인, 정상 및 열 전자 모드로 작동할 수 있다. 정상 모드에서, 전자 방출면의 온도는 상대적으로 낮게 유지되고 수 냉각 또는 다른 냉각 방법에 의해 조절된다. 정상 모드의 경우, 음극은 상대적으로 전자 전류를 낮게 유지하면서 작동을 위해 수백 내지 수천 볼트를 필요로 한다. 열 전자 모드에서, 전자 방출면은 플라즈마 가열 효과 또는 별개의 가열 장치로부터 온도가 상승되게 된다. 전자 방출면이 최고 온도에 도달할 때, 전자 방출은 찬 음극의 전자 방출보다 적어도 한 자릿수 보다 더 크게 증가하고, 상대적으로 낮은 전압에서 높은 음극 방전 전류를 야기한다. 열 전자 모드에 도달하기 위해 요구되는 온도 및 효율적인 동작을 위해 요구되는 전자 전압은 음극 재료의 일 함수에 부분적으로 의존할 것이다.

바람직하게는, 마그넷 및/또는 추가 전극이 본 발명에 따른 전자 방출면의 배치와 함께 사용될 수 있다. 마그넷 및/또는 추가 전극의 사용은 본 발명의 PECVD 소스에 의해 생성되는 플라즈마의 고밀도화의 결과를 가져온다. 본 발명에 따른 플라즈마 소스는 안정되고 균일하고 긴 플라즈마가 요구되는 예를 들면, 유리 모노리스(monolith) 및/또는 유리 리본(ribbon)의 코팅을 위한 넓은 영역 코팅과 같은, 어떠한 다양한 적용 분야에서 제한 없이 사용될 수 있다.

본 발명은 종래의 플라즈마 소스 대비 다양한 구별되는 장점 및 설계 특징을 제공한다. 이러한 장점 및 특징은 다음의 내용을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 1) 본 발명에 따른 플라즈마의 생성을 위한 장치는 2개의 전자 방출면 사이의 거리가 약 0.5mm가 되고 전체 높이가 약 60mm이하가 되도록 매우 컴팩트하게 만들어 질 수 있다. 2) 플라즈마 소스는 리니어하게 그리고 예를 들면, 0.5m 초과하는 길이로 만들어질 수 있다. 3) 전자 방출면은 가스 보호 및/또는 열 증발(예를 들면, 코팅되지 않은 면)에 의해서 청결이 유지될 수 있다. 4) 전구체 가스는 높은 반응성을 위해 열적으로 및/또는 전기적으로 활성화될 수 있다. 5) 플라즈마 소스는 단위 길이당 높은 플라즈마 전류를 제공할 수 있다. 6) 플라즈마 소스는 전기용량 또는 다이오드 타입 시스템의 밀도를 초과하는 플라즈마 밀도를 생성할 수 있다. 그리고, 7) 플라즈마 소스로부터 생성된 플라즈마는 2차원으로 만들어질 수 있다.

본 발명의 발명자는 전술한 장점이 다음을 야기한다는 것을 놀랍게도 알아냈다. 1) 2차 전자 면 사이의 높은 2차 전자 전류; 2) 넓은 영역 코팅의 높은 증착 속도; 3) 마이크론 두께로 되지만 낮은 스트레스를 가지는 넓은 영역 코팅; 4) 마이크론 두께로 되지만 평활한 넓은 영역 코팅; 및 5) 마이크론 두께로 되지만 낮은 헤이즈(haze).

도 1은 종래의 중공 캐소드(hollow cathode) 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 기본 선형 PECVD 장치를 도시한다.
도 3은 도 2의 기본 선형 PECVD 장치의 배열을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 PECVD 장치의 듀얼 중공 캐소드 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 PECVD 장치의 중공 캐소드의 배열을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 PECVD 장치의 "일렬(in-line)" 배치를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 PECVD 장치의 다른 "일렬" 배치를 도시한다.
도 8은 마그넷을 포함하는 본 발명에 따른 PECVD 장치를 도시한다.
도 9는 제3 전극을 포함하는 본 발명에 따른 PECVD 장치를 도시한다.
도 10은 일련의 다공성 벽을 포함하는 본 발명에 따른 PECVD 장치를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 "일렬"의 PECVD 장치를 도시한다.

본 발명은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있지만, 다수의 실시예가 이해를 위해 여기서 기술되고, 본 기재는 발명의 원리의 예를 제공하는 것으로 여겨지게 되고 이러한 예는 여기서 기술 및/또는 도시되는 바람직한 실시예에 발명을 제한하려는 의도는 아니다. 다양한 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시가능하도록 충분히 상세하게 기재된다. 다른 실시예가 채택될 수 있고, 그러한 구조적 및 논리적 변경은 본 발명의 목적 또는 범위에 벗어나지 않고 만들어질 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

여기서 지칭되는 "다크 스페이스(dark space)"는 전극 주위의 좁은 구역 또는 영역을 의미하는 것으로 여겨지고, 그것에 의해 플라즈마 전류는 매우 느리다. 일반적으로, 2개의 반대로 전하된 플라즈마 전극 또는 하나의 플라즈마 전극과 다크 스페이스 거리에 의해 이격된 접지 전위 도체(ground potential conductor)는 그들 사이에 실질적으로 어떠한 전류 흐름도 드러내지 않을 것이다.

"중공 캐소드(hollow cathode)"는 주로 마주하는 음극면과 제3의 근접한 양극면으로 전형적으로 구성되는 플라즈마 형성 장치를 의미하는 것으로 여겨진다. 전자가 마주하는 음극면의 음 전기장 사이를 진동하고 그것에 의해 구속되도록 마주하는 음극면은 이격되어 있다.

"전구체 가스(precursor gas)"는 고체 코팅으로 응축되는 화학적 원소 또는 원소들을 포함하는 분자 형태의 가스를 의미한다. 전구체 가스로부터 응축되는 원소는 금속, 전이 금속, 붕소, 탄소, 실리콘 게르마늄, 및/또는 셀레늄을 포함할 수 있다. 일반적으로 전구체 분자는 비반응적이거나 또는 에너지원에 의해 활성되거나 부분적으로 분해되거나 또는 완전히 분해될 때까지 표면 상에 접착하기 쉽지 않고, 코팅용 원하는 화학적 원소를 포함하는 전구체 가스의 화학적 단편은 화학적으로 고체 형태 면에 결속하거나 또는 응축할 수 있게 된다. 전구체 화합물의 응축된 부분은 주로 순수 원소, 원소 혼합물, 전구체 화합물 구성요소로부터 파생된 화합물 또는 화합물의 혼합물이 될 수 있다.

"반응성 가스(reactant gas)"는 산소 및/또는 질소를 의미하는 것으로 여겨진다. 전구체 가스만으로는 화학적으로 이용가능하지 않는 표면 상에 화합물을 증착하는 것이 종종 필요하다. 종종, 산소 또는 질소와 같은 반응성 가스는 산화물 또는 질화물을 형성하기 위하여 CVD 프로세스에 첨가된다. 다른 반응성 가스는 플루오르, 염소, 다른 할로겐 원소 또는 수소를 포함할 수 있다. 활성되거나 또는 화학적으로 분해될 때에도 응축가능한 분자형 개체가 형성되지 않는다는 사실에 의해 반응성 가스는 전구체 가스로부터 차별화될 수 있다. 일반적으로 반응성 가스 또는 반응성 가스 단편은 혼자서 고체 증착으로 성장될 수 없지만, 반응하여 전구체 가스 또는 다른 고체 증착 소스로부터 파생된 고체 증착으로 화학적으로 통합될 수 있다.

"기질(substrate)"은 본 발명에 의해 코팅되거나 또는 화학적으로 변형되는 면을 가지는 작은 영역 또는 커다란 영역을 의미하는 것으로 여겨진다. 여기서 지칭되는 기질은 유리, 플라스틱, 무기물 재료, 유기물 재료 또는 코팅되거나 변형될 면을 가지는 어떠한 다른 재료로 구성될 수 있다.

"플라즈마(plasma)"는 자유전자와 양 이온 모두를 포함하는, 전기적 전도성 가스 매체를 의미하는 것으로 여겨진다.

"홀 전류(hall current)"는 교차된 전기장 및 자기장에 의해 유발되는 전자 전류를 의미하는 것으로 여겨진다. 다수의 전형적인 플라즈마 형성 장치에서, 홀 전류는 폐쇄 순환 경로 또는 전자 흐름의 "레이스트랙(racetrack)"을 형성한다.

"교류 전원(AC power)" 또는 "교류 전원(AC power source)"은, 전압이 어떠한 진동수에서 사인 곡선(sinusoidal), 사각파(square wave), 펄스형 또는 어떠한 다른 파형의 방식으로 변하는 교류 소스의 전력을 의미하는 것으로 여겨진다. 전압은 종종 음에서 양으로 변동된다. 바이폴라(bipolar) 형태인 경우에, 2개의 리드에 의해 전달되는 전력 출력은 일반적으로 약 180°위상 차이가 난다.

"열 전자(thermionic)"는, 방출이 높은 표면 온도에 의해 상당히 가속화되는 표면으로부터의 전자 방출을 의미하는 것으로 여겨진다. 열 전자 온도는 일반적으로 약 600℃ 이상이다.

"일 함수(work function)"는, 고체 표면으로부터 고체 표면 바로 외부의 일 지점으로 전자를 제거하는데 필요한, 전자 볼트(eV)의 최소 에너지를 의미하는 것으로 여겨진다.

"2차 전자(secondary electron)" 또는 "2차 전자 전류(secondary electron current)"는 각각, 입자에 의한 표면의 충격 때문에 고체 표면으로부터 전자 방출 및 결과로서 생성되는 전류를 의미하는 것으로 여겨진다.

본 발명의 발명자는, 길고(예를 들면, 0.5m 초과), 안정되고, 균일한 리니어 플라즈마로서, PECVD 프로세스에 유익한 플라즈마가 폐쇄 회로 전자 드리프트(drift)(예를 들면, 홀 효과(Hall effect))에 의존하지 않고 생성될 수 있다는 것을 놀랍게도 알아냈다. 이것은, 교류 전원을 통하여 서로 연결된 적어도 2개의 전자 방출 표면을 제공함으로써 달성될 수 있고, 교류 전원은 2개의 전자 방출 표면에 변화하거나 교류하는 바이폴라 전압을 공급한다. 더욱 상세하게는, 교류 전원이 2개의 전자 방출면에 바이폴라 전압차를 인가하도록, 적어도 2개의 전자 방출 표면은 교류 전원을 통하여 서로 연결된다. 바이폴라 전력 공급은 최초로 제1 전자 방출면을 음 전압으로 구동하여 플라즈마를 형성하도록 하고, 반면에 제2 전자 방출면은 전압 인가 회로의 양극으로 역할하기 위하여 양 전압으로 구동된다. 그리고 나서, 이것은 제1 전자 방출면을 양 전압으로 구동하고, 음극과 양극의 역할을 뒤바꾼다. 전자 방출면의 하나는 음의 전압으로 구동되기 때문에, 방전이 대응하는 캐비티 내에서 형성된다. 그리고 나서, 다른 음극은 양극을 형성하여 전자가 플라즈마를 탈출하여 타 측으로 이동하도록 하고, 그것에 의하여 전기 회로를 완성한다.

본 발명에 따른 전자 방출면은 플라즈마를 발생시키고, 2개의 면은 차례로 전자 또는 이온에 의하여 추가로 충격이 가해진다. 전자 또는 이온에 의한 전자 방출면의 충돌은 2차 전자가 전자 방출면으로부터 방출되는 것을 야기한다. 2차 전자 흐름이 고밀도 플라즈마를 생성하는데 도움이 되기 때문에 2차 전자 방출은 중요하다. 2개의 전자 방출면 사이에 존재하는 공간은 전자 및/또는 이온을 포함하는 전기 전류가 흐르는 곳이다. 이 공간은 사용될 코팅 파라미터에 따라 다양한 거리로 만들어 질 수 있다. 이 거리는 약 1mm 내지 약 0.5m 사이가 될 수 있고, 플라즈마 형성 장치의 설계 및 전자 방출면 주위의 작동 가스 압력에 의해 어느 정도 결정된다.

전자 방출면의 전자 방출을 증가시키기 위하여, 전자 방출면은 토륨 텅스텐 또는 다른 유사한 재료와 같은 작은 일 함수 재료로 구성될 수 있다. 대안적으로, 전자 방출, 예를 들면, 열 전자 방출을 증가시키기 위하여 전자 방출면은 약 600℃ 내지 약 2000℃의 온도 범위로 가열될 수 있다. 바람직한 온도 범위는 약 800℃ 내지 약 1200℃이다. 전자 방출면이 상승된 온도에서 유지될 때, 플라즈마를 생성시키 위해 더 낮은 전압이 필요하게 된다. 상승된 온도에서, 볼트의 범위는 약 10V(volt) 내지 약 1000V가 될 수 있다. 바람직한 범위는 약 30V 내지 약 400V이다. 전자 방출면이 물 또는 다른 냉각 수단에 의해 냉각될 때, 플라즈마를 생성시키 위해 더 높은 전압이 필요하게 된다. 이러한 낮은 온도에서, 전압의 범위는 약 300V 내지 약 1200V가 될 수 있다.

또한, 전자 방출은 중공 캐소드의 형성 또는 전자 진동 효과(electron oscillation effect)에 의해 증가될 수 있다. 임의의 단일 전자 방출면이 동일한 전기 포텐셜에서 2개의 마주하는 면으로 구성되도록 형성되면, 전자는 진동하여 이러한 2개의 마주하는 면 사이에 구속되게 된다. 전자 방출면 사이의 최적 거리는 압력 감소와 함께 증가한다. 전형적인 작동 압력은 약 대기 압력으로부터 약 10^-4 mbar(millibar)가 될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 작동 압력은 약 1 mbar 내지 약 10^-3 mbar이다. 따라서, 약 1 mbar의 작동 가스 압력에서, 최적의 거리는 약 2mm 내지 약 30mm가 될 수 있다. 바람직한 거리는 약 3mm 내지 약 10mm이다. 약 10^-3 mbar의 작동 가스 압력에서, 최적의 거리는 약 10mm 내지 약 100mm가 될 수 있다. 바람직한 거리는 약 10mm 내지 약 30mm이다. 본 발명에 따른 플라즈마의 길이는 전자 방출면의 다양한 길이에 의해 요구되는 만큼 길게 또는 짧게 만들어질 수 있다. 본 발명에 따른 플라즈마는 0.5m 초과로 매우 길 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 플라즈마는 1m 이상의 길이이다.

또한, 전극 방출면은 금속, 흑연(graphite), 탄화 규소(silicon carbide) 붕화 티타늄(titanium diboride)과 같은 다공성 전기적 전도성 재료로 구성될 수 있다. 전자 방출면용으로 이러한 다공성 재료를 포함하도록 설계될 때, 반응성 가스는 또한 이러한 면을 통하여 전달될 수 있다. 이러한 반응성 가스 분사 방법은 전구체 가스가 벽과 접촉하여 코팅을 형성하는 것을 방지하도록 한다.

가능하다면, 전자 방출면의 개수는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 전자 방출면의 배열을 형성하여 증가될 수 있다. 본 발명의 발명자는 이러한 전자 방출면의 배열은 길이뿐만 아니라 상당한 너비를 가지는 플라즈마를 형성할 수 있다는 것을 놀랍게도 알아냈다. 다시 말해서, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같은 배열은 2차원 플라즈마를 형성할 수 있다. 이러한 배열 타입의 PECVD 소스는 단지 2개의 전자 방출면을 구비한 것보다 장점을 제공한다. 또한, 본 발명의 발명자는 양으로 그리고 음으로 바이아스된(biased) 전자 방출면 사이에 존재하는 "다크 스페이스"가 교류 전자 전류 공간 내로 전구체 가스 및/또는 반응성 가스 전달에 이용될 수 있다는 것을 예상치 못하게 알아냈다. 플라즈마는 이러한 "다크 스페이스" 내로 벗어나지 않는 것으로 알려져 있고, 따라서 전구체 가스 및/또는 반응성 가스는 어떠한 상당한 분해 없이 또는 코팅되기 원하는 기질의 면에 도달하기 전에 전구체 가스 및/또는 반응성 가스가 반응하는 것 없이 근접한 기질에 전달될 수 있다.

본 발명에 따른 균일하고, 길고, 안정된 플라즈마의 생성을 위해서 필요하지는 않지만, 마그넷이 여기서 기술된 플라즈마 소스와 함께 이용될 수 있고, 다음과 같은 다양한 장점을 제공할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 1) 마그넷은 상당한 홀 전류가 형성되지 않는 곳에 사용될 수 있다. 2) 고밀도 플라즈마가 자기장 라인의 수렴에 의해 형성될 수 있다. 3) 고밀도 플라즈마를 생성하는데 사용되는 자기장 라인은 근접한 기질의 표면에 또는 심지어 기질의 표면을 관통하여 지나갈 수 있다. 4) 자기 "거울(mirror)"이 전자 방출면 사이의 전류 경로에 형성될 수 있다. 그리고 5) 고밀도 플라즈마가 추가적인 전극을 접촉하는데 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 장치 및 플라즈마 소스의 전술한 장점은 넓은 영역 유리 코팅과 같은 넓은 영역 코팅 분야에서 직접적인 영향을 미친다. 유리 기질은 다음을 포함하는 박막으로 코팅되지만 이에 제한되지 않는다. 1) 유전성(dielectric) 박막; 2) 투명 전도성 박막; 3) 반도체 박막; 및 4) 태양광 조절 박막. 전술한 코팅 그룹에 관하여, 결정성(crystallinity), 인장 응력(tensile stress) 및 다공도(porosity)와 같은 특성은 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 특정 증착 파라미터를 조정함으로써 맞춰질 수 있다.

투명 전도성 박막의 넓은 영역 코팅에 관하여, 결정성의 정도는 투명 전도성 필름의 전도성(conductivity)에 직접적으로 영향을 미친다. 기질이 상승된 온도에 있을 때, 전형적으로 대부분의 투평 전도성 층은 스퍼터링 또는 CVD에 의해 증착된다. 기질의 상승된 온도는 증착된 투명 전도성 재료에 전기적 전도성에 최적의 결정성으로 재배열하는데 요구되는 에너지를 제공한다. 유리 기질과 같은 기질의 온도를 상승시키는 요구는 다수의 문제점을 야기한다. 이러한 문제점은 다음과 같지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 1) 기질의 가열 및 냉각; 2) 기질의 가열 및 냉각을 조절할 수 있는 장치; 3) 기질의 가열 및 냉각에 관련된 비용; 및 4) 기질을 가열 및 냉각하는데 요구되는 시간이 긴 경향(적어도 1시간)이 있다. 본 발명에 따른 CVD 장치의 플라즈마 소스는, 투명 전도성 박막이 상승된 온도의 기질을 요구하지 않고 증착될 수 있기 때문에 이러한 문제점을 회피한다. 광학 결정성으로 재배열을 용이하게 하는 에너지 소스가 상승된 온도의 기질에서 되기보다는, 그러한 에너지가 플라즈마 자체에 의해 제공될 수 있어서, 전술한 문제점은 해소될 수 있다.

유전성 박막의 넓은 영역 코팅에 관하여, PECVD 형태의 방법은 넓은 표면 영역 코팅을 시행하는 것이 어렵다. 이러한 넓은 표면 영역 코팅을 위해 대부분 유전성 필름은 스퍼터링 형태의 방법에 의해 증착된다. 이러한 방법은 약 0.1μm 이하의 상대적으로 얇은 유전성 코팅의 제조에 사용되어 왔다. 따라서, 지금까지 약 0.1μm 이상의 두께에 관해서는, 넓은 표면 영역 코팅용 유전성 코팅이 제한되었다. 본 발명에 따른 PECVD 장치의 플라즈마 소스는, 예를 들면 적어도 약 0.2μm/sec 이상의 높은 증착 속도의 사용이 가능하기 때문에 이러한 제한을 회피한다. 바람직한 증착 속도는 약 0.3μm/sec이다. 가장 바람직한 증착 속도는 약 0.5μm/sec이다. 본 발명에 따른 PECVD 장치가 넓은 영역 표면 코팅에 채택될 때, 이러한 높은 증착 속도는 결국 더 두꺼운 유전성 코팅을 가능하게 한다.

광전지(photovoltaic) 적용을 위한 유리 상의 박막 규소와 같은, 반도체 박막의 넓은 영역 코팅에 관하여, 전형적인 반도체 박막 증착 방법은 저속 재료 증착 속도로 제한된다. 본 발명에 따른 PECVD 장치의 플라즈마 소스는, 예를 들면 적어도 약 0.2μm/sec 이상의 높은 증착 속도의 사용이 가능하기 때문에 이러한 제한을 회피한다. 본 발명에 따른 PECVD 장치가 넓은 영역 표면 코팅에 채택될 때, 이러한 높은 증착 속도는 결국 더 두꺼운 반도체 박막 코팅을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 PECVD 장치 및 방법에 의해서 증착될 수 있는 다른 재료는 유전성 재료, 투명 전도성 재료, 및/또는 반도체 재료로 특히 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 유기물 재료가 본 발명에 따른 PECVD 장치 및 방법에 의해 증착될 수 있다. 예를 들면, 여기서 기술된 PECVD 장치로부터 플라즈마로 종속되는 유기 단량체(organic monomer)는 중합을 수행하기에 충분한 에너지를 구비한다.

본 발명의 이하 실시예는 어떠한 방법으로 제한하려는 것은 아니다. 통상의 기술자는 본 발명의 목적 또는 범위에 벗어나지 않고 여기서 기술된 장치 및 방법을 채택하는 법을 인식하고 이해할 것이다.

본 발명의 일 실시예는, 전자 방출면(51, 52)의 전압이 서로 다른 전기적 위상이 되도록 교류 바이폴라 전기 전원(도시되지 않음)에 연결된 2개의 전자 방출면(51, 52)을 묘사하는 도 2에 도시되어 있다. 전압은 300V 내지 1200V로 흐를 수 있고, 전형적으로 일 표면이 음으로 바이아스되면, 타 표면은 양으로 바이아스된다. 그러나, 플라즈마 형성을 구동하기에 충분한 전압차가 있는 한 전자 방출면은 모두 양 또는 음으로 바이아스될 수 있다. 극성은 임의의 사전에 정해진 진동수, 보통 약 10Hz 내지 10^8 Hz 사이에서 전환될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 진동수 범위는 약 10^3 Hz 내지 10^7 Hz이다. 도 2에 도시된 본 발명에 따른 실시예는 약 18mm 너비 및 약 30mm 높이인 PECVD 소스의 컴팩트 성질을 설명한다. 이러한 치수는 가장 잘 알려지고 전형적인 플라즈마 소스보다 훨씬 작다. 도 2의 PECVD 장치의 저부로부터 거리는 약 3mm 내지 약 100mm가 될 수 있다. 바람직하게는 약 6mm 내지 약 50mm이다. 전형적으로, 기질(11)은 플라즈마 소스 아래에서 사전에 정해진 속도로 이동할 것이지만, 원한다면 정지될 수 있다.

전구체 가스가 유입 튜브(55)를 통하여 전구체 매니폴드(54) 내로 유입될 수 있고, 따라서 전구체 가스는 일렬의 구멍(56)을 통하여 플라즈마 전류 영역으로 들어가서 그리고 플라즈마와 상호작용한다. 유리하게는, 생성된 플라즈마는 활성화하고, 이온화하고, 및/또는 전구체 가스 분자를 매운 빠른 속도로 깰 수 있는 많은 양의 에너지를 제공하여, 고 효율적인 코팅이 넓은 영역의 기질(11) 상에 증착될 수 있다. 도 2의 장치가 PECVD에 채택되면, 다른 선형, 넓은 영역 증착 소스에 관해 알려진 증착 속도를 초과하는 증착 속도가 구현될 수 있다. 놀랍게도, 증착 속도는 0.5μm/sec 이상으로 높을 수 있다. 절연층(53)은 플라즈마 생성을 전자 방출면(51, 52) 사이의 영역으로 제한시킨다. 다시 말해서, 절연층(53)은 플라즈마가 전자 방출면(51, 52)에 의해 형성되는 공간을 벗어나 외부로 유입하는 것을 방지한다.

놀랍게도, 2개의 전자 방출면(51, 52) 사이에 형성된 플라즈마는 전자 방출면의 길이 방향을 따라 선형적으로 그리고 균일하게 퍼져나간다. 도 2의 PECVD 장치의 작동으로, 플라즈마는 약 200mm 길이로 생성된다. 그러나, 플라즈마는 여전히 안정성과 균일성을 유지하면서 다양한 미터(m)의 길이로 될 수 있다. 여기 기재를 고려하여 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것인 바와 같이, 본 발명의 PECVD 장치의 상세한 치수는 플라즈마 길이를 변경하기 위하여 여기서 기재된 치수로부터 변형될 수 있다. 전자 방출면 사이의 영역에서 플라즈마 전류는 25mm의 길이당 1 또는 2 amps의 범위로 상대적으로 높을 수 있다. 장치에 의한 전체 소비 전력은 길이 단위당 10kWs가 될 수 있다.

도 2 및 남아 있는 도면은 여기서 단지 설명의 목적으로 개방 단부로서 기술되는 매니폴드 및 PECVD 소스의 다른 구성을 도시한다. 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것인 바와 같이, 전형적으로, 단부는 임의의 반응성 가스, 전구체 가스 및 플라즈마를 함유하도록 밀폐된다.

본 발명의 PECVD 소스의 일 실시예가 도 3에 도시된다. 도 3과 도 2는 양 실시예 모두 서로에 대해 평행하게 배치된 전자 방출면을 도시하고 있다는 점에서 유사하다. 그러나, 도 3에서는 전자 방출면의 배열을 형성하여 전극 방출면의 수가 2개에서 10개로 증가 되었다. 여기 기재를 고려하여 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것인 바와 같이, 전자 방출면의 정확한 개수는 제한되는 것은 아니고 바람직하게 조정될 수 있다. 전형적으로 4 내지 20개의 전자 방출면이 사용될 수 있으나, 요구된다면 20개 이상도 사용될 수 있다. 전자 방출면 쌍의 개수가 증가하면서, PECVD 장치의 증착 속도 용량도 증가된다. 적어도 약 0.2μm/sec의 이미 높은 가능한 증착 속도는 전자 방출면 개수가 4개로 증가되면 두 배, 또는 6개로 증가되면 세 배가 될 것이다(예를 들면, 2개의 전자 방출면이 적어도 약 0.2μm/sec의 증착 속도에 대응한다면, 4개의 전자 방출면은 적어도 약 0.4μm/sec의 증착 속도에 대응하고, 6개의 전자 방출면은 적어도 약 0.6μm/sec의 증착 속도에 대응한다). 배열에 더 많은 전자 방출면 쌍이 추가됨에 따라, 증착 속도의 이러한 증가는 연속적으로 규모가 커지게 될 것이다.

각 인접한 전자 방출면 사이의 전자 흐름 영역을 생성하기 위하여, 전자 방출면은 바이폴라 전력 공급 또는 펄스형 전원(도시되지 않음)의 폴(pole)에 교류가능하게 전기적으로 연결되어 있다. 바람직하게는, 임의의 주어진 면에 대하여 어느 일 측 상의 2개의 면의 전압은 서로 다른 위상이 되도록 연결이 이루어진다. 따라서, 제1 전자 방출면(40)과 제2 전자 방출면(41)은 서로 다른 위상으로 교류 또는 펄스형 전압으로 인가된다. 남은 배열에서 그 다음의 전자 방출면은 이러한 방식으로 바이아스될 수 있고, 배열의 모든 다른 면이 전기적으로 위상을 가진다. 전기적 결합이 만들어진다. 배열의 양 단부의 전자 방출면을 제외하고는, 각각의 전자 방출면은 위상이 서로 다른 전자 방출면을 일 측 상에 가진다. 배열의 외부에서 플라즈마 형성을 방지하기 위하여 절연벽(42)이 전자 방출면의 외부 상에 배치된다.

기질(11)에서 이격된 PECVD 장치의 일 측면 상에 일련의 반응성 가스 및 전구체 가스용 매니폴드가 있다. 반응성 가스 매니폴드(43)는 각각의 전자 전류 공간으로 배출되고 반응성 가스가 전자 방출면을 따라 흐를 수 있도록 위치된다. 전구체 가스 매니폴드(44)는 전구체 가스가 주로 전자 전류 흐름 공간의 중심을 통하여 흐를 수 있도록 위치된다. 반응성 가스 매니폴드(43) 및 전구체 가스 매니폴드(44)의 이러한 위치화는 전자 방출면(40, 41) 상의 전구체 재료의 증착을 감소시킨다. 따라서, 각각의 전자 흐름 공간은 3개의 관련 매니폴드를 가진다. 전구체 가스 매니폴드(44)는 다른 전구체 가스에 의해 공급될 수 있고, 따라서, 도 3의 PECVD 소스를 지나 이동하면서 멀티층 증착이 기질(11) 상에 형성된다. 본 발명의 범위를 제한하지 않는 실시예로서, 만약 유리/SiO₂/TiO₂/SnO₂의 유리 코팅 시스템이 요구되면, 3개의 연이은 전구체 가스 매니폴드가 규소, 티타늄, 및 주석을 각각 포함하는 적절한 전구체 가스로 공급될 수 있다.

반응성 가스 매니폴드(43) 또한, 다른 가스 재료에 의해 공급될 수 있다. 본 발명의 범위를 제한하지 않는 실시예로서, 산질화물(oxynitride) 형태의 층이 요구되면, 반응성 가스 매니폴드는 산소와 질소로 공급될 수 있다. 반응성 가스 및 전구체 가스는 매니폴드(43, 44)로부터 절연벽(42)의 구멍(45)를 관통하여 흐른다. 전류 흐름 공간 내로 가스 흐름을 위한 구멍(45) 열을 나타내기 위하여 3개의 매니폴드(46)는 도 3에서 짧게 절단됐다.

여기 기재를 고려하여 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것인 바와 같이, 넓은 영역 기질의 코팅 또는 표면 처리를 위하여, 배열은 적어도 2 내지 3m의 길이로 신장될 수 있다. 도 3에서 신장(elongation)은 상측 방향으로 발생하거나 종이면에서 돌출되는 방향으로 발생한다.

하나의 전력 공급(도시되지 않음)에 의해 전체 배열은 구동될 수 있다. 놀랍게도, 하나의 전력 공급으로부터 플라즈마가 각각의 면의 길이를 따라 균일하게 분배될 뿐만 아니라 또한 배열의 전자 방출면으로부터 전자 방출면으로 균일하게 분배되고, 그것에 의하여 2차원 플라즈마를 생성시킨다. 플라즈마의 이러한 2차원 균일한 퍼짐은 PECVD에 의해 기질 표면상에 재료의 약 0.5μm/sec 이상의 예상치 못한 높은 증착 속도를 가능하게 한다.

여기서 기술되는 본 발명의 발명자는 놀랍게도 신장된(elongated) 중공 캐소드가 넓은 영역 표면을 코팅하기 위한 PECVD 소스로서 사용될 수 있다는 것을 알아냈다. 여기서 기술된 전자 방출면과 유사하게, 중공 캐소드는 일반적으로 서로 평행한 2개의 표면이고, 그 표면은 서로 다른 위상으로 전기 전압으로 바이아스된다. 적합한 전압에서 바이아스되면, 표면은 플라즈마를 생성시키고 그리고 나서 전자 또는 다른 이온에 의하여 충격이 가해진다.

도 4는 본 발명에 따른 듀얼 중공 캐소드를 도시한다. 중공 캐소드(12)는 다른 중공 캐소드(13)에 근접하여 배치된다. 중공 캐소드는 전자 방출재료로 구성된다. 전기적 절연 재료(14)가 중공 캐소드 둘레에 배치되고, 플라즈마가 중공 캐소드의 외부인 주위로 이동하는 것을 방지한다. 중공 캐소드 사이에서 발생하는 전자 진동 영역(16) 및 2차 전자 전류(15)가 도 4에 도시된다. 증착되려고 하는 전구체 가스의 전달을 위해 PECVD 소스는 전구체 가스 매니폴드(17) 및 전구체 가스 유입 튜브(19)에 배치된다. 튜브(18)는 또한 반응성 가스의 전달을 위해 제공된다.

도 4의 PECVD 장치에서, 각각의 중공 캐소드(12, 13) 사이는 다크 스페이스로 알려진 공간(20)이 존재한다. 도 4에 도시된 듀얼 중공 캐소드 사이의 다크 스페이스는 플라즈마를 포함하지 하고 또는 캐소드 사이의 전류 흐름을 가능하게 하지 않아서, 따라서 전구체 가스의 흐름을 위한 채널로 제공된다. 다스 스페이스(20)에서 플라즈마의 부재는 코팅될 기질(11)에 도달하기 전에 전구체 가스가 반응하지 않거나 또는 분해하지 않는다는 것을 확실히 하기 때문에 듀얼 중공 캐소드 사이의 다크 스페이스(20) 전구체 가스를 흐르게 하는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 전구체 가스 또는 반응성 가스의 어떠한 이온화도 다크 스페이스에서 발생할 수 없다. 선택적으로, 가스 흐름이 다크 스페이스 내에 요구되지 않는다면, 다크 스페이스(20)는 절연 재료로 채워질 수 있다. 다크 스페이스(20)의 너비는 압력에 따르고, 약 1 mbar 내지 약 1^-3 mbar의 압력 범위에서 약 0.3mm 내지 약 3mm가 될 수 있다.

넓은 영역 기질의 코팅 또는 표면 처리를 위하여, 중공 캐소드는 적어도 2 내지 3m의 길이로 신장될 수 있다. 도 4에서, 신장은 상측 방향으로 발생하거나 종이면에서 돌출되는 방향으로 발생한다.

본 발명의 중공 캐소드 PECVD 소스의 일 실시예가 도 5에 도시된다. 도 5와 도 4는 양 실시예 모두 인접하여 배치된 중공 캐소드를 도시한다는 점에서 유사하다. 그러나, 도 5에서, 중공 캐소드의 개수는 인접하게 배치된 중공 캐소드의 배열을 형성하여 2에서 4로 증가되었다. 여기 기재를 고려하여 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것인 바와 같이, 중공 캐소드의 정확한 개수가 제한되는 것은 아니고 바람직하게 조정될 수 있다. 전형적으로, 4 내지 8개의 중공 캐소드가 사용될 수 있지만, 원한다면 8개 이상이 사용될 수 있다.

도 5의 중공 캐소드는 2개의 면 사이의 진동을 용이하게 하는 전자 발생면(31, 38)을 구비한다. 도 5의 장치에서, 전자 발생면(31)은 위상이 변하는 전압과 전기적으로 연결된다. 전자 방출면(38)은 전자 방출면(31)과 위상이 다르다. 따라서 배열의 각각의 전자 방출면은 전압 위상이 다른 전자 방출면을 일측 상에 가진다. 슬롯(32)은 인접한 전자 방출면으로 전류와 플라즈마의 흐름을 위한 것이다. 중공 캐소드 사이의 공간(33)은 다크 스페이스를 나타낸다. 다크 스페이스(33)는 선택적으로 고체 절연체에 의해서 채워질 수 있다. 다크 스페이스의 너비는 압력에 의존하고 약 1 mbar 내지 약 10^-3 mbar의 압력 범위에서 약 0.3mm 내지 약 3mm가 될 수 있다. 다크 스페이스(33)는 전구체 공급 튜브(36) 및 매니폴드(37)로부터 전자 방출면(31, 38)과 기질(11) 사이의 전자 전류 영역(39)으로의 전구체 가스 흐름을 위해 사용될 수 있다. 도 5의 PECVD 장치의 배면 또는 측면에서 플라즈마 형성을 감소시키기 위하여 배열의 각 단부와 배열의 후방에서 중공 캐소드의 외부면은 절연 재료(34)에 의해 커버된다.

반응성 가스는 튜브(35)를 통하여 전자 진동 영역으로 직접적으로 공급될 수 있다. 다른 반응성 가스가 또한 튜브(35)를 통하여 공급될 수 있다. 본 발명의 범위를 제한하지 않는 실시예로서, 산질화물 형태의 층이 요구되면, 반응성 가스 매니폴드는 산소와 질소로 공급될 수 있다.

전구체 가스 매니폴드(36)는 다른 전구체 가스에 의해 공급될 수 있고, 따라서, 도 5의 PECVD 소스를 지나 이동하면서 멀티층 증착이 기질(11) 상에 형성된다. 본 발명의 범위를 제한하지 않는 실시예로서, 만약 유리/SiO₂/TiO₂/SnO₂의 유리 코팅 시스템이 요구되면, 3개의 연이은 전구체 가스 매니폴드가 규소, 티타늄, 및 주석을 각각 포함하는 적절한 전구체 가스로 공급될 수 있다. 단일 재료로 매우 높은 증착 속도가 요구되는 경우에, 동일한 전구체 가스가 하나 이상의 전구체 매니폴드(36) 내로 주입될 수 있다. 이러한 구성으로 달성되는 적어도 약 0.2μm/sec의 증착 속도는 중공 캐소드 쌍의 개수에 의해서 배가 될 수 있다(예를 들면, 한 쌍의 중공 캐소드가 적어도 약 0.2μm/sec의 증착 속도에 대응한다면, 두 쌍의 중공 캐소드는 적어도 약 0.4μm/sec의 증착 속도에 대응하고, 세 쌍의 중공 캐소드는 적어도 약 0.6μm/sec의 증착 속도에 대응한다).

넓은 영역 기질의 코팅 또는 표면 처리를 위하여, 중공 캐소드는 적어도 2 내지 3m의 길이로 신장될 수 있다. 도 5에서 신장은 상측 방향으로 발생하거나 종이면에서 돌출되는 방향으로 발생한다.

"일렬(in-line)" PECVD 소스로 기술될 수 있는 본 발명에 따른 PECVD 소스가 도 6에 도시되어 있다. 도 6의 PECVD 소스는, 전구체 가스 및/또는 반응성 가스가 플라즈마 전류의 영역(25)을 통과하도록 구성된다. 다수의 전극면(21, 22, 23, 24)을 포함하는 전기적 전도성 벽은 인접하게 배치되고, 전자 진동이 전극면(21, 22, 23, 24) 사이와 같이, 이러한 벽의 전극면 사이에서 발생한다. 바이폴라 전력 공급(29)은 전극면(21, 22, 23, 24)에 연결되어 사용될 수 있다. 전극면(23, 24)에 대하여 전극면(21, 22)이 음으로 바이아스될 때 전자 진동은 발생한다. 그 이후, 전극면(21, 22)에 대하여 전극면(23, 24)이 음으로 바이아스되도록, 이런 각각의 바이아스(bias)는 어떤 진동수에서 극성이 뒤바뀐다. 이러한 극성의 변경은 플라즈마 영역(25)을 통하여 교류 플라즈마 전류를 형성시킨다. 도시되지 않았지만, 벽의 외부에 플라즈마 형성을 방지하기 위하여 전극면(21, 22, 23, 24)을 포함하는 전기적 전도성 벽은 전기적 절연에 의해 외부면 상에 커버될 수 있다.

전극면(21, 22, 23, 24)은 전기적 절연체(30)에 의해 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 또한, 전기적 절연체(30)는 전극면(23, 24)을 포함하는 전기적 전도성 벽과 가스 매니폴드(26, 27, 28) 사이에 배치될 수 있다. 매니폴드(26)는 전구체 가스 전달에 사용될 수 있고, 그것에 의하여, 전구체 가스는 전극면(21, 22, 23, 24)을 포함하는 전기적 전도성 벽 사이의 중심 아래로 이동한다. 전구체로 인한 바람직하지 않은 증착을 방지하기 위하여, 반응성 가스 매니폴드(27, 28)는 반응성 가스가 이러한 벽을 따라 이동하도록 한다.

따라서, "일렬" PECVD 소스의 배치는 "플라즈마 생식(plasma gamet)"으로서 여겨질 수 있고, 반응성 가스 및/또는 전구체 가스는 그것을 통과하여 흐르도록(run) 강요된다. 이러한 배치에서, 기질(11)에 도달하기 위하여 가스가 가로질러야만 하는 거리 및 플라즈마 영역의 최대의 플라즈마 에너지에 노출 때문에 반응성 가스 및/또는 전구체 가스가 활성될 기회가 극적으로 증가된다. 넓은 영역 기질의 코팅 또는 표면 처리를 위하여, 본 장치는 적어도 2 내지 3m의 길이로 신장될 수 있다. 도 6에서 신장은 상측 방향으로 발생하거나 종이면에서 돌출되는 방향으로 발생한다.

"일렬(in-line)" PECVD 소스로도 기술될 수 있는 본 발명에 따른 PECVD 소스가 도 7에 도시되어 있다. 도 7의 PECVD 소스는, 전구체 가스 및/또는 반응성 가스가 전자 진동 및 플라즈마 형성의 영역(25)을 통과하도록 구성된다. 다수의 전극면(21, 22, 23, 24)을 포함하는 전기적 전도성 벽은 인접하게 배치되고, 전자 진동이 전극면(21, 22, 23, 24) 사이와 같이, 이러한 벽의 전극면 사이에서 발생한다. 바이폴라 전력 공급은 전극면(21, 22, 23, 24)에 연결되어 사용될 수 있다. 전극면(23, 24)에 대하여 전극면(21, 22)이 음으로 바이아스될 때 전자 진동은 발생한다. 어떤 진동수에서, 각각의 바이아스 극성은 전극면(21, 22, 23, 24) 사이에서 뒤바뀐다. 도시되지 않았지만, 벽의 외부에 플라즈마 형성을 방지하기 위하여 전극면(21, 22, 23, 24)을 포함하는 전기적 전도성 벽은 전기적 절연에 의해 커버될 수 있다.

전극면(21, 22, 23, 24)은 전기적 절연체(30)에 의해 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 또한, 전기적 절연체(30)는 전극면(23, 24)을 포함하는 전기적 전도성 벽과 가스 매니폴드(26, 27, 28) 사이에 배치될 수 있다. 도 7은 설명을 위해 개방된 상태로 플라즈마 형성 벽 및 매니폴드의 단부를 도시한다. 여기 기재를 고려하여 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것인 바와 같이, 전형적으로, 단부는 임의의 반응성 가스, 전구체 가스 및 플라즈마를 함유하도록 밀폐된다. 매니폴드(26)는 전구체 가스 전달에 사용될 수 있고, 그것에 의하여, 전구체 가스는 전극면(21, 22, 23, 24)을 포함하는 전기적 전도성 벽 사이의 중심 아래로 이동한다. 전구체로 인한 바람직하지 않은 증착을 방지하기 위하여, 반응성 가스 매니폴드(27, 28)는 반응성 가스가 이러한 벽을 따라 이동하도록 한다.

따라서, 도 7의 "일렬" PECVD 소스의 배치는 도 6의 배치보다 더 "플라즈마 생식(plasma gamet)"으로서 여겨질 수 있고, 이는 기질(11)에 도달하기 위하여 반응성 가스 및/또는 전구체 가스가 가로질러야만 하는 거리가 도 6의 거리보다 더 훨씬 더 길기 때문이다. 넓은 영역 기질의 코팅 또는 표면 처리를 위하여, 본 장치는 적어도 2 내지 3m의 길이로 신장될 수 있다. 도 7에서 신장은 상측 방향으로 발생하거나 종이면에서 돌출되는 방향으로 발생한다.

도 8은 마그넷의 추가를 포함하는 본 발명에 따른 PECVD 소스를 도시한다. 자기장의 추가는 전자 방출면 사이의 일반적으로 직선 전류 경로에서 벗어나는 전자의 조종을 돕는다. 따라서 플라즈마의 고밀도화(densification)가 플라즈마 생성 장치로부터 다소 이격되어 형성될 수 있다. 자기장 라인이 "자기 거울(magnetic mirror)" 효과를 포함하면, 놀랍게도 플라즈마의 밀접하고 활동적인 국부화(localization)가 형성될 수 있다. 또한, 이러한 고밀도 영역은 표면 변경 또는 넓은 영역 기질의 코팅에 사용하기 위한 균일한 고 에너지 플라즈마 스트립(strip)으로 신장될 수 있다.

자기 거울 현상은 플라즈마 물리 분야에서 알려져 있다. 자기 거울 효과는 전자 운동을 가속시키고 조정하기 위해 전기장 및 자기장이 모두 존재하는 곳에서 발생한다. 만약 자기장 라인이 어떤 지점에서 집중되면, 수렴을 향하여 그리고 수렴 내로 이동하는 전자는 뒤로 반사되어 역방향으로 야기되기 쉽다. 자기 수렴 영역에서, 전자 밀도는 면적 단위당 증가하여 음의 전기 바이아스 영역을 형성하게 한다. 음전하가 존재하기 때문에, 양 이온은 이러한 영역에서 벗어나 가속될 수 있고, 결국, 이러한 이온은 표면상에 충격을 가한다.

도 8의 플라즈마 소스에서, 전자는 제1 전자 방출면(70) 및 제2 전자 방출면(71)에 의해 발생된다. 도 8에서, 전자 발생면은 진동 전자 플라즈마를 구속하기 위한 벽을 포함하는 중공 튜브이다. 튜브(79)는 튜브(70, 71)에 가스를 공급한다. 전형적으로, 이것은 비활성 가스, 반응성 가스, 또는 그들의 혼합물일 것이다. 전자 방출면의 다른 형태는 진동하는 전자 플라즈마를 생성시키는 것으로 대체될 수 있다. 생성된 플라즈마의 전자 및 이온의 배출 경로를 생성하기 위하여 슬롯(도시되지 않음)이 튜브(70, 71)에서 만들어진다. 전자 방출면은 교류, 바이폴라 전력 공급(도시되지 않음)에 의해 전력 공급된다. 이것은 플라즈마 경로(72) 및 자기 거울 영역(74)을 통한, 교류의 전후 이동의 전자 흐름을 생성시킨다. 장치가 신장될 때, 전자의 교류 흐름은 플라즈마를 펼치고 균일하게 분배하기 쉽게 한다. 발명자는 놀랍게도 4m에 달하는 플라즈마 길이가 균일하고 안정한 플라즈마 특성을 보유할 수 있다는 것을 알아냈다. 고밀도 플라즈마 영역(74)은 놀랍게도 이러한 길이를 넘어 균일하고, 놀랍게도 많은 에너지 양을 기질(11)의 표면에 전달한다. 예를 들면, 기질(11)이 3mm 두께의 유리 모노리스(monolith) 또는 유리 리본(ribbon)인 경우에, 몇 초 내에 플라즈마의 라인을 따라 선형으로 유리를 절단하기 충분하도록 온도가 상승한다. 특히, 기질이 유리, 중합체, 또는 열에 손상 입기 쉬운 다른 재료이면, 국소화된 열 손상을 피하기 위해 기질(11)을 계속 이동하도록 하는 것이 바람직하다.

전자 방출면으로부터 기질의 반대측 상에 하나 이상의 자극(magnetic pole)(75)을 가짐으로써, 고밀도 플라즈마 영역(74)은 기질(11)과 접촉이 유지된다. 자기장의 일부는 전자 방출면의 근처로부터 플라즈마 영역(72)를 통하여 그리고 나서 영역(75)의 기질(11)을 통하여 기질 뒤의 극으로 이동한다. 자기 회로의 다른 부분은 폴 피스(pole piece)(78, 79)를 통하여 흐르는 필드로 구성된다. 이것들은 전형적으로 철과 같은 자기적 전도성 재료로 만들어질 것이다. 폴 피스(77, 78) 사이에서 자기장은 기질(11)을 통과하여 영역(76) 내로 이동한다.

더 큰 에너지 또는 더 넓은 영역 위로 퍼지는 에너지가 기질(11) 뒤의 자극의 개수를 증가시킴으로써 구현될 수 있다. 전형적으로 자기 회로를 용이하게 하기 위하여, 홀수의 자극이 기질(11) 뒤에 유지된다. 전자 방출면의 다수 쌍이 포함된다면, 추가 자극뿐만 아니라 다양한 다른 구조가 가능하다. 이러한 추가 구조는 여기 기재를 고려하여 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것이다.

도 8의 블록(80)은 다수의 다양한 하드웨어 구성에 대응할 수 있다. 가장 간단한 형태로서, 압력 조절, 가스 구속, 차폐 또는 다른 기계적 사용을 위하여 플라즈마 공간을 둘러싸는 벽이 될 수 있다. 블록(80)은 스퍼터링 소스, 증발 소스 또는 전구체 가스의 분배를 위한 가스 매니폴드와 같은 원자 증착의 추가 소스가 될 수 있다. 이러한 구조는 여기 기재를 고려하여 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것이다.

플라즈마의 이러한 고밀도화가 기질면과 접촉하고, 증착 소스로부터 증착하는 원자가 기질에 고착되기 전에 고밀도 플라즈마 영역(74)을 통하여 이동한다면, 도 8의 장치는 특히 바람직하다. 증착하는 원자 또는 분자가 고밀도 플라즈마 영역(74)을 통해 이동한다면, 증착하는 재료에 전달되는 추가 에너지는 증착되는 층에 전달되는 바람직한 특성을 야기할 수 있다. 증착되는 층에 전달되는 유리한 특성은 강화된 배리어 특성, 층 밀도, 및 강화된 결정성을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 게다가, 결정성은 또한 기존의 코팅의 후처리 및 급속 어닐링(annealing)에 의해 달성되거나 강화될 수 있다.

또한, 도 8의 장치는 플라즈마 에너지에 의해, 이온 충격에 의해, 또는 플라즈마 내에 함유된 반응성이 강한 가스 종에 의해 표면을 화학적으로 변형하는데 효과적일 수 있다. 넓은 영역 기질의 코팅 또는 표면 처리를 위하여, 본 장치는 적어도 2 내지 3m의 길이로 신장될 수 있다. 도 8에서, 신장은 상측 방향으로 발생하거나 종이면에서 돌출되는 방향으로 발생한다.

도 9는 제3 전극의 추가를 포함하는 본 발명에 따른 PECVD 소스를 도시한다. 이러한 제3 전극은, 이러한 제3 전극에 인가되는 전기적 전압의 인가로 듀얼 전자 방출면에 의해 형성되는 플라즈마에서 이온의 탈출을 가속화하는 기능을 할 수 있다(제2 전기장 발생). 이러한 전압은 전자 방출면에 인가된 전압과 별개로서, 변하지 않는 양의 또는 음의 바이아스(직류) 또는 교류 전압의 어떤 형태로 변경될 수 있다. 교류 전압은 연속적으로 변하거나 펄스될 수 있다. 전자 방출면의 전압에 동기화(synchronized)될 수 있다. 여기 기재를 고려하여 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것인 바와 같이, 적절한 전압 요구량이 도 9의 PECVD 소스의 바람직한 적용에 의하여 결정될 수 있을 것이다. 제3 전극은 어떤 구체적인 방식으로 전자를 구속하거나 조정하기 위하여 자기장으로 구성될 수 있다. 설비의 다른 조합과 제3 전극의 다른 배치는 통상의 기술자에 의하여 인식되고 이해될 수 있을 것이다.

도 9에서, 플라즈마는 제1 전자 방출면(100) 및 제2 전자 방출면(101)에 의해 형성된다. 전자 방출면(100, 101)은 전자 진동 타입이다. 전자 방출면은 4개의 수 냉각 튜브(102)에 의하여 선택적으로 냉각될 수 있다. 플라즈마(103)는 2개의 전자 방출면(100, 101) 각각의 마주하는 면 사이의 내부에서 형성된다. 전기적 전도성 제3 전극(105)은 일 측 단부 상의 절연체(104)에 의해 전자 방출면과의 직접 전기적 접촉이 절연된다. 너비와 높이에서 균일하게 길지만 매우 컴팩트한 이온 빔이 제3 전극(105)을 향하여 또는 제3 전극(105)으로부터 가속화될 수 있다.

도 9의 PECVD 소스의 실제적인 적용은 제3 전극(105)을 고전류, 고전압 음의 펄스의 전력 공급 케이블에 연결함으로써 달성될 수 있다. 이러한 방식으로 펄스되면, 양 이온은 제3 전극(105) 방향으로 가속화되어 이 표면의 스퍼터링 또는 이온 충격에 의한 침식을 야기한다. 스퍼터된(sputtered) 원자는 주로 전극면의 외측 방향으로 향하게 되어 기질면(11) 상에 코팅을 형성하게 한다. 이러한 방법에 의한 코팅은, 자성 재료(magnetic materials)와 같이 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)에 의해 증착하기 전형적으로 어려운 재료의 증착을 가능하게 한다. 플라즈마의 밀도 및 고 플라즈마 전류 때문에, 플라즈마(103)는 이러한 적용을 위한 이온의 소스에 매우 효과적이다. 이러한 스퍼터링 방법의 잠재적인 길이는 다른 하드웨어에 의해서는 효과적으로 이용가능하지 않다. 넓은 영역 기질의 코팅 또는 표면 처리를 위하여, 본 장치는 적어도 2 내지 3m의 길이로 신장될 수 있다. 도 9에서, 신장은 상측 방향으로 발생하거나 종이면에서 돌출되는 방향으로 발생한다.

또한, 도 9의 PECVD 소스는 이온 충격 소스로서 적용될 수 있다. 일정(직류) 또는 교류 전압에 의해 제3 전극(105)을 양으로 바이아스하면, 이온은 기질 방향으로 가속화될 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 PECVD 소스의 다른 실시예를 도시한다. 도 10은 듀얼 중공 캐소드 설계를 도시하고, 전자 방출면 사이의 플라즈마 전류로 2개의 전자 진동 영역(92, 93)을 형성하는 마주하는 전자 방출면(81, 82, 83, 84)은 다공(porous) 전도성 재료를 포함한다. 놀랍게도, 전자 진동 효과는, 마주하는 전자 방출면(81, 82, 83, 84)이 고체 전도성 벽으로 구성되지 않을 때 유지된다. 전자 방출면(81, 82, 83, 84)은 와이어 스크린 구조, 소결 다공성 재료(sintered porous metal), 천공된 플레이트(drilled plate), 또는 가스 또는 플라즈마 구성 성분의 관통을 가능하게 하는 어떠한 전도성 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우에는, 고체와 충돌하는 것 없이 관통하여 지나가기 위하여 다공성 전자 방출면의 구멍이 이온과 같은 가속화된 입자의 직선 관통 경로를 제공하는 것이 바람직하다. 전자 방출면의 다공성(porosity)은 최대 약 75%, 최소 0.1%가 될 수 있다. 바람직한 범위는 약 50% 내지 약 1%이다. 구멍은 슬롯, 사각형 또는 라운드 구멍의 다양한 형상을 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 전자 방출면은 전도성 발포 또는 소결 재료로 만들어 질 수 있다.

플라즈마 영역 내로 가스 유입은 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 도 10에서, 작동 가스는 튜브(88)를 통하여 주입되고, 그리고 나서 전기적 절연벽(85)의 구멍(90)을 관통한다. 절연벽(85)의 간격은 약 2mm 내지 약 1m로 이격될 수 있다. 놀랍게도, 플라즈마는 간격에 상관없이 균일하게 퍼진다. 소스가 신장되면(도 10의 배향에서 상측 방향으로), 약 10mm 내지 약 4m의 높이로 만들어질 수 있다. 플라즈마는 이러한 길이에 거쳐서 균일하게 퍼지고, 필요하다면, 플라즈마의 넓은 2차원 평면이 만들어질 수 있다.

도 10에서, 폴 피스(87)를 수반하는 선택적인 마그넷(86)이 도시된다. 이러한 구성에서, 플라즈마(92, 93)는, 플라즈마 형성 장치로부터 기질(11)의 반대 측 상에 위치되는 마그넷의 수렴하는 필드 라인에 의하여 기질(11) 상에 집중된다. 자기장 라인은 플라즈마(92)가 면에 접촉하는 영역 및 자기적 전도성 폴 피스(87)를 관통하는 영역(91)에서 기질을 관통하여 지나간다. 절연벽(89)은 마그넷으로부터 플라즈마 영역을 분리시킨다.

도 11은 본 발명에 따른 PECVD 소스를 도시한다. 도 11은 배열로 반복된 도 6의 전자 방출면을 도시한다. 이러한 구성에서, 진동 전자 플라즈마 형성하는 마주하는 면(110, 111)의 쌍이 열로 복제되어 있다. 전자 방출 쌍의 개수는 도 6에서와 같이 1쌍에서 10쌍까지 될 수 있다. 모두 2개의 와이어(118, 119)를 통하여 하나의 바이폴라 전력 공급(117)에 전기적으로 연결될 수 있다. 기질(11)에 가장 인접한 마주하는 전자 방출면(111)의 전체 열은 플라즈마(114)를 생성시키기 위하여 와이어(119)에 의해 함께 전기적으로 연결될 수 있다. 마주하는 전자 방출면(110)의 전체 열은 플라즈마(113)를 생성시키기 위하여 다른 와이어(118)를 통하여 열(111)의 위상과 다른 교류 전압에 의해 함께 전기적으로 연결될 수 있다. 놀랍게도, 하나의 전력 공급에 의해 구동됨에도 불구하고, 플라즈마는 배열의 모든 쌍을 가로질러 너비 방향으로 균일하게 분배된다. 소스가 4m까지 신장될 때에도, 플라즈마는 역시 길이에 대하여 균일하다.

전구체 가스 및 반응성 가스는 별개의 가스 매니폴드(114, 115)를 통하여 분배될 수 있다. 바람직하게는, 전구체 가스는 중앙 매니폴드(114)를 통하여 주입된다. 바람직하게는, 이러한 전자 방출면의 코팅을 감소시키기 위하여 전자 방출면(110, 111)을 따라 반응성 가스를 흐르게 하는 방식으로 반응성 가스는 매니폴드(115)를 통하여 주입된다. 선택적으로, 전자 방출면(110, 111)은 수 냉각 채널(112)을 통하여 냉각될 수 있다.

도 11의 배열은 하나의 전구체 기체가 사용될 때 매우 높은 증착 속도로 코팅 재료를 기질(11) 상에 증착하는데 사용될 수 있다. 증착 속도는 통상의 PECVD 장치의 용량을 넘어서 약 0.5μm/sec로 제공되어 달성될 수 있다. 또한, 본 장치는, 멀티층 코팅 스택을 생성하기 위하여 다른 전자 방출면 쌍 내로 주입되는 다른 전구체 가스로 작동될 수 있다. 또한, 좁게는 50mm로 4m 길이까지 될 수 있는, 하나의 장치로부터 멀티층 스택을 생성할 수 있는 용량은 통상의 PECVD 코팅 기술을 사용해서는 불가능하다.

도 5의 장치로부터 만들어지는 이산화규소(silicon dioxide) 코팅이 이하에 기술된다. PECVD 장치는 전체 약 150mm의 길이 및 50mm의 너비를 가진다. 중공 캐소드 전극의 저부로부터 유리 기질의 상부면까지 거리는 약 11mm로 고정되었다. 전체 4개의 중공 캐소드는 교류 전원에 인접하게 배치되어 연결되었다. 전구체 가스는 다스 스페이스(33)에 공급 튜브(36)를 통하여 공급되었고, 100 sccm의 속도로 공급되었다. 전구체 가스는 100% 테트라메틸디실옥산(tetramethyldisiloxane)이었다. 반응성 가스는 공급 튜브(35)를 통하여 중공 캐소드 공간에 공급되었다. 반응성 가스는 100% 산소였고, 300 sccm의 속도로 공급되었다. 기질(11)은 소다 라임 플로트 유리(soda-lime float glass) 조각이었고, 도 5의 PECVD 소스 아래에 정지된 상태로 유지되었다. 사용된 교류 전원은 40kHz의 교류 전원 공급원의 향상된 에너지 피이-Ⅱ(Advanced Energy PE-Ⅱ)이었다. 기질(11) 상에 코팅되는 영역의 크기는 50mm×100mm 이었다. 코팅 프로세스의 결과가 표 1에 주어져 있다.

실시예 1에 기술된 박막 코팅을 위한 증착 파라미터

전압(volts)	전류(amps)	전력(watts)	코팅 시간(초)	두께(mocrons)
354	8.4	3000	10	6.0

표 1에서 알 수 있듯이, 이산화규소의 박막 코팅은 10초 동안 정지된 유리 기질 상에 증착되어 6μ두께의 이산화규소 박막을 생성하였다. 이것은 0.6μm/sec의 증착 속도로 실행한다. 발명자가 현재 알고 있는 어떠한 다른 PECVD 장치도 이러한 높은 증착 속도가 가능하지 않다. 이산화규소 필름의 광학 특성은 질적으로 광학 현미경으로 검사되었고, 높은 평활도(smoothness)와 낮은 헤이즈(haze) 정도를 가지는 코팅을 나타내었다. 또한, 인장 응력은 이산화규소 코팅을 기질로부터 분리시키고 코팅의 어떠한 "휨(curling)"을 관찰함으로써 질적으로 평가되었다. 상당한 인장 응력이 코팅에 존재하였다면, 휘어짐이 예상되었을 것이다. 그러나, 어떠한 휨도 관찰되지 않았고, 이와 같이, 실시예 1의 이산화규소 코팅은 낮은 인장 응력을 가진다고 여겨졌다.

본 발명은 구체적인 실시예에 의해 기술되었지만, 기재된 구체적인 세부사항으로 한정하려는 것은 아니고, 통상의 기술자에 스스로 제안할 수 있는 다양한 변경 및 수정을 포함하고, 이하 청구범위에 의해 정해지는 발명의 범위 내로 모두 포함된다.

11 기질 12, 13 중공 캐소드
15 2차 전자 전류 16 전자 진동 영역
20 다스 스페이스 32 슬롯
42 절연벽 43 반응성 가스 매니폴드
44 전구체 가스 매니폴드 45 구멍
51, 52 전자 방출면 53 절연층
74 고밀도 플라즈마 영역

Claims

플라즈마 강화 화학 증기 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD)을 이용한 코팅 형성 방법으로서,
a) 제1 중공 캐소드와 제2 중공 캐소드 사이의 플라즈마를 제공하는 단계로서, 상기 플라즈마는 선형(linear)이고, 홀 전류(hall current)의 부재(absence)에서 플라즈마의 길이에 걸쳐 균일하게 만들어지는, 플라즈마를 제공하는 단계;
b) 상기 플라즈마에 근접한 전구체 가스(precursor gas) 및 반응성 가스(reactant gas)를 제공하는 단계;
c) 상기 플라즈마에 근접하여 코팅될 적어도 하나의 면을 구비한 기질을 제공하는 단계;
d) 상기 전구체 가스를 활성시키거나, 부분적으로 분해시키거나 또는 완전히 분해시키는 단계; 및
e) PECVD를 이용하여 상기 기질의 적어도 하나의 면 상에 코팅을 증착하는 단계를 포함하고,
상기 증착하는 단계는 상기 기질의 적어도 하나의 면 상에 코팅하기 위한 원하는 화학 원소를 포함하는 전구체 가스의 화학적 단편(chemical fragment)을 본딩(bonding) 또는 응축(condensing)하는 단계를 포함하는 코팅 형성 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.2μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.3μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.5μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마에 근접한 적어도 하나의 자기장을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기장은 플라즈마를 구부림(bend) 또는 고밀도화(densify)하도록 위치되는 코팅 형성 방법.
청구항 5에 있어서,
선형인 상기 플라즈마는 적어도 0.5m 길이인 코팅 형성 방법.
청구항 1에 있어서,
선형인 상기 플라즈마는 적어도 0.5m 길이인 코팅 형성 방법.
플라즈마 강화 화학 증기 증착(PECVD)을 이용한 코팅 형성 방법으로서,
a) 제1 중공 캐소드와 제2 중공 캐소드 사이의 플라즈마를 제공하는 단계로서, 상기 플라즈마는 2차원이고, 홀 전류의 부재에서 2차원으로 균일하게 만들어지는, 플라즈마를 제공하는 단계;
b) 상기 플라즈마에 근접한 전구체 가스 및 반응성 가스를 제공하는 단계;
c) 상기 플라즈마에 근접하여 코팅될 적어도 하나의 면을 구비한 기질을 제공하는 단계;
d) 상기 전구체 가스를 활성시키거나, 부분적으로 분해시키거나 또는 완전히 분해시키는 단계; 및
e) PECVD를 이용하여 상기 기질의 적어도 하나의 면 상에 코팅을 증착하는 단계를 포함하고,
상기 증착하는 단계는 상기 기질의 적어도 하나의 면 상에 코팅하기 위한 원하는 화학 원소를 포함하는 전구체 가스의 화학적 단편을 본딩 또는 응축하는 단계를 포함하는 코팅 형성 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.2μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.3μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.5μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 8에 있어서,
2차원인 상기 플라즈마는 적어도 0.5m 길이인 코팅 형성 방법.
플라즈마 강화 화학 증기 증착(PECVD)을 이용한 코팅 형성 방법으로서,
a) 제1 중공 캐소드와 제2 중공 캐소드 사이의 플라즈마를 제공하는 단계로서, 상기 플라즈마는 선형이고, 홀 전류의 부재에서 플라즈마의 길이에 걸쳐 균일하게 만들어지는, 플라즈마를 제공하는 단계
b) 상기 플라즈마에 근접한 전구체 가스 및 반응성 가스를 제공하는 단계;
c) 상기 플라즈마에 근접하여 코팅될 적어도 하나의 면을 구비한 기질을 제공하는 단계;
d) 상기 전구체 가스를 활성시키거나, 부분적으로 분해시키거나 또는 완전히 분해시키는 단계; 및
e) PECVD를 이용하여 상기 기질의 적어도 하나의 면 상에 코팅을 증착하는 단계를 포함하고,
상기 전구체 가스를 활성시키거나, 부분적으로 분해시키거나 또는 완전히 분해시키는 단계는 상기 기질의 적어도 하나의 면 상에 부착하는 응축가능한 분자형 개체(condensable molecular entities)를 형성하는 코팅 형성 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.2μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.3μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.5μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 플라즈마에 근접한 적어도 하나의 자기장을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기장은 플라즈마를 구부림 또는 고밀도화하도록 위치되는 코팅 형성 방법.
청구항 17에 있어서,
선형인 상기 플라즈마는 적어도 0.5m 길이인 코팅 형성 방법.
청구항 13에 있어서,
선형인 상기 플라즈마는 적어도 0.5m 길이인 코팅 형성 방법.
플라즈마 강화 화학 증기 증착(PECVD)을 이용한 코팅 형성 방법으로서,
a) 제1 중공 캐소드와 제2 중공 캐소드 사이의 플라즈마를 제공하는 단계로서, 상기 플라즈마는 2차원이고, 홀 전류의 부재에서 2차원으로 균일하게 만들어지는, 플라즈마를 제공하는 단계;
b) 상기 플라즈마에 근접한 전구체 가스 및 반응성 가스를 제공하는 단계;
c) 상기 플라즈마에 근접하여 코팅될 적어도 하나의 면을 구비한 기질을 제공하는 단계;
d) 상기 전구체 가스를 활성시키거나, 부분적으로 분해시키거나 또는 완전히 분해시키는 단계; 및
e) PECVD를 이용하여 상기 기질의 적어도 하나의 면 상에 코팅을 증착하는 단계를 포함하고,
상기 전구체 가스를 활성시키거나, 부분적으로 분해시키거나 또는 완전히 분해시키는 단계는 상기 기질의 적어도 하나의 면 상에 부착하는 응축가능한 분자형 개체를 형성하는 코팅 형성 방법.
청구항 20에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.2μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 21에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.3μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 22에 있어서,
상기 코팅은 적어도 0.5μm/sec의 증착 속도로 증착되는 코팅 형성 방법.
청구항 20에 있어서,
선형인 상기 플라즈마는 적어도 0.5m 길이인 코팅 형성 방법.
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플라즈마 강화 화학 증기 증착(PECVD)을 이용하여 코팅을 형성한 플라즈마 소스로서,
가스 함유 공간에 의해 분리되는 제1 중공 캐소드 및 제2 중공 캐소드;
전구체 가스 및 반응성 가스를 공급하기 위해 구성된 적어도 하나의 매니폴드 또는 튜브; 및
상기 제1 및 제2 중공 캐소드가 전기적으로 연결되는 전원으로서, 상기 제1 중공 캐소드에 공급되는 전압이 상기 제2 중공 캐소드에 공급되는 전압과 위상이 다르게 되도록 양 전압과 음 전압 사이로 교류하는 전압을 제공하도록 구성되어, 상기 제1 및 제2 중공 캐소드 사이로 흐르는 전자를 포함하는 전류를 생성하는 전원을 포함하고,
상기 전류는 홀 전류의 부재에서 플라즈마의 길이에 걸쳐 균일한, 상기 제1 및 제2 중공 캐소드 사이의 플라즈마를 생성하고,
전구체 가스는 상기 플라즈마에 근접한 상기 적어도 하나의 매니폴드 또는 튜브를 통하여 공급되고,
상기 플라즈마는 상기 전구체 가스를 활성시키거나, 부분적으로 분해시키거나 또는 완전히 분해시키는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 제1 중공 캐소드 및 상기 제2 중공 캐소드는 다공성 재료로 구성되는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 제1 중공 캐소드 및 상기 제2 중공 캐소드는 적어도 1mm 내지 0.5m 만큼 서로 분리되는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 제1 중공 캐소드 및 상기 제2 중공 캐소드는 적어도 600℃ 내지 2000℃의 온도인 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 제1 중공 캐소드 및 상기 제2 중공 캐소드는 적어도 800℃ 내지 1200℃의 온도인 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
전도성 영역과 상기 제1 및 제2 중공 캐소드를 전기적으로 분리시키는 전기적 절연체를 더 포함하는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 제1 및 제2 중공 캐소드의 적어도 하나에 배치된 제한 개구부를 더 포함하는 플라즈마 소스.
청구항 56에 있어서,
상기 제1 중공 캐소드에 배치된 제1 제한 개구부 및 상기 제2 중공 캐소드에 배치된 제2 제한 개구부를 더 포함하고,
상기 전류는 상기 제1 중공 캐소드로부터 상기 제1 제한 개구부, 상기 가스 함유 공간, 및 상기 제2 제한 개구부를 통하여 상기 제2 중공 캐소드로 흐르는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
제2 전기장을 발생시키는 제3 전극을 더 포함하고,
상기 제2 전기장은 전류가 통과하는 상기 가스 함유 공간으로 투영되는 플라즈마 소스.
청구항 58에 있어서,
상기 제2 전기장은 전류가 통과하는 상기 가스 함유 공간에서의 전자 및 이온 이동을 가속시키는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 가스 함유 공간에 근접한 자기장 소스를 더 포함하고,
상기 자기장 소스는 자기장을 상기 가스 함유 공간으로 투영시켜, 형성된 플라즈마가 상기 가스 함유 공간에서의 상기 자기장에 의해 고밀도화되는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 전원은 바이폴라 전원인 플라즈마 소스.
청구항 61에 있어서,
상기 바이폴라 전원은 교류 전압을 공급하도록 구성되는 플라즈마 소스.
청구항 61에 있어서,
상기 바이폴라 전원은 펄스형 전압을 공급하도록 구성되는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마는 적어도 0.5m의 길이인 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마는 적어도 1m의 길이인 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마는 선형인 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마는 2차원인 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 가스 함유 공간은 적어도 하나의 전구체 가스 및 반응성 가스를 함유하는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 전구체 가스는 금속, 전이 금속, 붕소, 탄소, 실리콘, 게르마늄, 셀레늄, 또는 이들의 조합을 포함하는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 반응성 가스는 산소, 질소, 할로겐, 수소, 또는 이들의 조합을 포함하는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 플라즈마 소스는 적어도 0.2μm/sec의 증착 속도로 코팅을 제공할 수 있는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 플라즈마 소스는 적어도 0.3μm/sec의 증착 속도로 코팅을 제공할 수 있는 플라즈마 소스.
청구항 50에 있어서,
상기 플라즈마 소스는 적어도 0.5μm/sec의 증착 속도로 코팅을 제공할 수 있는 플라즈마 소스.
플라즈마 강화 화학 증기 증착(PECVD)을 이용하여 코팅을 형성한 플라즈마 소스로서,
복수의 중공 캐소드 쌍으로서, 각각의 중공 캐소드 쌍은 가스 함유 공간에 의해 분리되는 제1 중공 캐소드 및 제2 중공 캐소드를 포함하는 복수의 중공 캐소드 쌍;
전구체 가스 및 반응성 가스를 공급하기 위해 구성된 적어도 하나의 매니폴드 또는 튜브; 및
상기 각각의 중공 캐소드 쌍이 전기적으로 연결되는 전원으로서, 각각의 중공 캐소드 쌍의 상기 제1 중공 캐소드에 공급되는 전압이 각각의 중공 캐소드 쌍의 상기 제2 중공 캐소드에 공급되는 전압과 위상이 다르게 되도록 양 전압과 음 전압 사이로 교류하는 전압을 제공하도록 구성되어, 각각의 중공 캐소드 쌍의 상기 제1 및 제2 중공 캐소드 사이로 흐르는 전자를 포함하는 전류를 생성하는 전원을 포함하고,
상기 복수의 중공 캐소드 쌍은 배열로 인접하여 배치되고,
상기 전류는 홀 전류의 부재에서 2차원으로 균일한, 각각의 중공 캐소드 쌍의 상기 제1 및 제2 중공 캐소드 사이의 2차원 플라즈마를 생성하고,
전구체 가스는 상기 플라즈마에 근접한 상기 적어도 하나의 매니폴드 또는 튜브를 통하여 공급되고,
상기 플라즈마는 상기 전구체 가스를 활성시키거나, 부분적으로 분해시키거나 또는 완전히 분해시키는 플라즈마 소스.
삭제
청구항 74에 있어서,
적어도 하나의 중공 캐소드 쌍의 상기 제1 중공 캐소드 및 상기 제2 중공 캐소드는 다공성 재료로 구성되는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
각각의 중공 캐소드 쌍의 상기 제1 중공 캐소드 및 상기 제2 중공 캐소드는 적어도 1mm 내지 0.5m 만큼 서로 분리되는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 제1 중공 캐소드 및 상기 제2 중공 캐소드는 적어도 600℃ 내지 2000℃의 온도인 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 제1 중공 캐소드 및 상기 제2 중공 캐소드는 적어도 800℃ 내지 1200℃의 온도인 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
전도성 영역과 상기 제1 및 제2 중공 캐소드를 전기적으로 분리시키는 전기적 절연체를 더 포함하는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 제1 및 제2 중공 캐소드의 적어도 하나에 배치된 제한 개구부를 더 포함하는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
각각의 중공 캐소드 쌍의 상기 제1 중공 캐소드에 배치된 제1 제한 개구부 및 상기 제2 중공 캐소드에 배치된 제2 제한 개구부를 더 포함하고,
상기 전류는 상기 제1 중공 캐소드로부터 상기 제1 제한 개구부, 상기 가스 함유 공간, 및 상기 제2 제한 개구부를 통하여 상기 제2 중공 캐소드로 흐르는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
제2 전기장을 발생시키는 제3 전극을 더 포함하고,
상기 제2 전기장은 전류가 통과하는 상기 가스 함유 공간으로 투영되는 플라즈마 소스.
청구항 83에 있어서,
상기 제2 전기장은 전류가 통과하는 상기 가스 함유 공간에서의 전자 및 이온 이동을 가속시키는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 가스 함유 공간에 근접한 자기장 소스를 더 포함하고,
상기 자기장 소스는 자기장을 상기 가스 함유 공간으로 투영시켜, 형성된 플라즈마가 상기 가스 함유 공간에서의 상기 자기장에 의해 고밀도화되는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 전원은 바이폴라 전원인 플라즈마 소스.
청구항 86에 있어서,
상기 바이폴라 전원은 교류 전압을 공급하도록 구성되는 플라즈마 소스.
청구항 86에 있어서,
상기 바이폴라 전원은 펄스형 전압을 공급하도록 구성되는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마는 적어도 0.5m의 길이인 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마는 적어도 1m의 길이인 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마는 선형인 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마는 2차원인 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 가스 함유 공간은 적어도 하나의 전구체 가스 및 반응성 가스를 함유하는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 전구체 가스는 금속, 전이 금속, 붕소, 탄소, 실리콘, 게르마늄, 셀레늄, 또는 이들의 조합을 포함하는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 반응성 가스는 산소, 질소, 할로겐, 수소, 또는 이들의 조합을 포함하는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 플라즈마 소스는 적어도 0.2μm/sec의 증착 속도로 코팅을 제공할 수 있는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 플라즈마 소스는 적어도 0.3μm/sec의 증착 속도로 코팅을 제공할 수 있는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
상기 플라즈마 소스는 적어도 0.5μm/sec의 증착 속도로 코팅을 제공할 수 있는 플라즈마 소스.
삭제
청구항 50에 있어서,
연속하여 위치되는 복수의 매니폴드를 포함하고, 각각의 매니폴드는 하나 이상의 전구체 가스를 공급하도록 구성되는 플라즈마 소스.
청구항 74에 있어서,
복수의 매니폴드를 포함하고, 각각의 매니폴드는 하나 이상의 전구체 가스를 공급하도록 구성되는 플라즈마 소스.